サイリスタレギュレータとは？ヒータの電力を制御する仕組み

まず、「サイリスタレギュレータ」という名前を覚える必要はありません。 温度制御の流れを見ると、その役割が分かります。

温度制御の「操作側」を担う

温度調節計が「どのくらい加熱するか」を決め、 サイリスタレギュレータがその指示を ヒータへの電力として実現すると考えると分かりやすくなります。

たとえば、温度調節計が現在の温度を見て 「もっと加熱する必要がある」と判断した場合、 サイリスタレギュレータはその操作信号に応じて ヒータへ供給する電力を増やします。

反対に、温度が設定値へ近づけば、 温度調節計からの操作信号に応じて ヒータへの電力を小さくします。

つまりサイリスタレギュレータは、 温度そのものを測る機器でも、 PID演算を行って操作量を決める機器でもありません。 温度制御ループの中で、 実際にヒータへ与える電力を調整する役割を担います。

サイリスタは、交流回路で使用される半導体スイッチです。

「半導体スイッチ」とは、 電気信号によって電気を流したり止めたりする 電子部品のことです。

サイリスタには「ゲート」と呼ばれる端子があり、 ここに小さな電流を流すことで、 ヒータなどへ流れる大きな電流を制御できます。

なぜ交流で使いやすい？

サイリスタには、一度ONになると、 流れている電流が一定値以下になるまで ON状態を保つ性質があります。

交流では、電流の向きが周期的に変化し、 その途中で電流がゼロになる瞬間があります。 サイリスタは、この交流の性質を利用して ONとOFFを制御できます。

サイリスタレギュレータでは、 サイリスタをONするタイミングなどを変えることで、 交流電源からヒータへ供給する電力を調整します。

サイリスタレギュレータでは、 交流電源の電力をそのままヒータへ流し続けるのではなく、 サイリスタを動作させるタイミングを変えることで ヒータへの供給電力を調整します。

