(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子を電力供給線に直列に接続してなる電力制御部と、該電力制御部にトリガ信号を出力するゲート駆動回路と、外部から与えられる指令信号に基づき負荷に供給する電力に応じた点弧角制御量を算出し、点弧角に応じたパルス信号をゲート駆動回路に出力する主制御部と、を備えた交流電力制御装置において、
前記指令信号によって与えられる制御指令量と点弧角制御量の関係を示す出力グラフにおける、該点弧角制御量の下限値を、オフセット値として設定入力するオフセット値設定手段と、
該点弧角制御量の制御範囲及び該出力グラフの勾配を決める勾配値を設定入力する勾配値設定手段と、
該オフセット値と該勾配値の少なくとも何れか一方と該制御指令量から基本点弧角制御量を算出する基本点弧角制御量算出手段と、
該基本点弧角制御量についてＰＩＤ演算を行なって点弧角制御量を算出する点弧角制御量算出手段と、
該点弧角制御量を点弧角データとしてのタイマー値に変換するタイマー値変換手段と、
該タイマー値に基づき点弧パルス信号をゲート駆動回路に出力する点弧パルス出力手段と、
を備え、
前記負荷が安定状態となったとき、前記出力グラフにおける点弧角制御量の下限値をオフセット値として上記オフセット設定手段から読み込み、または／及び該勾配値設定手段から該勾配値を読み込み、該オフセット値と該勾配値の少なくとも何れか一方と該制御指令量とを用いて該基本点弧角制御量を算出することにより、点弧角制御の出力分布の絞り込みを行なうことを特徴とする交流電力制御装置。
【請求項２】
前記負荷は電気炉用ヒータであり、前記指令信号が該電気炉の温度調節計から出力され、該負荷の温度変動が減少して安定状態となったとき、温度調節計から安定運転を示す信号が前記主制御部に送られることを特徴とする請求項１記載の交流電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子による点弧角制御によって、電気炉用ヒータ等の負荷に供給する交流電力を位相制御する交流電力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の交流電力制御装置として、下記特許文献１に記載される構造の交流電力制御装置が知られている。この交流電力制御装置は、基本的には、電力供給線に直列に接続されるサイリスタ等の電力用半導体素子を有する電力制御部と、電力制御部にトリガ信号を出力するゲート駆動回路と、負荷に供給される電力の検出信号と目標信号との差信号或は手動スイッチ等から入力された指令信号に応じて、負荷に供給する電力に対応した点弧角制御信号を発生し、電源電圧の基準点（ゼロクロス点）からその点弧角制御信号に応じた制御角だけ遅れた時点でパルス信号を発生し、ゲート駆動回路に出力する主制御部と、から構成される。
【０００３】
そして、主制御部は、例えば温度調節計から送られる指令信号に基づき、出力信号となる点弧角信号のタイマー値を演算し、電源電圧の基準点（ゼロクロス点）からそのタイマー値の示す制御角だけ遅れた時点でパルス信号を発生し、そのパルス信号をゲート駆動回路に出力し、これに応じてゲート駆動回路が電力制御部の電力用半導体素子にトリガ信号を出力して、負荷の電気炉用ヒータの電力を制御するように動作する。
【特許文献１】特開平１０−４１０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような交流電力の制御は、マイクロコンピュータ等のデジタル演算手段により演算して行なわれ、温度調節計から送られる指令信号は、例えば電流値４ｍＡ〜２０ｍＡのアナログ指令信号として印加され、通常、１０００分割で入力データをサンプリングしてデジタルに変換するＡ／Ｄコンバータが使用される。そのアナログ指令信号をデジタル信号に変換して主制御部のデジタル演算手段に入力し、主制御部でＰＩＤ演算などを行なってタイマー値（点弧角データ）を算出する。
