JP4763660B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は電源システムに関し、とくに、停電時にも負荷への給電を継続するバックアップ電源システムに関する。

災害時や非常時に機器のバックアップ用として使用される従来の電源システムは、主にＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）であり、通常、図４に示したように、蓄電池を複数組み合わせてなる組電池２と、直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、商用入力８を介して入力した商用交流電力を直流電力に変換して蓄電池を充電またはインバータ３へ供給する整流器１と、システム出力を商用電源とインバータ出力のどちらかに接続する切替器４と、システムの監視・制御を行う制御部７から構成される（下記特許文献１参照）。商用給電が有効であるとき、入力した交流電力はそのままバイパス回路５を介して、あるいは、整流器１およびインバータ３を介し、出力１０を介して負荷装置へ供給される。停電発生時は、組電池２が放電する電力をインバータ３を介し、出力１０を介して負荷装置へ供給する。
特開２００３−４７１６８号公報

一般的なＵＰＳによるバックアップ時間は１０分〜３０分程度であり、それ以上の長時間停電時も負荷装置を運用するためには、図５に示すように、非常用入力９と切替スイッチ６を介して、発動発電装置等の非常用電源をＵＰＳの入力に接続する方法がある。しかし、ＵＰＳの入力に電源が接続されているとき、商用電源が復電したと認識され、入力された電力は負荷装置へ給電される他に蓄電池の充電に消費される。このため、給電の持続時間が短くなり、非常用電源の利用効率が低下するという問題が発生する。

対策として、非常用電源の接続時に整流器を停止させる方法があるが、入力された電力は切替器を介して負荷装置へ供給されており、給電を継続するためには切替器が動作していることが必要である。切替器は、動作電源がない場合、入力電源をシステム出力に接続することができないため、負荷装置への給電が停止する。切替器や制御部の動作電源は一般に直流であり、整流器もしくは蓄電池から給電される。整流器が停止していると、切替器や制御部の動作電源の消費のため蓄電池の電圧の低下が続き、切替器の動作可能な電圧を下回って切替器が停止し、負荷装置への給電が止まる。

このように、非常用電源の接続時、蓄電池の充電を阻止するために整流器を停止しただけでは、非常用電源の余力に関係なく、蓄電池の電圧低下時に負荷装置への給電が停止するという別の問題が発生する。とくに、停電が継続して蓄電池容量が低下しているときに非常用電源が接続される用途では、この問題が発生しやすい。また、切替器の動作電圧が蓄電池の最低使用電圧より低い場合は、蓄電池の放電が継続することにより蓄電池電圧が最低使用電圧を下回り、蓄電池の劣化を招くという問題もある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、停電時にも負荷への給電を継続するバックアップ電源システムにおいて、非常用電源を接続したときの利用効率の低下を防止し、かつ蓄電池の消耗による給電停止と蓄電池の劣化を回避できる電源システムを提供することにある。

本発明においては、上記課題を解決するために、請求項１に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の電池を組み合わせてなる組電池と、前記組電池または整流器が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、商用交流電源を接続する商用入力と、非常用電源を接続する非常用入力と、前記商用入力と前記非常用入力とのいずれかを選択して出力とする切替スイッチと前記組電池の充電を制御する制御部と、前記非常用入力からの給電を検知して基準電圧を充電禁止信号として前記制御部へ出力する基準電圧発生手段とを有する電源システムであって、前記切替スイッチから出力された交流電力は、前記整流器およびインバータを介して、あるいはバイパス回路を介して切替器へ供給され、前記切替器は前記バイパス回路の出力と前記インバータの出力とのいずれかを選択して出力し、前記整流器から前記インバータに至る直流給電線の一方に前記組電池の一方の極が接続され、前記整流器から前記インバータに至る直流給電線の他方と前記組電池の他方の極とは、スイッチング素子が挿入されている電路と、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードが挿入されている電路とにより別個に接続され、前記制御部は、充電禁止信号である前記基準電圧が入力されている時は、該電源システム外部からの充電指令信号を受信しても前記スイッチング素子は短絡されないため、前記組電池の充電が行われず、前記基準電圧が入力されていない時は、該電源システム外部からの充電指令信号を受信することにより、前記スイッチング素子を短絡し、前記組電池の充電を行うことを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１に記載の電源システムにおいて、前記基準電圧発生手段は、基準電源と、前記非常用入力からの電力供給を検知する継電器とを構成要素とすることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１に記載の電源システムにおいて、前記基準電圧発生手段は、基準電源と、前記切替スイッチに連動する連動スイッチとを構成要素とすることを特徴とする電源システムを構成する。

