JP2015002598A - Non-contact power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電磁誘導現象または静電誘導現象を利用して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置に関するものである。 The present invention relates to a non-contact power transmission apparatus that transmits electric power in a non-contact manner using an electromagnetic induction phenomenon or an electrostatic induction phenomenon.
従来より、電磁誘導現象または静電誘導現象を利用して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が、提案されている。図5に示す非接触電力伝送装置は、電磁誘導を利用した非接触電力伝送装置の一般的な構成図である。図5の従来の非接触電力伝送装置3は、交流電源100、給電コイル210、受電コイル220及び交流負荷300で構成されている。非接触電力伝送装置3は、交流電源100の出力に応じて給電コイル210が磁界を発生させ、給電コイル210が発生した磁界から電磁誘導によって受電コイル220に起電力が生じ、受電コイル220において電磁誘導によって得られた電力を、交流負荷300が消費することになる。すなわち、磁気的に結合した給電コイル210と受電コイル220との間の電磁誘導によって交流電源100の電力が交流負荷300に供給される。
Conventionally, a non-contact power transmission apparatus that transmits power in a non-contact manner using an electromagnetic induction phenomenon or an electrostatic induction phenomenon has been proposed. The non-contact power transmission apparatus shown in FIG. 5 is a general configuration diagram of a non-contact power transmission apparatus using electromagnetic induction. The conventional non-contact
従来の非接触電力伝送装置では、給電コイル210と受電コイル220との間の距離が変化したり、交流負荷300のインピーダンスが変化したりして、安定した電力伝送が困難な場合がある。このため、例えば、特許文献1や特許文献2に示されるように、受電コイルと交流負荷との間に制御可能な可変インピーダンスを挿入し、その可変インピーダンスの値を調整することで安定した電力を伝送できるようにしている。
In the conventional non-contact power transmission device, the distance between the
特許文献1においては、安定した電力を伝送するために、受電コイルと負荷との間に挿入された可変コンデンサのインピーダンスを制御装置が変更する方法が提案されており、モータのような機械的な駆動手段により可変コンデンサのインピーダンスを変更するようにしている。
In
また、特許文献2においては、負荷のインピーダンスを調整する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献1に示されるような非接触電力伝送装置では、可変コンデンサのインピーダンスを変更するためには、モータのような機械的な駆動手段が必要となるのが一般的であり大型で高コストであるという課題がある。また、特許文献2に示されるような非接触電力伝送装置では、通常の負荷のインピーダンスは負荷の特性であらかじめ決まっていて任意に調整ができないため、この負荷のインピーダンスを調整する方法が適用できるシステムは実用的には非常に少ないという課題がある。
However, in the non-contact power transmission apparatus as disclosed in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能で安価かつ小型な非接触電力伝送装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can control the voltage applied to the load to a predetermined value to realize stable power transmission. An object of the present invention is to provide an inexpensive and small non-contact power transmission device capable of stable power transmission.
請求項1の非接触電力伝送装置は、受電手段及び交流負荷と並列に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段を備え、無効電力発生手段が、交流負荷に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御することを特徴とする。
The non-contact power transmission apparatus according to
請求項2の非接触電力伝送装置は、受電手段と整流手段との間に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段とを備え、整流手段の交流側の交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御することを特徴とする。
The non-contact power transmission apparatus according to
本願発明によれば、受電手段に無効電力発生装置を接続し、無効電力発生装置が発生する無効電力を調整することで負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能である非接触電力伝送装置が、安価かつ小型にできる。 According to the present invention, the reactive power generator is connected to the power receiving means, and the reactive power generated by the reactive power generator is adjusted so that the voltage applied to the load is controlled to a predetermined value and stable power transmission is possible. In addition, a non-contact power transmission device that can stably transmit power to various loads can be made inexpensive and small.
