JPH0479209B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は３相交流モータが欠相、反相によつて
損傷などの事故発生につながるのを未然に防止す
るための欠相・反相保護装置に関する。

（従来の技術） ３相交流電機回路に使用する保護装置として欠
相・反相保護装置があることは従来より周知であ
る。

例えば従来の3E継電器には、第９図に要部示
すように、欠相・反相検出回路にCR移相回路を
採用したものがあるが（昭和50年12月25日発行、
電気計算（臨時増刊）548号（第43巻第16号）の
第199頁乃至201頁参照）、この回路方式では周波
数によつて位相が変化するために、定まつた周波
数でないと適正に機能せず、50ヘルツ、60ヘルツ
各々に専用となる不便さがあり、これを両用形に
しようとすれば取扱いの厄介な切替装置を別途設
けなければならず、さもなければ保護装置として
の検出機能の低下を許容しなければならないとい
う問題を生ずるのである。

また３相回路において欠相が生じるパターンと
しては第５図に示す５通りがあり、そのうちのハ
に示すモータ巻線内での断線等の場合にあつて
は、３相配線中に流れる電流が不平衡となつて位
相ズレを生じるだけであるが、この場合も広義の
欠相状態としてこれを検出してモータ保護のため
の出力を発する必要がある。しかし従来の零電流
検出方式の欠相保護装置では、ある相の電流値が
零とみなせる場合にのみ欠相検出が可能であつた
ので、上記不平衡に伴う欠相状態の検出はでき
ず、欠相時のモータ保護の完全を図ることは不可
能であつた。

（発明が解決しようとする課題） かかる実状に対処して本発明は成されたもので
あつて、周波数の変動に左右されることなく、あ
らゆる種類の異常現象にもどつく欠相・反相に対
しその確実な検出と保護作動を可能となすことに
より、信頼性の高い欠相・反相保護装置を提供
し、これにより３相交流モータの長寿命化を果さ
しめることを本発明は目的とする。

（課題を解決するための手段） そのために本発明は第１図に構成を概要示して
なる如く、３相交流電源回路と３相交流モータＭ
とを接続する３相（Ｒ、Ｔ、Ｓ各相）の配線に変
流器１−₁，１−₂，１−₃の３個を夫々設けてＲ
相電流、Ｔ相電流、Ｓ相電流を個別に検出可能と
なす一方、それ等変流器１−₁，１−₂，１−₃に
対応させて、各２次側端子に入力端を夫々接続せ
しめたゼロクロスパルス発生回路２−₁，２−₂，
２−₃を設けて、Ｒ相電流、Ｓ相電流、Ｔ相電流
の各入力電流（正弦波電流）における瞬時値が変
化する過程で零値になるのに同期してパルスP_T1，
P_T2……、P_S1，P_S2……，P_R1，P_R2…（第２図参
照）例えば方形波パルスを発信せしめる。

この各ゼロクロスパルス発生回路２−₁，２−
_２，２−₃の出力端子に入力端を関連させたインタ
フエースと、計時手段３例えば電子カウンタと、
演算手段４とからなる演算処理装置例えばマイク
ロコンピユータを設けると共に、前記インタフエ
ースの出力端を出力部５例えばリレー回路を介し
前記３相交流モータＭに連結せしめている。

前記計時手段３はゼロクロスパルス発生回路２
−₁，２−₂，２−₃からのパルス受けるとパルス
に対応する相を判別して、パルスP_R1、P_R2……の
場合はＲ相、パルスP_T1，P_T2……の場合はＴ相、
パルスP_S1，P_S2……の場合はＳ相を夫々判別する
と共に、選定した基準相分例えばＲ相分のパルス
P_R1が発信された時点から計時を行ない、基準相
以外の他の２相分（Ｔ相、Ｓ相）のパルスP_T1，
P_S1が発信されたときの各経過時間（t₀₁）、（t₀₂）
と、その後に交流電源の基準相の半サイクル経過
によつてパルスP_R2が発信されたときの経過時間
（t₁）を計時してこの時計結果を演算手段４に伝
える。

