JP2003509991A - 直列共振誘導ピックアップの制御 - Google Patents
直列共振誘導ピックアップの制御Info
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Abstract
Description
制御し、交流を伝える1つまたは複数の導体を有する1次配電経路から電気を収
集できる装置および方法に関する。
)を有する電力を与える経路が有り、その各々は使用中交流磁界によって囲まれ
る。 各々が少なくとも1つのピックアップ巻線を含む、1つまたは複数のピックアッ
プ素子が装置の一部を形成する。各々は、1次側の交流磁界の一部と交差して有
効電流を巻線に誘起するように配置される。通常、1次側の交流電流の周波数が
ピックアップ内の共振周波数にほぼ整合させられる。実際の供給周波数が本線周
波数(50Hz)から広く使用される周波数範囲5〜50kHzにまでおよび、
高電力をより高い周波数で処理できる部品が利用できるようになるので、使用可
能周波数がより高くなることがある。一般的に、供給周波数は安定であることが
必要である。
いずれかである。IPT装置からピックアップされた電力の制御は問題であった
。
そして1次経路と2次ピックアップの間の結合をある方法で減結合するか、或い
は過剰電力をピックアップ回路内で「浪費する」ことによって解決されるかもし
れない。
数を変更する、透磁性材料を付加するかまたは減らす、渦電流を内部に発生させ
る導電性ブロックを導入する、または(受動過剰供給限界として)可飽和フェリ
磁性または強磁性素子を磁気回路に組み込むことによって行われ得る。
含む。供給および負荷電力が安定である場合は、この形態は安定な周波数に落ち
着かせることができるので、それをT=無限大構成であるとみなす。
量性結合で高電圧装置を使用して列車に電力を供給する特許を保有し、多数の発
明者が走行する鉄道客車から静止線路へ広いギャップを越える誘導性手段によっ
て少なくとも電信文を伝送する特許を出願した。
、 より大きい電力応用(たとえば、移動車両に対して)に対するこれらのうちで最
も成功したのはボーイズ(本発明者)のそれである。
るのに適した容量を有する直列同調ピックアップを述べた。ピックアップされた
電力の制御が含まれていなかった。ボーイズ等は米国特許第5293308号で
並列同調ピックアップ制御を開示した。
、消費される電力に適合するレベルにすることである。伝送電力が小さ過ぎる場
合は、負荷は不足である。伝送電力が大き過ぎる場合は、過剰電流がピックアッ
プ内を還流するか、または負荷に過剰に供給し、損傷を起すことがある。さらに
、 過剰還流電流は、それ自体の界を発生させることによって、1次電力の同じ1次
導体を共有する他の2次回路へ前進する通過を阻止できる。
い。NZ329195に記載のボーイズ等の可飽和インダクタ(正常の使用より
もむしろ過負荷または故障状態を制御するように意図される)も、連続制御の一
形態である。
の位相と規定された関係で起きるように調節され、通常サイクルごとに起きる。
れた)がレギュレータ回路を述べ、そこでは38kHz電流が、電圧が負の傾斜
でゼロを通過する瞬間に続く位相関連期間の間に、サイクルごとに可変な期間、
短絡される。これは特定の応用(航空機乗客座席娯楽用電子機器)のための、誘
導的に結合された電力用のレギュレータである。実施例では、半導体スイッチン
グ(分流を起すために)が各サイクルの間に制御可能な期間中に起きる。いかな
る過剰電力も接地に簡単に分流される。この応用は負荷要求における比較的小さ
い変化を示す。効率のために、このアプローチは、特に、負荷要求が変化し、ゼ
ロに下がることがある状況において、上向きに拡大縮小するのに適していない。
半導体は高い周波数で良好に動作する(小さい逆回復時間が望ましい特徴である
)ことが要求される。
のタイプであることがある。ブルックスは、単一VLSIチップに集積化された
、緩く結合された交番外部磁界から受取られた電力を調整する分流回路を述べて
