JP4446955B2

JP4446955B2 - 分相始動単相モータ制御回路

Info

Publication number: JP4446955B2
Application number: JP2005308981A
Authority: JP
Inventors: 恒男長浜; 良彰横井; 俊典村地
Original assignee: 株式会社ツバキエマソン
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: JP2007124723A; US20070090784A1; US7405533B2

Description

本発明は、裁断機に使用される分相始動単相モータの駆動制御を行なう分相始動単相モータ制御回路に関するものである。

裁断機（シュレッダ）には、機械式ガバナスイッチを備える分相始動単相モータを、裁断機構の駆動源に使用しているものがある。このような裁断機では、始動時、分相始動単相モータの主巻線に電流を流すと共に、補助巻線に機械式ガバナスイッチを通じて電流を流す。これにより、モータの回転速度が立ち上がると、機械式ガバナスイッチがオフになり、補助巻線の電流が遮断され、以後、主巻線に流れる電流のみで、裁断機構を駆動している。

特許文献１には、補助巻線に誘起される起電圧で補助巻線を切り離す単相誘導電動機の起動制御装置が開示されている。
特許文献２には、補助巻線に誘起される起電圧で補助巻線を切り離す単相誘導電動機用始動装置が開示されている。
特許文献３には、始動後所定時間で補助巻線を切り離す単相誘導電動機の始動用電子回路が開示されている。
特許文献４には、モータ回転速度により補助巻線を切り離すガバナスイッチが開示されている。

特許文献５には、過負荷状態になると、補助巻線に通電して、加速又は再始動するモータ始動制御回路が開示されている。
特開昭５９−２８８８９号公報特開２０００−３２７８６号公報特許第２９４８９０２号公報特開２００５−１５１６２５号公報特開昭６４−４３０８１号公報

上述した従来の裁断機では、紙の裁断中に裁断機構の能力を超えると、紙を裁断することができず、図３（ａ）に示すように、分相始動単相モータの回転速度が低下する。回転速度が切替速度まで低下すると、機械式ガバナスイッチが再びオンになり（Ｃ）、補助巻線に電流が流れ、分相始動単相モータの出力トルクが大きくなって、再び紙を裁断し始める。
この状態で回転速度が切替速度まで立ち上がると（Ｄ）、機械式ガバナスイッチがオフになる（Ａ）。機械式ガバナスイッチがオフになり（Ａ）、トルクが不足して、紙を裁断できないときは、回転速度が切替速度まで低下するので（Ｂ）、機械式ガバナスイッチが再びオンになる（Ｃ）。

従来の裁断機では、以上により、機械式ガバナスイッチが、図３（ｂ）に示すように、オン、オフを繰り返すチャタリング現象を起こすという問題がある。
また、機械式ガバナスイッチがチャタリング現象を起こすと、分相始動単相モータの出力トルクが脈動して、裁断機のカッターに衝撃力が繰り返し加わり、カッターの変形、刃こぼれを引き起こすという問題がある。

また、このとき、機械式ガバナスイッチは、過負荷状態にある分相始動単相モータに流れる大きな負荷電流の開閉を繰り返すので、機械式ガバナスイッチの接点が開くときに、接点間に火花が生じ、接点寿命が短縮されるという部品寿命の問題、及び紙粉が発生する裁断機での火災に対する安全上の問題がある。
また、機械式ガバナスイッチを取り付けると、分相始動単相モータの外形が大きくなるという問題もある。
尚。機械式ガバナスイッチは、補助巻線に流れる電流を遮断するモータの回転速度を調整することができるが、過負荷時に再度、補助巻線に電流を流す適切な回転速度に、機械式ガバナスイッチの接点がチャタリングを起こさないように調整することは極めて困難である。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、裁断機に使用され、裁断能力の不足によるチャタリングが発生せず、カッターの変形及び刃こぼれを引き起こさず、火花発生による部品寿命短縮及び火災の虞がなく、また、分相始動単相モータの小型化を図ることができる分相始動単相モータ制御回路を提供することを目的とする。

