直流パワーハブ
【課題】 アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブを提供する。
【解決手段】 少なくとも１つのコンセント１４ａには、直流電源が供給される。第１のスイッチ回路２４ａは、第１のリレー接点ＲＬ１と、遅れてオフする第２のリレー接点ＲＬ２と、第１のコンデンサＣ２を有している。電流検出回路２８ａは、コンセントに流れる電流を検出する。制御部２６は、電流検出回路の出力信号より電流量を演算する。切換回路２５は、制御部の出力信号に基づき、第２のスイッチ回路２４ａの動作を切り換える。
【解決手段】 少なくとも１つのコンセント１４ａには、直流電源が供給される。第１のスイッチ回路２４ａは、第１のリレー接点ＲＬ１と、遅れてオフする第２のリレー接点ＲＬ２と、第１のコンデンサＣ２を有している。電流検出回路２８ａは、コンセントに流れる電流を検出する。制御部２６は、電流検出回路の出力信号より電流量を演算する。切換回路２５は、制御部の出力信号に基づき、第２のスイッチ回路２４ａの動作を切り換える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば各種電子機器に直流電源を供給することが可能な直流パワーハブに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流サーボモータやインバータ電源などのように、交流電力を直流に変換して使用する電子機器が増加している。この種の機器は、個別に交流電源を直流電源に変換する変換器（直流電源）を内蔵しており、機器の最大必要電力に対応している。このため、直流電源の分だけ機器が大型化するとともに、直流電源から発生する熱を放熱する対策が必要である。したがって、変換器のような直流電源を内蔵することなく、複数の機器に直流電源を供給することが可能なパワーハブを実現できれば機器の大型化や放熱対策を簡単化でき有用性が高い。
【０００３】
近時、太陽電池や風力発電などの直流発電装置が普及しつつあり、このような直流発電装置により発生された直流電源を利用可能とすることが望まれている。電源の許容能力を超えた多数の負荷がパワーハブに接続される可能性があり、その対策が必用となる。このためには、直流電源に対して負荷回路となる複数の機器に流れる電流を検出しあるは予測し、最悪の電流重畳を避ける必要があるとともに、機器の動作状態に応じて必要な直流電源を自由に切り換えて配電可能とする必要がある。しかし、直流電源のスイッチングは、アークを伴うため電磁妨害波が発生する。したがって、アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブの実現が望まれている。
【０００４】
風力発電などの新電源は、発電能力が気象条件などに左右されるので、直流電源は交流商用電源のサポートを受けることが望まれ、直流パワーハブは、交流電源にも対応できれば好都合である。
【０００５】
尚、アークの発生を抑制して直流電源をスイッチング可能とする回路が開発されている（例えば特許文献１、２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００５／０４１２３１号公報
【特許文献２】米国特許第７，４８６，４８８ Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブ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】
本発明の直流パワーハブの態様は、直流電源が供給され、負荷が接続される少なくとも１つのコンセントと、前記少なくとも１つのコンセントに接続され、前記コンセントへの直流電源の供給を制御する第１のリレー接点と、前記第１のリレー接点に並列接続され、前記第１のリレー接点より遅れてオフする第２のリレー接点と、前記第２のリレー接点に接続された第１のコンデンサを有する少なくとも１つの第１のスイッチ回路と、前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路の動作を切り換える切換回路とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係る直流パワーハブの実施形態を示すものであり、概観を示す上面図、図１（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）の側面図。
【図２】直流パワーハブの本実施形態を示す構成図。
【図３】図２の一部を示す回路図。
【図４】直流パワーハブの第１の使用形態を示す構成図。
【図５】直流パワーハブの第２の使用形態を示す構成図。
【図６】直流パワーハブの第３の使用形態を示す構成図。
【図７】直流電源と交流電源に接続できるスイッチ回路を説明するために示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施形態に係る直流パワーハブの概観を示している。筐体１１は、例えば上面と、これに平行する底面、第１の側面と、これに平行する第２の側面、第１、第２の側面と直交する第３、第４の側面を有するほぼ直方体とされている。
【００１３】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、第１の側面にメインスイッチ１２、直流電源の接続ライン１３が設けられている。メインスイッチ１２は、例えば２極双投のロッカースイッチにより構成されている。接続ライン１３は、例えば圧着端子を有している。接続ライン１３には、人体に対する感電の危険を避けた最大例えば電源電圧５０Ｖ、電流容量２０Ａの直流電源が接続される。
【００１４】
第３の側面には２つのコンセント１４ａ、１４ｂが設けられ、第４の側面には１４ｃ、１４ｄが設けられている。これらコンセント１４ａ〜１４ｄは、５０Ｖ、２０Ａの直流電源からそれぞれ最大例えば電圧５０Ｖ、電流容量５Ａの直流電源に分配し、出力可能とされている。第１の側面には、コンセント１４ａ、１４ｃに対する直流電源の供給を手動にて切り換え可能とするスイッチ１５ａ、１５ｃが配置され、第２の側面には、図１（ｃ）に示すように、各コンセント１４ｂ、１４ｄに対する直流電源の供給を手動にて切り換え可能とするスイッチ１５ｂ、１５ｄが配置されている。スイッチ１５ａ〜１５ｄは、例えばロッカースイッチにより構成されている。
【００１５】
さらに、第２の側面には、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）端子１６、及び切換スイッチ１７が設けられている。ＵＳＢ端子１６には、例えばパーソナルコンピュータが接続可能とされている。切換スイッチ１７は、例えばスライドスイッチにより構成されている。
【００１６】
切換スイッチ１７は、コンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄへの通電を例えばパーソナルコンピュータにより切り換え可能とするリモートモードと、スイッチ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄにより手動で切り替え可能とするローカルモードを切り替えるものである。
【００１７】
さらに、筐体１１の上面には、各コンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに対応して、コンセントに流れる電流量を表示する表示部ＬＤａ、ＬＤｂ、ＬＤｃ、ＬＤｄが設けられている。各表示部ＬＤａ、ＬＤｂ、ＬＤｃ、ＬＤｄは、それぞれ複数の発光ダイオードにより構成されている。
【００１８】
上記構成において、切換スイッチ１７を例えばローカルモードとした状態において、メインスイッチ１２を投入し、スイッチ１５ａを投入すると、接続ライン１３を介して供給された直流電源がコンセント１４ａに供給される。このコンセント１４ａに例えば直流モータに接続されたプラグを挿入することにより、モータを駆動することができる。他のコンセント１４ｂ〜１４ｄもスイッチ１５ｂ〜１５ｄをオンすることにより、直流電源が供給される。このため、これらコンセント１４ｂ〜１４ｄに直流機器のプラグを挿入することにより、直流機器に直流電源を供給することができる。
【００１９】
また、切換スイッチ１７を例えばリモートモードに切り換えると、ＵＳＢ端子１６に接続された例えばパーソナルコンピュータにより、コンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の供給をスイッチ１５ａ〜１５ｄとは無関係に制御することができる。このため、後述するように、各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流量を測定し、これら電流量の合計が直流電源の能力を超えないよう、コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流を遮断することによって制御することができる。
【００２０】
図２は、図１に示す直流パワーハブの概略構成を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。
【００２１】
図２において、直流電源が接続される接続ライン１３のプラス（＋）端子には、過電流保護回路２１を介してスイッチ回路２２が接続されている。過電流保護回路２１は例えばヒューズであり、スイッチ回路２２は、後述するように、メインスイッチ１２を含み、電源の遮断時に発生する過渡電流を制御し、アーク放電の発生を抑制した無アーク放電スイッチ回路である。