いる。レギュレータは入力電力を分流し、そして過剰エネルギーを負荷に分流し
、ピックアップ回路のQ係数を小さくし、かつ電力を小さくして負荷に整合させ
る、いくつかの動作モードを含む。実際の回路が同期整流器を含む。本発明は上
向きに測定(scalable)できない。
同調コンデンサとして作用する可変コンデンサに関連して多数の出版物中で述べ
られ、そこではコンデンサは64のステップを通してゼロから共振状態をわずか
に越えて切換えられることがあり、それゆえほとんどの同調ピックアップからの
出力を制御する。
むしろ過負荷または故障状態を制御するように意図される)も、連続制御の一形
態であり、直列接続共振回路内で使用され得る。
の位相と規定された関係で起きるように調節される。
ie 34号(1980)、339〜341頁で、サイリスタスイッチングおよ
び(図5参照)位相関連制御手段を有し、直列同調ピックアップ内で還流する電
流を変化させ、それによって出力を変化させることが可能である5kHz直列共
振ピックアップを述べている。
th Power Electronics conference, Bud
apest, 1981)も、83〜92頁で、サイリスタスイッチングおよび
位相関連制御手段を有し、直列同調ピックアップ内で還流する電流を変化させ、
それによって出力を変化させることが可能である直列共振ピックアップを述べて
いる。
る、または少なくとも一般の人々に有用な選択肢を提供することである。
プが全装置に及ぶ周波数で共振が可能であるように選択されたピックアップコイ
ルと共振コンデンサとを含む直列共振回路を電力ピックアップ素子に備える。電
力ピックアップ素子はピックアップされた電気を負荷による消費に適した調整さ
れた形態に変換することが可能である電力調整手段をさらに含み、そこでは、電
力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の量を制御することが可能
である装置が、スイッチング手段を繰り返して開または閉のいずれかの状態にさ
せることが可能であるスイッチ制御手段とともに、ピックアップコイルと直列で
あり、かつ共振コンデンサと直列であるスイッチング手段を備える。そのため、
スイッチング手段が開または閉である時間のそれぞれの割合を変えることによっ
て、電力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の時間平均量が制御
され得る。
導共振電流が正常の「オフ」期間中に実質的に消滅することが好ましい。
ット未満からことによると1メガワット以上の電力を処理することが可能である
誘導電力伝送装置が知られている。よって典型的な繰返し速さが1kHz超から
100Hz未満まで変化する。したがって、スイッチ制御手段は、ピックアップ
素子によって収集される電力の量に逆比例するスイッチング手段の繰り返される
周期的動作を与えることが可能であることが好ましい。
手段であることが好ましい。
電流を伝えることが可能であることが好ましい。
して知られるタイプの素子を使用する。
、 スイッチ素子の一例が非対称シリコン制御整流器(ASCR)である。
された電力の大きさに応答することが可能であることが好ましい。
より好ましい。
答し、それによってスイッチング手段の各側にある電圧レベルが実質的に同じで
ある場合にスイッチング手段を瞬時に閉じることが可能であることが好ましい。
可能であり、スイッチング手段を開く瞬間を決定するために、その電流がゼロ交
差点に在る時を決定することが可能であることが好ましい。
れ、本発明の精神または範囲に対して制限する意図は決して無い。
る。図1を参照すると、回路素子が整流器Rの左側に在り、ピックアップ巻線W
が1次誘導性導体Pを囲む磁界を遮ることが可能であり、(インダクタWおよび
直列共振コンデンサBの)共振回路が整流器Rの入力側に在る。また、Cおよび
SBが先行技術による短絡可能な並列同調ピックアップ(品目BおよびSAを欠
く)の素子を含む。それらは原型の直列同調制御可能ピックアップ内に存在しな
