JP2012016089A - 電力制御システム及び電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサの検出信号に開路故障や短絡故障が生じても、電気炉へ供給する電力が０％や１００％の極端な電力となることを回避し、電気炉の構成部材が破損することを防止できる電力制御システムを提供する。
【解決手段】温度センサ１１は、電気炉９の温度検出信号１３をプログラムコントローラ３へ出力する。プログラムコントローラ３は、制御目標温度値と温度検出信号１３に基づいて制御指令値０〜１００％を出力する。変換器２１は、制御指令値０〜１００％を−１００〜１００％に変換し、分圧器２３は、−１００〜１００％を所望の分圧比で分圧して、例えば、−３０〜＋３０％の制御比例値を出力する。直列接続回路２７は、ベース信号設定器２５が出力する所定指令値と制御比例値とを加算した２０〜８０％の合成指令値を生成し、変換器２９は、合成指令値を交流電力調整器７に適合した制御信号へ変換する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバ母材製造の焼結工程に用いる電気炉等に好適な電力制御システム及び電力制御方法に関する。

光ファイバ母材製造の焼結工程では、棒状のガラス母材が焼結用の電気炉の炉芯部に上側から挿入され、このガラス母材の上端はダミーロッドなどを介して母材送出し部によって保持されると共に適当な速度で電気炉へ送り出される。ガラス母材の大径部分の下方寄りは、電気炉の加熱部で加熱される。

図５は、従来の単純なシングルループにより電気炉の温度を制御する電力制御システムの構成例を説明する制御ブロック図である。図５（ａ）において、電力制御システム１００は、設定された温度制御プログラムに従って電気炉１９の温度を制御するプログラムコントローラ３と、プログラムコントローラ３の出力に従って交流電源５から供給される交流電力を調整して電気炉９へ出力する交流電力調整器(AC Power Regulator,APR)７と、調整された交流電力で加熱される電気炉９と、電気炉９の温度を検出して温度検出信号１３をプログラムコントローラ３へ出力する温度センサ１１とを備えている。

電気炉９の温度は、熱電対などを用いた温度センサ１１で検出され、温度検出信号１３は、プログラムコントローラ３へ入力される。プログラムコントローラ３は、操作パネルから入力された設定温度、あるいは予め設定された温度及び温度勾配の時系列変化（温度制御シーケンス）に従って、制御目標温度値を生成し、この制御目標温度値と温度検出信号１３との比較に基づいて、交流電力調整器７に対する制御指令値を生成する。この制御指令値は、交流電源５から電気炉９へ供給可能な電力の０〜１００［％］を示すものである。

図５（ｂ）は、プログラムコントローラ３と交流電力調整器７との間のインタフェースの一例を示すグラフである。横軸が温度センサ１１による検出温度、縦軸がプログラムコントローラの出力電流である。検出温度がＴｌ以下では、出力電流が２０［ｍＡ］となり、交流電力調整器７から電気炉９への供給電力を１００［％］に指示する。検出温度がＴｕ以上では、出力電流が４［ｍＡ］となり、供給電力を０［％］に指示する。検出温度がＴｌからＴｕの間は、温度上昇に比例して出力電流が低下するとともに、供給電力の指示が低下する。通常、電気炉９の定常状態における温度Ｔｔにおいて、この温度を維持するための電気炉９への供給電力は、５０［％］に選択される。

図５（ｃ）は、プログラムコントローラ３と交流電力調整器７との間のインタフェースの他の例を示すグラフである。横軸が温度センサ１１による検出温度、縦軸がプログラムコントローラの出力電圧である。この例では、４〜２０［ｍＡ］の出力電流に代えて、１〜５［Ｖ］の出力電圧により交流電力調整器７を制御する例である。

交流電力調整器７は、ＳＣＲやＴＲＩＡＣ等のサイリスタによるサイクル制御或いは位相制御により、交流電源５から電気炉９へ供給される電力を０〜１００［％］に調整して、調整された電力を電気炉９へ供給する。

このようなフィードバック制御において、フィードバック信号である温度検出信号１３が開路したり短絡したりすると、フィードバックが効かなくなってプログラムコントローラ３が暴走し、電気炉９の温度異常を引き起こす。電気炉９の温度異常により、ガラス母材が使用不能となったり、電気炉９の加熱部の部材が破損したりする。

