JP2738458B2 - 加熱負荷用電力制御装置及び方法 - Google Patents

加熱負荷用電力制御装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、加熱負荷用電力制御装置に関し、更に詳細
には、移動中の、例えば紙のような薄板状材料を乾燥す
るための加熱装置に関する。
従来技術の説明 例えば水分プロファイルを均一にするために個別制御
するような場合に、移動中の紙ウェブの横方向に石英加
熱エレメントを配置した放射加熱器については、本出願
人に譲渡された米国特許4,494,316に開示済みである。
この種の加熱器は、移動中の薄板状材料の特定の区分又
は部分と関連して、加熱エレメントを、例えば1個から
3個程度、特定の組にして、移動中の薄板状材料に沿っ
て横方向に配置した個別の電気赤外線加熱エレメントを
備えたモジュールで構成される。水分コントローラの横
方向水分センサにより、加熱器に関する必要制御情報が
フィードバックされ、水分プロファイルが均一になるよ
うな適当な電力レベルに加熱器を制御する。
この種の電力制御に関しては、1988年1月19日付をも
ってDavid Wolzeによって出願され、現米国特許第4,85
9,926号をもって本出願人に譲渡された米国特許出願番
号145,526“加熱ランプのディジタル制御システム”に
説明されている。この技術では、シリコン制御整流器又
はゲートターンオフサイリスタを使用し、加熱ランプに
供給する交流半サイクルの一部を調節するように点弧角
度を制御する。設備によっては、前記システムは高解像
度制御を極めて適切に実施できるが、力率の改善或は適
当な解像度を得ることが要求され、そのためにはコスト
に影響するハードウェアが必要である。
発明の目的及び要約 従って、当発明の一般的な目的は、加熱負荷に対する
改善された電力制御システムを提供することにある。
前記の目的に従い、ウェブの特定の区分又は部分にそ
れぞれのランプ又はランプの組が対応するようにウェブ
の上方に複数個の加熱ランプを横方向に並べて懸垂配置
し、水分コントローラに応答して、移動中のウェブを乾
燥する3相交流ライン入力を供給する電力制御システム
を提供する。このシステムは、加熱ランプに供給する電
力を制御するために実質的に当該区分に配置された各区
分用の個別切換え手段を備え、各区分に電力を供給する
ために並列分岐してウェブの横方向に伸延する電力解像
度で構成される。水分コントローラ及び3相交流ライン
入力のゼロ点通過に応答する処理手段によってスイッチ
を作動化し、3相交流ライン入力の半サイクル又は半サ
イクルの一部を、既述の水分コントローラが必要と決定
する電力レベルに制御する。
関連した方法も提供する。
好ましい実施例の説明 鎖線の矩形10内に示す移動する紙の特定区分を乾燥す
るための装置を第1図に示す。この装置は、特定の区分
上に吊られた石英ハロゲン赤外線加熱ランプ11、単数又
は複数個の関連サイリスタスイッチ及び3相交流ライン
入力15によってドライブされる保護セクション13で構成
される。このラインは、分岐して他の区分まで伸延する
(この場合の他の区分は150個所までの多数であっても
差支えなく、一般に、実際には、製紙機械によって製造
中の巾3インチの紙である)。
全ての区分に対する中央制御所において、3相入力15
に関する情報は、計測用変圧器16により、例えば100対
1の比で分岐され、この3相入力は回路17のラインシン
クに供給される。この種の回路は図2と関連して説明す
るように、3相波形がゼロレベルと交差する度に中断さ
れる出力18及び、3本のライン19による位相情報を提供
する。これ等の全ての情報はアクチュエータコンピュー
タ21によって受信され、その制御出力ライン22によっ
て、それぞれの区分のサイリスタスイッチ12をドライブ
する。それぞれの区分が関連加熱ランプ用に必要とする
電力レベルは同じではないので、これ等の制御出力ライ
ンは個別制御ラインである。
