JP2007514396A - 位相ゲーティングによる出力制御のための装置及び高調波減少のための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 費用効果的に製造され得る、更により良いハミング作用を有する、位相ゲーティングによる出力制御のための装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、電気負荷（１４）を供給し、ＡＣ電圧の位相ゲーティングによる出力制御のための及び位相ゲーティングにより生成されたとくに４ｋＨｚの範囲までの、好ましくは第３高調波の範囲における複数の高調波の減少のための、負荷（１４）に直列に接続され位相ゲーティングを実行する目的で制御装置（２０）により駆動される第１回路素子（１２）（ＴＲＩＡＣ）を有する装置に関する。装置は第２回路素子（３４）が抵抗素子（３２）と直列に設けられ、この直列回路が第１回路素子（１２）と並列に配置され、制御装置（２０）が第１回路素子（１２）の少し前に第２回路素子（３４）を駆動するとともにそれを短い期間にわたってオン状態にスイッチするように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷として電気モーターを有し、負荷と直列に接続されて位相ゲーティングを実行する目的で制御装置により駆動される第１回路素子を有し、及び抵抗素子を有する、電気負荷を供給し、ＡＣ電圧の位相ゲーティングによる出力制御のための、及び位相ゲーティングにより生成された４ｋＨｚの範囲までの、好ましくは第３高調波の範囲における複数の高調波の減少のための装置に関する。本発明は、位相ゲーティングによる出力制御のための、４ｋＨｚまでの範囲、好ましくは第３高調波の範囲における高調波減少のための方法にも関する。

位相ゲーティングを用いた出力制御のための装置及び方法が、例えば、Ｓ.Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎらによる「ＴＲＩＡＣ制御された永久分離キャパシタファンモーターの音響ノイズ及び脈動トルク」、ＩＥＥＥ会報、１２８巻、Ｂ部、４号、１９８１年６月、２０１−２０６頁の文献、又は同じ出願人からのＤＥ １９８ ５０ ９０５ Ａ１出願から公知である。

位相ゲーティングのための装置は、回路素子を介して電気負荷を周期的にスイッチオン及びオフすることにより、負荷に供給される出力を制御するのに使用される。ＴＲＩＡＣは、通常は回路素子として使用され、負荷と直列に接続され、制御装置を介してトリガーされる。制御装置は、抵抗器とトリガーキャパシタを含む直列回路を有し、これはＴＲＩＡＣと並列に配置される。トリガー信号は、抵抗器とトリガーキャパシタの間で抜き出されて、抵抗器とトリガー素子をＤＩＡＣの形状で含む直列回路を介して、ＴＲＩＡＣの制御入力（ゲート）に供給される。アナログに構成されたこれらの制御装置に加えて、この駆動機能を実行する集積回路もまた一方で有用になっている。

負荷に供給されるＡＣ電圧の位相ゲーティングによる出力制御の場合、望ましくない複数の高調波が生成され、その量は欧州規格により定められている。この規格は、出力制御装置により満たされなければならず、その理由のため、これらの複数の高調波を減少させるための解決手段が近年提案されている。

第３高調波はとくに複数の高調波の減少において特別な役割を果たしており、その理由のため、先の解決手段はとくに第３高調波の減少に集中している。第３高調波の減少のための装置の一例は、例えば同じ出願人からＥＰ ０ ８５９ ４５２ Ｂ１に開示されている。そこで開示された解決手段において、位相角度又はトリガー角度が、例えば連続する全サイクルで、制御装置により予め定められた値だけ変化される。トリガー角度におけるこのような非対称性の結果は、ゆっくりとだけ増加する偶数の高調波と、大幅に減少された奇数の高調波につながる。

この解決手段のアプローチが実際に明らかにされて、既存の規格をこの方式で問題なく満足させることを可能にしているが、もちろん、更により費用効果的な解決手段を見出す要求が未だ存在する。更に、２５Ｈｚの範囲でのハミングが上述の文献に開示された装置の場合よりもかなり低い装置が望まれる。
ＤＥ １９８ ５０ ９０５ Ａ１ ＥＰ ０ ８５９ ４５２ Ｂ１ Ｓ.Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎらによる「ＴＲＩＡＣ制御された永久分離キャパシタファンモーターの音響ノイズ及び脈動トルク」、ＩＥＥＥ会報、１２８巻、Ｂ部、４号、１９８１年６月、２０１−２０６頁

この背景を考慮して、本発明の目的は、費用効果的に製造され得る、更により良いハミング作用を有する、位相ゲーティングによる出力制御のための装置を提供することである。

最初に述べられたタイプの装置の場合、この目的は、第２回路素子が抵抗素子と直列に設けられていて、この直列回路が第１回路素子と並列に配置されており、制御装置が第１回路素子の少し前に第２回路素子を駆動するとともにそれを短い期間にわたってオン状態にスイッチするように構成されていて、抵抗素子が電気モーターにより生成されたエアの流れにそれを冷却する目的で配置されていることで達成される。

