JP5927583B2 - Contactless power supply system - Google Patents
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Description
本発明は、非接触給電システムに関するものである。 The present invention relates to a non-contact power feeding system.
従来より、自走式の移動体等に対して非接触で電力を供給する非接触給電装置が提供されている(例えば特許文献1参照)。この非接触給電装置は、交流電源の交流出力を一定電圧の直流出力に変換する直流電源回路と、直流電源回路の直流出力を所定周波数の交流出力に変換するインバータと、インバータの出力側に接続されてインバータから所定周波数の交流電力が与えられる給電線と、給電線に直列に接続されて給電線とともに共振回路を構成するコンデンサとを備える。この非接触給電装置では、給電線とコンデンサとで構成される共振回路により、インバータの出力部に接続されるリアクタンス成分を小さくしつつ、給電線に与えられる有効電力を大きくすることができる。つまり、上記の共振回路により給電線のリアクタンスによる力率低下を補うことができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a non-contact power feeding device that supplies power in a non-contact manner to a self-propelled mobile body has been provided (see, for example, Patent Document 1). This non-contact power feeding device is connected to the DC power supply circuit that converts the AC output of the AC power supply into a DC output of a constant voltage, the inverter that converts the DC output of the DC power supply circuit to the AC output of a predetermined frequency, and the output side of the inverter And a power supply line to which AC power of a predetermined frequency is applied from the inverter, and a capacitor that is connected in series to the power supply line and forms a resonance circuit together with the power supply line. In this non-contact power supply device, the effective power given to the power supply line can be increased while reducing the reactance component connected to the output unit of the inverter by the resonance circuit including the power supply line and the capacitor. That is, the power factor reduction due to the reactance of the feeder line can be compensated for by the above-described resonance circuit.
上述の特許文献1に示した非接触給電装置では、上記の共振回路により給電線のリアクタンスによる力率低下を補うことができるものの、給電線の線路長や負荷によってリアクタンス成分が変化するため、それに応じてコンデンサの容量を変更しなければならず、コンデンサを交換する作業が必要であった。
In the non-contact power feeding device shown in the above-mentioned
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、共振回路の共振調整の作業性を向上させた非接触給電システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a non-contact power feeding system with improved workability of resonance adjustment of a resonance circuit.
本発明の非接触給電システムは、高周波電源及び高周波電源に直列に接続される給電線を具備した給電部と、給電線に対して非接触に配置され、給電線との電磁誘導により生じた起電力を負荷への供給電力とする受電部とを備える。高周波電源は、給電線のインダクタンスとともに共振回路を構成する容量性リアクタンスと、容量性リアクタンスの動作を制御する制御部とを具備する。容量性リアクタンスは、逆阻止能力を持たない4つの半導体素子により構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサとを有する。そして制御部は、4つの半導体素子のうち、対角に位置するペアの半導体素子のオン/オフ動作がそれぞれ同時に行われるように制御し、且つ、一方のペアがオンのときは他方のペアがオフとなるように制御する。 The non-contact power feeding system of the present invention includes a high-frequency power source and a power feeding unit provided with a power feeding line connected in series to the high-frequency power source, and a non-contact arrangement with respect to the power feeding line, which is caused by electromagnetic induction with the feeding line. A power receiving unit that uses the power as the power supplied to the load. The high-frequency power source includes a capacitive reactance that forms a resonance circuit together with the inductance of the feeder line, and a control unit that controls the operation of the capacitive reactance. The capacitive reactance has a bridge circuit composed of four semiconductor elements that do not have reverse blocking capability, and a capacitor that is connected between the midpoints of the bridge circuit and accumulates snubber energy when current is interrupted. Then, the control unit controls the pair of semiconductor elements located on the diagonal among the four semiconductor elements so that the on / off operations are simultaneously performed, and when one pair is on, the other pair is Control to turn off.
この非接触給電システムにおいて、制御部は、4つの半導体素子のオン/オフの切換タイミングを調整してコンデンサの見かけ上の容量を変化させることにより、共振回路の共振調整を自動で行う自動共振調整機能を有しているのも好ましい。 In this non-contact power supply system, the control unit automatically adjusts the resonance of the resonance circuit by adjusting the on / off switching timing of the four semiconductor elements to change the apparent capacitance of the capacitor. It is also preferable to have a function.
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、システムが稼働している間は、自動共振調整機能により共振回路の共振調整を随時行うのも好ましい。 In this non-contact power supply system, it is also preferable that the control unit adjusts the resonance of the resonance circuit at any time by the automatic resonance adjustment function while the system is operating.
