【発明の詳細な説明】
電気モータのための効率的制御システム
発明の分野
本発明の分野は、モータのための電流制御である。更に詳しくは、本発明は、
電流の自動制御を有する交流（ＡＣ）誘導モータに、改良された効率的制御シス
テムを提供し、よって、機械的なパワーのために要求される最少量の電流が提供
される。自動的な調整が、本発明によるコントローラによって行われ、提供され
る電流はモータが損傷なしに機能するのに要求される最小のレベルにあることが
保証される。
発明の背景
交流誘導モータは従来技術で広く知られており、一般には、特に制御されてい
ない場合には、ある性能包絡線（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｎｖｅｌｏｐｅｓ
）の内部でほぼ一定の速度で動作する。この動作は、印加された電圧の大きさと
モータに結合され得る機械的な負荷との両者と独立である。更に、コントローラ
がなければ、このタイプのモータは、一般に、負荷の有無とは無関係に、ほぼ同
じ量の電流を使用する。従って、実際の応用では、これらのモータは、内在的な
非効率をいくらか有している。印加されるライン電圧は通常変動するので、交流
誘導モータは、予想される電圧変動の範囲全体に亘り適切な機械的なパワーを発
生するように、選択されなければならない。予測される最小の電圧で適切な機械
的パワーを発生するモータが選択される場合には、ライン電圧が上昇するにつれ
て過剰な機械的パワーが発生され、そのような条件下では、電力が浪費される。
同様に、交流誘導モータからの可変の機械的パワーが要求されるような状況下で
は、モータが最小のライン電圧においても最大の負荷に対応するのに適切なパワ
ーを発生するように、選択されなければならない。従って、最大パワー未満のパ
ワーが要求されるときには、この選択されたモータは過剰なパワーを発生し、こ
れによって、電流が、不可避的に浪費される。
負荷と電圧との両方が変動し得る状況では、これらの２つの動的なパラメータ
が組み合わされ、電流の浪費を増大させる可能性がある。従来技術では、モータ
によって不必要に用いられる電流の量を減少させようとする電気モータのための
制御システムが色々と論じられてきた。例えば、１９７７年１０月４日に発行さ
れたＮｏｌａへの米国特許第４０５２６４８号を参照のこと。このＮｏｌａ特許
は、１相モータと共に用いることが可能であるとされるコントローラを示してい
る。Ｎｏｌａ特許では、例えば３相モータが用いられる場合には、開示されてい
る制御システムの中の１つがモータに入力される各相に接続されなければならな
い、と開示されている。
交流誘導モータは、不適切な電流レベルで動作する場合には、損傷を受ける可
能性がある。安全な動作電流レベルは、提供されるライン電圧と結合される機械
的負荷との両者の関数である。従って、実際的で効果的な制御システムは、電流
をより効果的で経済的なレベルまで減少させるだけでなく、安全な動作電流レベ
ルを提供してモータの損傷を回避しなければならない。
力率（パワー・ファクタ）とは、交流電気モータの動作を記述するのに用いら
れる量であり、供給される電圧と電流との間の位相関係の関数である。この力率
をパーセンテージ形式に数量化するためには、１に等しい角度ゼロの余弦が分子
であり電圧と電流との間の位相角の余弦が分母である比を考えなければならない
。この位相角は、しばしば、ギリシア文字のシータで表される。理想的な条件で
は、電流と電圧とは「位相が一致」しており、すなわち、シータはゼロに等しく
、よって、力率は１００パーセントである。ほとんどの実際的な応用では、電流
と電圧とは位相がずれており、シータはゼロよりも大きく、１００パーセントよ
りも小さな力率が生じる。この技術分野で公知の電気モータは、完全に負荷を有
する場合には、典型的に、８０パーセント又はそれ以上の力率を有している。こ
のようなモータは、負荷が軽い場合には、僅かに４０パーセント又はそれ以下の
力率しか有しない。これらの低い力率は電流の流れを増加させ、また、モータの
動作のための電気コストを非効率的に上昇させる。
発明の概要
本発明によるモータ・コントローラは、すべてのサイクル内で誘導モータに供
給される交流電流の量を制御し、それによって、交流電力が動作条件に従って最
小化され得るようにする。この状況によって、増加したモータの力率が維持され
、よって、電流と電圧との間の位相角すなわちシータは、ゼロに近づく。従って
、モータを動作させるのに必要な電流は減少し、これにより、モータを動作させ
る電気的なコストも減少する。本発明は、１相、２相又は３相の交流誘導モータ
のための完全にデジタル化されたパワー・コントローラを構成する。このコント
ローラ・ユニットは、プログラムされたマイクロプロセッサを用いてモータが消
費する交流電力を制御するように設計されている。このマイクロプロセッサは、
シリコン制御整流子（ＳＣＲ）のファイアリング角度（位相角シータである電流
と電圧との変位の間の遅延）を変化させることにより、それぞれの電力位相を規
制し、全体以下の負荷がかかっている条件を補償する。規制は、各電力位相に対
してＳＣＲ同時に提供される単一の信号から行われる。このコントローラは、モ
ータに与えられる電流を最小のレベルまで効率的に減少させ、他方で、任意の与
えられた瞬間において課された負荷と有効（ａｖａｉｌａｂｌｅ）ライン電圧と
に対する適切な要求される機械的パワーを提供する。
このコントローラは、また、次の故障条件、すなわち、過度な動作温度、ＳＣ
Ｒの故障、電力位相損失、電力位相逆転、の中の任意のものが生じたときには、
