(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導モーターが電力供給網からの供給電圧から切り離された後回転子の残留磁界によって誘導される残留磁界による電圧が存在する場合に誘導モーターの供給電圧を新たな供給電圧に短時間で切り換える方法であって、
誘導モーターが供給電圧から切り離された後における供給電圧の新たな供給が、本来の電力供給網又は予備電力供給網によって行われ、
残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移を記録し、
残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移から、これらの電圧間の位相差を見積もって、その位相差が２０°の所定の最大値Δφmax を下回る時点ｔs を求め、
時点ｔs に到達する前の予め決まった切換遅延時間τs と一致する時間間隔前に、再起動のための切換コマンドを発出して、ほぼ時点ｔs でモーターを供給電圧と接続し、
電力供給網からの供給電圧の少なくとも一つの零交差時点と残留磁界による電圧の零交差時点を求めて、
これらの零交差間の時間間隔から、残留磁界による電圧の角速度及び角速度の変化率を求める、
方法。
【請求項２】
誘導モーターが三相式で実現されており、残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移が、それぞれ二つの検出器を用いて取得される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
当該の電力網の電圧の時間的推移の見積りが、電力網の周波数を一定と仮定して零交差にもとづき行われ、当該の残留磁界による電圧の時間的推移の見積りが、実際に測定した角速度と算出した角速度の時間的変化率を考慮して零交差にもとづき行われる請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
当該の残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移の決定以外に、少なくとも残留磁界による電圧の振幅も検出される請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
残留磁界による電圧の振幅が所定の最高電圧より低下した場合、残留磁界による電圧と供給電圧間の位相関係に関係無く、再起動のための切換コマンドが発出される請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機械（例えば、伝動機用ターボ過給機）を駆動する多相モーター（誘導又は同期モーター）が供給電圧から切り離された後回転子の残留磁界によって誘導される残留磁界による電圧が存在する場合に多相モーターを再起動する方法及びその方法を実施するための電気回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な用途における多くの駆動部は、電力供給網の障害後及び多相モーターが供給電圧から切り離された後、駆動している多相モーターを出来る限り速く、回転数の損失を少なくして再起動する必要が有るが、その際多相モーター、そのモーターによって駆動される機械及び機械とモーター間のシャフト系統のその他全ての構成部品（連結器、伝動機等）の損傷を防止しなければならない。その場合、モーターは、供給電圧から切り離された後も回転し続けて、回転子の残留磁界の存在によって、その回転数の周波数で残留磁界による電圧が誘導されることを考慮しなければならない。駆動される機械の負荷トルクと摩擦のために、モーターは減速して行く。多相モーターにとって、電力網の故障発生後に供給電圧が残留磁界による電圧と逆相で復帰することは、サージ電流及びサージトルクが発生するとの観点において極端な負荷を生じさせることとなる。特に、作業機械の質量慣性モーメントが大きい場合、そのようなモーター側に加えられるサージトルクが、駆動系統全体に極端な捩じり振動負荷を引き起こしてしまう、その結果それに対応してモーター、連結器、作業機械などの駆動系統の全ての構成要素を頑丈に、即ち、標準的な動作と比べて過大なサイズで設計しなければならない。電力網の切換時に発生する回転トルク負荷の計算方法は、非特許文献１により周知である。
【０００３】
