(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング・インバータから電力を受けるように結合された交流電動機を含み、該スイッチング・インバータが、電動機の各相に対して、相対的に正および負の直流電圧母線の間に接続された一対の直列接続の電子スイッチング素子を持つ形式のインバータであり、該スイッチング素子が交互に導通状態および非導通状態にゲート駆動されて、電動機にスイッチングされた電力を供給し、更に該インバータが前記相対的に負の電圧母線に流れる電流を検出するための電流検出器を含んでいる電動機システムで、漏電の存在を検出する方法において、前記電動機を付勢する度毎に、最初に、前記相対的に負の電圧母線に接続された前記スイッチング素子にゲート駆動パルスを印加するステップ、および前記ゲート駆動パルスによって前記電流検出器に電流が流れたときに漏電があると識別するステップ、
前記スイッチング素子にゲート駆動パルスを印加するステップを複数回繰返し、その際、各回のゲート駆動パルスのパルス幅を、電流が検出されなかったときは所定の最大パルス幅まで逐次的に増大させるステップ、
を含んでいることを特徴とする漏電検出方法。
【請求項２】
前記ゲート駆動パルスの持続時間を１ミリ秒未満に制限するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記電動機が複数の相を持つ場合において、前記電流検出器が各々のスイッチング素子の駆動に応答することが出来るように各々のゲート駆動パルスの間に時間遅延を設けるステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
水ポンプが前記電動機によって駆動されるように接続されており、該水ポンプと前記電動機とが組み合わさって、井戸の中の公称水位より低い位置に配置されている請求項１記載の方法。
【請求項５】
スイッチング・インバータから電力を受けるように結合された交流電動機を含み、該スイッチング・インバータが、電動機の各相に対して、相対的に正および負の直流電圧母線の間に直列接続された一対の電子スイッチング素子を持つ形式のインバータであり、各対の電子スイッチング素子の間の中間接続点が前記電動機の対応する相巻線に結合されており、前記スイッチング素子が交互に導通状態および非導通状態にゲート駆動されて、電動機にスイッチングされた電力を供給し、更に前記インバータが前記相対的に負の電圧母線に流れる電流を検出するための電流検出器を含んでいる電動機システムで、漏電の存在を検出する装置において、前記電動機を付勢する度毎に、最初に、前記各対のスイッチング素子の内の前記負の電圧母線に接続された前記スイッチング素子に１つずつ逐次的にゲート駆動パルスを印加して、各々のスイッチング素子を導通させるマイクロプロセッサ制御式ゲート駆動パルス発生器、および前記電流検出器に流れる電流を監視して、前記ゲート駆動パルスによって前記電流検出器に電流が流れたときに漏電を表す制御を発生する電流監視回路、を含んでおり、
前記マイクロプロセッサは、複数回の時間間隔をおいたゲート駆動パルスの印加の各回において前記スイッチング素子の各々に１つずつゲート駆動パルスを印加するように作用し、その際、ゲート駆動パルスのパルス幅を、電流が検出されないときは所定の最大パルス幅まで各回の印加毎に逐次的に増大させることを特徴とする漏電検出装置。
【請求項６】
前記マイクロプロセッサが、最初に印加されるゲート駆動パルスの持続時間を１ミリ秒未満に制限するように作用する請求項５記載の漏電検出装置。
【請求項７】
前記電動機が複数の相を持ち、前記マイクロプロセッサは、前記電流監視回路が前記電流検出器を流れる漏電電流に応答することが出来るように、各々のゲート駆動パルスの間に時間遅延を挿入する作用を有している請求項５記載の漏電検出装置。
【請求項８】
水ポンプが前記電動機によって駆動されるように接続されており、該水ポンプと前記電動機とが組み合わさって、井戸の中の公称水位より低い位置に配置されている請求項５記載の漏電検出装置。
【請求項９】
三相入力端子を持つ三相交流誘導電動機によって駆動される水ポンプを含み、前記水ポンプおよび前記電動機が井戸の水の中に配置されるものである水ポンプ・システムにおいて、交流電力を直流電力に変換して、一対の相対的に正および負の直流母線を持つ直流回路に供給する整流回路、前記正の直流母線に接続された正の直流入力端子および前記負の直流母線に接続された負の直流入力端子を持つと共に、少なくとも３組の制御可能な電子スイッチング素子を持ち、その各々の組は前記正の直流母線と前記負の直流母線との間に直列接続された第１および第２の電子スイッチング素子を持ち、これらの電子スイッチング素子の間の中間接続点が前記電動機の対応する相端子に接続されておいる三相インバータ、前記電動機の動作を制御するためのマイクロプロセッサをベースとした制御装置であって、前記電動機を制御された周波数の交流で付勢するために前記スイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を導通させるように、前記スイッチング素子の各々にゲート駆動パルスを供給する制御装置、並びに前記負の直流母線に流れる電流を監視するように結合された電流監視回路、を含んでおり、前記制御装置が、最初に、それぞれの相巻線と前記負の直流母線との間に接続された前記第２のスイッチング素子の各々を逐次的にゲート駆動して、それぞれ１ミリ秒未満の時間の間導通させ、この最初のゲート駆動の間に前記電流監視回路によって電流が検出されたときは前記電動機の運転を禁止するように構成されており、
