特許 7455050 自励式変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-14

(45)【発行日】2024-03-25

(54)【発明の名称】自励式変換器

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240315BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

H02M7/48 A

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020199360

(22)【出願日】2020-12-01

(65)【公開番号】P2022087433

(43)【公開日】2022-06-13

【審査請求日】2023-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】菊池 亮介

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００５／０９４１３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２３９７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４２－０２１０９２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１９／１５０４４３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

オゾナイザの一対の電極間に交流電力を供給するオゾナイザ向けの自励式変換器であって、
電源から供給された電力をオゾナイザに対応した交流のオゾナイザ用電力に変換し、前記オゾナイザ用電力を前記オゾナイザに供給する主回路部と、
前記主回路部による電力変換の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記主回路部は、前記電源から供給された前記電力を交流電力に変換する複数の変換回路を有し、
前記複数の変換回路は、前記交流電力を出力する一対の交流出力端子を有し、
前記複数の変換回路の前記一対の交流出力端子は、それぞれ直列に接続され、
前記主回路部は、前記複数の変換回路の前記交流電力の合計により、前記オゾナイザ用電力を生成し、前記オゾナイザに供給し、
前記複数の変換回路は、前記一対の交流出力端子間の電圧を第１電圧に設定する第１状態と、前記一対の交流出力端子間の電圧を前記第１電圧よりも高い第２電圧に設定する第２状態と、を切り替え可能であり、
前記制御部は、前記複数の変換回路の前記第１状態及び前記第２状態を前記オゾナイザの動作周波数で切り替えるとともに、前記複数の変換回路の数をｎとする時に、前記複数の変換回路の前記第１状態と前記第２状態との切り替えのタイミングをπ／ｎずつずらすことにより、前記主回路部に前記オゾナイザ用電力を生成させる自励式変換器。

【請求項2】

前記制御部は、前記複数の変換回路の前記第１状態及び前記第２状態を前記オゾナイザの動作周波数で切り替える際に、前記オゾナイザの前記動作周波数の半周期ずつ前記複数の変換回路の前記第１状態と前記第２状態とを切り替える請求項１記載の自励式変換器。

【請求項3】

前記主回路部は、誘導性負荷を介することなく、前記オゾナイザと直接的に接続される請求項１又は２に記載の自励式変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、自励式変換器に関する。より詳しくは、オゾナイザ向けの自励式変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

オゾナイザの一対の電極間に高周波高電圧の交流電力を供給し、一対の電極間に無声放電を発生させることにより、オゾナイザにオゾンを発生させるオゾナイザ向けの自励式変換器が知られている。

【0003】

オゾナイザは、容量性の負荷である。そこで、オゾナイザ向けの自励式変換器では、インバータの出力電圧を高周波トランスにて高電圧へ昇圧させるとともに、オゾナイザと共振リアクトルとで共振させることにより、高周波高電圧を発生させることが行われている。この場合、インバータのゲートには、負荷の共振周波数に応じたゲートパルスが入力される。

【0004】

しかしながら、容量性インピーダンスなどのオゾナイザの定数は、オゾナイザ毎に異なる。このため、上記のように高周波高電圧を発生させる方法では、オゾナイザの定数に合わせて高周波トランスと共振リアクトルとを都度設計する必要があり、設計費の増加やリードタイムの長時間化などの要因となってしまう可能性がある。

【0005】

このため、オゾナイザ向けの自励式変換器では、オゾナイザの定数の影響を受けることなく、高周波高電圧の交流電力をオゾナイザに供給できるようにすることが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第３５４０２２７号公報

【文献】特許第４２２８５２４号公報

【文献】特許第６０６８６６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の実施形態は、オゾナイザの定数の影響を受けることなく、高周波高電圧の交流電力をオゾナイザに供給できる自励式変換器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の実施形態によれば、オゾナイザの一対の電極間に交流電力を供給するオゾナイザ向けの自励式変換器であって、電源から供給された電力をオゾナイザに対応した交流のオゾナイザ用電力に変換し、前記オゾナイザ用電力を前記オゾナイザに供給する主回路部と、前記主回路部による電力変換の動作を制御する制御部と、を備え、前記主回路部は、前記電源から供給された前記電力を交流電力に変換する複数の変換回路を有し、前記複数の変換回路は、前記交流電力を出力する一対の交流出力端子を有し、前記複数の変換回路の前記一対の交流出力端子は、それぞれ直列に接続され、前記主回路部は、前記複数の変換回路の前記交流電力の合計により、前記オゾナイザ用電力を生成し、前記オゾナイザに供給し、前記複数の変換回路は、前記一対の交流出力端子間の電圧を第１電圧に設定する第１状態と、前記一対の交流出力端子間の電圧を前記第１電圧よりも高い第２電圧に設定する第２状態と、を切り替え可能であり、前記制御部は、前記複数の変換回路の前記第１状態及び前記第２状態を前記オゾナイザの動作周波数で切り替えるとともに、前記複数の変換回路の数をｎとする時に、前記複数の変換回路の前記第１状態と前記第２状態との切り替えのタイミングをπ／ｎずつずらすことにより、前記主回路部に前記オゾナイザ用電力を生成させる自励式変換器が提供される。