第１発明に係る分相始動単相モータ制御回路は、紙を細かく裁断する裁断機の駆動に使用され、始動用の補助巻線を備える分相始動単相モータの駆動制御を行なう分相始動単相モータ制御回路において、電源が投入された後、直流電源から第１抵抗及び第１ダイオードを通じて充電される第１電解コンデンサと、該第１電解コンデンサの充電電圧及び所定電圧を比較し、該充電電圧の方が高いときにＬレベル信号を出力する第１比較器と、該第１比較器がＬレベル信号を出力しているときに導通するフォトトライアックと、該フォトトライアックが導通することにより、前記電源に導通して前記補助巻線に通電するトライアックと、該トライアック及び補助巻線の接続節点から第２抵抗及び第２ダイオードを通じて充電される第２電解コンデンサと、該第２電解コンデンサの充電電圧及び前記所定電圧を比較し、該充電電圧の方が高いときにＬレベル信号を前記第１抵抗及び第１ダイオードの接続節点に出力する第２比較器と、前記第１ダイオードに並列に接続され、前記第２比較器がＬレベル信号を出力しているときに、前記第１電解コンデンサを放電させる第３抵抗と、前記第２電解コンデンサに並列に接続され、該第２電解コンデンサを放電させる第４抵抗とを備えることを特徴とする。

この分相始動単相モータ制御回路では、紙を細かく裁断する裁断機の駆動に使用され、始動用の補助巻線を備える分相始動単相モータの駆動制御を行なう。
電源が投入された後、第１電解コンデンサが、直流電源から第１抵抗及び第１ダイオードを通じて充電され、第１比較器が、第１電解コンデンサの充電電圧及び所定電圧を比較し、充電電圧の方が高いときにＬレベル信号を出力する。第１比較器がＬレベル信号を出力しているときに、フォトトライアックが導通し、フォトトライアックが導通することにより、トライアックが、電源に導通して補助巻線に通電する。第２電解コンデンサが、トライアック及び補助巻線の接続節点から第２抵抗及び第２ダイオードを通じて充電され、第２比較器が、第２電解コンデンサの充電電圧及び所定電圧を比較し、充電電圧の方が高いときにＬレベル信号を第１抵抗及び第１ダイオードの接続節点に出力する。第１ダイオードに並列に接続された第３抵抗が、第２比較器がＬレベル信号を出力しているときに、第１電解コンデンサを放電させ、第２電解コンデンサに並列に接続された第４抵抗が、第２電解コンデンサを放電させる。

第２発明に係る分相始動単相モータ制御回路は、前記第１比較器は、第１電解コンデンサの充電電圧の方が低いときに、Ｈレベル信号を出力して、前記フォトトライアックを非導通にし、前記第２比較器は、第２電解コンデンサの充電電圧の方が低いときに、Ｈレベル信号を前記第１抵抗及び第１ダイオードの接続節点に出力して、前記直流電源から第１抵抗及び第１ダイオードを通じて第１電解コンデンサに充電させ、前記第２電解コンデンサの充電電圧は、前記分相始動単相モータが回転しているときは、前記所定電圧を下回らないように構成されていることを特徴とする。
この分相始動単相モータ制御回路では、第１比較器は、第１電解コンデンサの充電電圧の方が低いときに、Ｈレベル信号を出力して、フォトトライアックを非導通にし、第２比較器は、第２電解コンデンサの充電電圧の方が低いときに、Ｈレベル信号を第１抵抗及び第１ダイオードの接続節点に出力して、直流電源から第１抵抗及び第１ダイオードを通じて第１電解コンデンサに充電させる。第２電解コンデンサの充電電圧は、分相始動単相モータが回転しているときは、所定電圧を下回らないようになっている。

本発明に係る分相始動単相モータ制御回路によれば、裁断機に使用され、裁断能力の不足によるチャタリングが発生せず、カッターの変形及び刃こぼれを引き起こさず、火花発生による部品寿命短縮及び火災の虞がなく、また、分相始動単相モータの小型化を図ることができる分相始動単相モータ制御回路を実現することができる。

以下に、本発明を、その実施の形態を示す図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る分相始動単相モータ制御回路の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。この裁断機の分相始動単相モータ制御回路は、端子Ｕ，Ｖ間に交流電源が与えられ、端子Ｕ，Ｖは、分相始動単相モータ１の主巻線４の両端に接続されている。また、始動制御回路３の端子Ｘ，Ｙ間に交流電源が与えられ、端子Ｘ，Ｙは、始動制御回路３の端子Ｘ１，Ｙ１を各経由して、分相始動単相モータ１の補助巻線５の両端に接続されている。

