JP2021023054A - Ac output power source - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、負荷に交流電力を供給する交流出力電源に関する。 The present disclosure relates to an AC output power source that supplies AC power to a load.
UVランプのような負荷に交流電力を供給する交流出力電源が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。図1は特許文献1に記載される交流出力電源を説明する図である。
An AC output power source that supplies AC power to a load such as a UV lamp is known (see, for example, Patent Document 1). FIG. 1 is a diagram illustrating an AC output power supply described in
特許文献1のような交流出力電源は、商用交流を直流に変換する整流器11、その直流を高周波の交流に変換するインバータ12、その交流を昇圧するための絶縁トランス13、その出力を再度直流に変換する整流器14、及びその直流を所望周波数の矩形波の交流に変換するインバータ15を備えている。このように、従来の交流出力電源は、多くの回路を多段に接続する構成のため、コスト、サイズ、重量、価格、及び制御の面で課題があった。
The AC output power supply as in
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、回路段数を低減できる交流出力電源を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an AC output power supply capable of reducing the number of circuit stages in order to solve the above problems.
上記目的を達成するために、本発明に係る交流出力電源は、整流器及びインバータをトランスの商用電源側のみに配置することとした。 In order to achieve the above object, in the AC output power supply according to the present invention, the rectifier and the inverter are arranged only on the commercial power supply side of the transformer.
具体的には、本発明に係る交流出力電源は、
入力される交流を直流に整流する整流器と、
前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
一次側と二次側とが絶縁しており、前記一次側に入力された交流を前記二次側に直接接続される負荷に出力するトランスと、
前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
を備える。
Specifically, the AC output power supply according to the present invention is
A rectifier that rectifies the input alternating current to direct current,
An inverter that converts direct current from the rectifier into alternating current with a higher frequency than the input alternating current,
A transformer in which the primary side and the secondary side are insulated and the alternating current input to the primary side is output to a load directly connected to the secondary side.
A circuit having an inductance means that inputs the alternating current converted by the inverter to the primary side of the transformer, and
To be equipped.
また、本発明に係る他の交流出力電源は、
入力される交流を直流に整流する整流器と、
前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
一次側に入力された交流を二次側に直接接続される非接地の負荷に出力する単巻巻線型のトランスと、
前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
を備える。
Further, the other AC output power supply according to the present invention is
A rectifier that rectifies the input alternating current to direct current,
An inverter that converts direct current from the rectifier into alternating current with a higher frequency than the input alternating current,
A single-winding type transformer that outputs the AC input to the primary side to an ungrounded load directly connected to the secondary side,
A circuit having an inductance means that inputs the alternating current converted by the inverter to the primary side of the transformer, and
To be equipped.
本交流出力電源は、負荷側の整流器及びインバータを廃止したため、コスト、サイズ、重量、価格、及び制御の面を改善することができる。従って、本発明は、回路段数を低減できる交流出力電源を提供することができる。 Since this AC output power supply eliminates the rectifier and inverter on the load side, it is possible to improve the cost, size, weight, price, and control aspects. Therefore, the present invention can provide an AC output power supply capable of reducing the number of circuit stages.
本発明は、接続する回路段数を低減できる交流出力電源を提供することができる。 The present invention can provide an AC output power supply that can reduce the number of circuit stages to be connected.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In this specification and drawings, the components having the same reference numerals shall indicate the same components.
図2は、本実施形態の交流出力電源を説明する図である。本交流出力電源は、
入力される交流10を直流に整流する整流器11と、
整流器11からの直流を入力される交流10より周波数が高い交流に変換するインバータ12と、
一次側と二次側とが絶縁しており、インダクタンス手段L1を有する回路21を介して前記一次側に入力されたインバータ12が変換した交流を、前記二次側に直接接続される負荷22に出力するトランス13と、
を備える。
FIG. 2 is a diagram illustrating an AC output power supply of the present embodiment. This AC output power supply is
A
An
The primary side and the secondary side are insulated, and the alternating current converted by the
To be equipped.
