(57)【要約】【課題】本発明は、簡易な構成で、指令値に対して、前記負荷における所望の物理量が比例関係を有するように、前記負荷に印加される電圧を制御すると共に、オープンループでのトルク制御も可能である位相制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、負荷２に関わる物理量を制御するために、制御整流素子３を用いて負荷２に印加される電圧を位相制御する位相制御装置１に係るものであり、前記物理量の大きさを指定する指令値とそれに対応する制御整流素子３の点弧タイミングとの関係を格納したタイミングテーブル６Ａ，６Ｂを備え、前記指令値に対応する点弧タイミングは、該指令値と負荷２に関わる物理量との間に比例関係が成立するように設定され、前記指令値に対応する点弧タイミングで制御整流素子３を点弧させている。【選択図】図１
2009100589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に関わる物理量を制御するために、制御整流素子を用いて該負荷に印加される電圧を位相制御する位相制御装置であって、
前記物理量の大きさを指定する指令値とそれに対応する前記制御整流素子の点弧タイミングとの関係を格納したタイミングテーブルを備え、
前記指令値に対応する点弧タイミングは、該指令値と前記負荷に関わる物理量との間に比例関係が成立するように設定され、前記指令値に対応する点弧タイミングで前記制御整流素子を点弧させることを特徴とする、位相制御装置。
【請求項２】
前記タイミングテーブルは、前記電圧の周波数の種類に応じて個別に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の位相制御装置。
【請求項３】
前記電圧の周波数の種類を検出する周波数検出手段と、
前記周波数検出手段で検出された周波数に対応するタイミングテーブルを選択するテーブル選択手段と
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相制御装置。
【請求項４】
前記負荷はモータであり、前記物理量は該モータの発生トルクである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位相制御装置。
【請求項５】
前記モータは、インダクションモータであることを特徴とする、請求項４に記載の位相制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷に印加される電圧を位相制御する位相制御装置に関し、より詳細には、負荷に関わる物理量を指定する指令値に基づいて、前記位相制御を行なう位相制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、双方向性制御整流素子であるトライアック３２を用いた位相制御によってインダクションモータ３１のトルクを制御する位相制御装置の従来例を示している。
【０００３】
この位相制御装置３０において、インダクションモータ３１は、トライアック３２を介して商用交流電源３３に接続されている。トライアック３２の両端間には、固定抵抗器３４と可変抵抗器３５とコンデンサ３６とが直列に接続され、また、可変抵抗器３５とコンデンサ３６との結合点とトライアック３２のゲートとの間には、トリガーダイオード３７が接続されている。
【０００４】
トライアック３２は、可変抵抗器３５で調整された点弧タイミングでオンする。これに伴ってモータ３１に位相制御された電圧が印加されるので、この電圧に基づくトルクを該モータ３１が発生する。
【０００５】
図７は、商用交流電源４１とモータ４２との間に設けたスライダック４３によってモータ４２の印加電圧を調整する従来例を示している。この例では、スライダック４３の出力電圧に応じてモータ４２のトルクが変化する。
【０００６】
他の従来技術として、特許文献１に記載の技術がある。この特許文献１の技術では、速度フィードバックに基づく位相制御によりユニバーサルモータへの指令位相の調整幅とモータに与えられる電力量（ゲイン）との非線形を改善して、電圧位相に関係なく制御系のゲインが一定になるようにモータ印加電圧を調整している。
【特許文献１】特開平８−１５４３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
インダクションモータの発生トルクはモータ印加電圧の二乗に比例するため、仮に発生トルクをｎ倍にする場合、モータ印加電圧は√ｎ倍とする必要がある。ＴMをモータ発生トルク、ＫTをトルク定数、ＶMをモータ印加電圧とすると、以下の関係式が成り立つ。
ＴM＝ＫT・ＶM2
【０００８】
図６を参照して説明したトライアック３２による位相制御装置では、抵抗値に比例した時定数（τ＝ＣＲ）により該トライアック３２の点弧角が決定される。したがって、可変抵抗器３５の値（指令値）とモータ３１の出力トルクとが非線形の関係を有することになる。
