JP2011045223A - 単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレー - Google Patents

Abstract

【課題】起動巻線の誘起電圧を検出することにより、起動失敗を最小化し、各種規格の電動機に使用できる、互換性の高い単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレーを提供する。
【解決手段】単相誘導電動機の起動巻線Ｗ２と起動コンデンサＣＳの間に接続され、起動電流を断続するトライアックＱ１と、電動機の回転速度に比例する起動巻線Ｗ２の誘起電圧を検出するための誘起電圧検出回路１２２と、前記トライアックＱ１の両端電圧を検出するウィンドウ比較回路１２４と、マイコン１３０とを備え、前記マイコン１３０は、電動機線路電圧のゼロ電圧時点に前記トライアックＱ１をオンして起動を開始し、起動中は起動巻線電流のゼロ電流時点ごとに一定遅延時間前記トライアックＱ１のゲートをトリガーし、オン状態を維持し、この間、誘起電圧の変動比を監視し、加速トルクが減少し始めると前記トライアックＱ１をオフする。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレーに関し、特に、誘起電圧で起動トルク曲線をモデリングしてプログラミング方式で制御することにより、起動失敗を最小化し、各種規格の電動機に使用できる、互換性の高い単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレーに関する。

一般的に、単相誘導電動機は単相の固定子巻線を有するため、回転磁界が発生しないが、回転子が一旦回転を開始すると誘導トルクが発生して、固定子の脈動磁界（Ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ）によって回転子が同期速度で回転するようになる。そのため、単相誘導電動機は、初期に磁界の平衡状態を不均衡状態にして起動トルクを得るための起動方法が必要である。

単相誘導電動機は、起動トルクを得るための起動方法によって、分相（ｓｐｌｉｔ−ｐｈａｓｅ）電動機、コンデンサ電動機、及び隈取磁極型（Ｓｈａｄｉｎｇ−Ｐｏｌｅ）電動機に区分される。分相電動機は、起動巻線を運転巻線に並列に連結し、起動巻線と運転巻線とのインピーダンス差による位相差を発生させて起動する方式である。コンデンサ電動機は、起動巻線（ｓｔａｒｔ ｗｉｎｄｉｎｇ）にコンデンサ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を直列に挿入して、分相電動機よりも大きい起動トルクを得ることができる電動機であって、起動巻線に挿入されたコンデンサにより供給電流の位相が変化して起動巻線に流れることで、電磁力の平衡状態が崩れて起動トルクを得るようになる。そして、回転子が回転し始めて一定回転数まで速度が上昇すると、分相電動機やコンデンサ電動機は、遠心スイッチ（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｓｗｉｔｃｈ）によって起動巻線やコンデンサを分離して正常運転するようになる。

しかしながら、機械式遠心スイッチは、振動に脆弱で、スイッチング時のアーク発生によって機械的／電気的摩耗で特性が低下する短所があるため、次第に電子リレーが使用されるようになってきた。単相誘導電動起用電子リレーは、起動巻線にトライアックのような電力用半導体スイッチング素子を直列に連結し、制御回路で半導体スイッチング素子を制御して、起動時にのみ起動巻線に電流が流れるようにしたものである。

従来の電子リレーは、単に起動巻線に誘起された電圧の大きさだけで起動完了時点を判断して制御するので、電動機の規格と設置条件によって特性が変わって、互換性が低くなり、起動失敗率が高いという問題点がある。また、従来の電子リレーは、トライアックのゲートを制御する制御回路がアナログ回路で構成され、電流消耗が多く、相対的に高い容量のゲート電流を必要とする場合には、継電器内部電源回路の効率が低いという問題点がある。

本発明は、上記のような問題点を解消するために提案されたもので、本発明の目的は、起動巻線に誘起された電圧で起動トルク曲線をモデリングしてプログラミング方式で制御することで、起動失敗を最小化することができる単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレーを提供することにある。

本発明の他の目的は、起動巻線の誘起電圧の入力を受けて誘起電圧変動比を演算し、電動機の起動トルクが最大であることを確認した後、起動トルクが減少し始めるとトライア
ックをオフして、多様な規格の電動機に適用することができる互換性の大きい単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレーを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、線路電圧とトライアック両端電圧の位相比較によって行われる再起動を通じて、衝撃による逆方向運転を補正し、必要な時に瞬間正逆運転可能な単相誘導電動機の起動方法及びこれを用いる電子リレーを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、起動コンデンサに放電抵抗が連結されない場合にも、起動コンデンサの放電経路を形成して回路を保護することができる単相誘導電動起用電子リレーを提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明の方法は、運転巻線と起動巻線が半導体スイッチング素子を介して並列に連結された単相誘導電動機において、半導体スイッチング素子をオンして起動巻線に電流を流れるようにするステップと、前記起動巻線に電流が流れたとき、回転子の回転速度に比例する誘起電圧を前記起動巻線から検出するステップと、前記検出された誘起電圧入力を受けて、加速トルクに比例する誘起電圧の変動比を演算して格納するステップと、前記格納された誘起電圧の変動比を比較して、誘起電圧変動比が増加してから減少した場合に、誘起電圧の変動比が最大値である時点を起動トルクが最大である時点と判断するステップと、前記判断後、誘起電圧の変動比が減少し始めると、前記半導体スイッチング素子をオフして起動を完了するステップと、を含むことを特徴とする。

