特許 7703799 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(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-27

(45)【発行日】2025-07-07

(54)【発明の名称】無停電電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20250630BHJP

【ＦＩ】

H02J9/06 120

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2024571000

(86)(22)【出願日】2024-09-13

(86)【国際出願番号】 JP2024032951

【審査請求日】2024-12-02

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】今西 亮五

(72)【発明者】

【氏名】山本 融真

(72)【発明者】

【氏名】木下 雅博

(72)【発明者】

【氏名】長野 弘孝

【審査官】及川 尚人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０６０８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３９５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６９４７９４４（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２７０７４４（ＵＳ，Ａ１）

(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】

交流電源からの交流電力を直流電力に変換して直流ラインに供給するコンバータと、
前記直流ラインに接続されたコンデンサと、
前記直流ラインと電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する双方向チョッパと、
前記直流ラインから受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
前記直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるように前記コンバータおよび前記双方向チョッパを制御する制御装置と、
前記交流電源と前記直流ラインとの間に、前記コンバータと並列に接続されるアシスト回路とを備え、
前記直流ラインの直流電圧が前記第１の参照電圧よりも低くかつ閾値電圧よりも高い場合には、前記アシスト回路は非活性化されており、
前記直流ラインの前記直流電圧が前記閾値電圧よりも低下した場合には、前記アシスト回路は活性化され、前記交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換して前記直流ラインに出力する、無停電電源装置。

【請求項2】

前記アシスト回路は、
前記交流電源に接続される一次巻線と、二次巻線とを有し、前記交流電源から前記一次巻線に印加される一次電圧を変圧比で二次電圧に変換する変圧器と、
前記変圧器の前記二次巻線と前記直流ラインとの間に接続され、前記二次巻線の前記二次電圧を全波整流して前記直流ラインに出力するダイオード整流器とを含み、
前記変圧器の前記変圧比は、前記二次電圧の振幅が前記閾値電圧以上となるように設定される、請求項１に記載の無停電電源装置。

【請求項3】

前記交流電源の健全時には、前記制御装置は、
前記コンバータの入力電圧と入力電流との位相が一致し、かつ前記直流ラインの前記直流電圧が前記第１の参照電圧になるように前記コンバータを制御し、かつ、前記電力貯蔵装置の端子間電圧が第２の参照電圧になるように前記双方向チョッパを制御する一方で、
前記直流ラインの前記直流電圧が下限電圧よりも低下した場合には、前記直流ラインの前記直流電圧が前記第１の参照電圧になるように前記双方向チョッパを制御するように構成され、
前記閾値電圧は、前記下限電圧よりも高い値に設定される、請求項１または２に記載の無停電電源装置。

【請求項4】

前記交流電源の停電時には、前記制御装置は、
前記コンバータの運転を停止するとともに、前記直流ラインの前記直流電圧が前記第１の参照電圧になるように前記双方向チョッパを制御する、請求項３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、無停電電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば国際公開第２０２０／０２６４３０号（特許文献１）には、コンバータ、コンデンサ、双方向チョッパ、インバータ、および制御装置を備えた無停電電源装置が開示されている。コンバータは、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直流ラインに供給する。コンデンサは、直流ラインに接続されている。双方向チョッパは、直流ラインと電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する。インバータは、直流ラインから受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。制御装置は、交流電源の健全時には、直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるようにコンバータを制御するとともに、電力貯蔵装置の端子間電圧が第２の参照電圧になるように双方向チョッパを制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０２０／０２６４３０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した無停電電源装置では、直流ラインの直流電圧と第１の参照電圧との偏差に応じたフィードバック成分を含む交流入力電流を交流電源からコンバータに流すことにより、直流ラインの直流電圧を安定に制御することができる。

【0005】

その一方で、上述した制御では、負荷電流の急変に高速に対応することができないとう問題がある。そのため、直流ラインの直流電圧が低下し、インバータの交流出力電圧の波形が歪んでしまう可能性がある。

【0006】

このような負荷電流の急変に対応するために、コンバータの制御と並行して、直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるように双方向チョッパを制御する場合がある。しかしながら、負荷電流の急変に対応して双方向チョッパを制御することにより、負荷電流が急変するごとに電力貯蔵装置の放電および充電が行われることになる。このため、繰り返しの充放電に伴う電力貯蔵装置の劣化が懸念される。

【0007】

それゆえ、本開示の主たる目的は、電力貯蔵装置の長寿命化を可能とする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】

【0008】

本開示に従う無停電電源装置は、コンバータ、コンデンサ、双方向チョッパ、インバータ、制御装置、およびアシスト回路を備える。コンバータは、交流電源からの交流電力を直流電力に変換して直流ラインに供給する。コンデンサは、直流ラインに接続される。双方向チョッパは、直流ラインと電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する。インバータは、直流ラインから受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。制御装置は、直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるようにコンバータおよび双方向チョッパを制御する。アシスト回路は、交流電源と直流ラインとの間に、コンバータと並列に接続される。直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧よりも低くかつ閾値電圧よりも高い場合には、アシスト回路は非活性化される。直流ラインの直流電圧が閾値電圧よりも低下した場合には、アシスト回路は活性化される。アシスト回路は、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換して直流ラインに出力する。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、負荷電流の急変に伴う電力貯蔵装置の放電および充電が抑制されるため、繰り返しの充放電に伴う電力貯蔵装置の劣化を抑制することができる。これにより、電力貯蔵装置の長寿命化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施の形態に従う無停電電源装置の回路ブロック図である。

