(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から供給される電力を用いてインバータが生成した励磁電圧の印加によりモータとして動作させた誘導電動機によって、所定の回転速度まで加速させたフライホイールを、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除により、慣性エネルギーが蓄積された遊転状態とし、停電時に外部からの発電指令を受けると、前記遊転状態の前記フライホイールにより回転されている前記誘導電動機を、キャパシタに蓄積された電力を用いて前記インバータが生成した励磁電圧の印加により発電機として動作させ、前記誘導電動機で発電された回生電力を、停電した電源からの電力に代わって、前記インバータを介して負荷に供給する発電回生装置において、前記誘導電動機の励磁電圧を制御する方法であって、
コントローラが、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除時に、該励磁電圧の印加解除に伴い前記誘導電動機に生じる残留磁界による該誘導電動機の残留電圧の値を前記励磁電圧の値が下回らぬように、前記残留電圧の減少速度に応じた速度で前記励磁電圧の値をランプ状に減少させる励磁解除ステップと、
前記コントローラが、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加開始時に、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を常時下回るパターンで前記励磁電圧の値を増加させる励磁開始ステップと、
前記励磁電圧の値の減少中に前記発電指令を受けたときに、前記コントローラが、前記励磁解除ステップによる前記励磁電圧の値が前記励磁開始ステップによる前記励磁電圧の値を上回る値である間は、前記励磁解除ステップにより前記励磁電圧の値を減少させ、前記励磁解除ステップによる前記励磁電圧の値が前記励磁開始ステップによる前記励磁電圧の値と一致した時点以降は、前記励磁開始ステップにより前記励磁電圧の値を増加させる磁界残留時励磁電圧制御ステップとを有する、
ことを特徴とする発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法。
【請求項２】
前記励磁開始ステップの前記パターンは、前記誘導電動機の定格電圧よりも低く、かつ、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を下回る所定値まで、前記励磁電圧の値をステップ状に増加させると共に、前記所定値から前記定格電圧まで前記励磁電圧の値をランプ状に増加させるパターンであることを特徴とする請求項１記載の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法。
【請求項３】
電源から供給される電力を用いてインバータが生成した励磁電圧の印加によりモータとして動作させた誘導電動機によって、所定の回転速度まで加速させたフライホイールを、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除により、慣性エネルギーが蓄積された遊転状態とし、停電時に外部からの発電指令を受けると、前記遊転状態の前記フライホイールにより回転されている前記誘導電動機を、キャパシタに蓄積された電力を用いて前記インバータが生成した励磁電圧の印加により発電機として動作させ、前記誘導電動機で発電された回生電力を、停電した電源からの電力に代わって、前記インバータを介して負荷に供給する発電回生装置において、
前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除時に、該励磁電圧の印加解除に伴い前記誘導電動機に生じる残留磁界による該誘導電動機の残留電圧の値を前記励磁電圧の値が下回らぬように、前記残留電圧の減少速度に応じた速度で前記励磁電圧の値をランプ状に減少させるように制御する励磁停止時電圧制御手段と、
前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加開始時に、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を常時下回るパターンで前記励磁電圧の値を増加させるように制御する励磁開始時電圧制御手段と、
前記励磁停止時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値の減少中に前記発電指令を受けたときに、前記励磁電圧の値を制御する磁界残留時電圧制御手段とを備えており、
前記磁界残留時電圧制御手段は、前記励磁停止時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値が、前記励磁開始時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値を上回る値である間は、前記励磁停止時電圧制御手段の制御を優先させ該励磁開始時電圧制御手段の制御により前記励磁電圧の値を減少させると共に、前記励磁停止時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値が、前記励磁開始時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値と一致した時点以降は、前記励磁開始時電圧制御手段の制御を優先させ該励磁開始時電圧制御手段の制御により前記励磁電圧の値を増加させる、
ことを特徴とする発電回生装置。
【請求項４】
前記励磁開始時電圧制御手段は、前記誘導電動機の定格電圧よりも低く、かつ、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を下回る所定値まで、前記励磁電圧の値をステップ状に増加させるように制御すると共に、前記所定値から前記定格電圧まで前記励磁電圧の値をランプ状に増加させるように制御することを特徴とする請求項３記載の発電回生装置。
【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を用いてなる無停電電源装置の誘導電動機励磁電圧制御方法及び無停電電源装置に関する。
【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２００３−１１１４９４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２８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２９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３０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】
