JP4102964B2 - 整流された交流電圧及び蓄電池による待機無停電電力発生システム及び方法 - Google Patents

Description

【発明の分野】
【０００１】
本発明は、電源に関し、詳細には待機無停電電力を発生するシステム及び方法に関する。
【発明の背景】
【０００２】
無停電電源は、電力会社からの交流入力電圧が故障した場合に電力を電子構成要素に与えるため広く用いられている。無停電電源は、今日、例えば、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、ミニコンピュータ及びメインフレームコンピュータを含むがそれらに限定されないコンピュータと広く用いられ、貴重なデータが失われず、そしてコンピュータが電力会社からの交流入力電圧を一時的に失った状態にも拘わらず動作を継続することを可能にすることを確認する。
【０００３】
図１Ａを参照すると、電力会社からの交流入力電圧により給電される交流負荷の単純化したブロック図が示されている。図１Ａに示されるように、電力会社からの交流入力電圧１００は、交流負荷１２０が差し込まれる壁ソケットのような第１のプラグ１０２に供給される。この通常の構成において、電力会社からの交流入力電圧が故障した場合、交流負荷１２０の動作が停止する。
【０００４】
図１Ｂを参照すると、無停電電源１１０が、電力会社からの交流入力電圧１００の第１のプラグ１０２と交流負荷１２０との間に挿入される。無停電電源は交流負荷１２０の外部にあり得て、それにより無停電電源１１０及び交流負荷１２０は、図１Ｂに示されるように第２のプラグ１１２により接続されることが理解されるであろう。代替として、無停電電源１１０は、交流負荷１２０の一部として一体的に含まれ得る。
【０００５】
図１Ｂはまた、電子回路を含む交流負荷１２０の詳細を示す。交流モータのようなある交流負荷が、無停電電源により与えられる交流電流で直接動作することができることが当業者により理解されるであろう。しかしながら、交流負荷が電子回路１４０を含むとき、その電子回路は、通常１つ以上の直流動作電圧で動作する。従って、図１Ｂに示されるように、電子回路１４０は、それぞれ−５ボルト直流、＋５ボルト直流及び−１２ボルト直流の３つの直流動作電圧１３８ａ−１３８ｃで動作する。他の直流動作電圧も用い得る。電子回路１４０は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、又はいずれの他の民生、商用又は軍用電子製品であり得ることが理解されるであろう。
【０００６】
直流動作電圧１３８ａ−１３８ｃを供給するため、電源１３０は、無停電電源１１０により発生された交流電流を電子回路１４０のための直流動作電圧１３８ａ−１３８ｃに変換する。従って、電源１３０は、通常、例えば全波整流ダイオード１３２により与えられるように、整流された電圧を発生する入力整流部を含む。また、半波入力整流、又は整流のための他の入力形式も用い得ることが当業者により理解されるであろう。キャパシタ１３４を用いて、全波整流ダイオード１３２からの整流された電圧をフィルタリングし得る。フィルタリングされた電圧は、直流／直流変換器１３６に与えられる。直流／直流変換器１３６は、当業者に周知のように、ブーストコンバータ及び／又は高周波数コンバータを含み得る。ブーストコンバータは、力率補正を与えるため、及び入力交流線電流の全高調波歪みを低減するため含まれ得る。電源１３０の設計は、当業者には周知であり、これここで以上説明する必要はない。
【０００７】
無停電電源は、一般的に、オンライン無停電電源と待機無停電電源とに分類され得る。オンライン無停電電源においては、蓄電池を用いて、交流負荷を直流／交流インバータを介して給電する。交流／直流コンバータ（「充電器」とも称される。）は、蓄電池をその充電された状態に維持する。蓄電池は常に交流負荷を給電しているので、電力会社からの交流入力電圧が故障したとき切り替えの必要がない。更に、蓄電池は、電力会社からの交流入力電圧の歪み又は雑音をフィルタリングできるため交流負荷へ送られる分が減る。不都合にも、オンライン無停電電源は、大きな蓄電池、交流／直流コンバータ及び直流／交流コンバータを必要とする。従って、オンライン無停電電源は、高価で且つ嵩が大きくなり得る。
【０００８】
対照的に、待機無停電電源は、電力会社からの交流入力電圧が故障するまで電力会社からの交流入力電圧にうより交流負荷に給電する。次いで、蓄電池とインバータとに切り替えられることにより交流負荷に給電する。従って、蓄電池及びインバータのみが交流負荷に待機ベースで給電する。
【０００９】
図２は、通常の待機無停電電源のブロック図である。図２に示されるように、待機無停電電源１１０′は、電力会社からの交流入力電圧１００を第１のプラグ１０２から受け入れ、そしてその電力会社からの交流入力電圧を交流負荷に第１のスイッチ２０２を通し且つ第２のプラグ１１２を介して供給する。第１のスイッチ２０２は、電力会社からの交流入力電圧が第１のプラグ１０２に供給される限り閉じられたままであるリレー及び／又はサイリスタ（トライアック）であり得る。電力会社からの交流入力電圧１００を失うと、第１のスイッチ２０２は開けられる。第１のスイッチ２０２は、その常開構成により、又は制御器２１４の制御の下に開くものでよい。その場合、第２のスイッチ２０４は、制御器２１４により閉じられている。第２のスイッチ２０４を閉じることにより、直流／交流インバータ２１２は、交流電力を蓄電池２１０から交流負荷１２０に第２のプラグ１１２を介して与える。電力会社からの交流入力電圧が第１のプラグ１０２に回復されると、第２のスイッチ２０４が開き、第１のスイッチ２０２が閉じ、それにより蓄電池２１０の接続を切る。第１のスイッチ２０２及び第２のスイッチ２０４の開閉制御は、電力会社からの交流入力電圧１００の喪失及び回復を検知ライン２１６を介して検知する制御器２１４により行われる。当業者に周知である他の構成もまた用いられ得る。充電器２０６は、蓄電池２１０を充電された状態に維持する。通常の無停電電源１１０′の設計及び動作は、当業者に周知であり、更にここで説明する必要はない。
