(57)【要約】【課題】  電磁ノイズの強度が抑えられる位相制御装置を提供する。【解決手段】  互いに共通の交流電源から互いに異なる負荷への給電をオンオフする位相制御用の２個のスイッチ部を備える。互いに同じ電力を出力すべき２個のスイッチ部の一方である第１スイッチ部においては、位相制御角は、入力された指示に応じた標準角θｓとされる。また、互いに同じ電力を出力すべき２個のスイッチ部の他方である第２スイッチ部は、位相制御角として標準角θｓよりも大きい正側角θｐと標準角θｓよりも小さい負側角θｍとを２回ずつ用いる動作を周期的に繰り返す。全てのスイッチ部で位相制御角が共通とされる場合に比べ、電磁ノイズが発生するタイミングが分散されることにより、全体としての電磁ノイズの強度が抑えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに共通の交流電源から少なくとも１個ずつの負荷への給電をオンオフする複数個のスイッチ部と、
各スイッチ部がそれぞれ負荷に出力するべき電力の指示の入力を受け付ける入力部と、
入力部に入力された指示に応じた電力を各負荷にそれぞれ出力する位相制御に用いられるスイッチ部毎の位相制御角を、それぞれπより小さい範囲内で決定する制御部とを備え、
各スイッチ部は、それぞれ、交流電源から入力される交流電圧のゼロクロス点と、ゼロクロス点の後に前記交流電圧の位相がスイッチ部毎の位相制御角だけ進んだ制御点とでそれぞれオンオフを切り換えられるものであって、
制御部は、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち少なくとも２個で位相制御角を互いに異ならせることを特徴とする位相制御装置。
【請求項２】
制御部が、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち、少なくとも１個のスイッチ部において、位相制御角を、入力部に入力された指示に応じて決定された標準角とする一方、他の少なくとも１個のスイッチ部においては、位相制御角として標準角よりも大きい正側角と標準角よりも小さい負側角とを互いに同じ回数ずつ用いる動作を周期的に繰り返させることを特徴とする請求項１記載の位相制御装置。
【請求項３】
制御部が、位相制御角として標準角が用いられるスイッチ部と、位相制御角として正側角と負側角とが用いられるスイッチ部とで、出力される電力が互いに等しくなるように、正側角と負側角とをそれぞれ決定することを特徴とする請求項２記載の位相制御装置。
【請求項４】
位相制御角として正側角と負側角とが用いられるスイッチ部において、正側角と負側角とが交互に用いられることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の位相制御装置。
【請求項５】
３個以上のスイッチ部を備え、
正側角と負側角とがそれぞれ２通り以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の位相制御装置。
【請求項６】
制御部は、負荷に出力すべき電力が互いに共通であってそれそれ所定の下限電力以下である複数個のスイッチ部の位相制御角を互いに共通とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の位相制御装置。
【請求項７】
サイリスタからなるスイッチ部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の位相制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数個の負荷への出力電力をそれぞれ位相制御によって制御する位相制御装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。負荷は例えば白熱灯や電動機である。
【０００３】
この種の位相制御装置は、互いに共通の交流電源から少なくとも１個ずつの負荷への給電をオンオフする複数個のスイッチ部と、各負荷に出力されるべき電力の指示の入力を受け付ける入力部と、入力部に入力された指示に応じた電力が各負荷にそれぞれ出力されるように、スイッチ部に入力される交流電圧（以下、単に「交流電圧」と呼ぶ。）の位相に基いて各スイッチ部をそれぞれオンオフ制御することによる位相制御を行う制御部とを備える。位相制御は、交流電圧の極性が反転するタイミング（すなわちゼロクロス点）と、負荷に出力すべき電力に応じてπより小さい範囲内で決定された位相制御角だけ交流電圧の位相が進んだタイミング（以下、「制御点」と呼ぶ。）とでそれぞれスイッチ部のオンオフを切り換えるものである。つまり、スイッチ部のオンオフの周波数は交流電圧の周波数の２倍となる。
【０００４】
位相制御としては、ゼロクロス点から制御点までの期間にはスイッチ部をオフ状態として制御点から次のゼロクロス点までの期間にはスイッチ部をオン状態とする順位相制御と、順位相制御とは逆に、ゼロクロス点から制御点までの期間にはスイッチ部をオン状態として制御点から次のゼロクロス点までの期間にはスイッチ部をオフ状態とする逆位相制御とがある。
