JPH10283042A - 電気炉の電力制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同相に接続された複数の抵抗発熱体に通電す
る場合、共通の電源から見てできる限り均等な電流が流
れ、同時に個別の抵抗発熱体へ通電するサイクルと通電
しないサイクルが時間軸にわたってみて一様となるよう
に、個々の抵抗発熱体に流れる電流を制御して、この共
通電源に対する力率を改善できる、電気炉設備へ供給す
る電力をサイクル制御する方法とその装置を提供する。 【解決手段】 電源のサイクルの特定の期間から或る期
間Ｉ_h の間に各抵抗発熱体Ｒ_h が通電した累積サイクル
Ｊ_h(Ｉ_h ) とすれば、累積サイクルを縦軸とし、当該サ
イクルＩ_h を横軸としてこの平面内で発熱すべき希望発
熱曲線ＳＣＶ_hを定め、その上下に所定の範囲Ａ_h,Ｂ_h
の幅を持つ上下限曲線ＵＣＶ_h,ＬＣＶ_hの範囲内に各抵
抗発熱体Ｒ_h の累積サイクルがあり、同時にこの上下限
曲線内で一つ前のサイクルから次のサイクルへ遷移する
時、全抵抗発熱体の目標発熱量を満たすように全ての抵
抗発熱体Ｒ_h の通電・非通電を当該サイクルの一つ前で
決定し、当該サイクルでこれを実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一つまたはそれ
以上の電気炉内にある複数の抵抗発熱体が電源の同相に
並列に接続されている場合の電気炉設備の電力を制御す
る方法およびこの方法を実施する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、上記のような電気炉で発
生する熱量は、電源から半導体スイッチング素子を介し
て抵抗発熱体に供給される電力の値に応じて調整され
る。その場合、供給電力は半導体スイッチング素子の導
通・非導通の割合に応じて定まる。この半導体スイッチ
ング素子としては通常サイリスタが使用されている。サ
イリスタの制御には、通電位相角を制御する位相制御法
と、電源の１サイクル毎に通電・非通電を行うサイクル
制御法の二種がある。前者の方法では、通電位相角を可
変して発熱量を調節するので、微細な発熱調整をするの
適している。しかし、抵抗発熱体に加わる電圧が相当大
きい位相角でスイッチング素子の導通と遮断が行われる
ことが多いため、電源線路に対して望ましくない高い周
波数の擾乱電圧やそれに伴う擾乱電流を発生したり、電
気炉や電源線路の周囲にある電子機器に対して望ましく
ない擾乱電波を発生する。後者の方法では、スイッチン
グ素子の導通および遮断が電源電位の零クロス点で行わ
れるため、発生する外乱要因は極めて弱く、周囲の電子
機器に対して望ましい。しかしながら、発熱量を微細に
調整するには、前者の位相制御法に比べて、後者のサイ
クル制御法は簡単ではない。

【０００３】このような観点から、本出願人は外乱の発
生を少なくできるサイクル制御法に基づき電気炉の電力
を制御することを特開昭６３−４４２１４号公報に提示
した。この場合、商用電源の電圧が正と負となる互いに
隣接した半波の一対を一サイクルとして、抵抗発熱体に
通電するサイクルと非通電するサイクルが時間軸にわた
って見てできる限り均等に配分される状態で電気炉の発
熱量を制御することを提案した。

【０００４】大型の電気炉では多数の抵抗発熱体が使用
され、これ等の抵抗発熱体が３相のうちの各三つの単相
の間にほぼ均等な負荷分布となるように配分して接続さ
れている。そのため、通常各相には２個あるいはそれ以
上の個数の抵抗発熱体が互いに並列に接続されている。
このような抵抗発熱体へ全く無関係に均等に配分された
導通サイクルで通電するだけでは、共通の入力電源から
見て、できる限り均等な電流強度の通電が必ずしも達成
できない。何故なら、例えば二つの抵抗発熱体への通電
出力レートが 50 ％である、つまり１サイクルの間、電
圧が印加され、それに続く次のサイクルの間には電圧が
印加されない繰り返しが継続する場合には、印加電圧の
波形が同一、つまり両方の発熱体に同じ位相の同じ波形
の電圧が印加する場合と、両者への印加電圧が互いに一
サイクルずれて通電される場合がある。前者の場合、共
通の電源から見て、共通電源に流れる電流は単一負荷の
場合の電流の二倍が最初のサイクルに流れ、次のサイク
ルには電流が流れない（この場合、説明を容易にするた
め回路のインダクタンス成分がないと仮定し、印加電圧
に対して発生する電流の遅れがないとする）。これに反
して、後者の場合には単一負荷に流れる電流が全てのサ
イクルにわたり連続して流れる。それ故、同じ消費電力
であっても、通電サイクルの相互位相位置を適切に選択
すれば、通電時の不平衡を防止できる。

【０００５】このように共通電源から見て等しく配分さ
れた負荷電流が流れると、当該線路を流れる電流のアン
バランスを防止でき、負荷電力の力率の改善できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】それ故、この発明の課
題は、同相に接続された複数の負荷に通電する場合、共
通の電源から見てできる限り均等な電流が流れ、同時に
個別の抵抗発熱体へ通電するサイクルと通電しないサイ
クルが時間軸にわたってみて一様となるように、個々の
負荷に流れる電流を制御して、この共通電源に対する力
率を改善できる、電気炉設備へ供給する電力をサイクル
制御する方法、およびこの方法を実施する装置を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、定格発熱量ＲＰ_h を持つ複数個の抵抗発熱体Ｒ
_h (h＝1 〜 H) を交流電源の同相に並列に接続し、各抵
抗発熱体Ｒ_h に対して所定期間での希望発熱率Ｓ_h を与
え、各抵抗発熱体Ｒ_h の発熱量が希望発熱量ＲＰ_h・Ｓ
_h を満たすように、一サイクルずつ通電・非通電を行う
サイクル制御による電力制御方法にあって、各抵抗発熱
体Ｒ_h の基本制御周期としてＮ_h 個のサイクルを選び、
基本制御周期内の始めからＩ_h 番目のサイクル迄に通電
を行うサイクル数を累積通電サイクル数Ｊ_h(Ｉ_h) と
し、１基本制御周期前の終了時点の目標通電サイクル数
ＳＴ_h とその時点の累積通電サイクル数Ｊ_h(Ｉ_h) との
差を偏差サイクル数ΔＳ_h として、次の基本制御周期の
目標通電サイクル数ＳＴ_h をＳＴ_h ＝Ｓ_h×Ｎ_h ＋ΔＳ
_h とし、横軸にＩ_h,縦軸にＪ_h(Ｉ_h) を記入した平面Ａ
ＰＬ上の原点０(0,0) と点（Ｎ_h,ＳＴ_h) を結ぶ直線を
希望発熱曲線ＳＣＶ_h とし、前記希望発熱曲線ＳＣＶ_h
をＡ_h サイクルほど上方に平行移動した上限発熱曲線Ｕ
ＣＶ_h およびＢ_h サイクルほど下方に平行移動した下限
発熱曲線ＬＣＶ_h を定め、 Ｊ_h(Ｉ_h−１) ＋１≧ＵＣＶ_h (a) であれば、Ｉ_h 番目のサイクルでの当該抵抗発熱体Ｒ_h
を非通電とし、 Ｊ_h(Ｉ_h−１) ＜ＬＣＶ_h (b) であれば、Ｉ_h 番目のサイクルでの当該抵抗発熱体Ｒ_h
を通電とし、式 (a)と (b)の何れも満たされない場合、
不定の中間状態と見なし、現時点での全ての抵抗発熱体
に対する希望発熱量の総和から、各抵抗発熱体Ｒ_h のそ
れぞれのＩ_h に対する判定が式 (b)により通電と判定さ
れた抵抗発熱体の定格発熱量の総和を引いた偏差を中間
状態にある抵抗発熱体全体の目標発熱量とし、通電すべ
き中間状態の抵抗発熱体の単位サイクル出力の総和が前
記目標発熱量に最も近くなるように、中間状態で通電・
非通電される抵抗発熱体の組み合わせを決定し、前記組
み合わせの決定に際し、複数の組み合わせが存在する場
合、希望発熱曲線ＳＣＶ_h に対して累積通電サイクル数
Ｊ_h(Ｉ_h) の遅れの大きい抵抗発熱体Ｒ_h が多く含まれ
る組み合わせを採用し、全ての抵抗発熱体の通電・非通
電を当該サイクルの一つ前のサイクル中で判定し、当該
サイクルの間に実行する、ことによって解決されてい
る。