い。
を含んで、整流器Rの出力側に配置される。SCが並列同調回路用の短絡スイッ
チのための代替位置である。多くの負荷がDCの供給、または時々(誘導電動機
による使用のような)1次経路の周波数以外の周波数であるACの供給を必要と
する。
ス回路消費)に等しい必要があることである。
ップの簡単な型が示されている。スイッチを閉じることによって回路を完成させ
て、出力を大きくする。スイッチを開くことによって直列回路を切断し、電力供
給を中止し、共振を停止する。このスイッチは電圧比較回路212の出力214
によって制御され、ここで演算増幅器があるヒステリシスを実施するために21
0の値の211の値に対する比による正帰還を有する。抵抗性損失が最小化され
るようにこの制御手段のための好ましい制御方法がハードオン/ハードオフであ
り、出力電圧がほぼ所望の大きさに保持されるように開閉比が選択される。回数
が数十または数百サイクルに大体等しい。スイッチを動作させるために基準電圧
源213が供給電圧(208)の一部の比較のための基盤を与える。この場合に
、負荷Lによって吸い込まれた電流IOに関連するコンデンサDの大きさが、ス
イッチに対するオンまたはオフコマンドの繰返し速さを決定する。繰返し速さは
10〜30ミリ秒のオーダーであることが好ましく、調整の効果を構成するマー
ク対スペース比が、1次経路Pから得られた電流に関連して負荷Lに供給される
電流によっていつでも決定される。明らかに、負荷Lによって吸い込まれた電流
IOがゼロになる場合に、スイッチ203が開である時間の割合が100%にな
るであろう。
よびいかなる過渡事象にも耐えることが要求され、双方向性であることが必要で
ある。制御手段は双方向性スイッチであり、技術上公知である様々な固体素子を
使用して構成されることがある。
と高電圧過渡事象が整流器の部品の破壊を起すことがある可能性のために、 双方向性スイッチ203は回路のAC側の整流器の前に配置されることが好まし
い。実際、スイッチが電流に関してゼロ交差期間外で開かれる場合に、ピックア
ップコイルの周りのどんな残りの磁束も巻線中で減衰し、そして結果として生ず
るエネルギーがスイッチ内か、または保護(スナッバー)素子内のいずれかで消
費されるであろうと考えられる。
の間の接続の中断を生じ、そのため出力が、整流モジュールRによる整流、およ
びコンデンサDによる平滑化の後に負荷Lに現れるように、低下する。
正常な動作中にコントローラ207内のヒステリシスによって、そして制御手段
203が再び閉じられた後に 充電を再開するのに要する時間によって決定される。代替として、電流感知変換
構成が実質的定電流出力を提供するように使用されることがある。この場合に、
感知抵抗またはワイヤ中の電流を感知することが可能である磁気素子(LEM、
ホール効果素子など)が振幅感知入力を与える。
法を示す。ゼロ電流が隣接する配線で検出される瞬間が起きるまで開を遅延させ
るように、かつ開かれたスイッチ接点の各々が同じ電圧を有する瞬間が起きるま
で閉を遅延させるようにスイッチに行わせる目的で、より実用的な回路300が
ブロック207を含み、また論理および感知手段も含む。
なった場合に、遷移を行い、論理回路に与えられる。論理回路301は、当業者
に公知である、302の出力が遷移を示す時までブロック207から線214を
通してスイッチへ発する「CLOSE」コマンドの転送(制御線304を通して
)を遅延させることが可能である回路配置を含む。論理回路301はまた、電流
センサ305の出力がゼロ電流が隣接する配線で検出される時までスイッチ20
3に対して「OPEN」コマンドの放出を遅延させることが可能である。ブロッ
ク301は従来の論理素子、あるいはPALまたはPLD論理回路、およびスイ
ッチ203用の適当なできれば分離されたドライバーを含むことがある。実際に
、スイッチング手段の例は高速電気機械リレー、しかしより好ましくは、適当な
耐過渡事象保護手段に加えて、「TRIAC」、またはサイリスタ(シリコン制
