JP6935592B2 - 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、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置に関する。

たとえば特開２００４−７２８４１号公報（特許文献１）には、整流器および充電器を備えた無停電電源装置が開示されている。整流器は、交流電源の健全時に、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する。充電器は、交流電源の健全時に、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電池に蓄える。蓄電池は、満充電される。交流電源の停電時には、蓄電池の直流電力が負荷に供給される。

特開２００４−７２８４１号公報

しかし、特許文献１には、負荷で回生エネルギーが発生する場合、負荷から無停電電源装置の直流部に回生電流が流れ、直流部の電圧が過大になるという問題がある。この対策として、回生電流を熱に変換する抵抗器を設けることによって直流部の電圧を低下させる方法が考えられるが、この方法では回生エネルギーが無駄に廃棄されてしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷で発生した回生エネルギーを有効に利用する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、交流電源の健全時には、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して第１の電源ノードに出力し、交流電源の停電時には、その運転が停止されるコンバータと、交流電源の健全時には、コンバータによって生成された直流電力を第１の電力貯蔵装置に蓄え、交流電源の停電時には、第１の電力貯蔵装置の直流電力を第１の電源ノードに出力する第１の双方向チョッパと、アノードが第１の電源ノードに接続され、カソードが第２の電源ノードに接続された第１のダイオードと、第２の電源ノードと第２の電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する第２の双方向チョッパと、一方端が第２の電源ノードに接続され、他方端が負荷に接続される直流ラインと、直流ラインに流れる電流を検出する電流検出器と、電流検出器の検出結果に基づいて第２の双方向チョッパを制御し、負荷から第２の電源ノードに電流が流れている場合には第２の電力貯蔵装置を充電し、第２の電源ノードから負荷に電流が流れている場合には第２の電力貯蔵装置を放電させる第１の制御部とを備えたものである。

この発明に係る無停電電源装置では、負荷から第２の電源ノードに回生電流が流れている場合には第２の電力貯蔵装置を充電し、第２の電源ノードから負荷に力行電流が流れている場合には第２の電力貯蔵装置を放電させる。したがって、負荷で発生した回生エネルギーを有効に利用することができる。

この発明の実施の形態１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に示した負荷の構成を例示するブロック図である。 図１に示した双方向チョッパ１１の構成を示す回路ブロック図である。 図３に示した制御部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２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。

[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による無停電電源装置Ｕ１の構成を示す回路ブロック図である。この無停電電源装置Ｕ１は商用交流電源２０から供給される三相交流電力を直流電力に変換して負荷２１に供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図１では一相に関連する部分のみが示されている。

図１において、無停電電源装置Ｕ１は、交流入力端子Ｔ１，Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３，Ｔ４、直流出力端子Ｔ５、スイッチ１，７，１２，１６、ヒューズ２、リアクトル３、コンバータ４、コンデンサ５，１４、双方向チョッパ６，１１、ダイオード１０、制御部９，１５、直流ライン１７、電流検出器８，１３，１８、および整流器１９を備える。

交流入力端子Ｔ１，Ｔ２は、ともに商用交流電源２０から供給される商用周波数の交流電力を受ける。交流入力端子Ｔ１に現れる交流電圧ＶＩの瞬時値は、制御部９によって検出される。制御部９は、交流電圧ＶＩの瞬時値に基づいて、商用交流電源２０の停電が発生しているか否かを判別する。

バッテリ端子Ｔ３には、鉛蓄電池Ｂ１（第１の電力貯蔵装置）が接続される。鉛蓄電池Ｂ１には、大容量のものを安価で入手できるという長所がある。鉛蓄電池Ｂ１の端子間電圧ＶＢ１は、制御部９によって検出される。バッテリ端子Ｔ４には、リチウムイオン電池Ｂ２（第２の電力貯蔵装置）が接続される。リチウムイオン電池Ｂ２には、高速度で充電および放電できるという長所がある。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２は、制御部９によって検出される。電池Ｂ１，Ｂ２の各々の代わりにコンデンサを接続しても構わない。直流出力端子Ｔ５には、負荷２１が接続される。負荷２１は、無停電電源装置Ｕ１から供給される直流電力によって駆動される。

図２は、図１に示した負荷２１の構成を例示するブロック図である。図２において、負荷２１は、インバータ２２、モータ２３、回転機構部２４、および制御部２５を含む。インバータ２２は、制御部２５によって制御され、無停電電源装置Ｕ１から供給される直流電力を、制御部２５によって指示された周波数および電圧の交流電力に変換する。モータ２３は、インバータ２２から供給される交流電力の周波数に応じた回転速度で回転機構部２４を駆動させる。制御部２５は、制御信号ＣＮＴに従ってインバータ２２を制御する。

