专利名称：不间断电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种不间断电源装置，其能够抑制从交流电源供给 到负载的交流电力的电压变动，并且在停电时也能够向负载供给电 力。
背景技术：
现有的不间断电源装置在受电点具有开关和停电检测单元，此 夕卜，该不间断电源装置还具有并联逆变器；串联逆变器，其交流侧
串联连接在该并联逆变器和开关之间的连接点、与向负载的供电点之
间；以及蓄能部，其与并联逆变器和串联逆变器这两者的直流侧连接。 在电源正常时，使开关导通而向负载的供电点供给电力，并联逆变器 进行受电电流控制。此外，当电源电压低于设定值时，判定为停电， 将开关断开而从并联逆变器向负载的供电点供给电力，并通过串联逆 变器进行电压调整(例如参照专利文献l)。
另外，在现有的不间断电源装置的另一个例子中，当商用电源 正常时，由商用电源向负载供电，如果检测到停电，则启动不间断电 源装置并切换到蓄电池供电(例如参照非专利文献l)。
专利文献1:特开2004-96831号公报
非专利文献l:"無停電電源装置導入実践力'^卜"、電気書院"，
1989年2月25日
发明内容
上述专利文献1所记载的不间断电源装置，如果电源电压低于 设定值则判定为停电，将开关断开而切断电源，利用蓄能部的电力对 负载进行电力供给。蓄能部在电源电压正常时从电源进行充电，而在 停电时则只是放电，难以长时间地持续进行向负载供给稳定的电力这
样的后备运转。
另外，即使像上述非专利文献2那样使用蓄电池，每当检测到 停电时就切换到蓄电池供电，会对蓄电池寿命产生不良影响。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的是针对不间断电 源装置，即使在交流电源异常时也可以延长来自交流电源的电力的使 用时间，降低切断交流电源进行后备运转的频率及时间。
本发明的不间断电源装置具有第1逆变器，其并联连接在交 流电源和负载之间，将来自第1直流电源的直流电力变换为交流电 力；第2逆变器，其将来自比上述第l直流电源电压低的第2直流电 源的直流电力变换为交流电力，该第2逆变器的交流侧在比上述第1 逆变器更靠近上述负载侧的位置上，串联连接在上述交流电源和该负 载之间；切换开关，其串联连接在上述交流电源和上述第2逆变器的 交流侧之间，用于接通/断开该交流电源；第l电压检测部，其监视 上述交流电源的电压；第2电压检测部，其监视上述第2直流电源的 电压；以及控制装置，其控制上述第1逆变器、上述第2逆变器和上 述切换开关。上述控制装置根据上述第1电压检测部的输出而获得上 述交流电源相对于基准电压的电压变动，将该电压变动与基于由上述 第2电压检测部所检测的上述第2直流电源的电压而决定的规定电压 进行比较。然后，当上述交流电源的电压变动小于或等于上述规定电 压时，将上述切换开关闭合，从上述第2逆变器输出对上述交流电源 的电压变动进行补偿的补偿电压，将该补偿电压叠加到上述交流电源 电压上并向上述负载输出。此外，当上述交流电源的电压变动超过上 述规定电压时，将上述切换开关断开，利用上述第1逆变器和上述第 2逆变器分别产生的电压之和，向上述负载进行输出。
发明的效果
根据本发明，即使交流电源的电压发生变动，也能够将来自第2 逆变器的补偿电压叠加到交流电源电压上，从而延长向负载供给稳定 的电力的时间，降低切断交流电源而进行后备运转的频率及时间。
图1是本发明的第1实施方式的不间断电源装置的结构图。
图2是说明本发明的第1实施方式的控制电路中的开关控制部的图。
图3是对本发明的第1实施方式的不间断电源装置的动作进行
说明的各部分波形图。
图4是本发明的第2实施方式的不间断电源装置的结构图。 图5是本发明的第2实施方式的另一个例子中的不间断电源装
置的结构图。
具体实施例方式
第1实施方式.
