JPS5863088A - 揚水ポンプ系における保護装置 - 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】 この発明は、太陽電池等の直流を源から給電されるホー
ルモータでもって駆動される揚水ポンプ系における高速
回転に対する保護装置に係わり、特に、電源リップルに
基づいてホールモータの回転数（ＲＰＭ　）を計測し、
特定の上限回転数に達したときには、該モータの回転を
停止させるようにした保論装置の構成上の改良に関する
ものでめる。

いま、−例として、太陽電池からホールモータに給電す
る場合の動作特性曲線を例示すると第１図のグラフのよ
うになる。

図中、曲線Ｐは太陽電池の出力特性、即ち、出力電流〜
出力市、圧曲線でうり、出力電流（負荷電流）が増大す
ると、一般的に、出力電圧は非直耐重に減少する傾向を
示す。そして、この曲耐Ｐが最大出力線胤と交叉する位
置ｐ２では、出力電流と出力電圧の積、即ち、出力電力
が最大となるものである。

一方、太陽電池に接続される負荷インピーダンスとして
のホールモータの負荷特性線を、上記太陽電池の動作特
性曲線Ｐに重畳させて描くと、同図中、線Ｌ！〜Ｌ６の
ようになる。かかる負荷特性＆ｌ　Ｌｔ　−ＬｓのＩ軸
に対する勾配はホールモータのインピーダンスを表わす
ものでりるところ、該インピーダンスはホールモータに
連結された揚水ボ／プ、即ち、機械的負荷の大小に支配
されて変化するものでめる。

而して、太陽電池からホールモータに供給される電圧は
、機械的負荷に依存してその勾配が特定される負荷特性
線り、％Ｌ、の各々と、太陽電池の動作特性曲線Ｐとの
交点ｐｔ−ｐｓとして定まることとなるので、揚水ボ／
プ系の吐出導管中と、ホールモータのインピーダンスは
低下し、図中の１ｓＬｘのように、■軸に対して緩やか
な勾配を持つ負荷特性線となって、動作点ｐｌが特定さ
れ、ホールモータには、１２０Ｖの電圧が供給を閉じて
いくと、機械的負荷は減少していき、逆に１ホールモー
タのインピーダンスは鳩太し、負荷特性線の１軸に対す
る勾配が急峻化するので、負荷特性線は図中、Ｌｔ、Ｌ
ｓ、Ｌ４のようになり、これらの負荷特性線の各々に対
応して動作点Ｐ！％　ｐ３、ｐ４が特定され、更に、各
動作点に対応して、ホール％−ｐには、１３３Ｖ　、　
　１４０Ｖ　。

１５０Ｖの電圧が供給されることとなる。

かかる供給電圧の変化に対応するホールモータの回転数
の変化を例示するグラフが第２図でるる。

同図から明らかなように、供給電圧が上昇すると、ホー
ルモータの回転数は、電圧〜回転数特性曲線Ｑに沿って
増大する。そして、上記動作例に従えば、動作点Ｐ１〜
ｐ４の各々に対応して、回転ａｎ１〜ｎ４が特定され、
これらの回転数におけるホールモータのインピーダンス
に依存して第１図中の負荷特性ＨＬ１〜Ｌ４の勾配が特
定されるわけである。

しかるところ、自給水欠如等の偶発的な原因、るるいは
、据付は前の試し運転等の童図的な原因により、揚水ポ
ンプ系が気中運転されると、ホールモータのインピーダ
ンスは極めて大きな値となり、負荷特性線は第１図中＋
ｗＬｓのようになって、動作点はｐ５に移行し、ホール
モータには、１６０Ｖ以上もの高電圧が供給されること
となる。而して、このとき、ホールモータの回転数は第
２図ｎ５に示すように、大幅に上昇し、５０００　ＲＰ
Ｍ以上の大きな値に達するものである。

かくして、従前のこの棟の揚水ポンプ系では、気中運転
に際して、回転数が非常に大きな値にまで増大してしま
うので、揚水ポンプ系の＠封装置の機械的破損や、軸受
装置における摺動面の焼付等の損傷を伴う危険性が極め
て大でるるという欠点がめった。

