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直流無停電電源システム - 日本電信電話株式会社
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発明の名称 直流無停電電源システム
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8−251833
公開日 平成8年(1996)9月27日
出願番号 特願平7−52199
出願日 平成7年(1995)3月13日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦
発明者 鍬田 豊
要約 目的
本発明は、蓄電池の状態及びDC−DCコンバータの動作確認を行い、商用電源停電時に発生するシステムダウンを事前に把握可能な直流無停電電源システムを提供することを目的とする。

構成
本発明は、商用交流電源1を直流電力に変換して負荷4に供給する整流器20と、整流器20の停止時に負荷4に電力供給を行う蓄電池3と、蓄電池3からの電力が整流器20に逆流するのを防止するダイオード50と、外部信号により整流器20の出力電圧を設定する電圧設定回路100と、外部信号をリセットするリセット回路200とを備え、電圧設定回路100は外部信号の受信時に整流器20の出力電圧を低下する制御信号を送出して蓄電池3から負荷4への放電を開始し、リセット回路200からの信号により制御信号をリセットすることを特徴とする。
特許請求の範囲
【請求項1】 商用交流電源を直流電力に変換して負荷に所定の直流電力を供給する整流器と、前記整流器の停止時に前記負荷に電力供給を行う蓄電池と、前記蓄電池からの電力が前記整流器に逆流するのを防止するためのダイオードと、外部信号により前記整流器の出力電圧を設定する電圧設定回路と、前記外部信号をリセットするリセット回路とを備え、前記電圧設定回路は前記外部信号の受信時に前記整流器の出力電圧を低下する制御信号を送出して前記蓄電池から前記負荷への放電を開始し、前記リセット回路からの信号により前記制御信号をリセットすることを特徴とする直流無停電電源システム。
【請求項2】 商用交流電源を直流電力に変換して負荷に所定の直流電力を供給する整流器と、前記整流器の停止時に前記負荷へ直流電力を供給する蓄電池と、前記蓄電池の電圧を入力し、前記蓄電池の電圧に出力電圧を加えるように接続されたDC−DCコンバータと、前記蓄電池からの電力が前記DC−DCコンバータに逆流するのを防止するダイオードと、外部信号により前記整流器の出力電圧を設定する電圧設定回路と、前記外部信号をリセットするリセット回路とを備え、前記電圧設定回路は前記外部信号の受信時に前記整流器の出力電圧を低下する制御信号を送出して前記蓄電池から前記負荷への放電を開始し、前記リセット回路からの信号により前記制御信号をリセットすることを特徴とする直流無停電電源システム。
【請求項3】 請求項1または2記載の直流無停電電源システムにおいて、前記リセット回路は前記ダイオードの電圧が逆バイアスから順バイアスに変わった時点で前記制御信号をリセットすることを特徴とする直流無停電電源システム。
【請求項4】 請求項1または2記載の直流無停電電源システムにおいて、前記リセット回路は前記蓄電池の電流を検出し、前記蓄電池が放電から充電となった時点で前記制御信号をリセットすることを特徴とする直流無停電電源システム。
【請求項5】 請求項1または2記載の直流無停電電源システムにおいて、前記リセット回路は前記整流器の電流が流れ始める時点で前記制御信号をリセットすることを特徴とする直流無停電電源システム。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は商用電源停止時にも安定な直流電力を供給する直流無停電電源システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】通信装置に安定な直流電力を供給するシステムとしては、一般に商用交流電力を受け、48Vや21V等の直流電圧を出力する整流器が用いられている。このシステムでは商用交流入力が停電した場合にも通信装置に直流電力を供給するために、整流器の出力に蓄電池を備えている。従来の蓄電池を用いた直流無停電電源システムを図8に示す。
