特許 6243575 無停電電源装置およびそれを用いた無停電電源システム

(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】6243575

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】無停電電源装置およびそれを用いた無停電電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20171127BHJP

【ＦＩ】

   H02J9/06 120

【請求項の数】6

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-509084(P2017-509084)

(86)(22)【出願日】2015年4月1日

(86)【国際出願番号】JP2015060325

(87)【国際公開番号】WO2016157468

(87)【国際公開日】20161006

【審査請求日】2017年7月27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】西村 一輝

(72)【発明者】

【氏名】益永 博史

(72)【発明者】

【氏名】木下 雅博

【審査官】 田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０４４１６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／１００７３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１４７２５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ９／００−１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無停電電源装置であって、
交流電源から供給される交流電圧を第１〜第３の直流電圧に変換して第１〜第３の直流母線に出力するコンバータと、
前記第１〜第３の直流母線を介して供給される前記第１〜第３の直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータと、
前記第１〜第３の直流母線と電力貯蔵装置との間に接続された双方向チョッパとを備え、
前記第１の直流電圧は前記第２の直流電圧よりも高く、前記第３の直流電圧は前記第１および第２の直流電圧の中間電圧であり、
前記双方向チョッパは、
前記第１および第３の直流母線間に直列接続された第１および第２のトランジスタと、
前記第３および第２の直流母線間に直列接続された第３および第４のトランジスタと、
それぞれ前記第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、
前記第１および第２のトランジスタ間の第１のノードと前記電力貯蔵装置の正極との間に接続される第１のコイルと、前記電力貯蔵装置の負極と前記第３および第４のトランジスタ間の第２のノードとの間に接続される第２のコイルとを有するノーマルモードリアクトルとを含み、
前記無停電電源装置は、さらに、前記交流電源から交流電圧が供給されている通常時は前記第１および第４のトランジスタを交互にオンさせて前記電力貯蔵装置を充電する充電モードを実行し、前記交流電源からの交流電力の供給が停止された停電時は前記第２および第３のトランジスタを交互にオンさせて前記電力貯蔵装置を放電させる放電モードを実行する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記充電モード時は、前記第１および第２のコイルに流れる電流の値が一致するように前記第１および第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一方のトランジスタのオン時間を制御する、無停電電源装置。

【請求項2】

さらに、前記第１のノードから前記第１のコイルを介して前記電力貯蔵装置の正極に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、
前記電力貯蔵装置の負極から前記第２のコイルを介して前記第２のノードに流れる電流を検出する第２の電流検出器とを備え、
前記制御装置は、前記充電モード時は、前記第１および第２の電流検出器の検出値が一致するように前記第１および第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一方のトランジスタのオン時間を制御する、請求項１に記載の無停電電源装置。

【請求項3】

前記制御装置は、第１および第２の電流検出器の検出値の平均値を算出し、前記平均値と前記第１の電流検出器の検出値とが一致するように前記第１のトランジスタのオン時間を制御するとともに、前記平均値と前記第２の電流検出器の検出値とが一致するように前記第４のトランジスタのオン時間を制御する、請求項２に記載の無停電電源装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記第１および第２の電流検出器の検出値を比較し、前記第１の電流検出器の検出値が前記第２の電流検出器の検出値よりも小さい場合は前記第１のトランジスタのオン時間を増大させるとともに前記第４のトランジスタのオン時間を減少させ、前記第１の電流検出器の検出値が前記第２の電流検出器の検出値よりも大きい場合は前記第１のトランジスタのオン時間を減少させるとともに前記第４のトランジスタのオン時間を増大させる、請求項２に記載の無停電電源装置。

【請求項5】

請求項１に記載の無停電電源装置を複数備え、
複数の前記無停電電源装置は、負荷に対して並列接続されるとともに、前記電力貯蔵装置を共用する、無停電電源システム。

【請求項6】

前記制御装置は、前記第１および第２のコイルに流れる電流の値が一致するように前記第１および第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一方のトランジスタのオン時間を制御して、複数の前記無停電電源装置に流れる横流電流を抑制する、請求項５に記載の無停電電源システム。

【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およびそれを用いた無停電電源システムに関し、特に、双方向チョッパを備えた無停電電源装置と、複数の無停電電源装置を備えた無停電電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１３−１６２５９３号公報（特許文献１）には、直流電圧源と、負荷に対して並列接続される複数の電力変換器と、直流電圧源と複数の電力変換器との間にそれぞれ接続された複数の可飽和リアクトルとを備えた電力変換システムが開示されている。各電力変換器は、直流電圧源から可飽和リアクトルを介して供給される直流電圧を三相交流電圧に変換して負荷に供給する。可飽和リアクトルは、複数の電力変換器に循環する横流電流を抑制する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１６２５９３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、従来の電力変換システムでは、各電力変換器毎に可飽和リアクトルを設けるので、装置が大型化し、コスト高になる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、横流電流を抑制することが可能で小型で低コストの無停電電源装置と、それを用いた無停電電源システムと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、交流電源から供給される交流電圧を第１〜第３の直流電圧に変換して第１〜第３の直流母線に出力するコンバータと、第１〜第３の直流母線を介して供給される第１〜第３の直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータと、第１〜第３の直流母線と電力貯蔵装置との間に接続された双方向チョッパとを備えたものである。第１の直流電圧は第２の直流電圧よりも高く、第３の直流電圧は第１および第２の直流電圧の中間電圧である。双方向チョッパは、第１および第３の直流母線間に直列接続された第１および第２のトランジスタと、第３および第２の直流母線間に直列接続された第３および第４のトランジスタと、それぞれ第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、第１および第２のトランジスタ間の第１のノードと電力貯蔵装置の正極との間に接続される第１のコイルと、電力貯蔵装置の負極と第３および第４のトランジスタ間の第２のノードとの間に接続される第２のコイルとを有するノーマルモードリアクトルとを含む。無停電電源装置は、さらに、交流電源から交流電圧が供給されている通常時は第１および第４のトランジスタを交互にオンさせて電力貯蔵装置を充電する充電モードを実行し、交流電源からの交流電力の供給が停止された停電時は第２および第３のトランジスタを交互にオンさせて電力貯蔵装置を放電させる放電モードを実行する制御装置を備える。制御装置は、充電モード時は、第１および第２のコイルに流れる電流の値が一致するように第１および第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一方のトランジスタのオン時間を制御する。

【発明の効果】

【0007】

この発明に係る無停電電源装置では、双方向チョッパに含まれる第１および第２のコイルに流れる電流の値が一致するように第１および第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一方のトランジスタのオン時間を制御する。したがって、負荷に対して複数の無停電電源装置を並列接続した場合に、複数の無停電電源装置に循環する横流電流を抑制することができる。さらに、可飽和リアクトルを設けて横流電流を抑制する場合に比べ、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】この発明の一実施の形態による無停電電源システム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装置の構成を示す回路図である。

【図3】図２に示した電力変換器の構成を示す回路ブロック図である。

【図4】図３に示したインバータを制御するためのＰＷＭ信号の波形を示すタイムチャートである。

【図5】図２に示した双方向チョッパの構成を示す回路ブロック図である。

【図6】図５に示した制御装置のうちのバッテリの充電に関連する部分を示すブロック図である。

【図7】図５および図６に示した制御装置の充電モード時の動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、この発明の一実施の形態による無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。図１において、この無停電電源システムは、Ｎ台（Ｎは２以上の整数である）の無停電電源装置（ＵＰＳ）Ｕ１〜ＵＮと、バッテリ（電力貯蔵装置）３とを備える。

【0010】

無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮは、商用交流電源１と負荷２の間に並列接続される。無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの台数Ｎは、たとえば、１台の無停電電源装置が故障した場合でも、残りの（Ｎ−１）台の無停電電源装置によって負荷２の運転を継続できるように選択されている。バッテリ３は、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮに共通に設けられ、直流電力を蓄える。バッテリ３の代わりにコンデンサが接続されていても構わない。

