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発明の名称 無停電電源式電気装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−237881
公開日 平成8年(1996)9月13日
出願番号 特願平7−38349
出願日 平成7年(1995)2月27日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】秋田 収喜
発明者 鍬田 豊
要約 目的
無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うことが可能な技術を提供すること。

構成
直流電圧あるいは直流電流を供給する直流電源と、前記直流電源から電力の供給を受ける蓄電器およびこの蓄電器と並列に接続される負荷からなる負荷回路とを有する無停電電源式電気装置であって、前記負荷回路に印加される電圧を監視する電圧監視手段と、この電圧監視手段の出力に基づき前記直流電源の出力が所定値に達したとき、供給直流電力を停止させる電力供給停止手段とを有する。
特許請求の範囲
【請求項1】 直流電圧あるいは直流電流を供給する直流電源と、前記直流電源から電力の供給を受ける蓄電器およびこの蓄電器と並列に接続される負荷からなる負荷回路とを有する無停電電源式電気装置であって、前記負荷回路に印加される電圧を監視する電圧監視手段と、この電圧監視手段の出力に基づき前記直流電源の出力が所定値に達したとき、供給直流電力を停止させる電力供給停止手段とを有することを特徴とする無停電電源式電気装置。
【請求項2】 前記電圧監視手段は、前記負荷回路に印加される電圧が第1の所定値に達したとき、前記直流電源の出力を停止させる第1の電圧レベルを発生する手段と、負荷回路に印加される電圧が第2の所定値に達したとき、前記直流電源の出力を開始させる第2の電圧レベル信号を発生する手段とを有し、第1の電圧レベル信号は第2の電圧レベル信号より高いレベルであることを特徴とする請求項1に記載の無停電電源式電気装置。
【請求項3】 直流電圧あるいは直流電流を供給する直流電源と、前記直流電源から電力の供給を受ける蓄電器およびこの蓄電器と並列に接続される負荷からなる負荷回路とを有する無停電電源式電気装置であって、前記負荷回路に印加される電圧を監視する電圧監視手段と、前記直流電源の出力電流を監視する電流監視手段と、この電流監視手段の出力および前記電圧監視手段の出力に基づき前記直流電源の出力が所定値に達したとき、供給直流電力を停止させる電力供給停止手段とを有することを特徴とする無停電電源式電気装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、無停電電源式電気装置に関し、特に、負荷回路の一部である負荷の消費電力が非常に小さい場合やこの負荷が電力を消費していない場合に、蓄電器の充電を行うために直流電源で消費される電力を低減させる技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の無停電電源式電気装置の概略構成を図5に示す。
【0003】図5において、500は商用電源あるいは燃料電池等より供給される電力から安定した直流電圧あるいは直流電流を生成する直流電源、101はこの直流電源500により駆動される負荷回路であり、この負荷回路101は、直流電圧で動作する負荷102と、この負荷102に並列に接続される蓄電器103とから構成される。
【0004】直流電源500に正常に電力が供給されている間は、この直流電源500の出力により蓄電器103の充電が行われる。
【0005】一方、直流電源500に供給されている電力が停止する等の理由により直流電源の出力が停止した場合には、蓄電器103は蓄えた蓄積エネルギーを負荷102に供給することにより、直流電源500に代わり安定的に負荷102に電力を供給する。
【0006】また、直流電源500は負荷102に安定的に電力を供給する必要があるために、負荷102が必要とする最大電力に合わせた定格のものが使用される。
【0007】すなわち、負荷102の消費電力が少ない場合には直流電源500からの電力供給量を減少させ、一方、負荷102の消費電力が増加するに従い直流電源500の供給電力を増加させることにより、安定した電力を負荷102に供給する。
【0008】図6は、蓄電器103を充電する場合の直流電源500に要求される定電流および定電圧特性を示す図である。
【0009】図6において、601は蓄電器103を流れる電流値を、602は蓄電器103に印加される電圧値をそれぞれ示す。
【0010】次に、図6に基づき直流電源500で蓄電器103を充電するときの動作を説明する。
【0011】通常、充電初期すなわち蓄電器103が完全に放電している場合には、まず、時刻T=0からT1に示すように定電流で急速に充電を行い、蓄電器103に蓄積エネルギーが蓄えられ電圧が上昇してきたならば、次に、T1からT3に示すように定電圧で充電を行う。
