TWI620397B - 不斷電電源裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係在用以將直流電力供應至負載(1A)的不斷電電源裝置(100)中，控制裝置(16)係當負載(1A)為動力運轉時，則將第2開關(15)作成導通(on)狀態，且自二極體整流器(12)將直流電力供應至負載(1A)，並且將第1開關(7)作成斷開(off)狀態，以抑制包含於自交流電源(1)流通於二極體整流器(12)的交流電流之高諧波電流之方式控制轉換器(converter)(5)之構成。當負載(1A)為再生運轉時，則控制裝置(16)係將第2開關(15)作成斷開狀態，並且將第1開關(7)作成導通狀態，且以將負載(1A)所產生之再生電力變換成交流電力之方式控制轉換器(5)之構成。

Description

不斷電電源裝置
本發明係有關於不斷電電源裝置之相關技術。
不斷電電源裝置(Uninterruptible Power Supply：UPS)係例如日本特開2014-7929號公報(專利文獻1)所示，一般為具有將交流電力變換成直流電力之轉換器(converter)、以及將直流電力變換成交流電力之反向器(inverter；亦有稱為「逆變器」的情形)之構成。此外，上述不斷電電源裝置係連接著蓄電池，且直流電力係自該蓄電池供應至不斷電電源裝置。
上述不斷電電源裝置中，轉換器係將來自商用交流電源的交流電力變換成直流電力。反向器係將來自轉換器的直流電力或來自蓄電池的直流電力變換成固定頻率及固定電壓之交流電力，且將變換後之交流電力供應至AC(Alternating Current：交流)負載。
此外，當商用交流電源產生異常(停電、瞬間降低等)時，則自蓄電池供應直流電力至反向器。據此，當商用交流電源產生異常之情形時，不斷電電源裝置即能 以不斷電之狀態將交流電力供應至AC負載。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2014-7929號公報
使用上述不斷電電源裝置而供應至DC(Direct Current：直流)負載時，一般為採用將反向器所產生的交流電力變換成藉由設置於裝置外部之AC轉接器而配合於DC負載之直流電力，且將變換後之直流電力供應至DC負載之構成。但，由於上述構成係在各個之反向器及AC轉接器當中會產生電力損失，所以有效率變低之可能性。
此外，以DC負載而產生再生電力時，則不斷電電源裝置係必需成為用以回收再生電力之結構。
本發明係為了解決上述之課題而創作完成者，其目的為提供不斷電電源裝置，其係能以高效率將電力供應至直流負載，且能回收直流負載所產生的再生電力。
根據本發明之一局面，不斷電電源裝置係能將直流電力供應至負載之構成。不斷電電源裝置係具備連接至負載之直流母線、轉換器(converter)、二極體整流器、DC/DC轉換器、第一開關、第二開關、以及控制裝置。 轉換器係連接於交流電源及直流母線之間。二極體整流器係和轉換器並聯地連接於交流電源及直流母線之間。DC/DC轉換器係以在儲存直流電力之電力儲存裝置及直流母線之間執行直流電壓變換的方式所構成。第一開關係電性地連接於轉換器及直流母線之間。第二開關係電性地連接於二極體整流器及直流母線之間。控制裝置係能控制轉換器、DC/DC轉換器、以及第一和第二開關之構成。控制裝置係當負載為動力運轉時，則將第二開關作成導通狀態，且自二極體整流器將直流電力供應至負載。控制裝置又將第一開關作成斷開狀態，以抑制包含於自交流電源流通於二極體整流器的交流電流之高諧波電流之方式控制轉換器。當負載為再生運轉時，控制裝置係將第二開關作成斷開狀態並且將第一開關作成導通狀態，且以將負載所產生之再生電力變換成交流電力之方式控制轉換器。
根據本發明，即能提供不斷電電源裝置，其係能以高效率而將電力供應至直流負載，且能回收直流負載所產生的再生電力。
1‧‧‧交流電源
1A‧‧‧負載
2、7、10、15、27‧‧‧開關
3‧‧‧保險絲
4、13‧‧‧電抗器
5、14‧‧‧轉換器
6‧‧‧電容器
8‧‧‧直流母線
9‧‧‧雙向截波器
11‧‧‧蓄電池
12‧‧‧二極體整流器
16‧‧‧轉換器控制電路
17‧‧‧截波器控制電路
20至22‧‧‧電流檢測器
23至26‧‧‧電壓檢測器
30‧‧‧高諧波控制
31‧‧‧濾波器
32、36、41、43、46、48‧‧‧減法器
33、49‧‧‧電流控制部
37、47‧‧‧電壓控制部
34‧‧‧加法器
35、45‧‧‧PWM控制部
40‧‧‧電力變換控制部
44、51‧‧‧座標變換部
50‧‧‧加法器
52‧‧‧演算器
53‧‧‧PLL部
60‧‧‧切換控制部
62‧‧‧切換電路
100、102、104、106、108‧‧‧不斷電電源裝置
T1‧‧‧輸入端子
T2‧‧‧輸出端子
T3‧‧‧電池端子
第1圖表示本發明之實施形態1的不斷電電源裝置的構成之電路方塊圖。
第2圖表示自交流電源正常供應交流電力時之電力的流動之圖。
第3圖表示自交流電源供應之交流電力發生異常時之電力的流動之圖。
第4圖表示負載所產生的再生電力的流動之圖。
第5圖表示轉換器控制電路的構成之電路方塊圖。
第6圖用以說明藉由轉換器控制電路執行的控制之流程圖。
第7圖表示本發明之實施形態2的不斷電電源裝置的構成之電路方塊圖。
第8圖用以說明藉由轉換器控制電路執行的控制之流程圖。
第9圖表示本發明之實施形態3的不斷電電源裝置的構成之電路方塊圖。
第10圖用以說明藉由轉換器控制電路執行的控制之流程圖。
第11圖表示本發明之實施形態4的不斷電電源裝置的構成之電路方塊圖。
第12圖表示二極體整流器發生異常時之電力的流動之圖。
第13圖用以說明藉由轉換器控制電路執行的控制之流程圖。
第14圖表示本發明之實施形態5的不斷電電源裝置的構成之電路方塊圖。
第15圖用以說明藉由轉換器控制電路執行的控制之流程圖。
以下，參照圖示來詳細說明本發明之實施形態。又，相同或相當的部分係賦予相同的參考符號而不重覆其說明。
[實施形態1]
