JP6603405B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は無停電電源装置に関し、特に、常時商用給電方式の無停電電源装置に関する。

特開平１１−３４１６８６号公報（特許文献１）には、常時商用給電方式の無停電電源装置が開示されている。この無停電電源装置は、第１の電極が商用交流電源からの交流電力を受け、第２の電極が負荷に接続されたスイッチと、負荷に接続された電力変換器とを備える。商用交流電源から交流電力が正常に供給されている場合は、スイッチがオンされ、商用交流電源からの交流電力がスイッチを介して負荷に供給される。商用交流電源から交流電力が正常に供給されない場合は、スイッチがオフされ、直流電源から供給される直流電力が電力変換器によって交流電力に変換されて負荷に供給される。

特開平１１−３４１６８６号公報

特許文献１では、負荷で回生電力が発生した場合、その回生電力はスイッチを介して商用交流電源に戻される。しかし、無停電電源装置が商用交流電源の代わりに自家用発電機に接続された場合には、負荷で発生した回生電力が自家用発電機に戻り、自家用発電機が故障する恐れがあった。

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電力が交流電源に戻ることを抑制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。

この発明に係る無停電電源装置は、交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は交流電源からの交流電力を負荷に供給し、交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は直流電源からの直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置であって、第１の電極が交流電源からの交流電力を受け、第１の場合にオンされ、第２の場合にオフされるスイッチと、スイッチの第２の電極と負荷の間に接続される交流母線と、第２の場合に直流電源からの直流電力を交流電力に変換して交流母線に出力する第１の電力変換器と、交流母線から受けた交流電力を直流電力に変換して第１の電力貯蔵装置に供給する充電モードと、第１の電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して交流母線に出力する放電モードとを有する第２の電力変換器と、第１のモードを実行する制御回路とを備えたものである。第１のモードにおいて制御回路は、負荷が回生運転している場合は第２の電力変換器に充電モードを実行させ、負荷が力行運転している場合は第２の電力変換器に放電モードを実行させる。

この発明に係る他の無停電電源装置は、交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は交流電源からの交流電力を第１の負荷に供給し、交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は直流電源からの直流電力を交流電力に変換して第１の負荷に供給する無停電電源装置であって、第１の負荷に接続される第１の端子と、第１の負荷で発生する回生電力を消費させるための第２の負荷に接続される第２の端子と、第１の電極が交流電源からの交流電力を受け、第１の場合にオンされ、第２の場合にオフされる第１のスイッチと、第１のスイッチの第２の電極と第１の端子との間に接続された交流母線と、第２の場合に直流電源からの直流電力を交流電力に変換して交流母線に出力する電力変換器と、第１および第２の端子間に接続された第２のスイッチと、第１のモードを実行する制御回路とを備えたものである。第１のモードにおいて制御回路は、第１の負荷が回生運転している場合は第２のスイッチをオンさせ、第１の負荷が力行運転している場合は第２のスイッチをオフさせる。

この発明に係る無停電電源装置では、交流母線と第１の電力貯蔵装置との間に第２の電力変換器を設け、負荷が回生運転している場合は第１の電力貯蔵装置を充電させるので、負荷で発生した回生電力が交流電源に戻ることを抑制することができる。さらに、負荷が力行運転している場合は第１の電力貯蔵装置を放電させるので、負荷で発生した回生電力を有効に利用することができ、無停電電源装置の入力効率を高めることができる。

この発明に係る他の無停電電源装置では、第１の負荷が接続される第１の端子と、第１の負荷で発生する回生電力を消費させる第２の負荷が接続される第２の端子との間に第１のスイッチを接続し、第１の負荷が回生運転している場合は第１のスイッチをオンさせ、第１の負荷が力行運転している場合は第１のスイッチをオフさせる。したがって、負荷で発生した回生電力を第２の負荷で消費させることができ、回生電力が交流電源に戻ることを抑制することができる。

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１に示した電力変換器およびフィルタの構成を示す回路図である。 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。 この発明の実施の形態３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。 この発明の実施の形態４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。 この発明の実施の形態５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。

[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の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この無停電電源装置は、常時商用給電方式の無停電電源装置であって、入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３、出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３、スイッチ１ａ〜１ｃ、交流母線２ａ〜２ｃ、制御回路３，４、電力変換器５，６、フィルタ７，８、および電流検出器９ａ〜９ｃを備える。

入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３は、交流電源５１から供給される三相交流電力をそれぞれ受ける。交流電源５１は、商用交流電源でもよいし、自家用発電機でもよい。交流電源５１は、たとえば商用周波数の交流電力を無停電電源装置に供給する。出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３は、負荷５２に接続される。負荷５２は、たとえばモータであり、無停電電源装置から供給される交流電力によって駆動される。本実施の形態１では、負荷５２が力行運転される場合と、負荷５２が回生運転される場合とが交互に繰り返されるものとする。

スイッチ１ａ〜１ｃの第１の電極はそれぞれ入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３に接続され、スイッチ１ａ〜１ｃの第２の電極はそれぞれ交流母線２ａ〜２ｃの一方端に接続され、交流母線２ａ〜２ｃの他方端はそれぞれ出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に接続される。スイッチ１ａ〜１ｃの各々は、たとえば１対のサイリスタを含む。一対のサイリスタのうちの一方のサイリスタのアノードおよびカソードはそれぞれ第１および第２の電極に接続され、他方のサイリスタのアノードおよびカソードはそれぞれ第２および第１の電極に接続される。スイッチ１ａ〜１ｃの各々が機械スイッチで構成されていてもよい。

