(57)【要約】  【課題】損失が少なく、しかも小形・高効率・低価格の無停電電源装置を提供する。  【解決手段】停電を除く入力電源電圧の変動時には、第１の運転モードとして、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の電力変換動作によりトランスの二次巻線の電圧を調整して交流出力電圧を安定化させると共に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器にて変換される直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器を介して交流母線との間で授受し、入力電源の停電時には、第２の運転モードとして、電力貯蔵手段の直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して負荷に安定した交流電力を供給する無停電電源装置に関する。第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の交流端子と第２のＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子との間に開閉器１０を接続し、入力電源が健全な第１の運転モードでは開閉器１０を開放し、停電時の第２の運転モードでは、開閉器１０を閉じて第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５を並列運転させる。【選択図】図１
2006345647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流入出力端子間の交流母線に二次巻線が直列に接続されたトランスと、このトランスの一次巻線に交流端子が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１のＤＣ／ＡＣ変換器との間で電力を授受するための直流部を共通にし、かつ、交流端子が交流出力端子に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直流部に接続された電力貯蔵手段と、を備えた無停電電源装置であって、
停電を除く入力電源電圧の変動時には、第１の運転モードとして、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の電力変換動作により前記二次巻線の電圧を調整して交流出力電圧を安定化させると共に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器にて変換される直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器を介して前記交流母線との間で授受し、入力電源の停電時には、第２の運転モードとして、前記電力貯蔵手段の直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して負荷に安定した交流電力を供給する無停電電源装置において、
第１のＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子と第２のＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子との間に開閉手段を接続し、
入力電源が健全な第１の運転モードでは前記開閉手段を開放し、入力電源が停電した第２の運転モードでは、前記開閉手段を閉じて第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器を並列運転させることを特徴とした無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力商用電源が変動した場合でも負荷に安定した交流電力を供給する無停電電源装置に関し、詳しくは、直列電圧補償式無停電電源装置を小形・低価格化、高効率化するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の直列電圧補償式無停電電源装置の回路構成を示す図である。
図３において、交流入力端子ｕと交流出力端子Ｕとの間の交流母線３１には、サイリスタ式交流スイッチ４とトランス１の二次巻線１ｂとが直列に接続され、このトランス１の一次巻線１ａには、半導体ブリッジ２０，２１からなる第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の交流端子がリアクトル９を介して接続されている。なお、７はフィルタコンデンサである。
【０００３】
また、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４と直流部を共通とする、半導体ブリッジ２２，２３からなる第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の交流端子は、リアクトル６を介して交流出力端子Ｕ，Ｖに接続されていると共に、交流出力端子Ｕ，Ｖの間には、フィルタコンデンサ８が接続されている。また、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の直流部には、電力貯蔵手段としての蓄電池３が接続されている。なお、３２は交流入出力端子ｖ，Ｖの間の交流母線を示す。
ここで、半導体ブリッジ２０〜２３は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子に還流ダイオードを逆並列接続したものを２個直列に接続して構成されている。
【０００４】
上記構成において、交流入力端子ｕ，ｖに接続される入力電源（商用電源）の電源電圧が停電と判定されない範囲で変動している場合には、第１の運転モードとして、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４を動作させてトランス１の一次側電圧を制御することにより、その二次側電圧を調節することが可能である。すなわち、入力電源電圧の変動分をトランス１の二次巻線１ｂの電圧によって直列的に補償することにより、交流出力端子Ｕ，Ｖを介して負荷に安定した電圧を供給することが可能になる。
【０００５】
ここで、入力電源電圧の変動が電圧低下であれば、その電圧低下を補償するためにトランス１は電圧加算を行う。その状態で交流母線３１，３２に負荷電流が流れると、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４からトランス１を介して交流母線３１，３２側に電力を注入することになる。