モータをオフにするように作用する。
コントローラを付勢するためには、動作されるモータに対する完全負荷の力率
が決定されなければならず、その値がコントローラ内のマイクロプロセッサに入
力されなければならない。測定された値の入力は、デジタル・スイッチを介して
達成される。この値を用いるマイクロプロセッサはコントローラの中核であり、
ルックアップテーブルを参照して、要求される電流ファイアリング遅延値を計算
することができる。この値は、ＳＣＲ又はそれ以外のこの技術分野で公知である
デバイスのファイアリングを介して、モータ動作を規制するのに用いられ、サイ
リスタと同じ結果を達成する。マイクロプロセッサは、連続的に、入力電圧及び
電流の位相を制御し、また、ＳＣＲの熱だめ（ヒートシンク）温度をモニタする
。これらの測定に基づき、コントローラは、ファイアリング角度の変化をＳＣＲ
に対して命じ、最適な効率での動作を補償する。カウンタを用いて、動作電圧と
電流との位相角を、これらのパラメータに対するゼロ交差を参照することにより
モ
ニタする。好適実施例においては、コントローラは、連続的にリードアウト上に
表示されるエネルギ節約のパーセンテージを計算する。故障の場合には、リード
アウトが、適切に、オペレータに警告する。
このコントローラは、産業的利用のために設計されており、知識を有する電気
技術者によって取り付けられることが意図されている。この電気技術者は、最初
にコントローラなしで完全な負荷でモータを動作させ、動作されるモータの力率
を測定する。デジタル・スイッチを介して入力されモータに提供される電流の連
続的な制御のためのマイクロプロセッサによって用いられるのは、このようにし
て決定された力率である。
図面の簡単な説明
図面は、本発明による３相交流誘導モータに対するコントローラの好適実施例
を示している。
図１は、本発明のコントローラのための電気回路のブロック回路図である。
図２は、外部の磁気接触器及びモータに接続されたコントローラの好適実施例
のブロック回路図である。
図３は、図１に示された出力ドライバの回路図である。
図４は、図１に示されたマイクロプロセッサに対する本発明によるソフトウェ
アの論理流れ図である。
好適実施例の説明
本発明は、モータ９を更にエネルギ効率がよく従って更に経済的な速度で動作
させるマイクロプロセッサ１０を有するコントローラ８から成る。ここで説明す
るコントローラ８の実施例は、外部接触器（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔａｃｔ
ｏｒ）と共に用いられ得る３相の交流誘導モータ９のためのものである。
コントローラ８は本明細書では好適実施例を参照することによって説明される
が、本発明から離れずに種々の改変や代替を行い得ることは容易に理解されよう
。例えば、プリント回路板（ＰＣＢ）を用いる代わりに、素子をハードワイアー
ドとすることも可能である。同様に、素子とそれらの相対的な配列とを変更する
こともできる。
マイクロプロセッサ１０は、電圧及び電流入力の位相関係をモニタし必要な位
相関係の調節を行うＳＣＲを制御するのに用いられるトリガ・インパルスを遅延
させる又は進ませる内部プログラムを含む限り、種々の既知の形式の中の任意の
ものでよい。電圧と電流との位相関係は連続的に変化する可能性があり、よって
、効率的な動作のための電力を提供するためには、加えられる機械的な負荷及び
ライン電圧が変動するにつれて、この位相関係を、自動的に再調整する必要があ
る。
本明細書で説明されるコントローラ８の実施例は３相モータであるが、当業者
であれば、１相又は２相のモータ動作のためのこれに相当するコントローラの設
計を容易に理解するであろう。
内部プログラムは、図４に与えられている論理ステップを図４での順序におい
て含む限り、多数の異なる形式及びモードで作成してかまわない。
図１にはマイクロプロセッサ１０が示されており、このマイクロプロセッサ１
０は、中央処理装置（ＣＰＵ）クロックとして用いられる１２ＭＨｚのクロック
を含む発振器１２に接続されている。カウンタ１４によって、発振器１２に含ま
れるクロックは、以下で説明する他のカウンタのクロックとして機能することが
可能になる。
モータ９のための３つの位相であるＬ１、Ｌ２、Ｌ３（図１を参照）のそれぞ
れからの電流信号は、出力ＳＣＲモジュール７６、７８、８０に亘って接続され
た交流入力オプトカプラ（ｏｐｔｏ ｃｏｕｐｌｅｒ）９６に入力される。交流
入力オプトカプラ９６は、３つの位相のそれぞれのゼロ交差を検出するのに用い
られる。３つの電流信号は、それぞれが、シュミット・トリガ回路１８によって
整形され、ＮＯＲゲート２０に送られる。ＮＯＲゲート２０の出力は、８ビット
の２進カウンタ２２に送られるが、このカウンタに対しては、発振器１２におけ
るクロックが、カウンタ１４で２０４８で除算されたものとして、クロック信号
として機能する。ＮＯＲゲート２０からの位相電流出力がゼロまで低下するとす
ぐに、カウンタ２２は、計数を開始してその出力をデジタル８ビット・コンパレ
ータ２４に送る。
位相電流がゼロでない限り、ＮＯＲゲート２０の出力はハイ・レベルにあり、
カウンタ２２はリセット状態になる。
ＮＯＲゲート２０の出力がゼロになりカウンタ２２の出力がコンパレータ２４
に至ると、この情報は、レジスタ２８から得られたモータの電流ファイア遅延値
と比較される。このレジスタ２８は、以下で述べるように、コントローラ８の動
作が開始されたときに測定されたモータの力率入力に基づいてマイクロプロセッ
