JPH05188096A - 電動機用半導体制御器の電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３相交流電動機を流れる電流を測定すること
によって電動機の負荷の動作不良や電動機の過負荷を知
るために、電源線に変流器のような付加的な要素を必要
としない制御装置を提供する。 【構成】 誘導電動機（１０）が、サイリスタスイッチ
（１４）によって交流電流源（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に接続され
ている。制御回路（２２）がサイリスタスイッチをトリ
ガーして、交流電流の各サイクルで導通状態と非導通状
態を作る。非導通状態中に、回路（６８，８０）がサイ
リスタスイッチにかかる電圧を検出する。この測定電圧
と、制御される電動機（１０）の既知の特性から、制御
回路（２２）はサイリスタスイッチ（１４）の導通状態
中に電動機を流れる電流の値を計算する。非導通状態の
長さに応じて２つの式のどちらかを用いる。この制御回
路（２２）は、特定の電動機の電流値を校正する手段を
含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は交流誘導電動機の電力
を制御するシステムに関し、さらに詳しくいえば、電動
機を流れる電流の実効値を測定する機構を含むシステム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】三相誘導電動機には、３本のＹ接続固定
子巻線を持つ型がある。従来のこの型の電動機の制御器
は、３本の交流電源線にそれぞれ固定子巻線を接続する
ための個々のサイリスタスイッチを備えている。各サイ
リスタスイッチは、トライアックか、１対の逆向きに接
続されたシリコン制御整流器（ＳＣＲ）から構成され
る。この制御器内の回路は、各供給電圧の半サイクル毎
に、各サイリスタスイッチをトリガーする時間を決定す
る。

【０００３】トリガーされたサイリスタスイッチが導通
状態にあるのは、流れる交流電流がゼロになるまでであ
り、そこから導通状態にするには再びサイリスタをトリ
ガーしなければならない。供給電圧のゼロクロス（また
は電流の停止時刻）に対して、スイッチのトリガー時間
を変えることによって導通時間を変え、電動機にかかる
電圧の量を制御することができる。

【０００４】電動機を起動する際に、従来の電動機制御
器は、サイリスタスイッチのトリガー時間を変えて電流
を徐々に増加させている。最初の内は、電圧の半サイク
ルの比較的遅い時刻にスイッチをトリガーして、導通時
間を短くする。各半サイクルのトリガー時刻は次第に早
くなって、サイリスタの導通時間が長くなり、電動機へ
の電圧量が多くなり、最後に電動機は最高速度に達す
る。電動機速度を減少させるには、逆の方法がとられ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】基本的な電動機制御器
の運転のためには、電動機を流れる電流の実効値を測定
する必要はないが、電流の測定値があれば、電動機が駆
動する装置の動作不良を知ることができる。たとえば、
電流が変化するようであれば組立ラインに何か問題があ
るはずで、対策をとる必要があるかどうかの判断材料に
なる。

【０００６】電流レベルを知れば電流の過負荷を検出す
ることができ、電動機を止めて過負荷を生じた条件を取
り除く必要があるかどうかが分かる。従来は、検出用変
流器を電源ラインに設置し、その２次コイルに電動機電
流に対応する信号を発生させ、この信号を測定して電動
機電流の大きさを知った。

【０００７】

【課題を解決するための手段】電動機のような電気負荷
は、制御回路を持つスイッチを取り付けて交流電源に接
続している。このスイッチは、交流の各サイクルの間で
導通および非導通を繰り返す。たとえば、サイリスタス
イッチがトリガーされると、交流電流がゼロになるまで
導通状態が続く。電流がゼロになると、再びトリガーさ
れるまでサイリスタは非導通状態である。

【０００８】制御回路はスイッチが非導通状態であるこ
とを検出する手段を備え、非導通になること、検知回路
に信号を送ってスイッチにかかる電圧を測定するよう指
示する。この発明の望ましい実施態様では、検知回路
は、非導通状態でスイッチにかかる電圧を２つの方法で
測定する。１つの方法は、非導通中にスイッチにかかる
電圧を積分することによって測定することである。

【０００９】積分を行うのは、この期間に瞬時電圧が変
動するからである。他の方法は、非導通期間中の予定の
時刻にスイッチにかかる瞬時電圧を測定することであ
る。この時刻は、スイッチが非導通状態に入った初期に
発生する過渡電圧が、電圧測定に余り影響を与えないよ
うに選ぶ。

【００１０】この測定電圧と電動機の特性から、制御回
路は、前記のスイッチが導通状態にあるときに電動機を
流れる電流の測定値を得る。非導通が所定の時間より長
く続く場合は、制御回路は電圧の測定値の積分値を利用
する。たとえば、この時間は交流電源電圧のサイクルの
２０電気度である。非導通時間がこれより短い場合は、
電流の測定値は電圧の瞬時測定値から得る。

【００１１】制御される電動機の特性値については、制
御回路を校正する。校正により制御回路は、スイッチに
かかる電圧の測定値から電動機を流れる電流のレベルを
得ることができる。

【００１２】この発明の一般的な目的は、電動機を流れ
る電流を測定する機構を提供することである。

【００１３】さらに特定の目的は、電動機の電源線に変
流器のような付加的な要素を持たない機構を提供するこ
とである。

【００１４】この発明の他の目的は、電動機へ電流を流
すサイリスタスイッチにかかる電圧を検知することによ
って電流を測定する機構を提供することである。この測
定はスイッチの非導通状態中に、交流電流サイクルの一
部で行われる。

【００１５】さらに他の目的は、サイリスタスイッチに
かかる電圧を２つの方法で測定する電圧検知回路を提供
することである。一方の測定は、サイリスタスイッチの
比較的長い非導通期間に発生する電圧の変動に対処する
ものであり、他方の測定は、短い非導通期間の過渡電圧
によって生じる望ましくない影響を防ぐものである。

【００１６】

【実施例】図１に示す例示的な電動機制御器２０によっ
てこの発明を説明する。交流誘導電動機１０は３本の固
定子巻線１１，１２，１３を備え、中性点１５でＹ接続
されている。

