JP2009303284A - Flywheel-type uninterruptible power supply device and its controlling method - Google Patents

Flywheel-type uninterruptible power supply device and its controlling method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flywheel-type uninterruptible power supply device which can drastically reduce the radius displacement of a rotor occurring on exciting a generator from a non-excitation state to maintain the excitation speed at high, and can prevent contact between the rotor and a magnetic bearing while maintaining the power generator output at high to greatly lower an increase and loss in control current caused by the rotor displacement, and to provide a control method for the same. <P>SOLUTION: The flywheel-type uninterruptible power supply device includes the magnetic bearing device 20 that supports the rotation of the rotor 14a of an induction generator 14 in a non-contact state, wherein a flywheel is maintained in a freely rotating state by inertia while keeping the inductor generator non-excited with an inverter 16. The inverter is allowed to apply an excitation voltage to the inductor generator when a system voltage drop is detected, and simultaneously or in precedence over the application of the excitation voltage, the integration control of the magnetic bearing device is strengthened relative to a normal control characteristic till the generation voltage of the inductor generator is boosted up to a prescribed voltage to enhance the static rigidity thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、フライホイールに慣性エネルギーを蓄積するフライホイール型無停電電源装置とその制御方法に関する。   The present invention relates to a flywheel uninterruptible power supply device that accumulates inertial energy in a flywheel and a control method thereof.

フライホイール型無停電電源装置とは、フライホイールに慣性エネルギーを蓄積し、停電時にその慣性エネルギーで発電する無停電電源装置である。かかる無停電電源装置は、例えば特許文献1に開示されている。
また、この無停電電源装置に適用可能な磁気軸受装置は、例えば特許文献2,3に開示されている。
A flywheel type uninterruptible power supply is an uninterruptible power supply that accumulates inertial energy in a flywheel and generates electric power using the inertial energy during a power failure. Such an uninterruptible power supply is disclosed in Patent Document 1, for example.
Moreover, the magnetic bearing apparatus applicable to this uninterruptible power supply apparatus is disclosed by patent document 2, 3, for example.

特許文献1のフライホイール型無停電電源装置は、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ことを目的とする。
そのため、図6に示す装置において、フライホイール59には、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、かご型誘導電動機58を今度はフライホイール59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58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51に供給される。そして、フライホイール用インバータ51で交流から直流に変換された直流の電圧が直流電圧計55で計測されながら、直流バス54に供給される。負荷用インバータ57は、直流バス54に供給された前記発電された電力を、例えば50Hzの交流とし、負荷53に供給する。なお、52は電源、56は整流装置である。
An object of the flywheel uninterruptible power supply of Patent Document 1 is to make the induction motor in a non-excited state in a free rotation state due to inertia of the flywheel, and to perform re-excitation in a short time when necessary.
Therefore, in the apparatus shown in FIG. 6, inertial energy is accumulated in the flywheel 59. In this state, for example, when a power failure occurs, the squirrel-cage induction motor 58 is operated as a generator based on the rotational force of the flywheel 59. The AC energy generated by the squirrel-cage induction motor 58 is supplied to the flywheel inverter 51. The DC voltage converted from AC to DC by the flywheel inverter 51 is supplied to the DC bus 54 while being measured by the DC voltmeter 55. The load inverter 57 converts the generated electric power supplied to the DC bus 54 into an AC of 50 Hz, for example, and supplies it to the load 53. In addition, 52 is a power supply and 56 is a rectifier.

特許文献2の磁気軸受装置は、回転軸の減速期間においても、良好な制御を行えることを目的とする。
そのため、特許文献2では、回転軸を半径方向に支持する少なくとも2つの磁気軸受部と回転軸の回転加減速を行なう駆動部とを備えた磁気軸受装置において、回転軸の半径方向の変位変動量を比例要素,積分要素,微分要素を含むPID制御を行なって得られるPID制御値を磁気軸受部にフィードバックするPIDフィードバック制御回路を備え、そのPIDフィードバック制御回路は、駆動部を直流ブレーキとして作用させて回転軸を減速させる期間において、PID制御中の比例要素のゲインを変更することによって、減速期間においても非減速期間と同様の応答特性を得るものである。
The magnetic bearing device of Patent Document 2 aims to perform good control even during the deceleration period of the rotating shaft.
Therefore, in Patent Document 2, in a magnetic bearing device including at least two magnetic bearing portions that support the rotation shaft in the radial direction and a drive portion that performs rotation acceleration / deceleration of the rotation shaft, the amount of displacement fluctuation in the radial direction of the rotation shaft. Is provided with a PID feedback control circuit that feeds back a PID control value obtained by performing PID control including a proportional element, an integral element, and a differential element to the magnetic bearing unit, and the PID feedback control circuit causes the drive unit to act as a DC brake. In the period during which the rotating shaft is decelerated, the response characteristic similar to that in the non-decelerating period is obtained in the deceleration period by changing the gain of the proportional element during PID control.

