(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に対してスイッチ素子を介して負荷に電力を供給し、前記交流電源の電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段を持ち、前記スイッチ素子は前記ゼロクロス検出手段の出力信号に従って前記交流電源の電圧の半周期ごとにオンまたはオフするものであり、前記スイッチ素子を前記交流電源の電圧の半周期の整数倍であるスイッチング周期ごとにオンまたはオフさせる制御装置を持ち、前記制御装置は２以上の整数であるｎに対してスイッチング周期のｎ倍の制御周期を持ち、前記制御装置は制御周期の間にスイッチング周期ごとにスイッチ素子をオンにするかオフにするかを決定するｍ種類のオンオフパターンを記憶し、電力調整指令値を入力し、電力調整指令値と前記スイッチ素子へのオンまたはオフの指令信号を入力として前記オンオフパターンを選択するパターン選択演算装置を持ち、ｍの値がｎの値よりも２以上大きいことを特徴とする交流電力調整装置。
【請求項２】
前記スイッチング周期が前記交流電源の電圧の１周期に等しいことを特徴とする請求項１に記載の交流電力調整装置。
【請求項３】
前記スイッチング周期が前記交流電源の電圧の半周期に等しいことを特徴とする請求項１に記載の交流電力調整装置。
【請求項４】
ｎの値が偶数であり、前記オンオフパターンはすべて前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンの数と電圧が負である半周期におけるオンの数が等しく、前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンと電圧が負である半周期におけるオンが交互に現れるものであることを特徴とする請求項３に記載の交流電力調整装置。
【請求項５】
ｎの値が偶数であり、前記オンオフパターンはすべて前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンと電圧が負である半周期におけるオンが交互に現れるものであり、前記オンオフパターンは最初のオンが前記交流電源の電圧が正である半周期に該当する第１のパターン群と最初のオンが前記交流電源の電圧が負である半周期に該当する第２のパターン群に分けられ、直前の制御周期において選択されたオンオフパターンにおいて、前記交流電源の電圧が正である半周期に最後にオンとなった場合は当該制御周期においては第２のパターン群からオンオフパターンが選択され、前記交流電源の電圧が負である半周期に最後にオンとなった場合は当該制御周期においては第１のパターン群からオンオフパターンが選択されることを特徴とする請求項３に記載の交流電力調整装置。
【請求項６】
ｎの値が偶数であり、前記オンオフパターンはすべて前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンの数と電圧が負である半周期におけるオンの数が等しく、各オンオフパターンにおいて任意のスイッチング周期におけるそれ以前の前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンの数と電圧が負である半周期におけるオンの数の差の絶対値が１を超えないことを特徴とする請求項３に記載の交流電力調整装置。
【請求項７】
前記オンオフパターンはすべて任意のスイッチング周期におけるそれ以前の前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンの数と電圧が負である半周期におけるオンの数の差の絶対値が１を超えないものであり、前記オンオフパターンは任意のスイッチング周期におけるそれ以前の前記交流電源の電圧が正である半周期におけるオンの数と電圧が負である半周期におけるオンの数の差が負とならない第３のパターン群と、前記差が正とならない第４のパターン群と、第３のパターン群にも第４のパターン群のどちらにも属さない第５のパターン群に分けられ、前記スイッチ素子がそれまでにオンとした前記交流電源の電圧が正である半周期の数と前記交流電源の電圧が負である半周期の数の累積差を算出する手段を持ち、直前の制御周期の終了時における前記累積差が正である場合は第４のパターン群からオンオフパターンを選択し、負である場合は第３のパターン群からオンオフパターンを選択し、０である場合は第３または第４または第５のパターン群からオンオフパターンを選択することを特徴とする請求項３に記載の交流電力調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指定した比率で負荷に電力を供給するように交流電圧の半サイクル毎にオン／オフを行う交流電力調整装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
商用電力を電源として電気ヒータに電力を供給し温度の調整を行う場合、消費電流に含まれる高調波成分を抑制するためにゼロクロススイッチを用いて電気ヒータへの電力供給のスイッチングを行うことが多い。交流電圧の１周期もしくは半周期ごとにスイッチングを行うゼロクロススイッチは、抵抗負荷の場合スイッチのオン時における電流やスイッチのオフ時の電流がゼロとなるため、消費電流に含まれる高調波電流を抑制できるという利点を持つ反面、電力制御の分解能が低くなるとか、制御周期が長くなって遅れ時間が発生してしまうといった問題を持っていた。たとえば、交流の１周期ごとにオン／オフを行い、１０周期中のオンとする周期数によって制御を行おうとすると、電力制御における分解能は１／１０と低い上に制御周期は交流の１０周期分と長くなってしまう。分解能を上げようとすると制御周期は長くなってしまうし、制御周期を短くしようとすると分解能は低くなってしまう。（特許文献１）
