(57)【要約】  交流モータ速度制御は、モータの速度を制御するように、通電制御可能スイッチを使用して、交流モータ及び交流電圧源と直列電気接続に、選択的にスイッチされうる複数のキャパシタを具備する。前記モータの速度を変化するために、制御回路は、第１キャパシタを所定電圧まで充電するように、最初に検知された交流電圧ゼロ交叉に応答して、第１スイッチを通電可能にさせる。前記制御回路は、次いで、第２キャパシタを前記所定電圧に充電するように、続いて２回目に検知された交流電圧ゼロ交叉に応答して、第２スイッチを通電可能にさせる。前記制御回路は、次いで後続の第３の検知交流電圧ゼロ交叉の後の所定時間で、両方のスイッチを同時に通電可能にさせる。それによって、前記キャパシタは、前記モータに直列にスイッチされるのに先立ち、同一の電圧まで充電され、それによって、モータ速度を変化させるときの音響ノイズを低減する結果になる。
2009520451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の交流電源電圧で駆動される交流モータの速度を制御する負荷制御装置であり、
第１キャパシタと、
第２キャパシタと、
前記第１キャパシタに直列電気接続で接続された第１通電制御可能スイッチと、
前記第２キャパシタに直列電気接続で接続された第２通電制御可能スイッチと、
前記交流モータの複数の別個の速度を提供するように、前記第１及び第２通電制御可能スイッチを制御するように動作可能である制御回路と、
を具備し、
前記第１及び第２キャパシタの各々は、前記交流電源及び前記交流モータの間に直列電気接続で接続されるように適合し、
前記制御回路は、
・前記第１キャパシタが実質的に第１所定電圧まで充電可能にするように、前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチを通電可能にさせ、
・前記第２キャパシタが実質的に第２所定電圧まで充電可能であるように前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチを通電可能にさせるとともに、
・前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせることによって、
前記交流モータの速度を変化するように動作可能であることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
前記通電制御可能スイッチは、双方向半導体スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項３】
前記双方向半導体スイッチはトライアックであることを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項４】
前記トライアックは、前記交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアになるときに通電不能になることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【請求項５】
前記第１及び第２所定電圧は、ほぼ前記交流電源電圧のピークであることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【請求項６】
各双方向半導体スイッチは、反直列接続で接続された２つの電界効果トランジスタを具備することを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項７】
各双方向半導体スイッチは、整流器ブリッジ内に電界効果トランジスタを具備することを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記第１キャパシタが実質的に前記第１所定電圧に充電されたときに、前記第１スイッチを通電不能にさせるとともに、前記第２キャパシタが、実質的に前記第２所定電圧に充電されたときに、前記第２スイッチを通電不能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項９】
前記制御回路は、前記第１及び第２キャパシタを挟む電圧を監視するとともに、前記第１及び第２スイッチをいつ通電不能にさせるかを判定するために、前記第１及び第２キャパシタを挟む電圧を、それぞれ、前記第１及び第２所定電圧と比較するように動作可能であることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２キャパシタを挟む電圧を、それぞれ前記第１及び第２所定電圧と比較するように動作可能である電圧比較回路、
をさらに具備し、
前記制御回路は、前記電圧比較回路の比較に応答して、前記第１及び第２スイッチを通電不能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１１】
前記制御回路に、前記交流電源電圧のゼロ交叉を表す信号を提供するように動作可能なゼロ交叉検知回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、交流電源電圧のゼロ交叉を表す信号に応答して、前記通電制御可能スイッチを通電可能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１１に記載の負荷制御装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアであるときに、前記通電制御可能スイッチを通電不能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１４】
それぞれが前記第１及び第２キャパシタに直列電気接続された第１及び第２制限抵抗器をさらに具備し、
前記制御回路は、前記交流モータを通る電流が、実質的にゼロアンペアになるときを判定するために、前記制限抵抗器を挟む電圧を監視するように動作可能であることを特徴とする請求項１３に記載の負荷制御装置。
【請求項１５】
それぞれが前記第１及び第２キャパシタに並列電気接続で接続された第１及び第２放電抵抗器をさらに具備し、
前記第１及び第２キャパシタは、それぞれ、前記第１及び第２所定電圧に充電した後に、ゆっくり放電するように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１６】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分が、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間で３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１７】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分が、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間で、２０ボルトよりも大きくないことを特徴とする請求項１６に記載の負荷制御装置。
【請求項１８】
前記第３ゼロ交叉の後の後の所定時間に前記制御回路が前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせたときに、循環電流が前記第１及び第２キャパシタ内で生成されるとともに、前記循環電流が、ほぼ３２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１９】
前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項１８に記載の負荷制御装置。
【請求項２０】
前記所定時間は、ほぼ前記交流電源電圧がそのピーク値に到達したときに、発生することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２１】
前記第１所定電圧は、実質的に、前記第２所定電圧と同一であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２２】
前記第１キャパシタの第１容量は、前記第２キャパシタの第２容量より小さく、かつ前記制御回路は、前記第２キャパシタに充電を可能にさせる前に第１キャパシタに充電を可能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２３】
前記第１ゼロ交叉は、前記第２ゼロ交叉の前に発生するとともに、前記第２ゼロ交叉は、前記第３ゼロ交叉の前に発生することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２４】
前記制御回路は、前記交流モータの速度を実質的に低速に変化させるのに先立ち、前記交流モータの速度を、前記交流モータの最大速度よりも小さい中間速度に変化させることによって、前記交流モータの速度を、オフ速度から、実質的に低速まで変化させるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２５】
