JP3465948B2 - 誘導電力給電設備 - Google Patents

誘導電力給電設備

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JP3465948B2
JP3465948B2 JP02291994A JP2291994A JP3465948B2 JP 3465948 B2 JP3465948 B2 JP 3465948B2 JP 02291994 A JP02291994 A JP 02291994A JP 2291994 A JP2291994 A JP 2291994A JP 3465948 B2 JP3465948 B2 JP 3465948B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、誘導電力給電設備と、
設備および付随の機器、特に車両の給電線路に用いられ
る保護手段に関するものである。特に電源コンポネント
への過渡現象の影響を制限する為の手段、地絡電流が原
因となって起こる潜在的に危険な障害を検出する手段、
および循環電力の量を予め限定された限界内に抑制する
為の手段を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】近代的な誘導電力給電設備では、直流電
流、又は低周波交流電流の入力を電源および付随の共振
回路の高周波の常用周波数に変換する為にソリッドステ
ートスイッチング装置を用いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した実際
に用いられるソリッドステートスイッチには、然し平均
およびピーク電流の限界、最高常用温度および最高電圧
の如き装置上の制約が不可避である。軌道に沿った共振
誘導性コンダクタおよび直流を通す入力インダクタに貯
えられたエネルギーは可成りの値となり、又条件次第で
は、この蓄積されたエネルギーが誤ってコントロールさ
れない状態に到ることがある。
【０００４】更に過大な共振電圧は、上記軌道のインダ
クタが誤って（例えば）金属性の支持構造に接続された
場合に人がそれに触れると感電し傷害を蒙り更には生命
に危険の及ぶことがある。
【０００５】本発明は上記問題を解決するものであり、
誘導電力給電設備内の過渡現象の影響および過剰の電圧
および電流をコントロールおよび制限する為の或は公衆
が少なくともそれについて有効に選択し得る改善された
誘導電力給電設備を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
第１発明は、電源回路と、この電源回路から給電されて
高周波で運転される配電のための共振回路を有す誘導電
力給電設備であって、 （ａ）少なくとも電源回路の入力側または電源回路内ま
たは共振回路の一つにおいて、少なくとも実際の電流の
値または電圧の値の一つを検出するための手段と、 （ｂ）検出された値が正常状態または異常状態または故
障状態かを判定する為めの手段と、 （ｃ）状態が前記正常状態でないときに誘導電力給電設
備への給電を部分的にまたは完全に停止するための手段
を備えることがその特徴である。
【０００７】また第２発明は、上記第１発明の誘導電力
給電設備であって、共振回路に供給される電流と共振回
路の中を循環する電流との間の関係を確定する為の手段
を有することを特徴とするものである。
【０００８】さらに第３発明は、上記第１発明の誘導電
力給電設備であって、共振回路内の交流電流と交流電圧
との間の位相差を確定する為の手段を有することを特徴
とするものである。
【０００９】また第４発明は、上記第１発明の誘導電力
給電設備であって、制御可能な複数個のスイッチから成
り、これらスイッチを制御することにより、共振回路へ
の給電を順方向、逆方向およびしゃ断の各状態で行うブ
リッジ回路を、電源回路と共振回路との間に設けること
を特徴とするものである。
【００１０】第５発明は、上記第４発明の誘導電力給電
設備であって、１個または複数個の検出入力を有し、か
つ異常状態または故障状態の存在を決定する手段からな
る検出回路によって、前記制御可能なスイッチは制御さ
れ、それによって異常状態または故障状態による損失が