この問題に対して、電力制御指令値と実際のゼロクロススイッチへのスイッチ信号との誤差を積分して、その誤差を積分した信号をスイッチ信号に反映させる手法が用いられることがある。この技術は、ΔΣ変調によるパルス密度変調の応用と考えることができる。すなわち、連続値もしくは高分解能の信号を２値のオン／オフパルスに変換する手法であり、スーパーオーディオCDへの音声信号記録などにも用いられている技術である。誤差を積分した信号を用いる場合、ΔΣ変調におけるノイズシェーピングフィルタは１次の積分要素であると解釈される。このノイズシェーピングフィルタの次数を上げることにより、目標値信号と出力の２値信号の誤差のパワースペクトルの低周波成分をよく抑制できることが一般に知られているが、３次以上のノイズシェーピングフィルタを用いた場合、最大変調率が限られてしまうことが知られている。すなわち、電力制御の場合、電力指令値が０に近い状態や最大値に近い状態では、ノイズシェーピングフィルタが正常に動作しないといった問題を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７４６３９号公報
【特許文献２】特開２００２−３２５４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする課題は、ゼロクロススイッチによる電力制御において、制御周期をあまり長くすることなく、高い制御分解能を実現し、高い最大変調率を確保する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、制御周期を電源の交流電圧の半周期の整数倍に設定し、予め出力可能なゼロクロススイッチのオン／オフのパターンを用意しておき、電力指令信号とノイズシェーピングフィルタの出力信号の和に応じて予め用意されたパターンの中から適切なオン／オフのパターンを選択し、選択されたオン／オフのパターンにしたがってゼロクロススイッチを操作し、電力指令信号と選択されたオン／オフのパターンをノイズシェーピングフィルタに入力することによって制御誤差信号に対するフィルタ処理をノイズシェーピングフィルタにおいて実施する。
【０００６】
以下、課題を解決するための手段について具体例にしたがって説明するが、それはあくまで例示であって、それによって本発明を何ら限定するものではない。
【０００７】
図１に交流電力調整装置の構成を示す。交流電源２の電圧のポジティブゼロクロス（電圧が負の値から正の値に変化する事象）およびネガティブゼロクロス（電圧が正の値から負の値に変化する事象）のタイミングはゼロクロス検出器５により検出され、スイッチング信号生成器１の動作タイミングの元となる。オンオフパターンテーブル１１の出力信号であるオンオフ信号s[j]は、交流電源２の電圧のポジティブゼロクロスまたはポジティブゼロクロスおよびネガティブゼロクロスに同期して出力される。オンオフパターンテーブル１１の入力信号であるパターン番号信号p[k]、およびスイッチング信号生成器１を構成するオンオフパターンテーブル１１以外の構成要素は交流電源２の電圧の周期の整数倍または周期の半分の整数倍のサンプリング周期Tcで動作する。指令値信号u[k]は、この交流電力調整装置において負荷３に供給する電圧のrms値の目標値を指定する信号であり、スイッチ素子４が常にオンとなっている状態において負荷３に掛かる電圧のrms値に対する相対値として指定するものである。指令値信号u[k]はサンプリング周期Tcごとに与えられるものである。
【０００８】
この交流電力調整装置の動作の概略は次のとおりである。オンオフパターンテーブル１１には、予め選択されたオンオフ信号s[j]のサンプリング周期Tcに渡るパターンが格納されており、各パターンにはパターン番号が付されている。パターン選択器１２は指令値信号u[k]と状態変数ベクトルx[k]によって算出される値に対応したパターン番号p[k]を算出する。オンオフパターンテーブル１１はパターン番号p[k]を入力し、スイッチ素子４に対するオンオフ信号s[j]を出力する。オンオフ信号s[j]はオンオフ信号s[j]に従い、交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなり、負荷３への供給電力を調節する。
【０００９】
一方、フィードバックテーブル１３、入力ベクトル１４、遅延要素１５、システム行列１６およびパターン選択器１２によって構成されるノイズシェーピングフィルタにより、指令値信号u[k]と実際に出力されるオンオフ信号s[j]の値の差（出力誤差）を検出し、その出力誤差の信号に対して周波数重みを掛けた信号が小さくなるオンオフパターンを選択する。出力誤差の信号に周波数重みを掛ける理由は、スイッチ素子４におけるゼロクロススイッチングに起因する電力調整誤差のスペクトルを形成し、低周波数領域における電力調整誤差を抑制するとともに、なるべく高い周波数まで電力調整誤差を低く抑えることによって電力調整の時間遅れを小さく抑えることである。
【００１０】
使用するオンオフ信号s[j]のパターンの選択およびノイズシェーピングフィルタの設計は以下のように行う。
【００１１】
まず、第１の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の１周期ごとに行う場合について説明する。ここでは、図４に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。ここでは便宜上、オンオフ信号s[j]は交流電源２の電圧の半周期ごと出力されるものとする。したがって、オンオフパターンは８サンプルの信号となる。また、２サンプル同じ値が出力される。
