JP2009201351A - 一体化フライホイールの無停電電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】好適な一体型無停電電源システムを提供する。
【解決手段】電力を負荷に供給する一体化無停電電源システムは、ハウジングと、上記負荷に短期バックアップエネルギーを提供するフライホイールユニットであって、上記ハウジング内に取り付けられる、フライホイールユニットと、上記フライホイールユニットおよび商用電力からなる群のうちの一つから負荷に電力を継続的に供給する無停電電源（ＵＰＳ）電子ユニットであって、上記ハウジング内に取り付けられる、無停電電源（ＵＰＳ）電子ユニットと、を備える。また、ＵＰＳ電子ユニットは、上記フライホイールユニット、商用電力および長期バックアップ電源からなる群からのうちの１つから電力を負荷に継続的に供給して得る。
【選択図】図２

Description

（発明の背景）
本発明は、無停電電源（「ＵＰＳ」）システムに関し、より詳細には、フライホイールエネルギー貯蔵デバイスとともに使用されるＵＰＳシステムに関する。本発明のＵＰＳは、単一ハウジング内にＵＰＳと一体化されているフライホイールエネルギー貯蔵デバイスを１つ以上含む。従って、一体化ユニットは、外見的には、単一構成要素のように見える。

ＵＰＳシステムは周知である。例えば、１つのＵＰＳシステムが、Ｒｏｂｅｒｔｓによる「Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第４，４７１，２３３号（「’２３３特許」）に記載される。この’２３３特許は、電動発電設備（「発電設備」）について記載する。この発電設備は、商用電力（ｕｔｉｌｉｔｙ ｐｏｗｅｒ）が故障すると動作する論理制御かつバッテリー駆動のインバータを加えることにより、「完全無停電電源」に切り換えられる。このようなシステムにおいて、化学バッテリーバンク（典型的には、従来の自動車バッテリー）がバッテリー充電器に接続されて、このバッテリー充電器は、通常動作中にバッテリーの充電状態を保つための細流充電を提供する。

次いで、バッテリーバンクは、典型的には、少なくとも部分的にＵＰＳエレクトロニクスから離して配置される。なぜならば、含まれる大量の苛性化学薬品の一般性質に関する種々の安全考慮のためである。さらに、化学バッテリーは、大きくて扱いにくいこと、信頼性がないこと、寿命が限られていること、維持費が高いこと、および安全性が比較的低いことを含む種々の欠陥の損害を受ける。例えば、典型的な大きなバッテリーの設置（必要とされる予備電力の量による）は、多くの場合、専用のバッテリー貯蔵室に特別な通気システムおよび空調システムを必要とする。

バッテリーに関する問題の１つの解決策は、例えば、フライホイールエネルギー貯蔵ユニットなどの別の予備エネルギー源を提供することである。このようなＵＰＳシステムの１つの例が、Ｇｏｔｔｆｒｉｅｄによる「Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第４，４６０，８３４号（「’８３４特許」）に記載される。この’８３４特許は、商用電力が短期間失われる場合に、外部負荷に予備エネルギーを提供するためにフライホイールが用いられるＵＰＳシステムについて記載する（長期間の予備電力は、多くの場合、ディーゼルによって動力を得る発電設備によって提供される）。’８３４特許に記載されるようなシステムは、典型的には、コントローラユニット、長期間の予備電力ユニット、および短期間の予備電力ユニットを含む。このコントローラは、多くの場合、切換スイッチ、制御エレクトロニクス、ならびに、商用電力、短期間の予備電力、および長期間の予備電力を負荷に相互接続させる入力／出力ラインを含む。この短期間の電力ユニットは、電動機、発電機、およびフライホイールユニットを含み得る（例えば、第４欄、５１〜６０行を参照）。

既存システムに共通する問題は、短期間の予備電力としてフライホイールまたはバッテリーのいずれを使用するかに関わらず、複数のエレクトロニクス制御システムが部分的な原因となり、大きな床面積の要件、極端な冷却要件、信頼性の減少、および、費用が高いことを含む。さらに、短期間の予備電力としてバッテリーに依存するＵＰＳシステムはまた、バッテリー酸（ｂａｔｔｅｒｙ ａｃｉｄ）が苛性であることに関連する安全問題（例えば、さらなる通気要件）が増加するという損害を受ける。

前記を鑑みて、本発明の目的は、負荷に短期間の予備電力を効率的に提供する改良されたＵＰＳシステムを提供することである。

減少された冷却要件を有する改良されたＵＰＳシステムを提供することもまた、本発明の目的である。

本発明のさらなる目的は、減少された「床面積」を有し、従来のＵＰＳシステムより少ない床面積を占める改良されたＵＰＳシステムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ＵＰＳシステムに関連する製造費用を減少させる方法および装置を提供することである。

