(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統の短時間の電圧低下、電源断による影響を回避するためのフライホイール式無停電電源装置であって、該無停電電源装置は、
前記電源系統より供給される電力の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有するかご型誘導電動機と、
前記かご型誘導電動機の回転軸に結合され、前記かご型誘導電動機の電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイールと、
前記かご型誘導電動機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、
前記電力系統から前記負荷への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行う逆流防止スイッチと、
前記かご型誘導電動機と前記電力系統との接続のＯＮ／ＯＦＦを行う再接続スイッチと、
前記電圧検出器の電圧を監視し、所定の電圧になったときに前記逆流防止スイッチ及び再接続スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御手段と、
を備えるとともに、
前記制御手段は、前記電圧が瞬間的に低下し所定の電圧以下となった時に、前記逆流防止スイッチをＯＦＦにすると同時に、既にＯＮになっている前記再接続スイッチを通して前記負荷に対して発電した電力を供給し、前記電圧が復帰して所定の電圧を超えた時に前記逆流防止スイッチをＯＮにすると同時に前記再接続スイッチをＯＦＦにし、その後、前記電力系統が安定した後に位相を合わせて前記再接続スイッチをＯＮに切り換えるように制御することを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
電力系統の短時間の電圧低下、電源断による影響を回避するためのフライホイール式無停電電源装置であって、該無停電電源装置は、
前記電源系統より供給される電力の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力系統から周波数変換器を介して電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有するかご型誘導電動機と、
前記かご型誘導電動機の回転軸に結合され、前記かご型誘導電動機の電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイールと、
前記かご型誘導電動機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、
前記電力系統から前記負荷への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行う逆流防止スイッチと、
前記かご型誘導電動機で発電された電力の前記負荷への供給のＯＮ／ＯＦＦを行うバイパススイッチと、
前記電圧検出器の電圧を監視し、所定の電圧になったときに前記逆流防止スイッチ及びバイパススイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御手段と、
を備えるとともに、
前記周波数変換器は、前記電力系統の周波数よりも高い周波数の電力を前記かご型誘導電動機に供給し、
前記制御手段は、前記電圧が瞬間的に低下し所定の電圧以下となった時に、前記逆流防止スイッチをＯＦＦにすると同時に前記バイパススイッチをＯＮにして前記負荷に対して発電した電力を供給し、前記電圧が復帰して所定の電圧を超えた時に前記逆流防止スイッチをＯＮにすると同時に前記バイパススイッチをＯＦＦに切り換えるように制御することを特徴とする無停電電源装置。
【請求項３】
前記フライホイールと前記かご型誘導電動機の回転軸を、変速機を介して結合し、フライホイールの回転速度の変化に拘わらず、前記変速機により前記かご型誘導電動機の回転速度が一定になるように前記制御手段が制御することを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置に関し、より詳しくは、フライホイール式無停電電源装置において、発電電動機をかご型誘導電動機にて構成し、低コスト及び小型化を実現した無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統において、送電線への落雷など自然現象による地絡障害を回避するために、送電線の切り換えと、線路を短時間の無電圧状態にすることで気中アークを消弧する、いわゆる高速度再閉路方式は、電力の安定供給に不可欠であり、多くの電力系で使われている。地絡障害があると、数サイクルから数十サイクルの間の電圧低下、もしくは電源断が生じることがあり、これを回避するための無停電電源装置は、計算機や産業用ロボットを使用する高度情報社会と、計算機制御された生産現場では不可欠である。
【０００３】
従来の無停電電源装置はバッテリーなどのエネルギー貯蔵設備を持ち、停電時の電圧の安定と周波数の維持を同時に行う装置であるが、コストが高く、高調波障害とサイズが大きいのが欠点である。
【０００４】
