(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
待機時に回転させたフライホイールにより停電時に回転される誘導電動機が発電する電力を、停電時の電源に代わって負荷に対して供給すると共に、前記フライホイールの回転運動に対する抵抗を軽減させる電動式の運動抵抗軽減手段の停電時における作動を、前記誘導電動機が発電する電力の供給により維持するフライホイール式無停電電源装置において、
前記誘導電動機により発電される電力の電流値が該誘導電動機の定格電流値に達するまで上昇すると、前記誘導電動機が発電した電力の前記運動抵抗軽減手段に対する供給を維持したまま、前記誘導電動機が発電した電力の負荷に対する供給経路を電気的に遮断する供給遮断手段を備えている、
ことを特徴とするフライホイール式無停電電源装置。
【請求項２】
前記供給遮断手段は、前記誘導電動機が発電した電力の負荷に対する専用の供給経路上に介設された開閉スイッチと、前記誘導電動機により発電される電力の電流値を検出する電流センサと、該電流センサによる検出電流値が前記誘導電動機の定格電流値まで上昇した時点で、閉成されている前記開閉スイッチを開放させるコントローラとを有していることを特徴とする請求項１記載のフライホイール式無停電電源装置。
【請求項３】
前記供給遮断手段は、前記誘導電動機が発電した電力の負荷に対する専用の供給経路上に介設された開閉スイッチと、前記誘導電動機の回転数を検出する回転数センサと、前記誘導電動機により発電される電力の電流値が該誘導電動機の定格電流値に達する所定回転数まで、単位時間当たりの前記回転数センサによる検出回転数が低下した時点で、閉成されている前記開閉スイッチを開放させるコントローラとを有していることを特徴とする請求項１記載のフライホイール式無停電電源装置。
【請求項４】
前記運動抵抗軽減手段は、前記フライホイールの回転軸の磁気軸受を有していることを特徴とする請求項１、２又は３記載のフライホイール式無停電電源装置。
【請求項５】
前記運動抵抗軽減手段は、前記フライホイールが内部空間に収容されるチャンバと、該内部空間を減圧させる減圧装置とを有していることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のフライホイール式無停電電源装置。
【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とを用いる無停電電源装置に係り、特に、フライホイールの回転運動に対する抵抗を電動式の運動抵抗軽減手段により軽減することでエネルギー損失の低減を図る構成のフライホイール式無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源の停電時に電源に代わって非常用発電機から電力を供給するシステムにおいては、停電の発生から非常用発電機の立ち上がりまでのタイムラグが避けられない。そのため、このタイムラグの間、負荷への電力供給をサポートする無停電電源装置（ＵＰＳ）が欠かせない。
【０００３】
このような無停電電源装置の一つにフライホイール式の無停電電源装置がある。フライホイール式の無停電電源装置は、電源が正常な待機時にフライホイールを回転させておき、停電後にも慣性で回転し続けているフライホイールにより誘導電動機を回転させて、誘導電動機を停電中に発電機として作動させるものである。このようなフライホイール式の無停電電源装置は、高調波を出力しない等の利点があるので注目されている。
【０００４】
ところで、フライホイール式の無停電電源装置は、フライホイールが慣性で回転する力、つまり、フライホイールに蓄積した回転エネルギーを用いて誘導電動機に発電させるものである。そのため、フライホイール式の無停電電源装置においては、フライホイールの回転運動に対する抵抗を極力抑制することが肝要である。
【０００５】
そこで、従来から、電磁力によりフライホイールに浮力を作用させて、フライホイールの回転軸と軸受との間の摩擦力を軽減する提案や（例えば、特許文献１）、フライホイールを真空空間に配置して、フライホイールの周辺雰囲気によりフライホイールに作用する風損を軽減する提案（例えば、特許文献２）が行われている。
【特許文献１】特開２００３−１４３７７４号公報
【特許文献２】特開平７−１９４０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような、フライホイールの回転運動に対する抵抗を抑制する対策を実行するためには、電磁コイルやバキュームポンプ等の電動要素が必要となる。この電動要素への電力供給が絶たれると、それまでフライホイールに作用していた抵抗抑制力が瞬時に作用しなくなり、その分、フライホイールの回転軸の軸受に対して大きな衝撃力が加わることになる。そして、この衝撃力は時として軸受に損傷が生じる一因ともなりかねない。
【０００７】
したがって、フライホイールの回転運動に対する抵抗を抑制する対策を実行する場合は、そのために必要な電動要素に対して電力を安定して供給することが重要となる。特に、電源の停電時には、無停電電源装置自身でこれらの電動要素に電力を供給する必要がある。
【０００８】