（発明の要旨）
本発明のこれらの目的および他の目的は、単一物理装置内に含まれる一体化フライホイールＵＰＳシステムを提供することにより、本発明の原理によって達成される。好適な実施形態は、シャシに取り付けられるコンパクトフライホイールエネルギー貯蔵ユニットを含み、このシャシはＵＰＳコントローラエレクトロニクスも含む。そうでなければ無関係の２つのシステムが構成されて、単一冷却システムを使用して一体化ユニットを冷却し得る。さらに、そうでなければ無関係のシステムを単一ハウジング内に配置することにより、システムの設計者が、例えば、共有の、制御エレクトロニクス、ディスプレイ、ユーザインタフェイスシステム、溶断、ＤＣバスキャパシタ、および他の設備（例えば、共有の緊急停止システムなど）を利用することを可能にする。さらなる利点は、特定の相互接続構成要素の全体が除去されるために生じる。単一ハウジングユニットは、２つの個別のユニットの組み合わせより実質的に小さく、従って、従来システムより小さな底面積を有する。
（項目１） 電力を負荷に供給する一体化無停電電源システムであり、該システムは、
ハウジングと、
該負荷に短期バックアップエネルギーを提供するフライホイールユニットであって、該ハウジング内に取り付けられる、フライホイールユニットと、
該フライホイールユニットおよび商用電力からなる群のうちの一つから負荷に電力を継続的に供給する無停電電源（ＵＰＳ）電子ユニットであって、該ハウジング内に取り付けられる、無停電電源（ＵＰＳ）電子ユニットと、
を備える、電力を負荷に供給する一体化無停電電源システム。
（項目２） 前記ＵＰＳ電子ユニットは、前記フライホイールユニット、商用電力および長期バックアップ電源からなる群からのうちの１つから電力を負荷に継続的に供給する、項目１に記載の無停電電源。
（項目３） 前記長期バックアップ電源はＧＥＮＳＥＴである、項目２に記載の無停電電源。
（項目４） 前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットを冷却する、前記ハウジング内に取り付けられた冷却システムをさらに備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目５） 前記冷却システムは、前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットにわたって冷却空気を導入する強制空気対流冷却システムを備える、項目４に記載の無停電電源システム。
（項目６） 前記対流冷却システムは、前記フライホイールユニットにわたって前記冷却空気を導入した後に、該冷却空気を前記ＵＰＳ電子ユニットにわたって導入する、項目５に記載の無停電電源システム。
（項目７） 前記対流冷却システムは複数のファンを備える、項目４に記載の無停電電源システム。
（項目８） 前記対流冷却システムは、前記ハウジングの外側の該ファンによって導入される空気を排気するダンパーを各ファンが有するように設けられた複数のダンパーをさらに備える、項目７に記載の無停電電源システム。
（項目９） 前記複数のダンパーのそれぞれは、前記ハウジングの内部の圧力と該ハウジングの外部の圧力との圧力差に応じてＯＰＥＮＥＤまたはＣＬＯＳＥＤになるフラップを備える、項目８に記載の無停電電源システム。
（項目１０） 前記対流冷却システムは、少なくとも一つの冗長ファンを有するファンアレイを備える、項目４に記載の無停電電源システム。
（項目１１） 前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳユニットは、該フライホイールユニットおよび該ＵＰＳ電子ユニットを制御する共通のコントローラを共有する、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目１２） 前記コントローラユニットはプログラム可能なユニットである、項目１１に記載の無停電電源システム。
（項目１３） 前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットの動作状態に関する情報を提供するユーザインターフェースパネルをさらに備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目１４） 不安全状態が検出された場合に前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットを停止する非常停止回路部をさらに備える、請求項１に記載の無停電電源システム。
（項目１５） 前記フライホイールユニットおよび商用電力からなる群と、前記システム内のＤＣバスとの間で結合されたスロットバスプレートをさらに備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目１６） 前記フライホイールユニットは、前記負荷によって導入される電力をモニタリングし、負荷がＬＯＷ条件にある間にモーターを再充電する電流を増加させ、負荷がＨＩＧＨ条件にある間にモーターを充電する電流を減少させる回路部を備える、項目１に記載の無停電電源。
（項目１７） ＤＣバスに並列に結合されたＤＣコンデンサのバンクをさらに備え、該ＤＣバスは、前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットによって共有される、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目１８） 前記コンデンサに接続された複数のヒュージブルリンクをさらに設けることで、該コンデンサのうちのいずれか一つが故障した場合に、該ヒュージブルリンクがヒューズをＯＰＥＮにして、該故障したコンデンサを絶縁する、項目１７に記載の無停電電源システム。
（項目１９） 前記フライホイールユニットは、
フライホイールハウジングと、
該フライホイールハウジング内に取り付けられた遠位端および近位端を有する回転子と、
一方のシャフト軸受けは該回転子の遠位端の近傍に取り付けられ、他方のシャフト軸受けは該回転子の近位端の近傍に取り付けられるように、該フライホイールハウジング内に取り付けられた一対のシャフト軸受けと、
スリーブ軸受けのそれぞれは該回転子の一端に取り付けられる一対のスリーブ軸受けと、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２０） 前記フライホイールユニットは、
フライホイールハウジングと、
該ハウジング内に取り付けられた回転子と、
該回転子の振動と整流との両方を感知する一つのセンサシステムと、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２１） 前記フライホイールユニットは、
フライホイールハウジングと、
該フライホイールハウジング内に取り付けられた回転子であって、シャフトを有する、回転子と、
該回転子の回転位置を感知する該シャフトの一端に取り付けられた、デジタルに調整可能な位置センサと、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２２） 前記ハウジングは、
前記フライホイールが取り付けられた重いゲージスチールシャシと、
該フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットに関する制御エレクトロニクスを支持する該ベースに取り付けられた軽いゲージフレームと、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２３） 前記ベースは、前記ハウジングの一方の側に取り付けられた軽量のクリートを用いて、コンクリートスラブ上に設置される、項目２２に記載の無停電電源システム。
（項目２４） 前記長期バックアップ電力ユニットは、開始回路を有するディーゼル生成器であり、
前記フライホイールユニットは、
フライホイールハウジングと、
該フライホイールハウジング内に取り付けられた回転子と、
該ディーゼル生成器の該開始回路に接続された固定状態の切替回路によって生成されたＤＣ出力であって、該ディーゼル生成器は、該開始回路に開始電力を継続的に供給する、ＤＣ出力と、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２５） 前記ＵＰＳ電子ユニットは、
複数の静止スイッチであって、複数の静止スイッチのそれぞれは、逆平行に相互接続された一対のサイリスターを含む、複数の静止スイッチと、
該ＵＰＳ電子ユニットに入力される電流をモニタリングするモニタリング回路と、
該モニタリングされた電流に基づいて、該一対のサイリスターのうちの順方向バイアスがかけられたサイリスターのみをゲーティングする制御回路と、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２６） 前記ＵＰＳ電子ユニットは、
該ＵＰＳ電子ユニットの出力をモニタリングし、出力電流および出力電圧を判定するセンサ回路と、
該モニタリングされた電流および電圧に基づいて、出力電力率を判定する回路部と、
該ＵＰＳ出力の誘導電圧を計算し、該ＵＰＳ電子ユニットのパラメータを調整することで、該ＵＰＳユニットへの入力電圧および該ＵＰＳ電子ユニットからの出力電圧を近密に整合させる、制御回路部と、
を備える、項目１に記載の無停電電源システム。
（項目２７） 前記コントローラは、該コントローラに入力データを提供するデータ取得パイプラインに直列に挿入されたデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を備え、該データパイプラインは、デジタル信号へ変換されるアナログ測定を実行することによって少なくとも生成され、該ＤＳＰは、該アナログ測定値におけるオフセットおよびゲイン誤差のフィルタリングおよび誤差補正を提供する、項目１１に記載の無停電電源システム。
（項目２８） 前記コントローラは、 処理回路部およびネットワーク回路部を含むマザーボードであって、該処理回路部は、前記フライホイールユニットおよび前記ＵＰＳ電子ユニットに対して制御機能を実行し、該ネットワーク回路部は、遠隔アクセスのためのネットワークインターフェースを該コントローラに提供する、マザーボードを備える、項目１１に記載の無停電電源システム。