下面根据
本发明的第1实施方式的不间断电源装置。 图1 (a)是本发明的第1实施方式的不间断电源装置的概略结 构图。
如图l (a)所示，连接在单相交流电源l和单相负载2之间的 不间断电源装置3的主电路，包括分别由单相逆变器构成的第1逆变 器4和第2逆变器5。第1逆变器4的交流侧经由连接用电抗器13 并联连接在交流电源1和负载2之间，第2逆变器5的交流侧串联连 接在交流电源l和负载2之间。
第1、第2逆变器4、 5具备第1、第2电容器4a、 5a作为彼此 独立的第l、第2直流电源，第1电容器4a的电压比第2电容器5a 的电压高。第1、第2逆变器4、 5如图1 (b)所示由下述逆变器构 成，g卩，由与二极管逆并联连接的多个MOSFET等自消弧型半导体 开关元件而成的例如全桥逆变器。自消弧型半导体开关元件除了 MOSFET之外也可以是IGBT、 GCT、 GTO、晶体管等，或者即使是 不具有自消弧功能的晶闸管等，只要能够执行强制换流动作即可。
另外，第1电容器4a和第2电容器5a经由可以进行双向电力 转换的绝缘型DC/DC转换器8相连接，第2电容器5a从第1电容 器4a经由DC/DC转换器8而接受电力供给，并控制为规定电压。
第i电容器4a经由充放电电路9而与外部的蓄电池IO连接，从蓄电 池IO供给电力。
另外，第2逆变器5连接在比第1逆变器4更靠近负载2—侧 的位置，在第2逆变器5的负载2侧配置电抗器14a和电容器14b， 构成输出滤波器14。
另外，不间断电源装置3具有切换开关6，其与交流电源1和第 2逆变器5的交流侧串联连接，用于将交流电源1断开/闭合。该切 换开关6如后所述，在交流电源l发生停电的情况下，通过该切换开 关6断开而使交流电源l和负载2分离，通过将分别与二极管6a、 6b逆并联连接的2个半导体开关元件6c、 6d以彼此相反的极性串联 连接而构成。在这种情况下，半导体开关元件6c、 6d使用MOSFET、 IGBT等自消弧型半导体开关元件。
另外，不间断电源装置3具有作为第1电压检测部的电源电 压检测器ll，其用于对交流电源1的电压进行监视；作为第2电压 检测部的电压检测器12，其用于对第2电容器5a的电压进行监视； 以及作为控制装置的控制电路7。来自电源电压检测器11的电源电 压信号lla和来自电压检测器12的电容器电压信号12a输入到控制 电路7中，控制电路7对第1、第2逆变器4、 5和切换开关6进行 控制。对于第1、第2逆变器4、 5，各半导体开关元件中分别单独设 置有门极驱动电路(未图示)，接收来自控制电路7内的逆变器驱动 电路(未图示)的信号，生成用于在半导体开关元件的门极施加电压 的脉冲电压。
接着，在下面说明不间断电源装置3的动作和控制电路7的控制。
图2是表示控制电路7中对切换开关6进行控制的开关控制部 的图，图3是对不间断电源装置3的动作进行说明的各部分的波形图。
从交流电源1输入到不间断电源装置3中的电源电压由电源电 压检测器11进行检测，第2电容器5a的电压则由电压检测器12进 行检测。然后，来自电源电压检测器11的电源电压信号lla和来自 电压检测器12的电容器电压信号12a输入到控制电路7内的开关控
制部中。开关控制部如图2所示具有减法器15和比较器16，由减法 器15运算电源电压相对于保持为基准电压的输出电压目标波形(输 出目标波形)17的变动量，并通过比较器16对基于第2电容器5a 的电压而决定的规定电压18a和电源电压变动量进行比较，输出向切 换开关6的切换信号16a。
输入到比较器16中的规定电压18a是通过由乘法器18将电容 器电压信号12a的电压值乘以a倍而进行运算的。a的理想值是1， 但为了留有余量而设定为小于1，例如0.9。对于比较器16，当电源 电压的变动量小于或等于规定电压18a时，输出使切换开关6接通的 切换信号16a，当电源电压的变动量超过规定电压18a时，输出使切 换开关6断开的切换信号16a。
如图3所示，如果电源电压在tl时刻开始下降，电源电压相对 于输出目标波形.17的变动量在t2时刻超过上述规定电压18a，则在 t2时刻使向切换开关6的切换信号16a进行切换，切换开关6从接通 变为断开。在这种情况下，切换开关6的2个半导体开关元件6c、 6d同时接通而使电路导通，同时断开而使电路断开。
