JP6680027B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力制御装置に関する。

従来、この種の電力制御装置としては、トライアックなどのスイッチング素子を位相角（デューティ比）を用いてスイッチングすることにより交流電源から負荷へ供給する電力を制御するものが知られている。例えば、特許文献１には、高調波の発生しやすい位相角（例えば、π／２周辺や３π／２周辺）を避けた位相角（デューティ比）でスイッチング素子をスイッチングするものが開示されている。また、特許文献２には、目標の消費電力に対応する基準位相角を設定し、基準位相角よりも所定量＋αだけ位相を変化させた位相角（デューティ比）でスイッチング素子をスイッチングする位相制御と、基準点弧角よりも所定量−αだけ位相を変化させた位相角（デューティ比）でスイッチング素子をスイッチングする位相制御とを全波（１サイクル）ごとに交互に繰り返すものが開示されている。

特開平８−２５５０２７号公報 特開平１０−２７１８９１号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、高調波の発生しやすい位相角（π／２周辺や３π／２周辺）での制御が禁止されるため、当該位相角に対応する電力を供給することができず、負荷の制御性に悪影響を与えてしまう。一方、特許文献２記載の技術では、複数サイクルでの平均値として目標とする電力を供給することができるものの、高調波電流を十分に小さくするためには、基準位相角に対して変化させる所定量±αの幅を大きくとらねばならず、それぞれの出力波形間の電力差が大きくなる。このため、同じ電力系統に照明機器が接続されていると、照明のチラツキ（フリッカ）が発生してしまう。

本発明の電力制御装置は、過大な高調波の発生を抑制すると共にフリッカの発生を抑制することを主目的とする。

本発明の電力制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電力制御装置は、
位相制御方式を用いてスイッチング素子をスイッチングすることにより交流電源から負荷へ供給する電力を制御する電力制御装置であって、
前記スイッチング素子をスイッチングする際の制御用デューティ比を設定し、
交流電源出力の半サイクルを制御周期として前記制御用デューティ比に基づいて前記スイッチング素子をスイッチングする半波位相制御と、交流電源出力の１サイクルを制御周期として前記制御用デューティ比に基づいて前記スイッチング素子をスイッチングする全波位相制御とを切り替えて実行する
ことを要旨とする。

この本発明の電力制御装置では、交流電源出力の半サイクルを制御周期としたデューティ比でスイッチング素子をスイッチングする半波位相制御と、交流電源出力の１サイクルを制御周期としたデューティ比でスイッチング素子をスイッチングする全波位相制御と、を切り替えて実行する。半波位相制御では、奇数次の高調波電流が大きくなる一方、偶数次の高調波電流が小さくなる傾向があり、全波位相制御では、偶数次の高調波電流が大きくなる一方、奇数次の高調波電流が小さくなる傾向がある。したがって、両者を組み合わせて実行することにより、奇数次の高調波電流と偶数次の高調波電流とを平均化することができ、過大な高調波の発生を抑制することができる。また、スイッチングの制御周期を半サイクル（半波）と１サイクル（全波）とに切り替えることによって高調波の発生を抑制するから、デューティ比を変化させることによって高調波の発生を抑制するものに比して、１サイクル（全波）ごとの出力波形間の電力差を小さくすることができ、フリッカの発生を抑制することができる。

こうした本発明の電力制御装置において、前記半波位相制御を第１サイクル数に亘って繰り返し実行した後に前記全波位相制御に切り替え、前記全波位相制御を第２サイクル数に亘って繰り返し実行した後に前記半波位相制御に切り替えるものとすることもできる。この場合、前記第１サイクル数および前記第２サイクル数は、２〜１００サイクルの何れかであるものとすることもできる。これにより、半波位相制御と全波位相制御とを１サイクルごとに切り替えるものに比して、フリッカの発生をさらに抑制することができる。また、半波位相制御と全波位相制御の一方のみの連続実行時間が長くなり過ぎることによって、高調波の抑制効果が減少するのを防止することができる。さらにこの場合、前記制御用デューティ比に応じて前記第１サイクル数および前記第２サイクル数を異ならせるものとすることもできる。こうすれば、制御デューティ比に応じてサイクル数を最適化することができ、高調波の抑制効果をさらに高めることができる。