スイッチ１ａ〜１ｃは、制御回路３によって制御され、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されている通常時はオン状態にされ、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されていない場合（たとえば停電時）はオフ状態にされる。

電力変換器５は、フィルタ７を介して交流母線２ａ〜２ｃに接続されるとともに、直流電源５３に接続される。直流電源５３は、電力変換器５に直流電力を供給する。電力変換器５は、制御回路３から供給されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号によって制御され、直流電源５３から供給される直流電力によって駆動される。電力変換器５は、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されている通常時は、電流を出力しないスタンバイ状態にされる。

電力変換器５は、交流電源５１から供給される三相交流電力に異常が発生した場合（たとえば停電が発生した場合）は、スイッチ１ａ〜１ｃに逆バイアス電圧を印加してスイッチ１ａ〜１ｃを迅速にオフさせた後、直流電源５３から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、その三相交流電力をフィルタ７を介して交流母線２ａ〜２ｃに供給する。

フィルタ７は、電力変換器５と交流母線２ａ〜２ｃとの間に設けられる。フィルタ７は、低域通過フィルタであり、商用周波数の三相交流電力を通過させ、電力変換器５で発生するスイッチング周波数の信号が通過することを禁止する。換言すると、フィルタ７は、電力変換器５で生成される矩形波状の交流電圧を正弦波状の交流電圧に整形する。

制御回路３は、入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３の電圧（すなわち交流電源５１から供給される三相交流電圧）に基づいて、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されているか否かを判定し、判定結果に基づいてスイッチ１ａ〜１ｃおよび電力変換器５を制御する。

たとえば、制御回路３は、交流電源５１から供給される三相交流電圧が許容範囲内である場合は、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されていると判定する。制御回路３は、交流電源５１から供給される三相交流電圧が許容範囲から外れた場合は、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されていないと判定する。

交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されている場合、制御回路３は、スイッチ１ａ〜１ｃをオンさせるとともに、電力変換器５をスタンバイ状態にさせる。交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されていない場合、制御回路３は、スイッチ１ａ〜１ｃをオフさせるとともに、電力変換器５に三相交流電力を生成させる。

たとえば、制御回路３は、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されている場合に、交流電源５１からの三相交流電圧の位相および電圧値を記憶している。制御回路３は、交流電源５１からの三相交流電力が異常になった場合、記憶している三相交流電圧の位相および電圧値に基づいて電力変換器５を制御する。

電力変換器６は、フィルタ８を介して交流母線２ａ〜２ｃの一方端部に接続されるとともに、リチウムイオン電池５４に接続される。電力変換器６は、制御回路４から供給されるＰＷＭ信号によって制御され、交流母線２ａ〜２ｃとリチウムイオン電池５４との間で電力を授受する。

電力変換器６は、負荷５２が回生運転している場合には充電モードを実行し、負荷５２が力行運転している場合には放電モードを実行する。電力変換器６は、充電モード時には、交流母線２ａ〜２ｃからフィルタ８を介して供給される三相交流電力を直流電力に変換してリチウムイオン電池５４に蓄える。電力変換器６は、放電モード時には、リチウムイオン電池５４の直流電力を三相交流電力に変換し、その三相交流電力をフィルタ８を介して交流母線２ａ〜２ｃに出力する。

なお、リチウムイオン電池５４は、蓄電池と比べ、高価であるという短所を有する反面、充放電に伴う劣化が小さく、多数回の充放電が可能であるという長所を有する。このため、負荷５２の回生運転と力行運転が切り換わる度に充放電が行なわれる電池としてリチウムイオン電池５４を使用している。

フィルタ８は、電力変換器６と交流母線２ａ〜２ｃとの間に設けられる。フィルタ８は、低域通過フィルタであり、商用周波数の三相交流電力を通過させ、電力変換器５で発生するスイッチング周波数の信号が通過することを禁止する。換言すると、フィルタ８は、電力変換器６で生成される矩形波状の交流電圧を正弦波状の交流電圧に整形する。さらに、フィルタ８は、負荷５２で発生する回生電力を通過させる。

電流検出器９ａ〜９ｃは、それぞれ交流母線２ａ〜２ｃの他方端部に流れる電流の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を出力する。制御回路４は、電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号と、交流母線２ａ〜２ｃの三相交流電圧とに基づいて電力変換器６を制御する。制御回路４は、電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号に基づいて負荷５２が回生運転しているか力行運転しているかを判定する。

制御回路４は、たとえば、３つの電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号から得られる三相交流電流を三相−二相変換（たとえばｄｑ変換）して有効電流および無効電流を求める。制御回路４は、有効電流が正の値である場合（すなわち有効電流が負荷５２に流入している場合）は負荷５２が力行運転していると判定し、有効電流が負の値である場合（すなわち有効電流が負荷５２から流出している場合）は負荷５２が回生運転していると判定する。

制御回路４は、負荷５２が回生運転している場合に、電力変換器６に充電モードを実行させ、リチウムイオン電池５４を充電させる。制御回路４は、負荷５２が力行運転している場合は、電力変換器６に放電モードを実行させ、リチウムイオン電池５４を放電させる。

