JP7481745B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の単相インバータを並列運転する電源装置に関する。

複数の単相インバータを並列運転する電源装置は、各インバータが同一動作を行い、各インバータのＵ相及びＶ相出力線を通じてそれぞれ同一出力を負荷側に供給する構成となっている。このような電源装置としては、例えば特許文献１等に開示のものが知られている。

特開２０１８－６１３００号公報

インバータを有する電源装置は、インバータを構成する半導体スイッチのスイッチング動作等に起因する高周波ノイズが出力電流に重畳し得るため、出力電流に重畳する高周波ノイズを低減することが望まれる。このような高周波ノイズの低減には、インバータの出力線の周囲にフェライトコアやカットコアと呼ばれる環状磁性コアを配置することが有効である。

加えて、複数のインバータを並列運転する電源装置においては、各インバータの同一動作による同一出力を負荷側に供給するものであるが、各インバータの個体差等に起因するインバータ間の出力電流のアンバランスが生じ得る。このような出力電流のアンバランスの低減対策において、本発明者は、上記環状磁性コアを用いて高周波ノイズの低減と合わせて効率的に行えないか検討していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、単相インバータを並列運転する電源装置において、出力電流に重畳する高周波ノイズの低減と、インバータ間における出力電流のアンバランスの低減とを効率的に行うことを可能とした電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する電源装置は、複数の単相インバータを並列運転する電源装置であって、前記複数の単相インバータのうち、少なくとも一対の第１及び第２インバータにおいて、前記第１インバータの第１Ｕ相出力線と前記第２インバータの第２Ｖ相出力線との組、及び前記第２インバータの第２Ｕ相出力線と前記第１インバータの第１Ｖ相出力線との組の少なくとも１組が共通の環状磁性コアに挿通されて構成された。

上記態様によれば、第１及び第２インバータの第１Ｕ相出力線と第２Ｕ相出力線とに対して逆側のインバータの第２Ｖ相出力線と第１Ｖ相出力線とを組とし、その少なくとも１組が共通の環状磁性コアに挿通される。環状磁性コアは、各出力線を流れる出力電流に重畳する高周波ノイズを低減するのみならず、異なる相の出力電流間の電流差を小さくするように機能してインバータ間における出力電流のアンバランスの低減も図れ、効率的である。

上記電源装置において、前記一対の第１及び第２インバータにおける前記第１インバータの第１Ｕ相出力線と前記第２インバータの第２Ｖ相出力線との組、及び前記第２インバータの第２Ｕ相出力線と前記第１インバータの第１Ｖ相出力線との組のいずれについても組毎に共通の環状磁性コアにそれぞれ挿通されて構成されることが好ましい。

上記態様によれば、第１及び第２インバータの第１Ｕ相出力線と第２Ｕ相出力線とに対して逆側のインバータの第２Ｖ相出力線と第１Ｖ相出力線とを組とし、その組毎が共通の環状磁性コアにそれぞれ挿通される。一対のインバータの全部の出力線が環状磁性コアの設置の対象となるため、出力電流に重畳する高周波ノイズの低減と、インバータ間における出力電流のアンバランスの低減とをより効率的に行うことが可能である。

上記電源装置において、被照射物に対して電子線を照射する電子線照射装置の電源装置として用いられることが好ましい。
上記態様によれば、出力電流に重畳する高周波ノイズの低減と、インバータ間における出力電流のアンバランスの低減とを効率的に行える電子線照射装置の電源装置として提供することが可能である。

本発明の単相インバータを並列運転する電源装置によれば、出力電流に重畳する高周波ノイズの低減と、インバータ間における出力電流のアンバランスの低減とを効率的に行うことができる。

