JP4754747B2 - 時間変化率電動機始動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、単相交流誘導電動機、詳細には、電動機が始動される時に電動機の補助巻線または始動巻線への交流電流の流れを制御する固体電動機始動回路に関する。
【０００２】
交流単相誘導電動機は、始動時に、始動トルクを発生させるために十分に回転するように界磁巻線からの磁界を必要とする。これにより回転子は、回転子およびその関係する負荷の加速に関わる静的な力に打ち勝つことができる。異なる電動機は、始動時に異なる量の付加的なトルクを必要とする。また、必要な補助電流の量は、初期負荷条件および交流電力の品質に依存する。
【０００３】
典型的な交流誘導電動機の電機子は２組の巻線を備える。すなわち、通常の運転速度で電動機を駆動するための１つ以上の主巻線または運転巻線と、必要な始動トルクを発生させる補助巻線または始動巻線である。始動に必要な回転磁界を付与するために、コンデンサなどの移相デバイスが始動巻線と直列に接続される。始動の間に、運転巻線と補助巻線または始動巻線の両者は、電動機を十分な運転速度まで上げるために励磁される。その時点で、始動巻線または補助巻線は、電動機が運転巻線だけで動作するように回路から外れるか、または始動コンデンサから遮断され、運転コンデンサと接続され得るかのいずれかである。重負荷に遭遇し、電動機のｒｐｍがその設計運転速度を下回るまで低下または失速した場合には、補助巻線が再び挿入され、電動機トルクを増加させて、増大した負荷に打ち勝つことができる。
【０００４】
ほとんどの交流誘導電動機において、補助巻線の構造は、交流線間電圧との持続接続が過熱や損傷を生じ得るようなものである。従って、始動巻線は、始動時および以後に、適切な時期に接続および切断されなければならない。
【０００５】
遠心力スイッチその他の電気機械式デバイスの相対的に短い動作寿命のため、多くの始動回路は電流および電圧検出回路を使用する。これらには、フィンク（Ｆｉｎｋ）らの米国特許第３，７６６，４５７号に記載のリードスイッチ／トライアックの組合せまたは、ルーアス（Ｌｅｗｕｓ）の米国特許第３，９１６，２７５号に記載の電流センス抵抗に基づく回路を含み得る。別の固体電動機始動回路はカダー（Ｋａｄａｈ）の米国特許第４，８２０，９６４号に記載されており、ここでは、トライアックといった固体スイッチが始動電流を制御し、スイッチは感光性素子によってゲートされる。カダーらの米国特許第５，５８９，７５３号では、単相交流誘導電動機の始動回路は、電動機補助巻線と直列にトライアックを使用し、補助電圧の時間変化率の増加に応答してオンになる。
【０００６】
米国特許第４，８４３，２９５号は電動機の固体始動システムを記載しており、ここにおいて、システムは、主巻線電流または始動巻線電圧のロックド回転子値に対応する値を校正し、その後、進行中の電圧または電流を校正値と比較する。米国特許第５，２９６，７９５号は、補助電圧が校正可能なカットアウト電圧に達した時にトライアックを使用不可にする別の固体始動システムを記載している。これらの始動回路は校正値に依存し、補助巻線を励磁する要求条件がモータ負荷の変化または適用された交流電源の品質の変化のために変わり得るという事実を説明していない。米国特許第５，６２２，５０６号は、速度に影響されやすく、負荷に影響されやすく、交流線間電圧変動に影響されにくい電動機始動システムを記載している。米国特許第５，６２２，５０６号のシステムは、主巻線または運転巻線間の線間電圧および、始動巻線間の補助電圧も測定しなければならず、補助電圧のピーク値が主電圧または運転電圧のピーク値と交差した時にそのトライアックをオフにする。
【０００７】
