JP2008040591A - キャパシタ電源の設計支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷パターンに応じて適切なキャパシタ電源の容量設計、評価を行えるようにする。
【解決手段】複数のキャパシタを直並列接続して構成し負荷パターンに応じて必要電力を供給するためのキャパシタ電源の容量設計、評価を支援する設計支援システムであって、時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に基づいて解析データとして時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失の情報を求めるキャパシタ解析処理手段１３と、キャパシタ解析処理手段により求めた解析データに基づいて評価データとしてキャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を求める評価処理手段１４と、解析データ及び評価データを出力する出力手段１５、４とを備え、時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に応じた解析データ及び評価データを支援データとして提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のキャパシタを直並列接続して構成し負荷パターンに応じて必要電力を供給するためのキャパシタ電源の容量設計、評価の支援を行うキャパシタ電源の設計支援システムに関する。

モータシステムにおいて、その動作パターンを入力すると、トルク計算を行ってその計算結果を、入力された動作パターンと共にグラフで表示するモータ選定ソフトが提案されている（例えば、特許文献１参照）。モータ負荷は、定速運転時に比べて加速運転時に大きな電力が要求され、逆に減速時には余剰電力が発生する。このような電力変動の大きい負荷に対して複数のキャパシタを直並列接続して構成するキャパシタ電源を併用すると、ピーク負荷時にピークカットしてキャパシタ電源から一部を給電し、電力供給源の定格を抑えることができる。また、回生電力をキャパシタ電源で回収することができ、電力供給源のコンパクト化、省エネが可能になる。
特開２００３−９９４７９号公報

しかし、モータ負荷のモータ選定、キャパシタ電源の選定において、所望の動作パターンに適合するモータが選定できても、それに見合った電力供給ができなければ実際に使えないことになるので、キャパシタ電源の容量設計、評価が重要になる。すなわち、キャパシタ電源の容量設計が充分でないと、負荷、その動作パターンによっては、アプリケーション（モータシステム）の動作に必要な電力が供給できなくなる。そのため、キャパシタ電源の容量設計を大きめにすると、キャパシタ電源に無駄が大きくなり利用効率が低下する。本発明は、かかる課題を解決するものであって、負荷パターンに応じて適切なキャパシタ電源の容量設計、評価を行えるようにするものである。

そのために本発明は、複数のキャパシタを直並列接続して構成し負荷パターンに応じて必要電力を供給するためのキャパシタ電源の容量設計、評価を支援する設計支援システムであって、時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に基づいて時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失の情報を含む解析データを求めるキャパシタ解析処理手段と、前記キャパシタ解析処理手段により求めた解析データに基づいて前記キャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を含む評価データを求める評価処理手段と、前記解析データ及び評価データを出力する出力手段とを備え、前記時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に応じた前記解析データ及び評価データを前記キャパシタ電源の容量設計、評価の支援データとして提供することを特徴とする。

前記負荷は、モータ負荷の動作パターンに基づいて求められる必要電力であり、前記定格仕様は、所定数のセルを直列接続したモジュールを基本構成単位とし、複数のモジュールを直並列接続してバンクを構成する前記キャパシタ電源に関する電圧、静電容量、内部抵抗、発熱・放熱関数、許容熱容量であることを特徴とする。

前記キャパシタ解析処理手段は、前記時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様を変数として更新し繰り返し前記解析データを求め、ピークカット値を越える電力を必要電力として前記解析データを求めることを特徴とし、評価処理手段は、前記解析データにおける前記電力損失に基づき上昇温度値を求め前記許容熱容量との比較により前記キャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を求め、前記解析データにおける前記電圧の最小値を抽出して前記最小値での蓄電量と満充電時の蓄電量との比較により前記キャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を求めることを特徴とする。

本発明によれば、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定に応じて時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失の情報を含む解析データ、解析データに基づいてキャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を含む評価データを出力することにより、それぞれの負荷とキャパシタ電源との組み合わせが適合するか否かを評価、判定することができるので、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定を変数として更新しながら繰り返し処理され出力される解析データ、評価データから、キャパシタ電源が適正なものか否かを判断、評価し、キャパシタ電源の設計に際して最適な解を追求することができる。したがって、基本的なデータの入力、条件設定、変更を行うだけで、キャパシタ電源の設計を簡便に、バラツキなく効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るキャパシタ電源の設計支援システムの実施の形態を説明する図、図２は負荷データの構成例を説明する図、図３はキャパシタデータの構成例を説明する図、図４は解析データ及び評価データの構成例を説明する図である。図１において、１は演算処理装置、２はデータ記憶装置、３は入力装置、４は出力装置、１１はデータ入力処理部、１２は条件設定処理部、１３はキャパシタ解析処理部、１４は評価処理部、１５はデータ出力処理部、２１は負荷データファイル、２２はキャパシタデータファイル、２３は解析・評価データファイルを示す。

