(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
待機動作モード及びバックアップ動作モードを有する無停電電源システム（４４）において、
クランク軸（１８）を有する熱機関（１２）と、
入力軸（２２）と、
送電線網（３８）に電気的に接続する出力端子とを有する交流発電機（１４）と、
前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）と前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）との間に配置されたはずみ車（４６）と、
前記はずみ車（４６）と前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）との間に配置され、且つ前記はずみ車（４６）を前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）に駆動結合する係合状態と、
前記はずみ車（４６）を前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）から遮断する係合解除状態との間で作動自在である第１の運動伝達機構（４８）と、
前記はずみ車（４６）と、
前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）とを一方向駆動結合させ、前記交流発電機（１４）から前記はずみ車（４６）へ向かう第１の方向では、前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）が前記はずみ車（４６）より速い速度で回転できるオーバランモードで動作し、これに対し、前記第１の方向とは逆の、前記はずみ車（４６）から前記交流発電機（１４）へ向かう第２の方向では、前記はずみ車（４６）から前記交流発電機（１４）へ駆動トルクを伝達するように前記はずみ車（４６）が前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）と同じ速度まで回転できるロックモードで動作する第２の運動伝達機構（５０）と、
前記はずみ車（４６）と前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）との間に配置され、且つ前記はずみ車（４６）を前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）に駆動結合する係合状態と、
前記はずみ車（４６）を前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）から遮断する係合解除状態との間で作動自在であり、前記係合解除状態にあるときは、前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）から前記はずみ車（４６）へ駆動トルクが伝達されないように前期第２の運転伝達機構（５０）が前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）に前記はずみ車（４６）をオーバランさせ、これに対し、前記係合状態にあるときには、前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）と前記はずみ車（４６）が同じ速度で回転できるように、前記はずみ車（４６）と前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）との間でいずれかの方向に前記駆動トルクを伝達できるように前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）と前記はずみ車（４６）とを互いに駆動結合させる第３の運動伝達機構（５２）と、
前記送電線網（３８）に接続する交流電気エネルギー源（５４、３２）と、
