JPH0442740A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、コンピュータ、電磁開閉器、可変速電動機等
に用いる無停電電源装置（以下、ｕｐｓという。）に係
り、詳しくはインバータ待機方式のＵＰＳにおける力率
の改善及び高調波対策の技術に関するものである。

［従来の技術］ （１）第３図に示す従来のインバータ常用給電方式のＵ
ＰＳは、単相交流電源Ｓから交流入力端子１を経て入力
された交流電力を直流電力に変換するコンバータ回＃Ｉ
Ｃと、この直流電力を蓄える蓄電装置Ｅと、コンバータ
回Ｆ１！１ｃで変換された直流電力又は蓄電装置Ｅに蓄
えられた直流電力を交流電力に変換して交流出力端子２
に出力するインバータ回ｉＦと、交流入力端子１と交流
出力端子２との間を結ぶバイパス３と、常にはバイパス
３を遮断してインバータ回路Ｆを開通させ、ＵＰＳ故障
時にのみバイパス３を開通させてインバータ回路Ｆを遮
断する交流スイッチＢとを備えている。

この方式のＵＰＳは次のように動作する。

まず、平常時には、交流入力端子１がら入力された交流
電力はコンバータ回路Ｃで直流電力に変換され、この直
流電力は蓄電装置Ｅに充電されながら（充電は専用の充
電回路で行われる場合もある）、インバータ回路Ｆで安
定した交流電力に変換され、負荷りに給電される。

次に、停電時には、蓄電装置Ｅに蓄えられた直流電力が
インバータ回路Ｆで安定した交流電力に変換され、負荷
りに給電される。

そして、ＵＰＳ自体に万一の故障が発生した場合には、
交流スイッチＢが無瞬断でバイパス３を開通させ、単相
交流電源Ｓからの交流電力は直接負荷りに給電される。

（２）第４図に示す従来のインバータ待機方式のＵＰＳ
は、交流入力端子１と交流出力端子２との間を結ぶバイ
パス３と、平常時にはバイパス３を開通させてインバー
タ回＃１Ｆを遮断し、停電時にはバイパス３を遮断して
インバータ回路Ｆを開通させる交流スイッチＢと、交流
入力端子１から入力された交流電力を直流電力に変換す
るコンバータ回路Ｃと、この直流電力を蓄える蓄電装置
Ｅと、平常時には停止状態又は無負荷運転状態で待機し
、停電時には蓄電装置Ｅに蓄えられた直流電力を交流電
力に変換して交流出力端子２に出力するインバータ回路
Ｆとを備えている。

この方式のＵＰＳは次のように動作する。

まず、平常時には、交流スイッチＢがバイパス３を開通
させ、単相交流電源Ｓからの交流電力は直接負荷りに給
電される。同時に、交流入力端子１から入力された交流
電力はコンバータ回路Ｃで直流電力に変換され、この直
流電力は蓄電装置Ｅに充電される。このとき、インバー
タ回＃ＩＦは停止状態又は無負荷運転状態で待機してい
る。

次に、停電時には、交流スイッチＢが瞬時にバイパス３
を遮断するとともに、インバータ回路Ｆが瞬時に動作を
開始し、蓄電装置Ｅに蓄えられた直流電力を安定した交
流電力に変換して負荷りに給電する。

［発明が解決しようとする課題］ （１）第３図のインバータ常用給電方式のＵＰＳによれ
ば、平常時にインバータ回Ｆ＠Ｆにより交流出力電圧の
歪率を抑えることができる反面、次のような問題かあっ
た。

■　平常時にインバータ回ｉＦ等の電力損失があるため
、効率が低下し、発熱も増加する。

■　平常時にインバータ回路計等を連続動作させるため
、容量に余裕のあるデバイスが必要で、コストが高くな
り、大型・重量化の傾向となる。

■　入力電流が高調波成分を多く含む尖頭状の電流であ
り、力率が悪い。

■　上記高調波成分が交流入力電流に入り込むと、他の
電気機器のノイズ発生、動作不良等を引き起こすおそれ
がある。

ここで、上記■と■の問題を改善するだけならば、入力
電流を正弦波にする高力率コンバータ回路を使用する方
法も考えられるが、上記■と■の問題は未解決のままで
あった。

