(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを節約するために、一定の周波数で動作するＡＣ誘導モータをコントロールするためのシステムであって：
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープし、前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定する手段；
コントロールラインを確立する手段であって、前記コントロールラインは、前記測定から、点弧角／負荷サイクルとターゲット位相角を関連づけるものである、前記確立する手段；
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納する手段；
前記コントロールラインに従って前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行する手段；及び
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを前記コントロールラインに対して移動させる手段；
を含み、
前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行する前記手段は、サイクル毎に、前記ＡＣ誘導モータの正及び負の電流波形の半波形のゼロ‐クロスを検知するための手段をさらに含む、システム。
【請求項２】
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを移動させる手段は、前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを、フルに負荷がかかった状態に対応するように移動させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを移動させる手段は、前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを、無負荷の状態に対応するように移動させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＡＣ誘導モータの電流測定をするための手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
デジタル信号プロセッサによりＡＣ誘導モータの電流測定を行なう、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＡＣ誘導モータの位相角測定するための手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＡＣ誘導モータの位相角測定は、デジタル信号プロセッサにより行なわれる請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記測定された動作パラメータの少なくとも１つは位相角であり、前記ＡＣ誘導モータの点弧角／負荷サイクルをコントロールするための手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ＡＣ誘導モータの点弧角／負荷サイクルをコントロールするための前記手段は、デジタル信号プロセッサにより行なわれる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープして、動作パラメータを測定する前記手段は、前記ＡＣ誘導モータの平均自乗根モータ電圧を変化することにより行なわれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＡＣ誘導モータの平均自乗根モータ電圧を変えるための前記手段は、デジタル信号プロセッサである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記測定から前記コントロールラインを確立するための前記手段は、デジタル信号プロセッサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納するための前記手段が、不揮発性メモリである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行する前記手段は、デジタル信号プロセッサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行する前記手段は、パルス幅変調である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＴＲＩＡＣドライバを使って実行される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＳＣＲドライバを使って実行される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＩＧＢＴドライバを使って実行される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴドライバを使って実行される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ＡＣ誘導モータの動作モータ電圧を最大電圧でクランプするための手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
ストールポイントについて前記ＡＣ誘導モータをスイープするように構成された場合に、前記ＡＣ誘導モータが最小電圧を下回る電圧で作動することを抑制する手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
正及び負の電流波形の半波形のゼロ‐クロスを検知するための前記手段が、少なくとも１のウィンドウコンパレータである、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
正の電圧が、正の半サイクルの間、基準用として前記少なくとも１つのウィンドウコンパレータへ提供され；
負の電圧が、負の半サイクルの間、基準用として前記少なくとも１つのウィンドウコンパレータへ提供され；
信号は、前記少なくとも１つのウィンドウコンパレータからＯＲゲートを通り、合成ゼロ‐クロス電流デジタル信号を形成するように構成されている、
請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
エネルギーを節約するために、一定の周波数で動作するＡＣ誘導モータをコントロールするためのシステムであって：
