JP2012115112A

JP2012115112A - 昇圧回路及び昇降装置

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Publication number: JP2012115112A
Application number: JP2010264544A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Nakamura; 俊明中村
Original assignee: TRY TEC CORP
Current assignee: TRY TEC CORP
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】昇圧トランス二次側の低耐圧化を図り、また、入力電圧が低下した場合には出力電圧の低下を回避する。
【解決手段】昇圧回路（９）は、直流電圧を蓄積する蓄積要素（７）の端子電圧を一定の大きさの交流電圧に変換する第１変換手段（１４〜１７）、前記交流電圧を昇圧する昇圧トランス（１８）、前記昇圧トランスの二次側に誘起した交流電圧を直流電圧に変換して出力する第２変換手段（２０）、前記端子電圧を検出する検出手段（１３）、前記検出手段の検出電圧が所定値を下回ったときに前記昇圧トランスの一次側の巻線数を減じる巻線数低減手段（１９、２５）を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、昇圧回路及び昇降装置に関し、たとえば、回生エネルギーを蓄積する蓄積要素の蓄積電圧を昇圧して取り出すための昇圧回路及びそれを用いた昇降装置に関する。

回生エネルギーとは、電動機（Electric Motor）が発電機（Electrical Generator）となって動作しているときに発生する電力のことをいう。たとえば、電車や電気自動車等においては、制動時に動力源を発電機として動作させ、その回生エネルギーを熱で消費することにより車両の制動力を得ている。あるいは、物流分野における垂直搬送機等の昇降装置においては、パレット下降時に同様に動力源を発電機として動作させ、その回生エネルギーを熱で消費することによりパレット下降時の制動力を得ている。

このように、回生エネルギーを熱で消費することによって所要の制動力を得られるのであるが、一方で熱による消費は、エネルギーを無駄に捨てることになり、省エネの観点で好ましくないことから、その回生エネルギーを蓄積要素に蓄え、電動機の電力として再利用することが行われている。

回生エネルギーの蓄積要素としては、従来、湿式バッテリや乾式バッテリが用いられていたが、近年、“電気二重層”という物理現象を利用することにより、蓄電効率を著しく向上した電気二重層キャパシタ（Electric double-layer capacitor；以下、ＥＤＬＣという）が一部で用いられるようになってきた。

ＥＤＬＣの１セル当たりの蓄積電圧（放電電圧または端子電圧ともいう）は、満充電時でも高々２〜３Ｖ程度と低い。このため、高電圧を必要とする場合は多数のＥＤＬＣを直列に接続しなければならないが、ＥＤＬＣ１個あたりの価格が高いので、一般的にはコスト削減のために昇圧回路を併用してＥＤＬＣの所要数を減らしている。

具体的に説明する。今、回生エネルギーの再利用電圧を直流のａＶとする。再利用電圧とは、電動機を駆動するためのインバータ回路（後述の図１におけるインバータ回路５）の入力電圧のこという。このａＶの実際の値はシステムの構成によって一概に言えないが、たとえば、商用４００Ｖ級電源では最高７００Ｖないしはそれを超える場合もある。このａＶを昇圧回路を使用せずに得ようとすると、ＥＤＬＣ１個あたりの放電電圧が少ないことから、大量のＥＤＬＣを直列接続しなければならないが、ＥＤＬＣ１個あたりの単価が高いため、コストが膨大になって実用に耐えない。

したがって、コストを抑えるためには、ＥＤＬＣの数を必要最小限にしつつ、その不足分を「昇圧回路」で補うというという仕組みが欠かせない。

昇圧回路は様々な構成のものが知られているが、たとえば、下記の特許文献１に記載されているような昇圧トランスを用いるもの、すなわち、入力された直流（ＤＣ）電圧を交流（ＡＣ）電圧に変換し、その交流電圧をトランスで昇圧した後、再び直流（ＤＣ）電圧に変換して出力する昇圧回路（同文献ではＤＣ−ＤＣ昇圧回路１）は、構成が簡単でコストを抑えることができるから好ましい。以下、この技術を従来技術ということにする。

実公平６−６４７８号公報

しかしながら、従来技術は以下の問題点がある。
（１）昇圧トランス二次側の耐圧問題
たとえば、商用４００Ｖ級電源の場合、昇圧回路の出力電圧は最高７００Ｖないしはそれを超える場合もある。このことは昇圧トランスの二次側に高電圧が生じることを意味し、したがって、二次側の直流変換要素（たとえば、整流ダイオード等）に高耐電圧タイプのものが求められることになるから、コストアップの要因になる。
（２）出力電圧の低下問題
ＥＤＬＣの放電電圧は一定でなく、電荷の蓄積量に応じて変動する。このため、時間の経過に伴って昇圧回路の入力電圧が低下し、これに追従して昇圧回路の出力電圧も低下する。

