(57)【要約】【課題】一台の電力供給装置によって複数の負荷を同時にかつ独立して制御する電力を供給する。【解決手段】電力供給装置において、直流電圧をパルス化することによって、複数の出力電圧が多重化された多重化出力電圧を生成する。生成された多重化出力電圧には複数の出力電圧が多重化され、負荷側において伝送された多重化出力電圧を多重化分離することによって複数の出力電圧に分離する。多重化出力電圧において複数の出力電圧は互いに独立した状態で多重化されているため、多重化分離した複数の出力電圧は互いに独立した状態で同時に取得することができる。これによって、多重化分離した出力電圧を各負荷に供給することによって各負荷を同時にかつ独立して制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
前記電源の電源電圧をパルス化し、パルス化したパルスのパルス特性を調整して、複数の出力電圧を多重化した多重化出力電圧を出力する多重化回路とを備え、
前記多重化回路は、
前記電源の電源電圧をパルス化した多重化出力電圧を出力するパルス形成回路と、
前記パルス形成回路のパルス形成のタイミングを制御し、前記多重化出力電圧の一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅の少なくとも一つのパルス特性を調整する制御信号を発生する制御信号発生器とを備え
前記パルス形成回路は、前記制御信号によって多重化出力電圧のパルス特性を調整し、当該パルス特性の調整によって、複数の出力電圧を周波数、位相、振幅の少なくとも一つの出力電圧特性において多重化することを特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
前記パルス形成回路は、前記電源の電源電圧の両端間にスイッチング素子のブリッジ回路を接続し、前記スイッチング素子の開閉によって前記電源電圧をパルス化した多重化出力電圧を出力するスイッチング回路を備え、
前記制御信号発生器は、前記スイッチング回路のスイッチング素子の開閉時期を制御する制御信号を発生することを特徴とする、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記制御信号は、前記多重化出力電圧のパルス特性において前記一周期内のパルス位置をパラメータとし、
前記パルス化は、前記パルス位置をパラメータとして周波数多重化を行い、直流電圧を異なる周波数の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成し、異なる周波数の出力電圧を多重化することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記制御信号は、前記多重化出力電圧のパルス特性において前記一周期内のパルス位置を一周期内において半周期について対称として前記電圧極性の対称性をパラメータとし、
前記パルス化は、前記電圧極性の対称性をパラメータとして位相多重化を行い、位相多重化によって直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成し、
前記多重化出力電圧は、
前記電圧極性を一周期内において半周期について同極性又は異極性とし、
同極性の電圧極性では、異なる周波数の奇関数の複数の出力電圧が多重化された出力電圧であり、
異極性の電圧極性では、異なる周波数の偶関数の複数の出力電圧が多重化された出力電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
【請求項５】
前記制御信号は、前記多重化出力電圧のパルス特性において前記各周期間のパルス位相を半周期又は１／４周期ずらすパルス位相をパラメータとし、
前記パルス化は、前記パルス位相をパラメータとして位相多重化を行い、位相多重化によって直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成し、
パルス位相の周期が半周期ずれた多重化出力電圧は、位相が半周期分ずれた２つの出力電圧が多重化された出力電圧であり、
パルス位相の周期が１／４周期ずれた多重化出力電圧は、位相が１／４周期分ずれた４つの出力電圧が多重化された出力電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
【請求項６】
前記制御信号は、前記多重化出力電圧のパルス特性において前記各周期間のパルス幅をパラメータとし、
前記パルス化は、前記パルス幅をパラメータとして振幅多重化を行い、振幅多重化によって直流電圧を異なる振幅の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成し、
前記多重化出力電圧は、出力電圧の振幅が異なる複数の出力電圧が多重化された出力電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
【請求項７】
前記パルス化は、各周期の多重化出力電圧のパルス特性を、周期を単位として時分割で変更することを特徴とする請求項３に記載の電力供給装置。
【請求項８】
前記制御信号は、前記多重化出力電圧のパルス特性において前記一周期内のパルス位置、及び前記各周期間のパルス位相を半周期又は１／４周期ずらすパルス位相をパラメータとし、
前記パルス化は、前記パルス位置をパラメータとして周波数多重化を行い、直流電圧を異なる周波数の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成して異なる周波数の出力電圧を多重化し、
前記パルス位相をパラメータとして位相多重化を行い、位相多重化によって直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成し、
前記周波数多重化によって直流電圧を異なる周波数の出力電圧に多重化し、前記位相多重化によって直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
【請求項９】
電源と、
前記電源の電源電圧をパルス化し、前記電源の電源電圧をパルス化し、パルス化したパルスのパルス特性を調整して、複数の出力電圧を多重化した多重化出力電圧を出力する多重化回路と、
前記多重化回路の多重化出力電圧を多重化分離し、多重化された出力電圧を複数の出力電圧に分離する多重化分離回路と、
前記多重化分離路で分離した複数の出力電圧を分配する分配器とを備え、
前記多重化回路は、
前記電源の電源電圧をパルス化した多重化出力電圧を出力するパルス形成回路と、
前記パルス形成回路のパルス形成のタイミングを制御し、前記多重化出力電圧の一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅の少なくとも一つのパルス特性を調整する制御信号を発生する制御信号発生器とを備え
前記パルス形成回路は、前記制御信号によって多重化出力電圧のパルス特性を調整し、当該パルス特性の調整によって、複数の出力電圧を周波数、位相、振幅の少なくとも一つの出力電圧特性において多重化し、
前記多重化分離回路は、前記多重化回路で多重化した多重化出力電圧を、当該多重化出力電圧が多重化された出力電圧特性に基づいて各出力電圧に多重化分離することを特徴とする電力供給システム。
【請求項１０】
前記パルス形成回路は、前記電源の電源電圧の両端間にスイッチング素子のブリッジ回路を接続し、前記スイッチング素子の開閉によって前記電源電圧をパルス化した多重化出力電圧を出力するスイッチング回路を備え、
前記制御信号発生器は、前記スイッチング回路のスイッチング素子の開閉時期を制御する制御信号を発生することを特徴とする、請求項９に記載の電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、電力供給装置、及び電力供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電気駆動技術の発展に伴い、複数の電動機を備えたシステムの導入が進められている。複数台の電動機を備えたシステムの一例としては、液晶ディスプレイや半導体の製造装置が挙げられる。これらの製造装置では、複数台の電動機を同時に制御することで精密な位置決めを実現しており、モデルに基づく非干渉化制御手法などが報告されている。同様に、製鉄における熱間帯鋼仕上圧延設備においても、送り速度や張力を制御するために複数台の電動機が用いられており、フィードバック線形化に基づく複数電動機の制御手法などが研究されている。また、遠隔操作システムは手術支援や災害救助を目的として研究が進められているが、操作用ロボットと作業用ロボットで構成されていることから複数台の電動機が必要となる。
【０００３】
複数の電動機を備えたシステムにおいては、各電動機に１台の電力供給装置を接続する必要があるため、従来、複数台の電動機を駆動する場合には電動機と等しい数の電力供給装置を設置しなければならなかった。
【０００４】
しかし、近年のパワーエレクトロニクスやマイクロコントローラ、デジタル信号処理技術の進歩により、１台の電力供給装置によって複数台の電動機を駆動することが可能となり、研究が進められている。１台の電力供給装置によって複数台の電動機を同時に制御することができれば、電力供給装置やそれに付随する電子部品を削減することが可能となり、システムの費用低減や軽量化、小型化に有効である。
【０００５】
複数台駆動の例としては、鉄道の車輪を想定した電動機制御に関する研究が挙げられ、１台の３レグインバータによって２台の誘導電動機を制御することに成功している。また、１台の電力供給装置によって、固定子巻線が直列に接続された２台の５相誘導電動機を独立に駆動する手法が報告されているほか、１台の５レグインバータにより２台の永久磁石同期電動機を駆動する手法や２台の三相誘導電動機を駆動する手法が提案されている。
