JP2018121436A - 高電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 損失を低減することが可能な高電圧制御装置を提供する。【解決手段】 高電圧制御装置１１は、静電塗装用の塗装機１に接続されている。塗装機１の高電圧発生器３は、昇圧トランス４と、多段倍電圧整流回路５とを備えている。高電圧制御装置１１は、トランス駆動回路１２、電源電流検出回路１３および信号制御装置１５を備えている。トランス駆動回路１２は、設定周波数Ｆの低電圧電力を昇圧トランス４の一次側に供給する。電源電流検出回路１３は、昇圧トランス４の一次側コイルに流れるトランス駆動電流Ｉtを検出する。信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtが最小となるように、トランス駆動回路１２から供給する低電圧電力の設定周波数Ｆを制御する。【選択図】 図１

Description

本発明は、高電圧を制御する高電圧制御装置に関する。

一般に、静電塗装装置は、マイナスの高電圧を発生させて、アース電位となった被塗物との間に静電界を形成し、帯電した塗料粒子を被塗物に塗着させる。このため、静電塗装装置は、高電圧を発生させる高電圧発生器を備えている。高電圧発生器は、供給された低電圧電力を高電圧に昇圧する。このため、高電圧発生器には、低電圧電力を用いて高電圧電力を制御する高電圧制御装置が接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４６１８９号公報

ところで、高電圧発生器は、フライバックトランスやコッククロフト・ウォルトン回路（多段倍圧整流回路）を備え、直流電圧より生成したパルス波形（矩形波状）からなる低電圧から直流の高電圧を生成する。このため、高電圧制御装置は、設定された最適な周波数の低電圧電力を高電圧発生器に供給する。しかしながら、高電圧発生器によって高電圧の出力を継続して行うと、高電圧発生器の自己発熱が生じることがあるのに加え、湿度変化、負荷変動等が発生することがある。これらの影響によって、低電圧電力の周波数が最適値からシフトしてしまい、電力損失が増加し、所望の高電圧が得られない等の問題が生じる。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、電力損失を低減することが可能な高電圧制御装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、高電圧発生器のトランスに設定周波数の低電圧電力を供給し、前記高電圧発生器によって発生する高電圧を制御する高電圧制御装置であって、前記設定周波数の低電圧電力を前記トランスの一次側に供給する電力供給部と、前記トランスの一次側に流れるトランス駆動電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器によって検出したトランス駆動電流が最小となるように、前記電力供給部から供給する前記低電圧電力の前記設定周波数を制御する周波数制御部とを備えたことを特徴としている。

請求項２の発明では、前記周波数制御部は、現在の前記設定周波数と同じ第１周波数と、現在の前記設定周波数よりも周波数が高い第２周波数と、現在の前記設定周波数よりも周波数が低い第３周波数とのそれぞれについて、前記電力供給部によって低電圧電力を発生させて前記電流検出器によって前記トランス駆動電流を検出し、前記第１周波数、前記第２周波数、前記第３周波数のうち前記トランス駆動電流が最も小さいときの周波数を新たな設定周波数に設定することを特徴としている。

請求項３の発明では、前記電流検出器は、前記トランス駆動電流のピーク値を検出することを特徴としている。

請求項４の発明では、前記周波数制御部は一定周期毎に新たな前記設定周波数の設定を行い、前記設定周波数の初期値を記憶する記憶部と、前記一定周期毎に前記初期値および前記設定周波数を表示する表示器と、をさらに備えたことを特徴としている。

請求項５の発明では、前記一定周期は、１０秒以上で５分以下の範囲内の値に設定されたことを特徴としている。

請求項６の発明では、前記初期値は、前記高電圧発生器を停止するときの前記設定周波数の値に更新することを特徴としている。

請求項７の発明では、前記周波数制御部は、前記高電圧発生器から出力される前記高電圧の値を変更するときに、変更の開始から所定期間は新たな前記設定周波数の設定を行わないことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、高電圧制御装置は、電力供給部と、電流検出器と、周波数制御部とを備えている。ここで、高電圧発生器の自己発熱、湿度変化、負荷変動等に伴って、電力損失が増加すると、トランス駆動電流が増加する。これに対し、周波数制御部は、電流検出器によって検出したトランス駆動電流が最小となるように、電力供給部から供給する低電圧電力の設定周波数を制御する。これにより、低電圧電力の設定周波数を最適値に調整することができ、電力損失を低減することができる。

請求項２の発明によれば、周波数制御部は、現在の設定周波数と同じ第１周波数と、現在の設定周波数よりも周波数が高い第２周波数と、現在の設定周波数よりも周波数が低い第３周波数とのそれぞれについて、電力供給部によって低電圧電力を発生させて電流検出器によってトランス駆動電流を検出する。その上で、周波数制御部は、第１周波数、第２周波数、第３周波数のうちトランス駆動電流が最も小さいときの周波数を新たな設定周波数に設定する。これにより、トランス駆動電流が小さくなるように、現在の設定周波数を調整することができる。

請求項３の発明によれば、電流検出器は、トランス駆動電流のピーク値を検出する。ここで、設定周波数がトランスの共振周波数から低周波側または高周波側にずれたときには、トランス駆動電流の波形に歪が生じ、トランス駆動電流のピーク値が増加する傾向がある。このため、トランス駆動電流のピーク値を検出することによって、設定周波数がトランスの共振周波数からずれたことを把握することができる。従って、周波数制御部は、トランス駆動電流のピーク値が最小となるように設定周波数を制御することによって、設定周波数をトランスの共振周波数に合わせることができる。