【００１７】固定子巻線１１，１２，１３は、サイリス
タスイッチ・モジュール１４とＸ、Ｙ、Ｚで示す３本の
電源線によって、３相電源に接続されている。電源線Ｘ
の交流電圧は、電源線Ｙの電圧より進み、また電源線Ｙ
の電圧は電源線Ｚの電圧より進んでいる。サイリスタス
イッチ・モジュール１４は３対の逆並列接続ＳＣＲ１
６，１７，１８を備えている。

【００１８】各ＳＣＲ対は、電源線Ｘ、Ｙ、Ｚを電動機
端子４１，４２，４３でそれぞれ別個の固定子巻線１
１，１２，１３に結合している。制御する電流のレベル
によっては、サイリスタスイッチ・モジュールのサイリ
スタ対の代わりにトライアックを用いてもよい。

【００１９】３対のＳＣＲ １６−１８は、マイクロコ
ンピュータ２２、電圧検知器２４、ＳＣＲトリガーパル
ス変圧器３１−３３、後に述べる他の素子に接続される
光カプラー６１−６３を含む制御回路によって動作す
る。マイクロコンピュータ２２は市販のタイプでよく、
同じ集積回路パッケージの中に、タイマー回路、リード
オンリーメモリ、ランダムアクセスメモリを含む。

【００２０】ＥＥＰＲＯＭのような外付きの持久記憶装
置をマイクロコンピュータに付属させてもよい。電動機
を制御するプログラムはマイクロコンピュータのリード
オンリーメモリに記憶されており、従来の電動機制御器
に用いられるものと同じである。

【００２１】マイクロコンピュータ２２は、３本の出力
線２６，２７，２８に接続される並列の出力ポートを備
えている。１つの出力線２６はパルス変圧器３１を通っ
て、電源線Ｘ用の第１ＳＣＲ対のゲート端子に結合され
ている。他のトリガー出力線２７，２８は同様なパルス
変圧器３２，３３を通って電力線Ｙ、Ｚ用の第２および
第３ＳＣＲ対１７，１８のゲート端子にそれぞれ結合さ
れている。

【００２２】マイクロコンピュータ２２は、タイミング
をとったサイリスタ・トリガーパルスを３本の線２６，
２７，２８に発生させる。各トリガーパルスは比較的時
間の短いもので、対応するＳＣＲを導通状態に保つのに
十分な長さであり、ＳＣＲを通る交流電流の大きさがゼ
ロになるまで存在する。

【００２３】線電圧検知器２４の各入力は３本の電源線
Ｘ、Ｙ、Ｚに直接に接続され、３本の抵抗器３７，３
８，３９を経て回路の接地に接続されている。回路の線
電圧検知器２４は、アメリカ特許Ｎｏ．４，９１６，３
７０に述べられているものと同様で、マイクロコンピュ
ータ２２の１組の入力に接続されるバス４０に信号を送
る。

【００２４】バス４０の信号の中のあるグループは、電
源線Ｘ、Ｙ、Ｚの各２線間の電圧の、接地に対する極性
を示す。バス４０の信号の中の他のグループは、電源線
にかかる電圧がゼロクロスをした時点を示す。これらの
信号は、マイクロコンピュータ２２が通常の方法で参照
信号として用い、各種の動作モードでＳＣＲ １６−１
８をトリガーする時刻を決定する。

【００２５】マイクロコンピュータ２２への他の入力線
は、２個の手動押しボタンスイッチ５１，５２に接続さ
れ、また１対のプルアップ抵抗器５４，５６によって電
動機制御器２０の直流電源電圧Ｖ＋に接続されている。
スイッチ５１，５２をおすと、マイクロコンピュータの
その入力線は回路の接地電位になる。第１スイッチ５１
を閉じると電動機１０が起動し、第２スイッチ５２を閉
じると電動機が停止する。

【００２６】電動機１０を起動する場合には、スイッチ
５１を短時間閉じて、通常の電動機起動手順を開始する
ようマイクロコンピュータ２２に信号を送る。ＳＣＲ対
は、３本の電源線の電圧の相関係に従って所定の回転順
序でトリガーされる。

【００２７】立ち上げ手順により、各ＳＣＲ対が結合さ
れている相線Ｘ、Ｙ、Ｚの電圧の各半サイクルの早期
に、ＳＣＲ １６−１８を順次トリガーする。最後には
各ＳＣＲ対が、電源電圧の正の半サイクルの全期間導通
するようにトリガーする。このとき電動機は最大の運転
速度に達する。

【００２８】以後、ＳＣＲ対が引続き連続的に導通状態
になるようトリガーする。スイッチ５２を短時間閉じる
と、ＳＣＲのトリガーを終了させる信号がマイクロコン
ピュータ２２に送られ、電動機への送電が停止する。

【００２９】この発明は電動機制御器２０の新しい特徴
に関するもので、誘導電動機１０を流れる電流の実効値
レベルを測定する。電流の測定は、図２に示す３相電動
機とサイリスタスイッチのモデルに基づいている。各固
定子巻線１１−１３は、交流電圧源ｅ_m に直列に接続さ
れるリアクタンスＸσとしてモデル化されている。リア
クタンスＸσは漏洩インダクタンスに相当し、交流電圧
源ｅ_m は電動機の逆起電力によって固定子巻線に誘起さ
れる電圧を示す。

【００３０】図３Ａの実線は、図１のＳＣＲ対１６，１
７，１８にかかる電圧を示す。この電圧は、ＳＣＲ対の
どれかが導通状態にあるときにゼロであり、破線で示す
交流電源電圧の各半サイクルの非導通期間（たとえば、
Ｔ１とＴ２の間）に変化する。ＳＣＲ対にかかる電圧の
基本成分は点線で示す。

【００３１】非導通のＳＣＲにかかる電圧は、瞬時電源
電圧と電動機端子電圧との差によって生じる。図３Ｂに
実線で示す電動機電流はパルス波形で、破線で示す基本
正弦成分を持っている。

【００３２】図３Ａと図３Ｂとを比較すると、電圧と電
流の基本成分にはπ／２の位相差があるので、図２のよ
うに、各サイリスタスイッチ（ＳＣＲ対１６，１７，１
８）は固定子巻線に直列に接続されるリアクタンスＸ
_thy （１６’，１７’，１８’）としてモデル化でき
る。

