JPWO2015008376A1 - 電力制御器及び電力制御方法 - Google Patents

Abstract

出力電流監視部１７により出力電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角φｅを暫定の制御用のトリガ角φ＾ｎに決定して、そのトリガ角φ＾ｎを出力し、その出力電流の異常が認定されない場合は、出力目標値トリガ角変換部１３により算出された目標トリガ角Φｎを暫定の制御用のトリガ角φ＾ｎに決定して、そのトリガ角φ＾ｎを出力するトリガ角判定部１９を設け、トリガ角増分制御部２０が、トリガ角判定部１９から出力された暫定の制御用のトリガ角φ＾ｎをもとにトリガ角の急増を防止した制御用のトリガ角φｎを決定し、そのトリガ角φｎをサイリスタ制御部２１に出力する。

Description

この発明は、２次側にヒーターが接続されているトランス（変圧器）の１次側に供給する電力を制御する電力制御器及び電力制御方法に関するものである。

２次側にヒーターが接続されているトランスの１次側に供給する電力を制御する電力制御器では、そのトランスの１次側に接続されているサイリスタがターンオン（点弧）するタイミングを制御する位相制御方式が用いられることが多い。
このような電力制御器では、多くの電力をトランスの１次側に供給する場合、サイリスタがターンオンするタイミングを示すトリガ角（位相角）を大きくするが、電源投入時などの位相制御の開始時に、大きなトリガ角でサイリスタをターンオンさせると、大きな突入電流がトランスに流れる。

このような突入電流の発生を防止するため、位相制御の開始時には、小さなトリガ角でサイリスタをターンオンさせて、徐々にトリガ角を大きくする方法（ソフトスタート方式）が用いられることがある（例えば、特許文献１を参照）。
なお、ソフトスタート方式を用いる場合、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視し、その電圧が零値から所定値に変化すると、小さなトリガ角から目標のトリガ角まで徐々にトリガ角を変化させてサイリスタをターンオンさせるようにする。

特開平６−１６５３６６号公報

従来の電力制御器は以上のように構成されているので、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視し、その電圧が零値から所定値に変化していることを検知すれば、小さなトリガ角でサイリスタをターンオンさせることで、突入電流の発生を防止することができる。しかし、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視する機器が必要になり、装置構成が複雑になるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視する機器を搭載することなく、突入電流の発生を防止することができる電力制御器及び電力制御方法を得ることを目的とする。

この発明に係る電力制御器は、変圧器の２次側に接続されている負荷に供給する電力の目標値を算出する調節計より出力される目標信号から、その変圧器の１次側に供給する電力を調整するスイッチング素子の点弧のタイミングを示す目標トリガ角を算出する目標トリガ角算出手段と、目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角が示すタイミングでスイッチング素子が点弧された場合に、そのスイッチング素子に流れる電流を推定する電流推定手段と、スイッチング素子に実際に流れている電流を測定する電流測定手段と、電流測定手段により測定された電流が電流推定手段により推定された電流よりも予め設定された所定の値または所定の割合以上小さい場合、そのスイッチング素子に流れている電流の異常を認定する異常認定手段と、異常認定手段により電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角を制御用のトリガ角に決定して、その制御用のトリガ角を出力するとともに、その制御用のトリガ角を出力している状態で、異常認定手段により電流の異常が認定されなくなれば、その制御用のトリガ角が、その待機時トリガ角から目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角に到達するまで、制御用のトリガ角を徐々に大きくしながら、そのトリガ角を出力する制御用トリガ角決定手段とを設け、スイッチング素子制御手段が、制御用トリガ角決定手段から出力されたトリガ角が示すタイミングでスイッチング素子を点弧するようにしたものである。

この発明に係る電力制御器は、制御用トリガ角決定手段が、異常認定手段により電流の異常が認定されない場合、目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角を制御用のトリガ角としてスイッチング素子制御手段に出力するようにしたものである。

この発明に係る電力制御器は、異常認定手段により電流の異常が認定されて、スイッチング素子制御手段によりスイッチング素子が待機時トリガ角で点弧された際に、変圧器に流れる突入電流が、所定の許容電流よりも小さくなり、かつ、電流測定手段により測定可能な最小電流よりも大きくなるトリガ角が、待機時トリガ角として、制御用トリガ角決定手段に設定されているようにしたものである。

