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1. WO2020008549 - 無停電電源装置

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明 細 書

発明の名称 無停電電源装置

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006  

発明の効果

0007  

図面の簡単な説明

0008  

発明を実施するための形態

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078  

符号の説明

0079  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5  

明 細 書

発明の名称 : 無停電電源装置

技術分野

[0001]
 この発明は無停電電源装置に関し、特に、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負荷に供給する無停電電源装置に関する。

背景技術

[0002]
 たとえば特開2004-72841号公報(特許文献1)には、整流器および充電器を備えた無停電電源装置が開示されている。整流器は、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負荷に供給する。充電器は、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蓄電池に蓄える。蓄電池は、満充電される。交流電源の停電時には、蓄電池の直流電力が負荷に供給される。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2004-72841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、特許文献1には、負荷で回生エネルギーが発生する場合、負荷から無停電電源装置の直流部に回生電流が流れ、直流部の電圧が過大になるという問題がある。この対策として、回生電流を熱に変換する抵抗器を設けることによって直流部の電圧を低下させる方法が考えられるが、この方法では回生エネルギーが無駄に廃棄されてしまう。
[0005]
 それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷で発生した回生エネルギーを有効に利用することが可能な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

[0006]
 この発明に係る無停電電源装置は、交流電源の健全時には、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第1の電源ノードに出力し、交流電源の停電時には、その運転が停止されるコンバータと、交流電源の健全時には、コンバータによって生成された直流電力を第1の電力貯蔵装置に蓄え、交流電源の停電時には、第1の電力貯蔵装置の直流電力を第1の電源ノードに出力する第1の双方向チョッパと、アノードが第1の電源ノードに接続され、カソードが第2の電源ノードに接続された第1のダイオードと、第2の電源ノードと第2の電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する第2の双方向チョッパと、一方端が第2の電源ノードに接続され、他方端が負荷に接続される直流ラインと、直流ラインに流れる電流を検出する電流検出器と、電流検出器の検出結果に基づいて第2の双方向チョッパを制御し、負荷から第2の電源ノードに電流が流れている場合には第2の電力貯蔵装置を充電し、第2の電源ノードから負荷に電流が流れている場合には第2の電力貯蔵装置を放電させる第1の制御部とを備えたものである。

発明の効果

[0007]
 この発明に係る無停電電源装置では、負荷から第2の電源ノードに回生電流が流れている場合には第2の電力貯蔵装置を充電し、第2の電源ノードから負荷に力行電流が流れている場合には第2の電力貯蔵装置を放電させる。したがって、負荷で発生した回生エネルギーを有効に利用することができる。

図面の簡単な説明

[0008]
[図1] この発明の実施の形態1による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。
[図2] 図1に示した負荷の構成を例示するブロック図である。
[図3] 図1に示した双方向チョッパ11の構成を示す回路ブロック図である。
[図4] 図3に示した制御部の構成を示すブロック図である。
[図5] この発明の実施の形態2による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。

