(57)【要約】【課題】共振回路の共振調整の作業性を向上させた非接触給電システムを提供する。【解決手段】高周波電源１０は、給電線１１のインダクタンスとともに共振回路を構成するコンデンサ部１０ｅ及びコンデンサＣ２と、コンデンサ部１０ｅの動作を制御する共振調整制御部１０ｃとを具備する。コンデンサ部１０ｅは、逆阻止能力を持たない４つのＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄにより構成されるブリッジ回路と、上記のブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサＣ１とを有する。そして共振調整制御部１０ｃは、４つのＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄのうち、対角に位置するペアのＩＧＢＴ１２ａ，１２ｄ又は１２ｂ，１２ｃのオン／オフ動作がそれぞれ同時に行われるように制御し、且つ、一方のペアがオンのときは他方のペアがオフとなるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源及び前記高周波電源に直列に接続される給電線を具備した給電部と、
前記給電線に対して非接触に配置され、前記給電線との電磁誘導により生じた起電力を負荷への供給電力とする受電部とを備え、
前記高周波電源は、前記給電線のインダクタンスとともに共振回路を構成する容量性リアクタンスと、前記容量性リアクタンスの動作を制御する制御部とを具備し、
前記容量性リアクタンスは、逆阻止能力を持たない４つの半導体素子により構成されるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサとを有し、
前記制御部は、４つの前記半導体素子のうち、対角に位置するペアの前記半導体素子のオン／オフ動作がそれぞれ同時に行われるように制御し、且つ、一方のペアがオンのときは他方のペアがオフとなるように制御することを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
前記制御部は、４つの前記半導体素子のオン／オフの切換タイミングを調整して前記コンデンサの見かけ上の容量を変化させることにより、前記共振回路の共振調整を自動で行う自動共振調整機能を有していることを特徴とする請求項１記載の非接触給電システム。
【請求項３】
前記制御部は、システムが稼働している間は、前記自動共振調整機能により前記共振回路の共振調整を随時行うことを特徴とする請求項２記載の非接触給電システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記受電部の負荷が所定の変動範囲を下回る場合には、前記共振回路を共振からずらすことにより前記共振回路のインピーダンスを増加させることを特徴とする請求項２又は３記載の非接触給電システム。
【請求項５】
前記制御部は、無負荷での前記高周波電源の出力電圧値により前記共振回路が共振状態か否かを判断することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の非接触給電システム。
【請求項６】
前記制御部は、無負荷での前記高周波電源のリップル電流により前記共振回路が共振状態か否かを判断することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自走式の移動体等に対して非接触で電力を供給する非接触給電装置が提供されている（例えば特許文献１参照）。この非接触給電装置は、交流電源の交流出力を一定電圧の直流出力に変換する直流電源回路と、直流電源回路の直流出力を所定周波数の交流出力に変換するインバータと、インバータの出力側に接続されてインバータから所定周波数の交流電力が与えられる給電線と、給電線に直列に接続されて給電線とともに共振回路を構成するコンデンサとを備える。この非接触給電装置では、給電線とコンデンサとで構成される共振回路により、インバータの出力部に接続されるリアクタンス成分を小さくしつつ、給電線に与えられる有効電力を大きくすることができる。つまり、上記の共振回路により給電線のリアクタンスによる力率低下を補うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１７４２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１に示した非接触給電装置では、上記の共振回路により給電線のリアクタンスによる力率低下を補うことができるものの、給電線の線路長や負荷によってリアクタンス成分が変化するため、それに応じてコンデンサの容量を変更しなければならず、コンデンサを交換する作業が必要であった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、共振回路の共振調整の作業性を向上させた非接触給電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の非接触給電システムは、高周波電源及び高周波電源に直列に接続される給電線を具備した給電部と、給電線に対して非接触に配置され、給電線との電磁誘導により生じた起電力を負荷への供給電力とする受電部とを備える。