JP2009033905A - 電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用交流電源ラインから流れる突入電流の発生を抑制することができ、しかも、負荷に対して従来よりも迅速に電力を供給できる電力制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】商用交流電源（１）の電源電圧を降圧して負荷（１６）に給電する降圧型電源回路（２０）と、スイッチング素子（１３）を商用交流電源の周波数より高い周波数でスイッチング（９）し、オンデューティ比率を制御して負荷（１６）へ給電する電力を制御する制御手段（１１）とを設け、負荷（１６）への給電を電力制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真式画像形成装置に使用されている定着ヒータのような抵抗性負荷に給電する電力制御装置に関するものである。

定着ヒータを具備した電子写真式のプリンタやファクシミリ等の電子写真式画像形成装置では、図７に示すように、双方向性サイリスタをスイッチング素子３０として使用し、装置起動の直後には、商用交流電源の数サイクルに対して制御回路３３が定着ヒータ３１に流れる電流の位相角制御を行い、その後は制御回路３３が零ボルトスイッチ制御を行って定着ヒータ３１に突入電流が流れないように抑制を図っている（特許文献１）。

具体的には図８に示すように、待機状態に続いて起動急速加熱期間、定常運転Ｉと定常運転IIからなる複数の定常運転モード期間、待機状態の通電を繰り返し行っている。そのうちの定常運転Ｉおよび定常運転IIでは、定着ヒータの給電電力を制御するために、定着ヒータ３１の温度を定着サーミスタ３２からの信号により検出し、定着ヒータ３１の端子電圧がゼロボルトになったタイミングをゼロクロス検出回路３４で検出し、これに基づいて制御回路３３は位相角制御回路３５に制御信号を送出して、図９（ａ）に示す入力電圧に対して、定着ヒータへの供給される入力電流が、図９（ｂ）または図９（ｃ）に示すように商用周波数で遮断した位相制御を行って定着ヒータへの供給電力を制御している。
特開平１−３０７７８７号公報

しかしながら、大量給紙ユニット、ソーター、あるいは両面ユニット等のオプションを装着した電子写真式画像形成装置においては、定着ヒータ以外にも電装品（すなわち、モータ、クラッチ、ソレノイド等）による負荷が大きいため、定着ヒータの検出温度に基づいて定着ヒータへの通電を制御している従来の電力制御装置では、商用交流電源ラインから画像形成装置に流れる突入電流の発生を抑制することができない。

この商用交流電源ラインから電子写真式画像形成装置に流れる突入電流の発生は、同一の商用交流電源ラインに複数の電子写真式画像形成装置が接続されている場合に、同一タイミングで定着ヒータがオンしたとき等には、突入電流が流れて電源電圧の降下が発生して室内電灯のちらつき等の不具合が発生している。

さらに、定着ヒータの温度が低い場合には、位相角制御を行っていても定着ヒータへの単位時間当りの供給電力は小さくなるため、設定温度に到達するまでに時間がかかり過ぎる。具体的には、定着ヒータの温度が設定値以下の場合には位相角制御を一定の位相角で行うので、定着ヒータの温度が低い場合ほど定着器の温度が目標の設定温度に達するに要する時間が長くなってしまう。

また、定着ヒータに商用交流電源を印加してその通電角を制御して突入電流を抑制している従来の電力制御装置を搭載した電子写真式画像形成装置では、図９（ｃ）に示すように導通角が９０度以上では定着ヒータに印加される電圧の最大値は、商用交流電源と同じ値となり、定着ヒータの寿命信頼性を保つために入力定格電圧ＡＣ１００Ｖの電子写真式画像形成装置にはＡＣ１００Ｖ定格の定着ヒータを実装し、入力定格電圧ＡＣ２００Ｖの電子写真式画像形成装置にはＡＣ２００Ｖ定格の定着ヒータが実装されている。

また、定着ヒータに商用交流電源を印加してその通電角を制御して突入電流の抑制や定着部の温度制御用ヒータへの供給電力を制御している従来の電力制御装置を搭載した電子写真式画像形成装置などでは、双方向性サイリスタによる位相角制御であるため、商用交流周波数の半サイクルの間に電流が遮断されことにより電流波形が歪み、前記高調波規制への対応が困難になっている。

