(57)【要約】電気モーターをコントロールするためのシステムおよび方法が開示される。この方法は、電気モーターの運転荷重を測定すること、ついで、この運転荷重に応じて電気モーターに適用される電圧を算出することを備える。適用される電圧は、与えられた負荷に対して効率的な方法でモーターを稼働させる。電気モーターに適用される電圧の周波数は、適用される電圧の周波数が効率的な態様でモーターを稼働させるように、運転荷重に応じて算出される。電力は、与えられた負荷に対して効率的な方法でモーターを稼働させる目的で算出された電圧と周波数の電力がモーターに適用される。
2008506346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転スピードを有し、電流を使用する電気モーターのためのコントローラであって、
前記モーターの前記スピードと前記使用電流に応じて、前記モーターの効率的なオペレーティング・モードを表している電圧制御信号を生成する電圧コントローラ、
前記モーターの前記スピードと前記使用電流に応じて、前記モーターの効率的なオペレーティング・モードを表している周波数制御信号を生成するための周波数コントローラ、および
前記周波数制御信号と前記電圧制御信号を組み合わせ、組み合わされた信号が前記モーターを稼働させる前記電圧に適用されるようにする乗算器
を備えることを特徴とするコントローラ。
【請求項２】
前記周波数コントローラは、前記モーターの飽和を制限するために前記モーターの周波数を制御するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のコントローラ。
【請求項３】
前記電圧コントローラは、効率を最大化するための前記モーターの動作電圧を決定するように構成された、前記モーターの運転荷重に対する、電圧／周波数曲線を備えることを特徴とする請求項１に記載のコントローラ。
【請求項４】
前記周波数コントローラは、効率を最大化するための前記モーターの動作周波数を決定するように構成された、前記モーターの運転荷重に対する、電圧／周波数曲線を備えることを特徴とする請求項１に記載のコントローラ。
【請求項５】
前記モーターは、スピード感知信号を生成するように動作するスピードセンサを有し、前記電圧コントローラは、前記スピード感知信号に応じて、前記電圧制御信号を生成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のコントローラ。
【請求項６】
前記モーターは、電流感知信号を生成するように動作する電流センサを有し、前記電圧コントローラは、前記電流感知信号に応じて、前記電圧制御信号を生成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のコントローラ。
【請求項７】
前記モーターは、電流感知信号を生成するように動作する電流センサと、スピード感知信号を生成するように動作するスピードセンサとを有し、前記電圧コントローラは、前記電流感知信号と前記スピード感知信号とに応じて、前記電圧制御信号と前記周波数制御信号を生成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のコントローラ。
【請求項８】
前記周波数コントローラおよび前記電圧コントローラは、ＡＣ誘導モーターを稼働させるように構成されることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項９】
電気モーターを制御する方法であって、
前記モーターのスピードと前記モーターの使用電流に応じて、前記モーターの効率的なオペレーティング・モードを表している電圧制御信号を生成するステップ、
前記モーターの前記スピードと前記モーターの前記使用電流に応じて、前記モーターの効率的なオペレーティング・モードを表している周波数制御信号を生成するステップ、および
前記電圧制御信号と前記周波数制御信号を組み合わせ、組み合わされた信号を、前記モーターが与えられた負荷に対して効率的に稼働するように、前記モーターを稼働させる電圧に適用するステップ
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記電圧制御信号と前記周波数制御信号を生成することに先がけて、スピードセンサによって前記モーターのスピードを測定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電圧制御信号と前記周波数制御信号を生成することに先がけて、電流センサによって前記モーターの前記使用電流を測定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電圧をＡＣ誘導モーターに適用するステップをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記電圧を３相のＡＣ誘導モーターに適用するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
電気モーターのスピードをコントロールするためのシステムであって、
前記電気モーターの回転速度を測定し、スピード感知信号を生成するスピードセンサ、
前記電気モーターの使用電流を測定し、電流感知信号を生成する電流センサ、
