(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電源から印加される定格電圧に基づいて負荷機械を駆動する主電動機と回転軸を連結して、前記主電動機の反負荷側に接続されるとともに、前記主電動機に対して前記回転軸周りに加速トルクを発生させる始動用電動機と、
前記主電動機の始動に連動して前記始動用電動機の駆動制御を開始し、前記始動用電動機に対する駆動電圧及び前記加速トルクの大きさを制御するインバータ装置と、
前記主電源から独立して前記インバータ装置の上流側に設けられ、前記定格電圧よりも低い前記駆動電圧を前記インバータ装置に印加する補助電源と、
を備えることを特徴とする大型電動機始動アシスト装置。
【請求項２】
前記インバータ装置は、前記主電動機の始動時から所定の駆動時間だけ前記始動用電動機を駆動することを特徴とする請求項１記載の大型電動機始動アシスト装置。
【請求項３】
前記インバータ装置は、前記主電動機が所定のトルク発生速度帯域で駆動する時間と同期して前記駆動電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、前記トルク発生速度帯域に対応する前記加速トルクを前記始動用電動機に発生させることを特徴とする請求項１記載の大型電動機始動アシスト装置。
【請求項４】
前記主電動機及び前記始動用電動機の速度を検出する速度検出器を更に備え、
前記インバータ装置は、前記速度検出器が検出した速度に応じてトルク不足の発生有無を判定し、前記始動用電動機に対する前記駆動電圧及び前記加速トルクの大きさを変動させることを特徴とする請求項１記載の大型電動機始動アシスト装置。
【請求項５】
前記インバータ装置は、前記主電動機の非駆動時において前記始動用電動機を単独で駆動し、前記主電動機を従動させて前記負荷機械を所定のターニング運転速度で駆動させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の大型電動機始動アシスト装置。
【請求項６】
前記始動用電動機の前記主電動機側に設けられ、前記始動用電動機と前記主電動機との間における前記回転軸の連結及び連結解除を切り替えるクラッチを更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の大型電動機始動アシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主電動機の始動時における不足トルクを補う加速トルクを発生させる大型電動機始動アシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場設備において圧延機や押出機などの負荷機械を駆動する際、主電動機を直入れ始動すると、数倍の始動電流が流れるため、系統電圧が低下する。このとき、主電動機が発生するトルクの大きさは電圧低下の二乗で低減される。したがって、主電動機の発生トルクが負荷機械の反抗トルクを下回った場合には、主電動機の回転軸がロックされて始動不能となってしまう。
【０００３】
この事象を回避して系統電圧の低下を抑制するために、図９に示されるように、高圧電源系統に主電動機の定格容量に相当する容量を備えた高圧大容量インバータ装置（以下、「ソフトスタータ装置」という。）を設置して、主電動機を低周波始動する手法が広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術では、主電動機を始動する際、主電動機の定格容量に相当する高圧大容量のソフトスタータ装置で始動することにより、系統電圧降下を抑制すると同時に、十分な加速トルクを出力することができる。
【０００６】
しかしながら、上記のようなソフトスタータ装置は、（Ａ）高圧系統電源に直接接続しなければならない、（Ｂ）始動時の負荷抵抗よりも大きなトルクを出力しなければならず、大容量・高価な装置が必要となる、等の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る大型電動機始動アシスト装置は、主電源から印加される定格電圧に基づいて負荷機械を駆動する主電動機と回転軸を連結して、前記主電動機の反負荷側に接続されるとともに、前記主電動機に対して前記回転軸周りに加速トルクを発生させる始動用電動機と、前記主電動機の始動に連動して前記始動用電動機の駆動制御を開始し、前記始動用電動機に対する駆動電圧及び前記加速トルクの大きさを制御するインバータ装置と、前記主電源から独立して前記インバータ装置の上流側に設けられ、前記定格電圧よりも低い前記駆動電圧を前記インバータ装置に印加する補助電源と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、主電動機の系統電圧に依存することなく、主電動機の始動時の不足トルク分のみを出力可能な安価な大型電動機始動アシスト装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１に係る始動アシスト装置の構成例を示す図。
