特許 7537665 フライホイールを用いた無停電電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】フライホイールを用いた無停電電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/30 20060101AFI20240814BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20240814BHJP

   H02P 9/04 20060101ALI20240814BHJP

   F03G 3/08 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

H02J3/30

H02J15/00 A

H02P9/04 Z

F03G3/08 D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023077062

(22)【出願日】2023-05-09

【審査請求日】2024-04-04

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）刊行物等１ ▲１▼発行者名 一般社団法人電気学会 ▲２▼刊行物名 ２０２２年１２月１２日－２０２２年１２月１３日半導体電力変換／家電・民生／自動車合同研究会－１ 「フライホイール電動発電機の各種電源への応用」 ▲３▼巻数 号数 ４１－４４頁 ▲４▼発行年月日 令和４年１２月９日（金） ※ＰＤＦファイルにてダウンロード方式で頒布。 （２）刊行物等２ ▲１▼発行者名 一般社団法人電気学会 ▲２▼刊行物名 ２０２３年３月１７日 令和５年電気学会全国大会 セッション番号２２２－Ｃ１産業システム 制御理論・計測技術の産業応用 発表番号４－１８０「遊星歯車機構を備えたフライホイール電動発電機のリングギア回転速度制御による充放電装置」 ▲３▼発行年月日 発行日を特定することは困難であるが、電気学会の「令和５年電気学会全国大会」のＨＰによれば、上記全国大会の参加者に対してはダウンロード方式で頒布されている。また、不参加者に対してはＤＶＤ－ＲＯＭにて有償販売。販売申込受付けは、令和５年２月１日から開始されていると記載されている。ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｅ．ｊｐ／ｂｌｏｇ／ｔａｉｋａｉ２０２３／ したがって、発行年月日は、２月１日から３月１７日までの間であることは確実であり、本出願の出願日である５月９日の前から１年以内であることは論を俟たない。

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】899000057

【氏名又は名称】学校法人日本大学

(73)【特許権者】

【識別番号】520032099

【氏名又は名称】株式会社シグマエナジー

(74)【代理人】

【識別番号】100114269

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 貞喜

(72)【発明者】

【氏名】加藤修平

(72)【発明者】

【氏名】川口卓志

(72)【発明者】

【氏名】塩島大輔

【審査官】早川 卓哉

(56)【参考文献】

【文献】特表昭５７－５０１３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００７５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２０３０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２６３７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０２０５５５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１９０３４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２１６１２１８１４（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ３／００－５／００

Ｈ０２Ｊ１５／００

Ｈ０２Ｊ７／００－７／１２

Ｈ０２Ｊ７／３４－７／３６

Ｈ０２Ｊ９／００－１１／００

Ｈ０２Ｐ９／００－９／４８

Ｆ０３Ｇ１／００－７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力系統の電圧低下又は停電等の電力障害時に、電気負荷に対して交流電力を継続して供給するフライホイールを用いた無停電電源装置（以下この項において単に「無停電電源装置」という。）において、該無停電電源装置は、
前記電力障害の発生を検知する電力障害検知手段と、
前記電力障害検知手段が電力障害を検知した時に前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断する遮断器と、
前記電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有する誘導電動機又は同期電動機（以下この項において「電動発電機」という。）と、
前記電動発電機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、
前記電動発電機と前記フライホイールとの間に配置される遊星歯車と、
前記フライホイールの回転速度を検出する速度センサと、
前記遊星歯車のリングギアの回転を制御する制御用モータと、
制御手段と、を備えるとともに、
前記遊星歯車のサンギアは前記フライホイールの回転軸に接続され、
前記遊星歯車の遊星キャリアは前記電動発電機の回転軸に接続され、さらに、
前記制御手段は、
前記電力障害検知手段が電力障害を検知すると、前記遮断器を開極して前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断し、
前記速度センサが検出した前記フライホイールの回転速度と前記電動発電機の回転速度の目標値に基づいて所定の式により前記リングギアの回転数をリアルタイムで算出し、前記算出したリングギアの回転数になるように前記制御用モータを制御することにより、前記電動発電機の回転速度を前記目標値に維持して、前記電力障害が継続している間に前記電動発電機で発電した電力の電圧と周波数をほぼ一定に保ち、
前記電力障害検知手段が電力障害の解除を検知すると、前記遮断器を閉極して前記電力系統と前記電気負荷とを再接続することを特徴とする無停電電源装置。

