(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の２次電池と、
前記第１の２次電池と直列に接続される第２の２次電池と、
前記第１の２次電池および前記第２の２次電池を商用交流電力により充電する充電器と、
前記第１の２次電池および前記第２の２次電池により供給される直流電力から前記商用交流電力に同期した交流電力を生成するハーフブリッジ型インバータと、
前記商用交流電力および前記ハーフブリッジ型インバータにより生成された交流電力をカップリングコンデンサにより合成する交流電力合成部と、を含み、
前記充電器が、
１つの１次巻線、第１の２次巻線および第２の２次巻線を有し、前記１次巻線が上記商用交流電力により励磁される充電器用トランスと、
前記第１の２次巻線に発生する交流電力を整流する第１のダイオードおよび前記第２の２次巻線に発生する交流電力を整流する第２のダイオードを含み、
前記ハーフブリッジ型インバータが、
前記第１の２次電池の正極にソース端子が接続される第１のスイッチング素子と、
前記第１の２次電池の負極にドレン端子が接続される第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子のドレン端子と前記第２のスイッチング素子のソース端子の接続点に一方の端子が接続されるチョークコイルと、
前記チョークコイルの他方の端子が一方の端子に接続され、他方の端子が前記第１の２次電池の負極と前記第２の２次電池の正極との結合点に接続される積分コンデンサとを含み、
前記交流電力合成部が、
前記商用交流電力を供給する商用電源の一方の極に一方の端子が接続される商用電源用カップリングコンデンサと、
前記積分コンデンサの一方の端子に一方の端子が接続されるインバータ用カップリングコンデンサを含み、
前記商用電源用カップリングコンデンサの他方の端子と前記インバータ用カップリングコンデンサの他方の端子の接続点が一方の出力端であり、前記積分コンデンサの他方の端子が他方の出力端子である無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無停電電源装置に係り、特に、構成を簡易化することのできる無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会においてはＩＴシステムがインフラとして重要となっており、商用電源の喪失によるＩＴシステムの停止は社会活動の継続性に大きな影響を及ぼす。
【０００３】
そこで、商用電源の喪失に対する備えとして、ＩＴシステムの中枢であるサーバに無停電電源装置を設置する場合が増えてきており、すでに多くの無停電電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
無停電電源装置の大部分は、通常は負荷に商用電源から電力を供給し、停電時には２次電池に蓄電されている電力をインバータにより交流に変換して負荷へ電力を供給するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−９７６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の無停電電源装置は商用電力とインバータから供給される電力との切り換えをスイッチにより行うものが多く、スイッチの高速化、同期切り換え等が必要となり、無停電電源装置の構成が複雑化することは不可避であった。
【０００７】
さらに、複数の無停電電源装置の並列接続、自家用発電設備との協調運転等も困難を伴う場合が多かった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、構成を簡易化できるとともに、他の電源との併用を容易に実現可能な無停電電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る無停電電源装置は、第１の２次電池と、前記第１の２次電池と直列に接続される第２の２次電池と、前記第１の２次電池および前記第２の２次電池を商用交流電力により充電する充電器と、前記第１の２次電池および前記第２の２次電池により供給される直流電力から前記商用交流電力に同期した交流電力を生成するハーフブリッジ型インバータと、前記商用交流電力および前記ハーフブリッジ型インバータにより生成された交流電力をカップリングコンデンサにより合成する交流電力合成部と、を含む構成を有している。
