JP4909209B2 - 放電管用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は放電管用電源装置に係り、特に一つ以上の放電管に供給する電力を制御するに好適な放電管用電源装置に関する。

従来、オゾンを発生させる放電管を駆動するための放電管駆動電源がある。この放電管駆動装置は、例えば図４に示すように構成される。この図において１は商用交流電源、２はこの商用交流電源を直流に変換するコンバータ、Ｃはコンバータの出力電圧を平滑する役割を担うコンデンサ、３はコンバータが出力した直流を商用交流電源の周波数より高い周波数の高周波交流を出力するインバータ、Ｒはオゾンを発生させる放電管である。ちなみに大容量のオゾン発生装置にあっては、例えば数十〜数百本の放電管Ｒが並列に接続され、これらがインバータ３によって駆動される。
ところでオゾン発生に用いられる放電管Ｒは、ある一定以上の電圧を印加したときに放電を開始する特性を有している。そして放電管Ｒに印加する電圧を定格電圧から徐々に下げていくと、この電圧低下に伴って消費電力は、徐々に減少する。しかし放電と非放電との境界電圧近傍まで電圧が低下すると消費電力は、急激に減少する。このため放電管５を駆動する電源装置は、抵抗器のような負荷を駆動する場合と異なり、電圧制御による安定した電力制御を行うことが比較的難しい。
更に放電と非放電との境界電圧は、例え同一定格の放電管であったとしても製造上の特性のばらつき等によって、ある範囲に分布する。このため放電管に印加する電圧と消費電力の関係を予測することは、一般に困難である。

ここで複数の放電管が並列に接続された放電管負荷において、すべての放電管が安定に放電を行う電圧の下限値を最大放電開始電圧とし、すべての放電管が全く放電しなくなる電圧の上限値を最小放電開始電圧と称することとする。
例えば放電管の定格電圧が１０ｋＶ、最大放電開始電圧が７ｋＶ、最小放電開始電圧が５ｋＶであったとする。放電管が放電したときの消費電力は、おおむね放電管に印加した電圧の２乗に比例する。したがって放電管に印加する電圧を低下させた場合は、（最大放電開始電圧／定格電圧）²＝（７／１０）²＝０.４９≒５０％、すなわち１００％〜約５０％の電力まで連続的に制御することができる。しかし、最悪のケースとして、すべての放電管の放電と非放電の境界電圧が７ｋＶに揃っていた場合、７ｋＶからわずかに電圧を低下させると、放電管の消費電力は５０％から０％に急減することになる。このため電源装置の制御系が不安定に陥るおそれがある。
また放電管は、定格電圧よりも低い電圧で駆動されると注入電力に対するオゾンの発生量の比が低下、すなわちオゾン発生効率が低下する。
したがってこの種の放電管における電力制御の方法としては、もっぱら放電管に定格電圧を印加する期間（オン期間）と、電圧を印加しない期間（オフ期間）とを交互に設けた間欠運転が行われている。この間欠運転には、オン期間とオフ期間との時間比率を調整した平均電力が所望の電力になるように制御する、いわゆるパルス密度変調が適用される。

しかしながらこのような間欠運転は、入力電力の変動につながり、引いては放電管用電源装置が接続されている電源系統に電圧変動をきたし、この電力系統に接続されている負荷に悪影響を及ぼすことがある。
このような問題を解決する方法を具備した電力変換装置の制御方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。この電力変換装置の制御方法は、図５にその電圧・電流波形を示すように、コンバータ２に入力される商用交流電圧Ｖ１の周波数より高い高周波交流電圧Ｖ２を放電管に印加する期間と、印加しない期間とを設け、この時間比率を調整することで電力を制御している。この特許文献には、交流電源１が単相交流の場合は、電源周期の１／２、多相交流の場合は、その制御周期を［１／（２×相数）］とすることで交流電源１の各周期間、一周期内の正または負の期間、各相間のいずれに対しても入力電力の対称性が保たれることが開示されている。
あるいは別の改善手段を有する放電管負荷を接続した電力変換装置の電力制御方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。この特許文献に開示される電力制御方法は、放電管の放電が安定して行われる範囲では電圧制御による電力制御を行い、さらに電力を絞る場合には上述した特許文献１に開示される［１／（２×相数）］に関わらず、それより長い周期で間欠運転を行い、放電管の消費電力を連続的に制御することで上記問題を解決しようとするものである。
特許第３７０７５９８号公報 特許第３７５８５７８号公報