第1圖係表示本發明之實施形態1的不斷電電源裝置100的構成之電路方塊圖。參考第1圖，本實施形態1的不斷電電源裝置100係連接於交流電源1及DC負載1A(以下，簡稱為負載1A)之間，且能將直流電力供應至負載1A之構成。
交流電源1係例如商用交流電源，將商用頻率的交流電力供應至不斷電電源裝置100。不斷電電源裝置100雖實際上為自交流電源1接受三相交流電力，但為了達成圖示及說明的簡化，故在第1圖中僅表示一相分之電路。
負載1A係藉由直流電力而驅動之電氣機器等。負載1A係藉由自不斷電電源裝置100所供應之直流電力而驅動。負載1A係能交互進行動力運轉、以及再生運轉。
不斷電電源裝置100係具備輸入端子T1、輸出端子T2、以及電池端子T3。輸入端子T1係接受自交流電源1供應之交流電力。輸出端子T2係連接於負載1A。負載1A係能藉由自不斷電電源裝置100所供應之直流電力而進行動力運轉。
電池端子T3係連接於蓄電池11。蓄電池11係能進行直流電力的充電及放電之電池。蓄電池11係對應於儲存直流電力的「電力儲存裝置」之一實施例。電池端子T3係可連接著電容器(雙電層電容器、電解電容器等)以取代蓄電池11。
不斷電電源裝置100係更具備開關2、7、10、15、保險絲3、電抗器4、13、轉換器5、電容器6、14、直流母線8、二極體整流器12、雙向截波器9、電流檢測器20~22、電壓檢測器23~26、轉換器控制電路16、以及截波器控制電路17。開關2、保險絲3、電抗器4、轉換器5、開關7、以及直流母線8係串聯地連接於輸入端子T1及輸出端子T2之間。
開關2係連接於輸入端子T1及轉換器5之間。開關2係在自交流電源1正常供應交流電力之通常時為閉合(導通；ON)狀態，例如不斷電電源裝置100的維護時則為開放(斷開；OFF)狀態。開關2之導通、斷開狀態係藉由截波器控制電路17所控制。
保險絲3係為了防止過電流自交流電源1流入，而插設於輸入端子T1及轉換器5之間的通電路徑。電抗器4係使來自交流電源1的交流電力通過，且為了防止轉換器5所產生之轉換頻率的信號傳送至交流電源1而設置。
轉換器5係能將自交流電源1所供應之交流電力變換(順變換)成直流電力之構成。轉換器5所產生的 直流電力係輸出至直流母線8。此時，轉換器5係以能使直流母線8的電壓VDC形成所定的參考電壓VDCR的方式將直流電流輸出至直流母線8。
此外，轉換器5係在以直流母線8為中介而供應負載1A所產生之再生電力(直流電力)時，能將該再生電力變換(反變換)成商用頻率之交流電力。轉換器5之電力變換係藉由轉換器控制電路16所控制。
轉換器5係更具備減低自交流電源1流通於二極體整流器12的交流電流I3所包含之高諧波之活性的濾波器的功能。
轉換器5係由半導體轉換元件所構成。半導體轉換元件係例如使用IGBT(絕緣柵雙極電晶體；Insulated Gate Bipolar Transistor)。半導體轉換元件的控制方式係可使用PWM(脈波寬度調變；Pulse Width Modulation)控制。
直流母線8係連接於輸出端子T2，並且以雙向截波器9及開關10為中介而連接於電池端子T3。電容器6係連接於直流母線8，將直流母線8的電壓VDC予以平滑化。開關10係在不斷電電源裝置100的運轉時作成導通狀態，蓄電池11及不斷電電源裝置100的維護時則作成斷開狀態。開關10之導通、斷開狀態係藉由截波器控制電路17所控制。
雙向截波器9係能執行雙方向的直流電壓變換(升壓及降壓)之構成。雙向截波器9係在自交流電源1正常供應交流電力時，將轉換器5所產生的直流電力儲存 於蓄電池11。此時，雙向截波器9係以能使蓄電池11的端子間電壓(電池端子T3的電壓)形成目標電池電壓的方式將直流電流供應於蓄電池11。
相對於此，自交流電源1供應的交流電力發生異常時(例如，發生停電時)，雙向截波器9係將蓄電池11的直流電力供應至負載IA。此時，係以能使直流母線8的電壓VDC形成參考電壓VDCR的方式，自蓄電池11並以雙向截波器9為中介而使電流流通至輸出端子T2。雙向截波器9之直流電壓變換係藉由截波器控制電路17所控制。雙向截波器9係對應於「DC/DC轉換器」之一實施例。
二極體整流器12係和轉換器5電性並聯地連接於輸入端子T1及輸出端子T2之間。具體而言，二極體整流器12係連接於輸入端子T1及直流母線8之間。二極體整流器12係在自交流電源1正常供應交流電力時，能將自交流電源1供應的交流電力變換成直流電力之構成。二極體整流器12的交流端子係連接於電抗器4的一方端子。
電抗器13的一方端子係連接於二極體整流器12的直流端子，另一方端子係連接於直流母線8上之節點N。電容器14係連接於電抗器13的另一方端子。電抗器13及電容器14係構成濾波器，其係用以去除自二極體整流器12輸出的直流電流所包含之高諧波成分。
開關7係連接於轉換器5的直流端子及直流母線8之間。開關7的一方端子係連接於轉換器5的直流 端子，另一方端子係連接於節點N。開關7係半導體開關，例如閘流體開關。閘流體的陽極和陰極係分別連接於節點N及轉換器5的直流端子。將開關7作成導通狀態時，就藉由閘流體的整流作用，自節點N朝向轉換器5而流通電流。開關7係如後述，在負載1A的動力運轉時，成斷開狀態，在負載1A的再生運轉時，則作成導通狀態。開關7之導通、斷開狀態係藉由轉換器控制電路16所控制。開關7係對應於「第一開關」之一實施例。
開關15係連接於二極體整流器12的直流端子及直流母線8之間。開關15的一方端子係連接於電抗器13的另一方端子，另一方端子係連接於節點N。開關15係接觸器等之機械式開關。開關15係如後述，在負載1A的動力運轉時，作成導通狀態，在負載1A的再生運轉時，則作成斷開狀態。開關15之導通、斷開狀態係藉由轉換器控制電路16所控制。開關15係對應於「第二開關」之一實施例。
電流檢測器20係檢測自交流電源1流通於轉換器5的交流電流I1，且將表示檢測值的信號傳送於轉換器控制電路16。電流檢測器21係檢測流通於負載1A的交流電流(以下，亦稱為負載電流)I2，且將表示檢測值的信號傳送於轉換器控制電路16。電流檢測器22係檢測自交流電源1流通於二極體整流器12的交流電流I3，且將表示檢測值的信號傳送至轉換器控制電路16。