前記マイクロプロセッサは、複数回の時間間隔をおいたゲート駆動パルスの印加の各回において前記スイッチング素子の各々に１つずつゲート駆動パルスを印加するように作用し、その際、ゲート駆動パルスのパルス幅を、電流が検出されないときは所定の最大パルス幅まで各回の印加毎に逐次的に増大させることを特徴とする水ポンプ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変周波数誘導電動機駆動システムに関し、更に具体的に述べると、水中ポンプと組み合わせたこのようなシステムに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
現在市販されている住宅用深井戸ポンプは、井戸の水の中に沈めることが出来るように包装された二極交流誘導電動機によって駆動される。電動機の固定子部分は水分を通さないようにエポキシ樹脂（または他の適当な材料）でカプセル封じされている。電動機を最大４００フィートもの深さで動作させるときに電動機に電力を供給するために電動機のリード線にかなり長い電気ワイヤを接続しなければならない。ポンプ・システムの取付け装置はこの接続を行わなければならず、漏電を避けるために接続部を防水することに関心が払われる。取付け指示書には、これらの接続部を防水することの重要性、およびポンプ・システムに電力を供給する前に漏電試験を行うことの重要性が強調されている。しかしながら、エラーが起こり、漏電が存在しているとき電力を周期的に供給することがあると仮定することは妥当であると考えられる。
【０００３】
住宅の井戸用の従来のポンプ・システムは、漏電遮断器（ＧＦＩ）を含まない分岐回路遮断器から電力が供給される。電力線路が圧力スイッチ（二極単投）を介して単相電動機の２つの入力端子に接続される。圧力スイッチと電動機との間の全ワイヤ（電線）長は５００フィートにもなり、一部は地中に埋められ、残りは井戸の中に延在する。ポンプ・システムの圧力が予め設定されたレベル以下に低下したとき、圧力スイッチが閉じて、電力線路の片側を２つの電動機端子の１つに接続する。
【０００４】
従来のポンプ・システムにおける最も一般的な電動機は３／４馬力単相誘導電動機であり、単相２３０ボルト、６０サイクルの電源から給電される。電力システムは中心接地式である。すなわち、圧力スイッチに電力を供給する２本の導体の各々の電位が大地に対して１１５ボルトである。電動機に亀裂やその他の欠陥があると、水が進入して電流の大地への漏洩（漏電）を招くことがあり、極端な場合には直接的な地絡を生じることがある。更に、井戸の頂部から水中の電動機へ電力を伝送する導体が井戸水に接触すると、電力システムと大地との間にも漏電が生じる。また、圧力スイッチと井戸頂部との間の配線部分もまた漏電を起こし易い。これらのシステムにおける地絡の３つの最も共通の原因は、１）電動機固定子における絶縁性の劣化、２）接続点における電力導体の井戸水への露出、および３）ポンプを井戸の中へ降ろすときに絶縁体に生じる切欠きである。従来のシステムにおける分岐回路遮断器がＧＦＩ機能を含んでいる場合、該圧力スイッチが閉じているときに大地への漏洩電流を検出して、引外しを生じ、これにより地絡が生じていることを居住者へ知らせる。分岐回路遮断器がＧＦＩ機能を含んでいない場合には、漏電が過電流による遮断器の引外しに充分なレベルに達するまで、システムは動作し続ける。このような従来のシステムでは、圧力スイッチと電動機との間の配線における地絡から構成部品の別の故障が生じる可能性がある。
【０００５】
現在市販されている従来のシステムには幾つかの欠点がある。例えば、（１）直径が４インチのポンプ／電動機アセンブリでは５インチの井戸ケーシングが必要になり、井戸掘りのコストがかなりかかる。（２）ポンプによって井戸が空になった場合、ポンプはその軸受が水によって潤滑されて冷却されるので、水不足により軸受の故障を生じることがあり、そのため井戸の上部の水管路に流れ制限器を付加することによって、出力流量が井戸の回復流量を越えないようにする必要がある。（３）井戸内の砂、石片またはその他の屑によりポンプが膠着または噛み込みを生じて、電動機のストール（ｓｔａｌｌ）状態を招き、これにより電動機の過熱および損傷が生じることがある。（４）線路電圧が低い場合、電動機は定格磁束より小さい磁束で作動され、このため同じトルクを発生するためにより大きい電流を必要とし、これにより電動機の過熱を生じ、ひいては故障する可能性がある。（５）電動機を交流電力線路に接続することによって始動する場合、雷雨の際にしばしば停電するときに経験するように、始動および頻繁な再始動毎に、入力電流にかなりのサージが生じ、これもまた電動機の過熱および故障を招くおそれがある。（６）始動の度毎にかなりの発熱を伴うので、圧力スイッチのヒステリシスは、電動機を余りに頻繁に再始動することのないような値まで増大する必要があり、そのようにすると住宅内の使用者はポンプの始動から次の始動までに生じる５０％もの圧力変化を我慢しなければならなくなる。