【００１０】
不都合にも、通常の待機無停電電源１１０′は、多くの欠点を持っている。例えば、第１のプラグ１０２を介して待機無停電電源１１０′からの電力会社からの交流入力電圧１００へ電力が逆流するのを避けるため、制御器２１４が遅延を挿入して第２のスイッチ２０４が閉じられる前に第１のスイッチ２０２が開くようにするのが好ましい。これは、電力会社からの交流入力電圧１００から待機蓄電池２１０への切り替えを「一方の回路を閉じる前にもう一方の回路が切れる」ようにする。交流負荷１２０は、一般的にこの切り替え期間の間給電されないことになる。更に、第２のスイッチ２０４は、インバータ電圧をブロックすることに加えてピーク入力ラインサージ電圧をブロックすることができる高電圧双方向スイッチであることが必要である。最後に、電力を蓄電池２１０から供給する直流／交流インバータ２１２は、連続ベースで完全な定格を有する必要があり、そして交流負荷の需要サージ電力を短期間ベースで供給することができる必要がある。直流／交流インバータ２１２はまた、蓄電池が低電圧であり且つ接地基準を有するとき、蓄電池と負荷との間に分離を与えることが必要である場合がある。従って、直流／交流インバータ２１２は、コストが高く且つ信頼性がない場合がある。
【００１１】
高周波数共振コンバータを含むオンライン無停電電源の例が、本発明の譲受人に譲渡された、本発明者Ｏｕｇｈｔｏｎへの米国特許Ｎｏ．５，２９１，３８３に図示されている。この特許においては、図１は、無停電電源システムのブロック図を図示する。無停電電源システムは、電力会社からの交流電源に接続可能な整流器を備える。整流器は直流電圧を入力フィルタに与え、次いで入力フィルタは未調整の直流電圧を高周波数共振コンバータの入力に与える。
高周波数共振コンバータは、調整された交流電圧をその出力において分離電力変成器に与える。電力変成器は１次巻線及び２次巻線を含み、１次巻線は及び２次巻線は高周波数共振コンバータを整流器に結合し、その整流器は出力フィルタを介して直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータに供給する。ＰＷＭインバータは、交流電圧を、低域通過フィルタを介して無停電電源システムに接続された負荷に供給する。適切な制御回路が、ＰＷＭインバータの制御のため且つ高周波数共振コンバータの制御のため設けられている。無停電電源システムはまた、スイッチを介して高周波数共振コンバータの入力に接続可能な蓄電池及び蓄電池用充電器を含み、その充電器はまた交流電源に接続される。上記Ｏｕｇｈｔｏｎ特許のコラム１、１３−３６行を参照されたい。また、特表平５−５０７３９９号公報を参照されたい。
Ｗａｇｎｅｒへの米国特許Ｎｏ．４，７８８，４５０号明細書は、Ｐチャネル電界効果トランジスタが固有の接合ダイオードを含むバックアップ電力スイッチを記載する。Ｐチャネル電界効果トランジスタの通常使用状態では、固有のダイオードは逆バイアスであるため事実上回路から外れている。主電圧源及びバックアップ電圧源を含む無停電電源構成は、電界効果トランジスタの電界効果動作とは独立に固有のダイオードがＯＲ機能を与えるよう導通するよう接続された２つ以上のＰチャネル電界効果トランジスタを介して無停電電力を負荷に供給する。制御回路は、各トランジスタのソース電圧に対してゲート電圧を制御して、負荷に給電するように電源に接続された一方のトランジスタの固有のダイオードを選択的に短絡する。これにより、もう一方の固有のダイオードが逆バイアスになり、もう一方の電源が回路から事実上取り外され、それにより負荷への電力が選択された電源からのみ引き出される。ダイオード接合には負荷電圧を低減する順方向の電圧がなく、過大な電力消費がない。
特開平９−９３８３３号公報は、接続ユニットの入力がＦＥＴ及び交流／直流コンバータの遮断を検出する電圧検出制御回路を介して蓄電池と接続される無停電電源を記載する。交流／直流コンバータの通常動作時に、ＦＥＴは遮断状態にあり、ＦＥＴのドレーン・ソース間に存在する寄生ダイオードが、交流／直流コンバータの中のダイオードと一緒にＯＲダイオードを構成する。通常、電圧は交流／直流コンバータから供給されるが、電圧が降下すると、電圧検出制御回路が検出して、ＦＥＴがオンになり電圧を蓄電池から供給する。
【００１２】
前述の記載は、無停電電源がコストが高く、複雑であり、嵩ばり、そして信頼性に問題がありがちであることを示している。待機無停電電源はまた、電力会社からの交流入力電圧を失った場合に交流負荷への給電を切れ目なしに行うことができない。
【発明の概要】
【００１３】
従って、本発明の目的は、交流負荷に待機無停電電力を与えることができる改良型待機無停電電源システム及び方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、用いられる構成要素のコスト、複雑さ及び／又は嵩を低減することができる交流負荷用待機無停電電力を発生するシステム及び方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、電力会社からの交流入力電圧が故障したり該交流入力電圧を回復させたりする際に交流負荷への電力を切れ目なく切り替えることができる交流負荷用待機無停電電力を発生するシステム及び方法を提供することにある。
【００１６】
