JP5703524B2

JP5703524B2 - 電源ユニット

Info

Publication number: JP5703524B2
Application number: JP2011104723A
Authority: JP
Inventors: 陽一富永
Original assignee: Nidec Techno Motor Corp
Current assignee: Nidec Techno Motor Corp
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: JP2012228157A

Description

本発明は、直流・交流電源を切換えて使用する電源ユニットに関する。

従来から、太陽電池や２次電池などの直流電源と、商用電源などの交流電源の２種類の電源を備え、直流電圧をインバータで交流電圧に変換し、交流電圧を出力することが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、電気機器に用いられＡＣ−ＤＣ変換する整流回路としてコンデンサインプット型が従来から知られている。
特開平０９−１３５５７８号公報特開平０６−０４６５３５号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すように、太陽発電の直流電圧を交流電圧に変換した後、家庭用コンセント等から出力する必要がある。一方、引用文献２に示すように、昨今の電気機器は、直流電圧で駆動するものが増え、交流電圧を直流電圧に変換して電気機器を動作させている。このように、従来は、一度、直流電圧から交流電圧に変換した後、再度、交流電圧から直流電圧に変換しているため、変換時に電力のロスが生じる。

また、引用文献２に示すコンデンサインプット型の整流回路は、簡易な構成のため、多くの電気機器に用いられているが、力率が悪く消費電力が大きいという問題がある。また、交流電圧を与えると、比較的大きい高調波ノイズが発生するため、他の機器へ悪影響を与える可能性がある。

本発明の目的は、直流電源を有する電源ユニットにおいて、必要に応じて交流と直流を切換えることで、消費電力の低減や高調波ノイズの発生の低減を行うことにある。

本願の例示的な第１発明は、直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換器と、外部の電気機器と電気的に接続する接続部と、を備えた電源ユニットにおいて、前記直流−交流変換器に接続され、交流電圧が流れる交流ラインと、前記直流電源に接続され、直流電圧が流れる直流ラインと、前記電気機器からの電流波形を読み取り、信号を出力するセンサ部と、前記センサ部からの信号に基づいて、交流電圧を出力するか直流電圧を出力するかを判定し、判定した結果を信号として出力する制御部と、前記制御部からの信号に基づき、前記交流ラインか前記直流ラインかを切換える出力切換部と、電圧を可変的に変圧する変圧装置と、を備え、前記出力切換部で、前記直流ラインに切換え後、前記制御部は、前記変圧装置を制御して、変圧させる電圧値を変化させ、前記センサ部は、電圧値の変化に伴う電流値の変化を検知し、前記制御部へ信号を出力し、前記制御部は、前記センサ部からの信号を検知し、ある値の信号となったときに、前記変圧装置の変化を停止させることを特徴とする。

この構成によれば、コンデンサインプット型負荷を用いる電気機器自体は、直流電圧で駆動する構成であるため、直流電圧を直接、電気機器へと出力し、交流電圧から直流電圧に変換する必要が無く、消費電力のロスがなくなる。さらに、制御部がセンサ部からの情報を基づいて判定し、交流電圧か直流電圧かを自動的に切り替えるため、使用者への煩わしさが無く、上記効果が得られる。

この構成により、交流電圧から直流電圧に変化させた際、コンデンサインプット型負荷の整流ダイオードによる力率低下分の電圧ロスを考慮し、最適な直流電圧値に合わせることができる。

以上説明したように、本発明の電源ユニットであると、電気機器からの電流波形をセンサ部が読み取り、前記センサ部からの信号に基づいて、制御部が交流電圧を出力するか直流電圧を出力するかを判定し、出力切換部が制御部からの信号に基づき、交流ラインか直流ラインかを切換えることで、電気的に効率良く電気機器を使用できる。

本発明の実施形態に係る電源ユニットの回路図である。電気機器に用いられる負荷が誘導負荷、抵抗負荷である時の電流モニタでの波形である。電気機器に用いられる負荷がコンデンサインプット型負荷である時の電流モニタでの波形である。電気機器に用いられる負荷が誘導負荷、抵抗負荷である時のセンサ部での波形である。電気機器に用いられる負荷がコンデンサインプット型負荷である時のセンサ部での波形である。直流電流を出力後、変圧装置の電圧値と電気機器より帰還する電流値との関係を示したグラフである。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係る電源ユニット１である。電源ユニット１は、例えば、屋外で電気機器２を用いるような携帯型の電源と共に用いられる。電源ユニット１は、直流電源３と、変圧装置４と、直流−交流変換器５と、出力切換部６と、制御部７と、センサ部８と、接続部９と、プラス・マイナスの電源ライン１０を備える。