しかしながら、前述した特許文献１に開示される制御方法は、交流電源の周波数に対して、負荷に与える高周波交流の周波数を十分高くすることができる場合に有効であるものの、制御周波数（制御周期の逆数）と負荷周波数の比があまり大きくないと、大まかな電力制御しかできないという問題がある。例えば周波数５０Ｈｚの三相交流電源で放電管に与える高周波交流の周波数を１２００Ｈｚとした場合、上述した制御周波数は、５０Ｈｚ×２×３（相数）＝３００Ｈｚとなる。したがって一制御周期内で制御可能な負荷電圧・電流は、１２００／３００＝４サイクル分しかないことになる。よって特許文献１に開示される制御方法において制御可能な電力は、２５％刻み（１／４制御周期刻み：０％，２５％，５０％，７５％，１００％）でしか電力制御ができず、細かな電力制御を行うことができない。
一方、特許文献２が開示する電力制御方法は、上述した特許文献１の問題を解決することはできるものの、入力電圧変動が依然として残るため、特に大容量の電源装置に適用することが困難であるという問題がある。
さらにこの電力制御方法は、定格電力以外では放電管に与える電圧を低減させているため、オゾン発生効率の低下が生じ、それゆえ所要電力が増加し、ランニングコストが上昇するという新たな問題も生じる。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、一制御周期内における負荷周波数のサイクル数が少ない場合であっても連続的に放電管の消費電力を安定に調整することができ、オゾン発生効率を維持することができる放電管用電源装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明の放電管用電源装置は、最大放電開始電圧を超えると全てが放電を開始し、最小放電開始電圧を下回ると全てが放電を停止する一つ以上の放電管を駆動する放電管用電源装置であって、
前記放電管用電源装置は、入力された交流電源の周波数より高い周波数の高周波交流に変換して前記放電管に出力する周波数変換手段と、前記高周波交流の一周期毎に前記周波数変換手段から出力される電圧値を調整する電圧調整手段とを備え、
前記電圧調整手段は、前記高周波交流の複数の周期を一制御周期とし、この制御周期毎に定格運転時には前記周波数変換手段に前記最大放電開始電圧以上の高周波交流電圧を出力させ、前記放電管に与える電力を低減するときには前記制御周期における一周期の前記高周波交流電圧を前記最小放電開始電圧の電圧レベルまで徐々に低減させ、更に前記放電管に与える電力を低減するときには前記制御周期における他の一周期の高周波交流電圧を前記最小放電開始電圧の電圧レベルまで徐々に低減させることを繰り返す一方、
前記放電管に与える電力を増加させるときには前記制御周期における一周期の前記高周波交流電圧を前記最大放電開始電圧以上の電圧レベルまで徐々に上昇させ、更に前記放電管に与える電力を増加させるときには前記制御周期における他の一周期の高周波交流電圧を前記最大放電開始電圧以上の電圧レベルまで徐々に上昇させることを繰り返す
ことを特徴としている。

また前記制御周期は、前記高周波交流電圧における一周期の２の倍数分、かつ前記高周波交流電源の電源相数分の１であることを特徴としている。
上述の放電管電源装置は、例えば、入力された交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータから出力された直流を前記コンバータに入力された交流の周波数より高い高周波交流を出力するインバータと、による周波数変換手段として構成される。そして、このコンバータから出力される高周波交流電圧は、高周波交流の１サイクル毎にインバータから出力される電圧値を調整する電圧調整手段により調整され、高周波交流の複数のサイクルを一制御周期として、放電管の電力が所望の電力になるように放電管に与える電圧を制御周期毎に調整する。換言すれば上述の放電管電源装置は、一制御周期内において大まかな電力調整を定格電圧を印加する高周波交流のサイクル数で行い、電力の微調整を定格電圧以下の電圧で行う。

