JPS6331490A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 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
状態検知装置式に関する。

（従来の技術） 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
出対象とする方法がある。この方法を実現する手段とし
てはタコメータ等、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、また機械的回転部分を有する
ため寿命が短い。これに対して電動機の入力端子を検出
対象とした純粋電気的手段もあるが、電動機の入力電流
は電源電圧の変動、電動機の温度変化等の外的条件によ
っても変化するため検出精度が低いという欠点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 以上述べたように、従来の誘導電動機の負荷状態検知装
置は、機械的に検出しようとするものでは寿命の点で不
十分であり、また電気的に検出しようとするものでは精
度の点で不十分であるという欠点があった。

本発明は上記の欠点を除去すべくなされたものであり、
その目的は、電動機のコイル電流と印加電圧との間の位
相差を検出対象とすることにより電動機の負荷状態に依
７７、シた信号を高精度をもって得られる誘４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（１−５成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による誘導電動機の負荷状態検知装置は、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基づき検出する位相差検出部と、所
定周波数のクロックパルスをカウントするカウンターと
、前記位相差検出部により検出した位相差に応する時間
だけ前記カウンターのカウント動作を行わせるカウンタ
ー制御部と、前記カウンターによるカウント値に応じた
負荷状態信号を出力する負荷状態判定部とを設けた構成
に特徴を有するものである。

（作用） 一般に誘導電動機において、負荷状態が変動してすべり
が変化すると、等価負荷抵抗が変化するが、印加電圧に
対し略、９０°の位相差を有する一次励磁電流は一定で
あるから、コイル電流と印加電圧との間の位相差か変化
する。本発明は斯かる現象を利用して誘導電動機の負荷
状態を検出しようとするものである。

本発明の（を成において、カウンター制御部は位相差検
出部により検出した位相差に応する時間だけカウンター
のカウント動作を行わせる。ここで、カウンターは所定
周波数のクロックパルスをカウントするから、カウント
値は位相差ひいては負荷状態に応じた値となり、これに
基づき負荷状態判定部から負荷状態信号が出力される。

（実施例） 以下本発明をコンデンサ形単）目読導電動機（単に電動
機と称す）に適用した第１実施例について第１図乃至第
９図を参照しながら説明する。

電動機ｌは周知の通り主コイル２．補助コイル３及びコ
ンデンサ４を備えており、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て、トライアック５を介
して電源６に接続されている。

７は電流位相検出部であり、これはコイル電流たる主コ
イル２の電流を検出するように設けた変流器８と、その
検出電流を電圧変換する抵抗９と、ゼロクロス検出用の
第１のコンパレータ１０とを備えて成る。一方、１１は
電圧位相検出部で、これは分圧用抵抗１２．１３と、ゼ
ロクロス検出用の第２のコンパレータ１４とを備えて成
る。電流位）目検出部７からの電流位ｔｒｌ検出信号Ｐ
ｉと電圧位相検出部１１からの電圧位相検出信号Ｐｖと
はエクスクル−シブオアゲート１５に入力される。

これらの電圧位相検出部７、電流位相検出部１１及びエ
クスクル−シブオアゲート１５は位相差検出部１６を構
成するもので、後述する説明から理解されるように、電
動機１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基づき検出してその位相差に応じ
たパルス幅の位相差信号Ｐｄを出力する。

１７は７ヒ動機１がオフ状態になったときに位相差検出
を中止するためのオンオフ検出部である。

これは、具体的には第２図に示すように、Ｄタイプのフ
リップフロップ１８，１９、アンドゲート２０１４ビツ
ト出力のシフトレジスタ２１及び４人力形のアンドゲー
ト２２を備えて構成されている。トライアック５がター
ンオンして電動機１が起動すると、電流位を目検出部７
及び電圧位相検出部１１から夫々第３図に示すような電
流位相検出信号Ｐｉ及び電圧位相検出信号Ｐｖが出力さ
れる。

各フリップフロップ１８．１９は電圧位相検出信号Ｐｖ
の立−にかり及び立下がり時に各データ端子りから電流
位相検出信号Ｐ１の値を１涜み込み、各出力端子Ｑ、Ｑ
に出力する。アンドゲート２０は再出力端子Ｑ、Ｑが共
に「１」の時にシフトレジスタ２１のデータ端子りを「
１」にし、従ってこのＤ入力が連続して４周期以上「１
」となると、アンドゲート２２の出力端子が「１」とな
る。また、電動機１がオフになっても、暫くの間は回転
子が７１遇された状態のまま慣性により回転を続けるた
め、この門主コイル２に電流が流れる。しかし、このと
きの電流位相信号ＰＩは回転子の回転速度に同期するか
ら、７１５圧位ｉ１Ｊ信号Ｐｖとは非同期状態になる。

