JP2010530207A - モータの故障検出機能を有するｍｅｍｓベースのモータスタータ - Google Patents

Abstract

モータスタータを開示する。このモータスタータは、少なくとも１つの電流路に組み込まれた制御回路と、この制御回路に実装されたプロセッサとを備える。このモータスタータは、更に、プロセッサに常駐する少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムを有する。この少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムには、少なくとも１つの電流路の電流特性を監視する命令と、少なくとも１つの電流路の状態に関するデータを供給する命令とが含まれる。モータスタータは、更に、少なくとも１つの電流路に設置された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを備える。このＭＥＭＳスイッチにより、制御回路に対応して、少なくとも１つの電流路に流れる電流を円滑に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、電流路内の電流のオン／オフを切り替える切替素子に関し、特に、微小電子機械システムベースの切替素子に関する。

接触器は、命令により電気負荷のオンとオフを切り替える電気デバイスである。慣例的に、制御装置には電気機械式接触器が採用されおり、この電気機械式接触器は、自身の遮断容量までの電流切替処理を行うことができる。電気機械式接触器は、電流を切り替える電力系統、及び工業用自動化システムにおいて、モータスタータとしての用途に応用できる。ただし、接触器によって制御されたモータは、さまざまな状況で故障する可能性があることに加え、電力系統内の故障電流は、概して、電気機械式接触器の遮断容量より大きい。従って、電力系統の用途に電気機械式接触器を採用するためには、接触器の遮断容量を超える電流のすべての値で十分高速に動作して、接触器が開く前に故障電流を遮断する一連の装置で接触器をバックアップすることによって、接触器の損傷を防ぐことが望ましい。また、コストの大きい損傷が生じる前に、モータに関わる問題を検出することが望ましいかもしれない。

早期警戒によるモータ保護に関して、これまでに考案されている解決策は、熟練した技術者によってモータを監視するというコストのかかる方法、もしくはそれだけでもかさばるモータスタータの傍らに複雑なモータ監視装置を設置すること、又はその両方を伴うものである。例えば、従来のモータスタータは、電流の流れを制御する接点一式を含む。モータスタータの中には、熱的過負荷保護と局所切断機能のいずれか、又はその両方を更に含むものもある。ただし、従来のモータスタータには、自身に組み込まれる制御回路又は論理制御が欠けている。従って、熟練した技術者による監視は、モータスタータ設備の休止時間というコストと、望ましくない安全性の問題とを伴うことになり得る。例えば、従来のモータスタータを監視するために、熟練の技術者は、その装置を物理的に検査しなければならない場合がある。従って、従来のモータスタータによって制御されるモータを監視するためには、モータスタータもしくはモータそのもの、又はその両方において、熟練の技術者が、モータ接続部を物理的に監視する必要があるかもしれない。

追加の回路を利用する場合、このような追加の回路は、独立型のモータスタータに追加されることになる。従来の制御盤やモータ制御キャビネットはスペースが限定されている場合が多いことを考慮すると、追加の監視設備は、目視検査の妨げとなる上に、将来の組み込み要求のためのスペースを圧迫するものであることは理解されよう。従って、早期警戒式モータ保護についての従来の手法は、多くの欠点を抱えている。

遮断容量の問題について、電力系統内での接触器の使用を容易にするために既に考案されている解決策としては、例えば、真空接触器、真空遮断器、気中遮断接触器が挙げられる。残念ながら、真空接触器などの接触器は、接触器の先端が、封止された真空筐体の中に密封されているため、簡単な目視検査に適さない。更に、真空接触器は、大型のモータ、変圧器、及びコンデンサの切替を行うことには十分適しているが、特に負荷がオフに切り替えられるときに、望ましくない過渡過電圧を生じることが知られている。

また、電気機械式接触器は、概して機械式スイッチを利用している。ただし、これらの機械式スイッチは、比較的低速で切り替わる傾向があるため、予測技法が採用されており、通常は切替事象が生じる数十ミリ秒前にゼロ交差の発生を予想して、ゼロ交差における開閉を容易化することでアークの発生を抑制している。このようなゼロ交差の予測には、その予測時間間隔内で多くの過渡電流が生じ得るために誤差が生じやすい。

低速の機械式スイッチ及び電気機械式スイッチに代わるものとして、高速の切替用途には、高速の固体スイッチが採用されている。理解されるであろうが、これらの固体スイッチは、電圧又はバイアスを制御して適用することによって導電状態と非導電状態の間で切り替わる。例えば、固体スイッチに逆バイアスをかけることによって、このスイッチは、非導電状態に移行し得る。ただし、固体スイッチは、非導電状態に切り替わるときに、接点間に物理的隙間を形成しないため、漏れ電流を発生させる。更に、固体スイッチが導電状態で動作するときには、その内部抵抗による電圧降下が生じる。電圧降下及び漏れ電流はいずれも、正常な動作状況において、スイッチの性能及び寿命に影響し得る過剰な熱を発生させる。また、少なくとも部分的には、固体スイッチに付随する固有の漏れ電流が原因で、回路遮断器の用途における固体スイッチの利用は実用的なものではない。

