JP3135607B2 - リアルタイム制御電力調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、リアルタイムで実効
値出力電圧を制御する電力調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電力調整装置としては、オートト
ランスを用いた電圧振幅制御方式の装置（オートトラン
ス方式）や一般サイリスタ（ゲートターンオフサイリス
タ（ＧＴＯＴｈ）など自己消弧能力を持っているものを
除く）を用いた位相制御方式の装置（一般サイリスタ方
式）などが知られている。

【０００３】オートトランス方式では出力電圧のカーブ
が滑らかなサインカーブであるので、負荷に電磁力サー
ジが発生しないという利点がある。しかし、オートトラ
ンスの寸法が大きいことや遠隔操作がむずかしいため現
在ではほとんど使用されていない。

【０００４】一般サイリスタ方式は小型で遠隔操作性に
優れまた省エネルギーにも役立つので最近の電力調整装
置の主流となっている。一般サイリスタ方式とは、主回
路のパワースイッチ素子に一般のサイリスタを用い、出
力電圧の位相制御を行うことにより出力電力を調整する
方式である。図１にこの方式の回路例を示す。

【０００５】この方式の制御特性を図２を参照しつつ説
明する。なお負荷は全抵抗負荷の場合を考える。

【０００６】最上段は入力電圧を示す。２段目はゼロク
ロス信号を示す。入力電圧のゼロクロスを検出し、その
時点からタイムカウントし、ある位相角に相当する時間
となった時点でサイリスタのゲートを駆動してサイリス
タをターンオンさせる。３段目はこのゲート駆動信号を
示す。ターンオンさせると、最下段に示すようにサイリ
スタの出力電圧は急速に立上り入力電圧にほぼ等しい値
にまで達する。その後は出力は入力電圧波形に相当する
波形を描いて次のゼロクロス点に達する。このゼロクロ
ス点でサイリスタは自動的にターンオフする。

【０００７】ターンオン中の電圧を演算した実効出力電
圧が出力の指標となる値である。この値を制御するに
は、サイリスタのターンオン位相角を制御することにな
る。所定の出力目標に対して、計算によりターンオン位
相角を求め、その角に対応する遅延時間（１回目のゼロ
クロスからターンオンまでの時間）後にサイリスタをタ
ーンオンさせることにより、この制御を行う。

【０００８】ところが、この一般サイリスタ方式の電力
調整装置には、重大な問題点がある。すなわち、この方
式の電力制御は、主回路に通電をしない位相角をコント
ロールすることにより、間接的に入力のうちの遮断する
電力をコントロールしているので、実際の出力は予測値
にすぎないことである。そのため、入力そのものに電源
波形の歪み等の変動があった場合、入力から遮断電力
（厳密にはサイリスタ損失も）を差し引いた実際の出力
が不意に変動することになる。

【０００９】この変動をも制御対象としようとすると、
フィードバックコントロールにより、次サイクル（ある
いは数サイクル後のサイクル）でのターンオン遅延時間
を調整することになる。これでは、１サイクル毎の入力
外乱に対応してその場で外乱をキャンセルして目標通り
の出力を得るリアルタイム制御にはならない。またフィ
ードバックコントロールの応答性を改善しようとする
と、制御ループで発振現象が起こり制御不能となること
もある。

【００１０】理想的なリアルタイム制御をするには、つ
まり交流入力の１サイクル毎に入力外乱を補正して出力
値を所定値にコントロールするには、意図的ターンオフ
のできない一般的サイリスタ方式を用いることはできな
い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、電源波形
の歪みなどの入力の外乱変動の影響をリアルタイムで補
正して、所用の出力を安定的に供給することのできるリ
アルタイム制御電力調整装置を提供することを、目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のリアルタイム制御電力調整装置は以下の
構成を有することとした（図３参照）。すなわち、 （ａ）主回路が、 小消費電力で主電流をターンオン
および意図的ターンオフすることのできるパワースイッ
チ素子を順方向に少なくとも１個（３１１）と逆方向に
少なくとも１個（３１２）を直列に接続した素子対と、
各々の該素子と並列に、各々の該素子方向に逆向き
で接続したダイオード（３１３、３１４）と、 上記
順方向パワースイッチ素子（３１１）と上記逆方向パワ
ースイッチ素子（３１２）との間に直列に接続され、そ
れぞれの出力電力値を検出するための要素（３１５）と
を有し、 （ｂ）制御部が、 各々の上記素子を駆動する回路
（３２１、３２２）と、 入力として上記出力電力値
と目標実効出力電圧値とを受けて、上記駆動回路に駆動
信号を出力するマイクロコンピューター（３２５）とを
有し、 （ｃ）制御動作は、 入力電圧の負から正へのゼロク
ロッシングより前の時点で順方向パワースイッチ素子に
対して予じめオンの駆動信号を与え且つ逆方向パワース
イッチ素子に対して予じめオフの駆動信号を与えてお
き、 上記マイクロコンピューターが上記出力電力値
を受けて所定の演算式によりリアルタイム実績実効出力
電圧を算出し、 与えられている実効出力電圧目標値
と実効出力電圧実績値とを比較照合し両者が一致した時
点で、順方向パワースイッチ素子の駆動信号をオフする
とともに逆方向パワースイッチ素子の駆動信号をオン
し、 引き続き上記を行い、 与えられている実
効出力電圧目標値と実効出力電圧実績値とを比較照合し
両者が一致した時点で逆方向パワースイッチ素子の駆動
信号をオフするとともに順方向パワースイッチ素子の駆
動信号をオンし、 以後、からを繰り返す。

