JPH04211811A - 交流電力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、家庭用電熱制御装置
等の電力制御に好適な交流電力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱源として電気エネルギを利用する電熱
制御装置は、暖房器具や調理器具或は衛生器具など多方
面で実用化されている。電熱制御装置が、モータ制御装
置やランプ制御装置と比較して大きく異なる点は、負荷
の時定数が大きく、ある程度緩慢な制御が許容されるこ
とである。事実、電気こたつや電子カーペットのような
家庭用電気器具の電熱制御には、制御偏差の極性に応じ
て負荷と電源の間を断続するいわゆるオンオフ制御方式
が多用されている。

【０００３】図５に示す交流電力制御装置１は、電子カ
ーペットを、希望温度に制御するための装置であり、通
電により発熱する発熱体からなる負荷２が、トライアッ
ク等のパワースイッチ３を介して交流電源４に接続して
ある。温度設定器５を介して設定された希望温度は、マ
イコン機能を搭載する演算回路６内で実際のカーペット
温度と比較され、図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、
温度センサ７が検出するカーペット温度が希望温度に満
たない場合は、演算回路６からの指令を受けてパワース
イッチ３が閉成され、連続通電による昇温が図られる。 そして、カーペット温度が希望温度を越えると、その時
点でパワースイッチ３は開成し、カーペット表面からの
熱放散によりカーペット温度が希望温度から数度下がる
まで、そのままの状態が維持される。

【０００４】このため、実際のカーペット温度は、希望
温度の下側に一定の幅をもった範囲で可変制御されるこ
とになり、カーペット表面が膚に直接暖かいと感じられ
る期間（パワースイッチ３のオン期間）と、余熱だけで
なんとなく暖かく感じられる期間（パワースイッチ３の
オフ期間）とがはっきりしており、体感温度変化の少な
い快適な保温効果からは遠いものであった。また、カー
ペット温度が希望温度から下側に振れるため、さらに高
い温度に設定しなければならず、暖房費の節約に逆行す
るといった問題があった。さらにまた、こうしたオンオ
フ制御方式をとる交流電力制御装置１は、パワースイッ
チ３が閉成期間中は定格消費電力でもって負荷２に対す
る通電が行われるため、例えばブレーカ容量２０Ａの一
般家庭において、定格消費電力８００Ｗの炊飯器と６４
０Ｗの電子カーペットを同時に使用しているにも拘わら
ず、知らずに定格消費電力が７００Ｗのアイロンを使用
したときに、総消費電力が２１４０Ｗとなってブレーカ
が作動してしまい、動作途中で通電を断たれた炊飯器が
正常な炊飯に失敗するといった事態も予想される。これ
は、オンオフ制御の過程で瞬間最大電力がブレーカ内の
熔断ヒューズの熔断限界を軽く越えてしまいやすいから
である。一方、オンオフ制御方式とは方式を異にする交
流電力制御方式として、トライアックを整流素子として
用いたパワースイッチ３による位相制御方式が知られて
いる。この種の位相制御方式は、トリガパルスを受けて
導通するパワースイッチ３を、演算回路６が制御目標電
力に応じたトリガ位相でもってトリガし、トライアック
の性質を利用して交流電圧が零電圧を横切る点までパワ
ースイッチ３を導通させるものであり、パワースイッチ
３は最大で半波分の通電を行うことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記位相制御方式の従
来の交流電力制御装置１は、カーペット温度が希望温度
に満たないとき或は希望温度に達したあとも、電源周期
の半サイクルごとにパワースイッチ３の導通期間が可変
制御されるが、パワースイッチ３が交流電源の電源位相
とは無関係に、制御電力目標に応じた位相でもって閉成
する構成であるため、負荷２に対する通電開始時点で、
かなりの負荷電流が瞬時にして通電又は遮断され、その
結果負荷電流の急激な変化がラジオノイズを発生すると
いった課題を抱えていた。こうしたラジオノイズは、蛍
光灯ノイズや電気冷蔵庫の起動ノイズ等と同様、テレビ
ジョン受像機やオーディオ機器或はリモコン制御装置と
いった他の家電機器にとって、直接間接の障害を及ぼす
元凶であり、こうしたラジオノイズ障害を１制御周期Ｔ
内において必ず１回は引き起こす従来の交流電力制御装
置１は、断続的とはいえ電熱制御の全過程を通じて継続
的なノイズ発生源となるといった課題を抱えていた。

