JP5292599B2 - 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、冷却ファンを備え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電源装置として、無停電電源装置が広く用いられている。無停電電源装置は一般に、商用交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータで生成された直流電力またはバッテリからの直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、インバータで生成された交流電力によって駆動され、無停電電源装置の本体部が収容された筐体内を冷却する冷却ファンとを備える（たとえば、非特許文献１参照）。

MITSUBISHI ELECTRIC POWER PRODUCTS,INCのインターネットのホームページ記載の９７００シリーズの「150kVA System Drawings」

しかし、従来の無停電電源装置では、インバータで生成された交流電力を負荷と冷却ファンの両方に供給し、冷却ファンを常時定格回転数で回転させていたので、電力の利用効率が低く、冷却ファンの寿命が短いと言う問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、高効率で、冷却ファンの寿命が長い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、筐体内に設けられた無停電電源装置であって、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と、コンバータによって生成された直流電力または電力貯蔵装置からの直流電力を一定周波数で一定電圧の第２の交流電力に変換して負荷に供給する主インバータと、コンバータによって生成された直流電力または電力貯蔵装置からの直流電力を所望の周波数で所望の電圧の第３の交流電力に変換する副インバータと、副インバータが故障していない正常時は第３の交流電力によって駆動され、副インバータが故障した故障時は第２の交流電力の一部によって駆動され、筐体内を冷却する冷却ファンと、正常時は副インバータと冷却ファンとを結合し、故障時は主インバータと冷却ファンとを結合する切換回路と、筐体内の温度を検出する温度センサと、負荷電流を検出する電流センサと、正常時において、電流センサによって検出された負荷電流が予め定められた電流よりも大きい場合は、温度センサの検出温度が予め定められた温度を越えないように、副インバータを制御して冷却ファンの回転数を制御し、負荷電流が予め定められた電流よりも小さい場合は、温度センサの検出温度に関係無く、副インバータを制御して冷却ファンを間欠的に駆動させる制御回路とを備えたものである。

好ましくは、制御回路は、冷却ファンを間欠的に駆動させる場合において冷却ファンの回転数を増大させるときは、冷却ファンの回転数を下限値から上限値まで予め定められた時間をかけて徐々に増大させる。

また好ましくは、さらに、冷却ファンの回転数の下限値を０よりも大きな予め定められた回転数に設定する下限制限回路を備え、制御回路は、電流センサによって検出された負荷電流が予め定められた電流よりも大きい場合は、冷却ファンを予め定められた回転数よりも高い回転数で駆動させる。

この発明に係る無停電電源装置では、負荷を駆動する主インバータの他に、冷却ファンを駆動する副インバータを設け、負荷電流が予め定められた電流よりも大きい場合は、温度センサの検出温度が予め定められた温度を越えないように、副インバータを制御して冷却ファンの回転数を制御し、負荷電流が予め定められた電流よりも小さい場合は、副インバータを制御して冷却ファンを間欠的に駆動させる。したがって、冷却ファンを常時定格回転数で駆動していた従来に比べ、無停電電源装置の効率が高くなり、冷却ファンの寿命が長くなる。

この発明の一実施の形態による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した信号発生回路で生成される制御信号の波形を示すタイムチャートである。 実施の形態の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態の他の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図である。

本実施の形態の無停電電源装置は、図１に示すように、本体部を収容した筐体１と、筐体１に設けられたバイパス入力端子Ｔ１、交流入力端子Ｔ２，バッテリ端子Ｔ３、および出力端子Ｔ４とを備える。入力端子Ｔ１，Ｔ２の各々は、交流電源からの交流電力を受ける。交流電源は、商用交流電源、自家用発電機などである。交流電力は、三相または単相である。バッテリ端子Ｔ３は、バッテリ３０の正極３０ａに接続されている。バッテリ３０は、筐体１とは別の筐体３１内に収容されている。出力端子Ｔ４には、負荷３２が接続される。

また、筐体１の外壁には、コンバータ運転／停止指令部２およびインバータ運転／停止指令部３が設けられ、筐体１内には、主制御回路４、スイッチ５，１０，１５，１６、ヒューズ６，９、リアクトル７、コンバータ８、コンデンサ１１，１４、主インバータ１２、トランス１３、およびＳＴＳ（Static transfer Switch)１７が設けられている。スイッチ５、ヒューズ６、リアクトル７、コンバータ８、主インバータ１２、トランス１３、およびスイッチ１５は、交流入力端子Ｔ２と出力端子Ｔ４との間に直列接続される。