サ１０が計算した電流ファイア遅延値を記憶する。マイクロプロセッサ１０は、
電圧及び電流に対するゼロ交差の測定値を用いることによって、内部ＲＯＭ内の
ルックアップテーブルを参照しゲート信号を効率的に遅延させるのに必要な時間
遅延の量を決定する。内部ＲＯＭに記憶されたデータは、制御されているモータ
９に対する実際の究極的な完全な負荷力率を識別するように決定される。この決
定は、当業者には公知である技術を用いてなされる。コンパレータ２４は、従っ
て、動作しているカウンタ２２の出力を、レジスタ２８に記憶されている計算さ
れた電流ファイア遅延値の固定された値と比較する。カウンタ２２の出力がレジ
スタ２８の出力よりも小さいときには、コンパレータ２４からの信号はゼロであ
る。カウンタ２２とレジスタ２８との出力が等しくなった後で、デジタル・コン
パレータ２４は、シュミットＮＡＮＤゲート３０によって実現されたパルス発生
器３２に印加される正の信号を出力する。パルス発生器３２は、コンデンサ３４
と、２つの同一でしかし反対に接続された信号整流子ダイオード３６と、２つの
抵抗３８、３９と、を含む。抵抗３８は、抵抗３９のおよそ４倍の値を有してい
る。オープン・ドレイン・インバータ４０がワイヤＯＲ回路として用いられ、モ
ータ９の動作のピケット・フェンシング（ｐｉｃｋｅｔ ｆｅｎｃｉｎｇ）を扱
い、マイクロプロセッサ１０がＳＣＲパルスをゲートすることによってモータ９
を制御することを可能にする。パルス発生器３２の出力は分けられ、同時に３つ
のドライバ４２を通過する。次に、ドライバ４２からの同一の信号が、それぞれ
、出力ドライバ８２、８４、８６を通過する対応するＳＣＲのゲートを同時にフ
ァイアリングするのに用いられるダーリントン・トランジスタ４４を通過する。
３つの電力位相に対するゼロ電圧交差の値は、Ｙ（ｗｙｅ）型の構成に接続さ
れた３つの交流入力オプトカプラ４８を用いて検出される。オプトカプラ４８は
、安全上の理由で、コントローラ８を外部電圧から分離する。信号が整形される
シュミット・トリガ１８を通過した後で、シュミット・トリガ１８の出力は、Ａ
Ｎ
Ｄゲート５２に至る。ＡＮＤゲート５２の出力は、交流入力周波数の３倍であり
、抵抗及びコンデンサ５６によって決定される時定数を有する再トリガ可能な単
安定マルチバイブレータ５４の入力に印加される。再トリガ可能な単安定マルチ
バイブレータ５４は、コントローラ８の入力への任意の電力位相損失を捕捉する
ように選択される。抵抗及びコンデンサ５６を組み合わせることにおいて、単安
定マルチバイブレータ５４は、電力位相の任意の１つ又は複数が動作していない
ときに、割り込み（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ）を実行するように機能する。第
２の再トリガ可能な単安定マルチバイブレータ５８が、そのオプトカプラ４８か
らシュミット・トリガ１８の１つの出力に直接に接続されており、この場合には
電力位相１である電圧入力の位相がゼロ・レベルを交差する厳密な時刻を指示す
るように機能する。その時に、デュアル再トリガ可能な単安定マルチバイブレー
タ５８からの短いパルスが、カウンタ６０をゼロからからの計数を直ちに開始す
るようにリセットする。発振器１２のクロックは、カウンタ１４を介して２０４
８によって除算されているが、カウンタ６０に対するクロックとして作用する。
位相１の入力に接続された電力位相に対する電流がゼロまで減少する場合には、
ＡＮＤゲート５２の出力からの信号が、カウンタ６０の値をレジスタ６２に書き
込み、ＮＯＲゲート６４からの外部割り込み（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｔｅｒｒ
ｕｐｔ）が生じる。この値は、プログラムされたマイクロプロセッサ１０によっ
て情報データとして用いられ、共通データ・バス６３を介してレジスタ６２から
読み出される。
コントローラ８がセット又はリセットされると、接続されたモータに対する要
求される力率は、バッファ６８を介して読み出されるデュアル・インライン・パ
ッケージ（ＤＩＰ）デジタル・スイッチ６６を用いて入力される。デジタル・ス
イッチ６６に対する８つのスイッチの中の第１のものは、選択されたソフト・ス
タート動作に接続されており、次の３つはソフト・スタート・ランプ時間をセッ
トするのに用いられ、残りのスイッチは完全に負荷を与えられたモータに対する
測定された力率を入力するように接続される。この力率は、この技術分野で知ら
れている力率メータを用いてオペレータによって決定され、コントローラ８の動
作を開始する前に入力されなければならない。
動作中に、コントローラは、エネルギ節約のパーセンテージを計算し、これら
の値を、デコーダ・ドライバ７４によって駆動されるマルチ・セグメントＬＥＤ
ディスプレイ７２上に表示する。故障が検出されると、ＬＥＤディスプレイ７２
は、例えば、すべて８を点滅しオペレータに警告する。
次に図２を参照すると、この図には、誘導モータ９、外部磁気接触器１１８及
びこの接触器のための制御回路１２０と共に典型的に設置されたコントローラ８
が示されている。コントローラ８のリレー２９の接点は、外部磁気接触器１１８
の制御回路１２０にワイヤ接続されることが意図されている。コントローラ８が
適切に機能しており故障が検出されていないときには、マイクロプロセッサ１０
は、ドライバ１９に信号を出力しリレー２９を付勢してその接点を閉じ、モータ
９がオンすることを可能にする。故障が検出されると、リレー１９の接点は開い
