JP3737814B2

JP3737814B2 - コンデンサモータの過負荷検知方法

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Publication number: JP3737814B2
Application number: JP2003343831A
Authority: JP
Inventors: 豊内海; 隆小川
Original assignee: ソムフィ株式会社
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: JP2005110457A

Description

本発明は単相コンデンサモータの過負荷検知方法に関し、特に、ローラシャッタなどの開閉に使用する筒状駆動装置に設けた単相コンデンサモータの過負荷検知方法に関する。本発明はローラシャッタが巻き戻し途中で障害物に当接した場合に発生するコンデンサモータの過負荷の検知に使用して好適である。

ローラシャッタは複数の細長い板状のスラットを簾のように連結したものであり、車庫或いは建造物の出入口、雨戸、窓など、種々の開口部に設置されている。このようなローラシャッタの巻上げ及び巻き戻しはモータを内蔵した筒状駆動装置を利用して行われる。

本発明に係わるモータは単相交流（単相１００Ｖの商用交流電源）で駆動されるコンデンサモータであり、単相誘導電動機であるコンデンサモータは、価格が安く、故障が少なく、取り扱いが容易であり、高力率及び高効率という特徴を有するために広く利用されている。このようなコンデンサモータを内蔵した筒状駆動装置は、たとえば、特許文献１に開示されている。

図６を参照して本発明に関係するローラシャッタ及び筒状駆動装置を簡単に説明する。参照符号２はローラシャッタを示し、このローラシャッタ２は、筒状駆動装置４の外周に設けた正方向及び逆方向に回転可能なパイプ６に一端が固定され、駆動装置４によって回転するパイプ６によって巻き上げられ、或いは、巻き戻される。ローラシャッタ２は複数のスラット８を連結したものである。

ローラシャッタ２を巻上げ或いは巻戻しする際、所定長の巻上げ或いは巻戻しが行われると、筒状駆動装置４に設置したリミットスイッチが機械的に作動してモータが停止する。

図７を参照して本発明に使用するローラシャッタ開閉用のコンデンサモータ（図６の筒状駆動装置内に設けられる）の動作を説明する。尚、コンデンサモータ（以下単にモータと記す場合がある）自体は周知なので簡単な説明に止める。コンデンサモータ１０は、巻線１２，１４及びコンデンサ１６から構成され、リミットスイッチＬＳ１，ＬＳ２及び端子１８、２０及び２２を介して単相電源（５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚの単相１００Ｖ電源）に接続される。参照符号２４はモータの異常加熱を検知してモータへの電流供給を遮断するサーモスタットである。

リミットスイッチＬＳ１及びＬＳ２は筒状駆動装置４（図６）内に設置され、ローラシャッタが所定長巻き戻されるとリミットスイッチＬＳ１はオンからオフに切り替わり、一方、リミットスイッチＬＳ２は、ローラシャッタが所定長巻き上げられるとオンからオフに切り替わる。リミットスイッチの具体例は、例えば、特許文献２に開示されている。

特開平４−２５４６８７号公報特開平６−１７４０４４号公報ローラシャッタが完全に巻き上げられた状態では、リミットスイッチＬＳ２はオフであり、この状態からローラシャッタを巻き戻すには（ＬＳ１はオンの状態）、端子１８及び２２を単相電源に接続する。この場合、コイル１２及び１４は夫々主巻線及び補助巻線として機能する。ローラシャッタが下降してローラシャッタの下部が所定の位置まで下がると、リミットスイッチＬＳ１がオフになってモータへの給電が停止される。尚、ＬＳ２はローラシャッタ巻き戻しのためにモータを回転させた直後にオンとなる。

一方、ローラシャッタが閉じた状態（ＬＳ１はオフでＬＳ２はオン）からローラシャッタを巻き上げるには、端子２０及び２２を単相電源に接続する。この場合、コイル１２及び１４は夫々補助巻線及び主巻線となる。ローラシャッタが上昇してローラシャッタの下部が所定の位置に達すると、リミットスイッチＬＳ２がオフになってモータへの給電が停止される。尚、ＬＳ１はローラシャッタ巻上げのためにモータを回転させた直後にオンとなる。

ところで、ローラシャッタを巻き戻す（閉じる）際、ローラシャッタの下部が障害物に当接すると連接した複数のスラットは殆ど湾曲しないのでモータの負荷（負荷トルク）が増大し、最悪の場合にはモータ巻線が焼損するという問題がある。したがって、ローラシャッタが障害物によって下降が妨げられてモータ負荷が所定値以上となった場合には直ちにモータへの給電を止める望ましい。

