(57)【要約】【課題】  負荷装置の特性に応じた多様な始動動作を行うことのできる新規な誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法並びに単相用ソフト始動装置の開発を技術課題とした。【解決手段】  半導体スイッチ１１に供給するトリガパルスのタイミングを制御して出力の電圧実効値を調整する位相制御を行い、始動電圧を任意に設定し、始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間を任意に設定し、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作を実施することを特徴として成り、最適な立ち上がり時間を任意に設定することができるため、出力や電流を平滑に上昇させることができるとともに、負荷装置自体及び負荷装置に接続される機器の寿命を飛躍的に向上させることができる。【選択図】図１
2010020451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相誘導負荷装置や抵抗負荷装置に供給する電力を調整することにより、起動時の突入電流を低減させるための手法において、この手法は、半導体スイッチに供給するトリガパルスのタイミングを制御して出力の電圧実効値を調整する位相制御を行うものであり、始動電圧を任意に設定し、始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間を任意に設定し、更に、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作を実施するものであることを特徴とする誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法。
【請求項２】
前記ステップアップ動作は、半導体スイッチの位相制御を全電圧にするものであることを特徴とする請求項１記載の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法。
【請求項３】
前記ステップアップ動作は、電源と負荷装置とを直結するものであることを特徴とする請求項１記載の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法。
【請求項４】
単相誘導負荷装置や抵抗負荷装置に供給する電力を調整することにより、起動時の突入電流を低減させるための装置において、この装置は、半導体スイッチに供給するトリガパルスのタイミングを制御して出力の電圧実効値を調整する位相制御を行うものであり、始動電圧を任意に設定するための手段と、始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間を任意に設定するための手段とを具えるものであり、更に、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作を実施するための手段を具えたことを特徴とする単相用ソフト始動装置。
【請求項５】
前記ステップアップ動作を実施するための手段は、トライアックの位相制御を全電圧にするものであることを特徴とする請求項４記載の単相用ソフト始動装置。
【請求項６】
前記ステップアップ動作を実施するための手段は、電源と負荷装置とを直結するバイパス回路であることを特徴とする請求項４記載の単相用ソフト始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は誘導負荷装置や抵抗負荷装置が起動する際の突入電流を抑えるための始動方法並びに装置に関するものであって、特に負荷装置の出力や電流を平滑に上昇させることができるとともに、負荷装置の特性に応じた多様な始動動作を行うことのできる始動方法並びに装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
単相モータ等の誘導負荷装置あるいはヒータ・照明等の抵抗負荷装置は、起動時に全電圧をかけた場合には、定常電流よりもはるかに大きな突入電流が流れてしまい、ヒューズの溶断、ブレーカーの切断、電源スイッチ接点の溶着等が発生してしまうことがある。
これらの現象は突入電流の大きさに応じた素子を用いる事により回避することも可能であるが、コストの上昇を招いてしまい、更にはヒューズやブレーカーに関しては定常使用時の異常に対して機能しなくなる等の弊害も生じてしまう。
また誘導負荷装置では起動時の電流から定常電流に落ち着くまでの段階でノイズが生じるため、前記負荷装置に接続されている機器等に悪影響を及ぼしてしまう。
【０００３】
このため起動時に負荷装置に印加する電圧を低く抑えて徐々に増大させてゆくことにより、起動時の電流が過度に流れないようにするとともに、定常電流となる前に全電圧にまで上げるといった手法が行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８８９０７号公報
【０００５】
上記特許出願に開示された装置は、電源ラインに流れる電流の波形をＣＴで取り込み、整流された電流から電流検出回路で電流の最大値を求め、電流のピークが検出された時にサイリスタに全出力信号を送るといったフィードバック制御を行っているものであり、電流のピークが検出された時点で急激に電圧を増大させるといった制御を確実に行うことができるものである。