交流電源の交流電源電圧で駆動される交流モータの速度を制御するための方法であり、
前記交流電源及び前記交流モータの間に直列電気接続で第１キャパシタを接続する段階と、
前記交流電源及び前記交流モータの間に、直列電気接続で第２キャパシタを接続する段階と、
それぞれ、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに直列電気接続された、第１通電制御可能スイッチ及び第２通電制御可能スイッチを接続する段階と、
・前記第１キャパシタが、実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチを通電可能にさせる段階と、
・前記第２キャパシタが、実質的に前記所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチを通電可能にさせる段階と、
・前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせる段階と、
によって、前記交流モータの速度を変化させる段階と、
を具備することを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記通電制御可能スイッチは、双方向半導体スイッチであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記双方向半導体スイッチは、トライアックであることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記トライアックは、前記交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアになるときに通電不能になることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記所定電圧は、ほぼ前記交流電源電圧のピークであることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、２０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
循環電流は、第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせる段階の間に、前記第１及び第２キャパシタ内で生成されるとともに、前記循環電流は、ほぼ３２アンペアよりも大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記交流モータの速度を変化させる段階は、
前記第１キャパシタが実質的に前記所定電圧まで充電されたときに、前記第１スイッチを通電不能にさせる段階と、
前記第２キャパシタが、実質的に所定のレベルまで充電されたときに前記第２スイッチを通電不能にさせる段階と、
をさらに具備することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
前記交流モータの速度を変化させる段階は、
前記交流モータを通る電流が、実質的にゼロアンペアになるときに、前記通電制御可能スイッチを通電不能にさせる段階をさらに具備することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３６】
前記交流モータの速度を前記交流モータの最大速度よりも小さい中間速度に変化させることによって、前記交流モータの速度を、オフ速度から実質的に低速まで変化させる段階と、
前記交流モータの速度を前記中間速度に変化させる段階の後に、前記交流モータの速度を実質的に低速に変化させる段階と、
をさらに具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３７】
第１キャパシタと、
第２キャパシタと、
前記第１キャパシタに直列電気接続で接続される第１通電制御可能スイッチと、
前記第２キャパシタに直列電気接続で接続される第２通電制御可能スイッチと、
を具備し、前記第１及び第２キャパシタの各々は、交流電源及び交流モータの間に直列電気接続で接続されるように適合する負荷制御装置内の、前記交流モータの速度を変化させるための方法であり、
前記第１キャパシタが、実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチのみを通電可能にさせる段階と、
前記第２キャパシタが、実質的に前記所定電圧まで充電することを可能にするように前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチのみを通電可能にさせる段階と、
前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチの両方を通電可能にさせる段階と、
を具備することを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、２０ボルトよりも大きくないことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
第３ゼロ交叉の後の所定時間に、前記第１及び第２スイッチの両方を通電可能にさせる段階の間に、前記第１及び第２キャパシタ内で循環電流が生成されるとともに、前記循環電流は、ほぼ３２アンペアよりも大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１キャパシタが実質的に前記所定電圧に充電されたときに前記第１スイッチを通電不能にさせる段階と、
前記第２キャパシタが実質的に所定のレベルまで充電されたときに、前記第２スイッチを通電不能にさせる段階と、
をさらに具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記通電制御可能スイッチは、交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアになるときに、通電不能になることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
交流電源の交流電源電圧で駆動される交流モータの速度を制御するための負荷制御装置であり、
第１通電制御可能スイッチに直列電気接続された第１キャパシタと、
第２通電制御可能スイッチに直列電気接続された第２キャパシタと、
前記第１及び第２スイッチを制御するように動作可能に接続された制御回路と、
前記交流電源電圧の電圧ゼロ交叉を検知するように接続されるように適合するゼロ交叉検知回路と、
を具備し、
前記第１キャパシタ及び前記第１スイッチは、前記交流電源及び前記交流モータに直列電気接続で接続されるように適合し、
前記第２キャパシタ及び前記第２スイッチは、前記交流電源及び前記交流モータに直列電気接続で接続されるように適合し、
前記制御回路は、前記交流電源電圧に検知された電圧ゼロ交叉に応答して、前記第１及び第２スイッチを選択的に通電可能にさせるように動作可能であり、
前記電圧ゼロ交叉検知器は、検知された交流電源電圧ゼロ交叉の指示を前記制御回路に提供するように接続され、
前記制御回路は、第１交流電源電圧ゼロ交叉に応答して、前記第１スイッチを通電可能にさせるように動作可能であり、
前記制御回路は、前記第１交流電源電圧ゼロ交叉に続く第２交流電源電圧ゼロ交叉に応答して、前記第２スイッチを通電可能にさせるように動作可能であるとともに、前記制御回路は、前記第２交流電源電圧ゼロ交叉に続く第３交流電源電圧ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び前記第２スイッチの両方を、実質的に同時に通電可能にさせるように動作可能であることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項４５】
選択的に並列電気接続で接続されるように動作可能である複数のキャパシタを具備し、並列に接続された前記キャパシタは、前記交流モータに直列電気接続で接続されるように動作可能である交流モータ速度制御によって、交流モータの速度を制御するための方法であり、
前記キャパシタを、並列電気接続で接続させるのに先立ち、前記キャパシタを実質的に同一の所定電圧まで充電する段階を具備することを特徴とする方法。
【請求項４６】
並列電気接続で選択的に接続されるように動作可能である複数のキャパシタを具備し、並列に接続された前記キャパシタは、前記交流モータに直列電気接続で接続されるように動作可能である交流モータ速度制御によって、交流モータの速度を制御するための方法であり、
前記キャパシタが並列電気接続で接続されるときに、前記複数のキャパシタを挟む電圧が、実質的に同一になるように、前記キャパシタを充電する段階を具備することを特徴とする方法。
【請求項４７】