【０００６】
一方、電力変換回路の制御で広く使われているパルス幅変調(ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）に関する研究分野では、ＰＷＭ制御の電力変換機能に新たな機能を付与する取り組みが行われている。ＰＷＭ制御に電力変換以外の機能を持たせる例としては、電力線を通信回線としても利用する電力線搬送通信に関する研究が挙げられる。電力線搬送通信に関連する研究としては、産業用ＰＷＭネットワークを用いて電動機の状態をインバータ側に伝える通信方法（非特許文献１）やＰＷＭネットワークのケーブル長による通信信頼性に関する研究、ＰＷＭネットワークに混入するノイズの除去技術などが報告されている。
【０００７】
また、電力線上において、スイッチ操作に関連する制御情報の制御信号を電力線上において電力線搬送信号によって重畳させて電源側に伝送する技術も知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１８４５５５号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】N.Gnot, M.A.Mannash, C.Batarad, and M.Machmoum, “Application of power line communication for data transmission over PWM network”, IEEE Trans, Smart Grid, Vol.1, No.2, PP.178-185, Sep.2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一台の電力供給装置によって複数の負荷に対して電力を供給すると共に、複数の負荷を同時にかつ独立して制御することが求められている。
【００１１】
１台の電力供給装置に対し、複数台の電動機を並列接続すれば、電力供給装置の設置台数を削減することは可能である。しかしながら、各電動機は同じ駆動条件で同時駆動するに過ぎず、各電動機を異なる駆動条件で駆動することはできない。そのため、複数の負荷を同時にかつ独立して制御するという要求に対しては、上記した複数台の電動機を同時駆動する電力供給装置は対応することができない。
【００１２】
また、産業用ＰＷＭネットワークを用いて電動機の状態をインバータ側に伝える通信技術や、電力線上において制御信号を電力線搬送信号に重畳させて電源側に伝送する技術が知られているが、これら技術の目的の多くは負荷側から電力供給側に向かって情報を伝送する技術であり、電力供給側から各負荷に向かって電力供給を制御する情報を伝送するものではない。
【００１３】
仮に、制御信号を電力線搬送信号に重畳させる技術を、電力供給側から負荷側への電力供給に適用させた場合には、負荷側において電力線搬送信号に重畳された制御信号を分離し、制御信号に基づいて電力供給装置から送られた電力を各負荷に分配する必要がある。この電力配分では、重畳された信号から制御信号を分離する信号分離の構成と、分離した制御信号を用いて電力を分配する電力分配の構成が必要であり、各構成に付随する電子部品が増加し、システムの費用増加、重量化、大型化等の課題が生じることになる。
【００１４】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、一台の電力供給装置によって複数の負荷に対し、同時かつ独立に電力を供給することを目的とし、電力供給側から制御信号を送信することなく電力供給を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願発明は、電力供給装置において、電源により印加される電源電圧をパルス化し、パルスのパルス特性を調整することによって、複数の出力電圧が多重化された多重化出力電圧を生成する。以下、電圧をパルス化し、そのパルスのパルス特性を調整することをパルス調整で表す。ここで、パルス特性は、パルス幅、一周期内のパルス位置、パルスの電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相である。生成された多重化出力電圧には複数の出力電圧が多重化されているため、負荷側において伝送された多重化出力電圧を多重化分離することによって多重化された出力電圧を分離することができる。
【００１６】
多重化出力電圧において複数の出力電圧は互いに独立した状態で多重化されているため、多重化分離した複数の出力電圧は互いに独立した状態で同時に取得することができる。したがって、分離した出力電圧を各負荷に供給することによって各負荷を同時にかつ独立して制御することができる。
【００１７】
電源電圧のパルス調整は、複数の出力電圧を周波数や位相等の出力電圧特性によって多重化されており、パルス調整後の多重化出力電圧は、多重化された複数の出力電圧を多重化状態から分離するための情報を多重化出力電圧自体に内包している。
【００１８】
したがって、多重化出力電圧は、多重化出力電圧が備える出力電圧特性に基づいて多重化分離することができ、多重化分離することによって多重化された出力電圧を分離して出力することができる。この多重化分離では多重化出力電圧を分離するための制御信号は不要である。
【００１９】
本願発明によれば、電力供給側において、多重化された出力電圧を負荷側において分離処理を行うための制御信号を別途形成しておく必要がなく、また、負荷側においても多重化された出力電圧を多重化分離する際に、制御信号を別途用意することなく各出力電圧に分離することができる。
【００２０】
本願発明は、多重化出力電圧を生成する電力供給装置の形態と、多重化出力電圧を生成する電力供給側の多重化部の構成と多重化出力電圧から出力電圧を多重化分離して負荷に分配する負荷側の多重化分離部の構成とを含む電力供給システムの形態とを含んでいる。
【００２１】
[電力供給装置]
本願発明の電力供給装置は、電源と、電源の電源電圧をパルス化し、そのパルスのパルス特性を調整して多重化して得られる多重化出力電圧を出力する多重化回路とを備える。
【００２２】
本願発明の多重化回路は、多重化状態から分離するための情報を内包した多重化出力電圧を出力するパルス形成回路と、パルス形成回路がパルス形成するタイミングを制御し、多重化出力電圧のパルスについて、一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅の少なくとも一つのパルス特性を調整する制御信号を発生する制御信号発生器とを備える。
【００２３】
パルス形成回路は、電源の電源電圧の両端間にスイッチング素子を設けたスイッチング回路で構成することができ、スイッチング素子を開閉することによって電源電圧をパルス化して多重化出力電圧を出力する。制御信号発生器は、スイッチング回路のスイッチング素子の開閉時期を制御する制御信号を発生する。スイッチング回路は、電源の電源電圧の両端間にスイッチング素子のブリッジ構成で接続したブリッジ回路で構成することができる。
【００２４】
電源電圧は直流電圧又は交流電圧とすることができる。スイッチング回路は、電源電圧が直流電圧である場合にはインバータで構成することができ、電源電圧が交流電圧である場合には、交流電圧をオンオフ制御して変換するマトリクスコンバータ等の交換回路で構成することができる。
【００２５】
スイッチング回路は、制御信号発生器により供給される制御信号に基づいてスイッチング素子の開閉を制御し、多重化出力電圧を生成する。スイッチング回路のスイッチング素子の開閉時期を制御することによって多重化出力電圧のパルス特性を調整する。
【００２６】
生成された多重化出力電圧は、さらに、周波数、位相、振幅の少なくとも一つの出力電圧特性を用いて多重化することも可能である。多重化された複数の出力電圧は、当該出力電圧特性に基づいて多重化出力電圧を多重化分離することができる。
【００２７】
本願発明の電力供給装置は、多重化回路において多重化出力電圧のパルスのパルス特性を調整することによって出力電圧を多重化する態様として、周波数により多重化する周波数多重化の態様、位相により多重化する位相多重化の態様、振幅により多重化する振幅多重化の態様の他、周波数多重化を時分割で行う態様、周波数多重化と位相多重化とを組み合わせて行う態様等の複数の態様とすることができる。
【００２８】
（周波数多重化の態様）
周波数多重化の態様では、制御信号によってパルスのパルス幅や一周期内のパルス位置を調整することによって周波数で多重化した多重化出力電圧を生成する。
【００２９】
パルス調整において、パルスのパルス幅や一周期内のパルス位置を調整することによって周波数情報に基づいた多重化が行われ、基本周波数成分及び高調波周波数成分の電圧出力が多重化される。多重化された多重化出力電圧を周波数で多重化分離することによって、多重化出力電圧を基本周波数成分と高調波周波数成分に分離して複数の出力電圧を出力することができる。
【００３０】
パルス形成回路が備えるスイッチング回路のスイッチング素子の開閉を制御する制御信号は、多重化出力電圧のパルス特性の内、一周期内のパルス位置をパラメータとしてパルス形成を制御する。
【００３１】
パルス調整は、パルス位置をパラメータとして直流電圧を周波数多重化し、異なる周波数の出力電圧を多重化した多重化出力電圧を生成する。
【００３２】
