(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から負荷への給電路に挿入されて給電路を断続するスイッチング動作を行う半導体素子と、入力信号に応じて半導体素子の導通期間を決定する制御信号を出力する制御手段とを備えた電力制御装置において、給電路の交流電源近傍から取り込んだ交流電源電圧のゼロクロスに同期した同期信号を発生する同期信号発生手段を具備し、半導体素子の導通期間における交流電源電圧の実効値を求める実効値演算部と、予め与えられる関数に基づいて入力信号と交流電源電圧の実効値とから所定の負荷供給電力が得られるような制御信号を求める関数部とを制御手段に備えて成る電力制御装置であって、負荷端の短絡時に回路を遮断して保護するブレーカと、少なくとも半導体素子と制御手段並びに同期信号発生手段を構成する回路部品が取り付けられるインペラ形状の放熱体と、回転軸を放熱体の軸に略一致させた冷却用ファンとを備え、ブレーカと放熱体の間に所定の空隙を設けて冷却用ファンを配設して成ることを特徴とする電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子のスイッチング動作によって交流電源の交流出力を断続して負荷への供給電力の制御を行う電力制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子のスイッチング動作によって交流電源の交流出力を断続して負荷への供給電力の制御を行う電力制御装置は、例えば照明負荷に供給する電力を調整することで調光を行う調光装置などに広く利用されている。
図１２は電力制御装置を用いた調光装置Ａ’の従来例を示しており、変圧器を有する受電端Ｕからの３相４線の配線Ｗ1 〜Ｗ4 と複数の照明負荷Ｌ1 〜Ｌ4 の間に挿入され、Ｒ，Ｓ，Ｔの各相毎あるいは各相を連動させて照明負荷Ｌ1 〜Ｌ4 への電力制御（調光制御）を行うものである。
【０００３】
また、この調光装置Ａ’は負荷端の短絡時に回路を保護するためのブレーカ（図示せず）、フィルタ用のチョークコイル（図示せず）、スイッチング動作を行う半導体素子たる双方向サイリスタ（トライアック）Ｑ1 〜Ｑ4 を備え、操作部２からの入力信号に基いて各ゲート制御回路５０1 〜５０4 がトライアックＱ1〜Ｑ4 のゲートに制御信号を与えてスイッチング動作させ、単位時間当たりのトライアックＱ1 〜Ｑ4 の導通時間を制御することで受電端Ｕから照明負荷Ｌ1 〜Ｌ4 に供給される電力を制御する、所謂位相制御方式のものである。ここで、サイリスタやトライアックなどの半導体素子は耐量が大きいため、負荷端の短絡事故発生時にはブレーカなどで回路を遮断すれば回路素子の保護が可能であり、また、サイリスタやトライアック等の半導体素子が受電端Ｕからの交流出力の半サイクルごとにしかオン・オフのスイッチング制御ができないため、電気的雑音の発生防止あるいはオン・オフ時の回路素子への負担を軽減する等の目的からフィルタ用のチョークコイルが必要とされる。
【０００４】
調光装置Ａ’には各相電圧のゼロクロスに同期した同期信号を出力する同期回路２1 〜２3 が設けてある。この同期回路２1 …は各相の配線Ｗ1 〜Ｗ3 から取り込んだ相電圧を全波整流する整流回路４と、所定の基準電圧を発生する基準電圧源５と、整流後の脈流電圧を上記基準電圧と比較して相電圧のゼロクロスに同期した同期信号を出力する比較器６とを備え、出力される同期信号はそれぞれゲート制御回路５０1 〜５０4 に与えられる。
【０００５】
ここで、調光装置Ａ’の動作を図１３の波形図を参照して説明すると、相電圧Ｖｉを全波整流した脈流電圧Ｖ1 と基準電圧Ｖｒとが比較器６において比較され、相電圧Ｖｉのゼロクロス近傍の脈流電圧Ｖ1 が基準電圧Ｖｒを下回る期間に比較器６からパルス状の同期信号Ｖｔが出力される。ゲート制御回路５０1 …では、同期回路２1 …から入力される同期信号Ｖｔに基づくタイミングで、操作部３からの入力信号に応じた所定の期間だけトライアックＱ1 …を導通させるようにゲートに制御信号を出力する。その結果、調光装置Ａ’から照明負荷Ｌ1 …への出力電圧Ｖ0 は位相制御された波形となる。なお、トライアックＱ1 …が導通している期間Ｔ0 は操作部３からの入力信号の大きさによって決定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来例においては、電源周波数や電源電圧の変動に対して、整流回路４から出力される脈流電圧Ｖ1 を平滑した直流電圧のレベルに応じて基準電圧源５から出力される基準電圧Ｖｒを調整し、電源電圧（相電圧Ｖｉ）が低い場合にはトライアックＱ1 …の導通期間を長く、反対に高い場合には導通期間を短くすることにより、照明負荷Ｌ1 …に供給される出力電圧Ｖ0 に対する電源電圧変動の影響を相殺するように出力電圧Ｖ0 を補正している。但し、このような補正が可能となるのは、配線Ｗ1 …から取り込んだ電源電圧波形が正常な正弦波である場合だけである。
