(57)【要約】【課題】交流電源の１周期を単位として、設定器で設定した周波数の交流電力を負荷に出力する点と、入力電流に高調波電流が発生しないようにする点である。【解決手段】交流電源と負荷との間に電気制御スイッチを接続し、負荷の電力を制御する交流電力制御装置において、周波数を設定する発振器の出力が、交流電源の１周期内に発生した場合、次の１周期の間電気制御スイッチを導通し、負荷に、交流電源の１周期を単位として、発振器で設定した周波数の交流電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と負荷との間に電気制御スイッチを接続し、前記電気制御スイッチの導通を制御して、前記負荷の電力を制御する交流電力制御装置において、前記負荷へ出力する周波数を設定する発振器の出力が、前記交流電源の１周期内に発生した場合、次の１周期の間前記電気制御スイッチを導通し、前記負荷に、前記交流電源の１周期を単位として、前記発振器で設定した周波数の交流電力を供給することを特徴とした交流電力制御装置。
【請求項２】
交流電源と負荷との間に電気制御スイッチを接続し、前記電気制御スイッチの導通を制御して、前記負荷の電力を制御する交流電力制御装置において、前記負荷へ出力する周波数を設定する設定器のデジタル値と、前記交流電源と同位相のパルスをカウントしたデジタル値とを論理演算し、前記設定器で設定した周波数のパルスを出力することにより、前記電気制御スイッチを導通し、前記負荷に、前記交流電源の１周期を単位として、前記設定器で設定した周波数の交流電力を供給することを特徴とした交流電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源の１周期を単位として任意の周波数の交流電力を負荷に供給する交流電力制御装置に関する物である。
【背景技術】
【０００２】
交流電源の電力を制御する第１の方法として、負荷との間に電気制御スイッチを接続し、この電気制御スイッチの導通角を位相制御することによって制御し、負荷の電力を制御する方法がある。この方法では出力する周波数は交流電源と同一であり、モータを利用した回転装置の回転数制御は不可能であった。また、電気制御スイッチの導通時高い周波数成分のノイズや高調波電流を発生するなどの欠点があった。
【０００３】
交流電源の電力を制御する第２の方法として、負荷との間に電気制御スイッチを接続し、負荷の温度等の制御量を検出して所望の値に制御するため、交流電源のゼロボルト時に電気制御スイッチを開閉する方法がある。この方法では出力する周波数は負荷の制御量に対応するので周波数が一定でなく、モータを利用した回転装置の回転数制御は不可能であるなどの欠点があった。
【０００４】
図８は従来の技術である特開昭６２−２０２２１３号公報「交流負荷制御方式」に示されている第１図である。交流電源１とファンモータ２、半導体スイッチング素子（電気制御スイッチ）３を直列に接続し、ゼロクロスパルスをマイクロコンピュータ２０のＣＬＫに入力して、ファンモータ２の回転数を制御する装置である。この交流負荷制御方式はファン速度の設定値として一定のサイクル数、例えば２．５サイクルで半サイクルの交流電圧が５回あるが、その内のあらかじめ設定した回数の半サイクルを単位として連続してオンし、残りはオフするようにして通電率を変え、ファンモータ２の電圧を制御することによって回転数を制御するようにしている。
【０００５】
この方式はファン速度の設定値が大きくなった時にはオンのサイクル数が多くなり、設定値が小さくなった時にはオフのサイクル数が多くなり、ファンモータ２の回転むらが大きくなることによって騒音が大きくなる等の欠点がある。また、制御する半サイクルの数（オンのサイクル数とオフのサイクル数の和）は固定していて、通電率は半サイクル毎にしか変化できず、実施例では２０％毎の設定になり、通電率が細かく変化できない等の欠点がある。
【特許文献１】特開昭６２−２０２２１３号公報
【特許文献２】特開昭６２−２０２２１２号公報
【特許文献３】特開平８−２１４５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする課題は、交流電源の１周期を単位として、設定器で設定した周波数の交流電力を負荷に出力する点と、入力電流に高調波電流が発生しないようにする点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、負荷へ出力する周波数を設定する発振器の出力が交流電源の１周期内で発生した場合、次の１周期の間電気制御スイッチを導通することを主要な特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、負荷へ出力する周波数を設定する設定器のデジタル値と、交流電源と同位相のパルスをカウントしたデジタル値とを論理演算し、設定器で設定した周波数のパルスを出力することにより電気制御スイッチを導通することを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明による交流電力制御装置は、負荷と直列に接続した電気制御スイッチを制御し、交流電源の１周期を単位として負荷に出力する周波数を設定する発振器と同一の周波数の交流電力をモータ等の負荷に供給するので、モータを利用した回転装置の回転数を安定に制御できる利点がある。また、交流電源の１周期を単位として交流電力を供給するので入力電流の高調波電流が発生しないという利点がある。
