特許 5792697 無停電電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5792697

(24)【登録日】2015年8月14日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】無停電電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20150928BHJP

【ＦＩ】

   H02J9/06 120

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-194903(P2012-194903)

(22)【出願日】2012年9月5日

(65)【公開番号】特開2014-53986(P2014-53986A)

(43)【公開日】2014年3月20日

【審査請求日】2014年10月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松岡 一正

【審査官】 松尾 俊介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０６０９６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７２８６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源と負荷の間に並列接続される無停電電源モジュールとバイパス回路を備え、
前記無停電電源モジュールは、
前記交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータまたは電力貯蔵装置からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に与えるインバータとを含み、
前記バイパス回路は、
前記交流電源と前記負荷の間に接続されるバイパススイッチと、
複数のバイパスモジュールとを含み、
各バイパスモジュールは、
前記交流電源と前記負荷の間に接続されるサイリスタと、
前記交流電源からの交流電力を前記負荷に与えるバイパス給電モード時は前記バイパススイッチをオンさせ、前記インバータからの交流電力を前記負荷に与えるインバータ給電モード時は前記バイパススイッチをオフさせ、前記インバータ給電モード時に前記無停電電源モジュールが故障した場合は前記サイリスタおよび前記バイパススイッチをオンさせる制御部とを含む、無停電電源装置。

【請求項2】

前記複数のバイパスモジュールのうちの選択された１つのバイパスモジュールであるマスターモジュールの前記制御部のみが前記バイパススイッチをオンまたはオフさせる、請求項１に記載の無停電電源装置。

【請求項3】

前記マスターモジュールが故障した場合は、残りの１または２以上のバイパスモジュールのうちの選択された１つのバイパスモジュールが前記マスターモジュールとなる、請求項２に記載の無停電電源装置。

【請求項4】

前記無停電電源モジュールは複数設けられ、
複数の前記無停電電源モジュールは前記交流電源と前記負荷の間に並列接続される、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の無停電電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は無停電電源装置に関し、特に、交流電源と負荷の間に並列接続される無停電電源モジュールとバイパス回路を備えた無停電電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、無停電電源装置は、交流電源と負荷の間に並列接続される無停電電源モジュールとバイパス回路を備えている。無停電電源モジュールは、交流電源から与えられる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータまたは電力貯蔵装置からの直流電力を交流電力に変換して負荷に与えるインバータとを含む。バイパス回路は、交流電源と負荷の間に並列接続されるバイパススイッチとサイリスタを含む。インバータ給電モード時は、インバータから負荷に交流電力が供給される。バイパス給電モード時は、交流電源からバイパス回路を介して負荷に交流電力が供給される（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２７８７５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の無停電電源装置では、バイパス給電モード時にバイパス回路が故障すると、負荷に対する給電が停止されてしまうという問題があった。

【0005】

それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷に対する給電の信頼性が高い無停電電源装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る無停電電源装置は、交流電源と負荷の間に並列接続される無停電電源モジュールとバイパス回路を備えたものである。無停電電源モジュールは、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータまたは電力貯蔵装置からの直流電力を交流電力に変換して負荷に与えるインバータとを含む。バイパス回路は、交流電源と負荷の間に接続されるバイパススイッチと、複数のバイパスモジュールとを含む。各バイパスモジュールは、交流電源と負荷の間に接続されるサイリスタと、交流電源からの交流電力を負荷に与えるバイパス給電モード時はバイパススイッチをオンさせ、インバータからの交流電力を負荷に与えるインバータ給電モード時はバイパススイッチをオフさせ、インバータ給電モード時に無停電電源モジュールが故障した場合はサイリスタおよびバイパススイッチをオンさせる制御部とを含む。

【0007】

好ましくは、複数のバイパスモジュールのうちの選択された１つのバイパスモジュールであるマスターモジュールの制御部のみがバイパススイッチをオンまたはオフさせる。

【0008】

また好ましくは、マスターモジュールが故障した場合は、残りの１または２以上のバイパスモジュールのうちの選択された１つのバイパスモジュールがマスターモジュールとなる。

【0009】

また好ましくは、無停電電源モジュールは複数設けられ、複数の無停電電源モジュールは交流電源と負荷の間に並列接続される。

【発明の効果】

【0010】

この発明に係る無停電電源装置では、バイパス回路はバイパススイッチと複数のバイパスモジュールを含む。したがって、故障し易いバイパスモジュールを複数設けたので、バイパス回路が故障するのを防止することができ、負荷に対する給電の信頼性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】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2】図１に示した無停電電源モジュールの構成を示す回路ブロック図である。