【0011】

商用交流電源１から三相交流電力が正常に供給されている通常時は、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの各々は、商用交流電源１からの三相交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をバッテリ３に供給するとともに、三相交流電力に変換して負荷２に供給する。負荷２は、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮから供給される三相交流電力によって駆動される。負荷２の消費電流は、Ｎ台の無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮによって均等に分担される。

【0012】

商用交流電源１からの三相交流電力の供給が停止された停電時は、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの各々は、バッテリ３の直流電力を三相交流電力に変換して負荷２に供給する。したがって、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。

【0013】

図２は、無停電電源装置Ｕ１の構成を示す回路図である。無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮは同じ構成である。図２において、無停電電源装置Ｕ１は、交流入力端子ＴＩａ，ＴＩｂ，ＴＩｃ、交流出力端子ＴＯａ，ＴＯｂ，ＴＯｃ、およびバッテリ端子ＴＢＰ，ＴＢＮを備える。交流入力端子ＴＩａ，ＴＩｂ，ＴＩｃは、商用交流電源１からの商用周波数の三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷをそれぞれ受ける。無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの交流入力端子ＴＩａは互いに接続され、それらの交流入力端子ＴＩｂは互いに接続され、それらの交流入力端子ＴＩｃは互いに接続されている。

【0014】

交流出力端子ＴＯａ，ＴＯｂ，ＴＯｃは、負荷２に対して商用周波数の三相交流電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴをそれぞれ出力するために設けられている。無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの交流出力端子ＴＯａは互いに接続され、それらの交流出力端子ＴＯｂは互いに接続され、それらの交流出力端子ＴＯｃは互いに接続されている。

【0015】

バッテリ端子ＴＢＰ，ＴＢＮは、バッテリ３の正極および負極にそれぞれ接続される。無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮのバッテリ端子ＴＢＰは互いに接続され、それらのバッテリ端子ＴＢＮは互いに接続されている。

【0016】

無停電電源装置Ｕ１は、さらに、スイッチＳ１〜Ｓ８，入力フィルタ１０、電流検出器ＣＤ１〜ＣＤ６，ＣＤ１１，ＣＤ１２、電力変換器２１〜２３、双方向チョッパ２４、および出力フィルタ３０を備える。スイッチＳ１〜Ｓ３の一方端子はそれぞれ交流入力端子ＴＩａ，ＴＩｂ，ＴＩｃに接続され、それらの他方端子は入力フィルタ１０に接続される。スイッチＳ１〜Ｓ３は、通常はオンされ、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。

【0017】

入力フィルタ１０は、リアクトル１１〜１３およびコンデンサ１４〜１６を含む。リアクトル１１〜１３の一方端子はスイッチＳ１〜Ｓ３の他方端子にそれぞれ接続され、リアクトル１１〜１３の他方端子は電力変換器２１〜２３の入力端子２１ａ〜２３ａにそれぞれ接続される。コンデンサ１５〜１６の一方端子はリアクトル１１〜１３の一方端子にそれぞれ接続され、コンデンサ１５〜１６の他方端子はともに中性点ＮＰに接続される。

【0018】

リアクトル１１〜１３およびコンデンサ１４〜１６は、低域通過フィルタを構成する。入力フィルタ１０は、商用交流電源１からの商用周波数の三相交流電力を電力変換器２１〜２３に通過させ、電力変換器２１〜２３で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源１側に通過することを防止する。

【0019】

電流検出器ＣＤ１〜ＣＤ３は、商用交流電源１から電力変換器２１〜２３の入力端子２１ａ〜２３ａに流れる電流の瞬時値をそれぞれ検出し、検出値を示す信号を制御装置(図示せず)に出力する。制御装置(図示せず)は、たとえば、交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相と電流検出器ＣＤ１〜ＣＤ３によって検出した電流の位相とが一致するように、すなわち力率が１．０になるように、電力変換器２１〜２３を制御する。

【0020】

電力変換器２１〜２３は、商用交流電源１から三相交流電力が供給されている通常時は、商用交流電源１から入力端子２１ａ〜２３ａに与えられた三相交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を双方向チョッパ２４を介してバッテリ３に供給するとともに、その直流電力を三相交流電力に変換して出力端子２１ｂ〜２３ｂに出力する。

【0021】

電力変換器２１〜２３は、商用交流電源１からの三相交流電力の供給が停止された停電時は、バッテリ３から双方向チョッパ２４を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換して出力端子２１ｂ〜２３ｂに出力する。

【0022】

換言すると、電力変換器２１〜２３は、通常時は、商用交流電源１から入力端子２１ａ〜２３ａに与えられる三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを直流電圧Ｖ１〜Ｖ３に変換するとともに、それらの直流電圧Ｖ１〜Ｖ３を三相交流電圧Ｖ４ａ〜Ｖ４ｃに変換して出力端子２１ｂ〜２３ｂに出力する。電力変換器２１〜２３は、停電時は、双方向チョッパ２４から与えられる直流電力に基づいて生成される直流電圧Ｖ１〜Ｖ３を三相交流電圧Ｖ４ａ〜Ｖ４ｃに変換して出力端子２１ｂ〜２３ｂに出力する。

【0023】

双方向チョッパ２４は、５個の端子Ｔ１〜Ｔ３を含む。端子Ｔ１〜Ｔ３は、電力変換器２１〜２３で生成される直流電圧Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ受ける。スイッチＳ７，Ｓ８の一方端子はそれぞれ端子Ｔ４，Ｔ５に接続され、スイッチＳ７，Ｓ８の他方端子はバッテリ端子ＴＢＰ，ＴＢＮにそれぞれ接続される。バッテリ端子ＴＢＰ，ＴＢＮは、バッテリ３の正極および負極にそれぞれ接続される。スイッチＳ７，Ｓ８は、通常はオンされ、たとえば、無停電電源装置Ｕ１またはバッテリ３のメンテナンス時にオフされる。

【0024】

双方向チョッパ２４は、商用交流電源１から三相交流電力が供給されている通常時は、電力変換器２１〜２３で生成された直流電力をバッテリ３に蓄え、商用交流電源１からの三相交流電力の供給が停止された停電時は、バッテリ３の直流電力を電力変換器２１〜２３に与える。

【0025】

換言すると、双方向チョッパ２４は、通常時は、電力変換器２１〜２３で生成された直流電圧ＶＤＣ（＝Ｖ１−Ｖ２）を降圧してバッテリ３に与え、バッテリ３を充電する。双方向チョッパ２４は、停電時は、バッテリ３の端子間電圧ＶＢを昇圧して直流電圧ＶＤＣを生成し、その直流電圧ＶＤＣを電力変換器２１〜２３に供給し、バッテリ３を放電させる。

【0026】

電流検出器ＣＤ１１は、双方向チョッパ２４内に設けられ、端子Ｔ１またはＴ３から端子Ｔ４に流れる電流Ｉ１の瞬時値を検出する。電流検出器ＣＤ１２は、双方向チョッパ２４内に設けられ、端子Ｔ５から端子Ｔ３またはＴ２に流れる電流Ｉ２の瞬時値を検出する。制御装置(図示せず)は、直流電圧Ｖ１〜Ｖ３、バッテリ３の端子間電圧、電流検出器ＣＤ１１，ＣＤ１２の検出値などに基づいて双方向チョッパ２４を制御する。