上記目的を達成すべく、本発明の装置は、単相誘導電動機の起動巻線と起動コンデンサの間に連結され、前記起動巻線の電流の流れを断続するトライアックと、電動機の回転速度に比例する起動巻線の誘起電圧を検出するための誘起電圧検出回路と、前記トライアックの両端電圧を検出して、起動前には電動機線路電圧のゼロ電圧を検出し、起動中には起動巻線電流のゼロ電流を検出するウィンドウ比較回路と、前記ウィンドウ比較回路の信号に応じて、電動機線路電圧のゼロ電圧時点に前記トライアックをオンして起動を開始し、起動中には前記ウィンドウ比較回路の信号に応じて起動巻線電流のゼロ電流時点ごとに一定遅延時間前記トライアックのゲートをトリガーさせて、トライアックのオン状態を維持し、起動中に前記誘起電圧検出回路から起動巻線の誘起電圧入力を受け、電動機の加速トルクに比例する誘起電圧の変動比を演算して、加速トルクが最大値であることで起動トルクが最大であることを確認した後、加速トルクが減少し始めると前記トライアックをオフするマイコンと、で構成される。

本発明によれば、負荷トルク及び慣性が一定の場合、電動機の起動トルクに比例して起動巻線誘起電圧の変動比（ｄＶｓ／ｄｔ）が増加することが分かる。よって、本発明では、マイコン（ＭＣＵ）のＡＤＣ１端子で起動巻線Ｗ２に誘起された電圧の入力を受けて、誘起電圧の変動比を演算した後、電動機の起動中最大トルク発生時点を確認することができ、電動機の起動トルクが減少する時点を起動完了時点と判断して、トライアックをオフする。このような本発明によれば、起動失敗を最小化することができ、電動機の規格と種類にかかわらず多様な電動機に適用することができるので、互換性が大きく向上する効果がある。また、本発明によれば、起動完了後誘起電圧の大きさだけでなく線路電圧とトライアック両端電圧の位相比較を通じて再起動手順を行うことで、より迅速且つ正確な再起動が可能であって、衝撃による逆方向運転を補正し瞬間正逆運転を可能にする効果がある。

本発明による電子リレーが適用された単相誘導電動機の駆動回路を示す回路図である。 本発明によるマイコンが起動動作を処理する手順を示すフローチャートである。 本発明によるマイコンが誘起電圧の大きさを比較して再起動を処理する手順を示すフローチャートである。 本発明によるマイコンが線路電圧とトライアック両端電圧の位相比較によって再起動を処理する手順を示すフローチャートである。 本発明による電子リレーが分相電動機で起動を処理する手順を示すフローチャートである。

本発明及び本発明の実施によって達成される技術的課題は、以下で説明する本発明の好ましい実施例によってより明確になるであろう。以下の実施例は、本発明を説明するために例示されたものに過ぎず、本発明の範囲を限定するためのものではない。

図１は、本発明による電子リレーが適用された単相誘導電動機の駆動回路を示す回路図である。

図１に示すように、単相誘導電動機２００は回転子と固定子からなり、固定子には運転巻線Ｗ１と起動巻線Ｗ２が巻き取られており、コンデンサ起動型の場合、起動巻線Ｗ２には起動用コンデンサＣ_Ｓが直列に連結されている。

そして、本発明による電子リレー１００は、起動巻線Ｗ２に直列に連結されて起動巻線Ｗ２に流れる電流を断続（遮断または連結）する電力用半導体スイッチング素子１１０と、起動巻線Ｗ２に誘起された電圧の変動比を算出して起動トルクを類推する制御アルゴリズムによって起動機能を処理するマイコン１３０と、電動機線路Ｌ１、Ｌ２電圧と起動巻線Ｗ２に誘起された電圧を感知してマイコン１３０に提供し、マイコン１３０の制御によって電力用半導体スイッチング素子１１０を制御する制御回路部１２０とで構成される。単相誘導電動機２００に電源を印加して起動が完了すれば、起動巻線Ｗ２を電源線路Ｌ１、Ｌ２から分離させ、電動機の運転中には起動巻線Ｗ２に誘起される電圧の大きさや線路電圧と半導体スイッチング素子の両端電圧との位相差を感知して、必要時に再起動を処理する。

