特許 6342317 モータ制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6342317

(24)【登録日】2018年5月25日

(45)【発行日】2018年6月13日

(54)【発明の名称】モータ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/64 20160101AFI20180604BHJP

   H02P 29/024 20160101ALI20180604BHJP

【ＦＩ】

   H02P29/64

   H02P29/024

【請求項の数】21

【全頁数】39

(21)【出願番号】特願2014-251411(P2014-251411)

(22)【出願日】2014年12月12日

(65)【公開番号】特開2016-116273(P2016-116273A)

(43)【公開日】2016年6月23日

【審査請求日】2017年2月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】梁田 哲男

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 宏一郎

(72)【発明者】

【氏名】小島 利晴

(72)【発明者】

【氏名】小林 澄男

【審査官】 池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０８９０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２７５５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８８１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０９２１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５０５４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６３０１０９０（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２９／６４

Ｈ０２Ｐ ２９／０２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流モータの駆動電力の供給を制御するモータ制御装置であって、
前記交流モータの入力電力及び出力電力の差である全損失を検出し、
前記交流モータに流れる電流が定格電流値超えるときに、前記全損失に所定の重みを所定時間毎に加算した値を累積積算することで前記交流モータの熱量に基づいて交流モータの巻線温度熱量を求め、
前記交流モータに流れる電流が定格電流以下のときに、該累積積算した交流モータの熱量から所定の重みを減算した前記交流モータの熱量に基づいて交流モータの巻線温度熱量を求め、
前記巻線熱量が第一の閾値に達したとき、前記駆動電力の供給を停止する制御部を有するモータ制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、前記巻線熱量が前記第一の閾値に達する前の第二の閾値に達したとき、
前記駆動電力の供給を継続すると共に外部に報知信号を出力するモータ制御装置。

【請求項3】

交流モータの駆動電力の供給を制御するモータ制御装置であって、
前記交流モータの入力電力及び出力電力の差である全損失を検出し、
前記全損失と、前記交流モータの単位時間当たりの放熱量との偏差を積算して得られた熱量に基づいて、前記交流モータの巻線温度上昇値を算出し、
前記巻線上昇値が第一の閾値に達したとき、前記駆動電力の供給を停止する制御部を有するモータ制御装置。

【請求項4】

請求項３に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記全損失と、前記放熱量との偏差を積算した値を、前記交流モータの質量と前記交流モータの比熱を乗じた値で除算し、
該除算値から前記交流モータの周囲温度を減算し、
該減算値に、前記交流モータの熱伝達係数と前記モータの表面積を乗じた値を乗ずることにより前記放熱量を求めるモータ制御装置。

【請求項5】

請求項４に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
該除算値から前記交流モータの周囲温度を減算して得た減算値に、更に、一次遅れ関数を乗ずることにより前記放熱量を求めるモータ制御装置。

【請求項6】

交流モータの駆動電力の供給を制御するモータ制御装置であって、
前記交流モータの入力電力及び出力電力の差である全損失を検出し、
前記全損失を積算した全熱量と、前記交流モータの単位時間当たりの放熱量を積算した全放熱量との偏差として得られた熱量に基づいて、前記交流モータの巻線温度上昇値を算出し、
前記巻線上昇値が第一の閾値に達したとき、前記駆動電力の供給を停止する制御部を有するモータ制御装置。

【請求項7】

請求項６に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記全損失を積算した全熱量と、前記交流モータの単位時間当たりの放熱量を積算した全放熱量との偏差を、前記交流モータの質量と前記交流モータの比熱を乗じた値で除算し、
該除算値から前記交流モータの周囲温度を減算し、
該減算値に、前記交流モータの熱伝達係数と前記モータの表面積を乗ずることで得る単位時間当たりの放熱量を積算して前記全放熱量を求めるモータ制御装置。

【請求項8】

請求項７に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
該除算値から前記交流モータの周囲温度を減算して得た減算値に、更に、一次遅れ関数を乗ずることにより前記全放熱量を求めるモータ制御装置。

【請求項9】

請求項１に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記交流モータの相電圧及び相電流の瞬時値積を演算して得た値に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電力を加算して前記入力電力を算出し、
前記交流モータの定格回転速度、トルク及び０．１０４７を乗ずることで前記出力電力を算出するモータ制御装置。

【請求項10】

請求項９に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、前記入力電力から前記交流モータの無負荷損を減算し、トルク比例定数（１／ｋｓ）を乗ずることで前記トルクを算出するモータ制御装置。

【請求項11】

請求項９に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、更に、電流に基づく銅損から巻線容量の特定値を定め、該巻線容量の特定値が前記第一の閾値に達すると、前記交流モータに駆動電力の供給を停止する機能を実行するものであり、
前記交流モータの無負荷電流、無負荷損及びトルク比例定数が記憶部に記憶されていない場合に、前記機能を実行しながら該無負荷電流、無負荷損及びトルク比例定数のチューニングを実行し、
チューニング完了後は、前記入力電力及び出力電力の差分である全損失に、所定の重みを所定時間毎に加減算した値を累積積算することで得られる前記交流モータの熱量に基づいて求めた交流モータの巻線温度熱量が前記第一の閾値に達すると、前記交流モータに駆動電力の供給を停止するものであるモータ制御装置。

【請求項12】

請求項１１に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記交流モータの負荷が軽負荷に移行し、入力電力が零を通過して元に戻る過度状態の時に最少となる電流を無負荷電流及びその時の入力電力を無負荷損として検出し、
ｎ回（ｎ≧１の整数）検出された値から、夫々の平均無負荷電流Ｉｏ（ａｖｅ）及び平均無負荷損Ｗｏ（ａｖｅ）を求め、
予め記憶された、前記交流モータの定格電流及び定格トルクに基づいて、交流モータに定格電流が流れた時、入力電力を計測し、
前記定格トルク／（前記入力電力−平均無負荷損Ｗｏ（ａｖｅ））を演算し、この値をトルク比例定数 １／ｋｓとして一時保存し、該演算をｎ回（ｎ≧１の整数）実施して、１／ｋｓ（ａｖｅ）を得ることで、前記チューニングを実行するモータ制御装置。

【請求項13】

請求項１０に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記交流モータの無負荷電流、無負荷損、トルク比例定数、定格電流、定格トルク及び定格回転速度の少なくとも１つを含むモータ定数に関するデータを、通信可能に接続された外部コンピュータから受信し、記憶するモータ制御装置。

【請求項14】

請求項１、３又は６に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記交流モータの耐熱クラスの最高許容温度と、前記モータの使用温度範囲の上限値とを記憶すると共に前記交流モータの周囲温度を固定値として記憶し、
前記最高許容温度から少なくとも前記上限値を減じた温度を、前記第一の閾値として求めるモータ制御装置。

【請求項15】

請求項１４に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記交流モータから検出された周囲温度検出値の入力を更に受け、
前記最高許容温度から少なくとも前記上限値を減じた温度に、前記上限値から周囲温度検出値を減じた温度を加算して、前記第一の閾値として求めるモータ制御装置。

【請求項16】

請求項１４又は１５に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、更に、余裕マージン温度を更に記憶し、
前記最高許容温度から更に余裕マージン温度を減じて、前記第一の閾値として求めるモータ制御装置。

【請求項17】

請求項１、３又は６に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、前記巻線上昇値が、前記第一の閾値に達する前の第二の閾値に達したとき、前記駆動電力の供給を継続すると共に外部に報知信号を出力するモータ制御装置。

【請求項18】

請求項１、３又は６に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
外部コンピュータから少なくとも前記交流モータの電圧、電流、入力電力及びトルクの測定指示の受信と、該測定指示による同期トレースの結果の送信とを行う通信コネクタと、
前記交流モータに設置されたブレーキの動作状態を出力するセンサからの信号の受信と、
前記交流モータのコイルのスター−デルタ結線の切り替え及び極数変換の切り替えタイミングを示す信号との少なくとも一方の受信とを行うデジタル入力端子とを備えるモータ制御装置。

【請求項19】

請求項１、３又は６に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
外部コンピュータから少なくとも前記交流モータの電圧、電流、入力電力及びトルクの測定指示の受信と、該測定指示による同期トレースの結果の送信とを行う通信コネクタと、
前記交流モータに設置された軸受振動センサからの信号と、
前記交流モータに設置された周囲温度検出センサからの信号との少なくとも一方を受信するアナログ入力端子とを備えるモータ制御装置。

【請求項20】

請求項１、３又は６に記載のモータ制御装置であって、
前記制御部が、
前記交流モータを運転及び停止するタイミングで上位装置から送信される現在時間情報を受信し、
前記交流モータの電圧、電流、入力電力を計測し、
前記交流モータのトルク、負荷率、出力電力、全損失電力及びモータ効率を演算し、
計測した前記入力電力から前記交流モータの運転時間を求め、該運転時間中の入力電力、出力電力、全損失電力及びトルクを時間積算し、
上位装置から通知される前記現在時間情報を起点とした所定期間における入力電力量、出力電力量、全損失電力量、トルク時間積、前記交流モータの運転時間及び過負荷保護トリップによる停止時間並びに停止回数を求め、
トルク時間積／交流モータの運転時間により平均トルク、平均トルク／定格トルクにより平均負荷率を求め、
前記所定期間当たりの出力電力量／前記所定期間当たりの入力電力量で前記交流モータのモータ効率を求め、
これらを前記上位装置に出力するモータ制御装置。

【請求項21】

請求項１、３又は６に記載のモータ制御装置が、過負荷保護継電器であるモータ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ制御装置に係り、交流モータの過負荷保護を行うモータ制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化防止、オゾン層の保護など地球環境を守ることが大きな課題となっている。日本における産業部門でのエネルギ使用量は国全体の５０％以上といわれ、そのうち平均的な工場で使用される電力量の７０％がモータを通して使用されるといわれている。このため省エネ法等では工場全体のエネルギ効率向上が取り上げられ、商用電源で駆動される誘導モータ効率値に対するＪＩＳ（日本工業規格）の制定などがあり、高効率モータの導入が加速している。

【0003】

規格の制定により交流モータの世代交代が進む中、モータの過負荷保護を行う制御装置の開発も種々のものがされている。このような制御装置として、例えば、過負荷保護継電器がある。過負荷保護継電器には、電磁接触器と組み合わせて使用するタイプや、特許文献１が開示するように、バイメタルの過熱を、主回路電流のバイメタル中通流による直熱式で行い、加熱時のバイメタルの湾曲を行わせ、湾曲動作に基づく過電流遮断を行うタイプもある。また、特許文献２は、過電流継電器を２台使用し過負荷時間帯用の高電流域保護と、一般時間帯用の低電流域保護とを、モータの電流または電力の大小で自動的に入切して使用しているものを開示する。これらはいずれもモータ主回路の電流に応じて過電流保護による遮断を行っている。

【0004】

また、非特許文献１は以下を開示する。交流モータの温度上昇は、負荷の増加と共に増加する銅損と漂遊負荷損があり、鉄損と機械損は負荷によらず一定である。銅損はモータの巻線抵抗による一次銅損と誘導モータでは回転子側で発生する二次銅損がある。鉄損はモータの磁気回路の磁束密度に依存する。このためモータの温度上昇はモータの損失に関係するが、モータの電流に関係するものと関係しないものとが混在し、その影響は損失量の割合に委ねられ、これにモータ電流の大小の割合が加わる。また、交流モータの世代交代が進み、各種各様のモータが存在し個々のモータの過負荷特性である過電流要素、時間的要素もそれぞれ異なっている。

【0005】

このように過負荷特性に正確に対応できるモータ制御装置が求められ、更に、実運転上のモータの負荷率に対し、モータの損失や効率がどのくらいかを数値で把握でき、どの様にすれば省エネが図れるかが明示できるシステム作りが望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平０９−０９２１１７号公報

【特許文献2】特開平０８−１０４４８９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】特集ＩＭ＆ＰＭ Ｍｏｔｏｒ「誘導電動機とＰＭモータ」資料提供 (株) 日立産機システム 編集 (株) オーム社 (新電気２０１２年１，２月号抜刷第６６巻１，２号第８４１，８４２号)２０１２年３月１日発行

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

モータの過負荷保護特性はそれぞれのモータ設計により各種各様である。例えば、鉄損の大きいモータであるにも関わらず、銅損が支配的であるとする様な間違った予想をすると、過負荷保護特性は主回路電流の２乗で増加するため、短時間の過負荷で早めに保護動作を開始してしまうという虞もある。実際には電流増減に影響しない鉄損も存在するため、モータにはまだ余裕があるにもかかわらず保護動作のみが先に働いてしまうことで過負荷と判定されることもある。この結果、ユーザは、出力が必要以上に格上げとなるモータに交換してしまうという虞もある。

【0009】

また、短時間の過大負荷が印加される機械では、モータの巻線温度が何度まで上昇し、モータの耐熱クラスが何度で余裕があるのか否かの予想がつかないということもある。これらを予測する場合、モータ全体の損失量を検出しなければならないが、漂遊負荷損は、実際には全損失から銅損、鉄損及び機械損を差し引いた残りを漂遊負荷損と見做す等の計測が現場で扱われており、定量的な予測が極めて難しい。モータの全損失を如何に正確に検出するかが１つの課題となる。