この場合、停電発生から一瞬の間をおいて非常用発電機が立ち上がっても、非常用発電機からの電力は専ら負荷に対して供給される。したがって、上述した電動要素を有する無停電電源装置に対して非常用発電機から電力の供給を受けることは期待できない。また、仮に非常用発電機から電力の供給を受けることができるとしても、停電発生から非常用発電機が立ち上がるまでの一瞬の間に電力が途絶えると、上述したような、フライホイールの回転軸の軸受に対して大きな衝撃力が加わり軸受に損傷が生じる結果を招く危険性がある。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、フライホイールの回転運動に対する抵抗を電動式の運動抵抗軽減手段により軽減するフライホイール式無停電電源装置において、電源が停電した場合に、その停電が復旧するまでの間、電動式の運動抵抗軽減手段に対して電力をより長い期間供給できるようにするフライホイール式無停電電源装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置は、待機時に回転させたフライホイールにより停電時に回転される誘導電動機が発電する電力を、停電時の電源に代わって負荷に対して供給すると共に、前記フライホイールの回転運動に対する抵抗を軽減させる電動式の運動抵抗軽減手段の停電時における作動を、前記誘導電動機が発電する電力の供給により維持するフライホイール式無停電電源装置において、前記誘導電動機により発電される電力の電流値が該誘導電動機の定格電流値に達するまで上昇すると、前記誘導電動機が発電した電力の前記運動抵抗軽減手段に対する供給を維持したまま、前記誘導電動機が発電した電力の負荷に対する供給経路を電気的に遮断する供給遮断手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置によれば、停電時において、誘導電動機が発電した電力の負荷に対する供給経路が電気的に接続されている間は、負荷の作動により誘導電動機が定格出力で発電し続けることになる。このとき、フライホイール及び誘導電動機の回転速度が時間の経過と共に低下し、それに伴って、誘導電動機への励磁電圧が一定であれば励磁電流が徐々に上昇し、さらに回転数が低下していき、誘導電動機への励磁電圧が低下すれば有効電流が上昇する。このため、誘導電動機が停電中に発電する電力の電流が徐々に上昇し、やがては誘導電動機の定格電流値に達する。
【００１２】
すると、誘導電動機が発電した電力の負荷に対する供給経路が供給遮断手段によって電気的に遮断され、誘導電動機の発電する電力の負荷による消費が無くなり、その分だけ誘導電動機が発電して供給する電力が低下する。これにより、フライホイール及び誘導電動機の回転速度の低下によって誘導電動機が発電する電力の電圧が低下しても、その電力の電流値が誘導電動機の定格電流値を超えることはない。
【００１３】
したがって、誘導電動機に定格電流値を超える電流が流れて焼損等が発生したり、負荷に対する電力の供給経路上に設けられるインバータにトリップが発生したりすることが防止される。よって、これらの事象の発生に起因して運動抵抗低減手段に対する電力供給が絶たれることがない。
【００１４】
このため、フライホイールの回転が停止して誘導電動機が発電不能となるまで、誘導電動機に電力を発電させてその電力を運動抵抗軽減手段に継続して供給させることができる。これにより、停電中に運動抵抗軽減手段をより長い期間作動させて、運動抵抗軽減手段の作動停止によりそれまでフライホイールに作用していた抵抗抑制力が瞬時に作用しなくなる時点の到来を、極力遅延させることができる。よって、フライホイールに急激に作用した運動抵抗によりフライホイールが回転軸の軸受に衝突して、フライホイールから軸受に大きな衝撃力が加わって軸受に損傷が生じるのを、極力回避させることができる。
【００１５】
また、請求項２に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置は、請求項１に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、前記供給遮断手段が、前記誘導電動機が発電した電力の負荷に対する専用の供給経路上に介設された開閉スイッチと、前記誘導電動機により発電される電力の電流値を検出する電流センサと、該電流センサによる検出電流値が前記誘導電動機の定格電流値まで上昇した時点で、閉成されている前記開閉スイッチを開放させるコントローラとを有していることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置によれば、請求項１に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、電流センサによる検出電流値が誘導電動機の定格電流値まで上昇すると、誘導電動機が発電した電力の負荷に対する専用の供給経路上に介設された開閉スイッチが、コントローラによって閉成状態から開放状態に切り替えられて、誘導電動機が発電した電力の負荷に対する供給経路が電気的に遮断される。
【００１７】
したがって、誘導電動機の焼損やインバータのトリップの発生要因となる誘導電動機の発電電力の定格電流値を超えるような、誘導電動機の発電電力の電流上昇を確実に防止し、停電中の運動抵抗軽減手段に対する電力供給を極力継続させて、フライホイールの回転による誘導電動機の発電を長期間継続させることができる。
【００１８】
