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整流装置
説明

整流装置

【課題】消費電力のピークを分散させることが可能であり、さらに電圧変換効率を向上させることも可能である整流装置を提供する。
【解決手段】交流信号を直流信号に整流する整流装置は、時分割部10と整流部20とからなる。時分割部10は、交流信号に同期してその1周期毎に、所定の時間間隔の複数のスロットに1周期を分割し、所定のスロットを選択し、交流信号の選択されるスロットの所の周期的信号を出力する。整流部20は、周期的信号を直流信号に整流する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は整流装置に関し、特に、交流信号を直流信号に整流する整流装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に家電等に内蔵される整流装置は、商用電源から交流電圧を受け、略すべてを全波整流回路等を用いて直流に変換している。ここで、全波整流回路はダイオードを用いたものを採用しており、整流は交流電圧波形のピーク時、即ち、交流信号の1周期のピーク毎に集中して行われることになる。この結果、消費電力のピークもこの時間に集中して行われる。したがって、消費電力のピークはこの時間に集中し易く、これが種々の機器における電力消費に大きな問題となるだけでなく、家庭内でもその瞬間にサーキットブレーカが飛ぶ等の事態を引き起こしかねない。
【0003】
また、近年、半導体集積回路の微細化等により、家電機器等の省電力化、低電圧化が急速に進んでいる。このため、各家電内部において使用される直流電圧には著しい差が生じている。このような状況にもかかわらず、一般的には各家電内部にて商用電源をすべてAC−DC変換回路で、一旦約141V程度の直流電圧に変換した上で、さらにDC−DC変換回路を用いて必要な直流電圧を生成しており、変換ロスや変換回路のコスト等、種々の問題があった。
【0004】
このような各家電の直流電圧の違いに対応するために、特許文献1では、分電盤に複数のAC−DC変換回路を設け、それぞれの直流電圧レベルを互いに異ならせるように構成した直流配電システムを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2009−178032号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1では、商用電源からAC−DC変換を単純に行うものであり、結局のところ交流電圧波形のピーク時に集中して整流が行われるため、消費電力のピークもこの時間に集中することになる。したがって、消費電力や最大パワー等に基づき系統を分類して配電したとしても、消費電力の集中するピーク時間は常に決まっており、その瞬間にサーキットブレーカが飛ぶ等の事態を引き起こしかねない問題は依然改善されていなかった。
【0007】
本発明は、斯かる実情に鑑み、消費電力のピークを分散させることが可能であり、さらにAC−DC変換後の直流電圧変換効率等を向上させることも可能である整流装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による整流装置は、交流信号に同期してその1周期毎に、所定の時間間隔の複数のスロットに1周期を分割し、所定のスロットを選択し、交流信号の選択されるスロットの所の周期的信号を出力する時分割部と、周期的信号を直流信号に整流する整流部と、を具備するものである。
【0009】
ここで、時分割部及び整流部は、4つのスイッチ素子がブリッジ接続され、各スイッチ素子をオン/オフ制御可能なスイッチ型ブリッジ整流回路からなり、選択されるスロットの時間間隔に応じて各スイッチ素子をオン/オフ制御することで周期的信号を出力して直流信号に整流するものであれば良い。
【0010】
また、時分割部は、交流信号のピーク電力が平均化されるように、所定の時間間隔を変更及び/又は所定のスロットを選択すれば良い。
【0011】
また、時分割部は、所定の時間間隔を動的に変更及び/又は所定のスロットを動的に選択しても良い。
【0012】
さらに、整流部により整流される直流信号が入力される蓄電部を具備し、蓄電部に蓄電される電力は、放電時には交流信号に変換後に時分割部に戻されても良い。
【0013】
また、時分割部は、配電需要の小さいスロットを蓄電部用に選択し、配電需要の大きいスロットでは、蓄電部に蓄電される電力を放電しても良い。