【0012】最終的には、T2からT3に示すように、充電電流は小さくなり充電は完了となるわけであるが、ここで、充電を停止してしまうと自己放電により蓄積エネルギーは減少してしまうので、この自然放電分を補うためにT2からT3に示すように微小電流による充電を常時行っている。
【0013】次に、直流電源500の出力電流と直流電源500の効率および損失との関係を図7に示し、以下、この図に基づいて直流電源500で消費される電力と出力電流との関係を説明する。
【0014】なお、図7において、701は出力電流に対する直流電源500の効率ηの曲線を示し、702は出力電流に対する直流電源500での損失Pの曲線をそれぞれ示す。
【0015】図7の効率ηの曲線701および損失Pの曲線702から明らかなように、負荷回路101を流れる電流が少ない場合、すなわち、出力電流が少ない場合には直流電源500の効率は極端に低下し、商用電源から供給される電力の大半が直流電源500で消費されている。
【0016】また、直流電源500で発生する損失Pは、無負荷時においても定格時の約半分程度の損失が生じている。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
【0018】従来の無停電電源式電気装置では、直流電源500が使用可能な場合、すなわち商用電源から電力が供給されている場合には、常時、この直流電源500から負荷回路101の消費電力に応じた電力を供給しているので、負荷101で消費される電力が極めてわずかな場合や無負荷時のように、負荷101がほとんど電力を必要としない場合であっても、図6のT2〜T3に示すように蓄電器103の自己放電電流を補う微小電流を供給し続けている。
【0019】このため、出力電流は極めてわずかであるが、図7より明らかなように、直流電源500はその定格に見合った電力を消費してしまうために、負荷回路101が必要とする電力に対して直流電源500で消費される電力が無視できないという問題があった。
【0020】本発明の目的は、無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うことが可能な技術を提供することにある。
【0021】本発明の他の目的は、無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うと共に、蓄電器の充放電による寿命の低下を防止できる技術を提供することにある。
【0022】以下、本発明の前記ならびにその他の目的および新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【0023】
【課題を解決するための手段】本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0024】(1)直流電圧あるいは直流電流を供給する直流電源と、前記直流電源から電力の供給を受ける蓄電器およびこの蓄電器と並列に接続される負荷からなる負荷回路とを有する無停電電源式電気装置であって、前記負荷回路に印加される電圧を監視する電圧監視手段と、この電圧監視手段の出力に基づき前記直流電源の出力が所定値に達したとき、供給直流電力を停止させる電力供給停止手段とを有する。
【0025】(2)前記(1)の前記電圧監視手段は、前記負荷回路に印加される電圧が第1の所定値に達したとき、前記直流電源の出力を停止させる第1の電圧レベルを発生する手段と、負荷回路に印加される電圧が第2の所定値に達したとき、前記直流電源の出力を開始させる第2の電圧レベル信号を発生する手段とを有し、第1の電圧レベル信号は第2の電圧レベル信号より高いレベルである。
【0026】(3)直流電圧あるいは直流電流を供給する直流電源と、前記直流電源から電力の供給を受ける蓄電器およびこの蓄電器と並列に接続される負荷からなる負荷回路とを有する無停電電源式電気装置であって、前記負荷回路に印加される電圧を監視する電圧監視手段と、前記直流電源の出力電流を監視する電流監視手段と、この電流監視手段の出力および前記電圧監視手段の出力に基づき前記直流電源の出力が所定値に達したとき、供給直流電力を停止させる電力供給停止手段とを有する。
【0027】
【作用】前述した手段の項の(1)(2)によれば、電圧監視手段は負荷回路に印加される電圧が所定値に達しているか否かを常時監視することにより、蓄電器が充分に充電されているか否かを監視する。
【0028】このとき、負荷回路に印加される電圧が所定値に達していない場合には、電圧監視手段は電力供給停止手段に対して、供給直流電力の「開始」を指示することにより、負荷回路に電力を供給させる。
【0029】一方、負荷回路に印加される電圧が所定値に達した場合には、電力供給停止手段に対して、供給直流電力の「停止」を指示することにより、停電時と同様に、負荷には蓄電器に充電された電力が供給される。
【0030】しかしながら、負荷回路に印加される電圧すなわち蓄電器の発生する電圧は放電と共に低下し、前記設定値以下の電圧になると、電圧監視手段は電力供給停止手段に電力の「供給」を指示する。