【０００７】
すなわち、受電端Ｕの変圧器から調光装置Ａ’までの配線Ｗ1 …の配線長が長い場合や、負荷の容量に対して変圧器の容量が十分でない場合などでは、受電端Ｕの２次側の相電圧が正常な正弦波であっても、調光装置Ａ’に取り込まれた時には図１４に示すように相電圧Ｖｉの波形に歪が生じて非対称になってしまうことがある。このような場合には、整流回路４から出力される脈流電圧Ｖ1 も歪んでしまうから、結局、同期回路２1 …において相電圧Ｖｉのゼロクロスを正しく検出することができず、本来のゼロクロスから位相がずれた同期信号Ｖｔ’が出力されてトライアックＱ1 …のスイッチングのタイミングが狂ったり、同期信号Ｖｔ’のパルス幅がずれることで所定の出力が得られなくなり、照明負荷Ｌ1 …の場合にはちらつきや立ち消えなどの現象が生じるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、電源電圧や電源周波数の変動による負荷への供給電力の変動を防止した電力変換装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、交流電源から負荷への給電路に挿入されて給電路を断続するスイッチング動作を行う半導体素子と、入力信号に応じて半導体素子の導通期間を決定する制御信号を出力する制御手段とを備えた電力制御装置において、給電路の交流電源近傍から取り込んだ交流電源電圧のゼロクロスに同期した同期信号を発生する同期信号発生手段を具備し、半導体素子の導通期間における交流電源電圧の実効値を求める実効値演算部と、予め与えられる関数に基づいて入力信号と交流電源電圧の実効値とから所定の負荷供給電力が得られるような制御信号を求める関数部とを制御手段に備えて成る電力制御装置であって、負荷端の短絡時に回路を遮断して保護するブレーカと、少なくとも半導体素子と制御手段並びに同期信号発生手段を構成する回路部品が取り付けられるインペラ形状の放熱体と、回転軸を放熱体の軸に略一致させた冷却用ファンとを備え、ブレーカと放熱体の間に所定の空隙を設けて冷却用ファンを配設して成るものであり、交流電源電圧を交流電源近傍から取り込むことで交流電源からの配線長に起因する交流電源電圧の波形歪の影響を抑制することができ、また、このようにして取り込まれた交流電源電圧の実効値に基づいて予め与えられる関数により入力信号に応じた負荷供給電力が得られるような制御信号を求めることにより、交流電源電圧の変動があっても常に関数部の関数によって決まる電力、すなわち入力信号に応じた理想的な電力を負荷に供給することができ、その結果、電源電圧や電源周波数の変動による負荷への供給電力の変動を防止できる。さらに、ブレーカが具備する過電流検出用のバイメタルが回路部品からの放熱で動作し、回路が誤って遮断されるような誤動作の発生が防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の第１の実施形態を示す概略回路図である。本実施形態も照明負荷を調光する調光装置に関するものであり、基本的な構成は従来例と共通するので共通する部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００１１】
本実施形態の調光装置Ａは、受電端Ｕから各照明負荷Ｌ1 〜Ｌ4 への給電路（配線Ｗ1 〜Ｗ3 ）に挿入された半導体素子たるトライアックＱ1 〜Ｑ4 と、各トライアックＱ1 〜Ｑ4 のゲートに制御信号を出力するゲート制御回路１1 〜１4と、ゲート制御回路１1 〜１4 に対して交流電源電圧のゼロクロスに同期した同期信号を出力する同期回路２1 〜２3 と、ゲート制御回路１1 〜１4 に対して照明負荷Ｌ1 〜Ｌ4 の調光量を指示する入力信号を与える操作部３とを備え、操作部３からの入力信号に基いて各ゲート制御回路１1 〜１4 がトライアックＱ1 〜Ｑ4 のゲートに制御信号を与えてスイッチング動作させ、単位時間当たりのトライアックＱ1 〜Ｑ4 の導通時間を制御することで受電端Ｕから照明負荷Ｌ1 〜Ｌ4 に供給される電力を制御して調光を行う、所謂位相制御方式の電力制御装置である。なお、操作部３は有線あるいは無線で入力信号をゲート制御回路１1 …に与えるリモコン操作器のようなものでもよい。
