(57)【要約】      （修正有）【課題】発電機と、回転エネルギーを蓄積し、歯車機構を通じて発電機に連結されるように構成されるフライホイールと、フライホイールを回転させるように機械的に連結された機械的モータと、制御装置と、を備える無停電電源（ＵＰＳ）を提供する。【解決手段】制御装置は、ユーティリティラインの障害の検出時に、歯車機構にフライホイールに蓄積されている回転エネルギーを発電機に伝送させ、そしてバックアップ発電機が発電機を駆動するための適切な速度を達成するまで、機械的モータに、回転エネルギーを発電機に伝送するフライホイールの能力を持続させるようにフライホイールを回転させるように構成する。【選択図】図１Ａ
2018007500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＵＰＳの入力ポートから前記ＵＰＳの出力ポートに電力を伝送するように接続された切換スイッチと、
前記ＵＰＳ出力ポートに電気的に連結された電気ポートを備える発電機と、
回転エネルギーを蓄積し、歯車機構を通じて前記発電機に連結されるように構成されるフライホイールと、
前記フライホイールを回転させるように機械的に連結された機械的モータと、
前記ＵＰＳ入力ポートにおける入力電圧を絶えず監視するステップと、
その所定の許容範囲からの、前記入力電圧の一つ以上のパラメータの偏移を検出するときに、
前記切換スイッチを開放するステップと、
前記歯車機構に、前記フライホイールに蓄積されている回転エネルギーを前記発電機に伝送させることによって、前記発電機に、前記ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持させるステップと、
前記機械的モータを起動するステップと、
前記機械的モータに、前記ＵＰＳ出力ポートにおける前記出力電圧を無停電に維持するのに必要な速度において、回転エネルギーを前記発電機に伝送する前記フライホイールの能力を持続させるように前記フライホイールを回転させるステップと、を実行するように構成される制御装置と、を備える、無停電電源（ＵＰＳ）。
【請求項２】
前記入力電圧は三相電圧であり、前記発電機は同期発電機である、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項３】
前記歯車機構は、前記発電機の軸と前記ＵＰＳのフレームとの間を連結するように構成されるブレーキ部を備えており、前記制御装置は、さらに、前記発電機の前記回転速度の変動を抑制するように前記ブレーキ部を作動させるステップを実行するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項４】
前記発電機を回転させるように機械的に連結されたバックアップエンジンをさらに備えており、前記制御装置は、さらに、
前記バックアップエンジンを起動するステップと、
前記ＵＰＳ出力ポートにおける前記出力電圧を無停電に維持するのに必要な速度において前記発電機を回転させるのに適切な前記回転速度に前記バックアップエンジンが達したときに、前記機械的モータの前記出力電力を、前記フライホイールの所定の回転速度を維持するのに必要な最小値に低下させるステップと、を実行するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項５】
前記フライホイールを回転させるように機械的に連結されたモータをさらに備えており、前記制御装置は、さらに、前記切換スイッチが閉鎖されたとき、もしくは前記バックアップエンジンが前記発電機を駆動したときのいずれかの場合に、前記フライホイールの前記所定の回転速度を維持するのに必要な前記機械的モータの前記最小出力電力がゼロになるように、前記モータに前記フライホイールを回転させるように構成される、請求項４に記載のＵＰＳ。
【請求項６】
追加の発電機の軸を回転させるように連結されたバックアップエンジンをさらに備えており、前記追加の発電機は、追加の発電機スイッチを通じて前記ＵＰＳ出力ポートに連結されており、前記制御装置は、さらに、
前記バックアップエンジンを起動するステップと、
前記追加の発電機が前記ＵＰＳ出力ポートと同じ電圧、周波数及び位相に達したことを検出する時に、前記追加の発電機スイッチを閉鎖するステップと、を実行するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項７】
前記フライホイールを回転させるように機械的に連結されたモータをさらに備えており、前記制御装置は、さらに、前記切換スイッチ又は前記追加の発電機スイッチのいずれかが閉鎖されるときに、前記フライホイールの前記所定の回転速度を維持するのに必要な前記機械的なモータの前記最小出力電力がゼロになるように、前記モータに前記フライホイールを回転させるように構成される、請求項６に記載のＵＰＳ。
【請求項８】
前記ＵＰＳは、さらに、前記機械的モータから発生される加圧材料を伝導するように構成されるバルブを備えており、前記制御装置は、前記バルブを開放することによって前記機械的モータを起動する前記ステップを実行するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項９】
