(57)【要約】【課題】単一の回路構成によって常時インバータ方式及び常時商用方式の両方の機能を実現し、低コスト化が可能な無停電電源装置を提供する。【解決手段】電源の異常時に、エネルギー蓄積手段に蓄積された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置において、複数の双方向スイッチＳＷをオン・オフさせて交流電力を直接、交流電力に変換する交流交流直接変換回路１００を備え、この直接変換回路１００は、電源１０の正常時に、双方向スイッチＳＷをパルス幅変調制御によりスイッチング動作させるモードと電源電圧に同期してスイッチング動作させるモードとを有し、これらの二つのモードを切替可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源の異常時に、エネルギー蓄積手段に蓄積された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記無停電電源装置は、複数の双方向スイッチをオン・オフさせて交流電力を直接、交流電力に変換する交流交流直接変換回路を備え、
前記直接変換回路は、電源の正常時に、前記双方向スイッチをパルス幅変調制御によりスイッチング動作させるモードと電源電圧に同期してスイッチング動作させるモードとを有し、これらの二つのモードを切替可能に構成したことを特徴とする無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、停電等による商用電源の異常時にも負荷に電源を供給するための無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply)に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７，図８は、この種の無停電電源装置の従来技術を示す構成図である。
まず、図７は、一般に常時インバータ方式と呼ばれる無停電電源装置であり、１０は商用電源としての交流電源、２０はフィルタ、３０はパルス幅変調制御されるＰＷＭ整流器、４０はバッテリー、５０はバッテリー充放電手段、６０はインバータ、７０はフィルタ、８０はコンピュータ装置等の負荷である。
【０００３】
この無停電電源装置では、電源１０が正常な場合、ＰＷＭ整流器３０が電源１０の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をインバータ６０により交流電力に変換して負荷８０に供給する。同時に、ＰＷＭ整流器３０から出力される直流電力により、バッテリー充放電手段５０を介してバッテリー４０を充電する。
一方、電源１０に停電等の異常が発生するとＰＷＭ整流器３０は動作を停止すると共に、バッテリー４０の直流電力がバッテリー充放電手段５０を介してインバータ６０に供給され、インバータ６０ではこの直流電力を交流電力に変換して負荷８０に供給する。
【０００４】
本方式では、インバータ６０の運転を制御することにより、電源側の周波数を所定値に変換（例えば５０Ｈｚを６０Ｈｚに変換）すると共に、電源電圧を所定値に変換（同じく２００Ｖを１００Ｖに変換）して負荷８０に供給できるという特徴がある。
【０００５】
また、図８は、一般に常時商用方式と呼ばれる無停電電源装置であり、９０は電源１０と負荷８０との間の電路を短絡または開放する短絡開放手段である。なお、その他の構成要素には図７と同一の番号を付してある。
【０００６】
この無停電電源装置では、電源１０が正常な場合、短絡開放手段９０を短絡して電源１０から負荷８０に交流電力を常時、供給している。また、電源１０に停電等の異常が発生すると、短絡開放手段９０を開放し、代わりにインバータ６０がバッテリー４０の直流電力を交流電力に変換して負荷８０に供給する。
本方式では、電源１０の正常時に電源１０から負荷８０へ流れる電流は短絡開放手段９０のみを通過するので、高効率であるという利点を有する。
【０００７】
なお、図７とほぼ同様に構成された電源システムは、特許文献１に従来技術として開示されている。
また、この特許文献１には、交流交流直接変換を行う双方向スイッチモジュールと、このモジュールに交流電力を供給する三相交流電源及び補助電源（単相交流電源等の無停電電源やバッテリー）とを備え、三相交流電源の異常時に補助電源に切り換えて双方向スイッチモジュールに給電するようにしたＰＷＭサイクロコンバータも開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２５８２５８号公報（段落［０００９］〜［００１３］、［００２６］〜［００４９］、図９，図１〜図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図７に示した常時インバータ方式の無停電電源装置によれば、電源電圧の周波数や大きさを任意に変換して負荷８０に供給することが可能である。しかし、電源１０が正常の場合、電源１０から負荷８０へ流れる電流は２台の電力変換器（ＰＷＭ整流器３０及びインバータ６０）を通過するため、高効率化が困難である。特に、これらのＰＷＭ整流器３０やインバータ６０が備える半導体スイッチング素子による損失も無視できない。
