(57)【要約】【課題】  簡単な構成で安定して負荷の力率変動を改善することができる力率改善回路を提供する。【解決手段】  力率改善回路は、負荷に同じ周波数の交流電力を供給するための第１の電力回路及び第２の電力回路と、第１の電力回路及び第２の電力回路に各々接続される２種類のリアクタンスと、リアクタンスと負荷との間に設けられる回路であって，負荷に供給される交流電圧の振幅およびその電圧と電流の位相差を検出するための電圧電流振幅位相検出回路と、電力回路に接続され，電圧電流振幅位相検出回路による検出結果に基づき，力率が改善する方向となるように第１の電力回路及び第２の電力回路の出力の電圧位相と電圧振幅を制御する制御回路とを備える。【選択図】      図１
2012069044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に同じ周波数の交流電力を供給するための第１の電力回路及び第２の電力回路と、
該第１の電力回路及び第２の電力回路に各々接続される２種類のリアクタンスと、
該リアクタンスと前記負荷との間に設けられる回路であって，
前記負荷に供給される交流電圧の振幅およびその電圧と電流の位相差を検出するための電圧電流振幅位相検出回路と、
前記電力回路に接続され，前記電圧電流振幅位相検出回路による検出結果に基づき，力率が改善する方向となるように前記第１の電力回路及び第２の電力回路の出力の電圧位相と電圧振幅を制御する制御回路と、
を備えることを特徴とする力率改善回路。
【請求項２】
請求項１の力率改善回路において、前記２種類のリアクタンスは、一方が誘導性リアクタンスであり、他方が容量性リアクタンスであることを特徴とする力率改善回路。
【請求項３】
請求項２の力率改善回路において、前記誘導性リアクタンスはコイルであり、前記容量性リアクタンスはコンデンサであることを特徴とする力率改善回路。
【請求項４】
請求項１の力率改善回路は更に、電圧電流振幅位相検出回路に接続される第３の電力回路を持ち、該第３の電力回路はリアクタンスを介さずに前記負荷に直結されていることを特徴とする力率改善回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率が変動する負荷に効率よく電力を供給するための力率改善回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気回路の負荷にリアクタンス成分がある場合、電圧と電流の位相がずれることにより力率が低下してしまう。この場合、供給電力のうち実際に負荷で消費される電力が減少する一方で、電力回路の電力損失が増加することになる。その為、従来の電気回路では負荷のリアクタンス成分を打ち消すためのリアクタンスを挿入している。また、負荷のリアクタンス成分が変化する場合には可変インダクタンスや可変コンデンサにて力率の改善を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願平１１‐１１２２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、可変インダクタンスはサイズが大きく回路が大型化する可能性がある。また、可変コンデンサは容量の許容範囲が小さいため、回路の種類によっては（例えば、電力回路の場合には）不向きであるという課題がある。また、固定値のリアクタンスを複数個用意し、負荷のリアクタンス成分の変動に対応させて各リアクタンスを切換えることで力率の改善を行うものもあるが、リアクタンスを切換えるためのスイッチ素子の損失や、切り換え時に動作が不連続になる課題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、簡単な構成で安定して負荷の力率変動を改善することができる力率改善回路を提供することを技術課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【０００７】
（１）  負荷に同じ周波数の交流電力を供給するための第１の電力回路及び第２の電力回路と、該第１の電力回路及び第２の電力回路に各々接続される２種類のリアクタンスと、該リアクタンスと前記負荷との間に設けられる回路であって，前記負荷に供給される交流電圧の振幅およびその電圧と電流の位相差を検出するための電圧電流振幅位相検出回路と、前記電力回路に接続され，前記電圧電流振幅位相検出回路による検出結果に基づき，力率が改善する方向となるように前記第１の電力回路及び第２の電力回路の出力の電圧位相と電圧振幅を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。
