(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源結線を介して交流電力を負荷に供給する電源システムであって、前記電源結線が引外し信号の受信に応じて前記電源システムを前記負荷から切り離す手段を含んで成る電源システムにおいて、
交流出力電圧を生成する手段と、
前記交流出力電圧を標本化して、交流電流標本および交流電圧標本を提供する手段と、
少なくとも１サイクル分の前記交流電流標本および前記交流電圧標本を保存する手段と、
前記標本化手段からの交流電流標本と前記保存手段に保存された前の交流電流サイクルの対応する点における交流電流標本との差としての過渡電流を決定し、かつ、前記標本化手段からの交流電圧標本と前記保存手段に保存された前の交流電圧サイクルの対応する点における交流電圧標本との差としての過渡電圧を決定する手段と、
前記過渡電流および前記過渡電圧の値が予め定められた量だけ両方とも増加または両方とも減少したときに、前記引外し信号を生成する手段と、
をそれぞれ具備することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前サイクルの前記交流電流標本および前記交流電圧標本の対応する点の交流電流標本および交流電圧標本を平均し、その結果得られる平均値を前記過渡電流および過渡電圧決定手段で使用するために前記保存手段に保存するための手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記引外し信号生成手段が前記過渡電流に前記過渡電圧を乗算し、前記過渡電流と前記過渡電圧の乗算の積が正のときに、前記引外し信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項４】
前記交流出力電圧生成手段が３相交流出力電圧を出力して前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項５】
前記交流出力電圧生成手段が単相および分相交流出力電圧信号のうちの一方を出力して前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
【請求項６】
電源結線を介して交流電力を負荷に供給する電源システムであって、前記電源結線が引外し信号の受信に応じて前記電源システムを前記負荷から切り離す手段を含んで成る電源システムにおいて、
交流出力電圧を生成する手段と、
前記交流出力電圧の整流合計平均および前記交流出力電圧の出力位相の電力合計を計算する手段と、
比較的短い時定数を有し、前記整流合計平均および前記電力合計を濾波する第１フィルタと、
比較的長い時定数を有し、前記整流合計平均および前記電力合計を濾波する第２フィルタと、
前記第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波後の電力合計の間の差としての過渡電力を決定し、かつ、前記第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波後の整流合計平均の間の差としての過渡電圧を決定する手段と、
前記過渡電力および前記過渡電圧の値が予め定められた量だけ両方とも増加または両方とも減少したときに、前記引外し信号を生成する手段と、
をそれぞれ具備することを特徴とする電源システム。
【請求項７】
前記引外し信号生成手段が前記過渡電力に前記過渡電圧を乗算し、前記過渡電力と前記過渡電圧の乗算の積が正のときに、前記引外し信号を生成することを特徴とする請求項６に記載の電源システム。
【請求項８】
共通電源結線を介して負荷に交流電力を供給するように並列に接続された少なくとも２つの電源システムから成る冗長電源システムの前記共通電源結線が、前記電源システムの各々を、対応する電源システムからの引外し信号の受信により前記負荷から切り離すそれぞれの手段を含んで成る冗長電源システムにおいて、前記少なくとも２つの電源システムのうち少なくとも１つが、
交流出力電圧を生成する手段と、
前記交流出力電圧を標本化して、交流電流標本および交流電圧標本を提供する手段と、
少なくとも１サイクル分の前記交流電流標本および前記交流電圧標本を保存する手段と、
前記標本化手段からの交流電流標本と前記保存手段に保存された前の交流電流サイクルの対応する点における交流電流標本との差としての過渡電流を決定し、かつ、前記標本化手段からの交流電圧標本と前記保存手段に保存された前の交流電圧サイクルの対応する点における交流電圧標本との差としての過渡電圧を決定する手段と、
前記過渡電流および前記過渡電圧の値が予め定められた量だけ両方とも増加または両方とも減少したときに、対応する切離し手段に対し前記引外し信号を生成する手段と、
をそれぞれ具備し、それによって、各電源システムが、他の各電源システムによる引外し信号の生成とは独立して引外し信号を生成することを特徴とする冗長電源システム。
【請求項９】
各電源システムが、前サイクルの前記交流電流標本および前記交流電圧標本の対応する点の交流電流標本および交流電圧標本を平均し、その結果得られる平均値を前記過渡電流および過渡電圧決定手段で使用するために前記保存手段に保存するための手段をさらに具備することを特徴とする請求項８に記載の冗長電源システム。
【請求項１０】