ヒューズ９およびスイッチ１０は、コンバータ８の出力ノード８ａとバッテリ端子Ｔ３との間に直列接続される。コンデンサ１１は、コンバータ８の出力ノード８ａと基準電圧のラインとの間に接続される。コンデンサ１４は、トランス１３の出力端子１３ａと基準電圧のラインとの間に接続される。スイッチ１６およびＳＴＳ１７は、バイパス入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ４との間に並列接続される。

コンバータ運転／停止指令部２およびインバータ運転／停止指令部３の各々は、無停電電源装置の使用者によって操作される。コンバータ８を運転させる場合は、コンバータ運転／停止指令部２のスイッチ（図示せず）がオンされ、信号φ２が「Ｈ」レベルにされる。コンバータ８の運転を停止させる場合は、コンバータ運転／停止指令部２のスイッチ（図示せず）がオフされ、信号φ２が「Ｌ」レベルにされる。

主インバータ１２を運転させる場合は、インバータ運転／停止指令部３のスイッチ（図示せず）がオンされ、信号φ３が「Ｈ」レベルにされる。主インバータ１２の運転を停止させる場合は、インバータ運転／停止指令部３のスイッチ（図示せず）がオフされ、信号φ３が「Ｌ」レベルにされる。主制御回路４は、指令部２，３からの信号φ２，φ３に従って、無停電電源装置全体を制御する。

スイッチ５は、コンバータ運転／停止指令部２の出力信号φ２が「Ｈ」レベルの場合にオンされ、信号φ２が「Ｌ」レベルの場合にオフされる。ヒューズ６は、交流入力端子Ｔ２からコンバータ８に過大な電流が流れた場合にブローされ、コンバータ８などを保護する。リアクトル７は、コンバータ８で発生したキャリア周波数の信号を遮断し、キャリア周波数の信号が交流電源側に悪影響を及ぼすことを防止する。

コンバータ８は、コンバータ運転／停止指令部２の出力信号φ２が「Ｈ」レベルの場合に主制御回路４によって制御され、交流電源から交流入力端子Ｔ２を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。信号φ２が「Ｌ」レベルの場合、コンバータ５の運転は停止される。

ヒューズ９は、コンバータ８および主インバータ１２間のノードとバッテリ３０との間に過大な電流が流れた場合にブローされ、コンバータ８、主インバータ１２、バッテリ３０などを保護する。スイッチ１０は、主制御回路４によって制御され、バッテリ３０の充電および放電を行なう場合にオンされ、バッテリ３０の交換時などにオフされる。コンデンサ１１は、コンバータ８で生成された直流電圧を平滑化する。

主インバータ１２は、インバータ運転／停止指令部３の出力信号φ３が「Ｈ」レベルの場合に主制御回路４によって制御され、コンバータ８によって生成された直流電力、またはバッテリ３０から供給された直流電力を交流電力に変換する。主インバータ１２で生成される交流電力の周波数および位相は、交流電源から供給される交流電力の周波数および位相と同一である。また、主インバータ１２で生成される交流電力の周波数および電圧は、一定である。信号φ３が「Ｌ」レベルの場合、主インバータ１２の運転は停止される。

トランス１３は、主インバータ１２の出力電圧を昇圧して負荷３２に供給する。また、トランス１３およびコンデンサ１４は、出力フィルタを構成し、主インバータ１２で発生したキャリア周波数の信号を遮断し、キャリア周波数の信号が負荷３２に悪影響を及ぼすことを防止する。

スイッチ１５は、主制御回路４によって制御され、主インバータ１２によって生成された交流電力を負荷３２に供給するインバータ給電モード時にオンされる。また、スイッチ１６は、主制御回路４によって制御され、交流電源からバイパス入力端子Ｔ１を介して供給される交流電力を負荷３２に供給するバイパス給電モード時にオンされる。ＳＴＳ１７は、インバータ給電モード時に主インバータ１２が故障した場合にオンし、交流電源からバイパス入力端子Ｔ１を介して供給される交流電力を負荷３２に瞬時に与える。