欧州特許第０７７４８２２Ａ号

従って、当該技術分野において、上述の欠点を克服した電流切替回路の保護構成、並びに、信頼性の高い早期警戒式モータ保護が求められている。

本発明の一実施形態において、モータスタータを開示する。このモータスタータは、少なくとも１つの電流路に組み込まれた制御回路と、この制御回路に実装されたプロセッサとを含む。このモータスタータは、プロセッサに常駐する少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムを更に含み、この少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムは、少なくとも１つの電流路の電流の特性を監視する命令と、少なくとも１つの電流路の状態に関するデータを供給する命令とを含む。モータスタータは、少なくとも１つの電流路に設置された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを更に含み、このＭＥＭＳスイッチにより、制御回路に応答して、少なくとも１つの電流路に流れる電流を円滑に制御することができる。

本発明の別の実施形態において、早期警戒式モータ保護方法を開示する。この方法は、プロセッサにおいて、制御回路に一体に配置された電流路の電流に関する情報を受け取ることを含み、この制御回路は、プロセッサを含み、かつ、当該制御回路に応答する微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを用いて電流を制御する。この方法は、プロセッサにおいて、上記の受け取った情報に基づいて電流路の状態を計測することを更に含む。

添付図面に対応する以下の詳細な説明において、本発明による、以上に記載の並びにその他の特徴、態様、及び利点が記載されている。なお、全図面を通じて同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

本発明の一実施形態に係る、例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。 図１に記載した例示的なＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。 図１に記載したシステムの代替例である、本発明の一実施形態に係る例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。 図３に記載した例示的なＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。 本発明の例示的実施形態に係るモータスタータ構成のブロック図である。 本発明の実施形態に係る、図５の例示的モータスタータを示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る、例示的モータスタータの制御回路のブロック図である。 本発明の実施形態に係る、早期警戒式モータ保護を行う方法を説明するフローチャートである。

本発明の一実施形態において、早期警戒式モータ保護機能を備えるモータスタータを開示する。提案するモータスタータは、制御回路内のプロセッサと共に、モータに生じる可能性のある問題を特定するプロセッサアルゴリズムを含む。モータスタータ内に微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを使用することで、応答時間が短くなり、遮断される故障の通過エネルギの抑制が容易になる。ＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路により、電流又は電圧に関わらずいつでも、アーク放電を生じることなく、ＭＥＭＳスイッチを開いたり、閉じたりすることができる。このように、本発明の実施形態により、従来のシステムよりも有益なモータスタータが得られる。

図１に、本発明の態様に係る、例示的なアークレス微小電子機械システムスイッチ（ＭＥＭＳ）をベースとする切替システム１０のブロック図を示す。現在のところ、ＭＥＭＳは、一般にミクロン規模の構造であり、例えば、微細加工技術によって、機能の異なる多数の素子、例えば、機械的素子、電気機械的素子、センサ、アクチュエータ、及び電子回路を、共通の基板に組み込むことができる構造を意味するものである。ただし、ＭＥＭＳデバイスに現在利用できる多くの技法及び構造は、わずか数年後には、ナノテクノロジに基づいたデバイスによって、例えば、１００ナノメートル未満のサイズになり得る構造で利用できると考えられる。従って、この文書の中に記載した実施形態の例は、ＭＥＭＳをベースとした切替素子であるが、本発明の進歩的な態様は、幅広く解釈されるべきであり、また、ミクロンサイズの素子に限定されるものではないことが提示される。

図１に示すように、アークレスのＭＥＭＳベースの切替システム１０は、ＭＥＭＳベースの切替回路１２及びアーク抑制回路１４を含むものとして図示されている。このアーク抑制回路１４は、これに代えてハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ：Ｈｙｂｒｉｄ Ａｒｃｌｅｓｓ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）デバイスとも呼ばれ、ＭＥＭＳベースの切替回路１２に動作結合される。特定の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、例えば、単一のパッケージ１６内で、その全体がアーク抑制回路１４と一体に形成されてもよい。他の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２のうちの特定の部分又は特定の構成要素のみが、アーク抑制回路１４と一体に形成されてもよい。

図２を参照しながら更に詳細に説明するように、現在考案されている構成において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジ及びパルス回路を含むことができる。更に、アーク抑制回路１４は、閉状態から開状態へのＭＥＭＳスイッチの変化に応答して、ＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの移動を受け入れることによって、１つ以上のＭＥＭＳスイッチの接点間におけるアーク形成を円滑に抑制するように構成できる。また、アーク抑制回路１４は、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に反応して、アーク形成を円滑に抑制するように構成できることを指摘しておく。

次に、図２を参照すると、図１に記載した例示的なアークレスＭＥＭＳベース切替システムの模式図１８が、一実施形態に従って示されている。図１を参照して説明したように、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。図示した実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１接点２２と、第２接点２４と、第３接点２６とを有するものとして示されている。一実施形態において、第１接点２２はドレインとして構成することができ、第２接点２４はソースとして構成することができ、第３接点２６はゲートとして構成することができる。また、図２に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に電圧スナバ回路３３を結合することができ、この電圧スナバ回路３３は、本明細書において後で更に詳しく説明するように、高速の接点分離中の電圧オーバーシュートが制限されるように構成することができる。特定の実施形態において、スナバ回路３３は、スナバ抵抗（図４の７８を参照）に直列に結合されるスナバコンデンサ（図４の７６を参照）を含むことができる。このスナバコンデンサにより、ＭＥＭＳスイッチ２０の一連の開動作中の過渡電圧の分配を容易に改良することができる。更に、スナバ抵抗は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作中にスナバコンデンサによって生成されるあらゆる電流パルスを抑制することができる。他の特定の実施形態において、電圧スナバ回路３３は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含むことができる。