そこで、本出願人は、特願２００６−８０９７９号において、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案した。この提案によれば、非停電時に誘導電動機を励磁状態にし続けないようにして、励磁電流による損失を抑制することができるようになる。
【００１３】
ところで、非停電時に誘導電流を非励磁状態とする際、励磁電圧の印加を停止した誘導電動機には、残留磁界による残留電圧が生じる。このため、残留電圧が生じている間に誘導電動機を再励磁すると、励磁電圧が残留電圧に加わって誘導電動機に印加されてインバータを流れる突入電流の値が大きくなる。すると、インバータのトリップ値を超える電流がインバータを流れてインバータによる誘導電動機の励磁が行えなくなり、停電時の負荷に対する電源のバックアップを正常に行えなくなる。したがって、誘導電動機に非励磁期間を設けるとなれば、誘導電動機の残留電圧が解消するまでの間、再励磁禁止期間を設ける必要が生じる。
【００１４】
この再励磁禁止期間には誘導電動機の発電回生が行えないので、再励磁禁止期間中の停電に対処するためには、再励磁禁止期間に見合った大容量のキャパシタをバックアップとして持つ必要がある。大容量のキャパシタは装置の大型化を招くのでそのような構成はできるだけ採用を避けたいところである。このような訳で、従来の提案には、再励磁禁止期間に関する面でさらなる改良の余地がある。
【００１５】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、誘導電動機に対する励磁電圧の印加を停止した後にいち早く誘導電動機への励磁電圧の印加を再開することができる発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法と、この方法を実施する際に用いて好適な発電回生装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した本発明の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法は、電源から供給される電力を用いてインバータが生成した励磁電圧の印加によりモータとして動作させた誘導電動機によって、所定の回転速度まで加速させたフライホイールを、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除により、慣性エネルギーが蓄積された遊転状態とし、停電時に外部からの発電指令を受けると、前記遊転状態の前記フライホイールにより回転されている前記誘導電動機を、キャパシタに蓄積された電力を用いて前記インバータが生成した励磁電圧の印加により発電機として動作させ、前記誘導電動機で発電された回生電力を、停電した電源からの電力に代わって、前記インバータを介して負荷に供給する発電回生装置において、前記誘導電動機の励磁電圧を制御する方法であって、コントローラが、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除時に、該励磁電圧の印加解除に伴い前記誘導電動機に生じる残留磁界による該誘導電動機の残留電圧の値を前記励磁電圧の値が下回らぬように、前記残留電圧の減少速度に応じた速度で前記励磁電圧の値をランプ状に減少させる励磁解除ステップを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項１に記載した本発明の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法によれば、インバータから誘導電動機への励磁電圧の印加解除時に、残留電圧の減少速度に応じた速度で励磁電圧の値がランプ状に減少されて、励磁電圧の印加解除に伴い誘導電動機に生じる残留磁界による残留電圧の値を下回らない値の励磁電圧が、励磁電圧の値がゼロになるまで減少されながら誘導電動機に印加されることになる。
【００１８】
これにより、励磁電圧の値がゼロになるまでの間、誘導電動機に生じる残留電圧の電気エネルギーが、励磁電圧の印加のために誘導電動機と電気的に接続されたインバータにおいて熱エネルギー等に変換されて消費される。よって、残留電圧をいち早く解消して誘導電動機を早期に再励磁できる状態にすることができる。
【００１９】
また、請求項１に記載した本発明の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法は、前記コントローラが、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加開始時に、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を常時下回るパターンで前記励磁電圧の値を増加させる励磁開始ステップと、前記励磁電圧の値の減少中に前記発電指令を受けたときに、前記コントローラが、前記励磁解除ステップによる前記励磁電圧の値が前記励磁開始ステップによる前記励磁電圧の値を上回る値である間は、前記励磁解除ステップにより前記励磁電圧の値を減少させ、前記励磁解除ステップによる前記励磁電圧の値が前記励磁開始ステップによる前記励磁電圧の値と一致した時点以降は、前記励磁開始ステップにより前記励磁電圧の値を増加させる磁界残留時励磁電圧制御ステップとを更に有することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１に記載した本発明の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法によれば、励磁解除ステップにより誘導電動機の励磁電圧をランプ状に減少させている途中で発電指令を受けると、その時点の励磁電圧の値によって、励磁解除ステップにより誘導電動機の励磁電圧の値を減少させる制御と、励磁開始ステップにより誘導電動機の励磁電圧の値を増加させる制御とのどちらか一方が、磁界残留時励磁電圧制御ステップにおいて優先して実行される。
【００２１】
即ち、励磁解除ステップによる誘導電動機の励磁電圧の値が励磁開始ステップによる誘導電動機の励磁電圧の値を上回る値までしか減少していない間は、励磁解除ステップにより誘導電動機の励磁電圧の値を減少させる制御が優先して実行されて、誘導電動機に生じる残留磁界による誘導電動機の残留電圧を解消することが優先される。
【００２２】
一方、励磁解除ステップによる誘導電動機の励磁電圧の値が励磁開始ステップによる誘導電動機の励磁電圧の値と一致した時点以降は、誘導電動機の励磁電圧の値を増加させてもインバータのトリップ値を超える突入電流がインバータを流れることがないものとして、励磁電圧増加制御ステップにより誘導電動機の励磁電圧の値を増加させる制御が優先して実行される。
【００２３】
これにより、励磁電圧の値の減少中に励磁電圧を増加させる場合においても、励磁電圧の減少により誘導電動機に生じている残留電圧の電気エネルギーをインバータで消費した状態で、かつ、インバータのトリップ値を超える突入電流をインバータに流れさせずに、誘導電動機の励磁電圧をスムーズに減少から増加に転じさせて、誘導電動機に回生電力を早期に発電させて負荷に供給できる状態にすることができる。