【００３３】３相電動機では、各相線のＳＣＲリアクタ
ンスは次式で与えられる。

【数１５】 ただし、ＳＣＲ対が非導通状態中の交流電源電圧の各半
サイクルの時間角γは、０から６０電気角の間の値で、
これは電動機制御器２０の動作範囲である。

【００３４】式（１）から、ＳＣＲ対にかかる電圧は次
のようになる。

【数１６】 ただし、Ｉは電動機固定子巻線を通る電流の基本成分の
振幅、ωは電源線の交流電流の角周波数、Φはスイッチ
の非導通期間の中点の電気角である。

【００３５】電流Ｉの実効値をＩ_rms ＝Ｉ／√２で表し
た場合、電流Ｉの基本成分とその実効値との関係は次式
で表される。

【数１７】 サイリスタスイッチが非導通状態にあるときの電圧が分
かれば、その電源線の全電流が式（２）から得られ、さ
らに式（３）からこの電流の実効値が得られる。

【００３６】しかし、非導通期間のサイリスタ電圧は一
定ではなく、期間が長くなるに従って大きく変化する。
したがって、１個の電圧測定値から電流を得るのではな
く、図３ＡのＴ１とＴ２の間の時間の交流電源電圧波形
の下の面積を用いれば、非導通の長い時間についての精
度がよくなる。

【００３７】この面積は図３Ａのハッチで示してあり、
非導通期間にサイリスタにかかる電圧を次式で積分する
ことによって得られる。

【数１８】

【００３８】式（４）を用いて、電流の実効値は面積の
関数として、次式から得られる。

【数１９】 ただし、関数ｆ（γ）とＦ（γ）は、それぞれ（１）式
と（３）式で定義されている。

【００３９】図３Ａに示すように、サイリスタの非導通
時間の初め（たとえば、Ｔ１）の電圧は、サイリスタに
かかるスナバ回路（緩衝回路）によって生成されるリン
ギングなどの過渡現象に影響される。比較的短い非導通
時間の面積を計算して電流を得る場合、このような過渡
現象は精度に大きく影響する。

【００４０】以上の理由から、電流測定の精度を高める
には、非導通期間の初期の過渡現象と電圧の変化を考慮
に入れなければならない。したがって、非導通の期間が
比較的短い場合は、サイリスタが時間Ｔ２でトリガーさ
れる直前に瞬時電圧を測定する。しかし、非導通期間が
長い（たとえば、２９電気角より大きい）場合は、サイ
リスタ電圧を積分して電流レベルを得る。

【００４１】図１に戻って、電動機１０の各固定子巻線
１１−１３を通って流れる電流の実効値レベルを測定す
るために、電動機制御器２０には次のような他の要素が
追加されている。まず、光カプラー（ｏｐｔｏ）６１，
６２，６３が各ＳＣＲ対１６−１８にそれぞれ接続され
ている。

【００４２】光カプラー６１−６３の入力部には全波整
流器がある。これはＳＣＲ対が非導通時に、ＳＣＲ対に
かかる電圧の絶対値が通常の正の電圧降下以上になる
と、線６４，６５，６６に信号を生成するためのもので
ある。光カプラーからの信号はＳＣＲ電圧検知器６８に
与えられる。ここにはＳＣＲ対の両側の電圧レベルも入
る。

【００４３】詳しくいうと、ＳＣＲ電圧検知器６８の３
入力は電源線Ｘ、Ｙ、Ｚに接続され、他の３入力は電動
機端子４１−４３に接続されている。ＳＣＲ電圧検知器
６８は、各相の２入力線間の電圧差を検出し、対応する
ＳＣＲ対にかかる電圧Ｖ_thy を測定する。これらの電圧
測定値は、バス１００を通ってマイクロコンピュータ２
２へ送られ、後述のように電動機電流を計算するのに用
いられる。

【００４４】ＳＣＲ電圧検知器６８は３個の同一回路か
ら成り、各相線のＳＣＲにかかる電圧を測定する。電源
線Ｘについての回路８０の詳細を、図４に示す。導線７
１，７４にはそれぞれ電源線電圧と電動機端子電圧がか
かり、別々の抵抗器８３，８５によって差動増幅器８４
に結合されている。

【００４５】差動増幅器８４の出力は電源線と電動機端
子の電圧レベルの差で、つまり電源線ＸのＳＣＲ対１６
にかかる電圧である。差動増幅器８４の出力は整流回路
８６によって整流され、その電圧レベルは回路接地に対
して常に非負である。

【００４６】整流されたＳＣＲ電圧レベルはサンプルお
よびホールド回路８８の入力に入る。この回路は、線８
９を通してマイクロコンピュータ２２から信号が送られ
てくると、整流された電圧レベルを読み込む。サンプル
およびホールド回路８８の出力は２対１マルチプレクサ
（ＭＵＸ）９０の一方の入力に入り、他方の入力には整
流回路８６の出力が直接入る。

【００４７】マルチプレクサは、選択端子９１に制御信
号が入ると、２入力のどちらかを電圧周波数変換器９２
に接続する。この変換器９２は標準品で、その出力信号
の周波数は、マルチプレクサ９０からの入力電圧の大き
さに応じて変化する。たとえば、ＳＣＲにかかる電圧が
通常の運転の最大値のとき、電圧周波数変換器の出力信
号は５００ｋＨｚである。

【００４８】電圧周波数変換器の出力は１２ビットのデ
ジタルカウント９４の入力に入り、その端子９５に入る
信号によってカウンタがリセットするまで、入力信号の
サイクル数をカウントする。カウンタ９４のデジタル出
力は１組のデータラッチ９６に接続され、制御端子９７
にイネーブル信号がくると、ラッチ９６はカウンタの出
力値を記録する。

【００４９】ラッチの出力は、１組の３状態データバッ
ファ９８の入力に接続され、バッファ９８はバス１００
によってマイクロコンピュータ２２に結合されている。
マイクロコンピュータ２２は、グループ８７中の線９９
に制御信号を送って、各電圧測定回路バッファ９８の出
力を定期的に選択する。このようにして、マイクロコン
ピュータ２２は、ＳＣＲ対１６−１８の電圧測定回路８
０の出力を読み込む。

