(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を交流電源（１５０）から受け取るよう構成された入力端子と、直流電圧を直流電源（１６０）から受け取るよう構成され、交流電圧を直流電圧から発生させるよう動作する交流電圧発生回路（１３０）と、入力巻線（１１２ａ）及び出力巻線（１１４）を有する変圧器（１１０）を含む鉄共振変圧器回路とを備える無停電電源システム（１００）において、
入力端子及び交流電圧発生回路に結合され、入力端子と交流電圧発生回路の両方またはそれらのいずれか一方を入力巻線に結合するよう動作する変圧器入力制御回路（１２０）を備え、
変圧器入力制御回路は、制御入力（Ｖin）に応答して入力端子を入力巻線に可変結合するよう動作することを特徴とする無停電電源システム（１００）。
【請求項２】
変圧器（１１０）は、入力巻線の交流電圧が所定の振幅を超えたとき出力巻線を飽和状態にする共振回路（１１８）の一部を形成する第３の巻線（１１６）を有し、
変圧器入力制御回路は、制御入力に応答して入力端子を入力巻線に可変結合することにより共振回路の循環電流を調整するよう動作する請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項３】
制御入力は無停電電源システムの動作パラメータより成る請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項４】
制御入力は、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のうちの少なくとも１つより成る請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項５】
変圧器入力制御回路は、出力巻線の電流の増加、入力端子の電圧の低減及び出力巻線の電圧の低減のうちの少なくとも１つに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増加し、出力巻線の電流の低減、入力端子の電圧の増加及び出力巻線の電圧の増加のうちの少なくとも１つに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するよう動作する請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項６】
変圧器入力制御回路は、出力巻線の電流が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増加し、出力巻線の電流が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するよう動作する請求項５記載の無停電電源システム。
【請求項７】
変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減し、入力端子の電圧が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増加するよう動作する請求項５記載の無停電電源システム。
【請求項８】
変圧器入力制御回路は、出力巻線の電圧が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減し、出力巻線の電圧が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増加するよう動作する請求項５記載の無停電電源システム。
【請求項９】
変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のうちの少なくとも１つに応答して、入力端子を入力巻線に当該入力巻線に沿って選択された場所で接続するよう動作する請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項１０】
入力巻線は、複数のタップ（Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４）を有し、
変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のうちの少なくとも１つに応答して、入力端子を複数のタップのうちの選択された１つに接続するよう動作する請求項９記載の無停電電源システム。
【請求項１１】
変圧器入力制御回路は、入力端子を複数のタップのうちの選択された１つに接続するよう動作するスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）を備える請求項１０記載の無停電電源システム。
【請求項１２】
第３の巻線に結合され、共振回路の共振を制御することにより出力巻線の飽和特性を制御するよう動作する共振制御回路（１４０）を更に備える請求項２記載の無停電電源システム。
【請求項１３】
共振制御回路は、共振回路の容量を増減する手段を備える請求項１２記載の無停電電源システム。
【請求項１４】
共振制御回路は、
コンデンサ（Ｃ２）と、
コンデンサを共振回路に結合したり共振回路から切り離すよう動作する制御回路（Ｓ３）とを備える請求項１３記載の無停電電源システム。
【請求項１５】
変圧器入力制御回路は、入力端子に接続された交流電源及び交流電圧発生回路のうちの選択された１つを入力巻線に結合するよう動作する請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項１６】
入力巻線は、第１の入力巻線及び第２の入力巻線より成り、
変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧及び出力巻線の電流のうちの少なくとも１つに応答して入力端子を第１の入力巻線に可変結合するよう動作し、