この発明に係る電力制御方法は、目標トリガ角算出手段が、変圧器の２次側に接続されている負荷に供給する電力の目標値を算出する調節計より出力される目標信号から、変圧器の１次側に供給する電力を調整するスイッチング素子の点弧のタイミングを示す目標トリガ角を算出する目標トリガ角算出処理ステップと、電流推定手段が、目標トリガ角算出処理ステップで算出された目標トリガ角が示すタイミングでスイッチング素子が点弧された場合に、そのスイッチング素子に流れる電流を推定する電流推定処理ステップと、電流測定手段が、スイッチング素子に実際に流れている電流を測定する電流測定処理ステップと、異常認定手段が、電流測定処理ステップで測定された電流が電流推定処理ステップで推定された電流よりも予め設定された所定の値または所定の割合以上小さい場合、スイッチング素子に流れている電流の異常を認定する異常認定処理ステップと、制御用トリガ角決定手段が、異常認定処理ステップで電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角を制御用のトリガ角に決定して、その制御用のトリガ角を出力するとともに、その制御用のトリガ角を出力している状態で、異常認定処理ステップで電流の異常が認定されなくなれば、その制御用のトリガ角が、その待機時トリガ角から目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角に到達するまで、制御用のトリガ角を徐々に大きくしながら、そのトリガ角を出力する制御用トリガ角決定処理ステップとを備えるようにしたものである。

この発明によれば、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視する機器を搭載することなく、突入電流の発生を防止することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による電力制御器を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による電力制御器が出力電流の異常を検知する処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による電力制御器が制御用のトリガ角を決定する処理内容を示すフローチャートである。 出力電流の異常が検知されない場合の電力制御器の処理タイミングを示す説明図である。 出力電流の異常が検知された場合の電力制御器の処理タイミングを示す説明図である。 出力電流が異常から正常に戻り、ソフトスタートが始まった場合の処理タイミングを示す説明図である。 この発明の実施の形態２による電力制御器を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電力制御器を示す構成図である。
図１において、電力制御器３は交流電源１と開閉器２（例えば、リレーやブレーカーなど）を介して接続されており、開閉器２が閉じている状態のとき交流電源１から電力の供給を受けて、トランス４の１次側に供給する電力を位相制御によって調整するスイッチング素子であるサイリスタ１２を実装している。サイリスタ１２の１次側にはヒューズ１１が接続されている。
この実施の形態１では、スイッチング素子としてサイリスタ１２が実装されている例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、スイッチング素子としてトライアックなどが実装されていてもよい。

トランス４は１次側に接続されている電力制御器３から電力の供給を受けて、２次側に接続されているヒーター５に電力を供給する変圧器である。
負荷であるヒーター５は被制御対象６を加熱する熱源であり、被制御対象６には温度センサ７が取り付けられている。

温度センサ７は被制御対象６の温度を測定し、その温度を示すセンサ信号を温度調節計８に出力する計測器である。
温度調節計８は温度センサ７から出力されたセンサ信号が示す温度を予め設定されている目標温度と一致させる出力の目標信号を算出して、その目標信号を電力制御器３に出力する処理を実施する。

零点検出部１８は電源電圧の零点を検出する処理を実施する。
出力目標値トリガ角変換部１３は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、温度調節計８から出力された目標信号から、サイリスタ１２がターンオン（点弧）するタイミングを示す目標トリガ角Φ_ｎを算出する処理をゼロ点検出タイミング毎に実施する。
具体的には、出力目標値トリガ角変換部１３は、例えば、温度調節計８から出力される目標信号を電力の目標値として、電力値と目標トリガ角Φ_ｎの対応関係を示すテーブルを内蔵しており、そのテーブルを参照して、その目標信号に対応する目標トリガ角Φ_ｎを出力する処理を実施する。なお、出力目標値トリガ角変換部１３は目標トリガ角算出手段を構成している。

出力電流推定部１４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、トリガ角増分制御部２０から出力される制御用トリガ角のタイミングでサイリスタ１２がターンオンされた場合に、そのサイリスタ１２に流れる電流である出力電流の推定値Ｉｅ_ｎｍを出力電流監視のタイミング毎に算出する処理を実施する。出力電流監視のタイミングは、電源サイクルの半サイクルの期間中に複数回あり、この実施の形態１では、半サイクルの期間を２０等分した時間毎に出力電流監視のタイミングが発生するものとする。なお、出力電流推定部１４は電流推定手段を構成している。

電流検出器１５は例えばＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）などから構成されており、サイリスタ１２に実際に流れている電流を検出し、その電流に比例するセンサ信号を出力する。
出力電流測定部１６は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、電流検出器１５から出力されたセンサ信号から、実際に、サイリスタ１２に流れている電流である出力電流Ｉ_ｎｍを測定する処理を出力電流監視のタイミング毎に実施する。なお、電流検出器１５及び出力電流測定部１６から電流測定手段が構成されている。