前記複数のキャパシタを挟む電圧の間の差分は、３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記複数のキャパシタを挟む電圧の間の差分は、２０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、本発明と同一の発明の名称を具備する、２００５年１１月１８日に出願された、共同して譲渡した米国仮特許出願第６０／７３８，０１７号からの優先権を主張する。
その開示内容の全体は、引用によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、交流（ＡＣ）負荷、例えば、交流ファンモータのようなモータ負荷に、可変電力を提供する負荷制御装置に関する。より詳細には、本発明は、具体的には、音響ノイズの生成を最小化する一方で、天井に設置されたクーリングファンの速度を迅速に制御するための、静粛なファン速度制御に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
ファンモータの速度を制御する公知技術の問題は、それらの方法のいくつかは、ファンモータ及びファン速度制御、即ち、ファンモータを動作する制御装置で、無視できない量の音響ノイズを生成していることである。図１Ａは、従来技術の可変ファン速度制御１０を示す。ファン速度制御１０は、交流電源１６及びファンモータ１８の間に接続されている。ファンモータ１８は、抵抗器に直列なコイルとしてモデル化されている。代表的なシーリングファンのファンモータは、大きな抵抗性の構成要素を具備し、それによって、ファンモータ１８は、ファン速度制御１０に対して主な抵抗になる。
【０００４】
代表的には、トライアックのような双方向半導体スイッチを具備する通電制御可能スイッチ１２は、前記交流電源の各半サイクルで、前記トライアックが通電開始する位相角を変化させるように、制御回路１４によって制御され、それによって可変速度制御を提供する。当業者には周知であるように、前記トライアックが通電開始する位相角（即ち、前記交流電源の各半サイクルでの前記トライアックの通電時間）を制御することによって、前記ファンモータ１８に供給される電力量、及びそれ故前記ファンモータの速度は制御されうる。
【０００５】
従来技術のファン速度制御１０の問題は、ファンモータ１８が位相角技術によって制御されるときに、機械的及び音響ノイズが、前記ファンモータ内で生成され、それは、悩ましく、かつ気を散らせうることである。図１Ｂは、交流入力電圧１９Ａ、ファンモータ１８に印加されているモータ電圧１９Ｂ、及びファンモータを通るモータ電流１９Ｃの波形を示している。前記波形から観測されるように、モータ電圧１９Ｂは、大きな不連続性、及びそれ故ファンモータ１８内でのノイズ及び振動の生成をもたらす高周波を有する。ファンモータ１８に供給されるモータ電圧１９Ｂ内の高周波は、無視できない量の、気を散らせるノイズ及び振動を発生する。
【０００６】
図２Ａは、静粛なファン速度制御２０を提供する、他の従来技術のアプローチを示す。第３アプローチでは、２つのキャパシタ２４，２５は、交流電源１６及びファンモータ１８の間で、直列電気接続で接続されている。例えば、通電制御可能スイッチ２２，２３は、トライアックのような、双方向半導体スイッチが、キャパシタ２４，２５の各々に直列に構成されている。制御回路２６は、前記ファンモータに直列電気接続されたキャパシタ２４，２５の１つ又は両方を、選択的にスイッチするために、スイッチ２１，２２，２３の導電状態を制御するように動作可能である。従って、キャパシタ２４，２５及びファンモータ１８の間に、分圧器が形成される。ファンモータ１８に直列である異なる値の電気容量は、前記ファンモータを挟む異なる電圧を生成し、それによって、異なるファン速度を誘導する。一般的には、ファンモータ１８に直列な電気容量が減少すると、前記ファンモータの速度は、また、減少する。
【０００７】
キャパシタ２４，２５を、前記回路に選択的に挿入及び除去するようにスイッチ２２，２３を制御することによって、制御回路２６は、複数の別個のファン速度を提供ことが可能である。もしスイッチ２２，２３のいずれ、又はこれらスイッチの任意の接続が通電可能であるならば、前記ファンモータは、交流電源１６及びファンモータ１８の間の直列の等価容量に依存して、前記別個の速度の１つで動作する。制御回路２６は、前記別個の速度の選択された１つに対して通電可能であるべき各トライアックを、実質的に全通電可能に駆動する。即ち、前記トライアックは、各々半サイクルのほぼ全長で通電する。ファンモータ１８は、大きな抵抗性の構成要素を具備するので、キャパシタ２４，２５の１つ又は複数が前記ファンモータに直列に接続されるときに、前記ファンモータを通るモータ電流は、交流電源１６の交流入力電圧に先行する（即ち、前記交流入力電圧と異相である）。
【０００８】
バイパススイッチ２１は、また、制御回路２６によって制御される。バイパススイッチ２１が通電可能であるとき、交流電源１６の全交流入力電圧は、ファンモータ１８に提供され、それは、次いで、実質的に全速度で動作する。従って、図２Ａ内で示された回路とともに、（全速度を含み）４つもの異なる別個の速度を取得することが可能である。より多くの別個の速度レベルを取得するように、追加のキャパシタ及びスイッチを構成しても良いが、より多くの構成要素が追加されるにつれて、回路は、不必要に、複雑、大きく、及び高価になる。この速度制御の実施例は、「ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ ＣＩＲＣＵＩＴ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ ＡＤＪＵＳＴＡＢＬＥ ＣＡＰＡＣＩＴＩＶＥ ＳＥＲＩＥＳ ＶＯＬＴＡＧＥ ＤＲＯＰＰＩＮＧ ＣＩＲＣＵＩＴ ＷＩＴＨ Ａ ＦＲＡＣＴＩＯＮＡＬ ＨＯＲＳＥＰＯＷＥＲ ＭＯＴＯＲ」という発明の名称の付された、１９９１年２月１２日に付与された、米国特許第４，９９２，７０９号内で示されている。その開示内容全体は、引用によって本願に組み込まれる。
【０００９】
図２Ｂは、図２Ａの従来技術のファン速度制御２０での、ライン電圧３１Ａ、モータ電圧３１Ｂ、及びモータ電流３１Ｃの波形を示す。観測されるように、波形はかなり連続かつ滑らかであり、図１Ａで示されたようなシステムの不連続性がなくなっている。スイッチ２１，２２，２３は、オン又はオフのいずれであり、図１Ａのファン速度制御１０の位相制御技術によって動作していないので、前記波形は、不連続性を呈示しない。従って、ファン速度制御２０が安定状態条件、即ち前記別個のファン速度の１つで動作しているときに、最小限のノイズが前記ファンモータ内で生成される。
【００１０】
しかしながら、制御回路２６がファンモータ１８の速度を変化させるとき、即ち、前記制御回路が、スイッチ２２，２３の導電状態を変化するときに、ファン速度制御２０がノイズを生成するように影響を受ける。例えば、キャパシタ２４のみがファンモータ１８に直列に接続されるように、ファン速度制御２０がスイッチ２２を通電可能、かつスイッチ２３を通電不能に動作することを検討する。キャパシタ２４は、交流電源１６によって提供される交流ライン電圧に従って、各ラインサイクルで、充電及び放電する。スイッチ２３が、長時間の間通電不可であったと仮定すると、キャパシタ２５は、実質的に低い充電量を有する、即ち、キャパシタ２５を挟んで、小さい電圧のみが発生する。ファンモータ１８の速度を変化させるために、前記制御回路は、スイッチ２３を通電可能にさせるとともに、スイッチ２２を通電可能に維持するように動作可能である。もし、キャパシタ２４を挟む電圧が、キャパシタ２５を挟む電圧と実質的に異なるときに、制御回路２６がスイッチ２３を通電可能にさせると、大きな循環電流が生成されるとともに、前記キャパシタの両方を通って流れる。この大きな電流は、キャパシタ２４，２５のプレートに収縮を発生させ、可聴な「クリック」ノイズを発生し、それによって、ファン速度制御２０のユーザを悩ませうる。そのような大きな電流の反復的な発生は、前記キャパシタ及びファン速度制御２０の他の電気部品を損傷し、それによって、前記ファン速度制御の寿命を減少する。
【００１１】
従来技術のファン速度制御のいくつかは、放電抵抗器、例えば、図２Ａ内で示されたファン速度制御２０の抵抗器２７，２８を具備する。前記放電抵抗器は、小さい抵抗を具備するとともに、キャパシタ２４，２５が迅速に放電するのを可能にする。また、ファン速度制御２０は、ピーク放電電流を制限するための制限抵抗器２９，３０を具備しても良い。ファンモータ１８の速度を変化するときに、前記キャパシタの１つ又は複数を通電可能にさせる前に、前記キャパシタが放電可能にするように、所定の時間期間の間、前記制御回路はスイッチ２２，２３を通電不能にさせる。しかしながら、キャパシタ２４，２５を放電可能にするのに、時間期間が必要とされるので、この制御方法は、ファン速度制御２０がファンモータ１８の速度を変化させうる速度を制限する。さらに、放電抵抗器２７，２８は、ファン速度制御２０の通常動作の間に、大量の電力を消散し、それ故、かなり大きな及び高価な抵抗器を必要とする。従って、ファン速度制御内で、過度なノイズを生成させることなく前記ファンモータの速度を迅速に変化させることが可能であるとともに、通常動作の間に過度な熱を生成しない、静粛なファン速度制御に対する需要がある。