上記演算手段４は、前記経過時間（t₀₁）、（t₀₂）
の長短関係が、正常な相回転すなわちＲ、Ｓ、Ｔ
の順のとき（第２図参照）に前記他の２相のゼロ
クロス点が前記基準相に対して有する位相角に相
当する時間の長短関係に一致しているかを計時手
段３が計時する毎に演算して、不一致であれば反
相信号を発信する一方、一致しているときにはさ
らに短い方の経過時間（t₀₁）の２倍値と長い方
の経過時間（t₀₂）との差及び同じく３倍値と前
記基準相（Ｒ相）との差が許容電流不平衡率例え
ば20％に対応する位相角例えば約20°に相当する
許容時間差（△ｔ）以下であるかどうかを計時手
段３が計時する毎に演算して何れか一方でも許容
時間差（△ｔ）を超えている場合には三相モータ
における巻線内での断線に起因する欠相信号を発
信して出力部５にこの信号を伝える。

なお、上記演算手段４の一致判断及び許容時間
差（△ｔ）との比較判断においては、不一致ある
いは超過が設定した回数連続した場合にのみ次の
反相、欠相関係をみるようにしても、また一回の
不一致あるいは超過により直ちにみるようにして
もよい。

次に、上記出力部５は前記反相信号あるいは前
記欠相信号を受けると例えば前記モータＭ用の電
磁開閉器６を開放するための出力を発し、また、
それに加えて前記各相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）から
のパルスが全く発信されないか、あるいは、いず
れか一相の欠相、トランス一次側の欠相、マイコ
ンの故障等により２相からのパルスが同時に発信
した場合にも欠相状態として電磁開閉器６を開放
するための出力を発する。

（作用） 以上の構成により、本発明はあらゆる場合の欠
相・反相の検出及びモータ保護のための対応が可
能となり、所期の目的を十分達成し得るものとな
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例について添付図面を参照
しつつ詳細に説明する。

第４図は欠相・反相保護装置のブロツク示図で
あつて、３相交流モータＭと３相交流電源回路と
を接続する３相配線すなわちＲ相、Ｓ相、Ｔ相の
各配線に設けた変流器１−₁，１−₂，１−₃と、
それら変流器１−₁，１−₂，１−₃に対応させた
ゼロクロスパルス発生回路２−₁，２−₂，２−₃
と、３相交流モータＭ用の電磁開閉器６が投入さ
れるのに応じて発信する信号S₁を受けるインタフ
エース７と、各ゼロクロスパルス発生回路２−₁
〜２−₃の各パルスP_R，P_S，P_Tの論理和をとる
OR回路８と、該OR回路８の「Ｈ」出力と、前
記信号S₁との論理積をとるAND回路１９と、該
AND回路１９からの出力を受ける入力ポートI₃、
前記各ゼロクロスパルス発生回路２−₁〜２−₃の
各出力を受ける入力ポートI₂，I₁，I₀、後述する
出力部５に反相信号を送る出力ポートO₀、同じ
く出力部５に欠相信号を送る出力ポートO₁の各
ポートを備えたインタフエース９と、各部に直流
電圧を供給するための電源回路１０と、前記計時
手段３及び演算手段４を構成するための要素であ
るクロツク回路１１、CPU１２、ROM１３、
RAM１４からなる中央演算処理部と、OR回路
１５、ドライバ１６−₁〜１６−₃、欠相表示器１
７−₁、反相表示器１７−₂、電磁開閉器６制御用
の出力リレー１８からなる出力部５とを備えてい
る。

しかして、前記中央演算処理部に対する入力信
号としては、３相交流モータＭを付勢するために
電磁開閉器６が投入されると発信する信号S₁、各
ゼロクロスパルス発生回路２−₁〜２−₃の出力及
びAND回路１９の出力の５つの信号があり、イ
ンタフエース７から信号S₁が発せられることによ
り、図示しないがCPU１２に既に行なつている
演算処理はリセツトされ、一方、信号S₁が発信し
ていてゼロクロスパルス発生回路２−₁〜２−₃の
どれか１つがパルスを発信することによつて、入
力ポートI₂，I₀のうちのどれか１つにパルス信号
が入力されると共に、入力ポートI₃に計時を開始
するスタート信号が入力され、かくして中央演算
処理部に演算処理指令が送られるようになる。