特許文献3の磁気軸受装置は、電磁石に供給する励磁電流を大きくせずに、電磁石による負荷容量を大きくすることを目的とする。
そのため、特許文献3では、図7に示すように、複数対の電磁石61,62により回転体63がアキシアル制御軸方向およびラジアル制御軸方向に非接触支持される。磁気軸受装置は、各制御軸について、1対の電磁石、回転体の位置を検出して位置検出信号Zsを出力する位置検出手段64,65、浮上基準位置信号を出力する浮上基準位置信号出力手段、浮上基準位置信号および位置検出信号に基づいて積分出力を含む電磁石制御信号(Io+Ic),(Io−Ic)を出力する電磁石制御信号出力手段、ならびに電磁石制御信号に基づいて電磁石を駆動する電磁石駆動手段66を備えている。浮上基準位置信号出力手段が、浮上基準位置信号を、積分出力が予め設定された制御系積分出力範囲内になるように変更するものである。
The magnetic bearing device of Patent Document 3 aims to increase the load capacity of the electromagnet without increasing the excitation current supplied to the electromagnet.
Therefore, in Patent Document 3, as shown in FIG. 7, the rotating body 63 is supported in a non-contact manner in the axial control axis direction and the radial control axis direction by a plurality of pairs of electromagnets 61 and 62. The magnetic bearing device includes position detection means 64 and 65 for detecting the position of a pair of electromagnets and a rotating body and outputting a position detection signal Zs for each control shaft, and a levitation reference position signal output means for outputting a levitation reference position signal. , Electromagnet control signal output means for outputting electromagnet control signals (Io + Ic) and (Io−Ic) including an integral output based on the levitation reference position signal and the position detection signal, and electromagnet drive for driving the electromagnet based on the electromagnet control signal Means 66 are provided. The levitation reference position signal output means changes the levitation reference position signal so that the integral output is within a preset control system integral output range.

特開2007−259587号明細書、「発電回生装置、及び発電回生装置の励磁方法、並びに発電回生装置の発電方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-259587, “Power Generation Regeneration Device, Power Generation Regeneration Device Excitation Method, and Power Generation Regeneration Device Power Generation Method” 特開平8−219155号明細書、「磁気軸受装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-219155, “Magnetic Bearing Device” 特開2002−349567号明細書、「磁気軸受装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-349567, “Magnetic Bearing Device”

特許文献1のフライホイール型無停電電源装置では、待機運転中は誘導電動機を無励磁状態にして低損失化を図っている。この状態で、停電等で系統電圧低下を検出すると、誘導電動機を高速で励磁して発電機として動作させ、フライホイールを減速させながら数十秒間の発電を行う。
しかし、系統電圧低下を検出し高速(例えば100〜200μsec程度)で励磁すると、発電機内で不平衡吸引力が生じ、この不平衡吸引力により発電機のロータが一方向に引き寄せられる現象が生じる。
この不平衡吸引力は、発電機のロータとステータの隙間(例えば1mm程度)の不均一性などに起因し、励磁速度が速ければ速いほど、また、発電出力が大きければ大きいほど、不平衡吸引力が大きくなる。
In the flywheel uninterruptible power supply of Patent Document 1, the induction motor is de-energized during standby operation to reduce loss. In this state, when a system voltage drop is detected due to a power failure or the like, the induction motor is excited at high speed to operate as a generator, and power generation is performed for several tens of seconds while the flywheel is decelerated.
However, when a system voltage drop is detected and excitation is performed at a high speed (for example, about 100 to 200 μsec), an unbalanced attractive force is generated in the generator, and the unbalanced attractive force causes the generator rotor to be drawn in one direction.
This unbalanced attraction force is caused by non-uniformity in the gap between the rotor and stator of the generator (for example, about 1 mm). The higher the excitation speed and the larger the power generation output, the unbalanced attraction. Strength increases.