【００１２】
さらに、ファンモータ１８は、前記ファンモータが、オフから非常に低速までターンオンされるときに、度々開始の問題を引き起こす。この従来技術のファン速度制御２０内の問題を克服するために、制御回路２６は、所定の時間期間の間、前記ファンモータを可能最大速度で駆動する、即ち、バイパススイッチ２１を通電可能にさせることによって、最初にファンモータ１８を「キックスタート」する。この時間期間の後に、ファンモータ１８は、受容可能量の慣性をもって回転するとともに、制御回路２６は、次いで、好ましいより低速を生成するために、適切な電気容量をファンモータ１８に直列にスイッチするように、スイッチ２４，２５を制御する。しかしながら、ファンモータ１８の速度を初期のオフ速度から全速まで変化させるとともに、次いで好ましい低速に戻すことによって、前記ファンモータを通る大きな電流パルスが生成され、前記ファンモータが、可聴「クリック」ノイズを立てることを引き起こしうる。以前に言及したように、ファンモータで生成された音響ノイズは、ユーザにとって悩ましく、かつ気を散らしうる。従って、前記ファンモータが過度なノイズを立てることを引き起こすことなく、ファンモータを低速まで開始可能であるような、静粛なファン速度制御に対する需要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、交流モータの速度を、交流電源の交流電源電圧で駆動するように制御する負荷制御装置は、第１及び第２キャパシタ、第１及び第２通電制御可能スイッチ及び制御回路を具備する。各キャパシタは、前記交流電源及び前記交流モータの間に直列電気接続で接続されるように適合する。前記第１通電制御可能スイッチは、前記第１キャパシタに直列電気接続で接続されるとともに、前記第２通電制御可能スイッチは、前記第２キャパシタに直列電気接続で接続される。前記制御回路は、前記交流モータの複数の別個速度を提供するように、前記第１及び第２通電制御可能スイッチを、通電可能及び通電不能にさせる。前記制御回路は、（１）前記第１キャパシタが実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチを通電可能にさせる段階と、（２）前記第２キャパシタが実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチを通電可能にさせる段階と、（３）前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせる段階と、によって前記交流モータの速度を変化するように動作可能である。
【００１４】
本発明は、また、第１キャパシタと、第２キャパシタと、前記第１キャパシタに直列電気接続で接続された第１通電制御可能スイッチと、前記第２キャパシタに直列電気接続で接続された第２通電制御可能スイッチと、を具備する負荷制御装置内の交流モータの速度を変化するための方法を提供し、前記第１及び第２キャパシタの各々は、交流電源及び前記交流モータの間に直列電気接続で接続されるように適合される。前記方法は、第１キャパシタが実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチを通電可能にさせる段階と、第２キャパシタが実質的に前記所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチを通電可能にさせる段階と、前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせる段階と、を具備する。
【００１５】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を引用する本発明の次の説明から明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
前述の概要、及び次の好ましい実施形態の詳細な説明は、追加の図面を伴って読むと、より良く理解される。本発明を図示する目的のために、現時点の好ましい実施形態が、図面内に示されており、そこでは同様の数字は、図面のいくつかの表示を通して、類似の部品を表すが、本発明は、開示された具体的な方法及び手段に限定されないことを理解すべきである。
【００１７】
図３は、本発明による静粛なファン速度制御１００の簡単化された構造図である。ファン速度制御１００は、交流電源１０４の電力側（ｈｏｔ  ｓｉｄｅ）に接続されるように適合する電力端子（ｈｏｔ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）１０２と、前記交流電源の中性点側に接続されるように適合された中性接続１０５と、交流ファンモータ１０８に接続されるように適合された負荷端子１０６と、を具備する。ファンモータ１０８は、ブラシレス又はブラシモータであっても良いが、代表的には、ブラシレスの同期又は誘導モータである。
【００１８】
従来技術のファン速度制御１０，２０のように、本発明のファン速度制御１００は、交流電源１０４及び前記ファンモータの間に直列電気接続された複数のキャパシタ１１２，１２２，１３２の１つ又は複数を選択的にスイッチすることによって、ファンモータ１０８の複数の別個の速度を提供する。複数の通電制御可能スイッチ１１０，１２０，１３０は、前記電力端子及び前記負荷端子の間に、それぞれ、キャパシタ１１２，１２２，１３２に直列電気接続で接続される。スイッチ１１０，１２０，１３０は、リレー又は、トライアックのような任意の適切な双方向半導体スイッチ、全波整流器ブリッジ内の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、反直列（ａｎｔｉ−ｓｅｒｉｅｓ）接続で接続された２つのＦＥＴ、又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であっても良い。キャパシタ１１２，１２２，１３２は、それぞれ、３．３μＦ、４．７μＦ、及び９μＦの容量を具備するのが好ましい。
【００１９】
キャパシタ１１２，１２２，１３２は、直列に、それぞれ複数の制限抵抗器１１４，１２４，１３４に接続され、それによってキャパシタを通る電流を制限する。制限抵抗器１１４は、１．５Ωの抵抗を具備するのが好ましい一方、制限抵抗器１２４，１３４は、両方とも０．４７Ωの抵抗を具備するのが好ましい。複数の放電抵抗器１１６，１２６，１３６は、並列に、それぞれ、キャパシタ１１２，１２２，１３２に接続される。スイッチ１１０，１２０，１３０が通電可能でないときに、キャパシタ１１２，１２２，１３２が、低速度で放電するように動作可能であるように、放電抵抗器１１６，１２６，１３６は、実質的に大きな抵抗、例えば３００ｋΩを具備する。
【００２０】
制御回路１４０は、各スイッチ１１０，１２０，１３０の導電状態を選択的に制御するように提供される。制御回路１４０は、マイクロコントローラとして実施されるのが好ましいが、プログラム可能論理装置（ＰＬＤ）マイクロプロセッサ、又は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のような任意の適切な処理装置であっても良い。制御回路１４０は、図３の従来技術のファン速度制御２０と類似な仕方で動作して、複数の７つの異なる等価容量の１つをファンモータ１０８に直列にスイッチするように、各スイッチ１１０，１２０，１３０を、選択的に通電可能又は通電不能にさせる。従って、ファン速度制御１００は、次の表で示されるように、１つ又は複数のキャパシタ内でスイッチすることによって、ファンモータ１０８の７つの別個な速度を提供するように動作可能である。
【００２１】
【表１】
2009520451.tif 000003
【００２２】
電源１４２は、電力接続１０２及び中性接続１０５の間に接続されるとともに、制御回路１４０に電力供給するように、直流出力電圧ＶＣＣを生成する。ゼロ交叉検知回路１４４は、交流電源１０４からの交流電源電圧のゼロ交叉点を判定する。ゼロ交叉は、前記交流電源電圧が、正極から負極、又は負極から正極に、各半サイクルの開始で遷移する時刻として定義される。前記ゼロ交叉情報は、制御回路１４０への入力として提供される。制御回路１４０は、前記交流電源電圧のゼロ交叉点に関連させて、スイッチ１１０，１２０，１３０の通電状態をいつ変化させるかを判定する。本発明の方法によると、ファン速度制御１００は、キャパシタ１１２，１２２，１３２のスイッチによって発生しうるノイズの生成を、受容可能なレベルまで低減するように、スイッチ１１０，１２０，１３０を制御するように動作可能である。
【００２３】
制御回路１４０は、１つ又は複数のアクチュエータを具備するユーザインターフェース１４６から、又は、有線直列制御リンク、電力線搬送（ＰＬＣ）通信リンク、赤外線（ＩＲ）通信リンク、又は無線周波数（ＲＦ）通信リンクのような通信リンク（図示せず）に接続されても良い通信回路１４８から、入力を受信しても良い。制御回路１４０は、ユーザインターフェース１４６又は通信回路１４８から受信した入力に応答して、ファンモータ１０８の速度を変化させるように動作可能である。