始動制御回路３は、端子Ｘ，Ｙ間に制御電源回路２０が接続され、制御電源回路２０は、交流電源を制御用の直流電源Ｖccに変換して出力する。
端子Ｘには、抵抗７ｂ及びトライアック（triode AC switch）（第１通電手段、第２通電手段）７の各一方の端子が接続され、抵抗７ｂの他方の端子は、フォトトライアック（第１通電手段、第２通電手段）７ａの二次側の一方の端子に接続され、二次側の他方の端子は、トライアック７のゲートに接続されている。トライアック７の他方の端子は端子Ｘ１に接続されている。
トライアック７の他方の端子及び端子Ｘ１間に、抵抗３１（検出する手段）の一方の端子が接続され、他方の端子は、ダイオード（検出する手段）３２のアノードに接続されている。ダイオード３２のカソードは、ツェナーダイオード３３のカソード、抵抗３４の一方の端子、及び電解コンデンサ（検出する手段）３５の陽極に接続され、ツェナーダイオード３３のアノード、抵抗３４の他方の端子、及び電解コンデンサ３５の陰極は接地されている。

電解コンデンサ３５の陽極電圧Ｅ２が、比較器（判定する手段）４１のマイナス端子に与えられ、比較器４１のプラス端子には、直流電源Ｖccの抵抗２１，２２による分圧Ｅ１が与えられている。
比較器４１の出力端子は、抵抗（第１通電手段、第２通電手段）４２を通じて直流電源Ｖccに、抵抗（第１通電手段、第２通電手段）４３を通じて比較器（第１通電手段、第２通電手段）５１のマイナス端子及び電解コンデンサ（第１通電手段、第２通電手段）４５の陽極に接続されている。電解コンデンサ４５の陰極は接地されている。

ダイオード４４のアノードが比較器４１の出力端子に接続され、カソードは電解コンデンサ４５の陽極に接続されている。
比較器５１のプラス端子には、直流電源Ｖccの抵抗２１，２２による分圧Ｅ１が与えられ、その出力端子は、フォトトライアック７ａの一次側及び抵抗５２を通じて、直流電源Ｖccに接続されている。

以下に、このような構成の分相始動単相モータ制御回路の動作を、それを示す図２のタイミングチャートを参照しながら説明する。
始動時ｔ０には、端子Ｕ，Ｖ間及び端子Ｘ，Ｙ間に同時に交流電源が供給され始め、これにより、主巻線４に交流電流Ｉｍが流れる（図２（ａ））。
始動時ｔ０に、始動制御回路３の端子Ｘ，Ｙ間に交流電源が供給されると、制御電源回路２０は交流電源を直流電源Ｖccに変換して出力し、直流電源Ｖccの抵抗２１，２２で分圧された電圧Ｅ１は、比較器４１，５１の各プラス端子に与えられる（ｂ）。

この時点では、電解コンデンサ３５は充電されていないので、比較器４１のマイナス端子に入力される電圧Ｅ２は、Ｅ２＜Ｅ１であり（ｂ）、比較器４１の出力電圧Ｅ３はＨレベルとなる（ｃ）。その為、直流電源Ｖccから抵抗４２，４３及びダイオード４４を通じて、充電電流が流れ、コンデンサ４５の充電電圧（陽極電圧）Ｅ４は上昇する（ｄ）。

コンデンサ４５の充電電圧Ｅ４が上昇して、時刻ｔ１で、Ｅ４＞Ｅ１となると（ｄ）、比較器５１の出力電圧Ｅ５はＬレベルになり（ｅ）、直流電源Ｖccから抵抗５２を通じてフォトトライアック７ａの一次側に電流が流れ、フォトトライアック７ａの二次側が導通する。これにより、抵抗７ｂを通じてトライアック７のゲートにゲート電流Ｉｆが流れて、トライアック７が導通し、補助巻線５に交流電流Ｉａが流れ始め（ｆ）、分相始動単相モータ１が始動する。

