(57)【要約】【課題】商用電源からの入力電力を負荷に供給すると共に、商用電源の停電時にはバッテリーの直流電力を交流電力に変換して負荷に交流電力として供給する無停電電源装置において、並列コンバータによる力率改善制御精度が悪い場合、または力率改善制御がない場合でも、負荷電流波形の一部が遮断されることがない無停電電源装置を提供する。【解決手段】無停電電源装置の制御回路が、切換スイッチのスイッチング素子に対して当該スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の半サイクル区間に前導通区間を加えた区間または後導通区間を加えた区間で導通させるように、切換スイッチを制御するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源からの入力電力を負荷に供給すると共に、前記商用電源の停電時にはバッテリーの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に交流電力として供給する無停電電源装置において、
当該無停電電源装置の入力端に入力される交流電力の入力電圧を検出する電圧検出回路と、前記商用電源の正常時には前記入力電圧と同極性の電流を流す切換スイッチと、前記商用電源に対して並列で前記切換スイッチの出力端に接続された第１電力変換器と、この第１電力変換器から出力された直流電力を前記商用電源の正常時には前記バッテリーに充電し、前記商用電源の停電時には前記バッテリーの直流電力を昇圧して前記第１電力変換器に供給する充電昇圧回路と、前記商用電源に対して直列で前記切換スイッチの出力端に接続された第２電力変換器と、前記電圧検出回路での検出結果に基づいて前記切換スイッチ、前記第１電力変換器および前記第２電力変換器を制御する制御回路とを備え、
前記切換スイッチは、第１ダイオード素子と第１スイッチング素子とが逆並列に接続されている第１並列回路と、第２ダイオード素子と第２スイッチング素子とが逆並列に接続されている第２並列回路とを有し、前記第１並列回路と前記第２並列回路とは直列かつ逆方向に接続されているものであり、
前記制御回路は、前記第１スイッチング素子に対して当該第１スイッチング素子が対応する前記入力電圧の極性の第１半サイクル区間に第１前導通区間を加えた区間で導通させると共に、前記第２スイッチング素子に対して当該第２スイッチング素子が対応する前記入力電圧の極性の第２半サイクル区間に第２前導通区間を加えた区間で導通させるか、または、前記第１スイッチング素子に対して当該第１スイッチング素子が対応する前記入力電圧の極性の第１半サイクル区間に第１後導通区間を加えた区間で導通させると共に、前記第２スイッチング素子に対して当該第２スイッチング素子が対応する前記入力電圧の極性の第２半サイクル区間に第２後導通区間を加えた区間で導通させるように、前記切換スイッチを制御することを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
前記制御回路に接続された調整器を備え、この調整器は、前記第１前導通区間及び前記第２前導通区間または前記第１後導通区間及び前記第２後導通区間を調整可能であることを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
【請求項３】
当該無停電電源装置の前記入力端に入力される交流電力の入力電流を検出する電流検出器を備え、前記制御回路は、前記電流検出器の検出結果に基づいて、前記第１前導通区間及び前記第２前導通区間または前記第１後導通区間及び前記第２後導通区間を調整するように前記調整器を制御することを特徴とする請求項２記載の無停電電源装置。
【請求項４】
前記第１前導通区間及び前記第２前導通区間または前記第１後導通区間及び前記第２後導通区間は、電気角が０度より大きく５５度以下に相当する区間であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無停電電源装置。
【請求項５】