【発明の効果】

【0009】

オゾナイザの定数の影響を受けることなく、高周波高電圧の交流電力をオゾナイザに供給できる自励式変換器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る自励式変換器を模式的に表すブロック図である。

【図2】図２（ａ）～図２（ｇ）は、実施形態に係る自励式変換器の動作の一例を模式的に表すタイミングチャートである。

【0011】

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0012】

図１は、実施形態に係る自励式変換器を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、オゾナイザ向けの自励式変換器１０は、主回路部１２と、制御部１４と、を備える。主回路部１２は、電源２に接続されるとともに、負荷であるオゾナイザ４に接続される。主回路部１２は、電源２から供給された電力をオゾナイザ４に対応した高周波高電圧の交流のオゾナイザ用電力に変換し、変換後のオゾナイザ用電力をオゾナイザ４に供給する。主回路部１２は、オゾナイザ４の一対の電極間にオゾナイザ用電力を供給し、一対の電極間に無声放電を発生させる。これにより、オゾナイザ４において、オゾンの発生が可能となる。オゾナイザ４に供給するオゾナイザ用電力は、例えば、単相交流電力である。

【0013】

電源２は、例えば、交流電源である。この場合、主回路部１２は、例えば、トランス３などを介して電源２と接続される。主回路部１２は、電源２から供給された第１交流電力をオゾナイザ４に対応した第２交流電力に変換し、第２交流電力をオゾナイザ用電力としてオゾナイザ４に供給する。電源２の第１交流電力は、例えば、三相交流電力である。主回路部１２は、例えば、電源２から供給された三相交流電力をオゾナイザ４に対応した単相交流電力に変換してオゾナイザ４に供給する。

【0014】

但し、電源２の交流電力は、単相交流電力などでもよい。また、電源２は、交流電源に限ることなく、直流電源などでもよい。主回路部１２は、直流電力を交流電力に変換してオゾナイザ４に供給してもよい。主回路部１２の構成は、電源２から供給された電力をオゾナイザ４に対応した交流のオゾナイザ用電力に変換可能な任意の構成でよい。

【0015】

制御部１４は、主回路部１２と接続されている。制御部１４は、主回路部１２による電力変換の動作を制御する。

【0016】

主回路部１２は、複数の変換回路２０を有する。複数の変換回路２０は、それぞれ電源２と接続されている。換言すれば、複数の変換回路２０は、電源２に対して並列的に接続される。これにより、電源２の電力が、複数の変換回路２０のそれぞれに入力される。複数の変換回路２０は、電源２から供給された電力を交流電力に変換する。この例において、複数の変換回路２０は、電源２から供給された交流電力を別の交流電力に変換する。複数の変換回路２０は、より詳しくは、電源２から供給された電力を単相交流電力に変換する。

【0017】

複数の変換回路２０は、交流電力を出力する一対の交流出力端子２０ａ、２０ｂを有する。複数の変換回路２０の一対の交流出力端子２０ａ、２０ｂは、それぞれ直列に接続されている。換言すれば、複数の変換回路２０の出力側は、直列に接続されている。例えば、１つの変換回路２０の一方の交流出力端子２０ａが、次の変換回路２０の他方の交流出力端子２０ｂと接続される。これにより、複数の変換回路２０の出力側が、直列に接続される。そして、直列に接続された複数の変換回路２０の一端側の交流出力端子２０ａ、及び他端側の交流出力端子２０ｂが、オゾナイザ４に接続される。

【0018】

主回路部１２は、高周波トランスや共振リアクトルなどの誘導性負荷を介することなく、直列に接続された複数の変換回路２０の出力側がオゾナイザ４と直接的に接続される。これにより、主回路部１２では、複数の変換回路２０の出力の合計が、主回路部１２の出力となる。主回路部１２は、複数の変換回路２０の交流電力の合計により、オゾナイザ用電力を生成し、オゾナイザ４に供給する。主回路部１２は、換言すれば、直列多重構成の複数の変換回路２０を有する。