多重化出力電圧のパルス特性において、パルスの電圧極性が一周期内において半周期について同極である場合には多重化される複数の出力電圧は奇関数となり、一方、パルスの電圧極性が一周期内において半周期について異極である場合には、多重化される複数の出力電圧は偶関数となる。
【００３３】
（周波数多重化を時分割で行う態様）
パルス調整において、多重化出力電圧のパルス特性の変更を、周期を単位として時分割で行うことによって、周波数情報に基づく出力電圧の多重化を時分割で行うことができる。
【００３４】
パルス調整は、スイッチング回路を制御する制御信号の周期を単位として行うことができるため、各周期のパルス調整は、多重化出力電圧のパルスについて、一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅等のパルス特性を変えることによって、出力電圧の多重化を時分割で行うことができる。この態様によれば、各周期内で行う周波数の多重化と時分割による多重化との２種類の多重化を組み合わせることができる。
【００３５】
（位相による多重化の態様）
位相による多重化の態様では、制御信号によって各周期間のパルス位相を調整することによって位相で多重化した多重化出力電圧を生成する。
【００３６】
パルス調整において、多重化出力電圧の各周期間のパルス位相を調整することによって多重化出力電圧を位相の出力電圧特性で多重化する。位相多重化された多重化出力電圧を位相情報に基づいて多重化分離することによって、多重化された複数の出力電圧を分離し出力することができる。
【００３７】
位相多重化の態様は２つの態様とすることができる。
第１の位相多重化の態様は、出力電圧を奇関数による多重化と偶関数による多重化とする態様であり、第２の位相多重化の態様は多重化出力電圧のパルス特性の位相によって多重化する態様である。
【００３８】
第１の位相多重化の態様では、スイッチング回路のスイッチング素子の開閉を制御する制御信号は、多重化出力電圧のパルス特性において、一周期内のパルス位置を一周期内において半周期について対称として電圧極性の対称性をパラメータとし、この電圧極性の対称性をパラメータによって位相多重化を行い、位相多重化によって直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成する。多重化出力電圧は、電圧極性を一周期内において半周期について同極性又は異極性とすることで位相多重化される。
【００３９】
多重化出力電圧のパルスの電圧極性を同極性とする場合には、異なる周波数の奇関数の複数の出力電圧によって多重化し、一方、パルスの電圧極性を異極性とする場合には、異なる周波数の偶関数の複数の出力電圧によって多重化する。
【００４０】
第２の位相多重化の態様では、スイッチング回路のスイッチング素子の開閉を制御する制御信号は、多重化出力電圧のパルス特性において、各周期間のパルス位相を半周期又は１／４周期ずらすパルス位相をパラメータとする。位相多重化によって直流電圧を多重化して、異なる位相の出力電圧が多重化された多重化出力電圧を生成する。パルス調整においてパルス位相をパラメータとして位相多重化を行い、位相多重化によって直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成する。
【００４１】
パルス位相の周期が半周期ずれた多重化出力電圧は、位相が半周期分ずれた２つの出力電圧を多重化し、パルス位相の周期が１／４周期ずれた多重化出力電圧は、位相が１／４周期分ずれた４つの出力電圧を多重化する。
【００４２】
パルス調整による多重化において、位相多重化と共に周波数多重化も合わせて行うことができ、多重化出力電圧は位相多重化と周波数多重化の２種の多重化を行うことができる。多重化出力電圧は、位相情報及び周波数で多重化分離することによって複数の出力電圧に分離して出力することができる。
【００４３】
（振幅による多重化の態様）
制御信号は、多重化出力電圧のパルス特性において、各周期間のパルス幅を異ならせる。パルス調整において、直流電圧を振幅多重化し、異なる振幅の出力電圧を多重化した多重化出力電圧を生成する。
【００４４】
振幅多重化の態様では、スイッチング回路のスイッチング素子の開閉を制御する制御信号の各周期間のパルスのパルス幅を調整することによって多重化出力電圧を生成する。
【００４５】
制御信号の各周期間のパルス幅を調整することによって、多重化出力電圧はパルス幅の出力電圧特性で多重化される。多重化出力電圧は位相情報に基づいて多重化分離することによって多重化された複数の出力電圧を分離し出力する。
【００４６】
（位相多重化と周波数多重化との組み合わせによる態様）
制御信号は、多重化出力電圧のパルス特性において、各周期間のパルス位相を半周期又は１／４周期ずらすと共に、一周期内のパルス位置を一周期内において半周期を挟んで対称な位置とし、電圧極性を一周期内において半周期を挟んで同極性又は異極性とする。
【００４７】
パルス調整は、パルス位置をパラメータとして周波数多重化を行って直流電圧を異なる周波数の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成すると共に、パルス位相をパラメータとして位相多重化を行って直流電圧を異なる位相の出力電圧に多重化した多重化出力電圧を生成する。したがって、周波数多重化による異なる周波数の出力電圧の多重化と、位相多重化による異なる位相の出力電圧の多重化とによって多重化した多重化出力電圧が生成される。
【００４８】
[電力供給システム]
本願発明の電力供給システムは、多重化出力電圧を生成する電力供給側の多重化部の構成と、多重化出力電圧から多重化された出力電圧を多重化分離し、多重化分離した出力電圧を負荷に分配する負荷側の多重化分離部の構成とを含む。
【００４９】
電力供給側の多重化部の構成は、電源と、電源の電源電圧をパルス化し、そのパルスのパルス特性を調整して多重化して得られる多重化出力電圧を出力する多重化回路とを備える。
【００５０】
負荷側の多重化分離部の構成は、多重化出力電圧を複数の出力電圧に多重化分離する多重化分離回路と、多重化分離回路が多重化分離した複数の出力電圧を各負荷に分配する分配器とを備える。
【００５１】
本願発明の多重化回路は、多重化状態から分離するための情報を内包した多重化出力電圧を供給するパルス形成回路と、パルス形成回路がパルス形成するタイミングを制御し、多重化出力電圧のパルスについて、一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅の少なくとも一つのパルス特性を調整する制御信号を発生する制御信号発生器とを備える。
【００５２】
パルス形成回路は、電源の電源電圧の両端間にスイッチング素子を設けたスイッチング回路で構成することができ、スイッチング素子を開閉することによって電源電圧をパルス化して多重化出力電圧を出力する。制御信号発生器は、スイッチング回路のスイッチング素子の開閉時期を制御する制御信号を発生する。スイッチング回路は、電源の電源電圧の両端間にスイッチング素子のブリッジ構成で接続したブリッジ回路で構成することができる。
【００５３】
電源電圧が直流電圧である場合には、スイッチング素子の開閉によって直流電圧をパルス調整した多重化出力電圧を出力するインバータで構成することができる。インバータは、制御信号によって多重化出力電圧のパルス特性を調整し、そのパルス特性の調整によって複数の出力電圧を一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅の少なくとも一つの出力電圧特性で多重化し、多重化した多重化出力電圧を出力する。
【００５４】
制御信号発生器は、インバータのスイッチング素子の開閉時期を制御し、多重化出力電圧のパルス幅、一周期内のパルス位置、電圧の極性、各周期間のパルス位相の少なくとも一つのパルス特性を調整する制御信号を発生する。
【００５５】
多重化分離回路は、多重化回路で多重化した多重化出力電圧を、その多重化出力電圧を多重化した出力電圧特性に基づいて各出力電圧に多重化分離する。
【発明の効果】
【００５６】
以上説明したように、本願発明の電力供給装置及び電力供給システムによれば、一台の電力供給装置によって複数の負荷に対して電力を供給すると共に、各負荷を個別に独立して制御することができる。
【００５７】
また、伝送された電力の各負荷への分配を、制御信号を用いることなく行うことができ、電力を各負荷に供給するための負荷側の装置構成を簡易とすることができる。
【００５８】
電力供給装置の台数を削減することによって、コスト、耐故障性、設置面積、保守点検を向上させることができる。
【００５９】
制御信号のための配線を不要として配線数を削減することによって、コスト、耐故障性、設置面積、保守点検を向させることができる。
【００６０】
負荷側において供給された電力を分配するための構成を一構成とすることができるため、電力供給装置及び配線網に対する負荷機器の脱着を容易とし、機器脱着の利便性を向上させることができる。
【００６１】
負荷側の電力分配の制御を、電力供給装置側で行うことができるため、負荷側の使用状況に応じた電力の融通性を向上させることができ、システムの低コスト及び電力の有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本願発明の電力供給装置及び電力供給システムの概略構成を説明するための図である。
【図２】周波数多重化を行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を説明するための図である。
【図３】周波数多重化の信号状態を説明するための図である。
【図４】周波数多重化の多重化出力電圧例を説明するための図である。
