JP2012005303A

JP2012005303A - 直流電源装置

Info

Publication number: JP2012005303A
Application number: JP2010139811A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Hirose; 光康広瀬
Original assignee: Dengensha Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dengensha Toa Co Ltd
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】多相発電機を用いて直流電圧を出力する。
【解決手段】少なくとも３相以上の相数の交流電力を出力する多相発電機２０と、多相発電機２０を回転させる動力源１０と、多相発電機２０が出力する交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路３０と、整流回路３０が直流負荷に供給している負荷電流の大きさを検出する電流センサ５０と、直流負荷９０が必要とする電流の大きさを検出する要求負荷電流検出器６０と、電流センサ５０が検出した負荷電流の大きさと要求負荷電流検出器６０が検出した直流負荷が必要とする電流の大きさとを比較して、必要とする負荷電流が直流負荷９０に供給されるように動力源１０の回転数を制御する速度制御部７０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多相発電機を用いて直流電力を出力する直流電源装置に関する。

従来、所望の直流電力を得るために、交流電圧を直流電圧に変換する直流電源装置が用いられている。例えば、非常に大きな直流電力が必要とされる溶接機にあっては、下記特許文献１に開示されているように、エンジンによって発電機を回転させ、発電機から出力される交流電圧を直流電圧に変換して、必要とされる直流電力を出力する。

具体的には、発電機から出力される交流電圧を整流器で整流し、整流後の直流電圧をインバータ回路で高周波の交流電圧に変換し、変換後の高周波の交流電圧を高周波トランスで必要な高周波の交流電圧に変換し、変換後の高周波の交流電圧を整流器で整流して必要とされる直流電力を出力している。直流電力の大きさは、インバータ回路に与えるパルスのＯＮ／ＯＦＦの比率を変化させることで調整している。

特開２００９−７２４号公報

しかし、上述した従来の直流電源装置にあっては、インバータ回路から出力される電圧波形が矩形波であるため、安定した直流出力を得るためには容量の大きな平滑回路が不可欠である。大電流用の高周波トランスは寸法が大きくなるので高価であり、高周波トランスを小型化するためには、インバータ回路から出力される交流電圧の更なる高周波化が必要になるのでインバータ回路が高価になる。

また、インバータ回路が複雑で高価であり、故障防止のためスイッチングで発生するサージ電圧の抑制回路が必要になるばかりではなく、インバータ回路からは高周波スイッチングノイズが発生するため、直流電源装置として高度なノイズ対策が必要である。

さらに、交流電圧を遮断したとしても、整流回路が備えるコンデンサに電荷が溜まったままであり、コンデンサは高電圧となっているので、メインテナンスをする場合、コンデンサの放電を待つ必要がある。

そして、直流電源装置から安定した出力を得るためには、一次電源として３相電源が必要になる。単相電源を用いるためには、整流回路に非常に容量の大きなコンデンサが必要となるので、メインテナンスをする場合、コンデンサの放電をより多くの時間待つ必要がある。

本発明は、上記のような数々の従来の問題点を解消するために成されたものであり、多相発電機を用いて直流電力を出力する直流電源装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための、本発明に係る直流電源装置は、動力源、多相発電機、整流回路、電流センサ、要求負荷電流検出器、速度制御回路を備える。

動力源は多相発電機を回転させるための動力を供給する。多相発電機は少なくとも３相以上の相数の交流電圧を出力する。整流回路は、多相発電機から出力された交流電圧を整流し、平滑化してリップルの少ない直流電圧を出力する。電流センサは直流負荷に供給されている負荷電流の大きさを検出する。要求負荷電流検出器は直流負荷が必要とする負荷電流の大きさを検出する。速度制御回路は電流センサが検出した電流の大きさと要求負荷電流検出器が検出した直流負荷が必要とする負荷電流の大きさとを比較して、必要とする負荷電流が直流負荷に供給されるように動力源の回転速度を制御する。

多相発電機を用いて直流電圧を出力することができるので、従来の直流電源装置が備えていたインバータ回路が不要となり、簡単な構成でメインテナンス性に優れた安価な直流電源装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る直流電源装置のブロック図である。図１の直流電源装置の動作を示すフローチャートである。３相の整流波形を示し、同図Ａ、Ｂは、多相発電機の相数が３相であるときに、３相発電機から出力される３相交流電圧を整流回路で全波整流した後の波形を示す。６相の整流波形を示し、同図Ａ、Ｂは、多相発電機の相数が６相であるときに、６相発電機から出力される６相交流電圧を整流回路で全波整流した後の波形を示す。

以下、本発明の直流電源装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る直流電源装置のブロック図である。

図に示すように、直流電源装置１００は、動力源１０、多相発電機２０、整流回路３０、平滑回路４０、電流センサ５０、要求負荷電流検出器６０、速度制御部７０を備える。直流電源装置１００には、電源として交流電源８０が接続され、負荷として直流負荷９０が接続される。

