JP2711498B2 - サイクル制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変圧器等のインダクタ
ンス負荷への交流給電の電力を調整する半導体スイッチ
ング素子構成の給電スイッチ回路のサイクル制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、交流電源を変圧器を介して電気炉
等に給電する場合、その電力調整は半導体スイッチング
素子にサイリスタを用いたサイクル制御で行われる。こ
の従来のサイクル制御が適用される装置は図７に示すよ
うに構成される。

【０００３】同図において、１は交流電源、２は１次巻
線２ａに交流電源１が供給される変圧器、３は交流電源
１と１次巻線２ａとの間の給電路に直列挿入されたサイ
リスタ構成の給電スイッチ回路であり、２個のサイリス
タ４，５を逆並列接続して形成されている。６は変圧器
２の２次巻線２ｂに接続された電気炉等の負荷、７はサ
イリスタ４，５を点弧駆動する制御装置である。

【０００４】そして、交流電源１から負荷６側をみた場
合、変圧器２によりいわゆるインダクタンス負荷が形成
され、この負荷への交流給電の電力調整により、負荷６
の供給電力が調整される。

【０００５】そして、前記インダクタンス負荷への交流
給電の電力調整は、制御装置７のゼロ電圧スイッチング
制御によりサイリスタ４，５を交流電源１のゼロ電圧に
同期して点弧駆動し、給電スイッチ回路３を交流電源１
の半サイクル又は１サイクルの整数倍の給電（オン）期
間Ｔａと休止（オフ）期間Ｔｂとに交互に制御し、交流
電源１から変圧器２への給電をその半サイクル又は１サ
イクルの単位でサイクル制御して行われる。この場合、
変圧器２の１次巻線２ａの給電電圧は図８の（ａ）に示
すように、毎給電期間Ｔａの始め及び終わりが交流電源
１のゼロ電圧に一致する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の交流電源１
のゼロ電圧に同期したサイクル制御の場合、変圧器２に
生じる交番磁束は励磁電流の通流に基づき、例えば図８
の（ａ）に示す１次巻線２ａの電圧位相に対して同図
（ｂ）に示すようにずれ、図９のヒステリシス特性で変
化し、毎給電期間Ｔａの始め及び終わりが図９の正又は
負の磁束最大（ピーク）Ａ又はＢになる。そして、とく
に図８の（ｂ）に示すように毎給電期間Ｔａの始めと終
わりとが異極性の磁束最大の状態になるときは、毎給電
期間Ｔａの始めに磁気飽和に伴う過大な突入電流が生じ
易く、この突入電流によりサイリスタ４，５が破損する
等の問題点がある。

【０００７】そして、変圧器２以外の種々のインダクタ
ンス負荷についても、交流電源１のゼロ電圧に同期した
従来のサイクル制御の場合、前記と同様の問題点が生じ
る。また、サイリスタ４，５の代わりにＭＯＳＦＥＴ等
の他の半導体スイッチング素子を用いたとしても、従来
のサイクル制御を行う限り、前記と同様の問題点が生じ
る。

【０００８】本発明は、インダクタンス負荷への交流給
電の電力を半導体スイッチング素子構成の給電スイッチ
回路のサイクル制御で調整する際に、給電期間の始めの
負荷の交番磁束の飽和に伴う過大な突入電流の発生を防
止することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明のサイクル制御方法においては、交流電源
とインダクタンス負荷との間に設けた半導体スイッチン
グ素子構成の給電スイッチ回路の毎給電期間の最初の通
流方向が前回の給電期間の最終の通流方向と逆になるよ
うに期間設定し、かつ、休止期間のサイクル数に応じた
制御遅れ角で給電スイッチ回路の毎給電期間の始端を交
流電源のゼロ電圧から遅延する。

【００１０】

【作用】前記のように構成された本発明のサイクル制御
方法の場合、交流電源とインダクタンス負荷との間の給
電スイッチ回路の毎給電期間の最初の通流方向が前回の
給電期間の最終の通流方向と逆になり、しかも、休止期
間が長くなって前回の給電期間との間隔が長くなり、負
荷の残留磁束が減少するにしたがって給電期間のスター
トが交流電源のゼロ電圧から遅れるため、毎給電期間の
始めに前回の給電期間の最終の磁束と同極性の磁束が負
荷に生じるとともに、その磁束の大きさが休止期間が長
くなる程小さくなる。