本発明の実施例において、電力用半導体スイッチング素子１１０としては、スナバレストライアック（Ｓｎｕｂｂｅｒｌｅｓｓ Ｔｒｉａｃ；Ｑ１）を使用するが、トライアックＱ１は、図１に示すように、第１端子Ｍ１が起動用コンデンサＣ_Ｓに連結され、第２端子Ｍ２が起動巻線Ｗ２に連結され、ゲート端子Ｇは、マイコン１３０のＯＵＴ１制御によってオン／オフされてトリガー信号を発生するトランジスターＱ２と抵抗Ｒ７を介して連結されている。

また制御回路部１２０は、起動巻線Ｗ２に誘起された電圧を降下させてマイコン１３０のＡＤＣ１入力端子に連結する誘起電圧検出回路１２２と、トライアックＱ１両端電圧を利用してゼロ電圧とゼロ電流を検出した後マイコン１３０の第１入力端子ＩＮ１に提供するウィンドウ比較回路１２４と、起動用コンデンサＣ_Ｓに対する放電経路を提供する放電回路１２６と、継電器内部回路に電源を供給するための電源回路１２８部分とを有する。

誘起電圧検出回路１２２は電圧降下抵抗Ｒ８、Ｒ９で具現され、放電回路１２６は、図１に示す矢印のように、起動コンデンサＣ_Ｓの一端に直列連結される運転巻線Ｗ１と、運転巻線Ｗ１に直列連結される第１抵抗Ｒ１と、第１抵抗Ｒ１に直列連結される第１０抵抗Ｒ１０と、一端が第１０抵抗Ｒ１０に直列連結され他端が起動コンデンサＣ_Ｓの他端に直
列連結される第２ダイオードＤ２とからなる閉回路で構成されて、起動用コンデンサＣ_Ｓの充電電圧を徐々に放電させる機能をする。電源回路１２８は通常の回路構成からなるので説明を省略する。

ウィンドウ比較回路１２４は、図１に示すように、トライアックＱ１の両端電圧を降下させて比較器Ｕ１の＋端子に連結する電圧降下抵抗Ｒ３、Ｒ４と、Ｖｃｃ電圧を降下させて比較器Ｕ１の−端子に連結する電圧降下抵抗Ｒ５、Ｒ６と、＋端子に入力されるトライアックＱ１の両端電圧と−端子の基準電圧とを比較してマイコン１３０の第１入力端子ＩＮ１に出力する比較器Ｕ１とで構成される。比較器Ｕ１の−端子に連結される可変抵抗Ｒ６は、マイコン１３０の第２出力端子ＯＵＴ２と連結されて、マイコンの第２出力ＯＵＴ２によって−端子の基準電圧が可変できるようになっている。本発明の実施例で、マイコン１３０は、トライアックオフ時、線路Ｌ１、Ｌ２電圧のゼロ電圧を検出するための制１基準電圧と、トライアックオン時、起動巻線電流のゼロ電流を検出するための制２基準電圧を、第２出力端子ＯＵＴ２を介して、比較器Ｕ１の−端子にそれぞれ出力する。この時、比較器Ｕ１は、マイコン１３０の制御によってゼロ電圧を検出するための制１基準電圧とゼロ電流を検出するための制２基準電圧を使用するので、トライアックＱ１の両端電圧入力回路とともにウィンドウ比較回路を構成するようになる。

そして、本発明による固有のアルゴリズムを行うマイコン１３０は、デジタル入出力端子と、アナログ入出力端子、ＥＥＰＲＯＭ、タイマーなどを内蔵しているが、本発明の実施例で、次の表１のように制御回路部１２０と連結されて全体動作を制御する。

前記表１を参照すると、マイコン１３０は、第１入力端子ＩＮ１を介して比較器Ｕ１の出力を受けるとともに、第２入力端子ＩＮ２を介して線路電圧の位相を検出し、ＡＤＣ１入力端子を介して起動巻線Ｗ２に誘起された電圧の入力を受け、誘起電圧の変動比で起動トルクを類推して、起動完了時点を判断するとともに、ゼロ電圧‐ゼロ電流を検出して、第１出力端子ＯＵＴ１を介してトライアックのゲートを効率良く制御する。

このような本発明の電子リレー１００は、制御回路部１２０とマイコン１３０の有機的な連動によって動作するので、理解の便宜のために図２乃至図５のフローチャートを参照して動作を説明する。