【図2】制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。

【図3】制御装置のうちのコンバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。

【図4】制御装置のうちの双方向チョッパの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。

【図5】コンバータおよびアシスト回路の構成例を示す回路図である。

【図6】アシスト回路の設計を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰り返さないものとする。

【0012】

図１は、本開示の実施の形態に従う無停電電源装置の回路ブロック図である。本実施の形態に従う無停電電源装置１０は、実際には商用交流電源１から三相交流電圧を受け、負荷２に三相交流電圧を供給するが、図面および説明の簡単化を図るため、図１では一相交流電圧に関連する部分のみが示されている。

【0013】

図１に示すように、無停電電源装置１０は、交流入力端子Ｔ１、バッテリ端子Ｔ２、および交流出力端子Ｔ３を備える。交流入力端子Ｔ１は、商用交流電源１から商用周波数の交流電力を受ける。バッテリ端子Ｔ２は、バッテリ３に接続される。交流出力端子Ｔ３は、負荷２に接続される。

【0014】

無停電電源装置１０はさらに、スイッチＳ１～Ｓ３、コンデンサＣ１～Ｃ３、リアクトルＬ１～Ｌ３、電流検出器ＣＤ１～ＣＤ３、コンバータ１１、直流ライン１２、双方向チョッパ１３、インバータ１４、操作部１５、および制御装置１６を備える。

【0015】

スイッチＳ１およびリアクトルＬ１は、交流入力端子Ｔ１とコンバータ１１の交流ノード１１ａとの間に直列接続される。スイッチＳ１は、制御装置１６によって制御される。商用交流電源１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１の健全時）には、スイッチＳ１はオンされる。商用交流電源１からの交流電力が正常に供給されなくなった場合（商用交流電源１の停電時）には、スイッチＳ１はオフされる。

【0016】

電流検出器ＣＤ１は、商用交流電源１とコンバータ１１の間に流れる電流Ｉｉを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御装置１６に出力する。交流入力端子Ｔ１に現れる交流入力電圧ＶＩの瞬時値は、制御装置１６によって検出される。制御装置１６は、交流入力電圧ＶＩの検出値に基づいて、停電が発生したか否かを判別する。また、制御装置１６は、交流入力電圧ＶＩの検出値に基づいて、コンバータ１１などを制御する。

【0017】

コンデンサＣ１は、スイッチＳ１とリアクトルＬ１の間のノードＮ１と、中性点ＮＰとの間に接続される。コンデンサＣ１およびリアクトルＬ１は、交流フィルタを構成する。この交流フィルタは、低域通過フィルタであり、商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ１１で発生するスイッチング周波数の信号が交流入力端子Ｔ１に通過することを防止する。

【0018】

コンバータ１１は、複数のトランジスタおよび複数のダイオードを含む周知のものであり、制御装置１６によって制御される。商用交流電源１の健全時には、コンバータ１１は、交流ノード１１ａが受ける交流電力を直流電力に変換して直流ノード１１ｃに出力する。直流ノード１１ｃは、直流ライン１２に接続されている。コンバータ１１の出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。商用交流電源１の停電時には、コンバータ１１の運転は停止される。

【0019】

コンデンサＣ２は、直流ライン１２に接続され、直流ライン１２の電圧を平滑化させる。直流ライン１２に現れる直流電圧ＶＤの瞬時値は、制御装置１６によって検出される。

【0020】

制御装置１６は、商用交流電源１の健全時には、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤ＊になるようにコンバータ１１を制御し、商用交流電源１の停電時には、コンバータ１１の運転を停止させる。参照電圧ＶＤ＊は「第１の参照電圧」に対応する。

【0021】

直流ライン１２は双方向チョッパ１３の高電圧側ノード１３ａに接続され、双方向チョッパ１３の低電圧側ノード１３ｃはリアクトルＬ２およびスイッチＳ２を介してバッテリ端子Ｔ２に接続される。スイッチＳ２は、無停電電源装置１０の使用時にオンされ、例えば無停電電源装置１０およびバッテリ３のメンテナンス時にオフされる。リアクトルＬ２は、双方向チョッパ１３とバッテリ３の間に流れる電流Ｉｂを平滑化する。

【0022】

双方向チョッパ１３は、複数のトランジスタおよび複数のダイオードを含む周知のものであり、制御装置１６によって制御される。双方向チョッパ１３は、商用交流電源１の健全時には、直流ライン１２から受ける直流電力をバッテリ３に蓄え、商用交流電源１の停電時には、バッテリ３の直流電力を直流ライン１２に供給する。

【0023】

双方向チョッパ１３は、直流電力をバッテリ３に蓄える場合には、直流ライン１２の直流電圧ＶＤを降圧してバッテリ３に与える。また、双方向チョッパ１３は、バッテリ３の直流電力をインバータ１４に供給する場合は、バッテリ３の端子間電圧ＶＢを昇圧して直流ライン１２に出力する。