前記第２電力変換器は、前記第１前導通区間及び前記第２前導通区間または前記第１後導通区間及び前記第２後導通区間において、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子が同時に導通することに伴う出力電圧低下を補償して交流電力を出力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、商用電源からの入力電力を負荷に供給すると共に、商用電源の停電時には、バッテリーに蓄えられたエネルギーを用いて負荷に電力供給するようにした無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の無停電電源装置では、入力端における交流電力の入力電圧の異常を検出しないときには、入力端への入力電圧と同極性の電流を流すスイッチング素子が導通するように切換スイッチを制御すると共に、並列コンバータを制御してバッテリーのエネルギーが規定値となり且つ入力端に入力される交流電力の力率が１となるように並列コンバータを流れる電流を調整し、入力電圧の異常を検出したときには、切換スイッチを遮断制御すると共に、バッテリーをエネルギー源として所定電圧の交流電力を負荷に供給するように並列コンバータを制御している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５９５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の無停電電源装置では、並列コンバータによる力率改善制御制度が悪くて力率が１からずれてしまい、例えば、負荷電流が入力電圧に対して進み位相となった場合、電流が正極性でも電圧が負極性の間は切換スイッチのスイッチング素子が導通していないので、負荷電流波形の一部が遮断されてしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は、無停電電源装置において上述のような課題を解決するためになされたもので、並列コンバータによる力率改善制御精度が悪い場合、または力率改善制御がない場合でも、負荷電流波形の一部が遮断されることがない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】
【０００６】
この発明における無停電電源装置は、商用電源からの入力電力を負荷に供給すると共に、商用電源の停電時にはバッテリーの直流電力を交流電力に変換して負荷に交流電力として供給する無停電電源装置において、当該無停電電源装置の入力端に入力される交流電力の入力電圧を検出する電圧検出回路と、商用電源の正常時には入力電圧と同極性の電流を流す切換スイッチと、商用電源に対して並列で切換スイッチの出力端に接続された第１電力変換器と、この第１電力変換器から出力された直流電力を商用電源の正常時にはバッテリーに充電し、商用電源の停電時にはバッテリーの直流電力を昇圧して第１電力変換器に供給する充電昇圧回路と、商用電源に対して直列で切換スイッチの出力端に接続された第２電力変換器と、電圧検出回路での検出結果に基づいて前記切換スイッチと前記第１電力変換器とを制御する制御回路とを備える。切換スイッチは、第１ダイオード素子と第１スイッチング素子とが逆並列に接続されている第１並列回路と、第２ダイオード素子と第２スイッチング素子とが逆並列に接続されている第２並列回路とを有し、第１並列回路と第２並列回路とは直列かつ逆方向に接続されているものであり、制御回路は、第１スイッチング素子に対して当該第１スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の第１半サイクル区間に第１前導通区間を加えた区間で導通させると共に、第２スイッチング素子に対して当該第２スイッチング素子が対応する前記入力電圧の極性の第２半サイクル区間に第２前導通区間を加えた区間で導通させるか、または、第１スイッチング素子に対して当該第１スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の第１半サイクル区間に第１後導通区間を加えた区間で導通させると共に、第２スイッチング素子に対して当該第２スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の第２半サイクル区間に第２後導通区間を加えた区間で導通させるように、切換スイッチを制御するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