本発明に係るキャパシタ電源の設計支援システムは、複数のキャパシタを直並列接続して構成し負荷パターンに応じて必要電力を供給するためのキャパシタ電源の容量設計、評価を支援するものであり、時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に基づいて時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失の情報を含む解析データを求め、さらに解析データに基づいてキャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を含む評価データを求めて、それら解析データ及び評価データを出力することにより、時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に応じた解析データ及び評価データをキャパシタ電源の容量設計、評価の支援データとして提供する。

演算処理装置１は、時系列の動作パターンや負荷パターン等とキャパシタ電源の定格仕様に関する各データの入力処理、各データに基づき時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失、発熱・放熱量を求め、さらにキャパシタ電源の必要蓄電容量及び許容熱容量の評価に関する情報を求める処理、それらの出力処理を行うものであり、データ入力処理部１１、条件設定処理部１２、キャパシタ解析処理部１３、評価処理部１４、データ出力処理部１５の各処理部を有している。

データ記憶装置２は、演算処理装置１における処理に必要なデータ、処理結果のデータを格納するものであり、負荷データファイル２１、キャパシタデータファイル２２、解析・評価データファイル２３の各データファイルを有している。入力装置３は、演算処理装置１に対する各指示入力、データ記憶装置２に記憶するデータの入力等を行うキーボードやマウス、ポインティングデバイス等であり、出力装置４は、データの入力メニューや処理指示のメニュー表示、入力データの表示、演算処理装置１により処理された結果のデータ出力等を行うディスプレイやプリンタ、データ送信手段等である。

データ入力処理部１１は、入力装置３から時系列の動作パターンや負荷パターンとキャパシタ電源の定格仕様を含む各データを入力しデータ記憶装置２の負荷データファイル２１や、キャパシタデータファイル２２に格納するための処理を行うものであり、例えば負荷電圧、単位時間毎の負荷の変化情報からなる動作パターンや負荷パターン、ピークカット値、キャパシタ電源を構成するキャパシタセルの電圧、静電容量、内部抵抗、キャパシタモジュールのセル直列数、電圧、静電容量、内部抵抗、発熱係数、放熱係数、温度上昇関数、熱許容量等、所謂定格仕様等の入力処理を行う。

条件設定処理部１２は、キャパシタ電源について必要蓄電容量や、許容熱容量の評価に関する情報を求めるための条件を設定するものであり、例えばキャパシタモジュールをどれにするか、並列数を幾つにするか等を選択して設定し、さらにはその設定に基づき、キャパシタ電源全体としての初期電圧、静電容量、内部抵抗その他の換算値を求める。

キャパシタ解析処理部１３は、データ記憶装置２に格納された各データ、条件設定処理部１２で設定された条件に基づき時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失、発熱・放熱量を求めるものであり、データ記憶装置２に格納された負荷データ、時系列の負荷パターン、キャパシタ電源の定格仕様等を変数として更新し繰り返し解析処理を行う。

評価処理部１４は、キャパシタ電源の必要蓄電容量及び許容熱容量の評価に関する情報を求めるものであり、例えば放電量が最も大きい、つまり充電残量が最も少なくなるときになる電圧の最小値、電圧の最小値に対応する必要電力量の最大値、キャパシタ電源の利用率、温度上昇値、余裕率等を求め、データ出力処理部１５は、各処理部で処理される各種データを編集して出力装置４に出力するための処理を行うものである。

負荷データファイル２１は、使用電圧ｖ_L 、時系列ｔi の負荷容量（必要電力）ｗi を含む例えば図２に示す負荷データを格納するものであり、単位時間Δｔ毎の負荷容量ｗi でもよいし、経時的に変化する負荷容量の関数でもよい。例えばあるモータ選定ソフトでは、入力される動作パターンからトルクが算出され、その動作パターンの回転数トルクの乗算により負荷パターン（＝回転数×トルク）が得られる。この負荷パターンに対して供給電力の条件を入力すると、負荷パターンが供給電力を越える部分をキャパシタ電源よりピークカットして供給する電力が得られる。このピークカット電力が本実施形態では、必要な負荷データとなる。