【0024】

電流検出器ＣＤ２は、双方向チョッパ１３とバッテリ３との間に流れるバッテリ電流Ｉｂを検出し、その検出値を示す信号Ｉｂｆを制御装置１６に出力する。バッテリ端子Ｔ２に現れるバッテリ３の端子間電圧（バッテリ電圧）ＶＢの瞬時値は、制御装置１６によって検出される。

【0025】

制御装置１６は、商用交流電源１の健全時には、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢ＊になるように双方向チョッパ１３を制御し、商用交流電源１の停電時には、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤ＊になるように双方向チョッパ１３を制御する。参照電圧ＶＢ＊は「第２の参照電圧」に対応する。

【0026】

インバータ１４は、複数のトランジスタおよび複数のダイオードを含む周知のものであり、制御装置１６によって制御される。インバータ１４は、直流ライン１２から直流ノード１４ａを介して受ける直流電力を商用周波数の交流電力に変換して交流ノード１４ｃに出力する。インバータ１４の出力電圧は所望の値に制御可能になっている。

【0027】

インバータ１４の交流ノード１４ｃはリアクトルＬ３を介してスイッチＳ３の第１の端子（ノードＮ２）に接続され、スイッチＳ３の第２の端子は交流出力端子Ｔ３に接続される。コンデンサＣ３は、ノードＮ２と中性点ＮＰとの間に接続される。

【0028】

リアクトルＬ３およびコンデンサＣ３は、交流フィルタを構成する。この交流フィルタは、低域通過フィルタであり、インバータ１４で生成される商用周波数の交流電力を交流出力端子Ｔ３に通過させ、インバータ１４で発生するスイッチング周波数の信号が交流出力端子Ｔ３に通過することを防止する。

【0029】

スイッチＳ３は、制御装置１６によって制御され、無停電電源装置１０の運転時などにオンされ、無停電電源装置１０の運転停止時などにオフされる。交流出力端子Ｔ３に現れる交流出力電圧ＶＯの瞬時値は、制御装置１６によって検出される。

【0030】

電流検出器ＣＤ３は、インバータ１４と負荷２の間に流れる電流（負荷電流）Ｉｏを検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御装置１６に与える。制御装置１６は、交流出力電圧ＶＯが正弦波状の参照電圧ＶＯ＊になるようにインバータ１４を制御する。

【0031】

操作部１５は、無停電電源装置１０の使用者によって操作される複数のボタン、種々の情報を表示するディスプレイなどを含む。使用者が操作部１５を操作することにより、参照電圧ＶＤ＊，ＶＢ＊，ＶＯ＊を設定したり、無停電電源装置１０の電源をオンおよびオフしたり、無停電電源装置１０を自動運転させたり、手動運転させることが可能となっている。

【0032】

制御装置１６は、交流入力電圧ＶＩ、交流入力電流Ｉｉ、直流電圧ＶＤ、バッテリ電圧ＶＢ、バッテリ電流Ｉｂ、交流出力電圧ＶＯ、負荷電流Ｉｏ、参照電圧ＶＤ＊，ＶＢ＊，ＶＯ＊、操作部１５からの信号などに基づいて無停電電源装置１０全体を制御する。

【0033】

図２は、制御装置１６のハードウェア構成例を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置１６は、代表的には、所定のプログラムが予め記憶されたマイクロコンピュータによって構成することができる。

【0034】

図２の例では、制御装置１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１６０、メモリ１６２と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路１６４とを含む。ＣＰＵ１６０、メモリ１６２、およびＩ／Ｏ回路１６４は、バス１６６を経由して、相互にデータの授受が可能である。メモリ１６２の一部領域にはプログラムが格納されており、ＣＰＵ１６０が当該プログラムを実行することで、後述する各種機能を実現することができる。Ｉ／Ｏ回路１６４は、制御装置１６の外部との間で信号およびデータを入出力する。

【0035】

あるいは、図２の例とは異なり、制御装置１６の少なくとも一部については、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路を用いて構成することができる。

【0036】

図１に戻って、制御装置１６は、商用交流電源１の健全時には、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤ＊になり、かつコンバータ１１の入力電流（交流入力電流Ｉｉ）と交流入力電圧ＶＩとの位相が一致するように（すなわち、入力力率が１になるように）コンバータ１１を制御する。商用交流電源１の停電時には、制御装置１６は、コンバータ１１の運転を停止させる。

【0037】

また、制御装置１６は、商用交流電源１の健全時には、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢ＊になるように双方向チョッパ１３を制御する。商用交流電源１の停電時には、制御装置１６は、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤ＊になるように双方向チョッパ１３を制御する。

【0038】

さらに、制御装置１６は、交流出力電圧ＶＯが正弦波状の参照電圧ＶＯ＊になるようにインバータ１４を制御する。

【0039】

図３は、制御装置１６のうちのコンバータ１１の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置１６は、参照電圧発生部２０と、減算器２４，３２と、移動平均回路２２と、直流電圧制御部２６と、正弦波発生部２８と、乗算器３０と、電流制御部３４と、加算器３６と、停電検出器３８と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路４０とを含んで構成される。