前記送電線網（３８）と、前記熱機関（１２）と、前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）とに接続する無停電電源システム制御装置（４０）であって、待機動作モードでは、前記交流電気エネルギー源（５４、３２）が充電中であり且つ前記送電線網（３８）に電力を供給できる状態にあり、前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）はそれぞれ係合解除状態と、係合状態にあって、前記はずみ車（４６）には交流発電機の回転運動を伝達するが、そこから前記熱機関（１２）には伝達せず、これに対し、バックアップ動作モードにあるときには、前記交流電気エネルギー源（５４、３２）は前記制御装置（４０）が前記送電線網（３８）の故障を検出するのに応答して前記送電線網（３８）に電力を供給しており且つ前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）はそれぞれ係合状態と、係合解除状態にあって、前記交流発電機（１４）に前記第２の運動伝達機構（５０）を介して前記はずみ車（４６）をオーバランさせると共に、前記送電線網（３８）に電力を供給すべく前記交流発電機（１４）を駆動するために前記熱機関（１２）を始動速度まで加速するようにはずみ車トルクを伝達可能なように、前記無停電電源システム（４４）を前記待機動作モードから前記バックアップ動作モードへ変化させるために前記熱機関（１２）と前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）との動作を制御する無停電電源システム制御装置（４０）とを具備するシステム（４４）。
【請求項２】
前記交流電気エネルギー源（５４、３２）は、
直流電気エネルギー蓄積装置（５４）と、
前記直流エネルギー蓄積装置（５４）と前記送電線網（３８）との間に接続され、直流エネルギーを交流エネルギーに変換し且つその交流エネルギーを前記送電線網（３８）に供給する直流／交流インバータ（３２）とを含む請求項１記載のシステム（４０）。
【請求項３】
無停電電源システム（４４）を動作させる方法において、
前記無停電電源システム（４４）を送電線網（３８）における故障の検出に応答して即座にバックアップモードに変更できる状態で前記送電線網（３８）に電気的に接続している状態に維持することにより、前記無停電電源システムを待機モードで動作させる過程と、
前記送電線網（３８）とは無関係に燃料エネルギー源（４２）からの燃料エネルギーを導入することによって、検出された故障により起こる電力損失を克服し且つ前記無停電電源システム（４４）の熱機関（１２）を前記熱機関（１２）が始動し、全力動作まで加速できる速度まで回転させるのに十分な電力を前記送電線網（３８）に供給することにより、前記無停電電源システム（４４）をバックアップモードで動作させる過程とから成る方法であって、
前記無停電電源システム（４４）が、
クランク軸（１８）を有する前記熱機関（１２）と、
入力軸（２２）と、
前記送電線網（３８）に電気的に接続する出力端子とを有する交流発電機（１４）と、
前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）と前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）との間に配置されたはずみ車（４６）と、
前記はずみ車（４６）と前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）との間に配置され、且つ前記はずみ車（４６）を前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）に駆動結合する係合状態と、
前記はずみ車（４６）を前記熱機関（１２）の前記クランク軸（１８）から遮断する係合解除状態との間で作動自在である第１の運動伝達機構（４８）と、
前記はずみ車（４６）と、
前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）とを一方向駆動結合させ、前記交流発電機（１４）から前記はずみ車（４６）へ向かう第１の方向では、前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）が前記はずみ車（４６）より速い速度で回転できるオーバランモードで動作し、これに対し、前記第１の方向とは逆の、前記はずみ車（４６）から前記交流発電機（１４）へ向かう第２の方向では、前記はずみ車（４６）から前記交流発電機（１４）へ駆動トルクを伝達するように前記はずみ車（４６）が前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）と同じ速度まで回転できるロックモードで動作する第２の運動伝達機構（５０）と、