【0014】
また、本発明の整流装置を用いる配電システムは、整流部が、周期的信号毎に複数の系統に直流信号を配電するものである。
【発明の効果】
【0015】
本発明の整流装置には、消費電力のピークを分散させることが可能であり、さらにAC−DC変換後の直流電圧変換効率等を向上させることも可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】図1は、本発明の整流装置を説明するための概略ブロック図である。
【図2】図2は、本発明の整流装置の時分割部により分割される複数のスロットを説明するための図である。
【図3】図3は、本発明の整流装置に適用可能なスイッチ型ブリッジ整流回路を説明するためのブロック図である。
【図4】図4は、本発明の整流装置を家庭用電力システムに適用した場合の概略ブロック図である。
【図5】図5は、本発明の整流装置に適用可能な蓄電部を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図1は、本発明の整流装置を説明するための概略ブロック図である。図示の通り、本発明の整流装置は、時分割部10と、整流部20とから主に構成されている。本発明の整流装置は、交流電源30からの交流信号を所定のスロットに分割し、直流信号に整流して出力するものである。なお、図示例では、直流信号の出力先として、系統40が接続されている。系統40は、後述の配電システムに適用した場合の実施例で詳説するが、直流電圧を必要とする機器であれば良く、例えば家電や電気自動車等である。直流電圧が配電される対象としては、機器に1種類の所定の電圧を配電するだけでなく、機器内部の複数の内部配電系統にそれぞれ必要な直流電圧を配電するようにしても良い。また、交流電源30は、一般的には商用電源である。
【0018】
時分割部10は、交流信号に同期してその1周期毎に、所定の時間間隔の複数のスロットに1周期を分割するものである。即ち、交流信号の1周期を複数のスロットに分割するものである。ここで、複数のスロットについてより具体的に説明する。図2は、本発明の整流装置の時分割部により分割される複数のスロットを説明するための図である。図示の通り、時分割部10は、交流信号の1周期を複数のスロット、例えばA〜Gの7つのスロットに時分割するものである。なお、分割されるスロットの数は特定のものに限定されるものではなく、例えば本発明の整流装置から出力される電力が供給される系統の数や、用途等に応じて種々設定すれば良い。また、図示例のスロットは均等の時間間隔に分割されたものが示されているが、本発明はこれに限定されず、異なる時間間隔で分割されるものであっても良い。時分割部10の構成としては、例えば交流電源30からの交流信号に同期してその1周期の1/7の周期のクロック信号に応じてスイッチをON/OFF制御するような構成により、1周期を7つのスロットに時分割可能となる。これを交流信号の1周期毎に繰り返せば良い。
【0019】
そして、時分割部10は、分割されたスロットに対して所定のスロットを選択し、交流信号の選択されるスロットの所の周期的信号を出力するものである。より具体的には、例えば、時分割部10aがスロットA,Gに応じた周期的信号を出力し、時分割部10bがスロットB,Fに応じた周期的信号を出力し、時分割部10cがスロットC,Eに応じた周期的信号を出力する、といったように構成される。ここで、周期的信号とは、図1の時分割部の各ブロック内に示されるように、交流信号の一部をスロットに応じて切り取ったような信号である。
【0020】
このように、従来技術では、交流信号の1周期のピーク付近のみを用いていたものを、本発明の整流装置では、時分割部10により、交流信号の1周期の中でピーク時以外の部分のスロットも用いて直流信号に整流して電力を出力することで、消費電力のピークを分散させることが可能となる。また、交流信号のピーク付近の電力を用いずに、ピークの左右のスロットに分散させ、ピーク電流を下げて分配することで、ピークシフトも可能となる。なお、図示例では、複数の時分割部10a〜10gを用いてそれぞれでスロットを分割して所定のスロットを選択するように示しているが、本発明はこれに限定されず、1つの時分割部を用いて、各スロットに応じた時間毎にスロットの所の周期的信号をそれぞれ分けて出力可能な構成としても良い。
【0021】