【0040】

参照電圧発生部２０は、参照電圧ＶＤ＊を生成する。移動平均回路２２は、直流電圧ＶＤに対して、予め定められた移動平均区間Ｔｗでの移動平均値を求める。移動平均区間Ｔｗは、例えば、商用交流電源１の周波数（商用周波数）ｆの逆数（Ｔｗ＝１／ｆ）に設定される。したがって、商用交流電源１の周波数ｆ＝５０Ｈｚの場合、移動平均区間Ｔｗ＝２０ｍｓとなる。

【0041】

減算器２４は、参照電圧ＶＤ＊と、移動平均回路２２からの直流電圧ＶＤの移動平均値との偏差ΔＶＤ＝ＶＤ＊－ＶＤを求める。

【0042】

直流電圧制御部２６は、偏差ΔＶＤが０になるようにコンバータ１１の入力電流（交流入力電流Ｉｉ）を制御するための電流指令値ＩＤ＊を求める。直流電圧制御部２６は、例えば、偏差ΔＶＤを比例演算または比例積分演算することにより、電圧ΔＶＤに応じた値の電流指令値ＩＤ＊を求める。偏差ΔＶＤが増大すると電流指令値ＩＤ＊が増大して偏差ΔＶＤが減少し、偏差ΔＶＤが減少すると電流指令値ＩＤ＊が減少して偏差ΔＶＤがなくなるように、フィードバック制御が行われる。

【0043】

正弦波発生部２８は、商用交流電源１からの交流入力電圧ＶＩと同相の正弦波信号を生成する。乗算器３０は、正弦波信号に電流指令値ＩＤ＊を乗算して、電流指令値Ｉｉ＊を生成する。これにより交流入力電圧ＶＩと同相の電流指令値Ｉｉ＊が生成される。

【0044】

減算器３２は、電流指令値Ｉｉ＊と電流検出器ＣＤ１により検出された交流入力電流Ｉｉとの偏差ΔＩｉ＝Ｉｉ＊－Ｉｉを求める。

【0045】

電流制御部３４は、偏差ΔＩｉが０になるように電圧指令値ＶＩａ＊を生成する。電流制御部３４は、例えば偏差ΔＩｉを比例制御または比例積分制御に従って増幅することにより電圧指令値ＶＩａ＊を生成する。加算器３６は、電圧指令値ＶＩａ＊と交流入力電圧ＶＩとを加算して電圧指令値ＶＩ＊を生成する。

【0046】

停電検出器３８は、商用交流電源１から供給される交流入力電圧ＶＩに基づいて、商用交流電源１の停電が発生したか否かを検出し、検出結果を示す停電検出信号φＦを出力する。停電検出信号φＦは、商用交流電源１の健全時には非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。商用交流電源１の停電が発生した場合には、停電検出信号φＦは、活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。例えば、停電検出器３８は、交流入力電圧ＶＩが下限値よりも低下した場合に、商用交流電源１の停電が発生したと判定する。

【0047】

ＰＷＭ回路４０は、停電検出器３８からの停電検出信号φＦが非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合（商用交流電源１の健全時）には、正弦波状の電圧指令値ＶＩ＊に基づいてコンバータ１１を制御する。これにより、直流電圧ＶＤは参照電圧ＶＤ＊に維持される。

【0048】

また、ＰＷＭ回路４０は、停電検出信号φＦが活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合（商用交流電源１の停電時）には、コンバータ１１の運転を停止させる。これにより、交流入力端子Ｔ１と直流ライン１２とが電気的に切り離される。

【0049】

このように制御することにより、商用交流電源１の健全時には、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤ＊になり、かつコンバータ１１の入力電流（交流入力電流Ｉｉ）と交流入力電圧ＶＩとの位相が一致するように（すなわち、入力力率が１になるように）、直流電圧ＶＤと参照電圧ＶＤ＊との偏差ΔＶＤに応じたフィードバック成分を含む交流入力電流Ｉｉを商用交流電源１からコンバータ１１に流すことができる。これにより、直流電圧ＶＤを安定に制御することができる。

【0050】

その一方で、負荷電流Ｉｏが急変した場合には、上述した制御では、負荷電流Ｉｏの急変に高速に対応することができないとい問題がある。そのため、直流電圧ＶＤが低下し、インバータ１４の交流出力電圧ＶＯの波形が歪む可能性がある。

【0051】

このような負荷電流Ｉｏの急変に対応するために、制御装置１６は、図３に示したコンバータ１１の制御と並行して、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤ＊になるように、双方向チョッパ１３を制御する。

【0052】

図４は、制御装置１６のうちの双方向チョッパ１３の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御装置１６は、電圧制御部４２，５４と、減算器４４，５２，５６と、電流制御部４６，５８と、ＰＷＭ回路４８，６０と、比較器５０とを含んで構成される。

