JP5313810B2

JP5313810B2 - 無停電電源装置

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Publication number: JP5313810B2
Application number: JP2009189673A
Authority: JP
Inventors: 善博畠山; 英生長谷; 良史中脇
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: JP2011045153A

Description

この発明は、交流電源からの交流電力を負荷に供給すると共に、交流電源の低下時には、蓄電手段に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給する無停電電源装置に関する。

従来の無停電電源装置は、交流電源の電圧が設定値を下回るような電圧変動を検出したり、電力変換回路の動作電力を保有するコンデンサの電圧が所定値を下回る状況を検出すると、交流電源に異常が発生したと判定し、蓄電手段（例えばバッテリ）から電力変換回路を介して負荷へ交流電力を供給する（例えば、下記の特許文献１参照）。以下、蓄電手段から負荷へ交流電力を供給する運転状態をバックアップ運転と称する。

このバックアップ運転中は、バッテリ等の蓄電手段のエネルギーを使って電力変換回路により交流電圧を発生して負荷に電力供給するが、その際、蓄電手段の過放電を防止するため、従来技術では、蓄電電圧を所定秒毎に定期的に計測し、蓄電手段が枯渇した電圧（以下、放電終止電圧Ｖｂｃｒという）に達すると放電を停止させるようにした無停電電源装置が開示されている（例えば、下記の特許文献２参照）。

特開２００８−３１２３３２号公報特開平６−９８４７１号公報

上記のように、従来の無停電電源装置においては、電源電圧の一時的な低下が発生するとバックアップ運転に移行するが、その際、バッテリ等の蓄電手段が経年劣化して放電電力容量の枯渇したものが使用されていた場合、蓄電手段から電力の放電を開始した途端に、蓄電電圧が急速に低下して短時間の内に放電終止電圧Ｖｂｃｒを下回ってしまい、その結果、放電が停止され、これに伴って無停電電源装置の出力も停止するという問題点があった。

以下、この問題点の理解をさらに促すため、図８および図９のタイミグチャートを参照して詳細に説明する。

図８、図９は共に交流電源の電源電圧Ｖｉｎ（ここでは実効値）がサージやリップル等により一時的に低下した場合の従来動作を示すもので、特に図８は蓄電手段には経年劣化が発生していない場合、図９は蓄電手段に経年劣化が発生している場合をそれぞれ示している。

まず、図８において、時刻ｔ１で電源電圧Ｖｉｎがサージやリップル等により一時的に低下して異常となり、極短時間（例えば２５ｍｓｅｃ程度）経過後の時刻ｔ３で電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したとする。その場合、時刻ｔ２までの間は電力変換回路の入力側に設けられた電圧安定化用のコンデンサの保有するエネルギーで負荷への電力供給を維持している。時刻ｔ２で交流電源に異常が発生したと判定されてリレー回路Ｒｙがオフになり、蓄電手段（バッテリ）から電力変換回路を介して負荷に電力が供給されるバックアップ運転に移行する。

バックアップ運転に移行後、時刻ｔ３で電源電圧Ｖｉｎが実際には正常復帰しているが、電源電圧Ｖｉｎが正常に戻ったことを安定的に検出するためには、復帰した電源電圧Ｖｉｎの周波数を計測し、電源電圧Ｖｉｎの電圧位相と同期を取り、電源電圧の電圧値を計測し、計測した周波数と電圧値を確認するという一連の手順（以下、電源電圧安定化検出処理という）が必要なため、その検出時間Ｔｄ１として、例えば１秒程度の時間を要する。したがって、電源電圧Ｖｉｎが時刻ｔ３で実際には正常復帰していても、バックアップ運転からリレー回路Ｒｙをオンして交流電源から電力変換回路を介して負荷に交流電圧（ここでは実効値）Ｖｏｕｔが出力される通常運転に戻るタイミングは、時刻ｔ３から時間Ｔｄ１が経過した後の時刻ｔ９となる。そして、時刻ｔ２から時刻ｔ９までのバックアップ運転期間中は、蓄電手段から電力変換回路を介して負荷へ交流電力の供給が継続される。

次に、図９において、図８の場合と同様に、時刻ｔ１で電源電圧Ｖｉｎがサージやリップル等により一時的に低下して異常となり、極短時間（例えば２５ｍｓｅｃ程度）経過後の時刻ｔ３で電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したとする。その場合、時刻ｔ２までの間は電力変換回路の入力側に設けられた電圧安定化用のコンデンサの保有するエネルギーで負荷への電力供給を維持している。時刻ｔ２で交流電源に異常が発生したと判定されてリレー回路Ｒｙがオフになり、蓄電手段から電力変換回路を介して負荷に電力が供給されるバックアップ運転に移行する。

時刻ｔ２でバックアップ運転に移行すると、蓄電手段からのエネルギーを使用し始めるが、この場合、蓄電手段が経年劣化しているので、電力放出と共に時刻ｔ２以降、蓄電電圧Ｖｂは図中実線で示すように急速に低下して時刻ｔ５で放電終止電圧Ｖｂｃｒに達し、その直後、放電電力が枯渇し出力Ｖｏｕｔは低下する。