【００５０】ＳＣＲ電圧検知回路８０の他の要素は、前
述の部分を制御す信号を生成する。これについては、図
５の信号波形に関する回路の動作の際に説明する。図４
の導線に表示した文字は、その導線に流れる図５の波形
を示す。波形Ａは、交流電源線ＸのＳＣＲ対１６に接続
されている第１光カプラー６の出力を表す。

【００５１】第１光カプラーからの線６４を通る出力信
号は、第１ＳＣＲ対１６の一方が導通状態にあるときは
高い論理レベルで、時間Ｔ１からＴ２の間のように第１
ＳＣＲ対が両方共非導通のときは低い論理レベルであ
る。第１ＳＣＲ対１６は、時間Ｔ２にマイクロコンピュ
ータ２２と結合変圧器３１からのパルスによりトリガー
されて導通状態になる。

【００５２】第１光カプラー６１の出力は制御線６４を
経てマルチプレクサ９０の選択端子９１に送られ、マル
チプレクサの入力になる。また光カプラー信号は、通常
「ワンショット」と呼ばれる３個の単安定マルチバイブ
レータ１０１，１０２，１０３に送られる。

【００５３】光カプラー信号の立ち上がり端は回路８０
の各ワンショット１０１−１０３をトリガーし、図５の
波形Ｃ、Ｄ、Ｅで示すように、それぞれ異なる持続時間
と論理レベルのパルスを生成する。詳しくいうと、第２
ワンショット１０２は波形Ｄを作る。これは、たとえば
持続時間２ミリ秒のＴ２からＴ４までの間に高レベルの
パルスを含む。

【００５４】第１ワンショット１０１は波形Ｃを作る。
これは、時刻Ｔ２に始まり、時刻Ｔ４の約０．１ミリ秒
前に終る、低レベルのパルスを含む。最後に、第３ワン
ショット１０３は波形Ｅを作る。これは、たとえば持続
時間１ミリ秒のＴ２からＴ３までの時間に低レベルパル
スを含む。

【００５５】第２ワンショット１０２と第３ワンショッ
ト１０３からの出力信号は第１ＮＡＮＤゲート１０４に
入り、波形Ｉで示す信号になる。この信号は第２ＮＡＮ
Ｄゲート１９６で光カプラーの信号（波形Ａ）と組み合
わされて制御信号波形Ｊになる。制御信号波形Ｊは第１
インバータ１０８を通り、その出力信号（波形Ｋ）はカ
ウンタ９４のリセット端子９５に入る。

【００５６】第１ワンショット１０１と第２ワンショッ
ト１０２の出力は、第３ＮＡＮＤゲート１１０に入って
制御信号波形Ｇを出す。第３ＮＡＮＤゲート１１０の出
力信号は第４ＮＡＮＤ１１２に入る。

【００５７】マイクロコンピュータ２２は、時刻Ｔ２に
第１ＳＣＲ対にトリガ−信号を送る。その約０．１ミリ
秒前に、マイクロコンピュータは波形Ｂで示す短いパル
スを、線８９を経てＳＣＲ電圧検知回路８０に送る。こ
のパルスは、サンプルおよびホールド回路８８の制御入
力に直接送られ、また第２インバータ１１４を経て第４
ＮＡＮＤゲート１１２の他方の入力に入る。

【００５８】反転した信号（波形Ｆ）は、第４ＮＡＮＤ
ゲート１１２で第３ＮＡＮＤゲート１１０からの信号と
組み合わされ、波形Ｈの制御信号を作る。第４ＮＡＮＤ
ゲートの出力制御信号は、データラッチ９６のイネーブ
ル入力端子９７に送られる。

【００５９】さらに図１および図４において、第１ＳＣ
Ｒ対１６を通る電流が時刻Ｔ１にゼロに落ちると、ＳＣ
Ｒにかかる電圧は急に増加する。したがって、測定可能
な電圧差が電源線Ｘの電圧と端子４１の電動機電圧との
間に発生する。各電圧レベルは、導線７１，７４と抵抗
器８３，８５を経て差動増幅器８４に入力に入る。

【００６０】差動増幅器の出力はこれらの電圧レベルの
差の大きさに比例しており、回路８６で整流されて電圧
差の絶対値に相当する信号を作る。この値はマルチプレ
クサ９０と、サンプルおよびホールド回路８８に直接与
えられる。

【００６１】時刻Ｔ１に第１ＳＣＲ対１６の電圧が増加
すると、第１光カプラー６１に低レベルの出力信号（図
５の波形Ａ）が発生し、線６４を経てマルチプレクサ９
０の選択端子９１に入る。この低レベル信号が入ると、
マルチプレクサ９０は、整流回路８６の出力と直結した
入力を、電圧周波数変換器９２に送る。

【００６２】電圧周波数変換器９２は、差動増幅器８４
が検出した電圧差の変化と対応して変化する周波数の出
力信号を作る。電圧周波数変換器９２の出力信号のサイ
クルは、カウンタ９４でカウントされる。カウンタ９４
は、リセット端子９５に入った高レベル信号（波形Ｋ）
によって、時刻Ｔ１以前にゼロにリセットされている。

【００６３】マイクロコンピュータ２２から線８９（波
形Ｂ）を通って、高レベルパルスが時刻Ｔ２の直前にＳ
ＣＲ電圧検知回路８０に入ると、サンプル及びホールド
回路８８は整流器８６から絶対電圧差を受けて記憶す
る。

【００６４】また、線８９のパルスにより、第４ＮＡＮ
Ｄゲート１１２（波形Ｈ）は、約０．１ミリ秒幅の高論
理レベルパルスを出力する。この高論理レベルがイネー
ブル端子９７に入ると同時に、データラッチ９６はカウ
ンタ９４の出力（Ｎ_A ）を記憶する。