前記制御装置は、さらに、前記切換スイッチが閉鎖されている間は、前記発電機の前記電気ポートを流れる前記電流を最小限にするよう前記制御装置が前記歯車機構を絶えず調節するよう、前記ＵＰＳを制御するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項１０】
前記制御装置は、さらに、前記切換スイッチが閉鎖されている間は、前記フライホイールから前記発電機への回転エネルギーの伝送を阻止するよう前記制御装置が前記歯車機構を停止に維持するよう、前記ＵＰＳを制御するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項１１】
前記発電機の前記電気ポートは、発電機スイッチを通じて前記ＵＰＳ出力ポートに電気的に連結されており、前記制御装置は、さらに、前記切換スイッチが閉鎖されている間は、前記制御装置は、前記発電機スイッチの開放を保持し、前記発電機の前記電気ポートにおける前記電圧が前記ＵＰＳ出力電圧と同相に維持されるよう前記歯車機構を絶えず調節するよう、前記ＵＰＳを制御するように構成される、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項１２】
前記機械的モータは、油圧モータ及び空気圧モータのいずれか一つを備える、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項１３】
前記歯車機構は、直流電流を流す少なくとも一つの誘導コイルと、前記少なくとも一つの誘導コイルによって生成された磁場内を移動する複数個の磁気伝導バーと、を備える、請求項１に記載のＵＰＳ。
【請求項１４】
前記直流電流は、交流電流を流す一次巻線及び誘導交流電流を流す二次巻線と、互いと相対的に回転する前記コイルと、前記誘導交流電流を整流するように構成される整流回路と、を備える変圧器によって生成される、請求項１３に記載のＵＰＳ。
【請求項１５】
ＵＰＳの入力ポートから前記ＵＰＳの出力ポートに電力を伝送するように接続された切換スイッチと、
前記ＵＰＳ出力ポートに電気的に連結されたＡＣポートを備える発電機と、
回転エネルギーを蓄積し、歯車機構を通じて前記発電機に連結されるように構成されるフライホイールと、
前記フライホイールを回転させるように機械的に連結された機械的モータと、を前記ＵＰＳが備えており、
前記ＵＰＳ入力ポートにおける入力電圧を絶えず監視し、
その所定の許容範囲からの、前記入力電圧の一つ以上のパラメータの偏移を検出するときに、
前記切換スイッチを開放するステップと、
前記歯車機構に、前記フライホイールに蓄積されている回転エネルギーを前記発電機に伝送させることによって、前記発電機に、前記ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持させるステップと、
前記機械的モータを起動するステップと、
前記機械的モータに、前記ＵＰＳ出力ポートにおける前記出力電圧を無停電に維持するのに必要な速度において、回転エネルギーを前記発電機に伝送する前記フライホイールの能力を持続させるように前記フライホイールを回転させるステップと、を含む、無停電電源（ＵＰＳ）を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、無停電電源に関し、より詳細には、フライホイールを使用して無停電高電力を供給するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、医用画像、データ通信、データ処理などの用途に使用されるコンピュータ及び他のデバイスには、通常ではいくつかのユーティリティラインから供給される、無停電のかつ安定した電源電力供給が要求される。これを達成するために、主電圧が変動するとき、許容パラメータ範囲から偏移するとき、又は障害があるときのいずれかの場合に、すぐにユーティリティラインと無停電に取って代わる、高品質の調整された電源バックアップシステムが必要となる。そのような偏移は、例えば、＋／−１Ｈｚよりも高い周波数シフトであってもよい。
【０００３】
電力を負荷に供給するために、障害のあるユーティリティラインの代わりに、ガス又はディーゼルエンジンを使用してバックアップ発電機を回転させるときには、消費したガス又は燃料の量は消費した負荷電力に比例させる必要がある。しかしながら、通常、負荷を発電機に接続する瞬間又は負荷が急変する瞬間から、エンジン制御ループが実際の負荷電力を保持するのに必要な燃料又はガスの厳密な割合を調節するまでには応答時間遅延が存在する。この時間遅延の間に、負荷に供給される電圧及び周波数はそれらの許容範囲から偏移することがあり、このことが負荷に有害となり得る。したがって、通常、発電機の変動を補正することができる電力調整手段が必要である。
【０００４】
発電機によって供給される電力を安定化させるための、当業界において既知の方法の一つに、コンデンサ及び／又は充電式電池を使用する方法がある。しかしながら、これらの解決策は、非常に高価であり、かつ３００ＫＷ超の電源装置には非効率的である。
