(57)【要約】【課題】巻線形電動機の二次側に用いるスイッチ手段に半導体を用い、その接続を改善し耐電圧の高い巻線形電動機の制御装置を得る。【解決手段】三相巻線形電動機の二次側の各相に接続されそれぞれ複数のタップを有する抵抗器４，５，６と、各相間毎のタップ間の短絡をオン・オフさせるための、各相の抵抗器の各タップ毎に設けられたそれぞれ逆並列接続された半導体素子からなる半導体スイッチ手段１２〜１６と、これらの半導体スイッチ手段を順にオンさせて各抵抗器の抵抗値を漸減させて三相巻線形電動機を加速させる手段１８と、を備え、各相共通に加速の際に最初にオンされる１段目のタップの半導体スイッチ手段１２が２段目以降のタップの半導体スイッチ手段１３〜１６とそれぞれ直列に接続されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相巻線形電動機の二次側の各相に接続されそれぞれ複数のタップを有する抵抗器と、
各相間毎のタップ間の短絡をオン・オフさせるための、各相の抵抗器の各タップ毎に設けられたそれぞれ逆並列接続された半導体素子からなる半導体スイッチ手段と、
これらの半導体スイッチ手段を順にオンさせて各抵抗器の抵抗値を漸減させて三相巻線形電動機を加速させる手段と、
を備え、
各相共通に加速の際に最初にオンされる１段目のタップの半導体スイッチ手段が２段目以降のタップの半導体スイッチ手段とそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする巻線形電動機の制御装置。
【請求項２】
三相巻線形電動機の二次側の各相に接続されそれぞれ複数のタップを有する抵抗器と、
各相毎のタップ間の短絡をオン・オフさせるための、各相の抵抗器の各タップ毎に設けられたそれぞれ逆並列接続された半導体素子からなる半導体スイッチ手段と、
これらの半導体スイッチ手段を順にオンさせて各抵抗器の抵抗値を漸減させて三相巻線形電動機を加速させる手段と、
を備え、
各相毎に加速の際に最初にオンされる１段目のタップの半導体スイッチ手段が２段目以降のタップの半導体スイッチ手段とそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする巻線形電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はクレーンの巻き上げ駆動などに用いられる巻線形電動機の制御装置に関し、特に巻線形電動機の二次側制御を半導体化しメンテナンスフリーにした巻線形電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の巻線形電動機の制御装置を図５によって説明する。図５おいて、三相交流電源に一次端子Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１が接続されており、この端子Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１には運転用の常開接点２、３の一端が接続されていて、常開接点２、３の他端は、三相巻線形電動機１の一次側に接続されている。
【０００３】
三相巻線形電動機１の二次側には、二次端子ｕ２、ｖ２、ｗ２が設けられており、この二次端子ｕ２、ｖ２、ｗ２には、抵抗器４、５、６がスター結線で接続されている。各抵抗器４、５、６のタップＴａ１１〜Ｔａ１５、Ｔａ２１〜Ｔａ２５、Ｔａ３１〜Ｔａ３５には、常開接点７、８、９、１０、１１が開閉可能に接続されている。
【０００４】
上記のように構成された巻線形電動機の制御装置の動作を図５の構成図、及び図７のタイミングチャートに従って説明する。運転開始前には、すべての常開接点２、３、７、８、９、１０、１１が開放しており、制御器１７により運転指令が与えられると制御部１８で処理され制御指令が作られる。その制御指令により常開接点２が閉成して三相交流電源が巻線形電動機１の一次側に印加されて、抵抗器４、５、６を巻線形電動機１の二次側に接続された状態から緩起動する。制御器１７により順次加速指令を与えることにより常開接点７、８、９、１０、１１を順に閉成し、抵抗器４、５、６の抵抗値を段階的に少なくして巻線形電動機１の回転数を徐々に上昇して高速運転する（図７参照）。
【０００５】