前記引外し信号生成手段が前記過渡電流に前記過渡電圧を乗算し、前記過渡電流と前記過渡電圧の乗算の積が正のときに、前記引外し信号を生成することを特徴とする請求項８に記載の冗長電源システム。
【請求項１１】
前記交流出力電圧生成手段が３相交流出力電圧を出力して前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項８に記載の冗長電源システム。
【請求項１２】
前記交流出力電圧生成手段が単相および分相交流出力電圧信号の１つを出力して前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項８に記載の冗長電源システム。
【請求項１３】
共通電源結線を介して負荷に交流電力を供給するように並列に接続された少なくとも２つの電源システムから成る冗長電源システムの前記共通電源結線が、前記電源システムの各々を、対応する電源システムからの引外し信号の受信により前記負荷から切り離すそれぞれの手段を含んで成る冗長電源システムにおいて、前記少なくとも２つの電源システムのうちの少なくとも１つが、
交流出力電圧を生成する手段と、
前記交流出力電圧の整流合計平均および前記交流出力電圧の出力位相の電力合計を計算する手段と、
比較的短い時定数を有し、前記整流合計平均および前記電力合計を濾波する第１フィルタと、
比較的長い時定数を有し、前記整流合計平均および前記電力合計を濾波する第２フィルタと、
前記第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波後の電力合計の間の差としての過渡電力を決定し、かつ、前記第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波後の整流合計平均の間の差としての過渡電圧を決定する手段と、
前記過渡電力および前記過渡電圧の値が予め定められた量だけ両方とも増加または両方とも減少したときに、対応する切離し手段に対し前記引外し信号を生成する手段と、
をそれぞれ具備し、それによって各電源システムが、他の各電源システムによる引外し信号の生成とは独立して引外し信号を生成することを特徴とする冗長電源システム。
【請求項１４】
前記引外し信号生成手段が前記過渡電力に前記過渡電圧を乗算し、前記過渡電力と前記過渡電圧の乗算の積が正のときに、前記引外し信号を生成することを特徴とする請求項１３に記載の冗長電源システム。
【請求項１５】
電源システムの障害発生時に、前記電源システムを、前記電源システムから交流電力を供給される負荷から切り離すための引外し信号を生成する方法において、
前記電源システムから交流出力電圧を標本化して、交流電流標本および交流電圧標本を提供する段階と、
少なくとも１サイクル分の前記交流電流標本および前記交流電圧標本を保存する段階と、
現在の交流電流標本と予め保存された前の交流電流サイクルの対応する点における交流電流標本との差としての過渡電流を決定する段階と、
現在の交流電圧標本と予め保存された前の交流電圧サイクルの対応する点における交流電圧標本との差としての過渡電圧を決定する段階と、
前記過渡電流および前記過渡電圧の値が予め定められた量だけ両方とも増加または両方とも減少したときに、前記引外し信号を生成する段階と、
を施行するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前サイクルの前記交流電流標本および前記交流電圧標本の対応する点の交流電流標本および交流電圧標本を平均し、その結果得られる平均値を前記過渡電流および過渡電圧の決定段階で使用するために保存する段階をさらに有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記引外し信号生成の段階が、前記過渡電流に前記過渡電圧を乗算し、前記過渡電流と前記過渡電圧の乗算の積が正のときに、前記引外し信号を生成する段階から成ることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
電源システムの障害発生時に前記電源システムを、前記電源システムから交流電力を供給される負荷から切り離すための引外し信号を生成する方法において、
前記電源システムによって提供される交流出力電圧の整流合計平均を計算する段階と、
前記電源システムによって提供される前記交流出力電圧の出力位相の電力合計を計算する段階と、
比較的短い時定数を有する第１フィルタを使用して、前記整流合計平均および前記電力合計を濾波する段階と、
比較的長い時定数を有する第２フィルタを使用して、前記整流合計平均および前記電力合計を濾波する段階と、
前記第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波後の電力合計の間の差としての過渡電力を決定する段階と、
前記第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波後の整流合計平均の間の差としての過渡電圧を決定する段階と、
前記過渡電力および前記過渡電圧の値が予め定められた量だけ両方とも増加または両方とも減少したときに、前記引外し信号を生成する段階と、