御整流器としても知られる)のような一方向性スイッチング素子の背中合わせの
ペア、電力FET、IGBTなどのような固体素子であることがある。勿論、こ
の応用に適する新規の素子が将来生産されるかもしれない。
し、かつ大きな損傷させる恐れのある過渡事象(過渡事象はまた1次線中に、そ
して障害として環境中に伝わることがある。)が2次回路内で生成されるのを防
止するために望ましい。
では第1の高電圧巻線401が直列共振コンデンサ202と本節で前述された回
路を開閉することが可能であるスイッチ203とを備える。第2の低電圧回路が
その結果として電池モジュールまたはモノブロック406に給電する整流器20
4に直接配線された簡単なコイル402(その巻線が実際に単一巻きを含むこと
がある)を備える。回路の制御(ブロック207および任意に301(詳細は示
されていない)のようなブロックも通して)が、供給された、または引き込まれ
た電流によってか、電池の両端電圧の測定によって(または両方によって)行わ
れることがある。コイル401および402は共通コアを共有し、401は共振
に不安定である場合に402の出力が実質的に減少する。この構成は、直列スイ
ッチが大電流を中断することを要求されないという利点を有する。大電流素子が
高電圧素子よりも高価であり、大電流素子はより大きな損失を発生するであろう
。並列同調の短絡スイッチオプションと比較して、直列スイッチング素子が使用
される場合は損失が著しく小さい。この種の回路は20〜50Hzのオーダーの
遅いスイッチングサイクルに特に適合するのに対して、供給周波数が15kHz
のオーダーであるかもしれない。遅いスイッチングがピックアップ内の共振振動
が実質的に停止する時間を可能にする。
203を与える従来の方法として非対称シリコン制御整流器(ASCR)のダイ
オード保護ペアの使用を示す。ASCRの種類は、その劣っている逆電圧定格(
わずか5V程度で損傷を起す)の結果として、もはや広く使用されない。しかし
、それは印加電圧が反転された際に、速く通常1マイクロ秒以内に電流の方向を
転換するか、またはオフする。これは10kHzの半サイクルの50マイクロ秒
内で十分である。したがって、図5に簡単に示されたような構成が最も近い前の
半サイクル内のどこかでゲートドライブを禁止する必要があり、素子自体はゼロ
交差点でオフに切換わるであろう。個別電流感知手段、論理を使用し、そして一
般的な電力FET型のスイッチング素子(それは自己転換特徴を欠く)を制御す
ることはあまり容易ではない。図5は、適切に供給されるゲート制御入力505
、506(制御(スイッチ)高周波供給源によってエアギャップを越えて給電さ
れるDC電流源を適切に含むことがある分離された入力のような)とともに、2
つのASCR(501、502)、および各々の両端に接続された1つの保護ダ
イオード(503、504)を含む。ASCR以外の、選択された高速回復サイ
リスタも使用されることがある。
った素子を含むスイッチング素子の代替形態の選択を含むことがある。
てまた、人間のドライバーによるか、または自動的に生成されるコマンドによる
ような外部制御を受け入れることがある。
の量に関連して、電力に対する需要によって通常設定される間に、マーク対スペ
ース比の繰返し周波数は、効率、素子の寿命、他のユニットとの相互作用、およ
び障害を最適化するために広い範囲にわたって変化することがある。本発明の繰
返し速さは、特別の種類の負荷によって許容され得る出力電圧の変移にある程度
依存して、供給周波数の各サイクルまたは2サイクル位の速さであるか、あるい
は数百サイクル位の遅さであることがある。
ッチング損失が甚大になり、多数の単一サイクルが切換えられなければ、それは
制御の大きな増加をもたらし、スイッチが位相に関係なく動作するように強制さ
れる場合に大幅な過渡事象が発生することがある。
数の状況がある。本発明、すなわち、ピックアップインダクタ内を還流する電流
の量を最小化することが可能である直列共振ピックアップループ用の制御手段は
