JP4773299B2 - モータのソフトスタート回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電動工具などに適用され、モータのスタート時における衝撃を緩和するソフトスタート回路に関する。

例えば５００Ｗ乃至２ｋＷの比較的大型の電動工具は、起動時に大きな突入電流がモータに流れる。このため、電動工具が接続された電源系統の電圧が降下したり、電動工具が急激に動作し、操作者に衝撃を及ぼして操作性を劣化したりする原因となっている。そこで、起動時の電源系統の電圧降下や衝撃を低減するため、モータのソフトスタート回路が種々開発されている。

例えばダイオードブリッジの入力端にモータ、トライアック、及びトライアックのゲートを制御するトリガ素子及び第１のコンデサが接続され、ダイオードブリッジの出力端に制御時間を決定する第２のコンデンサが接続され、第２のコンデンサの端子電圧が小さい状態でも、第１のコンデンサへの充電電流を確保できるように、ダイオードブリッジの出力端と第２のコンデンサの間にツェナーダイオードを接続することにより、スイッチを投入してから操作者が違和感のない時間内に負荷を起動させるモータのソフトスタート回路が開発されている（例えば特許文献１参照）。

また、例えばダイオードブリッジの入力端にモータ、トライアック、及びトライアックのゲートを制御するトリガ素子及び第１のコンデサが接続され、ダイオードブリッジの出力端に接続された遅延回路と、この遅延回路を構成する第２のコンデンサの放電を制御する放電回路とを用いることにより、ソフトスタートに要する時間より短いサイクルで操作が繰り返された場合においてもソフトスタートでき、定格回転数を発生できる電動機の起動装置が開発されている（例えば特許文献２参照）。
特開平１０−１２７０７３号公報 特開平１０−２４３６７１号公報

ところで、電動工具のソフトスタート回路は、起動時に突入電流を低減し、操作者に対する衝撃を軽減できることは勿論であるが、スイッチを投入してから最大トルクを発生するまでの時間が長い場合、操作者に違和感を与えることとなり、操作性が悪い。このため、ソフトスタートを維持して、起動時におけるトライアックの最小導通角から、最大導通角までの遅延時間を適切に設定できることが必要である。

しかし、従来の回路は、起動時の最小導通角、最大導通角、及び遅延時間をそれぞれ最適に設定することが困難であった。

本発明は、起動時の最小導通角、最大導通角、及び遅延時間をそれぞれ最適に設定することが可能なモータのソフトスタート回路を提供しようとするものである。

本発明のモータのソフトスタート回路の態様は、第１、第２の端子及び第１のゲートを有し、前記第１の端子が電源、スイッチ及びモータを介して前記第２の端子に接続され、前記第２の端子と前記第１のゲートが全波整流回路の入力端に接続された双方向の第１のスイッチ素子と、アノード、カソード及び第２のゲートを有し、前記アノードとカソードが前記全波整流回路の出力端に接続された第２のスイッチ素子と、前記全波整流回路の出力電圧が供給され、一定電圧を発生するツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードにより発生された電圧により充電される第１のコンデンサを有する位相回路と、アノード、カソード及び第３のゲートを有し、アノードが前記位相回路に接続され、カソードが前記第２のスイッチ素子のゲートに接続され、前記スイッチの投入時、前記位相回路の出力電圧がブレークオーバー電圧に達したとき導通される第３のスイッチ素子と、アノードが前記第３のスイッチ素子の前記第３のゲートに接続されたダイオードと、前記第１のコンデンサより大きな容量を有し、前記ツェナーダイオードにより発生された電圧により充電される第２のコンデンサと、このコンデンサの充電電圧を分圧する抵抗とを有し、前記抵抗により分圧された前記充電電圧が前記ダイオードのカソードに供給され、前記ダイオードの導通タイミングを制御する点弧制御回路とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、起動時の最小導通角、最大導通角、及び遅延時間をそれぞれ最適に設定することが可能なモータのソフトスタート回路を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るモータのソフトスタート回路を示している。図１において、例えばトリガスイッチ１１の一端は、例えば交流の整流子モータ交流電源１２、双方向サイリスタ、例えばトライアック１３、交流電源１４を介してスイッチ１１の他端に接続されている。トライアック１３の端子Ｔ２とトライアック１３のゲートＧは、ダイオードブリッジＤＢの入力端に接続されている。

