JP2010262378A - サイリスタ式交流電力調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズや電源歪が多く電源事情の悪い場合でも、誤動作が少なく、経済的で、使用し易いサイリスタ式交流電力調整装置を提供する。
【解決手段】サイリスタ位相制御によって交流電圧電源における電力調整を行う交流電力調整装置として、電源電圧のゼロクロスポイントを検出するために設けられた正方向及び逆方向の同期信号検出回路１１、１２と、検出された電源ゼロクロスポイントから制御信号に応じたタイミングでサイリスタを駆動するためのパルスを発生させるパルス発生回路１５と、正方向及び逆方向のサイリスタを駆動するためのサイリスタ駆動回路１６、１７と、前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させる正方向及び逆方向のトリガ信号伝達ゲート１８、１９を具備し、上記パルス発生回路は１個のみ使用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サイリスタ位相制御方式によって交流電圧電源における電力調整を行うサイリスタ式交流電力調整装置に関するものである。

交流電圧電源において、サイリスタ位相制御による電力調整を行う場合、電源波形の歪ノイズによってサイリスタ駆動回路の誤動作を引き起こすことがある。図５を例に説明すると、図５Ａの正常電源波形では正のトリガパルが消えてから負のトリガ電源が立ち上がるので、サイリスタに誤動作が生じることはない。しかし、図５Ｂに示すように、電源ゼロクロスポイント付近に歪ノイズが発生すると、正のトリガパルが消えない内に負のトリガ電源が立ち上がるという現象が起きる。電源波形の歪ノイズにより、サイリスタ駆動回路の誤動作発生の一例であり、誤動作は、特に、電源ゼロクロスポイント付近にて電圧波形が急変する場合に発生しやすく、サイリスタが誤動作を起こすと、当然のことながら正しい電力調整が行われなくなる。このサイリスタの誤動作に伴う現象は、交流電源波形において、前の半サイクルの位相で制御を始めるとき、後に続く逆の半サイクルのゼロクロスポイントからの立ち上がり時に前の半サイクルの駆動パルスが残り、後に続く逆の半サイクルのサイリスタをトリガさせてしまうことによる。この結果、微小出力させるようにサイリスタを制御しているにもかかわらず最大出力となり、はなはだしい場合には制御不能となる。

このような事態は、電力事情の悪化に伴って発生し、電力事情の悪化は送電系統の問題としてだけではなく、電力供給先に設備されている当該装置の周辺設備の作動と連動して起こるケースが多く、例えば瞬時停電のような問題を伴うことがあり、ある意味では設備機器等の集約化に伴う不可避的な問題であるといえる。しかし、例えば半導体製造ラインにおける焼成工程のように、予熱、加熱、ベーク等の装置がシリースに配列されていて、その一角を当該装置が占めているようなものである場合、当該装置が制御不能になるとそれはラインの停止を意味することになり、現実に生じ得る被害は甚大なものとなる可能性がある。

取り得る対策の一つとしては、同期信号検出レベルをゼロクロスポイントからずらす方法がある。電源波形において、同期信号を電源ゼロクロスポイントではなく、あるレベル以上の範囲で検出を行うもので、図６に例示したように同期信号検出のトランジスタもしくはフォトカプラの駆動回路に、ダイオードもしくはツェナーダイオード等を接続し、ダイオードの順電圧もしくはツェナー電圧等による閾値を超えた電圧でトリガパルス発生回路を動作させる方法である。この方法による場合、ゼロクロスポイント付近ではサイリスタのトリガ信号は無くなるため前記不具合をある程度改善できるが、しかし、ゼロクロスポイントで閾値を超える電圧急変の場合は誤動作を防止できない。それは同期信号検出を電圧レベルのみで行い、時間要素を考慮していないためであるが、また、位相制御範囲も狭くなる欠点もある。

