(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源を整流する第一の整流回路と、この第一の整流回路の出力を交流に変換する単相のインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流する第二の整流回路とから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段と、第二の整流回路の転流終了時点からインバータを構成する半導体スイッチがオフになるまでの間の中間の時点でサンプルホールド指令信号をサンプルホールド手段に与える指令信号発生手段を設け、サンプルホールド手段の出力信号を直流電源装置の直流出力電流に比例する信号とすることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
第二の整流回路の出力電圧の立ち上がりを検出することにより第二の整流回路の転流期間の終了を検出する検出手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気めっき等の表面処理用として使用するのに適した大電流の直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、めっき、アルマイト等の表面処理用の直流電源装置では、供給される商用交流電源を整流し、その出力をインバータによって高周波の矩形波交流に変換し、この矩形波交流を所定の電圧に変換したうえ整流して直流を得るようにした、インバータ方式、スイッチング方式、ＤＣ−ＤＣコンバータ方式等と呼ばれる方式のものが使用されるようになってきている。こうした方式のものは出力波形が良いという特長があり、また、高周波の変圧器を使用するので変圧器が小形になることから直流電源装置全体が小形軽量になるという利点もあって、さらに増加する傾向にある。
【０００３】
表面処理用に限らず、一般に直流電源装置では直流出力電流を精度よく計測あるいは制御することが必要であり、従来は直流の出力側に分流器を接続して電流を検出するのが普通であった。ところが、分流器は損失が大きく、数千アンペア以上というような大きな電流のものでは高価であり、直流電源装置の効率低下と高コストの原因になるという問題があった。また、その検出電圧は例えば６０ｍＶというように微弱でノイズの影響を受けやすいという問題があり、さらに、大電流の分流器は大形で冷却の必要もあることから、高周波の変圧器を使用することで直流電源装置が小形軽量になるという利点が失われてしまうという問題があった。こうした問題を解決するものとしては、例えば特許文献１に示されるような電流検出に分流器を使用しない方式が提案されている。
【０００４】
この特許文献１で開示されている直流電源装置は、商用周波交流電源から直流を得る整流器、この整流器の出力が入力されて所定の周波数の方形波交流を出力するインバータ、このインバータの出力を制御する制御装置、前記インバータの出力電圧を変換する変圧器、及びこの変圧器の二次出力を整流する整流器からなり、前記制御装置が前記インバータの出力電流を測定する電流測定器の出力信号が入力されて前記方形波の波形幅を制御することによって前記整流器の出力電流を制御する直流電源装置において、前記制御装置が、その入力信号である前記電流測定器の出力信号を全波整流して絶対値信号を得る絶対値回路、前記インバータのオン指令信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点の中間の時点にパルス信号を出力するパルス発生器、及びこのパルス発生器が出力するパルス信号をサンプル信号として前記絶対値回路の出力信号をサンプルしホールドするサンプル・ホールド回路とを備え、このサンプル・ホールド回路の出力信号を負荷電流に比例する信号とするようにしたものである。
【０００５】
この構成ではインバータのオン指令信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点、すなわちインバータの半導体スイッチのオン期間の中間の時点の電流測定器の出力信号をサンプルしてホールドしており、その各部の波形が特許文献１の図２に示されている。ところが、この図には変圧器の二次出力を整流するダイオードの転流期間が示されていないという点で実態を正確に表わしておらず、各部の波形は実際には本願の図２に示すようなものとなる。図２においてＡは変圧器の一次電圧、Ｂは変圧器の一次電流、Ｃは変圧器の２次電圧、Ｄは直流出力電圧、Ｅは直流出力電流をそれぞれ表わしている。ダイオードの転流時にはその期間中変圧器の一次電流が漸増、漸減するものであり、この間は双方のダイオードによる短絡期間となることから直流出力電圧も零ボルトとなる。
【０００６】