その際に必要となるエネルギーは、直流部を共通とした第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をコンバータ動作（整流器動作）させることで交流母線３１，３２から供給される。
【０００６】
逆に、入力電源電圧の変動が電圧上昇であれば、その電圧上昇を補償するために、トランス１が電圧減算を行う。その状態で交流母線３１，３２に負荷電流が流れると、トランス１を介して第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４が直流電力を吸収することになる。この直流電力（エネルギー）は、直流部を共通とした第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をインバータ動作させることで交流母線３１，３２側に回生される。
【０００７】
図４は、入力電源電圧の正常期間、低下期間、上昇期間のそれぞれについて、電源電圧、トランス１の二次側電圧、無停電電源装置の出力電圧を示したものである。
図４から明らかなように、入力電圧の低下期間、上昇期間の何れにおいても、正常期間と同様に一定の電圧を無停電電源装置から出力させることが可能になっている。
【０００８】
なお、入力電源が停電した場合には、第２の運転モードとして、図３におけるサイリスタ式ＡＣスイッチ４を開放して電源を交流母線３１，３２から切り離し、蓄電池３の直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５により交流電力に変換して負荷に安定した電力を供給することができる。
このような直列電圧補償式無停電電源装置の詳細な動作については、特許文献１，２に開示されている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４６５１２６５号明細書（ＦＩＧ.６Ａ等）
【特許文献２】特許第３３９０００７号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
さて、無停電電源装置では、装置効率の向上と小形・低価格化が大きな課題となっている。
従来技術においては、図３に示す無停電電源装置の定格を１００％とした場合、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５及びリアクトル６の容量は、入力電源が停電した場合のために、装置定格と同じ１００％の容量が必要になる。また、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４及びリアクトル９の容量は、入力電源が停電する前の電圧変動補償範囲を一般的な無停電電源装置に要求されている範囲である１５％以上を想定して２０％と設定すると、各々装置定格の２０％が必要となる。
よって、従来技術では、第１，第２の電力変換器２４，２５の合計容量として装置定格の１２０％が必要であり、同様にリアクトル６，９の合計容量も装置定格の１２０％必要になっている。
【００１１】
また、従来の無停電電源装置の発生損失のうち、最も多くの時間を占める、入力電源が停電とならない範囲での発生損失は、２０％の容量を持つ、ＤＣ／ＡＣ変換器２４とリアクトル９の動作損失と、１００％の容量を持ちつつ待機運転状態にある、ＤＣ／ＡＣ変換器２５とリアクトル６の無負荷損失との合計値となる。
ここで、一般的なＤＣ／ＡＣ変換器の動作損をその変動容量の３％、無負荷損を０．５％と仮定し、同様にリアクトルの動作損をリアクトルの容量の１％、無負荷損を０．５％と仮定すると共に、サイリスタ式交流スイッチ４やトランス１など、その他の損失を１％とすると、図３に示す無停電電源装置の効率は、
１００％−｛２０％×（３％＋１％）＋１００％×（０．５％＋０．５％）＋１｝≒９７．２％となる。
【００１２】
以上述べたように、図３に示した従来技術では装置効率が約９７．２％程度であり、その回路構成本来の特性から、一層の高効率化は困難である。
そこで本発明の解決課題は、従来技術よりも更に損失が少なく、しかも小形・高効率・低価格の無停電電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、交流入出力端子間の交流母線に二次巻線が直列に接続されたトランスと、このトランスの一次巻線に交流端子が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１のＤＣ／ＡＣ変換器との間で電力を授受するための直流部を共通にし、かつ、交流端子が交流出力端子に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直流部に接続された電力貯蔵手段と、を備えた無停電電源装置であって、
停電を除く入力電源電圧の変動時には、第１の運転モードとして、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の電力変換動作により前記二次巻線の電圧を調整して交流出力電圧を安定化させると共に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器にて変換される直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器を介して前記交流母線との間で授受し、入力電源の停電時には、第２の運転モードとして、前記電力貯蔵手段の直流電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器により交流電力に変換して負荷に安定した交流電力を供給する無停電電源装置において、
第１のＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子と第２のＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子との間に開閉手段を接続し、
入力電源が健全な第１の運転モードでは前記開閉手段を開放し、入力電源が停電した第２の運転モードでは、前記開閉手段を閉じて第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器を並列運転させるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、入力電源が停電した第２の運転モードにおいて、開閉手段により第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子を接続して両者を並列運転し、負荷に電力を供給することで、第２のＤＣ／ＡＣ変換器に要求される容量を従来よりも小さくすることができる。これにより、無停電電源装置全体の小形化、低価格化が可能となる。
