JPWO2017033437A1 - 定電流供給装置、定電流供給システムおよび定電流供給方法 - Google Patents

Abstract

駆動素子の電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定が高速に実行される場合であっても、定電流給電方式を維持しつつ、駆動素子へ必要な電源を供給するために、定電流供給装置１０は、供給された定電流から定電圧を取り出す定電圧取得手段２０、取り出された定電圧を所望の大きさの駆動電流に変換して出力する変換手段３０、駆動電流が入力される、互いに並列接続されたｎ組の駆動素子４１−４ｎ、電流制御素子５１−５ｎ、および、駆動素子４ｋの制御内容に応じて電流制御素子５ｋに流れる駆動電流の大きさを制御する制御手段６０を備える。

Description

本発明は、定電流供給装置、定電流供給システムおよび定電流供給方法に関し、特に、電源として定電流を供給する定電流供給装置、定電流供給システムおよび定電流供給方法に関する。

昨今、海底ケーブルシステムを構成する海底機器に目的や用途に応じた様々なセンサーを搭載することにより、海底ケーブルシステムを地震や資源などの観測システムとして応用することが試みられている。観測システムとして機能する海底ケーブルシステムにおいては、海底で生じた振動、水圧変化、磁気変化等の物理現象を、海底中継器等の海底に配置された機器に組み込まれたセンサーによって計測する。観測システムとして機能する海底ケーブルシステムは、例えば、特許文献１、２に開示されている。

ここで、海底ケーブルシステムは、陸地に敷設された端局装置と海底に敷設された海底機器とを含め、距離の総長が１０００ｋｍ以上になる場合が多々ある。総長が１０００ｋｍ以上になる場合、陸上の給電装置から海中の海底機器に対して定電圧を送電することは困難である。そこで、特許文献１の海底ケーブルシステムにおいては、定電流給電方式が採用されている。ここで、定電流給電方式は、電力ケーブルを介して陸上の給電装置から海中の海底機器へ、電源として定電流を供給する方式である。

特許文献１に開示されている海底機器のブロック構成図を図５に示す。図５において、特許文献１の海底機器９００は、スイッチング回路９１０、トランス９２０、整流回路９３０、ツェナーダイオード９４０、ヒートシンク９５０および観測機器回路９６０を備える。

スイッチング回路９１０は、陸上の給電装置から供給される定電流をスイッチングして矩形波電圧を生成する。トランス９２０は、スイッチング回路９１０によりスイッチングされた矩形波電圧を所望の電圧に変換して整流回路９３０へ印加する。整流回路９３０は、印加された所望の大きさの矩形波電圧を直流電圧に整流変換し、観測機器回路９６０へ定電流を供給する。観測機器回路９６０は、陸上からの遠隔制御によって電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定が施され、整流回路９３０から供給される定電流によって駆動される。

一方、ツェナーダイオード９４０は、観測機器回路９６０と並列に配置され、観測機器回路９６０における消費電力の変動分を吸収し、吸収した電力を熱としてヒートシンク９５０を介して海水へ逃がす。

観測機器回路９６０の消費電力の変動分がツェナーダイオード９４０によって吸収されることから、観測機器回路９６０の消費電力とツェナーダイオード９４０の消費電力の和は常に一定となる。観測機器回路９６０の消費電力とツェナーダイオード９４０の消費電力の和が整流回路９３０の出力電流と等しくなることから、整流回路９３０の出力電流は一定値となる。従って、特許文献１の海底機器９００は、定電流で作動する。

特開平１１−１５０４９２号公報 特開２０１０−２３９５６３号公報

しかしながら、観測機器回路９６０において消費電力が急激に変動する場合、ツェナーダイオード９４０による吸収をそれに追随させることは困難である。すなわち、陸上から遠隔制御する場合にツェナーダイオード９４０における消費電力の吸収速度を考慮する必要があり、観測機器回路９６０の電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定を速やかに行うことが困難である。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、駆動素子の電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定が高速に実行される場合であっても、定電流給電方式を維持しつつ、駆動素子へ必要な電源を供給できる定電流供給装置、定電流供給システムおよび定電流供給方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る定電流供給装置は、供給された定電流から定電圧を取り出す定電圧取得手段と、前記取り出された定電圧を所望の大きさの駆動電流に変換して出力する変換手段と、前記駆動電流が入力される、互いに並列接続された駆動素子および電流制御素子と、前記駆動素子の制御内容に応じて、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流の大きさを制御する制御手段と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る定電流供給システムは、陸上に配置され、定電流を供給する給電装置と、海底に配置され、海底ケーブルを介して前記定電流が供給される上記の定電流供給装置と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る定電流給電方法は、電流制御素子を用いた定電流給電方法であって、前記電流制御素子は、定電流が供給されることによって動作する駆動素子と並列接続されており、供給された定電流から定電圧を取り出し、前記取り出された定電圧を所望の大きさの駆動電流に変換して出力し、前記出力された駆動電流を前記駆動素子および前記電流制御素子へ供給し、前記駆動素子の制御内容に応じて、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流の大きさを制御する。

