JPH11275778A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源装置から給電を行った場合に負荷側が交
流電圧受電の設備であると、受電電流遮断時にブレーカ
にアークが生じる。給電が直流電流の場合には電流極性
反転のメカニズムがないため一旦生じたアークは消えに
くい。 【解決手段】 常時はスイッチＳ１を閉じＳ２を開いて
商用の交流電源ＣＳから負荷のコンピュータ１０に給電
する。停電時にはスイッチＳ１を開きＳ２を閉じて、半
導体スイッチＱ１，Ｑ４を閉じて電池Ｂ１の電圧Ｅ１で
負荷のコンピュータ１０に給電する。周期的に半導体ス
イッチＱ１，Ｑ４を開いてＱ２，Ｑ３を閉じる。半導体
スイッチＱ２，Ｑ３がオンしている期間には負極性の電
圧Ｅ１が負荷のコンピュータ１０に印加される。コンピ
ュータ１０に短絡事故が生じた場合などにアーク放電が
生じても周期的に起こる電圧の極性転換によってこれを
消弧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する利用分野】本発明は直流電圧で給電する
電源装置および常時は交流電圧で給電し、停電時には直
流電圧で給電する電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最も一般的な電源装置では、常時は商用
の交流電力を受電し、これを整流器で一旦直流電圧に変
換し、この直流電圧をインバータで改めて精度の高い周
波数、正弦波電圧に変換して給電する。また、商用電源
の停電時には電池の放電電力を前記インバータで交流電
圧に変換して給電する方法をとっている。この常時の給
電における稼働状態では整流器とインバータの電力損失
が大きいため装置の効率が８０パーセント程度と低い。
省エネルギーの取り組みを強化しようという国際的な環
境問題、あるいは省資源対応の動きに合わせるため電源
装置も効率を大幅に高める必要がある。

【０００３】常時の給電効率を高める方法としては、商
用電源から負荷に直接給電し、つまり損失を伴う整流器
やインバータを稼働させずに給電し、停電時にのみイン
バータを稼働させて給電させる方法がある。この方法は
小容量の装置で実用例が見られる。

【０００４】さらに停電時における電池からの給電時に
おいても効率を高める方法としてインバータによる正弦
波交流電圧（インバータの高周波スイッチング技術を使
って波形制御をするため半導体スイッチの損失が大き
い）への変換のプロセスをなくして直流電圧のままで給
電する方法も開示されている。負荷がコンピュータのよ
うに受電した交流電力を直流に変換して使う場合には外
部から直流電圧で給電しても動作には差し支えない回路
となっているのでこれを活用している（特開平８−３３
２３３ 交直流電源装置）。

【０００５】図１０は、従来例の電源装置における交直
流給電の回路構成を示す図である。スイッチを切り換え
て商用の交流電源からの交流電圧で、あるいは電池から
の直流電圧で負荷であるコンピュータに給電する。負荷
側の整流回路は入力電圧が交流であるかあるいは直流で
あるかを問わない。必要なのは給電する電圧のレベルで
ある。直流電圧は交流電圧の平均値から波高値の間で選
ばれる。このレベルは電池の直列接続数を選定するか電
池の出力電圧をチョッパ回路で昇圧あるいは降圧して得
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この方法は省エネルギ
ーの視点からは優れているが直流給電に伴う欠点もあ
る。負荷側が交流電圧受電の設備、例えばコンピュータ
である場合、受電電流遮断用のブレーカの遮断特性に不
都合が生じる場合がある。ブレーカで電流を遮断させる
とアークが生じるが、交流電力の場合には電圧の極性が
周期的に、５０Ｈｚの場合には２０ミリ秒毎に反転する
のでアークが生じても電流の極性反転の時点で消滅す
る。しかし、直流電流の場合にはこの電流極性反転のメ
カニズムがないため一旦生じたアークは消えにくい。直
流電圧が高くなるほどアークは消えにくく、場合によっ
ては遮断不能になり危険である。

