(57)【要約】【課題】誘導電動機の始動時における過渡トルクをより適切に抑制するための技術を提供する。【解決手段】駆動回路は、駆動電源２１と誘導電動機２２の間に挿入される。リアクトル２３と抵抗器２４が直列に接続され、直列に接続されたリアクトル２４と抵抗器２４に対し、スイッチ（開閉器）２６が並列に接続されている。スイッチ２６及びリアクトル２３と駆動電源２１の間にはスイッチ２５が挿入されており、そのスイッチ２５は誘導電動機２２の駆動時のみ閉とされる。他方のスイッチ２６は、スイッチ２５が開から閉とされた始動時、開とされており、その後に閉とされ、リアクトル２３と抵抗器２４間を短絡する。それにより、駆動電源２１の駆動電圧は、始動時はリアクトル２３及び抵抗器２４を介して印加し、始動後は直接、印加する。【選択図】図２
2008187763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機を始動するための方法において、
前記誘導電動機と該誘導電動機の駆動電源間にリアクトルを挿入すると共に、該リアクトルに抵抗器を接続し、
前記接続した前記リアクトル、及び前記抵抗器を介して、前記駆動電源から前記誘導電動機に電流を供給することにより、該誘導電動機を始動する、
ことを特徴とする誘導電動機の始動方法。
【請求項２】
誘導電動機を始動するための方法において、
前記誘導電動機と該誘導電動機の駆動電源間に挿入するリアクトルを選択すると共に、該リアクトルと接続する抵抗器を選択し、
前記接続した前記リアクトル、及び前記抵抗器により、前記駆動電源から前記誘導電動機に供給する電流を調整して、該誘導電動機を始動する、
ことを特徴とする誘導電動機の始動方法。
【請求項３】
始動時に駆動電源から誘導電動機に供給される電流を調整可能な駆動回路において、
前記誘導電動機と該誘導電動機の駆動電源間に挿入されたリアクトルと、
前記リアクトルと接続された抵抗器と、
前記接続された前記リアクトルと前記抵抗器間を短絡させるか否か切り替えるための切替手段と、
を具備することを特徴とする誘導電動機の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、かご形、或いは巻線形の誘導電動機を始動（駆動）するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導電動機は、石油、化学、鉄鋼、及び製紙などの一般産業で広く利用されている。このために、誘導電動機と負荷機器（圧縮機、ポンプ、或いはファンなど）の組み合わせも多種多様である。
【０００３】
誘導電動機を始動させるため、静止状態の電動機に突然、電源電圧を印加すると、振動性の過渡トルクが現れることは古くから明らかにされている。その始動時の過渡トルクは過大なものとなる場合がある。それにより、過渡トルクは、誘導電動機からの動力を負荷装置に伝達する軸系に悪影響を与える原因となっている（非特許文献２）。つまり過渡トルクは継手やギアの破損、軸疲労などの原因となりうるものとなっている。このため、過渡トルクは設計上、配慮すべきものであることが明らかとなっている。
【０００４】
始動時に発生する過渡トルクの対策として、誘導電動機の始動の際に印加される電圧を一時的に減圧する始動方法が創案されている。従来の始動方法としては、駆動電源と誘導電動機の間に始動用のリアクトルを挿入し、そのリアクトルにより駆動電圧を減圧、つまり誘導電動機に供給される電流を制限するものがある。コンドルファ始動法、及びリアクトル始動法（特許文献１）は、リアクトルを用いた始動方法を代表するものである。
【特許文献１】特開昭５６−１４１７８９号公報
【非特許文献１】電気工学ハンドブック（第６版）、第１５編９．５章、２００１年、電気学会
【非特許文献２】電気学会技術報告第８９１号「誘導電動機の過渡現象解析技術」、２００２年７月
【非特許文献３】ターボ機械協会第７１回セミナー、２００６年９月、「可変速電動機駆動の大型回転機械の諸問題」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周知のように、トルクの大きさは電圧の２乗に比例する。このため、リアクトルを用いて駆動電圧を減圧、つまり供給される電流を制限することにより、過渡トルクを抑制することができる。しかし、リアクトルを用いた従来の誘導電動機の始動方法では、過渡トルクの抑制が不十分な場合が多いのが実情である。駆動電圧を減圧しすぎると、回転子の加速に必要なトルクが得られなくなる、或いは加速時間が長くなる、といった別の不具合が発生する。このようなこともあり、過渡トルクをより適切に抑制できるようにすることが望まれていた。