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープし、前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定する手段；
コントロールラインを確立する手段であって、前記コントロールラインは、前記測定から、点弧角／負荷サイクルとターゲット位相角とを関連づけるものである、前記確立する手段；
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納する手段；
前記コントロールラインに従って前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行する手段；
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを前記コントロールラインに対して移動させる手段；
前記ＡＣ誘導モータのストールを防ぐ手段；
を含み、ストールを防ぐ前記手段は、ＤＳＰを備えており、
前記ＤＳＰは、
モータ電流の増加のために、前記ＡＣ誘導モータを継続的にスイープする間、積極的に前記ＡＣ誘導モータをコントロールし；
前記モータ電流の増加が検知された場合、モータ電圧をフルに変え；
前記モータ電流が減少したあと、前記コントロールラインに従うため前記モータ電圧を低減するように構成されている、システム。
【請求項２５】
エネルギーを節約するために、一定の周波数で動作するＡＣ誘導モータをコントロールするための方法であって：
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープして、前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定するステップ；
コントロールラインを確立するステップであって、前記コントロールラインは、測定された動作パラメータから、点弧角／負荷サイクルと前記ＡＣ誘導モータのためのターゲット位相角とを関連づけるものである、前記確立するステップ；
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納するステップ；
前記コントロールラインを確立するステップの後、前記コントロールラインに従って前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行するステップ；
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを前記コントロールラインに対して移動させるステップ；
サイクル毎に、前記ＡＣ誘導モータの正及び負の電流波形の半波形のゼロ‐クロスポイントを検知するステップ；
を含む方法。
【請求項２６】
エネルギーを節約するために、一定の周波数で動作するＡＣ誘導モータをコントロールするための方法であって：
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープして、前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定するステップ；
コントロールラインを確立するステップであって、前記コントロールラインは、測定された動作パラメータから、点弧角／負荷サイクルと前記ＡＣ誘導モータのためのターゲット位相角とを関連づけるものである、前記確立するステップ；
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納するステップ；
前記コントロールラインを確立するステップの後、前記コントロールラインに従って前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行するステップ；
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを前記コントロールラインに対して移動させるステップ；
スイープするステップは：
前記ＡＣ誘導モータをフルに負荷のかかる状態にするステップ；
前記ＡＣ誘導モータのフルの負荷ポイントを決定するステップ；
前記ＡＣ誘導モータを全く無負荷の状態にするステップ；及び
前記ＡＣ誘導モータの全く無負荷のポイントを決定するステップ；
を含み、
前記ＡＣ誘導モータの前記コントロールラインを確立するため、負荷のかかったポイントと全く負荷のかからないポイントとを接続するステップをさらに含む方法。
【請求項２７】
格納するステップの後に、
80度から120度へとＡＣ誘導モータの点弧角／負荷サイクルを増加させるステップ；及び
前記コントロールラインに沿ってモータ電流及び監視された位相角を記録するステップをさらに含み、測定された前記動作パラメータは位相角を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
エネルギーを節約するために、一定の周波数で動作するＡＣ誘導モータをコントロールするための方法であって：
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープして、前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定するステップ；
コントロールラインを確立するステップであって、前記コントロールラインは、測定された動作パラメータから、点弧角／負荷サイクルと前記ＡＣ誘導モータのためのターゲット位相角とを関連づけるものである、前記確立するステップ；
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納するステップ；
前記コントロールラインを確立するステップの後、前記コントロールラインに従って前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行するステップ；
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを前記コントロールラインに対して移動させるステップ；
前記コントロールラインに沿ってモータ電流及び監視された位相角を自動的に記録するステップを含む方法。
【請求項２９】
