(57)【要約】【課題】入力される多相交流の電圧を昇圧して、高電圧を安定的に供給できる電圧制御装置を提供する。【解決手段】電圧制御装置１０は、三相交流電圧のゼロクロス点を測定するゼロクロス検出手段２０と、ゼロクロス点を検出した、例えばＴ相と、Ｔ相と同極性のＲ相との相間の導通を指示する電圧調整手段５０と、電圧調整手段５０からの指示により各相間を導通させる相間導通手段８０とを備えている。電圧調整手段５０は、相間導通を、ゼロクロス点から開始したり、ゼロクロス点から位相角をシフトさせた位置から開始したりして、相間導通期間の開始時間、期間幅、シフト量とを、電圧測定手段３０により測定された電圧を監視しながらＰＩＤ制御にて決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電圧のゼロクロス点を測定するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス検出手段がゼロクロス点を検出した一の相を基準相とし、該一の相と同極性の他の相を被導通相として、基準相と被導通相との相間の導通を指示する電圧調整手段と、
前記電圧調整手段からの指示により各相間を導通させる相間導通手段とを備えたことを特徴とする電圧制御装置。
【請求項２】
前記電圧調整手段は、前記相間導通手段による相間の導通を、基準相のゼロクロス点から被導通相が基準相と同極性であるまでの期間内で、基準相のゼロクロス点から開始する請求項１記載の電圧制御装置。
【請求項３】
前記電圧調整手段は、前記相間導通手段による相間の導通を、基準相のゼロクロス点から位相角をシフトさせた位置から開始する請求項１または２記載の電圧制御装置。
【請求項４】
多相交流が整流された電圧を測定する電圧測定手段を備え、
前記電圧調整手段は、前記電圧測定手段からの測定電圧と、設定された指示電圧とに基づいて相間導通する期間をＰＩＤ制御により決定する請求項１から３のいずれかの項に記載の電圧制御装置。
【請求項５】
前記相間導通手段は、相間をＭＯＳトランジスタにより導通させるものであり、
前記電圧調整手段は、前記ＭＯＳトランジスタのゲートへ相間導通をスイッチ信号として指示するものである請求項１から４のいずれかの項に記載の電圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多相交流の電圧制御を行う電圧制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多相交流の電圧制御の方法としては、様々であるが、従来の電圧制御装置の一例として、特許文献１に記載されたものが知られている。
この特許文献１には、電圧のゼロクロス点を検出すると、ゼロクロス点に同期して交流スイッチを導通させて負荷に電力を供給して、負荷電流実効値積分回路の出力を増加させ、その値が第１の閾値以上となると、交流スイッチをオフ状態とし、その後積分値が、第２の閾値以下になると、電力供給を再開する交流発電機の出力電力のサイクル制御装置が記載されている。
また、この特許文献１には、発電機の出力電圧を検出し、この出力電圧が予め定めた基準電圧以下であれば導通指令の出力を停止して、交流スイッチをオフ状態とするようにしてもよいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９９３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１では、交流スイッチとして、一対のサイリスタを逆並列接続したものを使用しており、単に電力の供給を導通または遮断しているだけの調整回路であるため、発電機からの出力を低下させる範囲で電圧を調整するしかなく、負荷に対して出力電圧を更に高めて供給するようなものではない。従って、入力される多相交流の電圧を昇圧して、高電圧を安定的に供給できる電圧制御装置が望まれている。
【０００５】
そこで本発明は、入力される多相交流の電圧を昇圧して、高電圧を安定的に供給できる電圧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】
