(57)【要約】【課題】３相電源を用いて単相負荷を駆動する場合、Ｎ相と何れか一つの相からのみ電力供給を受けることなく、Ｒ、Ｓ、Ｔ３相が順次電力を供給することで、相不均衡問題を解決できる３相電源の相不均衡防止回路を提供する。【解決手段】３相電源の各相のゼロクロスを感知するゼロクロス感知部１０，１２，１４と、感知された各相のゼロクロスポイント時点を基準にして、各相の電力を供給及び遮断するように制御する電力制御用継電器３０，３２，３４と、前記各相のゼロクロス信号を受けて、前記電力制御用継電器３０，３２，３４のスイッチング動作を制御する制御部４０と、を含んで３相電源の相不均衡防止回路を構成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相電源の各相のゼロクロスを感知するゼロクロス感知部と、
感知された各相のゼロクロスポイント時点を基準にして、各相の電力を供給及び遮断するように制御する電力制御用継電器と、
前記各相のゼロクロス信号を受けて、前記電力制御用継電器のスイッチング動作を制御する制御部と、を含む３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項２】
前記３相電源は、３相４線式３８０Ｖ電源であることを特徴とする請求項１に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項３】
前記３相電源の相不均衡防止回路は、３相４線式電源に３相及び単相負荷を連結して駆動するシステムに設けられることを特徴とする請求項１に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項４】
前記ゼロクロス感知部は、前記３相電源のＲ、Ｓ、Ｔ各相のゼロクロスを感知するために３個のゼロクロス感知回路を含む請求項１に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項５】
前記ゼロクロス感知回路は、
Ｒ、Ｓ、Ｔ各相にアノード端子が連結され、Ｎ相にカソード端子が連結されることで、前記Ｒ、Ｓ、Ｔ各相に流れる電流によって動作する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの動作によってオン／オフになり、前記制御部に各相のゼロクロス信号を入力するフォトトランジスタと、から構成されたフォトカプラを含む請求項４に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項６】
前記電力制御用継電器は、前記３個のゼロクロス感知回路で感知された各相のゼロクロスポイント時点を基準にして、単相負荷へのＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力供給及び遮断を行う３個のＳＳＲを含む請求項４に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項７】
前記３個のＳＳＲは、前記各相のゼロクロスポイント時点で順次オン／オフになり、前記単相負荷にＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力を順次供給することを特徴とする請求項６に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【請求項８】
前記制御部は、前記３個のゼロクロス感知回路で感知された各相のゼロクロス信号によってＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力を前記単相負荷に順次供給するために、前記３個のＳＳＲを順次オン／オフに制御することを特徴とする請求項６に記載の３相電源の相不均衡防止回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３相電源を用いて単相負荷を駆動する場合に発生する相不均衡を防止するための３相電源の相不均衡防止回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アナログ及びデジタル技術の飛躍的な発展に伴い、先端機能を備えた電気製品が各家庭及び業務現場に急速に普及しつつある。
さらに、電気製品の増加によって電力の使用量が増加しているが、学校、会社及び病院などの多数の分離空間が存在する大型建物で広く用いられるシステムエアコンの場合、一つまたは一つ以上の室外機に多様な形態及び容量を有する複数の室内機が連結されるので、電力消費量が大きい。
３相電源は、システムエアコンなどの電力消費量の大きい電気製品に電力を供給するときに用いられるが、その理由は、単相電源に比べて３相電源の脈動が少なく、一層多くの電力を供給できるためである。
【０００３】
３相電源は、同一の振幅及び周波数を有する３個の正弦波電流がそれぞれ１２０゜の位相差を有して３相Ｒ，Ｓ，Ｔに流れるもので、図１に示すように、一般的に、３相Ｒ，Ｓ，Ｔの各中間点を集めたＮ相が接地線となる３相４線式結線方式を用いている。
図１に示した３相４線式電源の場合、接地線（Ｎ相）を除いたＲ―Ｓ、Ｓ―Ｔ、Ｔ―Ｒ相間の電圧は３８０Ｖで、接地線（Ｎ相）を基準にしてＲ、Ｓ、Ｔ３相のうち一つの相とＮ相との間、すなわち、Ｎ―Ｒ、Ｎ―Ｓ、Ｎ―Ｔ相間の電圧は２２０Ｖで、負荷が単相と３相負荷で共用される結線方式である。
【０００４】
上記のような３相４線式電源を電気製品（具体的に、システムエアコンの室外機）に連結して使用するとき、図２に示すように、Ｒ、Ｓ、Ｔ３相は、圧縮機１を駆動するための電力を供給し、Ｎ相とＲ、Ｓ、Ｔ３相のうち一つの相は、単相ファンモーター３を駆動するための電力を供給する。
このとき、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｎ相にそれぞれ流れる電流は、
Ｓ＝Ｔ＝Ｉｃ（圧縮機駆動電流）
Ｎ＝Ｉｆ（ファンモーター駆動電流）
Ｒ＝Ｉｆ＋Ｉｃ（ファンモーター駆動電流＋圧縮機駆動電流）となり、Ｓ、Ｔ相よりＲ相に多くの電流が流れるようになる。
【０００５】
上記のように、３相電源を用いて単相負荷（具体的に、ファンモーター）を駆動する場合、図３に示すように、各相に流れる電流の波形が歪曲することで、各相に不均衡電力が供給される。このように相不均衡が発生すると、同一の電流が消耗される場合も、相均衡時より消費電力が一層大きくなる。
例えば、下記の二つの場合に発生する電力損失を比較してみる。
