JP7021308B2 - Power generation system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、発電システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a power generation system.
振動発電機は、環境振動(例えば、車や電車の振動、雨が地面をたたく振動)を利用して発電する。振動発電機により発電した電力は、センサなどの装置に用いる電源(例えば電池)の代替として期待されている。 The vibration power generator uses environmental vibration (for example, vibration of a car or train, vibration of rain hitting the ground) to generate electricity. The electric power generated by the vibration power generator is expected to be a substitute for a power source (for example, a battery) used for a device such as a sensor.
振動発電機は、外部振動の大きさに応じて可動部の変位振幅が変化する。変位振幅が大きくなり過ぎると、可動部が筐体に衝突するなどして振動発電機が故障することがある。 In the vibration power generator, the displacement amplitude of the movable part changes according to the magnitude of the external vibration. If the displacement amplitude becomes too large, the vibration power generator may fail due to the movable part colliding with the housing.
本発明が解決しようとする課題は、過大な変位振幅の回避を図った発電システムを提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a power generation system in which an excessive displacement amplitude is avoided.
一実施形態に係る発電システムは、発電機、変位計測部、及びコンバータを備える。発電機は、可動部を含み、前記可動部の機械エネルギーを電力に変換する。変位計測部は、前記可動部の変位を計測する。コンバータは、前記計測された変位に基づいてデューティ比が制御されるスイッチング回路を含み、前記電力を変圧する。 The power generation system according to one embodiment includes a generator, a displacement measuring unit, and a converter. The generator includes a moving part and converts the mechanical energy of the moving part into electric power. The displacement measuring unit measures the displacement of the movable portion. The converter includes a switching circuit whose duty ratio is controlled based on the measured displacement and transforms the power.
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下に説明する実施形態を通して、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重ねての説明を省略する。なお、図面は、模式的又は概念的なものである。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Through the embodiments described below, the same components are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. The drawings are schematic or conceptual.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る発電システム1を示す機能ブロック図である。図1に示されるように、発電システム1は、振動発電機10、整流・平滑回路20、コンバータ30、変位計測部40、リファレンス出力部50、比較器60、コントローラ70、及びパルス信号発生回路80を備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a functional block diagram showing a power generation system 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the power generation system 1 includes a
振動発電機10は、振動のエネルギーを交流電力に変換する。振動発電機10は、発電システム1に適用可能な、機械エネルギーを交流電力に変換する発電機の一例である。
The
図2を参照して振動発電機10について説明する。図2は、振動発電機10の構造例を示す断面図である。図2に示されるように、振動発電機10は、ケース11、振動子12、コイル13、コイル固定部材14、及び弾性部材15を備える。
The