【0019】

この例において、主回路部１２は、Ｕ１～Ｕ６の６つの変換回路２０を有している。この例において、複数の変換回路２０の直列接続数は、６である。但し、主回路部１２における変換回路２０の数は、６つに限ることなく、任意の数でよい。変換回路２０の数は、例えば、オゾナイザ４で必要となる電圧の大きさなどに応じて適宜設定すればよい。

【0020】

複数の変換回路２０のそれぞれは、コンバータ２１と、インバータ２２と、を有する。コンバータ２１は、電源２から供給された交流電力を直流電力に変換する。インバータ２２は、コンバータ２１によって変換された直流電力を交流電力に変換する。

【0021】

コンバータ２１は、整流器２３と、直流コンデンサ２４と、を有する。整流器２３は、ブリッジ接続された複数の整流素子３０を有し、電源２から供給された交流電力を複数の整流素子３０によって脈流電力に変換する。直流コンデンサ２４は、整流器２３によって変換された脈流電力を直流電力に変換する。これにより、電源２から供給された交流電力を直流電力に変換することができる。

【0022】

インバータ２２は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子３１を有し、複数のスイッチング素子３１のスイッチングにより、直流電力を交流電力に変換する。インバータ２２は、例えば、４つのスイッチング素子３１をブリッジ接続したフルブリッジ回路である。この場合、変換回路２０では、インバータ２２の２つのスイッチング素子３１の直列接続点が、変換回路２０の交流出力端子２０ａ、２０ｂとなる。インバータ２２の複数のスイッチング素子３１には、例えば、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn off thyristor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自励式のスイッチング素子が用いられる。

【0023】

インバータ２２は、直流コンデンサ２４の電圧をＶとするとき、複数のスイッチング素子３１のスイッチングにより、交流出力端子２０ａ、２０ｂに正側の電圧＋Ｖを出力する状態、負側の電圧－Ｖを出力する状態、及び、電圧を出力しない状態（交流出力端子２０ａ、２０ｂ間の電圧が実質的に０Ｖの状態）を切り替えることができる。インバータ２２は、いわゆる２レベルインバータである。

【0024】

このように、複数の変換回路２０は、交流出力端子２０ａ、２０ｂ間の電圧を第１電圧に設定する第１状態と、交流出力端子２０ａ、２０ｂ間の電圧を第１電圧よりも高い第２電圧に設定する第２状態と、を切り替え可能である。第１状態は、例えば、交流出力端子２０ａ、２０ｂ間に－Ｖを出力する状態である。第１状態は、例えば、交流出力端子２０ａ、２０ｂ間の電圧を実質的に０Ｖにする状態でもよい。第２状態は、例えば、交流出力端子２０ａ、２０ｂ間に＋Ｖを出力する状態である。

【0025】

変換回路２０は、例えば、リアクトル２５、２６をさらに有する。リアクトル２５は、交流出力端子２０ａに接続されている。リアクトル２６は、交流出力端子２０ｂに接続されている。リアクトル２５、２６は、例えば、インバータ２２から出力される交流電力に重畳するノイズを抑制する。

【0026】

但し、複数の変換回路２０の構成は、上記に限定されるものではない。例えば、電源２の電力が、直流電力である場合には、コンバータ２１は、省略してもよい。リアクトル２５、２６は、必要に応じて設けられ、省略可能である。インバータ２２は、フルブリッジ回路に限ることなく、ハーフブリッジ回路などでもよい。複数の変換回路２０の構成は、電源２から供給された電力を交流電力に変換可能な任意の構成でよい。

【0027】

主回路部１２は、例えば、リアクトル２５、２６などのように、交流のオゾナイザ用電力に重畳するノイズを抑制するためのリアクトルなどを介してオゾナイザ４と接続してもよい。主回路部１２は、少なくとも容量性負荷であるオゾナイザ４と共振を起こすための誘導性負荷を介することなく、オゾナイザ４と接続されていればよい。

【0028】

制御部１４は、複数の変換回路２０のインバータ２２の複数のスイッチング素子３１それぞれと接続され、各インバータ２２の複数のスイッチング素子３１のスイッチングを制御することにより、主回路部１２による電力変換の動作を制御する。制御部１４は、例えば、各インバータ２２の複数のスイッチング素子３１のスイッチングを制御することにより、複数の変換回路２０のそれぞれの第１状態及び第２状態の切り替えを制御する。

