特許 6354400 無停電電源装置の保護方法および保護装置

(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】6354400

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】無停電電源装置の保護方法および保護装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20180702BHJP

【ＦＩ】

   H02J9/06 120

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-140655(P2014-140655)

(22)【出願日】2014年7月8日

(65)【公開番号】特開2016-19363(P2016-19363A)

(43)【公開日】2016年2月1日

【審査請求日】2017年6月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(72)【発明者】

【氏名】竹内 将雄

【審査官】 小池 堂夫

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６２−０５１９２８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０５−１９９６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５６−０８３９５３（ＪＰ，Ｕ）

(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】

交流電源から供給される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して負荷へ供給するインバータと、前記コンバータと前記インバータとを接続する直流中間回路と、この直流中間回路に接続され直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記直流中間回路に接続されるバックアップ用のバッテリとを備え、前記交流電源が健全な状態ではこの交流電源から前記コンバータおよびインバータを介して負荷へ交流電力を供給し、前記交流電源が停電したときは、前記バッテリから前記インバータを介して負荷へ交流電力を供給するようにした無停電電源装置において、
前記交流電源の停電時に前記バッテリの電圧が放電終止電圧以下となって前記無停電電源装置全体が停止され放電終止停止状態にあるときに、前記バッテリを直流中間回路から切り離すことを特徴とする無停電電源装置の保護方法。

【請求項2】

さらに前記バッテリと無停電電源装置とが接続されているときには、前記バッテリ電圧が、バッテリの最小放電電圧以下に低下したときに、前記バッテリを直流中間回路から切り離すことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置の保護方法。

【請求項3】

交流電源から供給される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して負荷へ供給するインバータと、前記コンバータと前記インバータとを接続する直流中間回路と、この直流中間回路に接続され直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記直流中間回路に接続されるバックアップ用のバッテリとを備え、前記交流電源が健全な状態ではこの交流電源から前記コンバータおよびインバータを介して負荷へ交流電力を供給し、前記交流電源が停電したときは、前記バッテリから前記インバータを介して負荷へ交流電力を供給するようにした無停電電源装置において、
前記無停電電源装置の直流中間回路と前記バッテリを接続する回路を開閉する保護スイッチと、前記交流電源が停電して前記バッテリから給電中に、バッテリ電圧がその放電終止電圧以下に低下したとき、前記無停電電源装置を放電終止停止状態にする手段と、無停電電源装置が放電終止停止状態にあるとき、前記バッテリと前記直流中間回路との接続状態を監視するバッテリ接続監視手段と、このバッテリ接続監視手段がバッテリの接続が切断されたことを検知したとき、前記保護スイッチに遮断指令を与える手段と、を備えることを特徴とする無停電電源装置の保護装置。

【請求項4】

さらに、前記バッテリ接続監視手段がバッテリ回路の接続を検知しているときに、前記バッテリの電圧が最小放電電圧に低下したことが検知されたとき前記保護スイッチに遮断信号を与える手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の無停電電源装置の保護装置。

【請求項5】

前記保護スイッチは、前記無停電電源装置内に設けられた、外部からトリップが可能なシャントトリップ機能付きの手動操作形の回路遮断器とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の無停電電源装置の保護装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータから供給される直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータとを備え、前記コンバータとインバータとを接続する直流中間回路に前記交流電源の停電をバックアップするバッテリを接続して、交流電源が停電しても負荷への交流電力の供給を継続することのできる無停電電源装置に係り、そのバックアップ用のバッテリの保護に関するものである。

【背景技術】

【0002】

コンピュータシステムなどに安定した電源を供給する装置として無停電電源装置が使用される。

【0003】

このような無停電電源装置は、従来から、例えば特許文献１や特許文献２に示されるようによく知られているが、その一般的な構成は、図３に示すとおりである。

【0004】

この図３に示す無停電電源装置１０は、一般に、商用交流電源等を使用した交流電源１が健全で、交流入力電圧が正常な場合には、交流電源１から供給される交流電力をコンバータ２で直流電力に変換し、インバータ３に供給する。インバータ３は、この直流電力を交流電力に変換して負荷８に供給する。コンバータ２とインバータ３とを接続する直流中間回路４には、直流電圧を平滑するための直流コンデンサ７が接続される一方、交流電源１の停電をバックアップするために、バッテリ５が回路遮断器９を介して接続される。回路遮断器９は、バッテリ５と直流中間回路との接続を開閉するとともに、バッテリ５に流れる電流が過大になったとき、このバッテリ電流を遮断してバッテリ５を過大電流から保護する働きをする。

