(57)【要約】【課題】フライホイールの慣性による自由回転状態において誘導電動機を無励磁状態にし、必要なときに再励磁を短時間に実行できる発電回生装置、その励磁方法及びその発電方法を提供する。【解決手段】フライホイール９には、慣性エネルギーが蓄積された状態となる。このような状態で、例えば停電が発生した場合、かご型誘導電動機１０を今度はフライホイール９の回転力を基に発電機として動作させる。このかご型誘導電動機１０で発電された交流のエネルギーは、フライホイール用インバータ１１に供給される。そして、フライホイール用インバータ１１で交流から直流に変換された直流の電圧が直流電圧計１４で計測されながら、直流バス４に供給される。負荷用インバータ７は、直流バス４に供給された前記発電された電力を、例えば５０Ｈｚの交流とし、負荷８に供給する。【選択図】図１
2007259587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために発電を行って電力を回生する発電回生装置において、
回転することによって慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
前記フライホイールに連結し、当該フライホイールを所定の速度まで加速するためにモータとして動作すると共に、当該フライホイールの前記慣性エネルギーを用いて発電機としても動作する誘導電動機と、
前記誘導電動機に励磁電圧を印加して励磁すると共に、前記誘導電動機が発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとを備え、
前記インバータは、前記誘導電動機がモータとして動作して前記フライホイールを加速して前記フライホイールの回転速度が前記所定の速度に達したら、前記誘導電動機を無励磁として前記誘導電動機を前記フライホイールと共に遊転状態にし、外部から任意のタイミングで発電指令を受けると、前記誘導電動機を再励磁してから発電状態にする
ことを特徴とする発電回生装置。
【請求項２】
前記誘導電動機の回転数を計測する回転数計と、前記インバータが前記誘導電動機に印加する励磁電流を計測する電流計と、前記インバータが前記誘導電動機の発電した交流電圧を直流に変換した電圧を計測する直流電圧計とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の発電回生装置。
【請求項３】
前記インバータは、前記回転数計により計測した前記誘導電動機の現在の回転数に対して、前記励磁のための交流の周波数と誘導電動機の回転数との差として定義される、予め設定されたすべり値の初期値を用いて、励磁周波数を決定し、この励磁周波数に対応した目標励磁電圧を決定し、前記励磁周波数で駆動して前記誘導電動機を励磁することを特徴とする請求項２記載の発電回生装置。
【請求項４】
前記インバータは、前記励磁周波数で駆動して前記誘導電動機を励磁するとき、励磁開始電圧を０または前記目標励磁電圧より低い電圧に設定することを特徴とする請求項３記載の発電回生装置。
【請求項５】
前記低い電圧は前記電流計により計測される前記励磁電流による突入電流が前記インバータのトリップ値を超えないような最大値に設定することを特徴とする請求項４記載の発電回生装置。
【請求項６】
前記励磁電圧を０または前記低い電圧から目標励磁電圧に上げていくときの上昇速度を、前記電圧の増加に伴う励磁電流の増加が前記インバータのトリップ値を超えない範囲に設定することを特徴とする請求項５記載の発電回生装置。
【請求項７】
前記インバータは、前記励磁電圧を時間関数Ｆｘや励磁電流フィードバックによるＰＩＤ制御の補償器にて生成することを特徴とする請求項４記載の発電回生装置。
【請求項８】
前記インバータは、励磁が完了したときに、Ｖ／ｆ制御にて励磁電圧を決定し、励磁周波数を決定し、負荷による電力消費に見合った回生電力を前記誘導電動機から得ることを特徴とする請求項３記載の発電回生装置。
【請求項９】
前記インバータは、前記励磁周波数を前記励磁周波数またはすべり値を初期値とし、現在の回転数による先行指令と直流バス電圧のフィードバック制御によって決定することを特徴とする請求項８記載の発電回生装置。
【請求項１０】
電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために、回転することによって慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、前記フライホイールに連結し、当該フライホイールを所定の速度まで加速するためにモータとして動作すると共に、当該フライホイールの前記慣性エネルギーを用いて発電機としても動作する誘導電動機と、前記誘導電動機に励磁電圧を印加して励磁すると共に、前記誘導電動機が発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータは、前記誘導電動機がモータとして動作して前記フライホイールを加速して前記フライホイールの回転速度が前記所定の速度に達したら、前記誘導電動機を無励磁として前記誘導電動機を前記フライホイールと共に遊転状態にし、外部から任意のタイミングで発電指令を受けると、前記誘導電動機を再励磁してから発電状態にする発電回生装置が実行する励磁方法であって、
回転数計により前記誘導電動機の現在の回転数を計測する回転数計測ステップと、
前記回転数計測ステップにて測定された現在の回転数に対して、前記励磁のための交流の周波数と誘導電動機の回転数との差として定義される、予め設定されたすべり値の初期値を用いて、励磁周波数を決定する励磁周波数決定ステップと、
前記励磁周波数決定ステップにて決定した励磁周波数に対応した目標励磁電圧を決定する目標励磁電圧決定ステップと、
前記励磁周波数決定ステップで決定した励磁周波数により前記インバータを駆動し励磁を開始する励磁開始ステップと
を備えることを特徴とする発電回生装置の励磁方法。
【請求項１１】
前記励磁開始ステップの後、前記インバータにより前記励磁周波数で駆動して前記誘導電動機を励磁するとき、励磁開始電圧を０または前記目標励磁電圧決定ステップで決定された前記目標励磁電圧より低い電圧に設定することを特徴とする請求項１０記載の発電回生装置の励磁方法。
【請求項１２】
前記低い電圧は前記電流計により計測される前記励磁電流による突入電流が前記インバータのトリップ値を超えないような最大値に設定することを特徴とする請求項１１記載の発電回生装置の励磁方法。