いくつかの簡素化された始動回路が提起されているが、これらの各々は、それが関係する電動機に合わせて作られなければならない。それらは一般に、始動時のサージまたは突入状態の間に低い印加電圧が、ある一定の電圧レベルまで上昇した後に、始動電流を遮断するように機能する。１例のものでは、始動コンデンサに現れる交流電圧が積分され、それは電圧が所定のレベルに達した時にトライアックまたは類似のスイッチをオフにゲートする。また、ある所定の時限、例えば３００ミリ秒が経過した後に始動回路を遮断するために、タイマをその回路と関係づけることもできよう。残念ながら、多くの場合、入力電力の品質は劣悪であり、すなわち、「電圧低下」の間に入力電圧は電動機を極めて緩慢に加速させる。また、同じ電動機への負荷条件は、場合ごとに変わるかもしれない。しかし、それらの始動回路は、最悪事例条件に合わせて設計されなければならないので、ほとんどの他の条件について、必要であるよりも多くの始動電流が補助巻線に印加され、電動機にストレスをかけることになる。
【０００８】
本発明の目的は、単に適用電力が事前に設定した電圧または電流レベルを達することに依存せず、広範な電動機、電力品質条件および負荷条件に適応できる、単相交流誘導電動機の電動機始動回路を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、単純かつ安価であり、アフターマーケット部品として既存の電動機に取付けられる電動機始動回路を提供することである。
【００１０】
本発明の１態様によれば、単相交流誘導電動機の電動機始動回路は、補助巻線中の交流電流が電動機を始動させ得るために補助巻線と直列にトライアックまたは他の等価なスイッチ手段を使用する。電動機が運転を開始すると、トライアックは補助巻線の交流電流を遮断する。センサ装置が、主巻線および補助巻線の一方または両方のどちらかを通る電動機電流を検出するか、またはそうでなければ補助巻線間の電圧を検出する。センサはそれぞれ、電動機電流信号または電動機電圧信号を与える。ゲーティング装置がこの信号を受信し、前記スイッチトライアックまたはスイッチ手段のゲートと接続され、電動機電流が初期電動機電流Ｉ_ｉｎｉｔの所定の分率（すなわち、５０％）以下に低下したことを信号が指示した場合、あるいはまた、電圧が初期または突入電流Ｖ_ｉｎｉｔを上回るある分率、例えば１５０％Ｖ_ｉｎｉｔまで上昇したことを信号が指示した場合、補助電流手段を遮断する。ここで使用される用語「所定の」とは、工場事前設定値に限定されず、回路設計に応じて、ユーザ調整されるか、または自動的に調整され得る。用語「所定の」はまた、本発明の範囲内の比例値も意味し得る。
【００１１】
本発明の始動回路は、標準のアナログ素子、すなわちトランジスタ、コンデンサ、ダイオードおよび抵抗で実施でき、またはディジタルに、すなわちマイクロプロセッサにおいても実施可能である。
【００１２】
本発明の上記および多数の他の目的、特徴および利点は、添付図面と連携して読んだ時に、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明白となるであろう。
【００１３】
図面に関して、図１は、本発明の可能な１実施形態に従った電動機始動回路を略示する。ここで、交流単相誘導電動機１０は、１対の交流入力導線間に接続された運転巻線１２および、補助巻線または始動巻線１４が交流導線間で始動コンデンサ１６およびスイッチングデバイス１８，例えばトライアックと直列に接続されている始動回路を備える。図示の通り、ピックアップコイル２０、すなわちトロイダルまたは類似のコイルが、運転巻線１２および補助巻線１４内の交流電動機電流のレベルに比例する信号をピックアップし、それを、電動機電流の大きさを表現する信号Ｉ_Ｍを生成する検出器回路２２に供給する。