【0053】

電圧制御部４２は、図３に示した減算器２４から参照電圧ＶＤ＊と移動平均回路２２からの直流電圧ＶＤの移動平均値との偏差ΔＶＤ＝ＶＤ＊－ＶＤを受ける。電圧制御部４２は、バッテリ電圧ＶＢに基づいて、偏差ΔＶＤに応じた値の電流指令値Ｉｂ＊を求める。電圧制御部４２は、例えば、偏差ΔＶＤを比例演算または比例積分演算することにより、電流指令値Ｉｂ＊を求める。

【0054】

減算器４４は、電圧制御部４２により生成された電流指令値Ｉｂ＊と電流検出器ＣＤ２により検出されたバッテリ電流Ｉｂとの偏差ΔＩｂ＝Ｉｂ＊－Ｉｂを求める。電流制御部４６は、偏差ΔＩｂに基づいて電圧指令値Ｖ＊を生成する。電流制御部４６は、例えば、偏差ΔＩｂを比例演算または比例積分演算することにより電圧指令値Ｖ＊を求める。

【0055】

比較器５０は、直流電圧ＶＤと予め定められた下限電圧ＶＤｍｉｎとを比較し、比較結果を示す信号φＣを出力する。信号φＣは、ＶＤ≧ＶＤｍｉｎである場合には非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。ＶＤ＜ＶＤｍｉｎである場合には、信号φＣは、活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。

【0056】

ＰＷＭ回路４８は、停電検出器３８からの停電検出信号φＦが「Ｈ」レベルである場合（商用交流電源１の停電時）、または比較器５０の出力信号φＣが「Ｈ」レベルである場合（ＶＤ＜ＶＤｍｉｎ）に活性化され、電圧指令値Ｖ＊に基づいて双方向チョッパ１３を制御する。これにより、直流電圧ＶＤは参照電圧ＶＤ＊に維持される。

【0057】

また、ＰＷＭ回路４８は、停電検出器３８からの停電検出信号φＦが「Ｌ」レベルである場合（商用交流電源１の健全時）および比較器５０の出力信号φＣが「Ｌ」レベルである場合（ＶＤ≧ＶＤｍｉｎ）に非活性化され、双方向チョッパ１３のＰＷＭ制御を行わない。

【0058】

なお、商用交流電源１の健全時であってＶＤ≧ＶＤｍｉｎである場合には、制御装置１６は、バッテリ３に直流電力を蓄えるように双方向チョッパ１３を制御する。具体的には、減算器５２は、参照電圧ＶＢ＊とバッテリ電圧ＶＢとの偏差ΔＶＢ＝ＶＢ＊－ＶＢを求める。電圧制御部５４は、偏差ΔＶＢに基づいて電流指令値Ｉｂ＊を生成する。電圧制御部５４は、例えば、偏差ΔＶＢを比例演算または比例積分演算することにより電流指令値Ｉｂ＊を求める。

【0059】

減算器５６は、電圧制御部５４により生成された電流指令値Ｉｂ＊と電流検出器ＣＤ２により検出されたバッテリ電流Ｉｂとの偏差ΔＩｂ＝Ｉｂ＊－Ｉｂを求める。電流制御部５８は、偏差ΔＩｂに基づいて電圧指令値Ｖ＊を生成する。電流制御部５８は、例えば、偏差ΔＩｂを比例演算または比例積分演算することにより電圧指令値Ｖ＊を求める。

【0060】

ＰＷＭ回路６０は、停電検出器３８からの停電検出信号φＦが「Ｌ」レベルである場合（商用交流電源１の健全時）、または比較器５０の出力信号φＣが「Ｌ」レベルである場合（ＶＤ≧ＶＤｍｉｎ）に活性化され、電圧指令値Ｖ＊に基づいて双方向チョッパ１３を制御する。これにより、バッテリ電圧ＶＢは参照電圧ＶＢ＊に維持される。

【0061】

このように商用交流電源１の健全時には、直流電圧ＶＤが下限電圧ＶＤｍｉｎを下回ったことに応じて比較器５０の出力信号φＣが「Ｈ」レベルになると、制御装置１６は、直流電圧ＶＤの低下を補償するように、双方向チョッパ１３を制御する。したがって、双方向チョッパ１３は、バッテリ電圧ＶＢを参照電圧ＶＤ＊に昇圧して直流ライン１２に出力する。

【0062】

双方向チョッパ１３がバッテリ３の直流電力を直流ライン１２に供給することにより、バッテリ３の蓄電量が減少するため、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢ＊から低下する。直流電圧ＶＤが上昇して下限電圧ＶＤｍｉｎを超えたことに応じて、比較器５０の出力信号φＣが「Ｌ」レベルになると、制御装置１６は、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢ＊になるように双方向チョッパ１３を制御する。したがって、双方向チョッパ１３は、直流ライン１２の直流電圧ＶＤを降圧してバッテリ３に与えることにより、再び直流電力をバッテリ３に蓄える。

【0063】

しかしながら、このように負荷電流Ｉｏの急変に対応して双方向チョッパ１３を制御することにより、負荷電流Ｉｏが急変するごとにバッテリ３の放電および充電が行われることになる。このため、繰り返しの充放電に伴うバッテリ３の劣化が懸念される。