モータ２３によって回転機構部２４を加速させる場合のようにインバータ２２からモータ２３に電力を供給する状態は、力行状態と呼ばれる。逆に、モータ２３によって回転機構部２４を減速させる場合のようにモータ２３からインバータ２２に電力が供給される状態は、回生状態と呼ばれる。回生状態では、モータ２３が回転機構部２４によって回転駆動されて発電機として動作し、回生電力（交流電力）を発生する。この回生電力は、インバータ２２によって直流電力に変換されて無停電電源装置Ｕ１に供給される。

図１に戻って、スイッチ１、ヒューズ２、およびリアクトル３は、交流入力端子Ｔ１とコンバータ４の入力ノードとの間に直列接続される。スイッチ１は、無停電電源装置Ｕ１の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置Ｕ１のメンテナンス時にオフされる。

ヒューズ２は、過電流が流れた場合にブローされる。ヒューズ２は、過電流からコンバータ４などを保護するために設けられている。リアクトル３は、商用交流電源２０から供給される商用周波数の交流電力をコンバータ４に通過させ、コンバータ４で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源２０側に通過することを防止する。

コンバータ４は、複数組のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)およびダイオードを含み、制御部９によって制御される。商用交流電源２０から交流電力が正常に供給されている場合（商用交流電源２０の健全時）には、コンバータ４は、商用交流電源２０から供給される交流電力を直流電力に変換して電源ノードＮ１（第１の電源ノード）に出力する。商用交流電源２０からの交流電力の供給が停止された場合（商用交流電源２０の停電時）には、コンバータ４の運転は停止される。

コンデンサ５は、電源ノードＮ１に接続され、電源ノードＮ１の電圧ＶＤ１を平滑化および安定化させる。電源ノードＮ１に現れる直流電圧ＶＤ１は、制御部９によって検出される。

制御部９は、商用交流電源２０の健全時には、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１が参照直流電圧ＶＤ１ｒになるようにコンバータ４を制御し、商用交流電源２０の停電時には、コンバータ４の運転を停止させる。参照直流電圧ＶＤ１ｒは、整流器１９の直流出力電圧ＶＡよりも低い電圧に設定されている。制御部９は、商用交流電源２０の停電時には、コンバータ４に含まれる全ＩＧＢＴをオフさせてコンバータ４の運転を停止させ、電源ノードＮ１から商用交流電源２０側に電流が流れることを防止する。

双方向チョッパ６（第１の双方向チョッパ）の高電圧側ノード６ａは電源ノードＮ１に接続され、その低電圧側ノード６ｂはスイッチ７を介してバッテリ端子Ｔ３に接続される。スイッチ７は、無停電電源装置Ｕ１の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置Ｕ１および鉛蓄電池Ｂ１のメンテナンス時にオンされる。電流検出器８は、双方向チョッパ６と鉛蓄電池Ｂ１との間に流れる電流ＩＢ１を検出し、検出値を示す信号ＩＢ１ｆを制御部９に出力する。

双方向チョッパ６は、ＩＧＢＴ、ダイオード、リアクトルを含み、制御部９によって制御される。双方向チョッパ６は、商用交流電源２０の健全時には、コンバータ４によって生成された直流電力を鉛蓄電池Ｂ１に蓄え、商用交流電源２０の停電時には、鉛蓄電池Ｂ１の直流電力を電源ノードＮ１に出力する。

制御部９（第２の制御部）は、商用交流電源２０の健全時には、双方向チョッパ６を制御することにより、鉛蓄電池Ｂ１の端子間電圧ＶＢ１が参照バッテリ電圧ＶＢ１ｒになるようにバッテリ電流ＩＢ１を制御する。また制御部９は、商用交流電源２０の停電時には、双方向チョッパ６を制御することにより、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１が参照直流電圧ＶＤ１ｒになるようにバッテリ電流ＩＢ１を制御する。

参照バッテリ電圧ＶＢ１ｒは、参照直流電圧ＶＤ１ｒよりも低い電圧に設定されている（ＶＢ１ｒ＜ＶＤ１ｒ）。すなわち、双方向チョッパ６は、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１を降圧して鉛蓄電池Ｂ１に与え、鉛蓄電池Ｂ１の端子間電圧ＶＢ１を昇圧して電源ノードＮ１に与える。

ダイオード１０のアノードは電源ノードＮ１に接続され、そのカソードは電源ノードＮ２（第２の電源ノード）に接続される。電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１が電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２よりも低い場合には、ダイオード１０はオフする。電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１が電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２よりも高い場合には、ダイオード１０はオンする。ダイオード１０は、電源ノードＮ２から電源ノードＮ１に電流が逆流することを防止するために設けられている。

