JPH0747963Y2

JPH0747963Y2 - 待機式無停電電源装置

Info

Publication number: JPH0747963Y2
Application number: JP1986004157U
Authority: JP
Inventors: 誠野田
Original assignee: 株式会社三陽電機製作所
Priority date: 1986-01-16
Filing date: 1986-01-16
Publication date: 1995-11-01
Anticipated expiration: 2001-01-16
Also published as: JPS62115743U

Description

【考案の詳細な説明】「産業上の利用分野」この考案は例えば小形コンピュータの電源として用いら
れ、商用電源が正常な場合は商用電源電力を負荷に直送
し、商用電源の停電時に蓄電池の直流出力をインバータ
で交流に変換して負荷へ供給する待機式無停電電源装置
に関する。

「従来の技術」一般に小形無停電電源装置としては構成の簡単なことか
ら第９図に示す浮動充電方式が多く用いられてきた。商
用電源11からの交流電力を入力端子12より充電器13へ供
給して直流電力とし、その直流電力を蓄電池14へ供給し
て充電すると共にインバータ15へも供給し、インバータ
15で交流電力に変換し、その交流電力を出力端子16を通
じて負荷17へ供給していた。しかしながらこの従来の装
置においては商用電力を受電中は、充電器13はインバー
タ15への入力電力と蓄電池14への充電電力とを合計した
電力を供給しなければならず、充電器13を小形化するこ
とが難しい、また商用電力を受電時に出力端子16へ出力
される出力電力は充電器13とインバータ15の二つの変換
器を通して供給されるために、これら二つの変換器にお
ける電力損失が多く、それだけ入力電力が大きくなる問
題があった。

この対策として省エネルギーと小形化をねらった高速切
換回路を持った待機式無停電電源装置が採用されるよう
になってきた。この待機式の装置は、小形コンピュータ
を初めとするほとんどの商用機器が10ms以下の電源瞬断
では何の影響もなく運転続行可能な点に着眼したもので
ある。すなわち第10図に示すように商用電力を受電中は
入力端子12からの交流電力を高速切換可能な交流スイッ
チ18を通じて出力端子16へ直接送るとともに、入力端子
12の交流電力を充電器13を通じて蓄電池14に充電し、イ
ンバータ15は商用電力に発振部を同期状態として休止待
機する。商用電源電力の瞬断、又は電圧低下に対しては
交流スイッチ18をオフとして1/4サイクル（5ms）程度で
インバータ15を起動し、その電力を出力端子16に切換え
供給して負荷の運転続行を可能としている。この待機式
装置では充電器13は蓄電池14への充電分のみを供給すれ
ばよく、充電器13の電力容量が浮動充電方式の場合の約
1/10程度ですみ、小形化と省エネルギーの効果が大きか
った。

「考案が解決しようとする問題点」この待機式の装置は商用電力を負荷へ直送のため事務所
のような比較的負荷電圧が安定している所ではよいが、
工場のように負荷の受電端子電圧変動の大きい（±10％
以上）場所での利用はできない欠点があった。つまり負
荷の受電端子電圧が10％以上も正側へ変動すると負荷機
器のオーバーヒート，トランス飽和等をまねき、負側へ
の同様な変動は負荷に悪いばかりでなく、電圧低下毎に
インバータ給電となり、電池容量不足をまねくためであ
る。

「問題点を解決するための手段」この考案は、商用電力を受電中は待機中のインバータを
無効電力発生装置として動作させ、その進み遅れ電流を
制御することにより出力電圧を一定に保つように構成
し、比較的負荷の受電端子電圧変動の大きい場所でも利
用できる待機式無停電電源装置を提供するものである。

つまりこの考案では負荷及びインバータの接続点と商用
電源との間にインダクタが直列に挿入され、商用電力を
受電中は、インバータは商用電力と同相で動作され、負
荷の受電端子電圧の変動を検出し、その検出出力により
インバータの電流を制御して負荷の受電端子電圧すなわ
ちインバータの出力端子電圧が一定になるように制御さ
れる。

「実施例」第１図はこの考案の実施例の一部を示す。入力端子12a,
12bの一方12aは半導体スイッチ素子の交流スイッチ18を
通じて出力端子16a,16bの一方16aに接続され、他方の入
力端子12b及び出力端子16bは互いに直接接続される。