て、モータ９はオフになる。リレー２９が付勢される前に入力端子Ｌ１、Ｌ２、
Ｌ３上でパワーが検出されると、コントローラ８はオンしない。
ＳＣＲモジュールには、一般的に、３つの電力位相のそれぞれに対して、参照
番号７６、７８、８０が付せられている。各ＳＣＲモジュール７６、７８、８０
は、それぞれが、同一であってその詳細は図３に示されている出力ドライバ８２
、８４、８６の１つに接続されている。
図３は、すべて同一である３つのＳＣＲドライバ回路８２、８４、８６のそれ
ぞれに対する電気回路である。この回路においては、パルス変圧器９０に、その
ダーリントン駆動トランジスタ４４から抵抗９２を介して信号が印加される。整
流子ダイオード９４が抑制のために提供される。
やはり図３に示されるように、パルス変圧器９０の二次コイルの一方からの出
力は、直列に接続された抵抗９８と整流子ダイオード１００とを介してＳＣＲの
ゲートに至る。負のゲート電圧は、二次巻線に亘るダイオード１０２によってク
ランプされる。端子１はＳＣＲのゲートに接続され、端子２はＳＣＲのカソード
に接続される。他方のパルス変圧器９０の二次コイルの出力は、直列に接続され
たダイオード１０６と抵抗１０４とを介して対の他方のＳＣＲのゲートに至る。
負のゲート電圧は、二次巻線に亘るダイオード１０８によってクランプされる。
端子４はＳＣＲのゲートに接続され、端子３はＳＣＲのカソードに接続される。
カソードとゲートとの間の導通が、ＳＣＲファイアリングをトリガするには必要
である。金属酸化物バリスタ１１０がサージ抑制のためにサイリスタで有り得る
ＳＣＲの電力端子に亘って接続され、コンデンサ１１４もまた従来型の態様でそ
の動作を安定化するためにＳＣＲに亘って接続される（Ｄｖ／Ｄｔ抑制）。
交流入力オプトカプラ９６の発光ダイオード（ＬＥＤ）側は、ＳＣＲの電力端
子に亘って抵抗９７と直列に接続される。ＳＣＲがオンであるときには、ＬＥＤ
には電流は流れず、オプトカプラ９６の出力トランジスタはオフである。ＳＣＲ
がオフであるときには、抵抗９７を電流が流れ、オプトカプラ９６のＬＥＤが出
力トランジスタをオンさせる。
図４は、当業者には、自己説明的であろう。この図には、マイクロプロセッサ
１０のアルゴリズムの論理が示されている。
図示されているように、本発明によるコントローラ８は、そのマイクロプロセ
ッサ１０が本質的に４ポート構成において外部メモリなしで動作するように、設
計されている。１つのポートが、入力・出力周辺機器に対するデータ・バスとし
て動作する。別のポートは、周辺の集積回路にアクセスするための制御バスであ
る。更に別のポートは、位相電圧及び電流測定とコントローラの熱だめからの温
度データとに対する入力として機能し、他方で、最後のポートは、外部割り込み
及びシリアル・リンクへの入力を提供するという補助的な機能を有する。
ここで説明した好適実施例では、マイクロプロセッサ１０は、ＩＮＴＥＬ８０
５１である。
容易に明らかなように、本発明の多くの修正が、当業者によれば、その精神と
範囲とから離れることなくなされ得る。従って、本発明は、次の請求の範囲によ
ってのみ限定されるものとする。Detailed Description of the Invention
Efficient control system for electric motors
Field of the invention
The field of the invention is current control for motors. More specifically, the present invention provides
An improved efficient control system for alternating current (AC) induction motors with automatic current control.
System, thus providing the minimum amount of current required for mechanical power
Is done. Automatic adjustment is provided and provided by the controller according to the invention.
Current is at the minimum level required for the motor to function without damage.
Guaranteed.
BACKGROUND OF THE INVENTION
AC induction motors are widely known in the prior art and are generally well controlled.
If not, certain performance envelopes
) Operates at a nearly constant speed inside. This action depends on the magnitude of the applied voltage and
It is independent of both the mechanical load that can be coupled to the motor. In addition, the controller
Without it, this type of motor would generally be nearly identical, with or without a load.