前記はずみ車（４６）と前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）との間に配置され、且つ前記はずみ車（４６）を前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）に駆動結合する係合状態と、
前記はずみ車（４６）を前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）から遮断する係合解除状態との間で作動自在であり、前記係合解除状態にあるときは、前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）から前記はずみ車（４６）へ駆動トルクが伝達されないように前期第２の運転伝達機構（５０）が前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）に前記はずみ車（４６）をオーバランさせ、これに対し、前記係合状態にあるときには、前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）と前記はずみ車（４６）が同じ速度で回転できるように、前記はずみ車（４６）と前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）との間でいずれかの方向に前記駆動トルクを伝達できるように前記交流発電機（１４）の前記入力軸（２２）と前記はずみ車（４６）とを互いに駆動結合させる第３の運動伝達機構（５２）と、
前記送電線網（３８）に接続する交流電気エネルギー源（５４、３２）と、
前記送電線網（３８）と、前記熱機関（１２）と、前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）とに接続する無停電電源システム制御装置（４０）であって、待機動作モードでは、前記交流電気エネルギー源（５４、３２）が充電中であり且つ前記送電線網（３８）に電力を供給できる状態にあり、前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）はそれぞれ係合解除状態と、係合状態にあって、前記はずみ車（４６）には交流発電機の回転運動を伝達するが、そこから前記熱機関（１２）には伝達せず、これに対し、バックアップ動作モードにあるときには、前記交流電気エネルギー源（５４、３２）は前記制御装置（４０）が前記送電線網（３８）の前記故障を検出するのに応答して前記送電線網（３８）に電力を供給しており且つ前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）はそれぞれ係合状態と、係合解除状態にあって、前記交流発電機（１４）に前記第２の運動伝達機構（５０）を介して前記はずみ車（４６）をオーバランさせると共に、前記送電線網（３８）に電力を供給すべく前記交流発電機（１４）を駆動するために前記熱機関（１２）を始動速度まで加速するようにはずみ車トルクを伝達可能なように、前記無停電電源システム（４４）を前記待機動作モードから前記バックアップ動作モードへ変化させるために前記熱機関（１２）と前記第１及び第３の運動伝達機構（４８、５２）との動作を制御する無停電電源システム制御装置（４０）とを具備している、
方法。
【請求項４】
前記無停電電源システム（４４）を待機モードで動作させることは、交流発電機（１４）を前記送電線網（３８）に接続すること及び前記交流発電機（１４）を同期速度で回転させるように前記交流発電機（１４）に電力を印加することを含む請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に実用送電線網のバックアップシステムに関し、特に、高速始動能力及び低エネルギー蓄積条件を有する無停電電源（ＵＰＳ）システム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日のコンピュータデータセンターやインターネットサービスプロバイダは極めて信頼性の高い無停電電力源を必要としている。臨界電力に対する非常に厳格な要求に適合するため、二重給電実用送電線網システムに、バックアップ発電機能を備えた無停電電源を加えた設備を利用している。従来のＵＰＳシステムは、通常、直流／交流インバータと、切り替えスイッチと、エネルギー蓄積装置とを含み、多くの場合に大型の鉛畜電池を使用し、また、熱機関により駆動される交流発電機を使用している。二重給電送電線網電源が故障している間、エネルギー蓄積装置（通常はバッテリ）からの直流電力を適正な交流電圧、電流及び周波数に変換して、切り替えスイッチを介して臨界負荷に接続する。更に、長期間にわたり臨界電力を供給するように定格を定められた従来のＵＰＳシステムの多くはバッテリエネルギー蓄積装置に加えて熱機関と、交流発電機とを有している。そのような従来のＵＰＳシステムにおいては、熱機関がクランク回転により始動され、交流発電機が安定出力に到達するまで、バッテリエネルギー蓄積装置が臨界負荷に電力を供給することを要求される。