発明を実施するための形態

[0009]
 [実施の形態1]
 図1は、この発明の実施の形態1による無停電電源装置U1の構成を示す回路ブロック図である。この無停電電源装置U1は商用交流電源20から供給される三相交流電力を直流電力に変換して負荷21に供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図1では一相に関連する部分のみが示されている。
[0010]
 図1において、無停電電源装置U1は、交流入力端子T1,T2、バッテリ端子T3,T4、直流出力端子T5、スイッチ1,7,12,16、ヒューズ2、リアクトル3、コンバータ4、コンデンサ5,14、双方向チョッパ6,11、ダイオード10、制御部9,15、直流ライン17、電流検出器8,13,18、および整流器19を備える。
[0011]
 交流入力端子T1,T2は、ともに商用交流電源20から供給される商用周波数の交流電力を受ける。交流入力端子T1に現れる交流電圧VIの瞬時値は、制御部9によって検出される。制御部9は、交流電圧VIの瞬時値に基づいて、商用交流電源20の停電が発生しているか否かを判別する。
[0012]
 バッテリ端子T3には、鉛蓄電池B1(第1の電力貯蔵装置)が接続される。鉛蓄電池B1には、大容量のものを安価で入手できるという長所がある。鉛蓄電池B1の端子間電圧VB1は、制御部9によって検出される。バッテリ端子T4には、リチウムイオン電池B2(第2の電力貯蔵装置)が接続される。リチウムイオン電池B2には、高速度で充電および放電できるという長所がある。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2は、制御部9によって検出される。電池B1,B2の各々の代わりにコンデンサを接続しても構わない。直流出力端子T5には、負荷21が接続される。負荷21は、無停電電源装置U1から供給される直流電力によって駆動される。
[0013]
 図2は、図1に示した負荷21の構成を例示するブロック図である。図2において、負荷21は、インバータ22、モータ23、回転機構部24、および制御部25を含む。インバータ22は、制御部25によって制御され、無停電電源装置U1から供給される直流電力を、制御部25によって指示された周波数および電圧の交流電力に変換する。モータ23は、インバータ22から供給される交流電力の周波数に応じた回転速度で回転機構部24を駆動させる。制御部25は、制御信号CNTに従ってインバータ22を制御する。
[0014]
 モータ23によって回転機構部24を加速させる場合のようにインバータ22からモータ23に電力を供給する状態は、力行状態と呼ばれる。逆に、モータ23によって回転機構部24を減速させる場合のようにモータ23からインバータ22に電力が供給される状態は、回生状態と呼ばれる。回生状態では、モータ23が回転機構部24によって回転駆動されて発電機として動作し、回生電力(交流電力)を発生する。この回生電力は、インバータ22によって直流電力に変換されて無停電電源装置U1に供給される。
[0015]
 図1に戻って、スイッチ1、ヒューズ2、およびリアクトル3は、交流入力端子T1とコンバータ4の入力ノードとの間に直列接続される。スイッチ1は、無停電電源装置U1の使用時にオンされ、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。
[0016]
 ヒューズ2は、過電流が流れた場合にブローされる。ヒューズ2は、過電流からコンバータ4などを保護するために設けられている。リアクトル3は、商用交流電源20から供給される商用周波数の交流電力をコンバータ4に通過させ、コンバータ4で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源20側に通過することを防止する。
[0017]
 コンバータ4は、複数組のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびダイオードを含み、制御部9によって制御される。商用交流電源20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20の健全時)には、コンバータ4は、商用交流電源20から供給される交流電力を直流電力に変換して電源ノードN1(第1の電源ノード)に出力する。商用交流電源20からの交流電力の供給が停止された場合(商用交流電源20の停電時)には、コンバータ4の運転は停止される。
[0018]
 コンデンサ5は、電源ノードN1に接続され、電源ノードN1の電圧VD1を平滑化および安定化させる。電源ノードN1に現れる直流電圧VD1は、制御部9によって検出される。
[0019]
 制御部9は、商用交流電源20の健全時には、電源ノードN1の直流電圧VD1が参照直流電圧VD1rになるようにコンバータ4を制御し、商用交流電源20の停電時には、コンバータ4の運転を停止させる。参照直流電圧VD1rは、整流器19の直流出力電圧VAよりも低い電圧に設定されている。制御部9は、商用交流電源20の停電時には、コンバータ4に含まれる全IGBTをオフさせてコンバータ4の運転を停止させ、電源ノードN1から商用交流電源20側に電流が流れることを防止する。
[0020]
 双方向チョッパ6(第1の双方向チョッパ)の高電圧側ノード6aは電源ノードN1に接続され、その低電圧側ノード6bはスイッチ7を介してバッテリ端子T3に接続される。スイッチ7は、無停電電源装置U1の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置U1および鉛蓄電池B1のメンテナンス時にオンされる。電流検出器8は、双方向チョッパ6と鉛蓄電池B1との間に流れる電流IB1を検出し、検出値を示す信号IB1fを制御部9に出力する。