交流電圧発生回路は第２の入力巻線に結合されている請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項１７】
交流電圧発生回路は、所定の電圧範囲内に維持される調整された交流電圧を発生させるよう動作する請求項１６記載の無停電電源システム。
【請求項１８】
交流電圧発生回路はインバータより成る請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項１９】
交流電圧発生回路に接続された直流電源と組合わされた請求項１記載の無停電電源システム。
【請求項２０】
交流電圧を交流電源（１５０）から受け取るよう構成された入力端子と、直流電圧を直流電源（１６０）から受け取るよう構成され、交流電圧を直流電圧から発生させるよう動作する交流電圧発生回路（１３０）と、入力巻線（１１２ａ）及び出力巻線（１１４）を有する変圧器（１１０）を含む鉄共振変圧器回路とより成る無停電電源システム（１００）を動作させる方法において、
制御入力（Ｖin）に応答して入力端子を入力巻線（１１２ａ）に可変結合するステップを含むことを特徴とする無停電電源システム（１００）の動作方法。
【請求項２１】
前記可変結合ステップは、交流電圧源の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び交流電圧源の電流のうちの少なくとも１つに応答して交流電圧を入力巻線に可変結合するステップより成る請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記可変結合するステップは、交流電圧源に接続された入力端子を入力巻線に当該入力巻線に沿って選択された場所で接続するステップより成る請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
入力巻線は、複数のタップ（Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４）を有し、
前記接続ステップは、入力端子を複数のタップの選択された１つに接続するステップより成る請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記接続ステップは、
出力巻線の電流が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して、入力端子を入力巻線の１ターン当たりの電圧を増加するタップに接続するステップと、
出力巻線の電流が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して、入力端子を入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するタップに接続するステップとより成る請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記接続ステップは、
入力端子で受け取られた交流電圧の低減に応答して、入力端子を該入力端子で受け取られた交流電圧が印加される入力巻線のターン数を低減するタップに接続するステップと、
入力端子で受け取られた交流電圧の増加に応答して、入力端子を該入力端子で受け取られた交流電圧が印加される入力巻線のターン数を増加するタップに接続するステップとより成る請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
前記接続ステップは、
出力巻線の電圧の低減に応答して、入力端子を該入力端子で受け取られた交流電圧が印加される入力巻線のターン数を低減するタップに接続するステップと、
出力巻線の電圧の増加に応答して、入力端子を該入力端子で受け取られた交流電圧が印加される入力巻線のターン数を増加するタップに接続するステップとより成る請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、電源システム及びその動作方法に関し、特に、無停電電源（ＵＰＳ）システム及びその動作方法に関する。
【発明の背景】
【０００２】
無停電電圧（ＵＰＳ）システムは、例えば、高い信頼性を有する調整済み交流電力をコンピュータ・システム、通信交換装置及びケーブル・テレビジョン伝送装置に供給するような広範囲の用途に用いられている。典型的な無停電電源システムは、交流商用電源が所定の電圧又は他の性能基準に適合しない場合、例えば、「電圧低下」あるいは「停電」状態にあるとき直結可能な蓄電池、独立型発電機又は代替電源を含む。更に、無停電電源システムは、通常、スパイク、周波数変動、電圧漂動、及び多くの場合交流商用ラインに存在する他の不規則さを低減するよう設計されている電力条件付け回路を含む。従って、交流電圧の調整は、多くの場合無停電電源システムの重要な機能であり、従って、大部分の通常の無停電電源システムは、何らかの交流電圧調整回路を含む。
【０００３】
無停電電源システムの電圧調整回路は、多くの場合、無停電電源システムが動作する環境の特定の要求に適合するよう設計されている。例えば、ケーブル・テレビジョンの用途において、無停電電源システムは、通常、交流電力をケーブル・ネットワークを介して配電するため用いられる。テレビジョン信号は、ケーブル・システムで用いられる典型的な６０Ｈｚ電力信号よりはるかに高い周波数を有する傾向があるので、交流電力信号は、通常、同軸ケーブル自体で配電され、テレビジョン信号と多重化される。信号中継器のような装置は、同軸導体に結合された同調タンク回路により電力をケーブルから受け取る。単極取付け型ケーブル無停電電源システムは、多くの枝線及び大きな地理的範囲にわたって分布する幾つかのそのような装置を含むケーブル・ネットワークに配電・配信を行う。