このように、蓄電電圧Ｖｂは、時刻ｔ５で実際に放電終止電圧Ｖｂｃｒに達しているが、放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことを安定的に検出するためには、蓄電電圧Ｖｂを平均化して計測するなどの一連の手順（以下、蓄電電圧安定化検出処理という）が必要となる。これは、蓄電電圧Ｖｂを変動させる要因である、出力電圧周波数に依存したリップル電圧（周波数５０Ｈｚの場合は１００Ｈｚのリプル）やパワー回路動作が発するノイズに依存したサージ電圧の影響を低減させるためである。したがって、蓄電電圧Ｖｂが低下し始めてから放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことを検出するまでにはある程度の時間Ｔｄ２（例えばＴｄ２≒１００ｍｓｅｃ程度）を要する。

したがって、蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出されるのは、図中一点鎖線で示すように、バックアップ運転の開始時刻ｔ２から時間Ｔｄ２が経過した後の時刻ｔ８である。そして、時刻ｔ８で放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出されると、蓄電手段が過放電されるのを防止するため、無停電電源装置の出力が停止される。

このように、電源電圧Ｖｉｎが正常に戻ったことを判定したり、蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことを判定したりするためには、それぞれ所定の時間Ｔｄ１，Ｔｄ２が必要である。したがって、従来は、電源電圧Ｖｉｎの一時的な電圧低下または電圧歪みなどにより、バックアップ運転へ移行した後（時刻ｔ２）、瞬時に（例えば２５ｍｓｅｃ程度後）電源電圧Ｖｉｎが正常に戻ったとしても（時刻ｔ３）、劣化したバッテリを使用している場合には、電源電圧Ｖｉｎが正常に復帰したことを判定するのに要する時間Ｔｄ１よりも、蓄電電圧Ｖｄが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したと判定するのに要する時間Ｔｄ２の方が短くなることがある。

そのため、電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したと判定されるタイミング（時刻ｔ９）よりも、放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが判定されるタイミング（時刻ｔ８）の方が早くなり、その結果、電源電圧Ｖｉｎが正常に戻っているにもかかわらず、無停電電源装置の出力停止状態が継続されてしまい、無停電電源装置本来の機能が発揮されないという不具合を生じていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電源電圧がサージやリップル等により一時的に低下して異常となってバックアップ運転に移行した場合に、蓄電電圧安定化検出処理によって蓄電電圧が放電終止電圧以下になったと判定される時点よりも早い時点で電源電圧が元の状態に戻っておれば、速やかにバックアップ運転から通常運転に復帰して交流電源から負荷に電力を供給できるようにして、蓄電手段が劣化していても、負荷への電力供給を確実に維持することができる無停電電源装置を提供することを目的とする。

この発明による無停電電源装置は、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第１の電力変換部と、上記交流電源が健全時には上記第１の電力変換部により電力供給されるコンデンサと、上記コンデンサの直流電力を交流電力に変換して負荷に電力供給する第２の電力変換部と、上記交流電源が健全な場合には充電される蓄電手段と、上記交流電源が健全でない場合には上記蓄電手段から上記コンデンサに電力供給する放電部と、上記蓄電手段の電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、上記交流電源の電圧の実効値または平均値を交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の周期で計測する電源電圧計測手段と、
上記蓄電電圧検出手段と上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて上記第１、第２の電力変換部および上記放電部の動作を制御する制御手段と、を有し、上記蓄電電圧検出手段は、交流電源健全時の電圧周期の１周期以上の長周期で計測する第１の蓄電電圧検出手段と、交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の短周期で計測する第２の蓄電電圧検出手段とを備え、上記制御手段は、上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて上記交流電源が健全でないと判断した場合、上記第１の電力変換部から上記コンデンサへの電力供給を停止して上記放電部により上記蓄電手段から上記コンデンサに電力を供給するバックアップ運転を実行するとともに、上記バックアップ運転中に上記第１の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際には、上記バックアップ運転を停止する一方、上記バックアップ運転中に上記第２の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際に上記電源電圧計測手段の計測値が所定値以上であるならば上記第１の電力変換部による上記コンデンサへの電力供給を再開して通常運転に復帰する制御を行う。

