JP2010148221A - 非接触給電用電源 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの出力の基本波成分を使用することに起因する問題が生じにくい非接触給電用電源を提供する。
【解決手段】電力供給装置７は、給電線９へ交流を給電するためのものであって、インバータ回路２７と、インバータ回路２７を制御する制御部３３を備えている。制御部３３は、インバータ回路２７における奇数次高調波のうちの３次高調波成分を奇数次高調波のうちの他の周波数成分より多く出力させるように、インバータ回路２７を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源に関し、特に、非接触給電用電源に関する。

従来、半導体製造工場等のように塵埃の発生が問題となるクリーンルームでは、物品を搬送するために、軌道に沿って搬送台車を走行させる搬送車システムが採用されている。搬送台車はモータを駆動源として有している。モータへの電力供給は、搬送台車の軌道に沿って架設された給電電線からの電磁誘導によって行われる。すなわち、給電装置と給電線等からなる一次側回路と、搬送台車のモータ等が接続される二次側回路とが非接触の状態で設けられている。一次側回路に交流電流を流すと、電磁作用によって二次側回路へ給電される（例えば、特許文献１を参照。）。

一次側回路は、主に、交流電源と、整流回路と、電圧制御回路と、インバータ回路とを備えている。整流回路は、交流電源からの交流を直流に変換するための回路である。電圧制御回路は、インバータ回路に入力される電圧を制御するための回路である。インバータ回路は、スイッチング素子を用いて直流を高周波電圧に変換するための回路である。一次側回路は、さらに、スイッチング素子に対して駆動信号を供給するための駆動回路を有している。駆動回路から供給される駆動信号によって、スイッチング素子はオンオフ動作を行う。
特開２００２−３５４７１０号公報

従来の非接触給電方式では、給電周波数を一定にして、インバータ回路の出力の基本波成分を使用している。しかし、従来の非接触給電方式には、以下の２つの問題がある。第１に、基本波成分を主に利用していると、機器を小型化することが難しい。しかし、非接触給電を用いた搬送車システムでは、受電側コアの小型化が求められている。第２に、出力デバイスのスイッチング周波数には上限があるので、基本波成分を用いての周波数の向上は難しい。

本発明の課題は、インバータ回路から高周波を取り出す非接触給電用電源を提供することにある。

本発明に係る非接触給電用電源は、非接触給電線へ交流を給電するための非接触給電用電源であって、インバータ回路と、インバータ制御部とを備えている。インバータ制御部は、インバータ回路における奇数次高調波のうちの特定の周波数成分を奇数次高調波のうちの他の周波数成分より多く出力させるように、インバータ回路を制御する。
この電源では、インバータ回路における奇数次高調波のうちの特定の周波数成分を他の周波数成分より多く出力させるので、スイッチング周波数を超えた高周波を出力することができる。この結果、例えば、非接触給電方式における受電側コアを小型化できる。

インバータ制御部は、インバータ回路におけるスイッチング動作のデューティ比を設定するデューティ比設定部を有し、該デューティ比設定部により特定の周波数成分を他の周波数成分より多く出力させる。
この電源では、デューティ比設定部がインバータ回路におけるスイッチング周波数のデューティ比を設定することで、インバータ回路における奇数次高調波のうちの特定の周波数成分を他の周波数成分より多く出力させることができる。

非接触給電用電源は、インバータ回路からの出力が入力されるフィルタ回路をさらに備えていても良い。フィルタ回路は、奇数次高調波のうちの特定の周波数成分以外を減衰させる。
この電源では、フィルタ回路によって、インバータ回路からの出力に残った不要な周波数成分を減らすことができる。

インバータ回路が、特定の周波数成分を特定の周波数成分近傍の他の周波数成分より多く出力し、フィルタ回路が、特定の周波数成分から離れた周波数の成分を減衰させるようにしても良い。
この電源では、インバータ回路による出力とフィルタ回路による減衰とで、前述の他の周波数成分を減衰できる。