【0064】

このような懸念点に対応して、本実施の形態に従う無停電電源装置１０は、負荷２の急変時にコンバータ１１をアシストするためのアシスト回路１７をさらに備える。

【0065】

図１に示すように、アシスト回路１７は、交流ノード１７ａと、直流ノード１７ｃとを有する。アシスト回路１７の交流ノード１７ａは、リアクトルＬ１とコンバータ１１の交流ノード１１ａとの間のノードに接続される。アシスト回路１７の直流ノード１７ｃは、直流ライン１２に接続される。すなわち、アシスト回路１７は、商用交流電源１と直流ライン１２との間にコンバータ１１と並列に接続される。

【0066】

図５は、コンバータ１１およびアシスト回路１７の構成例を示す回路図である。図５に示すように、コンバータ１１とインバータ１４の間には、正側の直流ライン１２Ｐと負側の直流ライン１２Ｎとが接続されている。コンデンサＣ２は、直流ライン１２Ｐ，１２Ｎ間に接続されている。

【0067】

コンバータ１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１～Ｑ４およびダイオードＤ１～Ｄ４を含む。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ３のコレクタはともに直流ライン１２Ｐに接続され、それらのエミッタはそれぞれ交流ノード１１ａ，１１ｂに接続される。

【0068】

ＩＧＢＴＱ２，Ｑ４のコレクタはそれぞれ交流ノード１１ａ，１１ｂに接続され、それらのエミッタはともに直流ライン１２Ｎに接続される。ダイオードＤ１～Ｄ４は、それぞれＩＧＢＴＱ１～Ｑ４に逆並列に接続される。ダイオードＤ１～Ｄ４は、還流ダイオード（ＦＷＤ：Free Wheeling Diode）を構成する。コンバータ１１は、ＩＧＢＴ以外に、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor）などの任意の自己消弧型素子によって構成することができる。

【0069】

コンバータ１１の交流ノード１１ａはリアクトルＬ１を介してノードＮ１に接続され、交流ノード１１ｂは中性点ＮＰに接続される。コンデンサＣ１は、ノードＮ１と中性点ＮＰの間に接続される。

【0070】

ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４とＩＧＢＴＱ２，Ｑ３とは、交互にオンされる。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオンされるとともにＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオフされると、コンデンサＣ２の正側端子（直流ライン１２Ｐ）がＩＧＢＴＱ１を介して交流ノード１１ａに接続されるとともに、交流ノード１１ｂがＩＧＢＴＱ４を介してコンデンサＣ２の負側端子（直流ライン１２Ｎ）に接続され、交流ノード１１ａ，１１ｂ間にコンデンサＣ２の端子間電圧が出力される。すなわち、交流ノード１１ａ，１１ｂ間に正の直流電圧が出力される。

【0071】

ＩＧＢＴＱ２，Ｑ３がオンされるとともにＩＧＢＴＱ１，Ｑ４がオフされると、コンデンサＣ２の正側端子（直流ライン１２Ｐ）がＩＧＢＴＱ３を介して交流ノード１１ｂに接続されるとともに、交流ノード１１ａがＩＧＢＴＱ２を介してコンデンサＣ２の負側端子（直流ライン１２Ｎ）に接続され、交流ノード１１ｂ，１１ａ間にコンデンサＣ２の端子間電圧が出力される。すなわち、交流ノード１１ａ，１１ｂ間に負の直流電圧が出力される。なお、図５の例では、コンバータ１１は２レベル回路により構成されているが、コンバータ１１はマルチレベル回路により構成されてもよい。

【0072】

アシスト回路１７は、変圧器１８と、整流器１９とを含んで構成される。変圧器１８および整流器１９は、アシスト回路１７の交流ノード１７ａ，１７ｂと直流ノード１７ｃ，１７ｄとの間に直列に接続される。

【0073】

変圧器１８は、絶縁型の変圧器であり、一次巻線１８ａと、二次巻線１８ｂとを有する。一次巻線１８ａの第１の端子はアシスト回路１７の交流ノード１７ａに接続され、第２の端子はアシスト回路１７の交流ノード１７ｂに接続される。二次巻線１８ｂの第１の端子は整流器１９の交流ノード１９ａに接続され、第２の端子は整流器１９の交流ノード１９ｂに接続される。

【0074】

一次巻線１８ａの第１および第２の端子間には一次電圧Ｖｔｒ１が印加される。二次巻線１８ｂの第１および第２の端子間には二次電圧Ｖｔｒ２が印加される。変圧器１８の変圧比Ｒは、一次電圧Ｖｔｒ１と二次電圧Ｖｔｒ２との比であり、Ｖｔｒ１／Ｖｔｒ２で表される。

【0075】

変圧比Ｒは、一次巻線１８ａと二次巻線１８ｂとの巻数比によって決まる。一次巻線１８ａの巻数をｎ１、二次巻線１８ｂの巻数を２とすると、Ｖｔｒ１／Ｖｔｒ２＝ｎ１／ｎ２となる。なお、本実施の形態では、一次巻線１８ａの巻数ｎ１は、二次巻線１８ｂの巻数ｎ２よりも大きい値に設定されている（ｎ１＞ｎ２）。したがって、変圧器１８の変圧比Ｒは１よりも大きい値となる（Ｒ＞１）。

