(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して負荷機器に電力を供給する際に用いられる電力蓄電式電源装置であって、交流入力および交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段と、交流入力から分岐して設けられた導通方向規制手段と、導通方向規制手段の出力側に設けられた直流電力蓄電手段と、直流電力蓄電手段の出力側に設けられた逆流防止手段とを備え、負荷機器の定常電力は交流出力からＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して給電し、負荷機器の突入電力は直流電力蓄電手段からインバータを介して給電することを特徴とする電力蓄電式電源装置。
【請求項２】
交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して負荷機器に電力を供給する際に用いられる電力蓄電式電源装置であって、交流入力および交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段と、ＡＣ−ＤＣコンバータとインバータの間から分岐して逆流防止手段およびそれに並列な充電電流抑制手段を介して設けられた直流電力蓄電手段とを備え、負荷機器の定常電力は交流出力からＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して給電し、負荷機器の突入電力は直流電力蓄電手段からインバータを介して給電することを特徴とする電力蓄電式電源装置。
【請求項３】
突入電力制御手段は、第１のインダクタで構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電力蓄電式電源装置。
【請求項４】
導通方向規制手段は、第２のインダクタを介して交流入力から分岐して設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力蓄電式電源装置。
【請求項５】
直流電力蓄電手段は、コンデンサまたは蓄電池で構成されており、且つ無停電機能を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力蓄電式電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、電力蓄電式電源装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、定常電力よりも大きな突入電力が必要となるサーボモータ等の動力機器を備えた工作機械等の電気機器への電源供給に有用な、必要なケーブル設備や交流入力容量を低減し、電気機器から発生する突入電力を安定して給電することのできる、電力蓄電式の新しい電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットや射出成形機等の工作機械への電源供給については、たとえば図５に例示したように、交流配電系統または構内配電線から分電盤または受電盤を経由して直接、もしくは変圧器を介して給電されることがしばしばである。
【０００３】
また、工作機械が有するサーボモータ等の動力機器は、交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータ（順変換装置）で直流電力に変換し、さらにインバータ（逆変換装置）にて高周波交流電力に変換した電源で動作しているのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サーボモータ等の動力機器は仕事時に過大トルクを必要とするため、動作時に突入電力が発生して、その値は定常電力の約１０倍になるケースがあった。そのため、交流電源系統／構内配電線の分電盤／受電盤から、もしくは変圧器から工作機械までの給電ケーブルについては、突入電力が定格電力以内になる大きな設備が必要になり、そのケーブル布設工事や設備輸送費等の設備設置コストの高額化、エネルギーコストの高額化の問題、さらには設置面積が広くなり設置場所の有効活用ができないなどの問題が生じていた。
【０００５】
また、従来の電源設備では、無停電機能がないため、商用電源の停電（瞬停含む）時に工作機械が異常停止してしまい、工作機械による成果物が不完全加工の状態になって使用できなくなったり、工作機械の復旧に時間を有したりするなど、材料損失、機会損失が発生するという問題もあった。