の無停電電源装置では、第１スイッチング素子に対して当該第１スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の第１半サイクル区間に第１前導通区間を加えた区間で導通させると共に、第２スイッチング素子に対して当該第２スイッチング素子が対応する前記入力電圧の極性の第２半サイクル区間に第２前導通区間を加えた区間で導通させるか、または、第１スイッチング素子に対して当該第１スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の第１半サイクル区間に第１後導通区間を加えた区間で導通させると共に、第２スイッチング素子に対して当該第２スイッチング素子が対応する入力電圧の極性の第２半サイクル区間に第２後導通区間を加えた区間で導通させるように、切換スイッチを制御するので、並列コンバータによる力率改善制御精度が悪い場合、または力率改善制御がない場合にでも、負荷電流波形の一部が遮断されることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における無停電電源装置の構成図である。図１において、無停電電源装置１０１は、入力端１４が商用電源１に接続され、出力端１５が負荷２へ接続されている。商用電源１から供給された入力電力は、切換スイッチ３と第２電力変換器１０を介して負荷２に出力される。
【０００９】
まず、無停電電源装置１０１の構成について説明する。切換スイッチ３は商用電源１の正常時には入力電圧と同極性の電流を流すものであり、切換スイッチ３の入力端１４側には入力電圧検出回路６を備え、この入力電圧検出回路６は入力端１４に入力される交流電力の入力電圧を検出する。切換スイッチ３の出力端１５側には、リアクトル１３を介して商用電源１に対して並列に第１電力変換器７が接続されている。さらに第１電力変換器７には、制御回路４を介して充電昇圧回路１２が接続され、充電昇圧回路１２にはバッテリー１１が接続されている。充電昇圧回路１２は、第１電力変換器７から出力された直流電力を商用電源１の正常時にはバッテリー１１に充電し、商用電源の停電時にはバッテリー１１の直流電力を昇圧して第１電力変換器７に供給する。また、切換スイッチの出力端１５側には、商用電源１に対して直列に第２電力変換器１０が接続されている。制御回路４は、入力電圧検出回路６による入力電圧の検出結果に基づいて、切換スイッチ３、第１電力変換器７および第２電力変換器１０を制御する。
【００１０】
切換スイッチ３において、第１ダイオード素子３ａと第１スイッチング素子３ｃとで第１並列回路、第２ダイオード素子３ｂと第２スイッチング素子３ｄとで第２並列回路を構成する。第１並列回路において第１ダイオード素子３ａと第１スイッチング素子３ｃとが逆並列に接続されるとともに、第２並列回路において第２ダイオード素子３ｂと第２スイッチング素子３ｄとが逆並列に接続される。ここで、逆並列とは、ダイオード素子とスイッチング素子とが並列に接続され、かつダイオード素子の導通方向がスイッチング素子のゲートがオンした時の導通方向とは逆方向であることをいう。第１並列回路と第２並列回路とは、直列かつ逆方向に接続されている。
【００１１】
図２は切換スイッチ３のゲート信号制御の図であり、図２（ａ）は商用電源１の電圧波形、図２（ｂ）は第１スイッチング素子３ｃのゲート信号、図２（ｃ）は第２スイッチング素子３ｄのゲート信号を示す。商用電源１の電圧極性が正極性の第１半サイクル区間は第１スイッチング素子３ｃが対応し、負極性の第２半サイクル区間は第２スイッチング素子３ｄが対応する。
【００１２】
ここで、制御回路４は、切換スイッチ３の２つのスイッチング素子３ｃ、３ｄに対し、それぞれが対応する半サイクル区間よりも長い区間で導通するように制御する。第１スイッチング素子３ｃでは、図２（ｂ）に示すように第１前導通区間Ａ１及び第１後導通区間Ｂ１を第１半サイクル区間加えた区間で導通させる。同様に、第２スイッチング素子３ｄでは、図２（ｃ）に示すように第２前導通区間Ａ２及び第２後導通区間Ｂ２を第２半サイクル区間に加えた区間で導通させる。
【００１３】
第１電力変換器７および第２電力変換器１０は、例えば単相ブリッジインバータの構成をしている。第１電力変換器は、商用電源１に対して並列に接続され、停電補償の機能を持つ。また、第２電力変換器１０は、商用電源１に対して直列に接続され、電圧変動補償、停電補償の機能を持つ。