１番回路は、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相の電流が２５Ａ、５０Ａ、７５Ａで、相不均衡が発生した場合の３相電流合計が１５０Ａであると仮定し、２番回路は、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相の電流が５０Ａで、相不均衡が発生しない場合の３相電流合計が１５０Ａであると仮定する。このとき、１、２番回路の総使用電流は同一であるが、電力損失（ＰＬ＝Ｉ２×Ｒ）は互いに異なる。
【０００６】
１、２番回路で電線の太さが同一である場合、電線の抵抗Ｒは同一であるので、１番回路の電力損失（ＰＬ１）は、ＰＬ１＝２５２＋５０２＋７５２＝８７５０［Ｗ］で、２番回路の電力損失（ＰＬ２）は、ＰＬ２＝５０２＋５０２＋５０２＝７５００［Ｗ］である。その結果、相不均衡である場合、電力損失が１６％ほど多く発生することが分かる。
また、圧縮機１やファンモーター３などの３相負荷を用いるシステムで相不均衡が発生すると、３相回転磁界が不平衡になり、騷音またはベアリング摩耗の発生をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、３相電源を用いて単相負荷を駆動する場合、Ｎ相と何れか一つの相からのみ電力供給を受けることなく、Ｒ、Ｓ、Ｔ３相が順次電力を供給することで、相不均衡問題を解決できる３相電源の相不均衡防止回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、３相電源の各相のゼロクロスを感知するゼロクロス感知部と、感知された各相のゼロクロスポイント時点を基準にして、各相の電力を供給及び遮断するように制御する電力制御用継電器と、前記各相のゼロクロス信号を受けて、前記電力制御用継電器のスイッチング動作を制御する制御部と、を含む。
また、前記３相電源は、３相４線式３８０Ｖ電源であることを特徴とする。
また、前記３相電源の相不均衡防止回路は、３相４線式電源に３相及び単相負荷を連結して駆動するシステムに設けられることを特徴とする。
【０００９】
また、前記ゼロクロス感知部は、前記３相電源のＲ、Ｓ、Ｔ各相のゼロクロスを感知するために３個のゼロクロス感知回路を含む。
また、前記ゼロクロス感知回路は、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相にアノード端子が連結され、Ｎ相にカソード端子が連結されることで、前記Ｒ、Ｓ、Ｔ各相に流れる電流によって動作する発光ダイオードと、前記発光ダイオードの動作によってオン／オフになり、前記制御部に各相のゼロクロス信号を入力するフォトトランジスタと、から構成されたフォトカプラを含む。
【００１０】
また、前記電力制御用継電器は、前記３個のゼロクロス感知回路で感知された各相のゼロクロスポイント時点を基準にして、単相負荷へのＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力供給及び遮断を行う３個のＳＳＲを含む。
また、前記３個のＳＳＲは、前記各相のゼロクロスポイント時点で順次オン／オフになり、前記単相負荷にＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力を順次供給することを特徴とする。
また、前記制御部は、前記３個のゼロクロス感知回路で感知された各相のゼロクロス信号によってＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力を前記単相負荷に順次供給するために、前記３個のＳＳＲを順次オン／オフに制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の３相電源の相不均衡防止回路によると、３相４線式３８０Ｖ電源に単相２２０Ｖ負荷を連結して駆動する場合、Ｎ相と何れか一つの相からのみ電力供給を受けることなく、Ｒ、Ｓ、Ｔ３相が順次電力を供給することで、相不均衡問題を解決できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図４は、本発明の一実施形態による３相電源の相不均衡防止回路図である。図４に示すように、３相電源の相不均衡防止回路図は、Ｒ、Ｓ、Ｔ３相のゼロクロスをそれぞれ感知する３個のゼロクロス感知部１０，１２，１４と、前記３個のゼロクロス感知部１０，１２，１４で感知された各相のゼロクロスポイント時点を基準にして、単相負荷２０へのＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力供給及び遮断を行う３個の電力制御用継電器３０，３２，３４と、前記３個のゼロクロス感知部１０，１２，１４で感知された各相のゼロクロス信号を受けて、前記３個の電力制御用継電器３０，３２，３４を順次オン／オフにするための制御部４０と、を含んで構成される。
【００１３】
前記第１乃至第３ゼロクロス感知部１０，１２，１４は、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相のゼロクロスポイント時点を感知するためのフォトカプラ１０ａ，１２ａ，１４ａと、電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）、（Ｒ３，Ｒ４）、（Ｒ５，Ｒ６）と、プールアップ抵抗Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９と、から構成される。
【００１４】
前記フォトカプラ１０ａ，１２ａ，１４ａは、電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）、（Ｒ３，Ｒ４）、（Ｒ５，Ｒ６）を介してＲ、Ｓ、Ｔ各相にアノード端子がそれぞれ連結され、Ｎ相にカソード端子がそれぞれ連結されて発光する発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂと、前記発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂの動作によってオン／オフになり、制御部４０のＲ、Ｓ、Ｔ相入力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３に各相のゼロクロスポイント時点（ゼロ電位点）を入力するフォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃと、から構成される。
【００１５】
