(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源との接続部から三相電動機に至る３相の給電回路の２相に、位相制御可能なスイッチング素子を介装し、給電回路の２相に接続した電圧ゼロクロス検出回路と、スイッチング素子の位相制御駆動回路と、スイッチング素子の導通時間検出回路と、この導通時間検出回路により検出した各スイッチング素子の導通時間が等しくなるように位相制御駆動回路を制御してソフトスタート動作を行う制御手段とから構成したことを特徴とする三相電動機の制御装置。
【請求項２】
スイッチング素子をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路の動作、非動作の切換手段と、給電回路の２相に接続した給電周波数検出手段とを構成し、制御手段を、給電周波数検出手段で検出した給電周波数により動作させて、ソフトスタート動作と、バイパス回路の動作を切り換える構成としたことを特徴とする請求項１に記載の三相電動機の制御装置。
【請求項３】
スイッチング素子がサイリスタ又はトライアックであり、バイパス回路の切換手段がリレーであることを特徴とする請求項２に記載の三相電動機の制御装置。
【請求項４】
三相電動機が、減速装置が組み込まれた冷却塔用ファン駆動用であることを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項に記載の三相電動機の制御装置。
【請求項５】
三相電動機が誘導電動機であることを特徴とする請求項１〜４までのいずれか１項に記載の三相電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、減速装置が組み込まれた冷却塔用ファンの駆動用として使用する三相電動機を駆動するための制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば冷却塔用ファンは、所定の回転速度を得るために、ベルトや歯車等による減速装置を組み込んで、汎用の三相電動機で運転することが広く行われている。この場合、三相電動機は、容量が７．５ｋＷ以下の場合には、商用３相交流電源に直入れで起動することが多く、起動時の衝撃や、ベルトのスリップによる騒音の発生、寿命の短縮化等の問題の要因となっている。
【０００３】
そこで、このような問題に対する対策として、例えばソフトスタータと称されて市販されている装置や、インバータ装置が、起動を緩やかに行うソフトスタート機能を有する三相電動機の駆動装置として利用されている。
【０００４】
このようなソフトスタート機能を有する三相電動機の駆動装置は従来から各種のものが提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、三相交流電源から三相電動機に至る３相の給電回路の全てに位相制御可能なサイリスタやトライアック等のスイッチング素子を介装し、交流電源のゼロクロスポイントに同期した三角波信号を生成する三角波生成手段と、時系列に沿って変化する指令信号を生成する指令信号生成手段と、前記三角波信号と前記指令信号とのレベル比較に基づいた位相制御により上記スイッチング素子の導通制御を行う構成のソフトスタート制御装置が記載されている。
【０００６】
また特許文献２には、三相交流電源から三相電動機に至る３相の給電回路の全てにスイッチング素子を介装して始動器を構成すると共に、始動器をバイパスするバイパス回路を構成しており、始動器により位相制御された三相交流電源で三相電動機を始動・停止させ、定格回転時には電磁開閉器が閉じることにより始動器をバイパスするバイパス回路から供給される三相交流電源で三相電動機を駆動して、始動・停止時と定格回転時とで三相電動機への電源供給が切り替わる様にした三相電動機の駆動装置が記載されている。
【０００７】
また特許文献３には、三相交流電源から三相電動機に至る３相の給電回路の２相にスイッチング素子を介装し、これらの２相のスイッチング素子を位相制御してソフトスタート制御を行う三相二線位相制御方式の制御装置が記載されている。
【０００８】
また特許文献４には、特許文献２と同様に三相交流電源から三相電動機に至る３相の給電回路の２相にスイッチング素子を介装し、これらの２相のスイッチング素子を位相制御してソフトスタート制御を行う装置において、各相間の不平衡電流の発生を抑制して安定な起動が行えるようにするために、２相の給電回路に介装したスイッチング素子の点弧角がずれを生じるように、予め設定した制御パターンに従ってゲートトリガ信号を制御する演算手段を備え、線間電圧の不平衡量を低減しつつ三相電動機を緩やかに起動するようにした三相二線位相制御方式の制御装置が記載されている。
【特許文献１】特許第３２７９１７３号公報
【特許文献２】特開２０００−２０１４９０号公報
【特許文献３】特開２００３−４７２８９号公報