双方向チョッパ１１（第２の双方向チョッパ）の高電圧側ノード１１ａは電源ノードＮ２に接続され、その低電圧側ノード１１ｂはスイッチ１２を介してバッテリ端子Ｔ４に接続される。スイッチ１２は、無停電電源装置Ｕ１の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置Ｕ１およびリチウムイオン電池Ｂ２のメンテナンス時にオフされる。電流検出器１３は、双方向チョッパ１１とリチウムイオン電池Ｂ２との間に流れる電流ＩＢ２を検出し、検出値を示す信号ＩＢ２ｆを制御部１５に出力する。

双方向チョッパ１１は、ＩＧＢＴ、ダイオード、リアクトルを含み、制御部１５によって制御される。双方向チョッパ１１は、負荷２１が回生運転している場合には、負荷２１から回生される直流電力をリチウムイオン電池Ｂ２に蓄え、負荷２１が力行運転している場合には、リチウムイオン電池Ｂ２の直流電力を負荷２１に供給する。

コンデンサ１４は、電源ノードＮ２に接続され、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２を平滑化および安定化させる。電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は、制御部１５によって検出される。スイッチ１６の一方端子は電源ノードＮ２に接続され、その他方端子（ノードＮ３）は直流ライン１７を介して直流出力端子Ｔ５に接続される。スイッチ１６は、無停電電源装置Ｕ１の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置Ｕ１のメンテナンス時にオフされる。電流検出器１８は、直流ライン１７に流れる電流ＩＯを検出し、検出値を示す信号ＩＯｆを制御部１５に与える。

整流器１９は、少なくとも１つのダイオード（第２のダイオード）を含み、交流入力端子Ｔ２とノードＮ３との間に接続される。整流器１９は、商用交流電源２０から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷２１に供給する。整流器１９は、商用交流電源２０から供給される交流電圧をたとえば全波整流して負荷２１に供給する。

商用交流電源２０の健全時であって、負荷２１が力行運転している場合には、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は、整流器１９およびコンデンサ１２によってＶＡ（Ｖ）にされる。参照直流電圧ＶＤ１ｒは、直流電圧ＶＡ（Ｖ）よりも低い電圧に設定されている（ＶＤ１ｒ＜ＶＡ）。したがって、この場合にはダイオード１０がオフされ、負荷２１の消費電流は整流器１９から供給される。また、ノードＮ３から直流ライン１７を介して直流出力端子Ｔ５に直流電流ＩＯが流れ、電流検出器１５によって正電流（力行電流）が検出される。

制御部１５は、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２、電流検出器１３の出力信号ＩＢ２ｆ、および電流検出器１８の出力信号ＩＯｆに基づいて、双方向チョッパ１１を制御する。

負荷２１が回生運転すると、負荷２１から電源ノードＮ２に回生電流が流れ、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２が上昇する。回生電流は、電流検出器１８よって負電流として検出される。

制御部１５は、電流検出器１８によって負電流（すなわち回生電流）が検出され、かつ電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨを超えたことに応じて、双方向チョッパ１１を制御することにより、回生電流ＩＯに応じた値のバッテリ電流ＩＢ２を電源ノードＮ２からリチウムイオン電池Ｂ２に流し、リチウムイオン電池Ｂ２を充電させる。しきい値電圧ＶＴＨは整流器１９の出力電圧ＶＡよりも高い電圧に設定されている（ＶＴＨ＞ＶＡ）。

双方向チョッパ１１からリチウムイオン電池Ｂ２にバッテリ電流ＩＢ２を流すと、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は下降する。制御部１５は、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨよりも低下した後でも、電流検出器１８によって負電流（すなわち回生電流）が検出されている場合には、リチウムイオン電池Ｂ２の充電を継続する。制御部１５は、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が上限電圧ＶＨに到達したら、リチウムイオン電池Ｂ２の充電を停止させる。

制御部１５は、電流検出器１８によって正電流（すなわち力行電流）が検出された場合には、双方向チョッパ１１を制御することにより、力行電流ＩＯに応じた値のバッテリ電流ＩＢ２をリチウムイオン電池Ｂ２から電源ノードＮ２に流し、リチウムイオン電池Ｂ２を放電させる。これにより、整流器１９とリチウムイオン電池Ｂ２の両方から負荷２１に電流が供給される。制御部１５は、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬに到達したら、リチウムイオン電池Ｂ２の放電を停止させる。