（２）第４図に示すインバータ待機方式のＵＰＳによれ
ば、上記■と■の問題を解決・改善することができる。

すなわち、平常時にはバイパス３から直接負荷りに交流
電力を供給するため、電力損失が少なく、高効率で、発
熱も少なくなる。また、停電時にのみインバータ回路Ｆ
を動作させるため、温度的に余裕をみる必要がなく、負
荷に合った最低限の容量で小型のデバイスが使用でき、
また冷却フィンも小さくて済み、低コスト化、小型・軽
量化が可能となる。しかし、上記■の■の問題について
はやはり未解決のままであった。

そこで、力率の改善と高調波対策のため、第４図に鎖線
で示すように別途アクティブフィルタ回路Ｇを挿入する
方法か考えられるか、上記の通り折角低コスト化か可能
となったものか、コスト高になってしまう矛盾がある。

本発明の目的は、高効率化、低発熱化、低コスト化、小
型・軽量化等が可能であるインバータ待機方式のＵＰＳ
を改良することにより、これらの利点を維持したまま、
簡単な構成で力率の改善と高調波対策を図ることができ
る新規なＵＰＳを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の無停電電源装置に
おいては、交流入力端子と交流出力端子との間を結ぶバ
イパスと、平常時にはバイパスを開通させ、停電時には
バイパスを遮断する交流スイッチと、交流入力端子から
入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータ回
路と、この直流電力を平滑する平滑回路と、この直流電
力を蓄える蓄電装置と、平常時には平滑回路で平滑され
た直流電力を負荷電流の高調波成分を打ち消すための補
償電流に変換し、停電時には蓄電装置に蓄えられた直流
電力を負荷給電用の交流電力に変換して、各々交流出力
端子に出力するインバータ回路とを備えた構成とした。

［作用］ まず、平常時には、交流スイッチがオンしてバイパスが
開通するため、交流入力端子から入力された交流電力は
直接負荷に給電される。また、入力された交流電力はコ
ンバータ回路で直流電力に変換され、このリップル分を
含む直流電力は平滑回路で平滑化されるとともに、蓄電
装置に充電される。このとき、インバータ回路は平滑回
路で平滑された直流電力を負荷電流の高調波成分を打ち
消すための補償電流に変換し、この補償電流を交流出力
端子に出力する。すなわち、インバータ回路はアクティ
ブフィルタとして動作する。従って、交流入力端子から
の系統電流は高調波成分の流れ込みの無い正弦波となる
。

次に、停電時には、交流スイッチがオフして瞬時にバイ
パスが遮断される。この遮断と同時にインバータ回路に
よる給電動作が開始し、蓄電装置に蓄えられた直流電力
を安定した交流電力に変換し、この交流電力を交流出力
端子に出力して負荷に給電する。

［実施例］ 以下、本発明を具体化したＵＰＳの実施例について、第
１図及び第２図を参照して説明する。

第１図において、単相交流電源Ｓが接続される交流入力
端子１の一方と負荷りが接続される交流出力端子２の一
方との間はバイパス３によって結ばれ、該バイパス３の
入口にはスイッチ１５が設けられている。また、交流入
力端子の他方１と交流出力端子の他方２との間は接続４
！４によって結ばれ、該接続線４はアースされている。

Ａは交流入力端子１と交流出力端子２との間に挿入され
たローパスフィルタであって、リアクトル５とコンデン
サ６とから構成されている。このリアクトル５は例えば
数百μＨ、コンデンサ６は例えば数十μＦという小さい
ものでよい。

Ｂはバイパス３の途中に挿入された交流スイッチであっ
て、平常時にはバイパス３を開通させ、停電時にはバイ
パス３を遮断するようになっている。この交流スイッチ
Ｂは、バイポーラトランジスタを用いた２個のスイッチ
ング素子７により構成された公知のものである。勿論、
この交流スイッチＢはＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＳＩサイリス
タ等の他のスイッチング素子を用いて構成することもで
きる。

