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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023180982
(43)【公開日】2023-12-21
(54)【発明の名称】無停電電源装置
(51)【国際特許分類】
H02J 7/34 20060101AFI20231214BHJP
H02J 9/06 20060101ALI20231214BHJP
【ＦＩ】
H02J7/34 G
H02J9/06 120
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022094694
(22)【出願日】2022-06-10
(71)【出願人】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100118762
【弁理士】
【氏名又は名称】高村 順
(72)【発明者】
【氏名】丸山 晋一郎
(72)【発明者】
【氏名】杭谷 隆
【テーマコード（参考）】
5G015
5G503
【Ｆターム（参考）】
5G015GA02
5G503AA01
5G503AA07
5G503BA01
5G503BB01
5G503CA11
5G503DA05
5G503GB03
5G503GB06
(57)【要約】
【課題】負荷が発生した回生電力を可能な限り蓄電池に供給して、回生効率を高めることができる無停電電源装置を得ること。
【解決手段】無停電電源装置１００は、交流電源１の電力を直流電力に変換する第１の電力変換部２と、直流電力により充電されるコンデンサ３と、コンデンサ３の直流出力を交流電力に変換して負荷４に出力する第２の電力変換部５と、交流電源１の健全時には、コンデンサ３から蓄電部６に電荷を移動させ、交流電源１の異常時には、蓄電部６からコンデンサ３に電荷を移動させる第３の電力変換部７と、コンデンサ３の電圧であるコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出部８とを備える。第３の電力変換部７は、交流電源１の異常時において、コンデンサ電圧検出部８が検出するコンデンサ電圧が第１の値以上の場合には、コンデンサ３の電荷を蓄電部６に移動させる。
【選択図】図１
【解決手段】無停電電源装置１００は、交流電源１の電力を直流電力に変換する第１の電力変換部２と、直流電力により充電されるコンデンサ３と、コンデンサ３の直流出力を交流電力に変換して負荷４に出力する第２の電力変換部５と、交流電源１の健全時には、コンデンサ３から蓄電部６に電荷を移動させ、交流電源１の異常時には、蓄電部６からコンデンサ３に電荷を移動させる第３の電力変換部７と、コンデンサ３の電圧であるコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出部８とを備える。第３の電力変換部７は、交流電源１の異常時において、コンデンサ電圧検出部８が検出するコンデンサ電圧が第１の値以上の場合には、コンデンサ３の電荷を蓄電部６に移動させる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
蓄電部を備えた無停電電源装置であって、
交流電源の電力を直流電力に変換する第１の電力変換部と、
前記直流電力により充電されるコンデンサと、
前記コンデンサの直流出力を交流電力に変換して負荷に出力する第２の電力変換部と、
前記交流電源の健全時には、前記コンデンサから前記蓄電部に電荷を移動させ、前記交流電源の異常時には、前記蓄電部から前記コンデンサに電荷を移動させる第３の電力変換部と、
前記コンデンサの電圧であるコンデンサ電圧を検出する電圧検出部と、
を備え、
前記第３の電力変換部は、前記交流電源の異常時において、前記電圧検出部が検出する前記コンデンサ電圧が第１の値以上の場合には、前記コンデンサの電荷を前記蓄電部に移動させる
ことを特徴とする無停電電源装置。
交流電源の電力を直流電力に変換する第１の電力変換部と、
前記直流電力により充電されるコンデンサと、
前記コンデンサの直流出力を交流電力に変換して負荷に出力する第２の電力変換部と、
前記交流電源の健全時には、前記コンデンサから前記蓄電部に電荷を移動させ、前記交流電源の異常時には、前記蓄電部から前記コンデンサに電荷を移動させる第３の電力変換部と、
前記コンデンサの電圧であるコンデンサ電圧を検出する電圧検出部と、
を備え、
前記第３の電力変換部は、前記交流電源の異常時において、前記電圧検出部が検出する前記コンデンサ電圧が第１の値以上の場合には、前記コンデンサの電荷を前記蓄電部に移動させる
ことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項2】
前記第３の電力変換部は、前記交流電源の異常時において、前記電圧検出部が検出する前記コンデンサ電圧が前記第１の値より小さい第２の値未満となった場合には、前記蓄電部から前記コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
ことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【請求項3】
前記負荷からの回生電力の有無を検出する回生検出部と、
前記蓄電部の充電率を算出する充電率算出部と、
を備え、
前記第３の電力変換部は、前記交流電源が健全であり、且つ前記回生検出部が前記回生電力を検出せず、且つ前記充電率が第１の閾値以上である場合には、前記蓄電部から前記コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
前記蓄電部の充電率を算出する充電率算出部と、
を備え、
前記第３の電力変換部は、前記交流電源が健全であり、且つ前記回生検出部が前記回生電力を検出せず、且つ前記充電率が第１の閾値以上である場合には、前記蓄電部から前記コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【請求項4】
前記第３の電力変換部は、前記交流電源が健全であり、且つ前記回生検出部が前記回生電力を検出し、且つ前記充電率が１００％未満である場合には、前記コンデンサから前記蓄電部に電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項３に記載の無停電電源装置。
ことを特徴とする請求項３に記載の無停電電源装置。
【請求項5】
前記コンデンサは、正側コンデンサ及び負側コンデンサで構成され、
前記正側コンデンサと前記負側コンデンサとの間で電荷を移動させる第４の電力変換部を備えた
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の無停電電源装置。
前記正側コンデンサと前記負側コンデンサとの間で電荷を移動させる第４の電力変換部を備えた
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の無停電電源装置。
【請求項6】
前記第３の電力変換部は、
前記蓄電部と前記負側コンデンサとの間で電荷を移動させる動作を行う負極側昇降圧部を備えると共に、
前記交流電源の正常時には前記第１の電力変換部としても動作し、前記交流電源の異常時には前記蓄電部から前記正側コンデンサに電荷を移動させる動作を行うコンバータ部を備えた
ことを特徴とする請求項５に記載の無停電電源装置。
前記蓄電部と前記負側コンデンサとの間で電荷を移動させる動作を行う負極側昇降圧部を備えると共に、
前記交流電源の正常時には前記第１の電力変換部としても動作し、前記交流電源の異常時には前記蓄電部から前記正側コンデンサに電荷を移動させる動作を行うコンバータ部を備えた
ことを特徴とする請求項５に記載の無停電電源装置。
【請求項7】
前記交流電源が異常であり、且つ前記電圧検出部が検出する前記負側コンデンサの電圧が第１の値以上の場合、前記負極側昇降圧部は、前記負側コンデンサの電荷を前記蓄電部に移動させる
ことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
ことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
【請求項8】
前記交流電源が異常であり、且つ前記電圧検出部が検出する前記正側コンデンサの電圧が前記第１の値より小さい第２の値未満である場合、前記コンバータ部は、前記蓄電部から前記正側コンデンサに電荷を移動させ、
前記交流電源が異常であり、且つ前記電圧検出部が検出する前記負側コンデンサの電圧が前記第１の値より小さい第２の値未満である場合、前記負極側昇降圧部は、前記蓄電部から前記負側コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
前記交流電源が異常であり、且つ前記電圧検出部が検出する前記負側コンデンサの電圧が前記第１の値より小さい第２の値未満である場合、前記負極側昇降圧部は、前記蓄電部から前記負側コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
【請求項9】
前記負荷からの回生電力の有無を検出する回生検出部と、
前記蓄電部の充電率を算出する充電率算出部と、
を備え、
前記負極側昇降圧部は、前記交流電源が健全であり、且つ前記回生検出部が前記回生電力を検出せず、且つ前記充電率が第１の閾値以上である場合、前記蓄電部から前記負側コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
前記蓄電部の充電率を算出する充電率算出部と、
を備え、
前記負極側昇降圧部は、前記交流電源が健全であり、且つ前記回生検出部が前記回生電力を検出せず、且つ前記充電率が第１の閾値以上である場合、前記蓄電部から前記負側コンデンサに電荷を移動させる
ことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