これら及び他の目的は、本発明に従って、電力会社からの交流入力電圧を整流して、整流された電圧を発生させ、電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して蓄電池の直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生する、交流負荷用待機無停電電力発生システム及び方法により達成される。整流された電圧及び待機直流電圧は、入力整流部を含む交流負荷に接続されるため、コストが高く、嵩ばり及び／又は信頼性がないインバータ又はコンバータを必要とせずに待機無停電電力を得ることができる。このように電力を切り目なく切り替えることにより、電力会社からの交流入力電圧が故障したり該交流入力電圧を回復させてたりする際に交流負荷を給電することができる。
【００１７】
本発明は、図１Ｂと関係して説明されたような電子回路及び入力整流部を有する電源を備えた交流負荷を含む（それに限定されない）多くの交流負荷がその入力で交流電力を必要としないことを実現することから生まれたものである。むしろ、多くの交流負荷は、整流された交流電源により満足に動作できる。従って、電力会社からの交流入力電圧が動作しているとき交流負荷への交流電力を発生させるよりむしろ、整流された交流電力を発生させる。電力会社からの交流入力電圧の故障の際は、待機直流電圧は蓄電池により供給される。整流された交流電圧及び待機直流電圧は、入力整流部を含む多くの交流負荷により満足に用いられることができる。従って、嵩が大きく且つコストが高いインバータ又はコンバータに対する必要性が排除され、それにより無停電電源のコスト、嵩及び／又は改善された信頼性を可能にし得る。
【００１８】
好適な実施形態において、電力会社からの交流入力電圧は、１つ以上のダイオードを用いて整流される。これらのダイオードは、電力会社からの交流入力電圧への電力の逆流を防止することができ、そのため待機直流電圧を交流負荷に直ちに印加することができ、それにより切れ目のない切り替えが可能である。ダイオード・スイッチ（即ち、一方向スイッチ）は蓄電池を作動及び非作動状態にするため、蓄電池は、電力会社からの交流入力電圧が完全に回復されたことが確認されるまで非作動状態にする必要がない。従って、電力会社からの交流入力電力が回復する際に電力を負荷に切れ目なく供給することができる。
【００１９】
本発明の好適な実施形態において、電力会社からの交流入力電圧は、ダイオード整流器により、最も好ましくは少なくとも４つのダイオードを含む全波ダイオード整流器により、整流されて、整流された電圧を発生する。電力会社からの交流入力電圧の所定変化に応答して蓄電池からの直流電圧を作動状態にして、それにより待機直流電圧を発生させるため、ダイオード・スイッチが用いられる。ダイオード・スイッチは、別個のダイオードか電子又は電気機械式スイッチでよい。代替として、ダイオード・スイッチは、サイリスタのような単一の構成要素であり得る。ダイオード整流器及びダイオード・スイッチは、待機無停電電力を無停電電源の出力に与えるダイオードＯＲ接続様式に接続される。
【００２０】
ダイオードＯＲ接続は、最強の電源が交流負荷をいつでもサポートするのを可能にする。従って、切り替えは、一方の回路が切れる前にもう一方の回路を閉じるようにして交流負荷へ電力が切れ目なく供給されるようにすることができる。従って、制御器は、電力会社からの交流入力電圧が故障すると、最初に電力会社からの交流入力電圧を無停電電源か ら切り離すことなく、それに応答して、蓄電池が作動状態になるようにダイオード・スイッチを作動させることができる。それにより、切れ目なしの切り替えが可能となる。更に、ダイオードＯＲ接続は、電力会社からの交流入力電圧の完全な故障を待たずに、電圧低下又は他の状態に起因した電力会社からの交流入力電圧の低下に応答して蓄電池を作動状態にすることができる。最後に、ダイオードＯＲ接続により、電力会社からの交流入力電圧の回復の際該交流入力電圧を再接続する前に蓄電池を切り離す必要がなくなる。むしろ、蓄電池及び電力会社からの交流入力電圧の両方をダイオードＯＲ接続により同時に接続することが可能であり、それにより、回復された電力会社からの交流入力電圧が安定であることが確認されるまで、蓄電池を切り離す必要がない。従って、入力整流部を含む交流負荷用待機無停電電力を発生するシステム（装置）及び方法は、切れ目のない、低コスト、コンパクト及び／又は信頼性のある待機無停電電力を与えることができる。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００２１】
本発明を好適な実施形態を示す添付図面を参照して以下により十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる態様で具体化され得て、そして本明細書で説明される実施形態に限定されると解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、この開示が詳細且つ完全であり且つ当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように与えられるものである。類似の参照番号は全体にわたり類似の構成要素を示す。
【００２２】
ここで図３を参照して、本発明の無停電電源システム及び方法の第１の実施形態を説明する。図３に示されるように、本発明による無停電電源３１０の入力が、電力会社からの交流入力電圧１００に第１のプラグ１０２を介して接続されている。無停電電源３１０の出力は、交流負荷１２０に第２のプラグ１１２を介して接続されている。既に説明したように、第２のプラグ１１２は、無停電電源３１０が交流負荷１２０の中に一体化されている場合には必要ない。
【００２３】