アクチュエータコンピュータ21は、標準横方向水分セ
ンサからの情報を受信し、それぞれの区分の加熱ランプ
に供給すべき%電力レベルを効果的に決定する水分コン
トローラ22に結合される。この動作については、電力レ
ベルの%を提供する情報又はデータを含む23で示される
探索表1、2及び3を使用して次に詳しく説明する。水
分コントローラは、制御情報によって、それぞれの区分
に必要な電力レベルを算定し、その情報をアクチュエー
タコンピュータ21に転送する。次に、アクチュエータコ
ンピュータは、表23のうちの1つの中で適切な%電力レ
ベルを探索し、当該特定区分に関するこの情報を、3個
のスクラッチパド表24a、24b及び24cのうちの1つに転
送する。
これ等のスクラッチパド表は表1、2及び3と関係を
もつが、スクラッチパド表は特定の区分によって順序付
けられ、サイリスタスイッチ12が必要とする特定区分に
対する切換率によって電力レベルデータを検索するため
に各区分全体を効果的に順序付ける26に表示されるゾー
ンポインタによってアドレスされる。次に説明するよう
に、この作動期間は1/2サイクル(60Hz入力の場合)又
は1サイクルの1/6である。従って、区分は1、2、3
・・・Nとして表示され、150個まで設定できる。一般
に、特定の所要パラメータに対しては、たゞ1種類の電
力レベル表だけが使用され、結果としてのスクラッチパ
ド表24がこのパラメータを反映する。即ち、表1「最小
フリッカ」の表2「力率1」又は表3「高解像度」であ
る。
コンピュータ21は、水分コントローラ22を用いた表と
探索表23の両方を作成し、更に、ラインベースで、サイ
リスタスイッチを順々に作動化するために特定区分のス
クラッチパド表からデータを検索しなければならない。
勿論、この動作は、60サイクルAC及びスイッチ12の比較
的遅いサイクリングレートによっては見えない程高速な
レートで実施される。
従って、全体としては、上記の配置構成であるため
に、理論的には一時に全て同じでない電力レベルを必要
とする各種区分の全てを制御するにはたゞ1つの単一処
理段を用いなければならない。周知のように、乾燥工程
の主目的は、製造中の紙の水分ストリークを除去し、水
分プロファイルを均一にすることにある。
フリッカを少なくするために用いる2方法を第1A図と
第1B図に示す。実際には、第1A図に示すように、区分を
小区分、例えば1A、1B及び1Cに分け、区分の個々の加熱
ランプは、11′で表示される加熱ランプを備えた12′で
表示される対応するスイッチによって個別に制御され
る。従って、第1B図に示すように、特にタイプは指定さ
れないが24′で表示されるスクラッチパド表は、作動化
しようとするスイッチ12′に対応する小区分1A、1B、1C
を備える。
半サイクル期間又は1/6サイクル期間をもってサイリ
スタスイッチ12を効果的に切換えるために、第2図のラ
イン同期回路は、1サイリスタ中に6回の情報切換えを
行なう。そのためには、計測用変圧器16を介して3相ラ
イン入力15を用いる。排他的ORゲート33及びパルスジェ
ネレータ34を介してコンパレータ31aから31cまでの出力
を用いることにより、インタラプト18が供給される。こ
のインタラプトは、本質的には、ゾーンポインタ26の順
序付けを行なう。インバータ32a−32cは、2進表に示す
ように、関連位相情報をライン19に供給する。
一般に2区分用に用いられるヒータモジュール40の一
部を構成する8個の加熱ランプ11を第3図に示す。ラン
プ12個を使用することもできる。これ等のランプは、切
換えのために、4個又は6個の2グループに分けられ
る。サイリスタスイッチ12は、絶縁隔壁41上に設置され
るこのモジュール40を構成する。この種のモジュール40
は紙の移動方向42を横切る方向に配置され、部分的に示
すように、左側のモジュール43と右側のモジュール44を
含み、一列に配置される。モジュールに対して紙を保護
するために用いるガラス製隔壁には、適当に空気を流す