【請求項10】
前記交流電源が健全であり、且つ前記回生検出部が前記回生電力を検出し、且つ前記充電率が１００％未満である場合、
前記負極側昇降圧部は、前記負側コンデンサから前記蓄電部に電荷を移動させ、前記第４の電力変換部は、前記正側コンデンサの電荷を前記負側コンデンサに移動させる
ことを特徴とする請求項９に記載の無停電電源装置。
前記負極側昇降圧部は、前記負側コンデンサから前記蓄電部に電荷を移動させ、前記第４の電力変換部は、前記正側コンデンサの電荷を前記負側コンデンサに移動させる
ことを特徴とする請求項９に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、交流電源からの電力を負荷に供給すると共に、交流電源の異常時には、蓄電部の電力を負荷へ供給する無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
無停電電源装置は、交流を直流に変換する整流器と、当該直流を再び交流に変換するインバータと、整流器とインバータとを結ぶ直流母線に接続される蓄電池とを備える。下記特許文献１に示される無停電電源装置は、直流母線に接続されるスイッチ及び抵抗器からなる直列回路、及び当該スイッチの開閉を制御する開閉指令器を更に備えている。この特許文献１では、直流母線に流入する電流、又は直流母線電圧が既定値以上になった際には、スイッチをオン状態に制御して、負荷が発生した回生電力を抵抗器で消費させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平５－６４３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記の特許文献１の技術では、負荷が発生した回生電力に起因する直流母線電流の増加、及び直流母線電圧の上昇を抑制して、蓄電池及び回路部品の劣化及び破損を防止することが可能である。しかしながら、特許文献１の無停電電源装置は、負荷が発生した回生電力の殆どを抵抗器にて消費させているので、回生電力を無駄にしており、回生効率が悪いという課題がある。
【0005】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、負荷が発生した回生電力を可能な限り蓄電池に供給して、回生効率を高めることができる無停電電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る無停電電源装置は、蓄電部を備えた無停電電源装置であって、交流電源の電力を直流電力に変換する第１の電力変換部と、直流電力により充電されるコンデンサと、コンデンサの直流出力を交流電力に変換して負荷に出力する第２の電力変換部とを備える。また、無停電電源装置は、交流電源の健全時には、コンデンサから蓄電部に電荷を移動させ、交流電源の異常時には、蓄電部からコンデンサに電荷を移動させる第３の電力変換部と、コンデンサの電圧であるコンデンサ電圧を検出する電圧検出部とを備える。第３の電力変換部は、交流電源の異常時において、電圧検出部が検出するコンデンサ電圧が第１の値以上の場合には、コンデンサの電荷を蓄電部に移動させる。
【発明の効果】
【0007】
本開示に係る無停電電源装置によれば、負荷が発生した回生電力を可能な限り蓄電池に供給できるので、回生効率を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係る無停電電源装置の全体構成を示すブロック図
【図7】実施の形態２に係る無停電電源装置の全体構成を示す回路図
【図8】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサに対する交流電源の健全時における充電動作の説明に供する第１の図
【図9】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサに対する交流電源の健全時における充電動作の説明に供する第２の図
【図10】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサに対する交流電源の健全時における充電動作の説明に供する第３の図
【図11】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサに対する交流電源の健全時における充電動作の説明に供する第４の図
【図12】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる蓄電部に対する交流電源の健全時における充電動作の説明に供する第１の図
【図13】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる蓄電部に対する交流電源の健全時における充電動作の説明に供する第２の図
【図14】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサに対する交流電源の異常時における充電動作の説明に供する第１の図
【図15】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサに対する交流電源の異常時における充電動作の説明に供する第２の図
【図16】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる負側コンデンサに対する交流電源の異常時における充電動作の説明に供する第１の図
【図17】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる負側コンデンサに対する交流電源の異常時における充電動作の説明に供する第２の図
【図18】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサのうちで負側コンデンサの電圧が高くなった場合の不平衡を解消するための動作説明に供する第１の図
【図19】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサのうちで負側コンデンサの電圧が高くなった場合の不平衡を解消するための動作説明に供する第２の図
【図20】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサのうちで正側コンデンサの電圧が高くなった場合の不平衡を解消するための動作説明に供する第１の図
【図21】実施の形態２に係る無停電電源装置に備えられる正側コンデンサ及び負側コンデンサのうちで正側コンデンサの電圧が高くなった場合の不平衡を解消するための動作説明に供する第２の図
【図22】実施の形態１における充放電制御部及び実施の形態２における制御回路の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図23】実施の形態１における充放電制御部及び実施の形態２における制御回路の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る無停電電源装置について詳細に説明する。なお、以下では、物理的な接続と電気的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。即ち、「接続」という文言は、構成要素同士が直接的に接続される場合と、構成要素同士が他の構成要素を介して間接的に接続される場合との双方を含んでいる。また、以下で使用する、電圧、電流、時間、比率等に関する数値は一例であり、これらの例示によって本開示の範囲が限定されるものではない。
【0010】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００の全体構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す無停電電源装置１００に備えられる第１の電力変換部２の構成を示すブロック図である。図３は、図１に示す無停電電源装置１００に備えられる第２の電力変換部５の構成を示すブロック図である。図４は、図１に示す無停電電源装置１００に備えられる第３の電力変換部７の構成を示すブロック図である。
図１は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００の全体構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す無停電電源装置１００に備えられる第１の電力変換部２の構成を示すブロック図である。図３は、図１に示す無停電電源装置１００に備えられる第２の電力変換部５の構成を示すブロック図である。図４は、図１に示す無停電電源装置１００に備えられる第３の電力変換部７の構成を示すブロック図である。
【0011】
無停電電源装置１００は、停電又は電圧低下などの交流電源１の異常時において、電力が供給される機器である負荷４に対し、一定時間電力を供給し続けることで、機器の動作を保証し、データを保護することなどを目的とする電源装置である。即ち、無停電電源装置１００は、交流電源１からの電力を負荷４に供給すると共に、交流電源１の異常時には、蓄電部６に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷４へ供給することができる。この機能を実現するため、実施の形態１に係る無停電電源装置１００は、図１に示すように、第１の電力変換部２と、コンデンサ３と、第２の電力変換部５と、蓄電部６と、第３の電力変換部７と、コンデンサ電圧検出部８と、設定部９と、出力電圧検出部１０と、電流検出部１１と、回生検出部１２とを備える。
【0012】