【０００４】
典型的なケーブル・テレビジョンの電力系統の広範囲に分布した特質の故に、ネットワークの一部が故障したとき無停電電源システムがサービスを提供するネットワーク全体を非作動にするのは一般的に不都合である。無停電電源システムをオフにする代わりに、修理員は、通常、ネットワークの故障の疑いのある部分に通じる同軸導体を短絡させ、疑いのある備品を交換し、次いで交換により故障が復旧したかを確かめるため短絡を解除する。このため、また倒木の枝等に起因して予期しない短絡が発生する可能性があるために、一般的に、ケーブル・テレビジョン無停電電源システムは良好な短絡電流制限特性を示すことが望ましい。
【０００５】
他の環境要因として、同様に電圧調整技術の選定に影響を及ぼすものもある。例えば、ケーブル・テレビジョン及び電話システムは、装置を損傷させ得る短期及び長期の電圧サージを惹き起こす、雷及び切換えにより生じる過渡現象の影響を非常に受けやすい。ライン装置は通常金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）のような短期電圧スパイク保護デバイスを含むが、これらのデバイスは、一般的に、長期の電圧漂動、例えば負荷制限により生じるような多サイクル電圧サージを抑制するのに非常に効果的でない。従って、また一般的に、無停電電源システムが優れたサージ抑制特性を示すことが望ましい。
【０００６】
幾つかの異なるタイプの交流電圧レギュレータが、無停電電源の動作要求に適合するよう用いられてきた。多くの無停電電源は、自己調整型鉄共振変圧器レギュレータを用いており、該レギュレータは、その単純さ、丈夫さ及び望ましい動作特性の故に電話及び類似のシステムで長く用いられてきた。鉄共振変圧器レギュレータは、通常優れた電圧調整能力、故障時における優れた出力電流制限能力及びかなりのサージ抑制能力を備えている。しかしながら、鉄共振変圧器レギュレータは、通常、同等の線形変圧器レギュレータと比べて効率が低く、負荷がステップ状に変化し、低周波数入力が不連続になると低調波オーバシュート及びリンギングしやすい傾向がある。追加の巻線の存在及び比較的大きな共振コンデンサの必要性の故に、鉄共振変圧器レギュレータはまた、同等の電力取扱い能力のある線形変圧器レギュレータよりサイズが大きく且つ重くなる傾向があり、従ってより高価になりがちである。鉄共振変圧器回路のインダクタンスを制御することにより鉄調整動作（ｆｅｒｒｏｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ）を制御する技術が、Ｅｂｅｒｔ他への米国特許Ｎｏ．４，４７５，０４７号明細書に記載されている。
【０００７】
従来の他の無停電電源は、例えば、欧州特許出願公開第２８４５４１号明細書（特開昭６３−２５３８３３号公報に対応する）及びＤａｎｇ他への米国特許Ｎｏ．４，９１６，３２９号明細書に記載されるように、鉄共振変圧器の代わりに線形変圧器を利用する電圧レギュレータを採用し、所望の調整を行うため追加の制御電子機器に依存する。線形変圧器レギュレータは、同等の鉄共振変圧器レギュレータより高い効率を有する傾向があり、ライン又は負荷の不連続性による影響を受けても通常はオーバシュート及び低調波リンギングが軽度であるが、サージ抑制又は電流制限特性は所望以下である。
【発明の概要】
【０００８】
前述のことに照らして、本発明の目的は、所望の組合せの調整能力、効率、サージ抑制及び短絡電流制限能力を有する無停電電源（ＵＰＳ）システムを提供することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、所望の組合せの調整能力、効率、サージ抑制及び短絡電流制限能力を有する電圧レギュレータ及び電圧調整方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に別の目的は、望ましいサイズ及び重量特性を有する鉄共振電圧レギュレータを提供することにある。
【００１１】
上記及び他の目的、特徴及び利点は、交流電圧を交流電源から受け取るよう構成された入力端子と、直流電圧を直流電源から受け取るよう構成され、交流電圧を直流電圧から発生させるよう動作する交流電圧発生回路と、入力巻線及び出力巻線を有する変圧器を含む鉄共振変圧器回路とを備える無停電電源システムであって、入力端子及び交流電圧発生回路に結合され、入力端子と交流電圧発生回路の両方またはそれらのいずれか一方を入力巻線に結合するよう動作する変圧器入力制御回路を備え、変圧器入力制御回路は、制御入力（Ｖin）に応答して入力端子を入力巻線に可変結合するよう動作することを特徴とする無停電電源システムを提供する本発明により達成させる。
【００１２】
本発明は、例えば比較的単純なタップ変更技術を用いて鉄共振変圧器の入力巻線の１ターン当たりの電圧を調整することにより、鉄共振変圧器レギュレータ回路の飽和特性を制御すると特性の改善を行うことができるという認識に基づく。従って、鉄共振変圧器レギュレータ回路は、本来のサージ抑制及び電流制限のような鉄共振変圧器の多くの望ましい特性を提供すると共に、その共振回路のより小さい循環電流でもって動作するよう設計され得る。循環電流を低減することにより、巻線、コンデンサ及び他の構成要素のサイズを低減することが可能となるが、それは効率の増大につながる。無停電電源の動作は、鉄共振変圧器の入力巻線を交流電源と蓄電池により給電されるインバータとの間で切り替えることにより、又は交流電源及びインバータを鉄共振変圧器の第１及び第２のそれぞれの入力巻線に結合することにより達成することができる。
【００１３】