【特許文献４】特許第３９９８３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１及び特許文献２のように３相の給電回路の全てにスイッチング素子を介装し、これらの３相のスイッチング素子を位相制御してソフトスタート制御を行うものでは、寸法や発熱の点から小型化が困難であり、コスト高となる。
【００１０】
これに対して、特許文献３や特許文献４のように３相の給電回路の２相にスイッチング素子を介装し、これらの２相のスイッチング素子を位相制御してソフトスタート制御を行うものでは、小型化の点やコストの点において有利であるが、各相に流れる電流の不平衡が生じやすく、この不平衡を減少させないと滑らかなソフトスタートが実現できない。
【００１１】
そこで特許文献４では上述したように２相の給電回路に介装したスイッチング素子の点弧角がずれを生じるように、予め設定した特定の制御パターンに従ってゲートトリガ信号により夫々の点弧角を適切な値に制御するようにしているが、この特定の制御パターンによる点弧角の制御では、ある相側の点弧角を変化させる際に他の相側の点弧角の変更操作を停止する区間が生じるので、この区間においては最適値から外れてしまう。
【００１２】
本発明では、このような欠点を解決して、各相に流れる電流の不平衡を更に減少させて滑らかなソフトスタートを実現することを第１の課題とする。
【００１３】
一方、上述した冷却塔用ファン等においては、可変速運転を行うために、インバータ電源を用いることがあり、仮に、ソフトスタート機能を有する制御装置をインバータ電源に接続して使用しようとすると、インバータによる始動とソフトスタート機能による始動が干渉して、正常な始動が行えない。
【００１４】
そこで本発明では、接続した電源が、商用であっても、インバータ電源であっても正常に運転を行える制御装置一体型の三相電動機を提供することを第２の課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するために、本発明では、三相交流電源との接続部から三相電動機に至る３相の給電回路の２相に、位相制御可能なスイッチング素子を介装し、給電回路の２相に接続した電圧ゼロクロス検出回路と、スイッチング素子の位相制御駆動回路と、スイッチング素子の導通時間検出回路と、この導通時間検出回路により検出した各スイッチング素子の導通時間が等しくなるように位相制御駆動回路を制御してソフトスタート動作を行う制御手段とから構成した三相電動機の制御装置を提案する。
【００１６】
また本発明では、上記の構成において、スイッチング素子をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路の動作、非動作の切換手段と、給電回路の２相に接続した給電周波数検出手段とを構成し、制御手段を、給電周波数検出手段で検出した給電周波数により動作させて、ソフトスタート動作と、バイパス回路の動作を切り換える構成とした三相電動機の制御装置を提案する。
【００１７】
また本発明では、上記の構成において、スイッチング素子がサイリスタやトライアック等の電力用半導体素子であり、バイパス回路の切換手段がリレーであることを提案する。
【００１８】
また本発明では、上記の構成において、三相電動機が、減速装置が組み込まれた冷却塔用ファン駆動用であることを提案する。
【００１９】
また本発明では、上記の構成において、三相電動機が誘導電動機であることを提案する。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に係る発明では、ソフトスタート動作において、制御手段は、導通時間検出回路により検出した各スイッチング素子の導通時間が等しくなるように位相制御駆動回路を動作させるようにしているので、上述した特定の制御パターンに従って制御を行うものと比較して、各相に流れる電流の不平衡を、更に減少させて滑らかなソフトスタートを実現することができる。
【００２１】
請求項２に係る発明では、電源をＯＮとして運転を開始すると、制御手段は、給電周波数検出手段により給電周波数を検出し、その周波数が商用交流電源の周波数か否かを判定し、商用交流電源の周波数の場合には、請求項１に係る発明と同様なソフトスタート動作を選択し、バイパス回路を動作させないので、請求項１に係る発明と同様なソフトスタート動作が行われる。
【００２２】
ソフトスタート動作による始動が行われて定格回転に至ると、制御手段は、切換手段によりバイパス回路を動作させるため、以降、給電電流はバイパス回路を介してのみ流れて、スイッチング素子には流れない。従って、スイッチング素子は始動時のみ冷却を行えば良いので、小型化が可能であり、端子箱等に実装しても十分な冷却を行うことは容易である。
【００２３】
一方、運転の開始時に、給電周波数検出手段により検出した給電周波数が商用交流電源の周波数でないと判定した場合には、制御手段は、バイパス回路の動作、非動作の切換手段を動作させてバイパス回路を動作させる。