第１の電力変換部２は、交流電源１に接続され、交流電源１の電力を直流電力に変換する。コンデンサ３は、第１の電力変換部２が供給する直流電力により、既定値である例えば２００Ｖに充電される。第２の電力変換部５は、コンデンサ３に接続され、コンデンサ３の直流出力を交流電力に変換して負荷４に出力する。第２の電力変換部５によって、コンデンサ３から出力される例えば２００Ｖの直流電圧は、例えば１００Ｖの交流電圧に変換される。蓄電部６は、交流電源１の異常時において、負荷４に継続して交流電力を出力するため、第２の電力変換部５に電力を供給する。第３の電力変換部７は、蓄電部６に接続され、交流電源１が異常ではない交流電源１の健全時においては、交流電源１からの電力により蓄電部６に対する充電を行う。また、第３の電力変換部７は、交流電源１の異常時においては、蓄電部６の電力を放電させてコンデンサ３及び第２の電力変換部５に電力を供給する。
【0013】
コンデンサ電圧検出部８は、コンデンサ３の電圧であるコンデンサ電圧を検出し、その検出値を第３の電力変換部７に出力する。設定部９は、負荷４が回生を行うかどうかを設定し、その設定情報を第３の電力変換部７に出力する。出力電圧検出部１０は、第２の電力変換部５の出力電圧を検出し、その検出値を回生検出部１２に出力する。電流検出部１１は、第２の電力変換部５と負荷４との間を流れる電流を検出し、その検出値を回生検出部１２に出力する。回生検出部１２は、出力電圧検出部１０及び電流検出部１１の検出値に基づいて、負荷４が回生運転を行っているのか、力行運転を行っているのかを検出し、その運転情報を第３の電力変換部７に出力する。
【0014】
第１の電力変換部２は、図２に示すように、４つのダイオードを有するブリッジ整流回路２ａと、コイル、スイッチング素子及びダイオードを有する昇圧回路２ｂとを備える。ブリッジ整流回路２ａは、交流電源１の交流電力を直流電力に整流し、整流した直流電力を昇圧回路２ｂに出力する。昇圧回路２ｂは、直流電力の電圧を昇圧し、コンデンサ電圧を既定電圧に充電する。既定電圧の例は、上述したＤＣ（Direct Current）２００Ｖである。なお、コンデンサ電圧が予め定められた閾値電圧以上に上昇した場合、コンデンサ３に対する充電は行われない。
【0015】
第２の電力変換部５は、図３に示すように、ダイオードが逆並列に接続されて複数個の自己消弧型半導体スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを有する単相フルブリッジインバータ５ｆと、コイル及びコンデンサを有するフィルタ回路５ｅとを備える。自己消弧型半導体スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの一例は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。なお、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、バイポーラトランジスタなどの自己消弧型半導体スイッチング素子でもよい。また、単相フルブリッジインバータ５ｆが強制転流動作が可能な回路構成である場合、自己消弧機能を有さないサイリスタなどを用いてもよい。また、単相フルブリッジインバータ５ｆは、直流側のコンデンサを正側及び負側の２個用意することにより、ハーフブリッジインバータとしてもよい。
【0016】
第３の電力変換部７は、図４に示すように、リアクトル７ａと、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｂ，７ｃと、充放電制御部７ｄと、電圧センサ７ｅとを備えている。リアクトル７ａは、蓄電部６の正極側に接続される。自己消弧型半導体スイッチング素子７ｂは、リアクトル７ａの出力側、即ちリアクトル７ａに対し、蓄電部６が接続される反対側において、蓄電部６に対して並列に接続される。自己消弧型半導体スイッチング素子７ｃは、リアクトル７ａとコンデンサ３の正極側との間に接続される。自己消弧型半導体スイッチング素子７ｂ，７ｃの一例は、図示のＭＯＳＦＥＴであるが、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ、バイポーラトランジスタなどの自己消弧型半導体スイッチング素子でもよい。また、第３の電力変換部７が強制転流動作が可能な回路構成である場合、自己消弧機能を有さないサイリスタなどを用いてもよい。
【0017】
充放電制御部７ｄは、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｂをスイッチング制御して蓄電部６の電圧を昇圧制御すると共に、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｃをスイッチング制御してリアクトル７ａを介して蓄電部６を充電制御する。電圧センサ７ｅは、蓄電部６の両端に接続され、蓄電部６の電圧を計測し、計測した電圧信号を充放電制御部７ｄに出力する。また、充放電制御部７ｄには、コンデンサ電圧検出部８の出力信号と、設定部９の出力信号と、回生検出部１２の出力信号とが入力される。コンデンサ電圧検出部８の出力信号には、コンデンサ電圧の検出値に関する情報が含まれる。設定部９の出力信号には、負荷４が回生を行うかどうかを設定した設定情報が含まれる。回生検出部１２の出力信号は、前述した運転情報を含む信号であり、当該運転情報には、負荷４が回生運転を行っているのか、力行運転を行っているのかを示す情報が含まれる。
【0018】
次に、実施の形態１に係る無停電電源装置１００の動作について説明する。まず、交流電源１の健全時には、第１の電力変換部２は、印加された交流電源１の交流電圧をブリッジ整流回路２ａにより直流電圧に変換し、変換した直流電圧を昇圧回路２ｂにより昇圧してコンデンサ３を既定電圧であるＤＣ２００Ｖに充電する。なお、本稿において、交流電源１の健全時とは、交流電源１が出力する交流電圧が、負荷４の許容できる電圧範囲内にある場合とする。以下、負荷４の許容できる電圧範囲を「許容電圧範囲」と呼ぶ。無停電電源装置１００の定格電圧が、例えばＡＣ（Alternate Current）１００Ｖである場合、許容電圧範囲の例は、ＡＣ９０ＶからＡＣ１１０Ｖである。
【0019】
第２の電力変換部５は、コンデンサ３の直流電圧を既定の交流電圧に変換し、変換した交流電圧を負荷４に印加する。既定の交流電圧の例は、上述したＡＣ１００Ｖである。
【0020】
第３の電力変換部７は、蓄電部６に対し既定の定電流で充電する定電流充電機能を有している。既定の定電流の例は、１Ａである。電圧センサ７ｅは、蓄電部６の電圧を計測する。第３の電力変換部７は、電圧センサ７ｅの計測値を使用し、蓄電部６の電圧が既定の電圧に達すると、定電流充電から定電圧充電に切り替える。定電圧充電は、蓄電部６に一定の電圧を印加して充電する充電方式である。なお、第３の電力変換部７は、蓄電部６の電圧等を使用して行う周知の方法により、蓄電部６の充電率を算出する充電率算出部を有しているものとする。
【0021】
また、前述したように、設定部９は、負荷４が回生を行うかどうかを設定し、その設定情報を第３の電力変換部７に出力する。負荷４が回生を行う負荷である場合、以下でも述べるように、交流電源１が健全であっても、蓄電部６の充電率を１００％まで行わないようにする。一方、負荷４が回生を行わない負荷である場合、蓄電部６の充電を充電率１００％まで行うものとする。なお、設定部９を設けず、回生検出部１２の出力である運転情報、即ち負荷４が回生運転を行っているのか、力行運転を行っているのかの情報に基づいて、蓄電部６の充電率の上限値を定めてもよい。
【0022】
【0023】
まず、ステップＳ１０１において、充電率算出部は、蓄電部６の充電率を算出する。次のステップＳ１０２において、回生検出部１２は、負荷４からの回生電力を検出しているか否かを判定し、回生ありの場合には（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に進み、回生なしの場合には（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、ステップＳ１０３に進む。
【0024】
ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で算出した蓄電部６の充電率が第１の閾値以上であるか否かが判定される。第１の閾値は、例えば７０％に設定される。蓄電部６の充電率が第１の閾値以上の場合には（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、充電率が第１の閾値未満の場合には（ステップＳ１０３，Ｎｏ）、ステップＳ１０６に進む。
【0025】
ステップＳ１０５では、蓄電部６からコンデンサ３への放電が開始され、図５の処理フローを終了する。
【0026】
ステップＳ１０５は、負荷４からの回生がなく、且つ充電率が第１の閾値以上の状態である。このため、ステップＳ１０５では、蓄電部６の充電率を下げるために、蓄電部６の放電が行われる。これにより、負荷４からの回生があったときには、回生電力を蓄電部６に充電できる状態にすることができる。
【0027】
ステップＳ１０６では、充電率が第２の閾値未満であるか否かが判定される。第２の閾値は第１の閾値より小さい値であり、例えば５０％に設定される。充電率が第２の閾値未満の場合には（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に進み、充電率が第２の閾値以上の場合には（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。
【0028】
ステップＳ１０７は、負荷４からの回生がなく、且つ充電率が第２の閾値未満の状態である。即ち、ステップＳ１０７は、蓄電部６の充電率が十分低い状態であるので、蓄電部６の充電を開始して、図５の処理フローを終了する。
【0029】
ステップＳ１０８は、負荷４からの回生がなく、且つ充電率が第２の閾値以上の状態である。即ち、ステップＳ１０８は、回生があったときに回生電力を蓄電部６に充電できる状態なので、蓄電部６の充放電を停止して、図５の処理フローを終了する。