図２は、電力変換器５，６およびフィルタ７，８の構成を示す回路図である。図２において、電力変換器５は、トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６を含む。フィルタ７は、リアクトルＬ１〜Ｌ３およびコンデンサＣ１〜Ｃ３を含む。トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

トランジスタＱ１〜Ｑ３のコレクタはともに直流電源５３の正極に接続され、トランジスタＱ１〜Ｑ３のエミッタはそれぞれトランジスタＱ４〜Ｑ６のコレクタに接続され、トランジスタＱ４〜Ｑ６のエミッタはともに直流電源５３の負極に接続される。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、それぞれトランジスタＱ１〜Ｑ６に逆並列に接続される。

トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、図１の制御回路３によってオン／オフ制御される。制御回路３は、交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されない場合に、トランジスタＱ１〜Ｑ６を所定時間ずつ所定順序でオンさせ、直流電源５３の出力電圧を三相交流電圧に変換させる。

リアクトルＬ１〜Ｌ３の一方端子はそれぞれトランジスタＱ１〜Ｑ３のエミッタに接続され、それらの他方端子はそれぞれ交流母線２ａ〜２ｃに接続される。コンデンサＣ１〜Ｃ３の一方電極はそれぞれ交流母線２ａ〜２ｃに接続され、それらの他方電極はそれぞれ交流母線２ｂ，２ｃ，２ａに接続される。リアクトルＬ１〜Ｌ３およびコンデンサＣ１〜Ｃ３は、低域通過フィルタを構成し、トランジスタＱ１〜Ｑ６によって生成される矩形波状の交流電圧を正弦波状の交流電圧に変換して交流母線２ａ〜２ｃに供給する。

電力変換器６は、トランジスタＱ１１〜Ｑ１６およびダイオードＤ１１〜Ｄ１６を含む。フィルタ８は、リアクトルＬ１１〜Ｌ１３およびコンデンサＣ１１〜Ｃ１３を含む。トランジスタＱ１１〜Ｑ１６の各々は、たとえばＩＧＢＴである。

トランジスタＱ１１〜Ｑ１３のコレクタはともにリチウムイオン電池５４の正極に接続され、トランジスタＱ１１〜Ｑ１３のエミッタはそれぞれトランジスタＱ１４〜Ｑ１６のコレクタに接続され、トランジスタＱ１４〜Ｑ１６のエミッタはともにリチウムイオン電池５４の負極に接続される。ダイオードＤ１１〜Ｄ１６は、それぞれトランジスタＱ１１〜Ｑ１６に逆並列に接続される。

リアクトルＬ１１〜Ｌ１３の一方端子はそれぞれトランジスタＱ１１〜Ｑ１３のエミッタに接続され、それらの他方端子はそれぞれ交流母線２ａ〜２ｃに接続される。コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の一方電極はそれぞれ交流母線２ａ〜２ｃに接続され、それらの他方電極はそれぞれ交流母線２ｂ，２ｃ，２ａに接続される。リアクトルＬ１１〜Ｌ１３およびコンデンサＣ１１〜Ｃ１３は、低域通過フィルタを構成し、トランジスタＱ１１〜Ｑ１６によって生成される矩形波状の交流電圧を正弦波状の交流電圧に変換して交流母線２ａ〜２ｃに供給する。

トランジスタＱ１１〜Ｑ１６の各々は、図１の制御回路４によってオン／オフ制御される。制御回路４は、負荷５２が回生運転している場合に、トランジスタＱ１１〜Ｑ１６を所定時間ずつ所定順序でオンさせ、交流母線２ａ〜２ｃからフィルタ８を介して供給される回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換させ、リチウムイオン電池５４を充電させる。

たとえば、トランジスタＱ１１〜Ｑ１６をオン／オフ制御したときにトランジスタＱ１１〜Ｑ１３のエミッタに現れる三相交流電圧の位相を、交流母線２ａ〜２ｃに現れる三相交流電圧の位相よりも遅らせることにより、交流母線２ａ〜２ｃからリチウムイオン電池５４に電流を流してリチウムイオン電池５４を充電する。

制御回路４は、負荷５２が力行運転している場合に、トランジスタＱ１１〜Ｑ１６を所定時間ずつ所定順序でオンさせ、リチウムイオン電池５４の直流電力を三相交流電力に変換させ、リチウムイオン電池５４を放電させる。

たとえば、トランジスタＱ１１〜Ｑ１６をオン／オフ制御したときにトランジスタＱ１１〜Ｑ１３のエミッタに現れる三相交流電圧の位相を、交流母線２ａ〜２ｃに現れる三相交流電圧の位相よりも進ませることにより、リチウムイオン電池５４から交流母線２ａ〜２ｃに電流を流してリチウムイオン電池５４を放電させる。

次に、この無停電電源装置の動作について説明する。交流電源５１から三相交流電力が正常に供給されている場合は、制御回路３によってスイッチ１ａ〜１ｃがオンされ、交流電源５１からの三相交流電力はスイッチ１ａ〜１ｃおよび交流母線２ａ〜２ｃを介して負荷５２に供給される。この場合は、電力変換器５はスタンバイ状態にされる。

負荷５２が回生運転すると、負荷５２で回生電力が発生し、負荷５２から交流母線２ａ〜２ｃに有効電流が流出する。その有効電流が電流検出器９ａ〜９ｃおよび制御回路４によって検出され、制御回路４が電力変換器６に充電モードを実行させる。これにより、負荷５２で発生した回生電力が電力変換器６によって直流電力に変換されてリチウムイオン電池５４に蓄えられる。

