JPS6053559B2 - Ａｃ誘導モ−タのための自己較正型力率制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＡＣ誘導モータのための力率制御システム、特
にＡＣ誘導モータのための自己較正型力率制御装置に関
するものである。

ＡＣ誘導モータのための力率制御システムの一つは、１
９７７年１０月４日フランクジユイ．ノーラに与えられ
、米航空宇宙局（ＮＡＳＡ）長官が代表するアメリカ合
衆国に譲渡された米国特許第４０５２６４８号において
開示されている。

このノーラパテントは、“゜力率制御装置、摘要ＮＯ．
ＭＦＳ−２３２８０゛と題して１９７呼３月刊のＮＡＳ
Ａ技術資料集（ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＳｕｐｐＯ
ｒｔｐａｃｋａｇｅ）に収録されている。この技術資料
集は、前記ノーラパテントにおける開示技術以外に、そ
の変形及び改良に係る略回路図をも所載している。前記
ノーラパテント及びＮＡＳＡ技術資料集に解説されたと
おり、ＡＣ誘導モータにおける電流は、無負荷時におい
て約８０ー、負荷時において約３０無の位相角だけ電圧
より遅れる。

この位相角６゜θ゛は、ＣＯｓθとしてモータの力率を
計算するのに用いられる。従つて、Ｏが小さくなれば、
力率は１に近づく。逆にＯが大きくなれば、力率は０に
近づく。そして基本には、力率が低いことは、エネルギ
ーが浪費されていることを意味する。今日使用されてい
る多数の誘導モータにおいて、力率を改善することは実
質的な省エネルギーになるはずである。ポテンシャルエ
ネルギーの節約に関する見積りは、ＮＡＳＡ技術資料集
の第３頁及び第一１０頁に記載されている。ノーラの力
率制御装置の作動は、第１１頁及び第１５頁に記載され
、機能ブロック線図は第１３頁に示されている。

これによれば、線間電圧が検出され、その線間電圧に対
応する信号と、補数に対応．する信号が生成される。モ
ータ電流もまた検出され、それに対応する信号とその補
数に対応する信号がやはり生成される。これらの電圧及
び電流信号については、排他的論理和が適用され、その
結果、加算増幅器及びローパスフィルターに一つの−入
力が供給される。加算増幅器への他方の入力は、ポテン
ショメータから引出された■信号であり、これは命令さ
れた位相角、従つて命令された力率に対応する。このフ
ィルタ及び加算の結果、ｘシステムエラー電圧が発生し
、これは線間電圧のゼロ交叉点に同期したランプ電圧ど
比較される。このためコンパレータによつてランプ電圧
と■エラー電圧との交点が検出され、トライアツクをト
リガーするのに用いられる。モータの負荷が小さくなる
と、位相角は大きくなる。これに応答して、制御装置は
トライアツクのデューティーサイクルを減小させ、モー
タに印加する電圧を低下して命令された位相角を維持す
る。逆にモータの負荷が大きくなると、位相角は小さく
なる。制御装置はこれに応答してトライアツクのデュー
ティーサイクルを増加させ、モータの印加電圧を高めて
命令された位相角を維持する。ノーラパテントの回路に
おけるアナログ特性のため、このシステムは、例えば温
度の変動等、運転中の変化に敏感である。

さらに、このノーラシステムは、各モータのための力率
命令ポテンショメータの個々の手動による判定とセット
を行うことが必要である。本発明はノーラの力率制御装
置の不利益を克服し、重要な改良を企図するものである
。

本発明においては調節を要求しないで、問題に対するデ
ィジタル解を得る方法が明確にされた。本発明の力率制
御装置は自己較正型てあり、これは各モータのための力
率指令用ポテンショメータを個々に手動調節セットする
必要がないことを意味する。事実、本発明によれば、力
率制御装置はモータの負荷に関係なく、モータがスイッ
チオンされるたびに自動的に再較正される。すなわち、
指標としての力率が自動的に設定されるわけである。一
実施例において、本発明はクロックと、カウンタ配列及
びレジスタを用いる。