なお、仮に前記可変抵抗器３５の値に対してモータ３１の印加電圧を電圧二乗の関係を満たすように増加させたとしても、位相制御ではモータ印加電圧波形が正弦波ではなく、歪み波となるため、電圧の二乗とモータ３１の出力トルクとの関係が比例関係にならない。これは、この位相制御装置においては、可変抵抗器３５の値とモータの発生トルクの比例関係が保証できないことを意味している。
【０００９】
一方、図７を参照して説明したスライダック４３によってモータ４２の印加電圧を調整する技術では、指令値に対して該印加電圧を電圧二乗の関係を満たすように増加させることにより、指令値と発生トルクとの間に比例関係が成立することになる。しかし、スライダック４３の出力電圧を上記関係を満たすように変化させるには、非常に大掛かりで高価な制御装置が必要となる。
【００１０】
さらに、前記特許文献１に開示された方法においては、速度フィードバックに基づく位相制御を行なっているので、先に述べた位相制御に起因する問題、つまり、モータ印加電圧波形の歪みのために、電圧の二乗と発生トルクとの関係が比例関係にならないという問題を生じる。加えて、この方法は、フィードバック制御が前提となっているため、オープンループでのトルク制御に応用できないという問題点もある。
【００１１】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑み、指令値と負荷に関わる物理量との間に比例関係が成立する位相制御を簡易な構成で実現することができる位相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】
【００１２】
本発明は、負荷に関わる物理量を制御するために、制御整流素子を用いて該負荷に印加される電圧を位相制御する位相制御装置に係るものである。本発明は、上記目的を達成するために、前記物理量の大きさを指定する指令値とそれに対応する前記制御整流素子の点弧タイミングとの関係を格納したタイミングテーブルを備え、前記指令値に対応する点弧タイミングは、該指令値と前記負荷に関わる物理量との間に比例関係が成立するように設定され、前記指令値に対応する点弧タイミングで前記制御整流素子を点弧させている。
【００１３】
前記タイミングテーブルを、前記電圧の周波数の種類に応じて個別に設けても良い。この場合、前記電圧の周波数の種類を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段で検出された周波数に対応するタイミングテーブルを選択するテーブル選択手段とを設けて、前記タイミングテーブルの選択を自動化することが望ましい。
前記負荷がモータである場合、前記物理量は例えば、該モータの発生トルクになる。前記モータは、例えば、インダクションモータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、指令値と負荷に関わる物理量とが比例関係を持つような位相制御を実現する点弧タイミングをタイミングテーブルに格納し、このタイミングテーブルに格納された点弧タイミングで制御整流素子を点弧させるようにしている。したがって、指令値と負荷に関わる物理量とが比例関係を持つような位相制御を簡易な構成によって実現することができる。
また、オープンループでの制御も可能であるとともに、位相制御に起因する電圧波形の歪みの影響も受けない。
【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添付の図を参照して説明する。図１に第１の実施形態に係る位相制御装置の回路図を模式的に示す。この図１において、モータ２は、双方向制御整流素子であるトライアック３を介して商用交流電源４に接続されている。本実施形態において、モータ２はインダクションモータである。周波数検出器５は、電源４の周波数（ここでは、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を検出するものであり、該電源４に対して並列に設けられている。タイミングテーブル６Ａ，６Ｂの入力がトルク指令値設定器７に接続され、それらの出力が切換スイッチ８を介してゲート信号発生器９の入力に接続されている。ゲート信号発生器９の出力は、トライアック３のゲートに接続されている。
【００１６】
タイミングテーブル６Ａ，６Ｂは、前記トルク指令値設定器７を介して入力される指令値に対応した前記トライアック３の点弧タイミングを格納している。このタイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納する点弧タイミングについては、後述する。
【００１７】
次に、上記位相制御装置１の動作について説明する。電源４が投入されると、周波数検出器５によって電源４の周波数が検出される。スイッチ素子８は、周波数５０Ｈｚが検出された場合にテーブル６Ａを、周波数６０Ｈｚが検出された場合にテーブル６Ｂをそれぞれ選択する。インダクションモータは、印加される電圧の周波数でそのインピーダンスが変化するため、印加電圧の周波数が５０Ｈｚの場合と６０Ｈｚの場合とでそのトルク特性に違いが生じる。これは、同一のトルクをモータに出力させるためのトライアック３の点弧タイミングが５０Ｈｚと６０Ｈｚとでは相違することを意味する。５０Ｈｚ用のタイミングテーブル６Ａと、６０Ｈｚ用のタイミングテーブル６Ｂを設けて、それらを選択的に使用するようにしたのは、以上の理由によるものである。