【０００５】
逆位相制御を行う場合には、スイッチ部として、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのように、制御用の端子（例えばゲート端子）に入力する制御電圧によりオン制御だけでなくオフ制御も行うことができる、いわゆる自己消弧型素子を用いる必要があるが、上記のような自己消弧型素子は概してオン抵抗が比較的に大きく従って発熱量が比較的に多いので、放熱のための構造が必要となって大型化を招きやすい。
【０００６】
これに対し、順位相制御は、ゼロクロス点で自動的にオフされる双方向サイリスタをスイッチ部として用いた簡単な回路で実現することができ、且つ双方向サイリスタはオン抵抗が比較的に小さいので、順位相制御を用いる場合には逆位相制御を用いる場合よりも小型化が容易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２２７１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、順位相制御と逆位相制御とのいずれであっても、複数個のスイッチ部でそれぞれ位相制御角が共通とされて制御点が同時となる場合には、制御点でのスイッチ部のオンオフ切換に伴って発生する電磁ノイズが複数個分重畳されてしまうことにより、電磁ノイズの強度が高くなってしまう。
【０００９】
上記の電磁ノイズの強度を抑える手段としては、インダクタをスイッチ部に直列に接続するという手段や、スイッチ部として自己消弧型素子を用いるとともにオン制御時に制御電圧を徐々に変化させることで出力電力の立ち上がりを緩やかにするという手段が考えられるが、いずれの場合にも大型化を招いてしまう。
【００１０】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、電磁ノイズの強度が抑えられる位相制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、互いに共通の交流電源から少なくとも１個ずつの負荷への給電をオンオフする複数個のスイッチ部と、各スイッチ部がそれぞれ負荷に出力するべき電力の指示の入力を受け付ける入力部と、入力部に入力された指示に応じた電力を各負荷にそれぞれ出力する位相制御に用いられるスイッチ部毎の位相制御角を、それぞれπより小さい範囲内で決定する制御部とを備え、各スイッチ部は、それぞれ、交流電源から入力される交流電圧のゼロクロス点と、ゼロクロス点の後に前記交流電圧の位相がスイッチ部毎の位相制御角だけ進んだ制御点とでそれぞれオンオフを切り換えられるものであって、制御部は、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち少なくとも２個で位相制御角を互いに異ならせることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、全てのスイッチ部で位相制御角を共通とする場合に比べ、電磁ノイズが発生するタイミングが分散されることにより、全体としての電磁ノイズの強度が抑えられる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、制御部が、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち、少なくとも１個のスイッチ部において、位相制御角を、入力部に入力された指示に応じて決定された標準角とする一方、他の少なくとも１個のスイッチ部においては、位相制御角として標準角よりも大きい正側角と標準角よりも小さい負側角とを互いに同じ回数ずつ用いる動作を周期的に繰り返させることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち標準角が用いられないスイッチ部において正側角と負側角との一方だけが用いられる場合に比べ、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部間での出力電力の差を抑えることができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、制御部が、位相制御角として標準角が用いられるスイッチ部と、位相制御角として正側角と負側角とが用いられるスイッチ部とで、出力される電力が互いに等しくなるように、正側角と負側角とをそれぞれ決定する。
【００１６】