前記電力制御用継電器３０，３２，３４は、各相のゼロクロスポイント時点を基準にして順次オン／オフ動作をするＳＳＲ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｒｅｌａｙ）で、前記制御部４０のＲ、Ｓ、Ｔ相出力ポートＯ１，Ｏ２，Ｏ３から各相のゼロクロスポイント時点を基準にして順次出力される各相の電力供給信号を受けて、前記単相負荷２０へのＲ、Ｓ、Ｔ相電源の供給及び遮断を順次行うように制御する。
【００１６】
また、前記電力制御用継電器３０，３２，３４には、定電源（Ｖｃｃ；５Ｖ）に連結されるプールアップ抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２が接続される。
前記制御部４０は、前記３個のゼロクロス感知部１０，１２，１４で感知された各相のゼロクロス信号を受けて、前記単相負荷２０にＲ、Ｓ、Ｔ各相の電力を順次供給するマイコンで、各相のゼロクロスポイント時点を基準にして前記３個の電力制御用継電器３０，３２，３４を順次オン／オフにするために、前記電力制御用継電器３０，３２，３４に電力供給信号を出力する。
【００１７】
以下、上記のように構成された３相電源の相不均衡防止回路の動作過程及び作用効果を説明する。
まず、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相に連結された電力制御用継電器３０，３２，３４は、オフ状態にあるので、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相に電流が供給されない。これと同時に、各相に連結された３個のゼロクロス感知部１０，１２，１４には、１２０°の位相差を有する正弦波が入力される。
【００１８】
このとき、各相に入力された正弦波が前記３個のゼロクロス感知部１０，１２，１４を通過すると、前記ゼロクロス感知部１０，１２，１４では、各相に入力される正弦波の電流成分を電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）、（Ｒ３，Ｒ４）、（Ｒ５，Ｒ６）を通して制限してフォトカプラ１０ａ，１２ａ，１４ａの発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂに印加する。
【００１９】
前記発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂに電流が印加されると、発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂが光を放射する。そして、放射された光がフォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃをターンオンして、フォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃのコレクタ端子からエミッタ端子に電流が流れるようになる。前記フォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃがターンオンすると、各フォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃのコレクタ端子が接地に連結されるので、電圧が０Ｖ（すなわち、ローレベル）になり、制御部４０のＲ、Ｓ、Ｔ相入力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３にローレベルの信号が入力される。
【００２０】
その反対に、前記発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂに電流が印加されない場合、発光ダイオード１０ｂ，１２ｂ，１４ｂが光を放射せず、フォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃがターンオフ状態に維持される。また、フォトトランジスタ１０ｃ，１２ｃ，１４ｃのコレクタ端子が定電源Ｖｃｃに連結されるので、電圧が５Ｖ（すなわち、ハイレベル）になり、制御部４０のＲ、Ｓ、Ｔ相入力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３にハイレベルの信号が入力される。
【００２１】
上記のような動作を通して、ゼロクロス感知部１０，１２，１４では、図５に示したゼロクロス信号波形と同一の出力を得るようになるが、このゼロクロス信号を制御部４０のＲ、Ｓ、Ｔ相入力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３から受けて、図６に示した順に、各相に連結された電力制御用継電器３０，３２，３４に電力供給信号を順次出力し、電力制御用継電器３０，３２，３４を順次オン／オフにする。
【００２２】
前記電力制御用継電器３０，３２，３４が順次オン／オフになると、Ｒ、Ｓ、Ｔ３相が交互に電力を供給するようになり、単相負荷２０に相不均衡のない電力を供給することで、最終的には、図７に示すように、前記単相負荷２０に相不均衡のない電流が供給される。その結果、Ｎ相と何れか一つの相からのみ電力供給を受けて単相負荷２０を駆動する場合に発生する従来の相不均衡問題を解決するとともに、付加的な消費電力の増加を抑制しながらも製品の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的な３相４線式電源の各相間電圧を示した図である。
【図２】図１の３相４線式電源を用いたシステムエアコンの例を示した構成図である。
【図３】図１の３相４線式電源を用いて単相負荷を駆動する場合に発生する相不均衡電流波形図である。
【図４】本発明の一実施形態による３相電源の相不均衡防止回路図である。
【図５】本発明のゼロクロス感知部を通過した信号出力波形図である。
【図６】本発明のゼロクロス信号による電力制御用継電器の制御タイミング図である。
【図７】本発明の単相負荷に供給される最終電流波形図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０，１２，１４  ゼロクロス感知部
１０ａ，１２ａ，１４ａ  フォトカプラ
２０  単相負荷
３０，３２，３４  電力制御用継電器
４０  制御部
【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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【図７】
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