【0005】

交流電源１が停電し、交流入力電圧が低下した場合は、コンバータ２の動作を停止して、バッテリ５からインバータ３に直流電力を供給し、この直流電力をインバータ３で交流電力に変換して負荷８へ供給することにより負荷８への給電を無停電で継続する。

【0006】

交流電源１の停電が長時間継続して、バッテリ５が放電し、その電圧ＶＢが予め設定された放電終止電圧ＶＦ以下になるまで低下すると、バッテリ５を保護するため、無停電電源装置１０全体の動作を停止して、負荷８への給電を停止する。このようにバッテリ５の電圧ＶＢが放電終止電圧ＶＦ以下の電圧に低下することによって無停電電源装置１０が負荷８への給電動作を停止することを、ここでは、放電終止停止と呼ぶことにする。

【0007】

無停電電源装置１０は、放電終止停止状態にあるときに、交流電源１の停電が復旧して電圧が正常になると、コンバータ２およびインバータ３を自動的に再起動してバッテリ５への充電および負荷８への給電を再開する自動再起動機能を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開昭６２‐０１２３３９号公報

【特許文献2】特許第５４８６６４０４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

このような無停電電源装置１０において自動再起動機能を働かせるためには、バッテリ５を直流中間回路４に接続した状態にしておく必要がある。無停電電源装置１０の放電終止停止状態において、バッテリ５と直流中間回路４との接続が、例えば外部の回路遮断器９を誤って遮断操作するなどして切断されると、直流中間回路４への直流電力の供給がなくなるため、直流中間回路４の直流コンデンサ７が放電し、その電圧が次第に低下する。直流コンデンサ７が放電した後で、遮断器９が投入されて、バッテリ５が無停電電源装置１０に再接続されると、バッテリ５から直流コンデンサ７に充電突入電流が流れるので、バッテリ５の電流が過大となって、バッテリ５が損傷するという問題ある。

【0010】

この発明は、このような問題を解消するために、バッテリの電圧が放電終止電圧ＶＦ以下に低下して無停電電源装置が放電終止停止状態なった後に、バッテリの再接続が行われたとき、バッテリにコンデンサを充電するための突入電流が流れるのを防止することのできる無停電電源装置の保護方法および保護装置を提供することを課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

このような課題を解決するため、第１の発明は、交流電源から供給さる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して負荷へ供給するインバータと、前記コンバータと前記インバータとを接続する直流中間回路と、この直流中間回路に接続され直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記直流中間回路に接続されるバックアップ用のバッテリとを備え、前記交流電源が健全な状態ではこの交流電源から前記コンバータおよびインバータを介して負荷へ交流電力を供給し、前記交流電源が停電したときは、前記バッテリから前記インバータを介して負荷へ交流電力を供給するようにした無停電電源装置において、
前記交流電源の停電時に前記バッテリの電圧が放電終止電圧ＶＦ以下にとなって前記無停電電源装置全体が停止され放電終止停止状態にあるときに、前記バッテリと無停電電源装置との接続が切断されているときに、前記バッテリを直流中間回路から切り離すことを特徴とするものである。

【0012】

第１の発明において、さらに前記バッテリと無停電電源装置とが接続されているときには、前記バッテリ電圧が、バッテリの最小放電電圧以下に低下したときに、前記バッテリを直流中間回路から切り離すようにするのがよい。