しかしながらランプヒータのような抵抗負荷装置は、温度によって抵抗値がリニアに変化するものであって起動時が最も抵抗値が低くその後温度上昇とともに抵抗値が上昇するものであり、徐々に電圧を増大させた場合には電流のピークが検出されないものであるため、このような抵抗負荷装置への適用はできなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような背景を考慮してなされたものであって、負荷装置の出力や電流を平滑に上昇させることができるとともに、誘導負荷装置だけではなく抵抗負荷装置への適用も可能であり、負荷装置の特性に応じた多様な始動動作を行うことのできる新規な誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法並びに単相用ソフト始動装置の開発を技術課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち請求項１記載の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法は、単相誘導負荷装置や抵抗負荷装置に供給する電力を調整することにより、起動時の突入電流を低減させるための手法において、この手法は、半導体スイッチに供給するトリガパルスのタイミングを制御して出力の電圧実効値を調整する位相制御を行うものであり、始動電圧を任意に設定し、始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間を任意に設定し、更に、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作を実施するものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、最適な立ち上がり時間を任意に設定することができるため、誘導負荷装置の場合には最適な始動トルクを得ることができ、出力や電流を平滑に上昇させることができるとともに、誘導負荷装置自体及び誘導負荷装置に接続される機器の寿命を飛躍的に向上させることができる。また徐々に電圧を増大させた場合に電源ラインに流れる電流値がピークを持たない抵抗負荷装置であっても適用対象とすることができる。
このため、船舶等、電源容量が限られた状況において負荷装置を効率的に作動させることができる。
また起動時の電流を抑えることにより、電源のフリッカ現象や電圧降下を回避することができる。
【０００８】
また請求項２記載の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法は、前記要件に加え、前記ステップアップ動作は、半導体スイッチの位相制御を全電圧にするものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、必要最小限の回路構成によってステップアップ動作を実施することができる。
【０００９】
更にまた請求項３記載の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法は、前記請求項１記載の要件に加え、前記ステップアップ動作は、電源と負荷装置とを直結するものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、定常運転時には半導体スイッチを使用しないため、余分な発熱を排除することができ、省電力運転を行うことができる。
【００１０】
また請求項４記載の単相用ソフト始動装置は、単相誘導負荷装置や抵抗負荷装置に供給する電力を調整することにより、起動時の突入電流を低減させるための装置において、この装置は、半導体スイッチに供給するトリガパルスのタイミングを制御して出力の電圧実効値を調整する位相制御を行うものであり、始動電圧を任意に設定するための手段と、始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間を任意に設定するための手段とを具えるものであり、更に、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作を実施するための手段を具えたことを特徴として成るものである。
この発明によれば、最適な立ち上がり時間を任意に設定することができるため、誘導負荷装置の場合には最適な始動トルクを得ることができ、出力や電流を平滑に上昇させることができるとともに、誘導負荷装置自体及び誘導負荷装置に接続される機器の寿命を飛躍的に向上させることができる。また徐々に電圧を増大させた場合に電源ラインに流れる電流値がピークを持たない抵抗負荷装置であっても適用対象とすることができる。
このため、船舶等、電源容量が限られた状況において負荷装置を効率的に作動させることができる。
また起動時の電流を抑えることにより、電源のフリッカ現象や電圧降下を回避することができる。
【００１１】
更にまた請求項５記載の単相用ソフト始動装置は、前記請求項４記載の要件に加え、前記ステップアップ動作を実施するための手段は、半導体スイッチの位相制御を全電圧にするものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、必要最小限の回路構成によってステップアップ動作を実施することができる。
【００１２】
更にまた請求項６記載の単相用ソフト始動装置は、前記請求項４記載の要件に加え、前記ステップアップ動作を実施するための手段は、電源と負荷装置とを直結するバイパス回路であることを特徴として成るものである。
この発明によれば、定常運転時には半導体スイッチを使用しない運転が可能となるため、余分な発熱を排除することができ、省電力運転を行うことができるとともに、単相用始動装置の寿命を延ばすことができる。