出力電流監視部１７は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、出力電流推定部１４により算出された出力電流の推定値Ｉｅ_ｎｍを受け取ると、その推定値Ｉｅ_ｎｍに所定の係数（例えば、０．５）を乗算することで、サイリスタ１２に流れる電流の異常を認定する際の異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍ（Ｉ＾ｅ_ｎｍ＝Ｉｅ_ｎｍ×所定の係数）を算出する処理を実施する。 また、出力電流監視部１７は算出した異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍと、出力電流測定部１６により測定されたサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍを比較し、測定値であるサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍよりも小さい場合（Ｉ_ｎｍ＜Ｉ＾ｅ_ｎｍ）、サイリスタ１２の出力電流の異常を認定する処理を出力電流監視のタイミング毎に実施する。なお、出力電流監視部１７は異常認定手段を構成している。
ここでは、出力電流監視部１７が、出力電流推定部１４により算出された出力電流の推定値Ｉｅ_ｎｍに所定の係数を乗算することで異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍを算出し、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍよりも小さい場合（測定値であるサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが出力電流の推定値Ｉｅ_ｎｍよりも所定の割合以上小さい場合）、サイリスタ１２の出力電流の異常を認定する例を説明するが、出力電流推定部１４により算出された出力電流の推定値Ｉｅ_ｎｍに所定の定数を加算することで異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍ（Ｉ＾ｅ_ｎｍ＝Ｉｅ_ｎｍ＋所定の定数）を算出し、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流Ｉ＾ｅ_ｎｍよりも小さい場合（測定値であるサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが出力電流の推定値Ｉｅ_ｎｍよりも所定の値以上小さい場合）、サイリスタ１２の出力電流の異常を認定するようにしてもよい。

トリガ角判定部１９は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、零点検出部１８により電源電圧の零点が検出される毎に、暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎを決定する処理を実施する。
即ち、トリガ角判定部１９は前半サイクルにおいて、出力電流監視部１７により出力電流が正常であると認定された場合、出力目標値トリガ角変換部１３で算出された目標トリガ角Φ_ｎを暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎに決定する一方、前半サイクルにおいて、出力電流監視部１７により出力電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角φ_ｅを暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎに決定する処理を実施する。
なお、待機時トリガ角φ_ｅは、トランス４に流れる位相制御開始時の突入電流が、所定の許容電流（例えば、トランス４の定格電流）よりも小さくなり、かつ、出力電流測定部１６により測定可能な最小電流よりも大きくなるトリガ角である。

トリガ角増分制御部２０は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、トリガ角判定部１９から出力された暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎと、前半サイクルのトリガ角φ_ｎ−１に対して予め設定された所定の増分Δφを加算した値（φ_ｎ−１＋Δφ）とを比較し、そのトリガ角φ＾_ｎが当該加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）より大きい場合には、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）を制御用のトリガ角φ_ｎとして、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）をサイリスタ制御部２１に出力し、そのトリガ角φ＾_ｎが当該加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）より大きくない場合には、そのトリガ角φ＾_ｎを制御用のトリガ角φ_ｎとして、そのトリガ角φ＾_ｎをサイリスタ制御部２１に出力する処理をゼロ点検出タイミング毎に実施する。
なお、零点検出部１８、トリガ角判定部１９及びトリガ角増分制御部２０から制御用トリガ角決定手段が構成されている。

サイリスタ制御部２１はトリガ角増分制御部２０から出力されたトリガ角φ_ｎが示すタイミングでサイリスタ１２のゲートに電流を流すことで、そのサイリスタ１２をターンオンさせる制御回路である。なお、サイリスタ制御部２１はスイッチング素子制御手段を構成している。

図１の例では、電力制御器の構成要素であるヒューズ１１、サイリスタ１２、出力目標値トリガ角変換部１３、出力電流推定部１４、電流検出器１５、出力電流測定部１６、出力電流監視部１７、零点検出部１８、トリガ角判定部１９、トリガ角増分制御部２０及びサイリスタ制御部２１のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、電力制御器の全部又は一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、電力制御器の一部（例えば、出力目標値トリガ角変換部１３、出力電流推定部１４、出力電流測定部１６、出力電流監視部１７、零点検出部１８、トリガ角判定部１９、トリガ角増分制御部２０、サイリスタ制御部２１）をコンピュータで構成する場合、出力目標値トリガ角変換部１３、出力電流推定部１４、出力電流測定部１６、出力電流監視部１７、零点検出部１８、トリガ角判定部１９、トリガ角増分制御部２０及びサイリスタ制御部２１の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。

図２はこの発明の実施の形態１による電力制御器が出力電流の異常を検知する処理内容を示すフローチャートであり、出力電流監視のタイミング毎に処理される。
また、図３はこの発明の実施の形態１による電力制御器が制御用のトリガ角を決定する処理内容を示すフローチャートであり、ゼロ点検出タイミング毎に処理される。
図４、図５及び図６は電力制御器の処理タイミングを示す説明図であり、特に、図４は出力電流監視部１７により出力電流の異常が検知されない場合の処理タイミングを示し、図５は出力電流監視部１７により出力電流の異常が検知された場合の処理タイミングを示している。また、図６は出力電流が異常から正常に戻り、ソフトスタートが始まった場合の処理タイミングを示している。

次に動作について説明する。
温度センサ７は、被制御対象６の温度を測定し、その温度を示すセンサ信号を温度調節計８に出力する。
温度調節計８は、温度センサ７からセンサ信号を受けると、そのセンサ信号が示す温度が予め設定されている目標温度と一致するような目標信号を算出して、その目標信号を電力制御器３に出力する。
例えば、温度調節計８がＰＩＤコントローラ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を内蔵している調節計であれば、温度調節計８のＰＩＤコントローラが、温度センサ７から出力されたセンサ信号が示す温度と予め設定されている目標温度との偏差を入力して、その偏差に対するＰＩＤ演算を実施し、その演算結果を目標信号として電力制御器３に出力する。

