DE112016001488T5

DE112016001488T5 - Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements

Info

Publication number: DE112016001488T5
Application number: DE112016001488.0T
Authority: DE
Inventors: Naoto SHINOHARA; Motofumi Tanaka; Shigeo MAEZAWA; Masaya Kawakami
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-01-11
Also published as: JP2016189667A; JP6230561B2; DE112016001488T8; CN107529349A; CN107529349B; WO2016158951A1

Abstract

In einer Ausführungsform eines Energieversorgungsschaltkreises zum Treiben eines Kriechentladungselements mit einer Entladungselektrode, einer Induktionselektrode und einem dazwischen angeordneten dielektrischen Körper ist ein Schalt-Schaltkreis gebildet durch paralleles Verbinden von zwei Sätzen von Reihenschaltungen, die jeweils eine Reihenschaltung eines positivseitigen Schaltelements und eines negativseitigen Schaltelements sind, und empfängt eine Gleichstrom-Energieversorgung. Ein Glättungskondensator ist parallel zu dem Schalt-Schaltkreis geschaltet, und eine Primärseite eines Transformators ist zwischen Ausgangsanschlüssen des Schalt-Schaltkreises angeschlossen. Eine Stromerfassungseinrichtung erfasst einen durch das negativseitige Schaltelement fließenden Strom, und eine Schutzoperationseinrichtung erfasst eine Resonanzfrequenz des Stroms auf Grundlage eines durch eine Nulldurchgang-Erfassungseinrichtung erfassten Nulldurchgangspunktes und führt eine Überlastschutzoperation auf Grundlage einer Änderung der Resonanzfrequenz aus.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements.
HINTERGRUNDTECHNIK
Ein Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements ist beispielsweise ausgestaltet durch einen Schalt-Schaltkreis, der eine Gleichstrom-Spannungsquelle erstellt oder unterbricht, eine Resonanzdrossel und einen Hochspannungs-Hochsetztransformator. Der Energieversorgungsschaltkreis erzeugt eine Hochfrequenz-Hochspannung durch Nutzung des Resonanzphänomens, das durch die Resonanzdrossel und die kapazitive Komponente des Kriechentladungselements verursacht ist. Unter solch einer Ausgestaltung variiert die Kapazitätskomponente des Kriechentladungselements nicht nur signifikant durch die Umgebung bzw. Umwelt, sondern auch durch den Zustand des Streamerwachstums (Engl.: streamer growth) etc., das auftritt, wenn das Kriechentladungselement sich entlädt. Es war somit erforderlich, die durch die Spannung und den Strom bestimmte elektrische Leistung zu begrenzen und zu veranlassen, dass die Resonanzfrequenz innerhalb eines gewissen Bereichs arbeitet, wie in Patentdokument 1 offenbart. Ferner wurde der Umgebungszustand des Energieversorgungsschaltkreises durch Verwendung einer separaten Regenerfassungsvorrichtung oder dergleichen erfasst, und die Energieversorgung wurde wie erforderlich gestoppt.
VERWEIS AUF STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: Patent Nr. 4029422

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Somit wird ein Energieversorgungsschaltkreis bereitgestellt zum Treiben eines Kriechentladungselements, der fähig ist zum Vermeiden, dass der Schaltkreis in einen überlasteten Zustand versetzt wird, selbst wenn die schwebende Kapazität (Engl.: floating capacitance) des Kriechentladungselements unter dem Einfluss der externen Umgebung bzw. Umwelt und durch Verschlechterung des Kriechentladungselements erhöht wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Gemäß einer Ausführungsform eines Energieversorgungsschaltkreises zum Treiben eines Kriechentladungselements mit einer Entladungselektrode, einer Induktionselektrode und einem dazwischen angeordneten dielektrischen Körper ist ein Schalt-Schaltkreis gebildet durch paralleles Verbinden von zwei Sätzen von Reihenschaltungen, die jeweils eine Reihenschaltung eines positivseitigen Schaltelements und eines negativseitigen Schaltelements sind, und empfängt eine Gleichstrom-Energieversorgung. Ein Glättungskondensator ist parallel mit dem Schalt-Schaltkreis geschaltet, und eine Primärseite eines Transformators ist zwischen Ausgangsanschlüssen des Schalt-Schaltkreises angeschlossen. Eine Stromerfassungseinrichtung erfasst einen durch das negativseitige Schaltelement fließenden Strom, und eine Schutzoperationseinrichtung erfasst eine Resonanzfrequenz des Stroms auf Grundlage eines durch eine Nulldurchgang-Erfassungseinrichtung erfassten Nulldurchgangspunktes und führt eine Überlastschutzoperation auf Grundlage einer Änderung der Resonanzfrequenz aus.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 erstreckt sich auf eine erste Ausführungsform und veranschaulicht schematisch eine elektrische Ausgestaltung eines Energieversorgungsschaltkreises.
2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation des Energieversorgungsschaltkreises angibt.
3 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation des Energieversorgungsschaltkreises angibt, wenn die Lastkapazität klein ist.
4 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation des Energieversorgungsschaltkreises angibt, wenn die Lastkapazität groß ist.
5 veranschaulicht eine elektrische Ausgestaltung eines Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises.
6 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises angibt.
7 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerungsfluss einer MCU herausstellt.
8 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Zustand angibt, in dem der Energieversorgungsschaltkreis intermittierend betrieben ist.
