(57)【要約】【課題】モータスタータの独自のシステム、方法、技術および装置を開示する。【解決手段】例示の一実施形態は、複数のステータ相巻線、ロータ、モータスタータおよびコントローラを含む同期機に関する。モータスタータは、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを含む。コントローラは、ロータの角速度が同期速度未満である間、複数のステータ相巻線をΔ構成で結合すべく、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを動作させるように構成されており、さらにロータの角速度が同期速度に等しくなったことに応答して、複数のステータ相巻線をＹ構成で結合すべく、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを動作させるように構成されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機であって、前記同期機は、
複数のステータ相巻線と、
ロータと、
モータスタータと、
コントローラと、
を含み、
前記モータスタータは、
共通ノードと前記複数のステータ相巻線の各１つのステータ相巻線との間にそれぞれ結合された複数のＹ半導体スイッチと、
前記複数のステータ相巻線の２つのステータ相巻線の各対間にそれぞれ結合された複数のΔ半導体スイッチと、
を含み、
前記コントローラは、前記ロータの角速度が同期速度未満である間、前記複数のステータ相巻線をΔ構成で結合すべく、前記複数のＹ半導体スイッチおよび前記複数のΔ半導体スイッチを動作させるように構成されており、さらに、前記ロータの角速度が前記同期速度に等しくなったことに応答して、前記複数のステータ相巻線をＹ構成で結合すべく、前記複数のＹ半導体スイッチおよび前記複数のΔ半導体スイッチを動作させるように構成されている、
同期機。
【請求項２】
前記ロータは、かごと複数の永久磁石とを含み、前記ロータは、ファンに結合されている、
請求項１記載の同期機。
【請求項３】
前記複数のステータ相巻線は、ＡＣ電源に結合されるよう構成されており、前記ＡＣ電源は、第１の線間電圧規模を有する３相電力を出力するように構成されており、前記複数のステータ相巻線がΔ構成で結合されている間、前記複数のステータ相巻線のそれぞれを挟んだ巻線電圧規模は、３の平方根で除算された前記第１の線間電圧規模に等しい値より大きい、
請求項１記載の同期機。
【請求項４】
前記複数のステータ相巻線は、Δ構成で結合されており、前記複数のΔ半導体スイッチの各スイッチは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力が生じるようにトグルされる、
請求項３記載の同期機。
【請求項５】
前記複数のＹ半導体スイッチは、３つの双方向三極サイリスタ（ＴＲＩＡＣ）を含み、前記複数のΔ半導体スイッチは、３つのＴＲＩＡＣを含み、前記コントローラは、前記複数のΔ半導体スイッチの前記３つのサイリスタの点火角を調整することにより、前記複数のΔ半導体スイッチをトグルするように構成されている、
請求項４記載の同期機。
【請求項６】
前記コントローラは、前記複数のＹ半導体スイッチおよび前記複数のΔ半導体スイッチを用いて前記複数のステータ相巻線をＹ構成で配置し、モータ相電流がΔ電流閾値未満であることを判別し、次いで、前記ロータの角速度が前記同期速度に等しくなるまで、前記複数のＹ半導体スイッチおよび前記複数のΔ半導体スイッチを用いて前記複数のステータ相巻線をΔ構成で配置することにより、前記同期機を始動するように構成されている、
請求項１記載の同期機。
【請求項７】
前記ロータは、同期速度未満で回転し、前記ステータ相巻線は、Ｙ構成で結合されており、前記コントローラは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力を生じさせるべく前記複数のＹ半導体スイッチをトグルするように構成されている、
請求項６記載の同期機。
【請求項８】
前記モータスタータは、第２の共通ノードと前記複数のステータ相巻線の各１つとの間にそれぞれ結合された複数のバイパススイッチを含むバイパス回路を含み、前記コントローラは、前記ロータの角速度が前記同期速度に等しくなったことに応答して、前記複数のＹ半導体スイッチおよび前記複数のΔ半導体スイッチを開放し、前記複数のバイパススイッチを閉成することにより、前記複数のステータ相巻線をＹ構成で結合する、
請求項１記載の同期機。
【請求項９】
ロータおよび複数のステータ相巻線を含む同期機のためのモータスタータであって、前記モータスタータは、
共通ノードにそれぞれ結合されており、前記複数のステータ相巻線の１つのステータ相巻線に結合されるように構成された複数のＹ構成スイッチと、
前記複数のステータ相巻線の２つのステータ相巻線に結合されるようにそれぞれ構成された複数のΔ構成スイッチと、
前記同期機を始動モードおよび定常状態モードで動作させるように構成されたコントローラと、
を含み、
前記始動モードは、前記複数のステータ相巻線への修正ＡＣ電力の供給の効力が生じるよう、前記複数のＹ構成スイッチの各スイッチを開放し、前記複数のΔ構成スイッチの各スイッチをトグルすることを含み、前記定常状態モードは、前記複数のΔ構成スイッチを開放することを含み、前記コントローラは、同期速度での前記ロータの回転が判別されたことに応答して、前記始動モードから前記定常状態モードへ移行する、
モータスタータ。
【請求項１０】