ダイオードブリッジＤＢの一方出力端は、例えばサイリスタ１５のアノードＡに接続され、このサイリスタ１５のカソードＫは、ダイオードブリッジＤＢの他方出力端に接続されている。さらに、ダイオードブリッジＤＢの一方及び他方出力端間には抵抗Ｒ１と定電圧を発生するツェナーダイオードＺＤが直列接続されている。

抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＺＤのカソードとの接続ノードは、抵抗Ｒ２を介してトリガ素子１６のアノードＡに接続されている。このトリガ素子１６は、例えばシリコン・バイラテラル・スイッチ（ＳＢＳ）である。このトリガ素子１６は、図１の破線内に示すように、複数のトランジスタとツェナーダイオードを含む回路に代えることも可能である。トリガ素子１６のカソードＫはサイリスタ１５のゲートＧに接続されている。

さらに、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＺＤのカソードとの接続ノードは、ダイオードＤ１のアノードに接続され、このダイオードＤ１のカソードは、抵抗Ｒ３、Ｒ４を介してダイオードＤ２のカソードに接続されている。このダイオードＤ２のアノードはトリガ素子１６のゲートＧに接続されている。

抵抗Ｒ２とトリガ素子１６のアノードＡの接続ノードと、ダイオードブリッジＤＢの他方出力端との間には、コンデンサＣ１が接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続ノードとダイオードブリッジＤＢの他方出力端との間には、コンデンサＣ２が接続されている。抵抗Ｒ４とダイオードＤ２のカソードとの接続ノード、及びダイオードブリッジＤＢの他方出力端との間には、抵抗Ｒ５が接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４には、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ３の直列回路が並列接続されている。

前記抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１は位相回路２１を構成する。この位相回路２１及びトリガ素子１６は、トライアック１３の初期導通角を決定する回路であり、トライアック１３の初期導通角は、コンデンサＣ１の電圧とトリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１により決定される。

コンデンサＣ２と抵抗Ｒ４、Ｒ５は、トリガ素子１６の点弧タイミングを制御する点弧制御回路２２を構成している。この点弧制御回路２２は、トライアック１３の最大導通角と、初期導通角から最大導通角までの遅延時間を決定する。すなわち、最大導通角は、コンデンサＣ２の電圧、すなわち、Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ５）の分圧電圧により決定され、この分圧電圧が、トリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１よりダイオードＤ２の順方向電圧分小さい電圧になると、ダイオードＤ２が導通する。このため、トリガ素子１６はゲートＧに供給されるトリガ電圧Ｖｓ２により制御される。また、トライアック１３の初期導通角から最大導通角までの遅延時間は、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ４、Ｒ５の時定数Ｃ２Ｒ４Ｒ５により決定される。

尚、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量の関係は、Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３（例えばＣ１：０．１μＦ、Ｃ２：２２μＦ、Ｃ３：１００μＦ）に設定され、抵抗Ｒ２〜Ｒ６の関係は、例えばＲ３＝Ｒ６＜Ｒ５＜Ｒ４＝Ｒ２に設定されている。

上記構成において、図２、図３を参照して図１に示す回路の動作について説明する。

スイッチ１１がオンされると、トラアック１３に交流電源１４から電源が印加される。ダイオードブリッジＤＢの出力端から、図２（ａ）に破線で示すように、全波整流された電圧が出力される。この電圧が抵抗Ｒ１を介してツェナーダイオードＺＤに供給される。交流電圧の半波に対応して、ツェナーダイオードＺＤが、図２（ａ）に示すような、台形状の一定電圧（ツェナー電圧）Ｖｚを発生する。この電圧Ｖｚは、交流電源の電圧変動にも影響を受けることがなく、回路を安定動作させる。