負荷５２が力行運転すると、交流母線２ａ〜２ｃから負荷５２に有効電流が流入する。その有効電流が電流検出器９ａ〜９ｃおよび制御回路４によって検出され、制御回路４が電力変換器６に放電モードを実行させる。すなわち、リチウムイオン電池５４の直流電力が電力変換器６によって三相交流電力に変換され、その三相交流電力はフィルタ８および交流母線２ａ〜２ｃを介して負荷５２に供給される。これにより、負荷５２で発生した回生電力が有効に利用され、無停電電源装置の入力効率が高められる。さらに、リチウムイオン電池５４を放電することにより、次に負荷５２で発生する回生電力をリチウムイオン電池５４に蓄える準備が整えられる。

交流電源５１からの三相交流電力が異常になった場合は、制御回路３によってスイッチ１ａ〜１ｃがオフされるとともに、直流電源５３からの直流電力が電力変換器５によって三相交流電力に変換され、フィルタ７および交流母線２ａ〜２ｃを介して負荷５２に供給される。したがって、直流電源５３から直流電力が供給される期間は、負荷５２の運転を継続することができる。

この場合でも、負荷５２が回生運転している場合は負荷５２で発生した回生電力が直流電力に変換されてリチウムイオン電池５４に蓄えられ、負荷５２が力行運転している場合はリチウムイオン電池５４の直流電力が三相交流電力に変換されて負荷５２に供給される。

以上のように、この実施の形態１では、交流母線２ａ〜２ｃが電力変換器６を介してリチウムイオン電池５４に接続され、負荷５２が回生運転している場合はリチウムイオン電池５４が充電され、負荷が力行運転している場合はリチウムイオン電池５４が放電される。したがって、負荷５２で発生した回生電力が交流電源５１に戻ることを抑制することができる。しかも、負荷５２で発生した回生電力を有効に利用できるので、無停電電源装置の効率の向上を図ることができる。

なお、リチウムイオン電池５４の代わりに、電気二重層コンデンサを設けてもいし、電解コンデンサを設けてもよい。

さらに、この実施の形態１では、電力変換器５を駆動させるための直流電源５３を設けたが、この直流電源５３として蓄電池（電力貯蔵装置）を設けても構わない。交流電源５１から供給される三相交流電圧が正常である場合、制御回路３は、蓄電池の端子間電圧が目標電圧になるように電力変換器５を制御する。電力変換器５は、制御回路３によって制御され、交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃを介して供給される三相交流電力を直流電力に変換して蓄電池に蓄える。

交流電源５１から供給される三相交流電圧が異常になった場合、電力変換器５は、蓄電池の直流電力を三相交流電力に変換し、その三相交流電力をフィルタ７および交流母線２ａ〜２ｃを介して負荷５２に供給する。したがって、たとえば停電が発生した場合でも、蓄電池に直流電力が蓄えられている期間は負荷５２の運転を継続することができる。蓄電池の代わりにコンデンサを設けてもよい。

なお、蓄電池は、リチウムイオン電池５４と比べ、安価であるという長所を有する反面、充放電に伴う劣化が大きく、多数回の充放電を行なうことができないという短所を有する。停電が発生する回数は少ないが停電時には大きな電力を必要とするので、停電時に使用する直流電力を貯蔵する電池としては安価な蓄電池を使用することが好ましい。

[実施の形態２]
一般に、無停電電源装置には回生運転しない負荷が接続される場合が多く、回生運転する負荷が接続される場合は少ない。回生運転しない負荷が無停電電源装置に接続された場合、実施の形態１の無停電電源装置では、制御回路４、電力変換器６、フィルタ８、電流検出器９ａ〜９ｃ、およびリチウムイオン電池５４が使用されず、無駄になる。この実施の形態２では、この問題の解決が図られる。

図３は、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って、図１と対比される図である。図３を参照して、この無停電電源装置が図１の無停電電源装置と異なる点は、制御回路３，４がそれぞれ制御回路３Ａ，４Ａと置換されている点である。

制御回路３Ａは、交流電源５１から供給される三相交流電圧が正常か否かを判定し、その三相交流電圧が正常である場合は異常検出信号φ３を非活性化レベルの「Ｌ」レベルにし、その三相交流電圧が正常でない場合は異常検出信号φ３を活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

換言すると、交流電源５１から供給される三相交流電力が正常である場合は異常検出信号φ３は非活性化レベルの「Ｌ」レベルになり、交流電源５１から供給される三相交流電力が正常でない場合は異常検出信号φ３は活性化レベルの「Ｈ」レベルになる。

制御回路４Ａは、図１の制御回路４と同様に、電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号に基づいて負荷５２が回生運転しているか力行運転しているかを判定する。制御回路４Ａは、所定時間内に負荷５２の回生運転が行なわれる場合は、図１の制御回路４と同様に動作し（すなわち第１のモードを実行し）、負荷５２が回生運転している場合は電力変換器６に充電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を充電させ、負荷５２が力行運転している場合は電力変換器６に放電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を放電させる。負荷５２の回生運転が行なわれる時間間隔が所定時間内である場合は、回生運転を行なう負荷５２が出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に接続されたと推定されるからである。