本発明は、前記高調波規制への対応を満足し、かつ、商用交流電源ラインから流れる突入電流の発生を抑制することができ、しかも、負荷に対して従来よりも迅速に電力を供給することができる電力制御装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の電力制御装置は、商用交流電源を入力として負荷への給電電力を制御する電力制御装置であって、入力に商用交流電源の側から給電され出力には前記負荷が接続され前記負荷への給電経路に直列にスイッチング素子が介装され商用交流電源の電源電圧を降圧して前記前記負荷に給電する降圧型電源回路と、前記スイッチング素子を商用交流電源の周波数より高い周波数でスイッチングし、オンデューティ比率を制御して前記負荷へ給電する電力を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の電力制御装置は、請求項１において、制御手段は、定常運転時には、入力された商用交流電源の電圧値に応じて前記スイッチング素子のスイッチング周波数と前記負荷への給電のオンデューティ比率を制御して商用交流電源の電圧が変動しても前記負荷に供給される電圧を一定にするよう構成したことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の電力制御装置は、請求項１において、制御手段は、定常運転時には、入力された商用交流電源の電圧値と、前記負荷に向かって流れる負荷電流値と、前記負荷の端子電圧値とに応じて前記スイッチング素子のスイッチング周波数と前記負荷への給電のオンデューティ比率を、前記負荷に供給される電圧が一定に保つように制御するよう構成したことを特徴とする。

本発明の請求項４記載の電力制御装置は、請求項１において、前記降圧型電源回路は、前記負荷とコイルの直列回路に並列にダイオードを接続した回路に、商用交流電源を整流ダイオードによって整流した出力電圧を、前記スイッチング素子を介して印加するように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項５記載の電力制御装置は、請求項１において、前記降圧型電源回路は、前記負荷とコイルの直列回路にダイオードを並列に接続するとともに、この回路に商用交流電源を整流ダイオードによって整流した出力電圧を、前記スイッチング素子を介して印加するように構成され、前記制御手段は、定常運転時には、前記スイッチング素子をオン状態にして前記コイルに磁気エネルギーを蓄積し、この蓄積した磁気エネルギーを前記スイッチング素子をオフ状態にして前記ダイオードを介して放出し、起動の直後にはスイッチング素子をオフ状態から徐々にオンデューティを増加させ、前記負荷の定格電圧に比べて前記商用交流電源の電圧が高く、供給電力が少ない場合には、前記コイルに蓄積された磁気エネルギーが完全に放出してしまう臨界モード以上に前記スイッチング素子のオフ期間が長くならないように定常供給電力時のスイッチング周波数より高い周波数で前記スイッチング素子をスイッチングするよう構成したことを特徴とする。

この構成によれば、降圧型力率改善回路が形成されており、簡単な回路構成により、負荷を動作させる際の突入電流を抑制できる。
また、スイッチング素子を商用交流電源の周波数より高い周波数でスイッチングして電力制御する制御手段を、電圧検出回路の出力に基づいて制御することによって、商用交流電源の電圧が上昇しても負荷に印加される電圧を制限することができ、ＡＣ１００Ｖ定格の負荷を入力電圧ＡＣ２００Ｖでも安定して使用できる。

また、スイッチング素子を商用交流電源の周波数より高い周波数でスイッチングして電力制御する制御回路を、負荷に流れる電流に基づいて制御することによって、負荷に対して従来よりも迅速に電力を供給することができる。

以下に、本発明の電力制御装置を各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電力制御装置を示す。

この実施の形態では、電子写真式画像形成装置に組み込まれている定着ヒータを負荷としている場合を例に挙げて説明する。
ここでは負荷である定着ヒータがカーボンヒータ１６であって、周波数ｆ０（＝６０Ｈｚ）の商用交流電源１を入力電源としてカーボンヒータ１６を駆動している。

商用交流電源１はラインフィルタ２を介して整流ダイオードブリッジ３に印加されて整流され、全波整流の電圧波形が入力コンデンサ４の両端に印加されている。入力コンデンサ４で平滑された電源電圧は、降圧型電源回路２０を介してカーボンヒータ１６に印加されている。

ここでは、カーボンヒータ１６として定格１００ボルト仕様のものを使用しており、商用交流電源１は１００ボルトの使用地域、または２００ボルトの使用地域の両方があるものとして説明する。

降圧型電源回路２０は、出力に接続されたカーボンヒータ１６とコイル１４の直列回路に高速ダイオード１２を並列に接続した回路に、商用交流電源１の電源電圧を整流ダイオードブリッジ３によって整流して、スイッチング素子としてのＭＯＳトランジスタ１３を介して印加されている。さらに、カーボンヒータ１６と並列に高周波雑音防止用コンデンサ１５が接続されている。ＭＯＳトランジスタ１３は、駆動回路９の出力信号をゲート信号としスイッチングしている。