【０００６】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、必要なケーブル設備や交流入力容量を低減し、工作機械等の電気機器から発生する突入電力を安定して給電することのできる、電力蓄電式の新しい電源装置を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して負荷機器に電力を供給する際に用いられる電力蓄電式電源装置であって、交流入力および交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段と、交流入力から分岐して設けられた導通方向規制手段と、導通方向規制手段の出力側に設けられた直流電力蓄電手段と、直流電力蓄電手段の出力側に設けられた逆流防止手段とを備え、負荷機器の定常電力は交流出力からＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して給電し、負荷機器の突入電力は直流電力蓄電手段からインバータを介して給電することを特徴とする電力蓄電式電源装置を提供し、第２には、交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して負荷機器に電力を供給する際に用いられる電力蓄電式電源装置であって、交流入力および交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段と、ＡＣ−ＤＣコンバータとインバータの間から分岐して逆流防止手段およびそれに並列な充電電流抑制手段を介して設けられた直流電力蓄電手段とを備え、負荷機器の定常電力は交流出力からＡＣ−ＤＣコンバータとインバータを介して給電し、負荷機器の突入電力は直流電力蓄電手段からインバータを介して給電することを特徴とする電力蓄電式電源装置を提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、第３には、前記突入電力抑制手段が第１のインダクタで構成されていることを特徴とする電力蓄電式電源装置、第４には、前記導通方向規制手段が第２のインダクタを介して交流入力端子から分岐して設けられていることを特徴とする電力蓄電式電源装置、第５には、前記直流電力蓄電手段がコンデンサまたは蓄電池で構成されており、且つ無停電機能を有していることを特徴とする電力蓄電式電源装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
図１および図２は、各々、この出願の発明の電力蓄電式電源装置の一実施形態を例示した図である。
【００１０】
たとえばこれら図１および図２に例示したように、この出願の発明の電力蓄電式電源装置（１）は、交流入力および交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段（１３）と、交流入力から分岐して設けられた導通方向規制手段（１５）と、導通方向規制手段（１５）の出力側に設けられた直流電力蓄電手段（１６）と、直流電力蓄電手段（１６）の出力側に設けられた逆流防止手段（１７）とを備え、負荷機器（３）の定常電力は交流出力から給電し、負荷機器（３）の突入電力は直流電力蓄電手段（１６）から給電するようになっており、これによって、必要なケーブル設備や交流入力容量を低減し、負荷機器（３）から発生する突入電力の効率の良い安定した給電を実現している。
【００１１】
この場合さらに説明すると、図１および図２の実施形態では、まず、交流電源（２）は三相交流電源となっており、電力蓄電式電源装置（１）は交流入力端子（１１）を介してそれに接続されている。交流電源（２）は、たとえば図２に示したように交流配電系統または構内配電線の分電盤または受電盤で供給できる。
【００１２】
電力蓄電式電源装置（１）内では、交流入力端子（１１）と交流出力端子（１２）が対を成して設けられており、両端子間に突入電力抑制手段（１３）としての第１のインダクタ（１３１）が接続されている。この第１のインダクタ（１３１）で構成される突入電力抑制手段（１３）は、交流電源（２）からの交流電力を負荷機器（３）の定常電力として直接給電し、突入電力としては給電しないように抑制するためのものであり、交流入力端子（１１）および交流出力端子（１２）とともに定常電力給電回路を構成している。第１のインダクタ（１３１）を通った三相交流電力は、交流出力端子（１２）から、それを直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ（５）および直流電力を高周波交流電力に変換するインバータ（４）を介して負荷機器（３）に定常電力として給電される。なお本実施形態では、負荷機器（３）として工作機械等のサーボモータ（３１）が接続されており、当然インバータ（４）は工作機械等にサーボモータ（３１）とともに内蔵されていても、別体として設けられていてもよく、またＡＣ−ＤＣコンバータ（５）は電力蓄電式電源装置（１）に内蔵されていても、別体として設けられていてもよい。
【００１３】
