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技術 電源装置及び電力供給方法

出願人 大電株式会社
発明者 倉永裕司小田英範寺崎康二
出願日 2017年12月6日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2017-564142
公開日 2019年4月25日 (7ヶ月経過) 公開番号 WO2018-193661
状態 特許登録済
技術分野 整流装置 給配電網の遠方監視・制御 電磁波による給配電方式
主要キーワード グランドワイヤ 低圧電力線 送配電設備 滞留ガス 送電用ケーブル 数千アンペア 電力線側 ゼロクロススイッチ
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課題・解決手段

電力線に流れる電流の変動に影響されることなく、安定的に継続して電源が得られる電源装置を提供する。負荷電力を供給する電源装置において、電力線に電磁結合するインダクタンス成分であって、当該インダクタンス成分によって誘起される交流電流を前記負荷側に供給する電流変換手段と、前記電流変換手段から供給される交流電流を直流電流整流する整流手段と、前記整流手段から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出手段と、前記電流変換手段と前記整流手段の間に接続され、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換手段の入力インピーダンス整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合手段と、前記電力検出手段により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合手段による不平衡化を制御する制御手段と、を備える。

概要

背景

各種の送電線の近傍で利用される電気機器に対して、簡易電力を供給する手段として、電力線にCT(カレントトランス)を設置することによって、電力線に流れる電流によって生じる誘導電流を利用する電源装置が知られている。

例えば、従来の電源装置としては、配電線から交流電流を検出するCTと、当該CTのコイルとによって当該交流電流の周波数共振周波数とする共振回路を構成する共振用コンデンサとを有することによって、CTのコイルと共振用コンデンサとの共振回路により検出出力を増大しようとする電流検出装置がある(特許文献1参照)。

また、従来の電源装置としては、例えば、補助電源として配電線にCTを装着し、蓄電用電気二重層コンデンサと、電源供給用駆動用電池とを備え、当該電気二重層コンデンサ及び駆動用電池の電圧値電源監視回路計測することによって、当該電気二重層コンデンサか駆動用電池のいずれかを駆動電源として切替えて使用するものもある(特許文献2参照)。

また、従来の電源装置としては、例えば、コアを分割した分割型のCTのコアに、送電線と並行して架設された架空地線を貫通して架空地線に発生する誘導電流を取り出す架空地線の誘導電流利用電源装置において、CTの出力電力を増大させる手段、または、CTのコアの切断面の加工精度や複数のCTから並列出力電流を取り出す場合、各CTの特性のばらつきを吸収させ、最大の出力電流を取り出せる出力電圧を実用上問題ない程度まで一致させる手段として、CTの出力端子コンデンサを接続したことを特徴とする架空地線の誘導電流利用電源装置がある(特許文献3参照)。

概要

電力線に流れる電流の変動に影響されることなく、安定的に継続して電源が得られる電源装置を提供する。負荷に電力を供給する電源装置において、電力線に電磁結合するインダクタンス成分であって、当該インダクタンス成分によって誘起される交流電流を前記負荷側に供給する電流変換手段と、前記電流変換手段から供給される交流電流を直流電流整流する整流手段と、前記整流手段から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出手段と、前記電流変換手段と前記整流手段の間に接続され、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換手段の入力インピーダンス整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合手段と、前記電力検出手段により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合手段による不平衡化を制御する制御手段と、を備える。

目的

本発明は、前記課題を解消するためになされたものであり、配電線(送電線)や接地線グランドワイヤ)等を含む電力線に流れる電流の変動に影響されることなく、安定的に継続して電源が得られる電源装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

負荷電力を供給する電源装置において、電力線電磁結合するインダクタンス成分であって、当該インダクタンス成分によって誘起される交流電流を前記負荷側に供給する電流変換手段と、前記電流変換手段から供給される交流電流を直流電流整流する整流手段と、前記整流手段から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出手段と、前記電流変換手段と前記整流手段の間に接続され、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換手段の入力インピーダンス整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合手段と、前記電力検出手段により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合手段による不平衡化を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする電源装置。

請求項2

請求項1に記載の電源装置において、前記電流変換手段が、前記電力線に取付けられるカレントトランスであることを特徴とする電源装置。

請求項3

請求項1又は2に記載の電源装置において、前記整流手段から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費手段を備え、前記電力検出手段が、前記余剰電力消費手段で消費される電力レベルを検出することを特徴とする電源装置。

請求項4

請求項1〜3のいずれかに記載の電源装置において、前記制御手段が、前記電力検出手段で検出された電力値に対して、閾値の上限値で前記インピーダンス不整合手段の誘導成分及び/又は容量成分を増加させ、閾値の下限値で前記インピーダンス不整合手段の誘導成分及び/又は容量成分を減少させ、前記整流手段から負荷側に供給される電力を制御することを特徴とする電源装置。