【０００８】更に、上記の課題は、この発明により、交
流電源の同相に並列にスイッチング・ユニットＳＷ_h を
介して抵抗発熱体Ｒ_h を接続し、加熱目的物に対応した
感熱素子ＴＣ_h と、感熱素子ＴＣ_h の温度検出信号と、
加熱目的物の目標温度とからＰＩＤ演算により抵抗発熱
体Ｒ_h の希望発熱量信号を形成する温度調節器ＴＲ_hと
を備えた電気炉設備で、温度調整器ＴＲ_h から供給され
る希望発熱量信号に応じてスイッチング・ユニットＳＷ
_h の通電・非通電を決定するトリガ信号を出力する共通
制御装置ＣＴＲにあって、前記共通制御装置ＣＴＲが、
電源の正・負の零クロス点ｔ_+,ｔ_- を指定するトリガ信
号を発生する零クロス点発生回路ＺＣ，温度調整器ＴＲ
_h の希望発熱量信号を受入れ、デジタル信号として出力
するアナログ・デジタル変換器Ａ／Ｄ，記憶器ＲＯＭ，
ＲＡＭ，インターフェース，割込管理ユニットおよび中
央演算処理部を含むマイクロプロセッサ・ユニットＭＰ
およびこのマイクロプロセッサ・ユニットからの出力制
御信号を電気絶縁して一定幅のパルス信号にして各スイ
ッチング・ユニットＳＷ_h へ個々に開閉制御信号を出力
する個別絶縁回路ＩＳＯで構成されていて、前記マイク
ロプロセッサ・ユニットＭＰの記憶器ＲＯＭには上記の
電力制御方法により各抵抗発熱体の通電・非通電を決定
するプログラムおよび零クロス点の割込信号に応じて、
各スイッチング・ユニットＳＷ_h へ開閉制御信号を送信
するプログラムが格納されていることによって解決され
ている。

【０００９】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して好適実施例
に基づきこの発明をより詳しく説明する。図１には、こ
の発明による電気炉設備の配置が示してある。この電気
炉設備は、例えば熱処理すべき品物を抵抗発熱体Ｒ₁ 〜
Ｒ₄ から成る一定に調整された種々の温度の電気炉Ｆ₁
〜Ｆ₄ の中を通すためのものである。このような電気炉
は三相電源の各相Ｒ，Ｓ，Ｔの間に適当に配分されてい
る。図１の場合では、ＳＴ相の間に電気炉Ｆ₁ 〜Ｆ₄ の
抵抗発熱体Ｒ₁ 〜Ｒ₄ が並列に接続されている。これ等
の抵抗発熱体Ｒ₁ 〜Ｒ₄ には対応するスイッチング・ユ
ニットＳＷ₁ 〜ＳＷ ₄ を介してＳＴ相から電力が導入さ
れる。各電気炉Ｆ₁ 〜Ｆ₄ 内の温度は感熱素子ＴＣ₁ 〜
ＴＣ₄ により検出され、検出された温度信号はそれぞれ
温度調節器ＴＲ₁ 〜ＴＲ₄ に導入され、その中に保管さ
れている他のパラメータ、例えば目標温度、温度勾配、
持続時間等および実測された温度信号から、プログラム
されている計算式に基づき計算された設定温度を与える
ため温度制御信号を発生し、この温度制御信号をそれぞ
れ導線ＬＳ₁ 〜ＬＳ₄ を介して一つの共通の制御装置Ｃ
ＴＲに送る。この発明によれば、この共通の制御装置Ｃ
ＴＲは、後で詳しく説明するように、受け取った温度制
御信号に基づき各負荷Ｒ₁ 〜Ｒ₄ の通電・非通電を適当
なサイクルで行うため、導線ＬＣ₁ 〜ＬＣ₄ を介して対
応するスイッチング・ユニットＳＷ₁ 〜ＳＷ₄ に対して
それぞれ一つの開閉制御信号を送る。各負荷回路には、
通常変圧器がスイッチング・ユニットＳＷ₁ 〜ＳＷ₄ の
前または後に設けてあるが、この発明に直接関係がない
のでそれ等は省略し、ただ電圧と電流を検知する電圧計
（ＰＴ）Ｖ₁ 〜Ｖ₄ と電流計（ＣＴ）Ａ₁ 〜Ａ₄ のみを
暗示的に示す。

【００１１】スイッチング・ユニットＳＷは、図２a に
示すように、入力端子Ｔ_I1と出力端子Ｔ_O1の間に逆並列
に接続された２つのスイッチング素子ＴＨ₁,ＴＨ₂ およ
び入力端子Ｔ_I2と出力端子Ｔ_O2の間を直通する導線とで
構成されている。この場合、スイッチング素子ＴＨ₁,Ｔ
Ｈ₂ は通常サイリスタ素子で構成されている。各サイリ
スタＴＨ₁,ＴＨ₂ のカソードと対応するゲートＧ_1,Ｇ₂
との間に所定のゲート信号ＳＧ_1,ＳＧ₂ が図２b の上部
に示すように通電されると、サイリスタＴＨ₁,ＴＨ₂ が
導通して図２b の下部に示すようにそれぞれ正と負の半
波が流れる。即ち、ゲート信号ＳＧ₁ は正の半波の零ク
ロス点ｔ₊ の時点に導通信号を一方のサイリスタ、例え
ばＴＨ₁ のゲート・カソード間に与え、このサイリスタ
ＴＨ₁ を導通させる。また、ゲート信号ＳＧ₂ は負の半
波の零クロス点ｔ_- の時点に導通信号をサイリスタＴＨ
₂ のゲート・カソード間に与え、このサイリスタＴＨ₂
を導通させる。この発明では正の半波と次に続く負の半
波の一対を１サイクルとしてを必ず導通させ、時間当た
りにサイリスタを導通させるサイクル（図２b の中央に
示すＣ₁ とＣ₃ のサイクル）と、サイリスタを遮断、つ
まり休止させるサイクル（図２b の中央に示すＣ₂ のサ
イクル）の割合を調節して発熱体に投入する電力を決定
している。このような制御がこの発明で採用するサイク
ル制御である。なお、図２b に示したゲート信号ＳＧ_1,
ＳＧ₂ が比較的長い時間間隔ｔ_s を保有するのは、回路
中のイダクタンス成分によるサイリスタ電流の遅れに追
従できるように半サイクルの時間の 60 ％程度にされて
いる。

【００１２】この発明の核心を説明するため、図３を参
照して、同じ相間に並列に接続された抵抗値が等しい二
つの負荷Ｒ_1,Ｒ₂ に流れる電流を考察する。この場合、
負荷Ｒ₁ が 2/3の割合で通電され、負荷Ｒ₂ が 1/3の割
合で通電されているとする。図３Ｂのような通電状態で
は負荷Ｒ₁ がサイクルＣ_1,Ｃ₂ で通電され、負荷Ｒ₂が
サイクルＣ₁ で通電され、サイクルＣ₃ では何れの負荷
Ｒ₁,Ｒ₂ にも通電されない。従って、共通の電源から見
ると、サイクルＣ₁ ではサイクルＣ₂ の電流の２倍の電
流が流れる。これに反して、負荷Ｒ₂ に流れる電流の位
相が図３Ｂの場合より２サイクルずれている図３Ａの場
合では、共通電源から見た電流は全てのサイクルＣ_1,Ｃ
_2,Ｃ₃ で同一電流が流れるので、スムーズな通電が行わ
れる。従って、図３Ｂのような通電状態では、明らかに
力率が悪い。この発明では各負荷に所定の電力を投入し
ながら、共通電源から見た場合にできる限り平滑な電流
が流れるように、各負荷の通電サイクルを配分すること
にある。平均的な運転状態では各負荷に投入すべき電力
が全電力の 25 〜 75 ％となるように、電気炉設備を運
転するのが普通である。従って、各負荷の通電サイクル
をできる限り均等に配分して、平滑な共通電流を与える
ことは、電源の力率に対して極めて効果的である。

