(57)【要約】【課題】主電源とバックアップ電源から目的負荷に対する電力供給を切換える高信頼性の電力分配器を提供する。【解決手段】電力分配器（ＰＤＵ）は、フライホイールなどのデバイスにエネルギーを貯蓄して、一方の電源が故障した時には、代替電源がオンライン状態になる一方で、高品質の電力供給を負荷設備に対して続けることができる。３極機械式スイッチペアによって、主電源を使用するか代替電源を使用するかが制御される。標準のモータ発電機は、機械式スイッチの出力部に接続され、入力電力を変圧するために使われ、また、主電源から予備電源に切換える間に貯蓄エネルギーを利用するために使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を受けるための電力入力配線と、電力を送るための電力出力配線を備える同期モータ発電機であって、前記電力入力配線から受けたエネルギーを貯蓄し、受けた入力電力の配線故障が発生した際に、貯蓄されたエネルギーを前記電力出力配線に送る、当該同期モータ発電機と、
常用電源と前記同期モータ発電機の前記電力入力配線に接続される第１の機械式スイッチと、
代替電源と前記同期モータ発電機の前記電力入力配線に接続される第２の機械式スイッチと、
前記常用電源と前記代替電源を監視し、前記常用電源の不具合を検出した時に、前記第１の機械式スイッチを開け前記第２の機械式スイッチを閉じるように前記第１と第２の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にするように構成されたトランスファロジック回路を備える電力分配器。
【請求項２】
前記同期モータ発電機の前記出力配線に接続された配電パネルと、
回路ブレーカを介して前記常用電源と前記代替電源に降圧変圧器の一方の入力部が接続され、その出力部に前記配電パネルが接続される、当該を降圧変圧器をさらに備える、請求項１の電力分配器。
【請求項３】
前記同期モータ発電機と前記降圧変圧器のうちの一方に対して電力供給の経路づけを行うように構成されたバイパス制御回路をさらに備える、請求項２の電力分配器。
【請求項４】
前記同期モータ発電機が受ける電力は４８０ボルトであり、前記同期モータ発電機は、受けた電力を、前記同期モータ発電機の出力配線で１２０ボルトに変圧する、請求項１の電力分配器。
【請求項５】
前記同期モータ発電機によって貯蓄されたエネルギーは、フライホイールで運動エネルギーとして貯蓄される、請求項１の電力分配器。
【請求項６】
前記トランスファロジック回路は、前記第１と第２の機械式スイッチの前記スイッチング状態を逆にする時に、前記第１と第２の機械式スイッチに対して同時に信号を送り、前記第２の機械式スイッチが閉じる前に前記第１の機械式スイッチが開くことによって、前記常用電源と前記代替電源が確実に分離される、請求項１の電力分配器。
【請求項７】
第１の電源と、
第２の電源と、
ライン側で前記第１の電源に接続される第１の３極機械式スイッチと、
ライン側で前記第２の電源の接続される第２の３極機械式スイッチと、
モータと発電機とフライホイールを含む同期モータ発電機システムであって、前記同期モータ発電機の入力部は、前記第１と第２の機械式スイッチの負荷側に接続され、前記第１と第２の機械式スイッチを介して前記第１と第２の電源からそれぞれ電力を受けとり、受けた電力を変圧したものを出力する、当該同期モータ発電機システムと、
前記第１の電源を監視するように構成され、前記第１と第２の機械式スイッチの前であって、前記モータ発電機の前記出力部に配置された変圧／変流器に接続されるトランスファロジックであって、前記トランスファロジックが前記第１の電源の不具合を検出した時に、前記第１と第２の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にするコマンドを同時に出力する、当該トランスファロジックを備え、
前記コマンドを同時に出力することによって、前記同期モータ発電機が受けた電力に一時的な遮断が生じ、前記同期モータ発電機の前記発電機は、前記フライホイールに貯蓄されたエネルギーから電力を生成することによって、前記電力の一時的な遮断を補償して、前記同期モータ発電機から供給された電力を使用可能な電力として出力し続ける、電力分配器。
【請求項８】
前記同期モータ発電機の出力部に接続される配電パネルと、
回路ブレーカを介して前記第１と第２の電源に降圧変圧器の一方の入力部が接続され、前記配電パネルに出力部が接続される、当該降圧変圧器をさらに備える、請求項７の電力分配器。
【請求項９】
前記降圧変圧器と前記同期モータ発電機に、前記常用電源Ａからか、もしくは前記代替電源Ｂからの電力供給を経路づけるように構成されたバイパス制御回路をさらに備える、請求項８の電力分配器。
