JP5117438B2

JP5117438B2 - リフティングマグネット用電源回路

Info

Publication number: JP5117438B2
Application number: JP2009087558A
Authority: JP
Inventors: 章文原; 賢二岡西
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010235293A; CN101850927A; CN101850927B

Description

本発明は、リフティングマグネット用電源回路に関するものである。

一般に、荷役作業や建設作業などにおいて鉄片を持ち上げるためのリフティングマグネットが知られている。リフティングマグネットとしては、工場などの設備となっているもののほか、車両に搭載されるものもある。リフティングマグネットを使用する際には、リフティングマグネットを励磁し、鉄片を吸着させて持ち上げる。そして、鉄片を解放する際には、リフティングマグネットを消磁する。

特許文献１には、リフティングマグネットの励磁及び消磁を行うリフティングマグネット駆動回路が記載されている。これらのリフティングマグネット駆動回路は、４つのスイッチング素子及び４つのダイオードを有し、リフティングマグネットの励磁及び消磁を制御するＨブリッジ回路部を備えている。特許文献１に記載のリフティングマグネット駆動回路では、Ｈブリッジ回路部における４つのスイッチング素子として無接点スイッチが用いられている。

ここで、無接点スイッチとは、機械的に接触する接点を有さないスイッチであって、トランジスタなどの半導体スイッチである。

特開２００７−１１９１６０号公報

ところで、リフティングマグネット駆動回路では、リフティングマグネットの励磁及び消磁を行う際に、Ｈブリッジ回路部におけるスイッチング素子がスイッチング動作を行う。しかしながら、無接点スイッチは内部抵抗が比較的大きいので、無接点スイッチをＨブリッジ回路部におけるスイッチング素子に用いると、発熱が大きくなるため、空冷ファンなどの冷却装置が必要であった。そのため、装置の構造が複雑になってしまうという問題があった。

また、耐電圧からの半導体無接点スイッチの保守性の問題があった。半導体無接点スイッチは、ＩＣ、コンデンサ、抵抗、プリント基板などを備え、有接点スイッチと比較して故障のおそれがあった。接点における故障のおそれを減らし、更なる信頼性の向上が望まれている。

そこで、本発明は、簡素な構成で、低発熱を実現し、信頼性の向上を図ることが可能なリフティングマグネット用電源回路を提供することを目的としている。

本発明のリフティングマグネット用電源回路は、リフティングマグネットに電力を供給するリフティングマグネット用電源回路であって、高電位側電源と低電位側電源との間に順に直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子であって、その間のノードがリフティングマグネットの一端に接続される第１及び第２のスイッチング素子と、高電位側電源と低電位側電源との間に順に直列に接続された第３及び第４のスイッチング素子であって、その間のノードが前記リフティングマグネットの他端に接続される第３及び第４のスイッチング素子と、転流用機構とを有し、リフティングマグネットへの電力の供給を制御するＨブリッジ回路部を備え、第１のスイッチング素子は、無接点スイッチであり、第２〜第４のスイッチング素子は、交流用有接点スイッチであり、交流用有接点スイッチに並列に接続されたスナバ回路を更に備えることを特徴としている。

有接点スイッチでは、導通状態と非導通状態との切り換えの際に、大きなアーク放電が発生することがある。この発明によれば、リフティングマグネットへの電力の供給を制御するＨブリッジ回路部において、転流用機構（例えばダイオード）を備えると共に、交流用有接点スイッチに並列に接続されたスナバ回路を備える構成であるため、不要な電圧を吸収することができ、接点を遮断するときのアークを使用上及び寿命上問題とならない大きさまで小さくすることができる。すなわち、アークを適切な大きさに維持して接点を遮断することができる。これにより、リフティングマグネットのように大きなインダクタンスを持つ負荷に流れる直流電流を、交流用有接点スイッチ（交流用の汎用接触器）によって、オフすることができる。また、スナバ回路、転流用機構、交流用有接点スイッチを備える構成であるため、接点における発熱を抑えることが可能であり、従来必要であった冷却装置を不要とし、装置構成の簡素化が図られる。また、交流用有接点スイッチを用いることで、保守性の問題を改善し、装置の信頼性の向上を図ることができる。
更に、第１のスイッチング素子をスイッチング速度が比較的速い無接点スイッチとし
ているため、リフティングマグネットの制御性を損なうことなく、低発熱、信頼性の向上、低コスト化を実現することができる。