【００１３】図１の電気炉設備を更に拡張して、同じ相
に互いに並列に接続された総数がＨ個の抵抗発熱体ｈ
（ｈ＝１〜Ｈ）に付いてこの発明による電力制御方法を
説明する。先ず、各抵抗発熱体ｈに対して基本制御周期
あるいは基本制御サイクル数Ｎ _h を定める。これを制御
時間ｔ_h に換算すると、 ｔ_h ＝ｔ₀・Ｎ_h (1) となる。ここでｔ₀ は１サイクルの間の時間であり、電
源周波数が例えば 50 Hzの場合、20 msec である。

【００１４】更に、各抵抗発熱体ｈが１サイクルの間の
通電によって発生する発熱量をその抵抗発熱体ｈの定格
容量ＰＲ_h とする。そして、この抵抗発熱体ｈが発生す
べき熱量の定格容量ＰＲ_h に対する割合を希望発熱率Ｓ
_h (0≦Ｓ_h ≦1.0)と表現する。基本周期の初めからＩ_h
番目のサイクル位置で通電されたサイクル数をＪ_h(Ｉ_h)
と表す。この場合、簡単にＪ_h(I) と表すこともある。

【００１５】次に、基本制御周期Ｎ_h の間に通電すべき
サイクル数ＳＴ_h を目標通電サイクル数とする。この発
明による電力制御方法では、当該基本周期で一つ前の基
本周期の最後の時点（つまり当該基本周期の最初の時
点）で目標とした通電サイクル数ＳＴ_h と実際に通電し
たサイクル数Ｊ_h(Ｎ) の差をとり、これを偏差サイクル
数ΔＳ_h と表す。つまり、 ΔＳ_h ＝ＳＴ_h −Ｊ_h(Ｎ) (2) となる。更に、目標通電サイクル数ＳＴ_h は当該基本周
期の一つ前の偏差サイクル数ΔＳ_h と当該基本周期の希
望通電サイクル数Ｎ_h・Ｓ_h から、 ＳＴ_h ＝Ｎ_h・Ｓ_h ＋ΔＳ_h (3) と表せる。なお、上の式でＮ_h,Ｊ_h(Ｎ) は整数である
が、ＳＴ_h およびΔＳ_hは実数である。

【００１６】この発明による制御方法をグラフ表示する
なら、図４を用いると理解し易い。即ち、横軸に時間経
過に伴うサイクル数Ｉ_h に対して実際に通電した累積サ
イクル数Ｊ_h を記入すると、全出力（Ｓ_h ＝ 1.0) の場
合、つまり全てのサイクルを通電する場合には、累積サ
イクル数はＦＬ_h の直線上を移動する。希望発熱率Ｓ _h
が１より小さい場合には、原点０からその時の目標通電
サイクル数ＳＴ_h と基本制御周期のサイクル数Ｎ_h によ
り定まる点Ｐ_S へ向かう直線ＳＣＶ_h が決定される。こ
の直線を希望発熱線と呼ぶことにする。即ち、希望発熱
線ＳＣＶ_h は、 ＳＣＶ_h ＝ＳＴ_h/Ｎ_h・Ｉ_h (4) となる。

【００１７】更に、この希望発熱線ＳＣＶ_h からそれぞ
れ値Ａ_h およびＢ_h ほど上および下に移動させた上限発
熱線ＵＣＶ_h および下限発熱線ＬＣＶ_h を定める。つま
り、 ＵＣＶ_h ＝ＳＴ_h/Ｎ_h・Ｉ_h＋Ａ_h (5) ＬＣＶ_h ＝ＳＴ_h/Ｎ_h・Ｉ_h−Ｂ_h (6)
である。

【００１８】この発明の電力制御方法では、累積通電サ
イクル数Ｊ_h(Ｉ_h ) が全ての時点（サイクルＩ_h ）で上
限発熱線ＵＣＶ_h と下限発熱線ＬＣＶ_h の間のハッチン
グを付けて示す中間領域に存在するように制御する。制
御を更に詳しく説明するため図５を用いる。制御により
実際に許容される状態は上限発熱線ＵＣＶと下限発熱線
ＬＣＶの間にある点である（この場合、簡単のため抵抗
発熱体ｈの添字を省く）。即ち、ｉ−1 の時点では
Ｐ₀₁，Ｐ₀₂，Ｐ₀₃が、またｉの時点ではＰ₁₂，Ｐ₁₃が、
そしてｉ＋1 の時点ではＰ₂₂，Ｐ₂₃，Ｐ₂₃が許される。
そしてサイクルｉ−1 からサイクルｉに移行する際に
は、Ｐ₀₁の状態で通電を行わないとＰ₁₁に移行するが、
この状態は許されない。Ｐ₀₁の状態で通電を行うとＰ₁₂
の状態に移行し、これは許される。更に、Ｐ₀₂の状態か
ら非通電でＰ₁₂へ移行し、通電でＰ₁₃へ移行する。これ
等の状態はいずれも許される。Ｐ₀₃の状態から非通電で
Ｐ₁₃へ移行するが、通電するとＰ₁₄となるのでこの遷移
は許されない。ｉからｉ＋1 への遷移も同様な考察から
通電・非通電の遷移を決定できる。

【００１９】この状況を数学的に表現すれば、全ての負
荷に対して共通の時点ｔが各抵抗発熱体ｈでＩ_h とし
て、当該抵抗発熱体ｈのＩ_h −1 のサイクル時点で累積
サイクル数Ｊ_h が以下の条件 Ｊ_h(Ｉ_h−1)＋1 ≧ＵＣＶ_h (7) を満たせば、Ｉ_h 番目のサイクルでの当該抵抗発熱体Ｒ
_h を非通電とする。この状態は、図５の場合、Ｐ₀₃→Ｐ
₁₄が許されず、Ｐ₀₃→Ｐ₁₃しか許されないことを意味す
る。式(7) を満たしていないのであれば、次に以下の条
件 Ｊ_h(Ｉ_h−1)＜ＬＣＶ_h (8) を調べ、式(8) を満たせば、Ｉ_h 番目のサイクルでの当
該抵抗発熱体Ｒ_h を通電とする。この状態は、図５の場
合、Ｐ₀₁→Ｐ₁₁が許されず、Ｐ₀₁→Ｐ₁₂でなければなら
ないことを意味する。

【００２０】式(7) も式(8) も満たしていない、つまり
両式 (7, 8) からは不定であると決定された遷移状態と
しては、図５の場合、Ｐ₀₂→Ｐ₁₂か、Ｐ₀₂→Ｐ₁₃が可能
である。このような抵抗発熱体ｈ^' を通電にする（Ｐ₀₂
→Ｐ₁₃）か、あるいは非通電にする（Ｐ₀₂→Ｐ₁₂）かは
更に次の判定条件により決定する。各抵抗発熱体ｈの希
望発熱率がＳ_h であるので、同相に並列接続されている
全ての抵抗発熱体が１サイクルの間に発生すべき本来の
全発熱量Ｐ₀ は抵抗発熱体ｈの定格容量ＲＰ_h を用い
て、 Ｐ₀ ＝Σ_h=1,H ＲＰ_h・Ｓ_h (9) である必要がある。

