JPH0127648B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的に電気装置の保護、特に装置
を過大温度から保護するのに役立つ様な、装置内
の温度の表示を決定し得る様な、電気装置に対す
る熱モデルに関する。

周知の様に、電気装置では、突然の大きな過負
荷の結果として、小さな連続的な過負荷の結果と
して、又は冷却装置或いは通気装置の何等かの故
障又は中断の結果として、過大な温度が起り得
る。更に、３相装置では、或る相の脱落又は相の
不平衡状態によつて、過大な温度が起り得る。カ
ナダ特許出願通し番号第402459号（発明者ブース
マン他）には、合成デイジタル多相電流信号を使
つて、或る相の脱落、相の不平衡、相順序の逆転
並びに過大温度が起らない様に保護する電動機保
護装置が記載されている。この装置は導体の温度
及び鉄心の温度を決定して、予定の温度を越えた
時、電源を遮断する電動機熱モデルが含んでい
る。この発明は改良された電動機熱モデルを対象
とするものであり前に述べたカナダ特許出願の電
動機保護装置に使うことができる。この発明の電
動機熱モデルは、単相装置内の温度を決定する
為、並びに任意の電気装置を過大温度から保護す
る為に使うことも出来る。

変圧器又は電動機の様な電気装置は、熱容量が
比較的小さい導体並びに一層大きな熱容量を持つ
鉄心材料を持つているのが普通である。この明細
書で云う「心材料」と云う言葉は包括的な用語で
あり、即ち、これは鉄心部品だけでなく、絶縁及
び支持構造の様な熱伝達に関係するその他の材料
をも含むことがある。電流レベルと導体の抵抗に
応じて、導体内で熱が発生され、この熱の多く
は、導体と大部分の心材料の間の温度差及び夫々
の熱抵抗率に応じた割合で、心材料に伝達され
る。更に、心材料と周囲（又はその他の任意の冷
却媒質）の間の温度差及び熱抵抗率に応じた割合
で、心材料から熱が散逸されるのが普通である。
この為、この様などんなモデルでも、実際の温度
の他に、熱容量及び熱抵抗率の幾つかの値も考慮
しなければならない。

この熱アナログ又はモデルが電動機（又は強制
冷却を用いるその他の電気装置）である時も、全
般的に同じ状況である。然し、電動機が回転して
いる時の冷却速度と、回転していない時の冷却速
度とは異なる。フアン冷却の様な強制冷却を用い
る他の電気装置では、フアンが動作している時の
冷却速度と動作していない時の冷却速度も異な
る。

熱モデルには多数の変数並びに多数の伝熱率が
あることが理解されよう。非常に簡単な熱モデル
を作る公知の１つの方法は、電流の流れに応答す
るヒータを持つ１つ又は更に多くのバイメタル素
子を使うものである。この種のバイメタル素子は
或る時定数を持つ。即ち、ヒータは電流に比例す
る割合でバイメタル素子を加熱し、バイメタルが
予定の温度に達すると、その接点が開き、保護し
ている装置に対する電力の供給を遮断する。電流
が許容値より低いと、ヒータで発生される熱と熱
損失の間の平衡状態に達し、この為バイメタル素
子は接点を開く程高温にならない。

更に工夫された熱モデルがカナダ特許第983094
号に記載されている。この熱モデルは、導体の熱
特性を模擬する抵抗コンデンサ・アナログ回路
と、それが模擬している電動機の電流に比例する
割合で抵抗コンデンサ回路を充電する充電回路
と、抵抗コンデンサ・アナログ回路に接続されて
いて、導体絶縁物の熱低抗を模擬し、導体から伝
達された熱に従つて抵抗コンデンサ回路を放電さ
せる抵抗回路とを持つている。抵抗コンデンサ回
路にある電荷の電圧が温度を表わし、それを使つ
て予定の限界より高い温度を表示し、又は遮断器
を引はずして、電動機に対する電力を遮断する。