【００２４】
なお、前記励磁開始ステップにおいて前記励磁電圧の値を増加させる際の前記パターンは、請求項２に記載した本発明の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法のように、前記誘導電動機の定格電圧よりも低く、かつ、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を下回る所定値まで、前記励磁電圧の値をステップ状に増加させると共に、前記所定値から前記定格電圧まで前記励磁電圧の値をランプ状に増加させるパターンとすることができる。
【００２５】
請求項２に記載した本発明の発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法によれば、励磁開始ステップにおいて、インバータを流れる突入電流がインバータのトリップ値を下回る範囲内となるように誘導電動機の励磁電圧を効率よく増加させる際に、その増加パターンを簡略なものとして、その制御乃至処理を容易なものとすることができる。
【００２６】
上記目的を達成するために、請求項３に記載した本発明の発電回生装置は、電源から供給される電力を用いてインバータが生成した励磁電圧の印加によりモータとして動作させた誘導電動機によって、所定の回転速度まで加速させたフライホイールを、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除により、慣性エネルギーが蓄積された遊転状態とし、停電時に外部からの発電指令を受けると、前記遊転状態の前記フライホイールにより回転されている前記誘導電動機を、キャパシタに蓄積された電力を用いて前記インバータが生成した励磁電圧の印加により発電機として動作させ、前記誘導電動機で発電された回生電力を、停電した電源からの電力に代わって、前記インバータを介して負荷に供給する発電回生装置において、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加解除時に、該励磁電圧の印加解除に伴い前記誘導電動機に生じる残留磁界による該誘導電動機の残留電圧の値を前記励磁電圧の値が下回らぬように、前記残留電圧の減少速度に応じた速度で前記励磁電圧の値をランプ状に減少させるように制御する励磁停止時電圧制御手段を設けたことを特徴とする。
【００２７】
請求項３に記載した本発明の発電回生装置によれば、インバータから誘導電動機への励磁電圧の印加解除時に、励磁停止時電圧制御手段の制御によって、残留電圧の減少速度に応じた速度で励磁電圧の値がランプ状に減少されて、励磁電圧の印加解除に伴い誘導電動機に生じる残留磁界による残留電圧の値を下回らない値の励磁電圧が、励磁電圧の値がゼロになるまで減少されながら誘導電動機に印加されることになる。
【００２８】
これにより、励磁電圧の値がゼロになるまでの間、誘導電動機に生じる残留電圧の電気エネルギーが、励磁電圧の印加のために誘導電動機と電気的に接続されたインバータにおいて熱エネルギー等に変換されて消費される。よって、残留電圧をいち早く解消して誘導電動機を早期に再励磁できる状態にすることができる。
【００２９】
また、請求項３に記載した本発明の発電回生装置は、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加開始時に、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を常時下回るパターンで前記励磁電圧の値を増加させるように制御する励磁開始時電圧制御手段と、前記励磁停止時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値の減少中に前記発電指令を受けたときに、前記励磁電圧の値を制御する磁界残留時電圧制御手段とをさらに備えており、該磁界残留時電圧制御手段は、前記励磁停止時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値が、前記励磁開始時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値を上回る値である間は、前記励磁停止時電圧制御手段の制御を優先させ該励磁開始時電圧制御手段の制御により前記励磁電圧の値を減少させると共に、前記励磁停止時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値が、前記励磁開始時電圧制御手段の制御による前記励磁電圧の値と一致した時点以降は、前記励磁開始時電圧制御手段の制御を優先させ該励磁開始時電圧制御手段の制御により前記励磁電圧の値を増加させることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項３に記載した本発明の発電回生装置によれば、励磁停止時電圧制御手段により誘導電動機の励磁電圧をランプ状に減少させている途中で発電指令を受けると、その時点の励磁電圧の値によって、励磁停止時電圧制御手段により誘導電動機の励磁電圧の値を減少させる制御と、励磁開始時電圧制御手段により誘導電動機の励磁電圧の値を増加させる制御とのどちらか一方が、磁界残留時電圧制御手段において優先して実行される。
【００３１】
即ち、励磁停止時電圧制御手段による誘導電動機の励磁電圧の値が励磁開始時電圧制御手段による誘導電動機の励磁電圧の値を上回る値までしか減少していない間は、励磁停止時電圧制御手段により誘導電動機の励磁電圧の値を減少させる制御が優先して実行されて、誘導電動機に生じる残留磁界による誘導電動機の残留電圧を解消することが優先される。
【００３２】
一方、励磁停止時電圧制御手段による誘導電動機の励磁電圧の値が励磁開始時電圧制御手段による誘導電動機の励磁電圧の値と一致した時点以降は、誘導電動機の励磁電圧の値を増加させてもインバータのトリップ値を超える突入電流がインバータを流れることがないものとして、励磁開始時電圧制御手段により誘導電動機の励磁電圧の値を増加させる制御が優先して実行される。
【００３３】
これにより、励磁電圧の値の減少中に励磁電圧を増加させる場合においても、励磁電圧の減少により誘導電動機に生じている残留電圧の電気エネルギーをインバータで消費した状態で、かつ、インバータのトリップ値を超える突入電流をインバータに流れさせずに、誘導電動機の励磁電圧をスムーズに減少から増加に転じさせて、誘導電動機に回生電力を早期に発電させて負荷に供給できる状態にすることができる。
【００３４】
なお、前記インバータから前記誘導電動機への前記励磁電圧の印加開始時に、前記励磁開始時電圧制御手段は、請求項４に記載した本発明の発電回生装置のように、前記誘導電動機の定格電圧よりも低く、かつ、前記インバータを流れる突入電流が該インバータのトリップ値を下回る所定値まで、前記励磁電圧の値をステップ状に増加させるように制御すると共に、前記所定値から前記定格電圧まで前記励磁電圧の値をランプ状に増加させるように制御することができる。