一方、発電機のロータを支持する軸受に磁気軸受を用いる場合、磁気軸受を構成する電磁石は、ロータに近接して位置し(隙間0.3〜0.4mm程度)、ロータの位置変位をフィードバック制御して位置を保持する。
このフィードバック制御は、位置制御の動特性を高めるため、位置変位に比例する比例制御(P制御)と、速度に比例する微分制御(D制御)が主に用いられる。
On the other hand, when a magnetic bearing is used as a bearing for supporting the rotor of the generator, the electromagnet constituting the magnetic bearing is located close to the rotor (gap 0.3 to 0.4 mm), and the position displacement of the rotor is fed back. Control and hold position.
This feedback control mainly uses proportional control (P control) proportional to position displacement and differential control (D control) proportional to speed in order to enhance the dynamic characteristics of position control.

そのため、磁気軸受のように非接触型の軸受の場合、誘導電動機を無励磁状態から高速で励磁すると、磁気軸受の静剛性が不足してロータが一方向に引き寄せられ、この変位により磁気軸受のロータが補助軸受に接触して損傷するおそれがあった。また、ロータの変位により磁気軸受の制御電流が極端に増加し、損失が大幅に増加する問題点もあった。   Therefore, in the case of a non-contact type bearing such as a magnetic bearing, when the induction motor is excited at a high speed from a non-excited state, the static stiffness of the magnetic bearing is insufficient and the rotor is drawn in one direction. There was a risk that the rotor would contact the auxiliary bearing and be damaged. Further, there is a problem that the control current of the magnetic bearing is extremely increased due to the displacement of the rotor, and the loss is greatly increased.

そのため、従来は、上記問題点を回避するため、例えば以下の対策がなされていた。
(1)磁気軸受の静剛性を考慮し、無励磁状態から励磁する速度を遅くする。
(2)磁気軸受の静剛性を考慮し、発電機出力を低くする。
しかし、これらの対策の結果、系統電圧低下の検出から無停電電源装置による発電開始までの、停電時間が長期化する(例えば200〜300msec程度)、或いは発電出力が不足するなど、無停電電源装置の機能が損なわれる問題点があった。
Therefore, conventionally, for example, the following measures have been taken in order to avoid the above problems.
(1) Considering the static rigidity of the magnetic bearing, slow the excitation speed from the non-excited state.
(2) Reduce the generator output in consideration of the static rigidity of the magnetic bearing.
However, as a result of these countermeasures, the uninterruptible power supply, such as a prolonged power failure time (for example, about 200 to 300 msec) from the detection of the system voltage drop to the start of power generation by the uninterruptible power supply, or the generation output is insufficient. There was a problem that the function of was impaired.

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、発電機を無励磁状態から励磁する際に発生するロータの半径方向変位を大幅に低減することができ、これにより励磁速度を高速に維持し、発電機出力を高く維持したままで、ロータと磁気軸受の接触を防止し、ロータ変位による制御電流の増加と損失を大幅に抑制することができるフライホイール型無停電電源装置とその制御方法を提供することにある。   The present invention has been developed to solve the above-described conventional problems. That is, the object of the present invention is to greatly reduce the radial displacement of the rotor that occurs when the generator is excited from the non-excited state, thereby maintaining the excitation speed at a high speed and increasing the generator output. An object of the present invention is to provide a flywheel uninterruptible power supply apparatus and a control method thereof that can prevent contact between the rotor and the magnetic bearing while maintaining the same, and can greatly suppress an increase and loss in control current due to rotor displacement.

本発明によれば、軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
該磁気軸受装置により、無励磁状態の誘導電動機に励磁電圧を印加する際に、同時又は先行して、通常の制御特性に対して積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置が提供される。
According to the present invention, a flywheel that rotates around an axis and stores inertial energy;
An induction generator that is also connected to the flywheel and that is driven to rotate and that is driven to rotate to generate electricity; and
An inverter that applies excitation voltage to the induction generator for excitation and converts AC voltage generated by the induction generator into DC voltage;
A magnetic bearing device that supports the rotation of the rotor of the induction generator in a non-contact manner,
When applying an exciting voltage to an induction motor in a non-excited state by the magnetic bearing device, the flywheel is characterized in that, at the same time or in advance, the integral control is strengthened with respect to normal control characteristics to increase the static rigidity. A wheel-type uninterruptible power supply is provided.

