JPH06314130A - 交流電力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、家庭用電熱制御装置等の電力制御 に好適な交流電力制御装置に関する。

［従来の技術］ 熱源として電気エネルギを利用する電熱制御装 置は、暖房器具や調理器具或は衛生器具など多方 面で実用化されている。電熱制御装置が、モータ 制御装置やランプ制御装置と比較して大きく異な る点は、負荷の時定数が大きく、ある程度緩慢な 制御が許容されることである。事実、電気こたつ や電子カーペットのような家庭用電気器具の電熱 制御には、制御偏差の極性に応じて負荷と電源の 間を断続するいわゆるオンオフ制御方式が多用さ れている。

第６図に示す交流電力制御装置１は、電子カー ペットを、希望温度に制御するための装置であり 、通電により発熱する発熱体からなる負荷２が、 トライアック等のパワースイッチ３を介して交流 電源４に接続してある。温度設定器５を介して設 定された希望温度は、マイコン機能を搭載する演 算回路６内で実際のカーペット温度と比較され、 第７図（Ａ），（Ｂ）に示したように、温度セン サ７が検出するカーペット温度が希望温度に満た ない場合は、演算回路６からの指令を受けてパワ ースイッチ３が閉成され、連続通電による昇温が 図られる。そして、カーペット温度が希望温度を 越えると、その時点でパワースイッチ３は開成し 、カーペット表面からの熱放散によりカーペット 温度が希望温度から数度下がるまで、そのままの 状態が維持される。

このため、実際のカーペット温度は、希望温度 の下側に一定の幅をもった範囲で可変制御される ことになり、カーペット表面が膚に直接暖かいと 感じられる期間（パワースイッチ３のオン期間） と、余熱だけでなんとなく暖かく感じられる期間 （パワースイッチ３のオフ期間）とがはっきりし ており、体感温度変化の少ない快適な保温効果か らは遠いものであった。また、カーペット温度が 希望温度から下側に振れるため、さらに高い温度 に設定しなければならず、無効電力が増大するた めに暖房費の節約に逆行するといった問題があっ た。さらにまた、こうしたオンオフ制御方式をと る交流電力制御装置１は、パワースイッチ３が閉 成期間中は定格消費電力でもって負荷２に対する 通電が行われるため、例えばブレーカ容量２０Ａ の一般家庭において、定格消費電力８００Ｗの炊 飯器と６４０Ｗの電子カーペットを同時に使用し ているにも拘わらず、知らずに定格消費電力が７ ００Ｗのアイロンを使用したときに、総消費電力 が２１４０Ｗとなってブレーカが作動してしまい 、動作途中で通電を断たれた炊飯器が正常な炊飯 に失敗するといった事態も予想される。これは、 オンオフ制御の過程で瞬間最大電力がブレーカ内 の熔断ヒューズの熔断限界を軽く越えてしまいや すいからである。

一方、オンオフ制御方式とは方式を異にする交 流電力制御方式として、トライアックを整流素子 として用いたパワースイッチ３による位相制御方 式が知られている。この種の位相制御方式は、ト リガパルスを受けて通電するパワースイッチ３を 、演算回路６が制御目標電力に応じたトリガ位相 でもってトリガし、トライアックの性質を利用し て交流電圧が零電圧を横切る点までパワースイッ チ３を導通させるものであり、パワースイッチ３ は最大で半波分の通電を行うことになる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記位相制御方式の従来の交流電力制御装置１ は、カーペット温度が希望温度に満たないとき或 は希望温度に達したあとも、電源周期の半サイク ルごとにパワースイッチ３の導通期間が可変制御 されるが、パワースイッチ３が交流電源の電源位 相とは無関係に、制御電力目標に応じた位相でも って閉成する構成であるため、負荷２に対する通 電開始時点で、かなりの負荷電流が瞬時にして通 電又は遮断され、その結果負荷電流の急激な変化 がラジオノイズを発生するといった課題を抱えて いた。こうしたラジオノイズは、蛍光灯ノイズや 電気冷蔵庫の起動ノイズ等と同様、テレビジョン 受像機やオーディオ機器或はリモコン制御装置と いった他の家電機器にとって、直接間接の障害を 及ぼす元凶であり、こうしたラジオノイズ障害を １制御周期Ｔ内において必ず１回は引き起こす従 来の交流電力制御装置１は、断続的とはいえ電熱 制御の全過程を通じて継続的なノイズ発生源とな るといった課題を抱えていた。