高周波電源は、給電線のインダクタンスとともに共振回路を構成する容量性リアクタンスと、容量性リアクタンスの動作を制御する制御部とを具備する。容量性リアクタンスは、逆阻止能力を持たない４つの半導体素子により構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサとを有する。そして制御部は、４つの半導体素子のうち、対角に位置するペアの半導体素子のオン／オフ動作がそれぞれ同時に行われるように制御し、且つ、一方のペアがオンのときは他方のペアがオフとなるように制御する。
【０００７】
この非接触給電システムにおいて、制御部は、４つの半導体素子のオン／オフの切換タイミングを調整してコンデンサの見かけ上の容量を変化させることにより、共振回路の共振調整を自動で行う自動共振調整機能を有しているのも好ましい。
【０００８】
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、システムが稼働している間は、自動共振調整機能により共振回路の共振調整を随時行うのも好ましい。
【０００９】
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、受電部の負荷が所定の変動範囲を下回る場合には、共振回路を共振からずらすことにより共振回路のインピーダンスを増加させるのも好ましい。
【００１０】
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、無負荷での高周波電源の出力電圧値により共振回路が共振状態か否かを判断するのも好ましい。
【００１１】
また、この非接触給電システムにおいて、制御部は、無負荷での高周波電源のリップル電流により共振回路が共振状態か否かを判断するのも好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
共振回路の共振調整の作業性を向上させた非接触給電システムを提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の非接触給電システムの給電部を示し、（ａ）はそのブロック図、（ｂ）はその要部であるコンデンサ部の回路図である。
【図２】同上のシステム構成図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は同上の要部であるコンデンサ部の動作を説明する説明図である。
【図４】同上の共振調整時の電流波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、非接触給電システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図２は本実施形態の非接触給電システムのシステム構成図であり、この非接触給電システムは給電部１と受電部２とを主要な構成として備え、例えば負荷である無人搬送車のモータ３に対して電力を供給する。なお、負荷はモータ３に限定されるものではなく、他のものでもよい。
【００１６】
給電部１は、商用電源４の交流電圧から高周波（例えば４０ｋＨｚ）の正弦波交流電圧を生成する高周波電源１０と、高周波電源１０に直列に接続されて高周波電源１０の高周波出力が供給される給電線１１とを具備する。給電線１１は数十〜数百ｍの長さを有しておりインダクタンス成分が大きく、ＬＲ負荷となっている。なお本実施形態では、給電線１１の行き帰りの線が平行に配置されており、互いに発生する磁界を打ち消しあっている（図２参照）。
【００１７】
図１（ａ）は給電部１のブロック図である。高周波電源１０は、給電線１１に対して高周波の交流電力を出力する出力部１０ｄと、出力部１０ｄの出力電流を制御する出力電流制御部１０ｂと、給電線１１とともに共振回路を構成するコンデンサ部１０ｅと、コンデンサ部１０ｅの動作を制御する共振調整制御部１０ｃと、全般的な制御を行う電源制御部１０ａとを備える。また、図１（ｂ）はコンデンサ部１０ｅの回路図であり、このコンデンサ部１０ｅは、給電線１１のリアクタンスによる力率低下を補うために設けられたものである。なお、コンデンサ部１０ｅの出力端と給電線１１の一端部との間にはコンデンサＣ２が接続されており、本実施形態ではコンデンサ部１０ｅのコンデンサＣ１とコンデンサＣ２とで共振用のコンデンサが構成される。
