JPS622887A - 誘導電動機の負荷状態検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は誘導電動機の負荷状態をコイル電流とその印加
電圧との間の位相差によって検知する誘導電動機の負荷
状態検知装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

誘導電動機（以下単に電動機と称する）の負荷変動等負
荷の状態を検出する方法として、従来より回転速度を検
出の対象とする方法がある。この方法を実現する手段と
してタコメータ等ロータの機械的運動を取り出して電気
信号に変換するようにした構成のものがあるが、このも
のは装置が大形になり、また機械的駆動部分を有するた
め長寿命性に劣る。これに対して電動機の入力電流を検
出する純粋電気的手段があるが、この入力電流がボと電
圧の変動、電動機の温度変化等外的条件によっても変化
するため検出精度が低いと云う欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記の欠点を除去すべくなされたちのであり、
その目的は電動機のコイル電流と印加電圧との間の位相
差を検出することにより電動機の負荷状態に依存した信
号を高精度をもって得られる誘導電動機の負荷状態検知
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明による誘導電動機の負荷状態検知装置は電動機の
コイル電流とこのコイルに対する印加電圧との間の位相
差を検出し、そしてその位相検出信号の最小値と新たに
得られた位相検出信号とを比較し、或いは位＃ｆＪ検出
信号をサンプリングのための基準値と比較する等して一
電動機トルク或いは回転速度の大きさ若しくはそれらの
変化率３諸々の負荷状態を検知し得るようにしたもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下本発明をコンデンサ形単相誘導電動機に適用した第
１実施例について第１図乃至第６図を参照しながら説明
する。第１図において、１は主コイル２．補助コイル３
及びコンデンサ４からなる電動機であり、この実施例で
は二槽式洗濯機の脱水かごの駆動源をなしている。５は
リレー６の常開接点７を介して電動機１に電圧を印加す
る電源である。８は位相検出部であり、これは交流器９
、ＫＫｌｏａを含むゼロクロス用第１のコンパレータ１
０及び抵抗１１ａ、１１ｂを含むゼロクロス用第２のコ
ンパレータ１１並びにイク°スクルシブルオア回路１２
からなる。１３は負荷状態判定部であり、これはオペア
ンプ１４．１５、コンデンサ１６．１？、抵抗１８．１
９．２０．ダイオード２１及びアナログスイッチ２２か
らなり、特にオペアンプ１４、コンデンサ１７、ダイオ
ード２１及びアナログスイッチ２２とでピーク値即ち最
小値保持回路２３を構成している。尚、２４は脱水用タ
イマー２４であり、これは脱水運転時間を規定するため
のものであり、電源投入と同時にリレー６を通電してそ
の常開接点７を閉成させるようになっている。

次に上記構成の作用について説明する。最初に第４図乃
至第６図により電動機の主コイル電流し■と電源電圧Ｖ
ａＣとの間の位相差θｍと負荷の大きさとの関係につい
て説明する。第４図は電動機１の等価回路を示し、第５
図はそのベクトル図である。第４図において、電動機１
の回転速度が負荷の減少に伴って上昇するとスベリＳが
減少するので等偏負荷抵抗Ｒ２が増加し二次負荷電流Ｉ
２が減少する。しかしながら−次励磁電流！。は一定で
ある。このｌ。一定の下での１２の変化を第５Ｍのベク
トルに当てはめればＩｔｓのベクトルが変化することか
ら明らかなように６厘は１２の減少に伴って、即ち回転
速度の増加に従い増大することがわかる。第６図はこの
位相差θｌと回転速度Ｎ及びトルクＴとの関係を示す。

この第６図において、２５は位相曲線、２６はトルク曲
線、Ｔ謹は最大トルク、Ｎｉは最大トルク時の回転速度
である。この第６図において注目すべきことは、６ｍは
回転速度Ｎが最大トルクＴＩを通過するまでの間ではほ
とんど一定であるのに対してＴｍを通過した後の回転速
度変化に対しては速度が増すに従い顕著に増大すると云
う点である。