【0027】

電流検出器ＣＤ４〜ＣＤ６は、それぞれ電力変換器２１〜２３の出力電流の瞬時値を検出する。電流検出器ＣＤ４〜ＣＤ６の検出値は、制御装置(図示せず)に与えられる。制御装置(図示せず)は、他の無停電電源装置Ｕ２〜ＵＮと通信し、電流検出器ＣＤ４〜ＣＤ６の検出値に基づいて、負荷電流が無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮによって均等に負担されるように電力変換器２１〜２３を制御する。

【0028】

出力フィルタ３０は、リアクトル３１〜３３およびコンデンサ３４〜３６を含む。リアクトル３１〜３３の一方端子は電力変換器２１〜２３の出力端子２１ｂ〜２３ｂにそれぞれ接続される。コンデンサ３４〜３６の一方端子はそれぞれリアクトル３１〜３３の他方端子に接続され、コンデンサ３４〜３６の他方端子はともに中性点ＮＰに接続される。リアクトル３１〜３３およびコンデンサ３４〜３６は、低域通過フィルタを構成する。

【0029】

出力フィルタ３０は、電力変換器２１〜２３で生成された商用周波数の三相交流電力を負荷２に通過させ、電力変換器２１〜２３で発生するスイッチング周波数の信号が負荷２に通過するのを防止する。換言すると、出力フィルタ３０は、電力変換器２１〜２３で生成される交流電圧Ｖ４ａ〜Ｖ４ｃを正弦波状の三相交流電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴに変換して負荷２に供給する。

【0030】

スイッチＳ４〜Ｓ６の一方端子はそれぞれリアクトル３１〜３３の他方端子に接続され、スイッチＳ４〜Ｓ６の他方端子はそれぞれ交流出力端子ＴＯａ〜ＴＯｃに接続される。スイッチＳ４〜Ｓ６は、通常はオンされ、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。

【0031】

図３は、電力変換器２１の構成を示す回路ブロック図である。図３において、電力変換器２１は、入力端子２１ａ、コンバータ４０、直流正母線Ｌ１、直流負母線Ｌ２、直流中性点母線Ｌ３、コンデンサＣ１，Ｃ２、ヒューズＦ１〜Ｆ３、インバータ４１、および出力端子２１ｂを含む。電力変換器２１は、制御装置４２によって制御される。

【0032】

制御装置４２は、入力端子２１ａに与えられる交流電圧ＶＵの瞬時値、母線Ｌ１〜Ｌ３の直流電圧Ｖ１〜Ｖ３の瞬時値、出力端子ＴＯａの電圧ＶＯの瞬時値、電流検出器ＣＤ１１，ＣＤ４の検出値などに基づいて、コンバータ４０およびインバータ４１を制御するためのＰＷＭ（pulse width modulation）信号φ１〜φ８を生成する。

【0033】

コンバータ４０は、トランジスタＱ１〜Ｑ４およびダイオードＤ１〜Ｄ４を含む。トランジスタＱ１〜Ｑ４の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。トランジスタＱ１のコレクタは直流正母線Ｌ１に接続され、そのエミッタは入力端子２１ａに接続される。ダイオードＤ１のアノードは入力端子２１ａに接続され、そのカソードは直流正母線Ｌ１に接続されている。すなわち、ダイオードＤ１はトランジスタＱ１に逆並列に接続されている。

【0034】

トランジスタＱ２のコレクタは入力端子２１ａに接続され、そのエミッタは直流負母線Ｌ２に接続される。ダイオードＤ２のアノードは直流負母線Ｌ２に接続され、そのカソードは入力端子２１ａに接続されている。すなわち、ダイオードＤ２はトランジスタＱ２に逆並列に接続されている。

【0035】

トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタは互いに接続され、トランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタはそれぞれ入力端子２１ａおよび直流中性点母線Ｌ３に接続される。ダイオードＤ３，Ｄ４のカソードはともにトランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタに接続され、それらのアノードはそれぞれ入力端子２１ａおよび直流中性点母線Ｌ３に接続されている。すなわち、ダイオードＤ３，Ｄ４は、それぞれトランジスタＱ３，Ｑ４に逆並列に接続されている。トランジスタＱ３，Ｑ４およびダイオードＤ３，Ｄ４は、双方向スイッチを構成する。

【0036】

トランジスタＱ１〜Ｑ４のゲートは、制御装置４２からのＰＷＭ信号φ１〜φ４を受ける。ＰＷＭ信号φ１〜φ４は、交流電圧ＶＵに同期して生成され、交流電圧ＶＵよりも十分に高い周波数を有する。ＰＷＭ信号φ１とφ４は互いに相補な信号であり、ＰＷＭ信号φ２とφ３は互いに相補な信号である。

【0037】

たとえば、交流電圧ＶＵが正電圧である場合は、ＰＷＭ信号φ１，φ４は交互に「Ｈ」レベルにされるとともに、ＰＷＭ信号φ２，φ３はそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに固定される。したがって、トランジスタＱ１，Ｑ４が交互にオンされるとともに、トランジスタＱ２，Ｑ３はそれぞれオフ状態およびオン状態に固定される。

【0038】

交流電圧ＶＵが負電圧である場合は、ＰＷＭ信号φ２，φ３は交互に「Ｈ」レベルにされるとともに、ＰＷＭ信号φ１，φ４はそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに固定される。したがって、トランジスタＱ２，Ｑ３が交互にオンされるとともに、トランジスタＱ１，Ｑ４はそれぞれオフ状態およびオン状態に固定される。

【0039】

ＰＷＭ信号が１周期内において「Ｈ」レベルにされる時間と、ＰＷＭ信号の１周期の時間との比はデューティ比と呼ばれる。制御装置４２は、交流電圧ＶＵに同期してＰＷＭ信号φ１〜φ４のデューティ比を制御し、交流電圧ＶＵを直流電圧Ｖ１〜Ｖ３に変換させる。直流電圧Ｖ１〜Ｖ３は、それぞれ直流正母線Ｌ１、直流負母線Ｌ２、および直流中性点母線Ｌ３に与えられる。Ｖ１＞Ｖ３＞Ｖ２であり、Ｖ３＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２である。なお、直流中性点母線Ｌ３を接地すれば、直流電圧Ｖ１〜Ｖ３はそれぞれ正電圧、負電圧、および０Ｖとなる。

【0040】

制御装置４２は、商用交流電源１から交流電圧ＶＵが供給されている通常時は、コンバータ４０のトランジスタＱ１〜Ｑ４を制御して交流電圧ＶＵを直流電圧Ｖ１〜Ｖ３に変換させ、商用交流電源１からの交流電圧ＶＵの供給が停止された停電時は、トランジスタＱ１〜Ｑ４をオフ状態に固定させてコンバータ４０の運転を停止させる。

【0041】

ヒューズＦ１〜Ｆ３の一方端子はそれぞれ母線Ｌ１〜Ｌ３に接続され、それらの他方端子はそれぞれ双方向チョッパ２４の端子Ｔ１〜Ｔ３に接続される。ヒューズＦ１〜Ｆ３は、母線Ｌ１〜Ｌ３と端子Ｔ１〜Ｔ３の間に過電流が流れた場合にブローされ、無停電電源装置Ｕ１を保護する。コンデンサＣ１は、ヒューズＦ１，Ｆ３の他方端子間に接続され、母線Ｌ１，Ｌ３間の直流電圧を平滑化および安定化させる。コンデンサＣ２は、ヒューズＦ３，Ｆ２の他方端子間に接続され、母線Ｌ３，Ｌ２間の直流電圧を平滑化および安定化させる。

【0042】

インバータ４１は、トランジスタＱ５〜Ｑ８およびダイオードＤ５〜Ｄ８を含む。トランジスタＱ５〜Ｑ８の各々は、たとえばＩＧＢＴである。トランジスタＱ５のコレクタは直流正母線Ｌ１に接続され、そのエミッタは出力端子２１ｂに接続される。ダイオードＤ５のアノードは出力端子２１ｂに接続され、そのカソードは直流正母線Ｌ１に接続されている。

