JP5467848B2 - 低電力電動モータ始動装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００８年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６１／２００，６４８号に基づく優先権を主張する。

本発明は、概して電動モータ始動装置に関し、特に、冷凍機コンプレッサモータとともに使用される、低電力の正の抵抗温度特性（ＰＣＴ）モータ始動装置に関する。

単相ＡＣモータは、主巻線と、モータの始動に使用される補助巻線もしくは始動巻線とを有する。モータが選択された速度に到達したときに、始動巻線を切断するための様々な手段が採用されてきた。例えば、遠心メカニズムや電流継電器であり、最近では、時間や種々のモータ動作パラメータに対応する半導体電子回路である。

そのような手段について、電気−機械装置には、何年間も摩耗にさらされて信頼性に悪影響を与えるという不利益があり、半導体電子回路は、比較的高価であり、その信頼性は明らかになっていない。

１９７１年に登録された特許文献１において、ＰＴＣ抵抗を始動巻線に直列に接続することは公知であり、ＰＴＣ抵抗は、始動巻線を流れる電流によって加熱され、当該電流は、ＰＴＣ抵抗の抵抗を増加させ、始動巻線の電流を所定期間内に低レベルに減少させる。しかしながら、連続的な電流の流れは、比較的低レベルであったとしても非効率的であり、電力の損失を表す。さらに、ＰＴＣ抵抗は連続的に加熱されるので、モータの再始動が望まれた場合にＰＴＣ抵抗が未だ動作を遮断するモードであるならば、問題である。

特許文献２は、始動巻線および始動巻線を非活性化するためのトライアックに直列に接続されたＰＴＣ抵抗を開示する。この装置では、トライアックのゲート端子は、電流検出回路を含む制御回路に接続される。モータ始動装置は、ＰＣＴ抵抗を効果的に非活性化し、始動後に始動巻線を本質的に除去することによって低電力を供給するが、この始動装置は、電流変換器を使用し、比較的高額である。

また、始動後に始動巻線を効果的に除去するため、始動巻線に直列に接続されたトライアックのゲート回路にリードスイッチを使用することが知られている。特許文献３において、トライアックは始動巻線に接続され、リードスイッチはトライアックのゲート端子に接続される。リードスイッチは、モータの組み合わせられた始動および主巻線の電流を受け取るセンスコイルを有する。モータは、同時に発生するより低い主巻線電流によって同期する速度に達するとき、リードスイッチのコンタクトは開いてトライアックをターンオフさせ、これにより、始動巻線を流れる電流を取り除く。しかしながら、この始動装置は、典型的に冷凍庫コンプレッサに使用される抵抗始動モータではなく、キャパシタ始動モータで使用されるように設計されている。

米国特許第３，６００，６５６号 米国特許第７，０６１，２０４号 米国特許第４，３０７，３２７号

本発明の目的は、特に、モータが同期速度に達するときに、始動巻線の電流を除去する抵抗始動(resistance start)冷凍機コンプレッサモータに有用な低コストのモータ始動装置を提供することである。本発明の他の目的は、モータの始動後に不必要な始動巻線の電流を取り除くことにより省電力となる低コストのモータ始動装置を提供することである。

簡潔に述べると、本発明の好ましい実施例によれば、双方向のサイリスタもしくはトライアックおよびＰＴＣ抵抗は、互いにかつ単相の抵抗始動ＡＣモータである始動巻線と直列の関係で接続される。電流応答性リードスイッチは、第１および第２の接点を有し、第１の接点は、トライアックのゲートに接続され、第２の接点は、ＰＴＣ抵抗とトライアックの第２の主端子との中間地点に接続される。リードスイッチは、センスコイルを有し、本発明の好ましい１つの実施例では、センスコイルは、主巻線に直列に接続され、かつリードスイッチと緊密な磁気的結合する関係で配置される。第２の好ましい実施例では、センスコイルは、主巻線および始動巻線の双方に接続される。双方の実施例において、キャパシタは、トライアックのゲート端子に接続され、主巻線電流のゼロ交差期間中にゲートへの電流の流れを維持し、また、後述されるように、ＡＣバイアス電圧を発生させるための小型のバイアス抵抗は、トライアックの第１の主端子に接続される。電流を制限する抵抗はまた、トライアックのゲートとリードスイッチの第２の接点とに接続される。トライアックのゲートに接続された抵抗はまた、キャパシタとともに、位相シフトネットワークとして機能する。