また、本発明の電力制御装置において、前記制御用デューティ比が第１範囲内にないときには、前記半波位相制御のみを実行し、前記制御用デューティ比が前記第１範囲内にあるときには、前記半波位相制御と前記全波位相制御とを切り替えて実行するものとすることもできる。こうすれば、制御デューティ比が高調波の発生しやすいデューティ比にあるときのみ半波位相制御と全波位相制御とを切り替えて実行することができる。

あるいは、本発明の電力制御装置において、前記制御用デューティ比が第２範囲内にないときには、前記全波位相制御のみを実行し、前記制御用デューティ比が前記第２範囲内にあるときには、前記半波位相制御と前記全波位相制御とを切り替えて実行するものとすることもできる。こうすれば、制御デューティ比が高調波の発生しやすいデューティ比にあるときのみ半波位相制御と全波位相制御とを切り替えて実行することができる。

さらに、本発明の電力制御装置において、前記半波位相制御と前記全波位相制御とを複数サイクルずつ交互に実行するものであり、複数サイクルでの平均値によって前記制御用デューティ比が得られるように複数サイクルに亘って所定ステップ幅ずつデューティ比を一方向に変化させながら前記スイッチング素子をスイッチングするものとすることもできる。こうすれば、高調波が発生しやすいデューティ比の使用頻度を減らして、高調波の発生を抑制することができる。この場合、前記半波位相制御および前記全波位相制御のうち一方の位相制御において、複数サイクルでの平均値によって前記制御用デューティ比が得られるように所定ステップ幅ずつデューティ比を大きくしながら前記スイッチング素子をスイッチングし、前記半波位相制御および前記全波位相制御のうち他方の位相制御において、複数サイクルでの平均値によって前記制御用デューティ比が得られるように所定ステップ幅ずつデューティ比を小さくしながら前記スイッチング素子をスイッチングするものとすることもできる。こうすれば、半波位相制御と全波位相制御との切り替わり前後で出力波形間の電力差を小さくすることができ、フリッカの発生を抑制することができる。

本発明の一実施例としての電力制御装置１０の構成の概略を示す構成図である。 半波位相制御および全波位相制御を説明する説明図である。 半波位相制御における高調波電流の分布と全波位相制御における高調波電流の分布とを示す説明図である。 組み合わせ位相制御を説明する説明図である。 半波位相制御と全波位相制御と組み合わせ位相制御のそれぞれの次数ごとの高調波電流発生限界値に対する余裕度の分布を示す説明図である。 位相制御部２０により実行される電力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 実行割合設定用マップを示す説明図である。 変形例の電力制御ルーチンを示すフローチャートである。 半波位相制御のＤｕｔｙごとの１５次高調波余裕度の分布を示す説明図である。 変形例の電力制御ルーチンを示すフローチャートである。 全波位相制御のＤｕｔｙごとの２次高調波余裕度の分布を示す説明図である。 位相制御のオフ期間を説明する説明図である。 位相制御にオフ期間を設定した場合と設定しない場合の次数ごとの余裕度の分布を示す説明図である。 スイープ制御を説明する説明図である。 スイープ制御を伴って全波位相制御と半波位相制御とを切り替える様子を示す説明図である。

本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例としての電力制御装置１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電力制御装置１０は、位相制御方式によりスイッチング素子としてのトライアック１２をスイッチングすることにより交流電源（ＡＣ１００Ｖ電源）１から負荷としてのヒータ２へ供給する電力を制御するものであり、図示するように、トライアック１２の他に、ゼロクロス点検出部１４と、センサ部１６と、設定値入力部１８と、位相制御部２０と、を備える。なお、ヒータ２は、例えば、人体の局部を洗浄するための洗浄水を噴射するノズルを備える温水洗浄便座に搭載され、当該ノズルに供給する洗浄水を瞬間的に加温可能な温水ヒータであり、１２００Ｗ程度の定格出力をもつよう構成されている。

トライアック１２は、交流電源１とヒータ２とに直列に接続されたスイッチング素子であり、トリガ信号の入力によってオンされる。

センサ部１６は、ヒータ２を流れる洗浄水の温度を検出する温度センサやヒータ２を流れる洗浄水の流量を検出する流量センサなどを備える。

設定値入力部１８は、操作パネルを介して目標温水温度などの設定値を操作者から入力する。

位相制御部２０は、ＣＰＵを中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、ＲＯＭやＲＡＭ、入出力ポートなどを備える。位相制御部２０には、交流電源電圧のゼロクロス点の通過を検出するゼロクロス点検出部１４からの検出信号やセンサ部１６からの検出信号、設定値入力部１８からの入力信号などが入力ポートを介して入力されている。一方、位相制御部２０からは、トライアック１２へのトリガ信号などが出力ポートを介して出力されている。