【0003】商用電源1の交流電力は整流器2に供給され、整流器2は交流電力を所定の直流電力に変換する。整流器2の出力には蓄電池3が接続され、蓄電池3の両端には負荷4が接続される。整流器2には、位相制御形のサイリスタ整流器、パルス幅制御形の高周波スイッチング整流器などいくつかの種類があるが、いずれも蓄電池3を充電しながら負荷4に直流電力を供給する。
【0004】図8の構成では蓄電池3の電圧が負荷4に直接加わるので、負荷4の許容電圧の上限を53Vとし、蓄電池一個当たりの充電電圧を2.23Vとすると、直列に接続される蓄電池の個数は53V/2.23Vから23個となる。23個組の蓄電池の充電電圧は51.3V(=2.23V×23個)となり、この電圧が負荷4に加えられる。
【0005】商用電源1の停電あるいは整流器2の故障等により整流器2の出力が途絶えた場合には、蓄電池3から無瞬断で負荷4へ電力が供給される。蓄電池3は蓄積エネルギーを放出するにつれて電圧が低下する。負荷4の許容電圧の最低値を43Vとすると、この場合には蓄電池3の一個当たりの電圧値は1.87V(=43V/23個)である。
【0006】しかし、この場合にも蓄電池3にはエネルギーが残っているので、このエネルギーを有効に活用する方法として図9のように蓄電池3を入力とするDC−DCコンバータ5の出力を蓄電池3の電圧に加え、DC−DCコンバータ5の出力を制御して負荷4の電圧を一定に制御することで蓄電池電圧が低下した場合にも負荷4の電圧を一定に保つことができる。このシステムでDC−DCコンバータ5の最大出力電圧を6Vとすれば、蓄電池3の電圧が37V以下になっても、負荷4の電圧を43Vに維持することができる。また、蓄電池3の一個当たりの電圧は1.61V(=(43V−6V)/23個)にできるので、図8では蓄電池1個あたりの電圧が1.87Vに低下した場合に負荷4の電圧が43Vになるのに対して、図9の場合には蓄電池1個あたりの電圧が1.61Vにまで低下しても負荷4の許容電圧の最低値以上にできるため蓄電池3の蓄積エネルギーを有効に活用できる。従って、同じ蓄電池を用いた場合には、図9のシステムでは図8の直流無停電電源システムに比べ電力供給時間の大幅な延長が可能となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の直流無停電電源システムでは、商用電源停電時には整流器は停止し、負荷への電力供給は蓄電池から行うので蓄電池の信頼性がシステムの信頼性に大きく影響する。蓄電池の蓄積エネルギーは劣化により減少するため蓄電池の容量を把握するための試験を定期的に実施している。また、蓄電池放電時にDC−DCコンバータが故障すると蓄電池エネルギーを有効に活用できずシステムの信頼性を低下させるため、定期的に整流器を停止させてDC−DCコンバータの動作確認を行う試験を実施している。
【0008】蓄電池の容量試験では、まず、整流器を停止させて個々の蓄電池の中から最も電圧降下の大きな蓄電池を選定するという作業を行い、次に整流器を運転して充電を行った後に、選定した蓄電池の放電を決められた一定の電流で10時間程度の蓄電池放電を行う作業を行い、その後、放電した蓄電池を元の状態に回復させるための回復充電を1日程度行う作業を行う。このように、蓄電池容量試験は試験開始から充電完了までに多くの時間と稼働を必要とする。
【0009】さらに、蓄電池を放電させる場合には蓄電池の容量が残っていることを前提に整流器を停止させる試験を行っているが、容量が極端に低下している蓄電池は一般に内部インピーダンスが極端に大きくなっているので整流器を停止させて蓄電池放電を行った途端に蓄電池電圧が急激に低下して負荷側の電圧規格を満足できなくなり、システムダウンに至るという恐れがある。
【0010】一方、DC−DCコンバータの動作を確認する場合にも整流器を停止させて試験を行っているが、DC−DCコンバータが動作しない場合には、蓄電池電圧にDC−DCコンバータの出力電圧が加わらないので、負荷電圧が急激に低下する恐れがある。
