(57)【要約】【課題】無停電負荷に蓄電池を使用して電力を供給する時に蓄電池の過充電を容易に防止することが困難であった。【解決手段】交流入力端子８にコンバータ２を介して蓄電池３を接続する。コンバータ２及び蓄電池３の両方にインバータ７を接続する。蓄電池３の電流と電圧を検出する。出力電圧指令値作成回路５によってコンバータ２の出力電圧指令を作成する。出力電圧指令値作成回路５において、多段階定電流充電のための指令と定電圧充電のための指令と零電流充電のための指令とを作成し、これ等を択一的に選択してコンバータ制御回路６に送る。【選択図】　　　　図１
2004072973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力端子に接続された蓄電池と、
前記コンバータの出力端子と前記蓄電池との両方に接続されたインバータと、
前記蓄電池に流れる電流を検出するための電流検出器と、
前記電流検出器の出力に基づいて前記蓄電池を多段階定電流充電するための多段階定電流充電用出力電圧指令値と前記蓄電池の充電電流を零にするための零充電電流用出力電圧指令値とを作成し、順次に出力する出力電圧指令値作成手段と、
交流電圧を直流電圧に変換するように前記コンバータを制御すると共に、前記出力電圧指令値作成手段の出力に対応する直流出力電圧が得られるように前記コンバータを制御するコンバ−タ制御回路と
から成る蓄電池を有する電力変換装置。
【請求項２】
負荷が接続されている交流電源端子と、
前記交流電源端子及び前記負荷に接続された交流端子と直流電圧を入力及び出力するための直流端子とを有し、且つ前記交流端子に供給された交流電圧を変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって直流電圧に変換して前記直流端子に出力する機能と、前記直流端子に供給された直流電圧を変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって交流電圧に変換して前記交流端子に出力する機能とを有している双方向変換器と、
前記双方向変換器の前記直流端子に接続された蓄電池と、
前記蓄電池に流れる電流を検出するための電流検出器と、
前記電流検出器の出力に基づいて前記蓄電池を多段階定電流充電するための多段階定電流充電用出力電圧指令値と前記蓄電池の充電電流を零にするための零充電電流用出力電圧指令値とを作成し、順次に出力する出力電圧指令値作成手段と、
交流電圧を直流電圧に変換するように前記双方向変換器を制御すると共に、前記出力電圧指令値作成手段の出力に対応する直流出力電圧が得られるように前記双方向変換器を制御する第１の機能と、前記交流電源端子から前記負荷への電力供給が不可能になった時に前記蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給する第２の機能とを有している制御回路と
から成る蓄電池を有する電力変換装置。
【請求項３】
変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力端子に接続された蓄電池と、
負荷に前記コンバータの出力端子と前記蓄電池との両方を接続するための手段と、
前記蓄電池に流れる電流を検出するための電流検出器と、
前記電流検出器の出力に基づいて前記蓄電池を多段階定電流充電するための多段階定電流充電用出力電圧指令値と前記蓄電池の充電電流を零にするための零充電電流用出力電圧指令値とを作成し、順次に出力する出力電圧指令値作成手段と、
交流電圧を直流電圧に変換するように前記コンバータを制御すると共に、前記出力電圧指令値作成手段の出力に対応する直流出力電圧が得られるように前記コンバータを制御するコンバ−タ制御回路と
から成る蓄電池を有する電力変換装置。
【請求項４】
更に、前記蓄電池の電圧を検出する電圧検出手段を有し、
前記出力電圧指令値作成手段は、更に、前記蓄電池を定電圧充電するための定電圧充電用出力電圧指令値を作成し、前記多段階定電流用出力電圧指令値の出力期間と前記零充電電流用出力電圧指令値の出力期間との間に前記定電圧充電用出力電圧指令値を出力することを特徴とする請求項１又は２又は３記載の蓄電池を有する電力変換装置。
【請求項５】
前記出力電圧指令値作成手段は、
多段階の定電流値を示す多段階の定電流制御用基準電圧を順次に発生する定電流制御用基準電圧発生手段と、
前記電流検出器の出力と前記定電流制御用基準電圧発生手段の出力との差を示す信号を形成し、この差を示す信号を前記多段階定電流充電用出力電圧指令値として出力する第１の差動増幅器と、
前記定電圧充電の基準を示す定電圧制御用基準電圧を発生する定電圧制御用基準電圧源と、
前記定電圧制御用基準電圧源の基準電圧と前記電圧検出手段の出力との差を示す信号を作成し、この差を示す信号を前記定電圧充電用出力電圧指令値として送出する第２の差動増幅器と、
前記充電電流の零を示す所定電位と前記電流検出器の出力との差を示す信号を形成し、この差を示す信号を零充電流用出力電圧指令値として出力する第３の差動増幅器と、
前記第１、第２及び第３の差動増幅器の出力を順次に選択して前記制御回路に送る出力選択手段と
から成ることを特徴とする請求項４記載の蓄電池を有する電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無停電で負荷に電力を供給するために好適な電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電力を直流電力に変換するコンバータとこのコンバータの出力で充電される蓄電池とから成る電力貯蔵装置は広く使用されている。一般的には、蓄電池に貯蔵された電力はインバータで交流に変換されて負荷に供給される。