最小限に抑えられることを特徴とするものである。たと
えば共振電圧および循環電流を監視し、かつ共振電圧が
過大となった場合には共振回路への給電をしゃ断する手
段を含む誘導電力給電設備を提供する。
【００１１】さらに第６発明は、上記第５発明の誘導電
力給電設備であって、入力主電源に付随する地絡電流を
監視し、かつ故障状態を示す地絡電流が検出された場合
に前記主電源をしゃ断する手段を有することを特徴とす
るものである。
【００１２】また第７発明は、上記第１発明の誘導電力
給電設備であって、過電圧により損傷を受けやすいコン
ポネントと並列に、過大な電圧をバイパスすることがで
きるコンポーネントを設けることを特徴とするものであ
る。
【００１３】
【作用】上記第１発明の構成によれば、誘導電力給電設
備の少なくとも各部の電流の値または電圧の値の一方が
検出され、検出された値で状態が正常または異常または
故障かが判定され、状態が正常でないときに給電が部分
的にまたは完全に停止されることで、少なくとも設備は
故障状態からの保護または異常状態の補償が行われるよ
うに調節される。
【００１４】また上記第２発明の構成によれば、共振回
路に供給される電流と共振回路の中を循環する電流との
間の関係により回路に加えられる負荷、又は共振エネル
ギーの低下の出限が検出され、負荷、又は共振エネルギ
ーの低下に応じてＱが一定に維持される。
【００１５】また上記第３発明の構成によれば、共振回
路内の電流と共振回路に加わる電圧との間の位相差によ
り、回路の瞬時力率が検出され、又は負荷により共振回
路が共振周波数から離されている度合いが検出され、力
率、共振周波数が一定に維持される。
【００１６】さらに上記第４発明の構成によれば、電源
回路と共振回路との間に設けたブリッジ回路により、共
振回路への給電を順方向、逆方向およびしゃ断の各状態
で行うことで、給電は自在に制御される。
【００１７】また上記第５発明の構成によれば、たとえ
ば共振電圧および回路電流を監視し、かつ共振電圧が過
大となった場合には共振回路への給電をしゃ断すること
で共振回路が保護される。
【００１８】さらに上記第６発明の構成によれば、入力
主電源に付随する地絡電流を監視し、かつ故障状態を示
す地絡電流が検出されると、すなわち地絡電流が過大に
なったことで共振回路に接地が発生したことが検出され
ると、主電源をしゃ断することで感電事故が防止され
る。
【００１９】また上記第７発明の構成によれば、ソリッ
ドステートスイッチモジュールを含む、過電圧により損
傷を受けやすいコンポネントの両端に設置されるサージ
吸収器により、過大電圧がバイパスされ、前記コンポネ
ントが保護される。
【００２０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。下記の好ましい実施例は、それにより発明の範
囲を制限することを目的とするものではない。この実施
例の示す問題の解法は、共振エネルギーのコントロール
に関するものであり、かつ電源電圧（共振電圧）の許容
範囲を明らかにし、接地事故を防止するのに役立つ。
【００２１】本発明は、原則的には、異常状態の発生を
防止するための装置および方法を提供する。この場合の
異常状態とは、差し迫った部品の破壊事故もしくは実際
に起こってしまった部品の破壊事故というような、一般
に受け入れられている意味での実際の障害のこともある
であろうし、または電気回路の一部を、接続すべきでな
い時にうっかり接続したり、開放すべきでない時にうっ
かり開放したりする、というようなものを意味すること
もあるであろう。本発明は高共振周波数（通常５００Ｈ
ｚから５０，０００Ｈｚの範囲の）に於て使用される配
電のための共振回路を使用するが如き誘導電力給電設備
（ＩＰＤＳ；inductive power distribution system ）
に関するものであり、特にルート、又は軌道に沿って設
けられるコンダクタが共振回路の誘導性エレメントを構
成し、これにより共振電流を通すが如き任意のＩＰＤＳ
に関するものである。ＩＰＤＳは、基本的に電源回路
と、この電源回路から給電されて高周波で運転される上
記共振回路から構成される。