【０００６】
これらの欠点に対処することを目的とした改良ポンプ・システムが米国特許出願第０８／７２３，２０２号（特願平９−２５０５６８号）明細書に開示されている。そのシステムは、単相２３０ボルト、６０サイクルの電力を三相２３０ボルトの可変周波数電力に変換するソリッドステート電力装置を採用して、ポンプ電動機速度を毎分０乃至１００００回転の速度に制御できるようにしている。このようなポンプ・システムは上述の欠点を克服すると共に、圧力変動をずっと低いレベルに押さえた優れた圧力調整給水装置を提供することが出来、またマイクロコントローラのソフトウエアにおけるインテリジェンス作用により、制御の問題を検出し、適切な保護処置をとり、且つ居住者に問題を知らせることが出来る。しかしながら、地絡の存在はこのようなシステムにとって重大な問題を生じさせる。
【０００７】
図２は、米国特許出願第０８／７２３，２０２号（特願平９−２５０５６８号）明細書に開示されている、住宅用給水システムにおける水中ポンプへ電力を供給するための電力回路の概略回路図である。電源は単相２３０ボルト、５０／６０Ｈｚの中心接地式の電源であり、これはダイオード１６、１８、２０および２２より成るブリッジ整流回路に接続されている。このブリッジ整流回路は５０／６０Ｈｚの電源電力を全波整流電力に変換する。ブリッジ整流回路の出力は正の母線２４と負の母線２５とに接続されている。これらの２つの母線の間にコンデンサ２６が接続されていて、コンデンサ２６は全波整流電力回路に固有のリップル電圧の影響を最小にするように電力を平滑化する。典型的には絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）または電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である電力スイッチング素子２８、３０、３２、３４、３６および３８より成る三相電力ブリッジ２７がブリッジ整流回路の出力を可変電圧可変周波数の電力に変換して、周知のように誘導電動機の速度およびトルクを制御できるようにする。三相電力ブリッジ２７の出力は平衡三相電圧であり、これは正弦波か、或いは周知のパルス幅変調（ＰＷＭ）の原理により各サイクルのボルト・秒が一定に維持される矩形波であってよい。ここで、三相電力ブリッジの各々の電力スイッチング素子の両端間に逆並列に電力ダイオードが接続されていて、各々のスイッチ位置を通る逆電流に対する通路を提供することに注意されたい。これらのダイオードは図を簡単にするために図示されていない。電流検出抵抗２９がフィルタ・コンデンサ２６と三相電力ブリッジとの間の負の母線２５中に接続されていて、保護および調整機能に必要な信号を制御装置４２に供給する。
【０００８】
三相電力ブリッジの各々の電力スイッチング素子（ＩＧＴ／ＦＥＴ）は、典型的には１５−１００ナノ秒の高速ターンオン特性を持ち、その結果、急速に立ち上がる電流が電流検出抵抗２９を通って流れ、この抵抗の寄生インダクタンスにより電圧スパイクがスイッチング期間中に抵抗２９の両端間に現れる。電流調整システムが検出抵抗２９の両端間の電圧を電流のアナログ量として解釈するので、電圧スパイクは急速に上昇する過電流として誤って解釈されて、電流保護システムによる不正な応答を招く。過電流保護機能が不正な応答を引き起こすことを防止するために、抵抗８４および８６とコンデンサ８７とより成るフィルタをシステムに追加しなければならない。このフィルタの構成部品の値は、相反する高速の過電流保護と不正な過電流引外しとの間の設計上での折り合いにより選択される。しかしながら、フィルタの存在は電流検出信号を遅延させるので、出力回路に短絡が生じた場合にスイッチング素子２８−３８を保護するのに必要な速度を生じさせるのが困難になる。
【０００９】
例示のために、１本の電動機リード線の大地に対する漏電が仮想線３９で示されている。この漏電は、絶縁体の切欠き、電動機端子接続部の絶縁不良、または電動機固定子の漏電の結果として生じ得る。それはまた、高インピーダンス漏洩路または固体低インピーダンス路であり得る。漏電が電動機の始動の前に存在していて、入力電力線路が図示極性であると仮定すると、正側の電力素子（例えば、スイッチング素子３２）をゲート駆動すると、正の電源端子１２からダイオード１６、スイッチング素子３２、漏洩路３９を通り、次いで電力回路の接地線を介して電源の負側に戻る短絡が生じる。この結果、上記回路に交流１１５ボルトが印加される。ここで、この経路には電流検出抵抗２９が含まれていないことに注意されたい。従って制御装置はこの短絡が生じたことを知ることが出来ず、この結果、何らかの保護機能が作動可能になる前に１つ以上の正側の電力スイッチング素子が故障する恐れがある。