さらに、請求項３に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置は、請求項１に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、前記供給遮断手段が、前記誘導電動機が発電した電力の負荷に対する専用の供給経路上に介設された開閉スイッチと、前記誘導電動機の回転数を検出する回転数センサと、前記誘導電動機により発電される電力の電流値が該誘導電動機の定格電流値に達する所定回転数まで、単位時間当たりの前記回転数センサによる検出回転数が低下した時点で、閉成されている前記開閉スイッチを開放させるコントローラとを有していることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置によれば、請求項１に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、単位時間当たりの回転数センサによる検出回転数が、誘導電動機により発電される電力の電流値が誘導電動機の定格電流値に達する所定回転数まで低下すると、誘導電動機が発電した電力の負荷に対する専用の供給経路上に介設された開閉スイッチが、コントローラによって閉成状態から開放状態に切り替えられて、誘導電動機が発電した電力の負荷に対する供給経路が電気的に遮断される。
【００２０】
したがって、誘導電動機の焼損やインバータのトリップの発生要因となる誘導電動機の発電電力の定格電流値を超えるような、誘導電動機の発電電力の電流上昇を確実に防止し、停電中の運動抵抗軽減手段に対する電力供給を極力継続させて、フライホイールの回転による誘導電動機の発電を長期間継続させることができる。
【００２１】
また、請求項４に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置は、請求項１、２又は３に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、前記運動抵抗軽減手段が、前記フライホイールの回転軸の磁気軸受を有していることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置によれば、請求項１、２又は３に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、電磁力によりフライホイールに浮力を作用させるのに必要な電力が、フライホイールの回転が停止するまで誘導電動機により発電されて磁気軸受に供給されることになる。
【００２３】
このため、停電中に磁気軸受をより長い期間作動させて、磁気軸受の作動停止によりそれまでフライホイールに作用していた浮力が瞬時に作用しなくなる時点の到来を、極力遅延させることができる。よって、フライホイールに急激に作用した運動抵抗によりフライホイールが回転軸の軸受に衝突して、フライホイールから軸受に大きな衝撃力が加わって軸受に損傷が生じるのを、極力回避させることができる。
【００２４】
さらに、請求項５に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置は、請求項１、２、３又は４に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、前記運動抵抗軽減手段が、前記フライホイールが内部空間に収容されるチャンバと、該内部空間を減圧させる減圧装置とを有していることを特徴とする。
【００２５】
請求項５に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置によれば、請求項１、２、３又は４に記載した本発明のフライホイール式無停電電源装置において、フライホイールが収容されるチャンバの内部空間を減圧させて、フライホイールに働く重力を軽減させかつフライホイールの周辺雰囲気による風損を軽減させるのに必要な電力が、フライホイールの回転が停止するまで誘導電動機により発電されて減圧装置に供給されることになる。
【００２６】
このため、停電中に減圧装置をより長い期間作動させて、減圧装置の作動停止によりそれまでフライホイールに働いていた重力軽減作用や風損軽減作用が瞬時に働かなくなる時点の到来を、極力遅延させることができる。よって、フライホイールに急激に作用した運動抵抗によりフライホイールが回転軸の軸受に衝突して、フライホイールから軸受に大きな衝撃力が加わって軸受に損傷が生じるのを、極力回避させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のフライホイール式無停電電源装置によれば、停電中に運動抵抗軽減手段をより長い期間作動させて、運動抵抗軽減手段の作動停止によりそれまでフライホイールに作用していた抵抗抑制力が瞬時に作用しなくなる時点の到来を、極力遅延させることができる。よって、フライホイールに急激に作用した運動抵抗によりフライホイールが回転軸の軸受に衝突して、フライホイールから軸受に大きな衝撃力が加わって軸受に損傷が生じるのを、極力回避させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係るフライホイール式無停電電源装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る無停電電源装置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、停電発生から不図示の非常用発電機が立ち上がるまでの間に電力を供給するものとして接続した構成として示す説明図である。この図１において、引用符号５は、停電時の給電系（経路）である。