転流期間が終わると変圧器の一次電流と直流出力電流とが比例する期間に入ってインバータの半導体スイッチがオフになるまで継続し、その間変圧器の一次電流は直線的に漸増する。したがって、この変圧器の一次電流と直流出力電流とが比例する期間の中間の時点ｔｎ１あるいはｔｎ２で変圧器の一次電流を検出してサンプルホールドすれば、直流出力電流に比例した計測信号を得ることができることになる。これに対し特許文献１のものではインバータの半導体スイッチのオン期間の中間の時点で変圧器の一次電流をサンプルホールドしており、サンプルホールドする時点がずれていることから計測した電流値と実際の電流値との間には差異が生じるという問題があった。
【０００７】
この問題を解決するためには、遅延時間を設ける等することによりサンプルホールドする時点をずらして補正する方法が考えられる。しかしながら、特に表面処理用のような低圧大電流の直流電源装置では転流期間が長く、転流期間の長さは交流入力電圧が変動したときに変化する。また、設定を変えたり負荷が変わったりして直流出力電圧、電流が変化したときにも変化する。こうした転流期間の長さの変化にも対応し、サンプルホールドする時点を適正にずらして補正することは事実上不可能であり、特許文献１のものでは直流電流を精度よく計測することができなかった。
【特許文献１】特開平５−３８１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は前記の問題点を解決し、変圧器の一次電流を計測することにより分流器を使用することなく直流出力電流を精度よく計測することができる直流電源装置を提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の問題を解決するためになされた請求項１の発明は、商用電源を整流する第一の整流回路と、この第一の整流回路の出力を交流に変換する単相のインバータと、インバータの出力を降圧する変圧器と、変圧器の二次出力を整流する第二の整流回路とから構成される直流電源装置において、変圧器の一次電流を検出する変流器と、変流器による電流検出信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段と、第二の整流回路の転流終了時点からインバータを構成する半導体スイッチがオフになるまでの間の中間の時点でサンプルホールド指令信号をサンプルホールド手段に与える指令信号発生手段を設け、サンプルホールド手段の出力信号を直流電源装置の直流出力電流に比例する信号とすることを特徴とするものである。ここにおいて、第二の整流回路の出力電圧の立ち上がりを検出することにより第二の整流回路の転流期間の終了を検出する検出手段を設けることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第二の整流回路の転流終了時点からインバータを構成する半導体スイッチがオフになるまでの間の中間の時点で変圧器の一次電流をサンプルホールドし、それを直流電源装置の直流出力電流に比例する信号としているので、転流期間の長さが変化しても精度よく計測できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の構成を示す主回路の結線図であって、第一の整流回路である整流器１とコンデンサ２により交流入力端子３から供給される交流電力を直流電力に変換する直流電源が設けてある。直流電源のプラス極には半導体スイッチ４ａ、４ｂのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ４ａ、４ｂのマイナス極にはそれぞれマイナス極を直流電源のマイナス極に接続した半導体スイッチ５ａ、５ｂのプラス極が接続してある。これらの半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂは単相インバータを構成する。
【００１２】
単相インバータの出力端子となる半導体スイッチ４ａ、５ａの接続点と半導体スイッチ４ｂ、５ｂの接続点との間には変圧器６の一次コイルが接続してあり、該変圧器６の二次コイルにはセンタータップを設けるとともに両端にそれぞれダイオード７ａ、７ｂのアノードを接続し、第二の整流回路が構成してある。ダイオード７ａ、７ｂのカソードはプラス側の直流出力端子８ａに、変圧器６のセンタータップはマイナス側の直流出力端子８ｂにそれぞれ接続してある。９は変圧器６の一次コイルの電流を検出する変流器である。
【００１３】
変流器９にはトロイダルコアに２次コイルを巻回した一般的なものを使用することができ、変流器９の一次コイルは変圧器６の一次コイルへの配線を貫通させたものとすることができるが、高周波特性の良好なものであることが好ましい。この変流器９により検出される変圧器６の一次側の電流と、直流出力端子８ａ、８ｂに出力される直流出力の電圧はそれぞれ制御装置１０に入力するように接続してある。制御装置１０には半導体スイッチ４ａ、５ｂ、５ａ、５ｂの駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、直流出力を制御する直流出力制御回路と、変流器９により検出された変圧器６の一次側の電流をサンプルホールドするサンプルホールド手段と、サンプルホールド指令信号をサンプルホールド手段に与える指令信号発生手段が設けてある。
