JP2010059511A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器の一次電流を計測することにより分流器を使用することなく直流出力電流を精度よく計測することができる直流電源装置を提供する。
【解決手段】商用電源を整流する整流器と、この整流器の出力を交流に変換する半導体スイッチにより構成したインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流するダイオードとから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドする２個１組としたサンプルホールド回路１１ａ、１１ｂと、サンプルホールド回路１１ａ、１１ｂの出力の絶対値の平均値を算出する平均値回路１４と、平均値回路１４の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路１５と、各サンプルホールド回路にサンプルホールド指令信号を与えるタイミング回路を設けた。
【選択図】図４

Description

本発明は、特に電気めっき等の表面処理用として使用するのに適した大電流の直流電源装置に関するものである。

近年、めっき、アルマイト等の表面処理用の直流電源装置では、供給される商用交流電源を整流し、その出力をインバータによって高周波の矩形波交流に変換し、この矩形波交流を所定の電圧に変換した上整流して直流を得るようにした、インバータ方式、スイッチング方式、ＤＣ−ＤＣコンバータ方式等と呼ばれる方式のものが使用されるようになってきている。こうした方式のものは出力波形が良いという特長があり、また、高周波の変圧器を使用するので変圧器が小形になることから直流電源装置全体が小形軽量になるという利点もあって、さらに増加する傾向にある。

表面処理用に限らず、一般に直流電源装置では直流出力電流を精度よく計測あるいは制御することが必要であり、従来は直流の出力側に分流器を接続して電流を検出するのが普通であった。ところが、分流器は損失が大きく、数千アンペア以上というような大きな電流のものでは高価であり、直流電源装置の効率低下と高コストの原因になるという問題があった。また、その検出電圧は例えば６０ｍＶというように微弱でノイズの影響を受けやすいという問題があり、さらに、大電流の分流器は大形で冷却の必要もあることから、高周波の変圧器を使用することで直流電源装置が小形軽量になるという利点が失われてしまうという問題があった。こうした問題を解決するものとしては、例えば特許文献１に示されるような電流検出に分流器を使用しない方式が提案されている。

この特許文献１で開示されている直流電源装置は、商用周波交流電源から直流を得る整流器、この整流器の出力が入力されて所定の周波数の方形波交流を出力するインバータ、このインバータの出力を制御する制御装置、前記インバータの出力電圧を変換する変圧器、及びこの変圧器の二次出力を整流する整流器からなり、前記制御装置が前記インバータの出力電流を測定する電流測定器の出力信号が入力されて前記方形波の波形幅を制御することによって前記整流器の出力電流を制御する直流電源装置において、前記制御装置が、その入力信号である前記電流測定器の出力信号を全波整流して絶対値信号を得る絶対値回路、前記インバータのオン指令信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点の中間の時点にパルス信号を出力するパルス発生器、及びこのパルス発生器が出力するパルス信号をサンプル信号として前記絶対値回路の出力信号をサンプルしホールドするサンプル・ホールド回路とを備え、このサンプル・ホールド回路の出力信号を負荷電流に比例する信号とするようにしたものである。

この構成ではインバータのオン指令信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点、すなわちインバータの半導体スイッチのオン期間の中間の時点の電流測定器の出力信号をサンプルしてホールドしており、その各部の波形が特許文献１の図２に示されている。ところが、この図には変圧器の二次出力を整流するダイオードの転流期間が示されていないという点で実態を正確に表わしておらず、各部の波形は実際には本願の図２に示すようなものとなる。図２においてＡは変圧器の一次電圧、Ｂは変圧器の一次電流、Ｃは変圧器の２次電圧、Ｄは直流出力電圧、Ｅは直流出力電流をそれぞれ表わしている。ダイオードの転流時にはその期間中変圧器の一次電流が漸増、漸減するものであり、この間は双方のダイオードによる短絡期間となることから直流出力電圧も零ボルトとなる。

転流期間が終わると変圧器の一次電流と直流出力電流とが比例する期間に入ってインバータの半導体スイッチがオフになるまで継続し、その間変圧器の一次電流は直線的に漸増する。したがって、この変圧器の一次電流と直流出力電流とが比例する期間の中間の時点で変圧器の一次電流を検出してサンプルホールドすれば、直流出力電流に比例した計測信号を得ることができることになる。これに対し特許文献１のものではインバータの半導体スイッチのオン期間の中間の時点で変圧器の一次電流をサンプルホールドしており、サンプルホールドする時点がずれていることから計測した電流値と実際の電流値との間には差異が生じるという問題があった。