請求項5

負荷に電力を供給する電力供給方法において、電力線に電磁結合するインダクタンス成分であって、当該インダクタンス成分によって誘起される交流電流を前記負荷側に供給する電流変換工程と、前記電流変換工程から供給される交流電流を直流電流に整流する整流工程と、前記整流工程から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出工程と、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換工程の入力インピーダンスの整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合工程と、前記電力検出工程により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合工程による不平衡化を制御する制御工程と、を含むことを特徴とする電力供給方法。

請求項6

請求項5に記載の電力供給方法において、前記整流工程から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費工程を含み、前記電力検出工程が、前記余剰電力消費工程で消費される電力レベルを検出することを特徴とする電力供給方法。

請求項7

請求項5〜6に記載の電力供給方法において、前記制御工程が、前記電力検出工程で検出された電力値に対して、閾値の上限値で前記インピーダンス不整合工程の誘導成分及び/又は容量成分を増加させ、閾値の下限値で前記インピーダンス不整合工程の誘導成分及び/又は容量成分を減少させ、前記整流工程から負荷側に供給される電力を制御することを特徴とする電力供給方法。

技術分野

0001

本発明は、送配電線接地線グランドワイヤ)等を含む電力線からの誘導電流を利用して電源を得る電源装置に関し、特に、電力線に流れる電流変動幅が大きい場合であっても、安定的に電源が得られる電源装置に関する。

背景技術

0002

各種の送電線の近傍で利用される電気機器に対して、簡易電力を供給する手段として、電力線にCT(カレントトランス)を設置することによって、電力線に流れる電流によって生じる誘導電流を利用する電源装置が知られている。

0003

例えば、従来の電源装置としては、配電線から交流電流を検出するCTと、当該CTのコイルとによって当該交流電流の周波数共振周波数とする共振回路を構成する共振用コンデンサとを有することによって、CTのコイルと共振用コンデンサとの共振回路により検出出力を増大しようとする電流検出装置がある(特許文献1参照)。

0004

また、従来の電源装置としては、例えば、補助電源として配電線にCTを装着し、蓄電用電気二重層コンデンサと、電源供給用駆動用電池とを備え、当該電気二重層コンデンサ及び駆動用電池の電圧値電源監視回路計測することによって、当該電気二重層コンデンサか駆動用電池のいずれかを駆動電源として切替えて使用するものもある(特許文献2参照)。

0005

また、従来の電源装置としては、例えば、コアを分割した分割型のCTのコアに、送電線と並行して架設された架空地線を貫通して架空地線に発生する誘導電流を取り出す架空地線の誘導電流利用電源装置において、CTの出力電力を増大させる手段、または、CTのコアの切断面の加工精度や複数のCTから並列出力電流を取り出す場合、各CTの特性のばらつきを吸収させ、最大の出力電流を取り出せる出力電圧を実用上問題ない程度まで一致させる手段として、CTの出力端子コンデンサを接続したことを特徴とする架空地線の誘導電流利用電源装置がある(特許文献3参照)。

先行技術

0006

特開2002−48831号公報
特開2015−19468号公報
特開2006−197758号公報

発明が解決しようとする課題

0007

従来の電源装置は、本質的に、出力電力増加を意図したものであり、電力線に流れる電流が小さいか、電流の変動の幅が小さいものに対して効率良く電力を得られるようにしたものである。

0008

一般的に、CTは、ある固定の変換比率に基づき、一次側の電流に対して、二次側に強制的に電流が供給されるものである。すなわち、一次側電流が小さい場合は二次側に小さい電流が、一次側電流が大きい場合は二次側に大きい電流が供給されることになる。従って、従来の出力増加を意図した電源装置は、一次電流(この場合、電力線に流れる電流)が小さいか、電流の変動の幅が小さいことが設計上重要である。

0009

しかし、実際の電力線に流れる電流は、発電所の出力や電力需要家が必要とする電力量によって決まるため、時間帯季節日照条件等によって大きく変動するものである。太陽光発電により供給される電力は日照条件で大きく左右され、火力発電所から供給される電力は電力需要家の夏季ピークに対応するため大きく変動する。例えば、火力発電所から延線される送電用ケーブルの場合、流れる電流は数十アンペアから数千アンペア程度まで、その変動の幅が極めて大きい。

0010

従って、このような環境下においてCTを用いた電源装置を使用する場合、電流が大きく変動する場合の対処が重要となる。

0011

従来の電源装置では、小電流時を基準にして設計された場合では、実際に電力線に大電流が流れた場合にはCT二次側に大きな電流が供給されてしまい、電源装置の回路内で対処できないレベルジュール熱過電圧が発生する危険性がある。大電流に対処する方法として、余剰となる供給電力を熱として消費したり、蓄電池充電させることも考えられるが、放熱蓄電も対処できる量に限りがあるうえ、必然的に大掛かりな設備が必要となるという問題があった。