【0010】

また、過負荷保護を行うモータ制御装置は、商用電源で駆動される交流モータの過負荷保護を行なうが、ＣＶＣＦ方式ＰＷＭ駆動インバータやドライバで駆動される３相交流モータに対して、過負荷保護継電器は適用できない場合もある。即ち電源周波数の異同（例えば、日本国における５０Ｈｚ、６０Ｈｚ地区）によるモータ回転速度の変換や、電源投入停止時、急激な加速或いは停止の防止のためソフトスタートやソフトストップ等の為に、始動・停止のみＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）方式で運転し、一定速運転に達した後のほとんどの時間はＣＶＣＦ方式ＰＷＭ駆動インバータやドライバで使用する事があるからである。

【0011】

モータの入力電力量は、例えば上位装置であるＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により測定されることで省エネ効果が表示される場合もあるが、個々のモータから直接、出力電力量、損失電力量、負荷率まで測定している訳ではない。
他方、モータの運転状態を過負荷保護しながら監視している機器として過負荷保護継電器があり、ほぼモータ１台に対し１台設置されることが行われている。

【0012】

モータの過負荷保護をしながら、モータの入出力並びに損失電力量、平均負荷率及び効率の測定等によりユーザが省エネ効果を数値で明確に示すことが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち交流モータの駆動電力の供給を制御するモータ制御装置であって、前記交流モータの入力電力及び出力電力の差である全損失を検出し、前記全損失を所定時間毎の加減算によって累積積算して得られる前記交流モータの熱量に基づいて交流モータの巻線熱量を求め、前記巻線熱量が第一の閾値に達したとき、前記駆動電力の供給を停止する制御部を有するモータ制御装置である。

【0014】

更に、他の構成としては、モータ制御装置であって、前記制御部が、交流モータを運転及び停止するタイミングで上位装置から送信される現在時間情報を受信し、交流モータの電圧、電流、入力電力を計測し、交流モータのトルク、負荷率、出力電力、全損失電力及びモータ効率を演算し、計測した前記入力電力から前記交流モータの運転時間を求め、該運転時間中の入力電力、出力電力、全損失電力及びトルクを時間積算し、上位装置から通知される前記現在時間情報を起点とした所定期間における入力電力量、出力電力量、全損失電力量、トルク時間積、前記交流モータの運転時間及び過負荷保護トリップによる停止時間並びに停止回数を求め、トルク時間積／交流モータの運転時間により平均トルク、平均トルク／定格トルクにより平均負荷率を求め、前記所定期間当たりの出力電力量／前記所定期間当たりの入力電力量で前記交流モータのモータ効率を求め、これらを前記上位装置に出力するモータ制御装置である。

【発明の効果】

【0015】

本発明の一側面によれば、モータの熱量の基である全損失で、モータの巻線温度上昇値を管理するため交流モータの仕様に左右されることなく過負荷保護の精度が向上する、また、漂遊負荷損のように把握が困難な損失があっても、全損失量として正確に把握することができる。

【0016】

また、通信コネクタを通して、上位装置に、モータ毎の入出力電力量、全損失電力量、電圧、電流、トルク、力率、負荷率、モータの効率などの運転情報及び所定期間の運転情報を可視化によって把握することができ、省エネ等の管理の利便性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明を適用した一実施形態である過負荷保護継電器と接続する交流モータの駆動時における入力電力、出力電力及び全損失の関係を示す模式図である。

【図2】本実施形態による交流モータの回生時における入力電力、出力電力及び全損失の関係を示す模式図である。

【図3】本実施形態による交流モータの特性を示す模式図である。

【図4】第１実施形態による過負荷保護継電器の回路構成図である。

【図5】第１実施形態の変形例による過負荷保護継電器の回路構成図である。

【図6】第１実施形態による過負荷保護継電器の処理の流れを示すフロー図である。

【図7】第１（第２及び第３）実施形態の過負荷保護継電器における入力電力Pin演算処理ブロック図を説明する図である。

【図8】第１実施形態による過負荷保護継電器の過負荷保護トリップ動作特性を説明する模式図である。

【図9】図８での全損失４００％を与えた時の重み値を説明する模式図である。

【図10】図８での過負荷保護トリップ動作特性を加減算時の重み値Ｐｄで表した模式図である。

【図11】第１実施形態での過負荷保護トリップの解除及びサーミスタの解除条件の設定例を示す模式図である。

【図12】図１１の解除条件下での過負荷保護継電器の過負荷保護トリップ動作及びトリップ解除動作を説明するタイムチャートで有る。

【図13】第２実施形態よる過負荷保護継電器の処理の流れを示すフロー図である。

【図14】第２実施形態による過負荷保護継電器の「第１熱モデル」を説明する図である。

【図15】第２実施形態による過負荷保護継電器の「第２熱モデル」を説明する図である。

【図16】第２実施形態による過負荷保護継電器の「第３熱モデル」を説明する図である。

【図17】第２実施形態による過負荷保護継電器の「第４熱モデル」を説明する図である。

【図18】第２実施形態によるモータ枠、一次巻線の温度上昇値の関係を説明する模式図である。

【図19】図１４〜図１７の熱モデルでのモータの巻線温度上昇の動作を説明する模式図である。

【図20】過負荷と判定する第一の閾値である許容温度上昇値の内容を示す模式図である。

【図21】第３実施形態による過負荷保護継電器の処理の流れを示すフロー図である。

【図22】第３実施形態によるモータ定数チューニング処理の流れを示すフロー図である。

【図23】図２２のモータ定数チューニングを説明する模式図である。

【図24】第４実施形態による過負荷保護継電器にインストールされるプログラム構成の模式図である。

【図25】第４実施形態による過負荷保護継電器にインストールされる他のプログラム構成の模式図である。

【図26】本実施形態により過負荷保護継電器から出力する交流モータに関する各種情報の表示例を示す模式図である。

【図27】本実施形態による過負荷保護継電器を適用した管理システムの構成を示す模式図である。

【図28】本実施形態による過負荷保護継電器から出力する交流モータに関する各種情報を用いてのモータ効率等の比較を示す模式図である。

【図29】図５に示す第１実施形態の変形例の構成をＰＷＭ出力ドライバに応用した構成例を示す模式図である。

【図30】図２９に示すＬＣフィルタ５１を説明する回路構成図である。

【図31】本実施形態による交流モータに設置した振動センサと過負荷保護継電器との構成を示す模式図である。

【図32】本実施形態による交流モータの周囲温度を検出するサーミスタと過負荷保護継電器との構成を示す模式図である。

【図33】本実施形態による交流モータに取り付けられたブレーキのタイミング測定を説明する図である。

【図34】本実施形態による過負荷保護継電器にモータ定数のダウンロード及びインストールする為のデータの経路構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を適用した一実施形態である過負荷保護継電器９について説明する。
先ず、本実施形態の過負荷保護継電器９の概要について述べる。
交流モータは、電気エネルギを仕事のエネルギに変える働きをする。しかしながら、交流モータに入力される入力電力Ｐinは、そのすべてが仕事のエネルギとして役立つ訳でなく、一部はモータの内部で損失として消費され、熱や更に一部は音となる。仕事に役に立つ電力は出力電力Ｐoutで、モータに連結された負荷にトルクＴｆと、回転速度Ｎｆとを与える。入力及び出力はＷ（ワット）の単位で表される。

【0019】

入力Ｐin（Ｗ）、出力Ｐout（Ｗ）とすると、モータ効率ηおよび、損失Ｐloss（Ｗ）の関係式は（数１）、（数２）で表わすことができる。

【0020】

【数1】

【0021】

【数2】

【0022】

銅損と漂遊負荷損は、モータ電流の増減により電流の２乗で損失が増減する。また、鉄損や機械損は、電流が増加してもその損失は変わらない（実際には、鉄損はモータの磁束密度に影響を与えるＶ／ｆ（電圧／周波数）によりモータの電圧変動に影響される。）。したがって、交流モータの過負荷保護をモータの電流をベースにして行うことは好ましくない。モータの温度上昇は全損失量に比例するものであり、モータ電流の２乗に比例するものではないからである。

【0023】

また、モータの全損失は個々の損失を算出し、それらを加算することで得られるが、同じモータ電流値であっても、鉄損が支配的なモータや、銅損が支配的なモータ等により、損失の種類の割合によって全損失値が大きく異なる。

【0024】

ここで、モータの損失のほとんどは、熱としてモータの各部品に拡散（伝播）する。例えば、据付冶具など金属の固体を通して伝導するし、モータ表面の冷却リブから自然又は強制対流して大気中に放射もするし、或いは一部が音として周囲に発散もされる。誘導モータの温度上昇において、銅損は（巻線や回転子側の導体バーに流れる電流の２乗）×（巻線や導体バー等の抵抗）で発熱し、鉄損は、鉄心に生じる磁束の変化によって固定子側や回転子側コアが発熱する。固定子コアに巻き回されたモータ巻線（回転子側は導体バー）は、鉄損によるコアの発熱によって温度が上昇する。また、機械損としては、ベアリングの摩擦の損失やファンの通風抵抗もモータ巻線温度を上昇する方向に働く。漂遊負荷損には、上述した以外の回転子と固定子間のギャップでの磁束密度の減少等も含まれる。

【0025】

そこで、本実施形態では、モータの熱量の基となる物理量を、モータ電流ではなくモータの全損失量Ｐlossとして捉える点を特徴の一つとする。上述した個々の損失を積み上げて全損失量を算出することは実際上困難であるが、損失の内訳がわからなくても全損失は得ることができる。即ち（数２）に示す様に、モータの全損失量Ｐlossを、モータの入力電力Ｐinから出力電力Ｐoutを差し引いて得る。以下に、Ｐin及びＰoutの算出について述べる。

【0026】

先ず（数２）のモータ出力Ｐoutの算出について述べる。誘導電動機である交流モータには、古くから同期ワットとして知られている式Ｐ２＝Ｔｆ・ωｓの特性が知られている。Ｔｆはモータトルク（Ｎ・ｍ）であり、ωｓは同期角周波数（ｒａｄ／ｓ）であり、Ｐ２はモータの等価回路として表現される固定子の一次側から回転子の二次側に変圧器として描かれ、その二次側の入力（二次入力）である。これらのことからトルクＴｆは（数３）となる。そして、本実施形態では、係数をｋｓとし、モータの無負荷損をＷ０（Ｗ）としてトルクＴｆの近似式（数４）を導いた。

【0027】

【数3】

【0028】

【数4】

【0029】

この（数４）は、先ずモータの入力電力Ｐinを、過負荷保護継電器９内でモータ印加相電圧と、モータ電流との瞬時値積算演算で求め、モータの無負荷損Ｗ０が得られれば、比例定数を1／ｋｓとしてモータのトルクＴｆを近似値として得る。そして、入力電力Ｐinからモータの無負荷損Ｗ０を減じ、比例定数１／ｋｓを乗じて近似トルクＴｆを得るようになっている。更に、トルクＴｆがわかれば、出力電力Ｐoutは、（数５）により、０．１０４７×回転速度Ｎｆ×トルクＴｆで求めることができる。

【0030】

【数5】

【0031】

なお、交流電源を与えられた交流モータは、一般には一定速モータであり、負荷によってモータのすべりｓにより回転速度Ｎｆ（1／ｍｉｎ）は変化するが、定格すべりを考慮して、（数５）のモータの回転速度にはモータ銘板値を入力するようにしてもよい。

【0032】

次に、（数２）の入力電力Ｐinについて述べる。Ｐinは、（数４）のＰinと同一で、過負荷保護継電器内でモータに印加されるそれぞれの相電圧と、モータに流れるそれぞれの相電流との瞬時値積を演算し、Ｕ〜Ｗの各相電力の和で求める（数６）。

【0033】

【数6】

【0034】

ここで、それぞれの瞬時値相電圧をＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗとし、相電圧実効値をＶrms、電源の角周波数をω、時間をｔで表すと、より詳細には、（数６）に以下の（数７−１）〜（数７−３）及び（数８−１）〜（数８−３）を代入して計算し、（数９）でモータの入力電力Ｐinを求めることができる。

【0035】

【数7-1】

【0036】

【数7-2】

【0037】

【数7-3】

【0038】

【数8-1】

【0039】

【数8-2】

【0040】

【数8-3】

【0041】

【数9】

【0042】

上記（数２）で求められるモータの全損失Ｐlossは、従来ベースとしていたモータ電流に変わる物理量としてモータ入力電力Ｐin−モータ出力電力Ｐoutとして求める。全損失Ｐlossを演算するＣＰＵ等の演算装置の演算周期をｔｓ（ｓ）とすれば、全損失Ｐlossとの積から、モータの全熱量Ｑ（Ｊ）を（数１０）として表わすことができる。