【０００７】負荷設備側で使われている交流用のブレー
カを、形が大きくまた高価な直流遮断用に交換すればア
ークの遮断も可能となり問題は解決されるが、不特定多
数の負荷に給電する汎用の電源装置の場合には負荷側と
連携した対策はとれない。つまり、ブレーカを直流遮断
用のものに交換する処置を負荷側に強いることはできな
い。

【０００８】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、交流電流遮断用ブレーカを使った負荷設備に
給電してもブレーカ等の遮断特性に支障がでない波形を
持った直流電圧を給電できる電源装置を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ブレーカのアーク放電消
弧を容易にするために、給電する直流電圧を連続波とし
ないで、周期的にゼロとなる期間を設けるか、あるいは
負、つまり反転した極性になる期間を設けた直流電圧波
形とする。つまりブレーカにとって交流電流遮断に準じ
た条件をつくる。

【００１０】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するために本発明
の電源装置は、直流電圧で給電する電源装置および常時
は交流電圧で給電し、停電時には直流電圧で給電する電
源装置であって、この直流電圧は周期的に電圧ゼロの期
間あるいは負の極性になる期間を設けた波形であること
に特徴を有している。また、前記直流電圧がゼロあるい
は負の極性にある期間を０．５ミリ秒から５ミリ秒の範
囲としたことに特徴を有している。さらに、極性の異な
る前記直流電圧をチョッパで変換して得ることに特徴を
有している。また、負の極性の前記直流電圧をリアクタ
とコンデンサの直列共振回路で得ることに特徴を有して
いる。

【００１１】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例を示す。（ａ）
は回路構成図であり、（ｂ）は停電時、つまり電池から
給電している期間の出力の直流電圧の波形である。Ｓ１
およびＳ２はスイッチで、これはリレー、ブレーカある
いは半導体スイッチを使うことも可能である。常時はス
イッチＳ１を閉じてＳ２を開いて商用の交流電源ＣＳか
ら負荷のコンピュータ１０に給電する。停電時にはスイ
ッチＳ１を開きＳ２を閉じて、半導体スイッチＱ１，Ｑ
４を閉じて電池Ｂ１の電圧Ｅ１で負荷のコンピュータ１
０に給電する。周期的に半導体スイッチＱ１，Ｑ４を開
いてＱ２，Ｑ３を閉じる。半導体スイッチＱ２，Ｑ３が
オンしている期間には負極性の電圧Ｅ１が負荷のコンピ
ュータ１０に印加される。

【００１２】停電時に半導体スイッチＱ１〜Ｑ４の断続
によって生じる直流給電電圧の波形を（ｂ）に示す。負
荷側のブレーカＣＢに、例えば、コンピュータ１０に短
絡事故が生じた場合などにアーク放電が生じても周期的
に起こる電圧の極性転換によってこれを消弧する。商用
周波数の交流電流遮断用ブレーカは半周期毎に、すなわ
ち１０ミリ秒の周期（５０Ｈｚの場合）で極性転換が生
じる交流回路で使われる。従って、直流回路で使う場合
にも極性転換の周期（ｔｏｎ）を１０ミリ秒より短くす
る必要はない。周期を延長できる限界は遮断する電圧、
電流および回路条件に依存する。負極性の電圧を印加し
ている時間（ｔｏｆｆ）は給電電流の極性が反転するま
でに要する時間できまる。負荷が抵抗とみなせる場合で
あれば瞬時に反転するが、給電ケーブルのインダクタン
スやノイズ抑制用のフィルタ等が存在すると電流が反転
するまでの時期が電圧反転時より遅れる。交流電圧半サ
イクルの期間の１／２，つまり５ミリ秒以上は必要とし
ない。従って、直流電圧の極性が反転して負の極性にな
っている期間は安全性を見て大きく選んでも５ミリ秒あ
ればよい。

【００１３】各半導体スイッチＱ１〜Ｑ４と逆並列に接
続しているダイオードＤ１〜Ｄ４は半導体スイッチＱ１
〜Ｑ４に逆方向の電圧が印加されて破壊されるのを防止
するために挿入する。半導体スイッチの逆方向の耐圧が
高ければダイオードを必ずしも設ける必要はない。