【００１４】
駆動信号生成回路が半導体スイッチ４ａ、５ｂの組と半導体スイッチ４ｂ、５ａの組とに交互に駆動信号を与えるものであること、直流出力制御回路がＰＷＭ制御等により半導体スイッチ４ａ、５ｂ及び半導体スイッチ４ｂ、５ａのオン時間のデューティを変化させて直流出力を制御するものであることは従来のこうした方式の直流電源装置と同様であり、従来のものと同様の構成とすることができる。これに対しサンプルホールド手段、指令信号発生手段は本発明の特徴的なものであり、以下従来のものと同様の部分を含む構成、動作について説明する。
【００１５】
図２は本発明の直流電源装置の要部の波形を示すもので横軸は時間の経過を表わしており、Ａは変圧器６の一次電圧、Ｂは変圧器６の一次電流、Ｃは変圧器６の２次電圧、Ｄは直流出力電圧、Ｅは直流出力電流である。ｔ１からｔ３までは半導体スイッチ４ａ、５ｂがオンになっている期間であり、変圧器６の一次コイルにはその間電源電圧が加わる。ｔ１からｔ２まではダイオード７ｂに流れていた電流がダイオード７ａに移行していく転流期間であり、変圧器６の二次コイルはダイオード７ａとダイオード７ｂにより短絡されるので変圧器６の二次コイルに電圧は現れない。この間変圧器６の一次電流は漸増する。
【００１６】
ｔ２は転流期間が終わる転流終了時点であり、ダイオード７ａとダイオード７ｂによる短絡から開放されて変圧器６の二次コイルには電圧が生じ、ダイオード７ａを通して直流出力端子８ａ、８ｂに出力される。ｔ２からｔ３までは変圧器６の一次側から直流出力に電力が供給される期間であり、変圧器６の一次電流は直線的に漸増し、この間の変圧器６の一次電流と直流出力電流は比例関係となる。ｔ３は半導体スイッチ４ａ、５ｂがオフになるターンオフ時点であり、ｔ３からｔ４まではダイオード７ａに流れていた電流がダイオード７ｂに移行していく転流期間である。ｔ４の時点ではダイオード７ａ、７ｂの双方に電流が流れている状態となる。
【００１７】
同様にｔ５からｔ６までは半導体スイッチ４ｂ、５ａがオンになっている期間であり、変圧器６の一次コイルにはその間電源電圧が逆極性となって加わる。ｔ５からｔ６まではダイオード７ａに流れていた電流がダイオード７ｂに移行していく転流期間であり、変圧器６の二次コイルに電圧は現れず、変圧器６の逆極性の一次電流の大きさは漸増する。ｔ６は転流終了時点であり、変圧器６の二次コイルには逆極性の電圧が生じ、ダイオード７ｂを通して直流出力端子８ａ、８ｂに出力される。ｔ６からｔ７までは変圧器６の一次側から直流出力に電力が供給される期間であり、変圧器６の一次電流の大きさは直線的に漸増し、この間の変圧器６の一次電流の大きさと直流出力電流は比例関係となる。ｔ７は半導体スイッチ４ｂ、５ａがオフになるターンオフ時点であり、ｔ７からｔ８まではダイオード７ｂに流れていた電流がダイオード７ａに移行していく転流期間である。ｔ８の時点ではダイオード７ａ、７ｂの双方に電流が流れている状態となる。以後このような動作が繰り返し継続される。
【００１８】
各部の波形は前記のように変化し、ダイオード７ａ、７ｂ間の転流期間が終わってから半導体スイッチ４ａ、５ｂまたは半導体スイッチ４ｂ、５ａがオフになるまでの間、すなわちｔ２からｔ３まであるいはｔ６からｔ７までの間は変圧器６の一次電流の大きさと直流出力電流が比例関係になる。したがって、変圧器６の一次電流の大きさと直流出力電流が比例関係にあるｔ２からｔ３まであるいはｔ６からｔ７までの間の中間の時点ｔｎ１あるいはｔｎ２で変圧器６の一次電流を検出してサンプルホールドすれば、絶対値が直流出力電流に比例した計測信号を得ることができることになる。
【００１９】
図３はサンプルホールド手段の構成の一例を示すもので、第一のサンプルホールド回路１１ａと第二のサンプルホールド回路１１ｂの入力端子が電流信号入力端子１２ａに接続されている。１２ｂは帰線側の電流信号入力端子であり、この電流信号入力端子１２ａ、１２ｂに変流器９の二次コイルが接続される。１３は変流器９の終端抵抗である。第二のサンプルホールド回路１１ｂの出力端子には極性反転回路２１の入力端子が接続してあり、第一のサンプルホールド回路１１ａの出力端子と極性反転回路２１の出力端子は平均値回路１４の入力端子に接続してある。１５は平均値回路１４の出力端子に入力端子を接続した第三のサンプルホールド回路である。
【００２０】