そこで、本発明の目的は、昇圧トランス二次側の低耐圧化を図り、また、入力電圧が低下した場合には出力電圧の低下を回避できる昇圧回路及びそれを用いた昇降装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、直流電圧を蓄積する蓄積要素の端子電圧を一定の大きさの交流電圧に変換する第１変換手段と、前記交流電圧を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの二次側に誘起した交流電圧を直流電圧に変換して出力する第２変換手段と、前記端子電圧を検出する検出手段と、前記検出手段の検出電圧が所定値を下回ったときに前記昇圧トランスの一次側の巻線数を減じる巻線数低減手段と、を備えたことを特徴とする昇圧回路である。
請求項２記載の発明は、前記昇圧トランスは、独立した複数の二次巻線を有し、前記第２変換手段は、該複数の二次巻線に誘起した交流電圧を各々直流電圧に変換するとともに、それらの直流電圧を加算して出力する、ことを特徴とする請求項１に記載の昇圧回路である。
請求項３記載の発明は、前記蓄積要素は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の昇圧回路である。
請求項４記載の発明は、前記蓄積要素は、物流分野における垂直搬送機の動力源あるいは電車や電気自動車といった輸送車両の動力源として用いられる電動機で発生した回生エネルギーを蓄積することを特徴とする請求項１に記載の昇圧回路である。
請求項５記載の発明は、荷積みパレットまたは空荷パレットを上下搬送する昇降装置であって、前記パレットの上昇駆動力を発生する電動機と、前記パレット下降時の制動力を前記電動機の回生エネルギーの熱的消費で発生する回生エネルギー消費手段とを備え、前記回生エネルギー消費手段は、前記制動力に関与しない剰余の回生エネルギーを蓄積する蓄積要素と、前記蓄積要素に蓄積した回生エネルギーから前記電動機の駆動に必要な所要の電圧を発生する駆動電圧発生手段とを含み、当該駆動電圧発生手段に請求項１に記載の昇圧回路を用いたことを特徴とする昇降装置である。

本発明によれば、昇圧トランス二次側の低耐圧化を図り、また、入力電圧が低下した場合には出力電圧の低下を回避できる。

実施形態の昇圧回路を含むシステム系統図である。放電回路９（昇圧回路）の構成図である。昇圧トランス１８の一次側の波形を示す図である。交直変換制御の動作フローを示す図である。一次巻線制御の動作フローを示す図である。一次巻線制御のタイムラインを示す図である。実施形態の昇圧回路を適用した昇降装置の構成を示す図である。昇降装置１００の制御盤１０８の構成図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態の昇圧回路を含むシステム系統図である。このシステム１は、たとえば、物流分野における垂直搬送機等の昇降装置あるいは電車や電気自動車等の輸送車両などに適用可能なものを示しており、その構成は、大きく分けて、交流商用電源（ここでは三相交流商用電源）２を直流変換する交直変換回路３と、交直変換回路３の出力電圧を交流変換するとともに、その交流電圧の周波数を加減することにより、三相交流誘導電動機（以下、単に電動機という）４の回転速度等を制御するインバータ回路５と、回生エネルギー蓄積回路６とを含むというものである。

回生エネルギー蓄積回路６は、複数のＥＤＬＣ７ａ〜７ｃを直列に接続して構成されたＥＤＬＣ群７と、充電回路８及び放電回路９を含む充放電回路１０とを備える。充電回路８は、電動機４が発電機として動作しているときにその電動機４で発生する電力（回生エネルギー）をインバータ回路５経由で取り込み、その回生エネルギーでＥＤＬＣ群７を充電し、また、放電回路９は、ＥＤＬＣ群７の放電電圧を所要の電圧（インバータ回路５の入力電圧であって、具体的には冒頭で説明したａＶに相当する電圧）に昇圧して取り出すための「昇圧回路」として動作する。

図示のシステム１において、力行時には、交流商用電源２を交直変換回路３で直流変換し、さらに、インバータ回路５で交流変換して、その交流電力で電動機４を駆動する。このような力行時、垂直搬送機であればパレットが電動機４の力で垂直上方に運び上げられ、あるいは、電車や電気自動車等の輸送車両であれば車両が前進しまたは後退する。一方、回生時、つまり、電動機４が発電機として動作しているときには、電動機４で発生した電力（回生エネルギー）がインバータ回路５を経由して回生エネルギー蓄積回路６に伝えられ、充電回路８によってＥＤＬＣ群７の充電が行われる。このとき、回生エネルギー蓄積回路６は、回生エネルギーを消費する負荷要素として働き、これにより、垂直搬送機であればパレットの下降に制動がかかり、あるいは、電車や電気自動車等の輸送車両であれば車両にブレーキがかかって速度が低下する。

ＥＤＬＣ群７に蓄えられた回生エネルギーは、電動機４の駆動に再利用される。すなわち、電動機４の力行時、電動機４は交流商用電源２を直流変換する交直変換回路３の出力のみならず、回生エネルギー蓄積回路６の放電回路９（昇圧回路）からの出力も利用して駆動される。なお、ＥＤＬＣ群７の充電容量によっては、瞬時停電のように一時的に交流商用電源２が失われたときに、回生エネルギー蓄積回路６の放電回路９（昇圧回路）からの出力だけで電動機４を駆動することも可能である。

図２は、放電回路９（昇圧回路）の構成図である。この図において、放電回路９は、ＥＤＬＣ群７の両端に接続される正負一対の入力端子（以下、正極入力端子１１、負極入力端子１２）の端子間電圧（以下、入力電圧Ｖｉｎ）を検出する電圧検出部１３と、正極入力端子１１と負極入力端子１２の間に挿入された４つのスイッチ要素（以下、第１のスイッチ要素１４、第２のスイッチ要素１５、第３のスイッチ要素１６、第４のスイッチ要素１７）とを備える。

第１〜第４のスイッチ要素１４〜１７は、それぞれ並列接続されたダイオードＤｉ（ｉは１〜４；以下同様）とトランジスタＴＲｉから構成されており、詳細には、第１のスイッチ要素１４は、ダイオードＤ１のカソードとトランジスタＴＲ１のコレクタとを接続するとともに、ダイオードＤ１のアノードとトランジスタＴＲ１のエミッタを接続し、さらに、トランジスタＴＲ１のコレクタ（及びダイオードＤ１のカソード）を正極入力端子１１に接続して構成されており、第２のスイッチ要素１５は、ダイオードＤ２のカソードとトランジスタＴＲ２のコレクタとを接続するとともに、ダイオードＤ２のアノードとトランジスタＴＲ２のエミッタを接続し、さらに、トランジスタＴＲ２のコレクタ（及びダイオードＤ２のカソード）を正極入力端子１１に接続して構成されている。