【００１２】
ノイズシェーピングフィルタにおけるノイズシェーピング特性の目標の例として、ハイパスフィルタの特性を持つ次の伝達関数を設定する。
【００１３】
【数１】
0005565670.tif 000002
【００１４】
ただし、サンプリング周期はTcである。次に、ゼロ次ホールドを用いて離散時間化すると
【００１５】
【数２】
0005565670.tif 000003
【００１６】
となる連続時間系の伝達関数を計算し、これを数３のように状態変数表現により実現する。
【００１７】
【数３】
0005565670.tif 000004
【００１８】
そして、図２に示すように連続時間系のノイズシェーピングフィルタとサンプラ１８を用いて交流電力調整装置を構成することを想定する。ただし、ゼロ次ホールド１９１は交流電源２の電圧の半周期をサンプリング周期としたゼロ次ホールド要素である。図２に示す交流電力調整装置はフィードバックテーブル１３などの算出を説明するためのものであり、実際に装置を構成するものではない。
【００１９】
ここで、図２に示した交流電力調整装置における連続時間系のノイズシェーピングフィルタを離散時間化して図１に示すような形態で実現することを考える。そのために、まず数３に示す連続時間系のフィルタを交流電源２の電圧の半周期をサンプリング周期として次のように離散時間化する。
【００２０】
【数４】
0005565670.tif 000005
【００２１】
【数５】
0005565670.tif 000006
【００２２】
ただし、Tpは交流電源２の電圧の半周期の時間である。すると、図１におけるノイズシェーピングフィルタは次のように計算できる。
【００２３】
【数６】
0005565670.tif 000007
【００２４】
【数７】
0005565670.tif 000008
【００２５】
【数８】
0005565670.tif 000009
【００２６】
ただし、s[i]はp[k]により選択されたオンオフパターンに対応する{0,1}の系列である。オンオフパターンテーブル１１には後述する方法により選択されたオンオフパターンが記憶されており、その中から適切なオンオフパターンを決めるわけであるが、それはサンプリング周期Tc後における信号であるv[k+1]の絶対値がなるべく小さくなるように決定する。v[k+1]の値は次のように評価できる。
【００２７】
【数９】
0005565670.tif 000010
【００２８】
【数１０】
0005565670.tif 000011
【００２９】
数９において、各pの値に対するq(p)の値は予め数８および数１０により計算しておくことができ、図１におけるパターン選択器１２は信号u[k]およびx[k]に対してv[k+1]の大きさを小さくするp[k]の値を選択するものである。なお、信号v[k]はノイズシェーピングフィルタ等の設計に用いる信号であり、実際にはこの信号が交流電力調整装置の実装において必ずしも必要なものではない。
【００３０】
図３にパターン選択器１２の構成例を示す。パターン選択器１２はu[k]およびx[k]を入力する。そして
【００３１】
【数１１】
0005565670.tif 000012
【００３２】
の値を算出し、その値を量子化器１２１により量子化する。ルックアップテーブル１２２は、量子化器１２１が出力する各値に対して、数９により計算されるv[k+1]の絶対値が最も小さくなるオンオフパターンが予め計算され格納されており、適切なオンオフパターンの番号pが出力される。
【００３３】
また、各pの値に対するe(p)の値も数８により予め計算しておくことができるので、その値はテーブルとしてフィードバックテーブル１３に格納されている。そして選択されたパターン番号p[k]のオンオフパターンに対するe(p[k])の値が出力される。
【００３４】
選択可能なオンオフパターンの選択について述べる。この場合、交流電源２の電圧の４周期に対して１周期ごとにオンオフを決定するので、可能なオンオフの組み合わせは１６通りとなるが、すべての可能なパターンを採用すると交流電力調整装置の性能をかえって悪化させてしまうことがある。パターンの周期内でオンオフの分布があまりにも偏っていると、そのことが悪影響を及ぼしてしまうからである。そこで、各オンオフパターンに対するq(p)の値が昇順になるようにオンオフパターンを並べた際に、オンの数が昇順となるように適当にオンオフパターンを選択する。この例では、オンオフパターンの数は１２とした。オンオフパターンの例を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0005565670.tif 000013
【００３６】
表１において、パターンの０はオフを意味し、１は交流電源２の電圧の正の半サイクルの間がオン、−１は負の半サイクルがオンであることを意味する。したがって、オンオフ信号s[j]はこの表の値に対して絶対値をとったものである。
【００３７】
第２の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、オンの数が０でないときは一つのオンオフパターン内で最初にオンとなるのは交流電源２の電圧の正の半周期であり、オンとなるのは正の半周期と負の半周期が交互となっている場合について説明する。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分を軽減することができる。ここでは、図５に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。