請求項４の発明によれば、表示器は一定周期毎に初期値および設定周波数を表示するから、操作者は、表示器を目視することによって、初期値と現在の設定周波数との相違を把握することができる。このため、例えば装置を停止するときに、初期値と現在の設定周波数との差を確認することによって、この差が高電圧発生器の温度変化等による正常状態でのものか、何らかの不具合による異常状態によるものかを把握することができる。

請求項５の発明によれば、一定周期を１０秒以上で５分以下の範囲内の値に設定したから、高電圧の出力やトランス駆動電流が安定した状態で、設定周波数を更新することができる。

請求項６の発明によれば、初期値を、高電圧発生器を停止するときの設定周波数の値に更新するから、例えば経年変化による最適な設定周波数の変化が支配的な場合に、経年変化に追従して初期値を変化させることができる。このため、初期値から最適な設定周波数に調整されるまでの時間を短縮することができる。

請求項７の発明によれば、周波数制御部は、高電圧発生器から出力される高電圧の値を変更するときに、変更の開始から所定時間は新たな設定周波数の設定を行わない。例えば高電圧の設定値を変更した直後は、高電圧やトランス駆動電流が不安定な状態であり、トランス駆動電流に基づいて設定周波数を調整することができず、設定周波数が最適値から外れる可能性がある。これに対し、高電圧の値を変更してから所定時間は新たな設定周波数の設定を行わず、現在の設定周波数を保持することができる。このため、設定周波数が最適値から逸脱するのを、防ぐことができる。

本発明の実施の形態による高電圧制御装置および塗装機を示すブロック図である。 高電圧制御装置による周波数制御処理を示す流れ図である。 設定周波数が最適値となったときのトランス駆動電圧およびトランス駆動電流を示すタイムチャートである。 設定周波数が最適値よりも低い周波数となったときのトランス駆動電圧およびトランス駆動電流を示すタイムチャートである。 設定周波数が最適値よりも高い周波数となったときのトランス駆動電圧およびトランス駆動電流を示すタイムチャートである。 変形例の高電圧制御装置による周波数制御処理を示す流れ図である。

以下、本発明の実施の形態による高電圧制御装置として、静電塗装に用いるものを例に挙げて添付図面に従って詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態による高電圧制御装置１１を示している。高電圧制御装置１１は、静電塗装用の塗装機１に接続されている。

まず、高電圧制御装置１１が適用される塗装機１について説明する。塗装機１は、塗料を噴霧する噴霧器２と、高電圧Ｖhを発生させる高電圧発生器（カスケード）３と、を備えている。噴霧器２は、例えばエア霧化、液圧霧化、回転霧化等を行う各種の霧化手段によって構成され、供給された塗料を霧化して、被塗物（図示せず）に向けて噴霧する。

高電圧発生器３は、塗装機１に内蔵されている。この高電圧発生器３は、昇圧トランス４と、多段倍電圧整流回路５とを備えている。図１に示すように、昇圧トランス４の一次側コイルには、高電圧制御装置１１が接続され、例えば数十ｋＨｚ程度の周波数（設定周波数Ｆ）を有するパルス波状（矩形波）の一次電圧が入力される。この一次電圧は、昇圧トランス４を駆動するトランス駆動電圧Ｖtに相当する。昇圧トランス４は、一次電圧が昇圧トランス４の一次側コイルに入力されることによって、二次側コイルに、一次電圧よりも高い電圧となった二次電圧を励起する。

多段倍電圧整流回路５は、複数のコンデンサ、ダイオード（いずれも図示せず）からなる所謂コッククロフト・ウォルトン回路によって構成されている。多段倍電圧整流回路５は、昇圧トランス４から供給される二次電圧をさらに昇圧して、負極性の高電圧Ｖh（例えばＶh＝０ｋＶ〜−９０ｋＶ）を発生させる。

そして、塗装機１は、高電圧発生器３から出力される高電圧Ｖhを用いて、噴霧器２から噴霧される塗料粒子を、直接的または間接的に帯電させる。これに加え、塗装機１は、アース電位となった被塗物（図示せず）との間に静電界を形成する。これにより、塗装機１は、帯電した塗料粒子を静電界に沿って飛行させ、被塗物に塗着させる。

次に、高電圧制御装置１１について説明する。高電圧制御装置１１は、トランス駆動回路１２と、電源電流検出回路１３と、先端電圧・電流検出回路１４と、信号制御装置１５とを備えている。

トランス駆動回路１２は、設定周波数Ｆの低電圧電力を昇圧トランス４の一次側に供給する電力供給部を構成している。このトランス駆動回路１２は、電源変換器１２Ａと、スイッチング駆動回路１２Ｂと、発振回路１２Ｃとを備えている。トランス駆動回路１２の入力側は、商用電源に接続されている。トランス駆動回路１２の出力側は、昇圧トランス４の一次側コイルに接続されている。