（２）  （１）の力率改善回路において、前記２種類のリアクタンスは、一方が誘導性リアクタンスであり、他方が容量性リアクタンスであることを特徴とする。
（３）  （２）の力率改善回路において、前記誘導性リアクタンスはコイルであり、前記容量性リアクタンスはコンデンサであることを特徴とする。
（４）  （１）の力率改善回路は更に、電圧電流振幅位相検出回路に接続される第３の電力回路を持ち、該第３の電力回路はリアクタンスを介さずに前記負荷に直結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡単な構成で安定して負荷の力率変動を改善することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態の回路構成を図面に基づき説明する。図１は本実施形態の力率改善回路１の構成を説明するためのブロック図である。力率改善回路１は、発信器１０、電圧位相制御回路２０、第１電力回路３０、第２電力回路４０、電圧電流振幅位相検出回路（以下、振幅・位相検出回路）５０とから構成されている。具体的には、発信器１０は電圧位相制御回路２０に接続され、更に電圧位相制御回路２０には第１電力回路３０及び第２電力回路４０が接続される。なお、第１電力回路３０と第２電力回路４０とは並列接続されている。また、第１電力回路３０と第２電力回路４０は振幅・位相検出回路５０に接続され、振幅・位相検出回路５０は電圧位相制御回路２０に接続されるようになっている。このような力率改善回路１は負荷６０に接続され、負荷６０で生じた力率変化及び電圧振幅変化に対して、本実施形態では２つの電力回路の出力を調節することで電力回路の力率を改善する。
【００１０】
発信器１０は所定の振幅及び周波数ｆの交流信号（正弦波）を出力する。また、本実施形態では発信器１０からはアナログの交流信号が出力されるが、パルス信号等のデジタルの交流信号が出力されても良い。
【００１１】
電圧位相制御回路２０は、後述する振幅・位相検出回路５０で検出された負荷６０での力率変化と電圧と電流の振幅変化とに基づき、第１電力回路３０と第２電力回路４０から負荷６０に供給する交流電力の振幅と位相差とを調節する役割を有する。具体的には、電圧位相制御回路２０は、メモリ２１と周知の位相制御回路（例えば、サイリスタ位相制御回路）とから構成されており、メモリ２１には、振幅・位相検出回路５０からの入力信号（デジタル信号）に基づき、第１電力回路３０と第２電力回路４０とに振り分ける電力の振幅及び位相差を決定するためのテーブルデータが記憶されている。これにより、振幅・位相検出回路５０からの入力信号とテーブルデータの情報とが照合されることで、第１電力回路３０と第２電力回路４０から負荷６０に供給される電力の振幅と位相差とが決定される。なお、電圧電流位相制御回路２０の詳細な説明は後述する。
【００１２】
第１電力回路３０は電圧位相制御回路２０からの入力信号（電力）を増幅させるアンプ３１と、交流電力の位相差を調節するためのリアクタンス３２とから構成される。同様に、第２電力回路４０はアンプ４１と位相差を調節するためのリアクタンス４２とから構成される。ここでは、リアクタンス３２とリアクタンス４２とは異なるリアクタンス成分となるように決定される。例えば、リアクタンス３２が誘導性リアクタンスのときは、リアクタンス４２は容量性リアクタンスとなる。このようにすると、負荷６０の力率が誘導性又は容量性のどちらに変動した場合にも、第１電力回路３０及び第２電力回路４０からの出力を調節することで、第１電力回路３０及び第２電力回路４０の力率を１に保つことができるようになる。なお、本実施形態では誘導性リアクタンスにはコイルが使用され、容量性リアクタンスにはコンデンサが使用される。
【００１３】
振幅・位相検出回路５０は、既知の電圧・電流検出回路と既知の位相差検出回路から構成されている。電圧位相制御回路２０は振幅・位相検出回路５０で検出された振幅と位相のデータをもとに負荷６０の複素インピーダンスを計算し、電圧振幅と複素インピーダンスに基づきメモリ２１に記憶されているデータテーブルと照合することで、第１電力回路３０及び第２電力回路４０から負荷６０に供給する電圧振幅と位相差を決定する。また、これにより、電力回路３０および電力回路４０の力率１（１００％）となる（或いは力率１に近づく）ようにする。
【００１４】