本発明の電源システムを実施することによって、停電時にも負荷への給電を継続するバックアップ電源システムにおいて、非常用電源を接続したときの電力利用効率の低下を防止し、かつ蓄電池の消耗による給電停止と蓄電池の劣化を回避できる電源システムを提供することが可能となる。

本発明に係る電源システムにおいては、例えば、交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の電池を組み合わせてなる組電池と、前記組電池または整流器が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記組電池の充電を制御する制御部と、商用交流電源を接続する商用入力と、非常用電源を接続する非常用入力と、前記商用入力と前記非常用入力とのいずれかを選択して出力とする切替スイッチとを有する電源システムであって、前記切替スイッチから出力された交流電力は、前記整流器およびインバータを介して、あるいはバイパス回路を介して切替器へ供給され、前記切替器は前記バイパス回路の出力と前記インバータの出力とのいずれかを選択して出力し、前記整流器から前記インバータに至る直流給電線のプラスに前記組電池の正極が接続され、前記整流器から前記インバータに至る直流給電線のマイナスと前記組電池の負極とは、スイッチング素子が挿入されている電路と、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードが挿入されている電路とにより別個に接続され、前記非常用入力と前記切替スイッチとの間の電路に、前記非常用入力からの電圧が印加される継電器が接続され、前記継電器が持つ接点が閉じることによって前記制御部に基準電圧が供給され、前記制御部は、前記継電器の動作によって前記基準電圧が供給されているとき、前記スイッチング素子を開放とすることを特徴とする電源システムを構成する。

以下に、本発明の実施の形態について、電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、ニッケル水素蓄電池（単セル定格電圧１．２Ｖ、電流容量９５Ａｈ）を１０セル直列して組電池２（１２Ｖ、９５Ａｈ）を構成する。交流電力を直流電力に変換する整流器１は、組電池２を充電するほか、インバータ３と切替器４へ（動作電源として）電力を供給する。インバータ３は、整流器１または組電池２が出力する直流電力を交流電力に変換し、切替器４へ出力する。切替器４は、交流電力を切替えるスイッチを備え、バイパス回路５とインバータ３が出力する電力のいずれかを入力とし出力（端子）１０へ接続する。

本実施の形態例では、通常時（商用電源受電時）は商用電源を、バイパス回路５を介して、そのまま出力する給電方式であり、停電発生時に切替器４はインバータ３の出力を出力１０へ接続して組電池２の電力によるバックアップ給電を行う。切替器４がこのような切替動作を行うには、動作電源が必要であり、動作電源がない場合はバイパス側、インバータ側のどちらにも接続されない。このような事態は、停電が長時間に及び、しかも非常用入力が得られない場合に起こる。

商用入力（端子）８は、商用交流電源１００Ｖを接続し、非常用入力（端子）９は、交流１００Ｖ電源を接続することが可能である。

通常時（商用電源受電時）は、切替スイッチ６が商用入力８側にあり、切替器４はバイパス回路５側にあり、商用電力は切替スイッチ６と切替器４とを介して出力１０から負荷に供給され、組電池２の充電が必要となったとき、制御部７は外部信号（充電）を受信し、スイッチング素子１３が閉となるような電圧をスイッチング素子１３のゲートに印加し、整流器１の出力によって組電池２が充電されるような制御を行う。

停電発生時は、組電池２がインバータ３に電力を供給し、切替器４はインバータ３側に切替えられ、インバータ３の出力が切替器４を介して出力１０から負荷に供給される。

停電の継続により、組電池２の残容量が低下したとき、発電機等の交流１００Ｖ電源を非常用入力９へ接続することで給電の継続を可能にする。入力電源を商用入力８から非常用入力９へ切替えるには、切替スイッチ６を操作する。切替スイッチ６としては、電力切替え用の手動スイッチを用いればよい。