【0013】

第２の発明は、交流電源から供給さる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して負荷へ供給するインバータと、前記コンバータと前記インバータとを接続する直流中間回路と、この直流中間回路に接続され直流電圧を平滑する直流コンデンサと、前記直流中間回路に接続されるバックアップ用のバッテリとを備え、前記交流電源が健全な状態ではこの交流電源から前記コンバータおよびインバータを介して負荷へ交流電力を供給し、前記交流電源が停電したときは、前記バッテリから前記インバータを介して負荷へ交流電力を供給するようにした無停電電源装置において、
前記無停電電源装置の直流中間回路と前記バッテリを接続する回路を開閉する保護スイッチと、前記交流電源が停電して前記バッテリから給電中に、バッテリ電圧がその放電終止電圧以下に低下したとき、前記無停電電源装置を放電終止停止状態にする手段と、無停電電源装置が放電終止停止状態にあるとき、前記バッテリと前記直流中間回路との接続状態を監視するバッテリ接続監視手段と、このバッテリ接続監視手段がバッテリの接続が切断されたことを検知したとき、前記保護スイッチに遮断信号を与える手段とを備えることを特徴とする。

【0014】

第２の発明において、さらに、前記バッテリ接続監視手段がバッテリ回路の接続を検知しているときに、前記バッテリの電圧が最小放電電圧に低下したことが検知されたとき前記保護スイッチに遮断信号を与える手段を備えるようにするのがよい。

【0015】

第２の発明において、前記保護スイッチは、前記無停電電源装置内に設けられた、外部からトリップが可能なシャントトリップ機能付きの手動操作形の回路遮断器とすることができる。

【発明の効果】

【0016】

この発明によれば、無停電電源装置の放電終止停止状態において、バッテリと無停電電源装置の接続が切断されたことが検知されると、バッテリと直流中間回路との接続を遮断してバッテリを無停電電源装置から切り離すようにしている。この状態で、外部の回路遮断器が投入操作されてバッテリが無停電電源装置に再接続されることがあっても、バッテリは直流中間回路からは切り離されているので、直流コンデンサに突入電流が流れることがなく、バッテリを再接続時の過電流から保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】この発明による無停電電源装置の実施例を示すブロック構成図。

【図2】この発明におけるバッテリ回路の保護スイッチの遮断処理工程を示すフロー図。

【図3】従来の無停電電源装置の構成を示すブロック構成図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

【0019】

図１は、この発明の実施例を示すブロック構成図である。

【0020】

図１における無停電電源装置１０は、図３に示す従来装置と同じく、商用交流電源等で構成された交流電源１、この交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ２、直流電力を交流電力に変換して負荷８に供給するインバータ３、コンバータ２とインバータ３とを接続してコンバータ２からインバータ３へ直流電力を供給する直流中間回路４、この直流中間回路４における直流電圧を平滑する直流コンデンサ７を備える。

【0021】

さらに、無停電電源装置１０の外部に設置された、交流電源１の停電をバックアップするためのバッテリ５が、外部回路遮断器９を介して直流中間回路４に接続される。回路遮断器９は、バッテリ５の直流中間回路４への接続を開閉するとともに、この回路に流れる電流が過大となると遮断してバッテリ５を過大電流から保護する機能を有する。

【0022】

この他に、この発明にしたがって無停電電源装置１０を制御する制御装置２０が設けられている。この制御装置２０は、無停電電源装置１０の全体の制御を行うシーケンス制御部２１、交流電源１の電圧を検出する交流電源電圧検出器２２、バッテリ５の電圧を検出するバッテリ電圧検出器２３、バッテリ回路の遮断器９の開閉動作状態を検出する遮断器動作検出部２４およびバッテリ５の放電の許される最小放電電圧を設定する最小放電電圧設定器２５で構成される。そして、バッテリ５と直流中間回路４とを接続する回路中には、シーケンス制御部２１からの指令によって接点を開放してバッテリ回路を遮断しバッテリ５を保護する、保護スイッチ６が設けられている。

【0023】

次に、このようなこの発明の無停電電源装置１０の動作を説明する。

【0024】

保護スイッチ６は、通常は接点が閉じられているので、バッテリ５は直流中間回路４に接続されている。

【0025】

交流電源１が健全で正常な電圧にある状態では、無停電電源装置１０は、従来装置と同様に、交流電源１から供給される交流電力をコンバータ２により直流電力に変換して直流中間回路４を介してインバータ３およびバッテリ５に供給する。この直流電力は、インバータ３で交流電力に変換されて負荷８へ供給されるとともに、バッテリ５に充電される。