本発明のリフティングマグネット用電源回路によれば、簡素な構成で、低発熱を実現し、信頼性の向上及び低コスト化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るリフティングマグネット用電源回路を示す回路図である。図１に示すリフティングマグネット用電源回路における励磁動作モードでの電流の流れを示す図である。図１に示すリフティングマグネット用電源回路における励磁動作モードでの電流の流れを示す図である。図１に示すリフティングマグネット用電源回路における消磁動作モードでの電流の流れを示す図である。図１に示すリフティングマグネット用電源回路における残留磁気の消磁動作モードでの電流の流れを示す図である。本発明の他の実施形態に係るリフティングマグネット用電源回路を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係るリフティングマグネット用電源回路を示す回路図である。図１に示すリフティングマグネット用電源回路１は、リフティングマグネット２に電力の供給する電源回路である。リフティングマグネット用電源回路１は、直流変換部３と、Ｈブリッジ回路部４と、消磁用エネルギー吸収部５とを備え、リフティングマグネット２の励磁及び消磁を行う回路である。

直流変換部３は、３相交流電源ＡＣＧ（発電機）から供給された交流電圧Ｖ_ＡＣ１〜Ｖ_ＡＣ３を直流電圧Ｖ_ＤＣに変換する。直流変換部３は、正側出力端３ａ及び負側出力端３ｂを有しており、生成した直流電源電圧Ｖ_ＤＣを正側出力端３ａと負側出力端３ｂとの間に提供する。本実施形態では、正側出力端３ａが高電位側電源として機能し、負側出力端３ｂが低電位側電源として機能する。なお、直流変換部３は、単相交流電源から交流電圧を直流電圧に変換する形態であってもよい。また、発電機が直流発電機である場合に、直流変換部は設けられていてもよい。

本実施形態の直流変換部３は、６個のダイオード３１ａ〜３１ｆを含むブリッジ回路によって構成されており、三相全波整流を行う。具体的には、ダイオード３１ａ〜３１ｆのうち、ダイオード３１ａ及び３１ｂが直列に接続され、ダイオード３１ｃ及び３１ｄが直列に接続され、ダイオード３１ｅ及び３１ｆが直列に接続されている。また、ダイオード３１ａ及び３１ｂからなる組と、ダイオード３１ｃ及び３１ｄからなる組と、ダイオード３１ｅ及び３１ｆからなる組とは、互いに並列に接続されている。そして、これらのダイオードの組のカソード側の一端は正側出力端３０ａに電気的に接続されており、アノード側の他端は負側出力端３０ｂに電気的に接続されている。

また、ダイオード３１ａとダイオード３１ｂとの間には、３相交流電源ＡＣＧにおける一相の電源端子から延びる交流電源ライン１１ａが電気的に接続されている。ダイオード３１ｃとダイオード３１ｄとの間には、３相交流電源ＡＣＧにおける他の一相の電源端子から延びる交流電源ライン１１ｂが電気的に接続されている。ダイオード３１ｅとダイオード３１ｆとの間には、３相交流電源ＡＣＧにおける更に他の一相の電源端子から延びる交流電源ライン１１ｃが電気的に接続されている。なお、直流変換部は、これ以外にも例えばサイリスタを用いた純ブリッジ回路や、ダイオード及びサイリスタを用いた混合ブリッジ回路によって構成されていてもよい。直流変換部が純ブリッジ回路や混合ブリッジ回路によって構成される場合、サイリスタは、図示しない位相制御回路によって所定の制御角で位相制御される。

Ｈブリッジ回路部４は、リフティングマグネット２の励磁及び消磁を制御する。Ｈブリッジ回路部４は、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄと、該第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄそれぞれのドレイン−ソース間に電気的に接続された第１〜第４の転流用ダイオード（転流用機構、第１〜第４の整流素子）４２ａ〜４２ｄとを含むＨブリッジ回路によって構成されている。

具体的には、第１のスイッチング素子４１ａの一端は直流変換部３の正側出力端３ａに接続されており、第１のスイッチング素子４１ａの他端は第２のスイッチング素子４１ｂの一端に接続されている。第２のスイッチング素子４１ｂの他端は直流変換部３の負側出力端３ｂに接続されている。一方、第３のスイッチング素子４１ｃの一端は、直流変換部３の正側出力端３ａに接続されており、第３のスイッチング素子４１ｃの他端は第４のスイッチング素子４１ｄの一端に接続されている。第４のスイッチング素子４１ｄの他端は直流変換部３の負側出力端３ｂに接続されている。

