不间断电源系统的制作方法

1.本发明涉及不间断电源系统。


背景技术：

2.作为用来向计算机系统等的重要负载稳定地供给交流电力的电源装置，广泛地使用不间断电源装置。例如如日本特开平10－257692号公报(专利文献1)中公开那样，不间断电源装置通常具备将交流电力变换为直流电力的变换器(converter)及将直流电力变换为交流电力的逆变器(inverter)。
3.在商用交流电源正常时，变换器将来自商用交流电源的交流电力变换为直流电力，一边将电池等的电力储存装置充电一边向逆变器供给直流电力。逆变器将直流电力变换为交流电力并向负载供给。在商用交流电源停电的情况下，通过将来自电力储存装置的电力向逆变器供给，逆变器继续向负载的交流电力的供给。
4.专利文献1中记载的不间断电源装置构成为，当在停电发生后商用交流电源恢复供电时，为了抑制商用交流电源因电压降低等而急剧地变化，执行将向变换器输入的交流输入电压用规定的升高时间来平缓地升高的所谓的软启动。在专利文献1中，通过将交流输入电压逐渐升高并对变换器进行控制以使电池的放电电流逐渐变小，能够将向负载供给的电流保持为一定值。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开平10－257692号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的课题
9.在不间断电源装置中，存在对于变换器使其具有将来自商用交流电源的交流电力变换为直流电力并向逆变器供给的交流供电功能和将电池的直流电力向逆变器供给的电池供电功能的装置。在这种不间断电源装置中，构成为，根据商用交流电源的停电的有无而对变换器进行控制，以使其有选择地进行交流供电功能及电池供电功能的某一方的功能。
10.通过形成将变换器兼用于交流供电功能及电池供电功能的结构，能够使滤波器及半导体模块等的部件小型化。但是，由于不能将交流供电功能和电池供电功能并行地进行，所以在商用交流电源恢复供电时，不能一边将交流输入电压逐渐升高一边对变换器进行控制以使电池的放电电流逐渐变小。
11.本发明是为了解决这样的课题而做出的，其目的是提供一种不论不间断电源装置的结构如何都能够实现交流电源恢复供电时的软启动的不间断电源系统。
12.用来解决课题的手段
13.在本发明的一技术方案中，不间断电源系统具备：多个不间断电源装置，并联连接在交流电源及负载之间；以及控制装置，对多个不间断电源装置进行控制。多个不间断电源
装置分别包括：第1开关，连接在交流电源及交流节点之间；以及电力变换装置，构成为从交流节点及电力储存装置的某一方有选择地接受电力而生成交流电力并向负载供给。控制装置在交流电源正常时将多个不间断电源装置设定为第1供电模式，在交流电源停电时将多个不间断电源装置设定为第2供电模式。在第1供电模式时，控制装置将第1开关接通，并对电力变换装置进行控制，以从交流节点接受交流电力而生成交流电力；在第2供电模式时，控制装置将第1开关断开，并对电力变换装置进行控制，以从电力储存装置接受直流电力而生成交流电力。在第2供电模式时，在交流电源恢复了供电的情况下，控制装置通过将与多个不间断电源装置分别对应的多个上述第1开关依次地接通，将多个不间断电源装置依次地切换为第1供电模式。
14.发明效果
15.根据本发明，能够提供不论不间断电源装置的结构如何都能够实现交流电源恢复供电时的软启动的不间断电源系统。
附图说明
16.图1是表示有关实施方式的不间断电源系统的结构的电路框图。
17.图2是表示图1所示的ups的结构例的框图。
18.图3是表示图2所示的变换器的结构例的电路图。
19.图4是表示ac供电模式(第1供电模式)的电路框图。
20.图5是表示电池供电模式(第2供电模式)的电路框图。
21.图6是表示商用交流电源恢复供电的情况下的ups的基本的动作的时序图。
22.图7是表示商用交流电源恢复供电时的不间断电源系统的动作的时序图。