【０００３】
しかし、従来の機関駆動交流発電機を含む、１００kW−１MW出力定格のＵＰＳシステムには、熱機関と交流発電機を始動させて、交流発電機を切り替えスイッチを介して臨界負荷に接続する前に電気出力を安定させるまでに、通常、少なくとも１５秒の時間が必要であるという問題がある。最初の１５秒間に、エネルギー蓄積装置は全てのエネルギーをインバータを介して臨界負荷に供給する。従って、エネルギー蓄積装置は少なくとも１５秒間にわたり定格電力を供給しなければならない。すなわち、１MW定格のＵＰＳシステムの場合、少なくとも４.２kWhのエネルギー蓄積が要求されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、エネルギー蓄積装置により供給される必要がある定格電力の持続時間を大幅に短縮し、それにより、ＵＰＳシステムのエネルギー蓄積装置で大型の鉛畜電池を使用する必要をなくす技術的革新が要求されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の必要を満たすように設計された無停電電源（ＵＰＳ）システム及び方法を提供する。本発明のＵＰＳシステムは、エネルギー蓄積装置により供給される必要がある定格電力の持続時間を大幅に短縮し、それにより、ＵＰＳシステムのエネルギー蓄積装置で大型の鉛畜電池を使用する必要をなくす高速始動能力を有する。
【０００６】
本発明の一実施例では、待機動作モード及びバックアップ動作モードを有する無停電電源システムであって、クランク軸を有する熱機関と、入力軸及び送電線網に電気的に接続する出力端子を有する交流発電機と、熱機関のクランク軸と交流発電機の入力軸との間に配置されたはずみ車と、はずみ車と熱機関のクランク軸との間に配置され、且つはずみ車を熱機関のクランク軸に駆動結合する係合状態と、はずみ車を熱機関のクランク軸から遮断する係合解除状態との間で作動自在である第１の運動伝達機構と、はずみ車と交流発電機の入力軸とを一方向駆動結合させる第２の運動伝達機構と、はずみ車と交流発電機の入力軸との間に配置され、且つはずみ車を交流発電機の入力軸に駆動結合する係合状態と、はずみ車を交流発電機の入力軸から遮断する係合解除状態との間で作動自在である第３の運動伝達機構と、送電線網に接続する交流電気エネルギー源と、送電線網と、熱機関と、第１及び第３の運動伝達機構とに接続する無停電電源システム制御装置であって、無停電電源システムを待機動作モードからバックアップ動作モードへ変化させるために熱機関と、第１及び第３の運動伝達機構の動作を制御する無停電電源システム制御装置とを具備するシステムが提供される。第２の運動伝達機構は、交流発電機からはずみ車へ向かう第１の方向（トルクの第１極性）では、交流発電機の入力軸がはずみ車より速い速度で回転できるオーバランモードで動作し、これに対し、第１の方向とは逆の、はずみ車から交流発電機へ向かう第２の方向（トルクの第２極性）では、はずみ車が交流発電機の入力軸と同じ速度まで回転できるロックモードで動作するように、一方向駆動結合を行う。第３の運動伝達機構が係合解除状態にあるときは、交流発電機の入力軸からはずみ車へ駆動運動が伝達されないように第２の運動伝達機構が交流発電機の入力軸にはずみ車をオーバランさせ、これに対し、第３の運動伝達機構が係合状態にあるときには、交流発電機の入力軸とはずみ車が同じ速度で回転できるように、はずみ車と交流発電機の入力軸との間でいずれかの方向に駆動トルクを伝達できる。
【０００７】
本発明の別の実施例では、無停電電源システムを動作させる方法であって、無停電電源システムを送電線網における故障の検出に応答して即座にバックアップモードに変更できる状態で送電線網に電気的に接続している状態に維持することにより、無停電電源システムを待機モードで動作させる過程と、送電線網とは無関係に燃料エネルギー源からの燃料エネルギーを導入することによって、検出された故障により起こる電力損失を克服し且つ無停電電源システムの熱機関を熱機関が始動し、全力動作まで加速できる速度まで回転させるのに十分な電力を送電線網に供給することにより、無停電電源システムをバックアップモードで動作させる過程とから成る方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
