JPS62196030A

JPS62196030A - フライホイ−ル電源装置

Info

Publication number: JPS62196030A
Application number: JP61038021A
Authority: JP
Inventors: 川原　明彦; 牧田　武夫
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 1986-02-22
Filing date: 1986-02-22
Publication date: 1987-08-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は非停電時に商用電源の電力を負荷に直接給電す
るとともに発電電動機にも供給して同発電電動機を電動
機として回転させ、フライホイールに回転運動エネルギ
ーを蓄積させる一方、停電時にはフライホイールに蓄積
された回転運動エネルギーの放出により発′Ｆｉ電動礪
を回転させて発電電動機を可変速定周波発電機として稼
働させ、定周波電力を発電させるフライホイール電源装
置に関するものである。

（従来の技術）従来、商用電源が停電した場合に停電補償可能な電源装
置として、例えば静止形定電圧定周波電源装置にバッテ
リーユニットを設けた無停電電源装置がある。

この無停電電源装置は、非停電時に商用電源から供給さ
れる交流電力を静止形定電圧定周波電源装置（以下ＣＶ
ＣＦと記す）のコンバータ部で一旦直流電力に変換し、
この直流電力を同ＣＶＣＦのインバータ部に出力して所
定の電圧及び周波数を有する定電圧定周波電力に変換し
、負荷に供給するものであり、商用電源からの交流電力
はまた充電回路を介して直流電力に変換され、バッテリ
ーユニットに充電されている。商用電源が停電もしくは
電圧降下したときにはバッテリユニットから直流電力を
インバータ部に放電して同インバータ部から定電圧定周
波電力を出力させ、商用電源の停電もしくは電圧降下を
補償するものである。

一方、従来の別の停電補償可能電源装置として、商用電
源の電力で駆動される電動機の回転力によってフライホ
イールを備えた同期発電機を回転させ、同期発ｉ［の発
電電力をＣＶＣＦに供給し、同ＣＶＣＦから定電圧定周
波電力を出力させて負荷に給電する無停電ｒｆｉ源装置
がある。この無停電電源装置は商用電源が停電するとフ
ライホイールに蓄積された回転運動エネルギーを放出さ
せて同期発電機を回転させ、所要の交流電力を非停電時
と同様に発電させることによって停電を補償するもので
ある。

（発明が解決しようとする問題点）上記従来の無停電電源装置はいずれもＣＶＣＦを必要と
するため据付面積が大きくなり、かつ高価なものになる
という問題と、前者の無停電電源装置にはバッテリーユ
ニットが必要とされるため、バッテリーユニットの容量
が大きくなると発生ガスを排気させるための換気手段を
備えたバッテリー専用至もしくはバッテリー専用キユー
ビクルを必要とするため設置費が高くなる上、バッテリ
ーの保守点検を定期的に行なわなければならないため管
理に手間が掛り、かつバッテリーの寿命が短いという問
題があった。

そこで本発明においては、停電時にフライホイールに蓄
積された回転運動エネルギーを放出させて発電電動機を
回転させ、発１電動機を可変速定周波発電機として稼働
させ、同可変速定周波発電機自体から定周波電力を発電
させて負荷装置に給電することによって前記問題を解決
することを技術的課題とするものである。

（問題点を解決するための手段）上記課題解決のための技術的手段は、フライホイール電
源装置の構成を、端部にフライホイールを取付けた回転
軸には主回転子と励磁回転子とを設けて主回転子のコイ
ルと励磁回転子のコイルを逆相に電気接続し、かつ前記
主回転子の外周部には商用電源の電力が供給されるとと
もに負荷装置と電気接続されるコイルを備えた主固定子
を設け、さらに前記励磁回転子の外周部にはコイルが分
布巻状に巻かれ各単位コイルが相互に直列接続された励
磁固定子を設けた発電型ａｌ１機と、同発電電動機の回
転数を検出して回転数に対応した回転信号を出力する回
転数検出器と、前記発電電動機の励磁固定子の各単位コ
イルに接続されて各単位コイルに直流励磁電流を通電さ
せるスイッチング素子を備え、前記回転数検出器からの
回転信号を入力して前記発電電動機の回転数を認識した
うえ回転数の変動に応じて前記スイッチング素子を順次
切替えて前記励磁回転子のコイルを必要な正弦波交流で
励磁させるための制御装置と前記発電電動機からの発電
電力が商用電源側に流出することを防止させるための遮
断手段とを備えるようにすることである。