【図５】位相多重化を行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を説明するための図である。
【図６】位相多重化の多重化出力電圧の例を説明するための図である。
【図７】位相多重化の信号状態を説明するための図である。
【図８】位相多重化の信号状態を説明するための図である。
【図９】位相多重化の信号状態を説明するための図である。
【図１０】振幅多重化、及び周波数多重化を時間分割で行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を説明するための図である。
【図１１】周波数多重化を時間分割で行う信号状態を説明するための図である。
【図１２】振幅多重化の信号状態を説明するための図である。
【図１３】電力供給装置及び電力供給システムの実施例を説明するための図である。
【図１４】スイッチング素子を駆動する制御信号の一例である。
【図１５】インバータを構成するスイッチング素子の駆動を説明するための図である。
【図１６】多重化出力電圧の電圧波形の設計例を説明するための図である。
【図１７】多重化出力電圧の電圧波形を説明するための図である。
【図１８】周波数分離を行うための帯域通過フィルタのボード線図である。
【図１９】帯域通過フィルタの出力電圧の電圧波形を説明するための図である。
【図２０】整流器の出力電圧の電圧波形を説明するための図である。
【図２１】直流電動機のステップ応答の電流を説明するための図である。
【図２２】直流電動機のステップ応答の電流を説明するための図である。
【図２３】本願発明の交流電源における電力供給装置及び電力供給システムの概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本願発明の電力供給装置及び電力供給システムの概略構成を説明し、図２〜４を用いて本願発明の電力供給装置による周波数多重化を説明し、図５〜９を用いて本願発明の電力供給装置による位相多重化を説明し、図１０〜１２を用いて本願発明の電力供給装置の他の多重化例を説明し、図１３〜２２を用いて本願発明の電力供給装置による周波数多重化の一例を説明し、図２３を用いて本願発明の交流電源における電力供給装置及び電力供給システムの概略構成を説明する。
【００６４】
［電力供給装置の概略構成］
本願発明の電力供給装置１は、電源２と、電源２の電源電圧を多重化して多重化出力電圧を出力する多重化回路３とを備える。
【００６５】
多重化回路３は、電源電圧をパルス化することで多重化した多重化出力電圧を出力するパルス形成回路４と、パルス形成回路４の駆動を制御する制御信号を発生する制御信号発生器５とを備える。パルス形成回路４は、スイッチング素子（図１には図示していない）を含むスイッチング回路４Ａを電源２の電源電圧の両端間に接続されて構成される。スイッチング回路４Ａは、電源が直流電源である場合には、４つのスイッチング素子をフルブリッジ接続したインバータで構成することによって、直流電圧をパルス化して多重化した交流の多重化出力電圧を出力する。
【００６６】
制御信号発生器５は、スイッチング回路４Ａのスイッチング素子の開閉時期を制御し、多重化出力電圧のパルスの一周期内のパルス位置、電圧極性の対称性、各周期間のパルス位相、パルス幅の少なくとも一つのパルス特性を調整する制御信号を発生する。
【００６７】
スイッチング回路４Ａは、制御信号発生器５が発生する制御信号によって多重化出力電圧のパルス特性を調整し、そのパルス特性の調整によって、複数の出力電圧を周波数、位相、振幅の少なくとも一つの出力電圧特性において多重化し、多重化した一つの多重化出力電圧を出力する。
【００６８】
本願発明の電力供給システム１０は、多重化出力電圧を生成する電力供給側の多重化部１０Ａの構成と、多重化出力電圧から出力電圧を多重化分離し、負荷に分配する負荷側の多重化分離部１０Ｂの構成とを含む。
【００６９】
電力供給側は、電源２と、電源２の電源電圧をパルス化及び多重化して多重化出力電圧を出力する多重化回路３とを備えた電力供給装置１により構成される。
【００７０】
負荷側は、多重化回路３で多重化された多重化出力電圧を分離し、多重化出力電圧から多重化された出力電圧を複数の出力電圧に多重化分離する多重化分離回路１１と、多重化分離回路１１が多重化分離した複数の出力電圧を負荷２０に分配する分配器１３とを備える。
【００７１】
多重化分離回路１１は、多重化回路３でパルス化し多重化した多重化出力電圧を複数の出力電圧に多重化分離する。多重化出力電圧の多重化分離は、その多重化出力電圧の多重化に用いた出力電圧特性に基づいて行う。例えば、多重化回路３において周波数で多重化した場合には、多重化分離回路１１は帯域通過フィルタ等によって周波数分離する。
【００７２】
負荷２０に直流電圧を供給する場合には、多重化分離回路１１で多重化分離した出力電圧を整流器１２によって整流する。
【００７３】
分配器１３は、多重化分離回路１１で多重化分離した各出力電圧を各負荷２０に分配する。出力電圧の分配において、分配先の負荷２０の特定は、多重化の際に用いた出力電圧特性と各負荷とを対応付けておくことで行うことができる。
【００７４】
多重化出力電圧が周波数で多重化されている場合には、各電圧出力の周波数と負荷とを予め対応付けておくことによって、多重化分離した所定の電圧出力を所定の負荷に供給する。
【００７５】
多重化出力電圧が位相で多重化されている場合には、各電圧出力の位相と負荷とを予め対応付けておくことによって、多重化分離した所定の電圧出力を所定の負荷に供給する。
【００７６】
多重化出力電圧が振幅で多重化されている場合には、各電圧出力の振幅と負荷とを予め対応付けておくことによって、多重化分離した所定の電圧出力を所定の負荷に供給する。
【００７７】
制御信号発生器５には各負荷２０から負荷に供給される出力電圧の情報を帰還し、得られた情報に基づいて発生する制御信号を調整する。帰還する情報は出力電圧の有無や出力電圧の電圧値等とすることができ、例えば、負荷に供給される出力電圧の電圧値が所定電圧値から乖離している場合には、負荷に供給する出力電圧の電圧値が所定電圧値となるように制御信号を調整する。
【００７８】
図２３（ａ）は、電源が交流電源である場合の概略構成を示している。電源が交流電源２Ｂである場合には、パルス形成回路４が備えるスイッチング回路４Ｂは、交流電圧をオンオフ制御して変換するマトリクスコンバータ等の交換回路で構成することができる。
【００７９】
以下、周波数多重化、位相多重化等の各多重化の態様について、電源が直流電源の場合について説明する。
【００８０】
[周波数多重化の態様]
周波数多重化の態様について図２〜４を用いて説明する。図２は周波数多重化を行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を示し、図３は各部の信号状態を示し、図４は多重化出力電圧の例を示している。
【００８１】
図２（ａ）に示す電力供給装置１において、多重化回路３は直流電源２の直流電圧を周波数多重化し、異なる周波数で複数の出力電圧が多重化された多重化出力電圧を出力する。負荷側において、電力供給装置１から伝送された多重化出力電圧を受けると、多重化分離回路１１は帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）１１Ａによって多重化出力電圧に周波数多重化されている複数の出力電圧を周波数で多重化分離する。帯域通過フィルタ１１Ａの周波数範囲は、多重化されている出力電圧の各周波数に基づいて設定され、各出力電圧を周波数分離する。
【００８２】
図２（ｂ）に示す電力供給装置１は、図２（ａ）に示した多重化回路３中のパルス形成回路４のスイッチング回路４Ａを構成するインバータ４ａ、及び制御信号発生器５に加えて周波数多重化器６を備える。周波数多重化器６は、インバータ４ａで多重化した複数の出力電圧の周波数を周波数で多重化する。周波数で多重化することによって多重化出力電圧の周波数帯域を狭帯域化し、これによって多重化出力電圧の送信速度を高速化することができる。その他の構成については図１で示した構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００８３】
図３は電力供給システムの周波数多重化における各部の信号状態を示し、図３（ａ）は制御信号発生器５が発生する制御信号の一例を示し、図３（ｂ）は多重化回路３の多重化出力電圧を示し、図３（ｃ）は多重化分離回路１１の分離出力電圧を示し、図３（ｄ）は整流器１２の整流出力電圧を示している。
【００８４】
図３（ａ）の制御信号は、スイッチング回路４Ａを構成するインバータ４ａの各スイッチング素子の開閉を制御し、高電圧時にはスイッチング素子を閉じてオン状態とし、低電圧時にはスイッチング素子を開いてオフ状態とする。(a1)と(a3)の制御信号は、高電圧側に接続されるスイッチング素子を制御し、(a2)と(a4)の制御信号は、低電圧側に接続されるスイッチング素子を制御する。また、(a1)と(a2)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続され、(a3)と(a4)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続される。
【００８５】
これによって、(a1)と(a4)の制御信号を高電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を低電圧とすることによって多重化出力電圧に正のパルス(図３（ｂ）)を生成し、(a1)と(a4)の制御信号を低電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を高電圧とすることによって多重化出力電圧に負のパルス（図３（ｂ））を生成する。
