JP3636420B2 - 交流ライン電圧に接続される消費者用機器の出力を制御するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流ライン電圧に接続される消費者用機器の出力を制御するための方法に関する。さらに本発明は該方法を実施するための、消費者用機器の出力を制御するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電圧、一般的にはライン電圧に接続される消費者用機器の出力を制御するための装置は、種々の形態で周知である。この装置は、通常、位相制御回路を具備し、この位相制御回路により所望の方法で、消費者用機器に供給される交流電気の振幅においてブロック期間（周期）または点弧角を調整し、その結果供給電力を調整している。
【０００３】
この種の位相制御回路は、例えば、ドイツの文献 DE 33 03 126 C2から知られており、この文献は真空クリーナの駆動モータ用のモータ制御装置においてスイッチオン時のピークを制限するための装置に関している。このモータ制御装置には位相制御回路が設けられている。ドイツの文献 DE 43 27 070 C1は真空クリーナの電力消費を調整するための装置を記載しており、この真空クリーナにおいては真空クリーナを駆動する電気モータに供給される交流電圧を、位相制御回路によって、交流電圧の値がモータ電圧の実効値に対応するように調整している。この目的のために使用される位相制御回路は一般的にはトライアックを具備し、このトライアックは消費者用機器、この場合には電気モータと直列にライン電圧に接続され、且つ所望の電力に基づいて断続的な（正弦）電圧を電気モータに供給する。
【０００４】
回路を実現するために考えられる可能性の範囲は、選択的に大規模な集積化から純粋なマイクロプロセッサ制御に及ぶが、位相制御用の個別部品から作られる回路の場合、トライアックに対するトリガ回路における位相制御は、一般的にはポテンショメータ又はトリマのように調整可能な抵抗と、この調整可能な抵抗に基づいてトライアックを点火するための充電用コンデンサとを具備し、その結果、点弧角を適当にシフトすることによって、実際には全角度までの所望の中間出力を得ることが出来る。
【０００５】
周知のモータ制御回路（DE 27 02 142 A1)の場合、２つのサイリスタが設けられ、各サイリスタは電流の１方向に対して設けられ、互いに並列に接続されかつ制御すべきモータと直列に接続されている。この一方のサイリスタは通常の位相制御に関連し、他方のサイリスタは自動スピード制御のように、負荷の関数として制御される。一方のサイリスタはこれにより、ポテンショメータの位置によってスピードを制御するために意図的に（手動で予め決定された）半波角を得ることが出来るが、他方の半波すなわち電流方向に対して責任を負う他方のサイリスタは、電流の関数として制御されて、速度における負荷依存性の降下を補償する。この結果、単一の全波内で位相角が相違するようになるが、この相違する位相角は後続の全波に対して予め決められた点弧角だけ前方または後方にシフトすることはない。この解決法では高調波の減少は可能ではない。何故なら与えられた波形において直接後続する正及び負の半波のリズム変動が生じるためであり、かつ点弧角の負荷依存性の長期変動が１つの半波に対してのみ、すなわち順序又は振幅だけが異なる時間のパターンで生じるためである。
【０００６】
同様に、電気モータの駆動トルク又はスピードを調整する装置（DE 195 36 148 A1) は位相制御及び半波制御の組み合わせを使用し、この装置では、始めに、点弧角が負荷の関数として増加するにつれて、位相制御だけを所定の点弧角範囲に渡って使用し、その後要求される電力に基づいて供給電圧の一個またはそれ以上の半波を完全にブロックしながら、半波制御だけを使用する。
【０００７】
点弧角が所定値以上に達すると、又はある点弧角で発生した過渡なモータ振動が振動センサによって検知されると、モータ制御は、位相制御と半波制御の組み合わせによって所定数の全波をモータに供給することによって実行される。この全波は位相制御の意味においてシフトした所定数の全波と交互に交替している。点弧角を所望の角度だけ時間的に前後方向に変動させることに関しては、何らの言及もない。その全体の機能は、次の通りである。初めに、モータを停止した状態から出発して、モータスピードを位相制御下で専ら増加し、その後モータスピードを最初自動的に且つ排他的（独占的に）に整数個の半波列からなる半波パターンを有する低ノイズ半波制御に切り替え、しばしば完全に電流供給を阻止することによって中断し、その結果位相制御と同じスピードを提供する。
【０００８】
