JP2909820B2 - 交流無停電電源装置による負荷起動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （利用分野） 本発明は交流無停電電源装置を用いた負荷起動方法に
関する。 （従来技術） 最近の通信および情報処理装置などにおいては、瞬時
の停電も許されないものが多く、極めて信頼度の高い電
源として、交流無停電電源装置が一般に広く使用されて
いる。 第１図および第２図は、それぞれ従来の交流無停電電
源装置の概要構成図を示すブロック図であり、各図にお
いて同一の符号は同一または同等部分をあらわしてい
る。 第１図の交流無停電電源装置において、商用電源１が
正常な場合、充電器２は、商用電源を整流して、蓄電池
４を充電する。同時に前記商用電源１は、制御装置10を
介して逆変換装置３を動作させる。このようにして、前
記逆変換装置３によって所定の電圧と周波数に変換され
た交流電力は、スイッチ６を経て負荷７に供給される。
なお、このスイッチ５は開かれている。 また逆変換装置３が故障した場合には、スイッチ６を
開路するとともに、スイッチ５を閉路する。これにより
商用電源１から直接負荷７に交流電力が供給される。 商用電源１が停電した場合には、充電器２からの蓄電
池４への充電は無くなる。しかし、蓄電池４に畜えられ
たエネルギーによって、引続き逆変換装置３を動作させ
ることにより、負荷７に対しては瞬断することなく交流
電力が供給される。 しかしこの装置には以下のような欠点がある。 （１）商用電源１が正常な場合にも、負荷７に供給する
電力を得るため、充電器２と逆変換装置３を動作させな
ければならない。すなわち、常時、順変換および逆変換
の、２重の電力変換処理を行なわなければならないた
め、効率が著しく低下する。 （２）蓄電池４を充電しながら、逆変換装置３に電力を
供給するために大容量の充電器２を必要とする。 （３）充電器２と逆変換装置３とが負荷７に対して直列
に接続されるために総合信頼度が低下する。そして、こ
のいずれかが故障した場合、その修理が完了するまで、
負荷７は、定電圧が保証されていない商用電源１で直接
動作することになる。 （４）逆変換装置の故障時に、商用電源１から負荷７に
給電する方式をとる場合において、仮に逆変換装置の正
常運転時から商用電源電圧と逆変換装置出力電圧の位相
差を零に調整していたとしても、逆変換装置３の故障検
出は、その出力電圧の低下または電圧位相の遅れなど、
制御装置10において検知することによつて行なわれ、故
障検出が確認された後に、スイッチ６の開路、スイッチ
５の閉路が実行されるので、瞬断等を確実に防止するこ
とは不可能で、完全に並列冗長システムを構成すること
は出来ない。 （５）前記（３）および（４）の欠点を改善して高信頼
度電源を得るためには、更に予備の充電器および逆変換
装置を１組並列に待機運転するなどの冗長システムにす
る必要がある。 第２図は、商用電源１と逆変換装置３からの電力を合
成し、負荷７に安定な電力を供給するために、３巻線ト
ランス９を用いた構成である。３巻線トランス９は２つ
の磁気シャンツ96によって鉄心95を３つの部分を区画
し、中央の区画に第３巻線93（負荷７に接続される出力
巻線）を、両端の区画に第１巻線91（商用電源入力巻
線）および第２巻線92（逆変換装置入力巻線）をそれぞ
れ巻回したものである。 なお、この各区画の各巻線に接続される商用電源１、
逆変換装置３、出力７の配列は、無停電電源装置の性能
に影響を与えるので、その使用目的等により色々の組合
せが考えられている。 第２図において、商用電源１が正常な場合、その電力
は、スイッチ５→３巻線トランス９の第１巻線91→同第
３巻線93→電圧安定化回路８→負荷７の経路で商用電源
１から負荷へ伝達される。 一方逆変換装置からの電力は、充電器２→蓄電池４→
逆変換装置３→スイッチ６→３巻線トランス９の第２巻
線92→同第３巻線93→電圧安定化回路８→負荷７の経路
で負荷へ伝達される。 この場合、逆変換装置３の出力電圧の位相を、負荷７
の電圧位相と同相となるように制御することにより、逆
変換装置３から負荷７への電力は流れは零になり、逆変