また、第３のスイッチ要素１６は、ダイオードＤ３のカソードとトランジスタＴＲ３のコレクタとを接続するとともに、ダイオードＤ３のアノードとトランジスタＴＲ３のエミッタを接続し、さらに、トランジスタＴＲ３のエミッタ（及びダイオードＤ３のアノード）を負極入力端子１２に接続して構成されており、第４のスイッチ要素１７は、ダイオードＤ４のカソードとトランジスタＴＲ４のコレクタとを接続するとともに、ダイオードＤ４のアノードとトランジスタＴＲ４のエミッタを接続し、さらに、トランジスタＴＲ４のエミッタ（及びダイオードＤ４のアノード）を負極入力端子１２に接続して構成されている。

加えて、第１のスイッチ要素１４のトランジスタＴＲ１のエミッタ（及びダイオードＤ１のアノード）と第３のスイッチ要素１６のトランジスタＴＲ３のコレクタ（及びダイオードＤ３のカソード）とを接続（以下、この接続点をノードＡという）し、さらに、第２のスイッチ要素１５のトランジスタＴＲ２のエミッタ（及びダイオードＤ２のアノード）と第４のスイッチ要素１７のトランジスタＴＲ４のコレクタ（及びダイオードＤ４のカソード）とを接続（以下、この接続点をノードＢという）して構成されている。

また、放電回路９は、昇圧トランス１８と、昇圧トランス１８の一次側に設けられた切り替え回路１９と、昇圧トランス１８の二次側に設けられた直交変換回路２０と、直交変換回路２０の出力電圧を取り出すための正負一対の出力端子（以下、正極出力端子２１、負極出力端子２２）の端子間電圧（以下、出力電圧Ｖｏｕｔ）を検出する電圧検出部２３と、直交変換回路２０の出力電流Ｉｏｕｔを検出する電流検出部２４と、制御部２５とを備える。

昇圧トランス１８は、鉄心等の磁性体に巻回された一次巻線と二次巻線とを有し、一次巻線は一つのコイルの両端及び適宜位置（説明の便宜上、中間位置とする）から引き出された複数（図では３つ）のタップＴ１〜Ｔ３を備え、二次巻線は、互いに電気的に絶縁された複数（図では２つ）の個別巻線（以下、第１の二次巻線２６、第２の二次巻線２７）を備える。

一次巻線の一方端のタップＴ３はノードＢに常時接続され、他方端のタップＴ１と中間点のタップＴ２は切り替え回路１９によって択一的にノードＡに接続される。すなわち、切り替え回路１９は、電磁リレーの接点１９ａを有しており、その電磁リレーが非励磁（オフ）のときに一次巻線のタップＴ１をノードＡに接続し、励磁（オン）のときに一次巻線のタップＴ２をノードＡに接続する。

直交変換回路２０は、第１の二次巻線２６に誘起した交流電圧を直流電圧に変換する第１の直交変換部２８と、第２の二次巻線２７に誘起した交流電圧を直流電圧に変換する第２の直交変換部２９とを備え、直交変換回路２０は、これら二つの直交変換部（第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９）の出力電圧を加算した直流電圧を出力する。

すなわち、第１の直交変換部２８は、第１の二次巻線２６の両端に４つのダイオードＤ１１〜Ｄ１４からなる全波整流部３０を接続するとともに、その全波整流部３０の出力端にコイルＬ１１とコンデンサＣ１１からなる平滑部３１を接続して構成し、また、第２の直交変換部２９は、第２の二次巻線２７の両端に同じく４つのダイオードＤ２１〜Ｄ２４からなる全波整流部３２を接続するとともに、その全波整流部３２の出力端にコイルＬ２１とコンデンサＣ２１からなる平滑部３３を接続して構成し、さらに、第１の直交変換部２８のコンデンサＣ１１と第２の直交変換部２９のコンデンサＣ２１とを直列に接続し、その直列回路の両端をそれぞれ正極出力端子２１と負極出力端子２２に接続して構成している。

制御部２５は、たとえば、マイクロコンピュータで構成された制御要素であり、入力電圧（Ｖｉｎ）や出力電圧（Ｖｏｕｔ）及び出力電流（Ｉｏｕｔ）などの入力情報に基づいて所定の制御を実行する。

所定の制御の一つは第１〜第４のスイッチ要素１４〜１７の制御（以下、交直変換制御）であり、また、所定の制御の他の一つは切り替え回路１９の制御（以下、一次巻線制御）である。図中のＳ１〜Ｓ４は交直変換制御の制御信号を示し、Ｓ５は一次巻線制御の制御信号を示している。Ｓ１〜Ｓ４はそれぞれ第１〜第４のスイッチ要素１４〜１７のトランジスタＴＲｉの制御電極に加えられ、各々のトランジスタＴＲｉは、対応する制御信号（Ｓ１〜Ｓ４）がアクティブの時にオンになる。また、Ｓ５は切り替え回路１９の電磁リレーに加えられ、電磁リレーは制御信号（Ｓ５）がアクティブの時にオン（励磁状態）になる。