本発明の放電管用電源装置によれば、制御周期内にける負荷周波数のサイクル数が少ない場合であっても、電圧調整手段によって高周波交流の１サイクル毎に周波数変換手段から出力される電圧値を連続的に調整することができるので放電管の消費電力を連続的に制御することができる。
また本発明の放電管用電源装置は、消費電力制御時に放電管に与える定格電圧以外で運転されるサイクル数が限定されるので、オゾン発生効率を低下させることなく、またこの放電管用電源装置が接続されている一次側（電源系統側）の電圧変動を防止することができるとともに、この電源系統に接続されている負荷に対する悪影響を抑えることができる等の実用上優れた効果を奏し得る。

以下、図１〜図３の図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る放電管用電源装置について説明する。なお、図１〜図３は本発明の一実施形態を説明するための図面であって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。また、図４に示す従来の実施形態と同一の構成要素には、同符号を付してその説明を略述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る放電管用電源装置である。本発明が図４に示した従来の放電管用電源装置と異なるところは、前記周波数変換手段から出力される電圧値を１サイクル毎に調整する電圧調整手段１０を備えた点にある。
この電圧調整手段１０は、コンバータ２に入力される交流電源１の電流がゼロクロスしたことを検出してリセットパルス信号を出力するリセット回路部１１と、複数の放電管Ｒが消費する電力の所定時間における平均値を求める消費電力演算部１２と、複数の放電管Ｒにおける所望の消費電力値を電力指令値として保持する電力指令値保持部１３を備える。リセット回路部１１は、詳細は後述するが制御周期を交流電源に同期させるための回路であり、交流電源が単相交流の場合、ゼロクロス通過時に、三相交流の場合は、所定の相のいずれかがゼロクロスを通過したとき、それぞれリセットパルス信号を出力する。
また電圧調整手段１０は、消費電力演算部１２が求めた負荷平均電力値と電力指令値保持部１３が保持する電力指令値との電力差分値を求める電力差分値演算部１４と、この電力差分値演算部１４が求めた電力差分値から放電管Ｒに与える印加電圧値を求める電力調整部１５を有する。この電力調整部１５は、例えばＰＩ調節計などが適用される。

更に電圧調整手段１０は、電力調整部１５が求めた印加電圧値、電力指令値保持部１３が保持する電力指令値およびリセット回路部１１から与えられたリセット信号から放電管Ｒに与える電圧指令値を出力する電圧指令設定部１６と、放電管Ｒに与えられる放電管電圧値を検出する電圧検出部１７と、この電圧検出部１７が検出した放電管電圧値と電圧指令設定部１６が出力する電圧指令値との電圧差分値を求める電圧差分値演算部１８と、この電圧差分値演算部１８が求めた電圧差分値からインバータ３が出力する電圧を高周波交流の１サイクル毎に調整する電圧調整部１９とを備えて構成される。電圧指令設定部１６は、全ての放電管Ｒが放電を停止する最小放電開始電圧以下の電圧値、電力調整部１５が出力する印加電圧値、または放電管Ｒの定格電圧値のいずれかの電圧値を選択して出力する。
このように構成された本発明の放電管用電源装置について、図２を参照しながらより詳細に説明する。この図は、コンバータ２に入力される入力電圧（入力電流Ｉ１）の半サイクル内に、インバータ３から出力される高周波交流電圧Ｖ２が５サイクルある場合を例示したものである。この場合、サイクル数によって制御できる電力幅は、定格電力の１／５刻み、すなわち２０％刻みとなる。なお、この図は、図５に示した電圧・電流波形と異なり電圧Ｖ２および電流Ｉ１がそれぞれ正弦波となっているが、これはコンバータ２およびインバータ３の回路構成の違いによるもので、本発明が解決しようとする放電管Ｒの電力制御とは無関係である。