【００８６】
多重化出力電圧は[０，Ｔ]の周期を一周期とし、この周期の逆数を周波数とする基本周波数成分と高調波成分を周波数成分として含むため、多重化出力電圧は基本周波数成分と高調波成分が多重化された状態にある。基本周波数成分及び高調波数成分の波高値は一周期内におけるパルスの位置、パルス幅によって調整することができる。パルス幅で多重化した多重化出力電圧は、ＰＷＭ出力電圧となる。
【００８７】
多重化出力電圧に多重化された基本周波数成分と高調波成分は、周波数の電気的特性に基づいて多重化分離することで分離することができる。図３（ｃ）は分離出力電圧を示し、実線は基本周波数成分を示し、破線は３次高調波成分を示している。
【００８８】
高調波成分として３次高調波成分を示すのは、高調波成分は３次高調波成分よりも高次の周波数成分を含むが高次の周波数成分ほど電圧値は低下するため、高調波成分として３次高調波成分のみを示し、より高次の周波数成分を省略したためであり、また、多重化された多重化出力電圧が奇関数である場合の周波数成分は奇数次の成分となるためである。
【００８９】
図３（ｄ）は多重化分離した周波数成分を整流して得られる整流出力電圧を示し、実線は基本周波数成分を整流した整流出力電圧を示し、破線は３次高調波成分を整流した整流出力電圧を示している。
【００９０】
図４は多重化出力電圧の一例を示し、図４（ａ）、（ｂ）は多重化出力電圧が奇関数の例を示し、図４（ｃ）、（ｄ）は多重化力電圧が偶関数の例を示している。
【００９１】
図４（ａ）は[０，Ｔ]の一周期において、半周期（Ｔ／２）を境にパルスの電圧極性が異極となる奇関数の多重化出力電圧の例を示している。[０，Ｔ／２]の半周期のパルスは正極性であり、[Ｔ／２，Ｔ]の半周期のパルスは負極性であり、[０，Ｔ／２]の半周期では[α１，α２]の位置と[π−α２，π−α１]の位置に正極のパルスを有し、[Ｔ／２，Ｔ]の半周期では[π＋α１，π＋α２]の位置と[２π−α２，２π−α１]の位置に負極のパルスを有している。このパルスにおいてα１及びα２を変更することによってパルス位置、パルス幅を調整し、基本周波数成分及び高調波成分の出力電圧値を制御することができる。図４（ｂ）はα２をＴ／４（＝π／２）としたときの多重化出力電圧を示している。
【００９２】
図４（ｃ）は[０，Ｔ]の一周期において、半周期（Ｔ／２）を境にパルスの電圧極性を同極となる偶関数の多重化出力電圧の例を示している。[０，Ｔ／２]の半周期のパルス、及び[Ｔ／２，Ｔ]の半周期のパルスは正極性であり、[０，Ｔ／２]の半周期では[α１，α２]の位置と[π−α２，π−α１]の位置に正極のパルスを有し、[Ｔ／２，Ｔ]の半周期では[π＋α１，π＋α２]の位置と[２π−α２，２π−α１]の位置に正極のパルスを有している。このパルスにおいてα１及びα２を変更することによってパルス位置、パルス幅を調整し、基本周波数成分及び高調波成分の出力電圧値を制御することができる。図４（ｄ）はα２をＴ／４（＝π／２）としたときの多重化出力電圧を示している。
【００９３】
[位相多重化の態様]
位相多重化の態様について図５〜９を用いて説明する。図５は位相多重化を行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を示し、図６は多重化出力電圧の例を示し、図７〜図９は各部の信号状態を示している。
【００９４】
図５（ａ）に示す電力供給装置１において、多重化回路３は直流電源２の直流電圧を位相多重化して位相を異にする複数の出力電圧が多重化された多重化出力電圧を出力し、多重化分離回路１１は位相弁別器１１Ｂによって多重化出力電圧に多重化されている複数の出力電圧を位相情報で多重化分離する。位相弁別器１１Ｂは、周期弁別器１１Ｃによって多重化出力電圧から抽出した周期位置に基づいて、多重化出力電圧の位相を弁別する。
【００９５】
図５（ｂ）に示す電力供給装置１は、多重化分離回路１１において位相弁別器１１Ｂで位相分離した出力を帯域通過フィルタ１１Ａで周波数分離する構成を示している。
【００９６】
位相多重化では、位相による多重化と共に周波数による多重化も合わせて行われるため、位相多重化された多重化出力電圧を位相情報で多重化分離した後の出力電圧には周波数多重化れた多重化分が含まれれている。帯域通過フィルタ１１Ａは位相弁別器１１Ｂで位相分離した多重化出力電圧をさらに周波数分離する。その他の構成については図１で示した構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００９７】
図４は前記したように周波数多重化の例において、図４（ａ）の奇関数の多重化出力電圧と図４（ｃ）の偶関数の多重化出力電圧とは互いに位相が９０度ずれた関係にある。この位相の違いを用いて、一周期Ｔを単位として両多重化出力電圧を切り換えることによって２つの相によって位相多重化を行うことができる。
【００９８】
図６（ａ），（ｂ）は２つの相で位相多重化する他の例を示し、図６（ｃ），（ｄ）は４つの相で位相多重化する例を示している。
【００９９】
図６（ａ）に示す例は、奇関数の多重化出力電圧を、一周期Ｔを単位としてパルス出力の極性を反転させることによって位相多重化する例である。図６（ａ）では一方の相状態をＡ相で示し、位相を反転させた他方の相状態をＢ相で示している。図６（ｂ）はＡ相とＢ相の相関係を示している。
【０１００】
図６（ａ）は奇関数の多重化出力電圧の例を示しているが、図４（ｃ）で示した偶関数の多重化出力電圧を用いて位相多重化することもできる。
【０１０１】
図６（ｃ）に示す例は、奇関数の多重化出力電圧を、一周期Ｔを単位としてパルス出力の極性を４５度分ずらすことによって位相多重化する例である。図６（ｃ）Ａ相で表した相状態に対して、順に４５度分だけ位相をずらしたＣ相、Ｂ相、及びＤ相の相状態を示している。図６（ｄ）はＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の相関係を示している。
【０１０２】
図７は図５に示す電力供給システムの位相多重化における各部の信号状態を示し、図７（ａ）は制御信号発生器５が発生する制御信号の一例を示し、図７（ｂ）は多重化回路３の多重化出力電圧を示し、図７（ｃ）は多重化分離回路１１Ｂで位相弁別した後の多重化分離出力電圧を示し、図７（ｄ）は位相弁別器１１Ｂで位相分離した出力電圧を帯域通過フィルタ１１Ａを通して周波数で多重化分離した後のフィルタ出力電圧を示し、図７（ｅ）は整流器１２の整流出力電圧を示している。
【０１０３】
図７（ａ）の制御信号は、スイッチング回路４Ａを構成するインバータ４ａの各スイッチング素子の開閉を制御し、高電圧時にはスイッチング素子を閉じてオン状態とし、低電圧時にはスイッチング素子を開いてオフ状態とする。(a1)と(a3)の制御信号は、高電圧側に接続されるスイッチング素子を制御し、(a2)と(a4)の制御信号は、低電圧側に接続されるスイッチング素子を制御する。また、(a1)と(a2)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続され、(a3)と(a4)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続される。
【０１０４】
図７（ｂ）に示す多重化出力電圧は、位相が９０度ずれた位相多重化分離出力電圧を生成するためのＡ相とＢ相の位相状態を示している。
【０１０５】
Ａ相の位相状態では、(a1)と(a4)の制御信号を高電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を低電圧とすることによって多重化出力電圧に正のパルス(図７（ｂ）のＡ相)を生成し、(a1)と(a4)の制御信号を低電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を高電圧とすることによって多重化出力電圧に負のパルス（図７（ｂ）のＡ相）を生成する。
【０１０６】
Ｂ相の位相状態では、(a1)と(a4)の制御信号を低電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を高電圧とすることによって多重化出力電圧に負のパルス(図７（ｂ）のＢ相)を生成し、(a1)と(a4)の制御信号を高電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を低電圧とすることによって多重化出力電圧に正のパルス（図７（ｂ）のＢ相）を生成する。
【０１０７】
図７（ｃ）の位相多重化分離出力電圧において、(c1)はＡ相の多重化出力電圧を多重化分離した出力電圧を示し、(c2)はＢ相の多重化出力電圧を多重化分離した出力電圧を示している。Ａ相とＢ相とは位相分離される。
【０１０８】
Ａ相とＢ相の各位相多重化分離出力電圧において、多重化分離出力電圧は[０，Ｔ]の周期を一周期とし、この周期の逆数を周波数とする基本周波数成分と高調波数成分を周波数成分として含むため、多重化出力電圧は基本周波数成分と高調波成分が多重化された状態にある。基本周波数成分及び高調波成分の波高値は一周期内におけるパルスの位置によって調整することができる。
【０１０９】
多重化出力電圧に多重化された基本周波数成分と高調波成分は、周波数の電気的特性に基づいて多重化分離することで分離することができる。図７（ｄ）はフィルタ出力電圧を示し、実線は基本周波数成分を示し、破線は３次高調波成分を示している。(d1)と(d3)はＡ相のフィルタ出力電圧の基本周波数成分と高調波成分を示し、(d2)と(d4)はＢ相のフィルタ出力電圧の基本周波数成分と高調波成分を示している。