しかも、最頻運転状態に対応する動作点、即ち、前記動
作例に従えば、動作点ｐ２を最大出力線孔と交叉させる
ことにより、電源エネルギーの有効利用を図る観点から
、動作特性曲線Ｐ上における全開〜全閉間の動作点移動
領域は設計上相当に制約され、而して、気中運転の動作
点ｐｓを動ｆ￥ｊ特性曲線Ｐ上で左上方へ移動させて選
定することにより、気中運転時の回転数をｓｏｏ。

ＲＰＭ以下の小さな値に押えるように設計することは、
一般的に困難でめるので、上記欠点は深刻、　なもので
めった。

この発明の目的は上記従来技術に基づく気中運転による
機器損傷の間粗点に鑑み、ホールモータの回転数（ＲＰ
Ｍ　）を電源リップルに基づいて針側し、該回転数が特
定の上限回転数に達したことを検出したときに、ホール
モータのホール索子駆動電流を遮断して、ホールモータ
の回転を停止させることによシ、軸封装置、軸受装置等
の機器の損傷を防止することができる優れた揚水ポンプ
系における保護装置を提供せんとするものである。

上記目的に沿うこの発明の構成は、直流１淵、典型的に
は、太陽電池から給電されるホールモータと、該ホール
モータでもって駆動される揚水ポンプとを含む揚水ポン
プ系において、揚水ポンプ系の運転に際して、ホールモ
ータへの給電電流中に含まれていて、ホールモータの回
転数（ＲＰＭ　）に対応する周波数成分を有するリップ
ル電流をリップル検出部でもって検出し、検出されたリ
ップル電流の基本波成分を周波数〜電圧変換部でもって
、その周波数に対応するアナログ電圧、即ち、ホールモ
ータの回転数を衣わす回転数信号に変換して、これをコ
ンパレータに供給し、該コンパレータでもって、上記回
転数信号と予め設定された上限回転数に対応する参照電
圧との大小関係を比較し、回転数信号が参照電圧を越え
たときには、停止信号を工程記憶部に送って、これに、
停止工程を記憶させ、止工程を記憶し続け、その間、継
続的に停止工程信号をスイッチ部に供給し、該スイッチ
部でもって、ホール素子駆動電流の供給を断つことによ
り、ホールモータの回転を停止させるようにしたことを
特徴とするものである。

第３図以下の図面に基づいて、この発明の実施例の構成
及び動作を説明すれは以下の通りである。

第３図はこの発明の実施例の構成を示す回路図でめり、
ホールモータ（固定子部）１と、リップル検出部２と、
周波数〜電圧変換部３と、コンパレータ４と、工程記憶
部５と、スイッチ部６と、太陽電池等から成る山流電曽
Ｔとを含んでいる。

そして、ホールモータ（固定子部〕　１は、第一〜第四
の固定子部＃１ａ〜１ｄのそれぞれに直列接続された第
一〜第ｉのトランジスタスイッチ１ｅ〜１ｈと、二つの
ホール起電圧出力端子が第一、第二のトランジスタスイ
ッチ１ｅ、　１ｆのベースにそれぞれ接続された第一の
ホール素子１１と、同様に、二つのホール起電圧出力端
子が第三、第四のトランジスタスイッチ１ｇ、　１ｈの
ベースにそれぞれ接続された第二のホール素子１ｊとか
らＲす、第一、第二のホール素子１ｉ、１ｊの一つの電
流供給端子は電流制限用の抵抗器１に、１１を通じてそ
れぞれ接地される。尚、抵抗器１ｍＩ／ｉシー〜第四の
トランジスタスイッチ１０〜１ｈが飽和状態となるよう
に、その動作電流を調誉するためのものでめる。

リップル検出部２は、直流重湯７からホールモータ（固
定子部）１に延びる給電ｉＥｌに挿入されたリップル検
出用抵抗器２ａと、一つの入力端子が該抵抗器２ａの一
端に接続され、もう一つの入力端子が結合コンデンサ２
ｂを通じて該抵抗器１ｂの他端に接続された交流増幅器
２Ｃとから成る。

