JP5392472B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力を供給する電力制御装置に関する。

図９に従来の電力制御装置の概略を示す。
複数の負荷に電力を供給する電力制御装置１０は、商用電源９より交流２００Ｖまたは交流１００Ｖが入力される一次巻線１１ａと、巻線比によって所定の電圧に降下された交流電力を出力する二次巻線１１ｂとを備える入力トランス１１を設けている。
入力トランス１１の二次巻線側は、複数の負荷毎に電力を供給可能となるように、複数の二次巻線１１ｂが設けられている（例えば特許文献１参照）。

各二次巻線１１ｂには、サイリスタ１２が接続されており、サイリスタ１２よって各負荷領域における電力の制御が行われる。なお、ここで示す従来例では、逆方向に向けられた２つのサイリスタ１２，１２が並列に接続されて用いられており、双方向の電流に対して制御がされている。

特開平９−１１７１３６号公報

従来のような電力制御装置では、入力トランスが大きいため装置全体が大型化してしまい、装置全体の小型化の要請に対応できないと言う課題がある。
また、サイリスタで制御するとノイズが発生する。したがって、ノイズ除去用のフィルタが必要になってしまうと言う課題もある。
また、力率が低く、高効率が望めないと言う課題もある。

なお、単一の負荷に対して、この負荷を連続したまま複数の領域に分けて、この複数の領域毎に電力の制御を行いたいとする要望もある。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、単一の負荷を連続したまま複数の領域に分けて、この複数の連続した領域毎に電力の制御を行える電力制御装置を提供することにある。
さらには、コンパクトな構成となり、また高力率、高効率、低ノイズである電力制御装置が望まれる。

本発明にかかる電力制御装置によれば、一方の出力端子と他方の出力端子とを備える電力制御部が複数設けられ、各電力制御部は、一方の出力端子または他方の出力端子の内の少なくともいずれか一方が、隣接する他の電力制御部の他方の出力端子または一方の出力端子と共有され、複数の電力制御部は、単一の負荷を複数の領域に分けた場合に、それぞれの負荷領域に対して各電力制御部が電力を供給して、個々に電力制御できるように設けられ、隣接する負荷領域が存在しない箇所では、いずれかの電力制御部の出力端子をそのまま単独で負荷領域の一方側または他方側に接続し、隣接する負荷領域が存在する箇所では、隣接する電力制御部の共有した出力端子を共通線として接続するように構成されていることを特徴としている。

また、各前記電力制御部には、入力側と出力側とを絶縁する絶縁トランスが設けられていることを特徴としている。

また、各前記電力制御部には、商用交流電源が入力され、入力された交流電力を直流電力に変換する第１のコンバータが設けられ、第１のコンバータによって変換された直流電力の電力調整をし、交流として出力するインバータが設けられ、一次巻線がインバータの出力側に接続され、二次巻線が前記一方の出力端子および他方の出力端子としてなる絶縁トランスが設けられていることを特徴としている。
この構成を採用したことにより、入力トランスを設けないのでコンパクトな構成とすることができ、またインバータによって電力制御をするので、ノイズの発生を低減し、高効率とすることができ、且つ絶縁トランスを設けたことにより入力側と負荷側とで絶縁されるので、各電力制御部は、一方の出力端子または他方の出力端子の内の少なくともいずれか一方が、隣接する他の電力制御部の他方の出力端子または一方の出力端子と共有されることができる。

また、各前記電力制御部には、絶縁トランスの後段側に、各前記インバータによって出力された交流電力を直流電力に変換する第２のコンバータが設けられており、第２のコンバータの出力端子が、前記一方の出力端子および他方の出力端子としてなることを特徴としてもよい。
この構成によれば、負荷に直流を供給して、１個の負荷を複数領域で個々に電力制御することができる。

なお、前記第１のコンバータまたは前記インバータの少なくともいずれか一方が自己消弧形素子からなることを特徴としてもよい。
さらに、前記自己消弧形素子は、ＩＧＢＴであることを特徴としてもよい。

なお、前記各電力制御部は、各出力端子から低周波交流電力を出力するように低周波変換回路が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、例えば直流電力を出力している電力制御部においては、出力端子と接続している負荷とが異なる金属であれば、電蝕によって接続部分が劣化するおそれもあるが、低周波の交流を出力することにより、このようなおそれを低減できる。また、交流電力を出力している電力制御部においては、高周波の交流を出力端子から負荷まで流すことによりノイズが発生してしまうおそれもある。しかし、出力を低周波の交流とすることによって、ノイズの発生を防止できる。

