JP3340180B2

JP3340180B2 - 電力制御装置

Info

Publication number: JP3340180B2
Application number: JP08478493A
Authority: JP
Inventors: 知彦上杉
Original assignee: Seiki Corp
Current assignee: Seiki Corp
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JPH06301430A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電源から負荷に給電す
る電力量を制御する電力制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力制御方式としては、一般に、位相制
御方式と時間比例制御方式が知られている。位相制御方
式について図８、図９を用いて説明する。図８は位相制
御方式の回路を示す。電源１５と負荷１６の間にトライ
アック１７が接続される。このトライアック１７は、位
相制御回路１８によりオン・オフ制御される。

【０００３】図８の回路における波形を図９に示す。
（ａ）は電源１５の電圧波形を示し、（ｂ）は位相制御
回路１８からトライアック１７のゲートに供給されるト
リガパルスを示し、（ｃ）は負荷に給電される電圧波形
を示す。（ｂ）のトリガパルスは、位相制御回路１８に
より、電源電圧のゼロクロス点から位相角θだけ遅れた
時点で発生される。トライアック１７は、このトリガパ
ルスが供給された時点でオンとなり、保持電流が０とな
る時点までオン状態を継続する。これにより、負荷１６
には（ｃ）に示す電圧波形が供給される。

【０００４】この負荷１６に給電される電圧波形の面積
は、トリガパルスの位相角θを変化することにより変化
させることができる。したがって、位相制御回路１８が
発生するトリガパルスの位相角θを制御することによ
り、負荷１６に供給する電力量を制御することができ
る。この位相制御方式は、なめらかな制御ができるとい
う利点を有するものであるが、反面、次の（１）〜
（４）の欠点を有する。（１）制御回路の構成が複雑で高コストである。（２）トリガ時点の電流の立ち上がりによりノイズが発
生する。（３）電源へ悪影響を及ぼす。（４）制御出力と位相角が比例しないため制御精度が低
い。

【０００５】位相制御方式は以上説明したような欠点を
有するため、ヒーターの電力制御等には、通常、時間比
例制御方式が用いられる。この時間比例制御方式につい
て図１０、図１１を用いて説明する。図１０は時間比例
制御方式の回路を示す。電源１５と負荷であるヒーター
１９の間にリレー接点２０が接続される。このリレー接
点２０は、制御回路２１によりオン・オフ制御される。
この時間比例制御方式は、ある一定時間を比例時間と
し、その比例時間内のリレー接点２０のオンとオフの比
率を変化させることにより負荷に給電する電力を制御す
る。

【０００６】図１０の回路における波形を図１１に示
す。（ａ）は制御回路２１によるリレー接点２０のオ
ン、オフ状態を示し、（ｂ）は電源１５の電圧波形を示
し、（ｃ）は負荷１９に給電される電圧波形を示す。図
に示す例は、制御出力を５０％とするもので、（ａ）に
示すように、比例時間の１／２の期間リレー接点２０が
オンされ、続く比例時間の残りの１／２の期間リレー接
点２０がオフされる。これにより、（ｂ）に示す電源１
５の電圧波形は、リレー接点２０のオン期間のみ負荷に
給電され、負荷１９には（ｃ）に示す波形の出力電圧が
供給される。

【０００７】この時間比例制御方式は、（１）制御回路
が簡単なため、低コストである、（２）直流電源の制御
も可能である、等の利点を有するものであるが、反面、
（１）制御がなめらかでない、（２）リレー接点の開閉
時にノイズが発生する、等の欠点を有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
位相制御方式および時間比例制御方式は、それぞれ長所
および欠点を有している。そして、通常、ヒーターの電
力制御には、前記の各制御方式の長所および欠点を考慮
に入れた上で、時間比例制御方式が用いられている。し
かしながら、この時間比例制御方式をヒーターの電力制
御に適用した場合、次の問題が生じる。その問題点につ
いて図１２、図１３を用いて説明する。

【０００９】図１２はヒーターと被加熱物の間の熱伝導
を説明するための概念図である。ヒーター１９は、ヒー
ター外壁２２内にヒーター素線２３を収納し、ヒーター
外壁２３とヒーター素線２３間の空間を絶縁物２４で充
填して構成される。このヒーター１９に接触してあるい
は近接して被加熱物２５が配置される。ヒーター素線２
３に電力が供給されると、ヒーター素線２３の温度が上
昇し、この温度は、絶縁物２４、ヒーター外壁２３を通
して被加熱物２５に伝わる。