【００２２】
スイッチ回路２２には、複数の過電流保護回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを介してコンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが接続されている。過電流保護回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、例えばヒューズである。
【００２３】
各コンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄには、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄが接続されている。これらスイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、後述するように、例えば交流用電磁リレーの励磁コイルを直流電圧で制御し、電源の遮断時に発生する過渡電流を制御し、アーク放電の発生を抑制した無アーク放電スイッチ回路である。
【００２４】
これらスイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、リモート／ローカル切換回路２５に接続されている。このリモート／ローカル切換回路２５には、スイッチ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、及び切換スイッチ１７が接続されている。さらに、リモート／ローカル切換回路２５は、制御部２６に接続されている。この制御部２６は、例えばマイクロコンピュータ（ＭＰＵ）により構成されている。この制御部２６には、例えばアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２７、ＵＳＢ端子１６が接続されている。
【００２５】
さらに、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、電流検出回路２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄをそれぞれ介して接続ライン１３のマイナス（−）端子に接続されている。これら電流検出回路２８ａ〜２８ｄは、対応する各コンセントに流れる電流を検出する。これら電流検出回路２８ａ〜２８ｄの出力信号は、切換回路２９を介してＡ／Ｄ変換器２７に供給される。
【００２６】
切換回路２９は例えばセレクタ回路により構成されている。この切換回路２９は、制御部２６から供給される制御信号に従って電流検出回路２８ａ〜２８ｄの出力信号を選択してＡＤＣ２７に供給する。ＡＤＣ２７は入力信号をデジタル信号に変換し、制御部２６に供給する。
【００２７】
さらに、ＡＤＣ２７には、スイッチ回路２２からＡＤＣ２７に適応した電源が供給される。この電源は、直流電源が例えば抵抗器等で分圧して生成される。
【００２８】
制御部２６は、ＡＤＣ２７から供給された信号に基づき、各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流量、つまり、各コンセント１４ａ〜１４ｄに接続された負荷に流れる電流量を演算するとともに、例えばこれら電流量とスイッチ回路２２からの電圧に基づき積算電力や、電源の内部抵抗を演算することが可能とされている。
【００２９】
さらに、制御部２６は、予め設定された直流電源の容量と、検出された負荷電流の増減に基づき、負荷電流に対して直流電源の容量に余裕があるとき、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをオンとし、余裕がない場合、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの１つ以上をオフとするように制御することも可能である。
【００３０】
電源回路３０は、スイッチ回路２２に接続され、スイッチ回路２２から供給される直流電源に基づき、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、電流検出回路２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄなどの電源を生成している。
【００３１】
尚、メインスイッチ１２を含むスイッチ回路２２は、省略することも可能である。
【００３２】
図３は、図２に示すスイッチ回路２２、２４ａ、リモート／ローカル切換回路２５、電流検出回路２８ａの具体例を示している。図３において、図２と同一部分には同一符号を付している。
【００３３】
図３は、コンセント１４ａに対応するスイッチ回路２４ａ、電流検出回路２８ａをのみを示しているが、コンセント１４ｂ〜１４ｄに対応するスイッチ回路２４ｂ〜２４ｄ、電流検出回路２８ｂ〜２８ｄも同様の構成とされている。
【００３４】
図３において、スイッチ回路２２、２４ａは、基本的には上記特許文献１，２に記載された構成と同様である。すなわち、スイッチ回路２２は、メインスイッチ１２と、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１とにより構成されている。メインスイッチ１２は、通電スイッチ１２ａと過渡電流スイッチ１２ｂにより構成されている。過渡電流スイッチ１２ｂとダイオードＤ１、コンデンサＣ１は直列接続され、この直列回路は、メインスイッチ１２に並列接続されている。抵抗Ｒ１はコンデンサＣ１に並列接続されている。
【００３５】
通電スイッチ１２ａと過渡電流スイッチ１２ｂは連動するが、図３にＡで示すように、過渡電流スイッチ１２ｂは、通電スイッチ１２ａより遅れてオンし、遅れてオフする。このため、例えば過渡電流スイッチ１２ｂの固定接点と可動接点間の間隙距離は、通電スイッチ１２ａの固定接点と可動接点間の間隙距離より長く設定されている。ダイオードＤ１は、通電電流スイッチ１２ａがオンする際、コンデンサからの突入電流を防止する。コンデンサＣ１は、通電スイッチ１２ａがオフする際、アークの発生を抑制する。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の放電用抵抗である。
【００３６】
過渡電流スイッチ１２ｂは、通電スイッチ１２ａより遅れてオフすることによりアークの発生を抑制できる。このため、過渡電流スイッチ１２ｂが通電スイッチ１２ａより遅れてオンすることは、必ずしも必要な要件ではなく、同時にオンさせる構成としてもよい。
【００３７】
通電スイッチ１２ａは過電流保護回路２３としてのヒューズ、コンセント１４ａを介してスイッチ回路２４ａに接続される。スイッチ回路２４ａは、例えば２つの交流用電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２と、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２、Ｒ３、及び電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２の駆動回路ＤＲにより構成されている。図３において、電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２は、リレー接点とコイルに同一の符号を付している。
【００３８】
電磁リレーＲＬ１は、通電スイッチとして機能し、電磁リレーＲＬ２は、過渡電流スイッチとして機能する。コンデンサＣ２と電磁リレーＲＬ２は直列接続され、この直列回路が電磁リレーＲＬ１と抵抗Ｒ３の直列回路に並列接続されている。抵抗Ｒ２はコンデンサＣ２に並列接続されている。
【００３９】
尚、コンセント１４ｄは、例えば数百ｍＨ程度のインダクタンス負荷を接続可能とされている。したがって、スイッチ回路２４ｄのコンデンサＣ２に、大きな静電容量を追加するため、例えば複数のコンデンサが並列接続されている。
【００４０】
駆動回路ＤＲにおいて、ヒューズ２３ａとコンセント１４ａの接続ノードには、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（ＰＭＯＳ）のドレインが接続されている。このＰＭＯＳのドレインとゲート間に抵抗Ｒ４が接続されている。さらに、ＰＭＯＳのゲートは抵抗Ｒ８を介してリモート／ローカル切換回路２５に接続されている。
【００４１】
ＰＭＯＳのドレインは、抵抗Ｒ５、電磁リレーＲＬ１のコイルを介してマイナス端子に接続されるとともに、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ６、電磁リレーＲＬ２のコイルを介してマイナス端子に接続される。電磁リレーＲＬ１のコイルにダイオードＤ３が並列接続され、電磁リレーＲＬ２のコイルにコンデンサＣ４が並列接続されている。
【００４２】
抵抗Ｒ５と電磁リレーＲＬ１のコイルとの接続ノードとマイナス端子間にダイオードＤ４とコンデンサＣ３の直列回路が接続され、コンデンサＣ３に抵抗Ｒ７が並列接続されている。
【００４３】
上記構成において、ＰＭＯＳがオンした場合、電磁リレーＲＬ２は、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ４により定められた時定数により、電磁リレーＲＬ１より遅れてオンする。また、ＰＭＯＳがオフした場合、電磁リレーＲＬ２は、前記時定数により、電磁リレーＲＬ１より遅れてオフする。このため、電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２は、図３のＡで示すように、スイッチ回路２２の通電スイッチ１２ａと過渡電流スイッチ１２ｂと同様に動作する。