【0030】
ステップＳ１０４では、充電率が１００％未満であるか否かが判定される。充電率が１００％未満の場合には（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０９に進み、充電率が１００％の場合には（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１１０に進む。
【0031】
ステップＳ１０９は、負荷４からの回生があり、且つ充電率が１００％未満の状態である。即ち、ステップＳ１０９は、蓄電部６が満充電の状態ではないので、コンデンサ３から蓄電部６への充電が行われる。これにより、コンデンサ３の電荷が蓄電部６へ移動するので、負荷４からの回生電力をコンデンサ３が受け入れることができ、回生電力を有効に利用できる。
【0032】
ステップＳ１１０は、負荷４から回生があり、且つ充電率が１００％の状態である。即ち、ステップＳ１１０は、負荷４からの回生電力を、これ以上、蓄電部６へ充電できない状態であるので、充電を停止する。
【0033】
なお、以上説明した図５に示す処理フローは、既定時間ごとに実行されるものとする。既定時間は、例えば１０ｍ秒に設定される。
【0034】
実施の形態１に係る無停電電源装置１００は、図５に示す処理フローを実行しつつ、交流電源１の状態に応じた制御を実施する。具体的に、交流電源１の電圧が、例えば許容電圧範囲の下限値であるＡＣ９０Ｖ未満に低下した場合、無停電電源装置１００は、交流電源１が異常状態になったと判定する。この場合、無停電電源装置１００は、蓄電部６の電力を第３の電力変換部７を介してコンデンサ３に供給し、コンデンサ３が既定のＤＣ２００Ｖになるよう制御する。なお、無停電電源装置１００は、交流電源１の電圧が許容電圧範囲の上限値であるＡＣ１１０Ｖを超えた場合、或いはコンデンサ電圧が既定の下限値である例えば１６０Ｖ未満に低下した場合なども、交流電源１が異常状態であると判定する。
【0035】
また、第２の電力変換部５は、交流電源１の異常時において、負荷４に対し、ＡＣ１００Ｖの交流電圧の出力を継続する。本稿では、この動作を「バックアップ運転」と呼ぶ。バックアップ運転は、蓄電部６の電圧が既定の下限値である例えばＤＣ５０Ｖになるまで継続される。また、蓄電部６の電圧がＤＣ５０Ｖ未満に低下した場合、蓄電部６の蓄積エネルギーが枯渇したとして、負荷４への電力供給は停止される。
【0036】
次に、交流電源１の異常時のバックアップ運転中における第３の電力変換部７の詳細動作を図６を参照して説明する。図６は、図４に示す充放電制御部７ｄにおけるバックアップ運転時の動作説明に供するフローチャートである。
【0037】
まず、ステップＳ２０１では、コンデンサ電圧をコンデンサ電圧検出部８から取得する。次のステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で取得した電圧値が第１の値以上であるか否かが判定される。第１の値は設定値であり、例えばＤＣ２１５Ｖに設定される。当該電圧値が第１の値以上の場合には（ステップＳ２０２，Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３に進み、当該電圧値が第１の値未満の場合には（ステップＳ２０２，Ｎｏ）、ステップＳ２０４に進む。
【0038】
ステップＳ２０３は、バックアップ運転中ではあるものの、負荷４からの回生があり、且つコンデンサ電圧が第１の値以上となっている。従って、回生電力を有効利用するため、コンデンサ３から蓄電部６への充電が開始され、ステップＳ２０６に進む。なお、ステップＳ２０３の処理により、コンデンサ３の電荷が蓄電部６へ移動する。
【0039】
ステップＳ２０６では、蓄電部６の充電率が算出され、ステップＳ２０７に進む。
【0040】
ステップＳ２０７では、充電率が１００％未満であるか否かが判定される。充電率が１００％未満の場合には（ステップＳ２０７，Ｙｅｓ）、図６の処理フローを終了する。また、充電率が１００％未満ではない場合、即ち充電率が１００％の場合には（ステップＳ２０７，Ｎｏ）、ステップＳ２０８に進む。
【0041】
ステップＳ２０８は、バックアップ運転中において、負荷４から回生電力によりコンデンサ３の電圧が第１の値以上となったことで蓄電部６への充電を開始し、その後、充電が進行して蓄電部６の充電率が１００％となった状態である。このため、蓄電部６に対するこれ以上の充電は不可能なので、蓄電部６の充電を停止する。
【0042】
ステップＳ２０４では、ステップＳ２０１で取得した電圧値が第２の値未満であるか否かが判定される。第２の値は第１の値よりも小さい設定値であり、例えばＤＣ２００Ｖに設定される。当該電圧値が第２の値未満の場合には（ステップＳ２０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ２０５に進み、当該電圧値が第２の値以上の場合には（ステップＳ２０４，Ｎｏ）、図６の処理フローを終了する。
【0043】
ステップＳ２０５は、コンデンサ電圧が低下した状態である。このため、ステップＳ２０５では、蓄電部６からコンデンサ３への放電が開始される。これにより、蓄電部６の電荷がコンデンサ３へ移動する。
【0044】
なお、以上説明した図６に示す処理フローは、既定時間ごとに実行されるものとする。既定時間は、例えば１０ｍ秒に設定される。
【0045】
以上説明したように、実施の形態１に係る無停電電源装置によれば、第３の電力変換部は、交流電源の健全時には、コンデンサから蓄電部に電荷を移動させ、交流電源の異常時には、蓄電部からコンデンサに電荷を移動させるように動作する。一方、第３の電力変換部は、交流電源の異常時において、コンデンサ電圧検出部が検出するコンデンサ電圧が第１の値以上の場合には、コンデンサの電荷を蓄電部に移動させるように動作する。この動作により、コンデンサは、負荷からの回生があったときには、回生電力を受入可能な状態にすることができる。これにより、負荷の回生電力を有効に利用することができる。
【0046】
また、実施の形態１に係る無停電電源装置によれば、第３の電力変換部は、交流電源の異常時において、コンデンサ電圧検出部が検出するコンデンサ電圧が第１の値より小さい第２の値未満となった場合には、蓄電部からコンデンサに電荷を移動させるように動作する。これにより、負荷が回生運転から力行運転に変わっても、間断なく負荷への電力供給が継続できる。
【0047】
また、実施の形態１に係る無停電電源装置は、負荷からの回生電力の有無を検出する回生検出部と、蓄電部の充電率を算出する充電率算出部とを更に備えた構成とすることができる。この構成の無停電電源装置において、第３の電力変換部は、交流電源が健全であり、且つ回生検出部が回生電力を検出せず、且つ充電率が第１の閾値以上であるときには、蓄電部からコンデンサに電荷を移動させるように動作する。蓄電部からコンデンサに電荷を移動させることで、蓄電部の充電率を下げることができる。また、蓄電部の充電率を下げることで、負荷から回生があったときに、負荷の回生電力を蓄電部に充電できるようになる。これにより、負荷の回生電力を有効に利用することができる。
【0048】
また、実施の形態１に係る無停電電源装置によれば、第３の電力変換部は、交流電源が健全であり、且つ回生検出部が回生電力を検出し、且つ充電率が１００％未満である場合には、コンデンサから蓄電部に電荷を移動させるように動作する。これにより、負荷からの回生電力を受け入れる際の電力容量を大きくすることができる。
【0049】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１の全体構成を示す回路図である。実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００におけるコンデンサ３を正側コンデンサ２４ａと、負側コンデンサ２４ｂとで構成したものである。このように構成された実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、実施の形態１と同等の機能を有している。また、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１では、正側コンデンサ２４ａと負側コンデンサ２４ｂとの間で電荷を移動させる動作を行うため、バランス部２５が追加されている。
図７は、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１の全体構成を示す回路図である。実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００におけるコンデンサ３を正側コンデンサ２４ａと、負側コンデンサ２４ｂとで構成したものである。このように構成された実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、実施の形態１と同等の機能を有している。また、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１では、正側コンデンサ２４ａと負側コンデンサ２４ｂとの間で電荷を移動させる動作を行うため、バランス部２５が追加されている。
【0050】
図７において、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、第１及び第２の逆流防止用ダイオード２１，２２と、インバータ部２４と、前述したバランス部２５と、負極側昇降圧部２６と、コンバータ部２７とを備える。第１及び第２の逆流防止用ダイオード２１，２２、並びにコンバータ部２７は、実施の形態１における「第１の電力変換部２」に対応し、インバータ部２４は、実施の形態１における「第２の電力変換部５」に対応し、負極側昇降圧部２６及びコンバータ部２７は、実施の形態１における「第３の電力変換部７」に対応する。また、実施の形態２において、バランス部２５は、「第４の電力変換部」を構成する。