Use the same amount of current. Therefore, in a practical application, these motors are
Has some inefficiency. The applied line voltage usually fluctuates, so alternating current
Induction motors generate adequate mechanical power over the range of expected voltage fluctuations.
Must be selected to live. The right machine with the lowest expected voltage
As the line voltage increases, if a motor that produces static power is selected.
Excessive mechanical power is generated, and under such conditions power is wasted.
Similarly, in situations where variable mechanical power from an AC induction motor is required,
Is the power that the motor needs to handle the maximum load at the minimum line voltage.
Must be selected to generate Therefore, the power below the maximum power
Power is required, this selected motor will generate excess power and
This inevitably wastes current.
In situations where both load and voltage can vary, these two dynamic parameters
Can be combined to increase current waste. In the prior art, the motor
For electric motors that seek to reduce the amount of current used unnecessarily by
Various control systems have been discussed. For example, issued on October 4, 1977
See U.S. Pat. No. 4,052,648 to Nola. This Nola patent
Shows a controller that can be used with a one-phase motor.
You. The Nola patent discloses, for example, when a three-phase motor is used.
One of the control systems must be connected to each phase input to the motor.
No, it is disclosed.
AC induction motors can be damaged if they are operated at improper current levels.
There is a potential. Safe operating current level is combined with the line voltage provided by the machine
It is a function of both the physical load. Therefore, a practical and effective control system is
To a more effective and economical level as well as a safe operating current level.
Must be provided to avoid damaging the motor.
Power factor is used to describe the operation of an AC electric motor.
Is a function of the phase relationship between the supplied voltage and current. This power factor
To quantify to the percentage form, the cosine of the angle zero equal to 1 is the numerator
And we have to consider the ratio where the cosine of the phase angle between voltage and current is the denominator
. This phase angle is often expressed in Greek theta. Under ideal conditions
Is "in phase" with current and voltage, that is, theta is equal to zero
Therefore, the power factor is 100%. In most practical applications, the current
And the voltage are out of phase, theta is greater than zero, 100%
A very small power factor occurs. Electric motors known in the art are fully loaded.
If so, it typically has a power factor of 80 percent or more. This
Motors such as, when lightly loaded, have only 40 percent or less
It only has a power factor. These low power factors increase the current flow and also the motor
Inefficiently increase the electrical cost of operation.
Summary of the Invention
The motor controller according to the invention supplies the induction motor in every cycle.
It controls the amount of alternating current supplied, which allows the alternating current power to reach maximum according to operating conditions.
Allows for miniaturization. This situation maintains the increased motor power factor.
Therefore, the phase angle between current and voltage, or theta, approaches zero. Therefore
, The current required to operate the motor is reduced, which causes the motor to operate
It also reduces the electrical cost. The present invention relates to a one-phase, two-phase or three-phase AC induction motor.
Configure a fully digitalized power controller for. This control
The roller unit uses a programmed microprocessor to turn off the motor.
It is designed to control the AC power it consumes. This microprocessor
Silicon controlled commutator (SCR) firing angle (current which is phase angle theta
The delay between the displacement of the voltage and the voltage) to regulate the respective power phase.
Control and compensate for conditions under the overall load. Regulations apply to each power phase.
Then, the SCR is performed from a single signal provided simultaneously. This controller is
Effectively reduces the current delivered to the motor to a minimum level, while
The load imposed and the available line voltage at the given moment
To provide the appropriate required mechanical power for.
This controller also provides the following fault conditions: excessive operating temperature, SC
When any of R failure, power phase loss, power phase reversal occurs,
Acts to turn off the motor.
To energize the controller, the full load power factor for the motor being operated
Must be determined and its value must be entered into the microprocessor in the controller.
Must be empowered. Input of the measured value is via a digital switch
Achieved. The microprocessor that uses this value is the core of the controller,
Calculate required current firing delay value by looking up lookup table
can do. This value is SCR or otherwise known in the art.
Used to regulate motor operation through device firing, and
Achieve the same results as Lista. The microprocessor continuously changes the input voltage and
Controls current phase and also monitors SCR heat sink temperature
. Based on these measurements, the controller SCRs changes in the firing angle.
To compensate for operation at optimal efficiency. With a counter,
The phase angle with the current by referring to the zero crossings for these parameters
Mo
Nita. In the preferred embodiment, the controller is continuously on the readout.
Calculate the percentage of energy savings displayed. In case of failure, lead
Out properly alerts the operator.
This controller is designed for industrial use and has a knowledgeable electrical
It is intended to be installed by a technician. This electrician was the first
Operating the motor at full load without a controller, the power factor of the motor being operated
To measure. The series of currents that are input through the digital switches and provided to the motor.
This is what is used by the microprocessor for continuous control.
Is the power factor determined by
Brief description of the drawings
The drawings show a preferred embodiment of a controller for a three-phase AC induction motor according to the present invention.
Is shown.
FIG. 1 is a block circuit diagram of an electric circuit for a controller of the present invention.
FIG. 2 is a preferred embodiment of a controller connected to an external magnetic contactor and motor.
3 is a block circuit diagram of FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram of the output driver shown in FIG.