【０００６】さらにまた、従来の交流電力制御装置１は
、電子カーペット上に人が居ない無人の状態でも、相変
わらず通電が継続的に行われる構成であるため、負荷２
が発する熱が有効利用されずに不経済であり、また電子
カーペット上で人が眠り込んでしまった場合は、本人が
自覚しないうちに低温やけどが進行することがあるとい
った課題を抱えていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決したものであり、交流電源と負荷の間に介在し、ト
リガパルスを受けて前記負荷に対し最大で半波分の通電
を行うパワースイッチと、前記交流電源の出力電圧がゼ
ロ電圧を横切るさいに、これを検出してゼロクロス検出
パルスを出力するゼロ電圧センサと、このゼロ電圧セン
サのゼロクロス検出パルスを一定値を限度に循環的に計
数し、外部設定される任意の２計数値によって両端が規
定される一連の計数期間中、前記パワースイッチに対し
前記交流電源の出力電圧と同相のゼロクロストリガパル
スを供給する制御部とを具備することを特徴とするもの
である。

【０００８】また、この発明は、前記負荷に対する人体
の位置関係を検出し、人体の位置が移動したときに出力
する人体センサと、この人体センサの出力が一定期間以
上途絶えたときに、前記通電を断つ監視手段を具備する
ことを特徴とするものであり、さらにまた前記監視手段
に、前記通電を断つ前に警報音を発するブザーを設けた
ことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】この発明は、交流電源の出力電圧がゼロ電圧を
横切るさいに得られるゼロクロス検出パルスを、一定値
を限度に循環的に計数し、外部設定される任意の２計数
値によって両端が規定される一連の計数期間中、交流電
源とその負荷の間に介在するパワースイッチに対し、交
流電源の出力電圧と同相のゼロクロストリガパルスを供
給し、電源位相に合わせたトリガ位相でもって負荷への
通電率を可変制御する。

【００１０】また、この発明は、負荷に対する人体の位
置移動を検出する人体センサの出力が一定期間以上途絶
えたときに、前記通電を断つ監視手段を設け、負荷に対
する通電をまったく必要としないときには、自動的に負
荷に対する通電を断ち、無駄な電力消費を抑制し、さら
にまた前記監視手段に、通電を断つ前に警報音を発する
ブザーを設けることにより、負荷の影響下から人体が遠
ざかってしまったために負荷に対する通電が有効利用さ
れなくなったり、或は負荷が人体に悪影響を及ぼす状況
が一定期間持続しそうになったときに、負荷に対する通
電を断つ前に聴覚に訴えて警告を発する。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例について、図１ない
し図４を参照して説明する。図１は、この発明の交流電
力制御装置の一実施例を示す回路構成図、図２は、図１
に示した回路各部の信号波形図である。

【００１２】図１に示す交流電力制御装置１１は、電子
カーペットの電熱制御に適用したものであり、交流電源
４とカーペット状発熱体からなる負荷２との間に介在す
るパワースイッチ３を、ゼロ電圧センサ１２の出力をク
ロックとする制御部１３によって開閉制御するものであ
る。ゼロ電圧センサ１２は、交流電源４の出力電圧がゼ
ロ電圧を横ぎったことを検出し、検出時点で図２（Ｂ）
に示すごく短いパルス幅のゼロクロス検出パルスを出力
する。実施例では、パワースイッチ３としてトライアッ
クを用いているため、ゼロ電圧センサ１２の出力ゼロク
ロス検出パルスと同様、交流電源４の出力電圧と同相の
ゼロクロストリガパルスを、交流電源４に接続したゼロ
クロストリガパルス発生回路１４を介してパワースイッ
チ３のトリガ入力端子に供給するようにしており、パワ
ースイッチ３のトリガ位相は、常に電源位相に一致する
。