キャパシタデータファイル２２は、モジュール電圧ｖ_M 、セル直列数Ｎ_S 、モジュール静電容量Ｃ_M 、モジュール内部抵抗ｒ_M 、許容温度Ｔ_ref 、モジュール直列数Ｎ_MS、並列数Ｎ_MP、バンク電圧ｖ_B （満充電時の電圧ｖ_Bf）、バンク静電容量Ｃ_B 、バンク内部抵抗ｒ_B 、モジュール数Ｎ_M を含む例えば図３に示すキャパシタデータ（定格仕様のデータ）を格納するものである。モジュールは、所定数のセルを直列接続したキャパシタ電源の基本構成単位であり、バンクは、複数個のモジュールを直列接続し、さらにそれらを並列接続してキャパシタ電源を構成するものである。例えば２．５（Ｖ）のセルを２５個直列接続してモジュール電圧ｖ_M が５０（Ｖ）のモジュールが構成される。このモジュールにより、負荷の使用（開始）電圧ｖ_L が６５０（Ｖ）とする場合には、１３個のモジュールを直列接続するものとして並列数１のバンクが選択、設定される。つまり、モジュール直列数Ｎ_MSが１３、満充電時のバンク電圧（ｖ_Bf）が６５０（Ｖ）のバンク構成にすることで、バンク静電容量Ｃ_B はＣ_M ／１３、バンク内部抵抗ｒ_B は１３×ｒ_M により求められる。並列数Ｎ_MPが１から２にになれば、それに応じて新たなバンク静電容量Ｃ_B が２分の１、バンク内部抵抗ｒ_B が２倍、モジュール数Ｎ_M が２倍になる。このようにバンクに関する値は、まず、バンク電圧が決まると共に他の値も決まる。

解析・評価データファイル２３は、キャパシタ電源の電圧（バンク電圧）ｖ_Bi、電流Ｉi 、放電量ΔＵi 、電力損失Ｉi²×ｒ_B 、発熱・放熱量Ｑui、Ｑti、内部抵抗ｒ_B による電圧降下を除いた出力電圧ｖ_Ti、総電力損失ΣＩi²×ｒ_B を含む例えば図４（ａ）に示す解析データと、バンク電圧の最小値ｖ_Bmin、必要電力量の最大値Ｕ_max 、キャパシタ電源の利用率η、温度上昇値Ｔ_max 、余裕率γを含む図４（ｂ）に示す評価データを格納するものである。解析データは、時系列ｔi の負荷パターンｗi のそれぞれに対応して求められる。

次に、具体的な処理により本実施形態をさらに説明する。図５は本発明に係るキャパシタ電源の設計支援システムにおける処理の例を説明する図である。キャパシタ電源の１基本構成単位であるモジュールのキャパシタデータはデータファイルに既に格納されているとする。図５に示すようにまず、負荷データを入力することにより（ステップＳ１１）、所望の電圧（ｖ_L 、ｖ_B ）の得られるモジュール直列数Ｎ_MSを求める（ステップＳ１２）。次に、並列数Ｎ_MPを入力することにより（ステップＳ１３）、キャパシタ電源の各定格値（バンク電圧ｖ_B 、バンク静電容量Ｃ_B 、バンク内部抵抗ｒ_B 、モジュール数Ｎ_M ）を求める（ステップＳ１４）。

負荷データの各時ｔi における必要電力ｗi に見合ったキャパシタ電流Ｉi を求め（ステップＳ１５）、さらにバンク電圧ｖ_Bi、出力電圧ｖ_Ti、放電量ΔＵi 、電力損失Ｉi²×ｒ_B 、発熱・放熱量Ｑui、Ｑti等を求めてキャパシタデータを格納する（ステップＳ１６）。そして、時刻を更新（ｔi ←ｔ_i+1 ）して（ステップＳ１７）、全時刻について処理を終了したか否かを判定し（ステップＳ１８）、全時刻について処理を終了するまで、ステップＳ１５に戻って同様の処理を繰り返し実行する。