【００４４】
電磁リレーＲＬ２は、電磁リレーＲＬ１より遅れてオフすることによりアークの発生を抑制できる。このため、電磁リレーＲＬ２が電磁リレーＲＬ１より遅れてオンすることは、必ずしも必要な要件ではなく、同時にオンさせてもよい。
【００４５】
リモート／ローカル切換回路２５において、スイッチ１７は、例えば４つの２極双投スイッチを含むスライドスイッチにより構成されている。すなわち、各２極双投スイッチは、可動接片１７ａと第１、第２の固定接点１７ｂ、１７ｃを有している。各可動接片は、対応する駆動回路ＤＲの抵抗Ｒ８に接続されている。各第１の固定接点１７ｂは、信号伝達手段としてのフォトカプラ１８を構成するフォトトランジスタのコレクタに接続されている。このフォトトランジスタのエミッタは、前記スイッチ１５ａを介して第２の固定接点１７ｃに接続されている。また、フォトカプラ１８を構成する発光ダイオードは、制御部２６に接続されている。
【００４６】
リモート／ローカル切換回路２５は、スイッチ１７の可動接片１７ａが第１の固定接点１７ｂに接続された場合、リモートモードに設定される。リモートモードの場合、制御部２６から出力される信号によりフォトカプラ１８がオン又はオフされることにより、スイッチ１５ａとは無関係にスイッチ回路２４ａを切り換えることができる。また、スイッチ１７の可動接片１７ａが第２の固定接点１７ｃに接続された場合、ローカルモードに設定される。ローカルモードの場合、制御部２６から出力される信号とは無関係にスイッチ１５ａをオン又はオフすることにより、スイッチ回路２４ａを切り換えることができる。
【００４７】
さらに、スイッチ回路２４ａの抵抗Ｒ３に電流検出回路２８ａが接続されている。この電流検出回路２８ａは、抵抗Ｒ９，Ｒ１０，演算増幅器Ｏｐ、及び入力と出力が絶縁された絶縁増幅器ＩＡｍｐにより構成されている。電流検出回路２８ａは、電流検出用抵抗Ｒ３の両端電圧を演算増幅器Ｏｐにより検出増幅し、この演算増幅器Ｏｐの出力信号を絶縁増幅器ＩＡｍｐにより出力する。絶縁増幅器ＩＡｍｐの出力信号は切換回路２９を介してアナログ／デジタル変換器２７に供給される。尚、電流検出用の抵抗Ｒ３に代えて、例えばホール素子や電流トランスを用いることも可能である。
【００４８】
アナログ／デジタル変換器２７は、電流検出回路２８ａの出力信号をデジタル信号に変換し、制御部２６に供給する。制御部２６は、アナログ／デジタル変換器２７から供給された信号に基づき、例えばコンセント１４ａに流れる電流量を演算する。この求められた電流量は、例えばＵＳＢ端子１６に接続されたパーソナルコンピュータＰＣに供給される。
【００４９】
パーソナルコンピュータＰＣは、リモート／ローカル切換回路２５がリモートモードに設定されている場合、例えば制御部２６から供給された各コンセントに対応する電流量に基づき、各コンセントに対する直流電源の供給を制御する。
【００５０】
上記実施形態によれば、メインスイッチ１２を含むスイッチ回路２２を設けるとともに、コンセント１４ａ〜１４ｄに対応してスイッチ回路２４ａ〜２４ｄを設けている。このため、メインスイッチ１２の遮断時にアーク放電が発生を防止することができ、コンセント１４ａ〜１４ｄへの給電、及び遮断時に電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２において、アーク放電が発生することを防止できる。したがって、メインスイッチ１２や電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２の接点の溶融や炭化を防止して、商用交流電力のように、簡易なコンセント１４ａ〜１４ｄにより、安全な直流配電を行うことが可能な直流パワーハブを構成できる。
【００５１】
また、各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流を電流検出回路２８ａ〜２８ｄにより検出し、制御部２６により各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流量を演算している。このため、リモート／ローカル切換回路２５をリモートモードに設定した場合において、制御部２６により演算された電流量に基づき、各コンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の給電、及び遮断を、例えばパーソナルコンピュータや制御部２６により、制御することが可能できる。したがって、直流電源の電力容量以上の電流が流れた場合、コンセント１４ａ〜１４ｄへの給電を遮断できるため、安定で安全な直流配電を行うことができる。
【００５２】
さらに、リモート／ローカル切換回路２５を有し、リモート／ローカル切換回路２５をローカルモードに設定した場合、各コンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の給電、及び遮断をスイッチ１５ａ〜１５ｄにより手動によって切り換えることができる。したがって、必要に応じてコンセント１４ａ〜１４ｄへの給電を制御できるため、自由な配電が可能である。
【００５３】
また、スイッチ回路２２、２４ａ〜２４ｄが接続される各配線に例えばヒューズにより構成された過電流保護回路２１、２３ａ〜２３ｄが接続されている。
【００５４】
さらに、接続ライン１３に接続されたスイッチ回路２２は、機械的な例えばロッカースイッチにより構成され、スイッチ回路２４ａ〜２４ｄは、リモート／ローカル切換回路２５により、手動又は自動により切換可能とされている。これらスイッチ回路２２、２４ａ〜２４ｄの絶縁耐圧は主に機械的な基本構成で決まり、通電電流値は通電時の発熱量できまる。スイッチ回路２２、２４ａ〜２４ｄは、上述したように、アーク放電抑止効果を有している。このため、発熱量が僅かであり、スイッチの絶縁耐圧の劣化を防止することが可能である。
【００５５】
また、電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２は、アーク放電が発生しないため、交流仕様の既存の電磁リレーを用いることができる。したがって、製造コストを低減することが可能である。
【００５６】
さらに、メインスイッチ１２や電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２からアーク放電が発生しないため、アークノイズやサージノイズの発生を防止することができる。したがって、電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２の近傍に、例えばマイクロコンピュータからなる制御部２６を配置することが可能であり、装置構成を小型化することが可能である。
【００５７】
また、スイッチ回路２４ａ〜２４ｄや、電流検出回路２８ａ〜２８ｄの電源は、電源回路３０により、直流電源から生成できる。さらに、スイッチ回路２４ａ（２４ｂ〜２４ｄ）の電源を、例えば図３に示すヒューズ２３ａとコンセント１４ａの接続ノードから供給できる。したがって、外部電源が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
【００５８】
さらに、複数のコンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の給電、及び遮断を制御することができるため、各コンセント１４ａ〜１４ｄに接続される機器内に交流を直流に変換するための電源回路を設ける必要がない。したがって、機器の小型化が可能である。
【００５９】
また、各コンセント１４ａ〜１４ｄに接続される機器に直流電源を供給することができるため、機器の外部に交流を直流に変換するためのアダプターを接続する必要がない。一般に、アダプターは接続される機器毎に形状や大きさが異なり、コンセントの周りが乱雑とるが、直流パワーハブを用いることにより、コンセントの周りを整然とすることが可能である。
【００６０】
図４は、上記構成の直流パワーハブの第１の使用形態を示している。
【００６１】
図４は、１つの直流電源３５を複数の電気電子機器により共有する場合を示している。コンセント１４ａ〜１４ｄに、例えばＬＥＤ照明３１、ヒータ３２、直流モータ３３、インバータ利用機器３４がそれぞれ接続された場合を示している。
【００６２】
本実施形態の直流パワーハブを用いることにより、１つの直流電源３５を複数の電気電子機器により共有することができる。
【００６３】
図５は、直流パワーハブの第２の使用形態を示すものであり、多様な電源と多様な電気電子機器との配線の例を示している。図５において、図４と同一部分には同一符号を付している。
【００６４】
近時、太陽光発電機や風力発電機などの分散型の直流発電装置が普及し、リチュウムイオン電池などの２次電池を組み合わせた直流電源から直接ＬＥＤ照明やモータやインバータ電源など直流で動作する電気電子機器に電力を供給する配電技術が求められている。
【００６５】
図５に示すように、直流パワーハブを用いることにより、太陽光発電機４１や風力発電機４２、二次電池４３により発生された直流電源、及び交流電源４４をＡ／Ｄ変換器４５により変換した直流電源を多様な電気電子機器に供給することが可能である。したがって、太陽光発電機４１、風力発電機４２のような直流発電と２次電池及び商用電源を共存させることができ、簡易なコンセント１４ａ〜１４ｄにより直流配電を行うことが可能である。