【0043】

【数10】

【0044】

また、モータが誘導モータである場合には、モータの全熱量Ｑは、モータの一次側（固定子）巻線と二次側（回転子）の導体バーのＱ１、Ｑ２に分けて（数１１）のようになる。

【0045】

【数11】

【0046】

そして、（数１１）をモータの一次側の熱量Ｑ１について解くと（数１２）に書き換えられる。

【0047】

【数12】

【0048】

なお、モータの回転子を永久磁石とするＰＭモータ（例えば、永久磁石のＡＣサーボモータやＤＣＢＬモータ）の場合には、二次側銅損は発生しないことから、（数１２）についてはｋ１＝1と考える。

【0049】

モータの一次巻線の温度上昇Ｔｃ1（Ｋ）は、モータの一次側の熱量をＱ１（Ｊ）、モータ一次巻線の質量ｍ１（ｋｇ）、モータ一次巻線の比熱ｃ１（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）とすると（数１３）のようになる。

【0050】

【数13】

【0051】

モータの巻線（コア等含む）内部から発生する全熱量Ｑは、（数１４）でモータ枠に蓄積される。なお、モータの比熱ｃ０は、実際には、モータは各種部品で構成され又材質も様々であるため、複合的な比熱として温度の測定箇所を定め、実測で求めるようにする。

【0052】

【数14】

【0053】

また、モータの熱量は、モータの据付冶具など金属の固体を通じた伝導や、モータ表面の冷却リブから大気中へ自然或いは強制対流又は放射される。モータ表面の冷却リブ（固体）と大気（流体）との間の対流による熱伝達には、自由対流と強制対流があるが、いずれの場合も熱伝達は（数１５）の様になる。

【0054】

【数15】

【0055】

伝熱学では、温度上昇値を算出する公式として、熱抵抗Ｒｔｈ（℃／Ｗ）がある。この熱抵抗は定常状態での値を表しており、時間の概念がなく過度的な時間の変化については扱うことができない。従って、モータの負荷がリアルタイムで変化を続ける場合、瞬時値変化が連続する損失値（Ｗ）を熱抵抗に乗じても過度的な温度を得ることができない。

【0056】

そこで、本実施形態は、全熱量Ｑを積算カウンタによって、常時、累積積算するようになっている。また本実施形態は、放熱エネルギについても負の極性での累積積算（すなわち減算）を行うことで、定格負荷運転での熱平衡状態において、投入エネルギと放熱エネルギが等しくなるようにすることを特徴の１つとする。

【0057】

更に、別の実施形態におけるモータの熱モデルによる伝達関数で算出するモータ巻線温度上昇値では、（数１３）と、モータ枠の温度上昇値では（数１４）とで算出し、また、放熱量の演算では（数１５）で行う。モータ内部から発生する全熱量Ｑと放熱する放熱量Ｑｆは、ある時点で釣り合い、モータの温度上昇はモータの耐熱クラスの許容温度上昇範囲内の一定値に落ち着く。
以上が、本実施形態の過負荷保護装置の概要である。以下、各実施形態例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0058】

〔第1実施形態〕
図１に、交流モータ１の損失様を模式的に示す。図中の入力（Ｐin）、出力（Ｐout）、全損失（Ｐloss）の単位はＷ（ワット）である。電力又はエネルギの流れの向きを概略の大きさと矢印で示している。交流モータ１が、交流電源２に接続されると、出力軸は回転を始め、出力軸を通して連結機等に連結された負荷に動力を与え、回転速度Ｎｆ、トルクＴｆで回転する。交流モータ１の入力は、出力と全損失の和であり、出力と入力の比が交流モータ１の効率となる。図１は力行状態での運転を示し、入力（電力）が最も大きく、出力（動力）を負荷に与え、その差が全損失（熱、音等）になる。

【0059】

図２に、回生時の交流モータ１の損失を模式的に示す。回生時には、交流モータ１には、負荷から連結機を介して交流モータ１を増速する方向に力が与えられる。交流モータ１は発電状態となり、入力側（交流電源２）に電力を戻し、その差が全損失（熱、音等）となる。図１と図２において、電力又はエネルギの入力と出力の流れは逆になるが、全損失の向きは変わらない。

【0060】

図３を用いて、交流モータ（特に、誘導モータ）１の特性を説明する。同図において、ｘ軸はトルク（％）を示し、ｙ軸は電力（Ｗ）・電流（Ａ）を示す。ここで、交流モータ１の電流は、トルク０の時には、無負荷電流Ｉ０であり、トルク１００％時は定格電流とする。トルクが０％から次第に上昇にするにつれて、入力電流は、最初なだらかに上昇し、途中から上昇の傾斜は大きくなる。モータの出力電力（Ｐout）は、一定速モータであるため、商用電源の場合、破線のようにトルクに比例して上昇する。入力電力Ｐinは、トルク０％の時が無負荷損Ｗ０であり、トルク上昇と共に一定の傾斜で上昇し、途中からゆっくりと傾斜が大きくなる。

【0061】

モータの全損失電力Ｐlossは、上記（数２）によるＰin−Ｐoutであるから、トルク０％から最初のうちは略水平に近い上昇をし、途中から傾斜は上昇する。トルク１００％では、全損失電力Ｐlossがモータの定格出力時の全損失電力Ｐlrとなる。

【0062】

なお、図中のＰin−Ｗ０は、本実施形態の特徴の一つであり、交流モータ１のトルクを算出する（数４）の分子を示す。Ｐin−Ｗ０は、モータの入力電力Ｐinを無負荷損Ｗ０だけ下に平行移動し、原点から上昇を始める直線近似に近い曲線になる。この曲線をトルクに近似させるために、その比例定数である1／ｋｓを、定格電流が流れた時にチューニングするようになっている（詳細は、第３実施形態で図２１及び図２２を用いて後述する。）。

【0063】

図４に、過負荷保護継電器９の回路構成を示す。過負荷保護継電器９は、交流モータ１と、交流電源２とに接続され、交流電源２とは、配線用遮断器（ＭＣＢ）３及び電磁接触器（ＣＴＴ）の接点４‐１及び励磁コイル４‐２を介して接続される。配線用遮断器３は、２次側に過負荷や短絡事故が発生したとき、配線用遮断器３が異常な過電流や短絡電流を検出して電路を開放するようになっており、１次側からの電力供給を遮断するようになっている。なお、接点４−１の２次側で地絡事故を想定した感電保護も行う場合は、漏電遮断器を選定してもよい。

【0064】

過負荷保護継電器９の主回路は、入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから導体（電線、銅やアルミバー、プリント板パターン等）を通して３相のうちの２本に電流検出器（図ではＵ相に、Ｕ相電流検出器（ＣＴｕ）５、Ｗ相にＷ相電流検出器（ＣＴｗ）６を通して、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから交流モータ１に、３相電力を供給するようになっている。

【0065】

過負荷保護継電器９の制御電源は、配線用遮断器（ＭＣＢ）３の出力から３相電源を制御電源端子ｒ、ｓ、ｔに入力する。３相全波整流器１０は、交流電源を直流に変換し、スイッチングレギュレータ用電源１１は、制御電源ＰＶ５の直流安定化電源を構成し、過負荷保護継電器９内に直流安定化電源ＰＶ５を供給する。なお、直流安定化電源ＰＶ５は単相交流電源で動作可能となっており、交流電源ｒ、ｓ、ｔの1本が欠相しても安定した直流電源が得られる様に構成されている。

【0066】

交流モータ１に印加される相電圧は、固定抵抗器２３−１〜２３−３を通して固定抵抗２３−４〜２３−６で分圧され、ＣＰＵ１４に内蔵されたＡ／Ｄコンバータのアナログ入力ポートＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗに入力される。次に、交流モータ１に流れる電流は３相のうち２相のＵ相、Ｗ相の電流を、Ｕ相電流検出器（ＣＴｕ）５及びＷ相電流検出器（ＣＴｗ）６で検出する。検出された電流検出器の２次側の電流は、固定抵抗器２３−７、２３−８で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１４に内蔵されたＡ／Ｄコンバータのアナログ入力ポートＩｕ、Ｉｗに入力される。

【0067】

また、過負荷保護継電器９には、Ｒ相導体温度検出用サーミスタ７及びＴ相導体温度検出用サーミスタ８がＲ相及びＴ相の導体（電線、銅やアルミバー、プリント板パターン等）に取り付けられ、検出された温度値をＣＰＵ１４に内蔵のＡ／Ｄコンバータのアナログ入力ポートｔｈ１、ｔｈ２に入力するようになっている。ＣＰＵ１４は、過負荷保護トリップから復帰する際、導体の温度が復帰温度以下に下がっているか否かをチェックすることで、復帰するか否かを判断するようになっている。

【0068】

次に、ＣＰＵ１４のデジタル入力（ＤＩ）について説明する。手動／自動復帰選択ＳＷ２１は、過負荷保護継電器９が過負荷保護トリップ動作をした際、トリップから復帰する方式の切替えを設定するＳＷである。復帰方式には、手動復帰又は自動復帰が選択できるようになっており、ＳＷオフ時は手動復帰、オン時は自動復帰となる。手動／自動復帰選択ＳＷ２１は、ＤＩ８に入力する。

【0069】

電流／全損失信号選択ＳＷ２２は、電流／全損失信号の選択を行うＳＷであり、交流モータ１が、熱の基となる信号の種別を電流信号（従来方式であり、交流モータの銅損のみを検出し電流二乗時間積一定で過負荷保護を行う方式。）とするか或いは本実施形態の特徴の１つである全損失量信号とするかを選択するＳＷである。なお、電流信号が選択された場合は、過負荷保護継電器９は、交流モータ１の無負荷電流「Ｉ０」、無負荷損「Ｗ０」及びトルク比例定数「1／ｋｓ」をチューニングしながら運転するモードで動作する。チューニングの完了後は、ＳＷの切替えにより、過負荷保護継電器９は、全損失信号を選択した状態で運転するようになっている。電流／全損失信号選択ＳＷ２２は、ＤＩ９に入力する。なお、固定抵抗器２３−１２、２３−１３は、プルダウン抵抗であり、ＳＷ２１、２２に接続する。

【0070】

押釦ＳＷ２４は、リセット用であり、過負荷保護継電器９が過負荷保護トリップ動作した際に、ユーザによるリセット操作信号を出力するＳＷである。押釦ＳＷ２４は、ＤＩ１０に入力する。押釦ＳＷ２５は、テストトリップ用であり、試運転時などに、トリップ動作や過負荷保護継電器９に設けられた種々の表示等や出力された種々の情報を表示装置で確認をする際に、ユーザが操作するＳＷである。押釦ＳＷ２５は、ＤＩ１１に入力する。なお、固定抵抗器２３−１４、２３−１５は、プルダウン抵抗であり、押釦ＳＷ２４、２５に接続する。

【0071】

上位電流整定値設定ディップＳＷ２０‐２、下位電流整定値設定ディップスＳＷ２０‐１は、電流値をデジタル値で設定する為のＳＷである。上位電流整定値設定ディップＳＷ２０−２は、上位４ｂｉｔをＤＩ４〜ＤＩ７に設定し、下位電流整定値設定ディップＳＷ２０−１は、下位４ｂｉｔをＤＩ０〜ＤＩ３に設定し、計８ｂｉｔで設定するようになっている。過負荷保護継電器９は、上位、下位電流整定値設定ディップＳＷ２０−２、２０−１で設定した電流値の１２０％で、３相過負荷動作はトリップ動作を実行するようになっている。

【0072】

また、入力端子ＤＩ１２は、外部信号の入力であり、ＤＩ１３は、各種タイミングの入力である。本実施形態では、交流モータ１に取り付けられたメカブレーキのブレーキコイルの動作タイミングを測定したり、モータのスター−デルタ切替タイミングや極数変換の切替タイミングを、電磁接触器のコイル電圧を測定したりすることができるようになっており、トレースデータの測定時に取り込むことができるようになっている。なお、ＤＩ１３はアナログ信号入力のＡＩ０端子に接続されているが、過負荷保護継電器９のパラメータによって、ＤＩ３に接続するか或いはアナログ信号入力ＡＩ０に接続するかを設定できるようになっている。

【0073】

図３３に、メカブレーキ６８の適用構成及びタイミング測定を模式的に示す。交流モータ１の特性を測定する時、交流モータ１に、連結器１３を介して取り付けられたメカブレーキ６８の開閉タイミングが重要になる場合がある。

【0074】

過負荷保護継電器９は、通信ケーブル５５を介してＰＣ５４aにオフラインで接続される。過負荷保護継電器９は、入力ケーブル７０を介して、メカブレーキ用励磁コイル６９の電圧測定値の入力をＤＩ端子ＤＩ１２に受ける。その後、過負荷保護継電器９は、通信コネクタ２６から、ブレーキタイミングやモータトルク、電流、出力電力等をＰＣ５４ａに転送し、トレースデータの画面表示又は印字出力を可能とするようになっている。
更に、過負荷保護継電器９は、電磁接触器のコイル電圧を測定し、交流モータ１のスター−デルタ切替タイミングや、極数変換の切替タイミングをトレースデータとして測定できるようになっている。