【００６５】マイクロコンピュータ２２は、時刻Ｔ２に
第１ＳＣＲ対１６にトリガーパルスを送る。このトリガ
ーパルスによって第１ＳＣＲ１６は導通し、それにかか
る電圧レベルは時刻Ｔ２にゼロに落ちる。第１ＳＣＲ対
１６のこの電圧低下により、第１光カプラー６１から線
６４に入る信号は、波形Ａで示すように、高論理レベル
に上がる。

【００６６】この信号レベルが上がると、図４に示すＳ
ＣＲ電圧検知回路８０にさまざまな影響を及ぼす。第１
に、マルチプレクサの入力の選択が変わり、サンプルお
よびホールド回路の出力が電圧周波数変換器９２に入
る。第２に、線６４の信号の立ち上がり端が３個のワン
ショット１０１−１０３をトリガーし、時刻Ｔ２にそれ
ぞれ波形Ｃ、Ｄ、Ｅの出力パルスを出す。

【００６７】第３に、その前のカウントは既にデータラ
ッチ９６に記憶されているので、線６４の変化が第２Ｎ
ＡＮＤゲート１０６およびインバータ１０８を通って送
られると、カウンタ９４はリセットする。この高レベル
リセット信号は、時間Ｔ２からＴ３まで、カウンタ９４
をゼロに保持する。

【００６８】時間Ｔ２からＴ３までのある時点で、マイ
クロコンピュータ２２は制御線９９を通して高論理レベ
ル信号をデータバッファ９８に送り、ラッチ９６の内容
（Ｎ _A ）をデータバス１００に送り出す。Ｎ_A は第１Ｓ
ＣＲ対１６にかかる積分電圧を示す値で、後述のように
マイクロコンピュータのメモリに記憶され、後に処理さ
れる。

【００６９】第３ワンショット１０３が時刻Ｔ３で終る
と、その出力（波形Ｅ）は再び高論理レベルに戻り、カ
ウンタ９４のリセット端子９５は低論理レベルになる
（波形Ｋ）。その結果、カウンタはリセット状態から戻
って、電圧周波数変換器９２からの信号のサイクルをカ
ウントする。

【００７０】このとき、変換器９２にはサンプルおよび
ホールド回路８８からの出力が入り、これは時刻Ｔ２に
記憶されたＳＣＲ電圧に対応する一定電圧レベルであ
る。したがってこの動作期間中、電圧周波変換器９２は
一定の周波数の信号を発生する。

【００７１】カウンタ９４は、インバータ１０８の出力
（波形Ｃ）が高論理レベルに戻るまで、この周波数信号
のサイクルをカウントすることができる。このＴ３から
Ｔ４までのカウント時間は十分長く（たとえば１．０６
ミリ秒）、カウンタ９４はデジタル値（Ｎ_V ）を、マイ
クロコンピュータ２２が容易に処理できるようにスケー
ルを調整して出力する。

【００７２】最初のワンショット１０１は時刻Ｔ４の約
０．１ミリ秒前に終る。これにより、第４ＮＡＮＤゲー
ト１１２の出力に別の高論理レベルパルス（波形Ｈ）が
生じ、その立ち下がり端でデータラッチ９６はカウンタ
９４からの次の値を受けて記憶する。このカウンタの値
Ｎ_V は、時刻Ｔ２で第１ＳＣＲ対１６をトリガーする直
前の、サンプルおよびホールド回路８８に記憶される瞬
時電圧差のレベルに対応する。

【００７３】次に時刻Ｔ４で第２ワンショット１０２が
終わり、低論理レベル出力信号を出す。この信号によ
り、第４ＮＡＮＤゲート１１２の出力（波形Ｈ）は低論
理レベルに戻り、データラッチ９６の記憶モードは終了
する。第２ワンショット１０２が終ると、時刻Ｔ４でカ
ウンタ９４がリセットし、第１ＳＣＲ対１６が次の非導
通時期になるまでリセットのままである。

【００７４】時刻Ｔ４の直後のある時点で、マイクロコ
ンピュータ２２はデータバッファ９８を再びイネーブル
状態にし、ラッチ９６の内容（Ｎ_V ）を読み込んで記憶
する。その後、マイクロコンピュータのメモリはカウン
タの値Ｎ_A およびＮ_V を保持する。これらは直前の非導
通期間の第１ＳＣＲ対１６にかかる電圧である。

【００７５】カウンタの値Ｎ_A は、非導通期間の積分さ
れた電圧差であり、カウンタの第２の値Ｎ_V は、その非
導通期間の直前の瞬時電圧レベルである。

【００７６】マイクロコンピュータ２２が電動機電流の
値を計算する際に、これらのカウンタの値のどちらを使
うかは、非導通期間の長さによる。前に述べたように、
この期間が交流電圧サイクルの２０電気角以下であれ
ば、この期間の初めに現れる過渡状態は、積分された電
圧差とカウンタ値Ｎ_A にかなり影響する。

【００７７】したがって、非導通期間が比較的に短けれ
ば、カウンタ値Ｎ_V がサイリスタ電圧Ｖ_thy として用い
られる。しかし、非導通期間が交流電圧サイクルの２０
電気角と同じまたはそれ以上であれば、カウンタ値Ｎ_A
を用いる。これは、この期間の初めに現れる過渡状態の
影響が、積分によって薄められるからである。

【００７８】さらに、非導通期間が長いと電圧差が変化
するので、カウンタ値Ｎ_A の方がサイリスタ電圧Ｖ_thy
を表すには一層精度がよい。マイクロコンピュータ２２
は、第１光カプラー６１によって生じた信号を用い、非
導通期間の長さを測定し、交流電源線電圧の所定の半サ
イクルでカウンタの値Ｎ_A とＮ_V のどちらを用いるかを
決める。

【００７９】また、Ｔ１からＴ２までの時間の交流電源
電圧波形の下の面積の大きさは、すなわちカウンタの値
Ｎ_A の大きさは、電流を決める方法の選択に用いられ
る。Ｎ _A があるしきい値以上であれば、電動機電流を計
算するのにＮ_A を用いるが、そうでなければカウンタ値
Ｎ_V を用いる。