動力源１０は、電気エネルギー、化石エネルギー、自然エネルギーなど多種のエネルギーから多相発電機２０の回転力を発生する装置である。具体的には、商用の交流電源を用いて回転力を発生する電動機、石油燃料を用いて回転力を発生するエンジン、水力を用いて回転力を発生する水車、風力を用いて回転力を発生する風車などである。動力源１０としては以上のいずれかを適用することができる。

多相発電機２０は、動力源１０の回転力を用いて回転し、少なくとも３相以上の交流多相電力を発生させることができる発電機である。本実施形態では、多相発電機２０の相数として、３相から６相の間の相数を想定しているが、それ以上の相数であってもよい。本実施形態の直流電源装置１００は、インバータ回路を用いることなくリップルの少ない直流電力が得られる構成でなければならない。したがって、好ましくは６相以上の相数の発電機を用いることが好ましい。

整流回路３０は、多相発電機２０が出力する交流電力を整流する回路であり、多相発電機２０の相数と同じ相数の交流電力を全波整流できる整流回路を有していることが好ましい。例えば、３相の交流電力を出力できる多相発電機２０であれば、３相全波交流整流器を用いることが好ましく、６相の交流電力を出力できる多相発電機２０であれば、６相全波交流整流器を用いることが好ましい。整流回路３０は、ダイオードを用いた公知の整流回路を用いる。

平滑回路４０は、整流回路３０で整流した多相交流電力のリップルを少なくするために、多相交流電力の波形を平坦に整形する回路である。平滑回路４０は、内部にレギュレータやコイル、リアクトル及び平滑コンデンサを有する様々な種類のものがあるが、多相発電機２０の相数が６相以上であれば、平滑回路４０を省略することも可能である。整流回路３０で整流した６相以上の交流電力のリップルは、直流負荷９０の駆動には問題とならないくらい小さいからである。

電流センサ５０は、整流回路３０および平滑回路４０が直流負荷９０に供給している現在の負荷電流の大きさを検出する。実際には、小容量のＣＴコイルを用いた電流センサを用いる。

要求負荷電流検出器６０は、直流負荷９０が必要とする負荷電流の大きさを検出するものである。要求負荷電流検出器６０は、例えば直流負荷９０が二次電池であるときには、二次電池の電圧を検出する電圧センサであり、直流負荷９０が溶接機であるときには、溶接に必要な溶接電流の大きさを指示する溶接装置である。

速度制御部７０は、電流センサ５０が検出した負荷電流の大きさと要求負荷電流検出器６０が検出した直流負荷９０が必要とする負荷電流の大きさとを比較して、必要とする負荷電流が直流負荷９０に供給されるように動力源１０の回転数を制御する。速度制御部７０は、直流負荷９０が必要とする負荷電流の大きさが実際の負荷電流よりも大きくなると、動力源１０の回転数を上昇させる信号を出力し、逆に直流負荷９０が必要とする負荷電流の大きさが実際の負荷電流よりも小さくなると動力源１０の回転数を下降させる信号を出力する。つまり、必要とする負荷電流の大きさが電流センサ５０によって検出された実際の負荷電流の大きさよりも大きくなると動力源１０の回転数を上昇させ、必要とする負荷電流の大きさが電流センサ５０によって検出された実際の負荷電流の大きさよりも小さくなると動力源１０の回転数を下降させる。

交流電源８０は、一般的に用いられている商用電源であり、１００Ｖ、２００Ｖ、３相２００Ｖなどの電圧を有する商用電源である。

次に、直流電源装置１００の動作をフローチャートにしたがって詳細に説明する。なお、以下のフローチャートの動作は直流電源装置１００が備えるプログラムにしたがって行なわれる。

まず、直流電源装置１００の電源スイッチ（図示せず）がＯＮされると、要求負荷電流検出器６０は直流負荷９０が必要とする負荷電流の大きさを検出する。要求電流検出器６０は、直流負荷９０が二次電池であるときには、二次電池の電圧を検出する電圧センサになる。したがって、直流負荷９０が二次電池であるときには、電圧センサの検出電圧を直流負荷９０の要求負荷電流として検出することになる。また、直流負荷９０が溶接機であるときには、溶接装置から出力される溶接電流の大きさの指示を要求負荷電流として検出することになる（Ｓ１）。

要求電流検出器６０から出力された要求負荷電流は速度制御部７０に入力される。速度制御部７０は入力した要求負荷電流が直流負荷９０に迅速に供給されるように、動力源１０の回転速度を演算し、演算された回転速度で多相発電機２０を回転させる。多相発電機２０は動力源１０の回転数にしたがって回転し、その回転数に応じた多相交流電圧を出力する（Ｓ２）。

