专利名称：不间断电源装置及停电补偿系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在商用电源发生瞬时电压降低或停电等事故时，可以不间断地对负载供电的不间断电源装置及停电补偿系统。
背景技术：
在网络服务器或半导体制造装置等装置或系统中，由于停电或瞬时电压降低(以下称为瞬时降低)会受到重大的损失，所以大多使用不间断电源装置(UPSuninterruptible power supply)作为电源事故发生时的预备电源。一般的不间断电源装置具备有电池(蓄电池)，在电源正常时(常时时)对电池进行充电，在发生电源故障时，从电池对装置或系统供给电力，用来防止装置或系统发生停止或错误动作，使其功能正常。
在不间断电源装置的供电方式中有，常时反相器方式(例如参照专利文献1)和常时商用供电方式。
常时反相器方式的不间断电源装置，与输入电源无关，经常使输出电压一定，不会发生频率混乱。另外，在有电源故障时，可以不发生瞬间中断地切换到备份电源，供给电力。但是，此种方式的不间断电源装置因为利用有反相器电路和转换器电路，即使在平常的时候亦对来自商用电源的电力进行2次转换，所以会发生转换损失，效率为85％，发生不间断电源装置本身消耗电力变多的问题。另外，所使用的电路变复杂，所以存在高价格的问题。
另外一方面，常时商用供电方式的不间断电源装置因为在平常的时候使输入交流电源直接输出到负载，在电源故障时使输出切换到蓄电池供给电力，所以不间断电源装置本身的消耗电力变少，电池寿命亦较长。另外，所使用的电路变少，构造亦变为简单所以成本低廉。已有的常时商用供电方式的不间断电源装置，具有如图8所示的构造。图8是在已有的常时商用供电方式的不间断电源装置连接有商用电源和负载的构造图。
不间断电源装置101的输入端子106连接到商用电源108，输出端子107连接到负载109。不间断电源装置101具备有计测用变压器111、控制部112、半导体开关113、电池115、电池输出测定部116、由充电器和反相器构成的转换部117、滤波器电路118、变压器119、和中断器121。
计测用变压器111检测从商用电源108供给的电压值，使所用电源的电压值降压到指定的电压，将其输出到控制部112。
控制部112在电池输出测定部116的电压值未达到指定值时，转换部117的充电器对电池115进行充电。另外，控制部112在从计测用变压器111输出的电压值为指定值以下时，中断半导体开关113(晶闸管113a、113b)，使转换部117的反相器进行动作，使得电池115对负载109供给电力。
半导体开关113具备有晶闸管113a和晶闸管113b，半导体开关113在商用电源108发生短路事故等电源故障时，使负载从商用电源108分离。
电池115在发生电源事故中断半导体开关113时，对负载109供给电力。
电池输出测定部116测定电池115的电压/电流，将其结果输出到控制部112。
转换部117的充电器是将交流电转换成为直流电，对电池115进行充电的转换器。另外，转换部117的反相器将直流电转换成为直流电，然后进行输出。
滤波器电路118具备有电抗器118L和电容器118C，成为连接到反相器的负载侧的高频滤波器，用来吸收在反相器内部的电力装置进行开关时所产生的噪声。
变压器119将供给自商用电源108的电压转换成为指定的电压。另外，在半导体开关113中断时，将从转换部117的反相器输出的电压值转换成为商用电源108的电压值。
中断器121在进行不间断电源装置101的维护等时候，从商用电源108对负载109直接供给电力。
下面说明不间断电源装置101的动作。控制部112在平时使半导体开关113成为ON，以及控制部112使转换部117的反相器停止，停止来自电池115的电力供给。利用此种方式，从商用电源108对负载109供给电力。另外，在电池输出测定部116测定到的电池115的电压值未达指定值时，控制部112使转换部117的充电器进行动作，对电池115充电，当电池输出测定部116测定到的电池115的电压值大于指定值时，控制部112使转换部117的充电器停止。
当在商用电源108发生事故，供给电压降低时，控制部112利用计测用变压器111高速(1/4循环以下)检测出该输出电压的降低，立即使半导体开关113成为开路，使反相器117b进行动作，从电池115对负载109供给电力。使用者在电池115耗尽前的期间内，使负载正常地停止，可以防止发生故障。
当商用电源108回到正常状态，供给电压成为正常值时，控制部112，利用计测用变压器111高速(1/4循环以下)检测出该输出电压的变化，立即使半导体开关113成为闭路，使转换部117的反相器停止，使转换器117的充电器进行动作，用来对电池115进行充电。
日本专利特开平5-64378号公报发明内容(发明所欲解决的问题) 已有的常时商用供电方式的不间断电源装置如上述方式，在检测到来自商用电源108的电压降低之后，使半导体开关113开路，从电池115对负载109供给电力，电源紧急时的切换需要半个循环(8～10msec)的时间，在此期间发生瞬断。因此，在即使2msec的短时间电压降低亦会受到影响的半导体制造装置这样的负载的情况时，不能使用常时商用供电方式的不间断电源装置，已知是使用高价格、效率不良好的常时反相器方式的不间断电源装置作为预备电源。
因此，本发明的目的是提供可以以不发生瞬间中断地转换到预备电源以供给电力的常时商用供电方式的不间断电源装置及停电补偿系统。
(解决问题的装置) 本发明用来解决上述的问题的装置，具备有以下的构造。
