JP2009201211A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電線において交流電流及び交流電圧間の位相差のずれを抑制しつつ、安定にスイッチ素子を切り替えることができる
【解決手段】トライアックＴ１〜Ｔｎを介してリアクトルＬ１〜Ｌｎを給電線１２に並列に接続する。スイッチ制御部１３２は、トライアックＴ１〜Ｔｎへのスイッチ制御信号を生成する。かかる制御信号は、トランス３４を介して電源盤３０から供給される交流電流及び交流電圧の位相差に基づいて、位相差が所定値からずれた場合にそのずれが小さくなるように調整される。
【選択図】図２

Description

本発明は、軌道に沿って走行する移動体に電力を供給する電力供給システムに関する。

軌道に沿って走行する車両などの移動体に非接触で電力を供給する電力供給システムには種々のものがある。例えば、軌道に沿って給電線を敷設すると共に、その給電線に高周波の交流電流を供給する。移動体は、かかる給電線の交流電流によって発生した磁界の磁気的エネルギーを電気的エネルギーに変換することによって、給電線から非接触で電力供給を受ける。このような構成の場合、電力供給の効率を向上させるために、コンデンサを給電線に並列に接続し、給電線とそのコンデンサとで共振回路を構成することが一般的になされている。

ところで、給電線から移動体が電力供給を受ける際に、給電線に誘導性リアクタンス成分が追加される。したがって、給電線から電力供給を受ける移動体の数が変動すると、給電線全体のリアクタンスが変動するため、給電線とコンデンサとからなる共振回路の共振周波数が変動する。これによって、給電線へ供給する交流電流の電流及び電圧間の位相差にずれが生じて力率が低下する等の問題が生じる。このような問題を避けるためには、給電線全体のリアクタンスを調整する構成などが必要となる。

特許文献１や特許文献２には、給電線の共振周波数を調整することができる種々の構成が開示されている。例えば、特許文献１には、追加のリアクトルを給電線に直列に接続する構成が開示されている。また、特許文献１及び２には、追加のコンデンサを給電回路に並列に接続する構成が開示されている。そして、これらの追加のリアクトルやコンデンサの接続をスイッチ素子を用いて切り替えることで、給電線の共振周波数を調整している。

特許３５１２７９８号公報 特許２６６７０５４号公報

しかし、上記において、追加のリアクトルを給電線に直列に接続する構成によると、リアクトルの接続を切っている状態では、給電線の電流がそのままスイッチ素子を流れるため、スイッチ素子の消費電力が大きくなるという問題がある。

また、追加のコンデンサを給電線に並列に接続する構成においては、以下の問題がある。まず、スイッチ素子に急激に大きな電圧が印加されるのを防ぐため、コンデンサに高い電圧が印加されるタイミングでスイッチ素子の切り替えを実行しなければならない。しかし、コンデンサに高い電圧が印加されるタイミングでスイッチを入れると、コンデンサに突入電流が発生するおそれがある。また、コンデンサに高い電圧が印加されるタイミングでスイッチを切ると、コンデンサに電荷が残存した状態でスイッチが切られるため、スイッチ素子に高電圧が印加されるおそれがある。したがって、スイッチ素子として耐圧の高いものが必要となる。

このように、特許文献１及び特許文献２の構成によると、消費電力が大きくなったり、スイッチ素子を安定に切り替えることができなかったりといった問題が生じるおそれがある。

本発明の目的は、給電線において交流電流及び交流電圧間の位相差のずれを抑制しつつ、安定にスイッチ素子を切り替えることができる電力供給システムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の電力供給システムは、軌道に支持されつつ走行する移動体に電力を供給する電力供給システムであって、前記移動体に非接触で電力を供給する、前記軌道に沿って敷設された給電線と、前記給電線に交流電力を供給する電源と、前記給電線と共に共振回路を構成するように前記給電線に接続されたコンデンサと、リアクトル、並びに、前記リアクトルを前記給電線に並列に接続させた入り状態と前記リアクトルが前記給電線に電気的に接続されていない切り状態とを選択的に取るスイッチ素子を有するスイッチ回路と、前記電源が前記給電線に供給する交流電流及び交流電圧間の位相差に所定値からのずれが生じた際に、前記ずれが小さくなるように、前記入り状態と前記切り状態との間で前記スイッチ素子の状態を切り替える切り替え制御手段とを備えている。