この問題を解決するためには、遅延時間を設ける等することによりサンプルホールドする時点をずらして補正する方法が考えられる。しかしながら、特に表面処理用のような低圧大電流の直流電源装置では転流期間が長く、転流期間の長さは交流入力電圧が変動したときに変化する。また、設定を変えたり負荷が変わったりして直流出力電圧、電流が変化したときにも変化する。こうした転流時間の変化にも対応し、サンプルホールドする時点を適正にずらして補正することは事実上不可能であり、特許文献１のものでは直流電流を精度よく計測することができなかった。
特開平５−３８１５８号公報

本発明は上記の問題点を解決し、変圧器の一次電流を計測することにより分流器を使用することなく直流出力電流を精度よく計測することができる直流電源装置を提供するためになされたものである。

上記の問題を解決するためになされた請求項１の発明は、商用電源を整流する第一の整流回路と、この第一の整流回路の出力を交流に変換する単相のインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流する第二の整流回路とから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドする２個１組とした１組または２組のサンプルホールド手段と、１組２個のサンプルホールド手段の出力の絶対値の平均値をそれぞれ算出してその平均値を記憶する平均値記憶手段と、第二の整流回路の転流が終わった転流終了時点において前記の組としたサンプルホールド手段の一方に、インバータを構成する半導体スイッチがオフになったターンオフ時点において組としたサンプルホールド手段の他方にそれぞれサンプルホールド指令信号を与え、インバータを構成する半導体スイッチがオフになっている間のオフ中時点において平均値記憶手段に記憶指令信号を与える指令信号発生手段とを設け、平均値記憶手段の出力信号の絶対値を直流電源装置の直流出力電流に比例する信号とすることを特徴とするものである。

ここにおいて、指令信号発生手段は、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間の転流終了時点とターンオフ時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の一方と他方にサンプルホールド指令信号を与え、同じ半サイクルの間のオフ中時点において平均値記憶手段に記憶指令信号を与えるものとすることや、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間のターンオフ時点において組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間の転流終了時点とオフ中時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとすることや、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間の転流終了時点において組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間のターンオフ時点とオフ中時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとすることができ、これらがそれぞれ請求項２ないし４の発明である。

また、指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の各半サイクルの間の転流終了時点とターンオフ時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の一方と他方に、同じ半サイクルのオフ中時点において平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたのが請求項５の発明であり、指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間のターンオフ時点において一方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間の転流終了時点とオフ中時点とにおいて一方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、インバータが出力する交流の他方の極性の半サイクルの間のターンオフ時点において他方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間の転流終了時点とオフ中時点とにおいて他方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたのが請求項６の発明である。

さらに、指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間の転流終了時点において一方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間のターンオフ時点とオフ中時点とにおいて一方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、インバータが出力する交流の他方の極性の半サイクルの間の転流終了時点において他方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間のターンオフ時点とオフ中時点とにおいて他方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたのが請求項７の発明である。

請求項８の発明は同一の問題を解決するためになされたものであり、商用電源を整流する第一の整流回路と、この整流器の出力を交流に変換する単相のインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流する第二の整流回路とから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段と、第二の整流回路の転流終了時点からインバータを構成する半導体スイッチがオフになるまでの間の中間の時点でサンプルホールド指令信号をサンプルホールド手段に与える指令信号発生手段とを設け、サンプルホールド手段の出力信号を直流電源装置の直流出力電流に比例する信号とすることを特徴とするものである。以上の請求項１ないし８の発明において、第二の整流回路の出力電圧の立ち上がりを検出することにより第二の整流回路の転流期間の終了を検出する検出手段を設けることができる。

請求項１の発明によれば、第二の整流回路の転流終了時点とインバータを構成する半導体スイッチがオフになった時点のそれぞれの時点において変圧器の一次電流を検出した電流検出信号をサンプルホールドする２個１組のサンプルホールド手段を設け、そのサンプルホールドした値の平均値を記憶して直流電源装置の直流出力電流に比例する電流計測信号としており、２個１組のサンプルホールド手段に読み込まれるのはそれぞれ一次電流と直流出力電流とが比例する期間の始点と終点の電流値である。したがって、その平均値は直流出力電流に比例することになり、正確な計測結果が得られる利点がある。

また、請求項５ないし７の発明ではインバータが出力する交流の半サイクルごとにサンプルホールドして計測しているので電流計測信号の追従性がよく、フィードバック制御に使用した場合には応答を早くすることができる利点がある。請求項３、４及び６、７の発明では極性が異なる連続した２個の半サイクルで各一つの時点の電流値を読み込み、その平均を算出しているので、変圧器６の一次電流の正側と負側でアンバランスがあった場合にもこれが打ち消されることになり、サンプルホールドする時点が多少ばらつくことがあっても平均化され、アンバランスによる変動等がない正確な電流計測値を得ることができる利点がある。さらに請求項８の発明によればアナログの演算をしないので、計測精度が低下しない利点がある。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の構成を示す主回路の結線図であって、第一の整流回路である整流器１とコンデンサ２により交流入力端子３から供給される交流電力を直流電力に変換する直流電源が設けてある。直流電源のプラス極には半導体スイッチ４ａ、４ｂのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ４ａ、４ｂのマイナス極にはそれぞれマイナス極を直流電源のマイナス極に接続した半導体スイッチ５ａ、５ｂのプラス極が接続してある。これらの半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂは単相インバータを構成する。

