JP5179657B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は無停電電源装置に関し、特に、電力貯蔵装置として電気二重層コンデンサを用いた無停電電源装置に関する。

従来より、コンピュータシステム等の重要負荷に交流電力を安定的に供給するための電源装置として、無停電電源装置が広く用いられている。たとえば特開２００１−６１２３８号公報（特許文献１）に示されるように、無停電電源装置は一般に、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を交流電力に変換するインバータと、直流電力を蓄える電力貯蔵装置を備える。常時にはコンバータは商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、電力貯蔵装置を充電しながらインバータに直流電力を供給する。インバータは直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。商用交流電源が停電した場合には、電力貯蔵装置からの電力がインバータに供給され、インバータは負荷への交流電力の供給を継続する。

特開２００１−６１２３８号公報

電力貯蔵装置としては、蓄電池、電気二重層コンデンサなどが使用される。環境保護、寿命の観点では、電気二重層コンデンサは蓄電池よりも優れている。しかし、電気二重層コンデンサは、停電時間が長い場合、蓄電池と違って０Ｖまで放電される。したがって、電気二重層コンデンサを使用する場合、コンバータによる通常の充電を行なう他、装置の起動時や長い停電があったときは、電気二重層コンデンサを０Ｖから所定の電圧まで予備充電する必要がある。

予備充電を行なう方法として、コンバータと電気二重層コンデンサとの間に双方向チョッパ回路を設け、双方向チョッパ回路を制御することによってコンバータから電気二重層コンデンサに流れる電流を徐々に増大させる方法が考えられる。しかし、この方法には、装置寸法の大型化、装置構成の複雑化を招くと言う問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、電気二重層コンデンサの予備充電を簡単な構成で容易に行なうことが可能な無停電電源装置を提供することである。

この発明に係る無停電電源装置は、コンバータ、電気二重層コンデンサ、インバータ、整流回路、および充電回路を備えたものである。コンバータは、商用交流電源からの第１の交流電力を直流電力に変換する。電気二重層コンデンサは、直流電力を蓄える。インバータは、コンバータおよび電気二重層コンデンサからの直流電力を第２の交流電力に変換する。整流回路は、第２の交流電力を直流電力に変換する。充電回路は、インバータの第１回目の起動時は、整流回路の出力電力を電気二重層コンデンサに供給し、インバータの第２回目以降の起動時は、コンバータおよび整流回路のうちのいずれか一方の出力電力を電気二重層コンデンサに選択的に供給する。

この発明に係る無停電電源装置では、インバータの出力電力を直流電力に変換する整流回路を設け、インバータの第１回目の起動時は、整流回路の出力電力を電気二重層コンデンサに供給し、インバータの第２回目以降の起動時は、コンバータおよび整流回路のうちのいずれか一方の出力電力を電気二重層コンデンサに選択的に供給する。したがって、インバータを制御することにより、電気二重層コンデンサの予備充電を簡単な構成で容易に行なうことができる。

この発明の一実施の形態による無停電電源装置の構成およびバイパス給電モードを示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。 図１に示した無停電電源装置のＥＤＬＣ予備充電モードを示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源装置のＥＤＬＣ充電モードを示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源装置のインバータ給電モードを示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源装置の動作を示すフローチャートである。 図１に示した制御回路のうちのインバータのソフトスタートに関連する部分を示す回路ブロック図である。 図７に示したソフトスタート回路の動作を示すタイムチャートである。

この発明の一実施の形態による無停電電源装置は、図１に示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６、コンバータ１、コンデンサ２，５、インバータ３、変圧器４、ＳＴＳ６、整流回路７、電流検出回路８、制御回路９、および電気二重層コンデンサ１０を備える。

スイッチＳＷ１の一方端子は商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１を受け、その他方端子はコンバータ１に接続される。スイッチＳＷ１は、制御回路９によって制御され、無停電電源装置の電源が投入された場合に導通する。コンバータ１は、制御回路９によって制御され、スイッチＳＷ１を介して商用交流電源から供給される交流電圧ＶＡＣ１を直流電圧に変換して電源ノードＮ１に出力する。コンデンサ２は、電源ノードＮ１と基準電圧ＧＮＤのラインとの間に接続され、電源ノードＮ１の電圧を平滑化する。

インバータ３は、制御回路９によって制御され、電源ノードＮ１の直流電圧を商用周波数の交流電圧ＶＡＣ２に変換する。変圧器４は、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２をスイッチＳＷ２の一方端子に伝達する。コンデンサ５は、変圧器４の出力ノードと基準電圧ＧＮＤのラインとの間に接続される。変圧器４およびコンデンサ４は、インバータ３などで発生したノイズを除去する出力フィルタを構成する。