【請求項１３】
前記励磁電圧を０または前記低い電圧から目標励磁電圧に上げていくときの上昇速度を、前記電圧の増加に伴う励磁電流の増加が前記インバータのトリップ値を超えない範囲に設定することを特徴とする請求項１２記載の発電回生装置の励磁方法。
【請求項１４】
電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために、回転することによって慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、前記フライホイールに連結し、当該フライホイールを所定の速度まで加速するためにモータとして動作すると共に、当該フライホイールの前記慣性エネルギーを用いて発電機としても動作する誘導電動機と、前記誘導電動機に励磁電圧を印加して励磁すると共に、前記誘導電動機が発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータは、前記誘導電動機がモータとして動作して前記フライホイールを加速して前記フライホイールの回転速度が前記所定の速度に達したら、前記誘導電動機を無励磁として前記誘導電動機を前記フライホイールと共に遊転状態にし、外部から任意のタイミングで発電指令を受けると、前記誘導電動機を再励磁してから発電状態にする発電回生装置が実行する発電方法であって、
励磁が完了したときに、Ｖ／ｆ制御にて励磁電圧を決定する励磁電圧決定ステップと、
励磁周波数を決定する励磁周波数決定ステップと、
負荷による電力消費に見合った回生電力を前記誘導電動機から得る回生電力取得ステップと
を備えることを特徴とする発電回生装置の発電方法。
【請求項１５】
前記励磁周波数決定工程は、前記励磁周波数を前記励磁周波数またはすべり値を初期値とし、現在の回転数による先行指令と直流バス電圧のフィードバック制御によって決定することを特徴とする請求項１４記載の発電回生装置の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールと誘導電動機を用いてなる発電回生装置、及び発電回生装置の励磁方法、並びに発電回生装置の発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フライホイールを利用した発電回生装置は、電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために発電を行って電力を回生する。例えば、回転子に永久磁石を用いた同期発電機にフライホイールを連結させた発電回生装置が知られている。
【０００３】
また、下記特許文献１や特許文献２に記載されているような、常時励磁して使用する誘導電動機にフライホイールを連結させた発電回生装置がある。例えば、下記特許文献１では、巻線型誘導機を使用したフライホイール無停電電源装置を提案している。特許文献１の技術は、巻線形誘導機にフライホイールを連結してフライホイール発電機を構成し、巻線形誘導機の一次巻線は負荷側に接続され、その二次巻線は電源からコンバータとインバータを介して電力を供給し、電源の安定時には電源より電力供給を受けてフライホイールに電力を蓄え、電源の電圧低下時には遮断機を遮断して負荷に電力を供給するフライホイール式無停電電源装置において、巻線形誘導機を同期速度より高速に回転させ、その二次巻線にフライホイールの回転速度と系統の周波数で決まる励磁電流を与えて可変速制御するというものである。また、下記特許文献２では、かご型誘導機を使用したフライホイール無停電電源装置を提案している。特許文献２の技術は、フライホイールを結合したかご型誘導電動機に保護すべき負荷を並列に接続し、回転させて待機し、短時間停電・瞬低時には逆流防止スイッチを切ることにより並列コンデンサの磁励現象により、誘導発電機になって、負荷に対して電力を供給するものである。
【０００４】
また、下記特許文献３では、誘導機を使用した無停電電源装置の電力消費量を低減する運転制御方法を提案している。特許文献３の技術は、フライホイール付ロータを有する三相誘導発電電動機に電力を供給してフライホイールを回転させ、電力遮断時はフライホイールの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を放出するようにした無停電電源装置に所定の駆動電圧を供給してフライホイールの回転数を上昇させた後に駆動電圧を下げて定常運転を行い、電力遮断時は駆動電圧を所定値まで上げるというものである。
【０００５】
また、下記特許文献４では、空気風損低減のためヘリウムガスと置換して摩擦損を減少させる方法を提案している。特許文献４の技術は、縦軸型発電機やフライホイール付き電動発電機等の回転機の損失を低減する目的で機内の冷却ガスを風損が小さく、かつ電気的耐電圧のあるガスで密閉するものである。
【特許文献１】特開２００１−１７８０２３号公報
【特許文献２】特開２００３−２３５１７９号公報
【特許文献３】特開２００３−０１１４９４号公報
【特許文献４】特開２０００−３５８３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、フライホイールと同期発電機を利用した発電回生装置は、同期発電機への通電を中止すると、慣性による自由回転状態において、永久磁石によるコギングトルク損失によりフライホイールの回転数が低下する欠点があった。
【０００７】
図２０は、同期機１０５とフライホイール１０６とを用いた発電回生装置（無停電電源装置）１００の構成図である。電源１０１からの例えば三相交流電圧を図示しない整流装置により直流電圧とし、直流バス１０３を通して図示しない負荷用インバータに供給し、例えば周波数５０Hzの交流電圧を作り負荷１０２に供給する。停電時には、フライホイール１０６に連結した同期機１０５を、フライホイール発電機として用い、この発電機によって発電された電力を、経路１０７に沿って、フライホイール用インバータ１０４により直流電圧に変換し、直流バス１０３を介して負荷１０２に供給している。しかし、同期機１０５は、コイルと永久磁石を組み合わせた構成であり、回転子に永久磁石を用いており、フライホイール１０６に連結して空回りさせた状態では、永久磁石との引き合いで、コギングトルクが発生し、それが抵抗となって損失が生じ、フライホイール１０６の回転数が低下する。