図３は、昇圧トランス１８の一次側の波形を示す図である。この図において、Ｓ１〜Ｓ４は、Ｓ１とＳ４、Ｓ２とＳ３をペアにして各ペア交互に、所定の制御周期の半周期ごとにアクティブとインアクティブを繰り返す。アクティブは論理１（ハイレベル）、インアクティブは論理０（ローレベル）である。Ｓ１とＳ４のペアは前半周期でアクティブ、後半周期でインアクティブとなり、Ｓ２とＳ３のペアは前半周期でインアクティブ、後半周期でアクティブとなる。ここで、アクティブ期間のパルス幅は、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御された可変のパルス幅であって、このパルス幅は、入力電圧Ｖｉｎ（つまり、ＥＤＬＣ群７の放電電圧）に応じて増減変化する。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが高ければパルス幅が狭くなり、入力電圧Ｖｉｎが低ければパルス幅が広くなる。

第１〜第４のスイッチ要素１４〜１７（のトランジスタＴＲｉ）は、対応する制御信号（Ｓ１〜Ｓ４）がアクティブの時にオンになるので、結局、Ｓ１とＳ４がアクティブになっている期間では、ＥＤＬＣ群７→正極入力端子１１→第１のスイッチ要素１４→ノードＡ→切り替え回路１９→一次巻線のタップＴ１→一次巻線のタップＴ３→ノードＢ→第４のスイッチ要素１７→負極入力端子１２→ＥＤＬＣ群７という経路ができ、昇圧トランス１８の一次巻線に半サイクル分の正極性波形が現れる。

また、Ｓ２とＳ３がアクティブになっている期間では、ＥＤＬＣ群７→正極入力端子１１→第２のスイッチ要素１５→ノードＢ→一次巻線のタップＴ３→一次巻線のタップＴ１→切り替え回路１９→ノードＡ→第３のスイッチ要素１６→負極入力端子１２→ＥＤＬＣ群７という経路ができ、昇圧トランス１８の一次巻線に半サイクル分の負極性波形が現れる。

このように、Ｓ１とＳ４及びＳ２とＳ３をペアにして各ペアのアクティブ期間のパルス幅を、入力電圧Ｖｉｎ（つまり、ＥＤＬＣ群７の放電電圧）に応じて増減変化させることにより、昇圧トランス１８の一次側に、ＥＤＬＣ群７の放電電圧に対応した大きさの正負の擬似的交流波形を生じさせることができる。

ここで、図３の一次波形は入力電圧Ｖｉｎが高い場合（つまり、パルス幅が狭い場合）の第一の例と、入力電圧Ｖｉｎが低い場合（つまり、パルス幅が広い場合）の第二の例を示している。第一の例及び第二の例はいずれも同一極性部分の波形面積（ハッチング部分）が同じであり、したがって、これら二つの交流波形（第一の例と第二の例の波形）の平均値は同一であるから、結局、入力電圧Ｖｉｎの高低にかかわらず、一定の大きさの交流電圧に制御された一次波形を生成することができる。

このように、Ｓ１〜Ｓ４のアクティブ期間のパルス幅を入力電圧Ｖｉｎに応じて増減変化させることにより、入力電圧Ｖｉｎの高低にかかわらず、一定の大きさの交流電圧に制御された一次波形を生成することができるという定電圧作用を得られるのであるが、その作用にも限界がある。Ｓ１〜Ｓ４のアクティブ期間におけるパルス幅の最大値が制御周期の半周期長で制限されてしまうからである。このため、ＥＤＬＣ群７の放電電圧が低下し、それに伴ってパルス幅が広げらた場合に、ある放電電圧以下では上記の定電圧作用が得られなくなり、結果として、インバータ回路５に必要な入力電圧（冒頭で説明したａＶに相当する電圧）が得られなくなるという不都合を来す。

本実施形態では、かかる不都合を解消するために、以下の工夫を行ったものである。

ここで、Ｓ５をアクティブにすることにより、切り替え回路１９の接点１９ａの位置を図中破線の位置に変更することができる。この位置に切り替えた場合、上記の経路における「一次巻線のタップＴ１」は「一次巻線のタップＴ２」と読み替えられることになる。すなわち、Ｓ５をアクティブにすることにより、Ｓ１とＳ４がアクティブになっている期間及びＳ２とＳ３がアクティブになっている期間の双方で、一次巻線のタップＴ３とタップＴ２の間が利用されることになり、タップＴ２の取り出し位置は、説明の便宜上、タップＴ１〜Ｔ３の中間位置としてあるので、結局のところ、Ｓ５をアクティブにした場合は、一次巻線の巻回数を１／２に減じたことになるから、たとえば、一次巻線のタップＴ１〜Ｔ３の巻回数をＮ₁とすれば、Ｓ５をアクティブにしたときの一次巻線の実質的な巻回数はＮ₁の半分、つまりＮ₁／２になる。

昇圧トランス１８の昇圧比（変圧比：一次電圧と二次電圧の比）は一次側と二次側の巻回数の比（巻数比または変成比）で決まる。一次側の巻回数はＮ₁またはＮ₁／２であり、一方、二次側の巻回数は第１の二次巻線２６および第２の二次巻線２７の各々の巻回数であるから、二次側の巻回数を便宜的にＮ₂とすれば、昇圧トランス１８の昇圧比は、第１の二次巻線２６については「Ｎ₂／Ｎ₁」または「Ｎ₂／（Ｎ₁／２）」で与えられ、同様に、第２の二次巻線２７についても「Ｎ₂／Ｎ₁」または「Ｎ₂／（Ｎ₁／２）」で与えられる。

したがって、昇圧トランス１８の第１の二次巻線２６には、一次巻線に現れた交流波形を（Ｎ₂／Ｎ₁）倍または（Ｎ₂／（Ｎ₁／２））倍に昇圧した交流波形が誘起され、同様に、昇圧トランス１８の第２の二次巻線２７にも、一次巻線に現れた交流波形を（Ｎ₂／Ｎ₁）倍または（Ｎ₂／（Ｎ₁／２））倍に昇圧した交流波形が誘起される。

