(57)【要約】【課題】電動機の始動に用いる電力変換装置のインバータ容量を低減できるように改善された電動機始動装置を提供する。【解決手段】電動機１４の始動開始時には、商用側遮断器４を遮断状態として電力変換装置２が始動用出力トルクカーブ２４に従って電動機１４を駆動させることで電動機１４の回転速度を上昇させる。電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１まで上昇したら、制御回路２ｂは、電動機１４の回転速度が定格回転速度Ｎ３に達する前に、入力側遮断器１および出力側遮断器３をオフつまり開放とし、商用側遮断器４をオンつまり導通状態とする。これにより、出力側遮断器３が、始動用出力トルクと機械側負荷トルクとが釣り合ったタイミングで電力変換装置２を電動機１４から切り離す。【選択図】図２
2019146381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と系統電線路との間に介在する遮断器と、
前記遮断器に対して並列となるように前記系統電線路と前記電動機との間に介在し、前記系統電線路を介して系統電源から受け取った系統電力を変換した出力電力を前記電動機へと出力し、予め定められた始動用出力トルクカーブに従って前記電動機を始動させるように構築された電力変換装置と、
を備え、
前記系統電源への直入れにより前記電動機を始動させる場合におけるトルクと回転速度との関係を示す直入始動トルクカーブが前記始動用出力トルクカーブを越えて上昇するときの前記直入始動トルクカーブと前記始動用出力トルクカーブとの交点に対応する回転速度を、所定回転速度とした場合において、
前記電動機の始動開始時には、前記遮断器を遮断状態としつつ前記電力変換装置に前記電動機を駆動させることで前記電動機の回転速度を上昇させ、
前記電力変換装置が前記電動機を駆動することで前記電動機の回転速度が前記所定回転速度に達した場合に、前記電動機の回転速度が前記電動機の定格回転速度に達する前に、前記遮断器を導通状態としつつ前記電力変換装置から前記電動機への電力供給を停止することで前記電力変換装置による前記電動機の駆動を前記系統電源による前記電動機の駆動へと切り替える電動機始動装置。
【請求項２】
前記系統電源の電圧位相を検出する検出手段を備え、
前記検出手段で検出した前記電圧位相に基づいて、前記系統電源の電圧値および前記電力変換装置の出力電圧値の両方がゼロとなるタイミングで、前記電力変換装置による前記電動機の始動の停止および前記遮断器の導通状態への切り替えを行う請求項１に記載の電動機始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機始動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０１７−７０１６５号公報に開示されているように、電動機の始動時における不足トルクを補う始動装置が知られている。この公報の段落０００２、段落０００３および図９には、ソフトスタートを行うための始動装置が記載されている。この始動装置では、高圧電源系統に、高圧大容量のインバータ装置が設けられている。このインバータ装置は、主電動機の定格容量に相当するインバータ容量を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７０１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術では、電動機の始動のために、大容量の電力変換装置を設けなければならない。電力変換装置のインバータ容量が大きいとシステム全体のコストが増大するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電動機の始動に用いる電力変換装置のインバータ容量を低減できるように改善された電動機始動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる電動機始動装置は、
電動機と系統電線路との間に介在する遮断器と、
前記遮断器に対して並列となるように前記系統電線路と前記電動機との間に介在し、前記系統電線路を介して系統電源から受け取った系統電力を変換した出力電力を前記電動機へと出力し、予め定められた始動用出力トルクカーブに従って前記電動機を始動させるように構築された電力変換装置と、
を備え、
前記系統電源への直入れにより前記電動機を始動させる場合におけるトルクと回転速度との関係を示す直入始動トルクカーブが前記始動用出力トルクカーブを越えて上昇するときの前記直入始動トルクカーブと前記始動用出力トルクカーブとの交点に対応する回転速度を、所定回転速度とした場合において、