0012

また、従来の電源装置では、比較的小さい電流で動作するものを一般的な対象としているため、電力網幹線となる送配電線路のように大きな電流が流れる場所で使用する場合には、想定外の過大な電力が供給されてしまい、この過大な電力に対処することが困難となっている。

0013

一方で、従来の電源装置において、平均的な電流で動作させるように設計されたとしても、電流が平均より小さくなった場合に不足電力を補う手段が必要となる。

0014

また、従来の電源装置においては、不足電力を補う手段として、特にマンホール内のような地中送配電設備監視機器に対する電源供給に使用される場合には、新たに低圧電力線を敷設することが困難な場合が多いことから、バッテリを使用するケースが一般的であるが、バッテリには寿命があることから、定期的なバッテリ交換作業が必要となり、その交換作業に際しては、マンホール内に入孔するための付帯業務(道路使用許可申請マンホール開蓋作業、マンホール内滞留ガス排気排水作業等)が都度必要となり、とりわけ都市部においては夜間の工事が必須となるうえ、交通規制や排水、騒音等により公衆の生活に支障をきたす問題があった。

0015

本発明は、前記課題を解消するためになされたものであり、配電線(送電線)や接地線(グランドワイヤ)等を含む電力線に流れる電流の変動に影響されることなく、安定的に継続して電源が得られる電源装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0016

本発明は、インダクタンス1次側2次側位相成分を、従来(出力電力増加を意図した技術)とは全く異なる発想で、敢えて意図的に不平衡となるように制御を行い、送電線(配電線)や接地線等を含む電力線に流れる電流に変動が生じたとしても、安定的に継続して電源が得られる電源装置を提供する。

0017

すなわち、本願に開示する電源装置は、負荷に電力を供給する電源装置において、電力線に電磁結合するインダクタンス成分であって、当該インダクタンス成分によって誘起される交流電流を前記負荷側に供給する電流変換手段と、前記電流変換手段から供給される交流電流を直流電流整流する整流手段と、前記整流手段から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出手段と、前記電流変換手段と前記整流手段の間に接続され、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換手段の入力インピーダンス整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合手段と、前記電力検出手段により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合手段による不平衡化を制御する制御手段と、を備えるものである。

0018

このように、本願に開示する電源装置は、前記電流変換手段から供給される交流電流から、前記整流手段により整流された直流電流の電力レベルを前記電力検出手段が検出し、前記インピーダンス不整合手段が、前記誘導成分及び/又は容量成分を用いて、負荷側のインピーダンスの整合条件を乱して、インピーダンスを不平衡化し、前記制御手段が、前記電力検出手段により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合手段による不平衡化を制御することから、前記インピーダンス不整合手段によって無効電力を発生させて、余剰となった電力(余剰電力)をジュール熱や過電圧を発生させることなく、電力線側線路側)に戻されることとなり、電力線に流れる電流に変動が生じたとしても、安全かつ安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0019

また、本願に開示する電源装置は、必要に応じて、前記電流変換手段が、前記電力線に取付けられるCTであるものである。このように、前記電流変換手段が、前記電力線に取付けられるCTであることから、インダクタンス成分をより容易に取り扱えることとなり、安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0020

また、本願に開示する電源装置は、必要に応じて、前記整流手段から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費手段を備え、前記電力検出手段が、前記余剰電力消費手段で消費される電力レベルを検出する。このように、前記整流手段から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費手段を備えることから、余剰電力が発生したとしても効率よく余剰電力を消費できることとなり、より安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0021

また、本願に開示する電源装置は、必要に応じて、前記制御手段が、前記電力検出手段で検出された電力値に対して、閾値の上限値で前記インピーダンス不整合手段の誘導成分及び/又は容量成分を増加させ、閾値の下限値で前記インピーダンス不整合手段の誘導成分及び/又は容量成分を減少させ、前記整流手段から負荷側に供給される電力を制御することにより、前記制御手段が、閾値を用いて、前記インピーダンス不整合手段の誘導成分及び/又は容量成分を制御することから、所望とする範囲内で、前記インピーダンス不整合手段の誘導成分及び/又は容量成分を制御できることとなり、電力線に流れる電流に変動が生じたとしても、安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0022