実際には、駆動系統の構成要素の過大なサイズ又は滑り摩擦クラッチの追加採用を回避するために、電力供給網の障害時に開閉器を開放することによってモーターを切り離し、その後制御した形で開閉器を閉じることによって、予備電力網又は障害復旧後に新たに電力供給網と接続することが知られている。非特許文献２に記載されている通り、実際には、回転子の残留磁界によって誘導される残留電圧が存在する場合に多相モーターに新たに電圧を印加するための短時間及び長時間切換方法が周知である。典型的には、数ミリ秒以内の短時間切換時に駆動系統内への過度の回転トルク負荷を防止するために、電力供給網と予備電力網の電圧間における振幅、周波数及び位相のずれの差異を動作中絶えず監視している。全ての差異が狭い限界内に保持されている場合にのみ、電力供給網の障害時に数ミリ秒以内に予備電力網への切換を実行することができる。この短時間切換に関する条件が満たされない場合、長時間切換が実行され、その場合電圧を印加した際に供給電圧と残留磁界による電圧との位相差に関係無く過度の回転トルク負荷を防止することができる程度にまで多相モーターが制動されるのを待つこととなる。確かに、この長時間切換方法は、穏やかなサージトルクを保証するが、回転数が大きく低下し、それによって作業プロセスが実質的に中断されるという欠点を有する。最後に、長時間切換では、駆動系統の捩じれ又は曲げが限界となる回転数で再起動が行われ、その切換プロセスによって、大きな切換トルクを発生させて、シャフト系統内の構成部品を危険に曝す、或いは安全のための自動停止さえも作動させてしまう虞が有る。
【非特許文献１】論文誌「Archiv fuer Elektrotechnik 71, 1988 」の 399〜411 頁
【非特許文献２】論文誌「ELEKTRIE, Berlin 46, 1992 」の 456〜460 頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような背景に鑑みて、本発明の課題は、多相モーターが供給電圧から切り離された後回転子の残留磁界によって誘導される残留磁界による電圧が存在する場合に、回転トルク負荷を最小限として、残留磁界による電圧の任意の高さに対して再起動することが可能である、多相モーターを再起動する方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の対象及び課題の解決策は、多相モーターが供給電圧から切り離された後回転子の残留磁界によって誘導される残留磁界による電圧が存在する場合に、多相モーターを再起動する方法であって、残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移を記録し、その残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移から、これらの電圧間の位相差を見積もり、その位相差が所定の最高値Δφmax を下回る時点ｔs を求めて、時点ｔs に到達する前の予め決まった切換遅延時間τs と一致する時間間隔前に、再起動のための切換コマンドを発出して、ほぼ時点ｔs でモーターを供給電圧と接続する方法である。本発明にもとづく方法によって、電力供給網から切り離された後ほぼサージの無い形でモーターの起動を行うことができ、その場合通常回転数の低下を非常に小さく保持することが可能である。
【０００６】
周知の短時間切換では、常に予備電力網を準備していなければならず、予備電力網と電力供給網の振幅、周波数及び位相が十分に一致している場合にのみ切換を行うことが可能であるのに対して、本発明による方法では、予備電力網によって、或いは障害復旧後に電力供給網自身によって、供給電圧の新たな供給を行うことが可能である。本発明は、特に、モーターが供給電圧から切り離された後に減速して行くことによって、その角速度が、供給電圧の網周波数を出発点として低下して行き、そのようなモーターの減速時における残留磁界による電圧と供給電圧が、反復する時点においてほぼ同相になるという知見をベースとしている。この場合、残留磁界による電圧の時間的推移を求めることによって、位相差が所定の最大値Δφmax を下回る時点ｔs を予め決定することができ、切換遅延時間τs を考慮して、時点ｔs に到達する前に切換コマンドを発出し、ほぼ見積もった時点ｔs で電圧の印加を行うものである。
【０００７】
本発明による方法の有利な実施形態では、残留磁界による電圧の零交差時点を求めて、零交差間の時間間隔から残留磁界による電圧の角速度及び角速度の変化率を検出するものと規定する。零交差の検出は、測定技術的な観点から、例えば、アナログ比較器を用いて、特に容易かつ確実に実施することが可能であり、本発明による方法の枠組みにおいて必要な精度を保証している。この場合、角速度は、次の通り、二つの測定値間における位相差と時間差の比率として求めることができる。