前記電動機の始動開始時には、前記遮断器を遮断状態としつつ前記電力変換装置に前記電動機を駆動させることで前記電動機の回転速度を上昇させ、
前記電力変換装置が前記電動機を駆動することで前記電動機の回転速度が前記所定回転速度に達した場合に、前記電動機の回転速度が前記電動機の定格回転速度に達する前に、前記遮断器を導通状態としつつ前記電力変換装置から前記電動機への電力供給を停止することで前記電力変換装置による前記電動機の駆動を前記系統電源による前記電動機の駆動へと切り替える。
【発明の効果】
【０００７】
系統電源による直入始動トルクが電力変換装置の始動用出力トルクを下回る区間では、電力変換装置により電動機始動が行われる。その一方で、直入始動トルクが始動用出力トルク以上である区間では、系統電源に定格回転速度までの電動機始動を担当させることができる。このような手法によれば定格回転速度よりも手前で電力変換装置が電動機始動に関与しなくともよくなるので、電力変換装置のインバータ容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態にかかる電動機始動装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態にかかる電動機始動装置の動作を説明するための図である。
【図３】実施の形態にかかる電動機始動装置の動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態の変形例にかかる電動機始動装置の構成を示す図である。
【図５】実施の形態に対する比較例にかかる電動機始動装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態に対する比較例にかかる電動機始動装置の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態にかかる電動機始動装置は、電動機の起動補償システムに適用される。大型電動機を起動する際にいわゆる直入れ始動が行われると、系統電圧が降下する。この系統電圧降下時においては、低回転速度領域において系統電圧降下に起因して電動機トルクが不足してしまい、電動機の直入れ始動が成功しないおそれがある。実施の形態にかかる電動機始動装置は、この低回転速度領域を電力変換システムで補う起動補償システムに適用することができる。
【００１０】
図１は、実施の形態にかかる電動機始動装置１０の構成を示す図である。図１には、電動機始動装置１０を含む電力システム１００も図示されている。電力システム１００は、電動機１４と、電動機始動装置１０と、を含む。電動機１４は、かご型電動機である。電動機始動装置１０は、入力側遮断器１と、電力変換装置２と、出力側遮断器３と、商用側遮断器４と、計器用変圧器５と、を含む。
【００１１】
系統電線路９は、商用交流電源である系統電源７と接続している。入力側遮断器１は、電力変換装置２と系統電線路９との間に設けられている。出力側遮断器３は、電力変換装置２と電動機１４との間に設けられている。商用側遮断器４は、電動機１４と系統電線路９との間に介在する。このような接続関係によれば、入力側遮断器１、電力変換装置２および出力側遮断器３からなる直列回路が、商用側遮断器４に対して並列となるように系統電線路９と電動機１４との間に設けられる。計器用変圧器（ＶＴ）５は、後述する切替タイミングＴ１（図３参照）を検出するために、系統電圧位相を検出する。実施の形態では、電動機１４と電力変換装置２が電気的に切り離されると同時に、出力側遮断器３を接続状態とすることで電動機１４と系統電線路９とが電気的に接続させられる。
【００１２】
電力変換装置２は、変換回路２ａと、制御回路２ｂと、を備えている。変換回路２ａは、少なくとも１つの電力用半導体素子によって構築されたインバータ回路である。電力変換装置２は、系統電線路９から受け取った系統電力を変換した交流出力電力を生成する。電力変換装置２は、この交流出力電力を電動機１４へと出力することで、電動機１４を始動させることができる。具体的には、変換回路２ａは、系統電源７の商用交流電力を変換することで、予め設定された周波数を持つ交流電力を生成する。
【００１３】
制御回路２ｂは、変換回路２ａの電力用半導体素子に対して制御信号を供給することにより、電力用半導体素子をスイッチング駆動する。電動機１４を始動および加速させるために、変換回路２ａの交流出力電力周波数は予め定められた規則に従って増加させられる。実施の形態においては、電力変換装置２は、トルクと回転速度との関係が予め定められた始動用出力トルクカーブ２４に従って電動機１４を始動させるように構築されている。制御回路２ｂには、始動用出力トルクカーブ２４を実現するように予め定められた制御情報が記憶されており、具体的には予め定められた出力電力周波数特性などが記憶されている。