パルス幅変調を使用して、前記コントロールラインに沿って電圧をコントロールするステップをさらに含み、電圧は測定された動作パラメータを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＴＲＩＡＣドライバを使用して実行される請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＳＣＲドライバを使用して実行される請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＩＧＢＴドライバを使用して実行される請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記パルス幅変調は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴドライバを使用して実行される請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記ＡＣ誘導モータの電圧をクランプし、前記ＡＣ誘導モータが前記最小電圧を下回る電圧において作動しないようにするステップをさらに含んでいる、請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
正の電圧は、正の半サイクルの間、基準用として少なくとも１つのウィンドウコンパレータへ提供し；
負の電圧は、負の半サイクルの間、基準用として前記少なくとも１つのウィンドウコンパレータへ提供され；
信号は、前記少なくとも１つのウィンドウコンパレータからＯＲゲートを通り、合成ゼロ‐クロス電流デジタル信号を形成するように構成されている、
請求項２５に記載の方法。
【請求項３６】
クローズドループコントロールを実行するステップの後に、前記ＡＣ誘導モータがストールすることを防ぐステップをさらに含んでいる、請求項２５に記載の方法。
【請求項３７】
エネルギーを節約するために、一定の周波数で動作するＡＣ誘導モータをコントロールするための方法であって：
前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープして、前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定するステップ；
コントロールラインを確立するステップであって、前記コントロールラインは、測定された動作パラメータから、点弧角／負荷サイクルと前記ＡＣ誘導モータのためのターゲット位相角とを関連づけるものである、前記確立するステップ；
前記モータコントローラに前記コントロールラインを格納するステップ；
前記コントロールラインを確立するステップの後、前記コントロールラインに従って前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行するステップ；
前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータの少なくとも１つを前記コントロールラインに対して移動させるステップ；
前記ＡＣ誘導モータがストールすることを防ぐステップを含み、
ストールを防ぐステップは、
モータ電流の増加のため前記ＡＣ誘導モータを継続的に監視する間、前記ＡＣ誘導モータを積極的にコントロールするステップ；
前記モータ電流の増加が検知された場合、モータ電圧をフルにするステップ；
電流が減少した後、前記コントロールラインに従うため前記モータ電圧を低減するステップを含む、方法。
【請求項３８】
ＡＣ誘導モータのエネルギー消費を低減するためのシステムであって、
前記ＡＣ誘導モータの動作パラメータを測定するように構成されたモータコントローラを具えており、
前記モータコントローラは、コントロールラインを格納する不揮発性メモリであって、前記コントロールラインは、点弧角／負荷サイクルとターゲット位相角を関連づけるものである、前記不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリ及び前記ＡＣ誘導モータと信号通信する少なくとも一つのプロセッサであって、前記少なくとも一つのプロセッサは命令を格納し、該命令は、実行されたときに前記少なくとも一つのプロセッサに
前記第１負荷配置下の第１のストール状態及び第２負荷配置下の第２ストール状態を示す前記ＡＣ誘導モータの測定された動作パラメータと、
前記コントロールライン上の目標位相角と前記ＡＣ誘導モータの監視された位相角との間の測定された差とに基づいて、前記ＡＣ誘導モータのクローズドループコントロールを実行させる、前記少なくとも一つのプロセッサとを含む、システム。
【請求項３９】
ＡＣ誘導モータを動作させる方法であって、
モータコントローラで生成された信号を用いて前記ＡＣ誘導モータのエネルギー消費を低減するステップを含んでおり、
前記信号は、コントロールラインに向けて前記ＡＣ誘導モータを駆動するように構成されており、
前記コントロールラインは、点弧角／負荷サイクルとターゲット位相角とを関連づけるものであり、
前記コントロールラインは、前記ＡＣ誘導モータが第１負荷配置下でストールを開始する時の動作パラメータの測定値の第１の組と、前記ＡＣ誘導モータが第２負荷配置下でストールを開始する時の動作パラメータの測定値の第２の組とを用いて定められており、
前記第１負荷配置と前記第２負荷配置とは異なっており、
前記測定値の第１の組と前記測定値の第２の組とは、前記ＡＣ誘導モータのコントロールスペースをスイープすることで得られる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の引用＞
本願は、米国仮特許出願第60／933,706号(2007年９月14日出願)及び米国仮特許出願第61／135,402号(2008年７月21日出願)の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
＜発明の分野＞
本発明は、あらゆる負荷でのＡＣ誘導モータにおいて、エネルギー節約を最大にするためのシステム及び方法に関するものであり、より具体的には、デジタル信号プロセッサを使用して、モータの最も効率的な操作特性を決定するためにコントロールラインを較正(calibrate)するものである。
【０００３】
モータのコントロールラインを使用するエネルギー節約モータコントローラに関する従来のシステム及び方法においては、一定の位相角及び／又は定力率コントロールが、コントロールラインを決定するために使用された。これは、コントロールラインが水平であり、あらゆる負荷に対し、エネルギー節約を最大にするために較正された特定の操作ポイントへとモータをコントロールすることは出来ないことを意味した。
【０００４】
従って、あらゆる負荷において、較正された特定操作ポイントへとモータをコントロールするＡＣ誘導モータのための方法及びシステムが必要とされている。全ての負荷にわたって得られた操作ポイントは、コントロールライン或いはコントロール曲線を決定する。さらに、モータがスリップし始め、モータがまさにストールしようとしているとき、それを認識することが出来、その認識情報を使って較正されたコントロールラインを決定して、あらゆる負荷でエネルギー節約を最大にすることが出来る、ＡＣ誘導モータのための方法及びシステムが必要とされている。
【０００５】
関連する先行技術は以下の参考文献を含んでいる。
【表１】
