JP2017200308A - 誘導性負荷用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用交流電源に異常が発生したときであっても、誘導性負荷に残留する電力を安全に消費させることができる誘導性負荷用電源装置を提供する。【解決手段】誘導性負荷用電源装置１は、電力変換部２の出力側に設けられた電力貯蔵部４と、電力変換部２の出力側に設けられた、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４および還流ダイオードＤ１〜Ｄ４を含む負荷駆動部３と、少なくともスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉を制御する制御部１０と、電力貯蔵部４に接続された補助電源部５と、商用交流電源Ｇの電圧を検出する第１電圧検出部６とを備える。制御部１０は、（１）第１電圧検出部６によって検出された電圧が正常である場合は、商用交流電源Ｇの電圧を電源電圧とし、（２）第１電圧検出部６によって検出された電圧が異常である場合は、補助電源部５が電力貯蔵部４に蓄えられている電力に基づいて生成した補助電圧を電源電圧とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁石等の誘導性負荷を駆動する誘導性負荷用電源装置に関する。

物理学実験や医療等の分野で使用される加速器には、パルス状の大電流を印加することにより電磁石等の誘導性負荷を駆動する誘導性負荷用電源装置が備えられている。このような装置としては、例えば、図４に示す誘導性負荷用電源装置１００が知られている（特許文献１参照）。

誘導性負荷用電源装置１００は、フェイズＩＩにおいて、スイッチ素子１０２，１０５，１０９がオン状態（閉状態）とされるとともに、スイッチ素子１０６がオフ状態（開状態）とされる。これにより、誘導性負荷Ｌに充電電源１０１の出力電圧が印加され、負荷電流Ｉが立ち上がる（図５参照）。一方、誘導性負荷用電源装置１００は、フェイズＩＶにおいて、スイッチ素子１０２，１０５，１０９がオフ状態とされるとともに、スイッチ素子１０６がオン状態とされる。これにより、“ダイオード１０８→スイッチ素子１０６→ダイオード１０４”の経路で誘導性負荷Ｌに残留する電力が充電電源１０１に回生され、負荷電流Ｉが立ち下がる（図５参照）。

また、誘導性負荷用電源装置１００は、スイッチ素子１０２，１０５，１０６，１０９の開閉を制御する制御部１１０を備えている。制御部１１０は、図示しない商用交流電源の電圧を電源電圧とするのが一般的である。

特許第５６１４８１３号公報

上述の通り、誘導性負荷用電源装置１００は、スイッチ素子１０２，１０５，１０６，１０９の開閉を制御することにより誘導性負荷Ｌに残留する電力を回生により消費することができる。しかしながら、誘導性負荷用電源装置１００は、特にフェイズＩＩ，ＩＩＩの最中に商用交流電源の電圧が停電等により低下すると、制御部１１０がスイッチ素子１０２，１０５，１０６，１０９の開閉を制御できなくなり、誘導性負荷Ｌに残留する電力を消費させられなくなるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、商用交流電源に異常が発生したときであっても、誘導性負荷に残留する電力を安全に消費させることができる誘導性負荷用電源装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る誘導性負荷用電源装置は、誘導性負荷を駆動するための誘導性負荷用電源装置であって、商用交流電源から供給される電力を直流化して出力する電力変換部と、電力変換部の出力側に設けられた該電力変換部から出力される電力の少なくとも一部を蓄える電力貯蔵部と、電力変換部の出力側に設けられた、複数のスイッチ素子および該スイッチ素子のそれぞれに設けられた還流ダイオードを含む負荷駆動部と、少なくともスイッチ素子の開閉を制御する制御部と、電力貯蔵部に接続された補助電源部と、商用交流電源の電圧を検出する第１電圧検出部とを備え、制御部は、（１）第１電圧検出部によって検出された電圧が正常である場合は、商用交流電源の電圧を電源電圧とし、（２）第１電圧検出部によって検出された電圧が異常である場合は、補助電源部が電力貯蔵部に蓄えられている電力に基づいて生成した補助電圧を電源電圧とすることを特徴とする。

この構成では、商用交流電源に停電等の異常が発生すると、商用交流電源の電圧に代えて補助電源部によって生成される電圧が制御部の電源電圧として利用される。したがって、この構成によれば、商用交流電源に停電等の異常が発生したとしても、制御部がスイッチ素子の開閉を適当に制御することにより、誘導性負荷に残留する電力を安全に消費させることができる。