出力目標値トリガ角変換部１３は、温度調節計８から目標信号を受けると、その目標信号から、ｎ番目の位相制御サイクルで、サイリスタ１２がターンオンするタイミングを示す目標トリガ角Φ_ｎを算出し、その目標トリガ角Φ_ｎをトリガ角判定部１９に出力する。
例えば、出力目標値トリガ角変換部１３が、予め目標信号（電力の目標値）と目標トリガ角Φ_ｎの対応関係を示すテーブルを内蔵している場合、そのテーブルから、温度調節計８から出力された目標信号に対応する目標トリガ角Φ_ｎを読み出し、その目標トリガ角Φ_ｎをトリガ角判定部１９に出力する。

この実施の形態１では、交流電源１の電源半サイクルが位相制御サイクルであり、電源周波数が５０Ｈｚである場合、電源半サイクルが１０ｍ秒であるため、位相制御周期は、１０ｍ秒である。
このため、出力目標値トリガ角変換部１３は、１０ｍ秒毎に、目標トリガ角Φ_ｎを算出する。Φの添え字であるｎは何番目の位相制御サイクルであるかを示す変数である。
図４及び図５では、ｎ番目の位相制御サイクルの目標トリガ角Φ_ｎとして、５１％が算出されている例を示している。この５１％は、１つの位相制御サイクル内で、サイリスタ１２がオンする期間を百分率で表している。
なお、この実施の形態１では、制御用のトリガ角φ_ｎ（＝目標トリガ角Φ_ｎ）はサイリスタがオンの期間の角度を現す形式とするために、トリガタイミングからその位相制御サイクルの終了時のゼロ点までの角度の値としている。よって、制御用のトリガ角φ_ｎが、例えば、５１％の場合は、位相制御サイクルの開始時のゼロ点からトリガタイミングまでの角度は４９％となる。
図４、図５及び図６の横軸の目盛は、最初のゼロ点位置の角度を０％としているため、制御用のトリガ角φ_ｎが５１％の場合は横軸の目盛の４９％の位置がトリガタイミングになっている。

また、この実施の形態１では、図２の異常検知処理を０．５ｍ秒毎に実施するものとする。
位相制御周期が１０ｍ秒であるため、図２の異常検知処理は、１つの位相制御サイクルの中で、合計、１９回の異常検知処理が実施される。図４及び図５では、↑又は↓が付記されている位相角のタイミングで異常検知処理が実施される。
以下、ｎ番目の位相制御サイクルの中で、何番目の異常検知処理であるかを示す変数として、「ｍ」を用いるものとする。ｍ＝１，２，３，・・・，１９である。
例えば、ｎ番目の位相制御サイクルの冒頭における零点の位置での位相角を０度、ｎ＋１番目の位相制御サイクルの冒頭における零点の位置での位相角を１８０度とすると、ｍ＝１の位相角は９度、ｍ＝２の位相角は１８度、・・・、ｍ＝１０の位相角は９０度、・・・、ｍ＝１９の位相角は１７１度である。
目標トリガ角Φ_ｎ（＝５１％）を百分率ではなく、上記の位相角と同様に角度で表すと、目標トリガ角Φ_ｎは、８８．２度（＝（１００−５１）×１８０／１００））になる。

この実施の形態１では、ｎ番目の位相制御サイクルの冒頭における零点の位置での位相角が０度、ｎ＋１番目の位相制御サイクルの冒頭における零点の位置での位相角が１８０度であると定義して、以下の説明を行う。
ただし、この位相角の定義の仕方は一例に過ぎず、ｎ番目の位相制御サイクルの冒頭における零点の位置での位相角が１８０度、ｎ＋１番目の位相制御サイクルの冒頭における零点の位置での位相角が０度であると定義すれば、ｍ＝１の位相角は１７１度、ｍ＝２の位相角は１６２度、・・・、ｍ＝１０の位相角は９０度、・・・、ｍ＝１９の位相角は９度となる。

出力電流推定部１４は、ｎ番目の位相制御サイクル内のｍ番目の出力電流監視のタイミングで、そのサイリスタ１２に流れる瞬時電流である電流Ｉｅ_ｎｍを推定する。
ヒーター５が断線しておらず、トランス４が定常状態である条件の下では、サイリスタ１２に流れる電流（瞬時電流）の波形は正弦波になるため、サイリスタ１２に流れる電流Ｉｅ_ｎｍは、下記の式（１）に示すように推定される。
Ｉｅ_ｎｍ＝Ｉ_ｐｅａｋ・ｓｉｎ（φ_ｎｍ） （１）
式（１）において、φ_ｎｍはｍ番目の出力電流監視のタイミングでの位相角（トリガ角）であり、Ｉ_ｐｅａｋは半サイクル間電流が流れ続けたときの出力電流のピーク値であり、定格の電源電圧と負荷の抵抗値から算出される既知の値である。
出力電流のピーク値Ｉ_ｐｅａｋは、目標トリガ角が１００％のときの出力電流の実効値をＩｒｍｓとすると、その実効値Ｉｒｍｓの２の平方根倍である。