ωi ＝（φi+1 −φi-1 ）／（ｔi+1 −ｔi-1 ）
それに対して、角速度の変化率は、次の通りとなる。
【０００８】
【数１】
0005559955.tif 000002
【０００９】
電力網の電圧の位相角φN を見積もるために、同様に複数の零交差を求めることができるが、通常電力網の周波数ｆN は高い精度で既知であり、その結果一つの零交差にもとづき、次の通り、位相角の時間的推移を求めることができる。
φN （ｔ）＝２π・ｆN ・ｔ  （２π・ｆN ＝ωN ）
残留磁界による電圧の位相角φR の時間的推移は、次の通り、実際に求めた角速度ωi ＝ωR と算出した角速度の時間的変化率を考慮して得られる。
【００１０】
【数２】
0005559955.tif 000003
【００１１】
この場合、最後から二番目の測定と電力開閉器の起動との間の時間をｔとする。ωR は、最後から二番目の測定時点における残留磁界による電圧の角速度であり、ｄωR ／ｄｔは、最後から二番目の測定時点における残留磁界による電圧の角速度の変化率である。残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移以外に、有利には、少なくとも残留磁界による電圧の振幅ＡR も検出することができ、残留磁界による電圧の振幅が所定の最高電圧Ａmax より低下した場合、残留磁界による電圧と供給電圧間の位相関係に関わらず、電圧を印加するための切換コマンドが発出される。特に、多相モーターを速く制動することによって、見積もった通り所定の位相差Δφmax を下回る前の早い段階で、残留磁界による電圧と供給電圧間の位相関係に関わらず許容可能な範囲内に有るモーター回転数に到達する手段が得られ、その結果シャフト系統の損傷を回避することができる。特に、回転トルク負荷が、多相モーターを停止状態から始動する時よりも小さい場合には、通常再起動は問題とならない。
【００１２】
本発明では、残留磁界による電圧の実際の角速度ωR を求めているので、所定の周波数範囲、例えば、シャフト系統のシステム限界回転数に近い周波数範囲に対して、損傷を防止するために、位相差が所定の最高値Δφmax を下回るか、或いは残留磁界による電圧の振幅ＡR が所定の最高電圧Ａmax を下回った場合でも、再起動を保留するものと規定する。所定の周波数範囲から外れると直ちに、相応の前提条件が存在する場合、即ち、次に所定の位相差を下回るか、或いは所定の最高電圧を下回った場合に、多相モーターの再起動が実行される。
【００１３】
例えば、ターボ過給機を駆動するための多相モーターは、実際には多くの場合数百キロワットから数メガワットまでの出力を有し、典型的には、三相式で実現されている。高圧モーターでは、例外無く中性点にアクセスすることができないので、通常残留磁界による電圧又は供給電圧として、それぞれ二つの系統間の相間電圧（線間電圧）をそれぞれ二つの検出器を用いて測定している。
【００１４】
また、本発明の対象は、本発明による方法を実施するための電気回路である。この電気回路は、残留磁界による電圧と供給電圧の時間的推移を求めるために、一方では多相モーターと接続可能であり、他方では電力供給網又は予備電力網と接続可能である測定値検出部と、電力開閉器のための切換パルスを生成する直流分流加減器と、残留磁界による電圧と供給電圧間の位相関係を見積もることが可能なマイクロ制御器とを備えている。
【００１５】
残留磁界による電圧と供給電圧は、典型的には、数千ボルトの振幅を有し、その結果測定値検出部は、有利には、多相モーター及び供給電圧と接続するためのプローブを備えており、そのプローブは、電圧変換器としての役割を果たし、測定した電圧を、例えば、−１０ボルト〜＋１０ボルトの範囲に低減する。
【００１６】
本発明による方法を実施するために、典型的には、一つのアナログ・デジタル変換器、一つのアナログ比較器、複数のタイマー及び少なくとも一つの測定値メモリを備えたマイクロ制御器は、有利には、容易な構成と、特に、設定値の容易な入力をも可能とするために、コンピュータ又はコンピュータネットワークと接続するための標準的なプログラミング用インタフェースを有する。
【００１７】
この電気回路は、本発明の範囲内において、ステータス表示部及び／又はステータス通報を出力するためのインタフェースを備えることができ、その結果電気回路の状態及び電力供給網の障害発生を使用者に直接表示することが可能である。出力されたステータス通報を中央の機械又はプロセス制御部によって受けて更に処理することも考えられる。
【００１８】