モータを始動するときの主巻線の初期電流は、リードスイッチが閉じるのに十分な磁界を生成させ、始動巻線電流を流させる。モータが同期速度に到達すると、ＰＴＣ抵抗は、加熱され、抵抗を増加させ、次いで、始動巻線電流を減少させる。主巻線電流は、安定状態へ減少され、フルスピードレベルは十分に低く、センスコイルで生成された磁界は、主巻線電流の各ゼロ交差で開くリードスイッチを作動させるには不十分となる。一旦、始動巻線電流が、トライアックの保持電流よりも小さくなると、トライアックはオフし、始動巻線電流はゼロに固定される。

好ましくは、電流を制限する抵抗は、リードスイッチ接点に接続され、キャパシタへの突入電流を制限し、リードスイッチとトライアックのゲート電流を減少させる手助けをする。他の電流を制限する抵抗は、好ましくは、トライアックのゲートに接続され、特に、ゲートがキャパシタによって供給される時点での主巻線のゼロ交差期間中に電流を制限する。上記したように、キャパシタとともにゲート抵抗は、抵抗Ｒ３によって発生されたＡＣ信号の位相シフト機能を実行する。キャパシタは、ゲート信号の位相シフトを提供し、始動時にトライアックへの電流の流れを維持する。なぜなら、これらの同位相期間中には、十分な始動巻線電流も十分なゲート信号も、トライアックをオンに保つために存在しないであろうし、このことは、トライアックとリードスイッチ間の不所望な電圧のスパイクおよびトライアックとリードスイッチを通る不所望な電流スパイクの原因となるであろう。

添付の図面において、本発明の様々に実現可能である好ましい実施例のうちの２つが説明される。
図１は、本発明の第１の好ましい実施例の回路図である。 図２は、本発明の第２の好ましい実施例を示す、図１と類似の回路図である。 好ましい実施例の回路と類似するが、ある構成要素を欠いた回路の電流と電圧波形のトレース（走査（sweeps）＝50000points −20usec/pt）である。 好ましい実施例の回路と類似するが、ある構成要素を欠いた回路の電流と電圧波形のトレース（走査（sweeps）＝50000points −20usec/pt）である。 好ましい実施例の回路と類似するが、ある構成要素を欠いた回路の電流と電圧波形のトレース（走査（sweeps）＝50000points −20usec/pt）である。 図３から図５の波形と類似しているが、第１の好ましい実施例の波形を示す。 図３から図５の波形と類似しているが、第２の好ましい実施例の波形を示す。 対応する参照文字は、図面を通して対応する部分を表す。

図１に関して、単相抵抗始動ＡＣモータは、本発明の第１の好ましい実施例に従って成されたモータ始動装置が効果的に使用されることができるものであり、当該モータは、始動巻線４に並列に接続され、かつラインＬ１およびＬ２を介して適切な交流電源に接続された主巻線２を有する。始動巻線４は、電源ラインＬ１に接続され、次いでＰＴＣ抵抗１２と、２つの主端子Ｔ１、Ｔ２およびゲートＴ３を有する、双方向サイリスタもしくはトライアック１４とに直列に接続される。リードスイッチ１６は、主巻線２とラインＬ２とに直列に接続されかつノーマリオープンのリードスイッチ接点１６ｂ、１６ｃに磁気的に結合する状態で近接して配置されたコイル１６ａを有し、接点１６ｂ、１６ｃは、互いに接触しまたは非接触となるように動くことができる。リードスイッチ接点１６ｂは、ＰＴＣ抵抗１２とトライアック１４との中間位置に接続される。リードスイッチ接点１６ｃは、好ましくはリードスイッチ抵抗Ｒ２を介してゲート端子Ｔ３に接続される。好ましくは、キャパシタＣ１は、抵抗Ｒ２を介してゲート端子Ｔ３に接続され、抵抗Ｒ３は、主端子Ｔ１に接続される。所望であれば、任意の運転用キャパシタＣ２が、ＰＴＣ抵抗１２、トライアック１４および抵抗Ｒ３を跨いでＡＣ電力源のリターンラインＬ２に接続されることができる。