また、この発明による無停電電源装置は、交流電力と直流電力とを双方向に変換する第３の電力変換部と、交流電力と直流電力を双方向に変換する第４の電力変換部とを備え、上記第３の電力変換部は、その交流側端子が交流電源に、交流電源を切り離す入力スイッチを介して接続され、上記第４の電力変換部は、その交流側端子が上記第３の電力変換部の交流側端子の一端と負荷との間に直列接続される一方、上記交流電源が健全な場合には上記第３の電力変換部により電力供給されるコンデンサと、上記交流電源が健全な場合には充電される蓄電手段と、上記交流電源が健全でない場合には上記蓄電手段から上記コンデンサに電力供給する放電部と、上記蓄電手段の電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、上記交流電源の電圧の実効値または平均値を交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の短周期で計測する電源電圧計測手段と、上記蓄電電圧検出手段と上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて第３、第４の電力変換部および上記放電部の動作を制御する制御手段と、を有し、上記蓄電電圧検出手段は、交流電源健全時の電圧周期の１周期以上の長周期で計測する第１の蓄電電圧検出手段と、交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の短周期で計測する第２の蓄電電圧検出手段とを備え、上記制御手段は、上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて上記交流電源が健全でないと判断した場合、上記入力スイッチをオフにして交流電源を切り離して上記コンデンサの保有する電力により、上記第３の電力変換部と上記第４の電力変換部とで上記負荷に交流電流を供給し、かつ上記放電部により上記蓄電手段から上記コンデンサに電力を供給するバックアップ運転を実行するとともに、上記バックアップ運転中に上記第１の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際には、上記バックアップ運転を停止する一方、上記バックアップ運転中に上記第２の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際に上記電源電圧計測手段の計測値が所定値以上であるならば上記第３の電力変換部の出力をオフし、かつ上記第４の電力変換部の出力を短絡状態にした後、上記入力スイッチをオンして通常運転に復帰する制御を行う。

この発明によれば、電源電圧がサージやリップル等により一時的に低下して異常となってバックアップ運転に移行した場合に、蓄電電圧安定検出処理によって蓄電電圧が放電終止電圧以下になったと判定される時点よりも早い時点で電源電圧が元の状態に戻っておれば、速やかにバックアップ運転から通常運転に復帰して交流電源から負荷に電力を供給できるようにするので、蓄電手段が経年劣化して放電電力容量が低下して蓄電電圧が急速に低下するような場合でも、負荷への電力供給を確実に維持することができる無停電電源装置を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。同装置の第１の電力変換部の構成を示す回路図である。同装置の第２の電力変換部の構成を示す回路図である。同装置の制御動作の説明に供するフローチャートである。同装置において、電源電圧の瞬時電圧低下（短時間）が発生した場合の制御動作に対応したタイミグチャートである。同装置において、電源電圧の瞬時電圧低下（図５の場合よりも長時間）が発生した場合の制御動作に対応したタイミグチャートである。本発明の実施の形態２における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。蓄電手段に経年劣化が発生していない場合に、交流電源の電源電圧がサージやリップル等により一時的に低下した場合の従来動作を示すタイミグチャートである。蓄電手段に経年劣化が発生している場合に、交流電源の電源電圧がサージやリップル等により一時的に低下した場合の従来動作を示すタイミグチャートである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図、図２は同装置の第１の電力変換部の構成を示す回路図、図３は同装置の第２の電力変換部の構成を示す回路図である。

この実施の形態１の無停電電源装置ＵＰＳは、交流電源１と負荷５との間に設けられており、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４と、蓄電手段６と、充放電部７と、第１の蓄電電圧検出手段８と、第２の蓄電電圧検出手段９と、入力電圧検出手段１０と、母線電圧検出手段１１と、リレー回路１２と、制御手段１３とを有している。

第１の電力変換部２は、交流電源１に接続されて交流電圧を直流電圧に変換するものである。第１の電力変換部２は、図２に示すように、ブリッジ整流回路２ａと、コイル、スイッチ素子、およびダイオードからなる昇圧回路２ｂとを有しており、ブリッジ整流回路２ａにより交流電源１の交流電力を直流電力に整流し、この直流電圧を昇圧回路２ｂにより昇圧してコンデンサ３を所定値（例えば２００Ｖ）に充電する。

第２の電力変換部４は、コンデンサ３に接続されて直流電圧を交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）に変換して負荷５に電力を供給するものである。第２の電力変換部４は、図３に示すように、ダイオードを逆並列に接続した複数個のＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄからなる単相フルブリッジインバータと、コイル及びコンデンサからなるフィルタ回路４ｅを有している。なお、このようなフルブリッジインバータに代えて、ハーフブリッジインバータを使用してもよい。また、自己消弧型半導体スイッチング素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ等でも、また自己消弧機能がないサイリスタ等でも強制転流動作が可能であればよい。

蓄電手段６は、交流電源１の異常時にコンデンサ３に電力を供給するものである。本例では、蓄電手段６は、鉛蓄電池からなるバッテリが適用されるが、これに限らず、例えばニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池など、エネルギーを蓄えることが可能なものであればよい。

充放電部７は、交流電源１が健全時に交流電源１からの電力で蓄電手段６を所定電圧（例えばＤＣ６０Ｖ）に充電し、交流電源１の異常時には蓄電手段６の電力を放電してコンデンサ３へ電力を供給するものである。なお、図１では充放電部７をコンデンサ３に接続しているが、充電部と放電部に分け、充電部は交流電源１に接続し、放電部はコンデンサ３に接続した構成としてもよい。