こうして構成された電力制御装置１０では、ヒータ２の位相制御を以下のようにして行なう。即ち、位相制御部２０は、まず、センサ部１６から温水温度や流量などを入力すると共に設定値入力部１８から目標温度を入力し、入力したヒータ２の温水温度や流量、目標温度に基づいてヒータ２に供給すべき目標電力を設定し、設定した目標電力を得るための位相角（目標デューティ比Ｄｕｔｙ）を設定する。そして、位相制御部２０は、ゼロクロス点検出部１４により検出される交流電源電圧のゼロクロス点を基準として設定した位相角となるタイミングでトライアック１２をオンするためのトリガ信号を出力する。トライアック１２のスイッチング制御は、本実施例では、交流電源電圧波形の半波（半サイクル）ごとに位相角を調整する半波位相制御と、交流電源電圧波形の全波（１サイクル）ごとに位相角を調整する全波位相制御とを組み合わせて行なわれる。

図２は、半波位相制御および全波位相制御を説明する説明図である。半波位相制御は、図２（ａ）に示すように、交流電源電圧波形の半波区間を周期として０％〜１００％の間で位相角（デューティ比）を調整するものであり、正の半波区間（図２中、上の半波区間）と負の半波区間（図２中、下の半波区間）とでそれぞれ１回ずつオフ期間およびオン期間が発生する。一方、全波位相制御は、図２（ｂ）に示すように、交流電源電圧波形の全波区間（正の半波区間と負の半波区間とを合わせた区間）を周期として０％〜１００％の間で位相角（デューティ比）を調整するものであり、全波区間で１回だけオフ期間およびオン期間が発生する。即ち、全波を構成する正の半波と負の半波のうち一方の半波にのみオン期間とオフ期間とが現われ、残りの半波は必ず全域でオン期間のみ或いはオフ期間のみとなる。具体的には、０％〜５０％の間の位相角（デューティ比）でスイッチングする場合、正の半波全域がオフ期間となり、５０％〜１００％の間の位相角（デューティ比）でスイッチングする場合、負の半波全域がオン期間となる。なお、本実施例では、スイッチング素子としてトライアック１２を用いており、半サイクル（半波）が終了すると、自動的にオフされるから、全波位相制御を用いて５０％〜１００％の間の位相角（デューティ比）でスイッチングする場合、正の半波区間内でトライアック１２をオンした後、負の半波区間の開始タイミングでトライアック１２を再度オンする。

ここで、位相制御方式では、交流電源１からヒータ２（負荷）へ流れる電流の波形は、正弦波ではなく、高調波を含む波形となる。図３は、半波位相制御における高調波電流の分布と全波位相制御における高調波電流の分布とを示す説明図である。なお、図３（ａ）は、半波位相制御を用いて５０％のデューティ比で位相制御した場合に発生する高調波電流の分布を示し、図３（ｂ）は、全波位相制御を用いて５０％のデューティ比で位相制御した場合に発生する高調波電流の分布を示す。半波位相制御では、電源周波数の奇数倍の高調波電流（奇数次高調波電流）のレベルが高いが（図３（ａ）参照）、電源周波数の偶数倍の高調波電流（偶数次高調波電流）のレベルが低い傾向を示す。一方、全波位相制御では、偶数次高調波電流のレベルが高いが（図３（ｂ）参照）、奇数次高調波電流のレベルが低い傾向を示す。

本実施例では、半波位相制御と全波位相制御とを組み合わせた位相制御（以下、これを「組み合わせ位相制御」という）を実行する。図４は、組み合わせ位相制御を説明する説明図である。なお、図４（ａ）は、５０％のデューティ比の半波位相制御と同じく５０％のデューティ比の全波位相制御とを２サイクルずつ交互に実行した際の電圧波形を示し、図４（ｂ）は、５０％のデューティ比を基準デューティ比として当該基準デューティ比よりも２５％小さい２５％のデューティ比の半波位相制御と２５％大きい７５％のデューティ比の半波位相制御とを交互に実行した際の電圧波形を示す。なお、これらの例では、１００％のデューティ比で位相制御を実行した場合、１周期で１０Ａの電流が流れるものとした。組み合わせ位相制御では、図４（ａ）に示すように、いずれも５０％のデューティ比で半波位相制御と全波位相制御とを実行するため、１周期で５Ａの電流が流れ、１周期でみたときに電流の変化は生じない。一方、比較例の位相制御では、図４（ｂ）に示すように、２５％のデューティ比の半波位相制御と７５％のデューティ比の半波位相制御とを実行するため、２．５Ａの電流が流れる周期と７．５Ａの電流が流れる周期とが生じ、５Ａの電流差が生じる。この場合、同じ電力系統に照明機器が接続されていると、照明のチラツキ（フリッカ）の原因となる。このように、組み合わせ制御では、１周期単位でみると、電流変化が少ない制御であり、フリッカの発生を低減することができる。