【００３５】
請求項４に記載した本発明の発電回生装置によれば、インバータを流れる突入電流がインバータのトリップ値を下回る範囲内となるように誘導電動機の励磁電圧を効率よく増加させるための、励磁開始時電圧制御手段による誘導電動機の励磁電圧の増加パターンを簡略なものとして、励磁開始時電圧制御手段の制御乃至処理を容易なものとし、ひいては、励磁開始時電圧制御手段の構成を簡略なものとすることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る発電回生装置の誘導電動機励磁電圧制御方法及び発電回生装置によれば、誘導電動機に生じる残留磁界による誘導電動機の残留電圧の電気エネルギーをインバータで熱エネルギー等に変換して消費しながら、誘導電動機の励磁電圧をゼロに減少させて行くので、励磁電圧がゼロになり次第誘導電動機を再励磁できるように、残留電圧をいち早く解消して誘導電動機を早期に再励磁できる状態にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、一般的な４００Ｖ数百ｋＷ級の誘導機の例では、数百ミリ秒以上の時間を要してしまう。
【００６３】
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。この励磁方法では、まず、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１よりも低く、かつ、フライホイール用インバータ１１を流れる突入電流がフライホイール用インバータ１１のトリップ値を下回る所定値まで、励磁電圧の値をステップ状に増加させるように制御する。これに続いて、この所定値から誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１まで、励磁電圧の値をランプ状に増加させる。ここで言う所定値は、誘導電動機１０やフライホイール用インバータ１１の特性に応じて、計算又は実験により求めて設定することができる。
【００６４】
また、図７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他の励磁方法によって、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、一般的な４００Ｖ数百ｋＷ級の誘導機の例でも数十ミリ秒ほどで済む。
【００６５】
これは、後述するように電流のフィードバック制御、あるいは、予め実験等により決定した励磁電圧上昇波形パターン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。
【００６６】
そして、本実施の形態の無停電電源装置１における、フライホイール用インバータ１１による誘導電動機１０の励磁電圧の制御は、図１に示すコントローラ１６によって実行される。このコントローラ１６は、誘導電動機１０の励磁電圧の他、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。
【００６７】
図８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８を参照して、本発明にかかる発電回生装置における誘導電動機の励磁方法を含んだ全体的な処理の説明を行う。
【００６８】
先ず、コントローラ１６は、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。
【００６９】
図９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。
【００７０】
さらに、図１０乃至図１２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でｆ１までいかず、少し手前でバランスしてしまう。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
モータの発生トルクから見ると、図１１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１２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。
【００７４】
よって、図１０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。
【００７５】
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９の特性から電圧値がどの当たりかがわかる。
【００７６】
このようなＶ／ｆ制御に基づいて、前記ステップＳ１（ア）でコントローラ１６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。
【００７７】
図８に戻り、コントローラ１６は、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、本発明の方法にしたがって誘導電動機１０を無励磁とする。
【００７８】
図１３（ａ），（ｂ）は横軸に時間を、縦軸に誘導電動機１０の励磁電圧をとった、誘導電動機１０の励磁停止時の励磁解除パターンを示す説明図である。図１３（ａ）に示すように、フライホイール用インバータ１１から誘導電動機１０への励磁電圧の印加解除時には、この励磁電圧の印加解除に伴い誘導電動機１０に生じる残留磁界による誘導電動機１０の残留電圧の値を励磁電圧の値が下回らないように、残留電圧の減少速度に応じた速度で励磁電圧の値をランプ状に減少させる。
【００７９】
例えば、図１３（ｂ）に示すように、励磁電圧の定格電圧Ｖ１が４００Ｖ数百ｋＷ級である誘導電動機１０に対する励磁電圧をいきなりステップ状にゼロボルトとして印加解除する場合には、残留磁界による誘導電動機１０の残留電圧が解消するまでに数秒かかってしまう。
【００８０】
これに対し、励磁電圧を図１３（ａ）に示す直線特性による減少パターンで、数百ミリ秒の時間をかけてランプ状に減少させると、誘導電動機１０に発生した残留磁界による残留電圧が、励磁電圧をゼロボルトまで減少させている間にフライホイール用インバータ１１で熱エネルギー等に変換されて消費されるので、励磁電圧がゼロボルトに下がった時点では既に、残留磁界による誘導電動機１０の残留電圧は解消された状態になる。
【００８１】
したがって、励磁電圧の印加をいきなりステップ状にゼロボルトとして印加解除するよりも、数百ミリ秒の時間をかけてランプ状に励磁電圧を減少させて印加解除させる方が、誘導電動機１０を再励磁できる残留電圧ゼロの時点を結果的に早く迎えることができるようになる。
【００８２】