位相角カウンタは、モータ電圧と電流における各ゼ狛交
叉時の間でクロックパルスをカウントすることにより、
電圧と電流との間の位相角を判定するのに用いられる。
また、遅延カウンタは、電流がゼロと交叉する時を出発
点として、所定数のクロックパルスをカウントすること
により、トライアツクのトリガーを遅延させるために用
いられる。この遅延カウンタは、始動中において、ゼロ
カウントで初期ロードされる。遅延カウンタにロードさ
れたカウントは、そのカウントが位相角カウンタにおけ
るカウントと等しくなるまで、周期的にインクリメント
加増される。この時点で、位相角カウンタにおけるカウ
ントはレジスタにストアされる。ストアされたカウント
は所望の位相角に対応し、従つて指令された力率に対応
する。ここで、制御装置はモータを始動状態から運転状
態に切換える。この運動−ドにおいて、位相角カウンタ
のカウントは、レジスタにストアされたカウントと比較
され、これらの差は遅延カウンタにロードされたカウン
トを周期的にインクリメント又はデクリメントするのに
用いられる。従つて、トライアツクのトリガーを進め又
は遅らせることにより、実際の位相角を所望の位相角に
等しく維持する。以下、図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す機能ブロック線図であ
り、その動作原理を説明するために採用されたものであ
る。第１図に示すとおり、本発明の力率制御装置は端子
１０，１２においてＡＣ電源に接続するようになつてい
る。なるべくなら中性線に接続される端子１２は、モー
タ１６の１本のリード線に接続され、端子１０はスイッ
チ１８及びトライアツク２０を通じてモータ１６の他の
リード線に接続される。スイッチ１８は、たとえば工業
用ミシンにおけるペダル型オン／オフスイッチのような
ものが用いられる。ＡＣ電源端子間には、調整ＤＣ電圧
を発生するＤＣ電源２２が接続される。端子１０には、
線間電圧に対応するゼロ交叉を有する矩形波を生成する
ための増幅器２４が接続される。モータ１６とトライア
ツク２０との接続点にはモータ電流のゼロ交叉に対応す
るゼロ交叉を有する矩形波を発生するための増幅器２６
が接続される。増幅器２６の出力は、ワンショットマル
チバイブレータ２８の入力に接続され、このマルチバイ
ブレータではモータ電流がゼロと交叉するたびに各１個
のパルスを発生する。トライアツク２０のゲートと対極
との間にはトリガー回路３０が挿入され、このトライア
ツクの点弧を制御する。クロック３２は、なるべくなら
電源周波数の逓倍でない周波数のパルス列を発生し、こ
れを位相角カウンタ３４及び遅延カウンタ３６に供給す
るものである。

位相角カウンタ３４は増幅器２４及びワンショット素子
２８に接続される。このカウンタ３牡は、線間電圧がゼ
ロと交叉する度ごとにクロックパルスのカウントを開始
し、モータ電流がゼロと交叉する度ごとにカウントを終
了する。従つて、カウンタ３４のカウント総数はモータ
電圧と電流との間の位相角に対応する。遅延カウンタ３
６もまた増幅器２４及びワンショット素子２８に接続さ
れると共に、インクリメントカウンタ３８にも接続され
る。遅延カウンタ３６は、線間電圧がゼロと交叉する度
ごとに、インクリメントカウンタ３８に収められたカウ
ントをロードされる。カウンタ３６は、モータ電流がゼ
ロと交叉する度ごとに前記カウントから減数カウント（
カウントダウン）を開始し、それが減数してゼロに達し
た時、出力を発生してトリガー３０を付勢し、トライア
ツク２０を点弧する。インクリメントカウンタ３８の出
力は、スイッチ４６ａを介してコンパレータ４０の一方
の入力に接続される。