制御回路４Ａは、上記所定時間内に負荷５２の回生運転が行なわれない場合は、図１の制御回路３と同様に動作する（すなわち第２のモードを実行する）。すなわち制御回路４Ａは、異常検出信号φ３が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は、電力変換器６に充電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を充電させ、異常検出信号φ３が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合は、電力変換器６に放電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を放電させる。所定時間が経過しても負荷５２の回生運転が行われない場合は、力行運転のみを行なう負荷５２が接続されたと推定されるからである。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では、実施の形態１と同じ効果が得られる他、力行運転のみを行なう負荷５２が接続された場合でも、電力変換器６、リチウムイオン電池５４などを有効に使用することができ、停電時に供給可能な電力を増やすことができる。

[実施の形態３]
実施の形態２では、電流検出器９ａ〜９ｃの検出結果に基づいて負荷５２が回生運転しているか力行運転しているかを判定し、負荷５２が回生運転していない時間が所定時間を超えた場合にはリチウムイオン電池５４を停電時に電力を供給するための電池として使用した。しかし、負荷５２を運転しなくても負荷５２が回生運転するか否かが明らかな場合は、回生運転していない時間が所定時間を超えたか否かを判定する動作は無駄になり、制御回路４Ａで電流が無駄に消費される恐れがある。この実施の形態３では、この問題の解決が図られる。

図４は、この発明の実施の形態３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って、図３と対比される図である。図４を参照して、この無停電電源装置が図３の無停電電源装置と異なる点は、制御回路４Ａが制御回路４Ｂで置換され、設定部１０が追加されている点である。

設定部１０は、無停電電源装置の使用者によって操作されるボタンなどを含み、負荷５２が回生運転するものであるか否かを設定するために使用される。設定部１０は、使用者によって負荷５２が回生運転するものであることが設定された場合には、制御信号ＣＮＴを「Ｌ」レベルにする。設定部１０は、使用者によって負荷５２が回生運転しないものであることが設定された場合には、制御信号ＣＮＴを「Ｈ」レベルにする。設定部１０は、第１のモードと第２のモードとのうちのいずれか１つのモードを選択する選択部を構成する。

制御信号ＣＮＴが「Ｌ」レベルである場合（すなわち第１のモードが選択された場合）、制御回路４Ｂは、図１の制御回路４と同様に、電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号に基づいて負荷５２が回生運転しているか力行運転しているかを判定する。制御回路４Ｂは、負荷５２が回生運転している場合は電力変換器６に充電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を充電させ、負荷５２が力行運転している場合は電力変換器６に放電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を放電させる。

制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルである場合（すなわち第２のモードが選択された場合）、制御回路４Ｂは、図１の制御回路３と同様に動作する。すなわち制御回路４Ｂは、異常検出信号φ３が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は、電力変換器６に充電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を充電させ、異常検出信号φ３が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合は、電力変換器６に放電モードを実行させてリチウムイオン電池５４を放電させる。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３では、実施の形態２と同じ効果が得られる他、力行運転のみを行なう負荷５２が接続された場合には、制御回路４Ｂの動作を簡単化することができ、制御回路４Ｂの消費電流の低減化を図ることができる。

なお、この実施の形態３では、制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルにされた場合には、リチウムイオン電池５４を停電時に使用する電力を蓄えるための電池として使用したが、これに限るものではなく、制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルにされた場合であっても、負荷５２が回生運転した場合はリチウムイオン電池５４を回生電力を蓄えるための電池として使用しても構わない。この変更例では、回生運転する負荷と回生運転しない負荷とのうちのいずれか一方の負荷を接続した後、一方の負荷を他方の負荷に変更した場合でも、設定部１０を操作することなく、制御回路４Ｂの動作を切換えることができる。したがって、一方の負荷を他方の負荷に変更した場合において、設定部１０の操作を忘れた場合でも制御回路４Ｂの動作を自動的に切り換えることができる。

[実施の形態４]
図５は、この発明の実施の形態４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って、図１と対比される図である。図５を参照して、この無停電電源装置が図１の無停電電源装置と異なる点は、制御回路４、電力変換器６、およびフィルタ８の代わりに、設定部１０、制御回路２０、スイッチ２１ａ〜２１ｃ、および負荷端子ＴＬ１〜ＴＬ３が設けられている点である。

負荷端子ＴＬ１〜ＴＬ３には、負荷５２で発生する回生電力を消費させるための負荷５５が接続される。たとえば、負荷５５は、３つの抵抗素子、あるいは３つのインダクタを含む。３つの抵抗素子（あるいは３つのインダクタ）の一方端子はそれぞれ負荷端子ＴＬ１〜ＴＬ３に接続され、それらの他方端子は互いに接続される。

スイッチ２１ａ〜２１ｃの一方端子はそれぞれ出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に接続され、スイッチ２１ａ〜２１ｃの他方端子はそれぞれ負荷端子ＴＬ１〜ＴＬ３に接続される。スイッチ２１ａ〜２１ｃは、制御回路２０によって制御される。

設定部１０は、無停電電源装置の使用者によって操作されるボタンなどを含み、負荷５２が回生運転するものであるか否かを設定するために使用される。設定部１０は、使用者によって負荷５２が回生運転するものであることが設定された場合には、制御信号ＣＮＴを「Ｌ」レベルにする。設定部１０は、使用者によって負荷５２が回生運転しないものであることが設定された場合には、制御信号ＣＮＴを「Ｈ」レベルにする。