図５は、半波位相制御と全波位相制御と組み合わせ位相制御のそれぞれの次数ごとの高調波電流発生限界値に対する余裕度の分布を示す説明図である。図５に示す余裕度は、位相制御によって生じる次数ごとの高調波電流を測定（または算出）し、測定した高調波電流に基づいて次数ごとの高調波電流発生限界値に対する余裕度を求める処理を、０％〜１００％の異なる複数のデューティ比で実行して、これらの平均値をとったものである。図示するように、半波位相制御は、偶数次で余裕度が大きくなり、奇数次では余裕度が小さくなる特徴を有し、この例では、１７次の余裕度が最小値となる。全波位相制御は、奇数次で余裕度が大きくなり、偶数次で余裕度が小さくなる特徴を有し、この例では、２次の余裕度が最小値となる。組み合わせ位相制御では、半波位相制御での余裕度と全波位相制御での余裕度とが平均化される。特に、全波位相制御で小さくなる２次の余裕度は、半波位相制御で大きく、半波位相制御で小さくなる１５次や１７次の余裕度は、全波位相制御で大きいため、組み合わせ位相制御を用いることで、２次の余裕度や１５次，１７次の余裕度が大幅に改善されていることがわかる。

次に、こうした組み合わせ位相制御を用いた電力制御装置２０の動作について説明する。図６は、位相制御部２０により実行される電力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。電力制御ルーチンが実行されると、位相制御部２０は、まず、ゼロクロス点検出部１４からの検出信号に基づいてゼロクロス点が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１００）。ゼロクロス点が検出されたと判定すると、カウンタＮを値１だけインクリメントし（ステップＳ１１０）、カウンタＮが値２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。カウンタＮが値２以上であると判定すると、カウンタＮを値０にリセットすると共に（ステップＳ１３０）、サイクル数Ｃを値１だけインクリメントして（ステップＳ１４０）、ステップＳ１５０の処理に進む。一方、カウンタＮが値２以上でないと判定すると、ステップＳ１３０，Ｓ１４０の処理をスキップして電力制御ルーチンを終了する。サイクル数Ｃは、交流電圧波形を全波（１サイクル）単位でカウントするカウンタであり、ゼロクロス点（半波）が２回検出される度に値１だけインクリメントされる。

次に、目標デューティ比Ｄｕｔｙを設定する（ステップＳ１５０）。ステップＳ１５０の処理は、例えば、センサ部１６（温度センサ）からのヒータ２の温水温度や流量を入力すると共に設定値入力部１８から目標温度を入力し、ヒータ２を流れる洗浄水の温度が目標温度となるようフィードバック制御を用いてヒータ２に供給すべき目標電力を設定し、設定した目標電力に基づいて目標デューティ比Ｄｕｔｙを設定することにより行なうことができる。

目標デューティ比Ｄｕｔｙを設定すると、設定した目標デューティ比Ｄｕｔｙに基づいて組み合わせ位相制御における半波位相制御と全波位相制御の実行割合（規定サイクル数における半波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｈｗおよび全波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｆｗ）を設定する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０の処理は、例えば、目標デューティ比Ｄｕｔｙと実行割合（連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗ）との関係を予め求めて実行割合設定用マップとして位相制御部２０のＲＯＭに記憶しておき、目標デューティ比が与えられると、マップから対応する実行割合（連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗ）を導出することにより設定するものとした。実行割合設定用マップの一例を図７に示す。ここで、連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗは、本実施例では、両連続実行サイクル数の合計を２０サイクルとし、２０サイクルの範囲内で各連続実行サイクル数が増減するように設定される。即ち、各連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗは、１０サイクルを基本（実行割合が１：１の場合）として、通常、５〜１５サイクルの範囲内で設定される。このようにするのは、半波位相制御と全波位相制御とが頻繁に切り替わると、フリッカが発生し易くなる一方、同じ位相制御が長時間連続して実行されると、高調波成分の抑制効果が小さくなるためである。