【００１８】
コンデンサ部１０ｅは、図１（ｂ）に示すように、逆阻止能力を持たない４つのＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄ（半導体素子）からなるブリッジ回路と、ブリッジ回路の中点間に接続されて電流遮断時のスナバエネルギーを蓄積するコンデンサＣ１とで構成される。各ＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄは、素子と並列且つ逆向きに接続されたダイオードで構成され、両方向（順逆両方向）に電流を流すことができる順逆両方向導通型の素子である。そして、このコンデンサ部１０ｅは、図１（ａ）に示すように、給電線１１及びコンデンサＣ２に直列に接続され、給電線１１及びコンデンサＣ２とともに共振回路を構成する。なお、図示は省略しているが、各ＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄのゲート端子はそれぞれ共振調整制御部１０ｃに接続されており、共振調整制御部１０ｃからの制御信号に応じて各ＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄがオン／オフされる。ここに本実施形態では、コンデンサ部１０ｅ及びコンデンサＣ２により容量性リアクタンスが構成され、また共振調整制御部１０ｃにより制御部が構成される。
【００１９】
受電部２は、図２に示すように、給電線１１を挟み込むようにして配置されたＵ字状のコアに巻線が巻回されたピックアップ２０と、ピックアップ２０と給電線１１との間の電磁誘導により上記の巻線に生じた起電力を増大させるための共振回路２１と、共振回路２１の出力を安定化させる定電圧回路２２とを備える。そして、定電圧回路２２により安定化された電力が負荷であるモータ３に供給される。なお、上記のピックアップ２０は、モータ３の動作に伴って給電部１１と平行な方向（図２中の矢印Ａ−Ｂ方向）に移動自在となっている。
【００２０】
次に、コンデンサ部１０ｅの動作について、図３（ａ）〜図３（ｆ）を参照しながら説明する。図３（ａ）はコンデンサＣ１が充電された後に負荷電流が反転した状態を示し、反転前の期間にコンデンサＣ１に充電された電荷が放電される。このとき、ＩＧＢＴ１２ｂ，１２ｃのペアがオンになっているので、ＩＧＢＴ１２ｂ→コンデンサＣ１→ＩＧＢＴ１２ｃの経路（図３（ａ）中の矢印ａ１，ａ２の経路）でコンデンサＣ１の放電が行なわれる。コンデンサＣ１の放電が終了すると、コンデンサＣ１に電流が流れなくなって、ＩＧＢＴ１２ａのダイオード→ＩＧＢＴ１２ｃの経路（図３（ｂ）中の矢印ａ３の経路）と、ＩＧＢＴ１２ｂ→ＩＧＢＴ１２ｄのダイオードの経路（図３（ｂ）中の矢印ａ４の経路）にそれぞれバイパスされ、各経路に電流が流れる。そして、この状態で対角にあるＩＧＢＴ１２ｂ，１２ｃのペアがオフにされ、ＩＧＢＴ１２ａ，１２ｄのペアがオンにされると、ＩＧＢＴ１２ａのダイオード→コンデンサＣ１→ＩＧＢＴ１２ｄのダイオードの経路（図３（ｃ）中の矢印ａ５，ａ６の経路）でコンデンサＣ１の充電が行なわれる。
【００２１】
やがて負荷電流が反転すると、図３（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴ１２ｄ→コンデンサＣ１→ＩＧＢＴ１２ａの経路（図３（ｄ）中の矢印ａ７，ａ８の経路）でコンデンサＣ１の放電が行なわれる。コンデンサＣ１の放電が終了すると、コンデンサＣ１に電流が流れなくなって、ＩＧＢＴ１２ｃのダイオード→ＩＧＢＴ１２ａの経路（図３（ｅ）中の矢印ａ９の経路）と、ＩＧＢＴ１２ｄ→ＩＧＢＴ１２ｂのダイオードの経路（図３（ｅ）中の矢印ａ１０の経路）にそれぞれバイパスされ、各経路に電流が流れる。そして、この状態でＩＧＢＴ１２ａ，１２ｄのペアがオフにされ、ＩＧＢＴ１２ｂ，１２ｃのペアがオンにされると、ＩＧＢＴ１２ｃのダイオード→コンデンサＣ１→ＩＧＢＴ１２ｂのダイオードの経路（図３（ｆ）中の矢印ａ１１，ａ１２の経路）でコンデンサＣ１の充電が行なわれる。以上の動作を繰り返して行ない、位相制御を行うことにより、コンデンサＣ１を共振調整用可変コンデンサとして使用することが可能となる。ここに、全てのＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄが同時にオフになるとコンデンサ部１０ｅに電流が流れなくなるため、ＩＧＢＴ１２ａ，１２ｄのペアがオンにされるときはＩＧＢＴ１２ｂ，１２ｃのペアは同時にオフにされ、ＩＧＢＴ１２ａ，１２ｄのペアがオフにされるときはＩＧＢＴ１２ｂ，１２ｃのペアは同時にオンにされる。
【００２２】