単相インバータの出力端子となる半導体スイッチ４ａ、５ａの接続点と半導体スイッチ４ｂ、５ｂの接続点との間には変圧器６の一次コイルが接続してあり、該変圧器６の二次コイルにはセンタータップを設けるとともに両端にそれぞれダイオード７ａ、７ｂのアノードを接続し、第二の整流回路が構成してある。ダイオード７ａ、７ｂのカソードはプラス側の直流出力端子８ａに、変圧器６のセンタータップはマイナス側の直流出力端子８ｂにそれぞれ接続してある。９は変圧器６の一次コイルの電流を検出する変流器である。

変流器９にはトロイダルコアに２次コイルを巻回した一般的なものを使用することができ、変流器９の一次コイルは変圧器６の一次コイルへの配線を貫通させたものとすることができるが、高周波特性の良好なものであることが好ましい。この変流器９により検出される変圧器６の一次側の電流と、直流出力端子８ａ、８ｂに出力される直流出力の電圧はそれぞれ制御装置１０に入力するように接続してある。制御装置１０には半導体スイッチ４ａ、５ｂ、５ａ、５ｂの駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、直流出力を制御する直流出力制御回路と、変流器９により検出された変圧器６の一次側の電流から直流出力電流を算出する電流算出回路とが設けてある。

駆動信号生成回路が半導体スイッチ４ａ、５ｂの組と半導体スイッチ４ｂ、５ａの組とに交互に駆動信号を与えるものであること、直流出力制御回路がＰＷＭ制御等により半導体スイッチ４ａ、５ｂ及び半導体スイッチ４ｂ、５ａのオン時間のデューティを変化させて直流出力を制御するものであることは従来のこうした方式の直流電源装置と同様であり、従来のものと同様の構成とすることができる。これに対し電流算出回路は本発明の特徴的なものであり、以下その原理、構成、動作について説明する。

図２は本発明の直流電源装置の要部の波形を示すもので横軸は時間の経過を表わしており、Ａは変圧器６の一次電圧、Ｂは変圧器６の一次電流、Ｃは変圧器６の２次電圧、Ｄは直流出力電圧、Ｅは直流出力電流である。ｔ１からｔ３までは半導体スイッチ４ａ、５ｂがオンになっている期間であり、変圧器６の一次コイルにはその間電源電圧が加わる。ｔ１からｔ２まではダイオード７ｂに流れていた電流がダイオード７ａに移行していく転流期間であり、変圧器６の二次コイルはダイオード７ａとダイオード７ｂにより短絡されるので変圧器６の二次コイルに電圧は現れない。この間変圧器６の一次電流は漸増する。

ｔ２は転流期間が終わる転流終了時点であり、ダイオード７ａとダイオード７ｂによる短絡から開放されて変圧器６の二次コイルには電圧が生じ、ダイオード７ａを通して直流出力端子８ａ、８ｂに出力される。ｔ２からｔ３までは変圧器６の一次側から直流出力に電力が供給される期間であり、変圧器６の一次電流は直線的に漸増し、この間の変圧器６の一次電流と直流出力電流は比例関係となる。ｔ３は半導体スイッチ４ａ、５ｂがオフになるターンオフ時点であり、ｔ３からｔ４まではダイオード７ａに流れていた電流がダイオード７ｂに移行していく転流期間である。ｔ４の時点ではダイオード７ａ、７ｂの双方に電流が流れている状態となる。

同様にｔ５からｔ６までは半導体スイッチ４ｂ、５ａがオンになっている期間であり、変圧器６の一次コイルにはその間電源電圧が逆極性となって加わる。ｔ５からｔ６まではダイオード７ａに流れていた電流がダイオード７ｂに移行していく転流期間であり、変圧器６の二次コイルに電圧は現れず、変圧器６の逆極性の一次電流の大きさは漸増する。ｔ６は転流終了時点であり、変圧器６の二次コイルには逆極性の電圧が生じ、ダイオード７ｂを通して直流出力端子８ａ、８ｂに出力される。ｔ６からｔ７までは変圧器６の一次側から直流出力に電力が供給される期間であり、変圧器６の一次電流の大きさは直線的に漸増し、この間の変圧器６の一次電流の大きさと直流出力電流は比例関係となる。ｔ７は半導体スイッチ４ｂ、５ａがオフになるターンオフ時点であり、ｔ７からｔ８まではダイオード７ａに流れていた電流がダイオード７ｂに移行していく転流期間である。ｔ８の時点ではダイオード７ａ、７ｂの双方に電流が流れている状態となる。以後このような動作が繰り返し継続される。