を施行するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記引外し信号生成の段階が、前記過渡電力に前記過渡電圧を乗算し、前記過渡電力と前記過渡電圧の乗算の積が正のときに、前記引外し信号を生成する段階から成ることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は一般に、冗長的に接続された「正常な」無停電電源装置（ＵＰＳ；uninterruptible power system）をオンライン状態に維持しながら、故障したＵＰＳを選択的にオフラインにトリップ（引外し）する方法および装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、ユニット間でシグナリング（inter-unit signaling）を行うことなく、完全にＵＰＳのディジタル化電力出力に基づき、冗長交流電源系統の「引外し（トリップ）」信号を生成する技術に関する。
先行技術の説明
２つ以上の無停電電源装置（ＵＰＳ）を並列冗長的に接続することは、よりいっそう高い電源稼働率（power availability）を必要とする人々にとっては必須要件である。しかし、ＵＰＳが他のＵＰＳと冗長的に動作可能であるためには、健全な「選択引外し」機構（regime）を具備していなければならない。ここで使用する場合の「選択引外し」とは、「正常な」並列冗長ユニットをオンライン状態に維持しながら、故障したＵＰＳをオフラインにトリップさせるハードウェア及び関連ソフトウェアアルゴリズムの組合わせを指す。当業者には理解される通り、システムの冗長能力（redundant capability）は、その「選択引外し」機構の良さによって決まるものである。
並列冗長システムにおけるＵＰＳの障害は、基本的に２種類がある。すなわち、負荷に接続された臨界出力バス（critical output bus）に妨害を発生しないものと、発生するものである。第１の種類の障害は、臨界バスに妨害がないので、問題は無い。正常なユニットは障害の証拠が確認されないので、単純にオンライン状態を維持してその仕事を施行し続ける。故障したユニットは、その故障によって単純にオフラインになる。しかし、第２の種類の障害の場合、全ユニットが障害のことを知るが、正常なユニットはオンライン状態を維持しなければならないので、問題がある。本発明は、故障したユニットと「正常な」ユニットとを区別する必要がある第２の種類の障害の場合の選択的引外しを取り扱う。
臨界バスが妨害されるような方法でＵＰＳに障害が発生すると、そのＵＰＳは、オンライン状態の他のユニットが吸収または供給できる以上の電流を供給または吸収する。従って、全てのユニットが臨界バスの妨害を知り、全てのユニットが過剰電流を経験する。しかし、この場合に選択引外しが作動するためには、正常なユニットがオンライン状態を維持しなければならず、不良ユニットだけがオフラインにトリップしなければならない。そうならずに正常なユニットがオフラインにトリップすると、この種の障害に対する冗長性の利点が失われる。
図１に示すように、先行技術の並列冗長電源システムは、ユニット間シグナリングを使用して選択的引外しを施行する。図１に示すように、３相交流入力電圧に応答する複数の無停電電源システム（ＵＰＳ）１は並列冗長容量構成で接続され、定交流出力電圧を負荷２に供給する。各ＵＰＳ１は従来の方法で直流電圧源（電池）３に接続され、交流電源異常時に定電力を供給する。図示する通り、各ＵＰＳ１には負荷分割回路（load sharing circuit）４がそれぞれ付設され、「平均との差」バスにおける「平均との差」実時間電流信号または同期化信号バスに提供される同期化信号のいずれかを使用して、信号ユニット間シグナリングおよび選択引外しを施行する。一般的に、障害が検出されると、適切な固体或いは機械式のスイッチまたはリレー５が作動して、故障ＵＰＳ１が電源回路から除去され、それによって負荷２における定交流出力電圧が維持される。
「平均との差」負荷分割または共通同期化信号負荷分割を使用するのは、一般的な方法である。例えば「平均との差」負荷分割の場合、並列冗長ＵＰＳの間におけるユニット間信号として実時間電流信号が使用される。残念ながら、そうしたユニット間シグナリングの使用は停電に対して脆弱であり、従って、健全な選択引外し機構を達成するには、それ自体が冗長でなければならない。先行技術のシステムは選択引外しにユニット間シグナリングを使用するので、ユニット間シグナリング自体がそれを除く冗長システムの単一故障点とならないようにするために、冗長選択引外し機構を具備しなければならない。
先行技術における別の一般的な方法は、「平均との差」実時間電流信号をＵＰＳ自体の電圧信号にベクトル的に加算し、バイアス電圧信号を生成するものである。このベクトル加算は、故障したユニットでは「バイアス」電圧ひずみが無バイアス電圧と比較して強調される一方、正常なユニットでは同じ信号があまり強くならないように行われる。しかし、この方法では、ユニットが「正常」か「不良」かの最終判断を下すために、信号の比較と論理処理の両方が必要になる。この方法は通常は適切であるが、差が小さいために応答が遅くなることがある。また、この方法は、「平均との差」信号など、外部から導出される情報にも依存しなければならない。先行技術の並列冗長電源システムが故障ユニットを識別するために要求されるそうした追加シグナリングおよび追加内部回路は、信頼性に悪影響をもたらす。故障ユニットを識別し「選択的に引き外す」ための、より信頼できる技術が望まれる。
発明の概要