【請求項2】

電力系統の電圧低下又は停電等の電力障害時に、電気負荷に対して交流電力を継続して供給するフライホイールを用いた無停電電源装置（以下この項において単に「無停電電源装置」という。）において、該無停電電源装置は、
前記電力障害の発生を検知する電力障害検知手段と、
前記電力障害検知手段が電力障害を検知した時に前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断する遮断器と、
前記電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有する誘導電動機又は同期電動機（以下この項において「電動発電機」という。）と、
前記電動発電機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、
前記電動発電機と前記フライホイールとの間に配置される遊星歯車と、
前記電動発電機の回転速度を検出する速度センサと、
前記遊星歯車のリングギアの回転を制御する制御用モータと、
制御手段と、を備えるとともに、
前記遊星歯車のサンギアは前記フライホイールの回転軸に接続され、
前記遊星歯車の遊星キャリアは前記電動発電機の回転軸に接続され、さらに、
前記制御手段は、
前記電力障害検知手段が電力障害を検知すると、前記遮断器を開極して前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断し、
前記速度センサが検出した前記電動発電機の回転速度が所定の目標値に保たれるように、前記リングギアの回転数を前記制御用モータでフィードバック制御することにより、前記電動発電機の回転速度を前記目標値に維持して、前記電力障害が継続している間に前記電動発電機で発電した電力の電圧と周波数をほぼ一定に保ち、
前記電力障害検知手段が電力障害の解除を検知すると、前記遮断器を閉極して前記電力系統と前記電気負荷とを再接続することを特徴とする無停電電源装置。

【請求項3】

電力系統の電圧低下又は停電等の電力障害時に、電気負荷に対して交流電力を継続して供給するフライホイールを用いた無停電電源装置（以下この項において単に「無停電電源装置」という。）において、該無停電電源装置は、
前記電力障害の発生を検知する電力障害検知手段と、
前記電力障害検知手段が電力障害を検知した時に前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断する遮断器と、
前記電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有する誘導電動機又は同期電動機（以下この項において「電動発電機」という。）と、
前記電動発電機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、
前記電動発電機と前記フライホイールとの間に配置される遊星歯車と、
前記フライホイールと前記電動発電機の回転速度を検出する速度センサと、
前記遊星歯車のリングギアの回転を制御する制御用モータと、
制御手段と、を備えるとともに、
前記遊星歯車のサンギアは前記フライホイールの回転軸に接続され、
前記遊星歯車の遊星キャリアは前記電動発電機の回転軸に接続され、さらに、
前記制御手段は、
前記電力障害検知手段が電力障害を検知すると、前記遮断器を開極して前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断し、
前記速度センサが検出した前記フライホイールの回転速度と前記電動発電機の回転速度の目標値に基づいて所定の式により前記リングギアの回転数をリアルタイムで算出し、前記算出したリングギアの回転数をフィードフォワード項とし、かつ、前記電動発電機の回転数の目標値とリアルタイムの回転数との偏差をＰＩＤ補償した値を前記算出したリングギアの回転数に加算して最終的なリングギアの回転数を決めるフィードバックループを備え、前記最終的なリングギアの回転数になるように前記制御用モータを制御することにより、前記電動発電機の回転速度をほぼ一定に維持して、前記電力障害が継続している間に前記電動発電機で発電した電力の電圧と周波数をほぼ一定に保ち、
前記電力障害検知手段が電力障害の解除を検知すると、前記遮断器を閉極して前記電力系統と前記電気負荷とを再接続することを特徴とする無停電電源装置。

【請求項4】

さらに遊星歯車を１個追加し（以下元からある遊星歯車を「主遊星歯車」、後から追加した遊星歯車を「副遊星歯車」という。）、前記主遊星歯車のリングギアは前記副遊星歯車の遊星キャリアに連結されており、両方のサンギアは直結されていて前記フライホイールに接続されており、かつ、前記主遊星歯車の遊星キャリアは前記電動発電機の回転軸に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無停電電源装置。

【請求項5】

前記電力障害検知手段が前記電力系統の電圧をリアルタイムで計測する電圧センサを備え、前記電力障害検知手段における電力障害発生の判定条件が、前記電圧センサで計測した電圧が予め設定した所定の電圧以下になったときに電力障害が発生したと判定し、前記電圧が予め設定した所定の電圧を超えた時に電力障害が解除されたと判定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無停電電源装置。