振動子12は、弾性部材15に固定され、ケース11内に吊るされる。振動子12は、磁石12a、12b、12c及びヨーク12f、12g、12hを有する。ヨーク12fは、中空の略円柱形状であり、磁石12a、12b、12cとヨーク12g、12hを囲う。ヨーク12fの上部中央は、弾性部材15に接続されている。磁石12a、ヨーク12g、磁石12b、ヨーク12hは、ヨーク12fの内側上面に、その中心軸に沿って、順次に配置される。磁石12a、12bは各々、ヨーク12g側のN極を有する。この結果、磁石12a、12bそれぞれから、互いに反発する磁束が生じる。磁石12cは、例えば、円筒形状であり、ヨーク12fの内側面上に、コイル13の外側と間隔を有して配置される。磁石12cは、コイル13と対向するS極及びヨーク12fの内側面と接するN極を有する。
The
コイル13は、円環形状であり、磁石12a、12bの外側かつ磁石12cの内側に配置される。コイル13は、周方向に巻かれ、その中心軸は、振動子12(ケース11)の中心軸と一致している。
The
コイル固定部材14は、振動子12の内部にコイル13を固定する。コイル固定部材14は、ケース11の底面に固定された、柱状のコイル支持部14aを有する。コイル固定部材14は、コイル支持部14aによってケース11に固定され、振動子12(磁石12a~12c及びヨーク12g、12h)には固定されない。
The
弾性部材15は、円板形状であり、その側面がケース11の内側面に固定され、その下面の一部が振動子12に接続される。
The
上述した構造を有する振動発電機10に外部振動が加わると、コイル13は、ケース11と一体に振動する。振動子12は、弾性部材15の弾性力に応じて、コイル13に対して、所定の周波数で振動する。この結果、振動子12は、コイル13に対して軸方向に相対運動し、コイル13に鎖交する磁束が時間的に変化する。このため、電磁誘導によって起電力が発生する。
When external vibration is applied to the
以上のように、振動発電機10に加わった外部振動(機械エネルギー)が交流電力に変換される。図2に示される例では、可動部に相当する振動子12に磁石12a、12b、12c及びヨーク12f、12g、12hが配置され、静止部に相当するケース11にコイル13が配置されている。代替として、振動子12にコイル13が配置され、ケース11に磁石12a、12b、12c及びヨーク12f、12g、12hが配置されてもよい。また、振動発電機10は、振動(図面上下方向の運動)を直接に交流電力に変換しているが、振動を回転運動に変換した後に、交流電力に変換してもよい。
As described above, the external vibration (mechanical energy) applied to the
図1に戻ると、整流・平滑回路20は、振動発電機10から出力される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を平滑化する。整流・平滑回路20は、例えば、整流回路及び平滑回路を有する。整流回路は、振動発電機10から出力される交流電力を直流電力(通例は、脈流)に変換する。整流回路は、例えば、1つ又は複数のダイオードを含む。例えば、4つのダイオードをブリッジ接続した全波整流器を整流回路として使用することができる。平滑回路は、整流回路から出力される直流電力(脈流)を平滑化する。平滑回路は、例えば、1つ又は複数のキャパシタ、あるいは、キャパシタとコイルの組み合わせを含む。平滑回路は、電流(脈流)を一時的に電荷として蓄積し、放出することで、電圧を平滑化する。すなわち、平滑回路は、電力を蓄積する一種の蓄電回路である。
Returning to FIG. 1, the rectifying / smoothing
コンバータ30は、スイッチング回路(スイッチング素子ともいう)を含み、スイッチング回路のスイッチング動作に基づいて、整流・平滑回路20から出力される直流電力を変圧する。スイッチング回路は、パルス信号発生回路80からのパルス信号(矩形波)によって駆動される。スイッチング回路としては、例えば、トランジスタやMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)を使用することができる。コンバータ30から出力される電力は、発電システム1に接続される、センサなどの任意の装置に適宜供給される。
The
コンバータ30は、例えば、バックブースト(buck-boost)コンバータである。図3Aは、バックブーストコンバータの電気回路の一例を示している。図3Aに示されるように、バックブーストコンバータは、キャパシタ31、スイッチング回路32、チョッパコイル33、及びダイオード34を備える。スイッチング回路32及びダイオード34は、入力端子35Aと出力端子36Aとの間に直列に接続されている。キャパシタ31は、その一端が入力端子35Aとスイッチング回路32との接続点に接続され、その他端が入力端子35Bと出力端子36Bとの接続点に接続されている。チョッパコイル33は、その一端がスイッチング回路32とダイオード34との接続点に接続され、その他端が入力端子35Bと出力端子36Bとの接続点に接続されている。スイッチング回路32は、図3Bに示されるようなパルス信号により駆動される。スイッチング回路32は、パルス信号の信号レベルがハイ(High)であるときにオン状態となり、パルス信号の信号レベルがロー(Low)であるときにオフ状態となる。
The
変位計測部40は、振動発電機10の可動部(図2の例では振動子12)の変位を計測する。一例として、変位計測部40は、振動発電機10から出力される電気信号に基づいて、振動発電機10の可動部の変位を計測する。振動発電機10から出力される電気信号に基づいて振動発電機10の可動部の変位を計測する方法については後述する。整流回路は一般的に非線形素子であり、整流回路に対する入力電圧が小さい場合にはその影響が顕著に現れる。このため、好ましくは、整流回路の非線形性を補正する回路が変位計測部40に設けられる。
The