ところで、光ファイバ母材製造の焼結工程ではないが、フィードバック信号が無くなってもサーボ機構が暴走しないフィードバック制御装置が特許文献１に記述されている。

このフィードバック制御装置は、入力指令をサーボ機構の入力に適合するように変換する入力変換器と、サーボモータによる出力結果を変換するフィードバック用変換器と、両変換器の出力を比較する比較器と、比較器の偏差信号を増幅してサーボモータを駆動する増幅器とを備える。さらに、入力変換器の出力を極性反転する極性反転増幅器と、極性反転増幅器の出力を比較器のフィードバック用変換器側の入力に接続するバッファ抵抗器とを備える。そしてバッファ抵抗器の抵抗値は、フィードバック用変換器の出力抵抗に比べて十分大きい値に設定されている。

通常の動作時には、極性反転増幅器の出力はバッファ抵抗器によりフィードバック信号にほとんど影響しないため、通常のフィードバック制御動作を行う。フィードバック用変換器と比較器との接続が開路するような故障時には、フィードバック用変換器から比較器への入力がなくなるが、その代わりに極性反転増幅器の出力がバッファ抵抗器を介して比較器に入力される。このために比較器の偏差信号は零となり、増幅器の出力も零となって、サーボモータは停止し、サーボ機構が暴走することはないとしている。

特開平５−３３３９０１号公報

このような特許文献１に記載のフィードバック制御装置を光ファイバ母材製造の焼結工程に適用しようとすれば、温度センサが検出した電気炉の温度検出信号をフィードバック信号として比較器へ入力し、比較器の偏差信号に基づいて電力調整器を制御して電気炉へ電力供給することになる。

しかしながら、サーボモータが停止すると制御位置が保持されるサーボ機構とは異なり、電気炉の温度は電力供給が零となると急激に下がり、例えば、加熱部の部材として使用される石英マッフルは破損してしまうという問題点があった。

上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、フィードバックループが開路したり短絡した場合であっても、電気炉への出力が０［％］や１００［％］の極端な値となることを回避し、電気炉の構成部材が破損することを防止できる電力制御システム及び電力制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、電気炉へ供給する電力を調整することにより電気炉の温度を制御する電力制御システムにおいて、電気炉の温度を検出する温度センサと、制御目標温度値と温度センサの検出値とに基づいて制御指令値を出力するフィードバック制御器と、フィードバック制御器が出力する制御指令値を所望の比率に分割した制御比例値を出力する分割器と、電気炉へ所定電力を供給するための所定指令値と制御比例値との合成指令値を出力する指令値合成回路と、合成指令値に基づいて電気炉へ供給する電力を調整する電力調整器と、を備えたことを要旨とする。

また本発明においては、所定電力は、電気炉の定常運転状態において、電気炉の温度を維持するために電気炉へ供給すべき電力とすることができる。

また本発明においては、分割器は、制御指令値を所望の分圧比で分圧して制御比例値を出力する分圧器であり、指令値合成回路は、所定指令値と制御比例値とを直列接続する回路とすることができる。

また本発明においては、分割器は、制御指令値を所望の分圧比で分圧して制御比例値を出力する分圧器であり、指令値合成回路は、所定指令値と制御比例値とを加算する加算器とすることができる。

また本発明においては、フィードバック制御器の制御用電源、またはフィードバック制御器及び加算器の制御用電源をバックアップする無停電電源装置と、制御用電源が停電した時の電気炉の温度を記憶し、制御用電源が復電した際に、記憶した温度から温度センサが検出している温度へ遷移する擬似温度信号をフィードバック制御器へ供給する擬似温度信号発生回路と、をさらに備えることができる。

また本発明は、電気炉へ供給する電力を調整することにより電気炉の温度を制御する電力制御方法において、電気炉の温度を検出する温度検出工程と、制御目標温度値と温度センサの検出値とに基づいて所定の制御アルゴリズムにより制御目標温度値を実現するための制御指令値を生成する制御指令値生成工程と、制御指令値を所望の比率に分割した制御比例値を生成する制御比例値生成工程と、電気炉へ所定電力を供給するための所定指令値と制御比例値とを加算した合成指令値を生成する指令値合成工程と、合成指令値に基づいて電気炉へ供給する電力を調整する電力調整工程と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、フィードバック制御器が出力する制御指令値を所望の比率に分割した制御比例値と電気炉へ所定電力を供給するための所定指令値とを合成した合成指令値に基づいて電気炉へ供給する電力を調整するので、フィードバック制御器へ入力する温度センサの検出信号に開路故障や短絡故障が生じても、電気炉へ供給する電力が０［％］や１００［％］の極端な電力となることを回避し、電気炉の構成部材が破損することを防止できる電力制御システム及び電力制御方法を提供することができるという効果がある。

