JP3794684B2 - 電源補助装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源の電圧低下あるいは遮断に対し、慣性を利用した蓄電装置を用いて電源の補償時間を延長させる電源補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータや携帯端末基地局、半導体製造装置等において、電源の重要性が増している。また、セキュリティ分野や監視分野でもＡＣ電源の安定供給は重要な問題である。ところが、商用電源を使用している限り落雷などの自然現象や送電線の事故等による瞬停が避けられず、電圧低下や遮断が発生する。
【０００３】
このような電源断が重大な結果に結びつくシステムへは、ＵＰＳ（Uninterrupted Power Supply：無停電電源装置）を使用して電源の安定供給を図ることが行われている。
ここで、ＵＰＳの一般的な構成例を保証時間に着目して説明する。
比較的短い数分間の電源断に対しては、常時充電しておいた蓄電池の電力を交流電源に変換して補償する方法が一般的である。また、数分を越え数時間といった長時間の電源断に対しては、蓄電池の他にジーゼル発電機等を組合せたシステムが実用に供されている。
これらのシステムに共通な構成要素としては、蓄電池の使用があげられる。
ところが、蓄電池には充放電による寿命ばかりでなく、自然劣化があるため使用／未使用に係わらず一定時間後に交換する必要がある。
このように蓄電池には、保守上の不具合ばかりでなく、蓄電池の構成物に鉛等の特定有害産業廃棄物が含まれていることから、廃棄時に公害が発生しないよう考慮しなければならないといった制約がある。
【０００４】
このような問題を解決する一つの方法として、蓄電池を使用しないフライホイール型蓄電装置がある。現在、数kVA〜1000kVAを越えるものが実用に供されている。ここで、フライホイール型蓄電装置の概要と動作の一例を図２を用いて説明する。
入力端子１に加えられたＡＣ入力IN-ACは、電圧検出器２、切替器SW1のａ端子およびフライホイール蓄電装置FGのモータMに加えられている。
入力端子１に定格電圧が供給されている場合は、電圧検出器２からSW1のａ端子とｃ端子を接続する制御信号Ｘ１が出力されている。SW1のｃ端子を通過したＡＣ入力IN-ACは、CVCF(定電圧定周波数変換器)３に加えられ、電圧および周波数が安定化されOUT-ACとして出力端子４から出力される。
一方、フライホイール型蓄電装置FGのモータMは、常にＡＣ入力IN-ACが供給されており、モータMに直結されたフライホイールＦと発電機Ｇを回転駆動している。
次にＡＣ入力IN-ACが供給されなくなった場合の動作を説明する。
ＡＣ入力IN-ACが供給されなくなるとフライホイール蓄電装置FGのモータMに供給されていた電力が停止し、フライホイールＦへの回転エネルギーが供給できなくなるが、フライホイールＦは慣性で回り続ける。したがって、今まで蓄えた運動エネルギーを放出することになり、フライホイールＦに直結された発電機Ｇから発電機電力GACが得られる。
同時に電圧検出器２はＡＣ入力IN-ACの断状態（電圧低下）を検出し、SW1のb端子とｃ端子を接続するような制御信号Ｘ１を出力する。
この結果、発電機電力GACの出力は、SW1のｂ端子からｃ端子を経由してCVCF３に加えられ、電圧並びに周波数が安定化されOUT-ACとして出力端子４から出力される。
【０００５】
このように、入力電源IN-ACが供給されなくなっても、フライホイール型蓄電装置からの電力で一定時間の電力供給が可能となる。
なお、ここでは原理を説明する上でモータMとフライホイールＦを別々に記載した。しかし、モータＭにＤＣモータを使用した場合は、直流電源を加えることで軸が回転するばかりでなく、軸を回転させることで発電に供すことが可能なことは明白である。したがって、モータMを発電機Ｇと共通化することも可能である。
また、フライホイールＦと発電機Ｇの間にクラッチ（図示省略）を挿入して、入力電圧低下時のみフライホイールＦと発電機Ｇを機械的に結合することで、定常状態におけるモータMの駆動電力を削減するように構成することもできる。
なお、フライホイール型蓄電装置FGのフライホイールＦを駆動する電力は、30kVA程度の発電能力を有する機器で数十Ｗ程度である。このように一度回転したフライホイールを常時回転させるための電力は、発電電力に比べ極端に少さくて良い。
【０００６】
ここで、フライホイール型蓄電装置のフライホイールＦは、無負荷の場合、駆動が停止されてから慣性によって回転し続けるものの、軸受けの摩擦やフライホイールの風損によって徐々に回転数が低下していき、ついには停止する。