制御信号ＣＮＴが「Ｌ」レベルである場合、制御回路２０は、図１の制御回路４と同様に、電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号に基づいて負荷５２が回生運転しているか力行運転しているかを判定する。制御回路２０は、負荷５２が回生運転している場合はスイッチ２１ａ〜２１ｃをオンさせて回生電力を負荷５５で消費させ、負荷５２が力行運転している場合はスイッチ２１ａ〜２１ｃをオフさせて負荷５５を負荷５２から電気的に切り離す。制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルである場合、制御回路２０はスイッチ２１ａ〜２１ｃをオフ状態にする。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４では、負荷５２で回生電力が発生した場合にスイッチ２１ａ〜２１ｃをオンさせて回生電力を負荷５５で消費させるので、回生電力が交流電源５１に戻ることを抑制することができる。したがって、交流電源５１として自家発電機が使用された場合でも、負荷５２で発生した回生電力によって自家発電機が故障することを防止することができる。さらに、力行運転のみを行なう負荷５２が接続された場合には、設定部１０を用いて制御信号ＣＮＴを「Ｈ」レベルにすることにより、制御回路２０の動作を簡単化することができ、制御回路２０の消費電流の低減化を図ることができる。

なお、この実施の形態４では、制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルにされた場合には、スイッチ２１ａ〜２１ｃをオフ状態にしたが、これに限るものではなく、制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルにされた場合であっても、負荷５２が回生運転した場合はスイッチ２１ａ〜２１ｃをオンさせても構わない。この変更例では、回生運転する負荷と回生運転しない負荷とのうちのいずれか一方の負荷を接続した後、一方の負荷を他方の負荷に変更した場合でも、設定部１０を操作することなく、制御回路４Ｂの動作を切換えることができる。したがって、一方の負荷を他方の負荷に変更した場合において、設定部１０の操作を忘れた場合でも制御回路２０の動作を自動的に切り換えることができる。

[実施の形態５]
図６は、この発明の実施の形態５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って、図５と対比される図である。図６を参照して、この無停電電源装置が図５の無停電電源装置と異なる点は、制御回路２０が制御回路２５で置換され、スイッチ２２ａ〜２２ｃおよび負荷端子ＴＬ４〜ＴＬ６が追加されている点である。

負荷端子ＴＬ４〜ＴＬ６には、負荷５２で発生する回生電力を消費させるための負荷５６が接続される。たとえば、負荷５６は、３つの抵抗素子、あるいは３つのインダクタを含む。３つの抵抗素子（あるいは３つのインダクタ）の一方端子はそれぞれ負荷端子ＴＬ４〜ＴＬ６に接続され、それらの他方端子は互いに接続される。

スイッチ２２ａ〜２２ｃの一方端子はそれぞれ出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に接続され、スイッチ２２ａ〜２２ｃの他方端子はそれぞれ負荷端子ＴＬ４〜ＴＬ６に接続される。スイッチ２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃは、制御回路２５によって制御される。

制御回路２５は、制御信号ＣＮＴが「Ｌ」レベルである場合は、電流検出器９ａ〜９ｃの出力信号に基づいて負荷５２に流れる有効電流を求め、その有効電流が負の値である場合（すなわち有効電流が負荷５２から流出している場合）は負荷５２が回生運転していると判定し、その有効電流が正の値である場合（すなわち有効電流が負荷５２に流入している場合）は負荷５２が力行運転していると判定する。

負荷５２が回生運転している場合において制御回路２５は、有効電流の絶対値がしきい値電流よりも小さいときはスイッチ２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃのうちのスイッチ２１ａ〜２１ｃのみをオンさせ、有効電流の絶対値がしきい値電流よりも大きいときはスイッチ２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃの全部をオンさせる。これにより、負荷５２で発生する回生電流が比較的小さいときは回生電流を負荷５５のみで消費させ、負荷５２で発生する回生電流が比較的大きいときは回生電流を負荷５５，５６で消費させることができる。他の構成および動作は、実施の形態４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５では、実施の形態４と同じ効果が得られる他、負荷５２で発生する回生電流の大きさに応じて、回生電力消費用の負荷の数を変えるので、スイッチ２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃのオン／オフに伴う出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３の電圧の変動を小さく抑制することができる。

なお、この実施の形態５では、２組のスイッチ２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃおよび負荷５５，５６を設けたが、これに限るものではなく、３組以上のスイッチおよび負荷を設け、負荷５２で発生する回生電流の大きさに応じてオンさせるスイッチ数を変えてもよい。

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。本発明の範囲は上記した説明で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。

ＴＩ１〜ＴＩ３ 入力端子、ＴＯ１〜ＴＯ３ 出力端子、１ａ〜１ｃ，２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ スイッチ、２ａ〜２ｃ 交流母線、３，３Ａ，４，４Ａ，４Ｂ，２０，２５ 制御回路、５，６ 電力変換器、７，８ フィルタ、９ａ〜９ｃ 電流検出器、Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６ トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１１〜Ｄ１６ ダイオード、Ｌ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３ リアクトル、Ｃ１〜Ｃ３，Ｃ１１〜Ｃ１３ コンデンサ、１０ 設定部、５１ 交流電源、５２，５５，５６ 負荷、５３ 直流電源、５４ リチウムイオン電池。

Claims (15)