【００１０】
本発明に係る無停電電源装置は、
前記充電回路が、１つの１次巻線、第１の２次巻線および第２の２次巻線を有し前記１次巻線が上記商用交流電力により励磁される充電器用トランスと、前記第１の２次巻線に発生する交流電力を整流する第１のダイオードおよび前記第２の２次巻線に発生する交流電力を整流する第２のダイオードを含み、
前記ハーフブリッジ型インバータが、前記第１の２次電池の正極にカソード端子が接続される第１のスイッチング素子と、前記第１の２次電池の負極にアノード端子が接続される第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子のアノード端子と前記第２のスイッチング素子のカソード端子の接続点に一方の端子が接続されるチョークコイルと、前記チョークコイルの他方の端子が一方の端子に接続され他方の端子が前記第１の２次電池の負極と前記第２の２次電池の正極との結合点に接続される積分コンデンサとを含み、
交流電力合成部が、前記商用交流電源の一方の極に一方の端子が接続される商用電源用カップリングコンデンサと、前記積分コンデンサの一方の端子に一方の端子が接続されるインバータ用カップリングコンデンサを含み、
前記商用電源用カップリングコンデンサの他方の端子と前記インバータ用カップリングコンデンサの他方の端子の接続点が一方の出力端であり前記積分コンデンサの他方の端子が他方の出力端子である構成を有している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、構成を簡易化できるとともに、他の電源との併用を容易に実現可能な無停電電源装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る無停電電源装置の構成図である。
【図２】本発明に係る無停電電源装置のＡ〜Ｅ点の電圧波形図である。
【図３】ハーフブリッジ型インバータの動作状態を説明するための等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面を参照しながら、本発明に係る無停電電源装置の実施形態を説明する。
【００１４】
すなわち、本発明に係る無停電電源装置１は、図１の構成図に示すように、第１の２次電池１１と、第１の２次電池１１と直列に接続される第２の２次電池１２と、第１の２次電池１１および第２の２次電池１２を商用交流電力により充電する充電器１３と、第１の２次電池１１および第２の２次電池１２により供給される直流電力から商用交流電力に同期した交流電力を生成するハーフブリッジ型インバータ１４と、商用交流電力およびハーフブリッジ型インバータ１４により生成された交流電力をカップリングコンデンサにより合成する交流電力合成回路１５とから構成されている。
【００１５】
第１の２次電池１１および第２の２次電池１２は、たとえばリチウム電池であり、各々は１２ボルトのセルを１２個直列に接続した１４４ボルトの直流電力を出力する。
【００１６】
充電器１３は、リレイ１３１、充電器用トランス１３２、充電電流測定回路１３３、第１のダイオード１３４および第２のダイオード１３５を含む。
【００１７】
充電器用トランス１３２は、１つの１次巻線と２つの２次巻線を有する。
【００１８】
１次巻線の一端はリレイ１３１を介して商用電源の一方の端子に接続され、１次巻線の他端は充電電流測定回路１３３を介して商用電源の他方の端子（接地側）に接続されている。
【００１９】
第１の２次巻線の一端には第１のダイオード１３４のアノード電極が、第２の２次巻線の一端には第２のダイオード１３５のアノード電極が接続されている。
【００２０】
また、第１のダイオード１３４のカソード電極は第１の２次電池１１の正極に、第２のダイオード１３５のカソード電極は第２の２次電池１２の正極に接続されている。
【００２１】
さらに、第１の２次巻線の他端は第１の２次電池１１の負極に、第２の２次巻線の他端は第２の２次電池１２の負極に接続されている。
【００２２】
なお、第１の２次電池１１の負極と、第２の２次電池１２の正極は共通に接地されている。
【００２３】
ハーフブリッジ型インバータ１４は、第１のスイッチング素子１４１、第２のスイッチング素子１４２、チョークコイル１４３、積分コンデンサ１４４、スイッチング制御回路１４５および位相検出用トランス１４６を含む。
【００２４】
第１のスイッチング素子１４１および第２のスイッチング素子１４２としては、たとえばＭＯＳ−ＦＥＴを適用することができる。