代表的な方法が、 「位相制御」と「分周制御」です。

どちらもサイリスタを利用して電力を調整しますが、 「交流の波をどのように使うか」が異なります。

家庭や工場で使われている交流の電圧は、 一定ではなく、波のように周期的に変化しています。

この交流の波の「どの位置にあるか」を表す考え方を 「位相」と呼びます。

位相制御では、 交流の波のどのタイミングでサイリスタをONするかを変えます。

ONするタイミングが早ければ、 一周期の中でヒータへ電力を供給する時間が長くなります。 ONするタイミングを遅くすれば、 ヒータへ供給する電力を小さくできます。

このONするタイミングを角度で表したものを 「制御角」と呼びます。

位相制御の特徴

位相制御は、 交流の一周期の中で通電する範囲を変えられるため、 出力を細かく調整しやすいことが特徴です。

また、さまざまな電気的特性を持つヒータに 対応しやすい方式です。

一方で、交流の波を途中から使うため、 出力波形は電源そのもののきれいな波形とは異なります。

その結果、高調波や高周波領域のノイズが発生し、 周辺の電力設備や計測機器などへ影響する場合があります。

分周制御は、 電源電圧がゼロになるタイミングで サイリスタをON/OFFする方式です。

位相制御のように交流の波の途中から通電するのではなく、 電源の周期を一つの単位として、 通電する周期と通電しない周期の割合を変えます。

たとえば、 5周期のうち4周期をON、1周期をOFFにする場合と、 5周期のうち1周期だけONにする場合では、 ヒータへ供給される平均的な電力が変わります。

ONしている間は、 電源の波形を途中で切り取らずに使用します。

分周制御の特徴

分周制御は、位相制御と比較して、 高い周波数のノイズを小さくしやすいことが特徴です。

ただし、 「分周制御ならノイズが発生しない」 という意味ではありません。 電気をON/OFFする以上、程度の差はあってもノイズは発生します。

また、ONしたときには電源電圧がそのままヒータへ加わるため、 温度によって抵抗値が大きく変化するヒータなどでは 大きな電流が流れる場合があります。

条件によっては、 フリッカーと呼ばれる照明のちらつきなど、 電源側への影響も考慮する必要があります。

ヒータを電気的に操作する機器には、 サイリスタレギュレータだけでなく SSR（ソリッドステートリレー）もあります。

そもそもリレーとは？

リレーとは、 電気信号によって別の電気回路を ON/OFFするためのスイッチです。

機械式リレーでは、 内部の接点を物理的に動かして 電気を流したり止めたりします。

一方、SSRは機械的な接点を使わず、 半導体によって電気的にON/OFFします。

SSRはON/OFF、サイリスタレギュレータは電力調整

SSRは、基本的には電気を通すか止めるかを切り替える 半導体スイッチとして使います。

温度制御では、 温度調節計からの信号によってSSRのON/OFFを繰り返し、 ヒータへ通電する時間の割合を変えることで 加熱量を調整する方法があります。

サイリスタレギュレータでは、 位相制御や分周制御などによって、 ヒータへ供給する電力を調整します。

ただし、 SSRが簡易版でサイリスタレギュレータが上位機器、 という単純な関係ではありません。

必要な制御方法、ヒータの特性、 必要な電力や電流などに合わせて選択します。

サイリスタレギュレータを選ぶとき、 特に重要なのがヒータの電気的な特性です。

電気ヒータは、 電気が流れにくい性質である「電気抵抗」を利用して 電力を熱へ変換しています。

ところが、その抵抗値が温度によって どの程度変化するかは、 ヒータの種類によって大きく異なります。

つまり、 同じ電圧を加えても、 ヒータの種類や温度によって 流れる電流や発生する熱が変わる場合があります。

ニクロム系・鉄クロム系

ニクロム系や鉄クロム系のヒータは、 温度が変化しても抵抗値が比較的変化しにくい特性を持っています。

このようなヒータでは、 電圧を基準にした制御や、 フィードバックを使わない制御、 分周制御などを利用できます。

SiC系

SiC（炭化ケイ素）系ヒータは、 温度によって抵抗値が変化するだけでなく、 使用時間によっても抵抗値が変化する特徴があります。

そのため、同じ電圧を与えていても、 ヒータの状態によって流れる電流や 発生する熱量が変化します。

このような場合には、 電圧だけを見るのではなく、 実際にヒータへ供給している電力を確認しながら 制御する方法があります。

二硅化モリブデン・純金属系

二硅化モリブデンや純金属系のヒータでは、 温度によって抵抗値が大きく変化します。

特に低温時には抵抗値が小さいため、 大きな電圧をそのまま加えると 大きな電流が流れる場合があります。

このようなヒータでは、 実際に流れている電流を確認しながら 出力を調整する方法が利用されます。

ここで「フィードバック」という言葉が出てきます。

サイリスタレギュレータでは、 実際にヒータへ出ている電圧、 流れている電流、 使用している電力などを確認しながら 出力を調整する方式があります。

これは、温度調節計が温度を見ながら行う PID制御とは別のフィードバックです。

電圧フィードバック

実際にヒータへ出ている電圧を測定し、 その電圧が目標に近づくように サイリスタレギュレータの出力を調整します。

たとえば電源電圧が変化した場合でも、 実際の出力電圧を確認しながら補正できます。

電流フィードバック

実際にヒータへ流れている電流を測定し、 その電流を基準に出力を調整します。

大きな電流を測定するために、 CT（変流器）と呼ばれる機器を使うことがあります。

温度によって抵抗値が大きく変化するヒータでは、 低温時に大きな電流が流れる場合があります。

このような場合に、 実際の電流を確認しながら出力を調整することで、 過大な電流を抑えることができます。

電力フィードバック

電力フィードバックでは、 電圧と電流の両方を測定します。

電力は、基本的に 「電圧 × 電流」で考えることができます。

実際にヒータへ供給している電力を求め、 その電力が目標に近づくように出力を調整します。

抵抗値が変化するヒータでは、 同じ電力を供給する場合でも、 必要な電圧と電流の組み合わせが変わります。

そのため、電圧だけではなく、 電力そのものを基準にして制御する方法があります。

フィードバックなし

実際の電圧・電流・電力を サイリスタレギュレータ内部で確認せず、 入力された操作信号に応じて 出力を調整する方式もあります。

フィードバック機能が多いほど 常に優れているというわけではありません。 ヒータの特性や必要な制御方法に合わせて選択します。

ヒータの抵抗値が温度や使用時間によって どのように変化するかを見ると、 フィードバック方式を選ぶ理由が分かります。

サイリスタレギュレータを選ぶときは、 最初にサイリスタレギュレータの型式を見るのではなく、 まずヒータと電源の条件を確認します。

このように、 「サイリスタレギュレータの容量を先に決める」のではなく、 ヒータに必要な電圧・電力・電流と、 ヒータの電気的な特性から順番に考えることが重要です。

サイリスタレギュレータには、 電力を調整するだけでなく、 ヒータや設備を適切に使用するための機能があります。

実際に搭載される機能は機種によって異なりますが、 代表的な考え方を紹介します。

電流制限

ヒータへ流れる電流が 設定した値を超えないように 出力を制限する機能です。

温度によって抵抗値が大きく変化し、 低温時に大きな電流が流れるヒータなどで重要になります。

ソフトスタート

運転開始時に出力を一気に大きくせず、 徐々に増加させる機能です。

常温時の抵抗値が小さいヒータでは、 運転開始直後に大きな電流が流れる場合があります。 出力を徐々に増やすことで、 このような急激な電流を抑えることができます。

また、ヒータへ急激に熱を加えることによる 熱的な負担を小さくする目的でも使われます。

ヒータ断線警報

ヒータの電圧や電流などから状態を確認し、 ヒータの断線や異常を検出する機能を備えた機種もあります。

検出方法や利用できる条件は機種によって異なります。

サイリスタレギュレータを初めて扱うときに 注意したいのが、出力電圧や電流の測定です。

特に位相制御では、 出力波形が電源のようなきれいな正弦波ではなく、 途中が切り取られた歪んだ波形になります。

そのため、一般的な測定器では 正しい電圧や電流を表示できない場合があります。

「測ってみたら想定より電圧が低い」という場合には、 すぐにサイリスタレギュレータの故障を疑うのではなく、 どのような波形を、 どのような測定器で測定しているのかも確認します。

サイリスタレギュレータは、 ヒータへの電力を調整する重要な機器です。

しかし、サイリスタレギュレータを使用すれば、 それだけで温度制御が安定するわけではありません。

温度制御は、 一つの機器ではなく 制御ループ全体として考える必要があります。

温度センサの測定位置、 PID設定、ヒータの能力、 サイリスタレギュレータの方式、 制御対象の熱容量、応答の遅れ、 外部から加わる温度変化など、 さまざまな要因が温度制御へ影響します。

そのため、温度制御に問題がある場合には、 サイリスタレギュレータだけを疑うのではなく、 制御ループ全体から原因を考えることが重要です。

CHINOでは、温度調節計などと組み合わせて使用する サイリスタレギュレータを展開しています。

製品によって、 対応する電源電圧や電流、 単相・三相、 位相制御・分周制御、 フィードバック方式、 保護・警報機能などが異なります。

本記事では個別製品の仕様を詳しく紹介するのではなく、 サイリスタレギュレータの仕組みと 選定の考え方を理解することを目的としています。

実際の製品選定では、 使用するヒータや設備の条件を確認したうえで、 各製品の仕様を確認してください。