1. 交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は前記交流電源からの交流電力を負荷に供給し、前記交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する無停電電源装置であって、
   第１の電極が前記交流電源からの交流電力を受け、前記第１の場合にオンされ、前記第２の場合にオフされるスイッチと、
   前記スイッチの第２の電極と前記負荷の間に接続される交流母線と、
   前記第２の場合に前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する第１の電力変換器と、
   前記交流母線から受けた交流電力を直流電力に変換して第１の電力貯蔵装置に供給する充電モードと、前記第１の電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する放電モードとを有する第２の電力変換器と、
   第１のモードを実行する制御回路とを備え、
   前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記負荷が回生運転している場合は前記第２の電力変換器に前記充電モードを実行させ、前記負荷が力行運転している場合は前記第２の電力変換器に前記放電モードを実行させ、
   前記制御回路は、前記負荷が回生運転していない時間が予め定められた時間よりも短い場合は前記第１のモードを実行し、前記負荷が回生運転していない時間が前記予め定められた時間よりも長い場合は第２のモードを実行し、
   前記第２のモードにおいて前記制御回路は、前記第１の場合は前記第２の電力変換器に前記充電モードを実行させ、前記第２の場合は前記第２の電力変換器に前記放電モードを実行させる、無停電電源装置。
2. さらに、前記交流母線に流れる電流を検出する電流検出器を備え、
   前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記電流検出器の検出結果に基づいて前記負荷が回生運転しているか力行運転しているかを判定し、前記負荷が回生運転していると判定した場合は前記第２の電力変換器に前記充電モードを実行させ、前記負荷が力行運転していると判定した場合は前記第２の電力変換器に前記放電モードを実行させる、請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記無停電電源装置は、前記交流電源から三相交流電力が正常に供給されている前記第１の場合は前記交流電源からの三相交流電力を前記負荷に供給し、前記交流電源から三相交流電力が正常に供給されていない前記第２の場合は前記直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換して前記負荷に供給し、
   ３つのスイッチ、３本の交流母線、および３つの電流検出器を備え、
   前記３つのスイッチの第１の電極は前記交流電源からの三相交流電力を受け、前記３つのスイッチの第２の電極はそれぞれ前記３本の交流母線の一方端に接続され、前記３本の交流母線の他方端は前記負荷に接続され、
   前記第１の電力変換器は、前記第２の場合に前記直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換して前記３本の交流母線に出力し、
   前記第２の電力変換器は、前記３本の交流母線から受けた三相交流電力を直流電力に変換して前記第１の電力貯蔵装置に供給する前記充電モードと、前記第１の電力貯蔵装置の直流電力を三相交流電力に変換して前記３本の交流母線に出力する前記放電モードとを有し、
   前記３つの電流検出器は、前記３本の交流母線に流れる三相交流電流をそれぞれ検出し、
   前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記３つの電流検出器によって検出された三相交流電流を三相−二相変換して有効電流および無効電流を求め、前記有効電流が前記負荷に流入している場合は前記負荷が力行運転していると判定し、前記有効電流が前記負荷から流出している場合は前記負荷が回生運転していると判定する、請求項２に記載の無停電電源装置。
4. 交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は前記交流電源からの交流電力を負荷に供給し、前記交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する無停電電源装置であって、
   第１の電極が前記交流電源からの交流電力を受け、前記第１の場合にオンされ、前記第２の場合にオフされるスイッチと、
   前記スイッチの第２の電極と前記負荷の間に接続される交流母線と、
   前記第２の場合に前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する第１の電力変換器と、
   前記交流母線から受けた交流電力を直流電力に変換して第１の電力貯蔵装置に供給する充電モードと、前記第１の電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する放電モードとを有する第２の電力変換器と、
   第１のモードを実行する制御回路と、
   前記第１のモードと第２のモードとのうちのいずれか１つのモードを選択する選択部とを備え、
   前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記負荷が回生運転している場合は前記第２の電力変換器に前記充電モードを実行させ、前記負荷が力行運転している場合は前記第２の電力変換器に前記放電モードを実行させ、
   前記第１のモードが選択された場合において前記制御回路は前記第１のモードを実行し、
   前記第２のモードが選択された場合において前記制御回路は、前記第１の場合は前記第２の電力変換器に前記充電モードを実行させ、前記第２の場合は前記第２の電力変換器に前記放電モードを実行させる、無停電電源装置。
5. 前記第２のモードが選択された場合であっても前記制御回路は、前記負荷が回生運転した場合は前記第１のモードを実行する、請求項４に記載の無停電電源装置。
6. 前記直流電源は第２の電力貯蔵装置であり、
   前記第１の電力変換器は、前記第１の場合は前記交流母線から受けた交流電力を直流電力に変換して前記第２の電力貯蔵装置に供給し、前記第２の場合は前記第２の電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する、請求項１または４に記載の無停電電源装置。
7. 前記第１の電力貯蔵装置はリチウムイオン電池を含む、請求項１または４に記載の無停電電源装置。
8. 前記第１の電力貯蔵装置は電気二重層コンデンサを含む、請求項１または４に記載の無停電電源装置。
9. 前記第１の電力貯蔵装置は電解コンデンサを含む、請求項１または４に記載の無停電電源装置。