其特征在于具备有事故检测装置，用来检测商用电源的事故；高速限流中断装置，在上述商用电源正常时，从上述商用电源对负载供给电力，当上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，用来中断从上述商用电源对负载供给电力的电路；和预备电源装置，在事故发生后立即对负载供给指定的电力，当上述事故检测装置检测到事故，上述限流中断装置中断上述电路时，用来对上述负载供给必要的电力。
在此种构造中，平时从商用电源对负载供给电力，在商用电源发生事故时，在其后立即从预备电源装置对负载供给电力。因此，与已知的常时商用供电方式的不间断电源装置不同地，在商用电源发生事故时，可以不发生瞬间中断地从预备电源供给电力。
(2)其特征在于具备有事故检测装置，以指定的周期检测商用电源的瞬时电压降低事故和停电事故；高速限流中断装置，具备有包含使从上述商用电源供给电力的电路进行开闭的高速开关的单相整流桥接电路，和连接在上述单相整流桥接电路的2个直流端子间的直流电抗器，在上述商用电源正常时，从上述商用电源经由上述直流电抗器对负载供给电力，当上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，利用上述高速开关中断从上述商用电源供给电力的电路；和预备电源装置，具备串联连接包含交流电抗器的滤波器电路、反相器和直流电源的构造，在上述商用电源的正常时，进行PQ控制使对上述负载供给的有效电力和无效电力均成为零，在上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，停止上述PQ控制，对上述负载供给必要的电力；上述PQ控制的响应性被设定成比上述事故检测装置的商用电源的事故确认周期长。
在此种构造中，在商用电源正常时，因为不从不间断电源装置对负载供给电力，只从商用电源供给电力，所以高速限流中断装置从商用电源经由直流电抗器对负载供给电力，进行PQ控制使预备电源装置对负载供给的有效电力和无效电力均成为零。另外，在稳定状态下，因为直流电抗器的阻抗看起来为零，所以在商用电源正常时，直流电抗器不会对商用电源造成不良的影响，可以从商用电源对负载稳定地供给电力。因此，在商用电源正常时，因为不从预备电源装置对负载供给电力，所以不间断电源装置可以有效地只从商用电源对负载供给电力。
另外，在此种构造中，事故检测装置以指定的周期进行事故检测，因为在从事故发生起到检测到事故为止的期间，不间断地供给电力，所以将PQ控制的响应性设定成比事故检测装置的商用电源的事故检测周期长。因此，即使在商用电源发生瞬时电压降低事故或停电事故时，因为PQ控制的响应不能立即应答，所以继续以与事故发生前同样的系统条件进行PQ控制。这时，在系统侧发生事故的一方，因为以事故发生前的系统条件进行PQ控制，所以不能正确地进行PQ控制。亦即，不进行没有负载电流流动的正确的PQ控制，造成有电流从预备电源装置流到系统。在本发明中，利用这时的电流，利用直流电抗器和交流电抗器的分压作用，继续对负载供给电力。然后，在下一个事故检测时序，停止PQ控制。在该停止之后，进行从预备电源装置供给电力。依照上述方式，在从发生事故时起到检测到事故时为止的期间内，以不间断地从预备电源装置对负载和事故点供给电力。
另外，在本构造中，当事故检测装置检测到有商用电源的瞬时降低或停电等事故时，预备电源装置停止PQ控制，同时利用高速限流中断装置的高速开关，中断电路，使商用电源分离。因此，在高速限流中断装置中断电路之后，可以从预备电源装置供给必要的电力，对负载的电压不会降低。
(3)其特征在于在对上述负载的容许电压降低率设为A％，上述交流电抗器的阻抗设为Z时，上述直流电抗器的阻抗被设定在(100Z)/A以上。
在此种构造中，即使在商用电源发生有接地事故或短路事故的情况时，预备电源装置的电压被直流电抗器和交流电抗器分压，负载的电压不会低于容许电压降低率。
(4)其特征在于具备有控制装置，用来控制上述预备电源装置的电压和上述商用电源的电压成为大致同相，同振幅。
在此种构造中，商用电源的电压和预备电源装置的电压，因为被控制成相位和振幅为大致相同的值，所以在商用电源发生事故时，立即从预备电源装置对负载供给相位和振幅没有偏差的电力。另外，在PQ控制时，进行使负载电流成为零的控制，常时驱动反相器。因此，经由预先整合系统的相位和反相器的相位，在上述事故发生后，使得从预备电源装置的电力供给相位连续。
(5)其特征在于上述高速开关是一对晶闸管，上述单相整流桥接电路在2个交流端子中的至少一个连接上述一对晶闸管，上述整流电路的2个交流端子连接到上述商用电源和负载。
在此种构造中，因为使用一对晶闸管作为整流电路的高速开关，所以在商用电源发生事故起的10msec的时间内，可以中断从商用电源供给电力的电路。另外，在电源事故时，当以晶闸管中断商用电源和负载之间的电路时，可以利用半导体整流组件使在直流电抗器所产生的感应电动势短路。
(6)其特征在于具备有不间断电源装置，具备有事故检测装置，用来检测商用电源的事故；高速限流中断装置，在上述商用电源正常时，从上述商用电源对负载供给电力，当上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，用来中断从上述商用电源对负载供给电力的电路；和预备电源电路，在事故发生后立即对负载供给指定的电力，当上述事故检测装置检测到事故，上述限流中断装置中断上述电路时，用来对上述负载供给必要的电力；紧急用发电机，在上述高速限流中断装置中断电路并经过指定时间时，进行起动；和开关，用来切换上述负载与上述商用电源和上述紧急用发电机的连接。
