JP2543966B2

JP2543966B2 - 電動機制動方法

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Publication number: JP2543966B2
Application number: JP63247297A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．アンズウォースピーター
Original assignee: Allen Bradley Co LLC
Current assignee: Allen Bradley Co LLC
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1996-10-16
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: DE3885226D1; CA1294669C; BR8804857A; EP0310131B1; US4833386A; AU600853B2; EP0310131A2; JPH01114386A; DE3885226T2; NZ226161A; MX167382B; AU2153388A; EP0310131A3

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は交流電動機の制動に関し、さらに詳細には電
動機を減速させるように電力を供給するための電動機制
動方法に関する。

［従来の技術］電動機を始動する際には、電動機に流れ込む電流は回
転速度が全速度に達した時に流れる定常電流の６倍にも
なる。製造設備や組立ラインは比較的大型な３相電動機
を多数保有し、これらが同時に始動する場合に備えて設
備や組立ラインに給電するための配電系統に対し非常に
大きな電力需要を見込んでいる。

この始動電流消費を減少させるために、大型交流電動
機はしばしば第１図に模式的に示すような制御装置で運
転されている。例えばアレン・ブラツドリ社製モデルSM
C−150のような電動機制御装置10は、電動機12への供給
電流をサイリスタ・スイツチモジユール14で制御する。
スイツチ・モジユールは３対のシリコン制御型整流子
（SCR）16,17,18で構成され、その各々は３相交流電流
（A,C）供給線（Ａ）、（Ｂ）又は（Ｃ）のひとつと、
電動機固定子巻線21,22,23のひとつとを結合している。
各対のSCRは双方向電気スイツチとなるように逆並列接
続されている。電動機制御装置からの３つのトリガ出力
は個別の絶縁変圧器20を介してSCR対16,17又は18のひと
つに結合されている。トリガ出力は変圧器の１次コイル
に接続され、各SCRのゲートは２つの２次コイルの一方
に接続され互いに絶縁している。又別の方法として、各
SCR対の代わりにひとつのトライアツクを用いることも
可能である。

電動機12を始動するにあたつて、装置の運転員は始動
信号を電動機制御装置10に送る。良く知られているよう
に電動機制御装置10はSCRの衝撃係数を制御することに
より電動機への供給電流を徐々に増加させる。これを実
施するにあたつて制御装置は対応する相の交流電圧の各
半周期毎に最初は短時間SCRを導通させる。次に制御装
置はSCRの導通時間を徐々に増加させ電動機がその最大
速度となる時にSCRが連続して導通状態となるように制
御する。この手法は供給電圧の全てを電動機に一括供給
する機械式スイツチに比べて、電動機始動中の電流消費
とトルクとを減少させる。

これら電動機制御装置の多くは、低支持の電動機制動
機構を備えていない。運転員が電動機停止入力を与える
と制御装置は単にSCRを非道通とするだけでもあり電動
機は摩擦のみで徐々に減速する。もしも電動機に大きな
慣性を備えた機械的負荷が結合されていたとすると、電
動機と負荷とは電源が着られた後もしばらく動き続ける
であろう。電動機を使用する多くの工場現場では、設備
を使用する上での至便性及び効率性の面からこの惰性運
動をできるだけ速かに停止させることが重要である。単
に電動機が停止するまで放置するのでは不十分である。
従来は機械的制動機が設備に接続され電源が切られるの
と同期して作動するように組合わされていた。

一方、直流電流を交流電動機の固定子巻線に供給し制
動動作を行なわしめる例もある。交流電動機に電気的制
動をかけるためには、回転子の回転方向と反対向のトル
クを発生させる必要がある。従来技術における直流電流
注入法ではこの制動トルクは固定子巻線に供給される直
流電流で生成された定常磁場内を回転しようとする回転
子により発生される。回転子酸化の回転方向は、固定子
巻線を流れる直流電流で生成される磁場の方向より先に
進む。回転子の磁場を固定子の磁場と一致させようとす
るトルクを発生させるため、これが回転子に対して制動
力を発生する。良く知られるようにこのトルクは固定子
磁場の強さと回転子磁化の大きさとこれ２つの間の角度
の正弦との積に等しい。