また、筐体１内には、さらに、設定器２０、信号発生回路２１、副制御回路２２、副インバータ２３、冷却ファン２４、電流センサ２５、および温度センサ２６が設けられている。副インバータ２３は、副制御回路２２によって制御され、コンバータ８によって生成された直流電力、またはバッテリ３０から供給された直流電力を所望の周波数で所望の電圧の交流電力に変換する。冷却ファン２４は、副インバータ２３によって生成された交流電力によって駆動され、筐体１内の空気を排出するとともに筐体１内に外気を導入し、筐体１内を冷却する。

副インバータ２３の出力の周波数および電圧が上昇すると、冷却ファン２４の回転数も上昇し、筐体１内の空気の排出量および筐体１内への外気の導入量が増大する。副インバータ２３の出力の周波数および電圧が下降すると、冷却ファン２４の回転数も下降し、筐体１内の空気の排出量および筐体１内への外気の導入量が減少する。したがって、副インバータ２３の出力の周波数および電圧を制御することによって冷却ファン２４の回転数を制御し、筐体１内の温度を調整することができる。なお、副インバータ２３の出力の周波数と電圧の比は一定に制御される。

電流センサ２５は、スイッチ１５，１６と出力端子Ｔ４との間に設けられ、負荷電流を検出し、その検出値を示す信号を信号発生回路２１に与える。温度センサ２６は、筐体１内の温度を検出し、検出値を示す信号を副制御回路２２に与える。設定器２０は、無停電電源装置の使用者によって操作される。設定器２０は、無停電電源装置の使用者によって設定値Ｒ１が設定された場合に、その設定値Ｒ１を信号発生回路２１に与える。

信号発生回路２１は、電流センサ２５によって検出された負荷電流Ｉが定格電流よりも十分に小さなしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合に、冷却ファン２４を間欠運転させるための所定周波数の制御信号φＲを発生する。制御信号φＲのレベルは、設定器２０から設定値Ｒ１が与えられている場合は、図２（ａ）に示すように、各周期の前半期間（たとえばｔ０〜ｔ１）において０から設定値Ｒ１まで徐々に上昇し、後半期間（たとえばｔ１０〜ｔ２）において０になる。また、制御信号φＲのレベルは、設定器２０から設定値Ｒ１が与えられていない場合は、図２（ｂ）に示すように、各周期の前半期間において所定値Ｒ２（＞Ｒ１）になり、後半期間において０になる。

副制御回路２２は、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合は、制御信号φＲに従って、副インバータ２３を制御して冷却ファン２４を間欠的に駆動させる。この場合、冷却ファン２４の回転数は、図２（ａ）（ｂ）で示した制御信号φＲのレベル変化に従って変化する。すなわち、冷却ファン２４の回転数は、設定器２０から設定値Ｒ１が与えられている場合は、図２（ａ）に示すように、各周期の前半期間において０から設定値Ｒ１に応じた回転数まで徐々に増大し、後半期間において０になる。また、冷却ファン２４の回転数は、設定器２０から設定値が与えられていない場合は、図２（ｂ）に示すように、各周期の前半期間において所定値Ｒ２（＞Ｒ１）に応じた回転数になり、後半期間において０になる。

また、副制御回路２２は、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合は、温度センサ２６の検出温度Ｔに基づき、筐体１内の温度Ｔが予め定められた温度Ｔ０を越えないように、副インバータ２３を制御して冷却ファン２４の回転数を制御する。

次に、この無停電電源装置の動作について説明する。無停電電源装置の起動時は、まずスイッチ５，１０がオンされ、コンバータ８が運転され、コンデンサ１１およびバッテリ３０の充電が行なわれる。コンデンサ１１およびバッテリ３０の充電が終了すると、主インバータ１２が運転される。主インバータ１２の出力電圧が安定したら、スイッチ１５がオンされ、インバータ給電モードで負荷３２に交流電力が供給される。交流電源から交流電力が供給されている正常時は、その交流電力がコンバータ８によって直流電力に変換される。コンバータ８で生成された直流電力は、バッテリ３０および主インバータ１２に供給される。主インバータ１２は、コンバータ８から供給される直流電力を一定周波数で一定電圧の直流電力に変換して負荷３２に供給する。