【００１３】制御部１３は、ゼロ電圧センサ１２のゼロ
クロス検出パルスを、計数時間換算で例えば１秒に満た
ないごく短い時間に相当する一定値を限度に循環的に計
数し、外部設定される任意の２計数値によって両端が規
定される一連の計数期間中、パワースイッチ３に対しゼ
ロクロストリガパルス発生回路１４を介してトリガパル
スを供給するものである。実施例では、計数上限である
１１１１の計数時点でリセット信号を出力する４ビット
カウンタ回路１５と、このカウンタ回路１５の計数値を
ラッチ回路１６がラッチする所定値と比較し、両者が一
致した時点でセット信号を出力するコンパレータ回路１
７と、このコンパレータ回路１７のセット信号とカウン
タ回路１５のリセット信号を受けてセット又はリセット
され、セット出力又はリセット出力をもってゼロクロス
トリガパルス発生回路１４を駆動するフリップフロップ
回路１８等をもって構成してある。ラッチ回路１６は、
演算回路１９を介して希望温度に対応する４ビットのデ
ータを与えられ、次にラッチ指令が与えられるまでの間
、当該データをコンパレータ回路１７の比較基準として
保持し続ける働きをする。

【００１４】なお、実施例では、ラッチ回路１６にラッ
チする００００〜１１１１の４ビットデータは、負荷２
に対する通電開始時期に対応しており、希望温度が高く
なるにつれて４ビットデータは小さな値とされる。また
、演算回路１９に接続された温度設定器２０は、電子ボ
リューム等で構成され、ボリューム操作により設定され
た希望温度は、例えば００１１のごとく演算回路１９内
で４ビットディジタルデータに変換される。また、カウ
ンタ回路１５は１６個の半波を計数したときにリセット
されるため、電源周波数を仮に５０サイクルとした場合
、８／５０秒が１制御周期Ｔとなる。従って、カウンタ
回路１５に設定される一定値１１１１は、計数時間換算
で１秒の数分の一程度のごく短い時間に相当し、それだ
け短いサイクルでもって負荷変動に対応できると言える
。

【００１５】ところで、ゼロ電圧センサ１２の出力ゼロ
クロス検出パルスを計数するカウンタ回路１５は、計数
値が１１１１となった時点、すなわちゼロクロス検出パ
ルスが１６個計数された時点で、フリップフロップ回路
１８に対しリセット信号を供給する。従って、電源周期
の８倍に相当する１制御周期Ｔの到来とともに、フリッ
プフロップ回路１８はリセットされ、ゼロクロストリガ
パルス発生回路１４に対する駆動は停止する。その結果
、パワースイッチ３に対するゼロクロストリガパルスの
供給が断たれ、負荷２に対する通電は中断する。一方ま
た、負荷２に対する通電が中断すると、計数値１１１１
を計数上限とするカウンタ回路１５は、再度００００か
ら計数を開始し、その計数値がラッチ回路１６にラッチ
された所定値、ここでは００１１に一致した時点、すな
わちフリップフロップ回路１８のリセット後４個目のゼ
ロクロス検出パルスが計数された時点で、コンパレータ
回路１７がセット信号を出力する。その結果、フリップ
フロップ回路１８はセットされ、ゼロクロストリガパル
ス発生回路１４が再び駆動されることで、パワースイッ
チ３に対してゼロクロストリガパルスが与えられ、負荷
２に対する通電が再開される。

【００１６】従って、上記交流電力制御装置１１によれ
ば、パワースイッチ３が、５０サイクル又は６０サイク
ルの電源周期の８倍を１周期とする制御周期Ｔのうち、
１２／１６・Ｔをオン期間Ｔｏｎとし、残りの４／１６
・Ｔをオフ期間Ｔｏｆｆとする開閉動作を行うため、カ
ーペット温度を希望温度に保つための電力制御を、１秒
の数分の一程度のごく短い制御周期Ｔを単位にきめ細か
に実施することができ、負荷２の熱時定数が大きいため
、従来はきめ細かな温度制御の対象とはされていなかっ
た電子カーペットの電熱制御装置として、実に正確で誤
差の少ない温度制御が可能である。