【００１３】発明の構成を図３を参照しつつ説明する。

【００１４】この発明の電源（３０１）には、一般商用
交流電源（単相、三相）や自家発電機で発生させた交流
電源など各種の交流電源を使用しうる。

【００１５】出力を供給する負荷（３３１）としては、
たとえば白熱灯や高精度制御モーターなどがあげられ
る。要は、リアルタイム制御を要するほどの高精度電源
を必要とする負荷ならば、その形式を問わず適用でき
る。

【００１６】小消費電力で主電流をターンオンおよび意
図的ターンオフできるパワースイッチ素子（３１１、３
１２）とは、駆動動力が比較的小さくてターンオン時の
電力損失が少ない主回路開閉素子であって、電源電圧の
状況のいかんにかかわらず素子の開閉を意図的に行える
ものの意味である。たとえばＭＯＳＦＥＴ（電界効果形
トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトラ
ンジスタ）のように電圧駆動できる素子や、効率のよい
ＢＰＴ（バイポーラトランジスタ）、ＧＴＯＴｈ（ゲー
トターンオフサイリスタ）、光ゲートターンオフサイリ
スタなどがこの部類に含まれる。

【００１７】パワースイッチを順方向に１個と逆方向に
１個直列に接続することの意味については後述の作用の
欄で説明する。

【００１８】該素子と並列に該素子方向と反対方向でダ
イオードを設けることの意味についても後述の作用の欄
で説明する。ここでダイオードとは一方向通電・他方向
遮断の特性を持つ素子の総称である。

【００１９】出力電力を検出する要素とは、電流式や電
圧式などの出力電力を測定する要素を意味する。電流式
の場合、例えば、抵抗式、カレントトランス式、電流ホ
ール素子式などの電流計である。電圧式の場合は負荷の
電圧降下を検出する電圧計である。検出した電力値はマ
イクロコンピューターに入力できるデジタル値で出力す
る。必要により、ＡＤ変換器を随伴してよい。

【００２０】次に制御部の構成について説明する。制御
部のパワースイッチ駆動回路とはパワースイッチをター
ンオン、ターンオフさせる駆動信号を適切にパワースイ
ッチに供給する回路である。たとえば、ＭＯＳＦＥＴや
ＩＧＢＴについては、それらのゲート等に信号電圧を印
加させる回路である。

【００２１】パワースイッチをＢＰＴとする場合は、駆
動回路はＢＰＴのベース電流を制御する電流回路とな
る。パワースイッチを光ゲートターンオフ型のサイリス
タとする場合は制御部は光回路となる。

【００２２】マイクロコンピューター（３３１）につい
て説明する。入力は、少なくとも、上記出力電力検出要
素からの出力電力検出信号と目標実効出力とである。後
者はマニュアル、ホストコンピューターよりの指令、Ｒ
ＯＭ記憶等により与えられる。処理速度、記憶容量は制
御周期や制御精度によって適切に選択しうる。出力は、
少なくとも、パワースイッチ素子への駆動指令である。

【００２３】次に制御動作について図４を参照しながら
説明する。

【００２４】図４において最上段の曲線はパワースイッ
チへの入力電圧変化を示す。上から２段目は順方向素子
の、３段目は逆方向素子の、それぞれ駆動信号の状態を
示す。最下段の曲線は出力電圧変化を示す。これらはす
べて本発明の電力調整装置の制御動作の一例である。

【００２５】入力電圧の曲線は基本的にはサインカーブ
である。しかし不規則な変動（電圧ドロップなど）やサ
インカーブの歪を伴っている。図４左端Ａ時点は負電圧
から１回目のゼロクロスに移りかけているところであ
る。