この発明の熱モデルは、電気装置の温度及び熱
伝達の一層正確なモデルとなる、即ち一層正確に
模擬する。熱モデルはデイジタル形であり、装置
内の電流を通す導体を表わす第１のレジスタと、
心材料の塊りを表わす第２のレジスタとを持つて
いる。第１のレジスタのカウントが、導体に熱を
発生する導体に流れる電流に従つて増加する。こ
のカウントが導体の温度を表わす。第２のレジス
タのカウントは心材料の温度を表わす。倍率手段
が第１及び第２のレジスタからカウントを受取
り、カウントの差が導体と心材料の間の温度差を
表わす。この温度差と、夫々の熱容量並びに熱抵
抗率が、導体から鉄心への熱伝達を左右する。温
度差が唯一の変数であり、倍率手段がこれを利用
する。倍率手段は第１のレジスタにあるカウント
を減少して、導体から伝達された熱を表わす様に
すると共に、第２のレジスタのカウントを増加し
て、心材料に伝達された熱を表わす様にする。勿
論、その割合は異なつている。第２の倍率手段が
第２のレジスタからカウントを受取る。この第２
の倍率手段は周囲温度を持つていて、心材料と周
囲の間の温度差を決定するか、或いは周囲温度を
表わす温度感知装置からの信号を受取つて、それ
に基づいて差を決定する。この第２の倍率手段が
第２のレジスタのカウントを減少して、周囲に対
する熱損失を表わす様にする。この為、第１及び
第２のレジスタのカウントが導体の温度（ホツ
ト・スポツトの温度）及び心材料の温度（平均温
度）をかなりの精度で表わす。その一方又は両方
を使つて、夫々の温度が予定のレベルを越えた場
合、装置に対する電力の供給を遮断することが出
来る。

熱モデルを使つて保護する装置が電動機である
か、或いはフアン冷却である場合、回転感知装置
が第２の倍率手段に対して信号を供給して、回転
しているかどうか、即ち、その時冷却効果が存在
するかどうかに従つて、倍率を変更することが出
来る様にする。

制御装置を設けて種々の加算及び減算を制御
し、又はその順序を定める。

従つて、この発明の特徴は、デイジタル動作に
より、電気装置の温度表示を発生する上で一層高
い精度並びに安定性を持たせる熱モデルを提供す
ることである。

この発明の別の特徴は、当該装置のデイジタル
形熱モデルを用いて、電気装置の過大温度を検出
する装置を提供することである。

この発明の別の特徴は、等価温度を決定する際
に２つ又は更に多くの温度差に依存するデイジタ
ル回路を用いる様な、電動機の熱モデルを提供す
ることである。

この為、電流を通す導体並びに心材料を持つ電
気装置の熱モデルを構成する装置を提供する。こ
の装置は、導体の温度及び心材料の温度を表わす
夫々のデイジタル値を貯蔵する第１及び第２のレ
ジスタと、前記導体の電流を表わす第１のデイジ
タル信号を前記導体から取出し、周期的に該第１
のデイジタル信号を第１のレジスタにある値に加
算する手段と、第１及び第２のレジスタに貯蔵さ
れている値を受取つて、導体と心材料の間の温度
差を表わす差を求め、それに応答して、導体から
伝達された熱並びに心材料に伝達された熱を夫々
表わす第２及び第３のデイジタル信号を決定する
手段と、第２のデイジタル信号を前記第１のレジ
スタにある値から周期的に減算する手段と、前記
第３のデイジタル信号を前記第２のレジスタにあ
る値に周期的に加算する手段と、第２のレジスタ
に貯蔵されている値を受取つて、第２のレジスタ
から伝達された熱を表わす第４のデイジタル信号
を決定する手段とを有する。

次にこの発明を図面について説明する。

３本の母線１０，１１，１２が選択及び倍率回
路１４に接続されることが示されている。３本の
母線は、３相電源から給電される電気装置に対す
るモデルとして使つた場合の熱モデルを示す為に
使われている。この熱モデルは単相電源から給電
される電気装置に対するモデルとして作用し、こ
の場合、１本の母線だけが選択及び倍率回路１４
に接続され、選択作用は不要である。