前記モータスタータは、第１の線間電圧を有するＡＣ電源から未修正のＡＣ電力を受け取り、前記修正ＡＣ電力は、３の平方根で除算された前記第１の線間電圧に等しい値より大きい、前記複数のステータ相巻線の各ステータ相巻線を挟んだ電圧を有する、
請求項９記載のモータスタータ。
【請求項１１】
前記モータスタータは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力を生じさせるべく前記複数のΔ構成スイッチをトグルするように構成されている、
請求項９記載のモータスタータ。
【請求項１２】
前記始動モードは、モータ電流がΔ電流閾値を下回るまで、前記複数のＹ構成スイッチをトグルし、前記複数のΔ構成スイッチを開放し、次いで、前記モータ電流が前記Δ電流閾値を下回ったことに応答して、前記複数のＹ構成スイッチの各スイッチを開放し、前記複数のΔ構成スイッチの各スイッチをトグルすることを含む、
請求項１１記載のモータスタータ。
【請求項１３】
前記始動モード中、前記複数のＹ構成スイッチをトグルすることにより、モータ電流が最大電流閾値を下回ったまま維持される効力が生じる、
請求項１２記載のモータスタータ。
【請求項１４】
前記複数のＹ構成スイッチをトグルすることは、第１の点火角を調整することを含み、
前記Δ構成スイッチをトグルすることは、第２の点火角を調整することを含む、
請求項１３記載のモータスタータ。
【請求項１５】
大きな慣性負荷に結合された同期機を始動する方法であって、
モータスタータを動作させるステップであって、前記モータスタータは、共通ノードと複数のステータ相巻線の１つのステータ相巻線との間にそれぞれ結合された複数のＹ半導体スイッチ、および、前記複数のステータ相巻線の２つのステータ相巻線間にそれぞれ結合された複数のΔ半導体スイッチを含むステップと、
前記モータスタータを用いて、前記複数のステータ相巻線をΔ構成で配置するステップと、
第１の線間電圧を有する電源から未修正のＡＣ電力を受け取るステップと、
前記モータスタータを用いて、前記複数のステータ相巻線へ、３の平方根で除算された前記第１の線間電圧に等しい値より大きい、前記複数のステータ相巻線のそれぞれを挟んだ巻線電圧を有する修正ＡＣ電力を供給するステップと、
前記同期機のロータの角速度が同期速度に等しくなったことを判別するステップと、
前記ロータの角速度が前記同期速度に等しくなったことを判別するステップに応答して、前記モータスタータを用いて、前記複数のステータ相巻線をＹ構成で配置するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記大きな慣性負荷は、ファンであり、前記ロータは、複数の永久磁石を含む、
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記未修正のＡＣ電力は、第１の相および第２の相を含み、
前記第１の線間電圧は、前記第１の相および前記第２の相を挟んだ電圧である、
請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のステータ相巻線をΔ構成で配置するステップは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力を生じさせるべく、前記複数のＹ半導体スイッチを開放し、前記複数のΔ半導体スイッチをトグルするステップを含む、
請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記方法は、
前記複数のステータ相巻線を始動Ｙ構成で配置するステップと、
電流がΔ電流閾値を下回ったことを判別するステップと、
を含み、
前記複数のステータ相巻線をΔ構成で配置するステップは、前記電流が前記Δ電流閾値を下回ったことを判別するステップに応答して行われ、前記複数のステータ相巻線を始動Ｙ構成で配置するステップは、前記Δ半導体スイッチを開放し、前記Ｙ半導体スイッチをトグルするステップを含む、
請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記複数のＹ半導体スイッチおよび前記複数のΔ半導体スイッチをトグルするステップは、ゼロ電流条件中、各スイッチを開閉するステップを含む、
請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記モータスタータは、複数のバイパススイッチを含むバイパス回路を含み、
前記モータスタータを用いて前記複数のステータ相巻線をＹ構成で配置するステップは、前記複数のＹ半導体スイッチを開放し、前記複数のΔ半導体スイッチを開放し、前記複数のバイパススイッチを閉成するステップを含む、
請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、広くはモータスタータに関する。同期機は、同期速度への到達のための始動動作を行う。公共送電網に直接に接続された同期機では、その同期速度は、送電網からの電力の周波数と、ロータおよびステータの極数とに基づく。始動動作中、突入電流の規模により、スパイクが発生しやすくなる。介在の可変周波数駆動機構なしに同期機が電源に接続されている箇所では、モータスタータはしばしば突入電流の制限に用いられている。
【背景技術】
【０００２】