換装置３は待機状態となる。 商用電源１が停電した場合には、蓄電池４からの電力
を、前述した逆変換装置３を通る経路へ、直ちに交流電
力に変換して負荷に供給することが出来る。 この構成は、前記第１図の装置の欠点を除去して、高
効率高信頼度および経済的な無停電電源装置を実現する
ものである。 しかしこの装置においては、逆変換装置の出力電圧位
相を負荷７の電圧位相と同相になるように制御している
ため、電源１の停電の際、そのままでは直ちに電力を逆
変換装置から負荷に供給することが出来ない。 この対策としては、商用電源１の停電検出の際に、直
ちに逆変換装置３の出力電圧位相を商用電源の位相まで
進めることができるような、移相回路を必要とする。 すなわち、具体的には、商用電源１の異常を瞬時に検
出し、それに応じて、逆変換装置３の出力電圧位相を急
速に進めるシーケンスが必要で、回路構成が複雑になる
とともに、その制御特性が検出感度や精度に依存するな
ど、信頼度を低下させる原因ともなっている。 （目的） 本発明は前述の欠点を除去するために行なわれたもの
で、その目的は、停電時に逆変換装置の位相シフトなど
の複雑な操作を必要とせず、したがって制御回路を簡単
化し、信頼度を向上させることができると共に、所要起
動電流の大きい負荷の起動に際しては、商用電源および
無停電電源装置の両方から並列的に給電可能にし、これ
ら両電源の所要容量を低減することのできる無停電電源
装置による負荷起動方法を提供することにある。 （概 要） 本発明は、鉄共振型定電圧装置および逆変換装置をリ
アクタンス成分を介して鉄共振型定電圧装置および負荷
に接続し、逆変換装置入の出力電力を商用電源の電圧と
同期させ、商用電源が正常な間は逆変換装置を待機運転
状態に保持して商用電源から負荷に給電し、又、商用電
源が断となったときは逆変換装置を負荷に接続して逆変
換装置から負荷に給電するように構成すると共に、特に
起動電流の大きい負荷を起動する場合、起動時には前記
逆変換装置を商用電源と並列運転することにより、前記
商用電源および逆変換器の両方から給電して負荷を起動
し、負荷が平常運転に移行した後に逆変換器を切り離す
ようにした点に特徴がある。 （実施例） 以下図面を参照して、本発明を詳細に説明する。 第３図は本発明に好適な交流無停電電源装置の一例の
構成を示すブロック図である。磁気シャントを有しな
い、通常の３巻線トランス90には、それぞれ第１巻線
（商用電源入力巻線）91、第２巻線（逆変換装置入力巻
線）92、および第３巻線（出力巻線）93が巻回されてい
る。第１巻線91とスイッチ５との間、および第９巻線92
とスイッチとの間には、それぞれインダクタンス11,12
が直列に接続されている。 商用電源が正常な場合、商用電源１からの電力はスイ
ッチ５→３巻線トランス90の第１巻線91→同第３巻線93
→電圧安定化回路８→負荷７の順に伝達される。 一方逆変換装置３からの電力は、蓄電池４→逆変換装
置３→スイッチ６→３巻線トランス90の第２巻線92→同
第３巻線93→電圧安定化回路８→負荷７の順に伝達され
る。 第４図は、第３図に示した３巻線トランスにおける電
力の流れと電圧の位相関係を説明するための等価回路図
である。 同図において、商用電源１の電圧Vac、および逆変換
装置３の出力電圧Vinは同一の周波数を有し、かつ負荷
７に印加される電圧−すなわち電圧安定化回路８の出力
電圧Voutの位相を基準として、それぞれφ1,φの位相差
を有するものと仮定する。 この仮定のもとでは、商用電源１からインダクタンス
L1を介して電圧安定化回路８および負荷７に供給される
電力P1ならびに、逆変換装置３からインダクタンスL2を
介して電圧安定化回路８および負荷７に供給される電力
P2は、それぞれ次の（１）、（２）式であらわされる。 P1＝（Vac・Vout/ωL1）Sinφ１… …（１） P2＝（Vin・Vout/ωL2）Sinφ２… …（２） 従って、前記位相差φ1,およびφ２をそれぞれ正（進
相）から負（遅相）まで変化させれば、P1およびP2で示
される電力の流れをさまざまに調整できる。 特に、位相差φ２が零のときは、逆変換装置３および
電圧安定化回路８の出力電圧VinおよびVoutの値にかか
