JP2004511199A - Rotary dynamic system power divider - Google Patents

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/066Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems characterised by the use of dynamo-electric machines

Abstract

【課題】主電源とバックアップ電源から目的負荷に対する電力供給を切換える高信頼性の電力分配器を提供する。
【解決手段】電力分配器(PDU)は、フライホイールなどのデバイスにエネルギーを貯蓄して、一方の電源が故障した時には、代替電源がオンライン状態になる一方で、高品質の電力供給を負荷設備に対して続けることができる。3極機械式スイッチペアによって、主電源を使用するか代替電源を使用するかが制御される。標準のモータ発電機は、機械式スイッチの出力部に接続され、入力電力を変圧するために使われ、また、主電源から予備電源に切換える間に貯蓄エネルギーを利用するために使用される。
【選択図】図1
Provided is a highly reliable power distributor that switches power supply from a main power supply and a backup power supply to a target load.
A power distributor (PDU) stores energy in a device such as a flywheel, and when one power supply fails, an alternative power supply goes online while providing high-quality power supply to a load facility. Can be continued against. The three pole mechanical switch pair controls whether to use the main power supply or an alternative power supply. A standard motor generator is connected to the output of the mechanical switch, is used to transform the input power, and is used to utilize the stored energy while switching from the main power supply to the standby power supply.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に電力スイッチングシステムに関し、特に、電力の中断に大きな影響を受ける負荷のサポートが可能な高信頼性サブサイクル電力スイッチング/配電システムに関する。
【0002】
【背景技術の説明】
大規模なコンピュータセンタがある建物では大電力が必要である。一定の電力を連続供給する必要のある電源を備える必要のある基幹コンピュータである場合には、その建物に適切な電力を効率よく供給することは一層困難である。
【0003】
従来、基幹コンピュータには、無停電電源(UPS)の電力回路から電力が供給されてきた。UPS回路は、コンピュータ(即ち、回路負荷)への電力供給を監視し、停電の際には、バッテリなどの予備電源に切換えてその電力が回路負荷に供給される。コンピュータからみると、電力は全く損なわれずに、通常通りに動作を続けることが可能である。
【0004】
非常に重要なデータセンタのコンピュータ装置には、2つのUPSシステムと2つのUPS電力配電システムによって電力が供給される。このようなシステムは冗長ではあるが、予備のUPSシステムと電力伝送経路からデータ処理装置へ電力を供給する一方で、システムの保守を行ったり、一方の電力伝送経路での故障や誤動作に対して対処が可能になる。
【0005】
このシステムアーキテクチャは、「システムプラスシステム」設計と呼ばれる。重要な負荷にできるだけ近づいて電気的な立場で言及すると、スイッチング機器、一般的には、スタティック切換スイッチ(STS)を装備することによって、重要な負荷に対する主要電源、即ち、常用電源と、予備電源、即ち、代替電源を選択することが可能になる。通常このスイッチは、コンピュータ装置に給電する電力分配器(PDU)に配置される。一般的なPDUには、少なくとも1つの降圧変圧器と分電パネルが備わっている。変圧器は、UPSの480ボルトのパワー出力を、コンピュータ装置に必要な208/120ボルトに電圧変換する。変圧器の前にスタティックスイッチが装備されている場合には、変圧器は1つしか必要ではないが、変圧器の後にスタティックスイッチが装備されている場合には、変圧器は2つ必要になる。
【0006】
上述したように、従来の重要な電力配電回路では、電力スイッチング回路を用いて主電源と予備電源の間で電力を切換えている。このような従来の電力スイッチング回路の中心には、スタティック切換スイッチ(STS)がある。STSによって、主電源の障害時に主電源から予備電源へシステム給電が自動的に切換えられる。一般的に、STS回路は、シリコン制御整流器(SCR)電力スイッチング素子を用いて設計される。言い換えれば、半導体素子は、主電源から予備電源へ電力供給先を迅速に切換えるために使われる。
一般的に、STSをベースにした回路は、主電源の障害時に重要なアプリケーションに電力を供給し続けるという点で信頼性は高いが、STS回路そのものが故障する可能性があるという点から依然として脆弱である。
【0007】
一般的なSTSの平均故障間隔(MTBF)は、400,000時間である。長時間のように思えるが、サイトに装備されるSTSの数が増えるほど、それに比例してそのサイトの全体の信頼性は低下する。例えば、STSが20個装備されたサイトでは、システム全体のMTBFは約20,000時間である(2.5年よりわずかに短い)。50個以上装備された大規模なデータセンタでのMTBFは、1年未満である。年中、1日24時間稼動するように設計されている現代のデータセンタの場合、この故障率は非常に深刻である。
【0008】
従って、主電源とバックアップ電源から目的負荷に対する電力供給を切換える高信頼性スイッチング回路を提供することが当技術分野では求められている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
システムと方法は、無停電電力を必要とする重要な装置に電力を供給する改良された電力分配器を提供することによって、先に上げたニーズに対処する本発明の原理に調和するものである。