他方、負荷機器（３）（サーボモータ（３１））の突入電力は、交流入力端子（１１）から分岐して設けられた導通方向規制手段（１５）と直流電力蓄電手段（１６）と逆流防止手段（１７）とで構成される突入電力給電回路によって給電される。導通方向規制手段（１５）は、第２のインダクタ（１４）を介して交流入力端子（１１）から分岐して設けられ、交流電源（２）からの交流電力を直流電力に変換する。直流電力蓄電手段（１６）は、導通方向規制手段（１５）の出力側に設けられ、直流電力を突入電力給電のために蓄電する。そして逆流防止手段（１７）は、直流電力蓄電手段（１６）の出力側に設けられ、負荷機器（３）からの逆流を防止する。直流電力蓄電手段（１６）は、逆流防止手段（１７）および直流出力端子（１８）を介してＡＣ−ＤＣコンバータ（５）の直流出力側に接続されており、蓄電力が突入電力として放電されてインバータ（４）を介してサーボモータ（３１）へ給電される。
【００１４】
以上の回路構成における給電動作についてさらに説明すると、負荷機器（３）（サーボモータ（３１））の定常電力は第１のインダクタ（１３１）を介して交流出力端子（１２）から給電されており、この定常電力給電中は直流電力蓄電手段（１６）は完全充電状態で待機している。ここで負荷機器（３）の突入電力が発生すると、第１のインダクタ（１３１）で電圧変動（たとえば約−２０％）が発生して交流出力端子（１２）側の電圧が降下するため、負荷機器（３）側の直流電圧が降下し、その一方で、直流電力蓄電手段（１６）は逆流防止手段（１７）を介して負荷機器（３）側の直流電源に接続されているため、直流電力蓄電手段（１６）側の直流電圧が高電位となるので、突入電力は直流電力蓄電手段（１６）から給電されることになる。
【００１５】
また、負荷機器（３）の突入電力、特にサーボモータ（３１）の突入電力は１サイクル発生で数秒インターバルで発生するケースが一般的であり、直流電力蓄電手段（１６）から突入電力として給電（放電）した後の回復充電は、交流電力の電力増加を防止するために、第２のインダクタ（１４）で限流して導通方向規制手段（１５）を通じて実行される。これにより、突入電力給電時間に対して極めて大きな回復充電時間（たとえば２００から３００倍の時間）を確保できるため、交流電力を増加することなく回復充電が可能にもなる。
【００１６】
なお、直流電力蓄電手段（１６）については、コンデンサまたは蓄電池で構成し、且つ無停電機能を付加したものを用いることで、無停電機能が付随的効果として発生するため、停電での工作機械等の異常停止を的確に防止することもできる。
【００１７】
［第２の実施形態］
図３は、この出願の発明の電力蓄電式電源装置の別の一実施形態を例示した図である。
【００１８】
この図３の実施形態では、この出願の発明の電力蓄電式電源装置（１）は、交流入力および交流出力の間に設けられた突入電力抑制手段（１３）と、交流出力および負荷機器（３）の間から分岐して逆流防止手段（１７）およびそれに並列な充電電流抑制手段（１９）を介して設けられた直流電力蓄電手段（１６）とを備え、負荷機器（３）の定常電力は交流出力から給電し、負荷機器（３）の突入電力は直流電力蓄電手段（１６）から給電するようになっている。この構成によっても、上述した第１の実施形態と同様な効果を実現することができ、必要なケーブル設備や交流入力容量を低減し、負荷機器（３）から発生する突入電力の効率の良い安定した給電を実現することができる。
【００１９】
この場合さらに説明すると、まず負荷機器（３）の定常電力を給電する定常電力給電回路については、第１の実施形態（図１）と同じ構成であり、交流入力端子（１１）および交流出力端子（１２）と、それらの間に配設された第１のインダクタ（１３１）からなる突入電力抑制手段（１３）とによって構成されている。
【００２０】
他方、負荷機器（３）（サーボモータ（３１））の突入電力を給電する突入電力給電回路については、直流電力蓄電手段（１６）、逆流防止手段（１７）、直流出力端子（１８）を有しているのは同じであるが、直流電力蓄電手段（１６）の配線配置が異なり、それに起因して充電電流抑制手段（１９）が設けられている点でも異なる。
【００２１】
より具体的には、直流電力蓄電手段（１６）は、第１の実施形態（図１）では交流入力端子（１１）からの交流電力を第２のインダクタ（１４）および導通方向規制手段（１５）を介して蓄電するようになっているが、本実施形態では、交流出力端子（１２）からの交流電力、つまり定常電力用の交流電力の一部を突入電力用として蓄電するようになっており、そのために交流出力端子（１２）および負荷機器（３）との間から分岐して逆流防止手段（１７）を介して設けられている。なお当然、交流出力端子（１２）からの交流電力は直流電力に変換する必要があるため、図３では交流出力端子（１２）後側のＡＣ−ＤＣコンバータ（５）の出力側に接続している。もちろん別途のＡＣ−ＤＣコンバータやインダクタを設けてもよいが、交流出力端子（１２）と負荷機器（３）もしくはインバータ（４）との間にはＡＣ−ＤＣコンバータ（５）が必須なので、それを利用する方が好ましいのは言うまでもない。