特に、本発明に従って、直流電源及び交流電源のうちの少なくとも１つから交流電圧を発生させる無停電電源システムは、交流電圧を交流電源から受け取るよう構成された入力端子と、交流電圧、好ましくは調整された交流電圧を出力に発生させるよう動作するインバータとを含む。鉄共振変圧器回路は、入力巻線、出力巻線及び第３の巻線を有する変圧器を含み、該第３の巻線は、入力巻線の交流電圧が所定の振幅を超えたとき出力巻線を飽和状態にする共振回路の一部を形成する。変圧器入力制御回路は、入力端子及びインバータの出力に結合され、そして入力端子及びインバータの出力のうちの少なくとも１つを入力巻線に結合するよう動作する。変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のうちの少なくとも１つに応答して、入力端子を入力巻線に可変結合する。
【００１４】
本発明の局面に従って、変圧器入力制御回路は、出力巻線の電流の増加、入力端子の電圧の低減及び出力巻線の電圧の低減のうちの少なくとも１つに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大し、出力巻線の電流の低減、入力端子の電圧の増加及び出力巻線の電圧の増加のうちの少なくとも１つに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するよう動作する。変圧器入力制御回路は、出力巻線の電流が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大し、出力巻線の電流が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するよう動作し得る。変圧器入力制御回路はまた、入力端子の電圧が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減し、入力端子の電圧が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大するよう動作し得る。変圧器入力制御回路はまた、出力巻線の電流が第１の所定スレッショルドを超えて増加するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減し、出力巻線の電流が第２の所定スレッショルド以下に低下するとそれに応答して入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大するよう動作し得る。
【００１５】
本発明に従った実施形態において、変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のうちの少なくとも１つに応答して、入力端子を入力巻線に該入力巻線に沿って選択された場所で接続するよう動作する。例えば、入力巻線は複数のタップを有し、変圧器入力制御回路は、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のうちの少なくとも１つに応答して、複数のタップのうちの選択されたタップに日端子を接続するよう動作する。
【００１６】
本発明に従った他の実施形態において、システムは更に、第３の巻線に結合され、共振回路の共振を制御することにより出力巻線の飽和特性を制御するよう動作する共振制御回路を備える。共振制御回路は、共振回路の容量を増減する手段を備え得る。
【００１７】
本発明に従った電圧レギュレータは、入力交流電圧を受け取るよう構成された入力端子と、入力巻線、出力巻線及び第３の巻線を有する変圧器を含む鉄共振変圧器回路とを備え、第３の巻線は、入力巻線の交流電圧が所定の振幅を超えたとき出力巻線を飽和状態にする共振回路の一部を形成する。変圧器入力制御回路は、入力端子に結合され、入力端子の電圧、出力巻線の電流、出力巻線の電圧及び入力端子の電流のような電圧レギュレータの動作パラメータに応答して、入力端子を入力巻線に可変に結合するよう動作する。
【００１８】
本発明は、別の局面に従って、交流電圧を交流電源から受け取るよう構成された入力端子と、直流電圧を直流電源から受け取るよう構成され、交流電圧を直流電圧から発生させるよう動作する交流電圧発生回路と、入力巻線及び出力巻線を有する変圧器を含む鉄共振変圧器回路とより成る無停電電源システムを動作させる方法であって、制御入力（Ｖin）に応答して入力端子を入力巻線に可変結合するステップを含むことを特徴とする無停電電源システムの動作方法を提供する。
【実施形態の詳細な説明】
【００１９】
本発明は、ここで以下に、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照してより十分に説明されるであろう。しかしながら、本発明は、多くの異なる形式で具体化され得て、本明細書で説明される実施形態に限定されると解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が完璧且つ完全となり且つ本発明の範囲を当業者に十分に伝えるため提供されるものである。類似の番号は、全体を通して類似の構成要素を示す。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の一実施形態における無停電電源（ＵＰＳ）システム１００は鉄共振変圧器１１０を含み、該鉄共振変圧器１１０は、巻線上の離間した場所にタップＴ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４を有する第１の入力巻線１１２ａと、第２の入力巻線１１２ｂと、出力巻線１１４とを含む。第３の巻線１１６は、コンデンサＣ１を含む共振回路１１８の一部を形成する。共振回路１１８は、入力巻線１１２ａ、１１２ｂのうちの少なくとも１つの電圧が所定のスレッショルドを超えたとき出力巻線１１４を飽和状態にする。