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、受電部の負荷が所定の変動範囲を下回る場合には、共振回路を共振からずらすことにより共振回路のインピーダンスを増加させるのも好ましい。 In this contactless power supply system, it is also preferable that the control unit increases the impedance of the resonance circuit by shifting the resonance circuit from resonance when the load of the power reception unit falls below a predetermined fluctuation range.
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、無負荷での高周波電源の出力電圧値により共振回路が共振状態か否かを判断するのも好ましい。 In this non-contact power supply system, it is also preferable that the control unit determines whether or not the resonance circuit is in a resonance state based on the output voltage value of the high frequency power supply with no load.
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、無負荷での高周波電源のリップル電流により共振回路が共振状態か否かを判断するのも好ましい。 In this non-contact power supply system, it is also preferable that the control unit determines whether or not the resonance circuit is in a resonance state based on a ripple current of the high-frequency power supply with no load.
共振回路の共振調整の作業性を向上させた非接触給電システムを提供することができるという効果がある。 There is an effect that it is possible to provide a non-contact power supply system in which the workability of resonance adjustment of the resonance circuit is improved.
以下に、非接触給電システムの実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of a non-contact power feeding system will be described with reference to the drawings.
図2は本実施形態の非接触給電システムのシステム構成図であり、この非接触給電システムは給電部1と受電部2とを主要な構成として備え、例えば負荷である無人搬送車のモータ3に対して電力を供給する。なお、負荷はモータ3に限定されるものではなく、他のものでもよい。
FIG. 2 is a system configuration diagram of the contactless power supply system according to the present embodiment. This contactless power supply system includes a
給電部1は、商用電源4の交流電圧から高周波(例えば40kHz)の正弦波交流電圧を生成する高周波電源10と、高周波電源10に直列に接続されて高周波電源10の高周波出力が供給される給電線11とを具備する。給電線11は数十〜数百mの長さを有しておりインダクタンス成分が大きく、LR負荷となっている。なお本実施形態では、給電線11の行き帰りの線が平行に配置されており、互いに発生する磁界を打ち消しあっている(図2参照)。
The
図1(a)は給電部1のブロック図である。高周波電源10は、給電線11に対して高周波の交流電力を出力する出力部10dと、出力部10dの出力電流を制御する出力電流制御部10bと、給電線11とともに共振回路を構成するコンデンサ部10eと、コンデンサ部10eの動作を制御する共振調整制御部10cと、全般的な制御を行う電源制御部10aとを備える。また、図1(b)はコンデンサ部10eの回路図であり、このコンデンサ部10eは、給電線11のリアクタンスによる力率低下を補うために設けられたものである。なお、コンデンサ部10eの出力端と給電線11の一端部との間にはコンデンサC2が接続されており、本実施形態ではコンデンサ部10eのコンデンサC1とコンデンサC2とで共振用のコンデンサが構成される。
FIG. 1A is a block diagram of the
コンデンサ部10eは、図1(b)に示すように、逆阻止能力を持たない4つのIGBT12a〜12d(半導体素子)からなるブリッジ回路と、ブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサC1とで構成される。各IGBT12a〜12dは、素子と並列且つ逆向きに接続されたダイオードで構成され、両方向(順逆両方向)に電流を流すことができる順逆両方向導通型の素子である。そして、このコンデンサ部10eは、図1(a)に示すように、給電線11及びコンデンサC2に直列に接続され、給電線11及びコンデンサC2とともに共振回路を構成する。なお、図示は省略しているが、各IGBT12a〜12dのゲート端子はそれぞれ共振調整制御部10cに接続されており、共振調整制御部10cからの制御信号に応じて各IGBT12a〜12dがオン/オフされる。ここに本実施形態では、コンデンサ部10e及びコンデンサC2により容量性リアクタンスが構成され、また共振調整制御部10cにより制御部が構成される。
As shown in FIG. 1 (b), the
受電部2は、図2に示すように、給電線11を挟み込むようにして配置されたU字状のコアに巻線が巻回されたピックアップ20と、ピックアップ20と給電線11との間の電磁誘導により上記の巻線に生じた起電力を増大させるための共振回路21と、共振回路21の出力を安定化させる定電圧回路22とを備える。そして、定電圧回路22により安定化された電力が負荷であるモータ3に供給される。なお、上記のピックアップ20は、モータ3の動作に伴って給電部11と平行な方向(図2中の矢印A−B方向)に移動自在となっている。