【００１０】
第２の発明による交流電力制御装置は、負荷と直列に接続した電気制御スイッチを制御し、負荷へ出力する周波数を設定する設定器のデジタル値と、交流電源と同位相のパルスをカウントしたデジタル値とを論理演算し、設定器で設定した周波数のパルスを出力することにより、電気制御スイッチを導通するようにしたので、負荷に、交流電源の１周期を単位として、設定器で設定した周波数の交流電力をモータなどの負荷に供給するので、モータを利用した回転装置の回転数を安定に制御できる利点がある。また、交流電源の１周期を単位として交流電力を供給するので入力電流の高調波電流が発生しないという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
交流電源と負荷との間に電気制御スイッチを接続し、発振器または設定器によって負荷へ出力する周波数を設定し、交流電源の１周期を単位として負荷に交流電力を供給し、入力電流の高調波電流が発生しないものを実現する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明装置の実施例１の構成図である。１は交流電源である。交流電源１は一般的には周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであって、電圧が１００Ｖ前後の正弦波交流である。４はモータやヒータなどの負荷である。モータとしては換気扇や扇風機、送風機等回転機に使用される単相モータが適している。ヒータとしては、湯沸かし器、加熱器、ドライヤーなどの熱量を発生する物が適している。３は電気制御スイッチであって、トライアック（双方向性３端子サイリスタ）等が使用される。なお、電気制御スイッチ３としては、他に、逆並列接続したサイリスタ、逆直列接続したＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、トランジスタ等のスイッチング素子も使用できる。５は同期信号発生器であり、交流電源１と同位相の矩形波パルスを出力する。６は発振器である。発振器６は外部から電圧等により発信周波数を設定でき、負荷に出力しようとする周波数のパルスを出力する。７は導通パルス発生器である。同期信号発生器５の信号をｂに入力し、発振器６の出力をａに入力し、発振器６の出力パルスが同期信号発生器５の１周期内に発生した場合、次の１周期の間出力ｃに電気制御スイッチ３の導通パルスを出力する。８は電気制御スイッチ３の駆動回路であって、導通パルス発生器７の出力ｃの信号により電気制御スイッチ３を駆動する。
【００１３】
図２は導通パルス発生器７ａの詳細である。入力ａは第１のフリップフロップ１０のクロック入力ＣＫ１に接続し、Ｊ１は論理Ｈに、Ｋ１は論理Ｌに設定する。第１のフリップフロップ１０の出力Ｑ１、Ｒ１（Ｒ１はＱ１を反転した出力）を第２のフリップフロップ１１のＪ２、Ｋ２に接続する。第２のフリップフロップ１１の出力Ｑ２は出力ｃに接続する。また、入力ｂはパルスストレッチャ１２を経由して第１のフリップフロップ１０のクリア入力ＣＬ１に接続し、また、第２のフリップフロップ１１のクロック入力ＣＫ２にも接続している。パルスストレッチャ１２は入力の立ち上がり部分を短いパルスにして出力する。ここで示した回路の場合インバータの信号伝達遅れ時間を利用した非常に短いパルスを出力する。またパルスストレッチャ１２は信号の遅延回路としても作用している。
【００１４】
図３は図２の導通パルス発生器７ａを使用したときの動作を説明するための波形図である。（ａ）は交流電源１の電圧である。この場合５０Ｈｚの正弦波１００Ｖである。（ｂ）は同期信号発生器５の出力であり、交流電源１と同位相の矩形波パルスである。（ｄ）はパルスストレッチャ１２の出力であり、（ｂ）の同期信号発生器５の出力の立ち上がりに対してロジックの動作時間分遅れた短いパルスを出力し第１のフリップフロップ１０をリセットする。（ｃ）は発振器６の出力であり、この場合３０Ｈｚの信号である。（ｅ）は第１のフリップフロップ１０の出力Ｑ１であり（ｃ）の発振器６の出力の立ち上がり３１、３２、３３で論理Ｈとなり、（ｄ）のパルスストレッチャ１２の出力のリセット信号で論理Ｌになる。（ｆ）は第２のフリップフロップ１１の出力Ｑ２であり、時間ｔ２において（ｅ）の第１のフリップフロップ１０の出力Ｑ１が論理Ｈであるので論理Ｈになる。