【００２１】
鉄共振変圧器回路の動作原理は当業者に周知である。当業者は、例えば、出力巻線１１４及び第３の巻線１１６が多数の形態の１つを有し得ることを認めるであろう。例えば、共振回路の第３の巻線１１６は、共振回路が出力巻線１１４から分離しているように構成され得る。別法として、図示のように、共振回路１１８を出力巻線１１４を含むように構成してもよく、鉄共振変圧器１１０の出力電圧は共振巻線１１６のタップＴ２３とＴ２４との間に発生する。当業者はまた、共振回路１１８が異なる態様で接続されたコンデンサ又はインダクタ又は他のリアクタンス素子のような、図示のように接続されたコンデンサＣ１とは別の又はそれに加えたリアクタンス素子を含み得ることが分かるであろう。鉄共振変圧器回路は、一般的に、アメリカ電気・電子通信学会（ＩＥＥＥ）により刊行された鉄共振電圧レギュレータのＩＥＥＥ基準、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ．４４９−１９９０（１９９０年５月１６日）に説明されている。
【００２２】
無停電電源システム１００はまた電圧レギュレータ１０５を含み、該電圧レギュレータ１０５は、入力端子１０２ａ、１０２ｂを鉄共振変圧器１１０の第１の入力巻線１１２ａに可変結合することにより、交流電源１５０、例えば商用電力線から入力端子１０２ａ、１０２ｂで受け取られた交流電圧Ｖinを制御可能に印加するよう動作する変圧器入力制御回路１２０を含む。特に、図示の実施形態については、変圧器入力制御回路１２０はスイッチＳ１、Ｓ２を含み、該スイッチＳ１、Ｓ２は、入力端子１０２ａ、１０２ｂの入力電圧Ｖin、出力巻線１１４の出力電流Ｉout、出力巻線１１４の出力電圧Ｖout及び入力端子１０２ａ、１０２ｂの入力電流Ｉinのうちの少なくとも１つに応答して入力端子１０２ａ、１０２ｂを第１の入力巻線１１２ａのタップＴ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４に選択的に接続する。変圧器入力制御回路１２０はまた、第１の入力巻線１１２ａを入力端子１０２ａ、１０２ｂから分離するよう動作する追加のスイッチＳinを含むよう示されている。
【００２３】
当業者は、変圧器入力制御回路１２０による入力制御が例えば、インダクタ、コンデンサ、変圧器及び類似の構成要素、並びに入力端子１０２ａ、１０２ｂの第１入力巻線１１２ａへの接続を制御するためのリレー、機械的又は固体スイッチ、トランジスタ及び他のスイッチング素子及び制御構成要素を含む多数の異なるタイプの回路構成要素により提供され得ることを認めるであろう。変圧器入力制御回路１２０はまた、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、演算増幅器等のようなデバイスを含む追加のディジタル及び／又はアナログ制御回路を含み得る。
【００２４】
共振回路１１８の共振を制御することにより出力巻線１１４の飽和特性を制御する任意の共振制御回路１４０も含むことができる。共振制御回路１４０は、鉄共振変圧器１１０の第３の巻線１１６を含む共振回路１１８に結合される。共振制御回路１４０は、例えば、スイッチＳ３により追加のコンデンサＣ２を共振巻線１１６のタップＴ２１とＴ２２の間に接続するか切り離すことにより共振回路１１８の共振を制御する。共振制御回路１４０は、入力電圧Ｖin、出力電流Ｉout、出力電圧Ｖout及び入力電流Ｉinのうちの少なくとも１つに応答して出力巻線１１４の飽和特性を変化させることにより所望の組合せのライン調整、負荷調整、サージ抑制、効率等を得ようとする。
【００２５】
当業者は、共振制御回路１４０により与えられる共振制御が例えば、共振回路１１８の特性を制御するためのインダクタ、コンデンサ、変圧器及び類似の構成要素、並びに他のスイッチング素子及び制御構成要素を含む多数の異なるタイプのリアクタンス回路により提供され得ることを認めるであろう。共振制御回路１４０はまた、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、演算増幅器等のようなデバイスを含む追加のディジタル及び／又はアナログ制御回路を含み得る。
【００２６】
当業者は、多くのこれらの機能的構成要素が変圧器入力制御回路１２０及び共振制御回路１４０により共用され得ることを認めるであろう。例えば、変圧器入力制御回路１２０及び共振制御回路１４０は、第１の入力巻線１１２ａに対する１ターン当たりの電圧と、所望の組合せのライン調整、負荷調整、サージ抑制、効率及び他の性能特性とを与える共振回路１１８の共振とを決定し、それに応じて入力制御スイッチＳ１、Ｓ２及び共振制御スイッチＳ３を制御する共通のマイクロプロセッサ１７０を共用し得る。
【００２７】
「電圧低下」又は「停電」のような、交流電源１５０により与えられる入力交流電圧が劣化した状況においてバックアップ電力を与えるため、第２の入力巻線１１２ｂに接続された、パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータのようなインバータ１３０が設けられている。直流電圧が、蓄電池のような直流電源１６０からインバータ１３０に供給される。直流電圧がインバータ１３０により変換され、第２の入力巻線１１２ｂに印加される交流電圧をインバータ１３０の出力１３２に発生させる。前述したように、インバータ１３０が動作しているとき、変圧器入力制御回路１２０は、入力端子１０２ａ、１０２ｂに供給された交流電圧を第１の入力巻線１１２ａから、例えば入力制御スイッチＳinを開くことにより分離し得る。
【００２８】
