CN107005081A - 不间断电源装置 - Google Patents

Abstract

该不间断电源装置具备将交流电力转换为直流电力的转换器(5)、以及将直流电力转换为交流电力后向负载(24)供给的逆变器(10)。负载(24)接受输入允许电压范围内的交流电压而消耗恒定的交流电力。在负载容量相对于不间断电源装置的额定容量的比例为规定值(α)的情况下，不间断电源装置的效率(η)成为最大。该不间断电源装置还具备控制装置(18)，在负载容量相对于额定容量的比例与规定值(α)不同的情况下，该控制装置(18)在输入允许电压范围内控制逆变器(10)的输出电压，以使效率(η)上升。

Description

不间断电源装置

技术领域

本发明涉及一种不间断电源装置，特别涉及具备将从商用交流电源供给的交流电力转换为直流电力的转换器、以及将直流电力转换为交流电力后向负载供给的逆变器的不间断电源装置。

背景技术

例如，在日本特开2010-124557号公报(专利文献1)中，公开有具备转换器、逆变器以及直流升降压器的不间断电源装置。转换器将从商用交流电源供给的交流电力转换为直流电力。逆变器将直流电力转换为交流电力后向负载供给。在从商用交流电源供给有交流电力的通常时，将由转换器生成的直流电力向蓄电池供给，在来自商用交流电源的交流电力的供给停止的停电时，将蓄电池的直流电力向逆变器供给。由此，即使在产生了停电的情况下，在蓄电池蓄积有直流电力的期间也能够继续进行负载的运转。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-124557号公报

发明内容

发明要解决的课题

这样的不间断电源装置构成为，输出恒定的额定电压，在负载容量相对于该额定容量的比例为规定值(例如60％)的情况下，效率最大。由此，在以往的不间断电源装置中，存在根据负载容量的不同而有时效率低于最大值的问题。

因此，本发明的主要目的在于，提供效率较高的不间断电源装置。

用于解决课题的手段

本发明所涉及的不间断电源装置具备将从商用交流电源供给的交流电力转换为直流电力的转换器、以及将直流电力转换为交流电力后向负载供给的逆变器。在从商用交流电源供给有交流电力的通常时，由转换器生成的直流电力向逆变器供给并且蓄积于电力积蓄装置，在来自商用交流电源的交流电力的供给停止的停电时，电力积蓄装置的直流电力向逆变器供给。负载接受输入允许电压范围内的交流电压而消耗恒定的交流电力。在负载容量相对于不间断电源装置的额定容量的比例为预定的值的情况下，不间断电源装置的效率成为最大。该不间断电源装置还具备控制装置，在负载容量相对于额定容量的比例与预定的值不同的情况下，该控制装置在输入允许电压范围内对逆变器的输出电压进行控制，以使效率上升。

发明效果

在本发明所涉及的不间断电源装置中，在负载的输入允许电压范围内控制逆变器的输出电压，以使效率上升。由此，与将逆变器的输出电压固定为恒定的额定电压的现有技术相比，能够使效率提高。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的不间断电源装置的构成的电路框图。

图2是表示负载容量相对于图1所示的不间断电源装置的额定容量的比例与不间断电源装置的效率之间的关系的图。

图3是表示图1所示的控制装置的输出电压控制模式时的动作的流程图。

图4是表示实施方式1的变更例的流程图。

图5是表示本发明的实施方式2的不间断电源装置的主要部分的电路图。

图6是例示图5所示的开关元件的构成的电路图。

图7是表示在图6的IGBT中产生的损失的时序图。

具体实施方式

[实施方式1]

图1是表示本发明的实施方式1的不间断电源装置1的构成的电路框图。该不间断电源装置1为，将来自商用交流电源21的三相交流电力暂时转换为直流电力，并将该直流电力转换为三相交流电力后向负载24供给，但是为了使附图以及说明简化，在图1中仅表示一相的电路。