本発明によると、給電線において交流電流及び交流電圧間の位相差に所定値からのずれが生じた際に、ずれが小さくなるようにスイッチ素子の切り替えを制御する。したがって、給電線から電力供給を受ける移動体の数に変動が生じたりして位相差にずれが生じても、そのずれを抑制するような制御を実行する。また、本発明は、スイッチ素子の切り替えによってリアクトルを給電線に並列に接続する構成を有している。つまり、スイッチ素子も給電線に並列に接続されることとなる。したがって、スイッチがどのような状態であっても、給電線を流れる電流と同じ大きさの電流がスイッチ素子に流れることはない。これによって、スイッチ素子が給電線に対して直列に接続される場合と比べて、スイッチ素子の消費電力が抑制される。また、リアクトルを接続する場合は、スイッチを入れるときの電流の変化がコンデンサを接続する場合と比べて緩やかである。さらに、スイッチを切ってもコンデンサのような電荷の残留が発生せず、スイッチ素子に高い耐圧性を要求することもない。したがって、スイッチ素子を安定に切り替えることができる構成が実現する。

また、本発明においては、前記切り替え制御手段が、前記スイッチ素子に流れる電流がゼロになるタイミングに合わせて前記スイッチ素子の状態を前記入り状態から前記切り状態に切り替えることが好ましい。この構成によると、スイッチ素子に流れる電流がゼロのタイミングでスイッチを切るため、電流が流れているタイミングで切る場合と比べて、スイッチロスを抑制することができる。

また、本発明においては、前記スイッチ回路が、前記スイッチ素子としてサイリスタ素子を有していてもよい。この構成によると、サイリスタ素子を用いることによって、スイッチ素子に流れる電流がゼロでないタイミングでスイッチを切っても、電流がゼロになるまで導通状態が維持される。したがって、簡易な構成でスイッチロスを抑制することができる。

また、本発明においては、前記切り替え制御手段が、前記給電線を流れる電流の電流値及び電圧値をそれぞれ検出する電流検出器及び電圧検出器と、前記電流検出器及び電圧検出器が検出した前記電流値及び電圧値の位相を比較すると共に前記所定値からの位相差のずれを示す信号を出力する位相比較器とを有し、前記位相比較器が出力した信号に基づいて前記スイッチ素子の状態を切り替えることが好ましい。この構成によると、位相比較回路を用いることによって、簡易な構成で切り替え制御手段が実現する。

以下、本発明の好適な一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態の搬送システム１の全体の構成を示す概略図である。搬送システム１は、例えば半導体基板の製造工場等に設置され、半導体基板が収容された容器を各製造装置（不図示）間で搬送するためのものである。搬送システム１は、天井等に敷設された軌道１１を有している。軌道１１上には複数の搬送車両２０（移動体）が設置されている。各搬送車両２０は、軌道１１に吊り下げられるように支持されており、軌道１１に沿って走行することが可能である。また、各搬送車両２０は、半導体基板が収容された容器９９を把持することができ、一の製造装置から他の製造装置へと軌道１１上を走行しつつ容器９９を搬送する。

搬送システム１は、搬送車両２０に電力を供給するための電源盤３０及び給電線１２を有している。給電線１２は軌道１１内に敷設されており、軌道１１に沿って延びている。電源盤３０は、給電線１２に高周波の交流電流を流すインバータ方式のスイッチング電源である。電源盤３０が給電線１２に電圧を印加することで電流を流すと給電線１２の周囲に磁界が発生する。搬送車両２０はコイルが巻かれたトランスを有している（不図示）。給電線１２の交流電流によって発生した磁界がコイルと鎖交する際にコイルに発生する誘導起電力によって、搬送車両２０に電力が供給される。また、搬送システム１は、後述の位相補正回路１００を有している。

図２は、電源盤３０、給電線１２及び位相補正回路の構成を示す回路図である。電源盤３０は整流回路３２及びインバータ回路３３を有している。電源盤３０は、交流電源３１から電力供給を受ける。交流電源３１から電源盤３０に入力された交流電流は、整流回路３２によって整流され、整流された電流はインバータ回路３３に供給される。インバータ回路３３は、整流回路３２からの電流をある周波数に調整された交流電流に変換する。インバータ回路３３からの出力は、トランス３４を介して交流電流として給電線１２に供給される。インバータ回路３３は、給電線１２から電力供給を受けている搬送車両２０がある台数のときに、トランス３４を介して給電線１２に出力される交流電流及び交流電圧間の位相差が所定値になるようにスイッチングを制御する。また、インバータ回路３３は、給電線１２への出力電圧又は出力電流をその振幅が一定になるように制御する。