図３は、フライホイール型蓄電装置の補償時間（縦軸）と負荷率（横軸）の一例を示したもので、負荷率が25％程度の場合、約60秒、100％負荷の場合は約10秒の電力供給が可能である。
このように、無公害、保守メンテナンスにすぐれたフライホイール型蓄電装置も単独では数十秒程度の電源の補償しかできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のごとく、従来技術によるフライホイール蓄電装置では、数十秒を越える停電に対しては、別途エンジン発電機等が必要になりコスト面、設置面積等で著しく劣る欠点がある。また、発電機を始動するためのバッテリが別途必要な場合もあり、バッテリレスが望めない。
本発明は、これらの欠点を除去し、蓄電池を使用しないで数分間の電源断に耐えられる電源補助システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、入力電源でフライホイールを駆動するフライホイール型蓄電装置をｎ（２以上の正数）組有し、入力電源が断になったとき、当該ｎ組のフライホイール型蓄電装置の出力を順次切換えながら長時間の停電補償を行うように構成するものである。
【０００９】
また、前記ｎ組のフライホイール型蓄電装置に対し、入力電源が供給されているあいだは、全てのフライホイール型蓄電装置に入力電源を供給してフライホイールを回転させておき、入力電源が断になったときは、いずれか１組のフライホイール型蓄電装置で発生した電力を補助電源として出力するとともに、残りのフライホイール型蓄電装置にも電力供給するように構成するものである。
【００１０】
また、前記補助電源としたフライホイール型蓄電装置の電力が所定値以下になった場合、次の１組のフライホイール型蓄電装置で発生した電力を補助電源として出力するとともに、残りのフライホイール型蓄電装置にも電力供給し、以後この動作を繰り返すものである。
【００１１】
すなわち、最初のフライホイール型蓄電装置の発電電圧が低下したら、次のフライホイール型蓄電装置の出力を利用し、その発電電力によってｎ−２組のフライホイール型蓄電装置にも電源供給する。
このようにしてｎ組目のフライホイール型蓄電装置が電源を供給できなくなるまで切り換え動作を繰り返すことで長時間の電源供給を可能としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下この発明の一実施例を図１を用いて詳細に説明する。なお、図２と同一機能であるものは同一番号／記号を使用した。
【００１３】
図１は、フライホイール型蓄電装置を３台使用した場合の構成であるが、ｎ台構成に拡張することも容易である。
図２に対して追加した部分は、モータ駆動電源を切換えるためのSW202,SW302と発電機Ｇ1,Ｇ2,Ｇ3出力を監視する電圧監視器101,201,301および出力スイッチSW101,SW201,SW301、さらに、各スイッチを切替える為の制御信号を出力するシーケンサ5が追加されている。
【００１４】
つぎに、各スイッチ、検出信号、制御信号の関係を図４のタイミング図を用いて詳細に説明する。
図４には、入力電源IN-ACが低下した”入力電源断”状態を示すｐから”入力電源復帰”を示すｔまでの状況を示した。なお、IN-AC、GAC、OUT-ACはAC電圧を示しており、"High level"は例えばAC100Vとする。
また、その他の信号の"High level"および"Low level"はロジカルな信号を表している。
さらに、縦線は任意の時間間隔であり、タイミング関係をより明らかにするために追加したものである。
ここで、図中ｐからｔまでの間、電圧低下が発生したとすると、電圧検出器２の制御信号Ｘ１は、同様にｐからｔまで"Low level"を出力し、ＳＷ１のb-ｃ間を導通状態に制御する。この結果、ｐからｓまでの期間、発電機電力GACが選択され、OUT-ACのようにｐからｓまでの期間、電源補償が行われる。
【００１５】
つぎに、フライホイール型蓄電装置FG1、FG2、FG3に関する動作を順を追って説明する。
シーケンサ5は、ｐのタイミングで電圧低下を表すX1信号を受けると、イネーブル信号C101を電圧監視器101に出力する。そして、電圧監視器101よりSW101のａ端子とｃ端子を接続するような制御信号X101が出力される。
フライホイール型蓄電装置FG1の発電機G1は発電機電力GAC1を発生しているが、やがてｑのタイミングで規定電力が得られなくなり、電圧監視器101から検出信号D101がシーケンサ5に送られる。
【００１６】