【００１４】
次に、動作について説明する。まず、商用電源１が正常時（例えば定格電圧がＡＣ１００Ｖの場合、商用電源１の電圧がＡＣ８０ＶからＡＣ１２０Ｖの場合とする）、制御回路４は商用電源１の電圧極性に応じて、スイッチング素子３ｃ、３ｄをオン／オフ制御する。負荷の力率が正確に１であれば、入力電流の波形は商用電源１の電圧波形と位相が一致する。しかし、負荷によっては力率が１からずれる場合が生じる。
【００１５】
図３は、力率がずれた場合の例として、入力電流と入力電圧の位相差を示した図である。例えば、力率が０．９にずれた場合を想定すると、商用電源１の電圧波形Ｖｉｎと商用電源１の電流波形Ｉｉｎとに位相差ｄ（電気角＝２５度）が生じることになる。仮に第１前導通区間Ａ１及び第２前導通区間Ａ２がないと、電流の進み分として０度＜電気角≦２５度に相当する区間は第１スイッチング素子３ｃ及び第２スイッチング素子３ｄが導通していないので、電流が流れずに電流波形が欠落することになる。
【００１６】
一方、この実施の形態１では、第１前導通区間Ａ１及び第２前導通区間Ａ２を０度＜電気角θ≦２５度に相当する区間に設定すると、入力電流が力率０．９の進み位相で電流が流れる領域で第１スイッチング素子３ｃ及び第２スイッチング素子３ｄは導通している。そうすると、電流波形は欠落することなく流れることができる。
【００１７】
例として入力電流が進み位相の場合について説明したが、入力電流が遅れ位相の場合でも、第１後導通区間Ｂ１及び第２後導通区間Ｂ２を０度＜電気角θ≦２５度に相当する区間に設定すれば、同様の結果が得られる。さらに、入力電流と入力電圧の位相差から、入力電流が進み位相か遅れ位相かを判断して、進み位相の場合は第１前導通区間Ａ１及び第２前導通区間Ａ２を選択し、遅れ位相の場合は第１後導通区間Ｂ１及び第２後導通区間Ｂ２を選択してもよい。
【００１８】
なお、第２電力変換装置１０は、出力電圧が所定値（例えばＡＣ１００Ｖ）となるように電力を発生させる。これによって、商用電源１の電圧が変動しても、無停電電源装置１０１からの出力電圧は安定化される。
【００１９】
一方、商用電源１が停電時すなわち許容電圧範囲を下回るときには、制御回路４は、入力電圧が異常であると判断して切換スイッチ３を遮断させる。これによって、商用電源１からの入力電力が停止する。また、制御回路４は、第１電力変換器７および第２電力変換器１０をバックアップ動作させる。つまり、第１電力変換器７、第２電力変換器１０をインバータ動作させて商用電源１に代わって所定電圧の交流電力を生成し、バッテリー１１に蓄えられたエネルギーを負荷２に供給する。
【００２０】
続いて、電圧波形の期間ごとに説明する。例えば、図２（ａ）における電圧波形の正極性の中期（２５度＜位相＜１５５度）で停電が発生し、入力電圧が０Ｖに低下した場合、第１スイッチング素子３ｃが導通するので、電流波形は欠落することなく流れることができる。また、第２スイッチング素子３ｄは導通しないので、第２ダイオード素子３ｂに印加されるのは逆電圧だから導通せず、第１電力変換器７が発生する電力は入力端１４側に流れ出ることはない。したがって、第１電力変換器７が発生する電力は、出力電圧が低下することがない。図２（ａ）における電圧波形の負極性の中期（２０５度＜位相＜３３５度）で停電が発生した場合も同様である。
【００２１】
例えば、図２（ａ）における電圧波形の正極性の初期（０度＜位相≦２５度）で停電が発生し、入力電圧が０Ｖに低下した場合、第１スイッチング素子３ｃが導通するので、電流波形は欠落することなく流れることができる。ところで、第１スイッチング素子３ｃに加えて第２スイッチング素子３ｄも導通するので、第１電力変換器７が発生する電力は、入力端１４側に流れ出てしまい電圧が低下することになる。ここで、第２電力変換器１０がその電圧低下による不足分を補償して電力を発生させる。よって、無停電電源装置１０１から出力される電力は電圧低下が抑制される。図２（ａ）における電圧波形の正極性の終期（１５５度≦位相＜１８０度）、負極性の初期（１８０度＜位相≦２０５度）、負極性の終期（３３５度≦位相＜３６０度）で停電が発生した場合も同様である。