インバータ１３０は、当業者に周知の多数の通常のインバータ回路のいずかでよい。例えば、該インバータは、第２の入力巻線１１２ｂに印加される実効交流電圧を制御するように変化されるデューティ・サイクルを有する交流パルス信号を発生させるパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータより成る。インバータ１３０は、所定の電圧範囲内に維持される調整された交流電圧をその出力１３２に発生させるのが好ましい。調整されたインバータを用いることにより、無停電電源システム１００の調整性能は、無停電電源システム１００がインバータ１３０により供給される電力で動作しているとき維持することができる。しかしながら、当業者は、パルス幅又は類似の制御を行わない開ループ型レギュレータのような「非調整型」インバータも本発明で用いることができるが、性能が劣ることがあることを認めるであろう。
【００２９】
当業者はまた、図１に図示されているインバータ１３０及び変圧器入力制御回路１２０とは異なるインバータ１３０及び変圧器入力制御回路１２０の形態も本発明の範囲に入ることを認めるであろう。例えば、図２は、変圧器入力制御回路１２０′が更に交流電源１５０及びインバータ１３０のうちの１つを鉄共振変圧器１１０′の単一の入力巻線１１２に接続するよう動作する代替の実施形態１００′を図示する。例えば、入力巻線１１２を入力端子１０２ａ、１０２ｂとインバータ１３０の出力１３２の間で切り替える入力制御スイッチＳin′を設けてもよい。
【００３０】
図１に戻って、当業者は、インバータ１３０と交流電源１５０との相互作用が多数の異なる態様で生じることを認めるであろう。例えば、インバータ１３０は、純然たる「待機／オンライン」モードで、即ち、インバータ１３０が交流電圧を第２の入力巻線１１２ｂに供給するとき交流電源１５０は第１の入力巻線１１２ａから入力制御スイッチＳinにより分離され、また、交流電源１５０が第１の入力巻線１１２ａに接続されたときインバータの出力１３２が非作動になる制御方式で動作し得る。代替として、インバータ１３０は、インバータ１３０が交流電圧を第２の入力巻線１１２ｂに印加し同時に交流電源１５０を第１の入力巻線１１２ａに印加する「ライン相互作用」又は「３ポート（ｔｒｉ−ｐｏｒｔ）」モードで動作し得る。例えば、そのような動作方式の下では、インバータ１３０はまた、出力電圧Ｖoutの所望の品質を維持するため、交流電源１５０により与えられる交流電圧の揺らぎを補償するよう動作し得る。
【００３１】
当業者は、インバータ１３０からの電力の印加を適正に同期させるため、インバータ１３０、変圧器入力制御回路１２０及び共振制御回路１４０の間で通信が行われることが好ましいことを認めるであろう。例えば、通信バス又は類似のデータ経路がマイクロプロセッサ１７０とインバータ１３０の間に設けられ、マイクロプロセッサ１７０がインバータ１３０、変圧器入力制御回路１２０及び共振制御回路１４０の動作を同期できるようにし得る。下流の構成要素及び装置の追加の保護を与えるため、出力クランプ回路１８０が、さもなければ下流の構成要素及び装置に問題を生じさせ、不必要にそれらの動作寿命を低減する可能性のある断続的な電圧漂動を抑制するため設けられる。
【００３２】
本発明は、鉄共振変圧器回路の入力巻線に印加される１ターン当たりの電圧を、また、オプションとして鉄共振変圧器回路の共振回路の共振を制御すると、鉄共振変圧器回路の飽和特性を変化させてその動作包絡線を変化させることができるという認識に基づく。特に、前述した変圧器入力制御回路１２０及び共振制御回路１４０は、共振回路１１８の循環電流、従って鉄共振変圧器回路の飽和特性を制御するよう動作する。
【００３３】
通常の鉄共振変圧器レギュレータは、通常、共振構成要素、例えば、共振回路の中の循環ボルト・アンペアがレギュレータの公称動作包絡線内のレギュレータの定格出力電力の２倍から４倍のオーダーで動作するように通常選定される構成要素値を有する変圧器巻線及び共振コンデンサを有する。これらの構成要素値は、通常、レギュレータの定格ライン入力及び負荷範囲にわたり特定の調整性能を得たいという要望から選定される。共振回路の中の最小循環ボルト・アンペアを維持すると、レギュレータはその定格出力電流で確実に飽和状態に維持される。このアプローチの不利な面としては、公称出力電流での効率が比較的低いことと、大きな共振コンデンサ及びかなりの共振巻線を有する鉄共振変圧器のようなかさが大きく通常高価な部品を必要とする傾向とがあることである。
【００３４】
本発明によると、入力巻線の１ターン当たりの電圧を制御することにより、共振回路が大きな範囲の１次巻線電圧にわたり調整を行う要件が低減する。この入力制御は、調整を行う鉄共振変圧器回路にかかる負担を低減し、より小さい循環電流を支持する共振回路を用いることにより鉄共振回路が限られた動作包絡線にわたって動作するよう設計するのを可能にする。従って、鉄共振変圧器及び関連の構成要素を、同程度の電力取扱い能力を有する従来の鉄共振変圧器レギュレータより小型で、より軽く、多分より安価にすることができる。更に、適切な入力制御（及びオプションとしての共振制御）が鉄共振変圧器回路をその動作範囲全体にわたり最適に又は最適に近い飽和状態に維持することができるので、効率を増大できる。
【００３５】