【００３０】
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を採用している。電源２に停電が発生していない待機時には、慣性による回転状態においてフライホイール９に連結しているかご型誘導電動機１０を無励磁とすることにより、フライホイール９及びかご型誘導電動機１０を空転状態とする。
【００３１】
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かご型誘導電動機１０に対し短時間に励磁電流を流す必要がある。そこで、無停電電源装置１は、コントローラ１６が停電を検出してから短時間の内にかご型誘導電動機１０の励磁コイルを励磁し、かつ発電を開始する。なお、無停電電源装置１は、力行のための高速励磁にも利用可能である。
【００３２】
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器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、第１スイッチＳＷ１を介して負荷８に供給する。
【００３３】
停電時の給電系（経路）５では、フライホイール９の回転軸９ａ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。フライホイール９の回転軸９ａの上下端は、フライホイール９の上下に配した磁気軸受１７によってそれぞれ軸受されている。
【００３６】
各磁気軸受１７は、回転軸９ａの周方向に等間隔をおいて回転軸９ａの周面に対向配置したラジアル方向の芯出し用の複数の電磁石（図示せず）を有している。また、上下のうち少なくともどちらか一方の磁気軸受１７は、回転軸９ａに一体形成された円盤状のスラストディスクに対向配置したスラスト方向の浮上用の電磁石（図示せず）をさらに有している。各電磁石への通電量は、磁気軸受駆動装置１７ａによって調整される。この調整により、回転軸９ａが各磁気軸受１７からの電磁力によりスラスト方向に浮上され、かつ、ラジアル方向で非接触軸受される。
【００３７】
また、フライホイール９とその回転軸９ａ、かご型誘導電動機１０、及び、上下の磁気軸受１７は、密閉型のチャンバ１８の内部空間に収容されている。チャンバ１８には真空ポンプ１９（減圧装置）が接続されており、この真空ポンプ１９を真空ポンプ駆動装置１９ａにより作動させることで、チャンバ１８の内部空間が減圧、真空化される。この減圧、真空化により、フライホイール９とその回転軸９ａ、及び、かご型誘導電動機１０に働く重力が軽減される。なお、フライホイール９の回転数は回転数計１２（回転数センサ）により周波数［Ｈｚ］（単位時間当たりの回転数）として計測される。
【００３８】
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。
【００３９】
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かご型誘導電動機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、かご型誘導電動機１０に励磁電圧、励磁電流を供給する。
【００４０】
キャパシタ１５は、電源が停電等によって落ちたときに、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エネルギーと、停電発生時からかご型誘導電動機１０により発電が開始されるまでの期間に負荷８が必要とする電力エネルギーとを蓄積する。
【００４１】
即ち、停電発生時における負荷８への電力供給は、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からの電力を使う。もしも負荷８が、瞬時の停電状態に置かれることを許容する性質のものであれば、停電発生時からかご型誘導電動機１０が励磁されて発電を開始するまでの短期間、負荷用インバータ７を停止させておき、キャパシタ１５の電力が負荷８に供給されることを防止することで、キャパシタ１５の容量を最小限に止めておくことが可能である。なお、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には供給されない。
【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は、前述したように慣性エネルギーが蓄積されて空転した状態となる。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、フライホイール９の回転力を基にかご型誘導電動機１０を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、第１スイッチＳＷ１を介して負荷８に供給する。
【００４４】