交流10は、例えば50Hz、100Vの商用電源である。整流器11は、交流10を直流に変換してインバータ12へ出力する。インバータ12は、直流を交流に変換して出力する。図3はインバータ12の回路を説明する図である。インバータ12は、4つのスイッチ(SW A〜D)がブリッジ接続され、これらのスイッチを所定のタイミングでオン又はオフすることで直流から交流に変換することができる。
The AC 10 is, for example, a commercial power source of 50 Hz and 100 V. The
UVランプ等のランプ負荷は、電極の磨耗を避けるために直流より交流で駆動することが好ましい。そして、交流の波形がゼロボルト(ゼロアンペア)を継続するとランプの立ち消え(消灯)が発生することがあり、これを防止するためにゼロクロスのある交流波形は矩形波、台形波、三角波、又は正弦波が良いとされる。図3のインバータ12は、インダクタンス手段L1を有する回路21に接続されており、4つのスイッチ(SW A〜D)を駆動することで交流を容易に形成できる。
The lamp load such as a UV lamp is preferably driven by alternating current rather than direct current in order to avoid wear of the electrodes. If the AC waveform continues to be zero volt (zero amperes), the lamp may turn off (turn off), and to prevent this, the AC waveform with zero cross is a square wave, trapezoidal wave, triangular wave, or sine wave. Is said to be good. The
また負荷22のUVランプが地絡している場合、もしくは対接地抵抗が低い場合、商用電源10と出力する交流19とを絶縁する必要がある。このため、トランス13は複巻巻線のトランスとする。なお、負荷22のUVランプがアースに対して十分に絶縁されている(非接地の)場合、トランス13は単巻巻線のトランスでもよい。
Further, when the UV lamp of the
インバータ12の出力は交流であるため、配線23が長くなった場合(例えば、100m)、配線23に存在するインダクタンス(図2にて“L2”で表現)による下式の電圧降下Vが発生する。電圧降下Vが大きいと負荷22に所望の電力(電圧)を供給できなくなる。
(式1)
V=2πfLI
ここで、fは周波数、Lはインダクタンス(L2)、Iは電流である。
Since the output of the
(Equation 1)
V = 2πfLI
Here, f is a frequency, L is an inductance (L2), and I is a current.
式1のように、インバータ12が出力する交流の周波数が低い方が配線23のインダクタンス成分による電圧降下Vを小さくすることができる。例えば、交流19の周波数を50Hz〜500Hz程度とすることが望ましい。一方、トランス13は磁束密度の関係上、周波数が高い方がサイズを小さくできる。これらを考慮すれば、インバータ12が出力する交流の周波数は300Hz〜500Hz程度が望ましい。
As shown in
(定常時の動作)
次に、UVランプが点灯し、定常状態になっているときのインバータ12の動作について説明する。インバータ12は、トランス13の前記一次側を流れるトランス電流が交互に順方向と逆方向に流れるようにスイッチングし、且つ前記トランス電流が順方向に流れているとき又は逆方向に流れているときに前記トランス電流の電流値に脈流を与えるようにスイッチングし、一定の電力が前記負荷に供給されるように定電力制御を行うことを特徴とする。
(Operation in steady state)
Next, the operation of the
図4は、UVランプが定常状態になっているときのトランス電流iLの波形を説明する図である。インバータ12は、UVランプが定常状態になっているとき、トランス電流iLが図4のような波形となるようにスイッチ(SW A〜D)を低周波スイッチング制御(例500Hz)と高周波スイッチング制御(例50kHz)を組み合わせてオンオフ制御する。
FIG. 4 is a diagram illustrating a waveform of a transformer current iL when the UV lamp is in a steady state. In the
インバータ12は、高周波スイッチング制御を行うとき、トランス電流を一方向に流しつつ、50kHz程度の脈流が発生するようにスイッチングを行う。例えば、インバータ12は、スイッチSW AとDもしくはBとCがオンの期間(電圧印加期間)を4μ秒、スイッチSW AとCもしくはBとDがオンの期間(還流期間)を16μ秒とする。
When performing high-frequency switching control, the
インバータ12は、低周波スイッチング制御を行うとき、トランス電流の方向が500Hz程度で逆転するようにスイッチングを行う。例えば、インバータ12は、電圧印加期間を100μ秒とすることでトランス電流の方向を逆転させることができる。なお、インバータ12は、電圧印加期間と次の電圧印加期間との間で上述した高周波スイッチング制御が行う。
When performing low frequency switching control, the
本実施形態の交流出力電源は、高周波スイッチング制御が入っているため、従来のサイリスタによる低周波(50〜60Hz程度)のみの交流出力電源に比べ、入力や負荷変動に対する応答、あるいは出力指令に対して高速に応答することができる。また、本実施形態の交流出力電源は、異常時の過電力、過電圧、ないし過電流が発生したときも高速に停止させたり、保護することができる。 Since the AC output power supply of the present embodiment includes high-frequency switching control, it responds to input and load fluctuations or outputs commands as compared with the conventional AC output power supply having only a low frequency (about 50 to 60 Hz) by a thyristor. Can respond at high speed. Further, the AC output power supply of the present embodiment can be stopped or protected at high speed even when an overpower, an overvoltage, or an overcurrent occurs at an abnormal time.