【００２４】
この場合、三相電動機に接続した三相交流電源はインバータ電源であり、給電電流はバイパス回路とスイッチング素子を設けていない相の給電回路を流れて、スイッチング素子には流れないので、インバータによる始動動作と、ソフトスタート機能による始動動作が干渉することがなく、インバータによる正常な運転が行われる。
【００２５】
上述したとおり、サイリスタやトライアック等の電力用半導体素子によるスイッチング素子は、三相交流電源との接続部から三相電動機に至る３相の給電回路の２相にのみ介装しているので、３相の全てに介装するよりも、小型化やコストの上で有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に本発明に係る三相電動機の制御装置の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
まず図１は本発明に係る三相電動機の制御装置を利用する装置の一例として、冷却塔の外観を示す斜視図であり、また図２は要部の拡大一部切欠斜視図である。
符号１は冷却塔を示すもので、この場合、冷却塔１は複数台が列設されて、運転台数を増減しての制御が可能となっている。冷却塔１の上部にはファン２を回転可能に支持したファンシリンダー３が設けられており、このファンシリンダー３にファン２の回転軸を回転させるベルト減速機４と回転駆動用の三相電動機５、この場合には三相電動機が設置されている。
【００２７】
冷却塔１は、空調設備や工業設備において発生した熱を大気に放散させる装置で、熱は、冷却水によって運ばれ、冷却塔１内でファン２によって得られた大量の大気と接触させてその熱を放散し、冷却された冷却水は再循環利用される。
【００２８】
冷却塔１の冷却能力は、大気と接触させてその熱を放散しているため、大気の温度が最も高くなる夏季が、最も条件が厳しく、このときの条件で選定され、大気温度が大幅に下がった場合や、熱負荷が下がった場合には冷却水温度が必要以上に下がり、過冷却となるため、冷却塔１の冷却性能を下げ冷却水温度を上げる方法として運転台数を減らす方法がある。運転台数減少により冷却水温度が高くなると運転台数を増し、冷却水温度が下がり過ぎると運転台数を減らすというＯＮ−ＯＦＦ運転が行なわれる。
【００２９】
図３は本発明に係る制御装置により制御する三相電動機５を示す斜視図、図４は正面図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図であり、この三相電動機５は、本体の横側に端子箱６を設けており、この端子箱６は蓋７を備えている。
【００３０】
この実施の形態では、本発明に係る三相電動機５の制御装置を、端子箱７内に設置した構成としているが、端子箱７とは別に設置することもできる。
【００３１】
図６は本発明に係る制御装置の実施の形態を示す系統図である。
符号８は上述したとおり、３相交流電源との接続部８である接続端子であり、この接続部８から三相電動機５に至る３相の給電回路９ｒ，９ｓ，９ｔの２相、この場合、Ｒ相、Ｔ相の給電回路９ｒ，９ｔに位相制御可能なスイッチング素子１０ｒ，１０ｔ、この実施の形態ではサイリスタを介装しており、これらのスイッチング素子１０ｒ，１０ｔと並列に、夫々に対応する接点部１１ｒ，１１ｔを備えたバイパスリレー１１を設けたバイパス回路１２ｒ，１２ｔを接続している。尚、スイッチング素子１０ｒ，１０ｔを介装する相は、Ｒ相、Ｔ相に限らず、適宜の２相で良い。
【００３２】
符号１３は上述した位相制御駆動回路に相当するスイッチング素子駆動回路、この場合、サイリスタ駆動回路であり、スイッチング素子１０ｒ，１０ｔは、このサイリスタ駆動回路１３からゲートトリガ信号を受けて位相制御される。また夫々のスイッチング素子１０ｒ，１０ｔには、両端電圧を検出して導通時間を検出するためのサイリスタ導通時間検出回路１４が接続されており、またＲ相、Ｓ相の給電回路９ｒ，９ｓには、それらの相間電圧の電圧ゼロクロス検出回路１５と、周波数検出回路１６が接続されており、これらのサイリスタ駆動回路１３、電圧ゼロクロス検出回路１５及び周波数検出回路１６は、制御手段１７としてのマイクロコンピュータに接続されている。符号１８はバイパスリレー１１を動作させて接点部１１ｒ，１１ｔを開閉するバイパスリレー開閉回路であり、また符号２０は電流検出部１９によりＳ相の給電回路９ｓの電流を検出する電流検出回路であり、これらのバイパスリレー開閉回路１８と電流検出回路２０も制御手段１７としてのマイクロコンピュータに接続されている。
【００３３】
この実施の形態では、以上の各回路及び各手段を端子箱６内に設置しており、それらを構成する要素や回路を回路基板２１として構成している。図５に示すように、端子箱６の一部の壁、この場合、三相電動機５の軸方向と同方向の側壁に放熱フィン２２を設けて、この側壁を外部放熱部とし、ここにスイッチング素子１０ｒ，１０ｔ、例えばサイリスタモジュールを固定している。
【００３４】