9 veranschaulicht eine elektrische Ausgestaltung eines Leistungserfassungsschaltkreises.
10 ist ein Zeitablaufdiagramm, das eine in dem Energieversorgungsschaltkreis durchgeführte Leistungssteuerung angibt.
11 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerungsfluss einer durch die MCU durchgeführten Überlastschutzoperation herausstellt.
12 erstreckt sich auf eine zweite Ausführungsform und veranschaulicht eine elektrische Ausgestaltung eines Energieversorgungsschaltkreises.
13 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation des Energieversorgungsschaltkreises angibt.
14 veranschaulicht eine elektrische Ausgestaltung eines Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises.
15 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises veranschaulicht.
BESTER MODUS ZUM REALISIEREN DER ERFINDUNG
(ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM)
Im Nachfolgenden wird eine Beschreibung bezüglich einer ersten Ausführungsform mit Verweis auf 1 bis 11 gegeben werden. 1 veranschaulicht eine elektrische Ausgestaltung eines Energieversorgungsschaltkreises gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Ein Gleichrichterschaltkreis 1 ist beispielsweise versehen mit einem Dreiphasen-Gleichrichter 3, der beispielsweise mit einer kommerziellen Dreiphasen-Wechselstrom-Energieversorgung 2 verbunden ist, einer Strombegrenzungsdrossel 4 und einem Glättungskondensator 5. Der Gleichrichterschaltkreis 1 wandelt 200 V (Vac) eines Dreiphasen-Wechselstroms in einen 280 V (Vdc) Gleichstrom um.
Ein mit dem Gleichrichterschaltkreis 1 verbundener Runtersetz-Schaltkreis 6 ist versehen mit einer Reihenschaltung von Schaltelementen 7 und 8 und einer Reihenschaltung einer Drossel 9 und eines Glättungskondensators 10, die mit dem Schaltelement 8 parallelgeschaltet sind. Der Runtersetz-Schaltkreis 6 setzt die Ausgangsspannung des Gleichrichterschaltkreises 1 auf einen Bereich von 20V bis 200V runter. Ein mit beispielsweise einer Freilaufdiode versehener IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) wird als Schaltelemente 7 und 8 verwendet. Jedoch kann anstelle dessen eine Leistungsvorrichtung, so wie ein MOSFET (Field Effect Transistor) verwendet werden. Eine Halbleitervorrichtung, so wie ein Gleichrichter, welche(r) nicht eine Selbstauslöschvorrichtung ist, kann auch als das Schaltelement 8 verwendet werden.
Ein mit dem Runtersetz-Schaltkreis 6 verbundener Reihenresonanz-Schaltkreis 11 ist mit einem Schalt-Schaltkreis (H-Brücke-Schaltkreis) 12 versehen, der durch Schaltelemente 12a, 12b, 12c und 12d ausgestaltet ist. Eine primärseitige Wicklung 15 eines Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 ist zwischen den Ausgangsanschlüssen des Schalt-Schaltkreises 12 via eine Resonanzdrossel 13 angeschlossen. Ein Kriechentladungselement 17 (Entladungselementkapazität), repräsentiert durch ein Symbol eines Kondensators, ist mit einer sekundärseitigen Wicklung 16 des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 verbunden. Das Kriechentladungselement 17 ist ausgestaltet durch Anordnen eines dielektrischen Körpers 17c zwischen einer Entladungselektrode 17a und einer Induktionselektrode 17b.
Stromerfassungselemente 18a, 18b (Stromerfassungseinrichtung(en)) sind zwischen den Schaltelementen 12d, 12c, die der negative Zweig des Schalt-Schaltkreises 12 sind, und der negativseitigen Energieversorgungsleitung eingesetzt. Die Treibersignale der Schaltelemente 7 und 8 und Schaltelemente 12a bis 12d werden durch eine MCU 19 (siehe 5, als eine Stromerfassungseinrichtung, Steuereinrichtung, Schutzoperationseinrichtung dienend) gegeben. Die Schaltoperation des Schalt-Schaltkreises 12 verursacht ein Resonanzphänomen des Kriechentladungselements 17 und der Resonanzdrossel 10. Die MCU (Mikrocomputer) 19 erfasst den Resonanzstrom durch die Stromerfassungselemente 18a, 18b und gibt Treibersignale der Schaltelemente 12a bis 12d auf Grundlage des Resonanzstroms aus. Die oben beschriebene Ausgestaltung bildet den Energieversorgungsschaltkreis 20.
Als Nächstes wird die Operation der vorliegenden Ausführungsform mit Verweis auf 2 bis 10 beschrieben werden. Wie in 2 gezeigt, werden die Treibersignale der Schaltelemente 12a und 12b so ausgegeben, dass die Schaltelemente 12a und 12b mit einem 50% Tastverhältnis (Engl.: duty) der Schaltfrequenz an-geschaltet werden, spezifiziert zu der Kriechentladungsperiode. Die MCU 19 schaltet die Schaltelemente 12a und 12c gleichzeitig an. Die MCU 19 schaltet die Schaltelemente 12a und 12c zu dem Zeitpunkt aus, in dem der Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms, der via die Resonanzdrossel 13 und den Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformator 14 fließt, durch das Stromerfassungselement 18b erfasst wird. Ähnlich werden die Schaltelemente 12a und 12d, die durch die MCU 19 gleichzeitig an-geschaltet worden sind, zu dem Zeitpunkt aus-geschaltet, wenn der Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms erfasst worden ist. Die Resonanzfrequenz des Resonanzstroms ist höher als die Schaltfrequenz der Schaltelemente 12a und 12b und ist somit schneller als die Steuerperiode der MCU 19.