在图1中，该不间断电源装置1具备交流输入端子T1、旁通输入端子T2、电池端子T3以及交流输出端子T4。交流输入端子T1从商用交流电源21接受商用频率的交流电力。旁通输入端子T2从旁通交流电源22接受商用频率的交流电力。旁通交流电源22可以为商用交流电源，也可以为发电机。

电池端子T3与电池(电力积蓄装置)23连接。电池23蓄积直流电力。也可以代替电池23而连接有电容器。交流输出端子T4与负载24连接。负载24由交流电力驱动。

该不间断电源装置1还具备电磁接触器2、8、13、16、保护用熔断器3、6、交流电抗器4、11、转换器5、双向斩波器7、平滑用电解电容器9、逆变器10、电容器12、电流检测器14、半导体开关15、操作部17、以及控制装置18。

电磁接触器2、保护用熔断器3及交流电抗器4在交流输入端子T1与转换器5的输入节点之间串联连接。电磁接触器2在不间断电源装置1的使用时接通，在例如不间断电源装置1的维护时断开。通过控制装置18检测在电磁接触器2与保护用熔断器3之间的节点N1出现的交流输入电压VI的瞬时值。基于交流输入电压VI的检测值，判别是否产生停电。

保护用熔断器3在流过了过电流的情况下熔断，对不间断电源装置1等进行保护。交流电抗器4构成低通滤波器，使商用频率的交流电力从商用交流电源21向转换器5通过，防止在转换器5产生的开关频率(switching frequency，也称为切换频率)的信号向商用交流电源21通过。

转换器5为正向变换器且由控制装置18控制，在从商用交流电源21供给有交流电力的通常时，将交流电力转换为直流电力后向电源节点N2输出。在从商用交流电源21的交流电力的供给停止的停电时，转换器5的运转停止。转换器5的输出电压能够控制为所希望的值。平滑用电解电容器9与电源节点N2连接，使电源节点N2的电压平滑化。通过控制装置18检测在电源节点N2出现的直流电压VDC的瞬时值。

保护用熔断器6连接在电源节点N2与双向斩波器7的高电压侧节点之间，在流过了电流的情况下熔断，对不间断电源装置1、电池23等进行保护。双向斩波器7的低电压侧节点经由电磁接触器8与电池端子T3连接。电磁接触器8在不间断电源装置1的使用时接通，在例如不间断电源装置1以及电池23的维护时断开。通过控制装置18检测在电池端子T3出现的电池23的端子间电压VB的瞬时值。

双向斩波器7为直流升降压电路且由控制装置18控制，在从商用交流电源21供给有交流电力的通常时，将由转换器5生成的直流电力蓄积于电池23，在来自商用交流电源21的交流电力的供给停止的停电时，将电池23的直流电力经由电源节点N2向逆变器10供给。

在将直流电力向电池23蓄积的情况下，双向斩波器7将电源节点N2的直流电压VDC降压为规定值的直流电压并提供供电池23。此外，在将电池23的直流电力向逆变器10供给的情况下，双向斩波器7将电池23的端子间电压VB升压为规定值的直流电压并向电源节点N2输出。电源节点N2与逆变器10的输入节点连接。

逆变器10为逆向转换器、且由控制装置18控制，将从转换器5或者双向斩波器7经由电源节点N2供给的直流电力转换为商用频率的交流电力并向输出节点10a输出。即，逆变器10在通常时将从转换器5经由电源节点N2供给的直流电力转换为交流电力，在停电时将从电池23经由双向斩波器7供给的直流电力转换为交流电力。逆变器10的输出电压能够控制为所希望的值。

逆变器10的输出节点10a经由交流电抗器11与电磁接触器13的一个端子连接，电磁接触器13的另一个端子(节点N3)与交流输出端子T4连接。电容器12与电磁接触器13的一个端子连接。交流电抗器11以及电容器12构成低通滤波器，使由逆变器10生成的商用频率的交流电力在交流输出端子T4中通过，防止由逆变器10产生的开关频率的信号在交流输出端子T4中通过。

电磁接触器13由控制装置18控制，在将由逆变器10生成的交流电力向负载24供给的逆变器供电模式时接通，在将来自旁通交流电源22的交流电力向负载24供给的旁通供电模式时断开。