図２は、本発明によるマイコンが起動動作を処理する手順を示すフローチャートである。

図２を参照すると、初期に電動機２００を動作させるための線路電源がオンになると、電源回路１２８は、ＶＣＣ電圧を継電器回路に供給し、マイコン１３０は、起動コンデン
サＣ_Ｓが連結されたコンデンサ起動型であるか分相起動型であるかを判断した後、コンデンサ起動型であれば、第２出力端子ＯＵＴ２で比較器Ｕ１の基準電圧を第１基準電圧になるようにする。第１基準電圧は、トライアックＱ１がオフされた場合に電動機線路電圧のゼロ電圧を検出するための基準電圧である（Ｓ２０１、Ｓ２０２）。

トライアックＱ１の両端電圧は、抵抗Ｒ３、Ｒ４を経て電圧降下し比較器Ｕ１の入力電圧になり、比較器Ｕ１の基準電圧はマイコン（ＭＣＵ）１３０のＯＵＴ２出力によって電源電圧ＶＣＣの分配電圧Ｒ５、Ｒ６が第１基準電圧になる。比較器Ｕ１の出力は、マイコン（ＭＣＵ）１３０の入力ポートＩＮ１に入力される。

マイコン（ＭＣＵ）１３０は、比較器Ｕ１の出力信号をＩＮ１端子で感知して、トライアックＱ１両端のゼロ電圧を確認（Ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏn）し
た後、トライアックゲートＧの制御用出力ポートＯＵＴ１にトリガーパルス信号を出力する。マイコン１３０の出力ＯＵＴ１によってトライアックのゲートＧ制御回路である抵抗Ｒ７とトランジスターＱ２を介してトライアックゲートＧにゲート電流が印加されると、トライアックＱ１はゼロ電圧でオン（Ｏｎ）状態になり、これにより、起動巻線Ｗ２には運転巻線Ｗ１よりも位相が進んだ電流が流れるようになって、位相差による回転力が発生されて起動が開始される（Ｓ２０４、Ｓ２０５）。この時、本発明では、ゼロ電圧状態でトライアックＱ１がオンされるので、インパルス電流（Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）からトライアックＱ１と周辺回路を保護することができる。

一方、トライアックＱ１は、ゲートＧ１にトリガー電圧以上のパルスが印加されるとオンされ、Ｍ１‐Ｍ２端子間に電流が流れる間ずっとオン状態を維持し、Ｍ１‐Ｍ２端子間の電流が維持電流以下になればオフされる特性を持っている。このため、Ｍ１‐Ｍ２に交流電流が流れる場合には、動作特性上、交流電流の半週期ごとに発生する電流のゼロ電流でまたオフ状態になるため、トライアックのオン状態を維持するためには、その時点でまたトライアックのゲートＧをトリガーしなければならない。

よって、本発明の電子リレーのウィンドウ比較回路１２４は、電動機の起動中には起動巻線電流がゼロ電流に近くなる半周期ごとにマイコン（ＭＣＵ）１３０に信号変化を与えるようになり、これによってマイコン（ＭＣＵ）１３０は、出力ポートＯＵＴ１とトランジスターＱ２を介してトライアックゲートＧにトリガー電流を印加（Ｓｉｎｋ）して、トライアックＱ１のオン状態を維持するようになる（Ｓ２０６〜Ｓ２０９）。特に、スナバレストライアック（Ｓｎｕｂｂｅｒｌｅｓｓ Ｔｒｉａｃ）制御において、トライアックゲート電流の大きさはトライアック固有のｄＶ／ｄｔ（Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ）特性向上のために重要な要素であるため、本発明では、起動巻線電流のゼロ電流を予測して一定遅延時間の間のみトライアックＱ１に十分なゲート電流を印加することで、継電器内部の全力消耗を最小化するとともに安定的にトライアックを制御することができる。

すなわち、トライアックＱ１は、オン状態で起動巻線電流がゼロ電流を通過する半週期ごとに、トライアックＱ１の主接点であるＭ１、Ｍ２両端の間に部品特性及び周辺温度によって可変的ではあるが約１．０〜１．５Ｖ程度の電圧変動が発生する。よって、本発明では、起動巻線電流のゼロ電流時点をトライアックＱ１両端の電圧変動を通じて予測し、予測された時点で十分な容量の電流をトライアックゲートＧ端に最小限の遅延時間の間印加して、トライアックＱ１を効率良く制御する。