【０１１０】
図７（ｅ）は多重化分離した各周波数成分を整流して得られる整流出力電圧を示し、実線は基本周波数成分の整流出力電圧を示し、破線は３次高調波成分の整流出力電圧を示している。
【０１１１】
図８，９に示す位相多重化は、奇関数の多重化出力電圧と偶関数の多重化出力電圧とによって位相多重化を行う例を示している。
【０１１２】
図８は、異なる周期において奇関数の多重化出力電圧と偶関数の多重化出力電圧とを生成することによって位相多重化を行う例である。図８（ａ）は位相多重化出力電圧を示し、図８（ｂ）は位相多重化分離出力電圧を示し、図８（ｃ）は奇関数と偶関数による位相による多重化分離と、周波数による多重化分離を行った後の出力電圧を示している。
【０１１３】
図８（ｃ）において、(c1)は奇関数の基本周波数の出力電圧を示し、(c3)は奇関数の３次高調波成分の出力電圧を示し、(c2)は偶関数の直流分の出力電圧を示し、(c4)は偶関数の２次高調波成分の出力電圧を示している。
【０１１４】
図８（ｄ）は整流出力電圧を示し、(d1)は奇関数の基本周波数の出力電圧の整流出力電圧を示し、(d3)は奇関数の３次高調波成分の出力電圧の整流出力電圧を示し、(d2)は偶関数の直流分の出力電圧の整流出力電圧を示し、(d4)は偶関数の２次高調波成分の出力電圧の整流出力電圧を示している。
【０１１５】
図９は、同一の周期内において奇関数の多重化出力電圧と偶関数の多重化出力電圧とを生成することによって位相多重化を行う例である。
【０１１６】
図９（ａ）は位相多重化出力電圧を示し、図９（ｂ）は位相多重化分離した出力電圧を示している。図９において、太い実線は奇関数の場合を示し、細い実線は偶関数の場合を示している。図９（ａ）において、太い実線で示す多重化出力電圧と細い実線で示す多重化出力電圧とは、パルス位置を異ならせると共に、一方は奇関数とし他方は偶関数としている。
【０１１７】
図９（ｂ）において、(b1)は奇関数で多重化した多重化出力電圧を多重化分離したときの位相多重化分離出力電圧を示し、(b2)は偶関数で多重化した多重化出力電圧を多重化分離したときの位相多重化分離出力電圧を示している。奇関数の多重化出力電圧と偶関数の多重化出力電圧は同一期間内で多重化されているが、互いに位相が９０度ずれているため位相による多重化分離によって分離することができる。
【０１１８】
図９（ｃ）において、(c1)は奇関数で多重化したときの基本周波数の出力電圧を示し、(c3)は奇関数で多重化したときの３次高調波成分の出力電圧を示し、(c2)は偶関数で多重化したときの直流分の出力電圧を示し、(c4)は偶関数で多重化したときの２次高調波成分の出力電圧を示している。
【０１１９】
図９（ｄ）は整流出力電圧を示し、(d1)は奇関数の基本周波数の出力電圧の整流出力電圧を示し、(d3)は奇関数の３次高調波成分の出力電圧の整流出力電圧を示し、(d2)は偶関数の直流分の出力電圧の整流出力電圧を示し、(d4)は偶関数の２次高調波成分の出力電圧の整流出力電圧を示している。
【０１２０】
[周波数多重化の時分割態様]
周波数多重化を時間分割で行う態様について図１０，１１を用いて説明する。図１０（ａ）は周波数多重化を時間分割で行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を示し、図１１は各部の信号状態を示している。
【０１２１】
図１０（ａ）に示す電力供給装置１において、多重化回路３は直流電源２Ａの直流電圧を位相多重化して位相を異にする複数の出力電圧が多重化された多重化出力電圧を出力する。多重化分離回路１１は、時分割器１１Ｄ及び周期弁別器１１Ｃによって多重化出力電圧に多重化されている複数の多重化出力電圧に時分割した後、帯域通過フィルタ１１Ａによって多重化出力電圧を多重化分離して出力電圧に分離する。時分割器１１Ｄは、周期弁別器１１Ｃによって多重化出力電圧から抽出した周期に基づいて、多重化出力電圧を時分割する。帯域通過フィルタ１１Ａは時分割器１１Ｄで時分割した多重化出力電圧を周波数で多重化分離する。
【０１２２】
図１１は電力供給システムの周波数多重化を時分割で行う例の各部の信号状態を示し、図１１（ａ）は制御信号発生器５が発生する制御信号の一例を示し、図１１（ｂ）は多重化回路３の多重化出力電圧を示し、図１１（ｃ）は多重化分離回路１１の時分割器１１Ｄで時分割によって多重化分離した出力電圧を示し、図１１（ｄ）は帯域通過フィルタ１１Ａで周波数分離によって多重化分離した出力電圧を示し、図１１（ｅ）は整流器１２の整流出力電圧を示している。
【０１２３】
図１１（ａ）の制御信号は、スイッチング回路４Ａを構成するインバータ４ａの各スイッチング素子の開閉を制御し、高電圧時にはスイッチング素子を閉じてオン状態とし、低電圧時にはスイッチング素子を開いてオフ状態とする。(a1)と(a3)の制御信号は、高電圧側に接続されるスイッチング素子を制御し、(a2)と(a4)の制御信号は、低電圧側に接続されるスイッチング素子を制御する。また、(a1)と(a2)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続され、(a3)と(a4)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続される。
【０１２４】
図１１（ｂ）に示す多重化出力電圧は、期間Ａ及び期間Ｂでは奇関数又は偶関数によって周波数多重化を行う。図１１（ｂ）は奇関数で周波数多重化する場合を示している。
【０１２５】
期間Ａでは、(a1)と(a4)の制御信号を高電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を低電圧とすることによって多重化出力電圧に正のパルス(図１１（ｂ）の期間Ａ)を生成し、(a1)と(a4)の制御信号を低電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を高電圧とすることによって多重化出力電圧に負のパルス（図１１（ｂ）の期間Ａ）を生成する。
【０１２６】
期間Ｂにおいても、(a1)と(a4)の制御信号を高電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を低電圧とすることによって多重化出力電圧に正のパルス(図１１（ｂ）の期間Ｂ)を生成し、(a1)と(a4)の制御信号を低電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を高電圧とすることによって多重化出力電圧に負のパルス（図１１（ｂ）の期間Ｂ）を生成する。
【０１２７】
期間Ａと期間Ｂにおいて、多重化出力電圧のパルス位置やパルス幅を変えることによって、各期間で生成される出力電圧のパルスの電圧値を調整することができる。
【０１２８】
図１１（ｃ）の時分割出力電圧において、期間Ａと期間Ｂの出力電圧は周期を単位として時間分割することができる。さらに、期間Ａと期間Ｂの各多重化出力電圧は [０，Ｔ]の周期を一周期とし、この周期の逆数を周波数とする基本周波数成分と高調波数成分の周波数成分が多重化された状態にあるため、期間Ａと期間Ｂとを時分割で多重化分離によって分離することができ、さらに、時分割で多重化分離した期間Ａ及び期間Ｂの周波数で多重化されている周波数多重化出力電圧はそれぞれ周波数で多重化分離することができる。例えば、時分割によって多重化分離された多重化出力電圧が奇関数である場合には、基本周波数成分と奇数次の高調波成分とに周波数分離することができ、また、時分割によって多重化分離された多重化出力電圧が偶関数である場合には、直流分と偶数次の高調波成分とに周波数分離することができる。
【０１２９】
図１１（ｄ）はフィルタ出力電圧を示し、実線は基本周波数成分を示し、破線は高調波成分を示している。(d1)と(d3)は期間Ａのフィルタ出力電圧の基本周波数成分と高調波成分を示し、(d2)と(d4)は期間Ｂのフィルタ出力電圧の基本周波数成分と高調波成分を示している。図１１（ｅ）は多重化分離した各周波数成分を整流して得られる整流出力電圧を示し、実線は期間Ａの基本周波数成分(e1)及び期間Ｂの基本周波数成分(e2)の出力電圧を示し、破線は期間Ａの３次高調波成分(e3)及び期間Ｂの３次高調波成分(e4)の整流出力電圧を示している。
【０１３０】
[振幅多重化の態様]
振幅多重化を行う態様について図１０，１２を用いて説明する。図１０（ｂ）は振幅多重化を行う電力供給装置及び電力供給システムの構成例を示し、図１２は信号例を示している。
【０１３１】
図１０（ｂ）に示す電力供給装置１において、多重化回路３は直流電源２Ａの直流電圧を振幅多重化して振幅を異にする複数の出力電圧を多重化した多重化出力電圧を出力する。振幅多重化では、直流電圧のパルス化において、周波数多重化が合わせて行われる。したがって、振幅多重化された多重化出力電圧の多重化分離は、周波数による多重化分離と振幅による多重化分離とを行う。多重化分離回路１１は、帯域通過フィルタ１１Ａで周波数多重化分離した後、振幅弁別器１１Ｅによって振幅多重化で多重化されている複数の出力電圧を振幅によって振幅多重化分離する。
【０１３２】
図１２は電力供給システムの振幅多重化を行う例の各部の信号状態を示し、図１２（ａ）は制御信号発生器５が発生する制御信号の一例を示し、図１２（ｂ）は多重化分離出力電圧を示し、図１２（ｃ）は多重化分離回路１１の帯域通過フィルタ１１Ａで周波数多重化分離した出力電圧を示し、図１２（ｄ）は周波数多重化分離した後の出力電圧を振幅弁別器１１Ｅで振幅多重化分離した出力電圧を示している。図１２（ｅ）は、周波数多重化分離と振幅多重化分離の２つの多重化分離電圧得られた出力電圧を整流器１２で整流した整流出力電圧を示している。