【０００５】
制御用のＡ／Ｄコンバータには製造コストの観点から、例えば、１０００分割で入力データをサンプリングしてデジタルに変換するＡ／Ｄコンバータが使用されるが、このようなＡ／Ｄコンバータを使用した場合、図６のグラフに示すように、温度調節計から入力される指令信号の電流値４ｍＡ〜２０ｍＡの指令値に対し、出力である点弧角制御信号が０％〜１００％まで変化し、この間を１０００分割の分解能で制御が行われることになる。
【０００６】
つまり、この１０００分割の分解能は、主制御部に使用されるＡ／Ｄコンバータの持つ分解能により上限として固定されるため、出力の点弧角制御信号（点弧角制御量）の０％〜１００％の範囲が１０００分割され、実際に制御される１回分の制御量の細かさ、つまり図６に示すように、出力される点弧角制御信号の最小単位の変化量Δｄの値は０．１％に限定されてしまう。
【０００７】
このため、温度調節計から送られる指令値に０．１％未満の変化があった場合、その負荷の変化に対応した電力制御を行うことができず、負荷を高精度に制御することができないという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、電力制御の分解能が低く制限される場合でも、その分解能の範囲内で、より細かく交流電力の出力制御を行うことができる交流電力制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の交流電力制御装置は、電力用半導体素子を電力供給線に直列に接続してなる電力制御部と、該電力制御部にトリガ信号を出力するゲート駆動回路と、外部から与えられる指令信号に基づき負荷に供給する電力に応じた点弧角制御量を算出し、点弧角に応じたパルス信号をゲート駆動回路に出力する主制御部と、を備えた交流電力制御装置において、
前記指令信号によって与えられる制御指令量と点弧角制御量の関係を示す出力グラフにおける、該点弧角制御量の下限値を、オフセット値として設定入力するオフセット値設定手段と、
該点弧角制御量の制御範囲及び該出力グラフの勾配を決める勾配値を設定入力する勾配値設定手段と、
該オフセット値と該勾配値の少なくとも何れか一方と該制御指令量から基本点弧角制御量を算出する基本点弧角制御量算出手段と、
該基本点弧角制御量についてＰＩＤ演算を行なって点弧角制御量を算出する点弧角制御量算出手段と、
該点弧角制御量を点弧角データとしてのタイマー値に変換するタイマー値変換手段と、
該タイマー値に基づき点弧パルス信号をゲート駆動回路に出力する点弧パルス出力手段と、
を備え、
前記負荷が安定状態となったとき、前記出力グラフにおける点弧角制御量の下限値をオフセット値として前記オフセット設定手段から読み込み、または／及び該勾配値設定手段から該勾配値を読み込み、該オフセット値と該勾配値の少なくとも何れか一方と該制御指令量とを用いて該基本点弧角制御量を算出することにより、点弧角制御の出力分布の絞り込みを行なうことを特徴とする。
なお、ここで、上記勾配値とは、制御領域を絞り込むために設定され、点弧角制御量の制御範囲及び出力グラフの勾配を決める百分率の値である。
【００１０】
ここで、前記負荷は電気炉用ヒータであり、前記指令信号が該電気炉の温度調節計から出力され、該負荷の温度変動が減少して安定状態となったとき、温度調節計から安定運転を示す信号が主制御部に出力されるように構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成の交流電力制御装置の主制御部は、負荷の変動が減少して安定状態となったとき、オフセット値設定手段から、指令信号によって与えられる制御指令量と点弧角制御量の関係を示す出力グラフの下限値を、オフセット値として読み込むと共に、その点弧角制御量の制御範囲及び該出力グラフの勾配を決める勾配値を勾配値設定手段から読み込む。そして、基本点弧角制御量算出手段が、そのオフセット値と勾配値の少なくとも一方と外部から与えられた指令信号の制御指令量とから基本点弧角制御量を算出する。