そして、後述する作動説明によつて明らかにさ
れるが、中央演算処理部から欠相信号あるいは反
相信号が出力されると、欠相信号が出力された場
合はドライバー１６−₁，１６−₂が作動して欠相
表示器１７−₁の点灯により欠相を表示すると同
時に、出力リレー１８を励磁して電磁開閉器６を
開放し３相交流モータＭを電源から解放して停止
せしめ、一方、反相信号が出力された場合はドラ
イバー１６−₂，１６−₃が作動して反相表示器１
７−₂の点灯により反相を表示すると同時に出力
リレー１８を励磁して、３相交流モータＭを電源
から解放して停止せしめるように作動する。

ところで、反相、欠相の状態を検出するために
上記保護装置がどのように作動するかを第２図に
よつて原理的に説明すると、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相に
設けた変流器１−₁，１−₂，１−₃の出力からゼ
ロクロスパルス発生回路２−₁，２−₂，２−₃よ
りゼロクロスパルスを発生させ中央演算処理部に
入力する。

基準相として選定したＲ相のゼロクロスパルス
P_R1によつて計時手段３例えば電子カウンタを始
動させ、Ｓ相に設けた変流器１−₂に関連するゼ
ロクロスパルス発生回路２−₂及びＴ相に設けた
変流器１−₃に関連するゼロクロスパルス発生回
路２−₃からゼロクロスパルスP_S1及びP_T1が発生
したときにその経過時間を計時して演算手段４に
記憶せしめる。

さらに電子カウンタによつて次にＲ相でゼロク
ロスパルスP_R2が発生したときの経過時間（t₁）
を計時して演算手段に記憶せしめる。

電源側あるいはモータＭ巻線側での欠相や異常
な不平衡状態が生じていない限り、Ｒ相、Ｓ相、
Ｔ相間の出力信号（ゼロクロスパルス）の位相は
一定の関係が成立するものであり、相回転が所定
の方向の正常な場合は電気角で180°に相当する半
周期相当時間（t₁）と電気角で120°の差を有する
Ｓ相における信号発生時の経過時間（t₀₂）との
間には、t₀₂＝２／３t₁、の関係が成立すると共に、 電気角で60°の差を有するＴ相におけ信号発生時
の経過時間（t₀₁）との間には、 t₀₁＝１／３t₁の関係が成立する。

一方、相回転が反対方向の反相の場合は、当
然、 t₀₁＝２／３t₁、t₀₂＝１／３t₁となり、従つてゼロクロ
ス パルス発生時の経過時間（t₀）と発生相との確認
によつて正相であるか逆相であるかの判断を容易
に行なえることは言うまでもない。

この条件は３相回転において平衡状態を保持し
ている場合であつて、例えば電圧不平衡率を２％
まで許容するとすれば（無負荷状態でも検出可能
とするため）、電流不衡率は約20％となり（第３
図参照）、かかる不平衡状態までの相間の位相角
のズレは許容できるものとして位相角の許容差を
計算したところ約20°が得られた。

そこでこの許容位相角に相当する時間（△ｔ）
すなわち20/360×半周期相当時間を前記各時間
（t₁）（t₀₁）、（t₀₂）の関係に加減した値の範囲内
が正相であるか、反相であるかの領域を決定した
ものであつて、それ以外の領域であれば当然欠相
（ある相が完全に電流零となる場合以外のものも
含めた広義の欠相）となるものである。