その他の制動方法には電動機に供給される交流電流の
位相を反転する方法がある。この最後に述べた方法では
電動機が停止したことを検出し電動機が反対方向に回転
し始めないように電流を遮断する機構が必要である。

［発明の要約と目的］本発明によれば、交流電動機は、該交流電動機への電
流が遮断さた後、回転子の徐々に減衰する磁場によって
生ずる逆起電力電圧を検出する技術によって停止する。
検出された逆起電力電圧に応じて、電動機に対して電流
を周期的に再供給し、この電流が電動機の動きを減衰さ
せるトルクを発生させるように供給する。

電動機への電流が遮断された後、回転子磁化は１秒か
ら２秒の期間で減少する。この期間の間、回転子とその
関連磁場は、固定子に対して回転する。制動効果は、回
転子磁化の方向が固定子電流により生成される磁場の向
きより先行した時に固定子巻線に電流パルスが流れた時
に発生する。制動電流を巻線に供給することにより発生
されるトルクは、回転子の回転方向とは逆向きに発生す
るので制動トルクとなる。

固定子電流が流れていない時に固定子巻線に誘導され
る逆起電力電圧をの観測することにより回転子の回転磁
化の方向がわかる。この逆起電力電圧は時間と共に正弦
的に変化し磁化の方向が対応する巻線の軸と一直線に並
んだ瞬間に零となる。従つて、制動トルクを発生するた
めに固定子巻線に電流パルスを供給する瞬間は、固定子
巻線にかかる逆起電力電圧波形から決定できる。この結
果回転子磁化方向がわかり、従つて、この磁化方向と固
定子磁場との間の角度がわかる。

本発明を３相電動機に応用する場合には、逆起電力電
圧は電動機の３つの固定子巻線のうちの１つで検出され
る。検出された逆起電力の極性と、他の電動機巻線に接
続された相電圧の極性とが反対の場合、他の電動機巻線
のうちの少くとも１つの固定子巻線に電気が供給され
る。提案された実施例において、電動機を停止させるま
でに要する時間は固定子巻線に供給される電流パルスの
幅を調節することで変更できる。

本発明の第１の目的は電動機の電気的制動方法を提供
することである。

ひとつの目的は電動機へ供給される電気を、電動機の
動きを最適制動するように断続することである。

さらに別の目的は電動機を制動するために供給される
電流強度を調整することである。この調整により電動機
停止時間の調節が可能となり、異なる電動機負荷に対す
る補償が可能となる。

さらに別の目的は、電動電流の供給を交流線電圧が零
点交叉するように時間制御し制動制御を行なうことであ
る。

［実施例］まず第２図において、３相電動機30は３つの固定子巻
線31〜33を有する。固定子巻線31〜33はサイリスタ・ス
イツチモジユール34及び（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）で
示された３本の供給線を介して３相交流電源に接続され
ている。スイツチモジユール34は３対のSCR36,37及び38
で構成されている。各体に含まれる２つのSCRは逆並列
接続され、それぞれ供給線（Ａ）、（Ｂ）又は（Ｃ）を
３つの固定子巻線31,32又は33の１つに接続されてい
る。