インバータ15のスイッチング回路21はトランジスタブリ
ッジとして構成された場合であり、トランジスタQ₁,Q₂
の直列回路とトランジスタQ₃,Q₄の直列回路とが並列に
接続され、トランジスタQ₁,Q₂の接続点は出力端子16bに
接続され、トランジスタQ₃,Q₄の接続点とコイル22を通
じて出力端子16aに接続され、出力端子16a,16b間にコン
デンサ23が接続され、コイル22,コンデンサ23により波
形修正用低域波器が構成されている。トランジスタQ₁
〜Q₄にはそれぞれこれらと逆極性でダイオードD₁〜D₄が
並列に接続されている。トランジスタQ₁,Q₂の直列回路
に、コンデンサ24が並列に接続され、またコイル25と直
流スイッチ26a,26bとの直列回路を通じて蓄電池14が並
列に接続される。

入力端子間12a,12bに入力交流電圧Vacを検出するトラン
ス27が接続され、交流スイッチ18と、負荷17及びインバ
ータ15の接続点との間にインダクタ28が直列に挿入され
る。出力端子16a,16b間に負荷の受電端子電圧すなわち
インバータ15の出力端子電圧Vlを検出するトランス29が
接続され、トランジスタQ₁,Q₂の接続点と出力端子16bと
の接続線にインバータ電流Iinを検出する電流トランス3
1が結合されている。これら検出電圧Vac,Vl、検出電流I
inは制御装置33へ供給される。

第２図に制御装置33の具体例を示す。商用電力とインバ
ータ出力とを互に同期状態で切替えるようにすると共
に、インバータ15としてパルス幅変調方式を用いた場合
である。検出された入力交流電圧Vacは停電検出回路34
に入力され、その電圧Vacが所定値以下になると高レベ
ルを出力し、この高レベル出力によりスイッチ35を１側
から２側に切替える。入力交流電圧Vacが所定値以上の
商用受電状態では停電検出回路34の出力は低レベルであ
って、スイッチ35は１側となっている。この状態で検出
された出力端子電圧Vlは波形整形回路36で矩形波に整形
され、スイッチ35を通じて位相同期回路（PLL）37の位
相比較器38へ供給され、電圧制御正弦波発振器39の出力
と位相比較される。その位相比較器38の出力はループフ
ィルタ41を通じて電圧制御正弦波発振器（VCO）39の制
御端子へ供給され、電圧制御正弦波発振器39の出力は出
力端子電圧Vlに位相同期している。電圧制御正弦波発振
器39の出力は掛算器42を通じてスイッチ制御パルス発生
器43内の比較器44,45の反転入力側、非反転入力側にそ
れぞれ供給されている。掛算器42の出力は比較器44,45
で三角波発生器46の出力と比較され、比較器44,45から
パルス幅変調出力が得られる。

停電検出回路34で停電が検出されると、スイッチ35は前
述したように２側に切替えられ、水晶のような安定な発
振器を基準とした商用電源周波数の発振器47の出力が位
相比較器38へ供給される。停電検出回路34の出力はオフ
ディレー遅延回路47を通じて反転回路48、駆動回路49へ
供給される。反転回路48の出力は駆動回路52へ供給され
る。商用電力受電中は駆動回路52の出力で交流スイッチ
18（第１図）がオンにされる。停電中は駆動回路49の出
力で直流スイッチ26a,26b（第１図）がオンにされる。

比較器44,45の各出力はバッファ53,54を通じて立上り遅
延回路55,56へ供給されると共にそれぞれインバータ57,
58を通じて立上り遅延回路61,62へ供給される。立上り
遅延回路55,56,61,62の各出力はそれぞれゲート63,64,6
5,66を通じて駆動回路67,68,69,71へ供給される。駆動
回路67,68,69,71の各出力はそれぞれ第１図中のインバ
ータ内のトランジスタQ₄,Q₂,Q₃,Q₁のベースへ供給され
る。

検出された出力端子電圧Vlは整流回路78で直流化されて
基準電源79の基準値と差動増幅器81で比較され、その比
較出力は掛算器42へ供給される。検出した出力端子電圧
Vlが基準値より小さいと、掛算器42の出力正弦波振幅が
大となり、基準値より大きいと、掛算器42の出力正弦波
振幅が小さくなるように制御される。