【0029】

図２（ａ）～図２（ｇ）は、実施形態に係る自励式変換器の動作の一例を模式的に表すタイミングチャートである。
図２（ａ）～図２（ｆ）は、制御部１４からＵ１～Ｕ６の６つの変換回路２０（インバータ２２）のそれぞれに入力する制御信号の一例を模式的に表す。
図２（ｇ）は、主回路部１２から出力される出力電圧の一例を模式的に表す。

【0030】

図２（ａ）～図２（ｆ）の制御信号のＬｏは、変換回路２０を第１状態に設定する状態を表す。図２（ａ）～図２（ｆ）の制御信号のＨｉは、変換回路２０を第２状態に設定する状態を表す。制御信号がＬｏに設定されている時は、変換回路２０から第１電圧（例えば、－Ｖ）が出力され、制御信号がＨｉに設定されている時は、変換回路２０から第２電圧（例えば、＋Ｖ）が出力される。但し、制御信号と変換回路２０の第１状態及び第２状態との関係は、上記に限定されるものではない。制御信号は、変換回路２０の第１状態と第２状態とを切り替えることができる任意の信号でよい。

【0031】

図２（ａ）～図２（ｆ）に表したように、制御部１４は、複数の変換回路２０の第１状態及び第２状態をオゾナイザ４の動作周波数ｆで切り替える。この際、制御部１４は、例えば、変換回路２０の第１状態及び第２状態の切り替えのデューティ比を５０％とする。換言すれば、制御部１４は、オゾナイザ４の動作周波数ｆの半周期ずつ複数の変換回路２０の第１状態と第２状態とを切り替える。そして、制御部１４は、複数の変換回路２０の数をｎとする時に、複数の変換回路２０の第１状態と第２状態との切り替えのタイミングをπ／ｎずつずらす。この例では、複数の変換回路２０の数が６であるから、制御部１４は、複数の変換回路２０の第１状態と第２状態との切り替えのタイミングをπ／６ずつずらしている。これにより、制御部１４は、主回路部１２にオゾナイザ用電力を生成させる。

【0032】

主回路部１２の出力電圧（オゾナイザ用電力の電圧）は、複数の変換回路２０の出力電圧の合計である。従って、上記のように複数の変換回路２０の第１状態と第２状態とを切り替えた場合には、図２（ｇ）に表したように、主回路部１２の出力電圧は、オゾナイザ４の動作周波数ｆにおいて、複数の変換回路２０の数ｎ＋１の段階に電圧の大きさを変化させる高周波高電圧の交流電圧となる。主回路部１２の出力電圧の周波数（オゾナイザ４の動作周波数ｆ）は、例えば、０．５ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下程度である。主回路部１２の出力電圧の大きさ（最大値）は、例えば、１ｋＶ以上１０ｋＶ以下程度である。

【0033】

このように、本実施形態に係る自励式変換器１０では、主回路部１２が、複数の変換回路２０を有し、複数の変換回路２０の出力側を直列に接続した直列多重構成としている。これにより、自励式変換器１０では、高周波トランスや共振リアクトルなどを必要とすることなく、オゾナイザ４で必要となる高周波高電圧の交流のオゾナイザ用電力を主回路部１２で生成することができる。従って、自励式変換器１０では、オゾナイザ４の定数に合わせて高周波トランスや共振リアクトルなどを都度設計する必要がなく、これらの都度設計による設計費の増加やリードタイムの長時間化などを抑制することができる。

【0034】

また、オゾナイザ４の定数の影響を受ける用品が不要となったことにより、例えば、定数の異なる複数のオゾナイザ４などに対して自励式変換器１０を共通に用いることが可能となる。高周波トランスや共振リアクトルなどを用いる負荷共振型の構成と比べて、自励式変換器１０の汎用性を高めることができる。

【0035】

このように、本実施形態に係る自励式変換器１０では、オゾナイザ４の定数の影響を受けることなく、高周波高電圧の交流電力をオゾナイザ４に供給することができる。

【0036】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0037】

２…電源、 ３…トランス、 ４…オゾナイザ、 １０…自励式変換器、 １２…主回路部、 １４…制御部、 ２０…変換回路、 ２０ａ、２０ｂ…交流出力端子、 ２１…コンバータ、 ２２…インバータ、 ２３…整流器、 ２４…直流コンデンサ、 ２５、２６…リアクトル、 ３０…整流素子、 ３１…スイッチング素子

【図1】

【図2】