例えばアレン・ブラツドリー社製モデルSMC−150のよ
うな従来形電動制御装置40は、電源供給線（Ａ）、
（Ｂ）及び（Ｃ）に接続された３入力と、電動機30の巻
線31〜33に接続された３つの電動機端子入力とを有す
る。これらの入力を介して電動機制御装置40は各組合わ
せにおける電源供給線２本づつにかかる瞬時電圧を検出
し、電動機始動中出力端子41,42及び43に、適切な時間
間隔のサイリスタ・トリガ信号を出力する。第１のトリ
ガ信号出力41は第１のORゲート44のひとつの入力に接続
されており、このORゲートの出力は第１の絶縁変圧器45
を介して第１のSCR対36のゲート電極に接続されてい
る。又この第１のSCR対36は供給線（Ａ）と第１の固定
子巻線31とを結合している。第２のトリガ信号出力42は
第２のORゲート46のひとつの入力に接続されている。第
２のORゲート46の出力は第２の絶縁変圧器47を介して第
２のSCR対37のゲート電極に接続されておりこれは供給
線（Ｂ）と第２の固定子巻線32とを結合している。第３
のトリガ信号出力43は第３の絶縁変圧器49を介してSCR
対38のゲート電極に接続されており、このSCR対38は供
給線（Ｃ）と第３の固定子巻線33とを結合している。

又、制動回路50が電動機回路に接続されている。制動
回路50は２つの入力端子51及び52を有しこれは、それぞ
れ供給線（Ｂ）及び（Ａ）に接続されている。一対の抵
抗機53及び54は２つの入力端子51及び52に接続され、
又、第１の差動増幅器56の異なる入力に接続されてい
る。フイード・バツク抵抗器58は第１の差動増幅器56出
力と、その反転入力端子とを継いでいる。別の抵抗器59
は第１の差動増幅器56の非反転入力と設置線とを継いで
いる。第１の差動増幅器56と、その周辺回路抵抗器とは
電源供給線（Ａ）及び（Ｂ）との間の電圧（Vab）を制
動回路50の他の部品と整合がとれる値に減衰させる働き
をする。

第１の差動増幅器56の出力は零点検出器60に接続され
ており、この零点検出器は供給線（Ａ）及び（Ｂ）の間
の線間交流電圧（Vab）が０ボルトとなる度にパルスを
発生する。零点検出器60の出力信号は調節可能時間遅れ
回路62に送られこれは零点検出器からのパルスを定めら
れた時間遅られせて伝送する。後に説明するように、こ
の遅れ時間は電動機停止時間に関与する。

供給電源の線間電圧（Vab）を示す第１差動増幅器56
の出力は又第２差動増幅器64の非反転入力にも接続され
ている。第２差動増幅器64の反転入力は抵抗器66を介し
て設置されている。第２差動増幅器64は供給線間電圧
（Vab）の正負に応じて、それぞれ高又は低の論理レベ
ル信号を発生する。この出力は排他ORゲート68のひとつ
の入力に接続されている。

３つの電動機巻線31〜33の各端子はＹ接続された等し
い値の抵抗器71〜73に接続されておりこのＹ接続の中立
点は制動回路の接地線に接続されている。各抵抗器71,7
2及び73にかかる電圧はそれぞれ３つの固定子巻線31,32
及び33にかかる電圧に等しい。第３の巻線33からの配線
70は抵抗器75を介して第３作動増幅器74の非反転入力に
接続されている。第３差動増幅器の非反転入力は又抵抗
器77を介して接続されている。この接続によつて第３の
抵抗器73にかかる電圧（Vc）、従つて第３の固定子巻線
33にかかる電圧に比例した電圧が第３作動増幅器74に入
力される。第３差動増幅器74の反転入力は抵抗器76を介
して接地されている。第３差動増幅器74は第３固定子巻
線33にかかる瞬時電圧（Vc）の正負に応じて高又は低の
論理レベル信号を発生する。第３差動増幅器74の出力は
排他ORゲート68のもうひとつの入力に接続されている。

排他ORゲート68と時間遅れ回路62との出力はそれぞれ
ANDゲート78のひとつに入力に接続されている。ANDゲー
ト78の第３入力は線80を介して電動機制御装置40に接続
されており、電動機の電源が切られている場合には高論
理レベル信号を受信している。もしもこの高レベルオフ
信号が電動機制御装置40から使用できない時には、電動
機制御装置40へ接続され電動機30を停止させるための運
転員入力線39から取り出すことができる。ANDゲート78
の出力はSCRゲート電極へのORゲート44及び46のもうひ
とつの入力に接続されている。