図１は、本発明の原理によって構成された一体化フライホイールＵＰＳシステムの３次元透視図である。 図２は、本発明の原理によって構成された内部構成要素を示す一体化フライホイールＵＰＳシステムの３次元透視図である。 図３は、本発明の原理によって構成された内部構成要素を示す一体化フライホイールＵＰＳシステムの別の３次元透視図である。 図４は、本発明の原理によって構成された内部構成要素を示す一体化フライホイールＵＰＳシステムの部分的に分解された状態の３次元透視図である。 図５は、本発明の原理によるスロット付きバスプレートの平面図である。 図６は、本発明の原理による別のスロット付きバスプレートの平面図である。 図７は、本発明の原理による取り付けクリートの略図である。 図８は、本発明の原理によるＧＥＮＳＥＴ開始回路の模式図である。

本発明のさらなる特徴、その性質、および種々の利点は、添付の図面および下記の好適な実施形態の詳細な説明からより明らかになる。

（好適な実施形態の詳細な説明）
図１〜図４は、本発明の原理によって構成された一体化フライホイールＵＰＳシステム１００の３次元透視図を示す。一体化ＵＰＳ１００は、ハウジング１１０、フライホイール予備エネルギー貯蔵ユニット２２０（図２〜図４に示す）、ＵＰＳ制御エレクトロニクス２４０（図２〜図４に示す）、および冷却システム２６０を含み、このハウジング１１０は、底部１１２、側面１１４（その１つだけが図１に示される）、アクセスドアパネル１１６および１１８、ならびにふた１２０を含む。一体化ＵＰＳ１００の各中心要素は、従来システムより有利な複数の利点を提供し、従って、下記で個別に説明される。

通常、一体化ＵＰＳ１００は、小さな床面積を有する単一ユニットにおいて、商用電力などの一次電力が失われた場合に、負荷に予備電力を生成するシステムを提供する。ＵＰＳシステムの重要な特徴は、通常、あらゆる条件下で、負荷に連続的な電力フィードを提供することである。このようなシステムは、例えば、系統的な計画的停止を必要とする連続生産工程が用いられる製造環境において常に用いられたが、例えば、インターネットサーバなどの２４／７コンピュータシステムの増加が進むにつれて、電力損失を防止するより簡単かつ安価な方法の必要性が大きくなった。本発明は、より小さな、簡単な、安価な、かつ信頼性のある無停電電源システムを提供することにより、これらの必要性に対処する。

本発明の１つの特徴は、一体化ＵＰＳ１００が、同様の構成要素を個別に収容するシステムと比べて、実質的に低い冷却要件を有することである。フライホイールユニットとＵＰＳとの両方のための制御エレクトロニクスは、特定の冷却要件を有し、この要件は、個別デバイス（例えば、電力を転送するために使用される半導体スイッチ）の許容可能な最大動作温度に関連する。このようなデバイスを冷却するための最も信頼できる方法の１つは、強制空気対流冷却システムを用いる。従来のシステムにおいて、１セットのファンを利用してフライホイールシステムを冷却し、別のセットのファンはＵＰＳを冷却し、結果として、費用が高くなり、システム全体の信頼性が減少される。

本発明の一体化ＵＰＳ１００は、単一アレイのファン（図示せず）を利用し、このファンは、ユニットの上部に配置される熱シンク２６２（図１および図３を参照、ファンはダンパ１２４の下に配置される）から熱を取り去る。その上、さらに信頼性を増加させるために、一体化ＵＰＳ１００のファンの数は、適切な冷却に必要な数より１つ多い（当業者が理解するように、任意のファンが故障しても十分な冷却が維持される）。ファンアレイは、フィルタリングされた空気の入口１２２（図１を参照）を通して、冷却用空気を一体化ユニット内に導入する。この冷却用空気は、最初に、フライホイールユニット２２０を冷却するために利用される。次いで、同じ冷却用空気は、エンクロージャを通るように方向付けられて、シャシの中央に位置する構成要素（通常、参照番号２３０として示す）の冷却を提供する。次いで、同じ冷却用空気は、ふた１２０を通ってユニットから排気される前に、熱シンク（通常、参照番号２３５として示す）の上に方向付けられる。