上記誘導性負荷用電源装置は、電力貯蔵部の電圧を検出する第２電圧検出部をさらに備えていてもよい。この場合、制御部は、第１電圧検出部によって検出された電圧が異常である場合に、第２電圧検出部によって検出された電圧に基づいてスイッチ素子の開閉の状態を変化させることが好ましい。具体的には、制御部は、（１）第１電圧検出部によって検出された電圧が異常であり、かつ第２電圧検出部によって検出された電圧が予め定められた閾値よりも小さい場合は、スイッチ素子の開閉を制御することにより負荷駆動部を回生状態とし、誘導性負荷に残留する電力を電力貯蔵部に回生させ、（２）第１電圧検出部によって検出された電圧が異常であり、かつ第２電圧検出部によって検出された電圧が閾値よりも大きい場合は、スイッチ素子の開閉を制御することにより負荷駆動部を還流状態とし、誘導性負荷に残留する電力を負荷駆動部内で消費させることが好ましい。

この構成では、第２電圧検出部によって検出された電力貯蔵部の電圧が予め設定された閾値よりも小さい場合に、負荷駆動部が回生状態とされ、誘導性負荷に残留する電力（以下、「残留電力」という）が電力貯蔵部に回生される。したがって、この構成によれば、上記の場合に、残留電力を有効に活用しながら該電力を安全に消費させることができる。

上記誘導性負荷用電源装置の制御部は、第１電圧検出部によって検出された電圧が正常から異常に変化すると、補助電源部に指令信号を送出して動作を開始させることが好ましい。

この構成によれば、第１電圧検出部によって検出された電圧が正常であるときに、電力貯蔵部に蓄えられている電力が補助電源部によって消費されるのを防ぐことができる。

上記誘導性負荷用電源装置の負荷駆動部の具体的な構成としては、例えば、２つのスイッチ素子を第１接続点において直列接続してなる第１アームと、２つのスイッチ素子を第２接続点において接続してなる第２アームとを含み、第１および第２接続点において誘導性負荷に接続される構成が考えられる。

本発明によれば、商用交流電源に異常が発生したときであっても、誘導性負荷に残留する電力を安全に消費させることができる誘導性負荷用電源装置を提供することができる。

本発明の実施例に係る誘導性負荷用電源装置の回路図である。 図１に示す誘導性負荷用電源装置に備えられた制御部の構成を示すブロック図である。 図１に示す誘導性負荷用電源装置に備えられた負荷駆動部の３つの動作状態（力行状態、回生状態および還流状態）を示す図である。 従来の誘導性負荷用電源装置の回路図である。 図４に示す誘導性負荷用電源装置の動作波形図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施例に係る誘導性負荷用電源装置について説明する。

図１に、実施例に係る誘導性負荷用電源装置１を示す。誘導性負荷用電源装置１は、パルス状の大電流（負荷電流Ｉ）を印加することにより誘導性負荷Ｌ（本実施例では電磁石）を駆動し、誘導性負荷Ｌの周りに強力な磁界を発生させるための装置である。

同図に示すように、誘導性負荷用電源装置１は、商用交流電源Ｇから供給される電力を直流化してライン９Ｈ，９Ｌから出力する電力変換部２と、ライン９Ｈ，９Ｌに接続された負荷駆動部３および電力貯蔵部４と、電力貯蔵部４に接続された補助電源部５と、少なくとも負荷駆動部３を制御する制御部１０とを備えている。また、誘導性負荷用電源装置１は、第１電圧検出部６、第２電圧検出部７および電流検出部８も備えている。

電力変換部２は、商用交流電源Ｇから供給される電力を直流化するＡＣ／ＤＣ変換回路からなる。直流化後の電力は、ライン９Ｈ，９Ｌから出力される。ライン９Ｌを基準としたときのライン９Ｈの定常時の電位は、例えば４００［Ｖ］である。ライン９Ｌは、接地されていてもよい。