【００２４】
ファン速度制御１００は、電力端子１０２及び負荷端子１０６の間に接続されるバイパススイッチ１５０をさらに具備する。バイパススイッチ１５０は、また、制御回路１４０によって制御されるとともに、電源１０４によって提供される電圧の実質的に全部をファンモータ１０８に供給することによって、ファン速度制御１００が、ファンモータ１０８を、実質的に全速度動作で駆動することを可能にする。バイパススイッチ１５０は、任意の適する双方向半導体スイッチ、例えば、トライアック又は、反直列接続で接続された２つのＦＥＴ、であっても良い。
【００２５】
本発明による静粛なファン速度制御を達成するための、スイッチ１１０，１２０，１３０を制御する方法２００のフローチャートが、図４で示されている。方法２００は、任意の前記キャパシタの組み合わせを一緒に並列にスイッチする前に、各キャパシタが所定のレベルまで充電することを可能にさせることによって、キャパシタ１１２，１２２，１３２内に過度の音響ノイズを生成させずに、ファン速度制御１００がファンモータ１０８の速度を変化させることを可能にする。
【００２６】
図５は、図４内で示された方法２００に従った、ファン速度制御１００の実施例の電圧及び電流波形を例証する。図５（ａ）は、ファン速度制御１００の電力端子１０２で受信された交流入力電圧ＶＡＣの波形を示す。図５（ｂ）は、ファンモータ１０８を通るモータ電流ＩＭの波形を示す。図５（ｃ）、５（ｄ）、５（ｅ）は、それぞれ、キャパシタ１１２，１２２，１３２を挟む電圧ＶＣ１１２，ＶＣ１２２，ＶＣ１３２を示す。図５の実施例では、ファン速度制御１００は、ファンモータ１８の速度を、最低ファン速度、即ち、＜表１＞内のファン速度＃１、からファン速度＃７に変化させている。前記実施例の開始時には、スイッチ１１０のみが通電可能であるとともに、キャパシタ１１２は、ファンモータ１０８に直列である。
【００２７】
図４の方法２００は、前記ファン速度の変化が必要なときに、いつでも段階２０２で開始する。最初に、段階２０４で、制御回路１４０は、現在通電可能であるそれらのスイッチ１１０，１２０，１３０（第３実施例内のスイッチ１１０）を通電不能にさせる。前記好ましい実施形態のスイッチ１１０，１２０，１３０はトライアックなので、制御回路１４０は、単に前記スイッチを駆動停止するとともに、全ての前記スイッチは、モータ電流ＩＭの次のゼロ交叉（即ち、モータ電流ＩＭが、図５の時刻ｔ０でゼロアンペアになるとき）の後に、通電不能にされる。キャパシタ１１２を挟む電圧ＶＣ１１２は、抵抗器１１６を通してそれが放電するときにゆっくり減衰を開始する。
【００２８】
ゼロ交叉入力２０６は、ゼロ交叉検知回路１４４から制御回路１４０に提供される。段階２０８で、制御回路１４０は、交流入力電圧ＶＡＣの次のゼロ交叉を待機する。次のゼロ交叉が発生したとき（即ち図５の時刻ｔ１）に、制御回路１４０は、段階２１０でスイッチ１１０を通電可能にさせる。モータ電流ＩＭは、キャパシタ１１２が充電するとともに、キャパシタ１１２を挟む電圧ＶＣ１１２が、交流入力電圧ＶＡＣとともに増加するように、短くパルスする。電圧ＶＣ１１２が第１所定電圧に充電されたときに、制御回路１４０は、段階２１２で（図５内の時刻ｔ２で）、スイッチ１１０を通電不能にさせる。スイッチ１１０は、好ましくは、トライアックとして実施されているので、スイッチ１１０は、モータ電流ＩＭが実質的にゼロアンペア、即ち、トライアックの保持電流よりも小さい、例えば、５０ミリアンペアよりも小さいときに、単に整流をオフにする。キャパシタを通る電流は、前記キャパシタを挟む電圧を、例えば、９０度だけ先行する傾向があるので、モータ電流ＩＭが、ほぼゼロアンペアに下落するときに、電圧ＶＣ１１２は、実質的にピーク値であるのが好ましい。スイッチ１１０が通電停止した後に、キャパシタ１１２を挟む電圧ＶＣ１１２は、ゆっくり減衰を開始する。
【００２９】
図４を再度参照する。前記処理は、制御回路１４０が段階２１４で次のゼロ交叉を待機するときに継続する。次のゼロ交叉が発生するとき（即ち、図５内のｔ３で）、前記制御回路は、段階２１６で、スイッチ１２０を通電可能にさせる。（上記で説明されたような）キャパシタ１１２の充電と同様に、キャパシタ１２２は、また、好ましくは、前記第１所定電圧と実質的に同一である第２所定電圧に充電する（時刻ｔ４）。再度、前記制御回路は、段階２２０で、次のゼロ交叉を待機する。次のゼロ交叉の後（即ち時刻ｔ５で）、前記制御回路は、段階２１２でスイッチ１３０を通電可能にさせるとともに、キャパシタ１３２は、好ましくは、前記第１及び第２所定電圧と実質的に同一である第３所定電圧まで充電する（時刻ｔ６）。
【００３０】
交流入力電圧ＶＡＣの次のゼロ交叉で（即ち、時刻ｔ７で）、キャパシタ１１２，１２２，１３２上の電圧ＶＣ１１２、ＶＣ１２２、ＶＣ１３２は、前記キャパシタが以前の２，３の半サイクルの間放電しているにもかかわらず、実質的に同一であるのが好ましい。段階２２６でゼロ交叉を検知した後に、前記制御回路は、段階２２８で、所定の時間期間、例えば、好ましくは、ラインサイクルの１／４、又は、６０Ｈｚ交流電源でほぼ４ミリ秒の間、待機する。この時間期間の後に、制御回路１４０は、同時に（即ち時刻ｔ８で）、全てのスイッチ１１０，１２０，１３０をターンオンし、このようにして、交流電源１０４及びファンモータ１０８の間に、３つのキャパシタ１１２，１２２，１３２からなる並列な接続を、直列に接続する。前記スイッチが通電可能にされるときに、キャパシタ１１２，１２２，１３２の全てが、ほぼ同一電圧であるので、大きな循環電流が前記キャパシタを通って生成されることはなく、かつ前記キャパシタ内で可聴音響ノイズは、実質的に発生しない。最後に、図４の処理は、段階２３０で終了する。図４の処理全体は、交流入力電圧ＶＡＣの４ラインサイクルの長さを必要とするに過ぎないことに留意する。
【００３１】
図５内に示されるような波形は、ファンモータ１８の速度を変化させるファン速度制御１００の考えうる１つの実施例に過ぎないことに留意する。代わりに、ファン速度制御１００は、ファンモータ１８の速度を、ファン速度＃６からファン速度＃２に変化させても良い。この場合では、２つのスイッチ１２０，１３０は、前記処理の開始で通電可能になるとともに、スイッチ１２０のみが、前記処理の終了時に通電可能になる。さらに、キャパシタ１１２，１２２，１３２は、前記キャパシタを挟む電圧が同一の極性を具備するように、全て、正の半サイクル内で充電されることに留意する。その代わりに、図４の方法２００は、キャパシタ１１２，１２２，１３２が、負の半サイクル内で充電するように実施されても良い。
【００３２】
スイッチ１１０，１２０，１３０は、上記で説明された実施形態内では、前記スイッチを通るモータ電流ＩＭが、実質的にゼロアンペアであるときに全て整流をオフにするが、キャパシタ１１２，１２２，１３２は、代表的には、厳密に同一電圧に充電せず、及びそれ故、前記第１、第２、及び第３所定電圧は、厳密に同一ではない。キャパシタ１１２，１２２，１３２の各々は、異なる電気容量を具備しているので、各キャパシタが充電するときに、（スイッチインされた前記キャパシタの１つとファンモータ１８との間に）異なる分圧器が形成される。従って、各キャパシタ１１２，１２２，１３２は、若干異なる電圧に充電する。さらに、放電抵抗器１１６，１２６，１３６は、全て、同一の抵抗、即ち３００ｋΩを具備しているので、キャパシタ１１２，１２２，１３２は、異なる速度で放電する。
【００３３】
キャパシタ１１２，１２２，１３２及び放電抵抗器１１６，１２６，１３６は、前記キャパシタが最初に充電されるとともに、次いで、前記必要とされた時間期間（即ち、４つのラインサイクル）の間に放電され、前記キャパシタを挟む電圧は、前記キャパシタが並列に接続される時刻に（即ち、前記第３ゼロ交叉の後のラインサイクルの１／４で）実質的に同一にされるように選択される。前記キャパシタを挟む電圧の差分が３０ボルトよりも大きくないときに、２つ又はそれより多くのキャパシタ１１２，１２２，１３２を一緒に並列にスイッチするのが好ましく、それによって、前記循環電流の大きさをほぼ３２アンペアよりも大きくならないように制限する。このレベルより上では、ファン速度制御は、速度の間でスイッチするときに過度の可聴ノイズをより生成しやすくなるとともに、スイッチ１１０，１２０，１３０及び制限抵抗器１１４，１２４，１３４を潜在的に損傷しうる、キャパシタ１１２，１２２，１３２を通る循環電流を生成しがちになる。キャパシタ１１２，１２２，１３２を挟む電圧の差分は、２０ボルトよりも大きくなく、前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアよりも大きくない大きさを具備するのが、より好ましい。キャパシタ１１２，１２２，１３２、制限抵抗器１１４，１２４，１３４、及び前記放電抵抗器１１６，１２６，１３６の値は、上記で説明されたような値を具備するのが好ましいが、他の値を、これらの構成要素に使用しても良い。前記好ましい実施形態は、等しい値を具備する放電抵抗器を使用するが、個々の抵抗器の値は、前記キャパシタが一緒に並列にスイッチされるときに、それらをよりほぼ同一にさせる好ましい速度で、前記キャパシタ電圧を減衰させるように、個別に選択されても良い。