一方、図８に示した常時商用方式の無停電電源装置によれば、平常時の高効率化は可能であるが、負荷８０に供給する交流電圧の周波数や大きさが電源１０によって決まってしまうので、用途が限定されるという問題がある。
【００１０】
従って、常時インバータ方式及び常時商用方式の両機能を備えた１台の無停電電源装置を構成し、両方式の利点を活かすことができれば良いが、両方式は回路構成が異なっていて兼用できる部品も限られているため、その実現は通常、困難である。
【００１１】
一方、特許文献１に記載された従来技術は、もっぱら三相交流電源の異常時に補助電源に切り替えてＰＷＭサイクロコンバータを単相運転または三相運転する技術を開示するのみである。
【００１２】
そこで、本発明の解決課題は、単一の回路構成によって常時インバータ方式及び常時商用方式の両方の機能を実現することができ、しかも低コスト化が可能な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に係る発明は、電源の異常時に、エネルギー蓄積手段に蓄積された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記無停電電源装置は、複数の双方向スイッチをオン・オフさせて交流電力を直接、交流電力に変換する交流交流直接変換回路を備え、
前記直接変換回路は、電源の正常時に、前記双方向スイッチをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御によりスイッチング動作させるモードと電源電圧に同期してスイッチング動作させるモードとを有し、これらの二つのモードを切替可能に構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、交流交流直接変換回路によってＰＷＭ制御と電源電圧に同期したスイッチング動作とを切替可能にしたことにより、主回路構成を単一として制御回路の動作を異ならせるだけで、常時インバータ方式及び常時商用方式の両方の利点を享受することができる。
すなわち、常時インバータ方式、常時商用方式の何れのモードにおいても、負荷電流が流れる電力変換器が１台の交流交流直接変換回路であるため損失を最小限にして高効率の運転を行うことができると共に、必要に応じて任意の周波数や大きさの交流電圧を負荷に供給することも可能である。
総じて本発明によれば、高効率かつ低コストの無停電電源装置を提供することができる。
【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はこの実施形態を示す構成図であり、図７，図８と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
図１において、１０は商用電源としての三相の交流電源であり、この交流電源１０には電路を短絡または開放するスイッチ等からなる短絡開放手段９０が接続されている。短絡開放手段９０の出力側には、フィルタ２０を介してマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換回路１００が接続されている。
【００１６】
ここで、交流交流直接変換回路１００は、図２に示すように、三相入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと三相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に、電流を双方向に制御可能な双方向スイッチＳＷが接続されており、制御回路（図示せず）からの駆動信号により上記双方向スイッチＳＷをオン・オフさせて任意の周波数、大きさの交流電圧を出力するように構成されている。
【００１７】
また、４０はエネルギー蓄積手段としてのバッテリー、５０はバッテリー４０を充放電させるバッテリー充放電手段である。この充放電手段５０は、交流−直流変換機能を備えており、その交流側は交流交流直接変換回路１００に接続され、その直流側はバッテリー４０に接続されている。
交流交流直接変換回路１００の出力側には、フィルタ７０を介してコンピュータ装置等の負荷８０が接続されている。
なお、フィルタ２０，７０の構成については後述する。
【００１８】
上記構成の無停電源電源装置において、図７に示した常時インバータ方式と同様の動作を行わせる場合には、交流交流直接変換回路１３の双方向スイッチＳＷをＰＷＭ制御によりスイッチング動作させる。
【００１９】
すなわち、電源１０が正常な場合には、短絡状態の短絡開放手段９０及びフィルタ２０を介して交流交流直接変換回路１００に入力される三相交流電圧を双方向スイッチＳＷのオン・オフにより直接切り出して所望の周波数、大きさを有する三相交流電圧に変換し、フィルタ７０を介して負荷８０に供給する。このような動作は、例えば交流交流直接変換回路１００を仮想のＰＷＭ整流器とＰＷＭインバータとの組み合わせとして想定し、これらの整流器及びインバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチングパターンを合成して双方向スイッチＳＷのスイッチングパターンを得ることにより実現可能である。
これにより、図７に示した常時インバータ方式と等価な無停電電源装置を得ることができる。
なお、電源１０が正常な期間、バッテリー充放電手段５０は、フィルタ２０の出力側の交流電力を直流電力に変換してバッテリー４０を充電している。