0005566887.tif 000002
【発明の開示】
【０００６】
＜発明の概要＞
本発明の第一の目的は、あらゆる負荷時にＡＣ誘導モータにおいてエネルギー節約を最大にするシステム及び方法を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、モータがスリップし始め、モータがまさにストールしようとする時を認識するシステム及び方法を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、あらゆる負荷時に較正された特定操作ポイントへモータをコントロールする、システム及び方法を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、ＡＣ誘導モータの操作特性を監視する能力のあるモータコントローラを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、ＡＣ誘導モータが作動中であり、クローズドループ制御下にある場合に、ＲＭＳモータ電圧を修正する能力のあるモータコントローラを提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、リアルタイムでＡＣ誘導モータの負荷変化に応じる能力のあるモータコントローラを提供することである。
【００１２】
本発明は、あらゆる負荷時におけるモータにおいて、エネルギー節約を最大にするモータコントローラシステム及び方法を提供することにより上記及び他の目的を遂行し、モータは一つ或いはそれより多い負荷ポイントで較正され、コントロールライン又は曲線を確立し、そしてそれはモータコントローラの不揮発性メモリにプログラムする。モータコントローラのクローズドループ構造の一部であるデジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)は、電流、位相角及びモータ電圧のようなモータパラメータを監視する能力を持つ。モータコントローラを基にしたこのＤＳＰは、半自動較正手順の一環として、オープンループモードにおいて、点弧角(firing angle)／負荷サイクルをコントロールする別の能力がある。通常の動作で、モータコントローラを基にしたＤＳＰは、最大のエネルギー節約が実現されるように、計算された目標コントロールポイントでモータが作動し続けるよう、クローズドループコントロールを実行する。ここで述べられた方法は、単相及び三相モータで同様によく作動する。
【００１３】
この方法の望ましい実施には、ＤＳＰを使用して、アナログ‐デジタルコンバータにより離散的にモータ内の電流と電圧をサンプリングする。これらの信号から、ＤＳＰは、ＲＭＳモータ電圧、ＲＭＳ電流及び位相角を含む、キーとなるモータパラメータを計算することが出来る。さらに、モータコントローラを基にしたＤＳＰは、ＲＭＳモータ電圧を正確にコントロールするために、タイマー及びパルス幅変調(ＰＷＭ)技術を使用することが出来る。通常は、ＰＷＭは、ＴＲＩＡＣS，ＳＣＲS、ＩＧＢＴS及びＭＯＳＦＥＴＳのような電力コントロール装置の使用により遂行される。
【００１４】
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、本発明の実施例を示し、図解した図面を参考にして以下の詳細な説明を読むことで、当業者には、より明瞭になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
以下の詳細な説明においては、添付の図面を参照されたい。
【図１】図１は、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)のブロック図であって、本発明のハードウェア入出力と共に、ハードウェアの入出力を示す。
【図２】図２は、本発明のＤＳＰを基にしたモータコントローラのブロック図である。
【図３】図３は、本発明の位相回転検知方法を示すダイアグラムである。
【図４】図４は、本発明の位相回転検知方法を示すフローチャートである。
【図５】図５は、正の位相回転のための電力コントロール装置出力を示すグラフである。
【図６】図６は、負の位相回転のための電力コントロール装置出力を示すグラフである。
【図７】図７は、ウィンドウコンパレータのブロック図である。
【図８】図８は、ウィンドウコンパレータの図表である。
【図９】図９は、電流波形及びゼロ‐クロス信号のグラフである。
【図１０】図１０は、仮想中立(neutral)回路の図表である。
【図１１】図１１は、単相アプリケーションのための電力コントロール装置出力を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の三次元コントロールラインを示す三次元グラフである。
【図１３】図１３は、一平面に投影されたコントロールラインを示す三次元グラフである。
【図１４】図１４は、二次元にプロットされたコントロールラインを示すグラフである。
【図１５】図１５は、半自動較正で走査型点弧角／負荷サイクルのスイープを示すグラフである。
【図１６】図１６は、点弧角／負荷サイクルの有向の走査を示すグラフである。
【図１７】図１７は、プロットされた半自動較正データを示すグラフである。
【図１８】図１８は、プロットされた半自動較正データを示すグラフである。
【図１９】図１９は、プロットされた半自動較正データを示すグラフである。
【図２０】図２０は、半自動高レベル較正データのフローチャートである。
【図２１】図２１は、半自動高レベル較正データのフローチャートである。
【図２２】図２２は、手動較正のフローチャートである。
【図２３】図２３は、一定の電圧クランプのフローチャートである。
【図２４】図２４は、ＲＭＳモータ電圧クランプを示すグラフである。
【図２５】図２５は、ＲＭＳモータ電圧クランプを示すフローチャートである。
【図２６】図２６は、ストール緩和法のフローチャートである。
【図２７】図２７は、ストール緩和法を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜望ましい実施態様の説明＞
望ましい実施態様を説明する目的で、図面において番号で参照された用語は以下の通りである。
(１)  デジタルシステムプロセッサ(ＤＳＰ)
(２)  ハードウェア入力
(３)  モータ
(４)  モータコントローラ
(５)  監視された位相角
(６)  コントロールライン
(７)  コントロールスペースの走査からの監視された較正データ曲線
(８)  電源分圧抵抗
(９)  電流
(10)  ターゲット位相角
(11)  位相エラー信号
(12)  比例積分導関数(ＰＩＤ)コントローラ
(13)  平均自乗根(ＲＭＳ)モータ電圧
(14)  電力コントロール装置出力
