(57)【要約】【課題】負荷の設置スペースを十分に確保することができ、且つ緊急時に直流電動機を迅速且つ確実に動作させことにある。【解決手段】非常時に駆動される直流電動機１５と、交流電力を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１１と、このＡＣ−ＤＣコンバータ１１より出力される直流電力を蓄電する急速充放電特性を有する蓄電要素１２と、非常時に入力される起動信号により動作し、蓄電要素１２に蓄電された直流電圧を直流電動機の駆動電圧まで昇圧して直流電動機１５に印加するＤＣ−ＤＣコンバータ１３とを備え、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１、蓄電要素１２及びＤＣ−ＤＣコンバータ１３を直流電動機１５の電源としてケース１ａ内に配置し、このケース１ａを直流電動機１５に一体的に設けたものである。【選択図】      図１
2009077552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非常時に駆動される直流電動機と、
交流電力を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、
このＡＣ−ＤＣコンバータより出力される直流電力を蓄電する急速充放電特性を有する蓄電要素と、
非常時に入力される起動信号により動作し、前記蓄電要素に蓄電された直流電圧を前記直流電動機の駆動電圧まで昇圧して前記直流電動機に印加するＤＣ−ＤＣコンバータと
を備え、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータ、前記蓄電要素及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータを前記直流電動機の電源としてケース内に配置し、このケースを前記直流電動機に一体的に設けたことを特徴とする非常用電動機装置。
【請求項２】
請求項１記載の非常用電動機装置において、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧チョッパー方式であることを特徴とする非常用電動機装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の非常用電動機装置において、
前記蓄電要素は、急速充電リチウム電池であることを特徴とする非常用電動機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緊急時に迅速且つ確実に動作させ得る電源を直流電動機と一体的に設けた非常用電動機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントや化学プラントなどの各種プラントでは、流体流路系に緊急時の流体制御のために電動弁が多数使用されている。また、一般のビルや工場設備でも緊急動作用の電動機駆動のシャッタやファン、あるいはブロアなどが多数設備されている。
【０００３】
これら電動機器に使用されている電動機は、交流電源（系統電源）の喪失時にも駆動することを想定して直流機が採用され、系統電源の喪失時には非常用電池設備から供給される直流電源により駆動している。
【０００４】
従来、動力機器に使用される電動機は動作時に突入電力が発生し、その値は定常電力の約１０倍になるケースがあった。そのため、電源系統から構内配電線の分電盤や受電盤を介して電動機に繋がる給電ケーブルとしては、突入電力が定格電力以内に収まる大きな設備が必要となり、そのケーブル布設工事や設備輸送費などの設備費が嵩むと共に、消費エネルギーの増加によるコストアップにつながり、また設備機器の設置面積が広く必要とすることから設置場所の有効活用ができない等の問題があった。
【０００５】
さらに、火災などが発生した場合は、緊急動作用の直流電動機に電力を供給している直流電源系統の配線が焼失することで、緊急動作ができない事態も発生している。
【０００６】
このような問題を解決するため、必要なケーブル設備や電力供給設備の容量を低減し、直流電動機から発生する動作時の突入電力を安定して給電することができる、電力蓄電式の新しい電源装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
この電力蓄電式の電源装置は、交流入力及び交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段と、交流入力から分岐して設けられた導通方向規制手段と、この導通方向規制手段の出力側に設けられた直流電力蓄電手段と、この直流電力蓄電手段の出力側に設けられた逆流防止手段とを備え、負荷機器の定常電力は交流出力から給電し、負荷機器の突入電力は直流電力蓄電手段から給電するようにしたものである。
【０００８】
一方、電源装置に内蔵される蓄電要素としては、二次電池やキャパシタの開発や、エネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）やパワー密度（Ｗ／ｋｇ）の大きい急速充電リチウム二次電池も開発されている。これらの直流電源は、大電流急速充電が可能なため、放電電流が定格容量の４０倍（充放電レート：４０Ｃ）にすることも可能である（例えば、特許文献２、非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−２３０２３２
【特許文献２】特開２００５−１２３１８３
【非特許文献１】東芝プレスリリース（２００５．３.２９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述した電力蓄電式の電源装置は、電源装置から直流電動機を含む負荷までのケーブルの太さは縮小されないため、電源装置を直流電動機の真近に配置しなければならず、負荷の設置スペースを圧迫するという問題があった。
【００１０】
また、電源装置に内蔵される蓄電要素には、大電流放電性能が必要で、結果的に設備規模が大きくなり、負荷の設置スペースをさらに圧迫する問題もある。