スピードをさらに増加するときだけ、点弧角を連続的に変化させながら、若干の半波を半波パターンに加えて、位相制御によりモータ巻線に供給する。点弧角が制限角度に達すると、半波パターン中の半波の数を所望速度の関数として増加し、その一方で、位相制御からのシフトされた半波の数を減少させる。しかしながら、高調波の作動および／または高調波の数を減少させる可能性について、いかなる言及もなされていない。
【０００９】
しかしながら、この種の位相制御回路におけるこの点に関する最近の問題点は、消費者用機器の可能な最大電力が増大するに伴って、制御回路を含む消費者用機器によって生成される高調波に関して限界が予め決定されていると言うことである。この限界は、単純な手段によって克服することはできない。本発明が全ての消費者用機器に適応可能であることは理解されるが、簡単化のために、以下では真空クリーナのモータ出力を例として挙げる。
【００１０】
高調波は一般に、電流及び電圧間の釣合いが欠如している場合常に生じ、電気交直両用モータの出力の場合、高調波は、まず電流および電圧間の２次依存性からの第１次の近似に由来する奇数高調波として主に形成される。付加的な高調波は位相制御自体を介して形成される。点弧角が約９０°のとき、すなわち、直列トライアック電流に対する透磁率(permeability)が対応する点弧の結果として各半波の中央においてある程度生じるとき、特にこれらの高調波は顕著である。
【００１１】
許可される高調波成分の上述の限界は、政府規制により決定され且つ、ヨーロッパではＥＭＶ（ＥＭＣ又は電磁両立性（互換性））標準として示され、言及される通りかつこの程度に、許可しうるモータ出力に対する電力の限界を表し、この電力限界は数値で表され、既知の位相制御を有する従来の電気モータでは、約１２００から１４００Ｗである。
【００１２】
高価な代償によってのみ、この限界から生じる問題を回避し且つ戦うことができる。従来では、測定は位相角９０°で且つ１６個の連続する全波を参照して実施され、その期間中に高調波成分は所定値を越えない。
したがって、２つのフィールドの巻線を持つモータを使用することにより、ハードウエア、つまり電気モータにより、この問題を解決することが知られている。巻線の１つは、例えば、最大１４００Ｗまでの電力供給が可能であり、例えば、許される範囲内の高調波成分を有する位相制御を介して、作動される。電力に対する要求が増大するに伴って、もう一方のフィールド巻線が適当な切り換え手段（マイクロスイッチ）により切り換えられるが、一方位相制御は完全にオフに切り換えられるので、第２のフィールド巻線を連続全波作動させること、すなわち位相制御無しで、全電力、例えば、１８００Ｗを実現することができる。当然、位相制御に帰すことができる高調波成分は全体が省略される。
【００１３】
構成が精緻なこのような測定には、相当に高い費用を要する、追加的な資材を必要とし、その費用の内の少なからぬものが組み立て費用により構成され、且つ感度調整のための非常に高い電力出力範囲における環境下で特に望まれる場合、正確な位相制御の省略が必要である。
異なる情況では、さらに種々の直接変換器(DE 27 02 142 A1 およびDE 195 36 148 A1) が周知である。これらの装置では、ａｃまたはｄｃ整流器は位相角がライン周波数以下の周波数リズムで変化するように制御される。しかしながら、この変化はサブ高調波を生成することを目的としており、その周波数で給電される回転フィールドモータは公称スピードの一部で作動すると言われている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、前述の問題に対して解決策を提供することを目的とし、さらに消費者用機器の電圧供給を制御する位相制御回路のわずかな回路修正で高調波成分の抜本的な削減を実現するために、交流ライン電圧に接続される消費者用機器の電力を制御するための方法及び装置を提供することを目的とし、その結果一定の高調波限度値内で、数値を挙げれば例えば１８００Ｗまでの高出力を信頼性を持って制御することが可能となる。
【００１５】
本発明は次の驚くべき認識に基づいている。すなわち、複数の全波間の点弧角において非対称性を慎重に生成することにより、偶数高調波だけがゆっくりと増加するが、奇数高調波は急速に減少すると言う、認識である。なおこれら複数の全波は、時間的に相互に引き続いているが、しかし必ずしも相互に直接連続している必要はない。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本目的、及び以下で明らかになる他の目的によれば、本発明の一つの特徴は、好ましくは連続する全波(full waves)において点弧角(firing angle)が所定の点弧角基準値の近辺で変化する出力制御方法にある。なお連続する全波であることは必ずしも必要ではないが、効果があると証明されている。
【００１７】