上述した本発明の態様によれば、駆動素子の電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定が高速に実行される場合であっても、定電流給電方式を維持しつつ、駆動素子へ必要な電源を供給できる。

第１の実施形態に係る定電流供給装置１０のブロック構成図である。 第２の実施形態に係る海底ケーブルシステム１００のシステム構成図である。 第２の実施形態に係る海底機器３００の回路構成図である。 第２の実施形態に係る別の海底機器３００Ｂの回路構成図である。 特許文献１の海底機器９００のブロック構成図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る定電流供給装置のブロック構成図を図１に示す。図１において、定電流供給装置１０は、定電圧取得手段２０、変換手段３０、ｎ組の駆動素子４１−４ｎおよび電流制御素子５１−５ｎ、制御手段６０を備える。

定電圧取得手段２０は、図１には図示されない定電流供給装置から定電流が供給され、供給された定電流から定電圧を取り出す。

変換手段３０は、定電圧取得手段２０において取り出された定電圧を所望の大きさの駆動電流に変換して出力する。変換手段３０から出力された駆動電流は、ｎ組の駆動素子４１−４ｎおよび電流制御素子５１−５ｎへそれぞれ供給される。

駆動素子４１−４ｎはそれぞれ、変換手段３０から供給された駆動電流によって駆動され、制御手段６０からの指示に基づいて動作する。駆動素子４１−４ｎとして、例えば、海底における周囲環境に関するデータ等を計測する加速度計や水圧計等を適用することができる。

電流制御素子５１−５ｎはそれぞれ、対応する駆動素子４１−４ｎに並列に接続されている。電子負荷３５１−３５ｎとして、例えば、可変抵抗を適用することができる。

制御手段６０は、駆動素子４１−４ｎに所定の動作を実行させると共に、駆動素子４１−４ｎの動作内容に応じて、対応する電流制御素子５１−５ｎに流れる駆動電流の大きさを制御する。制御手段６０によって電流制御素子５１−５ｎを流れる駆動電流の大きさが制御されることにより、対応する駆動素子４１−４ｎへ動作に必要な駆動電流が供給される。

ここで、制御手段６０における電流制御素子５１−５ｎへ流す駆動電流の大きさおよび制御速度や、電流制御素子５１−５ｎの制御順等は、制御プログラムとして予め記憶しておくことができる。この場合、制御手段６０は、駆動素子４１−４ｎの動作内容に応じた制御プログラムを抽出して実行することで、電流制御素子５１−５ｎに流れる駆動電流を駆動素子４１−４ｎの動作内容に応じて適切に制御することができる。

上記のように、本実施形態において、制御手段６０は、駆動素子４１−４ｎの動作内容に応じて、対応する電流制御素子５１−５ｎに流れる駆動電流の大きさを積極的に制御する。この場合、駆動素子４１−４ｎに流れる駆動電流の変動をツェナーダイオード等によって能動的に吸収させる場合と比較して、駆動素子４１−４ｎの動作内容に応じた最適な電流を電流制御素子５１−５ｎに高速に設定することができ、駆動素子４１−４ｎを速やかに動作させることができる。従って、本実施形態に係る定電流供給装置１０は、駆動素子４１−４ｎの電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定が高速に実行される場合であっても、定電流給電方式を維持しつつ、必要な駆動電流を駆動素子４１−４ｎへ供給することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る海底ケーブルシステムのシステム構成図を図２に示す。図２において、海底ケーブルシステム１００は、給電装置を含む端局装置２００、海底機器３００、両者を接続する海底ケーブル４００を含む。海底ケーブルシステム１００は、陸地に敷設された端局装置２００と海底に敷設された海底機器３００を含めた距離の総長が１０００ｋｍ以上になるシステムである。陸地に敷設された給電装置から海中の海底機器３００へ定電圧を印加することは困難なことから、海底ケーブルシステム１００においては、定電流給電方式が採用される。すなわち、陸地に敷設された給電装置から海底ケーブル４００を通じて定電流（以下、システム電流と記載する。）を海底に敷設された海底機器３００へ供給する。