前記スピード感知信号と前記電流感知信号に応じて、前記モーターの効率的なオペレーティング・モードを表している電圧制御信号を生成する電圧コントローラ、
前記スピード感知信号と前記電流感知信号に応じて、前記電気モーターの効率的なオペレーティング・モードを表している周波数制御信号を生成する周波数コントローラ、および
前記周波数制御信号と前記電圧制御信号を組み合わせて、組み合わせた信号が、前記モーターを稼働させる電圧に適用されるようにする乗算器
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
前記電圧コントローラは、前記モーターの運転荷重に対する電圧／周波数曲線を備え、前記電圧／分布曲線は、効率を最大化するための前記モーターの運転電圧を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記周波数コントローラは、前記モーターの運転荷重に対する電圧／周波数曲線を備え、前記電圧／周波数曲線は、効率を最大化するための前記モーターの運転周波数を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記モーターは、ＡＣ誘導モーターであることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記モーターは、３相のＡＣ誘導モーターであることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項１９】
電気モーターをコントロールするための方法であって、
前記電気モーターの運転荷重を測定すること、
前記運転荷重に応じて、前記電気モーターに適用される電圧であって、前記モーターを効率的なモードで稼働させる電圧を算出すること、
前記運転荷重に応じて、前記電気モーターに適用される前記電圧の周波数であって、適用される前記電圧の前記周波数が効率的なモードで前記電圧を操作する前記周波数を算出すること、および
効率的なモード前記モーターを操作するために計算された前記周波数で前記電圧を適用すること
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記電気モーターのスピードと前記電気モーターの使用電流を測定することによって前記電気モーターの前記運転荷重を測定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電気モーターに適用される前記電圧を算出する前記ステップは、前記運転荷重に対する電圧／周波数曲線を使用して前記電圧を決定することを特徴とする請求項２０に記載の方法は成っている。
【請求項２２】
前記電気モーターに適用される前記電圧の前記周波数を算出する前記ステップは、前記運転荷重に対する電圧／周波数曲線を使用して前記周波数を決定することを特徴とする請求項２０に記載の方法は成っている。
【請求項２３】
前記ＡＣ誘導モーターは、３相の誘導モーターであることを特徴とする請求項８に記載のコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電気モーター用のコントローラに関し、より詳細には、任意の負荷に対して最大の効率を得るためにモーターに印加される電力の電圧と周波数を変えることができるコントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モーター用のコントローラは、適切な稼働を目的にモーターに電気エネルギーを提供する。一般に、コントローラは規定された周波数で電圧をモーターに印加する。その電圧とその周波数は、モーターのスピードとトルク出力を最適化するように選ばれる。
【０００３】
ＡＣ誘導モーターの場合、過電圧条件が適用された場合に、モーターのトルク出力が改善されることができることが示された。この状態の期間に、モーターは低いロードでの磁化電流のために部分的な飽和状態で稼動させられる。しかし、モーターの効率は、過電圧状態での稼働時、低速で減少する。
【０００４】
図１を参照すると、様々な状態で稼働するＡＣ誘モーターの効率を示しているグラフが示されている。図１モーター、ライン１０は、過電圧状態で稼働する標準のＡＣ誘導モーターの効率を示している。図に示すように、そのモーターの効率は、低負荷状態で大きく（すなわち約５０−７５％）、その効率は、モータの負荷の増大につれて増大する。通常に稼働するＡＣ誘導モーターは、ライン１２として示され、図に示しように、そのモーターの効率は、低い負荷状態で最も大きく、モーターの負荷が増大するにつれて減少する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、モーター・コントローラは、最大の効率でモーターを稼働させるためにベクトル制御を使うことができる。ベクトル制御は、モーターの稼働をモデル化し、モーターの実時間監視を使用する複雑な数学的な処方である。詳細には、ベクトル制御は、入力電圧の間の位相関係を制御する閉ループ・フィードバック・システムである。ベクトル制御が有効であるためには、モーターの稼働パラメータについての非常に詳細な測定（sensitive measurement）が必要である。
【０００６】
この点に関して、ベクトル制御は、モーターの稼働を測定するために、非常に高感度で、高価なセンサを必要としている。
【０００７】