【図２】図１に示す主電動機及び始動用電動機におけるトルクと速度との関係を説明する図。
【図３】図１に示すインバータ装置の駆動制御の一例を示すフローチャート。
【図４】本発明の実施形態２の主電動機及び始動用電動機におけるトルクと速度との関係を説明する図。
【図５】本発明の実施形態２におけるインバータ装置の駆動制御の一例を示すフローチャート。
【図６】本発明の実施形態３に係る始動アシスト装置の構成例を示す図。
【図７】図６に示すインバータ装置の駆動制御の一例を示すフローチャート。
【図８】本発明の実施形態４におけるインバータ装置の駆動制御の一例を示すフローチャート。
【図９】従来技術における負荷装置の駆動機構の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る始動アシスト装置について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る始動アシスト装置２０の構成例を示す図である。同図に示されるように、工場設備である負荷機械１１の回転軸Ｓ１は、負荷機械１１を駆動する主電動機１２の回転軸Ｓ２とカップリングＣ１によって接合されている。また、主電動機１２への電力供給を行う電気系統の上流側には、主電動機１２に対して定格電圧を印加する主電源１３が設けられている。定格電圧は、主電動機１２によって異なるが、本実施形態では例えば３．３ｋＶ、６．６ｋＶ、１３ｋＶ程度の高圧を想定している。また、主電動機１２と主電源１３の間には、電圧印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためにスイッチ１４が設けられている。
【００１２】
更に、主電動機１２と負荷機械１１との接続部の反対側（以下、「反負荷側」ともいう。）には、始動アシスト装置２０が設けられている。始動アシスト装置２０は、始動用電動機２１、インバータ装置２２及び補助電源２３を備えている。
【００１３】
始動用電動機２１は、主電源１３から印加される定格電圧に基づいて負荷機械１１を駆動する主電動機１２の回転軸Ｓ３と回転軸Ｓ４を連結して、主電動機１２の反負荷側に接続されるとともに、主電動機１２に対して回転軸周りに加速トルクを発生させる。主電動機１２の回転軸Ｓ３と始動用電動機２１の回転軸Ｓ４は、クラッチＣ２によって連結／連結解除を切り替え可能になっている。始動用電動機２１は、主電動機１２の始動完了後に主電動機１２から切り離される。尚、本実施形態ではカップリングＣ１、クラッチＣ２で接合するものとしたが、主電動機１２と始動用電動機２１がカップリングで接合する場合には、始動完了後にインバータ装置２２は電圧印加を停止し、始動用電動機２１は主電動機１２と一緒に回転する。
【００１４】
インバータ装置２２は、主電動機１２の始動に連動して始動用電動機２１の駆動制御を開始し、始動用電動機２１に対する駆動電圧及び加速トルクの大きさを制御する。具体的には、インバータ装置２２は、主電動機１２の始動時において、主電動機１２に電圧を印加すると同時にインバータ装置２２を始動し、主電動機１２の始動が完了したタイミングで停止する。インバータ装置２２がトルク制御を行うことにより、始動用電動機２１は主電動機１２の始動時に不足トルクを補うことができる。尚、始動用電動機２１の容量は、主電動機１２を始動する時の不足トルクを補える加速トルクを発生できる容量とし、始動時間ｘ始動回数を時間定格とする。
【００１５】
補助電源２３は、主電源１３から独立してインバータ装置２２の上流側に設けられ、定格電圧よりも低い駆動電圧をインバータ装置２２に印加する。本実施形態では、始動用電動機２１に対して印加する駆動電圧は、例えば４００Ｖ程度の低圧を想定している。
【００１６】