トライアックの主端子Ｔ１に直列に接続された抵抗Ｒ３は、ＡＣバイアス電圧（そこを流れる始動巻線ＰＴＣ電流によって生じる）をゲート抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ１に提供し、抵抗Ｒ２はキャパシタに充電電流を提供する。トライアックのゲート（トライアックの主端子Ｔ１）の電圧基準点をニュートラルな基準電位を超えてまたはそれより低いＡＣ電位に変化させるようなことが考えられ得る。抵抗Ｒ３がなければ、キャパシタ電圧は、ずっと小さくかつゲートと端子Ｔ１間のトライアック順方向電圧降下と同位相にあり、その結果、トライアックは、不十分なゲート電流および電圧により、始動巻線ＰＴＣ電流の各ゼロ交差での時間期間で遮断する。端子Ｔ１と直列に接続された抵抗Ｒ３によって、そこを流れる始動巻線ＰＴＣ電流から生成されるＡＣバイアス電圧は、トライアックゲート抵抗Ｒ２を介してキャパシタを充電する。始動巻線ＰＴＣ電圧信号の位相シフトは、ゲート抵抗とキャパシタのＲ−Ｃネットワークにより生じる。この位相電圧のずれとキャパシタの増加された電圧レベルは、Ｔ２電流が最小保持電流未満に降下するときにトライアックが遮断する始動巻線ＰＴＣ電流のゼロ交差での適切なゲート電圧／電流をトライアックへ提供する。この増加されたゲート電圧／電流は、トライアックがターンオフした直後にトライアックをターンオンさせ、これにより、トライアックの遅延されたターンオンを防止する。

モータ始動中の主巻線の初期電流は、リードスイッチ接点１６ｂと１６ｃとが閉じるのに十分な強力な磁界をセンスコイル１６ａに生じさせ、それにより、トライアック１４のゲートは、トライアック１４を作動させて始動電流が流れるのに十分な電圧および電流を有することができる。リードスイッチ１６は、主巻線電流がリードスイッチ接点の離脱電流未満に下降するときに開かれる；こうして、キャパシタＣ１は、抵抗Ｒ２、トライアック端子Ｔ１とＴ３、および抵抗Ｒ３を介して放電される。これは、トライアックがターンオフした直後にトライアックをターンオンさせるべく、適切なゲート電流および電圧を提供する。

モータが回転されるようになり、始動巻線電流は、同時に発生する抵抗の増加でＰＴＣ抵抗１２の自己加熱により減少し、主巻線電流は、安定状態に減少し、フル回転レベルは、センスコイル１６ａで発生された磁界が低すぎてリードスイッチを作動させることができなくなるように十分に小さくなる。その結果、トライアックの保持電流未満の始動巻線電流の降下の後に、トライアック１４はもはやゲートされず、始動巻線電流は、ゼロに固定される。

抵抗Ｒ１は、キャパシタＣ１への突入電流を制限するよう機能し、また、リードスイッチとトライアックゲートの電流を減少させるよう機能する。抵抗Ｒ２は、前述したように、キャパシタＣ１とともに位相シフト機能を提供する位相シフトを提供し、同時に、特にリードスイッチが主巻線電流のゼロ交差で開く期間中にゲート電流を制限する。その時点で、ゲート信号は、キャパシタＣ１によって供給される。キャパシタＣ１の位相は、ゲート信号をシフトさせ、始動位相中に、トライアックのゲートへの電流の流れを維持する。これは、始動の際に、始動巻線電流と主巻線電流間に生じる同位相の関係のために必要である。なぜなら、これらの同位相の期間中に、十分な始動巻線電流も、十分なゲート信号も、トライアックのオンを保つためには存在しないであろう。位相シフトされたゲート信号なしでトライアックの繰返されるオン、オフのスイッチングは、図３に示すように、トライアックとリードスイッチ内のまたはそれらを跨いで、電圧および電流のスパイクを生じさせる。図３は、図１に示すタイプのモータ始動装置の電圧および電流のトレースであるが、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ３を有していない。抵抗Ｒ３は、図４および図６に参照されるように、ゲート信号の適切なシフトおよび適切な装置動作のために必要であることが理解された。図４は、キャパシタＣ１を有する点以外は、図３と同一の始動装置のトレースであり、図６は、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ３の双方を有する電圧および電流のトレースである。抵抗Ｒ３は、例えばニクロムのようなヒーター線によって形成される。