【００２５】
第１のスイッチング素子１４１のソース端子は第１の２次電池１１の正極に、第２のスイッチング素子１４２のドレン端子は第２の２次電池１２の負極に接続され、第１のスイッチング素子１４１のドレン端子および第２のスイッチング素子１４２のソース端子はチョークコイル１４３の一方の端子に共通に接続される。
【００２６】
チョークコイル１４３の他方の端子は積分コンデンサ１４４の一方の端子に接続され、積分コンデンサ１４４の他方の端子は接地されている。
【００２７】
スイッチング制御回路１４５は、第１のスイッチング素子１４１および第２のスイッチング素子１４２のゲート端子に、位相検出用トランス１４６により検出される商用電源に同期したスイッチング信号を供給する。
【００２８】
交流電力合成回路１５は、商用電源用カップリングコンデンサ１５１とインバータ用カップリングコンデンサ１５２を含む。
【００２９】
商用電源用カップリングコンデンサ１５１の一方の端子は商用電源の一方の端子に接続され、インバータ用カップリングコンデンサ１５２の一方の端子はハーフブリッジ型インバータ１４の出力の一方の端子であるチョークコイル１４３の他方の端子と積分コンデンサ１４４の一方の端子の接続点に接続されている。
【００３０】
商用電源用カップリングコンデンサ１５１の他方の端子とインバータ用カップリングコンデンサ１５２の他方の端子は共通に接続されて、本発明に係る無停電電源装置１の出力の一方の端子となる。なお、本発明に係る無停電電源装置１の出力の他方の端子は接地端子である。
【００３１】
以下本発明に係る無停電電源装置の動作を説明する。
【００３２】
図２は、図１に示す無停電電源装置のＡ〜Ｅ点の電圧波形図であって、Ａ点の波形は商用電源の波形となる。
【００３３】
充電器１３の充電電流測定回路１３３において、第１の２次電池１１および第２の２次電池１２が充電可能な状態、すなわち、充電電流が所定値以上流れていれば、リレイ１３１は接続状態を維持し、充電器用トランス１３２の１次巻線に商用電力が供給される。
【００３４】
充電器用トランス１３２の２つの２次巻線には第１の２次電池１１および第２の２次電池１２を充電可能な電圧の交流電力が誘起され、第１のダイオード１３４および第２のダイオード１３５により半波整流される。
【００３５】
そして、第１のダイオード１３４から出力される直流電力により第１の２次電池１１が充電され、第２のダイオード１３５から出力される直流電力により第２の２次電池１２が充電される。
【００３６】
なお、第１の２次電池１１および第２の２次電池１２が満充電状態となれば、充電電流は所定値以下となり、充電電流測定回路１３３はリレイ１３１を開放状態とし、第１の２次電池１１および第２の２次電池１２の過充電を防止するようになっている。
【００３７】
ハーフブリッジ型インバータ１４のスイッチング制御回路１４５は、位相検出用トランス１４６により検出される商用電源の位相に同期して、第１のスイッチング素子１４１および第２のスイッチング素子１４２を制御し、商用電源と同期した交流電力を発生するようになっている。
【００３８】
図３はハーフブリッジ型インバータ１４の動作状態を説明するための等価回路図であって、４つの動作状態がある。
【００３９】
（イ）は第１のスイッチング素子１４１が接続状態、第２のスイッチング素子１４２が開放状態であり、電流は第１の２次電池１１の正極から第１のスイッチング素子１４１およびチョークコイル１４３を経て積分コンデンサ１４４に流入し、第１の２次電池１１の負極に戻る。
【００４０】
（ロ）は第１のスイッチング素子１４１が開放状態に移行し、第２のスイッチング素子１４２が開放状態を維持している状態であり、チョークコイル１４３の電流を維持する機能により、第２のスイッチング素子１４２が内蔵するボディダイオードがオンとなり、転流電流が流れる。
【００４１】
（ハ）は第１のスイッチング素子１４１が開放状態、第２のスイッチング素子１４２が接続状態であり、電流は第２の２次電池１２の正極から積分コンデンサ１４４に流入し、チョークコイル１４３および第２のスイッチング素子１４２を経て第２の２次電池１２の負極に戻る。
【００４２】
（ニ）は第１のスイッチング素子１４１が開放状態を維持し、第２のスイッチング素子１４２が開放状態に移行した状態であり、チョークコイル１４３の電流を維持する機能により、第１のスイッチング素子１４１が内蔵するボディダイオードがオンとなり、転流電流が流れる。