【0031】直流電源から電力の供給が開始されると、負荷回路である蓄電器および負荷に再び直流電源からの電圧が印加されることになり、蓄電器の充電が行われることになる。
【0032】このように、電圧監視手段が負荷回路に印加される電圧により、蓄電器が充分に充電されているか否かを監視し、充分に充電が行われている場合には直流電源の出力を停止し、蓄電器に蓄えられた電力により負荷を駆動する。
【0033】一方、負荷の駆動により蓄電器の充電容量が低下してきたならば、再び直流電源により蓄電器の充電と負荷の駆動を行う。
【0034】以上に示す動作を繰り返す、すなわち、負荷回路の蓄電器に充分に電力が蓄えられた場合には直流電源を停止させることにより、直流電源による電力消費を抑えられるので、無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うことができる。
【0035】前述した手段の項の(3)によれば、電流監視手段および電圧監視手段の出力に基づいて、直流電源の出力が所定値に達したとき供給直流電力を停止させることにより、どのような場合においても、確実に直流電源による電力消費を抑えることができるので、無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うと共に蓄電器の充放電による寿命の低下を防止できる。
【0036】
【実施例】以下、本発明について、実施例とともに図面を参照して詳細に説明する。
【0037】なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0038】また、本発明の無停電電源式電気装置にあっては、負荷回路を構成する蓄電器および負荷は従来例と同一構成となるため、本実施例においては、従来例と相違する部分についてのみ説明する。
【0039】(実施例1)図1は本発明を適用した実施例1の無停電電源式電気装置の概略構成を示すブロック図である。
【0040】図1において、100は商用電源より供給される電力から安定した直流電圧あるいは直流電流を生成する直流電源、101はこの直流電源100により駆動される負荷回路であり、この負荷回路101は直流電圧で動作する負荷102と、この負荷102に並列に接続される蓄電器103と、負荷回路101に印加される電圧を監視する電圧監視回路110とから構成される。
【0041】この直流電源100は、従来例に示す直流電源500と同様に図6に示す出力特性を有すると共に、電力供給停止手段である出力停止回路104を有しており、電圧監視回路110により直流電源100の出力の「ON/OFF」を制御できる。
【0042】また、電圧監視回路110は電圧レベル発生手段と、比較器とを有しており、この電圧レベル発生手段は、例えば、リファレンスレベル発生器を用いる。
【0043】電圧監視回路110は、並列比較形A/D変換回路の1量子化レベル分に相当する、所定の電圧レベルを発生する抵抗ラダーからなるリファレンスレベル発生器2個と、負荷回路に印加される電圧レベルとを比較する比較器1個より構成される。
【0044】前記、所定の電圧レベルを発生する抵抗ラダーからなるリファレンスレベル発生器と、負荷回路に印加される電圧レベルとを比較する比較器を有する並列比較形A/D変換回路については、例えば、「オーム社発行:電子情報通信ハンドブック」の938ページの図20に記載される。
【0045】次に、この無停電電源式電気装置の動作を説明すると、蓄電器103に電力が充電されていない場合すなわち充電初期には、商用電源から電力が供給されると直流電源100は、まず、負荷回路101に定電流で電力を供給する。
【0046】この結果、蓄電器103は急速に充電され、充電末期(図6のT1)には蓄電器電圧が上昇してくるので、直流電源100の出力は定電流から定電圧に切り替わり、さらに充電を行うと蓄電器103の充電電流は小さくなり、最終的には自己放電電流分を補うだけの非常に小さい電流しか流れなくなる。
【0047】例えば、負荷102の許容電圧範囲を43〜55Vとすると、蓄電器103はシール鉛蓄電池24個組で構成でき、その充電電圧は53.5Vとなる。
【0048】ここで、蓄電器103の充電末期には蓄電器103に印加される電圧が上昇してくるので、電圧監視回路110で負荷回路101の電圧を監視することにより、所定値に達したならば出力停止回路104に直流電源100から出力される供給直流電力を停止させる信号を送る。
【0049】図2に、電圧監視回路110に入力である負荷回路101に印加される電圧と、出力停止回路104に直流電源100の出力を停止させる信号との関係を示すグラフを示す、以下、図2に基づき電圧監視回路110の動作を説明する。
【0050】このとき、出力停止回路104は電圧監視回路110の出力がハイ(以下、「H」と略記する)の時には直流電源100の出力「ON」、すなわち、負荷回路101に電力の供給を行い、電圧監視回路110の出力がロー(以下、「L」と略記する)の時には直流電源の出力を「OFF」、すなわち、電力の供給を停止させる。