この発明によれば、正側角と標準角との差と、標準角と負側角との差とが、常に互いに同じとされる場合に比べ、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部間での出力電力のばらつきを抑えることができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３の発明において、位相制御角として正側角と負側角とが用いられるスイッチ部において、正側角と負側角とが交互に用いられることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、正側角と負側角とを複数回ずつ連続して用いる場合に比べ、負荷に出力される電力の変動の周期が短くなるから、負荷の動作への影響が目立ちにくい。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項２〜４の発明において、３個以上のスイッチ部を備え、正側角と負側角とがそれぞれ２通り以上であることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、正側角と負側角とをそれぞれ１通りとする場合に比べ、スイッチ部のオフ制御に伴って電磁ノイズが発生するタイミングがさらに分散されることにより、電磁ノイズの強度がより抑えられる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかの発明において、制御部は、負荷に出力すべき電力が互いに共通であってそれそれ所定の下限電力以下である複数個のスイッチ部の位相制御角を互いに共通とすることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、供給されるべき電力が互いに共通であってそれぞれ小さい複数個の負荷間での、供給される電力の差が目立ってしまうことを防ぐことができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項１〜６の発明において、サイリスタからなるスイッチ部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１の発明によれば、制御部は、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち少なくとも２個で位相制御角を互いに異ならせるので、全てのスイッチ部で位相制御角を共通とする場合に比べ、電磁ノイズが発生するタイミングが分散されることにより、全体としての電磁ノイズの強度が抑えられる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、制御部が、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち、少なくとも１個のスイッチ部において、位相制御角を、入力部に入力された指示に応じて決定された標準角とする一方、他の少なくとも１個のスイッチ部においては、位相制御角として標準角よりも大きい正側角と標準角よりも小さい負側角とを互いに同じ回数ずつ用いる動作を周期的に繰り返させるので、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部のうち標準角が用いられないスイッチ部において正側角と負側角との一方だけが用いられる場合に比べ、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部間での出力電力の差を抑えることができる。
【００２６】
請求項３の発明によれば、制御部が、位相制御角として標準角が用いられるスイッチ部と、位相制御角として正側角と負側角とが用いられるスイッチ部とで、出力される電力が互いに等しくなるように、正側角と負側角とをそれぞれ決定するので、正側角と標準角との差と、標準角と負側角との差とが、常に互いに同じとされる場合に比べ、負荷に出力すべき電力が互いに共通である複数個のスイッチ部間での出力電力のばらつきを抑えることができる。
【００２７】
請求項４の発明によれば、位相制御角として正側角と負側角とが用いられるスイッチ部において、正側角と負側角とが交互に用いられるので、正側角と負側角とを複数回ずつ連続して用いる場合に比べ、負荷に出力される電力の変動の周期が短くなるから、負荷の動作への影響が目立ちにくい。
【００２８】
請求項５の発明によれば、３個以上のスイッチ部を備え、正側角と負側角とがそれぞれ２通り以上であるので、正側角と負側角とをそれぞれ１通りとする場合に比べ、スイッチ部のオフ制御に伴って電磁ノイズが発生するタイミングがさらに分散されることにより、電磁ノイズの強度がより抑えられる。
【００２９】
請求項６の発明によれば、制御部は、負荷に出力すべき電力が互いに共通であってそれそれ所定の下限電力以下である複数個のスイッチ部の位相制御角を互いに共通とするので、供給されるべき電力が互いに共通であってそれぞれ小さい複数個の負荷間での、供給される電力の差が目立ってしまうことを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態において、交流電源から各スイッチ部に入力される交流電圧の波形と、各スイッチ部の両端電圧の波形の一例とを示す説明図である。