另外，其特征在于具备有
不间断电源装置，具有事故检测装置，以指定的周期检测商用电源的瞬时电压降低事故和停电事故；高速限流中断装置，具备包含使从上述商用电源供给电力的电路进行开闭的高速开关的单相整流桥接电路，和连接在上述单相整流桥接电路的2个直流端子间的直流电抗器，在上述商用电源正常时，从上述商用电源经由上述直流电抗器对负载供给电力，当上述事故检测装置检测上述商用电源的事故时，以上述高速开关中断从上述商用电源供给电力的电路；和预备电源装置，具有串联连接包含交流电抗器的滤波器电路、反相器和直流电源的构造，在上述商用电源正常时，进行PQ控制使对上述负载供给的有效电力和无效电力均成为零，在上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，停止上述PQ控制，对上述负载供给必要的电力；上述PQ控制的响应性被设定成比上述事故检测装置的商用电源的事故确认周期长；紧急用发电机，在上述高速限流中断装置中断电路并经过指定时间时，进行起动；和开关，用来切换上述负载与上述商用电源和上述紧急用发电机的连接。
在商用电源发生事故的情况下，在不久的期间，可以从预备电源装置对负载供给必要的电力，当经过一定时间时，因为预备电源装置的直流电源的电压降低，所以不能对负载供给必要的电力。在上述构造中，在直流电源电压降低不能从预备电源装置对负载供给充分的电力之前，起动紧急用发电机，使开关切换成为从该紧急用发电机对负载供给电力，可以继续地和稳定地对负载供给电力。
发明效果 根据权利要求1所述的不间断电源装置，因为常时从商用电源对负载供给电力，在商用电源发生事故时，从该时起由预备电源装置对负载供给电力，所以与已有的常时商用供电方式的不间断电源装置不同，在商用电源的事故发生时，可以不间断地从预备电源供给电力。
根据权利要求2所述的不间断电源装置，在商用电源正常时，不从预备电源装置对负载供给电力，可以只从商用电源对负载供给电力。另外，在高速限流中断装置将电路中断后，对负载的电压不会降低，可以从预备电源装置供给必要的电力。
根据权利要求3所述的不间断电源装置，即便在商用电源发生有接地事故或短路事故的情况下，因为预备电源装置的电压被直流电抗器和交流电抗器分压，所以可以供给负载的电压不会低于容许电压降低率的电力。
根据权利要求4所述的不间断电源装置，因为商用电源的电压和预备电源装置的电压被控制成使相位和振幅成为大致相同的值，所以当在商用电源发生事故时，可以立即从预备电源装置对负载供给电力。
根据权利要求5所述的不间断电源装置，在从商用电源发生事故起的10msec的时间，可以中断从商用电源供给电力的电路。另外，在电源事故时，在利用晶闸管中断商用电源和负载之间的电路时，可以利用半导体整流组件使产生在电抗器的感应电动势短路。
根据权利要求6或7所述的停电补偿系统，在直流电源的电压降低造成不能从预备电源装置对负载供给充分的电力之前，可以从紧急用发电机对负载继续稳定地供给电力。
图1是本发明的实施例所涉及的不间断电源装置的概略构造图。
图2的图形用来表示对交流电源周期的电流衰减时间常数与等效阻抗的关系。
图3是不间断电源装置的控制部的方块图。
图4(A)～(C)是用来说明不间断电源装置的动作的概略图。
图5(A)、(B)是不间断电源装置的等效电路和矢量图。
图6是不间断电源装置的输出电压波形和控制时序图。
图7是在不间断电源装置连接有紧急用发电机的概略图。
图8是已知的在常时商用供电方式下的不间断电源装置连接有商用电源和负载的构造图。
具体实施例方式图1是本发明的实施例所涉及的不间断电源装置的概略构造图。本发明的实施例所涉及的不间断电源装置被设计成在常时以商用供电方式对负载供给电力，但是在发生停电或瞬时降低时，不间断地进行补偿的结构。
不间断电源装置1具备有事故检测部2、高速限流中断部3、预备电源部4、和旁路部5，其中输入端子6连接到商用电源8，输出端子7连接到负载9。事故检测部2由计测用变压器11和控制部12构成。高速限流中断部3由作为单相整流桥接电路的桥接电路13和直流电抗器14构成。预备电源部4由作为直流电源的电池15、电池输出测定部16、转换部17、滤波器电路18、变压器19、和电源输出测定部20构成。旁路部5由中断器21构成。
事故检测部2用来检测商用电源8发生电源事故发生瞬时降低或停电。高速限流中断部3在商用电源8发生电源事故时，中断商用电源8和负载9之间的电路。预备电源部4在商用电源8发生电源事故时，对负载9供给电力。旁路部5与高速限流中断部3和预备电源部4旁路，直接连接商用电源8和负载9。
计测用变压器11测定商用电源8的交流电压，将其结果输出到控制部12。
控制部12根据从计测用变压器11输出的商用电源8的电压测定结果，控制桥接电路13的开闭动作，或转换部17的充电或输出动作。另外，控制部12根据电池输出测定部16的测定结果，控制转换部17的充电动作。另外，控制部12根据电源输出测定部20的测定结果，控制转换部17的输出电力。
另外，控制部12由预备电源部4对其供给电力，所以即使在商用电源8发生电源事故时，其动作也不会受到影响。另外，控制部12在每1/4循环检测从计测用变压器11、电池输出测定部16、和电源输出测定部20输出的信号。