【００６６】
図６は、直流パワーハブの第３の使用形態を示すものである。
【００６７】
直流配電システムにおいて、２次電池は電源であると同時に、充電の際負荷となる。この動作をできるだけ簡単なスイッチングで実現することが望まれている。
【００６８】
上記直流パワーハブにおいて、電流の流れる方向は、複数の電源から複数の負荷へと流れる。基本的には単方向性であるが、２次電池などには、双方向性を実現できる。
【００６９】
図６は、直流パワーハブのコンセント１４ｂに二次電池４６を接続した状態を示している。このように、直流パワーハブを用いて二次電池を充電することが可能である。また、この二次電池４６の直流電源を他のコンセント１４ａ、１４ｃ、１４ｄに供給することも可能である。
【００７０】
（電源の電力容量と電気電子機器の必要電流の調整、制御）
太陽光発電機や風力発電機、或いは２次電池は、電力会社の交流電源と異なり、置かれた環境によって、使用可能な電力容量に制限がある。配線や配電装置にも電流制限がある。一方、最近の省電力機器は、インバータ技術によって使用条件に合わせて広い範囲で電流を変化させることが可能とされている。すなわち、時間的に変化する複数の電源に、時間的に必要な電流値が変化する複数の電気電子機器が接続される。現在は、この複雑さ、困難さゆえに、直流発電により発生された電力は交流に変換され、電力会社の商用交流と合流して機器に供給されている。
【００７１】
直流電力を直流電力のままで電気電子機器が利用するためには、直流電源の能力に合わせて、接続される複数の機器の電流量が重畳し電源容量を超えることを避け、状況に合わせて機器の動作を制御することが求められる。そのためには、大電流のスイッチ回路で構成される配電回路で、配線先ごとの個別電力が正確に測定、演算、制御される必要がある。そこで、大電流を開閉するスイッチング回路近傍で、マイクロプロセッサにより電流電圧の測定や演算・制御を可能とする低雑音環境を実現できるスイッチ技術が必要である。
【００７２】
上記直流パワーハブは、人体に対する感電の危険を避けた５０Ｖ、２０Ａの直流電源から、５Ａ×４回路のコンセント１４ａ〜１４ｄに分離し、コンセント１４ｄは、数百ｍＨ程度のインダクタンス負荷にも対応できるようコンデンサの容量を設定している。しかも、電流検出回路２８ａ〜２８ｄにより各配線の電流と電源電圧を常時測定し、制御部２６により、積算電力を算出して電力を管理することも可能である。したがって、直流電源の電力容量と電気電子機器の必要電流に応じて各直流電源の配電を制御することができ、安定な配電を行うことが可能である。
【００７３】
（変形例）
上記実施形態に係る直流パワーハブは、電源として直流電源を用いた場合について説明した。しかし、上記直流パワーハブは、電源として交流電源を用いることも可能である。
【００７４】
上述したように、直流電源は、発電能力が気象条件などに影響を受けるため、交流商用電源のサポートを受けることが望ましい。上記直流パワーハブは、アーク放電の発生を抑制することができる。交流電源を開閉する際のアーク放電は、直流に比べて少ない。このため、直流パワーハブの電源として交流電源を用いることもできる。但し、直流電源と交流電源を共用可能とするため、スイッチ回路を構成するコンデンサの容量、及び交流電源を開閉できるスイッチ、電磁リレーを選択する。さらに、交流用の電磁リレーを用いる場合には、２個の電磁リレーを組み合わせて、図７（ａ）に示すような、スイッチ回路とする。
【００７５】
図７（ａ）に示す回路において、基本的な構成は、上述した通りであり、コンデンサＣｏの容量の条件が異なっている。すなわち、図７（ｂ）に示すように、スイッチＳ２が電流を遮断する時、図７（ｃ）に示すように、コンデンサＣｏに流れる電流Ｉｃがアーク放電の最小電流Ｉｍ（例えば０．３７Ａ）未満（つまりＩｃ＜Ｉｍ）であるように、ΔＴとコンデンサＣｏの関係を定める。ここで、ΔＴは、スイッチＳ１がオフしてからスイッチＳ２がオフまでの遅延時間である。コンデンサＣｏの電圧をＶｏとすると、これらの関係は、次式に示すようになる。
【数１】
【００７６】
さらに、許容電流値を直流電源の場合と交流電源の場合とで、ほぼ一致させておくことにより、同一の負荷を同等に駆動することが可能である。
【００７７】
直流パワーハブにより、交流電源を対象とする場合、図７（ａ）に示す回路のうち、スイッチＳ２をオフ状態として過渡電流用のスイッチ回路を使わず、スイッチＳ１のみで電流を開閉する。
【００７８】
具体的には、図３に示す接続ライン１３に交流電源が接続される。メインスイッチ１２において、過渡電流スイッチ１２ｂは、オフ状態とさせる必要があるため、例えばスイッチ１２とは別に、過渡電流スイッチ１２ｂと直列に新たなスイッチを設け、このスイッチをオフ状態として、過渡電流スイッチ１２ｂの経路を遮断する。
【００７９】
また、スイッチ回路２４ａの電磁リレーＲＬ２をオフ状態とさせるため、例えば電磁リレーＲＬ２のリレー接点と直列に新たなスイッチを設け、このスイッチをオフとして電磁リレーＲＬ２の経路を遮断する。スイッチ回路２４ｂ〜２４ｄもスイッチ回路２４ａと同様の構成とする。さらに、交流電源を用いる場合、電磁リレーの駆動回路ＤＲ、電流検出回路２８等に電源を供給するための電源回路を設ける必要がある。
【００８０】
上記変形例によれば、直流パワーハブを交流電源にも適用することができる。したがって、多様な用途に直流パワーハブを用いることができる。
【００８１】
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。
【符号の説明】
【００８２】
１１…筐体、１２…メインスイッチ、１４ａ〜１４ｄ…コンセント、１５ａ〜１５ｄ…スイッチ、１６…ＵＳＢ端子、１７…切換スイッチ、２２、２４ａ〜２４ｄ…スイッチ回路、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｒ１、Ｒ２…抵抗、ＲＬ１、ＲＬ２…電磁リレー、２５…リモート／ローカル切換回路、２６…制御部、２７…アナログ／デジタル変換器、２８ａ〜２８ｄ…電流検出回路、ＰＣ…パーソナルコンピュータ、３５…直流電源、４１…太陽光発電機、４２…風力発電機、４３、４６…二次電池。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば各種電子機器に直流電源を供給することが可能な直流パワーハブに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流サーボモータやインバータ電源などのように、交流電力を直流に変換して使用する電子機器が増加している。この種の機器は、個別に交流電源を直流電源に変換する変換器（直流電源）を内蔵しており、機器の最大必要電力に対応している。このため、直流電源の分だけ機器が大型化するとともに、直流電源から発生する熱を放熱する対策が必要である。したがって、変換器のような直流電源を内蔵することなく、複数の機器に直流電源を供給することが可能なパワーハブを実現できれば機器の大型化や放熱対策を簡単化でき有用性が高い。
【０００３】
近時、太陽電池や風力発電などの直流発電装置が普及しつつあり、このような直流発電装置により発生された直流電源を利用可能とすることが望まれている。電源の許容能力を超えた多数の負荷がパワーハブに接続される可能性があり、その対策が必用となる。このためには、直流電源に対して負荷回路となる複数の機器に流れる電流を検出しあるは予測し、最悪の電流重畳を避ける必要があるとともに、機器の動作状態に応じて必要な直流電源を自由に切り換えて配電可能とする必要がある。しかし、直流電源のスイッチングは、アークを伴うため電磁妨害波が発生する。したがって、アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブの実現が望まれている。
【０００４】
風力発電などの新電源は、発電能力が気象条件などに左右されるので、直流電源は交流商用電源のサポートを受けることが望まれ、直流パワーハブは、交流電源にも対応できれば好都合である。
【０００５】
尚、アークの発生を抑制して直流電源をスイッチング可能とする回路が開発されている（例えば特許文献１、２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００５／０４１２３１号公報
【特許文献２】米国特許第７，４８６，４８８ Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブ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】
本発明の直流パワーハブの態様は、直流電源が供給され、負荷が接続される少なくとも１つのコンセントと、前記少なくとも１つのコンセントに接続され、前記コンセントへの直流電源の供給を制御する第１のリレー接点と、前記第１のリレー接点に並列接続され、前記第１のリレー接点より遅れてオフする第２のリレー接点と、前記第２のリレー接点に接続された第１のコンデンサを有する少なくとも１つの第１のスイッチ回路と、前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路の動作を切り換える切換回路とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、アークの発生を抑えて直流電源を安定且つ安全に配電することが可能な直流パワーハブを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係る直流パワーハブの実施形態を示すものであり、概観を示す上面図、図１（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）の側面図。