【００１０】図１３は、図１２における各部分の温度が
時間によって変化する状態を示すグラフである。ヒータ
ー１９に供給される電力が（ａ）に示すように、オン・
オフされると、ヒーター素線２３の温度は、このオン・
オフに同期して（ｂ）に示すように上下する。この温度
は絶縁物２４によりヒーター外壁２２に伝導される。こ
れにより、ヒーター外壁２２の温度もヒーター素線２４
の温度変化にしたがって、（ｃ）に示すように上下す
る。被加熱物が十分に大きな熱容量を持っている場合、
被加熱物２５の温度は（ｄ）に示すようにほぼ一定とな
る。

【００１１】各部分の温度変化は、図１３から明らかな
ように、ヒーター素線２３から外側に伝達するにつれて
順次温度変化の振幅が小さくなり、同時に温度も下がっ
てくる。ここで、被加熱物２５の熱容量が十分に大きけ
れば、時間比例制御方式によっても、被加熱物２５の温
度は（ｄ）に示すようにほぼ一定に保持できる。しかし
ながら、被加熱物２５の熱容量が小さい場合は、その温
度はヒーター出力に応じて変動をする。

【００１２】また、一般的にヒーター１９の寿命は、ヒ
ーター素線２３の最高温度と温度変化の振幅による熱衝
撃によって決まることが知られている。したがって、時
間比例制御方式を採用した場合、ヒーター素線２３は、
図１３（ｂ）に示すように、温度変化の振幅が大きく最
高温度も高くなるため、その寿命が短いものとなる。本
発明は、以上の点に鑑み、負荷に電力を供給する電力制
御装置を、なめらかな制御出力が得られ、低コストなも
のとすることを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電力制御装置が
実行する電力制御方式について以下に説明する。本発明
は、電源として、１つの電圧波形が波形の前と後ろに電
圧０の部分を有し、この電圧波形が繰り返し出力される
電源を使用する。この電源の代表的な例を図２に示す。
図２（ａ）に示す電源は商用交流電源であり、その前後
にゼロクロス点１を有する１つの電圧波形が正負両方向
に交互に繰り返し出力される。

【００１４】（ｂ）に示す電源は、（ａ）の商用交流電
源を全波整流して得た電源であり、その前後に電圧０の
点２を有する電圧波形が繰り返し出力される。（ｃ）に
示す電源は、直流電源に所定間隔で電圧０の期間３を設
けて矩形波形を形成することにより、その前後に電圧０
の点３を有する矩形波形が繰り返し出力される。

【００１５】以下の説明においては、電源として（ａ）
の交流電源を用いて説明するが、本発明は、それに代え
て（ｂ）（ｃ）に示された電源を用いることが可能であ
る。さらに、電源としては（ａ）〜（ｃ）に示したもの
に限定されるものではなく、前後に電圧０の部分を有す
る電圧波形が繰り返し出力される電源であれば、どのよ
うな電源に対しても同様に、本発明は適用可能なもので
ある。

【００１６】図３に本発明の電力制御装置の制御方式の
１例を示す。本例では、前後にゼロクロス点１を有する
交流電源の１／２サイクルの１つの電圧波形を、電力制
御を行うための１制御単位とする。なお、説明の便宜
上、各１制御単位に順番に番号を付ける。また、電力制
御を行う際の分解能を設定する。図示の例では、電力量
を１％きざみで制御するために、分解能を１／１００と
している。

【００１７】この分解能の逆数が１制御周期となる。図
示の例では、１〜１００の１００制御単位で１制御周期
が形成される。電源の周波数が５０Ｈｚの場合、１制御
周期は１秒となり、１制御単位の周期は１０ｍｓとな
る。本発明の電力制御装置は、電源と負荷の間に設けら
れた開閉素子をオンする場合、１制御単位の前の電圧０
の時点から後ろの電圧０の時点までの間オンするよう
に、開閉素子をオン・オフ制御する。そして、制御出力
設定値に対応して、１制御周期内でオンさせる１制御単
位の数を制御することにより、電力制御を行うものであ
る。

【００１８】制御単位と電力制御の関係を図４を用いて
説明する。図の（ａ）は電源の電圧波形を示す。この例
では、１〜１００の１００制御単位を１制御周期とし、
分解能を１／１００としている。図の（ｂ）は、制御出
力設定値を５０％とした場合に、開閉素子によりオンさ
れる制御単位を示す。この（ｂ）は、負荷に供給される
電圧波形を示すものでもある。

