JP6612482B1 - 交流出力電源 - Google Patents

Abstract

【課題】回路段数を低減できる交流出力電源を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る交流出力電源は、入力される交流１０を直流に整流する整流器１１と、整流器１１からの直流を入力される交流１０より周波数が高い交流に変換するインバータ１２と、一次側と二次側とが絶縁しており、前記一次側に入力されたインバータ１２が変換した交流を、前記二次側に直接接続される負荷２２に出力するトランス１３と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、負荷に交流電力を供給する交流出力電源に関する。

ＵＶランプのような負荷に交流電力を供給する交流出力電源が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図１は特許文献１に記載される交流出力電源を説明する図である。

特開平０７−１０６０８７号公報

特許文献１のような交流出力電源は、商用交流を直流に変換する整流器１１、その直流を高周波の交流に変換するインバータ１２、その交流を昇圧するための絶縁トランス１３、その出力を再度直流に変換する整流器１４、及びその直流を所望周波数の矩形波の交流に変換するインバータ１５を備えている。このように、従来の交流出力電源は、多くの回路を多段に接続する構成のため、コスト、サイズ、重量、価格、及び制御の面で課題があった。

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、回路段数を低減できる交流出力電源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、本発明に係る交流出力電源は、整流器及びインバータをトランスの商用電源側のみに配置することとした。

具体的には、本発明に係る交流出力電源は、
入力される交流を直流に整流する整流器と、
前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
一次側と二次側とが絶縁しており、前記一次側に入力された交流を前記二次側に直接接続される負荷に出力するトランスと、
前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
を備える。

また、本発明に係る他の交流出力電源は、
入力される交流を直流に整流する整流器と、
前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
一次側に入力された交流を二次側に直接接続される非接地の負荷に出力する単巻巻線型のトランスと、
前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
を備える。

本交流出力電源は、負荷側の整流器及びインバータを廃止したため、コスト、サイズ、重量、価格、及び制御の面を改善することができる。従って、本発明は、回路段数を低減できる交流出力電源を提供することができる。

本発明は、接続する回路段数を低減できる交流出力電源を提供することができる。

本発明に関連する交流出力電源を説明する図である。 本発明に係る交流出力電源を説明する図である。 本発明に係る交流出力電源が備えるインバータの回路を説明する図である。 本発明に係る交流出力電源が備えるインバータが出力するトランス電流の波形を説明する図である。 本発明に係る交流出力電源が備えるインバータが出力するトランス電流の波形を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図２は、本実施形態の交流出力電源を説明する図である。本交流出力電源は、
入力される交流１０を直流に整流する整流器１１と、
整流器１１からの直流を入力される交流１０より周波数が高い交流に変換するインバータ１２と、
一次側と二次側とが絶縁しており、インダクタンス手段Ｌ１を有する回路２１を介して前記一次側に入力されたインバータ１２が変換した交流を、前記二次側に直接接続される負荷２２に出力するトランス１３と、
を備える。

交流１０は、例えば５０Ｈｚ、１００Ｖの商用電源である。整流器１１は、交流１０を直流に変換してインバータ１２へ出力する。インバータ１２は、直流を交流に変換して出力する。図３はインバータ１２の回路を説明する図である。インバータ１２は、４つのスイッチ（ＳＷ Ａ〜Ｄ）がブリッジ接続され、これらのスイッチを所定のタイミングでオン又はオフすることで直流から交流に変換することができる。

ＵＶランプ等のランプ負荷は、電極の磨耗を避けるために直流より交流で駆動することが好ましい。そして、交流の波形がゼロボルト（ゼロアンペア）を継続するとランプの立ち消え（消灯）が発生することがあり、これを防止するためにゼロクロスのある交流波形は矩形波、台形波、三角波、又は正弦波が良いとされる。図３のインバータ１２は、インダクタンス手段Ｌ１を有する回路２１に接続されており、４つのスイッチ（ＳＷ Ａ〜Ｄ）を駆動することで交流を容易に形成できる。

また負荷２２のＵＶランプが地絡している場合、もしくは対接地抵抗が低い場合、商用電源１０と出力する交流１９とを絶縁する必要がある。このため、トランス１３は複巻巻線のトランスとする。なお、負荷２２のＵＶランプがアースに対して十分に絶縁されている（非接地の）場合、トランス１３は単巻巻線のトランスでもよい。

インバータ１２の出力は交流であるため、配線２３が長くなった場合（例えば、１００ｍ）、配線２３に存在するインダクタンス（図２にて“Ｌ２”で表現）による下式の電圧降下Ｖが発生する。電圧降下Ｖが大きいと負荷２２に所望の電力（電圧）を供給できなくなる。
（式１）
Ｖ＝２πｆＬＩ
ここで、ｆは周波数、Ｌはインダクタンス（Ｌ２）、Ｉは電流である。