負荷駆動部３は、４つのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４およびこれらに各１つ設けられた還流ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を含んでいる。スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２および還流ダイオードＤ１，Ｄ２は第１アーム３ａを構成し、スイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４および還流ダイオードＤ３，Ｄ４は第２アーム３ｂを構成する。各アーム３ａ，３ｂは、ライン９Ｈ，９Ｌの間に設けられている。第１アーム３ａを構成する２つのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、第１接続点Ｐａにおいて直列接続されている。同様に、第２アーム３ｂを構成する２つのスイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４は、第２接続点Ｐｂにおいて直列接続されている。

負荷駆動部３は、第１接続点Ｐａおよび第２接続点Ｐｂにおいて、駆動すべき誘導性負荷Ｌに接続される。負荷駆動部３は、各アーム３ａ，３ｂの出力側に設けられたノイズフィルタをさらに含んでいてもよい。

各スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、同一の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ，Insulated-Gate Bipolar Transistor）からなる。各スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のゲートは、制御部１０に接続されている。

電力貯蔵部４は、ｍＦオーダーの静電容量を有するキャパシタからなる。このようなキャパシタとして、電解コンデンサまたはフィルムコンデンサを用いることができる。電力貯蔵部４は、電力変換部２から出力される電力の少なくとも一部を蓄える。ライン９Ｈ，９Ｌの電位差は、電力貯蔵部４に蓄えられている電力の量に対応している。

補助電源部５は、電力貯蔵部４に蓄えられている電力に基づいて予め定められた直流電圧（以下、「補助電圧」という）を生成するＤＣ／ＤＣ変換回路からなる。補助電圧は、例えば５［Ｖ］である。補助電圧は、制御部１０の電源電圧として利用される。

第１電圧検出部６は、電力変換部２に入力される電圧、すなわち商用交流電源Ｇの電圧を検出するとともに、検出した電圧に対応する検出信号Ｓ１を制御部１０に向けて送出する。

第２電圧検出部７は、電力貯蔵部４が出力する電圧、すなわちライン９Ｈ，９Ｌの電位差を検出するとともに、検出した電圧（電位差）に対応する検出信号Ｓ２を制御部１０に向けて送出する。

電流検出部８は、第２アーム３ｂの第２接続点Ｐｂおよび誘導性負荷Ｌの間において負荷電流Ｉを検出するとともに、検出した負荷電流Ｉに対応する検出信号Ｓ３を制御部１０に向けて送出する。電流検出部８は、第１アーム３ａの第１接続点Ｐａおよび誘導性負荷Ｌの間において負荷電流Ｉを検出してもよい。

制御部１０は、図２に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換部１１と、その後段に設けられた降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２と、その後段に設けられたもう１つの降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１４と、その後段に設けられた演算処理部１５と、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２，１４の間に設けられたコンデンサ１３とを含んでいる。

ＡＣ／ＤＣ変換部１１は、商用交流電源Ｇの電圧（ＡＣ２００［Ｖ］）をＡＣ／ＤＣ変換する。降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２は、ＡＣ／ＤＣ変換部１１の出力電圧（２８２［Ｖ］）を５［Ｖ］に降圧する。降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１４は、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２の出力電圧または補助電圧によって充電されたコンデンサ１３の端子電圧（最大５［Ｖ］）を演算処理部１５が必要とする３．３［Ｖ］と１．２［Ｖ］に降圧する。演算処理部１５は、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１４が出力する３．３［Ｖ］および１．２［Ｖ］の各電圧を電源電圧とする。演算処理部１５は、外部からの指令信号Ｓ６と、検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とに基づいて生成した制御信号Ｓ４，Ｓ５を送出する。

演算処理部１５は、検出信号Ｓ１に基づいて商用交流電源Ｇの電圧が正常であるか否かを判定し、正常であれば、指令信号Ｓ６と検出信号Ｓ２，Ｓ３とに基づいて負荷駆動部３に送出する制御信号Ｓ４を変化させ、負荷駆動部３の動作状態を、力行状態、回生状態、還流状態および停止状態のいずれかに切り替える。

力行状態においては、図３（Ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン状態（閉状態）とされ、他のスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態（開状態）とされる。これにより、“電力変換部２（電力貯蔵部４）→スイッチ素子ＳＷ１→誘導性負荷Ｌ→スイッチ素子ＳＷ４→電力変換部２（電力貯蔵部４）”の電流経路が構築され、誘導性負荷Ｌに負荷電流Ｉが流れる。なお、図３の各図においては、電流経路を構築しない素子等の図示が省略されている点に注意されたい。