【０００８】
また、前記特許文献１や特許文献２のように、常時、励磁コイルを励磁している誘導電動機の場合は、コイルを常時励磁して使用しているため、回転数の急激な低下は発生せず発電状態への移行も容易に実施できる利点はあるが、励磁電流による電力損失が大きい欠点があった。
【０００９】
図２１は、常時、励磁コイルを励磁している誘導電動機１１５にフライホイール１１６を連結した発電回生装置１１０の構成図である。電源１１１からの例えば三相交流電圧を図示しない整流装置により直流電圧とし、直流バス１１３を通して図示しない負荷用インバータに供給し、例えば周波数５０Hzの交流電圧を作り負荷１１２に供給する。停電時には、フライホイール１１６に連結した誘導電動機１１５を、フライホイール発電機として用い、この発電機によって発電された電力を、経路１１７に沿って、フライホイール用インバータ１１４により直流電圧に変換し、直流バス１１３を介して負荷１１２に供給している。しかし、誘導電動機１１５には図２２に示すように、停電になり回転数が穏やかに下がってきても、破線で示すように常時、一定の励磁電圧がかけられている。つまり、励磁電流による損失が発生する。
【００１０】
また、前記特許文献３（特開２００３−１１４９４号公報）では、無停電電源装置の電力消費量を低減する運転制御方法を提案している。これは、待機時に回転数を保っている状態で、損失を防ぐために、電圧を定格電圧よりも低くする方法である。電圧を落としてしまえば、無駄な電流が流れるのが減るので電力消費量を低減できる。例えば、定常時駆動電圧を起動時駆動電圧の０．４倍に設定するものである。定格電圧１００Ｖであれば、電圧ベースで４０Ｖに、また電力ベースで０．１６倍にさげる。しかし、低減量には限界があり、０とはならない。
【００１１】
また、前記特許文献４（特開２０００−３５８３４４号公報）では、空気風損低減のためヘリウムガスと置換して摩擦損を減少させる方法を提案しているが、低減量には限界がある。このため、風損を完全に排除するためにフライホイールと誘導発電機を真空中に設置する構造が考えられたが、励磁電流により発熱された熱が逃げにくくなる。空気であれば空冷できたものが真空中にすると、摩擦は減らせるが発熱の除去が困難となり、実現の障害となっていた。
【００１２】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、フライホイールの慣性による自由回転状態において誘導電動機を無励磁状態にし、必要なときに再励磁を短時間に実行できる発電回生装置、その励磁方法及びその発電方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る発電回生装置は、前記課題を解決するために、電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために発電を行って電力を回生する発電回生装置において、回転することによって慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、前記フライホイールに連結し、当該フライホイールを所定の速度まで加速するためにモータとして動作すると共に、当該フライホイールの前記慣性エネルギーを用いて発電機としても動作する誘導電動機と、前記誘導電動機に励磁電圧を印加して励磁すると共に、前記誘導電動機が発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータは、前記誘導電動機がモータとして動作して前記フライホイールを加速して前記フライホイールの回転速度が前記所定の速度に達したら、前記誘導電動機を無励磁として前記誘導電動機を前記フライホイールと共に遊転状態にし、外部から任意のタイミングで発電指令を受けると、前記誘導電動機を再励磁してから発電状態にする。
【００１４】
このように、本発明の発電回生装置は、誘導電動機を採用し、慣性による回転状態においてフライホイールに連結している誘導電動機を無励磁とすることにより、励磁電流による損失を無くし、回転損失も少なくし、フライホイールおよび誘導電動機を完全な空転（遊転）状態とすることを可能とした。
【００１５】
前記遊転状態において誘導機は励磁されていないため、これを発電回生運転させるには高速で回転する誘導機に対し短時間に励磁電流を流す必要がある。そこで、本発明の発電回生装置の励磁方法では、突入電流によるインバータトリップを防止しつつ短時間の内に励磁する。また、発電方法では、負荷による電力消費に見合った回生電力を外部からの発電指令に対し短時間のうちに発電する。なお、本発明の励磁方法は、発電回生のための高速励磁だけでなく、力行のための高速励磁にも利用可能である。
【００１６】
また、本発明の発電回生装置にあっては、前記誘導電動機の回転数を計測する回転数計と、前記インバータが前記誘導電動機に印加する励磁電流を計測する電流計と、前記インバータが前記誘導電動機の発電した交流電圧を直流に変換した電圧を計測する直流電圧計とをさらに備えることが好ましい。
【００１７】
また、前記インバータは、前記回転数計により計測した前記誘導電動機の現在の回転数に対して、前記励磁のための交流の周波数と誘導電動機の回転数との差として定義される、予め設定されたすべり値の初期値を用いて、励磁周波数を決定し、この励磁周波数に対応した目標励磁電圧を決定し、前記励磁周波数で駆動して前記誘導電動機を励磁することが好ましい。
【００１８】
また、前記インバータは、前記励磁周波数で駆動して前記誘導電動機を励磁するとき、励磁開始電圧を０または前記目標励磁電圧より低い電圧に設定することが好ましい。
【００１９】
また、前記低い電圧は前記電流計により計測される前記励磁電流による突入電流が前記インバータのトリップ値を超えないような最大値に設定することが好ましい。
【００２０】
また、前記励磁電圧を０または前記低い電圧から目標励磁電圧に上げていくときの上昇速度を、前記電圧の増加に伴う励磁電流の増加が前記インバータのトリップ値を超えない範囲に設定することが好ましい。
【００２１】
また、前記インバータは、前記励磁電圧を時間関数Ｆｘや励磁電流フィードバックによるＰＩＤ制御の補償器にて生成することが好ましい。
【００２２】
また、前記インバータは、励磁が完了したときに、Ｖ／ｆ制御にて励磁電圧を決定し、励磁周波数を決定し、負荷による電力消費に見合った回生電力を前記誘導電動機から得ることが好ましい。