わらず、前記（２）式のP2が０となる。すなわち逆変換
装置３と電圧安定化回路８および負荷７との間での電力
の授受はなく、逆変装置３は待機運転状態となる。これ
が第２図に示した従来装置の動作原理である。 第３図の例では、前記の位相差φ２をφ１と等しくす
る。即ち、商用電源１の正常時には、逆変換装置３の出
力電圧Vinの位相を電源電圧Vacの位相と同期させ、かつ
スイッチ６を開放した状態で、逆変換装置３は待機運転
状態におかれる。 電圧安定化回路８は、鉄共振定電圧回路を含み、エネ
ルギー蓄積機能を有するので、商用電源１および逆変換
装置３のいずれからの電力供給に対しても、多少の電圧
変動や1/2サイクル以内程度の瞬断には何ら影響される
ことなく、出力電圧を安定化するのみならず、また過電
流に対しては、垂下特性を有するとともに、高調波除去
機能をも備え、負荷７に安定な電圧を供給する。 制御回路10は、無停電電源装置の各回路の状態や動作
を監視制御するための自動同期機能、波形調整機能、各
部位のモニターやスイッチの制御、および逆変換装置の
駆動制御、警報機能等を備えている。 前述の自動同期機能は、常時商用電源１の電圧、周波
数を監視すると共に、逆変換装置３の出力周波数および
位相を商用電源１のそれと常に同期させるように作用す
るので、商用電源断の検出に応答して直ちにスイッチ６
を投入することにより、前記鉄共振定電圧回路のエネル
ギ蓄積機能と相まって、実質上無瞬断で、逆変換装置３
から３巻線トランス90を介して負荷７に電力を供給する
ことが出来る。 波形調整機能は、逆変換装置３の出力電圧波形を調整
することにより、出力電圧に含まれる高調波成分を低減
し、装置の性能を向上させることが出来る。 第５図、第６図、第７図は、本発明に好適な交流無停
電電源装置の他の例を示すブロック図である。これらの
図において、第２図、第３図と同一の符号は同一または
同等部分をあらわしている。 第３図との対比から明らかなように、第５図の電源装
置は、リアクトル11,13を３巻線トランス90の第１巻線9
1と第３巻線93とに接続したものである。第６図は第３
図の３巻線トランスを省略して直結したものである。ま
た、第７図は更に、第６図における２つのリアクトル1
1,12を１つのリアクトル14で置換して共通に接続したも
のである。これらの電源装置の動作原理が第３図及び、
第４図のものと全く同じであることは明らかであろう。 なお、第７図の装置では、商用電源１および逆変換装
置３の出力電圧が同位相であることのほか、それらの電
圧値が等しいという条件を満足することが必要となる。
また、第３図および第５図においては、外付けのリアク
トル11,12を、磁気シャント付３巻線変圧器による等価
リアクタンスで代用できる。 以上では負荷の平常運転時について述べたが、上述の
各無停電電源装置では逆変換器の出力電圧が商用電源の
電圧と同位相に制御されるので、両者を並列運転して逆
変換器と商用電源の両方から負荷に電力を供給すること
ができる。本発明にこの点に着目し、特に起動電流の大
きい負荷を起動する場合、起動時には前記逆変換装置を
商用電源と並列運転することにより、前記商用電源およ
び逆変換器の負荷起動時の負担を低減するようにしたも
のである。負荷が平常運転に移行した後では、逆変換器
を切り離して商用電源による単独運転に移行するように
制御することができる。本発明によれば、商用電源およ
び逆変換器の容量はほぼ負荷容量と同じであれば良くな
るので、設備を簡略化できる。 （効 果） （１）起動電流が大きく、しかも電力を必要とする負荷
に対して、その起動時に商用電源１と逆変換装置３とを
並列運転し、商用電源と逆変換装置の両方から負荷に電
力が供給されるため、従来であれば無停電電源装置や商
用電源は負荷容量の２〜３倍の容量を必要とするのに対
し、本発明の場合は負荷容量とほぼ同一容量の無停電電
源装置および商用電源で済むことになる。そして負荷が
正常運転に移行した後では、スイッチ６を切離して通常
運転に移行することが可能である。なお上記のような並
列運転時に生じ易い循環電流は直列インダクタンスによ
って事実上問題にならない程度に抑制できる。 （２）平常運転時にスイッチ６を開放とすることによ