桥接电路13由2个(一对)晶闸管13a、13b和2个(一对)二极管13c、13d构成，具备有2个交流端子13a1、13a2和2个直流端子13d1、13d2。在交流端子13a1连接有晶闸管13a的阳极和晶闸管13b的阴极，在交流端子13a2连接有二极管13c的阴极和二极管13d的阳极。另外，在直流端子13d1连接有晶闸管13a的阴极和二极管13d的阴极，在直流端子13d2连接有晶闸管13b的阳极和二极管13c的阳极。另外，在直流端子13d1和直流端子13d2之间连接有直流电抗器14。另外，在交流端子13a1连接有接至商用电源8的输入端子6，在交流端子13a2连接有接至负载9的输出端子7。
另外，在桥接电路13，可以将交流端子13a1连接到输出端子7，将交流端子13a2连接到输入端子6。
直流电抗器14在商用电源8发生电源事故时，用来限制电流从预备电源部4流到商用电源8。
电池15储存在商用电源8发生停电或瞬时降低时，对负载9供给的电力(电能)。
电池输出测定部16具备有直流计测用变流器和直流计测用变压器(图中未显示)，用来测定电池15的直流电压和直流电流，将其结果输出到控制部12。
转换部17具备有充电部(转换器)17a和反相器17b(图中未显示)。充电部17a用来对电池15进行浮动充电，根据从控制部12输出的控制信号将交流电转换成为直流电。另外，反相器17b用来对负载9供给电力，根据从控制部12输出的控制信号，将被储存在电池15的直流电转换成为交流电。
另外，也可以构建成为利用充电器分离方式(直流开关方式)对电池15进行充电的方式，在此种情况下，转换部17只由反相器17b构成，可以另外独立设置充电器。
滤波器电路18具备有电抗器18L和电容器18C，成为高频滤波器，用来吸收在反相器内部电力装置进行开关时所产生的噪声。
变压器19用来使商用电源8的电压，降压到指定的电压，或使反相器17b的输出电压升压到与商用电源8大致相同的电压。
电源输出测定部20具备有交流计测用变流器20a和交流计测用变压器20v，用来测定反相器电流和负载电压，将其结果输出到控制部12。
中断器21在不间断电源装置1的维护时或故障时等，经由转换成闭路状态，与不间断电源装置1旁路，以从商用电源8对负载9直接供给电力。
此处的不间断电源装置1，在正常运转时从交流侧看的阻抗大致为零，只有在事故发生时只呈现大阻抗，以此方式，如下所述地设定电流衰减时间常数和系统频率周期的关系。图2的图形表示对于交流电源周期的电流衰减时间常数，与等效阻抗的关系。在依上述方式构成的不间断电源装置1中，电抗器14的电抗器成分和电阻成分，以及由一对晶闸管13a、13b和一对二极管13c、13d构成的桥接电路13所决定的电流衰减时间常数，和从系统侧看到的等效阻抗，如图2所示，具有电流衰减时间常数越大，等效阻抗越小的关系。另外一方面，优选的是，正常动作时的电路阻抗极小。在此处一般所选择的直流电抗器是在系统短路事故时将本身电流抑制成为额定电流的3倍的。亦即，成为在桥接电路13具有额定电流为基础的33％的阻抗。另外一方面，如上述所述，在通常的运转状态，优选的是，使等效阻抗极小，实用上满足额定电流基准的3％，亦即图2所示的等效阻抗在直流电抗器L所示的交流阻抗的0.09pu(＝3％/33％)以下的要求。因此，将不间断电源装置1的电流衰减时间常数设定在根据图2的系统频率周期的2.5倍以上。
下面说明控制部12的详细构造。图3是不间断电源装置的控制部的方块图。控制部12具备有电压判定部31、晶闸管控制部32、同步信号产生部33、自行运转用相位信号作成部34、切换开关35、PQ演算部36、PQ控制部37、切换开关38、电池状态判定部39、输出电压基准正弦波作成部40、和反相器输出控制部41。
电压判定部31根据与从计测用变压器11输出的商用电源8的交流电压值对应的信号，和指定的设定值，来判定商用电源8的电压是低于指定的设定电压值，或仍然为指定的设定电压值，或恢复供电(復電)为指定的设定电压值。然后，将与该判定结果对应的信号输出到晶闸管控制部32。另外，在商用电源8发生瞬时降低或停电的情况下，电压判定部31对电池状态判定部39输出传达该信息的信号。
晶闸管控制部32根据从电压判定部31输出的信号，将晶闸管点引(点弧)信号输出到桥接电路13的晶闸管13a、13b，控制这些晶闸管的开闭(点引、消弧(消弧)。
同步信号产生部33，产生用来使预备电源部4的输出电压与商用电源8的输出电压同步的信号，经由开关35将该信号输出到输出电压基准正弦波作成部40。另外同部信号作成部33也将该信号输出到自行运转用相位信号作成部34。
自行运转用相位信号作成部34，在不间断电源装置1中断商用电源8与负载9之间的电路，进行自行运转时，用来作成输出电压的相位信号。另外，自行运转用相位信号作成部34，在商用电源8正常时，根据从同步信号产生部33输出的信号，进行与商用电源8的输出电压的相位统一的控制。
切换开关35依照从电压判定部31输出的开关控制信号进行切换。亦即，在商用电源8为正常状态或商用电源8的交流电压被恢复供电后的情况下，对开关35进行切换，使从同步信号产生部33将信号输出到电压基准正弦波作成部40。另外一方面，在商用电源8的交流电压低于指定的设定电压的情况下，对开关35进行切换，使从自行运转用相位信号作成部34将信号输出到输出电压基准正弦波作成部40。
PQ演算部36根据电源输出测定部20所测定到的反相器电流和负载电压，进行演算，使供给自预备电源部4的有效电力和无效电力成为零。
PQ控制部37根据PQ演算部36的演算结果，作成从反相器17b输出的交流电压(正弦波)的相位信息和振幅信息，经由切换开关38将这些信息输出到该输出电压基准正弦波作成部40。