なお、磁気軸受駆動装置１７ａと真空ポンプ駆動装置１９ａには、通常時の給電系（経路）３から分岐させた電力が、変圧器２１により交流から直流に変換されて供給される。この変圧器２１は、負荷用インバータ７と第１スイッチＳＷ１との間において、通常時の給電系（経路）３に対して分岐接続されている。この分岐点と変圧器２１との間には第２スイッチＳＷ２が介設されている。また、電源２と整流器６との間には、電流計２２が設けられ、電源２から供給される電力の電流値を計測する。
【００４５】
前記第１及び第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、停電の有無に拘わらず原則的に閉成している。これら第１及び第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２の開閉は、停電中における回転数計１２又は電流計１３，２２による計測結果に基づいて、コントローラ１６によってそれぞれ制御される。
【００４６】
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、整流器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、かご型誘導電動機１０により発電された電力を、いずれも第１スイッチＳＷ１を介して供給することができる。したがって、通常時の給電経路３や停電時の給電経路５のうち、磁気軸受駆動装置１７ａと真空ポンプ駆動装置１９ａとに対する電力供給経路の分岐点から負荷８側の部分が、負荷８に対する専用の電力供給経路部分と言うことになる。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
このとき、フライホイール９と誘導電動機１０とは磁気軸受１７により浮上及び非接触状態で軸受されている。これにより、フライホイール９の回転軸９ａと磁気軸受１７との接触に伴う摩擦によるフライホイール９の回転損の軽減が図られている。
【００５０】
また、フライホイール９と誘導電動機１０とは、真空ポンプ１９により減圧乃至真空状態とされたチャンバ１８に収容されている。これにより、フライホイール９とその回転軸９ａ、及び、かご型誘導電動機１０に働く重力の軽減が図られている。また、真空ポンプ１９によりチャンバ１８を減圧乃至真空状態とすることで、フライホイール９がその周辺雰囲気から受ける風損に起因した、フライホイール９乃至誘導電動機１０の回転損の軽減が図られている。
【００５１】
したがって、磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに対する電力の供給は、上述した磁気軸受１７や真空ポンプ１９の作動を維持する上で非常に重要である。これらの作動が維持されなくなると、つまり、電力の供給が絶たれると、フライホイール９に作用していた浮力が急激に作用しなくなり、かつ、重力軽減作用が急激に働かなくなる。すると、フライホイール９の回転軸９ａが下側の磁気軸受１７に（場合によっては上側の磁気軸受１７にも）衝突して、磁気軸受１７に大きな衝撃力が加わって損傷が生じることとなる。磁気軸受１７は非常に高価な部品であることから、その損傷は、無停電電源装置１としての動作上の損失だけに止まらず、経済的にも大きな損失をもたらす。
【００５２】
本実施形態の無停電電源装置１は、磁気軸受駆動装置１７ａと真空ポンプ駆動装置１９ａへの電力供給を最大限長期間維持できるようにして、磁気軸受１７の損傷からの保護を可能な限り図るようにするものである。
【００５３】
ここで、かご型誘導電動機１０の発電に関する特性を説明する。図３は、励磁コイルを励磁して発電状態にあるかご型誘導電動機１０の、回転数と発電した電力の電圧との関係を示すグラフである。図４は、励磁コイルを励磁して発電状態にあるかご型誘導電動機１０の、回転数と発電した電力の電流との関係を示すグラフである。
【００５４】
本実施形態の無停電電源装置１が、負荷８の消費電力に応じた定格出力で停電時の電力供給を行うためには、かご型誘導電動機１０の回転数が発電補償下限回転数（以下、「下限回転数」と略記する。）ｆ１以上である必要がある。その理由は、下限回転数ｆ１よりもかご型誘導電動機１０の回転数が下がると、図３に示すように、発電した電力の電圧が回転数に比例して低下するためである。
【００５５】
かご型誘導電動機１０の発電電力の電圧が、下限回転数ｆ１よりも低下したかご型誘導電動機１０の回転数に比例して、図３に示すように低下すると、定格出力に応じた負荷８の電力消費が続いていることから、図４に示すように、発電した電力の電流が、かご型誘導電動機１０の定格電流値を超えてしまう。定格電流値を超える電流がかご型誘導電動機１０の励磁コイルに流れる（過電流状態となる）と、励磁コイルの焼損等の原因となり好ましくない。
【００５６】
したがって、負荷８の消費電力に応じた無停電電源装置１の定格出力に見合った電力を、励磁コイルに流れる電流を定格電流値以下に抑えてかご型誘導電動機１０に発電させるためには、かご型誘導電動機１０の回転数を下限回転数ｆ１以上とする必要がある。
【００５７】
ところが、電源２に停電が発生してかご型誘導電動機１０が空転状態から励磁状態に移行して発電を開始すると、上述したステータ−ロータ間の磁気力によりかご型誘導電動機１０の回転数が、待機時（空転状態のとき）の定格回転数ｆ０から徐々に低下し、やがて、図３に示すように下限回転数ｆ１を下回るようになる。
【００５８】