他の対策としては、一つのトリガパルス発生回路で正、負別々のトリガ信号とする方法がある。これは、トリガパルス発生回路は一組でサイリスタを駆動するトリガ信号を正、逆別々の電源を用いて構成し、正、逆各々のトリガ信号電源について、交流電源波形から供給することで電源位相に同期させるものである。正のトリガ信号電源は正の交流半波を使用し、負のトリガ信号は負の交流半波を使用する方法であるが、電源ゼロクロスポイント検出回路にはノイズ抑制用のフィルタが使用されるため時間遅れを生じるという問題がある。トリガ電源は交流電源から直接もしくは変圧器経由で取り出し、電流容量も必要なため、時間遅れの大きいフィルタは設けられず、このため、同期信号のフィルタによる時間遅れよりも時間遅れは小さくなる。従って、電源ゼロクロスポイントで電圧の急激な変化があると、前の半サイクルのトリガパルスが残ったまま後の半サイクルのトリガ電源が立ち上がり、前記の不具合が発生するものである。

さらに、交流の正方向、逆方向別々にトリガパルスを発生させ、正、逆方向のサイリスタを個別に駆動する構成を取るなら、より完全な対策方法となり得る。しかし、それにはトリガパルスを発生させる回路部品が２個必要となり、パルス発生回路は安価ではないから、部品点数が多い上に経済的ではなくなり、更に２個の回路のバランス調整を必要とするので、実際に可能ではあっても利点は少なく実用的とも言い難い。上記のような対策が考えられるものの、電源歪ノイズによるサイリスタの誤動作を防止するための装置に関する先行技術を見出すことはできなかった。なお、敢えて参考文献を示せば以下の通りである。

特開平１０−１６４８４４号

本発明は前記の点に着目してなされたもので、その課題は、ノイズや電源歪が多く電源事情の悪い場合でも、誤動作の少ない、経済的な、しかも使用し易いサイリスタ式交流電力調整装置を提供することである。また、本発明の他の課題は、サイリスタ位相制御技術を用いた交流電力調整装置において、電源歪ノイズに対するサイリスタの誤動作を防止する装置を提供することである。

前記の課題を解決するため、本発明は、サイリスタ位相制御によって交流電圧電源における電力調整を行うサイリスタ式交流電力調整装置として、サイリスタ位相制御に必要な電源電圧のゼロクロスポイントを検出するために設けられた正方向及び逆方向の同期信号検出回路と、同期信号検出回路にて検出された電源ゼロクロスポイントから制御信号に応じたタイミングでサイリスタを駆動するためのパルスを発生させるパルス発生回路と、正方向及び逆方向のサイリスタを駆動するために、正方向及び逆方向のサイリスタ駆動回路と、微小出力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合に、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させる正方向及び逆方向のトリガ信号伝達ゲートを具備し、上記パルス発生回路は１個のみ使用
し、この１個のパルス発生回路を動作させるために同期信号を正方向及び逆方向の２個使用するとともに、１個のパルス発生回路で発生したパルスをサイリスタトリガ信号として使用し、正方向及び逆方向のサイリスタに必要な期間だけトリガ信号を伝達できるように構成するという手段を講じたものである。

本発明のサイリスタ式交流電力調整装置は、トリガパルス発生回路は１個のみ使用し、正方向、逆方向別々のトリガ信号とするものである。そして、パルス発生回路を動作させる同期信号を正方向、逆方向の２個使用すること、この２個の同期信号により動作するトリガ信号伝達ゲートを設け、正方向、逆方向それぞれのサイリスタに必要な期間のみトリガ信号を伝達できるようにしたことを特徴とするものである。

本発明のサイリスタ式電力調整装置を構成する要素の一つである同期信号検出回路は、サイリスタ位相制御に必要となる電源電圧のゼロクロスポイントを検出する回路であり、正方向、逆方向の２個から成る。従って、厳密な意味ではゼロクロスポイントよりも僅かに遅れたタイミングとなる。同期信号検出回路として使用し得るものは、回路を交流電源に直接接続する場合はフォトカプラが一般的である。電源トランスも使用可能であり、その２次側で同期信号を検出する場合にはトランジスタ又はＩＣを使用する。