【0075】

図４に戻り、アナログ信号入力ＡＩ０を取込むアナログ信号の例としては、交流モータ１の軸受部に設置した振動センサ（後述する振動センサ６５）からの信号や、周囲温度検出サーミスタ（周囲温度検出サーミスタ６４）によって測定された交流モータ１の周囲温度Ｔａ等である。振動センサの信号から運転状態の振動を測定することで、ユーザや上位装置等で軸受寿命の予測ができ、交換時期を把握すること等に利用できる。また、周囲温度検出サーミスタからの周囲温度Ｔａは、ユーザや上位装置等で、使用温度範囲以内であるか否かを判定することができる。また、モータの周囲温度の最大値よりもＴａが低い場合には、交流モータ１の一次巻線温度の上限値をその差分だけ手動又は自動で大きくしたりすることにも利用することができる。
振動センサからの入力を行うか否か、周囲温度検出サーミスタでモータの周囲温度を測定するか否かは、過負荷保護継電器９に入力するパラメータで選択できるようになっている。

【0076】

図３１に、振動センサの構成例を示す。交流モータ１の軸受に振動センサ６５を取り付け、常時、運転状態の軸受の振動を測定する。振動センサ６５で検出した微小振動は、センサケーブル６６を介して増幅器６７で増幅され、過負荷保護継電器９の通信コネクタ２６から、ＣＰＵ１４のアナログ入力ＡＩ０端子に振動センサ値として取り込む。
ＣＰＵ１４は、振動センサ値が一定のレベルを超えたとき、軸受の交換時期と判断し、通信コネクタ２６から上位装置（ＰＬＣ）等にアラーム信号を送信し、上位装置からモータに停止信号を出力するようになっている。例えば、微細な塵埃が多く含まれる環境で運転する場合、塵埃の侵入により、微小ながら振動が増加傾向にある時を捉えて早急に交流モータ１を停止するのが好ましい。軸受の焼き付きは、微小振動の発生後に突然発生することから、微小振動の変化に注視することで機器破損の予防となる。

【0077】

図３２に、サーミスタ６４の構成例を示す。サーミスタ６４は、交流モータ１のモータ枠表面や周辺に設置され、センサケーブル６６から通信コネクタ２６を経由してＣＰＵ１４のアナログ入力ＡＩ０端子に取り込まれる。

【0078】

図４に戻り、ＣＰＵ１４のデジタル出力（ＤＯ）について説明する。
ＣＰＵ１４の出力端子ＤＯ０は、過負荷保護トリップ動作時の表示出力である。ＤＯ０が“Ｈ”の時、インバータゲート１７で論理反転して固定抵抗器２３−１０を通して発光ダイオード１９−１を点灯させ、ユーザに、過負荷保護トリップ中であることを報知するようになっている。

【0079】

ＤＯ１は、モータ定数チューニング完了の表示出力である。ＤＯ１が“Ｈ”の時、インバータゲート１７で論理反転して固定抵抗器２３−１１を通して発光ダイオード１９−２を点灯させ、モータ定数チューニングの完了を、ユーザに、報知するようになっている。

【0080】

ＤＯ２は、警報接点信号の出力である。ＤＯ２が“Ｈ”の時、インバータゲート１７で論理反転し、警報出力リレー用コイル１６−２に電圧印加して、１６−１の警報出力のｂ接点を開にするようになっている。なお、１８はフライホイルダイオードであり、リレーコイル１６−２に並列に接続され、リレーオン時に蓄えられたエネルギを、オフ時にダイオード１８を通して放電する。

【0081】

ＤＯ３は、過負荷保護トリップ信号の出力である。ＤＯ３が“Ｈ”の時、インバータゲート１７で論理反転し、過負荷出力リレー用コイル１５−３に電圧を印加して、１５−１、１５−２の過負荷出力リレーのｂ及びａ接点を動作させる。また、過負荷出力リレー用コイル１５−３に並列に接続されるフライホイルダイオード１８は、リレーオン時に蓄えられたエネルギを、オフ時にダイオードを通して放電する。なお、２７は不揮発性メモリで、ＣＰＵ１４と接続され、試運転時にチューニングしたモータの無負荷電流Ｉ０、無負荷損Ｗ０とトルク比例定数１／ｋｓ等を格納する。

【0082】

ＳＩＯ端子は、シリアル通信用入出力インタフェースであり、通信コネクタ２６と接続される。ＣＰＵ１４は、通信コネクタ２６を介して、外部ＰＣやＰＬＣ等の上記装置に、交流モータ１の入力並びに出力電力或いは電力量や、全損失電力或いは全損失電力量、電圧、電流、トルク、力率などの運転情報やパラメータ、省エネルギのデータ、交流モータ１適用先機械の特性把握、保守情報、トレースデータ等を出力するようになっている。

【0083】

以上の構成を有する過負荷保護継電器９の処理動作を説明する。
図６に、処理フローを示す。配線用遮断器３（図４）がオンし、過負荷保護継電器９の制御電源端子ｒ、ｓ、ｔに電源が入ると、制御回路のＰＶ５電源が生き、ＣＰＵ１４が動作を開始する。ＣＰＵ１４は、プログラムとの協働によって処理を行う。電磁接触器の接点４−１が入ることによって交流モータ１が運転を開始し、これ以降、ＣＰＵ１４は、交流モータ１を保護する過負荷保護トリップ動作を開始する。

【0084】

先ず、Ｓ１０１で、初期設定を行う。具体的には、等価モータ巻線熱量Ｑｃ＝「０」、モータ定数無負荷損＝「Ｗ０」、トルク比例定数＝「１／ｋｓ」及びモータの耐熱クラスを設定する。
次いで、Ｓ１０３で、手動／自動復帰選択ＳＷ２１、電流／全損失信号選択ＳＷ２２、押釦ＳＷ２４、２５及び電流整定値設定ディップＳＷ２０−１、２０−２からの入力値の読み取り及びＲ相、Ｔ相導体温度検出用サーミスタ７、８の温度値を読み取る。

【0085】

Ｓ１０５で、「入力電力Ｐin演算処理」を行う。
図７に、Ｐin演算処理の流れを模式的に示す。相電流Ｉｖは、三相電流Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０から、Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｗ）となるように構成される。ＣＰＵ１４は、上記（数６）の演算をＵ、Ｖ、Ｗ相毎の相電圧、相電流の瞬時値積を演算することで、（数７−１）〜（数７−３）の相電圧と（数８−１）〜（数８−３）の相電流の積演算を行う。そして、ＣＰＵ１４は、各相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の入力電力量を加算することで「３相入力電力Ｐin」を得る。

【0086】

３相入力電力Ｐinを得ると、Ｐinが零の場合を除き、Ｐinの入力時間を累積積算し、「モータの運転時間（稼働時間）」を得る（S113ｂ）。そして、リアルタイムで変化する「３相入力電力Ｐin」をモータの運転時間毎に積算し、「入力電力量（ｋＷ・ｈ）」を得る（S113ａ）。以上が、「入力電力Ｐin演算処理」である。

【0087】

図６に戻り、Ｓ１０７及びＳ１０９で、モータの「トルクＴｆ演算処理」と、「出力電力Ｐout演算処理」とを上記（数４）、（数５）に示す演算式を用いて実行する。

【0088】

そして、Ｓ１１１で、モータの熱量の基となる物理量である「全損失Ｐloss」を、（数２）の入力電力Ｐin-出力電力Ｐoutから求める。

【0089】

なお、モータの出力電力Ｐout、全損失Ｐlossが得られると、上記Ｐin演算処理で「モータの運転時間（稼働時間）（S105/113ｂ）」が得られているので、「入力電力量（S105/S113ａ）」と同様に、ＣＰＵ１４は、「出力電力量（ｋＷ・ｈ）(S117)」及び「全損失電力量（ｋＷ・ｈ）（S119）」も演算によって求める。また、交流モータ１のトルクＴｆが（数４）で得られるので、ＣＰＵ１４は、トルクＴｆをモータの運転時間毎に積算し、この値をモータの運転時間で除算することで、この間の平均トルクを得る。平均トルクを定格トルクで除算し、百分率で表示すると、「モータの平均負荷率」となり、モータの運転の動作点を得ることができる（S115）。

【0090】

ユーザは、得られたモータの動作点から、モータ出力の選定が適切であったか或いは余裕を持ち過ぎているのかを検証することができる。この点は、本実施形態の特徴の一つである。従来、得られている入力電力だけでは確認ができなかった為である。

【0091】

次いで、破線枠Ｓ１２０の処理を説明する。
Ｓ１２０では、ＣＰＵ１４は、大きく「全損失に対する加減算重み値Ｐｄテーブルの処理（S120ａ）」と、「等価モータ巻線熱量Ｑｃの演算処理（S120ｂ）」とを行う。
Ｐｄテーブルは、図８に示す関係から演算によって得ることができる。

【0092】

図８において、ｘ軸は全損失Ｐloss（％）を示し、ｙ軸は電子サーマル動作時間ｔ（ｓ）を示し、曲線は交流モータ１の過負荷特性を示す。この特性は、（数１６）で表わすことができる。

【0093】

【数16】

【0094】

また、図８では、ｙ軸を全損失Ｐloss＝１００％に平行移動した位置を破線で示し、ｘ軸とＰloss＝１００％の破線軸で見た第一象限の反比例曲線は、短時間の過負荷運転が何秒間運転できるかを示す。全損失が１００％以上継続する場合、モータの巻線に蓄えられる熱量が、サンプリング毎に累積加算を繰り返し積算される。また、第三象限は全損失が１００（％）未満のときに、モータの巻線温度が定格点より下がるので、第一象限で蓄えられた熱量は第三象限では減算に移る。

【0095】

図９に、図８の全損失４００％を与えた時の重み値の関係を示す。Ｑｃは、モータ巻線に蓄えられた熱量を模擬した値であり、零点から傾斜ａの直線ｙ＝ａｔで上昇する。Ｑｃは、時間ｔ（trip）でカウンタの最大値Ｃmaxに達し、結果、交流モータ1は過負荷保護トリップをする。Δｔは、電子サーマルを演算するサンプリング時間であり、Δｙは、１回のサンプリング時間（ｓ）で加減算する重み値（＝Ｐｄ）である。以上から（数１７）が成り立つ。

【0096】

【数17】

【0097】

ここで（数１７）の時間ｔに（数１６）を代入すれば、過負荷保護トリップ時のカウンタの最大値はＣmaxであるから、（数１８）が得られる。

【0098】

【数18】

【0099】

ＣＰＵ１４は、以上の演算から「加減算重み値Ｐｄテーブルの処理（図６/S120ａ）」を実行する。

【0100】

図１０は、図８に示す過負荷保護トリップ動作の特性を、加減算時の重み値Ｐｄで表した図である。（数１８）式の（Ｃmax×Δｔ／ｋｃ）は一定値となり、比例定数である。図１０に示す加減算時の重み値は、全損失Ｐlossに対し直線となる。全損失が１００％以上で過負荷保護トリップ動作を行う累積加算となり、１００％未満で累積加算された値からの減算となる。等価モータ巻線熱量Ｑｃは、重み値Ｐｄの時間積分で表わすことができ、（数１９）となる。

【0101】

【数19】

【0102】

ＣＰＵ１４は、以上の演算から「等価モータ巻線熱量Ｑｃの演算処理（S120ｂ）」を実行する。
以上が、Ｓ１２０の処理である。

【0103】

再び図６に戻り、破線枠Ｓ１３０の「熱量Ｑｃ判断処理」を説明する。Ｓ１３１〜Ｓ１３５は、「警報出力処理」である。ＣＰＵ１４は、等価モータ巻線熱量Ｑｃが第二の閾値以上であると判断する場合（S131：Y）、ＤＯ２端子（図４参照）を“Ｌ”から“Ｈ”に切替え、警報出力リレー用コイル１６−２を励磁し、警報出力リレーのｂ接点１６−１を開放として警報出力を行う（S133）。

【0104】

ここで、第二の閾値は、過負荷保護トリップ動作を開始する第一の閾値よりも低い温度閾値である。第二の閾値を管理する理由は、過負荷保護トリップさせることにより、交流モータ１は急停止等するが、交流モータ１の適用先であるライン装置等も同時に急停止や急減速してしまいライン製造品等を破損させてしまう虞があり、これを予防する為である。つまり、等価モータ巻線熱量Ｑｃの値が、過負荷保護トリップ動作を開始する第一の閾値よりも低い第二の閾値温度に達した場合、警報を出力し、停止準備等の切替動作ができるようにしている。