サンプルホールド回路２４は、電流の流れの開始時に作動し、初期またはサージ電流レベルを表現するレベルＩ_ＩＮＩＴを保持する。電動機電流信号Ｉ_Ｍが初期レベルからある分率、すなわち初期レベルＩ_ＩＮＩＴの５０％に低下した時を判断するために比較器２６が検査する。それが生じた場合、ターンオフ回路２８がゲート信号を送信し、トライアックまたは他のスイッチングデバイスを遮断し、補助巻線への電流をオフにする。当然ながら、素子２２，２４，２６および２８は、線形構成要素によりまたは、ディジタルでのいずれかで実施することができる。
【００１４】
図２は別の可能な実施形態を示しているが、これは、初期またはサージ電圧レベルからの電動機補助電圧の所定の上昇に応答して動作する。ここで、交流単相誘導電動機１０は、前述と同様、交流導線間に接続された、運転巻線１２、補助巻線または始動巻線１４、始動コンデンサ１６およびスイッチングデバイス１８（例えばトライアック）を備えて示されている。図示の通り、ある構成要素間、すなわち始動または運転コンデンサ、または補助巻線１２，１４間の交流電動機電圧のレベルは、導線を介して電圧検出器回路３０に供給され、それは電動機電圧の大きさを表現する信号Ｖ_Ｍを生成する。サンプルホールド回路３２は、電流の流れの開始時に作動し、初期またはサージ電圧レベルを表現するレベルＶ_ＩＮＩＴを保持する。電動機電圧信号Ｖ_Ｍがその初期レベルを超えて少なくともある分率より高いレベル、すなわち初期レベルＶ_ＩＮＩＴの１５０％に上昇したかを判断するために、比較器３４が検査する。それが生じた場合、ターンオフ回路３６がゲート信号を送信し、トライアックまたは他のスイッチングデバイスを遮断し、補助巻線１４への電流をオフにする。
【００１５】
図３および４は、電圧の大きさＶまたは電流の大きさＩの時間変化率が補助巻線中の電流の流れを制御するために使用される実施形態を表現している。これらの実施形態において、電動機運転巻線１２、補助巻線１４、コンデンサ１６およびトライアック１８は、概ね前述のように接続されている。図３では、微分器回路４０が、初期低サージレベルＶ_ＩＮＩＴから、電動機１０が高速で運転している時の定常レベルに上昇する電動機電圧の大きさＶを微分する。この回路は、電動機速度が増すにつれて増大する微分信号ｄＶ／ｄｔを生成する。微分信号がいずれかの事前設定された定数Ｋ_Ｖを超えるまで上昇すると、すなわち（ｄＶ／ｄｔ）≧Ｋ_Ｖ時に、比較器回路４２がターンオフ回路４４に信号で伝える。これが生じると、ターンオフ回路はトライアック１８をオフにゲートする。
【００１６】
図４では、電流ピックアップコイル２０が、電動機電流の大きさＩ_Ｍの時間変化率を表現する微分信号ｄＩ／ｄｔを生成する電動機電流微分器４６に供給する。電動機のＩ_Ｍ電流は高サージレベルＩ_ＩＮＩＴで開始した後、電動機が速度を増すにつれて低定常レベルへ低下し、その時点で微分ｄＩ／ｄｔは０に近づく。電動機電流の変化率が事前設定された定数レベル以下に低下すると、すなわち（ｄＩ／ｄｔ）≦Ｋ_Ｉ時に、微分器回路４８はトライアック１８をオフにゲートするためにターンオフ回路５０に信号で伝える。
【００１７】
電流制御の実施形態（図１および４）の振る舞いは、図５の電動機電流の図表によって説明でき、また、電圧制御の実施形態（図２および３）は、図６の電動機電圧の図表によって説明できる。
【００１８】