換言すれば、これは、第２回路素子がより早くスイッチオンされるため、実際の第１回路素子から得られる電流は、一度後者がトリガーされると流れることを意味する。抵抗素子のため、第２回路素子を通って流れる電流は、第１回路素子を通るそれよりも小さい。全体的に、第２回路素子は、全電流のよりスムーズな上昇を達成することを可能にし、こうして複数の高調波を減少させる。とくに、第２回路素子をスイッチオンすることは、第１回路素子のトリガー時に生ずる複数の高調波を部分的に相殺する。電気モーターのエアの流れに抵抗素子を置くことは、十分な冷却という結果となり、追加の冷却手段を全く必要としないようになっている。

本発明による装置のための出力制御に要求される追加のコンポーネントが少数であるため、複数の高調波の減少の点において品質に逆の影響を与えることなく、製造費用が節約されることが可能である。

本発明は、このように、第１回路素子を通って流れる実際の定格電流よりも小さい電流量が、実際のトリガーの前及びＴＲＩＡＣがスイッチオンされる前に、流れることを可能にする思想に、概して基づいている。結局、述べられたように、早い時間に生成された更なる複数の高調波が形成され、実際の位相ゲーティング制御からの複数の高調波を少なくとも部分的に相殺する。

発明を実施するための形態

抵抗素子が、少なくとも２つの抵抗セグメントの形状であるのが好ましい。複数の抵抗セグメントは、好ましくは電気モーター内に位置付けられていて、それらが良好に保護されるようになっている。抵抗素子の少なくとも２つのセグメントへの分割は、これがより良い冷却を可能にするという利点を有する。なぜなら、個々の複数のセグメントは、電気モーターのエアの流れの中で互いに分かれて配置され得るからである。

抵抗素子が、抵抗ワイヤの形状であるのも好ましく、これは費用の観点から有利である。もし複数の抵抗セグメントが使用されるなら、それらはそれぞれ抵抗ワイヤの形状であってよい。

１つの好ましい態様において、抵抗素子が電気モーターの巻線の（例えば界磁巻線の）一部として設けられる。抵抗素子は、こうして、例えば複数のターンの形状で、モーターの巻線に適用されることが可能である。この手段は、同様に、抵抗素子の単純な製造を可能にし、良好な冷却がなお保証される。

ＴＲＩＡＣは、好ましくは回路素子として使用される。抵抗素子が簡単な無リアクタンス抵抗器の形状であるのも好ましい。他の抵抗素子は、例えば誘導又は容量性抵抗器のために、もちろん使用されて良い。もっとも、無リアクタンス抵抗器はその物理的寸法及び費用に関して最も適当であることがわかった。

本発明が基づく目的は、位相ゲーティングによる電気モーターの出力制御のための、４ｋＨｚまでの、好ましくは第３高調波の範囲における高調波減少のための方法によっても達成され、以下のステップを有する方法である：
第１回路素子（１２）が、位相ゲーティング工程を実行する目的で、第１に選択されたトリガー角度に基づいて駆動され、
第１回路素子（１２）をブリッジするとともに抵抗器を有する接続（３０；３２、３４）が、第２回路素子のトリガーの前の時間で短くスイッチオンされ、
抵抗器を有する接続が電気モーターにより冷却される。

既に上で述べられたように、ＴＲＩＡＣは、抵抗器を有するスイッチ可能な接続として使用され、このＴＲＩＡＣは、第１抵抗素子と並列に無リアクタンス抵抗器と直列に接続される。

上述された構成及び以下の本文で説明されるものは、それぞれ述べられた組み合わせだけでなく、他の組み合わせ又はそれら自身で、本発明の範囲から逸脱することなく使用され得るのは自明である。

出力制御のための装置が、図１に示されていて、参照符号１０で指呼されている。出力は、長い間に渡って公知である位相ゲーティング工程を用いて制御され、この点で再度説明される必要はない。

位相ゲーティングを実行する目的で、装置１０は、ＴＲＩＡＣ１２を有し、これは制御されるべき負荷１４と直列に配置されている。ＴＲＩＡＣ１２と負荷１４を含む直列回路は、Ｌ及びＮで示された２極を備えたＡＣ電圧供給ネットワークＵ_Ｎから電力供給される。

負荷１４は、好ましくは真空掃除機のための、電気モーター１５として構成され、これは誘導負荷を表す。

ＴＲＩＡＣ１２は、その制御入力（ゲート）１６を介して制御装置２０に接続され、これは所望の出力に対応する複数のトリガーパルスを生成し、それらを制御接続１６に供給する。