【0105】

次いで、Ｓ１３７〜Ｓ１４７の処理は、「等価モータ巻線熱量Ｑｃの過負荷保護トリップ又はトリップ解除処理」である。

【0106】

Ｓ１３７で、等価モータ巻線熱量Ｑｃの値が第一の閾値以上であると判断する場合（S137:Y）、交流モータ１が過負荷であると見做す。そして、Ｓ１４９に進み、交流モータ１の運転を停止する。具体的には、Ｓ１４９で、ＣＰＵ１４はＤＯ３端子の出力を“Ｌ”から“Ｈ”とし、過負荷出力リレー用コイル１５−３を励磁し、過負荷出力リレーのａ接点及びｂ接点１５−２、１５−１を動作させ、過負荷保護継電器９の外部で構成されるリレー回路で、電磁接触器のコイル４−２をオフとし、接点４−１を開放することで交流モータ１の運転を停止する。
他方、Ｓ１３７の判断で、第一の閾値である過負荷保護トリップ値未満であると判断する場合（S137:N）、Ｓ１３９に進む。

【0107】

Ｓ１３９で、等価モータ巻線熱量Ｑｃが解除レベルか否かの判断を行う。等価モータ巻線熱量Ｑｃが解除レベル以上の場合（139:Y）は、現状のままとし、本フローを抜ける。他方、解除レベル未満の場合（S139:N）は、Ｓ１４１に進む。
Ｓ１４１で、サーミスタ７及び８の値が解除レベルか否かの判断を行う。具体的には、図４のＲ相、Ｔ相導体温度検出用サーミスタ７、８の抵抗値をＣＰＵ１４が測定し、これを温度に換算して導体温度が解除レベル以上の場合（S141:Y）は、温度が高いと判断してＳ１４９に進み、過負荷保護トリップ動作を実行する。逆に、Ｒ相、Ｔ相の導体温度が解除レベル未満の場合（S141：N）であれば、運転可能な温度であるから、Ｓ１４３に進む。

【0108】

Ｓ１４３で、自動復帰モードか否かの判断を行う。図４の手動／自動復帰選択ＳＷ２１の設定が自動設定の場合（S143：Y）、Ｓ１４５に進み、過負荷保護トリップを解除する処理を行う。他方、手動設定の場合（S143：N）は、Ｓ１４７に進む。
Ｓ１４７で、リセット入力有か否かの判断を行う。リセット入力無の場合（S147:N）、本フローを抜ける。他方、リセット入力有（S147:Y）の場合、Ｓ１４５に進み、過負荷保護トリップを解除し、図６の処理を抜ける。
以上が、Ｓ１３０の「等価モータ巻線熱量Ｑｃの過負荷保護トリップ又はトリップ解除処理」である。

【0109】

なお、Ｓ１３９の「Ｑｃが過負荷保護トリップ解除レベルか否かの判断」、Ｓ１４１の「サーミスタ値が解除レベルか否かの判断」における夫々の解除条件は、上位装置等からパラメータで設定可能となっている。以下に夫々の解除条件の設定例について述べる。

【0110】

図１１に、過負荷保護トリップ解除及びサーミスタ解除の条件の設定例を示す。同図において、パラメータＮｏ：ＰＡ−１５は、過負荷保護トリップ解除の条件例であり、ＰＡ−１６は、サーミスタ解除の条件例である。

【0111】

過負荷保護トリップ解除条件（ＰＡ−１５）としては、設定１と設定２がある。設定１は、制御電源ｒ、ｓ、ｔがオン且つ手動／自動復帰選択ＳＷ２１が自動復帰を選択の時に、熱量Ｑｃ（又は巻線温度Ｔｃ１）が解除レベル以下に下がっており（条件Ａ）、そしてサーミスタ温度が解除レベル以下（条件Ｂ）の時（Ａ and Ｂ）にトリップを解除するというものである。設定２は、熱量Ｑｃ（又は巻線温度Ｔｃ１）が解除レベル以下のみの場合にトリップを解除するというものである。上位装置又はＰＣ等から、何れかの設定を選択できるようになっている。

【0112】

また、電源投入時のサーミスタ温度トリップ解除条件（ＰＡ−１６）の設定としては、設定１及び２がある。設定１は、サーミスタ温度が解除レベル以下の時にトリップを解除するというものであり、設定２は、サーミスタ温度を無視するというものである。何れかを上位装置又はＰＣ等から選択できるようになっている。
なお、ＰＡ−１５及びＰＡ−１６の何れの場合でも、手動/自動復帰選択ＳＷ２１が手動復帰を選択している時は、上記条件に対して、リセット用押釦ＳＷ２４がオンされた時がand条件として更に加わる。

【0113】

以下では、図１１に例示する過負荷保護トリップ解除条件及びサーミスタ解除条件を設定した場合の、過負荷保護トリップ動作と、トリップ解除動作とについて、具体的に時系列で説明する。

【0114】

図１２に、過負荷保護トリップ動作とトリップ解除動作のタイムチャートを示す。
時間ｔ１で、制御電源（ｒ、ｓ、ｔ）及び電磁接触器の接点４−１がオンの時、ＰＡ−１６＝設定１であることから、サーミスタ温度は有効である。同図では、時間ｔ１直後に巻線熱量Ｑｃ又は巻線温度Ｔｃ１がサーミスタトリップ解除レベルを超えているため過負荷保護トリップとなる。その後、熱量Ｑｃ又は巻線温度Ｔｃ１がサーミスタトリップ解除レベル未満となっても、手動／自動復帰選択ＳＷ２１は手動復帰設定であることから、リセット用押釦ＳＷ２４がオンされるまでは、交流モータ１は停止を維持する。

【0115】

次に時間ｔ２で、リセット用押釦ＳＷ２４のオン（１回目）が入力されることで、交流モータ１は運転を再開する（手動復帰）。交流モータ１が運転を再開すると、熱量Ｑｃ又は巻線温度Ｔｃ１が上昇を開始する。熱量Ｑｃ又は巻線温度Ｔｃ１の上昇途中に、手動／自動復帰選択ＳＷ２１が、ａ点において自動に切り替えられる。すると時間ｔ３で、交流モータ１は、再度過負荷保護トリップ動作を実行し、保護のために交流モータ１を停止する。停止後、冷却により熱量Ｑｃ及び巻線温度Ｔｃ１が下降する。

【0116】

その後、熱量Ｑｃ及び巻線温度Ｔｃ１が、トリップ解除レベルまで下がる。時間ｔ４で、復帰方式は上述のように自動復帰設定に切り替わっていることから、交流モータ１は運転を再開する。運転再開による温度上昇の途中、ｂ点において、復帰方式が自動から手動復帰に変更される。熱量Ｑｃ又は巻線温度Ｔｃ１が温度上昇を続け、時間ｔ５で再び過負荷保護トリップ動作となり、交流モータ１は停止し、その後、トリップ解除レベルまで下がる。復帰方式は手動復帰であるから、時間ｔ６で、２回目のリセット用押釦ＳＷ２４が入力を契機として、交流モータ１の運転が再開する（手動復帰）。
以上が、第１実施形態の説明である。

【0117】

このように、第１実施形態の過負荷保護継電器によれば、モータの熱量の基である全損失で、モータの巻線温度上昇値を管理するため交流モータの仕様に左右されることなく過負荷保護の精度が向上する。

【0118】

また、過負荷保護トリップを第一の閾値のみならず、それよりも低い温度であるサーミスタ７、８の解除レベルも用いて管理するため、より安全かつ精度の高い過負荷保護トリップを実現することができる。

【0119】

また、過負荷保護トリップ解除条件や、サーミスタによる解除条件を上位装置又はＰＣからパラメータにより任意に設定することができ、交流モータ１の適用先に応じて柔軟に交流モータ１の保護を行うことができる。

【0120】

更に、等価モータ巻線放熱量（巻線温度Ｔｃ1）の温度を、第一の閾値よりも低い第二の閾値でも管理し、交流モータ１の急停止を予告することができる。

【0121】

〔第１実施形態の変形例〕
第１実施形態における過負荷保護継電器９の回路構成について、変形例を例示する。
図５に、変形例の回路構成を示す。第１実施形態の回路構成例（図４）では、ＣＰＵ１４がＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗ端子でモータの相電圧を検出するようになっており、その上流の２３−１、２３−２、２３−３の固定抵抗器の上流がＲ、Ｓ、Ｔに接続されているようになっている。
これに対して図５の変形例では、２３−１、２３−２、２３−３の固定抵抗器の上流はＲ０、Ｓ０、Ｔ０端子とし、ＬＣフィルタ５１を通して、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子に接続するようになっている。このＬＣフィルタ５１は、モータに印加される電圧が、ＡＣモータ駆動用ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）出力ドライバの場合に、ＰＷＭのキャリア周波数を除去する為のフィルタである。

【0122】

図２９に、過負荷保護継電器９にＰＷＭ出力ドライバを適用した構成を模式的に示す。本構成の用途として、電源周波数の相違（例えば、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）による、モータ回転速度の変換を行う場合や、電源投入停止時又は急激な加速・停止を防止するためのソフトスタート・ソフトストップ動作をさせるために、始動停止時のみＶＶＶＦ方式で運転し、一定速運転に達した後のほとんどの時間は、ＣＶＣＦ方式ＰＷＭ駆動インバータ・ドライバで使用する場合が上げられる。

【0123】

交流電源２には、配線用遮断器３を通して交流電源の引き込みがされる。過負荷保護継電器９では、モータの相電圧を検出する検出点がＲ０、Ｓ０、Ｔ０であり、ＬＣフィルタ５１を通してＲ、Ｓ、Ｔに接続される。制御電源ｒ、ｓ、ｔは、配線用遮断器３の２次側に接続される。第１実施形態では商用電源で駆動される交流モータ１で有ったが、本変形例では、ＡＣモータ駆動用ＰＷＭ出力ドライバにより供給されるＡＣモータ６３を適用するものとする。

【0124】

ＡＣモータ６３には、エンコーダ６１が設けられる。エンコーダ６１では、ＡＣモータ６３の速度、位置が検出され、ＡＣモータ駆動用ＰＷＭ出力ドライバ６２にフィードバックされる。このドライバ６２では、ＰＷＭ出力タイプの可変電圧・可変周波数が出力され、ＡＣモータ６３の電流・速度・位置制御ができるようになっている。

【0125】

なお、ＬＣフィルタ５１は、ＰＷＭ出力波形のキャリア周波数を除去するフィルタであり、基本波周波数成分を出力するアナログの正弦波近似の波形を出力する。ＡＣモータ６３とドライバ６２は、ＣＶＣＶ（定電圧・定周波数）方式ＰＷＭインバータ・ドライバであり、ＰＷＭ出力されるこれらのモータの過負荷保護トリップ動作の他、省エネルギ情報等を、通信コネクタから上位装置に送信することができるようになっている。

【0126】

図３０に、ＬＣフィルタ５１の回路構成例を示す。ＬＣフィルタ５１は、ＬＣフィルタ用コンデンサ５１−１と、ＬＣフィルタ用インダクタンス５１−２とで構成され、ドライバのＰＷＭ出力波形のキャリア周波数を除去するフィルタ定数に従い、コンデンサ容量やインダクタンスの定数が設計されるようになっている。
以上の構成により、過負荷保護継電器９にＰＷＭ出力ドライバを適用した場合でも、第１実施形態の過負荷保護トリップ動作を行うことができる。

【0127】

〔第２実施形態〕
次いで、第２実施形態の過負荷保護継電器９を説明する。第２実施形態の特徴の一つは、交流モータ１の放熱量を考慮して一次巻線温度を管理する点である。例えば、交流モータ１で発する熱は、モータの枠等を伝播したり、冷却媒体等によって外部に放熱されたりするのが通常である。第２実施形態は、この放熱を考慮した一次巻線の温度を管理し、過負荷保護トリップを実行する。

【0128】

第２実施形態の回路構成等は第１実施形態と同様であり、ＣＰＵ１４での過負荷保護トリップ動作の処理が異なる。以下では、処理の相違点について主に説明し、第１実施形態と重複する部分は、説明を省略する場合がある。なお、第１実施形態と同様に、以下に述べる過負荷保護トリップの処理は、ＣＰＵ１４とプログラムの協働によって実行されるものである。

【0129】

図１３に、第２実施形態の過負荷保護トリップ動作の流れを示す。
Ｓ２０１で、初期設定を行う。ここでは、モータの巻線温度Ｔｃ１＝周囲温度Ｔａ、モータ定数である無負荷損Ｗ０、トルク比例定数1／ｋｓ、モータ耐熱クラスを設定する。
Ｓ２０３で、（第１実施形態の図６：S103と同様に）手動／自動復帰選択ＳＷ２１、電流／全損失信号選択ＳＷ２２、押釦ＳＷ２４（リセット）、２５(テストトリップ)、電流整定値設定ディップＳＷ２０−１、２０−２及びサーミスタ７、８の温度を読み取る。
Ｓ２０５〜Ｓ２１１の各処理は、第１実施形態の「入力電流Ｐin処理（図６:S105、図７）」、「トルクＴｆ演算処理（図６:Ｓ107）」、「出力電力Ｐout演算処理（図６:S109）」及び「全損失Ｐloss演算処理（図６:S111）」と同様のため説明は省略する（S213〜S219も、図６のS113〜S119と同様である。）。