切换开关38依照从电压判定部31输出的开关控制信号进行切换。亦即，在商用电源8为正常状态或商用电源8的交流电压恢复供电后的情况下，对开关38进行切换使从PQ控制部37对该输出电压基准正弦波作成部40输出信号。另外一方面，在商用电源8的电压低于指定的设定电压的情况下，对开关38进行切换，使不对该输出电压基准正弦波作成部40输出信号。另外，在后面所述的动作说明中，所说明的切换开关35、38是闩锁型的开关。
电池状态判定部39根据从电池输出测定部16输出的电池15的直流电压和直流电流的测定结果，判断电池15是需要充电或满充电。然后，在输出电压基准正弦波作成部40作成与其判断结果对应的相位信息，将该相位信息输出到反相器输出控制部41。另外，电池状态判定部39，当在商用电源8发生瞬时降低或停电，从电压判定部31输出信号时，停止相位信号的输出，使电池15的充电停止。
输出电压基准正弦波作成部40根据从同步信号产生部33、PQ控制部37、和电池状态判定部39输出的信号，或从自行运转用相位信号作成部34输出的信号，作成从反相器17b输出的正弦波电压的相位和振幅的信息，将该信息输出到反相器输出控制部41。
反相器输出控制部41根据从输出电压基准正弦波作成部40输出的信号，输出用以控制从转换部17的反相器17b输出的电力信号，或对充电器17a输出用以对电池15进行充电的控制信号。
下面主要根据图3、图4用来说明不间断电源装置1的动作。图4是概略图，用来说明不间断电源装置1的动作。不间断电源装置1是以常时商用供电方式，对负载供给电力，但是在发生停电或瞬时降低时，可以不间断地进行补偿。
正常时(商用供电时)不间断电源装置1在商用电源8正常时，亦即在商用电源8未发生电源事故，没有瞬时降低或停电发生时，不从预备电源部4对负载供给电力，只从商用电源8供给电力。
在不间断电源装置1，如图4(A)所示，高速限流中断部3的晶闸管13a和晶闸管13b被控制成均为点引的闭路状态，从商用电源8经由高速限流中断部3对负载9供给电力。
在高速限流中断部3的直流电抗器14，因为经常有相同方向的电流流动，所以直流电抗器14的阻抗看起来为零，从交流端子13a1、13a2侧看到的阻抗为零。
预备电源部4被控制成在商用电源8的正常时，不对负载9供给电力。亦即，在预备电源部4进行控制(以下称为PQ控制)，使对负载9供给的有效电力P和无效电力Q的任一方均为零。另外，在预备电源部4的转换部17进行直流电压控制，用来进行电池15的浮动充电；和输出电压控制，用来输出与商用电源8大致同相位/同振幅的电压。
下面说明正常时的控制部12的各个部份的动作。在控制部12，依照上述的方式每1/4循环检测从计测用变压器11输出的信号。电压判定部31在电压为通常状态的情况下，输出使切换开关35进行切换的信号，使同步信号产生部33输出的信号，输出到电压基准正弦波作成部34。另外，电压判定部31输出使切换开关38进行切换用的信号，输出来自PQ控制部37的信号。另外，电压判定部31在电池状态判定部39判定为电池15不是满充电状态的情况下，为对电池15进行充电，对电池状态判定部39输出信号。另外，电压判定部31对晶闸管控制部32输出使桥接电路13的晶闸管13a、13b成为ON的信号。晶闸管控制部32在检测到该信号时，输出晶闸管点引信号。另外，在商用电源8正常时，使晶闸管13a、13b经常成为点引状态(ON状态)。
(PQ控制)在控制部12，当进行上述的PQ控制时，为使对负载9供给的有效电力P和无效电力Q均为零，所以进行控制使从预备电源部4输出到负载9的电流为零。图5是不间断电源装置的等效电路和矢量图。在图5(A)中，设商用电源8的输出电压为V1，设预备电源部4的电压为V2，设负载9的电压为VL，设商用电源8侧的电抗器为x1，设预备电源部4的电抗器为x2。另外，电流I1从商用电源8流向预备电源部4，电流I2从预备电源部4流向负载9，电流I3从商用电源8流向负载9。另外，在以下说明中，将V∠θV称为电压矢量V，将I∠θI称为电流向量I。
在预备电源部4的电压矢量V2和负载电压的电压向量VL相同的情况下，电流不会从预备电源部4流到负载9。另外，在此种情况，亦可以使电流向量I1和电流向量I2成为大小相同而方向相反。在能满足这些关系的情况下，各个矢量的关系成为如图5(B)所示。另外，在该图中，电压矢量V(x1+x2)是电抗器x1的电压矢量Vx1和电抗器x2的电压矢量Vx2的相加。
PQ演算部36为满足上述关系，根据电源输出测定部20测定到的反相器电流和负载电压，演算有效电力P和无效电力Q。然后，PQ控制部37为使有效电力P＝0，算出修正从反相器17b输出的正弦波电压的相位的指定值Δθ。另外，为使无效电力Q＝0，算出指定值ΔA，用来修正从反相器17b输出的正弦波电压的振幅。然后，PQ控制部37将所算出的Δθ和ΔA的信息输出到该输出电压基准正弦波作成部34。
输出电压基准正弦波作成部34根据从PQ控制部37等输出的信号，作成基准正弦波。在只根据从PQ控制部37输出的信号作成正弦波的情况下，反相器17b所输出的正弦波电压为V2＝(A+ΔA)sin(ωt+Δθ)…(式1)。
因此，反相器17b的输出电压V2如上式所示，可以使从预备电源部4供给到负载4的电力成为零。
另外，用以修正从预备电源部4输出的电压V2的相位的Δθ与有效电力P的关系，以及用以修正从预备电源部4输出的电压V2的振幅的ΔA与无效电力Q的关系，根据连接到不间断电源装置1的商用电源8的阻抗或不间断电源装置1的阻抗进行演算可以容易的求得。