【０００６】
同期電動機の始動においては、回転子の構造から同期引き入れまのですべりが存在する期間に振動性トルクが発生することは良く知られている。そのトルクへの対応策はＡＰＩ−６１７およびＡＰＩ−６１８に規定され、ＡＰＩ−ＲＰ６８４には現象の解説がある。しかし、誘導電動機の過渡トルクについては、そのような一般規格には明確な記述がなく、そのトルクによる障害の実態や設計上、配慮すべき事項について論じられる機会は少ない。上述したように、誘導電動機は広く利用されている。一般に製造業では、産業設備の電力系統に誘導電動機を投入してから負荷設備を運転し、その運転は断続的に行うことが多い。これは、誘導電動機の始動を頻繁に行う場合も多いことを意味する。始動を行う頻
度は、軸系等の耐久性に大きな影響を及ぼす。このようなことから、誘導電動機の始動時における過渡トルクをより適切に抑制するための技術の提供が望まれていた。
【０００７】
本発明は、誘導電動機の始動時における過渡トルクをより適切に抑制するための技術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】
【０００８】
本発明の第１及び第２の態様の誘導電動機の始動方法は、誘導電動機の始動に用いられることを前提とし、それぞれ以下のようにして誘導電動機を始動する。
第１の態様の誘導電動機の始動方法は、誘導電動機と該誘導電動機の駆動電源間にリアクトルを挿入すると共に、該リアクトルに抵抗器を接続し、接続したリアクトル、及び抵抗器を介して、駆動電源から誘導電動機に電流を供給（電圧を印加）することにより、該誘導電動機を始動する。
【０００９】
第２の態様の誘導電動機の始動方法は、誘導電動機と該誘導電動機の駆動電源間に挿入するリアクトルを選択すると共に、該リアクトルと接続する抵抗器を選択し、接続したリアクトル、及び抵抗器により、駆動電源から誘導電動機に供給する電流（印加される電圧）を調整して、該誘導電動機を始動する。
【００１０】
本発明の誘導電動機の駆動回路は、始動時に駆動電源から誘導電動機に供給される電流を調整可能なものであり、誘導電動機と該誘導電動機の駆動電源間に挿入されたリアクトルと、リアクトルと接続された抵抗器と、接続されたリアクトルと抵抗器間を短絡させるか否か切り替えるための切替手段と、を具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、誘導電動機の始動時に、駆動電源と誘導電動機間にリアクトルの他に抵抗器を挿入し、駆動電源から誘導電動機に供給される電流（印加される電圧）は、リアクトル及び抵抗器を介して供給（印加）する。そのようにして誘導電動機に供給される電流は、挿入された抵抗器（抵抗分）によっても変化する。解析（シミュレーション）により、その変化は誘導電動機の始動時に発生する過渡トルクをより適切に抑制できるものであることが判明した。このため、リアクトルの他に抵抗器を併せて挿入することにより、リアクトルのみを挿入する場合と比較して、その過渡トルクをより適切に抑制することができる。それにより、リアクトル（或いはタップの位置）及び抵抗器の選択は、過渡トルクをより適切に抑制するうえで非常に重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、誘導電動機が用いられるターボ圧縮機の回転軸系（動力伝達系）を示す概念図である。その軸系は、誘導電動機の回転子１１に発生した電気トルクを圧縮機のローター１５に伝達するためのものである。その伝達は、回転子１１の軸１２、増速機１３（それを構成するブルギア及びピニオンギア）、及びピニオンギアが取り付けられた軸１４を介して行われる。このようなことから、始動時の過大な過渡トルクは、図１に示す回転軸系では、軸１２、及び１４、並びに増速機（ブルギア、及びピニオンギア）１３の疲労や破損の原因となる。以降は、回転子１１からの動力が伝達されるものを「負荷機器」と総称する。
【００１３】