また本発明によれば、軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
前記インバータにより誘導電動機を無励磁状態にしてフライホイールを慣性による自由回転状態に維持し、
系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、通常の制御特性に対して磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置の制御方法が提供される。
According to the present invention, a flywheel that rotates around an axis and stores inertial energy;
An induction generator that is also connected to the flywheel and that is driven to rotate and that is driven to rotate to generate electricity; and
An inverter that applies excitation voltage to the induction generator for excitation and converts AC voltage generated by the induction generator into DC voltage;
A magnetic bearing device that supports the rotation of the rotor of the induction generator in a non-contact manner,
The induction motor is de-energized by the inverter and the flywheel is maintained in a free rotating state by inertia,
When the system voltage drop is detected, an excitation command is sent to the inverter, an excitation voltage is applied to the induction motor by the inverter, and at the same time or in advance, until the generated voltage of the induction generator reaches a predetermined voltage, There is provided a control method for a flywheel uninterruptible power supply, characterized in that the integral control of the magnetic bearing device is strengthened to increase the static rigidity.

本発明の好ましい実施形態によれば、前記磁気軸受装置は、誘導発電機のロータ位置をPID制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する。   According to a preferred embodiment of the present invention, the magnetic bearing device feedback-controls the rotor position of the induction generator by PID control or zero bias control.

上記本発明の装置および方法によれば、系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高めるので、磁気軸受装置の静剛性を誘導発電機の励磁と同時又は先行して高めることができ、制御的な遅れが生じない。   According to the above-described apparatus and method of the present invention, upon detection of a system voltage drop, an excitation command is sent to the inverter and an excitation voltage is applied to the induction motor by the inverter. Until the voltage is reached, the integral rigidity control of the magnetic bearing device is strengthened to increase the static stiffness, so that the static stiffness of the magnetic bearing device can be increased at the same time or prior to the excitation of the induction generator, and no control delay occurs. .

従って、発電機を無励磁状態から励磁する際に発生するロータの半径方向変位を大幅に低減することができ、これにより励磁速度を高速に維持し、発電機出力を高く維持したままで、ロータと磁気軸受の接触を防止し、ロータ変位による制御電流の増加と損失を大幅に抑制することができる。   Therefore, the radial displacement of the rotor that occurs when the generator is excited from the non-excited state can be greatly reduced, thereby maintaining the excitation speed at a high speed and maintaining the generator output high. And magnetic bearing contact can be prevented, and increase and loss of control current due to rotor displacement can be greatly suppressed.

また、本発明はPID制御に限定されないので、各種制御手法において積分を使用しているコントローラ全てに適用可能となる。   Further, since the present invention is not limited to PID control, it can be applied to all controllers using integration in various control methods.

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、本発明のフライホイール型無停電電源装置の全体構成図である。
この図において、1は系統入力(例えばAC400V、3相、50/60Hz)であり、2は負荷側出力(例えばAC400V、3相、50/60Hz)である。また3はAC/DCコンバータ、4はDC/ACコンバータ、5はその間を結ぶDC母線である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a flywheel uninterruptible power supply according to the present invention.
In this figure, 1 is a system input (for example, AC400V, 3 phase, 50/60 Hz), and 2 is a load side output (for example, AC400V, 3 phase, 50/60 Hz). Further, 3 is an AC / DC converter, 4 is a DC / AC converter, and 5 is a DC bus connecting between them.

この構成により、系統入力1の交流電圧をAC/DCコンバータ3で直流電圧(例えばDC600V、単相)に変換し、さらにDC/ACコンバータ4で交流電圧に変換して図示しない負荷装置に供給することができる。この状態は、系統入力1から負荷側出力2に交流電圧を直接供給する場合と実質的に同一である。   With this configuration, the AC voltage of the system input 1 is converted into a DC voltage (for example, DC 600 V, single phase) by the AC / DC converter 3 and further converted into an AC voltage by the DC / AC converter 4 and supplied to a load device (not shown). be able to. This state is substantially the same as the case where an AC voltage is directly supplied from the system input 1 to the load side output 2.

図1において、本発明のフライホイール型無停電電源装置10は、さらに、フライホイール12、電動機兼用の誘導発電機14、インバータ16、電圧検出器18および磁気軸受装置20を備える。なお、11はキャパシタ、15は統括コントローラである。   In FIG. 1, the flywheel uninterruptible power supply 10 of the present invention further includes a flywheel 12, an induction generator 14 also serving as an electric motor, an inverter 16, a voltage detector 18, and a magnetic bearing device 20. Note that 11 is a capacitor, and 15 is a general controller.