【図3】図１に示したバイパスモジュールの構成を示すブロック図である。

【図4】図１に示した２つのバイパスモジュールの関係を示す回路ブロック図である。

【図5】図４に示した信号φＢ，φＩ，φＦの生成に関連する部分の構成を示すブロック図である。

【図6】図１に示したバイパススイッチを示すブロック図である。

【図7】図１〜図６に示した無停電電源装置における手動によるインバータ給電とバイパス給電の切換動作を示すタイムチャートである。

【図8】図１〜図６に示した無停電電源装置における故障によるインバータ給電とバイパス給電の切換動作を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本願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、入力端子ＴＩ、出力端子ＴＯ、バッテリ端子ＴＢ、複数（図では３つ）の無停電電源モジュールＵ１〜Ｕ３、複数（図では２つ）のバイパスモジュールＢ１，Ｂ２、およびバイパススイッチＢＳとを備える。入力端子ＴＩは、交流電源１からの商用周波数の交流電力を受ける。出力端子ＴＯは、負荷２に接続される。バッテリ端子ＴＢは、バッテリ３に接続される。

【0013】

複数の無停電電源モジュールＵ１〜Ｕ３は、入力端子ＴＩおよび出力端子ＴＯ間に並列接続される。複数のバイパスモジュールＢ１，Ｂ２は、入力端子ＴＩおよび出力端子ＴＯ間に並列接続される。バイパススイッチＢＳは、入力端子ＴＩおよび出力端子ＴＯ間に接続される。複数のバイパスモジュールＢ１，Ｂ２とバイパススイッチＢＳは、バイパス回路を構成する。

【0014】

図２は、無停電電源モジュールＵ１の構成を示す回路ブロック図である。図２において、無停電電源モジュールＵ１は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３、スイッチＳ１〜Ｓ３、コンデンサＣ１〜Ｃ４、リアクトルＬ１〜Ｌ３、コンバータ５、インバータ６、および双方向チョッパ７を含む。

【0015】

端子Ｔ１〜Ｔ３は、それぞれ端子ＴＩ，ＴＯ，ＴＢに接続される。スイッチＳ１およびリアクトルＬ１は、入力端子Ｔ１とコンバータ５の入力ノード５ａとの間に直列接続される。コンデンサＣ１は、スイッチＳ１およびリアクトルＬ１間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。スイッチＳ１は、通常時はオンされ、たとえば無停電電源モジュールＵ１のメンテナンス時にオフされる。コンデンサＣ１およびリアクトルＬ１は、交流電源１からの交流電力をコンバータ５に通過させ、コンバータ５で発生するキャリア周波数の信号が交流電源１側に漏れるのを防止する交流入力フィルタ（低域通過フィルタ）を構成する。

【0016】

コンバータ５は、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する。コンデンサＣ４は、コンバータ５の出力ノード５ｂと基準電圧のラインとの間に接続され、コンバータ５の出力電圧を平滑化させる。コンバータ５の出力ノード５ｂとインバータ６の入力ノード６ａと双方向チョッパ７の第１入出力ノード７ａとは互いに接続される。インバータ６は、コンバータ５または双方向チョッパ７からの直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

【0017】

リアクトルＬ２およびスイッチＳ２は、インバータ６の出力ノード６ｂと出力端子Ｔ２との間に直列接続される。コンデンサＣ２は、リアクトルＬ２およびスイッチＳ２間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。リアクトルＬ２およびコンデンサＣ２は、インバータ６からの交流電力を負荷２に通過させ、インバータ６で発生するキャリア周波数の信号が負荷２側に漏れるのを防止する交流出力フィルタ（低域通過フィルタ）を構成する。

【0018】

スイッチＳ２は、インバータ６で生成された交流電力を負荷２に供給するインバータ給電モード時はオンされ、交流電源１からの交流電力をバイパススイッチＢＳを介して負荷２に供給するバイパス給電モード時はオフされる。また、スイッチＳ２は、無停電電源モジュールＵ１のメンテナンス時や故障時にオフされる。