Die Resonanzfrequenz ändert sich durch die schwebende Kapazität des Kriechentladungselements 17 selbst und durch die Kapazitätskomponente, die dem Wachstumsstatus etc. eines Streamers entspricht, welcher erzeugt wird, wenn das Kriechentladungselement 17 sich entlädt. Besonders wenn das Kriechentladungselement 17 im Freien platziert ist, ändert sich die schwebende Kapazität des Kriechentladungselements 17 durch Umweltfaktoren, so wie Regen, und durch Staub und Dreck, die auf das Kriechentladungselement 17 treffen. 3 und 4 geben die sekundärseitige Spannungswellenform und die sekundärseitige Stromwellenform des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 an, wenn eine Lastvariation aufgetreten ist, und die Resonanzfrequenz und der Nulldurchgangspunkt des Stroms unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Größe der Last. In dem Kriechentladungselement 17, das wie oben beschrieben einer Lastvariation unterworfen ist, wird es nicht möglich sein, einen normalen Resonanzbetrieb aufrechtzuerhalten, es sei denn ein Aus-Befehl der Schaltelemente 12c, 12d wird durch Erfassen des Nulldurchgangspunktes des Resonanzstroms erzeugt.
Wenn die in 4 angegebene Lastkapazität groß ist, ist ferner die Resonanzfrequenz zweimal so groß wie die Schaltfrequenz. Wenn solch einer Last unterworfen, kann ein Kurzschluss zwischen Schaltelementen 12a und 12d und zwischen 12b und 12c des Schalt-Schaltkreises 12 auftreten. Es ist möglich, einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, durch Erzeugen einer Nullstromperiode wie in dem Fall, wenn eine Lastkapazität klein ist, durch Erfassen des Nulldurchgangspunktes des Resonanzstroms und Reduzieren der Schaltfrequenz in dem Fall, dass die Resonanzfrequenz ungefähr das Doppelte der Schaltfrequenz ist.
Somit ist es in einem Energieversorgungsschaltkreis 20 zum Treiben des einer großen Lastvariation unterworfenen Kriechentladungselements 17 erforderlich, den Reihenresonanz-Schaltkreis 11 auf Grundlage des Nulldurchgangspunktes des Stroms zu steuern. Anderenfalls wird nicht nur der betriebsfähige Bereich des Energieversorgungsschaltkreises 20 begrenzt sein, sondern es wird auch die Zuverlässigkeit von Schaltkreiselementen reduziert werden. Um das Treibersignal stabil in Abhängigkeit von der Lastumgebung zu erzeugen, wird ein wie in 5 gezeigter Schaltkreis verwendet, der den Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms erfasst, und der ein Unterbrechungssignal zum Aus-Schalten des Schaltelements 12c (und 12d) erzeugt.
In dem Schaltkreis dieses Beispiels wird ein Nebenschlusswiderstand als das Stromerfassungselement 18 verwendet. Weil die durch den Nebenschlusswiderstand 18 erfassten Ströme schwache Signale sind, werden die Signale durch den Differenzverstärker-Schaltkreis 21 verstärkt, um das Signal-zu-Rausch-(S/N)Verhältnis zu verbessern. Der Differenzverstärker-Schaltkreis 21 ist mit einem Operationsverstärker 22 versehen, und der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 ist mit einem Ende (der Emitter des Schaltelements 12c) des Nebenschlusswiderstands 18 via ein Widerstandselement 23 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 wird auch via das Widerstandselement 24 hochgezogen. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 ist mit dem anderen Ende (Masse) des Nebenschlusswiderstands 18 via Widerstandselement 25 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 ist außerdem mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 via das Widerstandselement 26 verbunden.
Das durch den Differenzverstärker-Schaltkreis 21 verstärkte Signal wird in ein digitales Signal, das auf dem Nulldurchgangspunkt des Stroms basiert, durch den nachfolgenden Digitalwandler-Schaltkreis 27 umgewandelt. Der Digitalwandler-Schaltkreis 27 ist mit einem Komparator 28 versehen. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Komparators 28 ist mit dem Ausgangsanschluss des Differenzverstärker-Schaltkreises 21 via das Widerstandselement 29 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Komparators 28 ist außerdem mit der Masse via einen Kondensator 30 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss des Komparators 28 ist mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt einer Reihenschaltung von Widerstandselementen 31 und 32 verbunden, die eine Gleichstrom-Energieversorgungsspannung teilt. Der invertierende Eingangsanschluss des Komparators 28 ist außerdem mit Masse via den Kondensator 33 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Komparators 28 wird via das Widerstandselement 34 hochgezogen. Der Ausgangsanschluss des Komparators 28 ist außerdem mit Masse via den Kondensator 35 verbunden.
Eine Hysteresecharakteristik ist dem Digitalwandler-Schaltkreis 27 so gegeben, dass ein Hochpegelsignal ausgegeben werden kann, wenn ein normaler Strom nicht fließt, und ein Vergleichssignal des Komparators 28 dazu gebracht wird, sich zu ändern, bis die Polarität des Stromwertes negativ wird. Gemäß solch einer Ausgestaltung ändert sich das Ausgangssignal des Digitalwandler-Schaltkreises 27 vom Hochpegel zum Niedrigpegel bei dem Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms.