在节点N3出现的交流输出电压VO的瞬时值，由控制装置18检测。电流检测器14对在节点N3与交流输出端子T4之间流动的负载电流IO进行检测，并将表示该检测值的信号提供给控制装置18。

半导体开关15包括晶闸管，连接在旁通输入端子T2与节点N3之间。电磁接触器16与半导体开关15并联连接。半导体开关15由控制装置18控制，通常断开，在逆变器10发生故障的情况下瞬时接通，将来自旁通交流电源22的交流电力向负载24供给。半导体开关15在从接通起经过了规定时间之后断开。

电磁接触器16在将由逆变器10生成的交流电力向负载24供给的逆变器供电模式时断开，在将来自旁通交流电源22的交流电力向负载24供给的旁通供电模式时接通。此外，电磁接触器16在逆变器10发生故障的情况下接通，将来自旁通交流电源22的交流电力向负载24供给。即，在逆变器10发生故障的情况下，半导体开关15瞬时接通规定时间，并且电磁接触器16接通。这是为了防止半导体开关15过热而损坏。

操作部17包括由不间断电源装置1的使用者操作的多个按钮、显示各种信息的图像显示部等。通过使用者对操作部17进行操作，由此能够对不间断电源装置1的电源进行接通/断开，或者选择旁通供电模式、逆变器供电模式、后述的额定电压输出模式、后述的输出电压控制模式等中的任一个模式，或者使各种参数存储于控制装置18。

控制装置18基于来自操作部17的信号进行动作，对交流输入电压VI、直流电压VDC、电池电压VB、交流输出电压VO、以及负载电流IO的瞬时值进行检测，并基于这些检测值对不间断电源装置1整体进行控制。即，控制装置18基于交流输入电压VI的检测值来检测是否产生了停电，并与交流输入电压VI的相位同步地对转换器5以及逆变器10进行控制。

并且，控制装置18以使直流电压VDC成为所希望的目标直流电压VDCT的方式控制转换器5，以使电池电压VB成为所希望的目标电池电压VBT的方式控制双向斩波器7。并且，控制装置18在使用操作部17选择了额定电压输出模式的情况下，以使输出电压VO成为恒定的额定电压的方式控制逆变器10。

并且，控制装置18在使用操作部17选择了输出电压控制模式的情况下，控制输出电压VO，以使间断电源装置1的效率良好。图2是表示负载容量PL相对于不间断电源装置1的额定容量PR的比例PL/PR(％)与不间断电源装置1的效率η(％)之间的关系的图。效率η是向负载24供给的交流电力PO相对于从商用交流电源21供给的交流电力PI的比例PO/PI(％)。

如图2所示那样，在负载容量PL相对于额定容量PR的比例PL/PR(％)为规定值α(在图中为大约65％)的情况下，不间断电源装置1的效率η成为最大值ηmax，随着PL/PR变得大于规定值α，效率η逐渐降低，随着PL/PR变得小于规定值α，效率η逐渐降低。

效率η具有峰值ηmax的原因在于，若负载电流IO变大则交流电抗器4、11等的电阻成分的消耗电力变大，而若负载电流IO变小则控制装置18的消耗电流相对于负载电流IO的比例变大。因此，能够将图2的横轴用负载电流IO相对于不间断电源装置1的额定电流IR的比例IO/IR(％)来置换。并且，由于额定电流IR恒定，因此能够将图2的横轴用负载电流IO的值来置换，能够将α用负载电流IO的规定值IOα来置换。

因此，在负载24的消耗电力被维持恒定的情况下，在PL/PR小于规定值α时，在负载24的输入允许电压范围内使输出电压VO降低并使负载电流IO在IOα以下的范围内增大，由此能够提高效率η。

此外，在负载24的消耗电力被维持恒定的情况下，在PL/PR大于规定值α时，在负载24的输入允许电压范围内使输出电压VO上升并使负载电流IO在IOα以上的范围内减少，由此能够提高效率η。因此，在本实施方式1中，在选择了输出电压控制模式的情况下，在负载24的输入允许电压范围内对输出电压VO进行控制而提高效率η。