【請求項１０】
前記同期モータ発電機が受けた電力は４８０ボルトであって、前記同期モータ発電機は、受けた電力を１２０ボルトの出力電力に変圧する、請求項７の電力分配器。
【請求項１１】
前記第１と第２の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にする時に、前記第２の機械式スイッチが閉じる前に前記第１の機械式スイッチが開くので、前記第１の電源と前記第２の電源が確実に分離される、請求項７の電力分配器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に電力スイッチングシステムに関し、特に、電力の中断に大きな影響を受ける負荷のサポートが可能な高信頼性サブサイクル電力スイッチング／配電システムに関する。
【０００２】
【背景技術の説明】
大規模なコンピュータセンタがある建物では大電力が必要である。一定の電力を連続供給する必要のある電源を備える必要のある基幹コンピュータである場合には、その建物に適切な電力を効率よく供給することは一層困難である。
【０００３】
従来、基幹コンピュータには、無停電電源（ＵＰＳ）の電力回路から電力が供給されてきた。ＵＰＳ回路は、コンピュータ（即ち、回路負荷）への電力供給を監視し、停電の際には、バッテリなどの予備電源に切換えてその電力が回路負荷に供給される。コンピュータからみると、電力は全く損なわれずに、通常通りに動作を続けることが可能である。
【０００４】
非常に重要なデータセンタのコンピュータ装置には、２つのＵＰＳシステムと２つのＵＰＳ電力配電システムによって電力が供給される。このようなシステムは冗長ではあるが、予備のＵＰＳシステムと電力伝送経路からデータ処理装置へ電力を供給する一方で、システムの保守を行ったり、一方の電力伝送経路での故障や誤動作に対して対処が可能になる。
【０００５】
このシステムアーキテクチャは、「システムプラスシステム」設計と呼ばれる。重要な負荷にできるだけ近づいて電気的な立場で言及すると、スイッチング機器、一般的には、スタティック切換スイッチ（ＳＴＳ）を装備することによって、重要な負荷に対する主要電源、即ち、常用電源と、予備電源、即ち、代替電源を選択することが可能になる。通常このスイッチは、コンピュータ装置に給電する電力分配器（ＰＤＵ）に配置される。一般的なＰＤＵには、少なくとも１つの降圧変圧器と分電パネルが備わっている。変圧器は、ＵＰＳの４８０ボルトのパワー出力を、コンピュータ装置に必要な２０８／１２０ボルトに電圧変換する。変圧器の前にスタティックスイッチが装備されている場合には、変圧器は１つしか必要ではないが、変圧器の後にスタティックスイッチが装備されている場合には、変圧器は２つ必要になる。
【０００６】
上述したように、従来の重要な電力配電回路では、電力スイッチング回路を用いて主電源と予備電源の間で電力を切換えている。このような従来の電力スイッチング回路の中心には、スタティック切換スイッチ（ＳＴＳ）がある。ＳＴＳによって、主電源の障害時に主電源から予備電源へシステム給電が自動的に切換えられる。一般的に、ＳＴＳ回路は、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）電力スイッチング素子を用いて設計される。言い換えれば、半導体素子は、主電源から予備電源へ電力供給先を迅速に切換えるために使われる。
一般的に、ＳＴＳをベースにした回路は、主電源の障害時に重要なアプリケーションに電力を供給し続けるという点で信頼性は高いが、ＳＴＳ回路そのものが故障する可能性があるという点から依然として脆弱である。
【０００７】
一般的なＳＴＳの平均故障間隔（ＭＴＢＦ）は、４００，０００時間である。長時間のように思えるが、サイトに装備されるＳＴＳの数が増えるほど、それに比例してそのサイトの全体の信頼性は低下する。例えば、ＳＴＳが２０個装備されたサイトでは、システム全体のＭＴＢＦは約２０，０００時間である（２．５年よりわずかに短い）。５０個以上装備された大規模なデータセンタでのＭＴＢＦは、１年未満である。年中、１日２４時間稼動するように設計されている現代のデータセンタの場合、この故障率は非常に深刻である。
【０００８】
従って、主電源とバックアップ電源から目的負荷に対する電力供給を切換える高信頼性スイッチング回路を提供することが当技術分野では求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
システムと方法は、無停電電力を必要とする重要な装置に電力を供給する改良された電力分配器を提供することによって、先に上げたニーズに対処する本発明の原理に調和するものである。