【0010】
本発明の一態様によれば、複数の素子を備える電力分配器が提供される。その素子には、同期モータ発電機と、第1と第2の機械式スイッチと、常用入力電源と代替入力電源を監視すると共に、常用電源で不具合を検出した時に第1の機械式スイッチを開いて第2の機械式スイッチを閉じるように第1と第2の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にするよう構成されたトランスファロジック回路が含まれる。
【0011】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面には、本発明の説明と目的と利点と原理とともに本発明の実施形態が示されている。複数の図面で同じかもしくは同様の部品は、同じ参照番号で示されている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を示す添付図面を参照する。その他の実施形態も可能であって、本発明の精神と範囲から逸脱することなくその実施形態に修正を加えることが可能である。従って、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【0013】
本願で説明するように、電力分配器(PDU)によって、重要なコンピュータシステムなどの目的負荷に電力が供給される。PDUには主電源と予備電源があって、常用電源に問題が生じた時に予備電源に切換えることができる。電力の中断が全くなかったかのように目的負荷が連続動作可能なように、電力は目的負荷に送られる。PDUでは、フライホイールを含む同期モータ発電機セットの形態でロータリ技術を用いて、電力の切換えの「乗継ぎ」を提供することができる。
【0014】
図1は、本発明による電力分配器(PDU)の構成部品を示す単線配線図である。
【0015】
通常動作時のPDU100は、常用電源「A」101、代替電源「B」102と名付けられた、2つの個別電源から入力する電力を受けとる。この入力電力は、2つの400アンペア回路ブレーカ105、106の一方から送られる。一般的に、電源101、102からの電力は480ボルトである。
【0016】
接触器111、112は、トランスファロジック110の制御下で電気信号によって操作される標準の3極機械式スイッチである。接触器111、112のライン側は電源に接続され、負荷側はモータ発電機115に接続される。常用電源101の障害時には、トランスファロジック110は、代替電源102に切換えるように接触器111、112を制御する。
【0017】
トランスファロジック110は、検出デバイスからの入力情報に基づいて制御を行う。特に、変流器(CT)140と計器用変圧器(PT)141は、接触器111、112の先の発電機121の出力部に位置し、(a)常用入力電源101や代替入力電源102の停電を検出し、(b)入力電源101や102の先や発電機121の出力部で発生する電圧不足や過電流といった異常を突き止める。同期モータ発電機115は、図1の点線内の周辺部品116〜122で示される。
【0018】
部品116〜122には、接触器116、117と開始/実行ロジック118と、ポニースタートモータ119と、同期モータ120と、発電機121とフライホイール122が含まれる。
【0019】
モータ発電機115は、PDU100の2つの機能を実行する。即ち、(1)480ボルトの入力電力を、負荷装置で通常必要な208/120ボルトの電力に変圧し、(2)常用電源101から代替電源102に切換える(または、その逆)際に乗継ぎを容易に行うことである。
【0020】
修理や保守のために同期モータ発電機115をオフラインにする必要が生じることが時折ある。その状況では、回路ブレーカ127、128をアクティブにしてモータ発電機115か変圧器125のいずれか一方からの電力をパスするバイパス制御回路126を利用して、アクティブな電源からの電力の経路が降圧変圧器125によって決められる。変圧器125と同様に同期モータ発電機115は、入力電力を、出力部で利用される208/120ボルトの電力に変換する。しかし、停電時には、変圧器125は安定給電を続けることができない。
【0021】
最後に、モータ発電機115もしくは変圧器125からの電力は回路ブレーカ130を通って、負荷装置が接続されている回路分電パネルに送られる。回路分電パネルは、例えば、225アンペアの3極4線式42回路分電パネルでよい。
【0022】
(通常動作)
次に、PDU100の通常動作について説明する。通常動作では、常用電源101から回路ブレーカ105を通って接触器スイッチ111に電力が供給される。接触器スイッチ111を閉じると、同期モータ発電機115に電力を送ることができる。逆に、接触器112が開くと、代替電源102からモータ発電機115へ電力供給が遮断される。この時、バイパス変圧器125が使用されない場合は、回路ブレーカ107、108が開くように設定されることが好ましい。
【0023】
同期モータ発電機115では、接触器116が開き、接触器117が閉じられ、入力電力がモータ120に供給されて発電機121が回転する。図1に示されるように接続されると、モータ120と発電機121は、480ボルトの入力電力を208/120ボルトの出力電力に変圧し、その電力は、回路ブレーカ128と回路ブレーカ群130を通って出力回路分配パネルと目的負荷に供給される。モータ120と発電機121は機械的に接続されるので、モータへの電力の入力と、発電機から基幹コンピュータ機器負荷への電力の出力の間は、電気的に完全に分離される。
【0024】
さらに、モータ120は、フライホイール122に電力を供給する。フライホイール122は、発電機121の入力電力が中断した時に、発電機にバックアップ電力を短期間供給するものである。フライホイールは、当技術分野では周知のものである。一般的に、フライホイールは、フライホイールの回転による力学的運動エネルギーとして、エネルギーを保存する。発電機121への電力が中断すると、オンラインで安定した電力供給が得られるまで、発電機121は、回転するフライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【0025】
(電力伝送時の動作)
トランスファロジック回路110は、変流器140と計器用変圧器141によって、入力電源に不具合がないかどうかを監視する。電源の遮断や急な減少などの不具合が検出された場合には、トランスファロジック110は、接触器スイッチ111を開けると同時に、接触器スイッチ112を閉じることによって、代替電源102への切換えを開始する。
【0026】
3極機械式接触器は、接触器を閉じるのに時間がかかるため電気回路が形成され、その回路によって接触器が開かれて電気回路を遮断することを特徴としている。従って、接触器111を開き、接触器112を閉じるための電気信号がトランスファロジック110から出力された場合には、接触器111は、接触器112より先に開くので、電源101と102とが電気的に確実に分離される。