【0011】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、整流器の電圧を負荷側の許容電圧範囲内に変化させて、蓄電池の状態及びDC−DCコンバータの動作確認を行い、動作確認後には元の状態に回復することを自動的に行うことにより商用電源停電時に発生するシステムダウンを事前に把握可能な直流無停電電源システムを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成するために本発明の直流無停電電源システムは、商用交流電源を直流電力に変換して負荷に所定の直流電力を供給する整流器と、前記整流器の停止時に前記負荷に電力供給を行う蓄電池と、前記蓄電池からの電力が前記整流器に逆流するのを防止するためのダイオードと、外部信号により前記整流器の出力電圧を設定する電圧設定回路と、前記外部信号をリセットするリセット回路とを備え、前記電圧設定回路は前記外部信号の受信時に前記整流器の出力電圧を低下する制御信号を送出して前記蓄電池から前記負荷への放電を開始し、前記リセット回路からの信号により前記制御信号をリセットすることを特徴とするものである。
【0013】又、本発明の直流無停電電源システムは、商用交流電源を直流電力に変換して負荷に所定の直流電力を供給する整流器と、前記整流器の停止時に前記負荷へ直流電力を供給する蓄電池と、前記蓄電池の電圧を入力し、前記蓄電池の電圧に出力電圧を加えるように接続されたDC−DCコンバータと、前記蓄電池からの電力が前記DC−DCコンバータに逆流するのを防止するダイオードと、外部信号により前記整流器の出力電圧を設定する電圧設定回路と、前記外部信号をリセットするリセット回路とを備え、前記電圧設定回路は前記外部信号の受信時に前記整流器の出力電圧を低下する制御信号を送出して前記蓄電池から前記負荷への放電を開始し、前記リセット回路からの信号により前記制御信号をリセットすることを特徴とするものである。
【0014】又、本発明は、上記直流無停電電源システムにおいて、前記リセット回路は前記ダイオードの電圧が逆バイアスから順バイアスに変わった時点で前記制御信号をリセットすることを特徴とするものである。
【0015】又、本発明は、上記直流無停電電源システムにおいて、前記リセット回路は前記蓄電池の電流を検出し、前記蓄電池が放電から充電となった時点で前記制御信号をリセットすることを特徴とするものである。
【0016】又、本発明は、上記直流無停電電源システムにおいて、前記リセット回路は前記整流器の電流が流れ始める時点で前記制御信号をリセットすることを特徴とするものである。
【0017】
【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図1に本発明の第1の実施例を示す。商用電源1より受電して交流電力を直流電力に変換する整流器20と、整流器20の出力により充電される蓄電池3、蓄電池3の両端に接続された負荷4、蓄電池3の電力が整流器20に逆流するのを防止するためのダイオード50、整流器20の出力電圧を外部信号により変化させる電圧設定回路100、前記外部信号をリセットするリセット回路200とから構成される。
【0018】図1の動作を図2を用いて説明する。整流器20は商用電源1を受けて蓄電池3の充電を行うとともに負荷4に直流電力を供給する。蓄電池3として23個組のシール蓄電池を用い、充電電圧を2.23V/個とすると、蓄電池3を充電する整流器20の出力電圧V0 は51.3V(=2.23V×23)となる。整流器20から蓄電池3と負荷4へ電力を供給している状態で、外部信号S0 がくると、電圧設定回路100は負荷4の許容電圧範囲内で整流器20の出力電圧を低下する制御信号S1を整流器20に送出する。負荷4の許容電圧範囲を43V〜53Vとすると、外部信号S0 受信時に電圧設定回路100は整流器20の出力電圧V0 を51.3Vから例えば44Vへ低下するように動作する。整流器20の出力電圧V0 を44Vに低下させても負荷4の許容電圧範囲であるのでシステムダウンすることはない。整流器20の出力電圧が低下すると整流器電圧低下直前まで充電されていた蓄電池3の電圧VB の方が整流器20の出力電圧V0 より高くなり、ダイオード50は逆バイアスされ、負荷4への電力供給は蓄電池3から行われる。