他の例では、変位計測部40は、振動発電機10に設けられたセンサの出力信号に基づいて、振動発電機10の可動部の変位を計測する。振動発電機10が図2に示される構造を有する場合、例えば、加速度計が振動子12又は弾性部材15に取り付けられ、変位計測部40は、加速度計によって測定された加速度を2回積分することで振動子12の変位を計測する。また、例えば、歪計が弾性部材15に取り付けられ、変位計測部40は、歪計によって測定された弾性部材15の歪を振動子12の変位に変換する。
In another example, the
振動発電機10から出力される電気信号に基づいた変位計測方法は、センサを用いた変位計測方法よりも消費電力を低く抑えることができる。したがって、低消費電力の観点から、振動発電機10から出力される電気信号に基づいた変位計測方法を使用することが望ましい。なお、変位計測部40には、ノイズを除去するためのフィルタ(例えばハイパスフィルタ又はローパスフィルタ)が設けられていてもよい。また、発電用コイルとは別に、変位検出専用のコイルを振動発電機10に設け、変位検出用コイルから出力される電気信号に基づいて変位計測をしてもよい。
The displacement measurement method based on the electric signal output from the
リファレンス出力部50は、基準変位(リファレンス変位)を設定(記憶)し、比較器60に出力する。基準変位は、例えば、可動部変位の許容範囲を規定する制限値である。本実施形態では、基準変位は正値である。なお、基準変位は負値であってもよい。また、リファレンス出力部50は、正の基準変位及び負の基準変位の2つの基準変位を出力してもよい。リファレンス出力部50は、基準変位に対応する電圧を出力してもよく(ハード的出力)、基準変位を表す信号を出力してもよい(ソフト的出力)。
The
比較器60は、変位計測部40によって計測された変位と基準変位を比較する。比較器60は、計測変位が基準変位以上になったときに信号(以下、トリガ信号と呼ぶ。)をコントローラ70に出力する。比較器60は、ヒステリシス特性を持っているものを使用してもよい。
The
コントローラ70は、コンバータ30に含まれるスイッチング回路のデューティ比を制御する。具体的には、コントローラ70は、比較器60からトリガ信号を受け取ると、デューティ比を増加させる。例えば、コントローラ70は、デューティ比を値D1から値D1より大きい値D2に変更する。一例として、デューティ比は、スイッチング周期(Tsw)を維持したまま、スイッチング回路がオン状態にある期間(Ton)を変更することで変更される。コントローラ70は、デューティ比を変更したことを示す制御信号をパルス信号発生回路80に出力する。コントローラ70は、デューティ比を値D2に変更してから予め設定された時間だけ経過した後にデューティ比を値D1に戻すリフレッシュ機能を有していてもよい。
The
パルス信号発生回路80は、コントローラ70によって制御されたデューティ比を有するパルス信号を発生し、このパルス信号をコンバータ30に出力する。
The pulse
変位計測部40、リファレンス出力部50、比較器60、コントローラ70、及びパルス信号発生回路80は、整流・平滑回路20から出力される平滑化電圧によって動作する。このため、発電システム1には、電池などを必要としない。また、デューティ比を制御する制御ユニット(本実施形態では、変位計測部40、リファレンス出力部50、比較器60、コントローラ70、及びパルス信号発生回路80を含む部分)は、ハードウェア、プロセッサにより実行されるソフトウェア、又はそれらの組み合わせにより実現されることができる。これらの点は、他の実施形態も同様である。
The
次に、振動発電機10から出力される電気信号に基づいて振動発電機10の可動部の変位を計測する方法について説明する。
Next, a method of measuring the displacement of the movable portion of the
図4は、発電システム1の電気回路を示している。図4に示される電気回路について、下記の方程式が成り立つ。
式1をラプラス変換すると、下記の式2が得られる。
ここで、電気回路に対する入力電圧をVinとすると、Vin=RlIであるので、式3は下記の式4に書き直される。
式4の電流項をすべて電圧で表現すると、下記の式5が得られる。
なお、式5の第1項が第2項と比較して無視できるほど小さい場合、可動部の変位は、パラメータ(K、Rc、Rl)の値、及び電圧の積分値から算出することができる。 If the first term of Equation 5 is negligibly small compared to the second term, the displacement of the movable part shall be calculated from the values of the parameters (K, R c , R l ) and the integrated value of the voltage. Can be done.
ここで、コンバータ30が図3Aに示されるようなバックブーストコンバータである場合、Rlは式6のように表される。
式6を式5に代入すると、下記の式7が得られる。
ここで、式7の第1項が第2項と比較して無視できるほど小さい場合には、式7は近似的に下記の式8のようにかくことができる。
次に、発電システム1の動作について説明する。
図5は、発電システム1の動作手順を示している。図5に示される動作手順は、発電システム1が起動すると開始する。例えば、振動発電機10と整流・平滑回路20との間に起動スイッチが配置されており、この起動スイッチがオンされると、発電システム1が起動する。なお、起動スイッチは設けられていなくてもよい。この場合、発電システム1に振動が印加されたときに、発電システム1が起動したと考えることができる。例えば、発電システム1が振動環境下に設置されたとき、あるいは、設置後に一定期間振動が停止し、その後に振動が再開したときを発電システム1の起動とみなすことができる。
Next, the operation of the power generation system 1 will be described.