（ａ）本発明に係る電力制御システムの実施例１の構成を示す概略構成ブロック図、（ｂ）ポテンショメータを用いた可変分圧器を示す図である。 実施例１の要部の信号例を説明するブロック図である。 本発明に係る電力制御システムの実施例２の構成を示す概略構成ブロック図である。 本発明に係る電力制御システムの実施例３の構成を示す概略構成ブロック図である。 （ａ）従来の光ファイバー母材製造用の電力制御システムの構成を示す概略構成ブロック図、（ｂ）プログラムコントローラと交流電力調整器とのインタフェースの一例を示す図、（ｃ）プログラムコントローラと交流電力調整器とのインタフェースの他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施例は、交流電源を電気炉の電源とするものであるが、電気炉の電源は、交流電源に限らず直流電源であってもよい。直流電源の場合には、電力調整器としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を用いてＰＷＭ制御を行う直流電力調整器を用いることができる。

図１（ａ）は、本発明に係る電力制御システムの実施例１の構成を示す概略構成ブロック図である。電力制御システム１は、フィードバック制御器であるプログラムコントローラ３と、変換器２１と、分圧器２３と、ベース信号設定器２５と、直列接続回路２７と、変換器２９と、交流電源５と、交流電力調整器７と、電気炉９と、温度センサ１１と、温度検出信号１３とを備えている。

プログラムコントローラ３は、例えば、マイクロプロセッサと温度制御プログラムを記憶した記憶装置とを内蔵し、温度センサ１１が検出した電気炉９の温度検出信号１３に基づいて、ＰＩ制御等のフィードバック制御により電気炉９の温度を制御するものである。プログラムコントローラ３は、０〜１００［％］の電力を電気炉９へ供給するための０〜１００［％］を示す制御指令値を出力することができる。

変換器２１は、プログラムコントローラ３が出力する０〜１００［％］の制御指令値を−１００〜＋１００［％］の制御指令値に変換して出力する。分圧器２３は、変換器２１が出力する−１００〜＋１００［％］の制御指令値を、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により所望の分圧比［Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）］に分圧した制御比例値を出力する分割器である。図１（ａ）では、分圧比の一例としてＲ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＝０．３としている。この分圧比により、抵抗Ｒ１の両端には、−３０〜＋３０［％］の制御比例値が出力される。この０．３の分圧比は一例であり、分圧比を限定するものではない。尚、図１（ｂ）に示すように、分圧器としてポテンショメータを用いて、分圧比を可変とした分圧器２３ａとすることもできる。

ベース信号設定器２５は、電気炉９へ所定電力を供給するための所定指令値、例えば５０［％］の所定指令値を抵抗Ｒ３へ出力するものである。この所定電力は、例えば、電気炉９の定常状態における温度を維持ための電気炉９への供給電力であり、例えば、交流電力調整器７が供給可能な電力の５０［％］である。ベース信号設定器２５が出力する所定指令値は、操作入力により変更可能としてもよい。

直列接続回路２７は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３とを直列接続した回路であり、分圧器２３が抵抗Ｒ１の両端に出力する制御比例値と、ベース信号設定器２５が抵抗Ｒ３の両端に出力する所定指令値とを加算した合成指令値を出力する指令値合成回路である。

直列接続回路２７により、５０［％］の所定指令値と、−３０〜＋３０［％］の制御比例値とが加算された２０〜８０［％］の合成指令値が変換器２９へ出力される。変換器２９は、２０〜８０［％］の合成指令値を交流電力調整器７の入力特性に適合した２０〜８０［％］の合成指令値へ変換して交流電力調整器７へ出力する。尚、直列接続回路２７が出力する合成指令値が交流電力調整器７の入力特性に適合していれば、特に変換器２９を設ける必要はない。

交流電力変換器７は、２０〜８０［％］の合成指令値に基づいて、交流電源５から供給される交流電力をＳＣＲやＴＲＩＡＣ等のサイリスタによるサイクル制御或いは位相制御により、電気炉９へ供給可能な電力の２０〜８０［％］の電力を電気炉９へ供給する。これにより、温度センサ１１が検出した温度検出信号１３に開路故障や短絡故障が生じても、交流電力調整器７から電気炉９へ供給される電力は、供給可能な電力の２０〜８０［％］の電力となり、電気炉９へ供給する電力が０［％］や１００［％］という極端な電力となることを回避し、電気炉の構成部材が破損することを防止できるという効果がある。