【００１７】また、１制御周期Ｔに占める通電期間Ｔｏ
ｎを制限することで、消費電力の制御が自在に可能であ
り、従ってブレーカ容量に制約のある一般家庭での使用
にさいしても、電力選択によりブレーカ容量を越えない
安全かつ効率的な電力消費が可能であり、炊飯器やアイ
ロン等の比較的電力消費の大きな家庭用電気機器等を、
安心して併用することができる。

【００１８】さらにまた、ゼロクロストリガパルス発生
回路１４によるパワースイッチ３のトリガ位相は電源位
相に一致しているため、ラジオノイズ等を発生すること
はない。また、演算回路１９は、温度設定器２０による
設定入力を受けてラッチ回路１６に設定温度に対応する
計数値をラッチさせた後は、温度センサ７が検出するカ
ーペット温度と設定温度との温度差を算出し、カーペッ
ト温度が設定温度よりも小であれば負荷２に供給する電
力を大とし、カーペット温度が設定温度よりも大であれ
ば負荷２に供給する電力を小とするというように、電力
制御に必要な演算を行なう。

【００１９】なお、図３に示す交流電力制御装置２１は
、負荷２である電子カーペットに人が乗っていることを
、例えば人体が発する赤外線等を媒介にして検出する人
体センサ２２を演算回路１９に接続してあり、負荷２が
人体に無効であったり或は負荷２が人体に悪影響を及ぼ
す状況下、すなわち電子カーペットから人が遠ざかって
しまって無人となったり、或は電子カーペット上で人が
眠り込んでしまったようなときに、こうした状況が一定
期間以上持続したときに、演算回路１９の判断で負荷２
に対する通電を断つ構成としてある。人体センサ２２と
しては、例えば人体から発する波長だけを感知する焦電
型の赤外線センサが用いられる。一般に、人間の体温は
摂氏３６〜３７度であるため、９〜１０μｍにピークを
もつ遠赤外線が人体から放射されており、焦電型の赤外
線センサは、光学フィルタにより人体からの赤外線だけ
を透過したあと、感知素子表面にある熱吸収膜により赤
外線を熱に変える。感知素子の表面温度が上がると、温
度変化により電荷を生ずる焦電効果により表面電荷が発
生し、この表面電荷を電圧増幅して外部に取り出すこと
で、人体が感知される。なお、負荷２への通電は、交流
電源４と負荷２の間に設けた開閉スイッチ２３を演算回
路１９が開くことで断たれる。ただし、演算回路１９に
は、通電を断つ前に警報音を発するブザー２４が接続し
てあり、事前警告措置をとるようにしてある。

【００２０】ここで、人体センサ２２が電子カーペット
上の人体を検出すると、図４に示すステップ（１０１）
に続くステップ（１０２）おいて、演算回路１９は開閉
スイッチ２３を閉じて負荷２に対する通電を開始する。 一方、通電により加熱状態に入った電子カーペットから
人が離れた場合や電子カーペット上で人が眠り込んでし
まった場合は、人が離れてから一定の時間が経過したと
き、又は眠り込んだ人が動かなくなってから一定の時間
が経過したときに、ステップ（１０３）の判断結果を受
けて、まずステップ（１０４）において、ブザー２４か
ら警報音を発する。これにより、電子カーペット上で眠
り込んでしまった人に、低温やけどや風邪引きの警告を
与えることができる。そして、警報音を発したあとで、
ステップ（１０５）において、演算回路１９が負荷２に
対する通電を断つ。

【００２１】従って、電子カーペットは真に必要なとき
にだけ通電されることになり、電力の節約と障害の予防
が可能である。また、実施例では、電子カーペットは、
ヒータ線２５に通電されてカーペットを加熱する構造で
あり、温度センサ７は、感熱樹脂材２６を通してヒータ
線２５から流れる電流を感熱線２７に受け、この感熱線
２７に流れ込む電流値に応じてカーペット温度を感知す
る構造とされている。しかし、感熱線２７は、カーペッ
ト全体に１本のまま張り巡らされており、このため温度
センサ７が検出するカーペット温度は、カーペット全体
の平均温度となる。従って、電子カーペット上で人が眠
り込んで動かなくなってしまうと、人が居る部分だけ熱
放散が小さくなり、その部分だけが温度上昇してしまい
、本人が自覚する以上に低温やけどを招きやすくなる。 従って、実施例のように、人体センサ２２と演算回路１
９による監視を行うことは、人体に対する悪影響を排除
する意味から実用的価値はきわめて大きい。