[0021]
 双方向チョッパ6は、IGBT、ダイオード、リアクトルを含み、制御部9によって制御される。双方向チョッパ6は、商用交流電源20の健全時には、コンバータ4によって生成された直流電力を鉛蓄電池B1に蓄え、商用交流電源20の停電時には、鉛蓄電池B1の直流電力を電源ノードN1に出力する。
[0022]
 制御部9(第2の制御部)は、商用交流電源20の健全時には、双方向チョッパ6を制御することにより、鉛蓄電池B1の端子間電圧VB1が参照バッテリ電圧VB1rになるようにバッテリ電流IB1を制御する。また制御部9は、商用交流電源20の停電時には、双方向チョッパ6を制御することにより、電源ノードN1の直流電圧VD1が参照直流電圧VD1rになるようにバッテリ電流IB1を制御する。
[0023]
 参照バッテリ電圧VB1rは、参照直流電圧VD1rよりも低い電圧に設定されている(VB1r<VD1r)。すなわち、双方向チョッパ6は、電源ノードN1の直流電圧VD1を降圧して鉛蓄電池B1に与え、鉛蓄電池B1の端子間電圧VB1を昇圧して電源ノードN1に与える。
[0024]
 ダイオード10のアノードは電源ノードN1に接続され、そのカソードは電源ノードN2(第2の電源ノード)に接続される。電源ノードN1の直流電圧VD1が電源ノードN2の直流電圧VD2よりも低い場合には、ダイオード10はオフする。電源ノードN1の直流電圧VD1が電源ノードN2の直流電圧VD2よりも高い場合には、ダイオード10はオンする。ダイオード10は、電源ノードN2から電源ノードN1に電流が逆流することを防止するために設けられている。
[0025]
 双方向チョッパ11(第2の双方向チョッパ)の高電圧側ノード11aは電源ノードN2に接続され、その低電圧側ノード11bはスイッチ12を介してバッテリ端子T4に接続される。スイッチ12は、無停電電源装置U1の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置U1およびリチウムイオン電池B2のメンテナンス時にオフされる。電流検出器13は、双方向チョッパ11とリチウムイオン電池B2との間に流れる電流IB2を検出し、検出値を示す信号IB2fを制御部15に出力する。
[0026]
 双方向チョッパ11は、IGBT、ダイオード、リアクトルを含み、制御部15によって制御される。双方向チョッパ11は、負荷21が回生運転している場合には、負荷21から回生される直流電力をリチウムイオン電池B2に蓄え、負荷21が力行運転している場合には、リチウムイオン電池B2の直流電力を負荷21に供給する。
[0027]
 コンデンサ14は、電源ノードN2に接続され、電源ノードN2の直流電圧VD2を平滑化および安定化させる。電源ノードN2の直流電圧VD2は、制御部15によって検出される。スイッチ16の一方端子は電源ノードN2に接続され、その他方端子(ノードN3)は直流ライン17を介して直流出力端子T5に接続される。スイッチ16は、無停電電源装置U1の使用時にオンされ、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。電流検出器18は、直流ライン17に流れる電流IOを検出し、検出値を示す信号IOfを制御部15に与える。
[0028]
 整流器19は、少なくとも1つのダイオード(第2のダイオード)を含み、交流入力端子T2とノードN3との間に接続される。整流器19は、商用交流電源20から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷21に供給する。整流器19は、商用交流電源20から供給される交流電圧をたとえば全波整流して負荷21に供給する。
[0029]
 商用交流電源20の健全時であって、負荷21が力行運転している場合には、電源ノードN2の直流電圧VD2は、整流器19およびコンデンサ12によってVA(V)にされる。参照直流電圧VD1rは、直流電圧VA(V)よりも低い電圧に設定されている(VD1r<VA)。したがって、この場合にはダイオード10がオフされ、負荷21の消費電流は整流器19から供給される。また、ノードN3から直流ライン17を介して直流出力端子T5に直流電流IOが流れ、電流検出器15によって正電流(力行電流)が検出される。
[0030]
 制御部15は、電源ノードN2の直流電圧VD2、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2、電流検出器13の出力信号IB2f、および電流検出器18の出力信号IOfに基づいて、双方向チョッパ11を制御する。
[0031]
 負荷21が回生運転すると、負荷21から電源ノードN2に回生電流が流れ、電源ノードN2の直流電圧VD2が上昇する。回生電流は、電流検出器18よって負電流として検出される。
[0032]
 制御部15は、電流検出器18によって負電流(すなわち回生電流)が検出され、かつ電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHを超えたことに応じて、双方向チョッパ11を制御することにより、回生電流IOに応じた値のバッテリ電流IB2を電源ノードN2からリチウムイオン電池B2に流し、リチウムイオン電池B2を充電させる。しきい値電圧VTHは整流器19の出力電圧VAよりも高い電圧に設定されている(VTH>VA)。