本発明にかかる電力制御装置によれば、1個の負荷を複数領域で個々に電力制御することができる。

本発明にかかる電力制御装置の第１の実施形態のブロック図である。 本発明にかかる電力制御装置の第２の実施形態のブロック図である。 本発明にかかる電力制御装置の第３の実施形態のブロック図である。 本発明にかかる電力制御装置の第４の実施形態のブロック図である。 本発明にかかる電力制御装置の第５の実施形態のブロック図である。 低周波変換回路の実施形態を示す回路図である。 低周波変換回路から出力される出力波形を示す説明図である。 低周波変換回路の他の実施形態を示す回路図である。 従来構造の電力制御装置のブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
（第1の実施形態）
電力制御装置３０は、複数の電力制御部３１を有している。各電力制御部３１は、それぞれ各負荷に対して接続され、各負荷へ電力を供給する。ここでは、単一の負荷に対して、負荷が連続した状態で複数の領域に分けた場合に、このそれぞれの負荷領域に対して各電力制御部３１が電力を供給し、電力を制御できるように設けられている。
また、本実施形態における電力制御装置３０は、負荷に直流を供給して制御するものであるとする。

電力制御装置３０を構成する電力制御部３１について説明する。
電力制御部３１は、商用電源２９から、交流１００Ｖまたは交流２００Ｖを入力して直流に変換するＩＧＢＴブリッジ３２を備えている。このＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）ブリッジ３２が特許請求の範囲でいう第1のコンバータに該当する。ＩＧＢＴは、大電流を高速でスイッチングできる素子であり、入力信号によってオンオフを制御する自己消弧形素子である。

ＩＧＢＴブリッジ３２の後段には、ＩＧＢＴインバータ３４が設けられている。ＩＧＢＴインバータ３４は、ＩＧＢＴブリッジ３２によって変換された直流を、再度交流に変換する機能を有している。このＩＧＢＴインバータ３４によって、負荷へ供給する電力の調整が行われる。ＩＧＢＴインバータ３４によって出力される交流は、数ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の高周波を想定している。

ＩＧＢＴインバータ３４の後段には、絶縁トランス３６が設けられている。絶縁トランス３６の一次巻線は、ＩＧＢＴインバータ３４の出力端子に接続されており、絶縁トランス３６の二次巻線は、後述するダイオードブリッジ３８の入力側の端子に接続されている。
なお、絶縁トランス３６は入力側と負荷側とを絶縁するために設けられているものである。この絶縁トランス３６は、上述したようにＩＧＢＴインバータ３４からの出力が高周波であるので、小型化することができる。

絶縁トランス３６の二次巻線に接続されているダイオードブリッジ３８は、絶縁トランス３６から出力された交流を直流に変換して負荷に供給する機能を有している。このダイオードブリッジ３８が特許請求の範囲でいう第２のコンバータに該当する。
ダイオードブリッジ３８の出力端子に負荷が接続される。
なお、ダイオードブリッジ３８から出る２本の出力端子３８ａ，３８ｂは、隣り合う負荷領域に接続される隣のダイオードブリッジ３８の出力端子３８ａ，３８ｂと共通線となるように接続される。

具体的に図１の例で説明すると、一番上のダイオードブリッジ３８の一方側の出力端子３８ａは、一方側に隣接する負荷領域が存在しないのでそのまま単独で第１の負荷領域の一方側に接続される。一番上のダイオードブリッジ３８の他方側の出力端子３８ｂは、隣接する第２の負荷領域に電力を供給する中央のダイオードブリッジの一方側の出力端子３８ａと接続され、第１の負荷領域の他方側と第２の負荷領域の一方側とで共通に用いられる出力端子３８ｃ１として設けられる。

さらに、中央のダイオードブリッジ３８の他方側の出力端子３８ｂは、隣接する第３の負荷領域に電力を供給する一番下のダイオードブリッジの一方側の出力端子３８ａと接続され、第２の負荷領域の他方側と第３の負荷領域の一方側とで共通に用いられる出力端子３８ｃ２として設けられる。
なお、一番下のダイオードブリッジ３８の他方側の出力端子３８ｂは、一方側に隣接する負荷領域が存在しないのでそのまま単独で第３の負荷領域の他方側に接続される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図２に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態では、第1のコンバータであるＩＧＢＴブリッジ４２が、各電力制御部共通で１つ設けられている。すなわち、このＩＧＢＴブリッジ４２は、商用電源から、交流１００Ｖまたは交流２００Ｖを入力して直流を出力する出力端子が、分割した負荷領域の数だけ設けられているものである。
この構成であれば、第１の実施形態よりも部品点数の削減を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図３に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態および第２の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態では、絶縁トランス３６の後段にダイオードブリッジが設けられておらず、各負荷領域には、交流が供給されるように設けられている。