各部の波形は前記のように変化し、ダイオード７ａ、７ｂ間の転流期間が終わってから半導体スイッチ４ａ、５ｂまたは半導体スイッチ４ｂ、５ａがオフになるまでの間、すなわちｔ２からｔ３まであるいはｔ６からｔ７までの間は変圧器６の一次電流の大きさと直流出力電流が比例関係になる。したがって、変圧器６の一次電流の大きさと直流出力電流が比例関係にあるｔ２からｔ３まであるいはｔ６からｔ７までの間の中間の時点ｔｎ１あるいはｔｎ２で変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドすれば、絶対値が直流出力電流に比例した計測信号を得ることができることになる。

このｔｎ１あるいはｔｎ２の時点で変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドする方法によるのではなく、２個のサンプルホールド手段を設け、一方のサンプルホールド手段ではｔ２あるいはｔ６の時点の変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドし、他方のサンプルホールド手段ではｔ３あるいはｔ７の時点の変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドし、この２個のサンプルホールド回路が個別にサンプルホールドした計測値の平均をとることによっても、ｔｎ１あるいはｔｎ２の時点で変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドしたのと同じく絶対値が直流出力電流に比例した計測信号を得ることができる。このような原理に基づくのが請求項１の発明である。

図３は変圧器６の一次コイルの電流と請求項１の発明のサンプルホールドするタイミングとの関係を示すものであって、転流終了時点であるｔ２、ｔ６の時点と、ターンオフ時点であるｔ３、ｔ７の時点で変圧器６の一次電流をサンプルホールドしている。変圧器６の一次電流の大きさはダイオード７ａ、７ｂ間の転流終了時点から半導体スイッチ４ａ、５ｂがオフになった時点までの間直線的に漸増するので、電流値は転流終了時点に比べてターンオフ時点の方が大となり、ここでは転流終了時点を低電流側のサンプルホールド点としてＬＳ、ターンオフ時点を高電流側のサンプルホールド点としてＨＳと表わすことにしてある。

図４は請求項２の発明の直流電源装置に設けられる電流算出回路の構成を示すもので、２個のサンプルホールド手段である第一のサンプルホールド回路１１ａと第二のサンプルホールド回路１１ｂの入力端子が電流信号入力端子１２ａに接続してある。１２ｂは帰線側の電流信号入力端子であり、この電流信号入力端子１２ａ、１２ｂに変流器９の二次コイルが接続される。１３は変流器９の終端抵抗である。２個のサンプルホールド回路１１ａ、１１ｂの出力端子はそれぞれ平均値回路１４の入力端子に接続してある。

平均値回路１４の出力端子は第三のサンプルホールド回路１５の入力端子に接続してあり、第三のサンプルホールド回路１５の出力端子は電流信号出力端子１６に接続してある。この平均値回路１４と第三のサンプルホールド回路１５が平均値記憶手段を構成することになる。第一のサンプルホールド回路１１ａにはｔ２の時点で、第二のサンプルホールド回路１１ｂにはｔ３の時点で電流信号入力端子１２ａに入力される電流信号をそれぞれサンプルホールドさせるサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。また、第三のサンプルホールド回路１５にはｔ４からｔ５の間の適当なｔｈ１の時点で平均値回路１４の出力をサンプルホールドさせるサンプルホールド指令信号を与えるようにしてあり、これが平均値記憶手段への記憶指令信号ということになる。

図５は転流期間の終了を検出する検出回路の例を示すもので、このような検出回路を設けたのが請求項９の発明であり、コンパレータ１７の入力端子が波形整形回路１８を介して電圧信号入力端子１９ａに接続してある。波形整形回路１８は例えば定電流ダイオードと定電圧ダイオードにより構成したもので、振幅の変化する入力信号を一定の振幅に制限するものである。１９ｂは帰線側の電圧信号入力端子であり、電圧信号入力端子１９ａ、１９ｂはそれぞれ直流出力端子８ａ、８ｂに接続される。コンパレータ１７の出力端子は検出信号出力端子２０に接続してあり、電圧信号入力端子１９ａの入力電圧が閾値を超えているとき検出信号を出力する。