Ｃは交流入力端子の一方１に前記リアクトル５と抵抗９
の直列回路を介して接続されたコンバータ回路であって
、交流入力端子１から入力された交流電力を直流電力に
変換するものである。このコンバータ回路Ｃは２個のダ
イオード等の整流素子１０が直列接続されて構成され、
その中間部に前記抵抗９が接続されている。

Ｄはコンバータ回路Ｃに接続された平滑回路であって、
コンバータ回＃ＩＣで変換された大きなリップル分を含
む直流電圧を平滑化するものである。

この平滑回路りは２個の平滑コンデンサ１１が直列接続
されて構成され、その中間部は接続線４に接続されてい
る。

Ｅはコンバータ回路Ｃに接続された蓄電装置であって、
コンバータ回路Ｃで変換された直流電力を蓄えるもので
ある。この蓄電装置Ｅは鉛蓄電池、アルカリ蓄電池等の
蓄電池１２により構成されているが、他の手段（例えば
フライホイール式蓄電装置等）を用いることもできる。

Ｆはコンバータ回Ｈｃに接続されたインバータ回路であ
って、平常時には平滑回路りで平滑された直流電力を負
荷電流ｉ、の高調波成分ｉ［。を打ち消すための補償電
流ｉ。に変換し、停電時には蓄電装置Ｅに蓄えられた直
流電力を負荷給電用の交流電力に変換して、各々交流出
力端子２に出力するものである。このインバータ回路Ｆ
は２個のスイッチング回路１３が直列接続されて構成さ
れ、その中間部はりアクドル１４とコンデンサ６とから
なるローパスフィルタＡを介して交流出力端子２の一方
に接続されている。２個のスイッチング回路１３は、Ｉ
ＧＢＴを用いたスイッチング素子１３ａと、各々のコレ
クターエミッタ間を接続するフライホイールダイオード
１３ｂとにより構成されている。勿論、このスイッチン
グ回路１３はバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＧＴＯ
，ＳＩサイリスタ等の他のスイッチング素子を用いて構
成することもできる。

以上のように構成されたＵＰＳの動作を説明する。

まず、平常時には、交流スイッチＢをオンさせてバイパ
ス３を開通させる。接続線４は常に開通してアースによ
り所定の電位に保持されているため、単相交流電源Ｓか
ら交流入力端子１を経て入力された交流電力は直接負荷
りに給電される。この単相交流電源Ｓからの系統電流を
ｉ３とする。

単相交流電源Ｓに重畳した高調波があるときはローパス
フィルタＡのリアクトル５及びコンデンサ６により除去
される。また、入力された交流電力はコンバータ回路Ｃ
の整流素子１０で直流電力に変換され、このリップル分
を含む直流電力は平滑回ＪｉＩ！Ｄで平滑化されるとと
もに、蓄電装置Ｅに充電される。

このとき、インバータ回路Ｆを次のように動作させる。

すなわち、負荷りが例えば第２図に示すような負荷電流
ｉ［が流れる非線形負荷である場合、この負荷電流ｉ［
は、基本波成分１１と高調波成分ｉ、。に分けて考えら
れる。

ｉ［＝ｉ１＋ｉ［。

そこで、この高調波成分ｉ、。を検出し、その検出に基
づいてインバータ回路ＦをＰＷＭ制御することにより高
調波成分’Ｌｎとは逆極性の補償電流ｉｃを発生させ、
この補償電流ｉｃをローパスフィルタＡのリアクトル１
４及びコンデンサ６を介して交流出力端子２に出力する
ことにより、高調波成分ｉ、。を打ち消すようにする。

すなわち、インバータ回ＩＦはアクティブフィルタとし
て動作する。これにより、単相交流電源Ｓからの系統電
流ｉｓは高調波成分の流れ込みの無いクリーンな正弦波
となり、力率が改善されるとともに、高調波成分が流れ
出すことによる他の電機機器のノイズ発生、動作不良等
も防止することができる。なお、インバータ回路Ｆでは
、ＵＰＳでの損失分を供給する基本波成分を重畳的に発
生させることも有効である。