【0043】

トランジスタＱ６のコレクタは出力端子２１ｂに接続され、そのエミッタは直流負母線Ｌ２に接続される。ダイオードＤ６のアノードは直流負母線Ｌ２に接続され、そのカソードは出力端子２１ｂに接続されている。すなわち、ダイオードＤ５，Ｄ６は、それぞれトランジスタＱ５，Ｑ６に逆並列に接続されている。

【0044】

トランジスタＱ７，Ｑ８のコレクタは互いに接続され、トランジスタＱ７，Ｑ８のエミッタはそれぞれ直流中性点母線Ｌ３および出力端子２１ｂに接続される。ダイオードＤ７，Ｄ８のカソードはともにトランジスタＱ７，Ｑ８のコレクタに接続され、それらのアノードはそれぞれ直流中性点母線Ｌ３および出力端子Ｔ１４に接続されている。すなわち、ダイオードＤ７，Ｄ８は、それぞれトランジスタＱ７，Ｑ８に逆並列に接続されている。トランジスタＱ７，Ｑ８およびダイオードＤ７，Ｄ８は、双方向スイッチを構成する。

【0045】

次に、このインバータ４１の動作について説明する。トランジスタＱ５〜Ｑ８のゲートは、制御装置４２からのＰＷＭ信号φ５〜φ８を受ける。図４（ａ）〜（ｅ）はＰＷＭ信号φ５〜φ８の作成方法および波形を示す図である。特に、図４（ａ）は正弦波指令値信号ＣＭ、正側三角波キャリア信号ＣＡ１、および負側三角波キャリア信号ＣＡ２の波形を示し、図４（ｂ）〜（ｅ）はそれぞれＰＷＭ信号φ５，φ８，φ７，φ６の波形を示している。

【0046】

図４（ａ）〜（ｅ）において、正弦波指令値信号ＣＭの周波数は、たとえば商用周波数である。正弦波指令値信号ＣＭは、交流電圧ＶＵに同期している。キャリア信号ＣＡ１，ＣＡ２の周期および位相は同じである。キャリア信号ＣＡ１，ＣＡ２の周期は、正弦波指令値信号ＣＭの周期よりも十分に小さい。

【0047】

正弦波指令値信号ＣＭのレベルと正側三角波キャリア信号ＣＡ１のレベルの高低が比較される。正弦波指令値信号ＣＭのレベルが正側三角波キャリア信号ＣＡ１のレベルよりも高い場合は、ＰＷＭ信号φ５，φ７がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる。正弦波指令値信号ＣＭのレベルが正側三角波キャリア信号ＣＡ１のレベルよりも低い場合は、ＰＷＭ信号φ５，φ７がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされる。

【0048】

したがって、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが正である期間では、ＰＷＭ信号φ５とφ７がキャリア信号ＣＡ１に同期して交互に「Ｈ」レベルにされ、トランジスタＱ５とＱ７が交互にオンされる。また、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが負である期間では、ＰＷＭ信号φ５，φ７はそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに固定され、トランジスタＱ５がオフ状態に固定されるとともにトランジスタＱ７がオン状態に固定される。

【0049】

正弦波指令値信号ＣＭのレベルと負側三角波キャリア信号ＣＡ２のレベルの高低が比較される。正弦波指令値信号ＣＭのレベルが負側三角波キャリア信号ＣＡ２のレベルよりも高い場合は、ＰＷＭ信号φ６，φ８がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされる。正弦波指令値信号ＣＭのレベルが負側三角波キャリア信号ＣＡ２のレベルよりも低い場合は、ＰＷＭ信号φ６，φ８がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる。

【0050】

したがって、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが正である期間では、ＰＷＭ信号φ６，φ８はそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに固定され、トランジスタＱ６がオフ状態に固定されるとともにトランジスタＱ８がオン状態に固定される。また、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが負である期間では、ＰＷＭ信号φ６とφ８がキャリア信号ＣＡ２に同期して交互に「Ｈ」レベルにされ、トランジスタＱ６とＱ８が交互にオンされる。

【0051】

ＰＷＭ信号が１周期内において「Ｈ」レベルにされる時間と、ＰＷＭ信号の１周期の時間との比はデューティ比と呼ばれる。ＰＷＭ信号φ５のデューティ比は、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが正である期間では、正弦波指令値信号ＣＭの正のピーク（９０度）付近で最大になり、ピークから外れるに従って減少し、０度付近と１８０度付近で０となる。ＰＷＭ信号φ５のデューティ比は、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが負である期間では０に固定される。ＰＷＭ信号φ７は、ＰＷＭ信号φ５の相補信号である。

【0052】

ＰＷＭ信号φ６のデューティ比は、正弦波指令値信号ＣＭのレベルが正である期間では０に固定される。ＰＷＭ信号φ６のデューティ比は、正弦波指令値信号ＣＭの負のピーク（２７０度）付近で最大になり、ピークから外れるに従って減少し、１８０度付近と３６０度付近で０となる。ＰＷＭ信号φ８は、ＰＷＭ信号φ６の相補信号である。

【0053】

たとえば、交流電圧ＶＵが正電圧である場合は、ＰＷＭ信号φ５，φ７は交互に「Ｈ」レベルにされるとともに、ＰＷＭ信号φ６，φ８はそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに固定される。したがって、トランジスタＱ５，Ｑ７が交互にオンされるとともに、トランジスタＱ６，Ｑ８はそれぞれオフ状態およびオン状態に固定される。

【0054】

交流電圧ＶＵが負電圧である場合は、ＰＷＭ信号φ６，φ８は交互に「Ｈ」レベルにされるとともに、ＰＷＭ信号φ５，φ７はそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルに固定される。したがって、トランジスタＱ６，Ｑ８が交互にオンされるとともに、トランジスタＱ５，Ｑ７はそれぞれオフ状態およびオン状態に固定される。制御装置４２は、交流電圧ＶＵに同期してＰＷＭ信号φ５〜φ８のデューティ比を制御し、直流電圧Ｖ１〜Ｖ３を３レベルの交流電圧Ｖ４ａに変換させる。

【0055】

電力変換器２２，２３の構成は、電力変換器２１の構成と同じである。ただし、電力変換器２２は、交流電圧ＶＶに同期して制御され、交流電圧ＶＶに同期した交流電圧Ｖ４ｂを出力端子２２ｂに出力する。電力変換器２３は、交流電圧ＶＷに同期して制御され、交流電圧ＶＷに同期した交流電圧Ｖ４ｃを出力端子２２ｃに出力する。

【0056】

図５は、双方向チョッパ２４の構成を示す回路ブロック図である。図５において、双方向チョッパ２４は、端子Ｔ１〜Ｔ５、コンデンサＣ１１，Ｃ１２、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４、ノーマルモードリアクトル５０、およびヒューズＦ１１，Ｆ１２を含む。ノーマルモードリアクトル５０は、２つのコイル５１，５２を含む。

【0057】

双方向チョッパ２４は、制御装置５３によって制御される。制御装置５３は、端子Ｔ１，Ｔ２間（すなわち母線Ｌ１，Ｌ２間）の直流電圧ＶＤＣ（＝Ｖ１−Ｖ２）の瞬時値、バッテリ３の端子間電圧ＶＢ、電流検出器ＣＤ１１，ＣＤ２１の検出値などに基づいて、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４を制御するためのＰＷＭ信号φ１１〜φ１４を生成する。

【0058】

端子Ｔ１〜Ｔ３は、電力変換器２１〜２３の各々の直流正母線Ｌ１、直流負母線Ｌ２、および直流中性点母線Ｌ３にそれぞれ接続される。端子Ｔ４は、スイッチＳ７およびバッテリ端子ＴＢＰを介してバッテリ３の正極に接続される。端子Ｔ５は、スイッチＳ８およびバッテリ端子ＴＢＮを介してバッテリ３の負極に接続される。