周波数〜電圧変換部３は、シエミット回路等の波形整形
回ｗ！ｒ３ｇと、それに後続する単安定マルチバイブレ
ータ３ｂ、積分回路３Ｃとから成シ、波形整形回路３ａ
の入力端子は交流増幅器２ｃの出力端子に接続される。

コンパレータ４の反転入力端子は積分回路３ｃの出力端
子に接続され、その非反転入力端子は給電線Ｅｌと接地
間に直列接続されてブリーダを形成する抵抗器４ａとツ
ェナーダイオード４ｂの接続点に接続される。

工程記憶部５は、フリップフロップ５ａかうｅシ、その
セット端子はコンパレータ４の出力端子に接続され、そ
のリセット端子は抵抗器５ａを通じて電源線Ｅ’ｌに接
続されたリセットスイッチ５ｂに接続される。尚、抵抗
器５ｃ、　５ｄはフリップフロップ５ａの負荷抵抗器で
りる。

スイッチ部６は、　ＰＮＰ接合のトランジスタスイッチ
６ａからｒｙｂ、そのベースは電流制限用の抵抗器６ｂ
を通じてフリップフロップ５ａの正相出力端子Ｘに接続
され、そのエミッタは給電線Ｅｌに接続され、更に、そ
のコレクタは前記第一、第二のホール素子１ｉ、　１ｊ
のもう一つの電流供給端子に接続される。

第４図はホールモータＭの概略構成を示す説明図であシ
、相対向する位置にＮ極とＳ極を有する回転子１ｎは、
その外周が９０間隔で対向配置されて固定子を形成する
第一〜第四の磁極１０〜１ｒでもって囲まれており、各
磁極には、第１図中１ａ〜１ｄで示される第一〜第四の
固定子巻線が捲回される。

詳しくは、第一の磁極１１には、第一の巻＃Ｍ１　ａが
、第二の磁極１ｐには、第三の巻線１Ｃが、第三の磁極
１ｑには、第二の巻線１ｂが、そして、第四の磁極１ｒ
Ｋは、第四の巻１ｊ！１ｄがそれぞれ捲回されている。

更に、回転子１ｎの軸方向一端面には、９０°の間隔を
置いて、第１図中１ｉ、ｌｊで示される第一、第二のホ
ール素子がそれぞれ固定的に配設される。

第５図は第一〜第四の固定子巻線を通過する電流（Ａ）
〜（Ｄ）と、給電線Ｅｌを通過するリップル電流（Ｅ）
と、回転子の状態及びホール起電圧の状態（ド）との相
互関係を表わすタイムチャートである。

上記構成において、先ず、ホールモータＭのルミ流を生
起する動作を説明すれば以下の通りでめる。

いオ、ホールモータＭの回転子１ｎが第５　図１（Ｆ）
■に示す位置を占めるときは、第一のホール素子１１が
回転子１ｎのＮ極で形成される磁界に感応してホール起
電圧を出力し、第３図における第一のトランジスタスイ
ッチ１ｅをオンにし、第５図（Ａ）　Ｉに示すように、
第一の巻線１ａに電流Ｉ＋を通じて、第一の磁極１ＴＪ
をＳｅ！に励磁する。

而して、第４図における回転子１ｎのＮ極が第一の磁極
１ｒＪに吸引されて、回転子１ｎは同図上時計方向に９
０°回転し、第５図（Ｆ）　ＩＩの状態に至る。

この状態では、第二のホール素子１ｊが前記同様にホー
ル起電圧を出力し、第３図における第三のトランジスタ
スイッチ１ｇをオンにし、第５図（Ｂ）Ｈに示すように
、第三の巻線１Ｃに電流Ｉ３を１．１１・ 通じて、第４図における第２の磁ｉ、１ｐｆｔＳ極に励
磁し、回転子１ｎを更に９０°回転させて、第５図（Ｆ
）　Ｉｌｌの状態に至らせる。

そして、今度は、回転子１ｎのＳ極の接近により、第一
、第二のホール素子１ｉ、　１ｊがＳ極の磁極で形成さ
れる磁界に感応して、上記動作の場合とは逆極性のホー
ル起電圧を順次に出力して、トランジスタスイッチＩｆ
、　１ｈを順次にオンにし、第二、第四の巻線１ｂ、　
１ｄに対して、第５図（Ｃ）Ｉｎ。

