JP5342835B2 - 非接触給電装置 - Google Patents
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Description
この場合、一定の給電線の区間の電圧降下を制限するために、給電線路には直列コンデンサを何箇所かに分けて入れており、これにより、直列コンデンサを入れる場所は給電線が複数の給電区間に分断される。
また、給電区間に入る受電コイルの数が変化する場合(増える場合、減る場合の両方)も、1次換算のインダクタンスは離散的に変化するのではなく、受電コイルの移動速度に比例して過渡的に変化する。
順変換をサイリスタの位相制御で電圧を可変するPAMインバータでは、サイリスタが一旦点弧すると、そのサイクルで電流がゼロになる交流の半周期まで消弧できないため、この電流制御の応答が遅くなり、電源周波数の半周期よりも速くすることはできない。
この非接触給電装置は、電磁誘導により地上設備から搬送車に非接触で電力を供給するもので、位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたPAMインバータ(PAM制御による高周波インバータ。以下、単に、「インバータ」という。)2により地上側の給電線に励磁電流を流し、2次側の搬送車に電力を供給する。
そして、この非接触給電装置は、2次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加し、位相制御による電流制御が追従しきれないときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路6を設けている。
また、インバータ2の出力側には、給電線路14のインダクタンス補償用直列コンデンサ13が一定の給電線路長ごとに分散して配置されている。
この整流回路3は、サイリスタを点弧するゲート信号の位相を、電源電圧に対して遅くすれば電圧が下がり、電源電圧との位相差を小さくすれば電圧が高くなり、位相差がゼロのときが最大電圧となる。
インバータ回路5の4つの素子のうち、整流出力のプラス側に接続しているQ1、Q3をハイサイド、マイナス側に接続しているQ2、Q4をローサイドと呼んでいる。
また、サイリスタのゲート信号9も停止し、整流を停止する。
整流回路3も停止することで、インバータ出力を再開した際に過渡的に大電流が流れるのを防止する。
受電コイル15の有効長が300mmとすると、半径100mmで曲げた2つの区間の、合計200mmの領域を受電コイル15が通過する際に、インダクタンスが過渡的に変化する。この区間は、受電コイル15と給電線の結合が低下するため、インダクタンスは半分以下に低下する。
受電コイル15が給電線の継ぎ目を通過する際には、当然過渡的な状態が存在するが、数が増える場合と減る場合は、インダクタンスが増減するのではなく、元の状態から数が増減した状態に増えるか、あるいは減るだけの変化をする。
定常状態での動作点D1が過渡的にインピーダンスの低い領域に接近あるいは通過する。
インピーダンスの低い領域では、電圧が低い状態でも大きな電流が流れる。
なお、1個の受電コイル15が給電線の継ぎ目を通過する場合、図3(a)に示すように、継ぎ目を通過中に、動作点Dが誘導性負荷領域と容量性負荷領域の間で遷移する。
本実施例では、D1が、受電コイル15が1個のときの定常状態での動作点である。
給電区間に入る受電コイル15の数が変化した場合でも、負荷に供給する電力を安定させるため、共振点を挟んで対称に動作点D1、D2を配置する。
給電区間に入る受電コイル15の数が変化する際に、過渡的にインピーダンスの低い状態を通過し、大きな電流が流れる。
なお、給電区間に入る受電コイル15の数が変化する場合、図3(b)に示すように、動作点Dが誘導性負荷領域と容量性負荷領域の間で遷移する。
本実施例では、D1が、受電コイル15が1個のとき(受電コイルの数が少ないとき)の定常状態での動作点、D2が、受電コイル15が2個のとき(受電コイルの数が多いとき)の定常状態での動作点である。
ここで、Z0は受電コイルがゼロの状態、Z1は受電コイルが1個の状態、Z2は受電コイルが2個の状態、Z1’は1個の受電コイルが給電線を通過する際の過渡的な状態、Z2’は2個の受電コイルが給電線を通過する際の過渡的な状態の給電線路のインピーダンスを示す。
G1〜G4のゲート信号は、IGBTの素子Q1〜Q4に対応する。
なお、図が細かくなるので省略してしいるが、同じアームのIGBTが同時にONしないように、デッドタイムを設けることは通常のインバータで行われることである。
受電コイル15で電磁誘導により誘起した起電力を共振コンデンサ16で共振させ、整流回路17で整流し、負荷に供給する。
ここで、整流回路17の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電する平滑コンデンサ18を設けることにより、インバータ出力の停止中でも負荷に電力を供給することができる。