【0026】

そして、交流電源１が停電し、その電圧が低下すると、シーケンス制御部２１が交流電源電圧検出器２２の出力からこれを検出し、停電の発生を検知する。シーケンス制御部２１は、交流電源１の停電を検知すると、直ちに、コンバータ２に動作停止指令Ｉ２を与えて、コンバータ２の動作を停止する。これにより直流中間回路４にはバッテリ５から直流電力が供給され、インバータ３がこの直流電力を交流電力に変換して負荷８へ供給するので、交流電源１が停電しても負荷８へは無停電で給電を継続することができる。

【0027】

このように交流電源１が停電して、バッテリ５からインバータ３を介して負荷８へ給電している状態になると、バッテリ５の充電電力が時間の経過とともに放電されるので、バッテリ５の電圧が次第に低下する。シーケンス制御部２１は、バッテリ電圧検出器２３を介してこのようなバッテリ５の電圧低下を監視している。

【0028】

バッテリ５の電圧が、バッテリの放電を終止する電圧として予め設定された放電終止電圧ＶＦに達すると、バッテリ５はこれ以上の負荷への給電に耐えられなくなるので、シーケンス制御部２１は、直ちにインバータ３に動作停止指令Ｉ３を与えて、インバータ３の動作を停止して装置全体の動作を停止する。これにより、負荷８への給電が停止される。

【0029】

この状態では、まだバッテリ５が、遮断器９および保護スイッチ６を介して無停電電源装置１０の直流中間回路４に接続されているので、この直流中間回路４のコンデンサ７にバッテリ５から電圧が加えられ、コンデンサ７の充電電圧はバッテリ５の電圧に保持される。

【0030】

しかし、バッテリ回路の遮断器９が誤って操作されるなどして遮断されると、バッテリ５が直流中間回路４から切断されることにより、コンデンサ７の充電電源がなくなるため、コンデンサ７は放電し、充電電圧が時間とともに低下し、終には、ゼロとなる。コンデンサ７の電荷が放電され、充電電圧がゼロまで低下した後で、無停電電源装置１０の自動再起動等のために、遮断器９を再投入すると、バッテリ５からコンデンサ７を充電するための過大な突入電流が流れ、この過大電流によりバッテリ５が損傷を受けることになる。

【0031】

この発明においては、バッテリ５をこのようなコンデンサへの過大な充電突入電流から保護するために、シーケンス制御部２１で、バッテリ電圧検出器２３を介してバッテリ電圧ＶＢを監視するとともに、ブレーカ動作検出部２４を介してブレーカ９の動作状態を監視し、図２に示す保護スイッチ６の遮断条件の判定処理を行う。

【0032】

シーケンス制御部２１は、バッテリ電圧検出器２３により検出したバッテリ電圧が放電終止電圧ＶＦ以下に低下したことを検出したとき、シーケンス制御部２１がコンバータ２およびインバータ３に動作停止指令Ｉ２、Ｉ３を与え、無停電電源装置１０を放電終止停止状態にする。そして、このとき、シーケンス制御部２１は、無停電電源装置１０が放電終止停止状態にあることを示すフラグを立て、これを記憶保持する。

【0033】

シーケンス制御部２１は、図２に示す保護スイッチ遮断判定処理が開始されると、まず、ステップＳ１で、シーケンス制御部２１の内部に保持された図示しない無停電電源装置１０が放電終止停止状態であることを示すフラグの内容を読み取り、無停電電源装置１０が放電終止停止状態であるかどうかを判定する。この結果、無停電電源装置１０が放電終止停止状態になければ、Ｎｏ分岐から判定処理を一旦終了して、またスッテプＳ１に戻る。

【0034】

ステップＳ１で、無停電電源装置１０が放電終止状態にあると判定された場合は、Ｙｅｓ分岐からステップＳ２のバッテリ５が直流中間回路４に接続されているか否かの判定処理へ進む。ステップＳ２では、遮断器動作態検出部２４の状態を読み取り、遮断器９の開閉状態を検知し、遮断（開成）状態であることが判定された場合は、バッテリ５と直流中間回路４との接続が遮断され、バッテリ５が、無停電電源装置１０から切り離された状態であるので、Ｎｏ分岐からステップＳ４へ進んで、保護スイッチ６を遮断する処理が行われる。