回生状態においては、図３（Ｂ）に示すように、全てのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態とされる。これにより、“誘導性負荷Ｌ→ダイオードＤ３→電力貯蔵部４→ダイオードＤ２→誘導性負荷Ｌ”の電流経路が構築され、誘導性負荷Ｌの残留電力が電力貯蔵部４に回生される。

還流状態においては、図３（Ｃ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ１がオン状態とされ、他のスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態とされる。これにより、“誘導性負荷Ｌ→還流ダイオードＤ３→スイッチ素子ＳＷ１→誘導性負荷Ｌ”の電流経路が構築され、誘導性負荷Ｌの残留電力が還流ダイオードＤ３において熱として消費される。

停止状態においては、全てのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態とされる。

演算処理部１５は、商用交流電源Ｇの電圧が正常であるときに誘導性負荷Ｌを駆動させるための指令信号Ｓ６を受け付けると、負荷駆動部３の動作状態を停止状態から力行状態に変化させることにより負荷電流Ｉを立ち上げ、その後、負荷駆動部３の動作状態を回生状態に変化させることにより負荷電流Ｉを立ち下げる。なお、演算処理部１５は、検出信号Ｓ２が予め定められた閾値よりも大きい電圧を示している場合は、回生を行うと過電圧により電力貯蔵部４が破損するおそれがあるため、負荷駆動部３の動作状態を回生状態ではなく還流状態に変化させることにより負荷電流Ｉを立ち下げる。検出信号Ｓ２が予め定められた閾値よりも小さい電圧を示している場合、演算処理部１５は、上記の通り、負荷駆動部３の動作状態を回生状態に変化させることにより負荷電流Ｉを立ち下げる。

また、演算処理部１５は、商用交流電源Ｇの電圧が正常である間は、補助電源部５を停止させるための制御信号Ｓ５を送出し続ける。これにより、補助電源部５は、停止状態（５［Ｖ］の出力を行わない状態）に維持される。このとき、補助電源部５は、電力貯蔵部４に蓄えられている電力を消費しない。また、このとき、コンデンサ１３は、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２の出力電圧によって充電される。

一方、演算処理部１５は、検出信号Ｓ１に基づいて商用交流電源Ｇの電圧に停電等の異常が発生したことを検出すると、負荷駆動部３の動作状態をこれまでの状態から回生状態に変化させることにより、誘導性負荷Ｌの残留電力を電力貯蔵部４に回生させ、負荷電流Ｉを立ち下げる。そして、その後、検出信号Ｓ３に基づいて負荷電流Ｉの立ち下げが完了したことを検出すると、演算処理部１５は、負荷駆動部３の動作状態を停止状態に変化させる。

商用交流電源Ｇの電圧が正常である場合と同様、演算処理部１５は、検出信号Ｓ２が予め定められた閾値よりも大きい電圧を示している場合（過電圧のおそれがある場合）に限り、回生状態ではなく還流状態により誘導性負荷Ｌの残留電力を熱として消費させる。この場合も、演算処理部１５は、検出信号Ｓ３に基づいて負荷電流Ｉの立ち下げが完了したことを検出すると、負荷駆動部３の動作状態を停止状態に変化させる。

演算処理部１５は、商用交流電源Ｇの電圧に停電等の異常が発生した時点で過電圧のおそれがある場合は、還流状態により誘導性負荷Ｌの残留電力を消費させる。また、演算処理部１５は、誘導性負荷Ｌの残留電力を回生させている最中に過電圧のおそれが生じた場合は、負荷駆動部３の動作状態を回生状態から還流状態に切り替えて残留電力を引き続き消費させる。

さらに、演算処理部１５は、検出信号Ｓ１に基づいて商用交流電源Ｇの電圧に停電等の異常が発生したことを検出すると、補助電源部５を動作させるための制御信号Ｓ５を送出する。これを受けて、補助電源部５は、５［Ｖ］の補助電圧を出力し始める。

商用交流電源Ｇの電圧に異常が発生すると、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２は出力を停止する。また、演算処理部１５から補助電源部５に制御信号Ｓ５が送出されてから補助電圧の出力が始まるまでには、ある程度の時間を要する。これらを考慮して、本実施例では、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１２，１４の間にコンデンサ１３が設けられている。これにより、補助電圧の出力が始まるまでの間、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１４の入力電圧が５［Ｖ］近傍に維持され、降圧ＤＣ／ＤＣ変換部１４から演算処理部１５に電源電圧が供給され続ける。