ところで電力指令値保持部１３に設定された電力指令値が例えば定格電力値の８０％以上ならば電圧指令設定部１６は、リセット回路部１１からリセット信号を受けて、最初のサイクルは電力調整部１５が出力する印加電圧値、次のサイクル以降は定格電圧の電圧指令値を出力する。そして電圧検出部１７が検出した負荷電圧、すなわち放電管Ｒに印加されている負荷電圧と、電圧指令設定部１６が出力した電圧指令値との電圧差分値が電圧差分値演算部１８によって求められる。すると電圧調整部１９は、電圧差分値演算部１８によって得られた電圧差分値が零になるようインバータ３が出力する出力電圧を調整する。
次に例えば電力指令値保持部１３に設定された電力指令値が定格電力値の６０％以上８０％未満の場合、電圧指令設定部１６は、最初のサイクルは最小放電開始電圧以下の電圧、次のサイクル（２サイクル目）は電力調整部１５が出力する印加電圧値、３サイクル目以降は定格電圧の電圧指令値を出力する。そして上述したようにしてインバータ３の出力電圧が調整される。
ちなみに電力調整部１５の印加電圧値は、最小放電開始電圧と、最大放電開始電圧の間にある場合がある。しかし、この場合であっても前述した背景技術に記載されたものと同一条件における電力急変量は、最悪でも５０％×(１サイクル／５サイクル)＝１０％にとどまる。このため電圧調整手段１０による出力電圧の調整によって安定性を維持できる。実際には放電管Ｒの放電／非放電の境界電圧は、ある確率で分布する。このためこの電力急変量は、実用上ほとんど問題にならない。

なお、電圧指令設定部１６が出力する最小放電開始電圧以下の電圧指令値は、最小放電開始電圧と等しい電圧または０Ｖとする。つまりインバータ３の応答が遅い場合は、次のサイクルで直ちに定格電圧を出力できるよう前者を選択し、インバータ３が瞬時波形制御できる場合は無電力期間の回路損失を極力減らすための後者を選択するとよい。
さて上述した作動をする電圧指令設定部１６について図３を参照しながらより詳細に説明する。この図において、１０１はリセット回路からのリセット信号を受けて初期化されるカウンタ部、１０２は電力指令値保持部１３が保持する電力指令値を受けてパルス数に変換して出力するパルス数設定部、１０３はカウンタ部１０１から出力されるカウント値とパルス数設定部１０２から出力されるパルス数とを比較する比較部、１０４は定格負荷電圧値を保持する定格電圧設定部、１０５は最小放電開始電圧より低い所定の低電圧値を保持する低電圧設定部、１０６は定格電圧設定部１０４が保持する定格負荷電圧値、電力調整部１５から出力される印加電圧値、または低電圧設定部１０５が保持する低電圧値のいずれかを比較部１０３の指令によって切り換え、電圧指令値として後段の電圧差分値演算部１８に出力する電圧切換部である。
このように構成された電圧指令設定部１６は、カウンタ部１０１が電圧調整手段１０内部のインバータ３が出力する高周波交流電圧Ｖ２の同期信号（図示せず）に基づき高周波交流電圧Ｖ２のパルス数をカウントし、リセット信号から何サイクル目であるかを示すサイクル数ｎ（整数値）を出力する。パルス数設定部１０２は、電力指令値が１００％、８０％以上１００％未満、６０％以上８０％未満、４０％以上６０％未満、２０％以上４０％未満、０％を超え２０％未満、０％の場合に、それぞれ整数値Ｎとして［０，１，２，３，４，５，６］を出力する。

そして比較部１０３は、サイクル数ｎと整数値Ｎとの大小関係を判定し、［ｎ＞Ｎ］のとき定格電圧設定部１０４が保持する定格負荷電圧値を出力するよう電圧切換部１０６に切り換え指令を出力する。また比較部１０３は、サイクル数ｎと整数値Ｎとの大小関係［ｎ＝Ｎ］のとき、あるいは［ｎ＜Ｎ］のとき、それぞれ電力調整部１５から出力される印加電圧値および低電圧設定部１０５が保持する低電圧値を出力するよう電圧切換部１０６に切り換え指令を出力する。
例えば電力指令値が７０％であるとき、パルス数設定部１０２が出力する整数値Ｎは、［２］である。そして、一次電流Ｉ１がゼロクロスし、制御周期が開始されるとリセット回路１１は、リセット信号を出力する。カウンタ部１０１は、このリセット信号を受けてサイクル数ｎを［０］にリセットする。すると比較部１０３は、［ｎ＜Ｎ］と判定し、電圧切換部１０６の出力を低電圧設定部１０５が保持する低電圧値を出力する。図２（ｂ）における高周波交流電圧Ｖ２の最初のサイクルに相当する。このとき高周波交流電圧Ｖ２は、最小放電開始電圧より低い電圧値となる。
次にカウンタ部１０１がカウントアップしてサイクル数ｎが［１］になると、比較部１０３は、［ｎ＝Ｎ］と判定し、電圧切換部１０６の出力を電力調整部１５が出力する印加電圧値を出力する。図２（ｂ）における高周波交流電圧Ｖ２の２番目のサイクルに相当する。このとき高周波交流電圧Ｖ２は、最小放電開始電圧から最大放電開始電圧の範囲内の電圧値となる。