図３は、双方向チョッパ１１の構成を示す回路図である。図３において、双方向チョッパ１１は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、およびリアクトルＸ１を含む。ＩＧＢＴＱ１のコレクタは高電圧側ノード１１ａに接続され、そのエミッタはリアクトルＸ１を介して低電圧側ノード１１ｂに接続されるとともに、ＩＧＢＴＱ２のコレクタに接続される。ＩＧＢＴＱ２のエミッタは、基準電位ラインＬ１に接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に逆並列に接続される。コンデンサ１４（図１）は、電源ノードＮ２と基準電位ラインＬ１との間に接続される。リチウムイオン電池Ｂ２の負極は、基準電位ラインＬ１に接続される。

ＩＧＢＴＱ１は、所定周波数ｆでオンおよびオフされ、負荷２１の回生運転時に負荷２１から供給される回生電力（直流電力）をリチウムイオン電池Ｂ２に蓄える。負荷２１の回生運転時には、ＩＧＢＴＱ２はオフ状態に固定される。ＩＧＢＴＱ１は、制御部１５からのゲート信号Ｓ１によって制御される。ゲート信号Ｓ１は、所定周波数ｆで「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる。ゲート信号Ｓ１が「Ｈ」レベルにされるとＩＧＢＴＱ１がオンし、ゲート信号Ｓ１が「Ｌ」レベルにされるとＩＧＢＴＱ１がオフする。

負荷２１の回生運転時において、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が上限電圧ＶＨよりも低い場合にＩＧＢＴＱ１がオンされると、電源ノードＮ２からＩＧＢＴＱ１、リアクトルＸ１、およびリチウムイオン電池Ｂ２を介して基準電位ラインＬ１に至る経路に電流ＩＢ２が流れ、リチウムイオン電池Ｂ２が充電されるとともに、リアクトルＸ１に電磁エネルギーが蓄えられる。

ＩＧＢＴＱ１がオフされると、リアクトルＸ１の一方端子（リチウムイオン電池Ｂ２側の端子）からリチウムイオン電池Ｂ２およびダイオードＤ２を介してリアクトルＸ１の他方端子に至る経路で電流が流れ、リチウムイオン電池Ｂ２が充電されるとともに、リアクトルＸ１の電磁エネルギーが放出される。

ゲート信号Ｓ１が「Ｈ」レベルにされる時間（パルス幅）と１周期（１／ｆ）との比は、デューティ比と呼ばれる。ゲート信号Ｓ１のデューティ比を調整することにより、リチウムイオン電池Ｂ２に流入する電流ＩＢ２を調整することが可能となっている。ゲート信号Ｓ１のデューティ比を増大させると、リチウムイオン電池Ｂ２に流入する電流ＩＢ２が増大する。ゲート信号Ｓ１のデューティ比を減少させると、リチウムイオン電池Ｂ２に流入する電流ＩＢ２が減少する。電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は降圧されてリチウムイオン電池Ｂ２に与えられ、ＶＢ２＜ＶＤ２となる。

ＩＧＢＴＱ２は、所定周波数でオンおよびオフされ、負荷２１の力行運転時に、リチウムイオン電池Ｂ２の直流電力を負荷２１に供給する。ＩＧＢＴＱ２は、制御部１５からのゲート信号Ｓ２によって制御される。ゲート信号Ｓ２は、所定周波数ｆで「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる。ゲート信号Ｓ２が「Ｈ」レベルにされるとＩＧＢＴＱ２がオンし、ゲート信号Ｓ２が「Ｌ」レベルにされるとＩＧＢＴＱ２がオフする。

負荷２１の力行運転時において、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬよりも高い場合には、ＩＧＢＴＱ１がオフ状態に固定されるとともに、ＩＧＢＴＱ２のオンおよびオフされる。

ＩＧＢＴＱ２がオンされると、リチウムイオン電池Ｂ２の正極からリアクトルＸ１およびＩＧＢＴＱ２を介してリチウムイオン電池Ｂ２の負極に電流が流れ、リアクトルＸ１に電磁エネルギーが蓄えられる。ＩＧＢＴＱ２がオフされると、リアクトルＸ１からＩＧＢＴＱ２に流れていた電流がリアクトルＸ１からダイオードＤ１に転流され、コンデンサ１４を介してリチウムイオン電池Ｂ２の負極に流れ、リチウムイオン電池Ｂ２が放電されるとともに、リアクトルＸ１の電磁エネルギーが放出される。

ゲート信号Ｓ２が「Ｈ」レベルにされる時間（パルス幅）と１周期（１／ｆ）との比は、デューティ比と呼ばれる。ゲート信号Ｓ２のデューティ比を調整することにより、リチウムイオン電池Ｂ２から流出する電流ＩＢ２を調整することが可能となっている。ゲート信号Ｓ２のデューティ比を増大させると、リチウムイオン電池Ｂ２から流出する電流ＩＢ２が増大する。ゲート信号Ｓ２のデューティ比を減少させると、リチウムイオン電池Ｂ２から流出する電流ＩＢ２が減少する。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２は昇圧されて電源ノードＮ２に与えられ、ＶＢ２＜ＶＤ２となる。