本実施形態に係る海底機器３００の回路構成図を図３に示す。図３の海底機器３００は、ｍ個のツェナーダイオード３１１−３１ｍ、トランス３２０、ＤＣ（Direct Current）／ＤＣコンバーター３３０、ｎ個のセンサー３４１−３４ｎ、ｎ個の電子負荷３５１−３５ｎおよび制御回路３６０によって構成される。なお、ツェナーダイオード、センサーおよび電子負荷を個別に識別する必要がない場合は、単に、ツェナーダイオード３１０、センサー３４０および電子負荷３５０と記載する。

ｍ個のツェナーダイオード３１１−３１ｍは直列に接続され、ツェナーダイオード３１１のカソードにプラス電極が、ツェナーダイオード３１ｍのアノードにマイナス電極が接続される。そして、ｍ個のツェナーダイオード３１１−３１ｍに給電装置から供給された定電流が流れることにより、ツェナーダイオード３１１のカソードとツェナーダイオード３１ｍのアノードとの間に電圧が生成される。ツェナーダイオード３１１のカソードとツェナーダイオード３１ｍのアノードとの間で電圧が生成されることにより、ツェナー効果による降伏電圧を利用した定電圧が得られる。ここで、直列に接続された複数のツェナーダイオード３１０によって得られる定電圧と上述のシステム電流値との乗算結果が海底機器３００への供給電力となる。システム電流値は一定であることから、海底機器３００内部の消費電力に応じた数（本実施形態ではｍ個）のツェナーダイオード３１０を直列に接続する。

トランス３２０は、ｍ個のツェナーダイオード３１１−３１ｍによって構成された電圧領域における電圧を変換し、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３０によって構成された電圧領域へ供給する。ここで、ｍ個のツェナーダイオード３１１−３１ｍによって構成された電圧領域を１次側、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３０によって構成された電圧領域を２次側と呼ぶ。具体的には、トランス３２０の１次コイルにおいて、ｍ個のツェナーダイオード３１１−３１ｍに流れているシステム電流によって磁場エネルギーが生成され、該生成された磁場エネルギーがトランス３２０の２次コイルに伝達されることにより、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３０側にセンサー駆動用の電流が流れる。ここで、トランス３２０は、高電圧の定電流が流れている１次側の電圧領域と、センサー３４１−３４ｎへ所定の大きさの電源を供給する２次側の電圧領域とを、絶縁・分離する機能も有する。

ＤＣ／ＤＣコンバーター３３０は、トランス３２０において２次側に供給された電磁エネルギーを海底機器３００の内部構成要素に必要となる各電圧へ変換し、変換した電圧を海底機器３００の内部構成要素に印加する。ここで、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバーター３３０は、センサー３４１−３４ｎを駆動するための電源として、ｎ組のセンサー３４０および電子負荷３５０へ供給電流Ａ_０をそれぞれ供給する。

ｎ個のセンサー３４０はそれぞれ、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３０から供給された電源によって駆動され、制御回路３６０からの指示に基づいて周囲環境に関するデータを計測する。センサー３４０によって海底における周囲環境に関するデータ等を計測することにより、海底機器３００を地震や資源などの観測を行う観測装置として機能させることができる。センサー３４０として、例えば、加速度計や水圧計等を適用することができる。なお、センサー３４０は、目的や用途に応じて様々な計測を行う素子を適用することができる。

電子負荷３５１−３５ｎはそれぞれ、センサー３４１−３４ｎに並列に接続されている。電子負荷３５１−３５ｎはそれぞれ、制御回路３６０によって制御されることにより、並列接続されているセンサー３４１−３４ｎに流れる電流の量を調整する。本実施形態においては、電子負荷３５１−３５ｎとして可変抵抗を適用する。電子負荷３５１−３５ｎの抵抗値が制御回路３６０によって制御されることにより、センサー３４１−３４ｎに所望の大きさの定電流が流れる。

制御回路３６０は、陸地に敷設された端局装置２００から遠隔制御されることによって、海底機器３００の内部構成要素に対して電源およびその他の動作設定を制御する。本実施形態に係る制御回路３６０は、センサー３４１−３４ｎの電源をＯＮ／ＯＦＦする場合やセンサー３４１−３４ｎに各種動作設定を施す場合、電子負荷３５１−３５ｎの抵抗値を予め定められた制御プログラムに基づいて制御する。ここで、制御プログラムは、センサー３４１−３４ｎの動作内容ごとの電子負荷３５１−３５ｎの抵抗値の他、抵抗値の変更速度や制御順等の各種制御情報を含んでいる。

