JP2014216144A - リレー制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な回路構成で、より精度良く交流電源のゼロクロス付近にてリレー接点をオンさせることができるリレー制御装置を提供する。【解決手段】ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点で負荷電流１２がゼロになるまでの第１時間Ｔａを測定して保持し、更に、リレーにオン信号を出力してからリレー接点２がオンするまでの第２時間Ｔｂを測定して保持し、先に保持した第１時間Ｔａから第２時間Ｔｂを減算して第３時間Ｔｏを算出し、その第３時間Ｔｏを、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点からリレーへのオン信号の出力タイミングまでの時間としている。【選択図】図１

Description

本発明は、リレーを制御して抵抗負荷に交流電流を供給するリレー制御装置に係わり、特に、リレー接点の動作タイミングを交流電源のゼロクロス点とするリレー制御装置に関するものである。

交流電源のゼロクロス（ゼロ電位）付近でリレー接点を動作させる技術として、例えば、特開平１１−２７３４９１号公報（例えば、特許文献１参照）および特開２００５−２１６６４９号公報（例えば、特許文献２参照）に開示されている。

特許文献１に記載のリレー制御装置は、マイクロコンピュータと、交流電源のゼロクロスを検出する手段を有し、また、特許文献２に記載のリレー制御装置は、リレー接点の動作を接点動作検出手段を用いて検出し、接点の動作遅れ時間を測定し、測定結果を用いてゼロクロスのタイミングにてリレー接点を動作させるようにしている。

特開平１１−２７３４９１号公報（特許請求の範囲、図３−図５） 特開２００５−２１６６４９号公報（要約）

しかしながら、特許文献１に記載のリレー制御装置では、交流電源のゼロクロスを検出する手段が、単純な構成としては整流ダイオードあるいは絶縁のためのフォトカプラと、マイクロコンピュータへ入力するための信号を生成するトランジスタで構成されるが、これにより生成されるゼロクロス検出信号は、トランジスタの動作しきい値を持つため、ある程度の幅を持ち、かつ部品特性のバラツキや温度変化によって、その幅（時間）も変化する。従って、実際のゼロクロス点からの誤差が発生してしまうため、接点動作の遅れ時間を考慮しただけでは、実際にはゼロクロス点から外れたタイミングで接点が動作し、かえってリレー接点に高負荷をかけてしまう場合がある。また、特許文献２に記載のリレー制御装置においては、接点動作の検出のために接点動作検出手段なるものが搭載されているが、ゼロクロスのタイミングにてリレー接点を動作させるまでの処理が複雑であった。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、単純な回路構成で、より精度良く交流電源のゼロクロスにてリレー接点をオンさせることができるリレー制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るリレー制御装置は、交流電源に接続される抵抗負荷の入力側に挿入されたリレー接点を有するリレーと、交流電源のゼロクロス点を中心とするゼロクロス検出開始点からゼロクロス検出終了点までの時間幅を有するゼロクロス同期信号を生成するゼロクロス検出手段と、抵抗負荷に流れる負荷電流を検出する電流検出手段と、リレーにオン信号を出力してリレー接点をオンさせ、交流電源と抵抗負荷とを接続する制御手段とを備え、制御手段は、ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点で負荷電流がゼロになるまでの第１時間を測定して保持し、更に、リレーにオン信号を出力してからリレー接点がオンするまでの第２時間を測定して保持し、先に保持した第１時間から第２時間を減算して第３時間を算出し、その第３時間を、ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点からリレーへのオン信号の出力タイミングまでの時間とする。

本発明によれば、ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点で負荷電流がゼロになるまでの第１時間を測定して保持し、更に、リレーにオン信号を出力してからリレー接点がオンするまでの第２時間を測定して保持し、先に保持した第１時間から第２時間を減算して第３時間を算出し、その第３時間を、ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点からリレーへのオン信号の出力タイミングまでの時間としている。このように、ゼロクロス検出回路の部品特性のバラツキによる交流電源のゼロクロスの検出誤差およびリレーの部品特性のバラツキによるリレー接点の動作遅れを考慮したリレー制御を行うようにしている。このため、回路構成を複雑にすることなく、より正確にゼロクロスにてリレー接点をオンさせることができる。これにより、リレー接点への電流負荷を軽減でき、これに伴ってリレー接点の寿命を延ばすことが可能になり、リレー接点の溶着のリスクを抑えることができ、安全性の高い製品を提供することができる。

実施の形態に係るリレー制御装置を示すブロック回路図。 図１のリレー制御装置において、交流電圧のゼロクロス点を中心とするゼロクロス検出開始点からゼロクロス検出終了点までの時間幅を有するゼロクロス同期信号を交流電圧および交流電流、全波整流の負荷電流との相関を示す波形図。 図１のリレー制御装置において、リレーのオン信号の出力したときの交流電流および全波整流の負荷電流の波形を示す図。 図１のリレー制御装置において、リレーのオン信号をゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から第３時間の経過後に出力したときの交流電圧および全波整流の負荷電流の波形を示す図。