電源変換器１２Ａは、例えば整流回路によって構成され、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧をスイッチング駆動回路１２Ｂに出力する。スイッチング駆動回路１２Ｂは、電源変換器１２Ａから出力された直流電圧を、信号制御装置１５からの電圧指令信号Ｃvに応じた電圧まで降圧させる。発振回路１２Ｃは、信号制御装置１５からの周波数指令信号Ｃfに応じて、例えばトランジスタ等のスイッチング素子（図示せず）を制御する。これにより、発振回路１２Ｃは、周波数指令信号Ｃfに応じたパルス信号を出力する。トランス駆動回路１２は、スイッチング駆動回路１２Ｂから出力される直流電力を、発振回路１２Ｃから出力されるパルス信号に応じた電力に変換して、昇圧トランス４の一次側コイルに供給する。この結果、昇圧トランス４の一次側コイルには、スイッチング駆動回路１２Ｂから出力される直流電圧に応じた振幅を有し、かつ発振回路１２Ｃのパルス信号の周波数を有するトランス駆動電圧Ｖtが供給される。

電源電流検出回路１３は、電流検出器を構成し、昇圧トランス４の一次側コイルに流れる電源電流としてのトランス駆動電流Ｉtを検出する。電源電流検出回路１３は、トランス駆動電流Ｉtの検出信号Ｓitを信号制御装置１５に向けて出力する。ここで、電源電流検出回路１３は、トランス駆動電流Ｉtのピーク値を検出するピーク電流検出回路（図示せず）を備えている。このため、電源電流検出回路１３による検出信号Ｓitは、トランス駆動電流Ｉtのピーク値に対応している。

トランス駆動回路１２の駆動周波数により、トランス駆動電流Ｉtの波形が変化し、ピーク値が変化する。駆動周波数が適正周波数であれば、トランス駆動電流Ｉtのピーク値は小さくなる。これに対し、駆動周波数が適正周波数から逸脱すると、トランス駆動電流Ｉtのピーク値が増加し、効率が低下する。効率が低下した状態では、整合されていない電力がトランス駆動回路１２や高電圧発生器３で熱となっており、長時間の運転により回路部品が劣化する可能性がある。

先端電圧・電流検出回路１４は、高電圧発生器３から出力される先端電圧（高電圧Ｖh）を検出すると共に、昇圧トランス４の二次側コイルに流れる電流を検出する。先端電圧・電流検出回路１４は、高電圧発生器３から出力される高電圧Ｖhの検出信号Ｓvと、二次側コイルに流れる電流の検出信号Ｓiとを信号制御装置１５に向けて出力する。

信号制御装置１５は、マイクロコンピュータ等からなり、周波数制御部を構成している。信号制御装置１５は、電源電流検出回路１３および先端電圧・電流検出回路１４からの検出信号Ｓit，Ｓv，Ｓiに基づいて、トランス制御信号となる電圧指令信号Ｃvおよび周波数指令信号Ｃfを生成する。信号制御装置１５は、これらの指令信号Ｃv，Ｃfによって、高電圧発生器３から出力される高電圧Ｖhが所望の値となるように、トランス駆動回路１２を制御する。具体的には、信号制御装置１５は、高電圧Ｖhの値に基づいて電圧指令信号Ｃvを生成し、高電圧Ｖhが所望の値（目標値）となるように、スイッチング駆動回路１２Ｂを制御する。これにより、スイッチング駆動回路１２Ｂは、トランス駆動電圧Ｖtの振幅を増加または減少させ、高電圧Ｖhの値を調整する。

なお、高電圧Ｖhの目標値は、予め信号制御装置１５に記憶されたものでもよく、例えば塗装機１を制御する塗装機制御装置（図示せず）から入力されるものでもよい。このため、高電圧Ｖhの目標値は、一定値である必要はなく、種々の条件に基づいて変化する値であってもよい。

また、信号制御装置１５は、電源電流検出回路１３からの検出信号Ｓitに基づいて、発振回路１２Ｃから出力するパルス信号の設定周波数Ｆを制御する。具体的には、信号制御装置１５は、図２に示す周波数制御処理のプログラムに従って駆動する。これにより、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtのピーク値に基づいて周波数指令信号Ｃfを生成し、電源電流検出回路１３によって検出したトランス駆動電流Ｉtが最小となるように、トランス駆動回路１２から供給する低電圧電力の設定周波数Ｆを制御する。

トランス駆動電流Ｉtのピーク値を用いることで、平均値あるいは実効値を用いた場合と比較して、設定周波数Ｆの変化率による電源電流検出回路１３の検出値の変化率が大きくなる。また、使用する高電圧発生器３によるが、先端電圧の検出信号Ｓvを使用できる構成では、信号制御装置１５は設定周波数Ｆを切り替え制御しつつ、高電圧Ｖhを一定とする制御を行ってもよい。

また、信号制御装置１５は、記憶部としての不揮発メモリ１６と、表示器としての操作・表示器１７とに接続されている。不揮発メモリ１６は、設定周波数Ｆの初期値Ｆ0を記憶する。このとき、初期値Ｆ0は、操作者が操作・表示器１７を入力操作することによって、変更することができる。また、操作・表示器１７は、例えばタッチパネル等によって構成され、各種の情報を表示すると共に、操作者によって各種の入力操作が可能になっている。このとき、操作・表示器１７は、一定周期τ毎に初期値Ｆ0および現在の設定周波数Ｆを表示する。