【０００５】
英国特許第１３０９８５８号は、負荷に無停電電源を確保するための電力供給方法を開示する。この方法は、変圧器の二次巻線を介して負荷に補助電源装置を接続することによって、電圧低下に対する部分的補償を提供する。変圧器の一次巻線は、ユーティリティラインと電源装置との間に位置付けられたチョークに接続される。この種の機械は、電池及びＤＣ−ＡＣ電子インバータを必要とする。３００ＫＶＡ超の高電力用途において、この手法は、非常に高価であり、信頼性が低く、かつ電池用の大空間が必要になる。
【０００６】
特許出願ＷＯ／２０１０／０９２５８０及びＵＳ２００３０１３７１９６は、ユーティリティ電源の障害時に、スタンバイディーゼル又はガスエンジンがフライホイールの代用として必要とされる速度に達するまで、回転するフライホイールが同期発電機を駆動する無停電電源システムを開示している。フライホイールの使用によって、ユーティリティ電源に障害が発生する場合に即時に応答するシステムが提供される。しかしながら、エンジンの応答待ち時間は、通常、数秒続くことがあり、このことは高回転エネルギーがフライホイールに蓄積されることを伴い、面倒で費用のかかるフライホイール配置を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、当業界において、高エネルギーフライホイールの使用に伴う費用のかかる結果を最小限にする、信頼性のあるフライホイールベースの無停電電源を実現するための改善された技術が要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、比較的小さいフライホイールを備える、信頼性のある無停電電源に関する改善された方法及びシステムを提供することが本発明の主要な目的である。したがって、本発明の一実施形態に従う無停電電源（ＵＰＳ）が開示され、これは、
ＵＰＳの入力ポートからＵＰＳの出力ポートに電力を伝送するように接続された伝送スイッチと、
ＵＰＳ出力ポートに電気的に連結された電圧ポートを備える発電機と、
回転エネルギーを蓄積し、歯車機構を通じて発電機に連結されるように構成されるフライホイールと、
フライホイールを回転させるように機械的に連結された機械的モータと、
ＵＰＳ入力ポートにおける入力電圧を絶えず監視するステップと、
その所定の許容範囲からの、入力電圧の一つ以上のパラメータの偏移を検出するときに、
切換スイッチを開放するステップと、
歯車機構に、フライホイールに蓄積されている回転エネルギーを発電機に伝送させることによって、発電機に、ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持させるステップと、
機械的モータを起動するステップと、
機械的モータに、ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持するのに必要な速度において、回転エネルギーを発電機に伝送するフライホイールの能力を持続させるようにフライホイールを回転させるステップと、を実行するように構成される制御装置と、を備える。
【０００９】
典型的な実施形態において、入力電圧は交流三相電圧であり、発電機は同期機である。
【００１０】
いくつかの実施形態において、歯車機構は、発電機の軸とＵＰＳのフレームとの間を連結するように構成されるブレーキ部を備えており、制御装置は、さらに、発電機の回転速度の変動を抑制するように上述のブレーキ部を作動させるステップを実行するように構成される。
【００１１】
いくつかの実施形態において、ＵＰＳは、さらに、発電機軸を回転させるように機械的に連結されたバックアップエンジンを備えており、制御装置は、さらに、
バックアップエンジンを起動するステップと、
ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持するのに必要な速度において発電機を回転させるのに適切な回転速度にバックアップエンジンが達したときに、機械的モータの出力電力を、フライホイールの所定の回転速度を維持するのに必要な最小値に低下させるステップと、を実行するように構成される。
【００１２】
これらの実施形態のいくつかにおいて、ＵＰＳは、さらに、フライホイールを回転させるように機械的に連結されたモータを備えており、制御装置は、さらに、切換スイッチが閉鎖されたとき、もしくはバックアップエンジンが発電機を駆動したときのいずれかの場合に、フライホイールの所定の回転速度を維持するのに必要な機械的なモータの最小出力電力がゼロになるように、モータにフライホイールを回転させるように構成される。
【００１３】
いくつかの実施形態において、ＵＰＳは、さらに、追加の発電機の軸を回転させるように連結されたバックアップエンジンを備えており、上述の追加の発電機は、追加の発電機スイッチを通じてＵＰＳ出力ポートに連結されており、制御装置は、さらに、
バックアップエンジンを起動するステップと、
追加の発電機がＵＰＳ出力ポートと同じ電圧、周波数及び位相に達したことを検出するときに、追加の発電機スイッチを閉鎖するステップと、を実行するように構成される。