また、第１，第２，第４の転流用ダイオード４２ａ，４２ｂ，４２ｄのアノードは、それぞれ第１，第２，第４のスイッチング素子４１ａ，４１ｂ，４１ｄの他端に接続されており、第１，第２，第４の転流用ダイオード４２ａ，４２ｂ，４２ｄのカソードは、それぞれ第１，第２，第４のスイッチング素子４１ａ，４１ｂ，４１ｄの一端に接続されている。そして、第１のスイッチング素子４１ａの他端及び第２のスイッチング素子４１ｂの一端はリフティングマグネット２の一端に接続されており、第３のスイッチング素子４１ｃの他端及び第４のスイッチング素子４１ｄの一端はリフティングマグネット２の他端に接続されている。

また、第３の転流用ダイオード４２ｃのアノードは、それぞれ第３のスイッチング素子４１ｃの他端に接続されており、第３の転流用ダイオード４２ｃのカソードは、直流変換部３の正側出力端３ａ側、直接接続ではなく、抵抗素子４６ｅを介して接続されている。リフティングマグネット２の全てのエネルギーを消磁用エネルギー吸収部５に戻すためには、大きなコンデンサ容量を必要とするので、抵抗素子４６ｅで熱に変え必要量のみを消磁用エネルギー吸収部５に戻している。

第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄ各々の制御端子は図示しない制御回路に接続されており、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄ各々における一端−他端間の導通状態は、該制御回路から提供される制御電流（または制御電圧）によって制御される。

第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄは交流用有接点スイッチ（交流用電磁接触器）である。交流用有接点スイッチとしては、機械的に接触する接点を有するスイッチであって、交流用電磁接触器（ＭＣスイッチ）などの機械式スイッチが適用可能である。

消磁用エネルギー吸収部５は、リフティングマグネット２の消磁を行う際にリフティングマグネット２に蓄積されたエネルギーを吸収するための回路部分である。消磁用エネルギー吸収部５は、直流変換部３の正側出力端３ａと負側出力端３ｂとの間に接続されている。消磁用エネルギー吸収部５は、容量素子５１を有している。なお、消磁用エネルギー吸収部５としては、様々な回路構成が適用可能である。

Ｈブリッジ回路部４は、スナバ回路４５ａ〜４５ｄを更に備えている。スナバ回路４５ａ〜４５ｄは、それぞれ、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄに並列に接続されている。

スナバ回路４５ａは、抵抗素子４６ａと、容量素子４７ａと、ダイオード４８ａとを備えている。抵抗素子４６ａと容量素子４７ａとは直列に接続されており、抵抗素子４６ａにはダイオード４８ａが並列に接続されている。具体的には、ダイオード４８ａのアノードは抵抗素子４６ａと容量素子４７ａとの間のノードに接続されており、ダイオード４８ａのカソードは抵抗素子４６ａのもう一端に接続されている。なお、容量素子４７ａの容量は、例えば、１００μＦとされている。

同様に、スナバ回路４５ｂは、抵抗素子４６ｂと、容量素子４７ｂと、ダイオード４８ｂとを備えている。抵抗素子４６ｂと容量素子４７ｂとは直列に接続されており、抵抗素子４６ｂにはダイオード４８ｂが並列に接続されている。具体的には、ダイオード４８ｂのアノードは抵抗素子４６ｂと容量素子４７ｂとの間のノードに接続されており、ダイオード４８ｂのカソードは抵抗素子４６ｂのもう一端に接続されている。なお、容量素子４７ｂの容量は、例えば、１００μＦとされている。

同様に、スナバ回路４５ｃは、抵抗素子４６ｃと、容量素子４７ｃと、ダイオード４８ｃとを備えている。抵抗素子４６ｃと容量素子４７ｃとは直列に接続されており、抵抗素子４６ｃにはダイオード４８ｃが並列に接続されている。具体的には、ダイオード４８ｃのアノードは抵抗素子４６ｃと容量素子４７ｃとの間のノードに接続されており、ダイオード４８ｃのカソードは抵抗素子４６ｃのもう一端に接続されている。なお、容量素子４７ｃの容量は、例えば、１００μＦとされている。