当業者は、冷却用空気がその上を移動する一連の構成要素が、ユニットを冷却するための冷却システムの効率および能力に有意な影響を有し得ることを理解する。例えば、空気の自然回復効果によって、冷却用気流回路がユニットの下側から開始されることが好ましい。さらに、フライホイールが、典型的に、電力エレクトロニクス構成要素より低い許容可能な最大温度を有するため、かつ、フライホイールユニットの大部分が、結果としてシャシの下側に取り付けられるため、冷却用空気は、従って、最大に冷却可能な場合に、最初にフライホイールの上を通る。冷却用空気のフライホイールによる温度上昇が最もわずかであり、熱シンクによる温度上昇が最も高いという事実の結果として、さらなる効率が得られる。単一冷却システムを利用することにより、システム全体の効率および信頼性は改良され、製造費用および時間は減少される。

冷却に関連する本発明の別の局面は、図１〜図２および図４に示される。強制対流冷却システムにおいて、強制空気は、大気に分散される前に、共通の体積またはプレナムに集められる。これらのシステムの信頼性は、送風器およびポンプを含む冗長ファンを使用することにより増加する。空気は、ファンによって生成される圧力の差が部分的な原因となりシステムを通って移動する。しかし、ファンの１つが故障すると空気漏れが確立され、この空気漏れは、プレナムの圧力の差にマイナスの影響を有し得、その結果、システム全体の性能を減少させる。

本発明は、それぞれのファン上の個別のダンパー１２４を利用することによって、これらの欠陥を克服する。ダンパー１２４は、例えば、蝶番のあるゴムのフラップであり得、異なった気圧に基づいて開閉し得る。フラップが用いられると、ダンパーは、圧力変化に応じて受動的に開閉する。ファンが故障した場合、フラップは自動的に閉じ、圧力が異なるために閉じたままの状態になる。フラップが閉じない場合、故障したファンを通って漏出する空気によって、冷却システムの効率はネガティブな影響を受ける。ダンパー１２４は、さらに、エアフローをさらに最適化するために、能動的に制御される通気孔（ｖｅｎｔ）またはシャッタを用いて実行され得る。当然のことながら、能動的に制御されるダンパーは、受動的に制御されるダンパーに比べて、製造コストおよび複雑性が増加する。ダンパー１２４のさらなる利点は、図において示されるように、これらのダンパーがハウジング１１４の外部に配置されることである。このことは、これらのダンパーの複雑性を低減し、冷却システムがハウジング内で占める空間を少なくすることを可能にし、製造コストのさらなる低減を提供する。

本発明の、単一の、一体化ハウジングの機能は、従来のＵＰＳ／バックアップ電力系統に比べて、さらなる利点を提供する。主要な利点の１つは、以前は２つの別々のハウジング（１つは、フライホイール制御エレクトロニクス、もう一つはＵＰＳ制御エレクトロニクス）に配置されていた重複コンポーネントおよび回路の除去である。例えば、図１および図３は、一般的な、共有インターフェースパネル１３２を示し、ユーザがフライホイール制御システムおよびＵＰＳ制御システムの両方を有するモニタおよびインターフェースを利用し、その結果、インターフェースデバイスを除去し、コストをさらに低減する。図は、さらに、ＵＰＳエレクトロニクス２４０を示し、このＵＰＳエレクトロニクス２４０は、ＵＰＳにシステム制御を提供することに加えて、フライホイールにもシステム制御機能を提供する。これらの機能は、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）（例えば、Ａｌｔｅｒａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから販売されるＦＬＥＸ（Ｒ）ＦＰＧＡを参照）等の特殊化されたプログラム可能回路、デジタル信号プロセッサ、およびマイクロプロセッサを用いて実行され得る。

しかしながら、このような回路は、しばしば、単一制御システムによって全部は利用されない。本発明は、単一制御器内の制御機能を組合わせることによって、動作するために必要とされる制御回路を著しく少なくする。さらなる利点は、制御システムを組合わせることによって情報が共有されるために、効率および動作性能がさらに強化される。例えば、通常のフライホイールエネルギーバックアップシステムにおいて、フライホイール制御システムは、放電するのはいつかを決定するために（電圧の降下は、商用電力の損失があると想定される）、ＤＣバス電圧をモニタリングする。しかしながら、これはフライホイールシステムの応答時間において所望でない遅延を引き起こし、フライホイールが即座に応答できる負荷の大きさを制限する。本発明において、フライホイールおよび商用電力から負荷に電力を供給するインバータは、同一の制御システムによって制御されるので、これらのインバータは円滑な双方向性電力列を負荷に提供する。従って、任意の電力低減が商用電力から生じると、補償するために、フライホイールからの電力がフライホイールインバータを通って即座に引込まれ、従って、電源に関係なく、負荷には同じ量の電力が提供される。

フライホイールシステムおよびＵＰＳシステム等の高電力電子システムは、電源から負荷への電力の流れを制御し、かつ方向付けるためのスイッチおよびコンデンサ等の多数のコンポーネントを利用する。スイッチはしばしば高価であり、高電力半導体スイッチは、さらに、故障が生じたときに制御回路および負荷を保護する重要なコンポーネントである。一体化ＵＰＳ１００は、フライホイールコンポーネントおよびＵＰＳコンポーネントの両方を備えるので、このＵＰＳ１００が要求するスイッチおよび中間接続コンポーネントは、従来のシステムよりも少ない。さらに、ＤＣバスコンデンサおよび緊急停止回路等の他のコンポーネントは、フライホイールとＵＰＳとの間で共有され得、これによって、製造コストおよび時間、ならびに必要とされる全体の大きさが低減される。

