交流电力调整器的制作方法

本发明涉及通过相位控制进行对负载的来自交流电源的电力供给的控制的交流电力调整器。

背景技术：

商用交流电源的电压(有效值)为规定的值(例如200v)，与之相对，在各种电气设备(负载)中，存在必要的电力根据动作状态而变化的设备，因此，利用调整商用交流电源的电压而将其向负载供给的交流电力调整器。

在这种电力调整器中，作为其控制方法，有相位控制方式、时分控制方式、振幅控制方式等。

关于这些控制方式，专利文献1中公开了有关相位控制方式的对负载的输出电压或输出电流的有效值的测定的现有技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-178030号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

就交流电力调整器的向负载供给的输出电压或输出电流的有效值的测定而言，在一个控制周期中取得基于采样周期得到的瞬时值即电压或电流的测定值(ad转换瞬时值)，基于该测定值算出输出电压或输出电流的有效值。

图3是用于说明该输出电压的有效值的计算的图，图中的波形表示将电压值进行平方所得的值的1控制周期量(电源的半周期量)。在此，为了简化，以在1控制周期进行10次采样为例(点划线所示的定时表示各采样点)。输出电压的有效值相当于图中的波形的触发角的范围的面积的平方根。作为实际的装置，基于在采样点得到的各瞬时值算出图中的波形的面积的近似值，通过取其的平方根，算出有效值。此外，触发角是指晶闸管等的电力控制元件接通的时间相对于1控制周期的时间的比例的值在此的电力控制元件接通的时间是指在控制周期中，电力控制元件接通后至该控制周期结束的零点(截止点)的时间。

在此，以往，采样点以过零点为基准确定。因此，如图所示，产生采样点和与触发角对应的触发点不一致的情况。在该情况下，图示的阴影的部分(触发点和采样点的差分)成为误差因素。

也如图可理解的是，因为波形的两端部分的面积小，所以在触发角接近1(100％)或0(0％)的情况下，该误差因素小，但在触发角为0.5(50％)附近的情况下，该误差因素增大。

另外，触发点和采样点的偏移量为0～采样周期的期间，如果偏移量接近采样周期，则上述误差因素最大化。

这种误差因素根据作为装置所要求的精度，成为不能忽视的问题。

鉴于上述课题，本发明涉及通过相位控制进行对负载的来自交流电源的电力供给的控制的交流电力调整器，目的在于提供一种能够更准确地测定输出电压或输出电流的有效值的交流电力调整器。

用于解决问题的技术方案

(结构1)

一种交流电力调整器，其具有通过相位控制进行对负载的电力供给的控制并测定向所述负载供给的输出电压或输出电流的有效值的功能，其特征在于，具备：测定部，其在采样定时测定对所述负载供给的输出电压或输出电流的瞬时值；有效值计算部，其基于测定出的所述瞬时值算出输出电压或输出电流的有效值；以及校正部，其对基于相位控制中的触发点和测定所述瞬时值的采样点的偏移的差分进行校正。

(结构2)

根据结构1所述的交流电力调整器，其特征在于，所述校正部将所述采样点确定为与所述触发点同步。

(结构3)

根据结构2所述的交流电力调整器，其特征在于，使所述采样点从所述触发点延迟预先设定的余裕值的量。

(结构4)

根据结构1～3中任一项所述的交流电力调整器，其特征在于，所述有效值计算部通过基于测定出的所述瞬时值执行梯形近似计算，算出所述输出电压或输出电流的有效值。

(结构5)

根据结构4所述的交流电力调整器，其特征在于，基于以下数式进行通过所述梯形近似计算进行的输出电压的有效值的计算。

[数式1]

ee表示所述输出电压的有效值，em、en、ei表示所述输出电压的瞬时值，其中，em表示紧接着触发之后的测定电压值，en表示有效值测定中的控制周期的最后的电压测定点的瞬时电压值，ei表示em至en的期间的任意的测定点的瞬时电压值，n表示电源的半周期的采样次数，m和δθ分别是通过以下的数式(数式2、数式3)算出的值。以下数式中的是触发角，在此，以接通比率(晶闸管等的电力控制元件接通的时间相对于1控制周期的时间的比例)为前提，

[数式2]

[数式3]

发明效果

根据本发明的交流电力调整器，能够校正基于相位控制中的触发点和测定瞬时值的采样点的偏移的差分，因此，能够更准确地测定输出电压或输出电流值的有效值。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的交流电力调整器的结构的概略框图。