図１において、トライアックＱ１がオンされた状態で、トライアック両端電圧は抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４を介して電圧降下して、比較器Ｕ１の＋端子入力電圧（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）になる。抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６は、比較器Ｕ１の−端子基準電圧（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を設定する。そして、比較器Ｕ１は、＋端子入力
電圧を−端子基準電圧と比較して、トライアックＱ１の位相反転（すなわち、起動前には電動機線路電圧のゼロ電圧通過時点、起動中には起動巻線電流のゼロ電流通過時点）を感知して、ＩＮ１端子でマイコン１３０に提供する。この時起動巻線電流のゼロ電流通過時点及びその変動区間を最大限早く正確に予測するのが、効率の良いトライアックＱ１制御にもっと有利なので、本発明では、抵抗Ｒ６を可変抵抗にして交流電源の半週期ごとに発生する起動巻線電流の位相反転によって、比較器Ｕ１の−端子基準電圧の上限値（Ｈｉｇｈ ｌｉｍｉｔ）と下限値（Ｌｏｗ ｌｉｍｉｔ）をマイコン（ＭＣＵ）１３０で調整する。

また、電動機の運転中トライアックの非反復最大電圧仕様（Ｎｏｎ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ Ｐｅａｋ Ｏｆｆ−ｓｔａｔｅ Ｖｏｌｔａｇｅ）に動作電圧を合わせたバリスタＶＤをトライアックＱ１の両端Ｍ１、Ｍ２に並列に連結する場合、トライアックＱ１両端のノイズ（サージ、インパルス電圧）及び起動コンデンサ充電電圧からトライアックＱ１及び周辺回路を保護することができる。

単相誘導電動機２００が起動を開始して回転子が回転し始めると、回転子巻線に流れる電流による磁束が発生し、この磁束によって起動巻線Ｗ２に電圧が誘起され、該誘起電圧は回転速度に比例して増加し、電動機が同期速度に近づいて起動を完了すると、起動巻線の誘起電圧は一定になる。本発明で、起動巻線Ｗ２の誘起電圧は、誘起電圧検出回路１２２である抵抗Ｒ８、Ｒ９を介してマイコン１３０のアナログ入力端子ＡＤＣ１に入力された後、マイコン１３０内部のアナログ−デジタル変換器によってデジタル値に変換されて、マイコン（ＭＣＵ）１３０に内蔵されたフラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ）に格納される。

マイコン（ＭＣＵ）１３０は、電動機の加速度に比例する誘起電圧の変動比を計算して、電動機の起動トルクが最大になる時点を確認した後、電動機の起動トルクが急激に減少し始めれば、抵抗Ｒ７とトランジスターＱ２を介してトライアックＱ１のゲート電流を制限して、トライアックＱ１がオフ状態になるようにする。これによって起動巻線Ｗ２が遮断される（Ｓ２１０〜Ｓ２１３）。一般的に電動機は、回転速度が同期速度の７０〜８０％になる時点で、最大トルクが発生する。

一方、本発明によって電動機トルク（Ｍｏｔｏｒ ｔｏｒｑｕｅ）と、負荷トルク（Ｌｏａｄ Ｔｏｒｑｕｅ）、加速トルク（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ）、そして誘起電圧変動比ｄ（Ｖｓ／ｄｔ）間の関係を定義し、単相誘導電動機の起動制御に必要な起動中最大トルク検出方法を説明すると次の通りである。

起動中に固定子（Ｓｔａｔｏｒ）の運転巻線Ｗ１と起動巻線Ｗ２に印加される電流は回転磁場を生成し、その回転磁場が回転子を通過すると、回転子に電圧が発生し、回転子電圧によって回転子に電流が発生する。この時、回転子周辺にも磁場が発生し、この磁場によって起動巻線Ｗ２に電圧が誘起され、この誘起電圧Ｖｓの大きさは回転子の回転速度（ω）に比例するので「速度電圧」とも言う。

一般的に電動機トルクは、次の数式１のように負荷トルクと加速トルクの和に比例する。

したがって、負荷トルク及び慣性が一定する場合、電動機の起動トルクは電動機の加速トルクまたは誘起電圧の変動比（ｄＶｓ／ｄｔ）に比例して増加することが分かる。そして、マイコン（ＭＣＵ）１３０はＡＤＣ１端子で起動巻線Ｗ２に誘起された電圧の入力を受けて、誘起電圧の変動比を演算すると、電動機の起動中最大トルク発生時点を確認することができ、これによって、電動機の起動トルクが減少する時点も正確に感知することができる。

そして、固定子の磁場（Ｓｔａｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）Φは、次の数式２のように、固定子の電圧または電動機線路電圧（Ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）Ｖに比例して増加し、回転子誘起電圧（Ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ ａ ｒｏｔｏｒ）Ｅは、固定子磁場の大きさ（Ｓｔａｔｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）Φ及び回転子の回転速度（Ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ）Ｎに比例する。