そして、整流部20は、周期的信号を直流信号に整流するものである。図1に示されるように、整流部20は、時分割部10により分割される複数のスロットに対応する周期的信号を直流信号に整流するものである。図示例では、複数の時分割部10a〜10gに応じて、複数の整流部20a〜20gが設けられている。より具体的には、例えば整流部20aは、時分割部10aからのスロットA,Gに対応する周期的信号を直流信号に整流する。同様に、例えば整流部20bは、時分割部10bからのスロットB,Fに対応する周期的信号を直流信号に整流する。ここで、スロットの位置によって、交流信号のピークに比べて低いピーク電圧を有する周期的信号を直流信号に整流することになる。しかしながら、例えば電力が分配される系統が低電圧で足りるような機器の系統であれば、電圧不足等の問題は起こらない。
【0022】
このように、図1に示される整流装置では、時分割部10により分割されたスロットのところの交流信号の周期的信号を出力した上で、これを整流部20により整流するように構成されている。なお、図示例では系統40a〜40gというように、各整流部20から1つの系統に直流信号が出力されるように示されているが、本発明はこれに限定されず、例えば系統40aの中にも複数の系統があっても良い。即ち、例えば機器内部の複数の内部配電系統であっても良い。即ち、例えば系統40aからDC−DC変換回路等を介して直流信号を複数の異なる電圧の機器や機器内部の内部配電系統に配電しても良い。
【0023】
また、時分割部10では、交流信号のピーク電力が平均化されて出力するように制御されても良い。具体的には、所定の時間間隔を変更及び/又は所定のスロットを選択するように構成されれば良い。これは、例えば大電力を消費する系統は、交流信号のピーク付近の1つのスロットのみを用い、小電力を消費する系統は交流信号の中間の振幅付近のスロットを複数組み合わせて用いるよう制御すれば良い。さらに、最も低い振幅のスロットは例えば蓄電システムの蓄電に用いられるようにしても良い。また、スロットの時間間隔を変更することで、出力される電力を制御しても良い。このような構成とすることで、直流信号が出力される先の配電需要に応じて、交流信号のピーク電力を平均化することが可能である。
【0024】
より具体的には、例えば、電力が供給される系統40を、所定の条件に基づき分類しておく。所定の条件としては、例えば家電等をその機能や役割、平均消費電力や最大パワー等によりそれぞれ分類したものである。例えば低直流電圧の系統、照明用の系統、大電力用の系統といったものである。このような分類基準に従い、時分割部では、複数のスロット毎に分けて電力を出力するようにしても良い。これにより、各スロットの所の周期的信号の振幅に応じて適切な系統へ電力を出力することが可能となる。したがって、系統毎に供給電圧を適切に設定することが可能となるので、出力先で高い電圧を低い電圧に変換する等が不要となるため、AC−DC変換後の直流電圧変換効率が向上することになる。
【0025】
また、時分割部10は、所定の時間間隔を動的に変更及び/又は所定のスロットを動的に選択すれば良い。例えば、平均消費電力が低い機器であっても、瞬間的に高い電力消費となる場合がある。例えばパーソナルコンピュータ等でも、演算能力をフルに使用した場合と、単に入力等を待っている状態では電力消費は異なる。したがって、例えば電力消費をリアルタイムに検出しておき、所定の電力を越えた場合には、より電力消費の高い分類の他の系統へと動的に分類し直す。これにより、動的に選択されるスロットが変わるため、より高度なピーク電力の平均化が可能となる。さらに、各家電側のコンバータやインバータの最適なスイッチング周波数、スイッチング時間タイミング等を制御し、消費電力の集中を分散させることも可能である。
【0026】
このように、本発明の整流装置では、交流信号に同期してその1周期毎に、複数のスロットに1周期を分割し、スロット毎に分けて電力を供給することで、交流電源の1周期毎におけるピーク電力が平均化、即ちピークシフト、ピーク分散されることになる。したがって、交流信号の1周期のピーク時に電力消費が集中しなくなるため、その瞬間にサーキットブレーカが飛ぶ等の事態を抑制することが可能となる。
【0027】