なお、図４、図５及び図６のグラフの縦軸（電流軸）は、出力電流のピーク値Ｉ_ｐｅａｋで正規化している。

電流検出器１５は、サイリスタ１２の出力電流（瞬時電流）を検出し、その出力電流に比例するセンサ信号を出力電流測定部１６に出力する。
出力電流測定部１６は、ｎ番目の位相制御サイクル内で、ｍ番目の異常検知処理のタイミングになると、そのタイミングで電流検出器１５から出力されたセンサ信号から、実際に、サイリスタ１２に流れている電流である出力電流Ｉ_ｎｍ（瞬時電流）を算出（測定）する。

出力電流監視部１７は、ｎ番目の位相制御サイクル内で、ｍ番目の異常検知処理のタイミングになると、そのタイミングでの位相角φ_ｎｍと、出力目標値トリガ角変換部１３から出力された目標トリガ角Φ_ｎを比較し、その位相角φ_ｎｍが目標トリガ角Φ_ｎよりも大きければ（図２のステップＳＴ１）、後述する異常検知処理を実施する。
目標トリガ角Φ_ｎ（＝５１％）の角度は、８８．２度であるため、ｍ＝１０，１１，１２，・・・，１９のとき、位相角φ_ｎｍが目標トリガ角Φ_ｎよりも大きくなる。

即ち、出力電流監視部１７は、ｍ番目の出力電流監視のタイミングでの位相角φ_ｎｍが目標トリガ角Φ_ｎよりも大きければ（φ_ｎｍ＞Φ_ｎ）、そのタイミングで出力電流測定部１６により測定されたサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍを取得するとともに（ステップＳＴ２）、そのタイミングで出力電流推定部１４により推定されたサイリスタ１２に流れる電流の推定値Ｉｅ_ｎｍを取得し、また、その推定電流Ｉｅ_ｎｍに対して予め設定されている或る適切な係数Ｋをかけて、異常判断電流Ｋ×Ｉｅ_ｎｍを算出する（ステップＳＴ３）。
この係数Ｋは、「０＜Ｋ＜１」の範囲の値であり、出力電流監視部１７で測定された出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流Ｋ×Ｉｅ_ｎｍ以下であれば、明らかに電源電圧や負荷に異常があると判定できる適切な異常判断電流Ｋ×Ｉｅ_ｎｍを算出するための係数であり、この実施の形態１では、Ｋ＝０．５として説明する。
特に、ｍ＝１０の出力電流監視のタイミングでは、位相角＝９０度であって、目標トリガ角Φ_ｎ（８８．２度）と近いため、概ね、出力電流監視部１７により取得されるサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍは、目標トリガ角Φ_ｎが示すタイミングでの測定値とみなせる。
また、この実施の形態１では、ステップＳＴ３で、出力電流監視部１７により算出された異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎｍは、目標トリガ角Φ_ｎが示すタイミングでサイリスタ１２がターンオンされた場合に、そのサイリスタ１２に流れる電流の推定値の０．５倍とみなさせる。

次に、出力電流監視部１７は、ステップＳＴ３で算出した異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎｍと、出力電流測定部１６により測定されたサイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍを比較し（ステップＳＴ４）、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎｍよりも小さい場合（Ｉ_ｎｍ＜０．５×Ｉｅ_ｎｍ）、サイリスタ１２の出力電流の異常を認定し、出力電流異常フラグをオン（ｆｌａｇ＝１）に設定する（ステップＳＴ５）。
例えば、トランス４の２次側に接続されているヒーター５が断線すると、トランス４の２次負荷が減少して、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍがほぼ０Ａとなり、異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎｍよりも小さくなる。
また、開閉器２が開いたり、ヒューズ１１が断線したりしても、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎｍよりも小さくなる。

トリガ角判定部１９は、零点検出部１８が電源電圧の零点を検出する毎に、制御用のトリガ角φ_ｎの決定処理を実行する。
以下、制御用のトリガ角φ_ｎの決定処理を具体的に説明する。

トリガ角判定部１９は、零点検出部１８が電源電圧の零点（ｎ番目の位相制御サイクルの冒頭）を検出すると、出力目標値トリガ角変換部１３により算出されたｎ番目の位相制御サイクルでの目標トリガ角Φ_ｎを取得する（図３のステップＳＴ１１）。
次に、トリガ角判定部１９は、出力電流異常フラグを参照して、出力電流監視部１７により出力電流の異常が認定されているか否かを確認する（ステップＳＴ１２）。
即ち、トリガ角判定部１９は、出力電流異常フラグがオン（ｆｌａｇ＝１）であれば、出力電流の異常が認定されていると判断し、出力電流異常フラグがオフ（ｆｌａｇ＝０）であれば、出力電流の異常が認定されていないと判断する。