式１のように、インバータ１２が出力する交流の周波数が低い方が配線２３のインダクタンス成分による電圧降下Ｖを小さくすることができる。例えば、交流１９の周波数を５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度とすることが望ましい。一方、トランス１３は磁束密度の関係上、周波数が高い方がサイズを小さくできる。これらを考慮すれば、インバータ１２が出力する交流の周波数は３００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度が望ましい。

（定常時の動作）
次に、ＵＶランプが点灯し、定常状態になっているときのインバータ１２の動作について説明する。インバータ１２は、トランス１３の前記一次側を流れるトランス電流が交互に順方向と逆方向に流れるようにスイッチングし、且つ前記トランス電流が順方向に流れているとき又は逆方向に流れているときに前記トランス電流の電流値に脈流を与えるようにスイッチングし、一定の電力が前記負荷に供給されるように定電力制御を行うことを特徴とする。

図４は、ＵＶランプが定常状態になっているときのトランス電流ｉＬの波形を説明する図である。インバータ１２は、ＵＶランプが定常状態になっているとき、トランス電流ｉＬが図４のような波形となるようにスイッチ（ＳＷ Ａ〜Ｄ）を低周波スイッチング制御（例５００Ｈｚ）と高周波スイッチング制御（例５０ｋＨｚ）を組み合わせてオンオフ制御する。

インバータ１２は、高周波スイッチング制御を行うとき、トランス電流を一方向に流しつつ、５０ｋＨｚ程度の脈流が発生するようにスイッチングを行う。例えば、インバータ１２は、スイッチＳＷ ＡとＤもしくはＢとＣがオンの期間（電圧印加期間）を４μ秒、スイッチＳＷ ＡとＣもしくはＢとＤがオンの期間（還流期間）を１６μ秒とする。

インバータ１２は、低周波スイッチング制御を行うとき、トランス電流の方向が５００Ｈｚ程度で逆転するようにスイッチングを行う。例えば、インバータ１２は、電圧印加期間を１００μ秒とすることでトランス電流の方向を逆転させることができる。なお、インバータ１２は、電圧印加期間と次の電圧印加期間との間で上述した高周波スイッチング制御が行う。

本実施形態の交流出力電源は、高周波スイッチング制御が入っているため、従来のサイリスタによる低周波（５０〜６０Ｈｚ程度）のみの交流出力電源に比べ、入力や負荷変動に対する応答、あるいは出力指令に対して高速に応答することができる。また、本実施形態の交流出力電源は、異常時の過電力、過電圧、ないし過電流が発生したときも高速に停止させたり、保護することができる。

（起動時の動作１）
続いて、ＵＶランプを点灯するときのインバータ１２の動作について説明する。インバータ１２は、負荷２２に定常時より高い電圧を印加するとき（起動時）、変換した交流の周波数を前記定常時の周波数から、前記インバータと前記トランスとの間を接続するインダクタンス手段Ｌ１を有する回路２１に含まれるインダクタンス成分と容量Ｃとの共振周波数へ近づけ、所望の電圧がトランス１３の二次側から出力されるようにスイッチングする定電圧制御を行う。容量Ｃは、コンデンサ等の部品や他の部品に内蔵される容量成分、又はその組み合わせであってもよい。

ＵＶランプが冷えている場合、ＵＶランプを点灯（着火＝イグニッション）させるために定常時より高電圧が必要となる。例えば、定常時トランス１３の二次側で８００Ｖの出力電圧が必要である場合、点灯時には１５００Ｖが必要となる。本実施形態の交流出力電源は、トランス電流の周波数を、インダクタンス手段Ｌ１を有する回路２１内のインダクタンスＬと容量Ｃとによって求められる共振周波数（ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））に近づけるようにインバータ１２のスイッチングを制御する。トランス電流の周波数を共振周波数を近づける（例２０ｋＨｚ）ことで、トランス１３の巻数比を上げることなく共振効果により所望の高電圧を発生させることができる。本実施形態の交流出力電源は、ＵＶランプが着火するまで一定の高電圧を印加することができる（定電圧制御）。

（起動時の動作２）
続いて、ＵＶランプを着火直後のインバータ１２の動作について説明する。インバータ１２は、負荷２２のインピーダンスが定常時より低下したとき（着火直後）に、インダクタンス手段を有する回路２１に存在するインダクタンス手段Ｌ１に対して電圧が順方向に印加される時間と逆方向に印加される時間を調整し、所望の電流がトランス１３の二次側から出力されるようにスイッチングする定電流制御を行うことを特徴とする。

ＵＶランプは着火直後にインピーダンスが極めて小さくなる特性を有する。インバータ１２が負荷のインピーダンスが極めて小さい期間に前述の定常時の制御（図４）を行うと大電流が流れる恐れがある。このような場合、インバータ１２は、高周波スイッチング制御時に位相シフト制御を行い、定電流制御を行う。図５（Ａ）は、インバータ１２が行う定電流制御時のトランス電流ｉＬの波形を説明する図である。図５（Ｂ）は、区間３５のトランス電流ｉＬの波形を拡大した図である。