この変化即ち非対称性の導入は、換言すれば、特定の実施例に適用すると、電力スイッチ（トライアック）を制御して好ましくは不規則に点弧することを意味し、その結果、発生する高調波を其れ自体で部分的に再びキャンセルすると言う効果が生じる。したがって、一方で位相制御を保持しながら、最大電力まで、例えばＥＭＣ標準である所定の限度値内に留まることがことが可能となる。なお、交直両用モータ自体に由来する高調波成分(harmonic content)は、この成分がそのままで電気モータの構造の形式（鉄成分）に由来するために、このことによって影響されず、且つ原理的に影響されるはずがないということに注意すべきである。
【００１８】
したがって、基本的に数個のステップを追加することにより、顕著でかつ付加的な電力増加がＥＭＣ標準によって規定された高調波内成分で可能となる、と言う可能性および効果が存在する。なおこれらのステップは位相制御回路の範囲内に存在し、そのため消費（電力）全体にかなりの変化を必要とすることなく、比較的経済的な方法で、さらに、例えば、従来の家庭用電気駆動モータに対して実現することができる。その結果本発明は、資源の経済的な使用によって大きな効果を達成する。
【００１９】
本発明のその他の特徴は、交流ライン電圧に接続される消費者用機器の出力を制御する装置にある。この装置は、消費者用機器に供給される電気振幅の位相制御角を変化させる出力制御手段と、実際の点弧角を所望消費電力ための点弧角基準値の近辺で変化させるために消費者用機器に作動的に接続される制御回路とを具備する。この制御回路は、消費者用機器と直列に接続されるトライアックを含む。点弧角を異ならせるための信号は、消費者用機器に接続されるライン電圧の直後の全波によって、トライアックに供給される。この制御回路はさらに、トライアックと作動的に結合された点弧角制御装置を含み、それによって、消費者用機器へ供給される電気交流振幅の複数の全波期間中において、その点弧角制御装置は、所定の電力出力での点弧角の基準値と比較して時間的に先行するかまたは遅延した実際の点弧角信号を供給する。この実際の点弧角信号は、基準値から等しい偏差角度で先行しまたは遅延している。
【００２０】
別の実施例では、付加的な並列抵抗がトライアック用のトリガ回路に設けられており、そのポテンショメータ的な抵抗は（周期的な）変化を受ける。この付加的な抵抗は、連続する複数の全波のリズムを参照して次のようにして制御される。即ちこの並列抵抗がこの全波サイクルにおいてスイッチオンされるかスイッチオフされるかに依存して、既定の点弧角値だけ前方に、即ち電力出力を大きくする方向にシフトされた点弧角は第１の全波において与えられ、かつ、時間的に遅延した、即ち低電力出力方向にシフトした点弧角値は次の全波において与えられる。
【００２１】
しかしながら上述の構成は、位相制御回路の特別の効果の実現に関するだけであること、且つここで指摘した点弧角を変化させることの可能性は、大規模集積回路、部分的ハイブリッドおよび個別回路技術では、多数のステップにより実現されるものであることを、この時点で繰り返し指摘する。
本発明の特徴を表す新規な種々の特徴は、この開示に添付されかつこの開示の一部を形成する請求の範囲において、特に指摘される。本発明、その作用効果およびその使用によって達成される特別の目的の理解を容易にするために、本発明の好ましい実施例を図示し且つ説明した図面及び記述を参照すべきである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１のグラフに示す、消費者用機器のための交流供給電圧の基本的な正弦波の推移は、第１の全波（太い実線を参照）における実際の点弧角α’が第２の全波における点弧角α”と比べて小さく、その結果差分角δを生じることを示している。
【００２３】
換言すれば、この実施例において９０°である基準点弧角αによる実際の電力要求に比べると、第１の全波における小さなα’値では、出力はむしろ大きく且つ実際には大きすぎる一方で、大きすぎる点弧角α”を持つ第２の全波では、出力は小さく、むしろ小さすぎる。これは、簡単化のためであって、其れ自体当然例えば外部からの介在によって再調整することが可能である。
【００２４】
したがって、この実施例では、第１の点弧角α’は６０°であり、且つ第２の点弧角α”は１２０°である。この差分角δはしたがって６０°である。
消費者用機器に供給する交流電圧の振幅についての連続する複数の全波（必ずしも相互に直接後続する全波である必要はない）での点弧角の、このような変化即ち非対称性は、前述した認識に基づいている。即ち、全波における正および負の半波(half wave) 間よりもむしろ２個の連続する波形間で時間に関してこのような点弧角における非対称性が生成されると、偶数高調波(even-numbered harmonics) がゆっくりと増加し奇数高調波(odd-numbered harmonics)が急激に減少するという、認識である。これは、既に述べたように当然回路によって影響されることがない奇数高調波を発生する傾向がある電気モータにおいて、その出力制御に最適である。しかしながら全体的には、高調波成分全体は、点弧角αの基準値から広がっている点弧角分布における連続的な非対称性の結果として、既に言及した調整に対する限界値条件を満たす程度に、減少する。
