(57)【要約】【課題】多相交流の電力制御を行うに当たって、一つの相がゼロクロスするタイミングと他の相が点弧または消弧するタイミングとが一致して相互に干渉して波形乱れが生じることを回避することのできる多相交流の電力制御装置および電力制御方法を提供する。【解決手段】電源１から負荷４へ供給される多相交流の電力制御を電力制御用素子３ａ，３ｂによる点弧動作または消弧動作により行う多相交流の電力制御装置において、多相交流の少なくとも一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて他の相に対する点弧動作または消弧動作を行うように構成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から負荷へ供給される多相交流の電力制御を、電力制御用素子による点弧動作または消弧動作により行う多相交流の電力制御装置において、
前記多相交流の少なくとも一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて、他の相に対する前記点弧動作または消弧動作を行うように構成している、ことを特徴とする多相交流の電力制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多相交流の電力制御装置において、
一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングで点弧動作または消弧動作される他の相は、一単位とされる２周期における一方の周期の出力と他方の周期の出力とで、大きさを異ならせた非対称の点弧動作または消弧動作が行われるように設定している、ことを特徴とする多相交流の電力制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の多相交流の電力制御装置において、
前記多相交流のすべての相が、他の相のゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて、前記電力制御用素子による点弧動作または消弧動作を行うように設定している、ことを特徴とする多相交流の電力制御装置。
【請求項４】
電源から負荷へ供給される多相交流の電力制御を、電力制御用素子による点弧動作または消弧動作により行う多相交流の電力制御方法において、
前記多相交流の少なくとも一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて、他の相に対する前記点弧動作または消弧動作を行う、ことを特徴とする多相交流の電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばサイリスタなどの電力制御用素子を利用した多相交流の電力制御装置および電力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電源から負荷へ多相交流を供給する電力制御装置においては、例えば電気炉の温度制御のため負荷としてのヒータに対して電力制御する場合のように、サイリスタなどの電力制御用素子により点弧動作または消弧動作させる制御で三相交流についての電力制御を行っていた（特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３４４０２５号公報（全頁、全図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
三相交流の場合、図９ないし図１１の波形図を参照して、出力２５％の時には、点弧動作させる制御位相角度が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度となる。各相が１２０度ずつずれているため、図１０を参照した場合、Ｒ相について出力２５％になるように点弧するタイミングの１２０度、３００度の制御角度ではＴ相が丁度ゼロクロスするタイミングになっている。Ｓ相について出力２５％になるように点弧するタイミングの０度、１８０度の制御角度ではＲ相が丁度ゼロクロスするタイミングになっている。Ｔ相について出力２５％になるように点弧するタイミングの６０度、２４０度の制御角度ではＳ相が丁度ゼロクロスするタイミングになっている。なお、図９ないし図１１において三相交流の電圧を縦軸にとり、横軸に位相角度をとっている。そして、電圧については最大値を１に換算した状態で表示している。
【０００５】