【０１３３】
図１２（ａ）の制御信号は、スイッチング回路４Ａを構成するインバータ４ａの各スイッチング素子の開閉を制御し、高電圧時にはスイッチング素子を閉じてオン状態とし、低電圧時にはスイッチング素子を開いてオフ状態とする。(a1)と(a3)の制御信号は、高電圧側に接続されるスイッチング素子を制御し、(a2)と(a4)の制御信号は、低電圧側に接続されるスイッチング素子を制御する。また、(a1)と(a2)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続され、(a3)と(a4)の制御信号が制御するスイッチング素子は直列接続される。
【０１３４】
期間Ｃ及び期間Ｄにおいて、(a1)と(a4)の制御信号を高電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を低電圧とすることによって多重化出力電圧に正のパルスを生成し、(a1)と(a4)の制御信号を低電圧とし(a2)と(a3)の制御信号を高電圧とすることによって多重化出力電圧に負のパルスを生成する。多重化出力電圧は、パルス幅の調整することによって周波数及び振幅において多重化される。
【０１３５】
なお、期間Ｃと期間Ｄの両期間を偶関数で周波数多重化及び振幅多重化する態様、あるいは期間Ｃと期間Ｄの一方の期間を偶関数で周波数多重化及び振幅多重化し、他方の期間を奇関数で周波数多重化及び振幅多重化する態様としてもよい。
【０１３６】
各期間Ｃ，Ｄの多重化出力電圧は[０，Ｔ]の周期を一周期とし、この周期を周波数とする基本周波数成分と高調波数成分を周波数成分が多重化されると共に、振幅で多重化された状態にある。奇関数で周波数多重化されている場合には、多重化出力電圧は基本周波数成分と奇数次の高調波成分に周波数多重化分離することができ、偶関数で周波数多重化されている場合には、多重化出力電圧は直流分と偶数次の高調波成分に周波数多重化分離することができる。
【０１３７】
図１２（ｂ）は、期間Ｃ及び期間Ｄにおいて奇関数で周波数多重化及び振幅多重化を行って得られる多重化出力電圧を多重化分離した多重化分離出力電圧を示している。
【０１３８】
周波数多重化分離された出力電圧は振幅で多重化されている。振幅弁別器１１Ｅは、フィルタ出力電圧をしきい値と比較することによって振幅多重化された多重化出力電圧を多重化分離する。
【０１３９】
図１２（ｃ）は周波数多重化分離したフィルタ出力電圧を示し、実線は基本周波数成分を示し、破線は高調波成分を示している。(c1)は期間Ｃ，Ｄのフィルタ出力電圧の基本周波数成分を示し、(c2)は期間Ｃ，Ｄのフィルタ出力電圧の高調波成分を示している。一点鎖線はしきい値を示している。図１２（ｄ）は振幅多重化分離した振幅弁別出力電圧を示し、実線は基本周波数成分を振幅弁別した出力電圧を示し、破線は高調波成分を振幅弁別した出力電圧を示している。(d1)は期間Ｃにおいて基本周波数成分を振幅弁別した出力電圧を示し、(d2)は期間Ｄにおいて基本周波数成分を振幅弁別した出力電圧を示し、(d3)は期間Ｃにおいて高調波周波数成分を振幅弁別した出力電圧を示し、(d2)は期間Ｄにおいて高調波周波数成分を振幅弁別した出力電圧を示している。
【０１４０】
図１２（ｅ）は周波数及び振幅で多重化分離した出力電圧を整流して得られる整流出力電圧を示し、実線は(e1)は期間Ｃの基本周波数成分の整流出力電圧を示し、(e2)は期間Ｄの基本周波数成分の整流出力電圧を示し、(e3)は期間Ｃの高調波成分の整流出力電圧を示し、(e4)は期間Ｄの高調波成分の整流出力電圧を示している。(e1)の整流出力電圧と(e2)の整流出力電圧は振幅によって多重化分離され、(e3)の整流出力電圧と(e4)の整流出力電圧は振幅によって多重化分離される。
【０１４１】
[周波数多重化の実施例]
図１３〜図２２を用いて本願発明の電力供給装置及び電力供給システムの実施例について説明する。ここで説明する実施例は周波数多重化を行う例であり、直流電源を用いた構成例である。図１３は電力供給装置及び電力供給システムの実施例を説明するための図であり、図１４はスイッチング素子を駆動する制御信号の一例であり、図１５はインバータを構成するスイッチング素子の駆動を説明するための図であり、図１６は周波数で多重化する際の多重化出力電圧の電圧波形の設計例を説明するための図であり、図１７は多重化出力電圧の電圧波形を説明するための図であり、図１８は周波数多重化分離を行うための帯域通過フィルタのボード線図であり、図１９は帯域通過フィルタの出力電圧の電圧波形を説明するための図であり、図２０は整流器の出力電圧の電圧波形を説明するための図であり、図２１は直流電動機のステップ応答の電流を説明するための図であり、図２２は直流電動機のステップ応答の電流を説明するための図である。
【０１４２】
ここでは負荷として直流電動機を用いた場合を例として説明する。図１３において、１台の電力供給装置１により、複数台の直流電動機２１ａ，２１ｂを独立かつ同時に駆動する。複数台の直流電動機２１ａ，２１ｂを駆動する複数の出力電圧を一台の電力供給装置１で供給するために、複数の出力電圧を周波数によってパルス化し多重化する。この実施例において、周波数でパルス化し多重化を行う周波数多重化を周波数分割多重方式パルス幅変調制御（ＦＰＭ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の名称で称する。
【０１４３】
この周波数分割多重方式パルス幅変調制御では、各周波数帯城に所望の電圧を印加するパルス幅変調出力電圧（ＰＷＭ出力電圧）パターンを設計し、そのパターン設計に基づいて電力供給装置側で多重化出力電圧を生成した後、負荷側において多重化出力電圧を帯域通過フィルタに通すことによって各周波数成分に出力電圧を多重化分離する。周波数成分を多重化分離することにより得られた出力電圧は矩形波形の交流電圧であるため、出力電圧を整流および平滑した後に負荷である各直流電動機２１ａ，２１ｂに印加する。これによって、複数台の直流電動機２１ａ，２１ｂを独立かつ同時に駆動する。
【０１４４】
（周波数分割多重方式パルス幅変調制御）
図１３は電力供給装置及び電力供給システムの実施例を説明するための図であり、２台の直流電動機２１ａ，２１ｂを駆動する場合の周波数分割多重方式パルス幅変調制御の構成例を示している。以下の構成例において、パルス幅変調出力電圧は多重化出力電圧に対応する。
【０１４５】
電力供給システム１０は、電力供給装置１、多重化分離回路１１、及び整流器１２を備え、整流器１２の出力は直流電動機２１ａ，２１ｂに印加される。電力供給装置１は、直流電源２Ａと直流電源２Ａの正負の出力端の間に接続されるパルス形成回路４とパルス形成回路４の駆動を制御する制御信号発生器５とから構成される多重化回路３を備える。図に示すパルス形成回路４のスイッチング回路はフルブリッジ回路の例であり、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をブリッジ接続することでインバータを構成する。インバータの各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は制御信号発生器５で発生した制御信号によって駆動制御される。
【０１４６】
多重化分離回路１１は、インダクタンスＬとコンデンサＣの直流接続と抵抗Ｒの並列接続とをラダー状に接続してなる帯域通過フィルタ１１Ａ（１１Ａａ，１１Ａｂ）で構成される。整流器１２（１２ａ，１２ｂ）は負荷である直流電動機２１（２１ａ，２１ｂ）に対応して用意され、帯域通過フィルタ１１Ａ（１１Ａａ，１１Ａｂ）を通過して出力電圧を、それぞれ変圧、整流、及び平滑した後、直流電動機２１（２１ａ，２１ｂ）に印加する。図１３において、Ｒ，Ｌ，Ｃ，Ｓ，ｉはそれぞれレジスタンス、インダクタンス、キャパシタンス、スイッチ、電流を表し、Ｖおよびｅは電圧を表している。また、Ｅは直流電源電圧を表している。
【０１４７】
周波数分割多重方式パルス幅変調制御は以下の手順１〜手順８にしたがって行われる。
１．各負荷に印加する所望の電圧と当該電圧に割り当てる周波数帯域とを定め、各周波数帯域について所望の電圧を印加するＰＷＭ出力電圧パターンを設計する。
２．設計したＰＷＭ出力電圧パターンをインバータで生成するための制御信号を設定する。
３．制御信号発生器から設定した制御信号を発生させ、制御信号によってインバータのフルブリッジ回路に含まれる４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を切り替え、パルス幅変調出力電圧（ＰＷＭ出力電圧）パターンを生成する。
４．パルス幅変調出力電圧を帯域通過フィルタに通し各周波数成分に分離する。
５．単相ブリッジ形全波整流回路により、帯域通過フィルタの出力電圧である交流電圧を直流電圧に変換する。
６．直流電圧を平滑回路に通し、電圧変動を低減する。
７．得られた出力電圧を各直流電動機に印加し、各直流電動機に印加される電圧を独立に調整する。
８．直流電動機に印加される電圧状態を検出し、検出信号を制御信号発生器にフィードバックし、制御信号を調整する。
【０１４８】
上記手順の内、手順３〜手順８は直流電動機を駆動する制御工程であり、手順１及び手順２は直流電動機の制御工程の前工程である。
【０１４９】
（パルス幅変調出力電圧（ＰＷＭ出力電圧）パターンの設計）
以下、パルス幅変調出力電圧（ＰＷＭ出力電圧）パターンの設計について説明する。