FIG. 4 shows a software according to the present invention for the microprocessor shown in FIG.
It is the logic flow chart of a.
Description of the preferred embodiment
The present invention operates the motor 9 at a more energy efficient and therefore more economical speed.
It comprises a controller 8 having a microprocessor 10. Explained here
An example of the controller 8 is an external contactor.
or for the three-phase AC induction motor 9 that can be used with
Controller 8 is described herein by reference to the preferred embodiment.
However, it will be readily understood that various modifications and alternatives may be made without departing from the invention.
. For example, instead of using a printed circuit board (PCB), the device may be hardwired.
It is also possible to set it. Similarly, changing the elements and their relative alignment
You can also.
The microprocessor 10 monitors the phase relationship between the voltage and current inputs, and monitors them as needed.
Delay the trigger impulses used to control the SCR that makes the phase adjustment
Include any internal program that causes or advances
Anything is fine. The phase relationship between voltage and current may change continuously, so
, To provide power for efficient operation, mechanical load applied and
As the line voltage varies, this phase relationship needs to be automatically readjusted.
You.
Although the example controller 8 described herein is a three-phase motor, those skilled in the art
If so, a controller equivalent to this for one-phase or two-phase motor operation is installed.
You will easily understand the total.
The internal program places the logical steps given in FIG. 4 in the order shown in FIG.
May be created in many different formats and modes.
A microprocessor 10 is shown in FIG.
0 is a 12 MHz clock used as a central processing unit (CPU) clock
Is connected to the oscillator 12. Included in oscillator 12 by counter 14
The clocks used can function as clocks for other counters described below.
It will be possible.
Each of the three phases L1, L2, L3 (see FIG. 1) for the motor 9
The current signal from it is connected across the output SCR modules 76, 78, 80.
The AC input optocoupler 96 is input. Alternating current
The input optocoupler 96 is used to detect the zero crossings of each of the three phases.
Can be Each of the three current signals is output by the Schmitt trigger circuit 18.
It is shaped and sent to the NOR gate 20. The output of NOR gate 20 is 8 bits
Sent to the binary counter 22 of the
The clock signal that is divided by 2048 in the counter 14
Function as. Suppose the phase current output from the NOR gate 20 drops to zero.
Then, the counter 22 starts counting and outputs its output to the digital 8-bit comparator.
To the data 24.
The output of NOR gate 20 is at a high level unless the phase current is zero,
The counter 22 is in the reset state.
The output of the NOR gate 20 becomes zero and the output of the counter 22 becomes the comparator 24.
Up to the value of the motor current fire delay value obtained from register 28.
Compared to. This register 28 is used by the controller 8 as described below.
Based on the power factor input of the motor measured when the
The current fire delay value calculated by the server 10 is stored. The microprocessor 10
By using the zero-crossing measurements for voltage and current, the internal ROM
Time required to look up the lookup table and delay the gate signal efficiently
Determine the amount of delay. The data stored in the internal ROM is the motor that is being controlled.
It is determined to identify the actual ultimate perfect load power factor for 9. This decision
The determination is made using techniques known to those skilled in the art. Comparator 24 follows
Then, the output of the operating counter 22 is calculated and stored in the register 28.
Compared with a fixed value of the current fire delay value. The output of the counter 22 is the cash register
When it is smaller than the output of the star 28, the signal from the comparator 24 is zero.
You. After the outputs of the counter 22 and the register 28 become equal, the digital controller
The pulse generator 24 is a pulse generator realized by the Schmitt NAND gate 30.
It outputs a positive signal applied to the device 32. The pulse generator 32 includes a capacitor 34
And two identical but oppositely connected signal rectifier diodes 36 and two
And resistors 38 and 39. The resistor 38 has about four times the value of the resistor 39.
You. The open drain inverter 40 is used as a wire OR circuit,
Handle picket fencing of the movement of the data 9
When the microprocessor 10 gates the SCR pulse, the motor 9
Allows you to control. The output of the pulse generator 32 is divided into three at the same time.
Pass the driver 42 of. Then, the same signal from the driver 42
, The gates of the corresponding SCRs passing through the output drivers 82, 84, 86 simultaneously.
It passes through a Darlington transistor 44 which is used for dialing.
Values of zero voltage crossings for the three power phases are connected in a Y (wy) type configuration.
It is detected by using three AC input optocouplers 48 that are connected to each other. Optocoupler 48
, For safety reasons, the controller 8 is isolated from the external voltage. The signal is shaped
After passing through the Schmitt trigger 18, the output of the Schmitt trigger 18 is A
N
It reaches the D gate 52. The output of the AND gate 52 is three times the AC input frequency
, A retriggerable unit with a time constant determined by a resistor and a capacitor 56.
Applied to the input of the stable multivibrator 54. Retriggerable monostable multi
The vibrator 54 captures any power phase loss to the input of the controller 8.
To be selected. By combining the resistor and capacitor 56,
Constant multivibrator 54 is inactive on any one or more of the power phases
At times, it functions to execute an interrupt. No.
2 retriggerable monostable multivibrator 58 is its optocoupler 48
Directly connected to one output of the Schmidt trigger 18, in this case
Indicates the exact time when the phase of the voltage input, which is power phase 1, crosses the zero level
Function like. At that time, dual retriggerable monostable multivibration
A short pulse from timer 58 causes counter 60 to immediately begin counting from zero.