本発明は、先行技術における上述の問題を、ユニット間シグナリングを使用しない並列冗長電源システムを提供することによって解決する。それに代わって、健全な選択引外し機構に必要な全ての情報は、各電源システムが既に持っている信号から導出する。特に、本発明は、電源システムによって出力される電圧の瞬間差（前のサイクルと比較した場合）に電流の瞬間差（同じく前のサイクルと比較した場合）を乗算することによって、引外し機能を達成する。こうした技術は、平均電圧との差に平均電流との差を乗算することに似ている。こうした技術はまた、電圧と電流の両方が「平均との差」であり、かつ値が加算ではなく乗算されるということ以外では、先行技術のベクトル加算技術に似ている。しかし、以下の説明から明らかになるように、これらの差により、特定の電源ユニットが「正常」か「不良」かについて、強力かつ高速の指標を生成することができる。つまり、引外し関数だけで「不良」ユニットを区別し、その他の論理処理は不要である。その結果、信頼性に悪影響を生じる追加的な選択引外し回路が不要になる。さらに多相システムの場合（分相または３相など）、信号処理自体に固有の冗長性（natural redunduncy）があり、それにより、先行技術のユニット間シグナリングシステムにおける上述の「単一点」故障が防止される。
本発明は、負荷に交流電源を提供する単一電源システム、または複数の並列接続された電源システムが負荷に交流電源を提供する並列冗長電源システムに関する。いずれの場合も、電源システムはその電力出力の自己監視を行ない、障害を検出するとそれ自体を負荷から切り離す。そうした切離しは、電源システムを負荷に接続する電源結線におけるスイッチまたはリレーなどの断路手段に引外し信号を送ることによって達成される。
本発明の好適な実施形態では、単独で動作するか、または１つ以上の追加電源システムと共に並列冗長的に動作する各電源システムは、交流出力電圧を生成する手段と、交流出力電圧を標本化して交流電源標本（サンプル）および交流電圧標本を提供する手段と、少なくとも１サイクルの交流電流標本および交流電圧標本を保存する手段と、標本化手段からの交流電流標本と保存手段に保存された前の交流電流サイクルの対応する点における交流電流標本との差としての過渡電流を決定し、かつ標本化手段からの交流電圧標本と保存手段に保存された前の交流電圧サイクルの対応する点における交流電圧標本との差としての過渡電圧を決定する手段と、過渡電流および過渡電圧の値が両方とも所定の量だけ増加するか、または両方とも減少した場合に引外し信号を生成する手段とによって構成される。保存された交流電圧標本および交流電流標本は、直前の交流出力電力サイクルからの標本でもよく、また対応する点のそれ以前のサイクルの交流電流標本および交流電圧標本を平均した交流電流標本および交流電圧標本でもよい。引外し信号生成手段は過渡電流に過渡電圧を乗算し、過渡電流と過渡電圧の積が正の場合、正の結果は電源システムの障害を示しているので、引外し信号を生成する。一方、過渡電流と過渡電圧の積が負の場合、負の結果は電源システムの適正な動作を示しているので、引外し信号は生成されない。
電源システムの代替実施形態では、各電源システムは交流出力電圧を生成する手段と、交流出力電圧の整流合計平均および交流出力電圧の出力位相の電力合計を計算する手段と、整流合計平均および電力合計を濾波（filtering）するための比較的短い時定数を持つ第１フィルタと、整流合計平均および電力合計を濾波するための比較的長い時定数を持つ第２フィルタと、第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波された電力合計の差としての過渡電力を決定し、かつ第１および第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波された整流合計平均の差としての過渡電圧を決定する手段と、過渡電力および過渡電圧の値が両方とも所定の量だけ増加するか、または両方とも減少した場合に引外し信号を生成する手段とによって構成される。第１実施形態の場合と同様に、引外し信号生成手段は過渡電力と過渡電圧を乗算し、過渡電力と過渡電圧の積が正の場合には、引外し信号を生成する。
本発明の範囲は、故障した電源システムをその電源システムが交流電力を供給している負荷から切り離すための引外し信号を生成する方法をも包含する。好適な作動方法に従って、引外し信号は、
電源システムから交流出力電圧を標本化して交流電流標本および交流電圧標本を提供する段階と、
少なくとも１サイクルの交流電流標本および交流電圧標本を保存する段階と、
現在の交流電流標本と前の交流電流サイクルの対応点における前に保存された交流電流標本との差としての過渡電流を決定する段階と、
現在の交流電圧標本と前の交流電圧サイクルの対応点における前に保存された交流電圧標本との差としての過渡電圧を決定する段階と、
過渡電流および過渡電圧の値が両方とも所定の量だけ増加または減少した場合に、引外し信号を生成する段階と、
を施行することによって生成される。
引外し信号生成段階は、過渡電流に過渡電圧を乗算し、過渡電流と過渡電圧の積が正のときに、引外し信号を生成する段階から成ることが望ましい。積が負のときには、引外し信号は生成されない。
故障した電源システムを、その電源システムが交流電力を供給している負荷から切り離すための引外し信号を生成する本発明による代替的方法は、