そこで図面、特に図１を参照すると、図中符号１０で指示される従来の無停電電源（ＵＰＳ）システムが示されている。図１に示す従来のＵＰＳシステム１０は熱機関１２と、交流発電機１４と、熱機関１２のクランク軸１８に装着されたはずみ車１６と、はずみ車１６と交流発電機の入力軸２２との間に配置され、はずみ車を同期発電機１４の入力軸２２対して着脱するように作動可能である運動伝達機構２０と、始動装置又はクランキングモータ２４と、クランキングモータ２４をはずみ車１６に駆動結合する伝動歯車２６と、クランキングモータ２４に接続するクランキングバッテリ２８とを含む。クランキングバッテリ２８は、例えば、１２V又は２４Vのバッテリであれば良い。
【０００９】
従来のＵＰＳシステム１０はエネルギー蓄積装置３０と、エネルギー蓄積装置３０に接続する直流／交流インバータ３２と、３相接触器などの第１及び第２の切り替えスイッチ３４、３６とを更に含む。切り替えスイッチ３４、３６は同期発電機１４及び／又は直流／交流インバータ３２を実用送電線網３８に対して接続、遮断するように動作可能である。従来のＵＰＳシステム１０は、実用送電線網３８における所定の電力損失に応答して故障を検出するＵＰＳシステム制御装置４０を更に含む。故障の検出に応答して、ＵＰＳシステム制御装置４０は第１及び第２の切り替えスイッチ３４、３６、クランキングモータ２４及び熱機関１２の燃料噴射器４２の動作を制御する。
【００１０】
特に、故障の検出に応答して、ＵＰＳシステム制御装置４０は直流／交流インバータ３２へ直流電気エネルギーを入力させるための指令を直ちにエネルギー蓄積装置３０に対して発すると共に、同期発電機１４ではなく、インバータ３２のみを実用送電線網３８に接続する第２の切り替えスイッチ３６を閉成する。これに代わる技法として、故障に先立って、エネルギー蓄積装置３０にインバータ３２を接続し、すなわち、エネルギー蓄積装置３０を完全充電状態に維持し、それにより、故障の検出前に第２の切り替えスイッチ３６を閉成することもできる。インバータ３２はエネルギー蓄積装置３０からの直流電気エネルギーを第２の切り替えスイッチ３６を介して実用送電線網３８に電力を供給するのに適する電圧、電流及び周波数の交流電気エネルギーに変換する。また、ＵＰＳシステム制御装置４０は、伝動歯車２６を介してはずみ車１６をクランク運動させ、その結果として熱機関１２のクランク軸１８をクランク運動させるための指令をクランキングモータ２４に対して発する。クランキングモータ２４及び伝動歯車２６を介してはずみ車１６を回転させるための電気エネルギーは、クランキングバッテリ２８によりクランキングモータ２４に供給される。クランキングモータ２４が熱機関１２を所定の速度まで加速した後、ＵＰＳシステム制御装置４０は燃料噴射器４２を動作させて、熱機関１２を始動することができる。熱機関１２に供給される燃料は、熱機関１２を、従って、同期発電機１４を実用送電線網３８の臨界負荷に対して適正な周波数を発生するために要求される速度まで加速し続けるように調整される。例えば、４極交流発電機１４を使用する場合、同期速度は１８００rpmである。これに代わる構成の交流発電機も使用されている。それらの発電機には極の数が異なる発電機、同期機（巻線磁界、永久磁石など）、非同期機又は誘導機、及び加速装置又は減速装置を介して熱機関１２に結合される高速交流発電機などが含まれる。
【００１１】
従来のＵＰＳシステム１０では、熱機関により駆動される交流発電機１４を始動し、交流発電機１４を第１及び第２の切り替えスイッチ３４、３６を介して実用送電線網３８に接続する前に交流発電機１４の電気的出力を安定させるために少なくとも１５秒の持続時間が必要であるという欠点が見られる。当初のこの１５秒間に、エネルギー蓄積装置３０は全ての電気エネルギーを実用送電線網３８に供給する。交流発電機１４の出力が安定して、実用送電線網３８の臨界負荷と適正に位相合わせされた後、第１の切り替えスイッチ３４が閉成し、熱機関により駆動される交流発電機１４は臨界負荷を供給する。
【００１２】