23.图8是表示图1所示的ups的另一结构例的框图。
具体实施方式
24.以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。另外，对图中的相同或对应部分赋予相同的标号，原则上不重复其说明。
25.(不间断电源系统的结构)
26.图1是表示有关实施方式的不间断电源系统的结构的电路框图。
27.参照图1，有关实施方式的不间断电源系统100将从商用交流电源1供给的商用频率的交流电力向负载2供给。商用交流电源1既可以是三相交流电源也可以是单相交流电源。
28.不间断电源系统100具备多个不间断电源装置(ups：uninterrupted power supply)51～5n(n是2以上的整数)、电压检测器3、电流检测器4和控制装置6。
29.多个ups51～5n并联地连接在商用交流电源1及负载2之间。在本实施方式中，将多个ups51～5n设为相同的容量。多个ups51～5n的容量也可以不同。在以下的说明中，将ups51～5n也统称地称作ups5。另外，ups的个数n只要是2以上即可，能够根据负载2设定为任意的值。
30.电压检测器3检测从商用交流电源1供给的交流输入电压vi的瞬时值，将表示其检测值的信号vi向控制装置6给出。电流检测器4检测从ups5流到负载2中的交流输出电流io，
将表示其检测值的信号io向控制装置6给出。
31.控制装置6例如可以由微型计算机等构成。作为一例，控制装置6内置有未图示的存储器及cpu(central processing unit)，通过由cpu执行预先保存在存储器中的程序进行的软件处理，能够执行后述的控制动作。或者，关于该控制动作的一部分或全部，也可以代替软件处理而通过使用内置的专用的电子电路等的硬件处理来实现。
32.控制装置6基于交流输入电压vi及交流输出电流io等，对ups51～5n进行控制。具体而言，控制装置6基于交流输入电压vi的检测值，检测是否发生了商用交流电源1的停电。此外，控制装置6同步于交流输入电压vi的相位而对ups5进行控制。
33.图2是表示图1所示的ups5的结构例的框图。
34.如图2所示，ups5具备交流输入端子t1、电池端子t2、交流输出端子t3、变换器7、直流线路8、电容器9、降压斩波器10、逆变器11、开关s1、s2及控制部12。变换器7、直流线路8、电容器9、降压斩波器10及逆变器11构成“电力变换装置”。
35.交流输入端子t1从商用交流电源1接受商用频率的交流电力。电池端子t2与电池13连接。电池13对应于积蓄直流电力的“电力储存装置”的一实施例。也可以代替电池13而连接电容器。也可以形成按照每个ups5单独地连接电池13的结构，也可以形成在多个ups51～5n上共同地连接电池13的结构。交流输出端子t3与负载2连接。负载2通过从多个ups51～5n供给的商用频率的交流电力而驱动。
36.变换器7、直流线路8及逆变器11串联连接在交流输入端子t1与交流输出端子t3之间。电容器9与直流线路8连接，使直流线路8的直流电压平滑化。降压斩波器10连接在电池端子t2与直流线路8之间。
37.开关s1的第1端子与交流输入端子t1连接，开关s1的第2端子与变换器7的交流节点7a连接。开关s2的第1端子与电池端子t2连接，开关s2的第2端子与变换器7的直流节点7b连接。开关s1对应于“第1开关”的一实施例，开关s2对应于“第2开关”的一实施例。开关s1及s2的接通(导通)/断开(非导通)受控制装置6控制。
38.另外，在实际的ups5中，在开关s1的第2端子与变换器7的交流节点7a之间设有输入滤波器，在逆变器11与交流输出端子t3之间设有输出滤波器，但为了图面及说明的简单化而省略了输入滤波器及输出滤波器的图示。输入滤波器及输出滤波器分别是包括电抗器及电容器的低通滤波器，使商用频率的电流通过，将开关频率的电流截断。