制御部１５は、電流検出器１８（図１）によって負電流（すなわち回生電流）が検出され、かつ電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨを超えたことに応じて、ゲート信号Ｓ１を所定周波数ｆで「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにし、ＩＧＢＴＱ１を所定周波数ｆでオンおよびオフさせることにより、リチウムイオン電池Ｂ２を充電させる。このとき制御部１５は、ゲート信号Ｓ１のデューティ比を調整することにより、回生電流ＩＯに応じた値のバッテリ電流ＩＢ２を電源ノードＮ２からリチウムイオン電池Ｂ２に流す。

双方向チョッパ１１からリチウムイオン電池Ｂ２にバッテリ電流ＩＢ２を流すと、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は下降する。制御部１５は、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨよりも低下した後でも、電流検出器１８によって負電流（すなわち回生電流）が検出されている場合には、リチウムイオン電池Ｂ２の充電を継続する。制御部１５は、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が上限電圧ＶＨに到達したら、リチウムイオン電池Ｂ２の充電を停止させる。

また、制御部１５は、電流検出器１８によって正電流（すなわち力行電流）が検出されている場合には、ゲート信号Ｓ２を所定周波数ｆで「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにし、ＩＧＢＴＱ２を所定周波数ｆでオンおよびオフさせることにより、リチウムイオン電池Ｂ２を放電させる。このとき制御部１５は、ゲート信号Ｓ２のデューティ比を調整することにより、力行電流ＩＯに応じた値のバッテリ電流ＩＢ２をリチウムイオン電池Ｂ２から電源ノードＮ２に流す。これにより、整流器１９とリチウムイオン電池Ｂ２の両方から負荷２１に電流が供給される。制御部１５は、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬに到達したら、リチウムイオン電池Ｂ２の放電を停止させる。

図４は、図３に示した制御部１５の構成を示すブロック図である。図４において、制御部１５は、電圧検出器３０，３２、回生モード検出器３１、および信号発生回路３３，３４を含む。電圧検出器３０は、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２を検出し、その検出値を示す信号を回生モード検出器３１に出力する。

回生モード検出器３１は、電圧検出器３０の出力信号と電流検出器１８（図１）の出力信号ＩＯｆとに基づいて、信号ＤＴを出力する。電圧検出器３０によって検出された直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨを超え、かつ直流ライン１７に負電流（回生電流）が流れた場合に、信号ＤＴは活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。

信号ＤＴは、直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨよりも低下した後でも、直流ライン１７に負電流（回生電流）が流れている期間は「Ｈ」レベルに維持される。直流ライン１７に正電流（力行電流）が流れると、信号ＤＴは非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。信号ＤＴは、信号発生回路３３，３４に与えられる。電圧検出器３２は、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２を検出し、その検出値を示す信号を信号発生回路３３，３４に与える。

信号発生回路３３は、信号ＤＴが「Ｈ」レベルである期間に活性化され、ゲート信号Ｓ１を所定周波数ｆで「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにする。活性化された信号発生回路３３は、電流検出器１３，１８の出力信号ＩＢ２ｆ，ＩＯｆに基づいて動作し、回生電流ＩＯに応じた値の電流指令値を生成し、リチウムイオン電池Ｂ２に流入するバッテリ電流ＩＢ２がその電流指令値になるようにゲート信号Ｓ１のデューティ比を制御する。

これにより、回生電流ＩＯに応じた値のバッテリ電流ＩＢ２がリチウムイオン電池Ｂ２に流入し、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が上昇する。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が上限電圧ＶＨに到達した場合には、信号発生回路３３は、ゲート信号Ｓ１を「Ｌ」レベルに固定してリチウムイオン電池Ｂ２の充電を停止する。また、信号ＤＴが「Ｌ」レベルにされた場合には、信号発生回路３３は非活性化され、ゲート信号Ｓ１は「Ｌ」レベルに固定される。

信号発生回路３４は、信号ＤＴが「Ｌ」レベルである期間に活性化され、ゲート信号Ｓ２を所定周波数ｆで「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにする。活性化された信号発生回路３４は、電流検出器１３，１８の出力信号ＩＢ２ｆ，ＩＯｆに基づいて動作し、力行電流ＩＯに応じた値の電流指令値を生成し、リチウムイオン電池Ｂ２から流出するバッテリ電流ＩＢ２がその電流指令値になるようにゲート信号Ｓ２のデューティ比を制御する。