さらにまた、従来の交流電力制御装置１は、周 囲温度が低く加熱を開始したばかりのときは、目 標温度と実際のカーペット温度にかなりの開きが あることが多いために、演算回路６は負荷２に対 して最大の通電率をもって通電を行おうとし、こ れによりかなり電力が電子カーペットにて消費さ れることになる。このため、一般家庭に供給され る商用交流電源は、一時的にかなりの電圧降下を 招くことがあり、例えば同じ部屋の照明ランプの 照度が急に低下したり、或は視聴中のテレビジョ ン受像機の画面サイズが変動したりすることがあ り、極端な場合には、電流容量を越える電力が消 費されてブレーカが落ちてしまうことがあるとい った課題を抱えていた。

［課題を解決するための手段］ この発明は、上記課題を解決したものであり、 交流電源と負荷の間に介在し、トリガパルスを受 けて前記負荷に対し最大で半波分の通電を行うパ ワースイッチと、前記交流電源の出力電圧がゼロ 電圧を横切るさいに、これを検出してゼロクロス 検出パルスを出力するゼロ電圧センサと、このゼ ロ電圧センサのゼロクロス検出パルスを一定値を 限度に循環的に計数し、外部設定される任意の２ 計数値によって両端が規定される一連の計数期間 中、前記パワースイッチに対し前記交流電源の出 力電圧と同相のゼロクロストリガパルスを供給す る制御部とを具備することを特徴とするものであ る。

［作用］ この発明は、交流電源の出力電圧がゼロ電圧を 横切るさいに得られるゼロクロス検出パルスを、 一定値を限度に循環的に計数し、外部設定される 任意の２計数値によって両端が規定される一連の 計数期間中、交流電源とその負荷の間に介在する パワースイッチに対し、交流電源の出力電圧と同 相のゼロクロストリガパルスを供給し、電源位相 に合わせたトリガ位相でもって負荷への通電率を 可変制御する。

［実施例］ 以下、この発明の実施例について、第１図ない し第５図を参照して説明する。第１図は、この考 案の交流電力制御装置の一実施例を示す回路構成 図、第２図は、第１図に示した回路各部の信号波 形図である。

第１図に示す交流電力制御装置１１は、電子カ ーペットの電熱制御に適用したものであり、交流 電源４とカーペット状発熱体からなる負荷２との 間に介在するパワースイッチ３を、ゼロ電圧セン サ１２の出力をクロックとする制御部１３によっ て開閉制御するものである。ゼロ電圧センサ１２ は、交流電源４の出力電圧がゼロ電圧を横ぎった ことを検出し、検出時点で第２図（Ｂ）に示すご く短いパルス幅のゼロクロス検出パルスを出力す る。実施例では、パワースイッチ３としてトライ アックを用いているため、ゼロ電圧センサ１２の 出力ゼロクロス検出パルスと同様、交流電源４の 出力電圧と同相のゼロクロストリガパルスを、交 流電源４に接続したゼロクロストリガパルス発生 回路１４を介してパワースイッチ３のトリガ入力 端子に供給するようにしており、パワースイッチ ３のトリガ位相は、常に電源位相に一致する。

