JP2008204231A - 電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎ＋Ｍ冗長構成における電源ユニットにより変動する負荷に最適変換効率で出力電力を供給する電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法を提供する。
【解決手段】電源制御部４により、電源ユニット３の負荷を変動させたときの変換効率情報を予め記録しておき、この情報と実際の負荷５の消費電力を監視記録し、その消費電力を電源ユニットの冗長構成をＮ＋Ｍ、Ｎ＋Ｍ−１、…Ｎ＋１に変化させときの電源ユニットの数で割った１台当たりの消費電力の情報から、最高変換効率が得られる電源ユニット３の組み合わせを選択し、電源ユニット３のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は電源システム、特に複数の電源ユニット（ＡＣ−ＤＣ変換装置又はインバータ）により電気機器等の共通負荷に出力電力を供給する電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法に関する。

各種の電気機器、電子機器および電子応用機器（以下、総称して電気機器という）は、電気機器が意図する機能を発揮するため、電源ユニットから動作電力が供給される。また、電源ユニットは、商用電源（ＡＣ電源）を入力とし、直流（ＤＣ）電圧を出力するＡＣ−ＤＣ変換装置又はインバータであるのが一般的である。

電気機器、特にコンピュータを含むＩＴ機器や、ネットワーク（ＮＷ）通信機器等にあっては、稼動状態に応じて負荷（消費電力）が変動すると共にそれらの機能（能力）や容量の増加に応じて関連機器や周辺機器を順次付加され、必要とする最大消費電力が変化（増加）するのが普通である。また、これらの電気機器にあっては、日常業務に極めて密接しているので、万一電源のトラブルによる動作不能は、日常業務に致命的なダメージを生じ得る。そこで、斯かる電気機器の電源ユニットは、複数の電源ユニットにより冗長構成とされ、負荷（消費電力）の変動や各電源ユニットに万一不具合が生じても切り替え対処可能にしている。

多数台の電源ユニットを使用した場合の冗長構成であるＮ＋Ｍ冗長構成（Ｎは機能電源ユニットの数、Ｍは冗長電源ユニットの数）においては、Ｍが多い場合、冗長度が高くなるが１台当たりの電源ユニットの負荷が軽くなってしまう。一般的に電源ユニットのＡＣ−ＤＣ変換効率は負荷によって変動する。そして、負荷が十分に軽い場合には、変換効率が低下してしまい、ＡＣ入力電力の大部分が変換時における損失（熱）として浪費されてしまうことは、当業者に周知である。

斯かる電気機器用の電源システムは、多くの文献に開示されている。複数の変換装置（インバータ）を並列接続し、負荷に設定される要求電力を各インバータの最大変換効率の出力電力で除算した台数のインバータを決定して動作させることにより、高い変換効率で電力変換を行う電力変換装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、稼動状態又はスリープ状態になる複数のプロセッサの電源を並列接続された複数のＡＣ−ＤＣ電源から供給するに際し、稼動状態のプロセッサ数に応じて、必要な消費電力に対応する台数のＡＣ−ＤＣ電源を決定して電力効率の悪化を防止する複合型計算装置およびその管理方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−１６８５９号公報（第３−４頁、第１図） 特開２００６−３０２０５９号公報（第９−１０頁、第１図）

上述の如き従来の電源システムは、負荷状態（負荷の消費電力）に応じて稼動状態の各電源ユニットがその定格出力を超えないように稼動電源ユニットの台数を選択しているので、必ずしも変換効率が常時最高になるように制御されているとは限らない。また、負荷の消費電力を各電源ユニットの最高変換効率の出力電力で除算した台数の電源ユニットを使用するように選択して制御するには、予め定められた電源ユニットの使用が必要であり且つ台数に端数が生じる場合の処理により必ずしも電源ユニットを最適変換効率で動作させることができない。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、これらの課題を解消又は軽減可能な電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法を提供することを主たる目的とする。

上述した課題を解決し且つ上述した目的を達成するために、本発明の電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法は、次の如き特徴的な構成を採用している。