なお、誘導電動機１０の残留磁界による残留電圧は、誘導電動機１０や無停電電源装置１全体のスペックによって変化するので、誘導電動機１０の励磁電圧をランプ状に減少させる際の減少速度（図１３（ａ）に示す直線特性の傾き）は、それらのスペックに基づいた計算又は実験的に求めることが好ましい。誘導電動機１０を無励磁とすると、それ以後、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。
【００８３】
図１４（ａ），（ｂ）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。図１４（ａ）に示すように、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。
【００８４】
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。
【００８５】
次に、コントローラ１６は、図８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。このとき、キャパシタ１５の電圧は放電により多少低下する。また、キャパシタ１５の電荷を使用して負荷８に対して電力を供給するのであれば、さらに電圧が低下する。図１４（ａ）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１５を参照して後述する。
【００８６】
また、図８のステップＳ４にて発電指令を受けていないと判定する（ＮＯ）とステップＳ９（オ）に進み、遊転状態における回転数低下によって、フライホイール９がある回転数Ｄ４に到達したかどうかを判定する。Ｄ４まで回転数が低下したと判定する（ＹＥＳ）とステップＳ１に戻り、図１４（ｂ）に示すように、再び定格回転数Ｄ０までフライホイール９を加速する。
【００８７】
コントローラ１６は、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。
【００８８】
次に、コントローラ１６は、ステップＳ７にて、発電状態にあって、直流バスの電圧を、発電開始時の電圧値と同じ一定値に維持するためフライホイール用インバータ１１により誘導電動機１０の回転数を監視しながらすべり量を制御する。ここで、直流バスの電圧、即ち、キャパシタ１５の電圧は、停電発生前の充電完了待機時に比べて、放電によって多少減少している。しかし、誘導電動機１０の発電によってキャパシタ１５の電圧を、発電開始時における電圧値と同じ一定値に保つようにすることによって、誘導電動機１０による発電エネルギーが、キャパシタ１５の再充電に使用されることなく負荷８に対して全て供給される。
【００８９】
次に、コントローラ１６は、ステップＳ８にて、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る負荷用インバータ７による負荷電圧の制御を継続し、負荷８に電力を供給する。
【００９０】
以下に、コントローラ１６が実行するステップＳ５の励磁方法の詳細について、図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は励磁方法の処理手順を示すフローチャートであり、図１６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。
【００９１】
図１５のステップＳ５１において、コントローラ１６は、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。
【００９２】
次に、コントローラ１６は、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。但し、すべりの初期値ｓ１が大きすぎると励磁時の突入電流が大きくなるため、すべりの初期値ｓ１は、誘導電動機１０の特性を踏まえて決定するか、あるいは、ゼロとしておく。
【００９３】
ステップＳ５３では、コントローラ１６は、図９に示したＶ／ｆ制御特性からｆ１に対応した励磁目標電圧Ｖを決定する。つまり、ｆ１が決まると励磁すべき励磁電圧Ｖがわかる。
【００９４】
ステップＳ５４では、コントローラ１６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１６に示すように定格電圧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。
【００９５】
ステップＳ５５では、コントローラ１６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。
【００９６】
図１７は励磁電圧制御回路の具体例３０の構成図である。これは、コントローラ１６を構成するマイクロコンピュータやドライバによって実現されるいわば等価回路である。励磁解除パターンメモリ３６ａには、誘導電動機１０の励磁停止時における励磁解除パターン（図１３参照）を示すテーブルが格納されている。
【００９７】
図１８はこの励磁解除パターンテーブルを示す説明図である。励磁解除パターンテーブルは、これに対応する図１７のタイマ３７ａによって計測される誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔと、その経過時間Ｔに対応する誘導電動機１０の励磁電圧と、その励磁電圧まで誘導電動機１０の励磁電圧をゼロボルトから増加させるのに必要とする増加所要時間（励磁開始時点からの経過時間Ｔ´）とを対応付けて構成されている。
【００９８】
なお、誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔに対応する誘導電動機１０の励磁電圧は、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージで設定されている。また、上述した増加所要時間（励磁開始時点からの経過時間Ｔ´）は、図６に示す誘導電動機１０の励磁開始時における励磁開始パターンにしたがって、誘導電動機１０の励磁電圧をゼロボルトから増加させるのに必要な所要時間である。
【００９９】
また、図１７に示す回路の励磁開始パターンメモリ３６ｂには、誘導電動機１０の励磁開始時における励磁開始パターン（図６参照）を示すテーブルが格納されている。
【０１００】
図１９はこの励磁開始パターンテーブルを示す説明図である。励磁開始パターンテーブルは、これに対応する図１７のタイマ３７ｂによって計測される誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´と、その経過時間Ｔ´に対応する誘導電動機１０の励磁電圧とを対応付けて構成されている。
【０１０１】