り、商用電源から全負荷電力を供給し、逆変換装置は待
機運転となるので、経済運用が出来る。 （３）商用電源の停電時に逆変換装置のスイッチ６を投
入しても、常に逆変換装置が商用電源と同位相運転され
ているために実質的な瞬断なく、かつ負荷側の鉄共振定
電圧回路がエネルギ蓄積機能を有しているため、負荷電
圧変動や位相遅れ等のような過渡現象を起こすことな
く、円滑に商用電源から逆変換装置への電力の移行が実
現される。 （４）従来のように、停電時に逆変換装置に切り換える
場合、その出力電圧位相を急速に商用電源の位相までシ
フトする必要がないため、移相回路等複雑な制御回路が
不要となり、装置の信頼度が向上する。 （５）鉄共振型電圧安定化回路を使用するため、商用電
源の停電、復電時の切換えによって発生しがちな前記過
渡現象を防止でき、商用電源や逆変換装置からの雷、サ
ージ、雑音、波形歪等の影響を受けず、安定した良質の
電力供給が行なわれる。 （６）大容量（数千KVA）から小容量（1KVA以下）まで
広範囲に使用可能であり、しかも常時は商用電源供給方
式が行なわれるため、省エネルギ効果が大きく、経済運
用が出来る。 （７）従来の直列方式のように、負荷の全容量をまかな
う整流器は不要であり、蓄電池を充電するだけの小容量
充電器があればよいので、装置および保守コストも低く
なる。

【図面の簡単な説明】 第１図および第２図は、それぞれ従来の交流無停電電源
装置の構成を示すブロック図、第３図は本発明の好適な
無停電電源装置の一例のブロック図、第４図は、第３図
の等価回路図、第５図、第６図、第７図は本発明に好適
な無停電電源装置の他の例のブロック図である。 １……商用電源、２……充電器、３……逆変換装置、４
……蓄電池、５……スイッチ、６……スイッチ、７……
負荷、８……電圧安定化回路、90……３巻線トランス、
91〜93……トランス巻線、95……トランス鉄心、96……
磁気シャント、10……制御装置、11,12,14……リアクト
ル

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−175347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−114936（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−126120（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−47902（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−153235（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−67650（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭56−19195（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭45−39133（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭49−19535（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．出力側に負荷が接続されるようにされた鉄共振型定
   電圧装置と、前記鉄共振型定電圧装置の入力側に、第１
   スイッチを介して接続された商用電源と、前記鉄共振型
   定電圧装置の入力側に、第２スイッチを介して接続さ
   れ、商用電源の正常時にも逆変換動作し、その出力電圧
   が前記商用電源の電圧と同位相にされる逆変換装置と、
   前記商用電源の動作状態に応答して前記逆変換器ならび
   に第１、第２スイッチを制御する制御装置とを具備した
   交流無停電電源装置による負荷起動方法であって、 起動時には前記第１および第２スイッチを閉成し、前記
   商用電源および逆変換装置の両方によって負荷に給電
   し、 負荷の平常運転時には第２スイッチを開放することを特
   徴とする交流無停電電源装置による負荷起動方法。