ここで、実行割合設定用マップは、以下のようにして求めることができる。まず、位相制御で使用する複数のデューティ比のうち実行割合の導出対象となる対象デューティ比を設定し、対象デューティ比で半波位相制御と全波位相制御とをそれぞれ単独で実行し、そのときの次数ごとの高調波を測定してそれぞれの限界値に対する比率である余裕度を算出する。そして、算出した次数ごとの余裕度の中から奇数次において余裕度が最小値となる次数（最悪奇数次）と偶数次において余裕度が最小値となる次数（最悪偶数次）とを決定する。次に、半波位相制御と全波位相制御とを１：１の実行割合で組み合わせた組み合わせ位相制御を実行（例えば、１０サイクルごとに半波位相制御と全波位相制御とを交互に実行）し、そのときの最悪奇数次および最悪偶数次での高調波を測定してそれぞれの余裕度を算出する。そして、最悪奇数次の余裕度と最悪偶数次の余裕度とを比較し、最悪奇数次の余裕度の方が最悪偶数次の余裕度よりも小さい場合には、最悪奇数次の余裕度を大きくするために全波位相制御の実行割合が増えるよう半波位相制御と全波位相制御との実行割合を変更して組み合わせ位相制御を再度実行する。また、最悪偶数次の余裕度の方が最悪奇数次の余裕度よりも小さい場合には、最悪偶数次の余裕度を大きくするために半波位相制御の実行割合が増えるよう半波位相制御と全波位相制御との実行割合を変更して組み合わせ位相制御を再度実行する。このように、最悪奇数次の余裕度と最悪偶数次の余裕度とが同等となるまで半波位相制御と全波位相制御との実行割合を変更して組み合わせ位相制御を実行する。そして、最悪奇数次の余裕度と最悪偶数次の余裕度とが同等となると、そのときの半波位相制御と全波位相制御との実行割合（半波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｈｗと全波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｆｗ）を対象デューティ比における実行割合とする。こうした処理を、対象デューティ比を変更しながら繰り返し実行することにより、各デューティ比ごとの半波位相制御と全波位相制御との実行割合（半波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｈｗと全波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｆｗ）が導出される。

そして、フラグＦが値０であるか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ここで、フラグＦは、実行中の位相制御が半波位相制御であるか全波位相制御であるかを示すフラグであり、値０のときには実行中の位相制御が半波位相制御であることを示し、値１のときには実行中の位相制御が全波位相制御であることを示す。フラグＦが値０であると判定、即ち実行中の位相制御が半波位相制御であると判定すると、サイクル数Ｃが半波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｈｗに達した否かを判定し（ステップＳ１８０）、サイクル数Ｃが連続実行サイクル数Ｃｈｗに達していないと判定すると、実行する位相制御として半波位相制御を選択して（ステップＳ１９０）、電力制御ルーチンを終了する。一方、サイクル数Ｃが連続実行サイクル数Ｃｈｗに達したと判定すると、実行する位相制御として全波位相制御を選択し（ステップＳ２００）、フラグＦを値１に設定すると共にサイクル数Ｃを値０にリセットして（ステップＳ２１０，Ｓ２２０）、電力制御ルーチンを終了する。

ステップＳ１７０でフラグＦが値１であると判定、即ち実行中の位相制御が全波位相制御であると判定すると、サイクル数Ｃが全波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｆｗに達した否かを判定し（ステップＳ２３０）、サイクル数Ｃが連続実行サイクル数Ｃｆｗに達していないと判定すると、全波位相制御を選択して（ステップＳ２４０）、電力制御ルーチンを終了する。一方、サイクル数Ｃが連続実行サイクル数Ｃｆｗに達したと判定すると、半波位相制御を選択し（ステップＳ２５０）、フラグＦを値０に設定すると共にサイクル数Ｃを値０にリセットして（ステップＳ２６０，Ｓ２７０）、電力制御ルーチンを終了する。