ためのスリットを備える。この種のモジュールについて
は、Erik Stephansen名義となっていたものが本出願人
に譲渡された米国特許4,494,316号に詳細に示す。一般
に、電力線は、加熱ランプにY又は△接続される。
フリッカを最小限にする加熱ランプの切換えについ
て、第4図及び第5図に示す。付記した%は、供給電力
レベルを示す。図に示す正弦波の斜線をほどこした部分
は、加熱ランプの閉状態即ち電力供給されている状態を
示す。従って、正弦波の斜線部分が大きければ大きい
程、電力レベルが高いことを示す。第4A図において、60
°ごと即ち1/6サイクルごとの時間を示す垂線51は、ア
クチュエータコンピュータ21をドライブするライン18の
インタラプト時間を示す(第1図参照)。これ等の垂直
は、スイッチがオンした後で、ゼロ交差によってスイッ
チをオフするという標準サイリスタスイッチ理論に従っ
てスイッチを作動させるためのタイミングを表わす。
第4A図に示すように、1/2サイクルの1/3は“1"で示す
斜線部であり、第5A図では、1/2サイクルの2/3は“4"で
示す斜線部であり、1/2サイクル全部を斜線部“5"で示
す。第4図及び第5図から明白であるように、半サイク
ルの部分又は全部を制御することにより電力レベルを調
節できる。
勿論、シリコン制御された整流器を適切なプロセシン
グ手段によって制御すると、1/2サイクルの部分を自由
に選択できる。たゞし、そのためには、大きい計算機能
を必要とし(コスト高となる)、更に、これによって、
フリッカ及び力率等のようなパラメータに著しく悪影響
を及ぼす。
特に、第4図及び第5図に示すように、フリッカを最
小限に抑制するための技法は、2サイクルごとに図示さ
れる波形を本質的には全く同じ方法で繰返すことであ
る。この動作を次の表1に示す: 前記の表には、10、15、45、50及び100%の電力レベ
ルと、20個の1/2サイクルについて示す。例えば、電力
レベルが10%の場合、第4B図の波形に相当し、2個の
“1"レベルスイッチが閉じる。表1においては、これ等
のスイッチ動作は、残りの電力供給期間を通じて連続的
に繰返される。第5A図の45%電力レベルの場合は、表1
においては、最初の1/2サイクルは全体がオン、即ち
“5"レベルであり、次に、負の1/2サイクルは2/3がオ
ン、即ち“4"レベルである。最後に、表1に示すよう
に、100%は勿論全体にわたってオン状態の正弦波であ
る。
目に見えるフリッカ周波数の周期は1/20秒よりも大き
いので、前記の方法によればフリッカが防止される。60
サイクル系統であれば2サイクルごとにデータを繰返す
と、繰返し率は1/30秒であり、50サイクル系統であれば
1/25秒である。従って、フリッカは本質的に除去され
る。
それぞれの隣接区分に対して開発ポインタ(表1の1
から20まで)を用いて1/2サイクル表に適当に入力する
ことにより、フリッカを最小限度に抑制すると同時に、
正と負の1/2サイクルの間の平衡を保ち、力率も改善で
きる。たゞし、これ等の利点は二義な特徴である。これ
によって、解像度が犠牲にされて5%になる。開始ポイ
ンタを、20個の1/2サイクルの種々の点において使用す
る場合について、力率1の場合について次の表2に示
す。
この表の主要部分について説明する前に、1/2サイク
ルポインタと区分の関係を検討すると、区分1の場合に
は20サイクルの最初のサイクルにおいてポインタがスタ
ートし(表3にも適用される)、区分2の場合には10番
目のサイクルにおいてスタートし、この様に継続される
ことがわかる。既に述べたように、これがポインタ技法
の要点であり、平衡が改善される。全ての区分を同一レ
ベルに設定した場合、区分に対して奇数と偶数の開始点
を交互に配分することにより、正と負の1/2サイクルの
間で完全な平衡が保たれる。従って、レベルが異なる場