ところで、給電線１２は軌道１１の規模に応じた長さを有しており、固有のインダクタンスＬを有している。このように給電線１２は誘導性負荷となるので、電源盤３０の出力にそのまま接続すると、力率が非常に低く、搬送車両２０に有効に電力を供給することが困難となる。

このため、一次側及び二次側の回路を共に共振回路とすることによって、電源盤３０の出力に無効電圧や無効電力が発生するのを抑制することが一般的になされている。本実施形態においては、容量Ｃを有するコンデンサＣが給電線１２に並列に接続されている。また、搬送車両２０側のコイルにもコンデンサが接続されており、共振回路が構成されている（不図示）。

そして、給電線１２に流れる電流の周波数と、給電線１２及びコンデンサＣからなる共振回路の共振周波数とが互いに同一になる場合に、上記の無効電圧や無効電力を完全に補償することができる。このとき、電源盤３０の出力側の力率は１となる。さらに、搬送車両２０側の共振回路の共振周波数も上記の周波数と同一にすることによって、搬送車両２０に最も有効に電力が供給される。したがって、これらの共振回路を共振周波数が所定の周波数になるように構成すると共に、その所定の周波数とほぼ等しい周波数の交流電流が給電線１２に流れるように制御することが好ましい。

一方で、給電線１２から搬送車両２０への電力供給が開始されると、搬送車両２０と給電線１２との磁気的結合によって、給電線１２から見たときに誘導性のリアクタンス成分が車両ごとに発生する。図２はその一例を示している。図２においては、２台の搬送車両２０が給電線１２と磁気的に結合することによってｌ１及びｌ２に相当するリアクタンス成分が発生しており、給電線１２の全インダクタンスはＬ＋ｌ１＋ｌ２となっている。このように、給電線１２から電力供給を受ける搬送車両２０の台数が変動すると、給電線１２全体のリアクタンスも変動する。

これに対して上記の通り、給電線１２を流れる電流は、搬送車両２０がある台数のときにトランス３４から給電線１２へと出力される交流電流及び交流電圧間の位相差が所定値になるように調整されている。ここで、所定値は１／４周期分に相当する値である。しかし、搬送車両２０が上記のある台数から変動すると、給電線１２全体のリアクタンスが変動するので、トランス３４から出力される電流及び電圧間の位相差も変動する。電源盤３０からの出力の電流及び電圧間の位相差が変動すると、電源出力の力率が変動すると共に、搬送車両２０に有効に電力を供給できなくなるおそれがある。

本実施形態は、搬送車両２０の台数が変動しても搬送車両２０に有効に電力を供給するため、位相補正回路１００を有している。以下、位相補正回路１００について説明する。位相補正回路１００は、リアクトルＬ１〜ＬｎとトライアックＴ１〜Ｔｎ（スイッチ素子）とを含んだスイッチ回路１０１を有している。リアクトルＬ１〜Ｌｎは、いずれも同じ大きさのインダクタンスを有しており、トライアックＴ１〜Ｔｎを介して給電線１２に並列に接続される。トライアックＴ１〜Ｔｎの状態を切り替えることによって、リアクトルＬ１〜Ｌｎが給電線１２に接続された状態（入り状態）と給電線１２に接続されていない状態（切り状態）とがそれぞれ切り替えられる。なお、トライアックＴ１〜Ｔｎの状態を入り状態から切り状態にする際には、トライアックのゲート端子に供給する電流をどのタイミングで変化させるかによらず、カソード端子及びアノード端子間の電流がゼロになるまでこれらの端子間の導通状態が保たれる。したがって、この構成においては、必ず電流がゼロのタイミングでスイッチが切られることとなる。

トライアックＴ１〜Ｔｎのそれぞれには、２つのツェナーダイオードＺが各トライアックに対して並列に接続されている。これらのツェナーダイオードＺによって、トライアックＴ１〜Ｔｎに印加される電圧が一定になり、トライアックＴ１〜Ｔｎに高電圧がかかるのが防止されている。