本技法の更に他の態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０に直列に負荷回路４０を結合することができる。負荷回路４０は、電源Ｖ_ＢＵＳ４４を含むことができる。また、負荷回路４０は、負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６も含むことができ、この負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６は、負荷回路４０側で認識される、負荷インダクタンスとバスインダクタンスの複合インダクタンスを表している。負荷回路４０は、負荷回路４０側で認識される複合負荷抵抗を表す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８も含むことができる。参照数字５０は、負荷回路４０及び第１のＭＥＭＳスイッチ２０に流れ得る負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤを表す。

また、図１を参照して説明したように、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジを含むことができる。図示した実施形態において、平衡ダイオードブリッジ２８は、第１の岐路２９及び第２の岐路３１を有することが示されている。本明細書では、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１及び第２両方の岐路２９，３１の両端の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されるダイオードブリッジを意味するものとして用いられる。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の岐路２９は、第１のＤ１ダイオード３０及び第２のＤ２ダイオード３２を含むことができ、これらのダイオードは、互いに結合されて第１直列回路を形成する。同様に、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の岐路３１は、第３のＤ３ダイオード３４及び第４のＤ４ダイオード３６を含むことができ、これらのダイオードは、互いに動作結合されて第２直列回路を形成する。

一実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、平衡ダイオードブリッジ２８の中間点に並列接続することができる。平衡ダイオードブリッジの中間点には、第１のダイオード３０と第２のダイオード３２の間に位置する第１中間点、及び第３のダイオード３４と第４のダイオード３６の間に位置する第２中間点が含まれてよい。更に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、緊密にパッケージ化されてよく、これにより、平衡ダイオードブリッジ２８、特に、ＭＥＭＳスイッチ２０との接続部によって生じる寄生インダクタンスを容易に最小化できる。また、本技法の例示的態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、ＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフ中にダイオードブリッジ２８への負荷電流の移行が進行しているときに、その第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８の間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２２とソース２４の両端の電圧の数パーセントに満たないｄｉ／ｄｔ電圧を発生させるように、互いに位置決めされていることに留意されたい。これについては後でより詳細に説明する。一実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、ＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ２８とを相互接続するインダクタンスを最小化することを目的として、単一のパッケージ３８内で平衡ダイオードブリッジ２８と一体化されても、又は任意構成として、同一のダイ内で一体化されてもよい。

また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジ２８と動作連係的に結合されるパルス回路５２を含むことができる。パルス回路５２は、スイッチ条件を検出し、そのスイッチ条件に応じて、ＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を開始するように構成することができる。本明細書において、「スイッチ条件」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を変化させる引き金となる条件を意味する。例えば、スイッチ条件は、ＭＥＭＳスイッチ２０の第１閉状態から第２開状態への変化、又はＭＥＭＳスイッチ２０の第１開状態から第２閉状態への変化を引き起こすことができる。スイッチ条件は、特に限定するものではないが、回路の故障又はスイッチのオン／オフ要求を含む多数のアクションに応じて生起してよい。

パルス回路５２は、パルススイッチ５４、及びそのパルススイッチ５４に直列結合されるパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６を含むことができる。また、パルス回路は、パルススイッチ５４に直列に結合されるパルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８及び第１のダイオードＤ_Ｐ６０も含むことができる。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８、ダイオードＤ_Ｐ６０、パルススイッチ５４、及びパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６は、直列に結合されて、パルス回路５２の第１の岐路を形成することができ、この第１の岐路の構成要素は、パルス電流の整形及び時間的調節が円滑に行われるように構成することができる。また、参照番号６２は、パルス回路５２に流れ得るパルス回路電流Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}を表している。

本発明の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチ２０は、ほぼゼロに近い電圧であるにも関わらず電流を送りながら、第１閉状態から第２開状態に速やかに（例えば、ピコ秒又はナノ秒のオーダーで）切り替えることができる。このことは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端に並列に結合された平衡ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２との複合動作によって達成できる。

次に、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の態様に係る例示的ソフトスイッチングシステム１１のブロック図である。図３に示すように、ソフトスイッチングシステム１１は、動作可能に互いに結合される切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２を含む。検出回路７０は、切替回路１２に結合され、負荷回路内の交流電源電圧（以下、「電源電圧」と記す）、又は負荷回路内の交流電流（以下、「負荷回路電流」と記す）のゼロ交差の発生を検知するように構成できる。制御回路７２は、切替回路１２及び検出回路７０に結合することができ、更に、交流電源電圧又は交流負荷回路電流の検出されたゼロ交差に反応して、切替回路１２内の１つ以上のスイッチのアークレス切替を円滑に行うように構成することができる。一実施形態において、制御回路７２は、切替回路１２の少なくとも一部を構成する１つ以上のＭＥＭＳスイッチのアークレス切替を円滑に行うように構成されてよい。