(起動時の動作1)
続いて、UVランプを点灯するときのインバータ12の動作について説明する。インバータ12は、負荷22に定常時より高い電圧を印加するとき(起動時)、変換した交流の周波数を前記定常時の周波数から、前記インバータと前記トランスとの間を接続するインダクタンス手段L1を有する回路21に含まれるインダクタンス成分と容量Cとの共振周波数へ近づけ、所望の電圧がトランス13の二次側から出力されるようにスイッチングする定電圧制御を行う。容量Cは、コンデンサ等の部品や他の部品に内蔵される容量成分、又はその組み合わせであってもよい。
(Operation at startup 1)
Subsequently, the operation of the
UVランプが冷えている場合、UVランプを点灯(着火=イグニッション)させるために定常時より高電圧が必要となる。例えば、定常時トランス13の二次側で800Vの出力電圧が必要である場合、点灯時には1500Vが必要となる。本実施形態の交流出力電源は、トランス電流の周波数を、インダクタンス手段L1を有する回路21内のインダクタンスLと容量Cとによって求められる共振周波数(f=1/(2π√(LC))に近づけるようにインバータ12のスイッチングを制御する。トランス電流の周波数を共振周波数を近づける(例20kHz)ことで、トランス13の巻数比を上げることなく共振効果により所望の高電圧を発生させることができる。本実施形態の交流出力電源は、UVランプが着火するまで一定の高電圧を印加することができる(定電圧制御)。
When the UV lamp is cold, a higher voltage than the steady state is required to turn on the UV lamp (ignition = ignition). For example, when an output voltage of 800 V is required on the secondary side of the steady-
(起動時の動作2)
続いて、UVランプを着火直後のインバータ12の動作について説明する。インバータ12は、負荷22のインピーダンスが定常時より低下したとき(着火直後)に、インダクタンス手段を有する回路21に存在するインダクタンス手段L1に対して電圧が順方向に印加される時間と逆方向に印加される時間を調整し、所望の電流がトランス13の二次側から出力されるようにスイッチングする定電流制御を行うことを特徴とする。
(Operation at startup 2)
Subsequently, the operation of the
UVランプは着火直後にインピーダンスが極めて小さくなる特性を有する。インバータ12が負荷のインピーダンスが極めて小さい期間に前述の定常時の制御(図4)を行うと大電流が流れる恐れがある。このような場合、インバータ12は、高周波スイッチング制御時に位相シフト制御を行い、定電流制御を行う。図5(A)は、インバータ12が行う定電流制御時のトランス電流iLの波形を説明する図である。図5(B)は、区間35のトランス電流iLの波形を拡大した図である。
The UV lamp has a characteristic that the impedance becomes extremely small immediately after ignition. If the
位相シフト制御では、インダクタLに正電圧がかかる正電圧期間T1と負電圧がかかる負電圧期間T2を制御することができる。例えば、スイッチSW AとDが同時にオンの期間を正電圧期間T1、スイッチSW BとCが同時にオンの期間を負電圧期間T2とすれば、正電圧期間T1を拡張することでトランス電流を増加、負電圧期間T2を拡張することでトランス電流を減少させることができる(図5(B)参照。)。このように、インバータ12が正電圧期間T1と負電圧期間T2を調整することで負荷22のインピーダンスが極めて小さい期間においても定電流制御を行うことができる。
In the phase shift control, it is possible to control a positive voltage period T1 in which a positive voltage is applied to the inductor L and a negative voltage period T2 in which a negative voltage is applied. For example, if the period in which the switches SW A and D are on at the same time is the positive voltage period T1 and the period in which the switches SW B and C are on at the same time is the negative voltage period T2, the transformer current is increased by extending the positive voltage period T1. , The transformer current can be reduced by extending the negative voltage period T2 (see FIG. 5 (B)). In this way, by adjusting the positive voltage period T1 and the negative voltage period T2 by the
(UVランプの点灯動作)
負荷22がUVランプであるときのインバータ12は次のように動作する。インバータ12は、UVランプの着火前は前記定電圧制御を行い、UVランプの着火直後は前記定電流制御を行い、UVランプの着火し、一定時間が経過した後は前記定電力制御を行う。
(UV lamp lighting operation)