電源ユニット１の各電気部品は、それぞれ電源ライン１０で接続される。まず、直流電源３からは、変圧装置４へ接続される。変圧装置４からは、直流−交流変換器５を介して出力切換部６へ接続する電源ライン１０と、直接、出力切換部６へ接続する電源ライン１０の２ラインが設けられている。出力切換部６からは、接続部９へ接続されており、その電源ライン１０のうちマイナス側の電源ライン１０にセンサ部８が接続されている。

また、制御部７は、上記電源ライン１０とは別に、各電気部品と電気的に接続され、各種信号を入出力している。

直流電源３は、例として、好ましくはリチウム電池などの二次電池を単数あるいは複数用いた電源や、太陽電池などである。また、発電機で発電した電気を二次電池に充電する方法であっても良い。電源ユニット１は、一つの筐体の中に、直流電源３と他電気部品と備えたものであっても良いし、直流電源３と他電気部品が別体で、電源ラインで接続するものであっても良い。

変圧装置４は、直流電源３の電圧値を可変的に上昇／降下させるものであり、好ましくは、直流電源３の電圧値を上げる昇圧回路である。具体的な例として、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路が用いられる。変圧装置４は、後述するように制御部７によって電圧値を変化させるように制御される。制御部７から電圧値の変化を制御する例として、制御部７から変圧装置４へＰＭＷ周波数のデューティ比を送って、変圧レベルを調整する方法がある。

直流−交流変換器５は、直流電圧を交流電圧に変換するものであり、好ましくは、ＤＣ−ＡＣインバータ回路が用いられる。直流−交流変換器５は、後述するように制御部７によって、変換動作のＯＮ−ＯＦＦが制御される。また、制御部７からの指令により、周波数も変換される。例として、使用者が外部の設定スイッチにより周波数を設定し、その設定により制御部７から直流−交流変換器５へＰＷＭ周波数を指令して行う。

出力切換部６は、変圧装置４から直流−交流変換器５を介して接続される電源ライン１０の接点ａと、変圧装置４から直接接続される電源ライン１０との接点ｂを切り換え、接続部９へと接続する。つまり、出力切換部６が接点ａに切り換えると交流電流が流れ、接点ｂに切り換えると直流電流が流れ、接続部９では交流あるいは直流の電流が出力されることになる。接点の切り換えは、制御部７からの指令によって切り換わる。出力切換部６は、物理的に電気経路を切り換えるスイッチでも良いし、トランジスタなどの電子部品でスイッチングするものであってもよい。

接続部９は、外部の電気機器２に接続するためのものであり、好ましい例として、商用電源用のコンセントが用いられる。他の例として端子台を用いても良い。

センサ部８は、出力切換部６と接続部９とを接続する電源ライン１０のうち、マイナス側のラインに直列に接続される。センサ部８は、ライン中を流れる電流値を検知する電流センサであり、外部の電気機器２から電源ユニット１へ帰還する電流の波形の変化を検知し、制御部７へ情報を出力する。

制御部７は、電流センサからの信号情報を元に、後述するように各種判定し、他の電気部品の制御を行っている。好ましくは、マイコンを用いることで、各種制御を行いやすいが、後述する制御を行うことができれば、アナログ回路でも問題無い。

（動作原理）
図２、図３を用いて、本発明の動作原理について説明する。

図２及び図３に示すように、電気機器には、誘導負荷１１や抵抗負荷１２といったものや、コンデンサインプット型負荷１３といったものを備えている。コンデンサインプット型負荷１３は、交流電圧を直流電流に変換するものであり、昨今、電気機器に直流電流で駆動する電子回路を用いたものが増えると伴に、多くの電気機器で用いられている。

図２、図３のように、誘導負荷１１や抵抗負荷１２、コンデンサインプット型負荷１３を接続したラインのマイナス側に電流モニタ１４を接続する。図２より、誘導負荷１１や抵抗負荷１２に正弦波の交流電流を流し、電流モニタ１４で波形を確認すると、歪みのない正弦波波形が検出される。一方、図３より、コンデンサインプット型負荷１３に正弦波の交流電流を流し、電流モニタで波形を確認すると、波と波との間が０Ａとなる歪んだ形状の波形が検出される。本発明は、この波形の変化を検知することで、動作の判定の基準としている。

（動作方法）
図１及び図４、図５を用いて本発明の電源ユニット１の動作方法について説明する。電源ユニット１は、接続部９に何も接続されていない初期状態では、出力切換部６は接点ａに接続されており、接続部９からは交流電圧が出力される状態となっている。使用者が接続部９に電気機器２のプラグを差し込み、電気機器２を起動させると、電源ユニット１が動作する。