例えば、トリガーパルス製造のためのトリガーキャパシタを有する個別的形状の回路は、いずれもこの制御装置２０から下流で隠蔽され得る。制御装置は、もちろん、集積回路の形状でも良い。

トリガーパルスが放出されるとき、ＴＲＩＡＣ１２はスイッチオンされ、負荷１４が電力供給され得るようになっている。ＴＲＩＡＣ１２は、供給電力の半サイクルの終了までスイッチオンされた状態であり、さらにオフ状態に変化する。電力は、供給電圧の１つの半サイクル内におけるトリガー時間の適当な選択により、制御され得る。

この種の電力制御は、ＡＣ電圧供給ネットワークに戻される複数の高調波が生成される結果となる。しかしながら、欧州規格に基づけば、これらの高調波は特定の大きさを超えてはならない。このため、これらの高調波を減少させる目的で、特別な予防措置を取る必要がある。

回路ユニット３０は、この目的のための装置１０に設けられている。この回路ユニット３０は、実際のトリガー時間の前に、実際の定格電流よりも小さい電流量を負荷１４を通って流すことを可能にする仕事をする。この電流量は、図２における参照符号４１で示されている。明確に理解され得るように、この電流量４１は、ＴＲＩＡＣ１２のトリガーの後で流れるとともに参照符号４３で示された実際の電流の前に流れ始める。小さい電流量４１の時間ｔ１と定格電流４３の時間ｔ２の間の時間差は、約１−２ｍｓであり、トリガー角度によって変化し得る。とくに、差は非常に小さい及び／又は非常に大きい複数のトリガー角度の場合にゼロに設定されることが可能であり、これは回路ユニット３０が無効の状態にあることになる。

実際の定格電流４３の前に小さい電流量４１が流れるため、これは負荷１４を通る全電流の上昇がかなり平坦化された結果となる。この平坦化は、とくに複数の高調波の破壊干渉により複数の高調波の生成を減少させる効果を有し、これは電流量４１及び定格電流４３と関連付けられ得る。

全体的に見れば、この種の制御は、より低い複数の高調波、この場合とくに第３高調波を減少させることを実際に可能にする。

回路ユニット３０の機能は、この典型的な態様において、ＴＲＩＡＣ１２と並列に配置された抵抗器３２とＴＲＩＡＣ３４を含む直列回路により達成される。結局、ＴＲＩＡＣ３４がスイッチオンされるとき、電流パスは、出力電圧の１極と、負荷１４、抵抗器３２及びＴＲＩＡＣ３４を介して、第２極Ｎの間に形成される。この場合、ＴＲＩＡＣ１２はブリッジされる。

ＴＲＩＡＣ３４は、制御装置２０を介して同様に駆動され、トリガーパルスをＴＲＩＡＣ３４の制御入力３６（ゲート）に供給する。既に述べられたように、このトリガーパルスは、ＴＲＩＡＣ１２に供給される実際のトリガーパルスの時間ｔ２前に生じる時間ｔ１で生成される。対応するｔ２−ｔ１の間の差は、トリガーパルスのトリガー角度に応じて、ＴＲＩＡＣ１２に対して制御装置２０によりセットされてよく、又は、不変的に予めセットされてよい。

回路ユニット３０に設けられた抵抗器３２は、好ましくは無リアクタンス抵抗器の形状であり、電流４１が定格電流４３の大きさに到達しないことを保証する。例えば１０オームの範囲にある抵抗器は、とくに有利であることが分かった。

既に述べられたように、ＴＲＩＡＣ１２は、そのトリガーの前に回路ユニット３０により短くブリッジされており、電流が負荷１４を通って流れることができるようになっている。この工程は、供給電圧の各半サイクルで周期的に反復される。

既に述べられたように、抵抗器３２は、好ましくは無リアクタンス抵抗器として構成される。単純な抵抗器ワイヤがこの場合にとくに費用効果的であることがわかった。良好な位置決めを達成する目的で、抵抗器ワイヤが、互いに電気的に接続された少なくとも２つの個別の相互独立抵抗器ワイヤセグメントの形状で、設けられている。

抵抗器３２は非常に小さい抵抗を有するので、比較的大きな電流が流れ、大量の電力がそれにより熱の形で生成される。抵抗器への損傷を防ぐ目的で、それはそれゆえ冷却されなければならない。