【0051】
実施の形態２に係る無停電電源装置１０１において、バランス部２５は、正側コンデンサ２４ａと負側コンデンサ２４ｂとの間で電荷を移動させる動作を行う。また、負極側昇降圧部２６は、交流電源１の健全時には、負側コンデンサ２４ｂから蓄電部６に電荷を移動させる動作を行う。一方、交流電源１の異常時には、蓄電部６から負側コンデンサ２４ｂに電荷を移動させる動作を行う。また、コンバータ部２７は、交流電源１の異常時には、蓄電部６から正側コンデンサ２４ａに電荷を移動させる動作を行う。
【0052】
次に、図７を参照して、各構成要素の配置、接続及び基本機能について説明する。なお、実施の形態１と同一又は同等の構成要素については、同一の符号を付して示し、重複する内容の説明は、適宜割愛する。
【0053】
無停電電源装置１０１は、交流電源１の一端と負荷４の一端を接続する共通線４１と、直流の正極側となる正極側電圧線４２と、直流の負極側となる負極側電圧線４３とを備える。第１及び第２の逆流防止用ダイオード２１，２２は同極性に直列接続され、この直列接続の接続点４４は、交流電源１の他端に接続される。第１の逆流防止用ダイオード２１のカソードは正極側電圧線４２に接続され、第１の逆流防止用ダイオード２１のアノードは接続点４４に接続される。また、第２の逆流防止用ダイオード２２のアノードは負極側電圧線４３に接続され、第２の逆流防止用ダイオード２２のカソードは接続点４４に接続される。蓄電部６は、負極側が共通線４１に接続される。
【0054】
交流電源１とコンバータ部２７との間には、コンデンサ２８と、リアクトル２９と、交流電源／バッテリ切替スイッチ３０と、バッテリ運転用スイッチ３１とが設けられている。コンデンサ２８は、交流電源１側に交流電源１と並列に接続される。リアクトル２９は、コンデンサ２８とコンバータ部２７との間に接続され、コンデンサ２８と共にフィルタを形成する。交流電源／バッテリ切替スイッチ３０は、コンデンサ２８とリアクトル２９との間に接続され、交流電源１と蓄電部６との入力を切り替える。交流電源／バッテリ切替スイッチ３０の接点ａは交流電源１に接続され、交流電源／バッテリ切替スイッチ３０の接点ｃはリアクトル２９に接続される。バッテリ運転用スイッチ３１は、交流電源／バッテリ切替スイッチ３０の接点ｂと蓄電部６の正極側との間に接続される。
【0055】
また、インバータ部２４と負荷４との間には、リアクトル３２と、コンデンサ３３とが設けられている。リアクトル３２はインバータ部２４の出力線４５に配置され、コンデンサ３３は、リアクトル３２の負荷４側において、負荷４と並列に接続され、リアクトル３２と共にフィルタを形成する。
【0056】
インバータ部２４は、前述した正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂに加え、インバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃと、インバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅと、インバータ部ダイオード２４ｄと、インバータ部ダイオード２４ｆとを備える。正側コンデンサ２４ａは、共通線４１と正極側電圧線４２との間に接続され、負側コンデンサ２４ｂは、共通線４１と負極側電圧線４３との間に接続される。インバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃは、コレクタが正極側電圧線４２に接続され、エミッタがリアクトル３２を介して出力線４５に接続される。インバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅは、コレクタがインバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃのエミッタに接続され、エミッタが負極側電圧線４３に接続される。インバータ部ダイオード２４ｄはインバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃに逆並列に接続され、インバータ部ダイオード２４ｆはインバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅに逆並列に接続される。
【0057】
バランス部２５は、バランス部第１の半導体スイッチ２５ａと、バランス部第１のダイオード２５ｂと、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃと、バランス部第２のダイオード２５ｄと、バランス部リアクトル２５ｅとを備える。バランス部第１の半導体スイッチ２５ａは、コレクタが正極側電圧線４２に接続され、エミッタがバランス部リアクトル２５ｅの一端に接続される。バランス部リアクトル２５ｅの他端は、共通線４１に接続される。バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃは、コレクタがバランス部第１の半導体スイッチ２５ａのエミッタに接続され、エミッタが負極側電圧線４３に接続される。バランス部第１のダイオード２５ｂはバランス部第１の半導体スイッチ２５ａに逆並列に接続され、バランス部第２のダイオード２５ｄはバランス部第２の半導体スイッチ２５ｃに逆並列に接続される。
【0058】
負極側昇降圧部２６は、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａと、負極側昇降圧部第１のダイオード２６ｂと、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃと、負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄと、負極側昇降圧部第２のダイオード２６ｅとを備える。負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａは、コレクタが蓄電部６の正極側に接続され、エミッタが負極側昇降圧部リアクトル２６ｃの一端に接続される。負極側昇降圧部リアクトル２６ｃの他端は、共通線４１に接続される。負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄは、コレクタが負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａのエミッタに接続され、エミッタが負極側電圧線４３に接続される。負極側昇降圧部第１のダイオード２６ｂは負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａに逆並列に接続され、負極側昇降圧部第２のダイオード２６ｅは負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄに逆並列に接続される。
【0059】
コンバータ部２７は、ダイオードブリッジ２７ａを構成するダイオード２７ａ１，２７ａ２，２７ａ３，２７ａ４と、このダイオードブリッジ２７ａと並列に接続されるコンバータ部半導体スイッチ２７ｂとを備える。
【0060】
更に、無停電電源装置１０１は、コンデンサ電圧検出部３４と、制御回路３５とを備える。コンデンサ電圧検出部３４は、正側コンデンサ２４ａの電圧及び負側コンデンサ２４ｂの電圧を検出する。制御回路３５は、交流電源／バッテリ切替スイッチ３０、バッテリ運転用スイッチ３１、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ、バランス部第１の半導体スイッチ２５ａ、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃ、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａ、及び負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄを制御する。また、図示は省略しているが、制御回路３５は、インバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃ及びインバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅも制御する。
【0061】
ここで、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１の基本動作について説明する。まず、無停電電源装置１０１において、正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂは、交流電源１の健全時には、交流電源１により充電され、交流電源１の異常時には、蓄電部６により及び充電される。また、交流電源１の健全時及び異常時において、インバータ部２４は、正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂを直流電源として、当該直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を負荷４に供給する。負極側昇降圧部２６は、交流電源１の健全時には、負側コンデンサ２４ｂから蓄電部６に電荷を移動させ、交流電源１の異常時には、蓄電部６から負側コンデンサ２４ｂに電荷を移動させる。また、コンバータ部２７は、交流電源１の異常時には、蓄電部６から正側コンデンサ２４ａに電荷を移動させる。
【0062】