上記と同様に、起動巻線Ｗ２の誘起電圧（Ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ ａｎ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）Ｅ’は、回転子磁場（Ｒｏｔｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）Φ’と回転速度Ｎに比例する。演算の理解のために、電動機の構造による特定定数（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ−Ｍｏｔｏｒ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）ｋは一定すると仮定すれば、起動巻線の誘起電圧Ｅ’は次の数式３のようになる。

したがって、電動機の速度（回転子回転速度）Ｎは、次の数式４のようにルート（起動巻線誘起電圧÷電動機線路電圧）に比例することが分かり、後述するように、起動巻線の
誘起電圧をモニタリングして再起動を処理することができる。

図３は、本発明によるマイコンが誘起電圧の大きさを比較して再起動を処理する手順を示すフローチャートであり、図４は、本発明によるマイコンが線路電圧とトライアック両端電圧の位相比較によって再起動を処理する手順を示すフローチャートである。

図３を参照すると、マイコン１３０は、電動機の起動が完了した後、正常運転時に電動機の回転速度に比例する起動巻線誘起電圧Ｅ’の入力をＡＤＣ１端子で受けて、モニタリングする（Ｓ３０１、Ｓ３０２）。そしてマイコン（ＭＣＵ）１３０は、誘起電圧Ｅ’の大きさを持続的に確認して、誘起電圧の大きさが拘束速度の誘起電圧に近づくと電動機の速度が拘束速度に近づいたと判断して、上述した起動手順によってトライアックＱ１を制御して再起動するようになる（Ｓ３０３、Ｓ３０４）。

一方、トライアック両端には誘起電圧と電源電圧のベクトル和が印加されるようになる。これにより、正常運転状態でトライアック両端の電圧は電源電圧よりも遅相状態となる。しかし、電動機の停止（拘束）状態では位相差が最小化されるので、トライアックの両端電圧と線路電圧の位相差を累積して格納し、前記位相差の変化を判断して再起動することもできる。

図４を参照すると、マイコン１３０は、ＩＮ１端子を介してトライアックＱ１両端電圧の位相を検出し、ＩＮ２端子を介して線路電圧の位相を検出して、トライアック両端電圧と線路電圧の位相差から再起動を判断する（Ｓ３１１〜Ｓ３１４）。例えば、トライアック両端電圧と線路電圧の間の位相差を持続的に感知して、両電圧間の位相差が一定値以下に減少すれば、マイコン（ＭＣＵ）１３０はトライアックＱ１のゲートをトリガーして再起動する。

もし、トライアックの両端電圧が線路電圧よりも進相状態となれば、正／逆結線の変化や衝撃による逆方向運転と判断して再起動することができる。すなわち、正／逆結線が変わった場合には、アークのない瞬間正逆運転を可能にし、衝撃による望まない逆方向運転の場合には、順方向に復帰させる機能を有するようになる。

図５は、本発明の他の実施例として、本発明の電子リレーを起動コンデンサのない分相電動機に適用して起動及び再起動する手順を示すフローチャートである。

分相電動機は、起動用コンデンサを用いないので、起動中起動巻線Ｗ２の誘起電圧の検出が困難で、コンデンサ電動機の方法で起動トルクが最大になる時点を確認して起動完了時点を予測し難い。そのため、本発明の電子リレー１００が分相電動機に使用される場合は、拘束電流が運転電流の５〜７倍以上で、起動が完了すると電流が急激に減少して、電動機線路電圧（Ｌｉｎｅ Ｖｏｌｔａｇｅ）と起動巻線電流の間の位相差が急激に大きくなる時点で、トライアックＱ１を制御する。

図５を参照すると、分相電動機の場合にトライアックＱ１がオンされ電動機の起動が始まると、電動機線路電圧と起動巻線電流の間には巻線方式によって約２０゜〜３０゜程度の位相差が発生する。

そして、起動中に電動機の速度が７０〜８０％に到逹すると、起動巻線Ｗ２に誘起される電圧によって起動巻線電流が減少するようになり、これによって、電動機線路電圧と起動巻線電流の位相差が急激に増加する。起動巻線の電流はトライアックＱ１の両端電圧と動相であるので、トライアックＱ１の両端電圧から起動巻線電流の位相を検出することができる。