非接触給電用電源は、インバータ回路に入力する電圧を制御する電圧制御回路と、負荷の変動に応じて電圧制御回路からインバータ回路に入力される電圧を変化させる入力電圧制御部とをさらに備えていても良い。
この電源では、入力電圧制御部が負荷の変動に応じて、電圧制御回路を制御するので、非接触給電用電源からの出力が安定する。したがって、インバータ回路におけるスイッチング周波数のデューティ比が固定されていても、問題が生じにくい。

本発明に係る非接触給電用電源では、インバータ回路から高周波が取り出される。

（１）非接触給電システム
以下、本発明の一実施例である非接触給電システム１について説明する。非接触給電システム１は、例えば、給電線を用いた非接触電力供給方式を用いた有軌道台車システムに採用される。

図１は、本発明の一実施例が採用された非接触給電システムの模式図である。図において、非接触給電システム１は、給電回路３と、受電回路５を有している。給電回路３は、一次側回路である電力供給装置７と、給電線９とを有している。電力供給装置７を構成する各回路の機能については後述する。

受電回路５は、図示しない搬送車に設けられている。受電回路５は、搬送車の駆動モータおよび制御回路により構成される駆動制御機構１１に接続されており、共振回路１３と、インピーダンス変換回路１５と、二次側整流回路１７とを有している。これら回路の機能は公知であるので、説明を省略する。

（２）電力供給装置
図２は、本発明の一実施例としての非接触給電システム１の電力供給装置７の模式図である。

電力供給装置７は、主に、交流電源２１と、一次側整流回路２３と、電圧制御回路２５と、インバータ回路２７と、フィルタ回路２９を有している。

一次側整流回路２３は、交流を直流に変換する整流機能を有している。一次側整流回路２３は、例えば、三相ブリッジ整流回路や平滑用コンデンサを有している。

電圧制御回路２５は、出力電圧を制御する機能を有している。

インバータ回路２７は、直流電圧を高周波電圧に変換する機能を有している。また、インバータ回路２７は、含有出力周波数の成分を制御する機能を有している。インバータ回路２７は、複数の半導体スイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタまたはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備えている。インバータ回路２７のスイッチング素子は、後述するスイッチング素子駆動部３３ａから駆動信号を与えられると、オンオフのスイッチング動作を行って、直流電圧を高周波電圧に変換する。なお、インバータ回路２７からの出力は、入力電圧またはスイッチングパルスのデューティ比の少なくともいずれかを変更することによって、変更できる。

電圧制御回路２５とインバータ回路２７とによって、ＰＡＭインバータ３１が形成されている。ＰＡＭ制御の実際については後述する。

フィルタ回路２９は、イミタンス変換およびＢＰＦ機能を有している。より詳細には、フィルタ回路２９は電圧を電流に変換する機能および所定の周波数成分のみを通過させる機能を有している。これら機能については後述する。

電力供給装置７は、さらに制御部３３を有している。制御部３３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のコンピュータの機能や各種回路の機能を有している。制御部３３は、駆動信号をインバータ回路２７のスイッチング素子に供給して、スイッチング動作を行わせるスイッチング素子駆動部３３ａを有している。スイッチング素子駆動部３３ａは、スイッチング素子のスイッチングパルスのデューティ比を変更することもできるが、この実施例ではデューティ比が所望の固定された値になるように制御する。

制御部３３は、さらに、出力電流検出器３５からの検出結果に基づいて電圧制御回路２５を制御する電圧制御部３３ｂを有している。出力電流検出器３５は、給電線９を流れる電流の大きさを表す電流検出信号を生成し、それを電圧制御部３３ｂに送信する。電圧制御部３３ｂは、電力供給装置７からの出力電流をフィードバックして、それに基づいて制御信号を電圧制御回路２５に出力する。

（３）制御
図３は、インバータ回路のスイッチング周波数のデューティ比と、インバータ回路からの出力基本波成分および奇数次高調波成分との一般的な関係を示すグラフである。これにより、デューティ比の変化によるスイッチング周波数の含有周波数成分の分布がわかる。なお、図３はＤＣ２８０Ｖ入力時のグラフである。