第２図に示す回路は電動機30の始動にも停止にも使用
できる。電動機の始動時には、電動機制御装置40は従来
装置と同様に動作し、電動機30に供給される電圧の位相
制御を行なう。制御装置の出力端子41及び42からのトリ
ガ信号はORゲート44及び46を通つてそれぞれのSCR対36
及び37に送られこの従来方式の始動制御を行なう。

電動機30を停止する時には、運転員入力線39を介して
電動機制御装置40に信号が送られる。停止信号に応じて
電動機制御装置40はSCR対36,37及び38へのトリガパルス
送信を停止するので、その結果電動機は電源供給線
（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）から切り離される。たとえ電
流が切り離されたとしても電動機の回転子には減衰中の
磁気が残つている。回転子は回わり続けるのでこの磁気
は電動機30内に回転磁場を作り出し、これは固定子巻線
31〜33の各々に交流電圧を誘導する。第３の巻線33の波
形を第３図（ａ）に示す。この電圧は一般的に逆起電力
（emf）電圧と呼ばれている。逆起電力電圧の周波数は
電動機30の回転速度の関数である。

電動機制御装置40がSCRトリガ信号を停止するのと同
時に、高論理レベルの制動可能信号を線80に経由して制
動回路50内のANDゲート78にも送る。高論理レベル制動
可能信号は、回路50で生成される制動信号がSCRの動作
を制御し、電動機30の速度を減速できるようにする。高
レベル制動可能信号が入力される前は制動回路50の出力
は低レベルに保持されるのでこれはSCR36〜38には何の
影響も与えない。

SCR信号を作り出すにあたつて、制動回路50は線
（Ａ）及び（Ｂ）間の線間供給電圧（Vab）と第３固定
子巻線33にかかる逆起電力（Vc）の瞬時極性を検出し比
較する。これらの電圧の極性が逆になつている時は、回
転子からの磁場の向きは、供給線（Ａ）及び（Ｂ）から
電動機30に供給される電流（Iab）によつて生成される
磁場に対して、この電流が適当な時間流れると回転子を
減速する方法を向いている。

電力供給線（Ａ）及び（Ｂ）間の交流電圧（Vab）は
第３図の（ｂ）に示されている。第１差動増幅器56とそ
の周辺抵抗器によりこの供給線電圧（Vab）に縮少比例
する電圧が接合点61に出力される。零点検出器60は第３
図の波形（ｃ）に示すように線電圧（Vab）が零軸を横
切る度に出力パルスを発生する。出力パルスは波形
（ｄ）に示すように、可変長遅延回路62により一定時間
（Ｔ）遅延され、この遅延パルス信号はANDゲート78に
供給される。

接合点61の電圧は又第２差動増幅器64に供給され、こ
れは供給線電圧（Vab）の極性を示すデイジタル出力を
発生する。第２差動増幅器64の出力は第３図の波形
（ｅ）に示されている。この出力は、波形（ｂ）に示さ
れる供給線電圧（Vab）が正の時には高論理レベルとな
り、供給線電圧（Vab）が負の時には低論理レベルとな
る。この供給線電圧極性を示すデイジタル信号は排他OR
ゲート68のひとつの入力に接続されている。

逆起電力電圧（Vc）は第３図の波形（ａ）に示されて
いる。逆起電力電圧の周波数は電動機の回転速度に直接
比例している。運転中の電動機への電気が切られた直後
は逆起電力電圧周波数は供給電圧周波数（例えば60hz）
にほぼ等しい。主として摩擦の影響で電動機が減速する
と、逆起電力電圧周波数は減少し、その供給線電圧（Va
b）信号に対する位相関係は変化する。逆起電力電圧は
抵抗器73の両端で測定され、第３差動増幅器74に供給さ
れ、この第３差動増幅器74は逆起電力誘導電圧の瞬時極
性を示すデイジタル信号を出力する。波形（ｆ）に示す
ように第３差動増幅器の出力は逆起電力電圧が正の時に
は高論理レベルとなり、この電圧が負の時には低論理レ
ベルとなる。