本発明の一態様によれば、ソフトスイッチングシステム１１は、ソフトスイッチング又はポイントオンウェーブ（ＰｏＷ）スイッチングを実行するように構成でき、これにより、切替回路１２内の１つ以上のＭＥＭＳスイッチは、切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くであるときに閉じる一方で、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くであるときに開くことになる。切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くになった時点でスイッチを閉じれば、１つ以上のＭＥＭＳスイッチが閉じるときのその接点間の電界を低く維持することによって、複数のスイッチすべてが同時には閉じない場合であっても、接触前のアーク放電を回避することができる。同様に、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くになった時点でスイッチを開くことで、切替回路１２内の最後に開くスイッチに流れる電流がそのスイッチの設計要件内となるように、ソフトスイッチングシステム１１を設計することができる。上記で示唆したように、一実施形態によれば、制御回路７２は、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチの開動作及び閉動作を、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の発生に同期させるように構成できる。

図４に移って説明する。図４は、図３のソフトスイッチングシステム１１の一実施形態を示す模式図１９である。図示した実施形態によれば、模式図１９には、切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２の一例が含まれている。

説明のため、図４には切替回路１２内に単一のＭＥＭＳスイッチ２０のみを示したが、切替回路１２は、この構成に限らず、例えば、ソフトスイッチングシステム１１の電流及び電圧の処理要件に応じて、複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。一実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電流が分割される並列構成で互いに結合される複数のＭＥＭＳスイッチを備えるスイッチモジュールを含むことができる。他の実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電圧が分割される直列構成で結合されるＭＥＭＳスイッチアレイを含むことができる。更に他の実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチモジュールの間で電圧が分割されると同時に、各モジュール内のＭＥＭＳスイッチの間で電流が分割される直列構成で互いに結合されるＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含むことができる。一実施形態において、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチは、単一のパッケージ７４内に統合することができる。

例示的ＭＥＭＳスイッチ２０は、３つの接点を含むことができる。一実施形態において、第１接点はドレイン２２として構成することができ、第２接点はソース２４として構成することができ、第３接点はゲート２６として構成することができる。一実施形態において、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の電流状態の切り替えを容易にするために、ゲート接点２６に結合されてよい。また、特定の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に減衰回路（スナバ回路）３３を結合して、ＭＥＭＳスイッチ２０の両端への電圧の出現を遅らせることができる。図示したように、減衰回路３３は、例えば、スナバ抵抗７８に直列に結合されるスナバコンデンサ７６を含むことができる。

また、図４に更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０は、負荷回路４０に直列に結合されてもよい。現在考察している構成において、負荷回路４０は、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を備えることができ、代表的な負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６及び負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含むことができる。一実施形態において、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４（ＡＣ電源とも呼ばれる）は、交流電源電圧及び交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０を生成するように構成することができる。負荷は、例えば、ＡＣモータ又は同様の装置を含むことができる。

既に説明したように、検出回路７０は、負荷回路４０における交流電源電圧又は交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差の発生を検出するように構成することができる。交流電源電圧は、電圧検知回路８０によって検知することができ、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０は、電流検知回路８２によって検知することができる。交流電源電圧及び交流負荷電流は、例えば、連続的に、又は離散的な周期で検知されてよい。

電源電圧のゼロ交差は、例えば、図示したゼロ電圧比較器８４などの比較器を用いて検出することができる。電圧検知回路８０によって検知された電圧及びゼロ電圧基準８６は、ゼロ電圧比較器８４の入力として採用することができる。これにより、負荷回路４０の電源電圧のゼロ交差を表す出力信号８８を生成することができる。同様に、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差も、図示したゼロ電流比較器９２などの比較器を用いて検出することができる。電流検知回路８２によって検知された電流及びゼロ電流基準９０は、ゼロ電流比較器９２への入力として採用することができる。これにより、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を表す出力信号９４を生成することができる。

この後、制御回路７２は、出力信号８８及び９４を利用して、ＭＥＭＳスイッチ２０（又はＭＥＭＳスイッチのアレイ）の現行の動作状態を変化（例えば、開状態から閉状態に変化）させる時点を決定することができる。具体的には、制御回路７２は、検出された交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差に応答して、アークレス方式でＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を円滑に行って、負荷回路４０を遮断又は開路するように構成できる。また、制御回路７２は、検出された交流電源電圧のゼロ交差に応答して、アークレス方式でＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作を円滑に行って、負荷回路４０を完結させるように構成することができる。