【００１０】
本発明の一態様によれば、複数の素子を備える電力分配器が提供される。その素子には、同期モータ発電機と、第１と第２の機械式スイッチと、常用入力電源と代替入力電源を監視すると共に、常用電源で不具合を検出した時に第１の機械式スイッチを開いて第２の機械式スイッチを閉じるように第１と第２の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にするよう構成されたトランスファロジック回路が含まれる。
【００１１】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面には、本発明の説明と目的と利点と原理とともに本発明の実施形態が示されている。複数の図面で同じかもしくは同様の部品は、同じ参照番号で示されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を示す添付図面を参照する。その他の実施形態も可能であって、本発明の精神と範囲から逸脱することなくその実施形態に修正を加えることが可能である。従って、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００１３】
本願で説明するように、電力分配器（ＰＤＵ）によって、重要なコンピュータシステムなどの目的負荷に電力が供給される。ＰＤＵには主電源と予備電源があって、常用電源に問題が生じた時に予備電源に切換えることができる。電力の中断が全くなかったかのように目的負荷が連続動作可能なように、電力は目的負荷に送られる。ＰＤＵでは、フライホイールを含む同期モータ発電機セットの形態でロータリ技術を用いて、電力の切換えの「乗継ぎ」を提供することができる。
【００１４】
図１は、本発明による電力分配器（ＰＤＵ）の構成部品を示す単線配線図である。
【００１５】
通常動作時のＰＤＵ１００は、常用電源「Ａ」１０１、代替電源「Ｂ」１０２と名付けられた、２つの個別電源から入力する電力を受けとる。この入力電力は、２つの４００アンペア回路ブレーカ１０５、１０６の一方から送られる。一般的に、電源１０１、１０２からの電力は４８０ボルトである。
【００１６】
接触器１１１、１１２は、トランスファロジック１１０の制御下で電気信号によって操作される標準の３極機械式スイッチである。接触器１１１、１１２のライン側は電源に接続され、負荷側はモータ発電機１１５に接続される。常用電源１０１の障害時には、トランスファロジック１１０は、代替電源１０２に切換えるように接触器１１１、１１２を制御する。
【００１７】
トランスファロジック１１０は、検出デバイスからの入力情報に基づいて制御を行う。特に、変流器（ＣＴ）１４０と計器用変圧器（ＰＴ）１４１は、接触器１１１、１１２の先の発電機１２１の出力部に位置し、（ａ）常用入力電源１０１や代替入力電源１０２の停電を検出し、（ｂ）入力電源１０１や１０２の先や発電機１２１の出力部で発生する電圧不足や過電流といった異常を突き止める。同期モータ発電機１１５は、図１の点線内の周辺部品１１６〜１２２で示される。
【００１８】
部品１１６〜１２２には、接触器１１６、１１７と開始／実行ロジック１１８と、ポニースタートモータ１１９と、同期モータ１２０と、発電機１２１とフライホイール１２２が含まれる。
【００１９】
モータ発電機１１５は、ＰＤＵ１００の２つの機能を実行する。即ち、（１）４８０ボルトの入力電力を、負荷装置で通常必要な２０８／１２０ボルトの電力に変圧し、（２）常用電源１０１から代替電源１０２に切換える（または、その逆）際に乗継ぎを容易に行うことである。
【００２０】
修理や保守のために同期モータ発電機１１５をオフラインにする必要が生じることが時折ある。その状況では、回路ブレーカ１２７、１２８をアクティブにしてモータ発電機１１５か変圧器１２５のいずれか一方からの電力をパスするバイパス制御回路１２６を利用して、アクティブな電源からの電力の経路が降圧変圧器１２５によって決められる。変圧器１２５と同様に同期モータ発電機１１５は、入力電力を、出力部で利用される２０８／１２０ボルトの電力に変換する。しかし、停電時には、変圧器１２５は安定給電を続けることができない。
【００２１】
最後に、モータ発電機１１５もしくは変圧器１２５からの電力は回路ブレーカ１３０を通って、負荷装置が接続されている回路分電パネルに送られる。回路分電パネルは、例えば、２２５アンペアの３極４線式４２回路分電パネルでよい。
【００２２】
（通常動作）