图3是表示输出电压控制模式时的控制装置18的动作的流程图。通过不间断电源装置1的使用者对操作部17进行操作，由此从额定电压输出模式切换为输出电压控制模式。与此相对应，控制装置18在步骤S1中对输出电压VO和负载电流IO进行检测，在步骤S2中基于VO、IO的检测值来计算负载容量PL，在步骤S3中计算PL/PR。

控制装置18在步骤S4中判别PL/PR是否小于规定值α，在PL/PR＜α的情况下向步骤S5前进，在PL/PR＞α的情况下向步骤S6前进。

控制装置18在步骤S5中，在负载24的输入允许电压范围内使输出电压VO降低并使负载电流IO在IOα以下的范围内增大。此外，控制装置18在步骤S6中，在负载24的输入允许电压范围内使输出电压VO上升并使负载电流IO在IOα以上的范围内减少。控制装置18在步骤S7中使输出电压VO固定，继续进行负载24的运转。

此外，额定容量PR、规定值α、IOα、负载24的输入允许电压范围预先存储于控制装置18。

例如，在PL/PR与效率η之间的关系在图2中表示的情况下，在PL/PR为45％时，若使输出电压VO降低10％并使负载电流IO提高10％，则能够将PL/PR提高到55％，能够提高效率η。

接下来，对该不间断电源装置1的动作进行说明。在从商用交流电源21供给有交流电力的通常时，电磁接触器2、8、13接通，半导体开关15以及电磁接触器16断开。从商用交流电源21供给的交流电力由转换器5转换为直流电力。由转换器5生成的直流电力由双向斩波器7蓄积到电池23，并且由逆变器10转换为交流电力后向负载24供给。

在使用操作部17选择了输出电压输出模式的情况下，不间断电源装置1的输出电压VO被维持恒定的额定电压。在使用操作部17选择了输出电压控制模式的情况下，控制输出电压VO，以使不间断电源装置1的效率η变高。即，在PL/PR小于规定值α时，在负载24的输入允许电压范围内使输出电压VO降低，在PL/PR大于规定值α时，在负载24的输入允许电压范围内使输出电压VO增大，使不间断电源装置1的效率η提高。

在来自商用交流电源21的交流电力的供给停止的停电时，转换器5的运转停止，电池23的直流电力由双向斩波器7向逆变器10供给。逆变器10将从电池23经由双向斩波器7供给的直流电力转换为交流电力后向负载24供给。由此，即使在产生了停电的情况下，在电池23蓄积有直流电力的期间也能够继续进行负载24的运转。

在通常时，在逆变器10发生了故障的情况下，半导体开关15瞬时接通，从旁通交流电源22经由半导体开关15向负载24供给交流电力。接着，电磁接触器16接通并且电磁接触器13断开，半导体开关15断开。由此，从旁通交流电源22经由电磁接触器16向负载24供给交流电力。

如以上那样，在该实施方式1中，在负载24的输入允许电压范围内控制不间断电源装置1的输出电压VO，以使不间断电源装置1的效率η上升。由此，与输出电压VO被固定为恒定的额定电压的以往相比，能够提高效率η。

此外，在该实施方式1中，将电源节点N2的直流电压VDC设定为规定的目标直流电压VDCT，但是也可以是，在交流输入电压VI的振幅值发生变动的情况下，在对交流输出电压VO的生成无妨碍的范围内与交流输入电压VI的振幅值的变动相应地使直流电压VDC变动。即，也可以是，在交流输入电压VI的振幅值增大了的情况下使直流电压VDC上升，在交流输入电压VI的振幅值减少了的情况下使直流电压VDC降低。

图4是表示实施方式1的变更例的流程图，是与图3相对比的图。参照图4，该变更例与实施方式1的不同点在于，追加了步骤S7A、S7B。控制装置18在执行了步骤S1～S6之后，在步骤S7A中判别负载电流IO是否稳定为恒定值。控制装置18在判别为负载电流IO稳定为恒定值的情况下，在步骤S7中使输出电压VO固定而继续进行负载24的运转。控制装置18在判别为负载电流IO未稳定为恒定值的情况下，在步骤S7B中使输出电压VO返回额定电压VOR而继续进行负载24的运转。