組電池２の充電と放電を別に制御するため、組電池２の負極を、ダイオード１４ａを挿入した電路と、ダイオード１４ｂとスイッチング素子１３を挿入した電路により、整流器１の出力（インバータ３の入力、切替器４動作電源の入力）のマイナスに、別個に接続する。ダイオード１４ａは、組電池２が放電のみ可能であるようにし、ダイオード１４ｂは、組電池２が充電のみ可能であるようにする。スイッチング素子１３としては、例えば、充電電流を流しうるＭＯＳトランジスタを用いればよい。

制御部７は組電池２の充電を制御する。制御部７への電力供給は、通常時は整流器１から、停電時は組電池２から行えばよく、また、停電の有無にかかわらず組電池２から行うことにしてもよい。制御部７は、充電を指令する外部信号を受信し、かつ基準電源１２からの基準電圧が供給されていないとき、スイッチング素子１３を短絡として充電を行い、これ以外ではスイッチング素子１３を開放とし充電を禁止する。

継電器１１は、非常用入力９から電力供給されているかどうかを検知して組電池２の充電の可否を制御部７へ伝える。継電器１１に交流電圧が印加されているとき、継電器１１の内部で交流電圧はダイオードブリッジ回路を介してコイルへ伝達され、接点は短絡であり、基準電源１２（その基準電圧は例えば５Ｖ）が制御部７へと伝達されて組電池２の充電が禁止となる。

そのために、例えば、スイッチング素子１３としては、制御用電極に５Ｖが入力されるとき導通となるような素子を選定し、基準電源１２を５Ｖ電源とし、充電指令を受信してかつ基準電源１２が供給されていないとき、制御部７が前記制御用電極に５Ｖを出力するようにすればよい。そのために、例えば、制御部７に、充電を指令する外部信号によって５Ｖの電源がオンとなるインバータを設け、そのインバータによって、基準電源１２からの入力をＨ−Ｌ（高−低）変換して、前記制御用電極に印加すればよい。この場合に、基準電源１２の電圧は５Ｖを超えていてもよい。

基準電源１２は、商用電源の停電時に限り、しかも非常用入力９がシステムに給電している場合にのみ制御部７に基準電圧を印加するだけで足り、その消費電力は極めて少ないので、一次電池で構成し、定期的に、および停電発生時後に、その電池電圧を測定し、その電圧が基準値以上であればそのままとし、基準値よりも低ければ、一次電池を新しいものと交換することで足りる。

継電器１１としては、コイルと接点とを組み合わせたものが使える。また、これに代えて、発光ダイオードとフォトトランジスタとを組み合わせたフォトカップラを用いてもよい。

また、図２に示すように、非常用入力９からの給電を検知する継電器１１が、制御部７や基準電源１２を介さずに、直接、充電を制御する方法も可能である。充電電路に継電器１１内の接点を直列接続し、継電器１１に交流電圧が印加されることにより接点は開放、交流電圧がないとき短絡とするものとすればよい。継電器１１の内部で交流電圧はダイオードブリッジ回路を介してコイルへ伝達され、接点は開放となり、たとえ充電を指令する外部信号が受信され、スイッチング素子１３がオンになったとしても、充電方向の電流は流れなくなる。

さらに、図３に示すように、非常用入力９からの給電の有無を、切替スイッチ６の状態を検知することによって知ることも可能である。継電器１１を、切替スイッチ６に連動する連動スイッチ１５に置き換え、切替スイッチ６が商用入力８側であるとき連動スイッチ１５は開放、非常用入力９側であるとき短絡とする。切替スイッチ６が商用入力８側であれば、制御部７へ基準電源１２の基準電圧（５Ｖ）は伝達されないので組電池２の充電は可能であり、切替スイッチ６が非常用入力９側であれば、制御部７へ基準電源１２の基準電圧（５Ｖ）が伝達されて組電池２の充電が禁止となる。この場合の制御部７の動作は、図１に示した電源システムの場合と同様とすればよい。