以上説明した実施例の電力制御装置１０によれば、交流電源波形の半波区間（半サイクル）を周期として位相角（デューティ比）を調整する半波位相制御と、交流電源波形の全波区間（１サイクル）を周期として位相角（デューティ比）を調整する全波位相制御とを切り替えて実行する。これにより、奇数次の高調波成分と偶数次の高調波成分とが平均化することができ、過大な高調波の発生を抑制することができる。しかも、位相制御の周期を半サイクル（半波）と１サイクル（全波）とに切り替えて高調波の発生を抑制するから、デューティ比を目標値から変化させることによって高調波の発生を抑制するものに比して、１サイクル（全波）ごとの出力波形間の電流差を小さくすることができ、フリッカの発生を抑制することができる。この結果、過大な高調波の発生を抑制すると共にフリッカの発生を抑制することができる。

また、実施例の電力制御装置１０によれば、高調波が大きくなるデューティ比（位相角）も使用が可能であるため、１サイクル（全波）単位で目標電力をヒータ２に供給することができ、制御性を良好なものとすることができる。

さらに、実施例の電力制御装置１０によれば、目標デューティ比Ｄｕｔｙごとに半波位相制御と全波位相制御の実行割合（規定サイクルにおける半波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｈｗおよび全波位相制御の連続実行サイクル数Ｃｆｗ）を設定するから、実行するデューティ比に拘わらず、過大な高調波の発生を効果的に抑制することができる。

実施例の電力制御装置１０では、５〜１５サイクルの範囲内で連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗを設定するものとしたが、２〜１００サイクル（電源周波数が５０Ｈｚの場合、１００ｍｓ〜２ｓ）、より好ましくは、２〜５０サイクル（電源周波数が５０Ｈｚの場合、１００ｍｓ〜１ｓ）の範囲内で設定されるものとしてもよい。なお、ヒータ２の定格出力が比較的低い場合（例えば、２００Ｗや３００Ｗなど）には、フリッカの影響は少なくなるため、１サイクルごとに半波位相制御と全波位相制御とを交互に実行するものとしてもよい。

実施例の電力制御装置１０では、目標デューティ比Ｄｕｔｙに応じて半波位相制御と全波位相制御の実行割合を変更して組み合わせ位相制御を実行するものとしたが、目標デューティ比Ｄｕｔｙに拘わらず半波位相制御と全波位相制御の実行割合を一定としてもよい。

実施例の電力制御装置１０では、半波位相制御と全波位相制御とを切り替えて実行するものとしたが、半波位相制御と組み合わせ位相制御とを切り替えて実行するものとしてもよい。図８は、変形例の電力制御ルーチンを示すフローチャートである。図８のルーチンの各処理のうち、図６のルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付し、その説明は重複するから省略する。変形例の電力制御ルーチンでは、ステップＳ１５０で目標デューティ比Ｄｕｔｙを設定した後、設定した目標デューティ比Ｄｕｔｙが第１範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ３００）。目標デューティ比Ｄｕｔｙが第１範囲内にないと判定すると、ステップＳ１９０に進んで半波位相制御を実行し、目標デューティ比Ｄｕｔｙが第１範囲内にあると判定すると、上述したステップＳ１６０〜Ｓ２７０の組み合わせ位相制御を実行する。ここで、第１範囲は、目標デューティ比Ｄｕｔｙで半波位相制御を実行すると、高調波電流発生限界値に対する余裕度が許容範囲を下回ることになるデューティ比の範囲を示す。図９は、半波位相制御のＤｕｔｙごとの１５次高調波余裕度の分布を示す説明図である。なお、この例では、１５次高調波余裕度が最悪奇数次の余裕度であるものとした。図示するように、余裕度の許容範囲が２０％以上とした場合、余裕度が許容範囲を下回るデューティ比の範囲は、約２５％〜７５％となる。したがって、この例では、目標デューティ比Ｄｕｔｙが約２５％〜７５％の範囲内にあるときに組み合わせ位相制御が実行され、その他の範囲のときには半波位制御が実行される。

