(57)【要約】【課題】Ｘ線高電圧装置は、コンバータとインバータと高電圧変圧器と整流回路とを含む。コンバータは、入力交流電源電圧が変動すると、力率も変化し、安定した電力供給がはかれない。そこで、入力交流電源電圧が変動しても安定した力率となるようにコンバータを形成したい。【解決手段】コンバータ３は、ハーフブリッジコンバータ３０と混合ブリッジコンバータ３１のとの２つを並列接続したものとする。ハーフブリッジコンバータ３０は、力率が良く、且つ安定しているが、入力交流電源電圧が大きくなると力率低下する。混合ブリッジコンバータ３１は、ゼロクロス点近傍で高調波成分を持ち、その結果、ハーフブリッジコンバータ３０よりも若干低下した力率となるが、入力交流電源電圧が大きくなっても、その力率は低下しない。そこで、基準値電圧以下の交流入力でハーフブリッジコンバータ３０へ切替え、基準値電圧以上の交流入力で混合ブリッジコンバータ３１へ切替えるものとした。【選択図】図１
2005259486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源電圧を入力として直流化をはかるコンバータと、コンバータ出力を制御しながら交流化するインバータと、インバータ出力を昇圧する高電圧変圧器と、この変圧器出力を整流して直流出力を得これをＸ線源に供給する整流回路と、上記交流電源電圧を検出する検出手段と、検出電圧と第１の基準電圧とを比較する判定手段と、を備えると共に、
上記コンバータは、上記第１の基準値以下の入力電源電圧で第１の規定の力率を持ち、この基準値より大きい入力電源電圧でこの第１の規定の力率よりも低下する力率となるハーフブリッジコンバータと、上記第１の基準電圧以上の入力電源電圧で、上記第１の規定の力率近傍の値である第２の規定の力率を持つ、混合ブリッジコンバータと、上記ハーフブリッジコンバータと混合ブリッジコンバータとのいずれか一方にコンバータを切替える切替え部材とを有し、
上記判定手段で、入力電源電圧が第１の基準電圧以下との判定であれば切替え部材によってハーフブリッジコンバータに切替え可能とし、入力電源電圧が第２の基準値よりも大きいとの判定であれば切替え部材によって混合ブリッジコンバータに切替え可能としたインバータ式Ｘ線高電圧装置。
【請求項２】
上記コンバータでのハーフブリッジコンバータと混合ブリッジコンバータとは、共通で使用する素子を共通化し、異なる個所相互を切替え部材によって切替えてコンバータ切替えをはかるものとした請求項１のＸ線高電圧装置。
【請求項３】
上記切替え部材の代わりに、切替えスイッチを設け、更に判定手段の出力を入力とする切替え制御部を設け、切替え制御部は、判定手段の出力が第１の基準電圧以下との判定出力であれば切替えスイッチによりハーフブリッジコンバータに自動切替え、判定手段の出力が第１の基準電圧よりも大きいとの判定出力であれば切替えスイッチにより混合ブリッジコンバータに自動切替えるものとした請求項１のＸ線高電圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源電圧が変化しても適正な力率で運転可能なＸ線高電圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線高電圧装置は、単相商用交流電源をコンバータで直流化した直流出力をインバータで交流化し、これを高電圧変圧器で昇圧し、最後に昇圧出力を整流回路で直流化し、Ｘ線源へ供給するとのやり方を採用する。インバータでは、交流の振幅や周波数を種々変更することで電力制御をはかっている。通常、かかるインバータによる電力制御をはかってＸ線源へ高電圧を印加する、コンバータとインバータと高電圧変圧器と整流回路とより成る回路システムを、インバータ式Ｘ線高電圧装置と呼ぶ。
【０００３】
インバータ式Ｘ線高電圧装置の従来例には、特許文献１、２がある。
【特許文献１】特許第３４３１９８５号特許公報
【特許文献２】特開平１１−２３３２８６号公開公報  この２つの特許文献１、２は、本件出願人によるものであり、いわゆる昇圧型と呼ばれるインバータ式Ｘ線高電圧装置である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンバータは種類が多く、いかなるコンバータを採用するかの１つの要因に力率がある。力率とは、有効電力の皮相電力に対する割合であり、力率が大きい事は、より多くの有効電力を供給できるということを意味する。
然るに、力率は、商用交流電源の電圧の大きさによって変化する。従って、商用交流電源の電圧が予定配電電圧に比して大きかったり、小さかったりすると、力率も変化し、安定な電力の提供が、コンバータとインバータを介して得られないことになる。