上記のように三相交流の一つの相がゼロクロスするタイミングもしくは近いタイミングで他の相が点弧または消弧すると、互いの相が干渉し合うことでゼロクロスする相のゼロクロス位置が適正なゼロクロス位置から前後に位置ずれしてしまうおそれがあった。その波形を図１０に示している。さらに、図１１において、位相角度１２０度の近傍における三相交流の波形の拡大図として示している。この図１１に示すように、位相角度１２０度でＲ相について点弧するときにそのＲ相とＴ相およびＳ相が相互干渉し、本来１２０度でゼロクロスするＴ相がその波形に乱れが生じて、１２０度よりも手前の１１８．５度あたりでゼロクロスしてしまい、そのゼロクロスしてから１２０度までの間ほとんど出力されないものとなっていた。波形乱れによってはゼロクロス位置が正常位置なゼロクロス位置よりも遅れて逆に出力が過大になる場合もある。相同士の相互干渉によって生じる波形乱れによるゼロクロスのタイミングのずれとしては実際には５度〜１５度と比較的大きくずれることもあり、その場合、正常な場合の出力値と比較して１〜２％以上の出力誤差が生じるものであった。
【０００６】
このように適正なゼロクロス位置から前後に位置ずれしてしまうと、例えば炉のヒータへの電力供給がフィードバック制御されるとき、適正出力より小さい場合電力不足分を補うように位相制御することになるために、電力供給が急増して逆に供給過剰になる。さらに、その修正をまた行うことでハンチング状態となるなど不安定なものとなり、安定した電力供給が行えなくなり、電子部品の焼成などを炉において行う場合品質低下を招くおそれがあった。また、波形乱れによって生じたノイズが電力線を通して他の機器へも悪影響を与えるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであって、多相交流の電力制御を行うに当たって、一つの相がゼロクロスするタイミングと他の相が点弧または消弧するタイミングとが一致して相互に干渉して波形乱れが生じることを回避することのできる多相交流の電力制御装置および電力制御方法の提供を解決しようとする課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多相交流の電力制御装置は、電源から負荷へ供給される多相交流の電力制御を、電力制御用素子による点弧動作または消弧動作により行う多相交流の電力制御装置において、前記多相交流の少なくとも一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて、他の相に対する前記点弧動作または消弧動作を行うように構成していることを特徴とする。
【０００９】
ここで、電力制御用素子としては、代表的なものとしてサイリスタがあり、その他、パワートランジスタなどを用いてもよい。
【００１０】
本発明に係る多相交流の電力制御装置によれば、多相交流の少なくとも一つの相のゼロクロスするタイミングと他の相の点弧または消弧のタイミングとが、所定位相角度よりずれたものとなっているから、そのゼロクロスする相と点弧または消弧する相との互いの干渉が抑制され、波形に乱れが生じるなどの不具合を解消できるものとなった。これにより、所望出力状態が安定して得られることになる。また、相同士が干渉することにより、電力制御装置から発生するおそれのある波形乱れなどのノイズによる各種機器への悪影響も抑制できる。
【００１１】
本発明に係る多相交流の電力制御装置は、一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングで点弧動作または消弧動作される他の相は、一単位とされる２周期における一方の周期の出力と他方の周期の出力とで、大きさを異ならせた非対称の点弧動作または消弧動作が行われるように設定していることが好ましい。この場合、意図的に非対象の点弧動作または消弧動作を行うものとなっているので、一つの相のゼロクロスタイミングと他の相の点弧動作または消弧動作のタイミングとを適切にずらしたものにでき、相同士の相互干渉も抑制できるとともに、適正で安定的な出力値を得ることができる。
【００１２】
本発明に係る多相交流の電力制御装置は、前記多相交流のすべての相が、他の相のゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて、前記電力制御用素子による点弧動作または消弧動作を行うように設定していることが好ましい。この場合、全ての相についてゼロクロスのタイミングと位相制御の点弧動作または消弧動作のタイミングとをずらしたものとなっているから、全ての相について相互干渉による波形乱れが生じないよう抑制されることになり、適正な電力制御を安定した状態で行うことができる。
【００１３】