同期機は、大きな回転慣性を有する負荷の回転、例えばファン、遠心機またはコンベヤの回転に使用可能である。所定の同期機は、等速の誘導モータによって回転可能となるような大きな慣性負荷を伴う場合、同期速度で動作することができない。当該欠点は、従来のモータスタータが大きな回転慣性負荷を同期速度へ移行させることができない点に起因している。例えば、図８のＡのグラフ８００には、１６ｌｂ‐ｆｔ２の慣性を有するファンに結合された同期モータに対する、従来のダイレクトオンラインスタータを用いた始動動作が示されている。グラフ８００は、角速度を表す曲線８０１を含む。従来のダイレクトオンラインモータスタータが同期モータの動作を開始すると、角速度は増大するが、同期速度８０３に届かずに停止してしまい、代わりに１６００ｒｐｍ付近で発振する。従来のモータスタータは、モータを同期動作へ引き込む適切なトルクを形成することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
既存のモータ始動動作は、複数の欠点および不都合点を有する。よって、ハードウェアの複雑性の低減および機械パワー損失の低減を含め、要求は満たされていない。例えば、大きな回転慣性負荷を回転させる同期機では、動作中に切替パワー損失を発生する、コストのかかる可変周波数駆動機構が必要である。よって、ここに開示する独自の装置、方法、システムおよび技術への大きな需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
図示の実施形態の開示
本開示の非制限の例示の各実施形態、その形成および使用の方式およびプロセス、ならびにその実施、形成および使用を可能にする方式およびプロセスを、明瞭、簡潔かつ正確に説明するために、以下に、図示のものを含めた所定の例示の各実施形態を参照し、専用の語句を使用してこれらを説明する。しかし、これにより本開示の観点の限定がなされるものではなく、本開示は、その利益が当該分野の技術者に発生しうるものとしての、例示の各実施形態の変更、修正およびさらなる適用も含み保護するものであることを理解されたい。
【０００５】
概要
例示の各実施形態は、モータスタータのための独自のシステム、方法、技術および装置を含む。本開示のさらなる実施形態、形態、対象、特徴、利点、態様および利益は、以下の説明および図から明らかとなるはずである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】例示の同期機始動システムの回路図である。
【図２】例示の同期機である。
【図３】図１の例示の同期機始動システムの始動動作を示すグラフである。
【図４】図１の例示の同期機始動システムの始動動作を示すグラフである。
【図５】図１の例示の同期機始動システムの始動動作を示すグラフである。
【図６】図１の例示の同期機始動システムの始動動作を示すグラフである。
【図７】図１の例示の同期機始動システムの始動動作を示すグラフである。
【図８】Ａの従来のモータスタータの動作とＢの例示のモータスタータの動作とを比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１を参照すると、モータスタータ１２０を含む、例示の同期機始動システム１００が示されている。システム１００は、大きな回転慣性負荷に結合されている間、同期速度で動作するように構成されている。所定の実施形態では、大きな回転慣性は、ＮＥＭＡ ＭＧ‐１規格において誘導機の臨界慣性値によって規定されたものである。所定の実施形態では、大きな回転慣性は、ＮＥＭＡ ＭＧ‐１規格の臨界慣性値の１／１０である。システム１００とも称されることのある同期機始動システム１００が、僅かな例を挙げるに過ぎないものの、ファン、ファンウォール、遠心機またはコンベヤを含む、大きな回転慣性負荷の種々の用途において実現可能であることを理解されたい。さらに、図示の実施形態は、例示のモータスタータ１２０の用途を、いかなる意味においてもここに図示および説明する電気的特性または機械的特性に基づく同期機またはＡＣ電源のサブセットに限定する意図のものでない。例えば、例示のモータスタータ１２０は、僅かな例を挙げるに過ぎないものの、ＡＣ電源からの電力の任意の線間電圧、２個超の任意の数のＡＣ電力相もしくはステータ相巻線、任意の同期機電力等級、および任意の同期機馬力等級を有する同期機システムに組み込み可能である。
【０００８】
システム１００は、同期機１１０に結合されたＡＣ電源１０１を含む。ＡＣ電源１０１は、僅かな例を挙げるに過ぎないものの、電力分配網、例えば公共送電網もしくは電力生成システムを含むことができる。ＡＣ電源１０１は、線周波数を有する３相ＡＣ電力を出力端子１０３，１０５，１０７から同期機１１０へ送信する。ＡＣ電源１０１から送信されるＡＣ電力の線周波数は、４５Ｈｚから６５Ｈｚまでの範囲内であってよい。システム１００はダイレクトオンラインシステムであり、これは、同期機１１０が、ＡＣ電源１０１から、介在の可変周波数駆動機構によって修正されていないＡＣ電力を受け取ることを意味する。ＡＣ電源１０１から送信されるＡＣ電力は、複数の電気的特性、例えば端子１０３，１０５を挟んだ線間電圧Ｖａｂ、端子１０５，１０７を挟んだ線間電圧Ｖｂｃ、および端子１０３，１０７を挟んだ線間電圧Ｖａｃを有する。また、ＡＣ電力は、端子１０３から流れる相電流Ｉａ、端子１０５から流れる相電流Ｉｂ、および端子１０７から流れる相電流Ｉｃを有する。他の実施形態では、システム１００は、２つ以上の相を有するＡＣ電力を送信するように構成されたＡＣ電源１０１を含み、同期機１１０が当該相の数に等しい数のステータ相巻線を含む。
【０００９】