FIG. 5 shows an operation procedure of the power generation system 1. The operation procedure shown in FIG. 5 starts when the power generation system 1 is started. For example, a start switch is arranged between the
図5のステップS101において、振動発電機10が環境振動を受けて発電する。発電開始時には、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlは適正インピーダンスZr(すなわち、振動発電機10の出力電力を最大化するインピーダンス)に設定されていてもよい。具体的には、コンバータ30に含まれるスイッチング回路のデューティ比は、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが適正インピーダンスZrになるように設定されてもよい。
In step S101 of FIG. 5, the
ステップS102において、変位計測部40は、振動発電機10の可動部の変位を計測する。例えば上述した式5を使用する場合、変位計測部40は、振動発電機10の出力電圧及び出力電圧の積分値を測定し、測定した出力電圧及び積分値に基づいて可動部の変位を算出する。ステップS101~S102の処理は以降も継続する。
In step S102, the
ステップS103において、比較器60は、計測変位xと基準変位xrとを比較する。計測変位xが基準変位xrに達したときに、ステップS104に進む。このとき、比較器60は、計測変位xが基準変位xr以上になったことを示すトリガ信号をコントローラ70に出力する。
In step S103, the
ステップS104において、コントローラ70は、比較器60からトリガ信号を受け取ったことに応答して、コンバータ30に含まれるスイッチング回路のデューティ比を増加させる。それにより、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが低下し、電流が増加する。したがって、可動部に作用する電流による制動力が増加するので、可動部の変位振幅が低下する。
In step S104, the
図6は、振動発電機10に含まれる可動部の変位の時間変化を示している。図6に示されるように、環境振動の入力が開始すると、可動部の変位振幅が徐々に増加する。可動部の変位が基準変位xrに達すると、デューティ比が増加され、それにより、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlがZrからZa(Za<Zr)に低下する。その結果、可動部の変位振幅が抑制される。なお、上述した制御の後に可動部の変位が基準変位xrに再度達した場合には、デューティ比をさらに増加してもよい。
FIG. 6 shows the time change of the displacement of the movable portion included in the
以上のように、第1の実施形態に係る発電システム1においては、振動発電機10に含まれる可動部の変位が基準変位以上になったときに、コンバータ30に含まれるスイッチング回路のデューティ比が増加される。それにより、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが低下し、電流が流れやすくなる。したがって、電流による制動力が可動部に強く作用するようになり、可動部の変位振幅が抑制される。その結果、可動部の過度の変位を回避することができる。例えば、振動子12がケース11に衝突することを防止することができる。
As described above, in the power generation system 1 according to the first embodiment, when the displacement of the movable portion included in the
[第1の実施形態の変形例]
図7は、第1の実施形態の変形例に係る発電システム1Aを示している。図7に示されるように、発電システム1Aは、振動発電機10、整流・平滑回路20、コンバータ30、変位計測部40、リファレンス出力部50、比較器60、コントローラ70、パルス信号発生回路80、及び蓄電部90を備える。発電システム1Aは、蓄電部90が追加されている点で第1の実施形態に係る発電システム1(図1)と異なる。
[Modified example of the first embodiment]
FIG. 7 shows a
蓄電部90は、コンバータ30の後段に設けられる。蓄電部90は、例えば、1つ又は複数のキャパシタ、キャパシタとコイルの組み合わせ、あるいは、2次電池を含む。キャパシタは初期電圧を有していることが好ましい。例えば、リチウムイオンキャパシタを使用することができる。蓄電部90が、大容量であり、かつ、初期電圧を有している場合には、出力電圧が安定し、振動発電機10の動作の過渡域が少なくなる。このため、安定域に至る時間が早くなる。その結果、平均的な発電量の増加を見込むことができる。
The
なお、蓄電部90は後述する各実施形態に係る発電システムに設けられてもよい。
The
[第2の実施形態]
図8は、第2の実施形態に係る発電システム2を示している。図8に示されるように、発電システム2は、振動発電機10、整流・平滑回路20、コンバータ30、変位計測部40、絶対値回路42、リファレンス出力部50、比較器62、コントローラ72、及びパルス信号発生回路80を備える。発電システム2は、絶対値回路42が追加されている点、比較器60が比較器62に変更されている点、及びコントローラ70がコントローラ72に変更されている点で第1の実施形態に係る発電システム1(図1)と異なる。
[Second Embodiment]
FIG. 8 shows the
絶対値回路42は、変位計測部40によって計測された変位の絶対値(以下、変位絶対値とも呼ぶ)を算出する。絶対値回路42は、アナログ回路で実現されてもよく、デジタル処理によって実現されてもよい。なお、絶対値回路42は、RC(resistor-capacitor)フィルタなどの一般的なローパスフィルタ又はピークホールド機能を有していてもよい。絶対値回路42がローパスフィルタを備える場合、変位絶対値は包絡線化される。
The
比較器62は、変位計測部40によって計測された変位絶対値と基準変位とを比較する。一例として、比較器62は、変位絶対値が基準変位以上になったときに第1のトリガ信号をコントローラ72に出力し、変位絶対値が基準変位未満になったときに第2のトリガ信号をコントローラ72に出力する。他の例では、比較器62は、変位絶対値が基準変位未満である間は信号を出力せず、変位絶対値が基準変位以上である間は信号を出力する。比較器62は、ヒステリシス特性を持っているものを使用してもよい。
The
コントローラ72は、比較器62の出力信号に基づいて、コンバータ30に含まれるスイッチング回路のデューティ比を制御する。例えば、コントローラ72は、変位絶対値が基準変位未満であるときにデューティ比を値D1に調整し、変位絶対値が基準変位以上であるときに値D2(D2>D1)に調整する。
The