【００２２】また、上記の各実施例において、カウンタ
回路１５としては、４ビットに限らず、２ビット又は３
ビット、或は５ビット以上のものを用いることができ、
電力制御における分解能に応じたビット数を採用すると
よい。さらにまた、フリップフロップ回路１８は、セッ
ト入力端子にカウンタ回路１５を接続し、リセット入力
端子にコンパレータ回路１７を接続してもよく、その場
合ラッチ回路１６のラッチデータは、負荷２に対する通
電終了時期に対応するため、希望温度が高くなるにつれ
てラッチデータも大きな値をとる。

【００２３】さらに、上記各実施例では、交流電力制御
装置１１，２１を、電子カーペットの電熱制御装置に適
用した場合を例にとったが、電気こたつや空調機器など
の他の家庭用電熱器具等さらには調理器具や衛生器具等
に適用してもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明は、交流
電源の出力電圧がゼロ電圧を横切るさいに得られるゼロ
クロス検出パルスを、一定値を限度に循環的に計数し、
外部設定される任意の２計数値によって両端が規定され
る一連の計数期間中、交流電源とその負荷の間に介在す
るパワースイッチに対し、交流電源の出力電圧と同相の
ゼロクロストリガパルスを供給し、電源位相に合わせた
トリガ位相で負荷への通電率を可変制御する構成とした
から、負荷の熱時定数が大きいため、従来はきめ細かな
温度制御の対象とはされていなかった家庭用電熱制御装
置に適用した場合、特に希望温度の近辺での電力制御を
、例えば１秒に満たないようなごく短い制御周期を単位
にきめ細かに実施することができ、これにより正確で誤
差の少ない温度制御が可能であり、従って例えば従来の
オンオフ制御方式の交流電力制御装置のように、暖かさ
と冷たさが交互に皮膚で感じられるような大まかな温度
制御ではなく、均一な温度制御による快適保温が可能で
あり、また１制御周期に占める通電期間を制限すること
で、消費電力の制御が自在に可能であり、従ってブレー
カ容量に制約のある一般家庭での使用にさいしても、電
力選択によりブレーカ容量を越えない安全かつ効率的な
電力消費が可能であり、さらにまたパワースイッチに対
するトリガパルスの与え方が、トリガパルスと電源位相
が無関係である非同期方式と異なり、トリガ位相をゼロ
電圧付近に設定するゼロクロストリガパルス方式である
ため、ラジオノイズの発生を良好に抑制することができ
る等の優れた効果を奏する。

【００２５】また、この発明は、制御部を、一定値の計
数時点でリセット信号を出力するカウンタ回路と、この
カウンタ回路の計数値をあらかじめ設定された所定値と
比較し、両者が一致した時点でセット信号を出力するコ
ンパレータ回路と、このコンパレータ回路のセット信号
とカウンタ回路のリセット信号を受けてセット又はリセ
ットされるフリップフロップ回路と、このフリップフロ
ップ回路のセット出力又はリセット出力をもって駆動さ
れ、その駆動期間中前記パワースイッチにゼロクロスト
リガパルスを供給するゼロクロストリガパルス発生回路
から構成することにより、コンパレータ回路に比較基準
として設定される所定値を通電開始時期（又は通電終了
時期）に、また対するカウンタ回路の計数上限を通電終
了時期（又は通電開始時期）に対応させることで、通電
時間の変更が自由に可能であり、これにより演算回路等
を経由するディジタル的な電力設定が、きわめて容易に
なり、しかも比例制御に微分制御や積分制御を組み合わ
せることで、より高度で複雑な電力制御を導入すること
もできる等の効果を奏する。