電源システムによって提供される交流出力電圧の整流合計平均を計算する段階と、
電源システムによって提供される交流出力電圧の出力位相の電力合計を計算する段階と、
比較的短い時定数を持つ第１フィルタを使用して整流合計平均および電力合計を濾波する段階と、
比較的長い時定数を持つ第２フィルタを使用して整流合計平均および電力合計を濾波する段階と、
第１フィルタおよび第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波された電力合計の差としての過渡電力を決定する段階と、
第１フィルタおよび第２フィルタによってそれぞれ出力される濾波された整流合計平均の差としての過渡電圧を決定する段階と、
過渡電力および過渡電圧の値が両方とも所定の量だけ増加または減少した場合に、引外し信号を生成する段階と、
によって構成される。
第１の方法の場合と同様に、引外し信号生成段階は、過渡電力に過渡電圧を乗算し、過渡電力と過渡電圧の積が正のときに、引外し信号を生成する段階から成ることが望ましい。
いずれの実施形態でも、電源システムは自己監視を実行し、それ自体の性能が障害を示していると判断したときに「選択引外し」を実行する。電源システムの性能を他の電源システムの性能とではなく、それ自体の過去の性能と比較するので、先行技術のようにユニット間シグナリングを必要とすることなく、選択引外しが可能になる。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記およびその他の目的および利点は、添付の図面に関連して示す本発明の現在好適な実施形態についての以下の詳細な説明からいっそう明らかになり、いっそう容易に理解されるであろう。
図１は、共用バス上の電源装置間で同期および／または平均との差負荷分割信号を伝達する先行技術の無停電電源装置の並列冗長構成を示す図である。
図２は、選択引外しユニット間通信を必要としない、本発明に係る無停電電源装置の並列冗長構成を示す図である。
図３は、本発明に係る無停電電源システムの好適な実施形態を示す図である。
図４は、図３に示す無停電電源システムのマイクロコントローラ２６の好適な実施形態における動作を示すフローチャートである。
図５Ａ乃至図５Ｄは全体で本発明に係る選択引外し例を示し、その中で図５Ｄは、「正常な」ＵＰＳと障害のあるＵＰＳが本発明の技術を用いてどのように区別されるかを示す図である。
図６は、図３に示す無停電電源システム１０のマイクロコントローラ２６の代替実施形態における動作を示すフローチャートである。
現在好適な実施形態の詳細な説明
本発明につき以下において、図２乃至図６にを参照して詳細に説明する。当業者は、ここで述べる説明が単に説明を目的とするものであって、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されるであろう。例えば、本発明を無停電電源システム（ＵＰＳ）に関連して説明するが、本発明の技術は他の種類の電源システムにも同様に適用することができる。また、本発明を３相交流電源システムに関連して開示するが、本発明の技術は、直流電源システムや、単相または分相交流電源システムにも使用することができる。従って、本発明の範囲は、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
本発明は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラによって制御される無停電電源システム（ＵＰＳ）に使用するように設計される。従って、制御ハードウェアは、入力アナログ信号をディジタル化し、ディジタルデータを使用して数学的処理および比較を実行し、これらの処理および比較に基づいて制御出力を提供する能力を有する。ディジタル信号処理（ＤＳＰ）技術に精通した、マイクロコンピュータまたはマイクロコントローラ用の埋込み符号を作成する分野における熟練者は、以下で説明する通りに本発明を実現するのに問題は無いはずである。
当業者は、本発明が交流電流（ＡＣ）装置に使用することを目的としていることを理解されるであろうが、直流の説明の方が理解しやすいので、本発明を直流（ＤＣ）装置に関連して説明する。直流の説明を理解したら、交流の実現を単に高速で変化する直流の実現と考えると、交流動作は明瞭になるであろう。実際上では、交流の説明が極めてよく維持される短い（サブサイクル）時間フレームにおいて処置が取られる。
正常な電源は、その機能の正常な一部分として過剰電流を流さなければならない場合がある。そうした過剰電流は、下流への負荷の突入または始動要件によって生じる場合があり、また短絡回路のために生じる場合もあるが、この場合はヒューズまたは回路遮断機によってすぐに解消される。電流のこうした過渡的増加は一般的に、電源インピーダンスのために電圧の過渡的低下に結びつく。従って、正常動作中の電流の過渡的増加は、電圧の過渡的低下と同時に起きる。以下においてさらに詳しく記載するように、電流の過渡的増加と電圧の過渡的低下の積は、正常な電源の場合の場合には負となるという事実を、故障電源の選択引外しに使用することができる。