また、本願に開示する電力供給方法は、負荷に電力を供給する電力供給方法において、電力線に電磁結合するインダクタンス成分であって、当該インダクタンス成分によって誘起される交流電流を前記負荷側に供給する電流変換工程と、前記電流変換工程から供給される交流電流を直流電流に整流する整流工程と、前記整流工程から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出工程と、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換工程の入力インピーダンスの整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合工程と、前記電力検出工程により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合工程による不平衡化を制御する制御工程と、を含むものである。

0023

このように、本願に開示する電力供給方法は、前記整流工程により整流された直流電流の電力レベルを前記電力検出工程が検出し、前記インピーダンス不整合工程が、前記誘導成分及び/又は容量成分を用いて、負荷側のインピーダンスの整合条件を乱して、インピーダンスを不平衡化し、前記制御工程が、前記電力検出工程により検出された電力レベルに基づいて、前記インピーダンス不整合工程による不平衡化を制御することから、前記インピーダンス不整合工程によって無効電力を発生させて、余剰となった電力(余剰電力)が、適切に電力線側(線路側)に戻されることとなり、電力線に流れる電流に変動が生じたとしても、安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0024

また、本願に開示する電力供給方法は、必要に応じて、前記整流工程から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費工程を含み、前記電力検出工程が、前記余剰電力消費工程で消費される電力レベルを検出する。このように、前記整流工程から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費工程を含むことから、余剰電力が発生したとしても効率よく余剰電力を消費できることとなり、より安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0025

また、本願に開示する電力供給方法は、必要に応じて、前記制御工程が、前記電力検出工程で検出された電力値に対して、閾値の上限値で前記インピーダンス不整合工程の誘導成分及び/又は容量成分を増加させ、閾値の下限値で前記インピーダンス不整合工程の誘導成分及び/又は容量成分を減少させ、前記整流工程から負荷側に供給される電力を制御するものである。このように、前記制御工程が、閾値を用いて、前記インピーダンス不整合工程の誘導成分及び/又は容量成分を制御することから、所望とする範囲内で、前記インピーダンス不整合工程の誘導成分及び/又は容量成分を制御できることとなり、より安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

発明の効果

0026

この発明に係る電源装置は、電力線に流れる電流が大きい場合に発生する余剰電力を無効電力として処理できるため、電力線に流れる電流が小さいときに高結合条件となるCTを使用でき、CTの出力電力を増大させる手段やバッテリなどの蓄電手段など、従来の電源装置で必要だった不足電力を補う手段を排除できるとともに、放熱などの余剰電力処理手段を簡素化でき、コンパクト装置構成とすることができる。
また、この発明に係る電源装置においては、電力線に流れる電流の変化に対応して無効電力の発生量を制御できることから、電力線に流れる電流の変動に影響されることなく、安定的に継続して電源が得ることができる。
これにより、この電源装置の適用分野が広範囲に及ぶものとなり、例えば、マンホール内の地中送配電設備の監視機器の電源として利用することができる。すなわち、電力用マンホール内の監視装置用の電源として使用することによって、新たな低圧電力線の敷設や寿命が問題となるバッテリの使用に代替する電源として有用性が極めて高い。
また、CTを分割型とすれば、当該電源装置をマンホール内の既設の地中送配電線に後付けできるため、必要に応じて設置できる可搬型電源としても活用できるものである。

図面の簡単な説明

0027

本発明の第1の実施形態に係る電源装置の構成図(a)、及び、ツェナーダイオードを用いた場合の電力検出手段3の構成図(b)(c)を示す。
本発明の第1の実施形態に係る電源装置の制御方法フローチャートを示す。
本発明の第1の実施形態に係る電源装置の回路図の一例を示す。
本発明の第1の実施形態に係る電源装置の詳細な回路図の一例を示す。
本発明の第1の実施形態に係る電源装置の詳細な回路図の一例を示す。
本発明の第1の実施形態に係る電源装置の通電試験の結果を示す。
本発明の第2の実施形態に係る電源装置の構成図を示す。
本発明の第3の実施形態に係る電源装置の構成図(a)、及び、ゼロクロス検出手段にダイオード抵抗を用いた場合の電源装置の構成図を構成図(b)に示す。

実施例

0028

(第1の実施形態)
本願の第1の実施形態に係る電源装置を、上記図1〜6に従い説明する。

0029

第1の実施形態に係る電源装置は、図1(a)に示すように、負荷10に電源を供給する電源装置において、電力線101(需要家負荷100に接続される)に電磁結合するインダクタンス成分であって、このインダクタンス成分によって誘起される交流電流をこの負荷側に供給する電流変換手段1と、この電流変換手段1から供給される交流電流を直流電流に整流する整流手段2と、 この電流変換手段1から負荷側に供給される電力レベルを検出する電力検出手段3と、この電流変換手段1と整流手段2の間に接続され、誘導成分及び/又は容量成分を有し、当該誘導成分及び/又は容量成分を用いて、前記電流変換手段1の入力インピーダンスの整合条件を乱して、当該入力インピーダンスを不平衡化するインピーダンス不整合手段4と、この電力検出手段3により検出された電力レベルに基づいて、このインピーダンス不整合手段4による不平衡化を制御する制御手段5と、を備える構成である。