図２は、本実施の形態による誘導電動機の駆動回路を示す図である。便宜的に図２には１相分のみ示している。駆動回路全体は、図２に示す１相分の駆動回路を相毎に備えたものである。それによりここでは、１相分にのみ着目して、その駆動回路の構成について具体的に説明する。また、図２には示していないが、リアクトル２３は１つ以上のタップを
有し、通常、抵抗器２４は何れかのタップとも接続される。
【００１４】
その駆動回路は、駆動電源２１と誘導電動機（ＩＭ：InductionMotor）２２の間に配置される。リアクトル２３と抵抗器２４が直列に接続され、直列に接続されたリアクトル２３と抵抗器２４に対し、スイッチ（開閉器）２６が並列に接続されている。スイッチ２６及びリアクトル２３と駆動電源２１の間にはスイッチ２５が挿入されており、そのスイッチ２５は誘導電動機２２の駆動時のみ閉とされる。他方のスイッチ２６は、スイッチ２５が開から閉とされた始動時、開とされており、その後に閉とされ、リアクトル２３と抵抗器２４間を短絡する。それにより、駆動電源２１の駆動電圧は、始動時はリアクトル２３及び抵抗器２４を介して印加し、始動後は直接、印加するようになっている。
【００１５】
本実施の形態では、誘導電動機２２と負荷装置の解析を行うために、両者の数学モデルを準備し、実機から得られる定数を基に数値計算（シミュレーション）を行った。誘導電動機２２の数学モデルとしてはｄ−ｑ変換法（二軸モデル）と直接法（三相モデル）が知られている。数値計算は、電動機モデルも内蔵するパワーエレクトロニクス回路解析ソフトウェアであるＰＳＩＭを用いて行った。ＰＳＩＭの誘導電動機モデルは上記直接法から導かれたものである。誘導電動機の等価回路を図３に示し、その数学モデルを以下に示す。
【００１６】
【数１】
2008187763.tif 000003
【００１７】
上記１）及び２）式において、Ｖは電圧、Ｉは電流を表し、添字ａｂｃは三相それぞれを、添字ｓ及びｒは固定子側、及び回転子側をそれぞれ表す。添字ｓ及びｒについては図３も同様である。以下、１）及び２）式を補足する。
【００１８】
【数２】
2008187763.tif 000004
【００１９】
Ｍｓｒは固定子と回転子巻線間の相互インダクタンス、θは機械角である。相互インダクタンスＭｓｒは、磁化インダクタンスＬｍとＬｍ＝３Ｍｓｒ／２の関係がある。
かご型誘導電動機の場合はＶａ，ｒ＝Ｖｂ，ｒ＝Ｖｃ，ｒ＝０である。電気トルクＴｅｍ［Ｎ・ｍ］は以下のように定義される。
【００２０】
【数３】
2008187763.tif 000005
【００２１】
ここで、ＰＦは極対数を表す。
図４は、回転軸系のねじり振動解析モデルを示す図である。誘導電動機２２の回転子１１から圧縮機のローター１５までの回転軸系の解析モデルを示している。その解析モデルは、図４に示すように、回転軸系で負荷機器のｎ（ｎ＝１・・・ｉ）質点を定義し、その質点間でトルクの伝達を求めるものとなっている。この解析モデルでは、ねじり（トルク）振動は以下のように表すことができる。
【００２２】
【数４】
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ここで、θはそれぞれの質点の回転角［ｒａｄ］、ωは回転速度［ｒａｄ／ｓ］、Ｔｍｍは最後の質点に伝達される伝達トルク（軸系伝達トルク）を表す。
【００２３】
図２に示す駆動回路において、リアクトル２３のインピーダンスをＲｒｅ＋ｊＬｒｅ［Ω］、抵抗器２４のインピーダンスをＲｔ［Ω］と表現すると、その駆動回路を用いて誘導電動機２２を駆動する場合、その誘導電動機２２の端子電圧Ｖａｂｃ，ＩＭ［Ｖ］は以下のようになる。
【００２４】
【数５】
2008187763.tif 000007
【００２５】
ここで、Ｖａｂｃ，ｕは駆動電圧［Ｖ］、Ｒ１＝Ｒｒｅ＋Ｒｔ、Ｌ１＝Ｌｒｅである。それにより、リアクトル２３と抵抗器２４のインピーダンスはＲ１＋ｊωＬ１として表現することにより、モデル化している。
【００２６】
上記のモデル化による解析（シミュレーション）は、下記条件で実行した。
（１）回転軸系はメーカー（圧縮機、電動機）が提示した各質点の慣性モーメントと軸のねじりばね定数を採用し、これにねじり減数係数の推定値を加味する。
（２）負荷機器ではギア（増速機等）のバックラッシュ効果とギア歯面の弾性係数を無視
する。
（３）二次（回転子）抵抗とインダクタンスは拘束時（すべり：１）の値を用い、周波数（すべり周波数）依存性は無視する。
（４）誘導電動機の残留磁束とヒステリシス、磁気飽和の影響は無視する。