【0130】

破線枠Ｓ２２０で、ＣＰＵ１４は、「一次巻線Ｔｃ１の温度上昇算出処理」を行う。本処理は図１４〜図１７に示す種々の熱モデルの何れかに基づいて実行される。

【0131】

図１４に、「第１の熱モデル」を示す。Ｓ２１１の「全損失Ｐloss演算処理」即ち入力電力Ｐinの“＋”と、出力電力Ｐoutの“−”とを加え合せ点２８で差をとり、全損失Ｐlossを指令として出力した後、ＣＰＵ１４は、全損失Ｐlossについて、加え合せ点２９で単位時間当たりの放熱量のフィードバックとの差を求める。

【0132】

その偏差εは、モータ枠発熱部の伝達関数３１へ送られる。ここでは（数１０）により全損失Ｐlossを積分要素１／ｓで積分してモータの全熱量Ｑ（Ｊ）とし、次に（数１４）により（モータ質量ｍ０）×（モータ比熱Ｃ０）で除算して、モータ枠温度上昇値Ｔｃ０を出力する。

【0133】

ＣＰＵ１４は、加え合せ点３０で、このモータ枠温度上昇値Ｔｃ０から周囲温度Ｔａとの差（Ｔｃ０−Ｔａ）を演算し、その差をモータ枠放熱部の伝達関数３２に送る。伝達関数３２で、（数１５）の演算を行い、単位時間の放熱量Ｑｆ’を出力する。

【0134】

なお、単位時間の放熱量Ｑｆ’は放熱ルート毎による放熱量（例えば、モータの取り付け脚からの放熱、モータ枠周囲の冷却リブからの放熱）は不明であり又計測も困難である。

【0135】

また、モータの熱モデルを負帰還ループとした理由は、モータをある負荷率で運転すると必ずモータの温度上昇はある一定の温度上昇値となり、熱平衡状態に落ち着くとの事実による。熱平衡状態とは、定常状態では、全損失Ｐlossが、フィードバック量である単位時間の放熱量Ｑｆ’と一定の等しい値になるということである。この事実から、本実施形態では、モータの熱モデルは負帰還フィードバックループとし、電気と熱力学の融合による熱モデルを構成した。

【0136】

次に、加え合せ点２９の出力である偏差εを、負帰還フィードバックループから分岐し、伝達関数３３に送る。ここで、交流モータ１の全損失Ｐloss（熱量Ｑ）に対する一次側の損失（熱量）の比率ｋ１を乗じた後、伝達関数３４に送る。そして、積分要素１／ｓで積分し、交流モータ１の一次巻線の熱量Ｑ１（Ｊ）とし、（数１３）による演算即ち（モータの一次巻線の質量ｍ１）×（一次巻線（銅線）の比熱ｃ1）で除算することで、一次巻線の温度上昇値Ｔｃ1を出力する。

【0137】

ところで、モータ枠は質量も大きいため温まりにくく冷め難い。このため全損失Ｐlossに多少の変動があってもモータ枠全体の温度上昇値は、短時間では大きな変動を受けない安定した値となる。本実施形態では、この特性を利用し、負帰還フィードバックループを構成し、偏差である全損失Ｐloss−単位時間の放熱量Ｑｆ’は熱平衡状態で発散しない損失として捉え、ここから分岐させて熱時定数がモータ枠に比べ十分小さく、全損失Ｐlossの多少の変動に対して大きく変動を受ける一次巻線温度上昇値を求める構成としている。

【0138】

そして、過負荷保護する一次巻線の温度上昇値は、一次巻線の損失ｋ１×Ｐlossの変動を捉え、瞬時の温度上昇値のピーク値を監視し、これを閾値と比較することで、瞬時過負荷でも保護することができる構成とした。
なお、伝達関数３３のｋ１はモータの回転子が永久磁石のＰＭモータでは二次側銅損がないとしてｋ１＝1とすることができる。

【0139】

図１５は、図１４に示す定数を変形させた「第２の熱モデル」を説明する図である。図１４との相違部分は、図１４ではモータ枠放熱部の伝達関数３２は定数αＡであるのに対し、図１５ではモータ枠放熱部の伝達関数３５は、αＡ／〔τｍ（ｓ＋1／τｍ）〕として一次遅れ要素を考慮した点を特徴の１つとする。他の熱モデルの処理は図１４と同じである。伝達関数３５の一次遅れ要素は、交流モータ１から放熱が始まる際、周囲温度との温度差がある値になってはじめて空気の運動が起こり始め、自然対流では空気の流れは下から上に層になって流れる。この層ができるまでを遅れ時間τｍとして表したものである。

【0140】

図１６は、図１４、図１５に示す熱モデルと異なる「第３の熱モデル」を説明する図である。図１４等との相違部分は、図１４の伝達関数３１は、積分要素を含むモータ枠発熱部の伝達関数であり、伝達関数３４は、積分要素を含むモータ１次巻線の伝達関数であるのに対し、図１６では、積分要素1／ｓを加え合せ点２９の上流側即ち指令側とフィードバック側に移動し、伝達関数３６として等価変換したものである。そのため伝達関数３８、３７は積分要素1／ｓを削除している。このため、加え合せ点２８の出力である全損失Ｐloss（Ｗ）が、積分要素の伝達関数３６で全熱量Ｑ（Ｊ）となる。また、モータ枠放熱部の伝達関数３２の出力である単位時間当たりの放熱量Ｑｆ’（Ｊ／s）は、積分要素の伝達関数３６を通り、全放熱量Ｑｆ（Ｊ）となる。なお、モータ枠温度上昇値Ｔｃ０、モータ１次巻線の温度上昇値Ｔｃ１については変わらない。

【0141】

図１７は、図１６に示す熱モデルの定数を変形させた「第４の熱モデル」を説明する図である。図１６との相違部分は、図１６ではモータ枠放熱部の伝達関数３２は定数αＡであるのに対し、図１７では、モータ枠放熱部の伝達関数３５としてαＡ／〔τｍ（ｓ＋1／τｍ）〕として一次遅れ要素にしたことであり、熱モデルの動作は図１６と同じである。

【0142】

このように、ＣＰＵ１４は、図１４〜図１７に示す「第１〜第４の熱モデル」の何れかの処理を用いて、図１３のＳ２２０で、「一次巻線Ｔｃ1の温度上昇算出」処理を行うようになっている。

【0143】

図１３のフローチャート戻る。モータの熱モデルによる一次巻線Ｔｃ１の温度上昇算出後、ＣＰＵ１４は、ステップ群Ｓ２３０に進む。ステップ群Ｓ２３０の処理は第１実施形態における図６のＳ１３１〜１４９と概ね重複しており、以下の点で相違する。先ず、第１実施形態では、対象としている信号及び閾値は等価モータ巻線熱量Ｑｃ（Ｊ）であるのに対し、第２実施形態では、これらを巻線温度上昇値Ｔｃ１（Ｋ）とする。

【0144】

また、第１実施形態の図１２における種々の解除条件を適用した場合の過負荷保護トリップ動作例と、第２実施形態の図１３における動作は同様に扱うことができる。

【0145】

図１８は、モータ枠等と、一次巻線の温度上昇値（Ｔｃ１）との関係を説明する図である。ｘ軸は時間ｔを示し、ｙ軸は温度上昇値を示す。モータ枠の温度上昇値としては、モータのコアと、モータ枠の温度との夫々を示しており、両者の温度上昇値は安定した値であることを示している。

【0146】

他方、モータ一次巻線の温度は、モータの全損失、一次側損失又は熱量の変動を受け、モータ枠と一次巻線の（質量×比熱）の違いが顕著であることから、大きなリップルが重畳されている。過負荷保護としては、このリップルのピークを監視して保護する必要がある。

【0147】

図１９は、図１４〜図１７の熱モデルでモータの巻線温度の動作を説明する図である。全損失Ｐloss（＝入力電力Ｐin−出力電力Ｐout）を、Ｐloss１からＰloss２に変化させた時の全熱量Ｑ、全放熱量Ｑｆ及びモータ一次巻線温度上昇値Ｔｃ１、モータ枠温度上昇値Ｔｃ０、警報出力、過負荷保護トリップ出力の関係を示す図である。

【0148】

全熱量Ｑ、全放熱量Ｑｆは、図１４、図１５の場合は、全損失Ｐloss、単位時間の放熱量Ｑｆを積分要素１／ｓで積分した値を示し、図１６、図１７の場合は、加え合せ点２９の２つの入力を示している。全熱量Ｑは、全損失Ｐloss１の入力に対してこの値を積分し、一定の傾斜で上昇する。次に、全損失がＰloss１からＰloss２に増加すると、積分の傾斜は更に急となって上昇を続ける。他方、全放熱量Ｑｆは、モータにとっては暖められた熱量が逃げていくため、負側で示している。放熱量は、全熱量Ｑが上昇することでモータ枠発熱部の温度上昇値Ｔｃ０が上がってくると、周囲温度との温度差（Ｔｃ０−Ｔａ）が大きくなることから、全放熱量Ｑｆが徐々に大きくなる。モータ枠温度上昇値Ｔｃ０及びモータ一次巻線温度上昇値Ｔｃ１は、全熱量Ｑ又は一次巻線の熱量ｋ１×Ｑと、全放熱量Ｑｆとの差に比例して、図示するように変化する。温度上昇値が一定となる熱平衡状態になると、全熱量Ｑのプラス向きの傾斜と、全放熱量Ｑｆのマイナス向きの傾斜とは、絶対値が等しくなる。

【0149】

全損失がＰloss２となり、モータ一次巻線温度上昇値Ｔｃ１が第二の閾値を越すと警報を発し、その後、更にモータ一次巻線温度上昇値Ｔｃ１が第一の閾値を越すと過負荷保護トリップ動作が実行され、交流モータ１は停止する。なお、警報出力はトリップしても継続し、第２の閾値以下でリセットされるようになっている。

【0150】

図２０は過負荷と判定する第一の閾値と、許容温度上昇値との関係を説明する図である。先ず、（１）のモータの周囲温度Ｔａを検出しない場合を説明する。（ａ）はモータの耐熱クラスＡ〜Ｈを示し、各クラスの最高許容温度が（ｂ）に対応する。例えば、クラスＡは、最高許容温度が１０５℃で、クラスＨに行くほど１８０℃と高くなり、これらは規格で定められている。

【0151】

ここで、モータの一次巻線の温度測定方法には抵抗法がある。抵抗法は、抵抗温度係数が既知であることを利用して、温度試験前後の抵抗値から温度上昇値を算出する方法であり、巻線の平均温度が測定できる。しかし、１つの巻線で、冷却風の影響を受けている部分と、いない部分との温度差は抵抗法では測定できない。そこで、余裕温度のマージンδを予め定め、（ｃ）に示す如く、（最高許容温度−δ）の余裕を見る。なお、第一の閾値は巻線自身のクラスや、巻線を保護する絶縁紙のクラス、絶縁寿命を確保するワニス材のクラスなどモータのクラスに合わせて選定される。なお、巻線のマージンδは、一般的に５〜１５℃とし、熱電対等を用いた温度試験で実測することで最終確認するものとする。

【0152】

(ｄ）は第一の閾値となるモータ一次巻線の許容温度上昇値を示す。過負荷保護継電器９では、交流モータ１の周囲温度Ｔａ（℃）を検出しない場合には、モータの周囲温度Ｔａの初期値をモータの使用温度範囲の上限値Ｔａ（max）として設定する。例えば、上限値Ｔａ（max）が４０℃であれば、初期値は４０℃にセットされる。また、本実施形態では、モータの実際の周囲温度が１０℃でも過負荷保護継電器９の制御上の初期値は４０℃になるようにしている。例えば、図１９の温度上昇値モータ枠温度上昇値Ｔｃ０、モータ一次巻線の温度上昇値Ｔｃ１の時間０の温度は、初期値４０℃である。ここで、実際の周囲温度が１０℃の場合、制御上は４０℃からスタートするので、実際の温度とはオフセットがプラス３０（Ｋ）となりギャップがある。（ｃ）では最高許容温度からマージンのみをマイナスした値が示されているから、実際の周囲温度が１０℃の場合、３０（Ｋ）低い温度で過負荷保護トリップが動作することとなる。一見、交流モータ１にはまだ余裕があり、過負荷保護トリップの開始が早期に過ぎるとも思えるが、実際の周囲温度を検出するようになっていない場合、焼損事故防止上からは、より厳しい条件（本例では最も厳しい条件である初期値４０℃）とすることが好ましいともいえる。以上から、（ｄ）の第一の閾値となるモータ一次巻線の許容温度上昇値は、マージンを減じた（ｃ）の値から更にＴａ(max)を減じた値としている。

【0153】

次いで、図２０（２）のモータの周囲温度Ｔａを検出する場合について説明する。（２）の（ａ）〜（ｃ）は、（１）と同様である。（２）の場合、過負荷保護継電器９は、交流モータ１の実際の周囲温度を検出できるようになっている。よって、第一の閾値であるモータ一次巻線の許容温度上昇値（ｄ）は、（数２０）で示される。