キャパシタ11は、コンデンサ又は蓄電池であり、DC母線5に接続され、インバータ16を作動させる最小限の電力を蓄積する。
統括コントローラ15は、電圧検出器18の出力信号に応じて、インバータ16と磁気軸受装置20に指令信号を出力する。
The capacitor 11 is a capacitor or a storage battery, is connected to the DC bus 5, and stores a minimum electric power for operating the inverter 16.
The overall controller 15 outputs a command signal to the inverter 16 and the magnetic bearing device 20 according to the output signal of the voltage detector 18.

フライホイール12は、例えばCFRP製であり、鉛直な軸心を中心に高速回転して慣性エネルギーを蓄える。フライホイール12の定格回転速度は、例えば13000rpm(210Hz)である。   The flywheel 12 is made of, for example, CFRP, and stores inertia energy by rotating at high speed around a vertical axis. The rated rotational speed of the flywheel 12 is, for example, 13000 rpm (210 Hz).

電動機兼用の誘導発電機14は、ロータ14aとステータ14bとからなり、ロータ14aがフライホイール12に連結されている。この誘導発電機14は、フライホイール12を回転駆動する電動機と、フライホイール12により回転駆動されて発電する発電機との両方の機能を有する。以下、電動機兼用の誘導発電機14を単に「誘導発電機」と呼ぶ。   The induction generator 14 also serving as an electric motor includes a rotor 14 a and a stator 14 b, and the rotor 14 a is connected to the flywheel 12. The induction generator 14 has both functions of an electric motor that rotationally drives the flywheel 12 and a generator that is rotationally driven by the flywheel 12 and generates electric power. Hereinafter, the induction generator 14 also serving as an electric motor is simply referred to as an “induction generator”.

インバータ16は、DC母線5と誘導発電機14の間に位置し、誘導発電機14のステータ14bに励磁電圧を印加して励磁して誘導発電機14を電動機として作動させ、或いは、誘導発電機14で発電した交流電圧を直流電圧に変換する機能を有する。
電圧検出器18は、この例ではDC母線5に取り付けられた電圧計であり、直流電圧を供給する系統電圧(この例ではDC母線5の電圧)を検出し、統括コントローラ15に出力する。なお、電圧検出器18は、系統入力1又は負荷側出力2に取付けてもよい。
The inverter 16 is located between the DC bus 5 and the induction generator 14 and applies an excitation voltage to the stator 14b of the induction generator 14 to excite it to operate the induction generator 14 as an electric motor. Alternatively, the inverter 16 14 has a function of converting the AC voltage generated at 14 into a DC voltage.
In this example, the voltage detector 18 is a voltmeter attached to the DC bus 5, detects a system voltage that supplies a DC voltage (in this example, the voltage of the DC bus 5), and outputs it to the overall controller 15. The voltage detector 18 may be attached to the system input 1 or the load side output 2.

磁気軸受装置20は、電磁石20a、位置検出器20b、および磁気軸受制御装置22からなり、誘導発電機のロータ14aの回転を非接触で支持するようになっている。なお、以下の例において、磁気軸受装置20はロータ14aのラジアル方向を支持する磁気軸受であるが、スラスト方向を同様に支持してもよい。   The magnetic bearing device 20 includes an electromagnet 20a, a position detector 20b, and a magnetic bearing control device 22, and supports the rotation of the rotor 14a of the induction generator in a non-contact manner. In the following example, the magnetic bearing device 20 is a magnetic bearing that supports the radial direction of the rotor 14a, but may also support the thrust direction in the same manner.

図2は、図1の部分拡大図であり、図3は、本発明による磁気軸受装置の構成図である。   2 is a partially enlarged view of FIG. 1, and FIG. 3 is a configuration diagram of a magnetic bearing device according to the present invention.

図3において、本発明の磁気軸受装置20は、少なくとも1対の電磁石20a、ロータ14aに直結されたロータ支持部14c、位置検出器20b及び磁気軸受制御装置22を備える。1対の電磁石20aは、互いに対向して配置される。
なお、21は、1対の電磁石20aを駆動するためのパワーアンプである。
3, the magnetic bearing device 20 of the present invention includes at least a pair of electromagnets 20a, a rotor support portion 14c directly connected to the rotor 14a, a position detector 20b, and a magnetic bearing control device 22. The pair of electromagnets 20a are arranged to face each other.
Reference numeral 21 denotes a power amplifier for driving the pair of electromagnets 20a.