トリガ角判定部１９は、出力電流の異常が認定されていないと判断すると、出力目標値トリガ角変換部１３から取得した目標トリガ角Φ_ｎを暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎに決定して、そのトリガ角φ＾_ｎをトリガ角増分制御部２０に出力する（ステップＳＴ１３）。
また、トリガ角判定部１９は、出力電流の異常が認定されていると判断すると、突入電流の発生を防止するため、予め設定されている小さな待機時トリガ角φ_ｅを暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎに決定して、そのトリガ角φ＾_ｎをトリガ角増分制御部２０に出力する（ステップＳＴ１４）。
なお、待機時トリガ角φ_ｅは、トランス４に流れる突入電流が、所定の許容電流よりも小さくなり、かつ、出力電流測定部１６により測定可能な最小電流よりも大きくなるトリガ角であり、例えば、待機時トリガ角φ_ｅとして１１％（角度表記では、１９．８度）が設定される。

トリガ角増分制御部２０は、トリガ角判定部１９から暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎを受けると、予め設定された上限値Δφ（半サイクル毎にトリガ角が増加する値の上限値）を前半サイクルの制御用のトリガ角φ_ｎ−１に加算した値（φ_ｎ−１＋Δφ）と、トリガ角判定部１９から受け取った暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎとを比較して、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）がトリガ角判定部１９から受け取った暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎよりも大きいか否かを確認する（ステップＳＴ１５）。
トリガ角増分制御部２０は、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）がトリガ角判定部１９から受け取った暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎよりも大きければ、既にソフトスタートが完了しているため、暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎを制御用のトリガ角φ_ｎに決定して、そのトリガ角φ_ｎをサイリスタ制御部２１に出力するが（ステップＳＴ１６）、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）がトリガ角判定部１９から受け取った暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎよりも小さければ、未だソフトスタートが完了していないため、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）をそのままサイリスタ制御部２１に出力する（ステップＳＴ１７）。
φ_ｎ＝φ_ｎ−１＋Δφ
トリガ角増分制御部２０は、制御用のトリガ角φ_ｎをサイリスタ制御部２１に出力すると、出力電流異常フラグをオフ（ｆｌａｇ＝０）に設定する（ステップＳＴ１８）。

サイリスタ制御部２１は、トリガ角増分制御部２０から制御用のトリガ角φ_ｎを受けると、そのトリガ角φ_ｎが示すタイミングでサイリスタ１２のゲートに電流を流すことで、そのサイリスタ１２をターンオンさせる。
図５では、左側の半サイクルにおいて、制御用のトリガ角φ_ｎ（＝５１％）でサイリスタ１２をターンオンさせたにもかかわらず、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎｍが異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎｍよりも小さいため、サイリスタ１２の出力電流を異常と認定している例を示している。次の半サイクル（図５の右側の半サイクル）の制御用のトリガ角φ_ｎが待機時トリガ角φ_ｅ（＝１１％）であり、トリガ角φ_ｎ（＝１１％）のタイミングでサイリスタ１２をターンオンさせている。
角度表記では、１６０．２度（＝１８０−１９．８度）のタイミングでサイリスタ１２をターンオンさせて、１８０度のタイミングでサイリスタ１２をターンオフされている。
また、図６では、左側の前回の半サイクルで制御用のトリガ角φ_ｎ−１を待機時トリガ角φ_ｅ（＝１１％）としてサイリスタ１２をターンオンさせた時に、サイリスタ１２の出力電流Ｉ_ｎ−１ｍが異常判断電流０．５×Ｉｅ_ｎ−１ｍよりも大きいため、サイリスタ１２の出力電流を異常と認定していない例を示している。今回の半サイクル（図５の右側の半サイクル）の制御用のトリガ角φ_ｎが、前半サイクルの制御用のトリガ角φ_ｎ−１（＝１１％）に対して半サイクル毎に上限値Δφ（＝５％）を加算したトリガ角を制御用のトリガ角φ_ｎ（＝１６％）とした場合であり、トリガ角φ_ｎ（＝１６％）のタイミングでサイリスタ１２をターンオンさせている。

制御用のトリガ角の決定処理は繰り返し実行され、零点検出部１８が、次の電源電圧の零点（ｎ番目の位相制御サイクルの冒頭）を検出すると、トリガ角判定部１９は、出力目標値トリガ角変換部１３により算出されたｎ番目の位相制御サイクルでの目標トリガ角Φ_ｎを取得する（ステップＳＴ１１）。
次に、トリガ角判定部１９は、出力電流異常フラグを参照して、出力電流監視部１７により出力電流の異常が認定されているか否かを確認する（ステップＳＴ１２）。
即ち、トリガ角判定部１９は、出力電流異常フラグがオン（ｆｌａｇ＝１）であれば、出力電流の異常が認定されていると判断し、出力電流異常フラグがオフ（ｆｌａｇ＝０）であれば、出力電流の異常が認定されていないと判断する。
ただし、この段階では、ｎ−１番目の位相制御サイクルで、トリガ角増分制御部２０により出力電流異常フラグがオフ（ｆｌａｇ＝０）に設定されているので、出力電流の異常が認定されていないと判断する。

