【手続補正書】
【提出日】平成17年1月12日(2005.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】整流装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  交流電源を直流電力に変換する整流装置において、交流電源を直流電力に変換する主回路部と、前記主回路部から出力された前記直流電力と希望出力電力とを比較し、その差に対応して前記交流電源の等価的内部インピーダンスを変化させる加減算部と、前記加減算部からの出力を前記主回路部に入力する制御信号に変換する制御部とを備えたことを特徴とする整流装置。
【請求項２】  交流電源が磁気浮上式鉄道において、非接触で地上コイルから列車の車両に搭載された誘起電圧発生用のコイルに誘起された交流電源であることを特徴とする請求項１記載の整流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源を直流電力に変換する整流装置に係り、特に非接触で移動体に電力を取り込む電源装置に好適に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
高速で移動する移動体に電力を取り込む際に、パンタグラフやトロリー線を利用した接触集電ではアークが発生したり接触部分の摩耗が多くなるなどのため、電力を取り込むことが困難な場合がある。そこで電磁誘導作用を利用した非接触集電方式による電力供給装置が必要となってくる。超電導磁気浮上式鉄道など、電磁力により非接触で浮上・支持・駆動される磁気浮上車両の電源装置は蓄電池と非接触集電装置を備えている。
【０００３】
図４に一例を示すように、従来の非接触集電装置は、車両３０に搭載された超電導磁石３１に相対する地上の位置に設置されている地上コイル３２に、車両３０が走行することにより前記超電導磁石３１によって電流が誘導され、この電流を前記地上コイル３２から発生する高調波変動磁界を利用して、車上に配置した誘導電圧発生用コイルすなわち誘導集電用コイル２４にて集電する。前記誘導集電用コイル２４から得られた交流電流は、整流装置２１により直流電流に変換されて蓄電池２５や車両内の例えば空調用などの負荷２６に供給される。
【０００４】
前記誘導集電用コイル２４は超電導磁石外槽表面に取り付ける必要があり、超電導磁石外槽は超電導磁石内部へ高調波磁界が侵入して発熱しないようにするため、導電率の高いアルミニウムなどで構成されている。このため、超電導磁石外槽に近接して設置された誘導集電用コイル２４の見かけ上の交流抵抗が大きくなってしまい効率が悪い。
【０００５】
これらの問題を解決するため、超電導磁石外槽の形状を工夫し、誘導集電用コイルの形状も工夫している（特願平７−２９０７３８）。また、誘導集電用コイル２４は交流抵抗に比べてインダクタンスが大きい装置のため力率が悪い特徴がある。そこで、誘導集電用コイル２４で得られた交流電源を直流電力に変換するためには、効率及び力率のよい整流装置２１を必要とする。さらに、誘導集電用コイル２４で得られる交流電力の周波数は、車両の速度により変化する。
【０００６】
このような条件の下で交流電源を直流電力に変換するための整流装置２１の制御には、電流の瞬時値制御を行うためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のコンバータを使用している（特開平６−５４５４０）。整流装置２１では、誘導集電用コイル２４のインダクタンスおよび抵抗と整流装置２１の入力側から見た等価的な内部インダクタンスおよび内部抵抗が同じ値になったとき最大出力が変換される。また、整流装置２１の出力は車両の速度に応じて変化するため出力電力が負荷２６よりも大きくなった場合には、出力電力を低減させる必要がある。さらに、誘導集電用コイル２４を使用した車両動揺制御のために集電用コイル電流の電流値や位相を変化させる必要がある。
【０００７】
図３に一例を示すように出力電力を制御したり、誘導集電用コイル２４に流れる電流を変化させるためには、整流装置２１の制御部２２に入力する等価的な内部インダクタンスおよび内部抵抗の値を変えてやればよい。整流装置２１の最大出力を得たり、希望する所定の電力に近づけるためには、誘導集電用コイル２４のインダクタンスおよび抵抗の値をあらかじめ測定しておき、この値を元に、整流装置２１の制御部２２に入力する数値すなわち等価的内部インピーダンス値及び／又は等価的内部抵抗値を、例えばキーボードなどの入力装置から逐次手動で入力している。制御部２２では入力された等価的内部インピーダンス値及び等価的内部抵抗値をもとに、誘導集電用コイル電流の電流値、位相を制御するような瞬時電流制御ＰＷＭ方式により変調されたゲート信号を発生する。制御部２２により発生するゲート信号が半導体スイッチング素子で構成された主回路部２３に送られ、主回路部２３はスイッチングを行う。主回路部２３のスイッチングにより、蓄電池２５及び負荷２６に出力される直流電力、誘導集電用コイル２４に流れる電流を制御することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
整流装置が電力を供給している電荷が変動した場合や集電用コイルの温度変化による電気的な特性値が変化した場合などに、整流装置の出力電力が希望する値から変化してしまう。整流装置の制御部に入力する数値を手動で入力する方式では、出力電力が変化したときに、希望の出力電力に近づけるため整流装置の制御部に再び数値を手動で入力しなければならず、その数値も試行錯誤的に入力するほかなかった。
【０００９】