【００３８】
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様である。可能なオンオフパターンの数は３４であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。オンオフパターン選択の例を表２に示す。
【００３９】
【表２】
0005565670.tif 000014
【００４０】
第３の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が必ずしも等しくなく、オンとなるのは正の半周期と負の半周期が交互となっている場合について説明する。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分を軽減することができる。ここでは、図６に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。
【００４１】
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様であるが、選択されるオンオフパターンの制約条件のため直前に選択されたオンオフパターンにおいて最後にオンとなったのが電圧の正の半周期であるか負の半周期であるかによって、次に選択可能なオンオフパターンが異なってくる。直前に選択されたオンオフパターンにおける最後のオンとなったのが電圧の正のサイクルである場合は、続くオンオフパターンは最初にオンとなるのが電圧の負のサイクルであるものの中から選択され、直前に選択されたオンオフパターンにおける最後のオンとなったのが電圧の負のサイクルである場合は、続くオンオフパターンは最初にオンとなるのが電圧の正のサイクルであるものの中から選択される必要がある。最初にオンとなるのが電圧の正のサイクルであるオンオフパターンについて、可能な数は５５であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。最初にオンとなるのが電圧の正のサイクルであるオンオフパターン選択の例を表３に示す。
【００４２】
【表３】
0005565670.tif 000015
【００４３】
また、最初にオンとなるのが電圧の負のサイクルであるオンオフパターンについて、可能な数は３４であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。最初にオンとなるのが電圧の負のサイクルであるオンオフパターン選択の例を表４に示す。
【００４４】
【表４】
0005565670.tif 000016
【００４５】
第４の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、各オンオフパターン内で任意の位置においてそのオンオフパターンの最初から数えて交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差の絶対値が１未満となる場合について説明する。このようなオンオフパターンに対する制約は本発明第２の手段において用いた制約よりも緩やかになっており、交流電源２から流れる電流の低周波成分を制限しながらも、選択可能なオンオフパターンの数を多く取ることを可能にしている。ここでは、図７に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。各オンオフパターンのオンの数は偶数であり、交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差であるサイクル差は各オンオフパターンの終了時には０となっている。
【００４６】
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様である。可能なオンオフパターンの数は６１であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。オンオフパターン選択の例を表５に示す。
【００４７】
【表５】
0005565670.tif 000017
【００４８】
第５の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が必ずしも等しくなく、動作開始から数えて交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差の絶対値が１未満である場合について説明する。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分を軽減することができる。このオンのタイミングに制約は本発明の第３の手段よりもさらに緩いので、選択可能なオンオフパターンの数を増やすことができ、交流電力調整装置の性能向上の可能性を与えることができる。ここでは、図８に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。
【００４９】
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様であるが、選択されるオンオフパターンの制約条件のため直前に選択されたオンオフパターンの終了時において、動作開始時からの交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差（以下、サイクル差と記す）の値によって、次に選択可能なオンオフパターンが異なってくる。オンオフパターン選択の制約より、起こりうるサイクル差の値は−１、０、１のどれかである。