(15)  Ａ相ライン電圧ゼロ‐クロス
(16)  Ｂ相ライン電圧ゼロ‐クロス
(17)  Ｃ相ライン電圧ゼロ‐クロス
(18)  正の位相回転
(19)  負の位相回転
(20)  電力オンリセット(ＰＯＲ)
(21)  ストールポイント
(22)  ａ，ｃ，ｂ位相の開始時間
(23)  点弧角／負荷サイクル
(24)  パーセント負荷
(25)  パラメトリカルコントロールライン
(26)  操作ポイント
(27)  低出力イーピダンスのアンプ
(28)  位相エラー
(29)  コントロール電圧
(30)  ｂ点
(31)  膝
(32)  較正ボタン
(33)  電力コントロール装置
(34)  ｃ点
(35)  最小電圧値(Ｖmin)
(36)  位相ゼロ‐クロス入力
(37)  位相ライン電圧
(38)  位相モータ電圧
(39)  時間が測定される。
(40)  時間は90度より大きいか、小さいか
(41)  ＡＢＣ回転
(42)  ＡＣＢ回転
(43)  ｄ点
(44)  負荷のかかる構造内にある。
(45)  無負荷の構造内にある。
(46)  運転較正
(47)  較正されたコントロールライン端末
(48)  計算コントロールライン
(49)  コントロールラインの節減
(50)  ライン電圧
(51)  点弧角／負荷サイクルを90度にセットする。
(52)  モータパラメータを測定する。
(53)  膝(Knee)を検知する。
(54)  点弧角／負荷サイクルを２度だけ減らす。
(55)  位相角及びモータ電圧を節減する。
(56)  ４回繰り返す。
(57)  平均値を計算する。
(58)  点弧角／負荷サイクルを増加する。
(59)  次のステップを計測する。
(60)  一定の電圧クランプ
(61)  コントロールセグメントを合成する。
(62)  デジタルコンバータへのアナログ
(63)  位相計算
(64)  位相エラーを計算する。
(65)  電圧エラーを計算する。
(66)  ＲＭＳモータ電圧が一定の電圧域と比較される。
(67)  コントロールターゲットはポジティブか
(68)  電圧ループを実行させる。
(69)  コントロールラインループを実行する。
(70)  ダイナモメータ上に位置するモータ
(71)  モータはコンピュータへ接続される。
(72)  点弧角／負荷サイクルは増加され、電圧は減少される。
(73)  レコード測定ポイント
(74)  スタートモータ
(75)  点弧角／負荷サイクルが調整される。
(76)  フォームコントロールライン
(77)  シングルエンドアンプとの差
(78)  入力抵抗
(79)  アテニュエータ
(80)  フィードバック抵抗
(81)  グランド基準抵抗
(82)  保護ダイオード
(83)  加算増幅器
(84)  ＤＣブロッキングキャパシタ
(85)  加算抵抗
(86)  ニュートラル
(87)  代替ニュートラル接続のためのジャンパーブロック
(88)  ウィンドウキャパシタ
(89)  モータ電流が提供される。
(90)  プラスの電圧が提供される。
(91)  マイナスの電圧が提供される。
(92)  電圧は二つのキャパシタを経由して通過する。
(93)  電圧は操作(ＯＲ)ゲートを経由して通過する。
(94)  ゼロ‐クロスデジタル信号が生成される。
(95)  電流波形
(96)  正の電圧半サイクル
(97)  負の電圧半サイクル
(98)  ＯＲ機能
(99)  電流の中で増加するためのＤＳＰモニタ
(100)  増加が監視される。
(101)  モータ電圧がフルに変わる。
(102)  モータ電圧がコントロールラインへ低減される。
(103)  モニタ上の負荷
(104)  モータへ適用される電力
(105)  ａ点
(106)  カウントスイープ
【００１７】
図１を参照すると、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ（１）)及び本発明のハードウェア入力及び出力のブロック図が示されている。ＤＳＰ（１）は、モータの操作特性を監視することが出来、クローズドループコントロール下で、作動中のモータのために、平均自乗根（ＲＭＳ）電圧に修正出来る。ハードウェア入力(２)は、位相ゼロ‐クロス入力(36)、各相ライン電圧(37)、各相モータ電圧(38)及び電流(９)を得て、プロセッシングのためＤＳＰ（１）経由で通過する、そして、電力コントロール装置出力(14)を経由して、電力コントロール装置に向う。
【００１８】
図２を参照すると、本発明のＤＳＰに基づくモータコントローラ(４)のシステム及び方法のブロック図が示されている。第一に、モータコントローラ(４)は、ゼロ‐クロス入力(36)を得るために、各Ａ相、Ｂ相及びＣ相の電圧(37)及び電流(９)を読み込む。この時点で、電圧(13)及び電流(９)をコンバータ(62)の使用によりアナログからデジタルへと変換することが出来る。次に、各相のモータ位相角が計算されて(63)、監視された位相角が算出される(5)。次に、予めプログラムされたコントロールライン(６)から導出したターゲット位相角(10)が、監視された位相角(５)と比較される。ターゲット位相角(10)及び監視された位相角(５)の差が、位相エラー信号(11)を形成し、位相エラー信号(11)は、比例積分導関数コンポーネントを有する比例積分導関数(ＰＩＤ)コントローラ(12)といわれるデジタルフィルタによって処理される。ＰＩＤコントローラ(12)からの出力は、モータ(３)への新しいコントロール電圧(13)であり、これは、ＴＲＩＡＣs，ＳＣＲs，ＩＧＢＩＴs，ＭＯＳＦＥＴＳなどの電力コントロール装置(33)を使うことによって得ることができ、各相のライン電圧(50)によって供給されるRMSモーター電圧(13)の電力コントロール装置出力(14)を、エネルギー節減が最大となるようにする。
【００１９】
このクローズドループシステムにおいて、モータ(３)の各相の電圧(13)及び電流は、継続的に監視される。モータコントローラ(４)は、モータ上の負荷に応じて計算されたコントロールライン(６)まで、監視された位相角(５)を移動させる。この時点で、最大のエネルギー節約が実現される、なぜならコントロールライン(６)は、モータ(３)から得た既知の較正データに基づくからである。モータコントローラ(４)は、まるで技術者が手作業で電圧(13)をセットするかのように、モータ(３)をコントロール出来る。違っているのは、ＤＳＰ（１）は、動的にリアルタイムに負荷の変化に対応することが出来、サイクルベースで１サイクルに対しこれらの調整が出来ることである。
【００２０】