コンパレータ４０への第２の入力は位相角カウンタ３４
の出力である。コンパレータ４０は、インクリメントカ
ウンタ３８におけるカウント（従つて、遅延カウンタ３
６にロードされたカウント）が位相角カウンタ３４にお
けるカウント数より小さいか、等しいか又は大きいかを
判定する。コンパレータ４０の出力はステアリングゲー
ト４２に直結され、またスイッチ４６ｂを介して位相角
レジスタ４４に接続される。ステアリングゲート４２は
インクリメントカウンタ３８がインクリメント（増数）
されるか、デクリメント（減数）されるかを判定する。
ステアリングゲート４２及びワンショット素子２８との
間にはスイッチ４６ｃと４分割回路４８とが接続されて
いる。４分割回路４８は、一対の直列接続されたフリッ
プフロップによつて構成することができる。

始動中において、カウンタ３８は１サイクルごとにイン
クリメントされ、定格運転中においては半サイクルごと
にインクリメントされる。始動中において、モータは数
秒間で速度上昇す：る。

インクリメントカウンタ３８におけるカウントは、この
時点でゼロになる。コンパレータ４０は、従つてカウン
タ３８を１サイクルごとにインクリメントする。これは
、カウンタ３８におけるカウントがカウンタ３４におけ
るカウントと等しｊくなるまで続く。コンパレータ４０
がカウンタ３４におけるカウントと、カウンタ３８にお
けるカウントとの一致を判定すると、いくつかの事象が
起こる。すなわち、位相角カウンタ３４におけるカウン
トが位相角レジスタ４４にロードされ、コンパレータ４
０の一方の入力がインクリメントカウンタ３８の出力か
ら切離されて位相角レジスタ４４の出力に接続される。
また、コンパレータ４０からの出力はレジスタ４４から
切離され、ゲート４２はワンショット素子２８の出力に
直接接続される。実施例の力率制御装置はここで始動か
ら運転に切換わる。コンパレータ４０は、位相角カウン
タ３４におけるカウントを位相角レジスタ４４にストア
された数と比較し、その比較結果に応じて各半サイクル
ごとにインクリメントカウンタ３８をインクリメント又
はデクリメントすることにより、トライアツク２０の遅
延を大きくするか、又は小さくする。当業者にとつては
、第１図の実施例が独立の回路要素を配列すること、又
はＩＣチップを用いること、あるいはその折衷形式とす
ることのいずれによつても構成できることは自明であろ
う。

同様に、第１図の実施例はハードワイヤー回路を用いて
も、プログラムド・ディジタル・コンピュータを用いて
も構成できることは明らかである。さらに、第１図の実
施例は本発明の原理の具体化に関する限り、これ以外の
形態に変形することも可能である。たとえば、本発明の
具体化においてプログラムド●ディジタル●コンピュー
タを採用した場合には、カウンタ３４，３６及び３８、
レジスタ４牡コンパレータ４０、ゲート４２、並びにス
イッチ４６ａ，４６ｂ及ひ４６ｃによる機能は、コンピ
ュータによつてすべて遂行されることになる。この場合
、カウンタ３８又はレジスタ４４からの出力と、カウン
タ３４の内容との比較は、コンピュータにおける算術論
理回路における引算オペレーションにより行われる。他
方、第１図の実施例がハードワイヤー回路により構成さ
れるときは、カウンタ３４，３６及び３８並びにレジス
タ４４をＩＣチップにより構成し、スイッチ４６ａ，４
６ｂ及び４６ｃをリードレリー又はソリッドステートス
イッチにより構成することができる。コンパレータ４０
は一対のＡ／Ｄ変換器及び一対の逆バイアス演算増幅器
からなり、ゲート４２及び割算器４８はいずれも独立の
回路要素又はＩＣチップを用いることができる。第１図
の実施例を装置化する好ましい方法は第２図に示すとお
りである。

第２図において、■電源２２は全ブリッジ整流器及びテ
キサスインスツルメント社のＣ６Ｔｒつ７８０５レギュ
レータＩＣチップからなつている。増幅器２４及び２６
はＲＣＡ，ＣＡ３３９演算増幅器を含んでいる。また、
ワンショットマルチバイブレータ２８はＴＩ７４ｌ２ｌ
ｌｌＣチップを含み、クロック３２はＴＩ７４Ｌ，Ｓｌ
９３カウンタを含んでいる。