[0033]
 双方向チョッパ11からリチウムイオン電池B2にバッテリ電流IB2を流すと、電源ノードN2の直流電圧VD2は下降する。制御部15は、電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHよりも低下した後でも、電流検出器18によって負電流(すなわち回生電流)が検出されている場合には、リチウムイオン電池B2の充電を継続する。制御部15は、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が上限電圧VHに到達したら、リチウムイオン電池B2の充電を停止させる。
[0034]
 制御部15は、電流検出器18によって正電流(すなわち力行電流)が検出された場合には、双方向チョッパ11を制御することにより、力行電流IOに応じた値のバッテリ電流IB2をリチウムイオン電池B2から電源ノードN2に流し、リチウムイオン電池B2を放電させる。これにより、整流器19とリチウムイオン電池B2の両方から負荷21に電流が供給される。制御部15は、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLに到達したら、リチウムイオン電池B2の放電を停止させる。
[0035]
 図3は、双方向チョッパ11の構成を示す回路図である。図3において、双方向チョッパ11は、IGBTQ1,Q2、ダイオードD1,D2、およびリアクトルX1を含む。IGBTQ1のコレクタは高電圧側ノード11aに接続され、そのエミッタはリアクトルX1を介して低電圧側ノード11bに接続されるとともに、IGBTQ2のコレクタに接続される。IGBTQ2のエミッタは、基準電位ラインL1に接続される。ダイオードD1,D2は、それぞれIGBTQ1,Q2に逆並列に接続される。コンデンサ14(図1)は、電源ノードN2と基準電位ラインL1との間に接続される。リチウムイオン電池B2の負極は、基準電位ラインL1に接続される。
[0036]
 IGBTQ1は、所定周波数fでオンおよびオフされ、負荷21の回生運転時に負荷21から供給される回生電力(直流電力)をリチウムイオン電池B2に蓄える。負荷21の回生運転時には、IGBTQ2はオフ状態に固定される。IGBTQ1は、制御部15からのゲート信号S1によって制御される。ゲート信号S1は、所定周波数fで「H」レベルおよび「L」レベルにされる。ゲート信号S1が「H」レベルにされるとIGBTQ1がオンし、ゲート信号S1が「L」レベルにされるとIGBTQ1がオフする。
[0037]
 負荷21の回生運転時において、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が上限電圧VHよりも低い場合にIGBTQ1がオンされると、電源ノードN2からIGBTQ1、リアクトルX1、およびリチウムイオン電池B2を介して基準電位ラインL1に至る経路に電流IB2が流れ、リチウムイオン電池B2が充電されるとともに、リアクトルX1に電磁エネルギーが蓄えられる。
[0038]
 IGBTQ1がオフされると、リアクトルX1の一方端子(リチウムイオン電池B2側の端子)からリチウムイオン電池B2およびダイオードD2を介してリアクトルX1の他方端子に至る経路で電流が流れ、リチウムイオン電池B2が充電されるとともに、リアクトルX1の電磁エネルギーが放出される。
[0039]
 ゲート信号S1が「H」レベルにされる時間(パルス幅)と1周期(1/f)との比は、デューティ比と呼ばれる。ゲート信号S1のデューティ比を調整することにより、リチウムイオン電池B2に流入する電流IB2を調整することが可能となっている。ゲート信号S1のデューティ比を増大させると、リチウムイオン電池B2に流入する電流IB2が増大する。ゲート信号S1のデューティ比を減少させると、リチウムイオン電池B2に流入する電流IB2が減少する。電源ノードN2の直流電圧VD2は降圧されてリチウムイオン電池B2に与えられ、VB2<VD2となる。
[0040]
 IGBTQ2は、所定周波数でオンおよびオフされ、負荷21の力行運転時に、リチウムイオン電池B2の直流電力を負荷21に供給する。IGBTQ2は、制御部15からのゲート信号S2によって制御される。ゲート信号S2は、所定周波数fで「H」レベルおよび「L」レベルにされる。ゲート信号S2が「H」レベルにされるとIGBTQ2がオンし、ゲート信号S2が「L」レベルにされるとIGBTQ2がオフする。
[0041]
 負荷21の力行運転時において、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLよりも高い場合には、IGBTQ1がオフ状態に固定されるとともに、IGBTQ2のオンおよびオフされる。
[0042]
 IGBTQ2がオンされると、リチウムイオン電池B2の正極からリアクトルX1およびIGBTQ2を介してリチウムイオン電池B2の負極に電流が流れ、リアクトルX1に電磁エネルギーが蓄えられる。IGBTQ2がオフされると、リアクトルX1からIGBTQ2に流れていた電流がリアクトルX1からダイオードD1に転流され、コンデンサ14を介してリチウムイオン電池B2の負極に流れ、リチウムイオン電池B2が放電されるとともに、リアクトルX1の電磁エネルギーが放出される。
[0043]