図２を参照すると、図中符号４４により指示される本発明の低エネルギー蓄積高速始動ＵＰＳシステムの一実施例が示されている。低エネルギー蓄積高速始動ＵＰＳシステム４４の構成要素の多くは先に説明した従来のＵＰＳシステム１０の構成要素とほぼ同様である。同じ図中符号で識別される構成要素は熱機関１２、交流発電機１４、交流／直流インバータ３２、第１及び第２の切り替えスイッチ３４、３６、ＵＰＳシステム制御装置４０及び燃料噴射器４２である。従来のＵＰＳシステム１０とは異なり、低エネルギー蓄積高速始動ＵＰＳシステム４４はクランキングモータ２４、伝動歯車２６及びクランキングバッテリ２８を採用しておらず、はずみ車１６は熱機関１２のクランク軸１８に直接装着されていない。その代わりに、低エネルギー蓄積高速始動ＵＰＳシステム４４は相対的に大きい慣性はずみ車４６と、はずみ車４６と関連する第１、第２及び第３の運動伝達機構４８、５０、５２と、図１のエネルギー蓄積装置３０と同様のピーク電力定格を有するが、蓄積される電気エネルギーの値は著しく小さいエネルギー蓄積装置５４とを含む。
【００１３】
図示されている実施例においては、第１の運動伝達機構４８及び第３の運動伝達機構５２は摩擦クラッチ４８、５２であり、第２の運動伝達機構５０は一方向オーバランクラッチ５０である。運動伝達機構４８、５０、５２は、以下に説明する第１、第２及び第３のクラッチ４８、５０、５２により実行される機能とほぼ同じ機能を実行する他の何らかの適切な装置であっても良い。
【００１４】
第１のクラッチ４８は、はずみ車４６を熱機関１２のクランク軸１８に駆動結合する係合状態と、はずみ車４６を熱機関１２のクランク軸１８から遮断する係合解除状態との間で作動自在である。第１のクラッチ４８は、係合状態にあるとき、駆動トルクをはずみ車４６と熱機関１２との間でいずれかの方向へ伝達することができる。特に、第１のクラッチ４８ははずみ車４６と熱機関１２のクランク軸１８との間に配置されており、熱機関１２のクランク軸１８に装着された低慣性円板部分５６と、慣性はずみ車４６に装着された圧力板部分５８とを含む。第１のクラッチ４８の円板部分５６と圧力板部分５８が第１のクラッチ４８の係合状態で互いに係合しているとき、はずみ車４６は熱機関１２のクランク軸１８に結合し、一方、第１のクラッチ４８の係合解除状態で円板部分５６が圧力板部分５８から外れているときには、はずみ車４６は熱機関１２のクランク軸１８から遮断される。クラッチ４８及び５２の係合と解除は、機械的ばね及び作動装置、あるいは電気的クラッチ作動技法のいずれかを取り入れた従来の方法を含む。
【００１５】
第２のクラッチ５０ははずみ車４６と交流発電機１４の入力軸２２との間で一方向駆動結合を行う。交流発電機からはずみ車へ向かう方向では、第２のクラッチ５０は、交流発電機１４の入力軸２２をはずみ車４６より高速で回転させるオーバランモードで動作可能であり、一方、交流発電機１４に関して、はずみ車４６の速度を増すためにトルクが印加されたときには、第２のクラッチは、はずみ車４６が交流発電機１４の入力軸２２と同じ速度で回転するロックモードで動作可能である。ロックモードにあるとき、第２のクラッチ５０ははずみ車から交流発電機へ向かう方向に駆動トルクを伝達することしかできない。特に、第２のクラッチ５０ははずみ車４６と交流発電機１４の入力軸２２との間に配置されており、はずみ車４６に装着された外側環状部分６０と、交流発電機の入力軸２２に装着された内側環状部分６２とを含む。第２のクラッチ５０の外側環状部分６０と内側環状部分６２との一方向駆動結合は、交流発電機１４の入力軸２２と共に回転する第２のクラッチ５０の内側環状部分６２ははずみ車４６と共に回転する第２のクラッチ５０の外側環状部分６０より高速で回転できるが、第２のクラッチ５０の外側環状部分６０は第２のクラッチ５０の内側環状部分６２より速くは回転できないように行われる。
【００１６】
第３のクラッチ５２は、はずみ車４６を（第２のクラッチ５２の外側環状部分６０を介して）交流発電機１４の入力軸２２に駆動結合する係合状態と、はずみ車４６を交流発電機１４の入力軸２２から遮断する係合解除状態との間で作動自在である。係合状態にあるとき、第３のクラッチ５２ははずみ車４６と交流発電機１４との間でいずれかの方向へ駆動トルクを伝達することができる。特に、第３のクラッチ５２ははずみ車４６と交流発電機１４の入力軸２２との間に配置されており、交流発電機の入力軸２２に装着された円板部分６４を含む。第２のクラッチ５０の外側環状部分６０及び圧力板部分６６ははずみ車４６に装着されている。第３のクラッチ５２が係合解除状態にあるときは、その円板部分６４と圧力板部分６６は互いに外れているため、第２のクラッチ５０は先に説明したようにはずみ車４６と交流発電機の入力軸２２とを結合させるだけである。第３のクラッチ５２が係合状態にあるときには、その円板部分６４と圧力板部分６６が互いに係合しているため、第３のクラッチ５２は、駆動トルクをいずれかに伝達できるようにはずみ車４６と交流発電機１４の入力軸２２を結合させる。このように、係合状態にあるとき、第３のクラッチ５２は、実質的に、第２のクラッチ５０自体は交流発電機１４の入力軸２２からはずみ車４６へ駆動トルクを伝達できない第２のクラッチ５０のオーバラン動作モードをオーバライドする。