駆動回路９のスイッチングは、制御手段としての制御回路１１の出力で制御されてスイッチングして電力制御している。制御回路１１は、外部制御回路２１からの起動直後の指示出力Ｓ１と電圧検出回路８の出力とに基づいて起動直後には、商用交流電源１の電圧が１００Ｖの場合に周波数より高いスイッチング周波数ｆ１（２０ｋＨｚ）で駆動回路９を介してＭＯＳトランジスタ１３をスイッチングして、カーボンヒータ１６に流す電流を徐々に増加させるようにカーボンヒータ１６への通電のオンデューティ制御を行い突入電流を抑え、その後にＭＯＳトランジスタ１３を常時オンにして、初期加熱で最大の電力を給電し、温度を一定に保つ定常運転時には、入力された商用交流電源１の電圧値に応じてＭＯＳトランジスタ１３をスイッチング周波数ｆ１でカーボンヒータ１６への給電のオンデューティ比率を駆動回路９を介して制御して商用交流電源１の電圧が変動してもカーボンヒータ１６に印加される電圧を一定にするよう構成されている。

図２（ａ）は入力電圧波形、図２（ｂ）は入力コンデンサ４の両端電圧波形を示し、図２（ｃ）に示すようにＭＯＳトランジスタ１３のオンデューティが小さい場合には、前記定常運転Ｉおよび定常運転IIにおける入力電流波形が図２（ｄ）に示すようになり、図２（ｅ）に示すようにＭＯＳトランジスタ１３のオンデューティが大きい場合には、前記定常運転Ｉおよび定常運転IIにおける入力電流波形が図２（ｆ）に示すようになる。

つまり、ＭＯＳトランジスタ１３がオン時にはコイル１４の作用により三角形の電流が流れるが入力コンデンサ４の充放電にて平滑されて商用交流電源より流れる電流の歪みがなくなり、高調波が減少し力率改善ができる。

また、待機状態で定着ヒータへの給電電力を減少させる場合には、スイッチング周波数ｆ１（例えば２０ｋＨｚ）でＭＯＳトランジスタ１３のオフ期間に、コイル１４に蓄積した磁気エネルギーが高速ダイオード１２を介して放出される臨界モード以上に前記スイッチング素子のオフ期間が長くならない様、ｆ１よりも高いスイッチング周波数ｆ２（例えば４０ｋＨｚ）ｆ２＞ｆ１でＭＯＳトランジスタ１３を駆動してオフ期間を短縮させる。

電圧検出回路８は、使用中の商用交流電源１の電源電圧が全波整流された電圧波形となる前記コンデンサ４の端子電圧を抵抗６，７で分圧した電圧Ｖ１をレベル判定して決定し、入力電圧判定出力Ｓ２を制御回路１１に出力している。

このように構成したため、カーボンヒータ１６の定格電圧に比べて前記商用交流電源１の電圧が高く、商用交流電源１が２００ボルトの場合、制御回路１１は、ＭＯＳトランジスタ１３のオンデューティ比率を半減させて、カーボンヒータ１６に印加される電圧をコイル１４とカーボンヒータ１６が直列に接続されているためにコイル１４の自己誘導による電圧降下によりカーボンヒータ１６の定格電圧１００Ｖ以下に制限できる制御をしている。
また、商用交流電源１が２００ボルトの場合に、起動時の急速加熱の際（図８の起動急速加熱期間）には、カーボンヒータ１６の寿命信頼性が確保できる条件、例えば、ヒータ表面温度が定格使用状態以上に上昇しない数十秒のみの短時間、定格電圧より高い電圧を印加して、加熱時間を短縮させるための制御をする。

次に、降圧型電源回路２０が有効であることを、図３に示す昇圧型電源回路２２の場合を比較例として説明する。
図１では降圧型電源回路２０を介してカーボンヒータ１６に電圧を印加していたのに対して、図３は比較例として昇圧型電源回路２２を介してカーボンヒータ１６に電圧を印加する電力制御回路を示している。図１と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。コンデンサ１９の端子電圧は、整流ダイオードブリッジ３で商用交流電源１を全波整流した波形となり、その波形を電圧検出回路８を介して制御回路１１に入力されて、ＭＯＳトランジスタ１３をオンオフし、コイルトランス３６の主巻線の自己誘導作用により、負荷１６に、コンデンサ１９の端子電圧のピーク電圧よりも高い直流電圧を出力することになる。この出力電圧は、商用交流電源電圧がＡＣ１００Ｖの場合には、約２００Ｖ、ＡＣ２００Ｖの場合には、約４００Ｖに設定されるのが一般的である。この出力電圧に重畳されるリップル電圧を抑えるために数１０〜数１００μＦの容量の出力電解コンデンサ３７が負荷１６と並列に接続されている。