【００８０】マイクロコンピュータ２２に読み込まれる
カウンタ値Ｎ_A およびＮ_V は、差動増幅器８４のゲイン
と電圧周波数変換器９２の変換率の影響を受ける。

【００８１】詳しくいうと、非導通期間中のＳＣＲ電圧
波形の下の面積を表す値Ｎ_A は、次式で与えられる。

【数２０】 ただし、ｆ_c は変換器の信号周波数、ｋ_f は差動増幅器
ゲインと電圧周波数変換器９２の変換率（ｆ／Ｖ_thy ）
の比例定数である。

【００８２】式（６）を用いて式（５）を変形すれば、
次式が得られる。

【数２１】 これはまた、次のようにも書き換えられる。

【数２２】 ただし、ＬとＧ（γ）は、式（７）の右辺の最初の２項
の略記号である。

【００８３】同様に、短い導通期間の実効値電流を得る
のに用いられるカウンタの値Ｎ_V は、次式で与えられ
る。

【数２３】 ただし、τは固定した値で、電圧周波数変換器からの信
号のサイクルを数える期間である。

【００８４】式（９）と式（３）とを組み合わせると、

【数２４】 これを書き直して、

【数２５】 ただし、Ｌ、Ｍ、Ｈ（γ）は式（１０）の右辺の最初の
３項の略記号である。

【００８５】マイクロコンピュータは式（８）と式（１
１）とによって電流の実効値を計算し、ディスプレイ５
８に表示する。これらの式の中のＧ（γ）とＨ（γ）
は、非導通期間の長さγの関数である。これらの値は、
マイクロコンピュータ２２のメモリに個別のルックアッ
プ・テーブルとして記憶されており、γの値は０から６
０度の範囲で、１／４度刻みである。

【００８６】各ＳＣＲ対１６−１８の非導通期間の長さ
は、関連する光カプラー６１−６３からの信号の各低レ
ベルパルスの持続時間によって決まる。この時間はマイ
クロコンピュータ２２内のソフトウエア・カウンタを毎
秒増分させることによって決められる。

【００８７】たとえば、６０ヘルツの電源線電圧の６０
度時間は１サイクルの１／６であり、時間間隔は１／６
×１／６０秒、すなわち約２７７８マイクロ秒である。

【００８８】非導通時間γの長さをマイクロ秒から電気
角に変換するために、マイクロコンピュータは

【数２６】 を計算する。この値に４を掛けると１／４度刻みの角長
さが得られ、ルックアップ・テーブルからＧ（γ）とＨ
（γ）の値が得られる。

【００８９】式（１１）のＭ項は数値定数で、１．０６
マイクロ秒のカウント時間τでは、５０ヘルツの線電圧
に対して約６であり、２．１２マイクロ秒のカウント時
間τでは、６０ヘルツの線電圧に対して５である。Ｌ項
は定数で、制御される個々の電動機の特性によって異な
り、電動機制御器を設置した後で行う校正によって決ま
る。

【００９０】校正は次のように行う。キーパッド５７か
ら命令を入力すると、マイクロコンピュータ２２はＳＣ
Ｒ対１６−１８をトリガーして、予め定めた長さの非導
通時間を作る。マイクロコンピュータは最初Ｌ項の値は
規定値を用い、電動機電流を計算してディスプレイ５８
にその電流を数値で表示する。

【００９１】表示された電流レベルと電源線Ｘ、Ｙ、Ｚ
に取り付けられた電流計の測定値を、人が比較する。両
測定値が一致しない場合は、キーパッドから別の命令を
入力して、不一致の方向に従ってＬの値を増加または減
少させるよう、マイクロコンピュータ２２に指示する。
電動機電流はＬのこの新しい値によって再び計算する。

【００９２】校正を繰り返して、電動機制御器２０が正
しい電動機電流を表示すると校正は終了し、マイクロコ
ンピュータはＬの最後の値を持久記憶装置に記憶する。

【００９３】高精度の電動機電流計算を必要としない装
置では、自己校正法を用いてよい。この方法では、先ず
人がキーパッド５７に必要な命令を入力する。マイクロ
コンピュータ２２は、予め定めた非導通時間、たとえば
６０電気度、を設定する。この時間は電動機１０を起動
するには不十分である。

【００９４】ＳＣＲが予め定めた長さの非導通時間を作
るためにトリガーする相角度は、マイクロコンピュータ
の中で予めプログラムされている。

【００９５】６０電気度では、電動機電流は全負荷電流
の約５０％である。次にメーカーが規定したその電動機
の全負荷電流レベルを、キーパッド５７から入力する。
この値と６０度の非導通時間に測定したＳＣＲの電圧と
から、マイクロコンピュータ２２はＬ項の概略値を計算
する。

【００９６】またマイクロコンピュータ２２は、瞬時電
圧を直接測定できるＡ／Ｄ変換器を内部に持っていても
よい。この実施態様ではサンプルおよびホールド回路８
８は不要で、カウントの値Ｎ_V は作られない。値Ｎ_A は
測定され、前述のように用いられる。

【００９７】整流器８６の出力は、内部Ａ／Ｄ変換器の
入力に加えられる。変換器の出力電圧値Ｖ_ADC はデジタ
ル化され、前述の実施態様でサンプルおよびホールド回
路がトリガーされたのと同じ時刻に読み込まれる。

【００９８】しかし、デジタル化された電圧値Ｖ_ADC か
ら実効電流を計算するには、カウントの値Ｎ_V から計算
するのとは異なる式を用いなければならない。サイリス
タにかかる電圧Ｖ_thy は次式で計算される、

【数２７】 ただし、ｋは差動増幅器ゲインとＡ／Ｄ変換器の変換係
数の比例定数である。

【００９９】このサイリスタ電圧を用いて、次式によっ
て実効値を計算する。

【数２８】 この式を次のように表す。

【数２９】 Ｈ（γ）の値は、非導通時間γの長さを用いてルックア
ップ・テーブルから得られ、Ｘσの値は校正によって決
定される。

【０１００】各電源線の電流レベルを検出する電動機制
御器についてこの発明を説明したが、制御器によって
は、この発明の基本的な考え方を利用して、電動機の供
給線の一部の電流を測定してよい。