次に、交流電源１の健全時における正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂに対する充電動作について、図８から図１１を参照して説明する。図８から図１１は、それぞれ実施の形態２に係る無停電電源装置１０１に備えられる正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂに対する交流電源１の健全時における充電動作の説明に供する第１から第４の図である。なお、図７において、交流電源１の一端側の電位が交流電源１の他端側の電位よりも高いときを「交流電源１の電圧が正」と呼び、これとは逆に、交流電源１の一端側の電位が交流電源１の他端側の電位よりも低いときを「交流電源１の電圧が負」と呼ぶ。
【0063】
まず、交流電源１の健全時において、交流電源／バッテリ切替スイッチ３０の接点は、接点ａに切り替えられている。そして、交流電源１の電圧が正の場合、図８に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂがオンに制御される。このとき、交流電源１→交流電源／バッテリ切替スイッチ３０→リアクトル２９→ダイオード２７ａ１→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオード２７ａ４→交流電源１というルートで電流が流れ、リアクトル２９にエネルギーが蓄積される。続いて、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂがオフに制御される。このとき、図９に示すように、リアクトル２９→第１の逆流防止用ダイオード２１→正側コンデンサ２４ａ→交流電源１→交流電源／バッテリ切替スイッチ３０→リアクトル２９というルートで電流が流れ、リアクトル２９に蓄積されたエネルギーによって正側コンデンサ２４ａが充電される。なお、負荷４からの回生電力により、正側コンデンサ２４ａの電圧が既定値に達し、もしくは既定値を超えた場合、コンバータ部２７による充電は停止、もしくは実施されない。
【0064】
また、交流電源１の電圧が負の場合、図１０に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂがオンに制御される。このとき、交流電源１→ダイオード２７ａ２→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオード２７ａ３→リアクトル２９→交流電源／バッテリ切替スイッチ３０→交流電源１というルートで電流が流れ、リアクトル２９にエネルギーが蓄積される。続いて、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂがオフに制御される。このとき、図１１に示すように、リアクトル２９→交流電源／バッテリ切替スイッチ３０→交流電源１→負側コンデンサ２４ｂ→第２の逆流防止用ダイオード２２→リアクトル２９というルートで電流が流れ、リアクトル２９に蓄積されたエネルギーによって負側コンデンサ２４ｂが充電される。なお、負荷４からの回生電力により、負側コンデンサ２４ｂの電圧が既定値に達し、もしくは既定値を超えた場合、コンバータ部２７による充電は停止、もしくは実施されない。
【0065】
次に、交流電源１の健全時における蓄電部６に対する充電動作について、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２及び図１３は、それぞれ実施の形態２に係る無停電電源装置１０１に備えられる蓄電部６に対する交流電源１の健全時における充電動作の説明に供する第１及び第２の図である。
【0066】
まず、図１２に示すように、負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄがオンに制御される。このとき、負側コンデンサ２４ｂ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄ→負側コンデンサ２４ｂというルートで電流が流れ、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃにエネルギーが蓄積される。続いて、負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄがオフに制御される。このとき、図１３に示すように、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→負極側昇降圧部第１のダイオード２６ｂ→蓄電部６→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃというルートで電流が流れ、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃに蓄積されたエネルギーによって蓄電部６が充電される。
【0067】
次に、交流電源１の異常時における正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂに対する充電動作について、図１４から図１７を参照して説明する。図１４及び図１５は、それぞれ実施の形態２に係る無停電電源装置１０１に備えられる正側コンデンサ２４ａに対する交流電源１の異常時における充電動作の説明に供する第１及び第２の図である。また、図１６及び図１７は、それぞれ実施の形態２に係る無停電電源装置１０１に備えられる負側コンデンサ２４ｂに対する交流電源１の異常時における充電動作の説明に供する第１及び第２の図である。
【0068】
まず、交流電源１の異常時においては、図１４に示すように、交流電源／バッテリ切替スイッチ３０の接点は接点ｂに切り替えられ、バッテリ運転用スイッチ３１は短絡されている。そして、正側コンデンサ２４ａを充電する場合には、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂはオンに制御される。このとき、図１４に示すように、蓄電部６→バッテリ運転用スイッチ３１→交流電源／バッテリ切替スイッチ３０→リアクトル２９→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ１→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオード２７ａ４→蓄電部６というルートで電流が流れ、リアクトル２９にエネルギーが蓄積される。続いて、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂがオフに制御される。このとき、図１５に示すように、リアクトル２９→第１の逆流防止用ダイオード２１→正側コンデンサ２４ａ→蓄電部６→バッテリ運転用スイッチ３１→交流電源／バッテリ切替スイッチ３０→リアクトル２９というルートで電流が流れ、リアクトル２９に蓄積されたエネルギーによって正側コンデンサ２４ａが充電される。
【0069】
また、負側コンデンサ２４ｂを充電する場合には、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａがオンに制御される。このとき、図１６に示すように、蓄電部６→負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→蓄電部６というルートで電流が流れ、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃにエネルギーが蓄積される。続いて、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａがオフに制御される。このとき、図１７に示すように、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→負側コンデンサ２４ｂ→負極側昇降圧部第２のダイオード２６ｅ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃというルートで電流が流れ、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃに蓄積されたエネルギーによって負側コンデンサ２４ｂが充電される。
【0070】
なお、負荷４に交流電力を供給する際に、負荷４の不平衡などにより、正側コンデンサ２４ａの電圧と負側コンデンサ２４ｂの電圧とが不平衡になることがある。このような不平衡が生じた場合の動作について、図１８から図２１を参照して説明する。図１８及び図１９は、それぞれ実施の形態２に係る無停電電源装置１０１に備えられる正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂのうちで負側コンデンサ２４ｂの電圧が高くなった場合の不平衡を解消するための動作説明に供する第１及び第２の図である。また、図２０及び図２１は、それぞれ実施の形態２に係る無停電電源装置１０１に備えられる正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂのうちで正側コンデンサ２４ａの電圧が高くなった場合の不平衡を解消するための動作説明に供する第１及び第２の図である。
【0071】
まず、負側コンデンサ２４ｂの電圧が高くなった場合には、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃがオンに制御される。このとき、図１８に示すように、負側コンデンサ２４ｂ→バランス部リアクトル２５ｅ→バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃ→負側コンデンサ２４ｂというルートで電流が流れ、バランス部リアクトル２５ｅにエネルギーが蓄積される。続いて、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃがオフに制御される。このとき、図１９に示すように、バランス部リアクトル２５ｅ→バランス部第１のダイオード２５ｂ→正側コンデンサ２４ａ→バランス部リアクトル２５ｅというルートで電流が流れ、バランス部リアクトル２５ｅに蓄積されたエネルギーによって正側コンデンサ２４ａが充電される。この制御により、負側コンデンサ２４ｂの電荷が正側コンデンサ２４ａに移動するので、正側コンデンサ２４ａと負側コンデンサ２４ｂとの間の不平衡が解消される。