例えば、国によっては単相２００Ｖ配電のはずが、２００Ｖを低下して配電されている事例や、逆に２００Ｖを越えて配電されている事例がある。従って、当初２００Ｖで予定していた力率がその実際の配電電圧によって変化する。これでは安定した力率運転ができない。
【０００５】
本発明の目的は、配電電圧等の交流電源電圧が規定の値と異なっても適正な力率でインバータ運転を可能にするインバータ式Ｘ線高電圧装置を提供するものである。  
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、交流電源電圧を入力として直流化をはかるコンバータと、コンバータ出力を制御しながら交流化するインバータと、インバータ出力を昇圧する高電圧変圧器と、この変圧器出力を整流して直流出力を得これをＸ線源に供給する整流回路と、上記交流電源電圧を検出する検出手段と、検出電圧と第１の基準電圧とを比較する判定手段と、を備えると共に、
上記コンバータは、上記第１の基準値以下の入力電源電圧で第１の規定の力率を持ち、この基準値より大きい入力電源電圧でこの第１の規定の力率よりも低下する力率となるハーフブリッジコンバータと、上記第１の基準電圧以上の入力電源電圧で、上記第１の規定の力率近傍の値である第２の規定の力率を持つ、混合ブリッジコンバータと、上記ハーフブリッジコンバータと混合ブリッジコンバータとのいずれか一方にコンバータを切替える切替え部材とを有し、
上記判定手段で、入力電源電圧が第１の基準電圧以下との判定であれば切替え部材によってハーフブリッジコンバータに切替え可能とし、入力電源電圧が第２の基準値よりも大きいとの判定であれば切替え部材によって混合ブリッジコンバータに切替え可能としたインバータ式Ｘ線高電圧装置を開示する。
【０００７】
さらに本発明は、上記コンバータでのハーフブリッジコンバータと混合ブリッジコンバータとは、共通で使用する素子を共通化し、異なる個所相互を切替え部材によって切替えてコンバータ切替えをはかるものとしたＸ線高電圧装置を開示する。
【０００８】
さらに本発明は、上記切替え部材の代わりに、切替えスイッチを設け、更に判定手段の出力を入力とする切替え制御部を設け、切替え制御部は、判定手段の出力が第１の基準電圧以下との判定出力であれば切替えスイッチによりハーフブリッジコンバータに自動切替え、判定手段の出力が第１の基準電圧よりも大きいとの判定出力であれば切替えスイッチにより混合ブリッジコンバータに自動切替えるものとしたＸ線高電圧装置を開示する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、配電電圧等による入力電源電圧が規定の値と異なっても、適正な力率を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明のインバータ式Ｘ線高電圧装置の全体構成例を示す。この装置は、単相２００Ｖ商用電源１に接続された、電圧検出手段２、コンバータ３、コンデンサ４、インバータ５、コンデンサ６、高電圧発生装置７、負荷としてのＸ線源１１、判定手段１２、表示手段１３、より成る。
この装置では、コンバータ３で商用電源電圧を直流化し、インバータ５でその直流出力の電力制御をはかり、高電圧発生装置７で高圧化し、整流化し、Ｘ線源１１に高電圧を印加する。コンバータ３の直流制御及びインバータ５での交流出力の電力制御は、例えばＰＷＭ方式により行い、その目標値等は図示しない制御回路から与えられる。
【００１１】
高電圧発生装置７は、昇圧トランス８、整流回路９、コンデンサ１０より成り、トランス８で昇圧を行い、整流回路９で整流する。尚、コンデンサ１０は、出力電圧の平滑化に使用する。
更に、コンデンサ４はコンバータ出力電圧の安定化、コンデンサ６はトランス８の漏れインダクタンスと共振させる共振用に使用する。
【００１２】
コンバータ３は、電圧によって異なる力率を持つ、２つのコンバータが並列に接続されており、電圧検出手段２で商用電源電圧の電圧を検出し、これが上記２つのコンバータの何れに適したものであるかを判定手段１２で判定し、表示手段１３に表示させて作業者に確認させた上で、適した一方のコンバータへの切替えを、例えば、作業員の手動にて行う。
【００１３】
図２は、コンバータ３の実施例を示す。コンバータ３は、ハーフブリッジコンバータ３０と混合ブリッジコンバータ３１との２つのコンバータを並列して持つ。そして、検出手段２の検出電圧値が予め定めたある規定値より小さい場合にはハーフブリッジコンバータ３０に切替え投入（ＯＮ）し、その規定値より大きい場合には混合ブリッジコンバータ３１に切替え投入（ＯＮ）するように、切替える。勿論、この際、他方のコンバータは遮断（ＯＦＦ）し、投入側のみが動作する。
ここで投入の具体例としては、結線の切替えであり、その事例は後述の図５、図６で示す。
【００１４】