【０００６】
本発明の電圧制御装置は、多相交流電圧のゼロクロス点を測定するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段がゼロクロス点を検出した一の相を基準相とし、該一の相と同極性の他の相を被導通相として、基準相と被導通相との相間の導通を指示する電圧調整手段と、前記電圧調整手段からの指示により各相間を導通させる相間導通手段とを備えたことを特徴とする。
本発明では、電圧調整手段が、基準相と被導通相との相間導通を相間導通手段に指示することにより、基準相と被導通相との合計電圧を出力させることができる。
【０００７】
前記電圧調整手段は、前記相間導通手段による相間の導通を、基準相のゼロクロス点から被導通相が基準相と同極性であるまでの期間内で、基準相のゼロクロス点から開始したり、また、前記相間導通手段による相間の導通を、基準相のゼロクロス点から位相角をシフトさせた位置から開始したりすることができる。そうすることで、負荷への電圧が不足するときに、相間を導通させ所望とする電圧に昇圧させることができる。
【０００８】
また、多相交流が整流された電圧を測定する電圧測定手段を備え、前記電圧調整手段は、前記電圧測定手段からの測定電圧と、設定された指示電圧とに基づいて相間導通する期間をＰＩＤ制御（比例制御（Proportional Control)、積分制御（Integral Control)、微分制御（Derivative Control)）により決定することにより、安定した高電圧を負荷へ供給することができる。
【０００９】
前記相間導通手段は、相間をＭＯＳトランジスタにより導通させるものであり、前記電圧調整手段は、前記ＭＯＳトランジスタのゲートへ相間の導通をスイッチ信号として指示するものとすると、簡易な回路構成で相間導通を図ることができるので、小型化が可能であり、コスト抑制を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被導通相が基準相と同極性である期間内で、基準相と被導通相との合計電圧を出力させることができるので、入力される多相交流の電圧を昇圧して、高電圧を安定的に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る電圧制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す電圧制御装置の相間導通手段の一例を示す図であり、（Ａ）はＲＳ間を導通させるためのスイッチ回路を示す図、（Ｂ）はＳＴ間を導通させるためのスイッチ回路を示す図、（Ｃ）はＲＴ間を導通させるためのスイッチ回路を示す図である。
【図３】図１に示す電圧制御装置の電圧調整手段の電圧制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、相間導通のデューティ比の調整を説明するための波形図である。
【図５】相間導通の位相角の調整を説明するための波形図であり、（Ａ）は相間導通期間が基準相のゼロクロス点から被導通相が基準相と同極性であるまでの期間内とした場合を示す波形図、（Ｂ）は相間導通期間が被導通相のゼロクロス点を超えて位相角をシフトした場合を示す波形図である。
【図６】ＰＩＤ制御する電圧調整手段を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係る電圧制御装置を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施の形態では、発電機Ｇからの三相交流を、整流器ＲＣを介して負荷Ｌに供給する場合を説明する。
電圧制御装置１０は、ゼロクロス検出手段２０と、電圧測定手段３０と、回転測定手段４０と、電圧調整手段５０と、相間導通手段６０と、操作盤７０とを備えている。
【００１３】