図２は、図１に示す主電動機１２及び始動用電動機２１におけるトルクと速度との関係を説明する図である。図２（Ａ）では、主電動機１２及び始動用電動機２１を連結していない場合を示している。
【００１７】
図２（Ａ）において、実線Ａは主電動機１２に対して定格電圧を１００％で印加できたとした場合に発生するトルクと速度の関係を示している。実線Ｂは、電圧低下が生じて定格電圧の８０％で印加される場合にトルクと速度の関係を示している。実線Ｃは、負荷機械１１が主電動機１２にかける反抗トルクと速度の関係を示している。実線Ｄは、始動用電動機２１のトルクと速度の関係を示している。したがって、図中で斜線で示された領域Ｚは、反抗トルクが実線Ｂの発生トルクを上回り、トルクが不足する速度の範囲を示している。
【００１８】
図２（Ｂ）では、主電動機１２と始動用電動機２１を連結した場合のトルクと速度の関係を破線Ｓで示している。すなわち、破線Ｓは、始動用電動機２１を駆動することで生じた加速トルクが実線Ａ、実線Ｂに加算されることによって、実線Ａ、実線Ｂの位置から領域Ｚよりも上方にそれぞれシフトされることを示している。
【００１９】
図３は、図１に示すインバータ装置２２の駆動制御の一例を示すフローチャートである。この処理は、主電動機１２の始動と同期して開始される。
【００２０】
先ず、インバータ装置２２は、始動用電動機２１に補助電源２３からの駆動電圧を印加し、駆動を開始する（Ｓ１０１）。
【００２１】
次に、インバータ装置２２は、始動用電動機２１が所定の駆動時間を経過したか否かを判定する（Ｓ１０２）。ここで、所定の駆動時間を経過したと判定した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）には、Ｓ１０３へ進む。これに対し、所定の駆動時間を経過していないと判定した場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）には、駆動を継続する。
【００２２】
Ｓ１０３において、インバータ装置２２は、始動用電動機２１への電圧印加を停止することで、駆動を停止して処理を終了する。
【００２３】
本実施形態に係る始動アシスト装置２０によれば、主電動機１２に主電源１３から電圧を印加すると同時にインバータ装置２２を始動し、主電動機１２の始動が完了したタイミングでインバータ装置２２を停止する。インバータ装置２２は、始動時点から始動完了まで、不足するトルク分に相当する加速トルクを常時供給しているため、負荷機械１１の反抗トルクを下回ることがなく、負荷機械１１をスムーズに加速できる。
【００２４】
＜実施形態２＞
以下、本発明の実施形態２に係るインバータ装置２２について説明する。尚、実施形態１において付された符号と共通する符号は同一の対象を示すため、説明は省略し、相違点について詳述する。
【００２５】
本実施形態におけるインバータ装置２２は、主電動機１２が所定のトルク発生速度帯域で駆動する時間と同期して駆動電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、トルク発生速度帯域に対応する加速トルクを始動用電動機２１に発生させる点で上記実施形態１と異なっている。
【００２６】
図４は、本実施形態の主電動機１２及び始動用電動機２１におけるトルクと速度との関係を説明する図である。図４（Ａ）では、主電動機１２及び始動用電動機２１を連結していない場合を示している。これに対し、図４（Ｂ）では、主電動機１２と始動用電動機２１を連結した場合のトルクと速度の関係を破線Ｓで示している。実施形態１において説明した図２（Ａ）・（Ｂ）との違いは、実線Ｅで示されるように、始動用電動機２１が所定のトルクで駆動する速度帯域が限定されていることである。すなわち、図４（Ｂ）の破線Ｓは、インバータ装置２２の制御によって、主電動機１２が負荷の反抗トルクを下回る第１の速度Ｖ１で駆動され、反抗トルクを上回る第２の速度Ｖ２では停止されることを示している。主電動機１２の始動トルクと負荷機械１１による反抗トルクの関係が一定の場合、予め不足トルクが発生する速度とその到達予定時間を計算しておくことで、インバータ装置２２は所定の速度で駆動あるいは停止させることができる。
【００２７】
図５は、本実施形態におけるインバータ装置２２の駆動制御の一例を示すフローチャートである。この処理は、主電動機１２の始動と同期して開始される。
【００２８】