【００２６】Ａの時点で順方向素子（３１１）の駆動信
号をオンする。しかし、この時点では入力電圧はマイナ
スで順方向素子には逆バイアスがかかっているため順方
向素子は通電しない。また順方向素子に並列に逆方向で
接続されているダイオード（３１３）にも逆電圧がかか
っているのでダイオードも通電しない。結局主回路は不
導通で出力は０である。

【００２７】次に、１回目のゼロクロスが生じるＢ時点
通過後は事情が異なる。ターンオンしている順方向素子
に正電圧がかかり素子が導通し、基本的に入力と同じ
（素子抵抗の分だけ電圧降下）電圧が出力される。図４
最下段のＢからＣまでの曲線がそれを示している。

【００２８】出力電圧の関数である例えば出力電流は一
定周期毎に測定される。一定周期を具体的にいくらとす
るかは、入力電源の周波数や要求されるリアルタイム制
御の度合いによって異なる。たとえば東日本地区商用交
流の５０Ｈｚの場合だと、周期２０ｍsec の１／１０か
ら１／１０００つまり２０μsec から２ｍsec が一般的
である。

【００２９】出力実効電圧を主回路電流からの換算で求
めることもできる。この場合の実効電圧計算の方法は次
のとおりである。まず式１によって実効電流を計算す
る。

【００３０】

【数１】

【００３１】次に得られた実効電流値に想定される負荷
抵抗を乗じて実効電圧値を計算する。

【００３２】パワースイッチ素子の通電時間の経過とと
もに実効電圧値は上昇する。一方、マイクロコンピュー
ターには制御目標の実効電圧値が与えられており、実績
値と目標値が一致した時点（図４Ｃ）で次の動作に移行
する。

【００３３】図４のＣ時点でマイクロコンピューターは
パワースイッチ駆動回路に信号を出して順方向素子をオ
フする。これにより、負荷への必要以上の電力供給を断
つ。

【００３４】一方、逆方向素子駆動信号を順方向素子と
は逆にオンにする。そうしても出力電圧が０に保たれる
のは前述のメカニズムによる。

【００３５】Ｄの時点からＦの時点までは入出力電圧の
正負が逆なことを除いては、ＢからＤの時点の場合と同
様である。

【００３６】

【実施例】この発明の一実施例を図５の回路図に示す。
回路中の構成要素を具体的に以下に示す。 電源（５０１）：１００Ｖ、５０Ｈｚ商用交流電源 パワースイッチ素子（５１１、５１２）：ＩＧＢＴ、三
菱電気製ＣＭ３０Ｅ３Ｙ−１２ ダイオード（５１３、５１４）：上記ＩＧＢＭに内蔵 抵抗（５１５）：シャント型抵抗 ＡＤ変換器（５１６）：アナログデバイス社製ＡＤ５７
９ ゲート回路（５１２、５２２）：−１５Ｖ〜＋１５Ｖの
電圧回路 マイクロコンピューター（５２５）：１６ビットマイコ
ン、インテル社製８０２８６ 送受信ＳＩＯ（５２６）：ＮＥＣ製Ｄ７２０１ 光アイソレータ（５２７）：東芝製ＴＬＰ５５０ 負荷（５３１）：白熱灯（１００Ｖ、１ＫＷＨ）

【００３７】この実施例では、目標実効電圧値を光通信
装置を介してホストコンピューターより与えることとし
ている。複雑な出力制御にも対応しうるためである。

【００３８】演算のインターバルは２０μsec とした。
その結果、良好なリアルタイム制御結果が得られた。

【００３９】

【発明の効果】本発明のリアルタイム制御電力調整装置
は以下の効果を有する。

【００４０】 電源波形の歪みなどの入力の外乱変動
の影響をリアルタイムですばやく補正して時間遅れなく
出力制御できる。 入力の乱れに関係なく安定した高精度の出力を負荷
に供給できる。

【００４１】 パワースイッチ素子の駆動信号は入力
電圧のゼロクロスと関係なく切替えられるので、ゼロク
ロス検出は不要となる。 の結果、入力電圧の大きな乱れによってゼロクロ
スに誤信号が入るような場合にも、制御動作に影響がな
くなり、より一層出力が安定する。

【００４２】 の問題に対処するため、従来は入力
を電圧フィルター回路に通して安定化させていた。その
ため位相角約２０°の遅延が生じ、出力を最大とする場
合にも位相角１６０°（フルで１８０°）分の出力しか
出せなかった。この発明では、ほぼ１００％のフルサイ
ンウェーブ出力とすることができる。

【００４３】 の後れの問題のため、従来の回路で
は、出力をストロボ等のきわめて高精度動作タイミング
を要求させる負荷には電力を供給できなかった。遅れの
ため歪波形となりストロボ発光タイミングの周期性を害
するからである。しかしこの発明の電力調整装置出力
は、一般商用電源と同様にストロボにも使用できる。