トライアック７が導通すると、抵抗３１及びダイオード３２を通じて、ツェナーダイオード３３、抵抗３４及び電解コンデンサ３５の並列回路に電流が流れ、電解コンデンサ３５が充電される。これにより、その充電電圧（陽極電圧）Ｅ２が、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧でクランプされる迄上昇するが、その上昇途中の時刻ｔ２で、Ｅ２＞Ｅ１に反転する（ｂ）。
Ｅ２＞Ｅ１の状態で、ダイオード３２が遮断状態であるとき（交流電流Ｉｍがマイナスのとき）は、電解コンデンサ３５は、抵抗３４を通じて放電する（（ｂ）では図示を一部省略）が、その充電電圧Ｅ２は、通常の運転状態では、Ｅ１を下回ることはない（ｂ）。

時刻ｔ２で、Ｅ２＞Ｅ１に反転すると（ｂ）、比較器４１の出力電圧Ｅ３はＬレベルになり（ｃ）、電解コンデンサ４５から抵抗４３を通じて放電電流が流れ、その充電電圧Ｅ４は降下する（ｄ）。充電電圧Ｅ４が降下して、時刻ｔ３でＥ４＜Ｅ１に反転し（ｄ）、比較器５１の出力電圧Ｅ５がＨレベルになると（ｅ）、フォトトライアック７ａの一次側に流れる電流が遮断され、フォトトライアック７ａの二次側が非導通になる。これにより、トライアック７のゲート電流Ｉｆが遮断されるので、トライアック７は非導通になり、補助巻線５に流れる交流電流Ｉａは遮断される（ｆ）。（ｔ３−ｔ１＝第１時間）

この状態では、分相始動単相モータ１は、回転速度が所定の回転数以上に立ち上がっているので、主巻線４に流れる電流Ｉｍのみにより（ａ）回転し続ける。その結果、電流Ｉａを遮断された補助巻線５には、分相始動単相モータ１の回転速度に応じた誘起電圧が誘起される。
トライアック７が非導通になると、電解コンデンサ３５の充電電圧Ｅ２は降下するが、抵抗３１及びダイオード３２を通じて与えられる誘起電圧により、Ｅ２＞Ｅ１は維持される（ｂ）。

主巻線４に流れる電流Ｉｍにより（ａ）運転している分相始動単相モータ１は、裁断機で紙の裁断中に裁断能力を超えて過負荷になると、回転速度が低下し、補助巻線５に誘起される誘起電圧が低下する。
補助巻線５に誘起される誘起電圧が低下すると、電解コンデンサ３５に充電電流が供給されなくなり、また、電解コンデンサ３５は、抵抗３４を通じて放電する。その結果、時刻ｔ４で、Ｅ２＜Ｅ１に反転し（ｂ）、比較器４１の出力電圧Ｅ３は上昇し始める（ｃ）。これにより、直流電源Ｖccから抵抗４２，４３及びダイオード４４を通じて、電解コンデンサ４５へ充電電流が流れ始め、電解コンデンサ４５の充電電圧Ｅ４は上昇する（ｄ）。

電解コンデンサ４５の充電電圧Ｅ４が、時刻ｔ５で、Ｅ４＞Ｅ１に反転すると（ｄ）、比較器５１の出力電圧Ｅ５はＬレベルになり（ｅ）、直流電源Ｖccから抵抗５２を通じてフォトトライアック７ａの一次側に電流が流れ、フォトトライアック７ａの二次側が導通する。これにより、抵抗７ｂを通じてトライアック７のゲートにゲート電流Ｉｆが流れて、トライアック７が導通し、補助巻線５に交流電流Ｉａが流れ始め（ｆ）、分相始動単相モータ１の出力トルクが大きくなって、円滑に裁断機が紙を裁断し始める。また、分相始動単相モータ１は、回転速度が上昇するので、拘束されて停止状態になるのを回避することができ、主巻線４に流れる電流Ｉｍが減少して、正常な状態に戻る。

トライアック７が導通すると、抵抗３１及びダイオード３２を通じて、ツェナーダイオード３３、抵抗３４及び電解コンデンサ３５の並列回路に電流が流れ、電解コンデンサ３５が充電される。これにより、その充電電圧Ｅ２が、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧でクランプされる迄上昇するが、その上昇途中の時刻ｔ６で、Ｅ２＞Ｅ１に反転する（ｂ）。
Ｅ２＞Ｅ１の状態で、ダイオード３２が遮断状態であるとき（交流電流Ｉｍがマイナスのとき）は、電解コンデンサ３５は、抵抗３４を通じて放電するが、その充電電圧Ｅ２は、通常の運転状態では、Ｅ１を下回ることはない（ｂ）。