【請求項6】

前記電力障害検知手段が瞬時電力計測手段を備えるとともに、該瞬時電力の計測結果に基づいて逆潮流の発生を検出し、該逆潮流が所定のサイクル数連続して発生した時に電力障害が発生したと判定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無停電電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力系統の電圧の瞬時低下（瞬低）や停電などの電源異常時に、フライホイールに貯蔵された機械エネルギーを放出し電気エネルギーに変換して電源に電力を無停電・無瞬断で供給するフライホイールを用いた無停電電源装置に関し、特に、フライホイールの回転数が低下しても、持続して一定の周波数で電力を供給することが可能なフライホイールを用いた無停電電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、図９に示すような従来のフライホイールを用いた無停電電源装置が開示されている。すなわち、電力系統より供給される電力の電圧を検出する電圧検出器と、電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有するかご型誘導電動機１２と、かご型誘導電動機１２の回転軸に結合され、かご型誘導電動機１２の電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイール１３と、かご型誘導電動機１２と並列に接続される電圧発生用コンデンサ１４と、電力系統から負荷への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行う逆流防止スイッチＳＷ１と、かご型誘導電動機１２と電力系統との接続のＯＮ／ＯＦＦを行う再接続スイッチＳＷ２と、電圧検出器の電圧を監視し、所定の電圧になったときに逆流防止スイッチＳＷ１及び再接続スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御手段１５と、を備えるとともに、制御手段１５が、電圧が瞬間的に低下し所定の電圧以下となった時に、逆流防止スイッチＳＷ１をＯＦＦにすると同時に、既にＯＮになっている再接続スイッチＳＷ２を通して負荷に対して発電した電力を供給し、電圧が復帰して所定の電圧を超えた時に逆流防止スイッチＳＷ１をＯＮにすると同時に再接続スイッチＳＷ２をＯＦＦにし、その後、電力系統が安定した後に位相を合わせて再接続スイッチＳＷ２をＯＮに切り換えるように制御することを特徴とするフライホイールを利用した無停電電源装置である。

【0003】

一方、下記特許文献２にはフライホイールの回転周波数を一定に保つための無停電電源装置が開示されている。特許文献２の図１に示すように、電力系統１の異常時に制御手段１１によって電磁クラッチ７を接続させて、フライホイール６の慣性力によって原動機８を慣性起動させ、原動機８の回転トルクによりフライホイール６を再加速させることで、フライホイール６に接続された誘導電動機（この時は発電機になる。）４により発電した電力を一定の周波数で電気負荷３に供給できるようにする無停電電源装置である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－２３５１７９号公報

【文献】特許第７０６７７２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１に記載のフライホイールを用いた無停電電源装置は、周波数は安定化させずに、電圧のみを負荷が許容する範囲に維持するだけの機能を持つ、小型、シンプルな、低価格の無停電電源装置であり、出力される電力の周波数がフライホイールの周波数に依存してしまうため、周波数を厳密に一定に保たなければならない負荷に電力を供給するためには、インバータなどで周波数変換を行ない、出力される周波数を一定に保つ必要がある。
しかし、インバータなどの機器は高価になり、フライホイール無停電電源装置の経済的な利点が損なわれてしまう。
一方、上記特許文献２に記載の発明のように、フライホイールを再加速させる装置であっても、一時的（短時間）にはフライホイールの回転数が低下するために、周波数の変化が致命的になるような負荷への電力を補償することができないという問題がある。