0030

この電流変換手段1は、電力線101に電磁結合するインダクタンス成分を有し、交流電流を誘起するものであれば、特に限定されないが、CTを用いることができる。なお、電力線101としては、送配電線に限定されず、工場配線や接地線(グランドワイヤ)など、電流が流れている電線ケーブルであれば、その限りではない。この整流手段2は、特に限定されないが、交流電流を直流電流に整流する整流器を用いることができる。

0031

この電力検出手段3は、前記整流手段2から負荷側に供給される電力レベルを検出可能なものであれば、特に限定されないが、例えば、ツェナーダイオードを用いることが好ましい。ツェナーダイオードを用いることによって、例えば、図1(b)に示すように、電力検出手段3として、ツェナーダイオードと、このツェナーダイオードと直列に接続した検出抵抗Rを用いて、この検出抵抗Rで発生する電圧Vzdrを検出することができる。すなわち、図1(b)に示すように、ツェナーダイオードのツェナー電圧をVzdとして、検出抵抗Rに流れる電流をIrとすれば、ツェナーダイオードで消費する電力Pzdは、Pzd=Ir×Vzd=Vzdr/R × Vzdとなる。このうち、ツェナー電圧Vzdと検出抵抗Rは固定値みなすことができるため、ツェナーダイオードで消費する電力Pzdは、検出抵抗Rで発生する電圧Vzdrを測定することによって決定する。このように、検出抵抗Rで発生する電圧Vzdrを測定することによって、前記整流手段2から負荷側に供給される電力レベルを簡易に検出することが可能となる。

0032

また、例えば、図1(c)に示すように、電力検出手段3として、ツェナーダイオードを含めて構成され、電力検出手段3が、前記電力レベルの検出の際に、このツェナーダイオードで発生する熱を温度センサ等により測定しても良い。

0033

このインピーダンス不整合手段4は、誘導成分及び/又は容量成分を有し、この誘導成分及び/又は容量成分を用いて、電流変換手段1の入力インピーダンスの整合条件を乱して、インピーダンスを不平衡化するものである。
ここで、インピーダンスの不平衡化とは、電流変換手段1の負荷側のインピーダンスと、電源側(電力線101側)のインピーダンスとを敢えて整合させないようにすることであり、電流変換手段1の負荷側で誘導成分及び/又は容量成分を用いて電流変換手段1の入力インピーダンスの整合条件を意図的に乱すことにより、これらのインピーダンスを不平衡化とすることである。
従来の電源装置では、これらのインピーダンスを正確に整合させることによって、負荷側に電力を効率的に供給することが主眼とされていたことから、このインピーダンスの不平衡化とは、従来とは全く逆の発想である。

0034

この制御手段5は、この電力検出手段3により検出された電力レベルに応じて、このインピーダンス不整合手段4における誘導成分及び/又は容量成分を増減させる制御を行うことによって、インピーダンス不整合手段4による上述した不平衡化の度合いを制御する。

0035

この制御手段5による好適な制御方法については、例えば、図2のフローチャートに示すように、先ず、電力検出手段3で電力レベルを検出し(S1)、制御手段5が、この電力検出手段3で検出された電力レベルが、閾値の上限値以上であるかを判断し(S2)、閾値の上限値以上の場合には、インピーダンス不整合手段4の誘導成分及び/又は容量成分を増加させて(S3)、電流変換手段1から負荷側へ供給される有効電力を減少させる。

0036

また、制御手段5が、この電力検出手段3で検出された電力レベルが、閾値の下限値以下であるかを判断し(S4)、閾値の下限値以下の場合には、インピーダンス不整合手段4の誘導成分及び/又は容量成分を減少させて(S5)、電流変換手段1から負荷側へ供給される有効電力を増加させる。この制御方法によって、安定的に継続した電源供給が実現される。

0037

さらに、上記構成に従って構成される回路図の一例を図3に示す。

0038

図3に示すように、この電流変換手段1としては、電力線101に電磁結合するインダクタンス成分を有し、交流電流を誘起するCTを用いる。この整流手段2としては、交流電流を直流電流に整流する整流器としてダイオードブリッジによる全波整流回路を用いる。この電力検出手段3は、整流手段2から負荷側の電力レベルを検出可能なものとして、ツェナーダイオード(及びツェナーダイオードと直列に接続した検出抵抗R2を含む)を用いる。図3では、1つのツェナーダイオードで構成されている例を示しているが、これに限定されず、複数のツェナーダイオードを直列接続することも可能である。