【００２０】
電源１０に停電等の異常が発生した場合には、この異常を適宜検出して短絡開放手段９０を開放すると共に、バッテリー充放電手段５０を介してバッテリー４０を放電させ、その直流電圧を交流電圧に変換して交流交流直接変換回路１００に供給し、前記同様に所望の交流電圧に変換して負荷８０に供給する。
【００２１】
電源１０の正常時において、電源電圧を降圧（例えば、２００Ｖから１００Ｖへ変換）して負荷８０に供給する場合、フィルタ２０，７０は、図３のようにリアクトルＬとコンデンサＣとからなる一相分のフィルタを各相の線間に接続する。一方、電源電圧を昇圧（例えば１００Ｖから２００Ｖへ変換）して負荷８０に供給する場合、電源側のフィルタ２０は図４のようにリアクトルＬ１，Ｌ２とコンデンサＣとからなる一相分のフィルタを各線間に接続し、負荷側のフィルタ７０についてはコンデンサのみを各線間に接続する。
なお、負荷８０への供給電圧が電源電圧と同じ場合には、用途に応じてフィルタ２０，７０の構成を変更すれば良い。
【００２２】
上記のように本実施形態によれば、常時インバータ方式で運転する場合に、電源１０からの電流は１台の電力変換器（交流交流直接変換回路１００）のみを通過するので、図７の従来技術に比べて高効率化及び損失低減が可能である。
【００２３】
また、この実施形態において、電源側と負荷側とで周波数を変換しない場合には、交流交流直接変換回路１００を交流チョッパとして動作させても良い。
図５は、単相の交流チョッパの回路構成を示している。図５に示すように、交流チョッパは電源１０’の両端に直列接続されたスイッチＳｐ，Ｓｎを交互にオン・オフさせて負荷８０’に交流電力を供給する回路である。スイッチＳｐがオン、スイッチＳｎがオフの場合、負荷８０’には電源電圧が印加され、スイッチＳｐがオフ、スイッチＳｎがオンの場合、負荷８０’に流れていた電流はスイッチＳｎを介して流れるので、負荷電圧はゼロとなる。
上記の動作により、負荷８０’に所望の交流電力を供給することができ、このようなスイッチＳｐ，Ｓｎの動作は、交流交流直接変換回路１００の双方向スイッチＳＷのオン・オフ制御によって容易に実現可能である。
【００２４】
一方、本実施形態の無停電電源装置を常時商用方式として動作させる場合、電源電圧の極性に応じて、つまり電源電圧に同期させて交流交流直接変換回路１００の双方向スイッチＳＷをオン・オフさせれば良い。
すなわち、図６に示す一相分の回路において、電源電圧の極性が正の場合には、上側のスイッチＳｐをオン、下側のスイッチＳｎをオフし、電源電圧の極性が負の場合には、下側のスイッチＳｎをオン、上側のスイッチＳｐをオフすれば良い。このようなスイッチＳｐ，Ｓｎの動作も、交流交流直接変換回路１００の双方向スイッチＳＷのオン・オフ制御によって容易に実現可能である。
これにより、電源１０’と同一の周波数及び振幅の交流電圧を出力端子側に得ることが可能であり、実質的に図８と同様の常時商用方式の無停電電源装置を実現することができる。
【００２５】
なお、上述した常時インバータ方式と常時商用方式とのモードの切り替えは、図示されていない制御回路に外部から指令を与えて行われる。
この実施形態によれば、図１に示した単一の回路構成によって常時インバータ方式及び常時商用方式の運転が可能であるため、図７及び図８の回路をそれぞれ別個に設ける場合に比べて回路構成の簡略化、コストの低減が可能である。
また、上記実施形態において、電源電圧が既定値にある時は常時商用方式として動作させ、停電は発生していないが電源電圧が既定値外となった場合にはＰＷＭ制御を行なわせても良い。
【００２６】
更に、上記実施形態において、電源側から負荷側への周波数変換は三相入力三相出力のみに限定されるが、電源１０を単相交流電源として交流交流直接変換回路１００から単相交流電圧を出力させる単相入力単相出力においても、図１と同一の構成により、周波数変換を伴わない常時インバータ方式と常時商用方式との両方の動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１における交流交流直接変換回路の構成図である。
【図３】図１におけるフィルタの構成例を示す回路図である。
【図４】図１におけるフィルタの構成例を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態を交流チョッパとして動作させる場合の一相分の回路図である。
【図６】本発明の実施形態を常時商用方式として動作させる場合の一相分の回路図である。
【図７】従来技術を示す構成図である。
【図８】従来技術を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０，１０’：交流電源
２０，７０：フィルタ
４０：バッテリー
５０：バッテリー充放電手段
８０，８０’：負荷
９０：短絡開放手段
１００：交流交流直接変換回路
ＳＷ：双方向スイッチ
Ｒ，Ｓ，Ｔ：三相入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：三相出力端子    
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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