【００３４】
キャパシタ１１２，１２２，１３２は、増加する容量の順序で、充電されるのが好ましい。具体的に、最小容量を具備するキャパシタ１１２は、第１に充電し、キャパシタ１２２は第２に充電し、かつ最大容量を具備するキャパシタ１３２は、最後に充電する。
【００３５】
たとえ３つのキャパシタの各々が、前記第１及び第２速度で必要でないとしても、前記ファン速度を第１速度から第２速度に変化させる図４の前記処理を使用して、キャパシタ１１２，１２２，１３２の全てを充電するように、前記制御回路１４０は、全てのスイッチ１１０，１２０，１３０をターンオンする。これは、簡単化された制御アルゴリズムを可能にする。その代わりに、ファン速度を変化させるときに、制御回路１４０は、第２速度で使用されるそれらのキャパシタ１１２，１２２，１３２を充電可能であるに過ぎない。例えば、ファン速度＃１からファン速度＃４まで変化させるために、制御回路１４０は、駆動スイッチ１１０を通電可能に駆動するのを停止するとともに、スイッチ１３０を通電可能に駆動開始する。制御回路１４０は、キャパシタ１１２又はキャパシタ１２２を充電するために、スイッチ１１０又はスイッチ１２０を通電可能にさせる必要はなく、それ故より短い量の時間で、即ち、１ラインサイクル短く、前記処理を完了することが可能である。
【００３６】
前記好ましい実施形態の方法２００では、スイッチ１１０，１２０，１３０をターンオフする段階２１２，２１８，２２４は、モータ電流ＩＭが、実質的にゼロアンペアであるときに、単に、スイッチ、即ち前記トライアックが、整流をオフにするのを可能にさせることによって実行する。その代わりに、スイッチ１１０，１２０，１３０の各々は、反直列接続された２つのＦＥＴとして、又は、制御回路１４０が前記スイッチを直接に通電不能にさせるように動作可能であるような他の型の双方向半導体スイッチとして実施しても良い。従って、制御回路１４０は、上記で段階２１２，２１８，２２４に関連付けて説明されたのと異なる方法を使用して、前記スイッチ１１０，１２０，１３０を通電不能にするように動作可能であっても良い。さらに、前記制御回路１４０は、前記キャパシタ１１２，１２２，１３２を挟む電圧が、交流入力電圧ＶＡＣのピーク以外の所定電圧に到達したときに、半導体スイッチ１１０，１２０，１３０を通電不能にさせるように動作可能であっても良い。
【００３７】
第１代替的方法では、ファン速度制御３００の制御回路１４０は、スイッチ１１０，１２０，１３０を、通電不能にするとき、好ましくは、各ゼロ交叉の９０度後（即ち、図４内の時刻ｔ２、ｔ４、ｔ６）を決定するために、交流入力電圧ＶＡＣのゼロ交叉から時間を計測するように動作可能である。
【００３８】
第２代替的方法では、キャパシタ１１２，１２２，１３２を挟む電圧は、いつスイッチ１１０，１２０，１３０をターンオフするかを判定するために監視されている。図６Ａは、本発明の第２実施形態による、静粛なファン速度制御３００の簡単化された構造図である。ファン速度制御３００は、キャパシタ１１２，１２２，１３２の各々を挟む電圧を受信するように動作可能である、電圧比較回路３５０を具備する。図６Ｂは、電圧比較回路３５０の考えうる実施の簡単化された構造図である。電圧比較回路３５０は、キャパシタ１１２，１２２，１３２を挟む電圧の各々を、それぞれ、基準電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、ＶＲＥＦ３と比較するための３つの比較器回路３６０，３７０，３８０を具備する。第１比較器回路３６０は、前記負入力に接続された基準電圧ＶＲＥＦ１との比較器３６２を具備する。キャパシタ１１２，１２２，１３２を挟む電圧は、モータ電流ＩＭの正の半サイクルの間に、ダイオード３６４を通って受信される。前記電圧は、２つの抵抗器３６６，３６８を具備する分割抵抗器を使用して、適切な値に、即ち、電源１４２の直流出力電圧ＶＣＣよりも小さくスケーリングする。前記スケーリングされた電圧は、キャパシタ１１２を挟む電圧が基準電圧ＶＲＥＦ１を超過したときに、前記比較器が、制御回路１４０に提供される前記出力を、「高」に駆動するように、比較器３６２の正入力に接続される。比較器回路３７０，３８０は、上記で説明された比較器回路３６０と同一に機能する。前記制御回路１４０は、比較器回路３６０，３７０，３８０からの適切な制御信号を受信したときに、それぞれ、スイッチ１１０，１２０，１３０を通電不能にさせるように動作可能である。前記基準電圧ＶＲＥＦ１，ＶＲＥＦ２，ＶＲＥＦ３は、前記キャパシタ１１２，１２２，１３２の各々が、実質的に同一な所定電圧に充電されるように、同一電圧であるのが好ましい。しかしながら、前記基準電圧は、前記キャパシタが充電していない時間の間の前記キャパシタの電圧減衰の理由となるように、異なっていても良い。
【００３９】
最後の代替的実施形態では、制御回路１４０は、スイッチ１１０，１２０，１３０を制御するために、ファンモータ１０８を通して、モータ電流ＩＭを監視するように動作可能である。図６Ｃは、本発明の第３実施形態による静粛なファン速度制御４００の簡単化された構造図である。ファン速度制御４００は、制御回路１４０に、制限抵抗器１１６，１２６，１３６を挟む電圧のゼロ交叉、及びそれ故モータ電流ＩＭのゼロ交叉を表す信号を提供する電圧監視回路４９０を具備する。従って、制御回路１４０は、モータ電流ＩＭのゼロ交叉で、スイッチ１１０，１２０，１３０をターンオフするように動作可能である。
【００４０】
前記ファンモータ内で過度の音響ノイズを生成せずに、オフから実質的に低速（例えば表の速度１又は速度２）にファンモータ１０８を開始するために、本発明のファン速度制御１００は、まず前記ファンモータを中間速度、即ち、最大速度でもなく、又は最大可能速度付近でもない速度でターンオンするとともに、次いで好ましい低速度までスイッチされる。最初、制御回路１４０は、スイッチ１３０のみを、図４の方法を使用して通電可能にさせることによって、ファン速度を中間速度、例えば（＜表１＞で示されたように）ファン速度＃４に制御する。所定量の時間の後に、制御回路１４０は、再度図４の方法を使用して、前記ファン速度を、好ましいより低レベルに制御する。例えば、もし前記好ましいより低いレベルが、ファン速度＃１であるならば、制御回路１４０は、キャパシタ１１２をファンモータ１０８に直列に接続するように、スイッチ１１０のみを通電可能にさせる。ファン速度は、オフから最大速度まで制御されて、次いで望ましい速度まで迅速に落とすように制御されていないので、ファンモータ１０８の電流パルスは、従来技術の「キックスタート」方法よりもより小さい大きさを具備するとともに、実質的に、前記ファンモータ内では、可聴ノイズは生成されない。
【００４１】
本発明は、本明細書で特定の実施形態に関連付けて説明されてきたが、多数の他の変形例及び修正例及び他の使用は、当業者には明らかである。従って、本発明は、本明細書の具体的なの開示によって限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術のファン可変速度制御の簡単化された構造図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａのファン速度制御の電気波形を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、第２従来技術のファン速度制御の簡単化された構造図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａのファン速度制御の電気波形を示す。
【図３】図３は、本発明によるファン速度制御の簡単化された構造図である。
【図４】図４は、本発明による図３のファン速度制御を制御する方法のフローチャートである。
【図５】図５は、図４の方法に従う、図３のファン速度制御の実施例の電圧及び電流波形を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第２実施形態に従う、静粛なファン速度制御の簡単化された構造図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのファン速度制御の電圧比較回路の簡単化された構造図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の第３実施形態による静粛なファン速度制御の簡単化された構造図である。
【符号の説明】
【００４３】
１００  ファン速度制御
１０２  電力端子
１０４  交流電源
１０５  中性接続
１０６  付加端子
１０８  モータ
１１０  スイッチ
１１２  キャパシタ
１１４  制限抵抗器
１１６  放電抵抗器
１２０  スイッチ
１２２  キャパシタ
１２４  制限抵抗器
１２６  放電抵抗器
１３０  スイッチ
１３２  キャパシタ
１３４  制限抵抗器