本発明に係る多相交流の電力制御方法は、電源から負荷へ供給される多相交流の電力制御を、電力制御用素子による点弧動作または消弧動作により行う多相交流の電力制御方法において、前記負荷へ供給される多相交流の少なくとも一つの相がゼロクロスする点を含む所定位相角度範囲から外れたタイミングにおいて、他の相に対する前記電力制御用素子による点弧動作または消弧動作を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電力制御方法によれば、多相交流の少なくとも一つの相のゼロクロスするタイミングと他の相の点弧または消弧のタイミングとが、所定位相角度よりずれたものとなっているから、そのゼロクロスする相と点弧または消弧する相との互いの干渉が抑制され、波形に乱れが生じるなどの不具合を解消できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図面中、図  １〜図７は、本発明の実施の形態に関して図示するものであって、図１は、熱処理炉のヒータへの電力供給を行う電力制御装置を示すブロック図、図２は、図１の電力制御装置による電力制御のフローチャート、図３（ａ），（ｂ）は、図１の電力制御装置による電力制御を横軸を出力とし、縦軸を実出力および点弧角度を示すグラフであって、（ａ）は正方向の波形について示し、（ｂ）は負方向の波形について示し、図４は、図１の電力制御装置による制御で出力を２５％とするときの三相交流のうち一つの相についての電圧または電流波形を示す波形図、図５は、図４の波形を三相交流全体について示す波形図、図６は、図５における位相角度１２０度近傍の波形図、図７は、図５における位相角度２２０度近傍の波形図である。
【００１６】
図１を参照して、１は三相交流電源、２は電力供給ライン、３ａ，３ｂは電力制御用素子としてのサイリスタ、４は負荷としてのヒータ、５は点弧信号制御回路、６は電流検出回路、７は電圧検出回路、８は電力制御回路である。
【００１７】
三相交流電源１の各電力供給ライン２には、正方向での電力供給時に点弧動作を行うサイリスタ３ａと、負方向での電力供給時に点弧動作を行うサイリスタ３ｂとを並列に接続している。各電力供給ライン２には、負荷としての発熱抵抗体からなるヒータ４を接続している。３つのヒータ４は、この実施の形態の場合スター結線されているが、デルタ結線された形態でもよい。各電力供給ライン２には変流器やトランスなどの検出装置が設けられ、それら検出装置で得られた検出信号から、各電力供給ライン２を流れる各相の電流や電圧を検出する電流検出回路６および電圧検出回路７が設けられている。電力制御回路８は、ヒータ４に対する出力を設定する出力指令信号が入力される。また、電力制御回路８は、この出力指令信号と電流検出回路６や電圧検出回路７の検出信号に基づいて、各相の制御を行う点弧信号を点弧信号制御回路５で発生させるために、点弧信号制御回路５に制御信号を出力する。点弧信号制御回路５からは、各電力供給ライン２の対を成す各サイリスタ３ａ，３ｂのゲートへ所定タイミングで点弧信号を与えるよう出力する。
【００１８】
電力制御回路８に入力される出力指令信号は、各ヒータ４への供給電力を設定するものであって、三相交流電源１からの電力を１００％として、その１００％から０％までの範囲でヒータ４への供給電力を指令とするものである。その指令は人為的に設定して与えてもよいし、熱処理のプロファイルなどにしたがって自動的に与えられるものでもよい。
【００１９】
電力制御回路８は、マイコンなどにより、出力指令信号や電流検出回路６や電圧検出回路７の検出信号に対応して、三相交流の各相電流や各相電圧を位相制御するものであって、本発明に係る構成について以下に説明する。
【００２０】
電力制御回路８では、三相交流の各相（仮にそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相とする）に対応する各サイリスタ３ａ，３ｂのゲートに点弧信号を与える制御が行われる。電力供給の割合が後述するように特別の場合（供給電力の割合が電源からの供給可能量の２５％と７５％の場合およびその供給可能量に近い場合）を除いては、従来どおりの位相制御が行われる。
【００２１】
上記特別な場合とは、供給電力の割合が電源１からの供給可能量の２５％と７５％の場合、すなわち、三相交流の各相がゼロクロスするタイミングと各相に対する点弧信号を与えるタイミングとが、位相角度にして０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度となり、各相同士が相互に干渉して各相の波形乱れが発生するおそれが高い場合である。したがって、電力制御回路８では、各相について点弧角度として、６０度と１２０度とを中心として±１０度の範囲内で点弧がなされる場合について、予め点弧タイミングを通常の位相制御を行うときの点弧タイミングからそれぞれ±２０度ずらした位置で点弧されるように、制御アルゴリズムが設定されている。その制御アルゴリズムはフローチャートとして図２に示されている。