(57)【要約】【課題】高速で移動する受電コイルが給電線の継ぎ目を通過したり、給電区間に入る受電コイルの数が変化して、定電圧駆動状態でリアクタンスが誘導性と容量性の間で変化する場合でも、インバータの許容電流を超える大きな電流が流れることを防止し、インバータの過電流保護による停止を防止することができる非接触給電装置を提供すること。【解決手段】位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたＰＡＭインバータ２により地上側の給電線に励磁電流を流し、２次側の搬送車に電力を供給する非接触給電装置において、２次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加し、位相制御による電流制御が追従しきれないときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路６を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたＰＡＭインバータにより地上側の給電線に励磁電流を流し、２次側の搬送車に電力を供給する非接触給電装置において、２次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加したときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路を設けたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
２次側の搬送車の整流回路の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電するコンデンサを設けたことを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体や液晶工場等のクリーンルーム内において、搬送車に非接触で電力を供給する非接触給電装置に関し、特に、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバータを用いた非接触給電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、搬送車に非接触で電力を供給する非接触給電装置では、給電線路は単位長当たり数μＨのインダクタンスを持っている。
この場合、一定の給電線の区間の電圧降下を制限するために、給電線路には直列コンデンサを何箇所かに分けて入れており、これにより、直列コンデンサを入れる場所は給電線が複数の給電区間に分断される。
【０００３】
この分断された給電線の継ぎ目に受電コイルがある場合、１次換算の受電コイルのインダクタンスは、通常のインダクタンスよりも小さくなる。
また、給電区間に入る受電コイルの数が変化する場合（増える場合、減る場合の両方）も、１次換算のインダクタンスは離散的に変化するのではなく、受電コイルの移動速度に比例して過渡的に変化する。
【０００４】
一方、インバータは定電流制御の電流制御をしているが、制御の応答は有限の時間で応答する。
順変換をサイリスタの位相制御で電圧を可変するＰＡＭインバータでは、サイリスタが一旦点弧すると、そのサイクルで電流がゼロになる交流の半周期まで消弧できないため、この電流制御の応答が遅くなり、電源周波数の半周期よりも速くすることはできない。
【０００５】
このため、高速で移動する受電コイルが給電線の継ぎ目を通過したり、あるいは給電区間に入る受電コイル数が変化する場合、電流制御が間に合わず、定電圧駆動状態でリアクタンスが誘導性から容量性、あるいはその逆の容量性から誘導性に変化する際には純抵抗の領域を通り、短絡に近い大きな電流が流れ、インバータの許容電流を超え、インバータが過電流保護により停止するという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の非接触給電装置が有する問題点に鑑み、高速で移動する受電コイルが給電線の継ぎ目を通過したり、給電区間に入る受電コイルの数が変化して、定電圧駆動状態でリアクタンスが誘導性と容量性の間で変化する場合でも、インバータの許容電流を超える大きな電流が流れることを防止し、インバータの過電流保護による停止を防止することができる非接触給電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の非接触給電装置は、位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたＰＡＭインバータにより地上側の給電線に励磁電流を流し、２次側の搬送車に電力を供給する非接触給電装置において、２次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加したときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路を設けたことを特徴とする。
【０００８】