図１は実施の形態に係るリレー制御装置を示すブロック回路図である。
図１に示すリレー制御装置は、交流電源である商用電源１に接続される抵抗負荷３の入力側にリレー接点２が挿入されたリレー（図示せず）と、一次側が商用電源１と接続される変圧器４と、変圧器４の二次側と接続されたゼロクロス検出回路５と、制御手段である例えばマイクロコンピュータ６（以下、「マイコン６」という）と、リレー接点２と抵抗負荷３との間に一次側が挿入された変流器７と、変流器７の二次側と接続された整流回路８とを備えている。抵抗負荷３として、例えばＰＴＣヒーターが用いられている。なお、変流器７と整流回路８とで電流検出手段が構成されている。

前述のリレーは、マイコン６からのオン信号が入力されたときにリレー接点２をオンし、オフ信号が入力されたときにはリレー接点２をオフ状態にする。変圧器４は、商用電源１の交流電圧からゼロクロス検出回路５に必要な電圧値まで降圧する。ゼロクロス検出回路５は、抵抗、フォトカプラ、トランジスタ等から構成され、商用電源１のゼロクロス点を中心とするゼロクロス検出開始点からゼロクロス検出終了点までの時間幅を有するパルス状のゼロクロス同期信号１３を生成しマイコン６に出力する。変流器７は、抵抗負荷３に流れる負荷電流１２から整流回路８に必要な電流値まで変流する。整流回路８は、変流器７の二次側に変流された負荷電流１２から全波整流の負荷電流１４を生成しマイコン６に入力する。

マイコン６は、抵抗負荷３に通電する際、リレー接点２が商用電源１の交流電圧のゼロクロス付近でオンするように、リレーにオン信号を出力する。また、抵抗負荷３への通電を遮断する際には、リレー接点２が交流電圧のゼロクロス付近でオフするように、リレーにオフ信号を出力する。そのオン信号およびオフ信号の出力タイミングは、例えば試運転の時に入手されたものである。

つまり、マイコン６は、操作部の操作により電源が印加されると、ゼロクロス検出回路５からのゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点で整流回路８の負荷電流１４（全波整流）がゼロになるまでの第１時間Ｔａを測定して記憶する。次いで、マイコン６は、操作部の操作に基づいてリレーにオン信号を出力し、その時点からリレー接点２がオンするまでの第２時間Ｔｂを測定して記憶し、先に記憶した第１時間Ｔａから第２時間Ｔｂを減算して第３時間Ｔｏを算出し、その第３時間Ｔｏを、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点からリレーへのオン信号およびオフ信号の出力タイミングとして保持する。

次に、前述の第３時間Ｔｏを入手するまでの動作について、図２〜図４を参照しながら説明する。
図２は図１のリレー制御装置において、交流電圧のゼロクロス点を中心とするゼロクロス検出開始点からゼロクロス検出終了点までの時間幅を有するゼロクロス同期信号を交流電圧および交流電流、全波整流の負荷電流との相関を示す波形図、図３は図１のリレー制御装置において、リレーのオン信号の出力したときの交流電流および全波整流の負荷電流の波形を示す図、図４は図１のリレー制御装置において、リレーのオン信号をゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から第３時間の経過後に出力したときの交流電圧および全波整流の負荷電流の波形を示す図である。

最初に、本実施の形態のリレー制御装置の動作について、図４を参照しながら説明する。図中に示す（ａ）は商用電源の交流電圧１１、（ｂ）は抵抗負荷に流れる負荷電流１２、（ｃ）はゼロクロス検出回路５のゼロクロス同期信号１３、（ｄ）はリレーのオン信号１６を示す。

本実施の形態に係るリレー制御装置のマイコン６は、操作部の操作に基づいてリレー接点２をオンする際、ゼロクロス検出回路５からのゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から時間の測定を開始する。そして、マイコン６は、測定した時間が第３時間Ｔｏを経過したかどうかを判定し、測定した時間が第３時間Ｔｏを経過したときにオン信号１６をリレーに出力する。一方、リレーは、オン信号１６が入力されてから第２時間Ｔｂ経過後にリレー接点２をオンする。

その第２時間Ｔｂは、リレーにオン信号１６が入力されてからリレー接点２がオンするまでの遅延時間である。遅延時間である第２時間Ｔｂは、リレーの特性バラツキによるものであり、それを考慮することでリレー接点２がゼロクロス点でオンする（図４（ａ）、（ｂ）参照）。第３時間Ｔｏは、後述する第１時間Ｔａから第２時間Ｔｂを減算して得られる時間である。ただし、第１時間Ｔａと第２時間Ｔｂの関係は、Ｔａ＞Ｔｂである。

次に、第１時間Ｔａの設定について、図２を参照しながら説明する。図中に示す（ａ）は商用電源の交流電圧１１、（ｂ）は抵抗負荷に流れる負荷電流１２、（ｃ）はゼロクロス検出回路５のゼロクロス同期信号１３、（ｄ）は整流回路８により全波整流された負荷電流１４を示す。