なお、誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´に対応する誘導電動機１０の励磁電圧は、図１８の励磁解除パターンテーブルにおける誘導電動機１０の励磁電圧と同様に、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージで設定されている。図１９では経過時間Ｔ´が０〜３８msecまでの範囲について、対応する誘導電動機１０の励磁電圧が記載されているが、３８msec以降の経過時間Ｔ´には、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージが１００％の励磁電圧が対応付けられている。
【０１０２】
更に、図１７に示す回路の切り替えスイッチ３８は、コントローラ１６が誘導電動機１０の励磁電圧のコントロールに用いるパターンテーブルを、図１８の励磁解除パターンテーブルと図１９の励磁開始パターンテーブルとの一方から他方に切り替えるものである。
【０１０３】
例えば、励磁解除に伴う励磁電圧の減少中に外部からの励磁開始の指令が発生して、コントローラ１６が、図１８の励磁解除パターンテーブルから図１９の励磁開始パターンテーブルに切り替える場合は、その切り換え時点において図１７のタイマ３７ａによって計測されている誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔに対応する、図１８の励磁解除パターンテーブル上の増加所要時間（励磁開始時点からの経過時間Ｔ´）が、図１７のタイマ３７ｂにセットされる。したがって、タイマ３７ｂは、図１８の励磁解除パターンテーブルから図１９の励磁開始パターンテーブルへの切り替え時点から、セットされた励磁開始時点からの経過時間Ｔ´以降の経過時間を計測することになる。
【０１０４】
また、図１７に示す回路の低値選択回路３９は、スイッチ３８によって選択されているパターンテーブルに対応するタイマ３７ａ，３７ｂによって計測されている経過時間Ｔ，Ｔ´に対応して、スイッチ３８によって選択されているパターンテーブルにおいて定義されている誘導電動機１０の励磁電圧と、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１とのうち、値の低い方を選択し、フライホイール用インバータ１１に対して誘導電動機１０の励磁電圧として出力するものである。
【０１０５】
したがって、励磁解除の指令発生に伴い図１８の励磁解除パターンテーブルの励磁解除パターンにより励磁電圧が減少されている途中で、外部からの励磁開始の指令が発生すると、その励磁開始の指令発生時点から、図１９の励磁開始パターンテーブルの励磁開始パターンにより励磁電圧が増加されることになる。
【０１０６】
なお、外部からの励磁開始の指令が発生した時点で、誘導電動機１０の励磁電圧が既に、図１９の励磁開始パターンテーブルの励磁開始パターンにおける、励磁電圧の増加パターンをステップ状からランプ状に切り替える図６の特性図上の所定値を下回っている場合は、励磁開始の指令発生時点において、誘導電動機１０の励磁電圧が所定値までステップ状に増加された後、定格電圧Ｖ１までランプ状に増加されることになる。
【０１０７】
図２０は励磁電圧制御回路の他の具体例３０Ａの構成図である。これも、図１７の励磁電圧制御回路と同様に、コントローラ１６を構成するマイクロコンピュータやドライバによって実現されるいわば等価回路である。励磁解除パターンメモリ３６ｃには、誘導電動機１０の励磁停止時における励磁解除パターン（図１３参照）を示すテーブルが格納されている。
【０１０８】
図２１はこの励磁解除パターンテーブルを示す説明図である。励磁解除パターンテーブルは、これに対応する図２０のタイマ３７ｃによって計測される誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔと、その経過時間Ｔに対応する誘導電動機１０の励磁電圧とを対応付けて構成されている。
【０１０９】
なお、誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔに対応する誘導電動機１０の励磁電圧は、図１８の励磁解除パターンテーブルと同様に、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージで設定されている。
【０１１０】
また、図２０に示す回路の励磁開始パターンメモリ３６ｄには、誘導電動機１０の励磁開始時における励磁開始パターン（図６参照）を示すテーブルが格納されている。
【０１１１】
図２２はこの励磁開始パターンテーブルを示す説明図である。励磁開始パターンテーブルは、これに対応する図２０のタイマ３７ｄによって計測される誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´と、その経過時間Ｔ´に対応する誘導電動機１０の励磁電圧とを対応付けて構成されている。
【０１１２】
なお、誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´に対応する誘導電動機１０の励磁電圧は、図２０の励磁開始パターンテーブルにおける誘導電動機１０の励磁電圧と同様に、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージで設定されている。図２２では経過時間Ｔ´が０〜３８msecまでの範囲について、対応する誘導電動機１０の励磁電圧が記載されているが、３８msec以降の経過時間Ｔ´には、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージが１００％の励磁電圧が対応付けられている。
【０１１３】
図２０に示す回路では、外部からの励磁解除の指令が発生すると、コントローラ１６の制御により、図２１の励磁解除パターンテーブル上の、タイマ３７ｃが計測する誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔに対応する励磁電圧が、励磁解除パターンメモリ３６ｃから高値選択回路３９ａに逐次入力される。誘導電動機１０の励磁解除の指令が発生せずタイマ３７ｃが経過時間Ｔを計測していない時点では、図２１の励磁解除パターンテーブル上の経過時間Ｔ＝０に対応する、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージが１００％である励磁電圧が、励磁解除パターンメモリ３６ｃから高値選択回路３９ａに入力される。
【０１１４】
また、図２０に示す回路では、外部からの励磁開始の指令が発生すると、コントローラ１６の制御により、図２２の励磁開始パターンテーブル上の、タイマ３７ｄが計測する誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´に対応する励磁電圧が、励磁開始パターンメモリ３６ｄから高値選択回路３９ａに逐次入力される。誘導電動機１０の励磁開始の指令が発生せずタイマ３７ｃが経過時間Ｔ´を計測していない時点では、図２２の励磁開始パターンテーブル上の経過時間Ｔ´＝０に対応する、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージが０％の励磁電圧が、励磁開始パターンメモリ３６ｄから高値選択回路３９ａに入力される。