【0019】

スイッチＳ３およびリアクトルＬ３は、バッテリ端子Ｔ３と双方向チョッパ７の第２入出力ノード７ｂとの間に直列接続される。コンデンサＣ３は、スイッチＳ３およびリアクトルＬ３間のノードと基準電圧のラインとの間に接続される。スイッチＳ３は、通常時はオンされ、たとえば無停電電源モジュールＵ１またはバッテリ３のメンテナンス時にオフされる。コンデンサＣ３およびリアクトルＬ３は、直流電力を通過させ、双方向チョッパ７で発生するキャリア周波数の信号がバッテリ３側に漏れるのを防止する低域通過フィルタを構成する。

【0020】

双方向チョッパ７は、交流電源１から交流電力が供給されている通常時は、コンバータ５で生成された直流電力をバッテリ３に供給し、交流電源３からの交流電力の供給が停止された停電時は、バッテリ３の直流電力をインバータ６に供給する。

【0021】

ここで、無停電電源モジュールＵ１の動作について簡単に説明する。交流電源１から交流電力が供給されている通常時は、交流電力はコンバータ５によって直流電力に変換される。直流電力は、インバータ６によって交流電力に変換されて負荷２に供給されるとともに、双方向チョッパ７によってバッテリ３に蓄えられる。

【0022】

停電が発生して交流電源１からの交流電力の供給が停止されると、コンバータ５の運転が停止され、バッテリ３の直流電力が双方向チョッパ７によってインバータ６に供給され、インバータ６によって交流電力に変換されて負荷２に供給される。したがって、停電が発生した場合でも、バッテリ３に直流電力が蓄えられている期間は、負荷２の運転を継続することができる。無停電電源モジュールＵ２，Ｕ３も、無停電電源モジュールＵ１と同じ構成である。

【0023】

なお、この無停電電源装置では、３つの無停電電源モジュールＵ１〜Ｕ３のうちのいずれか１つの無停電電源モジュールＵが故障した場合でも、残りの２つの無停電電源モジュールＵによって負荷２の運転を継続することが可能な冗長方式が採用されている。

【0024】

図３は、バイパスモジュールＢ１の構成を示すブロック図である。図３において、バイパスモジュールＢ１は、入力端子Ｔａ、出力端子Ｔｂ、サイリスタ１０、および制御部１１を含む。端子Ｔａ，Ｔｂは、それぞれ端子ＴＩ，ＴＯに接続される。サイリスタ１０は、端子Ｔａ，Ｔｂ間に接続され、制御部１１によって制御され、オン状態またはオフ状態にされる。サイリスタ１０は、インバータ給電モード時において、２つ以上の無停電電源モジュールＵが故障した場合にオンされる。

【0025】

制御部１１は、バイパス給電指令信号φＢ、インバータ給電指令信号φＩ、故障検出信号φＦ、およびアンサーバック信号ＢＳＡＸに基づいて、サイリスタ１０を制御するとともに、バイパススイッチ制御信号φＢＳ１、オン指令信号φＳ２ＯＮ１、およびオフ指令信号φＳ２ＯＦＦ１を出力する。

【0026】

バイパスモジュールＢ２は、バイパスモジュールＢ１と同じ構成である。バイパスモジュールＢ２の制御部９は、バイパス給電指令信号φＢ、インバータ給電指令信号φＩ、故障検出信号φＦ、およびアンサーバック信号ＢＳＡＸに基づいて、サイリスタ１０を制御するとともに、バイパス制御信号φＢＳ２、オン指令信号φＳ２ＯＮ２、およびオフ指令信号φＳ２ＯＦＦ２を出力する。

【0027】

図４は、バイパスモジュールＢ１の出力信号φＢＳ１，φＳ２ＯＮ１，φＳ２ＯＦＦ１とバイパスモジュールＢ２の出力信号φＢＳ２，φＳ２ＯＮ２，φＳ２ＯＦＦ２との関係を示す回路ブロック図である。図４において、無停電電源装置は、ＯＲゲート１２〜１４を備える。ＯＲゲート１２は、信号φＢＳ１，φＢＳ２の論理和信号を信号φＢＳとして出力する。ＯＲゲート１３は、信号φＳ２ＯＮ１，φＳ２ＯＮ２の論理和信号を信号φＳ２ＯＮとして出力する。ＯＲゲート１４は、信号φＳ２ＯＦＦ１，φＳ２ＯＦＦ２の論理和信号を信号φＳ２ＯＦＦとして出力する。