従って、フリップフロップ１８の出力端子Ｑは、第３図
時刻ｔｌに示すように「０」に転じ、これにてシフトレ
ジスタ２１の０人力がｒＯＪになってアンドゲート２２
の出力は直ちにｒＯＪに転する。即ち、オンオフ検出部
１７の出力信号は、電動機１の主コイル２に電流が流れ
始めてから所定時間後に「１」となり、トライアック５
がターンオフして電動機１がオフされると直ちにｒＯＪ
となる。

２３は例えば４桁１６進のカウンター、２４はカウンタ
ー制御部である。カウンター制御部２４は４ビツトのバ
イナリ−カウンター２５．３人力形のアンドゲート２６
及び２人力形のナントゲート２７を鍔えて？＋ＩＩ成さ
れている。バイナリ−カウンター２５は、電圧位相検出
部１４からの電圧位トロ検出信号Ｐｖを受けて電源６の
１６サイクル毎にカウントアツプし、１５．５サイクル
の期間はキャリー出力とを「１」に、０．５サイクルの
期間はキャリー出力とをｒＯＪにする（第４図参照）。

−ノｊ％３人力形のアンドゲート２６の１の入力端子に
は、電動機１のコイル電流と印加電圧との間の位相差よ
りも十分に小さな周期、例えば数十Ｋ　ＨＺのクロック
パルスΦ。が入力されており、従って、位ト目差検出部
１６から位相差信号Ｐｄが出力される間、クロックパル
スΦ０をカウンター２３のクロック端子ＣＫに出力する
。ナントゲート２７は、電源６の１６サイク゛ル毎にバ
イナリ−カウンター２５からのキャリー出力とを受けて
又は電動機１のオフ時にオンオフ検出部１７からの信号
を受けて、カウンター２３をリセットするためのもので
ある。

カウンター２３におけるカウント値は負荷状態判定部２
８に人力され、ここからカラン！・値に応じた負荷状態
判定信号Ｓｓが前記トライアック５を制御する脱水用タ
イマー２９に出力される。脱水用タイマー２９は負荷状
態判定信号Ｓｓを受けてから所定時間後にトライアック
５をターンオフさせるようになっている。尚、３０は脱
水開始用の操作スイッチである。

次に上記構成について説明する。最明に、第４図乃至第
６図に基づき、本発明の原理となる電動機の主コイル電
流１ｍ及び電源電圧ＶａＣ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ｌ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
昇するとすベリＳが減少するので等価負荷抵抗Ｒ２が増
加し二次負荷電流■２が減少する。しかしながら−次励
磁電流Ｉ。は略一定である。このＩｏ一定のちとでのＩ
２の変化を第５図のベクトルに当てはめればＩｍのベク
トルが変化することから明らかなように位相差θｍはＩ
２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θｍと回転速＆Ｎ及
びトルクＴとの関係を示す。この第６図において、Ｐは
位相曲線、Ｔはトルク曲線、Ｔｏ＋は最大トルク、Ｎｍ
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、位相差θｍは回転速度Ｎか最大！・
ルクＴｍ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いう点である。

さて第１図に示す構成の作用を説明すると、今、電動機
１が電源６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。この状態で電動機１への印加電圧
は第２のコンパレータ１４にてゼロクロス比較が行われ
、第７図に示すように電Ｒ６の半周期に対応したパルス
幅の電圧位相検出信号ＰＶが第２のコンパレータ１４か
ら出力される。また、主コイル電流ｌｌ１ｌは変流器８
によって検出されて第１のコンパレータ１０によりゼロ
クロス比較が行なわれ、同図に示すように主コイル電流
１ｍの′−１６周期に対応したパルス幅の電流位相検出
信号Ｐｉか第１のコンパレータ１０から出力される。こ
れらの電圧位Ｆｌｕ検出信号Ｐｖ及び電流（、”ｌ　）
１１検出信号Ｐ１はエクスクル−シブオアゲート１５に
人力されるから、同ゲート１５からは両信号Ｐｖ、Ｐｉ
の一方が「１」になるときに「１」とする位相差検出信
号Ｐｄが出力される。ここで、前述したように、主コイ
ル電流ｌｌ１１と電源電圧ＶａＣとの間の位相差θｍは
、電動機１の回転速度Ｎに対応しているため、エクスク
ル−シブオアゲート１５から出力される位相差検出信号
Ｐｄのパルス幅は位相差θｍの大きさひいては回転速度
Ｎの大きさに依存する。一方、電動機１かオン状態にあ
るときにはオンオフ検出部１７から「１」信号が出力さ
れているから、位相差検出部１６から位相差検出信号Ｐ
ｄが出力されている間だけ、クロックパルスΦ０がカウ
ンター制御部２４の３人力形アンドゲート２６からカウ
ンター２３に与えられる（第７図参照）。従って、カウ
ンター２３におけるクロックパルスΦ０のカウント値Φ
ｔは、位相差検出信号Ｐｄのパルス幅に依存し、そのパ
ルス幅が大きい程カウント値Φｔが大きくなる。