【００４４】 この発明の電力調整装置では出力の立
上りが入力のサインカーブのなめらかな立上りと同一形
状であるため、従来の電力調整装置での急峻な立上りを
さけることができる。この急峻な立上りでのｄｉ／ｄｔ
（電流勾配）が白熱灯などに印加されると白熱灯のフィ
ラメントが電磁力により振動し聴音ノイズを発生させて
いた。本発明の電力調整装置ではこのノイズ発生を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の一般サイリスタ方式の電力調整装置を示
す回路図である。

【図２】従来の一般サイリスタ方式の制御特性を示す図
である。

【図３】この発明の電力調整装置を示す回路図である。

【図４】この発明の電力調整装置の制御特性を示す図で
ある。

【図５】この発明の電力調整装置の一実施例を示す回路
図である。

【符号の説明】

１０１、３０１、５０１ 電源 １１１、１１２ サイリスタ ３１１ 順方向パワース
イッチ素子 ３１２ 逆方向パワース
イッチ素子 ５１１ 順方向ＩＧＢＴ ５１２ 逆方向ＩＧＢＴ ３１３、３１４、５１３、５１４ ダイオード ３１５ 出力電力検出要
素 ５１５ 抵抗 ５１６ ＡＤ変換器 １２１、５２１、５２２ ゲート回路 １２２ 制御回路 ３２１ 順方向パワース
イッチ素子駆動回路 ３２２ 逆方向パワース
イッチ素子駆動回路 ３２５ マイクロコンピ
ューター ５２６ 送受信ＳＩＯ ５２７、５２８ 光アイソレータ １３１、３３１ 負荷 ５３１ 白熱灯

フロントページの続き (72)発明者 ゴードン ダブリュ パールマン アメリカ合衆国 オレゴン ポートラン ド エヌ ダブリュ ルレイ テラス 3004 (72)発明者 スチーブン ビー カールソン アメリカ合衆国 オレゴン ポートラン ド エヌ ダブリュ オールド ケリィ ロード 11929 (72)発明者 関根 信明 埼玉県入間郡大井町武蔵野1285 アール ディエス株式会社 埼玉工場内 (56)参考文献 特開 昭60−144811（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−16311（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05F 1/455 G05F 1/10 H02M 5/257

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源（３０１）と負荷（３３１）と
   の間に接続される、以下の構成を有するリアルタイム制
   御電力調整装置； （ａ）主回路が、 小消費電力で主電流をターンオンおよび意図的ター
   ンオフすることのできるパワースイッチ素子を順方向に
   少なくとも１個（３１１）と逆方向に少なくとも１個
   （３１２）を直列に接続した素子対と、 各々の該素子と並列に、各々の該素子方向に逆向き
   で接続したダイオード（３１３、３１４）と、 上記順方向パワースイッチ素子（３１１）と上記逆
   方向パワースイッチ素子（３１２）との間に直列に接続
   され、それぞれの出力電力値を検出するための要素（３
   １５）とを有し、 （ｂ）制御部が、 各々の上記素子を駆動する回路（３２１、３２２）
   と、 入力として上記出力電力値と目標実効出力電圧値と
   を受けて、上記駆動回路に駆動信号を出力するマイクロ
   コンピューター（３２５）とを有し、 （ｃ）制御動作は、 入力電圧の負から正へのゼロクロッシングより前の
   時点で順方向パワースイッチ素子に対して予じめオンの
   駆動信号を与え且つ逆方向パワースイッチ素子に対して
   予じめオフの駆動信号を与えておき、 上記マイクロコンピューターが上記出力電力値を受
   けて所定の演算式によりリアルタイム実績実効出力電圧
   を算出し、 与えられている実効出力電圧目標値と実効出力電圧
   実績値とを比較照合し両者が一致した時点で、順方向パ
   ワースイッチ素子の駆動信号をオフするとともに逆方向
   パワースイッチ素子の駆動信号をオンし、 引き続き上記を行い、 与えられている実効出力電圧目標値と実効出力電圧
   実績値とを比較照合し両者が一致した時点で逆方向パワ
   ースイッチ素子の駆動信号をオフするとともに順方向パ
   ワースイッチ素子の駆動信号をオンし、 以後、からを繰り返す。
2. 【請求項２】 上記パワースイッチ素子ＭＯＳ型電界効
   果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイ
   ポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である請求項１の電力
   調整装置。
3. 【請求項３】 上記パワースイッチ素子がゲートターン
   オフサイリスタ（ＧＴＯＴｈ）である請求項１の電力調
   整装置。