モータ負荷(負荷トルク)の変動は、コンデンサ電圧（コンデンサの両端電圧）Ｖｃの変化、主巻線電流の変化として現れる。コンデンサ電圧Ｖｃは、端子１８，２０を利用すればモータ外部で簡単に測定できるという利点がある。しかしながら、本願発明者がモータ負荷の変動とコンデンサ電圧Ｖｃの変化との関係を調べた結果、モータ負荷変動とコンデンサ電圧Ｖｃの変化は、
(a) 電源電圧変動に対して比例性が良好でない
(b) モータ巻線温度変化に対して比例変化率が一定でない
(c) コンデンサ容量によって大きく影響を受ける
(d) 上記(a)乃至(c)の変化がない場合でも直線性が良好でない
ことが判明した。

つまり、コンデンサ電圧Ｖｃの測定によりモータ負荷変動を検出（推測）する方法は、モータ端子を利用してコンデンサ電圧Ｖｃを簡単に測定できるという利点があるが、モータ負荷変動の検出精度が十分でないという問題がある。

更に、本発明者は、モータ負荷変動に対する主巻線電流の変化を調べた結果、
(a) 電圧変動に対して比例性が良好である
(b) 温度変化に対して比例変化率が良好である
(c) コンデンサ容量変化に対して影響が少ない
(d) 上記(a)乃至(c)の変化がない場合には直線性が非常に良好である
ことが判明した。

しかしながら、モータ負荷変動に対する主巻線電流の変化を調べるには主巻線電流を測定するための専用ラインを追加する必要があるという問題がある。

本発明の課題は、コンデンサモータの外部端子に主巻線電流を算出する（推定する）装置を付加することによって、主巻線電流を測定するための専用ラインを設けることなく、コンデンサモータの過負荷を検出する方法を提供することである。

本発明に係る単相コンデンサモータの過負荷検知方法は、モータ始動前に巻線温度を求め、モータ始動後に、時間間隔を置いて複数回、電源電圧及び電源周波数を測定すると共にモータ始動前に求めた巻線温度に基づいてモータ始動後の巻線温度を求め、モータ全電流とコンデンサ電圧を測定しこれらの測定値とコンデンサ容量とから主巻線電流を算出し、更に、電源電圧、電源周波数、モータ始動後の巻線温度からなるパラメータで特定される予め求めておいた主巻線電流とコンデンサモータ過負荷との関係からコンデンサモータの過負荷を検知することを特徴とする。

本発明は、更に、モータ始動前に前記巻線温度に加えてコンデンサ容量を測定し、測定したコンデンサ容量を前記主巻線電流の算出に用いることを特徴とする。

本発明は、更に、コンデンサの定格容量を前記主巻線電流の算出に用いることを特徴とする。

本発明は、更に、コンデンサ電圧とコンデンサ容量とから補助巻線電流を求めてこの補助巻線電流とモータ全電流とから前記主巻線電流を算出することを特徴とする。

本発明は、更に、前記コンデンサモータの過負荷検知方法を実施する前に、前記パラメータの夫々に関して複数の値を定め、この複数の値の組合せの夫々に対して主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係を予め求めておくことを特徴とする。

本発明は、更に、モータ始動後の巻線温度をモータ始動からの経過時間とモータ始動前の巻線温度とから算出することを特徴とする。

本発明では、予め求めた主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係は、コンデンサモータを制御する制御装置に設けた記憶手段に記憶しておくことを特徴とする。

本発明では、前記コンデンサモータは、ローラシャッタなどを巻上げ或いは巻き戻すために使用される筒状駆動装置に使用されることを特徴とする。

本発明によれば、コンデンサモータの外部端子に主巻線電流を算出する装置を付加して主巻線電流を算出できるので、モータの主巻線電流を測定するための専用ラインを新たに設ける必要がない。したがって、例えば、本発明を量産された既存の筒状駆動装置に応用すれば、個々の筒状駆動装置を改造することなく装置内部に設けたコンデンサモータの過負荷を検知できる。

本発明は、単相電源で駆動されるコンデンサモータの過負荷を検知するための準備として、複数の電源電圧（例えば定格電圧１００Ｖの場合には９０Ｖから５Ｖ間隔で１１０Ｖまでの５種類の電源電圧）、複数の電源周波数（例えば５０Ｈｚと６０Ｈｚ）、複数のモータ巻線温度（例えば２５℃から２０℃間隔で１４０℃までの７種類の巻線温度）の組合せの夫々に対して「主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係」を予め求め、この関係を表すデータをコンデンサモータの外部に設けた装置の記憶手段に記憶する。