図３の説明を続けると、無停電電源３１０は、電力会社からの交流入力電圧１００を半波整流するダイオード整流器、例えば単一のダイオード３２８を含む。蓄電池３２０及びダイオード・スイッチ３１４は、ダイオード整流器３２８に直列にダイオードＯＲ接続様式で３３０で接続される。蓄電池３２０は、交流負荷１２０を給電するのに十分な直流電圧Ｖ_Bを発生する。ダイオード・スイッチ３１４が作動状態にあるとき、待機直流電圧Ｖ_Sが発生される。当業者には周知のように、ダイオードＯＲ接続は、１つのダイオードだけが電流を共通ノードに通すことができるが、残りのダイオードは電流を共通ノードからブロックするように共通ノードに接続された２つ以上のダイオードを含む。従って、図３において、ダイオードＯＲ接続（３３０）は、蓄電池３２０からの電流が電力会社からの交流入力電圧１００にフィードバックされるのを防止し、また電力会社からの交流入力電圧１００からの電流が蓄電池３２０に供給されるのを防止する。ダイオードＯＲ接続（３３０）は、無停電電源３１０の出力を与える。
【００２４】
無停電電源３１０はまたライン・スイッチ３１２を含む。ライン・スイッチ３１２は、ダイオード３２８が蓄電池３２０から電力会社からの交流入力電圧１００の中への電力の逆流を防止するので、オプションとして設けることができる。しかしながら、規則により機械式ライン・スイッチ３１２の設置が要求されることがある。
【００２５】
図３の実施形態において、ダイオード・スイッチ３１４は、ダイオードＯＲ接続（３３０）と蓄電池３２０との間に直列接続されているダイオード３１６及びスイッチ３１８を備える。スイッチ３１８は、リレーのような電気機械式のスイッチであり得る。代替として、スイッチ３１８は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電力用電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、バイポーラ・トランジスタ又は他の任意の電子スイッチのような電子スイッチであってよい。ダイオード・スイッチ３１４は、一方向の電流の流れを与える。
【００２６】
図３の説明を更に続けると、蓄電池充電器３２２がまた、蓄電池３２０を充電するため含まれている。蓄電池充電器３２２の設計は、当業者に周知であり、ここで説明する必要はない。最後に、制御器３２４は、以下で詳細に説明されるように、電力会社からの交流入力電圧１００を検知ライン３２６を介して検知し、ライン・スイッチ３１２を第２の制御ライン３３４を介して制御し、そしてダイオード・スイッチ３１４のスイッチ３１８を第１の制御ライン３３２を介して制御する。
【００２７】
しかしながら、一般に、検知ライン３２６で検知される電力会社からの交流入力電圧１００の喪失の際に、制御器３２４は、ライン・スイッチ３１２が開ける前に、ダイオード・スイッチ３１４のスイッチ３１８を直ちに閉じて、電力の切り替えを切れ目なく行い、交流負荷１２０をサポートする。ダイオード３２８は、電流を一方向にのみ導通させ、電力会社からの交流入力電圧１００への電力の逆流を防止する。従って、制御器は、蓄電池がバックアップとして用いられるときスイッチの物理的開成を要求する規則を遵守するためライン・スイッチ３１２を開くことができる。電力会社からの交流入力電圧１００の回復の際に、制御器３２４は、ライン・スイッチ３１２を閉じることができる。ダイオード・スイッチ３１４又は３１４′は電流を一方向にのみ導通させるため、電力会社からの交流入力電圧１００は蓄電池３２０に流れ込まない。所定の時間待った後に、スイッチ３１８は、安定な線電力が確認されると、開くことができる。制御器３２４は、１つ以上のアナログ又はディジタル集積回路、個別のアナログ又はディジタル回路、記憶されたプログラムを動作させる集積回路マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はハードウエア及び／又はソフトウエアの他の任意の組合わせを用いて具体化され得る。
【００２８】
図４は、本発明の第２の実施形態を図示する。図４に示されるように、無停電電源４１０は、当業者に周知の様式で接続されている４つのダイオード４２８ａ−４２８ｄを備える全波ダイオード整流器を含む。更に、ダイオード・スイッチ３１４′は、スイッチ及びダイオードを単一の半導体デバイス中に含む、集積（単一構成要素の）ダイオード・スイッチ、例えばサイリスタである。図３におけるように、制御器３２４は、第１のライン３３２を用いてサイリスタ３１４′を制御する。制御器３２４は、第２の制御ライン３３４を用いてライン・スイッチ３１２を制御する。
【００２９】
ここで図５及び図６を参照して、図３及び図４に示される本発明に従った無停電電源の動作をここで説明する。図５は、図３及び図４の無停電電源における種々の電圧及び信号を図示するタイミング図である。図６は、制御器３２４の動作を図示するフローチャートである。フローチャートの各ブロック及びフローチャートのブロックの組合わせは、コンピュータ・プログラム命令により実現されることができる。これらのコンピュータ・プログラム命令は、プロセッサ又は他のプログラム可能なデータ処理装置に与えられ、それによりプロセッサ又は他のプログラム可能なデータ処理装置上で実行するそれら命令により、フローチャートのブロック（単数又は複数）において特定された機能を実現する手段を有するマシンが実現される。特定の態様で機能するようにプロセッサ又は他のプログラム可能なデータ処理装置を指令することができるこれらのコンピュータ・プログラム命令はまた、コンピュータ読取り可能メモリに記憶され得、それによりコンピュータ読取り可能メモリに記憶された命令は、フローチャートのブロック（単数又は複数）において特定された機能を実行する命令手段を含むマシンを実現する。
【００３０】