【００１１】そのため、毎給電期間の始めに負荷が磁気
飽和状態にならず、負荷の交番磁束が連続性を保って滑
らかに変化し、磁気飽和に伴う過大な突入電流の発生が
防止される。

【００１２】

【実施例】実施例について、図１ないし図６を参照して
説明する。 （第１の実施例）まず、第１の実施例について、図１な
いし図４を参照して説明する。装置構成を示した図２に
おいて、図７と同一符号は同一のものを示し、図７と異
なる点はサイリスタ４，５を点弧駆動する制御装置とし
て、図７の制御装置７の代わりに制御装置８を備えた点
である。

【００１３】この制御装置８は図３に示すように形成さ
れ、同図において、９は交流電源１に接続された同期パ
ルス発生回路、１０はマイクロコンピュータ構成のデジ
タル処理回路、１１はカウンタ、１２は変圧器２の１次
巻線２ａの電圧を検出する電圧検出器、１３はサイリス
タ４，５に点弧用のゲート信号を供給する駆動回路であ
る。

【００１４】そして、制御装置８はカウンタ１１のプリ
セット等に基づき、図１に示す交流電源１の半サイクル
又は１サイクルのｍ（ｍは整数）倍の給電期間ＴＡとｎ
（ｎは整数）倍の休止期間ＴＢとが、毎給電期間ＴＡの
スイッチ回路３の最初の通流方向が前回の給電期間ＴＡ
の最後の通流方向と逆になるように期間設定され、か
つ、毎給電期間ＴＡの最初のサイリスタ点弧のゼロ電圧
からの制御遅れ角αが図４に示すように、休止期間ＴＢ
のサイクル数に応じて設定される。

【００１５】これらの設定と同期パルス発生回路９のゼ
ロ電圧に同期した同期パルス及び電圧検出器１２の検出
電圧に比例した周波数信号とに基づき、制御装置８は毎
給電期間ＴＡに達すると、最初に、前回の給電期間ＴＡ
の最終の点弧サイリスタ４又は５と逆のサイリスタ５又
は４を制御遅れ角αだけ交流電源１のゼロ電圧から遅れ
て点弧し、以降は、給電期間ＴＡが終了するまで交流電
源１のゼロ電圧に同期してサイリスタ４，５を交互に点
弧する。

【００１６】この点弧に基づくスイッチ回路３のオンに
より、変圧器２は毎給電期間ＴＡに図１の（ａ）の実線
の交流電源１の電圧が印加されて同図の（ｂ）の実線の
交番磁束が発生する。なお、図１のｔ₀ ，ｔ₂ ，…のゼ
ロ電圧からα遅れたｔ₀ ’，ｔ₂ ’…がスイッチ回路３
の最初の点弧タイミング，すなわち毎給電期間ＴＡの始
端のタイミングを示し、ｔ₁ ，ｔ₃ ，…のゼロ電圧は毎
給電期間ＴＡの終端のタイミングを示す。

【００１７】そして、スイッチ回路３の毎給電期間ＴＡ
の最初の通流方向が前回の最終の通流方向と逆になるた
め、例えば図１の（ｂ）のｔ₁ とｔ₂ ’との交番磁束か
らも明らかなように、毎給電期間ＴＡの最初の磁束と前
回の給電期間ＴＡの最終の磁束とは同極性になる。ま
た、給電期間ＴＡの直前の変圧器２の残留磁束は休止期
間ＴＢのサイクル数に応じて変化し、休止期間ＴＢが長
くなる程減少する。

【００１８】そして、休止期間ＴＢのサイクル数に応じ
て制御遅れ角αが設定され、例えば休止期間ＴＢのサイ
クル数が０の連続オン状態のときは、α＝０に設定され
て例えばｔ₂ ’がｔ₂ になるため、変圧器２の磁束の連
続性が保たれる。また、休止期間ＴＢのサイクル数が大
きくなって変圧器２の残留磁束が減少するときは、制御
遅れ角αが大きくなって給電期間ＴＡの最初の交番磁束
が０から発生するようになり、変圧器２の磁束がいわゆ
るソフトスタート特性で変化する。