第１の蓄電電圧検出手段８は、バックアップ運転時、従来と同程度の時間Ｔｄ２（例えば１００ｍｓｅｃ）でもって蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを平均化して計測する処理、すなわち前述の蓄電電圧安定化検出処理を行うものである。したがって、この第１の蓄電電圧検出手段８は、蓄電手段６の電圧検出時に重畳したリップルやサージ電圧を平均化して安定した電圧計測が可能である。なお、以下において、この第１の蓄電電圧検出手段８が蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを蓄電電圧安定化検出処理によって検出する動作を低速検出と称する。

第２の蓄電電圧検出手段９は、バックアップ運転時、短時間（例えば１ｍｓｅｃ）の内に蓄電手段６の電圧を検出するものである。すなわち、この第２の蓄電電圧検出手段９は、第１の蓄電電圧検出手段８のような蓄電電圧安定化検出処理は行わずに、蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを高速に検出する。したがって、この第２の蓄電電圧検出手段９は、電圧検出時に重畳したリップルやサージ電圧の影響を受ける可能性がある。なお、以下において、第２の蓄電電圧検出手段９が蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを検出する動作を高速検出と称する。

入力電圧検出手段１０は、特許請求の範囲における電源電圧計測手段に相当するもので、交流電源１の短時間周期の入力電圧値（例えば、電源電圧健全時の電源周波数１／２周期である約１０ｍｓｅｃの実効値または平均値）Ｖｉｎを計測するものである。

母線電圧検出手段１１は、コンデンサ３の充電電圧Ｖｃを短時間周期（約５ｍｓｅｃ）で計測するものである。また、リレー回路１２は、交流電源１が健全でないと判断された場合に交流電源１と第１の電力変換部２との間を切り離すものである。

制御手段１３は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されるもので、上記の第１の蓄電電圧検出手段８、第２の蓄電電圧検出手段９、入力電圧検出手段１０、および母線電圧検出手段１１の各検出出力に基づいて各種判定処理を行い、第１、第２の電力変換部２，４、充放電部７、およびリレー回路１２の各部の動作を制御するものである。

次に、上記構成を備えた無停電電源装置ＵＰＳの動作について、図４に示すフローチャート、ならびに、図５および図６に示すタイミグチャートを参照して説明する。なお、符号Ｓは各処理ステップを意味する。

制御手段１３は、入力電圧検出手段１０により検出される交流電源１の電源電圧Ｖｉｎを監視し（Ｓ１１）、電源電圧Ｖｉｎが所定範囲（例えば８５Ｖ）以上あれば（Ｓ１２）、交流電源１は健全であると判断する。このときには、第１の電力変換部２のブリッジ整流回路２ａは、交流電源１の交流電圧Ｖｉｎを直流電圧に変換し、この直流電圧を昇圧回路２ｂが昇圧してコンデンサ３を所定電圧（例えばＤＣ２００Ｖ）に充電する。そして、第２の電力変換部４は、コンデンサ３の直流電圧を所定の交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）に変換して負荷５に電力を供給する（Ｓ１５）。以下、この一連の動作を通常運転という。

一方、制御手段１３は、Ｓ１２において、入力電圧検出手段１０により計測される交流電源１の電源電圧Ｖｉｎが所定範囲よりも低下したと判断した場合、交流電源１が瞬時電圧低下や停電などの異常状態になったと判定し、次に、母線電圧検出手段１１により検出されるコンデンサ３の電圧Ｖｃを取り込み（Ｓ１３）、このコンデンサ３の電圧Ｖｃが所定値（例えば１６０Ｖ）を逸脱して低下したか否かを判断する（Ｓ１４）。

このとき、コンデンサ３の電圧Ｖｃが所定値を逸脱していなければ、コンデンサ３の保有するエネルギーでもって負荷５への電力供給を維持している期間中に交流電源１が正常に戻ったものと判断して、通常運転に復帰する（Ｓ１５）。

一方、Ｓ１４において、母線電圧検出手段１１により検出されるコンデンサ３の電圧Ｖｃが所定値（例えば１６０Ｖ）を逸脱して低下した場合には、制御手段３は、リレー回路１２を開とし（Ｓ２１）、バックアップ運転に移行する（Ｓ２２）。これにより、蓄電手段６の電力が充放電部７を経由してコンデンサ３に供給されるので、制御手段３は、コンデンサ３が所定電圧（例えばＤＣ２００Ｖ）になるように制御する。また、第２の電力変換部４により直流電圧が交流電圧（例えば実効値で１００Ｖ）Ｖｏｕｔに変換されて負荷５に出力される。

制御手段１３は、バックアップ運転開始直後から、第１の蓄電電圧検出手段８の検出出力を取り込んで蓄電手段６の電圧Ｖｂを監視する（Ｓ２３）とともに、第２の蓄電電圧検出手段９の検出出力を取り込んで蓄電手段６の電圧Ｖｂを監視する（Ｓ２４）。さらに、制御手段１３は、入力電圧検出手段１０からの検出出力を取り込んで、電源電圧Ｖｉｎを監視する（Ｓ２５）。