【０００３】
蓄電池の典型的な充電方法では、定電流充電によって所望定電圧レベルまで充電した後に定電圧充電する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、定電流充電が終了した後に定電圧充電状態が長い間継続すると、微小充電電流が流れ続き、過充電状態となり、蓄電池の寿命が短くなる。この種の問題を解決するために充電終了後にスイッチで蓄電池を充電回路から切り離す方式が知られている。この方式によれば確かに過充電は防止される。しかし、この方式は無停電電源装置には不適当である。また、例えば特開昭６２−１６５８８１号公報に開示されているように、蓄電池を多段階充電し、最後に充電電流をゼロにする方式が知られている。この種の方式において、充電電圧を蓄電池の電圧よりも低下させると、充電回路を介して負荷に直接に電力を供給することができなくなり、蓄電池から負荷に電力を供給する状態が生じ、蓄電池が放電状態となり、充電不足を招く恐れがある。
また、無停電負荷に対する電力供給装置の低コスト化が要求されている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、蓄電池の過充電を防止し且つ交流−直流変換回路から負荷への電力供給を継続することができる電力変換装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、蓄電池の過充電を防止することができると共に無停電負荷への電力供給を簡単な構成で達成できる電力変換装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの出力端子に接続された蓄電池と、前記コンバータの出力端子と前記蓄電池との両方に接続されたインバータと、前記蓄電池に流れる電流を検出するための電流検出器と、前記電流検出器の出力に基づいて前記蓄電池を多段階定電流充電するための多段階定電流充電用出力電圧指令値と前記蓄電池の充電電流を零にするための零充電電流用出力電圧指令値とを作成し、順次に出力する出力電圧指令値作成手段と、交流電圧を直流電圧に変換するように前記コンバータを制御すると共に、前記出力電圧指令値作成手段の出力に対応する直流出力電圧が得られるように前記コンバータを制御するコンバ−タ制御回路とから成る蓄電池を有する電力変換装置に係わるものである。
【０００７】
なお、請求項２に示すように、負荷が接続されている交流電源端子と、前記交流電源端子及び前記負荷に接続された交流端子と直流電圧を入力及び出力するための直流端子とを有し、且つ前記交流端子に供給された交流電圧を変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって直流電圧に変換して前記直流端子に出力する機能と、前記直流端子に供給された直流電圧を変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって交流電圧に変換して前記交流端子に出力する機能とを有している双方向変換器と、前記双方向変換器の前記直流端子に接続された蓄電池と、前記蓄電池に流れる電流を検出するための電流検出器と、前記電流検出器の出力に基づいて前記蓄電池を多段階定電流充電するための多段階定電流充電用出力電圧指令値と前記蓄電池の充電電流を零にするための零充電電流用出力電圧指令値とを作成し、順次に出力する出力電圧指令値作成手段と、交流電圧を直流電圧に変換するように前記双方向変換器を制御すると共に、前記出力電圧指令値作成手段の出力に対応する直流出力電圧が得られるように前記双方向変換器を制御する第１の機能と、前記交流電源端子から前記負荷への電力供給が不可能になった時に前記蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給する第２の機能とを有している制御回路によって蓄電池を有する電力変換装置を構成することができる。
また、請求項３に示すように、変換用スイッチのオン・オフ動作を伴なって交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの出力端子に接続された蓄電池と、負荷に前記コンバータの出力端子と前記蓄電池との両方を接続するための手段と、前記蓄電池に流れる電流を検出するための電流検出器と、前記電流検出器の出力に基づいて前記蓄電池を多段階定電流充電するための多段階定電流充電用出力電圧指令値と前記蓄電池の充電電流を零にするための零充電電流用出力電圧指令値とを作成し、順次に出力する出力電圧指令値作成手段と、交流電圧を直流電圧に変換するように前記コンバータを制御すると共に、前記出力電圧指令値作成手段の出力に対応する直流出力電圧が得られるように前記コンバータを制御するコンバ−タ制御回路とによって蓄電池を有する電力変換装置を構成することができる。
また、請求項４に示すように、定電圧充電期間を設けることが望ましい。
また、請求項５に示すように、出力電圧指令値作成手段を構成することが望ましい。
【０００８】
【発明の効果】
本願の各請求項の発明によれば、コンバータ又は双方向変換器の直流出力電圧が、蓄電池の多段階定電流充電の後に充電電流が実質的に流れないように制御される。これにより、蓄電池を満充電又はこれに近い状態まで充電することができると共に過充電を防止することができる。また、負荷への電力供給を継続しながら、蓄電池の充電状態及び蓄電池の零電流充電状態を得ることができる。