具体的には、制御回路３６０は、センサー３４ｋの電源がＯＦＦである場合、センサー３４ｋへ電流が流れないように、センサー３４ｋに並列接続されている電子負荷３５ｋの抵抗値を制御する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３０から供給されている供給電流Ａ_０は全て電子負荷３５ｋ側へ流れる。

そして、制御回路３６０は、センサー３４ｋの電源をＯＦＦからＯＮに変更する場合、予め定められた電源ＯＮ用の制御プログラムに基づいて電子負荷３５ｋの抵抗値を制御する。例えば、電源ＯＮ時にセンサー３４ｋにおいて供給電流Ａ_１が必要な場合、制御回路３６０は、電源ＯＮ用の制御プログラムに基づいて電子負荷３５ｋの抵抗値を制御することにより、電子負荷３５ｋに流れる電流を電流値Ａ_０から電流値（Ａ_０−Ａ_１）まで小さくする。そして、電子負荷３５ｋに流れる電流が所定の電流値（Ａ_０−Ａ_１）になった時、センサー３４ｋの電源をＯＮする。これにより、センサー３４ｋへ電源ＯＮに必要な供給電流Ａ_１が供給され、センサー３４ｋの電源がＯＮされる。

さらに、制御回路３６０は、センサー３４ｋに各種動作を行わせる場合、予め定められた動作開始用の制御プログラムに基づいて電子負荷３５ｋの抵抗値を制御する。例えば、センサー３４ｋが動作するのに供給電流Ａ_２（＞Ａ_１）が必要である場合、制御回路３６０は、動作開始用の制御プログラムに基づいて電子負荷３５ｋの抵抗値を制御することにより、電子負荷３５ｋに流れる電流を速やかに所定の電流値（Ａ_０−Ａ_２）まで小さくする。そして、電子負荷３５ｋに流れる電流が所定の電流値（Ａ_０−Ａ_２）になった時、センサー３４ｋにおける動作を開始させる。電子負荷３５ｋに流れる電流が電流値（Ａ_０−Ａ_２）になることで、センサー３４ｋに動作に必要な供給電流Ａ_２が供給され、センサー３４ｋが動作開始する。

一方、制御回路３６０は、センサー３４ｋにおける動作を停止させる場合、予め定められた動作停止用の制御プログラムに基づいて電子負荷３５ｋの抵抗値を制御し、電子負荷３５ｋへ流れる電流を電流値（Ａ_０−Ａ_１）へ大きくする。そして、制御回路３６０は、電子負荷３５ｋに流れる電流が電流値（Ａ_０−Ａ_１）になった時、センサー３４ｋの動作を停止する。さらに、制御回路３６０は、センサー３４ｋの電源をＯＮからＯＦＦに変更する場合、予め定められた電源ＯＦＦ用の制御プログラムに基づいて電子負荷３５ｋの抵抗値を制御することにより、供給電流Ａ_０が全て電子負荷３５ｋ側へ流れるようにする。そして、制御回路３６０は、電子負荷３５ｋに流れる電流が電流値Ａ_０になった時、センサー３４ｋの電源をＯＦＦする。

上記のように、本実施形態に係る制御回路３６０は、センサー３４ｋに対する制御内容ごとに予め定められた制御プログラムに基づいて、センサー３４ｋに並列接続された電子負荷３５ｋの抵抗値を積極的に制御し、電子負荷３５ｋへ流す電流値を速やかに所定の電流値に変更する。これにより、センサー３４ｋに流れる電流値の変動をツェナーダイオード等によって能動的に吸収する場合と比較して、センサー３４ｋの動作内容に応じた最適な電流を電子負荷３５ｋに高速に設定することができ、センサー３４ｋを速やかに動作させることができる。従って、本実施形態に係る海底機器３００は、センサー３４１−３４ｎの電源のＯＮ／ＯＦＦ制御や各種動作設定が高速に実行される場合であっても、定電流給電方式を維持しつつ、必要な駆動電流をセンサー３４１−３４ｎへ供給することができる。

なお、上述の制御プログラムは、予め海底機器３００に保持させておくことができる、この場合の海底機器のブロック構成図を図４に示す。図４の海底機器３００Ｂにおいて、メモリ３７０には、センサー３４１−３４ｎの動作内容ごとに、電子負荷３５１−３５ｎの抵抗値を制御するための制御プログラムが記憶されている。そして、制御回路３６０Ｂは、端局装置２００から指示された制御内容に対応する制御プログラムをメモリ３７０から読み出し、読み出した制御プログラムに基づいて電子負荷３５１−３５ｎの抵抗値を制御する。