When the
インバータ12は、定電圧制御から定電流制御へ、定電流制御から定電力制御へは、予め決められた時間で移行してもよい。例えば、インバータ12は、800Vでの定電圧制御を10m秒継続した後、50Aでの定電流制御へ移行し、50Aの定電流制御を10m秒継続した後、10kWでの定電流制御へ移行する。
The
また、負荷22への電流や電圧、あるいはトランス電流やトランス13の一次側の電圧を計測器(不図示)でモニタし、インバータ12は、モニタされた値によって定電圧制御から定電流制御へ、定電流制御から定電力制御へ移行してもよい。
Further, the current and voltage to the
10:入力される交流
11:整流器
12:インバータ
13:トランス
14:整流器
15:インバータ
19:出力される交流
21:インダクタンス手段を有する回路
22:負荷
23:電源出力端と負荷までの配線
24:電源出力端
10: Input AC 11: Rectifier 12: Inverter 13: Transformer 14: Rectifier 15: Inverter 19: Output AC 21: Circuit with inductance means 22: Load 23: Power supply output end and wiring to load 24: Power supply Output end
Claims (7)
前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
一次側と二次側とが絶縁しており、前記一次側に入力された交流を前記二次側に直接接続される負荷に出力するトランスと、
前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
を備える交流出力電源。 A rectifier that rectifies the input alternating current to direct current,
An inverter that converts direct current from the rectifier into alternating current with a higher frequency than the input alternating current,
A transformer in which the primary side and the secondary side are insulated and the alternating current input to the primary side is output to a load directly connected to the secondary side.
A circuit having an inductance means that inputs the alternating current converted by the inverter to the primary side of the transformer, and
AC output power supply with.
前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
一次側に入力された交流を二次側に直接接続される非接地の負荷に出力する単巻巻線型のトランスと、
前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
を備える交流出力電源。 A rectifier that rectifies the input alternating current to direct current,
An inverter that converts direct current from the rectifier into alternating current with a higher frequency than the input alternating current,
A single-winding type transformer that outputs the AC input to the primary side to an ungrounded load directly connected to the secondary side,
A circuit having an inductance means that inputs the alternating current converted by the inverter to the primary side of the transformer, and
AC output power supply with.
前記インバータは、前記UVランプの着火前は前記定電圧制御を行い、前記UVランプの着火直後は前記定電流制御を行い、前記UVランプの着火し、一定時間が経過した後は前記定電力制御を行うことを特徴とする請求項6に記載の交流出力電源。 When the load is a UV lamp
The inverter performs the constant voltage control before the ignition of the UV lamp, the constant current control immediately after the ignition of the UV lamp, the ignition of the UV lamp, and the constant power control after a certain period of time elapses. The AC output power source according to claim 6, further comprising the above.
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