これにより、力行電流ＩＯに応じた値のバッテリ電流ＩＢ２がリチウムイオン電池Ｂ２から流出し、リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下降する。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬに到達した場合には、信号発生回路３４は、ゲート信号Ｓ２を「Ｌ」レベルに固定してリチウムイオン電池Ｂ２の放電を停止する。また、信号ＤＴが「Ｈ」レベルにされた場合には、信号発生回路３４は非活性化され、ゲート信号Ｓ２は「Ｌ」レベルに固定される。

次に、この無停電電源装置Ｕ１の動作について説明する。商用交流電源２０の健全時には、商用交流電源２０から供給される交流電力がコンバータ４によって直流電力に変換され、その直流電力が双方向チョッパ６によって鉛蓄電池Ｂ１に蓄えられる。電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１は、制御部９、コンバータ４、およびコンデンサ５によって参照直流電圧ＶＤ１ｒに維持される。鉛蓄電池Ｂ１の端子間電圧ＶＢ１は、制御部９および双方向チョッパ６によって参照バッテリ電圧ＶＢ１ｒに維持される。

また、商用交流電源２０から供給される交流電力が整流器１９によって直流電力に変換されて負荷２１に供給される。負荷２１が力行運転している場合には、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は、整流器１９およびコンデンサ１４によって直流電圧ＶＡ（Ｖ）に維持される。このとき電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２＝ＶＡは、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１＝ＶＤ１ｒよりも高い値に設定されているので、ダイオード１０がオフする。したがって、負荷２１は整流器１９から供給される直流電力によって運転される。

負荷２１が回生運転を開始すると、負荷２１から電源ノードＮ２に回生電流が流れ、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２が上昇する。回生電流は電流検出器１８によって負電流として検出される。電流検出器１８によって負電流（回生電流）が検出され、かつ電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨを超えると、制御部１５および双方向チョッパ１１によって回生電力がリチウムイオン電池Ｂ２に蓄えられる。

回生電力がリチウムイオン電池Ｂ２に蓄えられると、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２が下降する。電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨよりも低下した場合でも、電流検出器１８によって回生電流が検出されている場合には、リチウムイオン電池Ｂ２の充電は継続される。

負荷２１が再び力行運転を開始すると、電流検出器１８によって正電流（力行電流）が検出され、制御部１５および双方向チョッパ１１によってリチウムイオン電池Ｂ２の直流電力が電源ノードＮ２を介して負荷２１に供給される。この場合は、整流器１９とリチウムイオン電池Ｂ２の両方から負荷２１に直流電力が供給される。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬまで低下すると、リチウムイオン電池Ｂ２の放電は停止される。リチウムイオン電池Ｂ２の放電が停止されると、整流器１９のみから負荷２１に直流電力が供給される。

商用交流電源２０の停電が発生すると、制御部９によってコンバータ４の運転が停止され、鉛蓄電池Ｂ１の直流電力が双方向チョッパ６およびダイオード１０を介して負荷２１に供給される。商用交流電源２０の停電時には、整流器１９に含まれるダイオードがオフし、ノードＮ３から整流器１９を介して交流入力端子Ｔ２に電流が流れることはない。電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１は、制御部９、双方向チョッパ６、およびコンデンサ５によって参照直流電圧ＶＤ１ｒに維持される。

負荷２１が力行運転している場合には、制御部９および双方向チョッパ６によって鉛蓄電池Ｂ１の直流電力がダイオード１０を介して負荷２１に供給される。負荷２１が回生運転を開始すると、上述の通り、回生電力がリチウムイオン電池Ｂ２に蓄えられる。

負荷２１が再び力行運転を開始すると、上述の通り、リチウムイオン電池Ｂ２の直流電力が電源ノードＮ２を介して負荷２１に供給される。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬまで低下すると、リチウムイオン電池Ｂ２の放電は停止される。リチウムイオン電池Ｂ２の放電が停止されると、鉛蓄電池Ｂ１から双方向チョッパ６およびダイオード１０を介して負荷２１に直流電力が供給される。したがって、鉛蓄電池Ｂ１に直流電力が蓄えられている期間は、負荷２１の運転を継続することができる。

以上のように、この実施の形態１では、負荷２１が回生運転している場合には、負荷２１からの回生電力をリチウムイオン電池Ｂ２に蓄え、負荷２１が力行運転を再開した場合には、リチウムイオン電池Ｂ２の直流電力を負荷２１に供給する。したがって、負荷２１で発生した回生エネルギーを有効に利用することができる。

[実施の形態２]
図５は、この発明の実施の形態２による無停電電源装置Ｕ２の構成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５を参照して、無停電電源装置Ｕ２は、無停電電源装置Ｕ１の制御部９，１５をそれぞれ制御部９Ａ，１５Ａで置換したものである。