一実施形態において、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を第２動作状態に切り替えるかどうかを、イネーブル信号９６の状態に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。イネーブル信号９６は、例えば、接触器の用途における電源オフコマンド、又はモータスタータの用途における電源オフ／オンコマンドの結果として生成することができる。一実施形態において、イネーブル信号９６、ならびに出力信号８８及び９４は、図示したように、デュアルＤフリップフロップ９８への入力信号として利用することができる。これらの信号を利用して、イネーブル信号９６がアクティブ化（例えば、立ち上がり端でトリガ）された後の最初の電源電圧の零点でＭＥＭＳスイッチ２０を閉じ、イネーブル信号９６が非アクティブ化（例えば、立ち下り端でトリガ）された後の最初の負荷電流の零点でＭＥＭＳスイッチ２０を開くことができる。図４に例示した模式図１９では、イネーブル信号９６がアクティブ（特定の実施内容に応じてＨＩＧＨ又はＬＯＷ）で、かつ出力信号８８又は９４のいずれかが、検知された電圧零点又は電流零点を示すときに毎回、トリガ信号１０２を生成することができる。一実施形態において、トリガ信号１０２は、例えば、ＮＯＲゲート１００によって生成されてよい。この後、トリガ信号１０２は、ＭＥＭＳゲートドライバ１０４を通り、ゲート活性化信号１０６を生成できる。このゲート活性化信号１０６を利用して、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（ＭＥＭＳアレイの場合は複数のゲート）に制御電圧を印加することができる。

既に説明したように、特定の用途に対応した所望の定格電流を達成するために、単一のＭＥＭＳスイッチの代わりに、複数のＭＥＭＳスイッチを並列に動作結合（例えば、スイッチモジュールを形成するように結合）することができる。ＭＥＭＳスイッチを組み合わせた能力は、負荷回路に現れ得る連続した過渡過負荷電流に十分に耐えるように設計することができる。例えば、実効値が１０アンペアのモータ接触器（又はモータスタータ）で、過渡過負荷が６倍であれば、６０アンペアの実効値に１０秒のあいだ耐える十分な数のスイッチを並列に結合しなければならない。ポイントオンウェーブスイッチングを利用して、電流零点に達してから５マイクロ秒以内でＭＥＭＳスイッチを切り替えると、接点の開路時に瞬間的に１６０ミリアンペアが流れることになる。従って、この用途では、各ＭＥＭＳスイッチは、１６０ミリアンペアの「ウォームスイッチング」が可能でなければならず、かつ、６０アンペアに耐えるように、十分な数のＭＥＭＳスイッチが並列に配置されなければならない。一方、単一のＭＥＭＳスイッチは、切替の瞬間に流れることになる量又はレベルの電流を遮断できなければならない。例示的実施形態によれば、前述した特徴を有するモータスタータは、図５に記載されている。

図５に移って説明すると、モータスタータ１２０は、モータ１２７に動作可能に接続される。更に図示するように、モータ１２７を駆動するために、三相電力がモータスタータ１２０に送り込まれる。Ｌ１位相線１２１、Ｌ２位相線１２２、及びＬ３位相線１２３は、例えば、モータスタータ１２０のＭＥＭＳ切替回路の接点に接続することができる。同様に、モータリード線１２４，１２５、及び１２６は、３つの位相線の反対端においてＭＥＭＳ回路の接点に接続することができる。従って、モータの制御は、ＭＥＭＳ切替回路の接点の開路及び閉路によって容易に行うことができる。ただし、モータスタータ１２０は、三相のモータスタータとして図示されているが、例示する実施形態の範囲から逸脱せずに他の形式も採用できることに留意されたい。例えば、特定の実装方式に応じて、モータスタータ１２０は、単相モータスタータ、直流モータスタータとして実施されても、もしくは、複数のモータスタータや他の装置などと共に取り付けられても、又はその両方であってもよい。

更にモータ１２７に関して、モータ１２７の動作においてさまざまな問題が生じ得ることは理解されよう。モータに関わる問題は、例えば、短絡、相不均衡問題、モータ動作中の相損失、電流スパイク、電流値の急激な増大、電流値の低下、及び他の同様の問題のうちの少なくともいずれかを含む可能性がある。また、モータ１２７に関わるほとんど又は全ての問題は、モータ１２７に供給される電流を監視することによって検出可能であるか、又は少なくとも予測可能であることも理解されよう。例えば、前述した問題は、電流路における電流／電圧の特性である。電流路にモータが接続されているときに、このような特性のいずれか１つが観察された場合は、当然ながら、モータに問題が生じていることになる。前述した特性から解釈することができる条件には、例えば、モータの失速、モータ機械部の故障、モータにおける短絡、モータ配線の不具合、モータ軸受の摩耗、及びモータにおける電流の漏れのうちの少なくともいずれかが含まれ得る。例えば、モータの失速は、モータ始動時の電流の急激な増加や、比較的急激な増加によって検知することができる。また、モータ軸受の摩耗は、ある期間に亘って乱雑に急上昇する平均電流の増加によって検知することができる。また、モータ動作中に高い、又は比較的高い電流値が検知されると、モータ機械部が故障していることがわかる。他のモータの問題は、特定の実装方式に応じた電流／電圧特性についての同様の解釈又は別の解釈によって検知することができる。ただし、特定のモータ問題についての具体的な計測方法は、簡潔にするため本明細書では省略する。従って、前述したように、モータ１２７への電流路に一体に設けられる制御回路は、その電流路の電流の特性を解釈でき、その結果、モータ１２７に関わる問題を特定することができる。図６に、例示的モータスタータの制御回路を含む、図５の例示的モータスタータの回路構成を更に詳細に示す。