また、請求項２の発明によれば、蓄電池を満充電又はこれに近い状態まで充電することができると共に過充電を防止することができ、更に、無停電負荷への電力供給装置の構成が簡単になり、このコストの低減を図ることができる。
また、請求項４の発明によれば、蓄電池を最適充電状態にすることができる。
また、請求項５の発明によれば、第１、第２及び第３の差動増幅器の出力を選択して出力電圧指令値を形成し、これに基づいてコンバータ又は双方向変換器を制御するので、多段階定電流充電、定電圧充電、零電流充電状態を比較的簡単に得ることができる。
【０００９】
【第１の実施形態】
次に、図１〜図６を参照して第１の実施形態の蓄電池を有する電力変換装置を説明する。
【００１０】
図１に示すように第１の実施形態の電力変換装置１は、交流−直流変換装置即ちコンバータ２と、蓄電池３と、電流検出器４と、出力電圧指令値作成回路５と、コンバータ制御回路６と、直流−交流変換装置即ちインバータ７とから成る。
コンバータ２は例えば５０Ｈｚの正弦波交流電圧を供給するための３相交流入力端子８に接続されている。蓄電池３及びインバータ７はコンバータ２にそれぞれ接続されている。電流検出器４は、蓄電池３の充放電ライン９に流れる電流を検出する。出力電圧指令値作成回路５は、電流検出器４の出力と蓄電池３に接続された電圧検出ライン１０の電圧とに基づいて図６に示すように所望の充電電流を流すためのコンバータ出力電圧指令値を作成し、これをライン１１によってコンバータ制御回路６に送る。コンバ−タ制御回路６はコンバータ２から所望の出力電圧が得られるようにコンバータ２に含まれているスイッチを制御する。インバータ７の出力端子１２は無停電負荷１３に接続され、且つ切換スイッチ１４を介してピークカット負荷１５に接続されている。
【００１１】
図２はコンバータ２の１例を示す。このコンバータ２は、３相スイッチング整流回路と呼ぶことができるものであって、スイッチ回路２０と、第１、第２及び第３のインダクタＬ１　、Ｌ２　、Ｌ３　と、高周波成分除去用フィルタ２１と、第１、第２及び第３の電流検出器２２ａ、２２ｂ、２２ｃとを含む周知の回路であって、第１、第２及び第３相入力端子８ａ、８ｂ、８ｃに供給される３相交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を一対の出力ライン２３ａ、２３ｂに送出する。
なお、一対の出力ライン２３ａ、２３ｂに図２で点線で示すように平滑回路又は逆流阻止回路又はソフトスイッチング回路等の周知の補助回路２４を接続することができる。
【００１２】
スイッチ回路２０は、３相ブリッジ接続された第１、第２、第３、第４、第５及び第６のダイオードＤ１　、Ｄ２　、Ｄ３　、Ｄ４　、Ｄ５　、Ｄ６　と、第１〜第６のダイオードＤ１　〜Ｄ６　に対してそれぞれ逆方向並列に接続された第１、第２、第３、第４、第５及び第６のスイッチＱ１　、Ｑ２　、Ｑ３　、Ｑ４　、Ｑ５　及びＱ６　とから成る。図２では第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ即ちＩＧＢＴで示されているが、この代りにＦＥＴ、トランジスタ等の別の制御可能な半導体スイッチとすることができる。
【００１３】
第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　の制御端子（ゲート）は、コンバータ制御回路６の第１〜第６の制御信号ライン２５、２６、２７、２８、２９、３０に図示が省略されているドライブ回路を介して接続される。スイッチ回路２０の第１及び第２のダイオードＤ１　、Ｄ２　の相互接続点３１、第３及び第４のダイオードＤ３　、Ｄ４　の相互接続点３２、第５及び第６のダイオードＤ５　、Ｄ６　の相互接続点３３は、インダクタＬ１　、Ｌ２　、Ｌ３　を介して第１、第２及び第３相交流端子８ａ、８ｂ、８ｃにそれぞれ接続されている。第１、第３及び第５のダイオードＤ１　、Ｄ３　、Ｄ５　のカソードは一方の直流ライン２３ａに接続され、第２、第４及び第６のダイオードＤ２　、Ｄ４　、Ｄ６　のアノードは他方の直流ライン２３ｂに接続されている。高周波成分除去用フィルタ２１はコンデンサＣ１　、Ｃ２　、Ｃ３　から成り、第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　の高周波（例えば２０〜１００ｋＨｚ　）でのオン・オフに基づく高周波成分を除去する。
【００１４】
コンバ−タ制御回路６は、ライン１１で与えられた出力電圧指令値を満足する直流出力電圧を一対の直流ライン２３ａ、２３ｂ間に得るように第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　をオン・オフ制御する機能と、交流端子８ａ、８ｂ、８ｃを通る電流を正弦波に近似させるように第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　をオン・オフ制御する機能とを有する。
【００１５】
コンバ−タ制御回路６の上記機能を得るために、コンバ−タ制御回路６に対して、ライン１１によって図１の出力電圧指令値作成回路５が接続され、且つライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃによって電流検出器２２ａ、２２ｂ、２２ｃが接続され、且つライン３５ａ、３５ｂ、３５ｃによって３相交流端子８ａ、８ｂ、８ｃが接続されている。
【００１６】
電流検出器２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、交流端子８ａ、８ｂ、８ｃを通って流れる電流に比例した電圧値をコンバ−タ制御回路６に送る。