【００２１】他方、二つの式 (7, 8) で決定された遷移
状態の抵抗発熱体から生じる発熱量Ｐ₁ は Ｐ₁ ＝Σ_h'' ＲＰ(h^'') (10) である。ここで、ｈ^''は式(8) を満たす抵抗発熱体を意
味し、Σ_h'' はそのような抵抗発熱体の全てに対して総
和をとることを意味する。そこで、この発明の電力制御
方法によれば、上で述べた不定の遷移状態の抵抗発熱体
ｈ^' が通電されるか非通電にされるかを示す指数として
δ(h^') を導入し、 δ(h^') ＝ 1, 通電時 δ(h^') ＝ 0, 非通電時 とし、更に ΔＰ＝Ｐ₀ −Ｐ₁ (11) とすれば、 ｜ΔＰ−Σ_h'ＲＰ_h'・δ(h^')｜ (12) を最小するδ(h^') の組を見つけること相当する。先
ず、 h^' の総数がＫであるとする。そうすると、通電す
る状態が一つもない場合、一つだけある場合、二つある
場合、・・・Ｋ個ある場合があり、その状態の組み合わ
せ数は 2^K になる。これ等の組み合わせの各組に付いて
式 (12) を計算し最小値を与える組を見つける。

【００２２】この具体的な方法として下記の二つの方法
が考えられる。Ａ．式 (12) を全ての組に付いて計算
し、最小値を与える組がただ一つしかないならその組で
不定の遷移状態の通電・非通電を決定できたことにな
る。しかし、複数個の組が存在したら、希望発熱線ＳＣ
Ｖと前記の移行後の状態との累積サイクル数の差ＤＥＶ
_h'をとる。即ち、 ＤＥＶ_h'＝ＳＣＶ_h'−(Ｊ_h(Ｉ_h') ＋1) (13) この差ＤＥＶ_h'が大きいほど通電が遅れていると見な
す。つまり、図５で、例えばｉサイクル時点での不定遷
移状態はＰ₁₂とＰ₁₃である。Ｐ₁₂の状態が通電するとＰ
₂₃に移行し、Ｐ₁₃の状態が通電するとＰ₂₄に移行する。
Ｐ₁₂→Ｐ₂₃とＰ₁₃→Ｐ₂₄を比較した場合、希望発熱線Ｓ
ＣＶ上のβ点からＰ₂₄の差は負であり、進んでいると言
える。他方、Ｐ₂₃ではβ点との差は正であり、遅れてい
ると言える。このような考えを踏まえて、前記複数の組
のうち、一番大きいＤＥＶ_h'を含む組を選ぶ。その場
合、複数の組が存在するなら、二番目に大きい差が含ま
れている組を選ぶ。更に、同じ組が複数あれば以下同じ
手順でその組を決定する。Ｂ．先ず、式(13)の差ＤＥＶ
_h'を全ての不定の遷移状態の抵抗発熱体 h^' に付いて計
算し、この差ＤＥＶ_h'の大きい順に並べ替える。この順
番に番号ｋ（ｋ＝ 1〜Ｋ）を新たに付け、順番号の若い
ものが初めに現れるように予め作成して通電・非通電の
全ての可能な組み合わせを表にする。例えば図６にＫ＝
４の場合の表を示す。この表では記号ｅが組み合わせの
通し番号 (１〜 2⁴ ＝ 16)であり、記号Ｄ₀ が通電とな
る抵抗発熱体の数である。記号ｄ₁ 〜ｄ₄ は通電される
ｋ番目の抵抗発熱体を示す。例えば、ｅ＝４の場合、通
電される負荷の数は３個であり、ｋ＝１，２，３が通電
され、ｋ＝４は非通電である。また、ｅ＝ 12 では通電
される負荷の数は３個であり、ｋ＝２，３，４が通電さ
れ、ｋ＝１は非通電である。この組み合わせ表に従って
抵抗発熱体の定格発熱量の合計値を２^k 個計算し、前記
目標発熱量に最も近いく、しかも最も早く組み合わせ表
に現れた組み合わせで全ての不定状態の通電・非通電を
決定する。このような表はＫ＝１，２，・・・・Ｈ（負
荷の総数）に対して予め用意しておくと合理的である。

【００２３】以上、要約すれば、この発明による電力制
御方法では、各サイクルでの抵抗発熱体ｈの通電・非通
電は、式 (7)と (8)を満たすか否かの第一判定条件と、
満たさなかった不定状態に付いて式 (12) を最小する第
二判定条件とで決定する。次に、上で説明した方法で使
用するパラメータに付いて若干の説明を加える。 (a) 移動量Ａ，Ｂと通電サイクル分布の自由度との関係 式 (5)と (6)の移動量Ａ，Ｂに関して、m ≦Ａ＋Ｂ≦ m
＋1 (m; 整数) であれば、上限発熱線ＵＣＶ_h と下限発
熱線ＬＣＶ_h の間には m個または m＋1 個の整数が存在
する。但し、実現された発熱曲線をＲＣＶとした時、0
≦ＲＣＶ(I) ≦Ｉであるので、基本制御周期の最初の部
分で、図７a の破線の部分は意味がないため、その分だ
け存在する整数の数が減少する。前後の基本周期でのΔ
Ｓを０とすると、希望発熱率Ｓを用いて（以下、抵抗発
熱体の指数ｈを必要でない限り省く）， ＳＣＶはＪ＝Ｓ・Ｉ ＵＣＶはＪ＝Ｓ・Ｉ＋Ａ ＬＣＶはＪ＝Ｓ・Ｉ−Ｂ である。

【００２４】連続して非通電となり得るサイクル数Ｎ
_off は任意の累積サイクル数Ｊ₀ と下限発熱線ＬＣＶと
の交点の横座標Ｉ₂ からＪ₀ と上限発熱線ＵＣＶとの交
点の横座標Ｉ₁ を引いた値である。 Ｊ₀ ＝Ｓ・Ｉ₂ −Ｂ Ｊ₀ ＝Ｓ・Ｉ₁ ＋Ａ から、 Ｎ_off ＝Ｉ₂ −Ｉ₁ ＝（Ａ＋Ｂ)/Ｓ となる。

【００２５】同様に連続して通電となり得るサイクル数
Ｎ_onはＡＰＬ面上で 45 °の勾配を持つサイクル数の直
線Ｊ＝Ｉ−αと上限発熱線ＵＶＣとの交点の横座標Ｉ₂
からサイクル数Ｊ＝Ｉ−αと下限発熱線ＬＣＶとの交点
の横座標Ｉ₁ を引いた値である。つまり、 Ｉ₂ −α＝Ｓ・Ｉ₂ ＋Ａ Ｉ₁ −α＝Ｓ・Ｉ₁ −Ｂ から、 Ｎ_on＝Ｉ₂ −Ｉ₁ ＝（Ａ＋Ｂ)/(1−Ｓ） となる。

【００２６】電気炉の温度制御では定常状態でＳ＝ 0.2
5 〜 0.75 で運転されることが多いので、Ｓ＝0.25, 0.
50, 0.75に付いてＮ_off とＮ_onを求めると、 Ｓ＝ 0.25 でＮ_off ＝ 4(Ａ＋Ｂ), Ｎ_on＝ 4(Ａ＋
Ｂ)/3 Ｓ＝ 0.50 でＮ_off ＝ 2(Ａ＋Ｂ), Ｎ_on＝ 2(Ａ＋
Ｂ) Ｓ＝ 0.75 でＮ_off ＝ 4(Ａ＋Ｂ)/3, Ｎ_on＝ 4(Ａ＋
Ｂ) となる。

【００２７】一般に、Ｓ＜0.5 では通電されるサイクル
より非通電のサイクルの方が多いので、通電・非通電に
対する理想的な配分ではＮ_on＝1 であり、Ｓ＞0.5 では
非通電サイクルより通電サイクルの方が多いので、理想
的な配分ではＮ_off ＝1 である。通電サイクル位置に自
由度をもたせることにより、偏りが生じるが、偏り率を
γとしてＳ＝0.5 の時の最大通電サイクル数（最大連続
非通電サイクル数）をとりγ＝2(Ａ＋Ｂ）と定義すれ
ば、実際の通電サイクルの分布は下記の通のようにな
る。