すなわち、各相について、他相のゼロクロス角と重なるタイミングとなる角度を中心として±１０度以内となる電力出力が指令されたか否かを判定し（ステップＳ１参照）、指令が±１０度以内となる指令である場合、各相の波形が＋側のとき（波形が正、すなわち図４及び図５示す波形図において電圧が０より上側であるとき）は、通常の位相制御の場合の点弧タイミングよりも＋２０度の位置に点弧タイミングをずらして設定し、各相の波形が−側のとき（波形が負、すなわち図４及び図５に示す波形図において電圧が０より下側であるとき）は、通常の位相制御の場合の点弧タイミングよりも−２０度の位置に点弧タイミングを設定し（ステップＳ２参照）、その設定に基づいて点弧制御する（ステップＳ３参照）。一方、ステップＳ１での判定が否の場合通常の位相制御を行う（ステップＳ４参照）。
【００２２】
図３（ａ），（ｂ）は、その位置をずらした点弧動作を行う点弧角度および実出力と、指令された出力すなわち指定出力との関係を示すグラフである。縦軸に取った実出力は、波形の上半分または下半分についての出力を示すものであり、その上半分または下半分についての出力の２倍にした値を、その軸方向に沿った目盛りとしている。図３（ａ），（ｂ）において、実線は指定出力に対する実出力を示し、破線は指定出力に対する点弧角度を示す。各相の波形図において電圧が０より上側であるときの点弧タイミングと、出力２５％または７５％に制御するときに、点弧角度は従来の点弧角度とは２０度位置ずれさせたものとなっている。上述したように、電圧波形が正となる０度〜１８０度の範囲において、指定出力２５％とするときの従来の点弧角度である１２０度に±１０度の範囲では、点弧角度が＋２０度とされたタイミングに変更される。同様に、指定出力７５％とするときの従来の点弧角度である６０度に±１０度の範囲では、点弧角度が−２０度とされたタイミングに変更される（図３（ａ）参照）。また、電圧波形が負となる１８０度〜３６０度の範囲において、指定出力２５％とするときの従来の点弧角度である３００度に±１０度の範囲では、点弧角度が−２０度とされたタイミングに変更される。同様に、指定出力７５％とするときの従来の点弧角度である２４０度に±１０度の範囲では、点弧角度が＋２０度とされたタイミングに変更される（図３（ｂ）参照）。
【００２３】
出力２５％の場合、図４を参照して、各相の正の波形では位相角度１４０度〜１８０度の範囲が実出力として出力され、負の波形では位相角度２８０度〜３６０度の範囲が実出力として出力される。したがって、各相の正の波形と負の波形とにおける実出力分を実効値としたときの和が出力２５％分となる。
【００２４】
図５を参照して、出力２５％としたときの三相交流の波形において明らかなように、各相の一周期のうち、前半の半周期では出力が小さく設定され、後半の半周期では出力が大きく設定される。そして、前半の半周期分の出力と後半の半周期分の出力とを実効値として合わせた分が、全体として出力２５％になる。そして、従来１２０度、３００度の位相角度で点弧動作させていたところ、本発明のこの実施の形態では、その１２０度、３００度から２０度位置ずれさせた位置で点弧動作させるようにしたから、例えば図６に位相角度１２０度近傍を拡大して示すように、その位相角度１２０度近傍でのＲ相と、Ｔ相、Ｓ相との相互干渉による波形乱れを解消できた。また、たとえばＴ相の正の波形において点弧する２２０度の位相角度近傍においては、図７に例示するように、Ｔ相の点弧による立ち上がり波形に乱れはなく、Ｓ相も幾分波形乱れが生じるものの、２４０度の角度に精度よくゼロクロスするものとなった。出力を７５％の近傍に設定する場合も、図示しないが同様に一つの相のゼロクロスタイミングと他の相の点弧動作タイミングとが位置ずれしたものとなっているので、相同士の相互干渉による波形乱れは抑制されるものとなった。
【００２５】
したがって、この実施の形態の電力制御装置では、一つの相のゼロクロスタイミングと他の相の点弧動作タイミングとが一致またはほぼ一致するようなとき、各相の電圧または電流波形の一周期を単位として、その周期の半周期である正の波形では、通常の位相制御の場合の点弧タイミングより＋２０度の位置に点弧タイミングが設定されるから、点弧波形は通常の位相制御の場合よりも小さい出力となる。逆に一単位とする一周期の半周期である負の波形では、通常の位相制御の場合の点弧タイミングより−２０度の位置に点弧タイミングが設定されるから、点弧波形は通常の位相制御の場合よりも大きい出力となる。そして、正の波形での点弧波形と負の波形での点弧波形とを合わせた出力が、丁度供給電力として指定した出力と一致することになる。
【００２６】