【０１０１】たとえば、２相３線回路の２線の電流を検
出し、これらの２つの電流レベルから、第３線の電流を
計算することができる。さらに、この発明は、電動機と
同様な特性を示す他の型の電気負荷にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による、３相電動機制御器の概略図。

【図２】図１の電動機およびＳＣＲの等価電気回路。

【図３】ＡおよびＢは、図１のＳＣＲ対にかかる電圧と
これに流れる電流を示す図。

【図４】電動機制御器のＳＣＲ電圧測定回路のブロック
図。

【図５】ＳＣＲ電圧測定回路の各点での信号の波形図。

【符号の説明】

１０ 交流誘導電動機 １１，１２，１３ 固定子巻線 １４ サイリスタスイッチ・モジュール １５ 中性点 １６，１７，１８ ＳＣＲ対 ２０ 電動機制御器 ２２ マイクロコンピュータ ２４ 線電圧検知器 ２６，２７，２８ マイクロコンピュータの出力線 ３１，３２，３３ ＳＣＲトリガーパルス変圧器 ３７，３８，３９ 抵抗器 ４０，８７，１００ バス ４１，４２，４３ 電動機端子 ５１，５２ 手動押しボタンスイッチ ５４，４６ プルアップ抵抗器 ５７ キーパッド ５８ ディスプレイ ６１，６２，６３ 光カプラー ６４，６５，６６ 光カプラー出力線 ６８ ＳＣＲ電圧検知器 ７１，７４，８９ 導線 ８０ ＳＣＲ電圧検知器（の詳細） ８３，８５ 抵抗器 ８４ 差動増幅器 ８６ 整流器 ８８ サンプルおよびホールド回路 ９０ マルチプレクサ ９１ マルチプレクサの選択端子 ９２ 電圧周波数変換器 ９４ カウンタ ９５ カウンタ端子 ９６ ラッチ ９７ ラッチの制御端子 ９８ バッファ ９９ 線 １０１，１０２，１０３ 単安定マルチバイブレータ
（ワンショット） １０４ 第１ＮＡＮＤゲート １０６ 第２ＮＡＮＤゲート １０８ 第１インバータ １１０ 第３ＮＡＮＤゲート １１４ 第２インバータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リ チェン 中華人民共和国フベイ プロビンス，シア ングファン シティー，ザ フィフス ミ ドル スクール，ミセス ワン グアング シン 気付