Das Ausgangssignal des Digitalwandler-Schaltkreises 27 wird an die MCU 19 via einen Digitalisolator 36 zum Isolieren des Hauptschaltkreises von dem Steuerschaltkreis und ein Tiefpassfilter 39, das durch ein Widerstandselement 37 und einen Kondensator 38 ausgestaltet ist, eingegeben. Der Differenzverstärker-Schaltkreis 21 bis zu dem Tiefpassfilter 39, die oben beschrieben worden sind, bilden einen Treibersignal-Erzeugungsschaltkreis 40. Die fallende Flanke des Ausgangssignals des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40 dient als ein Unterbrechungssignal an die MCU 19, d.h. als ein Nulldurchgangssignal.
Das an die MCU 19 eingegebene Nulldurchgangssignal ist ein Signal mit einer Frequenz, die sich beispielsweise zwischen einigen Zehn kHz bis 100 kHz erstreckt, und somit wird ein zu einer Hochgeschwindigkeitsumwandlung fähiger Digitalisolator als der Isolator 36 verwendet. Die MCU 19 gibt einen Aus-Befehl (Treibersignal) an die Schaltelemente 12c und 12d bei der fallenden Flanke (Aus-Unterbrechung) des eingegebenen Unterbrechungssignals aus. Dann, wie in 6 gezeigt, schaltet der Aus-Befehl die Schaltelemente 12c und 12d nach einer Verzögerung aus, die durch die Softwareverarbeitung durch die MCU 19 und die Operation eines nicht gezeigten Schalt-Treiberschaltkreises verursacht ist. Die Schaltelemente 12c und 12d müssen innerhalb der Periode aus-geschaltet sein, in der die Polarität des Resonanzstroms negativ ist, und somit wird die Gate-Last des Treiber-Schaltkreises zu einer Konstanten spezifiziert, die es ermöglicht, dass die Schaltelemente 12c und 12d mit minimaler Last aus-geschaltet werden.
7 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerfluss des Serienresonanz-Schaltkreises 11 veranschaulicht, mit Herausstellung der durch die MCU 19 ausgeführten Prozesse. Zuerst werden die Schaltelemente 12a und 12c gleichzeitig an-geschaltet (S1), und dieser gleichzeitig-an-geschaltete Zustand wird aufrechterhalten, bis eine Aus-Unterbrechung des Schaltelements 12c eingegeben wird (S2: NEIN). Bei einer Eingabe der Aus-Unterbrechung des Schaltelements 12c (S2: JA) wird Schaltelement 12c aus-geschaltet (S3). Nachdem das Schaltelement 12a an-geschaltet wird, wird der An-Geschaltet-Zustand fortgesetzt (S4, S5) für eine Periode, die erhalten worden ist durch Subtrahieren einer Totzeit, die zum Vermeiden eines Kurzschlusses spezifiziert worden ist, von 1/2 der Schaltperiode.
Nachdem eine Totzeit verstrichen ist (S6), werden die Schaltelemente 12b und 12d gleichzeitig an-geschaltet (S7), und bei einer Eingabe einer Aus-Unterbrechung des Schaltelements 12d (S8: JA) wird das Schaltelement 12d aus-geschaltet (S9). Der An-Geschaltet-Zustand des Schaltelements 12b wird für eine Periode fortgesetzt (S10, S11), die erhalten worden ist durch Subtrahieren der Totzeit von 1/2 der Schaltperiode. Nach dem Verstreichen einer Totzeit (S12) kehrt der Steuerfluss zum Schritt S1 in einem Fall zurück, dass kein Operationstoppbefehl eingegeben wird (S13: NEIN), und stoppt die Operation (S13: JA) in einem Fall, dass der Stoppbefehl eingegeben wird.
Als Nächstes wird eine Beschreibung hinsichtlich eines Verfahrens zum Steuern der Leistung in dem Energieversorgungsschaltkreis 20 mit Verweis auf 8 bis 10 gegeben werden. Die an das Kriechentladungselement 17 einzugebende Leistung wird gesteuert mittels Steuern der Ausgangsspannung des Runtersetz-Schaltkreises 6. Leistung wird vorzugsweise in der Sekundärseite des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 erfasst. Bei einer Verwendung des Energieversorgungsschaltkreises 20 im Freien wird jedoch die Abgabeleistung des Runtersetz-Schaltkreises 6 in der Primärseite des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 erfasst, da der Isolationsmechanismus zum Bewältigen von Blitzschlägen etc. in der Größe erhöht werden wird. Die Abgabeleistung des Runtersetz-Schaltkreises 6 enthält jedoch eine entladene Leistung, Verluste der Schaltelemente 12a bis 12d, den Verlust des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 und die Verluste durch den Drahtwiderstand, der von dem Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformator 14 bis zu dem Kriechentladungselement 17 resultiert. In dem Fall, dass die Stromerfassung durch ein Stromerfassungselement 18, so wie einen Nebenschlusswiderstand, durchgeführt wird, enthält die Abgabeleistung des Runtersetz-Schaltkreises 6 außerdem den Verlust des Stromerfassungselements 18. Beim Steuern der entladenen Leistung wird somit eine Verschlechterung der Genauigkeit aufgrund einer Variation des Verlustes der Primärseite, verursacht durch Temperatureigenschaften und eine Lastvariation, ein Problem.