39.从商用交流电源1供给的交流输入电压vi的瞬时值及流到交流输入端子t1的交流输入电流ii的瞬时值由控制部12检测。供给到负载2的交流输出电压vo的瞬时值及交流输出电流io的瞬时值由控制部12检测。直流线路8的直流电压vdc的瞬时值由控制部12检测。电池13的端子间电压vb的瞬时值由控制部12检测。
40.控制部12基于交流输入电压vi、直流电压vdc、端子间电压vb及交流输出电压vo等对变换器7、逆变器11及降压斩波器10的各自进行控制。
41.变换器7受控制部12控制，将来自商用交流电源1的交流电力变换为直流电力并向直流线路8输出。图3是表示图2所示的变换器7的结构例的电路图。如图3所示，变换器7例如是升压型的高功率因数变换器，具有整流器71和功率因数校正(pfc：power factor correction)电路72。
42.整流器71是具有二极管d1、d2的全波整流型的二极管整流器。整流器71将向交流
节点7a输入的交流电压整流并向直流线路8(直流正母线pl、直流负母线nl)输出。整流器71也可以是闸流晶体管整流器。
43.pfc电路72具有半导体开关元件q1、q2、电抗器l1、l2、二极管d3、d4和电容器c1、c2。作为半导体开关元件q1、q2而例如应用igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极晶体管)。电抗器l1、半导体开关元件q1及二极管d3构成升压电路。电抗器l2、半导体开关元件q2及二极管d4构成升压电路。
44.变换器7还具有二极管d5、d6、d7。电池13经由开关s2及二极管d5、d6、d7与pfc电路72连接。如果开关s2接通，则电池13的端子间电压vb向pfc电路72输入。
45.在从商用交流电源1正常地供给交流电力的情况下(商用交流电源1正常时)，当开关s1被接通时，变换器7将来自商用交流电源1的交流电力变换为直流电力并向直流线路8(直流正母线pl及直流负母线nl)输出。此时，对变换器7进行控制以使直流线路8的直流电压vdc成为参照直流电压vdcr。
46.另一方面，在商用交流电源1停电时，当开关s2接通时，变换器7进行将电池13的端子间电压vb升压并向直流线路8给出的升压动作。即，变换器7有选择地进行将来自商用交流电源1的交流电力变换为直流电力并向直流线路8输出的动作、以及将电池13的端子间电压vb升压并向直流线路8输出的动作中的某个动作。
47.回到图2，降压斩波器10受控制部12控制，在商用交流电源1停电时进行将直流线路8的直流电压vdc降压并向电池13给出的降压动作。由此，向电池13积蓄直流电力。降压斩波器10是包括多组igbt及二极管和电抗器的周知的结构。
48.逆变器11受控制部12控制，将从变换器7经由直流线路8供给的直流电力变换为商用频率的交流电力并向负载2供给。逆变器11是包括多组igbt及二极管的周知的结构。
49.(不间断电源系统的动作)
50.接着，说明有关实施方式的不间断电源系统100的动作。
51.有关实施方式的不间断电源系统100作为动作模式而具有交流(ac)供电模式和电池供电模式。控制装置6基于商用交流电源1的停电的有无，选择ac供电模式及电池供电模式中的某个动作模式，执行所选择的动作模式。ac供电模式对应于“第1供电模式”，电池供电模式对应于“第2供电模式”。
52.图4是表示ac供电模式(第1供电模式)的电路框图。
53.如图4所示，在商用交流电源1正常时，控制装置6选择ac供电模式。在选择了ac供电模式的情况下，控制装置6使开关s1接通，以从商用交流电源1经由开关s1向变换器7供给交流电力。此外，控制装置6使开关s2断开。
54.在ups5中，控制部12对变换器7进行控制，以将从商用交流电源1经由开关s1供给的交流电力变换为直流电力。此外，控制部12对逆变器11进行控制，以将来自变换器7的直流电力变换为交流电力并向负载2供给。控制部12还对降压斩波器10进行控制，以将来自变换器7的直流电力向电池13积蓄。如图4所示，如果设商用交流电源1的输出电力(功率)为pac，设逆变器11的输出电力为po，则在ac供电模式时，输出电力po基本上等于输出电力pac。