制御部９Ａが制御部９と異なる点は、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１を参照直流電圧ＶＤ１ｒよりも高い参照直流電圧ＶＤ１ｒＡに維持する点である（ＶＤ１ｒＡ＞ＶＤ１ｒ）。参照直流電圧ＶＤ１ｒＡは、整流器１９の出力電圧ＶＡよりも高い電圧に設定されている（ＶＤ１ｒＡ＞ＶＡ）。

このため、商用交流電源２０の健全時において、負荷２１が力行運転している場合には、ダイオード１０がオンし、コンバータ４によって生成された直流電力がダイオード１０を介して負荷２１に供給される。また、商用交流電源２０の停電時には、コンバータ４の運転が停止され、鉛蓄電池Ｂ１の直流電力が双方向チョッパ６およびダイオード１０を介して負荷２１に供給される。いずれの場合も、整流器１９に含まれるダイオードはオフされる。

商用交流電源２０の健全時において、コンバータ４が故障した場合には、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１が直流電圧ＶＡよりも低下するので、ダイオード１０がオフし、整流器１９から負荷２１に直流電力が供給される。

また、制御部１５Ａが制御部１５と異なる点は、しきい値電圧ＶＴＨよりも高いしきい値電圧ＶＴＨＡが使用される点である（ＶＴＨＡ＞ＶＴＨ）。このしきい値電圧ＶＴＨＡは、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１＝ＶＤ１ｒＡよりも高い電圧に設定されている（ＶＴＨＡ＞ＶＤ１ｒＡ）。

次に、この無停電電源装置Ｕ２の動作について説明する。商用交流電源２０の健全時には、商用交流電源２０から供給される交流電力がコンバータ４によって直流電力に変換され、その直流電力がダイオード１０を介して負荷２１に供給されるとともに、双方向チョッパ６によって鉛蓄電池Ｂ１に蓄えられる。電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１は、制御部９Ａ、コンバータ４、およびコンデンサ５によって参照直流電圧ＶＤ１ｒＡに維持される。鉛蓄電池Ｂ１の端子間電圧ＶＢ１は、制御部９Ａおよび双方向チョッパ６によって参照バッテリ電圧ＶＢ１ｒに維持される。

負荷２１が力行運転している場合には、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２は、制御部９Ａ、コンバータ４、およびコンデンサ５，１４によって参照直流電圧ＶＤ１ｒＡに維持される。ただし、ダイオード１０のしきい値電圧は参照直流電圧ＶＤ１ｒＡよりも十分に低いものとする。したがって、負荷２１はコンバータ４から供給される直流電力によって運転される。

負荷２１が回生運転を開始すると、負荷２１から電源ノードＮ２に回生電流が流れ、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２が上昇する。回生電流は電流検出器１８によって負電流として検出される。電流検出器１８によって負電流（回生電流）が検出され、かつ電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨＡを超えると、制御部１５Ａおよび双方向チョッパ１１によって回生電力がリチウムイオン電池Ｂ２に蓄えられる。

回生電力がリチウムイオン電池Ｂ２に蓄えられると、電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２が下降する。電源ノードＮ２の直流電圧ＶＤ２がしきい値電圧ＶＴＨＡよりも低下した場合でも、電流検出器１８によって回生電流が検出されている場合には、リチウムイオン電池Ｂ２の充電は継続される。

負荷２１が再び力行運転を開始すると、電流検出器１８によって正電流（力行電流）が検出され、制御部１５Ａおよび双方向チョッパ１１によってリチウムイオン電池Ｂ２の直流電力が電源ノードＮ２を介して負荷２１に供給される。この場合は、コンバータ４とリチウムイオン電池Ｂ２の両方から負荷２１に直流電力が供給される。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧ＶＬまで低下すると、リチウムイオン電池Ｂ２の放電は停止される。リチウムイオン電池Ｂ２の放電が停止されると、コンバータ４のみから負荷２１に直流電力が供給される。

商用交流電源２０の停電が発生すると、制御部９Ａによってコンバータ４の運転が停止され、鉛蓄電池Ｂ１の直流電力が双方向チョッパ６およびダイオード１０を介して負荷２１に供給される。商用交流電源２０の停電時には、整流器１９に含まれるダイオードがオフし、ノードＮ３から整流器１９を介して交流入力端子Ｔ２に電流が流れることはない。電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１は、制御部９Ａ、双方向チョッパ６、およびコンデンサ５によって参照直流電圧ＶＤ１ｒに維持される。