（１）各々ＡＣ入力をＤＣ出力に変換して共通の負荷に供給される複数の電源ユニットを選択的に動作させるように構成された電源システムにおいて、
前記負荷の消費電力を監視検出する負荷検出手段と、前記各電源ユニットの負荷対変換効率情報に基づき前記負荷検出手段で検出された前記負荷の消費電力に対して変換効率が最高になる前記複数の電源ユニットを選択する選択手段とを含む電源制御部を備え、
該電源制御部により前記複数の電源ユニットを制御する電源システム。
（２）前記電源ユニットには、該電源ユニットの負荷対変換効率情報を記憶するメモリを備え、該メモリに記憶された情報を前記電源制御部がアクセス可能に構成されている上記（１）の電源システム。
（３）前記電源ユニットはＮ＋Ｍ（ＮおよびＭは、任意の正整数）構成であり、前記Ｎ個の電源ユニットは常時稼動され、前記負荷の消費電力変動に応じて前記Ｍ個の電源ユニットのうちの幾つかを選択して使用する上記（１）又は（２）の電源システム。
（４）各々ＡＣ入力をＤＣ出力に変換して他の１台以上の電源ユニットと協働して共通の負荷に電源を供給する電源ユニットにおいて、
負荷の変動に対する変換効率の変化特性を示す負荷対変換効率情報を記憶するメモリを備え、外部から前記負荷対変換効率情報にアクセス可能に構成されている電源ユニット。
（５）外部からの制御信号により前記ＤＣ出力を選択的にＯＮ／ＯＦＦする出力切替手段を更に備える上記（４）の電源ユニット。
（６）消費電力が変動する負荷に各々ＡＣ入力をＤＣ出力に変換する複数の電源ユニットから効率的にＤＣ電源を供給する電源効率化方法において、
予め前記電源ユニットの負荷対変換効率情報を求めるステップと、
前記負荷の消費電力を監視検出するステップと、
該消費電力監視検出ステップで検出された消費電力に対応して変換効率を最高にする電源ユニットの台数を求めるステップと、
該ステップで求めた台数になるように前記電源ユニットをＯＮ／ＯＦＦ制御するステップとを備える電源効率化方法。
（７）前記電源ユニットの負荷対変換効率情報は、前記電源ユニットのメモリに記憶されている上記（６）の電源効率化方法。
（８）前記負荷の消費電力は、起動時に電源制御部から前記負荷にアクセスして取得する上記（６）又は（７）の電源効率化方法。
（９）前記負荷の消費電力は、予め決められた一定時間毎に前記負荷を監視して検出する上記（６）又は（７）の電源効率化方法。

本発明の電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化システムによると、次の如き実用上の特有の効果を奏する。先ず、各電源ユニットの変換効率が高まることにより、損失（又は発熱）を抑え、それにより駆動される負荷である電気機器等の冷却コストが低減されることにある。また、消費される電力コストの低減が可能である。

更に、電源ユニットの（最高変換効率が得られる出力電力のみならず）負荷が例えば０％〜１００％まで変動する場合の負荷対変換効率情報が電源ユニットの内部メモリに記憶されているので、電源制御部は電源ユニットにアクセスし、この情報を取得できると共に必要に応じて電源ユニットの変更又は交換も可能であり、システム設計の自由度が大幅に改善される。

次に、本発明による電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法の好適な実施の形態の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１を参照して説明する。図１は、本発明による電源システムの好適な実施の形態の構成を示すシステム構成図である。図１に示す電源システム１０は、交流入力電力１、直流出力電力２、複数（Ｎ＋Ｍ）台の電源ユニット３および電源制御部４から構成される。

後述する如く、複数の電源ユニット３はメモリ（図示せず）を内蔵し、その負荷対変換効率情報を記憶している。即ち、負荷又は出力電力を定格出力の例えば０％〜１００％（最大定格出力）に変化した場合のＡＣ−ＤＣ変換効率特性を記憶している。そして、このメモリに記憶された情報は、外部からアクセス可能に構成されている。

ここで、電源ユニット３は、例えば商用電源から供給されるＡＣ入力電力１を受けて負荷（図１中には図示せず）が必要とするＤＣ出力電力を供給するＡＣ−ＤＣ変換装置（又はインバータ）である。例えば、Ｎ台の電源ユニットは、常時稼動状態であり、Ｍ台の電源ユニットは冗長用電源であって、Ｎ台の電源ユニットの何れかにトラブルが発生した場合のバックアップ又は負荷の増加に対応して負荷に出力電力の供給を行う。電源制御部４は、負荷５および電源ユニット３の状態に応じて複数の電源ユニット３の稼働台数を選択し、その変換効率が常時最高になるように制御する。

次に、図２は、図１に示す本発明による電源システム１０の構成を示す機能ブロック図である。複数の電源ユニット３は、この特定実施の形態ではＮ＋Ｍ冗長構成であって、負荷５に対して並列に接続可能に構成されているＮ台の電源ユニット３１およびＭ台の冗長用電源ユニット３２により構成されている。電源制御部４は、好ましくはＣＰＵ（中央処理ユニット）により構成され、情報読取手段４１、記録手段４２、消費電力監視（又は検出）手段４３、１台当たりの消費電力計算手段４４、最適変換効率選択手段４５および電源ユニット３のＯＮ／ＯＦＦ制御手段４６を含んでいる。