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流の電気負荷設備を制御する装置にお
   いて、 負荷を交流電流源に結合し、かつ導通および非導通状態
   を持つスイッチ手段、前記のスイッチ手段が、非導通状
   態にあることを検出する手段、 前記の検出手段に結合し、非導通状態にある前記のスイ
   ッチ手段にかかる電圧を検知する手段、 前記のスイッチ手段が導通状態にあるときに負荷に流れ
   る電流の測定値を、前記の検知した電圧から生成する手
   段、を含む制御装置。
2. 【請求項２】 前記の検知手段が、前記の非導通状態中
   の前記のスイッチ手段の電圧レベルを積分し、前記の生
   成手段が、前記の積分の結果から電流レベルの測定値を
   得る、請求項１に記載の制御装置。
3. 【請求項３】 前記の生成手段が、前記の電流の測定値
   （Ｉ）を次式から得る、請求項２に記載の制御装置、 【数１】 ただし、ωは前記の交流電流の角周波数、Ｘσは前記の
   負荷のリアクタンス、ｋ _f は比例定数、γは前記の交流
   電流のサイクルの度で表した前記の非導通状態の継続時
   間、Ｎ_A は前記のスイッチ手段にかかる前記の積分した
   電圧に相当する数値、Ｆ（γ）の値は次式で計算され、 【数２】 ｆ（γ）の値は次式で計算される。 【数３】
4. 【請求項４】 前記の検知手段が、前記の非導通状態の
   前記のスイッチ手段にかかる電圧の前記の積分に対応す
   る第１の値を生成し、また前記の非導通状態中の予め定
   義した時刻に電圧レベルに対応する第２の値を生成す
   る、請求項１に記載の制御装置。
5. 【請求項５】 前記の生成手段が、前記の電流の測定値
   を、前記の非導通状態の継続時間が予め定義した間隔よ
   り長い場合は前記の第１の値から得、前記の非導通状態
   の継続時間が前記の予め定義した間隔より短い場合は前
   記の第２の値から得る、請求項４に記載の制御装置。
6. 【請求項６】 前記の生成装置が、前記の第１の値が所
   定のしきい値より大きい場合は、前記の電流の測定値を
   前記の第１の値から得、その他の場合は前記の電流の測
   定値を前記の第２の値から得る、請求項４に記載の制御
   装置。
7. 【請求項７】 前記のスイッチ手段にかかる前記の電圧
   を感知する手段が、 前記のスイッチ手段にかかる前記の電圧に対応する出力
   電圧レベルを生成する差動増幅器、 前記の出力電圧レベルの前記の大きさを表す周波数を持
   つ信号を生成する電圧周波数変換器、 前記の電圧周波数変換器からの信号をサイクルをカウン
   トする手段、を含む、請求項１に記載の制御装置。
8. 【請求項８】 前記のスイッチ手段にかかる前記の電圧
   を検知する前記の手段が、 前記のスイッチ手段にかかる前記の電圧に対応する出力
   電圧レベルを生成する差動増幅器、 前記の非導通状態中の定義された時刻に前記の出力電圧
   レベルをサンプリングする手段、 前記のサンプルされた出力電圧レベルの大きさを表す周
   波数を持つ信号を生成する電圧周波数変換器、 所定の時間間隔τ中に、信号のサイクル数をカウントす
   る手段、を含む、請求項１に記載の制御装置。
9. 【請求項９】前記の生成手段が、前記の電流の測定値
   （Ｉ）を次式から得る、請求項８に記載の制御装置、 【数４】 ただし、ωは前記の交流電流の角周波数、Ｘσは前記の
   負荷のリアクタンス、ｋ _f は比例定数、γは交流電流の
   サイクルの度で表した前記の非導通状態の継続時間、Ｎ
   _V は前記のカウンタから得られるサイクルのカウント
   数、Ｆ（γ）の値は次式から計算され、 【数５】 ｆ（γ）の値は次式から計算される。 【数６】
10. 【請求項１０】 前記のスイッチ手段にかかる前記の電
    圧を検知する前記の手段が、 前記のスイッチ手段にかかる電圧に対応する出力電圧レ
    ベルを生成する差動増幅器、 前記の非導通状態中の所定の時刻に出力電圧レベルを記
    憶する手段、 入力を持ち、前記の入力に入る電圧レベルの大きさを表
    す周波数を持つ信号を生成する電圧周波数変換器、 前記の非導通状態では、前記の出力レベルを前記の差動
    増幅器から前記の電圧周波数変換器の入力に直接与え、
    その他の場合は、前記の記憶された出力電圧レベルを前
    記の電圧周波数変換器の前記の入力に与える手段、 前記の信号のサイクルをカウントして、前記の非導通状
    態中に発生する前記のサイクルの第１カウントＮ_A を生
    成し、また前記の記憶された出力電圧レベルが前記の電
    圧周波数変換器の前記の入力に与えられるときに、所定
    の時間間隔τ中に第２のカウントＮ_V を生成する手段、
    を含む、請求項１に記載の制御装置。
11. 【請求項１１】 前記の電流の測定値を生成する前記の
    手段が、この測定値を、前記の非導通状態の継続時間が
    予め定義した間隔より長い場合には第１カウントＮ_A か
    ら得、前記の非導通状態の継続時間が予め定義した間隔
    より短い場合は第２カウントＮ_V から得る、請求項１０
    に記載の制御装置。
12. 【請求項１２】 前記の生成手段が、前記の電流の測定
    値（Ｉ）を、前記の非導通状態の継続時間が所定の間隔
    より長い場合は次の式から得、 【数７】 前記の非導通状態の継続時間が前記の所定の間隔より短
    い場合は次の式から得る、請求項１０に記載の制御装
    置、 【数８】 ただし、ωは前記の交流電流の角周波数、Ｘσは前記の
    負荷のリアクタンス、ｋ _f は比例定数、γは交流電流の
    サイクルの度で表した非導通状態の継続時間、Ｆ（γ）
    の値は次式から計算され、 【数９】 ｆ（γ）の値は次式から計算される。 【数１０】
13. 【請求項１３】 ３相交流を電源とする電動機を制御す
    る装置において、 それぞれが前記の電源の１相を前記の電動機に結合し、
    前記の交流電流の１サイクル中に導通と非導通の時間を
    持つ、３個のスイッチ手段、 前記のスイッチ手段の１つが非導通期間にあることを検
    出する手段、 前記の検出手段に結合され、前記の非導通期間に前記の
    各スイッチ手段にかかる電圧を検知する手段、 導通期間中に前記のスイッチ手段を流れる電流の測定値
    を、前記の検知された電圧から生成する手段、を含む、
    電動機制御装置。
14. 【請求項１４】 前記の検知手段が、非導通期間中に前
    記のスイッチ手段にかかる前記の電圧レベルを積分し、
    前記の生成手段が、前記の積分の結果から前記の電流の
    測定値を得る、請求項１３に記載の電動機制御装置。
15. 【請求項１５】 前記の検知手段が、非導通期間の前記
    のスイッチ手段にかか電圧の積分に対応する第１の値を
    生成し、非導通期間予め定義した時刻に前記のスイッチ
    手段にかかる電圧レベルに対応する第２の値を生成す
    る、請求項１３に記載の電動機制御装置。
16. 【請求項１６】 前記の生成手段が、電流の測定値を、
    前記の非導通期間が所定の時間より長い場合は前記の第
    １の値から得、非導通期間が所定の時間より短い場合は
    前記の第２の値から得る、請求項１５に記載の電動機制
    御装置。
17. 【請求項１７】 前記の生成手段が、前記の第１の値が
    所定のしきい値より大きい場合は第１の値から電流の測
    定値を得、その他の場合は前記の第２の値から前記の電
    流の測定値を得る、請求項１５に記載の電動機制御装
    置。
18. 【請求項１８】 前記のスイッチ手段にかかる電圧を検
    知する前記の手段が、 前記のスイッチ手段の１つにかかる電圧に対応する出力
    電圧レベルを生成する差動増幅器、 前記の１つのスイッチ手段の非導通期間の所定の時刻に
    出力電圧レベルを記憶する装置、 入力を持ち、前記の入力に入る電圧レベルの大きさを表
    す周波数を持つ信号を生成する電圧周波数変換器、 前記の１つのスイッチ手段の非導通期間中は、前記の出
    力レベルを前記の差動増幅器から前記の電圧周波数変換
    器の入力に直接与え、その他の場合は、前記の記憶され
    た出力電圧レベルを前記の電圧周波数変換器の入力に与
    える手段、 前記の信号のサイクルをカウントして、前記の非導通状
    態中に発生する前記のサイクルの第１カウントＮ_A を生
    成し、また前記の記憶された出力電圧レベルが前記の電
    圧周波数変換器の入力に与えられるときに、所定の時間
    間隔τ中に第２のカウントＮ_V を生成する手段、を含
    む、請求項１５に記載の電動機制御装置。
19. 【請求項１９】 前記の電流の測定値を生成する前記の
    手段が、この測定値を、前記の非導通時間が所定の時間
    より長い場合には第１カウントＮ_A から得、前記の非導
    期間が前記の所定の時間より短い場合は第２カウントＮ
    _V から得る、請求項１８に記載の電動機制御装置。
20. 【請求項２０】 前記の生成手段が前記の電流の測定値
    （Ｉ）を、前記の非導通期間が所定の時間より長い場合
    は次の式から得、 【数１１】 前記の非導通期間が前記の所定の時間より短い場合は次
    の式から得る、請求項１８に記載の電動機制御装置、 【数１２】 ただし、ωは前記の交流電流の角周波数、Ｘσは前記の
    電動機のリアクタンス、ｋ_f は比例定数、γは交流電流
    のサイクルの度で表した非導通期間の継続時間、Ｆ
    （γ）の値は次式から計算され、 【数１３】 ｆ（γ）の値は次式から計算される。 【数１４】