【0059】

コンデンサＣ１１は、端子Ｔ１，Ｔ３間に接続され、端子Ｔ１，Ｔ３間の電圧を平滑化および安定化させる。コンデンサＣ１２は、端子Ｔ３，Ｔ２間に接続され、端子Ｔ３，Ｔ２間の電圧を平滑化および安定化させる。コンデンサＣ１１，Ｃ１２は、電力変換器２１〜２３のコンデンサＣ１，Ｃ２とそれぞれ同じ電圧に充電される。

【0060】

トランジスタＱ１１〜Ｑ１４の各々は、たとえばＩＧＢＴである。トランジスタＱ１１，Ｑ１２は端子Ｔ１，Ｔ３間に直列接続され、トランジスタＱ１３，Ｑ１４は端子Ｔ３，Ｔ２間に直列接続される。ダイオードＤ１１〜Ｄ１４は、それぞれトランジスタＱ１１〜Ｑ１４に逆並列に接続される。

【0061】

コイル５１の一方端子はトランジスタＱ１１，Ｑ１２間のノードＮ１に接続され、その他方端子はヒューズＦ１１を介して端子Ｔ４に接続される。コイル５２の一方端子はヒューズＦ１２を介して端子Ｔ５に接続され、その他方端子はトランジスタＱ１３，Ｑ１４間のノードＮ２に接続される。ヒューズＦ１１，Ｆ１２は、過電流が流れた場合にブローされ、バッテリ３、双方向チョッパ２４などを保護する。

【0062】

双方向チョッパ２４内には、電流検出器ＣＤ１１，ＣＤ１２が設けられている。電流検出器ＣＤ１１は、ノードＮ１からコイル５１の一方端子に流れる直流電流Ｉ１の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置５３に与える。電流検出器ＣＤ１２は、コイル５２の他方端子からノードＮ２に流れる直流電流Ｉ２の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置５３に与える。

【0063】

商用交流電源１から三相交流電力が供給されている通常時は、コンデンサＣ１，Ｃ２から双方向チョッパ２４を介してバッテリ３に直流電力が供給され、バッテリ３が充電される。この場合、トランジスタＱ１２，Ｑ１３はオフ状態に固定され、トランジスタＱ１１，Ｑ１４が交互にオンにされる。

【0064】

その際、バッテリ３の端子間電圧ＶＢが所定の目標電圧ＶＢＴになるように、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比が制御される。ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比を大きくするとコンデンサＣ１１，Ｃ１２からバッテリ３に流れる電流が増大し、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比を小さくするとコンデンサＣ１１，Ｃ１２からバッテリ３に流れる電流が減少する。

【0065】

すなわち、第１バッテリ充電モードでは、ＰＷＭ信号φ１２〜φ１４が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１２〜Ｑ１４がオフされるとともに、ＰＷＭ信号φ１１が「Ｈ」レベルにされてトランジスタＱ１１がオンされる。これにより、端子Ｔ１からトランジスタＱ１１、コイル５１、ヒューズＦ１１、スイッチＳ７、バッテリ３、スイッチＳ８、ヒューズＦ１２、コイル５２、およびダイオードＤ１３を介して端子Ｔ３に電流が流れ、コンデンサＣ１，Ｃ１１が放電されてバッテリ３が充電される。

【0066】

また、第２バッテリ充電モードでは、ＰＷＭ信号φ１２，φ１３が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１２，Ｑ１３がオフするとともに、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４が「Ｈ」レベルにされてトランジスタＱ１１，Ｑ１４がオンする。これにより、端子Ｔ１からトランジスタＱ１１、コイル５１、ヒューズＦ１１、スイッチＳ７、バッテリ３、スイッチＳ８、ヒューズＦ１２、コイル５２、およびトランジスタＱ１４を介して端子Ｔ２に電流が流れ、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２が放電されてバッテリ３が充電される。

【0067】

第３バッテリ充電モードでは、ＰＷＭ信号φ１１〜φ１３が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１１〜Ｑ１３がオフするとともに、ＰＷＭ信号φ１４が「Ｈ」レベルにされてトランジスタＱ１４がオンする。これにより、端子Ｔ３からダイオードＤ１２、コイル５１、ヒューズＦ１１、スイッチＳ７、バッテリ３、スイッチＳ８、ヒューズＦ１２、コイル５２、およびトランジスタＱ１４を介して端子Ｔ２に電流が流れ、コンデンサＣ２，Ｃ１２が放電されてバッテリ３が充電される。

【0068】

第１バッテリ充電モードと第３バッテリ充電モードは、交互に行なわれる。第１バッテリ充電モードと第３バッテリ充電モードの間の期間では、ＰＷＭ信号φ１１〜φ１４が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１１〜Ｑ１４がオフされ、コイル５１，５２に蓄えられた電磁エネルギーが放出されて、ダイオードＤ１２、コイル５１、ヒューズＦ１１、スイッチＳ７、バッテリ３、スイッチＳ８、ヒューズＦ１２、コイル５２、およびダイオードＤ１３の経路に電流が流れ、バッテリ３が充電される。第２バッテリ充電モードは、第１バッテリ充電モードと第３バッテリ充電モードが重なっているモードである。

【0069】

バッテリ３を充電する場合、制御装置５３は、直流電流Ｉ１の検出値と直流電流Ｉ２の検出値が一致するようにＰＷＭ信号φ１１，φ１４を生成してトランジスタＱ１１，Ｑ１２をオン／オフさせ、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮに流れる横流電流を抑制する。これについては、後で詳細に説明する。

【0070】

商用交流電源１からの三相交流電力の供給が停止されている場合、バッテリ３から双方向チョッパ２４を介してコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２に直流電力が供給され、バッテリ３が放電されてコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２が充電される。この場合、トランジスタＱ１１，Ｑ１４はオフ状態に固定され、トランジスタＱ１２，Ｑ１３が交互にオンにされる。

【0071】

その際、端子Ｔ１，Ｔ２間の直流電圧ＶＤＣ（＝Ｖ１−Ｖ２）が所定の目標電圧ＶＤＣＴになるように、ＰＷＭ信号φ１２，φ１３のデューティ比が制御される。ＰＷＭ信号φ１２，φ１３のデューティ比を大きくするとバッテリ３からコンデンサＣ１１，Ｃ１２に流れる電流が増大し、ＰＷＭ信号φ１２，φ１３のデューティ比を小さくするとバッテリ３からコンデンサＣ１１，Ｃ１２に流れる電流が減少する。

【0072】

すなわち、第１バッテリ放電モードでは、ＰＷＭ信号φ１１，φ１３，φ１４が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１１，Ｑ１３，Ｑ１４がオフされるとともに、ＰＷＭ信号φ１２が「Ｈ」レベルにされてトランジスタＱ１２がオンされる。これにより、バッテリ３の正極からスイッチＳ７、ヒューズＦ１１、コイル５１、トランジスタＱ１２、コンデンサＣ２，Ｃ１２、ダイオードＤ１４、コイル５２、ヒューズＦ１２、およびスイッチＳ８を介してバッテリ３の負極に電流が流れ、バッテリ３が放電されてコンデンサＣ２，Ｃ１２が充電される。

【0073】

第２バッテリ放電モードでは、ＰＷＭ信号φ１１〜φ１４が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１１〜Ｑ１４がオフされる。これにより、バッテリ３の正極からスイッチＳ７、ヒューズＦ１１、コイル５１、ダイオードＤ１１、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２、ダイオードＤ１４、コイル５２、ヒューズＦ１２、およびスイッチＳ８を介してバッテリ３の負極に電流が流れ、コイル５１，５２に蓄えられた電磁エネルギーが放出されるとともにバッテリ３が放電されてコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２が充電される。