スイッチＳＷ２の他方端子は、コンピュータシステムのような重要な負荷１１に接続される。スイッチＳＷ２は、制御回路９によって制御され、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２を負荷１１に供給するインバータ給電モード時に導通し、商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１をバイパス用のスイッチＳＷ３，ＳＷ４を介して負荷１１に供給するバイパス給電モード時に非導通になる。

スイッチＳＷ３の一方端子は商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１を受け、その他方端子はスイッチＳＷ４を介して負荷１１に接続される。スイッチＳＷ３は、無停電電源装置の使用時に導通状態にされる。スイッチＳＷ４は、制御回路９によって制御され、インバータ給電モード時に非導通になり、バイパス給電モード時に導通する。ＳＴＳ６は、スイッチＳＷ４に並列接続される。ＳＴＳ６は、制御回路９によって制御され、インバータ給電モード時にインバータ３が故障した場合に導通し、商用交流電源からの交流電力ＶＡＣ１を負荷１１に瞬時に与える。

スイッチＳＷ５の一方端子は変圧器４の出力ノードに接続され、その他方端子は整流回路７の入力ノードに接続される。スイッチＳＷ５は、制御回路９によって制御され、電気二重層コンデンサ１０の予備充電を行なうＥＤＬＣ（Electric Double-Layer Capacitor：電気二重層コンデンサ）予備充電モード時に導通し、それ以外の期間は非導通になる。

整流回路７は、ＥＤＬＣ予備充電モード時に、スイッチＳＷ５を介して与えられる交流電圧ＶＡＣ２を整流して直流電圧を生成する。電気二重層コンデンサ１０の正極は整流回路７の出力ノード１０に接続され、その負極は基準電圧ＧＮＤのラインに接続される。電気二重層コンデンサ１０は、直流電力を蓄える。

スイッチＳＷ６は、電気二重層コンデンサ１０の正極と電源ノードＮ１との間に接続される。スイッチＳＷ６は、制御回路９によって制御され、ＥＤＬＣ予備充電モード時は非導通になり、それ以外の期間は導通する。

電流検出回路８は、整流回路７から電気二重層コンデンサ１０に流れる直流電流を検出し、検出値を示す信号を制御回路９に与える。制御回路９は、商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１および電流検出回路８の出力信号に基づいて、無停電電源装置全体を制御する。

次に、この無停電電源装置の動作について説明する。図２は、インバータ３の第１回目の起動時の動作を示すタイムチャートである。初期状態では、図１に示すように、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が導通するとともにスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ５，ＳＷ６が非導通になり、商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１がスイッチＳＷ３，ＳＷ４を介して負荷１に供給されている。

ある時刻ｔ０において無停電電源装置の電源が投入されると、時刻ｔ１においてスイッチＳＷ１が導通し、時刻ｔ２においてコンバータ１が活性化される。次いで時刻ｔ３において、インバータ３が活性化されるとともにスイッチＳＷ５が導通し、図３に示すように、ＥＤＬＣ予備充電モードが開始される。インバータ３は、変圧器４の偏磁を防止するために、出力電圧ＶＡＣ２が徐々に上昇するように制御される。インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２は、変圧器４およびスイッチＳＷ５を介して整流回路７に与えられる。整流回路７は、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２を整流して電気二重層コンデンサ１０に供給する。このため、電気二重層コンデンサ１０の端子間電圧ＶＤＣも徐々に上昇する。

このとき制御回路９は、電流検出回路８によって検出された整流回路７の出力電流がしきい値電流を超えた場合は、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２の上昇を一旦停止させる。制御回路９は、整流回路７の出力電流がしきい値電流よりも低下した場合は、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２を再度上昇させる。

次に、時刻ｔ４においてインバータ３の出力電圧ＶＡＣ２が所定の電圧に到達し、電気二重層コンデンサ１０の端子間電圧ＶＤＣが所定の電圧に到達すると、スイッチＳＷ５が非導通になるとともにスイッチＳＷ６が導通し、図４に示すように、ＥＤＬＣ充電モードが開始される。コンバータ１の出力電圧は、スイッチＳＷ６を介して電気二重層コンデンサ１０に供給され、電気二重層コンデンサ１０が充電される。

次いで図４において、スイッチＳＷ２が導通し、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２が変圧器４およびスイッチＳＷ２を介して負荷１１に供給される。このとき、スイッチＳＷ３，ＳＷ４も導通しているので、負荷１１には、商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１とインバータ３の出力電圧ＶＡＣ２の両方が供給される。