同期機１１０は、ステータ相巻線１１３，１１５，１１７を含む。各ステータ相巻線は、第１の端子と第２の端子とを含む。ステータ相巻線それぞれの第１の端子はＡＣ電源１０１に結合されており、ステータ相巻線それぞれの第２の端子は選択的に共通ノード１１９に結合される。巻線１１３の第１の端子は出力端子１０３に結合されている。巻線１１５の第１の端子は出力端子１０５に結合されている。巻線１１７の第１の端子は出力端子１０７に結合されている。巻線１１３，１１５，１１７を挟んだ電圧は、それぞれ電圧Ｖ１１３，Ｖ１１５，Ｖ１１７によって表されている。
【００１０】
モータスタータ１２０は、コントローラ１２９に結合されており、かつコントローラ１２９からの、各スイッチの選択的な開閉の効力を生じさせる制御信号を受信するように構成された、複数のΔ半導体スイッチ１２１および複数のＹ半導体スイッチ１２２を含む。コントローラ１２９は、始動動作中はステータ相巻線１１３，１１５，１１７をΔ構成で配置し、定常状態動作中はＹ構成で配置するように構成されている。所定の実施形態では、始動動作は、ステータ相巻線１１３，１１５，１１７がＹ構成で配置される第１の期間と、これに続く、ステータ相巻線１１３，１１５，１１７がΔ構成で配置される第２の期間と、を含む。
【００１１】
複数のΔ半導体スイッチ１２１は、半導体スイッチ１２３，１２５，１２７を含む。半導体スイッチ１２３は、ステータ相巻線１１３の第２の端子とステータ相巻線１１５の第１の端子との間に結合されている。半導体スイッチ１２５は、ステータ相巻線１１５の第２の端子とステータ相巻線１１７の第１の端子との間に結合されている。半導体スイッチ１２７は、ステータ相巻線１１７の第２の端子とステータ相巻線１１３の第１の端子との間に結合されている。
【００１２】
複数のＹ半導体スイッチ１２２は、半導体スイッチ１２４，１２６，１２８を含む。半導体スイッチ１２４は、巻線１１３の第２の端子と共通ノード１１９との間に結合されている。半導体スイッチ１２６は、巻線１１５の第２の端子と共通ノード１１９との間に結合されている。半導体スイッチ１２８は、巻線１１７の第２の端子と共通ノード１１９との間に結合されている。所定の実施形態では、複数のＹ半導体スイッチ１２２は、スイッチ１２４，１２６，１２８のうち２つのみを含む。
【００１３】
所定の実施形態では、システム１００は、各ステータ相巻線とＡＣ電源１０１との間に結合された、複数のΔ半導体スイッチ１２１および複数のＹ半導体スイッチ１２２をバイパスする効力を生じさせる複数のバイパススイッチを含むバイパス回路を含む。複数のΔ半導体スイッチ１２１および複数のＹ半導体スイッチ１２２が開放され、バイパススイッチが閉成されると、ステータ相巻線１１３，１１５，１１７はＹ構成で配置される。
【００１４】
コントローラ１２９は、複数のΔ半導体スイッチ１２１の各スイッチが開放されている間、複数のＹ半導体スイッチ１２２の各スイッチをトグルすることにより、同期機１１０のステータ相巻線のＹ構成での配置を制御するように構成されている。コントローラ１２９は、複数のＹ半導体スイッチ１２２の各スイッチを開放し、複数のΔ半導体スイッチ１２１の各スイッチをトグルすることにより、同期機１１０のステータ相巻線をΔ構成で配置するように構成されている。ステータ相巻線１１３，１１５，１１７をＹ構成またはΔ構成のいずれで配置するかの決定は、コントローラ１２９により、電流測定を用いて決定される。コントローラ１２９が受信する電流測定は、始動動作中、同期速度への到達のための充分なプルイントルクが生じるようステータ相巻線がΔ構成で配置されなければならないことをコントローラ１２９に示す機械条件に相当する。コントローラ１２９による各スイッチのトグルは、機械１１０の電気的特性、例えば同期機１１０の電流等級に基づく電流閾値によって決定される。スイッチトグルのタイミングは、電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを電流閾値以下に維持するのに必要な所定の点火角に相当しうる。モータスタータ１２０の各スイッチは、実質的なゼロ電流条件、例えば定格電流規模の５％未満という条件において開閉されるように構成されている。
【００１５】
図示の実施形態では、モータスタータ１２０の半導体スイッチのそれぞれは、双方向３極サイリスタ（ＴＲＩＡＣ）である。他の実施形態において、これに代えて、モータスタータ１２０の１つまたは複数の半導体スイッチが、電流の流れを選択的に制御するように構成された、１つまたは複数のサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、ＭＯＳコントロールドサイリスタ（ＭＣＴ）、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイス、窒化ガリウム（ＧａＮ）スイッチングデバイス、または他の任意のタイプの半導体スイッチを含んでいてもよい。モータスタータ１２０の半導体スイッチは、反平行構成で結合された２つの半導体スイッチ、例えば２つのサイリスタを含むことができる。なおシステム１００の上述の特徴のいずれかもしくは全てがここに開示する他の同期機システム内に存在してよいことを理解されたい。
【００１６】
図２を参照すると、負荷２４０に対して回転力を作用させるように構成された、例示の同期機システム２００が示されている。システム２００は、ＡＣ電源２１０、モータスタータ２２０および同期機２３０を含む。
【００１７】