平滑コンデンサ18は、アルミ電解コンデンサや電気2重層コンデンサ等で構成し、1次側のインバータ2を止めている間、負荷に供給する電力を一時的に蓄積しておく容量を持たせる。
コンデンサの容量としては、1kW当たりの負荷で、概ね20,000μF程度の容量のコンデンサを用いる。
なお、給電線路14のインピーダンスは、給電線路14を1次、搬送車の受電コイル15を2次とすると、1次側のインピーダンスを2次側の共振点の近傍で、次のように給電線路14の直列コンデンサ13を調整する。
(1)給電線路14に同時に入る受電コイル15が1乃至2個の場合、受電コイル15が1個の場合の共振点は、インバータ2の出力周波数よりも低い周波数、すなわち、容量性の領域に共振点を配置し、受電コイル15が給電線の分断された継ぎ目の部分を通過する際に過渡的に誘導性になるように共振点を配置する。
受電コイル15が2個の場合の共振点は、インバータ2の出力周波数よりも低い周波数、すなわち、容量性の領域に共振点を配置し、給電区間から搬送車が1台出て行き受電コイル15が1個になったときには、インバータ2の出力周波数を挟んで対称となる誘導性の領域に共振点を配置する。
このように、共振点をインバータ2の出力周波数に対し対称配置することで、インバータ2の定電流駆動と、2次コイルで受電可能な電力を1台のコイルと2台のコイルで動作条件を合わせ安定した電力を取り出すようにする。
(2)給電線路14に入る受電コイル15が1個の場合、インバータ2の出力周波数よりも低い周波数に共振点を配置する。
インバータ2は、順変換部はサイリスタの位相制御で電圧を可変し、逆変換部はIGBTブリッジのゲートを半周期ごとにハイサイドとローサイドで位相を180度ごとに反転する方形波インバータを組み合わせたPAMインバータとする。
ローサイドだけゲート信号を止めると、それまでインバータ2の出力電流に同期して流れていた電流は、共振周波数で減衰振動に切り替わり、徐々に減衰しやがてゼロになる。
禁止時間の経過後にローサイドのゲート信号を有効にすると、インバータ2の出力電流が流れる。
禁止時間は、給電線路14に流れていた電流が減衰する時間で、通常、数ミリ秒でほぼゼロに減衰する。運用上は減衰時間の変動の余裕をみて減衰時間の2倍から3倍程度で20ms程度にする。
これをハイサイドも止めてしまうと、平滑コンデンサ4を通って還流することになるが、これはインバータ2の回路構成上、好ましいことではない。
なお、点弧を継続するのは、ハイサイドあるいはローサイドのどちらか一方であればよく、どちらかに限定はしない。
一旦流れている電流をゼロにしてから再度電流を流すことで、共振による自励振動とインバータ2の他励振動の位相の整合を考慮する必要がなくなり制御が簡単になる。
この禁止時間は、2次回路の整流回路17の平滑コンデンサ18の容量で、2次電圧を保持する。
インバータ2を一時的に停止しても、システムとして2次回路の電源保持時間を禁止時間よりも大きくすることで、運用的な問題を生じない。
禁止時間が20ms、負荷は数kW程度であればアルミ電解コンデンサでも対応することができる。
禁止時間を更に延ばす場合や、負荷が100kW程度と大きい場合は、電気2重層コンデンサのような更に大容量のコンデンサを使用する。
容量の小さなインバータではPWMインバータでもできるが、大容量ではスイッチング損失が大きくなり実用的でないため、PAMインバータを使っている。
また、一般のインバータ(回転機用のインバータ)では、容量性負荷の領域は想定していない。
これは、容量性領域ではトランジスタやIGBTに逆並列接続したダイオードのリカバリー領域での電流が制御できないことが主因であるが、容量性負荷領域でトランジスタの安全動作領域を逸脱しなければ使える。
2 高周波インバータ(PAMインバータ)
3 整流回路
4 平滑コンデンサ
5 インバータ回路
6 インバータの制御回路
7 整流出力電圧
8 整流出力電流
9 サイリスタ位相制御のゲート信号
10 IGBTのゲート信号
11 出力電圧
12 出力電流
13 インダクタンス補償用直列コンデンサ
14 給電線路
15 受電コイル
16 共振コンデンサ
17 整流回路
18 平滑コンデンサ
Claims (2)
- 位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたPAMインバータにより地上側の給電線に励磁電流を流し、2次側の搬送車に電力を供給する非接触給電装置において、2次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加したときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路を設けたことを特徴とする非接触給電装置。
- 2次側の搬送車の整流回路の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電するコンデンサを設けたことを特徴とする請求項1記載の非接触給電装置。
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