【００１０】
ところで、最初にゲート駆動する電力スイッチング素子が負側の電力スイッチング素子（例えば、スイッチング素子３８）である場合、スイッチング素子３８がゲート駆動されたときに開始される短絡経路は、電源端子１４から電力システムの接地線を通り、次いで漏洩路３９、スイッチング素子３８、電流検出抵抗２９およびダイオード２２を通る。この経路は電流検出抵抗２９を含み、理論的には障害電流を検出できる。しかし、短絡回路が非常に低いインピーダンスである場合、短絡経路内の電流は非常に急速に上昇し、このため上述のフィルタの遅延では電流保護機能が働けるようになる前に電流がスイッチング素子３８を破壊させるレベルまで上昇してしまう。従って、正側のスイッチング素子をゲート駆動した場合は、電流経路が電流検出抵抗２９を含んでいないので該正側のスイッチング素子の破壊が生じ、また負側のスイッチング素子をゲート駆動した場合は、不正な引外し又は誤った遮断を避けるために保護機能に導入された遅延により、該負側のスイッチング素子の破壊が生じることが、理解されよう。このため、三相電力ブリッジに全電力を印加する前に漏電を検出する方法を提供することは望ましいことである。
【００１１】
【発明の概要】
本発明は、電動機の電力システムにおける地絡または漏電を検出する方法および装置を提供すること、またこのような地絡または漏電の検出をシステムへの全電力の供給前に行う方法および装置を提供することを目的とする。本発明は、一形態では、井戸水ポンプ・システムの多相電動機用の電力システムに対してマイクロプロセッサをベースとした制御装置で実施される。この電力システムは、電動機速度を広い範囲に亘って調整するために制御された周波数を電動機に供給するようにＰＷＭインバータとして動作可能な多相ブリッジ回路を含む。前に述べたようにインバータ内のスイッチング素子を通常の導通状態にゲート駆動するとシステムに故障を生じさせることがあるので、本発明は、漏電のない状態では負側のスイッチング素子をゲート駆動しても何ら電流の流れが生じないという認識に基づいてなされた。これは、電流センサに固有のインダクタンスに結合された電力スイッチング素子の高速スイッチング特性から生じる偽電流信号を含む。本発明による回路構成では、電動機を始動する度毎にその始動の前に、負の電圧母線に接続されている各々のスイッチング素子を比較的短い、例えば１ミリ秒未満の持続時間の試験パルスでゲート駆動する。各々のスイッチング素子のゲート駆動の間に充分な遅延を挿入して、電流測定システムが応答する時間が得られるようにする。各々の負のスイッチング素子へのゲート駆動パルスは、何らかの障害電流が生じてスイッチング素子を損傷するレベルに達することがないように充分短い持続時間を持つパルスとする。第１の短い試験パルスにより何ら電流が検出されなかった場合、抵抗のより大きい漏電路の有無を検査するために持続時間のより長い第２組のゲート駆動パルスが印加される。第２組のゲート駆動パルスによっても何ら電流が検出されなかった場合は、何ら漏電が存在しないと想定して、制御装置は電動機に給電するように進む。
【００１２】
本発明がよりよく理解されるように、添付の図面を参照して以下に詳しく説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用し得る代表的な深井戸ポンプ・システムを示す。該ポンプ・システムは、深さが約４００フィートにも達するような中孔３内に配置されるポンプ１および交流誘導電動機２を含む。ポンプ１は、典型的には、共通の軸１１上に装着した複数の羽根車１０を有する遠心ポンプである。中孔３内の水はポンプにより管４を介してブラダ形の貯水タンク５へ汲み上げられ、貯水タンク５から管６を介して住宅の利用設備へ分配される。制御装置７が圧力センサ８から線路９を介して水圧信号を受けて、電動機２に可変周波数の交流電力を供給する。制御装置７は通常の交流電力線路から交流電力を受ける。水圧が予め選ばれた低い設定値より小さいとき、圧力センサ８は電動機２を付勢させるための第１の信号を制御装置７に供給する。水圧が予め選ばれた高い設定値より大きいとき、圧力センサ８は電動機２への電力を取り除くための第２の信号を制御装置７に供給する。
【００１４】