また、制御部１８には限時回路も含まれており、常開接点７〜１１を順次閉成する場合に最小限必要な時限が設定できる。制御器１７を一気に常開接点７〜１１を閉成するよう操作しても、常開接点２が閉成したのち、時間Ｔ１後に常開接点７が閉成する。常開接点７が閉成後、時間Ｔ２後に常開接点８が閉成、更に時間Ｔ３後に常開接点９が閉成する。常開接点９が閉成後、時間Ｔ４後に常開接点１０が閉成し、時間Ｔ５後に常開接点１１が閉成する。
【０００６】
やがて、制御器１７からの加速指令を段階的に解除していくと常開接点１１、１０、９、８、７の順で開放され、最後に巻線形電動機１の運転指令がオフする常開接点２を開放するとともに時間Ｔ６後に逆転用常開接点３を閉成し逆相制動を行う。速度低下にて、逆転用常開接点３を開放することで電源を遮断し機械式ブレーキ（図示せず）によって巻線形電動機１を拘束しながら停止する。
【０００７】
しかしながら、上記のように構成された巻線形電動機１の制御装置は、常開接点２、３、７、８、９、１０、１１のオン、オフにより電流を開閉する接点の保守を頻繁にしなければならなかった。
【０００８】
また近年では上記のような保守をなくすため常開接点７、８、９、１０、１１の変わりに、半導体素子を逆並列に接続し用いることも行なわれている。
【０００９】
半導体素子を使用した構成を図６、そのタイミングチャートを図８に示す。図６は図５の常開接点７、８、９、１０、１１を半導体素子を逆並列に接続した半導体スイッチ手段としたスイッチングユニット１２、１３、１４、１５、１６に置換えたものであり、常開接点７、８、９、１０、１１への短絡指令を制御部１８でスイッチング指令に変換し、常開接点２が閉成後、時間Ｔ１〜Ｔ５後にスイッチングユニット１２、１３、１４、１５、１６を順次オンさせて回路を閉成させ、抵抗器４、５、６の抵抗値を段階的に少なくして巻線形電動機１の回転数を徐々に上昇して高速運転する。このように図６の従来技術の構成の動作は図５のものと基本的に同じである。
【００１０】
以上のように構成された図５の巻線形電動機の制御は二次側に接続された抵抗器を常開接点７、８、９、１０、１１を順に閉成し、抵抗器４、５、６の抵抗値を段階的に少なくして巻線形電動機１の回転数を徐々に上昇して高速運転となる。この常開接点７、８、９、１０、１１には主に電磁接触器が用いられてきた。電磁接触器は有接点であるため、接点が閉状態から開状態に変わる際に、電弧が生じ、その電弧により接点が徐々に溶解、飛散により消耗するため、定期的に保守・点検をしなければならならず、これを解消するために図６のように構成された巻線形電動機の制御では有接点である電磁接触器の変わりとしての半導体スイッチ手段からなるスイッチングユニット１２、１３、１４、１５、１６とした。半導体スイッチ手段には主にサイリスタが用いられている。
【００１１】
巻線形電動機の減速停止方法において、全ての常開接点を解放後、時間Ｔ６後に逆転用常開接点３を閉成し、電気的に制動をかける逆相制動を行う場合の電動機二次側の発生電圧について説明する。巻線形電動機１が１００％速度のすべりＳ＝０に近い値で運転されている時は、二次電圧はほぼＥ２＝０［Ｖ］であるが、その状態から逆相制動に移行した瞬時のすべりはＳ＝２となり二次電圧は、図９に示すように最大電圧２Ｅ２［Ｖ］となる。
【００１２】
また、半導体スイッチ手段からなるスイッチングユニットの部分を整流手段とこれらの出力側をオン・オフさせるスイッチ手段で構成したものがある（例えば特許文献１参照）。
【００１３】
【特許文献１】
特開２０００−２３４７８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、大容量の巻線形電動機の制御装置において二次側が比較的高電圧となり、逆耐電圧の低い安価なサイリスタなどの半導体素子では大容量の巻線形電動機に使用できないという問題点があった。また耐電圧の高い半導体素子では非常に高価となり汎用性の必要な巻線形電動機の制御には向かないという問題点があった。
【００１５】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、巻線形電動機の二次側回路に逆耐電圧の低いサイリスタなどの半導体素子を用いることができる巻線形電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑みこの発明は、三相巻線形電動機の二次側の各相に接続されそれぞれ複数のタップを有する抵抗器と、各相間毎のタップ間の短絡をオン・オフさせるための、各相の抵抗器の各タップ毎に設けられたそれぞれ逆並列接続された半導体素子からなる半導体スイッチ手段と、これらの半導体スイッチ手段を順にオンさせて各抵抗器の抵抗値を漸減させて三相巻線形電動機を加速させる手段と、を備え、各相共通に加速の際に最初にオンされる１段目のタップの半導体スイッチ手段が２段目以降のタップの半導体スイッチ手段とそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする巻線形電動機の制御装置にある。