55.图5是表示电池供电模式(第2供电模式)的电路框图。在正在执行ac供电模式的情况下发生了商用交流电源1停电的情况下，控制装置6选择电池供电模式。
56.如图5所示，在选择了电池供电模式的情况下，控制装置6使开关s2接通，以从电池13经由开关s2向变换器7供给直流电力。此外，控制装置6使开关s1断开。
57.在ups5中，控制部12对变换器7进行控制，以将从电池13经由开关s2供给的直流电力升压并向逆变器11供给。此外，控制部12对逆变器11进行控制，以将来自变换器7的直流电力变换为交流电力并向负载2供给。如图5所示，如果设电池13的输出电力为pb，则在电池供电模式时，输出电力po等于输出电力pb。
58.在正在执行电池供电模式的情况下，当商用交流电源1恢复供电时，控制装置6选择ac供电模式。在选择了ac供电模式的情况下，控制装置6如图4所示，再次使开关s1接通，并且再次使开关s2断开。图6是表示商用交流电源1恢复供电的情况下的ups5的基本的动作的时序图。图6的纵轴表示电池13的输出电力pb及商用交流电源1的输出电力pac，横轴表示时间。输出电力pb、pac的分别将1个ups5的逆变器11的输出电力po设为100％。另外，逆变器11的输出电力po等于将负载2的耗电pl除以ups5的个数n所得到的值(po＝pl/n)。
59.在图6中，时刻ta是在商用交流电源1中发生了停电的时刻。时刻t0是商用交流电源1恢复供电的时刻。时刻tb是商用交流电源1为正常的时刻。
60.usp5在比时刻t0靠前的期间(商用交流电源1停电时)被设定为电池供电模式。在电池供电模式时，控制装置6使ups5的开关s1断开，并使开关s2接通。
61.如果在时刻t0，商用交流电源1恢复供电，则ups5从电池供电模式切换为ac供电模式。在时刻t0，控制装置6使开关s1接通并使开关s2断开。由此，在比时刻t0靠后的期间(商用交流电源1正常时)，ups5被设定为ac供电模式。
62.如图6所示，在商用交流电源1恢复供电时(时刻t0)使开关s1接通的情况下，有通过因交流输入电压vi的上升而流过突入电流，从而对商用交流电源1带来电压变动等的影响的情况。结果，担心使与商用交流电源1连接的其他负载(未图示)产生扰乱。
63.另外，为了抑制恢复供电时对商用交流电源的影响，在以往的ups中，采用使变换器的交流输入电压的上升变得平缓的软启动控制。例如，在专利文献1中，在商用交流电源恢复供电时，对变换器进行控制，以将变换器的交流输入电压花费规定的电压升高时间(dvi/dt)平缓地升高。通过将交流输入电压逐渐升高，能够将变换器的交流输入电流也逐渐升高。
64.在专利文献1中，还通过使变换器的交流输入电流逐渐变大并使电池的放电电流逐渐变小，将向负载供给的电流(即逆变器输出电流)保持为一定值。由此，在商用交流电源恢复供电的情况下，能够稳定地继续负载的运转。
65.但是，在图3所示的ups5的结构例中，降压斩波器10仅能够进行电池13的充电，不能使电池13放电。此外，变换器7能够选择将来自商用交流电源1的交流电力变换为直流电力的ac/dc变换动作(参照图4)和将电池13的端子间电压vb升压并向直流线路8给出的放电动作(参照图5)的某一方并执行。
66.这样，ups5构成为，将变换器7兼用于从商用交流电源1的供电(ac供电)及从电池13的供电(电池供电)，所以不能并行地进行ac供电和电池供电。因此，ups5不能如以往的ups那样一边将变换器7的交流输入电压逐渐升高一边使电池13的放电电流逐渐变小。因而，在商用交流电源1恢复供电时使ups5软启动变得困难。
67.所以，有关本实施方式的不间断电源系统100采用将多个ups51～5n并联连接的结