さらに、個別のスイッチは、通常、負荷の電流を扱う多重並列スイッチングデバイス内に構成される。電流が、デバイス間で均等に共有されることを保証するために、それぞれの並列する経路のインピーダンスを平衡させる必要がある。平衡問題を扱う２つの公知のアプローチは、多重層のバスプレートおよび対称バスプレートである。多重層設計において、プレートのシリーズは、それぞれのプレートの上に相互に重ねられるので、それぞれのプレートは、多重並列電流経路のうちの１つを扱う。しかしながら、プレートを電気的に相互に絶縁することは困難であり得、多重並列電流を扱うための高価なシステムになる。さらに、層の形成が原因で、多重層バスプレートは、しばしば単平面に制約される。一方で、対称バスプレートは、比較的安価であるが、多重並列スイッチングデバイスの数が２より増えるにつれて、インピーダンスを成功裏に整合させることが益々困難になる。

本発明の別の機能によって、一体化ＵＰＳ１００は、多重並列電流経路のインピーダンスを平衡させるために、バスプレート内でスロットを利用する。本発明のこの機能は、図５および図６において図示され、スロットバスプレート５０２および６０２を示す。スロットバスプレートアプローチは、設計に関する制限がないので（例えば、複数の平面が用いられ得、設計は対称である必要がなく、したがって、スイッチングデバイスの数が３つ以上であると、より容易に実行され得る）、比較的安価であり、大きいフレキシビリティを有する電力系統設計を提供する。

バスプレート５０２および６０２は、例えば、４つの等電流を入力端子５０４および６０４のそれぞれに入力することによって動作する。４つの入力電流は、出力端子５０６および６０６のそれぞれを介して、バスプレートから出る。バスプレート５０２および６０２のそれぞれは、スロット５０８および６０８を共有する１つ以上の電流を含み、これらのバスプレートは、それぞれの並列経路のインピーダンスが整合することを保証するように構成される。電流を共有するスロットは、出力端子５０６および６０６の位置に依存して変化する。例えば、バスプレート５０２が正プレート、およびバスプレート６０２が負プレートであり、これらのバスプレートが、その後、重ね合わされる場合等、バスプレート５０２および６０２は共に用いられ得る。

プレート５０２および６０２の使用は、さらなる利点を可能にする。例えば、図３は、位置２７０（位置２７０において、バスプレート６０２は、バスプレート５０２の前に示される）で、重なった構成のバスプレート５０２および６０２を示す。重なった構成は、バスプレート５０２および６０２のそれぞれから、正電流または負電流のどちらかを受取るコレクションバスプレート２７２および２７４の対に出力端子５０６および６０６が接続されることを可能にする。この構成は、上述の利点に加えて、ＤＣバスアセンブリ全体の大規模な解体を要求することなく、ハウジング１１０の前を通って、保守業務を行なうための容易なアクセスを可能にする。

フライホイール電力系統における別の典型的な問題は、負荷電流に関する。例えば、組合された負荷電流およびフライホイール電動機電流は、電力供給サービス（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ）（電力供給サービスは、例えば、事業用電力であり得る）の定格入力電流か、または定格電流のどちらかを超過してはならない。この問題に対する従来の解決策の１つは、システムが全負荷電流で動作するときに入力限界を超過することがないように、最大電動機電力を設定することである。しかしながら、１００パーセント完全に負荷されるシステムがあったとしても、それは非常に少ないので、この解決策は、他の場合にはシステムを再充電するために用いられ得るエネルギーを、非効率的に使用するという結果をもたらす。従って、この解決策は、放電後にフライホイールシステムを再充電するのに時間を要し、ユーザは機能停止に対する保護をそれほど達成できない。

しかしながら、一体化ＵＰＳ１００は、負荷状態に基づく再充電プロフィルを自動的に適合させることによって、これらの問題を克服する。例えば、低負荷状態の間、システムは電動機電流を自動的に増加させるので、フライホイールは可能な限り迅速に再充電される（すなわち、その最大速度にまで巻戻される）。他方で、高負荷状態の間、システムは、電動機電流を自動的に低減するので、その入力限界を超過しない。この結果、システムは最短時間で、さらに極めて安全にフライホイールを充電する。

ＵＰＳおよびフライホイールシステム等の高電力システムは、通常、インバータ回路におけるフィルタリングエレメントとして、ＤＣ電解コンデンサを利用する。複数のコンデンサは、共に並列に構成され、必要とされる容量および低インピーダンスを提供するコンデンサバンクを形成する。しかしながら、電解コンデンサは故障が生じると寿命が制限される。故障は、単に、電解質の一部に通気孔を生成し得るか、またはコンデンサケーシングの亀裂にさえ至り得る。コンデンサの損失は、通常、システムの停止に至らせる。

この問題を扱う従来の方法の１つは、体系的、定期的、予防的な保守管理であり、このとき、コンデンサは故障する前に交換される。しかしながら、このアプローチは、コストがかかり、達成されるためにはシステムダウンタイムが必要である。一体化ＵＰＳ１００は、コンデンサバンク２５０においてヒュージブルリンクおよび余剰コンデンサを利用することによってこれらの問題を予防する（図２を参照）。ヒュージブルリンクは、金属のストリップであり、コンデンサが故障すると、フューズが開き、システムを保護する。故障は、例えば、システム保守ログ上で報告されるか、または警告としてユーザに提供される。しかしながら、故障したコンデンサは、ヒュージブルリンクによってシステムから隔離されるので、一体化ＵＰＳ１００は、余剰コンデンサの使用によって動作状態で維持される。故障したコンデンサの交換は、その後、一体化ＵＰＳ１００が動作状態である必要のない時間で計画され得る（ＵＰＳのダウンタイムを有するのではなく、保守計画を進める）。