【0051】まず、直流電源100の出力が「ON」で負荷回路101に電力が供給されると蓄電器103は充電され、負荷回路101に印加される電圧も上昇してくる。
【0052】この結果、蓄電器103に印加される電圧、すなわち、負荷回路101に印加される電圧が第1の電圧レベルであるV1、例えば53Vに達したときに、電圧監視回路110の出力は「L」となるので、出力停止回路104が直流電源100の出力を「OFF」にする。
【0053】このため、直流電源100から負荷回路101への電力供給は停止し、蓄電器103から無停電で負荷102に電力が供給されることになる。
【0054】負荷102の駆動、すなわち、蓄電器103の放電にしたがいその電圧も低下することになり、第2の電圧レベルであるV2、例えば43Vにまで電圧が低下すると、電圧監視回路110の出力は再び「H」となる。
【0055】出力停止回路104がこの「H」を検出すると、直流電源100の出力を「ON」し、再び、負荷回路101に電力の供給を開始するので、蓄電器103の充電も再開されることになる。
【0056】このときの直流電源100の出力は、図6から明らかなように、大電流すなわち大出力となる。
【0057】以上説明したように、電圧監視回路110が負荷回路101に印加される電圧により、蓄電器103が充分に充電されているか否かを監視し、充分に充電されている、すなわち、第1の電圧レベルV1に達した場合は出力停止回路104に直流電源100の出力を停止させ、蓄電器103に蓄えられた電力により負荷102を駆動する。
【0058】一方、負荷102の駆動により蓄電器103の電力が低下してきた場合、すなわち、第2の電圧レベルV2に達した場合には出力回路104に直流電源100の出力を再開させることにより蓄電器103の充電と負荷102の駆動を行う。
【0059】以上の動作を繰り返すことにより、直流電源100が動作しているときには効率ηのよい大電流で動作し、効率ηが低下する出力電流が少ない場合には直流電源100を停止させ、蓄電器103に蓄えられた電力で負荷102を駆動することにより、効率ηが低下した状態で直流電源100を停止させることで、直流電源100による無駄な電力消費を抑えられるので、無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うことができる。
【0060】(実施例2)図3は本発明を適用した実施例2の無停電電源式電気装置の概略構成を示すブロック図である。
【0061】図3において、100は商用電源より供給される電力から安定した直流電圧あるいは直流電流を生成する直流電源、101はこの直流電源100により駆動される負荷回路であり、この負荷回路101は直流電圧で動作する負荷102と、この負荷102に並列に接続される蓄電器103と、負荷回路101に印加される電圧を監視する電圧監視回路110と、負荷回路101流れる電流を監視する電流監視回路300と、電圧監視回路110の出力であるS1と電流監視回路300の出力であるS2とを入力とし、入力信号S1あるいはS2が「H」ならば「H」を出力するOR回路301とから構成される。
【0062】前記電流監視回路300は、例えば、負荷回路101と直列に接続される低抵抗器と、この抵抗器の両端にかかる電圧から負荷回路101を流れる電流が所定値に達しているか否かの基準値となるリファレンス電圧発生器と、抵抗器の両端にかかる電圧とリファレンス電圧発生器の電圧を比較する比較器とからなる。
【0063】一方、OR回路301は、2入力1出力の論理和回路からなる。
【0064】また、S1は電圧監視回路110の出力を、S2は電流監視回路300の出力を、S3はOR回路301の出力をぞれぞれ示す。
【0065】図4は、実施例2の無停電電源式電気装置に商用電源から常時電力が供給されている場合の動作を示すグラフである。
【0066】図4において、401で示される実線は無負荷時すなわち負荷102を流れる電流が「0」の場合に直流電源100が供給する電流を、402で示される実線は直流電源100から出力される電圧を、403で示される点線は負荷に電流が流れている場合に直流電源100から供給される電流をそれぞれ示す。
【0067】410は電圧監視回路110から出力される信号を、411は電流監視回路から出力される信号を、412はOR回路301から出力される信号をそれぞれ示す。
【0068】また、V1,V2は実施例1の図2に示す電圧監視回路110の電圧を、I0は従来例の図7に示す直流電源100の効率ηが急激に下がるときの出力電流値をそれぞれ示す。
【0069】次に、図4に基づいて、無負荷時における実施例2の無停電電源式電気装置の動作を説明する。
【0070】まず、蓄電器103に電力が充電されていない場合、すなわち充電初期には、商用電源から電力が供給されると直流電源100は、負荷回路101に定電流で電力を供給する。
【0071】この結果、蓄電器103は急速に充電され蓄電器103の電圧が上昇して時間T2には電圧監視回路110の第1の電圧レベルV2に達し、出力S1が「H」から「L」になる。