このクロックカウンタは、４００ＫＨｚのアドレスラッ
チ付勢（“ＡＬ，Ｅ゛）信号を、２＆５ＫＨＺに割算す
るものである。トリガー３０はＴＩ７４Ｏ６ｌＣバッフ
ァ増幅器と、トライアツクのように接続された一対の、
光学結合型ＳＣＲからなるモンサント（ＭＯｎｓａｎｔ
Ｏ）６２００チップを含んでいる。第２図において、位
相角カウンタ３牡遅延カウンタ３６、インクリメントカ
ウンタ３８、位相角レジスタ４牡コンパレータ４０、ゲ
ート４２、割算器４８及びスイッチ４６ａ，４６ｂ及び
４６ｃはＩｎｔｅＩ８７４８プログラマブル・ディジタ
ル●マイクロコンピュータによつて機能操作される。

この、コンピュータにおいて、カウンタは位相角カウン
タ３４、及び遅延カウンタ３６の機能を遂行するために
用いられ、レジスタは位相角レジスタ４４及びインクリ
メントカウンタ３８の機能を遂行するために用いられ、
コンパレータ４０の機能は演算論理回路の引算オペレー
ションにより達せられる。ゲート４２、割算器４８並び
にスイッチ４６ａ，４６ｂ及び４６ｃの機能は、、ソフ
トウェア制御の下で論理素子により達成される。第１図
の機能ブロック線図をコンピュータにより具体化する場
合、定格運転モードはわずかに異つた態様で操作される
。

位相角カウンタにおける数を位相角レジスタにおける数
と等しい値に維持するために、各半サイクルごとに遅延
カウンタを１カウントだけインクリメント又はデクリメ
ントする代わりに、遅延カウンタを、位相角カウンタの
カウント数と位相角レジスタのカウント数との差に等し
いカウント数だけ変えることができる。この態様におい
ては、位相角カウンタを位相角レジスタと整合させるに
必要な時間はわずかである。これは、クラッチ負荷を扱
う場合に利益が大きい。遅延カウンタは位相角カウンタ
のカウント数と、位相角レジスタのカウント数との差の
半分に等しいカウント数だけ変更することもできる。力
率が前記のように較正され、モータが無負荷状態であれ
ば、モータの無負荷運転において５０％の電力節約が達
せられる。しかしながら、力率がモータの負荷状態にい
て較正されると、モータの無負荷運転で６５％の電力節
約が達せられる。力率が、モータの負荷、無負荷いずれ
の状態で較正されたかに関係なく最大の電力節約を得る
ためには、較正手順をさらに精密化することが要求され
るため、これについて次に説明する。まず、モータがス
イッチオンされ、高速に達した時に測定した位相角は“
θ１゛である。

このθ１はサイクルごとにわずかに変動するため、その
平均値を指すものである。位相角カウンタにおけるカウ
ント数が遅延カウンタにおけるカウント数に等しい時の
位相角ぱ゜θ２゛であるとする。そこで次の比率が計算
される。限定的な実験にもとづき、θ２をモータの無負
荷時において決定した場合のＮ１は約０．３８であるこ
とが確認された。