【００２５】
点弧角α’、α”は、点弧角基準値の近傍で、即ち時には一方の側に、時には他方の側に向かって変化するので、当然、消費者用機器の所望の出力基準値から逸脱することはない。すなわち、いわば、点弧角α’、α”は前点弧及び後点弧として働き、これらの点弧では、図２のグラフに示すように、例えば、最大９０°の点弧角の仮定基準値で、点弧角オフセット、すなわち差分角δは好ましくは６０°である。最大電力に接近するにつれて、すなわち、点弧角αの基準値自身が小さくなればなるほど、且つ、極端な場合には、いかなる位相制御も存在しない点弧角αが０°の場合において、差分角δは当然ゼロに等しくなる。この場合には、しかしながら、位相制御回路の結果として実質的にいかなる高調波ももはや発生しないので、点弧角変化はもはや要求されない。同じことが点弧角αの最大基準値である電力出力０について当てはまる。さらにこの場合、すなわち、位相制御回路の１つの実施例における直列トライアックがもはや全くオープンしない場合、差分角δは同様にゼロに等しくなる（図２の曲線形状を参照）。
【００２６】
明らかに、本発明により見いだされた原理は次のように理解することができる：大きな点弧角（低出力に対応する）を持つ全波において、第３高調波(third harmonic)は小さく、ゼロクロスの方向に向かって同じ位相でシフトしている。小さな点弧角（高出力に対応する）を持つ全波において、第３高調波は、強力であるが、反対方向に位相シフトしているので、α’及びα”の異なる点弧角を持つ２つの全波から結果として生じる２個の第３高調波は、ある程度自分自身をキャンセルすることができる。類似の考察を、その他の高調波に対しても適用することができるが、このその他の高調波は第３高調波に比較して重要でなはない。
【００２７】
（測定例）
１２００Ｗの出力を有するモータの試験的な構成では、９０°の基準点弧角αにおいて、２．３Ａのオリジナルな第３高調波が生じる。例えばα’値４５°からα”値１３５°のように、４５°の前方および後方への点弧角オフセットの結果として、この第３高調波は前述の２．３Ａから１．５Ａに減少する。なおこの場合、全負荷の下でモータ自身が１．３Ａの第３高調波を生じる。同時に第４高調波は約５０ｍＡから３００ｍＡに増加するが、この範囲ではそれ自身それほど重大ではない。
【００２８】
これらの測定は、本発明により確実に実行されかつ後述するように簡単な方法で実現することができる、点弧角変化によって、全体の高調波成分が抜本的に減少することを証明する。
（点弧角を非対称性とするための回路設計）
図３に係る位相制御回路の残りの部品は、電気モータとしての消費者用機器Ｍと、モータＭに対して双方の半波で導通するように切り換えられる直列トライアックＴである。
【００２９】
従来のコンデンサＣに加えて、対応する直列ポテンショメータＰがモータのトリガ回路に存在する。トライアックゲートは、ダイアックＤ及び直列抵抗Ｒを経由して、コンデンサＣ及び直列ポテンショメータＰの接続点からトリガされる。
別の抵抗Ｒ１がポテンショメータの抵抗と並列に接続され、かつスイッチＳと直列に接続される。スイッチＳは、その閉状態では、並列抵抗Ｒ１がポテンショメータＰの抵抗値でアクティブになり、且つその開状態で並列抵抗Ｒ１をオフに切り換える。
【００３０】
この場合に、スイッチＳは、全ての電子的な、好ましくはトランジスタである、高速スイッチであり、フリップフロップＦＦによりトリガされ、このフリップフロップＦＦはライン周波数の半分で抵抗Ｒ３を経由して入力Ｅで周期的に切り換えられる。フリップフロップＦＦはダイオードＤ１と抵抗Ｒ２の直列接続を経由して給電される。
【００３１】
周知のように、トライアックは、決定された角度において極性及び時間に関係なく通常の位相制御で点弧され、ここに点弧角はポテンショメータＰを調整することにより変化する。ライン周波数の半分でポテンショメータＰの抵抗をさらに周期的に変化させることにより（すなわち、ドイツ又はヨーロッパのライン周波数５０Ｈｚに基づく実施例では２５Ｈｚ）、スイッチＳを閉状態にした場合１つの全波における並列抵抗Ｒ１は、電力設定ポテンショメータＰに並列であり、且つスイッチＳが開状態になると次の全波でオフに切り換えられる。この結果、ポテンショメータＰの抵抗値が対応して周期的に変化するに至り、且つ図１に示されるように点弧角αは値α’又はα”に対して時間的にその前方又は後方に向かって対応してシフトするに至るので、所望の目的が実現される。このようにすることによって、フリップフロップＦＦはライン周波数の半分により正のゼロクロスでトリガされる。