電壓檢測器23係檢測交流電源1的電壓(以 下，亦稱為交流電源電壓)VAC，且將表示檢測值的信號傳送至截波器控制電路17、以及轉換器控制電路16。電壓檢測器24係在開關7設為導通狀態時，檢測直流母線8的電壓VDC，且將檢測值傳送至轉換器控制電路16。電壓檢測器25係檢測直流母線8的電壓VDC，且將表示檢測值的信號傳送至截波器控制電路17。電壓檢測器26係在開關15為導通狀態時，檢測直流母線8的電壓VDC，且將檢測值傳送至轉換器控制電路16。
轉換器控制電路16係根據電流檢測器20、21、以及電壓檢測器23、24、26的輸出信號而控制開關7、15的導通、斷開狀態、以及轉換器5。具體而言，轉換器控制電路16係根據直流母線8的電壓VDC而判定負載1A為動力運轉或再生運轉，且根據該判定結果來控制開關7、15的導通、斷開狀態、以及轉換器5。關於轉換器控制電路16的控制構成將於後述。
截波器控制電路17係根據電壓檢測器23、25的輸出信號而控制雙向截波器9。截波器控制電路17係以能使直流母線8的電壓VDC形成參考電壓VDCR的方式控制雙向截波器9，並且以能使蓄電池11的端子間電壓形成上限電壓以下的方式控制雙向截波器9。轉換器控制電路16、以及截波器控制電路17係對應於「控制裝置」之一實施例。
繼而說明有關於本實施形態1之不斷電電源裝置100的動作。首先，參考第2圖及第3圖來說明有 關於負載1A為動力運轉時的動作。
第2圖係表示自交流電源1正常供應交流電力時之電力的流動之圖。在第2圖當中，使用箭頭L1來表示電力的流動。
該情形時，不斷電電源裝置100係使開關15作成導通狀態，且電性地連接二極體整流器12及輸出端子T2。另一方面，使開關7作成斷開狀態，且電性地切離轉換器5及輸出端子T2。據此，由交流電源1所供應之交流電力係藉由二極體整流器12而變換成直流電力。由二極體整流器12所產生之直流電力係經由電抗器13及電容器14所構成之濾波器、開關15、以及直流母線8而自輸出端子T2供應至負載1A。
又，蓄電池11的端子間電壓比相當於所定的滿充電狀態的電壓更低時，則由二極體整流器12所產生之直流電力係供應至負載1A，並且藉由雙向截波器9而供應至蓄電池11。據此，蓄電池11係在被充電成預定的滿充電狀態之後，形成待機狀態。
如上述，轉換器5係能將自交流電源1所供應之交流電力變換(順變換)成直流電力之構成。因此，不斷電電源裝置100係能使用轉換器5而將直流電力供應至負載1A。但，順變換的執行中，轉換器5係因半導體轉換元件之導通、斷開狀態而產生電力損失(導通損失、轉換損失)。在轉換器5當中所發生的電力損失將導致不斷電電源裝置100之效率的降低。
相對於此，由於二極體整流器12不必進行半導體轉換元件之導通、斷開，故電力損失比轉換器5少。本實施形態1之不斷電電源裝置100係使用二極體整流器12而將直流電力供應至負載1A。據此，即可獲得較高的效率。
但，另一方面，流通於二極體整流器12的交流側之電流I3係含有多數的高諧波。由該高諧波電流及電源阻抗而產生高諧波電壓，且電壓波形失真。據此，對連接於交流電源1之另外的設備或機器，會有導致振動、損傷、錯誤動作等之影響的可能性。此外，如二極體整流器12，電容器輸入型整流器係因為交流電流的導通角度狹窄，瞬間流通大的電流，故有導致功率因素降低的可能性。
此處，二極體整流器12的動作中，藉由使開關7作成斷開狀態，則轉換器5的直流側係和直流母線8作電性地切離。本實施形態1係使轉換器5具備活性的濾波器的功能，藉此抑制高諧波，並且能改善功率因素。
具體而言，轉換器5係連接於高諧波產生負載之二極體整流器12的交流側。掌握轉換器5作為能產生任意波形的電流之電流源。轉換器控制電路16係自電流I3抽出高諧波電流，且經由轉換器5而產生所抽出時高諧波電流及反相位之高諧波補償電流，並注入於和交流電源1的連接點。據此，由於高諧波補償電流和高諧波補償電流為互相抵消，故電流I3係形成不含高諧波之正弦波。因此，能減低導致連接於交流電源1之另外的設備或機器的 影響。
第3圖係表示自交流電源1供應之交流電力發生異常時之電力的流動之圖示。在第3圖當中，使用箭頭L2表示電力的流動。
當交流電源1停電時，不斷電電源裝置100係使開關15作成斷開狀態，而電性地切離二極體整流器12及輸出端子T2。此外，使開關7作成斷開狀態，而電性地切離轉換器5及輸出端子T2。
該情形時，蓄電池11的直流電力係藉由雙向截波器9而供應至負載1A。截波器控制電路17係根據電流檢測器25的輸出信號及蓄電池11的端子間電壓而控制雙向截波器9。雙向截波器9係將蓄電池11的端子間電壓予以升壓而供應至直流母線8。截波器控制電路17係以能使直流母線8的電壓VDC形成參考電壓VDCR的方式控制雙向截波器9。
又，蓄電池11的端子間電壓形成為預定的下限電壓時，為防止蓄電池11的過放電，則停止蓄電池11的放電。
此處，當負載1A進行再生運轉時，則在負載1A產生再生電力，再生電力係自負載1A流入輸出端子T2。據此，直流母線8的電壓VDC即能上升。轉換器控制電路16係根據電壓檢測器26的輸出信號，判定負載1A為再生運轉時，就使再生電力回到交流電源1而回收再生電力。
第4圖係表示負載1A所產生的再生電力的流動之圖示。
在第4圖當中，使用箭頭L3表示再生電力的流動。
不斷電電源裝置100係使開關15作成斷開狀態，電性地切離二極體整流器12及輸出端子T2。另一方面，使開關7作成導通狀態，電性連接轉換器5及輸出端子T2。藉由開關7的整流作用，負載1A所產生的再生電力係供應至轉換器5。轉換器5係將再生電力變換成商用頻率的交流電力。據此，再生電力係回到交流電源1。轉換器控制電路16係以能使直流母線8的電壓VDC形成參考電壓VDCR的方式控制轉換器5。
如以上說明，轉換器控制電路16係當負載1A為動力運轉時，則使用轉換器5作為活性的濾波器。另一方面，當負載1A進行再生運轉時，則轉換器控制電路16係能使用轉換器5而使再生電力回到交流電源1。