各々の母線１０，１１，１２が電源の各相に於
ける電流の尖頭値又は最大値を表わすデイジタル
信号を伝える。勿論、電気装置に供給される電流
を表わす電流信号を求めるのに電流感知装置を使
うことがよく知れており、アナログ信号からデイ
ジタル信号を得る為にアナログ・デイジタル変換
器を使うこともよく知られている。希望によつて
は、これは前掲カナダ特許出願通し番号第402459
号に記載された複合波形を使つて行なうことが出
来る。３つのデイジタル信号が選択及び倍率回路
１４に供給されると、最大の信号が選択され、そ
の後適当に倍率が掛けられ、その結果得られた信
号が母線１５に出て、加算レジスタ１６に印加さ
れる。加算レジスタ１６が、導体１７に順序信号
を受取るまで、このデイジタル値を貯蔵する。導
体１７から順序信号を受取ると、レジスタは貯蔵
されていたデイジタル値を母線１８を介して第１
のレジスタ２０に供給する。第１のレジスタ２０
に加えられた、倍率を掛けたデイジタル値は、装
置内の電流に比例し、導体に流れる電流によつて
発生された熱を表わす。第１のレジスタ２０にあ
るカウントが導体の温度を表わす。

装置の導体にある熱の一部分が導体から外向き
に流れる。導体から流れるこの熱が、母線２２を
介して減算レジスタ２１によつて第１のレジスタ
２０から減算される値によつて表わされる。装置
の導体に発生される若干の熱が周囲の心材料に流
れる。心材料に流れるこの熱が加算レジスタ２４
から母線２５を介して第２のレジスタ２３に加算
される値によつて表わされる。減算レジスタ２１
が導体２６に順序信号を受取つた時、減算レジス
タ２１が第１のレジスタ２０に減算値を供給す
る。同様に、加算レジスタ２４が導体２７に順序
信号を受取つた時、加算レジスタ２４が第２のレ
ジスタ２３に加算値を供給する。

第１のレジスタ２０及び第２のレジスタ２３か
らの値は夫々母線２８，３０を介して倍率回路３
１が利用することが出来る。これらの値は導体の
温度並びに周囲の鉄心の温度を表わす。銅、即
ち、導体から鉄心への熱伝達は、熱抵抗（一定
値）、熱容量（一定値）及び温度差（可変の値）
に関係する。倍率回路３１が２つの温度を表わす
信号を受取つて、温度差を決定する。この温度差
と一定の熱的な値とに基づいて、導体から流れ出
る熱並びに鉄心に流込む熱を決定することが出来
る。こうして決定された値が母線３２，３３を介
して夫々減算レジスタ２１及び加算レジスタ２４
に利用出来る様にする。

心材料は空気循環により、又は他の何等かの冷
却手段によつて冷却される。冷却速度は鉄心と冷
却媒質（これは多くの場合に周囲空気である）と
の間の温度差の影響を受ける。第２のレジスタ２
３が心材料の温度を表わす値を持つており、これ
が母線３４を介して倍率選択回路３５に利用出来
る様にする。倍率選択回路３５には平均周囲温度
を表わす値が基準冷却温度として設定してあつて
もよいし、或いは温度感知装置を持つていて、そ
れが周囲温度（又は冷却媒質の温度が周囲とは異
なる場合、この冷却媒質の温度）を表わす信号を
発生する様にしてもよい。カナダ特許第1032655
号には、アナログ形保護回路に対する１つの周囲
感知及び補賞形式が記載されている。この為、倍
率回路３５は心材料と基準の間の温度差を決定す
ることが出来、この差が心材料から外への伝熱率
に影響を与える。倍率回路３５が心材料から熱伝
達を表わすデイジタル値を母線３６を介して供給
し、これが減算レジスタ３７に利用出来る様にす
る。減算レジスタ３７が導体３８に順序信号を受
取ると、それが母線４０を介して第２のレジスタ
２３に減算値を供給する。

電気装置が電動機である場合、心材料の冷却す
る速度は２つある。１つの速度は電動機が回転し
ている又は運転されている時に有効であり、他方
は電動機が静止している時に有効である。静止
時、例えば電動機を再び始動する時の電動機の冷
却を知ることが重要である。この為、回転検出器
４１が設けられている。簡単な形式では、回転検
出器４１は選択及び倍率回路１４から導体４２を
介して、電動機に電流が流れていること、従つて
電動機が運転されていることを示す信号を受取る
ことが出来る。この代りに、タコメータを使つ
て、回転しているかいないかを表わす信号を発生
することが出来る。回転検出器４１によつて回転
が検出されると、この検出器が導体４３を介して
倍率選択回路３５に信号を送り、運転時の倍率を
選択する。回転時の倍率がなければ、選択回路は
静止時の倍率を選択する。これは普通は鉄心の一
層低い熱損失量を表わす。