【0006】

本発明は、かかる従来のフライホイールを用いた無停電電源装置の問題点を解決するためになされたものであり、電力系統の異常時においてフライホイールの回転数が一時的に低下しても、継続して一定の（電力系統の）周波数で電力を供給することが可能なフライホイールを用いた無停電電源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、電力系統からの電力供給に障害が生じた際に、電気負荷に対して一定の周波数で交流電力を継続して供給するフライホイールを用いた無停電電源装置（以下単に「無停電電源装置」）という）に関し、本発明の上記目的は、前記電力障害の発生を検知する電力障害検知手段と、前記電力障害検知手段が電力障害を検知した時に前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断する遮断器と、前記電力系統からの電力の供給を受けて回転駆動され、電動機と発電機の両方の機能を有する誘導電動機又は同期電動機（以下この段落において「電動発電機」という。）と、前記電動発電機と並列に接続される電圧発生用コンデンサと、前記電動発電機と前記フライホイールとの間に配置される遊星歯車と、前記フライホイールの回転速度を検出する速度センサと、前記遊星歯車のリングギアの回転を制御する制御用モータと、制御手段と、を備えるとともに、
前記遊星歯車のサンギアは前記フライホイールの回転軸に接続され、前記遊星歯車の遊星キャリアは前記電動発電機の回転軸に接続され、さらに、前記制御手段は、前記電力障害検知手段が電力障害を検知すると、前記遮断器を開極して前記電力系統と前記電気負荷との接続を遮断し、前記速度センサが検出した前記フライホイールの回転速度と前記電動発電機の回転速度の目標値に基づいて所定の式により前記リングギアの回転数をリアルタイムで算出し、前記算出したリングギアの回転数になるように前記制御用モータを制御することにより、前記電動発電機の回転速度を前記目標値に維持して、前記電力障害が継続している間に前記電動発電機で発電した電力の電圧と周波数をほぼ一定に保ち、
前記電力障害検知手段が電力障害の解除を検知すると、前記遮断器を閉極して前記電力系統と前記電気負荷とを再接続することを特徴とする無停電電源装置によって達成される。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る無停電電源装置によれば、遊星歯車機構を用いることによって、インバータなどの電気的な周波数変換器を用いることなく、フライホイールの回転数が変化しても誘導電動機の回転数を一定に保つことが可能になり、無停電電源装置から出力される電力の周波数を一定に保つことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係る無停電電源装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図2】遊星歯車の構造（一例）を示す斜視図である。

【図3】制御手段における制御フローを示すフローチャートの一例である。

【図4】本発明に係る無停電電源装置の試作機の外観を示す写真である。

【図5】本発明に係る無停電電源装置の試作機の諸元表である。

【図6】本発明に係る無停電電源装置の試作機による実験結果を示すデータである。

【図7】本発明に係る無停電電源装置の構成の変形例を示すブロック図である。

【図8】制御手段における制御の他の例を示すブロック図である。

【図9】従来のフライホイールを用いた無停電電源装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る無停電電源装置について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る無停電電源装置の構成の一例を示すブロック図である。電力系統１に、半導体を用いた遮断器（以下「遮断器」という。）２を介して電気負荷（以下「負荷」という。）３が接続されている。また、電力系統１には、遮断器２を介して電動機と発電機の両方の機能を有する誘導電動機４が接続され、電力系統１からの電力の供給を受けて回転駆動される。なお、ここでは誘導電動機を例として説明しているが、誘導電動機に替えて同期電動機でも構わない。

【0011】

さらに、誘導電動機４と並列に電圧発生用コンデンサ５が接続されている。
誘導電動機４の回転軸４ａは、遊星歯車７を介して電気エネルギーを機械エネルギーとして蓄えるフライホイール６と結合されている。
ここで、遊星歯車７について、図２を参照しつつ詳細に説明する。遊星歯車７の中心にある太陽歯車（サンギア）７ａは入力軸を介してフライホイール６の回転軸と結合されている。
また、サンギア７ａの周りを回る３個の遊星歯車（プラネタリギア）７ｄは遊星キャリア７ｂに固定され、遊星キャリア７ｂに結合された出力軸が誘導電動機４の回転軸４ａと結合されている。さらに、プラネタリギア７ｄは内歯車（リングギア）７ｃとギア結合されている。この構成により、リングギア７ｃの回転を外部から制御することにより、フライホイールの回転数変化（＝入力軸の回転数変化）にかかわらず、誘導電動機４（＝誘導発電機）の回転軸４ａの回転数（＝出力軸の回転数）を一定に保つことが可能となる。
具体的に言えば、リングギア７ｃをサンギア７ａと逆方向に回すと、サンギア７ａの回転速度が増し、その逆に、リングギア７ｃをサンギア７ａと同じ方向に回すと、サンギア７ａの回転速度が減る。

【0012】

再び図１に戻ると、リングギア７ｃには小型の制御用モータ８によって回転駆動される補助ギア８ａが結合され、制御用モータ８によってリングギア７ｃの回転を制御するように構成されている。なお、制御用モータ８の電力は、電力系統１が正常時は電力系統からの電力でまかなわれ、電力系統１の異常時は誘導電動機４が発電した電力によってまかなわれる。