【００２２】この発明の好ましい実施例は、実質的には
電源回路への入力側、および／又は同電源回路の内部、
および／又は共振回路の各点に於ける実際の電流および
／又は電圧の値を検出する為の感知手段を含む。好まし
い電流センサはＬＥＭモジュール（LEM S.A., Geneva,
Switzerland 社製）として知られているタイプの装置を
含むが、然し他のタイプの変流器およびＨａｌｌ効果お
よび磁気歪みトランスジューサも、又使用することが出
来る。好ましい電圧センサは、一般に測定点と基準点と
の間に接続される抵抗分割器を含み、かつ２つの測定点
の間の測定値を求める為に、差電圧検出器を使用するこ
とが出来る。
【００２３】検出された値が正常状態をあらわすか、又
は或る故障状態をあらわすかを判断する為の手段は、こ
の明細書では詳述されていないが、普通はそのような手
段は、もし何らかの障害があればそれをはっきり表示す
るようなアナログ、又はデジタルコンピューターエレメ
ントを含んでいるであろう。差電圧検出器（１３３）、
電圧アナログマルチプライヤー（１３４）および電流ア
ナログマルチプライヤー（１３６）および結果の加算器
（１３７）を組み入れた簡単な回路が、共振回路（共振
電源）の出力側に設けられる。他方、主電源から供給さ
れる電流（１０８，１０９参照）および／もしくは共振
回路に供給される直流（例えば共振回路のＱを表す）を
定量化するための、より複雑な回路もしくは計算手段、
ならびに／または障害発生の危険にさらされている箇所
に設けられる温度センサは、当業者には自明のものであ
ろう。
【００２４】さらに、出力端子１３８から加算器１３７
の出力が得られるたびに、スイッチ１０１，１０２，１
０３および１０４に、回路を閉じさせるための信号もし
くは回路を開かせるための信号を供給するための手段、
または障害の発生を最終的に確認するための、その他の
何らかの手段は、図示を省略した。普通の場合、加算器
１３７の出力に応答して回路を閉じさせたり開かせたり
するのは、障害による損失を最小限に抑えるためであ
る。
【００２５】上記スイッチの動作モードに含まれるもの
は次の通りである： （ａ）正常運転の場合の如き共振回路への連続的なプラ
ス給電、（ｂ）トラック内の共振電流のレベルを引下げ
る場合の如き（軽負荷状態（例えば高いＱ）の場合、又
は状態が少しく異常の場合）共振回路への周期的に中断
されるプラス給電；かかる場合には上記スイッチは可変
出力電圧を供給することになる、（ｃ）例えば、ブレー
クダウンが検出された場合の如き、共振回路へのプラス
給電の完全停止、又は（ｄ）その出力をより迅速に停止
するのに有用な共振回路へのマイナス給電。
【００２６】共振回路に供給される電流と共振回路内を
循環する電流との間の関係；云い換えれば、Ｑ（qualit
y factor）は、回路に加えられる負荷、又は共振エネル
ギーの低下の出現を検出する方法として用いることが出
来る。場合によっては誘導路への給電位置での測定点に
於ける電流と電圧を単純に測定するだけでこの目的は果
される、何故ならばこれらの値は局所的な効果をもたら
すことが出来るからである。代表的なＱの値は２、又は
３のオーダーであるが、特定の施設に於ける状況によっ
て変わることがある。
【００２７】共振回路内の電流と共振回路に加わる電圧
との間の時間的関係は、回路の瞬時力率、又は同調がと
れていない、および場合によっては故障している負荷に
より共振回路が共振周波数から離されている度合いを示
す。１．０の力率は、電圧および電流ピークの各々が正
確に整合している時には回路がその共振周波数に於て共
振していることを示す。
【００２８】入力主電源に付随する地絡電流を監視し、
次に異常に大きい地絡電流が検出された場合に直流電源
を断つ為の手段（図示されていない）が設けられてい
る。もちろんルート、又は軌道に沿って設けられるコン
ダクタ（共振誘導導線）の架設経路に沿った領域では、
接地した物体と共振誘導導線との間で偶発的な接触は起
こり得るが、上記手段を設けた目的をさらに特定的に言
えば、電流の通じている導線に触れた人を保護する、と
いうのがその特定的な目的である。
【００２９】詳しくは図１に於てＩＰＤＳの共振電源回