【0027】
接触器111、112は、400アンペア3極接触器として利用可能である。この接触器は、ゼネラルエレクトリック社などの複数の会社から購入可能である。接触器の「ピックアップ」(PU)時間(即ち、閉じるまでの経過時間)は110〜115ミリ秒であり、「ドロップアウト」(DO)時間(即ち、開くまでの経過時間)は70〜80ミリ秒である。PUは、動作コイルに電圧を加えてから接触器のアーマチュアの動作終了までを測定することによって得られ、DOは、動作コイルの電圧を切ってから接触器のアーマチュアの動作終了までを測定することによって得られる。トランスファロジック回路110が1つの接触器のコイルの電圧を切ると同時に、もう1つの接触器のコイルに電圧を加えると、接触器が開いてから閉じるまで最低でも30ミリ秒が経過するので電源が確実に分離される。
【0028】
トランスファロジック110は、システムの下流の不足電圧や過電流状態に敏感ではなく、接触器スイッチ111、112の下流の電圧不足、即ち、単相状態に対してだけ敏感であるように構成される。
【0029】
代替電源102をモータ発電機115に切換える以前の遅延によって生じる電力の遮断によって、同期モータ120は、入力電力との同期を失うことがある。ポニーモータ119は、モータ120と再同期をとるために使用される。モータ120が同期を失ってポニーモータ119に電力が供給され、次にモータ120が入力電力と再同期がとれたことを検出した時に、開始/実行ロジック118は接触器116を閉じる。この時、開始/実行ロジック118は、接触器116を開いて電源をポニーモータ119に供給する。
【0030】
代替電源がオンラインで供給され、モータ120が再同期をとっている一方で、フライホイール122は発電機121にエネルギーを供給して、発電機121が目的負荷に対して利用可能な電力の供給を続けることができる。目的負荷からみると、電力は一瞬たりとも中断されない。
【0031】
上述の伝送プロセスの際に、通常60ヘルツの電力を生成する発電機121の周波数は、約59.5ヘルツに減衰する可能性がある。この減衰は、代替電源がオンラインで供給されてモータ120が再同期をとるまで、約6ヘルツ(1/10秒)間続く。周波数は、さらに15秒以内で正常に戻され、負荷(例えば、コンピュータ装置)の最小入力要件より決して低くならない。
【0032】
動作中に4〜8ミリ秒間完全に電力が中断するスタティック切換スイッチに基づく電力分配器とは異なり、PDU100では電力は中断しない。停電時、通常約1ボルトのみの電圧の増減で、発電機121は電力を生成し続ける。
【0033】
(保守時の動作)
保守や検査のために、モータ発電機115は図1の電気回路から手動で外される場合がある。特に、回路ブレーカ105、106、128が開かれた時には、システムからモータ発電機115が電気的に分離される。モータ発電機115を分離する前に、電力の供給は、回路ブレーカ107か108を介して変圧器125へ経路づけられる。変圧器125は、480ボルトの入力電力を208/120ボルトの出力電力に変圧するデルタスター(delta−wye)型降圧変圧器でよい。バイパス制御回路126は、モータ発電機115から変圧器125へのスイッチングを制御する。
【0034】
デルタスター型変圧器では、入力電圧と出力電圧の間に位相シフト(例えば、30度の位相シフト)が挿入される。変圧器125がデルタスター型変圧器の場合は、モータ発電機115の出力にも位相シフトを挿入して、変圧器の出力に合わせる必要がある。
【0035】
(物理的な実装形態)
図2は、PDU100の物理的なレイアウトを示す図である。図示したように、提案のPDUユニットは、高さ82インチ、長さ210インチである。PDUの奥行きは38インチであってもよい。これらの寸法は、その一例を示したものであって、当業者であれば、等価なその他のPDUを他の寸法で構築可能であることを理解することができる。通常、PDU100は、目的負荷の近傍の建物の中に設置される。
【0036】
同期モータ発電機115などの同期モータ発電機は、当技術分野では周知のものである。そのようなモータ発電機のメーカの1つには、ミネソタ州のマンケイトのKato Manufacturingがある。位相シフトが、変圧器125によって挿入された位相シフトに合わせるために必要な場合は、位相シフトを挿入するために、標準外の巻線を用いてKato製モータ発電機を改造してもよい。
【0037】
上では、停電の心配のない電力分配モジュールを説明した。PDUでは、停電時に主電源から予備電源へ容易に確実に切換えるために、フライホイールなどの内部バックアップエネルギー源が使用される。さらに、PDUは、半導体スタティック切換えスイッチに頼らずに高信頼性動作を実現することができ、また、容易に購入可能な既製部品によって構成することが可能である。
【0038】
スタティックスイッチングデバイスの代わりに機械式スイッチングデバイスの使用に戻すことは後退に見えるかもしれないが、機械式デバイスの信頼性は、それらの電子的等価物の信頼性よりも高い。機械式スイッチの動作中には、電力の「乗継ぎ」だけが必要となる。これは、スイッチングデバイスと重要な負荷設備の間の電力回路に挿入された同期モータ発電機から供給される。電圧が降圧されるので、発電機が208/120ボルトの電力を生成する際には、モータは480ボルトで動作する。これは、標準のPDUの変圧器に取って代わるものである。
【0039】
上述した本発明の好適な実施形態には図と説明が提供されたが、これは本発明を網羅するものではなく、また、開示された厳密な形態に限定するものでもない。上記の教示と調和して修正と変更を加えたり、本発明の実施形態に基づいて修正や変更を行うことも可能である。例えば、480ボルトの電力を120ボルトの電力に変換することを説明したが、当業者であれば、所定のレベルを特定のサイトの電力要件に基づいて容易に変更可能であることを理解することができる。また、電源の数も2つに限定されないことも明らかである。3つ以上の電源を本発明の範囲内で使用することが可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲とそれと等価なものによって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、本発明に基づく電力分配器の構成部品を示す回路図である。
【図2】
図2は、電力分配器の物理的レイアウトを示す図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates generally to power switching systems, and more particularly to a reliable sub-cycle power switching / distribution system capable of supporting loads that are significantly affected by power interruptions.