【００２３】
また、前記インバータは、前記励磁周波数を前記励磁周波数またはすべり値を初期値とし、現在の回転数による先行指令と直流バス電圧のフィードバック制御によって決定することが好ましい。
【００２４】
本発明に係る発電回生装置の励磁方法は、前記課題を解決するために、電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために、回転することによって慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、前記フライホイールに連結し、当該フライホイールを所定の速度まで加速するためにモータとして動作すると共に、当該フライホイールの前記慣性エネルギーを用いて発電機としても動作する誘導電動機と、前記誘導電動機に励磁電圧を印加して励磁すると共に、前記誘導電動機が発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータは、前記誘導電動機がモータとして動作して前記フライホイールを加速して前記フライホイールの回転速度が前記所定の速度に達したら、前記誘導電動機を無励磁として前記誘導電動機を前記フライホイールと共に遊転状態にし、外部から任意のタイミングで発電指令を受けると、前記誘導電動機を再励磁してから発電状態にする発電回生装置が実行する励磁方法であって、回転数計により前記誘導電動機の現在の回転数を計測する回転数計測ステップと、前記回転数計測ステップにて測定された現在の回転数に対して、前記励磁のための交流の周波数と誘導電動機の回転数との差として定義される、予め設定されたすべり値の初期値を用いて、励磁周波数を決定する励磁周波数決定ステップと、前記励磁周波数決定ステップにて決定した励磁周波数に対応した目標励磁電圧を決定する目標励磁電圧決定ステップと、前記励磁周波数決定ステップで決定した励磁周波数により前記インバータを駆動し励磁を開始する励磁開始ステップとを備える。
【００２５】
この励磁方法にあっては、前記励磁開始ステップの後、前記インバータにより前記励磁周波数で駆動して前記誘導電動機を励磁するとき、励磁開始電圧を０または前記目標励磁電圧決定ステップで決定された前記目標励磁電圧より低い電圧に設定することが好ましい。
【００２６】
また、前記低い電圧は前記電流計により計測される前記励磁電流による突入電流が前記インバータのトリップ値を超えないような最大値に設定することが好ましい。
【００２７】
また、前記励磁電圧を０または前記低い電圧から目標励磁電圧に上げていくときの上昇速度を、前記電圧の増加に伴う励磁電流の増加が前記インバータのトリップ値を超えない範囲に設定することが好ましい。
【００２８】
本発明に係る発電回生装置の発電方法は、前記課題を解決するために、電源から負荷に供給されている給電系統に代わって前記負荷に電力を供給するために、回転することによって慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、前記フライホイールに連結し、当該フライホイールを所定の速度まで加速するためにモータとして動作すると共に、当該フライホイールの前記慣性エネルギーを用いて発電機としても動作する誘導電動機と、前記誘導電動機に励磁電圧を印加して励磁すると共に、前記誘導電動機が発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータは、前記誘導電動機がモータとして動作して前記フライホイールを加速して前記フライホイールの回転速度が前記所定の速度に達したら、前記誘導電動機を無励磁として前記誘導電動機を前記フライホイールと共に遊転状態にし、外部から任意のタイミングで発電指令を受けると、前記誘導電動機を再励磁してから発電状態にする発電回生装置が実行する発電方法であって、励磁が完了したときに、Ｖ／ｆ制御にて励磁電圧を決定する励磁電圧決定ステップと、励磁周波数を決定する励磁周波数決定ステップと、負荷による電力消費に見合った回生電力を前記誘導電動機から得る回生電力取得ステップとを備える。
【００２９】
この発電方法にあって、前記励磁周波数決定工程は、前記励磁周波数を前記励磁周波数またはすべり値を初期値とし、現在の回転数による先行指令と直流バス電圧のフィードバック制御によって決定することが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る発電回生装置、発電回生装置の励磁方法及び発電回生装置の発電方法によれば、フライホイールの慣性による自由回転状態において誘導電動機を無励磁状態にし、必要なときに再励磁を短時間に実行できるので、低損失の無停電電源装置としての応用を可能とする。また、短時間で発電を開始することができるようになったので、コンデンサの容量を低減する効果も得られる。無励磁状態では誘導電動機は発熱しないため、フライホイールと誘導電動機を真空容器中に設定したり、磁気軸受けなどの非接触軸受けと組み合わせて使用したりすることが可能となり、風損や機械損失を最小化することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の発電回生装置の実施の形態となる無停電電源装置１を、電源２による通常時の給電系統（経路）３の直流バス４に、停電時の給電系（経路）５を接続した構成として示す図である。
【００３２】
無停電電源装置１は、詳細については後述するが、かご型誘導電動機１０を採用し、慣性による回転状態においてフライホイール９に連結している誘導電動機１０を無励磁とすることにより、励磁電流による損失を無くし、回転損失も少なくし、フライホイール９および誘導電動機１０を完全な空転状態とすることを可能とした。
【００３３】
前記空転状態においてかご型誘導電動機１０は励磁されていないため、これを発電回生運転させるには高速で回転する誘導機１０に対し短時間に励磁電流を流す必要がある。
【００３４】
そこで、無停電電源装置１は、突入電流によるインバータトリップを防止しつつ短時間の内に誘導電動機１０の励磁コイルを励磁し、かつ発電を開始する。なお、本実施の形態は後に述べる発電回生のための高速励磁だけでなく、力行のための高速励磁にも利用可能である。
【００３５】
図１にあって、通常時の給電系（経路）３は、電源２からの例えば三相交流電圧を整流装置６により直流電圧とし、直流バス４を通して負荷用インバータ７に供給している。負荷用インバータ７は、例えば周波数５０Hzの交流電圧を作り、負荷８に供給する。