したがって、マイコン（ＭＣＵ）１３０は、トライアックＱ１の両端電圧を比較器Ｕ１の出力を介してＩＮ１端子で入力を受けて起動巻線Ｗ２の電流位相を検出し、ＩＮ２端子で電動機線路電圧の位相を検出した後、起動巻線電流と線路電圧の位相差が増加する時点を確認し、その変化が緩くなれば起動が完了したと予測して、一定遅延時間内にトライアックＱ１をオフする（Ｓ４０１〜Ｓ４０５）。すなわち、起動巻線電流の位相反転はゼロ電流‐ゼロ電圧検出回路として使用されるウィンドウ比較回路１２４を利用し、線路電圧の位相反転であるゼロ電圧は、電流制限用抵抗Ｒ１２を介してマイコン（ＭＣＵ）１３０の入力ポートであるＩＮ２端子で直接入力される。

また、マイコン１３０は、起動中一定時間以上位相差が発生しなければ、電動機が起動中拘束状態であると判断して、トライアックＱ１を直ちにオフして、起動巻線Ｗ２を保護するようになる。

そして、電動機の正常運転中、再起動のためにコンデンサ起動型電動機のように誘起電圧検出による電動機速度感知方式を適用できるが、次のように位相差比較方式を利用して、別途のアナログ‐デジタルコンバータ無しで安価の回路を構成することができる。

すなわち、電動機の運転中トライアックＱ１の両端には電動機線路電圧と誘起電圧のベクトル和が印加されるようになって線路電圧との位相差が発生するが、拘束負荷などの理由で電動機の速度が減少すれば、トライアックＱ１両端電圧と線路電圧間の位相差も減少する。したがって、トライアック両端電圧と線路電圧間の位相差を持続的に感知して、両電圧間の位相差が一定値以下に減少すれば、マイコン（ＭＣＵ）１３０は、トライアックＱ１のゲートをトリガーして再起動する（Ｓ４０６〜Ｓ４０９）。

このように本発明の電子リレーは、分相電動機の場合は、起動中には電動機線路電圧と起動巻線電流間の位相差を感知し、運転中には電動機線路電圧とトライアックＱ１両端電圧間の位相差を感知して、必要時に再起動する。

以上、本発明は図面に図示された一実施例を参照して説明されたが、当技術分野で通常の知識を有する者であればそれから様々な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するはずである。

Claims (13)