まず、直流電源３からの電力は、変圧装置４にて昇圧され、直流−交流変換器５へと流れる。本実施形態では、例として、直流電源３がＤＣ２４Ｖの電源で、変圧装置４でＤＣ１４０Ｖに昇圧し、直流−交流変換器５にてＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚに変換して、接続部９で、商用電源と同じように出力している。ＤＣ１４０Ｖとした理由は、ＡＣ１００Ｖ≒ＤＣ１４０√２Ｖであるからである。ただし、これは、一例にしか過ぎず、接続部９に出力される電圧がＡＣ２００Ｖあるいは６０Ｈｚであってもよく、出力に合わせて、個々の電気部品の値は任意に設定しても良い。

接続部９にて正弦波の交流電圧が出力され、電気機器２で使用され、接続部９へ交流電圧が帰還する。この帰還した交流電圧波形は、図２、図３で示すような波形で帰還する。センサ部８では、この帰還した交流波形の電流値を検知し、制御部７へと情報を出力する。

図４のように、センサ部８からの情報を受け取った制御部７では、例として、１ｍｓ間隔で電流値をモニタし、帰還した交流電流の最大値（ピーク値）を割り出す処理によってピーク値ｅが求められる。更に、ピーク値ｅから低下する値を１ｍｓ毎に５ｍｓ間の５ポイント（ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，ｊ）を求める。コンデンサインプット型負荷１３以外の負荷であれば、正弦波形で帰還するため、図４のような２次曲線の値が確認される。制御部７は正弦波形と判断し、出力切換部６が接点ａで保持するように指示する。

図５のように、コンデンサインプット型負荷１３である場合も、交流電流のピーク値ｌが求められ、更に、ピーク値ｌから低下する値を１ｍｓ毎に５ｍｓ間の５ポイント（ｍ，ｎ，ｏ，ｐ，ｑ）が求められる。コンデンサインプット型負荷１３である場合、図５に示すように、０Ａあるいは０Ａに近似する値が連続する箇所が確認される。制御部７は、コンデンサインプット型負荷１３による波形と判断し、出力切換部６へ接点ｂに切換えるように指示する。これにより、接続部９では直流電圧が出力されることになる。

本実施形態の電流値の処理として、１ｍｓ毎に処理する方法が記載されているが、高性能のマイコンを使用すれば多様な処理時間が対応可能であるため、他の期間（数μｓ〜数ｍｓ）であっても良い。また、５ポイントで求める方法も、１０ポイントで求めるなどポイント数は任意にすることができる。

コンデンサインプット型負荷１３による交流−直流変換して駆動する電気機器の場合、電気機器自体は、直流電圧で駆動するため、電源ユニット１から直流電圧を直接与えることで、直流→交流→直流という変換を行わずに効率良く駆動させることができる。

また、コンデンサインプット型負荷１３に交流電圧を与えることにより、比較的大きい高調波ノイズが発生するが、直流電圧では発生する高調波ノイズが小さいため、他の機器へのノイズによる悪影響が小さくなる。

（追加形態１）
コンデンサインプット型負荷１３に内蔵されている整流ダイオードにより力率が低下するため、最適な電圧値に調整する必要がある。また、図６に示すように、例えば、ＡＣ１００Ｖ時の定格負荷が直流に置き換わる事で、ＤＣ１１０Ｖまで低下させても性能を満足できる場合がある。

最適な電圧値に調整する方法として、出力切換部６で接点ａに切り換え、接続部９からＤＣ１４０Ｖを電気機器２に出力後、電気機器２から帰還する電流値をセンサ部８で検知する。制御部７は、変圧装置４から、例えば、ＤＣ１４０Ｖを出力している値を、１ｓ毎に１Ｖずつ低下させる。そうすることで、図６に示すように、センサ部８で検知する電流値が下がってくる。しかし、ある電圧値以下に下がることで、電気機器２に通常設けられている安定化電源が、電気機器２を安定的に駆動させようと大きく電流値を上げようとする。つまり、最も電流値が低いポイントが、消費電力の少ない最適な電圧値であり、制御部７はこの最適な電圧値を検出し、変圧装置４へその最適電圧で変圧を止めるように指示する。なお、最適な電流値を検出した後、その電流値を目標値として、電圧値を変化させるフィードバック制御も用いることができる。

この構成により、交流電圧から直流電圧に変化させた際、コンデンサインプット型負荷１３の整流ダイオードによる力率低下分の電圧ロスを考慮し、最適な直流電圧値に合わせることができる。