【0072】
また、正側コンデンサ２４ａの電圧が高くなった場合には、バランス部第１の半導体スイッチ２５ａがオンに制御される。このとき、図２０に示すように、正側コンデンサ２４ａ→バランス部第１の半導体スイッチ２５ａ→バランス部リアクトル２５ｅ→正側コンデンサ２４ａというルートで電流が流れ、バランス部リアクトル２５ｅにエネルギーが蓄積される。続いて、バランス部第１の半導体スイッチ２５ａがオフに制御される。このとき、図２１に示すように、バランス部リアクトル２５ｅ→負側コンデンサ２４ｂ→バランス部第２のダイオード２５ｄ→バランス部リアクトル２５ｅというルートで電流が流れ、バランス部リアクトル２５ｅに蓄積されたエネルギーによって負側コンデンサ２４ｂが充電される。この制御により、正側コンデンサ２４ａの電荷が負側コンデンサ２４ｂに移動するので、正側コンデンサ２４ａと負側コンデンサ２４ｂとの間の不平衡が解消される。
【0073】
また、実施の形態１と同様に、制御回路３５は、蓄電部６の電圧等を使用して行う周知の方法により、蓄電部６の充電率を算出する充電率算出部を有している。また、実施の形態１と同様に、負荷４が回生を行うかどうかは、設定部９で設定される。負荷４が回生を行う負荷である場合には、交流電源１が健全であっても、充電率が１００％までの充電は行われない。一方、負荷４が回生を行わない負荷である場合には、充電率が１００％までの充電が行われる。また、実施の形態１と同様に、設定部９を設けずに、回生検出部１２の出力である運転情報、即ち負荷４が回生運転を行っているのか、力行運転を行っているのかの情報に基づいて、蓄電部６の充電率の上限値を定めてもよい。
【0074】
次に、交流電源１が健全であるときの、バランス部２５、負極側昇降圧部２６及びコンバータ部２７の詳細動作について説明する。なお、これらの構成部における健全時の動作も、実施の形態１の説明で参照した図５のフローチャートに従う動作となる。以下、図５を参照して説明する。
【0075】
まず、ステップＳ１０１において、制御回路３５の充電率算出部は、蓄電部６の充電率を算出する。次のステップＳ１０２において、回生検出部１２は、負荷４からの回生電力を検出しているか否かを判定し、回生ありの場合には（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に進み、回生なしの場合には（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、ステップＳ１０３に進む。
【0076】
ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で算出した蓄電部６の充電率が第１の閾値以上であるか否かが判定される。第１の閾値は、例えば７０％に設定される。蓄電部６の充電率が第１の閾値以上の場合には（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、充電率が第１の閾値未満の場合には（ステップＳ１０３，Ｎｏ）、ステップＳ１０６に進む。
【0077】
ステップＳ１０５では、蓄電部６から負側コンデンサ２４ｂへの放電が開始され、図５の処理フローを終了する。
【0078】
ステップＳ１０５は、負荷４からの回生がなく、且つ充電率が第１の閾値以上の状態である。このため、ステップＳ１０５では、蓄電部６の充電率を下げるために、蓄電部６の放電が行われる。これにより、負荷４からの回生があったときには、回生電力を蓄電部６に充電できる状態にすることができる。
【0079】
ステップＳ１０６では、充電率が第２の閾値未満であるか否かが判定される。第２の閾値は第１の閾値より小さい値であり、例えば５０％に設定される。充電率が第２の閾値未満の場合には（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に進み、充電率が第２の閾値以上の場合には（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。
【0080】
ステップＳ１０７は、負荷４からの回生がなく、且つ充電率が第２の閾値未満の状態である。即ち、ステップＳ１０７は、蓄電部６の充電率が十分低い状態であるので、蓄電部６の充電を開始して、図５の処理フローを終了する。具体的には、図１２及び図１３に示すように、負極側昇降圧部２６を動作させ、蓄電部６の充電を開始して、負側コンデンサ２４ｂから蓄電部６に電荷を移動させる。
【0081】
ステップＳ１０８は、負荷４からの回生がなく、且つ充電率が第２の閾値以上の状態である。即ち、ステップＳ１０８は、回生があったときに回生電力を蓄電部６に充電できる状態なので、蓄電部６の充放電を停止して、図５の処理フローを終了する。
【0082】
ステップＳ１０４では、充電率が１００％未満であるか否かが判定される。充電率が１００％未満の場合には（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０９に進み、充電率が１００％の場合には（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１１０に進む。
【0083】
ステップＳ１０９は、負荷４からの回生があり、且つ充電率が１００％未満の状態である。即ち、ステップＳ１０９は、蓄電部６が満充電の状態ではないので、負側コンデンサ２４ｂから蓄電部６への充電が行われる。具体的には、図１２及び図１３に示すように、負極側昇降圧部２６を動作させ、蓄電部６の充電を開始して、負側コンデンサ２４ｂから蓄電部６に電荷を移動させる。これにより、負荷４からの回生電力を負側コンデンサ２４ｂが受け入れることができるので、回生電力を有効に利用できる。
【0084】
ステップＳ１１０は、負荷４から回生があり、且つ充電率が１００％の状態である。即ち、ステップＳ１１０は、負荷４からの回生電力を、これ以上蓄電部６へ充電できない状態であるので、充電を停止する。
【0085】
なお、以上説明した図５に示す処理フローは、既定時間ごとに実行されるものとする。既定時間は、例えば１０ｍ秒に設定される。
【0086】
また、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、図５に示す処理フローを実行しつつ、交流電源１の状態に応じた制御を実施する。具体的に、交流電源１の電圧が、例えば許容電圧範囲の下限値であるＡＣ９０Ｖ未満に低下した場合、無停電電源装置１０１は、交流電源１が異常状態になったと判定する。この場合、無停電電源装置１０１は、蓄電部６の電力を負極側昇降圧部２６又はコンバータ部２７を介して正側コンデンサ２４ａ又は負側コンデンサ２４ｂに供給し、コンデンサ電圧が既定のＤＣ２００Ｖになるよう制御する。なお、無停電電源装置１０１は、交流電源１の電圧が許容電圧範囲の上限値であるＡＣ１１０Ｖを超えた場合、或いはコンデンサ電圧が既定の下限値である例えば１６０Ｖ未満に低下した場合なども、交流電源１が異常状態であると判定する。
【0087】
また、実施の形態２に係る無停電電源装置１０１は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００と同様に、交流電源１の異常時においても、負荷４に対し、ＡＣ１００Ｖの交流電圧の出力を継続するバックアップ運転を行う。バックアップ運転は、蓄電部６の電圧が既定の下限値である例えばＤＣ５０Ｖになるまでを継続され、蓄電部６の電圧がＤＣ５０Ｖ未満に低下した場合、蓄電部６の蓄積エネルギーが枯渇したとして、負荷４への電力供給は停止される。
【0088】
次に、交流電源１が異常時のバックアップ運転中におけるバランス部２５、負極側昇降圧部２６及びコンバータ部２７の詳細動作について説明する。なお、これらの構成部におけるバックアップ運転中の動作も、実施の形態１の説明で参照した図６のフローチャートに従う動作となる。以下、図６を参照して説明する。
【0089】
まず、ステップＳ２０１では、正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂの電圧をコンデンサ電圧検出部８から取得する。次のステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で取得した電圧値が第１の値以上であるか否かが判定される。第１の値は設定値であり、例えばＤＣ２１５Ｖに設定される。当該電圧値が第１の値以上の場合には（ステップＳ２０２，Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３に進み、当該電圧値が第１の値未満の場合には（ステップＳ２０２，Ｎｏ）、ステップＳ２０４に進む。
【0090】
ステップＳ２０３は、バックアップ運転中ではあるものの、負荷４からの回生があり、且つ正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂの電圧のうちの少なくとも１つが第１の値以上となっている。従って、回生電力を有効利用するため、蓄電部６への充電が開始される。具体的には、図１２及び図１３に示すように、負極側昇降圧部２６を動作させ、蓄電部６の充電を開始して、負側コンデンサ２４ｂから蓄電部６に電荷を移動させる。或いは、図１８及び図１９に示すように、バランス部２５を動作させ、負側コンデンサ２４ｂから正側コンデンサ２４ａに電荷を移動させる。ステップＳ２０３の処理の後、ステップＳ２０６に進む。
【0091】
ステップＳ２０６では、蓄電部６の充電率が算出され、ステップＳ２０７に進む。
【0092】
ステップＳ２０７では、充電率が１００％未満であるか否かが判定される。充電率が１００％未満の場合には（ステップＳ２０７，Ｙｅｓ）、図６の処理フローを終了する。また、充電率が１００％の場合には（ステップＳ２０７，Ｎｏ）、ステップＳ２０８に進む。