ここで、制御手段１３は、第２の蓄電電圧検出手段９が高速検出している蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒ（例えばＤＣ５０Ｖ）よりも低下したと判断した場合（Ｓ２６）、続いて、入力電圧検出手段１０により検出される電源電圧Ｖｉｎが所定値（例えば実効値で９０Ｖ）以上あるか否かを判断する（Ｓ２７）。

このとき、電源電圧Ｖｉｎが所定値（例えば実効値で９０Ｖ）以上ある場合には、制御手段１３は、電源電圧Ｖｉｎが正常値に戻っているものと判断し、充放電部７による蓄電手段６からの放電を停止するとともに、第２の電力変換部４で交流電源１に対する電圧位相を調整する等の処理は行わずに、単純にリレー回路１２を閉じる高速復帰処理を実行し（Ｓ２８）、直ちに通常運転に移行する（Ｓ１５）。この場合の処理については、後で図５および図６のタイミグチャートを用いてさらに詳述する。

一方、制御手段１３は、Ｓ２６で第２の蓄電電圧検出手段９が高速検出している蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達していないと判断した場合には、蓄電手段６から負荷５への電力供給が可能と判断してバックアップ運転を継続する（Ｓ２９）。

また、制御手段１３は、Ｓ２６で蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達しており、かつＳ２７で電源電圧Ｖｉｎが所定値（例えばＡＣ９０Ｖ）未満であると判断した場合にも、バックアップ運転を継続する（Ｓ２９）。

その理由は、蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが実際には放電終止電圧Ｖｂｃｒに達していないにもかかわらず、電圧計測系に重畳したリップルやサージ電圧等の影響で、第２の蓄電電圧検出手段９が高速検出した蓄電電圧Ｖｂが一時的に低下するなどして放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したものと誤って判断する可能性があるため、交流電源１の電源電圧Ｖｉｎが所定値よりも低下している限り、高速復帰処理（Ｓ２８）には移行せずに、バックアップ運転を継続して不用意に負荷５への電力供給が停止されないようにしたものである。

そして、バックアップ運転中、制御手段１３は、入力電圧検出手段１０の検出出力を取り込んで交流電源１の電圧Ｖｉｎと周波数とを計測する（Ｓ３０）。その場合の電源電圧Ｖｉｎが健全かどうかの判定には、例えば交流電源１の周波数を２０周期平均化計測し、周波数が健全であることを判定し、その周期で、交流電源１の電圧を２０周期平均化計測し、電圧が健全であることを判定する処理を行う（Ｓ３１）。そして、交流電源１の電源電圧Ｖｉｎが健全な状態に戻っていると判断した場合は、バックアップ運転を停止するため、第２の電力変換部４で交流電源１に対する電圧位相の同期を取った後にリレー回路１２を閉じる通常復帰処理を行う（Ｓ３２）。このように、通常復帰処理を経由して通常運転に移行する場合には、電源電圧の判定に長周期にわたる周波数と電圧の計測を実施しているので、電源電圧が不安定な状態で通常運転に移行するなどの不具合発生を無くすことができる。

また、制御手段１３は、Ｓ３１で交流電源１の電源電圧Ｖｉｎが未だ健全な状態に戻っていないと判断した場合には、次に、第１の蓄電電圧検出手段８により低速検出されている蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒ（例えばＤＣ５０Ｖ）よりも低下したか否かを判断する（Ｓ３３）。

そして、蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒ（例えばＤＣ５０Ｖ）以下になっている場合は、制御手段１３は、蓄電手段６の蓄積エネルギーが枯渇したものと判断して、充放電部７および第２の電力変換部４の各動作を停止して、充放電部７から第２の電力変換部４を経由した負荷５への電力供給を停止する（Ｓ３４）。

一方、バックアップ運転中のＳ３３で第１の蓄電電圧検出手段８で低速検出された蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒ（例えばＤＣ５０Ｖ）に達していなければ、Ｓ２４に戻り処理を継続する。

次に、図４のフローチャートにおいて、Ｓ２２のバックアップ運転開始から、Ｓ２３〜Ｓ２７を経由して、Ｓ２８で高速復帰処理を行う場合の具体的な処理動作について、図５および図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。なお、ここで、蓄電手段６は経年劣化が進んでいる場合を前提として説明する。

図５は、交流電源の電源電圧Ｖｉｎ（ここでは実効値）がサージやリップル等により瞬時低下が短時間（例えば、約２５ｍｓｅｃ程度）発生した場合の制御動作を、また、図６は電源電圧の瞬時低下が図５の場合よりも幾分長い時間（例えば、約１００ｍｓｅｃ程度）にわたって発生した場合の制御動作を、それぞれ示している。

まず、図５において、時刻ｔ１で電源電圧Ｖｉｎがサージやリップル等により一時的に低下して異常となり、時刻ｔ３で電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したとする。その場合、時刻ｔ２までの間はコンデンサ３の保有するエネルギーで負荷５への電力供給を維持している。時刻ｔ２で交流電源１に異常が発生したと判定されてリレー回路１２がオフになると、蓄電手段６から第２の電力変換回路４を介して負荷５に電力が供給されるバックアップ運転に移行する。