１３６  放電得地後期
１４０  制御回路
１４２  電源
１４４  ゼロ交叉検知
１４６  ユーザインターフェース
１４８  通信回路
【図１Ａ】
2009520451.tif 000004
【図１Ｂ】
2009520451.tif 000005
【図２Ａ】
2009520451.tif 000006
【図２Ｂ】
2009520451.tif 000007
【図３】
2009520451.tif 000008
【図４】
2009520451.tif 000009
【図５】
2009520451.tif 000010
【図６Ａ】
2009520451.tif 000011
【図６Ｂ】
2009520451.tif 000012
【図６Ｃ】
2009520451.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月18日(2007.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の交流電源電圧で駆動される交流モータの速度を制御する負荷制御装置であり、
第１キャパシタと、
第２キャパシタと、
前記第１キャパシタに直列電気接続で接続された第１通電制御可能スイッチと、
前記第２キャパシタに直列電気接続で接続された第２通電制御可能スイッチと、
前記交流モータの複数の別個の速度を提供するように、前記第１及び第２通電制御可能スイッチを制御するように動作可能である制御回路と、
を具備し、
前記第１及び第２キャパシタの各々は、前記交流電源及び前記交流モータの間に直列電気接続で接続されるように適合し、
前記制御回路は、
・前記第１キャパシタが実質的に第１所定電圧まで充電可能にするように、前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチを通電可能にさせ、
・前記第２キャパシタが実質的に第２所定電圧まで充電可能であるように前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチを通電可能にさせるとともに、
・前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせることによって、
前記交流モータの速度を変化するように動作可能であることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
前記通電制御可能スイッチは、双方向半導体スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項３】
前記双方向半導体スイッチはトライアックであることを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項４】
前記トライアックは、前記交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアになるときに通電不能になることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【請求項５】
前記第１及び第２所定電圧は、ほぼ前記交流電源電圧のピークであることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【請求項６】
各双方向半導体スイッチは、反直列接続で接続された２つの電界効果トランジスタを具備することを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項７】
各双方向半導体スイッチは、整流器ブリッジ内に電界効果トランジスタを具備することを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記第１キャパシタが実質的に前記第１所定電圧に充電されたときに、前記第１スイッチを通電不能にさせるとともに、前記第２キャパシタが、実質的に前記第２所定電圧に充電されたときに、前記第２スイッチを通電不能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項９】
前記制御回路は、前記第１及び第２キャパシタを挟む電圧を監視するとともに、前記第１及び第２スイッチをいつ通電不能にさせるかを判定するために、前記第１及び第２キャパシタを挟む電圧を、それぞれ、前記第１及び第２所定電圧と比較するように動作可能であることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２キャパシタを挟む電圧を、それぞれ前記第１及び第２所定電圧と比較するように動作可能である電圧比較回路、
をさらに具備し、
前記制御回路は、前記電圧比較回路の比較に応答して、前記第１及び第２スイッチを通電不能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１１】
前記制御回路に、前記交流電源電圧のゼロ交叉を表す信号を提供するように動作可能なゼロ交叉検知回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、交流電源電圧のゼロ交叉を表す信号に応答して、前記通電制御可能スイッチを通電可能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１１に記載の負荷制御装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアであるときに、前記通電制御可能スイッチを通電不能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１４】
それぞれが前記第１及び第２キャパシタに直列電気接続された第１及び第２制限抵抗器をさらに具備し、
前記制御回路は、前記交流モータを通る電流が、実質的にゼロアンペアになるときを判定するために、前記制限抵抗器を挟む電圧を監視するように動作可能であることを特徴とする請求項１３に記載の負荷制御装置。
【請求項１５】
それぞれが前記第１及び第２キャパシタに並列電気接続で接続された第１及び第２放電抵抗器をさらに具備し、
前記第１及び第２キャパシタは、それぞれ、前記第１及び第２所定電圧に充電した後に、ゆっくり放電するように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１６】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分が、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間で３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１７】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分が、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間で、２０ボルトよりも大きくないことを特徴とする請求項１６に記載の負荷制御装置。
【請求項１８】
前記第３ゼロ交叉の後の後の所定時間に前記制御回路が前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせたときに、循環電流が前記第１及び第２キャパシタ内で生成されるとともに、前記循環電流が、ほぼ３２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項１９】
前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項１８に記載の負荷制御装置。
【請求項２０】
前記所定時間は、ほぼ前記交流電源電圧がそのピーク値に到達したときに、発生することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２１】
前記第１所定電圧は、実質的に、前記第２所定電圧と同一であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２２】
前記第１キャパシタの第１容量は、前記第２キャパシタの第２容量より小さく、かつ前記制御回路は、前記第２キャパシタに充電を可能にさせる前に第１キャパシタに充電を可能にさせるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２３】
前記第１ゼロ交叉は、前記第２ゼロ交叉の前に発生するとともに、前記第２ゼロ交叉は、前記第３ゼロ交叉の前に発生することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２４】
前記制御回路は、前記交流モータの速度を実質的に低速に変化させるのに先立ち、前記交流モータの速度を、前記交流モータの最大速度よりも小さい中間速度に変化させることによって、前記交流モータの速度を、オフ速度から、実質的に低速まで変化させるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項２５】