【００３６】
停電時の給電系（経路）５では、フライホイール９にかご型誘導電動機１０を連結し、フライホイール発電機として用い、この発電機によって発電された電力を、フライホイール用インバータ１１により直流電圧に変換し、前記直流バス４に供給している。
【００３７】
かご型誘導電動機１０は、巻き線型の回転子及び固定子を用いてなる電動機であり、モータになったり、あるいは発電機になる。モータとして動作するときは、フライホイール９を所定の速度まで加速する。発電機として動作するときは、フライホイール９の慣性エネルギーに基づいた回転力に応じて発電する。
【００３８】
フライホイール９は、慣性を持ち、かつ質量を持った円盤である。ベアリングや、磁気軸受け上に回転している。磁気軸受けを使うことにより、無接触とし、摩擦による損失を防ぐことができる。前記誘導電動機１０がモータとして動作するときには、コマのように高速に回転される。空回りしているときには、回転エネルギーという形でエネルギーを保持している。フライホイール９の回転数は回転数計１２により周波数［Ｈｚ］として計測される。
【００３９】
かご型誘導電動機１０とフライホイール用インバータ１１との間には、電流計１３が設けられ、フライホイール用インバータ１１によって生成される励磁電圧によって流れる励磁電流値を計測する。
【００４０】
フライホイール用インバータ１１は、フライホイール９の回転力に基づいて発電機として動作する前記誘導電動機１０からの交流電圧を直流電圧に変換し、前記直流バス４に供給する。このとき、直流電圧計１４によって直流電圧値が測定される。また、フライホイール用インバータ１１は、誘導電動機１０に励磁電圧、励磁電流を供給する。
【００４１】
また、フライホイール用インバータ１１によって変換された直流電力は、キャパシタ（コンデンサ）１５にも供給される。キャパシタ１５は、電源が停電等によって落ちたときに、例えばフライホイール用インバータ１１を動作させるための最小限の電力を蓄積する。かご型誘導電動機１０により発電が開始されれば、その発電エネルギーを使うことができるが、発電するまではキャパシタ１５の電力を補助的に使う。
【００４２】
このような構成の無停電電源装置１にあって、給電経路５中のかご型誘導電動機１０は、通常時、モータとして動作し、フライホイール９を加速する。フライホイール９の回転数が十分上がったところで、かご型誘導電動機１０の励磁を止め、フライホイール９を空回しの状態にしておく。フライホイール９とかご型誘導電動機１０は連結されているので、かご型誘導電動機１０の回転子は回転を続けている。
【００４３】
フライホイール９には、前述したように慣性エネルギーが蓄積された状態となる。このような状態で、例えば停電が発生した場合、フライホイール用インバータ１１はかご型誘導電動機１０を今度はフライホイール９の回転力を基に発電機として動作させる。このかご型誘導電動機１０で発電された交流のエネルギーは、フライホイール用インバータ１１に供給される。そして、フライホイール用インバータ１１で交流から直流に変換された直流の電圧が直流電圧計１４で計測されながら、直流バス４に供給される。負荷用インバータ７は、直流バス４に供給された前記発電された電力を、前述の通り５０Ｈｚの交流とし、負荷８に供給する。
【００４４】
このように、無停電電源装置１は、負荷８に対して、通常時の給電経路３では、整流装置６からの電力に基づいた負荷用インバータ７からの電力を、また停電時の給電経路５では、誘導電動機１０により発電された電力を供給することができる。
【００４５】
特に、無停電電源装置１は、以下の原理に基づいて動作する。まず、通常時に、フライホイール９に連結したかご型誘導電動機１０を、フライホイール９が所定の速度に達したら、無励磁とした状態にし、フライホイール９をそのまま高速で回転させておく。この状態、つまりかご型誘導電動機１０を無励磁とし、フライホイール９を所定の高速度で空回りさせる状態を遊転状態という。
【００４６】
この遊転状態ではフライホイール９に慣性運動エネルギーが蓄積されている。この状態から、フライホイール用インバータ１１の制御により、かご型誘導電動機１０を励磁し、回転数（すべり）制御を行うことによって運動エネルギーにより発電を行う。
【００４７】
このように、本実施の形態は前記原理を応用した無停電電源装置１であり、遊転状態から発電状態に至るまでの高速な励磁方法と、短時間の内に発電エネルギーを発生させる発電方法とを実行し、停電時間の短縮やキャパシタの低容量化、励磁電流損失の排除による待機電力の最小化を実現するものである。
【００４８】
以下、無停電電源装置１によって実行される誘導電動機１０の励磁方法、誘導電動機１０の発電方法について詳細に説明する。
【００４９】
前記遊転状態にあって、かご型誘導電動機１０は、励磁されていないため、発電回生運転させるには、発電状態に持っていかなければならない。そこで、先ず、高速で回転するかご型誘導電動機１０に対して、フライホイール用インバータ１１から短時間で励磁電流を流す必要がある。
【００５０】
従来、常時励磁状態にした誘導電動機は、以下に示す、すべり量−トルク特性にあって、横軸のすべり量を短時間で後述の領域（３）に入れることにより発電状態に入れることができた。図２はすべり量−トルク特性図である。ここでいうすべり量とは、従来の誘導電動機の励磁コイルに流す電気的な交流の周波数［Ｈｚ］と、機械的な誘導電動機の回転数との差である。
【００５１】
通常、前記交流の周波数と前記従来の誘導電動機の回転数とが一致し、その差が０である場合（１）には、すべり量は０である。これに対して、前記従来の誘導電動機の回転数の方が、前記交流の周波数よりも遅い場合（２）、つまり「交流の周波数＞誘導電動機の回転数」のときには、前記従来の誘導電動機にはモータとしてのパワーが発生し、力行と呼ばれるトルクが生じる。そのトルクと摩擦、負荷等がバランスしたところで、誘導電動機の回転数が落ち着く。また、前記従来の誘導電動機の回転数の方が、前記交流の周波数よりも速くなる場合（３）、つまり「交流の周波数＜誘導電動機の回転数」のときには、従来の誘導電動機は、回生となり、発電機として動作する。
【００５２】