【００１４】
これらの実施形態のいくつかにおいて、ＵＰＳは、さらに、フライホイールを回転させるように機械的に連結されたモータを備えており、制御装置は、さらに、切換スイッチ又は追加の発電機スイッチのいずれかが閉鎖されるときに、フライホイールの所定の回転速度を維持するのに必要な機械的なモータの最小出力電力がゼロになるように、モータにフライホイールを回転させるように構成される。
【００１５】
いくつかの実施形態において、ＵＰＳは、さらに、機械的モータから発生される加圧材料を伝導するように構成されるバルブを備えており、制御装置は、バルブを開放することによって機械的モータを起動するステップを実行するように構成される。
【００１６】
いくつかの実施形態において、制御装置は、さらに、切換スイッチが閉鎖されている間は、発電機の電圧ポートを流れる電流を最小限にするよう制御装置が歯車機構を絶えず調節するよう、ＵＰＳを制御するように構成される。
【００１７】
いくつかの実施形態において、制御装置は、さらに、切換スイッチが閉鎖されている間は、フライホイールから発電機への回転エネルギーの伝送を阻止するよう制御装置が歯車機構を停止に維持するよう、ＵＰＳを制御するように構成される。
【００１８】
いくつかの実施形態において、発電機の電気ポートは、発電機スイッチを通じてＵＰＳ出力ポートに電気的に連結されており、制御装置は、さらに、切換スイッチが閉鎖されている間は、発電機スイッチの開放を保持し、発電機の電気ポートにおける電圧がＵＰＳ出力電圧と同相に維持されるよう制御装置が歯車機構を絶えず調節するよう、ＵＰＳを制御するように構成される。
【００１９】
典型的な実施形態において、機械的モータは、油圧モータ及び空気圧モータのいずれか一つを備える。
【００２０】
いくつかの実施形態において、歯車機構は、直流電流を流す少なくとも一つの誘導コイルと、少なくとも一つの誘導コイルによって生成された磁場内を移動する複数個の磁気伝導バーと、を備える。
【００２１】
これらの実施形態において、直流電流は、交流電流を流す一次巻線及び誘導交流電流を流す二次巻線と、互いと相対的に回転するコイルと、誘導交流電流を整流するように構成される整流回路と、を備える変圧器によって生成される。
【００２２】
本発明の実施形態に従い、さらに、
ＵＰＳの入力ポートからＵＰＳの出力ポートに電力を伝送するように接続された切換スイッチと、
ＵＰＳ出力ポートに電気的に連結されたＡＣポートを備える発電機と、
回転エネルギーを蓄積し、歯車機構を通じて発電機に連結されるように構成されるフライホイールと、
フライホイールを回転させるように機械的に連結された機械的モータと、を備える無停電電源（ＵＰＳ）を制御する方法が提供され、方法は、
ＵＰＳ入力ポートにおける入力電圧を絶えず監視し、
その所定の許容範囲からの、入力電圧の一つ以上のパラメータの偏移を検出するときに、
切換スイッチを開放するステップと、
歯車機構に、フライホイールに蓄積されている回転エネルギーを発電機に伝送させることによって、発電機に、ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持させるステップと、
機械的モータを起動するステップと、
機械的モータに、ＵＰＳ出力ポートにおける出力電圧を無停電に維持するのに必要な速度において、回転エネルギーを発電機に伝送するフライホイールの能力を持続させるようにフライホイールを回転させるステップと、を含む。
【００２３】
本明細書に開示された本発明のこれらの及び他の特徴及び利益は、以下の記述及び添付図面を考慮したときにより完全に理解される。
【００２４】
本発明の実施形態に関して本発明をより一層理解するために、同様の数字が図面全体を通して対応する要素又は部分を指定する添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に従う、無停電電源システムを概略的に図示するブロック図である。
【図１Ｂ】本発明の代替的な一実施形態に従う、無停電電源システムを概略的に図示するブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に従う、無停電電力を供給するための方法を概略的に例証するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態は、改善された無停電電源（ＵＰＳ）の解決策を提供する。そのような解決策は、通常、電源電圧の障害の検出時に、通常では電源電圧を供給するユーティリティラインの代用となる、大抵は同期発電機（ＳＧ）である発電機を備える。同時に、絶えず回転するフライホイールは、ＳＧの駆動を開始する。この駆動には、ＳＧの駆動を引き継ぐのに必要とされる厳密な速度にスタンバイエンジンが達するまで数秒間、通常では最長１０秒が必要である。開示されるＵＰＳにおいて、スタンバイの油圧モータも、電源電圧の障害の検出時に起動される。その結果、フライホイールは、油圧モータがこの役割を引き継ぐ準備ができるまでは、ＳＧを駆動する必要があり、実際には、ＵＰＳ負荷電力を供給する必要がある。油圧モータの待ち時間は、通常、１秒未満であるので、要求されるフライホイールのエネルギーは比較的低く、このことは、負荷電力が１ＭＷ超であるときに特に重要である。追加される油圧モータの重量及び費用は、より低いエネルギーのフライホイールを使用することによって蓄えられるものよりも遥かに小さいことに留意すべきである。本記述において、所与のポートにおける電圧の障害は、この電圧が適切な値から偏移することを意味し、一つ以上のパラメータがその所定の許容範囲から偏移することによって特徴付けられる。例示の許容範囲は、最大＋／−１０％の電圧変動、最大＋／−１Ｈｚの周波数変動などであってもよい。