路が１００により、又多くの保護エレメントを具現する
誘導性結合軌道は１１１により示されている。高電圧の
過渡現象の発生源として認められるものは、電源回路
と、共振回路１１１、１１２の両端に接続される高リア
クタンスチョーク１１９の中央と、の間に接続されたＤ
Ｃ電源インダクタ１０７である。スイッチオフされる
か、又は負荷を除去するとこのインダクタ１０７に閉じ
込められたエネルギーは電源となる２つのソリッドステ
ートスイッチ１１３、１１４に加わる状態となり、従っ
て開路状態のスイッチ１１３、１１４の順方向の電圧定
格を上回ることが考えられる。
【００３０】この問題に対する一つの解法は、Ｈ−ブリ
ッジ接続装置１０１、１０２、１０３および１０４を用
いることによりスイッチオフの時点で給電を逆方向に
し、正および負の接続点を入れ換えることによりエネル
ギーをインダクタ１０７から積極的に移行させる（又は
吸引する）ことに在る。この場合の好ましいＨ−ブリッ
ジ接続装置１０１、１０２、１０３および１０４には、
ソリッドステートスイッチが適している。然し並列ダイ
オードを持つ絶縁ゲートベーストランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ）も又好ましい。
【００３１】正常な作動モード（状態１）で、共振回路
の中のエネルギーが設定点を（ヒステリシスを与える
為）僅かな量だけ下回る時にはスイッチ１０１および１
０４を閉じ、従って電流は電源を通って正常な方向に流
れる。
【００３２】異常作動モード（状態２）で共振回路の中
のエネルギーが予め定められた設定点よりも（この場合
にもヒステリシスを与える為に）僅かな量だけ上回る時
にはスイッチ１０２および１０３を閉じ、かつスイッチ
１０１および１０４を開き、従って電流は電源を通って
逆方向に流れる。この場合には、ソリッドステートスイ
ッチ１１３および１１４の両端に接続された逆方向ダイ
オード１１５および１１６が電流を通すことが出来る。
この結果共振回路から、３相電源として示されている電
源１１７に向って電流を逆流させることになる。
【００３３】地絡電流が検出された時（状態３）にはス
イッチ１０１および１０４が開かれる。コンポネントに
生じることのある過大な電力をバイパスする為に傷み易
いコンポネントに沿って実質的に独立した手段を設ける
ことが出来る。”実質的に独立した”装置とは、この場
合下記に限定されることはないが、例えばアバランシュ
ダイオード、サージ吸収器、電圧依存抵抗等のように、
印加電圧に対し迅速、かつ予測的に応答することの出来
る非線型装置を指す。
【００３４】特に問題となるものに図１にソリッドステ
ートスイッチ１１３および１１４として示されている好
ましいＩＧＢＴトランジスターの両端に発生する著しい
逆方向の過渡現象がある。この問題を解決するため、ア
バランシュダイオード１１５、１１６が各ＩＧＢＴ装置
の両端に設置される。即ち通電時には、これらのダイオ
ードはそれぞれのＩＧＢＴ装置に印加された逆電圧を制
限する。サージ吸収器〔例えばバリスター又はトランソ
ーバー（transorbs ）〕も又、この場合に選択的手段と
して用いることが出来る。
【００３５】更に別の問題として挙げられるのは、軌道
１１１および共振コンデンサ１１２の中の共振電流がコ
ントロールし得ぬレベルに達する現象である。電力は次
の式により定量化されることが出来る： Ｅ（エネルギー）＝（１／２ＣＶ2＋１／２ＬＩ2） トラックへの２本の給電線のうちの一方または両方に取
り付けた電流検出手段と、電圧検出手段とを用いれば、
エネルギーレベルを計算するために上記の余剰電力を検
出することが出来る。エネルギーは、アナログ（又はデ
ジタル）マルチプライヤーを用いて算定され、かつシキ
イ値と比較されることが出来る。電流が任意の予め定め
られた限界に接近、又は超過した時には共振回路への励
振電圧は上記の状態２に従って断つことが出来る。
【００３６】この状態は、３相電源１１７に於ける入力
電圧が高過ぎる場合に起こり得るが、誘導性結合軌道１
１１上の誘導的に給電されている車輛等の電力の要求量
の低い場合により起こり易い。
【００３７】図１は電力測定アナログコンピューターを