直流出力電圧は図２のＤに示すように転流期間が終了すると立ち上がり、半導体スイッチがオフになるとゼロになる。これによりコンパレータ１７から出力される検出信号はｔ２の時点で立ち上がり、ｔ３の時点で立ち下がることになるので、半導体スイッチがオフになった時点の検出をすることもでき、ｔ２及びｔ３のタイミング信号を得ることができる。コンパレータ１７から出力される検出信号は同様にｔ６の時点で立ち上がり、ｔ７の時点で立ち下がることになるが、半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの駆動信号との論理演算によりｔ２とｔ６、ｔ３とｔ７のタイミング信号をそれぞれ分離することができる。また、ｔｈ１のタイミング信号は半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの駆動信号を基に生成することができる。

請求項２の発明では図３のイに示すようにｔ２に相当するＬＳ１の時点で第一のサンプルホールド回路１１ａに、ｔ３に相当するＨＳ１の時点で第二のサンプルホールド回路１１ｂに、それぞれその時点の電流値を読み込み、ｔｈ１に相当するＨＤ１の時点でその平均値を第三のサンプルホールド回路１５に読み込むことになる。これにより電流信号出力端子１６には直流出力電流に比例する電流計測信号が得られることになる。なお、ここでは正側の半サイクルの間のｔ２、ｔ３、ｔｈ１の時点でそれぞれ読み込むようにしているが、負側の半サイクルの間であるｔ６、ｔ７、ｔｈ２の時点でそれぞれ読み込むようにすることも可能である。その場合はそれらの時点がそれぞれＬＳ１、ＨＳ１、ＨＤ１になり、得られる電流計測信号は逆極性になる。

図６は請求項３及び４の発明の直流電源装置に設けられる電流算出回路の構成の一例を示すもので、基本的なところは図４に示すものと同様であり、同一部分には同一の符号が付してある。異なるのは第二のサンプルホールド回路１１ｂの出力端子と平均値回路１４の入力端子の間に極性反転回路２１を設けたことである。請求項３の発明の場合には、ｔ３の時点で第一のサンプルホールド回路１１ａに、ｔ６の時点で第二のサンプルホールド回路１１ｂにそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてあり、ｔｈ２の時点で第三のサンプルホールド回路１５にサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。また、請求項４の発明の場合には、ｔ２の時点で第一のサンプルホールド回路１１ａに、ｔ７の時点で第二のサンプルホールド回路１１ｂにそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてあり、ｔｈ２の時点で第三のサンプルホールド回路１５にサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。

図３のロは請求項３の発明の場合の変圧器６の一次電流とサンプルホールドするタイミングとの関係を示すものであり、ＨＳ１の時点とＬＳ１の時点でサンプルホールド回路１１ａと１１ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ１の時点でその平均値をサンプルホールド回路１５に読み込む。これにより電流信号出力端子１６に電流計測信号が得られる。また、図３のハは請求項４の発明の場合の変圧器６の一次電流とサンプルホールドするタイミングとの関係を示すものであり、ＬＳ１の時点とＨＳ１の時点でサンプルホールド回路１１ａと１１ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ１の時点でその平均値をサンプルホールド回路１５に読み込む。これにより電流信号出力端子１６に電流計測信号が得られる。このときサンプルホールド回路１１ｂに読み込まれる電流値はサンプルホールド回路１１ａに読み込まれる電流値と極性が逆であるが、平均値回路１４には極性反転回路２１により極性が反転されて入力されるので、平均値回路１４からはサンプルホールド回路１１ａと１１ｂの出力の絶対値の平均値が出力されることになる。

なお、請求項３の発明ではｔ３、ｔ６、ｔｈ２の時点で読み込むようにしているが、ｔ７、次のサイクルのｔ２、ｔｈ１の時点で読み込むようにすることもできる。その場合はそれらの時点がそれぞれＨＳ１、ＬＳ１、ＨＤ１になり、得られる電流計測信号は逆極性になる。また、請求項４の発明ではｔ２、ｔ７、ｔｈ２の時点で読み込むようにしているが、ｔ６、次のサイクルのｔ３、ｔｈ１の時点で読み込むようにすることもできる。その場合はそれらの時点がそれぞれＨＳ１、ＬＳ１、ＨＤ１になり、得られる電流計測信号は逆極性になる。

図７は請求項５の発明の直流電源装置に設けられる電流算出回路の構成の一例を示すもので、基本的なところは図４に示すものと同様であり、同一部分には同一の符号が付してある。異なるのは極性反転回路２２を設けてその極性反転回路２２の入力端子を平均値回路１４の出力端子に接続し、第三のサンプルホールド回路１５は２個の入力端子を有するものとして一方の入力端子を平均値回路１４の出力端子に、他方の入力端子を極性反転回路２２の出力端子にそれぞれ接続したことである。