1. 運転巻線と起動巻線が半導体スイッチング素子を介して並列に連結された単相誘導電動機において、半導体スイッチング素子をオンして起動巻線に電流を流れるようにするステップと、
   前記起動巻線に電流が流れたとき、回転子の回転速度に比例する誘起電圧を前記起動巻線から検出するステップと、
   前記検出された誘起電圧入力を受けて、加速トルクに比例する誘起電圧の変動比を演算して格納するステップと、
   前記格納された誘起電圧の変動比を比較して、誘起電圧変動比が増加してから減少した場合に、誘起電圧の変動比が最大値である時点を起動トルクが最大である時点と判断するステップと、
   前記判断後、誘起電圧の変動比が減少し始めると、前記半導体スイッチング素子をオフして起動を完了するステップと、を含むことを特徴とする単相誘導電動機の起動方法。
2. 前記半導体スイッチング素子はトライアックであり、
   前記トライアックのゲートは、前記起動巻線電流のゼロ電流時点ごとに一定遅延時間トリガーされて、トライアックのオン状態を効率良く維持することを特徴とする請求項１に記載の単相誘導電動機の起動方法。
3. 起動完了後、前記誘起電圧が一定値以下に減少したり、前記トライアックの両端電圧と線路電圧の位相差が一定値以下に減少した場合、再起動するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の単相誘導電動機の起動方法。
4. 起動完了後、前記トライアックの両端電圧が線路電圧に比べて進相状態となれば、瞬間正逆運転または外部衝撃による望まない逆方向運転状態と判断して再起動するステップをさらに含み、順方向復帰と瞬間正逆運転を可能にしたことを特徴とする請求項２に記載の単相誘導電動機の起動方法。
5. 前記単相誘導電動機が分相起動型である場合、
   起動中には、電動機線路電圧と起動巻線電流間の位相差を感知して、起動巻線電流と線路電圧の位相差が増加する時点を確認し、その変化が緩くなると起動が完了したと予測して、一定遅延時間内に前記トライアックをオフし、
   運転中には、電動機線路電圧とトライアック両端電圧間の位相差を感知して、両電圧間の位相差が一定値以下に減少すると再起動することを特徴とする請求項２に記載の単相誘導電動機の起動方法。
6. 単相誘導電動機の起動巻線と起動コンデンサの間に連結され、前記起動巻線の電流の流れを断続するトライアックと、
   電動機の回転速度に比例する起動巻線の誘起電圧を検出するための誘起電圧検出回路と、
   前記トライアックの両端電圧を検出して、起動前には電動機線路電圧のゼロ電圧を検出し、起動中には起動巻線電流のゼロ電流を検出するウィンドウ比較回路と、
   前記ウィンドウ比較回路の信号に応じて、電動機線路電圧のゼロ電圧時点に前記トライアックをオンして起動を開始し、起動中には前記ウィンドウ比較回路の信号に応じて起動巻線電流のゼロ電流時点ごとに一定遅延時間前記トライアックのゲートをトリガーさせて、トライアックのオン状態を維持し、起動中に前記誘起電圧検出回路から起動巻線の誘起電圧入力を受け、電動機の加速トルクに比例する誘起電圧の変動比を演算して、加速トルクが最大値であることで起動トルクが最大であることを確認した後、加速トルクが減少し始めると前記トライアックをオフするマイコンと、を含むことを特徴とする単相誘導電動
   起用電子リレー。
7. 前記マイコンは、
   起動前には、第１基準電圧を前記ウィンドウ比較回路に提供し、前記トライアックの両端電圧と比べた後、前記ウィンドウ比較回路がゼロ電圧を検出すると、前記トライアックのゲートを制御して前記トライアックをオンし、
   起動巻線に電流が流れると、前記ウィンドウ比較回路が交流電源の半周期ごとに発生する起動巻線電流のゼロ電流を検出するように、次の位相の第２基準電圧を前記ウィンドウ比較回路に提供し、前記トライアックの両端電圧と比べた後、起動巻線電流のゼロ時点と認識して、起動電流の位相反転が完了する時間（ゼロ電流発生時間）の間、前記トライアックのゲートに電流を印加して、効率良く前記トライアックのオン状態を制御することを特徴とする請求項６に記載の単相誘導電動起用電子リレー。
8. 前記起動コンデンサの充電電圧を放電させるための放電回路を提供して、
   別途の放電抵抗無しでも継電器内部の電源回路を介して前記起動コンデンサを放電させることを特徴とする請求項６に記載の単相誘導電動起用電子リレー。
9. 前記放電回路は、
   前記起動コンデンサの一端に直列連結される運転巻線と、前記運転巻線に直列連結される第１抵抗（Ｒ１）と、前記第１抵抗（Ｒ１）に直列連結される第１０抵抗（Ｒ１０）と、一端が前記第１０抵抗（Ｒ１０）に直列連結され他端が前記起動コンデンサの他端に直列連結される第２ダイオード（Ｄ２）とからなる閉回路であることを特徴とする請求項８に記載の単相誘導電動起用電子リレー。
10. 前記トライアックの両端にはバリスタが並列に連結されて充電電圧及びサージやインパルスから前記トライアックを保護することを特徴とする請求項６に記載の単相誘導電動起用電子リレー。
11. 運転巻線と起動巻線が並列に連結される分相起動型単相誘導電動機の電子リレーにおいて、
    前記起動巻線に直列に連結され、ゲート信号に応じて電流の流れを断続するトライアックと、
    前記起動巻線電流の位相反転（ゼロ電流）を検出するためのウィンドウ比較回路と、
    線路電圧の位相反転（ゼロ電圧）を検出するための電流制限用抵抗（Ｒ１２）と、
    前記ウィンドウ比較回路を介して前記トライアックの両端電圧入力を受けて、前記起動巻線の電流位相を検出し、前記電流制限用抵抗を介して電動機線路電圧の位相を検出した後、起動巻線電流と線路電圧の位相差が増加する時点を確認し、その変化が緩くなれば起動が完了したと予測して、一定遅延時間内に前記トライアックをオフするように制御するマイコンと、を含むことを特徴とする単相誘導電動起用電子リレー。
12. 前記マイコンは、
    電動機の起動中には、線路電圧の位相反転である起動巻線両端電圧のゼロ電圧を感知して、内部タイマーを初期化した後、交流電源の半周期ごとに発生する起動巻線電流の位相反転と同相を成すトライアック両端電圧の変動を感知すると、前記タイマーの値を持って線路電圧と起動巻線電流間の位相差を演算して、持続的にその変化を内部メモリに格納しておき、電動機の起動トルクが増加して電動機の速度が相対的に急激に増加して電流が減少すれば、前記位相差も電動機の拘束時と比べて相対的に急激に大きくなることを確認して、一定動作遅延時間後、前記トライアックをオフして起動巻線回路を遮断することを特徴とする請求項１１に記載の単相誘導電動起用電子リレー。
13. 前記マイコンは、
    前記トライアック両端電圧と線路電圧の間の位相差を持続的に感知し、両電圧間の位相差が一定値以下に減少すれば、前記トライアックのゲートをトリガーして再起動することを特徴とする請求項１１に記載の単相誘導電動起用電子リレー。

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