この場合において、２次側の搬送車の整流回路の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電するコンデンサを設けることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の非接触給電装置によれば、位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたＰＡＭインバータにより地上側の給電線に励磁電流を流し、２次側の搬送車に電力を供給する非接触給電装置において、２次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加したときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路を設けることから、高速で移動する受電コイルが給電線の継ぎ目を通過したり、給電区間に入る受電コイルの数が変化したりして、定電圧駆動状態でリアクタンスが誘導性と容量性の間で変化する場合でも、インバータの許容電流を超える大きな電流が流れることを防止し、インバータの過電流保護による停止を防止することができる。
【００１０】
また、２次側の搬送車の整流回路の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電するコンデンサを設けることにより、インバータ出力の停止中でも負荷に電力を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の非接触給電装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１〜図５に、本発明の非接触給電装置の一実施例を示す。
この非接触給電装置は、電磁誘導により地上設備から搬送車に非接触で電力を供給するもので、位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたＰＡＭインバータ（ＰＡＭ制御による高周波インバータ。以下、単に、「インバータ」という。）２により地上側の給電線に励磁電流を流し、２次側の搬送車に電力を供給する。
そして、この非接触給電装置は、２次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加し、位相制御による電流制御が追従しきれないときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路６を設けている。
【００１３】
インバータ２は、図１に示すように、３相交流等の交流電源１により電力が供給され、整流回路３と、平滑コンデンサ４と、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で高周波の交流を発生するインバータ回路５と、整流出力電圧７、整流出力電流８、出力電圧１１及び出力電流１２を入力し、サイリスタ位相制御のゲート信号９とＩＧＢＴのゲート信号１０とを発生するインバータ制御回路６とにより構成されている。
また、インバータ２の出力側には、給電線路１４のインダクタンス補償用直列コンデンサ１３が一定の給電線路長ごとに分散して配置されている。
【００１４】
整流回路３は、サイリスタの位相制御で整流した出力の電流を可変する。
この整流回路３は、サイリスタを点弧するゲート信号の位相を、電源電圧に対して遅くすれば電圧が下がり、電源電圧との位相差を小さくすれば電圧が高くなり、位相差がゼロのときが最大電圧となる。
【００１５】
平滑コンデンサ４の容量は、インバータ２の出力電流の応答を妨げない容量で、交流の周波数が５０Ｈｚの場合、位相制御を１８０度ごとに行うとしても制御周期は１０ｍｓとなり、したがって、平滑コンデンサ４の容量は制御周期と同程度の時定数となるように設定する。
【００１６】
インバータ回路５は、ＩＧＢＴのブリッジ構成で、方形波インバータとする。
インバータ回路５の４つの素子のうち、整流出力のプラス側に接続しているＱ１、Ｑ３をハイサイド、マイナス側に接続しているＱ２、Ｑ４をローサイドと呼んでいる。
【００１７】
整流出力電流８は、インバータ２の過電流保護のために監視される。
【００１８】
出力電流１２は、この電流が許容電流（許容値）を超えたときに、ＩＧＢＴのゲート信号１０のハイサイド側の信号は出力を継続するが、ローサイド側は停止する。
また、サイリスタのゲート信号９も停止し、整流を停止する。
整流回路３も停止することで、インバータ出力を再開した際に過渡的に大電流が流れるのを防止する。
【００１９】
給電線路１４のインダクタンス補償用直列コンデンサ１３は、給電線の一定の線路長さあたりの電圧が上がり過ぎないように挿入されている。
【００２０】
給電線路１４の区間の間には、図２（ａ）に示すように、インダクタンス補償用の直列コンデンサ１３が入る。給電線は太さが直径１５ｍｍから２０ｍｍ程度あり、直角に曲げることはできないので、給電線の半径の５倍程度の半径で曲げられている。
受電コイル１５の有効長が３００ｍｍとすると、半径１００ｍｍで曲げた２つの区間の、合計２００ｍｍの領域を受電コイル１５が通過する際に、インダクタンスが過渡的に変化する。この区間は、受電コイル１５と給電線の結合が低下するため、インダクタンスは半分以下に低下する。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示すように、給電線の区間に入る受電コイル１５の数が変化する場合、給電線の区間に入る受電コイル数に比例し、インダクタンスが変化する。
受電コイル１５が給電線の継ぎ目を通過する際には、当然過渡的な状態が存在するが、数が増える場合と減る場合は、インダクタンスが増減するのではなく、元の状態から数が増減した状態に増えるか、あるいは減るだけの変化をする。
【００２２】