Ferner wird die Lebensdauer des Kriechentladungselements 17 reduziert, wenn es entlädt, und somit gibt es Fälle, wo das Kriechentladungselement 17 intermittierend betrieben wird (Tastverhältnisoperation bzw. Betriebszyklusoperation; Engl.: duty operation), wie in 8 gezeigt, zum Lockern der Reduzierung der Lebensdauer. Es ist somit schwierig, die Leistung zu erfassen. In manchen Kriechentladungselementen kann es ferner Fälle geben, wo die entladene Leistung sich in Abhängigkeit davon unterscheidet, ob die angelegte Spannung positiv oder negativ ist, und somit die entladene Leistung eine Blindleistung bzw. Reaktanzleistung enthält, die zu der kapazitiven Komponente der Entladungselektrode zugeführt wird.
Wie in 9 veranschaulicht, wird somit die entladene Leistung durch einen Schaltkreis gesteuert, der die Durchschnittsleistung in der primärseitigen Leistung des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 erfasst. Eine Reihenschaltung von Widerstandselementen 41 und 42 ist parallel zu der primärseitigen Wicklung 15 geschaltet, und die zwei Enden des Widerstandselements 42 sind mit dem Eingangsanschluss eines Isolators 43 verbunden. Das heißt, dass die Anschlussspannung der primärseitigen Wicklung 15 geteilt wird, und die geteilten Spannungen an den Multiplizierer 46 via den Isolator 43, einen Differenzverstärker-Schaltkreis 44 und ein Tiefpassfilter 45 eingegeben werden.
Der Differenzverstärker-Schaltkreis 44 ist mit einem Operationsverstärker 47 versehen, und der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 47 ist mit einem der Ausgangsanschlüsse des Isolators 43 via ein Widerstandselement 48 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 47 ist außerdem mit Masse via ein Widerstandselement 49 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 47 ist mit dem anderen der Ausgangsanschlüsse des Isolators 43 via ein Widerstandselement 50 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 47 ist außerdem mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 47 via ein Widerstandselement 51 verbunden. Das Tiefpassfilter 45 ist durch ein Widerstandselement 52 und einen Kondensator 53 ausgestaltet.
Ferner ist ein Stromerfassungselement 54 an einer Endseite der primärseitigen Wicklung 15 eingesetzt, und ein Erfassungsausgangsanschluss des Stromerfassungselements 54 ist mit dem Eingangsanschluss des Multiplizierers 46 verbunden. Der Multiplizierer 46 multipliziert die Anschlussspannung der primärseitigen Wicklung 15 mit dem primärseitigen Strom, der durch das Stromerfassungselement 54 erfasst worden ist, um die primärseitige Leistung zu erhalten. Das Ergebnis der Multiplikation durch den Multiplizierer 46 wird an die MCU 19 via die invertierenden Verstärkerschaltkreise 55 und 56 und das Tiefpassfilter 57 eingegeben.
Der invertierende Verstärkerschaltkreis 55 ist mit einem Operationsverstärker 58 versehen. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 58 ist mit dem Ausgangsanschluss des Multiplizierers 46 via ein Widerstandselement 59 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 58 ist außerdem mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 58 via eine Parallelschaltung eines Widerstandselements 60 und eines Kondensators 61 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 58 ist mit Masse via ein Widerstandselement 62 verbunden.
Der nachfolgende invertierende Verstärkerschaltkreis 56 ist mit einem Operationsverstärker 63 versehen. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 63 ist mit dem Ausgangsanschluss des invertierenden Verstärkerschaltkreises 55 via ein Widerstandselement 64 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 63 ist außerdem mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 63 via ein Widerstandselement 65 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 63 ist mit Masse via ein Widerstandselement 66 verbunden. Das Tiefpassfilter 57 ist durch ein Widerstandselement 67 und einen Kondensator 68 ausgestaltet. Die oben beschriebene Ausgestaltung bildet einen Leistungserfassungsschaltkreis 69.
10 veranschaulicht Wellenformen, die einen Zustand repräsentieren, in dem die primärseitige Leistung des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 während der Betriebszyklusoperation erfasst wird, die von dem Start einer Entladung bis zu dem Stopp einer Entladung durchgeführt worden ist, und die Ausgangsspannung des Runtersetz-Schaltkreises 6 in der nachfolgenden Betriebszyklusoperation gesteuert wird. Die Ausgangsspannung des Runtersetz-Schaltkreises 6 wird auf Grundlage der mittleren entladenen Leistung gesteuert, die gemessen wird, während die Entladung in der vorherigen Betriebszyklusoperation gestoppt wird. Der Runtersetz-Schaltkreis 6 wird durch die MCU 19 auf eine Sollspannung gesteuert, die durch eine PI-(Proportional Integral)Regelung bestimmt wird, die durchgeführt wird, während die Entladung gestoppt wird. Mittels Steuern der Spannung auf Grundlage des Durchschnittswertes der Betriebszyklus-betriebenen entladenen Leistung ist es möglich, eine Leistungssteuerung für eine Entladungsoperation durchzuführen, die schneller ist als die Geschwindigkeit von Polaritätsänderungen der elektrischen Leistung, und eine Periode bei der Primärseite des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 zu steuern.
Während der Periode, in der das Kriechentladungselement 17 sich entlädt, wird ferner die kapazitive Komponente durch den Entladungsstreamer (Engl.: discharge streamer) erhöht, wodurch bewirkt wird, dass die Resonanzfrequenz sich während der Periode, in der das Kriechentladungselement 17 sich entlädt, und während der Periode, in der das Kriechentladungselement 17 sich nicht entlädt, unterscheidet, und wodurch bewirkt wird, dass die Frequenz des Resonanzstroms sich übergangsweise ändert. Somit wird eine Überlastschutzoperation des Energieversorgungsschaltkreises 20 mittels Überwachen der Änderung der Resonanzfrequenz ausgeführt.