図9は、発電システム2の動作手順を示している。図9のステップS201において、コントローラ72は、コンバータ30に含まれるスイッチング回路のデューティ比を初期値D1に設定する。ステップS202において、振動発電機10が環境振動を受けて発電する。発電開始時には、変位絶対値xaは基準変位xrより小さい。このため、デューティ比の初期値は、値D1に設定される。値D1は、例えば、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが適正インピーダンスZrになるように決定される。
FIG. 9 shows the operation procedure of the
ステップS203において、変位計測部40は、振動発電機10の可動部の変位を計測する。ステップS204において、絶対値回路42は、変位計測部40によって計測された変位の絶対値を算出する。
In step S203, the
ステップS205において、比較器62は、変位絶対値xaと基準変位xrとを比較する。変位絶対値xaが基準変位xrに達すると、ステップS205に進む。
In step S205, the
ステップS206において、コントローラ72は、デューティ比を値D1から値D2に変更する。それにより、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが低下し、電流が流れやすくなる。したがって、可動部に作用する電流による制動力が増加するので、可動部の変位が抑制される。
In step S206, the
ステップS206において、比較器62は、変位絶対値xaと基準変位xrとを比較する。変位絶対値xaが基準変位xrを下回ると、ステップS207に進む。
In step S206, the
ステップS207において、コントローラ72は、デューティ比を値D2から値D1に変更する(戻す)。それにより、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが増加し、電流が流れにくくなる。したがって、可動部に作用する電流による制動力が低下する。
In step S207, the
このようにして、デューティ比は、変位絶対値xaが基準変位xr未満である間、値D1に設定され、変位絶対値xaが基準変位xr以上である間、値D2(D2>D1)に設定される。言い換えると、図10A及び図10Bに示されるように、インピーダンスは、変位絶対値xaが基準変位xr未満である間、値Zrに設定され、変位絶対値xaが基準変位xr以上である間、値Za(Za<Zr)に設定される。 In this way, the duty ratio is set to the value D1 while the absolute displacement x a is less than the reference displacement x r , and the value D2 (D2>) while the absolute displacement x a is greater than or equal to the reference displacement x r . It is set to D1). In other words, as shown in FIGS. 10A and 10B, the impedance is set to the value Zr while the absolute displacement x a is less than the reference displacement x r , and the absolute displacement x a is greater than or equal to the reference displacement x r . In the meantime, the value is set to Za (Za <Zr).
以上のように、第2の実施形態に係る発電システム2では、デューティ比は、変位絶対値xaが基準変位xr未満である期間は値D1に設定され、変位絶対値xaが基準変位xr以上である期間は値D2(D2>D1)に設定される。それにより、変位絶対値xaが基準変位xr以上であるときには、整流・平滑回路20から見込む入力インピーダンスRlが低下し、電流が流れやすくなる。したがって、電流による制動力が可動部に強く作用するようになり、可動部の変位が抑制される。その結果、可動部の過度の変位を回避することができる。
As described above, in the
なお、デューティ比を値D1から値D2に変更する際に使用する閾値は、デューティ比を値D2から値D1に変更する際に使用する閾値と異なっていてもよい。例えば、比較器62は、ステップS204では変位絶対値xaとの基準変位xr2とを比較し、ステップS206では変位絶対値xaと基準変位xr1とを比較する。ここで、xr2>xr1である。
The threshold value used when changing the duty ratio from the value D1 to the value D2 may be different from the threshold value used when changing the duty ratio from the value D2 to the value D1. For example, the
[第2の実施形態の変形例]
ここでは、発電システム2が上述した式7に基づく変位計測を行う場合について説明する。なお、式7において、Lc、K、T、Rc、Ldc、Tswは定数であり、Dは変数である。
[Modified example of the second embodiment]
Here, a case where the
図11は、第2の実施形態の変形例に係る発電システム2Aを示している。図11に示される発電システム2Aでは、変位計測部40は、電圧計401、積分器402、変位算出部403、及び絶対値回路42を備える。
FIG. 11 shows a
電圧計401は、振動発電機10の出力電圧を計測する。積分器402は、振動発電機10の出力電圧を積分する。
The
変位算出部403は、デューティ比Dとして値D1と値D2を保持し、上述した式7に従って可動部の変位を算出する。具体的には、変位算出部403は、電圧計401から出力される電圧値と、積分器402から出力される電圧積分値と、保持しているデューティ比D1又はD2と、に基づいて、可動部の変位を算出する。変位算出部403は、例えば、加算回路を含み、電圧計から出力される電圧値に式7第1項の係数を乗じたものと、積分器402から出力される電圧積分値に式7第2項の係数を乗じたものと、を加算する。絶対値回路42は、変位算出部403によって算出された変位の絶対値を算出する。
The
リファレンス出力部50は、2つの基準変位xr1、xr2を比較器62に出力する。ここで、xr1<xr2である。比較器62は、絶対値回路42から受け取った変位絶対値と基準変位xr1、xr2とを比較する。コントローラ72は、デューティ比が値D1に設定されている状態で変位絶対値が基準変位xr2に達すると、デューティ比を値D1から値D2に変更する。また、コントローラ72は、デューティ比が値D2に設定されている状態で変位絶対値が基準変位xr1を下回ると、デューティ比を値D2から値D1に変更する。なお、xr1=xr2であってもよい。
The