図1に示す本発明に係る非接触電力伝送装置1は、給電手段である給電コイル210と受電手段である受電コイル220との間の電磁誘導現象によって、非接触にて、給電コイル210から送られた交流電力を受電コイルに接続された交流負荷300へ伝達するものである。尚、静電誘導現象によって非接触で電力を伝達する場合、給電手段としては給電電極を用い、受電手段としては受電電極を用いることになる。以下の説明では、給電コイル210及び受電コイル220を用いた電磁誘導現象による場合を説明するが、静電誘導現象による場合も無効電力発生手段の動作は、電磁誘導現象による場合と同様なので、説明を省略する。
The non-contact
そして、非接触電力伝送装置1は、交流電源100、給電コイル210、受電コイル220、無効電力発生装置400(401)及び交流負荷300を備えている。交流電源100の出力に応じて磁界を給電コイル210が磁界を発生し、受電コイル220において、給電コイル210が発生した磁界から電磁誘導によって起電力が発生し、その電力が交流負荷300に伝送される。
The non-contact
交流電源100は、交流電圧を発生する電圧源として動作する電源である。交流電源100の電圧及び周波数は、非接触電力伝送装置1全体の構成に応じて所望の電力伝送特性が得られるように適切に選び、電圧波形は正弦波以外の複数の高調波成分を含む任意の波形でよく例えば矩形波としてもよい。
The
ここで、無効電力発生装置400(401)は、受電コイル220及び交流負荷300に並列に接続されている。無効電力発生装置400(401)は、無効電力を生成する無効電力発生手段であり、交流負荷300に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御するものである。尚、無効電力発生装置400,401には各種の形態があるので、以下、実施例で具体的に説明する。
Here, reactive power generator 400 (401) is connected in parallel to
図2は、本発明に係る非接触電力伝送装置の第1の実施例における無効電力発生装置を示す構成図である。無効電力発生装置400は、トランジスタやIGBT等で構成され半導体スイッチングデバイス411,412、コンデンサ421,422、リアクトル430、受電コイル220が受電する受電電圧を検出する受電電圧センサ440、受電電圧の位相を検出する受電電圧位相検出回路492、半導体スイッチングデバイス411,412をオン/オフするためのゲート指令を生成するゲート指令生成回路480、受電電圧の位相を考慮しつつ電気信号として予め設定され指示される受電電圧の目標値である受電電圧指令と受電電圧センサ440が検出する受電電圧との偏差がゼロになるようにゲート指令生成回路480へ無効電力指令を出力する無効電力制御回路460、電気信号として予め設定され指示されるコンデンサ421,422間の直流電圧の目標値である直流電圧指令と直流電圧センサ450が検出する該直流電圧との偏差がゼロなるようにゲート指令生成回路480へ有効電力指令を出力する有効電力制御回路470を備えている。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the reactive power generation device in the first embodiment of the contactless power transmission device according to the present invention. The reactive
次に、無効電力発生装置400を含む非接触電力伝送装置1の動作を説明する。交流電源100が発生した電圧に応じて給電コイル210に磁界を発生し、この磁界を受けて受電コイル220に電圧(起電力)を発生する。この受電コイル220が発生する電圧は、交流電源100の電圧が一定であっても給電コイル210と受電コイル220との距離や交流負荷300のインピーダンスの変化に応じて変化するが、無効電力発生装置400が発生する無効電力を調整することで受電電圧を所定の値に制御するようにする。
Next, the operation of the non-contact
次に、無効電力発生装置400の動作について説明する。無効電力発生装置400は、半導体スイッチングデバイス411及び半導体スイッチングデバイス412をパルス幅変調などでオン/オフすることで任意の電圧Vaを出力する。より具体的には、無効電力制御回路460が、受電電圧位相検出回路492で検出した受電電圧の位相を考慮しつつ、受電電圧センサ440が検出した受電コイル220の電圧Vrと所定の受電電圧指令(目標電圧)との偏差がゼロとなるように無効電力制御量をゲート指令生成回路480へ出力する。
Next, the operation of the reactive
また、有効電力制御回路470が、直流電圧センサ450が検出した直列に接続されたコンデンサ421及びコンデンサ422の両端電圧と所定の直流電圧指令(目標電圧)との偏差がゼロとなるように有効電力制御量をゲート指令生成回路480へ出力する。
In addition, the active
ゲート指令生成回路480では、無効電力制御回路460が出力した無効電力制御量及び有効電力制御回路470が出力した有効電力制御量に応じて、半導体スイッチングデバイス411,412をオン/オフするためのゲート指令をパルス幅変調などにより出力する。ここで、実施例1では、ゲート指令のスイッチング周波数(変調周波数)は、交流電源100の周波数の数十倍以上を想定しており、例えば交流電源100の周波数が20kHzとすれば無効電力発生装置400のスイッチング周波数は500kHz程度以上となる。
In the gate
ここで、コンデンサ421,422の電圧は有効電力の出入で変化するが、定常状態で電圧一定の場合は有効電力の出入はゼロである。給電コイル210と受電コイル220との距離や負荷インピーダンスが変化したときの過渡的な有効電力の出入による直流電圧の変動を抑制して必要な電圧維持するように有効電力制御回路470が動作することになる。
Here, the voltages of the
このように、無効電力発生装置400が発生する無効電力を変化させることで受電電圧が制御できることになる。この制御の流れをしめすと、まず、給電コイル210と受電コイル220との距離が大きくなると、給電コイル210と受電コイル220間の相互インダクタンスが低下し、交流電源100が一定の電圧を供給していても負荷(受電)側の電圧は低下するが、これは、給電コイル210と受電コイル220間の磁気抵抗が増加し受電コイル220に到達する磁束が減少するためである。
In this way, the received voltage can be controlled by changing the reactive power generated by the reactive