第一のサンプルホールド回路１１ａにはｔ２とｔ６の時点で、第二のサンプルホールド回路１１ｂにはｔ３とｔ７の時点でそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。第三のサンプルホールド回路１５にはｔｈ１の時点で平均値回路１４の出力、ｔｈ２の時点で極性反転回路２２の出力をそれぞれ読み込むサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。図３のニは請求項５の発明の場合の変圧器６の一次電流とサンプルホールドするタイミングとの関係を示すものであり、ＬＳ１の時点とＨＳ１の時点でサンプルホールド回路１１ａと１１ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ１の時点で平均値回路１４の出力をサンプルホールド回路１５に読み込むことは図４に示す構成のものと同様である。その後ＬＳ２の時点とＨＳ２の時点でサンプルホールド回路１１ａと１１ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ２の時点で極性反転回路２２の出力をサンプルホールド回路１５に読み込む。これにより電流信号出力端子１６に電流計測信号が得られる。

ＬＳ２及びＨＳ２の時点で読み込まれる電流値はＬＳ１及びＨＳ１の時点で読み込まれる電流値と極性が逆であり、平均値も逆極性となるが、ＨＤ２の時点では極性反転回路２２により極性が反転された平均値を読み込むので、電流信号出力端子１６の出力信号の極性が反転することはない。この請求項５の発明の電流算出回路は、図４に示す構成の第三のサンプルホールド回路１５の入力側もしくは出力側に絶対値回路を設けることによって構成することもできることは言うまでもない。

図８は請求項６及び７の発明の直流電源装置に設けられる電流算出回路の構成の一例を示すもので、電流信号入力端子１２ａ、１２ｂに入力される電流検出信号をサンプルホールドする２個１組のサンプルホールド回路が２組設けてある。２３ａ、２３ｂは一方の組となる第一、第二のサンプルホールド回路であり、２４ａ、２４ｂは他方の組となる第三、第四のサンプルホールド回路である。第二、第三のサンプルホールド回路２３ｂ、２４ａの出力端子にはそれぞれ極性反転回路２５、２６の入力端子が接続してあり、第一のサンプルホールド回路２３ａ及び極性反転回路２５の出力端子は第一の平均値回路２７の入力端子に、第三のサンプルホールド回路２４ｂ及び極性反転回路２６の出力端子は第二の平均値回路２８の入力端子にそれぞれ接続してある。

２９は第五のサンプルホールド回路であって２個の入力端子を有するものとしてあり、出力端子は電流信号出力端子１６に接続してある。第五のサンプルホールド回路２９の一方の入力端子は第一の平均値回路２７の出力端子に、他方の入力端子は第二の平均値回路２８の出力端子にそれぞれ接続してある。請求項６の発明の場合、第一のサンプルホールド回路２３ａにはｔ３の時点で、第二のサンプルホールド回路２３ｂにはｔ６の時点でそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてあり、第三のサンプルホールド回路２４ａにはｔ７の時点で、第四のサンプルホールド回路２４ｂには次のサイクルのｔ２の時点でそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。第五のサンプルホールド回路２９にはｔｈ２の時点で第一の平均値回路２７の出力を、ｔｈ１の時点で第二の平均値回路２８の出力をそれぞれサンプルホールドするサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。

図３のホは請求項６の発明の場合の変圧器６の一次電流とサンプルホールドするタイミングとの関係を示すものであり、ＨＳ１の時点とＬＳ１の時点でサンプルホールド回路２３ａ、２３ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ１の時点で平均値回路２７の出力をサンプルホールド回路２９に読み込む。また、ＨＳ２の時点と次のサイクルのＬＳ２の時点でサンプルホールド回路２４ａ、２４ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ２の時点で平均値回路２８の出力をサンプルホールド回路２９に読み込む。これにより電流信号出力端子１６に電流計測信号が得られる。

また、請求項７の発明の場合、第一のサンプルホールド回路２３ａにはｔ２の時点で、第二のサンプルホールド回路２３ｂにはｔ７の時点でそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてあり、第三のサンプルホールド回路２４ａにはｔ６の時点で、第四のサンプルホールド回路２４ｂには次のサイクルのｔ３の時点でそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。第五のサンプルホールド回路２９にはｔｈ１の時点で第一の平均値回路２７の出力を、ｔｈ２の時点で第二の平均値回路２８の出力をそれぞれサンプルホールドするサンプルホールド指令信号を与えるようにしてある。

図３のヘは請求項７の発明の場合の変圧器６の一次電流とサンプルホールドするタイミングとの関係を示すものであり、ＬＳ１の時点とＨＳ１の時点でサンプルホールド回路２３ａ、２３ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ１の時点で平均値回路２７の出力をサンプルホールド回路２９に読み込む。また、ＬＳ２の時点と次のサイクルのＨＳ２の時点でサンプルホールド回路２４ａ、２４ｂにそれぞれその時点の電流値を読み込み、ＨＤ２の時点で平均値回路２８の出力をサンプルホールド回路２９に読み込む。これにより電流信号出力端子１６に電流計測信号が得られる。