トリガ角増分制御部２０は、出力電流の異常が認定されていない場合でも、先に出力した制御用のトリガ角φ_ｎをいきなり大きくすると、突入電流が発生してしまうため、例えば、５％程度（角度表記で１８度程度）の小さなトリガ角Δφを先に出力した制御用のトリガ角φ_ｎ−１に加算して、その加算結果を制御用のトリガ角φ_ｎに決定する（ステップＳＴ１７）。
トリガ角増分制御部２０は、制御用のトリガ角φ_ｎをサイリスタ制御部２１に出力すると、出力電流異常フラグをオフ（ｆｌａｇ＝０）に設定する（ステップＳＴ１８）。

サイリスタ制御部２１は、トリガ角増分制御部２０から制御用のトリガ角φ_ｎを受けると、そのトリガ角φ_ｎが示すタイミングでサイリスタ１２のゲートに電流を流すことで、そのサイリスタ１２をターンオンさせる。
例えば、待機時トリガ角φ_ｅが１１％であり、増加分のトリガ角Δφが５％であれば、制御用のトリガ角φ_ｎが１６％になるため、トリガ角φ_ｎ（＝１６％）のタイミングでサイリスタ１２がターンオンされる。
角度表記では、１５１．２度（＝１８０−１９．８−９度）のタイミングでサイリスタ１２がターンオンさせて、１８０度のタイミングでサイリスタ１２がターンオフされる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、前出力サイクルにおいて、出力電流監視部１７により出力電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角φ_ｅを制御用のトリガ角φ_ｎに決定して、そのトリガ角φ_ｎを出力し、前出力サイクルにおいて、出力電流が異常と認識されなかった場合には、出力目標値トリガ角変換部１３で算出された目標トリガ角Φ_ｎを暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎに決定して、そのトリガ角φ＾_ｎを出力する一方、前出力サイクルにおいて、出力電流監視部１７により出力電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角φ_ｅを暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎに決定して、そのトリガ角φ＾_ｎを出力するトリガ角判定部１９を設け、トリガ角増分制御部２０が、トリガ角判定部１９から出力された暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎが、前半サイクルの制御用のトリガ角φ_ｎ−１に対してトリガ角増加の上限値Δφを加算した値（φ_ｎ−１＋Δφ）より大きい場合には、その加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）を制御用のトリガ角φ_ｎとしてサイリスタ制御部２１に出力し、暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎが加算値（φ_ｎ−１＋Δφ）より小さい場合には、暫定の制御用のトリガ角φ＾_ｎを制御用のトリガ角φ_ｎとしてサイリスタ制御部２１に出力するように構成したので、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視する機器を搭載することなく、突入電流の発生を防止することができる効果を奏する。

即ち、この実施の形態１によれば、負荷であるヒーター５の断線を認定（出力電流の異常を認定）することで電源状態を監視しているため、電源電圧やトランスの１次側の電圧を監視する機器を搭載することなく、トランス４に対する突入電流の発生を防止することができる。
また、制御対象がトランス４であっても、交流電源１の投入時や瞬時停電が発生したときに、トランス４に対する突入電流の発生を防止することができる。また、交流電源１が継続的にオンしている状態で、トランス４だけに電力を供給している状態でも、トランス４に対する突入電流の発生を防止することができる。

また、この実施の形態１によれば、トランス４の２次側に接続されているヒーター５が断線して、サイリスタ１２の出力電流が減少している場合にも、その出力電流の減少を検知して、制御用のトリガ角φ_ｎを待機状態の小さなトリガ角（待機時トリガ角φ_ｅ）にするため、トランス４の２次側に接続されているヒーター５が断線した時に起こる可能性がある大きな励磁電流の発生を防止することもできる。
また、一般的には、トランス４の１次巻き線を位相制御する場合の突入電流を低減するために、トランス４の定格電圧における磁束密度が低くなるような設計が行われるが、この実施の形態１では、どの様な状況でも、トランス４に対する突入電流を小さな値に抑制することができるため、従来に比して、磁束密度が高いトランス４を使用することができるようになり、トランスの小型化を図ることができる。
また、交流電源１と電力制御器３の間の配線を開閉器２で切断したのち、その開閉器２で再接続された場合の突入電流の抑制効果も期待することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、トランス４の２次側にヒーター５が接続されている例を示しているが、図７に示すように、例えば、リレーやブレーカーなどの開閉器３０を介して、ヒーター５がトランス４の２次側に接続されていてもよい。
この場合、開閉器３０が開いている状態では、電力制御器３が上記実施の形態１と同様に、サイリスタ１２の出力電流の減少を検知して、制御用のトリガ角φ_ｎを待機状態の小さなトリガ角（待機時トリガ角φ_ｅ）にするため、トランス４の２次側に接続されている開閉器３０の開閉操作よって起こる可能性がある大きな励磁電流の発生を防止することもできる。
なお、電力制御器３の処理内容自体は上記実施の形態１と同様である。