【００２８】(i) Ｓ＝0.5 で理想的には通電サイクルと
非通電サイクルが１サイクルずつ交互に実現されるが、
最悪の場合γサイクル連続通電し、γサイクル連続非通
電となることがあり得る。 (ii) Ｓ＝0.25で理想的には１サイクルの通電と３サイ
クルの非通電が交互に実現されるが、最悪の場合 2γ/3
サイクルの連続通電と 2γサイクルの連続非通電となる
ことがあり得る。 (iii) Ｓ＝0.75で理想的には３サイクルの通電と１サイ
クルの非通電が交互に実現されるが、最悪の場合 2γサ
イクルの連続通電と 2γ/3サイクルの連続非通電となる
ことがあり得る。

【００２９】(b) 偏り率γの許容度 抵抗発熱体はそこで発生する熱量と抵抗発熱体の温度お
よび被加熱物の温度との関係はそれぞれ熱容量および熱
伝導特性により大きく異なる。電気炉の温度制御ではγ
を 25 サイクル（50 Hz の商用周波数の場合 0.5秒）以
上にできることが多い。但し、抵抗発熱体の発生電力、
電圧、電流を計測する場合、その平均値（または実効
値）を直流信号として取り出すのにγが大きい程、計測
の遅れが大きくなり、計測精度も低下するので、γは小
さい程良いが、γは最大 10 程度が現実的である。

【００３０】対象となる抵抗発熱体の総数Ｈと偏り率γ
との関係は、この発明の目的の電源電流の均一化から見
れば、Ｈが大きい程効果が向上するが、Ｈ個の抵抗発熱
体のうち「中間状態」（式 (5)と(6) を満たさない状
態）となる抵抗発熱体の数が大きくなれば効果は大きく
ならない。γ＝Ｈ以上あれば理想的であるが、平均のＳ
が 0.5と考えた時、Ｈが大きければγ＝Ｈ/2程度でかな
りの効果がある。

【００３１】上記の事情を総合すると、Ｈ＝6 として
時、γ＝3 〜 6で Ａ＋Ｂ＝1.5 〜 3 程度が、各抵抗発熱体のＡ，Ｂの値の平均と成っている
と現実的である。 (c) ＡとＢの値について これまでの説明でＡ＋Ｂの値が定まった時、それをＡ，
Ｂに配分することに付いて説明する。希望発熱線ＳＣＶ
に近い実績発熱曲線を実現するためにはＡ＝Ｂである。
ＡＰＬ面の縦軸は累積量で減少させることができないの
で、上に往き過ぎることは問題である。例えばＡ≧1.0
であればＳ＝ 0でも通電されてしまう。このような問題
点を解決する方法として、 (i) Ａ＝ 0.99 として残りをＢとする (ii) Ａ＝ＢとするがＡ≧1.0 の時、上限発熱線ＵＣＶ
の最大値を図７b に示すように、 [ＳＴ] ＋1 にする
（ [ＳＴ] はＳＴの少数点以下の数を削除した整数値を
意味する）のいずれかを採用する。なお、下限発熱線Ｌ
ＣＶに付いてもＢ≧1.0 の時に基本制御周期Ｎ内でなる
べく希望値ＳＴに近づけるため、図７c に示すような補
正を加える（破線に代わる勾配の大きい直線部分は図４
の最大出力の直線ＦＬと同じ傾斜である）と効果的であ
る。

【００３２】(d) 制御周期の相互間隔Ｚ 使用する抵抗発熱体は通常その抵抗値および対応する電
気炉の熱特性が異なるため、基本制御周期Ｎ_h は抵抗発
熱体ｈ毎に異なる。しかし、複数個のものが互いに同じ
抵抗値で、同時に周囲の熱特性がほぼ等しい場合には、
基本制御周期Ｎ _h を等しく選ぶが、図７b および図７c
のような補正を行うと、基本制御周期の最終段階でＡ＋
Ｂが実質上小さくなるため、自由度が少なくなり、電源
電流の均一化が実現できない可能性が大きい。Ｈ個の抵
抗発熱体のうち、同一の基本制御周期Ｎ_h を持つ抵抗発
熱体に付いては、基本制御周期がＺサイクル（Ｚ≒2(Ａ
＋Ｂ))ほど互いにずれていることが望ましい。

【００３３】(e) 基本制御周期Ｎ_h とＡ_h , Ｂ_h の関係 上記の考察事項 (a)〜(d) はＮがＡ＋Ｂより十分大きい
時にのみ有効である。Ｎが十分大きい時、Ａ＜Ｎ/4, Ｂ
＜Ｎ/4でなければ意味がなく、実際にはＡ＜Ｎ/20,Ｂ＜
Ｎ/20 である必要がある。但しＡ＋Ｂ＞1.0 である必要
があるので、1≦Ｎ≦ 10 ではＡ＝Ｂ≒1.0 を使うのが
適当である（最小値はＡ＝Ｂ≒0.5)。

【００３４】図８は図１に使用されている制御装置ＣＴ
Ｒの内容を示す。温度調節器ＴＲ₁〜ＴＲ₄ から供給さ
れた温度制御信号ＬＳ₁ 〜ＬＳ₄ は先ず対応するアナロ
グ・デジタル変換器Ａ／Ｄ₁ 〜Ａ／Ｄ₄ に供給され、そ
こで温度制御信号に相当するデジタル制御信号が形成さ
れる。これ等の制御信号をマイクロプロセッサ・ユニッ
トＭＰに導入する。また、使用している負荷Ｒ₁ 〜Ｒ₄
の電源、図１の場合ＳＴ間の交流電源の電圧信号を零ク
ロス点発生回路ＺＳに導入して、正および負の零クロス
点に対応する割込信号Ｓ_Z+，Ｓ_Z-を形成し、これ等の割
込信号もマイクロプロセッサ・ユニットＭＰに導入す
る。マイクロプロセッサ・ユニットＭＰはＲＯＭ，ＲＡ
Ｍ，インターフェース、同期制御部、割込管理ユニッ
ト、演算処理部等を含む大規模集積回路、例えば日立製
の HD 643180である。マイクロプロセッサ・ユニットＭ
Ｐには使用するパラメータ、既に説明した負荷である抵
抗発熱体ｈの基本制御周期Ｎ_h , 各負荷の定格容量ＲＰ
_h および演算処理に必要なプログラムが予め対応する記
憶器ＲＯＭに格納されている。この演算処理は上に説明
した第一判定条件と第二判定条件を調べ、負荷つまり抵
抗発熱体へ最適なサイクル通電させる。即ち、各サイク
ルＩ_h −1 の期間中に次のサイクルＩ_h で通電させるべ
き負荷とさせない負荷を決定し、これに応じて正負一対
のサイクルの初めの零クロス点ｔ_+,ｔ_- で適当な時間幅
ｔ_s を持った開閉制御信号ＳＧ_1,ＳＧ₂ （図２参照）を
発生し、各負荷Ｒ₁ 〜Ｒ₄ に対応する絶縁回路ＩＳＯ₁
〜ＩＳＯ₄へこれ等の開閉制御信号ＳＧ_1,ＳＧ₂ を供給
する。前記絶縁回路は、例えば発光ダイオードとフォト
トランジスタおよび交流電源と整流回路で構成され、一
次側に発光ダイオードが、また二次側にフォトトランジ
スタがある。絶縁回路ＩＳＯ ₁ 〜ＩＳＯ₄ の二次側から
各負荷Ｒ₁ 〜Ｒ₄ に対するスイッチング・ユニットＳＷ
₁ 〜ＳＷ₄ へ点弧用の開閉制御信号が出力される。この
制御信号に応じて各負荷ｈが通電・非通電にされる。

【００３５】図９，１０と１１は、上に説明した第一判
定条件と第二判定条件を含めた処理プログラムのフロー
チャートを示す。このプログラの内容は上で主要な構成
に付いて詳しく説明したので、ここでは簡単に触れるだ
けに留める。先ず、準備段階として所要のパラメータ
Ｈ，ＲＰ_h,Ｎ_h,Ａ_h,Ｂ_h を所定の記憶器に入れ、所要演
算プログラムをＲＯＭ記憶器に収納しておく。更に、第
二判定条件で使用する全ての表もＲＯＭ記憶器に保管し
ておく。