先ず、インバータ装置２２は、主電動機１２の始動を開始してからの駆動時間を計測するとともに、この駆動時間に基づいて、主電動機１２が第１の速度に到達する予定時間を経過したか否かを判定する（Ｓ２０１）。ここで、主電動機１２の駆動時間が第１の速度に到達する予定時間を経過したと判定した場合（Ｓ２０１：Ｙｅｓ）には、始動用電動機２１の駆動を開始し（Ｓ２０２）、Ｓ２０３へ進む。これに対し、主電動機１２の駆動時間が第１の速度に到達する予定時間を経過していないと判定した場合（Ｓ２０１：Ｎｏ）には、Ｓ２０１の処理を繰り返す。
【００２９】
Ｓ２０３において、インバータ装置２２は、主電動機１２が第２の速度に到達する時間を経過したか否かを判定する。ここで、主電動機１２の駆動時間が第２の速度に到達する予定時間を経過したと判定した場合（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）には、始動用電動機２１の駆動を停止し（Ｓ２０４）、処理を終了する。これに対し、主電動機１２の駆動時間が第２の速度に到達する予定時間を経過していないと判定した場合（Ｓ２０３：Ｎｏ）には、Ｓ２０３の処理を繰り返す。
【００３０】
本実施形態に係る始動アシスト装置２０によれば、不足トルクが発生する速度を予め計算しておき、インバータ装置２２は計算した速度に到達する予定時間で始動用電動機２１を駆動あるいは停止させる。すなわち、トルクが不足する速度帯域でのみ始動用電動機２１に対して駆動電圧を印加する構成のため、実施形態１の場合と比較して、始動用電動機２１とインバータ装置２２の時間定格（駆動時間）を短くできる利点がある。
【００３１】
＜実施形態３＞
図６は、本発明の実施形態３に係る始動アシスト装置２０の構成例を示す図である。尚、実施形態１・２において付された符号と同一の符号は共通の対象を示すため、説明は省略し、相違点について詳述する。
【００３２】
図６に示されるように、本実施形態の始動アシスト装置２０は、始動用電動機２１の速度を検出する速度検出器２４を更に備えている。始動用電動機２１の回転軸Ｓ４と主電動機の回転軸Ｓ１は連結されており、同一軸とみなせるため、始動用電動機２１の速度を検出することは主電動機１２の速度を検出することも意味する。
【００３３】
本実施形態のインバータ装置２２は、速度検出器２４が検出した始動用電動機２１の速度に応じてトルク不足の発生有無を判定し、始動用電動機２１に対する駆動電圧及び加速トルクの大きさを変動させる。換言すると、インバータ装置２２は、速度検出器２４の検出速度に基づいて主電動機１２の始動渋滞の有無をリアルタイムで検出するとともに、始動渋滞が発生している間のみ始動用電動機２１を駆動し、始動渋滞が解消した場合には始動用電動機２１を停止する制御を行う。トルク不足が生じるときの始動用電動機２１の速度を予め計算しておくのではなく、速度をリアルタイムで検出して制御を行う点で上記実施形態２と異なっている。
【００３４】
図７は、図６に示すインバータ装置２２の駆動制御の一例を示すフローチャートである。この処理は、主電動機１２の始動と同期して開始される。
【００３５】
先ず、インバータ装置２２は、速度検出器２４から主電動機１２に従動中の始動用電動機２１の速度を取得する（Ｓ３０１）。
【００３６】
次に、インバータ装置２２は、Ｓ３０１で取得した速度に基づいて主電動機１２側で始動渋滞が発生しているか否か、すなわち、トルクが不足しているか否かを判定する（Ｓ３０２）。ここで、トルクが不足していると判定した場合（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）は、始動用電動機２１の駆動を開始し（Ｓ３０３）、Ｓ３０４へ進む。これに対し、トルクが不足してはいないと判定した場合（Ｓ３０２：Ｎｏ）、Ｓ３０１へ戻る。
【００３７】
Ｓ３０４において、インバータ装置２２は、速度検出器２４から駆動中の始動用電動機２１の速度を取得する。
【００３８】
Ｓ３０５において、インバータ装置２２は、Ｓ３０４で取得した速度に基づいてトルクが不足しているか否かを判定する。ここで、トルクが不足していると判定した場合（Ｓ３０５：Ｙｅｓ）は、始動用電動機２１の加速トルクを増大させ（Ｓ３０６）、Ｓ３０５へ戻る。これに対し、トルクが不足してはいないと判定した場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）、インバータ装置２２は、始動用電動機２１の駆動を停止し（Ｓ３０７）、Ｓ３０８へ進む。
【００３９】