【０１１５】
高値選択回路３９ａは、励磁解除パターンメモリ３６ｃから入力される誘導電動機１０の励磁電圧と励磁開始パターンメモリ３６ｄから入力される誘導電動機１０の励磁電圧とのうち、値の高い方を選択し、低値選択回路３９ｂに出力するものである。低値選択回路３９ｂは、高値選択回路３９ａから入力された値の高い方の励磁電圧と、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１とのうち、値の低い方を選択し、フライホイール用インバータ１１に対して誘導電動機１０の励磁電圧を示す電圧指令値として出力するものである。
【０１１６】
したがって、外部からの励磁解除の指令が発生した場合には、コントローラ１６が、励磁開始パターンメモリ３６ｄから高値選択回路３９ａに入力される、図２２の励磁開始パターンテーブル上の経過時間Ｔ´＝０に対応する、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージが０％の励磁電圧よりも値が高い、励磁解除パターンメモリ３６ｃから高値選択回路３９ａに入力される、図２１の励磁解除パターンテーブル上の、タイマ３７ｃが計測する誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔに対応する励磁電圧を、高値選択回路３９ａ乃至低値選択回路３９ｂからフライホイール用インバータ１１に対して、誘導電動機１０の励磁電圧として出力させる。
【０１１７】
すると、前述した図１３に示すように、誘導電動機１０の励磁電圧がランプ状に減少される。
【０１１８】
また、外部からの励磁開始の指令が発生した場合には、コントローラ１６が、励磁解除パターンメモリ３６ｃから高値選択回路３９ａに入力される、図２２の励磁開始パターンテーブル上の経過時間Ｔ´＝０に対応する、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１に対するパーセンテージが０％の励磁電圧よりも値が高い、励磁開始パターンメモリ３６ｄから高値選択回路３９ａに入力される、図２２の励磁開始パターンテーブル上の、タイマ３７ｄが計測する誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´に対応する励磁電圧を、高値選択回路３９ａ乃至低値選択回路３９ｂからフライホイール用インバータ１１に対して、誘導電動機１０の励磁電圧として出力させる。
【０１１９】
すると、前述した図６に示すように、誘導電動機１０の励磁電圧が所定値まではステップ状に増加され、所定値から誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１まではランプ状に増加される。
【０１２０】
更に、励磁解除に伴う励磁電圧の減少中に外部からの励磁開始の指令が発生した場合には、コントローラ１６が、励磁解除パターンメモリ３６ｃから高値選択回路３９ａに入力される、図２１の励磁解除パターンテーブル上の、タイマ３７ｃが計測する誘導電動機１０の励磁解除時点からの経過時間Ｔに対応する励磁電圧と、励磁開始パターンメモリ３６ｄから高値選択回路３９ａに入力される、図２２の励磁開始パターンテーブル上の、タイマ３７ｄが計測する誘導電動機１０の励磁開始時点からの経過時間Ｔ´に対応する励磁電圧とのうち、値が高い方を、高値選択回路３９ａから低値選択回路３９ｂに出力させ、高値選択回路３９ａから入力された値の高い方の励磁電圧と、誘導電動機１０の定格電圧Ｖ１とのうち、値の低い方を、フライホイール用インバータ１１に対して、誘導電動機１０の励磁電圧として出力させる。
【０１２１】
したがって、励磁解除の指令発生に伴い図２１の励磁解除パターンテーブルの励磁解除パターンにより励磁電圧が減少されている途中で、外部からの励磁開始の指令が発生すると、励磁解除の指令発生時点からの経過時間Ｔに対応する励磁電圧が、励磁開始の指令発生時点からの経過時間Ｔ´に対応する励磁電圧と等しい値に減少するまでは、引き続き、図２１の励磁解除パターンテーブルの励磁解除パターンにより励磁電圧が減少され、それ以降は、図１９の励磁開始パターンテーブルの励磁開始パターンにより励磁電圧が増加されることになる。
【０１２２】
図２３は励磁電圧制御回路の更に他の具体例３０Ｂの構成図である。これも、図１７や図２０の励磁電圧制御回路と同様に、コントローラ１６を構成するマイクロコンピュータやドライバによって実現されるいわば等価回路である。コントローラ１６は、タイマ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、コントローラ１６は、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、コントローラ１６は、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７のような速さとなる。
【０１２３】
次に、コントローラ１６は、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。
【０１２４】
以下には、ステップＳ６の発電方法の詳細について図２４及び図２５を参照して説明する。図２４は発電方法の処理手順を示すフローチャートであり、図２５は発電方法を説明するための時間−回転数特性図である。
【０１２５】
コントローラ１６は、図２４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。
【０１２６】
次に、コントローラ１６は、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。
【０１２７】
次に、コントローラ１６は、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を適切に制御する。これにより、負荷による電力消費に見合った回生電力が得られる。
【０１２８】
図２５の特性図にあって、発電開始時間ｔ２は、図１６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２５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。
【０１２９】
図２６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、図１７や図２０、図２３の励磁電圧制御回路と同様に、コントローラ１６を構成するマイクロコンピュータやドライバによって実現されるいわば等価回路である。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、Σ加算器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算出器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、Σ加算器２４に供給する。Σ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。