ところで、脱水運転を行うべくトライアック５をターン
オンさせて電動機１を起動させると、電動機１の回転速
度は第８図に曲線Ｎにて示すように漸増し、これに伴い
位相差θｍも増大するが、これは第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Ｔａ＋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。こ
こで、カウンター制御部２４のバイナリ−カウンター２
５は前述したように電源６の１６サイクル毎にキ４゜リ
ー出力こをｒＯＪになすため、カウンター２３はナント
ゲート２７を介して１６サイクル毎にリセットされ、従
ってカウント値Φｔは、第９図に示すように、リセット
される毎にその最大値を徐々に」１昇させてゆく。そし
て、カウント値Φｔの最大値が最大トルクＴｍに対応し
た速度Ｎ１１に対応する所定の値Φｍを上回るようにな
ると、負荷状態判定部２８から脱水用タイマー２９に負
荷状態判定信号Ｓｓが出力される（第９図時刻ｔ１参照
）。この負６：ｆ状態判定信号Ｓｓの発生によって最大
トルクＴｍの乗り切り完了力２（判定されるのである。

そして、脱水用タイマー２９は負荷状態判定信号Ｓｓを
受けた時点から設定された時間だけ経過した後にトライ
アック５をターンオフさせて電動機１を停止させ、もっ
て脱水運転が完了する。

このように本実施例では、脱水かごが回転速度Ｎｍに達
したことを検出してから所定時間後に電動機１を停止Ｉ
：、させて脱水運転を終了させるようにしたから、万一
、脱水かご内の布分布にアンバランスがあっても脱水不
良を起こすことを確実に防止することができるという本
実施例特をの効果が得られる。即ち、脱水かごが最大ト
ルクＴ＋ｎを通過しない回転速度即ちＮｌ１１以下の範
囲で回転を続ける原因としては脱水かご内の布分布のア
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Ｔｍ未病の不安定
領域にあって加速されにくいため本来の高速領域（Ｎｍ
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与しない。このため、従来のよう
に単に脱水用電動機の起動から計時作動を開始して設定
時間後にその電動機を停止させる方式では、不安定領域
を乗り切るまでに無為に計時作動が進行してしまい、結
局、高速領域での有効な脱水運転時間が短くなって脱水
不足を生じさせてしまう。この点に関し、本実施例では
、」―述のように脱水用タイマー２，９は電動機１が最
大トルクＴｍ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。

このような電動機１の回転速度が最大トルクＴｍ点を通
過することの検知は、電動機１０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は明らかである。また、本
発明によれば位相差θｍが回転速度Ｎｍ以」二の安定領
域において回転速度のわずかな変化に対して大きく変化
する特性にあるので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易且つ高精度に１′
１１定できることも理解される。しかも位相差θｍは電
源周波数及びその電圧変動、温度変化等によってはほと
んど変化しないので誤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θｍの変動率は周波数が５０
Ｈｚと６０Ｈｚとの間での変動に対しては±２％、電圧
１００Ｖにおける±１０％の変動に対しては±２％、温
度が２０℃から７０　’Ｃまての間の変動に対しては±
１％以下であり、また参考までにコンデンサ４のばらつ
き土１０％に対しては±３％程度である。更には、本発
明は位相差検出信号Ｐｄに応じてカウンター２３を動作
させるいわばデジタル方式であるから、位相差検出信号
Ｐｄをアナログ的に積分する構成に必須のコンデンサが
不要になり、回路構成が簡単で低コストにて製造するこ
とができる。更には、特に本実施例では、Ｍ　′Ｊｆ、
６の１６サイクル毎にカウンター２３をリセットするよ
うにしたから、例えば回転子の偏心等に起因して回転子
と固定子との相対位置関係か変化して励磁電流が変動し
たとしても、斯かる変動による誤差を大幅に小さくする
ことができる。尚、上記実施例では論理回路を組合わせ
て構成した例を示したが、本発明では、−１ユ述のよう
に信号をデジタル的に処理することができるから、各機
能部をマイクロコンピュータ−により１チツプ化するこ
とも可能である。この場合、クロック信号Φ０は、マイ
クロコンピュータ−の基本クロックからその分周機能を
利用して得ることができる。また、カウンター制御部２
４のバイナリ−カウンター２５は電圧位相検出信号Ｐ■
をカウントするようにしたから位相差検出動作が電圧位
相検出信号Ｐｖに同期して検出精度が一層向上するか、
本発明は必ずしも電圧位相検出信号Ｐｖをカウントせず
とも、他の方式のカウンターであっても良いことは勿論
である。