[0002]
[Description of Background Art]
Buildings with large computer centers require large amounts of power. In the case of a core computer that needs to be provided with a power supply that needs to supply constant power continuously, it is more difficult to efficiently supply appropriate power to the building efficiently.
[0003]
Conventionally, the main computer has been supplied with power from a power circuit of an uninterruptible power supply (UPS). The UPS circuit monitors the power supply to the computer (that is, the circuit load), and switches to a standby power supply such as a battery to supply the power to the circuit load in the event of a power failure. From the computer's point of view, it is possible to continue operating normally without any loss of power.
[0004]
Critical data center computing devices are powered by two UPS systems and two UPS power distribution systems. Although such a system is redundant, it supplies power to the data processing device from the backup UPS system and the power transmission path, while maintaining the system or protecting it from failure or malfunction in one of the power transmission paths. Coping is possible.
[0005]
This system architecture is called a "system plus system" design. Referring to the electrical standpoint as close as possible to the critical load, by equipping the switching equipment, generally a static changeover switch (STS), the main power supply for the critical load, i. That is, it is possible to select an alternative power supply. Typically, this switch is located in a power distributor (PDU) that powers the computing device. A typical PDU includes at least one buck transformer and a distribution panel. The transformer converts the 480 volt power output of the UPS to the 208/120 volts required by the computing device. If a static switch is installed before the transformer, only one transformer is required, but if a static switch is installed after the transformer, two transformers are required. .
[0006]
As described above, a conventional important power distribution circuit uses a power switching circuit to switch power between a main power supply and a standby power supply. At the center of such a conventional power switching circuit is a static changeover switch (STS). With the STS, the system power supply is automatically switched from the main power supply to the backup power supply when the main power supply fails. Generally, STS circuits are designed with silicon controlled rectifier (SCR) power switching elements. In other words, the semiconductor device is used to quickly switch the power supply destination from the main power supply to the standby power supply.
In general, STS-based circuits are highly reliable in that they continue to power critical applications in the event of a main power failure, but are still vulnerable in that the STS circuit itself may fail. It is.