0039

このインピーダンス不整合手段4は、容量成分としてコンデンサを用いる。このインピーダンス不整合手段4は、CTに対して並列接続されるコンデンサとスイッチを備えたコンデンサ部41から構成される。

0040

このコンデンサ部41は、インピーダンスを不平衡化するために、コンデンサと直列に接続されたスイッチでコンデンサ回路の有効化/無効化を切替えるスイッチ機構を備える。このインピーダンス不整合手段4は、1つのコンデンサ部41から構成されることもできるが、より好ましくは複数配設されることであり、制御手段5による前記スイッチ機構によって、複数のコンデンサの投入制御が可能となり、容量成分(キャパシタンス)のON/OFFの切替えのみならず、容量成分の大きさを自在に調整することができ、より段階的に細分化された容量成分の制御を行うことが可能となる。すなわち、コンデンサを複数並列に投入可能なスイッチを備えることによって、電力検出手段3により検出された電力レベルに応じて、制御手段5がコンデンサ投入量を最適に調整することが可能となる。

0041

この制御手段5としては、演算機能を有するマイクロコントローラであるMCUを用いる。このMCUは、この電力検出手段3により検出された電力レベルに応じて、前記コンデンサ部41におけるスイッチ機構を制御することによって、インピーダンス不整合手段4による不平衡化の度合いを制御する。例えば、この検出された電力レベルが閾値の上限より大きい場合には、スイッチ機構を制御することによって、インピーダンス不整合手段4に配されたコンデンサを有効化(もしくはコンデンサの有効接続数を増加)させて、容量成分を増加させる。また、例えば、この検出された電力レベルが閾値の下限より小さい場合には、スイッチ機構を制御することによって、インピーダンス不整合手段4に配されたコンデンサを無効化(もしくはコンデンサの有効接続数を減少)させて、容量成分を減少させる。

0042

本実施形態では、制御手段5が、インピーダンス不整合手段4におけるコンデンサ部41の容量成分の増減をスイッチ機構で制御することによって、経時的に変化する電源装置の有効電力の発生状況に応じて、最適な有効電力の制御(すなわち、無効電力の制御)を安定的に継続して行うことができる。

0043

以上の構成によって、インピーダンス不整合手段4によって無効電力を発生させて、負荷側に生じる負荷電流の程度に応じて、余剰となった電力(余剰電力)が、最適に電力線101側(線路側)に戻されることとなり、電力線101に流れる電流に大きく変動が生じる状況であっても、安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0044

さらに、本実施形態に係る電源装置は、無効電力の増減を制御できることで、電力線101に流れる電流が少ないに条件に合せた高結合度のCTとすることができ、電力線101に流れる電流が多いときの余剰電力を対処する手段も兼ね備えたダイナミックレンジ対応型のコンパクトな装置構成が実現される。

0045

このような構成に基づく本実施形態に係る電源装置の詳細な回路図の一例を、図4に示す。電流変換手段1は、電力線101としての電力ケーブルに電磁結合するインダクタンス成分を有し、交流電流を誘起するCTを用いる。整流手段2は、交流電流を直流電流に整流する整流器としてダイオードブリッジによる全波整流回路を用いる。

0046

電力検出手段3は、ツェナーダイオードと、このツェナーダイオードと直列に接続した1.5Ωの検出抵抗Rを用いる。ツェナーダイオードは、ツェナー電圧が6Vで定格5Wのものを4個直列に接続し、ツェナー電圧が24Vで最大20Wの電力に耐えられるようにしている。図4では、複数のツェナーダイオードで構成されている一例として、4個直列に接続したケースを示しているが、この個数についてはあくまで例示であり、これに限定されず、複数(2個以上)のツェナーダイオードであれば特に限定されない。

0047

制御手段5で用いる電力検出手段3の閾値は、ツェナーダイオードで消費される電力であるが、以下の説明のとおり、検出抵抗Rに発生する電圧を用いている。ツェナーダイオードのツェナー電圧をVzdとして、検出抵抗Rに流れる電流をIrとすれば、ツェナーダイオードで消費する電力Pzdは、Pzd=Ir×Vzd=Vzdr/R × Vzdとなる。このうち、ツェナー電圧Vzdは24Vで、検出抵抗Rは1.5Ωの固定値であるため、ツェナーダイオードで消費する電力Pzdは、検出抵抗Rで発生する電圧Vzdrを測定することによって決定する。電力検出手段3の上限の閾値を4W、下限の閾値を0.4Wに設定すると、検出抵抗Rの電圧Vzdrは、Vzdr=Pzd/Vzd×R=Pzd/24×1.5により計算され、それぞれ、約250mV、約25mVとなる。