図３を参照すると、三相システムにおいて、モータコントローラ(４)は自動的に位相回転を決定するために使用される。ライン電圧上のゼロ‐クロス検知器は、Ａ相ライン電圧クロス(15)及びＢ相ライン電圧ゼロ‐クロス(16)との間の角度を正確に測定させる。正の位相回転(18)に対してはその角度は名目上120度であり、負の位相回転(19)に対しては、その角度は名目上60度である。
【００２１】
図４を参照すると、位相回転検知のフローチャートが示されている。パワーオンリセット(20)のあと、正の位相回転(18)及び負の位相回転(19)を決定することはモータコントローラ(４)においては簡単なことである。第一に、Ａ相ライン電圧ゼロ‐クロスから位相Ｂライン電圧ゼロ‐クロス(39)までの時間が測定される。次に、その時間が90度より大きいか90度未満かについて決定される(40)。90度より大きい場合、ＡＣＢ回転(42)である。90度未満である場合、ＡＢＣ回転(41)である。本発明のモータコントローラ(４)は、同じベーシックソフトウェア及びハードウェア構造をもつ三相或いは単相モータをコントロールすることが出来る。三相の場合、位相回転に応じて、モータコントローラ(４)は、電力コントロール装置出力(14)を駆動することが出来る。
【００２２】
正の駆動回転のための電力コントロール装置出力を示す図５を参照すると、長円形(22ａ)で示されたようにＡ相ライン電圧ゼロ‐クロス(15)が作動時間中に、モータコントローラがＡ相電力コントロール装置出力(14)及びＢ相電力コントロール装置出力(14)を一緒に駆動する。同様に、長円形(22ｂ)で示されたように、Ｂ相が作動時間中に、モータコントローラは、Ｂ相(16)及びＣ相電力コントロール装置出力(14)を駆動する電力コントロール装置を駆動する。最後に、長円形(22ｃ)で示されたように、Ｃ相電力コントロール装置出力(14)が作動時間中に、モータコントローラ(４)は、Ｃ相(17)及びＡ相電力コントロール装置出力(14)を一緒に駆動する。図５及び図６で示された例では、点弧角／負荷サイクル(23)は90度であることに注目されたい。
【００２３】
負の位相回転へのＴＲＩＡＣ駆動出力を示す図６を参照すると、モータコントローラ(４)は、長円形(22ｃ)で示されたように、Ａ相ライン電圧ゼロ‐クロス(15)が作動時間中に、Ａ相電力コントロール装置出力(14)及びＣ相コントロール装置出力(14)を一緒に駆動する。同様に、長円形(22ａ)で示されたように、Ｂ相ライン電圧ゼロ‐クロス(16)が作動時間中に、Ｂ相(16)及びＡ相電力コントロール装置出力(14)をモータコントローラ(４)は一緒に駆動する。最後に、長円形(22ｂ)で示されたように、Ｃ相ライン電圧ゼロ‐クロス(17)回転時間中に、モータコントローラはＣ相電力コントロール装置出力(14)及びＢ相電力コントロール装置出力(14)を一緒に駆動する。
【００２４】
図７を参照すると、ウィンドウコンパレータのブロック図が示されている。本発明のＤＳＰに基づくモータコントローラは、正及び負両方の電流波形の半波形のゼロ‐クロスを検知するためにウィンドウコンパレータ(88)を使用する。ＲＭＳモータ電圧がモータコントローラにより低減された場合、電流方形波のゼロ‐クロスポイントを検知することは難しい。なぜなら、電流は両半サイクルの重要な部分においてゼロであるためである。先ず、モータ電流が提供され(89)、正の半サイクルのための基準用に正の電圧が提供され、負の電圧が基準用に提供される(91)。次に、電流、正の電圧及び負の電圧は、２つのコンパレータ(92)へ提供され、そして、複合ゼロ‐クロス信号(94)を作成するために操作ＯＲゲート(93)を通過する。
【００２５】
更に図８に図示されているように、ウィンドウコンパレータ(88)の図が示されている。モータ電流が提供され(89)、正の半サイクルのための基準用として正の電圧が提供され(90)、負の電圧が基準用として提供される(91)。次に、正の電圧及び負の電圧に代表される電流は、二つのコンパレータ(92)により処理され、複合ゼロ‐クロスデジタル信号(94)を作成するため、ＯＲゲート(93)を通過する。
【００２６】
さらに、図９は、電流方形波(95)、正の電圧半サイクル(96)、負の電圧半サイクル(97)及びＯＲ機能(98)のグラフを示す。
【００２７】
図１０を参照すると、仮想中立(neutral)回路の図が示されている。仮想中立(neutral)回路は、デルタモードでのみ三相電力が使用可能な場合に基準用に使用されることが出来、基準用として使用されるための中立の存在はない。仮想中立(neutral)回路は、３つの、差入力‐単一終端アンプ(77)を含む。相間電圧は高いため、入力抵抗(78)は、適したアテニュエータ(79)を形成するためにフィードバック抵抗(80)及びグランド基準抵抗(81)と共に使用される。位相損失の危険があるため、保護ダイオード(82)が、差入力‐単一終端アンプ(77)を保護するために使用される。差入力‐単一終端アンプ(77)は、ＤＣブロッキングキャパシタ(84)及びフィードバック抵抗(80)を持つ加算抵抗(85)を通じて加算増幅器(83)へ連結する。加算増幅器(83)の出力はアンプ(27)により高められているので、中立電位にある低イーピダンス出力を提供する。追加抵抗が電源レールを分割し、加算増幅器(83)に交番性の正及び負の信号を処理することを可能にさせる。代替のニュートラル接続(87)のために、ジャンパーブロックとともに、ニュートラル(86)が使用可能であれば、代替の接続が使用できる。
【００２８】
単相アプリケーションのための電力コントロール装置出力(14)を示す図１１を参照すると、Ａ相のための出力(14)は、電圧ゼロ‐クロスポイント(15)から派生した電力コントロール装置出力(14)に基づく各半サイクル上で作動する。Ｂ相ライン電圧ゼロ‐クロス及びＣ相ライン電圧ゼロ‐クロスのための電力コントロール装置出力(14)は、ＤＳＰ（１）内で無効であり、ハードウェアは存在しないかもしれない。電力コントロール装置出力(14)は、三相の場合のような対にはならない。
【００２９】
図１２には、Ｙ軸上の監視された位相角(５)により境界付けされたモータの、モータ操作スペースのための３次元コントロールラインが図解されている。電圧の低下を示すコントロールされた点弧角及び負荷サイクル(23)はX軸上で示され、モータのパーセント負荷がＺ軸上に示されている。すべてのモータは、操作スペース内のパラメトリカルコントロールラインに沿って動作する。例えば、モータが50％の負荷で、点弧角／負荷サイクルが100度にセットされた場合、約55度の位相角(５)である。
【００３０】