図２は、図１における変換器２１，ベース信号設定器２５及び変換器２９の詳細な信号レベル、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の具体的な数値例を示す図である。

例えば、プログラムコントローラ３は、４〜２０［ｍＡ］の電流信号により、０〜１００［％］の制御指令値を変換器２１へ出力する。変換器２１は、４〜２０［ｍＡ］の電流信号を−３０〜＋３０［ｍＶ］の−１００〜＋１００［％］の電圧信号に変換する。分圧器２３は、３０［Ω］の抵抗Ｒ１と、７０［Ω］の抵抗Ｒ２とにより、０．３の分圧比で分圧し、抵抗Ｒ１の両端に、−９〜＋９［ｍＶ］の−３０〜＋３０［％］の電圧信号を出力する。ベース信号設定器は、３０［Ω］の抵抗Ｒ３へ０．５［ｍＡ］の電流信号を出力する。これにより、抵抗Ｒ３の両端には、１５［ｍＶ］の電圧が発生する。従って、Ｒ１とＲ３との直列接続回路２７には、６〜２４［ｍＶ］の電圧が発生し、この電圧が変換器２９へ入力される。

変換器２９は、０〜３０［ｍＶ］の入力電圧を４〜２０［ｍＡ］の出力電流に変換する変換器である。従って、変換器２９に入力された６〜２４［ｍＶ］の電圧は、７．２〜１６．８［ｍＡ］の出力電流に変換される。変換器２９の７．２〜１６．８［ｍＡ］の出力電流は、交流電力調整器７からみれば、２０〜８０［％］の出力指示となる。

図３（ａ）は、本発明に係る電力制御システムの実施例２の構成を示す概略構成ブロック図である。本実施例の電力制御システム１は、図１（ａ）の電力制御システム１に対して、擬似温度信号発生器３１と、スイッチ３３と、無停止電源装置３５とを追加したものである。その他の構成要素は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

無停止電源装置（無停電電源装置）３５は、交流商用電源が停電し制御用電源が供給されなくなった場合に、図示しない蓄電装置から供給される電力に基づいて、プログラムコントローラ３，変換器２１，ベース信号設定器２５，変換器２９及び擬似温度信号発生器３１に電源を供給するバックアップ電源である。

擬似温度信号発生器３１は、交流商用電源が停電した際に、温度センサ１１が検出した電気炉９の温度検出信号１３を記憶し、交流商用電源が回復し制御用電源が復電した際に、記憶した停電時の温度から温度センサ１１が検出している温度へ遷移する擬似温度信号を発生する装置である。

スイッチ３３は、手動操作スイッチ、リレー、或いは半導体アナログスイッチ等を用いた切り換え手段であり、交流商用電源が停電した際に、プログラムコントローラ３の入力信号を温度センサ１１の温度検出信号１３から擬似温度信号発生器３１が発生する擬似温度信号へ切り換えるものである。

本実施例は、復電時の動作以外は、実施例１と同様である。交流商用電源が停電し、この停電から復電した際には、擬似温度信号発生器３１からスイッチ３３を介して供給される擬似温度信号によりプログラムコントローラ３が電気炉９の温度を制御する。このため、復電時に交流電力調整器７から電気炉９へ供給する電力が停電直前の供給電力から大幅に変更されることが無くなり、復電時のオーバーロードやハンチングを防止することができる。

図４は、本発明に係る電力制御システムの実施例３の構成を示す概略構成ブロック図である。電力制御システム１は、フィードバック制御器であるプログラムコントローラ３と、プログラムコントローラ３の出力を所望の比率に分割した制御比例値を出力する分割器３７と、電気炉９へ所定電力を供給するための所定指令値を設定するベース信号設定器２５ａと、ベース信号設定器２５ａが出力する所定指令値と分割器３７が出力する制御比例値とを加算する加算器３９と、交流電源５と、交流電力調整器７と、電気炉９と、温度センサ１１と、温度検出信号１３とを備えている。

実施例１では、指令値合成回路として所定指令値と制御比例値とを合成する直列接続回路２７を用いた。しかしながら、ベース信号設定器２５と、変換器２１または変換器２９との信号基準電位（シグナルグランド、ＳＧ）が共通である必要がある場合、直列接続回路２７を用いることができない。本実施例は、指令値合成回路として加算器３９を用いる点に特徴がある。