【００５０】
直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が１である場合に選択可能なパターンの数は６１であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が１である場合に選択可能なパターンの例を表６に示す。
【００５１】
【表６】
0005565670.tif 000018
【００５２】
また、直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が−１である場合に選択可能なパターンの数は１０８であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が−１である場合に選択可能なパターンの例を表７に示す。
【００５３】
【表７】
0005565670.tif 000019
【００５４】
さらに直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が０である場合に選択可能なパターンの数は１３６であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が０である場合に選択可能なパターンの例を表７に示す。
【００５５】
【表７】
0005565670.tif 000020
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明第１から第５の実施の形態における交流電力調整装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明におけるノイズシェーピングフィルタの設計手法の概念を示すための交流電力調整装置の構成を示すブロック図。
【図３】パターン選択器の構成を示すブロック図。
【図４】本発明第１の手段におけるオンオフのタイミングを説明する時間波形。
【図５】本発明第２の手段におけるオンオフパターンを説明する時間波形。
【図６】本発明第３の手段におけるオンオフパターンを説明する時間波形。
【図７】本発明第４の手段におけるオンオフパターンを説明する時間波形。
【図８】本発明第５の手段におけるオンオフパターンを説明する時間波形。
【図９】本発明第１の実施の形態における指令値信号u[k]とオンオフ信号s[j]の時間波形の例。
【図１０】本発明第１の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例。
【図１１】本発明第１の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例（拡大図）。
【図１２】本発明第２の実施の形態における指令値信号u[k]とオンオフ信号s[j]の時間波形の例。
【図１３】本発明第２の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例。
【図１４】本発明第２の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例（拡大図）。
【図１５】本発明第３の実施の形態における指令値信号u[k]とオンオフ信号s[j]の時間波形の例。
【図１６】本発明第３の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例。
【図１７】本発明第３の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例（拡大図）。
【図１８】本発明第４の実施の形態における指令値信号u[k]とオンオフ信号s[j]の時間波形の例。
【図１９】本発明第４の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例。
【図２０】本発明第４の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例（拡大図）。
【図２１】本発明第５の実施の形態における指令値信号u[k]とオンオフ信号s[j]の時間波形の例。
【図２２】本発明第５の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例。
【図２３】本発明第５の実施の形態におけるオンオフ信号s[j]のスペクトルの例（拡大図）。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明第１の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りである。指令値信号u[k]は、この交流電力調整装置において負荷３に供給する電圧のrms値の目標値を指定する信号であり、スイッチ素子４が常にオンとなっている状態において負荷３に掛かる電圧のrms値に対する相対値として指定するものである。したがって、指令値信号u[k]は０から１までの値をとることになる。また、指令値信号u[k]はサンプリング周期Tcごとに与えられるものである。交流電源２は商用電源であり、周波数６０Ｈｚで電圧の実効値が１００Ｖの交流電圧源である。
【００５８】