10. 交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は前記交流電源からの交流電力を第１の負荷に供給し、前記交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記第１の負荷に供給する無停電電源装置であって、
    前記第１の負荷に接続される第１の端子と、
    前記第１の負荷で発生する回生電力を消費させるための第２の負荷に接続される第２の端子と、
    前記第１の負荷で発生する回生電力を消費させるための第３の負荷が接続される第３の端子と、
    第１の電極が前記交流電源からの交流電力を受け、前記第１の場合にオンされ、前記第２の場合にオフされる第１のスイッチと、
    前記第１のスイッチの第２の電極と前記第１の端子との間に接続された交流母線と、
    前記第２の場合に前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する電力変換器と、
    前記第１および第２の端子間に接続された第２のスイッチと、
    前記第１および第３の端子間に接続された第３のスイッチと、
    前記交流母線に流れる電流を検出する電流検出器と、
    第１のモードを実行する制御回路とを備え、
    前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記電流検出器の検出結果に基づいて前記第１の負荷が回生運転しているか力行運転しているかを判定し、前記第１の負荷が回生運転している場合において前記第１の負荷から流出する電流が予め定められたしきい値電流より小さいときは前記第２および第３のスイッチのうちの前記第２のスイッチのみをオンさせ、前記第１の負荷が回生運転している場合において前記第１の負荷から流出する電流が前記予め定められたしきい値電流より大きいときは前記第２および第３のスイッチの両方をオンさせ、前記第１の負荷が力行運転している場合は前記第２のスイッチをオフさせる、無停電電源装置。
11. 前記無停電電源装置は、前記交流電源から三相交流電力が正常に供給されている前記第１の場合は前記交流電源からの三相交流電力を前記第１の負荷に供給し、前記交流電源から三相交流電力が正常に供給されていない前記第２の場合は前記直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換して前記第１の負荷に供給し、
    ３つの第１の端子、３つの第２の端子、３つの第３の端子、３本の交流母線、３つの第１のスイッチ、３つの第２のスイッチ、３つの第３のスイッチ、および３つの電流検出器を備え、
    前記３つの第１の端子は前記第１の負荷に接続され、
    前記３つの第２の端子は前記第２の負荷に接続され、
    前記３つの第３の端子は前記第３の負荷に接続され、
    前記３つの第１のスイッチの第１の電極は前記交流電源からの三相交流電力を受け、前記３つの第１のスイッチの第２の電極はそれぞれ前記３本の交流母線の一方端に接続され、前記３本の交流母線の他方端はそれぞれ前記３つの第１の端子に接続され、
    前記３つの第２のスイッチの第１の電極はそれぞれ前記３本の交流母線に接続され、前記３つの第２のスイッチの第２の電極はそれぞれ前記３つの第２の端子に接続され、
    前記３つの第３のスイッチの第１の電極はそれぞれ前記３本の交流母線に接続され、前記３つの第３のスイッチの第２の電極はそれぞれ前記３つの第３の端子に接続され、
    前記電力変換器は、前記第２の場合に前記直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換して前記３本の交流母線に出力し、
    前記３つの電流検出器は、前記３本の交流母線に流れる三相交流電流をそれぞれ検出し、
    前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記３つの電流検出器によって検出された三相交流電流を三相−二相変換して有効電流および無効電流を求め、前記有効電流が前記第１の負荷に流入している場合は前記第１の負荷が力行運転していると判定し、前記有効電流が前記第１の負荷から流出している場合は前記第１の負荷が回生運転していると判定する、請求項１０に記載の無停電電源装置。
12. 前記制御回路は、前記第１の負荷が回生運転している場合において、前記有効電流が前記予め定められたしきい値電流よりも小さいときは前記第２および第３のスイッチのうちの前記第２のスイッチのみをオンさせ、前記有効電流が前記予め定められたしきい値電流よりも大きいときは前記第２および第３のスイッチの両方をオンさせる、請求項１１に記載の無停電電源装置。
13. 交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は前記交流電源からの交流電力を第１の負荷に供給し、前記交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記第１の負荷に供給する無停電電源装置であって、
    前記第１の負荷に接続される第１の端子と、
    前記第１の負荷で発生する回生電力を消費させるための第２の負荷に接続される第２の端子と、
    第１の電極が前記交流電源からの交流電力を受け、前記第１の場合にオンされ、前記第２の場合にオフされる第１のスイッチと、
    前記第１のスイッチの第２の電極と前記第１の端子との間に接続された交流母線と、
    前記第２の場合に前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に出力する電力変換器と、
    前記第１および第２の端子間に接続された第２のスイッチと、
    第１のモードを実行する制御回路と、
    前記第１のモードと前記第２のスイッチをオフさせる第２のモードとのうちのいずれか１つのモードを選択する選択部とを備え、
    前記第１のモードにおいて前記制御回路は、前記第１の負荷が回生運転している場合は前記第２のスイッチをオンさせ、前記第１の負荷が力行運転している場合は前記第２のスイッチをオフさせ、
    前記第１のモードが選択された場合には前記制御回路は前記第１のモードを実行し、
    前記第２のモードが選択された場合には前記制御回路は前記第２のモードを実行する、無停電電源装置。
14. 前記第２のモードが選択された場合であっても前記制御回路は、前記第１の負荷が回生運転した場合は前記第１のモードを実行する、請求項１３に記載の無停電電源装置。
15. 前記直流電源は電力貯蔵装置であり、
    前記電力変換器は、前記第１の場合は前記交流母線から受けた交流電力を直流電力に変換して前記電力貯蔵装置に供給し、前記第２の場合は前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記交流母線に供給する、請求項１０または１３に記載の無停電電源装置。

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