【００１２】
このとき、基本点弧角制御量手段が、指令信号の制御指令量から基本点弧角制御量を算出する際、制御指令量と点弧角制御量の関係を示す出力グラフの下限値を、例えば５０％のオフセット値として設定し、点弧角制御量の制御範囲及び該出力グラフの勾配を決める勾配値を５０％として設定して、基本点弧角制御量を演算した場合、制御指令量と点弧角制御量の関係を示す出力グラフにおいて、図５に示すように、制御指令量の全域に対し点弧角制御量の制御領域を下限値５０％から上限値７５％に絞り込むことができる。例えば、１０００分割のＡ／Ｄコンバータを使用し、出力の点弧角制御量の領域を通常の下限値０％から上限値１００％とする場合、図６に示すように、１０００分割された単位当りの指令量は０．１％となるが、点弧角制御量の下限値５０％から上限値７５％に制御領域を絞り込むことにより、勾配値を５０％とした図５に示すように、単位当りの指令量を０．０２５％にして細かく制御することができる。
【００１３】
次に、点弧角制御量算出手段が、その基本点弧角制御量についてＰＩＤ演算を行なって、より改善された点弧角制御量を算出する。そして、タイマー値変換手段が、その点弧角制御量を点弧角データとしてのタイマー値に変換し、点弧パルス出力手段が、そのタイマー値に基づき点弧パルス信号をゲート駆動回路に出力し、ゲート駆動回路により制御された点弧角で電力制御部の電力用半導体素子が導通され、負荷に交流電力が供給される。
【００１４】
このように、制御出力領域を絞り込むことにより、例えば電気ヒータなどの負荷に供給する交流電力を、温度調節計などから送られる制御指令量に応じて、より細かく制御することができる。また、温度調節計などから送られる制御指令量をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータに、高分解能で高コストのものを使用せずに、通常の分解能を有した低コストのものを使用することができ、製造コストを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は交流電力制御装置のブロック図である。図１において、１は負荷２として例えば電気炉用ヒータに単相交流電力を供給する電力供給線であり、電力供給線１にサイリスタ等の電力用半導体素子を逆並列接続した電力制御部３が直列に接続される。電力用半導体素子にはサージキラーとしてＣＲアブソーバが接続されている。
【００１６】
電力制御部３にはトリガ信号を出力するゲート駆動回路４が接続され、ゲート駆動回路４は、制御盤などに内蔵された主制御部５によって制御され、主制御部５からは後述のように演算されたタイミングで点弧パルス信号をゲート駆動回路４に出力する。
【００１７】
主制御部５は、図１に示すように、マイクロコンピュータを主要部にして構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータなどを含む入出力回路、及び電気的にデータ書き換え可能なＥＥＰＲＯＭなどのメモリ１３などを備えている。ＣＰＵは、予め記憶されたプログラムデータに基づき、後述のように、温度調節計１０から入力された制御指令量Ｉｎに基づき、負荷２に供給すべき電力に対応して制御された点弧角のパルス信号を、ゲート駆動回路４に出力する処理などを行う。
【００１８】
温度調節計１０は、例えば負荷となる電気炉用ヒータの電気炉に設けられ、温度調節計１０のコントローラからフィードバック制御信号が制御指令量信号として出力され、主制御部５に制御指令量Ｉｎとして入力される。制御指令量Ｉｎを示す信号、電流検出信号、及び電圧検出信号などは、主制御部５の入出力回路に内蔵されたＡ／Ｄコンバータを介して主制御部５のＣＰＵに取り込まれる。また、電気炉内の温度が設定温度近傍に達して安定した運転状態となったとき、その安定運転を示す信号が温度調節計１０から主制御部５に出力される。