図２では３個の電流検出器２２ａ、２２ｂ、２２ｃが設けられ、且つ３本の電圧検出ライン３５ａ、３５ｂ、３５ｃが設けられているが、３相から選択された２相の電流及び電圧をコンバ−タ制御回路６に送り、これによって残りの１相の電流及び電圧を合成して形成してもよい。
【００１７】
コンバ−タ制御回路６は図３に概略的に示すように、第１、第２及び第３相電圧検出回路３６ａ、３６ｂ、３６ｃと、第１、第２及び第３の乗算器３７ａ、３７ｂ、３７ｃと、第１、第２及び第３の減算器３８ａ、３８ｂ、３８ｃと、第１、第２及び第３の比較器３９ａ、３９ｂ、３９ｃと、第１、第２及び第３の反転信号形成回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、鋸波発生器４１とを有する。
【００１８】
第１、第２及び第３相電圧検出回路３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、電圧検出ライン３５ａ、３５ｂ、３５ｃに接続され、交流端子８ａ、８ｂ、８ｃの第１、第２及び第３相電圧に対応する３相基準正弦波電圧Ｖａ　、Ｖｂ　、Ｖｃ　を出力する。
第１、第２及び第３の乗算器３７ａ、３７ｂ、３７ｃは、第１、第２及び第３の電圧検出回路３６ａ、３６ｂ、３６ｃから得られた第１、第２及び第３相基準正弦波Ｖａ　、Ｖｂ　、Ｖｃ　にライン１１の出力電圧指令値Ｖｄ　を乗算し、第１、第２及び第３相指令値Ｖａ　′、Ｖｂ　′、Ｖｃ　′を作成する。第１、第２及び第３相指令値Ｖａ　′、Ｖｂ　′、Ｖｃ　′は第１、第２及び第３の基準正弦波Ｖａ　、Ｖｂ　、Ｖｃ　の振幅を出力電圧指令値Ｖｄ　で変調したものに相当する。
【００１９】
第１、第２及び第３の減算器３８ａ、３８ｂ、３８ｃは、第１、第２及び第３の乗算器３７ａ、３７ｂ、３７ｃから得られた正弦波状の第１、第２及び第３相指令値Ｖａ　′、Ｖｂ　′、Ｖｃ　′からライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃの第１、第２及び第３相電流検出値を減算し、これ等の差を示す第１、第２及び第３のスイッチ制御指令値Ｖ１　、Ｖ２　、Ｖ３　を形成する。第１、第２及び第３のスイッチ制御指令値Ｖ１　、Ｖ２　、Ｖ３　は図６（Ａ）に示すように交流端子８ａ、８ｂ、８ｃの電圧に同期して正弦波状に変化する。
【００２０】
鋸波発生器４１は、キャリア発生器とも呼ぶことができるものであり、交流端子８ａ、８ｂ、８ｃの交流電圧の周波数、例えば５０Ｈｚよりも十分に高い例えば２０〜１００ｋＨｚ　の周波数で図６（Ａ）に概略的に示す鋸波電圧Ｖｔ　を発生する。なお、鋸波発生器４１を三角波発生器に置き換えることができる。鋸波電圧Ｖｔ　の振幅は第１、第２及び第３相スイッチ制御指令値Ｖ１　、Ｖ２　、Ｖ３　を横切るように設定されている。
【００２１】
第１、第２及び第３の比較器３９ａ、３９ｂ、３９ｃは、第１、第２及び第３の減算器３８ａ、３８ｂ、３８ｃから得られた第１、第２及び第３のスイッチ制御指令値Ｖ１　、２　、Ｖ３　と鋸波発生器４１の鋸波電圧Ｖｔ　とを比較し、図６（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）に示すＰＷＭ信号から成る第１、第３及び第５のスイッチ制御信号Ｇ１　、Ｇ３　、Ｇ５　を形成する。
【００２２】
反転信号形成回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃは第１、第２及び第３の比較器３９ａ、３９ｂ、３９ｃに接続され、図６（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）に示す第１、第３及び第５のスイッチ制御信号Ｇ１　、Ｇ３　、Ｇ５　の位相反転信号から成る図６（Ｃ）（Ｅ）（Ｇ）に示す第２、第４及び第６のスイッチ制御信号Ｇ２　、Ｇ４　、Ｇ６　を形成する。なお、第１、第３及び第５のスイッチ制御信号Ｇ１　、Ｇ３　、Ｇ５　と第２、第４及び第６のスイッチ制御信号Ｇ２　、Ｇ４　、Ｇ６　との間に周知のデッドタイムを設けることが望ましい。
図３の出力ライン２５、２６、２７、２８、２９、３０の第１〜第６のスイッチ制御信号Ｇ１　〜Ｇ６　は図示が省略されているドライブ回路を介して第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　の制御端子とエミッタとの間に供給される。
【００２３】
図４は出力電圧指令値作成回路５の詳細を蓄電池３及び電流検出器４を伴なって示す。
出力電圧指令値作成回路５は大別して第１、第２及び第３の回路５１、５２、５３と、出力電圧指令選択回路５４とから成る。
【００２４】
第１の回路５１は、多段階定電流充電指令値作成回路とも呼ぶことができるものであって、第１の差動増幅器５５と、Ｅ１　、Ｅ２　及びＥ３　を与える第１、第２及び第３の定電流制御用基準電圧源５６、５７、５８と、第１、第２及び第３の基準電圧用スイッチ５９、６０、６１と、制御回路６２とから成る。第１の差動増幅器５５はオペアンプ６３と２つの抵抗６４、６５から成る周知の回路である。オペアンプ６３の一方の入力端子は入力抵抗６４を介して電流検出器４に接続され、他方の入力端子は第１又は第２又は第３の基準電圧用スイッチ５９又は６０又は６１を介して第１又は第２又は第３の定電流制御用基準電圧源５６又は５７又は５８に接続される。第１の差動増幅器５５は第１又は第２又は第３の定電流制御用基準電圧Ｅ１　又はＥ２　又はＥ３　と電流検出器４から得られた電流検出信号Ｖｉ　との差を示す信号Ｅ１　−Ｖｉ　又はＥ２　−Ｖｉ　又はＥ３　−Ｖｉ　を多段階定電流充電指令値として出力する。この具体例の第１の定電流制御用基準電圧Ｅ１　は１４０Ａの充電電流に相当する値を示し、第２の定電流制御用基準電圧Ｅ２　は８０Ａの充電電流に相当する値を示し、第３の定電流制御用基準電圧Ｅ３　は３０Ａの充電電流に相当する値を示す。従って、第１、第２及び第３の定電流制御用基準電圧Ｅ１　、Ｅ２　、Ｅ３　はこの順番に段階的に小さくなる。