【0013】

さらに、電力系統１の電圧をリアルタイムで監視する電圧センサ９と、フライホイール６の回転速度（毎分の回転数rpm）をリアルタイムで検出する速度センサ１０が備えられている。
さらにまた、遮断器２の開閉と、リングギア６が結合されている制御用モータ８の制御を行なう制御手段１１が備えられている。
制御手段１１は、後述のように、電圧センサ９で計測した電圧(Ｖ)や速度センサ１０で計測したフライホイールの回転速度（Ｎｓ）に基づいて、遮断器２の開閉を行ったり、制御用モータ８の回転を制御したりすることによりリングギア７ｃの回転数を制御する。
電圧センサ９は電力障害検知手段の一例である。制御手段１１としては、汎用のパソコン、又はマイクロプロセッサを備えた専用の電子回路を用いることが可能である。
また、遮断器２としては、高速スイッチングが可能な半導体式スイッチが好ましい。例えば、サイリスタやパワーMOSFET等である。

【0014】

次に、図１に記載した無停電電源装置の制御手段１１による制御フローについて、図３に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。
制御手段１１の電源ＯＮ等のトリガ等の入力により制御がスタートすると、電圧センサ９で計測された電力系統１の電圧Ｖ（以下「電圧Ｖ」という。）及び速度センサ１０で計測されたフライホイール６の回転速度Ｎｓ（以下「回転速度Ｎｓ」という。）がリアルタイムに制御手段１１に入力される（ステップＳ１）。

【0015】

このとき、誘導電動機４の回転によってＦＷも加勢されて回転するが、リングギアが固定であると、後述の遊星歯車の減速率により、ＦＷの回転数は誘導電動機４の回転数の３倍の同期速度で待機状態となる。しかし、停電後のＦＷの回転数の自然低下を考慮すると、同期速度よりも少し高い速度で待機するのが好ましい。今迄は、誘導電動機４とフライホイール６が軸直結されている都合上、これは不可能であった。
そこで、下記の式１によりリングギア７ｃの回転数Ｎｒを算出して、制御モータ８によってリングギア７ｃの回転を制御してＦＷの回転数を同期速度よりもやや高い回転数に維持して待機する（ステップＳ２）。

【0016】

具体的には、誘導電動機４の極数を６とすると、同期速度（すべりを０とした場合）は1,000rpm（50Hｚ時）となる。また、後述のように、λ＝0.5とすると、減速率＝（１＋λ）／λ＝３だから、正常時のフライホイールの待機速度は3,000rpmになるが、停電後の自然速度低下の余裕を持たせるために、少し高め（3,400rpm）にして待機させるのがよい。すなわち、フライホイールを同期速度で待機させるのであれば、Ｎｓ＝3,000になるので、式１より、Ｎｒ＝０、すなわち、リングギアは固定でよいが、少し高めにして待機させるためには、Ｎｒ＝－200、すなわち、サンギアと逆方向に200rpm回転させて待機する。

【0017】

電圧Ｖが所定値Ｅ（例えばAC90V）以上の場合（Ｓ３がＹＥＳの場合）は正常と判断してステップＳ１に戻って、電圧Ｖの監視を続けるとともに、リングギアの回転を制御してＦＷを所定の回転速度で待機させる（ステップＳ２）。
ステップＳ３において、電圧Ｖが所定値Ｅ未満に下がった場合は（Ｓ３がＮＯの場合）、電力障害が発生したと判定し、遮断器２を開極して電力系統１と負荷３（及び誘導電動機４）との接続を遮断する（ステップＳ４）。

【0018】

そうすると、誘導電動機４は自動的に発電機に切り替わり、発電を開始して負荷３に電力を供給する（ステップＳ５）。
誘導電動機４はフライホイール６の慣性力で回転して発電しているので、フライホイール６が時間とともに回転速度Ｎｓが落ちると、誘導電動機４の発電電圧及び周波数が低下する。
このため、フライホイール６の回転速度Ｎｓが低下しても誘導電動機４の回転速度（＝遊星キャリア７ｂの回転速度Ｎｃに等しい。）が目標速度（例えば同期速度）に維持されるようにリングギア７ｃの回転速度を制御する必要がある。