含む。１３１および１３２は、共振回路１３０（誘導性
結合軌道１１１に相当）に対する電圧感知点である。各
電圧は、減算器として使用される目的で接続された差電
圧検出器（演算増幅器）１３３に供給される。増幅器の
出力は、電圧アナログマルチプライヤー（アナログコン
ピューター）１３４の中で自乗される。１３５は電流ア
ナログマルチプライヤー（第２増幅器回路）１３６およ
び次に加算器（加算増幅器）１３７に接続された変流器
又はＬＥＭである。抵抗（記号なし）は、その入力側に
於て回路の換算定数を設定することを可能にする。回路
内のエネルギーは、出力端子１３８に於ける電圧に正比
例する、但し電圧をスイッチ１０１〜１０４の為のスイ
ッチコントロール装置に印加する手段は図には示されて
いない。アナログマルチプライヤーに代り得るものに半
波整流器があり、かつこれはエネルギーに比例する電圧
を求める為の加算機能を持つ。
【００３８】この方法により保護されるシステムは、電
源電圧の変動に対する広汎な許容範囲を備えることも可
能である。更に別の問題は、誘導性結合軌道の一部が誤
って接地することにある。この問題に対する、特に３相
電源に通用し得る解法は、変流器１０８および制御モジ
ュール１０９を用い地絡電流を感知し、かつ有意のレベ
ルの電流が判明すれば故障であると考え電源を断つこと
に在る。（この手順は整流器ダイオード等の損傷の有無
のテストにも用いることが出来る。）インダクタ１０５
および１０６は、主として干渉をそれが主電源に及ばぬ
ように最少に抑える為のものであり、１１０はソリッド
ステイトスイッチ１１３および１１４の為の自動制御装
置である。
【００３９】予め定められたシキイ値を上回る電圧を印
加された場合に抵抗を引下げる保護装置、例えば電圧依
存抵抗（バリスター）、サージ吸収器等をうまく用いる
ことにより更に別の保護機能を実現することが出来る。
【００４０】上記に対しては、請求範囲に記載されたこ
の発明の範囲から逸脱することなく種々な変更および修
正が可能であることは云う迄もない。
【００４１】
【発明の効果】以上述べたように第１発明によれば、誘
導電力給電設備の少なくとも各部の電流の値または電圧
の値の一方が検出され、検出された値で異常または故障
が判定され、給電が部分的にまたは完全に停止されるこ
とにより、少なくとも設備を故障状態からの保護または
異常状態を補償する為の調節を行うことができる。
【００４２】また上記第２発明によれば、共振回路に供
給される電流と共振回路の中を循環する電流との間の関
係により、回路に加えられる負荷、又は共振エネルギー
の低下の出限が検出され、負荷、又は共振エネルギーの
低下に応じてＱを一定に維持できる。
【００４３】また上記第３発明によれば、共振回路内の
電流と共振回路に加わる電圧との間の位相差により、回
路の瞬時力率が検出され、又は負荷により共振回路が共
振周波数から離されている度合いが検出され、力率、共
振周波数を一定に維持できる。
【００４４】さらに上記第４発明によれば、電源回路と
共振回路との間に設けたブリッジ回路により、共振回路
への給電を順方向、逆方向およびしゃ断の各状態で行う
ことで、共振回路への給電を自在に制御でき、共振回路
を保護することができる。
【００４５】また上記第５発明によれば、たとえば共振
電圧および回路電流を監視し、かつ共振電圧が過大とな
った場合には共振回路への給電をしゃ断することで共振
回路を保護できる。
【００４６】さらに上記第６発明によれば、入力主電源
に付随する地絡電流を監視し、かつ故障状態を示す地絡
電流が検出されると、すなわち地絡電流が過大になった
ことで共振回路に接地が発生したことが検出されると、
主電源をしゃ断することで感電事故を防止できる。
【００４７】また上記第７発明によれば、ソリッドステ
ートスイッチモジュールを含む、過電圧により損傷を受
けやすいコンポネントの両端に設置されるサージ吸収器
により、過大電圧がバイパスされ、前記コンポネントを
保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の保護装置を含む誘導電力給
電設備の共振電源回路図である。
【符号の説明】