同図（Ｄ）ＩＶに示すタイミングに従って、電流Ｉ、、
Ｉ４を通じて、第４図における第三、第四の＠極１ｑ、
　１ｒを順次にＳ極に励磁することにより、回転子１ｎ
を更に時計方向に回転させて、第５図（Ｆ）■〜Ｉに示
す状態に至らせる。

以下、上記動作が連続的に行われて、ホールモータＭが
回転し、図示されない揚水ポンプを駆動するものでりる
。

しかるところ、かかるホールモータＭに関しては、ホー
ル素子１ｉ、　１ｊの配設に際して、効率向上の観点か
ら、各巻線に対する通電角度をなるべく大きくするよう
に配慮されているので、第５図中ハツチングで示すよう
に、各巻線を順次に辿逼する電流１ｌ−Ｉｎには、重な
り部分か存在するものである。

よ抄詳しく説明すれば、電流１１が完全に遮断される以
前に電流Ｉ３が流れ出して重な９部分を生じ、以下同様
に、電流■３とＩ２、電流■２と工、との間に重なり部
分を生ずる。

而して、上ｎｅ電流の重なり部分では、給電線Ｅｌを通
過する電流Ｉは第５図（Ｅ）に示すように、瞬時的に増
大するので、給電電流中にリップル電流が生起される。

そして、かかるリップル電流は、電流工１、工３、Ｉ２
、Ｉ４が順次に切換わるたびに生起されるものでめるの
で、その基本波成分の周波数はホールモータＭの回転数
（ＲＰＭ　）Ｋ対応して定まるものでるる。

続いて、かかるリップル電流の周波数を検出して、ホー
ル素子駆動電流を遮断する動作を第１図及び第６図に基
づいて説明すれば以下の通りでめる。

第６図はリップル検出部２、周波数〜電圧変換部３にお
ける要部の波形を示す波形図でりる。

第５図（ト））に示すようなリップル電流がリップル検
出用抵抗器２ａを通過すると、電圧降下により、該抵抗
器２ａの両端には、第６図（Ｇ）に示すように、リップ
ル電流と相似のリップル電圧が生起する。

交流増幅器２ｃは、かかるリップ・ルミ圧の変化部分（
交流成分）のみを結合コンデンサ２ｂでもって抽出して
、これを信号処理に適したレベルまで増幅して、波形整
形回路３ａに供給する。シュミット回路等から成る波形
整形回路３ａＦｉ、増幅されたリップル電圧を特定のス
レショルドレベルを思案点として、ｒＩＪ、ｒＯＪの２
位負に弁別することにより、第６図ａ−１）に示すよう
に、リップル電圧の変化部分に同期するトリガパルスを
生成する。

後続する単安定マルチパイプレーク３ｂは、上記トリガ
パルスを受けて、予め設定された特定の準安定時間τだ
け準安定状態「１」に移行してから安定状態「０」に復
帰し、第６図（Ｉ）に示すように、リップル電圧の変化
部分に同期するパルス列を生成する。積分回路３Ｃは、
かかるパルス列を積分して、第６図（Ｊ）　ａに示すよ
うに、パルスが「１」である期間では、特定の勾配で積
分電圧を上昇させて、同図すに示すように、パルスの後
縁にて最大値に到達させ、続いて、パルスが「０」でめ
る期間では、同図Ｃに示すように、特定の勾配で積分電
圧を低下させて、同図ｄに示すように、パルスの前縁に
て最小値に到達させる。

そして、ホールモータＭの回転数に応じてリップル電圧
の変化部分の周期、換言すれば、リップル電圧（電流）
の基本波成分の周波数が変化すると、これに同期して上
記パルス列の周期も変化し、例えば、基本波成分の周波
数が上昇すると、第６図（Ｋ）に示すように、パルス列
の周期が短縮し、而して、パルスが「１」でめる期間が
単安定マルチバイブレータ３ｂの準安定時間τとして不
動の値に特定されているので、パルス：１．。