当切换开关6接通而处于导通状态时，控制电路7控制第2逆 变器5，以输出对电源电压的变动量进行补偿的补偿电压。第2逆变 器5以第2电容器5a作为输入并受到PWM控制，其交流输出电压 即补偿电压叠加在电源电压上而供给到负载2。另外，第1逆变器4 的直流侧的第1电容器4a从交流电源l经由第l逆变器4进行充放 电。
如果切换开关6断开而使交流电源1切断，则第1逆变器4和 第2逆变器5的交流侧串联连接，控制电路7进行控制，以利用第1、 第2逆变器4、 5各自产生的电压之和向负载2输出与输出目标波形 17同等的电压。在这种情况下，可以对第l、第2逆变器4、 5的任 何一个进行PWM控制，也可以是从电压较大的第1逆变器4在半周 期内进行l个脉冲的电压输出，并通过对第2逆变器5进行PWM控 制而输出相对于输出目标波形17的差值。在将交流电源l切断进行 后备运转时，根据需要而从蓄电池10经由充放电电路9对第1电容
器4a充电。
如上所述，在本实施方式中，将交流电源1的电压变动与基于
第2电容器5a的电压而决定的规定电压18a进行比较，如果电压变 动量超过规定电压18a，则将切换开关6断开，从而切断交流电源l 并进行后备运转。因此，只要基于第2电容器5a的电压适当地设定 规定电压18a，即使电源电压发生变动，也可以在能够利用第2逆变 器5的输出电压进行补偿的期间，通过将第2逆变器5的输出电压叠 加到电源电压上，而向负载2供给稳定的电力，可以避免进行后备运 转。
第2电容器5a是从第1电容器4a经由DC / DC转换器8接受 电力供给而控制为规定电压的，但由于为了补偿电源电压的变动量， 从第2逆变器5输出电压，因此，在短时间内看来，电压会发生变化。 因此，如果将用于与电源电压的变动量进行比较的规定电压18a预先 设定为固定的电压值，就必须考虑电压变化而设定为相当低的值。在 此情况下，即使电源电压的变动量能够由第2逆变器5进行补偿，也 会使切换开关6断开从而切断交流电源1，过早地进入后备运转。
在本实施方式中，基于第2电容器5a的电压决定规定电压18a， 因此，能够更有效地利用第2电容器5a的电压。因此，能够降低将 交流电源1切断而进行后备运转的频率和时间，可以延长利用来自交 流电源l的电力的时间，同时能够实现第2电容器5a的小型化，还 可以使向第2电容器5a供给电力的DC / DC转换器8小型化。另外， 由于能够降低后备运转的频率和时间，因此能够抑制从蓄电池10向 第1电容器4a的电力供给，能够抑制蓄电池10的老化。
另外，切换开关6的接通/断开判定能够通过控制电路7高速地 完成，切换开关6是使与二极管6a、 6b逆并联连接的2个半导体开 关元件6c、 6d以彼此相反的极性串联连接而构成的，因此损耗较小， 能够高速进行切换。因此，能够不间断地向负载2供给稳定的电力。
第2实施方式.
下面，图4是本发明的第2实施方式的不间断电源装置的概略
结构图。
在本第2实施方式中，如图4所示，在上述第l实施方式的不 间断电源装置3中设置用于检测来自交流电源1的电源电流的电流检
测器19，在使切换开关6接通而从交流电源1向负载2进行电力供 给的期间，使第1逆变器4作为有源滤波器动作。其他结构和动作与 上述第1实施方式相同。
切换开关6以与上述第1实施方式相同的方式动作，当使切换 开关6接通而使电路处于导通状态时，控制电路7控制第2逆变器5， 以输出对电源电压的变动量进行补偿的补偿电压，同时，控制使第1 逆变器4作为有源滤波器动作，输出高次谐波补偿电流以抵消负载2 所产生的高次谐波。另外，第l逆变器4的直流侧的第1电容器4a 从交流电源1经由第1逆变器4进行充放电。
通常的家电产品等需要向内置的电路供给直流电源，因而将从 交流电源供给的交流电压在内部整流为直流电压后进行电源供给。电 力变换单元大多使用由二极管构成的整流电路，为了获得电压波动
(波纹)小的直流电压而附加有用于平滑电压的电容器。在使这种电 容输入型整流电路作为负载与电源相连接的情况下，会使包含具有大 峰值电流的高次谐波成分的电流流向电源侧。含有高次谐波成分的电 流因输电线阻抗而引起电压下降，成为导致电源电压变动的原因，例 如，在大容量的情况下，还会成为使进相电容器烧毁的原因，在小容 量的情况下，成为断路器误动作等故障的原因。
下面说明第1逆变器4作为有源滤波器的动作。
有源滤波器(第1逆变器4)连接在交流电源1和负载2之间， 以阻止高次谐波电流流向交流电源1，该有源滤波器能够输出高次谐 波补偿电流以抵消负载2所产生的负载电流中包含的高次谐波成分 电流，抑制含有高次谐波成分的电流流向电源侧，使电源电流成为不 含高次谐波成分的正弦波电流。控制电路7进行控制，以使第l逆变 器4输出与交流电源1相同的大致正弦波的交流电压。同时，控制从 第1逆变器4输出的高次谐波补偿电流，使由电流检测器19检测到 的电源电流成为不含高次谐波成分的正弦波电流。