我が国の場合、長時間の停電よりも短時間の停電や瞬低の頻度が大きい。これに対処するために、バッテリー式のバックアップ電源のような無停電電源を用いた場合、急速放電はバッテリー寿命を著しく短くする問題があり、最終廃棄時の環境問題などライフサイクルコストが大きいという欠点があった。
【０００５】
このような従来のバッテリー式の無停電電源装置に代わるものとして、近年、フライホイール式の無停電電源装置が注目されるようになってきた。
【０００６】
ここに、フライホイール式無停電電源装置とは、電気エネルギーをフライホイール（はずみ車）に機械エネルギーとして変換・貯蔵し、電圧の瞬時低下（瞬低）や停電などの電源異常時に、貯蔵された機械エネルギーを放出し電気エネルギーに変換して電源に電力を無停電・無瞬断で供給する装置のことである。
【０００７】
従来のフライホイール型無停電電源装置に使用されている発電電動機は、シャフトにかかる負荷状態にかかわらず回転数が変化しない同期式のものを使用しており、誘導式のものに比べて構造が複雑であり、コストも高かった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２３７５４４号公報
【０００９】
【非特許文献１】
「瞬時電圧低下対策」、電気共同研究、１９９０年７月、第４６巻、第３号
【００１０】
【非特許文献２】
「瞬時電圧低下・高調波の抑制」、電気評論、１９９８年、Ｎｏ．９
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、近年の無停電電源を要求する負荷の多くは、自身の電源調整機能を持っており、電圧や周波数の精度についてそれほど厳しい要求はされず、電源の瞬低、短時間の停電に対してエネルギーの供給だけができれば良くなっている。
【００１２】
すなわち、電源の短時間の停電と電圧の瞬時低下（瞬低）は、高密度化された計算機も含む電子回路において電力貯蔵部分のサイズ縮小から直流電圧の低下をもたらし、その結果、致命的な運転障害を起こす可能性があるが、多少の電圧の変化に対しては回路内で安定化機能が補償し、周波数にも無関係である場合が多い。
【００１３】
そこで、周波数は安定化させずに、電圧のみを負荷が許容する範囲に維持するだけの機能を持つ、小型、シンプルな、低価格の無停電電源装置があれば、システムがシンプルになり信頼性が向上する。
【００１４】
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、本発明は、我が国の配電系統でその頻度の多い0．3秒程度以下の短時間の停電や電圧の瞬時低下に対して、効果的な手段で負荷の運転に支障がないようにする、構造が簡単で小型、低コストの無停電電源装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、構造が簡単で小型化、低コスト化が可能なフライホイール式無停電電源装置に関し、本発明の上記目的は、電源系統より供給される電力の電圧を検出する電圧検出器と、前記電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有するかご型誘導電動機と、前記かご型誘導電動機の回転軸に結合され、前記かご型誘導電動機の電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイールと、前記かご型誘導電動機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、前記電力系統から前記負荷への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行う逆流防止スイッチと、前記かご型誘導電動機と前記電力系統との接続のＯＮ／ＯＦＦを行う再接続スイッチと、前記電圧検出器の電圧を監視し、所定の電圧になったときに前記逆流防止スイッチ及び再接続スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御手段と、を備えるとともに、
前記制御手段は、前記電圧が瞬間的に低下し所定の電圧以下となった時に、前記逆流防止スイッチをＯＦＦにすると同時に既にＯＮになっている前記再接続スイッチを通して前記負荷に対して発電した電力を供給し、前記電圧が復帰して所定の電圧を超えた時に前記逆流防止スイッチをＯＮにすると同時に前記再接続スイッチをＯＦＦにし、その後、前記電力系統が安定した後に位相を合わせて前記再接続スイッチをＯＮに切り換えるように制御することを特徴とする無停電電源装置により達成される。
【００１６】
また、本発明の上記目的は、前記電源系統より供給される電力の電圧を検出する電圧検出器と、前記電力系統から周波数変換器を介して電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有するかご型誘導電動機と、前記かご型誘導電動機の回転軸に結合され、前記かご型誘導電動機の電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイールと、前記かご型誘導電動機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、前記電力系統から前記負荷への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行う逆流防止スイッチと、前記かご型誘導電動機で発電された電力の前記負荷への供給のＯＮ／ＯＦＦを行うバイパススイッチと、前記電圧検出器の電圧を監視し、所定の電圧になったときに前記逆流防止スイッチ及びバイパススイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御手段と、を備えるとともに、