11 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerungsfluss der durch die MCU 19 ausgeführten Überlastschutzoperation herausstellt. Beim Empfangen einer Eingabe eines Entladungsstartbefehls von einer externen Komponente (S21) startet die MCU 19 ein Entladen des Kriechentladungselements 17 (S22). Das heißt, dass die Ausführung des in 7 angegebenen Flussdiagramms gestartet wird. Dann erhält die MCU 19 die Resonanzfrequenz aus dem Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms und führt eine Fehlererfassung durch (S23). Beispielsweise wird die Resonanzfrequenz erhalten mittels Messen der Zeit, die von dem Moment, wenn die Schaltelemente 12a und 12c an-geschaltet werden, bis zu dem Moment genommen wird, wenn ein Aus-Unterbrechungssignal (Nullstrom-Rückgabesignal) des Schaltelements 12c eingegeben wird, mit Verwendung eines Timers, Zählers oder dergleichen.
In dem Fall, dass keine Fehler in dem Kriechentladungselement 17 erfasst werden, und kein Anstieg der schwebenden Kapazität durch Umgebungsfaktoren, so wie Regenwetter, beobachtet wird, arbeitet der Energieversorgungschaltkreis 20 normal, da die Resonanzfrequenz gleich oder größer als ein Fehlererfassungswert (vorbestimmte Frequenz) ist. In diesem Fall (S23: NEIN) wird der später beschriebene Fehlererfassungszähler (cnt) zurückgesetzt (S28), und der Steuerungsfluss kehrt zum Schritt 22 zurück.
In dem Fall, dass die schwebende Kapazität durch einen gewissen Faktor während der Operation des Energieversorgungsschaltkreises 20 erhöht wird, und die Resonanzfrequenz kleiner als der Fehlererfassungswert wird (S23: JA), wird die Oszillationsoperation des Schalt-Schaltkreises 12 gestoppt (S24), und der Fehlererfassungszähler wird inkrementiert (S25). In dem Fall, dass der Zählerwert kleiner als "432" ist, wird beurteilt, dass ein durch Umgebungsfaktoren, so wie Regen, verursachter temporärer Fehler aufgetreten ist, und es wird ein Übergang zu einem Entladungsstoppmodus für eine vorbestimmte Zeit (so wie 10 Minuten) getätigt (S29, S30).
Bei einem Verstreichen der vorbestimmten Zeit schreitet der Steuerungsfluss zum Schritt S22 und startet die Entladungsoperation neu. In dem Fall, dass die Resonanzfrequenz immer noch kleiner als der Fehlererfassungswert bei Schritt S23 ist, werden Schritte S24, S25, S29 und S30 erneut ausgeführt. In dem Fall, dass diese Operation für vorbestimmte Zeiten (beispielsweise 432 Zähler entsprechend 3 Tagen (vorbestimmte Periode)) oder mehr fortgesetzt wird, wird beurteilt, dass der Fehler nicht durch Umgebungsfaktoren verursacht wird, sondern ein Entladungselementfehler ist (S26), und die Operation des Energieversorgungsschaltkreises 20 wird gestoppt (S27).
Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist der Schalt-Schaltkreis 12, der in dem Energieversorgungsschaltkreis 20 zum Treiben des Kriechentladungselements 17 bereitgestellt ist, ausgestaltet durch Parallel-Verbinden von Reihenschaltungen, die die positivseitigen Schaltelemente 12a und 12b und die negativseitigen Schaltelemente 12c und 12d enthalten, und empfängt eine Lieferung einer Gleichstrom-Energieversorgung. Der Glättungskondensator 10 ist parallel mit dem Schalt-Schaltkreis 12 geschaltet, und die Primärseite des Hochfrequenz-Hochspannungs-Transformators 14 ist zwischen den Ausgangsanschlüssen des Schalt-Schaltkreises 12 angeschlossen. Die Stromerfassungselemente 18a, 18b sind jeweils zwischen den Emittern der negativseitigen Schaltelemente 12d, 12c und der negativseitigen Energieversorgungsleitung angeschlossen. Wenn die MCU 19 den durch diese Elemente fließenden Resonanzstrom erfasst, schaltet die MCU 19 die negativseitigen Schaltelemente 12d, 12c auf Grundlage des Nulldurchgangspunktes des erfassten Resonanzstroms aus. Somit wird es möglich, zu gewährleisten, dass der schwingende Zustand bzw. Resonanzzustand aufrechterhalten wird, und zu ermöglichen, dass die entladene Leistung präzise gesteuert wird, selbst wenn der Verlust in der Primärseite sich durch Temperatureigenschaften, Lastvariation etc. ändert.