【００１１】
本発明は上記のような問題を解消するためになされたもので、負荷の設置スペースを十分に確保することができ、且つ緊急時に直流電動機を迅速且つ確実に動作させことができる電源内蔵型の非常用電動機装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記の目的を達成するため、非常時に駆動される直流電動機と、交流電力を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、このＡＣ−ＤＣコンバータより出力される直流電力を蓄電する急速充放電特性を有する蓄電要素と、非常時に入力される起動信号により動作し、前記蓄電要素に蓄電された直流電圧を前記直流電動機の駆動電圧まで昇圧して前記直流電動機に印加するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、前記ＡＣ−ＤＣコンバータ、前記蓄電要素及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータを前記直流電動機の電源としてケース内に配置し、このケースを前記直流電動機に一体的に設けたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、負荷の設置スペースを十分に確保することができ、且つ緊急時に直流電動機を迅速且つ確実に動作させことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明による非常用電動機装置の第１の実施形態を示す基本的な回路構成図である。
【００１６】
本実施形態の非常用電動機装置１は、交流電源２に接続され、交流電力を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１１と、このＡＣ−ＤＣコンバータ１１より出力される直流電力を充電制御器１２ａにより蓄電される高速充放電特性を有する蓄電要素１２と、この蓄電要素１２に蓄電された直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ１３及びこのＤＣ−ＤＣコンバータ１３で昇圧された直流電圧がコンタクタ１４を介して印加される直流電動機１５から構成され、これらＡＣ−ＤＣコンバータ１１、蓄電要素１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は電源として例えば半円弧状のケース１ａ内に配置し、このケース１ａを直流電動機１５のフレーム外周面上に一体的に設けられている。
【００１７】
上記ＡＣ−ＤＣコンバータ１１は、プラントの通常運転時に交流電源２の交流電力を直流に変換する機能を有し、充電制御器１２ａはＡＣ−ＤＣコンバータ１１より出力される直流電力を蓄電要素１２に充電制御し、蓄電要素１２の蓄電状態を監視して蓄電が不要の時には充電機能をオフする機能を有している。
【００１８】
上記蓄電要素１２としては、大電流放電が必要なことから、例えば特許文献２に示すような急速充放電性能を有する電池が最適である。この電池は高温環境、急速充電及び高出力放電という条件下においても電池容量特性及びサイクル性能に優れた非水電解質二次電池であり、放電電流が４０Ｃも可能である。
【００１９】
ここで、蓄電要素としての電池の性能について説明する。
【００２０】
非常用電動機は負荷の種類にもよるが、概ね２〜３分程度の動作時間であるため、蓄電要素１２には対象電動機を概略２分間駆動できるだけの電力を蓄える必要がある。
【００２１】
蓄電要素として鉛蓄電池を用いた場合、非常用電動機を２〜３分間動作させるために必要な蓄電容量は、一般に使われている鉛蓄電池の蓄電容量の１０倍程度が必要となり、結果的に設備の大型化を回避できない。これらのことからも、前述した例示の電池は好適である。
【００２２】
さらに、具体的な数値により検討してみると、非常用電動機の駆動に必要な蓄電要素１２の蓄電容量は、直流電動機１５がＤＣ１００Ｖ−１０００Ｗ、運転時間１２０秒、起動電流＝定格電流×５倍が１秒、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の変換効率を７０％と仮定すると、次式により算出される。
【００２３】
１００Ｖ×（１０Ａ×５倍×１秒＋１０Ａ×１１９秒）／０．７＝１８５０００Ｗｓ
１８５０００Ｗｓ／（１２Ｖ×３６００秒）＝４．３Ａｈ
蓄電要素１２の電圧を１２Ｖとすると、４．３Ａｈの容量（１２Ｖ×３Ａｈ×６０秒＝１４４００Ｗｓ）で直流電動機１５を駆動することができ、このときの定格出力電流は１６６．７Ａ（３８．８Ｃ：定格容量の３８.８倍）である。この条件での運用は、一般的に使われている鉛蓄電池では実現不可能である。
【００２４】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、蓄電要素１２に充電された直流電圧を直流電動機１５の駆動電圧に昇圧する機能を有している。
【００２５】
直流電圧の昇圧方法としては、直流（低圧）を一度交流に変換し、この交流をさらに直流（高圧）に変換するインバータ方式や、直流（低圧）をコンデンサに蓄電し、これを半導体スイッチ等で直列にして直流（高圧）に変換するチャージポンプ方式や、直流（低圧）をＯＮ／ＯＦＦして、ＯＮのときにコイルにエネルギーを蓄え、ＯＦＦのときに放出させる昇圧チョッパー方式などがある。
【００２６】
これらの方式は、昇圧比やエネルギーの大小、構成要素規模（大小）や電源の品質等、使用目的によって使い分けられている。
【００２７】
本発明の第１の実施形態では、非常用電動機の電源として最適な昇圧チョッパー方式を採用している。これは構成要素が小さい、電源品質としては電動機を駆動できる程度でよい、変換エネルギーが大きいなどの理由による。
【００２８】
図２は、かかる昇圧チョッパー方式のＤＣ−ＤＣコンバータ１３の回路構成図である。
【００２９】