蓄電手段６は経年劣化が進んでいるので、バックアップ運転に移行した直後から蓄電電圧Ｖｂは低下し始める。そして、同図実線に示すように、時刻ｔ５で蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが実際に放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したとする。

この場合、第１の蓄電電圧検出手段８は、蓄電電圧Ｖｂを平均化するなどして低速検出するので、この低速検出される蓄電電圧Ｖｂの変化は、同図一点鎖線で示すように推移し、放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出されるのは、バックアップ運転の開始時刻ｔ２から所定時間Ｔｄ２が経過した後の時刻ｔ８である。これは、先の図９に示した場合と同じである。

一方、第２の蓄電電圧検出手段９は、短時間（例えば１ｍｓｅｃ）の内に蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを高速検出するので、この高速検出される蓄電電圧Ｖｂの変化は、同図実線に示した実際の蓄電電圧Ｖｂの変化と略同様に推移し、時刻ｔ５で蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出される（図４のＳ２６）。

この時刻ｔ５に到達する前の時刻ｔ３の直後（例えばｔ３の１０ｍｓｅｃ後）に、入力電圧検出手段１０で検出される電源電圧Ｖｉｎは、既に正常復帰していることが検出されているので（図４のＳ２５，Ｓ２７）、制御手段１３は、前述のように交流電源１の電源電圧や周波数の健全性をチェックすることなく、直ちにリレー回路１２を閉じ高速復帰処理を行う（図４のＳ２８）。これにより、短時間の内に通常運転に移行する（図４のＳ１５）。

このように、Ｓ２３、Ｓ２４〜Ｓ２７を経由した後のＳ２８の高速復帰処理では、交流電源１の電源電圧や周波数の健全性をチェックするなどの処理が行わずに直ちにリレー回路を閉じるので、復帰時に電圧変動や周波数変動が若干生じるものの、図９に示した従来のように、実際には電源電圧Ｖｉｎが時刻ｔ３で既に正常に戻っているにもかかわらず、電源電圧安定化検出処理による検出タイミング（時刻ｔ９）よりも蓄電電圧安定化検出処理によって放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出されるタイミング（時刻ｔ８）の方が早くなって、無停電電源装置の出力停止状態が継続されてしまうといった不具合発生を確実に防止することができる。

一方、図６において、時刻ｔ１で電源電圧Ｖｉｎがサージやリップル等により一時的に低下して異常となり、時刻ｔ６で電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したとする。その場合、時刻ｔ２までの間はコンデンサ３の保有するエネルギーで負荷５への電力供給を維持している。時刻ｔ２で交流電源１に異常が発生したと判定されてリレー回路１２がオフになると、蓄電手段６から第２の電力変換回路４を介して負荷５に電力が供給されるバックアップ運転に移行する。

この場合、第１の蓄電電圧検出手段８は、蓄電電圧Ｖｂを平均化するなどして低速検出するので、この低速検出される蓄電電圧Ｖｂの変化は、同図一点鎖線で示すように推移し、放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出されるのは、バックアップ運転の開始時刻ｔ２から所定時間Ｔｄ２が経過した後の時刻ｔ８である。これは、先の図５、図９に示した場合と同じである。

一方、第２の蓄電電圧検出手段９は、短時間（例えば１ｍｓｅｃ）の内に蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを高速検出するので、この高速検出される蓄電電圧Ｖｂの変化は、同図実線に示した実際の蓄電電圧Ｖｂの変化と略同様に推移し、時刻ｔ５で蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことを検出する（図４のＳ２６）。

この時刻ｔ５に到達した時点では、入力電圧検出手段１０で検出される電源電圧Ｖｉｎは、未だ正常復帰していないと判定されるため、バックアップ運転が継続される（Ｓ２４〜Ｓ３３の繰り返し）。ただし、時刻ｔ５の直後、放電電力が枯渇し出力電圧Ｖｏｕｔは低下する。時刻ｔ６の直後の時刻ｔ７になると、電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したことが入力電圧検出手段１０で検出され（図４のＳ２５，Ｓ２７）、かつ、既に時刻ｔ５で蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂが放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出されているので（図４のＳ２６）、制御手段１３は、前述のように交流電源１の電源電圧や周波数の健全性をチェックすることなく、直ちにリレー回路１２を閉じ高速復帰処理を行う（図４のＳ２８）。これにより、通常運転に移行する（図４のＳ１５）。