前記周波数変換器は、前記電力系統の周波数よりも高い周波数の電力を前記かご型誘導電動機に供給し、前記制御手段は、前記電圧が瞬間的に低下し所定の電圧以下となった時に、前記逆流防止スイッチをＯＦＦにすると同時に前記バイパススイッチをＯＮにして前記負荷に対して発電した電力を供給し、前記電圧が復帰して所定の電圧を超えた時に前記逆流防止スイッチをＯＮにすると同時に前記バイパススイッチをＯＦＦに切り換えるように制御することを特徴とする無停電電源装置によって効果的に達成される。
これは、電圧異常時にフライホイールの回転エネルギーを利用して発電を行うと、フライホイールの回転数が徐々に低下するが、低下しても負荷の動作許容範囲内に収まるように、待機時の周波数を定常時よりも高くしておくためである。
【００１７】
さらに、本発明の上記目的は、前記フライホイールとかご型誘導電動機の回転軸を、変速機を介して結合し、フライホイールの回転速度の変化に拘わらず、前記変速機により前記かご型誘導電動機の回転速度が一定になるように前記制御手段が制御することを特徴とする無停電電源装置によって、より効果的に達成される。これは、電圧異常時にフライホイールの回転エネルギーを利用して発電を行うと、フライホイールの回転数が徐々に低下するが、回転数が低下しても、かご型誘導電動機に伝えられる回転数が一定となるようにして、負荷に供給される電力の周波数を一定に保つためである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、フライホイール効果を十分に持たせたかご型誘導電動機を回転させて待機し、電源系統の停電・瞬低時に回転蓄積エネルギーを持つ誘導電動機が自動的に発電機運転になることを利用して負荷への電圧を確保、電源が復帰するのを待って系統に再接続するフライホイール式無停電電源装置の簡易版に関するものである。
【００２０】
ｋＷ当たりコストが最も安い電動機はかご型誘導電動機である。およそ、価格はｋＷあたり約１万円と量産効果により安定している。誘導電動機の発電機動作は、並列にコンデンサを接続することで電圧が発生する。図５は3.7ｋＷのかご型誘導電動機に250μＦのコンデンサをスター結線で接続して回転させた場合の回転周波数と発電電圧の実測値をグラフにしたものである。50Ｈｚで回転させると約200Ｖの電圧が発生する。
【００２１】
待機時間におけるフライホイール回転体の損失は、その大きな部分が空気との摩擦である風損であるが、この風損低減のためには、ヘリウムガスと置換して摩擦損を減少させる方法の電気機器冷却ガスを適用することで改善できる（特開2000−358344号参照）。
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例を示すものである。本発明に係るフライホイール式無停電電源装置は、電源系統より供給される電力の電圧を検出する電圧検出器１０と、前記電圧検出器１０で検出された電圧が予め定めた値よりも低い場合に、負荷（前記電力を消費する器具等。例えばコンピュータ等。）１１への電力供給を遮断する逆流防止スイッチＳＷ１と、後述のかご型誘導電動機と系統との接続のオンオフを行う再接続スイッチＳＷ２と、系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有するかご型誘導電動機（以下、単に「電動機」という。）１２と、前記電動機１２の電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイール１３と、前記電動機１２と並列に接続される電圧発生用コンデンサ１４と、前記電圧検出器１０の電圧を監視し、所定の電圧になったときに前記スイッチＳＷ１及びＳＷ２のＯＮ−ＯＦＦの切り換えを制御する制御手段１５とを含んで構成されている。ＳＷ１及びＳＷ２は連動する高速ＡＣスイッチであり、そのＯＮ−ＯＦＦの状態は図１の表の通りである。なお、再接続時にＳＷ２をＯＦＦにするのは、電動機１２へのラッシュ電流により負荷１１への供給電流が不足し、負荷１１が誤動作しないようにするためであり、系統が安定した後、位相を合わせてＳＷ２をＯＮにする。制御手段１５としては、例えば汎用パーソナルコンピュータを利用してもよいし、また、専用の制御回路基板を設けてもよい。
【００２４】
以上の構成において、本発明に係るフライホイール式無停電電源装置の動作について説明する。
【００２５】
送電線への落雷等による地絡障害によって停電や瞬低が発生した場合、電圧検出器１０で検出される電圧が所定の値よりも低くなるので、制御手段１５がＳＷ１をＯＦＦにすると、電動機１２は自動的に発電機として作動し、フライホイール１３に蓄えられている機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、ＳＷ２（ＯＮになっている）を介して負荷１１に電力を供給する。系統の電庄が復帰した場合、すみやかにＳＷ１を再接続（ＯＮ）するが、同時に、発電機１２へのラッシュ電流による負荷１１の誤動作を考慮しＳＷ２をＯＦＦにし、負荷１１への電力供給が安定した後、位相を合わせてＳＷ２をＯＮにする。ここで発電機は電動機になって、回転数がもとにもどる。