この実施の形態において、三相電動機５は、例えば上記冷却塔１のファンシリンダー３のベルト減速機４の所定個所に固定した後、三相交流電源の給電線を端子箱６内の接続端子８に接続すれば良く、設置が非常に容易である。尚、符号２４は給電線を端子箱６内に引き込むための支持筒体である。
【００３５】
以上の構成において電源をＯＮとして三相電動機５の運転を開始すると、制御手段１７は、給電周波数検出回路１６により給電周波数を検出し、その周波数が商用交流電源の周波数か否かを判定し、商用交流電源の周波数、即ち５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの場合には、ソフトスタート始動の動作を選択し、バイパス回路動作させない。即ち、制御手段１７は、バイパスリレー開閉回路１８はバイパスリレー１１の接点部１１ｒ，１１ｔを開状態に維持すると共に、上記電圧ゼロクロス検出回路１５、サイリスタ導通時間検出回路１４及びスイッチング素子駆動回路１３から成るソフトスタート手段２５により、２相のスイッチング素子１０ｒ，１０ｔを位相制御してソフトスタート動作による三相電動機５の始動を行う。
【００３６】
上述したとおり、本発明の制御装置では、特許文献３に記載されているような手法、即ち、ソフトスタート動作における電圧不平衡を減少させるため、線間電圧の積分値から最適な制御パターンを導出し、この制御パターンに従って、２相の点弧角をずらしてソフトスタート動作を行う手法を適用するのではなく、サイリスタ導通時間検出回路１４により、各相のスイッチング素子１０ｒ，１０ｔの導通時間を検出して、それらの導通時間が制御周期毎に等しくなるように制御することにより、特定の制御パターンを必要とせずに電圧不平衡を減少させるものである。
【００３７】
そこで本発明の実施の形態に係るソフトスタート動作を、特許文献３の手法における制御パターンを参照して説明する。
まず図７は特許文献３の手法において予め設定される特定の制御パターンを示すものであり、図中の黒丸が単位時間毎の夫々の相のスイッチング素子の点弧角を示すもので、これらの黒丸の点弧角に沿って、点弧角１８０°から点弧角０°まで移行させてソフトスタートを行うものである。
また図８〜図１２は、図７のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ点の点弧角の条件における各相、Ｒ相、Ｔ相のスイッチング素子１０ｒ，１０ｔの電流波形、即ち、導通状態を示すものであり、夫々実線がＲ相電流、破線がＴ相電流である。
【００３８】
Ｒ相、Ｔ相の点弧角が１２０°（Ａ点）の状態を示す図８を参照すると、Ｒ相、Ｔ相の点弧角が１８０°〜１２０°までの区間では、両者の点弧角を同一としても各々の導通時間は等しくなることが分かる。
【００３９】
しかしながらＲ相、Ｔ相の点弧角が夫々９０°（Ｂ点）の状態を示す図９を参照すると、Ｒ相、Ｔ相の点弧角が１２０°から９０°に移行する区間では、両者の点弧角を同一とすると、導通時間に差が生じ始め、Ｂ点では、導通時間に３０°分の差が生じることが分かる。
【００４０】
一方、Ｒ相、Ｔ相の点弧角が夫々９０°、６０°（Ｃ点）の状態を示す図１０を参照すると、Ｒ相の点弧角が９０°を維持し、Ｔ相の点弧角が９０°から６０°に移行する区間では、導通時間の差が次第に小さくなり、Ｃ点では、夫々の導通時間が等しくなることが分かる。
【００４１】
更に、Ｒ相、Ｔ相の点弧角が夫々６０°、３０°（Ｄ点）の状態を示す図１１を参照すると、Ｒ相の点弧角が９０°から６０°、Ｔ相の点弧角が６０°から３０°に移行する区間では、次第に導通時間に差が生じ始め、Ｄ点では、導通時間に３０°分の差が生じることが分かる。
【００４２】
一方、Ｒ相、Ｔ相の点弧角が夫々６０°、０°（Ｅ点）の状態を示す図１２を参照すると、Ｒ相の点弧角が６０°を維持し、Ｔ相の点弧角が３０°から０°に移行する区間では、導通時間の差が次第に小さくなり、Ｅ点では、夫々の導通時間が等しくなると共に、それ以降、Ｒ相、Ｔ相の点弧角がいずれも０°になるまで夫々の導通時間が等しくなることが分かる。
【００４３】
そこで本発明に係る制御装置では、ソフトスタート動作において点弧角を次第に小さくする際、サイリスタ導通時間検出回路１４により、各相のスイッチング素子１０ｒ，１０ｔの導通時間を検出して、それらの導通時間が制御周期毎に等しくなるように制御するので、Ｒ相、Ｔ相の点弧角がいずれも１８０°の点からは図中実線に沿ってＡ点に至った後、Ａ点からは図中破線の軌跡を通ってＣ点に至り、次いで図中破線の軌跡を通ってＥ点に至った後、実線に沿ってＲ相、Ｔ相の点弧角がいずれも０°の点に至る。Ａ点からＥ点までの推移を説明すると、まず、Ａ点からＣ点までは、Ｒ相の点弧角の操作量に対して、Ｔ相の点弧角の操作量が２倍で推移。次いでＣ点からＥ点に推移する際、Ｔ相の点弧角が６０°よりも小さくなると、Ｒ相の導通時間が瞬時に３０°分長くなるため、Ｔ相はそれに追従するために、当初は、点弧角の操作量が大きく変化する。