次に図５に示すように、スイッチＳＷ４が非導通になり、インバータ給電モードが実現される。インバータ給電モードでは、商用交流電源から交流電圧ＶＡＣ１が供給されている通常動作時は、コンバータ１は、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換してインバータ３および電気二重層コンデンサ１０に与える。商用交流電源からの交流電圧ＶＡＣ１の供給が停止された停電時は、コンバータ１は駆動停止し、電気二重層コンデンサ１０に蓄えられた直流電力がインバータ３に供給される。インバータ３は、直流電力を交流電力に変換して負荷１１に供給する。したがって、停電時でも、負荷１１に交流電力を供給して負荷１１を駆動させることができる。停電時間が短い場合は図５のインバータ給電モードを継続し、停電時間が長い場合は、電気二重層コンデンサ１０を予備充電する必要があるので、図１のバイパス給電モードに戻る。

図６は、この無停電電源装置の動作を示すフローチャートである。図６において、電源が投入されると、ステップＳ１において制御回路９はバイパス給電モードを実行し、商用交流電源からの交流電力をスイッチＳＷ３，ＳＷ４を介して負荷１１に供給する。ステップＳ２において、制御回路９はＥＤＬＣ予備充電モードを実行し、スイッチＳＷ１，ＳＷ５を導通させるとともにインバータ３の出力電力を徐々に上昇させる。これにより、インバータ３の出力電力が整流回路７で整流されて直流電力に変換され、電気二重層コンデンサ１０の端子間電圧ＶＤＣが徐々に上昇する。

ステップＳ３において、制御回路９はＥＤＬＣ充電モードを実行し、スイッチＳＷ５を非導通にするとともにスイッチＳＷ６を導通させ、整流回路７の出力電力の代わりにコンバータ１の出力電力を電気二重層コンデンサ１０に供給する。ステップＳ４において、制御回路９はインバータ給電モードを実行し、スイッチＳＷ４を非導通にするとともにスイッチＳＷ２を導通させ、商用交流電源からの交流電力の代わりに、インバータ３の出力電力を負荷１１に供給する。

ステップＳ５において、制御回路９は停電があったか否かを判別し、停電があった場合はステップＳ６において停電時間Ｔｂが予め定められた時間Ｔ０よりも長いか否かを判別する。制御回路９は、停電時間Ｔｂが予め定められた時間Ｔ０よりも短いと判別した場合は、電気二重層コンデンサ１０の予備充電を行なう必要がないのでステップＳ４に戻る。また、制御回路９は、停電時間Ｔｂが予め定められた時間Ｔ０よりも長いと判別した場合は、電気二重層コンデンサ１０の予備充電を再度行なう必要があるのでステップＳ１に戻る。

なお、停電時には電気二重層コンデンサ１０に蓄えられていた直流電力がインバータ３に供給され、停電時間Ｔｂが長くなるほどに電気二重層コンデンサ１０の充電レベルが低下する。したがって、停電時間Ｔｂが予め定められた時間Ｔ０よりも長いか否かを判別するということは、電気二重層コンデンサ１０の充電レベルが予め定められたしきい値レベルよりも低いか否かを判別することに相当する。電気二重層コンデンサ１０の充電レベルが予め定められたしきい値レベルよりも低いか否かを判別する方法としては、電気二重層コンデンサ１０の端子間電圧ＶＤＣが予め定められたしきい値電圧よりも低いか否かを判別方法もある。

図７は、制御回路９のうちのインバータ３のソフトスタートに関連する部分を示す回路ブロック図である。図７において、制御回路９は、ＡＮＤゲート２０、ＯＲゲート２１、フリップフロップ２２、比較回路２３、およびソフトスタート回路２４を含む。

ＡＮＤゲート２０は、信号Ｆ１〜Ｆ３の論理積信号をフリップフロップ２２のセット端子（Ｓ）に与える。信号Ｆ１は、スイッチＳＷ１が導通した場合に「Ｈ」レベルになる信号である。信号Ｆ２は、インバータ給電モードの実行が指令された場合に「Ｈ」レベルになる信号である。信号Ｆ３は、インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２が目標電圧に到達した場合に「Ｈ」レベルになる信号である。信号Ｆ１〜Ｆ３がともに「Ｈ」レベルにされると、ＡＮＤゲート２０の出力信号が「Ｈ」レベルに立ち上げられ、フリップフロップ２２がセットされてフリップフロップ２２の出力信号φ２２が「Ｈ」レベルになる。したがって、フリップフロップ２２の出力信号φ２２が「Ｈ」レベルになっている場合は、電気二重層コンデンサ１０の予備充電が終了している。