同期機２３０は、ステータ２３１およびロータ２３３を含む。ステータ２３１は、複数のステータ歯の周に巻き回された複数のステータ相巻線２３７を含む。複数のステータ相巻線２３７は、ＡＣ電源２１０に結合されており、かつＡＣ電源２１０からＡＣ電力を受け取るように構成されており、モータスタータ２２０によって選択的にΔ構成またはＹ構成のいずれかで配置される。ＡＣ電源２１０はステータ２３１に直接に結合されており、これにより、システム２００は、電圧およびステータ２３１に供給されるＡＣ電力の基本周波数もしくは線周波数を修正する可変周波数駆動機構を含まない。他の要素、例えばサーキットブレーカ、リレーまたはフィルタを、直接に結合されたＡＣ電源２１０とステータ２３１との間に操作可能に結合してもよい。
【００１８】
ロータ２３３は、軸２３５を介して負荷２４０に結合されている。所定の実施形態では、ロータ２３３は、ギアボックスまたはベルト装置を介して負荷２４０に結合される。他の実施形態では、ロータ２３３は直接に負荷２４０に結合される。
【００１９】
ステータ２３１は、電磁力をロータ２３３に作用させ、ロータ２３３、軸２３５および負荷２４０の回転運動を生じさせるように構成されている。機械２３０の定常状態動作中、ロータ２３３は同期速度で回転する。ロータ２３３の同期速度での回転の速度は、ＡＣ電源２１０から受け取られたＡＣ電力の周波数に対して１２０を乗算し、ロータ２３３の極数で除算したものに等しい。例えば、６０Ｈｚの周波数を有するＡＣ電力を受け取る４極ロータを備えた同期機は、毎分１８００回転（１８００ｒｐｍ）の同期速度を有する。所定の実施形態では、ロータ２３３は、かごおよび複数の永久磁石を含むかご形ロータ永久磁石であり、かご形永久磁石ロータとしても知られる。所定の実施形態では、機械２３０はラインスタート同期リラクタンスモータであり、ロータ２３３はラインスタート同期リラクタンスロータである。当該ロータは、複数の磁束バリアと、ロータキャビティに挿入された複数の永久磁石とを含むことができる。所定の実施形態では、ロータ２３３は、複数の永久磁石に代えて、磁界巻線を含む。
【００２０】
始動動作中、モータスタータ２２０は、モータ電流を最大電流閾値以下に維持している間、同期速度よりも低い速度から、ロータ２３３の角速度を増大するように動作する。同期機２３０は静止状態からスタート可能であるが、機械２３０は、ロータ２３３の回転中、例えば直近の電力消失または不完全な機械遮断動作に続けて、始動動作を開始することもできる。
【００２１】
負荷２４０は、大きな回転慣性を有するファンまたは他のタイプの負荷である。負荷２４０の回転慣性が増大すると、同期速度への到達のために同期機２３０が要求するプルイントルク量も増大する。誘導モータは、同じ負荷でのモータ始動を完了するのに大幅に小さなトルクしか要しない。モータ設計の違いにより、従来のモータスタータを有する同期機は、同じ電力等級の誘導モータで動作可能な負荷の１／２未満の回転慣性を有する負荷にしか同期できない。以下の図に即して説明する通り、図示のモータスタータは、同期機２３０の同期能力を５倍程度増大する。他の実施形態では、例示のモータスタータは、同期機の同期能力を５倍超増大することができる。
【００２２】
図３から図７を参照すると、機械１１０が２３２ｌｂ‐ｆｔ２の負荷慣性を有する負荷に結合された５０ＨＰ同期機であって、同期速度１８００ｒｐｍを有する、図1の同期機始動システム１００の動作を示すグラフが示されている。２３２ｌｂ‐ｆｔ２の負荷慣性は５０ＨＰ誘導モータにつきＮＥＭＡ ＭＧ１で規定された臨界慣性値であることへの注意が重要である。
【００２３】
時点ｔ０で、モータスタータ１２０がステータ相巻線１１３，１１５，１１７をＹ構成で配置し、ＡＣ電源１０１が同期機１１０への電力供給を開始すると、同期機１１０の始動動作が開始される。時点ｔ１で、モータスタータ１２０は、ステータ相巻線１１３，１１５，１１７をＹ構成からΔ構成へ移行させる。時点ｔ２で、モータスタータ１２０は、ステータ相巻線１１３，１１５，１１７をΔ構成からＹ構成へ移行させることにより、定常状態動作に入る。巻線１１３の電気的特性を示しているが、これは他の巻線も図示の相と同じパターンに追従するからであることを理解されたい。他の実施形態では、同期機１１０のステータ相巻線は、始動動作中、Δ構成でしか配置されない。所定の実施形態では、モータスタータ１２０はバイパススイッチを含み、時点ｔ２で、複数のΔ半導体スイッチ１２１および複数のＹ半導体スイッチ１２２を開放し、バイパススイッチを閉成することにより、ステータ相巻線をＹ構成で配置する。バイパススイッチは、共通ノードと複数のステータ相巻線の各１つとの間にそれぞれ結合されている。
【００２４】
図３を参照すると、始動動作中の線電流を示すグラフ３００が示されている。グラフ３００は、線電流Ｉａの規模を表す曲線３０１を含む。グラフ３００は、最大電流閾値３０３を含む。所定の実施形態では、最大電流閾値３０３は、ＮＥＭＡ ＭＧ‐１規格で規定された、始動ロックロータ電流最大値に相当する。所定の実施形態では、最大電流閾値は、ユーザが規定する値であり、例えば機械の電流等級のパーセンテージ割合である。例えば、５０ＨＰ同期機の最大ロックロータ電流は７２５であるが、ユーザが最大電流閾値３０３を３３０Ａに低減していてよい。
【００２５】