勿論、電動機以外の電気装置も２種類の冷却速
度（或いは場合によつては更に多くの冷却速度）
を持つことがある。例えば変圧器はフアン冷却す
ることがある。

前に述べた様に、加算レジスタ１６、減算レジ
スタ２１、加算レジスタ２４及び減算レジスタ３
７に夫々導体１７，２６，２７，３８を介して順
序信号が供給された。これらの順序信号はシーケ
ンサ４４によつて周期的に発生され、レジスタ２
０及び２３の変化を制御し且つ調整する。

この発明の熱モデルの全体的な動作は明白であ
ると思われる。装置に対する電流を表わすデイジ
タル信号を取出して、加算レジスタ１４に送る。
導体に流れる電流によつて生ずる発熱は電流に比
例し、従つて加算レジスタ１４にある倍率を掛け
たデイジタル信号に比例する。このデイジタル信
号を第１のレジスタ２０に周期的に加算し、レジ
スタ２０にあるデイジタル値又はカウントが導体
の温度を表わす。導体から流れ出る熱の割合を表
わす速度で、デイジタル値が減算レジスタ２１に
よつて周期的に減算され、鉄心に流込む熱量を表
わす割合で、加算レジスタ２４によつてデイジタ
ル値が第２のレジスタ２３に加算される。心材料
から流れ出る熱量を表わす割合で、デイジタル値
が減算レジスタ３７によつて第２のレジスタ２３
から減算される。勿論、増減の割合は、ソースと
シンクの間の温度差並びに関係する相対的な質量
の両方に関係する。即ち、第１のレジスタ２０は
導体の温度を表わす値を持つており、これは装置
が動作している時、最も高い温度であるのが普通
である。第２のレジスタ２３は心材料の温度を表
わす値を持つており、これは平均温度と呼ぶこと
が出来る。

第１のレジスタ２０にあるデイジタル値又はカ
ウントは母線４５を介してホツト・スポツト検出
回路４６に供給することが出来る。検出回路４６
は母線４５のデイジタル信号を入力４７を介して
回路に設定された基準値と比較する。基準値は許
容し得る導体の最高温度を表わす。母線４５のデ
イジタル信号が基準を越えると、導体４８に引は
ずし信号が発生される。同様に、第２のレジスタ
２３にあるデイジタル値又はカウントが母線５０
を介して平均温度検出回路５１に供給し得る。検
出回路５１が母線５０のデイジタル値を入力５２
を介して回路に設定された基準値と比較する。入
力５２の基準値は心材料の許容し得る最高温度、
即ち、最高平均温度を表わす。母線５０の信号が
基準を越えると、導体５３に引はずし信号が発生
される。