构，并且在商用交流电源1恢复供电时，将这些多个ups51～5n依次切换为ac供电模式。由此，由不间断电源系统100整体实现软启动。
68.图7是表示商用交流电源1恢复供电时的不间断电源系统100的动作的时序图。图7的纵轴表示各ups5中的电池13的输出电力pb及商用交流电源1的输出电力pac、以及不间断电源系统100整体中的输出电力pb的合计值pb_total及输出电力pac的合计值pac_total，横轴表示时间。
69.输出电力pb，pac分别将1个ups5中的逆变器11的输出电力po设为100％。逆变器11的输出电力po等于将负载2的耗电pl除以ups5的个数n而得到的值(po＝pl/n)。另一方面，输出电力pb_total、pac_total分别将负载2的耗电pl设为100％。
70.在图7中，时刻t1是商用交流电源1恢复供电的时刻。即，在比时刻t1靠前的期间中，多个ups51～5n都被设定为电池供电模式。即，在各ups5中，开关s1被断开，开关s2被接通(参照图5)。输出电力pb_total等于将多个ups51～5n的输出电力pb合计的值，并且等于耗电pl。
71.如果在时刻t1，商用交流电源1恢复供电，则控制装置6将多个ups51～5n依次切换为ac供电模式。具体而言，控制装置6使多个开关s1依次接通，并使多个开关s2依次断开。
72.在图7的例子中，控制装置6首先使第1ups51的开关s1接通，并且使开关s2断开。此时，控制装置6对于其余的(n－1)个ups52～5n，将开关s1维持为断开，将开关s2维持为接通。由此，在时刻t1中，仅第1ups51被切换为ac供电模式。
73.通过在时刻t1，第1ups51被切换为ac供电模式，输出电力pb_total减少了输出电力pb的量，输出电力pac_total增加了输出电力pac的量。但是，由于pb＝pac＝po，所以从不间断电源系统100向负载2供给的电力被保持为一定值。
74.接着，在从时刻t1经过了规定时间δt的时刻t2，控制装置6使第2ups52的开关s1接通，并且使开关s2断开。此时，控制装置6对于其余的(n－2)个ups53～5n，将开关s1维持为断开，将开关s2维持为接通。由此，在时刻t2，仅第2ups52被切换为ac供电模式。结果，第1ups51及第2ups52执行ac供电模式，第3～第n ups53～5n执行旁路供电模式。
75.通过在时刻t2将第2ups52切换为ac供电模式，输出电力pb_total进一步减少输出电力pb的量，输出电力pac_total进一步增加输出电力pac的量。但是，由于是pb＝pac＝po，所以从不间断电源系统100向负载2供给的电力被保持为一定值。
76.控制装置6在从由时刻t2起经过规定时间δt后的时刻t3到时刻tn的期间中，将其余的(n－2)个ups53～5n依次切换为ac供电模式。每当ups5被切换为ac供电模式，输出电力pb_total就减少输出电力pb的量，输出电力pac_total就增加输出电力pac的量。但是，由于pb＝pac＝po，所以从不间断电源系统100向负载2供给的电力被保持为一定值。
77.如果在时刻tn，第n ups5n被切换为ac供电模式，则多个ups51～5n都被设定为ac供电模式。输出电力pac_total等于将多个ups51～5n的输出电力pac合计的值，并且等于耗电pl。
78.这样，控制装置6通过将多个ups51～5n的开关s1依次地接通并将开关s2依次地断开，将多个ups51～5n依次地切换为ac供电模式。由此，在不间断电源系统100整体中，在商用交流电源1恢复供电时从电池供电平缓地切换为ac供电。在时刻t1以后，对应于多个ups51～5n被依次地切换为ac供电模式，实现来自商用交流电源1的交流输入电压vi及交流
输入电流ii逐渐上升的软启动。由此，能够抑制恢复供电时对商用交流电源1的影响。此外，由于交流输入电压vi及交流输入电流ii逐渐上升，并且电池13的放电电流逐渐变小，所以在恢复供电时也能够向负载2持续供给一定电力。