以下第１図に示す装置の作用を説明すると、今、電動ｆ
ｉｌが電源５によって通電されて脱水かごを駆動してい
る状態にあったとする。この状態で主コイル電流Ｌｍは
変流器９によって検出されコンパレータ１０によりゼロ
クロス比較が行なわれて第２図に示すパルス電圧Ｍｉに
変換される。同様に印加電圧１Ｊａｃはコンパレータ１
１によりゼロクロス比較が行なわれてパルス電圧７Ｊｖ
に変換され、そしてこれらパルス電圧ｐｖ、Ｕｉはオア
回路１２によって第２図に示すように位相差θ■の大き
さに依存した時間１＋のパルス（λ号即ち位相検出信号
Ｕｅに変換される。前記位）口検出信号７Ｊｅは抵抗１
８を介してコンデンサ１６に充電されることにより平均
化されて第２図に示すアナログ電圧び９ａに変換される
。このＵ　ａ　ａは負荷状態判定部１３のオペアンプ１
４に供給されると共に抵抗１９．２０によって分圧され
てＵ　ｅ　ａ　’　に変換される。一方、前記アナログ
スイッチ２２は制御電源投入と同時に一時的にオンされ
るのでダイオード２１の／７．在にかかわらず第６図に
示す電動機１の回転１ツノ期における位Ｆ４ＪＭθｍｏ
に対応した７Ｊ　ｅ　ａがオペアンプ１４を介してコン
デンサ１７に初期値として充電される。この後はダイオ
ード２１があるため、コンデンサ１７の端子電圧はＭｅ
ａがこのコンデンサ１７の端子電圧よりも小さい値のと
きのみこの１／、ａに修正される。即ちコンデンサ１７
には常にＭｅａのピーク値である最小値び０礪が保ｔｊ
ｊされる。そして時々刻々変化する位相検出信号である
７７　＠　ａ　’　はオペアンプ１５によってＵ　ｅ　
Ｉと比較され、び１１ａ′〉びａ−のときに状態判定信
号Ｕａが出力される。そして脱水用タイマー２４はこの
状態判定信号び０を受けその設定時間後にリレー６を断
電し、常開接点７がオフされて電動機１が断電され脱水
運転が終了される。

以上のことを脱水運転の進行と共に述べると、先ず第３
図から理解されるように時刻ｔｏで電動機ｌが始動され
たとすると、電動機１の回転速度は曲線２７で示すよう
に漸増し、これに伴いびＯａ、７／ｇａ’　　も変化す
るが、これらは第６図との対比から明らかなように回転
速度が最大トルクＴｍに対応した速度Ｎｍを通過する時
刻ｔ１から急激に増加し始める。一方前記位相検出信号
の最小値Ｖ。−は回転速度がＮｆｆ１に達するまでのほ
とんど変化しない一定の位相差θ１の値である。従って
時刻【１で回転速度がＮｓを超えるとθ−が急増し２／
ｅａ’＞Ｍｅ−となり、この時刻ｔ１でオペアンプ１５
から前述の状態判定信号Ｕ０が出力される（第３図参照
）。この状態判定信号ｔｌａの発生によって最大トルク
Ｔｓの乗り切り完了が判定されるのである。脱水かごが
この最大トルクＴ目を通過しない回転速度即ちＮｌ以下
の範囲で回転を続ける原因としては脱水かご内の面分布
のアンバランスが考えられる。このアンバランスがある
と脱水かごは首振運動を起こし最大トルクＴＩＩ未満の
不安定領域にあって加速されにくいため本来の高速領域
（１’ｌａ以上）に達するのに長時間を要し、この間は
低速のため脱水作用にほとんど寄りしない。やがて電動
機１の回転速度が最大トルクＴＩに対応したＮ１１以上
に加速されるとこの時刻ｔｌで前述のようにオペアンプ
１５から状態判定信号び。が出力される。こうして脱水
用タイマー２４は電動機１が最大トルクＴＩを超えた安
定領域に達し脱水作用が発揮するようになってから計時
動作を開始するので脱水不足におちいることがなくなる
。以上のように、電動機１の回転速度が最大トルクＴｍ
点をａ遇することの検知は電動機ｌの回転速度を検出の
対象とする方法では不可能であり、位相検知によっては
じめて可能になるものであることがわかる。