【００２７】
ここで、本発明の一実施形態に従うＵＰＳシステム１００を概略的に図示するブロック図を示す図１Ａを参照されたい。以下の説明は、ＵＰＳを構成する様々な要素間の相互接続性及び相互関係に注目しており、それらの厳密な機能性については後述する。要素の部分は、クロスコネクションの図において図示する。
【００２８】
図面において、切換スイッチ１０２は、ＲＦチョーク１０４を通じた、ＵＰＳの入力ポート１０６とＵＰＳの出力ポート１０８との間の接続部である。典型的な実施形態において、入力ポート１０６は、ユーティリティラインから電源三相入力電圧を受信する。他の実施形態では、電源電圧は、単相電圧である。入力ポートに、ＵＰＳ１００の正常動作条件である適切な電源電圧が存在する場合には、切換スイッチ１０２を閉鎖することによって、出力ポート１０８における出力電圧を入力電圧と等しく維持する。この電圧は、図１Ａには示さない三相負荷を与える。他のＵＰＳ要素は、参照番号１１０が指すサブシステムＡ、及び参照番号１１２が指すサブシステムＢに論理的に分割される。
【００２９】
サブシステム１１０内部において、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１４は、所望の回転速度、記述した実施形態では２４００ｒｐｍでモータ１１６を駆動するのに適した周波数で電力を出力する。モータ１１６は、ベアリング１２０を通じて、ＵＰＳ１００のフレーム１２２に取り付けられたモータ軸１１８を回転させる。フライホイール１２４はモータ軸１１８に取り付けられており、その結果、これも２４００ｒｐｍで回転する。ＳＧ１２６は、図１Ａには示さないロータを有し、ＳＧ軸１２８に取り付けられる。ＳＧ軸１２８は、ベアリング１２９を通じてフレーム１２２に取り付けられる。ＳＧ１２６は、出力ポート１０８に接続されたＳＧ電圧ポート１３０を有する。いくつかの実施形態において、ＳＧ  ＡＣポート１３０は、ＳＧスイッチ１３１を通じて出力ポート１０８に接続され、以下に説明するように、オフラインモードにおける動作を可能にする。ＳＧ軸１２８にはトランスミッションホイール１３２も取り付けられており、これは、記述した実施形態では約９００ｒｐｍでロータと一緒に回転する。ホイール１２４及び１３２の各々は、図面を単純化するために、図１Ａでは部分的に示す。いくつかの実施形態において、モータ１１６は、コンバータ１１４から直流電圧を受信する。
【００３０】
フライホイール１２４とトランスミッションホイール１３２との間の約１５００ｒｐｍの回転速度の差異は、可変トルクをトランスミッションホイール１３２に及ぼす電磁結合に変換される。これは、後述する歯車機構１３４によって為される。歯車機構１３４において、スイッチングＡＣ／ＡＣコンバータ１３６は、出力ポート１０８から供給され、交流電流を一次巻線１３８、二次巻線１４０、並びに鉄ラミネーション１４２及び１４４を備える変圧器に供給する。ラミネーション１４２及び１４４は、変圧器の鉄心１３８／１４０を構成する。記述した実施形態において、コンバータ１３６の出力におけるＡＣ周波数は、鉄ラミネーション１４２及び１４４における磁気損失を最小限にするために、電源周波数に近い値である。コンバータ１３６の主な役割は、以下に説明するように、コンバータ１３６が一次巻線１３８に供給する交流電流に比例するように、トランスミッションホイール１３２に及ぼされるトルクを調節することである。
【００３１】
一次巻線１３８及び鉄ラミネーション１４２は、フレーム１２２における円形溝に入る。この溝は、トランスミッションホイール１３２の表面に同心に、かつその上で溝にはめられる類似の対になる円形溝に対向し、二次巻線１４０及び鉄ラミネーション１４４を含む。交流電流は、一次巻線１３８を流れるときに、鉄ラミネーション１４２及び１４４に、フレーム１２２と相対的なトランスミッションホイール１３２の回転には影響されない交番磁場を生成する。交番磁場によって、二次巻線１４０に、整流器１４６によって整流される誘導交流電流が生じる。ここで、整流された直流電流が、互いに並列に接続された誘導コイル１４８及び１５０を流れる。コイル１４８及び１５０の各々は、フライホイール１２４に対向する表面で、トランスミッションホイール１３２の外周に近い円形かつ同心の溝内に入る。誘導コイル１４８及び１５０を流れる電流は、フライホイール１２４の方に導かれるほぼ均一の磁場を生成する。フライホイール１２４には、誘導コイル１４８及び１５０に対向して、バー１５２で満たされた円形かつ同心の溝が存在する。バー１５２は、優れた磁気伝導を有する金属材料で作られる。典型的な実施形態において、バーの比透磁率は、１００超である。その結果、前述の回転速度の差異によって決定される速さで、磁場と垂直な運動によって、それらの各々の内部に電流ループ１５３が生じる。磁場内部を流れるこれらの電流によって、それらを生成した力に抵抗する力が生じ、これはフライホイール１２４がトランスミッションホイール１３２に及ぼすトルクを意味する。このトルクは、実際には、その結合力が磁場に比例し、従って、ＡＣ／ＡＣコンバータ１３６によって供給される電流に比例するクラッチ機能となる。