同様に、スナバ回路４５ｄは、抵抗素子４６ｄと、容量素子４７ｄと、ダイオード４８ｄとを備えている。抵抗素子４６ｄと容量素子４７ｄとは直列に接続されており、抵抗素子４６ｄにはダイオード４８ｄが並列に接続されている。具体的には、ダイオード４８のアノードは抵抗素子４６ｄと容量素子４７ｄとの間のノードに接続されており、ダイオード４８ｄのカソードは抵抗素子４６ｄのもう一端に接続されている。なお、容量素子４７ｄの容量は、例えば、１００μＦとされている。

次に、図２〜５を参照しながら、リフティングマグネット用電源回路１の動作を説明する。図２〜５は、図１に示すリフティングマグネット用電源回路における各動作モードでの電流の流れを示す図である。

（リフティングマグネットの励磁動作モード）
Ｈブリッジ回路部４における第１のスイッチング素子４１ａ及び第４のスイッチング素子４１ｄを導通させる。これによって、図２に示すように、直流変換部３の正側出力端３ａ、第１のスイッチング素子４１ａ、リフティングマグネット２、第４のスイッチング素子４１ｄ、直流変換部３の負側出力端３ｂに励磁電流Ｉ１が流れる。

次に、第１のスイッチング素子４１ａを非導通とする。これによって、図３に示すように、リフティングマグネット２、第４のスイッチング素子４１ｄ、第２の整流用ダイオード４２ｂに還流電流Ｉ２が流れる。その後、再び第１のスイッチング素子４１ａを導通させる。これによって、図２に示すように、励磁電流Ｉ１が流れることとなる。

このように、第１のスイッチング素子４１ａをスイッチングすることによって、リフティングマグネット２が励磁され、鉄片等を吸着して持ち上げることができる。なお、第４のスイッチング素子４１ｄはスイッチング動作を行わない。

（リフティングマグネットの消磁動作モード）
Ｈブリッジ回路部４における第１のスイッチング素子４１ａ及び第４のスイッチング素子４１ｄを非導通とし、リフティングマグネット２の両端電圧を反転させる。これによって、図４に示すように、リフティングマグネット２、第３のダイオード４８ｃ、消磁用エネルギー吸収部５における容量素子５１、第２のダイオード４８ｂに消磁電流Ｉ３が流れ、リフティングマグネット２に蓄積されたエネルギーが容量素子５１に移乗すると共に容量素子５１に蓄積される。

これにより、リフティングマグネット２が消磁され、吸着していた鉄片等を解放することができる。

（リフティングマグネットの残留磁気の消磁動作モード）
ここで、リフティングマグネット２はヒステリシス特性によって残留磁気を有することとなる。そこで、Ｈブリッジ回路部４における第２のスイッチング素子４１ｂ及び第３のスイッチング素子４１ｃを導通させる。これによって、図５に示すように、消磁用エネルギー吸収部５における容量素子５１、第３のスイッチング素子４１ｃ、リフティングマグネット２、第２のスイッチング素子４１ｂに残留磁気の消磁電流Ｉ４が流れる。すなわち、容量素子５１に蓄積された電荷によって、リフティングマグネット２において消磁電流Ｉ３とは逆向きの残留磁気の消磁電流Ｉ４が流れる。

これにより、リフティングマグネット２が消磁され、吸着していた鉄片等を解放することができる。この残留磁気の消磁の際、第２及び第３のスイッチング素子４１ｂ，４１ｃはスイッチング動作を行わない。この第２及び第３のスイッチング素子４１ｂ，４１ｃに、内部抵抗が比較的小さい有接点スイッチが用いられるので、発熱が低減されることとなる。

本実施形態に係るリフティングマグネット用電源回路１によれば、リフティングマグネット２への電力の供給を制御するＨブリッジ回路部４において、転流用ダイオード４２ａ〜４２ｄを備えると共に、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄ（交流用有接点スイッチ）に並列に接続されたスナバ回路４５ａ〜４５ｄを備える構成であるため、これらのスナバ回路４５ａ〜４５ｄによって、部品、配線により構成されるインダクタンスに溜まっている電気エネルギーを吸収して消費することができる。これにより、不要なアーク電圧を吸収して、接点を遮断するときのアークを使用上及び寿命上問題とならない大きさまで小さくすることが可能となる。第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄにおけるアーク放電の発生を抑えることができる。これにより、リフティングマグネット２のように大きなインダクタンスを持つ負荷に流れる直流電流を、交流用の汎用接触器によって、オフすることができる。