複数の電源ユニット３は、例えば半導体メモリ等の記憶手段を含み、電源ユニットの負荷対変換効率情報を記憶している。即ち、その負荷（出力電力）を定格出力の例えば０％から１００％まで変化した場合の変換効率特性に関する情報を記憶しており、電源制御部４から斯かるメモリにアクセスして電源ユニット３の負荷対変換効率情報を取得又は読出し可能に構成されている。電源ユニット３の負荷対変換効率は、発熱等により必ずしも定格出力（最大出力）において最高値とはならず、例えば定格の８５％で最高値となり、それを超え又はそれ未満でも変換効率が低下するが、定格の８０％のときの変換効率は定格の９０％のときよりも高い。この電源ユニット３の負荷対変換効率特性は、電源ユニット３の構成や使用材料等の設計により決まり、実測値を例えばＲＯＭ（読出専用メモリ）等のメモリに記憶・保存している。

以下、本発明の電源システム１０の動作を、図１および図２と共に図３のフローチャートを参照して説明する。先ず、電源制御部４の情報読取手段４１により電源ユニット３に内蔵された上述のメモリにアクセスして変換効率情報（即ち、負荷対変換効率情報）を読み出す（ステップＳ１）。次に、ステップＳ１で読み出した変換効率情報を記録手段（メモリ）４２に記録して保存する（ステップＳ２）。

次に、負荷５の状態を消費電力監視手段４３により監視し、その消費電力を検出する（ステップＳ３）。ここで、消費電力の監視又は検出は、負荷の消費電力を直接電力検出手段である、例えば電源に直列接続された電流検出抵抗に生じる電圧降下の測定又は負荷５に接続された電力検出抵抗の温度計測等により検出してもよい。また、負荷５が予め決められた電力を消費する複数のユニットから構成されている場合には、実際に稼動するユニット数を監視することにより消費電力を求めることが可能である。

次に、電源ユニット３の複数の電源ユニットを組み合わせた場合の１台当たりの消費電力を１台当たりの消費電力計算手段４４により計算する（ステップＳ４）。例えば、図２に示す如く、電源ユニット３がＮ台の電源ユニット３１およびＭ台の冗長（又は補助）電源ユニット３２から構成されている場合には、例えば電源ユニットをＮ＋１、Ｎ＋２、Ｎ＋３、・・・、Ｎ＋Ｍ−１およびＮ＋Ｍの組み合わせとした場合における電源ユニット１台当たりの消費電力を計算する。そして、最適（又は最高）変換効率となる電源ユニットの組み合わせを選択する（ステップＳ５）。最後に、この最適変換効率が得られる電源ユニットの組み合わせに基づいて各電源ユニットのＯＮ／ＯＦＦをＯＮ／ＯＦＦ制御手段４６により制御して、それらの出力電力を負荷５に供給する（ステップＳ６）。

尚、上述の如く電源ユニット３の負荷が例えば定格の０％〜１００％まで変化する場合の負荷対変換効率情報は、メモリに記憶されており、電源制御部４の情報読取手段４１によりアクセスして読出し可能である。従って、複数の電源ユニットの全ての組み合わせについて、負荷５のあらゆる状態（消費電力）に対して最適変換効率となる電源ユニット３の組み合わせを選択決定することが可能である。

上述したステップＳ５およびＳ６において複数の電源ユニット３の最適変換効率の組み合わせを決定し選択した後、例えば一定期間毎にステップＳ３へ戻り、負荷５の状態である消費電力の監視を行う。しかし、一度設定して起動した後に負荷変動がない場合には、起動時のみに負荷電力を検出し、その負荷５に対応する最適変換効率が得られる電源ユニットの組み合わせを選択決定してもよい。

次に、具体例に基づいて説明する。例えば、各電源ユニットの定格出力が１０Ｗ（ワット）であり、その変換効率が定格（１０Ｗ）の８５％である８．５Ｗのとき最大であり、８０％である８Ｗのときは９５％である９．５Ｗのときより高いと仮定する。そして、負荷５の消費電力が９５Ｗの場合について説明する。

上述の具体例では、９５／１０＝９．５であるので、１０台以上の電源ユニットを選択する必要がある。各電源ユニットがその定格出力を超えない範囲で動作させるために、従来技術により１０台の電源ユニットを選択すると、電源ユニット１台当たりの消費電力は、９５／１００＝９５％の負荷状態である。また、上述した特許文献１に開示される従来技術によると、各電源ユニットが最大変換効率の出力電力である８．５Ｗで９５Ｗの出力電力を得るには、９５／８．５＝１１．２台、即ち１２台の電源ユニットを稼動させる必要がある。この場合の電源ユニット１台当たりの負荷状態は９５／１２０＝７９％となる。しかし、電源ユニットは、上述の如く８５％の負荷状態のとき変換効率が最高であるので、この場合には電源ユニットを最高変換効率で稼動させることができないことになる。