そこで、本実施形態の無停電電源装置１では、かご型誘導電動機１０の回転数が下限回転数ｆ１よりも低下して、励磁コイルに流れる電流が図４に示すようにかご型誘導電動機１０の定格電流値を超えることがないように、図１に示すコントローラ１６が負荷８に対する電力供給を制御するようにしている。
【００５９】
本実施形態のコントローラ１６は、負荷８に対する電力供給の他、フライホイール用インバータ１１によるかご型誘導電動機１０の励磁や、キャパシタ１５のフライホイール用インバータ１１に対する電気的な接断等の制御も行う。このコントローラ１６は、制御プログラムの実行により処理を行うマイクロコンピュータや、Ｖ／ｆ変換回路（電圧−周波数変換回路）を含む各種のドライバ等によって構成することができる。
【００６０】
図２は、無停電電源装置１のコントローラ１６が制御プログラムの実行により行う処理の手順を示すフローチャートである。この図２を参照して、本実施形態のコントローラ１６が行う停電時の、特に、負荷８に対する電力供給に関する処理について説明する。なお、以下に説明する処理の初期状態においては、かご型誘導電動機１０の励磁コイルがフライホイール用インバータ１１によって発電回生用に励磁され、また、第１及び第２の各スイッチＳＷ１，ＳＷ２が共に閉成されているものとする。
【００６１】
コントローラ１６は、まず、かご型誘導電動機１０の励磁コイルに流れる電流が定格電流値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１）。この判断は、かご型誘導電動機１０とフライホイール用インバータ１１との間に設けた電流計１３によって計測される、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励磁コイルに流れる励磁電流値に基づいて行うことができる。あるいは、回転数計１２（回転数センサ）により周波数［Ｈｚ］（単位時間当たりの回転数）として計測されるフライホイール９乃至かご型誘導電動機１０の回転数に基づいて行うこともできる。
【００６２】
電流計１３が計測する励磁電流値を判断の基にする場合は、その励磁電流値がかご型誘導電動機１０の定格電流値以下であるか否かを直接判断することになる。一方、回転数計１２が計測するかご型誘導電動機１０の回転数の値を判断の基にする場合は、その回転数が上述した下限回転数ｆ１以上であるか否かによって、かご型誘導電動機１０の励磁コイルを流れる電流値が定格電流値以下であるか否かを間接的に判断することになる。
【００６３】
ステップＳ１において、かご型誘導電動機１０の励磁コイルに流れる電流が定格電流値以下であると判断した場合は、コントローラ１６は、停電が復旧したか否かを判断する（ステップＳ３）。この判断は、電源２と整流器６との間に設けた電流計２２によって計測される、電源２から供給される電力の電流値に基づいて行うことができる。すなわち、電流計２２による計測電流値がゼロである場合は停電が復旧していないと判断することができ、計測電流値が電源２の定格電流値である場合は停電が復旧していると判断することができる。
【００６４】
ステップＳ３において、停電が復旧していると判断しない場合は、ステップＳ１にリターンする。停電が復旧していると判断した場合は、処理を終了する。処理の終了後には、かご型誘導電動機１０の励磁コイルの発電回生用の励磁が終了されて、かご型誘導電動機１０による発電が終了される。
【００６５】
一方、ステップＳ１において、かご型誘導電動機１０の励磁コイルに流れる電流が定格電流値以下であると判断しない場合は、コントローラ１６は、閉成状態にある第１スイッチＳＷ１を開放させる（ステップＳ５）。第１スイッチＳＷ１の開放により、かご型誘導電動機１０が発電した電力の負荷８に対する供給が停止される。
【００６６】
第１スイッチＳＷ１を開放させた後、コントローラ１６は、かご型誘導電動機１０の回転が停止したか否かを判断する（ステップＳ７）。この判断は、回転数計１２（回転数センサ）により計測されるフライホイール９乃至かご型誘導電動機１０の回転数がゼロになったか否かによって行うことができる。
【００６７】
ステップＳ７において、かご型誘導電動機１０の回転が停止していると判断しない場合は、コントローラ１６は、ステップＳ３と同様に、停電が復旧したか否かを判断する（ステップＳ９）。停電が復旧していると判断しない場合は、ステップＳ７にリターンする。停電が復旧していると判断した場合は、第１スイッチＳＷ１を閉成させた後（ステップＳ１１）、処理を終了する。処理の終了後には、かご型誘導電動機１０の励磁コイルの発電回生用の励磁が終了されて、かご型誘導電動機１０による発電が終了される。
【００６８】
一方、ステップＳ７において、かご型誘導電動機１０の回転が停止していると判断した場合は、第２スイッチＳＷ２を開放させる（ステップＳ１３）。第２スイッチＳＷ２の開放により、かご型誘導電動機１０が発電した電力の磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに対する供給が停止される。
【００６９】
第２スイッチＳＷ２を開放させた後、コントローラ１６は、ステップＳ３やステップＳ９と同様に、停電が復旧したか否かを判断する（ステップＳ１５）。停電が復旧していると判断しない場合は、ステップＳ１５をリピートする。停電が復旧していると判断した場合は、第１及び第２の各スイッチＳＷ１，ＳＷ２を共に閉成させた後（ステップＳ１７）、処理を終了する。処理の終了後には、かご型誘導電動機１０の励磁コイルの発電回生用の励磁が終了されて、かご型誘導電動機１０による発電が終了される。