79.另外，在图7中，对于将多个ups51～5n一个个依次地切换为ac供电模式的结构进行了说明，但也可以将多个ups51～5n分割为分别由1或多个ups构成的多个组，形成以组单位依次地切换为ac供电模式的结构。
80.此外，在图7中，对以一定的时间差(规定时间δt)将多个ups51～5n依次切换为ac供电模式的结构进行了说明，但时间差δt也可以并不是一定。
81.(其他的结构例)
82.在上述的实施方式中，说明了构成为将变换器7兼用作ac供电及电池供电的ups5，但本发明对于构成为由变换器及斩波器相互独立地执行ac供电及电池供电的ups也能够应用。图8是表示图1所示的ups5的其他结构例的框图。有关本变更例的ups5是从图2所示的ups5将开关s2(第2开关)去除、并且将变换器7及降压斩波器10分别替换为变换器7a及双向斩波器10a的结构。变换器7a、直流线路8、电容器9、双向斩波器10a及逆变器11构成“电力变换装置”。
83.变换器7a受控制部12控制，将来自商用交流电源1的交流电力变换为直流电力并向直流线路8输出。变换器7a例如是pwm(pulse width modulation：脉宽调制)变换器。变换器7是包括多组igbt及二极管的周知的结构。
84.在商用交流电源1正常时，当开关s1被接通时，变换器7将来自商用交流电源1的交流电力变换为直流电力并向直流线路8输出。此时，对变换器7进行控制，以使直流线路8的直流电压vdc成为参照直流电压vdcr。另一方面，在商用交流电源1停电时，控制部12使变换器7的运转停止。
85.双向斩波器10a受控制部12控制，在直流线路8与电池13之间提供并接受直流电力。双向斩波器10a是包括多组igbt及二极管和电抗器的周知的结构。双向斩波器10a有选择地进行将直流线路8的直流电压vdc降压并向电池13给出的降压动作和将电池13的端子间电压vb升压并向直流线路8给出的升压动作中的某个动作。
86.在商用交流电源1正常时，双向斩波器10a从直流线路8向电池13供给直流电力，以使电池13的端子间电压vb成为参照电池电压vbr。另一方面，在商用交流电源1停电时，双向斩波器10a从电池13向直流线路8供给直流电力，以使直流线路8的直流电压vdc成为参照直流电压vdcr。由此，仅从电池13供给相当于逆变器11的输出电力po的直流电力。
87.根据有关本变更例的ups5，由变换器7a执行ac供电，由双向斩波器10a执行电池供电。因而，与以往的ups同样，控制部12在商用交流电源1恢复供电时，通过进行控制以使变换器7a的交流输入电流逐渐变大、并且使电池13的放电电流逐渐变小，能够实现软启动。
88.但是，根据有关本实施方式的不间断电源系统100，通过形成将相对于商用交流电源1并联连接的多个ups51～5n依次地切换为ac供电模式的结构，不需要各ups5进行以往的软启动控制，能够以不间断电源系统100整体实现软启动。
89.具体而言，控制装置6通过在多个ups51～5n之间，在将开关s1接通的定时中设置差异，将多个ups51～5n依次切换为ac供电模式。在各ups5中，控制部12如果开关s1被接通，则使双向斩波器10a中的升压动作停止。由此，与图7的时序图同样，能够使输出电力pac_
total逐渐变大，并使输出电力pb_total逐渐变小。
90.此次公开的实施方式在全部的方面都是例示，而不应被认为是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明而是由权利要求书表示，意味着包含与权利要求书等价的意义及范围内的全部变更。
91.标号说明
92.1商用交流电源；2负载；5、51～5n ups；7变换器；8直流线路；9电容器；10降压斩波器；10a双向斩波器；11逆变器；12控制部；13电池(电力储存装置)；100不间断电源系统；s1开关(第1开关)；s2开关(第2开关)。