0048

このように、ツェナーダイオードで消費される電力を検出抵抗Rで発生する電圧Vzdrを測定し、制御手段5で用いる電力検出手段3で検出する閾値として使用することができる。

0049

インピーダンス不整合手段4は、容量成分としてコンデンサを用い、それぞれ異なる静電容量を有する4つのコンデンサ部41で構成する。また、各コンデンサ部41には、ON/OFFが可能なスイッチを有している。コンデンサ部41のコンデンサは、理想的な静電容量をもつフィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサを使用し、静電容量は、それぞれ20μF、40μF、80μF、160μFとしている。

0050

制御手段5は、マイクロコントローラ(MCU)を用い、当該MCUでコンデンサ部41に備えたスイッチのON/OFFを制御できる構成としている。これにより、インピーダンス不整合手段4の容量成分は、20μF刻みで0〜300μFまで16段階の調整が可能となる。

0051

また、負荷10の前段に、当該負荷10に安定した12Vの直流電圧を供給するDC/DCコンバータ10Aと、MCUの駆動に必要な5Vの直流電圧を供給するDC/DCコンバータ10Bを設けている。

0052

以上のような回路構成を成す電源装置を用いて、電力線101としてのケーブルに、CTを電磁結合させ、ケーブルの通電電流を60〜2,000Armsまで変化させ、負荷10で1W消費させた状態で、電力検出手段3で検出されるツェナーダイオードの消費電力を測定した結果を図6に示す。
なお、図6中の丸囲い数字は、インピーダンス不整合手段4におけるコンデンサの投入番号(投入ナンバー)を示し、番号が1増すごとにコンデンサの静電容量が20μFずつ増える。

0053

得られた結果から、本実施形態に係る電源装置では、ケーブル通電電流の増減に応じて、適切に電力制御ができていることを確認した。また、電力線101のケーブル通電電流が60Arms以上あれば、1Wの電力が安定的に供給可能であることが確認された。なお、ケーブル通電電流が1,800Arms以上のときは、インピーダンス不整合手段4による容量成分の増加が限界に達し、電力検出手段3で検出する閾値の上限である4Wを超過しているが、通電電流が2,000Armsのときもツェナーダイオードの定格である20Wを大きく下回っていることから、本実施形態に係る電源装置に問題が無いことを確認した。

0054

図5に示すように、本実施形態に係る電源装置は、上記構成の電源装置の構成を1つ備えて、需要家負荷100に接続された電力線101に電磁結合するという構成に限定されず、例えば、電力系統が異なる複数の電力線101が存在する場合、上記構成の電源装置の電流変換手段1、整流手段2および電力検出手段3の構成体を一つの電源装置に複数備えることによって、一方と他方の構成体をそれぞれ別々の電力系統となる電力線101に装着することで、一方または他方の構成体を予備として機能させることも可能である。すなわち、一方または他方の電力系統が停止しても、片側の構成体からの電源供給が途絶えることが無いため、安定して電力を供給することが可能となる。

0055

また、両方の電力系統が正常に電力供給されていれば、電源装置の構成体が複数あれば得られる電力が増加することは言うまでもない。

0056

(第2の実施形態)
本願の第2の実施形態に係る電源装置を、上記図7に従い説明する。

0057

本願の第2の実施形態に係る電源装置は、上述した第1の実施形態に係る電源装置の構成に加え、図7に示すように、前記整流手段から負荷側に供給される電力にのうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費手段6と、この余剰電力消費手段6で消費される電力レベルを検出する前記電力検出手段3として機能する余剰電力検出手段3aと、を備える構成である。

0058

この余剰電力消費手段6としては、定電圧回路を用いることができる。この定電圧回路としては、ツェナーダイオードや、定電圧レギュレータを用いることができる。ツェナーダイオードの場合は、ツェナー電圧を超える電圧が印加されようとすると、定電圧を保つためダイオードの通電電流が増加し、ツェナーダイオード自身が電力を消費する。

0059

また、定電圧レギュレータの場合は、定電圧を保つレギュレータ出力側(負荷側)に対しレギュレータの入力側の電圧が高くなり、入出力間電位差大きくなるのに従って、レギュレータ自身が発熱して電力を消費する。

0060

ツェナーダイオードを用いる場合の構成例としては、余剰電力消費手段6は、1または複数のツェナーダイオードで構成され、当該ツェナーダイオードが、整流手段2と負荷10との間に並列に接続される構成とすることができる。この構成によって、電力線101の電流が増加し、電流変換手段1から過大な電力が供給された場合に、ツェナーダイオードのインピーダンスが低下することによって、当該過大な電力が余剰電力としてツェナーダイオードで消費されることとなり、制御手段5によるインピーダンス不整合手段4の適切なインピーダンス調整が間に合わないような急激な電力供給があった場合でも、ツェナーダイオードで過大な電力が余剰電力として処理されることとなり、急激な電力供給の変化に対して即座に対処することが可能となる。