次に、信号制御装置１５による設定周波数Ｆの制御方法について、図２を参照しつつ説明する。

ステップ１では、設定周波数Ｆを予め決められた初期値Ｆ0に設定する。これに加えて、高電圧Ｖhの目標値となる設定電圧も予め決められた初期値に設定する。続くステップ２では、設定電圧および設定周波数Ｆに基づいて、トランス駆動回路１２を駆動する。これにより、高電圧発生器３は、トランス駆動回路１２から供給される低電圧電力に基づいて、設定電圧に応じた高電圧Ｖhを生成し、出力する。

続くステップ３では、例えばタイマを用いて、予め設定された一定周期τが経過したか否かを判定する。このとき、一定周期τは、設定電圧および設定周波数Ｆに応じて、高電圧Ｖhの出力やトランス駆動電流Ｉtが安定するのに必要な時間に基づいて設定されている。具体的には、一定周期τは、例えば１０秒以上で５分以下の範囲内の値に設定されている。

続くステップ４では、現在の設定周波数Ｆと同じ第１周波数Ｆ1でのトランス駆動電流Ｉtのピーク値Ｉp1を測定する。このとき、トランス駆動回路１２は、現在の設定周波数Ｆを維持した状態で、低電圧電力を高電圧発生器３に供給する。電源電流検出回路１３は、このときのトランス駆動電流Ｉtのピーク値Ｉp1を測定し、ピーク値Ｉp1に応じた検出信号Ｓitを信号制御装置１５に向けて出力する。

なお、続くステップ５，６で説明するように、信号制御装置１５は、ピーク値Ip1の計測を各周波数（Ｆ1，Ｆ2，Ｆ3）の切り替え毎に一定の切替時間の経過後に行う。この切替時間は、周波数を設定（例えば設定周波数Ｆを第１周波数Ｆ1に設定）してから例えば０．１秒〜１秒程度の値に設定する。この理由は、高電圧発生器３に使用されている昇圧トランス４、多段倍電圧整流回路５の遅延時間の影響があるため、設定周波数を変更して直ぐに計測を行った場合、本来その設定周波数Ｆで計測されるべき値を計測できない可能性があるためである。

また、塗装中は高電圧発生器３の負荷の状態により、トランス駆動電流Ｉtのピーク値は変化する。この変化の速度は、高電圧発生器３と被塗物との間の距離に応じて、一般に２〜５Ｈｚ以下の変化である。前述した切替時間の具体例である０．１秒〜１秒程度の値は、これら負荷によるトランス駆動電流Ｉtのピーク値の変化の速度に対して、十分短い間隔としている。ピーク値Ｉp1の測定が終了すると、ステップ５に移行する。

ステップ５では、現在の設定周波数Ｆよりも周波数が高い第２周波数Ｆ2でのトランス駆動電流Ｉtのピーク値Ｉp2を測定する。このとき、第２周波数Ｆ2は、現在の設定周波数Ｆよりも予め決められた周波数差ΔＦだけ高い周波数に設定されている（Ｆ2＝Ｆ＋ΔＦ）。なお、周波数差ΔＦは、第１周波数Ｆ1と第２周波数Ｆ2との違いに基づいて、トランス駆動電流Ｉtのピーク値に検出可能な変化が現われる値として、例えば設定周波数Ｆの最高値に対して数百分の１程度の値に設定されている。具体的には、設定周波数Ｆが１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの範囲であるときに、周波数差ΔＦは、例えば０．１ｋＨｚに設定されている。

また、この周波数差ΔＦは、塗装品質に影響を与えない周波数差である。より大きな周波数差とする場合、高電圧Ｖhを一定に保持する制御に影響を与える。具体的には、周波数差を大きくし過ぎると高電圧発生器３の出力に影響を与え、意図しない異常出力の発生や、出力変動により塗装品質に影響を与えることがある。これは、高電圧発生器３に使用される昇圧トランス４および多段倍電圧整流回路５の時定数が比較的大きく、また、負極性の高電圧Ｖhが一定となるように、信号制御装置１５がフィードバック制御（検出信号Ｓit，Ｓv，Ｓiに基づいて、トランス制御信号となる電圧指令信号Ｃvおよび周波数指令信号Ｃfの生成）を行っているためである。しかしながら、設定周波数Ｆを切り替えると（周波数差が大きい場合）、トランス供給電力が変わって、フィードバック制御用の信号（検出信号Ｓit，Ｓv，Ｓi）が不連続入力となってしまう。この場合、駆動周波数変化により、単位時間あたりのエネルギ供給量が変わるため、切り替え時点で、負極性の高電圧Ｖhのオーバーシュート等の変動が発生する。使用する高電圧発生器３によって異なるが、高電圧Ｖhの変動量が±１ｋＶ以内となるように、一般に周波数差ΔＦは０．１ｋＨｚ程度の値を用いる。

そして、ピーク値Ｉp2を測定するときには、トランス駆動回路１２は、現在の設定周波数Ｆを第２周波数Ｆ2に変更した状態で、低電圧電力を高電圧発生器３に供給する。電源電流検出回路１３は、このときのトランス駆動電流Ｉtのピーク値Ｉp2を測定し、ピーク値Ｉp2に応じた検出信号Ｓitを信号制御装置１５に向けて出力する。ピーク値Ｉp2の測定が終了すると、ステップ６に移行する。