【００１９】この（ｂ）の電圧波形は、１個置きの制御
単位１，３，５……をオンとし、残りの制御単位２，
４，６……はオフとしたものである。これにより、１制
御周期内で１００制御単位中の５０制御単位が負荷に給
電されることとなるから、負荷に供給される電力量が５
０％に制御される。そして、この制御方式によれば、１
秒という短い１制御周期内に均等に５０個の１制御単位
が配置されて負荷に供給されるから、なめらかな制御が
得られることとなる。

【００２０】したがって、この電力制御方式を前述のヒ
ーターの加熱に用いた場合は、ヒーター素線の温度変化
の周期および振幅が小さくなり、ヒーター素線の最高温
度を低くすることができるから、ヒーター素線の寿命を
長くすることができる。なお、以上説明した（ｂ）の電
圧波形は、オンされる制御単位１，３，５……が全て正
極性のものである。電源回路に変圧器等が含まれている
時は、正極性と負極性の制御単位が同数出力される方
が、電源に対する悪影響がない。

【００２１】本発明の電力制御装置は、この点を考慮し
て、正極性と負極性の制御単位を同数出力するようにす
ることもできる。図（ｃ）に、制御電力量が５０％の場
合に、正極性と負極性の制御単位を同数出力させる例を
示す。（ｃ）の電圧波形は、隣合う正負両極性の制御単
位を２個１組として、この組を１組置きにオンさせたも
のである。

【００２２】図（ｃ）では、制御単位１，２がオンさ
れ、続く制御単位３，４はオフされ、制御単位５，６が
オンされる。以後、これが繰り返されることにより、１
制御周期内で１００制御単位中の５０制御単位が給電さ
れることとなり、負荷に供給される電力量が５０％に制
御される。また、制御のなめらかさは（ｂ）に示す例と
比較すると若干劣ることとなるが、それでも、従来の時
間比例制御方式と比較すればはるかになめらかな制御が
得られる。

【００２３】次に、制御出力設定値を５％とする場合の
例を（ｄ）に示す。この（ｄ）の電圧波形は、２０制御
単位毎に１つの制御単位１，２１，４１，６１，８１を
オンさせる。したがって、１制御周期内に１００制御単
位中の５制御単位が給電されるのであるから、負荷に供
給される電力量が５％に制御される。この図（ｄ）の電
圧波形も、正極性の制御単位だけが負荷に供給されてい
る。これに対し、図（ｅ）は、制御出力設定値を５％と
した場合に、正極性と負極性の制御単位をほぼ同数出力
させる例を示す。

【００２４】ここで、制御出力設定値を５％とした場合
は、１制御周期内でオンされる制御単位の数が奇数とな
る。このため、１制御周期内では、正負両極性の数を完
全に同数にはできない。図（ｅ）の電圧波形は、隣合う
１組の制御単位１と２，４１と４２に単独の制御単位８
１を加える。この単独の制御単位８１による電力量は、
２つ１組の制御単位１と２，４１と４２による電力量の
１／２となるから、制御出力を時間的に均等にするため
には、単独の制御単位８に続くオフの期間を通常のオフ
の期間の１／２とするとよい。

【００２５】なお、正極性の制御単位と負極性の制御単
位を同数出力させる制御を行おうとしても、制御出力設
定値が奇数であると、１制御周期内の１制御単位の数が
奇数となるため、１制御周期内では正負の数が等しくな
らない。このような場合に厳密に正負同数の制御を行お
うとする時には、正の数が多い制御周期と負の数が多い
制御周期を組み合わせることにより、正負の数を完全に
等しくすることができる。

【００２６】また、制御出力設定値を５％とした場合
は、１制御周期内でオンされる制御単位の数が少なくな
るから、前記図（ｅ）のように隣接する制御単位を１組
とする必要がなくなる。したがって、図（ｆ）に示すよ
うに、正と負の１制御単位を適当な間隔を空けて出力す
るようにしても良い。このようにすれば、（ｄ）に示す
ものと同等のなめらかな制御が得られる。

【００２７】以上、制御出力設定値を５０％と５％とし
た場合について説明をした。制御出力設定値をその他の
値とした場合についても、以上説明した要領にしたがっ
て、オンする制御単位を設定することができる。また、
電圧波形をオン・オフさせる順序は、図４に図示したも
のに限定されるものではなく、種々の変更可能なもので
ある。