ここで、時分割部及び整流部の構成についてより具体的に説明する。図3は、本発明の整流装置に適用可能なスイッチ型ブリッジ整流回路を説明するためのブロック図である。図示の通り、例えば時分割部及び整流部は、4つのスイッチ素子22がブリッジ接続され、各スイッチ素子をオン/オフ制御可能なスイッチ型ブリッジ整流回路から主に構成されれば良い。そして、選択されるスロットの時間間隔に応じて各スイッチ素子22をオン/オフ制御することで周期的信号を出力し、これを平滑部25により直流信号に整流するものである。例えば、時分割部10が各スイッチ素子22をオン/オフ制御(例えばスロットC,Eをオン)し、各スロットの所の周期的信号を出力するように構成されている。スイッチ素子22については、FET等の半導体スイッチを用いれば良い。
【0028】
ここで、本発明の整流装置は、時分割部及び整流部が送電線等を介して距離が離れていても良い。例えば、時分割部は電源コンセント、即ち、壁面のアウトレットや、マルチタップ等に内蔵され、スイッチ型ブリッジ整流回路が各機器に内蔵されても良い。この場合、時分割部からの周期的信号を配電し、送電線等を介して各機器側でスイッチ型ブリッジ整流回路により整流するように構成しても良い。
【0029】
このように構成される本発明の整流装置を一般家庭の配電システムに適用した場合の例について説明する。図4は、本発明の整流装置を家庭用電力システムに適用した場合の概略ブロック図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。図示の通り、時分割部10により複数のスロットに分割された時間間隔に応じて、各整流部20が周期的信号毎に複数の系統40に電力を配電するように構成されている。例えば、系統40aは電話やネットワーク等の通信機器やゲーム機等の低消費電力の系統であり、さらにDC−DCコンバータ等を用いて使用する機器に合わせた電圧を出力できるようにする。また、例えば系統40dでは照明や電気調理器用の系統であり、高速スイッチング回路等を用いて電力を供給するように構成している。さらに、系統40gは蓄電部50に接続されている。蓄電部は、整流部20により整流される直流信号が入力されるものである。ここで、蓄電部50には、例えば、配電需要の小さいスロットA,B,F,Gの所の振幅の小さい部分の電力を用いて蓄電部50を充電するように構成されている。そして、図示例では、蓄電部50にはさらに太陽光発電機等も接続されており、より効率良く蓄電部50を充電できるように構成されている。また、インバータ回路等を設け、蓄電部50に蓄電される電力を放電時に交流信号に変換し、変換された交流信号を時分割部に戻すように構成しても良い。例えば配電需要の大きいスロット、具体的には、スロットC,D,Eの時間間隔を選択し、他の系統側に放電するようにしても良い。また、例えば一部の照明や電熱器等、抵抗負荷で熱として電力を消費する機器の場合等には、時分割部10の出力である周期的信号を直接機器に入力しても良い。
【0030】
ここで、蓄電部についてより詳細に説明する。図5は、本発明の整流装置に適用可能な蓄電部を説明するためのブロック図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。図示の通り、蓄電部50には、整流部20により整流された直流信号が入力されており、蓄電部50に電力が蓄電される。蓄電部50としては、例えば電気二重層コンデンサ等を利用することが可能である。そして、蓄電部50では、時分割部10により選択されたスロットに応じて、蓄電部50に蓄電された電力を放電するように構成することも可能である。即ち、蓄電部50は、時分割部10からのスロットに応じた制御信号により制御され、所定の選択されたスロットの時間間隔で蓄電部50に蓄電された電力を他の系統へ放電するように構成されている。この際、蓄電部50から放電される直流信号をDC−AC変換器60を介して一旦交流信号としたものを、再度時分割部10に戻しても良い。なお、用途によっては直流信号のまま系統40に出力しても勿論良い。このような構成の場合、配電需要に応じた配電制御が可能となる。具体的には、時分割部10aは、配電需要の小さいスロット(例えばスロットA,B,F,G)を蓄電部50用に選択し、これを蓄電部50に蓄電させる。そして、配電需要の大きいスロットでは、蓄電部50に蓄電される電力を、時分割部10aで選択されなかったスロット(例えばスロットC,D,E)を時分割部10bにて選択して放電し、周期的信号を出力すれば良い。これにより、さらに高度なピーク分散が可能となる。例えば急激に電力消費が高まった系統があった場合に、そこに対して蓄電部50からの電力を用いるように制御されれば良い。充放電を頻繁に行うと蓄電部50の耐用年数にも影響してくるため、例えば最終的に電力が不足してきた場合のみ放電するように制御しても良い。なお、蓄電部は電気自動車やハイブリッドカー等の蓄電池であっても良い。