交流電源２の電圧のポジティブゼロクロス（電圧が負の値から正の値に変化する事象）およびネガティブゼロクロス（電圧が正の値から負の値に変化する事象）のタイミングはゼロクロス検出器５により検出され、スイッチング信号生成器１の動作タイミングの元となる。オンオフパターンテーブル１１の出力信号であるオンオフ信号s[j]は、交流電源２の電圧のポジティブゼロクロスおよびネガティブゼロクロスに同期して出力される。オンオフパターンテーブル１１の入力信号であるパターン番号信号p[k]、およびスイッチング信号生成器１を構成するオンオフパターンテーブル１１以外の構成要素は交流電源２の電圧の周期の８倍のサンプリング周期で動作し、そのサンプリング周期をTcとする。（Tc=2/15［秒］）なお、サンプリングの１周期は交流電源２の電圧のポジティブゼロクロスから開始される。
【００５９】
この交流電力調整装置の動作の概略は次の通りである。オンオフパターンテーブル１１には、予め選択されたオンオフ信号s[j]のサンプリング周期Tcに渡るパターン（１６サンプル）が格納されており、各パターンにはパターン番号が付されている。パターン選択器１２は数１１に従って指令値信号u[k]と状態変数ベクトルx[k]から計算される値に対応したパターン番号p[k]を算出する。オンオフパターンテーブル１１はパターン番号p[k]を入力し、スイッチ素子４に対するオンオフ信号s[j]を出力する。オンオフ信号s[j]はオンオフ信号s[j]に従い、交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなり、負荷３への供給電力を調節する。
【００６０】
一方、フィードバックテーブル１３、入力ベクトル１４、遅延要素１５、システム行列１６およびパターン選択器１２によって構成されるノイズシェーピングフィルタにより、指令値信号u[k]と実際に出力されるオンオフ信号s[j]の値の差（出力誤差）を検出し、その出力誤差の信号に対して周波数重みを掛けた信号が小さくなるオンオフパターンを選択する。出力誤差の信号に周波数重みを掛ける理由は、スイッチ素子４におけるゼロクロススイッチングに起因する電力調整誤差のスペクトルを形成し、低周波数領域における電力調整誤差を抑制するとともに、なるべく高い周波数まで電力調整誤差を低く抑えることによって電力調整の時間遅れを小さく抑えることである。
【００６１】
ノイズシェーピングフィルタにおけるノイズシェーピング特性の目標として、ハイパスフィルタの特性を持つ数１に示す伝達関数を設定する。ただし、サンプリング周期はTcである。すると、数６におけるA、b、cの値として次のものを用いることができる。
【００６２】
【数１２】
0005565670.tif 000021
【００６３】
本発明の第１の実施の形態では、スイッチ素子４は交流電源２の電圧の１周期を単位としてオンまたはオフとする。したがって、オンオフパターンテーブル１１に格納されているオンオフパターンは、オン信号およびオフ信号が必ず二つずつ連続したものとなっている。スイッチ素子４が交流電源２の電圧の１周期を単位としてオンまたはオフとすることにより、交流電源２から供給される電流の低周波成分を確実に少なくすることができる。
【００６４】
可能なオンオフパターンの数は２５６であるが、本発明第１の手段に従いオンオフパターンを選択し、１８２個のオンオフパターンを用いた。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は１８２０とした。
【００６５】
指令値信号u[k]として
【００６６】
【数１３】
0005565670.tif 000022
【００６７】
（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図９に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１０に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図１１に示す。周波数1.5[Hz]から下の周波数において、スペクトルが急速に落ち込んでおり、オンオフ信号s[j]の低周波成分が指令値信号u[k]に精度良く追従していることがわかる。
【００６８】
本発明の第１の実施の形態においては、指令値信号u[k]が0.05よりも小さい値となる場合はノイズシェーピングフィルタの動作を停止し、スイッチ素子４を常にオフとする。また、指令値信号u[k]が0.95よりも大きい値となる場合はノイズシェーピングフィルタの動作を停止し、スイッチ素子４を常にオンとする。これは、指令値信号u[k]の値が０に近かったり１に近かったりすると、ノイズシェーピングフィルタが正常に動作できなくなるからである。この現象はノイズシェーピングフィルタの次数が３以上のときに現れる。ノイズシェーピングフィルタの次数を２以下にしても、このような問題を回避することもできるが、ノイズシェーピングの性能が落ちる上に、特に指令値信号u[k]の値が０に近かったり１に近かったりする場合に性能の悪化が顕著になるといった問題点を持っている。
【００６９】
本発明の第１の実施の形態においては、ノイズシェーピングフィルタにおけるノイズシェーピング特性の目標として数１に示す伝達関数を設定したが、ノイズシェーピング特性の目標は数１に示す伝達関数である必要はなく、他の伝達関数を用いても良い。また、ノイズシェーピング特性の目標とする伝達関数は３次のものである必要はなく、２次の伝達関数または４次以上の次数の伝達関数を用いてもよい。
【００７０】
本発明の第１の実施の形態においては、オンオフ信号s[j]は交流電源２の電圧の半周期ごとに出力していたが、本発明の第１の実施の形態においてはスイッチ素子４をオンまたはオフとするのは交流電源２の電圧の１周期ごとであるので、オンオフ信号s[j]を交流電源２の電圧の１周期ごとに出力するようにしてもよい。しかし、オンオフ信号s[j]を交流電源２の電圧の半周期ごとに出力するようにすることにより、後述する本発明の他の実施の形態と容易に切り替えることができるので、ユーザにより使用する本発明の実施の形態を切り替える場合には都合が良い。