【００２８】以上説明した電力制御を実行するために、
本発明は、１つの電圧波形が波形の前と後ろに電圧０の
部分を有し、この電圧波形が繰り返し出力される電源、
この電源と負荷の間に接続された開閉素子、前記電源に
より順次供給される電圧波形の順番をカウントするカウ
ント手段、負荷に給電する電力値を設定する設定手段、
前記カウンタのカウント値と前記設定手段の設定値の交
点にオンまたはオフが書き込まれたテーブルによりオン
またはオフを決定する決定手段、および、前記決定手段
によりオンと決定されている時は、前記開閉素子をオン
させて１つの電圧波形を電圧０から電圧０の期間に通電
させ、オフと決定されている時は前記開閉素子をオフさ
せる制御手段により電力制御装置を構成する。

【００２９】

【作用】本発明の電力制御装置によれば、制御出力設定
値に応じて、１制御周期内で制御単位毎に電力制御が行
うことができるので、なめらかな制御出力を得ることが
でき、電源開閉によるノイズの発生のない電力制御装置
が、低コストで得られる。

【００３０】

【実施例】次に、本発明の実施例について図を用いて説
明する。本実施例においては、電源として、図５（ａ）
に示すような商用交流電源が使用される。この電源は、
その前後にゼロクロス点１を有する１つの電圧波形が正
負両方向に交互に繰り返し出力される。本実施例では、
この電源の周波数を５０Ｈｚ、分解能を１／１００、１
制御周期を１００制御単位とする。

【００３１】図１に電力制御装置の回路を示す。電源４
と負荷５の間に半導体スイッチ６が接続される。半導体
スイッチ６にはトライアックが用いられる。負荷５はヒ
ーターである。電源４に接続されたゼロ点検出手段７
は、図５（ａ）の電圧波形のゼロクロス点１を検出する
度に信号をカウンタ８に出力する。

【００３２】カウンタ８は、ゼロ点検出手段７から出力
される信号をカウントし、そのカウント値を制御手段１
１に出力する。このカウンタ８は、そのカウント値が分
解能の逆数すなわち１００を越えるとリセットされ、０
の値となる。制御手段１１には、負荷５に給電する電力
量を設定する設定手段９と、半導体スイッチ６のオン・
オフを決定するためのテーブル１０が接続される。

【００３３】制御手段１１は、設定手段９に設定された
制御出力設定値とカウンタ８のカウント値を読み取り、
これらの値を用いてテーブル１０から半導体スイッチ６
のオン・オフを読み取る。そして、読み出された結果が
オンの場合は、半導体スイッチ６に図５（ｂ）に示すよ
うなトリガパルスを出す。また、オフの場合はトリガパ
ルスは出さない。

【００３４】半導体スイッチ６は、トリガパルスが供給
されるとオンとなり、負荷５に給電を開始する。そし
て、半導体スイッチ６のトライアックは通電電流が保持
電流以下となるまで通電状態を継続するものであるか
ら、半導体スイッチ６は、図５（ｃ）に示すように、１
制御単位毎にオン・オフを行うこととなる。テーブル１
０の例を図６に示す。テーブル１０には、縦軸を０％か
ら１００％の制御出力設定値とし、横軸を０から９９ま
でのカウンタのカウント値としている。そして、制御出
力設定値とカウント値の交点にオンまたはオフが書き込
まれている。例えば、設定手段９の設定値が３３％であ
れば、カウンタ８のカウント値が０，３，６，…９６で
あるときに半導体スイッチ６はオンとされ、その他のカ
ウント値ではオフとされる。

【００３５】次に、図７のフローチャートを用いて、図
１の回路の動作を説明する。以下の説明では、制御出力
設定値として５０％が設定されているとする。図７のフ
ローチャートに示す動作は、図５（ａ）の電源４の電圧
波形のゼロクロス点１がゼロ点検出手段７により検出さ
れる度に、割り込みにより行われる。ステップＳ１で、
ゼロ点検出手段７から信号を受けてカウンタ８のカウン
ト値が１増加する。

【００３６】ステップＳ２で、カウンタ８がオーバーフ
ローしたか否かが判定される。オーバーフローをしてい
なければ、ステップＳ４に進む。オーバーフローをして
いればステップＳ３に進み、カウンタ８はリセットされ
カウント値が０となる。本実施例では、１００がカウン
トされた時点でカウンタ８は０にリセットされる。ステ
ップＳ４では、設定手段９から制御出力設定値が読み出
される。