そしてこれら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、誘導負荷装置だけではなく抵抗負荷装置であっても、負荷装置の出力や電流を平滑に上昇させることが可能となるとともに、負荷装置の特性に応じた多様な始動動作を行うことができ、負荷装置及びその周辺機器の製品寿命を伸ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態の一つは以下の実施例に説明するとおりであって、始めに単相用ソフト始動装置の構成について説明し、続いてこの装置の作動態様と併せて本発明の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法について説明する。
なお以下の実施例に対して、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更を加えることも可能である。
【実施例】
【００１５】
本発明の単相用ソフト始動装置１は図１に示すように、単相交流電源２（以下、単に電源２と称する。）と負荷装置３とによって形成された回路に接続され、負荷装置３に供給される実効電力を調整することにより、負荷装置３の起動時の突入電流を低減させて負荷装置３及び周辺機器を保護するための装置である。
この単相用ソフト始動装置１は、位相制御装置１０、半導体スイッチ１１、ゼロクロス信号出力器１２及び始動スイッチ１３を主要な構成要素として構成されるものであり、以下、これら各要素について説明する。
【００１６】
まず前記位相制御装置１０は、半導体スイッチ１１に対して適宜のタイミングでトリガパルスを送出するための装置であり、一例として汎用マイコンが適用されたものである。
また前記半導体スイッチ１１は、一例として双方向サイリスタ（トライアック）が適用されるものであり、このものは二個のサイリスタを逆並列に接続し、双方向に電流を流せるようにしたものである。なお半導体スイッチ１１としては、ＧＴＯサイリスタ、ＴＨＹサイリスタ、ＩＧＢＴ等を適用することもできる。
また前記ゼロクロス信号出力器１２は高精度のコンパレータを具えて構成されるものであり、電源２の出力波形をモニタリングしてゼロクロス信号ライン１２０を通じてゼロクロス信号を送出するための機器である。
【００１７】
そして位相制御装置１０は、前記ゼロクロス信号を元にトリガパルスライン１１０を通じて半導体スイッチ１１に出力するトリガパルスの送出タイミングを決定して、半導体スイッチ１１の出力の電圧実効値を調整するための位相制御を実行するものである。すなわち図２（ａ）に示すように２／π、３／４πのタイミングでトリガパルスが出力された場合には、半導体スイッチ１１の出力の電圧実効値は５０％となり、図２（ｃ）に示すように０、πのタイミングでトリガパルスが出力された場合には、半導体スイッチ１１の出力の電圧実効値は１００％（全電圧）となる。
【００１８】
また単相用ソフト始動装置１は、負荷装置３の始動電圧を任意に設定するための手段と、始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間を任意に設定するための手段とを具えるものであり、更に、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作を実施するための手段を具える。
すなわち図３を参照しながら具体的に説明すると、起動時の電圧を図３（ａ）中、Ａ点で示すように全電圧の５０％としたい場合には、図２（ａ）に示すように半導体スイッチ１１の出力の電圧実効値はが５０％となるようなタイミングでトリガパルスを送出するようにするものであり、このための手段として、一例として位相制御装置１０の内部回路に接続された可変抵抗ＶＲ１が具えられ、この可変抵抗ＶＲ１の値を調整することによりトリガパルスの送出タイミングを決定し、前記Ａ点の値を選定できるようになっている。
なおこの実施例では一例として、始動電圧を全電圧の０〜５０％の間で設定できるようにした。
【００１９】
また始動電圧から全電圧にまで至るまでの時間（以下、立上がり時間と称する。）を任意に設定するための手段として、一例として位相制御装置１０の内部回路に接続された可変抵抗ＶＲ２が具えられるものであり、この可変抵抗ＶＲ２の値を調整することにより図３（ｂ）に示すｔ1 （Ｂ点）の値すなわち立上がり時間を選定できるようになっている。具体的には負荷装置３にかかる電圧はＡ点で示す値（５０％）でスタートし、時間がｔ1 経過したＢ点で全電圧（１００％）となるものであり、このときのトリガパルスの送出タイミングは図２（ａ）に示した状態から図２（ｂ）に示した状態を経て、図２（ｃ）に示した状態となるものである。
なおこの実施例では一例として、立上がり時間を２〜３３秒の間で設定できようにした。
【００２０】
更に本発明では、始動電圧から全電圧にまで至る途中の段階において、位相制御における位相角が所定値になった時点で、一気に全電圧に移行するステップアップ動作が行われるものであり、この位相角を設定するための手段として、一例として位相制御装置１０の内部回路に接続された可変抵抗ＶＲ３が具えられる。そして可変抵抗ＶＲ３の値を調整することにより図３（ｃ）に示すＣ点の位置（ステップアップ電圧値）を位相角によって選定できるようになっている。
なおこの実施例では、ステップアップ電圧値を、全電圧の６０〜９０％の間で設定できるようにした。
【００２１】
本発明の単相用ソフト始動装置１は一例として上述したように構成されるものであり、続いてこの装置の作動態様と併せて本発明の誘導負荷装置または抵抗負荷装置の始動方法について説明する。
【００２２】
（１）誘導負荷装置の始動
負荷装置３として単相誘導モータを起動する場合には、準備段階として初めに可変抵抗ＶＲ１を調整することにより、起動時の電圧を一例として図３（ａ）中、Ａ点で示すように全電圧の５０％に設定する。
次に可変抵抗ＶＲ２を調整することにより図３（ｂ）に示すＢ点の位置（立上がり時間）を設定するものであり、この実施例では一例として３０秒とした。
更に可変抵抗ＶＲ３を調整することにより図３（ｃ）に示すＣ点の位置（ステップアップ電圧値）を設定するものであり、この実施例では一例として全電圧の８０％とした。