図３に示すように、フィルタを用いない単相インバータの出力電圧は、基本周波数の奇数倍の周波数成分を含んでいる。高調波成分は、次数が上がれば上がるほど理論上の振幅が下がる。ここで、発明者は、デューティ比を適切な値に設定することにより、目的の周波数成分をより多く含む出力を作成することができることに着目し、非接触給電への応用として、３次高調波成分を取り出して、基本波成分と５次高調波以降の高調波成分をカットすることを考案した。デューティ比が０．４［Ｎ／Ａ］において、３次高調波成分が比較的大きく（最初のピーク近傍であり）、５次高調波成分が比較的小さい（０に近い）状態である。

したがって、スイッチング素子のスイッチング周波数のデューティ比が０．４になるように、スイッチング素子駆動部３３ａが駆動信号をインバータ回路２７に供給すると、インバータ回路２７からの出力には、基本波成分と３次高調波成分が多く、５次高調波成分がほとんど無いようになる。

さらに、フィルタ回路２９によって、３次高調波成分以外の周波数成分が取り除かれる。フィルタ回路２９は、基本波成分を取り除くことは必須であるが、５次以上の高調波成分を取り除く機能はそれほど求められない。なぜなら、高調波は次数が上がれば上がるほど出力のレベルが低くなるからである。

以上の結果、フィルタ回路２９すなわち電力供給装置７からの出力には３次高調波成分の割合が大きくなる。

本発明と異なり、フィルタ回路のみで３次高調波成分を取り出そうとすれば、基本波成分と５次高調波成分が比較的多く含まれてしまう。しかし、上記のようにインバータ回路２７からの出力は波形には５次高調波成分がほとんど無いので、フィルタ回路２９の共振周波数を５次高調波の共振数と同一にしたりまたは高く設定できたりする。この結果、基本波成分に対するフィルタリングをより効果的にできる。

この実施形態では、スイッチング素子のスイッチング周波数のデューティ比を適切な値に設定することで、任意の周波数成分の比率を高くできるという利点がある。一方、デューティ比が固定されるので、負荷変動に対してデューティ比の変更による対応が困難になる。その問題を解決するために、制御部３３の電圧制御部３３ｂが出力電流検出器３５からの検出情報に基づいて、電圧制御回路２５に制御信号を供給する。すると、電圧制御回路２５からインバータ回路２７に供給される入力電圧が変化する。この結果、電力供給装置７からの出力が安定する。

図４は、フィルタ回路２９の模式図である。以下、図４を用いて、フィルタ回路２９の構造および機能について、具体的な値を用いながら説明する。

図４において、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２はインバータ回路２７の出力電圧を模式的に表したものである。
第１電圧Ｖ１のパルスの条件
初期電圧：０Ｖ
オン時電圧：５８０Ｖ
オンするまでの時間：３５×１０^−６秒
立ち上がり時間：０秒
立ち下がり時間：０秒
オンしている時間：２０×１０^−６秒
一周期の時間：１００×１０^−６秒
繰り返し回数：５０回

第２電圧Ｖ２のパルスの条件
初期電圧：０Ｖ
オン時電圧：−５８０Ｖ
オンするまでの時間：８５×１０^−６秒
立ち上がり時間：０秒
立ち下がり時間：０秒
オンしている時間：２０×１０^−６秒
一周期の時間：１００×１０^−６秒
繰り返し回数：５０回

フィルタ回路２９では、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２に対して、第３インダクタＬ３と、第１キャパシタＣ１が、順番に、直列接続されている。第１キャパシタＣ１の出力側は分岐されており、一方に、第２キャパシタＣ２と、給電線９の第２インダクタＬ２と、抵抗Ｒ１とが直列に接続されている。分岐の他方には、第１インダクタＬ１が接続されている。