また、絶縁トランス３６から出る２本の出力端子３６ａ，３６ｂは、隣り合う負荷領域に接続される隣の絶縁トランス３６の出力端子３６ａ，３６ｂと共通線となるように接続される。
具体的には、一番上の絶縁トランス３６の一方側の出力端子３６ａは、一方側に隣接する負荷領域が存在しないのでそのまま単独で第１の負荷領域の一方側に接続される。一番上の絶縁トランス３６の他方側の出力端子３６ｂは、隣接する第２の負荷領域に電力を供給する中央の絶縁トランス３６の一方側の出力端子３６ａと接続され、第１の負荷領域の他方側と第２の負荷領域の一方側とで共通に用いられる出力端子３６ｃ１として設けられる。

さらに、中央の絶縁トランス３６の他方側の出力端子３６ｂは、隣接する第３の負荷領域に電力を供給する一番下の絶縁トランス３６の一方側の出力端子３６ａと接続され、第２の負荷領域の他方側と第３の負荷領域の一方側とで共通に用いられる出力端子３６ｃ２として設けられる。
なお、一番下の絶縁トランス３６の他方側の出力端子３６ｂは、一方側に隣接する負荷領域が存在しないのでそのまま単独で第３の負荷領域の他方側に接続される。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図４に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態〜第３の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態は、第２の実施形態のように、第1のコンバータであるＩＧＢＴブリッジ４２が、各電力制御部共通で１つ設けられており、且つ絶縁トランス３６の後段にダイオードブリッジが設けられておらず、各負荷領域には、交流が供給されるように設けられている。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について、図５に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態〜第３の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態における電力制御装置３０は、図３に示した負荷に高周波の直流を供給して制御する形態の装置に対して、低周波の交流を出力するように低周波変換回路４４を設けている。低周波変換回路４４は、各電力制御部３１の絶縁トランス３６の後段に設けられている。そして、各低周波変換回路４４の出力端子に負荷が接続される。

絶縁トランス３６の二次巻線から出力された高周波の交流は低周波変換回路４４によって、低周波の交流に変換される。こうして負荷には低周波の交流が出力されることとなる。
このように、低周波の交流を負荷に出力することにより、例えば負荷と出力端子とが異種金属である場合には電蝕によって接続部分が劣化するおそれもあるが、低周波の交流を出力することにより、このようなおそれを低減できる。

また、このように低周波の交流を負荷に出力することにより、ノイズの発生を防止できる。すなわち、絶縁トランス３６の二次巻線から負荷までの電線距離が数ｍ程度に長いと、高周波の交流を流すことでノイズが発生してしまうおそれもある。しかし、出力を低周波の交流とすることによって、たとえ絶縁トランス３６の二次巻線から負荷までの電線距離が長い場合であってもノイズの発生を防止できる。

ここで、低周波とは０．１Ｈｚ〜１Ｈｚ程度の周波数を想定している。

なお、このような低周波変換回路を図４に示す電力制御装置３０の絶縁トランス３６の後段に設けてもよい。この形態でも、低周波の交流を出力することにより、負荷と出力端子の接続部分の電蝕による劣化のおそれを低減でき、またノイズの発生を防止できる。

（低周波変換回路の実施形態）
次に、上述した第５の実施形態の低周波変換回路の例を、図６および図７に基づいて説明する。
図６の低周波変換回路４４は、絶縁トランス３６から出力される一方の出力線５１および他方の出力線５２に対して交互にオン−オフさせるスイッチング回路により構成されている。
具体的には、低周波変換回路４４は、負荷へ接続される出力端子４４ａに繋がる一方の負荷出力線５０ａと、出力端子４４ｂに繋がる他方の負荷出力線５０ｂとの間に、２つのサイリスタが直列に接続されて形成されたスイッチング部Ａ〜Ｄが４組並列に接続されて構成されている。

一方の負荷出力線５０ａが他方の負荷出力線５０ｂに対して＋となるようにさせるスイッチング部はＡ，Ｂの２組あり、それぞれのアノード側が他方の負荷出力線５０ｂに接続され、カソード側が一方の負荷出力線５０ｂに接続されている。
そして、２組のスイッチング部のうちの一方Ａは、サイリスタ４６ａのカソードとサイリスタ４６ｂのアノードとの間で一方の出力線５１に接続されている。２組のスイッチング部のうちの他方Ｂは、サイリスタ４６ｃのカソードとサイリスタ４６ｄのアノードの間で他方の出力線５２に接続されている。