如上所述，在本实施方式中，在使切换开关6接通而从交流电
源l向负载2进行电力供给的期间，由第2逆变器5对交流电源1 的电压变动进行补偿，并由第1逆变器4产生高次谐波补偿电流，以 抑制含有高次谐波成分的电流流向电源侧。因此，能够向负载2供给 稳定的电力，同时能够抑制电源电压的波动，提高可靠性。
然后，将电源电压的变动量与基于第2电容器5a的电压而决定 的规定电压18a进行比较，如果电源电压的变动量超过了规定电压 18a，则将切换开关6断开，从而切断交流电源l,与上述第l实施 方式同样地进行后备运转。
因此，与上述第1实施方式相同地，能够更有效地利用第2电 容器5a的电压，降低后备运转的频率和时间，能够延长来自交流电 源1的电力的利用时间。
此外，在上述第1、第2实施方式中，切换开关6是使与二极管 6a、 6b逆并联连接的2个半导体开关元件6c、 6d以彼此相反的极性 串联连接而构成的，但并不限于这种方式，如图5所示，也可以采用 使用机械式开关构成的切换开关20。
另外，在上述第l、第2实施方式中，第l、第2逆变器4、 5 分别由1个单相逆变器构成，也可以是分别将1至多个单相逆变器的 交流侧串联连接而构成。
权利要求
1. 一种不间断电源装置，其特征在于，具有第1逆变器，其并联连接在交流电源和负载之间，将来自第1直流电源的直流电力变换为交流电力；第2逆变器，其将来自比上述第1直流电源电压低的第2直流电源的直流电力变换为交流电力，该第2逆变器的交流侧在比上述第1逆变器更靠近上述负载侧的位置上，串联连接在上述交流电源和该负载之间；切换开关，其串联连接在上述交流电源和上述第2逆变器的交流侧之间，用于接通/断开该交流电源；第1电压检测部，其监视上述交流电源的电压；第2电压检测部，其监视上述第2直流电源的电压；以及控制装置，其控制上述第1逆变器、上述第2逆变器和上述切换开关，上述控制装置，根据上述第1电压检测部的输出而获得上述交流电源相对于基准电压的电压变动，将该电压变动与基于由上述第2电压检测部所检测的上述第2直流电源的电压而决定的规定电压进行比较，当上述交流电源的电压变动小于或等于上述规定电压时，将上述切换开关闭合，从上述第2逆变器输出对上述交流电源的电压变动进行补偿的补偿电压，将该补偿电压叠加到上述交流电源电压上并向上述负载输出，当上述交流电源的电压变动超过上述规定电压时，将上述切换开关断开，利用上述第1逆变器和上述第2逆变器分别产生的电压之和，向上述负载进行输出。
2. 根据权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于， 当上述交流电源的电压变动小于或等于上述规定电压时，上述第1直流电源从上述交流电源经由上述第1逆变器接受电力供给，上述第2直流电源和上述第1直流电源经由DC/DC转换器连 接，相互进行电力转换。
3. 根据权利要求1或2所述的不间断电源装置，其特征在于，上述切换开关是使分别与二极管逆并联连接的2个半导体开关元件以彼此相反的极性串联连接而构成的。
4. 根据权利要求1或2所述的不间断电源装置，其特征在于， 当上述交流电源的电压变动小于或等于上述规定电压时，上述控制装置控制上述第1逆变器，以输出用于抵消上述负载所产生的高 次谐波的高次谐波补偿电流。
全文摘要
本发明提供一种即使在交流电源的电压异常时也能够向负载供给稳定电力的不间断电源装置，其即使在电源电压下降时，也能够延长来自交流电源的电力的利用时间，降低切断交流电源而进行后备运转的频率和时间。在交流电源(1)和负载(2)之间，并联连接第1逆变器(4)，将第2逆变器(5)串联连接在比第1逆变器(4)更靠近负载侧的位置。当电源电压正常时，通过第2逆变器(5)对电源电压的变动进行补偿，如果电源电压的变动量超过基于第2逆变器(5)的电容器电压所决定的规定电压(18a)，则将切换开关(6)断开，从而切断交流电源(1)，使用第1、第2逆变器(4、5)进行后备运转。
文档编号H02J9/06GK101383514SQ20081013593
公开日2009年3月11日 申请日期2008年7月3日 优先权日2007年7月6日
发明者山田正树, 岩崎清光, 畠山善博 申请人:三菱电机株式会社