ステップ６では、現在の設定周波数Ｆよりも周波数が低い第３周波数Ｆ3でのトランス駆動電流のピーク値Ｉp3を測定する。このとき、第３周波数Ｆ3は、現在の設定周波数Ｆよりも予め決められた周波数差ΔＦだけ低い周波数に設定されている（Ｆ2＝Ｆ−ΔＦ）。なお、現在の設定周波数Ｆ（第１周波数Ｆ1）と第３周波数Ｆ3との間の周波数差ΔＦは、現在の設定周波数Ｆと第２周波数Ｆ2との周波数差ΔＦと同じ値に設定してもよく、異なる値に設定してもよい。

そして、ピーク値Ｉp3を測定するときには、トランス駆動回路１２は、現在の設定周波数Ｆを第３周波数Ｆ3に変更した状態で、低電圧電力を高電圧発生器３に供給する。電源電流検出回路１３は、このときのトランス駆動電流Ｉtのピーク値Ｉp3を測定し、ピーク値Ｉp3に応じた検出信号Ｓitを信号制御装置１５に向けて出力する。ピーク値Ｉp3の測定が終了すると、ステップ７に移行する。

ステップ７では、ピーク値Ｉp1，Ｉp2，Ｉp3を比較し、最も小さい値を判定する。ステップ７で、ピーク値Ｉp1が最小値と判定したときには、ステップ８に移行して、設定周波数Ｆを第１周波数Ｆ1に設定する。これにより、新たな設定周波数Ｆは、現在の設定周波数Ｆと同じ値に維持される。ステップ８の処理が終了すると、ステップ２以降を繰り返す。

ステップ４，５，６により、周波数Ｆ1，Ｆ2，Ｆ3を用いてピーク値Ip1，Ip2，Ip3の測定を行うことで、ステップ３における一定周期τに比較的長時間の値を用いても、誤判定せずに最小のピーク電流値に対応する設定周波数Ｆを求めることができる。一般的に知られる最急降下法では、観測量の減少が増加に反転した段階で、周波数の切り替え（例えば、周波数Ｆ1から始まり、一定期間に亘って周波数Ｆ2を使用し、このときの観測量により、周波数Ｆ3とするなど）を行う。一方、例えば高電圧発生器３の内部温度は周囲温度によっても影響を受けるため、必ずしも単調な増加ではない。これら従来方式を用いると、温度変化などの長時間の変動に対して誤判定となり、最小のピーク値を求めることができない。このため、最適な周波数から周波数差ΔＦの数倍離れた駆動周波数となったり、周囲温度や負荷変動がある場合に、ピーク値の最小方向に向けて駆動周波数（設定周波数Ｆ）が移動しなかったり、といった結果となる。

ステップ７で、ピーク値Ｉp2が最小値と判定したときには、ステップ９に移行して、設定周波数Ｆを第２周波数Ｆ2に設定する。これにより、新たな設定周波数Ｆは、現在の設定周波数Ｆよりも高い第２周波数Ｆ2に変更される。ステップ９の処理が終了すると、ステップ２以降を繰り返す。

ステップ７で、ピーク値Ｉp3が最小値と判定したときには、ステップ１０に移行して、設定周波数Ｆを第３周波数Ｆ3に設定する。これにより、新たな設定周波数Ｆは、現在の設定周波数Ｆよりも低い第３周波数Ｆ3に変更される。ステップ１０の処理が終了すると、ステップ２以降を繰り返す。

本実施の形態による高電圧制御装置は、上述のような周波数制御処理に基づき作動するものである。

然るに、設定周波数Ｆに基づくパルス波状（矩形波状）の駆動電圧（トランス駆動電圧Ｖt）が高電圧発生器３に入力されると、トランス駆動電圧Ｖtに応じて略矩形波状のトランス駆動電流Ｉtが流れる。ここで、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数に近い値に設定されたときには、トランス駆動電流Ｉtは、立上り側および立下り側の２つのピークをもった波形となる（図３参照）。しかしながら、これら２つのピークは互いに近い値となり、トランス駆動電流Ｉtが流れている間は、トランス駆動電流Ｉtの大きさの変動は小さくなる。このため、トランス駆動電流Ｉtの波形は、立上り側と立下り側との間でバランスが取れたもの（釣り合ったもの）となる。

しかしながら、昇圧トランス４の共振周波数は、塗装機１の種類、負荷条件、設置年数、連続出力時間等に応じて変化する。これに対し、設定周波数Ｆが固定値になっている場合には、各種の条件に応じて、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数からずれてしまう。

例えば、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数よりも低い値になったときには、トランス駆動電流Ｉtは、図３に示す場合に比べて、全体的に増加する（図４参照）。これに加え、トランス駆動電流Ｉtは、立上り側と立下り側との間で波形のバランスが崩れて、立下り側に偏った波形となる。このとき、トランス駆動電流Ｉtは、立下り側に大きなピークをもった波形となる。

一方、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数よりも高い値になったときには、トランス駆動電流Ｉtは、図３に示す場合に比べて、全体的に増加する（図５参照）。これに加え、トランス駆動電流Ｉtは、立上り側と立下り側との間で波形のバランスが崩れて、立上り側に偏った波形となる。このとき、トランス駆動電流Ｉtは、立上り側に大きなピークをもった波形となる。