【００１２】
同期回路２1 …は、受電端Ｕの近傍の各相の配線Ｗ1 〜Ｗ3 から取り込んだ相電圧を全波整流する整流回路４と、所定の基準電圧を発生する基準電圧源５と、整流後の脈流電圧を上記基準電圧と比較して相電圧のゼロクロスに同期した同期信号を出力する比較器６とを備えている。ここで、本実施形態では受電端Ｕの近傍から相電圧を取り込んでいるため、配線Ｗ1 〜Ｗ4 の配線長が長い場合であっても常に配線Ｗ1 〜Ｗ4 による影響を受ける前の波形歪の少ない状態の交流電源電圧を取り込むことができる。このため、配線Ｗ1 〜Ｗ4 による影響を受けた後の交流電源電圧を取り込んでいた従来例に比較して、同期信号に位相ずれが生じることがなくなるという利点がある。
【００１３】
ゲート制御回路１1 …は、同期回路２1 …の整流回路４から出力された脈流電圧をオペアンプＯＰ1 を用いて積分して交流電源電圧の実効値を求める実効値演算部たる積分器７と、トランジスタなどで構成されて脈流電圧の積分器７への入力を入切するスイッチＳＷと、同期回路２1 …からの同期信号に応じたタイミングにて操作部３からの入力信号に応じたパルス幅のパルス信号を出力してスイッチＳＷをオン・オフさせるパルス信号発生回路８と、積分器７で求めた交流電源電圧の実効値と操作部３からの入力信号とから所定の負荷供給電力が得られるような制御信号を求めてトライアックＱ1 …のゲートに出力する関数部９とを備えている。ここで、積分器７にはトライアックＱ1 …の導通期間に対応した期間にのみスイッチＳＷを介して脈流電圧が入力されるため、積分器７から出力される実効値はトライアックＱ1 …の導通期間における交流電源電圧の実効値となる。
【００１４】
一方、関数部９は２つのオペアンプＯＰ2 ，ＯＰ3 を具備し、図２に示すような交流電源電圧Ｖｉが正常な正弦波である場合の入力信号と交流電源電圧の実効値との関係を決める関数が予め設定されており、この関数から求められる入力信号に対応した交流電源電圧の実効値と、積分器７から入力される実際の交流電源電圧の実効値とを比較し、その結果から交流電源電圧が正常な正弦波である場合の実効値と実際の実効値とが略一致するような制御信号を作成してトライアックＱ1 …の導通角を制御している。すなわち、図３（ａ）に示すように交流電源電圧Ｖｉに波形歪が生じた場合であっても、実際の交流電源電圧の実効値が上記関数により求められる正常時の実効値と略一致するように、ゲート制御回路１1 …において制御信号のパルス幅が補正され、照明負荷Ｌ1 …には操作部３からの入力信号に応じた電圧Ｖ0 が常に安定して供給される（同図（ｃ）参照）。そのため、施工や電源の仕様が原因で発生する非対称な電源歪に対し、ゲート制御回路１1 …の誤動作を防止でき、且つ出力の安定化が図れる。
【００１５】
ところで、本実施形態の調光装置Ａは、図４（ａ）（ｂ）に示すように１回路分のトライアックＱ1 …等の回路部品が平板状の取付板１０に取り付けられてキャビネットＣＢの内部に多数個が収納配置されるものであり、主に多数の照明負荷Ｌ1 …を調光するための大容量型のものである。なお、図１の概略回路図では図示を省略した回路保護用のブレーカＢやフィルタ用のチョークコイルＣＨも取付板１０に取り付けてある。このチョークコイルＣＨは、従来例でも説明したように、トライアックＱ1 …が交流電源電圧の半サイクルごとにしかオン・オフできないことによる電気的雑音の発生防止あるいはオン・オフ時の回路素子への負担を軽減する等の目的で設けられているものである。チョークコイルＣＨは、トロイダル形状あるいは円筒形状のコアの周囲に断面形状が円形又は矩形の導体から成る巻線を巻回して構成されているが、トライアックＱ1 …によって位相制御され急峻に変化する電流が巻線に流れるため、電磁的な力によって巻線自体が振動して唸り音を発生する。
【００１６】
そこで、図５（ｂ）に示すように導電性材料を圧延機によって帯板状に圧延して巻線を形成する際に、圧延機のローラの片側あるいは両側に巻線の長手方向に沿った溝を設けておき、巻線１１の片側面（あるいは両側面）に凹凸を形成し巻線１１の長手方向の厚みを部分的に厚くするようにすれば、巻線１１の強度を上げて上記のような巻線の振動による唸り音の発生を抑制することができる。このように形成された巻線１１は矩形枠状のコア１３に取着されたボビン１２の回りに巻回されてチョークコイルＣＨが形成される。