図３から図７は、図１及び図２の装置を用いて実現できる制御構造及び動作の例を図示する。当業者は、図３から図７に図示された構造及び動作をコンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置上に搭載され得るコンピュータ・プログラム命令により実現することにより、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置上で実行される命令がフローチャートのブロック（単数および複数）で特定される機能を実行する手段を構築するマシンが得られることが分かるであろう。例えば、図３から図７の構造及び動作は、図１及び図２のマイクロプロセッサ１７０にロードされ実行されるコンピュータ命令により実行され得る。コンピュータ・プログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置にロードされると、一連の動作ステップをコンピュータ及び他のプログラム可能装置上で実行させてコンピュータにより実行されるプロセスを実現させる。コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行する命令は、図３から図７に特定される動作を実行するためのステップを与える。従って、図３から図７は、図３から図７に特定された動作を実行するための、手段の組合せ及びステップの組合せをサポートする。また、図３から図７の各構造又は動作は、特定の機能又はステップ、又は特定目的のハードウエア及びコンピュータ命令の組合せを実行する特定目的のハードウエアベースのコンピュータ・システムにより実現できることが理解されるであろう。
【００３６】
図３から図７に図示の例示的構造及び動作は、入力電圧Ｖin、出力電流Ｉout及び出力電圧Ｖoutに基づいて、鉄共振変圧器レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧の制御並びに鉄共振変圧器レギュレータの共振回路の共振の制御を実現する。当業者は、これらの例示的構造及び動作が例示的目的のため提供され、そして本発明の範囲を図３から図７に図示された構造及び動作に限定するものではないことを認めるであろう。例えば、（図１及び図２に図示のように）入力電流Ｉin又は電圧レギュレータ１０５の他の動作パラメータに基づく入力及び共振制御もまた、本発明の範囲内で提供され得る。
【００３７】
図３は、図１の電圧レギュレータ１０５のような鉄共振変圧器電圧レギュレータを制御するための変圧器入力制御構造３００の一例を図示する。交流電圧Ｖinが加算接続部３４０に供給され、ヒステリシス制御ブロック３１０に与えられる加算接続部出力Ｖ*を発生させる。ヒステリシス制御ブロック３１０は、加算接続部出力Ｖ*に基づくスイッチＳ１、Ｓ２を用いて電圧レギュレータ１０５の入力端子１０２ａ、１０２ｂを選択的に接続し、図４のグラフに図示されるように加算接続部出力Ｖ*が増大又は低減するかに応じて、タップ構成をそれぞれ上側及び下側スレッショルドＶ１*、Ｖ２*に切り替えることによりヒステリシスを導入する。図１に図示されたスイッチＳ１、Ｓ２は、該スイッチＳ１、Ｓ２の４つの有り得る順列に対応する４つのタップ構成をサポートする。
【００３８】
図５は、図３の構造３００により実現される電圧調整動作５００を示す。入力電圧Ｖinが検知される（ブロック５１０）。入力電圧Ｖinが第１の所定スレッショルドを超えて増大した場合（ブロック５２０）、タップ構成は、鉄共振変圧器電圧レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するよう変えられる（ブロック５２５）。入力電圧Ｖinが第１の所定スレッショルドより低い第２の所定スレッショルド以下に低下した場合（ブロック５３０）、タップ構成は、鉄共振変圧器電圧レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大するよう変えられる（ブロック５３５）。
【００３９】
図３に戻って、出力電流Ｉout表す信号Ｉout＊ＲSCを加算接続部３４０に供給する第１のフィードバック経路３３０を設けることにより、印加される交流電圧に基づくものとは異なる制御を達成することができる。出力電流Ｉoutが加算接続部Ｖ*を第１の所定スレッショルドを超えて増大させる点まで低減すると、ヒステリシス制御器３１０は、鉄共振変圧器レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するようタップ構成を変える。出力電流Ｉoutが加算接続部出力Ｖ*を第２の所定スレッショルド以下に低減させる点まで増大すると、ヒステリシス制御器３１０は、鉄共振変圧器電圧レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大するようタップ構成を変える。
【００４０】
また、出力電圧に基づく制御を設けてもよい。第２のフィードバック経路３２０は、実際の出力電圧Ｖoutと所望の出力電圧Ｖrefとの差を表す信号Ｋ*（Ｖout−Ｖref）を加算接続部３４０に供給する。出力電圧Ｖoutが所望の電圧Ｖrefを超えて、加算接続部出力Ｖ*を第１の所定スレッショルドを超えて増大させる点まで増大すると、ヒステリシス制御器３１０は、鉄共振変圧器レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧を低減するようタップ構成を変える。出力電圧Ｖoutが所望の出力電圧Ｖref以下で、加算接続部出力Ｖ*を第２の所定スレッショルド以下に低減させる点まで低減すると、ヒステリシス制御器３１０は、鉄共振変圧器レギュレータの入力巻線の１ターン当たりの電圧を増大する。
【００４１】
図３の制御構造３００のヒステリシス制御器３１０、フィードバック経路３２０、３３０及び加算接続部３４０は、例えば、図１及び図２の装置を用いて実現できる。例えば、加算接続部３４０及びヒステリシス制御器３１０は、図１のマイクロプロセッサ１７０上で動作するコンピュータ・プログラムにより、又は同様に機能するアナログ及び／又はディジタル回路により実現できる。同様に、フィードバック経路３２０、３３０のスケーリング及び他の機能は、マイクロプロセッサ又は同様に機能するアナログ及び／又はディジタル回路において実現できる。他の機能例えば電流及び電圧検知は、電圧サンプリング・デバイス、電流検知抵抗器、電流変成器、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）等々のような、当業者に既知の多様な部品により実施できる。