インバータのフルブリッジ回路はＳ１〜Ｓ４の４つのスイッチング素子を備えており、これらのスイッチング素子を切り替えることで、直流電源の直流電圧Ｅに基づいて、Ｅ，−Ｅ，０の３段階の電圧を出力させる。
【０１５０】
図１５はスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の駆動順例を示している。スイッチング素子Ｓ１およびＳ４がオンのとき（図１５（ａ），図１５（ｃ））出力電圧はＥとなり、スイッチング素子Ｓ２およびＳ３がオンのとき（図１５（ｅ），図１５（ｇ））出力電圧は−Ｅとなる。また、スイッチング素子Ｓ１およびＳ３がオンのとき出力電圧は０となる。
【０１５１】
図１４に示されるスイッチング制御信号をインバータに入力した場合、ブリッジ回路の電圧波形は図１６となる。
【０１５２】
図１６において、周期内におけるパルスの位置α１，α２をパラメータとしてＰＷＭ出力電圧パターンを設計する。ここでは、半周期を境にパルスの電圧極性が反転する対称性を有する奇関数の場合について示している。
【０１５３】
図１６の出力電圧にフーリエ級数展開を施すことでフーリエ級数の係数ｂｎは以下の式で表される。
【０１５４】
【数１】
2016136821.tif 000003
で表される。
ここで、ｎは周期をＴとする基本波に対する高調波の次数である。
【０１５５】
出力電圧ｖは係数ｂｎを用いた奇関数の式（４）で表される。なお、波高値は次数が高い高調波ほど低下するため、ここでは出力電圧ｖを基本波と３次高調波までで表している。
ｖ＝ｂ１・sinωＴ＋ｂ３・sin３ωＴ＋・・・      …(4)
【０１５６】
式（１）のｎに１，３を代入し、基本波および３次高調波におけるフーリエ級数の係数ｂｎは以下の式（５），（６）となる。
【数２】
2016136821.tif 000004
【０１５７】
基本波電圧をｖ１、３次高調波電圧をｖ２とするとそれぞれ以下の式（７），（８）で表される。
【数３】
2016136821.tif 000005
【０１５８】
式（５）の右辺を（６）式に代入することによって以下の式（９）が得られる。
【数４】
2016136821.tif 000006
【０１５９】
また、（４）式より得られる式（１０）を式（９）に代入すると、式（１１）が得られる。
【数５】
2016136821.tif 000007
【０１６０】
式（１１）を解くことによって式（１２）が得られ、得られた式（１２）を式（１０）に代入することで式（１３）が得られる。
【数６】
2016136821.tif 000008
【０１６１】
したがって、α１およびα２は以下の式（１４），（１５）で表される。
【数７】
2016136821.tif 000009
【０１６２】
α１およびα２を式（１４），（１５）で設定することによって、ＰＷＭ出力電圧の基本波電圧ｖ１、３次高調波電圧ｖ２を設定することができる。
【０１６３】
（シミュレーション例）
以下、“ＰＳＩＭ”による開ループ電流制御のシミュレーション例について説明する。表１にシミュレーションに使用するパラメータを示す。
【０１６４】
【表１】
2016136821.tif 000010
【０１６５】
ＰＷＭ出力電圧パターンの設計に用いるパラメータα１，α２の算出に必要となる電圧参照値となる基本波電圧ｖ１および３次高調波電圧ｖ２は、電流指令値ｉ１−ｃｍｄ，ｉ２−ｃｍｄに直流電動機の抵抗値Ｒｎおよび帯域通過フィルタと整流器の効率ηを乗じることによって以下の式（１６），（１７）で導出される。
【数８】
2016136821.tif 000011
【０１６６】
図１７はＰＷＭ制御の出力電圧波形を示している。インバータのブリッジ回路を用いたＰＷＭ制御によって設計した電圧波形（図１６）を生成した後、帯域通過フィルタを用いて基本波成分と低次高調波成分とに分離する。図１８は帯域通過フィルタのボード線図を示している。
【０１６７】
シミュレーションでは２台の直流電動機に対し、基本波である６２５０Ｈｚ帯域および３次高調波である１８７５０Ｈｚ帯域を通じて電圧を印加しているため、帯域通過フィルタはこれらの周波数帯に通過帯域に持つ２つのパッシブフィルタを使用している。
【０１６８】
図１９に帯域通過フィルタの出力電圧波形を示す。太い実線の出力電圧ｖ１は基本波成分を通過させる帯域通過フィルタの出力電圧であり、細い実線の出力電圧ｖ２は３次高調波成分を通過させる帯域通過フィルタの出力電圧である。図１９はＰＷＭ出力電圧が周波数によるｖ１とｖ２の分離が確認される。
【０１６９】
ＰＷＭ出力電圧は交流電圧であって、その平均値は零であるため、この交流電圧では直流電動機を駆動することはできない。直流電動機を駆動するために、整流器を用いて交流電圧を直流電圧にＡＣ−ＤＣ変換を行う。図２０は整流器の出力電圧波形を示している。このとき、電圧変動を抑制するため平滑コンデンサを使用している。
【０１７０】
図２１にステップ入力に対する直流電動機の電流応答を示し、図２２に正弦波入力に対する直流電動機の電流応答を示している。
【０１７１】
図２１，２２において、ｉ１commandは基本波側電動機の電流指令値を表し、ｉ１は基本波側電動機の電流応答値を表し、ｉ２commandは３次高調波側電動機の電流指令値を表し、ｉ２は３次高調波側電動機の電流応答値を表している。
【０１７２】
図２１，２２により、１台の電力供給装置によって２台の直流電動機の電流を独立かつ同時に制御できることが確認される。
【０１７３】
シミュレーションは、本願の電力供給装置において周波数分割多重方式パルス幅変調制御により複数の電圧を異なる周波数帯に割り当てることで、複数の直流電動機を独立かつ同時に制御できることを示している。
【０１７４】
上記では、直流電源の直流電圧をパルス化し多重化する例を示しているが、本願発明は交流電源の交流電圧をパルス化し多重化する場合にも適用することができる。図２３は電源が交流電源である場合を示し、図２３（ａ）は構成例を示し、図２３（ｂ）は電源電圧を示し、図２３（ｃ）は多重化出力電圧を示し、図２３（ｄ）は多重化分離出力電圧を示している。なお、図２３では周波数多重化の場合について示している。
【０１７５】
電源が交流電源２Ｂである場合には、パルス形成回路４が備えるスイッチング回路４Ｂは、交流電圧をオンオフ制御して変換するマトリクスコンバータ等の交換回路で構成することができ、電源電圧（図２３（ｂ））の交流電圧を制御信号発生器５の制御信号に基づいてオンオフ制御してパルス化し、周波数で多重化した多重化出力電圧（図２３（ｃ））を形成する。多重化分離回路１１に帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）１１Ａは、多重化出力電圧に含まれる基本周波数成分及び高調波成分を周波数分離する。図２３（ｄ）中の実線は基本周波数成分を表し、破線は３高調波成分を示している。交流電源への適用は周波数多重化に限らず、位相多重化や振幅多重化にも適応することができる。
【０１７６】
本願発明によれば、１台の電力供給装置により複数の負荷を制御することができ、電力供給装置やそれに付随する電子部品を削減することが可能となり、システムの費用や重量、大きさの削減に寄与することができる。
【０１７７】
なお、本発明は、前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
本願発明の電力供給装置及び電力供給システムは、直流電動機等の直流電圧で駆動される直流負荷に限らず、交流電圧で駆動される交流負荷に適用することができる。
【符号の説明】
【０１７９】
１    電力供給装置
２    電源
２Ａ  直流電源
２Ｂ  交流電源
３    多重化回路
４    パルス形成回路
４Ａ，４Ｂ    スイッチング回路
４ａ  インバータ
５    制御信号発生器
６    周波数多重化器
１０    電力供給システム
１１    多重化分離回路
１１Ａ    帯域通過フィルタ
１１Ｂ    位相弁別器
１１Ｃ    同期弁別器
１１Ｄ    時分割器
１１Ｅ    振幅弁別器
１２    整流器
１３    分配器
２０    負荷
２１    直流電動機
２１ａ，２１ｂ    直流電動機
Ｓ１-Ｓ４    スイッチング素子
【図１】
2016136821.tif 000012
【図２】
2016136821.tif 000013
【図３】
2016136821.tif 000014
【図４】
2016136821.tif 000015
【図５】
2016136821.tif 000016
【図６】
2016136821.tif 000017
【図７】
2016136821.tif 000018
【図８】
2016136821.tif 000019
【図９】
2016136821.tif 000020
【図１０】
2016136821.tif 000021
【図１１】
2016136821.tif 000022
【図１２】
2016136821.tif 000023
【図１３】
2016136821.tif 000024
【図１４】
2016136821.tif 000025
【図１５】
2016136821.tif 000026
【図１６】
2016136821.tif 000027
【図１７】
2016136821.tif 000028
【図１８】
2016136821.tif 000029
【図１９】
2016136821.tif 000030
【図２０】
2016136821.tif 000031
【図２１】
2016136821.tif 000032
【図２２】
2016136821.tif 000033
【図２３】
2016136821.tif 000034