実施例の電力制御装置１０では、半波位相制御と全波位相制御とを切り替えて実行するものとしたが、全波位相制御と組み合わせ位相制御とを切り替えて実行するものとしてもよい。図１０は、変形例の電力制御ルーチンを示すフローチャートである。図１０のルーチンの各処理のうち、図６のルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付し、その説明は重複するから省略する。変形例の電力制御ルーチンでは、ステップＳ１５０で目標デューティ比Ｄｕｔｙを設定した後、設定した目標デューティ比Ｄｕｔｙが第２範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ４００）。目標デューティ比Ｄｕｔｙが第２範囲内にないと判定すると、ステップＳ２４０に進んで全波位相制御を実行し、目標デューティ比Ｄｕｔｙが第２範囲内にあると判定すると、上述したステップＳ１６０〜Ｓ２７０の組み合わせ位相制御を実行する。ここで、第２範囲は、目標デューティ比Ｄｕｔｙで全波位相制御を実行すると、高調波電流発生限界値に対する余裕度が許容範囲を下回ることになるデューティ比の範囲を示す。図１１は、全波位相制御のＤｕｔｙごとの２次高調波余裕度の分布を示す説明図である。なお、この例では、２次高調波余裕度が、最悪偶数次の余裕度であるものとした。図示するように、余裕度の許容範囲が２０％以上とした場合、余裕度が許容範囲を下回るデューティ比の範囲は、約２５％〜４５％および約５５％〜７５％となる。したがって、この例では、目標デューティ比Ｄｕｔｙが約２５％〜４５％および約５５％〜７５％の何れかの範囲内にあるときに組み合わせ位相制御が実行され、その他の範囲のときには全波位制御が実行される。

なお、組み合わせ位相制御において偶数次の余裕度が許容範囲を下回るデューティ比が存在する場合、そのデューティ比でのスイッチング制御を半波位相制御で実行するものとしてもよい。また、組み合わせ位相制御において奇数次の余裕度が許容範囲を下回るデューティ比が存在する場合、そのデューティ比でのスイッチングを全波位相制御で実行するものとしてもよい。

実施例の電力制御装置１０では、目標デューティ比Ｄｕｔｙで半波位相制御と全波位相制御とを連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗずつ繰り返し実行するものとしたが、目標デューティ比Ｄｕｔｙに拘わらず一定時間ごとにデューティ比を０％とする期間（オフ期間）を設定するものとしてもよい。図１２は位相制御のオフ期間を説明する説明図であり、図１３は位相制御にオフ期間を設定した場合と設定しない場合の次数ごとの余裕度の分布を示す説明図である。なお、図１３中の「オフ期間設定Ａ」は、「オフ期間設定Ｂ」よりも長いオフ期間が設定されている。図１２に示するように、一定時間ごとに所定期間だけオフとするオフ期間が設定されると、この間、高周波が発生することがほとんどないため、オフ期間を含めた期間における高調波の平均値が大幅に低減される。このとき、オフ期間が長いほど、高調波の平均値が低減されるため、高調波電流発生限界値に対する余裕度は大きくなる傾向を示す（図１３参照）。

実施例の電力制御装置１０では、目標デューティ比Ｄｕｔｙで半波位相制御と全波位相制御とを連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗずつ繰り返し実行するものとした。これに対して、半波位相制御、全波位相制御における各連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗでの平均値が目標デューティ比Ｄｕｔｙとなるよう実行デューティ比を所定ステップ幅ずつスイープさせながら実行デューティ比によりスイッチングするスイープ制御を実行するものとしてもよい。図１４は、スイープ制御の様子を示す説明図である。なお、図１４（ａ）は、半波位相制御におけるスイープ制御の様子を示し、図１４（ｂ）は、全波位相制御におけるスイープ制御の様子を示す。図示するように、目標デューティ比Ｄｕｔｙとして３６％が設定され、半波位相制御および全波位相制御の各連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗとして５サイクルが設定された場合、実行デューティ比として２８％から開始し、４％刻みで一方向に変化させ、４４％で終了するように設定される。こうしたスイープ制御は、目標デューティ比Ｄｕｔｙが高調波が大きくなり易いデューティ比であるときに実行することができる。これにより、高調波が大きくなり易いデューティ比の使用回数を減らすことができ、全体として高調波の発生を抑制することができる。また、スイープ制御は、所定ステップ幅ずつデューティ比を変化させるため、１サイクルごとの出力波形間の電流差を小さくすることができ、フリッカの発生を抑制することができる。