Die MCU 19 erfasst die Resonanzfrequenz eines Stroms durch den Nulldurchgangspunkt und führt eine Überlastschutzoperation auf Grundlage der Änderung der Resonanzfrequenz aus. Genauer genommen wird die Resonanzfrequenz während der Periode von dem An-Zeitpunkt der Schaltelemente 12a und 12c oder 12b und 12d bis zu der Eingabe eines Aus-Unterbrechungssignals der Schaltelemente 12c oder 12d erfasst, welches von dem Treibersignal-Erzeugungsschaltkreis 40 ausgegeben worden ist. Somit ist es möglich, zu verhindern, dass der Energieversorgungsschaltkreis 20 durch die Änderung der Umgebungsfaktoren, so wie Regen, und durch den Ausfall etc. des Kriechentladungselements 17 überlastet wird, und dadurch den Energieversorgungsschaltkreis 20 zu schützen. Als ein Ergebnis braucht keine separate Regenerfassungsvorrichtung etc. bereitgestellt zu werden.
Die MCU 19 beurteilt, dass der Energieversorgungsschaltkreis 20 in einem überlasteten Zustand ist, wenn die Resonanzfrequenz kleiner als der Fehlererfassungswert wird, und startet die Schaltoperation des Schalt-Schalkreises 12 neu nach einem temporären Stoppen der Schaltoperation. In einem Fall, dass ein temporär überlasteter Zustand aufgrund einer Änderung von Umgebungsfaktoren, so wie Regen, auftritt, ist es somit möglich, sich für eine Erholung bzw. Besserung der Umgebung vorzubereiten mittels temporärem Stoppen der Entladungsoperation. Ferner beurteilt die MCU 19, dass ein Fehler in dem Kriechentladungselement 17 aufgetreten ist, wenn der überlastete Zustand für eine vorbestimmte Periode andauert, und stoppt die Schaltoperation des Schalt-Schaltkreises 12. Es ist somit möglich, die Energielieferung zu stoppen, wenn das Kriechentladungselement 17 repariert oder ersetzt werden muss.
(ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM)
12 bis 15 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform. Elemente, die identisch zu denen der ersten Ausführungsform sind, werden mit identischen Bezugszeichen identifiziert und werden nicht erneut beschrieben. Im Nachfolgenden wird hier eine Beschreibung bezüglich der Unterschiede zu der ersten Ausführungsform gegeben werden. Wie in 12 veranschaulicht, ist in einem Energieversorgungsschaltkreis 71 der zweiten Ausführungsform ein einzelnes Stromerfassungselement 18 zwischen dem negativseitigen Anschluss des Glättungskondensators 10 und dem Emitter der Schaltelemente 12c und 12d angeschlossen, welcher ein gemeinsamer Verbindungspunkt der Schaltelemente 12c und 12d ist.
Die Operation der zweiten Ausführungsform wird mit Verweis auf 13 bis 15 beschrieben werden. Die durch die MCU 19 ausgeführten Steuerungen sind dieselben wie die in 7 angegebenen. Wie in 13 gezeigt, wird das Schalten der Schaltelemente 12c, 12d auf Grundlage des Nulldurchgangspunktes des durch den Reihenresonanz-Schaltkreis 11 fließenden Resonanzstroms gesteuert, wie es der Fall in der ersten Ausführungsform war. In der zweiten Ausführungsform werden jedoch sowohl der Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms, der erzeugt wird, wenn die Schaltelemente 12a, 12c an-geschaltet werden, als auch der Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms, der erzeugt wird, wenn die Schaltelemente 12b, 12d an-geschaltet werden, durch ein einzelnes Stromerfassungselement 18 erfasst.
14 veranschaulicht die Ausgestaltung der Treibersignal-Erzeugungsschaltkreise 40c, 40d, die mit Schaltelementen 12c bzw. 12d verknüpft sind. Die Treibersignal-Erzeugungsschaltkreise 40c, 40d sind im Grunde genommen dieselben in der Ausgestaltung zu dem Treibersignal-Erzeugungsschaltkreis 40 der ersten Ausführungsform. Während die Verbindung zwischen dem Stromerfassungselement 18 und Differenzverstärker-Schaltkreis 21c der Seite des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40c dieselbe wie die erste Ausführungsform ist, unterscheidet sich jedoch in der zweiten Ausführungsform die Verbindung zwischen dem Stromerfassungselement 18 und Differenzverstärker-Schaltkreis 21d der Seite des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40d von der ersten Ausführungsform darin, dass der invertierende Eingangsanschluss und der nicht-invertierende Eingangsanschluss umgekehrt sind. Durch Vertauschen der Eingangssignale der Verstärkerschaltkreise 21c und 21d ist es somit möglich, ein Aus-Unterbrechungssignal bei dem Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms zu erzeugen, der durch jedes der Schaltelemente 12c, 12d fließt.
15 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Operation der Treibersignal-Erzeugungsschaltkreise 40c, 40d veranschaulicht. Das Ausgangssignal des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40c ändert sich von dem Hochpegel zu dem Niedrigpegel, wenn ein Strom negativer Polarität durch das Stromerfassungselement 18 fließt, und kehrt zu dem Hochpegel von dem Niedrigpegel zurück, wenn der Stromwert null wird. Andererseits ändert sich das Ausgangssignal des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40d von dem Hochpegel zu dem Niedrigpegel, wenn ein Strom positiver Polarität durch das Stromerfassungselement 18 fließt, und kehrt zu dem Hochpegel von dem Niedrigpegel zurück, wenn der Stromwert null wird.
Die Aus-Unterbrechung durch das Ausgangssignal des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40c tritt auf, nachdem es durch die Totzeit verzögert wird, selbst zu der Zeit einer Aus-Unterbrechung durch die Nulldurchgangserfassung in der Seite des Schaltelements 12d. Weil die Schaltelemente 12a und 12c zu dieser Zeit beide aus-geschaltet sind, gibt es selbst in dem Fall kein Problem, dass eine Aus-Unterbrechung durch das Ausgangssignal des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40c auftritt. Dasselbe ist auf die Seite des Treibersignal-Erzeugungsschaltkreises 40d anwendbar.