このとき、磁気回路(伝送空間)を伝わるエネルギーは、磁束と磁界強度との積であるので、磁束の減少を補うように磁界強度を強めて伝送エネルギーを維持し受電電圧を所定の値に制御することができる。そして、この磁界強度は、受電側から供給する無効電力の調整で制御可能であり、従って無効電力発生装置400が発生する無効電力を変化させることで受電電圧が制御できることになる。
At this time, since the energy transmitted through the magnetic circuit (transmission space) is the product of the magnetic flux and the magnetic field strength, the magnetic field strength is increased so as to compensate for the decrease in the magnetic flux, the transmission energy is maintained, and the received voltage is controlled to a predetermined value. can do. The magnetic field intensity can be controlled by adjusting the reactive power supplied from the power receiving side, and accordingly, the received voltage can be controlled by changing the reactive power generated by the
このように、実施例1の非接触電力伝送装置1によれば、受電手段である受電コイル220に無効電力発生手段である無効電力発生装置400を接続し、無効電力発生装置400が発生する無効電力を調整することで交流負荷300(負荷)に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能である非接触電力伝送装置1が、安価かつ小型にできる。
As described above, according to the contactless
尚、実施例1では、無効電力発生装置400を電圧型インバータで構成した例について説明したが、電流型インバータやアナログ増幅器を用いてもよく、受電側で無効電力を発生させれば同様の効果が得られる。
In the first embodiment, an example in which the reactive
実施例1では、無効電力発生装置400のスイッチング周波数を交流電源100の周波数の数十倍としたが、実施例2では、無効電力発生装置401のスイッチング周波数を交流電源の周波数と一致させている場合について説明する。図3は、本発明に係る非接触電力伝送装置の第2の実施例における無効電力発生装置を示す構成図である。
In the first embodiment, the switching frequency of the reactive
図3は、無効電力発生装置401は、半導体スイッチングデバイス411,412、コンデンサ421,422及びリアクトル430の部分並びに受電電圧センサ440及び直流電圧センサ450の部分は実施例1と同様であり説明を省略するが、受電電圧センサ440及び直流電圧センサ450の出力を受けてから半導体スイッチングデバイス411,412のゲート指令を生成するまでの制御回路部分が実施例1とは異なる。
In FIG. 3, the reactive
図3において、半導体スイッチングデバイス411,412のゲート指令を生成するまでの制御回路部分は、受電電圧センサ440が検出する受電電圧の実効値を算出する受電電圧実効値算出回路491、電気信号として予め設定され指示される受電電圧の目標値である受電電圧指令と受電電圧実効値算出回路491が検出する受電電圧実効値との偏差がゼロになるように直流電圧指令を生成する無効電力制御回路461、無効電力制御回路461が生成した直流電圧指令と直流電圧センサ450が検出した直流電圧との偏差がゼロとなるように位相シフト指令を生成する有効電力制御回路471、受電電圧センサ440が検出する受電電圧の位相を検出する受電電圧位相検出回路492、受電電圧位相検出回路492が検出した受電電圧位相から有効電力制御回路471が出力した位相シフト指令分だけシフトさせた位相で受電電圧と同じ周波数のデューティー比50%のパルス信号をゲート指令として半導体スイッチングデバイス411,412へ出力するゲート指令生成回路481で構成されている。
In FIG. 3, the control circuit portion until the gate command of the
このような構成の無効電力発生装置401とすることで、半導体スイッチングデバイス411,412のオン/オフによるインバータの出力電圧Vaは受電電圧と同じ周波数の矩形波となる。この出力電圧Vaの位相は、有効電力制御回路471が受電電圧の位相からのシフト量(位相差)として決定し、出力電圧Vaの振幅は直流電圧で決まる。そして、無効電力の発生量は、出力電圧Vaの振幅すなわち直流電圧で調整可能であり、有効電力の発生量は出力電圧Vaと受電電圧Vrとの位相差で調整可能であるため、無効電力発生装置401が発生する無効電力を調整することで、受電電圧を所定の値に制御することが可能である。
By using the reactive
実施例2の無効電力発生装置401では、実施例1の効果に加え、無効電力発生装置401のスイッチング周波数を交流電源の周波数と一致させて、実施例1の場合よりもスイッチング周波数を低くすることで、スイッチングによるエネルギー損失を低減するとともにスイッチング動作が遅い安価な半導体スイッチングデバイスを採用することができる。
In the reactive
実施例1及び実施例2では、交流負荷300の場合を説明したが、実施例3では、負荷が蓄電池やLED照明などのような直流負荷の場合に、無効電力発生装置402が受電した交流電力を直流電力に変換(整流)しつつ直流負荷に電力を供給する非接触電力伝送装置2について説明する。すなわち、無効電力を生成する無効電力発生手段を受電手段と整流手段との間に設けるところを、実施例3における無効電力発生装置402では、無効電力発生手段としての機能と、整流手段としての機能を備え、且つ、直流負荷が蓄電池301であるため、充電機能をも兼ね備えた上で設けている。図4は、本発明に係る非接触電力伝送装置の第3の実施例の構成を示す構成図である。
In the first embodiment and the second embodiment, the case of the
図4の非接触電力伝送装置2における無効電力発生装置402は、受電コイル220が受電した交流電力を直流電力に変換して蓄電池301を充電するとともに、無効電力を発生する無効電力発生手段である。無効電力発生装置402は、実施例1の無効電力発生装置400に対して、コンデンサ421と負荷である蓄電池301との間に、電流センサ451を追加している点及び有効電力制御回路472が蓄電池301の充電電流を制御する機能を備えるところが異なる。