また、スイープ制御は、半波位相制御と全波位相制御とでスイープの方向を異ならせてもよい。図１５は、スイープ制御を伴って全波位相制御と半波位相制御とを切り替える様子を示す説明図である。図１５に示すように、目標デューティ比Ｄｕｔｙとして３６％が設定され、半波位相制御および全波位相制御の各連続実行サイクル数Ｃｈｗ，Ｃｆｗとして５サイクルが設定された場合、全波位相制御においては、２８％のデューティ比から開始し、４％刻みでデューティ比を大きくし、４４％のデューティ比で全波位相制御のサイクルが終了する。続いて、半波位相制御においては、４４％のデューティ比から開始し、４％刻みでデューティ比を小さくし、２８％のデューティ比で半波位相制御のサイクルが終了する（図１５の上段参照）。このように、半波位相制御と全波位相制御とでスイープの方向と逆向きにすることにより、半波位相制御と全波位相制御とでスイープの方向と同一方向とするもの（図１５の下段参照）に比して、半波位相制御と全波位相制御との切り替わりの際に生じる出力波形間の電流差を小さくすることができ、フリッカの発生を抑制することができる。

実施例では、本発明を、温水洗浄便座の温水ヒータの制御に適用して説明したが、これに限定されるものではなく、乾燥機や湯沸かし器などの他の電気機器の制御にも適用可能である。また、負荷としてヒータ２を挙げたが、モータなど、位相制御方式によって制御が可能な他の如何なる負荷に適用するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、トライアック１２が「スイッチング素子」に相当し、交流電源１が「交流電源」に相当し、ヒータ２が「負荷」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電力制御装置の製造産業などに利用可能である。

１ 交流電源、２ ヒータ、１０ 電力制御装置、１２ トライアック、１４ ゼロクロス点検出部、１６ センサ部、１８ 設定値入力部、２０ 位相角制御部。

Claims (8)

1. 位相制御方式を用いてスイッチング素子をスイッチングすることにより交流電源から負荷へ供給する電力を制御する電力制御装置であって、
   前記スイッチング素子をスイッチングする際の制御用デューティ比を設定し、
   交流電源出力の半サイクルを制御周期として前記制御用デューティ比に基づいて前記スイッチング素子をスイッチングする半波位相制御と、交流電源出力の１サイクルを制御周期として前記制御用デューティ比に基づいて前記スイッチング素子をスイッチングする全波位相制御と、を所定サイクル数の割合で交互に切り替えて実行する
   ことを特徴とする電力制御装置。
2. 請求項１に記載の電力制御装置であって、
   前記半波位相制御を第１サイクル数に亘って繰り返し実行した後に前記全波位相制御に切り替え、前記全波位相制御を第２サイクル数に亘って繰り返し実行した後に前記半波位相制御に切り替える
   ことを特徴とする電力制御装置。
3. 請求項２に記載の電力制御装置であって、
   前記第１サイクル数および前記第２サイクル数は、２〜１００サイクルの何れかである
   ことを特徴とする電力制御装置。
4. 請求項２または３に記載の電力制御装置であって、
   前記制御用デューティ比に応じて前記第１サイクル数および前記第２サイクル数を異ならせる
   ことを特徴とする電力制御装置。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の電力制御装置であって、
   前記制御用デューティ比が第１範囲内にないときには、前記半波位相制御のみを実行し、前記制御用デューティ比が前記第１範囲内にあるときには、前記半波位相制御と前記全波位相制御とを切り替えて実行する
   ことを特徴とする電力制御装置。
6. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の電力制御装置であって、
   前記制御用デューティ比が第２範囲内にないときには、前記全波位相制御のみを実行し、前記制御用デューティ比が前記第２範囲内にあるときには、前記半波位相制御と前記全波位相制御とを切り替えて実行する
   ことを特徴とする電力制御装置。
7. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の電力制御装置であって、
   前記半波位相制御と前記全波位相制御とを複数サイクルずつ交互に実行するものであり、
   複数サイクルでの平均値によって前記制御用デューティ比が得られるように複数サイクルに亘って所定ステップ幅ずつデューティ比を一方向に変化させながら前記スイッチング素子をスイッチングする
   ことを特徴とする電力制御装置。
8. 請求項７に記載の電力制御装置であって、
   前記半波位相制御および前記全波位相制御のうち一方の位相制御において、複数サイクルでの平均値によって前記制御用デューティ比が得られるように所定ステップ幅ずつデューティ比を大きくしながら前記スイッチング素子をスイッチングし、
   前記半波位相制御および前記全波位相制御のうち他方の位相制御において、複数サイクルでの平均値によって前記制御用デューティ比が得られるように所定ステップ幅ずつデューティ比を小さくしながら前記スイッチング素子をスイッチングする
   ことを特徴とする電力制御装置。