また誘導集電用コイルに流れる電流とその位相を変化させて、誘導集電用コイルに上下左右力を発生させることにより誘導集電装置を車両動揺の制御などに利用できる。このような誘導集電用コイルに流れる電流を変化させることは、整流装置の等価的な内部インダクタンスを変化させることになるが、等価的な内部インダクタンスを変化させた場合にも出力電力が変化し、希望の出力電力を得られなくなり、車両動揺の制御に利用できない問題も発生してくる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、整流装置の出力電力を希望の電力値に保持するための整流装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、本発明は交流電源を直流電力に変換する整流装置において、交流電源を直流電力に変換する主回路部と、前記主回路部から出力された前記直流電力と希望出力電力とを比較し、その差に対応して前記交流電源の等価的内部インピーダンスを変化させる加減算部と、前記加減算部からの出力を前記主回路部に入力する制御信号に変換する制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
また交流電源が磁気浮上式鉄道において、非接触で地上コイルから列車の車両に搭載された誘起電圧発生用のコイルに誘起された交流電源であることを特徴とする上記の整流装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、移動体を超電導磁気浮上式鉄道における車両とした本発明の１実施形態を説明する。図１は本発明の１実施形態である。整流装置１は交流電源を直流電力に変換する主回路部３と、この主回路部３からの出力より電力を算出する比較部７と、比較結果による差に対応して前記交流電源の等価的内部インピーダンスを変化させる加減算部９と、前記加減算部９からの出力を前記主回路部３に入力する制御信号に変換する制御部２とからなる。図３は従来例であり、整流装置２１は主回路部２３と制御部２２とのみからの構成である。図１と図３を比較すると図１は、主回路部３からの出力を帰還させて制御を行うというフィードバック回路をもたせていることが特徴となっている。
【００１４】
さて、図２において誘導集電用コイル４は例えば三相結線されており、車両が高速で走行することにより、相対した地上コイルの高調波変動磁界から誘導電圧を発生する。整流装置１は、誘導集電用コイル４から得られた交流電流を直流電流にＰＷＭ方式により変換する。変換された直流電力は蓄電池５及び負荷６に供給される。整流装置１の制御部２は最初に与えられた値をもとに、誘導集電用コイル電流の電流値、位相を制御するような瞬時電流制御ＰＷＭ方式により変調されたゲート信号を発生する。制御部２により発生するゲート信号が半導体スイッチング素子で構成された主回路部３に送られ、主回路部３はスイッチングを行う。主回路部３のスイッチングにより、出力電力、誘導集電用コイルに流れる電流を制御することができる。電力算出部８で測定された出力電力を比較部７で希望する出力電力と比較し、加減算部９に送るようになされている。希望する出力電力は例えば基準電圧などのよって与えられている。なお、この図において、１０は車両、１１は超電導磁石、１２は地上コイルである。
【００１５】
さて、何らかの原因で例えば負荷６が重くなった場合、電力算出部８が出力電力を測定し、その出力が比較部７に送られる。比較部７ではあらかじめ与えられた希望電力と比較し、出力電力が減少したことを検知しその差を加減算部９に送る。加減算部９ではあらかじめ与えられた等価的な内部抵抗値に前記比較部７で得られた差を加算し制御部２へ入力する。制御部２では等価的な内部抵抗値や内部インダクタンス値に応じＰＷＭ方式により変調したゲート信号を主回路部３に送り、整流動作が行われる。このようにフィードバック機能により前記動作が繰り返し行われ、出力電力を希望の出力電力に近づけることができる。
【００１６】
また、何らかの原因で例えば負荷５が軽くなった場合、電力値が所定の値より大きくなったのを検知し、加減算部９では比較部７で得られた差が減算され制御部２へ入力され、前記と同様に希望の出力電力に近づくようになされる。同様にして、誘導集電用コイル４の交流抵抗やインダクタンスのような電気的特性値が変化したり、車両動揺制御のために誘導集電用コイル４の電流位相を故意に変化させた場合も上記装置により所定の電力を出力することができる。
【００１７】
このように、本実施形態において整流装置の出力電力を希望の電力値に保持するという課題が解決される。以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。例えば、負荷６がなく蓄電池５に充電するための整流整流機構としても同様の効果が得られる。さらに、実施形態において制御はＰＷＭ方式をとっているが、スイッチング素子による電力変換方式であれば、例えばＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式の制御を採用しても同様の効果が得られる。
【００１８】
【発明の効果】
以上にのべた通り、本発明に係る移動体用非接触集電装置の整流装置では、出力電力を測定し整流装置の入力制御値に加減算することにより、負荷の変動などによる出力電力の変化をなくすことができ、安定した電力供給ができる。さらに、誘導集電用コイルに流れる電流とその位相を変化させて、誘導集電用コイルに上下左右力を発生させることにより誘導集電用コイルを車両動揺の制御に利用する場合にも出力電力の変化をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施形態の説明図である。
【図２】
本発明の実施形態の説明図である。
【図３】
従来の整流装置の一例を示す説明図である。
【図４】
従来の整流装置の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１    整流装置
２    制御部
３    主回路部
４    誘導集電用コイル
５    蓄電池
６    負荷
７    比較部
８    電力算出部
９    加減算部
１０    車両
１１    超電導磁石
１２    地上コイル
２１    整流装置
２２    制御部
２３    主回路部
２４    誘導集電用コイル
２５    蓄電池
２６    負荷
３０    車両
３１    超電導磁石
３２    地上コイル