スイッチ１１投入時の初期導通角は、トリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１と、位相回路２１としての抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１の時定数Ｒ２Ｃ１により決定される。すなわち、スイッチ１１が投入されると、ツェナー電圧Ｖｚにより、コンデンサＣ１が充電される。図２（ｂ）において、Ｖｃ１は、コンデンサＣ１の充電電圧を示している。

コンデンサＣ１の充電電圧がトリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１（例えば８Ｖ）に達すると、トリガ素子１６が導通し、サイリスタ１５のゲートＧにトリガ電圧が供給される。このため、サイリスタ１５が導通する。これに伴い、トライアック１３は、図２（ｃ）に示すように、最小導通角によりターンオンする。したがって、モータ１２がソフトに起動される。

トリガ素子１６のゲートＧは、抵抗Ｒ５の両端電圧によりオン、オフが制御されるダイオードＤ２により制御される。しかし、スイッチ１１の投入時、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ６、コンデンサＣ３を通してダイオードＤ２のカソードに供給される電圧は、抵抗Ｒ３を通してコンデンサＣ２に充電され、抵抗Ｒ４を通して抵抗Ｒ５に放電される電圧に重畳される。このため、ダイオードＤ２のカソードに供給される電圧は、図２（ｂ）に示すように、トリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１よりも十分に高い。したがって、ダイオードＤ２は逆方向にバイアスされて、オフしているため、トリガ電圧（Ｖｓ１）は変化しない。このように、スイッチ１１の投入時において、トリガ素子１６は位相回路２１により制御されている。

一方、スイッチ１１の投入後、トライアック１３が最小導通角で動作すると、ツェナー電圧が発生される時間（トライアックのオフ時間）が、図２（ａ）に左向きの矢印で示すように短くなる。これに伴い、抵抗Ｒ５の両端に発生する電圧も、図２（ｂ）に示すように、徐々に低下してくる。

抵抗Ｒ５の両端電圧が、トリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１よりもダイオードＤ２の順方向電圧、例えば０．６Ｖ分低い電圧になると、ダイオードＤ２がオンする。このため、トリガ素子１６は、ゲートＧの電圧により導通制御され、ブレークオーバー電圧Ｖｓ１より低い電圧で導通され、トリガ素子１６は、ブレークオーバー電圧Ｖｓ１より低い電圧において、コンデンサＣ１を放電させるようになる。したがって、サイリスタ１５及びトライアック１３の導通角が拡大することとなる。

ブレークオーバー電圧がＶｓ１からＶｓ２に至るスピード（遅延時間）は、使用する電動工具の負荷の慣性力に整合され、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ４、Ｒ５の値により決定される。このため、操作者に違和感を与えることがない。

上記のように導通角が次第に大きくなり、定常時（最大導通角時）となると、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ３を通してコンデンサＣ２に充電された電圧をＲ４／（Ｒ４＋Ｒ５）に分圧した直流電圧に、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ３により生成されたパルス状の電圧が重畳された電圧の最大値により、トリガ素子１６のゲートに供給されるトリガ電圧Ｖｓ２が決定される。このように、トリガ素子１６の点弧電圧がブレークオーバー電圧Ｖｓ１から、トリガ電圧Ｖｓ２に次第に低下され、最終的にトリガ電圧Ｖｓ２により、図２（ｃ）に示すトライアック１３の最大導通角が保持される。