【００７１】
本発明第２の実施の形態は用いるオンオフパターンが異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第２の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第２の実施の形態では、本発明第２の手段を用い、すべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、オンの数が０でないときは一つのオンオフパターン内で最初にオンとなるのは交流電源２の電圧の正の半周期であり、オンとなるのは正の半周期と負の半周期が交互となっている。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、本発明第１の実施の形態に対して選択可能なオンオフパターンの数が増え、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら、制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を可能にすることができる。
【００７２】
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は１５９７となる。そのうち、本発明第２の手段に従い１２５４個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は１２５４０とした。
【００７３】
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図１２に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１３に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図１４に示す。本発明第１の実施の形態に比べて低域におけるスペクトルが抑制されている。
【００７４】
本発明第３の実施の形態は用いるオンオフパターンおよびその選択方法が異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第３の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第３の実施の形態では、本発明第３の手段を用い、スイッチ素子４は交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなるが、オンとなる交流電源２の電圧の符号は必ず正負が交互となるようにする。したがって、直前までのオンオフパターンで最後にオンとなったのが交流電源２の電圧の正の半サイクルに対応している場合は最初のオンが正の半サイクルではないオンオフパターンの中から選択され、直前までのオンオフパターンで最後にオンとなったのが交流電源２の電圧の負の半サイクルに対応している場合は最初のオンが負の半サイクルではないオンオフパターンの中から選択される必要がある。すなわち、図３に示すパターン選択器におけるルックアップテーブル１２２は２種類用意され、最後にスイッチ素子４がオンとなったときの交流電源２の電圧の符号により切り替えられる。このような方法でオンのタイミングの制約を本発明第２の実施の形態に対して緩めることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を可能にすることが期待できる。
【００７５】
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は負のサイクルから始まらないものが２５８４、正のサイクルから始まらないものが１５９７となる。そのうち、本発明第３の手段に従いそれぞれ１１７７個および７９８個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は、負のサイクルから始まらないもの及び正のサイクルから始まらないもの共に１１７７０とした。
【００７６】
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図１５に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１６に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図１７に示す。本発明第２の実施の形態に比べて低域におけるスペクトルがさらに抑制されている。
【００７７】
本発明第４の実施の形態は用いるオンオフパターンが異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第４の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第４の実施の形態では、本発明第４の手段を用い、すべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、オンオフパターン内の任意の位置において、それまでの電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差の絶対値が１以下となるようにしている。このようなオンのタイミングに制約の緩和により、本発明第２の実施の形態に対して選択可能なオンオフパターンの数が増え、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら、制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を行う可能性を持っている。