【図２】同上の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同上において、交流電源からスイッチ部に入力される交流電圧の波形と、制御部からスイッチ部に入力される制御信号の波形及びスイッチ部の両端電圧の波形の一例とを示す説明図である。
【図４】同上において、交流電源から各スイッチ部に入力される交流電圧の波形と、各スイッチ部の両端電圧の波形の別の例とを示す説明図である。
【図５】同上の変更例において、交流電源から各スイッチ部に入力される交流電圧の波形と、各スイッチ部の両端電圧の波形の一例とを示す説明図である。
【図６】同上の別の変更例において、交流電源から各スイッチ部に入力される交流電圧の波形と、各スイッチ部の両端電圧の波形の一例とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
本実施形態の位相制御装置１は、図２に示すように、互いに共通の交流電源ＡＣから１個ずつの負荷Ｚへの給電をオンオフする複数個のスイッチ部２と、各スイッチ部２がそれぞれ負荷Ｚに出力するべき電力の指示の入力を受け付ける入力部３と、入力部３に入力された指示に応じた電力を各負荷Ｚにそれぞれ出力する位相制御に用いられる位相制御角を、各スイッチ部２についてそれぞれπより小さい範囲内で決定する制御部４とを備える。
【００３３】
各スイッチ部２は、それぞれ例えば２個のサイリスタが逆並列に接続された構造を有するいわゆる双方向サイリスタが、交流電源ＡＣと負荷Ｚとの間の電圧側極の電路に挿入されたものである。スイッチ部２を構成する上記の双方向サイリスタは、図３に示すように、交流電源ＡＣから入力される交流電圧（以下、単に「交流電圧」と呼ぶ。）の極性が反転するタイミング（以下、「ゼロクロス点」と呼ぶ。）で自動的にオフされることで両端電圧（つまりスイッチ部２の電圧側極の端子間の電圧）が上昇し始め、ゼロクロス点後に上記の位相制御角だけ交流電圧の位相が進んだタイミング（以下、「制御点」と呼ぶ。）で制御部４から入力されるパルス状の電気信号である制御信号によりオン制御されることで両端電圧が急激に低下する。すなわち、図３の上段に示す交流電源ＡＣの出力電圧と図３の下段に示すスイッチ部２の両端電圧との差の電圧がスイッチ部２から負荷Ｚに出力されるのであり、図３の下段に示すスイッチ部２の両端電圧の立ち下がりとともにスイッチ部２の出力電圧は立ち上がるのであって、本実施形態における位相制御は順位相制御である。
【００３４】
また、入力部３は、使用者によって操作されるハンドルを有する可変抵抗器で構成してもよいし、負荷Ｚに出力すべき電力を示す制御信号であって外部から有線又は無線で送信される制御信号を受信する受信機で構成してもよい。いずれの場合にも入力部３は周知技術で実現可能であるので詳細な図示並びに説明は省略する。入力部３が受け付ける指示は、スイッチ部２毎（負荷Ｚ毎）に出力すべき電力を指示するものであってもよいし、全てのスイッチ部２（負荷Ｚ）に共通してそれぞれ出力すべき電力を指示するものであってもよい。
【００３５】
ここで、２個のスイッチ部２からそれぞれ負荷Ｚに出力すべき電力が互いに共通している場合に、制御部４は、図１に示すように、一方のスイッチ部２（以下、「第１スイッチ部」と呼ぶ。）においては位相制御角を入力部３への入力に応じて一意に決定される標準角θｓ（図１の例ではθｓ＝π／２）とする一方、他方のスイッチ部２（以下、「第２スイッチ部」と呼ぶ。）においては、位相制御角として、標準角θｓよりも小さい負側角θｍと、標準角θｓよりも大きい正側角θｐとを、交流電圧の１周期毎に切り換えて交互に用いる。
【００３６】
さらに、正側角θｐと負側角θｍとは、正側角θｐと負側角θｍとの切り換えの周期（図１の例では交流電圧の２周期分）の全体として、スイッチ部２間で出力電力が互いに等しくなるようにそれぞれ決定されている。図１の場合には標準角θｓがπ／２であることにより、正側角θｐと標準角θｓとの差は、標準角θｓと負側角θｍとの差に等しくなっているが、図４に示すように、標準角θｓがπ／２より小さい場合には、標準角θｓと負側角θｍとの差αは、正側角θｐと標準角θｓとの差βよりも大きくなる。また、図示はしないが、上記とは逆に標準角θｓがπ／２より大きい場合には、標準角θｓと負側角θｍとの差αは、正側角θｐと標準角θｓとの差βよりも小さくなる。ここで、例えば位相制御角が０〜πの間で１２８段階に可変であって分解能がπ／１２８（約１．４度）となるというように、位相制御角の分解能に限界がある場合、標準角θｓがπ／２以外の場合にスイッチ部２間で出力電力を完全に等しく（つまり差を０に）することは困難であるが、そのような場合には正側角θｐと負側角θｍとはスイッチ部２間での出力電力の差を最小とするように決定すればよい。
【００３７】
上記のような制御部４は、例えば、スイッチ部２を構成する双方向サイリスタのゲート端子に入力されるパルスを生成するトリガ回路（図示せず）と、集積回路からなり入力部３への入力に応じてスイッチ部２毎の位相制御角（標準角θｓ，負側角θｍ，正側角θｐ）をそれぞれ演算するとともにトリガ回路を制御する演算回路（図示せず）とで構成することができ、周知技術で実現可能であるので詳細な図示並びに説明は省略する。