検出したインバータ電流Iinはピーク検波器89に供給さ
れ、そのピーク検波出力は基準電源91の基準値と比較器
92で比較される。インバータ電流Iinのピーク値が基準
値を越えると比較器92の出力が高レベルになり、フリッ
プフロップ93がセットされ、その出力によりスイッチ制
御パルス発生回路43内のゲート63〜66が閉められる。な
お三角波信号発生器46の出力が微分回路94を通じてフリ
ップフロップ93のリセット端子Ｒへ供給され、三角波信
号発生器46の発生三角波の各周期ごとにフリップフロッ
プ93はリセットされる。

インバータによる無効電流の発生次に第３図及び第４図を用いてインバータ15により無効
電流を発生し、かつその大きさを制御することにつき説
明する。ここで用いるインバータ15の制御方式は一般に
用いられている。正弦波PWM方式で低次高調波を低減し
た駆動方式である。この場合インバータ15の出力の基本
波成分の電圧Vinはよく知られているように変調用正弦
波信号の振幅をea,変調用三角波の振幅をebとすると、
次式で表わされる関係を持つ。

（但しＫは定数,Bdcは直流電圧）第３図に示すように直流スイッチ26a,26bはオフとさ
れ、インバータ15は蓄電池14から切離され、負荷電流Il
＝０とし、インバータ15を商用直送出力電圧ｌと同一
位相で運転した場合、インバータ15の直流側（蓄電池14
側）はコンデンサ24のみであるため、理想状態では交流
側よりインバータ15へ供給される有効電力は零でなけれ
ばならない。このことから、負荷17での商用電圧ｌと
インバータ15の電流inとは直交するベクトルとなる。
第４図Ａにインバータ基本波電圧inが商用直送出力負
荷電圧ｌより高い場合、第４図Ｂには逆に低い場合の
ベクトルを示す。第４図においてコイル22の電圧をx₂
で示してある。この図のように理想運転状態ではインバ
ータ基本波電圧inが商用直送電圧ｌより高い場合、
インバータ電流inは90°の進み電流（コンデンサと等
価）のモードとなり、低い場合には90°の遅れ電流（リ
アクトルと等価）のモードとなる。

ここで第４図Ａの場合についてみるとそのベクトル図よ
り、コイル22の電圧x₂は、 x₂＝in−ｌ＝Xx₂・in となる。Xx₂はコイル22のリアクタンスである。コンデ
ンサ24の電圧をVcとするとVin＝KVcであるから、となる。

Vcを一定とした場合インバータ電流Iinは変調振幅比Ｋ
を制御することで任意の大きさで、直送商用電圧Vlと直
交した無効電流とすることができる。

負荷電圧安定化動作商用電力受電時にインバータ15を無効電流発生モードで
動作させ、出力端子16a,16b間の電圧Vlを一定に保つ。
第５図にこのモードにおける要部の電圧電流を示す。イ
ンバータ15を無効電流発生に用いるということは、第５
図に示すように出力端子電圧（負荷の受電端子電圧）Vl
に対して90°進み、又は90°遅れの電流を流すことであ
り、これはコンデンサ又はリアクターを負荷17と並列に
接続したことと等価になる。このため第５図ではインバ
ータ15を、可変コンデンサ又は可変インダクタとして等
価的に表示している。

第６図Ａ及びＢはこの回路においての商用入力電圧Vac
と出力端子電圧Vlをベクトル表示したものである。第６
図Ａは入力電圧がVacよりVac′まで下がったときコンデ
ンサ23を流れる電流Ic₁とインバータ電流Iinとの和の電
流を_Ｄから_Ｄ′に増加させることにより、出力端子
電圧Vlを一定に保つことができることを示したものであ
る。第６図Ｂは負荷電流ｌがｌ′まで増加した場合
を示し、この場合にも電流_Ｄを_Ｄ′まで増加させる
ことで出力端子電圧Vlを一定に保つことができることを
示している。ここでXx₁はインダクタ28のリアクタンス
である。電流_Ｄ中のコンデサ電流ｃは一定値のため
出力端子電圧Vlを検出して帰還値とし、インバータ電流
Iinを適切に制御すれば出力端子電圧Vlは入力電圧変
動、負荷変動があっても一定に保つことができる。

つまり第２図に示すように、商用入力電圧Vacの変動に
ともなう出力端子電圧Vlの変動を整流回路78、差動増幅
器81を通じて掛算器42へ負帰還して、出力端子電圧Vlの
変動を打ち消す方向の無効電流（インバータ電流）Iin
となるようにインバータ15の変調振幅比Ｋを制御すれば
よい。