負荷２１が力行運転している場合には、制御部９Ａおよび双方向チョッパ６によって鉛蓄電池Ｂ１の直流電力がダイオード１０を介して負荷２１に供給される。負荷２１が回生運転を開始すると、上述の通り、回生電力がリチウムイオン電池Ｂ２に蓄えられる。

負荷２１が再び力行運転を開始すると、上述の通り、リチウムイオン電池Ｂ２の直流電力が電源ノードＮ２を介して負荷２１に供給される。リチウムイオン電池Ｂ２の端子間電圧ＶＢ２が下限電圧まで低下すると、リチウムイオン電池Ｂ２の放電は停止される。リチウムイオン電池Ｂ２の放電が停止されても、鉛蓄電池Ｂ１から双方向チョッパ６およびダイオード１０を介して負荷２１に直流電力が供給される。したがって、鉛蓄電池Ｂ１に直流電力が蓄えられている期間は、負荷２１の運転を継続することができる。

商用交流電源２０の健全時において、コンバータ４が故障した場合には、電源ノードＮ１の直流電圧ＶＤ１が直流電圧ＶＡよりも低下するので、ダイオード１０がオフし、整流器１９から負荷２１に直流電力が供給される。負荷２１が力行運転または回生運転する場合の動作は、実施の形態１と同じである。

他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

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。

Ｕ１，Ｕ２ 無停電電源装置、Ｔ１，Ｔ２ 交流入力端子、Ｔ３，Ｔ４ バッテリ端子、Ｔ５ 直流出力端子、１，７，１２，１６ スイッチ、２ ヒューズ、３ リアクトル、４ コンバータ、５，１４ コンデンサ、６，１１ 双方向チョッパ、１０ ダイオード、９，９Ａ，１５，１５Ａ，２５ 制御部、１７ 直流ライン、８，１３，１８ 電流検出器、１９ 整流器、２０ 商用交流電源、２１ 負荷、Ｂ１ 鉛蓄電池、Ｂ２ リチウムイオン電池、２２ インバータ、２３ モータ、２４ 回転機構部、Ｑ１，Ｑ２ ＩＧＢＴ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｘ１ リアクトル、Ｌ１ 基準電位ライン、３０，３２ 電圧検出器、３１ 回生モード検出器、３３，３４ 信号発生回路。

Claims (4)

1. 交流電源の健全時には、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して第１の電源ノードに出力し、前記交流電源の停電時には、その運転が停止されるコンバータと、
   前記交流電源の健全時には、前記コンバータによって生成された直流電力を第１の電力貯蔵装置に蓄え、前記交流電源の停電時には、前記第１の電力貯蔵装置の直流電力を前記第１の電源ノードに出力する第１の双方向チョッパと、
   アノードが前記第１の電源ノードに接続され、カソードが第２の電源ノードに接続された第１のダイオードと、
   前記第２の電源ノードと第２の電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する第２の双方向チョッパと、
   一方端が前記第２の電源ノードに接続され、他方端が負荷に接続される直流ラインと、
   前記直流ラインに流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器の検出結果に基づいて前記第２の双方向チョッパを制御し、前記負荷から前記第２の電源ノードに電流が流れている場合には前記第２の電力貯蔵装置を充電し、前記第２の電源ノードから前記負荷に電流が流れている場合には前記第２の電力貯蔵装置を放電させる第１の制御部と、
   第２のダイオードを含み、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記第２の電源ノードに出力する整流器と、
   前記交流電源の健全時には、前記第１の電源ノードの直流電圧が前記整流器の出力電圧よりも高い参照直流電圧になるように前記コンバータを制御し、前記交流電源の停電時には、前記コンバータの運転を停止させるとともに、前記第１の電源ノードの電圧が前記参照直流電圧になるように前記第１の双方向チョッパを制御する第２の制御部とを備える、
   無停電電源装置。
2. 前記第１の制御部は、
   前記負荷から前記第２の電源ノードに直流電流が流れ、かつ前記第２の電源ノードの電圧がしきい値電圧を超えたことに応じて前記第２の電力貯蔵装置の充電を開始し、
   前記第２の電源ノードの電圧が前記しきい値電圧よりも低下した後でも、前記負荷から前記第２の電源ノードに電流が流れている場合には前記第２の電力貯蔵装置の充電を継続する、請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記第１の制御部は、前記第２の電力貯蔵装置を放電させる場合には、前記第２の電源ノードから前記負荷に流れている電流のうちの一部の電流が前記第２の電力貯蔵装置から供給されるように前記第２の双方向チョッパを制御する、請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記第１の電力貯蔵装置は鉛蓄電池であり、
   前記第２の電力貯蔵装置はリチウムイオン電池である、請求項１に記載の無停電電源装置。

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