【００７０】
以上に説明したコントローラ１６の処理により、かご型誘導電動機１０が発電する電力は、図５のグラフ中の実線で示すように変化する。すなわち、電源２に停電が発生すると、定格回転数ｆ０で回転しているかご型誘導電動機１０は、負荷８の消費電力に合わせた定格出力（例えば、１００ｋｗ）での発電を開始する。そして、ステータ−ロータ間の磁気力により定格回転数ｆ０から徐々に低下したかご型誘導電動機１０の回転数は、やがて、図５中の破線で示すように、下限回転数ｆ１まで低下する。
【００７１】
このとき、発電状態にあるかご型誘導電動機１０の、回転数と発電した電力の電流との関係を示す図６のグラフのように、かご型誘導電動機１０が発電する電力の電流値は、かご型誘導電動機１０の定格電流値に上昇する。ここで、コントローラ１６の制御により、閉成状態の第１スイッチＳＷ１が開放されて、かご型誘導電動機１０が発電した電力の負荷８に対する供給が停止される。
【００７２】
第１スイッチＳＷ１の開放により、図５中の実線で示すように、かご型誘導電動機１０が発電する電力が、第２スイッチＳＷ２及び変圧器２１を介して電力の供給が継続される磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａでの消費電力に応じた電力（例えば、１ｋｗ）に低下する。これにより、図６に示すように、かご型誘導電動機１０の定格電流値まで上昇したかご型誘導電動機１０による発電電力の電流値が、定格電流値よりも遙かに低い電流値まで低下する。
【００７３】
そして、第１スイッチＳＷ１の開放後、かご型誘導電動機１０の回転が停止して電力を発電できなくなるまでの間、かご型誘導電動機１０の発電した電力が、第２スイッチＳＷ２及び変圧器２１を介して磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに供給され続ける。その間もかご型誘導電動機１０の回転数は、図５中の破線で示すように、ステータ−ロータ間の磁気力により下限回転数ｆ１からさらに低下する。
【００７４】
しかし、磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａによる消費電力は、負荷８による消費電力に比べて遙かに小さく、それに応じたかご型誘導電動機１０の発電電力（例えば、１ｋｗ）は、第１スイッチＳＷ１が開放される前の、負荷８の消費電力に合わせた定格出力（例えば、１００ｋｗ）に比べて遙かに小さい。そのため、かご型誘導電動機１０の回転数がさらに低下して、かご型誘導電動機１０による発電電力の電圧値が低下しても、かご型誘導電動機１０による発電電力の電流値が再び定格電流値まで上昇することはない。
【００７５】
そして、かご型誘導電動機１０の回転が停止して電力を発電できなくなった時点で、コントローラ１６の制御により、閉成状態の第２スイッチＳＷ２が開放されて、磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａへの電力供給が停止される。
【００７６】
したがって、かご型誘導電動機１０の励磁コイルの焼損やフライホイール用インバータ１１のトリップの発生要因となる、かご型誘導電動機１０の発電電力の定格電流値を超えるような電流上昇を確実に防止することができる。これにより、停電中における磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａへのかご型誘導電動機１０からの電力供給を、かご型誘導電動機１０の回転が停止するギリギリの段階まで継続させることができる。
【００７７】
よって、かご型誘導電動機１０の回転が停止するギリギリの段階まで、磁気軸受駆動装置１７ａにより磁気軸受１７が駆動されて、フライホイール９と誘導電動機１０とが浮上及び非接触状態で軸受されたままに保たれることになる。
【００７８】
また、かご型誘導電動機１０の回転が停止するギリギリの段階まで、真空ポンプ駆動装置１９ａにより真空ポンプ１９が駆動されて、チャンバ１８の内部が減圧乃至真空状態に保たれることになる。
【００７９】
これにより、回転軸９ａと磁気軸受１７との接触に伴う摩擦やフライホイール９の周辺雰囲気から受ける風損によるフライホイール９及びかご型誘導電動機１０の回転損の軽減と、チャンバ１８内のフライホイール９、回転軸９ａ、及び、かご型誘導電動機１０に働く重力の軽減とが、かご型誘導電動機１０の回転が停止するギリギリの段階まで図られることになる。
【００８０】
そのため、本実施形態の無停電電源装置１によれば、磁気軸受１７や真空ポンプ１９の駆動停止により回転損や重力の軽減がフライホイール９やかご型誘導電動機１０に作用しなくなる時点の到来を極力遅延させることができる。これにより、フライホイール９の回転軸９ａが下側の磁気軸受１７に（場合によっては上側の磁気軸受１７にも）衝突するのを極力防ぎ、そのような衝突により磁気軸受１７に大きな衝撃力が加わって損傷が生じるのを、極力避けることができる。
【００８１】