制御部１３は、ゼロ電圧センサ１２のゼロクロ ス検出パルスを、計数時間換算で例えば１秒に満 たないごく短い時間に相当する一定値を限度に循 環的に計数し、外部設定される任意の２計数値に よって両端が規定される一連の計数期間中、パワ ースイッチ３に対しゼロクロストリガパルス発生 回路１４を介してトリガパルスを供給するもので ある。実施例では、計数上限である１１１１の計 数時点でリセット信号を出力する４ビットカウン タ回路１５と、このカウンタ回路１５の計数値を ラッチ回路１６がラッチする所定値と比較し、両 者が一致した時点でセット信号を出力するコンパ レータ回路１７と、このコンパレータ回路１７の セット信号とカウンタ回路１５のリセット信号を 受けてセット又はリセットされ、セット出力又は リセット出力をもってゼロクロストリガパルス発 生回路１４を駆動するフリップフロップ回路１８ 等をもって構成してある。ラッチ回路１６は、演 算回路１９を介して希望温度に対応する４ビット のデータを与えられ、次にラッチ指令が与えられ るまでの間、当該データをコンパレータ回路１７ の比較基準として保持し続ける働きをする。

なお、実施例では、ラッチ回路１６にラッチす る００００〜１１１１の４ビットデータは、負荷 ２に対する通電開始時期に対応しており、希望温 度が高くなるにつれて４ビットデータは小さな値 とされる。また、演算回路１９に接続された温度 設定器２０は、電子ボリューム等で構成され、ボ リューム操作により設定された希望温度は、例え ば００１１のごとく演算回路１９内で４ビットデ ィジタルデータに変換される。また、カウンタ回 路１５は１６個の半波を計数したときにリセット されるため、電源周波数を仮に５０サイクルとし た場合、８／５０秒が１制御周期Ｔとなる。従っ て、カウンタ回路１５に設定される一定値１１１ １は、計数時間換算で１秒の数分の一程度のごく 短い時間に相当し、それだけ短いサイクルでもっ て負荷変動に対応できると言える。

ところで、ゼロ電圧センサ１２の出力ゼロクロ ス検出パルスを計数するカウンタ回路１５は、計 数値が１１１１となった時点、すなわちゼロクロ ス検出パルスが１６個計数された時点で、フリッ プフロップ回路１８に対しリセット信号を供給す る。従って、電源周期の８倍に相当する１制御周 期Ｔの到来とともに、フリップフロップ回路１８ はリセットされ、ゼロクロストリガパルス発生回 路１４に対する駆動は停止する。その結果、パワ ースイッチ３に対するゼロクロストリガパルスの 供給が断たれ、負荷２に対する通電は中断する。

一方、負荷２に対する通電が中断すると、計数 値１１１１を計数上限とするカウンタ回路１５は 、再度００００から計数を開始し、その計数値が ラッチ回路１６にラッチされた所定値、ここでは ００１１に一致した時点、すなわちフリップフロ ップ回路１８のリセット後４個目のゼロクロス検 出パルスが計数された時点で、コンパレータ回路 １７がセット信号を出力する。その結果、フリッ プフロップ回路１８はセットされ、ゼロクロスト リガパルス発生回路１４が再び駆動されることで 、パワースイッチ３に対してゼロクロストリガパ ルスが与えられ、負荷２に対する通電が再開され る。

従って、上記交流電力制御装置１１によれば、 パワースイッチ３が、５０サイクル又は６０サイ クルの電源周期の８倍を１周期とする制御周期Ｔ のうち、１２／１６・Ｔをオン期間Ｔｏｎとし、 残りの４／１６・Ｔをオフ期間Ｔｏｆｆとする開 閉動作を行うため、カーペット温度を希望温度に 保つための電力制御を、１秒の数分の一程度のご く短い制御周期Ｔを単位にきめ細かに実施するこ とができ、負荷２の熱時定数が大きいため、従来 はきめ細かな温度制御の対象とはされていなかっ た電子カーペットの電熱制御装置として、実に正 確で誤差の少ない温度制御が可能である。

また、１制御周期Ｔに占める通電期間Ｔｏｎを 制限することで、消費電力の制御が自在に可能で あり、従ってブレーカ容量に制約のある一般家庭 での使用にさいしても、電力選択によりブレーカ 容量を越えない安全かつ効率的な電力消費が可能 であり、炊飯器やアイロン等の比較的電力消費の 大きな家庭用電気機器等を、安心して併用するこ とができる。