マイコン６は、ゼロクロス検出回路５により生成される交流電圧１１のゼロクロス点を中心とするゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点（交流電圧１１）で全波整流の負荷電流１４がゼロになるまでの時間を第１時間Ｔａとして測定し、その第１時間Ｔａを記憶する。この第１時間Ｔａは、試運転時にリレー制御装置に電源が印加されたときに測定される。

ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から時間の測定を開始するのは、ゼロクロス検出回路５を構成する例えばトランジスタの動作閾値にバラツキがあり、これが要因でゼロクロス検出開始点が異なるからである。

次に、第２時間Ｔｂの設定について、図３を参照しながら説明する。図中に示す（ａ）は商用電源の交流電圧１１、（ｂ）は抵抗負荷３に流れる負荷電流１２、（ｃ）はリレーのオン信号１５、（ｄ）は整流回路８により全波整流された負荷電流１４を示す。

マイコン６は、操作部の操作に基づいてリレーにオン信号を出力すると、その時点からゼロアンペア以外の負荷電流１４が検出されるまでの時間、即ちリレー接点２がオンするまでの遅れ時間を第２時間Ｔｂとして測定し、その第２時間Ｔｂを記憶する。この第２時間Ｔｂは、試運転として最初に抵抗負荷３への通電指示を受けたときに測定される。

マイコン６は、第２時間Ｔｂの測定を終了すると、先に記憶した第１時間Ｔａから第２時間Ｔｂを減算して、前述の第３時間Ｔｏを算出し、これをゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点からリレーへのオン信号およびオフ信号の出力タイミングとして記憶する。

その後、マイコン６は、抵抗負荷３への通電指示を受けたときに、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から第３時間Ｔｏ経過後にオン信号をリレーに出力し、また、抵抗負荷３への通電遮断指示を受けたときには、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から第３時間Ｔｏ経過後にオフ信号をリレーに出力する。

以上のように実施の形態によれば、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点で負荷電流１２がゼロになるまでの第１時間Ｔａを測定して保持し、更に、リレーにオン信号を出力してからリレー接点２がオンするまでの第２時間Ｔｂを測定して保持し、先に保持した第１時間Ｔａから第２時間Ｔｂを減算して第３時間Ｔｏを算出し、その第３時間Ｔｏを、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検出開始点からリレーへのオン信号の出力タイミングとしている。
このように、ゼロクロス検出回路５の部品特性のバラツキによる交流電圧１１のゼロクロスの検出誤差およびリレーの部品特性のバラツキによるリレー接点２の動作遅れを考慮したリレー制御を行うようにしている。このため、より正確にゼロクロス付近にてリレー接点２をオンさせることができる。これにより、リレー接点２への電流負荷を軽減でき、これに伴ってリレー接点２の寿命を延ばすことが可能になり、リレー接点２の溶着のリスクを抑えることができ、安全性の高い製品を提供することができる。

なお、実施の形態では、第１時間Ｔａを、ゼロクロス同期信号１３のゼロクロス検知開始点から次のゼロクロス点までの時間測定とした。これはＴａ＞Ｔｂ（第２時間）の関係がＴｂのバラツキによらず保証される可能性が高いからである。ゼロクロス点と部品のバラツキの関係から、図２に示すＴａ’が、Ｔａ’＞Ｔｂの関係を保証できるものであれば、前述の第１時間Ｔａの代わりにＴａ’を用いてもよい。

１ 商用電源、２ リレー接点、３ 抵抗負荷、４ 変圧器、５ ゼロクロス検出回路、６ マイクロコンピュータ、７ 変流器、８ 整流回路、１１ 交流電圧、１２ 負荷電流、１３ ゼロクロス同期信号、１４ 負荷電流、１５、１６ オン信号。

Claims (2)

1. 交流電源に接続される抵抗負荷の入力側に挿入されたリレー接点を有するリレーと、
   交流電源のゼロクロス点を中心とするゼロクロス検出開始点からゼロクロス検出終了点までの時間幅を有するゼロクロス同期信号を生成するゼロクロス検出手段と、
   前記抵抗負荷に流れる負荷電流を検出する電流検出手段と、
   前記リレーにオン信号を出力して前記リレー接点をオンさせ、交流電源と前記抵抗負荷とを接続する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から次のゼロクロス点で前記負荷電流がゼロになるまでの第１時間を測定して保持し、更に、前記リレーにオン信号を出力してから前記リレー接点がオンするまでの第２時間を測定して保持し、先に保持した前記第１時間から前記第２時間を減算して第３時間を算出し、当該第３時間を、前記ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から前記リレーへのオン信号の出力タイミングまでの時間とすることを特徴とするリレー制御装置。
2. 前記制御手段は、前記第３時間を、前記ゼロクロス同期信号のゼロクロス検出開始点から前記リレーへのオフ信号の出力タイミングまでの時間とすることを特徴とする請求項１記載のリレー制御装置。

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