図３（ａ）は、起動後モータに印加される電圧と、モータの回転数との関係を示し、図３（ｂ）は、モータに供給される電流と時間の関係を示している。図３（ａ）（ｂ）に示すように、スイッチ１１を投入後、トライアック１３は最小導通角によりモータを起動する。このため、図３（ｂ）に破線で示すような、突入電流が抑制され、モータがソフトスタートされる。スイッチ１１を投入後、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ４，Ｒ５の時定数により設定された、例えば２乃至３秒が経過すると、トライアック１３は最大導通角となり、モータには、定常電流が印加される。

上記実施形態によれば、起動時は、トリガ素子１６のブレークオーバー電圧Ｖｓ１と抵抗Ｒ２、コンデンサＣ１とにより決定される初期導通角により、モータをソフトスタートすることができる。このため、操作者に衝撃を与えることがなく、また、電動工具と同一の電源系統の電圧降下を防止できる。

また、起動後は、コンデンサＣ２の充電電圧を抵抗Ｒ４、Ｒ５により分圧した抵抗Ｒ５の両端電圧により、トリガ素子１６のゲートＧに供給されるトリガ電圧Ｖｓ２を制御して、トライアック１３の最大導通角を保持している。しかも、起動時から最大導通角までの遅延時間は、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ４、Ｒ５の時定数により容易に設定することができる。このため、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ４、Ｒ５の時定数を適宜設定することにより、ソフトスタート後、操作者に違和感を与えることなく、トライアック１３の最大導通角を設定することができる。

さらに、トリガ素子１６のゲートＧに供給されるトリガ電圧Ｖｓ２は、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ４、Ｒ５、及びコンデンサＣ３、抵抗Ｒ３、ダイオードＤ２により容易且つ高精度に制御することができる。このため、最小導通角から最大導通角までの遅延時間をモータの負荷の慣性力に応じて容易に設定することができる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。

本発明の実施形態に係るモータのソフトスタート回路を示す回路図。 図１に示す回路の動作を示す波形図。 図１に示す回路の動作を示す波形図。

符号の説明

１２…モータ、１３…トライアック、ＤＢ…ダイオードブリッジ、１５…サイリスタ、１６…トリガ素子、ＺＤ…ツェナーダイオード、２１…位相回路、２２…点弧制御回路、Ｒ１〜Ｒ６…抵抗、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード。

Claims (2)

1. 第１、第２の端子及び第１のゲートを有し、前記第１の端子が電源、スイッチ及びモータを介して前記第２の端子に接続され、前記第２の端子と前記第１のゲートが全波整流回路の入力端に接続された双方向の第１のスイッチ素子と、
   アノード、カソード及び第２のゲートを有し、前記アノードとカソードが前記全波整流回路の出力端に接続された第２のスイッチ素子と、
   前記全波整流回路の出力電圧が供給され、一定電圧を発生するツェナーダイオードと、
   前記ツェナーダイオードにより発生された電圧により充電される第１のコンデンサを有する位相回路と、
   アノード、カソード及び第３のゲートを有し、アノードが前記位相回路に接続され、カソードが前記第２のスイッチ素子のゲートに接続され、前記スイッチの投入時、前記位相回路の出力電圧がブレークオーバー電圧に達したとき導通される第３のスイッチ素子と、
   アノードが前記第３のスイッチ素子の前記第３のゲートに接続されたダイオードと、
   前記第１のコンデンサより大きな容量を有し、前記ツェナーダイオードにより発生された電圧により充電される第２のコンデンサと、このコンデンサの充電電圧を分圧する抵抗とを有し、前記抵抗により分圧された前記充電電圧が前記ダイオードのカソードに供給され、前記ダイオードの導通タイミングを制御する点弧制御回路と
   を具備することを特徴とするモータのソフトスタート回路。
2. ダイオードは、前記抵抗により分圧された前記充電電圧が、前記第３のスイッチ素子のブレークオーバー電圧より前記ダイオードの順方向電圧分低下したとき導通し、前記第３のスイッチ素子のゲートに供給されるトリガ電圧を制御することを特徴とする請求項１記載のモータのソフトスタート回路。

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