一実施形態の電源装置（高周波電源）を備える電子線照射装置の構成図。 一実施形態の電源装置（高周波電源）の構成図。

以下、電子線照射装置のビーム像取得用材、及び電子線照射装置のビーム像取得方法の一実施形態について説明する。
図１に示す本実施形態の電子線照射装置１０は、走査型の電子線照射装置である。電子線照射装置１０は、熱電子放出を行う例えばタングステン製のフィラメント１１を備えている。フィラメント１１は、フィラメント電源１２からの電源供給に基づく自身の加熱により電子を放出する。フィラメント１１は、加速管１３の上端側に設けられている。

加速管１３は、フィラメント１１が配置される上端側が閉塞された筒状をなしている。加速管１３は、自身の管軸方向に並設される複数の加速電極１４を有している。加速電極１４は、加速用電源１５からの電源供給に基づき、フィラメント１１から放出された電子を収束させつつ下方に向けて加速させるような電界を生じさせる。つまり、加速管１３では、加速電極１４にて生じる電界にて、管軸方向の下方に向く電子流、すなわち電子線（電子ビーム）ｅが生じるようになっている。加速管１３は、下端部に走査管１６が接続されている。加速管１３と走査管１６とは互いに内部空間１７が連通し、その内部空間１７において電子線ｅが加速管１３から走査管１６側に進む。

走査管１６は、上端側が幅狭で、下方に向かうほど拡開する形状をなしている。走査管１６は、その幅狭の上端部に走査コイル１８が設けられている。走査コイル１８は、自身への通電に基づき、加速管１３にて生成された電子線ｅの向きを偏向、すなわち電子線ｅの走査を行う。走査管１６の下端部には例えば略長方形状の開口窓部１９が設けられており、開口窓部１９には略長方形状の窓箔２０が取り付けられている。窓箔２０は、電子線ｅを透過させつつも、開口窓部１９を密閉させるものである。つまり、加速管１３と走査管１６とに跨がる内部空間１７は、密閉空間にて構成されている。内部空間１７は、例えば走査管１６に接続された真空ポンプ２１の駆動にて、少なくとも電子線ｅを生じさせる期間は真空状態とされる。

上記したフィラメント電源１２、加速用電源１５、走査コイル１８及び真空ポンプ２１は、制御装置２２にて制御される。制御装置２２は、各電源１２，１５を通じて電子線ｅの出力調整を行ったり、走査コイル１８を通じて電子線ｅの走査制御を行ったり、真空ポンプ２１を通じて加速管１３及び走査管１６の内部空間１７の真空調整を行ったりする。

そして、開口窓部１９に装着の窓箔２０を介して出射される電子線ｅは、例えば搬送装置２３により搬送方向ｘに搬送される被照射物２４に対して照射され、被照射物２４に所定処理を行う。なおこの場合、電子線照射装置１０は、略長方形状の開口窓部１９の長手方向が搬送装置２３の搬送直交方向ｙに向く配置であり、搬送方向ｘ及び搬送直交方向ｙを含めた電子線ｅの所定走査が行われて、開口窓部１９に対応した略長方形状の照射エリアＡの照射が行われる。電子線ｅの被照射物２４への照射効果としては、例えば素材の性質改善や機能付加、殺菌・滅菌等が期待できる。

次に、加速用電源１５の詳細構成について説明する。
本実施形態の加速用電源１５は、図示略とするが、交流電圧の入力に基づくチャージポンプ動作にて直流高電圧を生成する周知のコッククロフト・ワルトン型回路（ＣＷ回路）を用いている。そのため、本実施形態の加速用電源１５は、ＣＷ回路の入力に必要な交流電圧を生成するための高周波電源１５ａを備えている。なお、高周波電源１５ａ及びＣＷ回路にて生成した直流高電圧は、加速管１３内に電子加速用の電界を生じさせるべく、加速管１３の管軸方向に並ぶ各加速電極１４に対して分圧印加されている。

図２に示すように、高周波電源１５ａは、本実施形態では２つの単相インバータ、すなわち第１インバータ３１と第２インバータ３２とを備え、これら第１及び第２インバータ３１，３２を並列運転させる構成としている。