図４は、交直変換制御の動作フローを示す図である。なお、ここでは、Ｓ１とＳ４のペアおよびＳ２とＳ３のペアのアクティブ期間の長さを同一（第１の時間）としているが、これは説明を簡単にするための便宜である。実際には、前述したとおり、Ｓ１とＳ４及びＳ２とＳ３をペアにして各ペアのアクティブ期間のパルス幅を、入力電圧Ｖｉｎ（つまり、ＥＤＬＣ群７の放電電圧）に応じて増減制御（たとえば、ＰＷＭ制御）している点に留意されたい。

この動作フローでは、まず、Ｓ１とＳ４をアクティブにしたまま（ＳＴＰ１）第１の時間待機し（ＳＴＰ２）、第１の時間が経過すると、Ｓ１とＳ４をインアクティブにする（ＳＴＰ３）とともに、Ｓ２とＳ３をアクティブにし（ＳＴＰ４）、その状態（Ｓ２とＳ３のアクティブ）を保ったまま第１の時間待機し（ＳＴＰ５）、第１の時間が経過すると、Ｓ１とＳ４をインアクティブにしてから（ＳＴＰ６）、再び最初の処理（ＳＴＰ１）に戻るという動作を繰り返す。

このように、Ｓ１とＳ４及びＳ２とＳ３をペアにして各ペア交互に、所定の時間（第１の時間）の間隔でアクティブとインアクティブを繰り返す（正確には、Ｓ１とＳ４及びＳ２とＳ３をペアにして各ペアのアクティブ期間のパルス幅を、入力電圧Ｖｉｎに応じて増減変化させる）ことにより、昇圧トランス１８の一次側にＥＤＬＣ群７の放電電圧に対応した大きさの正負の擬似的交流波形を生じさせることができる。

図５は、一次巻線制御の動作フローを示す図である。この動作フローでは、まず、入力電圧Ｖｉｎが所定の閾値ＳＬを下回っているか否かを判定する（ＳＴＰ１１）。ここで、入力電圧Ｖｉｎは、正負一対の入力端子（正極入力端子１１と負極入力端子１２）の端子間電圧であって、この正負一対の入力端子にはＥＤＬＣ群７の両端が接続されているのであるから、要するに入力電圧Ｖｉｎは、ＥＤＬＣ群７の放電電圧そのものを表している。したがって、ＳＴＰ１１における判定条件（Ｖｉｎ＜ＳＬ）は、「ＥＤＬＣ群７の放電電圧が所定の閾値ＳＬを下回っているか否か」を判定することを意味している。

さて、〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べたとおり、ＥＤＬＣの放電電圧は一定ではなく、電荷の蓄積量に応じて変動する。このため、時間の経過に伴って昇圧回路の入力電圧（Ｖｉｎ）が低下し、これに追従して昇圧回路の出力電圧（Ｖｏｕｔ）も低下するという問題点がある。

出力電圧（Ｖｏｕｔ）の低下は、放電回路９（昇圧回路）の定電圧作用によって一応阻止できるが、その定電圧作用にも限界がある。Ｓ１〜Ｓ４のアクティブ期間におけるパルス幅の最大値が制御周期の半周期長で制限されてしまうからである。このため、ＥＤＬＣ群７の放電電圧が低下し、それに伴ってパルス幅が広げらた場合に、ある放電電圧以下では上記の定電圧作用が得られなくなり、結果として、インバータ回路５に必要な入力電圧（冒頭で説明したａＶに相当する電圧）が得られなくなるという不都合を来す。

図示のフローでは、「Ｖｉｎ＜ＳＬ」でないとき、つまり、ＥＤＬＣ群７の放電電圧が所定の閾値ＳＬを下回っていないときには、制御信号Ｓ５をインアクティブにし（ＳＴＰ１３）、一方、「Ｖｉｎ＜ＳＬ」であるとき、つまり、ＥＤＬＣ群７の放電電圧が所定の閾値ＳＬを下回っているときには、制御信号Ｓ５をアクティブにする（ＳＴＰ１２）という作用が得られる。

Ｓ５がインアクティブになっているとき、切り替え回路１９の接点１９ａは図示の実線位置にある。この場合、一次巻線のタップＴ１とタップＴ３の間が利用されることになるが、Ｓ５がアクティブになっているときには、切り替え回路１９の接点１９ａが図示の破線位置になり、この場合、一次巻線のタップＴ２とタップＴ３の間が利用されることになる。

図６は、一次巻線制御のタイムラインを示す図である。この図に示すように、ＶｉｎがＳＬを上回っている間はＳ５がインアクティブになって一次巻き線のタップＴ１〜Ｔ３の間が利用されるが、ＶｉｎがＳＬを下回ると、Ｓ５がアクティブになって一次巻き線のタップＴ２〜Ｔ３の間が利用される。一次巻線のタップＴ１とタップＴ３の間の巻回数はＮ₁、一次巻線のタップＴ２とタップＴ３の間の巻回数はＮ₁／２である。もちろん、この巻回数（Ｎ₁、Ｎ₁／２）は説明上の便宜例に過ぎないが、この便宜例に従えば、Ｓ５をインアクティブからアクティブに変化させることにより、昇圧トランス１８の一次巻線の巻回数を１／２に減じることができ、二次側に誘起する電圧を２倍にすることができる。

したがって、この便宜例（Ｎ₁、Ｎ₁／２）の場合は、閾値ＳＬの値を、ＥＤＬＣ群７の放電電圧の定格値のほぼ５０％程度相当にしておけば、ＥＤＬＣ群７の放電電圧が定格値のほぼ半分程度に低下したときに、昇圧トランス１８の二次側に誘起する電圧を２倍に高めて、その低下分を補うことができるから、前記の不都合を解消し、入力電圧の低下に伴う出力電圧の低下を回避できるという効果を得ることができる。