【００１４】
制御回路２ｂは、入力側遮断器１、出力側遮断器３および商用側遮断器４に接続されており、これらの遮断器それぞれのオンオフを制御することができる。また、制御回路２ｂは、変換回路２ａが電動機１４に与えている出力電力の周波数に基づいて、電動機１４の回転速度を検知することもできる。
【００１５】
図２は、実施の形態にかかる電動機始動装置１０の動作を説明するための図である。図２は、縦軸がトルク［Ｎｍ］であり横軸が回転速度［ｍｉｎ−１］のグラフに、電動機１４の始動に関連するトルクカーブ等を記入したものである。
【００１６】
電動機始動トルクカーブ１２は、電動機１４の始動時に電動機１４を系統電源７に直入れした場合の系統電圧低下がないとした場合の、電動機１４の始動から電動機１４が定格回転速度Ｎ３に到達するまでのトルクと回転速度との関係を表している。一方、直入始動トルクカーブ２３は、電動機１４の始動時に電動機１４を系統電源７に直入れした場合の系統電圧低下によるトルク低下を伴ったトルクカーブである。
【００１７】
直入始動トルクカーブ２３は、いわば「Ｘ％系統電圧時電動機始動トルクカーブ」である。電動機１４の直入れに伴って系統電圧が例えば２０％低下した場合には、直入始動トルクカーブ２３は、系統電圧の８０％の電圧で電動機１４を始動した場合の「８０％系統電圧時電動機始動トルクカーブ」となる。電動機１４の直入れに伴って系統電圧が例えば１０％低下した場合には、直入始動トルクカーブ２３は、系統電圧の９０％の電圧で電動機１４を始動した場合の「９０％系統電圧時電動機始動トルクカーブ」となる。直入始動トルクカーブ２３は、系統電源７および電動機１４などの仕様に基づいて予め設計的に定めることができる。
【００１８】
始動用出力トルクカーブ２４は、負荷トルクと電動機１４の回転速度との関係を表す機械側負荷トルクカーブ１３に、予め定められた大きさの加速トルクが上乗せされることで与えられる。この加速トルクは、始動開始から定格回転速度Ｎ３までに渡って機械側負荷トルクカーブ１３に例えばプラス１０％のトルクを加えるものであってもよい。
【００１９】
なお、説明の便宜上、図２において、第一交点Ｑ１よりも低回転速度側の直入始動トルクカーブ２３を破線で示し、第一交点Ｑ１よりも高回転速度側の直入始動トルクカーブ２３を実線で示している。また、図２において、第一交点Ｑ１よりも低回転速度側の始動用出力トルクカーブ２４を実線で示し、第一交点Ｑ１よりも高回転速度側の始動用出力トルクカーブ２４を点線で示している。
【００２０】
制御回路２ｂは、予め設定された所定回転速度Ｎ１を記憶している。制御回路２ｂは、変換回路２ａの出力電力周波数に基づいて、電動機１４の現在の回転速度が所定回転速度Ｎ１に達したか否かを検知するように構築されている。
【００２１】
所定回転速度Ｎ１は、図２のグラフにおいて第一交点Ｑ１に対応する回転速度である。第一交点Ｑ１は、回転速度の増大に伴って直入始動トルクカーブ２３が始動用出力トルクカーブ２４を越えて上昇するときの、直入始動トルクカーブ２３と始動用出力トルクカーブ２４との交点である。所定回転速度Ｎ１では、始動用出力トルクと機械側負荷トルクとが釣り合っている。
【００２２】
図２における所定回転速度Ｎ１から回転速度Ｎ２までの範囲を、便宜上、「所定回転速度範囲」とも称す。回転速度Ｎ２は、図２のグラフにおいて第二交点Ｑ２に対応する回転速度である。第二交点Ｑ２は、回転速度の増大に伴って直入始動トルクカーブ２３が始動用出力トルクカーブ２４を下回るほどに直入始動トルクカーブ２３のトルク値が低下するときの、直入始動トルクカーブ２３と始動用出力トルクカーブ２４との交点である。所定回転速度範囲は、直入始動トルクカーブ２３のトルク値が始動用出力トルクカーブ２４のトルク値を上回る回転速度範囲である。
【００２３】
電動機１４を始動させるときの電動機始動装置１０の動作を説明する。まず、制御回路２ｂが入力側遮断器１を導通させ、電力変換装置２により電動機１４のソフトスタートが行われる。ここでいうソフトスタートとは、具体的には、電動機１４の始動開始時に商用側遮断器４を遮断状態として電力変換装置２が始動用出力トルクカーブ２４に従って電動機１４を駆動させることで、電動機１４の回転速度を上昇させる始動動作である。
【００２４】