導体４８，５３の引はずし信号を使つて遮断器
（図に示してない）を引はずし、こうして導体又
は鉄心の温度が予定のレベルを越えた時、装置に
対する電力の供給を遮断する。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の１形式の簡略ブロツク図であ
る。 主な符号の説明 １６：加算レジスタ、２０：
第１のレジスタ、２１：減算レジスタ、２３：第
２のレジスタ、２４：加算レジスタ、３１：倍率
回路、３５：倍率選択回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電流を通す導体並びに心材料を持つ電気装置
   の熱モデルを構成する装置に於て、 導体の温度及び心材料の温度を夫々表わすデイ
   ジタル値を貯蔵する第１及び第２のレジスタと、 前記導体の電流を表わす第１のデイジタル信号
   を前記導体から取出して、前記第１のレジスタに
   ある値に前記第１のデイジタル信号を周期的に加
   算する手段と、 前記第１及び第２のレジスタに貯蔵されている
   値を受取つて、導体と心材料の間の温度差を表わ
   す差を求め、それに応答して、導体から伝達され
   た熱並びに心材料に伝達された熱を夫々表わす第
   ２及び第３のデイジタル信号を決定する手段と、 前記第１のレジスタにある値から前記第２のデ
   イジタル信号を周期的に減算する手段と、 前記第２のレジスタにある値に前記第３のデイ
   ジタル信号を周期的に加算する手段と、 前記第２のレジスタに貯蔵されている値を受取
   つて、前記第２のレジスタから伝達された熱を表
   わす第４のデイジタル信号を決定する手段とを有
   する装置。 ２ 特許請求の範囲１に記載した装置に於て、前
   記第２のレジスタに貯蔵されている値を受取る手
   段が、この値を周囲媒質の温度を表わす基準値と
   比較して、心材料及び周囲媒質の間の温度差を求
   めて、前記第４のデイジタル信号を決定する手段
   を含んでいる装置。 ３ 特許請求の範囲１に記載した装置に於て、前
   記第２のレジスタに貯蔵されている値を受取る手
   段が心材料から失われた熱を表わす値を前記第２
   のレジスタから周期的に減算する手段３７を有
   し、 前記第１のレジスタにある値が導体の温度を表
   わし、前記第２のレジスタにある値が心材料の温
   度を表わす装置。 ４ 特許請求の範囲３に記載した熱モデルに於
   て、第１のデイジタル信号を前記導体から取出す
   手段が、電流感知手段及びアナログ・デイジタル
   変換器で構成される装置。 ５ 交流電動機の熱モデルから、許容し難い熱状
   態があると判定したことに応答して、該電動機に
   対する電力の供給を遮断することにより、交流電
   動機を保護する装置に於て、 前記電動機に供給される電流を表わすデイジタ
   ル信号を取出す手段と、 第１のレジスタ及び第２のレジスタと、 前記デイジタル信号を取出す手段及び第１のレ
   ジスタの間に接続された第１の加算手段と、 前記第１及び第２のレジスタの間に接続されて
   いて、各々のレジスタからデイジタル値を受取る
   第１の倍率手段と、 該第１の倍率手段及び前記第１のレジスタの間
   に接続された第１の減算手段と、 前記第１の倍率手段及び前記第２のレジスタの
   間に接続された第２の加算手段と、 前記第２のレジスタに接続されていて、それか
   らデイジタル値を受取る第２の倍率手段と、 該第２の倍率手段及び前記第２のレジスタの間
   に接続された第２の減算手段とを有し、 前記第１の加算手段は前記デイジタル値を受取
   り、それに応答して、前記電動機の電流を通す導
   体に電流が流れることによつて生ずる発熱を表わ
   すデイジタル値を第１のレジスタに加算し、 前記第１の倍率手段は前記導体の温度を表わす
   デイジタル値を第１のレジスタから受取ると共に
   電動機の心材料の温度を表わすデイジタル値を第
   ２のレジスタから受取り、それに応答して、電流
   を通す導体から伝達された熱を表わす、倍率を掛
   けたデイジタル信号を第１の減算手段に供給する
   と共に、心材料に伝達された熱を表わす、倍率を
   掛けたデイジタル信号を第２の加算手段に供給
   し、 前記第２の倍率手段は心材料の温度を表わすデ
   イジタル値を第２のレジスタから受取つて、心材
   料から通気によつて伝達された熱を表わす、倍率
   を掛けたデイジタル信号を第２の減算手段に供給
   し、更に、 導体の温度を表わす前記第１のレジスタにある
   デイジタル値を受取つて、それを臨界値を表わす
   予定の値と比較して、前記第１のレジスタにある
   デイジタル値が前記第１の予定の値を越えた時、
   前記電力の供給を遮断する引はずし信号を発生す