位相シフト制御では、インダクタＬに正電圧がかかる正電圧期間Ｔ１と負電圧がかかる負電圧期間Ｔ２を制御することができる。例えば、スイッチＳＷ ＡとＤが同時にオンの期間を正電圧期間Ｔ１、スイッチＳＷ ＢとＣが同時にオンの期間を負電圧期間Ｔ２とすれば、正電圧期間Ｔ１を拡張することでトランス電流を増加、負電圧期間Ｔ２を拡張することでトランス電流を減少させることができる（図５（Ｂ）参照。）。このように、インバータ１２が正電圧期間Ｔ１と負電圧期間Ｔ２を調整することで負荷２２のインピーダンスが極めて小さい期間においても定電流制御を行うことができる。

（ＵＶランプの点灯動作）
負荷２２がＵＶランプであるときのインバータ１２は次のように動作する。インバータ１２は、ＵＶランプの着火前は前記定電圧制御を行い、ＵＶランプの着火直後は前記定電流制御を行い、ＵＶランプの着火し、一定時間が経過した後は前記定電力制御を行う。

インバータ１２は、定電圧制御から定電流制御へ、定電流制御から定電力制御へは、予め決められた時間で移行してもよい。例えば、インバータ１２は、８００Ｖでの定電圧制御を１０ｍ秒継続した後、５０Ａでの定電流制御へ移行し、５０Ａの定電流制御を１０ｍ秒継続した後、１０ｋＷでの定電流制御へ移行する。

また、負荷２２への電流や電圧、あるいはトランス電流やトランス１３の一次側の電圧を計測器（不図示）でモニタし、インバータ１２は、モニタされた値によって定電圧制御から定電流制御へ、定電流制御から定電力制御へ移行してもよい。

１０：入力される交流
１１：整流器
１２：インバータ
１３：トランス
１４：整流器
１５：インバータ
１９：出力される交流
２１：インダクタンス手段を有する回路
２２：負荷
２３：電源出力端と負荷までの配線
２４：電源出力端

Claims (7)

1. 入力される交流を直流に整流する整流器と、
   前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
   一次側と二次側とが絶縁しており、前記一次側に入力された交流を前記二次側に直接接続される負荷に出力するトランスと、
   前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
   を備える交流出力電源であって、
   前記インバータは、前記トランスの前記一次側を流れるトランス電流が交互に順方向と逆方向に流れるようにスイッチングし、且つ前記トランス電流が順方向に流れているとき又は逆方向に流れているときに前記トランス電流の電流値に脈流を与えるようにスイッチングすることを特徴とする交流出力電源。
2. 入力される交流を直流に整流する整流器と、
   前記整流器からの直流を前記入力される交流より周波数が高い交流に変換するインバータと、
   一次側に入力された交流を二次側に直接接続される非接地の負荷に出力する単巻巻線型のトランスと、
   前記インバータが変換した交流を前記トランスの前記一次側に入力するインダクタンス手段を有する回路と、
   を備える交流出力電源であって、
   前記インバータは、前記トランスの前記一次側を流れるトランス電流が交互に順方向と逆方向に流れるようにスイッチングし、且つ前記トランス電流が順方向に流れているとき又は逆方向に流れているときに前記トランス電流の電流値に脈流を与えるようにスイッチングすることを特徴とする交流出力電源。
3. 前記インバータは、前記変換した交流の周波数が３００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下となるようにスイッチングすることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流出力電源。
4. 前記インバータは、一定の電力が前記負荷に供給されるようにスイッチングする定電力制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の交流出力電源。
5. 前記インバータは、前記負荷に前記定電力制御のときより高い電圧を印加するとき、前記変換した交流の周波数を前記定電力制御のときの周波数から前記インダクタンス手段を有する回路の共振周波数へ近づけ、所望の電圧が前記トランスの前記二次側から出力されるようにスイッチングする定電圧制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の交流出力電源。
6. 前記インバータは、前記負荷のインピーダンスが前記定電力制御のときより低下したときに、前記インバータと前記トランスとの間に接続される前記インダクタンス手段を有する回路に存在する前記インダクタンス手段に対して電圧が順方向に印加される時間と逆方向に印加される時間を調整し、所望の電流が前記トランスの前記二次側から出力されるようにスイッチングする定電流制御を行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の交流出力電源。
7. 前記負荷がＵＶランプであるとき、
   前記インバータは、前記ＵＶランプの着火前は前記定電圧制御を行い、前記ＵＶランプの着火直後は前記定電流制御を行い、前記ＵＶランプの着火し、一定時間が経過した後は前記定電力制御を行うことを特徴とする、請求項５を引用する請求項６に記載の交流出力電源。

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