第１インバータ３１は、４個の半導体スイッチＳ１を用いたＨブリッジ回路３１ａにて構成され、Ｕ相ブリッジを構成する一対の半導体スイッチＳ１間に第１Ｕ相出力線Ｕ１を有すると共に、Ｖ相ブリッジを構成する一対の半導体スイッチＳ１間に第１Ｖ相出力線Ｖ１を有している。また、第２インバータ３２も同様に、４個の半導体スイッチＳ２を用いたＨブリッジ回路３２ａにて構成され、Ｕ相ブリッジを構成する一対の半導体スイッチＳ２間に第２Ｕ相出力線Ｕ２を有すると共に、Ｖ相ブリッジを構成する一対の半導体スイッチＳ２間に第２Ｖ相出力線Ｖ２を有している。そして、第１インバータ３１の第１Ｕ相出力線Ｕ１と第２インバータ３２の第２Ｕ相出力線Ｕ２とが共に負荷（本実施形態ではＣＷ回路）３３のＵ相入力端子Ｔｕに接続されると共に、第１インバータ３１の第１Ｖ相出力線Ｖ１と第２インバータ３２の第２Ｖ相出力線Ｖ２とが共に負荷３３のＶ相入力端子Ｔｖに接続される構成である。

高周波電源１５ａとして負荷３３であるＣＷ回路に交流電圧を供給する際には、高周波電源１５ａは、第１及び第２インバータ３１，３２を並列運転、すなわちＨブリッジ回路３１ａ，３２ａを同一スイッチング動作させて、各インバータ３１，３２のそれぞれから同一出力として同一の交流電圧を負荷３３に対して供給するようになっている。

ところで、第１及び第２インバータ３１，３２を有する高周波電源１５ａは、各インバータ３１，３２を構成する半導体スイッチＳ１，Ｓ２のスイッチング動作等に起因する高周波ノイズが出力電流に重畳し得る。加えて、第１及び第２インバータ３１，３２の２つを並列運転する本実施形態のような電源装置１５ａは、各インバータ３１，３２の個体差等に起因するインバータ３１，３２間の出力電流のアンバランスが生じ得る。このような２つの事象に対して本実施形態では２つの環状磁性コア３４，３５を用い、出力電流に重畳する高周波ノイズとインバータ３１，３２間の出力電流のアンバランスとが共に効率的に低減できるものとなっている。環状磁性コア３４，３５としては、例えばフェライト等の磁性材料にて環状に作製された一般的な構成のものが用いられている。なお、環状磁性コア３４，３５の形状である「環状」とは、本実施形態では完全な環状形状及び一部分断する環状態様のものも含む。

一方、本実施形態では、環状磁性コア３４，３５の設置態様に工夫がある。具体的に、環状磁性コア３４には、第１インバータ３１の第１Ｕ相出力線Ｕ１と第２インバータ３２の第２Ｖ相出力線Ｖ２とが共に挿通されている。また、環状磁性コア３５には、第２インバータ３２の第２Ｕ相出力線Ｕ２と第１インバータ３１の第１Ｖ相出力線Ｖ１とが共に挿通されている。

ここで、図示略とするが、２つの環状磁性コアを用いる場合の一般的な設置態様（第１比較例とする）としては、第１及び第２インバータ３１，３２毎に環状磁性コアを独立して設置、すなわち一方の環状磁性コアに第１Ｕ相及びＶ相出力線Ｕ１，Ｖ１を挿通し、他方の環状磁性コアに第２Ｕ相及びＶ相出力線Ｕ２，Ｖ２を挿通するものである。この第１比較例では、第１Ｕ相及びＶ相出力線Ｕ１，Ｖ１と第２Ｕ相及びＶ相出力線Ｕ２，Ｖ２とのそれぞれに流れる出力電流に重畳する高周波ノイズは各環状磁性コアにより低減される。