なお、第１、第２及び第３の定電流制御用基準電圧源５６、５７、５８と第１、第２及び第３の基準電圧用スイッチ５９、６０、６１とで定電流制御用基準電圧発生手段が構成されている。
【００２５】
スイッチ５９、６０、６１は制御回路６２で制御される。この具体例では、図７の０〜６時の第１の期間に第１の基準電圧用スイッチ５９がオンになり、６〜８時の第２の期間に第２の基準電圧用スイッチ６０がオンになり、８〜１０時の第３の期間に第３の基準電圧用スイッチ６１がオンになる。制御回路６２は図５に示すように比較器６６と基準電圧Ｖｒ　を供給する基準電圧源６７とカウンタ６８とから成る。比較器６６の正入力端子は蓄電池の電圧検出ライン１０に接続され、負入力端子は基準電圧源６７に接続されている。基準電圧Ｖｒ　は図７に示すように３８７．２Ｖに設定されている。比較器６６は、電圧検出ライン１０の蓄電池電圧Ｖｃ　が例えば図７の充電時間６、８、１０に示すように基準電圧Ｖｒ　に達した時に低レベル出力から高レベル出力に転換し、この転換に応答してカウンタ６８の出力値がインクリメントされる。カウンタ６８の出力端子０、１、２はライン６９、７０、７１によって第１、第２及び第３の基準電圧用スイッチ５９、６０、６１の制御端子に接続され、また出力端子３はライン７２によって出力電圧指令選択回路５４に含まれるスイッチ制御回路７３に接続されている。
【００２６】
図４の第２の回路５２は図７の１０〜１２時間の期間に示す定電圧充電制御を行うための回路であって、周知の第２の差動増幅器７４と定電圧制御用基準電圧源７５とから成る。第２の差動増幅器７４はオペアンプ７６と２つの抵抗７７、７８とから成る。オペアンプ７６の一方の入力端子は入力抵抗７７を介して電圧検出ライン１０に接続され、他方の入力端子は定電圧制御用基準電圧源７５に接続されている。定電圧制御用基準電圧源７５は図５の基準電圧源６７と同様に図７に示す基準電圧Ｖｒ　＝３８７．２Ｖを与えるものである。従って、基準電圧源７５を省いて基準電圧源６７を共用することができる。なお、図４では蓄電池３の電圧Ｖｃ　を直接に検出しているが、周知の分圧抵抗を介して検出し、分圧した値を第１及び第２の回路５１、５２に供給すること、及び基準電圧源６７、７５の電圧値を分圧比に応じて下げることができる。
第２の差動増幅器７４からは定電圧充電指令値として蓄電池電圧Ｖｃ　と基準電圧Ｖｒ　との差を示す信号即ち誤差信号が得られる。この第２の差動増幅器７４の出力端子は出力電圧指令選択回路５４の第２の指令選択スイッチＳ２　を介して出力電圧指令ライン１１に接続される。
【００２７】
第３の回路５３は蓄電池３の電流を零に制御するための第３の差動増幅器であって、オペアンプ７９と２つの抵抗８０、８１とから成る。オペアンプ７９の一方の入力端子は抵抗８０を介して電流検出器４に接続され、他方の入力端子は零電流を示す所定電位を与える手段としてのグランドに接続され、出力端子は第３の指令選択スイッチＳ３　を介して出力電圧指令ライン１１に接続されている。第３の回路５３からは零電流充電指令値が出力される。
【００２８】
出力電圧指令選択回路５４は第１、第２及び第３の指令選択スイッチＳ１　、Ｓ２　、Ｓ３　とその制御回路７３とから成る。制御回路７３は第１、第２及び第３の指令選択スイッチＳ１　、Ｓ２　、Ｓ３　を所定の順番でオン制御するために図５に示すように第１のＲＳフリップフロップ８２と、タイマ８３と、第１のトリガ回路８４と、第２のＲＳフリップフロップ８５と、第２のトリガ回路８８と、カレンダ−タイマ８９とから成る。
【００２９】
第１のＲＳフリップフロップ８２のセット入力端子Ｓはカレンダ−タイマ８９に接続され、リセット入力端子Ｒはカウンタ６８の出力ライン７２に接続されている。なお、カウンタ６８は３個の入力パルスを受け取った時にライン７２にパルス状出力を発生し、これによってリセットされると共に第１のＲＳフリップフロップ８２をリセットする。カレンダ−タイマ８９は、図１の電力変換装置の動作の開始に同期して充電開始信号を発生し、第１のＲＳフリップフロップ８２をセットする。例えば、図７の場合には、２２時等において蓄電池３の充電開始を示す信号を発生し、また、放電開始時刻及び放電終了時刻を示す信号を発生する。即ち、１日（２４時間）中に予め設定された充電開始時刻、放電開始時刻、放電終了時刻を示す信号を発生する。第１のＲＳフリップフロップ８２の出力端子は第１の指令選択スイッチＳ１　の制御端子に接続されている。従って、図７のｔ＝０からｔ＝１０の多段階定電流充電期間Ｔａ　において第１のＲＳフリップフロップ８２の出力が高レベルになり、第１の指令選択スイッチＳ１　がオンになる。
【００３０】
タイマ８３は図７のｔ＝１０からｔ＝１２までの定電圧充電期間Ｔｂ　を示すパルスを形成するものであって、カウンタ６８の最終段出力ライン７２に接続されている。図７のｔ＝１０時点でライン７２にパルスが発生すると、これによりタイマ８３がトリガされ、定電圧充電期間Ｔｂ　を示すパルスを形成して、第２の指令選択スイッチＳ２　の制御端子に送る。第２の指令選択スイッチＳ２　は期間Ｔｂ　だけオン状態になる。
【００３１】