以上説明したように、電流信号出力端子１６にはサンプルホールド回路１５あるいは２９から電流計測信号が出力されることになる。請求項２ないし４の発明の場合にはサンプルホールド回路１５に対してインバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルごとに、請求項５の発明の場合にはサンプルホールド回路１５に対してインバータが出力する交流の半サイクルごとに、請求項６及び７の発明の場合にはサンプルホールド回路２９に対してインバータが出力する交流の半サイクルごとにそれぞれサンプルホールド指令信号を与えるようにしてあるので、電流計測信号は請求項２ないし４の発明の場合１サイクルごとに、請求項５ないし７の発明の場合半サイクルごとに変化することになる。したがって請求項５ないし７の発明では電流計測信号の追従性がよいという利点があり、フィードバック制御に使用した場合には応答を早くすることができる。

また、請求項２、５の発明ではＬＳの時点とＨＳの時点を同一の半サイクルの間に設定してあるが、請求項３、４及び６、７の発明ではＬＳの時点とＨＳの時点を極性が異なる連続した２個の半サイクルにまたがって設定してある。例えば、請求項３の発明の場合、ＬＳ１は正側の半サイクル、ＨＳ１は負側の半サイクルという具合である。理想的には変圧器６の一次電流は正側の半サイクルと負側の半サイクルが対称であり、同一の半サイクルで二つの時点の電流値を読み込んでも、連続する２個の半サイクルで各一つの時点の電流値を読み込んでも、得られる電流計測信号は同じ値となる筈である。ところが、変圧器６の一次電流は正側と負側でアンバランスが生じることがある。請求項５の発明では同一の半サイクルの間に二つの時点の電流値を読み込んでいるため、正側の計測値と負側の計測値が電流計測信号として交互に出力されることになり、アンバランスがあると電流計測信号にはインバータが出力する交流と同一周期の変動が現れる。

電流計測信号を使用してフィードバック制御をしているとき、この電流計測信号にインバータが出力する交流と同一周期の変動があると、誤差増幅器がこれを増幅してアンバランスをさらに増大させ、変圧器６を偏磁させることになる。この現象は特に誤差増幅器が高い周波数までゲインを有する場合に顕著になる。請求項５の発明でこれを避けるためには正側の計測値と負側の計測値の平均値をとればよいのであるが、そのようにすると電流計測信号は１サイクルごとに変化するものとなってしまい、各半サイクルごとに２つの時点で電流値を読み込む利点が半減することになる。

請求項３、４及び６、７の発明では極性が異なる連続した２個の半サイクルで各一つの時点の電流値を読み込んでおり、平均値回路では、例えば請求項３の発明の場合、ＬＳ１で読み込んだ正側の半サイクルの間の電流値とＨＳ１で読み込んだ負側の半サイクルの間の電流値の平均値を算出することになる。これにより、変圧器６の一次電流の正側と負側でアンバランスがあった場合にはそれが打ち消されることになる。また、ＬＳやＨＳのサンプルホールドする時点は多少ばらつくことがあるが、このようにサンプルホールドすることで平均化され、より正確な電流計測値を得ることができる。

なお、前記の実施の形態では１組２個のサンプルホールド手段の出力の絶対値の平均値をそれぞれ算出してその平均値を記憶する平均値記憶手段は平均値回路１４と第三のサンプルホールド回路１５、あるいは平均値回路２７、２８と第五のサンプルホールド回路２９により構成しているが、サンプルホールド手段の出力をＡＤ変換器によりデジタルデータとし、平均値の算出、記憶をデジタルで処理することも可能である。電流計測値としてアナログデータが必要であれば適宜ＤＡ変換器を設けることによりアナログデータを得ることができる。

一方、前記のｔｎ１あるいはｔｎ２の時点で変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドするようにしたものは請求項８の発明であり、このサンプルホールドのタイミング信号は直流出力制御回路をデジタル回路で構成することで生成することができる。デジタル式の直流出力制御回路は半導体スイッチのオン期間中クロックをカウントするカウンターと、誤差を演算してオン期間の指令値を与える演算器と、指令値とカウンターの計数値を比較する比較器により構成することができる。この構成においては半導体スイッチをオンにするとともにカウンターによる計数を開始し、カウンターの計数値が指令値に達したことを比較器が検出したところで半導体スイッチをオフにすることにより演算器の指令に応じた期間半導体スイッチがオンにされることになる。