【図２】直流パワーハブの本実施形態を示す構成図。
【図３】図２の一部を示す回路図。
【図４】直流パワーハブの第１の使用形態を示す構成図。
【図５】直流パワーハブの第２の使用形態を示す構成図。
【図６】直流パワーハブの第３の使用形態を示す構成図。
【図７】直流電源と交流電源に接続できるスイッチ回路を説明するために示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施形態に係る直流パワーハブの概観を示している。筐体１１は、例えば上面と、これに平行する底面、第１の側面と、これに平行する第２の側面、第１、第２の側面と直交する第３、第４の側面を有するほぼ直方体とされている。
【００１３】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、第１の側面にメインスイッチ１２、直流電源の接続ライン１３が設けられている。メインスイッチ１２は、例えば２極双投のロッカースイッチにより構成されている。接続ライン１３は、例えば圧着端子を有している。接続ライン１３には、人体に対する感電の危険を避けた最大例えば電源電圧５０Ｖ、電流容量２０Ａの直流電源が接続される。
【００１４】
第３の側面には２つのコンセント１４ａ、１４ｂが設けられ、第４の側面には１４ｃ、１４ｄが設けられている。これらコンセント１４ａ〜１４ｄは、５０Ｖ、２０Ａの直流電源からそれぞれ最大例えば電圧５０Ｖ、電流容量５Ａの直流電源に分配し、出力可能とされている。第１の側面には、コンセント１４ａ、１４ｃに対する直流電源の供給を手動にて切り換え可能とするスイッチ１５ａ、１５ｃが配置され、第２の側面には、図１（ｃ）に示すように、各コンセント１４ｂ、１４ｄに対する直流電源の供給を手動にて切り換え可能とするスイッチ１５ｂ、１５ｄが配置されている。スイッチ１５ａ〜１５ｄは、例えばロッカースイッチにより構成されている。
【００１５】
さらに、第２の側面には、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）端子１６、及び切換スイッチ１７が設けられている。ＵＳＢ端子１６には、例えばパーソナルコンピュータが接続可能とされている。切換スイッチ１７は、例えばスライドスイッチにより構成されている。
【００１６】
切換スイッチ１７は、コンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄへの通電を例えばパーソナルコンピュータにより切り換え可能とするリモートモードと、スイッチ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄにより手動で切り替え可能とするローカルモードを切り替えるものである。
【００１７】
さらに、筐体１１の上面には、各コンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに対応して、コンセントに流れる電流量を表示する表示部ＬＤａ、ＬＤｂ、ＬＤｃ、ＬＤｄが設けられている。各表示部ＬＤａ、ＬＤｂ、ＬＤｃ、ＬＤｄは、それぞれ複数の発光ダイオードにより構成されている。
【００１８】
上記構成において、切換スイッチ１７を例えばローカルモードとした状態において、メインスイッチ１２を投入し、スイッチ１５ａを投入すると、接続ライン１３を介して供給された直流電源がコンセント１４ａに供給される。このコンセント１４ａに例えば直流モータに接続されたプラグを挿入することにより、モータを駆動することができる。他のコンセント１４ｂ〜１４ｄもスイッチ１５ｂ〜１５ｄをオンすることにより、直流電源が供給される。このため、これらコンセント１４ｂ〜１４ｄに直流機器のプラグを挿入することにより、直流機器に直流電源を供給することができる。
【００１９】
また、切換スイッチ１７を例えばリモートモードに切り換えると、ＵＳＢ端子１６に接続された例えばパーソナルコンピュータにより、コンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の供給をスイッチ１５ａ〜１５ｄとは無関係に制御することができる。このため、後述するように、各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流量を測定し、これら電流量の合計が直流電源の能力を超えないよう、コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流を遮断することによって制御することができる。
【００２０】
図２は、図１に示す直流パワーハブの概略構成を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。
【００２１】
図２において、直流電源が接続される接続ライン１３のプラス（＋）端子には、過電流保護回路２１を介してスイッチ回路２２が接続されている。過電流保護回路２１は例えばヒューズであり、スイッチ回路２２は、後述するように、メインスイッチ１２を含み、電源の遮断時に発生する過渡電流を制御し、アーク放電の発生を抑制した無アーク放電スイッチ回路である。
【００２２】
スイッチ回路２２には、複数の過電流保護回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを介してコンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが接続されている。過電流保護回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、例えばヒューズである。
【００２３】
各コンセント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄには、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄが接続されている。これらスイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、後述するように、例えば交流用電磁リレーの励磁コイルを直流電圧で制御し、電源の遮断時に発生する過渡電流を制御し、アーク放電の発生を抑制した無アーク放電スイッチ回路である。
【００２４】
これらスイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、リモート／ローカル切換回路２５に接続されている。このリモート／ローカル切換回路２５には、スイッチ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、及び切換スイッチ１７が接続されている。さらに、リモート／ローカル切換回路２５は、制御部２６に接続されている。この制御部２６は、例えばマイクロコンピュータ（ＭＰＵ）により構成されている。この制御部２６には、例えばアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２７、ＵＳＢ端子１６が接続されている。
【００２５】
さらに、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、電流検出回路２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄをそれぞれ介して接続ライン１３のマイナス（−）端子に接続されている。これら電流検出回路２８ａ〜２８ｄは、対応する各コンセントに流れる電流を検出する。これら電流検出回路２８ａ〜２８ｄの出力信号は、切換回路２９を介してＡ／Ｄ変換器２７に供給される。
【００２６】
切換回路２９は例えばセレクタ回路により構成されている。この切換回路２９は、制御部２６から供給される制御信号に従って電流検出回路２８ａ〜２８ｄの出力信号を選択してＡＤＣ２７に供給する。ＡＤＣ２７は入力信号をデジタル信号に変換し、制御部２６に供給する。
【００２７】
さらに、ＡＤＣ２７には、スイッチ回路２２からＡＤＣ２７に適応した電源が供給される。この電源は、直流電源が例えば抵抗器等で分圧して生成される。
【００２８】
制御部２６は、ＡＤＣ２７から供給された信号に基づき、各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流量、つまり、各コンセント１４ａ〜１４ｄに接続された負荷に流れる電流量を演算するとともに、例えばこれら電流量とスイッチ回路２２からの電圧に基づき積算電力や、電源の内部抵抗を演算することが可能とされている。
【００２９】
さらに、制御部２６は、予め設定された直流電源の容量と、検出された負荷電流の増減に基づき、負荷電流に対して直流電源の容量に余裕があるとき、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをオンとし、余裕がない場合、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの１つ以上をオフとするように制御することも可能である。