従って、フローチャートのブロックは、特定の機能を実行する手段の組合わせ、特定の機能を実行するステップの組合わせ、及び特定の機能を実行するプログラム命令手段をサポートする。フローチャートの各ブロック、及びフローチャートにおけるブロックの組合わせは、図６に記載されているような特定の機能又はステップを実行する特定目的のハードウエアベースのコンピュータシステムにより、又は特定目的ハードウエア及びコンピュータ命令の組合わせにより実現できることが理解されるであろう。
【００３１】
ここで図３、図４、図５および図６を参照すると、動作は、ここではＶ₁₀₀と呼ぶ電力会社からの交流入力電圧１００が正常な正弦波電圧を第１のプラグ１０２に時点Ｔ₀から時点Ｔ₁まで与えることで始まる。この時間の間、制御器３２４は、ブロック６０４において時点Ｔ₁で変化があるまで、電力会社からの交流入力電圧をブロック６０２において検知ライン３２６を介して検知する。以下に記載されるように、この変化は、停電に起因する電力会社からの交流入力電圧１００の故障であり得るか、又は電力会社からの交流入力電圧１００の低下であり得る。
【００３２】
図５に示されるように、時点Ｔ₀から時点Ｔ₁まで、ここではＶ₃₃₂として示される、第１の制御ライン３３２上の制御信号は非作動状態である。同様に、ここでＶ_Sとして示される、蓄電池３２０からの待機直流電圧の寄与分はゼロである。ここでＶ₃₃₀として示される、ダイオードＯＲ接続（３３０）での無停電電源４１０の出力電圧は、半波整流された交流電圧（図３）、又は全波整流された交流電圧（図４）である。
【００３３】
戻って図６を参照すると、電力会社からの交流入力電圧の変化がブロック６０４で検知ライン３２６を介して検出されたとき、制御器３２４は、電力会社からの交流入力電圧１００が単に電圧スパイク又はドロップアウトを受けていることよりむしろ電力会社からの交流入力電圧１００が変わったことを確認するため時間間隔Ｔ₂の間待つ。時間間隔Ｔ₂は、非常に小さく、一般的に交流入力電圧の１サイクルの小部分であることが理解されるであろう。更に、時間間隔Ｔ₂は最小することが可能であり、それによりその時間間隔Ｔ₂は制御器３２４の最小検知時間のみに依存する。従って、時間間隔Ｔ₂の間、制御器電圧Ｖ₃₃₂は非作動状態のままであり、待機電圧Ｖ_Sはゼロのままであり、そして出力電圧Ｖ₃₃₀もまたゼロに低下する。
【００３４】
再び図６を参照すると、ブロック６０８において、電力会社からの交流入力電圧Ｖ₁₀₀が時間間隔Ｔ₂の間変化した状態を維持する場合、ダイオード・スイッチ３１４及び３１４′は、制御器３２４により第１の制御ライン３３２を介して作動状態にされる。従って、図５に示されるように、第１の制御ライン３３２は、時間間隔Ｔ₂の終わりに作動状態にされ、それによりダイオード・スイッチ３１４及び３１４′を作動状態にする。従って、待機直流電圧Ｖ_Sは、その最大値まで増大し、そして出力電圧Ｖ330は、好ましくは電力会社からの交流入力電圧Ｖ₁₀₀のＲＭＳ値又は交流負荷１２０を給電するのに適する他の値に類似した直流電圧を与える。任意に、図６に示されるように、ブロック６１２において、ライン・スイッチ３１２は、第２の制御ライン３３４を用いて制御器３２４により非作動状態にされ得る。ライン・スイッチ３１２が制御器の介入なしにそれ自身でライン・スイッチ３１２の機械的作用に起因して開き得ることもまた理解されるであろう。
【００３５】
ブロック６１４において、制御器３２４は、電力会社からの交流入力電圧Ｖ₁₀₀を検知するのを継続して、電力会社からの交流入力電圧Ｖ₁₀₀が回復されるときを検知する（ブロック６１６）。再び図５を参照すると、時点Ｔ₃で、電力会社からの交流入力電圧Ｖ₁₀₀の電力会社からの交流入力電圧が回復される。ブロック６１６における入力電圧回復の検知に応答して、ライン・スイッチ３１２は、ブロック６１８において制御器３２４により第２の制御ライン３３４を介して作動状態にされ得る。ライン・スイッチ３１２は制御器３２４による作動の要求なしに、線電圧が回復すると直ちに自動的に作動状態にされ得ることも理解されるであろう。
【００３６】
図６の説明を続けると、ブロック６２２においてダイオード・スイッチ３１４又は３１４′は直ちに非作動状態にされない。むしろ、制御器３２４は、電力会社からの交流入力電圧Ｖ₁₀₀が安定であることを確認するため時間間隔Ｔ₄の間待機する。時間間隔Ｔ₄の間、ダイオードＯＲ接続（３３０）に起因して、ダイオード・スイッチ３１４又は３１４′は、電力会社からの交流入力電圧１００が直流蓄電池電圧Ｖ_Bを越えたとき、逆バイアスとなり、そして蓄電池３２０からの直流電圧Ｖ_Bを無停電電源出力から切り離す。従って、時間間隔Ｔ₄の間、蓄電池３２０及び電力会社からの交流入力電圧１００は、整流された電力会社からの交流入力電圧及び直流蓄電池電圧のうちのいずれがより高いかに応じて無停電電源出力電圧をダイオードＯＲ接続（３３０）に交互に与える。前記の説明はダイオード３１６又はダイオード・スイッチ３１４′の両端間に電圧降下がないことを前提としていることが理解されるであろう。電圧降下がある場合、蓄電池３２０及び電力会社からの交流入力電圧１００は、整流された電力会社からの交流入力電圧及び直流蓄電池電圧から電圧降下を引いた電圧のうちのいずれがより高いかに応じて出力電圧をダイオードＯＲ接続（３３０）に交互に与える。
【００３７】
時間間隔Ｔ₄が経過し、そして安定な電力会社からの交流入力電圧１００が存在することが確認された後に、ダイオード・スイッチ３１４又は３１４′は、ブロック６２４において非作動状態にされる。時間間隔Ｔ₄の間、回復された電力会社からの交流入力電圧は、無停電電源中に複雑な位相ロックループを必要とせずに、交流負荷に同期することができる。次いで、整流された電力会社からの交流入力電圧は、無停電電源により供給され、そして蓄電池充電器３２２が蓄電池３２０を再充電する。