しかしながら、第１比較例では、インバータ３１，３２毎に環状磁性コアが独立して設置されることから、当然ながら各インバータ３１，３２の出力電流の大きさに差が生じてもその電流差を低減するように機能せず、インバータ３１，３２間の出力電流のアンバランスは低減できない。そのため、例えば第１インバータ３１の出力電流が第２インバータ３２の出力電流より大きい場合、第１Ｕ相出力線Ｕ１から第２Ｕ相出力線Ｕ２等への同相間の電流の流れ込みが生じ、第２インバータ３２の出力電流が一層低下してしまうことになる。その結果、第１及び第２インバータ３１，３２の合計の出力電流が小さくなって高周波電源１５ａの所望出力からの乖離が大きくなるため、それを見越して各インバータ３１，３２の出力容量に余裕を持たせることが行われ、出力容量の大きいインバータ装置を使用せざるを得ない等の懸念がある。

また、同じく図示略の第２比較例として、全部の出力線Ｕ１，Ｖ１，Ｕ２，Ｖ２を１つの環状磁性コアに挿通させる態様もある。この態様においても、各出力線Ｕ１，Ｖ１，Ｕ２，Ｖ２に流れる出力電流に重畳する高周波ノイズは、１つの環状磁性コアにより低減させることは可能である。しかしながら、第２比較例においても、各インバータ３１，３２の出力電流の大きさに差があったとしても、１つの環状磁性コアを挿通する出力線Ｕ１，Ｖ１，Ｕ２，Ｖ２をそれぞれ流れる出力電流の異なる相毎の合計の電流差は生じない。そのため、環状磁性コアがインバータ３１，３２の出力電流の電流差を低減するように機能せず、インバータ３１，３２間の出力電流のアンバランスは低減できない。その結果、第２比較例においても、上記第１比較例と同様な懸念があった。

これに対し、本実施形態では、第１及び第２Ｕ相出力線Ｕ１，Ｕ２に対して第１及び第２Ｖ相出力線Ｖ１，Ｖ２を交差させて逆側の環状磁性コア３４，３５にそれぞれ挿通する態様としている。本実施形態においても、第１Ｕ相出力線Ｕ１と第２Ｖ相出力線Ｖ２とのそれぞれに流れる出力電流に重畳する高周波ノイズは環状磁性コア３４により低減され、第２Ｕ相出力線Ｕ２と第１Ｖ相出力線Ｖ１とのそれぞれに流れる出力電流に重畳する高周波ノイズは環状磁性コア３５により低減される。

加えて、本実施形態においては、各インバータ３１，３２の出力電流の大きさに差があった場合、環状磁性コア３４を共に挿通する第１Ｕ相出力線Ｕ１と第２Ｖ相出力線Ｖ２とに流れる出力電流に電流差があると、異なる相すなわち電流の向きが異なる電流同士は互いに電流差が小さくなるように環状磁性コア３４が機能する。環状磁性コア３５についても同様に、第２Ｕ相出力線Ｕ２と第１Ｖ相出力線Ｖ１とに流れる出力電流の電流差が小さくなるように環状磁性コア３５が機能する。そのため、例えば第１インバータ３１の出力電流が第２インバータ３２の出力電流より大きい場合であっても、各環状磁性コア３４，３５により各出力電流の電流差が小さくなるように動作するため、第１Ｕ相出力線Ｕ１から第２Ｕ相出力線Ｕ２等への同相間の電流の流れ込みを抑制でき、上記第１及び第２比較例よりも第１及び第２インバータ３１，３２の合計の出力電流を大きくすることが可能である。その結果、高周波電源１５ａの所望出力からの乖離を小さくでき、各インバータ３１，３２に出力容量の小さいインバータ装置の選定が可能となる等の効果が期待できるものとなっている。