【0074】

第３バッテリ放電モードでは、ＰＷＭ信号φ１１，φ１２，φ１４が「Ｌ」レベルにされてトランジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１４がオフされるとともに、ＰＷＭ信号φ１３が「Ｈ」レベルにされてトランジスタＱ１３がオンされる。これにより、バッテリ３の正電極からスイッチＳ７、ヒューズＦ１１、コイル５１、ダイオードＤ１１、コンデンサＣ１，Ｃ１１、トランジスタＱ１３、コイル５２、ヒューズＦ１２、およびスイッチＳ８を介してバッテリ３の負電極に電流が流れ、バッテリ３が放電されてコンデンサＣ１，Ｃ１１が充電される。

【0075】

第１バッテリ放電モードと第３バッテリ放電モードは、交互に行なわれる。第１バッテリ放電モードと第３バッテリ放電モードの間の期間において、端子Ｔ１，Ｔ２間の電圧Ｖ１−Ｖ２がバッテリ３の端子間電圧ＶＢよりも低下している場合は、第２バッテリ放電モードが行なわれる。

【0076】

次に、図１〜図５で示した無停電電源装置Ｕ１の動作について説明する。商用交流電源１から三相交流電力が正常に供給されている通常時は、商用交流電源１からの三相交流電力がスイッチＳ１〜Ｓ３および入力フィルタ１０を介して電力変換器２１〜２３に供給される。三相交流電力は、電力変換器２１〜２３のコンバータ４０によって直流電力に変換される。電力変換器２１〜２３の各々において、コンバータ４０で生成された直流電力は、双方向チョッパ２４およびスイッチＳ７，Ｓ８を介してバッテリ３に蓄えられるとともにインバータ４１に供給され、インバータ４１によって商用周波数の交流電力に変換される。電力変換器２１〜２３のインバータ４１で生成された三相交流電力は、出力フィルタ３０およびスイッチＳ４〜Ｓ６を介して負荷２に供給され、負荷２が運転される。

【0077】

商用交流電源１からの交流電力の供給が停止された停電時は、電力変換器２１〜２３のコンバータ４０の運転が停止されるとともに、バッテリ３の直流電力がスイッチＳ７，Ｓ８および双方向チョッパ２４を介して電力変換器２１〜２３のインバータ４１に供給され、電力変換器２１〜２３のインバータ４１によって商用周波数の三相交流電力に変換される。電力変換器２１〜２３のインバータ４１で生成された三相交流電力は、出力フィルタ３０およびスイッチＳ４〜Ｓ６を介して負荷２に供給され、負荷２の運転が継続される。

【0078】

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限りは負荷２の運転が継続される。商用交流電源１からの交流電力の供給が再開された場合は、電力変換器２１〜２３のコンバータ４０の運転が再開される。電力変換器２１〜２３の各々において、コンバータ４０で生成された直流電力が双方向チョッパ２４およびスイッチＳ７，Ｓ８を介してバッテリ３に供給されるとともにインバータ４１に供給され、元の状態に戻る。他の無停電電源装置Ｕ２〜ＵＮの各々の構成および動作は、無停電電源装置Ｕ１と同じであるので、その説明は繰り返さない。

【0079】

ここで、商用交流電源１から三相交流電力が正常に供給されている通常時において、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮが並列運転されている場合に発生する横流電流について説明する。図１〜図５で示したように、この無停電電源システムでは、Ｎ台の無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの交流入力端子（ＴＩａ，ＴＩｂ，またはＴＩｃ）は互いに接続され、それらの交流出力端子（ＴＯａ，ＴＯｂ，またはＴＯｃ）は互いに接続され、それらのバッテリ端子（ＴＢＰまたはＴＢＮ）は互いに接続されている。

【0080】

Ｎ台の無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの交流出力電圧（ＶＲ，ＶＳ，またはＶＴ）の位相および電圧値が完全に一致している場合は横流電流は流れない。しかし、実際には、Ｎ台の無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの交流出力電圧（ＶＲ，ＶＳ，またはＶＴ）の位相および電圧値は完全には一致せず、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮ間に横流電流が流れてしまう。

【0081】

たとえば、無停電電源装置Ｕ１の電力変換器２１のトランジスタＱ５〜Ｑ８用のＰＷＭ信号φ５〜φ８の位相が、無停電電源装置Ｕ２の電力変換器２１のトランジスタＱ５〜Ｑ８用のＰＷＭ信号φ５〜φ８の位相よりも進み、無停電電源装置Ｕ１の出力交流電圧ＶＲの位相が無停電電源装置Ｕ２の出力交流電圧ＶＲの位相よりも進んでいるものとする。

【0082】

この場合、無停電電源装置Ｕ１のインバータ４１のトランジスタＱ５がオンするとともに、無停電電源装置Ｕ２のインバータ４１のトランジスタＱ７，Ｑ８がオンする期間が発生する。

【0083】

この期間では、無停電電源装置Ｕ２においては、出力端子ＴＯａから電力変換器２１の出力端子２１ｂ、トランジスタＱ８，Ｑ７、双方向チョッパ２４の端子Ｔ３、ダイオードＤ１２、コイル５１を介してバッテリ端子ＴＢＰに至る経路で横流電流が流れる。無停電電源装置Ｕ２のバッテリ端子ＴＢＰから無停電電源装置Ｕ１のバッテリ端子ＴＢＰに横流電流が流れる。さらに、無停電電源装置Ｕ１においては、バッテリ端子ＴＢＰから双方向チョッパ２４のコイル５１、トランジスタＱ１１、端子Ｔ１、電力変換器２１のトランジスタＱ５を介して出力端子ＴＯａに至る経路で横流電流が流れる。

【0084】

このとき、単に双方向チョッパ２４のトランジスタＱ１１，Ｑ１４を同じ時間ずつ交互にオンしているだけでは、無停電電源装置Ｕ２の双方向チョッパ２４ではＩ１が増大してＩ１＞Ｉ２となり、無停電電源装置Ｕ１の双方向チョッパ２４ではＩ１が減少してＩ１＜Ｉ２となる。Ｉ１≠Ｉ２となると、ノーマルモードリアクトル５０のインダクタンスが低下してしまう。さらに、横流電流によって無駄な電力が消費される。

【0085】

そこで、本実施の形態では、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の各々においてＩ１＝Ｉ２となるように双方向チョッパ２４のトランジスタＱ１１，Ｑ１４のオン時間を制御して横流電流を抑制する。すなわち、無停電電源装置Ｕ２では、Ｉ１＞Ｉ２であるのでＩ１＝Ｉ２になるように、トランジスタＱ１１のオン時間を短くして電流Ｉ１を減少させるとともに、トランジスタＱ１４のオン時間を長くして電流Ｉ２を増大させる。無停電電源装置Ｕ１では、Ｉ１＜Ｉ２であるのでＩ１＝Ｉ２になるように、トランジスタＱ１１のオン時間を長くして電流Ｉ１を増大させるとともに、トランジスタＱ１４のオン時間を短くして電流Ｉ２を減少させる。このようにＩ１＝Ｉ２となるように制御することにより、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間で循環する横流電流を抑制することができる。

【0086】

さらに上記の場合では、無停電電源装置Ｕ１のインバータ４１のトランジスタＱ６がオンするとともに、無停電電源装置Ｕ２のインバータ４１のトランジスタＱ７，Ｑ８がオンする期間も発生する。