実際の利用においては−20％程度までの電圧低下を補償
し、それ以下は停電と判定し交流スイッチ18をOFFし、
直流スイッチ26a,26bをONすることで即時インバータ給
電に移る。

商用復電時には数秒の商用安定確認時間を待って交流ス
イッチ18をON,直流スイッチ26a,26bをOFFとし、出力端
子電圧安定化運転にはいる。

ところで、負荷17が例えば小型コンピュータである様な
場合、その電源電圧は通常100ボルトとされているの
で、これより高圧の交流電源11と100ボルト電源電圧の
小型コンピュータ負荷との間にトランスを介在させて降
圧して電力供給している。そして、電源側から負荷17側
に混入される諸々のノイズを阻止し、インバータ21の発
生する僅かの直流分を阻止する上からも、交流電源11と
小型コンピュータ負荷17との間にトランスを介在させる
と好適である。ここで、このトランスとして、第７図お
よび第８図の如く、負荷17およびインバータ21の接続点
との間にリーケージトランス95或は96を接続する。

「考案の効果」以上述べたように、この考案によると従来商用電力受電
中は、ただ待機していたインバータ15を利用して、商用
電源線電圧の変動による負荷の受電端子電圧の変動を抑
えることが出来、従来制限されていた待機式無停電電源
装置の利用範囲を工場内等の比較的条件の悪い場所まで
広げることが可能となり、その産業上の効果は大であるまたインダクタ28,コンデンサ23は低域通過波器を構
成するため、従来無防備に近かった負荷への電源線雑音
の混入を抑制できる効果もある。そして、負荷17が例え
ば小型コンピュータである様な場合、その電源電圧は通
常100ボルトとされているので、これより高圧の交流電
源11と100ボルト電源電圧の小型コンピュータ負荷との
間にトランスを介在させて降圧して電力供給するが、こ
の場合にこのトランスをリーケージトランスとすると、
降圧の他に電源側から負荷17側に混入される諸々のノイ
ズを阻止し、インバータ21の発生する僅かの直流分を阻
止する上からも好適である。また、漏洩磁路28′がイン
ダクタ28と等価の作用をする。

更に、蓄電池を接続したまま無効電力制御を行なうと、
無効電力を発生させるための交流電力が蓄電池に流通し
て蓄電池の加熱、蓄電池電解液が減少するという問題を
生ずるのであるが、この考案においては商用電力受電中
は蓄電池をインバータからスイッチにより切り離す構成
を採用したことによりこの様な問題は発生せず、蓄電池
の保守を容易にした。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案による待機式無停電電源装置の要部を
示す図、第２図は第１図中の制御装置の具体例を示す
図、第３図はインバータを無効電流発生に利用している
状態を示す図、第４図はそのベクトル図、第５図はイン
バータの無効電流により負荷の受電端子電圧の変動を抑
圧する回路状態を示す図、第６図はインバータの無効電
流により負荷の受電端子電圧の変動を抑圧する状態を示
すベクトル図、第７図及び第８図はそれぞれこの考案の
他の例を示す図、第９図は浮動式無停電電源装置を示す
図、第10図は待機式無停電電源装置を示す図である。 11……商用電源、14……蓄電池、15……インバータ、17
……負荷、26a,26b……スイッチ、28……インダクタ、2
9……電圧検出手段、33……制御装置。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】商用電源の電力を受電中はその商用電力を
負荷へ供給し、停電中は商用電力供給線を遮断し、イン
バータを動作させ、そのインバータにより蓄電池の電力
を交流電力に交換して上記負荷へ供給する待機式無停電
電源装置において、商用電力受電中は蓄電池をインバータから切り離すスイ
ッチと、上記商用電源と上記負荷及び上記インバータの接続点と
の間に直列に挿入されたインダクタと、上記負荷の電圧を検出する電圧検出手段と、商用電力受電中にその検出手段の検出出力に応じて上記
インバータの無効電力を制御して上記負荷電圧を一定に
保持する手段とを具備することを特徴とする待機式無停
電電源装置。
【請求項２】実用新案登録請求の範囲第（１）項に記載
される待機式無停電電源装置において、インダクタはリーケージトランスであることを特徴とす
る待機式無停電電源装置。