   る検出手段を有する装置。 ６ 特許請求の範囲５に記載した交流電動機を保
   護する装置に於て、 前記第１及び第２の加算手段及び前記第１及び
   第２の減算手段に接続されていて、前記第１及び
   第２の加算手段を周期的に作動して、夫々その中
   にある値を夫々前記第１及び第２のレジスタに加
   算すると共に、前記第１及び第２の減算手段を周
   期的に作動して、夫々その中にある値を夫々前記
   第１及び第２のレジスタから減算するシーケンサ
   手段を有する装置。 ７ 特許請求の範囲５に記載した装置に於て、電
   動機に供給される電流を表わすデイジタル信号を
   取出す手段が、電動機に供給される電流のアナロ
   グ値を取出す電流感知装置と、電流の尖頭値をデ
   イジタル信号に変換するアナログ・デイジタル変
   換器とで構成されている装置。 ８ 特許請求の範囲５に記載した装置に於て、電
   動機の回転子が回転しているか不動であるかを検
   出して、そのことを表わす回転信号を発生する回
   転検出手段を有し、前記第２の倍率手段は前記回
   転信号に応答して、前記回転子が回転している時
   は、心材料から伝達された熱の１つの値を表わし
   且つ回転子が不動である時は別の値を表わす、第
   ２の倍率を掛けた信号を決定する装置。 ９ 交流電動機の熱モデルから許容し難い熱状態
   があると判定されたことに応答して、該電動機に
   対する電力の供給を遮断することにより、交流電
   動機を保護する装置に於て、 前記電動機に供給される電流を表わすデイジタ
   ル値を取出す手段と、 第１のレジスタ及び第２のレジスタと、 デイジタル信号を取出す手段及び前記第１のレ
   ジスタの間に接続された第１の加算手段と、 前記第１及び第２のレジスタの間に接続されて
   いて、各々のレジスタからデイジタル値を受取る
   第１の倍率手段と、 該第１の倍率手段及び前記第１のレジスタの間
   に接続された第１の減算手段と、 前記第１の倍率手段及び前記第２のレジスタの
   間に接続された第２の加算手段と、 前記第２のレジスタに接続されていて、それか
   らデイジタル値を受取る第２の倍率手段と、 該第２の倍率手段及び前記第２のレジスタの間
   に接続された第２の減算手段とを有し、 前記第１の加算手段は前記デイジタル信号を受
   取つて、それに応答して、電動機の電流を通す導
   体に電流が流れたことによつて生ずる発熱を表わ
   すデイジタル値を第１のレジスタに加算し、 前記第１の倍率手段は前記導体の温度を表わす
   デイジタル値を前記第１のレジスタから受取ると
   共に電動機の心材料の温度を表わすデイジタル値
   を第２のレジスタから受取り、それに応答して、
   電流を通す導体から伝達される熱を表わす、倍率
   を掛けたデイジタル信号を前記第１の減算手段に
   供給すると共に、心材料に伝達された熱を表わ
   す、倍率を掛けたデイジタル信号を第２の加算手
   段に供給し、 前記第２の倍率手段は心材料の温度を表わすデ
   イジタル値を第２のレジスタから受取り、通気に
   よつて心材料から伝達された熱を表わす、倍率を
   掛けたデイジタル信号を第２の減算手段に供給
   し、更に、心材料の平均温度を表わす、第２のレ
   ジスタにあるデイジタル値を受取つて、それを臨
   界値を表わす予定の値と比較し、第２のレジスタ
   にあるデイジタル値が前記予定の値を越える時、
   電力の供給を遮断する引はずし信号を発生する検
   出手段を有する装置。 １０ 特許請求の範囲９に記載した交流電動機を
   保護する装置に於て、 前記第１及び第２の加算手段及び前記第１及び
   第２の減算手段に接続されていて、前記第１及び
   第２の加算手段を周期的に作動して、夫々その中
   にある値を夫々前記第１及び第２のレジスタに加
   算すると共に、前記第１及び第２の減算手段を周
   期的に作動して、夫々その中にある値を夫々前記
   第１及び第２のレジスタから減算するシーケンサ
   手段を有する装置。 １１ 特許請求の範囲９に記載した装置に於て、
   電動機に供給される電流を表わすデイジタル信号
   を取出す手段が、電動機に供給される電流のアナ
   ログ値を取出す電流感知装置と、電流の尖頭値を
   デイジタル信号に変換するアナログ・デイジタル
   変換器とで構成されている装置。 １２ 特許請求の範囲９に記載した装置に於て、
   電動機の回転子が回転しているか不動であるかを
   検出して、そのことを表わす回転信号を発生する
   回転検出手段を有し、前記第２の倍率手段は前記
   回転信号に応答して、前記回転子が回転している
   時は、心材料から伝達された熱の１つの値を表わ
   し且つ回転子が不動である時は別の値を表わす、
   第２の倍率を掛けた信号を決定する装置。