（作　用）上記構成によれば、非停電時には商用電源の電力により
発電電動様が電動機として駆動され、フライホイールに
回転運動エネルギーが蓄積される。

一方、商用電源電力はまた直接負荷装置にも同時給電さ
れる。

商用電源が停電すると、発電電動機はフライホイールに
蓄積された回転運動エネルギーの放出により回転され、
同時に制御装置は回転数検出器からの回転信号を入力し
て発電電動機の回転数を認識し、スイッチング素子を発
電電動機の回転数に対応して順次切換え、発電電動機の
励磁固定子の各単位コイルに直流電流を順次通電し、励
磁回転子のコイルを必要な正弦波交流で励磁することに
よって発電電動機を可変速定周波発電機として稼働させ
、同発電電動機の主固定子コイルから定周波電力を出力
させて負荷装置に給電することによって停電を補償する
ものである。なお、発電電動機が発電機どして稼働し、
電力が発電されているときは、遮断手段により発電電力
が商用電源側に流出することが防止される。

（実施例）次に本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本実施例のフライホイール電源装置のブロック
系統図を示したものである。図に示すようにフライホイ
ール電源装＠１は可変速定周波発電電動！ｆｉ２と同可
変速定周波発１！電動機２の回転軸２Ａに取付けられた
フライホイール３と、例えば３相２００Ｖ　　６０Ｈｚ
の商用電源から高速切換スイッチ４を介して電力が供給
されたときに可変速定周波発電電動機２を電動機として
始動及び運転制御する一方、商用電源が停電したときに
は可変速定周波発電電動機２を可変速定周波発電機とし
て発電制御させるための制御装置５と、可変速定周波発
電電動Ｆ１４２の回転軸２Ａの回転を検出して回転数に
対応した信号を出力するエンコーダ６とで構成される。

なお、高速切換スイッチ４は可変速定周波発電電動機２
が発電機として稼働したとき発電電力が商用電源側に流
出しないように１ｔｌｌｌｌ装置５によって遮断制御さ
れるもので通常は導通状態に制御される。

負荷装置！ＬＯは通常は直接、商用電源電力の供給を受
け、商用電源が停電した場合には可変速定周波発電電動
機２から電力が給電される。

第２図は可変速定周波発電電動機２の構成を示すもので
、回転軸２Ａには主回転子１３と励磁機１４の励磁回転
子１５が周設され、これらに対応して主固定子１６及び
励磁固定子１７が設けられている。なお、１３ａは主回
転子１３のコイル、１５ａは励磁機１４の回転子コイル
、１６ａは主固定子１６のコイル、１７ａは励磁固定子
１７のコイルである。

また、励磁１１１４の回転子コイル１５ａは主回転子コ
イル１３ａに逆相に電気接続され、励磁固定子コイル１
７ａは励磁固定子１７全周にわたって分布巻にした１２
個の単位コイルＣ１〜Ｃ１２から成り、それぞれが固定
子鉄心のスロットに収められており、第３図に示すよう
に各単位コイルＣ１〜Ｃ１２は相互に直列に接続される
とともに制御装置５内に設けられたスイッチング素子８
１〜Ｓ１２に接続されている。スイッチング素子８１〜
Ｓ１２は直流電源ＤＣに接続され、スイッチング素子８
１〜Ｓ１２が順次、オンされることによって各単位コイ
ルＣ１〜Ｃ１２に順次直流励磁電流が通電される。

スイッチング素子８１〜Ｓ１２は、その回路を第４図に
示す如く、ダイオード２１、トランジスタ２２、抵抗２
３でそれぞれ構成されている。そして端子２４は固定子
コイル１７ａの対応した単位コイル（スイッチング素子
Ｓ１には単位コイルＣ１）に接続され、端子２５．２６
は直５！電源ＤＣの（＋）、（−）とそれぞれ接続され
ている。また、端子２７．２８は制御入力用で、回転軸
２Ａの回転数をエンコーダ６で検出し、励！１１１４の
回転子コイル１５ａを励磁するに必要な周波数を演算し
、これにより算出した必要な切換速度の信号が入力され
る。

そして端子２７へ信号を入力すると端子２５がら端子２
４へ電流が流れ、端子２８へ信号を入力すると励磁固定
子コイル１７ａから端子２４を介して端子２６へ電流が
流れる。また端子２７，２８のいずれにも信号が入力さ
れないときは端子２４は端子２５．２６と不導通の状態
となる。