第２実施例について第７図及び第８図により説明する。

第７図において、２８は負荷状態判定部としてのサンプ
リング回路であり、これは第１図の負荷状態判定部１３
からダイオード２１を除去した（構成と同一である。こ
のサンプリング回路２８のアナログスイッチ２２には第
８図に示すサンプリング信号φが与えられるのでコンデ
ンサ１７のピーク値ＩＪ　ｅ　ｐは第８図に示す如（階
段状に変化し、これがオペアンプ１５にてびθａ′と比
較され、同図に示す如くびＯａの変化率に応じた１１１
間幅を有するパルス状の状態判定信号？１０が出力され
る。そしてこの実施例では状態判定信号Ｕ。

が最明に出力された時刻ｔｌ　　＜最大トルクＴｌＩ通
過時点）から脱水用タイマー２４が計時動作を開始する
。このようにしてサンプリング回路２８のコンデンサ１
７にサンプリング信号φによって順次記憶される位相検
出信号のピーク値Ｕ。ｐが基準鏡となってこれに新たに
検出された位相検出信号？／　ｅ　ａ　’が比較される
ことにより最大トルクＴＩ通過時の位相差θ１の急激な
変化が検知されるのであり、従ってこの実施例の状態判
定信号Ｖ。

は位相検出信号Ｕ。ａの変化率信号に相当することにな
る。

次に本発明をベルトゆるみ検出装置に適用した第３実施
例について第１図と同一部分に同一７１号を付して示す
第９図により説明する。この第９図において、２９は負
荷状態判定部であり、これは抵抗３０．３１によって設
定された基■値ｖｒと第１図に示したものと同様のコン
デンサ１６の端子電圧即ちアナミグ電圧である（１′を
相検出ｆス゛号Ｕ。

ａとを比較するオペアンプ３２により構成され、そのオ
ペアンプ３２の出力は抵抗３３を介して表示器例えば発
光ダイオード３４に与えられるようになっている。

電動機１がベルトを介して負荷を駆動している状態を考
えるに、今、負゛荷トルクの大きさがＴｌ（第６図参照
）であったとするとベルトが正常に張っていてベルトす
べりを生じていなければ電動機１の出力トルクも同一の
Ｔｌである。これに対してベルトにゆるみを生じ、ベル
トすべりが起こると電動機１からみた負荷トルクはＴ１
から減少しＴ。になる。このトルクの変化により、位相
差θｍが変化即ち増加する。これにより第９図の位相検
出信号びｌｌａが増加しトルクＴ！に対する通常のｈ荷
変動を見込んで予め設定された前記基学値Ｖｒを超える
とオペアンプ３２から状態判定信号１Ｊｏが出力され発
光ダイオード３４が点灯されてベルトゆるみを警告する
。

この第３実施例はこの発明の特徴を単的に表わしている
。即ち第６図に示すように、一般に電動機の負荷運転は
最大トルクＴ１１を過ぎたＴｈ　−ＴＬ間領域即ち安定
領域において行なわれてはじめて継続的運転が可能にな
る。ところでこの安定領域（Ｎ−以上の領域）ではトル
クが大巾に変化するのに対して回転速度の変化率は極め
て小さい。

このような状況では上記のようなベルトゆるみ検出を電
動機の回転速度の検知により行なうことは極めて困難で
あり、第３実施例のような位槍険知によれば容品に実現
し得る。このことは第３図で説明した最大トルクＴ厘の
乗り切り時点ｔｌの検知についても言えることであり、
この時点ｔｌを従来技術の回転速度検出をもって検知す
ることはほとんど不可能である。