したがって、上記実施の形態によれば、三相交流において一つの相のゼロクロスするタイミングと、他の相の位相制御をするための点弧動作させるタイミングとが、一致または±１０度の範囲内で近い場合には、三相の各相同士が相互干渉することにより波形乱れが生じないよう、一つの相のゼロクロスするタイミングと他の相の位相制御をするための点弧動作させるタイミングとを、相同士の相互干渉が発生しにくい位置（この実施の形態の場合少なくとも２０度離れた位置）に点弧動作させるタイミングをずらすことになる。これにより、三相の相互干渉が抑制されるとともに、誤点弧することも抑制されるので、電力供給制御が精度のよいものとなる。
【００２７】
次に、本発明に係る別の実施の形態について説明する。
【００２８】
図８は、上記電力制御装置と同様のものを用い、その電力制御方法を変更したものである。その制御方法について以下に述べる。
【００２９】
図８の波形図に示すように、この電力制御装置においては、従来の位相制御における一つの相のゼロクロスタイミングと他の相の点弧動作タイミングとの一致が、出力２５％と７５％に設定された場合、および、その出力２５％および７５％に位相制御するときの従来における位相角度に対して、±１０度の範囲内に出力が指定された場合、三相交流の２周期分を一単位として、前半の一周期については、点弧動作させるタイミングを位相角度について＋２０度分ずらし、後半の一周期については、点弧動作させるタイミングを位相角度について−２０度分ずらす。なお、上記の場合以外では通常の位相制御が行われる。
【００３０】
これにより、前半の一周期での点弧波形は正側でも負側でも小さいものとなり、後半の一周期での点弧波形は正側でも負側でも大きいものとなるのであって、同じ周期中においては点弧波形が同じものとなり、正側と負側とにおいて波形が対称的なものとなるため、トランスなどを使用することもできる。
【００３１】
本発明は、例えば以下のような変形例や応用例が考えられる。
【００３２】
（１）本発明の実施の形態として三相交流についての電力制御装置の一例を説明したが、本発明は、多相交流であれば三相交流以外の場合でも適用できる。
【００３３】
（２）上記実施の形態では、電力制御を点弧動作させる位相制御について示したが、消弧動作させる位相制御についても本願発明は適用できる。この場合、消弧動作のタイミングが他相のゼロクロスするタイミングと所定位相角度範囲ずれたものに設定される。
【００３４】
（３）上記実施の形態では、一つの相の点弧動作のタイミングと他の相のゼロクロスするタイミングとが、従来一致している位置からずらすのに、その前後１０度の範囲のものを含めて位置ずれさせるものを示したが、これに限定されるものでなく、例えば前後５度の範囲のものに設定してもよい。また、上記実施の形態では、他の相のゼロクロスするタイミングから±２０度位置ずれさせるものを示したが、例えば±１０度などとしてもよく、一つの相の点弧動作のタイミングとと他の相のゼロクロスのタイミングとが、ゼロクロス位置を適正位置より所定以上ずらしてしまうような波形乱れが、相互干渉によって生じないだけ各タイミングをずらすことができていればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ゼロクロスする相と点弧または消弧する相との互いの干渉が抑制され、波形に乱れが生じるなどの不具合を解消できるものとなり、安定した電力制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理炉のヒータへの電力供給を行う本発明の実施の形態に係る電力制御装置を示すブロック図
【図２】図１の電力制御装置による電力制御のフローチャート
【図３】図１の電力制御装置による電力制御を横軸を出力とし、縦軸を実出力および点弧角度を示すグラフであって、（ａ）は正方向の波形について示し、（ｂ）は負方向の波形について示す
【図４】図１の電力制御装置による制御で出力を２５％とするときの三相交流のうち一つの相についての電圧波形を示す波形図
【図５】図４の波形を三相交流全体について示す波形図
【図６】図５における位相角度１２０度近傍の波形図
【図７】図５における位相角度２２０度近傍の波形図
【図８】本発明の別の実施の形態に係る電力制御装置による制御で出力を２５％とするときの三相交流のうち一つの相についての電圧波形を示す波形図
【図９】電源から供給される三相交流の波形図
【図１０】従来において電力を２５％に位相制御したときの三相交流の波形図
【図１１】図１０において位相角度１２０度の近傍における三相交流の波形の拡大図
【符号の説明】
１    三相交流電源（電源）
３ａ，３ｂ    サイリスタ（電力制御用素子）
４    ヒータ（負荷）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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