コンデンサモータの過負荷を検出するには、モータ始動前にモータ巻線に直流電流を流して巻線抵抗を測定し、この巻線抵抗を用いて巻線温度を求める。更に、モータ始動後には、例えば0.5ｍｓ間隔毎に次のような測定及び算出などを行なってモータ負荷が所定値以上かどうかを調べる。即ち、電源電圧及び電源周波数を測定すると共にモータ始動前に求めた巻線温度に基づいてモータ始動後の巻線温度を求め、更に、モータ全電流とコンデンサ電圧を測定してこれらの測定値とコンデンサ容量とから主巻線電流を算出する。次に、測定した電源電圧と電源周波数及びモータ始動後に求めた巻線温度の組み合せを基に、上述の予め求めておいた複数の「主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係」を示すデータから最も適切なデータを選び、算出した主巻線電流と選択したデータを用いてコンデンサモータが過負荷かどうかを調べる。

図１乃至図５を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、筒状駆動装置に設けた単相コンデンサモータと本発明を実施するための外部装置の概略とを図示したものである。図１に示すコンデンサモータは図６で説明した公知のものであり、したがって、図６に対応する箇所には同一参照符号を付してある。

先ず最初に、図２のステップＡ１に示すように、複数の電源電圧、複数の電源周波数、複数のモータ巻線温度の組合せ対して夫々「主巻線電流とモータ負荷トルクとの関係」を求める。例えば、次のような電源電圧（定格電源電圧を100Ｖとした場合）と巻線温度の組合せに対して夫々「主巻線電流とモータ負荷との関係」を求める。
(a) 電源電圧：90Ｖ，95Ｖ，100Ｖ，105Ｖ，110Ｖ
(b) 電源周波数：50Ｈｚ，60Ｈｚ
(b) 巻線温度：25℃，40℃，60℃，80℃，100℃，120℃，140℃
上述の場合、電源電圧が５種類、電源周波数が２種類、巻線温度が７種類なので、合計７０組のパラメータに対して夫々「主巻線電流とモータ負荷との関係」を示すデータを求める。図３は、このような７０種類の「主巻線電流とモータ負荷との関係」を示すデータ（ＤＡＴＡ１〜ＤＡＴＡ７０）を模式的に表したものである。

尚、上述の電源電圧及び巻線温度の具体的数値は例示であり、例えば、巻線温度を10℃から140℃或いはそれ以上の値まで５℃毎にデータをとるようにしてもよく、更に、上述のパラメータのほかに電源周波数変動を加えても良い。更に、電源周波数を５０Ｈｚに関連して４７．５Ｈｚ及び５２．５Ｈｚなどの周波数変動を考慮してパラメータを増やしても良い（電源周波数６０Ｈｚに対しても同様）。

上述の「主巻線電流とモータ負荷との関係」を示すデータは、コンピュータシュミレーションによって求めてよく、或いは、実際のモータを用いてパラメータを変えながら主巻線電流とモータ負荷の関係を実測しても良い。このようにして得られたデータはデジタル化されて個々の筒状駆動装置の制御装置などに設けた記憶手段に記憶する。

図４は、本願出願人が販売する筒状駆動装置（チューブラオペレータ（型式：ＬＴ５０８Ａ３ＢＲＬ））について求めた７０種類の「主巻線電流とモータ負荷との関係」を示すデータから２種類のデータを示したものである。図４（Ａ）は、電源電圧が１００Ｖ、電源周波数が５０．０Ｈｚ、コンデンサ容量が１３．００μＦ、巻線温度が２５℃のときの「主巻線電流とモータ負荷トルクとの関係」を示し、一方、図４（Ｂ）は、電源電圧が１００Ｖ、電源周波数が５０．０Ｈｚ、コンデンサ容量が１３．００μＦ、巻線温度が１００℃のときの「主巻線電流とモータ負荷トルクとの関係」を示している。

図５は、複数の電源電圧、複数のコンデンサ容量、複数の巻線温度の組合せの内、１０種類の組合せに対する「主巻線電流とモータ負荷トルクの関係」（Ｇ１〜Ｇ６）を示している。即ち、
Ｇ１は、
電源電圧：１１０Ｖ
電源周波数：５０．０Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：２５℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示し、
Ｇ２は、
電源電圧：１００Ｖ
電源周波数：５０．０Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：２５℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示し、
Ｇ３は、
電源電圧：１００Ｖ
電源周波数：５０．０Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：６０℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示し、
Ｇ４は、
電源電圧：９０Ｖ
電源周波数：５０．０Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：２５℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示し、
Ｇ５は、
電源電圧：１００Ｖ
電源周波数：５０．０Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：１００℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示し、
Ｇ６は、
電源電圧：１００Ｖ
電源周波数：５０．０Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：１４０℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示す。