【0031】
また、本発明の整流装置においては、ホームサーバ等で電力需要を管理し、どこの系統にどのスロットを選択するかといった、きめ細かなピークシフト制御も可能である。さらに、商用電源のスマートメータ等のホームゲートウェイを用いて、電力需要管理機能にさらに本発明の整流装置を適用し、さらにきめ細かなピークシフト制御を行うことも可能である。ネットワークを用いて外部からも出力状況等を確認し、これらを分析することでさらに適切なスロットの割り当て、出力等を行うことが可能となる。そして、上述のように、配電需要の小さいスロット等を蓄電や電気自動車等の充電に用いることも可能である。このように、本発明の整流装置を用いれば、例えばHEMS(Home Energy Management System)にも応用可能である。
【0032】
また、整流装置は所謂配電盤に用いられるだけではなく、各機器内部に設けられても良い。例えば、機器内部でも、液晶用バックライト用の電圧やCPU用の電圧、ICチップ用の電圧等、種々異なる電圧が用いられているが、これらに対して本発明の整流装置を適用し、種々必要な電圧を上述でいうところの系統とし、選択されたスロット毎に分けて電力を各系統に出力するようにしても良い。これにより、各機器内部でも、消費電力のピークを分散させることが可能であり、さらに電圧変換効率を向上させることも可能となる。
【0033】
このように、本発明の整流装置は、配電システムにも適用可能であり、交流信号を直流信号に整流したり、交流信号のまま電力を配電したりしても良い。この場合、必要により商用電源から交流信号のまま配電しても良いし、本発明の整流装置の時分割部からの周期的信号のまま各機器に配電し、各機器の内部側で整流するように構成しても良い。
【0034】
なお、本発明の整流装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【0035】
10 時分割部
20 整流部
22 スイッチ素子
25 平滑部
30 交流電源
40 系統
50 蓄電部
60 DC−AC変換器

【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流信号を直流信号に整流する整流装置であって、該整流装置は、
交流信号に同期してその1周期毎に、所定の時間間隔の複数のスロットに1周期を分割し、所定のスロットを選択し、交流信号の選択されるスロットの所の周期的信号を出力する時分割部と、
周期的信号を直流信号に整流する整流部と、
を具備することを特徴とする整流装置。
【請求項2】
請求項1に記載の整流装置において、前記時分割部及び整流部は、4つのスイッチ素子がブリッジ接続され、各スイッチ素子をオン/オフ制御可能なスイッチ型ブリッジ整流回路からなり、選択されるスロットの時間間隔に応じて各スイッチ素子をオン/オフ制御することで周期的信号を出力して直流信号に整流することを特徴とする整流装置。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の整流装置において、前記時分割部は、交流信号のピーク電力が平均化されるように、所定の時間間隔を変更及び/又は所定のスロットを選択することを特徴とする整流装置。
【請求項4】
請求項3に記載の整流装置において、前記時分割部は、所定の時間間隔を動的に変更及び/又は所定のスロットを動的に選択することを特徴とする整流装置。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4の何れかに記載の整流装置であって、さらに、前記整流部により整流される直流信号が入力される蓄電部を具備し、
蓄電部に蓄電される電力は、放電時には交流信号に変換後に時分割部に戻されることを特徴とする整流装置。
【請求項6】
請求項5に記載の整流装置において、前記時分割部は、配電需要の小さいスロットを蓄電部用に選択し、配電需要の大きいスロットでは、蓄電部に蓄電される電力を放電することを特徴とする整流装置。
【請求項7】
請求項1乃至請求項5の何れかに記載の整流装置を用いる配電システムにおいて、前記整流部が、周期的信号毎に複数の系統に電力を配電することを特徴とする配電システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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