ゼロクロス検出手段２０は、三相のうちＴ相の交流が０Ｖを通過する時を示すゼロクロス点を検出して電圧調整手段５０へ通知するものである。本実施の形態では、Ｔ相のゼロクロス点を検知しているが、Ｒ相でも、またはＳ相でも、更に三相全てのゼロクロス点を検出するようにしてもよい。ゼロクロス検出手段２０は、交流電圧をＡＤ変換によりデジタルデータに変換することで、コンピュータに動作させたプログラムによりゼロクロス点を検出することができる。
【００１４】
電圧測定手段３０は、三相交流が整流器ＲＣにより整流された直流の電圧を測定するものである。この電圧測定手段３０は、ＡＤ変換器を使用することができ、デジタルデータとして電圧調整手段５０へ出力される。
回転測定手段４０は、発電機Ｇのロータの回転角度、速度を測定するためのタイミング信号を電圧調整手段５０へ通知する機能を有している。本実施の形態では、回転測定手段４０として、ロータリーエンコーダを使用しており、タイミング信号としてはカウンタ値が出力される。
【００１５】
電圧調整手段５０は、電圧測定手段３０からの測定された電圧と、操作盤７０から入力された設定電圧とに基づいてＰＩＤ制御を行うことで、相間導通手段６０による相間を導通する期間（以下、これを相間導通期間と称す。）を演算して電圧調整するものである。この導通制御は、コンピュータに電圧制御プログラムを動作させることで機能させている。なお、本実施の形態では、電圧調整手段５０とゼロクロス検出手段２０とは別ブロックとしているが、ゼロクロス検出手段２０のＡＤ変換器からのデジタルデータが０Ｖを示すものであるか否かを、電圧調整手段５０にて動作させる電圧制御プログラム内で判断させてゼロクロス点を検出するようにして、ゼロクロス検出手段２０の検出機能部分と、電圧調整手段５０とを一体的に構成してもよい。
【００１６】
相間導通手段６０は、電圧調整手段５０からの指示により、Ｒ相とＳ相、Ｓ相とＴ相、Ｔ相とＲ相のそれぞれを個別に導通させる機能を有する。相間導通手段６０は例えば、図２に示す回路とすることができる。
【００１７】
ここで、相間導通手段６０の一例について図２に基づいて説明する。
図２（Ａ）〜同図（Ｃ）に示すスイッチ手段６１は、３つの同じスイッチ回路６１により構成されている。図２（Ａ）はＲ相とＳ相とを導通させるものであり、図２（Ｂ）はＳ相とＴ相とを導通させるものであり、図２（Ｃ）はＲ相とＴ相とを導通させるものである。このように図２（Ａ）〜（Ｃ）は同じであるため、図２（Ａ）のみを説明する。
【００１８】
スイッチ回路６１は、Ｒ相に接続される端子Ｔ１がｎＭＯＳトランジスタＮ１のドレイン（Ｄ）に接続されている。ｎＭＯＳトランジスタＮ１のソース（Ｓ）は、ｎＭＯＳトランジスタＮ２のドレイン（Ｄ）に接続されている。ｎＭＯＳトランジスタＮ２のソース（Ｓ）は、Ｓ相に接続される端子Ｔ２に接続されている。ｎＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２のゲート（Ｇ）は電圧調整手段５０の相間導通の指示（スイッチ信号）を出力する端子に接続されている。このスイッチ信号によりｎＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２はオンしたりオフしたりする。
【００１９】
更に、スイッチ回路６１は、端子Ｔ１，Ｔ２のそれぞれに、並列接続された抵抗ＲおよびダイオードＤ１と、この抵抗ＲおよびダイオードＤ１に直列接続されたコンデンサＣとを備えている。２つのコンデンサＣの接続点は、ｎＭＯＳトランジスタＮ１のソースとｎＭＯＳトラジスタＮ２のドレインとの接続点に接続され、発電機Ｇのフレームグランドと接続されている。これらの抵抗Ｒ，コンデンサＣ，ダイオードＤ１によりスパイク性のノイズを除去する。
【００２０】
図１に戻って、操作盤７０は、電圧調整手段５０に設定電圧を入力する際に使用されるもので、キーボートと表示盤とから形成されている。
発電機Ｇは、それぞれの位相が１２０°（２π／３）ずつずれた三相交流を発電する永久磁石式発電機である。なお、この発電機Ｇはランデル型発電機でも使用することができる。界磁整流器ＲＣは、三相交流を全波整流して直流を出力する三相ブリッジ整流器である。