ここで図２を参照すると、上述の問題に対処する制御装置７として使用される電動機電力回路及び制御回路の概略回路図が示されている。この制御システムは、２つの電力入力端子１２および１４を介して、６０Ｈｚで公称２２０Ｖの交流電力を供給する通常の公共電力システムに結合される（しかし、直流３００Ｖの電源も使用可能であることに留意されたい）。２つの電力入力端子１２および１４はダイオード１６、１８、２０および２２より成るブリッジ整流回路の交流入力点に接続されている。ダイオード１６および１８の陰極端子は正の母線２４に接続され、ダイオード２０および２２の陽極端子は負の母線２５に接続されている。母線フィルタ・コンデンサ２６が、正の母線２４と負の母線２５との間に接続されていて、誘導性負荷からの無効電力の流れに対する通路を構成する。すなわち、コンデンサ２６の左側（整流回路からコンデンサまで）の正および負の母線の電力の流れは全て有効電力であり、他方、コンデンサ２６の右側（コンデンサから負荷回路まで）の正および負の母線の電力の流れは有効電力成分および無効電力成分の両方より成る。正の母線２４は、６個の電力スイッチング素子２８、３０、３２、３４、３６および３８より成る出力電力ブリッジ２７の正電圧側に接続されている。出力電力ブリッジ２７の負電圧側は電流検出抵抗２９を介して負の母線２５に接続されている。出力電力ブリッジ２７の出力は誘導電動機４０の３つの相のリード線に接続されている。整流回路は交流線路電圧を、母線２５を基準とした母線２４上の全波整流電圧に変換する。出力電力ブリッジ２７は、電動機４０の速度を制御するために、母線２４および２５の間の電圧を制御された周波数の交流電力に変換するインバータとして動作することが出来る。出力電力ブリッジ２７はまた、（電動機４０が回生モードで動作している場合に）電動機４０からの交流電力を直流電力に変換して、これを直流母線２４および２５に結合して戻すことが出来る。
【００１５】
出力電力ブリッジ２７は、マイクロコントローラ４２を含む制御回路４１によって制御される。マイクロコントローラ４２は、集積ゲート駆動回路４４を介して６個の電力スイッチング素子２８−３８にゲート駆動信号を供給する。ゲート駆動回路４４からの３つのゲート駆動信号線４６、４８および５０が、正の母線２４に接続された３個の電力スイッチング素子２８、３０および３２に接続され、それらは隔離変圧器などの周知の手段によって負の母線２５から隔離された電源を必要とする。ゲート駆動回路４４からの別の３つのゲート駆動信号線５２、５４および５６が、３個の電力スイッチング素子３４、３６および３８に接続され、それらの電力スイッチング素子は出力電力ブリッジの負電圧側を基準としているので、隔離を必要としない。
【００１６】
マイクロコントローラ４２はＡ／Ｄ入力線を介してコンデンサ５８から入力信号を受ける。コンデンサ５８の電圧は電動機４０の所望の速度を表す。マイクロコントローラ４２によって実行されるソフトウエア・プログラムが、コンデンサ５８の電圧を比例した周波数に翻訳（変換）する。マイクロコントローラ４２は、この周波数変換から、インバータすなわち出力電力ブリッジ２７の電力スイッチング素子を制御するための一組のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を発生する。ＰＷＭ信号は、マイクロコントローラ４２によって周知の態様で作成されて、電動機４０に印加するための三相出力電力を作成するように電力スイッチング素子を導通状態および非導通状態にゲート駆動する。電動機４０の電力入力端子に現れる三相出力波形はほぼ正弦波形であり、その周波数はマイクロコントローラ４２によって設定された周波数を持つ。電力スイッチング素子は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲート・ターンオフ素子（ＧＴＯ）またはその他の適当な電子スイッチング素子であってよい。電動機４０に印加される三相電圧の振幅は、電動機４０の電力入力端子に供給される線間電圧の実効値（ｒｍｓ）が周波数に定数を掛けた値になり、もって電動機が一定ボルト／ヘルツ様式で動作するように制御される。従って、電動機４０の基本的な制御は、コンデンサ５８の電圧の制御を含む。
【００１７】
差動増幅器６０が、電動機４０を始動、加速、減速および停止させるためにコンデンサ５８を充電し放電させるための基本的な駆動装置を構成する。差動増幅器６０の非反転入力端子の電圧がその反転入力端子の電圧より高いとき、差動増幅器の出力はほぼ１２ボルト、すなわち正の母線６２の電圧になる。コンデンサ５８は、充電抵抗６４を介して差動増幅器６０の出力端子に接続されているので、抵抗６４を介して差動増幅器６０の出力電圧へ向かって充電し始める。しかし、コンデンサ５８はまた、ダイオード６６を介して一層低い電圧の母線、例えば５ボルトの母線にも接続されている。コンデンサ５８の電圧がこの低い電圧（５ボルト）に達したとき、ダイオード６６が順バイアスされて、コンデンサ電圧が該低い電圧（５ボルト）を越えないようにする。このような１２ボルトに向かう充電と予め選ばれた低い電圧に達したときのクランプ作用との組合せにより、充電動作がほぼ直線的になる。同様なプロセスで、差動増幅器６０の非反転入力端子の電圧がその反転入力端子の電圧より低くなったとき、差動増幅器６０の出力はほぼゼロ電圧に切り換えられ、従ってコンデンサ５８はゼロ電圧へ向かって放電し始める。
【００１８】