このように、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数付近の値（最適値）からずれると、トランス駆動電流Ｉtの大きさが全体的に増加するのに加え、波形も変化する。このとき、昇圧トランス４には例えば磁気飽和等が生じ、電力損失が増加するから、高電圧発生器３の自己発熱がさらに増加する。この結果、塗装機１の運転を継続するに従って、設定周波数Ｆが最適周波数から離れてしまうという問題がある。

これに対し、本実施の形態による高電圧制御装置１１は、トランス駆動電流Ｉtが最小となるように、トランス駆動回路１２から供給する低電圧電力の設定周波数Ｆを制御する信号制御装置１５とを備えている。このため、例えば高電圧発生器３の自己発熱や湿度変化、負荷変動等に伴って、電力損失が増加したときには、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtが最小となるように、設定周波数Ｆを上昇または低下させる。これにより、設定周波数Ｆが最適値に近付くように自動的に調整することができ、電力損失を低減することができる。

なお、高電圧発生器３によっては、負荷の変動や塗装状態によっても、最適な設定周波数Ｆが１〜５％程度変動する場合がある。負荷による設定周波数Ｆの最適値の変動に対応するためには、ステップ３での一定周期τに、０．５秒から３秒程度の時間を使用する。しかしながら、負荷の変動は被塗物の形状により異なり、凹凸のある被塗物では設定周波数Ｆの最適値の変化時間が短く、一定周期τでは最適値が追従できない場合もある。この場合は、負荷によって変化する設定周波数Ｆの最適値の中心値を用いる方が、塗装品質が良好である。このため、設定周波数Ｆの更新は、ステップ３での記載のように、負荷変動より十分大きい一定周期τで行うとよい。

また、この一定周期τは、高電圧Ｖhの設定電圧を切り替えるときに、制御の影響が少ない値としている。一般に、塗装は先端電圧が一定となった状態で行われる。高電圧発生開始時の昇圧時、あるいは、被塗物（塗装対象）に合わせて先端電圧値を例えば−９０ｋＶから−７０ｋＶ等に切り替える場合は、通常２秒以下の遷移期間を設ける。この期間は、トランス駆動電流Ｉtが変化するが、最適な設定周波数Ｆの計算には余分である。ステップ３で例示した一定周期τの値は、このような遷移期間より５〜１０倍大きい値にすることで、高電圧値の切り替えの制御の影響を極めて少なくすることができる。

この効果を得るために、図６に示す変形例のように、次の簡単な処理を追加してもよい。具体的には、ステップ２とステップ３との間に、ステップ１１，１２の処理を追加する。このとき、高電圧Ｖhの設定電圧の変更は、信号制御装置１５により行っている。このため、ステップ１１で、高電圧Ｖhの設定電圧が変更されたか否かを判定する。ステップ１１で「ＮＯ」と判定したときには、高電圧Ｖhの設定電圧は変更されていないから、ステップ３に移行する。一方、ステップ１１で「ＹＥＳ」と判定したときには、高電圧Ｖhの設定電圧が変更されているから、ステップ１２に移行する。ステップ１２では、変更の開始からの所定期間として、高電圧Ｖhが変化する遷移期間は、タイマをリセットして、時間の計測状態（ステップ３の時間を計測）をキャンセルする。その後、ステップ３に移行する。従って、高電圧Ｖhが設定電圧に向けて変化している遷移期間は一定周期τの経過時間を計測せず、高電圧Ｖhが設定電圧付近で安定した後に一定周期τの経過時間を計測することができる。

ステップ１〜７の周波数制御処理は、高電圧発生器３の特性や運転方法を考慮して、より簡易な方法としてもよい。例えば温度の上昇により、最適な駆動周波数（設定周波数Ｆの最適値）が低くなる特性の高電圧発生器３であれば、塗装設備を終日稼働させるにあたり、緩やかな設定周波数Ｆの単調減少で近似しても十分な効果を得られるためである。この場合、周波数の比較は、現在の設定周波数Ｆの値（例えば初期値Ｆ0）に対して周波数差ΔＦを減算した値と現在の設定周波数Ｆの値との比較のみとしてもよい。このように本発明は高電圧発生器３の周波数変化の時間的速度と、ステップ３での一定周期τを同程度とすることが効果的なためである。

次に、ステップ１〜７の周波数制御処理で得られた最適周波数の保持方法について説明する。高電圧発生器３の特性によるが、例えば経年変化による最適な設定周波数の変化が支配的な場合には、ステップ１〜７で得られた最適な設定周波数Ｆの値を定期的に不揮発メモリ１６に保存する。そして、次回装置使用時には、不揮発メモリ１６に保存した最適な設定周波数Ｆの値をステップ１の初期値Ｆ0としてもよい。

あるいは、温度変化による最適な設定周波数の変化が支配的な場合には、信号制御装置１５に予め設定された初期値Ｆ0に戻すこととする。終日塗装を行うと、高電圧発生器３の温度が上昇している。しかしながら、一日の塗装工程が終わって、一定期間に亘って高電圧発生器３が停止すると、翌日の運転を行うときには、高電圧発生器３の温度が室温近くまで低下している。このため、前日得た最適の設定周波数Ｆの値を使用せず、信号制御装置１５の電源再投入により、予め設定された初期値Ｆ0を、ステップ１で起動時の設定周波数Ｆに設定する。