【００１４】図２に本発明の第２実施例における交直流
給電の回路構成図を示す。第１実施例（図１）では直流
電圧が正極性の時のレべルと負極にある時のレベルが等
しく電圧Ｅ１である。しかし、負極性になっている期間
の電圧レベルは給電する電力量には直接関与するもので
はないので任意に選べる。第２実施例では負極性になっ
ている期間の電圧Ｅ２のレベルを直列接続されている電
池Ｂ２，Ｂ３の電圧Ｅ１より低く選んである。電圧Ｅ２
は直列接続されている電池Ｂ２，Ｂ３を分割した電池Ｂ
３の電池電圧である。

【００１５】図３に本発明の第３実施例における交直流
給電の回路構成図を示す。２組の電池Ｂ１，Ｂ３を使
い、直流電圧の給電時には半導体スイッチＱ５をオンさ
せて電池Ｂ１の電圧Ｅ１で給電する。周期的に負極性の
電圧を印加する際には半導体スイッチＱ５をオフさせ、
Ｑ６をオンさせて電池Ｂ３の電圧−Ｅ２を出力する。

【００１６】図４に本発明の第４実施例における交直流
給電の回路構成図を示す。第４実施例で負荷に印加する
直流電圧を周期的にゼロに落とす場合の回路構成例であ
る。第１実施例における直流電圧のパターン（図１ｂ）
では、周期的に直流電圧の極性を反転させているが、例
えば給電ケーブルが短くて電源から負荷側を見たときの
インダクタンスが小さければ直流電圧の極性を負にする
ことは必ずしも必要ではない。直流電圧をゼロあるいは
ゼロ近くまで落とすことによって給電電流をブレーカが
遮断できるレベルまで小さくすることができる。つまり
ブレーカに期待する遮断機能を果たさせることができ
る。

【００１７】例では、第３実施例（図３）における電池
Ｂ３，半導体スイッチＱ６，ダイオードＤ６を除いた回
路構成となっている。半導体スイッチＱ５をオンさせて
いる期間に電圧Ｅ１で給電し、周期的にＱ５をオフさせ
ると給電電圧はゼロとなる。

【００１８】図５に本発明の電源装置に適用する第１例
の直流電源部を示す。半導体スイッチＱ７，ダイオード
Ｄ７，リアクタＬおよびコンデンサＣ１で昇圧チョッパ
を構成し、電池Ｂ４の電圧Ｅ２、例えばＤＣ４８Ｖを所
望の電圧Ｅ１，例えばＤＣ１４０Ｖまで昇圧する。すな
わち、半導体スイッチＱ７をオンさせると電池Ｂ４の放
電電流がリアクタＬに流れ、これに電磁エネルギ１／２
×（インダクタンス）×（電流）² が蓄積される。この
間、コンデンサＣ１の電圧Ｅ１が出力電圧となる。次に
Ｑ７をオフさせるとリアクタＬの電流はダイオードＤ７
を通してコンデンサＣ１を充電する。リアクタＬはエネ
ルギー保存則に則り図示の極性の電圧を誘起しエネルギ
を放出する。電圧Ｅ１は電池Ｂ４の電圧とリアクタＬの
電圧の和であり、リアクタＬの電圧分だけ昇圧されたレ
ベルになる。この半導体スイッチＱ７のオン・オフのサ
イクルを繰り返しで動作させ、電圧Ｅ１を所望のレベル
に制御する。リアクタＬのインダクタンスを小さくし小
形化および低コスト化を図るためスイッチング周波数
は、例えば２０ｋＨｚ以上に高くする。なお、半導体ス
イッチＱ７をオン・オフするための制御信号は図には示
されていない制御装置から与えられる。

【００１９】この第１例の直流電源部は、第１実施例
（図１）の電池Ｂ１に置き換えて使う。また、電池Ｂ４
の電圧Ｅ２と昇圧された電圧Ｅ１とを第２実施例（図
２）における電池Ｂ２およびＢ３に置き換えて使う。