これに対して、本発明の電源システム１０によると、上述の如く電源ユニットの広範囲の負荷状態における負荷対変換効率情報を読出して、電源ユニット１台当たりの変換効率が最高になる１１台を選択し、その定格出力電力１１０Ｗで９５Ｗの負荷５を駆動する。この場合の各電源ユニットの負荷状態は、９５／１１０＝８６％となり、略最高変換効率で稼動させることが可能になる。

以上、本発明の電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法の好適な実施の形態について詳述した。しかし、斯かる実施の形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではない。本発明の要旨や精神を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。例えば、電源ユニット３を構成する電源ユニットが予め決まっている場合には、その負荷対変換効率情報は、電源制御部４のメモリに予め記憶していてもよい。また、複数の電源ユニットのうち特定の電源ユニットにトラブルが発生した場合には、電源制御部４がこれを検知して、直ちに冗長電源ユニット３２の１台に切り替えてバックアップすることが可能である。

また、上述の説明から理解される如く、本発明の電源システム、その電源ユニットおよび電源効率化方法は、電機機器内の電源ユニット部を複数の電源ユニットからの給電による分散型給電とすることで、あらゆる電気機器に適用することが可能である。

本発明による電源システムの好適な実施の形態の構成図である。 図１に示す電源システムの機能ブロック図である。 本発明による電源システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 交流（ＡＣ）入力
２ 直流（ＤＣ）出力
３ 電源ユニット（ＡＣ−ＤＣ変換装置）
４ 電源制御部
５ 負荷
１０ 電源システム
４１ 情報読取手段
４２ 記録手段
４３ 消費電力監視手段
４４ 電源ユニット１台当たりの消費電力計算手段
４５ 最適変換効率選択手段
４６ 電源ユニットのＯＮ／ＯＦＦ制御手段

Claims (9)

1. 各々ＡＣ入力をＤＣ出力に変換して共通の負荷に供給される複数の電源ユニットを選択的に動作させるように構成された電源システムにおいて、
   前記負荷の消費電力を監視検出する負荷検出手段と、前記各電源ユニットの負荷対変換効率情報に基づき前記負荷検出手段で検出された前記負荷の消費電力に対して変換効率が最高になる前記複数の電源ユニットを選択する選択手段とを含む電源制御部を備え、
   該電源制御部により前記複数の電源ユニットを制御することを特徴とする電源システム。
2. 前記電源ユニットには、該電源ユニットの負荷対変換効率情報を記憶するメモリを備え、該メモリに記憶された情報を前記電源制御部がアクセス可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記電源ユニットはＮ＋Ｍ（ＮおよびＭは、任意の正整数）構成であり、前記Ｎ個の電源ユニットは常時稼動され、前記負荷の消費電力変動に応じて前記Ｍ個の電源ユニットのうちの幾つかを選択して使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。
4. 各々ＡＣ入力をＤＣ出力に変換して他の１台以上の電源ユニットと協働して共通の負荷に電源を供給する電源ユニットにおいて、
   負荷の変動に対する変換効率の変化特性を示す負荷対変換効率情報を記憶するメモリを備え、外部から前記負荷対変換効率情報にアクセス可能に構成されていることを特徴とする電源ユニット。
5. 外部からの制御信号により前記ＤＣ出力を選択的にＯＮ／ＯＦＦする出力切替手段を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の電源ユニット。
6. 消費電力が変動する負荷に各々ＡＣ入力をＤＣ出力に変換する複数の電源ユニットから効率的にＤＣ電源を供給する電源効率化方法において、
   予め前記電源ユニットの負荷対変換効率情報を求めるステップと、
   前記負荷の消費電力を監視検出するステップと、
   該消費電力監視検出ステップで検出された消費電力に対応して変換効率を最高にする電源ユニットの台数を求めるステップと、
   該ステップで求めた台数になるように前記電源ユニットをＯＮ／ＯＦＦ制御するステップとを備えることを特徴とする電源効率化方法。
7. 前記電源ユニットの負荷対変換効率情報は、前記電源ユニットのメモリに記憶されていることを特徴とする請求項６に記載の電源効率化方法。
8. 前記負荷の消費電力は、起動時に電源制御部から前記負荷にアクセスして取得することを特徴とする請求項６又は７に記載の電源効率化方法。
9. 前記負荷の消費電力は、予め決められた一定時間毎に前記負荷を監視して検出することを特徴とする請求項６又は７に記載の電源効率化方法。

Images