次に、停電時には、交流スイッチＢをオフさせて瞬時に
バイパス３を遮断する。このとき、リアクトル５からの
電流は抵抗９及び整流素子１０を通って平滑回路りの平
滑コンデンサ１１に緩かに充電される（突入防止）。バ
イパス３の遮断と同時にインバータ回路Ｆによる給電動
作を開始させ、蓄電装置Ｅに蓄えられた直流電力を例え
ばＰＷＭ制御により安定した正弦波の交流電力に変換し
て、ローパスフィルタＡのリアクトル１４及びコンデン
サ６を介して交流出力端子２に出力し、負荷りに給電す
る。

以上詳述した本実施例のＵＰＳには次のような利点があ
る。

■　平常時はインバータ回ｉＦ等を通る電流が少ないの
で、電力損失が少ない。従って、従来のインバータ待機
方式と略同等の高効率と低発熱化を維持することができ
る。

■　また、インバータ回ｉＦ等に用いるデバイスは容量
の小さいもので済むため、低コスト化や小型・軽量化が
可能となる。

■　前記の通り非線形負荷を接続しても、その負荷電流
の高調波成分を打ち消すことができるので力率が低下し
ない。

■　また、単相交流電源の系統電流に流れ込む高調波成
分が無くなるので、他の電気機器のノイズ発生、動作不
良等を引き起こすおそれもない。

■　スイッチ１５のオン時には、抵抗９及びダイオード
１０により平滑コンデンサ１１の充電電流を抑えること
ができる。

■　交流スイッチＢに用いるスイッチング素子７は低速
用のバイポーラトランジスタでもよく、安価である。

なお、本発明は前記実施例の構成に限定されるものでは
なく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で任意に変更して
具体化することもできる。

［発明の効果］ 本発明のＵＰＳは、上記の通り構成されているので、高
効率化、低発熱化、低コスト化、小型・軽量化等が可能
であるインバータ待機方式のＵＰＳの利点を維持したま
ま、簡単な構成で力率の改善と高調波対策を図ることが
できる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化したＵＰＳの実施例の回路図、
第２図は同回路の各部に流れる電流を示す線図、第３図
は従来のインバータ常用給電方式のＵＰＳのブロック図
、第４図は従来のインバータ待機方式のＵＰＳのブロッ
ク図である。 １・・・交流入力端子、２・・・交流出力端子、３・・
・バイパス、　　　７・・・スイッチング素子、１０・
・・整流素子、１１・・・平滑コンデンサ、１２・・・
蓄電池、　１３・・・スイッチング回路、１３ａ・・・
スイッチング素子、 １３ｂ・・・フライホイールダイオード、Ａ・・・ロー
パスフィルタ、Ｂ・・・交流スイッチ、Ｃ・・・コンバ
ータ回路、Ｄ・・・平滑回路、Ｅ・・・蓄電装置、Ｆ・
・・インバータ回路、Ｓ・・・単相交流電源、Ｌ・・・
負荷、ｉし・・・負荷電流、１１・・・基本波成分、’
Ｌｎ・・・高調波成分、ｊ。・・・補償電流、ｉ、・・
・系統電流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 交流入力端子と交流出力端子との間を結ぶバイパスと、 平常時にはバイパスを開通させ、停電時にはバイパスを
   遮断する交流スイッチと、 交流入力端子から入力された交流電力を直流電力に変換
   するコンバータ回路と、 この直流電力を平滑する平滑回路と、 この直流電力を蓄える蓄電装置と、 平常時には平滑回路で平滑された直流電力を負荷電流の
   高調波成分を打ち消すための補償電流に変換し、停電時
   には蓄電装置に蓄えられた直流電力を負荷給電用の交流
   電力に変換して、各々交流出力端子に出力するインバー
   タ回路と を備えた無停電電源装置。