【００１７】
また、三相巻線形電動機の二次側の各相に接続されそれぞれ複数のタップを有する抵抗器と、各相毎のタップ間の短絡をオン・オフさせるための、各相の抵抗器の各タップ毎に設けられたそれぞれ逆並列接続された半導体素子からなる半導体スイッチ手段と、これらの半導体スイッチ手段を順にオンさせて各抵抗器の抵抗値を漸減させて三相巻線形電動機を加速させる手段と、を備え、各相毎に加速の際に最初にオンされる１段目のタップの半導体スイッチ手段が２段目以降のタップの半導体スイッチ手段とそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする巻線形電動機の制御装置にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下この発明を各実施の形態に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による巻線形電動機の制御装置の結線図である。図中、従来技術と同一符号で示した部分は同一または相当部分を示す。図１において、巻線形電動機の制御装置は、三相巻線形電動機１の二次端子ｕ２、ｖ２、ｗ２には、抵抗器４、５、６がスター結線で接続されている。
【００１９】
各抵抗器４、５、６のタップＴａ１１、Ｔａ２１、Ｔａ３１と中性点の間には、サイリスタ（半導体素子）を逆並列接続した開閉手段である各相毎の半導体スイッチ手段を含むスイッチングユニット１２（１段目）が接続されている。各抵抗器４、５、６のタップＴａ１２、Ｔａ２２、Ｔａ３２は同様に各相毎の半導体スイッチ手段を含むスイッチングユニット１３（２段目）の一端に接続されており、他端はスイッチングユニット１２に接続されている。これによりスイッチングユニット１２とスイッチングユニット１３が直列接続となり分圧することが可能となる。
【００２０】
同様にして各抵抗器４、５、６のタップＴａ１３、Ｔａ２３、Ｔａ３３は同様の構造のスイッチングユニット１４（３段目）の一端に接続され、各抵抗器４、５、６のタップＴａ１４、Ｔａ２４、Ｔａ３４はスイッチングユニット１５（４段目）の一端に接続され、各抵抗器４、５、６のタップＴａ１５、Ｔａ２５、Ｔａ３５はスイッチングユニット１６（５段目）の一端に接続されている。各スイッチングユニット１３〜１６の他端は各相ごとにまとめて、スイッチングユニット１２に接続することで直列接続となり分圧することが可能となる。
【００２１】
上記のように構成された巻線形電動機の制御装置の動作を図１及び図３のタイミングチャートによって説明する。運転開始前には、常開接点２が開放していて、スイッチングユニット１２、１３、１４、１５、１６がオフしており、制御器１７により運転指令が与えられと制御部１８を介して常開接点２が閉成して三相交流電源が巻線形電動機１の一次側に印加される。巻線形電動機１は二次側に抵抗器４、５、６が接続された状態から緩起動する。
【００２２】
制御器１７により加速指令を順次入れていくと制御部１８より各半導体（スイッチングユニット）へのスイッチング指令が出力され、時間Ｔ１後にスイッチングユニット１２がオンする。次に時間Ｔ２後にスイッチングユニット１３がオンする。この時点でスイッチングユニット１２と１３が直列接続となる。更に時間Ｔ３後にスイッチングユニット１４がオンし、スイッチングユニット１２と１４が直列接続となる。更に時間Ｔ４後にスイッチングユニット１５がオンし、スイッチングユニット１２と１５が直列接続となり、時間Ｔ５後にスイッチングユニット１６がオンし、スイッチングユニット１２と１６が直列接続となる。このように２段目以降は必ず２個のスイッチングユニットが直列接続となるよう構成されている。
【００２３】