他方の負荷出力線５０ｂが一方の負荷出力線５０ａに対して＋となるようにさせるスイッチング部はＣ，Ｄの２組あり、それぞれのアノード側が一方の負荷出力線５０ａに接続され、カソード側が他方の負荷出力線５０ｂに接続されている。
そして、２組のスイッチング部のうちの一方Ｃは、サイリスタ４８ｂのカソードとサイリスタ４８ａのアノードとの間で一方の出力線５１に接続されている。２組のスイッチング部のうちの他方Ｄは、サイリスタ４８ｄのカソードとサイリスタ４８ｃのアノードの間で他方の出力線５２に接続されている。

各サイリスタ４６ａ〜４６ｄ、４８ａ〜４８ｄのゲートには図示しない制御部が接続され、一方の出力端子４４ａと他方の出力端子４４ｂ間から出力される電力が低周波の交流となるように所定のタイミングで各サイリスタへ動作電流を入力している。

図７に、図６で示した低周波変換回路４４によって低周波に変換された電力制御部３１の出力波形を示す。この出力波形では、一方の負荷出力線５０ａ側に出力される波形および他方の負荷出力線５０ｂ側に出力される波形は、それぞれ複数の高周波の半波形が連続して出力されることで形成される。すなわち、出力端子４４ａ，４４ｂから出力される低周波の交流とは、高周波の半波形の包絡線で形成される波形である。ここでは、スイッチング部Ａ，Ｂの動作で低周波の最初の半波形が形成され、スイッチング部Ｃ，Ｄの動作で低周波の次の半波形が形成される。

なお、本実施形態では、高周波部分の周波数は数ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度であり、低周波部分の周波数は０．１Ｈｚ〜１Ｈｚ程度を想定している。

なお、図６では１つの電力制御部についてのみ説明した。しかし、電力制御装置３０が備える電力制御部３１全てに低周波変換回路４４を備え、各電力制御部３１の出力端子は隣接する出力端子同士が接続され、負荷に接続されるように設けるとよい。

（低周波変換回路の他の実施形態）
次に、低周波変換回路の他の実施形態を、図８に基づいて説明する。
本実施形態においても、低周波変換回路４４は、負荷へ接続される出力端子４４ａに繋がる一方の負荷出力線５０ａと、出力端子４４ｂに繋がる他方の負荷出力線５０ｂとの間に、２つのサイリスタが直列に接続されて形成されたスイッチング部Ａ〜Ｄが４組並列に接続されて構成されている。

各スイッチング部Ａ〜Ｄは、ＩＧＢＴとダイオードまたはＦＥＴとダイオードである２つのスイッチング素子が互いのコレクタ側（ＦＥＴの場合はドレイン側）とエミッタ側（ＦＥＴの場合はソース側）とが直列に接続されて構成されている。また、各スイッチング素子のエミッタ側（ＦＥＴの場合はソース側）には順方向にダイオードが接続されている。

一方の負荷出力線５０ａが他方の負荷出力線５０ｂに対して＋となるようにさせるスイッチング部はＡ，Ｂの２組あり、それぞれのスイッチング素子５４ｂ，５４ｄのエミッタ側（ＦＥＴの場合はソース側）のダイオード５５ｂ，５５ｄのカソードが一方の負荷出力線５０ａに接続され、それぞれのスイッチング素子５４ａ，５４ｃのコレクタ側（ＦＥＴの場合はドレイン側）が他方の負荷出力線５０ｂに接続されている。

そして、２組のスイッチング部のうちの一方Ａは、スイッチング素子５４ｂのコレクタ側（ＦＥＴの場合はドレイン側）とダイオード５５ａのカソードとの間で一方の出力線５１に接続されている。また、スイッチング部のうちの他方Ｂは、スイッチング素子５４ｄのコレクタ側（ＦＥＴの場合はドレイン側）とダイオード５５ｃのカソードとの間で他方の出力線５２に接続されている。

また、他方の負荷出力線５０ｂが一方の負荷出力線５０ａに対して＋となるようにさせるスイッチング部はＣ，Ｄの２組あり、それぞれのスイッチング素子５６ｂ，５６ｄのエミッタ側（ＦＥＴの場合はソース側）のダイオード５７ｂ，５７ｄのアノードが一方の負荷出力線５０ａに接続され、それぞれのスイッチング素子５６ａ，５６ｃのコレクタ側（ＦＥＴの場合はドレイン側）が他方の負荷出力線５０ｂに接続されている。