零電流充電を指令するための第２のＲＳフリップフロップ８５のセット入力端子Ｓは第１のトリガ回路８４に接続されている。第１のトリガ回路８４はタイマ８３とカレンダータイマ８９との両方に接続され、図７のｔ＝１２時点でタイマ８３の出力パルスの後縁を示すパルスを形成し、これをトリガパルスとして第２のＲＳフリップフロップ８５のセット入力端子Ｓに供給する。第２のＲＳフリップフロップ８５の出力端子は第３の指令選択スイッチＳ３　の制御端子に接続されている。従って、図７のｔ＝１２時点で第３の指令選択スイッチＳ３　がオンになり、零電流充電制御が開始する。
零電流充電制御を終了させるためにカレンダータイマ８９は放電開始時刻に信号を発生し、第２のトリが回路８８に出力する。第２のトリガ回路８８は第２のＲＳフリップフロップ８５にリセット信号を付与して、第３の指令選択スイッチＳ３　がオフ状態になる。放電開始により、コンバータ２は停止し、蓄電池３から負荷へ電力を供給する。
また、カレンダータイマ８９は放電終了時刻に信号を発生し、第１のトリガ回路８４に出力する。第１のトリが回路８４は第２のＲＳフリップフロップ８５にセット信号を付与して第３の指令選択スイッチ５３がオン状態となる。即ち、零電流充電制御が再び開始する。その後、カレンダータイマ８９は充電開始時刻に信号を発生し、第２のトリガ回路８８と第１のＲＳフリップフロップ８２のセット端子Ｓに出力する。第２のトリガ回路８８は第２のＲＳフリップフロップ８５にセット信号を付与して、第３の指令選択スイッチＳ３がオフ状態になる。即ち、零電流充電制御が終了する。同時に第１の指令選択スイッチＳ１がオン状態になる。
【００３２】
【コンバータ基本動作】
コンバータ２は周知の昇圧型コンバータであるので、詳細な動作説明を省略し、動作の概要を説明する。例えば、第１のダイオードＤ１　が順方向バイアスされている時に第３のスイッチＱ３　がオンになると、第１相入力端子８ａ、第１のインダクタＬ１　、第１のダイオードＤ１　、第３のスイッチＱ３　、第２のインダクタＬ２　及び第２相入力端子８ｂの経路に電流が流れ、この電流が入力電流の波形改善及び力率改善に寄与すると共に、インダクタＬ１　、Ｌ２　に対するエネルギの蓄積に寄与する。第３のスイッチＱ３　がオフになると、第１及び第２相入力端子８ａ、８ｂ間の電圧にインダクタＬ１　、Ｌ２　の電圧が加算された電圧で蓄電池３が昇圧充電され、且つインバータ７が駆動される。
【００３３】
第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　のＰＷＭ制御信号Ｇ１　〜Ｇ６　のパルス幅を変えると、インダクタＬ１　、Ｌ２　、Ｌ３　の蓄積エネルギが変化し、コンバータ２の出力電圧即ち蓄電池３の充電電圧も変化する。
【００３４】
【充電動作】
図７のｔ＝０時点でカレンダータイマ８９が充電開始を示す信号を発生し、これが第２のトリガ回路８８と第１のＲＳフリップイフロップ８２のセット入力端子Ｓに供給される。第２のトリガ回路８８からトリガパルスが発生し、第２のＲＳフリップフロップ８２がリセットされ、第３の指令選択スイッチＳ３がオンになる。同時に第１の指令選択スイッチＳ１がオンになる。この時、図５のカウンタ６８はリセット状態にあり、出力ライン６９が高レベル状態にあり、図４の第１の基準電圧用スイッチ５９がオン状態にある。このため、図４の第１の回路５１の第１の差動増幅器５５は、電流検出信号Ｖｉ　と第１の基準電圧Ｅ１　との誤差信号を形成し、第１の指令選択スイッチＳ１　を介して図３の制御回路６の乗算器３７ａ、３７ｂ、３７ｃに送る。これにより、蓄電池３の充電電流Ｉｃ　を図７のｔ＝０〜ｔ＝６期間に示す１４０Ａ一定に保つ動作、即ち、電流検出信号Ｖｉ　を１４０Ａを示す第１の基準電圧Ｅ１　に保つ帰還制御が生じる。１４０Ａの定電流充電が進むと、蓄電池電圧Ｖｃ　は図７に示すように傾斜を有して増大する。
【００３５】
図７のｔ＝６時点で蓄電池電圧Ｖｃ　が基準電圧Ｖｒ　に達すると、図５の比較器６６からパルスが発生し、カウンタ６８がインクリメントし、出力ライン７０が高レベルになり、図４の第２の基準電圧用スイッチ６０がオンになり、８０Ａを示す第２の基準電圧Ｅ２　と電流検出信号Ｖｉ　とを同一にする定電流充電制御が開始する。ｔ＝６で充電電流Ｉｃ　を下げたために蓄電池電圧Ｖｃ　は低下し、その後増大する。
【００３６】
図７のｔ＝８時点で蓄電池電圧Ｖｃ　が基準電圧Ｖｒ　に再び達すると、図５の比較器６６からパルスが発生し、カウンタ６８がインクリメントし、ライン７１が高レベルとなり、図４の第３の基準電圧用スイッチ６１がオンになり、３０Ａを示す第３の基準電圧Ｅ３　と電流検出信号Ｖｉ　とを同一にする定電流充電制御が開始する。充電電流Ｉｃ　が３０Ａになると、蓄電池電圧Ｖｃ　は少し低下し、その後再び上昇する。
【００３７】
ｔ＝１０時点で蓄電池電圧Ｖｃ　が基準電圧Ｖｒ　に達すると、これを示すパルスが図５のカウンタ６８の出力ライン７２に得られ、このパルスが第１のＲＳフリップフロップ８２のリセット入力端子Ｒ及びタイマ８３に供給される。これにより、第１の指令選択スイッチＳ１　がオフになり、代って第２の指令選択スイッチＳ２　がオンになる。図７の定電圧充電期間Ｔｂ　には図４の第２の回路５２の出力が第２の指令選択スイッチＳ２　で選択されて図３の制御回路６に送られ、充電電圧が３８７．２Ｖの一定値に制御される。定電圧充電によって蓄電池３は満充電状態に徐々に近づくために充電電流Ｉｃ　は図７の定電圧充電期間Ｔｂ　に徐々に低下する。
【００３８】