以上のように、振幅・位相検出回路５０によって負荷６０の力率変化が随時検出されると共に、負荷６０の力率変化に応じて電力回路３０と４０の出力が補正されることで、電力回路３０および電力回路４０の力率を１に（或いは力率１に近づくように）することができ、有効電力を効率よく利用できるようになる。
【００１５】
次に、以上のような構成を備える力率改善回路１の動作原理を詳しく説明する。図３は力率改善回路１の動作原理の説明図としてのベクトル線図である。
図３（ａ）は第１電力回路３０のベクトル線図である。ここで、第１電力回路３０の出力電圧V1、電流I1、誘導性リアクタンスX1の電圧VX1、負荷６０の電圧VLとする。ここで、本実施形態では第１電力回路３０と第２電力回路４０とが並列接続されているため、負荷６０の電圧VLを基準として、出力電圧V1と電圧VX1の振幅と位相差とが決定されるようになる。なお、本実施形態では第１電力回路３０の力率は常に１（出力電圧V1と電流I1との力率が１）であるので、出力電圧V1と電圧VX1との位相差は常に直交関係にある（電圧VX1が出力電圧V1に対して９０度の遅れ力率となる）。これにより、振幅・位相検出回路５０の検出結果に基づき電圧VX1の値が調節されると、出力電圧V1（電流I1）の振幅と位相差とが自動的に調節されるようになる。これにより、電流I1は、出力電圧V1と力率１の関係を保った状態で、円弧（実線）Ｒ１上を移動されるようになる。
【００１６】
図３（ｂ）は第２電力回路４０のベクトル線図である。ここで、第２電力回路４０の出力電圧V2、電流I2、容量性リアクタンスX2の電圧VX2、負荷電圧VLとする。この時、第１電力回路３０の場合と同様に、電圧VLを基準として出力電圧V2と負荷電圧VLの振幅と位相差とが決定される。また、第２電力回路４０の力率も常に１であるので、出力電圧V1と電圧VX1の位相差は常に直交関係（電圧VX2が出力電圧V2に対して９０度の進み力率）となる。これにより、振幅・位相検出回路５０の検出結果に基づき電圧VX2の値が調節されると、出力電圧V2（電流I2）の振幅と位相差とが自動的に調節されるようになる。これにより、電流I2は、出力電圧V2と力率１の関係を保った状態で、円弧（実線）Ｒ１上を移動されるようになる。
【００１７】
以上のような第１電力回路３０と第２電力回路４０とが負荷抵抗６０に並列接続されることで、図３（ｃ）に示すようなベクトル線図となり、負荷抵抗６０の電流ILは、第１電力回路３０の電流I1と第２電力回路４０の電流I2にて決定されるようになる。なお、ここでは負荷電圧VLと電流ILとが図示の関係にあるときに、負荷抵抗６０に好適に電力供給がされる状態であるとする。この時、何らかの原因で負荷電圧VLと電流ILの位相差がずれる場合がある。この時、本実施形態では、振幅・位相検出回路５０にてその位相差のずれが検知されることにより、第１電力回路３０の誘導性リアクタンスX1の電圧VX1又は第２電力回路４０の容量性リアクタンスX2の電圧VX2が自動的に調節されることで、電流I1又は電流I2の振幅及び位相差が調節されて、負荷電圧VLと電流ILの位相差と振幅とが元の好適な状態に戻されるようになる。
【００１８】
例えば、図３（ｃ）に示すように負荷電圧VLに対して電流ILの位相差が遅れて、電流IL2となった場合には、第１電力回路３０の電圧VX1の振幅が電圧VX12となるように調節される。これにより負荷電圧VLに対する出力電圧V1（電流I1）の振幅と位相差が出力電圧V12（電流I12）のように変わる。これにより、電流IL2の位相差と振幅が改善されて電流ILの状態に戻され、負荷電圧VLと電流ILとの位相関係が好適な状態で維持されるようになる。
【００１９】
同様に、負荷電圧VLに対して電流ILの位相差が進んだ場合には、第２電力回路４０の電圧VX2が自動的に調節されることで、電圧VLに対する出力電圧V2（電流I2）の振幅と位相差とが変わり、これにより電流ILと負荷電圧VLとの位相関係が良好に保たれるようになる。
【００２０】
以上のように、本実施形態では、負荷６０の力率変化及び電圧振幅変化を検出する振幅・位相検出回路５０の検出結果に基づき、第１電力回路３０及び第２電力回路４０の力率１に保たれた状態で、負荷６０の電圧振幅と位相差とが自動的に補正されるので、力率が１の電力回路の組み合わせで、力率が１ではない負荷が効率よく駆動されるようになる。
【００２１】