また、本実施例は、プログラムコントローラ３の出力信号から、交流電力調整器７の入力信号までは、アナログ値であってもよいし、デジタル値であってもよい構成である。これらの信号がアナログ値である場合には、分割器３７は、実施例１に示したような分圧器２３，２３ａである。これらの信号がデジタル値である場合には、分割器３７は、入力デジタル値に所定の分圧比であるデジタル値を乗算する乗算器である。

加算器３９は、アナログ信号の場合には、演算増幅器を利用したアナログ加算器、デジタル信号の場合には全加算器（フルアダー）として知られているデジタル加算器を用いる。

また、本実施例において、実施例１と同等の出力範囲として交流電源５から供給可能な電力の２０〜８０［％］の電力を電気炉９へ出力する場合、加算器３９の出力として、交流電力調整器７に対して２０〜８０［％］の電力の指示すればよい。

このうち、２０［％］をベース信号設定器２５ａから出力し、０〜６０［％］を分割器３７から出力すればよい。従って、分割器３７の分割比率を０．６とすれば、プログラムコントローラ３の出力が０〜１００［％］であっても、加算器３９から交流電力調整器７へ出力する合成指令値を２０〜８０［％］とすることができる。

本実施例によれば、制御信号のレベルを変換する変換器を用いることなく、フィードバック制御器へ入力する温度センサの検出信号に開路故障や短絡故障が生じても、電気炉へ供給する電力が０［％］や１００［％］の極端な電力となることを回避し、電気炉の構成部材が破損することを防止できる電力制御システム及び電力制御方法を提供することができるという効果がある。

１ 電力制御システム
３ プログラムコントローラ（フィードバック制御器）
５ 交流電源
７ 交流電力調整器（電力調整器）
９ 電気炉
１１ 温度センサ
１３ 温度検出信号
２１ 変換器
２３ 分圧器（分割器）
２５ ベース信号設定器
２７ 直列接続回路（指令値合成回路）
２９ 変換器
３１ 擬似温度信号発生器
３３ スイッチ
３５ 無停止電源装置（無停電電源装置）
３７ 分割器
３９ 加算器
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗器

Claims (6)

1. 電気炉へ供給する電力を調整することにより電気炉の温度を制御する電力制御システムにおいて、
   前記電気炉の温度を検出する温度センサと、
   制御目標温度値と前記温度センサの検出値とに基づいて制御指令値を出力するフィードバック制御器と、
   該フィードバック制御器が出力する前記制御指令値を所望の比率に分割した制御比例値を出力する分割器と、
   前記電気炉へ所定電力を供給するための所定指令値と前記制御比例値との合成指令値を出力する指令値合成回路と、
   前記合成指令値に基づいて前記電気炉へ供給する電力を調整する電力調整器と、
   を備えたことを特徴とする電力制御システム。
2. 前記所定電力は、前記電気炉の定常運転状態において、該電気炉の温度を維持するために該電気炉へ供給すべき電力であることを特徴とする請求項１に記載の電力制御システム。
3. 前記分割器は、前記制御指令値を所望の分圧比で分圧して前記制御比例値を出力する分圧器であり、
   前記指令値合成回路は、前記所定指令値と前記制御比例値とを直列接続する回路であることを特徴とする請求項２に記載の電力制御システム。
4. 前記分割器は、前記制御指令値を所望の分圧比で分圧して前記制御比例値を出力する分圧器であり、
   前記指令値合成回路は、前記所定指令値と前記制御比例値とを加算する加算器であることを特徴とする請求項２に記載の電力制御システム。
5. 前記フィードバック制御器の制御用電源、または前記フィードバック制御器及び前記加算器の制御用電源をバックアップする無停電電源装置と、
   前記制御用電源が停電した時の前記電気炉の温度を記憶し、前記制御用電源が復電した際に、前記記憶した温度から前記温度センサが検出している温度へ遷移する擬似温度信号を前記フィードバック制御器へ供給する擬似温度信号発生回路と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力制御システム。
6. 電気炉へ供給する電力を調整することにより電気炉の温度を制御する電力制御方法において、
   前記電気炉の温度を検出する温度検出工程と、
   制御目標温度値と前記温度センサの検出値とに基づいて所定の制御アルゴリズムにより制御目標温度値を実現するための制御指令値を生成する制御指令値生成工程と、
   前記制御指令値を所望の比率に分割した制御比例値を生成する制御比例値生成工程と、
   前記電気炉へ所定電力を供給するための所定指令値と前記制御比例値とを加算した合成指令値を生成する指令値合成工程と、
   前記合成指令値に基づいて前記電気炉へ供給する電力を調整する電力調整工程と、
   を備えたことを特徴とする電力制御方法。

Images