【００１９】したがって、変圧器２は毎給電期間ＴＡの
始めと終わりに図９の異極性の磁束最大Ａ，Ｂの磁気飽
和状態にならず、しかも、休止期間ＴＢに応じて給電期
間ＴＡのスタートが交流電源１のゼロ電圧から遅れ、変
圧器２の磁束が連続性を保って滑らかに変化する。その
ため、変圧器２の定格時の磁束密度を高くしても、毎給
電期間ＴＡの始めに従来のような変圧器２の磁気飽和に
伴う突入電流の発生がなく、この突入電流によるサイリ
スタ４，５の損傷等が生じない。

【００２０】つぎに、制御装置８の具体的な動作につい
て説明する。まず、同期パルス発生回路９は交流電源１
のゼロ電圧を検出する毎に同期パルスをデジタル処理回
路１０に供給する。

【００２１】また、電圧検出器１２は変圧器２の１次巻
線２ａの電圧を検出して検出電圧を周波数に変換し、こ
の変換により形成した周波数信号をデジタル処理回路１
０に供給する。そして、デジタル処理回路１０は周波数
信号が消失する休止期間ＴＢの最初のゼロ電圧，例えば
ｔ₁ のゼロ電圧に基づく同期パルスの入力によりカウン
タ１１に起動指令を発行する。

【００２２】このカウンタ１１は制御遅れ角αを加味し
た休止期間ＴＢに相当する時間がプリセットされ、起動
指令が与えられると、同期パルスに同期したデジタル処
理回路１０のクロックパルスをダウンカウントし、この
ダウンカウントが終了するｔ₂ ’に給電期間ＴＡの開始
指令をデジタル処理回路１０に与える。

【００２３】そして、デジタル処理回路１０は開始指令
が入力されると、前回の給電期間ＴＡの最後の点弧サイ
リスタと逆のサイリスタ，例えばサイリスタ５の点弧指
令を駆動回路１３に発行する。さらに、点弧指令の入力
により駆動回路１３はサイリスタ５にゲート信号を供給
し、ｔ₂ ’にサイリスタ５を点弧してスイッチ回路３を
オンする。

【００２４】一方、デジタル処理回路１０はクロックパ
ルス又は同期パルスをカウントして給電期間ＴＡを計時
するとともに、この間、同期パルスの入力毎にサイリス
タ４，５の点弧指令を交互に駆動回路１３に発行し、サ
イリスタ４，５をゼロ電圧に同期して交互に点弧し、ス
イッチ回路３をオンに保持する。そして、ｔ₃ の同期パ
ルスが与えられて給電期間ＴＡが終了し、つぎの休止期
間ＴＢに達すると、前記ｔ₁ からの動作がくり返され、
サイクル制御が行われる。 （第２の実施例）つぎに、第２の実施例について、図５
を参照して説明する。同図において、図２と同一符号は
同一もしくは相当するものを示し、図２と異なる点は、
サイリスタ４，５の代わりに自己消弧型の半導体スイッ
チング素子であるＩＧＢＴ１４，１５を使用し、交流電
源の一端と変圧器２の１次巻線２ａの一端との間に、逆
流防止用のダイオード１６のアノード，カソード及びＩ
ＧＢＴ１４のコレクタ，エミッタの直列回路と、逆流防
止用のダイオード１７のカソード，アノード及びＩＧＢ
Ｔ１５のエミッタ，コレクタの直列回路とを並列に接続
して給電スイッチ回路３を形成した点である。

【００２５】そして、ＩＧＢＴ１４，１５は制御装置８
のゲート信号により、図１のサイリスタ４，５と同様に
スイッチング制御され、この制御に基づき、第１の実施
例と同様の効果が生じる。なお、ＩＧＢＴ１４，１５の
代わりにＭＯＳＦＥＴ，パワートランジスタ等の種々の
自己消弧型の半導体スイッチング素子を使用してもよい
のは勿論である。 （第３の実施例）つぎに、第３の実施例について、図６
を参照して説明する。図６において、図２，図５と同一
符号は同一のものを示し、それらの図面と異なる点は、
図２，図５のスイッチ回路３及び制御装置８の代わり
に、ダイオードブリッジ構成の給電スイッチ回路１８及
びその制御装置１９を備えた点である。