全時刻について処理を終了すると、バンク電圧の最小値ｖ_Bminを抽出し（ステップＳ１９）、必要電力量の最大値Ｕ_max （＝Ｃ_B ×ｖ_Bf ² ／２−Ｃ_B ×ｖ_Bmin ² ／２）を求める（ステップＳ２０）。さらに、発熱・放熱に基づき求められる各時の上昇温度から最大値を抽出し、或いは電力損失から温度上昇値求めて（ステップＳ２１）、キャパシタ電源の利用率η、余裕率γを含めた各処理データを出力する（ステップＳ２２）。さらに、キャパシタ電源の容量増加等の条件変更があるか否かを判定し（ステップＳ２３）、条件変更であれば、ステップＳ１３に戻り新たな並列数を入力して以下同様の処理を繰り返して実行する。また、条件変更では、図５（ｂ）に示すように負荷データやモジュールデータ等を新たに入力し設定し直すようにしてもよい（ステップＳ１１→Ｓ１２′）。

本実施形態において、負荷データとして、例えば先に述べたようにモータ選定ソフトにより生成された負荷パターンの情報を入力する例をさらに説明する。図６はモータ負荷回路の構成概要を示す図、図７はモータ負荷の回転数、トルク、電力の波形例を示す図、図８は負荷データの一部の構成例を示す図、図９は速度（加速度）プロファイルを入力する場合の処理の例を説明する図である。

キャパシタ電源から充放電制御回路を通してモータ駆動回路に給電するモータ負荷回路として、キャパシタ電源のみから給電する図６（ａ）に示す場合と、最大供給電力ｐ_p の給電電源を有し、最大供給電力ｐ_p を越える負荷電力をピークカットしてキャパシタ電源から給電する図６（ｂ）に示す場合がある。図６（ａ）、（ｂ）に示すいずれの場合においても、バンク電圧ｖ_Bi、静電容量Ｃ_B 、内部抵抗ｒ_B 、蓄電量Ｕ_Biのキャパシタ電源から必要電力ｗi を給電するには、出力電圧ｖ_Tiに対応した所定の電流Ｉi が流れるように充放電制御をしなければならない。このとき、キャパシタ電源内に発生する電力損失は、内部抵抗ｒ_B と電流Ｉi より（Ｉi²×ｒ_B ）として求められ、また、キャパシタ電源のバンク電圧ｖ_Biは、内部抵抗ｒ_B に電流Ｉi が流れて生じる電圧降下分を出力電圧ｖ_Tiに加算した（ｖ_Ti＋Ｉi ×ｒ_B ）、キャパシタ電源での蓄電量Ｕ_Biは、Ｃ_B ×ｖ_Bi ² ／２、放電量ΔＵi は、（Ｕ_Bi-1−Ｕ_Bi）としてそれぞれ求められる。さらに、発熱量や放熱量は、電力損失に応じた関数に基づき求められ、これら各時の値として求めたのが解析データである。なお、キャパシタ電源の蓄電容量Ｕ_Bmaxは、バンクを満充電電圧ｖ_Bfまで充電したときの（Ｃ_B ×ｖ_Bf ² ／２）となる。

キャパシタ電源は、負荷パターンによっては放電だけでなく、回生電力により充電されることにより、バンク電圧が上下動する。したがって、負荷パターンにより解析されたバンク電圧が最小値ｖ_Bminとなったときの満充電からの放電量（Ｕ_Bmax−Ｕ_Bmin＝Ｕ_max ）がキャパシタ電源として少なくとも必要となる蓄電容量となり、キャパシタ電源の蓄電容量に対する割合が利用率となる。また、温度上昇値は、電力損失の関数、例えば（総電力損失ΣＩi²ｒ_B ×Ｋ＋Ｔ₀ ）で求め、この温度上昇値の許容温度に対する割合が余裕率として求めることができる。ここで、Ｋは１〜３、Ｔ₀ は１〜５で実験値として求められるものである。したがって、それぞれがキャパシタ電源の評価を行う情報となる。

モータ負荷回路において、例えば図７（ａ）に示すように一定の加速度ｎ′で加速する加速域Ａ、定速域Ｂ、一定の減速度−ｎ′で減速する減速域Ｃからなる動作パターンが与えられると、負荷特性にしたがって図７（ｂ）に示すトルクτ、さらにそのトルクτに見合った図７（ｃ）に示す負荷電力Ｐが求めることができる。この負荷電力Ｐに対して最大供給電力ｐ_p とすると、これを越える分がピークカットしてキャパシタ電源から給電する必要電力ｗi となる。負荷電力Ｐは、減速域Ｃで負になり回生電力としてキャパシタ電源の充電に使用される。キャパシタ電源では、必要電力ｗi を供給するために放電することにより電圧が降下するが、回生電力を充電に使用して蓄電量が増えることにより電圧が上昇し回復する。