【0093】
ステップＳ２０８は、バックアップ運転中において、負荷４から回生電力によりコンデンサ電圧が第１の値以上となったことで蓄電部６への充電を開始し、その後、充電が進行して蓄電部６の充電率が１００％となった状態である。このため、蓄電部６に対するこれ以上の充電は不可能なので、蓄電部６の充電を停止する。
【0094】
ステップＳ２０４では、ステップＳ２０１で取得した電圧値が第２の値未満であるか否かが判定される。第２の値は第１の値よりも小さい設定値であり、例えばＤＣ２００Ｖに設定される。当該電圧値が第２の値未満の場合には（ステップＳ２０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ２０５に進み、当該電圧値が第２の値以上の場合には（ステップＳ２０４，Ｎｏ）、図６の処理フローを終了する。
【0095】
ステップＳ２０５は、正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂの電圧のうちの少なくとも１つの電圧が低下した状態である。このため、ステップＳ２０５では、正側コンデンサ２４ａ及び負側コンデンサ２４ｂのうちの何れかに電荷を移動させる。具体的には、図１４及び図１５に示すように、コンバータ部２７を動作させ、蓄電部６から正側コンデンサ２４ａに電荷を移動させる。或いは、図１６及び図１７に示すように、負極側昇降圧部２６を動作させ、蓄電部６から負側コンデンサ２４ｂに電荷を移動させる。
【0096】
なお、以上説明した図６に示す処理フローは、既定時間ごとに実行されるものとする。既定時間は、例えば１０ｍ秒に設定される。
【0097】
なお、上記の説明では、正側コンデンサ２４ａの電圧と負側コンデンサ２４ｂの電圧とを区別せず、負極側昇降圧部２６又はコンバータ部２７を動作させたが、正側コンデンサ２４ａの電圧と負側コンデンサ２４ｂの電圧とを区別して、負極側昇降圧部２６又はコンバータ部２７を動作させてもよい。例えば、正側コンデンサ２４ａの電圧が第２の値未満の場合には、図１４及び図１５に示すように、コンバータ部２７を動作させて蓄電部６を放電させ、蓄電部６から正側コンデンサ２４ａに電荷を移動させればよい。また、例えば、負側コンデンサ２４ｂの電圧が第２の値未満の場合には、図１６及び図１７に示すように、負極側昇降圧部２６を動作させて蓄電部６を放電させ、蓄電部６から負側コンデンサ２４ｂに電荷を移動させればよい。
【0098】
以上説明したように、実施の形態２に係る無停電電源装置によれば、第３の電力変換部は、蓄電部と負側コンデンサとの間で電荷を移動させる動作を行う負極側昇降圧部を備える。負極側昇降圧部は、交流電源が異常であり、且つコンデンサ電圧検出部が検出する負側コンデンサの電圧が第１の値以上の場合、負極側昇降圧部は、負側コンデンサの電荷を蓄電部に移動させるように動作する。この動作により、コンデンサは、負荷からの回生があったときには、回生電力を受入可能な状態にすることができる。これにより、負荷の回生電力を有効に利用することができる。
【0099】
また、実施の形態２に係る無停電電源装置は、交流電源の正常時には第１の電力変換部としても動作し、交流電源の異常時には蓄電部から正側コンデンサに電荷を移動させる動作を行うコンバータ部を備える。このコンバータ部は、交流電源が異常であり、且つコンデンサ電圧検出部が検出する正側コンデンサの電圧が第１の値より小さい第２の値未満である場合には、蓄電部から正側コンデンサに電荷を移動させるように動作する。また、負極側昇降圧部は、交流電源が異常であり、且つコンデンサ電圧検出部が検出する負側コンデンサの電圧が第１の値より小さい第２の値未満である場合には、蓄電部から負側コンデンサに電荷を移動させるように動作する。これにより、負荷が回生運転から力行運転に変わっても、間断なく負荷への電力供給が継続できる。
【0100】
また、実施の形態２に係る無停電電源装置は、負荷からの回生電力の有無を検出する回生検出部と、蓄電部の充電率を算出する充電率算出部とを更に備えた構成とすることができる。この構成の無停電電源装置において、負極側昇降圧部は、交流電源が健全であり、且つ回生検出部が回生電力を検出せず、且つ充電率が第１の閾値以上である場合、蓄電部から負側コンデンサに電荷を移動させるように動作する。蓄電部からコンデンサに電荷を移動させることで、蓄電部の充電率を下げることができる。また、蓄電部の充電率を下げることで、負荷から回生があったときに、負荷の回生電力を蓄電部に充電できるようになる。これにより、負荷の回生電力を有効に利用することができる。
【0101】
また、実施の形態２に係る無停電電源装置によれば、交流電源が健全であり、且つ回生検出部が回生電力を検出し、且つ充電率が１００％未満である場合、負極側昇降圧部は、負側コンデンサから蓄電部に電荷を移動させ、第４の電力変換部は、正側コンデンサの電荷を負側コンデンサに移動させるように動作する。これにより、負荷からの回生電力を受け入れる際の電力容量を大きくすることができる。
【0102】
最後に、上述した充放電制御部７ｄ及び制御回路３５の機能を実現するためのハードウェア構成について、図２２及び図２３を参照して説明する。図２２は、実施の形態１における充放電制御部７ｄ及び実施の形態２における制御回路３５の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図２３は、実施の形態１における充放電制御部７ｄ及び実施の形態２における制御回路３５の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
【0103】
実施の形態１における充放電制御部７ｄ及び実施の形態２における制御回路３５の機能の一部又は全部を実現する場合には、図２２に示すように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。
【0104】
プロセッサ３００は、演算手段の一例である。プロセッサ３００は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）と称される演算手段であってもよい。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically EPROM）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）を例示することができる。
【0105】
メモリ３０２には、実施の形態１における充放電制御部７ｄ及び実施の形態２における制御回路３５の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行し、メモリ３０２に格納されたテーブルをプロセッサ３００が参照することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ３００による演算結果は、メモリ３０２に記憶することができる。
【0106】
また、実施の形態１における充放電制御部７ｄ及び実施の形態２における制御回路３５の機能の一部を実現する場合には、図２３に示す処理回路３０３を用いることもできる。処理回路３０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路３０３に入力する情報、及び処理回路３０３から出力する情報は、インタフェース３０４を介して入手することができる。
【0107】
なお、充放電制御部７ｄ及び制御回路３５における一部の処理を処理回路３０３で実施し、処理回路３０３で実施しない処理をプロセッサ３００及びメモリ３０２で実施してもよい。
【0108】
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【0109】
１ 交流電源、２ 第１の電力変換部、２ａ ブリッジ整流回路、２ｂ 昇圧回路、３，２８，３３ コンデンサ、４ 負荷、５ 第２の電力変換部、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，７ｂ，７ｃ 自己消弧型半導体スイッチング素子、５ｅ フィルタ回路、５ｆ 単相フルブリッジインバータ、６ 蓄電部、７ 第３の電力変換部、７ａ，２９，３２ リアクトル、７ｄ 充放電制御部、７ｅ 電圧センサ、８，３４ コンデンサ電圧検出部、９ 設定部、１０ 出力電圧検出部、１１ 電流検出部、１２ 回生検出部、２１ 第１の逆流防止用ダイオード、２２ 第２の逆流防止用ダイオード、２４ インバータ部、２４ａ 正側コンデンサ、２４ｂ 負側コンデンサ、２４ｃ インバータ部第１の半導体スイッチ、２４ｄ，２４ｆ インバータ部ダイオード、２４ｅ インバータ部第２の半導体スイッチ、２５ バランス部、２５ａ バランス部第１の半導体スイッチ、２５ｂ バランス部第１のダイオード、２５ｃ バランス部第２の半導体スイッチ、２５ｄ バランス部第２のダイオード、２５ｅ バランス部リアクトル、２６ 負極側昇降圧部、２６ａ 負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ、２６ｂ 負極側昇降圧部第１のダイオード、２６ｃ 負極側昇降圧部リアクトル、２６ｄ 負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ、２６ｅ 負極側昇降圧部第２のダイオード、２７ コンバータ部、２７ａ ダイオードブリッジ、２７ａ１，２７ａ２，２７ａ３，２７ａ４ ダイオード、２７ｂ コンバータ部半導体スイッチ、３０ 交流電源／バッテリ切替スイッチ、３１ バッテリ運転用スイッチ、３５ 制御回路、４１ 共通線、４２ 正極側電圧線、４３ 負極側電圧線、４４ 接続点、４５ 出力線、１００，１０１ 無停電電源装置、３００ プロセッサ、３０２ メモリ、３０３ 処理回路、３０４ インタフェース、ａ，ｂ，ｃ 接点。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】