交流電源からの交流電力の供給が停止された停電時は、スイッチ５がオフされるとともにコンバータ８の運転が停止され、バッテリ３０の直流電力が主インバータ１２に供給される。主インバータ１２は、バッテリ３０から供給される直流電力を一定周波数で一定電圧の交流電力に変換して負荷３２に供給する。このように、停電が発生した場合でも、バッテリ３０に直流電力が蓄えられている限り、負荷３２の運転を継続することができる。停電が短時間で回復した場合は、再度スイッチ５をオンし、コンバータ８を運転してインバータ給電モードに戻る。

また、インバータ給電モード時に主インバータ１２が故障した場合は、ＳＴＳ１７がオンし、交流電源からバイパス入力端子Ｔ１を介して供給される交流電力を負荷３２に瞬時に与える。次いで、スイッチ１６がオンされ、スイッチ１５およびＳＴＳ１７がオフされ、バイパス給電モードで負荷３２に交流電力が供給される。

また、無停電電源装置が運転されて負荷３２に電流が供給されると、主インバータ１２などで熱が発生し、筐体１内の温度Ｔが上昇する。副制御回路２２は、温度センサ２６の検出温度Ｔが所定温度Ｔ０を越えないように、副インバータ２３を制御して冷却ファン２４の回転数を制御する。負荷容量が大きいほど主インバータ１２の出力が大きくなり、主インバータ１２の発熱量が大きくなって筐体１内の温度Ｔが上昇する。筐体１内の温度Ｔが上昇すると、冷却ファン２４の回転数が増大し、筐体１内の温度が所定温度Ｔ０よりも低下すると、冷却ファン２４の回転数が減少する。このようにして、筐体１内の温度Ｔが所定温度Ｔ０を越えることが防止される。

また、起動時でスイッチ１５がオンされていない場合や、負荷容量が十分に小さい場合は、筐体１内の温度上昇は小さい。そこで、信号発生回路２１および副制御回路２２は、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合は、冷却ファン２３を間欠的に運転する。

この実施の形態では、負荷３２を駆動する主インバータ１２の他に、冷却ファン２４を駆動する副インバータ２３を設け、筐体１内の温度Ｔが所定温度Ｔ０を越えないように、副インバータ２３を制御して冷却ファン２４の回転数を制御する。また、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合は、冷却ファン２３を間欠的に運転する。冷却ファン２４の消費電力は回転数の３乗に比例し、冷却ファン２４の寿命は回転数と時間の積で決まる。したがって、冷却ファン２４を常時定格回転数で駆動していた従来に比べ、冷却ファン２４の消費電力が小さくなり、無停電電源装置の効率が高くなり、冷却ファン２４の寿命が長くなる。

すなわち、無停電電源装置の起動時において、コンバータ８のみが運転され、主インバータ１２の運転が停止されている場合は、無停電電源装置の出力は０である。この場合、筐体１内での発熱量は小さいので、冷却ファン２４は間欠的に運転される。また、負荷３２の容量が定格値よりも小さい場合、冷却ファン２４は定格回転数よりも小さな回転数で回転駆動される。したがって、これらの場合でも、冷却ファン２４が常時定格回転数で回転駆動されて従来に比べ、本実施の形態では冷却ファン２４の消費電力は小さくて済む。

また、図３は、この実施の形態の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図３を参照して、この変更例が図１の無停電電源装置と異なる点は、下限制限回路２７が追加されている点である。下限制限回路２７は、無停電電源装置の使用者によって操作される。下限制限回路２７は、無停電電源装置の使用者によって冷却ファン２４の回転数の下限値ＲＬが設定された場合に、その下限値ＲＬを信号発生回路２１に与える。

信号発生回路２１は、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合は、冷却ファン２４を間欠運転させるための制御信号φＲを発生し、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合は、下限値ＲＬを示す信号を発生する。副制御回路２２は、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合は、温度センサ２６の検出温度Ｔに基づき、筐体１内の温度Ｔが予め定められた温度Ｔ０を越えないように、副インバータ２３を制御して冷却ファン２４の回転数を制御する。

また、副制御回路２２は、負荷電流Ｉがしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合は、副インバータ２３の出力の周波数の下限を０よりも高い所定の周波数に制限し、冷却ファン２４の回転数の下限を０よりも大きな所定の回転数ＲＬに制限する。この変更例では、冷却ファン２４の回転数が所定の下限値ＲＬよりも大きく設定されるので、温度センサ２６が故障した場合でも、筐体１内の温度が異常に上昇することが防止される。したがって、温度上昇によって無停電電源装置が故障することを防止することができ、信頼性の向上を図ることができる。