【００３０】
電源回路３０は、スイッチ回路２２に接続され、スイッチ回路２２から供給される直流電源に基づき、スイッチ回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、電流検出回路２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄなどの電源を生成している。
【００３１】
尚、メインスイッチ１２を含むスイッチ回路２２は、省略することも可能である。
【００３２】
図３は、図２に示すスイッチ回路２２、２４ａ、リモート／ローカル切換回路２５、電流検出回路２８ａの具体例を示している。図３において、図２と同一部分には同一符号を付している。
【００３３】
図３は、コンセント１４ａに対応するスイッチ回路２４ａ、電流検出回路２８ａをのみを示しているが、コンセント１４ｂ〜１４ｄに対応するスイッチ回路２４ｂ〜２４ｄ、電流検出回路２８ｂ〜２８ｄも同様の構成とされている。
【００３４】
図３において、スイッチ回路２２、２４ａは、基本的には上記特許文献１，２に記載された構成と同様である。すなわち、スイッチ回路２２は、メインスイッチ１２と、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１とにより構成されている。メインスイッチ１２は、通電スイッチ１２ａと過渡電流スイッチ１２ｂにより構成されている。過渡電流スイッチ１２ｂとダイオードＤ１、コンデンサＣ１は直列接続され、この直列回路は、メインスイッチ１２に並列接続されている。抵抗Ｒ１はコンデンサＣ１に並列接続されている。
【００３５】
通電スイッチ１２ａと過渡電流スイッチ１２ｂは連動するが、図３にＡで示すように、過渡電流スイッチ１２ｂは、通電スイッチ１２ａより遅れてオンし、遅れてオフする。このため、例えば過渡電流スイッチ１２ｂの固定接点と可動接点間の間隙距離は、通電スイッチ１２ａの固定接点と可動接点間の間隙距離より長く設定されている。ダイオードＤ１は、通電電流スイッチ１２ａがオンする際、コンデンサからの突入電流を防止する。コンデンサＣ１は、通電スイッチ１２ａがオフする際、アークの発生を抑制する。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の放電用抵抗である。
【００３６】
過渡電流スイッチ１２ｂは、通電スイッチ１２ａより遅れてオフすることによりアークの発生を抑制できる。このため、過渡電流スイッチ１２ｂが通電スイッチ１２ａより遅れてオンすることは、必ずしも必要な要件ではなく、同時にオンさせる構成としてもよい。
【００３７】
通電スイッチ１２ａは過電流保護回路２３としてのヒューズ、コンセント１４ａを介してスイッチ回路２４ａに接続される。スイッチ回路２４ａは、例えば２つの交流用電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２と、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２、Ｒ３、及び電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２の駆動回路ＤＲにより構成されている。図３において、電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２は、リレー接点とコイルに同一の符号を付している。
【００３８】
電磁リレーＲＬ１は、通電スイッチとして機能し、電磁リレーＲＬ２は、過渡電流スイッチとして機能する。コンデンサＣ２と電磁リレーＲＬ２は直列接続され、この直列回路が電磁リレーＲＬ１と抵抗Ｒ３の直列回路に並列接続されている。抵抗Ｒ２はコンデンサＣ２に並列接続されている。
【００３９】
尚、コンセント１４ｄは、例えば数百ｍＨ程度のインダクタンス負荷を接続可能とされている。したがって、スイッチ回路２４ｄのコンデンサＣ２に、大きな静電容量を追加するため、例えば複数のコンデンサが並列接続されている。
【００４０】
駆動回路ＤＲにおいて、ヒューズ２３ａとコンセント１４ａの接続ノードには、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（ＰＭＯＳ）のドレインが接続されている。このＰＭＯＳのドレインとゲート間に抵抗Ｒ４が接続されている。さらに、ＰＭＯＳのゲートは抵抗Ｒ８を介してリモート／ローカル切換回路２５に接続されている。
【００４１】
ＰＭＯＳのドレインは、抵抗Ｒ５、電磁リレーＲＬ１のコイルを介してマイナス端子に接続されるとともに、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ６、電磁リレーＲＬ２のコイルを介してマイナス端子に接続される。電磁リレーＲＬ１のコイルにダイオードＤ３が並列接続され、電磁リレーＲＬ２のコイルにコンデンサＣ４が並列接続されている。
【００４２】
抵抗Ｒ５と電磁リレーＲＬ１のコイルとの接続ノードとマイナス端子間にダイオードＤ４とコンデンサＣ３の直列回路が接続され、コンデンサＣ３に抵抗Ｒ７が並列接続されている。
【００４３】
上記構成において、ＰＭＯＳがオンした場合、電磁リレーＲＬ２は、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ４により定められた時定数により、電磁リレーＲＬ１より遅れてオンする。また、ＰＭＯＳがオフした場合、電磁リレーＲＬ２は、前記時定数により、電磁リレーＲＬ１より遅れてオフする。このため、電磁リレーＲＬ１、ＲＬ２は、図３のＡで示すように、スイッチ回路２２の通電スイッチ１２ａと過渡電流スイッチ１２ｂと同様に動作する。
【００４４】
電磁リレーＲＬ２は、電磁リレーＲＬ１より遅れてオフすることによりアークの発生を抑制できる。このため、電磁リレーＲＬ２が電磁リレーＲＬ１より遅れてオンすることは、必ずしも必要な要件ではなく、同時にオンさせてもよい。
【００４５】
リモート／ローカル切換回路２５において、スイッチ１７は、例えば４つの２極双投スイッチを含むスライドスイッチにより構成されている。すなわち、各２極双投スイッチは、可動接片１７ａと第１、第２の固定接点１７ｂ、１７ｃを有している。各可動接片は、対応する駆動回路ＤＲの抵抗Ｒ８に接続されている。各第１の固定接点１７ｂは、信号伝達手段としてのフォトカプラ１８を構成するフォトトランジスタのコレクタに接続されている。このフォトトランジスタのエミッタは、前記スイッチ１５ａを介して第２の固定接点１７ｃに接続されている。また、フォトカプラ１８を構成する発光ダイオードは、制御部２６に接続されている。
【００４６】
リモート／ローカル切換回路２５は、スイッチ１７の可動接片１７ａが第１の固定接点１７ｂに接続された場合、リモートモードに設定される。リモートモードの場合、制御部２６から出力される信号によりフォトカプラ１８がオン又はオフされることにより、スイッチ１５ａとは無関係にスイッチ回路２４ａを切り換えることができる。また、スイッチ１７の可動接片１７ａが第２の固定接点１７ｃに接続された場合、ローカルモードに設定される。ローカルモードの場合、制御部２６から出力される信号とは無関係にスイッチ１５ａをオン又はオフすることにより、スイッチ回路２４ａを切り換えることができる。
【００４７】
さらに、スイッチ回路２４ａの抵抗Ｒ３に電流検出回路２８ａが接続されている。この電流検出回路２８ａは、抵抗Ｒ９，Ｒ１０，演算増幅器Ｏｐ、及び入力と出力が絶縁された絶縁増幅器ＩＡｍｐにより構成されている。電流検出回路２８ａは、電流検出用抵抗Ｒ３の両端電圧を演算増幅器Ｏｐにより検出増幅し、この演算増幅器Ｏｐの出力信号を絶縁増幅器ＩＡｍｐにより出力する。絶縁増幅器ＩＡｍｐの出力信号は切換回路２９を介してアナログ／デジタル変換器２７に供給される。尚、電流検出用の抵抗Ｒ３に代えて、例えばホール素子や電流トランスを用いることも可能である。
【００４８】
アナログ／デジタル変換器２７は、電流検出回路２８ａの出力信号をデジタル信号に変換し、制御部２６に供給する。制御部２６は、アナログ／デジタル変換器２７から供給された信号に基づき、例えばコンセント１４ａに流れる電流量を演算する。この求められた電流量は、例えばＵＳＢ端子１６に接続されたパーソナルコンピュータＰＣに供給される。
【００４９】
パーソナルコンピュータＰＣは、リモート／ローカル切換回路２５がリモートモードに設定されている場合、例えば制御部２６から供給された各コンセントに対応する電流量に基づき、各コンセントに対する直流電源の供給を制御する。
【００５０】
上記実施形態によれば、メインスイッチ１２を含むスイッチ回路２２を設けるとともに、コンセント１４ａ〜１４ｄに対応してスイッチ回路２４ａ〜２４ｄを設けている。このため、メインスイッチ１２の遮断時にアーク放電が発生を防止することができ、コンセント１４ａ〜１４ｄへの給電、及び遮断時に電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２において、アーク放電が発生することを防止できる。したがって、メインスイッチ１２や電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２の接点の溶融や炭化を防止して、商用交流電力のように、簡易なコンセント１４ａ〜１４ｄにより、安全な直流配電を行うことが可能な直流パワーハブを構成できる。
【００５１】