なお、本実施形態では２つの電力回路の夫々にリアクタンス３２及びリアクタンス４２（誘導性リアクタンスと容量性リアクタンス）が設けられているが、これに限られるものではない。例えば、負荷６０の力率（リアクタンス）の変動範囲が誘導性又は容量性のどちらか一方に決定される場合には、リアクタンス３２又はリアクタンス４２をゼロリアクタンス（ショート）にしても良い。このようにすると、より簡単な構成で効率よく負荷の力率改善を行うことができるようになる。
【００２２】
また、負荷６０の力率（リアクタンス）が容量性又は誘導性のいずれか一方であり、リアクタンスが０（ゼロ）になる事がない場合には、負荷の力率（リアクタンス）に応じて、２つの電力回路に接続されるリアクタンスの両方を誘導性又は容量性にしても良い。
更には、３つ以上の電力回路を組み合わせることによって、負荷６０の複雑なインピーダンス変動に対応出来るようにしても良い。
【００２３】
次に、以上のような構成を備える力率改善回路を用いて電力回路の力率改善を行う場合の動作を説明する。なお、本実施形態では、失明治療技術の一つとして、複数の刺激電極（以下、電極）が形成された基板を有する体内装置を体内に埋植し、網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激して視覚の再生を試みる視覚再生補助装置に力率改善回路を適用する場合を例に挙げて説明する。
【００２４】
図２は、本実施形態の視覚再生補助装置２００の概略構成を示すブロック図である。視覚再生補助装置２００は、外界を撮影するための体外装置２１０と網膜Ｅ１を構成する細胞に電気刺激を与え、視覚の再生を促す体内装置２５０とからなる。体外装置２１０は、ＣＣＤカメラ等からなる撮影装置２１２と、電源供給と動作制御を行う外部デバイス２１３、外部デバイス２１３に接続される力率改善回路１、力率回旋回路１に接続される送受信手段としての１次コイルＬ１０とを備える。なお、本実施形態では１次コイルＬ１０は力率が変動する負荷に相当する。
【００２５】
体内装置２５０は、送受信手段である２次コイルＬ２０によって体外装置２１０から送信された電力及び情報を電磁誘導にて受信するための送受信部２３０と、網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激するための刺激部２４０とから構成される。
なお、１次コイルＬ１０の中心には図示を略す磁石が取り付けられており、２次コイルＬ２０との位置固定に使用される。
【００２６】
以上のような構成の視覚再生補助装置２００は、体外装置２１０の１次コイルＬ１０と体内装置２５０の２次コイルＬ２０との電磁誘導にて電力供給及び情報の双方向通信が行われる。一方、視覚再生補助装置２００は人体に取り付けられるため患者の動きや装着状態によって１次コイルＬ１０と２次コイルＬ２０とのコイル間距離が変わってしまい、これにより負荷であるコイルＬ１０のインダクタンスと抵抗値が変化する場合がある。
【００２７】
このとき、本実施形態では力率改善回路１により、１次コイルＬ１０と２次コイルＬ２０のコイル間距離の変動によって生じたコイルＬ１０の位相差と振幅の変化が検出される。具体的にはコイル間距離の変動により誘導性リアクタンスが増加した場合には、容量性リアクタンスが接続された電力回路が力率１の状態でその出力が制御されることで、負荷６０の電圧振幅と位相とが調節される。一方、容量性リアクタンスが増加した場合は、誘導性リアクタンスが接続された電力回路が力率１の状態でその出力が制御されることで、負荷６０の電圧振幅と位相とが調節されるようになる。
【００２８】
以上のように、負荷の力率の変化に応じて複数の電力回路から供給される交流電力の位相差及び振幅が調節されることで、電力回路の力率１の状態で、負荷が効率よく駆動されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】力率改善回路の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】視覚再生補助装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】力率改善回路の動作原理を説明するためのベクトル線図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  力率改善回路
２０  電圧位相制御回路
３０、４０  電力回路
３２、４２  リアクタンス
５０  電圧電流振幅位相検出回路
６０  負荷
【図１】
2012069044.tif 000003
【図２】
2012069044.tif 000004
【図３】
2012069044.tif 000005