【００１７】
また、巻線の振動を抑制する他の構造として、図６に示すように若干幅広の帯板状に形成された巻線１４を円柱状のコア１６の周囲に巻回してチョークコイルＣＨを形成する際に、ウレタンなどの絶縁性を有する防振材１５を同時に巻回して巻線１４の各層の間に防振材１５を挟設してもよい。なお、この場合にはインダクタンスは巻線１４の巻数を増やすことで大きくし、さらに巻線１４の巻初めと巻終りの両端には電極１７を接続する。このように、巻線１４の間に防振材１５を挟設することにより、巻線１４の振動を防振材１５によって抑制することができる。
【００１８】
あるいは、他の振動抑制構造として、コア１９に取着されるボビン１８の外周面に多数の突起１８ａを突設し、この突起１８ａの上に巻線２０を巻回してチョークコイルＣＨを形成するものもある。すなわち、巻線２０をボビン１８の外周面に突設された多数の突起１８ａにて多点で支持することにより、巻線２０の振動を抑制して唸り音の発生が防止できるものである。
【００１９】
ところで、一般に電力制御装置における回路部品からの発熱量は負荷の使用状況（電力制御装置からの出力電流）によって大幅に変化するが、従来は図４に示すように金属製の取付板１０を放熱板に利用して放熱を促進させるとともに、キャビネットＣＢの上部に配設された冷却用のファン等を用いてキャビネットＣＢ内の空気を循環させて回路部品を冷却するようになっていた。
【００２０】
これに対して、図８に示すように１回路分のトライアックＱ1 …やブレーカＢあるいはチョークコイルＣＨ等の回路部品が実装されたプリント基板ＰＢを、複数枚が所定の間隙を設けて重ねられた取付板２１1 ，２１2 に取り付けるとともに、垂直方向の上下両端部２２ａ，２２ｂに吸排気用のファン２３1 ，２３2 が取着されたケース２２の内部に取付板２１1 …を納装すれば、ファン２３1 ，２３2 を駆動することでケース２２の内部において上方へ送風することにより、複数の取付板２１1 ，２１2 の間に設けられた間隙の間を通風して、放熱板を兼ねる取付板２１1 …から放射された熱が効率良くキャビネットＣＢの上部へ排出され、結果的に多数の回路部品の放熱を一括して効率よく行うことができる。
【００２１】
また、ブレーカＢには回路素子を確実に保護するために高速で動作する所謂高速遮断品を使用しているが、過電流の検出用に内部に設けられたバイメタルが上記回路部品から放射される熱によって誤動作してブレーカＢの不要な遮断を招くことがあるが、図９に示すように金属製平板状の放熱板２４ａ…をその一辺を軸として互いに連結することで断面羽根型のインペラ形状とした放熱体２４の各放熱板２４ａ…に、チョークコイルＣＨやトライアックＱ1 …並びに各回路を構成する回路部品などを実装し、冷却用ファン２５をその回転軸が放熱体２４ａの軸に略一致するように取り付けるとともに、図１０に示すようにブレーカＢと放熱体２４の間に所定の空隙２６を設け、この空隙２６を冷却用ファン２５の吸気口とすることにより、熱を発する回路部品とブレーカＢとが上記空隙２６によって隔離され、上述のようなブレーカＢの誤動作が防止できる。なお、各放熱板２４ａ…は放熱効果を高めるために多数のフィン２４ｂが突設してある。
【００２２】
ところで上記の各ファンは、電源投入と連動あるいは設置場所の温度検知と連動してオン・オフされることが多いが、回路部品からの発熱量が負荷の使用状況によって大幅に変化するので、負荷の稼働率によっては冷却が不要な場合であってもファンが駆動され、余計な電力が消費されたり騒音が生じるなどの不具合が生じている。
【００２３】
そこで、冷却用ファン２５を回転させるファンモータＭを図１１に示すような回路にて駆動し、不要な電力消費や騒音の発生を防止することができる。この回路は、直流電源Ｅの両端に互いに並列接続されたフォトトラジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 と直列に直流モータから成るファンモータＭと逆流阻止用のダイオードＤ1 の並列回路を接続するとともに、所定の温度を越えた場合にオンする温度検出素子ＴＨ1 ，ＴＨ2 と発光ダイオードＬＤ1 ，ＬＤ2 の直列回路を互いに並列に直流電源Ｅの両端に接続して構成される。なお、フォトトラジスタＴｒ1 と発光ダイオードＬＤ1 及びフォトトランジスタＴｒ2 と発光ダイオードＬＤ2 にて各々フォトカプラが形成されている。また、温度検出素子ＴＨ1 ，ＴＨ2 は、例えば雰囲気温度によって変化するサーミスタの抵抗値が所定のしきい値になったときに接点が閉成されるものであって、それぞれ異なるしきい値が設定されている。