【0035】

ステップＳ４の保護スイッチ６の遮断処理では、シーケンス制御部２１から無停電電源装置１０内の保護スイッチ６に遮断指令Ｉ６を与えて保護スイッチ６を遮断する処理が行われる。保護スイッチ６は、このように遮断指令Ｉ６を受け取ると、接点を開成して、バッテリ５と直流中間回路４との接続回路を遮断する。これにより、バッテリ５と直流中間回路４との接続が遮断されると、無停電電源装置１０が放電終止停止状態に置かれている状態で、遮断されている遮断器９が誤って操作され再投入されたとしてもバッテリ５が直流中間回路４に再接続されることがないので、バッテリ５からコンデンサ７に充電突入電流が供給されることはない。したがってバッテリ５をコンデンサ７への過大な充電突入電流から保護することができる。このようなスッテプＳ４の処理が終わると判定処理が終了する。

【0036】

スッテプＳ２で、遮断器開閉状態検出部２４から読み取った結果により、遮断器９が投入（閉成）された状態にあり、バッテリ５が直流中間回路４に接続されていると判定された場合は、Ｙｅｓ分岐化からバッテリ電圧の判定処理を行うステップＳ３へ進む。

【0037】

スッテプＳ３のバッテリ電圧判定処理は、その都度、バッテリ電圧検出部２３から読み取ったバッテリ電圧ＶＢと制御装置２０に設けたバッテリ最小放電電圧設定器２５に設定されたバッテリの最小放電設定電圧Ｖｍｉｎと比較して、バッテリ電圧ＶＢが最小放電電圧Ｖｍｉｎ以下かどうかの判定処理を行う。

【0038】

バッテリ電圧ＶＢが最小放電設定電圧Ｖｍｉｎより大きい場合は、Ｎｏ分岐から処理終了となる。

【0039】

また、バッテリ電圧ＶＢが最小放電設定電圧Ｖｍｉｎ以下である場合は、分岐ＹｅｓからステップＳ４の保護スイッチ６の遮断処理へ進んで、保護スイッチ６を遮断する処理を行う。

【0040】

この結果、保護スイッチ６が遮断されることにより、遮断器９が投入（オン）されていてもバッテリ５と直流中間回路４との接続は遮断される。交流電源１が停電し、無停電電源装置１０が長時間放電終止停止状態に置かれると、無停電電源装置１０が動作していなくとも、バッテリ５の充電電力は、直流中間回路４を通し放電されるのでバッテリ電圧ＶＢは、放電終止電圧ＶＦからさらに次第に低下する。そして、バッテリ電圧ＶＢが、最小放電設定電圧Ｖｍｉｎ以下に低下するまでバッテリ５が放電されるとバッテリは過放電となり、バッテリの寿命を縮めることになるので、このようなバッテリ５の過放電は防止する必要がある。

【0041】

この発明によれば、前記のようにシーケンス制御部２１で、バッテリ５が投入状態にある遮断器９を通して無停電電源装置１０の直流中間回路に接続された状態で、バッテリ電圧ＶＢが最小放電電圧Ｖｍｉｎ以下に低下したとき、保護スイッチ６を遮断して、バッテリを無停電電源装置１０から切り離すようにしているので、バッテリ５のこれ以上の放電が防止され、バッテリ５の過放電による損耗を抑制することができ、バッテリの寿命を長く維持することができるようになる。

【0042】

なお、この発明において、無停電電源回路１０のバッテリ５と直流中間回路４と接続する回路を開閉する保護スイッチ６としては、一般には電磁リレーを使用すればよいが、これに代えて、予め無停電電源装置１０に備わった、外部からトリップが可能なシャントトリップ機能付きの手動操作形の回路遮断器を使用するようにしてもよい。この場合は、シーケンス制御部２１からの遮断指令Ｉ６をこのシャントトリップ機能付き回路遮断器にトリップ指令として与える。

【符号の説明】

【0043】

１０：無停電電源装置
１：交流電源
２：コンバータ
３：インバータ
４:直流中間回路
５：バッテリ
６：保護スイッチ
７：直流コンデンサ
８：負荷
２０：制御装置
２１：シーケンス制御部
２２：交流電源電圧検出器
２３：バッテリ電圧検出器
２４：遮断器動作検出部
２５：バッテリ最小放電電圧設定器

【図1】

【図2】

【図3】