図３は、ハーフブリッジコンバータ３０の実施例を示す。このコンバータ３０は、直列化したＭＯＳＦＥＴ３６、３８、そのそれぞれの両端に設けたダイオード３７、３９、及びＦＥＴ３６、３８の直列の両端に並列に設けた並列コンデンサ４０と４１とより成る。ＦＥＴ３６、３８の制御は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路３２が外部からの指令値を受けて行う。この指令値は、Ｘ線管への管電圧等により定める。
このコンバータ３０への電源は、商用交流電源３３、及びそれに並列な高調波除去用コンデンサ３４、昇圧用リアクトル３５より成る電源回路を介して提供される。提供先は、ＦＥＴ３６と３８との結線部分Ｃ及び直列コンデンサ４０と４１との結線部分Ｂである。ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールとすることもできる。
【００１５】
図４は、混合ブリッジコンバータ３１の実施例である。図３のハーフブリッジコンバータ３０との違いは、直列コンデンサ４０と４１との直列回路に並列に、直列接続のダイオード４２と４３とを設けたこと、及び電源回路の出力先が、コンデンサ４０と４１との結線部分ではなくダイオード４２、４３との結線部分Ａになっていること、である。
かかる図３、図４の回路を並列に設けておき、切替える代わりに、図３、図４の回路の共通部分は共通化し、異なる部分は、異なる部分として残しておき、この残した異なる部分を切替える実施例を図５に示す。
【００１６】
図５では、要素３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１が共通部分であり、異なる要素は直列化したダイオード４２、４３であり、コンバータの切替えは、新たに設けた切替えスイッチ５０によって行った例である。
即ち、電源回路の出力端の一方をスイッチ５０に接続し、コンデンサ４０と４１との結線部分につながる第１接点５０ａ、ダイオード４２と４３との結線部分につながる第２接点５０ｂ、のどちらかにスイッチ５０を切替えるようにした。接点５０ｂにつなげるとハーフブリッジコンバータ３０となり、接点５０ｂにつなげると混合ブリッジコンバータ３１となる。
このスイッチ５０の切替えは、手動で行う。手動で行う理由は、電源電圧の変動が日常的に生じているのではなく、地域や国によって規定の電源電圧に対して高い、低いの変動はあるものの、ある電圧値と定まっており、その地域や国での運転開始時や機械据付け時にどちらのコンバータで運転させるかを定めておけばよいためである。
【００１７】
ここで、スイッチ５０を接点５０ａ側に切替えた場合、ダイオード４２と４３とがそのまま回路要素として残っており、悪影響があるかという点がある。結論として、ダイオード４２と４３は、ある逆電圧（図５の下端側が正ということ）以上の値でオン（導通）となる。ハーフブリッジコンバータの運転に支障はない。念のために、ダイオード４２と４３との両端を切り離す如き連動スイッチ（スイッチ５０との連動との意）を設けておくやり方もある。
ここでハーフブリッジコンバータは、相電流波形がほぼ正弦波であって、最小部品構成による高力率コンバータとして広く知られている。しかし、欠点は高力率動作できる電源電圧領域が狭いことである。一方、回路特性上混合ブリッジコンバータは、ゼロクロス付近でやや歪み（高調波成分が乗ることによる歪み）があるためハーフブリッジコンバータに比べて、ハーフブリッジコンバータの力率に対して近傍値ではあるが力率はやや劣るとの欠点を持つが、高力率動作できる電源電圧領域が広いとの特長がある。  
【００１８】
次に力率と切替えとの関係を説明する。
図６は、商用交流電源３３の電圧Ｖａｃと前記２つのコンバータでの力率の関係を示す図である。横軸が電圧Ｖａｃ（実効値）、縦軸が力率（％）であり、ハーフブリッジコンバータは、Ｖａｃ（１）で力率の低下が発生し、混合ブリッジコンバータＶａｃ（２）で力率の低下が発生する。Ｖａｃ（１）＜Ｖａｃ（２）である。力率の低下があると、高調波成分が増加し、コンバータ出力電圧不安定となる故に力率の低下は避けなければならない。そこで、以下の如き切替えを行う。ここで、Ｖａｃ（１）を第１の基準電圧、Ｖａｃ（２）を第２の基準電圧と呼ぶ。
Ｖａｃ≦Ｖａｃ（１）であれば、ハーフブリッジコンバータに切替えての運転（接点５０ａ側にＯＮ）。
Ｖａｃ（１）＜Ｖａｃ≦Ｖａｃ（２）であれば、混合ブリッジコンバータに切替えての運転（接点５０ｂ側にＯＮ）。
Ｖａｃ＞Ｖａｃ（２）であれば、力率は低下するが、そのまま混合ブリッジコンバータ運転（接点５０ｂ側にＯＮのまま）。しかし、力率低下が規定値以上であれば、別コンバータを取り付ける如き改良を行うこともある。
【００１９】
第１、第２の基準電圧Ｖａｃ（１）、Ｖａｃ（２）を説明する。
コンバータに関して、高力率動作可能で、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、ダイオード等のパワーデバイスの信頼性を確保できる電源電圧Ｖａｃの条件は、下式となる。