更にカウンタ部１０１がカウントアップしてサイクル数ｎが［２］になると、比較部１０３は、［ｎ＞Ｎ］と判定し、電圧切換部１０６の出力を定格電圧設定部１０４が保持する定格電圧値を出力する。図２（ｂ）における高周波交流電圧Ｖ２の３番目のサイクルに相当する。このとき高周波交流電圧Ｖ２は、最大放電開始電圧より高い定格電圧になる。
以降、一制御周期内においてインバータ３から出力される高周波交流の電圧は、定格電圧になる。
かくして本発明の放電管用電源装置は、制御周期内における放電管Ｒに与える高周波交流のサイクル数が少ない場合であっても、電圧調整手段１０が高周波交流の１サイクル毎にインバータ３から出力される電圧値を連続的に調整することができるので放電管Ｒの消費電力を連続的に制御することができる。
また本発明の放電管用電源装置は、放電管Ｒの電力調整時に放電管Ｒに与える定格電圧以外で運転されるサイクル数が限定されるので、オゾン発生効率を低下させることなく、またこの放電管用電源装置が接続されている一次側（電源系統側）の電圧変動を防ぎ、この電源系統に接続されている負荷に対する悪影響を抑えることができる。
尚、本発明の放電管用電源装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えても勿論かまわない。

本発明の一実施形態に係る放電管用電源装置の概略構成を示す回路ブロック図。 図１に示す放電管用電源装置におけるインバータの出力電圧とコンバータの入力電流との関係を示す図。 図１に示す電圧指令設定部の内部構成を示す回路ブロック図。 従来の放電管用電源装置の概略構成を示す回路ブロック図。 図４に示す放電管用電源装置におけるインバータの出力電圧とコンバータの入力電圧・電流との関係を示す図。

符号の説明

１ 交流電源
２ コンバータ
５ 放電管
１０ 電圧調整手段
１１ リセット回路部
１２ 消費電力演算部
１３ 電力指令値保持部
１４ 電力差分値演算部
１５ 電力調整部
１６ 電圧指令設定部
１７ 電圧検出部
１８ 電圧差分値演算部
１９ 電圧調整部

Claims (2)

1. 最大放電開始電圧を超えると全てが放電を開始し、最小放電開始電圧を下回ると全てが放電を停止する一つ以上の放電管を駆動する放電管用電源装置であって、
   前記放電管用電源装置は、入力された交流電源の周波数より高い周波数の高周波交流に変換して前記放電管に出力する周波数変換手段と、
   前記高周波交流の一周期毎に前記周波数変換手段から出力される電圧値を調整する電圧調整手段と
   を備え、
   前記電圧調整手段は、前記高周波交流の複数の周期を一制御周期とし、この制御周期毎に定格運転時には前記周波数変換手段に前記最大放電開始電圧以上の高周波交流電圧を出力させ、
   前記放電管に与える電力を低減するときには前記制御周期における一周期の前記高周波交流電圧を前記最小放電開始電圧の電圧レベルまで徐々に低減させ、更に前記放電管に与える電力を低減するときには前記制御周期における他の一周期の高周波交流電圧を前記最小放電開始電圧の電圧レベルまで徐々に低減させることを繰り返す一方、
   前記放電管に与える電力を増加させるときには前記制御周期における一周期の前記高周波交流電圧を前記最大放電開始電圧以上の電圧レベルまで徐々に上昇させ、更に前記放電管に与える電力を増加させるときには前記制御周期における他の一周期の高周波交流電圧を前記最大放電開始電圧以上の電圧レベルまで徐々に上昇させることを繰り返す
   ことを特徴とする放電管用電源装置。
2. 前記制御周期は、前記交流電源の周波数における一周期の２の倍数分、かつ、該交流電源の周波数における電源相数分の１であることを特徴とする放電管用電源装置。

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