一方、２つの電源が同じリード線に並列に接続されている場合には、１つの電源が故障すると、もう１つの電源から今述べたように過剰な電流が流されることがある。しかし、故障した電源は、正常なユニットからの過剰な電流を要求するのではなく、電圧を増加しようとする方法で故障することがある。正常なユニットが電圧のこうした増加を知ると、その電流は低下するか、あるいは逆流することさえある。従って、電圧のこの過渡的増加に電流の過渡的低下を乗算すると、その結果は再び負となる。前の場合と同じく、過渡電圧と過渡電流の積は、正常動作中の正常な電源装置の場合は負となる。
ここで、不良電源装置が正常な電源装置と並列に接続されていると仮定すると、不良な電源装置については、異なる結果が得られる。不良な電源装置が過剰な負荷となるような方法で故障した場合、その電流は低下するか、あるいは逆方向に供給されて電圧が引き下げられる。電流のこうした過渡的低下に電圧の過渡的低下を乗算すると、結果は正となる。一方、ここで、不良電源装置が過剰電圧を供給しようとするような故障の場合、それはより大きい負荷の分担を引き受け、その電流は低下する。この後者の場合には、電圧のこの過渡的増加が電流の過渡的増加と乗算され、結果は再び正になる。
今説明したこの過渡値の乗算から、故障したＵＰＳをオフラインにトリップするために使用できる区別的「引外し」信号が生成されることは明白である。さらに重要なことは、この「引外し」信号が、正常なＵＰＳを厳しい正常刺激または異常刺激に応答して誤ってオフラインにトリップさせることがないことである。
図２は、本発明に係る無停電電源装置の並列冗長構成を示す。図２に示す通り、選択引外しにユニット間通信は必要無い。代わりに、各ＵＰＳ１０はそれ自体の電力出力を監視し、過渡電流と過渡電圧の積が正のときに、固体或いは機械的スイッチまたはリレー５に選択引外し信号を提供する。以下で、図３乃至図６に関連して、この選択引外し信号を生成する技術をさらに詳しく説明する。
図３は、選択引外し機能を達成するためにユニット間シグナリングを必要としない、本発明に係る無停電電源システム１０の好適な実施形態を示す。図示する通り、３相交流入力電圧がＡＣ／ＤＣ変換器２０に供給され、そこで直流入力電圧に変換される。代替的に、交流電源の障害が発生した場合、直流入力電圧は電池３から直接供給される。次に、直流入力電圧は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）インバータ２２によって３相交流出力電圧に変換される。次に、３相交流出力電圧は、閉路スイッチまたはリレー５を含む出力電源結線を介して負荷２へ供給される。
本発明の選択引外し技術は、ＩＧＢＴインバータ２２の出力端子に接続された変流器２４を設け、ＩＧＢＴインバータ２２から負荷２へ流れる交流出力電流を検出することによって実現される。検出された交流電流および交流電圧信号は、次に、１６ビットマイクロコントローラ２６のそれぞれのＡ／Ｄ変換器チャネルに送られる。好適な実施形態では、マイクロコントローラ２６は３ｋＨｚの速度で交流出力電流（Ｉa，Ｉb，Ｉc）および電圧（Ｖa，Ｖb，Ｖc）をディジタル化する。６０ＨｚのＵＰＳ１０の場合、これは１サイクル当たり５０個の標本になる。
本発明の好適な実施形態では、マイクロコントローラ２６は、過去の各サイクルの交流出力電力信号のローリングイメージレコード（rolling image record）を維持する。例えば３ｋＨｚの標本化速度の場合、少なくとも５０個の標本、望ましくはそれ以上が、マイクロコントローラ２６の波形メモリ２８に保存される。この保存されるイメージは、サイクルの各点で共通ＤＳＰ技術を使用した過去の波形の平均レコードでもよく、あるいは単に最後のサイクルの交流出力電力信号でもよい。こうして、交流電流または電圧信号はディジタル化されるたびに、波形メモリ２８に保存される。次に、受け取った各ディジタル化交流電流または電圧信号は、厳密に１サイクル前のディジタル化電流または電圧信号から減算され、波形過渡値が生成される。上述の通り、同相の過渡電圧と過渡電流を掛け合わせると、選択「引外し」信号を得ることができる。好適な実施形態では、乗算の積信号は、３相全部を一つに加算し、合計をＵＰＳの電力定格で除算し（結果を１に正規化するため）、マイクロコントローラ２６にソフトウェアで実現される後述の単純ＩＩＲフィルタで正規化された結果を濾波することによって、さらに処理される。こうして、全電圧および半負荷で作動するＩＧＢＴインバータ２２は、１．０の電圧および０．５の電流を持つことになる。これらの正規化された信号が処理され、出力電圧、電流、および周波数に基づいて選択引外し機能を達成する。
本発明の選択引外し信号は、出力電圧妨害が内因によるときにだけ生成されることが理想的である。妨害が内因によるかどうかは、好適な実施形態では、マイクロコントローラ２６により、図４に示すフローチャートに従うことによって決定される。図４のフローチャートは、マイクロコントローラ２６のファームウェアで実現することが望ましいが、図４のフローチャートは、所望する通りに、ソフトウェアまたは専用ハードウェアで実現できることを、当業者は理解されるであろう。