以上に説明したように、本発明に係る電源システムの特徴は、例えば、交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の電池を組み合わせてなる組電池と、前記組電池または整流器が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記組電池の充電を制御する制御部と、商用交流電源を接続する商用入力と、非常用電源を接続する非常用入力と、前記商用入力と前記非常用入力とのいずれかを選択して出力とする切替スイッチとを有する電源システムであって、前記切替スイッチから出力された交流電力は、前記整流器およびインバータを介して、あるいはバイパス回路を介して切替器へ供給され、前記切替器は前記バイパス回路の出力と前記インバータの出力とのいずれかを選択して出力し、前記整流器から前記インバータに至る直流給電線のプラスに前記組電池の正極が接続され、前記整流器から前記インバータに至る直流給電線のマイナスと前記組電池の負極とは、スイッチング素子が挿入されている電路と、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードが挿入されている電路とにより別個に接続され、前記非常用入力と前記切替スイッチとの間の電路に、前記非常用入力からの電圧が印加される継電器が接続され、前記継電器が持つ接点が閉じることによって前記制御部に基準電圧が供給され、前記制御部は、前記継電器の動作によって前記基準電圧が供給されているとき、前記スイッチング素子を開放とすることである。これによって、非常用電源からの電力供給を受けている間は、たとえ充電を指令する外部信号が受信されても、充電は行われることがない。

この特徴によって、停電時にも負荷への給電を継続するバックアップ電源システムにおいて、非常用電源を接続したときの電力利用効率の低下を防止し、かつ蓄電池の消耗による給電停止と蓄電池の劣化を回避できる電源システムを提供することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について、電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として、説明したが、本発明はこれに限られるものではない。以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）ＵＰＳ等のバックアップ電源の入力に非常用電源が接続されているとき、商用電源が復電したと認識され、入力された電力は負荷装置へ給電される他に蓄電池の充電に消費される。このため、給電の持続時間が短くなり、非常用電源の利用効率が低下するという問題が発生する。

本発明により、非常用電源を接続したときの電力利用効率の低下を防止することが可能となる。

（２）バックアップ電源の入力に非常用電源を接続するとき、蓄電池の充電を阻止するために整流器を停止しただけでは、非常用電源の余力に関係なく、蓄電池の電圧低下時に負荷装置への給電が停止することや、放電継続による蓄電池劣化という別の問題が発生する。

本発明により、蓄電池の消粍による給電停止および蓄電池の劣化を回避することが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 電源システムの従来例を説明する図である。 電源システムの従来例を説明する図である。

符号の説明

１：整流器、２：組電池、３：インバータ、４：切替器、５：バイパス回路、６：切替スイッチ、７：制御部、８：商用入力、９：非常用入力、１０：出力、１１：継電器、１２：基準電源、１３：スイッチング素子、１４ａ、１４ｂ：ダイオード、１５：連動スイッチ。

Claims (3)

1. 交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の電池を組み合わせてなる組電池と、前記組電池または整流器が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、商用交流電源を接続する商用入力と、非常用電源を接続する非常用入力と、前記商用入力と前記非常用入力とのいずれかを選択して出力とする切替スイッチと前記組電池の充電を制御する制御部と、前記非常用入力からの給電を検知して基準電圧を充電禁止信号として前記制御部へ出力する基準電圧発生手段とを有する電源システムであって、
   前記切替スイッチから出力された交流電力は、前記整流器およびインバータを介して、あるいはバイパス回路を介して切替器へ供給され、前記切替器は前記バイパス回路の出力と前記インバータの出力とのいずれかを選択して出力し、
   前記整流器から前記インバータに至る直流給電線の一方に前記組電池の一方の極が接続され、
   前記整流器から前記インバータに至る直流給電線の他方と前記組電池の他方の極とは、スイッチング素子が挿入されている電路と、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードが挿入されている電路とにより別個に接続され、
   前記制御部は、
   充電禁止信号である前記基準電圧が入力されている時は、該電源システム外部からの充電指令信号を受信しても前記スイッチング素子は短絡されないため、前記組電池の充電が行われず、前記基準電圧が入力されていない時は、該電源システム外部からの充電指令信号を受信することにより、前記スイッチング素子を短絡し、前記組電池の充電を行う
   ことを特徴とする電源システム。
   
2. 請求項１に記載の電源システムにおいて、
   前記基準電圧発生手段は、基準電源と、前記非常用入力からの電力供給を検知する継電器とを構成要素とすることを特徴とする電源システム。
3. 請求項１に記載の電源システムにおいて、
   前記基準電圧発生手段は、基準電源と、前記切替スイッチに連動する連動スイッチとを構成要素とすることを特徴とする電源システム。

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