１００ 誘導電力給電設備共振電源回路 １０１〜１０４ スイッチ １０５〜１０７ インダクタ １０８ 変流器 １０９ 制御モジュール １１０ 自動制御装置 １１１ 誘導性結合軌道 １１２ 共振コンデンサ １１３，１１４ ソリッドステートスイッチ １１５，１１６ アバランシュダイオード １１７ ３相電源 １１８ 整流器 １１９ 高リアクタンスチョーク １２０ コンデンサ １３０ 共振回路 １３１，１３２ 電圧感知点 １３３ 差電圧検出器（演算増幅器） １３４ 電圧アナログマルチプライヤー（アナログコ
ンピューター） １３５ 変流器 １３６ 電流アナログマルチプライヤー（第２増幅器
回路） １３７ 加算器（加算増幅器） １３８ 出力端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボーイズ、ジョン タルボット ニュー・ジーランド国 オークランド 1310 バークデイル アイランド ベイ ロード 15エイ (56)参考文献 特開 平４−256226（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−334975（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−62792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−226887（ＪＰ，Ａ) 米国特許5287112（ＵＳ，Ａ) 国際公開93／23909（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02H 7/00 H02H 7/10 - 7/127 H02J 17/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電源回路と、この電源回路から給電され
    て高周波で運転される配電のための共振回路を有す誘導
    電力給電設備であって、少なくとも電源回路の入力側または電源回路内または共
    振回路の一つにおいて、少なくとも実際の電流の値また
    は電圧の値の一つを 検出するための手段と、 検出された値が正常状態または異常状態または故障状態
    かを判定する為めの手段と、 状態が前記正常状態でないときに誘導電力給電設備への
    給電を部分的にまたは完全に停止するための手段を備え
    たことを特徴とする誘導電力給電設備。
  2. 【請求項２】 共振回路に供給される電流と共振回路の
    中を循環する電流との間の関係を確定する為の手段を有
    することを特徴とする請求項１記載の誘導電力給電設
    備。
  3. 【請求項３】 共振回路内の交流電流と交流電圧との間
    の位相差を確定する為の手段を有することを特徴とする
    請求項１記載の誘導電力給電設備。
  4. 【請求項４】 制御可能な複数個のスイッチから成り、
    これらスイッチを制御することにより、共振回路への給
    電を順方向、逆方向およびしゃ断の各状態で行うブリッ
    ジ回路を、電源回路と共振回路との間に設けることを特
    徴とする請求項１記載の誘導電力給電設備。
  5. 【請求項５】 １個または複数個の検出入力を有し、か
    つ異常状態または故障状態の存在を決定する手段からな
    る検出回路によって、前記制御可能なスイッチは制御さ
    れ、それによって異常状態または故障状態による損失が
    最小限に抑えられることを特徴とする請求項４記載の誘
    導電力給電設備。
  6. 【請求項６】 入力主電源に付随する地絡電流を監視
    し、かつ故障状態を示す地絡電流が検出された場合に前
    記主電源をしゃ断する手段を有することを特徴とする請
    求項５記載の誘導電力給電設備。
  7. 【請求項７】 過電圧により損傷を受けやすいコンポネ
    ントと並列に、過大 な電圧をバイパスすることができる
    コンポーネントを設けることを特徴とする請求項１記載
    の誘導電力給電設備。
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