図６に示すように、モータスタータ１２０は、制御回路１４０及び切替回路１２を含む。例えば、図６に示す切替回路１２は、図１に記載した切替回路１２と実質的に同様である。また、切替回路１２は、１つの電流路上の電流を容易に制御できるようにするために、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチを含む。切替回路１２は、本明細書において既に説明したように、複数のＭＥＭＳスイッチも含むことができ、これにより、各種の状況において電流の制御を実現できる。制御回路１４０は、早期警戒式モータ保護を行う追加の論理回路を含むことを除き、制御回路７２とある程度類似したものであってよい。この追加の論理回路については、図７を参照しながら説明する。

図６に更に示すように、モータスタータ１２０の例示的実施形態は、検出回路７０を含む。検出回路７０は、図３の検出回路７０と実質的に同様であってよい。従って、モータスタータ１２０は、検出回路７０を介して電流及び電流値を検出することができる。また、モータスタータ１２０は、多相電流検出／監視、又は他の同様の構成を実現するための追加の検出回路を含むことができることに留意されたい。例えば、追加の電流センサ、電圧センサなどを組み込んで、多相配列のうちの異なる複数の相の電流値／電圧値を検出することができる。また、図６には、制御回路１４０に動作接続される表示器１５０も記載されている。

表示器１５０は、モータスタータ１２０によって制御される電流路の電流の状態に関するデータを提示する手段を含むことができる。例えば、表示器１５０は、外部装置にデータを通信する通信チャンネルであってよい。データは、この通信チャンネルを介して送信することができ、その後、そのデータを電流路の状態について解釈することができる。例えば、モータが電流路に接続されている場合、その電流路の電流の特性は、モータの状態の指標となる。従って、表示器１５０を利用して、モータスタータ１２０は、モータに関わる問題の早期警戒を行う検出処理を行うことができる。

これに代わる構成として、表示器１５０は、電流路の状態を信号表示する表示ランプ又は表示灯を含むことができる。例えば、電流路の電流の特性が、モータについての問題の徴候を示す場合に、表示ランプの色を変えることができる。色の値に応じて、異なる問題を提示することができる。例えば、緑色は、モータが動作可能であることを表すことができ、黄色は、他の点においてモータは動作可能である些細な問題を表すことができ、赤色は、モータに関する深刻な問題を表すことができる。ただし、上記に提示した例は、単なる例として見なされるべきであり、本発明の実施形態を限定するものではない。

更に、表示器１５０は、通信手段、及び上記に提示したランプの例などの視覚的指標の両方を含むことができる。例えば、表示器１５０は、通信チャンネル上でモータの状態を送信すると共に、モータの状態の視覚的フィードバックも行うことができる。表示器１５０の機能の他の組み合わせも適用可能である。このように、本明細書に記載した特定の例は、例示することのみを意図したものであり、例示的実施形態を限定するものではない。

既に説明したように、制御回路１４０は、モータスタータ１２０によって制御される電流路の電流を監視する追加の論理回路を含むことができる。以下、図７を参照しながら、更に詳しく説明する。

図７は、本発明の実施形態に係るモータスタータの制御回路１４０を示すブロック図である。図７に示すように、追加の論理回路１３３は、切替制御回路１３２と組み合わせて挿入される。切替制御回路１３２は、図４を参照しながら説明した回路７２と同様であってよい。例えば、切替制御回路７２により、ＭＥＭＳ切替回路を制御することができる。従って、制御回路１４０は、ＭＥＭＳスイッチ（例えば、図４のＭＥＭＳスイッチ７４）を開閉することができ、これにより電流路の電流を制御することができる。また、制御回路１４０によって、複数のＭＥＭＳスイッチが制御されてもよい。これにより、制御回路１４０で、複数の電流路を制御することができる。

図７に更に示すように、追加の論理回路１３３はプロセッサ１３１を含む。プロセッサ１３１は、アルゴリズム及びコンピュータ実行可能コードを処理することができるコンピュータプロセッサであってよい。プロセッサ１３１は、メモリ１３０に動作接続することができ、その結果、メモリ１３０に含まれている情報にアクセスすることができる。例えば、メモリ１３０は、複数のアルゴリズムを格納することができる。複数のアルゴリズムは、プロセッサ１３１によるアクセス及び処理が可能である。また、そのアルゴリズムの処理結果は、チャンネル１３５から出力することができる。チャンネル１３５は、各種の形式を取ることができ、いずれか特定のタイプのチャンネルに限定されるものではない。例えば、チャンネル１３５は、図６の表示器に動作接続することができる。従って、プロセッサ１３１によって処理されたアルゴリズムの動作結果は、チャンネル１３５を介して表示器１５０に出力することができる。更に、メモリ１３０は、電流特性もしくはモータ性能、又はその両方についての過去のパフォーマンスデータを格納することができる。過去のパフォーマンスデータは、例えば、モータの寿命全体に亘って記録されるデータ、又は同様のモータについて試験から得られる統計データセットであってよい。同様に、メモリ１３０は、モータの故障条件を示す電流条件に関する実験データを格納することができる。従って、プロセッサ１３１は、実験データ及び過去のパフォーマンスデータの少なくともいずれかにアクセスし、そのデータを複数のアルゴリズムの計算に利用して、電流路に関わる他の様々な問題を特定することができる。