【００２２】
また、本実施形態ではさらに、逆流防止手段（１７）に並列に充電電流抑制手段（１９）を設けることが必要となる。この充電電流抑制手段（１９）は、充電時に逆流防止手段（１７）をバイパスするものであり、ＡＣ−ＤＣコンバータ（５）からの直流電力はこれを介して直流電力蓄電手段（１６）に蓄電される。
【００２３】
以上の回路構成においては、第１の実施形態と同様に、回路切換手段や開閉手段等を何ら設けることなく、交流出力端子（１２）からの定常電力給電および直流電力蓄電手段（１６）からの突入電力給電を各々必要時に効率良く実行することができるのである。もちろん、無停電機能を有する直流電力蓄電手段（１６）を用いることもできる。
【００２４】
【実施例】
ここでは、上述した第１の実施形態（図１，図２）と図５の従来方式との比較例をシミュレーションにより求めたので、その結果について説明する。
【００２５】
まず、図４は、第１の実施形態、つまり分電盤／受電盤およびＡＣ−ＤＣコンバータの間にこの出願の発明の電力蓄電式電源装置（１）を設けた実施形態における交流入力電流波形の一例を示した図であり、図６は、配電系統から直接給電する従来方式（図５にて変圧器を除いた場合のもの）における交流入力電流波形の一例を示した図である。両図においてＡは定常電流、Ｂは突入電流を表わしている。
【００２６】
これら図４および図６との比較から明らかなように、この出願の発明によれば、突入電力Ｂを交流入力から直接給電せずに電力蓄電式電源装置（１）内部の直流電力蓄電手段（１６）から給電することとしたために交流電流が大幅に低減し、交流入力電力を著しく低減できることがわかる。このことは、省エネや省コストに著しい効果を発揮する。
【００２７】
次いで、下記表１は、より具体的な比較数値の一例を示したものである。なお、変圧器については、電源事情で電源の電圧と負荷機器の電圧が異なる時に設置することを想定したものである。
【００２８】
【表１】
0004125014.tif 000002
【００２９】
この表１の比較数値例では、この出願の発明によれば、電源容量、契約電力、変圧器容量のすべてを従来比で１／１０以下とすることができ、給電ケーブルも従来より小さいサイズで賄うことが可能で、ケーブル費用やケーブル布設費用等のケーブル関連コストを低減でき、それによる様々な波及効果も期待でき、また無停電機能の付加により負荷機器の異常停止防止が可能で、安全操業の確保ならびに成果物損失・機会損失の防止などを図ることができるといった、優れた効果を実現できることがわかる。
【００３０】
もちろん、この出願の発明は以上の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。この出願の発明は、工作機械だけでなく、突入電力が生じ得るあらゆる電気機器に適用可能であることは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、必要なケーブル設備や交流入力容量を低減し、工作機械等の電気機器から発生する突入電力を安定して給電することのできる、新しい電力蓄電式電源装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の電力蓄電式電源装置の一実施形態を例示した回路構成図である。
【図２】この出願の発明の電力蓄電式電源装置の一実施形態を例示した概略ブロック図である。
【図３】この出願の発明の電力蓄電式電源装置の別の一実施形態を例示した回路構成図である。
【図４】図１および図２の実施形態における交流入力電流波形の一例を示した図である。
【図５】従来の電源設備を説明するための図である。
【図６】図５において変圧器を用いない場合における交流入力電流波形の一例を示した図である。
【符号の説明】
１  電力蓄電式電源装置
１１  交流入力端子
１２  交流出力端子
１３  突入電力抑制手段
１３１  第１のインダクタ
１４  第２のインダクタ
１５  導通方向規制手段
１６  直流電力蓄電手段
１７  逆流防止手段
１８  直流出力端子
１９  充電電流抑制手段
２  交流電源
３  負荷機器
３１  サーボモータ
４  インバータ
５  ＡＣ−ＤＣコンバータ
【図１】
0004125014.tif 000003
【図２】
0004125014.tif 000004
【図３】
0004125014.tif 000005
【図４】
0004125014.tif 000006
【図５】
0004125014.tif 000007
【図６】
0004125014.tif 000008