差動増幅器６０の反転入力端子は、正の１２ボルトの母線６２と共通母線すなわち負の母線２５との間に直列に接続された抵抗６８および７０の接続点に接続されている。抵抗６８および７０は分圧器を構成する。抵抗６８および７０の値は、差動増幅器６０の反転入力端子の電圧レベルを母線６２の電圧のほぼ半分すなわち約６ボルトに維持するように選ばれている。差動増幅器６０の非反転入力端子は抵抗７２を介してスイッチ７４の一方の端子に接続されている。スイッチ７４は、例示の実施態様では、図１の水の圧力センサ８を表し、水圧が選ばれた最小圧力（例えば、３０ｐｓｉ）より低くなった時に閉成し且つ水圧が選ばれた最大圧力（例えば、６０ｐｓｉ）より高くなった時に開放するように構成されている。スイッチ７４の他方の端子は電圧母線６２に接続されている。抵抗７２およびコンデンサ７６が差動増幅器６０の非反転入力端子におけるノイズ・フィルタを形成する。従って、差動増幅器６０の出力は、圧力スイッチ７４が閉成した後に高レベルになり、且つ圧力スイッチ７４が開放した後に低レベルになり、その際、抵抗７２およびコンデンサ７６の値によって設定される時間遅延がある。抵抗７８および８０より成る抵抗分圧器が差動増幅器６０の出力端子と負の母線２５との間に接続されていて、差動増幅器６０が切り換わる度毎にマイクロコントローラ４２に入力信号を供給する。ノイズ・フィルタは、跳ね返りを抑制した圧力スイッチ閉成および開放信号を、差動増幅器６０並びに抵抗７８および８０を介してマイクロコントローラ４２に供給する。
【００１９】
電動機４０に供給される励磁周波数が電動機速度よりかなり高い値まで増加された場合、滑りが高くなり過ぎて、トルクが減少し、これにより電動機のストールが生じて過大な電流が流れる恐れがある。この問題は、電動機電流の関数として周波数を低下させることによって克服される。
【００２０】
電動機電流すなわち出力電力ブリッジの電流に比例する信号が電流検出抵抗２９によって作成され、該信号は、検出抵抗２９の両端から差動増幅器８２の反転入力端子および非反転入力端子にそれぞれ接続された入力抵抗８４および８６を介して、差動増幅器８２に供給される。フィルタ・コンデンサ８７が、抵抗８４および８６と共に、電流センサの応答時間を遅くして、瞬時的な過渡状態に対する過剰応答を防止する。（差動増幅器８２の出力端子とその反転入力端子との間に接続された）帰還抵抗８８の値と入力抵抗８４の値との比が、差動増幅器８２の利得を設定するために使用される。差動増幅器８２の出力（すなわち電流振幅）が、差動増幅器９０で、マイクロコントローラ４２から供給される基準値と比較される。出力電力ブリッジの電流が基準値によって表される電流より大きいとき、差動増幅器９０はその出力端子が低レベルになるように切り換わる。差動増幅器９０の出力端子はダイオード９２および抵抗９４を介してコンデンサ５８に接続されているので、コンデンサ５８は電流がダイオード９２および抵抗９４を介して差動増幅器９０へ流れることにより放電する。抵抗９４の値は充電抵抗６４より小さい値に選んで、過電流が生じた時に電動機４０へ供給される電力の周波数が低下するように保証する。別の特徴として、マイクロコントローラ４２はまた、マイクロコントローラ４２の出力と抵抗９４との間に接続されたダイオード９６を介してコンデンサ５８上の電荷を低減するようにプログラムすることが出来る。
【００２１】
誘導電動機の分野で周知のように、電動機に印加される励磁電圧の周波数を、電動機が減速できる速さよりも速く低下させた場合、電動機は誘導発電機として動作し始めて、運動エネルギを電気エネルギに変換する。しかしながら、ダイオード１６−２２より成るダイオード・ブリッジが逆向きの電力を処理できないので、電動機により発生された電力は母線コンデンサ２６上の電圧を連続的に増加させ、そのまま何もしなければ、母線の電圧レベルはインバータの電力スイッチング素子２８−３８を損傷するほどの高いレベルに上昇する。この様な事象が生じるのを防止するために、制御システムは、母線電圧が選ばれたレベルより高くなった場合に励磁周波数を保持するか又は上昇させる機構を備える。具体的に述べると、ツェナーダイオード９８および抵抗１００が、正の母線２４とコンデンサ５８との間に直列に接続される。ツェナーダイオード９８の電圧定格は、母線２４上の電圧の最大許容値と電力スイッチング素子２８−３８の最大電圧定格との間で安全余裕をあたえるように選ばれる。母線２４の電圧がツェナーダイオード９８の選ばれた電圧値を越えたとき、ツェナーダイオード９８および抵抗１００を通って電流が流れ、この電流はコンデンサ５８に対する充電電流を構成し、これにより電動機４０に供給される励磁周波数を上昇させて、電動機動作を発電様式から電動機動作（力行）様式へ移行させる。このようにして、この制御システムは強制的に、電動機が減速するレート（速度）を、電動機の負荷（例えば、ポンプ）が運動エネルギを吸収できるレートに制限する。
【００２２】