従つて、これをまとめると、経過時間（t₀₁）、
（t₀₂）の長短関係が、正常な相回転のときに前記
他の２相すなわちＴ相、Ｓ相のゼロクロス点が基
準相（Ｒ相）のゼロクロス点に対して有する位相
角に相当する時間の長短関係に一致しているかを
判断し、さらに短い方の経過時間（t₀₁）と長い
方の経過時間（t₀₂）との間に t₀₂−△ｔ≦2t₀₁≦t₀₂＋△ｔ の関係が設立するか、また、前記経過時間（t₀₁）
と基準相（Ｒ相）の経過時間（t₁）との間に、 t₁−△ｔ≦3t₀₁≦t₁＋△ｔ の関係が設立するかの判断を行なうことにより、
正相、反相、欠相の種別を知ることが可能となる
ものである。

なお、基準相（Ｒ相）に欠相が生じた場合には
計時手段３に対して始動指令が出されないので、
これを欠相状態として処理するようにするもので
ある。

しかして欠相のパターンに関しては前述したよ
うに電源側での欠相側モータ悲での欠相の２通り
があるが、第５図にモータ側での欠相をイ，ロ，
ハで、電源側での欠相ニ，ホで夫々示している通
り５種に区別される。

これらの角パターンによる異常状態は前述の演
算手段によつてどれも確実に検出可能であつて、
これは次に述べる作動説明によつて明らかにされ
る。

以上説明した通りの検出、保護作動を行なう保
護装置において、計時手段３及び演算手段４を包
含する演算処理装置での作動を第６図に示してい
るが、まず入力ポートI₀〜I₃へのデータを読み込
むチエツクイを行なわせ、入力ポートI₃にパルス
信号が入力されたかどうかを判断ロして、入力が
無ければ交流電源の１サイクルを周期とした繰り
返しのチエツク指示ハ，ニ，ホにもとづいて同様
の判断ロを行ない、設定回数N₁すなわち0.5〜３
秒程度の時間に相当する数のチエツクを行なつて
もパルス信号の入力が無ければ２相以上の欠相が
生じているとして、出力ポートO₁を読出してノ、
欠相信号を出力ポートO₁から発する。

一方、パルス信号が入力ポートI₃に入力された
ことを判断ロすると、計時手段３をスタートさせ
るヘと共に、このパルス信号がＲ相、Ｓ相、Ｔ相
のうちのいずれかであるかを判断トする。

この場合、パルス信号が１つの相からでなく２
つの相から同時に出たことを判断すると、これは
単純欠相で例えばＲ相が欠相したとすると、Ｓ
相、Ｔ相が相互に逆相関係になつている状態であ
るから、前記計数作動ハをリセツトチすると共
に、交流電源の半サイクルを周期とした繰り返し
のチエツク指示ハ′，ニ′，ホ′にもとづいて同様
の判断トを行ない、設定回数N₁チエツクを行な
つても２つの相から同時にパルス信号が出る状態
が続くと、単純欠相であるとして出力ポートO₁
を続出してノ、欠相信号を出力ポートO₁から発
する。

これとは別にパルス信号が３つの相から同時に
出たことを判断すると、これは第５図ニ，ホで示
す変圧器１次欠相の状態であるから、矢張り同じ
ように欠相状態であるとして出力ポートO₁を読
出してノ、欠相信号を出力ポートO₁から発する。

一方、パルス信号が何れか１つの相からのみ出
されたことを判断トすると、どの相からのパルス
信号であるかを判断し、かつ、Ｒ相であればＣ＝
１、Ｓ相であればＣ＝２、Ｔ相であればＣ＝３の
符号の書込みを行なうリ。

そして、計数作動ハをリセツトチした後、ゼロ
クロスパルス巾以上の時間を持つて同一入力を続
けて取り込ませないための待機をとりヌ、次いで
入力ポートI₀〜I₃へのデータを読み込むチエツク
イを行なわせ、入力ポートI₃にパルス信号が入力
されたかどうかを判断ロし、つづけてパルス信号
の何の相から発信されたかを判断トする。

この判断結果が２つ以上の相から同時にパルス
信号の入力があつたとした場合には、前述のチ，
ハ′，ニ′，ホ′と同様な手順によつて欠相信号を
出力ポートO₁から発する。