１ 交流電源、２ 開閉器、３ 電力制御器、４ トランス（変圧器）、５ ヒーター、６ 被制御対象、７ 温度センサ、８ 温度調節計、１１ ヒューズ、１２ サイリスタ（スイッチング素子）、１３ 出力目標値トリガ角変換部（目標トリガ角算出手段）、１４ 出力電流推定部（電流推定手段）、１５ 電流検出器（電流測定手段）、１６ 出力電流測定部（電流測定手段）、１７ 出力電流監視部（異常認定手段）、１８ 零点検出部（制御用トリガ角決定手段）、１９ トリガ角判定部（制御用トリガ角決定手段）、２０ トリガ角増分制御部（制御用トリガ角決定手段）、２１ サイリスタ制御部（スイッチング素子制御手段）、３０ 開閉器。

Claims (4)

1. 変圧器の２次側に接続されている負荷に供給する電力の目標値を算出する調節計より出力される目標信号から、前記変圧器の１次側に供給する電力を調整するスイッチング素子の点弧のタイミングを示す目標トリガ角を算出する目標トリガ角算出手段と、
   前記目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角が示すタイミングで前記スイッチング素子が点弧された場合に、前記スイッチング素子に流れる電流を推定する電流推定手段と、
   前記スイッチング素子に実際に流れている電流を測定する電流測定手段と、
   前記電流測定手段により測定された電流が前記電流推定手段により推定された電流よりも予め設定された所定の値または所定の割合以上小さい場合、前記スイッチング素子に流れている電流の異常を認定する異常認定手段と、
   前記異常認定手段により電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角を制御用のトリガ角に決定して、前記制御用のトリガ角を出力するとともに、前記制御用のトリガ角を出力している状態で、前記異常認定手段により電流の異常が認定されなくなれば、前記制御用のトリガ角が、前記待機時トリガ角から前記目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角に到達するまで、前記制御用のトリガ角を徐々に大きくしながら、前記トリガ角を出力する制御用トリガ角決定手段と、
   前記制御用トリガ角決定手段から出力されたトリガ角が示すタイミングで前記スイッチング素子を点弧するスイッチング素子制御手段と
   を備えた電力制御器。
2. 前記制御用トリガ角決定手段は、前記異常認定手段により電流の異常が認定されない場合、前記目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角を制御用のトリガ角として前記スイッチング素子制御手段に出力することを特徴とする請求項１記載の電力制御器。
3. 前記制御用トリガ角決定手段には、前記異常認定手段により電流の異常が認定されて、前記スイッチング素子制御手段により前記スイッチング素子が前記待機時トリガ角で点弧された際に、前記変圧器に流れる突入電流が、所定の許容電流よりも小さくなり、かつ、前記電流測定手段により測定可能な最小電流よりも大きくなるトリガ角が、前記待機時トリガ角として設定されていることを特徴とする請求項１記載の電力制御器。
4. 目標トリガ角算出手段が、変圧器の２次側に接続されている負荷に供給する電力の目標値を算出する調節計より出力される目標信号から、前記変圧器の１次側に供給する電力を調整するスイッチング素子の点弧のタイミングを示す目標トリガ角を算出する目標トリガ角算出処理ステップと、
   電流推定手段が、前記目標トリガ角算出処理ステップで算出された目標トリガ角が示すタイミングで前記スイッチング素子が点弧された場合に、前記スイッチング素子に流れる電流を推定する電流推定処理ステップと、
   電流測定手段が、前記スイッチング素子に実際に流れている電流を測定する電流測定処理ステップと、
   異常認定手段が、前記電流測定処理ステップで測定された電流が前記電流推定処理ステップで推定された電流よりも予め設定された所定の値または所定の割合以上小さい場合、前記スイッチング素子に流れている電流の異常を認定する異常認定処理ステップと、
   制御用トリガ角決定手段が、前記異常認定処理ステップで電流の異常が認定された場合、予め設定されている待機時トリガ角を制御用のトリガ角に決定して、前記制御用のトリガ角を出力するとともに、前記制御用のトリガ角を出力している状態で、前記異常認定処理ステップで電流の異常が認定されなくなれば、前記制御用のトリガ角が、前記待機時トリガ角から前記目標トリガ角算出手段により算出された目標トリガ角に到達するまで、前記制御用のトリガ角を徐々に大きくしながら、前記トリガ角を出力する制御用トリガ角決定処理ステップと、
   スイッチング素子制御手段が、前記制御用トリガ角決定処理ステップで出力されたトリガ角が示すタイミングで前記スイッチング素子を点弧するスイッチング素子制御処理ステップと
   を備えた電力制御方法。

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