【００２２】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における無停電電源装置の構成図である。図４において、無停電電源装置１０２は、第１前導通区間Ａ１及び第２前導通区間Ａ２、第１後導通区間Ｂ１及び第２後導通区間Ｂ２について、一方または両方を調整可能である調整器５を備えたことを特徴とする。それ以外は、実施の形態１と同様である。
【００２３】
この発明の実施の形態２では、制御回路４に接続された調整器５によって、負荷２に合わせて、第１前導通区間Ａ１及び第２前導通区間Ａ２、第１後導通区間Ｂ１及び第２後導通区間Ｂ２について、少なくとも一方を最小値に調整することができ、例えば、第１電力変換器７が力率改善機能を持たない場合でも、停電時出力電圧の低下がない区間を広くすることができる。
【００２４】
一般的に無停電電源装置で対応している負荷の力率は、０．６≦力率≦１の範囲にあり、力率０．６に相当する電気角は５５度である。よって、第１電力変換器７が力率改善機能を持たない場合には、第１前導通区間Ａ１及び第２前導通区間Ａ２、第１後導通区間Ｂ１及び第２後導通区間Ｂ２について、力率０．６すなわち電気角５５度に相当する区間に調整することで、電流波形の欠落がなく使用することができる。さらに、図２（ａ）の電圧波形で、５５度＜位相＜１２５度、２３５度＜位相＜３０５度で停電が発生した場合には、出力電圧が低下することがない。それ以外の位相（０度＜位相≦５５度、１２５度≦位相＜１８０度、１８０度＜位相≦２３５度、３０５≦位相＜３６０度）では、第２電力変換器１０が電圧を補うことにより出力電圧の低下を抑制する。第１電力変換器７に力率改善機能を持たせないことで、制御の簡易化、第１電力変換器７のロス低減が可能となり、低コスト化、高効率化が実現できる。
【００２５】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３における無停電電源装置の構成図である。図５において、無停電電源装置１０３は、入力端１４と切換スイッチ３との間に、入力端１４に入力される交流電力の入力電流を検出する電流検出器を備えるものである。電流検出器は変流器８と電流検出回路９とを有し、変流器８が入力電流を測定し、変流器８の信号は電流検出回路９を介して、制御回路４に入力される。それ以外は、実施の形態２と同様である。
【００２６】
制御回路４は、変流器８と電流検出回路９による入力電流の検出結果に基づいて、第１前導電区間Ａ１及び第２前導電区間Ａ２、第１後導電区間Ｂ１及び第２後導電区間Ｂ２について、随時調整するように調整器５を制御することで、停電発生時の第２電力変換器１０の扱う電圧、電力を小さくでき、低コスト化が図れる。
【００２７】
なお、変流器８と電流検出回路９による入力電流の検出結果に基づいて、力率改善制御を行ってもよい。その場合、第１前導電区間Ａ１及び第２前導電区間Ａ２、第１後導電区間Ｂ１及び第２後導電区間Ｂ２の調整範囲が小さくできるので、停電発生時の第２電力変換器１０の扱う電圧、電力を一層小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態１における無停電電源装置の構成図である。
【図２】実施の形態１における切換スイッチのゲート信号制御の図である。
【図３】実施の形態１における力率がずれた場合の入力電流と入力電圧の位相差を示した図である。
【図４】実施の形態２における無停電電源装置の構成図である。
【図５】実施の形態３における無停電電源装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１〜１０３  無停電電源装置、１  商用電源、２  負荷、３  切換スイッチ、３ａ〜３ｂ  ダイオード素子、３ｃ〜３ｄ  スイッチング素子、４  制御回路、５  調整器、６  入力電圧検出回路、７  第１電力変換器、８  変流器、９  電流検出回路、１０  第２電力変換器、１１  バッテリー、１２  充電昇圧回路、１３  リアクトル、１４  入力端、１５  出力端。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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