【００３２】
以上より、歯車機構１３４の加速部、すなわち、フライホイール１２４にトランスミッションホイール１３２を加速させ、従って、ＳＧ１２６を加速させる能力を記述した。以下に、歯車機構１３４のブレーキ部を説明する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５４は、出力ポート１０８から供給され、ブレーキの作動時に、誘導コイル１５６及び１５８を通るように直流電流を印加し、これらのコイルもまたフレーム１２２表面上の円形溝内に入る。この電流は、トランスミッションホイールにおけるバー１６０内部を流れる電流ループ１６１に起因する制動トルクをトランスミッションホイール１３２に生じさせることによって、ＳＧ軸１２８とフレーム１２２とを連結する磁場を生じさせる。
【００３３】
サブシステム１１０は、さらに、エネルギー蓄積システム１６４に基づく、後述する高速バックアップ部を備える。このシステムは油ポンプ１６６を備え、これは油を油圧タンク１６８内に押し入れ、タンク内の油の高圧を絶えず維持するように構成される。記述した実施形態では窒素であるガスも収容し、油圧タンク１６８は、逆圧を油に及ぼすことによって油により圧縮される。ポンプ１６６は、油容器１７０から油をポンプする。高速のユーティリティバックアップに対する要求があるときには、電源電圧から正常に供給されているため、モータ１１６が即座に停止される。同時に、バルブ１７２を開放し、タンク１６８から超高圧でバルブを通じて油が流れ出ることによって、油圧モータ１７４を駆動する機械動力を伝送させる。次に、油圧モータ１７４は、モータ１１６の代わりにモータ軸１１８を回転させる。次に、油は、容器１７０に戻り、環状に流れ続ける。他の実施形態では、任意の適切なタイプの機械動力によって駆動される任意の他の機械的なモータを、油圧モータ１７４の代わりに用いてもよい。機械動力は、通常ではガス又は液体である加圧材料に基づくものであってもよいが、他の適切なタイプの機械動力を用いてもよい。例えば、一実施形態において、ポンプ１６６は空気圧縮機であり、タンク１６８は圧縮空気タンクであり、モータ１７４は空気圧モータであり、圧縮空気が、空気圧モータ１７４を動作させる機械動力を提供する。最後の実施形態では、容器１７０はなくてもよい。
【００３４】
制御装置１７５もサブシステム１１０に含まれ、これは、以下の図２の説明において詳述するように、システム１００内のすべての制御可能な要素の動作の制御に関与する。制御装置１７５から発生する制御線のすべてを図１Ａに示すわけではない。動作のために、制御装置１７５は、Ｍ１、Ｍ２及びＭ３などの監視点においてサンプル信号を監視する。記述した実施形態において、制御装置１７５は、本明細書に記述する機能を実行するための、ソフトウェアでプログラムされたプログラマブルプロセッサを備える。ソフトウェアは、例えば、ネットワークを通じて電子形式でプロセッサにダウンロードしてもよい。あるいは、ソフトウェアは、代替的又は追加的に、磁気、光又は電子メモリなどの非一時的な有形的表現媒体に提供及び／又は記憶することができる。いくつかの実施形態において、制御装置１７５は、動作を加速するために、取り付けられた又は組み込まれたハードウェアモジュールも備える。これらのモジュールは、個別コンポーネント、一つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及び／又は一つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備えてもよい。
【００３５】
システム１００は、サブシステム１１２に、オーバーランニングクラッチ１７８を通じてＳＧ１２６のロータを回転させるように連結されたバックアップエンジン１７６をさらに含む。記述した実施形態において、バックアップエンジン１７６は、図１Ａに示すように、ディーゼルエンジンからなる。他の実施形態では、ガスエンジン又はガソリンエンジンなどの任意の適切なエンジンを用いてもよい。
【００３６】
図１Ｂを参照するように、本発明の代替的な実施形態に従う、無停電電源システム１０１を概略的に図示するブロック図が示される。システム１０１は、電源電圧の障害時に、バックアップエンジン１７６がＳＧ１２６を駆動する代わりに追加のＳＧ１８０を駆動するという点で、システム１００とは異なる。ＳＧ１８０は、追加のＳＧスイッチ１８２を通じて出力ポート１０８に接続される。追加のＳＧ１８０を用いることによって、サブシステム１１０の遠隔でバックアップエンジン１７６を設置することができる。