 ゲート信号S2が「H」レベルにされる時間(パルス幅)と1周期(1/f)との比は、デューティ比と呼ばれる。ゲート信号S2のデューティ比を調整することにより、リチウムイオン電池B2から流出する電流IB2を調整することが可能となっている。ゲート信号S2のデューティ比を増大させると、リチウムイオン電池B2から流出する電流IB2が増大する。ゲート信号S2のデューティ比を減少させると、リチウムイオン電池B2から流出する電流IB2が減少する。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2は昇圧されて電源ノードN2に与えられ、VB2<VD2となる。
[0044]
 制御部15は、電流検出器18(図1)によって負電流(すなわち回生電流)が検出され、かつ電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHを超えたことに応じて、ゲート信号S1を所定周波数fで「H」レベルおよび「L」レベルにし、IGBTQ1を所定周波数fでオンおよびオフさせることにより、リチウムイオン電池B2を充電させる。このとき制御部15は、ゲート信号S1のデューティ比を調整することにより、回生電流IOに応じた値のバッテリ電流IB2を電源ノードN2からリチウムイオン電池B2に流す。
[0045]
 双方向チョッパ11からリチウムイオン電池B2にバッテリ電流IB2を流すと、電源ノードN2の直流電圧VD2は下降する。制御部15は、電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHよりも低下した後でも、電流検出器18によって負電流(すなわち回生電流)が検出されている場合には、リチウムイオン電池B2の充電を継続する。制御部15は、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が上限電圧VHに到達したら、リチウムイオン電池B2の充電を停止させる。
[0046]
 また、制御部15は、電流検出器18によって正電流(すなわち力行電流)が検出されている場合には、ゲート信号S2を所定周波数fで「H」レベルおよび「L」レベルにし、IGBTQ2を所定周波数fでオンおよびオフさせることにより、リチウムイオン電池B2を放電させる。このとき制御部15は、ゲート信号S2のデューティ比を調整することにより、力行電流IOに応じた値のバッテリ電流IB2をリチウムイオン電池B2から電源ノードN2に流す。これにより、整流器19とリチウムイオン電池B2の両方から負荷21に電流が供給される。制御部15は、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLに到達したら、リチウムイオン電池B2の放電を停止させる。
[0047]
 図4は、図3に示した制御部15の構成を示すブロック図である。図4において、制御部15は、電圧検出器30,32、回生モード検出器31、および信号発生回路33,34を含む。電圧検出器30は、電源ノードN2の直流電圧VD2を検出し、その検出値を示す信号を回生モード検出器31に出力する。
[0048]
 回生モード検出器31は、電圧検出器30の出力信号と電流検出器18(図1)の出力信号IOfとに基づいて、信号DTを出力する。電圧検出器30によって検出された直流電圧VD2がしきい値電圧VTHを超え、かつ直流ライン17に負電流(回生電流)が流れた場合に、信号DTは活性化レベルの「H」レベルにされる。
[0049]
 信号DTは、直流電圧VD2がしきい値電圧VTHよりも低下した後でも、直流ライン17に負電流(回生電流)が流れている期間は「H」レベルに維持される。直流ライン17に正電流(力行電流)が流れると、信号DTは非活性化レベルの「L」レベルにされる。信号DTは、信号発生回路33,34に与えられる。電圧検出器32は、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2を検出し、その検出値を示す信号を信号発生回路33,34に与える。
[0050]
 信号発生回路33は、信号DTが「H」レベルである期間に活性化され、ゲート信号S1を所定周波数fで「H」レベルおよび「L」レベルにする。活性化された信号発生回路33は、電流検出器13,18の出力信号IB2f,IOfに基づいて動作し、回生電流IOに応じた値の電流指令値を生成し、リチウムイオン電池B2に流入するバッテリ電流IB2がその電流指令値になるようにゲート信号S1のデューティ比を制御する。
[0051]
 これにより、回生電流IOに応じた値のバッテリ電流IB2がリチウムイオン電池B2に流入し、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が上昇する。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が上限電圧VHに到達した場合には、信号発生回路33は、ゲート信号S1を「L」レベルに固定してリチウムイオン電池B2の充電を停止する。また、信号DTが「L」レベルにされた場合には、信号発生回路33は非活性化され、ゲート信号S1は「L」レベルに固定される。
[0052]
 信号発生回路34は、信号DTが「L」レベルである期間に活性化され、ゲート信号S2を所定周波数fで「H」レベルおよび「L」レベルにする。活性化された信号発生回路34は、電流検出器13,18の出力信号IB2f,IOfに基づいて動作し、力行電流IOに応じた値の電流指令値を生成し、リチウムイオン電池B2から流出するバッテリ電流IB2がその電流指令値になるようにゲート信号S2のデューティ比を制御する。
[0053]