(充电控制)另外，在控制部12，如上述方式地进行电池15的充电控制。亦即，电池状态判定部39根据从电池输出测定部16输出的电池15的直流电压和直流电流的测定结果，来判断电池15是否需要充电，或是否已满充电。在需要对电池15充电的情况下，作成相位信息，使电池状态判定部39以使电流从转换部17的充电器17a流到电池15，对电池15进行充电。利用电池状态判定部39作成的相位信号的信息，输出到该输出电压基准正弦波作成部40，被作为修正从反相器17b输出的正弦波电压的相位的信号来使用。另外一方面，在电池15为满充电的情况下，电池状态判定部39不作成相位信号，不将相位信号的信息输出到该输出电压基准正弦波作成部40。
另外，在利用充电器分离方式对电池15进行充电的情况下，不需要该控制。
(预备电源输出平衡控制)另外，在控制部12发生瞬时降低或停电时，为了使从预备电源部4输出输出电压波形的相位/振幅均没有偏移的电压，所以进行控制使预备电源部4的输出电压相位/振幅，与商用电源8的输出电压的相位/振幅同步。同步信号产生部33根据计测用变压器11所输出的商用电源8的交流电压测定结果，经由切换开关35，将商用电源8的输出电压的相位/振幅的信息输出到电压基准正弦波作成部40。输出电压基准正弦波作成部40根据从同步信号产生部33输出的信息，来修正从反相器17b输出的正弦波的相位。
依照此种方式，在商用电源8正常时，利用控制部12进行上述方式的控制，输出电压基准正弦波作成部40根据来自同步信号产生部33、PQ控制部37、和电池状态判定部39的振幅或相位的修正信息，作成从反相器17b输出的正弦波电压的相位和振幅的信息，将该信息输出到反相器输出控制部41。另外，转换部17根据从反相器输出控制部41输出的信号进行动作。
(B)事故发生时不间断电源装置1在商用电源8发生电源事故，产生瞬时降低或停电的情况下，从预备电源部4不间断地供给电力。亦即，如图4(B)所示，在预备电源部4，立即作为电压源对事故点供给电流(输出电压控制)，和对负载9供给被储存在电池15内的电能。当利用事故检测部2检测到有瞬时降低或停电时，就对高速限流中断部3的晶闸管13a、13b输出中断信号。这时，在预备电源部4，停止PQ控制，用来停止电池15的充电。
负载电压VL成为由直流电抗器14和交流电抗器18L的分压所决定的电压。亦即，在设电池电压为Vs，设直流电抗器14的阻抗为Z1，设交流电抗器18L的阻抗为Z2的情况下，负载电压VL为VL＝Z1/(Z1+Z2)×Vs …(式2)。
(事故发生)在不间断电源装置1，每1/4循环检测商用电源的瞬时电压降低或停电等的电源事故。另外，在商用电源正常时，以进行从预备电源部4供给电力的方式，进行PQ控制。另外一方面，在发生有电源事故时，为从预备电源部4能不间断地对负载9和事故点供给电力，所以进行下面所述的控制。
下面说明事故发生时的控制部12的各个部份的动作。图6是不间断电源装置的输出电压波形和控制时序图。从商用电源8输出图6所示的正弦波电压。在控制部12以上述的方式每1/4循环检测从计测用变压器11输出的信号。如图6所示，电压判定部31检测从瞬时降低或停电的发生起(图6所示的(1))到最长1/4循环(50Hz的情况为50msec)后为止(t1期间内)的瞬时降低或停电(图6所示的(2))。
在不间断电源装置1，当发生瞬时降低或停电时，从预备电源部4对商用电源8的事故点和负载9，立即开始供给电力，连续供给电力，将PQ控制的响应性设定在10msec～数100msec，成为比控制部12检测商用电源的电源事故的周期长的时间。因此，即使在商用电源发生有瞬时电压降低事故或停电事故，因为PQ控制的响应不能立即应答，所以继续以与事故发生前同样的系统条件进行PQ控制。这时，在系统侧(商用电源8侧)发生事故的一方，因为以事故发生前的系统条件进行PQ控制，所以不能正确地进行PQ控制。亦即，不能以没有负载电流流动的方式，正确地进行PQ控制，造成有从预备电源部4对系统的电流流动。在本发明中，利用这时的电流，使用直流电抗器14和交流电抗器18L的分压作用，对负载9继续供给电力。
依照此种方式，预备电源部4即使在发生电源事故时，因为在不长的期间进行与电源正常时同样的控制，所以不进行使对负载9供给的有效电力P和无效电力Q成为零的控制，可以立即开始从预备电源对电源供给商用电源8的事故点和负载9供给电力。
这时，因为有从预备电源部4对商用电源8的事故点和负载9的电流流动，所以负载电压VL成为由直流电抗器14和交流电抗器18L的分压所决定的电压。因此，当对负载9的容许电压降低率为A％，交流电抗器18L的阻抗为Z2时，可以将直流电抗器14的阻抗Z1设定成为大于(100Z2)/A，用来使从预备电源部4输出到负载9的电压成为大于容许电压降低率的值。
例如，在对负载9的容许电压降低率为10％的情况下，经由将交流电抗器18L的阻抗Z2和直流电抗器14的阻抗Z1之比设定成为Z1∶Z2＝10∶1，可以使从预备电源部4朝向负载9输出的电压的降低率为10％以下。
(事故检测)不间断电源装置1在事故检测时停止PQ控制(图6所示的(3))。另外，在停止该PQ控制之后，进行从预备电源部4供给电力。
控制部12的电压判定部31在检测到电源事故时，将自行运转用相位信号作成部34的信号，输出到输出电压基准正弦波作成部40，以此方式输出使切换开关35进行切换的信号。
另外，电压判定部31停止预备电源部4的PQ控制，为从预备电源部4对负载供给电力，输出使切换开关38进行切换的信号。利用此种方式，停止来自PQ控制部37的信号朝向输出电压基准正弦波作成部40输出。