（追加形態２）
本発明の電源ユニット１は、通常、交流電圧時よりも直流電圧時の方が電流値としては低くなる。しかし、交流から直流に切り換え後、何らかしらの理由で、直流電圧時の電流値の方が大きくなる場合がある。その際、直流から交流に切り換えて、商用電源と同じように駆動させる必要がある。

上記を踏まえて、本発明の電源ユニット１は、センサ部８で検出した電流値を制御部７でデータの平均処理を行い、交流電圧出力時の電流値と、直流電圧出力時の電流値を比較する。直流電圧出力時の電流値が大きければ、異常と判断し、出力切換部６が接点ａに切り換えるように指示する。

これにより、交流から直流へ切り換えた後、交流時よりも直流時の方が、電流値が大きいと検知した際、制御部７は何らかしらの異常があると判定し、交流に切り換えて、交流電圧で電気機器２を駆動させることができる。

（追加形態３）
出力切換部６が接点ｂに切換え後、直流電流を電気機器２に流している動作中、センサ部８の値が０Ｖとなれば、電気機器２の駆動スイッチがＯＦＦになったと判断できる。制御部７は、０Ｖになったと検知すると、出力切換部６が接点ａに切換えるように指示し、初期状態へ戻す。

本発明は、二次電池や太陽電池などの直流電源で、パソコンや液晶テレビなど直流電流で駆動する機器などを駆動させる場合に、効率良く動作させるために有用な電源ユニットである。また、必要に応じて交流電源でも駆動できるように自動的に選択されるため、直流、交流、関係なく電気機器２を駆動させることができる。

１電源ユニット
２電気機器
３直流電源
４変圧装置
５直流−交流変換器
６出力切換部
７制御部
８センサ部
９接続部
１０電源ライン
１３コンデンサインプット型負荷

Claims

直流電圧を出力する直流電源と、
前記直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換器と、
外部の電気機器と電気的に接続する接続部と、
を備えた電源ユニットにおいて、
前記直流−交流変換器に接続され、交流電圧が流れる交流ラインと、
前記直流電源に接続され、直流電圧が流れる直流ラインと、
前記電気機器からの電流波形を読み取り、信号を出力するセンサ部と、
前記センサ部からの信号に基づいて、交流電圧を出力するか直流電圧を出力するかを判定し、判定した結果を信号として出力する制御部と、
前記制御部からの信号に基づき、前記交流ラインか前記直流ラインかを切換える出力切換部と、
電圧を可変的に変圧する変圧装置と、
を備え、
前記出力切換部で、前記直流ラインに切換え後、
前記制御部は、前記変圧装置を制御して、変圧させる電圧値を変化させ、
前記センサ部は、電圧値の変化に伴う電流値の変化を検知し、前記制御部へ信号を出力し、
前記制御部は、前記センサ部からの信号を検知し、ある値の信号となったときに、前記変圧装置の変化を停止させる
ことを特徴とする電源ユニット。
前記制御部は、前記電気機器がコンデンサインプット型負荷あるいはそれ以外の負荷のどちらを用いているか、
前記センサ部からの前記電流波形の形状から読み取り、
前記制御部は、コンデンサインプット型負荷であると判定すると、前記出力切換部を前記直流ラインに切換え、
それ以外の負荷であると判定すると、前記出力切換部を前記交流ラインに切換える
ことを特徴とする請求項１記載の電源ユニット。
前記センサ部は、ある時間中に、一定の間隔で複数のタイミングごとに波形を検出し、
前記制御部が、前記センサ部からの情報に基づき、０の値が連続する、あるいは、０に近似する値が連続することで、コンデンサインプット型負荷であると判定することを特徴とする請求項２記載の電源ユニット。
前記制御部は、前記センサ部からの信号が、電流値が下限ピーク値となるときの値を検知した時、前記変圧装置の変化を停止させる
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の電源ユニット。
前記出力切換部で、前記交流ラインから前記直流ラインに切換後、
前記センサ部が、前記交流ライン時の値よりも前記直流ライン時の値の方が大きいと検知した際、
前記制御部は、前記出力切換部を前記直流ラインから前記交流ラインに切換える
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の電源ユニット。
前記出力切換部で、前記直流ラインに切換え後、
前記センサ部の値が０になると、
前記制御部は、前記出力切換部を前記交流ラインに切り替えるように制御する
ことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の電源ユニット。
前記直流電源は、二次電池からなる
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の電源ユニット。
前記直流電源は、太陽電池、あるいは、二次電池を介した太陽電池である
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の電源ユニット。