（５）電源、電路のインピーダンスは実機から得られるデータ及び推定値を使用する。
【００２７】
以上の条件の下に、抵抗器２４の有無による影響を確認するための解析を行った。つまり、始動方法（方式）として、駆動電源２１と誘導電動機２２の間にリアクトル２３のみを挿入したもの（従来の始動方法）、その間にリアクトル２３及び抵抗器２４を挿入したもの（本実施の形態による始動方法（図２に示す駆動回路））でそれぞれ解析を行った。抵抗器２４の有無の影響を確認するために、その有無以外は全て同じ条件とした。図５〜図７は、その解析結果を示すものである。図５は、従来の始動方法での解析結果を示す図であり、解析結果として、同図（ａ）には過渡（電気）トルクＴｅｍ、同図（ｂ）には軸系伝達トルクＴｍｍの時間変化をそれぞれ示している。図６は、本実施の形態での解析結果であり、図５と同様に、同図（ｂ）には軸系伝達トルクＴｍｍの時間変化をそれぞれ示している。図７は、解析により得られた過渡トルクＴｅｍ、軸系伝達トルクＴｍｍの各ピーク値の相違を説明する図である。従来の始動方法は「リアクトル始動（抵抗なし）」と表記し、本実施の形態による始動方法は「リアクトル＋抵抗器」と表記している。各ピーク値は単位法により表している（単位法により表現するものには「［ｐｕ］」を付している）。
【００２８】
図５〜図７に示すように、駆動電源２１と誘導電動機２２の間にリアクトルの他に抵抗器２４を挿入するか否かにより、発生する過渡トルクＴｅｍの大きさに明確な変化が生じた。抵抗器２４を挿入することにより、過渡トルクＴｅｍのピーク値は２．９３［ｐｕ］（定格トルクの２．９３倍）から１．８６［ｐｕ］（定格トルクの１．８６倍）に減少した。それにより、軸伝達トルクＴｍｍの大きさも抵抗器２４の有無により大きく変化し、抵抗器２４の挿入により、軸伝達トルクＴｍｍのピーク値は１．５６［ｐｕ］から１．２９［ｐｕ］に減少した。このようなことから、抵抗器２４の挿入は過大な過渡トルクをより抑制するうえで極めて有用であることが分かる。
【００２９】
抵抗器２４の抵抗値としては、実際には解析により求めたものを用いている。これは現在、解析でなければ適切な抵抗値を求めるのが困難なのが実情だからである。リアクトル２３と抵抗器２４のインピーダンスはＲ１＋ｊωＬ１と表現できることから、採用するリアクトル２３（或いはタップの位置）も決定していないような場合には、そのインピーダンスを考慮して、リアクトル２３（或いはタップの位置）及び抵抗器２４を採用する必要がある。
【００３０】
なお、本実施の形態は、リアクトル始動法に本発明を適用したものであるが、本発明は、誘導性のリアクタンスを有するもの（リアクトルはその一つである）用いた始動法（それを回路素子として有する駆動回路）に幅広く適用することができる。それにより、例えばコンドルファ始動法に本発明を適用しても良い。また、誘導電動機（の回転子）からのトルク（動力）が伝達される負荷機器については、図１に示すようなものに限定されるわけではない。特に、慣性モーメントが誘導電動機のそれと比較して大きい負荷機器に広く適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】誘導電動機が用いられるターボ圧縮機の回転軸系（動力伝達系）を示す概念図である。
【図２】本実施の形態による誘導電動機の駆動回路を示す図である。
【図３】誘導電動機の等価回路を示す図である。
【図４】回転軸系のねじり振動解析モデルを示す図である。
【図５】従来の始動方法での解析結果を示す図である。
【図６】本実施の形態による始動方法での解析結果を示す図である。
【図７】解析により得られた過渡トルクＴem、軸伝達トルクＴmmの各ピーク値の相違を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１      回転子
１２、１４      軸
１３      増速機
１４      ローター
２１      駆動電源
２２      誘導電動機（ＩＭ）
２３      リアクトル
２４      抵抗器
２５、２６      スイッチ
【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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