【００２０】図６に本発明の電源装置に適用する第２例
の直流電源部を示す。先の第１例の直流電源部（図５）
にリアクタＬＸ，コンデンサＣ２およびダイオードＤ８
を付加した回路である。リアクタＬＸはリアクタＬと磁
気的に結合している。リアクタＬに図示の極性の電圧が
誘起している期間にはリアクタＬＸにも図示の極性の電
圧が誘起するのでこれによりコンデンサＣ２が充電され
る。この第２例の直流電源部の＋Ｅ１，０，−Ｅ２を第
３実施例（図３）の電池Ｂ１およびＢ３に置き換えて使
う。

【００２１】図７に本発明の電源装置に適用する第３例
の直流電源部を示す。第１例の直流電源部（図５）では
電池Ｂ４の電圧とリアクタＬの電圧を重畳してコンデン
サＣ１の電圧、つまり出力の＋Ｅ１としている。これに
対してこの第３例の直流電源部では、リアクタＬに誘起
した電圧でコンデンサＣ３を充電し、電池Ｂ４の電圧と
コンデンサＣ３の電圧とを加算して出力の電圧＋Ｅ１と
する。この出力電圧＋Ｅ１を第１実施例（図１）の電池
Ｂ１に代替えて使用する。また電圧＋Ｅ１および＋Ｅ２
を第２実施例（図２）の電池Ｂ２およびＢ３に代替えて
使用する。

【００２２】図８に本発明の電源装置に適用する第４例
の直流電源部を示す。第３例の直流電源部（図７）を使
って出力の取り出し方を変えた例である。コンデンサＣ
３の電圧を＋Ｅ１とし電池Ｂ４を−Ｅ２としている。こ
の直流電源部は第３実施例（図３）の電池Ｂ１，Ｂ３に
代替えできる。

【００２３】電池は単独では電圧が低いので多数個を直
列に接続して使う。この電池は電圧変動が大きい。鉛蓄
電池の場合、電池から直接得られる電圧は１個当たり、
充電から放電までのプロセスで２．２２Ｖから１．６Ｖ
まで変動する。第１〜３実施例（図１〜３）の直流電源
部を電池に代わって図５〜８のチョッパで構成した直流
給電部を使えば給電する電圧は一定のレベルを保つので
負荷のコンピュータ１０にとって望ましい。

【００２４】図９に本発明の第５実施例における交直流
給電の回路構成図を示す。直流電圧給電中における負極
性の電圧としてリアクタとコンデンサの直列共振によっ
て得たパルス状電圧を使っている。停電中で、電池から
給電している状態を説明する。直流電圧給電は半導体ス
イッチＱ８をオンさせて電池Ｂ１から給電する。周期的
にＱ８をオフさせて次のプロセスで生じる負のパルスを
負荷のコンピュータ１０に与える。コンデンサＣ４が図
示の極性で充電されているのでサイリスタＴＨをオンさ
せるとリアクタＬ２，３（Ｌ２とＬ３は独立した部品で
もよい、また、磁気的に結合させた部品てもよい）とコ
ンデンサＣ４が直列共振を開始する。

【００２５】コンデンサＣ４の電圧が減少して、続いて
図とは逆の極性で電圧が増加し、コンデンサＣ４の逆極
性の電圧とリアクタＬ３の電圧の和（負の極性）がコン
ピュータ１０に印加される。次にダイオードＤ１０を介
して逆方向の共振電流が流れ始めてコンデンサＣ４は再
度図示の極性に戻る。この時点ではサイリスタＴＨには
導通させる信号を与えないので直列共振が持続すること
はない。このプロセス後に半導体スイッチＱ８をオンさ
せて電圧Ｅ１のレベルで直流給電を行う。