第5圖係表示轉換器控制電路16的構成之電路方塊圖。參考第5圖，轉換器控制電路16係包含高諧波控制部30、電力變換控制部40、切換控制部60、以及切換電路62。
高諧波控制部30係以產生高諧波補償電流的方式而能產生用以控制轉換器5的控制信號之構成。高諧波控制部30係包含濾波器31、減法器32、36、電流控制部33、電壓控制部37、加法器34、以及PWM控制部35。
濾波器31係將藉由電流檢測器22所檢測之 交流電流I2分離成基本波電流及高諧波電流。濾波器31係將高諧波電流抽出而輸出至減法器32。亦即，濾波器31係自交流電流I2去除基本波電流。
減法器32自流通於轉換器5的交流電流I1的檢測值減掉由濾波器31所抽出的高諧波電流，並將表示減算結果△I的信號傳送至電流控制部33。
減法器36自直流母線8的電壓VDC的檢測值減掉參考電壓VDCR，並將表示減算結果VDC-VDCR的信號傳送至電壓控制部37。電壓控制部37係產生用以將VDC-VDCR作成0的電流指令值，並將該電流指令值傳送至電流控制部33。
電流控制部33根據減算結果△I及電流指令值而產生電壓指令值，並將該電壓指令值傳送至加法器34。加法器34係將電壓檢測器23所檢測之交流電壓VAC及電壓指令值予以換算而產生電壓指令值。
PWM控制部35自加法器34接受電壓指令值時，就將電壓指令值和三角波的載體信號進行比較，藉此而產生用以將轉換器5的半導體轉換元件作成導通、斷開狀態的控制信號。藉由PWM控制部35所產生的控制信號係傳送至切換電路62的第一輸入端子I。
電力變換控制部40係以能將負載1A所產生的再生電力變換成交流電力的方式產生用以控制轉換器5的控制信號之構成。電力變換控制部40係包含減法器41、43、46、48、電壓控制部47、電流控制部42、49、加 法器50、座標變換部44、51、演算器52、PLL(鎖相迴路；Phaselock loop)部53、以及PWM控制部45。
減法器46係自直流母線8的電壓VDC的檢測值減掉參考電壓VDCR，並將表示減算結果VDC-VDCR的信號傳送至電壓控制部47。電壓控制部47係產生用以將VDC-VDCR作成0的電流指令值，並將該電流指令值作成有效電流指令值(d軸電流指令值)id*而傳送至減法器48。
減法器41係傳送無效電流指令值(q軸電流指令值)iq*。若是控制作成iq*=0，使q軸電流iq=0，則由於僅流通d軸電流，故交流輸入電流能作成和交流電源電壓VAC相同相位的正弦波電流。亦即，能將不斷電電源裝置100的輸入功率因素控制為1.0。
PLL部53係檢測交流電源電壓VAC的相位θ。本實施形態係將交流電源電壓作為d軸成分而檢測。演算器52係自相位θ而算出交流電源1的角度頻率ω。
座標變換部51係藉由使用相位θ之座標變換(三相/二相變換)，將電流檢測器20所檢測出的三相交流電流I1變換成d軸電流Id及q軸電流Iq。d軸電流Id係對應於三相交流電流的有效電流，q軸電流Iq係對應於三相交流電流的無效電流。d軸電流id及q軸電流iq係分別傳送至減法器48、41。
減法器41係自q軸電流指令值iq*(例如作成0)減掉q軸電流iq，並將表示減算結果iq*-iq的信號 傳送至電流控制部42。電流控制部42係產生用以將iq*-iq作成0的q軸電壓指令值，並將該q軸電壓指令值傳送至減法器43。減法器43係自q軸電壓指令值減掉ω idL，並將減算結果作為q軸電壓指令值Vq*而傳送至座標變換部44。
減法器48係自d軸電流指令值id*減掉d軸電流id，並將表示減算結果id*-id的信號傳送至電流控制部49。電流控制部49係產生用以將id*-id作成0的電壓指令值，並將該電壓指令值傳送至加法器50。加法器50係將ω idL及交流電源電壓VAC加上d軸電壓指令值，並將加算結果作為d軸電壓指令值Vd*而傳送至座標變換部44。
座標變換部44係藉由使用相位θ之座標變換(二相/三相變換)，將d軸電壓指令值Vd*及q軸電壓指令值Vq*變換成三相電壓指令值Vu*、Vv*、Vw*。PWM控制部45自加座標變換部44接受三相電壓指令值時，就將電壓指令值和三角波的載體信號進行比較，藉此產生用以將轉換器5的半導體轉換元件作成導通、斷開狀態的控制信號。藉由PWM控制部45所產生的控制信號係傳送至切換電路62的第2輸入端子II。
切換電路62係在第1輸入端子I接受由高諧波控制部30所產生的控制信號，且在第2輸入端子II接受由電力變換控制部40所產生的控制信號。切換電路62係根據來自切換控制部60的指示，選擇此等兩個的控 制信號之中之任意一個而輸出至轉換器5。
切換控制部60係根據電壓檢測器24、26所檢測之直流母線8的電壓VDC而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。具體而言，將開關15作成導通，且將開關7作成斷開狀態時，由於電壓檢測器24的檢測值為0V，故切換控制部60係根據電壓檢測器26的檢測值來判定負載1A為動力運轉或再生運轉。另一方面，將開關7作成導通，且將開關15作成斷開狀態時，由於電壓檢測器26的檢測值為0V，故切換控制部60係根據電壓檢測器24的檢測值而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
切換控制部60係當電壓VDC為預定的上限電壓VDCH(>VDCR)以下時，判定負載1A為動力運轉。另一方面，當電壓VDC較上限電壓VDCH更高時，則切換控制部60係判定負載1A為再生運轉。
當判定負載1A為動力運轉時，切換控制部60係將開關15作成導通，且將開關7作成斷開狀態。據此，由於交流電源1和負載1A之間係電性地連接二極體整流器12，故由二極體整流器12所產生的直流電力係供應至負載1A。此時，切換控制部60係對切換電路62指示輸出由高諧波控制部30所產生的控制信號。據此，由於轉換器5係進行活性的濾波器之動作，故能改善功率因素並且能抑制包含於交流輸入電流之高諧波。