すなわち、この回路構成においては、雰囲気温度に応じて各温度検出素子ＴＨ1 ，ＴＨ2 が順次オンとなり、ファンモータＭに供給される電力を段階的に変化させることができ、このため、雰囲気温度に応じた冷却が可能となり、余計な電力が消費されたり騒音が生じるなどの不具合が防止できる。あるいは、サーミスタの抵抗値変化に応じた直流出力をアンプにて増幅し、それをファンモータの駆動用電源として用いるようにしてもよい。この場合には、雰囲気温度があまり上昇しておらずアンプからの出力電圧が出力が殆ど無いときにも、ファンを安定して回転させることが可能な最小の電圧が印加されるようにしておけばよい。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、交流電源から負荷への給電路に挿入されて給電路を断続するスイッチング動作を行う半導体素子と、入力信号に応じて半導体素子の導通期間を決定する制御信号を出力する制御手段とを備えた電力制御装置において、給電路の交流電源近傍から取り込んだ交流電源電圧のゼロクロスに同期した同期信号を発生する同期信号発生手段を具備し、半導体素子の導通期間における交流電源電圧の実効値を求める実効値演算部と、予め与えられる関数に基づいて入力信号と交流電源電圧の実効値とから所定の負荷供給電力が得られるような制御信号を求める関数部とを制御手段に備えて成る電力制御装置であって、負荷端の短絡時に回路を遮断して保護するブレーカと、少なくとも半導体素子と制御手段並びに同期信号発生手段を構成する回路部品が取り付けられるインペラ形状の放熱体と、回転軸を放熱体の軸に略一致させた冷却用ファンとを備え、ブレーカと放熱体の間に所定の空隙を設けて冷却用ファンを配設して成るので、交流電源電圧を交流電源近傍から取り込むことで交流電源からの配線長に起因する交流電源電圧の波形歪の影響を抑制することができ、また、このようにして取り込まれた交流電源電圧の実効値に基づいて予め与えられる関数により入力信号に応じた負荷供給電力が得られるような制御信号を求めることにより、交流電源電圧の変動があっても常に関数部の関数によって決まる電力、すなわち入力信号に応じた理想的な電力を負荷に供給することができ、その結果、電源電圧や電源周波数の変動による負荷への供給電力の変動を防止でき、さらに、ブレーカが具備する過電流検出用のバイメタルが回路部品からの放熱で動作し、回路が誤って遮断されるような誤動作の発生が防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示す概略回路図である。
【図２】同上の動作を説明するための波形図である。
【図３】同上の動作を説明するための波形図である。
【図４】（ａ）は同上の設置状態を説明する図、（ｂ）は同上の構造を示す斜視図である。
【図５】同上におけるチョークコイルの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は巻線の斜視図である。
【図６】同上におけるチョークコイルの他の構造を示す斜視図である。
【図７】同上におけるチョークコイルのさらに別の構造を示す平面図である。
【図８】同上の他の構造を示す断面図である。
【図９】同上のさらに他の構造を示す斜視図である。
【図１０】同上の構造を示す一部破断した側面図である。
【図１１】同上における冷却用ファンの駆動回路を示す回路図である。
【図１２】従来例を示す概略回路図である。
【図１３】同上の動作を説明するための波形図である。
【図１４】同上の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
Ａ      調光装置
Ｌ1 …  照明負荷
１1 …  ゲート制御回路
２1 …  同期回路
３      操作部
７      積分器
８      パルス信号発生器
９      関数部
ＳＷ    スイッチ
【図１】
0003567612.tif 000002
【図２】
0003567612.tif 000003
【図３】
0003567612.tif 000004
【図４】
0003567612.tif 000005
【図５】
0003567612.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
0003567612.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0003567612.tif 000015