なお、上述した第１実施形態の無停電電源装置１では、磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに対して、負荷用インバータ７から負荷８に供給される電力の一部を分岐して供給する構成とした。しかし、負荷８に供給される電力とは独立して磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに電力を供給する構成とすることもできる。そのように構成したのが、図７に構成図を示す本発明の第２実施形態に係る無停電電源装置である。
【００８２】
図７に示すように、第２実施形態の無停電電源装置１Ａは、変圧器２１を、インバータ２３を介して直流バス４に接続し、第２スイッチＳＷ２を用いない構成としている。したがって、第２実施形態の場合は、通常時の給電経路３や停電時の給電経路５のうち、負荷用インバータ７よりも負荷８側の部分が、負荷８に対する専用の電力供給経路部分と言うことになる。
【００８３】
そして、第２実施形態の無停電電源装置１Ａのコントローラ１６は、第１実施形態の無停電電源装置１のコントローラ１６が行う図２のフローチャートの処理とは若干異なる内容の処理を行う。
【００８４】
詳しくは、図２のフローチャートのステップＳ５において第１スイッチＳＷ１を開放させた後、無停電電源装置１Ａのコントローラ１６は、図８のフローチャートに示すように、ステップＳ９に進み、停電が復旧したか否かを判断する。停電が復旧していると判断しない場合は、ステップＳ９をリピートする。停電が復旧していると判断した場合は、第１スイッチＳＷ１を閉成させた後（ステップＳ１１）、処理を終了する。処理の終了後には、かご型誘導電動機１０の励磁コイルの発電回生用の励磁が終了されて、かご型誘導電動機１０による発電が終了される。また、インバータ２３の励磁コイルの励磁も終了されて、磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに対する電力供給が終了される。
【００８５】
このような構成による第２実施形態の無停電電源装置１Ａによっても、第１実施形態の無停電電源装置１と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
また、第２実施形態の無停電電源装置１Ａによれば、負荷８に供給される電力とは独立して、キャパシタ１５（直流バス４）からインバータ２３を介して磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａに電力を供給する構成とした。そのため、例えば、負荷８側において電気事故等が発生しても、それとは無関係に磁気軸受駆動装置１７ａや真空ポンプ駆動装置１９ａへの電力供給を継続することができる。
【００８７】
よって、負荷８側の電気事故等に起因して、磁気軸受１７や真空ポンプ１９の駆動停止により回転損や重力の軽減がフライホイール９やかご型誘導電動機１０に作用しなくなるのを防ぐことができる。そのため、負荷８側の電気事故等に起因してフライホイール９の回転軸９ａが磁気軸受１７に衝突するのを防ぎ、そのような衝突により磁気軸受１７に大きな衝撃力が加わって損傷が生じるのを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る無停電電源装置の構成図である。
【図２】図１のコントローラ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３】励磁コイルを励磁して発電状態にあるかご型誘導電動機の回転数と発電した電力の電圧との関係を示すグラフである。
【図４】励磁コイルを励磁して発電状態にあるかご型誘導電動機の回転数と発電した電力の電流との関係を示すグラフである。
【図５】かご型誘導電動機が停電に伴い発電する電力の時系列変化をかご型誘導電動機の回転数の時系列変化と共に示すグラフである。
【００８９】
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６】励磁コイルを励磁して発電状態にあるかご型誘導電動機の回転数と発電した電力の電流との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る無停電電源装置の構成図である。
【図８】図７のコントローラにて行われる処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９０】
１，１Ａ  無停電電源装置
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  整流器
７  負荷用インバータ
８  負荷
９  フライホイール
９ａ  回転軸
１０  かご型誘導電動機
１１  フライホイール用インバータ
１２  回転数計
１３，２２  電流計
１４  直流電圧計
１５  キャパシタ
１６  コントローラ
１７  磁気軸受
１７ａ  磁気軸受駆動装置
１８  チャンバ
１９  真空ポンプ
１９ａ  真空ポンプ駆動装置
２１  変圧器
２３  インバータ
【図１】
0005003437.tif 000002
【図２】
0005003437.tif 000003
【図３】
0005003437.tif 000004
【図４】
0005003437.tif 000005
【図５】
0005003437.tif 000006
【図６】
0005003437.tif 000007
【図７】
0005003437.tif 000008
【図８】
0005003437.tif 000009