Während der Periode, in der das Kriechentladungselement 17 entladen wird, gibt es Fälle, wo die Kapazität durch die Differenz der Polarität der an das Kriechentladungselement 17 angelegten Spannung geändert wird. Somit wird die Erfassung der Resonanzfrequenz durch Erfassen von Zeit t1, t2 durch Betreiben eines Timers in der Periode von den An-Zeitpunkten der Schaltelemente 12a bis 12d bis zu den ansteigenden Flanken der Ausgangssignale (die Aus-Unterbrechungssignale der Schaltelemente 12c, 12d) der Treibersignal-Erzeugungsschaltkreise 40c, 40d ausgeführt, wie in 15 gezeigt. Der durch Umgebungsfaktoren ausgelöste Überlastschutz wird vorzugsweise mittels Erfassen der längeren von Zeit t1 und Zeit t2 ausgeführt.
Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform ist ein einzelnes Stromerfassungselement 18 zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Schaltelemente 12c und 12d und dem negativseitigen Anschluss des Glättungskondensators 14 angeschlossen. Selbst in einer Ausgestaltung, in der eine Stromerfassung in einem Zustand ausgeführt wird, in dem durch die Schaltelemente 12a bis 12d fließende Resonanzströme koexistieren, ist es möglich, den Nulldurchgangspunkt des Resonanzstroms zu erfassen und die entladene Leistung präzise zu steuern, während einer Aufrechterhaltung der Resonanzfrequenz für das Kriechentladungselement 17, das einer Lastvariation unterworfen ist. Ferner kann die Überlastschutzoperation auf eine ähnliche Weise wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt werden.
(ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN)
Die Wartezeit bei Schritt S10 ist nicht auf 10 Minuten beschränkt, sondern kann durch einen individuellen Entwurf wie erforderlich modifiziert werden. Der Zählwert bei Schritt S25 ist nicht auf "432" entsprechend 3 Tagen beschränkt, sondern kann wie erforderlich modifiziert werden.
Während gewisse Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsformen nur beispielhaft präsentiert worden und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung beschränken. Tatsächlich können die hierin beschriebenen neuen Ausführungsformen in einer Vielfalt anderer Formen verkörpert sein; darüber hinaus können zahlreiche Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen der Form der hierin beschriebenen Ausführungsformen getätigt werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifizierungen abdecken, wie sie in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Der in jeder der Ausführungsformen diskutierte Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben des Kriechentladungselements ist nützlich bei einer Energieversorgung zum Treiben eines Kriechentladungselements.

Claims

Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements mit einer Entladungselektrode, einer Induktionselektrode und einem dazwischen angeordneten dielektrischen Körper, wobei der Energieversorgungsschaltkreis umfasst: einen Schalt-Schaltkreis, der gebildet ist durch paralleles Verbinden von zwei Sätzen von Reihenschaltungen, die jeweils eine Reihenschaltung eines positivseitigen Schaltelements und eines negativseitigen Schaltelements sind, und eine Gleichstromenergieversorgung empfängt, einen Glättungskondensator, der parallel mit dem Schalt-Schaltkreis geschaltet ist; einen Transformator mit einer Primärseite, die zwischen Ausgangsanschlüssen des Schalt-Schaltkreises angeschlossen ist; eine Stromerfassungseinrichtung, die einen durch das negativseitige Schaltelement fließenden Strom erfasst; eine Nulldurchgang-Erfassungseinrichtung, die einen Nulldurchgangspunkt des Stroms erfasst; und eine Schutzoperationseinrichtung, die eine Resonanzfrequenz des Stroms auf Grundlage des Nulldurchgangspunktes erfasst und eine Überlastschutzoperation auf Grundlage der Änderung der Resonanzfrequenz ausführt.
Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements gemäß Anspruch 1, wobei die Schutzoperationseinrichtung die Resonanzfrequenz während einer Periode von einem An-Zeitpunkt der Schaltelemente bis zu einem Zeitpunkt erfasst, in dem die Nulldurchgang-Erfassungseinrichtung den Nulldurchgangspunkt erfasst hat.
Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzoperationseinrichtung beurteilt, dass der Energieversorgungsschaltkreis in einem Überlastungszustand ist, wenn die Resonanzfrequenz kleiner als eine vorbestimmte Frequenz wird, und eine Schaltoperation durch den Schalt-Schaltkreis nach einem temporären Stoppen der Schaltoperation neustartet.
Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements gemäß Anspruch 3, wobei die Schutzoperationseinrichtung beurteilt, dass ein Fehler in dem Kriechentladungselement aufgetreten ist, wenn der Überlastungszustand für eine vorbestimmte Periode andauert, und die Schaltoperation stoppt.
Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromerfassungseinrichtung zwei Stromerfassungselemente enthält, die jeweils zwischen dem negativseitigen Schaltelement jeweiliger Sätze von Reihenschaltungen und einer negativseitigen Energieversorgungsleitung angeschlossen sind.
Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben eines Kriechentladungselements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromerfassungseinrichtung ein Stromerfassungselement enthält, das in eine negativseitige Energieversorgungsleitung eingesetzt ist, den Schalt-Schaltkreis und den Glättungskondensator verbindend.