また、位相補正回路１００は、電流検出器１１１及び電圧検出器１１２を有している。電流検出器１１１は、給電線１２上の点Ｐ３において給電線１２を流れる電流の電流値を検出する。電流検出器１１１には、例えば変流器が用いられる。電圧検出器１１２は、給電線１２上の点Ｐ４及びＰ５間の電圧値を検出する。電圧検出器１１２には、例えばトランスが用いられる。電流検出器１１１及び電圧検出器１１２は、検出した電流値及び電圧値を示す信号を位相検出器１２１及び１２２へとそれぞれ出力する。位相検出器１２１及び１２２は、電流検出器１１１及び電圧検出器１１２からの信号に基づいて、これらの電流値及び電圧値の位相を示す信号を生成し、位相比較器１３１へとそれぞれ出力する。

位相比較器１３１は例えばコンパレータ素子によって構成されている。位相比較器１３１は、位相検出器１２１及び１２２からの信号に基づいて、電流値及び電圧値の位相差を示す信号を生成し、スイッチ制御部１３２（切り替え制御手段）へと出力する。スイッチ制御部１３２は、位相比較器１３１からの信号に基づいてスイッチ制御信号を生成し、トライアックＴ１〜Ｔｎのゲート端子に供給する。これによって、リアクトルＬ１〜Ｌｎのそれぞれが、給電線１２に接続されたり、給電線１２から切り離されたりする。スイッチ制御部１３２は、例えばプログラマブルＩＣなどによって構成される。

そして、位相補正回路１００は、電流値及び電圧値の位相差が所定値からずれていくにつれて、給電線１２に接続されたリアクトルＬ１〜Ｌｎが一つずつ増減されていくように構成されている。より具体的には、例えば位相比較器１３１は、電流値及び電圧値間の位相差と所定値とのずれ幅を示す信号をスイッチ制御部１３２へと出力する。スイッチ制御部１３２は位相比較器１３１からの信号を積算していく。そして、その積算値が所定の正値を超えるたびに、給電線１２に接続されるリアクトルが１つ増えるようにスイッチ制御信号を生成し、トライアックＴ１〜Ｔｎに供給する。そして、積算値をリセットする。また、位相比較器１３１からの信号の積算値が所定の負値を下回るたびに、給電線１２に接続されるリアクトルが１つ減るようにスイッチ制御信号を生成し、トライアックＴ１〜Ｔｎに供給する。そして、積算値をリセットする。

これによって、給電線１２において電流及び電圧間の位相差の所定値からのずれが正の方向に大きくなっていくときには、給電線１２に並列に接続されたリアクトル数が１つずつ増えることとなる。一方、リアクトルが給電線１２に並列に接続されると、給電線１２とリアクトルとの合成インダクタンスは、リアクトルが接続される前と比べて小さくなる。したがって、電流及び電圧間の位相差のずれが正の方向に大きくなっていくときには、給電線１２及びリアクトルの全体のリアクタンスが小さくなるような制御がなされることとなる。つまり、給電線１２及びリアクトルの全体のリアクタンスが大きくなりすぎた場合には、リアクタンスを小さくするような制御がなされる。また、給電線１２において電流及び電圧間の位相差の所定値からのずれが負の方向に大きくなっていくときには、給電線１２に並列に接続されたリアクトル数が１つずつ減少することとなる。つまり、給電線１２及びリアクトルの全体のリアクタンスが小さくなりすぎた場合には、リアクタンスを大きくするような制御がなされる。

ここで、スイッチ制御部１３２は、給電線１２に接続されたリアクトル数を、電流及び電圧間の位相差が上記の所定値に収束するように制御する。かかるリアクトル数の制御は、トライアックＴ１〜Ｔｎの状態を切り替える基準となる上記の所定の正値及び負値やリアクトルＬ１〜Ｌｎのインダクタンス値に応じて調整されている。これによって、給電線１２及びリアクトルの全体のリアクタンスが変動して電流及び電圧間の位相差が所定値からずれた場合も、位相差が所定値に戻るような制御が実行されることとなる。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。

給電線１２から電力供給を受ける搬送車両２０の台数が増減すると、給電線１２全体のリアクタンスが変動し、給電線１２の電流及び電圧間の位相差が所定値から変動する。しかし、本実施形態によると、スイッチ制御部１３２が、適切な数のリアクトルＬ１〜Ｌｎが給電線１２に並列に接続されるようにトライアックＴ１〜Ｔｎの状態を切り替える。そして、これによって給電線１２の電流及び電圧の位相差を所定値に収束させる。したがって、電源出力の力率が改善され、搬送車両２０への電力供給が有効になされる。