【００１９】
さらに、主制御部５には、後述の点弧角制御量を演算するためのオフセット値Ｏｓを設定入力するためのオフセット設定器１１が接続され、演算に使用する出力グラフの勾配を示す勾配値Ｇを設定入力するための勾配設定器１２が接続される。このオフセット設定器１１と勾配設定器１２は、例えば可変抵抗器を使用して構成され、使用者がオフセット値Ｏｓまたは勾配値Ｇを任意の％値として設定可能である。また、温度調節計１０の制御指令量に代えて手動により制御指令量を設定するための手動設定器１９が主制御部５に接続され、さらに、制御装置の運転を、自動と手動で切り替える自動・手動切替器１４が主制御部５に接続される。自動・手動切替器１４が自動の場合は温度調節計１０から制御指令量が主制御部５に送られ、自動・手動切替器１４が手動に切り替えられた場合、手動設定器１９から制御指令量を示す信号が主制御部５に送られる。
【００２０】
さらに、主制御部５は、自動運転中に、負荷２が安定し温度調節計１０からそれを示す信号を入力したとき、オフセット値Ｏｓを設定するオフセット設定器１１から、指令信号によって与えられる制御指令量と点弧角制御量の関係を示す出力グラフの下限値を、オフセット値Ｏｓとして読み込むと共に、その出力グラフの勾配を示す勾配値Ｇを勾配設定器１２から読み込むように動作する。
【００２１】
そして、そのオフセット値Ｏｓと勾配値Ｇ及び温度調節計１０から与えられた指令信号の制御指令量Ｉｎとから基本点弧角制御量Ｏｘを、以下の式から算出する。
【００２２】
Ｏｘ＝Ｏｓ＋（Ｉｎ×Δｋ×Ｇ／１００）
ここで、Δｋは出力グラフの傾きであり、例えば図３の出力グラフでは、０〜１０００の制御指令量Ｉｎに対し、出力である点弧角制御量Ｏｘは５０％〜１００％となって、出力グラフの傾きΔｋは０．０５となる。
【００２３】
さらに、主制御部５は、その基本点弧角制御量ＯｘについてＰＩＤ演算を行なって、より改善された点弧角制御量Ｏｘｐｉｄを算出する。ＰＩＤ演算は、比例演算、積分演算、及び微分演算を組み合わせて設定値に収束させる演算である。そして、その点弧角制御量Ｏｘｐｉｄを点弧角データとしてのタイマー値に変換し、そのタイマー値に基づき点弧パルス信号をゲート駆動回路４に出力するように動作する。
【００２４】
すなわち、主制御部５は、ゼロクロス点検出回路９からゼロクロス検出信号を入力し、電源電圧の基準点（ゼロクロス点）からそのタイマー値に応じた制御角だけ遅れて所定幅のパルス信号を発生し、ゲート駆動回路４に出力するように動作する。また、主制御部５のＲＯＭには、点弧角制御量Ｏｘｐｉｄとタイマー値の関係を示すデータテーブルが予め記憶されており、そのテーブルデータを用いて点弧角制御量Ｏｘｐｉｄをタイマー値に変換する。
【００２５】
一方、電力供給線１には変流器を介して負荷２への給電電流を検出する電流検出器７が接続され、電流検出器７により検出された電流値は主制御部５に入力される。また、電力供給線１には電圧変成器を介して供給線の電圧を検出する電圧検出器８が接続され、電圧検出器８により検出された電圧値は主制御部５に入力される。また、電力供給線１には、その電位のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路９が接続され、ゼロクロス点検出回路９の出力側は主制御部５に接続される。
【００２６】
さらに、主制御部５には、ソフトスタート、ソフトダウン用の設定器（可変抵抗器）１５、及び、ヒューズ１８の断線時、電流検出器７の過電流検出時などに警報を出力する警報出力回路１６が接続されている。また、上記のように検出された電力供給線１の電圧値、電流値、各種の設定値、運転モードなどを表示するための表示器１７が主制御部５に接続されている。
【００２７】
次に、上記構成の交流電力制御装置の動作を説明する。運転に先立ち、使用者はオフセット設定器１１を操作してオフセット値Ｏｓをセットし、勾配設定器１２を操作して勾配値Ｇをセットする。オフセット値Ｏｓと勾配値Ｇの設定は、絞り込む制御領域に応じて、少なくとも一方の設定値を設定し、或は両方を設定することもできる。