このように、誘導電動機を、交流磁界よりも速く回してやると、発電機として動作する。発電されたエネルギーが電力系統に入ってくる。通常は、前記交流の周波数と誘導電動機の回転数とが一致しているとき（１）消費電力が少ない。実際にはちょっと摩擦分があるのでずっと励磁をかけておくと、摩擦分を打ち消して一定回転で回すので、（４）の辺りで動く。たとえば、誘導電動機を一定回転で回していて、励磁も供給しておくという状態にあるとする。誘導電動機には励磁がかかっている状態から、停電などによりいざ発電しなさいという指令がきたときには、すべり量ｓ１を（３）の領域方にもってくる。これは、フライホイール用インバータを備えた無停電電源装置であれば、インバータの周波数を変えてやれば、簡単にできる。誘導電動機の回転数が交流の周波数を追い越せば発電のエネルギーが得られる。このように従来の誘導電動機を用いた場合に、図２に示したようなすべり量の制御をいれれば、短時間のうちに発電エネルギーを得られる。しかし、この従来の誘導電動機によれば、待機状態にあってもいつも励磁用に電力を消費していることになるので損失が大である。
【００５３】
そこで、本実施の形態の無停電電源装置１では、前記損失をなくすために、誘導電動機１０を励磁せず、無励磁にして空回りにする。その状態から停電等が起こったときには、誘導電動機１０を発電モードにまで持っていかなければならない。まず、誘導電動機１０に対して励磁電流をかけて、磁界を作ってやらなければならない。しかし、一般的には空回ししている状態から励磁電流をかけて励磁するには時間がかかる。そこで、従来までの励磁方法よりも短時間で励磁する励磁方法が必要とされる。
【００５４】
しかし、無励磁の状態からある時点で定格電圧をかけると、励磁電流の突入電流が大きくなってしまう。図３は、横軸に時間、縦軸に電圧をとり、無励磁から時間ｔ１で定格電圧を得るまでに、突入電流が流れてしまうことを示す比較のための図である。インバータの場合トリップしてしまう。
【００５５】
また、図４には、スター結線とデルタ結線とを使い分けた例を比較例として示す。スター結線は、抵抗が電気回路上３倍となるので、時間ｔ１で定格電圧Ｖ１を得ても破線で示すように励磁電流は一度に流れない。すなわち、抵抗が大きいので電流を抑えることができる。ある程度の時間、スター結線で励磁した後、デルタ結線に励磁コイルを切り替える。これにより、突入電流を抑えることができる。これは、インバータを使わない構成で用いられていた。
【００５６】
図５には、インバータを用いて、自由に電圧を制御し、あるレートで励磁電圧を徐々に上げ、励磁電流の突入電流を抑える比較例の特性を示す。時間ｔ１で励磁しはじめてから時間ｔ２で定格電圧Ｖ１になるまでに、破線でしめす励磁電流は突入電流となることはないが、２００msec乃至３００msecの時間を要してしまう。
【００５７】
図６は、本実施の形態の無停電電源装置１にあって実行される励磁方法によって、高速に定格電圧Ｖ１まで励磁したときの特性図である。無励磁の状態から、励磁を行って、定格電圧Ｖ１を得るまでには、２０msecほどで済む。
【００５８】
これは、後述するように電流のフィードバック制御により励磁電圧の上昇速度を決めるという励磁方法により、インバータにてトリップしないぎりぎりの速さで、無励磁から高速に励磁することで実現できる。
【００５９】
図７は、無停電電源装置１にて行われる処理の手順を示すフローチャートである。この図７を参照して、本発明にかかる発電回生装置の励磁方法及び発電方法を含んだ全体的な処理の説明を行う。
【００６０】
先ず、ステップＳ１（ア）にて、フライホイール９に接続されたかご型誘導電動機１０を、Ｖ／ｆ制御に基づいてフライホイール用インバータ１１にて駆動し、定格回転数まで加速する。
【００６１】
図８はＶ／ｆ制御特性図である。この図は、誘導電動機を回すうえでの制御特性を示している。横軸は誘導電動機１０の回転数ｆ［Ｈｚ］であり、フライホイール用インバータ１１の周波数を変えることによって制御できる。縦軸は誘導電圧機の電圧Ｖ［Ｖ］を示す。フライホイール用インバータ１１により、フライホイール９に接続されたかご型誘導電動機１０を駆動し、定格回転数ｆ０まで加速する。回転数に応じて電圧を決めることができる。はじめは、回転数が０で、電圧も０であるが、フライホイール用インバータ１１にて回転数をあげていって定格回転数ｆ０のところで、定格電圧Ｖ０にするという運転を行う。
【００６２】
さらに、図９乃至図１１を参照してＶ／ｆ制御について説明する。Ｖ／ｆ制御はすべりの状態を利用するが、これはインバータが持っている特性である。この特性は、インバータに設定するが、誘導電動機に対して、Ｖ１という電圧で、ｆ１という周波数をかけると、誘導電動機はそれに引っ張られて回転する。摩擦がない状態なら、完全にｆ１に一致するが、実際には損失があるのｆ１までいかず、少し手前でバランスしてしまう。
【００６３】
摩擦の大きさ、フライホイールのモーメント、大きさによって加速の速さは変わってくる。その間は、すべった状態となる。交流の磁界の回転数はｆ１のままであるが、モータの方はゆっくりあがってきて、あるところでバランスする。あとは回転数を変えたいときは、交流の周波数を変える。
【００６４】
モータの方もあるすべりをもって、完全に一致することはないが、追いついてくる。完全に一定することはない。そのときの周波数ｆに対して電圧Ｖをどのように設定するかということになる。
【００６５】
モータの発生トルクから見ると、図１０に示すように周波数に対して電圧が一定の傾きで伸びているときには、発生トルクが破線で示すように一定となる。図１１に示すように、周波数に対して電圧が一定値になると、発生トルクが破線のように減ってくる。
【００６６】
よって、図９に示すようなＶ／ｆ制御特性のときに、電圧が周波数に対して一定の傾きで伸びている状態では発生トルクは一定であるが、周波数に対して電圧が一定値になると、発生トルクは減ってくる。
【００６７】
回転数は図１に示した回転数計１２により測定される。フライホイールの運転状態によって回転数がいまどこにあるのかがわからない。励磁もしていないので、いざ励磁をかけようとするときには、回転数を回転数計１２により計測する。すると、図８の特性から電圧値がどの当たりかがわかる。
【００６８】
このようなＶ／ｆ制御に基づいて、前記ステップＳ１（ア）では、フライホイール９に接続された誘導電動機１０をフライホイール用インバータ１１にて駆動し、定格回転数まで加速する。周波数をあげながら、電圧も上げる。回転数をかえながら、電圧も変える。所望のトルクの特性も得られる。