また、リフティングマグネット用電源回路１では、スナバ回路４５ａ〜４５ｄ、転流用ダイオード４２ａ〜４２ｄ、交流用有接点スイッチ４１ａ〜４１ｄを備える構成であるため、発熱を抑えることが可能であり、従来必要であった冷却装置を不要とし、装置構成の簡素化を図ることができる。

また、有接点スイッチは、従来の無接点スイッチと比較して、安価であり、メンテナンスも容易であるため、信頼性の向上及び低コスト化を図ることができる。また、アーク放電を吹き消すための装置も不要であるため、装置構成の簡素化、及び低コスト化を図ることができる。なお、有接点スイッチとは、交流用電磁接触器であり、機械的に接触する接点を有するスイッチであって、リレーなどの機械式スイッチである。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。上記実施形態のリフティングマグネット用電源回路１では、第１〜第４のスイッチング素子４１ａ〜４１ｄを有接点スイッチとしているが、第１〜第４のスイッチング素子のうち少なくとも一つが、有接点スイッチであり、有接点スイッチに並列に接続されたスナバ回路を更に備える構成であればよい。

図６は、本発明の他の実施形態に係るリフティングマグネット用電源回路を示す回路図である。図６に示すリフティングマグネット用電源回路１Ａが、図１に示すリフティングマグネット用電源回路１と違う点は、有接点スイッチである第１のスイッチング素子４１ａに代えて、無接点スイッチである第１のスイッチング素子４９ａを備える点である。

このように、第１のスイッチング素子４９ａは、スイッチング速度が比較的速い無接点スイッチであるので、リフティングマグネット２に印加する電圧の定電圧制御や電流の定電流制御の制御性を向上することができる。

なお、第１のスイッチング素子４１ａのスイッチングの割合を調整することによって、リフティングマグネット２に印加する電圧を調整することができ、リフティングマグネット２に蓄積するエネルギーを調整することができる。これによって、例えば、鉄片の吸着の強度を調整することが可能となる。本実施形態では、第１のスイッチング素子４１ａのスイッチング速度が比較的速いので、このような調整の制御性をも向上することが可能である。

また、直流変換部３におけるダイオード３１ａ〜３１ｆ、Ｈブリッジ回路部４における第１〜第４のダイオード４２ａ〜４２ｄは、一方向に整流機能を備えていればダイオード以外の素子でも代用可能である。

また、上記実施形態では、ＣＲＤ型スナバ回路を例示したが、スナバ回路４５ａ〜４５ｄは本実施形態に限られない。例えば、容量素子（Ｃ）のみで構成されたスナバ回路であってもよいし、容量素子と抵抗素子（Ｒ）との組合せで構成されたスナバ回路であってもよい。また、複数の容量素子を備えるスナバ回路でもよい。また、容量素子の容量は、スナバ回路ごとに異なっていてもよい。

また、上記実施形態では、転流用機構として、ダイオード４２ａ〜４２ｄを例示したが、スイッチング素子を転流用機構として用いてもよい。

１，１Ａ…リフティングマグネット用電源回路、２…リフティングマグネット、３…直流変換部、４…Ｈブリッジ回路部、５…消磁用エネルギー吸収部、３１ａ〜３１ｆ…ダイオード、４１ａ〜４１ｄ…スイッチング素子（有接点スイッチ）、４２ａ〜４２ｄ…転流用ダイオード（転流用機構）、４５ａ〜４５ｄ…スナバ回路、４６ａ〜４６ｄ…抵抗素子、４７ａ〜４７ｄ…容量素子、４９ａ…スイッチング素子（無接点スイッチ）、５１…容量素子。

Claims

リフティングマグネットに電力を供給するリフティングマグネット用電源回路であって、
高電位側電源と低電位側電源との間に順に直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子であって、その間のノードが前記リフティングマグネットの一端に接続される前記第１及び第２のスイッチング素子と、前記高電位側電源と前記低電位側電源との間に順に直列に接続された第３及び第４のスイッチング素子であって、その間のノードが前記リフティングマグネットの他端に接続される前記第３及び第４のスイッチング素子と、転流用機構とを有し、前記リフティングマグネットへの電力の供給を制御するＨブリッジ回路部を備え、
前記第１のスイッチング素子は、無接点スイッチであり、
前記第２〜第４のスイッチング素子は、交流用有接点スイッチであり、
前記交流用有接点スイッチに並列に接続されたスナバ回路を更に備えることを特徴とするリフティングマグネット用電源回路。