【００７８】
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は６７１４となる。そのうち、本発明第４の手段に従い５５９３個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は５５９３０とした。
【００７９】
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図１８に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１９に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図２０に示す。
【００８０】
本発明第５の実施の形態は用いるオンオフパターンおよびその選択方法が異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第５の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第５の実施の形態では、本発明第５の手段を用い、スイッチ素子４は交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなるが、交流電力調整装置の動作開始時から数えた交流電源２の電圧の正の半周期と負の半周期におけるスイッチ素子４のオンの数の差（以下、サイクル差と記す）の絶対値が任意のタイミングで１以下となるようにオンオフパターンを選択する。したがって、オンオフパターン選択時において、サイクル差が−１のとき、０のとき、１のときで選択可能なオンオフパターンが異なってくる。すなわち、図３に示すパターン選択器におけるルックアップテーブル１２２は３種類用意され、前のオンオフパターン終了時におけるサイクル差の値により切り替えられる。このような方法でオンのタイミングの制約を本発明第４の実施の形態に対して緩めることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を可能にすることが期待される。
【００８１】
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は直前のサイクル差が１の場合が６７１４、−１の場合が１２０８７、０の場合が１５０８０である。そのうち、本発明第５の手段に従いそれぞれ３５０１個、５８６７個および７４２７個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は、直前のサイクル差のすべての値の場合に対して    ７４２７０とした。
【００８２】
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図２１に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図２２に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図２３に示す。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の交流電力調整装置を用いると、ゼロクロススイッチングを用いながらも抵抗性の負荷に対して精度の高い電力制御を実現することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・スイッチング信号生成器
１１・・・オンオフパターンテーブル
１２・・・パターン選択器
１２１・・・量子化器
１２２・・・ルックアップテーブル
１２３・・・スカラーゲイン
１２４・・・ベクトルゲイン
１３・・・フィードバックテーブル
１４・・・入力ベクトル
１５・・・遅延要素
１６・・・システム行列
１７・・・ゼロ次ホールド
１８ａ，１８ｂ・・・サンプラ
１９・・・積分要素
２・・・交流電源
３・・・負荷
４・・・スイッチ素子
５・・・ゼロクロス検出器
【図１】
0005565670.tif 000023
【図２】
0005565670.tif 000024
【図３】
0005565670.tif 000025
【図４】
0005565670.tif 000026
【図５】
0005565670.tif 000027
【図６】
0005565670.tif 000028
【図７】
0005565670.tif 000029
【図８】
0005565670.tif 000030
【図９】
0005565670.tif 000031
【図１０】
0005565670.tif 000032
【図１１】
0005565670.tif 000033
【図１２】
0005565670.tif 000034
【図１３】
0005565670.tif 000035
【図１４】
0005565670.tif 000036
【図１５】
0005565670.tif 000037
【図１６】
0005565670.tif 000038
【図１７】
0005565670.tif 000039
【図１８】
0005565670.tif 000040
【図１９】
0005565670.tif 000041
【図２０】
0005565670.tif 000042
【図２１】
0005565670.tif 000043
【図２２】
0005565670.tif 000044
【図２３】
0005565670.tif 000045