【００６９】
図７に戻り、ステップＳ２にて定格回転数に達したか否かを判定する。定格回転数ｆ０に達していれば（ＹＥＳ）、ステップＳ３（イ）に進んで誘導電動機１０を無励磁とする。これ以後、フライホイール９と誘導電動機１０は慣性による自由回転状態を得て、フライホイール９の慣性エネルギーを長時間持続する。
【００７０】
図１２は横軸に時間を、縦軸に回転数をとった回転数の特性図であり、回転数の時間軸上での変化を示す図である。前記ステップＳ１の（ア）にて回転数はＵのように上昇し定格回転数ｆ０とされる。その後、ステップＳ３の（イ）にて無励磁として、遊転状態とした。このとき、回転数はＤ１のように下がる。ただし、前述の同期機よりはコギングトルクが発生しない分だけ減少率は低い。
【００７１】
励磁を続けると回転数は一定に保たれるが、本実施の形態では無励磁にするので極小量づつ回転数が落ちてくる。ただし、フライホイール９の軸受けを磁気軸受けとし、真空状態にすれば、１分間４０００回転の場合、４、５回転落ちるのに１５分を要する程でしかない。よって、回転損失はほとんど０としてもよい。もちろん、フライホイール９の軸受けをベアリングにし、空気中で回転させれば損失はもう少し増えるが、それでも前記同期機よりは少ない。
【００７２】
次に、図７のステップＳ４にて電源の遮断など、外部から任意のタイミングで発電指令を受けたと判定する（ＹＥＳ）とステップＳ５（ウ）に進み、キャパシタ１５に蓄積した電荷を使用して高速再励磁を行う。図１２では無励磁から励磁の状態になるので回転数はＮ特性のように減少しない。この高速再励磁方法については図１３を参照して後述する。
【００７３】
ステップＳ５（ウ）にて高速再励磁が終わると、ステップＳ６（エ）に進んで本発明の発電方法にしたがって発電回生を行う。発電状態では回転数をＤ３のように落としながら発電する。このステップＳ６の発電方法についても後述する。
【００７４】
次に、ステップＳ７にて、発電状態にあって、直流バスの電圧を一定に維持するためフライホイール用インバータ１１は誘導電動機１０の回転数を監視しながらすべり量を制御する。
【００７５】
次に、ステップＳ８にて、負荷用インバータ７は直流バスを通じて、電源２または誘導発電機１０からの回生電力の供給を受け、負荷電圧の制御を継続し、負荷８に電力を供給する。
【００７６】
以下には、ステップＳ５の励磁方法の詳細について図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は励磁方法の処理手順を示すフローチャートであり、図１４は高速な励磁方法を説明するための励磁電圧／電流特性図である。
【００７７】
図１３のステップＳ５１において、回転数計１２により無励磁状態にある誘導電動機１０の現在の回転数を計測する。
【００７８】
次に、ステップＳ５２にて、予め設定したすべり値の初期値ｓ１を用いて現在の回転数に対する励磁周波数ｆ１を決定する。発電状態にするので、予めそれに見合ったすべり値を設定しておく。前記図２を参照したように、発電にするときはすべり値ｓ１は（３）の領域に入れる。例えば、誘導電動機１０が５０Ｈｚで回っているのであれば、５１Ｈｚの励磁をかければ発電する。よってすべりの初期値ｓ１を＋１Ｈｚとする。それを勘案して回転数から励磁周波数ｆ１を決定する。
【００７９】
ステップＳ５３では、図８に示したＶ／ｆ制御特性からｆ１に対応した励磁目標電圧Ｖ１を決定する。つまり、ｆ１が決まると励磁すべき励磁電圧Ｖ１がわかる。
【００８０】
ステップＳ５４では、フライホイール用インバータ１１を励磁周波数ｆ１で駆動し励磁を開始する。このとき励磁電圧は０または、図１４に示すように目標電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ２から開始する。このときＶ２は突入電流がインバータのトリップ電流値を超えない最大値に設定するのが望ましい。
【００８１】
ステップＳ５５では、励磁電圧を０またはＶ２からＶ１に向けて上昇していく。このときも励磁電圧の増加に伴う電流の増加がインバータのトリップ値を超えない範囲で上昇速度を設定する。
【００８２】
図１５は励磁電圧制御回路の具体例３０の構成図である。これは、フライホイール用インバータ１１に含まれる。時計３１によって計時される電圧に対する時間の関数Ｆｘを関数算出器３２により算出する。また、電流計１３により測定される励磁電流の最大電流設定値との差をデルタ算出器３３により算出してからフィードバックによるPID制御などの補償器３４に供給して補償する。そして、Σ加算器３５にて前記関数Ｆｘと前記補償値とを合計する。すると前述した図６のような速さとなる。
【００８３】
次に、ステップＳ５６にて励磁電圧がＶ１に到達したか否かをチェックし、到達したと判定したら高速励磁は完了となる。
【００８４】
以下には、ステップＳ６の発電方法の詳細について図１６及び図１７を参照して説明する。図１６は発電方法の処理手順を示すフローチャートであり、図１７は発電方法を説明するための時間−回転数特性図である。
【００８５】
図１６のステップＳ６１において、前記ステップＳ５６から引き続きＶ／ｆ制御にて励磁電圧を決定する。
【００８６】
次に、ステップＳ６２にて、励磁周波数ｆを、ｆ１またはｓ１を初期値とし、現在の回転数による先行指令と直流バス電圧のフィードバック制御（PID制御など）によって決定する。
【００８７】
次に、ステップＳ６３にて、発電による回転数の低下や負荷電力の消費に対し、励磁周波数またはすべりが適切に制御され、負荷による電力消費に見合った回生電力が得られる。
【００８８】
図１７の特性図にあって、発電開始時間ｔ２は、図１４に示した励磁完了時間ｔ２と時間的に同一時点である。発電開始の以前はｆ１という励磁周波数でまわっている。図１７にあって縦軸は回転数又は周波数であり、横軸は時間である。実線はモータの実回転数であり、一点鎖線が励磁周波数Ｈｚである。励磁周波数はモータの実回転数よりも少し低いところに設定する。発電開始しはじめると、回転数を制御しながら発電していくことになる。
【００８９】
図１８は、励磁周波数を制御する回路の具体例２０の構成図である。これも、フライホイール用インバータ１１に含まれる。回転数計１２によって測定した誘導電動機の回転数［Ｈｚ］から関数計算機２１により関数Ｆｘを計算し、加算器（Σ）２４に供給する。一方、直流電圧計１４で測定された直流電圧値はデルタ演算部２２にて直流電圧設定値との差がとられ、その差を基に補償器２３が電圧値を補償し、加算器２４に供給する。加算器２４は、前記補償値に関数Ｆｘの計算結果を合計して励磁周波数を算出する。