【００２６】第５実施例（図９）における電池Ｂ１に代
わって図５および図７のチョッパで構成した直流給電部
も使える。

【００２７】リアクタＬ３は半導体スイッチＱ８をオン
させた瞬間に流れるコンデンサＣ４の充電電流を抑制す
るために挿入したもので充電電流が過大にならなければ
必ずしも必要とするものではない。サイリスタＴＨに代
わってトライアックやトランジスタも適用できる。

【００２８】この負荷に印加する直流電圧の極性反転は
周期的に行う。極性反転の周期は商用の交流電源の半周
期、つまり１０ミリ秒程度あれば問題はないが、電源
に、例えば図５〜８のようにチョッパを使えば過電流抑
制機能をもたせられるので電流が異常に増加することが
なくなり、この極性反転の周期は１秒程度まで長くして
もよい。

【００２９】本発明の説明図において半導体スイッチと
してバイポーラ・トランジスタを例に取り上げている
が、これに限らず、パワー・ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴも
支障なく使える。また、電池としては鉛蓄電池や太陽電
池、燃料電池等も実用になる。原理としては電池とは言
えないが実用化が期待されている電気二重層コンデンサ
も使える。

【００３０】電池として太陽電池や燃料電池を使う場合
には商用の交流電源に依存する必要がない。また、交流
電力を直流に変換する整流器がある場合には常時これを
使ってもよい。これらの場合には第１ないし第４の実施
例から交流給電系の回路（切り換えスイッチＳのある系
統）を除いて負荷へは常時、直流電圧給電とする。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば直流電圧給電中に周期的
にゼロ電圧とし、あるいは電圧の極性を負とするので、
例えば負荷側で短絡事故等でアーク放電が生じても、こ
の周期以上の期間にわたってアーク放電が持続すること
がなくなる。従って給電経路に設けられたブレーカが交
流電流遮断用つまり遮断能力が小さくても実用上支障が
なく、交流受電用に設計されたコンピュータ等の電子設
備に直流給電が可能となる。これにより電源装置の効率
向上が図られ、省エネルギー化推進に大きく貢献でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は第１実施例における交直流給電の回路
構成図であり、（ｂ）は直流電圧の出力波形図である。

【図２】第２実施例における交直流給電の回路構成図で
ある。

【図３】第３実施例における交直流給電の回路構成図で
ある。

【図４】第４実施例における交直流給電の回路構成図で
ある。

【図５】本発明の電源装置に適用する第１例の直流電源
部の回路構成図である。

【図６】本発明の電源装置に適用する第２例の直流電源
部の回路構成図である。

【図７】本発明の電源装置に適用する第３例の直流電源
部の回路構成図である。

【図８】本発明の電源装置に適用する第４例の直流電源
部の回路構成図である。

【図９】第５実施例における交直流給電の回路構成図で
ある。

【図１０】従来例の電源装置における交直流給電の回路
構成図である。

【符号の説明】

１０ 負荷であるコンピュータ Ｂ１，２，３，４ 電池 Ｃ１，２，３，４ コンデンサ ＣＢ ブレーカ ＣＳ 商用の交流電源 Ｄ１，２，３，４，５，６，７，８，９ ダイオード Ｅ１，２ 電圧 Ｌ，Ｌ２，３ リアクタ ＬＸ リアクタ Ｑ１，２，３，４，５，６，７，８ 半導体スイッチ Ｓ１，２ スイッチ ＴＨ サイリスタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電圧で給電する電源装置および常時
   は交流電圧で給電し、停電時には直流電圧で給電する電
   源装置であって、 この直流電圧は周期的に電圧ゼロの期間あるいは負の極
   性になる期間を設けた波形であることを特徴とする電源
   装置。
2. 【請求項２】 前記直流電圧がゼロあるいは負の極性に
   ある期間を０．５ミリ秒から５ミリ秒の範囲としたこと
   を特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 【請求項３】 極性の異なる前記直流電圧をチョッパで
   変換して得ることを特徴とする請求項１あるいは２記載
   の電源装置。
4. 【請求項４】 負の極性の前記直流電圧をリアクタとコ
   ンデンサの直列共振回路で得ることを特徴とする請求項
   １あるいは２記載の電源装置。