図７には、電気接続１３４も図示されている。電気接続１３４は、電流路上の電流及び電圧の特性を検出する検出回路への接続であってよい。例えば、電気接続１３４は、図６に記載した検出回路７０に連結することができる。従って、プロセッサ１３１は、当該プロセッサ１３１において処理されるアルゴリズムに、電流路の線電流／線間電圧及び負荷電流／電圧の特性に関する情報を利用することができる。このように、プロセッサ１３１から、電流路に接続されたモータに関するデータを供給することができる。従って、プロセッサ１３１は、本明細書に既に記載した早期警報式モータ保護を行うことができる。

例えば、本明細書に記載した例示的モータスタータによって制御されるモータに供給される電流は、検出回路（例えば、図６の検出回路７０）によって検出することができる。検出された電流の特性は、プロセッサ１３１に送信することができる。この送信の後、又は代替の構成として、送信とほぼ同時に、プロセッサ１３１は、処理するアルゴリズムにその特性を組み込むことができる。アルゴリズムは、発生し得る電流／電圧の特性に関わる問題を計測する命令、又は電流／電圧の特性に関するデータを包含することができる。この命令の処理結果は、表示器（例えば、図６の表示器１５０）に送信されよい。指標（例えば、外部装置又は表示ランプに送信されるデータ）を解釈することによって、モータの問題又は故障を識別することができる。従って、本発明の例示的実施形態によれば、早期警戒式モータ保護を、本明細書に記載した例示的モータスタータによって行うことができる。

以下、早期警戒式モータ保護を行う方法について説明する。本発明の実施形態によれば、プロセッサを含むモータスタータが設置される。このプロセッサは、発生する可能性があるモータの問題を、電流／電圧の特性から割り出すアルゴリズムを処理することができる。図８を参照すると、早期警戒式モータ保護の方法が詳細に記載されている。

図８によれば、例示的モータスタータのプロセッサは、ステップ１７０において、その例示的モータスタータによって制御される電流路上の電流に関する情報及びその電流の特性の少なくともいずれかを受け取ることができる。例えば、モータスタータの検出回路は、電流路上の線電流／線間電圧及び負荷電流／電圧についての情報を前記プロセッサに供給することができる。供給される情報としては、例えば、電流値、電圧値、及び図５を参照しながら上記で説明した電流の特性を含む他の同様の情報のうちの少なくともいずれかが挙げられる。本明細書において既に説明したように、モータの状態及び性能の少なくともいずれかを、モータに供給される電流に基づいて監視することができる。従って、検出回路によって供給された情報に基づいて、モータ性能もしくはモータ、又はその両方の問題を検知することができる。

情報を受け取った後、ステップ１７１において、プロセッサは、受け取った情報に基づいて、モータに発生し得る問題を割り出すことができる。例えば、プロセッサによって処理されるアルゴリズムは、変数、又は論理命令の引き数という形式で前記情報を収容することができる。前記アルゴリズムは、このデータを処理して、モータ性能の問題と、モータに関わる問題の少なくとも一方を検出する命令を含むことができる。従って、受け取った情報の演算処理によって、モータに発生し得る問題を検知することができる。

ステップ１７２において、過去のパフォーマンスデータを保存することができる。例えば、モータに関する過去のパフォーマンスデータは、受け取った情報に基づいたものであってよい。次に、この情報は、ステップ１７３を参照しながら後述するように、将来の利用又は解釈のために保存することができる。

ステップ１７３において、発生し得るモータ性能の問題、又はモータに関わる問題を、保存されている過去のパフォーマンスデータに基づいて計測することができる。例えば、モータの電流値を追跡することで、電流のスパイク又は急激な増加を検出することができる。これに代わる構成として、モータによって使用される電流値を追跡して、電流値の種々の変化を検知することができる。このような追跡技法は、発生し得るモータの問題を検知する他の技法と組み合わせて利用することができる。

図８を参照しながら前述した方法は、ステップ１７０，１７１，１７２，１７３のすべてを含んでいるが、参照したステップは任意の組み合わせで利用できることに留意されたい。同様に、これらのステップは特定の順序で例示されているが、他の異なる順序が採用されてもよい。例えば、過去のパフォーマンスの保存を、ステップ１７１の前で行うことができる。これに代わる構成として、ステップ１７１を省略して、ステップ１７２のみを含むこともできる。このような他のすべての省略及び組み合わせは、本発明の例示的実施形態の範囲に含まれることが意図されている。

以上、実施形態を例示しながら本発明を説明してきたが、当業者には明らかなように、これらの構成要素に様々な改変及び等価の措置を加えても、本発明の実施形態に含まれる。従って、本発明の実施形態は、本発明を実施するための最適又は最良の形態として記載した一部の形態のみならず、添付の特許請求の範囲に含まれるかかる実施形態も全て包含するものとする。また、本明細書及び図面において、具体的な用語を用いて本発明の実施形態を説明しているが、これらの用語は、広義においてあくまでも説明目的において用いられており、本発明の企図を限定するものではない。更に、「第１」「第２」などの序数は、或る校正要素どうしを区別するために用いられており、順序又は重要性を示唆するものではない。構成要素を単数名詞として記載している場合も同様に、その数量を限定するものではなく、その構成要素が１つ以上存在することを示唆するものである。

Claims (22)