合であっても、勿論、平衡が改善される。区分(ゾーン) 1/2サイクルポインタ 1 1 2 10 3 1 4 10 − − − − − − 10 11 11 2 力率1に関する表2においては、力率1とするため
に、部分的な1/2サイクルでなく、全1/2サイクル調節が
行なわれ、必然的に力率が改善される。表に示すよう
に、10%電力レベルでは、1/2サイクル1においては全1
/2サイクル、次に、1/2サイクル12においては全1/2サイ
クルにわたって電力が供給される。従って、電力は2/20
即ち10%レベルとなる。15%、20%、45%及び50%レベ
ルの場合についても表に示す。50%レベルでは、完全に
オンの状態即ちスイッチが作動化されている状態が1サ
イクル置きに起きることがわかる。表の残りの部分につ
いても特に説明する必要の無い程に明白である。1/2サ
イクルポインタは、平衡が良くなるように調節される。
最後に、解像度を最高の1%とし、必然的にフリッカ
及び力率を犠牲にした場合を表3に示す。
表3と第4D図を参照すると、20%電力レベル(最小フ
リッカパラメータに相当する)は同じく高い解像度に相
当することがわかる。ともかく、第4D図は電力レベル20
%の場合を示すものであり、表3に1の列で示すよう
に、20個のサイクル全体にわたって、1/2サイクルの1/3
はオン状態である。
電力レベル10%の場合には、第1及び第2番目の1/2
サイクル、第5及び第6番目の1/2サイクル等々に対し
て1/2サイクルの1/3がオンである。次に、11%電力レベ
ルでは、“3"で示す1/2サイクルにおいて更に1/2サイク
ルの1/3がオンとなる。20%では、全ての1/2サイクルが
“1"となる。電力レベルが25%に達すると“1"レベルは
最大になるので、1/2サイクルの2/3がオン(“4")とな
る。50%レベルでは、正と負の両方で全ての1/2サイク
ルがオン(“5")となる。この状態は、表1の最小フリ
ッカ及び表2の力率1の両方の場合と同じである。
25%電力レベルの場合には、“4"レベル波形の場所に
おいて、例えば第5番目の1/2サイクルで繰返す代りに
第6番目の1/2サイクルに移すために、調節が行なわれ
る。これによって、再度、平衡を保ち、フリッカを最小
限度にすることができる。同時に、表2の区分に関して
1/2サイクルポインタ技術も用いられる。
1%或は高い解像度技法を用いるとフリッカの問題が
大きくなるので、前記の表3には、例えば、或は区分に
12%レベルを適用する場合のように、フリッカを減少さ
せるための技法も示す。この場合には、第1A図及び第1B
図に示すように、特定の区分の加熱ランプは補助区分、
即ち、1A、1B及び1Cに分け、12%区分用データは、それ
ぞれの小区分に対してオフセットされる。具体的なオフ
セットは、図に示すようにゼロ、7及び14である。この
ようにしてフリッカを減少させることができる。
最後に、起動について簡単に検討することとする。第
4D図に示すように、“1"で表示される低電力レベルは、
低電力レベルにおける1/2サイクルごとに区分に関して
スイッチが作動化される場合に用いられる。そのために
は、第1図に示すようにアクチュエータコンピュータ21
を用いて、起動ライン16を介して、暖機が行なわれるま
で第4D図に関するデータをスクラッチパド表に一時的に
挿入する。より低電力の冷態起動に対してしては、交流
線電圧の少なくとも1つおきの半サイクルの一部分に対
してスイッチが作動化される。
以上のように、改善された電力制御システム及び方法
が達成される。交流波形サイクルの1/2サイクル全てを
用いて、リップルが極めて少ない力率1の電力を供給で
きる。1/2サイクル又は1/6サイクルが全て同じであると
して取扱い、スクラッチパド表を用いることによって関
連マイクロプロセッサ(アクチュエータコンピュータ21
参照)はゼロポインタにより所要制御電力レベルを実施
できるので、計算負荷が軽減される。ユーザとしては、
発電所又はユーザの現場において、電力レベル探索表を
ユーザの選択に適するように調整できる。例えば、高い