【００３６】次に、処理過程ＦＡで初期設定として全て
の循環パラメータΔＳ_h,Ｉ_h,Ｊ_H(Ｉ_h),ＯＵＴ_h,ＲＯＵ
Ｔ_h を零にする。そして、零クロス点信号の割込禁止を
解除する。ここで、ＯＵＴ_h は判定条件で最終的に通電
にするか非通電にするかを表す。ＯＵＴ＝0 は非通電、
ＯＵＴ＝1 は通電状態を意味する。ＲＯＵＴ_h は割込信
号によりトリガ信号（ＳＧ_1,ＳＧ₂ ）を絶縁回路ＩＳＯ
へ出力するためのメモリーで、ＯＵＴ_h のコピーであ
る。

【００３７】処理過程ＦＢで零クロス点を見て、次のサ
イクルの通電・非通電の計算を行うための待ち合わせを
行う。次に、処理過程ＦＣで第一判定条件（式 (5)と
(6)）が満たされているか否かを調べる。この段階で非
通電と判定されたものはＯＵＴ＝0 で、通電と判定され
たものはＯＵＴ＝1 とされる。また、不定ものは、取り
合えずＯＵＴ＝0 として次の第二判定条件の処理過程Ｆ
Ｄへ送られる。

【００３８】第二判定条件の処理過程ＦＤでは、式 (1
2) の値を最小にする不定状態の抵抗発熱体の組を見つ
けることで、このフローチャートでは先に説明したＢの
方法が採用されている。この処理過程ＦＤで全ての抵抗
発熱体の通電・非通電を決定する。つまり非通電でＯＵ
Ｔ＝0 に、また通電でＯＵＴ＝1 とされる。処理過程Ｆ
ＦはＦＢ処理中に正の零クロス点の割込により開始し、
前のサイクルで計算された結果ＯＵＴ_h をＲＯＵＴ_h へ
写すと共にＳＧ1 を絶縁回路へ出力し、サイリスタスイ
ッチにより正の半波を通電する。ＦＦの終了後、次のサ
イクルの計算ＦＣ〜ＦＥを行う。

【００３９】処理過程ＦＧは負の零クロス点の割込によ
り動作し、次のサイクルの計算中（ＦＣ〜ＦＥ）または
計算完了後（ＦＢ）に発生し、サイリスタスイッチによ
り負の半波を通電する。先のＲＯＵＴ_h によりＳＧ2 を
絶縁回路へ出力する。この処理過程を図１２のタイムチ
ャートに示す。図中の記号ＦＡ，ＦＢ，ＦＣ，ＦＤ，Ｆ
Ｅは図９，１０図に示す処理を示し、記号ＦＦ，ＦＧは
図１１に示す割込処理を示す。この処理のタイムシーケ
ンスは一つ前のサイクルで全ての負荷の通電・非通電を
決定し、次のサイクルで零クロス点発生回路で検知した
正および負の零クロス点ｔ_+,ｔ_- で印加時間を所定の期
間延長し負荷に対応する状態（通電・非通電）に応じて
１サイクルほど通電または非通電させる。

【００４０】このタイムチャートでＦＡブロックはマイ
クロプロセッサへの電源投入時に一回動作するのみで、
次にＦＢブロックの初期処理、所要パラメータの初期設
定と割込禁止の解除を行い、この初期処理完了後の割込
を受け付けるようにする。ＦＢブロックは次のサイクル
の通電・非通電の計算を行うための待ち合わせを行う。
ＦＣブロックは先に説明したようにＦＣ1 〜 10 の第一
判定条件による通電・非通電を決定し、この条件で不定
のものを次のＦＤブロックの処理に送るための準備を行
う。ＦＤブロックは第一判定条件で不定であった通電・
非通電の状態を第二判定条件で最終的に決定する。ＦＥ
1 〜6 は次のサイクルの計算を行うための準備である。

【００４１】ＦＣ，ＦＤ，ＦＥのブロックの処理は１サ
イクル時間（ 50 Hzで 20 msec）以内で完了する必要が
ある。ＦＦブロックはＦＢブロックの処理中に割込１
（ｔ₊割込）により開始し、前のサイクルで計算された
結果ＯＵＴ_h をＭＯＵＴ_h にコピーすると共にＳＧ1 と
して出力する。ＦＦブロックの終了後、次のサイクルの
計算（ＦＣ〜ＦＥブロック）を開始させる。ＦＧブロッ
クは割込２（ｔ_- 割込）により動作し、次のサイクルの
計算（ＦＣ〜ＦＥブロック）中または計算完了後（Ｆ
Ｂ）に発生し、ＭＯＵＴ_h によりＳＧ2 として出力す
る。

【００４２】なお、割込２（ｔ_- 割込）の発生タイミン
グはＦＤブロックの処理中とは限らず、ＦＣ〜ＦＥブロ
ックの処理中あるいはＦＢブロック中のこともある。上
に説明した制御方法では、或るサイクルｉ中に次のサイ
クルｉ＋１に付いて全ての抵抗発熱体の通電または非通
電を決定しておき、そのサイクルｉ＋１の正と負零クロ
ス点ｔ_+,ｔ_- を検知し、対応する半波ずつ通電・非通電
を行い、この１サイクルの通電・非通電を行う。

【００４３】最後に先に示した図３に基づき、定格容量
が同じであって、共通の電源の同相に並列接続された二
つの抵抗発熱体Ｒ₁ とＲ₂ に対して、それぞれ希望発熱
率Ｓ(1) ＝ 2/3, Ｓ(2) ＝ 1/3の時の電流の状況をこの
発明によるサイクル制御方法（Ａ），従来のサイクル制
御方法（Ｂ）および位相角制御による制御方法（Ｃ）に
付いて比較して説明する。

【００４４】抵抗発熱体Ｒ₁ とＲ₂ の個別の実効電流値
Ｉ₁ とＩ₂ は何れの制御方法でも Ｉ₁ ＝√(Ｓ(1))＝√(0.667) ≒ 0.82 A Ｉ₂ ＝√(Ｓ(2))＝√(0.333) ≒ 0.58 A である。しかし、この発明の制御方法の場合には図Ａに
示すように合成電流Ｉ₁＋Ｉ₂ の波形は連続した同一振
幅の正弦波となる。それ故、合成電流Ｉ₁ ＋Ｉ₂の実効
値は 1.0Ａである。

【００４５】これに反して、位相角制御による制御方法
（Ｃ）では、合成電流Ｉ₁ ＋Ｉ₂ の実効値は実効値の計
算から 1.29 Ａとなる。また、従来のサイクル制御方法
（Ｂ）では、図３Ｂの状況と図３Ａの状況が２対１の割
合の確率で生じる。何故なら、抵抗発熱体Ｒ₁ に流れる
電流の位相関係がどの場合でも同じとすると、Ｒ₂ に流
れる電流の期間がそれぞれＣ_1,Ｃ₂ あるいはＣ₃ のみで
ある場合が同じ頻度で生じるからである（最初の場合が
図３Ｂに相当し、最後の場合がこの発明による図３Ａに
一致し、中間の場合は図示していない）。そして、Ｒ₂
がＣ₁ またはＣ₂ の期間のみ通電する場合には、位相角
制御方法と同じ合成電流の実効値となるので従来のサイ
クル制御方法（Ｂ）の合成電流Ｉ₁ ＋Ｉ₂ の実効値は √((2 ×1.29² ＋ 1.0²)/3) ＝ 1.2Ａ である。

【００４６】結局、この発明の方法（Ａ）による共通電
源側で見た実効電流値は、位相角制御方法（Ｃ）または
従来の方法（Ｂ）の実効電流値に比べて、それぞれ 1/
1.29または 1/1.2に減少する。図３の説明では抵抗発熱
体が２個で、希望発熱率が 2/3と 1/3である特別な場合
の例を扱ったが、更に多数の抵抗発熱体を用い、種々の
希望発熱率に付いてもこの発明は一般的に当てはまり有
効である。それ故、実際の連続炉あるいはバッチ炉であ
っても実効電流値を効果的に低減できる。