更に、図４のグラフＧＦ１及びＧＦ２は、電源周波数が５０．０Ｈｚからずれた場合の測定データである。ＧＦ１は、
電源電圧：１００Ｖ
電源周波数：４７．５Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：２５℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示し、
一方、ＧＦ２は、
電源電圧：１００Ｖ
電源周波数：５２．５Ｈｚ
コンデンサ容量：１３．００μＦ
巻線温度：２５℃
のときの主巻線電流とモータ負荷トルクの関係を示す。

図５に示すデータでは、主巻線電流はモータ負荷トルクが０Ｎｍ（無負荷）から８Ｎｍのレンジで減少している。これは、実測した上述の筒状駆動装置（型式：ＬＴ５０８Ａ３ＢＲＬ）のトルク特性によるものである。

次に、上述の「主巻線電流とモータ負荷トルクの関係」を示すデータをデジタル化してコンデンサモータの外部に設けた装置に記憶し、コンデンサモータ回転時の過負荷検出の方法について述べる。

図２のステップＡ２に示すように、モータ始動前（ローラシャッタ巻戻の前）に、コンデンサ容量及び巻線抵抗を測定する。このためには、制御装置３０（図１）は、リレー３６ａ及び３６ｃを駆動して夫々リレースイッチ３８ａ及び３８ｃを閉じることによってモータを僅かだけ回転させてリミットスイッチＬＳ２をオンとする（ＬＳ１はオンの状態にある）。更に、制御装置３０は、リレー３６ａ，３６ｂ，３６ｃを動作させてリレースイッチ３８ａ，３８ｂ，３８ｃをオフにし、次に、リレー３２を動作させてリレースイッチ３４a及び３４ｂをオンにする。

したがって、直流電源４０からコンデンサモータ１０の巻線１２，１４及びコンデンサ１６に直流電流が流入し、コンデンサ１６は所定時間経過後に充電されて直流電源４０からの電流は巻線１２及び１４にのみ流れる。コンデンサ容量は例えば上記の充電時間から測定し、巻線１２及び１４を流れる電流を直流電流計４２で測定する。演算回路３０aは、測定した直流電流値と直流電源電圧（既知）とから巻線抵抗値を求め、予め求めておいた巻線抵抗値と巻線温度との関係からモータの巻線温度を求める。このように求めたコンデンサ容量と巻線温度はデジタル値に変換されて制御装置３０に設けた記憶手段に記憶される。

ローラシャッタを巻き戻すには、制御装置３０によって電源スイッチ３８a及び３８ｃを閉じる（３８ｂは開）。

ローラシャッタ巻戻のためにモータを始動させた後、図２のステップＡ３に示すように、所定の時間間隔をおいて（例えば0.5ｍｓ毎に）、電源電圧、電源周波数、モータ始動時からの経過時間、モータ全電流Ｉ_１、コンデンサ電圧Ｖｃを測定する。電源電圧及び電源周波数は単相電源ラインに接続した電圧計／周波数計４６で測定し、測定結果は制御装置３０に送られる。モータ始動時からの経過時間は、制御装置３０がリレー接点３８a及び３８ｃを閉じた時点からの経過時間を測定する。モータ全電流Ｉ_１は電流計４８で測定されて測定結果は制御装置３０に送られ、コンデンサ電圧Ｖcは電圧計５０で測定されてその測定結果は制御装置３０に送られる。

制御装置３０は、測定したモータ始動時からの経過時間に基づいて予め求めておいた経過時間と巻線温度との関係を示すデータを参照して巻線温度を推定し、更に、ステップＡ２で測定したコンデンサ容量とステップＡ３で測定したコンデンサ電圧Ｖｃとから補助巻線電流Ｉ_２を算出し、更に、ステップＡ３で測定した全電流Ｉ_１から補助巻線電流Ｉ_２を減算して主巻線電流Ｉ_３を算出する。

次に、図２のステップＡ４において、所定の時間間隔をおいて求めた電源電圧、電源周波数、巻線温度に基づいて、ステップＡ１で求めた複数の「主巻線電流とモータ負荷との関係」から最も適切と思われる（最も相関性の強い）１の関係を選択し、算出した主巻線電流からモータ負荷が所定値（例えば７Ｎｍ）以上かどうかをチェックする。若し、モータ負荷が所定値以上であれば、制御装置３０はリレースイッチ３８a及び３８ｃを開いてコンデンサモータ１０への給電を止め、ローラシャッタの巻き戻しを中断する。