【００２１】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る電圧制御装置１０の動作および使用状態について、図面に基づいて説明する。なお、操作盤７０により予め希望電圧値（指令電圧）が入力されているものとする。
【００２２】
まず、電圧調整手段５０は、回転測定手段４０からのタイミング信号により発電機Ｇの回転数を算出して、回転数が所定以上となったか否かを判定する（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０にて発電機Ｇの回転数が所定以上であれば、ゼロクロス検出手段２０はＴ相の電圧値を読み込み、ゼロクロス点か否かを判定する（ステップＳ２０）。ゼロクロス点でなければステップＳ５０へ移行する。
【００２３】
ステップＳ２０にてＴ相の電圧値を監視したときにゼロクロス点であった場合、電圧調整手段５０は、ゼロクロス点が検出されてからの時間を回転測定手段４０のカウンタ値により計測するために、カウンタ値をリセットする（ステップＳ３０）。また、ステップＳ２０にてゼロクロス点が検出されたので、ゼロクロス検出手段２０によるゼロクロス点の検出を停止してステップＳ５０へ移行する（ステップＳ４０）。
ステップＳ１０にて発電機Ｇの回転数が所定未満であれば、相間導通手段６０を非作動状態（開放状態）とする（ステップＳ７０）。そして、ステップＳ５０へ移行する。
【００２４】
ステップＳ５０では、回転測定手段４０のカウンタ値の読み込みを開始する。次に、電圧調整手段５０は、電圧測定手段３０から電圧値を読み込む（ステップＳ８０）
【００２５】
次に、電圧調整手段５０は相間導通期間を算出するための演算を行う。ここで、相間導通期間について、図４から図６に基づいて説明する。
まず、ゼロクロス点からの導通であるが、図４（Ａ）に示すように、例えば、Ｔ相を基準相とすると、このＴ相と同極性の他の相であるＳ相が被導通相となる。Ｔ相とＳ相とが同極性となる期間内で導通させる。つまり、Ｔ相がプラス電圧となるゼロクロス点Ｐ１からＳ相がプラス電圧からマイナス電圧となるまでのゼロクロス点Ｐ２までの間の期間内でＳＴ間を導通させる。同様にして、Ｓ相がマイナス電圧となるゼロクロス点Ｐ２からＲ相がマイナス電圧からプラス電圧となるまでのゼロクロス点Ｐ３までの間の期間内でＲＳ間を導通させる。また、Ｒ相がプラス電圧となるゼロクロス点Ｐ３からＴ相がプラス電圧からマイナス電圧となるまでのゼロクロス点Ｐ４までの間の期間内でＲＴ間を導通させる。
【００２６】
次のサイクルでは、Ｔ相がマイナス電圧となるゼロクロス点Ｐ４からＳ相がマイナス電圧からプラス電圧となるまでのゼロクロス点Ｐ５までの間の期間でＳＴ間を導通させる。また、Ｓ相がプラス電圧となるゼロクロス点Ｐ５からＲ相がプラス電圧からマイナス電圧となるまでのゼロクロス点Ｐ６までの間の期間内でＲＳ間を導通させる。更に、Ｒ相がマイナス電圧となるゼロクロス点Ｐ６からＴ相がマイナス電圧からプラス電圧となるまでのゼロクロス点Ｐ７までの間の期間内でＲＴ間を導通させる。
このように、電圧調整手段５０は、まず、同極性の状態の相間を導通させることで、一方の相の電圧と他方の相の電圧が加算されて、整流器ＲＣに出力されるので、あたかも発電機Ｇから高電圧が出力されたような状態となる。
【００２７】
この相間導通は、一回の導通が１サイクルに対して最大１６．６７％の期間（デューティ比）となる。これは、最大導通期間を超えると、次の相間導通のタイミングと重なってしまうためである。従って、一回の導通で最大で１６．６７％以下に抑える必要がある。しかし、理論上は、相間導通の最大導通期間を、ゼロクロス点から開始して１６．６７％となるまでの間に設定することができるが、実際は相間導通するための時間の遅延などを考慮すると、デューティ比を短くするのが望ましい。
【００２８】