【0019】

そこで、速度センサ１０で計測した回転数Ｎｓを取得し（ステップＳ６）、次の式１に基づいてリングギアの回転数（Ｎｒ）を算出し、その回転数になるように制御用モータ８の回転数Ｎｍを制御する（ステップＳ７）。
すなわち、
Ｎｒ＝（１＋λ）×Ｎｃ－λ×Ｎｓ…（式１）
ここに、λ＝（サンギアの歯数）／（リングギアの歯数）である。
例えば、サンギアの歯数を48，リングギアの歯数を96とすると、λ＝0.5となる。

【0020】

もし、この間に電力系統１の電力障害が解除になれば、発電機４から負荷３へ電力を供給する必要はなくなるので、電力系統１が復帰したか否かを判定する必要がある。これは、電圧Ｖが所定値Ｅ以上になったか否かで判断する（ステップＳ８）。
系統電圧が所定値以上にならない場合（＝異常が継続。ステップＳ８のＮＯ）は、ステップＳ６に戻って、Ｓ６→Ｓ７の処理を繰り返す。これにより、ＦＷの回転数が時間とともに低下するにもかかわらず、誘導電動機４の回転速度は目標値のＮｃ（1,000rpm）に維持され、発電電圧及び周波数がほぼ一定に保たれる。

【0021】

なお、この実施例では、リングギアの回転は、それとギア結合している補助ギア８ａを制御用モータ８により回転させることにより制御しているので、制御用モータ８の回転数Ｎｍは、リングギア７ｃの外歯車の歯数（ｎ_１）と補助ギア８ａの歯数（ｎ_２）の比（ｎ_１／ｎ_２）で決まる。すなわち、式１で求めたＮｒに（ｎ_１／ｎ_２）を掛けたものになる。
∴Ｎｍ＝（ｎ_１／ｎ_２）×Ｎｒ

【0022】

一方、系統電圧Ｖが所定値以上になった場合（ステップＳ８のＹＥＳ）、電力系統が正常に復帰したと判断して、制御手段１１が遮断器２を閉極して電力系統に再接続する（ステップＳ９）。すると、誘導電動機４は電動機に戻り、そのトルクでＦＷを回して同期速度よりも少し高い回転数（3,400rpm）で待機させるために、式１に、Ｎｃ＝1,000、Ｎｓ＝3,400を代入して求めたＮｒ＝－200、すなわち、サンギアと逆方向に200rpm回転させて待機する（ステップＳ１０）。そして、ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。

【0023】

上記式１のリングギア回転数Ｎｒをフィードフォワード項とし、停電中に誘導電動機４の現在の回転数（発電周波数）を微調整するフィードバックループ（偏差＝目標周波数－現在の周波数、出力＝リングギア回転数微調整項、最終的なリングギア回転数＝前記の出力＋式１の結果）を設けても良い。というのは、発電周波数は誘導発電機の場合は発電出力に僅かに依存するためである。図８はこの制御のブロック図の例を示したものである。
さらに言えば、実験例では周波数は一定で保たれているが、50Hzではなく49Hzとなっている。つまり式１による制御によってリングギアを回転させても、電動発電機（誘導機）の「回転数」が目標値に保たれるだけで、実際の「発電周波数」はそれより若干低下してしまう。誘導発電機には「すべり」があるためである。
つまり、停電時に50Hzちょうどで発電するには、電動発電機（誘導機）の目標回転数を若干高めに設定する必要がある。若干とはどの程度かというと０～５％ほどである。ただ、その程度は接続されている電気負荷や電動発電機の電気特性に依存する。
そのため、「発電周波数」を50Hzちょうどにすべく、式１で求まるＮｒを「かさ増し」する。かさ増しする量は、フィードバック制御で決めるのがよいという趣旨である。

【0024】

また、速度センサ１０が誘導電動機４の回転数Ｎｃをモニタリングして、フィードバック制御により制御用モータ８を制御することもできる。すなわち、Ｎｃをモニタリングし、Ｎｃが一定になるようにＮｒをフィードバック制御すればよい。具体的には、Ｎｃが目標値よりも低下したらリングギア７ｃをサンギア７ａと逆方向に回して目標値に戻し、Ｎｃが目標値よりも高くなったらリングギア７ｃをサンギア７ａと同じ方向に回して目標値に戻す。