図３は、電気モーター１５の概略断面図を示し、そこでは明確化のため、最も重要な部分のみが示されている。

電気モーター１５は、シャフト５３を駆動するのに用いられる巻線５１を有する。複数の羽根５７を備えたファンインペラー５５がシャフト５３の一端に嵌め合いされる。このファンインペラー５５は固定された方式でシャフト５３に連結され、それがシャフト５３と回転するようになっている。複数の羽根５７の形状は、それらの回転が図面において矢印５９で示されるエアの流れを生ずるように選択される。結局、この典型的な態様において、エアは、ファンインペラー５５から外向きに巻線５１の方向に吹き流される。

ファンインペラー５５により生成されたエアの流れは、もちろん、反対方向であるように選択されても良い。

複数の抵抗ワイヤ６３、例えば４つの抵抗ワイヤ６３が、電気モーター１５のハウジング６１内に設けられていて、既に説明された抵抗器３２を形成している。４つの抵抗ワイヤは、直列に接続されていて、エアが流れる横断面に渡って均一に分散されて配置される。

抵抗ワイヤは、２つの接続ポイントａ、ｂを介して外部から接続されている。これら２つの接続ポイントａ、ｂは、図１にも示されている。見て分かるように、接続ポイントａはモーターに接続され、接続ポイントｂはＴＲＩＡＣ３４に接続されている。

図３から明確に理解され得るように、複数の抵抗ワイヤ６３が巻線５１とファンインペラー５５の間に位置付けられている。さらに、複数の抵抗ワイヤ６３がエアの流れ５９内に置かれており、ファンインペラー５５により生成されるこのエアの流れが複数の抵抗ワイヤ６３を通過するようになっている。

このエアの流れは、複数の抵抗ワイヤ６３が作動中に十分に冷却されることを可能にし、更なる冷却素子等が全く必要無いようになっている。ファンインペラー５５は、いずれの場合も、正確には電気モーターそれ自身を冷却する目的で、設けられるので、この目的のために追加の手段が必要とされることは無い。

４つの抵抗ワイヤを選択したことは、単に例証のためである。４つより多い抵抗ワイヤとただ１つの抵抗ワイヤの両方が使用され得るのは自明である。もっとも、一般に、エアの流れにおいてより良く分配された配置を可能にする目的で、抵抗器３２を分けるのが有利である。

使用される複数の抵抗ワイヤの冷却のために非常に単純で費用効果的な解決手段が見出されたことが、このように明らかである。

非常に単純で費用効果的な回路ユニット３０が、複数の高調波における減少を可能にし、当該規格が満たされ得るようになっている。さらに、高調波減少のために先の回路ユニットにより生じたハミングノイズをかなり減少させることが可能であることが分かった。

本発明による出力制御のための装置の概念ブロック線図を示す。 電圧及び電流波形を図示するための線図を示す。 電気モーターの概念図を示す。

Claims (9)

1. 電気負荷（１４）を供給し、ＡＣ電圧の位相ゲーティングによる出力制御のための、及び位相ゲーティングにより生成された、とくに４ｋＨｚの範囲までの、好ましくは第３高調波の範囲における複数の高調波の減少のため装置であって、負荷（１４）として電気モーター（１５）を有し、負荷（１４）と直列に接続されていて位相ゲーティングを実行する目的で制御装置（２０）により駆動される第１回路素子（１２）（ＴＲＩＡＣ）を有し、及び抵抗素子（３２）を有し、第２回路素子（３４）が抵抗素子（３２）と直列に設けられていて、この直列回路が第１回路素子（１２）に並列に配置されており、制御装置（２０）が第１回路素子（１２）の少し前に第２回路素子（３４）を駆動するとともにそれを短い期間にわたってオン状態にスイッチするように構成されていて、抵抗素子（３２）が電気モーター（１５）により生成されたエアの流れ内にそれを冷却する目的で配置されていることを特徴とする装置。
2. 抵抗素子（３２）が、直列に配置された少なくとも２つの抵抗セグメントを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 複数の抵抗セグメントが、電気モーター内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 抵抗素子が、抵抗ワイヤの形状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 各抵抗セグメントが、抵抗ワイヤの形状であることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
6. 抵抗ワイヤが、電気モーターの巻線に少なくとも１つのターンの形状で設けられていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 第２回路素子（３４）が、ＴＲＩＡＣとして構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 抵抗素子（３２）が、無リアクタンス抵抗器として構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 位相ゲーティングによる電気モーターの出力制御のための、４ｋＨｚまでの、好ましくは第３高調波の範囲における高調波減少のための方法であって、以下のステップを有する方法：
   第１回路素子（１２）が、位相ゲーティング工程を実行する目的で、第１に選択されたトリガー角度に基づいて駆動されるステップ、
   第１回路素子（１２）をブリッジするとともに抵抗器を有する接続（３０；３２、３４）が、第２回路素子のトリガーの前の時間で短くスイッチオンされるステップ、
   抵抗器を有する接続が電気モーターにより冷却されるステップ。
   
   

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