ＯＲゲート２１は、信号Ｆ４，Ｆ５の論理和信号をフリップフロップ２２のリセット端子（Ｒ）に与える。信号Ｆ４は、重故障が起こった場合に「Ｈ」レベルにされる信号である。信号Ｆ５は、無停電電源装置が故障してリセットされた場合に「Ｈ」レベルにされる信号である。信号Ｆ４および信号Ｆ５のうちの少なくとも１つの信号が「Ｈ」レベルにされると、ＯＲゲート２１の出力信号が「Ｈ」レベルに立ち上げられ、フリップフロップ２２がリセットされてフリップフロップ２２の出力信号φ２２が「Ｌ」レベルになる。したがって、フリップフロップ２２の出力信号φ２２が「Ｌ」レベルになっている場合は、電気二重層コンデンサ１０の予備充電を行なう必要がある。

比較回路２３は、電流検出回路８で検出された整流回路７の出力電流Ｉと予め定められたしきい値電流ＩＴＨとを比較し、比較結果に応じたレベルの信号φ２３を出力する。整流回路７の出力電流Ｉがしきい値電流ＩＴＨよりも高い場合、信号φ２３は「Ｈ」レベルになる。整流回路７の出力電流Ｉがしきい値電流ＩＴＨよりも低い場合、信号φ２３は「Ｌ」レベルになる。ソフトスタート回路２４は、信号φ２２，φ２３に従って、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣを０から目標電圧指令値ＶＴまで徐々に上昇させる。インバータ３の出力電圧ＶＡＣ２は、出力電圧指令ＶＣに従って目標電圧まで徐々に上昇する。

図８は、ソフトスタート回路２４の動作を例示するタイムチャートである。図８中の曲線Ａは、信号φ２２，φ２３がともに「Ｌ」レベルの場合におけるインバータ３の出力電圧指令値ＶＣの時間変化を示している。この場合、電気二重層コンデンサ１０の予備充電を行なう必要があるので、ソフトスタート回路２４は、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣを０から目標電圧指令値ＶＴまでたとえば６００秒かけて徐々に上昇させる。これにより、電気二重層コンデンサ１０の端子間電圧ＶＤＣを０Ｖから所定の電圧まで徐々に上昇させることができ、整流回路７に過電流が流れるのを防止するとともに、変圧器４の偏磁を防止することができる。

また、図８中の曲線Ｂは、信号φ２２，φ２３がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルの場合におけるインバータ３の出力電圧指令値ＶＣの時間変化を示している。この場合、電気二重層コンデンサ１０の予備充電が一度行なわれているので、電気二重層コンデンサ１０に電荷が残っている。そこで、ソフトスタート回路２４は、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣを、信号φ２２が「Ｌ」レベルの場合よりも速い速度で上昇させる。すなわち、ソフトスタート回路２４は、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣを０から目標電圧指令値ＶＴまでたとえば１秒かけて徐々に上昇させる。これにより、電気二重層コンデンサ１０の端子間電圧ＶＤＣを所定の電圧まで比較的速く上昇させることができる。

また、図８中の曲線Ｃは、信号φ２２が「Ｈ」レベルである場合において、信号φ２３が複数回（図８では３回）「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化した場合におけるインバータ３の出力電圧指令値ＶＣの時間変化を示している。この場合、電気二重層コンデンサ１０の予備充電が一度行なわれているので、電気二重層コンデンサ１０に電荷が残っている。そこで、ソフトスタート回路２４は、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣを、信号φ２２が「Ｌ」レベルの場合よりも速い速度で上昇させる。

しかし、整流回路７の出力電流Ｉがしきい値電流ＩＴＨを超えた場合は、ソフトスタート回路２４はインバータ３の出力電圧指令値ＶＣの上昇を一旦停止させ、整流回路７の出力電流Ｉがしきい値電流ＩＴＨよりも小さくなるのを待つ。整流回路７の出力電流Ｉがしきい値電流ＩＴＨよりも低下した場合は、ソフトスタート回路２４はインバータ３の出力電圧指令値ＶＣを再度上昇させる。この場合、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣは、１秒と６００秒の間の時間ｔｘをかけて０から目標電圧指令値ＶＴまで変化する。このように、インバータ３の出力電圧指令値ＶＣを上昇させたり、その上昇を一旦停止することを繰り返すことにより、過電流が流れるのを防止しながら、電気二重層コンデンサ１０を迅速に充電することができる。