がｒＯＪでめる期間が短縮する。

したがりて、第６図（Ｋ）ｃ’に示すように、パルスが
「Ｏ」である期間中に特定の勾配で低下する積分電圧の
低下幅が減少し、同図ｄ′に示すように、パルスの前縁
における最小値が上昇し、而して、第６図（Ｋ）ａに示
すように、かかる最小値から不動の期間τの間、特定の
勾配で上昇して、同図ｂ’に示すように、パルスの後縁
にて到達する最大値は、第６図（Ｊ）　ｂに示す最大値
に比べて上昇するものでりる。

かくして、積分回路３Ｃから出力される積分電圧の最大
値す、ｂ’はリップル電圧（を流）の基本波成分の周波
数、即ち、ホールモータＭの回転数に対応して定着るも
のであり、かかる積分電圧（最大値）は回転数信号とし
てコンノくレータ４の反転入力端子に供給される。

一方、コンパレータ４の非反転入力端子には、ホールモ
ータＭが予め設定された上限回転数に到達したときにお
ける上記回転数信号の値に等しくなるように、ツェナー
ダイオード４ｂでもって設定された特定の参照電圧が供
給されているので、コンパレータ４は、前記回転数信号
と上記参照電圧との大小関係を比較し、回転数信号が参
照電圧より小さいとき、即ち、ホールモータＭが上限回
転数以下の回転数で運転されているときには、「１」を
出力し、回転数信号が参照電圧に到達したとき、即ち、
ホールモータＭの回転数が上限回転数に到達したときに
は、「Ｏ」を出力する。

かかる上限回転数は、第１図、第２図を参照して説明し
た動作例に従えば、動作特性曲線Ｐ±の動作点ｐ、に対
応する電圧〜回転数曲ＭＱ上の回転数ｎ８に示すように
、パルプ全閉状態における動作点ｐ４と気中運転におけ
る動作点ｐ５との間の動作佃域に対応する特定の回転数
として設定されるべきものである。尚、第１図中ａＬ８
は動作点ｐ、における負荷特性線である。

さて、第３図にもどって前記コンパレータ４の出力信号
の「１」から「０」への反転は、停止信号としてフリッ
プフロップ５ａのセット端子に供給されるので、該フリ
ップフロップ５ａは「１」にセットされ、停止工程を記
憶する。而して、クリップフロップ５ａはリセットされ
るまで継続的に停止工程信号としての「１」を出方し、
その正相出力端子Ｘの電位が直流電源Ｔがらｔ　＠　＃
Ｅ’１を辿じて直接的に供給される電源電圧に等しくな
るので、該正相出方端子Ｘに接続されたトランジスタス
イッチ６ａのペースの電位はリップル検出用抵抗器２ａ
を通じて直流電源１に接続さｔているエミッタの電位よ
りも僅かに高くなり、該トランジスタスイッチ６＆をオ
フ状態に保つ。

この状態では、給電線Ｅｌを通じての、第一、第二のホ
ール素子１ｉ、１ｊに対するホール素子駆動電流の供給
が断たれるので、回転子１ｎの位置に係わシなく、該ホ
ール素子１ｉ、　１ｊはホール起電圧を出力することが
なく、而して、第一〜第四のトランジスタスイッチ１０
〜１ｈはすべてオフとなり、ホールモータＭは停止する
。

復旧操作に際しては、リセットスイッチ５ｂを閉成して
、フリップフロップ５ａをリセットすると、該フリ・プ
フ・・プ５ａの正相゛出力端子Ｘの電位が接地電位とな
り、抵抗器６ｂを通じてトランジスタスイッチ６ａにペ
ース電流が供給されるので、該スイッチ６ａはオン状伸
となる。

而して、第一、第二のホール素子１ｉ、１ｊＫｔｔｉ、
オン状態のトランジスタスイッチ６ａ、抵抗器１ｋ。

１１を通じてホール素子駆動電流が供給されるので、該
ホール素子Ｉｔ、　１ｊは回転子１ｎが形成する磁界に
感応して、ホール起電圧を出力し、第４図、第５図を参
照しつつ説明したホールモータＭの回転動作が実現され
るものである。

尚、上記実施例の構成において、フリップフロップ５ａ
で駆動される警報表示回路を付設して、工程記憶部５が
停止工程を記憶していることを目視可能に表示すること
により操作上の便宜を図ることは随意である。