次に、本発明の第２実施例について第１０図を参照して
説明する。本実施例においては検出対象を洗濯機の洗い
用電動機３１の負荷状態としており、その負荷状態に基
づき洗い槽内の布置を判断して布はに適した水流強さを
得ようとするものである。洗い用電動機１は正逆回転可
能であって、そのために各コイル３２．３３はトライア
ック３４．３５を介して電源６に接続されている。負荷
状態判定部３６は、カウンター２３におけるカウント値
Φｔと、基阜カウント値Φ１．Φ２．Φ３（Φ１くΦ２
くΦ３）と比較して次の定義に従い出力端子Ｑｌ−Ｑａ
の状態を決定する。即ち、ΦｔくΦ１のときに出力端子
Ｑ１のみが「１」でその他が「０」となり、Φ１≦Φｔ
くΦ２のときに出力端子Ｑｌ、Ｑ２が「１」でその他が
ｒＯＪとなり、Φ２≦ΦｔくΦ３のときに出力端子Ｑ１
．Ｑ２．Ｑ３が「１」でＱ４が「０」、Φ３≦Φｔのと
きに出力端子Ｑ１〜Ｑ４を全て「１」とする。そして、
３７はトライアック制御部であって、これは負荷状態判
定部３６の出力端子Ｑｌ〜Ｑ４の出力状態に応じて各ト
ライアック３４，３５のオンオフデユーティ−比を決定
するもので、カウンター２３におけるカウント値Φｔが
小さい時にはデユーティ−比を大きくし、カウント値Φ
ｔが大きい時にはデユーティ−比を小さくする。その他
の点は」−２第１実施例と同一であるので、同一部分に
同一符号を付して説明を省略する。

斯かる構成とすれば、布量が多い程、洗い用電動ｒ＆３
１の負荷が大きくなって位相差θｍひいてはカウンター
２３におけるカウント値Φｔが小さくなるから、トライ
アック３４．３５のデユーティ−比か大きくなって強水
流が得られ、結局、布量の多少にかかわらず略一定の布
回り速度が得られるようになる。

その他、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定さ
れるものではなく、例えば洗濯機の洗い用電動機の負荷
状態を検出することにより洗い時間、負荷邑過不足の警
告データ或は水位設定のためのデータとして用いること
もでき、更には、電動機駆動形のベルト伝動機構におけ
るベルト緩み検出装置やその他の電動機部動形機器に広
く応用できることは勿論である。

〔発明の効果〕

以−ヒ述べたように、本発明は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１りられ、
しかも、デジタル処理方式であることから、回路（１′
ｌ成が簡単で低コスト化ひいては１チツプ化も可能にな
るという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第９図は本発明の第１実施例を示し、第１図
は全体の回路図、第２図はオンオフ検出部の回路図、第
３図は同各部の電圧波形図、第４図は電動機の等価回路
図、第５図はそのベクトル図、第６図は電動機のトルク
及び位相差曲線を示す特性図、第７図は第１図に示す回
路の各部の電圧、電ｉＪ！Ｅ波形図、第８図は脱水用の
電動機の回転速度と電圧・電流位相差とを時間的経過と
共に示す特性図、第９図はカウンターのカウント値の時
間的経過に伴う変化を示す図、第１０図は本発明の第２
実施例を示す全体の回路図である。 図面中、１．３１は電動機、２は主コイル、６は電源、
１６は位ト目差検出部、２３はカウンター、２４はカウ
ンター制御部、２８．３６は負荷状態判定部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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基づき検出する位相差検
   出部と、所定周波数のクロックパルスをカウントするカ
   ウンターと、前記位相差検出部により検出した位相差に
   応する時間だけ前記カウンターのカウント動作を行わせ
   るカウンター制御部と、前記カウンターによるカウント
   値に応じた負荷状態信号を出力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。