【００４７】このような実効電流値の低減は無効電流を
低減できることを意味し、力率を著しく改善できる。従
って、電力をより有効に利用していることになる。特
に、電気炉で消費される電力は通常非常に大きいことを
考慮すると、僅かな無効電流の低減率でも電力の利用度
を著しく向上する。同相の並列に接続された抵抗発熱体
の総数が増加すると、それに応じて共通の電源側から見
て均一な電流が流れるので、力率の改善に有利である。
抵抗発熱体の中に特別に大きな負荷（抵抗値の小さなも
の）がある場合、その負荷を複数に分割して、それぞれ
一つのスイッチング・ユニットを介して同相に並列に接
続して制御することもできる。この場合、温度調節器と
感熱素子は共通に利用する。このような配置では、接続
導線とその端末処理が増加するためコストが上昇する
が、スイッチング・ユニットのサイリスタ素子の価格が
低減するので、製造コストは個別負荷の場合に比べて全
体として低減またはほぼ同等にすることができる。この
ような抵抗発熱体の分割は力率の改善に特に有利であ
る。

【００４８】この発明による電力制御方法およびこの方
法を実施する装置には、上に説明した方式以外に種々の
改良、変形等が可能である。しかし、特許請求の範囲に
規定する構成は全てこの発明の範疇に属することは言う
までもない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による電
力サイクル制御方法およびこの制御方法を実施する装置
により、同相に並列に接続された複数の抵抗発熱体に対
する共通の電源から見てできる限り均等な電流を流すこ
とができる。従って、個々の負荷に流れる電流を最適に
制御して共通の電源に対する力率を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電気炉設備のブロック回路図、

【図２】 スイッチング・ユニットの結線（ａ）および
通電される一対のサイクルと対応するスイッチング素子
のトリガー信号 (ｂの上) と実際に流れる電流波形 (ｂ
の下) ,

【図３】 種々の制御方法により得られる合成電流の波
形：この発明によるサイクル方法（ａ），従来のサイク
ル制御方法（ｂ）および位相角制御方法（ｃ）、

【図４】 サイクル制御に対するこの発明による可能な
通電状態を示すダイヤグラム、

【図５】 通電・非通電の判定条件を説明するためのダ
イヤグラム、

【図６】 種々の通電状態の組を指定する表、

【図７】 発熱線の種々の変形を示すダイヤグラム、

【図８】 制御装置の内部回路のブロック図、

【図９】 通電・非通電を決定する演算処理のフローチ
ャート、

【図１０】 図９に続くフローチャート、

【図１１】 零クロス点の割込処理のフローチャート、

【図１２】 通電・非通電を決定する演算処理のタイム
チャート。

【符号の説明】

Ｆ 電気炉 Ｒ 抵抗発熱体（負荷） ｈ 個々の抵抗発熱体を指定する指数 ＴＲ 温度調節器 ＴＣ 感熱素子（熱電対） ＳＷ スイッチング・ユニット ＴＨ_1,ＴＨ₂ サイリスタ素子 ＣＴＲ 制御装置 ＭＰ マイクロプロセッサ・ユニット ＺＣ 零クロス点信号発生器 Ａ／Ｄ アナログ・デジタル変換器 ＩＳＯ 絶縁回路

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年６月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】周知のように、上記のような電気炉で発
生する熱量は、電源から半導体スイッチング素子を介し
て抵抗発熱体に供給される電力の値に応じて調整され
る。その場合、供給電力は半導体スイッチング素子の導
通・非導通の割合に応じて定まる。この半導体スイッチ
ング素子としては通常サイリスタが使用されている。サ
イリスタの制御には、通電位相角を制御する位相制御法
と、電源の１サイクル毎に通電・非通電を行うサイクル
制御法の二種がある。前者の方法では、通電位相角を可
変して発熱量を調節するので、微細な発熱調整をするの
適している。しかし、抵抗発熱体に加わる電圧が相当大
きい位相角でスイッチング素子の導通が行われることが
多いため、電源線路に対して望ましくない高い周波数の
擾乱電圧やそれに伴う擾乱電流を発生したり、電気炉や
電源線路の周囲にある電子機器に対して望ましくない擾
乱電波を発生する。後者の方法では、スイッチング素子
の導通および遮断が電源電位の零クロス点で行われるた
め、発生する外乱要因は極めて弱く、周囲の電子機器に
対して望ましい。しかしながら、発熱量を微細に調整す
るには、前者の位相制御法に比べて、後者のサイクル制
御法は簡単ではない。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】この発明による制御方法をグラフ表示する
なら、図４を用いると理解し易い。即ち、横軸に時間経
過に伴うサイクル数Ｉ_ｈをとり、縦軸に実際に通電した
累積サイクル数Ｊ_ｈを記入すると、全出力（Ｓ_ｈ＝１．
０）の場合、つまり全てのサイクルを通電する場合に
は、累積サイクル数はＦＬ_ｈの直線上を移動する。希望
発熱率Ｓ_ｈが１より小さい場合には、原点０からその時
の目標通電サイクル数ＳＴ_ｈと基本制御周期のサイクル
数Ｎ_ｈにより定まる点Ｐ_ｓへ向かう直線ＳＣＶ_ｈが決定
される。この直線を希望発熱線と呼ぶことにする。即
ち、希望発熱線ＳＣＶ_ｈは、 ＳＣＶ_ｈ＝ＳＴ_ｈ／
Ｎ_ｈ・Ｉ_ｈ （４）となる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】この発明の電力制御方法では、累積通電サ
イクル数Ｊ_ｈ（Ｉ_ｈ）が全ての時点（サイクルＩ_ｈ）で
上限発熱線ＵＣＶ_ｈと下限発熱線ＬＣＶ_ｈの間の中間領
域に存在するように制御する。制御を更に詳しく説明す
るため図５を用いる。制御により実際に許容される状態
は上限発熱線ＵＣＶと下限発熱線ＬＣＶの間にある点で
ある（この場合、簡単のため抵抗発熱体ｈの添字を省
く）。即ち、ｉ−１の時点ではＰ_０１，Ｐ_０２，Ｐ_０３
が、またｉの時点ではＰ_１２，Ｐ_１３が、そしてｉ＋１
の時点ではＰ_２２，Ｐ_２３，Ｐ_２３が許される。そして
サイクルｉ−１からサイクルｉに移行する際には、Ｐ
_０１の状態で通電を行わないとＰ_１１に移行するが、こ
の状態は許されない。Ｐ_０１の状態で通電を行うとＰ
_１２の状態に移行し、これは許される。更に、Ｐ_０２の
状態から非通電でＰ_１２へ移行し、通電でＰ_１３へ移行
する。これ等の状態はいずれも許される。Ｐ_０３の状態
から非通電でＰ_１３へ移行するが、通電するとＰ_１４と
なるのでこの遷移は許されない。ｉからｉ＋１への遷移
も同様な考察から通電・非通電の遷移を決定できる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】この具体的な方法として下記の二つの方法
が考えられる。Ａ．式（１２）を全ての組に付いて計算
し、最小値を与える組がただ一つしかないならその組で
不定の遷移状態の通電・非通電を決定できたことにな
る。しかし、複数個の組が存在したら、希望発熱線ＳＣ
Ｖと前記の移行後の状態との累積サイクル数の差ＤＥＶ
_ｈ′をとる。即ち、 ＤＥＶ_ｈ′＝ＳＣＶ_ｈ′−（Ｊ_ｈ（Ｉ_ｈ′）＋１） （１３） この差ＤＥＶ_ｈ′が大きいほど通電が遅れていると見な
す。つまり、図５で、例えばｉサイクル時点での不定遷
移状態はＰ_１２とＰ_１３である。Ｐ_１２の状態が通電す
るとＰ_２３に移行し、Ｐ_１３の状態が通電するとＰ_２４
に移行する。Ｐ_１２→Ｐ_２３とＰ_１３→Ｐ_２４を比較し
た場合、希望発熱線ＳＣＶ上のβ点からＰ_２４の差は負
であり、進んでいると言える。他方、Ｐ_２３ではβ点と
の差は正であり、遅れていると言える。このような考え
を踏まえて、前記複数の組のうち、一番大きいＤＥＶ
_ｈ′を含む組を選ぶ。その場合、複数の組が存在するな
ら、二番目に大きい差が含まれている組を選ぶ。更に、
同じ組が複数あれば以下同じ手順でその組を決定する。
Ｂ．先ず、式（１３）の差ＤＥＶ_ｈ′を全ての不定の遷
移状態の抵抗発熱体ｈ′に付いて計算し、この差ＤＥＶ
_ｈ′の大きい順に並べ替える。この順番に番号ｋ（ｋ＝
１〜Ｋ）を新たに付け、順番号の若いものが初めに現れ
るように予め作成して通電・非通電の全ての可能な組み
合わせを表にする。例えば図６にＫ＝４の場合の表を示
す。この表では記号ｅが組み合わせの通し番号（１〜２
^４＝１６）であり、記号Ｄ_０が通電となる抵抗発熱体の
数である。記号ｄ_１〜ｄ_４は通電されるｋ番目の抵抗発
熱体を示す。例えば、ｅ＝４の場合、通電される負荷の
数は３個であり、ｋ＝１，２，３が通電され、ｋ＝４は
非通電である。また、ｅ＝１２では通電される負荷の数
は３個であり、ｋ＝２，３，４が通電され、ｋ＝１は非
通電である。この組み合わせ表に従って抵抗発熱体の定
格発熱量の合計値を２^ｋ個計算し、前記目標発熱量に最
も近く、しかも最も早く組み合わせ表に現れた組み合わ
せで全ての不定状態の通電・非通電を決定する。このよ
うな表はＫ＝１，２，・・Ｈ（負荷の総数）に対して予
め用意しておくと合理的である。