As shown in FIG. 2, the
次に、コンデンサ部10eの動作について、図3(a)〜図3(f)を参照しながら説明する。図3(a)はコンデンサC1が充電された後に負荷電流が反転した状態を示し、反転前の期間にコンデンサC1に充電された電荷が放電される。このとき、IGBT12b,12cのペアがオンになっているので、IGBT12b→コンデンサC1→IGBT12cの経路(図3(a)中の矢印a1,a2の経路)でコンデンサC1の放電が行なわれる。コンデンサC1の放電が終了すると、コンデンサC1に電流が流れなくなって、IGBT12aのダイオード→IGBT12cの経路(図3(b)中の矢印a3の経路)と、IGBT12b→IGBT12dのダイオードの経路(図3(b)中の矢印a4の経路)にそれぞれバイパスされ、各経路に電流が流れる。そして、この状態で対角にあるIGBT12b,12cのペアがオフにされ、IGBT12a,12dのペアがオンにされると、IGBT12aのダイオード→コンデンサC1→IGBT12dのダイオードの経路(図3(c)中の矢印a5,a6の経路)でコンデンサC1の充電が行なわれる。
Next, the operation of the
やがて負荷電流が反転すると、図3(d)に示すように、IGBT12d→コンデンサC1→IGBT12aの経路(図3(d)中の矢印a7,a8の経路)でコンデンサC1の放電が行なわれる。コンデンサC1の放電が終了すると、コンデンサC1に電流が流れなくなって、IGBT12cのダイオード→IGBT12aの経路(図3(e)中の矢印a9の経路)と、IGBT12d→IGBT12bのダイオードの経路(図3(e)中の矢印a10の経路)にそれぞれバイパスされ、各経路に電流が流れる。そして、この状態でIGBT12a,12dのペアがオフにされ、IGBT12b,12cのペアがオンにされると、IGBT12cのダイオード→コンデンサC1→IGBT12bのダイオードの経路(図3(f)中の矢印a11,a12の経路)でコンデンサC1の充電が行なわれる。以上の動作を繰り返して行ない、位相制御を行うことにより、コンデンサC1を共振調整用可変コンデンサとして使用することが可能となる。ここに、全てのIGBT12a〜12dが同時にオフになるとコンデンサ部10eに電流が流れなくなるため、IGBT12a,12dのペアがオンにされるときはIGBT12b,12cのペアは同時にオフにされ、IGBT12a,12dのペアがオフにされるときはIGBT12b,12cのペアは同時にオンにされる。
When the load current is eventually reversed, as shown in FIG. 3 (d), the capacitor C1 is discharged along the path of
ここで、本実施形態のコンデンサ部10eは、各IGBT12a〜12dのオン/オフの切換タイミングを出力部10dの出力電圧位相に対してどの程度進めるかにより見かけ上のコンデンサ容量を変化させることができる。そして、LR負荷である給電線11、コンデンサ部10e及びコンデンサC2で構成される共振回路を共振状態にすることにより、給電線11のリアクタンスによる力率低下を補うことができるため、少なくともシステム導入時には上記の共振回路の共振調整が必要である。以下、共振調整について説明する。なお、共振調整時にはモータ3が受電部2に接続されておらず、つまり無負荷で共振調整が行われる。
Here, the
作業者は、高周波電源10に接続される給電線11の線路長から上記の共振回路が共振状態となるコンデンサの容量を推定し、コンデンサ部10eのコンデンサC1とコンデンサC2の合成容量が推定した容量よりも大きくなるようにコンデンサC1の容量を設定する。その後、作業者は電源スイッチ(図示せず)をオンにして電源を投入し、高周波電源10の出力電流I1をモニターしながらコンデンサ部10eの位相を進めていき、コンデンサC1の見かけ上の容量を大きくする。なおこのとき、コンデンサC1の見かけ上の容量が大きくなることでコンデンサC1,C2の合成容量は小さくなる。そして、作業者は出力電流I1のリップル電流が所定の許容範囲d1(図4参照)内に収まるまでコンデンサ部10eの位相を進めていき、最後にコンデンサ部10eの位相をわずかに遅らせることで共振調整が完了する。
The operator estimates the capacitance of the capacitor in which the resonance circuit is in a resonance state from the line length of the
而して本実施形態によれば、4つのIGBT12a〜12dのオン/オフの切換タイミングを調整することによりコンデンサC1の見かけ上の容量を変化させることができるので、給電線11の線路長や負荷によってリアクタンス成分が変化した場合でもコンデンサを交換することなく見かけ上の容量を調整することができ、従来例に比べて共振回路の共振調整の作業性を向上させることができる。また、高周波電源10のリップル電流が所定の許容範囲d1内に収まるように共振調整を行うことにより共振回路を共振状態にすることができ、その結果、高周波電源10の出力部に接続されるリアクタンス成分を小さくしつつ、給電線11に与えられる有効電力を大きくすることができる。
Thus, according to the present embodiment, the apparent capacitance of the capacitor C1 can be changed by adjusting the on / off switching timing of the four IGBTs 12a to 12d. Thus, even when the reactance component changes, the apparent capacity can be adjusted without replacing the capacitor, and the workability of resonance adjustment of the resonance circuit can be improved as compared with the conventional example. Further, the resonance circuit can be brought into a resonance state by performing resonance adjustment so that the ripple current of the high