1. 少なくとも１つの電流路に組み込まれた制御回路と、
   前記制御回路に実装されたプロセッサと、
   前記少なくとも１つの電流路に設置された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチとを備えるモータスタータであって、
   前記ＭＥＭＳスイッチによって、前記制御回路に反応して、前記少なくとも１つの電流路の電流制御を円滑に行う、モータスタータ。
2. 前記プロセッサに常駐する少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムを更に含み、
   前記少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムは、前記プロセッサによって読み取り可能かつ実行可能である、前記少なくとも１つの電流路の電流の特性を監視する命令、及び前記少なくとも１つの電流路に関連する動作条件についてのデータを供給する命令を含む、請求項１に記載のモータスタータ。
3. 前記制御回路は、前記少なくとも１つの電流路の条件に関するデータを格納するメモリ素子を更に含む、請求項２に記載のモータスタータ。
4. 前記メモリ素子は、前記少なくとも１つの電流路上のモータの故障条件を示す経験的な電流条件に関する複数の情報を含む、請求項３に記載のモータスタータ。
5. 前記メモリ素子は、複数のプロセッサアルゴリズムを含み、前記プロセッサアルゴリズムは、前記プロセッサによって読み取り可能かつ実行可能である、前記少なくとも１つの電流路上のモータの複数の異なる故障条件を特定する命令を含む、請求項３に記載のモータスタータ。
6. 前記プロセッサは、前記複数のプロセッサアルゴリズムを処理して、前記複数の異なる故障条件に関するデータを供給する、請求項５に記載のモータスタータ。
7. 前記電流の特性は、相損失、相不均衡、電流値の増大、電流値の急激な上昇、及び電流値の低下のうちの少なくとも１つを含む、請求項２乃至６のいずれか１項に記載のモータスタータ。
8. 前記少なくとも１つの電流路は、複数の電流路のうちの１つであり、
   前記複数の電流路の各電流路は、前記制御回路に組み込まれており、
   前記少なくとも１つのプロセッサアルゴリズムは、前記複数の電流路それぞれの各電流の特性を監視する命令を含む、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のモータスタータ。
9. 前記ＭＥＭＳスイッチは、前記複数の電流路のそれぞれに対応する複数のＭＥＭＳスイッチのうちの１つであり、
   前記複数のＭＥＭＳスイッチのうちの各ＭＥＭＳスイッチによって、前記制御回路に反応して、前記複数の電流路のうちのそれぞれ対応する電流路の電流制御を円滑に行う、請求項８に記載の電流制御装置。
10. 前記少なくとも１つの電流路の条件に、前記少なくとも１つの電流路における、モータの失速、モータ機械部の故障、短絡、配線の不具合、軸受の摩耗、及びモータの電流漏れのうちの少なくとも１つを含む、請求項２乃至９のいずれか１項に記載のモータスタータ。
11. 前記制御回路との信号のやりとりを行い、前記少なくとも１つの電流路の条件を表示する表示器を更に含む、請求項２乃至１０のいずれか１項に記載のモータスタータ。
12. 前記表示器は、前記少なくとも１つの電流路の条件を通信するための通信チャンネルである、請求項１１に記載のモータスタータ。
13. 前記表示器は、前記少なくとも１つの電流路の条件を視覚的に示す表示ランプである、請求項１１に記載のモータスタータ。
14. 前記ＭＥＭＳスイッチに電気的に連通しており、閉状態から開状態への前記ＭＥＭＳスイッチの状態変化に反応して、前記ＭＥＭＳスイッチから電気エネルギを受け取るハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）アーク抑制回路を更に含む、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のモータスタータ。
15. 前記ＭＥＭＳスイッチに並列に接続された電圧スナバ回路を更に含む、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のモータスタータ。
16. 前記少なくとも１つの電流路の交流電流及び前記少なくとも１つの電流路の交流電圧のうち少なくとも一方における、絶対ゼロ基準に対するゼロ交差の発生に、前記ＭＥＭＳスイッチの状態変化を同期させるソフト切替回路を更に含む、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のモータスタータ。
17. 早期警戒式モータ保護方法であって、
    プロセッサを含む制御回路であって、該制御回路に反応する微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを用いて電流を制御する制御回路を準備すること、
    前記制御回路に組み込まれた電流路内の電流に関する情報を、プロセッサにおいて受け取ること、
    前記受け取った情報に基づいて、前記プロセッサにおいて前記電流路の動作条件を計測すること、並びに、
    前記電流路の前記動作条件を提示して、早期警戒式モータ保護を実施することを含む、早期警戒式モータ保護方法。
18. 前記プロセッサに対して動作可能に接続されたメモリに、前記受け取った情報に基づいて過去のパフォーマンスデータを格納することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記プロセッサにおいて、前記格納された過去のパフォーマンスデータに基づいて前記電流路の条件を計測することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電流路は、前記ＭＥＭＳスイッチに対して動作可能に接続された電気モータに前記電流を供給する、請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 早期警戒式モータ保護を容易に実施できるよう、前記電流路の前記動作条件を表示器に示すことを更に含む、請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記動作条件を前記表示器に示すことに、前記動作条件を視覚的に示すこと、及び、前記動作条件を電子表示することのうちの一方を含む、請求項２１に記載の方法。

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