【0028】

図５は、図４に示した信号φＢ，φＩ，φＦの生成に関連する部分を示すブロック図である。この無停電電源装置は、操作部１５、制御部１６、および故障検出部１７を備える。操作部１５には、バイパス給電モードとインバータ給電モードを切換えるためのボタンが設けられている。無停電電源装置のユーザは、操作部１５を操作してバイパス給電モードとインバータ給電モードを手動によって切換えることが可能となっている。故障検出部１７は、無停電電源モジュールＵ１〜Ｕ３の各々の故障の有無を検出し、検出結果を示す信号を出力する。

【0029】

制御部１６は、操作部１５においてバイパス給電モードが設定された場合はバイパス給電指令信号φＢを出力し、インバータ給電モードが設定された場合はインバータ給電指令信号φＩを出力する。また、制御部１６は、故障検出部１７の検出結果に基づき、インバータ給電モード時において２台以上の無停電電源モジュールＵが故障した場合は、故障検出信号φＦを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げる。

【0030】

図６は、バイパススイッチＢＳを示すブロック図である。図６において、バイパススイッチＢＳは、入力端子ＴＩと出力端子ＴＯの間に接続され、バイパス制御信号φＢＳが「Ｈ」レベルにされた場合はオンし、信号φＢＳが「Ｌ」レベルにされた場合はオフする。また、バイパススイッチＢＳは、信号φＢＳに応答して実際にオンした場合にアンサーバック信号ＢＳＡＸを「Ｈ」レベルにし、信号φＢＳに応答して実際にオフした場合にアンサーバック信号ＢＳＡＸを「Ｌ」レベルにする。アンサーバック信号ＢＳＡＸは、バイパスモジュールＢ１，Ｂ２の制御部１１に与えられる。

【0031】

無停電電源モジュールＵの制御部(図示せず)は、制御部９からのオン指令信号φＳ２ＯＮに応答してスイッチＳ２をオンさせ、制御部９からのオフ指令信号φＳ２ＯＦＦに応答してスイッチＳ２をオフさせる。

【0032】

図７（ａ）〜（ｉ）は、手動によるインバータ給電とバイパス給電の切換動作を示すタイムチャートである。初期状態では、無停電電源装置はバイパス給電モードに設定されているものとする。インバータ６は正常に運転されており、故障検出信号φＦは「Ｌ」レベルにされている。バイパス制御信号φＢＳが「Ｈ」レベルにされてアンサーバック信号ＢＳＡＸは「Ｈ」レベルにされており、バイパススイッチＢＳは実際にオンしている。また、サイリスタ１０はオフしている。

【0033】

ある時刻に操作部１５においてバイパス給電モードからインバータ給電モードへの切換えが指示されると、インバータ給電指令信号φＩが所定時間だけ「Ｈ」レベルにされる。インバータ給電指令信号φＩの立下りエッジに応答してオン指令信号φＳ２ＯＮが所定時間だけ「Ｈ」レベルにされ、各無停電電源モジュールＵのスイッチＳ２がオンする。

【0034】

また、オン指令信号φＳ２ＯＮの立下りエッジに同期してバイパス制御信号φＢＳが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。バイパス制御信号φＢＳが「Ｌ」レベルに立ち下げられると、所定の応答時間後にバイパススイッチＢＳがオフし、アンサーバック信号ＢＳＡＸが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる（時刻ｔ０）。これにより、バイパス給電からインバータ給電への切換えが終了する。

【0035】

次に、ある時刻ｔ１に操作部１５においてインバータ給電モードからバイパス給電モードへの切換えが指示されると、バイパス給電指令信号φＢが所定時間だけ「Ｈ」レベルにされる。バイパス給電指令信号φＢの立下りエッジに応答してバイパス制御信号φＢＳが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。バイパス制御信号φＢＳが「Ｈ」レベルに立ち上げられると、所定の応答時間後にバイパススイッチＢＳがオンし、アンサーバック信号ＢＳＡＸが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。アンサーバック信号ＢＳＡＸの立ち上りエッジに応答してオフ指令信号φＳ２ＯＦＦが所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、各無停電電源モジュールＵのスイッチＳ２がオフされる。これにより、インバータ給電からバイパス給電への切換えが終了する。