【００２６】そして、スイッチ回路１８はダイオード２
０〜２３の全波整流のブリッジ回路と、このプリッジ回
路の直流端子間であるダイオード２０，２２のカソード
の接続ａ，ダイオード２１，２３のアノードの接続点ｂ
間にコレクタ，エミッタを設けた１個のＩＧＢＴ２４と
により形成されている。

【００２７】また、制御装置１９は図２，図５の制御装
置８と同様にマイクロコンピュータ構成のデジタル処理
回路等を用いて形成され、毎給電期間ＴＡに最初のゼロ
電圧から制御遅れ角α遅れてＩＧＢＴ２４にゲート信号
を供給し、ＩＧＢＴ２４をオンする。そして、このＩＧ
ＢＴ２４のオンにより、交流電源１の正サイクルにはダ
イオード２０，ＩＧＢＴ２４，ダイオード２３の給電路
を形成し、交流電源１の負サイクルにはダイオード２
２，ＩＧＢＴ２４，ダイオード２１の給電路を形成し、
スイッチ回路１８をオンする。

【００２８】したがって、この実施例の場合はスイッチ
回路１８にＩＧＢＴを１個だけ設ける安価な構成によ
り、第１，第２の実施例と同様の効果が生じる。そし
て、前記実施例ではインダクタンス負荷を変圧器２とし
て説明したが、種々のインダクタンス負荷の交流の電力
調整に適用できるのは勿論である。また、給電期間Ｔ
Ａ，休止期間ＴＢのサイクル数，制御遅れ角αの特性等
は実施例に限定されるものではない。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を奏する。交流電源１
とインダクタンス負荷（変圧器２）との間に設けた給電
スイッチ回路３，１８を、毎給電期間ＴＡの最初の通流
方向が前回の通流方向と逆になり、しかも、休止期間Ｔ
Ｂが長くなって負荷の残留磁束が減少する程、毎給電期
間ＴＡの始端が交流電源１のゼロ電圧から遅れて発生磁
束の小さい状態から給電が始められるため、毎給電期間
ＴＡの始めに負荷の磁気飽和が発生せず、この磁気飽和
に伴う過大な突入電流が防止されてスイッチ回路３，１
８等が突入電流で破損せず、信頼性の高いサイクル制御
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明のサイクル制御方法の
１実施例の制御説明用の電源電圧，交番磁束の波形図で
ある。

【図２】図１の制御が適用される装置の結線図である。

【図３】図２の一部の詳細なブロック図である。

【図４】図１の制御遅れ角の特性図である。

【図５】本発明の第２の実施例の結線図である。

【図６】本発明の第３の実施例の結線図である。

【図７】従来例の結線図である。

【図８】（ａ），（ｂ）は図７のサイクル制御説明用の
電源電圧，交番磁束の波形図である。

【図９】図７の動作説明用のヒステリシス特性図であ
る。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ 変圧器 ３，１８ 給電スイッチ回路 ＴＡ 給電期間 ＴＢ 休止期間 α 制御遅れ角

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−240874（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−127446（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−66762（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−135152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−50663（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 給電期間，休止期間の設定に基づき、交
   流電源とインダクタンス負荷との間に設けた半導体スイ
   ッチング素子構成の給電スイッチ回路を前記交流電源の
   ゼロ電圧に同期してオン，オフし、前記負荷に給電する
   交流電力を調整するサイクル制御方法において、 前記給電スイッチ回路の毎給電期間の最初の通流方向が
   前回の給電期間の最後の通流方向と逆になるように期間
   設定し、かつ、休止期間のサイクル数に応じた制御遅れ
   角で前記給電スイッチ回路の毎給電期間の始端を前記交
   流電源のゼロ電圧から遅延することを特徴とするサイク
   ル制御方法。