ところで本実施形態では、作業者が高周波電源10の出力電流I1をモニターしながらリップル電流が所定の許容範囲d1内に収まるように調整したが、例えば高周波電源10に共振調整モードを設け、この共振調整モードに設定されると上述の共振調整を自動的に行うようにしてもよく、これにより施工時間を短縮できるとともにそれに伴う低コスト化を実現できる。また、システムが稼動している間は上記の自動共振調整を随時行うようにしてもよく、これによりシステムの稼動中に負荷変動が生じてリアクタンスが変化しても、その都度共振調整を行うことにより共振回路を共振状態に維持することができる。
In the present embodiment, the operator adjusts the ripple current to fall within a predetermined allowable range d1 while monitoring the output current I1 of the high-
さらに、受電部2の負荷が予め設定された所定の変動範囲を下回る場合には、上記の共振回路を共振からずらすように制御してもよい。これにより、インピーダンスの低下を補うことができるので、インピーダンスの低下により過大な電流が回路に流れるのを抑制できる。なお所定の変動範囲とは、受電部2の負荷が通常取り得る範囲のことをいい、負荷に応じて設定される。
Furthermore, when the load of the
なお本実施形態では、高周波電源10のリップル電流が所定の許容範囲d1内に収まるように共振調整を行ったが、例えば高周波電源10の出力電圧V1(図1(a)参照)が予め設定された値になるように共振調整を行ってもよく、同様に高周波電源10の出力部に接続されるリアクタンス成分を小さくしつつ、給電線11に与えられる有効電力を大きくすることができる。また本実施形態では、逆阻止能力を持たない半導体素子としてIGBT12a〜12dを例に説明したが、例えばMOSFETを用いてもよく、本実施形態に限定されない。
In the present embodiment, the resonance adjustment is performed so that the ripple current of the high-
1 給電部
10 高周波電源
11 給電線
10c 共振調整制御部(制御部)
10e コンデンサ部(容量性リアクタンス)
12a〜12d IGBT(半導体素子)
C1 コンデンサ
C2 コンデンサ(容量性リアクタンス)
DESCRIPTION OF
10e Capacitor section (capacitive reactance)
12a to 12d IGBT (semiconductor element)
C1 capacitor C2 capacitor (capacitive reactance)
Claims (6)
前記給電線に対して非接触に配置され、前記給電線との電磁誘導により生じた起電力を負荷への供給電力とする受電部とを備え、
前記高周波電源は、前記給電線のインダクタンスとともに共振回路を構成する容量性リアクタンスと、前記容量性リアクタンスの動作を制御する制御部とを具備し、
前記容量性リアクタンスは、逆阻止能力を持たない4つの半導体素子により構成されるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサとを有し、
前記制御部は、4つの前記半導体素子のうち、対角に位置するペアの前記半導体素子のオン/オフ動作がそれぞれ同時に行われるように制御し、且つ、一方のペアがオンのときは他方のペアがオフとなるように制御することを特徴とする非接触給電システム。 A power supply unit including a high-frequency power supply and a power supply line connected in series to the high-frequency power supply;
A power receiving unit that is disposed in a non-contact manner with respect to the power supply line and uses electromotive force generated by electromagnetic induction with the power supply line as power supplied to a load;
The high-frequency power source includes a capacitive reactance that forms a resonance circuit together with an inductance of the feeder line, and a control unit that controls the operation of the capacitive reactance,
The capacitive reactance includes a bridge circuit configured by four semiconductor elements having no reverse blocking capability, and a capacitor that is connected between the midpoints of the bridge circuit and accumulates snubber energy at the time of current interruption,
The control unit performs control so that the on / off operations of the pair of diagonally located semiconductor elements among the four semiconductor elements are simultaneously performed, and when one pair is on, the other A non-contact power feeding system that controls the pair to be turned off.
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