本実施形態の効果について説明する。
（１）本実施形態では、第１及び第２インバータ３１，３２の第１Ｕ相出力線Ｕ１と第２Ｕ相出力線Ｕ２とに対して逆側のインバータ３１，３２の第２Ｖ相出力線Ｖ２と第１Ｖ相出力線Ｖ１とを組とし、その組毎が共通の環状磁性コア３４，３５にそれぞれ挿通される。環状磁性コア３４，３５は、各出力線Ｕ１，Ｖ１，Ｕ２，Ｖ２を流れる出力電流に重畳する高周波ノイズを低減するのみならず、異なる相の出力電流間の電流差を小さくするように機能してインバータ３１，３２間における出力電流のアンバランスの低減も図れ、効率的な設置態様である。

（２）本実施形態では、一対のインバータ３１，３２の全部の出力線Ｕ１，Ｖ１，Ｕ２，Ｖ２が環状磁性コア３４，３５の設置の対象であるため、出力電流に重畳する高周波ノイズの低減と、インバータ３１，３２間における出力電流のアンバランスの低減とをより効率的に行うことができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第１及び第２インバータ３１，３２の第１Ｕ相出力線Ｕ１と第２Ｕ相出力線Ｕ２とに対して逆側のインバータ３１，３２の第２Ｖ相出力線Ｖ２と第１Ｖ相出力線Ｖ１とを組とし、その片方の組に環状磁性コアを設置してもよい。このようにしても、出力電流に重畳する高周波ノイズの低減と、インバータ３１，３２間における出力電流のアンバランスの低減とが十分に図れる。また、２つのインバータ３１，３２に対して環状磁性コアが１つで済む。

・一対（２つ）のインバータ３１，３２を有する高周波電源１５ａ（電源装置）を対象としたが、インバータ装置の用いる数はこれに限らず、３つ以上用いる構成のものであってもよい。この場合、環状磁性コアの設置対象は、一対（２つ）のインバータである。

・その他、高周波電源１５ａや高周波電源１５ａを含む加速用電源１５の構成を適宜変更してもよい。
・電子線ｅの進行方向を下方向の設定としていたが、上方向や水平方向、斜め方向であってもよい。

・単一のフィラメント１１から放出された電子から電子線ｅを形成し走査コイル１８にて走査して照射エリアＡの照射を行う走査型の電子線照射装置１０に適用したが、照射エリアに対応して複数のフィラメントを用い走査コイルを省略した態様のエリア型の電子線照射装置に適用してもよい。

・電子線照射装置１０の電源装置に適用したが、複数の単相インバータを並列運転するその他の電源装置に適用してもよい。

１０…電子線照射装置
１５ａ…高周波電源（電源装置）
２４…被照射物
３１…第１インバータ（単相インバータ）
３２…第２インバータ（単相インバータ）
３４…環状磁性コア
３５…環状磁性コア
Ｕ１…第１Ｕ相出力線
Ｕ２…第２Ｕ相出力線
Ｖ１…第１Ｖ相出力線
Ｖ２…第２Ｖ相出力線
ｅ…電子線

Claims (3)

1. 複数の単相インバータを並列運転し、前記単相インバータの出力線には環状磁性コアが設置されている電源装置であって、
   前記環状磁性コアの設置対象は、二つの異なる前記単相インバータに接続される前記出力線の組のみであり、
   前記複数の単相インバータのうち、少なくとも一対の第１及び第２インバータにおいて、前記第１インバータの第１Ｕ相出力線と前記第２インバータの第２Ｖ相出力線との組、及び前記第２インバータの第２Ｕ相出力線と前記第１インバータの第１Ｖ相出力線との組の少なくとも１組が共通の前記環状磁性コアに挿通されて構成された、電源装置。
2. 前記一対の第１及び第２インバータにおける前記第１インバータの第１Ｕ相出力線と前記第２インバータの第２Ｖ相出力線との組、及び前記第２インバータの第２Ｕ相出力線と前記第１インバータの第１Ｖ相出力線との組のいずれについても組毎に共通の前記環状磁性コアにそれぞれ挿通されて構成された、請求項１に記載の電源装置。
3. 被照射物に対して電子線を照射する電子線照射装置の電源装置として用いられた、請求項１又は請求項２に記載の電源装置。