第１の好ましい実施例に従って成されたモータ始動装置は、下記の構成を有する。
Ｒ１＝６８０Ω、１／４ワット
Ｃ１＝４７マイクロファラッド、６．３ボルト（ディップされた放射状のセラミック）
Ｒ２＝１００Ω、１／４ワット
Ｒ３＝０．３Ω、１５ワット（ヒータワイヤ）
トライアック＝ＭＡＣ２２８Ａ８Ｇ（ＯＮ 半導体）
リードスイッチ＝ＭＬＲＲ−４、１７−２３（Hamlin）

図３のトレースに関し、検査は、電圧および電流に多くのスパイクを有する粗い（起伏のある）始動であることを明らかにしている。図４は、キャパシタＣ１を追加した点を除いて、図３と同一のモータ始動装置の、類似の波形を示す。再び、図５の波形に、多くの電圧および電流のスパイクが見られる。図５は、キャパシタＣ１が使用されておらず、抵抗Ｒ３が含まれること以外は、図３で使用されたものと同じモータ始動装置である。さらに再び、多くの電圧および電流のスパイクがある。図６は、図１で示したタイプの、すなわちキャパシタＣ１と抵抗Ｒ３の双方を含むモータ始動装置の電圧波形および電流波形である。これらの波形では、本質的に電圧および電流のスパイクは表れない。

図２は、センスコイル１６ａが主巻線と始動巻線の結合された電流を受け取るモータ始動回路に使用される、図１と同一のモータ始動装置を示す。この場合もまた、図７のトレースは、本質的に電圧または電流波形のいずれにもスパイクを示していない。図２のモータ始動装置は、主巻線および始動巻線の結合された電流がリードリレー１６に供給されているという点を除いて図１のモータ始動装置と同じものであり、図２の説明のために上記の図１の説明が用いられることができる。

本発明は、特定の好ましい実施例を用いて説明されたが、変更および修正が当業者にとっては明らかとなる。例えば、所望であれば、リードスイッチコイルを、電力源のニュートラルもしくはリターンレッグ（return leg）に配置することも本発明の範囲内である。それゆえ、添付の請求項が、すべてのそのような変更および修正を含よう、先行技術を考慮して、可能な限り広範囲に解釈されるのが本発明である。

Claims (5)

1. 並列に接続された主巻線および始動巻線と、前記主巻線および始動巻線に接続されたニュートラルを含みかつＡＣ電力源に接続されるように適合された電力ラインとを有するＡＣモータの始動巻線を制御するための装置であって、
   第１および第２の主端子およびゲート端子を有するトライアックと、
   第１および第２の主端子の１つに直列に接続され、前記始動巻線と接続するよう適合されたＰＴＣ抵抗と、
   第１および第２端子を有する電流応答リードスイッチと、
   前記ゲート端子と前記電力ライン間に接続されたキャパシタとを有し、
   前記リードスイッチの第１の端子は、前記ＰＴＣ抵抗と前記トライアックとの中間に接続され、前記リードスイッチの第２端子は、前記キャパシタに接続され、前記トライアックのゲート端子は、前記リードスイッチと前記キャパシタとの中間地点に接続されており、
   さらに前記トライアックの他方の主端子と前記電力ラインとの間に接続されたバイアス抵抗と、
   前記リードスイッチの近傍に配置され、前記主巻線に接続するよう適合されたセンスコイルと、
   を有する装置。
2. 前記センスコイルは、前記主巻線に直列に接続するよう適合させる、請求項１に記載の装置。
3. 前記センスコイルは、前記主巻線と前記始動巻線の双方に接続するよう適合される、請求項１に記載の装置。
4. 前記トライアックの他方の主端子に接続されたバイアス抵抗は、ヒーター線から形成される、請求項１に記載の装置。
5. 前記ヒーター線がニクロムから構成される、請求項４に記載の装置。

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