【００３７】ステップＳ５では、テーブル１０が読み出
され、制御手段１１は制御出力設定値とカウント値か
ら、半導体スイッチ６のオン・オフを読み取る。図６の
テーブルの設定値５０％の行から、カウンタ８のカウン
ト値が０，１，４，５……のときにオンが読み取られ、
２，３，６，７……のときにオフが読み取られる。ステ
ップＳ６では、テーブル１０から読み取られた結果か
ら、半導体スイッチ６に出力がされる。テーブル１０か
らオンが読み出された場合は、半導体スイッチ６に対し
て図５（ｂ）に示すトリガパルスを出力する。また、オ
フが読み出された場合はトリガパルスは出力されない。

【００３８】トリガパルスが半導体スイッチ６に出力さ
れると、半導体スイッチ６はオンとなり負荷に給電を開
始する。そして、半導体スイッチ６のトライアックは通
電電流が保持電流以下となるまで通電状態を継続するも
のであるから、半導体スイッチ６の通電は図５（ｃ）に
示すように、１制御単位毎に行われることとなる。ま
た、トリガパルスが供給されないときは、半導体スイッ
チ６は通電をしない。

【００３９】図５（ｃ）に示す出力は、１制御周期内の
１００制御単位に対して、５０制御単位が負荷に供給さ
れることとなるから、５０％の電力制御が行われること
となる。なお、制御出力設定値を他の値に設定した場合
も、以上の説明と同様の動作が行われる。例えば制御出
力設定値を２５％に設定した場合は、制御手段１１は、
図６のテーブル１０の２５％からカウント値に対応して
オン・オフを読み出す。

【００４０】本実施例によれば、電源周波数５０Ｈｚで
１００制御単位により１制御周期を構成するから、１秒
という短い期間の１制御周期内で１／１００の分解能の
細かい精度での電力制御が可能となる。また、その１秒
の周期内で１制御単位をほぼ均等に配置することができ
るので、なめらかな制御が行われる。このため、特に負
荷をヒーターとした場合には、被加熱物の温度変化を小
さくすることができる。同時に、ヒーター素線の温度変
化の振幅を少なくし、最高温度を低くすることができる
から、ヒーター素線の寿命を延ばすことができる。

【００４１】また、半導体スイッチ６によるオン・オフ
は、いずれも電圧０の時点で行われることとなるから、
スイッチング時点でノイズが発生することがなくなり、
電源に対する悪影響も低減することができる。さらに、
電力制御出力は、オンされた１制御単位の数により決定
されるので、制御出力設定値と電力制御出力を完全に一
致させることができ、制御の精度が高いものとなる、さ
らに、本実施例の制御回路は、マイコンにより構成する
ことができるので、回路が簡単で低コストの電力制御装
置を得ることができる。

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、低コストで、なめらか
な制御出力を得ることができ、電源開閉によるノイズの
発生のない電力制御装置が得られる。さらに、本発明に
よれば、開閉素子のオンまたはオフをテーブルにより決
定しているので、制御手段として演算速度の遅いものを
使用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の回路を示すブロック図。

【図２】本発明に使用する電源を示すグラフ。

【図３】本発明の電力制御を説明するグラフ。

【図４】本発明の制御単位と電力制御の関係を示すグラ
フ。

【図５】図１の各部分の波形を示すグラフ。

【図６】図１の回路で使用するテーブル。

【図７】図１の回路の動作を説明するフローチャート。

【図８】従来の位相制御方式の回路図。

【図９】図８の各部分の波形を示すグラフ。

【図１０】従来の時間比例制御方式の回路図。

【図１１】図１０の各部分の波形を示すグラフ。

【図１２】ヒーターと被加熱物間の熱伝導を説明する概
念図。

【図１３】図１２の各部分の温度変化を示すグラフ。

【符号の説明】

４…電源５…負荷６…半導体スイッチ７…ゼロ点検出手段８…カウンタ９…設定手段１０…テーブル１１…制御手段１９…ヒーター２２…ヒーター外壁２３…ヒーター素線２４…絶縁物２５…被加熱物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05F 1/45 G05B 11/36 H02M 5/257 H05B 3/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの電圧波形が波形の前と後ろに電圧
０の部分を有し、この電圧波形が繰り返し出力される電
源、この電源と負荷の間に接続された開閉素子、前記電源により順次供給される電圧波形の順番をカウン
トするカウント手段、負荷に給電する電力値を設定する設定手段、前記カウンタのカウント値と前記設定手段の設定値の交
点にオンまたはオフが書き込まれたテーブルによりオン
またはオフを決定する決定手段、および、前記決定手段によりオンと決定されている時は、前記開
閉素子をオンさせて１つの電圧波形を電圧０から電圧０
の期間に通電させ、オフと決定されている時は前記開閉
素子をオフさせる制御手段を具備したことを特徴とする
電力制御装置。