【0025】

本発明に係る無停電電源装置の動作確認および有用性の検証のため、新たに小容量システムの設計・試作を行った。
図４は試作機の外観を示す写真であり、図５は各構成要素の諸元一覧表である。図４において、主電動発電機として三相誘導発電機を採用しているが、同期発電機でも構わない。
また、リングギアを外力により回転させるために、リングギアの外周にも歯車が切られており、その歯車と結合する補助ギアを制御用モータで回転制御している。また、プラネタリギアは３個の歯車で構成されている。また、フライホイールの慣性は無限である。
図５から分かるように、上述のλは、λ＝48／96＝0.5である。また、電動発電機の同期速度（定格速度）は1,000rpmである。

【0026】

図６は、図４に示した試作機を用い、上記式１による制御を行った実験結果を示す図である。横軸はＦＷの回転速度（rpm）であり、縦軸はそれぞれ発電機端子電圧（左）と発電機周波数（右）を表している。
図中、「▲」で示したのは、電力系統に異常が発生して遮断器２が開極した後、ＦＷの回転速度が待機速度（3,400rpm）から徐々に低下して行った場合に、本発明による制御を適用したときの発電機の発電電圧の変化を表したものであり、「×」で示したのはその周波数の変化を表したものである。
図から分かるように、本発明に係る無停電電源装置の場合は、電力系統の異常発生によりＦＷの回転数が待機状態（3,400rpm）から約2600rpmまで低下したとしても、発電電圧（▲）は、ほぼ195Vの辺りで一定に保たれている。また、周波数（×）も約49Hzでほぼ一定である。
これで、制御用モータ８を用いてリングギア７ｃの回転速度を制御すれば、誘導電動機４の回転速度を一定に保つことができ、発電電圧及び周波数を一定に保つことができることを実証したことになる。

【0027】

一方、図中、「●」で示したのは、電力系統に異常が発生して遮断器２が開極した後、ＦＷの回転速度が同期速度（3,000rpm）から徐々に低下して行った場合の従来の発電機の発電電圧の変化を表したものであり、「◎」で示したのはその周波数の変化を表したものである。すなわち、ＦＷの回転数低下がそのまま発電機の回転数低下に直結する。
図から分かるように、従来の無停電電源装置の場合は、電力系統の異常発生によりＦＷの回転数が待機状態（3,000rpm）から約2,900rpmまで低下する間に、発電電圧（●）は、約195Ｖから一気に約120Vまで低下し、周波数（◎）も約49Hzから約47.5Hzまで低下してしまうが、本発明はこのような問題を解決することができる。

【0028】

図７は、本発明に係る無停電電源装置の構成の変形例を示すブロック図である。図１と違う点は、遊星歯車が二連になっていることである。すなわち、主遊星歯車に加えて副遊星歯車を使う点である。主遊星歯車のリングギアは副遊星歯車の遊星キャリアに連結されており、両方のサンギアは直結されていてフライホイール６に接続されている。主遊星歯車の遊星キャリア７ｂは主電動発電機（誘導電動機）に接続されている。こうすることで、リングギア制御のための制御用モータ８のパワーが少なくて済むという利点がある。

【0029】

以上で実施形態の説明を終了するが、この発明において、装置の具体的な構成は実施形態で説明したものに限るものではない。
例えば、上述の実施形態では電力障害の発生を電圧Ｖの低下で判断しているが、電力系統の瞬時電力を計測（算出）することによって、瞬時電力の計測結果に基づいて逆潮流の発生を検出し、逆潮流が所定のサイクル数（例えば１０サイクル）連続した時に電力障害が発生したと判定して遮断器２を開極するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0030】

１：電力系統
２：遮断器
３：電気負荷
４：誘導電動機（又は同期電動機）
５：電圧発生コンデンサ
６：フライホイール
７：遊星歯車
７ａ：サンギア
７ｂ：遊星キャリア
７ｃ：リングギア
７ｄ：プラネタリギア
７ｅ：副遊星歯車
８：制御用モータ
８ａ：補助ギア
９：電圧センサ
１０：速度センサ
１１：制御手段

【要約】

【課題】発電電力の電圧及び周波数を一定に保持することが可能な、フライホイールを用いた無停電電源装置を提供すること。
【解決手段】電力系統１の電圧低下又は停電等の電力障害時に、電気負荷３に対して交流電力を継続して供給するフライホイールを用いた無停電電源装置において、フライホイール６の回転数低下時に、遊星歯車７のリングギア７ｃの回転速度を制御することによって、電力系統１に接続された誘導電動機４を一定の回転数で回転させることで、発電した電力の電圧と周波数を一定に保持する。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】