【００３８】
ダイオード・スイッチ３１４′が図４に示されるようにサイリスタ又はシリコン制御整流素子（ＳＣＲ）であるとき、ラインの転流により、第１の制御ライン３３２が非作動状態になった後にダイオード・スイッチ３１４′をオフにし得る。スイッチ３１８が、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）又は別の電子又は手動スイッチのような、図３に示されるようにダイオード３１６と別個のスイッチであるとき、制御器３２４は、第１の制御ライン３３２を非作動状態にすることによりスイッチ３１８をオフすることができる。こうして、低電圧のドロップアウトが与えられて、蓄電池３２０の過充電を防止することができ、そして線電圧ピークは、ダイオード・スイッチ３１４′を転流によりオフにするため蓄電池電圧を越える必要がない。
【００３９】
従って、ライン電圧が失なわれたことが検出されたとき、ダイオード・スイッチ３１４及び３１４′は、直ちに閉じて、ライン・スイッチ３１２が開くのを待たずに、待機電力を与え得る。その上、電力の逆流が生じないことを更に確認するためライン・スイッチを開けることができる。これにより、一方の回路が切れる前にもう一方の回路を閉じて、電力を切れ目なしに切り替えることが可能になる。蓄電池３２０は、負荷の定常状態需要及び短期間需要の両方をサポートすることができるのが好ましい。従って、電力会社からの交流入力電圧１００が回復されると、ライン・スイッチ３１２が閉じられて、ダイオード・スイッチ３１４及び３１４′が逆バイアスされ、それにより当然に蓄電池３２０が電力会社からの交流入力電圧１００から切り離される。次いで、ダイオード・スイッチ３１４及び３１４′は、一旦電力会社からの交流入力電圧が安定になると非作動状態にすることができる。
【００４０】
整流された交流が無停電電源の出力ノード３３０に与えられるので、ダイオード・スイッチ３１４及び３１４′は蓄電池電圧Ｖ_B と電力会社からの交流入力電圧１００のピークの両方をブロックするような定格でなくて蓄電池電圧Ｖ_Bをブロックするような定格にすることのみが必要である。従って、図２の第２のスイッチ２０４と比較すると、ダイオード・スイッチ３１４及び３１４′は、双方向である必要がなく、そして第２のスイッチ２０４によりブロックされることが必要であり得る電圧の小部分のみをブロックするような定格にされることができる。低電圧のドロップアウトが所望される場合、ダイオード・スイッチ３１４又は３１４′は、直列接続の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）及びダイオードから構成され得て、それは待機モードの間蓄電池を非作動状態にするのを可能にする。
【００４１】
更に、蓄電池３２０は適当に高電圧であることが好ましく、その場合図２の直流／交流インバータ２１２が不要になる。蓄電池３２０は、本来的に負荷突入電流又は他の短期間負荷のための短期間過負荷能力を与えることができる。対照的に、直流／直流コンバータが図２の直流／交流インバータ２１２中に含まれる場合、定常状態電力のみならず短期間過負荷需要もサポートするような定格とされる必要があり得る。
【００４２】
本発明の直流（単極）出力は、多くの電子回路に共通に用いられるように、入力整流部を含む電源と互換性がある。電力線周波数フィルタリングを実行する必要がないので、本発明は、低い高調波歪み／力率補正電源に相反するものではない。力率補正及び／又は高調波低減技術を組み込んだ電源と共用されるとき、電源の力率補正により、中位の蓄電池電圧を、電源により用いられる電圧に昇圧することができる。従って、１００−２００ボルト蓄電池３２０は、力率補正を含む１００−２４０Ｖｒｍｓ電源１２０をサポートすることができる。力率補正を含まない場合、２４０Ｖ蓄電池３２０を用い得る。
【００４３】
高周波数インバータ及び／又はコンバータを用いる必要がないので、電磁干渉（ＥＭＩ）が本発明によりさらに発生することがないこともまた理解されるであろう。蓄電池充電器３２２は、インバータ又はコンバータにより発生したＥＭＩのレベルより通常非常に低く且つ無停電電源の全負荷電流を送るよう設計されているフィルタを設けなくても蓄電池充電器でフィルタリングできる低レベルのＥＭＩを発生し得る。本発明は、高効率及び低損失により、ファン又は大きな換気を必要とせずに作動することができる。これは、無停電電源を交流負荷と一体化するのを容易にし得る。
【００４４】
最後に、図５の時間間隔Ｔ₄に図示されるように、本発明は負荷電力の自然な分担を可能にする。従って、電圧低下の間、即ち電力会社からの交流入力電圧が相変わらず低減したレベルで存在するとき、電力会社からの交流入力電圧が蓄電池電圧Ｖ _B （ダイオード・スイッチ３１４又は３１４′の電圧降下を減じた電圧）より大きければ、電力会社からの交流入力電圧が無停電電源の電圧となる。しかしながら、蓄電池電圧Ｖ_Bが電力会社からの交流入力電圧１００より高いとき、蓄電池３２０は、無停電電源の出力電圧を供給することができる。これは、電力会社からの交流入力電圧が蓄電池電圧より降下した時間部分だけ蓄電池電力が消費される必要がある拡張電圧低下状態の間有益であり得る。これは、電圧低下の間利用可能なバックアップ時間を大きく引き伸ばすことができる。
【００４５】
本発明は、電力会社からの交流入力電圧が存在するとき整流された交流電圧を発生するので、交流負荷１２０用の入力電力コードを、直流成分を含む整流された交流を安全に送る定格に修正するかかかるコードで置換する必要があり得る。従って、２５０Ｖの定格であるＩＥＣ３２０電力コードを用いる交流負荷では、交流か直流のうちのいずれかの電力をこれらのコードにより送ることができる。しかしながら、ＮＥＭＡ電力コードでは、通常の交流ＮＥＭＡ電力コードの代わりに直流ＮＥＭＡ電力コードを使用する必要があり得る。この直流ＮＥＭＡ電力コードは、設置を容易にするためそして規則を遵守するため、本発明に従って無停電電源と一緒に設けられ得る。