時点ｔＶＭＡＸ１で、巻線１１３を挟んだ電圧がＹ構成に対する最大値に達し、線電流Ｉａが低下し始める。グラフ３００はさらに、電流閾値３０３の２／３であるΔ電流閾値３０５を含む。Δ電流閾値３０５は、Ｙ構成で配置されたステータ相巻線よりもΔ構成で配置されたステータ相巻線からのほうが多くのトルクを導出できるという、システム１００の動作条件に相当する。他の実施形態では、Δ電流閾値３０５は、電流閾値３０３の他のパーセンテージ割合である。機械１１０が同期速度に達すると、線電流は急速に低下し始める。時点ｔ１で、コントローラ１２９は、機械電流、例えば相電流Ｉａが閾値３０５以下となったことに応答して、機械１１０のステータ相巻線をΔ構成で配置する。同期速度近傍の速度でのＹ構成からΔ構成への変化により、同期機は、同期速度への到達に必要な付加トルクを作用させることができる。所定の実施形態では、閾値３０５は、図７の曲線７０１の勾配によって示されている通り、一定の角加速度を維持できるように決定されている。
【００２６】
時点ｔ２で、コントローラ１２９は、機械電流、例えば相電流Ｉａが定常状態電流閾値３０７以下となったことに応答して、同期機１１０のステータ相巻線をＹ構成で配置する。
【００２７】
機械１１０の動作中、コントローラ１２９は、線電流Ｉａが閾値電流３０３を超過することを許容しない。以下でより詳細に検討する通り、コントローラ１２９は、始動動作中、モータスタータ１２０の各スイッチをトグルすることにより、線電流を最大電流閾値３０３以下に維持する。
【００２８】
図４を参照すると、グラフ４００で、巻線電圧規模Ｖ１１３が示されている。グラフ４００は、機械１１０のステータ巻線がΔ構成で結合されている間、ＡＣ電源１０１から受け取られたＡＣ電力の、巻線１１３を挟んだ最大電圧を表す曲線４０３を含む。グラフ４００はまた、機械１１０のステータ巻線がＹ構成で結合されている間、ＡＣ電源１０１から受け取られたＡＣ電力の、巻線を挟んだ最大電圧を表す曲線４０５を含む。図示の実施形態では、曲線４０５の規模は、３の平方根で除算された曲線４０３の規模に等しい。時点ｔ０から始まって、巻線電圧Ｖ１１３を表す曲線４０１は、曲線４０５に近づく。時点ｔＶＭＡＸ１で、曲線４０１は最大値に達し、この状態が時点ｔ１まで続く。時点ｔ１で、曲線４０１は曲線４０５を上回り、時点ｔＶＭＡＸ２まで増大し、ここで巻線電圧Ｖ１１３は曲線４０３と曲線４０５との間の規模に達する。時点ｔＶＭＡＸ２で達成された巻線電圧の規模は、曲線４０５を上回るパーセンテージ割合として規定可能である。所定の実施形態では、時点ｔＶＭＡＸ２で達成される巻線電圧Ｖ１１３の規模は、曲線４０５の規模を５％上回るものとなる。時点ｔ２で、機械は定常状態動作に入り、ステータ相巻線がＹ構成で配置されて、電圧Ｖ１１３が最大Ｙ構成電圧となる。
【００２９】
図５を参照すると、モータスタータ１２０の半導体スイッチの点火角を表すグラフ５００が示されている。グラフ５００は、コントローラ１２９がモータスタータ１２０の各スイッチをＹ構成で動作させている間、複数のＹ半導体スイッチ１２２に送信される制御信号の点火角を表す曲線５０１を含む。複数のΔスイッチ１２１は、時点ｔ０から時点ｔ１まで開放され、このためスイッチをトグルする効力を生じさせる制御信号を受け取らないことへの注意が重要である。
【００３０】
グラフ５００は、コントローラ１２９がスタータ１２０の各スイッチをΔ構成で動作させている間、複数のΔ半導体スイッチ１２１へ送信される制御信号の点火角を表す曲線５０３を含む。複数のＹ半導体スイッチ１２２が時点ｔ１から時点ｔ２まで開放され、このためスイッチをトグルする効力を生じさせる制御信号を受け取らないことへの注意が重要である。
【００３１】
グラフ５００は、コントローラ１２９がモータスタータ１２０の各スイッチを定常状態動作で動作させている間、複数のＹ半導体スイッチ１２２へ送信される制御信号の点火角を表す曲線５０５を含む。複数のΔスイッチ１２１が時点ｔ２以降開放され、複数のＹ半導体スイッチ１２２が、定常状態動作中、モータに歪みのない線電圧を供給するためのゼロ度点火角で閉成されることへの注意が重要である。他の実施形態では、複数のＹ半導体スイッチ１２２および複数のΔスイッチ１２１の双方が開放され、バイパス回路スイッチが閉成されて、ステータ相巻線がＹ構成で配置される。
【００３２】
図６を参照すると、グラフ６００で、同期機１１０の出力トルクが示されている。グラフ６００は、同期機１１０が形成するトルクを表す曲線６０１を含む。曲線６０１によって示されている通り、トルクは、コントローラ１２９がモータスタータ１２０の各スイッチをＹ構成からΔ構成へ移行させたことに応答して、増大する。このようにして行われるトルク増大は、所定の同期機が大きな回転慣性負荷を伴って同期速度へ到達するために必須である。
【００３３】
図７を参照すると、グラフ７００で、同期機１１０のロータ角速度が示されている。グラフ７００は、始動動作中および定常状態動作中の角速度を表す曲線７０１を含む。グラフ７００はまた、同期速度を表す１８００ｒｐｍの曲線を含む。出力トルクが低下する時点ｔ１で、機械１１０が同期速度に達していないことへの注意が重要である。同期機１１０は、モータスタータ１２０がステータ相巻線をΔ構成で配置し、Ｙ構成での配置中に達成可能な巻線電圧の最大規模よりも大きい電圧をステータ相巻線に印加する場合にしか、大きな回転慣性負荷を伴っての同期速度を達成することはできない。
【００３４】
図８のＡ，Ｂを参照すると、従来のダイレクトオンラインモータスタータの動作と、大きな回転慣性負荷を有する２０ＨＰかご形ロータ永久磁石同期モータに結合された例示のダイレクトオンラインモータの動作と、が示されている。双方のモータスタータとも、４６０Ｖの線間電圧を有するＡＣ電力を受け取る。当該同期モータでの同期速度は１８００ｒｐｍである。
【００３５】