また、図４は、この実施の形態の他の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図４を参照して、この変更例が図１の無停電電源装置と異なる点は、スイッチ２８，２９が追加されている点である。スイッチ２８は副インバータ２３の出力ノードと冷却ファン２４の入力ノードとの間に接続され、スイッチ２９は主インバータ１２の出力ノードと冷却ファン２４の入力ノードとの間に接続される。

副制御回路２２は、副インバータ２３が故障していない場合は、スイッチ２８をオンさせるとともにスイッチ２９をオフさせ、副インバータ２３で生成された交流電力を冷却ファン２４に供給する。また、副制御回路２２は、副インバータ２３が故障した場合は、スイッチ２８をオフさせるとともにスイッチ２９をオンさせ、主インバータ１２で生成された交流電力を冷却ファン２４に供給する。この変更例では、副インバータ２３が故障した場合は、主インバータ１２の出力によって冷却ファン２４を駆動させるので、筐体１内の温度が以上に上昇することが防止される。したがって、温度上昇によって無停電電源装置が故障することを防止することができ、信頼性の向上を図ることができる。

また、図５に示すように、図３の変更例と図４の変更例を組み合わせ、実施の形態に下限制限回路２７およびスイッチ２８，２９を追加してもよい。

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特許請求の範囲によって示され、特許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。

１，３１ 筐体、Ｔ１ バイパス入力端子、Ｔ２ 交流入力端子、Ｔ３ バッテリ端子、Ｔ４ 出力端子、２ コンバータ運転／停止指令部、３ インバータ運転／停止指令部、４ 主制御回路、５，１０，１５，１６，２８，２９ スイッチ、６，９ ヒューズ、７ リアクトル、８ コンバータ、１１，１４ コンデンサ、１２ 主インバータ、１３ トランス、１７ ＳＴＳ、２０ 設定器、２１ 信号発生回路、２２ 副制御回路、２３ 副インバータ、２４ 冷却ファン、２５ 電流センサ、２６ 温度センサ、２７ 下限制限回路、３０ バッテリ、３２ 負荷。

Claims (3)

1. 筐体内に設けられた無停電電源装置であって、
   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と、
   前記コンバータによって生成された直流電力または電力貯蔵装置からの直流電力を一定周波数で一定電圧の第２の交流電力に変換して負荷に供給する主インバータと、
   前記コンバータによって生成された直流電力または前記電力貯蔵装置からの直流電力を所望の周波数で所望の電圧の第３の交流電力に変換する副インバータと、
   前記副インバータが故障していない正常時は前記第３の交流電力によって駆動され、前記副インバータが故障した故障時は前記第２の交流電力の一部によって駆動され、前記筐体内を冷却する冷却ファンと、
   前記正常時は前記副インバータと前記冷却ファンとを結合し、前記故障時は前記主インバータと前記冷却ファンとを結合する切換回路と、
   前記筐体内の温度を検出する温度センサと、
   負荷電流を検出する電流センサと、
   前記正常時において、前記電流センサによって検出された前記負荷電流が予め定められた電流よりも大きい場合は、前記温度センサの検出温度が予め定められた温度を越えないように、前記副インバータを制御して前記冷却ファンの回転数を制御し、前記負荷電流が前記予め定められた電流よりも小さい場合は、前記温度センサの検出温度に関係無く、前記副インバータを制御して前記冷却ファンを間欠的に駆動させる制御回路とを備える、無停電電源装置。
2. 前記制御回路は、前記冷却ファンを間欠的に駆動させる場合において前記冷却ファンの回転数を増大させるときは、前記冷却ファンの回転数を下限値から上限値まで予め定められた時間をかけて徐々に増大させる、請求項１に記載の無停電電源装置。
3. さらに、前記冷却ファンの回転数の下限値を０よりも大きな予め定められた回転数に設定する下限制限回路を備え、
   前記制御回路は、前記電流センサによって検出された前記負荷電流が前記予め定められた電流よりも大きい場合は、前記冷却ファンを前記予め定められた回転数よりも高い回転数で駆動させる、請求項１または請求項２に記載の無停電電源装置。

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