パルス発生回路は、同期信号検出回路にて検出された電源ゼロクロスポイントから制御信号に応じたタイミングでサイリスタを駆動するためのパルスを発生させる手段であり、ただ１個のみ使用する。パルス発生回路は、制御信号が小さい時はゼロクロスポイントから大きく遅れたタイミング（次のゼロクロスポイント直前となる）でパルスを発生させ、大きい制御信号の時はゼロクロスポイント直近のタイミングでパルスを発生させるように作動するものであり、例えば抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ＩＣ等で構成されるタイマー回路の一種であって、後述するトリガ信号伝達ゲートの数倍と安価ではない。

サイリスタ駆動回路は、正方向及び逆方向のサイリスタを駆動するために、正方向及び逆方向の２個から成る。前記パルス発生回路の出力パルスは弱電信号であり、強電回路のサイリスタとは絶縁し、サイリスタを駆動するための電力増幅を行う回路である。従来はパルストランス又はフォトカプラにより絶縁し、電源トランスにサイリスタ駆動専用巻線を設け、サイリスタ側でゲート駆動増幅回路を構成する方法が行われた。これに対して、高耐圧のフォトサイリスタもしくはフォトトライアックを使用したサイリスタカプラ、トライアックカプラを使用し、絶縁とゲート増幅を同時に行う構成を取ることができ、現在主流になっているが、この構成はコスト及びスペースの点で有利である。

上述のトリガ信号伝達ゲートは、微小出力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合に、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させるもので、正方向及び逆方向の２個から成る。正方向及び逆方向の２個のトリガ信号伝達ゲートは、正方向及び逆方向の同期信号検出回路によってそれぞれが駆動される。交流電源は電圧が正→負、或いは負→正に変化する時に必ずゼロ電圧点を通過するので、同期信号検出回路を正方向及び逆方向について設けた場合、電源歪が発生していれば電源ゼロクロスポイントでパルス発生回路を必ずリセットできるとは限らない。そこで、本発明では同期信号検出回路の入力にフィルタを設けることによって（図２参照）、パルス発生回路が電源ゼロクロスポイントで必ずリセットされるように図っている。また、電源ゼロクロスポイント付近では、トリガ信号伝達ゲートは、正、負共にオフとなり、電源ゼロクロスポイントを過ぎてから必要な方向のみ動作する。従って、電源ゼロクロスポイントで電圧の急激な変動があっても、前の半サイクルのトリガ信号の影響を受けないためサイリスタの誤動作を防止することができる。

本発明は以上のように構成され、パルス発生回路を１個のみ使用し、この１個のパルス発生回路を動作させるために同期信号を正方向及び逆方向の２個使用するとともに、１個のパルス発生回路で発生したパルスをサイリスタトリガ信号として使用し、正方向及び逆方向のサイリスタに必要な期間だけトリガ信号を伝達できるものであるから、ノイズや電源歪の多い電源事情の悪い場合でも誤動作の少ない、経済的な、しかも使用し易いサイリスタ式交流電力調整装置を提供することができるという効果を奏する。

以下図示の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図１は、サイリスタ位相制御によって交流電圧電源における電力調整を行う、本発明のサイリスタ式電力調整装置１０の一例を示すものである。

本発明のサイリスタ式電力調整装置１０は、サイリスタ位相制御に必要な電源電圧のゼロクロスポイントを検出するために設けられている正方向及び逆方向の同期信号検出回路１１、１２と、同期信号検出回路１１、１２にて検出された電源ゼロクロスポイントから制御信号に応じたタイミングでサイリスタ１３、１４を駆動するためのパルスを発生させる、１個のパルス発生回路１５と、正方向及び逆方向のサイリスタ１３、１４を駆動するための、正方向及び逆方向のサイリスタ駆動回路１６、１７と、微小出力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合に、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させる正方向及び逆方向のトリガ信号伝達ゲート１８、１９を具備している。