[0007]
A typical STS has a mean time between failures (MTBF) of 400,000 hours. Although it may seem like a long time, as the number of STSs installed at a site increases, the overall reliability of the site decreases proportionally. For example, at a site equipped with 20 STSs, the MTBF of the entire system is about 20,000 hours (slightly less than 2.5 years). MTBF in large data centers equipped with 50 or more devices is less than one year. For modern data centers that are designed to operate 24 hours a day, 7 days a year, this failure rate is very severe.
[0008]
Accordingly, there is a need in the art to provide a highly reliable switching circuit that switches power supply from a main power supply and a backup power supply to a target load.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The systems and methods are consistent with the principles of the present invention that address the needs raised above by providing an improved power divider that powers critical devices that require uninterrupted power. .
[0010]
According to one aspect of the present invention, there is provided a power distributor including a plurality of elements. Its elements include a synchronous motor generator, first and second mechanical switches, and a primary and secondary input power supply. The first mechanical switch is opened when a failure is detected in the primary power supply. A transfer logic circuit configured to reverse the switching states of the first and second mechanical switches so as to close the second mechanical switch.
[0011]
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention, together with description, objects, advantages, and principles of the invention. Identical or similar parts in the several figures are indicated by the same reference numerals.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings that illustrate embodiments of the invention. Other embodiments are possible, and modifications can be made to the embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the following detailed description does not limit the invention. Rather, the scope of the present invention is defined by the appended claims.
[0013]
As described herein, a power distributor (PDU) provides power to a target load, such as a critical computer system. The PDU has a main power supply and a backup power supply, and can switch to the backup power supply when a problem occurs in the regular power supply. The power is sent to the target load so that the target load can operate continuously as if there was no power interruption. PDUs can use rotary technology in the form of a synchronous motor generator set that includes a flywheel to provide a "transit" of power switching.
[0014]
FIG. 1 is a single-line wiring diagram showing components of a power distributor (PDU) according to the present invention.
[0015]
During normal operation, the PDU 100 receives electric power input from two individual power supplies named a normal power supply “A” 101 and an alternative power supply “B” 102. This input power is sent from one of the two 400 amp circuit breakers 105,106. Typically, the power from power supplies 101, 102 is 480 volts.
[0016]
Contactors 111, 112 are standard three-pole mechanical switches operated by electrical signals under the control of transfer logic 110. The line side of the contactors 111 and 112 is connected to a power supply, and the load side is connected to a motor generator 115. When the service power supply 101 fails, the transfer logic 110 controls the contactors 111 and 112 to switch to the alternative power supply 102.
[0017]
The transfer logic 110 performs control based on input information from the detection device. In particular, the current transformer (CT) 140 and the instrument transformer (PT) 141 are located at the output of the generator 121 in front of the contactors 111 and 112, and (a) the regular input power supply 101 and the alternative input power supply 102 (B) to identify abnormalities such as insufficient voltage and overcurrent occurring at the ends of the input power supplies 101 and 102 and at the output of the generator 121. Synchronous motor generator 115 is shown by peripheral components 116-122 within the dashed line in FIG.
[0018]
Components 116-122 include contactors 116, 117, start / execute logic 118, pony start motor 119, synchronous motor 120, generator 121, and flywheel 122.
[0019]
Motor generator 115 performs two functions of PDU 100. That is, (1) the input power of 480 volts is transformed into the power of 208/120 volts normally required by the load device, and (2) the connection is made when the normal power supply 101 is switched to the alternative power supply 102 (or vice versa). Is easy to do.
[0020]
Occasionally it may be necessary to take synchronous motor generator 115 offline for repair or maintenance. In that situation, a bypass control circuit 126 that activates the circuit breakers 127 and 128 and passes power from either the motor generator 115 or the transformer 125 is used to reduce the power path from the active power supply to the buck. Determined by transformer 125. Like the transformer 125, the synchronous motor generator 115 converts the input power to 208/120 volts of power utilized at the output. However, at the time of a power failure, the transformer 125 cannot continue stable power supply.
[0021]
Finally, power from the motor generator 115 or the transformer 125 is sent through the circuit breaker 130 to the circuit distribution panel to which the load device is connected. The circuit distribution panel may be, for example, a 225 amp, 3-pole, 4-wire 42-circuit distribution panel.
[0022]
(Normal operation)
Next, the normal operation of the PDU 100 will be described. In normal operation, power is supplied from the commercial power supply 101 to the contactor switch 111 through the circuit breaker 105. When the contactor switch 111 is closed, power can be sent to the synchronous motor generator 115. Conversely, when the contactor 112 opens, power supply from the alternative power supply 102 to the motor generator 115 is cut off. At this time, when the bypass transformer 125 is not used, it is preferable that the circuit breakers 107 and 108 are set to open.