第３インダクタＬ３と、第１キャパシタＣ１と、第１インダクタＬ１は、電圧電流変換回路を構成している。特に、第３インダクタＬ３と第１キャパシタＣ１は、目的周波数成分の電圧電流変換率の決定と、目的周波数成分以外の減衰を行うバンドパスフィルタである。第３インダクタＬ３と第１キャパシタＣ１の値は、３次高調波成分において電圧電流変換値が同じなるようにかつ共振周波数が３次高調波成分よりも高くなるようにインピーダンスが設定されている。具体的には、第３インダクタＬ３の値は４９±１μＨであり、第１キャパシタＣ１の値は０．４±０．０１μＦである。第１インダクタＬ１は、第３インダクタＬ３と第１キャパシタＣ１に対する共振を取るように値が設定されている。第１インダクタＬ１の値は２１±２μＨである。

第２キャパシタＣ２は、低周波成分カット用のコンデンサであり、値が１±０．１μＦである。
第２インダクタＬ２は、給電線９を模した部分であり、値が１２±７μＨである。
抵抗Ｒ１は、搬送台車の負荷を示している。

図５の上段は、フィルタ回路２９への入力電圧の周波数成分を示すグラフである。この図から明らかなように、インバータ回路２７からの出力の周波数成分では、基本周波数成分が最も大きく、次に３次高調波成分が大きい。しかし、５次高調波成分は、７次高調波成分に比べて小さくなっている。これは、インバータ回路２７のスイッチング周波数のデューティ比が、そのような結果をもたらすように、設定されているからである。

図５の下段は、フィルタ回路２９からの出力電流の周波数成分を示すグラフである。図５の下段で明らかなように、インバータ回路２７からの出力の周波数成分では、基本周波数成分がゼロになっており、３次高調波成分が最も大きい。しかし、５次高調波成分および７次高調波成分はとても小さく０〜４Ａの範囲にある。これは、フィルタ回路２９が３次高調波成分以外の高調波成分を通しにくい機能を有しているからである。

図６は、フィルタ回路２９への入力電圧とフィルタ回路２９からの出力電流の波形を示すグラフである。インバータ出力電圧は、矩形状であり、周波数は例えば１０ｋＨｚである。給電電流波形は、正弦波であり、周波数は例えば３０ｋＨｚである。

（４）特徴
電力供給装置７は、給電線９へ交流を給電するためのものであって、インバータ回路２７と、インバータ回路２７を制御する制御部３３を備えている。制御部３３は、インバータ回路２７における奇数次高調波のうちの３次高調波成分を奇数次高調波のうちの他の周波数成分より多く出力させるように、インバータ回路２７を制御する。
インバータ回路２７における奇数次高調波のうちの３次高調波成分を他の周波数成分より多く出力させるので、スイッチング周波数を超えた高周波を出力することができる。この結果、例えば、非接触給電方式における受電側コアを小型化できる。

制御部３３は、インバータ回路２７におけるスイッチング動作のデューティ比を設定するスイッチング素子駆動部３３ａを有している。
スイッチング素子駆動部３３ａがインバータ回路２７におけるスイッチング動作のデューティ比を設定することで、インバータ回路２７における奇数次高調波のうちの３次高調波成分を他の周波数成分より多く出力させることができる。なお、スイッチング素子駆動部３３ａにおけるデューティ比の決定は、あらかじめ決定されていても良いし、後に操作者が設定・変更できるようになっていても良い。

電力供給装置７は、インバータ回路２７からの出力が入力されるフィルタ回路２９をさらに備えている。フィルタ回路２９は３次高調波成分以外の高調波成分を減衰させる。
フィルタ回路２９によって、インバータ回路２７からの出力に残った不要な周波数成分を減らすことができる。

インバータ回路２７が特定の周波数成分を特定の周波数成分近傍の他の周波数成分より多く出力し、フィルタ回路２９が特定の周波数成分から離れた周波数の成分を減衰する。そのため、インバータ回路２７による出力とフィルタ回路２９による減衰とで、他の周波数成分を減衰できる。

電力供給装置７は、インバータ回路２７に入力する電圧を制御する電圧制御回路２５と、負荷の変動に応じて電圧制御回路２５からインバータ回路２７に入力される電圧を変化させる電圧制御部３３ｂとをさらに備えている。
制御部３３の電圧制御部３３ｂが出力電流検出器３５からの検出情報に基づいて電圧制御回路２５に制御信号を供給するので、電力供給装置７からの出力が安定する。