【0036】

図８（ａ）〜（ｉ）は、故障によるインバータ給電からバイパス給電への切換動作を示すタイムチャートである。ある時刻ｔ１においてインバータ給電中に２台以上の無停電電源モジュールＵのインバータ６が故障して停止すると、故障検出信号φＦが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。故障検出信号φＦの立ち上りエッジに応答して２つのバイパスモジュールＢ１，Ｂ２のサイリスタ１０がオンし、交流電源１から２つのサイリスタ１０を介して負荷２に交流電力が供給される。これにより、インバータ給電からバイパス給電への切換えが無瞬断で行なわれる。

【0037】

また、故障検出信号φＦの立ち上りエッジに応答してバイパス制御信号φＢＳが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。バイパス制御信号φＢＳが「Ｈ」レベルに立ち上げられると、所定の応答時間後にバイパススイッチＢＳがオンし、アンサーバック信号ＢＳＡＸが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。アンサーバック信号ＢＳＡＸの立ち上りエッジに応答してオフ指令信号φＳ２ＯＦＦが所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、各無停電電源モジュールＵのスイッチＳ２がオフされる。これにより、故障によるインバータ給電からバイパス給電への切換えが終了する。

【0038】

この実施の形態では、バイパス回路はバイパススイッチＢＳと複数のバイパスモジュールＢ１，Ｂ２を含む。したがって、故障し易いバイパスモジュールＢを複数設けたので、１個のバイパスモジュールＢが故障した場合でもバイパス給電を行なうことができ、負荷２に対する給電の信頼性の向上を図ることができる。

【0039】

なお、この実施の形態では、２つのバイパスモジュールＢ１，Ｂ２を同様に動作させたが、一方のバイパスモジュール（たとえばＢ１）をマスターモジュールとし、他方のバイパスモジュール（この場合はＢ２）をスレーブモジュールとしてもよい。この場合は、マスターモジュールＢ１が信号φＢＳ１，φＳ２ＯＮ１，φＳ２ＯＦＦ１を出力し、スレーブモジュールＢ２は信号φＢＳ２，φＳ２ＯＮ２，φＳ２ＯＦＦ２を出力しない。したがって、バイパススイッチＢＳおよびスイッチＳ２は、マスターモジュールＢ１のみによって制御される。ただし、この場合でも、２つ以上の無停電電源モジュールＵが故障した場合は、２つのバイパスモジュールＢ１，Ｂ２のサイリスタ１０がオンする。

【0040】

マスターモジュールＢ１が故障した場合は、バイパスモジュールＢ２がマスターモジュールとなる。この場合は、スレーブモジュールＢ２が信号φＢＳ２，φＳ２ＯＮ２，φＳ２ＯＦＦ２を出力する。したがって、バイパススイッチＢＳおよびスイッチＳ２は、マスターモジュールＢ２のみによって制御される。

【0041】

また、バイパスモジュールＢ１，Ｂ２のうちのいずれのバイパスモジュールをマスターモジュールにするかは、互いに通信回線で接続されたバイパスモジュールＢ１，Ｂ２間で決定するとよい。あるいは、図５の操作部１５および制御部１６においてマスタースレーブの選択が可能になっていても構わない。

【0042】

また、この実施の形態では、２つのバイパスモジュールＢ１，Ｂ２を設けたが、３つ以上（たとえば５個）のバイパスモジュールＢが設けられていてもよい。この場合は、５個のバイパスモジュールＢのうちの１つのバイパスモジュールがマスターモジュールＢとして選択され、残りの４つのバイパスモジュールの各々がスレーブモジュールとして使用される。マスターモジュールＢが故障した場合は、残りの４つのバイパスモジュールＢのうちの１つのバイパスモジュールＢがマスターモジュールとして選択され、残りの３つのバイパスモジュールＢの各々がスレーブモジュールとして使用される。以下同様にして、最後の１つのバイパスモジュールＢが故障するまで、バイパス回路が動作する。

【0043】

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。

【符号の説明】

【0044】

１ 交流電源、２ 負荷、３ バッテリ、５ コンバータ、６ インバータ、７ 双方向チョッパ、１０ サイリスタ、１１，１６ 制御部、１２〜１４ ＯＲゲート、１５ 操作部、１６ 故障検出部、ＴＩ，Ｔ１，Ｔａ 入力端子、ＴＯ，Ｔ２，Ｔｂ 出力端子、ＴＢ，Ｔ３ バッテリ端子、Ｕ１〜Ｕ３ 無停電電源モジュール、Ｂ１，Ｂ２ バイパスモジュール、ＢＳ バイパススイッチ、Ｓ１〜Ｓ３ スイッチ、Ｌ１〜Ｌ３ リアクトル、Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】