図４に示すように、Ａ／Ｄ変換器チャネルから電流標本および電圧標本を受け取ると、マイクロコントローラ２６は、段階３０で選択引外しルーチンを始動する。最も最近に受け取った電流標本および電圧標本は、段階３２で波形メモリ２８に保存される。好適な実施形態では、電流および電圧の読みのそれぞれ過去１２８個の標本の連続するレコードが維持され、これは３ｋＨｚの標本化速度では、６０Ｈｚの正弦波のまるまる２サイクル分に相当する。一般的に、波形メモリ２８はＦＩＦＯメモリとして機能する。標本化速度に基づき、電流波形および電圧波形の周期は標本数として計算される。上述の通り、３ｋＨｚで標本化された６０Ｈｚの波形は標本５０個の周期を持つことになる。次に、段階３４で、受け取った電圧標本および電流標本から、厳密に１周期前の対応する標本を減算することによって、「デルタ電圧」（ΔＶ）および「デルタ電流」（ΔＩ）が形成される。例えば、ΔＶa＝Ｖａn−Ｖａn-50、ΔＩa＝Ｉａn−Ｉａn-50となる。ここで、Ｖａnは受け取った電圧標本、Ｖａn-50は厳密に１周期前の電圧標本であり、Ｉａnは受け取った電流標本、Ｉａn-50は厳密に１周期前の電流標本である。他の信号位相の値も同様に計算される。段階３６で、「デルタ電力平均」値（ΔＰav）は、段階３４で計算された値の乗算および加算によって計算される。
すなわち、
ΔＰav＝ΔＶa*ΔＩa＋ΔＶb*ΔＩb＋ΔＶc*ΔＩc
となる。
次に、段階３８で、ΔＰavを累積し、正規化し、単純ＩＩＲフィルタで濾波し、変数“ＴＲＩＰ”を生成することが望ましい。例えば、ＴＲＩＰnは、
ＴＲＩＰn＝（３*ＴＲＩＰn-1＋ΔＰav）／４
と定義することができる。ここで、ＴＲＩＰn-1は、１つ前の標本のＴＲＩＰ値である。段階４０で、“ＴＲＩＰ”値が例えば＋０．１など、予め定められた正規化された大きさに達したと判断されると、制御は段階４２に進み、引外し（トリップ）信号が生成される。そうでない場合には、システムは段階３２に戻って次の標本の組を処理する。ＴＲＩＰの値が＋０．１より大きい場合には、段階４２で「ユニット引外し」信号がただちに発行され、臨界出力バスのそれ以上の劣化が起きる前にＵＰＳ１０をオフラインにすることができる。次に、システムは、段階４４で終了する。段階４０で“ＴＲＩＰ”値が−０．１より低いと決定された場合、妨害が現在のＵＰＳに並列に接続された別のＵＰＳに起因することが分かることを、当業者は理解されるであろう。従って、現在のＵＰＳはオンラインに維持され、「正常な」ＵＰＳの「引外し」機能を一時的に抑制するために、「正常」指標が使用される。次に、制御は段階３２に戻り、次の組の電流および電圧の標本を待つ。いうまでもなく、閾値は、所望する通りに、より高く、またはより低く設定することができる。
健全な選択引外し機構は、その意図する機能をそれ自体で達成できない場合には、それに応答して警報を発生する必要があることを、当業者は理解されるであろう。ここで説明する方法は、実際には発電を制御するものではないので、その失敗がクリティカルミッションの障害を引き起こすことはない。しかし、副次的障害が臨界出力バスを妨害する場合には、ミッションの実際の損失が発生するおそれがある。幸運なことに、機能の損失の検出は、本発明によって以下の通り容易に達成される。
ＵＰＳは一般的に２つ以上のノードで電力を監視する。例えばＵＰＳ１０は、ＩＧＢＴインバータ２２に入力する電力およびそこから出力する電力の両方を知ることができる。これらの２つの読みの関係は、設計から確認される。出力電力のセンシング（電圧および電流）を使用してこの「引外し」機構を実現する場合、信号が喪失すると引外し機構は作動不能になる。このノードによって決定された電力を何か他の手段、例えばＩＧＢＴインバータ２２に入力される交流リンク電力と単に比較するだけで、予測効率損失より大きい差を使用して警報を発生することができる。
本発明の動作を説明するかなりのデータが、誤り挿入法を使用して収集された。図５Ａ乃至図５Ｄは、そうした１つの例であり、１つの出力に誤りを挿入した場合の４つのグラフをそれぞれ示している。明確さを期するために、グラフは３相全部ではなく、１相だけを示している。これらのグラフの基礎データは、出力を並列に接続した２つのＵＰＳの各々のディジタル化レコードから得たものである。各ＵＰＳは、上述の通り、その出力電圧および電流の波形の連続レコードを次に保存した。次に、様々な「誤り」をＵＰＳの１つに挿入し、ディジタル化波形のレコードを保存した。
図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ、障害のあるＵＰＳと障害の無い（「正常な」）ＵＰＳの保存された電圧および電流のレコードを示す。予測される通り、これらは各々同じバス電圧をディジタル化しているので、これらの電圧のレコードは同じである。これらはまた並列冗長システム内で電流を共用しているので、電流のレコードも障害点まで同一である。図５Ａにおいて“Ｖ”と表示されたデータ点は、ディジタル化電圧波形における任意の点を表わす。また、点“Ｖ*”は、厳密に１サイクル前の対応する点を表わす。“ΔＶ”信号は、上述の通り“Ｖ*”から“Ｖ”を減算することによって生成される。これが全てのデータ点に対して行なわれる。“ΔＩ”信号も同様にして生成される。
図５Ｃは、上述の通り、障害のあるＵＰＳに生成される“ΔＶ”および“ΔＩ”の値を示す。いうまでもなく、これらの信号のレコードを保存する必要はない。ΔＶ（実線）とΔＩ（破線）は乗算され、その結果に約１．３ｍｓの時定数を与える単純ＩＩＲフィルタで累積される。フィルタの必要性および時定数は多少任意であり、ここでは例として示す。
図５Ｄは、障害のあるＵＰＳ（実線）および正常なＵＰＳ（破線）によって生成される“ＴＲＩＰ”信号を示す。これらの“ＴＲＩＰ”信号は上述のように形成された。障害のあるＵＰＳおよび正常なＵＰＳからの信号間の差違は、ここで述べる技法により強力な選択引外し機能が達成されることを明確にする。