なお、以上の説明では、昇圧トランス１８の一次側に三つのタップＴ１〜Ｔ３を設け、これらのタップを切り替え回路１９で適宜に切り替えることにより、一次側の巻数比を「Ｎ₁：Ｎ₁／２」、すなわち、「１：０．５」に変化させているが、この巻数比は、ＥＤＬＣ群７の放電電圧が定格値のほぼ５０％程度に低下した場合（入力電圧Ｖｉｎが５０％程度に低下した場合）を想定したベストモードに過ぎない。要は、目標とする入力電圧Ｖｉｎの低下度合いに適合した巻数比に設定し、且つ、その低下度合いに相当する閾値ＳＬを設定すればよい。

なお、昇圧トランス１８の一次側のタップを２段以上の多段（より多くのタップ切り替え方式）としてもよい。多段にするほど、昇圧トランス１８の一次側の巻回数を入力電圧Ｖｉｎに応じてきめ細かく変更でき、出力電圧の変動をより抑制できるから好ましい。多段にした場合、各段の巻回数は規則的（たとえば、１／２、１／３、１／３などの等比級数的）に変化するものであってもよく、あるいは、不規則に変化するものであってもよい。ちなみに、２段以上の多段にした場合は、各タップごとに適切な閾値（ＳＬ）を用いなければならないことはいうまでもない。

さらに、図示のタップを切り替え回路１９は機械的なもの（電磁リレーを用いたもの）としているが、これに限定されない。たとえば、トランジスタ等の電子スイッチを使用してもよい。

加えて、実施形態の昇圧トランス１８は、その二次側巻線を互いに電気的に絶縁された複数（図では２つ）の個別巻線（以下、第１の二次巻線２６、第２の二次巻線２７）で構成し、それらの個別巻線の各々に第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９とを設け、且つ、それら二つの直交変換部（第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９）の出力電圧を加算した直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）を出力するという仕組みを採用しているため、二次側の耐圧を下げることができるという効果も得られる。

すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔの値を便宜的に７００Ｖと仮定すると、第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９とからなる直交変換回路２０は、「二つの直交変換部（第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９）の出力電圧を加算した直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）を出力」するのであるから、第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９は、Ｖｏｕｔの半分の電圧（３５０Ｖ）をそれぞれ分担すればよいことになり、その結果、第１の直交変換部２８の構成要素（ダイオードＤ１１〜Ｄ１４、コイルＬ１１、コンデンサＣ１１）や第２の直交変換部２９の構成要素（ダイオードＤ２１〜Ｄ２４、コイルＬ２１、コンデンサＣ２１）の耐圧を少なくとも３５０Ｖ相当に低減でき、したがって、冒頭で説明した「昇圧トランス二次側の耐圧問題」も解消することができる。

なお、以上の説明では、昇圧トランス１８の二次側を二つの個別巻線（以下、第１の二次巻線２６、第２の二次巻線２７）で構成しているが、これも説明上の一例に過ぎない。三つ以上のＮ個の個別巻線で構成してもよい。各々の二次側巻線の耐圧を１／Ｎに低減することができるからであり、要は、昇圧トランス１８の二次側をＮ分割するとともに、Ｎ個の個別巻き線ごとに交直変換部（図２の第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９を参照）を設け、且つ、それらＮ個の交直変換部の出力電圧を足し合わせてインバータ回路５に加える構成にすればよい。

以上のとおりであるから、本実施形態の昇圧回路（放電回路９）にあっては以下の効果を得ることができる。
（１）昇圧トランス二次側の耐圧問題回避
昇圧トランス１８の二次側をＮ分割するとともに、Ｎ個の個別巻き線ごとに交直変換部（図２の第１の直交変換部２８と第２の直交変換部２９を参照）を設け、且つ、それらＮ個の交直変換部の出力電圧を足し合わせてインバータ回路５に加える構成としたので、たとえば、インバータ回路５の入力電圧に７００Ｖが必要な場合は、昇圧トランス１８の二次側のＮ個の交直変換部はそれぞれ７００Ｖの１／Ｎずつを分担すればよくなり、その結果、昇圧トランス二次側の耐圧を１／Ｎに低下できるという効果が得られる。

（２）出力電圧の低下問題回避
入力電圧Ｖｉｎが所定の閾値ＳＬを下回ったときに、昇圧トランス１８の一次側の巻線数を減じるような構成としたので、二次側に誘起する電圧を高めて出力電圧の低下問題を回避することができる。たとえば、閾値ＳＬを入力電圧Ｖｉｎの５０％相当とし、かつ、昇圧トランス１８の一次側の巻線数を１／２に減じるようにすれば、Ｖｉｎ＜ＳＬのときに、二次側に誘起する電圧を２倍に高めることができる。

図７は、実施形態の昇圧回路を適用した昇降装置の構成を示す図である。この図において、昇降装置１００は、たとえば、工場や倉庫あるいは店舗、工事現場等において、荷役の昇降作業に用いられる常設または仮設の装置である。