ロータ支持部14cは、1対の電磁石20aの間に配置されその中間位置に保持される。この例において、ロータ支持部14cは、例えば鉛直軸であり、磁気軸受により図で左右方向に支持されており、重力方向の影響を受けないようになっている。なお、上下方向の支持は、別の磁気軸受で行なわれる。   The rotor support portion 14c is disposed between the pair of electromagnets 20a and is held at an intermediate position. In this example, the rotor support portion 14c is, for example, a vertical axis, and is supported in the left-right direction in the figure by a magnetic bearing, and is not affected by the direction of gravity. The vertical support is performed by another magnetic bearing.

位置検出器20bは、非接触式の位置センサであり、ロータ支持部14cの位置xを検出する。
なお、ロータ支持部14cの位置xの代わりに、或いはこれと併用してロータ支持部14cの半径方向速度を検出してもよい。また、このセンサは、変位センサ、速度センサのいずれか一方でもよいが、両方を備えてもよい。
The position detector 20b is a non-contact type position sensor and detects the position x of the rotor support portion 14c.
The radial speed of the rotor support 14c may be detected instead of or in combination with the position x of the rotor support 14c. This sensor may be either a displacement sensor or a speed sensor, but may include both.

図4は、本発明による磁気軸受装置20の制御方法を示すブロック図である。この図に示すように、磁気軸受装置20は、誘導発電機のロータ位置xをフィードバックし、ロータ位置xを所定の中立位置に維持するようになっている。
磁気軸受制御装置22は、誘導発電機のロータ位置xをPID制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する。
FIG. 4 is a block diagram showing a method for controlling the magnetic bearing device 20 according to the present invention. As shown in this figure, the magnetic bearing device 20 feeds back the rotor position x of the induction generator and maintains the rotor position x at a predetermined neutral position.
The magnetic bearing control device 22 feedback-controls the rotor position x of the induction generator by PID control or zero bias control.

図5は、PID制御の説明図である。この図において、(A)は比例制御(P制御)、(B)は積分制御(I制御)、(C)は微分制御(D制御)、(D)はPID制御の各特性を示している。各図において、横軸は対数目盛の角周波数ω、縦軸はゲインG[dB]である。
PID制御は、位置変位xに比例する吸引力uを出力する比例制御(P制御)と、位置変位xの時間積分に比例する吸引力uを出力する積分制御(I制御)と、位置変位xの時間微分(速度)に比例する吸引力uを出力する微分制御(D制御)とを組み合わせた制御をいう。
比例制御(P制御)はバネとして、微分制御(D制御)はバネに並列したダンパーとして、積分制御(I制御)は低周波に適したバネ(静剛性)として機能する。
従って、磁気軸受制御装置22は、位置制御の動特性を高めるため、通常の運転状態(無励磁状態と励磁状態)において、比例制御(P制御)と微分制御(D制御)を主体とする。
FIG. 5 is an explanatory diagram of PID control. In this figure, (A) shows proportional control (P control), (B) shows integral control (I control), (C) shows differential control (D control), and (D) shows each characteristic of PID control. . In each figure, the horizontal axis represents the logarithmic scale angular frequency ω, and the vertical axis represents the gain G [dB].
PID control includes proportional control (P control) that outputs a suction force u proportional to the position displacement x, integration control (I control) that outputs a suction force u proportional to the time integral of the position displacement x, and position displacement x. Control combined with differential control (D control) that outputs a suction force u that is proportional to the time differential (speed).
Proportional control (P control) functions as a spring, differential control (D control) functions as a damper in parallel with the spring, and integral control (I control) functions as a spring (static stiffness) suitable for low frequencies.
Accordingly, the magnetic bearing control device 22 mainly performs proportional control (P control) and differential control (D control) in a normal operation state (non-excited state and excited state) in order to improve the dynamic characteristics of position control.

一方、ゼロバイアス制御とは、ロータ支持部14cの変位xと速度vから、制御方向の加速度に正比例する変数Zを求め、この変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する制御手段をいう。
このゼロバイアス制御は、本出願人による未公開特許(特願2007−090498号:平成19年3月30日出願)に開示されている。
On the other hand, the zero bias control is to obtain a variable Z that is directly proportional to the acceleration in the control direction from the displacement x and the speed v of the rotor support portion 14c, and to set the control current of one electromagnet to zero according to the sign of this variable. Control means for controlling only the control current of the other electromagnet.
This zero bias control is disclosed in an unpublished patent by the present applicant (Japanese Patent Application No. 2007-090498: filed on Mar. 30, 2007).