図12を参照して発電システム2Aの動作について説明する。ここでは、絶対値回路42はローパスフィルタを備え、包絡線化された変位絶対値が得られる。発電システム2Aの起動時には、デューティ比は値D1に設定される。このとき、インピーダンスはZHighである。したがって、変位算出部403及び絶対値回路42を含む推定回路によってデューティ比D1に基づき算出された変位絶対値が比較器62に供給される。
The operation of the
変位絶対値が徐々に大きくなり基準変位xr2に達する(t=t1)と、コントローラ72は、デューティ比を値D1から値D2に変更する。それにより、インピーダンスはZLow(ZLow<ZHigh)になる。したがって、推定回路によってデューティ比D2に基づき算出された変位絶対値が比較器62に供給されるようになる。
When the absolute displacement value gradually increases and reaches the reference displacement x r2 (t = t1), the
その後に、変位絶対値が徐々に小さくなり基準変位xr1を下回る(t=t2)と、コントローラ72は、デューティ比を値D2から値D1に変更する。それにより、インピーダンスはZHighになる。それにより、推定回路によってデューティ比D1に基づき算出された変位絶対値が比較器62に供給されるようになる。
After that, when the absolute displacement value gradually decreases and falls below the reference displacement x r1 (t = t2), the
図13は、第2の実施形態の他の変形例に係る発電システム2Bを示している。図13に示される発電システム2Bでは、変位計測部40は、電圧計401、積分器402、及び変位算出部403を備える。変位算出部403は、デューティ比として値D1を保持し、上述した式7に従って可動部の変位を算出する。発電システム2Bでは、デューティ比が値D1に設定されている期間だけでなく、デューティ比が値D2に設定されている期間にも、値D1に基づいて変位絶対値が算出される。図14に示されるように、デューティ比が値D2に設定されている期間において、値D1を用いて算出された変位絶対値は、値D2を用いて算出される変位絶対値とは異なる。図14において、値D1を用いて算出された変位絶対値は実線で示され、値D2を用いて算出される変位絶対値は一点鎖線で示されている。このため、デューティ比を値D2から値D1に変更する際に使用する基準変位は、上述した基準変位xr1に補正係数を乗じたものを使用する。
FIG. 13 shows a
以上のように、第2の実施形態の各変形例に係る変位計測部40は、外部センサを用いずに、振動発電機10の出力電圧に基づいて可動部の変位を計測することができる。それにより、変位計測に要する電力を削減することができ、その結果、システム全体の低電力消費化を図ることができる。
As described above, the
[第3の実施形態]
図15は、第3の実施形態に係る発電システム3を示している。図15に示されるように、発電システム3は、振動発電機10、整流・平滑回路20、コンバータ30、変位計測部40、絶対値回路42、リファレンス出力部50、差分計測器64、コントローラ74、及びパルス信号発生回路80を備える。発電システム3は、比較器60が差分計測器64に変更されている点、及びコントローラ70がコントローラ74に変更されている点で、第1の実施形態に係る発電システム1(図1)と異なる。なお、絶対値回路42は、第2の実施形態において説明したものと同じであるため、絶対値回路42についての説明は省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 15 shows the
差分計測器64は、絶対値回路42から出力される変位絶対値と基準変位との差分を算出する。差分計測器64は、例えば減算回路を含み、変位絶対値から基準変位を引いた差分を得る。なお、差分計測器64は、基準変位から変位絶対値を引いた差分を得てもよい。
The
コントローラ74は、差分計測器64によって算出された差分に基づいて、デューティ比を制御する。具体的には、コントローラ74は、差分がゼロ未満である(すなわち変位絶対値が基準変位未満である)期間に、デューティ比を予め設定された値に設定し、差分がゼロ以上である期間に、差分がゼロになるようにデューティ比を変更する。例えば、コントローラ74は、差分が大きい(すなわち変位絶対値が大きい)ほどデューティ比を大きくする。それにより、図16に示されるように、変位絶対値xaが基準変位xr未満であるときには、インピーダンスが適正インピーダンスZrに設定され、変位絶対値xaが基準変位xr以上であるときには、インピーダンスは差分が大きいほどが小さくなるように設定される。
The
コントローラ74として、例えば、一般的なフィードバック制御用コントローラ(例えば、P(proportional)コントローラ、PI(proportional-integral)コントローラ、又はPID(proportional-integral-differential)コントローラ)を使用することができる。コントローラ74は、変位絶対値が基準変位と等しくなる瞬間に制御用コントローラの出力がゼロになることを回避するために、オフセットを有していてもよい。
As the
以上のように、第3の実施形態に係る発電システム3では、変位絶対値と基準変位との差分がゼロ以上であるときには、差分がゼロになるようにデューティ比が制御される。これにより、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
As described above, in the
[第3の実施形態の変形例]
ここでは、第3の実施形態に係る発電システム3が上述した式7に基づく変位計測を行う場合について説明する。
[Modified example of the third embodiment]
Here, a case where the
図17は、第3の実施形態の変形例に係る発電システム3Aを示している。図17に示される発電システム3Aでは、変位計測部40は、電圧計401、積分器402、変位算出部403、及びデューティ比測定回路409を備える。
FIG. 17 shows a power generation system 3A according to a modified example of the third embodiment. In the power generation system 3A shown in FIG. 17, the
電圧計401は、振動発電機10の出力電圧を計測する。積分器402は、振動発電機10の出力電圧の積分値を算出する。デューティ比測定回路409は、スイッチング回路のデューティ比を測定する。具体的には、デューティ比測定回路409は、スイッチング周期(Tsw)を保持しており、パルス信号発生回路80から出力されるパルス信号の信号レベルがハイである期間(Ton)を検出し、測定した期間をスイッチング周期で割ることでデューティ比を算出する。変位算出部403は、電圧計401によって計測された電圧と、積分器402によって得られた電圧の積分値と、デューティ比測定回路409によって測定されたデューティ比と、に基づいて、可動部の変位を算出する。
The