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 定格発熱量ＲＰ_h を持つ複数個の抵抗発
   熱体（Ｒ_h ; h ＝1〜 H) を交流電源の同相に並列に接
   続し、 各抵抗発熱体（Ｒ_h ）に対して所定期間での希望発熱率
   Ｓ_h を与え、 各抵抗発熱体（Ｒ_h ）の発熱量が希望発熱量ＲＰ_h・Ｓ
   _h を満たすように、一サイクルずつ通電・非通電を行う
   サイクル制御による電力制御方法において、 各抵抗発熱体 (Ｒ_h) の基本制御周期としてＮ_h 個のサ
   イクルを選び、 基本制御周期内の始めからＩ_h 番目のサイクル迄に通電
   を行うサイクル数を累積通電サイクル数Ｊ_h(Ｉ_h) と
   し、 １基本制御周期前の終了時点の目標通電サイクル数ＳＴ
   _h とその時点の累積通電サイクル数Ｊ_h(Ｉ_h) との差を
   偏差サイクル数ΔＳ_h として、次の基本制御周期の目標
   通電サイクル数ＳＴ_h をＳＴ_h ＝Ｓ_h×Ｎ_h ＋ΔＳ_h と
   し、 横軸にＩ_h,縦軸にＪ_h(Ｉ_h) を記入した平面ＡＰＬ上の
   原点０(0, 0)と点（Ｎ_h,ＳＴ_h ) を結ぶ直線を希望発熱
   曲線ＳＣＶ_h とし、 前記希望発熱曲線ＳＣＶ_h をＡ_h サイクルほど上方に平
   行移動した上限発熱曲線ＵＣＶ_h およびＢ_h サイクルほ
   ど下方に平行移動した下限発熱曲線ＬＣＶ_h を定め、 Ｊ_h(Ｉ_h−１) ＋１≧ＵＣＶ_h (a) であれば、Ｉ_h 番目のサイクルでの当該抵抗発熱体（Ｒ
   _h ）を非通電とし、 Ｊ_h(Ｉ_h−１) ＜ＬＣＶ_h (b) であれば、Ｉ_h 番目のサイクルでの当該抵抗発熱体（Ｒ
   _h ）を通電とし、 式 (a)と (b)の何れも満たされない場合、不定の中間状
   態と見なし、現時点での全ての抵抗発熱体に対する希望
   発熱量の総和から、各抵抗発熱体（Ｒ_h ）のそれぞれの
   Ｉ_h に対する判定が式 (b)により通電と判定された抵抗
   発熱体の定格発熱量の総和を引いた偏差を中間状態にあ
   る抵抗発熱体全体の目標発熱量とし、 通電すべき中間状態の抵抗発熱体の単位サイクル出力の
   総和が前記目標発熱量に最も近くなるように、中間状態
   で通電・非通電される抵抗発熱体の組み合わせを決定
   し、 前記組み合わせの決定に際し、複数の組み合わせが存在
   する場合、希望発熱曲線ＳＣＶ_h に対して累積通電サイ
   クル数Ｊ_h(Ｉ_h) の遅れの大きい抵抗発熱体Ｒ_h が多く
   含まれる組み合わせを採用し、 全ての抵抗発熱体の通電・非通電を当該サイクルの一つ
   前のサイクル中で判定し、当該サイクルの間に実行す
   る、ことを特徴とする電力制御方法。
2. 【請求項２】 前記上限発熱曲線ＵＣＶ_h でＡ_h ≧ 1.0
   の時、ＵＣＶ_h の上限値を [ＳＴ_h] ＋１とし、ここで
   [ＳＴ_h] はＳＴ_h の少数点以下の数を削除した整数を意
   味することを特徴とする請求項１に記載の電力制御方
   法。
3. 【請求項３】 前記下限発熱曲線ＬＣＶ_h でＢ_h ≧ 1.0
   の時、ＡＰＬ面上で点（Ｎ_h, [ＳＴ_h])を通り勾配が１
   の直線と、ＬＣＶ_h とで上方にあるものを使用すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の電力制御方法。
4. 【請求項４】 基本制御周期Ｎ_h が等しい抵抗発熱体
   （ｈ）に対し、周期の始まりの時点を互いに2(Ａ＋Ｂ)
   サイクルほどずらすことを特徴とする請求項１または２
   に記載の電力制御方法。
5. 【請求項５】 交流電源の同相に並列にスイッチング・
   ユニット（ＳＷ_h ）を介して抵抗発熱体（Ｒ_h ）を接続
   し、加熱目的物に対応した感熱素子（ＴＣ_h）と、感熱
   素子（ＴＣ_h ）の温度検出信号と、加熱目的物の目標温
   度とからＰＩＤ演算により抵抗発熱体（Ｒ_h ）の希望発
   熱量信号を形成する温度調節器（ＴＲ _h ）とを備えた電
   気炉設備で、温度調整器（ＴＲ_h ）から供給される希望
   発熱量信号に応じてスイッチング・ユニット（ＳＷ_h ）
   の通電・非通電を決定するトリガ信号を出力する共通制
   御装置（ＣＴＲ）において、 前記共通制御装置（ＣＴＲ）が、電源の正・負の零クロ
   ス点（ｔ_+,ｔ_- ）を指定するトリガ信号を発生する零ク
   ロス点発生回路（ＺＣ），温度調整器（ＴＲ_h）の希望
   発熱量信号を受入れ、デジタル信号として出力するアナ
   ログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ），記憶器ＲＯＭ，ＲＡ
   Ｍ，インターフェース，割込管理ユニットおよび中央演
   算処理部を含むマイクロプロセッサ・ユニット（Ｍ
   Ｐ），およびこのマイクロプロセッサ・ユニットからの
   出力制御信号を電気絶縁して一定幅のパルス信号にして
   各スイッチング・ユニット（ＳＷ_h ）へ個々に開閉制御
   信号を出力する個別絶縁回路（ＩＳＯ）で構成されてい
   て、 前記マイクロプロセッサ・ユニット（ＭＰ）の記憶器Ｒ
   ＯＭには請求項１〜４の何れか１項の電力制御方法によ
   り各抵抗発熱体の通電・非通電を決定するプログラムお
   よび零クロス点の割込信号に応じて、各スイッチング・
   ユニット（ＳＷ _h ）へ開閉制御信号を送信するプログラ
   ムが格納されていることを特徴とする共通制御装置。