次に、ステップ１〜７で更新される設定周波数Ｆを、操作者に表示する機能を説明する。高電圧制御装置１１の操作・表示器１７は、操作者により入力されるステップ１の初期値Ｆ0と、ステップ７で得られた現在の設定周波数Ｆ（設定周波数Ｆの更新値）を同時に表示する。また、操作・表示器１７には、設定周波数Ｆを３０秒〜２分などの短期間で調整するための調整開始ボタン１７Ａを設ける。

操作者は、１日の塗装作業の完了時にその時点の設定周波数Ｆを参照し、初期値Ｆ0との相違を確認することができる。高電圧発生器３の温度上昇による相違は、１日の塗装時間によるため、初期値Ｆ0との相違は、ほぼ同様の差、たとえば２ｋＨｚになる。また、経年変化により、例えば、１年後には、４ｋＨｚになっていたとすると、初期値Ｆ0を再調整することで、より損失の少ない運転が可能となり、高電圧発生器３の寿命を延ばすことができる。

操作者は、翌日の運転開始時に、調整開始ボタン１７Ａを押して、初期値Ｆ0を更新して、経年変化による周波数偏差を低減することができる。なお、この短期間での設定周波数Ｆの調整は、一時的にステップ３の一定周期τを、たとえば０．５秒〜１秒にすることで実現可能である。

さらに、初期値Ｆ0と、現在の設定周波数Ｆの値が大きく異なり、例えば、数日での差が５ｋＨｚになったとすると、高電圧発生器３や塗装システムに何らかの異常が発生した可能性があり、異常の発見に役立てることができる。

かくして、本実施の形態による高電圧制御装置１１は、トランス駆動回路１２、電源電流検出回路１３および信号制御装置１５を備え、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtが最小となるように、トランス駆動回路１２から供給する低電圧電力の設定周波数Ｆを制御する。これにより、低電圧電力の設定周波数Ｆを最適値に調整することができるから、電力損失を低減することができ、電源出力の効率を高めることができる。この結果、塗装機１の負荷や高電圧発生器３の自己発熱を抑制することができるから、高電圧発生器３の耐久性を高めることができ、高電圧発生器３の長寿命化を図ることができる。

また、信号制御装置１５は、昇圧トランス４の一次側コイルに流れる電流（トランス駆動電流Ｉt）の大きさと、二次側コイルに流れる電流の大きさとを比較している。そして、信号制御装置１５は、一次側コイルに流れる電流が二次側コイルに流れる電流に比べて許容範囲以上に大きくなると、高電圧発生器３等に異常が発生したものとして、高電圧Ｖhの発生を停止することがある。このように塗装の途中で高電圧Ｖhの発生が停止すると、静電塗装を継続することができず、塗装品質の低下を招く可能性がある。

これに対し、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtが最小となるように、低電圧電力の設定周波数Ｆを制御する。このため、一次側コイルに流れる電流（トランス駆動電流Ｉt）は、できるだけ小さい値に保持することができるから、一次側コイルに流れる電流と二次側コイルに流れる電流との差を小さくすることができる。この結果、静電塗装を継続して実行することができ、塗装品質および塗装の生産性を高めることができる。

また、信号制御装置１５は、現在の設定周波数Ｆと同じ第１周波数Ｆ1と、現在の設定周波数Ｆよりも高周波の第２周波数Ｆ2と、現在の設定周波数Ｆよりも低周波の第３周波数Ｆ3とのそれぞれについて、トランス駆動回路１２によって低電圧電力を発生させてトランス駆動電流Ｉtを検出する。その上で、信号制御装置１５は、第１周波数Ｆ1、第２周波数Ｆ2、第３周波数Ｆ3のうちトランス駆動電流Ｉtが最も小さいときの周波数を新たな設定周波数Ｆに設定する。これにより、トランス駆動電流Ｉtが小さくなるように、現在の設定周波数Ｆを上昇または低下させることができる。

さらに、電源電流検出回路１３は、トランス駆動電流Ｉtのピーク値を検出する。このとき、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数からずれて、トランス駆動電流Ｉtの波形が歪んだときには、トランス駆動電流Ｉtのピーク値が増加する傾向がある。このため、トランス駆動電流Ｉtのピーク値を検出することによって、設定周波数Ｆが昇圧トランス４の共振周波数からずれたことを把握することができる。従って、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtのピーク値が最小となるように設定周波数Ｆを制御することによって、設定周波数Ｆを昇圧トランス４の共振周波数に自動的に合わせることができる。

なお、前記実施の形態では、信号制御装置１５は、設定周波数Ｆと同じ第１周波数Ｆ1と、設定周波数Ｆよりも高周波の第２周波数Ｆ2と、設定周波数Ｆよりも低周波の第３周波数Ｆ3とのそれぞれについて、トランス駆動電流Ｉtを検出し、第１周波数Ｆ1、第２周波数Ｆ2、第３周波数Ｆ3のうちトランス駆動電流Ｉtが最小となる周波数を新たな設定周波数Ｆに設定するものとした。本発明はこれに限らず、例えば最適な周波数が現在の設定周波数に対して低周波側にしか発生しないときには、設定周波数Ｆよりも高周波側でのトランス駆動電流Ｉtの検出は省いてもよい。

また、前記実施の形態では、信号制御装置１５は、予め決められた一定時間毎であって間欠的に設定周波数Ｆを調整するものとした。本発明はこれに限らず、信号制御装置１５は、時間的に連続して設定周波数Ｆを調整してもよい。