（５）他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

前記実施形態では３次高調波を取り出すようにインバータ回路２７を制御しさらにフィルタ回路２９を設計しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、５次高調波、７次高調波等のより高次の高調波の成分を多く出力するようにしても良い。
例えば、５次高調波を取り出す場合には、インバータ回路のスイッチング周波数を制御することで、３次高調波もしくは５次高調波または両方の割合が少なくなるようにする。特に、目標の周波数成分より低い側の他の周波数成分を減らすことが重要である。なぜなら低い周波数成分ほど割合が多いからである。

前記実施形態では電圧制御部３３ｂによって電圧制御回路２５を制御していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、このＰＡＭ制御を行わなくても良い。

前記実施形態では、３次高調波成分をより多く取り出すものであるが、５次高調波成分をより少なくするために、３次高調波成分のピークではなくピークから少しずれた位置のデューティ比を選択している。しかし、本発明はこれに限定されない。例えば、３次高調波成分をより多く取り出すために、３次高調波成分のピークにあわせてデューティ比を設定しても良い。

本発明に係る非接触給電用電源は、搬送車システム等に広く適用可能である。

本発明の一実施例が採用された非接触給電システムの模式図。 本発明の一実施例としての非接触給電システムの電力供給装置の模式図。 インバータ回路のスイッチング周波数のデューティ比と、インバータ回路からの出力基本波成分および奇数次高調波成分との一般的な関係を示すグラフ。 本発明の一実施例が採用された非接触給電システムのフィルタ回路の回路図。 フィルタ回路への入力電圧とフィルタ回路からの出力電流のそれぞれの周波数成分を示すグラフ。 フィルタ回路への入力電圧とフィルタ回路からの出力電流の波形を示すグラフ。

符号の説明

１ 非接触給電システム
３ 給電回路
５ 受電回路
７ 電力供給装置（非接触給電用電源）
９ 給電線
１１ 駆動制御機構
１３ 共振回路
１５ インピーダンス変換回路
１７ 二次側整流回路
２１ 交流電源
２３ 一次側整流回路
２５ 電圧制御回路
２７ インバータ回路
２９ フィルタ回路
３１ ＰＡＭインバータ
３３ 制御部
３３ａ スイッチング素子駆動部（インバータ制御部、デューティ比設定部）
３３ｂ 電圧制御部（入力電圧制御部）
３５ 出力電流検出器
Ｃ１ 第１キャパシタ
Ｃ２ 第２キャパシタ
Ｌ１ 第１インダクタ
Ｌ２ 第２インダクタ
Ｌ３ 第３インダクタ
Ｒ１ 抵抗
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧

Claims (5)

1. 非接触給電線へ交流を給電するための非接触給電用電源であって、
   インバータ回路と、
   前記インバータ回路における奇数次高調波のうちの特定の周波数成分を前記奇数次高調波のうちの他の周波数成分より多く出力させるように、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部と、
   を備えた非接触給電用電源。
2. 前記インバータ制御部は、前記インバータ回路におけるスイッチング動作のデューティ比を設定するデューティ比設定部を有し、該デューティ比設定部により前記特定の周波数成分を前記他の周波数成分より多く出力させる、請求項１に記載の非接触給電用電源。
3. 前記インバータ回路からの出力が入力されるフィルタ回路をさらに備えており、
   前記フィルタ回路は奇数次高調波のうちの特定の周波数成分以外を減衰させる、請求項１または２に記載の非接触給電用電源。
4. 前記インバータ回路が、前記特定の周波数成分を前記特定の周波数成分近傍の前記他の周波数成分よりも多く出力し、
   前記フィルタ回路が、前記特定の周波数成分から離れた周波数の成分を減衰させる、請求項３に記載の非接触給電用電源。
5. 前記インバータ回路に入力する電圧を制御する電圧制御回路と、
   負荷の変動に応じて前記電圧制御回路から前記インバータ回路に入力される電圧を変化させる入力電圧制御部とをさらに備える、請求項２〜４のいずれかに記載の非接触給電用電源。

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