本発明の別の機能は、ハウジング１１０内に取付けられるコンパクトフライホイールユニット２２０に関する。フライホイールユニット２２０の大きさが小さいので、ハウジング１１０の下部に容易に取付けられ得る。フライホイール２２０は、例えば、Ｃｌｉｆｔｏｎらの、米国特許第５，７３１，６４５号（「‘６４５特許」）において記載され得る。

本発明の別の実施形態において、フライホイールユニット２２０は、シャフト軸受けとフライホイールハウジングとの間に配置される、１対のスリーブ軸受けを含む。スリーブ軸受けは、この一体化ＵＰＳシステム等の用途において特に有用であり、この場合、軸受けジャーナルは非常に小さく、回転子は比較的大きい。このような状況の下で、特に、高速でのフライホイールの動作には、精確な平衡およびアラインメントは困難である。フライホイールの上部シャフト部位および下部シャフト部位上でスリーブ軸受けを利用し、軸受けとシャフトとハウジングとの間の製造交差は弛緩し得る。スリーブはフライホイールが機械ハウジングに振動を伝えることを防ぎ、温度変化および一時的なイベントの間、軸方向の運動および半径方向の運動をさらに可能にするので、シャフトとハウジングの弛緩は製造コストの低減を提供し、かつ信頼性を高める。

フライホイール２２０は、さらに、‘６４５特許において記載されるフライホイール装置についての様々な他の改良点を含み得る。例えば、フライホイール２２０等のスイッチ電動機／発電機を含む公知のフライホイールは、スイッチングを正確にするための、任意のタイプの転流センサ、および振動をモニタリングするためのさらなる検出機器を含む必要があるので、危険な状態が生じた場合、フライホイールは停止し得る。伝統的に、２つの異なった検知動作は、別々に取付けられた２つのセンサモジュールを用いて果たされ得る。

本発明によって、フライホイール２２０は、個別センサの代わりに、組合された加速度計転流センサデバイスを含み得、このデバイスにおいて、半導体ベースの加速度計が単一モジール内のホール効果転流センサと組合される。再び、本発明は、例えば、両方のセンサシステムに同一信号検査およびドライバ回路エレメントを利用することによって、効率を高め、複雑性を低減する。本アプローチのさらなる利点は、振動の検出が遠隔ではなく、軸受けカートリッジ上で直接的に行なわれることである。

‘６４５特許に記載されるフライホイールデバイスへのさらなる改良は、回転子位置センサシステムに関する。制御する目的において、回転子の歯または巻線の位置を知ることは重要である。回転子の位置を感知する公知の方法は、通常、回転子にとって重要な光学的または磁気的に感知された歯車パターンを利用する。このようなデバイスは回転子の位置を十分に判定し得るが、デバイスが回転子に対して特定の角度で位置が合っていることを保証するためには、比較的高いレベルの正確さでデバイスを設置および維持するが必要である。さらに、十分な制御を行うために必要なすべての位置情報を判定するに十分な分解能を維持しつつ、このようなデバイスを機械的に調整して制御のタイミングを設定しなければならない。

本発明によって、フライホイール２２０は、従来の位置センサのうちの一つの代わって、デジタルに調整可能な回転子位置センサシステムを含み得る。デジタルに調整可能な位置センサシステムは、３６０度全ての範囲に対する角度オフセット調整を備えたセンサから、すべての位置情報を統合する論理回路を含む。デジタルシステムは、全ての組の必要な位置情報を補正するために、一つの歯の情報と同程度の詳細な情報を有するセンサを使用し得る。歯車の歯デバイスは、任意のランダムな角度の位置合わせ機能を備えた回転子シャフトの端部に単にボルト止めされ得る。制御のタイミングは、手動の入力を必要とせず、デジタルに調整され得る。さらに、デジタルのシステムは、通常の動作の間、回転子のタイミングをデジタルに調整することによって性能を最適化する。

本発明のさらなる実施形態は、ハウジング１１０内へのフライホイール２２０の取り付けに関する。フライホイール２２０の回転子が速い速度で回転することや、トルク損失があった場合の処置に関する安全策（この場合、フライホイールは、軸受けから独立してブレーキをかけ得る）から、フライホイールユニットは、通常、重いゲージスチールシャシに取り付けられる。さらに、シャシは、通常、制御エレクトロニクスを取り付ける構造としても用いられる。本発明によって、ベース１１２は、この構造の最も低い部分のみが重いゲージで溶接されたスチール（ｈｅａｖｙ ｇａｇｅ ｗｅｌｄｅｄ ｓｔｅｅｌ）から形成されるように構成される。例えば、図２〜図４は、それ自体がベースプレート２１４に溶接された、溶接された重いゲージスチールペデスタル２１２を示す。さらに、シャシ全体にわたって、重いゲージスチールを用いる代わりに、より軽いゲージスチールフレーム２１６を用いる。これにより、製造コストが著しく下がり、システムの全体的な重量も減少する。