さらにまた、ゼロクロストリガパルス発生回路 １４によるパワースイッチ３のトリガ位相は電源 位相に一致しているため、ラジオノイズ等を発生 することはない。また、演算回路１９は、温度設 定器２０による設定入力を受けてラッチ回路１６ に設定温度に対応する計数値をラッチさせた後は 、温度センサ７が検出するカーペット温度と設定 温度との温度差を算出し、カーペット温度が設定 温度より小であれば負荷２に供給する電力を大と し、カーペット温度が設定温度より大であれば負 荷２に供給する電力を小とするというように、電 力制御に必要な演算を行なう。

なお、第３図に示す交流電力制御装置２１は、 交流電源４と負荷２を結ぶ電力供給線路に電源ス イッチ２２が接続してあり、ユーザが電源スイッ チ２２を閉じることで、負荷２に対する通電が開 始されるようになっている。電源スイッチ２２は 、演算回路１９に接続してあり、演算回路１９は 、電源スイッチ２２の閉成信号を受けたときに、 制御部１３に外部設定する２計数値のうちの一方 を徐々に可変し、負荷２に対する通電率を漸増さ せる働きをする。すなわち、実施例では第４図に 示したように、電源スイッチ２２が閉成されたと きに、演算回路１９はラッチ回路１６に設定する ４ビットデータを徐々に小さな値に切り替え、こ れによ負荷２に対する通電率Ｔｏｎ／Ｔを徐々に 増大させる。このため、周囲温度が低く加熱を開 始したばかりのときに目標温度と実際のカーペッ ト温度にかなりの開きが生じていても、演算回路 １９が加熱をソフトスタートさせるため、電子カ ーペットにて消費される電力が突発的に大きな値 をとることはない。従って、従来のように、商用 交流電源の電圧降下とともに照明ランプの照度が 急に低下したり、或は視聴中のテレビジョン受像 機の画面サイズが変動したりするといった不都合 を未然に回避することができる。

また、第５図に示す交流電力制御装置３１のご とく、交流電源４と負荷２を結ぶ電力供給線路に 電圧検出回路３２を分岐接続し、この電圧検出回 路２２が検出した電圧を演算回路１９にて監視さ せ、電圧検出回路３２の出力電圧があらかじめ設 定した一定値以下に降下したときに、制御部１３ に外部設定する２計数値のうちの一方を可変し、 負荷２に対する通電率を低下させるよう構成する こともできる。この実施例では、演算回路１９は 、負荷２に供給される交流電圧があらかじめ設定 した一定の電圧以下に降下したときに、ラッチ回 路１６に設定する４ビットデータを変更し、負荷 ２に対する通電率Ｔｏｎ／Ｔを下げるよう働きか ける。従って、周囲温度が低く加熱を開始したば かりのときや、或は大勢の人が一度に電子カーペ ット上に乗ったときなどに、設定温度と実際のカ ーペット温度にかなりの開きが生じでも、演算回 路１９が自動的に負荷２に対する通電率を低下さ せるので、電子カーペットにて消費される電力も 軽減され、従来のように、商用交流電源の電圧降 下とともに照明ランプの照度が急に低下したり、 或は視聴中のテレビジョン受像機の画面サイズが 変動したりするといった不都合を未然に回避する ことができ、電流容量を越える電力が消費されて ブレーカが落ちてしまうといったこともない。

また、これらの実施例では、負荷２である電子 カーペットは、第３図に示したように、ヒータ線 ２３に通電されてカーペットを加熱する構造であ り、温度センサ７は、感熱樹脂材２４を通してヒ ータ線２３から漏れる電流を感熱線２５に受け、 感熱線２５に流れ込む電流値に応じてカーペット 温度を感知する構造とされている。

また、上記の各実施例において、カウンタ回路 １５としては、４ビットに限らず、２ビット又は ３ビット、或は５ビット以上のものを用いること ができ、電力制御における分解能に応じたビット 数を採用するとよい。さらにまた、フリップフロ ップ回路１８は、セット入力端子にカウンタ回路 １５を接続し、リセット入力端子にコンパレータ 回路１７を接続してもよく、その場合ラッチ回路 １６のラッチデータは、負荷２に対する通電終了 時期に対応するため、希望温度が高くなるにつれ てラッチデータも大きな値をとる。