To reset. The clock of the oscillator 12 is 204
It is divided by 8 but acts as a clock for the counter 60.
If the current for the power phase connected to the phase 1 input decreases to zero,
The signal from the output of the AND gate 52 writes the value of the counter 60 into the register 62.
External NOR (external interrupt) from the NOR gate 64.
upt) occurs. This value is set by the programmed microprocessor 10.
Used as information data from the register 62 via the common data bus 63.
Read out.
When the controller 8 is set or reset, the controller 8 will
The required power factor is the dual in-line power read through the buffer 68.
Input using a package (DIP) digital switch 66. Digital
The first of the eight switches for switch 66 is the selected soft switch.
It is connected to the start operation and the following three sets the soft start ramp time.
The rest of the switch is for a fully loaded motor.
Connected to enter the measured power factor. This power factor is known in the art.
The operation of the controller 8 is determined by the operator using the power factor meter that is
Must be entered before starting the work.
During operation, the controller calculates the percentage of energy savings and
Value of the multi-segment LED driven by the decoder driver 74
It is displayed on the display 72. When a failure is detected, the LED display 72
, For example, flashes all 8s to alert the operator.
Referring now to FIG. 2, this figure shows an induction motor 9, an external magnetic contactor 118 and
Controller 8 typically installed with control circuit 120 for the contactor
It is shown. The contact of the relay 29 of the controller 8 is the external magnetic contactor 118.
Is intended to be wire connected to the control circuit 120 of. Controller 8
When it is functioning properly and no fault is detected, the microprocessor 10
Outputs a signal to the driver 19 to energize the relay 29 to close its contact,
Allow 9 to turn on. When a failure is detected, the relay 19 contacts open
Then, the motor 9 is turned off. Before the relay 29 is energized, the input terminals L1, L2,
If power is detected on L3, the controller 8 will not turn on.
SCR modules generally refer to each of the three power phases.
The numbers 76, 78 and 80 are attached. Each SCR module 76, 78, 80
Are output drivers 82, each of which is identical and the details of which are shown in FIG.
, 84, 86.
FIG. 3 shows that of three SCR driver circuits 82, 84, 86 which are all identical.
It is an electric circuit for each. In this circuit, the pulse transformer 90
A signal is applied from the Darlington drive transistor 44 through the resistor 92. Order
A shunt diode 94 is provided for suppression.
As also shown in FIG. 3, the output from one of the secondary coils of the pulse transformer 90.
The force is applied to the SCR via a resistor 98 and a commutator diode 100 connected in series.
To the gate. The negative gate voltage is generated by the diode 102 across the secondary winding.
Be ramped. Terminal 1 is connected to the gate of the SCR and terminal 2 is the cathode of the SCR
Connected to. The output of the secondary coil of the other pulse transformer 90 is connected in series.
Through the diode 106 and the resistor 104 to the gate of the other SCR of the pair.
The negative gate voltage is clamped by the diode 108 across the secondary winding.
Terminal 4 is connected to the gate of the SCR and terminal 3 is connected to the cathode of the SCR.
Conduction between cathode and gate is required to trigger SCR firing
It is. The metal oxide varistor 110 can be a thyristor for surge suppression.
Connected across the power terminals of the SCR, the capacitor 114 is also
Is connected across the SCR in order to stabilize the operation (Dv / Dt suppression).
The light emitting diode (LED) side of the AC input optocoupler 96 is at the power end of the SCR.
It is connected in series with the resistor 97 across the child. LED when SCR is on
No current flows through the output transistor of the optocoupler 96, and the output transistor of the optocoupler 96 is off. SCR
When is off, current flows through the resistor 97 and the LED of the optocoupler 96 is output.
Turn on the force transistor.
FIG. 4 will be self-explanatory to those skilled in the art. This figure shows a microprocessor
The logic of ten algorithms is shown.
As shown, the controller 8 according to the present invention comprises a microprocessor
The system 10 is designed to operate essentially in a 4-port configuration without external memory.
It is being measured. One port serves as a data bus for input / output peripherals
Works. Another port is the control bus for accessing peripheral integrated circuits.
You. Yet another port provides phase voltage and current measurements and temperature from the controller heat sink.
Function as an input to the external data, while the last port is an external interrupt.
And has the ancillary function of providing input to the serial link.
In the preferred embodiment described herein, the microprocessor 10 is an INTEL80.
51.
As will be readily apparent, many modifications of the invention will occur to those skilled in the art in spirit and
It can be done without leaving the range. Accordingly, the invention is defined by the following claims.
Is limited only.