【００４６】
整流された交流電圧を電源１３０に与えることにより、本発明は、電源１３０の中の４つのダイオード１３２のうちの２つだけを導通させ、それにより潜在的に電力消費を増大し且つこれらの２つのダイオードの平均故障時間を低減し得る。しかしながら、４つ全てのダイオード１３２が通常単一の電子パッケージに入れられているので、４ダイオード電子パッケージに対する電力消費の増大及び平均故障時間の低減は最小であり得る。
【００４７】
結論として、整流された電圧は、入力整流部を含み従来より電力会社からの交流入力電圧から給電される交流負荷に印加される。交流負荷に直接給電するのに十分である蓄電池は、ダイオードＯＲ接続されるため、電力会社からの交流入力電圧が交流負荷を給電するに十分でないときはいつでも蓄電池電力を交流負荷に直接給電するのを可能にする。交流負荷へ切れ目なく給電することが可能となり、蓄電池と交流負荷との間に従来必要であったインバータ及び／又はコンバータをなくすことができる。従って、本発明による待機無停電電源及び方法は、通常の待機無停電電源より一層堅牢に、またより高い信頼性、より良い性能及び／又はより低いコストを有する。
【００４８】
図面及び明細書に、本発明の典型的な好適実施形態が開示されており、そして特別の用語が用いられているにも拘わらず、それらは、総称的且つ記述的な意味のみであって限定の目的でなく用いられ、本発明の範囲は頭書の特許請求の範囲に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａは、電力会社からの交流入力電圧により給電される通常の交流負荷の単純化したブロック図である。
図１Ｂは、電力会社からの交流入力電圧と交流負荷との間に挿入された通常の無停電電源の単純化したブロック図である。
【図２】 図２は、通常の無停電電源のブロック図である。
【図３】 図３は、本発明に従った無停電電源システム及び方法の第１の実施形態を図示する。
【図４】 図４は、本発明に従った無停電電源システム及び方法の第２の実施形態を図示する。
【図５】 図５は、図３及び図４の電圧及び信号を図示するタイミング図である。
【図６】 図６は、図３及び図４の制御器の動作を図示するフローチャートである。

Claims (28)

1. 電力会社からの交流入力電圧（１００）を整流して、整流された電圧を発生する手段（３２８）と、
   直流電圧（Ｖ_B）を発生する蓄電池（３２０）と、
   電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して前記直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧（Ｖ_S）を発生する手段（３１４）と、
   電力会社からの交流入力電圧が作動状態にある時は前記整流された電圧が入力整流部を含む交流負荷（１２０）に印加され、電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して待機直流電圧が入力整流部を含む前記交流負荷に印加されるように、前記整流された電圧及び前記待機直流電圧を入力整流部を含む前記交流負荷に接続する手段（３２４）と
   を備える待機無停電電源装置。
2. 前記整流手段がダイオード整流器を備える請求項１記載の待機無停電電源装置。
3. 前記直流電圧を作動状態にする手段がダイオード及びスイッチを備える請求項１又は２記載の待機無停電電源装置。
4. 前記ダイオード及びスイッチがサイリスタより成る請求項３記載の待機無停電電源装置。
5. 前記スイッチが、電子スイッチ又は電気機械式スイッチより成る請求項３記載の待機無停電電源装置。
6. 前記直流電圧を作動状態にする手段は、電力会社からの交流入力電圧の故障に応答して直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生する手段より成る請求項１から５のいずれか一項に記載の待機無停電電源装置。
7. 前記直流電圧を作動状態にする手段は、電力会社からの交流入力電圧が所定時間故障するとそれに応答して直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生する手段より成る請求項１から６のいずれか一項に記載の待機無停電電源装置。
8. 前記直流電圧を作動状態にする手段は、電力会社からの交流入力電圧の低下に応答して直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生する手段より成る請求項１から７のいずれか一項に記載の待機無停電電源装置。
9. 前記接続手段は、前記整流された電圧及び前記待機直流電圧を、入力整流部を含む交流電源に接続する手段より成る請求項１から８のいずれか一項に記載の待機無停電電源装置。
10. 入力整流部を含む交流負荷（１２０）のための待機無停電電力を発生する方法において、
    電力会社からの交流入力電圧（１００）を整流して、整流された電圧を発生するステップ（３２８）と、
    電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して蓄電池の直流電圧（Ｖ_B）を作動状態にすることにより待機直流電圧（Ｖ_S）を発生するステップ（３１４）と、