相對於此，當判定負載1A為再生運轉時，切換控制部60係將開關7作成導通的同時，且將開關15 作成斷開狀態。據此，由於交流電源1和負載1A之間係電性地連接轉換器5，故由負載1A所產生的再生電力係供應至轉換器5。此時，切換控制部60係對切換電路62指示輸出由電力變換控制部40所產生的控制信號。據此，即能藉由轉換器5而將再生電力變換成交流電力，且回到交流電源1。
第6圖係用以說明藉由第1圖所示之轉換器控制電路16執行的控制之流程圖。第6圖以後之流程圖的處理係在各固定時間或成立預定的各條件，自主要程序叫出而執行。
參考第6圖，轉換器控制電路16係在步驟S01中，根據電壓檢測器24、26的輸出信號而取得直流母線8的電壓VDC。轉換器控制電路16係在步驟S02中，根據電壓VDC而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
VDC≦VDCH時(S02：YES)，轉換器控制電路16係判定負載1A為動力運轉。該情形時，轉換器控制電路16係在步驟S03中，將開關15作成斷開狀態的同時，在步驟S04中，將開關7作成斷開狀態。
在步驟S05中，自交流電源1供應之交流電力係藉由二極體整流器12而變換成直流電力。轉換器控制電路16係在步驟S06中，對切換電路62(第5圖)指示輸出由高諧波控制部30所產生的控制信號。據此，在步驟S07中，由二極體整流器12所產生的直流電力係供應至負載1A。二極體整流器12的交流側係藉由轉換器5而抑制高 諧波並且改善功率因素。
相對於此，VDC>VDCH時(S02：NO)，轉換器控制電路16係判定負載1A為再生運轉。該情形時，轉換器控制電路16係在步驟S08中，將開關7作成導通狀態的同時，在步驟S09中，將開關15作成斷開狀態。
轉換器控制電路16係在步驟S10中，對切換電路62指示輸出由電力變換控制部40所產生的控制信號。其結果，在步驟S11中，負載1A所產生的再生電力係藉由轉換器5而變換成交流電力，且回到交流電源1。
如以上所說明，根據本實施形態1的不斷電電源裝置，即能實施高諧波對策，且能以高效率而將直流電力供應於負載，不斷電電源裝置亦能以交流電源回收負載所產生的再生電力。
[實施形態2]
第7圖係表示本發明之實施形態2的不斷電電源裝置102的構成之電路方塊圖。參考第7圖，實施形態2的不斷電電源裝置102係相對於第1圖所示之實施形態1的不斷電電源裝置100，其不同點為不具備電壓檢測器26。
實施形態2的不斷電電源裝置102中，轉換器控制電路16係根據電流檢測器21的檢測值而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
具體而言，轉換器控制電路16係在自電流檢測器21的檢測值取得之負載電流12為正值時(亦即負載電流I2為流入負載1A時)，則判定負載1A為動力運轉。 另一方面，負載電流I2為負值時(亦即負載電流I2為自負載1A流出時)，則判定負載1A為再生運轉。轉換器控制電路16係根據判定結果而控制開關7、15的導通、斷開狀態、以及轉換器5。
第8圖係用以說明藉由第7圖所示之轉換器控制電路16而執行的控制之流程圖。第8圖所示之流程圖係將第6圖所示之流程圖的步驟S01、S02之處理轉換成步驟S011、S021之處理。
參考第8圖，轉換器控制電路16係在步驟S011中，根據電流檢測器21的檢測值而取得負載電流I2。轉換器控制電路16係在步驟S021中，根據負載電流I2而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
I2≧0時(S021：YES)，轉換器控制電路16係判定負載1A為動力運轉。該情形時，轉換器控制電路16係執行和第6圖相同的步驟S03~S07之處理，使用二極體整流器12而將直流電力供應至負載1A並且使用轉換器5來抑制包含於交流輸入電流之高諧波的同時，亦改善功率因素。
相對於此，I2<0時(S021：NO)，轉換器控制電路16係判定負載1A為再生運轉。該情形時，轉換器控制電路16係執行和第6圖相同的步驟S08~S11之處理，藉此使用轉換器5將負載1A所產生的再生電力回到交流電源1。
如以上所說明，根據本實施形態2的不斷電 電源裝置，即能獲得和實施形態1之不斷電電源裝置相同的功效。
[實施形態3]
第9圖係表示本發明之實施形態3的不斷電電源裝置104的構成之電路方塊圖。參考第9圖，實施形態3的不斷電電源裝置104係對第1圖所示之實施形態1的不斷電電源裝置100，追加了開關18。
開關18係和半導體開關之開關7並聯地連接。開關18係例如接觸器等之機械式開關。開關18之導通、斷開狀態係藉由轉換器控制電路16所控制。開關7、18之並聯電路係對應於「第一開關」之一實施例。
實施形態3的不斷電電源裝置104中，負載1A為動力運轉時，則使開關15作成導通狀態，電性地連接二極體整流器12及輸出端子T2。另一方面，使開關7、18均作成斷開狀態，電性切離轉換器5及輸出端子T2。
負載1A自動力運轉切換成再生運轉時，轉換器控制電路16係使開關7作成導通狀態，另一方面，使開關15作成斷開狀態。據此，轉換器5及輸出端子T2係經由開關7而電性連接。
轉換器控制電路16係具有量測負載1A為再生運轉的時間(以下，亦稱為再生運轉時間)的計時器。轉換器控制電路16係在負載1A切換成再生運轉的時點起動計時器，開始再生運轉時間的量測。負載1A自再生運轉切換成動力運轉時，轉換器控制電路16係將計時器的計 數值CNT設定為初始值(CNT=0)。
當計時器的計數值CNT達到設定值時，亦即再生運轉時間達到設定時間時，轉換器控制電路16進而使開關18作成導通狀態，另一方面，使開關7作成斷開狀態。藉由將開關7作成斷開狀態，再生電力即能經由開關18而供應至轉換器5。
半導體開關係大電流通電時則產生大的損失。另一方面，機械式開關係幾乎不會產生通電的損失。因此，開關7(半導體開關)相較於開關18(機械式開關)，可能無瞬斷切換之反面，具有因通電而產生大的損失之不妥當情況。因此，再生運轉中，持續將開關7作成導通狀態時，則因為損失而有使開關7受損傷之可能性。又，為了防止開關7的損傷，則必需用以將開關7予以冷卻的裝置(冷卻風扇、冷卻散熱片等)而有裝置大型化之可能性。