動作パターンを速度で与えるデータの例を示したのが図８（ａ）であり、この場合には速度の単位時間の変化率（微分）で加速度が求められる。加速度で与えるデータの例を示したのが図８（ａ）である。複数の異なる種別の負荷を有する場合、負荷の種別により所望の加速度を得るために必要なトルク、そのトルクを得るために必要な電力も異なってくる。負荷の種別を指定することによりそれに対応して必要な電力を求めることができるようにするために設定するトルク・電力変換関数のデータの例を示したのが図８（ａ）である。

図９に示す速度（加速度）プロファイルを入力する場合の処理の例では、図８（ａ）、（ｂ）に示す速度或いは加速度プロファイルのデータを入力し（ステップＳ３１）、負荷の種別、モジュールの種別、定格を選択して指定することにより（ステップＳ３２）、図８（ｃ）に示す変換関数に基づき各時刻のトルク、負荷電力を算出し（ステップＳ３３）、その負荷電力から各時刻のキャパシタ電源の必要電力を算出して（ステップＳ３４）、先に説明した処理と同様にキャパシタの解析処理を実行する。

上記のように本実施形態の設計支援システムでは、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定に応じて解析データ、評価データを出力することにより、それぞれの負荷とキャパシタ電源との組み合わせが適合するか否かを評価、判定することができるので、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定を変数として更新しながら繰り返し解析データ、評価データを出力して、最適なキャパシタ電源の解を求めることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、モータ負荷回路の負荷パターンを入力したが、モータ負荷回路に限らず複合負荷の給電系統における給電履歴データやシミュレーションデータによる動作パターンや負荷パターン入力し、ピークカットする電力をキャパシタ電源から給電する場合等に適用してもよいことはいうまでもない。

本発明に係るキャパシタ電源の設計支援システムの実施の形態を説明する図である。 負荷データの構成例を説明する図である。 キャパシタデータの構成例を説明する図である。 解析データ及び評価データの構成例を説明する図である。 本発明に係るキャパシタ電源の設計支援システムにおける処理の例を説明する図である。 モータ負荷回路の構成概要を示す図である。 モータ負荷の回転数、トルク、電力の波形例を示す図である。 負荷データの一部の構成例を示す図である。 速度（加速度）プロファイルを入力する場合の処理の例を説明する図である。

符号の説明

１…演算処理装置、２…データ記憶装置、３…入力装置、４…出力装置、１１…データ入力処理部、１２…条件設定処理部、１３…キャパシタ解析処理部、１４…評価処理部、１５…データ出力処理部、２１…負荷データファイル、２２…キャパシタデータファイル、２３…解析・評価データファイル

Claims (7)

1. 複数のキャパシタを直並列接続して構成し負荷パターンに応じて必要電力を供給するためのキャパシタ電源の容量設計、評価を支援する設計支援システムであって、
   時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に基づいて時系列にキャパシタ電源の電流、電圧、放電量、電力損失の情報を含む解析データを求めるキャパシタ解析処理手段と、
   前記キャパシタ解析処理手段により求めた解析データに基づいて前記キャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を含む評価データを求める評価処理手段と、
   前記解析データ及び評価データを出力する出力手段と
   を備え、前記時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様に応じた前記解析データ及び評価データを前記キャパシタ電源の容量設計、評価の支援データとして提供することを特徴とするキャパシタ電源の設計支援システム。
2. 前記負荷は、モータ負荷の動作パターンに基づいて求められる必要電力であることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源の設計支援システム。
3. 前記定格仕様は、所定数のセルを直列接続したモジュールを基本構成単位とし、複数のモジュールを直並列接続してバンクを構成する前記キャパシタ電源に関する電圧、静電容量、内部抵抗、発熱・放熱関数、許容熱容量であることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源の設計支援システム。
4. 前記キャパシタ解析処理手段は、前記時系列の負荷パターン及びキャパシタ電源の定格仕様を変数として更新し繰り返し前記解析データを求めることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源の設計支援システム。
5. 前記キャパシタ解析処理手段は、ピークカット値を越える電力を必要電力として前記解析データを求めることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源の設計支援システム。
6. 評価処理手段は、前記解析データにおける前記電力損失に基づき上昇温度値を求め前記許容熱容量との比較により前記キャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を求めることを特徴とする請求項３記載のキャパシタ電源の設計支援システム。
7. 評価処理手段は、前記解析データにおける前記電圧の最小値を抽出して前記最小値での蓄電量と満充電時の蓄電量との比較により前記キャパシタ電源の容量設計、評価に関する情報を求めることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源の設計支援システム。
   

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