電力変換装置２で電動機１４が徐々に加速されていくと、やがて電動機１４の回転速度は３０００［ｍｉｎ−１］を超えて所定回転速度Ｎ１まで上昇する。電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１以上となるまで上昇した後であれば、系統電源７によって電動機１４の始動を十分に行うことができる。つまり、電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１以上となるまで上昇すれば、電力変換装置２の代わりに、系統電源７で電動機１４の始動を続行することができる。このような観点から、実施の形態にかかる制御回路２ｂは、所定回転速度Ｎ１を現在の回転速度と比較することで、電動機１４の現在の回転速度が所定回転速度Ｎ１以上まで上昇したか否かを検知するように構築されている。
【００２５】
電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１まで上昇したら、制御回路２ｂは、電動機１４の回転速度が定格回転速度Ｎ３に達する前に、入力側遮断器１および出力側遮断器３をオフつまり開放とし、商用側遮断器４をオンつまり導通状態とする。特に、本実施の形態では、電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１まで上昇した時点で、回転速度が所定回転速度Ｎ１である状態で、「遮断器切替制御」を実施する。「遮断器切替制御」とは、制御回路２ｂが入力側遮断器１、出力側遮断器３、および商用側遮断器４それぞれのオンとオフとを切り替える制御である。遮断器切替制御が実施されることで、出力側遮断器３が電力変換装置２を電動機１４から切り離す。この遮断器切替制御とともに、制御回路２ｂは、変換回路２ａの動作も停止させる。遮断器切替制御によって、「駆動電源の切り替え」が行われる。「駆動電源の切り替え」とは、電力変換装置２による電動機１４の駆動が、系統電源７による電動機１４の駆動へと切り替えられることである。
【００２６】
このような動作によれば、電力変換装置２のインバータ容量を低減できるという利点がある。すなわち、系統電圧始動トルクが始動用出力トルクを下回る区間では、電力変換装置２により電動機１４の始動が行われる。系統電圧始動トルクが始動用出力トルク以上である区間では、電力変換装置２ではなく系統電源７に、残りの定格回転速度までの電動機１４の始動を担当させることができる。このような手法によれば定格回転速度Ｎ３よりも手前で電力変換装置２が電動機１４の始動に関与しなくともよくなる。つまり、電力変換装置２による電動機１４の駆動補助を、定格回転速度Ｎ３よりも手前で終了させることができる。その結果、定格回転速度Ｎ３まで電動機１４を始動させる場合と比べて、電力変換装置２のインバータ容量を低減することができる。
【００２７】
図３は、実施の形態にかかる電動機始動装置１０の動作を説明するための図である。計器用変圧器５は、系統電源７の電圧位相を検出する。電動機始動装置１０は、計器用変圧器５で検出した電圧位相に基づいて、切替タイミングＴ１において上記の遮断器切替制御を実施する。これにより、切替タイミングＴ１で、電力変換装置２による電動機１４の始動の停止および商用側遮断器４の導通状態への切り替えが実施される。
【００２８】
切替タイミングＴ１は、系統電源７の電圧値および電力変換装置２の出力電圧値の両方がゼロとなるタイミングである。この点を詳細に説明すると、まず図２に示すように、所定回転速度Ｎ１においては直入始動トルクカーブ２３のトルクと機械側負荷トルクカーブ１３のトルクとが釣り合っている。しかしながら、系統電源７の商用電源周波数と電力変換装置２の出力電力周波数とが相違しているので、この周波数の相違を考慮することなく所定回転速度Ｎ１で直ちに上記遮断器切替制御を行うことは好ましくない。そこで、実施の形態では、計器用変圧器（ＶＴ）５が電圧位相を検出することにより、系統電源７の電圧ゼロ点と電力変換装置２の出力電圧ゼロ点とが一致するタイミングＴ１で、上記の遮断器切替制御が行われる。切替タイミングＴ１で遮断器切替制御が行われることにより、切り替え時の突入電流を抑制することが可能となる。その結果、突入電流を抑制しつつ、電力変換装置２による電動機１４の駆動から系統電源７による電動機１４の駆動へと駆動電源の切り替えを行うことができる。
【００２９】
図４は、実施の形態の変形例にかかる電動機始動装置１０の構成を示す図である。電動機始動装置１０は、回転速度センサ１６を備えてもよい。制御回路２ｂは、出力電力周波数による回転速度検知の代わりに、回転速度センサ１６の出力信号に基づいて電動機１４の現在の回転速度を検知してもよい。
【００３０】
図５は、実施の形態に対する比較例にかかる電動機始動装置１０の構成を示す図である。図５は、直入れ始動型の電動機始動装置を示す。図６は、実施の形態に対する比較例にかかる電動機始動装置１０の動作を説明するための図である。図６は、直入れ始動した時の電動機トルクと負荷トルクとの関係を示す。一般に、大型電動機を直入れ始動した場合、電動機定格電流の数倍の始動電流が流れる。この数倍の始動電流が流れることにより系統インピーダンスによって系統電圧が低下する。