图2是表示有关实施方式的交流电力调整器的本发明的处理动作的概略的流程图。

图3是表示将电压值进行了平方的波形的图。

图4是用于将本发明和现有方式的误差进行对比的说明图。

图5是用于说明梯形近似和长方形近似的图。

具体实施方式

以下，参照附图具体说明本发明的实施方式。此外，以下的实施方式是对本发明具体化时的一个方式，不将本发明限定于该范围内。

图1是表示本发明的实施方式的交流电力调整器的结构的概略的框图。本实施方式的交流电力调整器100是通过相位控制进行对负载的电力供给的控制的交流电力调整器，基于从作为外部装置的温度调节器(未图示)输入的目标负载率(0～1(0％～100％))，进行从交流电源3对作为负载2的加热器的电力供给的控制。

本实施方式的交流电力调整器100具备：

控制目标输入处理部110，其基于从温度调节器(未图示)赋予的目标负载率，算出用于相位控制的触发角

晶闸管相位控制部120，其基于触发角控制晶闸管130；

晶闸管130，其通过晶闸管相位控制部120输出的触发信号对从交流电源3向负载2的电力供给进行开关；

电流互感器140；

a/d转换定时中断处理部150；

零点中断处理部160。

此外，触发角是指从使晶闸管等控制交流电力的半导体元件接通的定时即触发点至该元件截止的交流电压的0v点的区间的、相对于交流电压的半周期的比率。

a/d转换定时中断处理部150具备：

a/d转换定时控制部151，其进行采样定时的控制等处理；

a/d转换部152，其具备将对负载2的输出电压值进行a/d转换的输出电压a/d转换1521和将来自检测对负载2的输出电流的电流互感器140的输出(电压值)进行a/d转换的输出电流a/d转换1522；

平方值累计部153，其将由a/d转换部152得到的电压(或电流)的瞬时值进行平方并累计的处理。

a/d转换定时控制部151作为通过控制采样定时来对基于相位控制中的触发点和测定上述瞬时值的采样点的偏移的差分进行校正的校正部发挥作用。

另外，输出电压a/d转换1521(或输出电流a/d转换1522)作为在从a/d转换定时控制部151指示的采样定时测定向负载2供给的输出电压(或输出电流)的瞬时值的测定部发挥作用。

零点中断处理部160具备：

零点检测部161，其检测交流电源3的过零点；

平方累计值存储部162，其存储由平方值累计部153算出的值；

有效值计算部163，其基于存储于平方累计值存储部162的值、即对输出电压(或输出电流)的瞬时值进行平方累计出的值，对每一控制周期(每一零点)算出向负载2供给的输出电压(或输出电流)的有效值。

此外，上述各结构可以分别通过专用电路等以硬件构成，也可以在微型计算机等通用的电路上以软件实现。

具备以上结构的本实施方式的交流电力调整器100通过对基于相位控制中的触发点和测定瞬时值的采样点的偏移的差分进行校正，更准确地测定输出电压(或输出电流)的有效值。

如上所述，以往，采样点与触发点是哪个定时无关，而以过零点为基准基于采样周期来决定(如果电源周期和采样周期无变化，则采样点是固定的)。因此，如图3所示，基本上在固定的各采样点和变动的触发点之间会产生偏移，图示的阴影部分成为误差因素。采样周期基本上是短的期间(100μ秒程度以下)，因此，以往是一种连针对上述这种误差因素的问题意识都不存在的状态。但是，由图可以理解的是，在触发点为紧接着采样点之后的这种情况下，触发点和采样点的偏移量最大化，且在波形的中央附近(触发角为0.5左右)的情况下，阴影部分的面积即误差量最大化。在交流电力调整器100中为了进行更高精度的控制，这种误差成为了不能忽视的值。

本实施方式的交流电力调整器100可以降低这种误差因素的影响，更准确地测定输出电压(或输出电流)的有效值。具体而言，通过将采样点控制为与触发点同步(采样点为紧接着触发点之后)，使基于触发点和采样点的偏移的误差因素最小化。

对本发明的有效值计算的近似计算方式进行说明。

首先，作为前提条件，以晶闸管被触发而接通的点为触发点，以该触发点和经相位控制的半周期(电源的半周期)的结束的零点的相位差为触发角其中，触发角为表示相对于半周期的周期t的比例的数值。因此，如上所述，使瞬时电压的测定定时即采样点与触发点同步，按半周期的周期t的n分之一实施其以后(或其以前)的瞬时电压的测定。即，采样周期为t/n。

其结果，经相位控制的半周期的瞬时电压的测定点(采样点)为θ1～θn计n个。此外，将经相位控制的半周期的开始的零点设为θ0、将半周期的结束的零点设为θn+1。θ0及θn+1的瞬时电压为零点，所以是0v，无需进行瞬时电压的测定。另外，将触发点设为θm、将该点的瞬时电压设为em。