またｔ３ではＱ１が論理Ｌであるので論理Ｌになる。この出力はｃから駆動回路８を経て電気制御スイッチ３をオンするのでｔ２からｔ３の間１サイクルの期間負荷４に（ｇ）のように電圧が加わる。すなわち、ｔ１からｔ２の間に発振器６の出力の立ち上がり３１があると次の１周期ｔ２からｔ３の間オン信号を（ｆ）のように出力するので、発振器６と同一の周波数の交流電力を交流電源１の１周期を単位として供給することができる。時間ｔ４において第１のフリップフロップ１０のＱ１が論理Ｈであるので論理Ｈになる。またｔ５ではＱ１が論理Ｈであるので論理Ｈのままである。このパルスは出力ｃから駆動回路８を経て電気制御スイッチ３をオンするのでｔ４からｔ６の間２サイクルの期間負荷４に（ｇ）のように電圧が加わる。発振器６の出力するパルスに対して負荷４に出力する１周期を単位とした正弦波交流は、発振器６の出力より位相が０〜１周期遅れるが、平均すると同一の周波数の正弦波交流を出力することができる。
【００１５】
導通パルス発生器７ａの他の実施例として、フリップフロップ１０の代わりにＲＳフリップフロップを、フリップフロップ１１の代わりにラッチを使用する。ＲＳフリップフロップは発振器６の出力パルスの立ち上がりでセットされ、同期信号発生器５の出力に接続しているパルスストレッチャ１２の出力でリセットされる。ラッチは、ＲＳフリップフロップの出力状態を同期信号発生器５の出力の立ち上がりで読み込み、出力ｃに出力する。以上の構成は図２の導通パルス発生器７ａと同等の動作をすることができる。
【００１６】
この発明における実施例１の交流電力制御装置は、周波数を設定する発振器６の出力が、交流電源１の１周期内に発生した場合、次の１周期の間電気制御スイッチ３を導通し、負荷４に、交流電源１の１周期を単位として、発振器６と同一の周波数の交流電力を供給することができる。また、この１周期を単位とした正弦波出力の交流は急峻なスイッチング部分を含まないので高調波電流は発生しない。
【実施例２】
【００１７】
実施例２は図１の導通パルス発生器７をマイクロコンピュータのソフトウエアによる導通パルス発生器７ｂで構成した場合について説明する。本発明装置の構成図は図１と同様である。図４はマイクロコンピュータのソフトウエアによる導通パルス発生器７ｂのフローチャートである。このマイクロコンピュータのソフトウエアによる導通パルス発生器７ｂには第１のフリップフロップ１０のＱ１に相当するメモリＭ１と 第２のフリップフロップ１１の出力Ｑ２に相当するメモリＭ２がある。プログラムは入力ａの信号がが立ち上がったかを判断し、立ち上がったならメモリＭ１を論理Ｈとする。また入力ｂが立ち上がったならメモリＭ１の値をメモリＭ２に入れる。すなわちメモリＭ１が論理Ｈであれば論理Ｈを、論理Ｌであれば論理ＬをメモリＭ２に入れる。そしてメモリＭ１を論理Ｌにする。以上の処理が済んでメモリＭ２の出力をｃに出力する。以上の処理を高速でくり返せば図２で示した導通パルス発生器７ａの実施例１と同等の動作が可能である。
【００１８】
マイクロコンピュータを使用すれば発振器６の動作も、同期信号発生器５の動作も、またその他動作状態の表示などもプログラムで構成することができ、また駆動回路８も駆動能力の高いマイクロコンピュータを使用すれば、ワンチップで安価な交流電力制御装置を構成することができる。
【実施例３】
【００１９】
図５は、本発明装置の実施例３の構成図である。交流電源１、電気制御スイッチ３、負荷４、同期信号発生器５、駆動回路８は図１と同じであるので説明を省略する。出力の周波数をデジタルで設定する設定器６Ｃ、デジタル回路またはマイクロコンピュータで構成される導通パルス発生器７Ｃを備える。設定器６Ｃはこの実施例３では４ビットの値をＳ１〜Ｓ４で設定する。Ｓ５は常時電気制御スイッチ３をオンさせるための信号である。
【００２０】
図６は導通パルス発生器７ｃの詳細を示す。ｂは交流電源１と同位相の矩形波パルスであり、４ビットカウンター３０でカウントする。出力は４ビットのバイナリーでデジタル値Ｄ１〜Ｄ４で出力する。設定値ａ１〜ａ４はバイナリーのデジタル値であってカウンター３０のデジタル値との比較を論理回路３１により行い出力ｃに出力する。論理回路３１はカウンター３０のカウント値から設定値の回数だけ論理演算により交流電源１の１周期を単位として出力ｃにパルスを出力する。この実施例３の場合４ビットであるから０〜１５のパルスが設定できる。１６パルス全てをオンさせるには常時電気制御スイッチ３をオンすれば良いから、入力ａ５すなわち設定器６ｃのＳ５を論理Ｈにすれば良い。
【００２１】