【００２８】
このオフセット値Ｏｓと勾配値Ｇのセットは、電気炉の運転を行なった際、炉内の測定温度が目標温度に達して安定したとき、主制御部５から出力される点弧角制御量の値が、図３〜図５のような出力グラフの点弧角制御量Ｏｘの範囲内に絞り込まれて、細かな制御ができるように、設定される。
【００２９】
オフセット値Ｏｓは、出力グラフの下限値を示すもので、例えば図３に示す出力グラフにおいて、オフセット値Ｏｓは５０％にセットされる。入力される制御指令量Ｉｎの分解能（指令信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータの分解能）が１０００分割であるとき、出力グラフの傾きΔｋは０．０５であり、出力される点弧角制御量の最少変化量Δｄは０．０５％となる。よって、通常の最少変化量Δｄが０．１％の場合より半分の範囲に絞り込まれ、入力される制御指令量Ｉｎの変動幅が０．０５％まで細かく出力の制御ができることとなる。
【００３０】
また、勾配設定器１２に勾配値Ｇを５０％と設定した場合、図４の出力グラフに示すように、入力される制御指令量Ｉｎの分解能（指令信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータの分解能）が１０００分割であるとき、出力グラフの傾きΔｋは０．０５であり、出力される点弧角制御量の最少変化量Δｄは０．０５％となる。よって、通常の最少変化量Δｄが０．１％の場合より半分の範囲に絞り込まれ、入力される制御指令量Ｉｎの変動幅が０．０５％まで細かく出力の制御ができることとなる。
【００３１】
また、勾配設定器１２に勾配値Ｇを５０％と設定し、且つオフセット設定器１１にオフセット値Ｏｓを５０％と設定した場合、図５の出力グラフに示すように、入力される制御指令量Ｉｎの分解能（指令信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータの分解能）が１０００分割であるとき、出力グラフの傾きΔｋは０．０２５であり、出力される点弧角制御量の最少変化量Δｄは０．０２５％となる。よって、通常の最少変化量Δｄが０．１％の場合より１／４の範囲に絞り込まれ、入力される制御指令量Ｉｎの変動幅が０．０２５％まで細かく出力の制御ができることとなる。
【００３２】
これを図２の出力処理のフローチャートを参照して説明すると、主制御部５のＣＰＵは、先ず、ステップ１００で、電気炉の温度が目標温度の近傍で安定しているか否かを判定し、例えば電気炉の温度調節計１０から送られる測定温度情報に基づき、温度が安定したと判断すると、ステップ１１０に進む。このステップ１１０で、主制御部５は、温度調節計１０から送られる制御指令量Ｉｎを取り込むと共に、図３の場合、予め設定されているオフセット値Ｏｓ（５０％）を取り込む。一方、図４の場合、勾配値Ｇ（５０％）を取り込み、図５の場合、オフセット値Ｏｓ（５０％）と勾配値Ｇ（５０％）を取り込む。さらに、電流検出器７と電圧検出器８を通して入力される電力供給線の電流、電圧の測定値データなどを取り込む。
【００３３】
次に、ステップ１２０に進み、上記オフセット値Ｏｓと勾配値Ｇ及び温度調節計１０からの指令信号の制御指令量Ｉｎとから、Ｏｘ＝Ｏｓ＋（Ｉｎ×Δｋ×Ｇ／１００）の式を用いて、基本点弧角制御量Ｏｘを算出する。つまり、指令信号の制御指令量Ｉｎに傾きΔｋと勾配値Ｇの百分率を乗算し、そこにオフセット値Ｏｓを加算して、基本点弧角制御量Ｏｘ（％）を算出する。ここで、図３の場合、勾配値Ｇは１００％として基本点弧角制御量Ｏｘを算出し、図４の場合、オフセット値Ｏｓは０％として基本点弧角制御量Ｏｘを算出する。そして、この基本点弧角制御量ＯｘをＰＩＤ演算することにより、より改善された点弧角制御量Ｏｘｐｉｄを算出する。
【００３４】