【0072】しかしながら、直流電源100から負荷回路101に供給される電流は、所定値であるI0には達していないために、電流監視回路300の出力S2は「H」のままであり、このため、OR回路301の出力S3も「H」のままとなり直流電源100からの電力供給は続けられたままとなる。
【0073】所定時間T0経過後に直流電源100の出力は定電流から定電圧に切り替わり、さらに充電を行うと蓄電器103の充電電流は小さくなり、電流監視回路300の所定値である電流レベルI0に達すると、出力S2は「H」から「L」となり、この結果、OR回路301の出力S3も「L」となる。
【0074】これにより、出力停止回路104は直流電源100の出力を「OFF」にする、すなわち、直流電源100から負荷回路101への電力供給は停止することになるので電流監視回路300を流れる電流は「0」になると共に、蓄電器103から無停電で負荷102に電力が供給される。
【0075】放電にしたがい蓄電器103の電圧も低下することになるが、電流監視回路300の出力S2は直流電源100の出力が「OFF」のままであるために、「L」のままとなる。
【0076】一方、電圧監視回路110の出力S1は、第2の電圧レベルであるV2にまで電圧が低下すると「L」から「H」となり、この結果、OR回路301の出力S3が「L」から「H」となり、直流電源100の出力が「ON」となる。
【0077】直流電源100から再び電力の供給を受ける負荷回路101では、蓄電器103の充電が再開される。
【0078】このときの直流電源100の出力は図4から明らかなように、大電流すなわち大出力となる。
【0079】一方、図4において、負荷102が電流を消費している場合は、点線403で示されるように、電流監視回路300の所定値である電流レベルI0にまで直流電源100の出力電流が低下しないので、電流監視回路の出力S2は「H」のまま、すなわちOR回路301の出力も「H」のままとなり、商用電源からの電力供給が停止されないかぎり負荷回路101は直流電源100によって駆動される。
【0080】以上説明したように、電圧監視回路110が負荷回路101に印加される電圧により、蓄電器103が充分に充電されているか否かを監視すると共に、電流監視回路300により負荷回路101で消費される電力を監視し、直流電源100の効率ηが極端に低下するI0以上の電流が負荷回路101で消費されている場合には、直流電源100から電力を供給する。
【0081】すなわち、図7からも明らかなように、直流電源100の出力電流がI0以下では極端に効率ηが低下するが、それ以上では効率ηの低下が少ないので、このような効率特性を有する直流電源100では、出力電流がI0以上の場合には直流電源100の出力を「ON」・「OFF」させても消費電力の低減にはあまり効果はない。
【0082】このため、電流監視回路300で負荷回路101の特に負荷102で消費される電流を監視することにより、負荷102を蓄電器103からの電力で駆動するか、あるいは直流電源100で常時駆動するかを監視することにより、直流電源100による無駄な電力消費を抑えられるので、無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく低消費電力化を行うことができると共に、蓄電器103の充放電回数を低減させることにより、蓄電器103の充放電による寿命の低下を防止できる。
【0083】以上本発明の実施例について説明したが、電圧監視回路110、電流監視回路300の一例について説明したが他の回路で実現してもよいことは言うまでもない。
【0084】また、負荷回路101の電源として直流電源100の例で説明したが、直流電源100をエンジン発電機とこの出力を直流に変換する直流電源とで構成する場合や、燃料電池等の直流を発生する電源を直流電源として用いる場合においても適用可能であり、特にこれらに用いた場合には、燃料消費量が低減できるという効果もある。
【0085】さらには、直流電源100が停止した場合の電力供給源である蓄電器103として蓄電池を用いた例により説明したが、蓄電池の代わりに大容量のコンデンサのように、電気エネルギーを蓄積できるものならば適用可能であることは言うまでもない。
【0086】以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0087】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0088】(1)無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく、低消費電力化を行うことができる。
【0089】(2)無停電電源式電気装置の性能を低下させることなく、低消費電力化を行うと共に蓄電器の充放電による寿命の低下を防止できる。




 

 


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