在该变更例中，除了能够得到与实施方式1相同的效果以外，在使输出电压VO增减的情况下负载电流IO变得不稳定时，能够使输出电压VO返回额定电压VOR而使负载电流IO稳定。

[实施方式2]

在实施方式1中，在输出电压控制模式时，在负载容量PL相对于不间断电源装置1的额定容量PR的比例PL/PR(％)与规定值α不同的情况下，对输出电压VO进行控制而使效率η上升。在该实施方式2中，进一步为，在使输出电压VO降低的情况下使直流电压VDC也降低，由此使效率η进一步上升。以下，说明使直流电压VDC降低而能够使效率η改善的理由。

图5是表示转换器5以及逆变器10的构成的电路图。在图5中，转换器5包括输入节点5a～5c以及开关元件31～36，逆变器10包括开关元件41～46以及输出节点10a～10c。

转换器5的输入节点5a～5c分别接受来自商用交流电源21的三相交流电压。开关元件31～33的一个电极与直流正母线L1连接，开关元件31～33的另一个电极分别与输入节点5a～5c连接。开关元件34～36的一个电极分别与输入节点5a～5c连接，开关元件34～36的另一个电极与直流负母线L2连接。平滑用电解电容器9连接在直流正母线L1与直流负母线L2之间，使母线L1、L2间的直流电压VDC平滑化。

逆变器10的开关元件41～43的一个电极与直流正母线L1连接，开关元件41～43的另一个电极分别与输出节点10a～10c连接。开关元件44～46的一个电极分别与输出节点10a～10c连接，开关元件44～46的另一个电极与直流负母线L2连接。此外，在开关元件31～36、41～46上分别反向并联地连接有二极管，但为了附图以及说明的简化而省略二极管的图示。

开关元件31～36、41～46分别由控制装置18控制，与来自商用交流电源21的三相交流电压VI同步地在规定的定时被接通/断开。开关元件31～33与三相交流电压VI同步地被接通/断开，在开关元件31～33被接通/断开时，开关元件34～36分别断开/接通。开关元件41～43与三相交流电压VI同步地被接通/断开，在开关元件41～43被接通/断开时，开关元件44～46分别断开/接通。

通过调整来自商用交流电源21的三相交流电压以及使开关元件31～36接通/断开的定时之间的相位差，由此能够将直流电压VDC调整为所希望的电压。此外，通过调整使开关元件41～46分别接通的时间，由此能够将输出电压VO调整为所希望的电压。由于输出交流电压VO的振幅电压为直流电压VDC以下，因此在使输出交流电压VO的振幅电压降低的情况下也能够使直流电压VDC降低。

因此，控制装置18在为了提高效率η而使输出电压VO降低的情况下，还根据该输出电压VO使直流电压VDC降低。即，控制装置18调整使开关元件31～36接通/断开的定时而使直流电压VDC降低，并且调整使开关元件41～46分别接通的时间而使输出电压VO降低。通过使直流电压VDC降低，由此能够降低开关元件31～36、41～46中产生的损失。

即，如图6(a)、图6(b)所示，开关元件31～36、41～46分别由IGBT50(InsulatedGate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、NPN双极晶体管52等构成。在IGBT50、晶体管52反向并联地连接有二极管51。

图7(a)、图7(b)是表示IGBT50的接通/断开动作的时序图。图7(a)表示IGBT50的集电极-发射极间电压V以及发射极电流I，图7(b)表示在IGBT50中产生的损失。

如图7(a)、(b)所示，在使IGBT50断开的期间，IGBT50的电阻值变得十分高，电流I成为0A，因此在IGBT50中不产生损失。但是，在使IGBT50接通的期间，在IGBT50中流动较大的电流I，并且IGBT50的电阻值不会成为0Ω，因此在IGBT50中产生导通损失。