【０１３０】
図２７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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
このように、本実施の形態の無停電電源装置１によれば、フライホイール用インバータ１１から誘導電動機１０への励磁電圧の印加を解除する際に、この励磁電圧の印加解除に伴い誘導電動機１０に生じる残留磁界による誘導電動機１０の残留電圧の値を励磁電圧の値が下回らないように、残留電圧の減少速度に応じた速度で励磁電圧の値をランプ状に減少させるものとした。
【０１３８】
このため、誘導電動機１０に対する励磁電圧をいきなりステップ状にゼロボルトとして印加解除するよりも短い時間で、残留磁界による誘導電動機１０の残留電圧を解消し、誘導電動機１０を再励磁できる残留電圧ゼロの時点を結果的に早く迎えられるようにすることができる。
【０１３９】
これにより、誘導電動機１０の励磁を解除した後の再励磁禁止期間を短くすることができる。よって、再励磁禁止期間に停電が発生した場合に再励磁禁止期間が過ぎて誘導電動機１０による発電が可能な状態になるまでの間、負荷８にバックアップ用の電力を供給するためにキャパシタ１５に確保する必要のある静電容量を、少なくてすむようにすることができる。即ち、キャパシタ１５の小型化を可能とし、ひいては、装置の小型化を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【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８】無停電電源装置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９】Ｖ／ｆ制御特性図である。
【図１０】Ｖ／ｆ制御特性図である。
【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の傾きで伸びていることを示す図である。
【図１２】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１３】横軸に時間を、縦軸に誘導電動機の励磁電圧をとった、誘導電動機１０の励磁停止時の励磁解除パターンを示す説明図である。
【図１４】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１５】励磁方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図１６】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１７】励磁電圧制御回路例を示す図である。
【図１８】励磁解除パターンメモリに格納された励磁解除パターンテーブルの内容を示す説明図である。
【図１９】励磁開始パターンメモリに格納された励磁開始パターンテーブルの内容を示す説明図である。
【図２０】励磁電圧制御回路の他の例を示す図である。
【図２１】励磁解除パターンメモリに格納された励磁解除パターンテーブルの内容を示す説明図である。
【図２２】励磁開始パターンメモリに格納された励磁開始パターンテーブルの内容を示す説明図である。
【図２３】励磁電圧制御回路の更に他の例を示す図である。
【図２４】発電方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図２５】発電回生制御方法を説明するための特性図である。
【図２６】励磁周波数制御回路例の構成図である。
【図２７】励磁周波数制御の原理を説明するための図である。
【図２８】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２９】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３０】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】
【０１４１】
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
１６・・・コントローラ
２０・・・励磁周波数制御回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ・・・励磁電圧制御回路
３６ａ，３６ｃ・・・励磁解除パターンメモリ
３６ｂ，３６ｄ・・・励磁開始パターンメモリ
３１，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ・・・タイマ
２１，３２・・・関数算出器
２２，３３・・・デルタ算出器
２３，３４・・・補償器
２４，３５・・・Σ加算器
３８・・・切り替えスイッチ
３９，３９ｂ・・・低値選択回路
３９ａ・・・高値選択回路
【図１】
0005098565.tif 000002
【図２】
0005098565.tif 000003
【図３】
0005098565.tif 000004
【図４】
0005098565.tif 000005
【図５】
0005098565.tif 000006
【図６】
0005098565.tif 000007
【図７】
0005098565.tif 000008
【図８】
0005098565.tif 000009
【図９】
0005098565.tif 000010
【図１０】
0005098565.tif 000011
【図１１】
0005098565.tif 000012
【図１２】
0005098565.tif 000013
【図１３】
0005098565.tif 000014
【図１４】
0005098565.tif 000015
【図１５】
0005098565.tif 000016
【図１６】
0005098565.tif 000017
【図１７】
0005098565.tif 000018
【図１８】
0005098565.tif 000019
【図１９】
0005098565.tif 000020
【図２０】
0005098565.tif 000021
【図２１】
0005098565.tif 000022
【図２２】
0005098565.tif 000023
【図２３】
0005098565.tif 000024
【図２４】
0005098565.tif 000025
【図２５】
0005098565.tif 000026
【図２６】
0005098565.tif 000027
【図２７】
0005098565.tif 000028
【図２８】
0005098565.tif 000029
【図２９】
0005098565.tif 000030
【図３０】
0005098565.tif 000031