本発明の代替実施形態では、マイクロコントローラ２６に提供されるディジタル化電圧信号および電流信号は、アナログ信号処理に似た方法で処理することができる。当業者には理解されるように、以下の説明は趣を多少異にするが、それでもなお引外しのため、または正常なユニットが状況判断を誤り間違ってトリップしないようにするために使用できる信号が生成される。こうした実施形態は、抵抗器、コンデンサ、演算増幅器、およびアナログ乗算器を使用するアナログハードウェアで実現することができる。この方法もまた、ＤＳＰ技術を使用し、単純１タップＩＩＲフィルタを使用して時定数フィルタのシミュレーションを行なう。
図６は、これもまたファームウェア、ソフトウェアおよび／またはハードウェアのマイクロコントローラ２６によって実現される本発明の代替実施形態を示す。図示する通り、マイクロコントローラ２６は、段階５０で代替選択引外しルーチンを始動し、次に段階５２で、臨界出力電圧の整流合計平均（ΣＶav）および出力位相の電力合計（ΣＰ）を生成する。「平均」電圧および電力は両方とも、段階５４で短い時定数（例えば１．５ｍｓ）のフィルタにより、かつ段階５６で長い時定数（例えば８０ｍｓ）のフィルタにより別個に濾波され、短い時定数のフィルタ５４からは濾波値ΣＶavsおよびΣＰs、長い時定数のフィルタ５６からは濾波値ΣavlおよびΣＰlを生成する。長時間フィルタの出力は、電力および電圧値の「履歴」レコードを表わす。これらの２つの値（ΔＶおよびΔＰ）の過渡信号は、段階５８で短時間フィルタの出力から長い時定数のフィルタの出力を減算することによって、生成することができる。前述と同様に、これらの２つの過渡値は次に、段階６０で乗算され、その結果に何らかの濾波が加えられ、段階６２で“ＴＲＩＰ”変数が生成される。次に、段階６４および６６で引外しの決定が、図４の実施形態における段階４０および４２と同様に行なわれた後、ルーチンは段階６８で終了する。前述と同様に、２つの過渡値が反対方向（１つが正、もう１つが負）である場合、積は負となり、正常なユニットであることを示す。同様に、両方が同じ方向である場合には、積は正になり、故障ユニットであることを表わす。
ＤＳＰ技術を使用する場合、波形のレコードは維持する必要が無いので、この代替実施形態はより簡単に実現できることを、当業者は理解されるであろう。
本発明はこうして、選択引外しのために並列に接続された冗長ＡＣ電力システム間の信号または通信を必要とせずに、または外部から生成される情報を必要とせずに、選択引外し機能を設けることによって、先行技術の制限を克服する。それらに代わって、本発明は完全に、交流電源システムがすでに持っているディジタル化情報のみ（すなわち交流出力電圧および電流）から、選択「引外し」信号を生成する。これにより、潜在的な信頼性の問題やインストレーションエラー（installation error）の主発生源が除去される。
本発明はまた選択引外し機構にも冗長性を設け、多相システムの２相以上を監視する場合には、冗長選択引外し信号を独立して生成することができる。本発明はまた、ＵＰＳにすでに存在する回路機構に実現することができる。そうした回路機構は他の目的に使用されるので、その機能性に対し固有検査が行われる。さらに、本発明は、正常なＵＰＳの機能には必要の無い信号を使用し、それによってチェックとバランスの手段が得られる。また、「機能」信号が喪失しても、選択引外し機能は「マスク」されない。逆に、選択引外し機能が喪失しても、機能の喪失は引き起こされない。要するに、本発明は、自己を他のユニットと比較するのではなく、自己を振り返って平均の変化にアクセスし、自己の性能の連続する平均を保持し、それによって、ユニット間シグナリングを必要とすることなく、選択引外しを達成する「選択引外し」方法を提供する。
無線選択引外しを、本願と同一日付で同一譲受人が出願した「並列に接続された交流電源システムの独立負荷分割」と称する関連出願に記載する無線負荷分割技術と結合することにより、交流電源装置の出力を並列に接続する必要がある新しい分類の適用が可能になる。そうした適用として、電源配列の自動再構成、ソーラーファーム（solar farm）の電源装置の自己接続、または低費用低電力ＵＰＳの自動「ホットタイ（Hot Tie）」が挙げられる。
以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明の新規教示内容および利点から実質的に逸脱することなく、多くの追加的変更例を容易に実現できることを、当業者は容易に理解されるであうろ。例えば、本発明は、選択引外し機能の喪失を検出する手段を含むことができる。これは、同じ信号捕捉技術を使用して真の電力を計算し、真の電力を別の手段で測定した電力と比較することによって、達成することができる。さらに、本発明は、並列冗長ＵＰＳシステムで正常なユニットを不良ユニットから区別するために使用できる「高速」「サブサイクル」信号の数学的生成を必要とする従来の技術と一緒に使用することもできる。従って、こうした変化例は全て、以下の請求項で定義する発明の範囲内に含まれるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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