此外，在将IGBT50从断开状态向接通状态切换、或者从断开状态向接通状态切换时，电压V以及电流I要变化的话需要花费某种程度的时间，因此产生开关损失V×I。如果使直流电压VDC降低并使IGBT50的集电极-发射极间电压V降低，则能够使开关损失V×I减小。在转换器5以及逆变器10中，IGBT50接通/断开的频度较高，因此使开关损失降低的效果较大。

如以上那样，在该实施方式2中，除了能够得到与实施方式1相同的效果以外，在使输出电压VO降低的情况下，根据输出电压VO使直流电压VDC降低，因此能够使转换器5以及逆变器10的损失降低，能够进一步提高效率η。

本次公开的实施方式的全部点都是示例，而并不构成限制。本发明的范围不是由上述说明而是由权利要求书来示出，还包含与权利要求书等同的含义及范围内的全部变更。

符号的说明

1不间断电源装置；T1交流输入端子；T2旁通输入端子；T3电池端子；T4交流输出端子；2、8、13、16电磁接触器；3、6保护用熔断器；4、11交流电抗器；5转换器；7双向斩波器；9平滑用电解电容器；10逆变器；12电容器；14电流检测器；15半导体开关；17操作部；18控制装置；21商用交流电源；22旁通交流电源；23电池；24负载；31～36、41～46开关元件；50IGBT；51二极管；52NPN双极晶体管。

Claims (8)

1.一种不间断电源装置，其中，具备：

转换器，将从商用交流电源供给的交流电力转换为直流电力；以及

逆变器，将直流电力转换为交流电力后向负载供给，

在从上述商用交流电源供给有交流电力的通常时，由上述转换器生成的直流电力被向上述逆变器供给并且被蓄积于电力积蓄装置，在来自上述商用交流电源的交流电力的供给停止的停电时，上述电力积蓄装置的直流电力被向上述逆变器供给，

上述负载接受输入允许电压范围内的交流电压而消耗恒定的交流电力，

负载容量相对于上述不间断电源装置的额定容量的比例为预定的值的情况下，上述不间断电源装置的效率成为最大，

上述不间断电源装置还具备：

控制装置，在上述负载容量相对于上述额定容量的比例与上述预定的值不同的情况下，在上述输入允许电压范围内控制上述逆变器的输出电压，以使上述效率上升。

2.如权利要求1所述的不间断电源装置，其中，

上述控制装置在上述负载容量相对于上述额定容量的比例小于上述预定的值的情况下，使上述逆变器的输出电压在上述负载的输入允许电压范围内降低并使负载电流增大，以使上述效率上升。

3.如权利要求2所述的不间断电源装置，其中，

上述控制装置使上述逆变器的输出电压降低，并且使上述转换器的输出电压降低。

4.如权利要求1所述的不间断电源装置，其中，

上述控制装置在上述负载容量相对于上述额定容量的比例大于上述预定的值的情况下，使上述逆变器的输出电压在上述输入允许电压范围内上升并使负载电流减少，以使上述效率上升。

5.如权利要求1所述的不间断电源装置，其中，

具有：

输出电压控制模式，在上述负载容量相对于上述额定容量的比例与上述预定的值不同的情况下，在上述输入允许电压范围内控制上述逆变器的输出电压，以使上述效率上升；以及

额定电压输出模式，将上述逆变器的输出电压维持为额定电压，

上述控制装置执行上述输出电压控制模式与上述额定电压输出模式中被选择的模式。

6.如权利要求1所述的不间断电源装置，其中，

上述控制装置在对上述逆变器的输出电压进行了控制的情况下负载电流发生变动时，将上述逆变器的输出电压设定为额定电压。

7.如权利要求1所述的不间断电源装置，其中，

上述控制装置根据来自上述商用交流电源的交流电压的变动，使上述转换器的输出电压变动。

8.如权利要求1所述的不间断电源装置，其中，

上述不间断电源装置还具备：

双向斩波器，在上述通常时将由上述转换器生成的直流电力向上述电力积蓄装置供给，在上述停电时将上述电力积蓄装置的直流电力向上述逆变器供给。