排他的ORゲート68は逆起電力電圧（Vc）と供給電圧
（Vab）間の極性関係を示す出力を発生する。排他的OR
ゲートは第３図の波形（ｇ）に示すように、これら２つ
の電圧の極性が逆の時には常に高論理レベル信号を出力
し、極性が同じときには常に低論理レベル信号を出力す
る。先に述べたように、これらの極性が逆の時に固定子
巻線に供給線電圧を印加することにより電動機内に制動
磁力を生成できる。従つて、排他的ORゲートの出力は、
制動効果を発生させるために第１及び第２のSCR対36及
び37にトリガを入力できる時を示している。

ANDゲート78は排他的Ｏゲート68と、遅延回路62の出
力と電動機制御装置40からの制動可能信号とを入力とし
ている。従つて、SCRトリガパルスは、回路が可能化さ
れていて、逆起電力と供給線電圧（波形ｅとｆ）との極
性が逆である時に遅延零検出パルス（波形ｄ）が発生し
た時のみ、制動回路のANDゲート78から出力される。こ
の制動回路SCRトリガ信号は第３図の波形（ｈ）に示さ
れている。

制動回路50からのSCRトリガ信号はORゲート44及び4
6、それに変圧器45及び47を経て、第１及び第２のSCR対
36及び37に結合され、各対の順方向バイアスされたSCR
を導通させる。第３対SCR38は制御回路50ではトリガを
かけられない。第１及び第２対SCR36及び37にトリガを
かけることによつて第１及び第２固定子巻線31及び32に
供給される電圧波形は波形（ｉ）に示される。２つの固
定子巻線31及び32を流れる（Iab）の電流パルスは波形
（ｊ）に示されている。電動機30への電圧は、パルスを
入力されたSCRがそこを流れる電流が零となるでは非導
通とならないように、電圧が零を交叉した後も少しの時
間供給される。供給線電圧（Vab）を電動機に供給する
タイミングは、この電圧により生成される電磁場が、回
転子からの減衰磁場と相互干渉して回転子の回転を減速
させる時である。

一方、仮りに供給電源の中立線と、電動機の中立点35
とが利用できる場合は、制動電流は、巻線31又は32のひ
とつのみを介して供給できる。このような場合の実施例
では制御回路50においては、零点検出及び極性判定は、
供給線の２本に対して行なう代りに供給交流電圧のひと
つの相に対してのみ行なわれる。

零点検出パルスが遅延回路62で遅延される時間（Ｔ）
は可変であり電動機停止に要する時間が変化する。この
調節は制動回路が電動機に接続される時に行なわれ、電
動機で駆動される負荷の大きさ、又、電動機が停止する
のに許容される時間に応じて行なわれる。遅延時間
（Ｔ）を短くすることにより波形（ｄ）に示すパルスは
時間的にすぐに発生し、従つて、SCRが導通となる時間
が長くなる。この結果電動機に制動をかけるために供給
される電流パルスの幅が長くなり、生成される磁場及び
制動トルクが増大する。