図５に図示する通り、交流電流が適用された直後には、回転子からのあらゆる逆起電力が不在のためにコイル１２および１４内に初期サージ電流が存在する。ピークレベルＩ_ＩＮＩＴの後、電動機１０が回転し始めると電流レベルは低下し、その後、定常レベルすなわち（ｄＩ／ｄｔ）＝０に達する。この曲線の実際の形状は、入力交流電源品質や電動機負荷といった可変条件に応じて異なる。図１の実施形態は、電流がＩ_ＩＮＩＴの一定の百分率（この場合５０％）まで低下した所に、始動電流をゲートオフするカットオフ点Ａを有する。図４の実施形態は、電流の大きさの曲線の勾配がある程度平坦になった所、すなわち（ｄＩ／ｄｔ）＝Ｋ_Ｉにカットオフ点Ｂを有する。
【００１９】
図６に図示する通り、図５の高サージ電流に対応し、交流電流が適用された直後には、コイル１４内に初期低電圧Ｖ_ＩＮＩＴが存在する。最小または降下レベルＶ_ＩＮＩＴの後、電圧の大きさは、電動機１０が回転し始めると上昇し、その後、定常レベルすなわち（ｄＶ／ｄｔ）＝０に達する。図５に関してと同様、図６の曲線の実際の形状は、入力交流電源品質や電動機負荷といった可変条件に応じて異なる。図６の実施形態は、電圧が初期電圧Ｖ_ＩＮＩＴを超える一定の百分率（この場合１５０％）まで上昇した所に、始動電流をゲートオフするカットオフ点Ｃを有する。図６の実施形態は、電圧の大きさの曲線の勾配がある程度平坦になった所、すなわち（ｄＶ／ｄｔ）＝Ｋ_Ｖにカットオフ点Ｄを有する。
【００２０】
また、これらの実施形態のそれぞれは、いずれかの事前に設定した時間、例えば３００ミリ秒〜１秒の後にトライアック１８をタイムアウトにするデフォルトタイマ（図示せず）も備えることができる。電動機のそれぞれはまた、失速または過熱の場合にそれを遮断する熱保護デバイスを備えることができる。
【００２１】
電流時間変化率始動回路の１例は、図７に示されている。ここでは、センサトロイド５２が電動機電流信号Ｉ_Ｍをピックアップし、これは電動機電流の大きさとしてダイオード５４を経てコンデンサ５６の一方の側に供給される。その後、微分器５８が、電動機電流の時間変化率を表現する信号ｄＩ／ｄｔを生成し、これは比較器６０の一方の入力に供給される。比較器６０の他方の入力は、この場合分圧器６２から、比例基準レベルを供給される。微分信号ｄＩ／ｄｔが分圧器基準電圧のレベル以下に低下すると、比較器出力はローになり、それによりトライアック１８をオフにする。
【００２２】
本発明の別の実施形態が図８においてより詳細に示されている。この図の左側に、補助巻線１４、始動コンデンサ１６およびスイッチまたはトライアック１８が、２個の交流電源導線間に直列に構成されて存在する。補助巻線１４とコンデンサ１６との間の接合部、またはコンデンサ１６のトップにおいて、整流器６２および第２の整流器６４を通じて電圧信号が引き出され供給される。回路は便宜上、破線で記述されたモジュールまたは回路部分、すなわち電圧変化率回路またはｄＶ／ｄｔ回路６６、緊急タイマ回路６８、およびトライアック１８をゲート制御する役目を担う点火回路７０として考えられる。ｄＶ／ｄｔ回路６６は、整流器６２のアノードと下側レール交流導線との間に接続された、ダイオード７２、コンデンサ７４および抵抗７６の直列回路を含む。コンデンサ７４と抵抗７６との接合部はエミッタ接地トランジスタ７８にベース電流を供給する。緊急タイマ回路６８は、アノードがタイミング抵抗８２およびタイミングコンデンサ８４の接合部と接続されているプログラマブル単接合トランジスタ（ＰＵＴ）８０を含む。それらは、ＰＵＴ８０が約１０００ミリ秒後にオンになるように選択された値を有する。このＰＵＴのゲート電極は抵抗分圧器８５と、またトランジスタ７８のコレクタとも接続されている。ＰＵＴ８０のカソードは点火回路７０のトランジスタ８６のベースに供給する。このトランジスタ８６のコレクタは、別のＰＵＴ８８のアノードと接続されており、そのカソード端子は出力エミッタホロワトランジスタ９０に供給する。ＰＵＴ８８のゲートは、固定電位に、この場合ツェナダイオード９２に結合されている。トランジスタ９０のエミッタは、ローになるとトライアック１８をオフにする。