【００２６】また、この発明は、負荷に対する人体の位
置関係を検出し、人体の位置が移動したときに出力する
人体センサと、この人体センサの出力が一定期間以上途
絶えたときに、前記通電を断つ監視手段を設けたことに
より、負荷に対する通電をまったく必要としないときに
は、自動的に負荷に対する通電を断ち、これにより無駄
な電力消費を抑制することができ、また負荷を温熱源と
して直接或は間接に人体を加熱するような場合に、負荷
が発する熱を無意識のうちに過剰に摂取して人体が低温
やけどを招いたり、或は負荷を冷熱源として空調を図る
ような場合に、室温の冷し過ぎによって風邪を引くなど
の不具合を予防することができ、機械と人間の快適な共
存関係を作り出すことができる等の効果を奏する。

【００２７】また、前記監視手段に、通電を断つ前に警
報音を発するブザーを設けることにより、負荷の影響下
から人体が遠ざかってしまったために負荷に対する通電
が有効利用されなくなったり、或は負荷が人体に悪影響
を及ぼす状況が一定期間持続しそうになったときに、負
荷に対する通電を断つ前に聴覚に訴えて警告を発するこ
とができ、負荷を温熱源又は冷熱源として使用する人間
自身に注意を喚起し、電気機器の安全な使用法を周知徹
底することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の交流電力制御装置の一実施例を示す
回路構成図である。

【図２】図１に示した回路各部の信号波形図である。

【図３】この発明の交流電力制御装置の他の実施例を示
す回路構成図である。

【図４】図３に示した演算回路の監視動作を説明するた
めのフローチャートである。

【図５】従来のオンオフ制御方式の交流電力制御装置の
一例を示す概略回路構成図である。

【図６】図５に示した交流電力制御装置の温度制御経過
を示す波形図である。

【符号の説明】

２　　負荷 ３　　パワースイッチ ４　　交流電源 １１，２１　　交流電力制御装置 １２　　ゼロ電圧センサ １３　　制御部 １４　　ゼロクロストリガパルス発生回路１５　　カウ
ンタ回路 １６　　ラッチ回路 １７　　コンパレータ回路 １８　　フリップフロップ回路 １９　　演算回路 ２０　　温度設定器 ２２　　人体センサ ２４　　ブザー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　交流電源と負荷の間に介在し、トリガ
   パルスを受けて前記負荷に対し最大で半波分の通電を行
   うパワースイッチと、前記交流電源の出力電圧がゼロ電
   圧を横切るさいに、これを検出してゼロクロス検出パル
   スを出力するゼロ電圧センサと、このゼロ電圧センサの
   ゼロクロス検出パルスを一定値を限度に循環的に計数し
   、外部設定される任意の２計数値によって両端が規定さ
   れる一連の計数期間中、前記パワースイッチに対し前記
   交流電源の出力電圧と同相のゼロクロストリガパルスを
   供給する制御部とを具備することを特徴とする交流電力
   制御装置。
2. 【請求項２】　　前記制御部は、前記一定値の計数時点
   でリセット信号を出力するカウンタ回路と、このカウン
   タ回路の計数値をあらかじめ設定された所定値と比較し
   、両者が一致した時点でセット信号を出力するコンパレ
   ータ回路と、このコンパレータ回路のセット信号と前記
   カウンタ回路のリセット信号を受けてセット又はリセッ
   トされるフリップフロップ回路と、このフリップフロッ
   プ回路のセット出力又はリセット出力をもって駆動され
   、その駆動期間中パワースイッチにゼロクロストリガパ
   ルスを供給するゼロクロストリガパルス発生回路を有す
   ることを特徴とする請求項１記載の交流電力制御装置。
3. 【請求項３】　　前記負荷に対する人体の位置関係を検
   出し、人体の位置が移動したときに出力する人体センサ
   と、この人体センサの出力が一定期間以上途絶えたとき
   に、前記通電を断つ監視手段を具備することを特徴とす
   る請求項１記載の交流電力制御装置。
4. 【請求項４】　　前記監視手段は、前記通電を断つ前に
   警報音を発するブザーを有することを特徴とする請求項
   ３記載の交流電力制御装置。