電動機が減速するにつれて、逆起電力電圧（Vc）と供
給線電圧（Vab）との位相関係が変化する。その結果、S
CRにはさらに頻繁にトリガかがけられ制動力が増大す
る。これは概念的に第４図に示されている。SCRのトリ
ガ間隔の間に存在する供給線電愛（Vab）のサイクル数
は本当は図示されたものよりかなり多いことは理解され
たい。第４図の波形（Ｉ）、（II）及び（III）は制動
中の３段階の速度における、第１及び第２固定子巻線31
及び32を流れる電流（Iab）を示している。波形（Ｉ）
において、SCRは供給線電圧（Vab）が正の半周期にある
時に時たまトリガをかけられるだけである。電動機が減
速すると、波形（II）に示すように、正の半周期トリガ
の間に負の半周期がトリガが追加される。電動機の減速
がさらに続くと波形（III）に示すように、SCRは線電圧
（Vab）の正の半周期ごとにトリガがかけられる。これ
以外のSCRトリガパターンは、第４図に示した例の中間
にも又、波形（Ｉ）の前、及び波形（III）の後にもそ
れぞれ存在し得る。

先にも述べたように、電動機制御装置40はアレン・ブ
ラツドレイ社製モデルSMC−150で構成されていても良
い。これはマイクロ・プロセツサを基本とした装置であ
つて、その動作を制御するコンピユータ・プログラムを
含んでいる。これ以外の型のマイクロプロセツサを使用
した電動機制御装置も販売されている。SMC−150は、停
動検出機能を有し、これは電動機始動中に巻線へのSCR
が非導通になつた際に、ひとつ固定子巻線にかかる逆起
電力電圧を検出する。従つて、本発明は、このようなマ
イクロプロセツサを使用した電動機制御装置にプログラ
ム変更のみで容易に組み込むことができる。

ソフトウエアの組込みによつて本発明をさらに改良す
ることができる。そのような改良のひとつは、回転子の
速度を逆起電力電圧信号から導き出し、その速度から回
転子の回転磁場が第１の２つの巻線31及び32と直線関係
にあるか否かを判定することである。このような一致が
発生し、供給線電圧が適正な電極を有する場合には、最
適制動力を発生させるためにSCRにトリガをかけること
ができる。

以上述べた装置でも相当の制動を生じるが、３つの固
定子巻線31−33の他の組合わせ対に対しても順に電流を
供給することにより制動機能を増加させることができ
る。このように改善された装置では第２図に示す回路
を、第3SCR38にもトリガをかけ適切な時間異なる電流を
流せるように修正変更する必要がある。すべての固定子
巻線に対し電流を供給する方式においては、回転子磁場
の各巻線に対する並びに関係をより詳細に決定するため
に３つの固定子巻線すべてにかかる逆起電力電圧を検出
するとさらに強力なものとなろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による、３相電動機始動制御回路；第
２図は本発明による制動制御を組み込んだ電動機始動回
路：第３図は第２図の主要点における信号波形図：そし
て第４図は交流電源のひとつの相電圧波形と、電動機を３種類の減速速度で制動する際に供給される電
流波形の概念図である。 30……３相電動機、 34……サイリスタ・スイツチモジユール、 40……電動機制御装置、50……制御回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機制動方法において、電動機に供給さ
れる交流供給電圧の極性を検出するための極性検出手順
と、前記電動機からの逆起電力電圧の極性を検出するた
めの極性検出手順と、前記交流供給電圧と前記逆起電力
電圧とが反対極性の場合に前記電動機に電圧を供給する
ための電圧供給手段とで構成されていることを特徴とす
る電動機制御方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、さらに前
記交流供給電圧の零点を検出するための零点検出手順を
有し、前記電圧供給手順が、前記零点検出手順による零
点検出結果にも感応することを特徴とする電動機制動方
法。
【請求項３】請求項１に記載の方法においてさらに、前
記交流供給電圧の零点を検出するための零点検出手順
と、零点を表わす信号を発生する零点信号発生手順と、
前記零点信号を与えられた時間だけ遅延させる手順とを
有し、前記電圧供給手順が、遅延された前記零点信号にも感応
することを特徴とする電動機制動方法。
【請求項４】請求項３に記載の方法において、前記交流
供給電圧と前記逆起電力電圧の極性が互いに反対の時に
は、遅延された前記零点信号が発生する度に、前記電動
機へ前記交流供給電圧が印加されることを特徴とする電
動機制動方法。