このように、誘導性負荷用電源装置１では、商用交流電源Ｇに停電等の異常が発生すると、商用交流電源Ｇの電圧に代えて補助電源部５が生成する補助電圧が制御部１０の電源電圧となる。したがって、誘導性負荷用電源装置１によれば、異常が発生した後も、負荷駆動部３の動作状態を回生状態または還流状態に切り替えることにより、誘導性負荷Ｌの残留電力を安全に消費させることができる。

以上、本発明の実施例に係る誘導性負荷用電源装置１について説明してきたが、本発明の構成は実施例の構成に限定されるものではない。

例えば、電力貯蔵部４は、リチウムイオン電池等の二次電池であってもよい。

また、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の他の半導体スイッチであってもよい。

また、大電流を駆動するために、負荷駆動部３の各アーム３ａ，３ｂは、それぞれ複数のアームを並列に接続したものであってもよい。

１ 誘導性負荷用電源装置
２ 電力変換部
３ 負荷駆動部
３ａ 第１アーム
３ｂ 第２アーム
４ 電力貯蔵部
５ 補助電源部
６ 第１電圧検出部
７ 第２電圧検出部
８ 電流検出部
１０ 制御部
１１ ＡＣ／ＤＣ変換部
１２ 降圧ＤＣ／ＤＣ変換部
１３ コンデンサ
１４ 降圧ＤＣ／ＤＣ変換部
１５ 演算処理部
Ｇ 商用交流電源
Ｌ 誘導性負荷
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ スイッチ素子
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ 還流ダイオード

Claims (5)

1. 誘導性負荷を駆動する誘導性負荷用電源装置であって、
   商用交流電源から供給される電力を直流化して出力する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力側に設けられた、前記電力変換部から出力される電力の少なくとも一部を蓄える電力貯蔵部と、
   前記電力変換部の出力側に設けられた、複数のスイッチ素子および該スイッチ素子のそれぞれに設けられた還流ダイオードを含む負荷駆動部と、
   少なくとも前記スイッチ素子の開閉を制御する制御部と、
   前記電力貯蔵部に接続された補助電源部と、
   前記商用交流電源の電圧を検出する第１電圧検出部と、
   を備え、
   前記制御部は、（１）前記第１電圧検出部によって検出された電圧が正常である場合は、前記商用交流電源の電圧を電源電圧とし、（２）前記第１電圧検出部によって検出された電圧が異常である場合は、前記補助電源部が前記電力貯蔵部に蓄えられている電力に基づいて生成した補助電圧を電源電圧とする
   ことを特徴とする誘導性負荷用電源装置。
2. 前記電力貯蔵部の電圧を検出する第２電圧検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１電圧検出部によって検出された電圧が異常である場合に、前記第２電圧検出部によって検出された電圧に基づいて前記スイッチ素子の開閉の状態を変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘導性負荷用電源装置。
3. 前記制御部は、（１）前記第１電圧検出部によって検出された電圧が異常であり、かつ前記第２電圧検出部によって検出された電圧が予め定められた閾値よりも小さい場合は、前記スイッチ素子の開閉を制御することにより前記負荷駆動部を回生状態とし、前記誘導性負荷に残留する電力を前記電力貯蔵部に回生させ、（２）前記第１電圧検出部によって検出された電圧が異常であり、かつ前記第２電圧検出部によって検出された電圧が前記閾値よりも大きい場合は、前記スイッチ素子の開閉を制御することにより前記負荷駆動部を還流状態とし、前記誘導性負荷に残留する電力を前記負荷駆動部内で消費させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の誘導性負荷用電源装置。
4. 前記制御部は、前記第１電圧検出部によって検出された電圧が正常から異常に変化すると、前記補助電源部に指令信号を送出して動作を開始させる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導性負荷用電源装置。
5. 前記負荷駆動部は、２つの前記スイッチ素子を第１接続点において直列接続してなる第１アームと、２つの前記スイッチ素子を第２接続点において直列接続してなる第２アームとを含み、前記第１および第２接続点において前記誘導性負荷に接続される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の誘導性負荷用電源装置。

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