以上のように、この実施の形態１によれば、蓄電手段６が経年劣化している場合に、電源電圧Ｖｉｎが正常復帰したことが電源電圧安定化検出処理によって判定されるタイミング（時刻ｔ９）よりも、第１蓄電電圧検出手段８による低速検出によって放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが判定されるタイミング（時刻ｔ８）の方が早い場合であっても、第２の蓄電電圧検出手段９で蓄電手段６の蓄電電圧Ｖｂを高速検出することで、第１蓄電電圧検出手段８による低速検出によって放電終止電圧Ｖｂｃｒに達したことが検出される前に電源電圧Ｖｉｎが正常に戻っておれば、即座にリレー回路１２を閉じてバックアップ運転から通常運転に復帰することができる。したがって、従来のように蓄電手段６が経年劣化している場合に、無停電電源装置の出力が不用意に停止されるといったことはなく、交流電源１から負荷５への電力供給を維持することが可能となる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２の無停電電源装置ＵＰＳは、交流電源１と負荷５との間に設けられており、入力スイッチ１５と、第３の電力変換部１６と、コンデンサ３と、第４の電力変換部１７と、蓄電手段（例えばバッテリ）６と、充放電部７と、第１の蓄電電圧検出手段８と、第２の蓄電電圧検出手段９と、入力電圧検出手段１０と、母線電圧検出手段１１と、リレー回路１２と、制御手段１３とを有している。

第３の電力変換部１６は、図３に示したのと同様の単相フルブリッジインバータで構成されており、交流電源１からの交流電力を負荷５に供給するとともに、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ３を所定値（例えばＤＣ１００Ｖ）に充電し、また、必要に応じてコンデンサ３のエネルギーを交流電圧に変換して交流電源１側に出力するものである。すなわち、この第３の電力変換部１６は、交流電源１が健全な時には、交流電源１とコンデンサ３との間で双方向で電力変換を行う。

第４の電力変換部１７は、図３に示したのと同様の単相フルブリッジインバータで構成されており、交流電源１と負荷５との間に直列接続されている。そして、交流電源１が健全な時には交流電源１の電圧を調整する一方、交流電源１が異常時には第３の電力変換部１６と協働して負荷５に交流電力を供給するものである。すなわち、第４の電力変換部１７は、交流電源１が健全な時には、交流電源１の電圧変動分を補正する電圧を出力して、負荷５に安定した電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）を供給し、コンデンサ３との間で絶縁トランス（図示せず）を介して双方向に電力変換を行うものである。

なお、充放電部７、第１の蓄電電圧検出手段８、第２の蓄電電圧検出手段９、母線電圧検出手段１１、およびリレー回路１２の各構成は、図１に示した実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。入力スイッチ１５はリレー回路１２と交流電源１との間に直列に接続されている。

また、制御手段１３は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されるもので、上記の第１の蓄電電圧検出手段８、第２の蓄電電圧検出手段９、入力電圧検出手段１０、および母線電圧検出手段１１の各検出出力に基づいて各種の判定処理を行い、入力スイッチ１５、第３、第４の電力変換部１６，１７、充放電部７、およびリレー回路１２の各部の動作を制御するものである。

次に、上記構成を備えた無停電電源装置の動作について説明する。

交流電源１が健全な時は、第３の電力変換部１６により、コンデンサ３が所定電圧（例えばＤＣ１００Ｖ）になるように、交流電源１とコンデンサ３との間で双方向に電力変換を行う。また、第４の電力変換部１７は、交流電源１の電源電圧の変動分の電圧を出力して負荷５に安定した交流電圧（例えば実効値で１００Ｖ）を出力する。その際、第４の電力変換部１７は、絶縁トランス（図示せず）を介して、コンデンサ３との間で双方向に電力変換を行う。充放電部７は、蓄電手段６を所定電圧（例えばＤＣ６０Ｖ）に充電する通常運転を実行する。

一方、入力電圧検出手段１０により検出される電源電圧Ｖｉｎが所定範囲（例えばＡＣ８５Ｖ）を逸脱して低下すると、入力スイッチ１５を一時的にオフし、コンデンサ３の電力を第３の電力変換部１６と第４の電力変換部１７により交流電力に変換して、負荷５に交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）を出力する。その後、母線電圧検出手段１１により検出されるコンデンサ３の電圧Ｖｃが所定値（例えばＤＣ８０Ｖ）を逸脱し低下した場合には、交流電源１が瞬時電圧低下や停電などの異常状態になったと判定し、リレー回路１２を開とし、蓄電手段６の電力を充放電部７によりコンデンサ３へ供給し、コンデンサ３が所定電圧（例えばＤＣ１００Ｖ）になるよう制御する。そして、コンデンサ３の電力を第３の電力変換部１６と第４の電力変換部１７により交流電力に変換して、負荷５に交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）を出力するバックアップ運転を行う。

このバックアップ運転中の処理動作は、図４に示したフローチャートの場合と基本的には略同様であるが、Ｓ２８における高速復帰処理の内容が実施の形態１の場合と異なっている。

すなわち、この実施の形態２では、第４の電力変換部１７は交流電源１と負荷５の間に直列接続されており、かつ、入力電圧検出手段１０により短時間周期で検出される交流電源１の電源電圧Ｖｉｎの値が所定値（例えばＡＣ９０Ｖ）以上に復電した場合、その際の交流電源１の位相や周波数が不明であることから、第３の電力変換部１６の動作を停止してその出力をオフにするとともに、第４の電力変換部１７の出力を短絡（双方向オン）した後、リレー回路１２を閉じ、入力スイッチ１５をオンして、リレー回路１２、入力スイッチ１５および第４の電力変換部１７を介して負荷５に電力を供給する。その後、入力電圧検出手段１０によって電源電圧Ｖｉｎの周波数を計測し、電源電圧Ｖｉｎの電圧位相と同期を取った後に通常運転に戻る。

