JP2008102050A

JP2008102050A - パルス電源の負荷試験装置

Info

Publication number: JP2008102050A
Application number: JP2006285685A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hara; 喜芳原
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】パルス電源の長時間負荷試験にも電力エネルギーの無駄な消費を無くす。
【解決手段】パルス電源からの放電パルスで充電されるピーキングコンデンサＣｐの充電電圧を可飽和リアクトルＬ_X1の飽和動作で模擬負荷用コンデンサＣ_X1，Ｃ_X2へ転送し、この転送終了後にコンデンサＣ_X1の充電電力をリアクトルＬ₃と整流器ＳＯＳで反転充電し、この後にコンデンサＣ_X1，Ｃ_X2の充電電力をリアクトルＬ₄，Ｌ₂を介して電力蓄積用コンデンサＣ_Lに転送し、このコンデンサの直流電力をインバータで交流に変換して交流電源側に回生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザヘッドなどの負荷に高電圧・狭幅のパルス電流を高い繰り返しで供給するパルス電源に係り、特にパルス電源の負荷試験装置に関する。

図６にパルス電源と負荷装置の回路例を示す。パルス電源は充電器ＨＤＣと半導体スイッチＳＷとコンデンサＣ₀，Ｃ₁と可飽和リアクトルＬ_S1，Ｌ_S2で構成される。充電器ＨＤＣはコンデンサＣ₀を高圧で初期充電する装置である。

充電器ＨＤＣによりコンデンサＣ₀に蓄えられた電圧Ｖ_C0は半導体スイッチＳＷがＯＮすることで放電され、コンデンサＣ₁で閉じられる回路ループで可飽和リアクトルＬ_S1に電圧が印加される。可飽和リアクトルＬ_S1はＣ₀に蓄えられたエネルギー量Ｊ_C0（＝１／２×Ｃ₀×Ｖ_C0）を磁束量としてΦ＝ｋ∫ｅｄｔの形で鉄心に蓄える動作をする。この蓄えられる磁束量は可飽和リアクトルの鉄心体積で決まり、それ以上のエネルギー量が加わった場合は鉄心が飽和して透磁率が極端に低下し、インダクタンス値も比例して低下する。このインダクタンスの変化に応じて次式で示されるごく短いパルス幅τ₀に変調された放電電流ｉ₀によりエネルギー量Ｊ_C0がコンデンサＣ₁へ転送される。

電流ｉ₀の幅τ₀＝π×ＳＱＲ｛Ｌ_S1（飽和時）×（Ｃ₀//Ｃ₁）｝
電流ｉ₀ピーク＝Ｖ_C0×ＳＱＲ｛（Ｃ₀//Ｃ₁）／Ｌ_S1（飽和時）｝
Ｃ₁電圧Ｖ_C1＝１／Ｃ₁・∫ｉ₀ｄｔ
転送されたエネルギー量Ｊ_C1（＝１／２×Ｃ₁×Ｖ_C1）
エネルギー転送されたコンデンサＣ₁の充電電流は、可飽和リアクトルＬ_S2の飽和動作により磁気パルス圧縮されて負荷装置のピーキングコンデンサＣ_Pに転送されてそれを急速充電する。このコンデンサＣ_Pの充電電圧により、レーザヘッドなどの負荷ＬＨに放電を起こし、パルスエネルギーとして供給される。

なお、図６のパルス電源は基本構成を示すもので、各種のパルス電源回路に適宜設計変更されるものである。例えば、中間回路に可飽和トランスやパルストランスを介在させる構成のものがある。

このような構成になるパルス電源の負荷試験には、負荷装置として実際のレーザヘッド等の負荷を使用するのに代えて、この負荷を等価的に模擬した抵抗やギャップ等を組み合わせたものを使用している（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１６６９５３号公報

前記のように、パルス電源の負荷試験には、電源の出力エネルギーを抵抗等で消費させるが、これでは単に電源出力を熱エネルギーや光として放出しているだけであり、長時間試験では大きな電力エネルギーを無駄に消費してしまう。