そして、２組のスイッチング部のうちの一方Ｃは、スイッチング素子５６ｂのエミッタ側（ＦＥＴの場合はソース側）とダイオード５７ａのアノードとの間で一方の出力線５１に接続されている。また、スイッチング部のうちの他方Ｄは、スイッチング素子５６ｄのエミッタ側（ＦＥＴの場合はソース側）とダイオード５７ｃのアノードとの間で他方の出力線５２に接続されている。

各スイッチング素子のベース（ＦＥＴの場合はゲート）には図示しない制御部が接続され、一方の出力端子４４ａと他方の出力端子４４ｂ間から出力される電力が低周波の交流となるように所定のタイミングで各スイッチング素子５４ａ〜５４ｄ、５６ａ〜５６ｄへ動作電流（または動作電圧）を入力している。
図８に示す低周波変換回路の出力波形も図７に示した波形と同様の波形である。

なお、図８も１つの電力制御部についてのみ説明した。しかし、電力制御装置３０が備える電力制御部３１全てに低周波変換回路４４を備え、各電力制御部３１の出力端子は隣接する出力端子同士が接続され、負荷に接続されるように設けるとよい。

なお、上述した図１〜図５に示した各実施形態では電力制御部の数は３つであり、単一の負荷を３つの負荷領域に分割制御するものであった。
しかし、電力制御部の数（負荷領域の分割数）は３つに限定されることはない。

以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

２９ 商用電源
３０ 電力制御装置
３１ 電力制御部
３２ ＩＧＢＴブリッジ
３４ ＩＧＢＴインバータ
３６ａ，３６ｂ 出力端子
３６ｃ１，３６ｃ２ 接続された出力端子
３６ｂ 出力端子
３６ 絶縁トランス
３８ ダイオードブリッジ
３８ａ，３８ｂ 出力端子
３８ｃ１，３８ｃ２ 接続された出力端子
４２ ＩＧＢＴブリッジ
４４ 低周波変換回路
４４ａ，４４ｂ 出力端子
４６ａ〜４６ｄ，４８ａ〜４８ｄ サイリスタ
５０ａ，５０ｂ 負荷出力線
５１，５２ 出力線
５４ａ〜５４ｄ，５６ａ〜５６ｄ スイッチング素子
５５ａ〜５５ｄ，５７ａ〜５７ｄ ダイオード

Claims (7)

1. 一方の出力端子と他方の出力端子とを備える電力制御部が複数設けられ、
   各電力制御部は、一方の出力端子または他方の出力端子の内の少なくともいずれか一方が、隣接する他の電力制御部の他方の出力端子または一方の出力端子と共有され、
   複数の電力制御部は、単一の負荷を複数の領域に分けた場合に、それぞれの負荷領域に対して各電力制御部が電力を供給して、個々に電力制御できるように設けられ、
   隣接する負荷領域が存在しない箇所では、いずれかの電力制御部の出力端子をそのまま単独で負荷領域の一方側または他方側に接続し、隣接する負荷領域が存在する箇所では、隣接する電力制御部の共有した出力端子を共通線として接続するように構成されていることを特徴とする電力制御装置。
2. 各前記電力制御部には、入力側と出力側とを絶縁する絶縁トランスが設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
3. 各前記電力制御部には、
   商用交流電源が入力され、入力された交流電力を直流電力に変換する第１のコンバータが設けられ、
   第１のコンバータによって変換された直流電力の電力調整をし、交流として出力するインバータが設けられ、
   一次巻線がインバータの出力側に接続され、二次巻線が前記一方の出力端子および他方の出力端子としてなる絶縁トランスが設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
4. 各前記電力制御部には、
   絶縁トランスの後段側に、各前記インバータによって出力された交流電力を直流電力に変換する第２のコンバータが設けられており、
   第２のコンバータの出力端子が、前記一方の出力端子および他方の出力端子としてなることを特徴とする請求項３記載の電力制御装置。
5. 前記第１のコンバータまたは前記インバータの少なくともいずれか一方が自己消弧形素子からなることを特徴とする請求項３または請求項４記載の電力制御装置。
6. 前記自己消弧形素子は、ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項５記載の電力制御装置。
7. 前記各電力制御部は、各出力端子から低周波交流電力を出力するように低周波変換回路が設けられていることを特徴とする請求項１〜３、請求項５〜６のうちのいずれか１項記載の電力制御装置。

Images