さらに、上記各実施例では、交流電力制御装置 １１，２１，３１を、電子カーペットの電熱制御 装置に適用した場合を例にとったが、電気こたつ や空調機器などの他の家庭用電熱器具等さらには 調理器具や衛生器具等に適用してもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、交流電源の 出力電圧がゼロ電圧を横切るさいに得られるゼロ クロス検出パルスを、一定値を限度に循環的に計 数し、外部設定される任意の２計数値によって両 端が規定される一連の計数期間中、交流電源とそ の負荷の間に介在するパワースイッチに対し、交 流電源の出力電圧と同相のゼロクロストリガパル スを供給し、電源位相に合わせたトリガ位相で負 荷への通電率を可変制御する構成としたから、負 荷の熱時定数が大きいため、従来はきめ細かな温 度制御の対象とはされていなかった家庭用電熱制 御装置に適用した場合、特に希望温度の近辺での 電力制御を、例えば１秒に満たないようなごく短 い制御周期を単位にきめ細かに実施することがで き、これにより正確で誤差の少ない温度制御が可 能であり、従って例えば従来のオンオフ制御方式 の交流電力制御装置のように、暖かさと冷たさが 交互に皮膚で感じられるような大まかな温度制御 ではなく、均一な温度制御による快適保温が可能 であり、また１制御周期に占める通電期間を制限 することで、消費電力の制御が自在に可能であり 、従ってブレーカ容量に制約のある一般家庭での 使用にさいしても、電力選択によりブレーカ容量 を越えない安全かつ効率的な電力消費が可能であ り、さらにまたパワースイッチに対するトリガパ ルスの与え方が、トリガパルスと電源位相が無関 係である非同期方式と異なり、トリガ位相をゼロ 電圧付近に設定するゼロクロストリガパルス方式 であるため、ラジオノイズの発生を良好に抑制す ることができる等の優れた効果を奏する。

また、この発明は、制御部を、一定値の計数時 点でリセット信号を出力するカウンタ回路と、こ のカウンタ回路の計数値をあらかじめ設定された 所定値と比較し、両者が一致した時点でセット信 号を出力するコンパレータ回路と、このコンパレ ータ回路のセット信号とカウンタ回路のリセット 信号を受けてセット又はリセットされるフリップ フロップ回路と、このフリップフロップ回路のセ ット出力又はリセット出力をもって駆動され、そ の駆動期間中前記パワースイッチにゼロクロスト リガパルスを供給するゼロクロストリガパルス発 生回路から構成することにより、コンパレータ回 路に比較基準として設定される所定値を通電開始 時期（又は通電終了時期）に、また対するカウン タ回路の計数上限を通電終了時期（又は通電開始 時期）に対応させることで、通電時間の変更が自 由に可能であり、これにより演算回路等を経由す るディジタル的な電力設定が、きわめて容易にな り、しかも比例制御に微分制御や積分制御を組み 合わせることで、より高度で複雑な電力制御を導 入することもできる等の効果を奏する。

また、この発明は、前記交流電源が前記負荷に 対して通電開始するときに動作し、前記制御部に 外部設定する２計数値のうちの少なくとも一方を 徐々に可変し、前記負荷に対する通電率を漸増さ せる演算回路を設けたことにより、通電を開始し たばかりのときに、目標とする負荷の状態と実際 の負荷との間にかなりの開きが生じていても、演 算回路が負荷に対する通電率を徐々に増大させる ので、負荷にて電力が突発的に消費されることは なく、従って従来のように、商用交流電源の電圧 降下とともに照明ランプの照度が急に低下したり 、或は視聴中のテレビジョン受像機の画面サイズ が変動したりするといった不都合を未然に回避す ることができ、電流容量を越える電力が消費され てブレーカが落ちてしまうといったこともない等 の効果を奏する。