また、本発明のサイリスタ式電力調整装置１０は、交流電源２０に電源端子２１にて接続されており、交流電力をサイリスタ位相制御によって電力調整したのち、電源端子２２に接続されている、例えばヒータを構成する負荷２３に供給するように構成されている。その際、電源ゼロクロスポイントでパルス発生回路１５を必ずリセットできるように、同期信号検出回路１１、１２の入力にフィルタ２４を設けている。なお、符号２５はサイリスタ電力調整装置１０の出力を制御する制御信号であり、入力された制御信号は、パルス発生回路１５に適合する電圧に入力変換回路２６にて変換され、パルス発生回路１５に供給される。上記制御信号に一般に使用されるものは４〜２０ｍＡの相対的には微弱な電流信号である。また、入力変換回路２６はＯＰアンプ、オペアンプとも称する演算増幅器によって構成される。

上記の同期信号検出回路１１、１２は、サイリスタ位相制御に必要な交流電源電圧のゼロクロスポイントを検出する回路であり、正方向、逆方向の２個から成る。本実施形態においては、同期信号検出回路１１、１２として、回路を交流電源に直接接続するためにフォトカプラを使用している。しかしながら電源トランスも前述したとおり同期信号検出回路１１、１２として使用可能である。サイリスタ１３、１４は正方向及び逆方向のものから成り、それらが回路にパラレルに接続されている。

パルス発生回路１５は、同期信号検出回路１１、１２にて検出された電源ゼロクロスポイントから制御信号に応じたタイミングでサイリスタを駆動するためのパルスを発生させる手段として、ただ１個のみ使用する。パルス発生回路１５は例えば抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ＩＣ等で構成されるタイマー回路の一種であり、制御信号が小さい時はゼロクロスポイントから大きく遅れたタイミング（次のゼロクロスポイント直前となる）でパルスを発生させ、大きい制御信号の時はゼロクロスポイント直近のタイミングでパルスを発生させるように作動する。

上記サイリスタ駆動回路１６、１７は、正方向及び逆方向のサイリスタ１３、１４を駆動するために、正方向及び逆方向の２個から成り、前記パルス発生回路の弱電信号の出力パルスを強電回路のサイリスタ１３、１４と絶縁して、サイリスタ１３、１４を駆動するための電力増幅を行う。本実施形態では、高耐圧のフォトサイリスタもしくはフォトトライアックを使用したサイリスタカプラ、トライアックカプラを使用し、絶縁とゲート増幅を同時に行う構成を取るものとする。

上記トリガ信号伝達ゲート１８、１９は、微小出力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合に、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させるもので、正方向及び逆方向の２個から成る（図２参照）。正方向及び逆方向の２個のトリガ信号伝達ゲート１８、１９は、正方向及び逆方向の２個の同期信号検出回路１１、１２によってそれぞれ駆動される。

上記の構成において、電源端子２１から入力された交流電力は、本発明のサイリスタ式電力調整装置１０における、サイリスタ位相制御によって電力調整され、そののち、電源端子２２に接続されている負荷２３のヒータに供給される。供給されている交流電力が安定しており、電源波形に歪がない間は、本発明の装置１０は寄与する必要が生じない。交流電力の安定している間の波形は図３に示した通りであり、交流電力の電源波形に応じて正負の同期信号が形成され、それにともなって、正のトリガパルスが終了してから負のトリガ信号伝達ゲート１８、１９が開くので、サイリスタ１３、１４に誤点弧（誤動作）は生じない。

図４に示した波形のように、入力された交流電力の電源ゼロクロスポイント付近に歪ノイズが発生する状態になり、特に微小出力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合には、後の半サイクルの立ち上がり時に、サイリスタ１３、１４に誤動作をおこさせる恐れがある（図４Ａ）。しかし、本発明においては、トリガ信号伝達ゲート１８、１９においてその不要なパルスの残りを遮断し、必要なトリガ信号のみを伝達することができる。即ち、電源ゼロクロスポイント付近に電圧歪が生じていても、正のトリガパルスが消えてから負のトリガ信号伝達ゲート１９が開くので、サイリスタ１３、１４に誤動作は生じない。また、本発明では同期信号検出回路
１１、１２の入力にフィルタ２４を設けているから、電源歪が発生していても電源ゼロクロスポイントでパルス発生回路１５はリセット期間を確保でき、従って、次の半サイクルからは再び正常にパルスを発生することができる（図４Ｂ）。