以上のように、この実施の形態２によれば、第２の蓄電電圧検出手段９による蓄電手段６の電圧を高速（例えば１ｍｓｅｃ）に検出することで、蓄電手段６が経年劣化して電圧が急激に低下しても、コンデンサ３に蓄積された電力で負荷５へ電力供給を継続している間にリレー回路１２を閉じ、入力スイッチ１５をオンして、第４の電力変換部１７を介して負荷５に電力供給することが可能となり、交流電源１の一時的な電圧変動でバックアップ運転に移行した場合に、負荷５への電力供給を維持することが可能となる。
その他の作用、効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

ＵＰＳ無停電電源装置、２第１の電力変換部、３コンデンサ、
４第２の電力変換部、５負荷、６蓄電手段、７充放電部、
８第１の蓄電電圧検出手段、９第２の蓄電電圧検出手段、１０入力電圧検出手段、１１母線電圧検出手段、１２リレー回路、１３制御手段、
１６第３の電力変換部、１７第４の電力変換部。

Claims

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第１の電力変換部と、
上記交流電源が健全時には上記第１の電力変換部により電力供給されるコンデンサと、
上記コンデンサの直流電力を交流電力に変換して負荷に電力供給する第２の電力変換部と、
上記交流電源が健全な場合には充電される蓄電手段と、
上記交流電源が健全でない場合には上記蓄電手段から上記コンデンサに電力供給する放電部と、
上記蓄電手段の電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、
上記交流電源の電圧の実効値または平均値を交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の周期で計測する電源電圧計測手段と、
上記蓄電電圧検出手段と上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて上記第１、第２の電力変換部および上記放電部の動作を制御する制御手段と、を有し、
上記蓄電電圧検出手段は、交流電源健全時の電圧周期の１周期以上の長周期で計測する第１の蓄電電圧検出手段と、交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の短周期で計測する第２の蓄電電圧検出手段とを備え、
上記制御手段は、上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて上記交流電源が健全でないと判断した場合、上記第１の電力変換部から上記コンデンサへの電力供給を停止して上記放電部により上記蓄電手段から上記コンデンサに電力を供給するバックアップ運転を実行するとともに、上記バックアップ運転中に上記第１の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際には、上記バックアップ運転を停止する一方、上記バックアップ運転中に上記第２の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際に上記電源電圧計測手段の計測値が所定値以上であるならば上記第１の電力変換部による上記コンデンサへの電力供給を再開して通常運転に復帰する制御を行う無停電電源装置。
交流電力と直流電力とを双方向に変換する第３の電力変換部と、交流電力と直流電力を双方向に変換する第４の電力変換部とを備え、上記第３の電力変換部は、その交流側端子が交流電源に、交流電源を切り離す入力スイッチを介して接続され、上記第４の電力変換部は、その交流側端子が上記第３の電力変換部の交流側端子の一端と負荷との間に直列接続される一方、
上記交流電源が健全な場合には上記第３の電力変換部により電力供給されるコンデンサと、
上記交流電源が健全な場合には充電される蓄電手段と、
上記交流電源が健全でない場合には上記蓄電手段から上記コンデンサに電力供給する放電部と、
上記蓄電手段の電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、
上記交流電源の電圧の実効値または平均値を交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の短周期で計測する電源電圧計測手段と、
上記蓄電電圧検出手段と上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて第３、第４の電力変換部および上記放電部の動作を制御する制御手段と、を有し、
上記蓄電電圧検出手段は、交流電源健全時の電圧周期の１周期以上の長周期で計測する第１の蓄電電圧検出手段と、交流電源健全時の電圧周期の１周期以下の短周期で計測する第２の蓄電電圧検出手段とを備え、
上記制御手段は、上記電源電圧計測手段の検出出力に基づいて上記交流電源が健全でないと判断した場合、上記入力スイッチをオフにして交流電源を切り離して上記コンデンサの保有する電力により、上記第３の電力変換部と上記第４の電力変換部とで上記負荷に交流電流を供給し、かつ上記放電部により上記蓄電手段から上記コンデンサに電力を供給するバックアップ運転を実行するとともに、上記バックアップ運転中に上記第１の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際には、上記バックアップ運転を停止する一方、上記バックアップ運転中に上記第２の蓄電電圧検出手段により上記蓄電手段の電圧が所定値以下になったことを検出した際に上記電源電圧計測手段の計測値が所定値以上であるならば上記第３の電力変換部の出力をオフし、かつ上記第４の電力変換部の出力を短絡状態にした後、上記入力スイッチをオンして通常運転に復帰する制御を行う無停電電源装置。