図８のＢを参照すると、グラフ８１０で、図８のＡの従来のモータスタータを有するモータに結合されたファンの回転慣性の４．４倍である、７１ｌｂ‐ｆｔ２の回転慣性を有するファンに結合されたモータでの始動動作が示されている。始動動作中、モータのステータ相巻線は、Δ構成で配置されている。グラフ８１０は、角速度を表す曲線８１１を含む。時点０で、モータスタータ１２０は、ステータ相巻線がＹ構成で配置されている間、最大巻線電圧より３５％大きい規模である３５８Ｖの、各ステータ相巻線を挟んだ電圧の印加を開始する。例示のモータスタータ１２０が同期機１１０の動作を開始すると、角速度は、３５００ｍｓで同期速度８１３に到達するまで増大する。例示のモータスタータは、ステータ相巻線をΔ構成で結合し、Ｙ構成で結合されている間、達成可能な最大電圧よりも大きい電圧を印加できるので、当該モータスタータは、同期機による同期速度８１３への到達に充分なトルクを供給するように構成されていることになる。
【００３６】
複数の例示の実施形態のさらなる記載を以下に提示する。一実施形態は同期機に関しており、当該同期機は、複数のステータ相巻線；ロータ；共通ノードと複数のステータ相巻線の各１つのステータ相巻線との間にそれぞれ結合された複数のＹ半導体スイッチ、および複数のステータ相巻線の２つのステータ相巻線の各対間にそれぞれ結合された複数のΔ半導体スイッチを含むモータスタータ；ならびにロータの角速度が同期速度未満である間、複数のステータ相巻線をΔ構成で結合すべく、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを動作させるように構成されており、さらにロータの角速度が同期速度に等しくなったことに応答して、複数のステータ相巻線をＹ構成で結合すべく、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを動作させるように構成された、コントローラを含む。
【００３７】
上記同期機の所定の形態では、ロータは、かごと複数の永久磁石とを含み、ロータはファンに結合されている。所定の形態では、複数のステータ相巻線は、ＡＣ電源に結合されるよう構成されており、ＡＣ電源は、第１の線間電圧規模を有する３相電力を出力するように構成されており、複数のステータ相巻線がΔ構成で結合されている間、複数のステータ相巻線のそれぞれを挟んだ巻線電圧規模は、３の平方根で除算された第１の線間電圧規模に等しい値より大きい。所定の形態では、複数のステータ相巻線はΔ構成で結合されており、複数のΔ半導体スイッチの各スイッチは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力が生じるようにトグルされる。所定の形態では、複数のＹ半導体スイッチは、３つの双方向三極サイリスタ（ＴＲＩＡＣ）を含み、複数のΔ半導体スイッチは３つのＴＲＩＡＣを含み、コントローラは、複数のΔ半導体スイッチの３つのサイリスタの点火角を調整することにより、複数のΔ半導体スイッチをトグルするように構成されている。所定の形態では、コントローラは、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを用いて複数のステータ相巻線をＹ構成で配置し、モータ相電流がΔ電流閾値未満であることを判別し、次いで、ロータの角速度が同期速度に等しくなるまで、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを用いて複数のステータ相巻線をΔ構成で配置することにより、同期機を始動するように構成されている。所定の形態では、ロータは同期速度未満で回転し、ステータ相巻線はＹ構成で結合されており、コントローラは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力を生じさせるべく複数のＹ半導体スイッチをトグルするように構成されている。所定の形態では、モータスタータは、第２の共通ノードと複数のステータ相巻線の各１つとの間にそれぞれ結合された複数のバイパススイッチを含むバイパス回路を含み、コントローラは、ロータの角速度が同期速度に等しくなったことに応答して、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチを開放し、複数のバイパススイッチを閉成することにより、複数のステータ相巻線をＹ構成で結合する。
【００３８】
別の例示の実施形態は、ロータおよび複数のステータ相巻線を含む同期機のためのモータスタータに関しており、当該モータスタータは、共通ノードにそれぞれ結合されており、かつ複数のステータ相巻線の１つのステータ相巻線に結合されるように構成された複数のＹ構成スイッチ；複数のステータ相巻線の２つのステータ相巻線に結合されるようにそれぞれ構成された複数のΔ構成スイッチ；ならびに同期機を始動モードおよび定常状態モードで動作させるように構成されたコントローラを含み、ここで、始動モードは、複数のステータ相巻線への修正ＡＣ電力の供給の効力が生じるよう、複数のＹ構成スイッチの各スイッチを開放し、複数のΔ構成スイッチの各スイッチをトグルすることを含み、定常状態モードは、複数のΔ構成スイッチを開放することを含み、コントローラは、同期速度でのロータの回転が判別されたことに応答して、始動モードから定常状態モードへ移行する。
【００３９】