図４は転流期間の終了を検出する検出回路の例を示すもので、コンパレータ１７の入力端子が波形整形回路１８を介して電圧信号入力端子１９ａに接続してある。波形整形回路１８は例えば定電流ダイオードと定電圧ダイオードにより構成したもので、振幅の変化する入力信号を一定の振幅に制限するものである。１９ｂは帰線側の電圧信号入力端子であり、電圧信号入力端子１９ａ、１９ｂはそれぞれ直流出力端子８ａ、８ｂに接続してある。直流出力電圧は図２のＤに示すように転流期間が終了すると立ち上がり、半導体スイッチがオフになるとゼロになるので、ｔ２及びｔ６の時点を検出することができることになり、半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの駆動信号との論理演算によりｔ２とｔ６のタイミング信号を分離することができる。
【００２１】
直流出力制御回路は半導体スイッチのオン期間中クロックをカウントするカウンターと、直流出力電圧あるいは直流出力電流と設定値を比較して誤差を演算し、半導体スイッチのオン期間の指令値を与える演算器と、指令値とカウンターの計数値を比較する比較器により構成されており、半導体スイッチをオンにするとともにカウンターによる計数を開始し、カウンターの計数値が指令値に達したことを比較器が検出したところで半導体スイッチをオフにすることにより演算器の指令に応じた期間半導体スイッチがオンにされることになる。このカウンターが計数を開始するのは半導体スイッチがオンになるｔ１あるいはｔ５の時点であり、ｔ３あるいはｔ７の時点でカウンターの計数値が指令値に達すると半導体スイッチがオフになる。
【００２２】
直流出力制御回路にはさらに、カウンターの計数値を記憶する記憶回路と、オン期間の指令値から記憶回路の記憶値を減算して中間の時点に相当する中間指令値を算出する演算器と、中間指令値とカウンターの計数値を比較する比較器とが設けられている。記憶回路は転流期間の終了検出信号によりｔ２あるいはｔ６の時点でカウンターの計数値を記憶し、演算器がオン期間の指令値から記憶回路の記憶値を減算してｔ２−ｔ３間あるいはｔ６−ｔ７間のカウント値を算出する。これからｔｎ１あるいはｔｎ２の時点に相当する中間指令値が得られるので、中間指令値とカウンターの計数値が一致した時点を比較器が検出し、ｔｎ１の時点で第一のサンプルホールド回路１１ａに、ｔｎ２の時点で第二のサンプルホールド回路１１ｂにそれぞれサンプルホールド指令信号を与える。
【００２３】
このようにしてｔｎ１の時点で第一のサンプルホールド回路１１ａに、ｔｎ２の時点で第二のサンプルホールド回路１１ｂに検出された変圧器６の一次電流がサンプルホールドされ、直流出力電流に比例した計測信号を得ることができることになる。ここで、第二のサンプルホールド回路１１ｂから得られる計測信号は極性が逆であるが、極性反転回路２１により極性が反転されて同極性となる。平均値回路１４からは連続する半サイクル２つの平均値が得られることになる。第三のサンプルホールド回路１５では例えばｔ３、ｔ７等の時点でサンプルホールドしてもよく、また、入力信号を連続して出力するようにしてもよい。
【００２４】
また、サンプルホールド手段は平均値回路１４、第三のサンプルホールド回路１５に代えて切り替えスイッチとすることも可能である。その場合、正半波では第一のサンプルホールド回路１１ａの出力を、負半波では第二のサンプルホールド回路１１ｂの出力をそれぞれ選択することとなり、アナログ演算をしないのでさらに高精度になる利点がある。また、第二のサンプルホールド回路１１ｂの出力側に接続されている極性反転回路２１は第二のサンプルホールド回路１１ｂの入力側に接続することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の構成を示す主回路の結線図である。
【図２】動作時の要部の波形図である。
【図３】電流算出回路の構成を示す結線図である。
【図４】転流期間の終了を検出する検出回路の構成を示す結線図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  整流器
２  コンデンサ
３  交流入力端子
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ  半導体スイッチ
６  変圧器
７ａ、７ｂ  ダイオード
８ａ、８ｂ  直流出力端子
９  変流器
１０  制御装置
１１ａ、１１ｂ  サンプルホールド回路
１２ａ、１２ｂ  電流信号入力端子
１３  終端抵抗
１４  平均値回路
１５  サンプルホールド回路
１６  電流信号出力端子
１７  コンパレータ
１８  波形整形回路
１９ａ、１９ｂ  電圧信号入力端子
２０  検出信号出力端子
２１  極性反転回路
【図１】
0005643951.tif 000002
【図２】
0005643951.tif 000003
【図３】
0005643951.tif 000004
【図４】
0005643951.tif 000005