因此，轉換器控制電路16係當負載1A自動力運轉切換為再生運轉時，最初為將開關7作成導通狀態。據此，即能無瞬間斷電地自二極體整流器12的供電切換為轉換器5的電力回收。此外，再生運轉超過設定時間而繼續時，轉換器控制電路16為了保護開關7而將開關7作成斷開狀態，且移轉於使用開關18的電力回收。又，設定時間(設定值CNT)係根據再生運轉中流通於開關7之電流的大小、開關7之容許電流等而設定。
第10圖係用以說明藉由第9圖所示之轉換器控制電路16執行的控制之流程圖。第10圖所示之流程 圖係對第6圖所示之流程圖，追加了步驟S022~S024、S041、S081~S083之處理。
參考第10圖，轉換器控制電路16係在步驟S01中，根據電壓檢測器24、26的輸出信號而取得直流母線8的電壓VDC。轉換器控制電路16係在步驟S02中，根據電壓VDC而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
VDC≦VDCH時(S02：YES)，轉換器控制電路16係判定負載1A為動力運轉。該情形時，轉換器控制電路16係在步驟S022中，將計時器的計數值CNT設定為初始值「0」。
轉換器控制電路16係繼而在步驟S03中，將開關15作成導通狀態的同時，在步驟S041中，將開關7、18作成斷開狀態。其結果，在步驟S05中，自交流電源1供應之交流電力係藉由二極體整流器12而變換成直流電力。
轉換器控制電路16係在步驟S06中，對切換電路62(第5圖)指示輸出由高諧波控制部30所產生的控制信號。據此，在步驟S07中，由二極體整流器12所產生的直流電力係供應至負載1A。
相對於此，VDC>VDCH時(S02：NO)，轉換器控制電路16係判定負載1A為再生運轉。該情形時，轉換器控制電路16係在步驟S023中，將計時器的計數值CNT予以遞加(加算「1」)。
轉換器控制電路16係在步驟S024中，判定 計時器的計數值CNT是否達到設定值CTH。計數值CNT小於設定值CTH時(S024：YES)，轉換器控制電路16係判定再生運轉時間未達到設定時間。轉換器控制電路16係在步驟S08中，將開關7、18作成導通狀態，並且在步驟S09中，將開關15作成斷開狀態。
另一方面，在步驟S04中，計時器的計數值CNT為設定值CTH以上時(S024：NO)，轉換器控制電路16係判定再生運轉時間已達到設定時間。轉換器控制電路16係在步驟S082中，將開關18作成導通狀態並且在步驟S083中，將開關7、15作成斷開狀態。
轉換器控制電路16係在步驟S10中，對切換電路62指示輸出由電力變換控制部40所產生的控制信號。其結果，在步驟S11中，負載1A所產生的再生電力係藉由轉換器5而變換成交流電力，且回到交流電源1。
如以上所說明，根據本實施形態3的不斷電電源裝置，即能獲得和實施形態1的不斷電電源裝置相同的功效。此外，由於能保護用以無瞬間斷電地自二極體整流器的供電切換為轉換器的電力回收之半導體開關，故能提升不斷電電源裝置的可靠性。
[實施形態4]
第11圖係表示本發明之實施形態4的不斷電電源裝置106的構成之電路方塊圖。參考第11圖，實施形態4的不斷電電源裝置106係對第1圖所示之實施形態1的不斷電電源裝置100，不同點為開關7係置換成開關18、19的並 聯電路。
開關19係具有兩個閘流體開關之半導體開關。兩個閘流體開關係反並聯地連接。開關18係並聯地連接於開關19。開關18係例如接觸器等之機械式開關。開關18、19之並聯電路係對應於「第一開關」之一實施例。
負載1A的動力運轉中，當二極體整流器12發生異常時，則遮斷往負載1A的電力供應。實施形態4的不斷電電源裝置106係當檢測出二極體整流器12的異常情形時，則自二極體整流器12的供電切換成由轉換器5的供電之構成。
第12圖係表示當二極體整流器12發生異常時之電力的流動之圖示。在第12圖當中，使用箭頭L4而表示電力的流動。
參考第12圖，轉換器控制電路16係根據負載1A的動力運轉中，電流檢測器22及電壓檢測器26的至少一方之輸出信號而判定二極體整流器12是否為正常。例如，流通於交流電源1及二極體整流器12之間的電流I3為超過預定的上限電流時，轉換器控制電路16係判定二極體整流器12為發生異常情形。
負載1A的動力運轉中，當二極體整流器12發生異常時，則轉換器控制電路16係將開關18、19作成導通狀態，並且將開關15作成斷開狀態。據此，交流電源1及輸出端子T2之間係電性連接著轉換器5，以取代二極體整流器12。開關19係在最初作成導通狀態而開始由轉 換器5的供電，此後，將開關18作成導通狀態，將開關15作成斷開狀態而完成切換。
轉換器控制電路16係以能將自交流電源1供應的交流電力變換成直流電力的方式控制轉換器5。轉換器控制電路16係以能使直流母線8的電壓VDC形成參考電壓VDCR的方式控制轉換器5。其結果，如第12圖所示，由轉換器5所產生的直流電力係供應電力至負載1A。使用轉換器5而供電於負載1A時，和使用二極體整流器12而供電於負載1A之情形不同，可將直流母線8的電壓VDC控制為任意的電壓。因此，能將參考電壓VDCR設定為較二極體整流器12所輸出的直流電壓更高的電壓。例如，交流電源1的輸出交流電壓為400V時，則二極體整流器12的輸出直流電壓係形成566V。該情形時，能將參考電壓VDCR設定為較566V更高的電壓，例如700V。
第13圖係用以說明藉由第11圖所示之轉換器控制電路16而執行的控制之流程圖。第13圖所示之流程圖係對第6圖所示之流程圖，追加了步驟S022~S028、S042、S081、S082、S084、S085之處理。
參考第13圖，轉換器控制電路16係在步驟S01中，取得直流母線8的電壓VDC時，就在步驟S02中，根據電壓VDC而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