【0019】ダイオード50の両端には蓄電池電圧VB と整流器出力電圧V0 の差の電圧VD が発生する。蓄電池放電直後にはダイオード電圧VD は逆バイアスであるが、時間経過とともに蓄電池3の電圧VB は徐々に低下してくる。リセット回路200の出力信号S2 はダイオード50の両端電圧VD が逆バイアスの期間にはHレベルであるが、蓄電池電圧VB がさらに低下してきて整流器20の出力電圧が44Vに達すると、ダイオード50は順方向バイアス状態となり整流器20からダイオード50を介して蓄電池3や負荷4に電力を供給する。
【0020】蓄電池3の電圧が整流器20の出力電圧44Vに達すると、VD は順バイアスとなり、リセット回路200の出力信号S2 をLレベルとすることで、整流器20の出力電圧を通常の51.3Vとなるように設定する。
【0021】蓄電池3の容量が大きい場合には、蓄電池3の電圧低下が少ないので、ダイオード50の両端に発生する逆バイアス電圧の期間は図2のVD の実線に示すように長くなるが、蓄電池3の容量が低下している場合には蓄電池3の内部抵抗が大きく、放電に伴う電圧降下が大きくなるため、図2の点線に示すように逆バイアスの電圧の発生期間は短くなる。
【0022】従って、電圧設定回路100の出力信号S1 がHレベルの時には整流器20の出力を低下させ、リセット回路200の出力信号S2 がLレベルになると、電圧設定回路100の出力信号S1 をLレベルとなるようにすることで、ダイオード50の両端の電圧VD の変化から蓄電池3の状態把握ができる。
【0023】次に、電圧設定回路100とリセット回路200の具体的な実施例を図3に示す。図3の各部の信号波形を図4に示す。電圧設定回路100は、単安定マルチバイブレータ(MM)110とMM出力により動作を開始するタイマ120とアンド(AND)回路130とオア(OR)回路140とから構成される。外部信号S0 を受信すると、MM110は期間T1 だけHレベルとなる信号Aを出力する。タイマ120はMM110の出力信号Aにより動作を開始し、期間T2 だけHレベルとなる信号Bを出力する。AND回路130にはタイマ120の出力信号Bとリセット回路200の出力信号S2 が入力され、論理積出力の出力信号Cが得られる。OR回路140にはMM110の出力信号AとAND回路130の出力信号Cが入力され、論理和出力の出力信号1 が得られる。
【0024】リセット回路200について図3、図4を用いて説明すると、電圧設定回路100の出力信号S1 により整流器20の出力が低下すると、ダイオード50の両端に逆バイアス電圧が発生する。このダイオード50両端の逆バイアス電圧をリセット回路200の比較増幅器210に入力することにより比較増幅器210の出力には逆バイアス電圧が発生している期間だけHレベルの信号S2 が得られる。蓄電池3の電圧が低下してきて整流器20の出力電圧より低下すると、リセット回路200の出力信号S2 はLレベルとなるため電圧設定回路100の出力信号S1 はLレベルとなる。電圧設定回路100の出力信号S1 がLレベルになると、整流器20は出力電圧を通常の電圧にまで高めて蓄電池3の充電および負荷4への供給を行う。
【0025】電圧設定回路100でMM110の出力信号AをOR回路140に入力するのは、MM110の出力信号AのHレベルの期間T1 は、整流器20の出力を確実に低下させるためである。また、電圧設定回路100を外部信号S0 を受信後に時間T2 だけ出力させて整流器20の出力電圧を低下させるようにタイマ120で設定しているが、これは整流器20の出力電圧を低下させる最大時間を設定するためである。これは、蓄電池3の容量が十分ある場合や負荷4が軽負荷の場合には蓄電池3の放電が長時間にわたるので、システムの動作確認に十分な放電時間を予め設定できるようにしている。