【００１７】
本発明の低エネルギー蓄積高速始動システム４４は、電力障害又は故障が検出されていない場合には通常は待機モードにあり、送電線網の電力障害又は故障が検出されたときに限りバックアップモードに変化する。待機モード及びバックアップモードの双方において、第１の切り替えスイッチ３４と第２の切り替えスイッチ３６は共に閉成している。このため、交流発電機１４の出力端子は実用送電線網３８に電気的に接続し、実用送電線網３８からの交流電気エネルギーは交流発電機１４に印加され、その結果、交流発電機の入力軸２２は４極同期交流発電機で、６０Hz実用送電線網の場合は１８００rpmである所望の同期速度で回転する。同様に、実用送電線網３８からの６０Hz交流電力は直流／交流（３相）インバータ３２に印加される。待機モード中、インバータ３２とＵＰＳシステム制御装置４０はエネルギー蓄積装置５４をあらかじめ規定された相対的に高い充電状態に保持するように動作する。第３のクラッチ５２は待機モード中は閉鎖しており、第２のクラッチ５０のオーバランモードをオーバライドしているので、はずみ車４６は交流発電機１４の入力軸２２により駆動されて、同様に１８００rpmの同期速度で回転する。また、待機モードでは、第１のクラッチ４８は係合解除状態にあり、熱機関１２は静止しているために、同期回転しているはずみ車４６から第１のクラッチ４８により熱機関１２のクランク軸１８へトルクは伝達されていないので、クランク軸は回転していない。
【００１８】
図３を参照すると、ＵＰＳシステム４４の動作を理解するためにＵＰＳシステム４４のタイミングシーケンスのグラフが示されている。ＵＰＳシステム制御装置４０が実用送電線網３８における電力障害を検出した時点で、「Grid Power OK」信号は論理レベル１から論理レベル０へ遷移して、ＵＰＳシステム４４を待機モードからバックアップモードに変化させる。直流／交流インバータ３２から、エネルギー蓄積装置５４により供給される電力を使用して、無遮断電力が実用送電線網３８の臨界負荷へ流れる。電力障害の検出から数十ミリ秒以内に、ＵＰＳシステム制御装置４０から受信される指令信号（論理レベル１から論理レベル０への遷移）により第３のクラッチ（Ｃ３）５２が係合解除状態に作動され、続いて、ＵＰＳシステム制御装置４０から受信される別の指令信号（論理レベル０から論理レベル１への遷移）により第１のクラッチ（Ｃ１）４８が係合状態へ作動される。第１のクラッチ（Ｃ１）４８は、係合状態にあるとき、相対的に慣性の大きいはずみ車４６から熱機関１２の慣性の小さいクランク軸１８へ駆動トルクを伝達するので、熱機関１２のクランク軸１８の回転速度ははずみ車４６の回転速度が交流発電機１４の入力軸２２の速度より遅くなるのにつれて急速に加速し、その結果、熱機関１２の始動シーケンス全体を通して、交流発電機１４ははずみ車４６の減速しつつある速度より速い同期速度で回転し続けるため、第２のクラッチ５０の内側環状部分６２はその外側環状部分６０をオーバランする。熱機関１２のあらかじめ規定された始動速度（この例では１０００rpm）に達する間、ＵＰＳシステム制御装置４０から受信される指令信号（論理レベル０から論理レベル１への遷移）により燃料噴射器４２がイネーブルされて、熱機関１２が始動し、同期速度に向かって加速し続ける。熱機関１２の速度が交流発電機１４の同期速度に達すると、第２のクラッチ５０はロックモードに入るので、第２のクラッチ５０の外側環状部分６０は内側環状部分６２と係止し、その状態のまま外側環状部分６０は内側環状部分６２へ駆動トルクを伝達し、従って、それらの部分は互いに一体に回転する。約０.９秒後、第３のクラッチ（Ｃ３）５２がＵＰＳシステム制御装置４０からの指令信号（論理レベル０から論理レベル１への遷移）の受信により係合状態へ作動され、その結果、熱機関１２も第３のクラッチ（Ｃ３）５２により交流発電機１４の入力軸２２に駆動結合され、それにより、熱機関によって駆動される交流発電機１４は実用送電線網３８に臨界電力を供給するようになる。