VDC≦VDCH時(S02：YES)，轉換器控制電路16係判定負載1A為動力運轉。該情形時，轉換器控制電路16係在步驟S022中，將計時器的計數值CNT設定為 初始值「0」。
轉換器控制電路16係繼而在步驟S025中，根據電流檢測器22及電壓檢測器26之至少一方的輸出信號而判定二極體整流器12是否為正常。判定二極體整流器12為正常時(S025：YES)，則轉換器控制電路16係在步驟S03中，將開關15作成導通狀態，並且在步驟S042中，將開關18、19作成斷開狀態。
將開關15作成導通狀態時，在步驟S05中，二極體整流器12就將自交流電源1供應的交流電力變換成直流電力。轉換器控制電路16係在步驟S06中，對切換電路62(第5圖)指示輸出由高諧波控制部30所產生的控制信號。其結果，在步驟S07中，由二極體整流器12所產生的直流電力係供應至負載1A。此時，二極體整流器12的交流側係藉由轉換器5而抑制高諧波的同時，亦改善功率因素。
在步驟S025中，判定二極體整流器12發生異常時(S025：NO)，則轉換器控制電路16係在步驟S026中，將開關18、19作成導通狀態，並且在步驟S027中，將開關15作成斷開狀態。轉換器控制電路16係進而在步驟S028中，以能將自交流電源1供應之交流電力變換(順變換)成直流電力的方式控制轉換器5。據此，在步驟S07中，由轉換器5所產生之直流電力係供應至負載1A。
另一方面，VDC>VDCH時(S02：NO)，轉換器控制電路16係判定負載1A為再生運轉。該情形時， 轉換器控制電路16係在步驟S023中，將計時器的計數值CNT予以遞加(加算「1」)。
轉換器控制電路16係在步驟S024中，判定計時器的計數值CNT是否達到設定值CTH。計數值CNT小於設定值CTH時(S024：YES)，轉換器控制電路16係判定再生運轉時間未達到設定時間。轉換器控制電路16係在步驟S084中，將開關19作成導通狀態，並且在步驟S081中，將開關18作成斷開狀態。
另一方面，在步驟S024中，計時器的計數值CNT為設定值CTH以上時(S024：NO)，轉換器控制電路16係判定再生運轉時間已達到設定時間。轉換器控制電路16係在步驟S082中，將開關18作成導通狀態，並且在步驟S085中，將開關15、19作成斷開狀態。
轉換器控制電路16係在步驟S10中，對切換電路62指示輸出由電力變換控制部40所產生的控制信號。其結果，在步驟S11中，負載1A所產生的再生電力係藉由轉換器5而變換成交流電力，且回到交流電源1。
如以上所說明，根據本實施形態4的不斷電電源裝置，即能獲得和實施形態1的不斷電電源裝置相同的功效。此外，即使二極體整流器為發生異常之情形，亦能使用轉換器而將直流電力供應至負載1A。此外，由於能保護用以無瞬間斷電地自二極體整流器的供電切換為轉換器的電力回收之半導體開關，故能提升不斷電電源裝置的可靠性。
又，本實施形態雖係說明當二極體整流器12為產生異常之情形時，將開關18、19作成導通狀態，且將轉換器5所產生的直流電力供應於負載1A之構成，但是，負載1A之動力運轉超過設定時間而繼續時，為了保護開關19而將開關19作成斷開狀態，且移轉成使用開關18的供電。設定時間係可根據動力運轉中流通於開關19之電流的大小、開關19之容許電流等而設定。
[實施形態5]
第14圖係表示本發明之實施形態5的不斷電電源裝置108的構成之電路方塊圖。參考第14圖，實施形態5的不斷電電源裝置108係相對於第1圖所示之實施形態1的不斷電電源裝置100，不同點為將開關7置換為開關27。
開關27係例如接觸器等之機械式開關。開關27係對應於「第一開關」之一實施例。負載1A的動力運轉中，當二極體整流器12發生異常時，轉換器控制電路16係將開關27作成導通狀態，並且將開關15作成斷開狀態。據此，交流電源1及輸出端子T2之間係電性地連接著轉換器5，以取代二極體整流器12。
此外，來自二極體整流器12的供電中，當負載1A為自動力運轉切換成再生運轉時，轉換器控制電路16係將開關27作成導通狀態，並且將開關15作成斷開狀態。
本實施形態5的不斷電電源裝置108，由於開關15、27均為機械式開關，故能減低開關所產生的損 失。另一方面，有難以無瞬間斷電地切換二極體整流器12的供電及轉換器5的供電之可能性。自二極體整流器12的供電切換為轉換器5的電力再生亦相同。本實施形態5的不斷電電源裝置108係適用於對切換時容許停止之負載。
第15圖係用以說明藉由第14圖所示之轉換器控制電路16而執行的控制之流程圖。第15圖所示之流程圖係對第6圖所示之流程圖，追加了步驟S025、S027~S029之處理，並且分別將步驟S04、S08轉換為S043、S086。
參考第15圖，轉換器控制電路16係在步驟S01中，取得直流母線8的電壓VDC時，在步驟S02中，根據電壓VDC而判定負載1A為動力運轉或再生運轉。
VDC≦VDCH時(S02：YES)，轉換器控制電路16係判定負載1A為動力運轉。轉換器控制電路16係繼而在步驟S025中，根據電流檢測器22及電壓檢測器26之至少一方的輸出信號而判定二極體整流器12是否為正常。
判定二極體整流器12為正常時(S025：YES)，則轉換器控制電路16係在步驟S03中，將開關15作成導通狀態，並且在步驟S043中，將開關27作成斷開狀態。
將開關15作成導通狀態時，二極體整流器12係在步驟S05中，將自交流電源1供應的交流電力變換 成直流電力。轉換器控制電路16係在步驟S06中，對切換電路62(第5圖)指示輸出由高諧波控制部30所產生的控制信號。其結果，在步驟S07中，由二極體整流器12所產生的直流電力係供應於負載1A。此時，二極體整流器12的交流側係藉由轉換器5而抑制高諧波的同時，亦改善功率因素。
在步驟S025中，判定二極體整流器12為產生異常時(S025：NO)，則轉換器控制電路16係在步驟S029中，將開關27作成導通狀態的同時，在步驟S027中，將開關15作成斷開狀態。轉換器控制電路16係進而在步驟S028中，以能將自交流電源1供應之交流電力變換成直流電力的方式控制轉換器5。據此，在步驟S07中，由轉換器5所產生之直流電力係供應至負載1A。