取り付け／設置に関する本発明の別の特徴は、図１〜図４および図７をさらに検討する際に、当業者に明らかとなる。典型的なフライホイールデバイスはしばしば、コンクリートスラブ上に設置され（ここでも、トルク損失が生じた場合の安全上の理由からこうされる）、コンクリートアンカーによって固定される。第一に、アンカーはコンクリート内に設置されて、システムがアンカーより上に位置決めされる。このプロセスでは、フライホイールデバイスがアンカーと位置が合う必要がある（これは、フライホイールデバイスの総重量が２８００ポンドのオーダーであり得るため困難なプロセスである）。位置合わせが行われた後、取り付けファスナーが設置およびしっかりとしめられる。これは、ユニットの各側面上へのツールアクセスを必要とする。しかし、ツールアクセスは、ユニット内にサービスコリダーが含まれることを必要とし、これにより、デバイスの全体的な基礎伏図がさらに増える。しかし、本発明は、設置用に一対の軽量のクリート１１２を用いることによって、設置を簡略化し、安全性を犠牲にすることなくサービスコリダーを排除する。

設置を、以下に説明するように簡略化する。なぜならば、クリートは、４つではなく２つのホールと位置が合えさえすればよく、ファスナーは、ハウジング１１０の端部を介して固定され、これによりサービスコリダーが必要ではなくなる。図１〜図４および図７に見受けられ得るように、各統合されたＵＰＳ１００は、一対の軽量のクリート１１２上に取り付けられる。クリート１１２のそれぞれは、まず、コンクリートアンカーを用いて、一対のホール７０２を介して、コンクリートベースに取り付けられる。ハウジング１１０の底面に接続された４つの「Ｌ型」取り付けブラケット（図示せず）を含む一体化ＵＰＳ１００は、次いで、ボルトホール７０４および７０６と位置が合わせられる。取り付けブラケットはそれぞれ、ホール７０４および７０６のうちの一つと位置が合わせられたボルトホールを含む。設置は、従来のシステムを用いるより容易に行われる。なぜならば、二つのアンカークリート１１２の位置合わせが簡略化され、ＵＰＳ１００を正位置に滑らせただけで、クリート１１２上に置かれるからである。次いで、取り付けブラケットは、ハウジング１１０の前端部から容易にアクセスされ得る４つの取り付けボルト（図示せず）を用いて、クリートに固定され、これにより、サービスコリダーの必要が無くなる。

ＵＰＳ２４０は、フライホイールシステム２２０とエレクトロニクスを共有する点を除けば従来のＵＰＳシステムと同じでもあり得る。あるいは、本発明によって、ＵＰＳ２４０は、以下のように一つ以上の改良点を含み得る。ＵＰＳの故障の最も一般的な形態は、バックアップ電源に関し、これは従来にはバッテリーバックアップ電源であった。バッテリーの使用に関する問題を克服する一方法は、Ｐｉｎｋｅｒｔｏｎの米国特許第５，７６７，５９１号（「‘５９１特許」）に記載される。‘５９１特許は、フライホイールエネルギー格納デバイスを用いて、開始電力をディーゼルバックアップ電力システムに提供することを記載する。しかし、‘５９１特許は、フライホイールの高周波の出力が、三段階のステップダウン変圧器を駆動し、次いで、三段階の整流器を駆動し、これにより２４ＶＤＣが生成されるシステムを記載する。‘５９１特許に記載されるシステムは、信頼度を高めるが、フライホイールの稼働中に変圧器を切断する高価なメカニカルスイッチを必要とする。さらに潜在的な問題は、ディーゼル開始器が継続的に利用可能でない場合があることである。なぜならば、フライホイールの稼働中、変圧器が切られるからである。

ＵＰＳ２４０は、公知のシステムのメカニカルスイッチの代わりに、低価格で固体状態の切替回路８００を用い得る。メカニカルスイッチを独立した固体状態の切替回路に交換することによって、本発明のＵＰＳは、さらにフライホイールの稼働中であっても、ディーゼルシステムに開始電力を継続的に提供し得る。図８は、ＧＥＮＳＥＴ回路部８１０に接続されて、ＧＥＮＳＥＴに継続的に利用可能な開始電力を提供し得る切替回路８００の例示図を示す。ＤＣ入力電圧は、ＤＣバスに接続された入力端子８０２を介して切替回路８００に供給される。

切替回路８００は、例えば、一つの回路カード（スイッチング機能用の回路カードを一つと、制御機能用の回路カードをもう一つ含むことが好適である）上にスイッチングエレクトロニクスおよび制御エレクトロニクスを含み得る。スイッチング機能は、ＤＣ入力を取り込み、端子８０４を介してこれを三段階のＡＣ出力に変換するＩＧＢＴなど、低価格で固体状態の回路コンポーネントによって達成される。次いで、ＡＣ出力は、インダクタ８０６およびヒューズ８０８を介してＧＥＮＳＥＴ回路部８１０に供給される。ＧＥＮＳＥＴ回路部８１０は、例えば、ハウジング１１０内ではなく、ＧＥＮＳＥＴの近隣に設置され得る。ＧＥＮＳＥＴ回路部８１０は、例えば、ステップダウン変圧器８１２、および三段階ＡＣ電圧を２４ボルトのＤＣ電圧（これは、Ｖ_OUTを介して提供される）に変換する整流器回路部８１４を含み得る。

多くの公知のＵＰＳシステムは、静止スイッチも含んで、ＵＰＳ動作に必要な高速の切り替えを提供する。静止スイッチは、通常、逆平行で共に接続された一対のサイリスターを含み、これにより、双方向性の電流パスが提供される。公知のシステムは、両方のサイリスターを継続的にゲーティングしてＯＮ状態を提供するか、または、いずれのデバイスもゲーティングせず、これによりＯＦＦ状態を提供する。潜在的な問題は、商用電力が故障した際のＵＰＳ動作の間に生じる。なぜならば、ゲーティングされたサイリスターが、商用電源内への逆流を可能にする可能性が高いからである。この結果、ＵＰＳ回路部および／または保護された負荷に損傷を与え得る。この潜在的な問題を回避するには、従来のシステムは、ラインの故障を初めに検出した際にスイッチのゲーティングを終了し、次回以後商用電圧が０を越えるまでは、ＵＰＳ出力の提供が開始されない。残念ながら、ＵＰＳ出力の検出から生成までの遅れによって、負荷に対して大きな電圧の歪みが生成され得る。