 これにより、力行電流IOに応じた値のバッテリ電流IB2がリチウムイオン電池B2から流出し、リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下降する。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLに到達した場合には、信号発生回路34は、ゲート信号S2を「L」レベルに固定してリチウムイオン電池B2の放電を停止する。また、信号DTが「H」レベルにされた場合には、信号発生回路34は非活性化され、ゲート信号S2は「L」レベルに固定される。
[0054]
 次に、この無停電電源装置U1の動作について説明する。商用交流電源20の健全時には、商用交流電源20から供給される交流電力がコンバータ4によって直流電力に変換され、その直流電力が双方向チョッパ6によって鉛蓄電池B1に蓄えられる。電源ノードN1の直流電圧VD1は、制御部9、コンバータ4、およびコンデンサ5によって参照直流電圧VD1rに維持される。鉛蓄電池B1の端子間電圧VB1は、制御部9および双方向チョッパ6によって参照バッテリ電圧VB1rに維持される。
[0055]
 また、商用交流電源20から供給される交流電力が整流器19によって直流電力に変換されて負荷21に供給される。負荷21が力行運転している場合には、電源ノードN2の直流電圧VD2は、整流器19およびコンデンサ14によって直流電圧VA(V)に維持される。このとき電源ノードN2の直流電圧VD2=VAは、電源ノードN1の直流電圧VD1=VD1rよりも高い値に設定されているので、ダイオード10がオフする。したがって、負荷21は整流器19から供給される直流電力によって運転される。
[0056]
 負荷21が回生運転を開始すると、負荷21から電源ノードN2に回生電流が流れ、電源ノードN2の直流電圧VD2が上昇する。回生電流は電流検出器18によって負電流として検出される。電流検出器18によって負電流(回生電流)が検出され、かつ電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHを超えると、制御部15および双方向チョッパ11によって回生電力がリチウムイオン電池B2に蓄えられる。
[0057]
 回生電力がリチウムイオン電池B2に蓄えられると、電源ノードN2の直流電圧VD2が下降する。電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHよりも低下した場合でも、電流検出器18によって回生電流が検出されている場合には、リチウムイオン電池B2の充電は継続される。
[0058]
 負荷21が再び力行運転を開始すると、電流検出器18によって正電流(力行電流)が検出され、制御部15および双方向チョッパ11によってリチウムイオン電池B2の直流電力が電源ノードN2を介して負荷21に供給される。この場合は、整流器19とリチウムイオン電池B2の両方から負荷21に直流電力が供給される。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLまで低下すると、リチウムイオン電池B2の放電は停止される。リチウムイオン電池B2の放電が停止されると、整流器19のみから負荷21に直流電力が供給される。
[0059]
 商用交流電源20の停電が発生すると、制御部9によってコンバータ4の運転が停止され、鉛蓄電池B1の直流電力が双方向チョッパ6およびダイオード10を介して負荷21に供給される。商用交流電源20の停電時には、整流器19に含まれるダイオードがオフし、ノードN3から整流器19を介して交流入力端子T2に電流が流れることはない。電源ノードN1の直流電圧VD1は、制御部9、双方向チョッパ6、およびコンデンサ5によって参照直流電圧VD1rに維持される。
[0060]
 負荷21が力行運転している場合には、制御部9および双方向チョッパ6によって鉛蓄電池B1の直流電力がダイオード10を介して負荷21に供給される。負荷21が回生運転を開始すると、上述の通り、回生電力がリチウムイオン電池B2に蓄えられる。
[0061]
 負荷21が再び力行運転を開始すると、上述の通り、リチウムイオン電池B2の直流電力が電源ノードN2を介して負荷21に供給される。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLまで低下すると、リチウムイオン電池B2の放電は停止される。リチウムイオン電池B2の放電が停止されると、鉛蓄電池B1から双方向チョッパ6およびダイオード10を介して負荷21に直流電力が供給される。したがって、鉛蓄電池B1に直流電力が蓄えられている期間は、負荷21の運転を継続することができる。
[0062]
 以上のように、この実施の形態1では、負荷21が回生運転している場合には、負荷21からの回生電力をリチウムイオン電池B2に蓄え、負荷21が力行運転を再開した場合には、リチウムイオン電池B2の直流電力を負荷21に供給する。したがって、負荷21で発生した回生エネルギーを有効に利用することができる。
[0063]
 [実施の形態2]
 図5は、この発明の実施の形態2による無停電電源装置U2の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図5を参照して、無停電電源装置U2は、無停電電源装置U1の制御部9,15をそれぞれ制御部9A,15Aで置換したものである。
[0064]
 制御部9Aが制御部9と異なる点は、電源ノードN1の直流電圧VD1を参照直流電圧VD1rよりも高い参照直流電圧VD1rAに維持する点である(VD1rA>VD1r)。参照直流電圧VD1rAは、整流器19の出力電圧VAよりも高い電圧に設定されている(VD1rA>VA)。
[0065]