另一方面，VDC>VDCH時(S02：NO)，轉換器控制電路16係判定負載1A為再生運轉。該情形時，轉換器控制電路16係在步驟S086中，將開關27作成導通狀態的同時，在步驟S09中，將開關15作成斷開狀態。
轉換器控制電路16係在步驟S10中，對切換電路62指示輸出由電力變換控制部40所產生的控制信號。其結果，在步驟S11中，負載1A所產生的再生電力係藉由轉換器5而變換成交流電力，且回到交流電源1。
如以上所說明，根據本實施形態5的不斷電電源裝置，即能獲得和實施形態1的不斷電電源裝置相同的功效。此外，由於即使二極體整流器12為發生異常之情 形，亦能使用轉換器而將直流電力供應至負載，故能提升不斷電電源裝置的可靠性。
本次揭示之實施形態的例示，並不僅限定於上述內容。本發明之範圍係藉由申請專利範圍而表示，亦包含和該申請專利範圍均等之意義、以及範圍內之全部的變更。

Claims (12)

  1. 一種不斷電電源裝置，係用以將直流電力供應至負載者，具備：直流母線，連接於前述負載；轉換器(converter)，連接於交流電源及前述直流母線之間；二極體整流器，和前述轉換器並聯地連接於前述交流電源及前述直流母線之間；DC/DC轉換器，以在儲存直流電力的電力儲存裝置及前述直流母線之間，執行直流電壓變換的方式所構成；第一開關，電性連接於前述轉換器及前述直流母線之間；第二開關，電性連接於前述二極體整流器及前述直流母線之間；以及控制裝置，以控制前述轉換器、前述DC/DC轉換器、前述第一及第二開關的方式所構成，前述控制裝置係當前述負載為動力運轉時，將前述第二開關作成導通狀態，而自前述二極體整流器將直流電力供應於前述負載，並且將前述第一開關作成斷開狀態，以抑制包含於自前述交流電源流通於前述二極體整流器的交流電流之高諧波電流之方式控制前述轉換器，前述負載為再生運轉時，則將前述第二開關作成 斷開狀態，並且將前述第一開關作成導通狀態，且以將前述負載所產生之再生電力變換成交流電力之方式控制前述轉換器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源裝置，其中當交流電力未正常自前述交流電源供應時，前述控制裝置即將前述第一及前述第二開關作成斷開狀態，且以將前述儲存電力裝置之直流電力供應至前述直流母線之方式控制前述DC/DC轉換器。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之不斷電電源裝置，其該裝置更具備電壓檢測器，該電壓檢測器係以檢測前述直流母線的電壓的方式所構成，前述控制裝置係根據前述電壓檢測器的檢測值，判定前述負載為動力運轉或再生運轉。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之不斷電電源裝置，該裝置更具備電流檢測器，該電壓檢測器係以檢測流通於前述負載的電流之方式所構成，前述控制裝置係根據前述電流檢測器的檢測值，判定前述負載為動力運轉或再生運轉。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之不斷電電源裝置，其中前述控制裝置係包含：第一控制部，係以產生用以自前述轉換器輸出和前述高諧波電流反相位之補償電流之第一控制信號的方式所構成；第二控制部，係以產生用以使前述直流母線的電 壓和參考電壓成為一致之第二控制信號的方式所構成；第三控制部，係根據前述負載為動力運轉或再生運轉的判定結果，將前述第一及第二開關作成導通、斷開(on-off)狀態，並且以切換前述第一及第二控制信號而輸出至前述轉換器的方式所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源裝置，其中前述第一開關係包含半導體開關，該半導體開關係在導通狀態中，以將電流自前述直流母線流通至前述轉換器的方式所構成。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之不斷電電源裝置，其中前述第一開關更包含並聯地連接於前述半導體開關之機械式開關。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之不斷電電源裝置，其中前述控制裝置係在前述負載為自動力運轉切換成再生運轉時，將前述半導體開關作成導通狀態，且該再生運轉持續設定時間以上時，則將前述機械式開關作成導通狀態，並且將前述半導體開關作成斷開狀態。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源裝置，其中前述第一開關係具有：半導體開關，該半導體開關係具有反並聯地連接之兩個的半導體元件；以及機械式開關，該機械式開關係並聯地連接於前述半導體開關。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之不斷電電源裝置，其中前述負載為動力運轉當中，前述二極體整流器為異常 情形時，前述控制裝置係將前述半導體開關及前述機械式開關作成導通狀態，並且將前述第二開關作成斷開狀態，且以將由前述交流電源供應的交流電力變換成直流電力之方式控制前述轉換器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源裝置，其中前述第一開關為機械式開關。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之不斷電電源裝置，其中前述直流負載為動力運轉當中，前述二極體整流器為異常情形時，前述控制裝置係將前述機械式開關作成導通狀態，並且將前述第二開關作成斷開狀態，且以將由前述交流電源供應的交流電力變換成直流電力之方式控制前述轉換器。
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