【0087】

この期間では、無停電電源装置Ｕ１においては、出力端子ＴＯａから電力変換器２１の出力端子２１ｂ、トランジスタＱ６、双方向チョッパ２４の端子Ｔ２、トランジスタＱ１４およびコイル５２を介してバッテリ端子ＴＢＮに至る経路で横流電流が流れる。無停電電源装置Ｕ１のバッテリ端子ＴＢＮから無停電電源装置Ｕ２のバッテリ端子ＴＢＮに横流電流が流れる。さらに、無停電電源装置Ｕ２においては、バッテリ端子ＴＢＮから双方向チョッパ２４のコイル５２、ダイオードＤ１３、端子Ｔ３、電力変換器２１のトランジスタＱ７，Ｑ８および出力端子２１ｂを介して出力端子ＴＯａに至る経路で横流電流が流れる。

【0088】

このとき、単に双方向チョッパ２４のトランジスタＱ１１，Ｑ１４を同じ時間ずつ交互にオンしているだけでは、無停電電源装置Ｕ１の双方向チョッパ２４ではＩ２が減少してＩ１＞Ｉ２となり、無停電電源装置Ｕ２の双方向チョッパ２４ではＩ２が増大してＩ１＜Ｉ２となる。Ｉ１≠Ｉ２となると、ノーマルモードリアクトル５０のインダクタンスが低下してしまう。さらに、横流電流によって無駄な電力が消費される。

【0089】

そこで、本実施の形態では、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の各々においてＩ１＝Ｉ２となるように双方向チョッパ２４のトランジスタＱ１１，Ｑ１４のオン時間を制御して横流電流を抑制する。すなわち、無停電電源装置Ｕ１では、Ｉ１＞Ｉ２であるのでＩ１＝Ｉ２になるように、トランジスタＱ１１のオン時間を短くして電流Ｉ１を減少させるとともに、トランジスタＱ１４のオン時間を長くして電流Ｉ２を増大させる。無停電電源装置Ｕ２では、Ｉ１＜Ｉ２であるのでＩ１＝Ｉ２になるように、トランジスタＱ１１のオン時間を長くして電流Ｉ１を増大させるとともに、トランジスタＱ１４のオン時間を短くして電流Ｉ２を減少させる。このようにＩ１＝Ｉ２となるように制御することにより、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間で循環する横流電流を抑制することができる。

【0090】

ここでは、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２間の横流電流について説明したが、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮ間で循環する横流電流についても同様である。

【0091】

次に、双方向チョッパ２４のトランジスタＱ１１，Ｑ１４のオン時間を制御して横流電流を抑制する方法についてより詳細に説明する。図６は、図４に示した制御装置５３のうちのバッテリ３の充電に関連する部分を示すブロック図である。図６において、制御装置５３は、加算器６０、乗算器６１、減算器６２〜６６、制御器（ＰＩ）６７〜６９、三角波発生器７０，７１、および比較器７２，７３を含む。

【0092】

加算器６０は、電流検出器ＣＤ１１によって検出された電流Ｉ１の検出値と、電流検出器ＣＤ１２によって検出された電流Ｉ２の検出値とを加算する。乗算器６１は、加算器６０の加算結果に０．５を乗算して電流Ｉ１，Ｉ２の検出値の平均値ＩＡＶを求める。減算器６２は、目標充電電流値ＩＴから乗算器６１で求められた電流Ｉ１，Ｉ２の検出値の平均値ＩＡＶを減算して電流指令値ＩＣ０を求める。目標充電電流値ＩＴは、バッテリ３の目標端子間電圧ＶＢＴと実際の端子間電圧ＶＢとの偏差に応じて生成される。制御器６７は、電流指令値ＩＣ０にたとえばＰＩ制御（比例および積分制御）を施して電圧指令値ＶＣ０を生成する。

【0093】

減算器６３は、電流検出器ＣＤ１１によって検出された電流Ｉ１の検出値から乗算器６１で求められた電流Ｉ１，Ｉ２の検出値の平均値ＩＡＶを減算して電流指令値ＩＣ１を求める。制御器６８は、電流指令値ＩＣ１にたとえばＰＩ制御を施して電圧指令値ＶＣ１を生成する。

【0094】

減算器６４は、電流検出器ＣＤ１２によって検出された電流Ｉ２の検出値から乗算器６１で求められた電流Ｉ１，Ｉ２の検出値の平均値ＩＡＶを減算して電流指令値ＩＣ２を求める。制御器６９は、電流指令値ＩＣ２にたとえばＰＩ制御を施して電圧指令値ＶＣ２を生成する。

【0095】

減算器６５は、電圧指令値ＶＣ０から電圧指令値ＶＣ１を減算して電圧指令値ＶＣ０１を生成する。減算器６６は、電圧指令値ＶＣ０から電圧指令値ＶＣ２を減算して電圧指令値ＶＣ０２を生成する。

【0096】

三角波発生器７０は、商用周波数よりも十分に高い周波数の三角波信号ＣＡ１１を生成する。三角波発生器７１は、三角波信号ＣＡ１１と同じ周波数の三角波信号ＣＡ１２を生成する。三角波信号ＣＡ１１，ＣＡ１２の位相は互いに１８０度ずれている。

【0097】

比較器７２は、電圧指令値ＶＣ０１と三角波信号ＣＡ１１のレベルとの高低を比較し、ＶＣ０１＞ＣＡ１１である場合はＰＷＭ信号φ１１を「Ｈ」レベルにし、ＶＣ０１＜ＣＡ１１である場合はＰＷＭ信号φ１１を「Ｌ」レベルにする。

【0098】

比較器７３は、電圧指令値ＶＣ０２と三角波信号ＣＡ１２のレベルとの高低を比較し、ＶＣ０２＞ＣＡ１２である場合はＰＷＭ信号φ１２を「Ｈ」レベルにし、ＶＣ０２＜ＣＡ１２である場合はＰＷＭ信号φ１２を「Ｌ」レベルにする。

【0099】

したがって、横流電流が流れておらずＩ１＝Ｉ２である場合は、Ｉ１＝Ｉ２＝ＩＡＶ、ＶＣ１＝ＶＣ２＝０、ＶＣ０＝ＶＣ０１＝ＶＣ０２となり、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比は同じ値になる。この場合、トランジスタＱ１１の１周期当たりのオン時間とトランジスタＱ１４の１周期当たりのオン時間とは同じ時間となる。

【0100】

横流電流が流れてＩ１＞Ｉ２となった場合は、Ｉ１＞ＩＡＶ＞Ｉ２、ＶＣ１＞ＶＣ２、ＶＣ０１＜ＶＣ０２となり、ＰＷＭ信号φ１１のデューティ比はＰＷＭ信号φ１４のデューティ比よりも小さくなる。したがって、トランジスタＱ１１の１周期当たりのオン時間がトランジスタＱ１４の１周期当たりのオン時間よりも短くなり、Ｉ１が減少するとともにＩ２が増大するようにトランジスタＱ１１，Ｑ１４が制御され、横流電流が抑制される。

【0101】

横流電流が流れてＩ１＜Ｉ２となった場合は、Ｉ２＞ＩＡＶ＞Ｉ１、ＶＣ２＞ＶＣ１、ＶＣ０２＜ＶＣ０１となり、ＰＷＭ信号φ１１のデューティ比はＰＷＭ信号φ１４のデューティ比よりも大きくなる。したがって、トランジスタＱ１１の１周期当たりのオン時間がトランジスタＱ１４の１周期当たりのオン時間よりも長くなり、Ｉ１が増大するとともにＩ２が減少するようにトランジスタＱ１１，Ｑ１４が制御され、横流電流が抑制される。

【0102】

このような制御装置５３は、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮの各々に設けられる。したがって、この無停電電源システムでは、無停電電源装置Ｕ１〜ＵＮに流れる横流電流が抑制される。