また、各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流を電流検出回路２８ａ〜２８ｄにより検出し、制御部２６により各コンセント１４ａ〜１４ｄに流れる電流量を演算している。このため、リモート／ローカル切換回路２５をリモートモードに設定した場合において、制御部２６により演算された電流量に基づき、各コンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の給電、及び遮断を、例えばパーソナルコンピュータや制御部２６により、制御することが可能できる。したがって、直流電源の電力容量以上の電流が流れた場合、コンセント１４ａ〜１４ｄへの給電を遮断できるため、安定で安全な直流配電を行うことができる。
【００５２】
さらに、リモート／ローカル切換回路２５を有し、リモート／ローカル切換回路２５をローカルモードに設定した場合、各コンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の給電、及び遮断をスイッチ１５ａ〜１５ｄにより手動によって切り換えることができる。したがって、必要に応じてコンセント１４ａ〜１４ｄへの給電を制御できるため、自由な配電が可能である。
【００５３】
また、スイッチ回路２２、２４ａ〜２４ｄが接続される各配線に例えばヒューズにより構成された過電流保護回路２１、２３ａ〜２３ｄが接続されている。
【００５４】
さらに、接続ライン１３に接続されたスイッチ回路２２は、機械的な例えばロッカースイッチにより構成され、スイッチ回路２４ａ〜２４ｄは、リモート／ローカル切換回路２５により、手動又は自動により切換可能とされている。これらスイッチ回路２２、２４ａ〜２４ｄの絶縁耐圧は主に機械的な基本構成で決まり、通電電流値は通電時の発熱量できまる。スイッチ回路２２、２４ａ〜２４ｄは、上述したように、アーク放電抑止効果を有している。このため、発熱量が僅かであり、スイッチの絶縁耐圧の劣化を防止することが可能である。
【００５５】
また、電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２は、アーク放電が発生しないため、交流仕様の既存の電磁リレーを用いることができる。したがって、製造コストを低減することが可能である。
【００５６】
さらに、メインスイッチ１２や電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２からアーク放電が発生しないため、アークノイズやサージノイズの発生を防止することができる。したがって、電磁リレーＲＬ１，ＲＬ２の近傍に、例えばマイクロコンピュータからなる制御部２６を配置することが可能であり、装置構成を小型化することが可能である。
【００５７】
また、スイッチ回路２４ａ〜２４ｄや、電流検出回路２８ａ〜２８ｄの電源は、電源回路３０により、直流電源から生成できる。さらに、スイッチ回路２４ａ（２４ｂ〜２４ｄ）の電源を、例えば図３に示すヒューズ２３ａとコンセント１４ａの接続ノードから供給できる。したがって、外部電源が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
【００５８】
さらに、複数のコンセント１４ａ〜１４ｄに対する直流電源の給電、及び遮断を制御することができるため、各コンセント１４ａ〜１４ｄに接続される機器内に交流を直流に変換するための電源回路を設ける必要がない。したがって、機器の小型化が可能である。
【００５９】
また、各コンセント１４ａ〜１４ｄに接続される機器に直流電源を供給することができるため、機器の外部に交流を直流に変換するためのアダプターを接続する必要がない。一般に、アダプターは接続される機器毎に形状や大きさが異なり、コンセントの周りが乱雑とるが、直流パワーハブを用いることにより、コンセントの周りを整然とすることが可能である。
【００６０】
図４は、上記構成の直流パワーハブの第１の使用形態を示している。
【００６１】
図４は、１つの直流電源３５を複数の電気電子機器により共有する場合を示している。コンセント１４ａ〜１４ｄに、例えばＬＥＤ照明３１、ヒータ３２、直流モータ３３、インバータ利用機器３４がそれぞれ接続された場合を示している。
【００６２】
本実施形態の直流パワーハブを用いることにより、１つの直流電源３５を複数の電気電子機器により共有することができる。
【００６３】
図５は、直流パワーハブの第２の使用形態を示すものであり、多様な電源と多様な電気電子機器との配線の例を示している。図５において、図４と同一部分には同一符号を付している。
【００６４】
近時、太陽光発電機や風力発電機などの分散型の直流発電装置が普及し、リチュウムイオン電池などの２次電池を組み合わせた直流電源から直接ＬＥＤ照明やモータやインバータ電源など直流で動作する電気電子機器に電力を供給する配電技術が求められている。
【００６５】
図５に示すように、直流パワーハブを用いることにより、太陽光発電機４１や風力発電機４２、二次電池４３により発生された直流電源、及び交流電源４４をＡ／Ｄ変換器４５により変換した直流電源を多様な電気電子機器に供給することが可能である。したがって、太陽光発電機４１、風力発電機４２のような直流発電と２次電池及び商用電源を共存させることができ、簡易なコンセント１４ａ〜１４ｄにより直流配電を行うことが可能である。
【００６６】
図６は、直流パワーハブの第３の使用形態を示すものである。
【００６７】
直流配電システムにおいて、２次電池は電源であると同時に、充電の際負荷となる。この動作をできるだけ簡単なスイッチングで実現することが望まれている。
【００６８】
上記直流パワーハブにおいて、電流の流れる方向は、複数の電源から複数の負荷へと流れる。基本的には単方向性であるが、２次電池などには、双方向性を実現できる。
【００６９】
図６は、直流パワーハブのコンセント１４ｂに二次電池４６を接続した状態を示している。このように、直流パワーハブを用いて二次電池を充電することが可能である。また、この二次電池４６の直流電源を他のコンセント１４ａ、１４ｃ、１４ｄに供給することも可能である。
【００７０】
（電源の電力容量と電気電子機器の必要電流の調整、制御）
太陽光発電機や風力発電機、或いは２次電池は、電力会社の交流電源と異なり、置かれた環境によって、使用可能な電力容量に制限がある。配線や配電装置にも電流制限がある。一方、最近の省電力機器は、インバータ技術によって使用条件に合わせて広い範囲で電流を変化させることが可能とされている。すなわち、時間的に変化する複数の電源に、時間的に必要な電流値が変化する複数の電気電子機器が接続される。現在は、この複雑さ、困難さゆえに、直流発電により発生された電力は交流に変換され、電力会社の商用交流と合流して機器に供給されている。
【００７１】
直流電力を直流電力のままで電気電子機器が利用するためには、直流電源の能力に合わせて、接続される複数の機器の電流量が重畳し電源容量を超えることを避け、状況に合わせて機器の動作を制御することが求められる。そのためには、大電流のスイッチ回路で構成される配電回路で、配線先ごとの個別電力が正確に測定、演算、制御される必要がある。そこで、大電流を開閉するスイッチング回路近傍で、マイクロプロセッサにより電流電圧の測定や演算・制御を可能とする低雑音環境を実現できるスイッチ技術が必要である。
【００７２】
上記直流パワーハブは、人体に対する感電の危険を避けた５０Ｖ、２０Ａの直流電源から、５Ａ×４回路のコンセント１４ａ〜１４ｄに分離し、コンセント１４ｄは、数百ｍＨ程度のインダクタンス負荷にも対応できるようコンデンサの容量を設定している。しかも、電流検出回路２８ａ〜２８ｄにより各配線の電流と電源電圧を常時測定し、制御部２６により、積算電力を算出して電力を管理することも可能である。したがって、直流電源の電力容量と電気電子機器の必要電流に応じて各直流電源の配電を制御することができ、安定な配電を行うことが可能である。
【００７３】
（変形例）
上記実施形態に係る直流パワーハブは、電源として直流電源を用いた場合について説明した。しかし、上記直流パワーハブは、電源として交流電源を用いることも可能である。
【００７４】
上述したように、直流電源は、発電能力が気象条件などに影響を受けるため、交流商用電源のサポートを受けることが望ましい。上記直流パワーハブは、アーク放電の発生を抑制することができる。交流電源を開閉する際のアーク放電は、直流に比べて少ない。このため、直流パワーハブの電源として交流電源を用いることもできる。但し、直流電源と交流電源を共用可能とするため、スイッチ回路を構成するコンデンサの容量、及び交流電源を開閉できるスイッチ、電磁リレーを選択する。さらに、交流用の電磁リレーを用いる場合には、２個の電磁リレーを組み合わせて、図７（ａ）に示すような、スイッチ回路とする。
【００７５】
図７（ａ）に示す回路において、基本的な構成は、上述した通りであり、コンデンサＣｏの容量の条件が異なっている。すなわち、図７（ｂ）に示すように、スイッチＳ２が電流を遮断する時、図７（ｃ）に示すように、コンデンサＣｏに流れる電流Ｉｃがアーク放電の最小電流Ｉｍ（例えば０．３７Ａ）未満（つまりＩｃ＜Ｉｍ）であるように、ΔＴとコンデンサＣｏの関係を定める。ここで、ΔＴは、スイッチＳ１がオフしてからスイッチＳ２がオフまでの遅延時間である。コンデンサＣｏの電圧をＶｏとすると、これらの関係は、次式に示すようになる。
【数１】
【００７６】
さらに、許容電流値を直流電源の場合と交流電源の場合とで、ほぼ一致させておくことにより、同一の負荷を同等に駆動することが可能である。