【0076】

整流器１９は、全波整流型のダイオード整流器であり、ダイオードＤ５～Ｄ８を含む。ダイオードＤ５，Ｄ７のカソードはともに直流ノード１７ｃ（直流ライン１２Ｐ）に接続され、それらのアノードはそれぞれ交流ノード１９ａ，１９ｂに接続される。ダイオードＤ６，Ｄ８のカソードはそれぞれ交流ノード１９ａ，１９ｂに接続され、それらのアノードはともに直流ノード１７ｄ（直流ライン１２Ｎ）に接続される。

【0077】

次に、アシスト回路１７の動作について説明する。
アシスト回路１７は、商用交流電源１と直流ライン１２との間にコンバータ１１と並列に接続されている。アシスト回路１７の交流ノード１７ａ，１７ｂ間には、交流入力電圧ＶＩが入力される。交流入力電圧ＶＩは、変圧器１８の一次巻線１８ａの第１および第２の端子間に印加される。すなわち、交流入力電圧ＶＩは、変圧器１８の一次電圧Ｖｔｒ１となる（Ｖｔｒ１＝ＶＩ）。

【0078】

変圧器１８は、変圧比Ｒに従って一次電圧Ｖｔｒ１を二次電圧Ｖｔｒ２に変換する。二次電圧Ｖｔｒ２は、Ｖｔｒ１／Ｒ＝ＶＩ／Ｒとなる。Ｒ＞１であるため、二次電圧Ｖｔｒ２は、一次電圧Ｖｔｒ１である交流入力電圧ＶＩよりも低い値となる。

【0079】

整流器１９は、交流ノード１９ａ，１９ｂ間に変圧器１８の二次電圧Ｖｔｒ２＝ＶＩ／Ｒを受ける。整流器１９は、二次電圧Ｖｔｒ２を全波整流して直流電圧ＶＤに変換し、アシスト回路１７の直流ノード１７ｃ，１７ｄ間に出力する。アシスト回路１７は、整流器１９により生成された直流電圧ＶＤを直流ライン１２Ｐ，１２Ｎに出力する。

【0080】

このようにアシスト回路１７は、商用交流電源１からの交流入力電圧ＶＩを直流電圧ＶＤに変換して直流ライン１２Ｐ，１２Ｎに出力するように構成されている。これにより、コンデンサＣ２は、アシスト回路１７によって直流電圧ＶＤに充電される。したがって、コンバータ１１の制御が負荷電流Ｉｏの急変に高速に対応することができない場合であっても、アシスト回路１７によってコンデンサＣ２を充電することにより、直流電圧ＶＤの低下を抑制することが可能となる。

【0081】

この結果、直流電圧ＶＤが下限電圧ＶＤｍｉｎよりも高い値に維持されるため、直流電圧ＶＤの低下を補償するように双方向チョッパ１３を制御することが不要となる。これによると、負荷電流Ｉｏの急変に対応したバッテリ３の放電および充電が行われなくなるため、繰り返しの充放電に伴うバッテリ３の劣化を抑制することが可能となる。

【0082】

しかしながら、その一方で、整流器１９がダイオード整流器により構成されているため、負荷電流Ｉｏが安定している定常時においても、アシスト回路１７では、整流器１９による整流動作が行われることになる。この整流動作では、交流ノード１９ａ，１９ｂに印加される二次電圧Ｖｔｒ２の絶対値が直流電圧ＶＤよりも高い期間に、ダイオードＤ５およびＤ８（またはダイオードＤ６およびＤ７）が導通してコンデンサＣ２が充電される。反対に、二次電圧Ｖｔｒ２の絶対値が直流電圧ＶＤよりも低い期間には、全てのダイオードＤ５～Ｄ８が非導通となり、電流が流れない。これにより、整流器１９に流れる電流の波形は正弦波状にならず、高調波電流が発生する。そのため、交流入力電流Ｉｉと交流入力電圧ＶＩとの位相が一致するように（すなわち、入力力率が１になるように）コンバータ１１を制御しているにもかかわらず、交流入力電流Ｉｉの波形に歪みが生じてしまうという問題がある。

【0083】

そこで、本実施の形態では、直流電圧ＶＤが予め定められた閾値電圧ＶＤｔｈよりも低下した場合にのみ整流器１９が整流動作を行うように、アシスト回路１７を設計する。図６は、アシスト回路１７の設計を説明するための図である。図６には、変圧器１８の一次電圧Ｖｔｒ１および二次電圧Ｖｔｒ２、並びに整流器１９の出力電圧の波形が示されている。一次電圧Ｖｔｒ１は交流入力電圧ＶＩに等しいため、二次電圧Ｖｔｒ２はＶＩ／Ｒとなる。Ｒは変圧器１８の変圧比である。

【0084】

図６に示すように、閾値電圧ＶＤｔｈは、参照電圧ＶＤ＊よりも低く、かつ下限電圧ＶＤｍｉｎよりも高い値に設定される。さらに、変圧器１８の変圧比Ｒは、二次電圧Ｖｔｒ２の振幅が閾値電圧ＶＤｔｈ以上となるように設定される。