上記の問題は負荷装置側でエネルギー回生を行うことが考えられるが、パルス電源の出力は「高電圧大電流で極めて狭幅のパルスを高い繰り返しで負荷に供給する」という特徴があるため、一般に普及している回生電力をインバータ等を使用して電源側に回生する手法は使えない。

本発明の目的は、パルス電源の長時間負荷試験にも電力エネルギーの無駄な消費を無くして、負荷試験における電力エネルギーの回生ができるパルス電源の負荷試験装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、パルス電源からの放電パルスで充電されるピーキングコンデンサの充電電圧を可飽和リアクトルの飽和動作で模擬負荷用コンデンサへ転送し、この転送終了後に模擬負荷用コンデンサの充電電力を電力蓄積用コンデンサに転送し、この電力蓄積用コンデンサの直流電力をインバータなどの回生型電力変換装置で交流に変換して交流電源側に回生するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）パルス電源が発生する高電圧大電流で極めて狭幅のパルスを高い繰り返しで負荷に供給するパルス電源の負荷試験装置であって、
前記負荷は、
パルス電源からの放電パルスで充電されるピーキングコンデンサＣｐの充電電圧を可飽和リアクトルＬ_X1の飽和動作で模擬負荷用コンデンサＣ_X1，Ｃ_X2へ転送する模擬負荷回路と、
前記転送終了後に前記模擬負荷用コンデンサＣ_X1，Ｃ_X2の充電電力をリアクトルとのＬＣ振動で発生する電流で電力蓄積用コンデンサＣ_Lに転送する電力転送回路と、
前記電力蓄積用コンデンサＣ_Lを直流電力を交流に変換して交流電源側に回生する回生型電力変換装置とを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ピーキングコンデンサの充電電圧を模擬負荷用コンデンサへ転送し、この転送終了後に模擬負荷用コンデンサの充電電力を電力蓄積用コンデンサに転送し、この電力蓄積用コンデンサの直流電力をインバータなどの回生型電力変換装置で交流に変換して交流電源側に回生するようにしたため、以下の効果がある。

（１）従来のように電源の出力エネルギーを抵抗等で消費させることがなく、長時間試験にも大きな電力エネルギーを無駄に消費することがない。

（２）高電圧大電流で極めて狭幅のパルスを高い繰り返しで負荷に供給するパルス電源の負荷試験が可能となる。

図１は、本発明の実施形態を示す負荷装置の回路構成図であり、この回路構成は、模擬負荷回路と、電力転送回路と、電力回生用インバータ（回生型電力変換装置）とで構成される。

模擬負荷回路は、ピーキングコンデンサＣｐに並列に、可飽和リアクトルＬ_X1と模擬負荷用のコンデンサＣ_X1とＣ_X2の直列回路を接続し、可飽和リアクトルＬ_X1の飽和動作によりピーキングコンデンサＣｐからコンデンサＣ_X1，Ｃ_X2の直列回路への放電を得る。

電力転送回路は、可飽和リアクトルＬ_X1とコンデンサＣ_X1，Ｃ_X2の直列回路との接続点に並列接続したリアクトルＬ₄と、コンデンサＣ_X1に並列接続したリアクトルＬ₃と整流器ＳＯＳの直列回路と、このリアクトルＬ₃と整流器ＳＯＳの直列回路に並列接続したリアクトルＬ₂と電力蓄積用コンデンサＣ_Lの直列回路とによって構成され、模擬負荷回路への放電により蓄積されたコンデンサＣ_X1、Ｃ_X2の蓄積エネルギーをリアクトルとのＬＣ振動で発生する電流でコンデンサＣ_Lの充電電力として転送する。

電力回生用インバータは、コンデンサＣＬを直流電源として、電力系統の周波数・電圧に制御した交流電流に変換して交流電源側に電力回生を行う。

本実施形態による負荷装置の動作を図２〜図５を参照して、以下に詳細に説明する。なお、各コンデンサの容量は、Ｃｐ＞Ｃ_X1＞ＣＬ，Ｃ_X1＝Ｃ_X2とする。また、各リアクトルのインダクタンスは、Ｌ₄＞Ｌ₂＞Ｌ₃とする。