さらに、この発明は、交流電源の出力電圧を検 出する電圧検出回路と、この電圧検出回路が検出 する前記出力電圧があらかじめ設定された一定値 以下に降下したときに、制御部に外部設定する２ 計数値のうちの少なくとも一方を可変し、負荷に 対する通電率を低下させる演算回路を設けたこと により、負荷に対する通電を開始したばかりのと きや、或は負荷の消費電力が急激に増大したとき などに、目標とする負荷の状態と実際の負荷との 間にかなりの開きが生じても、演算回路が自動的 に負荷に対する通電率を低下させるので、負荷に て消費される電力も軽減され、従来のように、商 用交流電源の電圧降下とともに照明ランプの照度 が急に低下したり、あるいは視聴中のテレビジョ ン受像機の画面サイズが変動したりするといった 不都合を未然に回避することができ、電流容量を 越える電力が消費されてブレーカが落ちてしまう といったこともない等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の交流電力制御装置の一実 施例を示す回路構成図、第２図は、第１図に示し た回路各部の信号波形図、第３，４図は、それぞ れこの発明の交流電力制御装置の他の実施例を示 す回路構成図及び回路各部の信号波形図、第５図 は、この発明の交流電力制御装置のさらに他の実 施例を示す回路構成図、第６，７図は、それぞれ 従来のオンオフ制御方式の交流電力制御装置の一 例を示す回路構成図及びその温度制御経過を示す 波形図である。 ２．．．負荷，３．．．パワースイッチ，４． ．．交流電源，１１，２１，３１．．．交流電力 制御装置，１２．．．ゼロ電圧センサ，１３．． ．制御部，１４．．．ゼロクロストリガパルス発 生回路，１５．．．カウンタ回路，１６．．．ラ ッチ回路，１７．．．コンパレータ回路，１８． ．．フリップフロップ回路，１９．．．演算回路 ，２０．．．温度設定器，２２．．．電源スイッ チ，３２．．．電圧検出回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源と負荷の間に介在し、ト
   リガパ ルスを受けて前記負荷に対して最大で半波分の通電 を行うパワースイッチと、前記交流電源の出力電 圧がゼロ電圧を横切るさいに、これを検出してゼ ロクロス検出パルスを出力するゼロ電圧センサと 、このゼロ電圧センサのゼロクロス検出パルスを 一定値を限度に循環的に計数し、外部設定される 任意の２計数値によって両端が規定される一連の 計数期間中、前記パワースイッチに対し前記交流 電源の出力電圧と同相のゼロクロストリガパルス を供給する制御部とを具備することを特徴とする 交流電力制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御部は、前記一定値の計数
   時点で リセット信号を出力するカウンタ回路と、このカ ウンタ回路の計数値をあらかじめ設定された所定 値と比較し、両者が一致した時点でセット信号を 出力するコンパレータ回路と、このコンパレータ 回路のセット信号と前記カウンタ回路のリセット 信号を受けてセット又はリセットされるフリップ フロップ回路と、このフリップフロップ回路のセ ット出力又はリセット出力をもって駆動され、そ の駆動期間中パワースイッチにゼロクロストリガ パルスを供給するゼロクロストリガパルス発生回 路を有することを特徴とする請求項１記載の交流 電力制御装置。
3. 【請求項３】 前記交流電源が前記負荷に対して
   通電開 始するときに動作し、前記制御部に外部設定する ２計数値のうちの少なくとも一方を徐々に可変し 、前記負荷に対する通電率を漸増させる演算回路 を具備することを特徴とする請求項１記載の電力 制御装置。
4. 【請求項４】 前記交流電源の出力電圧を検出す
   る電圧 検出回路と、この電圧検出回路が検出する前記出 力電圧があらかじめ設定された一定値以下に降下 したときに、前記制御部に外部設定する２計数値 のうち少なくとも一方を可変し、前記負荷に対す る通電率を低下させる演算回路を具備することを 特徴とする請求項１記載の電力制御装置。