次に、ＰＤＵ１００の通常動作について説明する。通常動作では、常用電源１０１から回路ブレーカ１０５を通って接触器スイッチ１１１に電力が供給される。接触器スイッチ１１１を閉じると、同期モータ発電機１１５に電力を送ることができる。逆に、接触器１１２が開くと、代替電源１０２からモータ発電機１１５へ電力供給が遮断される。この時、バイパス変圧器１２５が使用されない場合は、回路ブレーカ１０７、１０８が開くように設定されることが好ましい。
【００２３】
同期モータ発電機１１５では、接触器１１６が開き、接触器１１７が閉じられ、入力電力がモータ１２０に供給されて発電機１２１が回転する。図１に示されるように接続されると、モータ１２０と発電機１２１は、４８０ボルトの入力電力を２０８／１２０ボルトの出力電力に変圧し、その電力は、回路ブレーカ１２８と回路ブレーカ群１３０を通って出力回路分配パネルと目的負荷に供給される。モータ１２０と発電機１２１は機械的に接続されるので、モータへの電力の入力と、発電機から基幹コンピュータ機器負荷への電力の出力の間は、電気的に完全に分離される。
【００２４】
さらに、モータ１２０は、フライホイール１２２に電力を供給する。フライホイール１２２は、発電機１２１の入力電力が中断した時に、発電機にバックアップ電力を短期間供給するものである。フライホイールは、当技術分野では周知のものである。一般的に、フライホイールは、フライホイールの回転による力学的運動エネルギーとして、エネルギーを保存する。発電機１２１への電力が中断すると、オンラインで安定した電力供給が得られるまで、発電機１２１は、回転するフライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２５】
（電力伝送時の動作）
トランスファロジック回路１１０は、変流器１４０と計器用変圧器１４１によって、入力電源に不具合がないかどうかを監視する。電源の遮断や急な減少などの不具合が検出された場合には、トランスファロジック１１０は、接触器スイッチ１１１を開けると同時に、接触器スイッチ１１２を閉じることによって、代替電源１０２への切換えを開始する。
【００２６】
３極機械式接触器は、接触器を閉じるのに時間がかかるため電気回路が形成され、その回路によって接触器が開かれて電気回路を遮断することを特徴としている。従って、接触器１１１を開き、接触器１１２を閉じるための電気信号がトランスファロジック１１０から出力された場合には、接触器１１１は、接触器１１２より先に開くので、電源１０１と１０２とが電気的に確実に分離される。
【００２７】
接触器１１１、１１２は、４００アンペア３極接触器として利用可能である。この接触器は、ゼネラルエレクトリック社などの複数の会社から購入可能である。接触器の「ピックアップ」（ＰＵ）時間（即ち、閉じるまでの経過時間）は１１０〜１１５ミリ秒であり、「ドロップアウト」（ＤＯ）時間（即ち、開くまでの経過時間）は７０〜８０ミリ秒である。ＰＵは、動作コイルに電圧を加えてから接触器のアーマチュアの動作終了までを測定することによって得られ、ＤＯは、動作コイルの電圧を切ってから接触器のアーマチュアの動作終了までを測定することによって得られる。トランスファロジック回路１１０が１つの接触器のコイルの電圧を切ると同時に、もう１つの接触器のコイルに電圧を加えると、接触器が開いてから閉じるまで最低でも３０ミリ秒が経過するので電源が確実に分離される。
【００２８】
トランスファロジック１１０は、システムの下流の不足電圧や過電流状態に敏感ではなく、接触器スイッチ１１１、１１２の下流の電圧不足、即ち、単相状態に対してだけ敏感であるように構成される。
【００２９】
代替電源１０２をモータ発電機１１５に切換える以前の遅延によって生じる電力の遮断によって、同期モータ１２０は、入力電力との同期を失うことがある。ポニーモータ１１９は、モータ１２０と再同期をとるために使用される。モータ１２０が同期を失ってポニーモータ１１９に電力が供給され、次にモータ１２０が入力電力と再同期がとれたことを検出した時に、開始／実行ロジック１１８は接触器１１６を閉じる。この時、開始／実行ロジック１１８は、接触器１１６を開いて電源をポニーモータ１１９に供給する。
【００３０】
代替電源がオンラインで供給され、モータ１２０が再同期をとっている一方で、フライホイール１２２は発電機１２１にエネルギーを供給して、発電機１２１が目的負荷に対して利用可能な電力の供給を続けることができる。目的負荷からみると、電力は一瞬たりとも中断されない。
【００３１】
上述の伝送プロセスの際に、通常６０ヘルツの電力を生成する発電機１２１の周波数は、約５９．５ヘルツに減衰する可能性がある。この減衰は、代替電源がオンラインで供給されてモータ１２０が再同期をとるまで、約６ヘルツ（１／１０秒）間続く。周波数は、さらに１５秒以内で正常に戻され、負荷（例えば、コンピュータ装置）の最小入力要件より決して低くならない。