一方、本発明によるＵＰＳ２４０は、低価格の電流センサを用いて、入力電流をモニタリングする回路を含むように設計され得る。電流をモニタリングすることによって、静止スイッチを制御することが可能になる。これにより、前方バイアスをかけられたサイリスターのみがゲーティングされ、商用電力内に逆流する危険が排除される。逆流の危険が排除されるため、ＵＰＳは、以前には見られた遅れなく、ラインの故障を最初に検出した際に出力電力を生成し得る。

ＵＰＳ２４０はまた、本発明の原理によって改変もされて、低電力素子が存在するような負荷状態の場合に生じ得る問題を減少し得る。電力素子、抵抗負荷（例えば、ヒーター、ランプなど）と誘導負荷（例えば、モーターなど）との比率の測度は、電流と電圧との位相角のコサインとして規定される。電力素子は、０から１の間で変化し、これにより、例えば、電力素子１を有する負荷が純粋に抵抗となる。しかし、インダクタは、ＵＰＳコンバータの出力ステージにおいてフィルター要素として広く用いられる（通常、最低限、コンデンサと組み合わせて用いられる）。ほとんどのラインと相互通信を行うＵＰＳシステムにおいて、インダクタは、入力と出力との間の連続したパス要素として用いられる。問題は、電力素子が低い場合に生じ得る。なぜならば、インダクタにわたった電圧降下が大部分電流から独立していながら、電力素子によって強く影響を受けるからである。したがって、低電力素子は、特に、ＵＰＳと商用電力との間のエネルギーの伝送の間、不足電圧状態を生じさせ得る。

ＵＰＳコントローラ２４０は、ＵＰＳの出力の電流および電圧を感知し、出力電力素子を計算することによって、不均一電力素子を克服するように改変され得る。次いで、ＵＰＳコントローラ２４０の制御回路部は、出力電力素子を用いて、出力電圧をより厳密に調節するために用いられる誘導電圧を計算する。

一体化ＵＰＳ１００の一体化デジタル制御システムは、広範囲の用途に適用され得るさらなる特徴も含む。例えば、デジタル制御システムは、通常、アナログ測定値に少なくとも部分的に基づいたデジタル入力ストリームを用いる。この測定値のアナログ部分は、通常、ノイズ、高調波、オフセットおよびゲインエラー（これらは、説明される必要がある）を含む。従来のシステムは、しばしば、例えば、受動フィルタ、能動フィルタ、調整可能なレジスタ（すなわち、電位計）を用いたり、コントローラを調整してエラーを補正することによって、これらの問題を打開しようとする。しかし、電位計が、長々とした繰り返しの較正プロセスを必要としながら、コントローラを用いてエラーを補正するということは、コントローラが入力信号の特定の数値を直接には用い得ないことを意味する。

本発明の一体化デジタル制御システムは、専用デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いることによってこれらの欠陥を克服する。専用デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）は、データ取得パイプライン内に直接挿入されて、デジタルコントローラに、補正されたデータエラーの連続したストリームを提供する。システムの較正は、二つの測定値を必要とし、この測定値から、完全な組の直線補正要素が各信号に関して計算される。次いで、エラー補正要素は、フラッシュメモリなどのメモリ内に格納されて、データストリーム内の入力エラーを補正するＤＳＰに提供される。エラー補正にＤＳＰを用いると、このようなシステムを用いるために必要な電位計および長々とした較正プロセスが必要でなくなる。

一体化ＵＰＳ１００は、種々の用途において用いられて、バックアップ電力に加え、あるレベルのフィルタリングを提供し得る。これにより、負荷に供給された商用電力が、商用電力から直接受け取られた信号より高品質となる。したがって、一体化ＵＰＳ１００が比較的遠い場所に設置され、これにより、システムマネジャーにとって、システムのモニタリングおよび制御がやや困難になる例がある。これらの問題を克服する一方法は、ネットワーク拡張カードを遠隔アクセス用のシステムに追加したり、直列通信ラインを介して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）をシステムに接続することである。しかし、これらの解決策から、一例において、直列ラインの損失を生じ、さらにハードウェア（拡張カードから完全なＰＣまでのあらゆるもの）が必要であるために費用が生じる。

一体化ＵＰＳ１００は、フライホイール／ＵＰＳ制御システムのプロセッサのマザーボード上にイーサネット（Ｒ）コントローラを直接組み込むことによってこれらの欠陥を克服し、これにより、ハードウェアのコストが最小限に抑えられ、信頼性が増す。ＵＰＳ１００は、フライホイールおよびＵＰＳシステムの動作が暗号化鍵を用いてまたは用いずにモニタリングされ得るように構成され得る。しかし、システムのパラメータを変更するには、何らかの暗号化されたアクセス形態を必要とする可能性が高く、これにより、システムを不正変更することが防止される。これらの特徴によって、ファシリティマネジャーが、例えば、（必要に応じて）一つ以上のＵＰＳ１００システムの動作を遠隔でモニタリングおよび調整することが可能になる。

上述の説明は、本発明の原理の例示にすぎず、種々の改変が、本発明の範囲および意図から逸脱せずに当業者によって行われ得ることが理解される。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の一体型無停電電源システム。

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