したがって、高感度なセンサや複雑な制御技法を使用せずに、異なる負荷状態で効率的に電気モーターを稼働させるモーター・コントローラを求めニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ある回転速度を有し、電流を使用する電気モーターを稼働させるコントローラが開示される。このコントローラは、モーターのスピードと使用電流に応じた電圧制御信号を生成する電圧コントローラを有し、その電圧制御信号は、モーターの効率的な稼働モードを表している。さらに、コントローラは、モーターのスピードと使用電流に応じた周波数制御信号を生成する周波数コントローラを有し、この周波数制御信号は、モーターの効率的な稼働モードを表している。コントローラは、さらに、周波数制御信号と電圧制御信号とを組み合わせる乗算器を含む。乗算器によって組み合わされた信号は、モーターを稼働させる電圧に適用され、この結果、モーターは与えられた負荷に対して効率的な態様で稼働する。
【０００９】
電気モーターを制御する方法は、モーターのスピード（回転数）とその電気モーターの使用電流とに応じた電圧制御信号で、モーターの効率的な稼働モードを表している電圧制御信号を、生成することを含む。さらに、モーターの効率的な稼働モードを表している周波数制御信号が、モーターのスピードとモーターの使用電流とに応じて生成される。周波数制御信号と電圧制御信号は組み合わされて、モーターが与えられた負荷に対して効率的に動作するように、モーターを稼働させる電圧に適用される。
【００１０】
電気モーターをコントロールするためのシステムは、電気モーターの回転速度（回転数）を測定し、それに応じてスピード感知信号を生成するスピードセンサを含む。このシステムは、さらに、モーターの使用電流に応じた電流感知信号を生成する電流センサを含む。このシステムの電圧コントローラは、スピード感知信号と電流感知信号とに応じた電圧制御信号を生成する。この電圧制御信号はモーターの効率的なオペレーティング・モードを表している。同様に、このシステムの周波数コントローラは、スピード感知信号と電流感知信号に応じて周波数制御信号を生成する。この周波数制御信号は、またモーターの効率的なオペレーティング・モードを表している。このシステムは、この周波数制御信号と電圧制御信号とを組み合わせる乗算器を含む。この組み合わされた信号は、そのモーターを稼働させる電圧に適用される。
【００１１】
電気モーターをコントロールするための方法は、電気モーターの運転荷重を測定することを備える。電気モーターに適用される電圧は、その負荷に応じて算出される。算出された電圧は効率的なモードでモーターを稼働させる。同様に、電気モーターを稼働させる電圧の周波数は、電気モーターの運転荷重に応じて算出される。算出された電圧は、効率的な態様でモーターを稼働させるために、算出された周波数で、モーターに適用される。
【００１２】
本発明の他の機能に加えて、これらは、図を参照することより明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
幾つかの図を参照する。これらの図は、好適な実施形態を示す目的であり、好適な実施形態を制限する目的のためではない。図２は、３相ＡＣ誘導モーター１８の稼働を制御するのに使用されるモーター・コントローラ１６のブロック・レベル・ダイアグラムである。モーター１８は、従来のＡＣ誘導タイプモーター、あるいは、継続特許出願シリアル番号１０／８２１，７９７（代理人整理番号１４６９６２−９００００２）および継続特許出願シリアル番号１０／８９４，６８８（代理人整理番号１４６９６２−９９９００６）で説明されるような、増大したギャップで稼働するモーターとすることができ、これらのコンテンツは、本願に引用して援用する。
【００１４】
モーターの負荷は、速度センサ２０と電流センサ２２によって測定される。詳細には、一般的に知られているように、速度センサ２０は、センサまたはセンサレスの検出メカニズムのどちらかを通してモーター１８の回転速度（ω）を測定する。速度センサ２０は、回転速度（ω）と関係しているスピード感知信号を生成する。同様に、電流センサ２２は、モーター１８が使っている電流（I）を測定する。３相モーターについて、電流センサ２２は、各位相のＲＭＳ位相電流を測定する。電流センサ２２は、モーターが使用する全電流（I）を表している電流感知信号を生成する。ここで、電流（Ｉ）と回転速度（ω）は、モーター１８に置かれているロードを表す。
【００１５】
コントローラ１６は、電流（I）とスピード（ω）を使用し、モーター１８が効率的な方法で動作するようにするために、モーター１８に適用される電圧の周波数と量を決定する。このコントローラ１６は、電源２４を有し、モーター１８に適用される調節された電圧を生成する。図２に示された例のＡＣ誘導モーター１８は、３相のモーターである。したがって、電源２４は、モーター１８に適用される３相入力電力を調節する。
【００１６】
コントローラ１６は、電圧コントローラ２６を有し、これはモーターのスピード（ω）と電流（I）に応じて電圧制御信号を作り出す。詳細には、速度センサ２０からのスピード感知信号と電流センサ２２からの電流感知信号が、電圧コントローラ２６に入力される。以前に議論されたように、モーター１８上の負荷は、モーター１８の使用電流とスピードから決定することができる。電圧コントローラ２６は、モーター１８の最大の効率を達成するために、電流感知信号とスピード感知信号に基づいて、モーター１８に適用されるべき電圧の値を決定する。