時刻ｔ６で、Ｅ２＞Ｅ１に反転すると（ｂ）、比較器４１の出力電圧Ｅ３はＬレベルになり（ｃ）、電解コンデンサ４５から抵抗４３を通じて放電電流が流れ、その充電電圧Ｅ４は降下する（ｄ）。充電電圧Ｅ４が降下して、時刻ｔ７でＥ４＜Ｅ１に反転し（ｄ）、比較器５１の出力電圧Ｅ５がＨレベルになると（ｅ）、フォトトライアック７ａの一次側に流れる電流が遮断され、フォトトライアック７ａの二次側が非導通になる。
これにより、トライアック７のゲート電流Ｉｆが遮断されるので、トライアック７は非導通になり、補助巻線５に流れる交流電流Ｉａは遮断される（ｆ）。以下、同様に、裁断機で紙の裁断中に裁断能力を超えて過負荷になり、回転速度が低下する都度、所定時間（ｔ７−ｔ５＝第２時間）、トライアック７が導通し、補助巻線５に交流電流Ｉａが流して、円滑に裁断機が紙を裁断できるようにする。

本発明に係る分相始動単相モータの制御方法及び分相始動単相モータ制御回路の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。本発明に係る分相始動単相モータ制御回路の動作及び分相始動単相モータの制御方法を示すタイミングチャートである。従来の分相始動単相モータ制御回路の動作及び分相始動単相モータの制御方法を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１分相始動単相モータ
３始動制御回路
４主巻線
５補助巻線
７トライアック（第１通電手段、第２通電手段）
７ａフォトトライアック（第１通電手段、第２通電手段）
７ｂ，２１，２２，３４抵抗
２０制御電源回路
３１抵抗（検出する手段）
３２ダイオード（検出する手段）
３３ツェナーダイオード
３５電解コンデンサ（検出する手段）
４１比較器（判定する手段）
４２，４３抵抗（第１通電手段、第２通電手段）
４４ダイオード
４５電解コンデンサ（第１通電手段、第２通電手段）
５１比較器（第１通電手段、第２通電手段）
Ｖcc 直流電源

Claims

紙を細かく裁断する裁断機の駆動に使用され、始動用の補助巻線を備える分相始動単相モータの駆動制御を行なう分相始動単相モータ制御回路において、
電源が投入された後、直流電源から第１抵抗及び第１ダイオードを通じて充電される第１電解コンデンサと、該第１電解コンデンサの充電電圧及び所定電圧を比較し、該充電電圧の方が高いときにＬレベル信号を出力する第１比較器と、該第１比較器がＬレベル信号を出力しているときに導通するフォトトライアックと、該フォトトライアックが導通することにより、前記電源に導通して前記補助巻線に通電するトライアックと、該トライアック及び補助巻線の接続節点から第２抵抗及び第２ダイオードを通じて充電される第２電解コンデンサと、該第２電解コンデンサの充電電圧及び前記所定電圧を比較し、該充電電圧の方が高いときにＬレベル信号を前記第１抵抗及び第１ダイオードの接続節点に出力する第２比較器と、前記第１ダイオードに並列に接続され、前記第２比較器がＬレベル信号を出力しているときに、前記第１電解コンデンサを放電させる第３抵抗と、前記第２電解コンデンサに並列に接続され、該第２電解コンデンサを放電させる第４抵抗とを備えることを特徴とする分相始動単相モータ制御回路。
前記第１比較器は、第１電解コンデンサの充電電圧の方が低いときに、Ｈレベル信号を出力して、前記フォトトライアックを非導通にし、前記第２比較器は、第２電解コンデンサの充電電圧の方が低いときに、Ｈレベル信号を前記第１抵抗及び第１ダイオードの接続節点に出力して、前記直流電源から第１抵抗及び第１ダイオードを通じて第１電解コンデンサに充電させ、前記第２電解コンデンサの充電電圧は、前記分相始動単相モータが回転しているときは、前記所定電圧を下回らないように構成されている請求項１記載の分相始動単相モータ制御回路。