【００３８】
上記構成によれば、出力すべき電力が互いに等しいスイッチ部２間で位相制御角を共通とする場合に比べ、電磁ノイズが発生するタイミングが分散されることにより、全体としての電磁ノイズの強度が抑えられる。本発明者の実験によれば、交流電源ＡＣの出力の周波数が５０Ｈｚの場合において２個のスイッチ部２間での位相制御角の差を１．４度とすれば、すなわち上記２個のスイッチ部２がオンされるタイミングの時間差を約７８μｓとすれば、電磁ノイズの強度を、スイッチ部２が１個の場合と同等にまで低下させることができた。
【００３９】
また、本実施形態では、順位相制御が採用されており、位相制御角をずらすことで電磁ノイズの強度を抑えているので、スイッチ部２の出力電圧の立ち上がりを緩やかにするためのインダクタ等の別途の素子をスイッチ部２に直列に接続する場合や、逆位相制御のため又はスイッチ部２の出力電圧の立ち上がりを緩やかにするためにスイッチ部２として自己消弧型素子を用いる場合に比べて、小型化が比較的に容易である。ただし、逆位相制御を行う場合であっても本願発明の技術思想の適用は可能であり、その場合、共通の電力を出力すべきスイッチ部２間でオフ制御のタイミングがずらされることになる。
【００４０】
ここで、上記の第２スイッチ部２において位相制御角として例えば正側角θｐと負側角θｍとの一方のみを用いる場合、共通の電力を出力すべきスイッチ部２間で出力電力に差が生じてしまい、例えば各負荷Ｚがそれぞれ白熱灯である場合には明るさにばらつきが生じてしまう。これに対し、本実施形態では正側角θｐと負側角θｍとが併用されているので、正側角θｐによる出力電力の減少と負側角θｍによる出力電力の増加とが互いに相殺され、出力すべき電力が互いに等しいスイッチ部２間で出力電力が略共通となっている。
【００４１】
さらに、正側角θｐと負側角θｍとはスイッチ部２間での出力電力の差を最小（望ましくは０）とするように決定されているので、例えば標準角θｓによらず正側角θｐと負側角θｍとで標準角θｓとの間での差α，βを常に等しくする場合に比べ、出力すべき電力が互いに等しいスイッチ部２間での出力電力の差をさらに抑えることが可能となっている。
【００４２】
なお、正側角θｐと負側角θｍとを切り換えるタイミングは、上記のように交流電圧の１周期毎でなくともよく、図５に示すように交流電圧の半周期毎に切り換え、すなわち正側角θｐと負側角θｍとを交互に用いてもよい。このように正側角θｐと負側角θｍとを切り換える周期を短くすれば、正側角θｐと負側角θｍとを切り換える周期をより長くする場合に比べ、第２スイッチ部２の出力電力（負荷Ｚが白熱灯である場合にはその明るさ）の変動の周期が短くなって目立ちにくくなる。
【００４３】
また、出力すべき電力が共通であるスイッチ部２が３個以上存在する場合には、図６に示すように正側角θｐ１，θｐ２と負側角θｍ１，θｍ２とを２通り以上用いれば、電磁ノイズが発生するタイミングがさらに分散されることにより、全体としての電磁ノイズの強度をさらに抑えることができる。図３の例では、第１スイッチ部は制御位相角を標準角θｓ＝π／２とされ、第３スイッチ部で用いられる正側角θｐ２，負側角θｍ２としては、それぞれ標準角θｓとの差が、第２スイッチ部で用いられる正側角θｐ１，負側角θｍ１と標準角θｓとの差αの二倍２×αであるものが用いられている。
【００４４】
ところで、負荷Ｚに出力されるべき電力が少なく位相制御角（標準角θｓ）がπに近い場合には、第１スイッチ部２と他のスイッチ部２との間で、位相制御角の差の大きさα，２αの割に出力電力の差が目立ちやすくなる。また、負荷Ｚに出力されるべき電力が少ないときには、交流電源ＡＣの出力電圧の絶対値が低いタイミングが制御点となるから、制御点でのスイッチ部２のオンオフ切換に伴って発生する電磁ノイズのレベルも低くなる。このような場合には、仮に複数個のスイッチ部２が同時にオンオフ切換されたとしても、電磁ノイズの強度は問題のないレベルに留まることもある。そこで、複数個のスイッチ部２が共通して出力すべき電力が所定の下限電力以下である場合に限り、制御部４が、それらのスイッチ部２間では位相制御角を互いに異ならせることなく共通の位相制御角（標準角θｓ）が用いられるようにしてもよい。この構成によれば、供給されるべき電力が互いに共通であってそれぞれ小さい複数個の負荷Ｚ間で、供給される電力の差による明るさ等の差が目立ってしまうことを防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  位相制御装置
２  スイッチ部
３  入力部
４  制御部
ＡＣ  交流電源
Ｚ  負荷
θｍ，θｍ１，θｍ２  負側角
θｐ，θｐ１，θｐ２  正側角
θｓ  標準角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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