この昇降装置１００は、一のフロア（ここでは１Ｆ）から二のフロア（ここでは２Ｆ）に延びる昇降タワー１０１と、昇降タワー１０１の内壁面に上下方向に取り付けられた案内レール１０２に沿って昇降タワー１０１の内部を上下に移動可能なホイストレール１０３と、このホイストレール１０３の中央上部付近に取り付けられた自由回転プーリ１０４と、昇降タワー１０１の最上部の機械室１０５に設けられた電動機４（図１の電動機４と同じもの）と、電動機４の回転軸４ａに取り付けられた巻き上げプーリー１０６と、両プーリ（自由回転プーリ１０４と巻き上げプーリ１０６）の間に掛け渡されたベルト１０７と、図１の各部（すなわち、交直変換回路３やインバータ回路５及び回生エネルギー蓄積回路６）を含む制御盤１０８と、昇降タワー１０１の１Ｆ開口部１０９及び２Ｆ開口部１１０の近くに設けられた１Ｆ操作盤１１１及び２Ｆ操作盤１１２（各々、ＵＰスイッチ１１３とＤＯＷＮスイッチ１１４を有する）とを備え、さらに、１Ｆと２Ｆの各々に同一構成の荷物移動装置１１５を備える。

荷物移動装置１１５は、キャスタ１１６を備えた台車１１７の上に横方向のレール１１８を取り付け、そのレール１１８に沿って滑動可能な滑車１１９にチェーン１２０を介して、荷物１２１を乗せるためのパレット１２２を吊り下げた構成を有している。なお、ここでは、手動の滑車１１９としているが、電動にしてもかまわない。

図８は、昇降装置１００の制御盤１０８の構成図である。制御盤１０８は、図１のシステム１と同様の構成要素、すなわち、交流商用電源２を直流変換する交直変換回路３と、交直変換回路３の出力電圧を交流変換するとともに、１Ｆ操作盤１１１や２Ｆ操作盤１１２からの操作信号に応答して、その交流電圧の周波数を加減することにより、電動機４の回転速度等を制御するインバータ回路５と、回生エネルギー蓄積回路６とを含む。

回生エネルギー蓄積回路６は、パレット１２２の下降時の制動力を、電動機４の回生エネルギーの熱的消費で発生する回生エネルギー消費手段として機能し、さらに、この回生エネルギー蓄積回路６は、パレット１２２の下降時の制動力に関与しない剰余の回生エネルギーを蓄積する蓄積要素（ＥＤＬＣ群７）を含むとともに、加えて、この蓄積要素（ＥＤＬＣ群７）に蓄積した回生エネルギーから電動機４の駆動に必要な所要の電圧を発生する駆動電圧発生手段として機能する放電回路９（昇圧回路）を含む。この放電回路９（昇圧回路）は、図１のシステム１における放電回路９（昇圧回路）と同一の構成で且つ同一の作用を奏する。

このような構成を有する昇降装置１００の動作は、以下のとおりである。
＜１Ｆから２Ｆへの荷上げまたは空荷パレット上げ＞
１Ｆ荷物移動装置１１５のパレット１２２に荷物１２１を乗せたまま、あるいは、空荷の場合はそのまま、１Ｆ開口部１０９に１Ｆ荷物移動装置１１５を寄せ、その状態で、昇降タワー１０１の内部のホイストレール１０３が１Ｆに下りているか確認し、下りていなければ、１Ｆ操作盤１１１のＤＯＷＮスイッチ１１４を操作してホイストレール１０３を下ろす。次いで、１Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うように、１Ｆ操作盤１１１のＵＰスイッチ１１３とＤＯＷＮスイッチ１１４を操作して、ホイストレール１０３の高さを微調整する。

１Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うと、次に、１Ｆ荷物移動装置１１５の滑車１１９を動かし、この滑車１１９と一緒に、荷物１２１を乗せた状態のパレット１２２または空荷のパレット１２２を、１Ｆ荷物移動装置１１５から昇降タワー１０１のホイストレール１０３に移動させる。

次いで、１Ｆ操作盤１１１または２Ｆ操作盤１１２のＵＰスイッチ１１３を操作し、２Ｆ開口部１１０に達するまでホイストレール１０３を引き上げる。

次に、２Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うように、２Ｆ操作盤１１２のＵＰスイッチ１１３とＤＯＷＮスイッチ１１４を操作して、ホイストレール１０３の高さを微調整する。

２Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うと、次に、昇降タワー１０１のホイストレール１０３から２Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８に、荷物１２１を乗せた状態のパレット１２２または空荷のパレット１２２を移動させる。以上の動作により、１Ｆから２Ｆへの荷上げまたは空荷パレット上げを行うことができる。

＜２Ｆから１Ｆへの荷下ろしまたは空荷パレット下げ＞
２Ｆ荷物移動装置１１５のパレット１２２に荷物１２１を乗せたまま、あるいは、空荷の場合はそのまま、２Ｆ開口部１０９に２Ｆ荷物移動装置１１５を寄せ、その状態で、昇降タワー１０１の内部のホイストレール１０３が２Ｆに上がっているか確認し、上がっていなければ、２Ｆ操作盤１１２のＵＰスイッチ１１３を操作してホイストレール１０３を上げる。次いで、２Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うように、２Ｆ操作盤１１２のＵＰスイッチ１１３とＤＯＷＮスイッチ１１４を操作して、ホイストレール１０３の高さを微調整する。

２Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うと、次に、２Ｆ荷物移動装置１１５の滑車１１９を動かし、この滑車１１９と一緒に、荷物１２１を乗せた状態のパレット１２２または空荷のパレット１２２を、２Ｆ荷物移動装置１１５から昇降タワー１０１のホイストレール１０３に移動させる。

次いで、１Ｆ操作盤１１１または２Ｆ操作盤１１２のＤＯＷＮスイッチ１１４を操作し、１Ｆ開口部１０９に達するまでホイストレール１０３を下げる。

次に、１Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うように、１Ｆ操作盤１１１のＵＰスイッチ１１３とＤＯＷＮスイッチ１１４を操作して、ホイストレール１０３の高さを微調整する。

１Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８の先端とホイストレール１０３の先端の高さが揃うと、次に、昇降タワー１０１のホイストレール１０３から１Ｆ荷物移動装置１１５のレール１１８に、荷物１２１を乗せた状態のパレット１２２または空荷のパレット１２２を移動させる。以上の動作により、２Ｆから１Ｆへの荷下ろしまたは空荷パレット下げを行うことができる。

次に、この昇降装置１００における前記実施形態の昇圧回路（放電回路９）の動作について説明する。昇降装置１００は、昇降タワー１０１の内部に設けられたホイストレール１０３を上下させることによって、荷物１２１の上げ下げや空荷パレット１２２の上げ下げを行うものである。ホイストレール１０３の上昇は電動機４の駆動によって行われるが、ホイストレール１０３の下降は、もっぱら荷物１２１やパレット１２２の自重による落下と、その落下の際に発生する電動機４の回生ブレーキとによって行われる。

回生ブレーキ、すなわち、電動機４が発電機として動作しているときに発生する電力（回生エネルギー）を熱等で消費させることによって得られる制動力は、機械式ブレーキの代替または補完として有用であるものの、全ての回生エネルギーを熱で消費するのは無駄であることから、制動力に関与しない余剰の回生エネルギーを蓄積しておき、電動機４を駆動（力行）させる際に再利用することが行われており、そして、その回生エネルギーの蓄積要素に、蓄電効率に優れた電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を使用する試みがなされている。

しかしながら、ＥＤＬＣの蓄積エネルギーを電動機４を駆動に必要な電圧まで高めるためには直列接続した多くのＥＤＬＣを必要とするものの、ＥＤＬＣは高価であることから、単純な直列接続は好ましくなく、一般的に昇圧回路を併用することによってＥＤＬＣの所要数を減らす工夫がなされている。

最も単純な、したがって、低コストな昇圧回路は、昇圧トランスを用いたものである。この昇圧トランスの一次側と二次側の巻線比に応じた高い電圧を取り出すことができ、少ないＥＤＬＣで所要の高電圧を得ることができる。加えて、ＥＤＬＣの放電電圧は時間の経過に伴って徐々に低くなるが、一次側を定電圧化することにより、ＥＤＬＣの放電電圧低下にも一応対応することができる。

しかし、一次側の定電圧化範囲には自ずと限界があり、ＥＤＬＣの放電電圧が所定値（定電圧の下限値）以下になった際に、所要の高電圧が得られなくなるという不都合がある。そこで、前記実施形態の昇圧回路としての放電回路９（昇降装置１００の制御盤１０８に組み込まれたもの）は、昇圧トランスの巻線比を切り替え可能にし、ＥＤＬＣの放電電圧が所定値（定電圧の下限値）以下になりそうになった場合には、巻線比を切り替えて所定の電圧を得られるようにしたものであり、これによって、上記の不都合、すなわち、ＥＤＬＣの放電電圧が所定値（定電圧の下限値）以下になった際に、所要の高電圧が得られなくなるという不都合を解消したものである。

このようにすれば、ＥＤＬＣの能力を十分引き出して、回生エネルギーの蓄積と、その再利用とを図ることができるから、たとえば、昇降装置１００の分野に適用して好適な技術とすることができる。

４三相交流誘導電動機（電動機）
６回生エネルギー蓄積回路（回生エネルギー消費手段）
７ＥＤＬＣ群（蓄積要素）
９放電回路（昇圧回路、駆動電圧発生手段）
１３電圧検出部（検出手段）
１４第１のスイッチ要素（第１変換手段）
１５第２のスイッチ要素（第１変換手段）
１６第３のスイッチ要素（第１変換手段）
１７第４のスイッチ要素（第１変換手段）
１８昇圧トランス
１９切り替え回路（巻線数低減手段）
２０直交変換回路（第２変換手段）
２５制御部（巻線数低減手段）
２６第１の二次巻線（二次巻線）
２７第２の二次巻線（二次巻線）
１００昇降装置

Claims

直流電圧を蓄積する蓄積要素の端子電圧を一定の大きさの交流電圧に変換する第１変換手段と、
前記交流電圧を昇圧する昇圧トランスと、
前記昇圧トランスの二次側に誘起した交流電圧を直流電圧に変換して出力する第２変換手段と、
前記端子電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出電圧が所定値を下回ったときに前記昇圧トランスの一次側の巻線数を減じる巻線数低減手段と、
を備えたことを特徴とする昇圧回路。
前記昇圧トランスは、独立した複数の二次巻線を有し、
前記第２変換手段は、該複数の二次巻線に誘起した交流電圧を各々直流電圧に変換するとともに、それらの直流電圧を加算して出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の昇圧回路。
前記蓄積要素は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の昇圧回路。
前記蓄積要素は、物流分野における垂直搬送機の動力源あるいは電車や電気自動車といった輸送車両の動力源として用いられる電動機で発生した回生エネルギーを蓄積することを特徴とする請求項１に記載の昇圧回路。
荷積みパレットまたは空荷パレットを上下搬送する昇降装置であって、
前記パレットの上昇駆動力を発生する電動機と、前記パレット下降時の制動力を前記電動機の回生エネルギーの熱的消費で発生する回生エネルギー消費手段とを備え、
前記回生エネルギー消費手段は、
前記制動力に関与しない剰余の回生エネルギーを蓄積する蓄積要素と、
前記蓄積要素に蓄積した回生エネルギーから前記電動機の駆動に必要な所要の電圧を発生する駆動電圧発生手段とを含み、
当該駆動電圧発生手段に請求項１に記載の昇圧回路を用いたことを特徴とする昇降装置。