另外，电压判定部31对电池状态判定部39输出信号，用来停止电池15的充电。另外，输出电压基准正弦波作成部40根据从自行运转用相位信号作成部34输出的信号(相位信息)，作成正弦波电压，向反相器输出控制部41输出信号。因此，对于商用电源8的事故点和负载9，从预备电源部4继续供给电力。
电压判定部31在检测到瞬时降低或停电时，除了上述动作外，对晶闸管控制部32输出用来使桥接电路13的晶闸管13a、13b成为OFF(消弧)的信号。在晶闸管控制部32检测到该信号时，停止晶闸管点引信号的输出。但是，晶闸管13a、13b在负载电流不为零时，不成为OFF，所以在晶闸管控制部32停止输出晶闸管的点引信号起的数msec后，进行消弧(图6所示的(4))。因此，如图6所示，在从发生瞬时降低或停电起到晶闸管消弧为止的期间(＝t1+t2)，需要最长1/2循环(在50Hz的情况为10msec)，但是在事故发生时到检测出事故为止的期间，从预备电源装置以不间断地对负载和事故点供给电力。
另外，在PQ控制是进行使负载电流成为零的控制，但是经常驱动反相器17b，因此依照上述的方式，通过预先使系统(商用电源8)的电压相位和反相器17b的电压相位一致，使电源事故发生后的来自预备电源部4的输出电压相位连续。
(C)补偿时当高速限流中断部3的晶闸管13a、13b被消弧，商用电源8和负载9之间的电路被中断时，如图4(C)所示，从预备电源部4以100％的电压，只对负载9供给电力，以补偿瞬时降低/停电。
下面说明补偿时的控制部12的各个部份的动作。在控制部12，进行与事故发生时同样的控制。亦即，在控制部12，电压判定部31依照上述的方式每1/4循环检测从计测用变压器11输出的信号。电压判定部31在商用电源8发生瞬时降低或停电的期间，检测该瞬时降低或停电，不对切换开关35、38、电池状态判定部39和晶闸管控制部32输出信号。因此，切换开关35维持将自行运转用相位信号作成部34的信号，输出到输出电压基准正弦波作成部40的状态，切换开关38维持不输出来自PQ控制部37的信号的状态。另外，电池状态判定部39因为继续停止电池15的充电，所以不输出信号，晶闸管控制部32也不输出晶闸管的点引信号。因此，输出电压基准正弦波作成部40根据从自行运转用相位信号作成部34输出的信号(相位信息)作成正弦波电压的波形，将信号输出到反相器输出控制部41，继续只从预备电源部4对负载9供给电力。
(D)恢复供电时在消除商用电源8的电源事故，恢复供电的情况，在不间断电源装置1，如根据图4(A)所说明的方式，高速限流中断部3的晶闸管13a和晶闸管13b均被控制在点引的闭路状态，从商用电源8经由高速限流中断部3对负载9供给电力，停止从预备电源部4供给电力。
在此处，在商用电源发生事故的情况下，在不长的期间内可以从预备电源装置对负载供给必要的电力。但是，继续只从不间断电源装置1对负载9供给电力的状态，当经过一定的时间后，因为预备电源装置的直流电源的电压降低，所以不能对负载供给必要的电力。因此可以使系统构造为将作为不间断电源装置1的备份用电源的紧急用发电机连接到负载。图7是在不间断电源装置连接有紧急用发电机的概略图。如图7所示，对负载9连接不间断电源装置1，和在该不间断电源装置1的输入端子6设置电源系统切换开关52，可以切换商用电源8和紧急用发电机51的连接。
该停电补偿系统以下面所述的方式进行动作。首先，当在系统侧发生电源事故时，从不间断电源装置1的预备电源部4，依照以上所说明的方式，对负载9供给电力。另外，在系统侧的事故发生后，在不能从预备电源部4对负载9供给充分的电力之前的指定时间，使该紧急用发电机51起动。然后，控制部12将控制信号输出到电源系统切换开关52，使紧急用发电机51起动，在动作稳定的时刻，使电源系统切换开关52切换到紧急用发电机51侧。
不间断电源装置1的控制部12，利用计测用变压器11监视紧急用发电机51输出的相位，以使预备电源部4的输出和紧急用发电机51的输出同步的方式，控制转换部17。控制部12在预备电源部4的输出和紧急用发电机51的输出同步时，点引高速限流中断部3的晶闸管13a和晶闸管13b，经由高速限流中断部3，从紧急用发电机51将电力供给到负载9。另外，在这时控制部12切换该切换部17的动作，停止从预备电源部4对负载9供给电力，开始电池15的充电。另外，在从紧急用发电机51对负载9进行供给电力的期间，亦可以设定成对预备电源部4的电池15进行充电。
在消除商用电源8的电源事故进行恢复供电的情况下，控制部12对晶闸管13a和晶闸管13b进行消弧，和切换该切换部17的动作，从预备电源部4对负载供给电力。另外，在这时控制预备电源部4的输出成为与紧急用发电机51的输出同步。然后，控制部12将控制信号输出到电源系统切换开关52，使开关切换到商用电源8侧。控制部12利用计测变压器11监视商用电源8的输出相位，以使预备电源部4的输出和商用电源8的输出同步的方式，控制转换部17。在预备电源部4的输出和商用电源8的输出同步时，控制部12点引高速限流中断部3的晶闸管13a和晶闸管13b，经由高速限流中断部3，从商用电源8对负载9供给电力。另外，在这时控制部12切换该切换部17的动作，停止从预备电源部4对负载9供给电力，开始电池15的充电，成为正常时的状态。
依照此种方式，在电池15的电压降低，不能从预备电源部4对负载9供给充分的电力的前，因为使紧急用发电机51起动，藉以供给电力，所以对于负载9可以继续稳定地供给电力。