Ｓ３０８において、インバータ装置２２は、Ｓ３０４で取得した速度に基づいて負荷機械１１の始動が完了したか否かを判定する。ここで、主電動機１２の始動が完了したと判定した場合（Ｓ３０８：Ｙｅｓ）には、処理を終了する。これに対し、主電動機１２の始動が完了していないと判定した場合（Ｓ３０８：Ｎｏ）には、Ｓ３０１へ戻る。
【００４０】
本実施形態に係る始動アシスト装置２０によれば、主電動機１２の始動トルクと負荷機械１１の反抗トルクの関係が確定出来ない場合、もしくは始動する度に負荷機械１１における反抗トルクが変動する場合、主電動機１２に従動中の始動用電動機２１の速度をリアルタイムで監視しておき、加速が止まった速度（始動渋滞）を検出してインバータ装置２２により始動用電動機２１を始動する。このとき、インバータ装置２２は、トルク制御を行って主電動機１２の不足トルクを補う加速トルク分のみを出力する。そして、インバータ装置２２は、加速トルク分の電流が流れなくなったタイミングで始動用電動機２１を停止する。このため、負荷機械１１からの負荷（反抗トルク）が安定していないような場合であっても、負荷の大きさに対応して加速トルクを発生させることが出来る。
【００４１】
＜実施形態４＞
本実施形態に係る始動アシスト装置２０は、インバータ装置２２が、主電動機１２の非駆動時において始動用電動機２１を単独で駆動し、始動用電動機２１に主電動機１２を従動させて負荷機械１１を任意のターニング運転速度（回転数）で駆動させる機能を更に備えている点で上記実施形態１乃至３とは異なっている。始動用電動機２１とインバータ装置２２の定格容量は、主電動機１２側での不足トルクを補う加速トルク分の容量だけではなく、停止状態における負荷機械１１側の反抗トルクをカバーできる容量で選定するものとする。
【００４２】
図８は、本発明の実施形態４におけるインバータ装置２２の駆動制御の一例を示すフローチャートである。この処理は、任意のタイミングで主電動機１２に対してＧＵＩやスイッチなどのコマンド入力手段（図示省略する）からターニング運転の開始コマンドが入力されることで開始される。
【００４３】
先ず、インバータ装置２２は、始動用電動機２１に対してターニング運転用の駆動電圧を印加することでターニング運転を開始する（Ｓ４０１）。
【００４４】
次に、インバータ装置２２は、始動用電動機２１の駆動時間を計測するとともに、駆動時間が所定の駆動終了時間に達したか否かを判定する（Ｓ４０２）。尚、駆動終了時間が定めれていない場合は、ターニング運転の停止コマンドが入力されるか否かを判定するものとする。ここで、駆動時間が所定の駆動終了時間に達したと判定した場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）には、始動用電動機２１の駆動を停止し（Ｓ４０３）、処理を終了する。これに対し、駆動時間が所定の駆動終了時間に達していないと判定した場合（Ｓ４０２：Ｎｏ）には、Ｓ４０２の処理を繰り返す。
【００４５】
本実施形態に係る始動アシスト装置２０によれば、主電動機１２の非駆動時、例えば負荷機械１１を長期間停止するときに、インバータ装置２２によって任意の回転数でターニング運転をさせることで、負荷機械１１の自重に起因する変形を防止することが出来る。ターニング運転の完了後に、主電動機１２を始動した場合でも、上記実施形態１乃至３において説明した方式でスムーズな始動が可能である。
【００４６】
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１１…負荷機械
１２…主電動機
１３…主電源
１４…スイッチ
２０…始動アシスト装置
２１…始動用電動機
２２…インバータ装置
２３…補助電源
２４…速度検出器
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…回転軸
Ｃ１…カップリング
Ｃ２…クラッチ
【図１】
0006419670.tif 000002
【図２】
0006419670.tif 000003
【図３】
0006419670.tif 000004
【図４】
0006419670.tif 000005
【図５】
0006419670.tif 000006
【図６】
0006419670.tif 000007
【図７】
0006419670.tif 000008
【図８】
0006419670.tif 000009
【図９】
0006419670.tif 000010