【００３７】
いくつかの実施形態において、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１４及びモータ１１６は用いられず、油圧モータ１７４のみが、その所定の回転速度においてフライホイール１２４を絶えず回転するように働く。フライホイール１２４が、トランスミッションホイール１３２及び同期発電機１２６を通じて負荷電力を供給する必要がないときには、制御装置１７５は、フライホイールの所定の回転速度を維持するのに必要な最小出力電力で油圧モータ１７４を駆動するようにバルブ１７２を調節する。これは実際には、切換スイッチ１０２が閉鎖されているとき、すなわち、システム１００ではバックアップエンジン１７６がオーバーランニングクラッチ１７８を通じてＳＧ１２６を駆動するとき、及びシステム１０１では追加のＳＧスイッチ１８２が閉鎖されているときのいずれかの場合に起こる。
【００３８】
図１Ａ及び図１Ｂにおける矢印の方向は、前述の情報及び信号の伝送方向を表すが、反対方向の伝送も起こり得る。前述の説明では、開示した技術の特定の特徴を理解するのに不可欠な具体的な要素に注目した。この理解に必要のない、記述したシステムの従来の要素は、簡潔さのために図１Ａ及び図１Ｂにおいて省略したが、当業者には明らかであるだろう。図１Ａ及び図１Ｂに示す構成は、概念上の明瞭性のためのみに選ばれた例示の構成である。代替的な実施形態では、任意の他の適切な構成、要素タイプ及びパラメータ値を使用してもよい。
【００３９】
図２に、本発明の一実施形態に従う、システム１００及び１０１を動作させるための方法を概略的に例証するフローチャート２００を示す。一実施形態は、記述した方法に含まれる以下の３つの動作モードの一つ以上をサポートすることができる。
（ａ）オフラインモード。正常状態において、すなわち、適切な電源電圧が存在するときに、制御装置１７５は、ＳＧスイッチ１３１を開放に保持し、ＳＧ  ＡＣポート１３０で電圧をＵＰＳ出力電圧と同相において同期するよう、歯車機構１３４を絶えず調節する。制御装置１７５は、通常、ＡＣ／ＡＣコンバータ１３６を通じてトランスミッションホイール１３２を加速又は減速することによってこの調節を実行する。
（ｂ）第一のオンラインモード。オンラインモードは、ＳＧスイッチ１３１が常に閉鎖されていることによって特徴付けられる（実際には、制御装置１７５がＳＧ１２６を電源電圧に最初に同期するまでは開放されている）。第一のオンラインモードでは、正常状態において、制御装置１７５は、ＳＧスイッチ１３１を閉鎖に維持し、ＳＧ  ＡＣポート１３０を流れる電流が最小限になるように歯車機構を絶えず調節する。
（ｃ）第二のオンラインモード。このモードでは、正常状態において、制御装置１７５は、ＳＧスイッチ１３１を閉鎖に維持する。制御装置１７５は、コンバータ１３６の出力を抑制することによって歯車機構１３４も停止に維持して、フライホイールからトランスミッションホイール１３２への回転エネルギーの伝送を阻止する。このモードでは、ＳＧ１２６は、無負荷のモータとして機能する。
【００４０】
フローチャート２００に示す方法は、制御装置１７５が入力ポート１０６（Ｍ１）における入力電圧を絶えず監視する監視ステップ２０４で開始する。監視ステップの間、制御装置１７５は、負荷に適切な電圧が供給されているかを絶えず確認する。判定ステップ２０８において、制御装置１７５がこれまでに定義したような偏移を検出するときには、電源電圧に障害があり、ＵＰＳでバックアップ状態になることが推測される。次に、方法は、障害があるユーティリティラインからＵＰＳを切断するために、制御装置１７５が切換スイッチ１０２を開放する開放ステップ２１２に進む。後続の停止ステップ２１６において、制御装置１７５は、油圧モータ１７４がモータ軸１１８を回転可能にするために、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１４の出力信号を抑制することによってモータ１１６を停止する（このことは、以下にさらに説明する）。
【００４１】
後続の判定ステップ２２０及び２２８は、３つの前述の動作モードを区別する。オフラインモードでは、方法は、制御装置１７５が、ＳＧ１２６を出力ポート１０８に接続するためにＳＧスイッチ１３１を閉鎖する閉鎖ステップ２２４に進む。第二のオンラインモードでは、方法は、制御装置１７５が、ＳＧ１２６をモータモードから発電機モードに変化させるために、ＡＣ／ＡＣコンバータ１３６の出力を有効にすることによって歯車機構１３４を作動させる作動ステップ２３２に進む。第一のオンラインモードでは、ＳＧ１２６は歯車機構１３４を通じて既に駆動されており、したがって、方法は、次のステップに直接進む。ここで、伝送ステップ２３６において、制御装置１７５は、回転速度を保つためにＳＧ１２６に必要とされる厳密な回転電力を伝送するように歯車機構１３４を制御する。この方法ではＵＰＳ出力電圧は無停電に維持され、すなわち、適切に維持され、高速位相又は電圧遷移がない。