[0023]
In the synchronous motor generator 115, the contactor 116 is opened, the contactor 117 is closed, and the input power is supplied to the motor 120 to rotate the generator 121. When connected as shown in FIG. 1, motor 120 and generator 121 transform 480 volts input power to 208/120 volts output power, which powers circuit breakers 128 and circuit breakers 130. Through the output circuit distribution panel and the target load. Since the motor 120 and the generator 121 are mechanically connected, the input of the power to the motor and the output of the power from the generator to the load of the main computer equipment are completely electrically separated.
[0024]
Further, the motor 120 supplies power to the flywheel 122. The flywheel 122 supplies backup power to the generator for a short time when the input power to the generator 121 is interrupted. Flywheels are well known in the art. Generally, flywheels store energy as mechanical kinetic energy due to the rotation of the flywheel. When the power to the generator 121 is interrupted, the generator 121 converts the kinetic energy of the rotating flywheel into electrical energy until a stable power supply is obtained online.
[0025]
(Operation during power transmission)
The transfer logic circuit 110 uses the current transformer 140 and the instrument transformer 141 to monitor whether or not the input power supply is defective. If a malfunction such as a power shutdown or a sudden decrease is detected, the transfer logic 110 starts switching to the alternative power supply 102 by opening the contactor switch 111 and closing the contactor switch 112 at the same time. .
[0026]
The three-pole mechanical contactor is characterized in that it takes a long time to close the contactor, so that an electric circuit is formed, and the circuit opens the contactor to interrupt the electric circuit. Therefore, when an electrical signal for opening the contactor 111 and closing the contactor 112 is output from the transfer logic 110, the contactor 111 opens before the contactor 112, so that the power sources 101 and 102 are electrically connected. Are reliably separated.
[0027]
The contactors 111, 112 are available as 400 amp triode contactors. This contactor can be purchased from several companies, such as General Electric. Contactor "pickup" (PU) time (i.e., elapsed time to close) is 110-115 milliseconds, and "dropout" (DO) time (i.e., open time) is 70-80 milliseconds. Seconds. PU is obtained by applying a voltage to the working coil and measuring from the end of operation of the armature of the contactor, and DO is measuring by turning off the voltage of the operating coil to the end of operation of the armature of the contactor. Obtained by When the transfer logic circuit 110 turns off the voltage of the coil of one contactor while applying voltage to the coil of the other contactor, the power supply is turned off because at least 30 milliseconds elapse between the opening and closing of the contactor. Separated reliably.
[0028]
The transfer logic 110 is configured not to be sensitive to undervoltage or overcurrent conditions downstream of the system, but only to the undervoltage, ie, single-phase condition, downstream of the contactor switches 111, 112.
[0029]
A power interruption caused by a delay before switching the alternative power source 102 to the motor generator 115 may cause the synchronous motor 120 to lose synchronization with the input power. Pony motor 119 is used to resynchronize with motor 120. Start / execute logic 118 closes contactor 116 when motor 120 loses synchronization and power is supplied to pony motor 119, and then when motor 120 detects resynchronization with the input power. At this time, the start / execute logic 118 opens the contactor 116 and supplies power to the pony motor 119.
[0030]
The flywheel 122 supplies energy to the generator 121 while the motor 120 is resynchronizing while the alternative power supply is provided online, and the generator 121 supplies available power to the target load. You can continue. From the viewpoint of the target load, power is not interrupted even for a moment.
[0031]
During the transmission process described above, the frequency of generator 121, which typically produces 60 Hertz of power, can attenuate to about 59.5 Hertz. This decay lasts for about 6 Hertz (1/10 second) until the alternate power is applied online and the motor 120 resynchronizes. The frequency is returned to normal within a further 15 seconds and never falls below the minimum input requirements of the load (eg, a computing device).
[0032]
Unlike power dividers based on static changeover switches, where power is completely interrupted for 4-8 milliseconds during operation, PDU 100 does not interrupt power. In the event of a power outage, the generator 121 will continue to generate power, usually with a voltage increase or decrease of only about 1 volt.
[0033]
(Operation during maintenance)
For maintenance or inspection, the motor generator 115 may be manually disconnected from the electrical circuit of FIG. In particular, when the circuit breakers 105, 106, 128 are opened, the motor generator 115 is electrically disconnected from the system. Before disconnecting the motor generator 115, the power supply is routed to the transformer 125 via the circuit breakers 107 or 108. Transformer 125 may be a delta-wye buck transformer that transforms 480 volts input power to 208/120 volts output power. The bypass control circuit 126 controls switching from the motor generator 115 to the transformer 125.
[0034]
In a delta star transformer, a phase shift (eg, a 30 degree phase shift) is inserted between the input voltage and the output voltage. If the transformer 125 is a delta-star type transformer, it is necessary to insert a phase shift into the output of the motor generator 115 to match the output of the transformer.