このように時間Ｔ１〜Ｔ５後にスイッチングユニット１２、１３、１４、１５、１６が順次オンし二次側に接続されている抵抗器４、５、６の各タップ間を短絡していき、抵抗値を減少（漸減）させ巻線形電動機１の回転数を上昇させる。やがて、制御器１７からの加速指令を段階的に解除していくとスイッチングユニット１６、１５、１４、１３、１２の順でオフし、最後に巻線形電動機１の運転指令がオフすると、常開接点２を開放するとともに時間Ｔ６後に逆転用常開接点３を閉成し逆相制動を行う。速度低下にて、逆転用常開接点３開放することで電源を遮断し、機械式ブレーキ電源を遮断し機械式ブレーキ（図示せず）によって巻線形電動機１を拘束しながら停止する。
【００２４】
ここで、巻線形電動機の減速停止方法について説明する。制御器１７からの指令を段階的に解除していき、最後に巻線形電動機１の運転指令がオフすると常開接点２を開放することで電源を遮断し、機械式ブレーキ（図示せず）によって巻線形電動機１を拘束しながら停止する手段と、逆相制動と機械式ブレーキを併用する手段とがある。
【００２５】
逆相制動とは運転中の巻線形電動機１に制御器１７からの運転指令がオフすると、全てのスイッチングユニットの半導体スイッチ手段がオフし、更に常開接点２が開放された後、時間Ｔ６後に逆転用常開接点３を閉成し、電気的に制動をかけることである。例えば、巻線形電動機１が１００％速度のすべりＳ＝０に近い値で運転されている場合、二次電圧もほぼＥ２＝０［Ｖ］であるが、逆相制動を行った場合の瞬時のすべりはＳ＝２となり二次電圧は、図９に示すように２Ｅ２［Ｖ］（最大電圧）となる。またスイッチングユニットが半導体スイッチ手段であることから、耐電圧に制限がある。この発生電圧は定格二次電圧（Ｅ２）×２×√２倍（波高値）の電圧となり、この電圧が半導体スイッチ手段にかかってくる。
【００２６】
しかしながら、スイッチングユニット１３、１４、１５、１６がスイッチングユニット１２と直列接続となっており定格二次電圧（Ｅ２）×２×√２倍（波高値）の電圧を２個の半導体スイッチ手段で分圧が可能となる。
【００２７】
実施の形態２．
図２はこの発明の別の実施の形態による巻線形電動機の制御装置の結線図である。図中、上記実施の形態と同一符号で示した部分は同一または相当部分を示す。図２において、巻線形電動機の制御装置は、三相巻線形電動機１の二次端子ｕ２、ｖ２、ｗ２には抵抗器４、５、６がスイッチングユニット１１１、１２１、１３１を介しスター結線されている。スイッチングユニット１１１、１２１、１３１内には各々複数個の半導体スイッチ手段が装備されている。
【００２８】
抵抗器４の各タップの短絡用にはスイッチングユニット１１１が用いられている。タップＴａ１０とＴａ１１間には半導体スイッチ手段１１１ａが接続されている。タップＴａ１１とＴａ１２、Ｔａ１３、Ｔａ１４、Ｔａ１５間には各々半導体スイッチ手段１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅが接続されている。
【００２９】
抵抗器５の各タップの短絡用にはスイッチングユニット１２１が用いられている。タップＴａ２０とＴａ２１間には半導体スイッチ手段１２１ａが接続されている。タップＴａ２１とＴａ２２、Ｔａ２３、Ｔａ２４、Ｔａ２５間には各々半導体スイッチ手段１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅが接続されている。
【００３０】
抵抗器６の各タップの短絡用にはスイッチングユニット１３１が用いられている。タップＴａ３０とＴａ３１間には半導体スイッチ手段１３１ａが接続されている。タップＴａ３１とＴａ３２、Ｔａ３３、Ｔａ３４、Ｔａ３５間には各々半導体スイッチ手段１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅが接続されている。
【００３１】
１段目の半導体スイッチ手段１１１ａ、１２１ａ、１３１ａ、２段目の半導体スイッチ手段１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂ，３段目の半導体スイッチ手段１１１ｃ、１２１ｃ、１３１ｃ，４段目の半導体スイッチ手段１１１ｄ、１２１ｄ、１３１ｄ，５段目の半導体スイッチ手段１１１ｅ、１２１ｅ、１３１ｅ，は制御部１８のスイッチング指令により、各段は同一タイミングでオン、オフするものとする。
【００３２】
上記のように構成された巻線形電動機の制御装置の動作を図２及び図４のタイミングチャートによって説明する。運転開始前には、常開接点２が開放していて、半導体スイッチ手段全てがオフしており、制御器１７により運転指令が与えられと、制御部１８を介して常開接点２が閉成して三相交流電源が巻線形電動機１の一次側に印加される。巻線形電動機１の二次側には抵抗器４、５、６が接続された状態から緩起動する。