一般に、専用のポンプによって供給される住宅用給水システムでは、住宅内での圧力を特定の限界内に保つためにポンプをオンおよびオフに切り換えるための水圧センサが用いられる。上側圧力限界と下側圧力限界との間の差は「ヒステリシス帯」とも呼ばれている。典型的な水道システムでは、上側圧力限界は６０ｐｓｉに設定され、且つ下側圧力限界は４０ｐｓｉに設定される。この場合、ヒステリシス帯は２０ｐｓｉである。このような給水システムでは、住宅内の水圧が４０ｐｓｉに低下したとき、圧力スイッチが閉じて、水中ポンプを駆動するために電動機を付勢する。現在利用可能なポンプ・システムでは、圧力スイッチは、閉じたとき、単相誘導電動機の２つの端子を６０Ｈｚの電力線路に接続して、電動機にトルクを発生させる。該トルクは最初の低い値から始まって、電動機速度の上昇につれて増大する。その後、電動機の速度は約３５００ｒｐｍに達し、ポンプは圧力が６０ｐｓｉに達するまで動作し続ける。圧力が６０ｐｓｉに達したとき、圧力スイッチが開いて、ポンプ電動機を交流電力線路から切り離す。
【００２３】
図２のシステムは、同じ一般的な態様で動作するが、但し、圧力スイッチが、電動機４０に制御された周波数の三相電力を供給するためにインバータ２７のスイッチング素子２８−３８へのゲート駆動信号の印加を開始するようにマイクロコントローラ４２へ信号を送るために使用される。
【００２４】
圧力スイッチ７４が閉じられたとき、１２ボルトの電圧が、抵抗７２およびコンデンサ７６より成るノイズ・フィルタに印加される。抵抗７２およびコンデンサ７６のＲＣ時定数は、ノイズを抑圧するのに充分な大きい値であるが、回路の過渡的動作時に有意な影響を及ぼさない程に充分に小さい値に選ばれている。したがって、コンデンサ７６上の電圧は抵抗６８および７０の中間点の電圧よりも大きい。その結果として、差動増幅器６０の非反転入力の電圧が反転入力の電圧より大きくなり、増幅器の出力電圧は１２ボルトに移行する。コンデンサ５８が差動増幅器６０の出力の１２ボルトに向かって充電し始める。マイクロコントローラ４２がコンデンサ５８上の電圧を対応する周波数に変換して、パルス幅変調（ＰＷＭ）ゲート駆動信号を発生し、これをゲート駆動回路４４に結合する。ゲート駆動回路４４は、ＰＷＭ信号を、スイッチング素子２８−３８の各々のゲート端子に印加するための適当な値に変換する。スイッチング素子２８−３８が導通状態および非導通状態にゲート駆動されるとき、直流母線２４および２５間の直流電圧が電動機の端子に印加するための三相電圧に変換される。電動機４０の電流が増加し始めると、電流検出抵抗２９を通る電流が正比例して増加する。電流検出抵抗２９の両端間の電圧が差動増幅器８２によって増幅され、次いで差動増幅器９０によって、マイクロコントローラ４２から供給される所望の電流レベルと比較される。電流検出抵抗２９によって検出された電動機電流がマイクロコントローラ４２によって設定された基準レベルよりも小さい限り、差動増幅器９０の出力は正であり、ダイオード９２は逆バイアスされている。しかし、電動機４０の電流が所望のレベルを越えると、差動増幅器９０の出力はほぼゼロボルトになって、ダイオード９２を順バイアスし、これによりコンデンサ５８から直列の抵抗９４およびダイオード９２を介して電流が流れる。電動機に供給される電力の周波数はコンデンサ５８の電圧に正比例するので、上記のようにコンデンサ５８が放電するにつれて、該電力の周波数が低下する。このように電動機電力周波数が低下すると、電動機の滑りが減少し、電動機電流も減少する。従って、図２のシステムは、電動機電力周波数を速いレートで、例えばゼロから全速まで１秒で上昇させることができ、電動機が所望の速度に達するのに必要な時間を最小にする。
【００２５】
漏電路３９で示すような漏電が存在する場合に、スイッチング素子がマイクロコントローラ４２によって導通状態にゲート駆動されたとき、漏電電流がスイッチング素子を破壊するほどの電流の流れを生じさせる大きさになることがある。本発明はこの問題を電動機の最初の始動時に防止し、そのためにスイッチング素子３４、３６および３８の各々に最初に１組の比較的短い持続時間のゲート駆動パルスを逐次的に印加するようにマイクロコントローラ４２をプログラムする。発明の背景の項で前に述べたように、漏電が存在しない限り、これらのスイッチング素子が導通状態にゲート駆動されたとき、電流検出抵抗２９には何ら電流が流れない。漏電が存在する場合は、電流検出抵抗２９に何らかの電流が流れる。好ましくは、最初のゲート駆動パルスの各々は持続時間を約１ミリ秒未満とし、望ましくは２マイクロ秒として、非常に低いインピーダンスの漏電路が存在する場合に障害電流を制限するようにする。より高いインピーダンスの漏電路の検出のために、別のすなわち第２組のゲート駆動パルスがスイッチング素子３４、３６および３８の各々に印加される、第２組のゲート駆動パルスの各々は約４マイクロ秒の持続時間を持つ。ここで、電流センサが応答できるようにするための遅延時間が各々のゲート駆動パルスの間に設けられ、この遅延時間は約４マイクロ秒であるが、コンデンサ８７および抵抗８６によって設定されるような電流センサすなわち電流検出回路に対する応答時間に応じて可変である。これらの最初の試験のいずれかで電流が検出された場合は、マイクロコントローラ４２が視覚的または聴覚的アラームを発生し且つシステムの動作を禁止する。電流が検出されなかった場合は、マイクロコントローラ４２は正規の動作を行い、電動機を付勢する。