また、θ２をモータの負荷時に決定した時のＮ１は約０
．４６であつた。そこで、θ２をモータの無負荷時に決
定した場合には、モータの無負荷運転で約５０％の電力
節約が得られ、θ２をモータの負荷時において決定した
時の、モータの無負荷運転では約６５％の電力節約が達
せられた。次の計算は、較正がモータの全負荷、無負荷
又は部分負荷のいずれの状態でされたかに関係なく、最
大の電力節約を得るように０２を調整すべく行うことが
できるものである。これは、Ｎ１をまず０．４６て割つ
た商Ｎ２を求め、θ２にＮ２を掛けて積θ３を求めるも
のである。このθ３は最大の電力節約を達成するための
位相角である。従つて、θ３は位相角レジスタにストア
されるのが望ましい。当然ながら、なにかの理由で最大
の電力節約を欲しないときには、較正された位相角とし
ての０２を用いる結果として実質的な電力節約をもたら
すことができる。θ３を用いる場合、モータの無負荷運
転では６５％の電力節約を達し、負荷運転では２５％ま
での電力節約を達成することができ前記した定数０．４
６は、実施例のモータに最適な値であり、ＡＣ誘導モー
タの種々のタイプごとに、最大の電力節約を得るための
他の種々の定数値が要求されることは、当業者がよく了
解するところであろう。また、現実の位相角に対応する
数値は、カウンタを電圧及び電流のゼロ交叉点において
それぞれカウント開始及び停止を行うことにより生成さ
れるが、自走型（フリーランニング）カウンタを用いて
も可能であることは明らかである。後者の場合、現実の
位相角の対応する数は、カウンタにおける電圧及び電流
のゼロ交叉時のカウント差となる。しかしながら、いず
れの場合においても、クロックパルスは現実の位相角に
対応する数を生成するためにカウントされる。同様に、
遅延カウンタはゼロまで減数カウントするものとして示
したが、互いの差が一つの意味を表すような、ある数か
ら別の数までの減数又は加数いずれのカウント方式を採
用してもよい。これらのことは、本発明の実施形態につ
いて考えられるいくかの例にすぎない。また、本発明は
単相誘導モータについて示したが、多相誘導モータにつ
いても同様に適用することができる。

その場合、例えば三相誘導モータを制御するには、別に
２個のトライアツク（ＳＣＲ）と、２個の関連トリガー
回路を他の二相のために要することは勿論である。

また、カウンタや、他の二相のための固定的な時間差を
発生するためのシフトレジスタも必要となる。そして、
三相の相間関係は一定であるため、三相誘導電動ノ機の
力率制御においても、一相の較正位相角を決定し、他の
二相にも同じ位相角を適用することのみを意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すための機能ブ７ロック
線図、第２図は第１図の実施例を装置化したものの回路
略図である。 １０，１２・・・・・・ＡＣ電源端子、２０・・・・・
トライアツク、２４，２６・・・・・増幅器、４０・・
・・・比較的、４２・・・・・・ステアリングゲート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ （ａ）パルス列を生成するためのクロック３２と、
   （ｂ）前記パルスをカウントすることによりＡＣ誘導モ
   ータ１６の電圧と電流のゼロ交叉間の現実の位相角に対
   応するディジタル数を発生するように前記クロック３２
   に接続された位相角カウンタ３４と、（ｃ）指標として
   設定された位相角に対応するディジタル数をストアする
   ための位相角ストレジ手段４４と、（ｄ）前記位相角カ
   ウンタ３４及び前記ストレージ手段４４に接続されたこ
   とにより、前記位相角カウンタ３４内の現実位相角カウ
   ント数を前記ストレージ手段４４中の前記設定された位
   相角ディジタル数と比較し、その比較結果に基ずく制御
   信号を発生するためのデイジタルコンパレータ手段４０
   と、（ｅ）前記クロックパルスをカウントすることによ
   り前記モータ電流のゼロ交叉にに続いてそのモータの付
   勢を遅延させるために前記クロック３２及び前記ディジ
   タルコンパレータ手段に接続されており、前記遅延の長
   さを前記制御信号に従つて変化させることにより、モー
   タの現実位相角がモータの負荷変動にかかわらず前記設
   定された位相角に対し所定の関係を維持するようにした
   可変遅延カウンタ手段３６並びに（ｆ）前記誘導モータ
   １６の巻線及び前記遅延カウンタ手段３６に対し直列に
   電気接続されたことにより前記誘導モータを前記遅延カ
   ウンタ手段からの付勢命令に応答して付勢するためのス
   イッチ装置２０を備えたことを特徴とするＡＣ誘導モー
   タのためのディジタル式力率制御装置。