次に、上記構成による実施例の作用を説明する。

商用電源から３相２００Ｖ　　６０Ｈｚの電力が５速切
換スイッチ４に印加され高速切換スイッチ４が導通可能
状態になると、制御装置５は可変速定周波発電電動Ｖｓ
２の励１ａｌ１１４の固定子コイル１７ａを星形結線に
接続して中性点部に図示しない電流制限用の抵抗器を接
続し、高速切換スイッチ４をオンに制御して主固定子コ
イル１６ａに商用電源電力を供給すると、可変速定周波
発電電動機２は従来の巻線型誘導電動機と同様に滑らか
に起動する。制御袋＠５はざらに前記電流制限用の抵抗
器を順次短絡して回転を加速し、極数で決定される同期
速度近くまで可変速定周波発電型ｌｌ１機２の回転速度
を上げる。可変速定周波発電電動機２の回転速度が同期
速度近くまで高くなったとき、制御装置５は前記励磁Ｉ
ａ１４の固定子コイル１７ａの接続を星形結線から第３
図に示すような接続に切換え、エンコーダ６からの回転
信号を入力して演算した速度で固定子コイル１７ａの各
単位コイル０１〜Ｃ１２に励磁電流を通電する。励磁電
流が通電されると可変速定周波発電電動機２は同期電動
機として所定速度で回転し、フライホイール３に回転運
動エネルギーが蓄積されて停電補償待機状態になる。

これより以前に高速切換スイッチ４がオンにｉ制御され
ると同時に負荷装置し０に対して商用電源が供給される
。

次に、商用電源が停電すると、可変速定周波発電電動機
２はフライホイール３の回転運動エネルギーの放出によ
り回転するが、回転速度は次第に減少し、エンコーダ６
は次第に低下する回転速度に対応した信号を制御装置５
に出力する。制御袋＠５はエンコーダ６からの信号を入
力して可変速定周波発電電動機２の回転数を演算し、同
演算回転数に対応して前記スイッチング素子８１〜３１
２の切替制御をし、次に示すような作用により前記主固
定子コイル１６ａから定周波電力を出力させる。

今、スイッチング素子Ｓ１の端子２７とスイッチング素
子Ｓ７の端子２８に信号を入力し、他のスイッチング素
子を全て不導通状態にすると、電流は、直流電１１１Ｄ
Ｇの（＋）端子→スイッチング素流電源ＤＣの（−）端
子の経路を流れる。

この状態で回転軸２Ａが１８００　ｒ、ｐ、ｍ、で回転
しているとすると極数２の可変速定周波発電電動機２の
出力周波数ｆ１は式ｆ１＝ｆ２±１４／６０・Ｐ／２（ただし、ｆｌは主固定子コイル１６ａの出力周波数、ｆｌは主回転子コイル１３ａの周波数、Ｎは可変速定周
波発電電動機２の回転数、Ｐは極数とする。）から６０Ｈ２となる。そして回転軸２Ａの回転数が変動
しなければこの状−に保たれる。

さてスイッチング素子Ｓ２の端子２７とスイッチング素
子Ｓ８の端子２８に信号を入力し他のスイッチング素子
を不導通状態にすると、電流は上記と同様に、直流電＃
ＡＤＣの（＋）端子→スイッチ流電ＩＤＣの（−）端子
の経路を流れる。従って励磁機１４力励磁固定子１７に
発生する磁界は第５図でφ詩、φＳが１単位コイル分だ
け右へ移動した状態となる。これを磁界の合成ベクトル
で表わすと第６図のようになる。

即ち、スイッチング素子Ｓ１，３７をそれぞれ直流電源
ＤＣの（＋）側と（−）側に導通させたときの磁界の合
成ベクトルを３１の位置とすると、スイッチング素子３
２　、　Ｓ８をそれぞれ直流電源ＤＣの（＋）側と（−
）側に導通させたときの磁界の合成ベクトルは３２の位
置となる。同様にしてスイッチング索子Ｓ１〜Ｓ１２の
導通切替を直流電源ＤＣの（＋）側とは５ＬＳ２，８３
・・・８１２．８１の順に、（−）側とはＳ７、Ｓ　８
．　Ｓ　９・・・８１２・・・８６．８７の順に行なう
と磁界の合成ベクトルは一回転することになる。そして
スイッチング素子８１〜８１２の切替速度を変えると磁
界の回転速度が変化する。