図１２に示されたパラメトリカルコントロールライン(25)は、左上隅にある負荷のかかった状況 (44)から、右下隅にある無負荷の状況(45)へ変動する、パラメータで示された５つの操作ポイント(26)により定義される。さらに、パラメトリカルコントロールライン(25)は、特別な意味を持つ、なぜなら、モータが出来るだけ最小のエネルギーを使用するラインだからである。もし、点弧角／負荷サイクル(23)が増加され、そしてモータ電圧(13)が減少したら、モータは、スローダウンし、ストールするだろう。モータ(３)上の負荷が増えれば、似た結果がみられる。
【００３１】
図１３で説明されたように、パラメトリックコントロールライン(25)は、パラメタライズされ、位相角(5)に関する垂直方向の平面及び、点弧角/負荷サイクル(23)に関する水平方向の平面に投影される。
【００３２】
さらに、図１４で示されたように、パラメトリカルコントロールライン(25)は二次元グラフ上で表示することが出来る。Ｘ軸上で、点弧角／負荷サイクル(23)の増加はモータ電圧の低下と同一視されることがある。これは、小さな点弧角／負荷サイクルは、高電圧になり、大きな点弧角／負荷サイクルは、低電圧になるためである。モータコントローラは、モータの現在の負荷に対応するコントロールライン(25)上の点へ、監視位相角(5)を移動させる。
【００３３】
図２のブロック図に戻り、ＤＳＰ（１）は、ＲＭＳ電圧(13)の現在値又は同等な点弧角／負荷サイクルの現在値に基づいて次のターゲット位相角(５)を計算する。監視された位相角とターゲット位相角(10)との差は位相角エラーになり、比例積分導関数(ＰＩＤ)コントローラ(12)又は似た装置を用いて処理され、新しいコントロールターゲットを生成する。このコントロールターゲットは、位相角エラーを最小にするような方法で電圧を変える。ターゲット位相角(10)は、動的であり、点弧角／負荷サイクルの関数として変化する。
【００３４】
上述したように、モータコントローラ(４)は、現在のモータ(３)上の負荷に応じてコントロールライン(25)上のポイントへ、監視された位相角(５)を移動させる。この操作ポイント(26)は、最大のエネルギー節約を可能にする、なぜならコントロールライン(25)は、コントロールされたモータ(３)から直接計算されるためである。
【００３５】
計算に望ましいこの方法は、半自動較正と呼ばれる。半自動較正はモータのコントロールスペースをスイープするＤＳＰ（１）に基づく。図１５で示されるように、コントロールスペースをスイープするということは、ＤＳＰが点弧角／負荷サイクル(23)を増し、電流(９)及び各相の点弧角／負荷サイクル(23)を、進路に沿って不連続なポイントで記録することを意味する。そのように、この方法で、モータのストールポイント(21)の始まりを見ることが出来る。コントロールスペースを走査することによって得られた、監視較正データ曲線のよく定義された線形の部分は、コントロールライン(６)上でポイントを決めるために使用され、点弧角／負荷サイクル(23)が低い時期には一定の負の傾きを有する。そして、点弧角／負荷サイクル(23)が増加し続けるにつれ、電流(９)は平坦になりはじめ、モータ(３)がスリップをし始め、ストールしだすと、増加しはじめ、これは「膝（Knee）」と呼ばれる。
【００３６】
図１６で示されたように、その後のスイープは、モータ電圧のより狭い範囲に向けて、膝（Knee）上の部分を「ズームイン」して、続けることができる。モータコントローラ(４)は、統計的に正確であるデータを得るため複数のスイープを必要とする。スイープの回数とコントロールライン(25)の較正のために必要とされる時間の間にはトレードオフがある。周知の統計手法を使ったＤＳＰ（１）によって、較正の質を維持することができ、必要により、スイープを追加する。これは、ＤＳＰ（１）が第１回目のスイープから膝（Knee）(31)のおよその位置を得ているためであるということがいえる。
【００３７】
セットアップがコントロールされた環境でなされているために、半自動スイープの間、ストールの危険性がほとんどない。技術者又は操作者は、半自動較正の進行中、試験用モータ(３)に負荷が突然にかからないよう補助する。
【００３８】
コントロールスペースを走査するプロセスは、どんな一定の負荷時でも実行されることが可能である。例えば、モータ(３)は完全に負荷がある場合でも、モータ(３)が無負荷の状態でも実行されることが出来る。これらの二つのポイントが、コントロールライン(25)を定義する二つのポイントとなる。この二つの正確なポイントにおいて測定が実行される必要はない。ＤＳＰ（１）は、必要に応じて、これらの二つのポイントの両方を超えて、コントロールライン(25)を拡張する。
【００３９】
電流モータ電圧(23)のプロットにおいて、ストールポイント(21)を見つけるために適用することが可能な多くの数値法がある。図１７で示されたように、望ましい方法は、最初の５つのモータ電圧(25)から集計され、蓄積されたデータに最も合うストレートラインを計算するために「最小二乗」法を使用することである。
【００４０】
この方法の続きが図１８中で示されている。先のデータポイントを使用することで、電流(９)値を予測することが出来る。図式的には、ＤＳＰ（１）は、予測されるストレートラインから正の方向にそれる一つ又はそれより多いポイントをチェックしている。
【００４１】
図１９で示されるように、ＤＳＰ（１）は、曲線中の膝（Knee）の開始点を探している。予測されたコントロールラインからそれる最初のポイントは、膝（Knee）(31)の開始点であるかもしれないし、そうではないかもしれない。正のエラーを伴う最初のポイントは、単純にノイズの多いデータポイントであるかもしれない。コントロールスペース(７)をスイープして得られた監視された較正データ曲線が屈曲していることを確認する唯一の方法は、スイープを追加し、得られたデータを観察することである。
【００４２】
半自動較正をフィールド上で実行することが出来る。図２０を参照すると、どのような半自動較正かを示すフローチャートが示されている。最初は、モータ(３)は、重い負荷のかかる配置（configuration）(44)の中に置かれる。理想的には、最大の割合の負荷の50％より大きいことが理想である。次に、モータコントローラ(４)上における測定ボタン(32)は、ＤＳＰ（１）に最大負荷測定を実行するよう命令するために押される。ＤＳＰ（１）は、測定(46)を作動し、作動は、最大負荷ポイントを決定する目的でモータ(３)の操作スペースを探すため何秒かを必要とする。モータコントローラ(４)は、ＬＥＤを光らせることによりこの段階が終了したことを示す。
【００４３】