ｔ＝１２時点でタイマ８３による定電圧充電期間Ｔｂ　の計時が終了すると、第２の指令選択スイッチＳ２　がオフ状態になり、且つトリガ回路８４からトリガパルスが発生して第２のＲＳフリップフロップ８５がセット状態となり、第３の指令選択スイッチＳ３　がオン状態になる。この結果、ｔ＝１２時点以後は図４の第３の回路５３の出力が第３の指令選択スイッチＳ３　を介して制御回路６に送られ、零電流充電状態にコンバータ２が制御される。零電流充電期間Ｔｃ　には蓄電池３の充電電圧が基準電圧Ｖｒ　よりも低い例えば３６０Ｖになる。
【００３９】
零電流充電状態において３相交流入力端子８からの電力供給が停止（停電）すると、蓄電池３の直流電圧がインバータ７で交流電圧に変換されて無停電負荷１３に対する電力供給が継続する。
【００４０】
本実施形態ではピークカット負荷１５を有するので、深夜電力によって蓄電池３を充電し、昼間の電力需要の多い時に蓄電池３からインバータ７とスイッチ１４の接点ｂを介してピークカット負荷１５に電力を供給することができる。なお、インバータ７からピークカット負荷１５に電力を供給しない時にはスイッチ１４を接点ａ側に投入して交流電源からピークカット負荷１５に電力を供給する。
ピークカット負荷１５に蓄電池３から電力を供給する時にはコンバータ２による蓄電池３の充電を停止させる。また、無停電負荷１３が要求する最小限の電力を残すように蓄電池３を放電させる。
【００４１】
本実施形態は次の効果を有する。
（１）　所定の充電終了後に蓄電池３にコンバータ２を接続した状態を保ちコンバータ２を零電流充電状態に制御するので、３相交流入力端子８が停電状態になった時に蓄電池３からインバータ７を介して無停電負荷１３に連続的に電力を供給することができる。従って、蓄電池３の過充電を防ぎ且つ停電時に無停電負荷１３に対して電力を連続的に供給することができる。
（２）　出力電圧指令値作成回路５に、第１、第２及び第３の回路５１、５２、５３を設け、これ等の出力を出力電圧指令選択回路５４で択一的に選択してコンバータ制御回路６に送る方式であるので、多段階定電流充電期間と定電圧充電期間と零電流充電期間とを容易且つ正確に得ることができる。
（３）　蓄電池３の充電と放電との繰返しによってピークカット負荷１５へ電力を供給し、電力需要の平均化を図ることができる。
（４）　カレンダ−タイマ８９を使用して蓄電池３の充電開始、放電開始、放電終了を制御するので、電力の有効利用を容易に達成することができる。
【００４２】
【第２の実施形態】
図８は第２の実施形態の電力変換装置１ａを示す。この電力変換装置１ａは、双方向変換器２ａと、蓄電池３と、電流検出器４と、出力電圧指令値作成回路５と、コンバータ制御回路６と、インバータ制御回路９０と、切換スイッチ９１とから成る。
【００４３】
双方向変換器２ａの主回路は図２のコンバータ２と同一である。図２のコンバータ２に含まれているスイッチ回路２０は周知のようにコンバータとインバータとの両方に使用可能である。双方向変換器２ａの交流側端子は３相交流入力端子８と無停電負荷１３との両方に接続されている。双方向変換器２ａの直流側端子には蓄電池３が接続されている。従って、正常時には無停電負荷１３に３相交流入力端子８から電力が供給され、停電時に蓄電池３の直流が双方向変換器２ａで交流に変換され、これが無停電負荷１３に供給される。
【００４４】
図８の電流検出器４、出力電圧指令値作成回路５、コンバータ制御回路６は、図１で同一符号で示すものと実質的に同一である。図８では新たにインバータ制御回路９０と切換スイッチ９１とが設けられている。インバータ制御回路９０は双方向変換器２ａをインバータ動作即ちＤＣ−ＡＣ変換動作させるための周知の制御信号を形成するための回路である。非停電時にはコンバータ制御回路６が切換スイッチ９１の接点ａを介して双方向変換器２ａに接続され、停電時にはインバータ制御回路９０が切換スイッチ９１の接点ｂを介して双方向変換器２ａに接続される。切換スイッチ９１は３相交流入力端子８に接続された図示されていない周知の停電検出回路によって切換制御される。なお、図８ではコンバータ制御回路６とインバータ制御回路９０とを独立に示しているが、鋸波発生器、比較器等の共通に使用可能なものを共用する構成に変形できる。
【００４５】
図８の実施形態によれば、双方向変換器２ａを使用することによって電力変換装置１ａの構成を図１に比べて簡単にすることができる。また、図８において出力電圧指令値作成回路５は図４と同一に構成されているので、この点で第１の実施形態と同一の効果が得られる。
【００４６】
【第３の実施形態】
図９は第３の実施形態の電力変換装置１ｂを示す。この電力変換装置１ｂは、図１の電力変換装置１からインバータ７を除去し、コンバータ２と蓄電池３を無停電直流負荷１３ａに接続した点において図１と相違し、この他の点は図１と同一である。従って、図９の電力変換装置１ｂによっても第１の実施形態と同一の効果を得ることができる。
【００４７】
【変形例】
本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）　コンバータ２の第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　を図６に示すように入力電圧の正弦波の１周期の全期間において高周波でオン・オフせずに、図１０に示すように特定された期間においてのみオン・オフするように変形することができる。図１０においてＶｕ　、Ｖｖ　、Ｖｗ　は３相交流入力端子８ａ、８ｂ、８ｃの相電圧を示し、Ｇ１　、Ｇ２　、Ｇ３　、Ｇ４　、Ｇ５　、Ｇ６　は第１〜第６のスイッチＱ１　〜Ｑ６　のゲート制御信号を示す。また、ゲート制御信号Ｇ１　〜Ｇ６　のＳＷは高周波（例えば２０ｋＨｚ　）のオン・オフ動作を示し、オフは連続的オフを示す。