【００２３】
電動機が回路に接続され、そしてダイオード６２および６４が導通すると、トライアック１８のゲートはハイになり、補助巻線１４および始動コンデンサ１６への交流電源をオンにする。電流もタイミングコンデンサ８４を充電するために流れ始め、その結果、ＰＵＴ８０のアノードの電圧が上昇し始める。電流はまた、電動機電圧の変化率に比例して、コンデンサ７４を通りトランジスタ７８のベースに流れる、すなわちＩｂａｓｅ＝Ｃ（ｄＶ／ｄｔ）である。トランジスタ７８は、ベース電流が低い値に低下するまで、導通したままである。始動から、ＰＵＴ８０のゲート電圧は、この場合４．７Ｍ抵抗および２Ｍ抵抗により形成される、分圧器８５によって決定される。コンデンサ７４が初期通りに充電されると、トランジスタ７８はオフになる。ＰＵＴ８０のゲート電圧は分圧器８５の比によって決定される。コンデンサ７４でのいずれかの以後のｄＶ／ｄｔの上昇は、トランジスタ７８をオンにバイアスし、ＰＵＴ８０のゲートの分圧比を低い値（例えば３００Ｋ÷［４．７Ｍ＋３００Ｋ］）へ変化させる。それはＰＵＴ８０を即時にタイムアウトにさせる。厳しい負荷条件があり、トランジスタ７８がＰＵＴ８０の時定数より長い時間オフのままであると、緊急タイマは約１秒でトリップし、点火回路７０をトリガし、トライアック１８を遮断するはずである。
【００２４】
ここでは、回路は、様々なトランジスタ、抵抗、コンデンサおよび他の個別素子により実施されている。しかし、ここに示したような回路は、同じ機能を実行するためにマイクロプロセッサを用いて実施できるであろう。例えば、図８の実施形態の検出およびタイミングの機能の一部を実行するために、マイクロプロセッサが使用できる。
【００２５】
また、上述のこれらの回路に再始動機能を追加することは難しくないであろう。例えば、図１〜４の実施形態において、再始動は、ｄＶ／ｄｔまたはｄＩ／ｄｔに著しい変化が存在した場合に開始することができる。マイクロプロセッサによる具体化の場合、この特徴は、符号の１または２個の付加的な行により実現できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 突入電動機電流のある所定の分率以下に低下した電動機電流に基づく電動機始動回路のブロック図である。
【図２】 突入電動機電圧を超えるある所定の分率のレベルに上昇した電動機（補助）電圧に基づく電動機始動回路のブロック図である。
【図３】 ある所定のしきい値以上に上昇した電動機電圧の時間変化率に基づく電動機始動回路のブロック図である。
【図４】 ある所定のしきい値以下に低下した電動機電流の時間変化率に基づく電動機始動回路のブロック図である。
【図５】 初期突入電流および定常電流を示す時間に関する電動機電流の大きさのグラフである。
【図６】 初期突入電圧および定常電圧を示す時間に関する電動機（補助）電圧の大きさのグラフである。
【図７】 本発明の実施形態の回路図である。
【図８】 本発明の別の実施形態の回路図である。

Claims (4)

1. 主運転巻線（１２）および補助始動巻線（１４）を有する形式の単相交流誘導電動機の電動機始動回路であって、ここにおいて、前記補助始動巻線（１４）と直列のスイッチ（１８）は、電動機を始動するために交流電流が補助巻線を流れ得るようにし、その後、電動機が運転を開始した時に補助巻線を通る交流電流を遮断するものであり；
   センサ（２０）は、前記補助始動巻線に加えられる所定の電力パラメータ(ＩまたはＶ)の値を検出し、前記電力パラメータの検出された値を示す信号を規定するものであり；、