なおスイッチング素子８１〜８１２の切替順序を上記と
逆にすれば磁界は逆に回転する。従って回転軸２Ａの回
転数が変化した場合はスイッチング素子Ｓ１〜３１２の
導通切替による磁界の移動を行なえば励磁ｔａ１４の励
磁回転子１５には略正弦波交流が発生し、またスイッ・
チング素子Ｓ１〜８１２の切替速度を変えることにより
必要とする周波数励磁を行なうことができる。

上記の例で回転軸２Ａの回転数が１８００ｒ、ｐ。

１、から１５０　Ｏｒ、ｐ、１．に変化したとすると、
スイッチング素子Ｓ１〜８１２を直ｉ電源の（＋）側を
Ｓｌ、Ｓ２・・・Ｓ１２．Ｓｌに、（−）側をＳ７・・
・Ｓ１２・・・Ｓ６、Ｓ７にそれぞれ切替え、この周期
を１秒間に１０回行なえば、励磁機１４の励磁回転子１
５には３５Ｈｚの正弦波交流が発生し、可変速定周波発
電電動機２の主固定子１６からは６０Ｈｚの周波数が出
力されることになる。

また、回転軸２Ａの回転数が１８０Ｏｒ、Ｅ）、■、か
ら２１０　Ｏｒ、ｐ、ｇ＋、に変化したとすると、スイ
ッチング素子８１〜８１２の切替えを上記と逆方向に１
秒間に１０回行なえばよい。

これにより励磁機１４の励磁回転子１５には２５Ｈｚの
正弦波交流が発生し、可変速定周波発電電動機２の主固
定子１６からは６０Ｈｚの周波数電力が出力されること
になる。

以上のように商用電源が停電し、可変速定周波発電電動
機２がフライホイール３の回転運動エネルギーの放出に
よって回転せられたとき、同可変速定周波発電電動機２
の回転数の変動に応じて励磁１１１４の固定子コイル１
７ａに対する励磁速度を変化させることによって主固定
子コイル１６ａの出力周波数を一定に制御することがで
きる。従って負荷ＬＯに対しては商用電源と同様の定周
波電力を給電することができる。

（発明の効果）以上のように本発明によれば商用電源が停電した場合に
は、発電電動機から直接定周波電力を出力することがで
きるために、従来のようにＣＶＣＦを必要とすることな
く、また、バッテリーユニットも必要としない。そのた
め、据付場所に制限のない構造簡単にして安価な無停電
電源装置の提供を可能にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので第１図はブロック系
統図、第２図は可変速定周波発電電動機の構成説明図、
第３図は励磁機の固定子コイルの接続例を示す説明図、
第４図はスイッチング素子の内部回路図、第５図は励ｖ
ａＶ！Ａの固定子に発生する磁界の説明図、第６図は磁
界の合成ベクトル図である。１・・・フライホイール電源装置２・・・可変速定周波発電電動機３・・・フライホイール４・・・高速切換スイッチ５・・・制御装＠　　　　　６・・・エンコーダ１３・
・・主回転子　　　　１３ａ・・・主回転子コイル１５
・・・励磁回転子　　　１５ａ・・・励磁回転子コイル
１６・・・主固定子　　　　１６ａ・・・主固定子コイ
ル１７・・・励磁固定子　　　１７ａ・・・励磁固定子
コイルＣ１〜Ｃ１２・・・単位コイル８１〜Ｓ１２・・・スイッチング素子出願人　　日本車輌製造株式会社代理人　　　弁理士　岡田英彦（外２名）第１図第２ＦＸｉ第３図第４図第６図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

端部にフライホイールを取付けた回転軸には主回転子と
励磁回転子とを設けて主回転子のコイルと励磁回転子の
コイルを逆相に電気接続し、かつ前記主回転子の外周部
には商用電源の電力が供給されるとともに負荷装置と電
気接続されるコイルを備えた主固定子を設け、さらに前
記励磁回転子の外周部にはコイルが分布巻状に巻かれ各
単位コイルが相互に直列接続された励磁固定子を設けた
発電電動機と、同発電電動機の回転数を検出して回転数
に対応した回転信号を出力する回転数検出器と、前記発
電電動機の励磁固定子の各単位コイルに接続されて各単
位コイルに直流励磁電流を通電させるスイッチング素子
を備え、前記回転数検出器からの回転信号を入力して前
記発電電動機の回転数を認識したうえ回転数の変動に応
じて前記スイッチング素子を順次切替えて前記励磁回転
子のコイルを必要な正弦波交流で励磁させるための制御
装置と前記発電電動機からの発電電力が商用電源側に流
出することを防止させるための遮断手段とを備えること
を特徴とするフライホイール電源装置。