図３（ａ）に、図２（ａ）に対応するインピーダンスの変化を示す。
定常状態での動作点Ｄ１が過渡的にインピーダンスの低い領域に接近あるいは通過する。
インピーダンスの低い領域では、電圧が低い状態でも大きな電流が流れる。
なお、１個の受電コイル１５が給電線の継ぎ目を通過する場合、図３（ａ）に示すように、継ぎ目を通過中に、動作点Ｄが誘導性負荷領域と容量性負荷領域の間で遷移する。
本実施例では、Ｄ１が、受電コイル１５が１個のときの定常状態での動作点である。
【００２３】
図３（ｂ）に、図２（ｂ）に対応するインピーダンスの変化を示す。
給電区間に入る受電コイル１５の数が変化した場合でも、負荷に供給する電力を安定させるため、共振点を挟んで対称に動作点Ｄ１、Ｄ２を配置する。
給電区間に入る受電コイル１５の数が変化する際に、過渡的にインピーダンスの低い状態を通過し、大きな電流が流れる。
なお、給電区間に入る受電コイル１５の数が変化する場合、図３（ｂ）に示すように、動作点Ｄが誘導性負荷領域と容量性負荷領域の間で遷移する。
本実施例では、Ｄ１が、受電コイル１５が１個のとき（受電コイルの数が少ないとき）の定常状態での動作点、Ｄ２が、受電コイル１５が２個のとき（受電コイルの数が多いとき）の定常状態での動作点である。
【００２４】
下記に給電区間のインピーダンスＺと受電コイルの関係を示す。
ここで、Ｚ０は受電コイルがゼロの状態、Ｚ１は受電コイルが１個の状態、Ｚ２は受電コイルが２個の状態、Ｚ１’は１個の受電コイルが給電線を通過する際の過渡的な状態、Ｚ２’は２個の受電コイルが給電線を通過する際の過渡的な状態の給電線路のインピーダンスを示す。
【００２５】
【数１】
2010068646.tif 000003
【００２６】
図４に、インバータ２の出力電流とＩＧＢＴのゲート駆動信号との関係を示す。
Ｇ１〜Ｇ４のゲート信号は、ＩＧＢＴの素子Ｑ１〜Ｑ４に対応する。
なお、図が細かくなるので省略してしいるが、同じアームのＩＧＢＴが同時にＯＮしないように、デッドタイムを設けることは通常のインバータで行われることである。
【００２７】
図５に、２次側の回路を示す。
受電コイル１５で電磁誘導により誘起した起電力を共振コンデンサ１６で共振させ、整流回路１７で整流し、負荷に供給する。
ここで、整流回路１７の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電する平滑コンデンサ１８を設けることにより、インバータ出力の停止中でも負荷に電力を供給することができる。
平滑コンデンサ１８は、アルミ電解コンデンサや電気２重層コンデンサ等で構成し、１次側のインバータ２を止めている間、負荷に供給する電力を一時的に蓄積しておく容量を持たせる。
コンデンサの容量としては、１ｋＷ当たりの負荷で、概ね２０，０００μＦ程度の容量のコンデンサを用いる。
【００２８】
次に、本実施例の非接触給電装置の作用を説明する。
なお、給電線路１４のインピーダンスは、給電線路１４を１次、搬送車の受電コイル１５を２次とすると、１次側のインピーダンスを２次側の共振点の近傍で、次のように給電線路１４の直列コンデンサ１３を調整する。
（１）給電線路１４に同時に入る受電コイル１５が１乃至２個の場合、受電コイル１５が１個の場合の共振点は、インバータ２の出力周波数よりも高い周波数、すなわち、容量性の領域に共振点を配置し、受電コイル１５が給電線の分断された継ぎ目の部分を通過する際に過渡的に誘導性になるように共振点を配置する。
受電コイル１５が２個の場合の共振点は、インバータ２の出力周波数よりも低い周波数、すなわち、容量性の領域に共振点を配置し、給電区間から搬送車が１台出て行き受電コイル１５が１個になったときには、インバータ２の出力周波数を挟んで対称となる誘導性の領域に共振点を配置する。
このように、共振点をインバータ２の出力周波数に対し対称配置することで、インバータ２の定電流駆動と、２次コイルで受電可能な電力を１台のコイルと２台のコイルで動作条件を合わせ安定した電力を取り出すようにする。
（２）給電線路１４に入る受電コイル１５が１個の場合、インバータ２の出力周波数よりも高い周波数に共振点を配置する。
インバータ２は、順変換部はサイリスタの位相制御で電圧を可変し、逆変換部はＩＧＢＴブリッジのゲートを半周期ごとにハイサイドとローサイドで位相を１８０度ごとに反転する方形波インバータを組み合わせたＰＡＭインバータとする。
【００２９】
本実施例の非接触給電装置において、過渡的なインピーダンス領域で過電流を検出した場合、ＩＧＢＴのローサイドだけのゲート駆動信号を停止する。
ローサイドだけゲート信号を止めると、それまでインバータ２の出力電流に同期して流れていた電流は、共振周波数で減衰振動に切り替わり、徐々に減衰しやがてゼロになる。
禁止時間の経過後にローサイドのゲート信号を有効にすると、インバータ２の出力電流が流れる。
禁止時間は、給電線路１４に流れていた電流が減衰する時間で、通常、数ミリ秒でほぼゼロに減衰する。運用上は減衰時間の変動の余裕をみて減衰時間の２倍から３倍程度で２０ｍｓ程度にする。
【００３０】
インバータ２の過電流保護では、すべてのゲート信号を停止するのが一般的であるが、ハイサイドの駆動信号を残すことで、減衰振動となった給電線路１４の電流はハイサイドのＩＧＢＴで還流する。
これをハイサイドも止めてしまうと、平滑コンデンサ４を通って還流することになるが、これはインバータ２の回路構成上、好ましいことではない。