[0035]
(Physical mounting form)
FIG. 2 is a diagram showing a physical layout of the PDU 100. As shown, the proposed PDU unit is 82 inches high and 210 inches long. The depth of the PDU may be 38 inches. These dimensions are exemplary only, and those skilled in the art will appreciate that other equivalent PDUs can be constructed with other dimensions. Usually, the PDU 100 is installed in a building near the target load.
[0036]
Synchronous motor generators, such as synchronous motor generator 115, are well known in the art. One manufacturer of such motor generators is Kato Manufacturing of Mankato, Minnesota. If a phase shift is needed to match the phase shift inserted by the transformer 125, the Kato motor generator may be modified with non-standard windings to insert the phase shift.
[0037]
Above, the power distribution module without a power outage was described. PDUs use an internal backup energy source, such as a flywheel, to easily and reliably switch from a main power supply to a standby power supply during a power outage. Further, the PDU can realize a highly reliable operation without relying on a semiconductor static changeover switch, and can be constituted by off-the-shelf components that can be easily purchased.
[0038]
Reverting to the use of mechanical switching devices instead of static switching devices may seem backward, but the reliability of mechanical devices is higher than the reliability of their electronic equivalents. During operation of the mechanical switch, only a "transit" of power is required. It is supplied by a synchronous motor generator inserted in the power circuit between the switching device and the critical load equipment. As the voltage is reduced, the motor runs at 480 volts when the generator produces 208/120 volts of power. It replaces the standard PDU transformer.
[0039]
While figures and descriptions have been provided for the preferred embodiments of the invention described above, they are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed. Modifications and changes may be made in harmony with the above teachings, or modifications and changes may be made based on embodiments of the invention. For example, although described as converting 480 volts of power to 120 volts of power, those skilled in the art will appreciate that the predetermined level can be easily changed based on the power requirements of a particular site. Can be. It is also clear that the number of power supplies is not limited to two. More than two power supplies can be used within the scope of the present invention. The scope of the invention is defined by the appended claims and equivalents thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing components of a power distributor according to the present invention.
FIG. 2
FIG. 2 is a diagram showing a physical layout of the power distributor.

Claims (11)

電力を受けるための電力入力配線と、電力を送るための電力出力配線を備える同期モータ発電機であって、前記電力入力配線から受けたエネルギーを貯蓄し、受けた入力電力の配線故障が発生した際に、貯蓄されたエネルギーを前記電力出力配線に送る、当該同期モータ発電機と、
常用電源と前記同期モータ発電機の前記電力入力配線に接続される第1の機械式スイッチと、
代替電源と前記同期モータ発電機の前記電力入力配線に接続される第2の機械式スイッチと、
前記常用電源と前記代替電源を監視し、前記常用電源の不具合を検出した時に、前記第1の機械式スイッチを開け前記第2の機械式スイッチを閉じるように前記第1と第2の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にするように構成されたトランスファロジック回路を備える電力分配器。
A synchronous motor generator including a power input wiring for receiving power and a power output wiring for transmitting power, wherein the energy received from the power input wiring is stored, and a wiring failure of the received input power has occurred. When sending the stored energy to the power output wiring, the synchronous motor generator,
A first mechanical switch connected to a service power supply and the power input wiring of the synchronous motor generator;
A second mechanical switch connected to an alternative power supply and to the power input wiring of the synchronous motor generator;
The first and second mechanical power supplies are monitored so as to open the first mechanical switch and close the second mechanical switch when the service power supply and the alternative power supply are monitored and a failure of the service power supply is detected. A power divider comprising a transfer logic circuit configured to reverse a switching state of a switch.
前記同期モータ発電機の前記出力配線に接続された配電パネルと、
回路ブレーカを介して前記常用電源と前記代替電源に降圧変圧器の一方の入力部が接続され、その出力部に前記配電パネルが接続される、当該を降圧変圧器をさらに備える、請求項1の電力分配器。
A power distribution panel connected to the output wiring of the synchronous motor generator,
2. The step-down transformer according to claim 1, further comprising a step-down transformer, wherein one input of a step-down transformer is connected to the service power supply and the alternative power supply via a circuit breaker, and the power distribution panel is connected to an output of the step-down transformer. 3. Power distributor.