なお、デューティ比測定回路409が設けられていなくてもよい。この場合、変位算出部403は、コントローラ74からデューティ比の設定値を示す情報を受け取り、この情報に基づいて可動部の変位を算出する。
The duty
以上のように、第3の実施形態の変形例に係る変位計測部40は、外部センサを用いずに、振動発電機10の出力電圧に基づいて可動部の変位を計測することができる。それにより、変位計測に要する電力を削減することができ、その結果、システム全体の低電力消費化を図ることができる。
As described above, the
[第4の実施形態]
図18は、第4の実施形態に係る発電システム4を示している。図18に示されるように、発電システム4は、振動発電機10、整流・平滑回路20、コンバータ30、変位計測部40、絶対値回路42、リファレンス出力部50、差分計測器64、コントローラ76、パルス信号発生回路80、及び電力計測部92を備える。第4の実施形態に係る発電システム4は、電力計測部92が追加されている点及びコントローラ74がコントローラ76に変更されている点で、第3の実施形態に係る発電システム3(図15)と異なる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 18 shows the
環境振動が非定常的である場合には、適正インピーダンスZrは、一意に決まらず、時々刻々と変化する。このため、上述した第1から第3の実施形態のように、変位絶対値が基準変位未満である期間にデューティ比を値D1に固定すると、発電効率が低下することがある。本実施形態では、変位絶対値が基準変位未満である期間は、電力を最大化するようにデューティ比を適応的に制御する。 When the environmental vibration is unsteady, the appropriate impedance Zr is not uniquely determined and changes from moment to moment. Therefore, if the duty ratio is fixed to the value D1 during the period when the absolute displacement value is less than the reference displacement as in the first to third embodiments described above, the power generation efficiency may decrease. In the present embodiment, the duty ratio is adaptively controlled so as to maximize the power during the period when the absolute displacement value is less than the reference displacement.
電力計測部92は、振動発電機10の出力電力を計測する。コントローラ76は、変位絶対値が基準変位未満である期間は、電力計測部92によって計測された電力に基づいてデューティ比を制御する。例えば、コントローラ76は、振動発電機10の出力電力を最大化するようにデューティ比を変更する。それにより、図19に示されるように、デューティ比の変更に応じてインピーダンスが変化する。電力最大化のアルゴリズムとしては、例えば、MPPT(最大電力点追従制御)などの一般的な手法を使用することができる。変位絶対値が基準変位以上である期間は、コントローラ76は、第3の実施形態に係るコントローラ74(図15)と同様に、差分計測器64により得られた差分がなくなるようにデューティ比を制御する。
The
第4の実施形態では、環境振動が非定常的である場合にも、小振動振幅時における発電電力の最大化と大振動振幅時における可動部変位の抑制とを両立することができる。 In the fourth embodiment, even when the environmental vibration is unsteady, it is possible to achieve both maximization of the generated power at the time of small vibration amplitude and suppression of displacement of the moving part at the time of large vibration amplitude.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1、1A、2、2A、2B、3、3A、4…発電システム、
10…振動発電機、11…ケース、12…振動子、12a、12b、12c…磁石、
12f、12g、12h…ヨーク、13…コイル、14…コイル固定部材、
14a…コイル支持部、15…弾性部材、
20…整流・平滑回路、
30…コンバータ、31…キャパシタ、32…スイッチング回路、
33…チョッパコイル、34…ダイオード、35A、35B…入力端子、
36A、36B…出力端子、
40…変位計測部、42…絶対値回路、401…電圧計、
402…積分器、403…変位算出部、409…デューティ比測定回路、
50…リファレンス出力部、60、62…比較器、64…差分計測器、
70、72、74、76…コントローラ、80…パルス信号発生回路、
90…蓄電部、92…電力計測部。
1, 1A, 2, 2A, 2B, 3, 3A, 4 ... Power generation system,
10 ... Vibration power generator, 11 ... Case, 12 ... Oscillator, 12a, 12b, 12c ... Magnet,
12f, 12g, 12h ... yoke, 13 ... coil, 14 ... coil fixing member,
14a ... Coil support, 15 ... Elastic member,
20 ... Rectifier / smoothing circuit,
30 ... converter, 31 ... capacitor, 32 ... switching circuit,
33 ... Chopper coil, 34 ... Diode, 35A, 35B ... Input terminal,
36A, 36B ... Output terminal,
40 ... Displacement measuring unit, 42 ... Absolute value circuit, 401 ... Voltmeter,
402 ... Integrator, 403 ... Displacement calculation unit, 409 ... Duty ratio measurement circuit,
50 ... Reference output unit, 60, 62 ... Comparator, 64 ... Difference measuring instrument,
70, 72, 74, 76 ... controller, 80 ... pulse signal generation circuit,
90 ... power storage unit, 92 ... power measurement unit.