 このため、商用交流電源20の健全時において、負荷21が力行運転している場合には、ダイオード10がオンし、コンバータ4によって生成された直流電力がダイオード10を介して負荷21に供給される。また、商用交流電源20の停電時には、コンバータ4の運転が停止され、鉛蓄電池B1の直流電力が双方向チョッパ6およびダイオード10を介して負荷21に供給される。いずれの場合も、整流器19に含まれるダイオードはオフされる。
[0066]
 商用交流電源20の健全時において、コンバータ4が故障した場合には、電源ノードN1の直流電圧VD1が直流電圧VAよりも低下するので、ダイオード10がオフし、整流器19から負荷21に直流電力が供給される。
[0067]
 また、制御部15Aが制御部15と異なる点は、しきい値電圧VTHよりも高いしきい値電圧VTHAが使用される点である(VTHA>VTH)。このしきい値電圧VTHAは、電源ノードN1の直流電圧VD1=VD1rAよりも高い電圧に設定されている(VTHA>VD1rA)。
[0068]
 次に、この無停電電源装置U2の動作について説明する。商用交流電源20の健全時には、商用交流電源20から供給される交流電力がコンバータ4によって直流電力に変換され、その直流電力がダイオード10を介して負荷21に供給されるとともに、双方向チョッパ6によって鉛蓄電池B1に蓄えられる。電源ノードN1の直流電圧VD1は、制御部9A、コンバータ4、およびコンデンサ5によって参照直流電圧VD1rAに維持される。鉛蓄電池B1の端子間電圧VB1は、制御部9Aおよび双方向チョッパ6によって参照バッテリ電圧VB1rに維持される。
[0069]
 負荷21が力行運転している場合には、電源ノードN2の直流電圧VD2は、制御部9A、コンバータ4、およびコンデンサ5,14によって参照直流電圧VD1rAに維持される。ただし、ダイオード10のしきい値電圧は参照直流電圧VD1rAよりも十分に低いものとする。したがって、負荷21はコンバータ4から供給される直流電力によって運転される。
[0070]
 負荷21が回生運転を開始すると、負荷21から電源ノードN2に回生電流が流れ、電源ノードN2の直流電圧VD2が上昇する。回生電流は電流検出器18によって負電流として検出される。電流検出器18によって負電流(回生電流)が検出され、かつ電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHAを超えると、制御部15Aおよび双方向チョッパ11によって回生電力がリチウムイオン電池B2に蓄えられる。
[0071]
 回生電力がリチウムイオン電池B2に蓄えられると、電源ノードN2の直流電圧VD2が下降する。電源ノードN2の直流電圧VD2がしきい値電圧VTHAよりも低下した場合でも、電流検出器18によって回生電流が検出されている場合には、リチウムイオン電池B2の充電は継続される。
[0072]
 負荷21が再び力行運転を開始すると、電流検出器18によって正電流(力行電流)が検出され、制御部15Aおよび双方向チョッパ11によってリチウムイオン電池B2の直流電力が電源ノードN2を介して負荷21に供給される。この場合は、コンバータ4とリチウムイオン電池B2の両方から負荷21に直流電力が供給される。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧VLまで低下すると、リチウムイオン電池B2の放電は停止される。リチウムイオン電池B2の放電が停止されると、コンバータ4のみから負荷21に直流電力が供給される。
[0073]
 商用交流電源20の停電が発生すると、制御部9Aによってコンバータ4の運転が停止され、鉛蓄電池B1の直流電力が双方向チョッパ6およびダイオード10を介して負荷21に供給される。商用交流電源20の停電時には、整流器19に含まれるダイオードがオフし、ノードN3から整流器19を介して交流入力端子T2に電流が流れることはない。電源ノードN1の直流電圧VD1は、制御部9A、双方向チョッパ6、およびコンデンサ5によって参照直流電圧VD1rに維持される。
[0074]
 負荷21が力行運転している場合には、制御部9Aおよび双方向チョッパ6によって鉛蓄電池B1の直流電力がダイオード10を介して負荷21に供給される。負荷21が回生運転を開始すると、上述の通り、回生電力がリチウムイオン電池B2に蓄えられる。
[0075]
 負荷21が再び力行運転を開始すると、上述の通り、リチウムイオン電池B2の直流電力が電源ノードN2を介して負荷21に供給される。リチウムイオン電池B2の端子間電圧VB2が下限電圧まで低下すると、リチウムイオン電池B2の放電は停止される。リチウムイオン電池B2の放電が停止されても、鉛蓄電池B1から双方向チョッパ6およびダイオード10を介して負荷21に直流電力が供給される。したがって、鉛蓄電池B1に直流電力が蓄えられている期間は、負荷21の運転を継続することができる。
[0076]
 商用交流電源20の健全時において、コンバータ4が故障した場合には、電源ノードN1の直流電圧VD1が直流電圧VAよりも低下するので、ダイオード10がオフし、整流器19から負荷21に直流電力が供給される。負荷21が力行運転または回生運転する場合の動作は、実施の形態1と同じである。
[0077]
 他の構成および動作は、実施の形態1と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態2でも、実施の形態1と同じ効果が得られる。
[0078]
 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