また、本実施形態は、給電線１２のリアクタンスを調整するために、リアクトルを給電線１２に対して並列に接続する構成を有している。したがって、リアクトルを給電線１２に直列に接続するといった構成と比べて、スイッチ素子であるトライアックＴ１等に流れる電流を抑制し、消費電力を抑制することができる。また、リアクトルやスイッチ素子に大きな電流が流れないため、これらの素子の規模を抑制することもできる。

また、トライアックＴ１等においてスイッチを入れる場合に、リアクトルＬ１等を流れる電流の変化は、コンデンサを並列に接続する場合と比べて緩やかである。したがって、突入電流が発生するといった問題が生じにくい。さらに、トライアックＴ１等においてスイッチを切る場合に、コンデンサを接続する場合のような電荷の残留がないので、スイッチ素子に高電圧がかかるといった問題が生じにくい。

また、スイッチ素子としてトライアックを用いているので、スイッチ制御部１３２からの信号が入力されるタイミングによらず、電流がゼロのタイミングでスイッチが切られることとなる。これによって、電流が流れているときに強制的にスイッチを切ることでスイッチロスが生じることが回避される。

＜変形例＞
以上は、本発明の好適な実施形態についての説明であるが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、課題を解決するための手段に記載された範囲の限りにおいて様々な変更が可能なものである。

例えば、上述の実施形態においては、スイッチ素子としてトライアックを用いているが、２つの独立したサイリスタ素子を逆並列に接続したものを用いてもよい。つまり、トライアックのようなモノシリック構造を有する素子でなくてもよい。いずれにしても、トライアックのようなサイリスタ素子を含む構成を用いることによって、電流がゼロのタイミングでスイッチが切られるような構成が簡易に実現する。

また、トライアックの替わりにＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いてもよい。この場合には、スイッチ素子に流れる電流を検出して電流がゼロのタイミングでスイッチを切り替える構成とすることにより、スイッチロスを抑制した構成とすることが好ましい。なお、本実施形態のようにリアクトルを接続する場合には、コンデンサを接続する場合と異なり、電流の変動が緩やかであるため、必ずしも電流がゼロのタイミングでスイッチを入れるような構成としなくともよい。

また、上述の実施形態においては、リアクトルＬ１〜Ｌｎのインダクタンス値が同じであるが、互いにインダクタンス値の異なるリアクトルを用いてもよい。この場合には、給電線１２及びリアクトル全体のリアクタンスをより詳細に制御することができる。

本発明の一実施形態に係る搬送システムの正面図である。 図１の搬送システムにおいて搬送車両に電力を供給する回路構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 搬送システム
１１ 軌道
１２ 給電線
２０ 搬送車両
３０ 電源盤
１００ 位相補正回路
１０１ スイッチ回路
１１１ 電流検出器
１１２ 電圧検出器
１２１ 位相検出器
１２１，１２２ 位相検出器
１３１ 位相比較器
１３２ スイッチ制御部
Ｌ１-Ｌｎ リアクトル
Ｔ１-Ｔｎ トライアック

Claims (4)

1. 軌道に支持されつつ走行する移動体に電力を供給する電力供給システムであって、
   前記移動体に非接触で電力を供給する、前記軌道に沿って敷設された給電線と、
   前記給電線に交流電力を供給する電源と、
   前記給電線と共に共振回路を構成するように前記給電線に接続されたコンデンサと、
   リアクトル、並びに、前記リアクトルを前記給電線に並列に接続させた入り状態と前記リアクトルが前記給電線に電気的に接続されていない切り状態とを選択的に取るスイッチ素子を有するスイッチ回路と、
   前記電源が前記給電線に供給する交流電流及び交流電圧間の位相差に所定値からのずれが生じた際に、前記ずれが小さくなるように、前記入り状態と前記切り状態との間で前記スイッチ素子の状態を切り替える切り替え制御手段とを備えていることを特徴とする電力供給システム。
2. 前記切り替え制御手段が、前記スイッチ素子に流れる電流がゼロになるタイミングに合わせて前記スイッチ素子の状態を前記入り状態から前記切り状態に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記スイッチ回路が、前記スイッチ素子としてサイリスタ素子を有していることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
4. 前記切り替え制御手段が、
   前記給電線を流れる電流の電流値及び電圧値をそれぞれ検出する電流検出器及び電圧検出器と、
   前記電流検出器及び電圧検出器が検出した前記電流値及び電圧値の位相を比較すると共に前記所定値からの位相差のずれを示す信号を出力する位相比較器とを有し、
   前記位相比較器が出力した信号に基づいて前記スイッチ素子の状態を切り替えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給システム。

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