【００４４】
上記特許文献３に示されるように、特定の制御パターンによって点弧角を制御するのでは、ある点弧角では一方の相側の点弧角の変更操作を停止し、もう一方の相側の点弧角のみを操作する区間が発生するのであり、一方の相側の点弧角の操作を停止したまま、もう一方の相側の点弧角を操作する時点で、最適な値からは外れてしまう。
【００４５】
しかしながら本発明に係る制御装置では、各相の点弧角の操作を、制御周期毎に導通時間が等しくなるように制御するので、一方の相側の操作が停止することはなく、常時、不平衡を減少させる動きをするため、非常に滑らかなソフトスタート動作が実現されるものである。
【００４６】
次に、上述した運転の開始時に、周波数検出回路１６により検出した給電周波数が商用交流電源の周波数でないと判定した場合には、制御手段１７は、バイパスリレー開閉回路１８により、バイパスリレー１１の各接点部１１ｒ，１１ｔを閉としてバイパス回路１２ｒ，１２ｔを動作させる。
【００４７】
この場合、三相電動機５の接続部８に接続した三相交流電源はインバータ電源であるが、この３相交流電源からの給電電流はバイパス回路１２ｒ，１２ｔと、スイッチング素子１０ｒ，１０ｔを介装していない給電回路９ｓを流れて、スイッチング素子１０ｒ，１０ｔには流れないので、インバータによる始動動作と、ソフトスタート機能による始動動作が干渉することがなく、インバータによる正常な運転、即ち、ソフトスタート動作からの通常運転動作までの一連の動作が行われる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の三相電動機の制御装置は、減速装置が組み込まれた冷却塔用ファンの駆動用として最適であるが、他の適宜の用途に利用可能性が大である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る三相電動機の制御装置を利用する装置の一例として、冷却塔の外観を示す斜視図である。
【図２】要部の拡大一部切欠斜視図である。
【図３】本発明に係る制御装置を用いる三相電動機を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る制御装置を用いる三相電動機を示す正面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】本発明に係る三相電動機の制御装置の実施の形態を示す系統図である。
【図７】本発明の制御装置におけるソフトスタート動作を制御パターンによる動作と比較して示す説明図である。
【図８】図７のＡ点における各相の電流波形を示す説明図である。
【図９】図７のＢ点における各相の電流波形を示す説明図である。
【図１０】図７のＣ点における各相の電流波形を示す説明図である。
【図１１】図７のＤ点における各相の電流波形を示す説明図である。
【図１２】図７のＥ点における各相の電流波形を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１                    冷却塔
２                    ファン
３                    ファンシリンダー
４                    ベルト減速機
５                    三相電動機（三相誘導電動機）
６                    端子箱
７                    蓋
８                    接続部（接続端子）
９ｒ，９ｓ，９ｔ      給電回路
１０ｒ，１０ｔ        スイッチング素子
１１ｒ，１１ｔ        接点部
１１                  バイパスリレー
１２ｒ，１２ｔ        バイパス回路
１３                  スイッチング素子駆動回路（サイリスタ駆動回路）
１４                  サイリスタ導通時間検出回路
１５                  電圧ゼロクロス検出回路
１６                  周波数検出回路（手段）
１７                  制御手段（マイクロコンピュータ）
１８                  バイパスリレー開閉回路
１９                  電流検出部
２０                  電流検出回路
２１                  回路基板
２２                  放熱フィン
２３                  外部放熱部
２４                  支持筒体
２５                  ソフトスタート手段
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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