【００３３】
制御器１７により加速指令を順次入れていくと制御部１８より各半導体へのスイッチング指令が出力され、時間Ｔ１後に半導体スイッチ手段１１１ａ、１２１ａ、１３１ａがオンする。次に時間Ｔ２後に半導体スイッチ手段１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂがオンする。この時点で半導体スイッチ手段１１１ａと１１１ｂ、１２１ａと１２１ｂ、１３１ａと１３１ｂがそれぞれ直列接続となる。更に時間Ｔ３後に半導体スイッチ手段１１１ｃ、１２１ｃ、１３１ｃがオンし、半導体スイッチ手段１１１ａと１１１ｃ、１２１ａと１２１ｃ、１３１ａと１３１ｃがそれぞれ直列接続となる。
【００３４】
更に時間Ｔ４後に半導体スイッチ手段１１１ｄ、１２１ｄ、１３１ｄがオンし、半導体スイッチ手段１１１ａと１１１ｄ、１２１ａと１２１ｄ、１３１ａと１３１ｄがそれぞれ直列接続となり、時間Ｔ５後に半導体スイッチ手段１１１ｅ、１２１ｅ、１３１ｅがオンし、半導体スイッチ手段１１１ａと１１１ｅ、１２１ａと１２１ｅ、１３１ａと１３１ｅが直列接続となる。このように２段目以降は必ず２個の半導体スイッチ手段が直列接続となるよう構成されている。
【００３５】
上記のように構成された巻線形電動機の制御装置の動作は、実施の形態１の構成を各相ごとにまとめたものであり、スイッチングの順序、巻線形電動機の二次電圧の分圧手段は実施の形態１と同一である。
【００３６】
【発明の効果】
このようにこの発明に係る巻線形電動機の制御装置では、三相巻線形電動機の二次側の各相に接続された各抵抗器と、複数の半導体素子からなる半導体スイッチ手段と、この半導体スイッチ手段を順にオンさせる制御手段とを備え、この半導体スイッチ手段で各相間をスター結線する際に変則した直列接続（１段目を２段目以降の直列接続用に使用する）を行うことにより半導体素子にかかる電圧を分圧することができる。これにより巻線形電動機の二次側回路に逆耐電圧の低いサイリスタなどの半導体素子を用いることができる。また二次側電圧が高い大容量の三相巻線形電動機においても容易に制御でき、接点の保守がほとんど必要がない。
【００３７】
またこの発明の別の実施の形態に係る巻線形電動機の制御装置では、上記実施の形態では各相間で半導体スイッチ手段が直列接続されているのに対し、各相ごとに１段目を２段目以降の直列接続用に使用することで、半導体素子にかかる電圧を分圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による巻線形電動機の制御装置を示す結線図である。
【図２】この発明の実施の形態２による巻線形電動機の制御装置を示す結線図である。
【図３】この発明の実施の形態１の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】この発明の実施の形態２の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】従来の巻線形電動機の制御装置を示す結線図である。
【図６】従来の別の巻線形電動機の制御装置を示す結線図である。
【図７】図５の巻線形電動機の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】図６の巻線形電動機の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】すべりに対する二次電圧を示す図である。
【符号の説明】
１  三相巻線形電動機、２，３，７，８，９，１０，１１  常開接点（開閉手段）、４，５，６  抵抗器、  １２，１３，１４，１５，１６，１１１，１２１，１３１  スイッチングユニット、１７  制御器、１８  制御部、１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１１ｅ，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ，１２１ｅ，１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ，１３１ｅ  半導体スイッチ手段。
【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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