次に本発明の第４実施例について第１０図乃至第３図を
参照しながら説明する。第１０図に示す装置の構成にお
いて、３５は洗濯機に設けられている洗い兼用の四転橘
若しくは脱水かごである脱水槽を駆動するための電動機
で、主巻線３６、補助巻線３７及びコンデンサ３８から
なるコンデンサモータとして構成されている。第１１図
にはこの第４実施例における上記電動機３５の回転速度
ＮとトルクＴと位相差θとの関係が実測結果として示さ
れている。即ち３９はトルク曲線、４０は位ＩＴ曲線で
ある。また第１１図に示す曲線４１は脱水槽内に洗濯物
を入れて電動機３５を駆動した場合の回転速度Ｎの時間
的変化を示したものであり、この第１２図に示すＮＸは
第１１図に示すＮ１と等しい値として示している。この
第１２図に示すように電動機３５の回転速度は脱水進行
に伴い負荷が減少することから脱水量の多い時刻Ｔ０か
らＴ１までの間では時間と共に比較的大きい変化率で増
速するのに対して脱水が十分行なわれた時刻Ｔ１以降か
らは増速の度合が徐々に小さくなる。この結果、回転速
度Ｎ１以上の領域では第１１図にも示すように位相差の
時間的増加率は回転速度の時間的増加率の減少に従い減
少する。従って第１及び第２実施例の場合とは異なり位
相差の時間的変化率を脱水完了の判定要素とすることが
できるものであり、この第４実施例はこの原理に基ずき
構成される。以下この実施例について第１０図を参照し
て説明する。４２は位相検出部であり、これは脱水槽に
洗濯物を入れた状態における電動機３５の駆動開始時点
から位相差θを常時検出し、その位相検出信号θＸを位
相比較部４３及び変化率判定回路（負荷状態判定部）４
４に与える。前記位相検出部４２は第１図の場合と同様
に主巻線電圧の零クロス時刻と主巻線電流の零クロス時
刻との時間差を演算することを原理とするように構成さ
れている。４５は基準位相設定部であり、Ｊ！準位＃ｌ
差θ１を設定している。ここで定格負荷の位相差をθ′
としたとき、θ１はθ！／θ’−０，９の関係を満たす
ように定められている。

そして前述のＮ１は位相差θ１のときの回転速度であり
、位柑工が変化し始めた時点の値である。

位相比較部４３がθＸ〉θｌと判断した場合は、ｉ（定
指令信号ｓ１を変化率判定回路４４に与える。

するとこの変化率判定回路４４は基準変化率設定部４６
に設定されている位相差の時間的変化率の基帛値である
基／＄輩化率ｄθと前記位相検出信号θＸの時間的変化
率ｄθＸとを比較する。その結果がｄθｘ＜ｄθになっ
た時点で脱水完了信号Ｓ２を出力し、これをモータ停止
制御回路４７に与える。このモータ停止制御回路４７は
この脱水終了伝号Ｓ２を受けてから直ちに、若しくは脱
水補償のための゛所定の時間遅れ後に電動機３５を断電
せしめる。この第４図に示す構成をマイクロコンピュー
タに代用させることができる。この場合のプログラムフ
ローチャートを第１３図に示す。この第１３図中、矢印
へで示すルーチンはメモリの内容θａを位相検出信号θ
Ｘにその検出の都度順次書き変えるプログラムルーチン
、矢印Ｂ及びＣからなるルーチンは、前回の位相検出信
号である記憶値θａと新たな位相検出信号θＸとの差を
とり、その差から位相差の時間的変化率を判断するプロ
グラムルーチンである。

特にθａｇｏなる判定部分はルーチンＡにおいて、電動
機３５の通電開始後、位相か不変領域を過ぎて変化しは
じめた値０１以上になってからそのθＸをθａに代入さ
せることを判断する部分である。