交流電源の交流電源電圧で駆動される交流モータの速度を制御するための方法であり、
前記交流電源及び前記交流モータの間に直列電気接続で第１キャパシタを接続する段階と、
前記交流電源及び前記交流モータの間に、直列電気接続で第２キャパシタを接続する段階と、
それぞれ、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに直列電気接続された、第１通電制御可能スイッチ及び第２通電制御可能スイッチを接続する段階と、
・前記第１キャパシタが、実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチを通電可能にさせる段階と、
・前記第２キャパシタが、実質的に前記所定電圧まで充電することを可能にするように、前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチを通電可能にさせる段階と、
・前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせる段階と、
によって、前記交流モータの速度を変化させる段階と、
を具備することを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記通電制御可能スイッチは、双方向半導体スイッチであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記双方向半導体スイッチは、トライアックであることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記トライアックは、前記交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアになるときに通電不能になることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記所定電圧は、ほぼ前記交流電源電圧のピークであることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、２０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
循環電流は、第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチを通電可能にさせる段階の間に、前記第１及び第２キャパシタ内で生成されるとともに、前記循環電流は、ほぼ３２アンペアよりも大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記交流モータの速度を変化させる段階は、
前記第１キャパシタが実質的に前記所定電圧まで充電されたときに、前記第１スイッチを通電不能にさせる段階と、
前記第２キャパシタが、実質的に所定のレベルまで充電されたときに前記第２スイッチを通電不能にさせる段階と、
をさらに具備することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
前記交流モータの速度を変化させる段階は、
前記交流モータを通る電流が、実質的にゼロアンペアになるときに、前記通電制御可能スイッチを通電不能にさせる段階をさらに具備することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３６】
前記交流モータの速度を前記交流モータの最大速度よりも小さい中間速度に変化させることによって、前記交流モータの速度を、オフ速度から実質的に低速まで変化させる段階と、
前記交流モータの速度を前記中間速度に変化させる段階の後に、前記交流モータの速度を実質的に低速に変化させる段階と、
をさらに具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３７】
第１キャパシタと、
第２キャパシタと、
前記第１キャパシタに直列電気接続で接続される第１通電制御可能スイッチと、
前記第２キャパシタに直列電気接続で接続される第２通電制御可能スイッチと、
を具備し、前記第１及び第２キャパシタの各々は、交流電源及び交流モータの間に直列電気接続で接続されるように適合する負荷制御装置内の、前記交流モータの速度を変化させるための方法であり、
前記第１キャパシタが、実質的に所定電圧まで充電することを可能にするように前記交流電源電圧の第１ゼロ交叉で前記第１スイッチのみを通電可能にさせる段階と、
前記第２キャパシタが、実質的に前記所定電圧まで充電することを可能にするように前記交流電源電圧の第２ゼロ交叉で前記第２スイッチのみを通電可能にさせる段階と、
前記交流電源電圧の第３ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び第２スイッチの両方を通電可能にさせる段階と、
を具備することを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１キャパシタを挟む電圧と、前記第２キャパシタを挟む電圧との間の差分は、前記第３ゼロ交叉の後の所定時間では、２０ボルトよりも大きくないことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
第３ゼロ交叉の後の所定時間に、前記第１及び第２スイッチの両方を通電可能にさせる段階の間に、前記第１及び第２キャパシタ内で循環電流が生成されるとともに、前記循環電流は、ほぼ３２アンペアよりも大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記循環電流は、ほぼ２１．２アンペアより大きくない大きさを具備することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１キャパシタが実質的に前記所定電圧に充電されたときに前記第１スイッチを通電不能にさせる段階と、
前記第２キャパシタが実質的に所定のレベルまで充電されたときに、前記第２スイッチを通電不能にさせる段階と、
をさらに具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記通電制御可能スイッチは、交流モータを通る電流が実質的にゼロアンペアになるときに、通電不能になることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
交流電源の交流電源電圧で駆動される交流モータの速度を制御するための負荷制御装置であり、
第１通電制御可能スイッチに直列電気接続された第１キャパシタと、
第２通電制御可能スイッチに直列電気接続された第２キャパシタと、
前記第１及び第２スイッチを制御するように動作可能に接続された制御回路と、
前記交流電源電圧の電圧ゼロ交叉を検知するように接続されるように適合するゼロ交叉検知回路と、
を具備し、
前記第１キャパシタ及び前記第１スイッチは、前記交流電源及び前記交流モータに直列電気接続で接続されるように適合し、
前記第２キャパシタ及び前記第２スイッチは、前記交流電源及び前記交流モータに直列電気接続で接続されるように適合し、
前記制御回路は、前記交流電源電圧に検知された電圧ゼロ交叉に応答して、前記第１及び第２スイッチを選択的に通電可能にさせるように動作可能であり、
前記電圧ゼロ交叉検知器は、検知された交流電源電圧ゼロ交叉の指示を前記制御回路に提供するように接続され、
前記制御回路は、第１交流電源電圧ゼロ交叉に応答して、前記第１スイッチを通電可能にさせるように動作可能であり、
前記制御回路は、前記第１交流電源電圧ゼロ交叉に続く第２交流電源電圧ゼロ交叉に応答して、前記第２スイッチを通電可能にさせるように動作可能であるとともに、前記制御回路は、前記第２交流電源電圧ゼロ交叉に続く第３交流電源電圧ゼロ交叉の後の所定時間で、前記第１及び前記第２スイッチの両方を、実質的に同時に通電可能にさせるように動作可能であることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項４５】
選択的に並列電気接続で接続されるように動作可能である複数のキャパシタを具備し、並列に接続された前記キャパシタは、前記交流モータに直列電気接続で接続されるように動作可能である交流モータ速度制御によって、交流モータの速度を制御するための方法であり、
モータ速度の各新規選択時に、前記キャパシタを、並列電気接続で接続させるのに先立ち、前記キャパシタを実質的に同一の所定電圧まで充電する段階を具備することを特徴とする方法。
【請求項４６】
前記複数のキャパシタを挟む電圧の間の差分は、３０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記複数のキャパシタを挟む電圧の間の差分は、２０ボルトより大きくないことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【国際調査報告】
2009520451.tif 000014
2009520451.tif 000015
2009520451.tif 000016