【0103】

図７は、図５および図６に示した制御装置５３の充電モード時の動作を示すフローチャートである。図７において、制御装置５３は、ステップＳＴ１において電流検出器ＣＤ１１，ＣＤ１２を用いて電流Ｉ１，Ｉ２を検出する。制御装置５３は、ステップＳＴ２において目標充電電流値ＩＴと平均値ＩＡＶ＝０．５×（Ｉ１＋Ｉ２）との差の絶対値｜ＩＴ−ＩＡＶ｜がしきい値Ｉαよりも大きいか否かを判別し、｜ＩＴ−ＩＡＶ｜＞Ｉαでない場合（すなわちＩＴ≒ＩＡＶである場合）はステップＳＴ１に戻り、｜ＩＴ−ＩＡＶ｜＞Ｉαである場合（すなわちＩＴ≠ＩＡＶである場合）はステップＳＴ３に進む。Ｉαは、ＩＴ，ＩＡＶと比べて十分に小さな値に設定されている。目標充電電流値ＩＴは、上述の通り、バッテリ３の目標端子間電圧ＶＢＴと実際の端子間電圧ＶＢとの偏差に応じて生成される。

【0104】

制御装置５３は、ステップＳＴ３においてＩＡＶ＜ＩＴであるか否かを判別し、ＩＡＶ＜ＩＴである場合はステップＳＴ４に進み、ＩＡＶ＜ＩＴでない場合はステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ４では、制御装置５３はＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比Ｄ（φ１１），Ｄ（φ１４）を増大させる。これにより、トランジスタＱ１１，Ｑ１４の１周期当たりのオン時間が増大され、平均値ＩＡＶが増大して目標値ＩＴに近付く。ステップＳＴ５では、制御装置５３は、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比Ｄ（φ１１），Ｄ（φ１４）を減少させる。これにより、トランジスタＱ１１，Ｑ１４の１周期当たりのオン時間が減少され、平均値ＩＡＶが減少して目標値ＩＴに近付く。

【0105】

次に制御装置５３は、ステップＳＴ６において電流Ｉ１，Ｉ２の検出値の差の絶対値｜Ｉ１−Ｉ２｜がしきい値Ｉβよりも大きいか否かを判別し、｜Ｉ１−Ｉ２｜＞Ｉβでない場合（すなわちＩ１≒Ｉ２である場合）はステップＳＴ１に戻り、｜Ｉ１−Ｉ２｜＞Ｉβである場合（すなわちＩ１≠Ｉ２である場合）はステップＳＴ７に進む。Ｉβは、Ｉ１，Ｉ２と比べて十分に小さな値に設定されている。

【0106】

制御装置５３は、ステップＳＴ７においてＩ１＜Ｉ２であるか否かを判別し、Ｉ１＜Ｉ２である場合はステップＳＴ８においてＰＷＭ信号φ１１のデューティ比Ｄ（φ１１）を増大させるとともにＰＷＭ信号φ１４のデューティ比Ｄ（φ１４）を減少させ、ステップＳＴ１に戻る。これにより、トランジスタＱ１１の１周期当たりのオン時間が増大されるとともにトランジスタＱ１４の１周期当たりのオン時間が減少し、電流Ｉ１が増大するとともに電流Ｉ２が減少し、横流電流が抑制される。

【0107】

ステップＳＴ７においてＩ１＜Ｉ２でないと判別した場合はステップＳＴ９においてＰＷＭ信号φ１１のデューティ比Ｄ（φ１１）を減少させるとともにＰＷＭ信号φ１４のデューティ比Ｄ（φ１４）を増大させ、ステップＳＴ１に戻る。これにより、トランジスタＱ１１の１周期当たりのオン時間が減少するとともにトランジスタＱ１４の１周期当たりのオン時間が増大し、電流Ｉ１が減少するとともに電流Ｉ２が増大し、横流電流が抑制される。ステップＳＴ１〜ＳＴ９を繰り返すことにより、ＩＡＶ≒ＩＴ，Ｉ１≒Ｉ２とすることができ、バッテリ３を目標電圧ＶＢＴに充電させるとともに、横流電流を抑制することができる。

【0108】

なお、ステップＳＴ４，ＳＴ５においては、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比Ｄ（φ１１），Ｄ（φ１４）を一定値だけ増大または減少させてもよいし、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比Ｄ（φ１１），Ｄ（φ１４）を増大または減少させる値をＩＡＶＴとＩＡＶの差に応じて変更しても構わない。

【0109】

同様に、ステップＳＴ８，ＳＴ９においては、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比Ｄ（φ１１），Ｄ（φ１４）を一定値だけ増大または減少させてもよいし、ＰＷＭ信号φ１１，φ１４のデューティ比Ｄ（φ１１），Ｄ（φ１４）を増大または減少させる値をＩ１とＩ２の差に応じて変更しても構わない。

【0110】

この実施の形態では、双方向チョッパ２４のコイル５１，５２に流れる電流Ｉ１，Ｉ２を検出し、電流Ｉ１，Ｉ２の検出値が一致するようにトランジスタＱ１１，Ｑ１４の各々のオン時間を増大または減少させて横流電流を抑制する。したがって、各無停電電源装置毎に可飽和リアクトルを設ける場合に比べ、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

【0111】

大きな横流電流が流れると無駄な消費電力が増大して無停電電源システムの電力効率が低下する。しかし、本実施の形態では、横流電流を小さく抑制できるので、無停電電源システムの電力効率を高めることができる。

【0112】

さらに、横流電流が流れてＩ１≠Ｉ２となると、双方向チョッパ２４のノーマルモードリアクトル５０のインダクタンスが減少するので、大きなインダクタンスを有する大型で高価なノーマルモードリアクトル５０を設ける必要がある。しかし、本実施の形態では、横流電流を小さく抑制できるので、横流電流によって双方向チョッパ２４のノーマルモードリアクトル５０のインダクタンスが減少することを防止することができる。このため、小型で低価格のノーマルモードリアクトル５０を使用することができる。

【0113】

なお、この実施の形態では、Ｉ１≠Ｉ２である場合にＩ１＝Ｉ２になるように双方向チョッパ２４のトランジスタＱ１１，Ｑ１４のうちの一方のトランジスタのオン時間を増大させるとともに他方のトランジスタのオン時間を減少させたが、これに限るものではなく、Ｉ１＝Ｉ２になるようにトランジスタＱ１１，Ｑ１４のうちの一方のトランジスタのオン時間を増大または減少させるとともに他方のトランジスタのオン時間を維持しても構わない。

【0114】

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。

【符号の説明】

【0115】

１ 商用交流電源、２ 負荷、３ バッテリ、Ｕ１〜ＵＮ 無停電電源装置、ＴＩａ〜ＴＩｃ 交流入力端子、ＴＯａ〜ＴＯｃ 交流出力端子、ＴＢＰ，ＴＢＮ バッテリ端子、Ｓ１〜Ｓ８ スイッチ、１０ 入力フィルタ、１１〜１３，３１〜３３ リアクトル、１４〜１５，３４〜３６，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２ コンデンサ、ＣＤ１〜ＣＤ６，ＣＤ１１，ＣＤ１２ 電流検出器、２１〜２３ 電力変換器、２４ 双方向チョッパ、３０ 出力フィルタ、４０ コンバータ、４１ インバータ、４２，５３ 制御装置、Ｑ１〜Ｑ８，Ｑ１１〜Ｑ１４ トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８，Ｄ１１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ１ 直流正母線、Ｌ２ 直流負母線、Ｌ３ 直流中性点母線、Ｆ１〜Ｆ３，Ｆ１１，Ｆ１２ ヒューズ、５０ ノーマルモードリアクトル、５１，５２ コイル、Ｔ１〜Ｔ５ 端子、６０ 加算器、６１ 乗算器、６２〜６６ 減算器、６７〜６９ 制御器、７０，７１ 三角波発生器、７２，７３ 比較器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】