このように本発明によれば同期信号検出回路を正方向及び逆方向の２個設け、電源ゼロクロスポイントにおいて必ずリセットされるように構成したので、トリガ信号伝達ゲートは電源ゼロクロスポイント付近にて、正方向及び逆方向共オフになり、電源ゼロクロスポイントを過ぎてから必要な方向のみ動作する、すなわち、電源ゼロクロスポイント付近にて電圧の急激な変動があっても、前の半サイクルの影響を受けることがなく、サイリスタも誤動作に至らないのである。言い換えれば、本発明のサイリスタ式電力調整装置では、前の半サイクルのパルス信号で後の半サイクルの信号が駆動されないように、ワンテンポ遅らせて動作させることによって、電源電圧の急変に対応することができるものである。かくして、本発明により、特殊な部品を使用しなくても、単純な回路でトラブルの少ない電力調整装置を供給することができる。

本発明に係るサイリスタ式電力調整装置の一例を示すブロック図である。 同上装置の要部の回路の一例を示す回路図である。 本発明の説明のための説明図で、正常電源波形を示す波形図である。 本発明に関する説明図で、Ａは歪ノイズ波形とフィルタなしの例を示す波形図、Ｂはフィルタを設けた場合の例を示す波形図である。 従来のサイリスタ式電力調整装置による誤動作の説明図で、Ａは正常電源波形、Ｂは歪ノイズ波形の例と、信号波形の関係を示す波形図である。 同じく従来例の説明図で、ダイオードもしくはツェナーダイオード等を接続し、ダイオードの順電圧もしくはツェナー電圧等による閾値を超えた電圧でトリガパルス発生回路を動作させる例の回路図である。

１０ サイリスタ式電力調整装置
１１、１２ 同期信号検出回路
１３、１４ 正方向及び逆方向のサイリスタ
１５ １個のパルス発生回路
１６、１７ 正方向及び逆方向のサイリスタ駆動回路
１８、１９ 正方向及び逆方向のトリガ信号伝達ゲート
２０ 交流電源
２１ 電源端子
２２ 電源端子
２３ 例えばヒータを構成する負荷
２４ フィルタ
２５ 制御信号
２６ 入力変換回路

Claims (3)

1. サイリスタ位相制御によって交流電圧電源における電力調整を行うサイリスタ式交流電力調整装置であって、
   サイリスタ位相制御に必要な電源電圧のゼロクロスポイントを検出するために設けられた正方向及び逆方向の同期信号検出回路と、同期信号検出回路にて検出された電源ゼロクロスポイントから制御信号に応じたタイミングでサイリスタを駆動するためのパルスを発生させるパルス発生回路と、正方向及び逆方向のサイリスタを駆動するための、正方向及び逆方向のサイリスタ駆動回路と、微小出力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合に、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させる正方向及び逆方向のトリガ信号伝達ゲートを具備し、
   上記パルス発生回路は１個のみ使用し、この１個のパルス発生回路を動作させるために同期信号を正方向及び逆方向の２個使用するとともに、１個のパルス発生回路で発生したパルスをサイリスタトリガ信号として使用し、正方向及び逆方向のサイリスタに必要な期間だけトリガ信号を伝達できるようにした
   サイリスタ式交流電力調整装置。
2. 同期信号検出回路は、正方向、逆方向個別に設けられたフォトカプラ又はトランスから成り、トリガ信号伝達ゲートは、正方向、逆方向の同期信号検出回路によって駆動される請求項１記載のサイリスタ式交流電力調整装置。
3. 同期信号検出回路の入力にフィルタを設けた構成を有している請求項１記載のサイリスタ式交流電力調整装置。

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