另外，在紧急用发电机51也可以设置定时间电路，从不间断电源装置1的高速限流中断部3中断商用电源8和负载9之间的电路起，于经过指定时间后该紧急用发电机51进行起动。利用此种方式，在预备电源部4的供给电力成为指定值以下，在不能对负载9供给所需要的电力之前，可以从紧急用发电机51供给电力。
另外，在以上的说明中，所说明的情况是在不间断电源装置1，使用预备电源部4的直流电源和电池(蓄电池)，但是本发明并不局限于此种方式，也可以使用其它部件。例如，也可以使用电二重层(電気二重層)电容器或电容器等作为直流电源。另外，也可以使用飞轮式永磁发电机作为电源。
权利要求
1.一种不间断电源装置，其特征在于具备有事故检测装置，用来检测商用电源的事故；高速限流中断装置，在上述商用电源正常时，从上述商用电源对负载供给电力，当上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，用来中断从上述商用电源对负载供给电力的电路；和预备电源装置，在事故发生后立即对负载供给指定的电力，当上述事故检测装置检测到事故，上述限流中断装置中断上述电路时，用来对上述负载供给必要的电力。
2.一种不间断电源装置，其特征在于具备有事故检测装置，以指定的周期检测商用电源的瞬时电压降低事故和停电事故；高速限流中断装置，具备有包含使从上述商用电源供给电力的电路进行开闭的高速开关的单相整流桥接电路，和连接在上述单相整流桥接电路的2个直流端子间的直流电抗器，在上述商用电源正常时，从上述商用电源经由上述直流电抗器对负载供给电力，当上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，以上述高速开关中断从上述商用电源对负载供给电力的电路；和预备电源装置，具备串联连接有包含交流电抗器的滤波器电路、反相器和直流电源的构造，在上述商用电源正常时，进行PQ控制使对上述负载供给的有效电力和无效电力均成为零，在上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，停止上述PQ控制，对上述负载供给必要的电力；上述PQ控制的响应性被设定成比上述事故检测装置的商用电源的事故确认周期为长。
3.根据权利要求2所述的不间断电源装置，其中，在对上述负载的容许电压降低率设为A％，上述交流电抗器的阻抗设为Z时，上述直流电抗器的阻抗被设定在(100Z)/A以上。
4.根据权利要求2或3所述的不间断电源装置，其中，具备有控制装置，用来控制上述预备电源装置的电压和上述商用电源的电压成为大致同相，同振幅。
5.根据权利要求2或3所述的不间断电源装置，其中，上述高速开关是一对晶闸管，上述单相整流桥接电路在2个交流端子中的至少一个连接上述一对晶闸管，上述整流电路的2个交流端子连接到上述商用电源和负载。
6.一种停电补偿系统，其特征在于具备有不间断电源装置，具备有事故检测装置，用来检测商用电源的事故；高速限流中断装置，在上述商用电源正常时，从上述商用电源对负载供给电力，当上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，用来中断从上述商用电源对负载供给电力的电路；和预备电源电路，在事故发生后立即对负载供给指定的电力，当上述事故检测装置检测到事故，上述限流中断装置中断上述电路时，用来对上述负载供给必要的电力；紧急用发电机，在上述高速限流中断装置中断电路并经过指定时间时，进行起动；和开关，用来切换上述负载与上述商用电源和上述紧急用发电机的连接。
7.一种停电补偿系统，其特征在于具备有不间断电源装置，其具有事故检测装置，以指定的周期检测商用电源的瞬时电压降低事故和停电事故；高速限流中断装置，具备有包含使从上述商用电源供给电力的电路进行开闭的高速开关的单相整流桥接电路，和连接在上述单相整流桥接电路的2个直流端子间的直流电抗器，在上述商用电源正常时，从上述商用电源经由上述直流电抗器对负载供给电力，当上述事故检测装置检测上述商用电源的事故时，以上述高速开关中断从上述商用电源供给电力的电路；和预备电源装置，具备串联连接有包含交流电抗器的滤波器电路、反相器和直流电源的构造，在上述商用电源正常时，进行PQ控制使对上述负载供给的有效电力和无效电力均成为零，在上述事故检测装置检测到上述商用电源的事故时，停止上述PQ控制，对上述负载供给必要的电力；而上述PQ控制的响应性被设定成比上述事故检测装置的商用电源的事故确认周期为长；及紧急用发电机，在上述高速限流中断装置中断电路并经过指定时间时，进行起动；及开关，用来切换上述负载与上述商用电源和上述紧急用发电机的连接。
全文摘要
在商用电源正常时，高速限流中断部(3)从商用电源经由直流电抗器对负载供给电力，以预备电源部(4)对负载(9)供给的有效电力和无效电力均成为零的方式进行PQ控制。另外，将PQ控制的响应性设定成比事故检测部(2)的商用电源事故检测周期长，在事故检测部(2)检测到事故为止期间，从预备电源部(4)不间断地对负载(9)和事故点供给电力。另外，将直流电抗器(14)的阻抗设定成为(100Z)/A以上，在事故时负载(9)的电压不会小于容许电压降低率。当事故检测部(2)检测到电源事故时，停止预备电源部(4)的PQ控制，进行高速开关(13a)、(13b)的中断。
文档编号H02M7/48GK1934765SQ200580009308
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年3月29日
发明者乡古良则, 佐野耕市, 小林猛, 奥野贵裕, 丸山裕, 寺田清孝, 畠中浩嗣, 水野弘一, 金尾则一 申请人:日新电机株式会社, 北陆电力株式会社