上述の場合、図２のステップＡ２でコンデンサの容量を測定しているが必ずしもコンデンサ容量を測定する必要はない。この場合、コンデンサの定格容量を予め制御装置３０内に記憶しておいてその容量値を主巻線電流算出に使用しても良い。

尚、ローラシャッタの巻き上げる際には、制御装置３０によって電源スイッチ３８ｂ及び３８ｃを閉じる。リミットスイッチＬＳ２は閉じているので（ＬＳ１は開）、モータはローラシャッタの巻き戻し方向と逆方向に回転してローラシャッタを巻き上げる。ローラシャッタ巻上の際にローラシャッタが障害物により巻上げが阻害されることは少ないが、ローラシャッタ巻上げにも上述の本発明を利用できることは明らかである。

上記の説明において、「主巻線電流とモータ負荷との関係」を示すデータを求めるパラメータとして５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの２種類の電源周波数を挙げた。これは、用意したデータを用いて日本国内の５０Ｈｚ地域及び６０Ｈｚ地域の双方でモータ過負荷検知を行なえるようにしたためである。したがって、若し、コンデンサモータを設けた或る筒状駆動装置が例えば５０Ｈｚ地域のみで使用されるのであれば、「主巻線電流とモータ負荷との関係」を示すデータを求めるパラメータとして６０Ｈｚの電源周波数を省略することもできる。

本発明の実施例を説明するための回路図。本発明を実施するためのモータ負荷検知方法の手順を説明する図。本発明の実施例で説明する「主巻線電流とモータ負荷トルクの関係」を示すデータが複数個用意される様子を示す図。本発明の実施例で使用される「主巻線電流とモータ負荷トルクの関係」を示す複数のデータから２種類の具体例を示した図。本発明で使用される「主巻線電流とモータ負荷トルクの関係」を示す複数のデータから１０種類の具体例を示した図。本発明が応用されるローラシャッタ及び筒状駆動装置の概略を示す図。本発明が応用される公知の単相コンデンサモータの回路図。

符号の説明

２：ローラシャッタ
４：筒状駆動装置
６：回転可能なパイプ
８：スラット
１０：コンデンサモータ
１２，１４：モータ巻線
１６：コンデンサ
１８，２０，２２：モータ端子
３０：制御装置
３０ａ：演算回路
３２，３６a，３６ｂ，３６ｃ：リレー
３４a，３４ｂ，３８a，３８ｂ，３８ｃ：リレー接点
４２，４８：電流計
４６：電圧計

Claims

単相電源で駆動されるコンデンサモータの過負荷検知方法であって、モータ始動前に巻線温度を求め、モータ始動後に、時間間隔を置いて複数回、電源電圧及び電源周波数を測定すると共にモータ始動前に求めた巻線温度に基づいてモータ始動後の巻線温度を求め、モータ全電流とコンデンサ電圧を測定してこれらの測定値とコンデンサ容量とから主巻線電流を算出し、更に、電源電圧と電源周波数とモータ始動後の巻線温度とからなるパラメータで特定される予め求めておいた主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係からコンデンサモータの過負荷を検知することを特徴とするコンデンサモータの過負荷検知方法。
モータ始動前に前記巻線温度に加えてコンデンサ容量を測定し、測定したコンデンサ容量を前記主巻線電流の算出に用いることを特徴とする請求項１項記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
コンデンサの定格容量を前記主巻線電流の算出に用いることを特徴とする請求項１項記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
コンデンサ電圧とコンデンサ容量とから補助巻線電流を求め、この補助巻線電流とモータ全電流とから前記主巻線電流を算出することを特徴とする請求項１項乃至３項の何れかに記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
前記コンデンサモータの過負荷検知方法を実施する前に、前記パラメータの夫々に関して複数の値を定め、この複数の値の組合せの夫々に対して主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係を予め求めておくことを特徴とする請求項１項乃至４項の何れかに記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
モータ始動後の巻線温度は、モータ始動からの経過時間とモータ始動前の巻線温度とから算出することを特徴とする請求項１項乃至５項の何れかに記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
予め求めた主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係は、コンデンサモータを制御する制御装置に設けた記憶手段に記憶しておくことを特徴とする請求項１項乃至６項の何れかに記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
前記コンデンサモータは、ローラシャッタなどを巻上げ或いは巻き戻すために使用される筒状駆動装置に使用されることを特徴とする請求項１項乃至７項の何れかに記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。
予め求めた主巻線電流とコンデンサモータ負荷との関係は、前記筒状駆動装置に設けた記憶手段に記憶しておくことを特徴とする請求項８記載のコンデンサモータの過負荷検知方法。