上記モータスタータの所定の形態では、モータスタータは、第１の線間電圧を有するＡＣ電源から未修正のＡＣ電力を受け取り、修正ＡＣ電力は、３の平方根で除算された第１の線間電圧に等しい値より大きい、複数のステータ相巻線の各ステータ相巻線を挟んだ電圧を有する。所定の形態では、モータスタータは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力を生じさせるべくΔ構成スイッチをトグルするように構成されている。所定の形態では、始動モードは、モータ電流がΔ電流閾値を下回るまで、複数のＹ構成スイッチをトグルし、複数のΔ構成スイッチを開放し、次いで、モータ電流がΔ電流閾値を下回ったことに応答して、複数のＹ構成スイッチの各スイッチを開放し、複数のΔ構成スイッチの各スイッチをトグルすることを含む。所定の形態では、始動モード中、複数のＹ構成スイッチをトグルすることにより、モータ電流が最大電流閾値を下回ったまま維持される効力が生じる。所定の形態では、複数のＹ構成スイッチをトグルすることは、第１の点火角を調整することを含み、Δ構成スイッチをトグルすることは、第２の点火角を調整することを含む。
【００４０】
さらなる例示の実施形態は、大きな慣性負荷に結合された同期機を始動する方法に関しており、当該方法は、共通ノードと複数のステータ相巻線の１つのステータ相巻線との間にそれぞれ結合された複数のＹ半導体スイッチ、および複数のステータ相巻線の２つのステータ相巻線間にそれぞれ結合された複数のΔ半導体スイッチを含むモータスタータを動作させること；モータスタータを用いて、複数のステータ相巻線をΔ構成で配置すること；第１の線間電圧を有する電源から未修正のＡＣ電力を受け取ること；モータスタータを用いて、複数のステータ相巻線へ、３の平方根で除算された第１の線間電圧に等しい値より大きい、複数のステータ相巻線のそれぞれを挟んだ巻線電圧を有する修正ＡＣ電力を供給すること；同期機のロータの角速度が同期速度に等しくなったことを判別すること；ならびにロータの角速度が同期速度に等しくなったことの判別に応答して、モータスタータを用いて、複数のステータ相巻線をＹ構成で配置することを含む。
【００４１】
上記方法の所定の形態では、大きな慣性負荷はファンであり、ロータは複数の永久磁石を含む。所定の形態では、未修正のＡＣ電力は、第１の相および第２の相を含み、第１の線間電圧は、第１の相および第２の相を挟んだ電圧である。所定の形態では、複数のステータ相巻線をΔ構成で配置することは、突入電流が低減されて最大電流閾値を下回る効力を生じさせるべく、複数のＹ半導体スイッチを開放し、複数のΔ半導体スイッチをトグルすることを含む。所定の形態では、当該方法は、複数のステータ相巻線を始動Ｙ構成で配置すること；電流がΔ電流閾値を下回ったことを判別することを含み、ここで、複数のステータ相巻線をΔ構成で配置することは、電流がΔ電流閾値を下回ったことの判別に応答して行われ、複数のステータ相巻線を始動Ｙ構成で配置することは、Δ半導体スイッチを開放し、Ｙ半導体スイッチをトグルすることを含む。所定の形態では、複数のＹ半導体スイッチおよび複数のΔ半導体スイッチをトグルすることは、ゼロ電流条件中、各スイッチを開閉することを含む。所定の形態では、モータスタータは、複数のバイパススイッチを含むバイパス回路を含み、モータスタータを用いて複数のステータ相巻線をＹ構成で配置することは、複数のＹ半導体スイッチを開放し、複数のΔ半導体スイッチを開放し、複数のバイパススイッチを閉成することを含む。
【００４２】
反対のことが明示的に記述されていないかぎり、種々の実施形態からの種々の態様、特徴、プロセスおよび動作が任意の他の実施形態においても使用可能であることが企図されている。説明した所定の動作は、非一時性のコンピュータ可読記憶媒体上のコンピュータプログラム製品を実行するコンピュータにより実現可能であり、ここで、コンピュータプログラム製品は、コンピュータに１つまたは複数の動作を実行させるための命令、または他のデバイスに１つまたは複数の動作を実行させるコマンドを供給するための命令を含む。
【００４３】
本開示を図および上記説明において詳細に図示し説明したが、これらは、説明のためのものであって性質を限定しないと考えられるべきであり、所定の例示の実施形態を図示し説明したこと、ならびに本開示の思想内で生じる全ての変更および修正の保護が所望されていることを理解されたい。上記説明において用いた「好ましい」「好ましくは」「優先される」もしくは「より優先される」などの語句の使用は、当該特徴がより望ましいことの記載であるが、必須ではなく、当該特徴を有さない実施形態も、以下の特許請求の範囲によって規定される本開示の観点において実現可能である。特許請求の範囲を読むに際しては、「１つ」「１つの」「少なくとも１つの」もしくは「少なくとも一部の」などの語句は、請求項において特に反対のことが記述されていないかぎり、当該請求項を唯一の項目に限定しないことが意図されている。「〜の」なる語は、別の項目との関連または連絡、さらに、使用されている文脈から知られる他の項目への所属または接続をも意味しうる。「〜に結合される」「〜と結合される」および類似の語句は、間接的な接続および結合を含むが、さらに、反対のことが明示的に示されていないかぎり、直接の結合または接続をも含み、ただし必須ではない。「少なくとも一部の」かつ／または「一部の」なる表現が使用される場合、特に反対のことが記述されていないかぎり、当該項目はその一部および／または全体を含むことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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