【0026】図5は、本発明の第2の実施例であり、蓄電池3の蓄積エネルギーを有効に活用するためにDC−DCコンバータ5の出力電圧を蓄電池3の電圧に加えるように構成した直流無停電電源システムであり、商用交流電源1の交流電圧を直流電力に変換して負荷4に所定の直流電力を供給する整流器20と、整流器20の停止時に負荷4へ直流電力を供給する蓄電池3と、蓄電池3の電圧を入力して蓄電池3の電圧に出力電圧を加えるようにダイオード6を介して接続されたDC−DCコンバータ5と、外部信号S0 により整流器20の出力電圧を設定する電圧設定回路100と、外部信号をリセットするリセット回路200とを備えており、外部信号S0 を受信すると電圧設定回路100は整流器20の出力を減少させる制御信号S1 を送出して蓄電池3から負荷4への放電を開始する。蓄電池3の放電が開始すると、ダイオード6の両端の電圧を検出しているリセット回路200の出力信号S2 はHレベルとなり、電圧設定回路100の出力信号S1 のHレベルを維持する。DC−DCコンバータ5が昇圧を開始して、負荷4の両端電圧が整流器20の設定電圧にまで低下してくると、ダイオード6の両端電圧が反転してリセット回路200の出力信号S2 がLレベルになるため、電圧設定回路100は整流器20の出力電圧を低下させる信号S1 をLレベルにする。
【0027】従って、蓄電池3の放電とDC−DCコンバータ5の昇圧動作の確認を行った後に、整流器20を正常な電圧にまで自動的に回復させることができる。図6は本発明の他の実施例であり、外部信号S0 により電圧設定回路100から整流器20の出力電圧を低下させる信号S1が送出されると、蓄電池3から負荷4への供給が行われるため、リセット回路200はシャント抵抗等のセンサ7を用いて蓄電池3の放電電流を検出して出力信号S2 をHレベルとする。蓄電池3の電圧が整流器20の電圧にまで低下してくると、整流器20から負荷4と蓄電池3への電力供給が行われるので蓄電池3には充電電流が流れリセット回路200の比較増幅器210の出力信号S2 はLレベルとなる。リセット回路200の出力信号S2 がLレベルになると、電圧設定回路100の出力信号S1 はLレベルとなるため、整流器20の出力電圧は通常の電圧に上昇する。
【0028】従って、整流器20の電圧低下に伴い蓄電池3は放電を開始し、蓄電池3の電圧が整流器20の電圧にまで低下してくると蓄電池3は整流器20により充電されるため、整流器20を自動的に通常の電圧にまで電圧を上昇させることができる。
【0029】図7は、整流器20の電流を検出することにより整流器20の運転を自動的に行う本発明の他の実施例であり、整流器20から蓄電池3の充電と負荷4への給電を行っている状態で、外部信号S0 を受信すると、電圧設定回路100の出力信号S1 はHレベルとなり整流器20の出力電圧を低下させる。整流器20の出力電圧が低下すると、蓄電池3から負荷4に電力を供給する。整流器20の電流が零となると、リセット回路220の比較増幅器230の入力としては基準電圧源240の電圧が加わるため出力信号S2 はHレベルとなる。蓄電池3の電圧が低下してきて整流器20の電圧にまで低下してくると整流器20から蓄電池3と負荷4に電力を供給するためリセット回路220の出力信号S2 がLレベルとなり整流器20の電圧を高くするように動作する。
【0030】図6と図7では、蓄電池3や整流器20の電流を検出するセンサ7として抵抗値の小さいシャント抵抗を用いて説明したが、直流電流の流れている向きを検出できるものであればホール素子などのセンサを用いても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0031】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、負荷電圧の許容範囲内で整流器の電圧を変化させるのでシステムダウンを起こすことなく自動的に蓄電池の状態を把握することが可能であるとともに、蓄電池の蓄積エネルギーを有効に活用するためのDC−DCコンバータの動作確認試験を行ことができるので高信頼な直流無停電電源システムを実現することが可能である。また、整流装置の出力を単に設定変更することによって蓄電池、DC−DCコンバータが正常かどうかを把握できるので、従来のような大がかりな測定器類や多くの時間を必要としないという特徴がある。さらに、整流器の設定電圧を調整することで蓄電池の放電エネルギーを自由に調整できるという特徴がある。無人のビルに設置された直流無停電電源システムの試験を遠隔から行えるため大幅な稼働削減が可能であり非常に経済的なシステムを構成できるという利点がある。




 

 


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