ｔｎ１あるいはｔｎ２の時点でサンプルホールドのタイミング信号を得るためには転流期間の終了を検出する検出回路と、検出回路の検出時にカウンターの計数値を記憶する記憶回路と、オン期間の指令値から記憶回路の記憶値を減算して中間の時点に相当する中間指令値を算出する演算器と、中間指令値とカウンターの計数値を比較する比較器とを設ける。転流期間の終了時記憶回路がそれまでの半導体スイッチのオン期間の値を記憶するので、演算器はオン期間の指令値から記憶回路の記憶値を減算して残りのオン期間の値を算出し、さらにその値を２分の１にして記憶値に加える演算をして中間指令値を算出することになる。そしてカウンターの計数値が中間指令値に達したことを比較器が検出した時点がｔｎ１あるいはｔｎ２の時点となり、電流算出回路は、サンプルホールド回路と、転流期間の終了検出回路と、カウンターの計数値記憶回路と、中間指令値を算出する演算器と、比較器とから構成することができる。

本発明の構成を示す主回路の結線図である。 動作時の要部の波形図である。 変圧器の電流波形とサンプルホールドのタイミングを示す図である。 請求項２の発明に使用される電流算出回路の結線図である。 転流期間の終了を検出する検出回路の構成を示す結線図である。 請求項３及び４の発明に使用される電流算出回路の結線図である。 請求項５の発明に使用される電流算出回路の結線図である。 請求項６及び７の発明に使用される電流算出回路の結線図である。

符号の説明

１ 整流器
２ コンデンサ
３ 交流入力端子
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ 半導体スイッチ
６ 変圧器
７ａ、７ｂ ダイオード
８ａ、８ｂ 直流出力端子
９ 変流器
１０ 制御装置
１１ａ、１１ｂ サンプルホールド回路
１２ａ、１２ｂ 電流信号入力端子
１３ 終端抵抗
１４ 平均値回路
１５ サンプルホールド回路
１６ 電流信号出力端子
１７ コンパレータ
１８ 波形整形回路
１９ａ、１９ｂ 電圧信号入力端子
２０ 検出信号出力端子
２１、２２ 極性反転回路
２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ サンプルホールド回路
２５、２６ 極性反転回路
２７、２８ 平均値回路
２９ サンプルホールド回路

Claims (9)

1. 商用電源を整流する第一の整流回路と、この第一の整流回路の出力を交流に変換する単相のインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流する第二の整流回路とから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドする２個１組とした１組または２組のサンプルホールド手段と、１組２個のサンプルホールド手段の出力の絶対値の平均値をそれぞれ算出してその平均値を記憶する平均値記憶手段と、第二の整流回路の転流が終わった転流終了時点において前記の組としたサンプルホールド手段の一方に、インバータを構成する半導体スイッチがオフになったターンオフ時点において組としたサンプルホールド手段の他方にそれぞれサンプルホールド指令信号を与え、インバータを構成する半導体スイッチがオフになっている間のオフ中時点において平均値記憶手段に記憶指令信号を与える指令信号発生手段とを設け、平均値記憶手段の出力信号の絶対値を直流電源装置の直流出力電流に比例する信号とすることを特徴とする直流電源装置。
2. 指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間の転流終了時点とターンオフ時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の一方と他方にサンプルホールド指令信号を与え、同じ半サイクルの間のオフ中時点において平均値記憶手段に記憶指令信号を与えるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間のターンオフ時点において組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間の転流終了時点とオフ中時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
4. 指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間の転流終了時点において組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間のターンオフ時点とオフ中時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
5. 指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の各半サイクルの間の転流終了時点とターンオフ時点とにおいて組としたサンプルホールド手段の一方と他方に、同じ半サイクルのオフ中時点において平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
6. 指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間のターンオフ時点において一方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間の転流終了時点とオフ中時点とにおいて一方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、インバータが出力する交流の他方の極性の半サイクルの間のターンオフ時点において他方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間の転流終了時点とオフ中時点とにおいて他方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
7. 指令信号発生手段を、インバータが出力する交流の一方の極性の半サイクルの間の転流終了時点において一方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間のターンオフ時点とオフ中時点とにおいて一方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、インバータが出力する交流の他方の極性の半サイクルの間の転流終了時点において他方の組としたサンプルホールド手段の一方に、後続する半サイクルの間のターンオフ時点とオフ中時点とにおいて他方の組としたサンプルホールド手段の他方と平均値記憶手段に、それぞれサンプルホールド指令信号及び記憶指令信号を与えるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
8. 商用電源を整流する第一の整流回路と、この整流器の出力を交流に変換する単相のインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流する第二の整流回路とから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段と、第二の整流回路の転流終了時点からインバータを構成する半導体スイッチがオフになるまでの間の中間の時点でサンプルホールド指令信号をサンプルホールド手段に与える指令信号発生手段とを設け、サンプルホールド手段の出力信号を直流電源装置の直流出力電流に比例する信号とすることを特徴とする直流電源装置。
9. 第二の整流回路の出力電圧の立ち上がりを検出することにより第二の整流回路の転流期間の終了を検出する検出手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の直流電源装置。

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