ハーフブリッジコンバータの場合、
Ｖａｃ（１）×２√２＋α＜Ｖｄｃ＜Ｖｒａｔ×０．６
混合ブリッジコンバータの場合、
Ｖａｃ（２）×√２＋α＜Ｖｄｃ＜Ｖｒａｔ×０．６
ここで、Ｖｄｃとはコンバータの直流出力電圧、ＶｒａｔはＦＥＴなどのパワーデバイス定格電圧、αはリアクトルやパワーデバイス並びに配線等による電圧降下である。０．６とは、定常運転（実運転）を示すパラメータであり、通常は、定格値に対し０．５〜０．６６の値であり、その中間値を採用した。
２００Ｖ系電源の電圧範囲は、
２００（Ｖ）±１０％〜２４０（Ｖ）±１０％
であり、従って、１８０（Ｖ）〜２６４（Ｖ）となる。Ｖｒａｔ＝１２００（Ｖ）の場合、直流出力Ｖｄｃは、
Ｖｄｃ＜１２０（Ｖ）×０．６＝７２０（Ｖ）
となる。ここで、仮に、α＝０．１×Ｖａｃ（経験上のおおよその値）とすると、
Ｖａｃ（１）＜Ｖｄｃ／（２√２＋０．１）≒２４６（Ｖ）
Ｖａｃ（２）＜Ｖｄｃ／（√２＋０．１）≒４７５（Ｖ）
となる。
以上から、切替基準となる電圧Ｖａｃ（１）は、２３０（Ｖ）とし、それ未満の領域ではハーフブリッジコンバータ、２３０（Ｖ）〜２６４（Ｖ）の領域で混合ブリッジ、に切替える。ここで、Ｖａｃ（２）とは２４６（Ｖ）を指す。
【００２０】
図７〜図９は手動による切替えの構成例図を示す。図７は、ＩＧＢＴモジュール６０、６１、コンデンサ４０、４１であるコンデンサ素子６２、６３、ダイオード４２、４３であるダイオード素子６４、６５がそれぞれ平面的に配置され、各結合部材７０、７１、７２、７３、７４で電気結線がなされ、コンバータを構成している。各結合部は、ボルトで締結してある。
図７（イ）は、ハーフブリッジ型とした例であって、配線６６が結合部材７１にボルト締結し、切替え部材としての配線６７が結合部材７４にボルト締結した例である。配線６６と６７とが、図３や図５での電源回路との結合配線となる。尚、６８は配線を固定するクリート部であり、クリート部６８は締結部Ａ、Ｂから等距離に設定し、切替えの便をはかっている。
図７（ロ）は、混合ブリッジ型とした例であって、切替え部材としての配線６７を結合部材７３にボルト締結した。
【００２１】
図８は配線６７の代わりに又は配線６７の結合側を銅バー（切替え部材）８０にした例であり、図８（イ）が銅バー８０を部材７４とボルト締結し、図８（ロ）が銅バー８０を部材７３にボルト締結した例である。
図９はＬ字型金具を切替え部材として切替える例であり、図９（イ）が部材７４をＬ字型とした例、図９（ロ）が部材７３をＬ字型とした例である。
【００２２】
以上の各実施例は、手動切替えの例であったが、自動切替えの実施例を図１０に示す。図１０は、判定手段１２の出力側に切替え制御部８１を設け、Ｖａｃ（１）以下か以上かによってスイッチ５２を自動切替えるようにしたものである。この実施例は、電圧変動が日常的に起こっている如き地域や国に採用する。    
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のインバータ式Ｘ線高電圧装置の実施の形態例図である。
【図２】本発明のコンバータの構成例図である。
【図３】本発明のハーフブリッジコンバータの構成例図である。
【図４】本発明の混合ブリッジコンバータの構成例図である。
【図５】本発明の図２、図３のコンバータを利用してのコンバータ構成例図である。
【図６】本発明のコンバータ切替えのための、入力電源電圧Ｖａｃと力率との関係を示す図である。
【図７】本発明のコンバータ切替えの具体例図である。
【図８】本発明のコンバータ切替えの他の具体例図である。
【図９】本発明のコンバータ切替えの他の具体例図である。
【図１０】本発明のコンバータ切替えの自動化をはかった構成例図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    商用交流電源
２    コンバータ
３０    ハーフブリッジコンバータ
３１    混合ブリッジコンバータ
５    インバータ
５０    切替えスイッチ
５０ａ、５０ｂ    接点
６６、６７    配線
８０    銅バー
【図１】
2005259486.tif 000003
【図２】
2005259486.tif 000004
【図３】
2005259486.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005259486.tif 000008
【図７】
2005259486.tif 000009
【図８】
2005259486.tif 000010
【図９】
2005259486.tif 000011
【図１０】
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