【００２３】
なお上述のような各設定値は、負荷装置３である単相誘導モータの特性に応じて選定されるものであり、時間軸に対しての電圧値、電流値及びトルク値の関係が図４（ａ）に示された状態になるように設定される。つまり半導体スイッチ１１の出力電圧が全電圧の５０％に抑えられた状態から徐々に増加することとなるため、電流値も徐々に増加する曲線を描くとともに突入電流が抑制されることとなる。更にトルクについても始動時から徐々に増加するような曲線を描くこととなる。
そして半導体スイッチ１１の出力電圧が全電圧の８０％となったことを位相制御装置１０が位相角の値から検出した時点では、電流は減少傾向になっており、この時点で一気に全電圧に移行するステップアップ動作が実施されるものであり、トリガパルスの送出タイミングが図２（ｃ）に示した状態とされるものである。
この結果、誘導負荷装置の出力及び電流を平滑に上昇させることができ、更に定常状態に至る過程においてノイズが発生してしまうのを回避することができる。
【００２４】
因みに負荷装置３である単相誘導モータを全電圧で起動した場合の、時間軸に対する電圧値、電流値及びトルク値の関係は図４（ｂ）に示された状態となるものであり、定常時の数倍の突入電流が流れてしまう。
【００２５】
（２）抵抗負荷装置の始動
また負荷装置３として抵抗負荷装置を起動する場合には、準備段階として初めに可変抵抗ＶＲ１を調整することにより、起動時の電圧を一例として全電圧の５０％に設定する。
次に可変抵抗ＶＲ２を調整することにより立上がり時間を設定するものであり、この実施例では一例として１０秒とした。
更に可変抵抗ＶＲ３を調整することによりステップアップ電圧値を設定するものであり、この実施例では一例として全電圧の９０％とした。
【００２６】
なお上述のような各設定値は、負荷装置３である抵抗負荷装置の特性に応じて選定されるものであり、時間軸に対しての電圧値、電流値の関係が図５（ａ）に示された状態になるように設定される。つまり半導体スイッチ１１の出力電圧が全電圧の５０％に抑えられた状態から徐々に増加することとなるため、電流値も徐々に増加する曲線を描くとともに突入電流が抑制されることとなる。
そして半導体スイッチ１１の出力電圧が全電圧の９０％となったことを位相制御装置１０が位相角の値から検出した時点では、電流は定常電流に近づいており、この時点で一気に全電圧に移行するステップアップ動作が実施されるものであり、トリガパルスの送出タイミングが図２（ｃ）に示した状態とされるものである。
このように本発明を、起動時が最も抵抗値が低くその後温度上昇とともに抵抗値が上昇する抵抗負荷に適用することにより、突入電流を抑制した運転を行うことが可能となる。このため抵抗負荷装置の損傷を回避することができる。
【００２７】
〔他の実施例〕
本発明は上述した実施例を基本となる実施例とするものであるが、本発明の技術的思想に基づいて以下に示すような実施例を採ることもできる。
すなわち上述した基本となる実施例では、ステップアップ動作を、半導体スイッチ１１の位相制御を全電圧にするものとしたが、電源２と負荷装置３とを直結するものとすることもできる。
具体的には一例として図６に示すように、前出の図１の回路に対してバイパススイッチ４及びバイパス回路５を付加した構成により実現されるものであり、トライアック１１Ａへのパルス送出を停止し、トライアック１１Ｂにパルスを送出することにより、バイパススイッチ４をオン状態にして電源２と負荷装置３とを直結した状態を得るものである。ななおバイパススイッチ４は、いったんオン状態（オフ状態）となった後は、パルスの送出が停止されてもオン状態（オフ状態）を維持するようなものとする。
そしてこのような手法が採られた場合、ステップアップ動作が実施された後の定常運転時には半導体スイッチ１１が使用されないため、余分な発熱を排除することができ、省電力運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の単相用ソフト始動装置が接続された負荷装置駆動回路を示す回路図である。
【図２】位相制御におけるトリガパルスと出力を示すグラフである。
【図３】本発明による始動時の負荷装置電圧を段階的に示すグラフである。
【図４】本発明による誘導負荷装置の始動時の電圧、電流及びトルクを示すグラフ並びに直入れした場合の誘導負荷装置の始動時の電圧、電流及びトルクを示すグラフである。
【図５】本発明による抵抗負荷装置の始動時の電圧及び電流を示すグラフ並びに直入れした場合の誘導負荷装置の始動時の電圧及び電流を示すグラフである。
【図６】ステップアップ動作を電源と負荷装置とを直結するものとして実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２９】
１        単相用ソフト始動装置
２        （単相交流）電源
３        負荷装置
４        バイパススイッチ
５        バイパス回路
１０      位相制御装置
１１      半導体スイッチ
１１Ａ    トライアック
１１Ｂ    トライアック
１１０    トリガパルスライン
１２      ゼロクロス信号出力器
１２０    ゼロクロス信号ライン
１３      始動スイッチ
ＶＲ１    可変抵抗
ＶＲ２    可変抵抗
ＶＲ３    可変抵抗
【図１】
2010020451.tif 000003
【図２】
2010020451.tif 000004
【図３】
2010020451.tif 000005
【図４】
2010020451.tif 000006
【図５】
2010020451.tif 000007
【図６】
2010020451.tif 000008