多相モーターを供給電圧から切り離した後新たに多相モーターに電圧を印加するために、典型的には、直流分流加減器からの切換パルスを受信する電力開閉器が配備される。この場合、電力開閉器を作動させるために、しばしば大きな切換電流を必要とし、その結果この電気回路の有利な実施形態では、マイクロ制御器の制御信号としての出力は、有利には、ＭＯＳＦＥＴとして実現された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と接続されており、その電界効果トランジスタは、別の入力電圧を直流分流加減器の出力側と接続する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下において、単一の図面に関する実施例にもとづき、本発明を説明する。
【００２０】
本発明による方法を実施するための電気回路は、測定値検出部１、マイクロ制御器２及び電力開閉器のための切換パルスを生成する直流分流加減器３を有する。更に、この回路は、ステータス表示部５としての八つのＬＥＤ４と、マイクロ制御器のプログラミング用及びステータス通報の出力用の端子６とを有する。
【００２１】
測定値検出部１は、それぞれ図示されていない二つのプローブを介して、多相モーターの二つの端子及び供給電圧の二つの端子と接続される。この場合、供給電圧は、電力供給網、或いは電力供給網の障害時にモーターの動作を可能とする追加的な予備電力網によって供給される。
【００２２】
マイクロ制御器２は、その時々の状態を表示するためにＬＥＤ４と接続された八つのデジタル出力を備えている。第一のＬＥＤ４は、マイクロ制御器２の始動時に点灯されて、回路が動作していることを示す。第二のＬＥＤ４が点灯している場合、回路は、電力網の中断に対する準備が整っている。第三から第六までのＬＥＤ４は、モーターを供給電圧から切り離した後の電力網の中断過程を示す。第三のＬＥＤ４は、電力供給網に関して電力網の中断が発生している場合に点灯され、供給電圧が予備電力網又は新たに電力供給網から供給された場合に消灯される。第四のＬＥＤ４は、残留磁界による電圧及び供給電圧の位相の時間的推移を求めるために、残留磁界による電圧及び供給電圧の零交差を測定値検出部１によって記録している場合に点灯される。十分に多くの測定値が得られた場合、第四のＬＥＤ４が消灯されて、第五のＬＥＤ４が、電圧の印加に好適な見積もられた時点ｔs を待っていることを示す。時点ｔs に到達すると直ちに、回路が初期状態に戻るまでの間第六のＬＥＤ４が点灯される。第七のＬＥＤ４が、回路の開発時に診断目的の役割を果たす一方、第八のＬＥＤは、電力開閉器のための切換コマンドが再起動のために発出された時点を示す。電力開閉器は、典型的には、数十ミリ秒の予め既知の切換遅延τs （例えば、モーラー社のＤＩＬ  Ｍ３００タイプの電力開閉器の場合には、τs ＝６０ｍｓ）を有するので、時点ｔs に到達する前の相応の時点で切換コマンドを発出しなければならない。
【００２３】
時点ｔs の計算は、モーター及び供給電圧の接続端子における残留磁界による電圧の位相位置の検知をベースとする。そのような位相位置を求めるために、一つの系統の供給電圧と残留磁界による電圧、或いは二つの系統間の相間電圧の零交差を求める。これらの電圧は、電力開閉器の直前又は直後で計測することができる。
【００２４】
電気回路の動作時に電力供給網が障害になった場合、電力開閉器は開放され、第三のＬＥＤ４によって、電力網の中断が表示される。供給電圧が、電力開閉器の開放後障害の復旧により新たに電力供給網から供給されるようになった場合、先ずは電力網が中断されていた時間が算出される。そのために、先ずは電力網が中断されていた時間を測定値検出部１によって求める。再び供給電圧が供給された後、供給電圧の零交差をアナログ比較器によって求め、電力網の周波数を考慮して、そのような零交差を決定することによって、供給電圧の位相を見積もることができる。次に、残留磁界による電圧の零交差を求めて、零交差間の時間間隔から、位相の角速度と角速度の変化率を求める。これらの見積ったデータから、位相差が所定の最大値Δφmax 、例えば、２０°を下回る時点ｔs が決定される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による電気回路が実現された基板の粗い模式図
【符号の説明】
【００２６】
１    測定値検出部
２    マイクロ制御器
３    直流分流加減器
４    ＬＥＤ
５    ステータス表示部
６    ステータス通報出力用端子
【図１】
0005559955.tif 000004