図1において、本発明のフライホイール型無停電電源装置10は、通常時において、インバータ16により誘導発電機14に励磁電圧を印加して励磁してフライホイール12を加速し、所定の回転速度、例えば13000rpm(210Hz)に達したのち、インバータ16により誘導電動機14を無励磁状態にしてフライホイール12を慣性による自由回転状態に維持する。   In FIG. 1, the flywheel type uninterruptible power supply 10 of the present invention applies an excitation voltage to an induction generator 14 by an inverter 16 and excites it to accelerate the flywheel 12 in a normal state. For example, after reaching 13000 rpm (210 Hz), the induction motor 14 is brought into a non-excited state by the inverter 16 and the flywheel 12 is maintained in a free rotating state due to inertia.

この自由回転状態では、磁気軸受制御装置22により、誘導発電機のロータ位置xを上述したPID制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する。以下、これらの制御特性を「通常の制御特性」と呼ぶ。   In this free rotation state, the magnetic bearing control device 22 feedback-controls the rotor position x of the induction generator by the above-described PID control or zero bias control. Hereinafter, these control characteristics are referred to as “normal control characteristics”.

この自由回転状態において、例えば停電により電圧検出器18が系統電圧低下を検出した場合、統括コントローラ15により、インバータ16と磁気軸受装置20に同時に指令信号を出力する。
なお、系統電圧低下の前兆を検出して、インバータ16よりも先行して磁気軸受装置20に指令信号を出力するようにしてもよい。
この指令信号により、インバータ16により誘導電動機14に励磁電圧を印加する。また、同時又は先行して、磁気軸受制御装置22により、図5(D)に破線で示すように、通常の制御特性に対して磁気軸受装置20の積分制御(I制御)を強めて静剛性を高める。
積分制御(I制御)の強さは、誘導電動機を高速(例えば100〜200μsec程度)で励磁して発電機として動作させた場合に、発電機内で発生する不平衡吸引力に抗し、この変位が磁気軸受の隙間未満となるように設定する。
また、この積分制御(I制御)は、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで持続し、その後は、上述した通常の制御特性に戻すのが好ましい。
In this free rotation state, for example, when the voltage detector 18 detects a system voltage drop due to a power failure, the overall controller 15 outputs a command signal to the inverter 16 and the magnetic bearing device 20 simultaneously.
It is also possible to detect a sign of system voltage drop and output a command signal to the magnetic bearing device 20 prior to the inverter 16.
In response to this command signal, an excitation voltage is applied to the induction motor 14 by the inverter 16. At the same time or in advance, the magnetic bearing control device 22 strengthens the integral control (I control) of the magnetic bearing device 20 with respect to normal control characteristics as shown by the broken line in FIG. To increase.
The strength of the integral control (I control) is that this displacement is resisted by the unbalanced attractive force generated in the generator when the induction motor is excited at high speed (for example, about 100 to 200 μsec) and operated as a generator. Is set to be less than the clearance of the magnetic bearing.
The integral control (I control) is preferably continued until the generated voltage of the induction generator reaches a predetermined voltage, and thereafter, it is preferable to return to the normal control characteristics described above.

上記本発明の装置および方法によれば、系統電圧低下の検出により、インバータ16に励磁指令を送りインバータ16により誘導電動機14に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機14の発電電圧が所定の電圧になるまで、磁気軸受装置20の積分制御を強めて静剛性を高めるので、磁気軸受装置20の静剛性を誘導発電機14の励磁と同時又は先行して高めることができ、制御的な遅れが生じない。   According to the apparatus and method of the present invention described above, upon detection of a system voltage drop, an excitation command is sent to the inverter 16 and an excitation voltage is applied to the induction motor 14 by the inverter 16, and simultaneously or in advance, the power generation of the induction generator 14 is performed. Until the voltage reaches a predetermined voltage, the integral control of the magnetic bearing device 20 is strengthened to increase the static stiffness. There is no control delay.