【００１７】
同様に、コントローラ１６は、周波数コントローラ２８を有し、印加電圧の周波数を調節する。速度センサ２０からのスピード感知信号と電流センサ２２からの電流感知信号とは、周波数コントローラ２６に入力される。周波数コントローラ２８は、モーター１８の最大の効率を達成するために、電流感知信号とスピードで感知している信号に基づいて、モーター１８に適用される電圧の周波数を決定する。
【００１８】
周波数コントローラ２８と電圧コントローラ２６は、モーター１８の負荷と効率に基づいて適用されるべき、電圧の周波数と量を決定する。詳細には、コントローラ２６、２８のそれぞれは、モーター１８のそれぞれの運転スピードに対する、電圧／周波数曲線を有している。この電圧／分布曲線は、数学的な式として、または値を含むテーブルとして表現することができる。この電圧／周波数曲線は、最大の効率を得るために適用されるべき電圧と周波数の値を決定するためのモーター１８の実験的なテストを通して、またはその曲線を得るようにモーター１８をシミュレーションすることによって、決定される。
【００１９】
電圧／分布曲線（例えば回転速度の関数としての電圧）は、より高いロードでモーターをオーバーエキサイティングさせる（over exciting；過大な磁場を発生させる）ことによって、モーターの効率を最大化する。この点で、モーターの最大の効率は、任意の負荷で得られ、このモーターは、任意のスピードでのトルクの全範囲にわたって、最大効率で稼働することになる。モーターに適用される電圧の周波数は、モーターの鉄の内部飽和を制限し、この結果、モーターの動作周波数を最大化するスピードでモーターが動作することを可能にするように制御される。また、モーターの効率は、それがモーターの定格トルク以下の一定速度で稼動する場合に、モーターの稼働電圧を減じることによって改善される。この電圧／分布曲線は、効率的にモーター１８を稼働させるために適用される電圧の量とその周波数を決定するために、モーターの動作特性が考慮される。制御入力３０は、オペレータが、その曲線を変更し、所望するセッティングでモーターを稼働させることを可能にする。
【００２０】
電圧コントローラ２６からの電圧制御信号と周波数コントローラ２８からの周波数制御信号は、それらの信号を総合的に組み合わせる信号乗算器３２に入力される。乗算器３２は、モーター１８に供給された電力の周波数と電圧を制御するために、電源２４からの電力にコントロール信号を適用する。詳細には、乗算器３２は電圧制御信号と周波数制御信号に応じて電源２４から電力を調節する。この点において、電気モーター１８に適用される電力は、与えられた負荷に対して効率的にモーターを稼働させることになる。図１を参照すると、ライン１４は、コントローラ１６を使用するモーターの効率を示している。このモーターは、すべての稼働負荷に対して、コントローラ１６を使用して、約８５％〜９５％の間の効率で動作する。
【００２１】
図３を参照すると、コントローラ１６の動作を示しているフローチャートが示される。ステップ４０と４２で、モーター１８の負荷が測定される。詳細には、ステップ４０でモーター１８のスピードが測定され、ステップ４２で、モーター１８が使用している電流が測定される。ステップ４４で、モーターに適用されるべき電圧が、電圧コントローラ２６によって算出される。ステップ４６で、モーター１８に適用される電圧の周波数が、周波数コントローラ２８によって算出される。算出された電圧と周波数は、ステップ４８でモーター１８に適用される。
【００２２】
コントローラ１６が、個別の電子部品として、または多目的のコンピュータ上で実行された命令として具現化することができることが、当業者によって認識されるであろう。この点に関して、図３において説明される方法が、プロセッサまたはプロセッサを含むシステム上に実装されるコンピュータ可読媒体（すなわちディスク装置、メモリなど）上に記憶されたプログラム命令として具現化されることができる、ことが予想される。同様に、電圧コントローラ２６、周波数コントローラ２８および乗算器３２は、コンピュータ・プログラムの命令群またはプログラミングモジュールとして実装することができる。
【００２３】
ここで説明された概念と技術が、それの本質的特質からかけ離れずに様々な特定の形式に具現化されることができることが、当業者によって認識されるであろう。ここに開示された実施形態は、すべての点で、制限する目的でなく、説明であると見なされる。発明の範囲は、前述の説明というよりも請求の範囲によって示されて、その意味するところに含まれるすべての変更とその均等の範囲は、包括されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】電気モーターの効率対モーターの運転荷重のグラフを示す図である。
【図２】モーター・コントローラのブロック・レベルのダイアグラムを示す図である。
【図３】図２に示したモーター・コントローラを備えた電気モーターを制御する方法を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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