一方、パルス信号１つの相からのみ出されてい
ることを判断トすると、パルス信号発生時点の計
時手段３が示す経過時間（t_R）、（t_S）又は（t_T）
但し、これはＲ相を基準相とした場合の経過時間
に相当する）を読み取ると同時に、Ｒ相からの信
号であればＤ＝１、Ｓ相であればＤ＝２、Ｔ相で
あればＤ＝３の符号を書込みを行なうル。

次いでこの書込んだ符号Ｄと既に書込んでいる
符号Ｃとの等・不等の判断を行なつてヲ、等しく
なければ最初のパルス信号に対応する相と現パル
ス信号に対応する相とが異なるものであるから、
前記経過時間の読取りルの回数Ｍをカウンタによ
つてカウントワし、カウント数Ｍが２となつた後
の判断ヲにおいては、通常はＣ＝Ｄ、すなわち３
回目のパルス信号に対応する相と最初のパルス信
号に対応する相とは同相である筈なので、Ｃ＝Ｄ
を判断ヲすると計時手段３をリセツトヨした後、
直ちに再スタートタせしめ、かつ前記回数が２回
に達していることを判断レした後前記カウンタを
リセツトソする。

ところで、前記カウント数Ｍが２となつた後の
判断ヲにおいてもＣ＝Ｄとならず、カウント数Ｍ
が３となる場合は、ゼロクロスパルスによる信号
以外のノイズ等の誤入力に伴う信号があつたもの
として、Ｍ＝３を判断カすると最初の手順イ，ロ
…からの作動を行なわせる。

一方、Ｃ＝Ｄを判断ヲし、かつ、Ｍ＝２を判断
レすると、上記各欠相状態は生じていないとして
次の正相か反相かのチエツクを行なう。

まず最初の第１回目のパルスが何の相からであ
るかを符号の種類で判断ツし、Ｃ＝１すなわちＲ
相であれば他の２相Ｓ，Ｔからのパルス信号の経
過時間（t_S）と（t_T）の長短比較を行なつて、例
えば相回転がＲ→Ｓ→Ｔ→Ｓのときが正相である
とすると、t_T＜t_Sである筈であるのにt_S＜t_Tを判断
ネすると、これは反相であるからとしてこの状態
が設定回数N₂継続することを判断ウ，ヰした後、
出力ポートO₀を読出してオ、反相信号を出力ポ
ートO₀から発する。

なお、第１回目のパルスがＳ相あるいはＴ相で
あることを判断ツしたときからの後の作動はＲ相
の場合についての説明と同要領であるので省略す
る。

前記判断ネの結果がt_T＜t_S、即ちt₀₁＜t₀₂の正常
な相回転のときの長短関係に一致しているときに
は短い方の経過時間（t_T）の２倍値と長い方の経
過時間（t_S）との差が許容電流不平衡例えば20％
に対応する位相角例えば約20°に相当する許容時
間差（△ｔ）以下であるかどうか、即ち｜t₂−
2t_T｜≦△ｔの演算ナを行なつて、該条件が満足
されないときには、モータにおける△巻線内の１
線断線（第５図ハ参照）か電圧の不平衡にもとづ
く異常状態であるとして出力ポートO₁を読み出
してノ、欠相信号を出力ポートO₁から発する。

前記演算ナの結果、 ｜t_S−2t_T｜≦△ｔの条件が満足されるときに
は、次いで短い方の経過時間（t_T）の３倍値と基
準相分についての経過時間（t_R）すなわち（t₁）
との差が前記許容時間差（△ｔ）以下であるかど
うか、即ち ｜t_R−3t_T｜≦△ｔの演算ヲを行なつて、該条
件が満足されないときには、モータ△巻線内の１
線断線か電圧の不平衡にもとづく異常状態である
として出力ポートO₁を読出してノ、欠相信号を
出力ポートO₁から発する。