この出力電解コンデンサが放電された状態で商用交流電源にこの電源装置が接続された場合には、ＭＯＳトランジスタ１３はオフのため整流ダイオードブリッジ３より、出力電解コンデンサ３７に充電される突入電流が流れることになる。

図１におけるコンデンサ４と図３における出力電解コンデンサ３７の静電容量値について検討すると、図１のように降圧型電源回路２０を介してカーボンヒータ１６に電圧を印加する場合に、コンデンサ４として要求される静電容量値は数μＦ程度と、図３に示すように昇圧型電源回路２２の出力電解コンデンサ３７として要求される静電容量値の数十分の１〜数百分の１以下の静電容量値で済むため、本実施の形態のように入力コンデンサ４が放電した状態での充電電流は、図３の出力電解コンデンサ３７が放電した状態での充電電流に比べて大幅に減少する。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における電力制御装置を示す。
実施の形態１の制御回路１１は、外部制御回路２１からの起動直後の指示出力Ｓ１と、電圧検出回路８からの入力電圧判定出力Ｓ２とに基づいてカーボンヒータ１６への通電の電力制御を商用交流電源１の周波数より高いスイッチング周波数で実行し、起動直後には、カーボンヒータ１６に流す電流を徐々に増加させるようにオンデューティ制御を行い、カーボンヒータ１６の抵抗値が安定している予熱時や温度を一定に保つ定常運転時には、カーボンヒータ１６に印加される電圧を一定にするよう構成したが、図４の制御回路１１Ａは、商用交流電源１の周波数より高いスイッチング周波数で、更に、カーボンヒータ１６の端子電圧と負荷電流値とを加えて、より細かく電力制御を行うように構成されている点が異なっている。

１０はヒータ電流検出抵抗で、ＭＯＳトランジスタ１３のソースと整流ダイオードブリッジ３との間に直列に介装されている。負荷電流に応じたヒータ電流検出抵抗１０の端子電圧は、電流検出回路２３によって負荷電流に応じた指示出力Ｓ３に変換して制御回路１１Ａに入力されている。カーボンヒータ１６の端子電圧はヒータ電圧検出回路２４によって、カーボンヒータ１６の端子電圧に応じた指示出力Ｓ４に変換して制御回路１１Ａに入力されている。

制御回路１１Ａは、起動直後には、商用交流電源１の周波数より高いスイッチング周波数ｆ１で駆動回路９を介してＭＯＳトランジスタ１３をスイッチングして、カーボンヒータ１６に流す電流を徐々に増加させるようにカーボンヒータ１６への通電のオンデューティ制御を行い、カーボンヒータ１６の抵抗値が安定している予熱時や温度を一定に保つ定常運転時には、商用交流電源１の周波数より高いスイッチング周波数で、入力された商用交流電源１の電圧値と、カーボンヒータ１６に向かって流れる負荷電流値と、カーボンヒータ１６の端子電圧値とに応じてＭＯＳトランジスタ１３のスイッチング周波数とカーボンヒータ１６への給電のオンデューティ比率を、カーボンヒータ１６に供給される電圧が一定に保つように制御するよう構成されている。

また、商用交流電源１が２００ボルトの場合に、起動時の急速加熱の際には、カーボンヒータ１６の寿命信頼性が確保できる条件、例えば、ヒータ表面温度が定格使用状態以上に上昇しない数十秒のみの短時間のみで定格電圧より高い電圧で印加して、加熱時間を短縮させるために定電流制御やカーボンヒータ１６へ印加される電圧や電力の上限値を制限する。

図５は、ヒータ電圧のピーク検出回路の一例である。ダイオード３８で負極性のピーク電圧をコンデンサ３９に充電することにより、オペアンプ４１にて負荷の両端にかかるピーク電圧を検出している。

（実施の形態３）
上記の各実施の形態では入力コンデンサ４の端子電圧を抵抗６と抵抗７で分圧して電圧検出回路８の入力に接続して入力電圧を検出したが、実施の形態３に示すように構成することによって、制御回路と大電力を扱う電力制御回路とを絶縁できる。