この実施の形態では、変圧器４の偏磁を防止するために従来から設けられているインバータ３のソフトスタート機能を利用して電気二重層コンデンサ１０の予備充電を行なう。したがって、予備充電回路を別途設ける場合に比べ、電気二重層コンデンサ１０の予備充電を簡単な構成で容易に行なうことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＳＷ１〜ＳＷ６ スイッチ、１ コンバータ、２，５ コンデンサ、３ インバータ、４ 変圧器、６ ＳＴＳ（Static Transfer Switch)、７ 整流回路、８ 電流検出回路、９ 制御回路、１０ 電気二重層コンデンサ、１１ 負荷、２０ ＡＮＤゲート、２１ ＯＲゲート、２２ フリップフロップ、２３ 比較回路、２４ ソフトスタート回路。

Claims (7)

1. 商用交流電源からの第１の交流電力を直流電力に変換するコンバータ（１）と、
   直流電力を蓄える電気二重層コンデンサ（１０）と、
   前記コンバータ（１）および前記電気二重層コンデンサ（１０）からの直流電力を第２の交流電力に変換するインバータ（３）と、
   前記第２の交流電力を直流電力に変換する整流回路（７）と、
   前記インバータ（３）の第１回目の起動時は、前記整流回路（７）の出力電力を前記電気二重層コンデンサ（１０）に供給し、前記インバータ（３）の第２回目以降の起動時は、前記コンバータ（１）および前記整流回路（７）のうちのいずれか一方の出力電力を前記電気二重層コンデンサ（１０）に選択的に供給する充電回路（９，ＳＷ５，ＳＷ６）とを備える、無停電電源装置。
2. 前記充電回路（９，ＳＷ５，ＳＷ６）は、前記インバータの第２回目以降の起動時において、前記電気２重層コンデンサの充電レベルが予め定められたしきい値レベルよりも低いと判別した第１の場合は、前記整流回路（７）の出力電力を前記電気二重層コンデンサ（１０）に供給し、前記電気２重層コンデンサ（１０）の充電レベルが前記予め定められたしきい値レベルよりも高いと判別した第２の場合は、前記コンバータ（１）の出力電力を前記電気二重層コンデンサ（１０）に供給する、請求の範囲第１項に記載の無停電電源装置。
3. 前記充電回路（９，ＳＷ５，ＳＷ６）は、前記商用交流電源の停電時間が予め定められた時間よりも長い場合は、前記電気２重層コンデンサ（１０）の充電レベルが前記予め定められたしきい値レベルよりも低いと判別し、前記商用交流電源の停電時間が前記予め定められた時間よりも短い場合は、前記電気２重層コンデンサ（１０）の充電レベルが前記予め定められたしきい値レベルよりも高いと判別する、請求の範囲第２項に記載の無停電電源装置。
4. 前記充電回路（９，ＳＷ５，ＳＷ６）は、前記電気二重層コンデンサ（１０）の端子間電圧が予め定められた電圧よりも低い場合は、前記電気２重層コンデンサ（１０）の充電レベルが前記予め定められたしきい値レベルよりも低いと判別し、前記電気二重層コンデンサ（１０）の端子間電圧が前記予め定められた電圧よりも高い場合は、前記電気２重層コンデンサ（１０）の充電レベルが前記予め定められたしきい値レベルよりも高いと判別する、請求の範囲第２項に記載の無停電電源装置。
5. さらに、前記第１および第２の交流電力を受け、前記インバータ（３）の第１回目の起動が終了したことに応じて前記第２の交流電力を負荷（１１）に供給し、前記商用交流電源の停電があった場合において、前記第１の場合は前記第１の交流電力を前記負荷（１１）に供給し、前記第２の場合は前記第２の交流電力を前記負荷（１１）に供給する切換回路（９，ＳＷ２，ＳＷ４）を備える、請求の範囲第２項に記載の無停電電源装置。
6. さらに、前記インバータ（３）の第１回目の起動時は、前記インバータ（３）の出力電圧を第１の速度で目標電圧まで上昇させ、前記インバータ（３）の第２回目以降の起動時は、前記インバータ（３）の出力電圧を前記第１の速度よりも速い第２の速度で目標電圧まで上昇させるソフトスタート回路（２４）を備える、請求の範囲第１項に記載の無停電電源装置。
7. さらに、前記整流回路（７）の出力電流を検出する電流検出回路（８）を備え、
   前記ソフトスタート回路（２４）は、前記電流検出回路（８）の検出値が予め定められたしきい値電流よりも低い場合は、前記インバータ（３）の出力電圧を前記第１または第２の速度で上昇させ、前記電流検出回路（８）の検出値が前記予め定められたしきい値電流よりも高い場合は、前記インバータ（３）の出力電圧の上昇を一旦停止させる、請求の範囲第６項に記載の無停電電源装置。

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