【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項
【提出日】１９９４年１１月２８日
【補正内容】
明細書の［請求の範囲］を次の通りに補正する。
『１．交流誘導モータのための少なくとも１相の電力コントローラにおいて、
入力電流と電圧との位相角の関係値を測定する測定手段と、
前記モータに対する測定された負荷の力率値を受け取り、前記測定された電流
と電圧との位相角の関係に基づきメモリ手段から訂正された力率値データを読み
出すマイクロプロセッサ手段と、
電流が前記モータにいつ供給されるかを規制することにより、測定された入力
電流と電圧との位相角の関係値を変化させる電流制御手段と、を備えており、
よって、前記マイクロプロセッサ手段は、（ｉ）測定された入力電流と電圧と
の位相角の関係値と、（ii）前記入力された負荷の力率値と、（iii）前記メモ
リ手段から読み出された訂正された力率値と、に基づき、前記電流制御手段が前
記モータにいつ電流を導通させるかを決定するための遅延の値を計算し、前記マ
イクロプロセッサ手段は、前記計算された遅延の値を出力し、前記電流制御手段
を、前記計算された遅延が電流振幅値がゼロ値交差を行った時から経過した後で
電流が前記モータに導通するように支配することを特徴とする少なくとも１相の
電力コントローラ。
２．請求項１記載の電力コントローラにおいて、前記測定手段は、信号を提供
し電流と電圧との振幅値のゼロ交差に基づき位相角の関係値を測定するカウンタ
手段を含むことを特徴とする電力コントローラ。
３．請求項１記載の電力コントローラにおいて、前記電流制御手段は、シリコ
ン制御整流子（ＳＣＲ）手段を含み、各ＳＣＲ手段は、電流の導通を制御するの
に用いられるゲート手段を含むことを特徴とする電力コントローラ。
４．交流誘導モータに提供される電流を制御する方法において、
電流と電圧との位相角の関係値を測定するステップと、
前記モータに対する測定された負荷の力率値をマイクロプロセッサ手段に入力
するステップと、
訂正された力率値データをメモリ手段に入力するステップと、
マイクロプロセッサ手段を用いて、前記モータに供給された電流に対する測定
された電流と電圧との位相角の関係値を変化させる電流制御手段の動作を支配す
る遅延値を計算し、計算された遅延の値を用いて、前記計算された遅延が前記電
流振幅値がゼロ交差を行った時から経過した後で前記モータに電流を導通させる
ことだけによって電流がいつ前記モータに導通するかを制御するステップと、を
含んでおり、
前記マイクロプロセッサ手段は、（ｉ）測定された入力電流と電圧との位相角
の関係値と、（ii）前記モータに対する前記入力された負荷の力率値と、（iii
）前記メモリ手段から読み出された訂正された力率値と、に基づいて、前記遅延
値を計算することを特徴とする方法。』[Procedure of Amendment] Article 184-7, Paragraph 1 of the Patent Act
[Submission date] November 28, 1994
[Correction contents]
Amend [Claims] in the description as follows.
"1. In at least one phase power controller for an AC induction motor,
Measuring means for measuring the relationship value of the phase angle between the input current and the voltage,
Receiving a measured load power factor value for the motor, the measured current
Read the corrected power factor value data from the memory means based on the relationship between the phase angle of
Microprocessor means to issue,
Measured input by regulating when current is supplied to the motor
A current control unit that changes the relationship value of the phase angle between the current and the voltage,
Thus, the microprocessor means (i) measures the measured input current and voltage.
Phase angle relation value, (ii) the input power factor value of the load, and (iii) the memo
Based on the corrected power factor value read from the current control means,
Calculate the delay value to determine when the motor should conduct current and
The icroprocessor means outputs the calculated delay value, and the current control means
After the calculated delay has elapsed since the time when the current amplitude value made a zero-value crossing,
At least one phase characterized in that the current is dominated to conduct to the motor
Power controller.
2. The power controller of claim 1, wherein the measuring means provides a signal.
Counter that measures the relative value of the phase angle based on the zero crossing of the amplitude value of the current and voltage
A power controller comprising means.
3. The power controller according to claim 1, wherein the current control means is a silicon
And SCR means, each of which controls the conduction of current.
A power controller comprising a gating means used in a power controller.
4. In a method of controlling the current provided to an AC induction motor,
Measuring the relationship value of the phase angle between the current and the voltage,
Input the measured load power factor value for the motor into the microprocessor means
Steps to
Inputting the corrected power factor value data to the memory means,
Measurement of current supplied to the motor using microprocessor means
Control the operation of the current control means that changes the relational value of the phase angle between the applied current and voltage
Calculating a delay value, and using the calculated delay value, the calculated delay is
Energizing the motor after the flow amplitude value has crossed the zero crossing
Controlling when electric current is conducted to the motor solely by
Including,
The microprocessor means includes (i) a phase angle between the measured input current and voltage.
And (ii) the power factor value of the input load on the motor, (iii)
) Based on the corrected power factor value read from the memory means, the delay
A method characterized by calculating a value. 』
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フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ
Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ
，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，
ＴＤ，ＴＧ)，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，
ＣＺ，ＦＩ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＶ，Ｍ
Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ
，ＳＫ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ
(72)発明者 ジルバーマン，イェブジェニー
アメリカ合衆国ニュージャージー州07410,
フェアヘイブン，ジャスパー・ロード 39
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Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, M
C, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG
, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN,
TD, TG), AU, BB, BG, BR, BY, CA,
CZ, FI, HU, JP, KR, KZ, LK, LV, M
G, MN, MW, NO, NZ, PL, RO, RU, SD
, SK, UA, UZ, VN
(72) Inventor Gilberman, Jev Jenny
United States New Jersey 07410,
Fair Haven, Jasper Road 39
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