    電力会社からの交流入力電圧が作動状態にある時は前記整流された電圧が入力整流部を含む交流負荷（１２０）に印加され、電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して待機直流電圧が入力整流部を含む前記交流負荷に印加されるように、前記整流された電圧及び前記待機直流電圧を入力整流部を含む前記交流負荷に接続するステップ（３２４）とより成る待機無停電電力を発生する方法。
11. 前記整流ステップは、ダイオードにより電力会社からの交流入力電圧を整流して、整流された電圧を発生するステップより成る請求項１０記載の方法。
12. 前記直流電圧を作動状態にするステップは、電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して蓄電池の直流電圧を単方向で作動状態にすることにより待機直流電圧を発生するステップより成る請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記直流電圧を作動状態にするステップは、電力会社からの交流入力電圧の故障に応答して蓄電池の直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生するステップより成る請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記直流電圧を作動状態にするステップは、電力会社からの交流入力電圧が所定時間故障するとそれに応答して蓄電池の直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生するステップより成る請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記直流電圧を作動状態にするステップは、電力会社からの交流入力電圧の低下に応答して蓄電池の直流電圧を作動状態にすることにより待機直流電圧を発生するステップより成る請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記接続ステップは、前記整流された電圧及び前記待機直流電圧を、入力に整流部を含む前記交流電源に接続するステップより成る請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
17. 無停電電力を出力（３３０）に発生する待機無停電電源装置において、
    電力会社からの交流入力電圧（１００）を整流して、整流された電圧を発生する整流器（３２８）と、
    直流電圧（Ｖ_B）を発生する蓄電池（３２０）と、
    前記蓄電池に接続され、電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答して待機直流電圧（Ｖ_S）が前記蓄電池から発生するようにするスイッチ（３１８）とを備え、
    前記整流器及び前記スイッチは、前記無停電電源装置の出力に接続されて前記整流された電圧及び前記待機直流電圧を前記無停電電源の出力に与えることにより、前記待機無停電電源装置の出力が交流負荷に接続されると、電力会社からの交流入力電圧が作動状態にあるときは前記整流された電圧が前記交流負荷に印加され、電力会社からの交流入力電圧が所定の変化をするとそれに応答して前記待機直流電圧が前記交流負荷に印加される
    待機無停電電源装置。
18. 前記整流器がダイオード整流器より成り、
    前記スイッチがダイオード・スイッチより成り、
    前記蓄電池及び前記ダイオード・スイッチは、前記ダイオード整流器に直列にダイオードＯＲ接続様式に接続され、
    前記ダイオード・スイッチは、電力会社からの交流入力電圧の所定の変化に応答し、
    前記ダイオードＯＲ接続様式により前記待機無停電電源装置の出力に待機無停電電力が与えられるため、前記待機無停電電源装置の出力が前記交流負荷に接続されると、電力会社からの交流入力電圧が作動状態にあるときは前記ダイオード整流器が整流された電力会社からの交流入力電圧を前記交流負荷に供給し、電力会社からの交流入力電圧が所定の変化をするとそれに応答して前記蓄電池が直流電圧を前記交流負荷に印加する
    請求項１７記載の待機無停電電源装置。
19. 前記整流器がダイオード整流器より成る請求項１７記載の待機無停電電源。
20. 前記ダイオード整流器が全波ダイオード整流器より成る請求項１７又は１９記載の待機無停電電源装置。
21. 前記スイッチがダイオード・スイッチより成る請求項１９又は２０記載の待機無停電電源装置。
22. 前記ダイオード・スイッチがサイリスタより成る請求項１８又は２１記載の待機無停電電源装置。
23. 前記ダイオード・スイッチが、電子スイッチ又は電気機械式スイッチと直列接続のダイオードより成る請求項１８又は２１記載の待機無停電電源装置。
24. 前記スイッチに接続され、電力会社からの交流入力電圧が所定の変化をするとそれに応答して前記スイッチを作動状態にして待機直流電圧を前記蓄電池から発生させる制御器を更に備える請求項１７から２３のいずれか一項に記載の待機無停電電源装置。
25. 前記制御器は、電力会社からの交流入力電圧の故障に応答して前記スイッチを作動状態にすることにより待機直流電圧を発生させる請求項２４記載の待機無停電電源装置。
26. 前記制御器は、電力会社からの交流入力電圧が所定時間故障するとそれに応答して前記スイッチを作動状態にすることにより待機直流電圧を発生させる請求項２４又は２５記載の待機無停電電源装置。
27. 前記制御器は、電力会社からの交流入力電圧の低下に応答して前記スイッチを作動状態にすることにより待機直流電圧を発生させる請求項２４又は２５記載の待機無停電電源装置。
28. 前記待機無停電電源の出力が、入力整流部を含む交流電源に接続される請求項１７から２７のいずれか一項に記載の待機無停電電源装置。

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