【００９０】
図１９は励磁周波数制御の原理を説明するための図である。通常は電源２から負荷用インバータ７を介して負荷８に電力が供給される。電源側の系統が停電したとする。すると、無停電電源装置１はフライホイール用インバータ１１から電力を回生する。
【００９１】
負荷がＰＬ（ＫＷ）の電力を消費していた場合、フライホイール発電機はＰＬ（Ｋｗ）を発電しなければいけない。つまり、ＰＦ（Ｋｗ）という発電した分が負荷のＰＬ（Ｋｗ）をまかなえばバランスがとれた状態となる。
【００９２】
しかし、負荷で消費するよりもフライホイール発電機にて発電した電力のほうが大きいと、電力供給過多となる。これは、直流電圧に現れる。つまり、ＰＦ＞ＰＬ→直流電圧上昇する。これは直流電圧計１４によって測定される。
【００９３】
また、負荷で消費する電力のほうがフライホイール発電機が発電する電力より大きいと、エネルギーが逃げていくので、ＤＣ電圧が下がる。つまり、ＰＦ＜ＰＬ→ＤＣ電圧が下がる。また、ＰＦ＝ＰＬ→ＤＣ電圧一定となる。
【００９４】
これはＤＣ電圧が発電分と消費分の差の積分で決まってくるためである。バランスがとれたら一定となる。入ってくる分が大きくて、出ていく分が小さければ、蓄積される。
【００９５】
負荷側はその状態に応じて、電力を消費している。変動は、直流電圧計１４での直流電圧の測定値にでる。ＤＣ電圧が一定になるように、発電量ＰＦ（Ｋｗ）を決めてやれば、結果的にＰＦと消費電力ＰＬがバランスする。フライホイール発電機からの電圧は、すべり量を調整することで制御することができる。
【００９６】
すべり量が小さいと発電エネルギーが小さくなる。すべり量が大きいと発電エネルギーが大きくなる。これは力行と逆である。力行は、すべり量が小さいと、パワーが小さい。すべり量が大きいと、パワーが大きい。発電のときもすべり量を制御すれば、発電量を制御できる。すベり＝回転周波数−モータの回転数であるので、モータの回転数が例えば５０Ｈｚで、すべりが１Ｈｚなら回転周波数を４９Ｈｚにする。すると、１Ｈｚ分の出力が出てきている。発電するとモータの回転数は落ちてくる。インバータはそれよりもいつも１Ｈｚ下のところなければ、連続して安定に発電が得られない。回転数が下がってくると、それを見ながら、いつも下に制御する必要がある。そこで、回転数を基に励磁周波数を決めている。微調整はＤＣ電圧をみながら周波数を制御することにより行われる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】無停電電源装置の構成図である。
【図２】すべり量−トルク特性図である。
【図３】無励磁から時間ｔ１で定格電圧Ｖ１を得るまでに、突入電流が流れてしまうことを示す比較のための図である。
【図４】スター結線とデルタ結線とを使い分けてた例の励磁電圧／励磁電流特性図である。
【図５】インバータを用いて、自由に電圧を制御し、あるレートで励磁電圧を徐々に上げ、励磁電流の突入電流を抑える比較例の特性図である。
【図６】無停電電源装置１にあって実行される励磁方法によって、高速に定格電圧Ｖ１まで励磁したときの特性図である。
【図７】無停電電源装置１にて行われる処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】Ｖ／ｆ制御特性図である。
【図９】Ｖ／ｆ制御特性図である。
【図１０】Ｖ／ｆ制御特性図にあって、周波数に対して電圧が一定の傾きで伸びていることを示す図である。
【図１１】Ｖ／ｆ制御特性図にあって、周波数に対して電圧が一定値であることを示す図である。
【図１２】横軸に時間を、縦軸に回転数をとった回転数の特性図であり、回転数の時間軸上での変化を示す図である。
【図１３】励磁方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】高速な励磁方法を説明するための励磁電圧／電流特性図である。
【図１５】励磁電圧制御回路例を示す図である。
【図１６】発電方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】発電回生制御方法を説明するための特性図である。
【図１８】励磁周波数制御回路例の構成図である。
【図１９】励磁周波数制御の原理を説明するための図である。
【図２０】同期機とフライホイールとを用いた発電回生装置（無停電電源装置）の構成図である。
【図２１】常時、励磁コイルを励磁している誘導電動機にフライホイールを連結した発電回生装置の構成図である。
【図２２】励磁電流により発生する損失を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９８】
１・・・無停電電源装置（発電回生装置）
２・・・電源
３・・・通常時の給電経路
４・・・直流バス
５・・・停電時の給電経路
６・・・整流装置
７・・・負荷用インバータ
８・・・負荷
９・・・フライホイール
１０・・・誘導電動機
１１・・・フライホイール用インバータ
１２・・・回転数計
１３・・・電流計
１４・・・直流電圧計
１５・・・キャパシタ
【図１】
2007259587.tif 000003
【図２】
2007259587.tif 000004
【図３】
2007259587.tif 000005
【図４】
2007259587.tif 000006
【図５】
2007259587.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007259587.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007259587.tif 000011
【図１０】
2007259587.tif 000012
【図１１】
2007259587.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2007259587.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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