（動作モード１：図２）
パルス電源のからピーキングコンデンサＣｐにパルス電源出力電圧Ｖｃｐを発生させると、可飽和リアクトルＬ_X1の飽和時にコンデンサＣ_X1とＣ_X2で構成される回路ループに流れる電流ｉ_CX1によりコンデンサＣ_X1とＣ_X2の直列回路にエネルギーＪｃｐ（＝１／２×Ｃｐ×Ｖ_CP）を転送する。このときの電流ｉ_CX1の幅およびピーク値は以下のようになる。なお、このとき、リアクトルＬ₂、Ｌ₃、Ｌ₄は電流ｉ_CX1に対し高インピーダンスとなる。

電流ｉ_CX1の幅τ_iCX1＝π×ＳＱＲ｛Ｌ_X1（飽和時）×（Ｃ_X）｝
電流ｉ_CX1のピーク値ｉ₀＝ＶＣｏ×ＳＱＲ｛（Ｃ_X）／Ｌ_X1（飽和時）｝
Ｃ_X＝１／｛（１／Ｃｐ）十（１／Ｃ_X1）十（１／Ｃ_X2）｝
（動作モード２：図３）
動作モード１の動作終了後、コンデンサＣ_X1の電圧Ｖ_CX1はリアクトルＬ３と整流器ＳＯＳの直列回路を介して放電し、充電極性が反転される。

（動作モード３：図４）
動作モード２の動作終了後、コンデンサＣ_X1に転送されたエネルギーがリアクトルＬ₂とのＬＣ振動で発生する電流でコンデンサＣ_Lへ転送され、コンデンサＣ_X2に蓄積されたエネルギーがリアクトルＬ₄とＬ₂とのＬＣ振動で発生する電流でコンデンサＣ_Lへ緩やかに転送される。

（動作モード４：図５）
動作モード３の動作終了後、コンデンサＣ_Lに蓄えられたエネルギーはインバータで交流電源側に回生する。

以上までの回生動作は、パルス電源の負荷試験中に、その動作タイミングで繰り返し行われ、負荷回路に放電された電力を回生する。

なお、実施形態における各部は適宜設計変更できる。例えば、リアクトルＬ₂に直列に整流器を設けた構成とすることができる。また、リアクトルＬ４に可飽和リアクトルを介挿した構成とすることができる。

本発明の実施形態を示す負荷装置の回路構成図。実施形態の動作説明図（その１）。実施形態の動作説明図（その２）。実施形態の動作説明図（その３）。実施形態の動作説明図（その４）。パルス電源と負荷装置の例。

符号の説明

ＳＷ半導体スイッチ
ＨＤＣ充電器
ＬＨ負荷
Ｌ_S1，Ｌ_S2，Ｌ_X1 可飽和リアクトル
Ｃ₀，Ｃ₁，Ｃ_X1，Ｃ_X2 コンデンサ
Ｃｐピーキングコンデンサ
Ｃ_L 電力蓄積用コンデンサ
Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄ リアクトル
ＳＯＳ整流器

Claims

パルス電源が発生する高電圧大電流で極めて狭幅のパルスを高い繰り返しで負荷に供給するパルス電源の負荷試験装置であって、
前記負荷は、
パルス電源からの放電パルスで充電されるピーキングコンデンサＣｐの充電電圧を可飽和リアクトルＬ_X1の飽和動作で模擬負荷用コンデンサＣ_X1，Ｃ_X2へ転送する模擬負荷回路と、
前記転送終了後に前記模擬負荷用コンデンサＣ_X1，Ｃ_X2の充電電力をリアクトルとのＬＣ振動で発生する電流で電力蓄積用コンデンサＣ_Lに転送する電力転送回路と、
前記電力蓄積用コンデンサＣ_Lを直流電力を交流に変換して交流電源側に回生する回生型電力変換装置とを備えたことを特徴とするパルス電源の負荷試験装置。