図７は実施例３の動作を説明するための波形図である。（ａ）は交流電源１の波形である。（ｂ）は同期信号発生器５の出力の波形である。（ｃ）はカウンター３０の出力Ｄ１の波形である。（ｄ）はＤ２、（ｅ）はＤ３、（ｆ）はＤ４の波形である。Ｄ１〜Ｄ４は４ビットのバイナリ値としてカウントアップされる。（ｇ）は論理回路３１の出力パルスで出力ｃから駆動回路８を経由して電気制御スイッチ３を駆動する。設定値を８（２進法１０００）に設定したので交流電源１が５０Ｈｚの場合は２５Ｈｚのパルスになる。（ｈ）は負荷４の電圧であり、交流電源１の１周期を単位にして２５Ｈｚの電圧が加わる。論理回路３１はレイトマルチプライアとして動作し、回路のビット数に合わせて論理回路を組むことができる。この論理回路３１の動作は、カウンター３０の最大カウント値に対して、設定器６ｃの設定値の数のパルスを出力ｃに出力する。この実施例３の場合４ビットとしたので１６段階しか周波数は調整できないが、ビット数を多くして例えば６ビットとすれば６４段階の周波数設定ができ、約１Ｈｚ毎の設定が可能である。
【００２２】
交流電源１の周波数をＦ、カウンター３０の最大カウント数をＭ、設定器の設定値をＮとすると、負荷４に出力する周波数Ｆoutは下記の数式１のように表せる。
【００２３】
（数１）
Ｆout＝Ｆ×Ｎ／Ｍ
【００２４】
Ｎの最大値はＭ−１であるので、交流電源１と同じ周波数まで出力したい場合には上記に示したように設定器６ｃに論理回路３１の出力を常時論理Ｈにする設定を設ければ良い。Ｆ＝６０Ｈｚ、Ｍ＝６４  （６ビット）、の場合、出力周波数ＦoutはＮの１ビット当たり０．９４Ｈｚ（約１Ｈｚ）で設定できるので負荷４のモータ等の回転数調整としては十分細かく設定できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上説明した交流電力制御装置は、負荷４に対して、交流電源１の１周期を単位として発振器６または設定器６ｃで設定した周波数を出力できるので、負荷４がモータである場合は、その回転数を設定値に比例して制御でき、低速から定格回転数まで連続的に任意の回転数に安定に制御できる特徴がある。また、交流電源１の１周期を単位として出力するので、入力電流の高調波電流が発生せず、この交流電源１に接続している他の機器に与える悪影響が少ない。
【００２６】
負荷４がヒータである場合は、１周期の間の交流電力を発振器６または設定器６ｃで設定した設定値に比例した周波数で出力できるので発生する熱量が設定値に比例して制御でき、熱量の制御が容易になる。また、交流電源１の１周期を単位として出力するので、入力電流の高調波電流が発生せず、この交流電源１に接続している他の機器に与える悪影響が少ない。また、ヒータの発熱をファンで送風するドライヤーまたはファンヒータ等は、ヒータの発熱量とファンの回転数が共に比例するので、出てくる温風が一定の温度になり、特に温度調節器を設けなくても安全に風量を制御できる特徴がある。
【００２７】
この発明による交流電力制御装置は、設定値が電圧であったりパルス信号、またはデジタル値であっても同様の動作が可能であり、光ファイバー等によるシリアルデータであっても良く、また、導通パルス発生器７も比較的簡単な構成であるので、専用ＩＣまたはマイクロコンピュータのソフトウエアによる制御回路を作成し、電気制御スイッチ３としてトライアック等を使用すれば効率が高く、非常に小型で低価格の交流電力制御装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】交流電力制御装置の実施方法を示した構成図である。（実施例１）
【図２】導通パルス発生器７ａの実施例を示した回路図である。（実施例１）
【図３】実施例１の動作を説明するための波形図である。（実施例１）
【図４】実施例２の動作を説明するためのフローチャートである。（実施例２））
【図５】交流電力制御装置の実施方法を示した構成図である。（実施例３）
【図６】導通パルス発生器７ｃの実施例を示した回路図である。（実施例３）
【図７】実施例３の動作を説明するための波形図である。（実施例３）
【図８】従来の技術の動作を説明するための回路図である。
【符号の説明】
【００２９】
１                    交流電源
２                    ファンモータ
３                    電気制御スイッチ
４                    負荷
５                    同期信号発生器
６                    発振器
６ｃ                  設定器
７、７ａ、７ｂ、７ｃ  導通パルス発生器
８                    駆動回路
１０、１１            フリップフロップ
１２                  パルスストレッチャ
３０                  カウンター  
３１                  論理回路
【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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