【００２６】
図２は本発明の第２実施例を示すものである。図２に示す無停電電源装置は、図１の無停電電源装置のＳＷ２に並列にインバータ（周波数変換器）１６を挿入した構成となっている。他は図１と同じであるので説明は省略する。ただし、図２におけるＳＷ２は図１のような再接続スイッチとして機能するのではなく、電圧異常時においてバイパススイッチとして働くものである。そのＯＮ−ＯＦＦの状態は図２の表の通りであり、通常時においてＳＷ２がＯＦＦになっている点が図１とは異なる。
【００２７】
インバータ１６は系統から供給される電力の周波数を上げるために設けられたものであり、電動機１２は、常時、インバータ１６から例えば65Ｈｚのように系統の周波数（50Ｈｚ）より高い周波数の電力の供給を受けて駆動されている。このインバータ１６の容量は回転数をその周波数に維持するだけの電力容量があれば良い。インバータ１６を設けたのは、電圧異常時にフライホイール１３の機械エネルギーを電動機１２で電気エネルギーに変換して発電を行うと、フライホイールの回転数が徐々に低下し、出力周波数が低下するが、低下しても負荷の動作許容範囲内に収まるように、待機時の周波数を定常時よりも高くしておくためである。
【００２８】
電源系統の異常時、ＳＷ１がＯＦＦになると同時にバイパススイッチＳＷ２が高速にＯＮして、電動機１２が発電機として作用し、並列コンデンサ１４に電圧が発生して、この電圧と電力がバイパススイッチＳＷ２を介して負荷１１に供給される。ただしこの場合、出力周波数は65Ｈｚ付近から、電力の放出とともに回転スピードが低下し、70％まで低下し45Ｈｚになるところで、エネルギーの半分を放出する。
【００２９】
図３は本発明の第３実施例を示すものである。図３に示す無停電電源装置は、図１の無停電電源装置のフライホイール１３と電動機１２の回転軸を変速機１７を介して結合した構造としたものであり、フライホイール１３の回転速度の変化に拘わらず、前記変速機１７により前記電動機１２の回転速度が一定になるようにしたものである。他は図１と同じであるので説明は省略する。
【００３０】
これは、電圧異常時にフライホイール１３の機械エネルギーを利用して発電を行うと、フライホイール１３の回転数が徐々に低下するが、回転数が低下しても、電動機１２に伝えられる回転数が一定となるように変速機１７を制御手段１５により制御して、負荷に供給される電力の周波数を一定に保つためである。なお、変速機１７としては、トロイダル式のＣＶＴ（無段変速機）が使用可能である。
【００３１】
この場合も、図２と同様にフライホイールに蓄積されているエネルギーの半分程度を放出できるため、フライホイールが小型化できる利点がある。
【００３２】
図４は、本発明の第４実施例を示すものである。図４に示す無停電電源装置は、冷却ファン１８を、前記フライホイール１３の回転軸に設けたものであり、これにより、常時回転しているフライホイールの機械エネルギーを利用して隣接する他の機器を冷却することができ、異常時のみでなく通常時においてもフライホイールの機械エネルギーを利用することで、エネルギーの有効利用を図ることができる。なお、図示していないが、図２及び図３の無停電電源装置のフライホイール１３の回転軸に冷却ファン１８を設けても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
上述の通り、本発明による無停電電源装置によれば、近年問題になる電力系統の短時間停電・瞬低の補償を低コストで行うことができる。本装置の動作時、確かに負荷へ供給される出力周波数は変化するが、停電・瞬低の時間は極めて短いため問題とならない。従って構造を単純なものとし、小型化することができ、メンテナンスも容易となるという効果がある。
【００３４】
また、フライホイールに冷却ファンを付けることにより、エネルギーの有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無停電電源装置の第１実施例を示すものである。
【図２】本発明に係る無停電電源装置の第２実施例を示すものである。
【図３】本発明に係る無停電電源装置の第３実施例を示すものである。
【図４】本発明に係る無停電電源装置の第４実施例を示すものである。
【図５】3.7ｋＷのかご型誘導電動機に250μＦのコンデンサをスター結線で接続して回転させた場合の回転周波数と発電電圧の実測値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  電圧検出器
１１  負荷
１２  かご型誘導電動機
１３  フライホイール
１４  電圧発生用コンデンサ
１５  制御手段
１６  インバータ（周波数変換器）
１７  変速機
１８  冷却ファン
ＳＷ１  逆流防止スイッチ
ＳＷ２  再接続スイッチ若しくはバイパススイッチ
【図１】
0003640656.tif 000002
【図２】
0003640656.tif 000003
【図３】
0003640656.tif 000004
【図４】
0003640656.tif 000005
【図５】
0003640656.tif 000006