図１０では同一期間に少なくとも２相のみがオン・オフ制御されている。今、相電圧Ｖｕ　を基準してスイッチＱ１　〜Ｑ６　のオン・オフ（ＳＷ）動作を説明すると、０〜６０度の第１の期間Ｔ１　では第２及び第６のスイッチＱ２　、Ｑ６　をオン・オフ動作させる。６０〜１２０度の第２の期間Ｔ２　では第３及び第５のスイッチＱ３　、Ｑ５　をオン・オフ動作させる。また、１２０〜１８０度の第３の期間Ｔ３　では第２及び第４のスイッチＱ２　、Ｑ４　をオン・オフ動作させる。また、１８０〜２４０度の第４の期間Ｔ４　では第１及び第５のスイッチＱ１　、Ｑ５　をオン・オフ動作させる。また、２４０〜３００度の第５の期間Ｔ５　では第４及び第６のスイッチＱ４　、Ｑ６　をオン・オフ動作させる。また、３００〜３６０度の第６の期間Ｔ６　では第１及び第３のスイッチＱ１　、Ｑ３　をオン・オフ動作させる。なお、３相スイッチング方式を採用する場合には、上記に追加して第１のスイッチＱ１　を第５の期間Ｔ５　でオン・オフ動作、第２のスイッチＱ２　を第２の期間Ｔ２　でオン・オフ動作、第３のスイッチＱ３　を第１の期間Ｔ１　でオン・オフ動作、第４のスイッチＱ４　を第４の期間Ｔ４　でオン・オフ動作、第５のスイッチＱ５　を第３の期間Ｔ３　でオン・オフ動作、第６のスイッチＱ６　を第６の期間Ｔ６　でオン・オフ動作させる。
（２）　出力電圧指令値作成回路５及びコンバ−タ制御回路６及びインバータ制御回路９０の一部又は全部をマイクロコンピュータやＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）等のディジタル演算手段によって構成してもよい。
（３）　コンバータ２及びインバータ７を単相回路に構成できる。
（４）　図２において、コンバータ２の回路を種々変形できる。例えば下半分のスイッチＱ２　、Ｑ４　、Ｑ６　を省くことができる。
（５）　スイッチＱ１　〜Ｑ６　をＦＥＴ等の別の半導体スイッチにすることができる。また、ダイオードＤ１　〜Ｄ６　をスイッチＱ１　〜Ｑ６　に内蔵させることができる。
（６）　電流検出器をホール素子（磁電変換素子）等を使用した電流検出器にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の電力変換装置を示すブロック図である。
【図２】図１のコンバータを詳しく示す回路図である。
【図３】図２のコンバータ制御回路を詳しく示す回路図である。
【図４】図１の出力電圧指令値作成回路を詳しく示す回路図である。
【図５】図４の２つの制御回路を詳しく示す回路図である。
【図６】図３の３つの比較器の入力と第１〜第６の制御信号とを原理的に示す図である。
【図７】図１の蓄電池の充電電流と電圧との変化を示す波形図である。
【図８】第２の実施形態の電力変換装置を示すブロック図である。
【図９】第３の実施形態の電力変換装置を示すブロック図である。
【図１０】変形例のスイッチ制御信号を示す波形図である。
【符号の説明】
２　コンバータ
２ａ　双方向変換器
３　蓄電池
４　電流検出器
５　出力電圧指令値作成回路
６　コンバータ制御回路
７　インバータ
１３　無停電負荷
【図１】
2004072973.tif 000003
【図２】
2004072973.tif 000004
【図３】
2004072973.tif 000005
【図４】
2004072973.tif 000006
【図５】
2004072973.tif 000007
【図６】
2004072973.tif 000008
【図７】
2004072973.tif 000009
【図８】
2004072973.tif 000010
【図９】
2004072973.tif 000011
【図１０】
2004072973.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成14年8月23日(2002.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
零電流充電を指令するための第２のＲＳフリップフロップ８５のセット入力端子Ｓは第１のトリガ回路８４に接続されている。第１のトリガ回路８４はタイマ８３とカレンダータイマ８９との両方に接続され、図７のｔ＝１２時点でタイマ８３の出力パルスの後縁を示すパルスを形成し、これをトリガパルスとして第２のＲＳフリップフロップ８５のセット入力端子Ｓに供給する。第２のＲＳフリップフロップ８５の出力端子は第３の指令選択スイッチＳ３　の制御端子に接続されている。従って、図７のｔ＝１２時点で第３の指令選択スイッチＳ３　がオンになり、零電流充電制御が開始する。
零電流充電制御を終了させるためにカレンダータイマ８９は放電開始時刻に信号を発生し、第２のトリガ回路８８に出力する。第２のトリガ回路８８は第２のＲＳフリップフロップ８５にリセット信号を付与して、第３の指令選択スイッチＳ３　がオフ状態になる。放電開始により、コンバータ２は停止し、蓄電池３から負荷へ電力を供給する。
また、カレンダータイマ８９は放電終了時刻に信号を発生し、第１のトリガ回路８４に出力する。第１のトリガ回路８４は第２のＲＳフリップフロップ８５にセット信号を付与して、第３の指令選択スイッチ５３がオン状態となる。即ち、零電流充電制御が再び開始する。その後、カレンダータイマ８９は充電開始時刻に信号を発生し、第２のトリガ回路８８と第１のＲＳフリップフロップ８２のセット端子Ｓに出力する。第２のトリガ回路８８は第２のＲＳフリップフロップ８５にリセット信号を付与して、第３の指令選択スイッチＳ３がオフ状態になる。即ち、零電流充電制御が終了する。同時に第１の指令選択スイッチＳ１がオン状態になる。