次に、ステップ１３０にて、例えば点弧角制御量Ｏｘｐｉｄとタイマー値の関係を示すデータテーブルを用いて、点弧角制御量Ｏｘｐｉｄをタイマー値Ｔｏに変換し、次のステップ１４０にて、そのタイマー値Ｔｏをセットする。
【００３５】
一方、主制御部５のＣＰＵは、ゼロクロス点割込み処理において、先ず、ステップ２００で、供給線の電位がゼロクロス点となったか否かを判定し、ゼロクロス検出器９による検出により、その電位がゼロクロス点となったと判定したとき、ステップ２１０にて、上記で算出したタイマー値Ｔｏをタイマーカウンタにセットし、カウントを開始する。
【００３６】
そして、タイマー割込み処理において、ステップ３００で、タイマーカウンタのカウント時間がセットしたタイマー値となったか否かを判定し、カウント時間がセットしたタイマー値となったとき、主制御部５は、点弧パルス信号をゲート駆動回路４に出力し、ゲート駆動回路４はその点弧角パルス信号により電力制御部３の電力用半導体素子を導通させる。つまり、ゲート駆動回路４は、そのパルス信号の立ち上りに同期してトリガ信号を発生し、電力制御部３の電力用半導体素子のゲートに出力する。電力供給線１の電力用半導体素子はトリガによって導通し、次のゼロクロス点まで導通するように動作し、このような点弧角制御（位相制御）によって、負荷２への供給電力が制御される。
【００３７】
このように、入力される制御指令量Ｉｎに対し点弧角制御量Ｏｘを算出する際、出力グラフの下限値を上げるようにオフセット値Ｏｓをセットし、または出力グラフの勾配を変えるように勾配値をセットして、制御出力領域を絞り込むため、負荷２に供給する交流電力を、温度調節計１０から送られる制御指令量に応じて、より細かく制御することができる。また、制御指令量をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータに、高分解能で高コストのものを使用せずに、通常の分解能を有した低コストのものを使用することができ、製造コストを抑制することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態では、負荷とし電気炉の電気炉用ヒータを使用する例について説明したが、その他の負荷について適用することもできる。また、自動運転中に温度調節計１０からの信号に基づき、自動的に上記のような制御領域を絞り込んだ制御に移行したが、手動運転中に電気炉の温度が安定した時点で、自動運転に切り換え、制御領域を絞り込んだ制御に移行するように動作させることもできる。さらに、図１では単相交流の電力供給線について説明したが、三相交流の電力供給線についても同様に実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態を示す交流電力制御装置のブロック図である。
【図２】主制御部５の出力処理などを示すフローチャートである。
【図３】下限値を５０％のオフセット値としたときの制御指令量Ｉｎ（入力）と点弧角制御量Ｏｘ（出力）の関係を示すグラフである。
【図４】勾配値Ｇを５０％としたときの制御指令量Ｉｎ（入力）と点弧角制御量Ｏｘ（出力）の関係を示すグラフである。
【図５】下限値を５０％のオフセット値とし、勾配値Ｇを５０％としたときの制御指令量Ｉｎ（入力）と点弧角制御量Ｏｘ（出力）の関係を示すグラフである。
【図６】従来の入力指令信号の指令値と出力点弧角制御信号の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１−電力供給線
２−負荷
３−電力制御部
４−ゲート駆動回路
５−主制御部
９−ゼロクロス検出器
１０−温度調節計
１１−オフセット設定器
１２−勾配設定器
【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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