   ゲート回路（２２，２４，２６，２８；３２，３４，３６；４２；４８,５０）は、前記センサ（２０または３０）から検出された値の信号を受信し、前記検出された値の信号をもとに前記スイッチ（１８）をオフにするために前記スイッチ（１８）のゲートに接続される電動機始動回路において、
   前記ゲート回路が、前記電力パラメータの予め調整された値(ＶまたはＩ)を問わず、始動後に生じる前記電力パラメータにおける変更要因（Ｖ_Ｍ/Ｖ_init;Ｉ_Ｍ/Ｉ_init;ｄＶ/ｄｔ;またはｄＩ/ｄｔ）を測定するために作動し；
   前記変更要因が基準点に達したときに前記スイッチ（１８）をオフにするために作動する電動機始動回路において、
   前記センサが、主巻線および補助巻線の両方を通る全電動機電流を検出し、検出された全電動機電流の大きさ（Ｉ _Ｍ ）を示す電動機電流信号を規定する電流センサ（２０）であり、
   前記ゲート回路（２２，２４，２６，２８）が、全電動機電流信号を受信し、始動時に初期電動機電流（Ｉ _ｉｎｉｔ ）の値を検出および記憶し、前記全電動機電流（Ｉ _Ｍ ）を検出し続け、電動機電流（Ｉ _Ｍ ）が初期電動機電流（Ｉ _ｉｎｉｔ ）の所定の分率まで減少した時に前記スイッチ（１８）をオフにし、前記変更要因は、初期電動機電流に対する瞬時の電動機電流の比率（Ｉ _Ｍ /Ｉ _ｉｎｉｔ ）であること
   を特徴とする電動機始動回路。
2. 保持回路（２４）が、前記電動機を通る全電流の開始時に得られる前記初期電動機電流（Ｉ_ｉｎｉｔ）を示す前記信号の値を検出および保持することをさらに特徴とする請求項１記載の電動機始動回路。
3. 主運転巻線（１２）および補助始動巻線（１４）を有する形式の単相交流誘導電動機の電動機始動回路であって、ここにおいて、前記補助始動巻線（１４）と直列のスイッチ（１８）は、電動機を始動するために交流電流が補助巻線を流れ得るようにし、その後、電動機が運転を開始した時に補助巻線を通る交流電流を遮断するものであり；
   センサ（２０）は、前記補助始動巻線に加えられる所定の電力パラメータ(ＩまたはＶ)の値を検出し、前記電力パラメータの検出された値を示す信号を規定するものであり；、
   ゲート回路（２２，２４，２６，２８；３２，３４，３６；４２；４８,５０）は、前記センサ（２０または３０）から検出された値の信号を受信し、前記検出された値の信号をもとに前記スイッチ（１８）をオフにするために前記スイッチ（１８）のゲートに接続される電動機始動回路において、
   前記ゲート回路が、前記電力パラメータの予め調整された値(ＶまたはＩ)を問わず、始動後に生じる前記電力パラメータにおける変更要因（Ｖ _Ｍ /Ｖ _init ;Ｉ _Ｍ /Ｉ _init ;ｄＶ/ｄｔ;またはｄＩ/ｄｔ）を測定するために作動し；
   前記変更要因が基準点に達したときに前記スイッチ（１８）をオフにするために作動する電動機始動回路において、
   前記センサは、前記補助巻線（１４）全体の電圧を検出し、検出された電圧の大きさを示す電動機電圧信号（Ｖ_Ｍ）を規定する電圧センサ（３０）であり、
   前記ゲート回路（３２，３４，３６）が、電流の大きさや電圧の大きさの事前調整に関係なく、前記電動機電圧信号を受信し、電動機電流の流れの開始時に初期補助巻線電圧（Ｖ_ｉｎｉｔ）に対応する値を検出および記憶し、前記補助巻線電圧（Ｖ_Ｍ）を検出し続け、補助巻線電圧（Ｖ_Ｍ）が初期補助巻線電圧（Ｖ_ｉｎｉｔ）を超えて前記所定の分率まで達した時に前記スイッチ（１８）をオフにし、前記変更要因は、初期補助巻線電圧に対する瞬時の補助巻線電圧の比率（Ｖ_Ｍ/Ｖ_ｉｎｉｔ）であること
   を特徴とする電動機始動回路。
4. サンプルホールド回路（３２）が、前記初期電動機電圧（Ｖ_ｉｎｉｔ）を示す前記信号の値を検出し保持することを特徴とする請求項３記載の電動機始動回路。

Images