解像度だけを強調する技法を必要とする場合、或は、実
際に製造中の紙のグレードに応じて変化させる場合など
のようなユーザの選択に適合できる。
当技法では、1/2サイクルごとに区分に供給する電力
を変化させながら全体としての電力レベルが保持される
(必要に応じて、力率1その他のパラメータのうちの1
つを実行する)ので、当技術は、先行SCR使用技術を改
善したものである。対照的に、一般のSCRシステムで
は、サイクルごと又は1/2サイクルごとに繰返す。
現在使用されている3相電圧を用いて同期をとること
により、タイミングが大巾に簡易化される。加熱要素を
組に分け、既に検討したように、フリッカが最小限度に
なるように、組を構成する更に小さな組ごとに個別に制
御することができる。更に、それぞれの区分ごとに電力
スイッチを配置するので、配線が著しく簡易化される。
【図面の簡単な説明】
第1図は当発明を実施するブロック図である。 第1A図は第1図の変更態様である。 第1B図は、第1図の表の変更態様であるスクラッチパド
表を示す図である。 第2図は第1図の部分的詳細回路図である。 第3図は、本発明で実際に使用される加熱ランプの断面
図である。 第4図は、本発明を理解し易くするための波形である。 第5図は、本発明を理解し易くするための別の波形図で
ある。

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ウエブの特定の区分又は部分に各ランプ又
    はランプの組が対応するようにウエブの上方に複数個の
    加熱ランプを横方向に並べて懸垂配置し、水分コントロ
    ーラに応答して、移動中のウエブを乾燥する交流線電力
    を供給するための制御装置であって、 水分コントローラ; 制御信号に応答して交流電力を供給及び遮断するための
    前記各区分の前記加熱ランプ用電力スイッチ;及び 複数の交流半サイクルにわたり且つ前記の交流線電力と
    同期するパターンでの繰返しで、各区分に対して前記制
    御信号を継続して発生するための発生手段;から構成さ
    れ、 前記発生手段が、前記水分コントローラからのコマンド
    に応答して、区分に供給する電力を半サイクルごとに変
    えるための手段を備え、パターン全体にわたって供給さ
    れる電力の平均値が所定の電力レベルに保持されること
    を特徴とする制御装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記パターンが、完全
    に供給状態であるか又は完全に遮断状態であるような交
    流半サイクルを生じさせる制御装置。
  3. 【請求項3】請求項1又は2において、前記交流線電力
    が3相であり、前記パターンが、完全に供給状態、3分
    の2が供給状態、3分の1が供給状態又は完全に遮断状
    態であるような交流半サイクルを生じさせる制御装置。
  4. 【請求項4】ウエブの特定の区分又は部分に各ランプ又
    はランプの組が対応するようにウエブの上方に複数個の
    加熱ランプを横方向に並べて懸垂配置し、水分コントロ
    ーラに応答して移動中のウエブを乾燥するための3相交
    流ライン入力を用いる電力制御装置であって、 水分コントローラ; 各区分に対する前記加熱ランプに電力を供給するために
    前記ウエブの各区分に対応して並列分岐して延びた電力
    回路であり、前記加熱ランプへの前記電力供給を制御す
    るために実質的に前記区分に配置した各区分を対象とす
    る個別切換え手段を含む、電力回路;及び 前記水分コントローラ及び前記3相交流ライン入力のゼ
    ロ点通過に応答して、前記水分コントローラによって決
    定される所要電力レベルへの前記3相交流ライン入力の
    半サイクル又は半サイクルの一部分を制御するために前
    記切換え手段を作動化させ、平均電力を前記所要電力レ
    ベルに維持するために、前記半サイクル又は前記半サイ