【００７７】
直流パワーハブにより、交流電源を対象とする場合、図７（ａ）に示す回路のうち、スイッチＳ２をオフ状態として過渡電流用のスイッチ回路を使わず、スイッチＳ１のみで電流を開閉する。
【００７８】
具体的には、図３に示す接続ライン１３に交流電源が接続される。メインスイッチ１２において、過渡電流スイッチ１２ｂは、オフ状態とさせる必要があるため、例えばスイッチ１２とは別に、過渡電流スイッチ１２ｂと直列に新たなスイッチを設け、このスイッチをオフ状態として、過渡電流スイッチ１２ｂの経路を遮断する。
【００７９】
また、スイッチ回路２４ａの電磁リレーＲＬ２をオフ状態とさせるため、例えば電磁リレーＲＬ２のリレー接点と直列に新たなスイッチを設け、このスイッチをオフとして電磁リレーＲＬ２の経路を遮断する。スイッチ回路２４ｂ〜２４ｄもスイッチ回路２４ａと同様の構成とする。さらに、交流電源を用いる場合、電磁リレーの駆動回路ＤＲ、電流検出回路２８等に電源を供給するための電源回路を設ける必要がある。
【００８０】
上記変形例によれば、直流パワーハブを交流電源にも適用することができる。したがって、多様な用途に直流パワーハブを用いることができる。
【００８１】
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。
【符号の説明】
【００８２】
１１…筐体、１２…メインスイッチ、１４ａ〜１４ｄ…コンセント、１５ａ〜１５ｄ…スイッチ、１６…ＵＳＢ端子、１７…切換スイッチ、２２、２４ａ〜２４ｄ…スイッチ回路、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｒ１、Ｒ２…抵抗、ＲＬ１、ＲＬ２…電磁リレー、２５…リモート／ローカル切換回路、２６…制御部、２７…アナログ／デジタル変換器、２８ａ〜２８ｄ…電流検出回路、ＰＣ…パーソナルコンピュータ、３５…直流電源、４１…太陽光発電機、４２…風力発電機、４３、４６…二次電池。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源が供給され、負荷が接続される少なくとも１つのコンセントと、
前記少なくとも１つのコンセントに接続され、前記コンセントへの直流電源の供給を制御する第１のリレー接点と、前記第１のリレー接点に並列接続され、前記第１のリレー接点より遅れてオフする第２のリレー接点と、前記第２のリレー接点に接続された第１のコンデンサを有する少なくとも１つの第１のスイッチ回路と、
前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路の動作を切り換える切換回路と
を具備することを特徴とする直流パワーハブ。
【請求項２】
前記少なくとも１つのコンセントに流れる電流を検出する少なくとも１つの電流検出回路と、
前記電流検出回路により検出された電流に基づき、電流量を演算する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の直流パワーハブ。
【請求項３】
前記切換回路に設けられ、前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路を遠隔操作するリモートモード又は手動操作するローカルモードの一方に設定する第１のスイッチと、
前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路に設けられ前記第１、第２のリレー接点を駆動する駆動回路と、
前記第１のスイッチがローカルモードに設定された場合において、前記駆動回路を起動又は停止させる第２のスイッチと、
前記第１のスイッチがリモートモードに設定された場合において、前記制御部の出力信号を前記駆動回路に伝達する信号伝達手段と
をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の直流パワーハブ。
【請求項４】
前記制御部は、パーソナルコンピュータを接続するためのユニバーサル・シリアル・バスを有し、前記制御部は、前記パーソナルコンピュータの指示に基づき前記信号伝達手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項５】
前記直流電源を開閉する第３のスイッチと、前記第３のスイッチに並列接続され、前記第３のスイッチより遅れてオフする第４のスイッチと、前記第４のスイッチに接続された第２のコンデンサを有する第２のスイッチ回路をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項６】
前記コンセントに接続される負荷は、二次電池を含み、前記二次電池はコンセントに接続された状態において、直流電源としても機能することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項７】
前記直流電源は、少なくとも太陽光発電機、風力発電機を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項８】
前記少なくとも第１のスイッチ回路のリレー接点をオフとし、前記少なくとも１つのコンセントに交流電源を供給することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項１】
直流電源が供給され、負荷が接続される少なくとも１つのコンセントと、
前記少なくとも１つのコンセントに接続され、前記コンセントへの直流電源の供給を制御する第１のリレー接点と、前記第１のリレー接点に並列接続され、前記第１のリレー接点より遅れてオフする第２のリレー接点と、前記第２のリレー接点に接続された第１のコンデンサを有する少なくとも１つの第１のスイッチ回路と、
前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路の動作を切り換える切換回路と
を具備することを特徴とする直流パワーハブ。
【請求項２】
前記少なくとも１つのコンセントに流れる電流を検出する少なくとも１つの電流検出回路と、
前記電流検出回路により検出された電流に基づき、電流量を演算する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の直流パワーハブ。
【請求項３】
前記切換回路に設けられ、前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路を遠隔操作するリモートモード又は手動操作するローカルモードの一方に設定する第１のスイッチと、
前記少なくとも１つの第１のスイッチ回路に設けられ前記第１、第２のリレー接点を駆動する駆動回路と、
前記第１のスイッチがローカルモードに設定された場合において、前記駆動回路を起動又は停止させる第２のスイッチと、
前記第１のスイッチがリモートモードに設定された場合において、前記制御部の出力信号を前記駆動回路に伝達する信号伝達手段と
をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の直流パワーハブ。
【請求項４】
前記制御部は、パーソナルコンピュータを接続するためのユニバーサル・シリアル・バスを有し、前記制御部は、前記パーソナルコンピュータの指示に基づき前記信号伝達手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項５】
前記直流電源を開閉する第３のスイッチと、前記第３のスイッチに並列接続され、前記第３のスイッチより遅れてオフする第４のスイッチと、前記第４のスイッチに接続された第２のコンデンサを有する第２のスイッチ回路をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項６】
前記コンセントに接続される負荷は、二次電池を含み、前記二次電池はコンセントに接続された状態において、直流電源としても機能することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項７】
前記直流電源は、少なくとも太陽光発電機、風力発電機を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【請求項８】
前記少なくとも第１のスイッチ回路のリレー接点をオフとし、前記少なくとも１つのコンセントに交流電源を供給することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の直流パワーハブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２２３８０９（Ｐ２０１１−２２３８０９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９２４４４（Ｐ２０１０−９２４４４）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（３０３０５６６２３）
【出願人】（０００２２２０２６）東北電子産業株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（３０３０５６６２３）
【出願人】（０００２２２０２６）東北電子産業株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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