従って、発電機14を無励磁状態から励磁する際に発生するロータ14aの半径方向変位(ロータ位置)xを大幅に低減することができ、これにより励磁速度を高速に維持し、発電機出力を高く維持したままで、ロータ14a(ロータ支持部14c)と磁気軸受20との接触を防止し、かつロータ変位(ロータ位置)xによる制御電流の増加と損失を大幅に抑制することができる。
また、本発明はPID制御に限定されないので、各種制御手法において積分を使用しているコントローラ全てに適用可能となる。
Accordingly, the radial displacement (rotor position) x of the rotor 14a generated when the generator 14 is excited from the non-excited state can be greatly reduced, thereby maintaining the excitation speed at a high speed and reducing the generator output. While maintaining high, the contact between the rotor 14a (rotor support portion 14c) and the magnetic bearing 20 can be prevented, and the increase and loss of control current due to the rotor displacement (rotor position) x can be significantly suppressed.
Further, since the present invention is not limited to PID control, it can be applied to all controllers using integration in various control methods.

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明のフライホイール型無停電電源装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a flywheel uninterruptible power supply device of the present invention. 図1の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明による磁気軸受装置の構成図である。It is a block diagram of the magnetic bearing apparatus by this invention. 本発明による制御方法のブロック図である。It is a block diagram of the control method by this invention. PID制御の説明図である。It is explanatory drawing of PID control. 特許文献1の装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus of patent document 1. FIG. 特許文献3の磁気軸受装置の模式図である。It is a schematic diagram of the magnetic bearing apparatus of patent document 3.

符号の説明Explanation of symbols

1 系統入力、2 負荷側出力、3 AC/DCコンバータ、
4 DC/ACコンバータ、5 DC母線、
10 フライホイール型無停電電源装置、11 キャパシタ、
12 フライホイール、14 電動機兼用誘導発電機、
14a ロータ、14b ステータ、14c ロータ支持部、
15 統括コントローラ、16 インバータ、
18 電圧検出器(電圧計)、20 磁気軸受装置、
20a 電磁石、20b 位置検出器(位置センサ)、
21 パワーアンプ、22 磁気軸受制御装置
1 system input, 2 load side output, 3 AC / DC converter,
4 DC / AC converter, 5 DC bus,
10 Flywheel uninterruptible power supply, 11 Capacitor,
12 Flywheel, 14 Induction generator combined with electric motor,
14a rotor, 14b stator, 14c rotor support,
15 general controller, 16 inverter,
18 voltage detector (voltmeter), 20 magnetic bearing device,
20a electromagnet, 20b position detector (position sensor),
21 Power amplifier, 22 Magnetic bearing control device

Claims (3)

軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
該磁気軸受装置により、無励磁状態の誘導電動機に励磁電圧を印加する際に、同時又は先行して、通常の制御特性に対して積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置。
A flywheel that rotates around its axis and stores inertial energy;
An induction generator that is also connected to the flywheel and that is driven to rotate and that is driven to rotate to generate electricity; and
An inverter that applies excitation voltage to the induction generator for excitation and converts AC voltage generated by the induction generator into DC voltage;
A magnetic bearing device that supports the rotation of the rotor of the induction generator in a non-contact manner,
When applying an exciting voltage to an induction motor in a non-excited state by the magnetic bearing device, the flywheel is characterized in that, at the same time or in advance, the integral control is strengthened with respect to normal control characteristics to increase the static rigidity. Wheel type uninterruptible power supply.
軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
前記インバータにより誘導電動機を無励磁状態にしてフライホイールを慣性による自由回転状態に維持し、
系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、通常の制御特性に対して磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置の制御方法。
A flywheel that rotates around its axis and stores inertial energy;
An induction generator that is also connected to the flywheel and that is driven to rotate and that is driven to rotate to generate electricity; and
An inverter that applies excitation voltage to the induction generator for excitation and converts AC voltage generated by the induction generator into DC voltage;
A magnetic bearing device that supports the rotation of the rotor of the induction generator in a non-contact manner,
The induction motor is de-energized by the inverter and the flywheel is maintained in a free rotating state by inertia,
When the system voltage drop is detected, an excitation command is sent to the inverter, an excitation voltage is applied to the induction motor by the inverter, and at the same time or in advance, until the generated voltage of the induction generator reaches a predetermined voltage, A control method for a flywheel uninterruptible power supply, characterized in that the integral control of the magnetic bearing device is strengthened to increase the static rigidity.
前記磁気軸受装置は、誘導発電機のロータ位置をPID制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項2に記載のフライホイール型無停電電源装置の制御方法。   The method of controlling a flywheel uninterruptible power supply according to claim 2, wherein the magnetic bearing device feedback-controls the rotor position of the induction generator by PID control or zero bias control.
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