【００２６】
ここで図３を参照すると、本発明の地絡／漏電試験を行うためにマイクロコントローラ４２で実施されるコンピュータ・プログラムのための簡略流れ図が示されている。水圧が低くなってポンプ電動機４０の作動を要求するためにスイッチ７４が閉じたとき、電動機始動命令として表される信号が、最初の１組のゲート駆動パルスの持続時間を２マイクロ秒に設定するプログラム（サブルーチン）を呼び出す（ブロック１１２）。次いで、マイクロコントローラ４２が負側のスイッチング素子３４、３６および３８の各々に１つずつゲート駆動パルスを逐次的に印加する（ブロック１１２、１１４および１１６）。各ゲート駆動パルスの印加後、時間遅延が設けられ、その間に電流検出回路が監視されて、該ゲート駆動パルスによって電流検出抵抗２９に電流が流れたかどうかを決定する（ブロック１１８、１２０および１２２）。ブロック１１８、１２０および１２２のいずれかで電流が検出された場合、マイクロコントローラ４２は障害状態を報知する（ブロック１２４）。何ら電流が検出されなかった場合は、プログラムは印加されたゲート駆動パルスの幅を検査し（ブロック１２６）、パルス幅が２マイクロ秒であるときはブロック１２８へ進み、そこでパルス幅を増大させて、漏電／地絡検出試験を繰り返す。プログラムの２回目も何ら電流が検出されなかった場合、再びパルス幅を２倍にして、上記の逐次的な試験を繰り返す。図示の例では、パルスの持続時間が６４マイクロ秒になるまで、パルス幅を逓倍して試験を繰り返す。しかし、パルス幅は負荷および回路の特性によって決定され、６４マイクロ秒よりも多くても少なくてもよい。試験の結果、何ら問題が無ければ、マイクロコントローラはサブルーチンを出て、通常の電動機始動に進む。
【００２７】
図３は、２マイクロ秒のゲート駆動パルスが好ましいとして示しているが、パルスの持続時間はシステムの特性およびスイッチング素子の動作に左右されることを認識されたい。同様に、漏電路が高インピーダンスである場合、パルス幅は４マイクロ秒より大きい（長い）ことが望ましい。一般的に、典型的なシステムでは約１ミリ秒を越えないパルス幅を必要とすると信じられる。更に、高および低インピーダンスの漏電路を識別するために２つのステップを使用したが、特に最初の２組のゲート駆動パルスが２マイクロ秒および４マイクロ秒の持続時間を持つ場合、３つ以上のステップを使用することが好ましい。例えば、第３のステップには１ミリ秒のゲート駆動パルスを使用することが、非常に高いインピーダンスの漏電路を確認するのに有用である。
【００２８】
一般に、漏電検出回路は人間の安全のために使用され、従って致命的と考えられる大きさよりも低い漏電電流を検出できなければならない。本発明の装置は、安全装置として機能することを意図したものではなく、むしろ漏電が生じた場合にシステムに対する損傷を防止する保護装置として機能することを意図している。地絡／漏電が存在している場合に、契約者（使用者）がシステムを付勢する前に地絡／漏電の有無を検査し損なったとき、マイクロコントローラまたは制御装置は損傷を受けて、交換を必要とする。使用者が故障の原因がシステム内での地絡／漏電であると認識し損なった場合は、使用者は交換を行った後に、同様な故障を生じさせることになる。従って、地絡／漏電によって誘起された故障に対する何らかの形の保護を設けることが重要になる。
【００２９】
本発明を好ましい実施態様について詳述したが、当業者には種々の変更および変形をなし得ることが明らかであろう。従って、本発明はこの特定の実施態様に限定されず、特許請求の範囲に記載の精神および範囲によって解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用し得る従来の水ポンプ・システムの簡略構成図である。
【図２】本発明を取り入れた、図１の水ポンプ・システムに対する制御システムの概略回路図である。
【図３】図２のシステムで本発明を実施するためのプログラムを示す流れ図である。
【符号の説明】
１    ポンプ
２、４０    交流誘導電動機
３    中孔
４、６    管
５    貯水タンク
７    制御装置
８    圧力センサ
１０    羽根車
１１    軸
２４    正の母線
２５    負の母線
２６    母線フィルタ・コンデンサ
２７    出力電力ブリッジ
２８、３０、３２、３４、３６、３８    電力スイッチング素子
２９    電流検出抵抗
３９    漏電路
４１    制御回路
４２    マイクロコントローラ
４４    ゲート駆動回路
５８    コンデンサ
６０    差動増幅器
７４    圧力スイッチ
８２、９０    差動増幅器
９８    ツェナーダイオード
１３７    増幅器
【図１】
0004012637.tif 000002
【図２】
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【図３】
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