【0154】

【数20】

【0155】

周囲温度が、交流モータ１の使用温度範囲の上限値より低い場合、一次巻線温度の上限値をその差の分だけ大きくすればよく、過負荷保護トリップ動作が、実状により適った条件で開始される。逆に、周囲温度が、交流モータ１の使用温度範囲の上限値より高い場合、第一の閾値が下がるので、モータが焼損することはない。このため、より正確な過負荷保護トリップが実現できる。
以上が第２実施形態の説明である。

【0156】

第２実施形態の過負荷保護継電器９によれば、放熱を考慮して一次巻線温度を管理するため、過負荷保護トリップ動作の精度を更に高くするという効果が得られる。特に、上記種々の熱モデルでは、温度の瞬間的上昇・下降に影響され難いモータ枠の温度変化を考慮しつつ、温度の急上昇・急下降に大きく影響される一次巻線の温度変化を管理することから、より現実に近いモータ温度管理を実現することができる。

【0157】

また、第一の閾値の設定では、固定値及び周囲温度値の両方に対応し、夫々交流モータ１の保守且つ効率的な運用に適う温度をもって過負荷保護トリップ動作を実現することができる。

【0158】

〔第３実施形態〕
本発明を適用した第３実施形態について説明する。第３実施形態は、過負荷保護継電器９が、モータ定数（無負荷電流Ｉ０、無負荷損Ｗ０、トルク比例定数１／ｋｓ）をチューニングしながら過負荷保護動作を行う点を主な特徴とする。

【0159】

第１実施形態は、全損失を累積加減算し、等価モータ巻線熱量により保護特性（図８）から過負荷保護トリップ動作する例である（図６）。第２実施形態は、全損失から種々のモータ熱モデル（図１４〜図１７）による巻線温度に基づいて過負荷保護トリップ動作する例である。これらは、全損失を検出するためのモータ定数（無負荷電流Ｉ０、無負荷損Ｗ０、トルク比例定数１／ｋｓ）が既知であることを前提とした処理例である。

【0160】

これに対し第３実施形態は、モータ定数が未知である場合に、これをチューニングしながら過負荷保護動作を行う例である。具体的には、電流二乗時間積を一定として過負荷保護動作を行うようになっており又入力電力Ｐinを、図７による演算処理で検出することで、モータ定数（無負荷電流Ｉ０、無負荷損Ｗ０、トルク比例定数１／ｋｓ）をチューニングするようになっている。

【0161】

図２１に、第３実施形態の過負荷保護トリップの処理フローを示す。
Ｓ３０１で、初期設定として、等価モータ巻線熱量Ｑｃ＝０とし、定格電流、定格トルクにモータ銘板値から入力した値を使用する。
Ｓ３０３で、電流／全損失信号選択ＳＷ２２は電流信号に固定とし、手動／自動復帰選択ＳＷ２１、電流／全損失信号選択ＳＷ２２、押釦ＳＷ２４、２５及び電流整定値設定ディップＳＷ２０−１、２０−２の読み取り及びＲ相、Ｔ相導体温度検出用サーミスタ７、８の温度値を読み取る。
Ｓ３０５で、入力電力Ｐinの演算処理を行う（図７）
枠線部Ｓ３０７で、等価モータ巻線熱量Ｑｃを求める演算を行う。なお、本演算は、第１実施形態のＳ１２０（「全損失に対する加減算重み値Ｐｄテーブルの処理（S120ａ）」、「等価モータ巻線熱量Ｑｃの演算処理（S120ｂ）」とは異なり、過負荷保護継電器の規格に従う。即ち三相負荷において、周囲温度常温（２０℃）を中心にして上下限の温度で、定格電流比に対して、過負荷不動作範囲と過負荷動作範囲が夫々定められており、規格の範囲内の加減算重み値Ｐｄ’テーブルを設定（S307a）している。モータ定格電流は電流整定値設定ディップＳＷ２０−２、ＳＷ２０−１で計８bitで設定する。電流積算する関数は電流二乗時間積一定動作特性としている。これは、モータ損失の一部である電流の二乗に比例する銅損であり、規格で定まる保護動作値として等価モータ巻線熱量Ｑｃ＝ｋｄ∫Ｉ²・ｄｔ（S307ｂ）で定めている。この等価モータ巻線熱量Ｑｃは、本考案によるモータ巻線熱量とは異なり、規格で定められたトリップレベルを、損失の一部である銅損の値として定めている。

【0162】

Ｓ３０９は、第３実施形態の特徴の一つである「モータ定数チューニング処理」である。なお、枠線部Ｓ３１０の各処理は、第１実施形態の枠線部Ｓ１３０と同様であるため説明を省略し、Ｓ３０９の「モータ定数チューニング処理」について詳述する。

【0163】

図２２に、Ｓ３０９「モータ定数チューニング処理」の処理フローを示し、図２３に「モータのトルク（Ｔｆ）と、すべり（ｓ）との関係性」を示す。
先ず図２３において、ｘ軸は、モータのすべりｓ（回転速度）を示し、ｙ軸は、トルクＴｆ、モータ電流（実効値）Ｉ、入力電力Ｐinを示す。すべりｓが１のときのモータのトルクは、始動トルクである。すべりｓ＝０は同期回転速度であり、モータ極数４極（対極数２）で、電源周波数５０Ｈｚの時１５００（１／min）、６０Ｈｚの時１８００（1／min）である。

【0164】

このとき、モータトルクは零、モータ電流は無負荷電流Ｉ０、入力電流Ｐinは無負荷損Ｗ０となる。また、定格トルクで運転する場合のすべりが、定格すべりである。次に、すべりｓ＝−1は負荷側からモータを増速する方向に外部から回される回生状態である。第３実施形態における「モータ定数のチューニング処理」は、次の３点を求めることにある。
（１）無負荷電流Ｉ０
（２）無負荷損Ｗ０
（３）トルク比例定数１／ｋｓ＝定格トルクＴｆ／（Ｐin−Ｗ０）
なお、モータ定数のチューニングは、過負荷保護継電器９がモータを直接制御することはできないので、過負荷保護検出しながらチューニング条件の監視を続け、受動態で待ち続ける。そのチューニングの方向を示すのが、図２３の下側に示す矢印である。

【0165】

（Ａ）は、現在の負荷が急に軽くなり、モータの回転速度が同期回転速度を一瞬越え、再び元に戻る過度状態を捉える。このとき、すべりｓが（＋）→（−）→（＋）と変化し、モータ電流Ｉが最少となる電流を捉え、その電流が無負荷電流Ｉ０であり、その時の入力電力Ｐinが、無負荷損Ｗ０となる。（Ｂ）は、負荷から増速され回生状態となった後に再度戻る場合であり、すべりｓが（−）→（＋）になる時である。

【0166】

次いで、トルク比例定数１／ｋｓのチューニングは、モータの定格電流及び定格トルクを用いて行う。定格電流及びトルクは、例えば、モータの銘板記載又は記載されている項目から計算で求めることができる値であり、外部入力値。（モータ定格電流は図２１の枠線部Ｓ３０７の説明で、電流整定値設定ディップＳＷ２０−２、ＳＷ２０−１で計８bitの値が設定されている。）過負荷保護継電器９は、モータの電流が定格電流になるまで待機し、定格電流になった時、入力電力Ｐinを瞬時に読み取り、定格トルクをＴｆとすれば、先にチューニングした無負荷損Ｗ０からＴｆ／（Ｐin−Ｗ０）を演算し、１／ｋｓを求めることができる。

【0167】

図２２に、このような関係特性に基づいたチューニング処理のフローを示す。本フローは、「（ａ）無負荷電流Ｉ０及び無負荷損Ｗ０のチューニング処理」、「（ｂ）トルク比例定数１／ｋｓのチューニング処理」、「（ｃ）チューニング完了出力処理」の３つから成り立つ。

【0168】

先ず、「（ａ）無負荷電流Ｉ０及び無負荷損Ｗ０のチューニング処理」の流れから述べる。
Ｓ４０１で、スタート後、（ａ）チューニングが終了しているかを、後述するＳ４１３の（ａ）チューニング完了フラグがオンであるかに基づいて判断し、終了している場合（S401：Y）はＳ４２０に進み、終了していない場合はＳ４０３に進む（S401:N）。

【0169】

Ｓ４０３で、入力電力Ｐinが零（Ｗ）を通過し、図２３のチューニングの方向（Ａ）に入っているかを判断する。入力電力Ｐinが零（Ｗ）通過及びチューニング方向（Ａ）の場合（S403:Y）、Ｓ４０５に進み、異なる場合（S403：N）、本フローを抜ける。

【0170】

Ｓ４０５で、電流Ｉが最小値か否かを判断する。図２３ではすべりｓ＝０の同期速度で無負荷電流Ｉ０が最小電流となるので、チューニング方向（Ａ）が戻る時に、無負荷電流Ｉ０と無負荷損Ｗ０のチューニングを行えばよい。電流Ｉが最小値である場合（S405:Y）、Ｓ４０７に進み、最小値で無い場合（S405:N）、本フローを抜ける。

【0171】

Ｓ４０７で、チューニング方向（Ａ）の場合は、電流最小値Ｉminを無負荷電流Ｉ０の最初の１個目のデータとしてメモリに保存し、チューニング方向（Ｂ）の場合は、入力電力Ｐinを無負荷損Ｗ０の最初の一個目のデータとしてメモリに保存する。

【0172】

Ｓ４０９で、無負荷電流Ｉ０と、無負荷損Ｗ０とが所定数（ｎ個分）保存されたかを判断し、所定数分保存していたらＳ４１１に進み（S409:Y）、不足していたら本フローを抜ける（S409：N）。

【0173】

Ｓ４１１で、保存したｎ個の無負荷電流Ｉ０及び無負荷損Ｗ０について、夫々の平均値Ｉ０（ave）
、平均値Ｗ０（ave）を算出し、算出結果をメモリに保存する。
その後、Ｓ４１３で（ａ）チューニング完了フラグをオンにし、本フローを抜ける。
以上が、「（ａ）無負荷電流Ｉ０及び無負荷損Ｗ０のチューニング処理」である。

【0174】

次いで、「（ｂ）トルク比例定数１／ｋｓのチューニング処理」の流れを説明する。

【0175】

Ｓ４２０で、（ｂ）チューニングが完了したか否かを、後述するＳ４２９の（ｂ）チューニング完了フラグがオンであるかに基づいて判断し、終了している場合（S420：Y）、S４３１に進み、終了していない場合（S420：N）、S４２１に進む。
Ｓ４２１で、電流Ｉが定格電流であるか否かを判断する。定格電流である場合（S421:Y）、Ｓ４２３に進み、定格電流Irのときの定格トルクをＴfrとして、Ｔfr／（Ｐin−Ｗ０(ave)）を演算し、トルク比例定数１／ｋｓの１個目のデータとしてメモリに保存する。電流Iが定格電流でない場合（S421：N）、本フローを抜ける。

【0176】

Ｓ４２５で、所定数（ｎ個）のデータが保存されたか否かを判断し、所定数保存されている場合（S425:Y）、Ｓ４２７で、ｎ個のトルク比例定数から平均値１／ｋｓ(ave)を算出してメモリに保存する。所定数保存後は、Ｓ４２９に進み（ｂ）チューニング完了フラグをオンにする。なお、所定数（ｎ個）のデータから不足している場合（ S425：N）、本フローを抜ける。
以上が、「（ｂ）トルク比例定数１／ｋｓのチューニング処理である。

【0177】

最後に、「（ｃ）チューニング完了出力処理」である。
Ｓ４３１で、ＣＰＵ１４は、出力端子ＤＯ１を出力し、ＬＥＤ１９−２を点灯させ、モータ定数のチューニングが完了した旨を報知する。なお、モータ定数は（ａ）・（ｂ）のチューニング完了フラグ（S413、S429）と共に、制御電源がオフする直前にＲＡＭメモリから不揮発性メモリ２７に保存され、制御電源遮断の度、消去されることはない。
以上の（ａ）（ｂ）（ｃ）によって、モータ定数のチューニング処理が実行される。

【0178】

このように第３実施形態によれば、モータ定数が未知であっても、これをチューニングしながら過負荷保護トリップ動作を動的に実行することができる。

【0179】

〔第３実施形態の変形例〕
第３の実施形態では、過負荷保護継電器９が、モータ定数のチューニングを行いながら電流二乗時間積一定動作による過負荷保護トリップを行うようになっていた。また、モータ定数チューニング後、実運転中のトルクを検出し、出力電力を得てモータの全損失を入手した。そして、これらを積算することで入出力並びに全損失電力量、平均負荷率及びモータ効率を入手するようにした。

【0180】

ここで、ユーザの機器に設置された状態の交流モータ１では、モータのトルク等を測定するトルクピックアップなどのセンサが実装されていないことも多く、交流モータ１のトルクや負荷率が不明となる場合もある。また、運転中にリアルタイムでのモータの実出力がどの程度であるかということも不明である。