【００３２】
本発明は、個別部品の組み合わせを参照して議論した位相制御回路の実施例によって限定されるものではなく、またこの実施例により与えられる発明の範囲に限定されるものでもないことは、もう一度指摘されるべきである。むしろ、本発明はどのような回路の設計ステップによっても且つ大規模集積回路形態においても、例えば、高速マイクロプロセッサによっても実現され得る。目的とされる応用に依存して、点弧角α’の第１の所定値によってより多数の全波を制御したり、数個の全波の後においてのみ点弧角の基準値に対して反対方向にオフセットする第２の点弧角に進むことが可能である。制御される消費者用機器がこれによって、例えば、消費者用機器により生じるノイズ変化、ライトバンク(light banks) でのフリッカ等により影響されるか否か、及びどのように影響されるかを決定するためには、経験的なテストが適している。また、既存ライン周波数又は電力供給設備により提供されるライン周波数について、いかなる限定も要求されないことは言うまでもない。もし必要ならば、他の周波数又は倍増させた周波数等を使用することができ、これが意味ある限りにおいては、トライアックの点弧を行うための時定数制御のための制御範囲も設けられる。さらに、適切である場合、推計学的性質を有する全ての技術的に有益な時間分布パターンも、この場合には使用が可能である。
【００３３】
本発明は、一例としてのみ提供される前述の各実施例により限定されないが、添付特許請求の範囲により規定される保護範囲内において種々の方法で変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】消費者用機器のための交流供給電圧の時間曲線を示し、この図ではこの電圧は、実線で示すように、点弧角αの基準値と比較して実際の点弧角が１つの全波において早く到来し且つ次の全波において遅く到来するという位相制御回路によって、断続的な動作で検出される。
【図２】点弧角αの基準値に対する差分角δの曲線を示す。
【図３】本発明によって消費者用機器において高調波成分を削減するための、個別部品からなる位相回路の概略実施例を示す図である。
【符号の説明】
Ｍ…電気モータ又は消費者用機器
Ｔ…トライアック
Ｃ…コンデンサ
Ｐ…ポテンショメータ
Ｄ…ダイアック
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗
Ｓ…スイッチ
ＦＦ…フリップフロップ
Ｄ１…ダイオード

Claims (4)

1. 消費者用機器に供給される電気振幅の位相制御角を変化させるための出力制御手段と；および
   前記消費者用機器に作動的に接続され、実際の点弧角を所望の消費電力の点弧角の基準値近辺で変化させるための制御回路；とを具備し、
   前記制御回路は、前記消費者用機器と直列に接続されたトライアックを含み、前記消費者用機器に接続されるライン電圧の直後の全波について、異なる点弧角信号を前記トライアックに供給し、
   前記制御回路はさらに点弧角制御装置を含み、前記点弧角制御装置は前記トライアックに作動的に結合されその結果、前記消費者用機器に供給される電気交流振幅の全波期間において、前記点弧角制御装置は、所定の電力出力における点弧角の基準値と比べて、時間的に先行しているかあるいは遅延しているかの何れかである実際の点弧角信号を前記トライアックに供給し、
   前記制御回路は前記トライアックに作動的に接続されたポテンショメータとコンデンサを含み、さらに、前記ライン周波数の半分でスイッチするように作動し、前記制御回路の可変抵抗に作動的に結合されたトリガ回路と第１の抵抗とを具備し、前記トリガ回路は、前記第１の抵抗を一個の全波において前記ポテンショメータに並列に接続し、かつ前記第１の抵抗において次の全波および後続の全波の一個においてスイッチオフするように作動するスイッチを含む、交流ライン電圧に接続された消費者用機器の出力を制御するための装置。
2. 前記点弧角制御装置は、前記基準値から等しい角度だけ先行しあるいは遅延した実際の点弧角信号を供給するように作動するものである、請求項１に記載の交流ライン電圧に接続された消費者用機器の出力を制御するための装置。
3. 前記トリガ回路はフリップフロップを含む、請求項１に記載の交流ライン電圧に接続された消費者用機器の出力を制御するための装置。
4. さらに、前記第１の抵抗および前記トライアックのベース間に直列に接続されたダイアックと第２の抵抗とを具備する、請求項１に記載の交流ライン電圧に接続された消費者用機器の出力を制御するための装置。

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