ここでは図１に示した実施の形態１の変形例として図６に示す具体例を説明する。
図６に示した電力制御装置では、コイル１４に補助巻線１４Ａを追加して、その巻線電圧をダイオード４２，４３で倍電圧整流し、ピーク電圧をコンデンサ４４に充電して、コンデンサ４４の端子電圧Ｖ２を電圧検出回路８にサンプル電圧として印加することにより、交流電源電圧を検出している。なお、その他の構成は図１と同様である。

このように結合させることによって、制御回路と大電力を扱う電力制御回路とを絶縁することが可能になる。

本発明にかかる電力制御回路は、入力交流電圧に依存せず、突入電流の抑制や良好な力率改善による高調波規制を満足し、精度の高いヒータ温度制御を可能とし、画像形成装置の定着ヒータなどの制御手段として有用であり、抵抗性負荷の電力制御が必要な照明、電熱器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における電力制御回路の回路図 同実施の形態における電力制御波形図 比較例の回路図 本発明の実施の形態２における電力制御回路の回路図 同実施の形態におけるヒータ電圧検出回路の回路図 本発明の実施の形態３における電力制御回路の回路図 従来の電力制御回路の回路図 定着ヒータへの給電電力波形図 従来の双方向性サイリスタによる定着ヒータへの電力制御の説明図

符号の説明

１ 商用交流電源
２ ラインフィルタ
３ 整流ダイオードブリッジ
４ 入力コンデンサ
６，７ 抵抗
８ 電圧検出回路
９ 駆動回路
１０ ヒータ電流検出抵抗
１１，１１Ａ 制御回路（制御手段）
１２ 高速ダイオード
１３ ＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子）
１４ コイル
１５ コンデンサ
１６ カーボンヒータ（負荷）
２０ 降圧型電源回路
２１ 外部制御回路
２３ 電流検出回路
２４ ヒータ電圧検出回路

Claims (5)

1. 商用交流電源を入力として負荷への給電電力を制御する電力制御装置であって、
   入力に商用交流電源の側から給電され出力には前記負荷が接続され前記負荷への給電経路に直列にスイッチング素子が介装され商用交流電源の電源電圧を降圧して前記負荷に給電する降圧型電源回路と、
   前記スイッチング素子を商用交流電源の周波数より高い周波数でスイッチングし、オンデューティ比率を制御して前記負荷へ給電する電力を制御する制御手段と
   を設けた電力制御装置。
2. 制御手段は、
   定常運転時には、入力された商用交流電源の電圧値に応じて前記スイッチング素子のスイッチング周波数と前記負荷への給電のオンデューティ比率を制御して商用交流電源の電圧が変動しても前記負荷に供給される電圧を一定にするよう構成した
   請求項１記載の電力制御装置。
3. 制御手段は、
   定常運転時には、
   入力された商用交流電源の電圧値と、
   前記負荷に向かって流れる負荷電流値と、
   前記負荷の端子電圧値と
   に応じて前記スイッチング素子のスイッチング周波数と前記負荷への給電のオンデューティ比率を、前記負荷に供給される電圧が一定に保つように制御するよう構成した
   請求項１記載の電力制御装置。
4. 前記降圧型電源回路は、
   前記負荷とコイルの直列回路に並列にダイオードを接続した回路に、商用交流電源を整流ダイオードによって整流した出力電圧を、前記スイッチング素子を介して印加するように構成した
   請求項１記載の電力制御装置。
5. 前記降圧型電源回路は、
   前記負荷とコイルの直列回路にダイオードを並列に接続するとともに、この回路に商用交流電源を整流ダイオードによって整流した出力電圧を、前記スイッチング素子を介して印加するように構成され、
   前記制御手段は、
   定常運転時には、前記スイッチング素子をオン状態にして前記コイルに磁気エネルギーを蓄積し、この蓄積した磁気エネルギーを前記スイッチング素子をオフ状態にして前記ダイオードを介して放出し、
   起動の直後にはスイッチング素子をオフ状態から徐々にオンデューティを増加させ、
   前記負荷の定格電圧に比べて前記商用交流電源の電圧が高く、供給電力が少ない場合には、前記コイルに蓄積された磁気エネルギーが完全に放出してしまう臨界モード以上に前記スイッチング素子のオフ期間が長くならないように定常供給電力時のスイッチング周波数より高い周波数で前記スイッチング素子をスイッチングするよう構成した
   請求項１記載の電力制御装置。

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