【0181】

そこで、第３実施形態の変形例では、過負荷保護継電器９に、外部からの入力によってモータ定数を与えることを特徴の一つとする。

【0182】

図３４に、変形例の構成を示す。６０は、ユーザ側のシステム構成で、５９は、交流モータ１の製造メーカ側のシステム構成を示す。ユーザ側のＰＣ５４ａは、通信ケーブル５５を介して、過負荷保護継電器９の通信コネクタ２６と接続され、更に、インターネット等の通信網を介して、交流モータ１の製造したメーカのカスタマセンタ５８側のＰＣ５４ｂと接続される。ＰＣ５４ｂは、データセンタ５７と接続され、データセンタ５７には、当該製造メーカのモータ製品に関するモータ定数５６が保存されている。

【0183】

まず、ユーザ側システム６０で、過負荷保護継電器９をオンラインからオフラインに切り替える。ＰＣ５４ａはメーカ側５９に、交流モータ１の製造番号等と共に該当するモータ定数の送信を要求する。要求を受信したカスタマセンタ５８は、製造番号に対応するモータ定数５６の出力要求をデータセンタ５７に送信し、データセンタ５７はこれを受け、ＰＣ５４ｂへ該当するモータ定数５６を送信する。次にＰＣ５４ｂはユーザ側のＰＣ５４ａにモータ定数５６を送信する。ユーザ側のＰＣ５４ａは、受信したモータ定数５６を過負荷保護継電器９にインストールする。

【0184】

本変形例では、モータ定数５６を直接、交流モータ1、過負荷保護継電器９を製造しているメーカから入手することで、より正確な入出力並びに全損失電力量、平均負荷率及びモータ効率を得ることができる。

【0185】

なお、図２２に示したチューニング処理のＬＥＤ点灯処理（S431 ）は、チューニング完了でＬＥＤ１９−２を点灯させるだけでなく、モータ定数５６のインストールを契機に、ＤＯ１を出力しＬＥＤ１９−２を点灯させるようにしてもよい。

【0186】

また、過負荷保護継電器９は、通信コネクタ２６から上位装置としてのＰＬＣ５２と通信ケーブル５５を介してオンライン接続され、図２６の表に記載される省エネルギに関するデータが送信される。

【0187】

〔第４実施形態〕
第４実施形態の過負荷保護継電器９は、上述した第１〜第３実施形態の過負荷保護トリップ処理（図６、図１３、図２１）を実装する場合の種々の構成や外部通信／表示等を例示するものである。

【0188】

先ず、第１〜第３実施形態の過負荷保護トリップ処理の実装構成例を説明する。
図２４に、過負荷処保護トリップ動作を実行する機能部の実装構成を模式的に示す。図２４の左側の構成は、第１実施形態の過負荷保護処理（全損失の累積加減算による過負荷保護プログラム機能部４７／図６）と、第２実施形態の過負荷保護処理（全損失＋熱モデルによる過負荷保護プログラム機能部４８／図１３）の切替構成を示す。ＳＷ４５は、パラメータで選択可能に切り替わる論理スイッチであり、ユーザの指定により選択される。

【0189】

図２４の右側は、第３実施形態（電流二乗累積加減算＋モータ定数チューニングプログラム機能部４９／図２１）の構成である。本処理は、電流／全損失信号選択ＳＷ２２（図４参照）の指定が（全損失量ではなく）電流となっているときに選択されるようになっている。なお、ＳＷ２２の指定はユーザ指定である。

【0190】

なお、モータ定数がチューニングされていない等の場合には、先ず電流二乗累積加減算＋モータ定数チューニング機能部４９を選択し、チューニング後、全損失累積加減算による過負荷保護プログラム機能部４７又は全損失＋熱モデルによる過負荷保護プログラム機能部を実行させるようにしてもよい。モータ定数が未知で有る場合や交流モータ１の仕様環境や外部環境の変化に応じて変化する各設定値をチューニングしてからの方が、各処理での精度向上に資する為である。例えば、図２５に示すように、判定部５０を実現するプログラムを追加し、モータ定数チューニング済みか否かを判定するようにし、チューニングが未済みの場合（N）は、先ず機能部４９を実行し、その後、ＳＷ４５の指定に従うように構成してもよい。また、モータ定数は負荷の条件によって、チューニングが不可の場合もある。この場合は、上記第３実施形態の変形例による、外部からモータ定数のインストールを行うようにする。
なお、機能部４７、４８及び４９の全てではなく、一部を１つの過負荷保護継電器９に実装してもよい。

【0191】

次いで、過負荷保護継電器９から外部（上位装置）に出力する各種情報の出力例（画面表示、印刷出力等）を説明する。
図２６に、交流モータ１の各種電力量、運転動作点を外部送信した場合の出力例を示す。
（１）は日々モータ運転電力量報告書であり、モータ出力３．７ｋＷ、極数（対極数）４（２）、定格トルク２４．５１５Ｎ・ｍ、電源２００Ｖ・５０Ｈｚの場合の一例である。交流モータ１の入力電力量、出力電力量、損失電力量、運転時間、平均負荷率、モータ効率及び過負荷トリップ回数を日別に表示する。各情報は、過負荷保護継電器９から通信コネクタ２６を通して上位装置に出力されるようになっている。
日毎の情報を過負荷保護継電器９で蓄積しておき、定期又は不定期に、上位装置にプッシュ又はプル送信するなどしてもよい。不揮発メモリ２７の要領に応じて任意に構成できる。(２）は。月間モータ運転電力量報告書で、（１）の月次累計の表示例である。

【0192】

（１）及び（２）の種々の情報は、過負荷保護継電器９において、以下のようにカウントされる。
入力電力及び出力電力量は、図６および図１３の処理フロー実行中に、入力電力、出力電力を積算して演算される。損失電力量は、（入力電力量）−（出力電力量）で演算される。運転時間は、図７の入力電力Ｐin演算処理のブロック図において、３相入力電力Ｐinが０（Ｗ）以外の値が発生している延べ時間をモータ稼働時間とする（１日単位等で計測する）。平均負荷率は、１日単位のリアルタイムの負荷トルクを時間毎積算し、１日の運転時間で除算し、更に定格トルクで除算して百分率で表して求めることができる。モータ効率（％）は、１日単位のデータから、１００×（出力電力量）／（入力電力量）で求められる。また、過負荷トリップ回数は過負荷保護動作が働いた回数を計測して１日単位等で合計値を出力する。なお、過負荷保護継電器９は時計機能がなくとも、例えば、ＰＬＣ５２で時計機能を持ち、モータ運転開始と運転停止直前に年月日と時間を過負荷保護継電器９へ送信し、運転停止の年月日と時間を受信後、その運転期間のデータを通信コネクタから上位へ転送するようにしてもよい。

【0193】

次に、過負荷保護継電器９を用いた「制御システムの構成例」を説明する。
図２７に、システム構成を模式的に示す。交流モータ１−１〜１−９は、過負荷保護継電器９−１〜９−９と、一般には１対１で接続される。過負荷保護継電器９は、１又は複数のグループ（ブロック）で、上位装置（本例では、ＰＬＣ５２−１〜５２−３）と有線又は無線接続される。ＰＬＣ５２−１等は、更に、インターネット等の種々の通信規約に準拠した通信線と有線又は無線で接続され、最上位の管理コンピュータ５３と接続される。

【0194】

図２６に例示した入力電力量や過負荷保護トリップ回数等のデータは、過負荷保護継電器９−１等からブロック毎のＰＬＣ５２−１等に転送される。ＰＬＣ５２−１等は、自ら管理する過負荷保護継電器９の交流モータ１の台数分のデータを収集し、その後、管理コンピュータ５３に送信する。管理用コンピュータ５３には、交流モータ１のデータが全台数分収集される。管理コンピュータ５３は、図２６に例示する日々や月次のデータ収集結果を、１台毎又は複数台毎で表示等行うことができる。

【0195】

このような収集結果を用いれば、ユーザは以下のような管理を行うことが可能となる。
図２８は、図２６に示すモータ負荷率及びモータ効率を夫々ｘ、ｙ軸にとって、効率特性をグラフ化したものである。ここで、図２６のモータが、特定のユーザのモータであり、出力３．７ｋＷで、その効率特性が図２８のモータＢであるものとする。そして、ユーザがより省エネルギを図るために、高効率モータＡへの交換を検討する場合を考える。

【0196】

モータの効率は、カタログ等には、一般には負荷率毎のデータとして記載されておらず、定格トルクでの効率が公表される傾向にある。モータには、１００％付近の負荷率では効率が高いものの負荷率が下がると効率は従来よりも下がるという特性をもつこともある。いかほどの負荷でモータを利用するかはユーザ毎に異なるため、定格負荷での効率のみで比較することは必ずしも全てのユーザの要求を満たすとは限らない。

【0197】

この点、本実施形態では、現在使用中であるモータＢの平均負荷率を明示することができるようになっている（図２６）。即ち図２６（１）先頭行の平均負荷率５１．８％を図２８に照らしてみれば、モータＡは負荷率５１．８％の時、モータ効率７１％程度で、現在使用中のモータＢはモータ効率が８１％で、高効率モータに変えない方がよいということがわかる（なお、図２６の（１）の先頭の行のモータ効率が測定値で６８．５％となっているのは、負荷率は平均であり５１．８％の前後に変動しており、負荷率が下がればモータＢも効率が下がるからである。）。

【0198】

また、高効率モータＡの負荷率毎の効率データが不明であっても、本実施形態の場合、現状のモータＢの入力電力量、出力電力量、損失電力量、運転時間、平均負荷率及びモータ効率まで測定できるので、出力電力量を同一条件として比較すれば、入力電力量が少ない方が、効率がよいこととなり、ユーザが容易に判断することができる。

【0199】

更に、本実施形態による測定結果から、３．７ｋＷモータの定格トルク２４．５１５Ｎ・ｍに、実測した平均負荷率０．５１８を掛けると１２．７Ｎ・ｍとなり、仮にモータＢの効率特性が２．２ｋＷモータと相似であれば、２．２ｋＷの定格トルクは１４．５８Ｎ・ｍ（＝２４．５１５×２．２／３．７）で、平均負荷率は８７．１％と改善され、３．７ｋＷから２．２ｋＷに下げた方がモータの全損失量の絶対量も少なくなり、より省エネルギ化が図れることをユーザは判断できる。

【0200】

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0201】

１…交流モータ、２…交流電源、３…配線用遮断器（または漏電遮断器）、４−１…電磁接触器の接点、４−２…電磁接触器のコイル、５…Ｕ相電流検出器、６…Ｗ相電流検出器、７…Ｒ相導体温度検出用サーミスタ、８…Ｔ相導体温度検出用サーミスタ、９…過負荷保護継電器、１０…３相全波整流器、１１…スイッチングレギュレータ用電源、１３…連結器、１４…ＣＰＵ、１５-１…過負荷出力リレーのｂ接点、１５−２…過負荷出力リレーのａ接点、１５−３…過負荷出力リレー用コイル、１６−１…警報出力リレーのｂ接点、１６−２…警報出力リレー用コイル、１７…インバータゲート、１８…フライホイルダイオード、１９−１…過負荷トリップ表示用発光ダイオード、１９−２…モータ定数チューニング完了表示用発光ダイオード、２０−１…下位電流整定値設定ディップＳＷ、２０−２…上位電流整定値設定ディップＳＷ、２１…手動／自動復帰選択ＳＷ、２２…電流／全損失信号選択ＳＷ、２３−１〜２３−１９…固定抵抗器、２４…リセット用押釦ＳＷ、２５…テストトリップ用押釦スイッチ、２６…通信用コネクタ、２７…不揮発性メモリ、２８…加え合せ点（入力電力Pin−出力電力Pout）、２９…加え合せ点（指令−フィードバック）、３０…加え合せ点（モータ枠温度上昇値−周囲温度）、３１…積分要素を含むモータ枠発熱部の伝達関数、３２…モータ枠放熱部の伝達関数、３３…モータの全損失Ｐloss（熱量Ｑ）に対する一次側の損失（熱量）の割合、３４…積分要素を含むモータ一次巻線の伝達関数、３５…一次遅れ要素を含むモータ枠放熱部の伝達関数、３６…積分要素の伝達関数、３７…モータの一次巻線の伝達関数、３８…モータ枠発熱部の伝達関数、５１…ＬＣフィルタ、５１−１…ＬＣフィルタ用コンデンサ、５１−２…ＬＣフィルタ用インダクタンス、５２…ＰＬＣ、５３…管理コンピュータ、５４ａ…（ユーザ側）ＰＣ、５４ｂ…（カスタマセンタ側）ＰＣ、５６…モータ定数、５７…データセンタ、５８…カスタマセンタ、５９…メーカ側システム、６０…ユーザ側システム、６１…エンコーダ、６２…ＡＣモータ駆動用ＰＷＭ出力ドライバ、６３…ＡＣモータ、６４…周囲温度検出サーミスタ、６５…振動センサ、６８…メカブレーキ、６９…メカブレーキ用励磁コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】