図２において、ｔｉ１,ｔｉ２は蓄電要素１２の直流電圧ｖｉが入力される入力端子で、この入力端子ｔｉ１,ｔｉ２間に非常時に外部から入力される起動信号により動作するスイッチコントロール回路１３５が接続される。また、入力端子ｔｉ１,ｔｉ２間にチョークコイル１３１とスイッチコントロール回路１３５によりスイッチング制御されるスイッチング素子１３４が直列接続される。
【００３０】
また、スイッチング素子１３４に並列に高速ダイオード１３２とコンデンサ１３３が直列接続され、コンデンサ１３３の両端は昇圧された直流電圧ｖｏを出力する出力端子ｔｏ１，ｔｏ２に接続される。
【００３１】
ここで、上記構成の昇圧チョッパー１３の作用を図３に示す電流電圧波形図を参照して説明する。
【００３２】
非常時に外部からの起動信号によりスイッチコントロール回路１３５が起動すると、このスイッチコントロール回路１３５のゲート制御によりスイッチング素子１３４がオンになる。すると、チョークコイル１３１には入力電圧がそのまま印加され、チョークコイル１３１の電流Ｉ１は急激に増加する。
【００３３】
次にスイッチコントロール回路１３５のゲート制御によりスイッチング素子１３４がオフしたとき、チョークコイル１３１に蓄えられたエネルギー（電流Ｉ２）は、高速ダイオード１３２を通過してコンデンサ１３３に蓄えられる。
【００３４】
このときの出力電圧ｖｏは、図３に示すように変化するため、スイッチング素子１３４のオン−オフ時間（比）を制御することで、出力電圧が制御される。
【００３５】
このときの出力電圧ｖｏは、図３に示すように変動（リップル）が大きくなるが、直流電動機１５を駆動させるに必要な電圧まで昇圧される。
【００３６】
従って、このようなＤＣ−ＤＣコンバータ１３とすれば、その構成要素が必要最小限で済み、コンパクトなものとなし得る。
【００３７】
上記コンタクタ１４は非常時に外部からの起動信号により閉路するものである。
【００３８】
次に上記のように構成された非常用電動機装置の作用について述べる。
【００３９】
プラントの通常運転時は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は停止で、コンタクタ１４は開路状態にあり、また、蓄電要素１２はＡＣ−ＤＣコンバータ１１より出力される直流電流が充電制御器１２ａにより制御されて充電される。このときの充電電流は、電池容量の１／１０以下で十分であるため、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１と蓄電要素１２とを結ぶ電源ケーブルの太さは、必要最小限でよく、例えば外部から入力される起動信号と同一多芯ケーブル化することができる。
【００４０】
一方、プラントの非常時に外部から起動信号がＤＣ−ＤＣコンバータ１３及びコンタクタ１４に入力されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３が起動されると同時にコンタクタ１４が閉路する。すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、前述した図２に示すチョッパ―回路の動作により蓄電要素１２のエネルギーが昇圧され、コンタクタ１４を介して直流電動機１５に供給される。これにより、高速充放電特性を有する蓄電要素１２に充電されたエネルギーをＤＣ−ＤＣコンバータ１３により昇圧して給電しているので、電源から負荷までのケーブルの太さを従来のものと比べて縮小することができる。これにより直流電動機を含む負荷の設置スペースを圧迫することなく、直流電動機１５から発生する動作時の突入電力を安定して給電することができる。
【００４１】
このように本実施形態では、交流電源２より入力される交流電力を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１１、高速充放電特性を有する蓄電要素１２及び昇圧チョッパー方式のＤＣ−ＤＣコンバータ１３を電源としてコンタクタ１４を介して従来よりも径の小さなケーブルにより直流電動機１５に接続する構成とし、この電源を例えば半円弧状のケース１ａ内に配置し、このケース１ａを直流電動機１５のフレーム外周面上に一体的に設けるようにしたので、負荷、つまり直流電動機及び電動機器の設置スペースを圧迫することなく、緊急時に電動機を迅速且つ確実に動作させことができる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、急速充放電性能を有する電池として非水電解質二次電池を例に説明したが、最近開発された急速充電リチウム電池（非特許文献１）を用いてもよい。この急速充電リチウム電池は、１分間で電池容量の８０％まで充電することができるキャパシタ並みの急速充電性能と、リチウムイオン電池の特徴である体積エネルギー密度の高さを併せ持つ充電式電池である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による非常用電動機装置の第１の実施形態を示す基本的な回路構成図。
【図２】同実施形態における昇圧チョッパー方式のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図。
【図３】同じくＤＣ−ＤＣコンバータの作用を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
【００４４】
１…非常用電動機装置、１ａ…ケース、２…交流電源、１１…ＡＣ−ＤＣコンバータ、１２…蓄電要素、１２ａ…充電制御器、１３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１４…コンタクタ、１５…直流電動機、１３１…チョークコイル、１３２…高速ダイオード、１３３…コンデンサ、１３４…スイッチング素子、１３５…スイッチコントロール回路
【図１】
2009077552.tif 000003
【図２】
2009077552.tif 000004
【図３】
2009077552.tif 000005