また、前記実施の形態では、信号制御装置１５は、電源電流検出回路１３によって検出したトランス駆動電流Ｉtに基づいて、設定周波数Ｆを制御するものとした。本発明はこれに限らず、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtに加えて、昇圧トランス４の二次側コイルの電流も考慮して、設定周波数Ｆを制御してもよい。具体的には、信号制御装置１５は、昇圧トランス４の二次側コイルの電流を基準として、一次側コイルの電流（トランス駆動電流Ｉt）が最小となるように、設定周波数Ｆを制御してもよい。この場合、信号制御装置１５は、昇圧トランス４の一次側コイルの電流（トランス駆動電流Ｉt）と二次側コイルの電流とを比較して、両者の差が小さくなるように、設定周波数Ｆを制御する。

また、前記実施の形態では、電源電流検出回路１３は、トランス駆動電流Ｉtのピーク値を検出するものとした。本発明はこれに限らず、電源電流検出回路１３は、例えばトランス駆動電流Ｉtの実効値や平均値を検出してもよい。この場合、信号制御装置１５は、トランス駆動電流Ｉtの実効値や平均値が最小となるように、設定周波数Ｆを制御してもよい。

また、前記実施の形態では、操作者が予め設定した初期値Ｆ0と、ステップ７により更新する現在の設定周波数Ｆを有し、高電圧制御装置１１の電源再投入により、操作者が予め設定した初期値Ｆ0を、ステップ１で起動時の設定周波数Ｆに設定する。これにより、高電圧制御装置１１の運転、停止状態による温度変化について、運転開始から短時間で最適な設定周波数Ｆに調整することができる。

また、前記実施の形態では、高電圧制御装置１１の操作・表示器１７に初期値Ｆ0と現在の設定周波数Ｆを表示することができる。初期値Ｆ0と現在の設定周波数Ｆがずれている場合は、操作者（ユーザ）はそれを見て、初期値Ｆ0の最適化を行うことができ、高電圧発生器１１の経年変化によらず、随時高効率で運転を行うことができる。

さらに、通常の運転による差異よりも、大幅に現在の設定周波数Ｆが異なる場合は、高電圧制御装置１１や高電圧発生器３の異常を検出することができ、速やかに異常品の交換を行って、塗装の品質を保持することができる。

前記実施の形態では、信号制御装置１５は設定周波数Ｆを切り替え制御しつつ、高電圧Ｖhを一定とする制御を行う場合を例に説明しているが、高電圧発生器３の構造より、出力の高電圧Ｖhを観測できないものもある。この場合、一次電圧におよそ比例した高電圧を発生するが、負荷状態により出力高電圧が変動することがある。一方、本発明は、高電圧発生器３に共通する駆動電流を元に制御を行うものであり、高電圧発生器３の構造によらず、効率を高めることができる。

また、前記実施の形態では、高電圧制御装置１１は、静電塗装に用いるものとした。本発明はこれに限らず、高電圧を発生させる各種の機器に使用することができる。

１ 塗装機
３ 高電圧発生器
４ 昇圧トランス（トランス）
１１ 高電圧制御装置
１２ トランス駆動回路（電力供給部）
１３ 電源電流検出回路（電流検出器）
１４ 先端電圧・電流検出回路
１５ 信号制御装置（周波数制御部）
１６ 不揮発メモリ（記憶部）
１７ 操作・表示器（表示器）

Claims (7)

1. 高電圧発生器のトランスに設定周波数の低電圧電力を供給し、前記高電圧発生器によって発生する高電圧を制御する高電圧制御装置であって、
   前記設定周波数の低電圧電力を前記トランスの一次側に供給する電力供給部と、
   前記トランスの一次側に流れるトランス駆動電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器によって検出したトランス駆動電流が最小となるように、前記電力供給部から供給する前記低電圧電力の前記設定周波数を制御する周波数制御部とを備えたことを特徴とする高電圧制御装置。
2. 前記周波数制御部は、
   現在の前記設定周波数と同じ第１周波数と、現在の前記設定周波数よりも周波数が高い第２周波数と、現在の前記設定周波数よりも周波数が低い第３周波数とのそれぞれについて、前記電力供給部によって低電圧電力を発生させて前記電流検出器によって前記トランス駆動電流を検出し、
   前記第１周波数、前記第２周波数、前記第３周波数のうち前記トランス駆動電流が最も小さいときの周波数を新たな前記設定周波数に設定することを特徴とする請求項１に記載の高電圧制御装置。
3. 前記電流検出器は、前記トランス駆動電流のピーク値を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の高電圧制御装置。
4. 前記周波数制御部は一定周期毎に新たな前記設定周波数の設定を行い、
   前記設定周波数の初期値を記憶する記憶部と、
   前記一定周期毎に前記初期値および前記設定周波数を表示する表示器と、をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の高電圧制御装置。
5. 前記一定周期は、１０秒以上で５分以下の範囲内の値に設定されたことを特徴とする請求項４に記載の高電圧制御装置。
6. 前記初期値は、前記高電圧発生器を停止するときの前記設定周波数の値に更新することを特徴とする請求項４に記載の高電圧制御装置。
7. 前記周波数制御部は、前記高電圧発生器から出力される前記高電圧の値を変更するときに、変更の開始から所定期間は新たな前記設定周波数の設定を行わないことを特徴とする請求項２に記載の高電圧制御装置。

Images