従って、図４（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、最大導通期間（第１の閾値）を、余裕を持たせるために１サイクルあたり約１２％（最大デューティ比）としている。なお、この最大デューティ比は、電圧制御装置１０の回路構成、電圧調整手段５０として機能するプログラム構成、負荷Ｌの条件などにより適宜調整することができる。
【００２９】
この最大デューティ比で昇圧の度合いが不足するときには、電圧制御装置１０は、デューティ比の調整の他に、相間導通期間の幅を維持したまま位相角をシフトさせる。この位相角のシフトについて、図５に基づいて説明する。
図５（Ａ）に示すように、相間導通期間をゼロクロス点Ｐ１〜Ｐ６から遅延させる。相間導通期間を遅延させるときには、ＲＳ間、ＳＴ間、ＲＴ間の各相間の導通のタイミングを同様にシフトする。そうすることで、図５（Ｂ）に示すように、相間導通期間が次のゼロクロス点を超えても、他の相間導通のタイミングと重なってしまうことはない。従って、電圧制御装置１０は昇圧の度合いに応じて相間導通期間の位相角のシフトを決定することができる。
このように相間導通期間の位相角をシフトさせることで、一方の相の電圧と他方の相の電圧が加算されるので、整流器ＲＣに高電圧を出力することができる。
【００３０】
このようにデューティ比と位相角との調整を行う電圧調整手段５０の制御方法について、図６に基づいて説明する。まず、電圧調整手段５０は、測定電圧を指令電圧に近づけるための出力電圧を算出する。電圧調整手段５０は、出力電圧値をＰＩＤ制御により演算している。
【００３１】
電圧調整手段５０では、操作盤７０により設定された指令電圧Ｖ１から電圧測定手段３０により測定された測定電圧Ｖ２を減算器５１により減算する。そして、指令電圧Ｖ１と測定電圧Ｖ２との差分から演算部５２によるＰＩＤ制御により出力電圧値を算出する。そして、リミッタ５３は、この出力電圧値が上限値または下限値を超えている場合には、出力電圧値を上限値または下限値とする。そして、リミッタ５３から出力電圧Ｖｏとして出力される。
このように出力電圧Ｖｏを指令電圧Ｖ１に近づけるために測定電圧Ｖ２を負帰還させてＰＩＤ制御することで、電圧の調整幅の少ない制御を行うことができるので安定した高電圧を負荷Ｌに供給することができる。
【００３２】
このように出力電圧Ｖｏが算出されると、電圧調整手段５０はこの出力電圧Ｖｏに応じてデューティ比の決定と位相角の決定を行う。例えば、指示電圧Ｖ１が２５０Ｖで、測定電圧Ｖ２が１５０Ｖであった場合には、電圧調整手段５０は差分の１００Ｖを昇圧するためにＰＩＤ制御により、測定電圧Ｖ２をフィードバックすることで上昇する電圧を監視しながら、相間導通期間となるデューティ比と、相間導通期間をずらす位相角のシフト量とを決定していく（ステップＳ９０）。
なお、相間導通期間は、ゼロクロス点から相間導通するデューティ比による調整と、位相角のシフトにより位相角による調整とがあるが、デューティ比による調整だけ所望とする電圧（指示電圧Ｖ２）が確保できれば、位相角による調整は行わなくてもよいし、同時に調整するようにしてもよい。
【００３３】
次に、電圧調整手段５０は、ステップＳ５０にて読み込んだ回転測定手段４０からのタイミング信号によりＴ相の半周期タイミングを判定する（ステップＳ１００）。ステップＳ１００にてＴ相の半周期のタイミングであった場合には、６０°ごとにゼロクロス点が発生するＲ相とＳ相とのタイミングを算出して、それぞれのゼロクロス点を算出する（ステップＳ１１０）。これにより相間導通手段６０に相間導通させるタイミングの基準となる各相のゼロクロス点がわかる。なお、回転測定手段４０からのタイミング信号によりＴ相の半周期タイミングが判定できないときには、各ゼロクロス点の算出ができないためステップＳ１３０へ移行する。
【００３４】
次に、ステップＳ９０にて算出した相間導通期間のデューティ比と相間導通期間をずらす位相角のシフトとから、相間導通を開始する実時間（相間導通開始時間）と、相間導通を終了する実時間（相間導通終了時間）とを算出することで、デューティ量と位相角量を決める（ステップＳ１２０）。