此时，触发点的相位角通过使用了测定间隔除以测定间隔t/n所得的值、舍去了的小数点以下的值(在以下的式中使用意指舍去的高斯符号)的数式4表示。

[数式4]

在此，如果设为从开始的零点至测定间隔t/n的(m-1)倍和m倍的期间存在触发点，则成为数式5。

[数式5]

另外，如果使用通过数式6定义的δθ写出采样点的通式(θi)，则成为数式7。

[数式6]

[数式7]

在此，i是1≤i≤n的范围的整数。

在此，如果将电压的函数设为f(θ)，则各瞬时电压测定点的电压ei成为数式8。

[数式8]

i是1≤i≤n的范围的整数，但在1≤i≤m-1时，晶闸管截止，因此，测定点的电压成为0，因此，在以下的电力计算、有效值计算中省略。

根据以上的瞬时电压测定值基于梯形近似计算来计算以触发角进行相位控制时的半周期的平均电力的近似式为数式9，如果将其总结则成为数式10。

[数式9]

[数式10]

在此，en+1是半周期的结束的零点的瞬时电压，因此，en+1＝0。另外，因为pr＝ee²/r，所以ee的通式据此成为数式11。

[数式11]

数式11是通过基于所测定的电压的瞬时值执行梯形近似计算而用于算出输出电压的有效值的通式。通过将采样点控制为与触发点同步，进行基于梯形近似计算的计算，由此，能够更准确地测定输出电压的有效值。

另外，如果将n设为大的值，则en²与ee相比成为非常小的值，因此，在相对于必要的测定精度为非常小的值的情况下进行省略，也可以设为数式12。

[数式12]

接着，基于图2说明本实施方式的交流电力调整器100的输出电压的有效值的计算处理的概略。

图2是表示用于算出输出电压的有效值的处理的概略的流程图，通过步骤201～步骤210的处理，算出半周期(电源的半周期)的输出电压的有效值。

首先，在a/d转换定时控制部151，从晶闸管相位控制部120取得触发点(步骤201)，将采样点确定为与触发点同步(步骤202)。以使图3中的、触发点和采样点成为同步(采样点为紧接着触发点之后)的方式决定采样的定时，以该定时为基准点，以在其前后按采样周期配置各采样点的方式决定各采样点。此外，在触发点之前基本上无需进行采样，因此，也可以在紧接着触发点之后设定采样点，之后按采样周期设为采样点。

在接着的步骤203，判别是否达到紧接着触发点之后的采样点(步骤201中与触发点同步的采样点)，在达到紧接着触发点之后的采样点的情况下，移向步骤204，进行将在该时刻由输出电压a/d转换部1521得到的输出电压瞬时值代入变量e1的处理和在变量s中代入0(s的初始化)的处理。此外，对于s的初期化处理，也可以在其以前的任何定时进行。

接着的步骤205～步骤206的循环处理是判别是否达到各采样点、或过零点的处理。

在达到采样点的情况下，在将变量e1的值代入变量e2后，进行将在该时刻从输出电压a/d转换部1521得到的输出电压瞬时值代入变量e1的处理(步骤206：是→步骤207)。由此，将成为梯形近似计算所需的梯形的两边的值的基础的数值代入变量e1和e2。

在步骤208，在平方值累计部153，进行通过梯形近似计算算出电压的瞬时值的平方的波形(图3)中的、1测定区间的面积并将该面积进行累计的处理。即，将e1²和e2²相加，将相加值与采样周期(t/n)相乘并除以2，将所得的值(通过梯形近似累计算出1测定区间的面积的值)与变量s累计。此外，变量s被存储于平方累计值存储部162。

基于步骤205～步骤206的循环处理，在各采样点每次到来时，执行步骤207～步骤208的处理，由此，将电压的瞬时值的平方的波形的面积(即积分值)的近似值代入变量s。

在通过零点检测部161判别的过零点到来的情况下，进行将电压的瞬时值的平方的波形的最终的测定区间的面积与变量s累计，并将其存储于平方累计值存储部162的处理(步骤205：是→步骤209)。

如上所述，本实施方式中的采样点与触发点同步，不以过零为基准，因此，最终的测定区间与采样周期不同(也可以有相同的情况)。最终的测定区间由δθ/n表示(δθ基于数式6)，且在过零点，电压值(瞬时值)也当然为零，因此，将e1²和0²相加，将相加值乘以δθ/n并除以2，将除数与变量s累计。

最后，在有效值计算部163进行基于存储于平方累计值存储部162的s算出它们的平方根，由此算出输出电压的有效值ee的处理(步骤210)。

通过以上的处理(步骤201～步骤210)，算出半周期(电源的半周期)的输出电压的有效值，通过按半周期重复该处理(步骤201～步骤210)，算出各半周期的输出电压的有效值。