整流回路３０は、多相発電機２０から出力された多相交流電圧を全波整流する。図３は３相の整流波形を示し、図３Ａ、図３Ｂは、多相発電機２０の相数が３相であるときに、３相発電機２０から出力される３相交流電圧を整流回路３０で全波整流した後の波形を示す。整流回路３０は、図３Ａに示すように、互いに１２０°の位相差を有する３つの相の交流電圧を全波整流する。全波整流後の合成波形は図３Ｂに示すように、電圧の高いところと低いところが交互に入れ替わる波形になる。電圧の高いところと低いところの電位差がリップルとなる。３相交流電圧の全波整流の場合、リップルは出力電圧のピーク値に対して１３．４％の電位差になる。また、図４は６相の整流波形を示し、図４Ａ、図４Ｂは、多相発電機２０の相数が６相であるときに、６相発電機２０から出力される６相交流電圧を整流回路３０で全波整流した後の波形を示す。整流回路３０は、図４Ａに示すように、互いに６０°の位相差を有する６つの相の交流電圧を全波整流する。全波整流後の合成波形は図４Ｂに示すように、３相の全波整流波形と同様、電圧の高いところと低いところが交互に入れ替わる波形になる。６相交流電圧の全波整流の場合、リップルは出力電圧のピーク値に対して３．４％の電位差になる（Ｓ３）。

平滑回路４０は、整流回路３０から出力される全波整流後の直流電圧をリアクトル及び平滑コンデンサによって平滑化する。平滑化された全波整流後の直流電圧はリップルが取り除かれ、平坦化された波形を有する安定した直流電圧を得ることができる。上述のように、３相交流電圧の全波整流の場合、リップルは出力電圧のピーク値に対して１３．４％の電位差であるが、６相交流電圧の全波整流の場合、リップルは出力電圧のピーク値に対して３．４％の電位差である。したがって、多相発電機２０の相数が６相以上の相数であれば、平滑回路４０を設けなくとも良い。整流回路３０から出力される全波整流後の直流電圧のリップルがもともと少ないからである（Ｓ４）。

平滑回路４０から出力される直流電力は直流負荷９０に供給されるが、電流センサ５０は直流負荷９０に供給されている電流を負荷電流として検出する。検出された負荷電流の値は速度制御部７０に入力される（Ｓ５）。

速度制御部７０は、電流センサ５０が検出した負荷電流の大きさと要求負荷電流検出器６０が検出した要求負荷電流の大きさとを比較して、必要とする負荷電流が直流負荷９０に供給されるように動力源１０の回転数を演算し、動力源１０が演算された回転数を維持するように制御する（Ｓ６）。

本発明に係る直流電源装置１００の構成と作用は以上の通りである。上記の一実施形態に係る直流電源装置１００は以下のような効果を奏する。

本発明の直流電源装置１００は、多相発電機２０の出力電圧を整流して直流電圧を得ている。また、従来の直流電源装置が備えているインバータ回路、高周波トランスは不要になる。

インバータ回路、高周波トランスが不要であるため、直流電源装置の小型化が容易であり、製造コストも低減できる。

多相発電機２０から出力される電圧波形は多相の正弦波であるので、安定した直流出力を得るためには、従来の直流電源装置よりも容量の小さい平滑回路でも十分である。

また、インバータ回路が不要であるため、故障防止のためにサージ電圧の抑制回路を設けたり、高度なノイズ対策を行なったりすることも不要になる。

さらに、本発明の直流電源装置１００は、動力源１０として、石油燃料を用いて回転力を発生するエンジン、水力を用いて回転力を発生する水車、風力を用いて回転力を発生する風車のいずれかを用いることもできるので、商用電源のない山奥、砂漠、水上や海上でも使用することができる。

１０動力源、
２０多相発電機、
３０整流回路、
４０平滑回路、
５０電流センサ、
６０要求負荷電流検出器、
７０速度制御部、
８０交流電源、
９０直流負荷、
１００直流電源装置。

Claims

少なくとも３相以上の相数の交流電力を出力する多相発電機と、
前記多相発電機を回転させる動力源と、
前記多相発電機が出力する交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路が直流負荷に供給している負荷電流の大きさを検出する電流センサと、
前記直流負荷が必要とする電流の大きさを検出する要求負荷電流検出器と、
電流センサが検出した負荷電流の大きさと要求負荷電流検出器が検出した直流負荷が必要とする電流の大きさとを比較して、必要とする負荷電流が前記直流負荷に供給されるように前記動力源の回転数を制御する速度制御部と、
を有することを特徴とする直流電源回路。
前記多相発電機の相数は、３相から１６相の間の相数であることを特徴とする請求項１に記載の直流電源回路。
前記動力源は、商用の交流電源を用いて回転力を発生する電動機、石油燃料を用いて回転力を発生するエンジン、水力を用いて回転力を発生する水車、風力を用いて回転力を発生する風車のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源回路。
前記整流回路と前記直流負荷との間に、整流後の直流電圧のリップルを低減させる平滑回路をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の直流電源回路。
前記整流回路は、前記多相発電機の相数と同じ相数の交流電力を全波整流することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の直流電源回路。