次に、ステップＳ５０にて読み込まれたカウンタ値によりゼロクロス点からの経過時間が判るので、ステップＳ１２０にて算出された相間導通開始時間と、相間導通終了時間とから、現在が、相間導通期間中であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。相間導通期間中でなければ、電圧調整手段５０は、スイッチ回路６１（図２参照）への導通解除の指示を示すスイッチ信号のオフを出力してステップＳ１０へ戻る（ステップＳ１４０）。
【００３５】
ステップＳ１３０にて、相間導通期間内との判定であれば、電圧調整手段５０は、導通させる相間に対応する相間導通手段６０のスイッチ回路６１へ導通の指示（スイッチ信号のオン）を出力する（ステップＳ１５０）。
この電圧調整手段５０のスイッチ信号のオンにより、図２に示すスイッチ回路６１はｎＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２がオンとなることで、端子Ｔ１，Ｔ２間に電流が流れる。
【００３６】
例えば、端子Ｔ１に接続された一方の相が、端子Ｔ２に接続された他方の相より電圧が高ければ、端子Ｔ１からｎＭＯＳトラジスタＮ１，Ｎ２を介して端子Ｔ２へ電流が流れ、端子Ｔ２に接続された他方の相が、端子Ｔ１に接続された一方の相より電圧が高ければ、端子Ｔ２からｎＭＯＳトラジスタＮ２，Ｎ１を介して端子Ｔ１へ電流が流れる。このように、ＭＯＳトランジスタは対称型素子であるため、ゲートへ導通を指示するスイッチ信号を出力することで、ドレイン、ソースのいずれの電圧が高くても、ドレイン−ソース間を導通状態とすることができる。
【００３７】
このようにしてスイッチ回路６１により相間が導通する。スイッチ回路６１をＭＯＳトランジスタにより構成したことにより、簡易な回路構成で相間導通を図ることができるので、小型化が可能であり、コスト抑制を図ることができる。
なお、本実施の形態では、スイッチ回路６１にノイズ除去用の回路（ダイオードＤ１，抵抗Ｒ，コンデンサＣ）を設けているが、省略することも可能である。その場合には、ｎＭＯＳトラジスタＮ１，Ｎ２はいずれか一方のみを設けていればよい。
相間導通をさせた後は、ステップＳ１０へ移行して、これらの処理を繰り返す。
【００３８】
このように、本実施の形態に係る電圧制御装置によれば、ゼロクロス点から相間を導通したり（デューティ比による調整）、ゼロクロス点から相間導通させるタイミングをシフトしたり（位相角による調整）して、導通した２相の加算された電圧を負荷Ｌに出力することで、負荷Ｌに高電圧を安定的に供給することができる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態では、三相交流を例に説明したが、一の相と他の相とが同極性となる期間に導通させることができる多相交流であれば、本発明を適用して負荷に昇圧した電圧を供給することができる。
また、本実施の形態では、発電機Ｇからの三相交流を昇圧する例を説明したが、発生源は他のものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の電圧制御装置は、多相交流が使用されるものであれば適用できる。特に、本発明の電圧制御装置は、施設に設置したり、冷凍・冷蔵車に搭載したりするのに好適である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  電圧制御装置
２０  ゼロクロス検出手段
３０  電圧測定手段
４０  回転測定手段
５０  電圧調整手段
５１  減算器
５２  演算部
５３  リミッタ
６０  相間導通手段
６１  スイッチ回路
Ｄ１  ダイオード
Ｎ１，Ｎ２  ｎＭＯＳトラジスタ
Ｔ１，Ｔ２  端子
Ｒ  抵抗
Ｃ  コンデンサ
７０  操作盤
【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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