一方、フライホイール型蓄電装置FG2のSW202はシーケンサ5からの切り換え信号X202によって"Low level"期間、すなわちｐからｑまでCVCF3のOUT-ACを選択し、モータM2に電力を供給している。
前述のごとく、この電力は、G1の発電電力の一部である。
そして、タイミングｑにおいてイネーブル信号C201が電圧監視器201に出力される。そして、電圧監視器201よりSW201のａ端子とｃ端子を接続するような制御信号X201が出力される。フライホイール型蓄電装置FG2の発電機G2は発電機電力GAC2を発生しているが、やがてｒのタイミングで規定電力が得られなくなり、電圧監視器201から検出信号D201がシーケンサ5に送られる。
また、フライホイール型蓄電装置FG3のSW302はシーケンサ5からの切り換え信号X302によって"Low level"期間、すなわちｐからｒまでの期間、CVCF3のOUT-ACを選択しモータM3に電力が供給される。
【００１７】
フライホイール型蓄電装置FG3の発電機G3は発電機電力GAC3を発生しているが、やがてｓのタイミングで規定電力が得られなくなり、電圧監視器301から検出信号D301がシーケンサ5に送られて電源補助動作は終了する。
そして、電源が復旧するｔのタイミングで電圧検出器２の制御信号Ｘ１が"High level"になり、フライホイール型蓄電装置FG1、FG2、FG3のモータM1,2,3に再び入力電源IN-ACが加わり、発電を開始する。
したがって、電圧監視器101、201、301の検出出力D101、201、301はｔのタイミングよりも少し遅れて"High level"になる。
【００１８】
尚、本発明の電源補助装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である前述の様な制御及び検出は、シーケンサ制御によらず、ＣＰＵを用いてソフトウェア処理を行っても同様な効果を実現できるのは明らかである。
また、電圧監視器101,201,301を１組にして入力を切り換える構成でも本発明が実現できることは言うまでもない。
さらに、入力電源が単相交流電源でも３相交流電源でも本発明の原理に問題が生じないことは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、蓄電池をまったく使用しないで長時間の電源供給を行え地球環境にやさしい補助電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体構成を示すブロック図
【図２】フライホイール型蓄電装置を使った補助電源システムの一例を示すブロック図
【図３】フライホイール型蓄電装置の負荷率と補償時間の一例を示す図
【図４】図１の各制御信号を示すタイミング図
【符号の説明】
１：ＡＣ入力端子、２：電圧検出器、３：CVCF(定電圧定周波数変換器)、
４：ＡＣ出力端子、５：シーケンサ、
101、201、301：電圧監視器
FG、FG1、FG2、FG3：フライホイール型蓄電装置
M、M1、M2、M3：モータ
F、F1、F2、F3：フライホイール
G、G1、G2、G3：発電機
GAC、GAC1、GAC2、GAC3：発電機電力
SW1、SW101、SW201、SW301、SW202、SW302：切替器
D101、D201、D301：電圧低下検出信号
C101、C201、C301：イネーブル信号
X1、X101、X201、X301：切替器駆動信号
IN-AC：ＡＣ入力
OUT-AC：AC出力

Claims (2)

1. 入力電源でフライホイールを駆動するフライホイール型蓄電装置をｎ（２以上の正数）組有し、入力電源が断になったとき、当該ｎ組のフライホイール型蓄電装置の出力を順次切換えながら長時間の停電補償を行うように構成した電源補助装置において、前記ｎ組のフライホイール型蓄電装置に対し、入力電源が供給されている間は、全てのフライホイール型蓄電装置に入力電源を供給してフライホイールを回転させておき、入力電源が断になったときは、いずれか１組のフライホイール型蓄電装置で発生した電力を補助電源として出力するとともに、残りのフライホイール型蓄電装置にも電力供給するように構成したことを特徴とする電源補助装置。
2. 請求項１に記載の電源補助装置において、前記補助電源としたフライホイール型蓄電装置の電力が所定値以下になった場合、次の１組のフライホイール型蓄電装置で発生した電力を補助電源として出力するとともに、残りのフライホイール型蓄電装置にも電力供給し、以後この動作を繰り返すことを特徴とする電源補助装置。

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