The
無効電力発生装置402の有効電力制御回路472の動作は、直流電圧センサ450が検出する蓄電池301の電圧が、電気信号として予め設定され指示される充電電圧指令を超過せず、且つ電流センサ451が検出する蓄電池301の電流が、電気信号として予め設定され指示される充電電流指令を超過しないように充電電力が最大となる有効電力制御量をゲート指令生成回路482へ出力する。
The operation of the active
無効電力発生装置402が、このように動作することで、実施例1の効果に加え、蓄電池301を充電しながら受電電圧を所定の値に制御することができ、効率が高い非接触電力伝送装置を得ることができる。尚、直流負荷として蓄電池301の充電を例として説明したが、直流負荷がLED照明等その他の直流負荷でも同様の効果が得られる。
The reactive
以上のように、本発明によれば、負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能で安価かつ小型な非接触電力伝送装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, stable power transmission can be realized by controlling the voltage applied to the load to a predetermined value, and stable power transmission to various loads. A non-contact power transmission device that is possible, inexpensive, and small can be provided.
1・・・・・非接触電力伝送装置
2・・・・・非接触電力伝送装置
3・・・・・非接触電力伝送装置
100・・・交流電源
210・・・給電コイル
220・・・受電コイル
300・・・交流負荷
301・・・蓄電池
400・・・無効電力発生装置
401・・・無効電力発生装置
402・・・無効電力発生装置
411・・・半導体スイッチングデバイス
412・・・半導体スイッチングデバイス
421・・・コンデンサ
422・・・コンデンサ
430・・・リアクトル
440・・・受電電圧センサ
450・・・直流電圧センサ
451・・・電流センサ
460・・・無効電力制御回路
461・・・無効電力制御回路
462・・・無効電力制御回路
470・・・有効電力制御回路
471・・・有効電力制御回路
472・・・有効電力制御回路
480・・・ゲート指令生成回路
481・・・ゲート指令生成回路
482・・・ゲート指令生成回路
491・・・受電電圧実効値算出回路
492・・・受電電圧位相検出回路
DESCRIPTION OF
Claims (2)
該受電手段及び該交流負荷と並列に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段を備え、
該無効電力発生手段が、該交流負荷に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、該無効電力の大きさを制御することを特徴とする非接触電力伝送装置。 Non-contact power transmission for transmitting AC power sent from the power feeding means to an AC load connected to the power receiving means in a non-contact manner by an electromagnetic induction phenomenon or electrostatic induction phenomenon between the power feeding means and the power receiving means. In the device
Reactive power generating means that is provided in parallel with the power receiving means and the AC load and generates reactive power,
The non-contact power transmission device, wherein the reactive power generation means controls the magnitude of the reactive power so that an effective value of an AC voltage applied to the AC load becomes a predetermined value.
該受電手段と該整流手段との間に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段とを備え、
該整流手段の交流側の交流電圧の実効値が所定の値となるように、該無効電力の大きさを制御することを特徴とする非接触電力伝送装置。 Due to the electromagnetic induction phenomenon or electrostatic induction phenomenon between the power feeding means and the power receiving means, the AC power sent from the power feeding means is connected to the power receiving means through a rectifying means that converts AC power sent from the power feeding means into DC power. In a non-contact power transmission device that transmits to a dc load,
Reactive power generating means for generating reactive power provided between the power receiving means and the rectifying means,
A non-contact power transmission apparatus that controls the magnitude of the reactive power so that the effective value of the AC voltage on the AC side of the rectifying means becomes a predetermined value.
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