[0079]
 U1,U2 無停電電源装置、T1,T2 交流入力端子、T3,T4 バッテリ端子、T5 直流出力端子、1,7,12,16 スイッチ、2 ヒューズ、3 リアクトル、4 コンバータ、5,14 コンデンサ、6,11 双方向チョッパ、10 ダイオード、9,9A,15,15A,25 制御部、17 直流ライン、8,13,18 電流検出器、19 整流器、20 商用交流電源、21 負荷、B1 鉛蓄電池、B2 リチウムイオン電池、22 インバータ、23 モータ、24 回転機構部、Q1,Q2 IGBT、D1,D2 ダイオード、X1 リアクトル、L1 基準電位ライン、30,32 電圧検出器、31 回生モード検出器、33,34 信号発生回路。

請求の範囲

[請求項1]
 交流電源の健全時には、前記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第1の電源ノードに出力し、前記交流電源の停電時には、その運転が停止されるコンバータと、
 前記交流電源の健全時には、前記コンバータによって生成された直流電力を第1の電力貯蔵装置に蓄え、前記交流電源の停電時には、前記第1の電力貯蔵装置の直流電力を前記第1の電源ノードに出力する第1の双方向チョッパと、
 アノードが前記第1の電源ノードに接続され、カソードが第2の電源ノードに接続された第1のダイオードと、
 前記第2の電源ノードと第2の電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する第2の双方向チョッパと、
 一方端が前記第2の電源ノードに接続され、他方端が負荷に接続される直流ラインと、
 前記直流ラインに流れる電流を検出する電流検出器と、
 前記電流検出器の検出結果に基づいて前記第2の双方向チョッパを制御し、前記負荷から前記第2の電源ノードに電流が流れている場合には前記第2の電力貯蔵装置を充電し、前記第2の電源ノードから前記負荷に電流が流れている場合には前記第2の電力貯蔵装置を放電させる第1の制御部とを備える、無停電電源装置。
[請求項2]
 前記第1の制御部は、
 前記負荷から前記第2の電源ノードに直流電流が流れ、かつ前記第2の電源ノードの電圧がしきい値電圧を超えたことに応じて前記第2の電力貯蔵装置の充電を開始し、
 前記第2の電源ノードの電圧が前記しきい値電圧よりも低下した後でも、前記負荷から前記第2の電源ノードに電流が流れている場合には前記第2の電力貯蔵装置の充電を継続する、請求項1に記載の無停電電源装置。
[請求項3]
 前記第1の制御部は、前記第2の電力貯蔵装置を放電させる場合には、前記第2の電源ノードから前記負荷に流れている電流のうちの一部の電流が前記第2の電力貯蔵装置から供給されるように前記第2の双方向チョッパを制御する、請求項1に記載の無停電電源装置。
[請求項4]
 さらに、第2のダイオードを含み、前記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前記第2の電源ノードに出力する整流器と、
 前記交流電源の健全時には、前記第1の電源ノードの直流電圧が前記整流器の出力電圧よりも低い参照直流電圧になるように前記コンバータを制御し、前記交流電源の停電時には、前記コンバータの運転を停止させるとともに、前記第1の電源ノードの電圧が前記参照直流電圧になるように前記第1の双方向チョッパを制御する第2の制御部とを備える、請求項1に記載の無停電電源装置。
[請求項5]
 さらに、第2のダイオードを含み、前記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前記第2の電源ノードに出力する整流器と、
 前記交流電源の健全時には、前記第1の電源ノードの直流電圧が前記整流器の出力電圧よりも高い参照直流電圧になるように前記コンバータを制御し、前記交流電源の停電時には、前記コンバータの運転を停止させるとともに、前記第1の電源ノードの電圧が前記参照直流電圧になるように前記第1の双方向チョッパを制御する第2の制御部とを備える、請求項1に記載の無停電電源装置。
[請求項6]
 前記第1の電力貯蔵装置は鉛蓄電池であり、
 前記第2の電力貯蔵装置はリチウムイオン電池である、請求項1に記載の無停電電源装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]