【００３１】
系統電圧が低下すると電動機出力トルクも低下し、電動機負荷を起動できないという問題がある。この問題点を詳細に説明する。まず、図５に示す入力側遮断器１を投入して電動機１４を直入れ始動する。直入れ始動の際に仮に系統電圧低下がなければ電動機始動トルクカーブ１２に従って電動機１４にトルクが与えられ、これにより機械側負荷トルクカーブ１３に従って負荷が始動される。しかしながら、直入れにより電動機１４に電動機始動電流１１が流れることで、実際の動作は次のようになる。通常、電動機始動電流１１は電動機定格電流の数倍の電流である。この電動機始動電流１１の影響を受け、系統インピーダンスにより系統電圧が低下する。系統電圧が低下すると、電動機１４の端子電圧も低下する。電動機１４の端子電圧が低下すると、電圧降下比に応じて、電動機１４が発生し得るトルクが直入始動トルクカーブ２３のように低下してしまう。直入始動トルクカーブ２３が機械側負荷トルクカーブ１３を下回った場合、電動機１４の加速がその回転速度で止まってしまう拘束状態となり、機械側負荷を始動できなくなるという問題がある。
【００３２】
このような課題に対し、いくつかの対策がある。対策の一つは、電動機１４の枠番を大きくすることである。しかしながら、この場合には装置が大型化し高コスト化しやすいという問題がある。対策の他の一つは、電動機１４を巻線型のものにして二次抵抗始動することである。しかしながら、一般に巻線型の電動機は高コストとなる傾向がある。
【００３３】
対策の更に他の一つは、インバータシステムを用いて、定格回転速度まで電動機１４をソフトスタートすることである。しかしながら、定格回転速度まで電動機１４を駆動するためには、大容量のインバータ装置を設ける必要があり、高価なシステムに結びつくという欠点があった。図２を参照して説明すると、仮に定格回転速度Ｎ３まで電動機１４を始動させるためには、図２のＰ１に表されるほどに大きなインバータ容量が必要となる。
【００３４】
この点、実施の形態によれば、所定回転速度Ｎ１を下回る低回転速度領域のみを電力変換装置２で補うこととしている。このような技術的思想に基づけば、ソフトスタータ設備が、電動機１４を０％速度から定格回転速度まで加速するために必要な容量を有していなくともよい。図２を参照して説明すると、所定回転速度Ｎ１まで電動機１４を始動させるためには、図２のＰ２に表されるほどのインバータ容量があれば十分である。実施の形態にかかる電力変換装置２では、定格回転速度Ｎ３まで電動機１４を駆動するインバータ装置と比べて、図２の容量差ΔＰだけインバータ容量を低減することができる。以上説明したとおり、実施の形態によれば、所定回転速度Ｎ１を下回る低回転速度領域のみを補える程度の容量の電力変換装置２が準備されればよいので、安価なドライブシステムを提供することができる。
【００３５】
なお、実施の形態では、電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１に達した時点で、直ちに電力変換装置２による電動機１４の駆動が系統電源７による電動機１４の駆動へと切り替えられている。一方、実施の形態の変形例として、電動機１４の回転速度が所定回転速度Ｎ１よりも高い予め定められた他の回転速度Ｎ１１において、電力変換装置２による電動機１４の駆動が系統電源７による電動機１４の駆動へと切り替えられてもよい。他の回転速度Ｎ１１は、所定回転速度Ｎ１以上かつ定格回転速度Ｎ３未満の任意の回転速度に設定することができる。他の回転速度Ｎ１１で切替えを行ったとしても、定格回転速度Ｎ３まで電動機１４を駆動しなくともよいので、電力変換装置２のインバータ容量を図２の容量Ｐ１よりも低くすることができる利点がある。
【符号の説明】
【００３６】
１  入力側遮断器、２  電力変換装置、２ａ  変換回路、２ｂ  制御回路、３  出力側遮断器、４  商用側遮断器、５  計器用変圧器、７  系統電源、９  系統電線路、１０  電動機始動装置、１１  電動機始動電流、１２  電動機始動トルクカーブ、１３  機械側負荷トルクカーブ、１４  電動機、１６  回転速度センサ、２３  直入始動トルクカーブ、２４  始動用出力トルクカーブ、１００  電力システム、Ｎ１  所定回転速度、Ｎ３  定格回転速度、Ｑ１  第一交点、Ｑ２  第二交点、Ｔ１  切替タイミング
【図１】
2019146381.tif 000003
【図２】
2019146381.tif 000004
【図３】
2019146381.tif 000005
【図４】
2019146381.tif 000006
【図５】
2019146381.tif 000007
【図６】
2019146381.tif 000008