【００４２】
次に、制御装置１７５は、作動ステップ２４０において油圧モータ１７４を作動させ、起動ステップ２４４においてバックアップ機１７６を起動する。油圧モータの作動は、バルブ１７２を開放することによって達成される。調節ステップ２５２において、制御装置１７５は、Ｍ２を絶えずチェックし、必要に応じて、出力ポート１０８で適切な出力電圧を維持するように歯車機構１３４を調節する。典型的な実施形態において、ＵＰＳ出力電圧を適切に考慮するための偏移基準は、バックアップ状態と正常状態とにおいて多少異なってもよい。例えば、バックアップ状態では、制御装置１７５は、バックアップ状態に遷移させる周波数偏移よりも小さい周波数偏移において歯車機構１３４を調節するだろう。特に、負荷によって消費された電流が任意に低下した場合には、制御装置１７５は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５４に適切な電圧を出力させることによって、歯車機構１３４のブレーキ部を作動させるだろう。このことは、通常では負荷電流の低下に起因して起こるＳＧ１２６の回転速度のプラスの変動を抑制するために必要である。
【００４３】
出力ポート１０８で適切な出力電圧を維持している間、制御装置１７５は、判定ステップ２５６において、バックアップエンジン１７６がＳＧ１２６と周波数及び位相において同期に達したか、そしてシステム１００のＳＧ１２６又はシステム１０１のＳＧ１８０のそれぞれを駆動するのに適格であるか否かを絶えずチェックする。次に、バックアップエンジン１７６は、システム１００又は１０１の電源ソースとして油圧モータ１７４を代用する。システム１００では、制御装置１７５は、歯車機構１３４の連結における短い下落を起こすことによって前述のチェックを実行する。システム１０１では、制御装置１７５は、監視点Ｍ２と監視点Ｍ３との間の周波数差及び位相差を比較することによってチェックを実行する。ステップ２５６において肯定的な応答を検出するときには、方法は、システム１００では、ステップ２６０に直接進む。システム１０１では、方法は、制御装置１７５が追加のＳＧスイッチ１８２をまず閉鎖する閉鎖ステップ２５８を通じてステップ２６０に達する。
【００４４】
休止ステップ２６０において、制御装置１７５は、バックアップエンジン１７６がシステム１００／１０１におけるＳＧ１２６／１８０それぞれの回転を既に起動したため、バルブ１７２を閉鎖することによって、油圧モータ１７４を休止する。同時に、起動ステップ２６４において、制御装置１７５は、フライホイール１２４の回転エネルギーを保存するために、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１４によってモータ１１６の駆動を開始する。判定ステップ２６８において、制御装置１７５は、入力ポート１０６でいつ入力電圧が回復するかを検出するために、Ｍ１を絶えず監視する。適切な入力電圧の検出時、制御装置１７５は、同期ステップ２７２において、ＵＰＳ出力電圧を入力電圧と同期させるように、バックアップエンジン１７６の回転速度を制御する。同期に達すると、次に、制御装置１７５は、休止ステップ２７６においてバックアップエンジン１７６を休止し、それと同時に、閉鎖ステップ２８０において切換スイッチ１０２を閉鎖する。システム１０１では、制御装置１７５は、追加のＳＧスイッチ１８２も開放する。システム１００／１０１がここで通常動作を再開したので、図２におけるフローチャートは、監視ステップ２０４に戻る。
【００４５】
図２に示すフローチャートは、概念上の明瞭性のためのみに選ばれた例示のフローチャートである。代替的な実施形態では、任意の他の適切なフローチャートも、開示した方法を例証するのに使用することができる。開示した技術を理解するために必須ではない方法ステップは明瞭性のために図３から省略した。
【００４６】
いくつかの実施形態において、同期発電機の代わりに他の発電機を用いてもよい。特に、ユーティリティラインが直流電圧を供給するときには、通常、ＳＧ１２６及び追加のＳＧ１８０の各々の代わりに直流発電機が用いられる。この場合は、発電機の出力で電圧を調節するための基準は、それらの電圧ポートにおける直流電圧レベルのみであり、周波数及び位相には関連しない。この場合は、コンバータ１１４、１３６及び１５４も、直流電圧を受信するように構成される。
【００４７】
本明細書に記述する実施形態は、主に高電力ＵＰＳシステムを扱うが、これらの実施形態に実証される方法及びシステムは、電源装置用途にも使用することができる。したがって、前述の実施形態が実施例として引用され、本発明が、これまでに特に示し記述したものに限定されないことが理解される。むしろ、本発明の範囲は、これまでに記述した様々な特徴のコンビネーション及びサブコンビネーションの両方、並びにこれまでの記述を読んだ当業者が思い付く、かつ先行技術に開示されていないその変形形態及び変更形態を含む。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【外国語明細書】
2018007500000001.pdf