次に、モータ(３)は、無負荷の配置(45)に置かれる。この配置は、25％の負荷よりも小さいことが理想である。それからモータコントローラ(４)の測定ボタン(32)は、無負荷測定を実行することをＤＳＰ（１）に命令するため押される。ＤＳＰ（１）は、無負荷ポイントを決定するために測定(46)を作動する。モータコントローラ(４)は、ＬＥＤを光らせることによりコントロールライン(25)の両端(47)を測定することが終了したと示す。ＤＳＰ（１）は、モータ(３)を管理している時、二つのコントロールラインを使用するコントロールライン(48)を決定し、このコントロールラインを適用する。コントロールライン(25)の値は、不揮発性メモリ(49)に格納される。
【００４４】
図２１は、半自動較正のより詳細なフローチャートを示す。先ず、第一測定スイープは、一定の角度(51)にセットされたモータ電圧について実行され(46)、それが最初のスイープか、それとも以前にスイープが実行されたかによって、モータコントローラは、膝（Knee）を検知する(53)までモータを測る(52)。もし、膝（Knee）が検知(53)されたら、点弧角／負荷サイクルは、２度分だけ低減され（54）、位相角及びモータ電圧はメモリへ記録される(55)。このプロセスは、点弧角／負荷サイクル及び位相角の計算された平均値を得るために(57)、少なくとも４回のスイープを得るために繰り返される(56)。計算スイープに沿ったステップの間、もし、膝（Knee）が検知されなかったら、点弧角／負荷サイクルは少なくとも1度分だけ増加され(58)、次のステップが測定される(59)。
【００４５】
測定のための別の方法は、手動較正と呼ばれる。図２２はマニュアル較正のフローチャートを示す。最初は、モータはダイナモメータに置かれる(70)。次に、モータはマニュアルコントロールのためのコンピュータに接続し(71)、モータは、あらゆるオペレーティングポイントにおいてマニュアルでセットされるためオープンループモードで及びＡＣ誘導モータの点弧角／負荷サイクル中で作動可能にされる。モータは、完全な無負荷配置に置かれる(45)。次に、点弧角／負荷サイクルは増加し、ＲＭＳモータ電圧は、モータが停止するまで低減する(72)。点弧角／負荷サイクル及び位相角は記録され、その記録された位置は記録された測定ポイントとなる(73)。その後、モータは、作動要素と共に一杯に動き始める(74)。そして、モータは最大の負荷の配置中に置かれる(44)。次に、モータがまさにストールするようになるまで、モータコントローラによりＲＭＳモータ電圧が切られるまで、点弧角／負荷サイクルは増加され、又は低減される(75)。点弧角／負荷サイクルは、記録され、その記録された位置は別の記録された測定ポイントとなる(73)。最後に、その二つの測定ポイントを使ってコントロールラインが形成される(76)。
【００４６】
ＲＭＳライン電圧がプログラムされた一定の電圧より大きい時、ＤＳＰコントローラは、一定の電圧でＲＭＳモータ電圧をクランプし、エネルギー節約は最大負荷時でさえ可能である。例えば、もし主要電圧が、単相モータの場合に115Ｖのモータネームプレート電圧を上回っているなら、モータ電圧は115Ｖでクランプされる。モータ電圧をクランプするこの操作は、モータが単相又は三相アプリケーションにおいて最大に負荷がかかった時に、モータコントローラにエネルギー節約を可能にさせる。
【００４７】
図２３は、一定の電圧クランプのフローチャートを示す。最初に、位相エラーが計算され(64)、次に、電圧エラーを計算する(65)。それから、ＡＣ誘導モータのＲＭＳモータ電圧は決定され、一定の電圧域と比較される(66)。もし、ＲＭＳモータ電圧が一定の電圧域よりも大きいなら、コントロール対象が正であるかどうかが決定される(67)。もし、コントロール対象が正であれば、電圧コントロールループが作動される(68)。もし、ＡＣ誘導モータのＲＭＳモータ電圧が一定の電圧域よりも小さいなら、コントロールラインクローズドループが作動され(69)、全体のプロセスが繰り返される。もし、コントロール対象が正でないと決定されたなら、コントロールラインループは作動され(69)、全体のプロセスが繰り返される。
【００４８】
いくつかのケースにおいて、測定プロセス中でモータ(３)に最大の負荷をかけることは可能でないかもしれない。もしかすると、フィールド中にモータがインストールされる間、遂行可能なのは50％負荷が最大かもしれない。反対に、モータを完全に無負荷にすることは可能でないかもしれず、遂行可能なのは40％が最小負荷かもしれない。図２４は、操作範囲の中央付近にある両方の負荷ポイントの例である。コントロールライン(25)の右の無負荷の先端(45)上で、ＤＳＰ（１）は、電圧の一定電圧クランプ(60)を最小電圧(35)にセットするだろう。モータ上の負荷が増える時、ＤＳＰ(1)はコントロールラインに従って、コントロールセグメント(61)まで左へ移動する。この方法は保守的なアプローチであり、モータ(３)を較正されないスペース中で作動することから保護する。
【００４９】
図２５が更に示すとおり、左の最大負荷の先端(44)で、ＤＳＰ（１）は、大きな負のスロープがあるコントロールセグメント(61)を合成する。この方法は、保守的なアプローチであり、電圧をフルに作動させる。
【００５０】
図２６を参照すると、ＤＳＰに基づくモータコントローラは、停止（Stalling）からモータを守るため特別な技術を使用する。先ず、ＤＳＰは、モータ上の負荷が増加したことを示す電流(99)の顕著な増加を積極的に監視する。もし顕著な増加が確認されたなら(100)、ＤＳＰは、モータ電圧を一杯に変える(101)。次に、ＤＳＰは、コントロールへ戻るためモータ電圧を減らすことを試み（102）、ＤＳＰは電流の顕著な増加を積極的監視することに戻る（102）。この技術は、その時点で知られていない電力要件を探知しようと試みるＤＳＰに代わる保守的で安全な技術である。
【００５１】
図２７で別に参照されるように、これはストール緩和法のグラフであり、モータ上の負荷はＹ軸で表され、時間はＸ軸で表される。底部の線はモータ上の負荷を表し(103)、上部の線は、ＤＳＰによりモータへ適用された電力を表す(104)。ａ点(105)より前では、ＤＳＰは一定の負荷でモータを動的にコントロールしている。ａ点(105)及びｂ点(30)の間で、モータ上の負荷は突然増加し、ＤＳＰはモータ電圧をフル状態に変える。ｃ点(34)において、ＤＳＰはモータ電圧をｄ点(43)へ変える。
【００５２】
エネルギー節約を最大にするためのモータコントローラ法及びシステムの望ましい実施例を開示したが、ここに述べられた及び示された特定のフォーム或いは部品配置に限らないことが理解されるだろう。様々な変化をこの発明の範囲から離れることなく行うことが出来、発明は明細書及び図面で示され説明されたことに限って考慮されるのではないことは当業者にとって自明である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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