【００１８】
例えば、図示のように、テーブル６Ａが選択されている状態で、トルク指令値設定器７からトルク指令が出力されると、この指令に対応した点弧タイミング信号が該タイミングテーブル６Ａから、出力される。
【００１９】
タイミングテーブル６Ａから出力される点弧タイミング信号は、トライアック３の点弧角を規定するものである。ゲート信号発生器９は、上記点弧タイミング信号で規定される点弧角においてゲート信号をトライアック３のゲートに加え、これにより、トライアック３が該点弧角でオンされる。
【００２０】
ここで、上記タイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納された点弧タイミングについて、より詳細に説明する。タイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納される点弧タイミングは、トルク指令値設定器７で設定されるトルク指令値とモータの発生トルクとが比例関係を持つように、つまり両者が第４図に特性ａとして、例示した１次関数の関係を持つように設定される。上記の比例関係を実現するためのトライアック３の点弧角は、予め実験やシミュレーション等によって得ることができる。
【００２１】
なお、上記点弧タイミングは、ＶMをモータ印加電圧、Ｖ0を定格モータ電圧、Ｔをモータ出力トルク［％］とすると、理論的には、モータ印加電圧ＶMがＶM＝√（Ｖ02・Ｔ［％］／１００）となるような点弧タイミングである。
しかしながら、前述したように、位相制御を実行した場合には、モータ印加電圧の波形が歪むので、該モータにおいて、理想的な回転磁界が作られないことになる。このため、実際には、モータの発生トルクとモータ印加電圧との間に上記関係式が成り立たない。これは、タイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納する点弧タイミングを計算によって求めることが困難であることを示している。
そこで、本実施形態では、上記実験等で得られる点弧タイミングをタイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納するようにしている。
【００２２】
本実施形態では、タイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納された点弧タイミングでトライアック３にゲート信号が入力されるので、指令値に比例するトルクがモータ２に発生する。
【００２３】
本発明の特徴をより明確にするために、位相制御装置１の作用と、図６に示した従来の位相制御装置３０の作用とを比較する。
以下の説明は、両装置１，３０によって制御されるモータを共に塊状ロータモータとした場合のものである。塊状ロータモータは、インダクションモータの一種であり、ロータが鉄の塊で作られ、通常のインダクションモータに比べて、すべりが大きく、トルクと速度の関係が垂下特性を有している。フィルムなどの巻取り運転に適しており、印加電圧により起動トルクの調整が容易なモータである。
【００２４】
図８に、従来の位相制御装置３０における点弧角とモータ印加電圧の関係を示す。図８に示した点弧角Ｔ1〜Ｔ5（Ｔ1＞Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ4＞Ｔ5）は、線形に変化する５つの所定の指令値（可変抵抗３５の値）に対応するものであって、負荷印加電圧の半波の位相を等分するように設定されている。
この従来装置３０の場合、図４の特性ｂに示すように、線形に変化する指令値とモータ３１の発生トルクとの間に比例関係が成立しないことになる。
【００２５】
図９は、上記各点弧角Ｔ1〜Ｔ5でトライアック３２がオンした場合のモータ３１の回転速度−トルク特性をそれぞれ例示している。図９に示した各特性から明らかなように、従来装置３０によれば、点弧角の変化Ｔ5→Ｔ1に対してモータ３１の発生トルクが急激に低下し、点弧角Ｔ1の場合はモータ３１の起動すらできないことがある。
【００２６】
一方、第１の実施形態に係る位相制御装置１を用いて位相制御を行なった場合の点弧角とモータ印加電圧との関係を図２に示す。図２に示した点弧角Ｔ1´〜Ｔ5´（Ｔ1´＞Ｔ2´＞Ｔ3´＞Ｔ4´＞Ｔ5´）は、上記従来装置３０で使用した線形に変化する５つの指令値に対応する点弧タイミングである。この点弧タイミングＴ1´〜Ｔ5´は、前記タイミングテーブル６Ａ，６Ｂに格納されたものであるので、前述のように、指令値とモータの発生トルクとが比例関係を持つような値に設定されている。したがって、点弧角Ｔ1´〜Ｔ5´は、図８に示した点弧角Ｔ1〜Ｔ5のように負荷印加電圧の半波の位相を等分する値にはならない。
この点弧角Ｔ1´〜Ｔ5´でモータ２の負荷印加電圧が位相制御されると、図４に特性ａとして例示されるように、発生トルクが指令値に対して比例関係を有することになる。
【００２７】