    クルの一部分からなる繰返しパターンを提供する処理手
    段;から構成されることを特徴とする電力制御装置。
  5. 【請求項5】請求項4において、前記処理手段が、各区
    分に対応する前記半サイクル又は半サイクルの一部分に
    関するデータを記憶するためのスクラッチパッドメモリ
    手段を備え、前記データが、最小フリッカ、力率1又は
    高解像度電力制御のいずれかを実施するために前以て決
    定されたパラメータに依存する電力制御装置。
  6. 【請求項6】ウエブの特定の区分又は部分に各ランプ又
    はランプの組が対応するようにウエブの上方に複数個の
    加熱ランプを横方向に並べて懸垂配置し、水分コントロ
    ーラに応答して移動中のウエブを乾燥するための電力制
    御方法であって、 特定区分に対応する個別スイッチによって前記区分の交
    流線電圧電源に全ての加熱ランプを接続する工程; 実質的に10%から100%までの広範囲にわたる所要の複
    数個の電力レベルをコンピュータタイプのメモリに記憶
    し、この場合それぞれの前記レベルは、前記線電圧の半
    サイクル又は半サイクルの一部分に関して前以て選定し
    たデータに対応し、前記データは、次に示すパラメー
    タ、即ち、高電力レベル解像度、力率1及び最小フリッ
    カのうちの少なくとも1個を強調するように選定される
    ものとする工程; 前記水分コントローラからのコマンドに応答して、前記
    各区分に対して所要のレベルを供給するために、記憶し
    た前記電力レベルデータをスクラッチパドメモリ表に転
    送し、この場合に前記スクラッチパドメモリ表は区分ポ
    インタに応答するものとする工程; 前記熱ランプに電力を供給するために前記スイッチを所
    定条件に従って作動化する目的で、前記加熱ランプの前
    記スイッチを、前記スクラッチパドメモリ表からの前記
    データで駆動し、この場合に、前記区分ポインタがそれ
    ぞれの区分に対する前記データの位置決めをし、前記半
    サイクル又は前記ハンサイクルの一部からなるパターン
    全体に渡って与えられる平均電力が所定のレベルに維持
    される工程から成ることを特徴とする方法。
  7. 【請求項7】請求項6において、前記区分ポインタが、
    前記区分全体にわたって、前記線電圧の少なくともそれ
    ぞれの半サイクルを順序付ける方法。
  8. 【請求項8】請求項7において、3相線電圧入力の1サ
    イクルの6分の1ごとに起きる中断作用によって前記の
    順序付けが行なわれ、前記3相線電圧のそれぞれの位相
    がゼロ点を通過することによって前記の中断が実施され
    る方法。
  9. 【請求項9】請求項6又請求項7において、前記所定の
    電力レベルを供給するために所定の複数個のサイクルに
    わたって選択的に作動化された完全な半サイクルを用い
    ることにより、前記力率1を達成する方法。
  10. 【請求項10】請求項6又は請求項7において、前記電
    力レベル解像度の最大解像度が、1サイクルの6分の1
    に等しい半サイクルの一部分を用いることによって達成
    され、3相交流ライン入力のゼロ通過によってタイミン
    グが決定される方法。
  11. 【請求項11】請求項6又は請求項7において、前記交
    流線電圧の少なくとも2サイクルごとに、前記データを
    同じように繰返すことによって前記最小フリッカが達成
    される方法。
  12. 【請求項12】請求項6又は請求項7において、冷態起
    動に対しては、交流線電圧の少なくとも1つおきの半サ
    イクルの一部分に対してスイッチを作動化することによ
    って低電力レベルを用いる方法。
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