前記演算ラの結果、｜t_R−3t_T｜≦△ｔの条件が
満足されるときは正常な相回転であるから、前記
最初の手順イ，ロ……からの順序作動を繰り返さ
せる。

かくして、欠相信号、反相信号の発信にもとづ
いて出力部５は３相交流モータＭを停止させるた
めの出力を発し、正相、反相、欠相の検出と保護
作動とが確実に成される。

（発明の効果） つづいて本発明の効果を挙げると次の通りであ
る。

(イ) 基準となる相の半サイクル相当経過時間
（t₁）と他の相についてのゼロクロス点経過時
間（t₀₁）、（t₀₂）との相対的比較によつて正相、
反相、欠相を判別するようにしているので、電
源周波数に変動があつても正確な検出が可能で
あり、50、60Hz領域で兼用できる。

(ロ) どのような条件の反相、欠相に対しても、ま
た、電圧の不平衡及びモータ巻線の不平衡に起
因する異常に対しても、３種の経過時間
（t₀₁）、（t₀₂）、（t₁）の計時によつて確実な検出
が可能であるから、異常に対する保護手段を万
全なものとすることができ信頼性の高い保護装
置を提供し得る。

(ハ) 許容時間差（△ｔ）を外部から設定可能な方
式をとれば、許容電流不平衡率が容易に可変に
できて、電源事情にかなつた誤動作のない適切
な保護が得られる。

(ニ) びずみ波形（高調波を含む）の場合も影響さ
れず、確実な検出が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロツク図、第２
図は本発明装置の作動原理説明図、第３図は電圧
不平衡率−電流不平衡率関係線図、第４図は本発
明装置例に係る略示構造図、第５図イ〜ホは３相
回路における欠相パターン図、第６図は本発明装
置例に係る演算処理部の作動を示すフロー線図、
第７図は従来の欠相・反相保護装置における検出
回路である。 １−₁，１−₂，１−₃……変流器、２−₁，２−
_２，２−₃……ゼロクロスパルス発生回路、３……
計時手段、４……演算手段、５……出力部、Ｍ…
…３相交流モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ３相交流電源回路と３相交流モータＭとを接
   続する３相配線に夫々介設する変流器１−₁，１
   −₂，１−₃と、各変流器１−₁，１−₂，１−₃に対
   応させてそれ等２次側端子に入力端を夫々接続せ
   しめ、入力電源の瞬時値が変化の過程で零値にな
   るのに同期してパルスを発信するゼロクロスパル
   ス発生回路２−₁，２−₂，２−₃と、それらゼロ
   クロスパルス発生回路２−₁，２−₂，２−₃から
   のパルスを受けると該パルスに対応する相を判別
   して、基準となる最初のパルスが発信された時点
   から計時を行ない、基準相とは別の他の２相から
   順次パルスが発信されたときの各経過時間
   （t₀₁）、（t₀₂）及びその後に交流電源の半サイクル
   経過に伴つて前記基準相分のパルスが発信された
   ときの経過時間（t₁）を計時する計時手段３と、
   前記他の２相についての経過時間（t₀₁）、（t₀₂）
   の長短関係が、正常な相回転のときに前記他の２
   相のゼロクロス点が前記基準相のゼロクロス点に
   対して有する位相角に相当する時間の長短関係に
   一致しているかを前記計時手段３が計時する毎に
   演算して不一致であれば反相信号を発信する一
   方、一致しているときにはさらに短い方の経過時
   間（t₀₁）の２倍値及び３倍値と、長い方の経過
   時間（t₀₂）及び前記基準相についての経過時間
   （t₁）との差が許容電流不平衡率に対応する位相
   角に相当する許容時間差（△ｔ）以下であるかど
   うかを前記計時手段３が計時する毎に演算して何
   れか一方でも許容時間差（△ｔ）を超えている場
   合には、前記三相交流モータにおける巻線内での
   断線に起因する欠相信号を発信する演算手段４
   と、この演算手段４が発信する前記反相信号ある
   いは前記欠相信号、または、前記各相からのパル
   ス不発信あるいは同時発信を検知した場合に発す
   る欠相信号により、前記３相交流モータＭを保護
   するための出力を発信する出力部５とからなるこ
   とを特徴とする欠相・反相保護装置。