なお、上述の制御プログラムは、外部の記憶装置に記憶しておくこともできる。この場合、端局装置２００において必要な制御プログラムを外部の記憶装置から読み出し、読み出した制御プログラムに基づいて制御回路３６０を遠隔制御する。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

この出願は、２０１５年８月２４日に出願された日本出願特願２０１５−１６４９３８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０ 定電流供給装置
２０ 定電圧取得手段
３０ 変換手段
４１−４ｎ 駆動素子
５１−５ｎ 電流制御素子
６０ 制御手段
１００ 海底ケーブルシステム
２００ 端局装置
３００、３００Ｂ 海底機器
３１１−３１ｍ ツェナーダイオード
３２０ トランス
３３０ ＤＣ／ＤＣコンバーター
３４１−３４ｎ センサー
３５１−３５ｎ 電子負荷
３６０、３６０Ｂ 制御回路
３７０ メモリ
４００ 海底ケーブル
９００ 海底機器
９１０ スイッチング回路
９２０ トランス
９３０ 整流回路
９４０ ツェナーダイオード
９５０ ヒートシンク
９６０ 観測機器回路

Claims (10)

1. 供給された定電流から定電圧を取り出す定電圧取得手段と、
   前記取り出された定電圧を所望の大きさの駆動電流に変換して出力する変換手段と、
   前記駆動電流が入力される、互いに並列接続された駆動素子および電流制御素子と、
   前記駆動素子の制御内容に応じて、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流の大きさを制御する制御手段と、
   を備える定電流供給装置。
2. 前記変換手段から前記駆動素子および前記電流制御素子へ駆動電流Ａ_０が供給され、前記駆動素子の電源ＯＮ時に電流Ａ_１が消費され、前記駆動素子の動作時に電流Ａ_２（＞Ａ_１）が消費される場合、
   前記制御手段は、
   前記駆動素子の電源をＯＮする場合、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流を電流値Ａ_０から電流値（Ａ_０−Ａ_１）まで小さくし、
   前記駆動素子の動作を開始する場合、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流を電流値（Ａ_０−Ａ_１）から電流値（Ａ_０−Ａ_２）まで小さくし、
   前記駆動素子の動作を停止する場合、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流を電流値（Ａ_０−Ａ_２）から電流値（Ａ_０−Ａ_１）へ大きくし、
   前記駆動素子の電源をＯＦＦする場合、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流を電流値（Ａ_０−Ａ_１）から電流値Ａ_０へ大きくする、
   請求項１に記載の定電流供給装置。
3. 前記駆動素子の制御内容ごとに前記駆動電流の大きさを制御するための制御プログラムを保持する記憶手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記駆動素子の制御内容に対応する前記制御プログラムを前記記憶手段から読み出し、読み出した前記制御プログラムに基づいて前記電流制御素子に流れる前記駆動電流の大きさを制御する、
   請求項１または２に記載の定電流供給装置。
4. 前記電流制御素子は可変抵抗である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の定電流供給装置。
5. 前記定電圧取得手段と前記変換手段との間に配置され、前記定電圧を所定の駆動電圧に変圧する変圧手段をさらに備え、
   前記変換手段は、印加された前記駆動電圧から前記駆動電流を出力する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の定電流供給装置。
6. 複数の前記並列接続された駆動素子および電流制御素子が、前記変換手段に接続されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の定電流供給装置。
7. 前記定電圧取得手段は、海底ケーブルを介して陸上に配置された給電装置から前記定電流が供給され、
   前記駆動素子は、海底において各種計測を行うセンサー素子である、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の定電流供給装置。
8. 前記定電圧取得手段は、縦列接続された複数のツェナーダイオードによって構成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の定電流供給装置。
9. 陸上に配置され、定電流を供給する給電装置と、
   海底に配置され、海底ケーブルを介して前記定電流が供給される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の定電流供給装置と、
   を備える定電流供給システム。
10. 電流制御素子を用いた定電流給電方法であって、
    前記電流制御素子は、定電流が供給されることによって動作する駆動素子と並列接続されており、
    供給された定電流から定電圧を取り出し、
    前記取り出された定電圧を所望の大きさの駆動電流に変換して出力し、
    前記出力された駆動電流を前記駆動素子および前記電流制御素子へ供給し、
    前記駆動素子の制御内容に応じて、前記電流制御素子に流れる前記駆動電流の大きさを制御する、
    定電流給電方法。

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