また、第２のＤＣ／ＡＣ変換器の容量を小さくできることで、入力電源の健全時における第２のＤＣ／ＡＣ変換器の無負荷損失も小さくなり、無停電電源装置全体の効率も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１はこの実施形態の回路構成図であり、図３と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００１６】
図１において、トランス１の一次巻線１ａの両端と交流出力端子Ｕ，Ｖとの間（第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の交流端子相互間）には、開閉器１０が接続されており、この開閉器１０を閉じてＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５を並列運転することにより、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の出力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の出力と共に交流出力端子Ｕ，Ｖから負荷に供給可能となっている。
【００１７】
上述した回路構成において、入力電源の健全時であって停電を除く入力電源電圧の変動時には、サイリスタ式交流スイッチ４をオンし、第１の運転モードにより従来と同様の動作を行って出力電圧を安定化させる。その際、開閉器１０は開状態となっている。
【００１８】
次に、入力電源が停電した第２の運転モードでは、サイリスタ式交流スイッチ４をオフし、かつ開閉器１０を閉じて第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５を並列運転する。これにより、蓄電池３の直流電力を第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の双方により交流電力に変換し、その和を交流出力端子Ｕ，Ｖから負荷に供給する。このため、電源健全時と同様に安定した交流電力を負荷に供給することができる。
【００１９】
この時、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５と第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４との電流分担比率は、おおよそ、各々に接続されているリアクトル６とリアクトル９の容量に比例（インピーダンスに反比例）することになる。従って、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４と第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５との合計容量を装置定格と同じ１００％に設定し、リアクトル９とリアクトル６との合計容量も、同様の比率で装置定格と同じ１００％に設定すればよいことになる。
【００２０】
この時の各電流及び容量の関係の一例を、図２に示す。図２に示すように、入力電源３０の停電時に開閉器１０を閉じて第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５を並列運転することにより、例えば装置定格の８０％の容量を有する第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５及びリアクトル６側から装置定格の８０％の電流が負荷４０に供給され、装置定格の不足分である２０％の電流が、装置定格の２０％の容量を有する第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４及びリアクトル９側から供給されることになる。
【００２１】
従来の装置では、入力電源が停電とならない通常範囲での電圧補償範囲を１５％とし、余裕をもって第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４及びリアクトル９の容量をそれぞれ装置定格の２０％に設定した場合、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の合計容量、及びリアクトル６，９の合計容量が各々１２０％必要であったのに対し、本実施形態によれば何れも１００％で足りることになり、装置全体としての小形化、低価格化が可能となる。
【００２２】
また、本実施形態では、前述したように第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４及びリアクトル９の容量を各々装置定格の２０％に設定した場合、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５とリアクトル６は各々装置定格の８０％となり、従来では各々１００％必要であった場合に比べて第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５及びリアクトル６の小形化、低価格化を図ることができる。
【００２３】
ここで、一般的な、ＤＣ／ＡＣ変換器の動作損をその変換器容量の３％、無負荷損を０．５％と仮定し、同様にリアクトルの動作損をリアクトル容量の１％、無負荷損を０．５％とし、更に、サイリスタ式交流スイッチ４やトランス１等のその他の損失を１％とすると、本実施形態に係る無停電電源装置の効率は、
１００％−｛２０％×（３％＋１％）＋８０％×（０．５％＋０．５％）＋１｝＝９７．４％となり、図３に示した従来技術よりも高効率化が可能となる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、図１に示したように単相の装置につき説明したが、本発明は三相など多相の無停電電源装置においても同様の効果が得られることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示す回路構成図である。
【図２】本発明の実施形態における各部容量と電流分担の関係を示す図である。
【図３】従来の直列電圧補償式無停電電源装置の回路構成図である。
【図４】図３の動作を示す波形図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：トランス
１ａ：一次巻線
１ｂ：二次巻線  
３：蓄電池
４：サイリスタ式交流スイッチ
６，９：リアクトル
７，８：フィルタコンデンサ
１０：開閉器
２０，２１，２２，２３：半導体ブリッジ
２４，２５：ＤＣ／ＡＣ変換器
３０：入力商用電源
３１，３２：交流母線
４０：負荷
ｕ，ｖ：交流入力端子
Ｕ，Ｖ：交流出力端子
【図１】
2006345647.tif 000003
【図２】
2006345647.tif 000004
【図３】
2006345647.tif 000005
【図４】
2006345647.tif 000006