なお、点弧を継続するのは、ハイサイドあるいはローサイドのどちらか一方であればよく、どちらかに限定はしない。
【００３１】
禁止時間は減衰振動の持続時間よりも長くする。禁止を解除する際の純変換の動作は、制御角を最も遅い位相角で電圧は最小（ゼロが望ましい）からはじめる。
一旦流れている電流をゼロにしてから再度電流を流すことで、共振による自励振動とインバータ２の他励振動の位相の整合を考慮する必要がなくなり制御が簡単になる。
【００３２】
一方、２次側ではこの禁止時間は当然電力が得られず、瞬時停電の状態になる。
この禁止時間は、２次回路の整流回路１７の平滑コンデンサ１８の容量で、２次電圧を保持する。
インバータ２を一時的に停止しても、システムとして２次回路の電源保持時間を禁止時間よりも大きくすることで、運用的な問題を生じない。
禁止時間が２０ｍｓ、負荷は数ｋＷ程度であればアルミ電解コンデンサでも対応することができる。
禁止時間を更に延ばす場合や、負荷が１００ｋＷ程度と大きい場合は、電気２重層コンデンサのような更に大容量のコンデンサを使用する。
【００３３】
なお、ＰＷＭインバータでは電流制御は高速にできるのは、回転機の汎用インバータでは、出力周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを細かくパルス状に細分化しているが、１０ｋＨｚの高周波インバータでは１００μＳの周期を細分化できない。
容量の小さなインバータではＰＷＭインバータでもできるが、大容量ではスイッチング損失が大きくなり実用的でないため、ＰＡＭインバータを使っている。
また、一般のインバータ（回転機用のインバータ）では、容量性負荷の領域は想定していない。
これは、容量性領域ではトランジスタやＩＧＢＴに逆並列接続したダイオードのリカバリー領域での電流が制御できないことが主因であるが、容量性負荷領域でトランジスタの安全動作領域を逸脱しなければ使える。
【００３４】
かくして、本実施例の非接触給電装置は、位相制御による可変電圧整流と方形波インバータを組み合わせたインバータ２により地上側の給電線に励磁電流を流し、２次側の搬送車に電力を供給する非接触給電装置において、２次側の負荷状態が誘導性から容量性に遷移、あるいは容量性から誘導性に遷移する過渡状態において、給電線路の電流が負荷のほぼ純抵抗の共振領域で許容値を超えて増加したときに、一時的にインバータ出力を停止し、給電線路の電流がインバータの定格出力電流以下に減衰した後にインバータ出力を再開するインバータ制御回路６を設けることから、高速で移動する受電コイル１５が給電線の継ぎ目を通過したり、給電区間に入る受電コイル１５の数が変化したりして、定電圧駆動状態でリアクタンスが誘導性と容量性の間で変化する場合でも、インバータ２の許容電流を超える大きな電流が流れることを防止し、インバータ２の過電流保護による停止を防止することができる。
【００３５】
また、２次側の搬送車の整流回路１７の後段に、インバータ出力の停止中、蓄積した電荷で負荷に給電する平滑コンデンサ１８を設けることにより、インバータ出力の停止中でも負荷に電力を供給することができる。
【００３６】
以上、本発明の非接触給電装置について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の非接触給電装置は、高速で移動する受電コイルが給電線の継ぎ目を通過したり、給電区間に入る受電コイルの数が変化して、定電圧駆動状態でリアクタンスが誘導性と容量性の間で変化する場合でも、インバータの許容電流を超える大きな電流が流れることを防止し、インバータの過電流保護による停止を防止するという特性を有していることから、例えば、搬送車に非接触で電力を供給する非接触給電装置の用途に広く好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の非接触給電装置の１次側の実施例を示すブロック図である。
【図２】給電線路を搬送車の受電コイルが移動する状態を示し、（ａ）は給電線の継ぎ目を受電コイルが通過する状態を示す説明図、（ｂ）は給電区間に入る受電コイルの数が変化する状態を示す説明図である。
【図３】給電線路のインピーダンスの変化を示し、（ａ）は１個の受電コイルが給電線の継ぎ目を通過する場合のグラフ、（ｂ）は給電線路上の受電コイル数が２個と１個の間で変化する場合のグラフである。
【図４】インバータの出力電流とＩＧＢＴのゲート駆動信号の関係を示す説明図である。
【図５】本発明の非接触給電装置の２次側の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    電源
２    高周波インバータ（ＰＡＭインバータ）
３    整流回路
４    平滑コンデンサ
５    インバータ回路
６    インバータの制御回路
７    整流出力電圧
８    整流出力電流
９    サイリスタ位相制御のゲート信号
１０  ＩＧＢＴのゲート信号
１１  出力電圧
１２  出力電流
１３  インダクタンス補償用直列コンデンサ
１４  給電線路
１５  受電コイル
１６  共振コンデンサ
１７  整流回路
１８  平滑コンデンサ
【図１】
2010068646.tif 000004
【図２】
2010068646.tif 000005
【図３】
2010068646.tif 000006
【図４】
2010068646.tif 000007
【図５】
2010068646.tif 000008