以上のように、この発明は揚水ポンプの運転に際して、
診ポンプを駆動するためのホールモータＭへの給電ｊｌ
ｉＥｌ中に生起され、該モータの回転数に対応する周波
数成分を含有するリップル電流に基づいて、該゛モータ
の回転数を計測し、該回転数が予め設定された上限回転
数に到達したときに、該モータを停止させるように構成
されているので、この発明によれば、負荷電流の増大に
伴って出力電圧が低下するような動作特性曲−Ｐｆ有す
る直流電源Ｔ１典型的には、太陽電池を用いて、しかも
、揚水ポンプ系の最頻運転状態における負荷特性線Ｌ２
が、上記電源の動作特性曲線Ｐと交叉して定まる動作点
ｐ！を最大出力１乱と交叉する位置に選定するような場
合であっても、気中運転に際して、回転数が予め設定さ
れた上限回転数以上に上昇することを防ぐことができ、
而して、揚水ポンプ系の軸封装置の機械的破損や軸受装
置の焼付を完全に防止できるという優れた効果がある。

更に、この発明は、ホールモータＭの回転に際して、付
随的な作用として給電線Ｅｌ中に生起するリップルを流
を有効に利用して、ホールモータＭの回転数を計測する
ように構成されているので、ホールモータＭの回転数を
検出するためのセンサを機構的に付設する必要がなく、
回転数の計測に関しては、給電ｉＥｌ中に挿入されたリ
ップル検出用抵抗器２ａの両端電位の変化を信号処理す
れば足シ、而して、構成がＷ１５濠で、コンパクトに実
現できるという効果もある。

その上、この発明は、ホールモータＭの回転数が上限回
転数に到達したときは、該モータのホール素子に対する
ホール素子駆動電流を遮断することによシ、回転を停止
させるように構成されているので、給電！、流全全体遮
断するための、大容量のスイッチ素子を付設する必要が
なく、僅かなホール素子駆動電流を遮断するための小容
量のスイッチ素子を付設すれば足シ、而して、コスト逓
減が図れるにもかかわらず、ホール素子駆動電流を遮断
することにょシ、すべての固定子巻線を通過する電流を
も遮断することができるので、省電力性を少しも損わな
いという効果吃ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は太陽電池からホールモータに給電する場合の動
作特性曲線のグラフ、第２図はホールモータの供給電圧
〜回転数の関係を例示するグラフ、第３図以下はこの発
明の実施例に関するものであり、第３図はその構成を示
す回路図、卯４図はホールモータＭの概略構成を示す説
明図、第５図はホールモータＭの固定子巻線を通過する
電流と、給電線を通過するリップル電流と、ホール起電
圧の状態との相互関係を示すタイムチャート、第６図は
リップル検出部２、周波数〜電圧変換部３０喪部波形を
示す波形図である。 Ｍ・・・・・・ホールモータ　　１・・・・・・固定子
部２・・・・・・リップル検出部 ３・・・・・・周波数〜電圧変換部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 山流寛源Ｔと、該電源から給電されるホールモータＭと
   、該ホールモータでもって駆動される揚水ポンプとを含
   む揚水ポンプ系において、直流型０Ｔからホールモータ
   Ｍに対して供給される給知鴇流に含有されていて、ホー
   ルモータＭの回転数に対応する周波数成分−を有するリ
   ップル笥１流を検出するリップル検出手段２と、上目５
   １Ｊップル検出手股でもって検出されたリップル電流を
   、その基本波成分の周波数に対応するアナログ電圧に変
   換して、回転数信号として出力する周波数〜電圧変換手
   段３と、上記回転数信号と予め設定された上限回転数に
   対応する参照電圧との大小関係を比較して回転数信号か
   診照′亀圧を越えたときに、停止信号を出力するコンパ
   レータ４と、上記停止信号に応答して、停止工程を記憶
   し、停止工程信号を継続的に出力する工程記憶手段５と
   、上記停止工程信号に応答して、前記ホールモータのホ
   ール素子駆動電流を遮断するスイッチ手段６とを付設し
   て成る揚水ポンプ系における保護装置。