此外，在基于图2的流程图的说明中，并非直接使用上述说明的数式11算出有效值ee，但由处理内容可以明确，实质上基于数式11算出。(也可以设为记录各测定值(瞬时值)，直接使用数式11算出有效值ee的处理。)

图4是用于对比本发明和现有方式中分别算出的有效值相对于理论值的误差的说明图。

图的左侧的图表表示应用了本发明的情况下的一例，x′1～x′9表示各采样点。即，将采样周期τ设为电源的半周期的10分之1(此外，图4中的x′1～x′9及x1～x9表示e²(各采样定时的电压的瞬时值的平方))。在该例中，x′6被确定为与触发点同步，以其为基准点，以采样周期τ确定各采样点。如果将最后的区间的幅度用δθ表示，则为δθ/n。

另一方面，示出在与其相同的状况下应用目前的方法的情况的是右侧的图表。在现有方法中，使采样点与过零点同步，其结果，在触发点和采样点x6之间产生的偏移。即，能够在从触发点延迟的采样点x6开始检测输出电压，从触发点至x6之间的区间为不能检测的期间，成为误差因素。

图的中央的上侧的图表是对于本发明和现有方式示出相对于理论值的误差的图表，中央的下侧的图表是将误差相对于理论值的比例进行图表化的图表。

从图中也可以理解，在现有方式中，随着触发点和采样点的偏移量增大，误差也增大，随着偏移量接近采样周期τ，误差最大化。

与之相对，在本发明中，由图也明显可见，将误差抑制为非常小的值(仅有梯形近似的近似产生的误差)，现有方式中产生的误差得以大幅改善。

如上所述，根据本实施方式的交流电力调整器100，因为能够校正基于相位控制中的触发点和测定瞬时值的采样点的偏移的差分，所以能够更准确地测定输出电压的有效值。

另外，根据本实施方式的交流电力调整器100，因为使用梯形近似计算，所以能够进一步减小误差。

在求瞬时值的平方的波形的积分值时，使用长方形近似的情况下，如图5的(a)所示，相对于波形的积分值(面积)的误差增大。如图5的(a)所示，在对半周期量全部积分的情况下(即触发角为1的情况下)，在峰值的前后，误差相抵销，作为整体的误差几乎消失，但当触发角小于1时，产生不能相抵销的误差，在触发角为0.5左右的情况下，该误差变得最大。

与之相对，如图5的(b)所示，通过使用梯形近似，能够降低误差。

此外，在本实施方式中，以测定输出电压的有效值的情况为例进行了说明，但在测定输出电流的有效值的情况下也能够以同样的概念应用(其中，在使用电流互感器140测定电流瞬时值的情况等下，需要考虑基于电路特性的相位延迟或提前)。

在本实施方式中，以通过将采样点确定为与触发点同步的方式进行基于相位控制下的触发点和测定瞬时值的采样点的偏移的差分(图3的阴影部分)的校正为例进行了说明，但也可以通过其它方法进行校正。例如，也可以是测定本身通过现有的方式(图4的右侧的图)进行，进行相对于由此得到的值减去基于与测定瞬时值的采样点的偏移的差分(图3的阴影部分)的校正等。

在本实施方式中，以通过也对最后的测定区间(图4的左侧的图表中的的区间)进行积分，求出更准确的值为例，但从图4的左侧的图表也可以理解的是，因为的区间的面积相对较小，所以在即使不累计该部分，也能够得到必要的精度的情况下，也可以省略的区间的累计(省略图2的步骤209)，实现计算量的降低。

此外，本发明中的“将采样点确定为与触发点同步”是指并非限定于为严格地使采样点为紧接着触发点之后，而是表示实质上采样点与触发点同步的情况。

例如，在根据电路特性等，负载上的电压的上升比触发点稍延迟或出现偏差这样的情况下，需要不使采样点和触发点为同时而使在紧接着电压的上升之后，采样点再来到。这是为了使电压的测定可靠。在这种情况下，例如预先设定电压的上升延迟的量或偏差的量的最差值作为余裕值，使采样点从触发点延迟余裕值，但其与采样点以触发点为基准同步相比并没有改变，作为本发明的概念，这种情况也符合“将采样点确定为与触发点同步”。

符号说明

100交流电力调整器

130晶闸管

150a/d转换定时中断处理部

151a/d转换定时控制部

152a/d转换部

153平方值累计部

160零点中断处理部

161零点检测部

162平方累计值存储部

163有效值计算部

2负载

3交流电源