【００４３】
スイッチング制御回路１４５は、第１のスイッチング素子１４１および第２のスイッチング素子１４２のゲートにスイッチング制御信号を供給し、第１のスイッチング素子１４１および第２のスイッチング素子１４２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。
【００４４】
すなわち、スイッチング制御回路１４５は、スイッチング制御信号としてパルス幅制御されたスイッチング制御信号を出力する。
【００４５】
その結果、第１のスイッチング素子１４１または第２のスイッチング素子１４２を流れる電流は、商用電源の正弦波状電圧に比例して増減するパルス幅を有することとなる。
【００４６】
このパルス状の電流は積分コンデンサ１４４で積分されるため、積分コンデンサ１４４の両端には、商用電源に同期した交流電力が発生する。
【００４７】
なお、スイッチング制御回路１４５は位相検出用トランス１４６の出力電圧が所定値以下に低下したときに動作を開始するようになっている。
【００４８】
交流電力合成回路１５において、商用電源は商用電源用カップリングコンデンサ１５１により、ハーフブリッジ型インバータ１４の発生した交流電力はインバータ用カップリングコンデンサ１５２により、直流成分が取り除かれて、商用電源電力とハーフブリッジ型インバータ１４の発生した交流電力とが合成される。
【００４９】
そして、商用電源が正常であるときは、位相検出用トランス１４６の出力電圧は所定値より大となり、ハーフブリッジ型インバータ１４は動作しない。
【００５０】
この結果、交流電力合成回路１５からは商用電力がそのまま出力されることとなる。
【００５１】
逆に、商用電源の電圧が所定電圧以下に低下すると、位相検出用トランス１４６の出力電圧は所定値以下となり、ハーフブリッジ型インバータ１４が動作し、交流電力を発生する。
【００５２】
なお、ハーフブリッジ型インバータ１４が発生する交流電力は商用電源電力と同期しているため、商用電源からインバータ電源への移行の際に電力の瞬断が発生することはない。
【００５３】
なお、商用電源の電圧が復帰した際にも、瞬断が発生しないことは明らかである。
【００５４】
なお、本発明に係る無停電電源装置１は、無停電電源装置１に接続される負荷に流れる負荷電流測定回路１６を含んでいてもよい。
【００５５】
負荷電流測定回路１６は、本発明に係る無停電電源装置１が商用電源電力を出力しているときは緑色灯を点灯し、ハーフブリッジ型インバータ１４が発生する交流電力を出力しているときは黄色用を点灯する。
【００５６】
ハーフブリッジ型インバータ１４が発生する交流電力の電流が所定値以下に低下したときは赤色灯を点灯して、使用者に２次電池が過放電となる旨を警告する。
【００５７】
上記実施例においては、第１の２次電池１１および第２の２次電池１２を商用電源電力により充電する場合について説明したが、太陽電池、風力発電機等の直流電源により充電することも可能であることは明らかである。
【００５８】
さらに、交流電力合成回路１５において、他の無停電電源装置、自家発電装置等の他の交流電源が供給する交流電力も結合コンデンサを介して容易に合成可能であることも明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、無停電電源装置の構成を簡易化できるとともに、他の電源との併用も容易に実現することができ、産業上有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１  無停電電源装置
１１  第１の２次電池
１２  第２の２次電池
１３  充電器
１４  ハーフブリッジ型インバータ
１５  交流電力合成回路
１６  負荷電流測定回路
１３１  リレイ
１３２  充電器用トランス
１３３  充電電流測定回路
１３４  第１のダイオード
１３５  第２のダイオード
１４１  第１のスイッチング素子
１４２  第２のスイッチング素子
１４３  チョークコイル
１４４  積分コンデンサ
１４５  スイッチング制御回路
１４６  位相検出用トランス
１５１  商用電源用カップリングコンデンサ
１５２  インバータ用カップリングコンデンサ
【図１】
0005771116.tif 000002
【図２】
0005771116.tif 000003
【図３】
0005771116.tif 000004