前記同期モータ発電機と前記降圧変圧器のうちの一方に対して電力供給の経路づけを行うように構成されたバイパス制御回路をさらに備える、請求項2の電力分配器。3. The power distributor of claim 2, further comprising a bypass control circuit configured to route power supply to one of the synchronous motor generator and the step-down transformer. 前記同期モータ発電機が受ける電力は480ボルトであり、前記同期モータ発電機は、受けた電力を、前記同期モータ発電機の出力配線で120ボルトに変圧する、請求項1の電力分配器。The power distributor of claim 1, wherein the power received by the synchronous motor generator is 480 volts, and the synchronous motor generator transforms the received power to 120 volts on output wiring of the synchronous motor generator. 前記同期モータ発電機によって貯蓄されたエネルギーは、フライホイールで運動エネルギーとして貯蓄される、請求項1の電力分配器。The power distributor of claim 1, wherein energy stored by the synchronous motor generator is stored as kinetic energy at a flywheel. 前記トランスファロジック回路は、前記第1と第2の機械式スイッチの前記スイッチング状態を逆にする時に、前記第1と第2の機械式スイッチに対して同時に信号を送り、前記第2の機械式スイッチが閉じる前に前記第1の機械式スイッチが開くことによって、前記常用電源と前記代替電源が確実に分離される、請求項1の電力分配器。The transfer logic circuit simultaneously sends a signal to the first and second mechanical switches when reversing the switching states of the first and second mechanical switches, 2. The power distributor of claim 1, wherein opening the first mechanical switch before closing the switch ensures that the utility power and the alternative power source are separated. 第1の電源と、
第2の電源と、
ライン側で前記第1の電源に接続される第1の3極機械式スイッチと、
ライン側で前記第2の電源の接続される第2の3極機械式スイッチと、
モータと発電機とフライホイールを含む同期モータ発電機システムであって、前記同期モータ発電機の入力部は、前記第1と第2の機械式スイッチの負荷側に接続され、前記第1と第2の機械式スイッチを介して前記第1と第2の電源からそれぞれ電力を受けとり、受けた電力を変圧したものを出力する、当該同期モータ発電機システムと、
前記第1の電源を監視するように構成され、前記第1と第2の機械式スイッチの前であって、前記モータ発電機の前記出力部に配置された変圧/変流器に接続されるトランスファロジックであって、前記トランスファロジックが前記第1の電源の不具合を検出した時に、前記第1と第2の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にするコマンドを同時に出力する、当該トランスファロジックを備え、
前記コマンドを同時に出力することによって、前記同期モータ発電機が受けた電力に一時的な遮断が生じ、前記同期モータ発電機の前記発電機は、前記フライホイールに貯蓄されたエネルギーから電力を生成することによって、前記電力の一時的な遮断を補償して、前記同期モータ発電機から供給された電力を使用可能な電力として出力し続ける、電力分配器。
A first power source;
A second power source;
A first three-pole mechanical switch connected to the first power supply on a line side;
A second three-pole mechanical switch to which the second power supply is connected on the line side;
A synchronous motor generator system including a motor, a generator, and a flywheel, wherein an input of the synchronous motor generator is connected to a load side of the first and second mechanical switches, A synchronous motor generator system for receiving electric power from the first and second power supplies via the second mechanical switch and outputting a transformed version of the received electric power,
Configured to monitor the first power supply and connected to a transformer / current transformer located before the first and second mechanical switches and located at the output of the motor generator. Transfer logic, the transfer logic including, when the transfer logic detects a failure of the first power supply, simultaneously outputting a command for reversing a switching state of the first and second mechanical switches. ,
By simultaneously outputting the command, a temporary interruption occurs in the power received by the synchronous motor generator, and the generator of the synchronous motor generator generates power from energy stored in the flywheel. A power distributor that compensates for the temporary interruption of the power and continuously outputs the power supplied from the synchronous motor generator as usable power.
前記同期モータ発電機の出力部に接続される配電パネルと、
回路ブレーカを介して前記第1と第2の電源に降圧変圧器の一方の入力部が接続され、前記配電パネルに出力部が接続される、当該降圧変圧器をさらに備える、請求項7の電力分配器。
A power distribution panel connected to the output of the synchronous motor generator,
8. The power of claim 7, further comprising a step-down transformer having one input connected to the first and second power supplies via a circuit breaker and having an output connected to the distribution panel. Distributor.
前記降圧変圧器と前記同期モータ発電機に、前記常用電源Aからか、もしくは前記代替電源Bからの電力供給を経路づけるように構成されたバイパス制御回路をさらに備える、請求項8の電力分配器。9. The power distributor of claim 8, further comprising a bypass control circuit configured to route power from the service power source A or the alternative power source B to the step-down transformer and the synchronous motor generator. . 前記同期モータ発電機が受けた電力は480ボルトであって、前記同期モータ発電機は、受けた電力を120ボルトの出力電力に変圧する、請求項7の電力分配器。9. The power distributor of claim 7, wherein the power received by the synchronous motor generator is 480 volts, and the synchronous motor generator transforms the received power to an output power of 120 volts. 前記第1と第2の機械式スイッチのスイッチング状態を逆にする時に、前記第2の機械式スイッチが閉じる前に前記第1の機械式スイッチが開くので、前記第1の電源と前記第2の電源が確実に分離される、請求項7の電力分配器。When reversing the switching state of the first and second mechanical switches, the first mechanical switch opens before the second mechanical switch closes, so that the first power supply and the second 8. The power divider of claim 7, wherein the power supplies are reliably separated.
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