電力障害の修正が感知された（Grid Power OK信号の論理レベル０から論理レベル１への遷移）後、すなわち、送電線網電力が回復した後に、ＵＰＳシステム４４は待機モードに戻り、燃料噴射器４２はＵＰＳシステム制御装置４０から受信される指令信号（論理レベル１から論理レベル０への遷移）によりディスエーブルされ、続いて、ＵＰＳシステム制御装置４０は、第１のクラッチ（Ｃ１）４８を係合解除状態へ作動するための指令信号（論理レベル１から論理レベル０への遷移）を第１のクラッチへ送信する。その結果、熱機関１２は突然に動作を停止する。
【００１９】
更に、図３からわかるように、ＵＰＳシステム４４の熱機関によって駆動される交流発電機１４は１秒未満の時間内に実用送電線網３８に必要な電力出力を供給している。従来のＵＰＳシステム１０の場合の１５秒と比較すると、これは応答時間が十分の一に短縮されたことになる。従って、１MW ＵＰＳシステムの場合、必要とされるエネルギー蓄積はわずか約４１７W‐hである。
【００２０】
要するに、本発明の低エネルギー蓄積高速始動システム４４は通常は待機動作モードにあり、送電線網電力の障害又は故障が検出されたときに限りバックアップ動作モードに変化する。システム４４のこれら２つの動作モード中、交流発電機１４は常に送電線網３８に電気的に接続されており、同期速度（例えば、１８００rpm）で回転しているため、送電線網障害の場合にはバックアップモード能力を即座に利用できる状態になっている。インバータ３２とエネルギー蓄積装置５４はシステム４４の待機動作モードでも実用送電線網３８に電気的に結合したままであるので、エネルギー蓄積装置５４はその電荷を維持し、システム４４がバックアップ動作モードに変わったときには直ちに必要な電力を供給できる。実用送電線網３８と交流発電機１４との間にある切り替えスイッチ３４、３６は待機動作モード及びバックアップ動作モード中は共に閉成しており、システム４４の試験中に限り開成する。システム４４の待機動作モードでは、第１のクラッチ４８は係合解除状態にあり、従って、はずみ車４６は熱機関１２から遮断されている。システム４４の待機動作モードでは、第３のクラッチ５２は係合状態に作動され、それにより、交流発電機１４の入力軸２２は第３のクラッチ５２を介してはずみ車４６を回転駆動する。システム４４のバックアップ動作モードにおいては、第３のクラッチ５２は係合解除状態へ作動され、その後に第３のクラッチ５２は外れる。第１のクラッチ４８は係合状態へ作動されて、はずみ車４６を熱機関１２のクランク軸１８に結合するので、はずみ車４６が、係合した第１のクラッチ４８を介して熱機関１２のクランク軸１８にトルクを伝達して、クランク軸１８を回転させ始め、その回転速度を熱機関１２が始動されるレベルまで増加させている間に、第２のクラッチ５０ははずみ車４６の速度を減速させる。
【００２１】
ＵＰＳシステム４４のその他の用途には、有事ミッション―臨界電力システムの分野における利用が含まれる。使用できる環境にやさしい交互エネルギー蓄積装置は高比出力超コンデンサ、高比出力はずみ車及び高比出力バッテリを含む。
【００２２】
以上の説明から本発明及びその利点は理解されるであろうと考えられ、また、本発明の趣旨から逸脱せずに、又は本発明の重要な利点の全てを損なうことなく様々な変更を実施できることは明白であろう。以上説明した形態は単に本発明の好ましい又は一例としての実施例であるにすぎない。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のＵＰＳシステムのブロック線図。
【図２】  本発明の低エネルギー蓄積高速始動ＵＰＳシステムのブロック線図。
【図３】  本発明のＵＰＳシステムのタイミングシーケンスを示すグラフ。
【符号の説明】
１２…熱機関、１４…交流発電機、１８…クランク軸、２２…入力軸、３２…直流／交流インバータ、３４、４６…切り替えスイッチ、３８…実用送電線網、４０…ＵＰＳシステム制御装置、４２…燃料噴射器、４４…低エネルギー蓄積高速始動ＵＰＳシステム、４６…はずみ車、４８…第１のクラッチ、５０…第２のクラッチ、５２…第３のクラッチ、５４…エネルギー蓄積装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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