0061

前記余剰電力検出手段3aとしては、この定電圧回路の電力レベルを検出する。この電力レベルとしては、電流、電圧、温度などが含まれる。すなわち、前記余剰電力検出手段3aの検出対象としては、定電圧回路の通電電流、電圧降下、温度などが含まれる。

0062

この構成によって、前記整流手段2から負荷側に供給される電力のうち余剰となる電力を消費する余剰電力消費手段6を備えることから、インピーダンス不整合手段4で余剰電力を処理する量を余剰電力消費手段6でも負担することができ、インピーダンス不整合手段4の装置構成を簡素化できる。また、制御手段5でインピーダンス不整合手段4を制御することにより、余剰電力消費手段6の消費電力を調整することができるため、余剰電力処理手段6の処理能力超過による熱暴走などの問題を防止することができる。

0063

また、余剰電力消費手段6を備えることにより、負荷10の消費電力が変動しても、余剰電力消費手段6による電力消費で変動分を吸収することが可能となり、負荷変動に強い電源装置を実現することができる。

0064

(第3の実施形態)
本願の第3の実施形態に係る電源装置を、上記図8に従い説明する。

0065

本願の第2の実施形態に係る電源装置は、上述した第2の実施形態に係る電源装置の構成に加え、図8(a)に示すように、前記インピーダンス不整合手段4として、容量成分を成す複数のコンデンサと、当該コンデンサを前記制御手段で入切可能なスイッチを備えると共に、前記制御手段5として、前記電流変換手段から前記負荷側に供給される交流電圧のゼロクロス検出手段5aを備え、 前記制御手段5が、前記ゼロクロス検出手段5aにより交流電圧がゼロクロスするタイミングで、前記インピーダンス不整合手段4のスイッチを入切する構成である。

0066

このインピーダンス不整合手段4のスイッチは、半導体リレーを用いることができる。ゼロクロス検出手段5aは、前記インピーダンス不整合手段4の交流電圧を測定する他、例えば、図8(b)に示すように、整流手段2より負荷側の出力の一端をコモン(COM)とし、2つのダイオードD1およびD2と分圧抵抗r1およびr2を設け、分圧抵抗r2をコモンに接続したとき、分圧抵抗r2で検出される電圧がゼロボルトに近くなるタイミングを検知することによって、ゼロクロス検出を行うことも可能である。そのほか、ゼロクロススイッチ機能を備えた半導体リレーを使用しても良い。

0067

このゼロクロス検出手段5aを備える構成によって、インピーダンス不整合手段4のスイッチを、確実に電圧がゼロに近い状態で入切できることとなり、コンデンサやスイッチに大きな突流電流が流れることを防ぎ、回路の故障ノイズの発生を回避することができる。

0068

(その他の実施形態)
なお、上記実施形態では、前記制御手段5が、容量成分のみを用いて負荷側のインピーダンスを不平衡化したが、このように、容量成分のみを用いることに限定されない。例えば、その他の実施形態としては、前記制御手段5が、前記インダクタンス成分の少なくとも一部を用いて、インピーダンスを不平衡化することも可能である。すなわち、前記容量成分及び前記インダクタンス成分の2成分を組み合わせて制御を行うことによって、インピーダンスを不平衡化することも可能である。

0069

このように、前記制御手段5が、インピーダンスの不平衡化に、前記容量成分及び前記インダクタンス成分の2成分を用いることから、前記容量成分及び前記インダクタンス成分の2成分を組み合わせて、より柔軟且つ効率的にインピーダンスを不平衡化できることとなり、電力線101に流れる電流に大きな変動が生じたとしても、当該2成分を組み合わせて調整することによって、インピーダンスの不平衡化をきめ細かく制御することができ、安定的に継続して負荷側に電源を供給することができる。

0070

なお、前記制御手段5は、前記インピーダンス不整合手段4で投入した容量成分と前記電力線に流れる電流を対応させることにより、電力線の電流を測定することも可能である。この構成によって、前記負荷側で直接検知できない電力線の電流を容易に把握することが可能となる。

0071

1電流変換手段
2整流手段
3電力検出手段
3a余剰電力検出手段
4インピーダンス不整合手段
41コンデンサ部
5 制御手段
5aゼロクロス検出手段
6余剰電力消費手段
10負荷
10A DC/DCコンバータ
10B DC/DCコンバータ
100需要家負荷
101 電力線

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