ここで、本実施形態のコンデンサ部１０ｅは、各ＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄのオン／オフの切換タイミングを出力部１０ｄの出力電圧位相に対してどの程度進めるかにより見かけ上のコンデンサ容量を変化させることができる。そして、ＬＲ負荷である給電線１１、コンデンサ部１０ｅ及びコンデンサＣ２で構成される共振回路を共振状態にすることにより、給電線１１のリアクタンスによる力率低下を補うことができるため、少なくともシステム導入時には上記の共振回路の共振調整が必要である。以下、共振調整について説明する。なお、共振調整時にはモータ３が受電部２に接続されておらず、つまり無負荷で共振調整が行われる。
【００２３】
作業者は、高周波電源１０に接続される給電線１１の線路長から上記の共振回路が共振状態となるコンデンサの容量を推定し、コンデンサ部１０ｅのコンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合成容量が推定した容量よりも大きくなるようにコンデンサＣ１の容量を設定する。その後、作業者は電源スイッチ（図示せず）をオンにして電源を投入し、高周波電源１０の出力電流Ｉ１をモニターしながらコンデンサ部１０ｅの位相を進めていき、コンデンサＣ１の見かけ上の容量を大きくする。なおこのとき、コンデンサＣ１の見かけ上の容量が大きくなることでコンデンサＣ１，Ｃ２の合成容量は小さくなる。そして、作業者は出力電流Ｉ１のリップル電流が所定の許容範囲ｄ１（図４参照）内に収まるまでコンデンサ部１０ｅの位相を進めていき、最後にコンデンサ部１０ｅの位相をわずかに遅らせることで共振調整が完了する。
【００２４】
而して本実施形態によれば、４つのＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄのオン／オフの切換タイミングを調整することによりコンデンサＣ１の見かけ上の容量を変化させることができるので、給電線１１の線路長や負荷によってリアクタンス成分が変化した場合でもコンデンサを交換することなく見かけ上の容量を調整することができ、従来例に比べて共振回路の共振調整の作業性を向上させることができる。また、高周波電源１０のリップル電流が所定の許容範囲ｄ１内に収まるように共振調整を行うことにより共振回路を共振状態にすることができ、その結果、高周波電源１０の出力部に接続されるリアクタンス成分を小さくしつつ、給電線１１に与えられる有効電力を大きくすることができる。
【００２５】
ところで本実施形態では、作業者が高周波電源１０の出力電流Ｉ１をモニターしながらリップル電流が所定の許容範囲ｄ１内に収まるように調整したが、例えば高周波電源１０に共振調整モードを設け、この共振調整モードに設定されると上述の共振調整を自動的に行うようにしてもよく、これにより施工時間を短縮できるとともにそれに伴う低コスト化を実現できる。また、システムが稼動している間は上記の自動共振調整を随時行うようにしてもよく、これによりシステムの稼動中に負荷変動が生じてリアクタンスが変化しても、その都度共振調整を行うことにより共振回路を共振状態に維持することができる。
【００２６】
さらに、受電部２の負荷が予め設定された所定の変動範囲を下回る場合には、上記の共振回路を共振からずらすように制御してもよい。これにより、インピーダンスの低下を補うことができるので、インピーダンスの低下により過大な電流が回路に流れるのを抑制できる。なお所定の変動範囲とは、受電部２の負荷が通常取り得る範囲のことをいい、負荷に応じて設定される。
【００２７】
なお本実施形態では、高周波電源１０のリップル電流が所定の許容範囲ｄ１内に収まるように共振調整を行ったが、例えば高周波電源１０の出力電圧Ｖ１（図１（ａ）参照）が予め設定された値になるように共振調整を行ってもよく、同様に高周波電源１０の出力部に接続されるリアクタンス成分を小さくしつつ、給電線１１に与えられる有効電力を大きくすることができる。また本実施形態では、逆阻止能力を持たない半導体素子としてＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄを例に説明したが、例えばＭＯＳＦＥＴを用いてもよく、本実施形態に限定されない。
【符号の説明】
【００２８】
１  給電部
１０  高周波電源
１１  給電線
１０ｃ  共振調整制御部（制御部）
１０ｅ  コンデンサ部（容量性リアクタンス）
１２ａ〜１２ｄ  ＩＧＢＴ（半導体素子）
Ｃ１  コンデンサ
Ｃ２  コンデンサ（容量性リアクタンス）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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