【００３２】
動作中に４〜８ミリ秒間完全に電力が中断するスタティック切換スイッチに基づく電力分配器とは異なり、ＰＤＵ１００では電力は中断しない。停電時、通常約１ボルトのみの電圧の増減で、発電機１２１は電力を生成し続ける。
【００３３】
（保守時の動作）
保守や検査のために、モータ発電機１１５は図１の電気回路から手動で外される場合がある。特に、回路ブレーカ１０５、１０６、１２８が開かれた時には、システムからモータ発電機１１５が電気的に分離される。モータ発電機１１５を分離する前に、電力の供給は、回路ブレーカ１０７か１０８を介して変圧器１２５へ経路づけられる。変圧器１２５は、４８０ボルトの入力電力を２０８／１２０ボルトの出力電力に変圧するデルタスター（ｄｅｌｔａ−ｗｙｅ）型降圧変圧器でよい。バイパス制御回路１２６は、モータ発電機１１５から変圧器１２５へのスイッチングを制御する。
【００３４】
デルタスター型変圧器では、入力電圧と出力電圧の間に位相シフト（例えば、３０度の位相シフト）が挿入される。変圧器１２５がデルタスター型変圧器の場合は、モータ発電機１１５の出力にも位相シフトを挿入して、変圧器の出力に合わせる必要がある。
【００３５】
（物理的な実装形態）
図２は、ＰＤＵ１００の物理的なレイアウトを示す図である。図示したように、提案のＰＤＵユニットは、高さ８２インチ、長さ２１０インチである。ＰＤＵの奥行きは３８インチであってもよい。これらの寸法は、その一例を示したものであって、当業者であれば、等価なその他のＰＤＵを他の寸法で構築可能であることを理解することができる。通常、ＰＤＵ１００は、目的負荷の近傍の建物の中に設置される。
【００３６】
同期モータ発電機１１５などの同期モータ発電機は、当技術分野では周知のものである。そのようなモータ発電機のメーカの１つには、ミネソタ州のマンケイトのＫａｔｏ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇがある。位相シフトが、変圧器１２５によって挿入された位相シフトに合わせるために必要な場合は、位相シフトを挿入するために、標準外の巻線を用いてＫａｔｏ製モータ発電機を改造してもよい。
【００３７】
上では、停電の心配のない電力分配モジュールを説明した。ＰＤＵでは、停電時に主電源から予備電源へ容易に確実に切換えるために、フライホイールなどの内部バックアップエネルギー源が使用される。さらに、ＰＤＵは、半導体スタティック切換えスイッチに頼らずに高信頼性動作を実現することができ、また、容易に購入可能な既製部品によって構成することが可能である。
【００３８】
スタティックスイッチングデバイスの代わりに機械式スイッチングデバイスの使用に戻すことは後退に見えるかもしれないが、機械式デバイスの信頼性は、それらの電子的等価物の信頼性よりも高い。機械式スイッチの動作中には、電力の「乗継ぎ」だけが必要となる。これは、スイッチングデバイスと重要な負荷設備の間の電力回路に挿入された同期モータ発電機から供給される。電圧が降圧されるので、発電機が２０８／１２０ボルトの電力を生成する際には、モータは４８０ボルトで動作する。これは、標準のＰＤＵの変圧器に取って代わるものである。
【００３９】
上述した本発明の好適な実施形態には図と説明が提供されたが、これは本発明を網羅するものではなく、また、開示された厳密な形態に限定するものでもない。上記の教示と調和して修正と変更を加えたり、本発明の実施形態に基づいて修正や変更を行うことも可能である。例えば、４８０ボルトの電力を１２０ボルトの電力に変換することを説明したが、当業者であれば、所定のレベルを特定のサイトの電力要件に基づいて容易に変更可能であることを理解することができる。また、電源の数も２つに限定されないことも明らかである。３つ以上の電源を本発明の範囲内で使用することが可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲とそれと等価なものによって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に基づく電力分配器の構成部品を示す回路図である。
【図２】
図２は、電力分配器の物理的レイアウトを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004511199.tif 000025
【国際調査報告】
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2004511199.tif 000027
2004511199.tif 000028