また、この第４実施例に関しては、例えばｄθの値を切
換え選択し得るようにすれば脱水強弱の選択もｎｊ能に
なるものである。

以１−のようにこの第４実施例からも理解できるように
本発明によれば位相差が最大トルク点の回転速度量にの
安定領域においては回転速度のわずかな変化に対して大
きく変化する特性にあるのてこの安定領域における回転
速度の微妙な変化を位相検出信号によって容品ｑつ高精
度に判定できる。

しかも位相差は電源周波数及びその電圧変動、ｌＡｉ反
変比変化よってはほとんど変化しないのでご；差要因が
少なく高精度の検知が可能になる。ちなみに位相差の変
動率は周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚとの間での変動に対
しては±２％、電圧１００■における±１０％の変動に
対しては±２９６、温反が２０℃から７０℃までの間の
変動に対しては±１％以ドであり、また参考までにコン
デンサ４のばらつき±ｌθ％に対しては±３％程度であ
る。

尚、本発明は上記実施例のみに限定されるものではなく
、例えば位相差の検出対象を補助巻線としてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば以上詳述したように、検出の直接の対象
をコイル電流と印加電圧との位相差としたことにより、
電動機の特に安定領域におけるトルクの変化、回転速度
の変化等負荷状態に依存した信号を高精度をもって得ら
れる負荷状態検知装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す回路図、第２図は第
１図の各部の電圧、電流波形図、第３図は主に回転速度
特性及び位相検出信号特性を状態判定伝号のタイムチャ
ートと共に示す図、第４図は電動機の等６回路図、第５
図はそのベクトル図、第６図は電動機のトルク、回転速
度、及び位相差曲線を示す図、第７図は本発明の第２実
施例を示す回路図、第８図は第７図の各部の信号の時間
的特性をサンプリング信号及び状態判定信号と共に示す
図、第９図は第３実施例を示す回路図、第１０図乃至第
１３図は本発明の第４実施例を示すものであり、そのう
ち第１０図は運転回路のブロック図、第１１図は回転速
度に対するトルクおよび位相差の関係を示す特性曲線図
、第１２因は電動機の回転速度の時間的変化率を示す特
性曲線図、第１３図はマイクロコンピュータを用いた場
合のフローチャートを示す図である。 図中、１は電動機、８は位相検出部、９は変流器、１３
は負荷状態１゛４定部、２３は最小値保持回路、２４は
脱水用タイマー、２８はサンプリング回路（負荷状態判
定部）、２９は負荷状態判定部、３５はモータ、４２は
位相検出部、４３は位相比較部、４４は変化率判定回路
（負荷状態判定部）、４５は基り位相設定部、４６は基
■変化率設定部、４７はモータ停止り制御回路である。 出願人　　株式会社　　東　　芝 為　３　口 篇　４　図 ｊＰ、５１ａ も　６　図 一一−８ｍ 第　７　図　。 第　８　図 一−ｔ ｔｌ　　　　　　　−ｍ−ｊ 扇　９　口 第１０　図 ｆＡＩＩ　　（Ｋ トルクＴ　［ｋｇ・「司　− 島　１２　　口 馬　１３　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導電動機のコイル電流と印加電圧との間の位相差
   を夫々のゼロクロス時点の差により検出する位相検出部
   と、この位相検出部から出力された位相検出信号を基準
   値と比較して負荷状態信号に変換する負荷状態判定部と
   を具備してなる誘導電動機の負荷状態検知装置。 ２、負荷状態判定部は基準値が位相検出信号の最小値で
   あってこの最小値と位相検出信号とを比較するようにな
   っていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の誘導電動機の負荷状態検知装置。 ３、負荷状態判定部は位相検出信号を基準値と比較する
   ことにより位相検出信号の変化率信号に変換しこれを負
   荷状態信号とするようになっていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の誘導電動機の負荷状態検知
   装置。