【００４２】
当業者はまた、図３の制御構造３００とは異なる変圧器入力制御構造を本発明に使用可能であることを認めるであろう。例えば、図３に図示された線形フィードバック構造は、ある一定の動作包絡線内において図３に示された幾つかの線形制御機能を実現し、他の多分非線形の制御機能を別の動作包絡線内で実現する一層一般化された制御構造により置換されることができる。例えば、短絡回路を示す出力電流Ｉout及び出力電圧Ｖout状態下で鉄共振変圧器レギュレータの入力巻線の１ターン当たりのハード制限入力電圧を実現すること、又はフィードバック経路３２０、３３０と関連した利得Ｋ、ＲSCを、入力電圧、出力電圧及び／又は出力電流のある範囲にわたり変えて、鉄共振変圧器レギュレータの性能特性の非線形性を補償することが望ましい。また、ルール・ベース回路網、ファジー回路網、論理回路網、神経回路網、又は他の制御アーキテクチャが、図３に図示されたような代数的制御構造の代わりに用いられ得ることが理解されるであろう。
【００４３】
図６は、図１の電圧レギュレータ１０５、特に、共振制御回路１４０により実現できる共振制御構造６００の一例を図示する。鉄共振変圧器レギュレータの出力電流Ｉoutは、加算接続部６３０に供給されて加算接続部出力Ｉ*を発生させ、この加算接続部出力Ｉ*はヒステリシス制御器６１０に供給される。ヒステリシス制御器６１０（例えば、図１のマイクロプロセッサ１７０で実現される）は、共振制御回路１４０のスイッチＳ３の状態を変え、追加のコンデンサＣ２を共振回路１１８に接続するかそれから切り離す。図７に図示されているように、出力電流Ｉoutは加算接続部出力Ｉ*が第１の所定スレッショルドＩ1*を超えて増大する点まで増大すると、スイッチＳ３が閉じられ、追加のコンデンサＣ２を共振回路１１８に加える。出力電流Ｉoutは加算接続部出力Ｉ*が第２の所定スレッショルドＩ2*以下に低下するように低減すると、スイッチＳ３が開いて、追加のコンデンサＣ２を共振回路１１８から切り離す。
【００４４】
出力電圧に基づく共振制御も実現できる。実際の出力電圧Ｖoutと所望の出力電圧Ｖrefの差を表す信号ｆ（Ｖout−Ｖref）を加算接続部６３０に供給する電圧制御経路６２０を設け得る。なお、加算接続部６３０において、該信号ｆ（Ｖout−Ｖref）は出力電流信号Ｉoutに加えられる。一般的に、信号ｆ（Ｖout−Ｖref）は線形及び非線形関数を含むいずれの数の出力電圧Ｖoutの関数を表し得ることが理解されるであろう。
【００４５】
図６の共振制御構造６００のヒステリシス制御器６１０、フィードバック経路６２０及び加算接続部６３０は、例えば、図１及び図２の装置を用いて実現できる。例えば、加算接続部６３０及びヒステリシス制御器６１０は、図１のマイクロプロセッサ１７０上で動作するコンピュータ・プログラムにより、又は同様に機能するアナログ及び／又はディジタル回路により実現できる。同様に、フィードバック経路６２０のスケーリング及び他の機能は、マイクロプロセッサ、又は同様に機能するアナログ及び／又はディジタル回路において実現できる。他の機能、例えば電流及び電圧検知は、電圧サンプリング・デバイス、電流検知抵抗器、電流変成器、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）等々のような、当業者に既知の多様な部品により実施できる。
【００４６】
当業者はまた、図６の共振制御構造６００とは異なる共振制御構造を本発明に使用可能であることを認めるであろう。例えば、レギュレータは、ある特定の動作包絡線内で図６に示される制御機能の一部を実現し、他の制御機能を別の動作包絡線内で実現する一層一般化された共振制御構造を用いることができる。当業者は、ルール・ベース回路網、ファジー回路網、論理回路網、神経回路網又は他の制御アーキテクチャもまた図６に図示されたような代数的制御構造の代わりに用いられ得ることを認めるであろう。
【００４７】
図面及び明細書において、本発明の典型的で好適な実施形態が開示され、そして特定の用語が用いられたが、それらは、包括的及び説明の意味での使用であって限定の目的でなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】  図１は、本発明の無停電電源（ＵＰＳ）システムの第１の実施形態を図示する。
【図２】  図２は、本発明の無停電電源システムの第２の実施形態を図示する。
【図３】  図３は、本発明の局面に従って１次巻線の１ターン当たりの電圧を制御するための制御構造を図示する。
【図４】  図４は、図３の実施形態のための例示的制御動作を示すグラフである。
【図５】  図５は、本発明の一局面に従って入力電圧に応答して１次巻線の１ターン当たりの電圧を制御する例示的動作を示すフローチャートである。
【図６】  図６は、本発明の局面に従って鉄共振変圧器回路における共振を制御するための制御構造を図示する。
【図７】  図７は、図６の実施形態のための例示的共振制御を示すグラフである。
【図１】
0004103948.tif 000002
【図２】
0004103948.tif 000003
【図３】
0004103948.tif 000004
【図４】
0004103948.tif 000005
【図５】
0004103948.tif 000006
【図６】
0004103948.tif 000007
【図７】
0004103948.tif 000008