Claims (12)
前記可動部の変位を計測する変位計測部と、
前記発電機に接続され、前記単相交流の電力を直流の電力に変換する整流回路と前記直流の電力を変圧するコンバータとを備える電気回路と、
を備え、
前記コンバータは、前記電気回路の入力インピーダンスを所定の値に設定するために、前記計測された変位に基づいてデューティ比が制御されるスイッチング回路を含み、
前記変位計測部は、前記発電機の出力電圧の積分値と、前記デューティ比と、に基づいて、前記可動部の変位を計測する、発電システム。 A generator that includes a moving part and converts the mechanical energy of the moving part into single-phase AC power.
A displacement measuring unit that measures the displacement of the movable unit, and a displacement measuring unit.
An electric circuit connected to the generator and provided with a rectifying circuit that converts the single-phase alternating current power into direct current power and a converter that transforms the direct current power.
Equipped with
The converter comprises a switching circuit in which the duty ratio is controlled based on the measured displacement in order to set the input impedance of the electric circuit to a predetermined value.
The displacement measuring unit is a power generation system that measures the displacement of the movable portion based on the integrated value of the output voltage of the generator and the duty ratio .
前記デューティ比は、前記計測された変位が前記基準変位未満であるときは第1の値に設定され、前記計測された変位が前記基準変位以上になったことに応答して前記第1の値より大きい第2の値に設定される、請求項1に記載の発電システム。 Further equipped with a comparator for comparing the measured displacement with the reference displacement,
The duty ratio is set to a first value when the measured displacement is less than the reference displacement, and the first value in response to the measured displacement being greater than or equal to the reference displacement. The power generation system according to claim 1, wherein the power generation system is set to a larger second value.
前記算出された絶対値と基準変位とを比較する比較器と、
をさらに備え、
前記デューティ比は、前記算出された絶対値が前記基準変位未満であるときは第1の値に設定され、前記算出された絶対値が前記基準変位以上であるときは前記第1の値より大きい第2の値に設定される、請求項1に記載の発電システム。 An absolute value circuit that calculates the absolute value of the measured displacement,
A comparator that compares the calculated absolute value with the reference displacement,
Further prepare
The duty ratio is set to a first value when the calculated absolute value is less than the reference displacement, and is larger than the first value when the calculated absolute value is greater than or equal to the reference displacement. The power generation system according to claim 1, which is set to a second value.
前記算出された絶対値と第1の基準変位及び前記第1の基準変位より大きい第2の基準変位とを比較する比較器と、
をさらに備え、
前記デューティ比は、前記算出された絶対値が前記第2の基準変位以上になったことに応答して第2の値に設定され、前記算出された絶対値が前記第1の基準変位未満になったことに応答して前記第2の値より小さい第1の値に設定される、請求項1に記載の発電システム。 An absolute value circuit that calculates the absolute value of the measured displacement,
A comparator that compares the calculated absolute value with the first reference displacement and the second reference displacement larger than the first reference displacement.
Further prepare
The duty ratio is set to a second value in response to the calculated absolute value becoming greater than or equal to the second reference displacement, and the calculated absolute value is less than the first reference displacement. The power generation system according to claim 1, wherein the power generation system is set to a first value smaller than the second value in response to the above-mentioned second value.
前記算出された絶対値と基準変位との差分を計測する差分計測器と、
をさらに備え、
前記デューティ比は、前記差分がなくなるようにP、PI又はPID制御で調整される、請求項1に記載の発電システム。 An absolute value circuit that calculates the absolute value of the measured displacement,
A difference measuring instrument that measures the difference between the calculated absolute value and the reference displacement,
Further prepare
The power generation system according to claim 1, wherein the duty ratio is adjusted by P, PI or PID control so that the difference disappears.
前記デューティ比は、前記算出された絶対値が前記基準変位未満であるときは、前記計測された電力に基づいて制御され、前記算出された絶対値が前記基準変位以上であるときは、前記差分がなくなるように調整される、請求項6に記載の発電システム。 Further equipped with a power measuring unit for measuring the power of the single-phase AC,
The duty ratio is controlled based on the measured power when the calculated absolute value is less than the reference displacement, and the difference when the calculated absolute value is greater than or equal to the reference displacement. The power generation system according to claim 6, wherein the power generation system is adjusted so as to eliminate.
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