、1次誘導性経路の同じ給電部を共有する2つ以上のピックアップ素子の同時の
、かつ相反しない使用を設ける。従来、高レベルの還流する2次電流が1次電流
を妨害する影響の故に、2つ以上のピックアップ素子を使用することは困難であ
ろう。
な修正、追加、および置換が前述の本発明の範囲を逸脱することなしに可能であ
ることを当業者が正当に評価するであろう。
技術による回路の簡易図である。
図である。
る手段を含む、本発明によるピックアップ制御手段の回路図である。
して使用される第2の相互結合コイルを含む、本発明によるピックアップ制御手
段の回路図である。
CR)のダイオード保護ペアの使用を示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 ピックアップが全装置に及ぶ周波数で共振が可能であるよう
に選択されたピックアップコイルと共振コンデンサとを含む直列共振回路を有し
、ピックアップされた電気を負荷による消費に適した調整された形態に変換する
ことが可能である電力調整手段をさらに含む誘導電力ピックアップ素子であって
、電力ピックアップ素子によって、ピックアップされた電力の量を制御すること
が可能である装置が、スイッチング手段を繰り返して開または閉のいずれかの状
態にさせることが可能であるスイッチ制御手段とともに、前記ピックアップコイ
ルと直列であり、かつ前記共振コンデンサと直列である前記スイッチング手段を
備え、そのため前記スイッチング手段が開または閉である時間のそれぞれの割合
を変えることによって、前記ピックアップ素子によってピックアップされた電力
の時間平均量が制御され得ることを特徴とする誘導電力ピックアップ素子。 - 【請求項2】 前記スイッチ制御手段が前記スイッチング手段の比較的ゆっ
くり繰り返される周期的動作を与えることが可能であり、そのため誘導共振電流
が正常な「オフ」期間中に実質的に消滅することがあることを特徴とする請求項
1に記載の誘導電力ピックアップ素子。 - 【請求項3】 前記スイッチ制御手段が収集される電力の量に逆比例する前
記スイッチング手段の繰り返される周期的動作を与えることが可能であることを
特徴とする請求項2に記載の誘導電力ピックアップ素子。 - 【請求項4】 前記スイッチング手段が交流電流を制御することが可能であ
る双方向固体スイッチング手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の誘導
電力ピックアップ素子。 - 【請求項5】 前記固体スイッチング手段が1組の逆並列高速回復サイリス
タを備えることを特徴とする請求項4に記載の誘導電力ピックアップ素子。 - 【請求項6】 前記スイッチング手段が非対称シリコン制御整流器(ASC
R)であることを特徴とする請求項4に記載の誘導電力ピックアップ素子。 - 【請求項7】 前記スイッチ制御手段が調整された電力の大きさを調整する
傾向がある方法で前記調整された電力の大きさに応答することが可能であること
を特徴とする請求項2に記載の誘導電力ピックアップ素子。 - 【請求項8】 前記スイッチ制御手段が前記調整された電力の電圧に応答す
ることが可能であることを特徴とする請求項2に記載の誘導電力ピックアップ素
子。 - 【請求項9】 前記スイッチ制御手段がまた、前記スイッチング手段の各側
にある瞬時電圧レベルに応答し、それによって前記スイッチング手段の各側にあ
る前記電圧レベルが実質的に同じである場合に前記スイッチング手段を瞬時に閉
じることが可能であることを特徴とする請求項8に記載の誘導電力ピックアップ
素子。 - 【請求項10】 前記スイッチ制御手段が前記スイッチング手段を通過する
電流を検出することがさらに可能であり、前記スイッチング手段を開く瞬間を決
定するために、その電流がゼロ交差点に在る時を決定することが可能であること
を特徴とする請求項8に記載の誘導電力ピックアップ素子。
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