【0085】

図６には、二次電圧Ｖｔｒ２の振幅が閾値電圧ＶＤｔｈに等しい場合が示されている。この場合、変圧比Ｒは、一次電圧Ｖｔｒ１である交流入力電圧ＶＩの振幅と閾値電圧ＶＤｔｈとの比（ＶＩ／ＶＤｔｈ）となる。したがって、変圧比Ｒを、ＶＩ／ＶＤｔｈ以下となるように設定すれば、二次電圧Ｖｔｒ２の振幅を閾値電圧ＶＤｔｈ以上とすることができる。このような変圧比Ｒは、一次巻線１８ａの巻数ｎ１および二次巻線１８ｂの巻数ｎ２を調整することによって実現することができる。

【0086】

このようにすると、アシスト回路１７では、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが閾値電圧ＶＤｔｈよりも低下した場合には、整流器１９に入力される二次電圧Ｖｔｒ２の振幅が直流電圧ＶＤよりも高くなるため、整流器１９による整流動作が行われることになる。この場合、整流器１９が二次電圧Ｖｔｒ２を全波整流して直流電圧ＶＤに変換して直流ライン１２Ｐ，１２Ｎに出力することにより、コンデンサＣ２が充電される。

【0087】

そして、直流電圧ＶＤが上昇して閾値電圧ＶＤｔｈよりも高くなると、整流器１９に入力される二次電圧Ｖｔｒ２の振幅が直流電圧ＶＤよりも低くなるため、整流器１９による整流動作が停止されることになる。

【0088】

すなわち、アシスト回路１７は、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが閾値電圧ＶＤｔｈよりも低下したことに応じて活性化されて、商用交流電源１から供給される交流電圧（交流入力電圧ＶＩ）を直流電圧ＶＤに変換して直流ライン１２に供給するように構成されている。その一方で、直流ライン１２の直流電圧ＶＤが閾値電圧ＶＤｔｈよりも高い場合には、アシスト回路１７は非活性化される。

【0089】

以上説明したように、本実施の形態では、負荷電流Ｉｏが急変した場合には、アシスト回路１７が活性化されてコンバータ１１をアシストすることにより、直流ライン１２の直流電圧ＶＤの低下を抑制することができる。これによると、直流電圧ＶＤが下限電圧ＶＤｍｉｎまで低下することが抑制されるため、双方向チョッパ１３によりバッテリ３の放電および充電が行われることを回避することができる。この結果、繰り返しの充放電に伴うバッテリ３の劣化を抑制することできる。

【0090】

また、負荷電流Ｉｏが安定している定常時には、アシスト回路１７が非活性化されるため、コンバータ１１による交流入力電流Ｉｉの制御に影響を与えることがない。

【0091】

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。本開示の範囲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。

【符号の説明】

【0092】

１ 商用交流電源、２ 負荷、３ バッテリ、１０ 無停電電源装置、１１ コンバータ、１２，１２Ｐ，１２Ｎ 直流ライン、１３ 双方向チョッパ、１４ インバータ、１５ 操作部、１６ 制御装置、１７ アシスト回路、１８ 変圧器、１８ａ 一次巻線、１８ｂ 二次巻線、１９ 整流器、２０ 参照電圧発生部、２２ 移動平均回路、２４，３２，４４，５２，５６ 減算器、２６ 直流電圧制御部、２８ 正弦波発生部、３０ 乗算器、３４，４６，５８ 電流制御部、３６ 加算器、３８ 停電検出器、４０，４８，６０ ＰＷＭ回路、４２，５４ 電圧制御部、５０ 比較器、１６０ ＣＰＵ、１６２ メモリ、１６４ Ｉ／Ｏ回路、１６６ バス、Ｃ１～Ｃ３ コンデンサ、ＣＤ１～ＣＤ３ 電流検出器、Ｑ１～Ｑ４ ＩＧＢＴ、Ｄ１～Ｄ８ ダイオード、Ｌ１～Ｌ３ リアクトル、Ｓ１～Ｓ３ スイッチ、Ｔ１ 交流入力端子、Ｔ２ バッテリ端子、Ｔ３ 交流出力端子。

【要約】

コンバータ（１１）は、交流電源（１）からの交流電力を直流電力に変換して直流ライン（１２）に供給する。双方向チョッパ（１３）は、直流ライン（１２）と電力貯蔵装置（３）との間で直流電力を授受する。制御装置（１６）は、直流ライン（１２）の直流電圧が第１の参照電圧になるようにコンバータ（１１）および双方向チョッパ（１３）を制御する。アシスト回路（１７）は、交流電源（１）と直流ライン（１２）との間に、コンバータ（１１）と並列に接続される。直流ライン（１２）の直流電圧が第１の参照電圧よりも低くかつ閾値電圧よりも高い場合には、アシスト回路（１７）は非活性化される。直流ライン（１２）の直流電圧が閾値電圧よりも低下した場合には、アシスト回路（１７）は活性化される。アシスト回路（１７）は、交流電源（１）から入力される交流電圧を直流電圧に変換して直流ライン（１２）に出力する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】