図３は、各点弧角Ｔ1´〜Ｔ5´でトライアック３がオンした場合のモータ２の回転速度−トルク特性をそれぞれ示す。この図３に示すように、本実施形態に係る位相制御装置１によれば、点弧角の変化Ｔ5´→Ｔ1´に対してモータ２の発生トルクが線形に低下する。つまり、図９に示したような急激な低下を生じない。
【００２８】
図４に示す特性ａ，ｂの変化から明らかなように、特性ａをもたらす第１の実施形態に係る位相制御装置１によれば、従来の位相制御装置３０よりも広いトルク調整範囲が得られる。
【００２９】
上記位相制御装置１によれば、以下のような様々な効果を簡易な構成によって得ることができる。すなわち、指令値に比例するトルクをモータ２から出力させるので、トルク調整が容易になる。また、図４を参照して述べたように、トルク指令値設定器７の有効範囲（トルク調整範囲）が広がる。加えて、指令値に対してトルクが線形に発生するため、制御系に組み込んだ場合のゲイン設計が容易になる。さらに、上記各種効果を発揮する位相制御をオープン制御で実現することができるので、電圧、電流、回転速度、トルクを検出するためのセンサーが不要になる。
【００３０】
以上、本発明の第１の実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、第１の実施形態では、位相制御素子として、トライアック３を用いているが、サイリスタを用いても良い。
【００３１】
また、本発明は、従来装置による位相制御によっては、指令値と負荷に供給される電圧との関係が非線形になるような様々な他の負荷にも適用することができ、図５にその適用例を第２の実施形態として示す。
【００３２】
この第２の実施形態に係る位相制御装置１０は、モータに限定されない任意の負荷１１を制御するようにした点と、図１のトルク指令値設定器７の代わりに、電圧指令部１６を備えている点とにおいて、上記第１の実施形態に係る位相制御装置１と異なっている。他の構成要素であるトライアック１２、交流電源電圧１３、周波数検出器１４、タイミングテーブル１５Ａ，１５Ｂ、切換スイッチ１７及びゲート信号発生器１８は、第１の実施形態の対応する構成要素と同様である。
【００３３】
タイミングテーブル１５Ａ，１５Ｂには、電圧指令値とそれに対応する点弧タイミング（点弧角）との関係が格納されている。このタイミングテーブル１５Ａ，１５Ｂに格納された点弧タイミングは、前記指令値と前記負荷１１に印加される電圧との間に比例関係が成立するように設定されている。したがって、電圧指令部１６からタイミングテーブル１５Ａ又はタイミングテーブル１５Ｂに指令値が与えられると、前記関係に従った点弧タイミングでトライアック１２が点弧され、その結果、指令値に比例した負荷印加電圧が負荷１１に印加される。
この第２の実施形態に係る位相制御装置１０は、電力変換装置としての機能を有している。
【００３４】
なお、負荷１１の抵抗が電源１３の周波数に依存しない場合には、当然、タイミングテーブルは１つ設ければよく、それに伴って、周波数検出器１４及び切換スイッチ１７は不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態に係る位相制御装置の構成を模式的に示した構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る位相制御装置によって制御される電圧とトライアック点弧角との関係を示した波形図である。
【図３】図２に示した点弧角に対応する回転速度−トルク特性を示した特性図である。
【図４】第１の実施形態に係る位相制御装置におけるトルク指令値と発生トルクとの関係を、従来技術と比較して示したグラフである。
【図５】第２の実施形態に係る位相制御装置を模式的に示した構成図である。
【図６】従来技術における位相制御装置の構成を模式的に示した回路図である。
【図７】従来技術における電圧調整装置の構成を模式的に示した回路図である。
【図８】図６に示す位相制御装置によって制御される電圧とトライアック点弧角との関係を示す波形図である。
【図９】図８に示した点弧角に対応する回転速度−トルク特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  位相制御装置
２  モータ
３  トライアック
４  商用交流電源
５  周波数検出器
６Ａ，６Ｂ  タイミングテーブル
７  トルク指令値設定器
８  切換スイッチ
９  ゲート信号発生器
１０  位相制御装置
１１  負荷
１２  トライアック
１３  商用交流電源
１４  周波数検出器
１５Ａ，１５Ｂ  タイミングテーブル
１６  電圧指令部
１７  切換スイッチ
１８  ゲート信号発生器
【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】
2009100589.tif 000008
【図７】
2009100589.tif 000009
【図８】
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【図９】
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