JP2005027486A - 誘導電動機のスターデルタ始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導電動機の固定子巻線のスター結線からデルタ結線への切換において、固定子巻線への電圧の瞬断をなくし、かつ、その切換え時の大幅なトルク変動を抑制すること。
【解決手段】 誘導電動機Ｍの固定子巻線１Ａ、２Ａ、３ＡのスイッチＳｗ２の投入によるスター結線での始動から、スイッチＳｗ２を解放しスイッチＳｗ３の投入によるデルタ結線での運転へ移行するに際し、スイッチＳｗ２とスイッチＳｗ３の投入状態で抵抗器又はリアクトルからなるインピ−ダンス本体Ｉ_１、Ｉ_２の直列回路を挿入し、スイッチＳｗ２の解放と同時に本体Ｉ_２のインピ−ダンスを消滅させ、固定子巻線１Ａ、２Ａ、３Ａにスター結線時とデルタ結線時の中間の電圧を加え、ついで本体Ｉ_１のインピ−ダンスを消滅させてデルタ結線に移行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多相誘導電動機のスターデルタ始動装置に関するものである。

ポンプ、コンプレッサ、ファン、ブロア、コンベアー、工作機械などの駆動源として、多相たとえば三相のかご形誘導電動機を用いる場合がある。この場合、かご形誘導電動機は数ｋＷ〜７０ｋＷ程度の中容量機が用いられ、その電動機の始動は、始動時の電流を抑制する必要があることから、その抑制が最も簡便で経済的に行うことのできるスターデルタ始動方法が採用されている。この方法は、かご形誘導電動機の固定子巻線を始動時にはスター結線し、運転状態近くまで加速された後にデルタ結線に切換える方法である。すなわち、電源が三相であるとすると、スター結線では固定子巻線に加わる電圧が、デルタ結線の場合の１／√３に、電流が１／３に、トルクも１／３に抑制されることを利用する方法である。

しかし、この方法の欠点はスター結線からデルタ結線への切換時に固定子巻線に電圧が加わらない時期があることである。そのためにデルタ結線への切換直後固定子巻線に大きな突入電流が流れることがあり、トルクも再突入トルクが発生し、電動機の回転を伝達するベルトのスリップを引き起こしたり、電動機で駆動する機械の破壊を招く場合があるという問題がある。

このような問題を解消する一つの手段として、スター結線からデルタ結線へ切り換える時に、一時的に抵抗器などを挿入し、固定子巻線に電流を流したまま切換える、いわゆるクローズドトランジション方式が考えられている。図８はこの方式における回路構成を示すもので、この図８において、Ｍはかご形三相誘導電動機、１は電動機Ｍを運転するときに閉じる電磁接触器、２はスター結線用の電磁接触器、３はデルタ結線用の電磁接触器、４はスター結線からデルタ結線への切換時に閉じる電磁接触器、１Ｒ，２Ｒ，３Ｒは抵抗である。

電動機Ｍの三相の固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａそれぞれの一方の端子Ｕ，Ｖ，Ｗは電磁接触器１を介して三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔ相に接続され、他方の端子Ｘ，Ｙ，Ｚは電磁接触器２を介して短絡される。すなわち電磁接触器１および電磁接触器２を閉じる（投入する）と、固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａはスター結線され、この状態で電動機Ｍは始動する。電動機Ｍが所定の回転速度に到達すると、電磁接触器４が投入される。

電磁接触器４が投入されると抵抗１Ｒは電磁接触器２を経て固定子巻線１Ａに並列接続され、同様に抵抗２Ｒは固定子巻線２Ａに、抵抗３Ｒは固定子巻線３Ａに並列接続される。つづいて電磁接触器２が解放される。この状態では固定子巻線１Ａと抵抗３Ｒが直列に接続され、同様に固定子巻線２Ａと抵抗１Ｒ、固定子巻線３Ａと抵抗２Ｒが直列に接続され、固定子巻線と抵抗との直列回路はデルタ結線となる。そして電磁接触器３が投入される。電磁接触器３が投入されることにより抵抗は短絡され、固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａのみがデルタ結線されて運転状態に移行する。
特開昭５８−１４１６８７号公報 特開２０００−１１６１６４号公報

このような従来の切換では、固定子巻線へ加える電圧を瞬断することなくスター結線からデルタ結線へ切換えることが可能であるが、固定子巻線に加えられる電圧が、スター結線時に加えられている電圧（電源電圧の１／√３すなわち５７．７％）からデルタ結線時に加わえられる電圧（電源電圧の１００％）へ一気に大幅に変動し、その変動に伴って電動機の加速トルクも一気に大幅に変動し、依然として電動機の回転を伝達するベルトのスリップを引き起したり、電動機で駆動する機械の破壊を招く場合があるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、誘導電動機の始動方法として最も簡便で経済的に行うことのできるスターデルタ始動方法を採用するとともに、スター結線からデルタ結線への切換時の固定子巻線への電圧の瞬断をなくし、かつ、スター結線からデルタ結線へ切換える際の一気の大幅なトルク変動を抑制し、斯かる問題を解消する点である。

本発明は、一端が多相電源の各相のそれぞれに接続される多相の固定子巻線を有する誘導電動機と、前記誘導電動機の多相の固定子巻線のそれぞれの他端どうしを接続するスター結線用のスイッチと、前記それぞれの他端を隣り合う相の前記一端に接続するデルタ結線用のスイッチとを有し、前記スター結線用のスイッチの投入からデルタ結線用のスイッチの投入の切換えにより前記誘導電動機を始動してなる誘導電動機のスターデルタ始動装置において、前記デルタ結線用のスイッチと直列に可変インピーダンス装置を接続し、前記デルタ結線用のスイッチの投入後、前記スター結線用のスイッチを解放するとともに、前記可変インピーダンス装置のインピーダンスを順次低減してなることを最も主要な特徴とする。

本発明に係るスターデルタ始動装置は、スター結線からデルタ結線へ切換える際、スター結線用のスイッチの解放に先立ってデルタ結線用のスイッチが投入され、この投入により誘導電動機の各固定子巻線と並列にインピーダンスの大きいインピーダンス装置が接続されたスター結線状態となる。この状態ではインピーダンス装置のインピーダンスが大きいのでスター結線時の電流がほぼそのまま各固定子巻線に流れる。その状態からスター結線用のスイッチを解放し、その開放の完了とほぼ同時にインピーダンス装置のインピーダンスを所定量低減する。スター結線用のスイッチの解放によりインピーダンス装置は固定子巻線と直列に接続された状態でデルタ結線となるが、直ちに所定量のインピーダンスを低減するので固定子巻線に流れる電流をスター結線時の電流よりも低減することなく、またデルタ結線時の電流よりも低減する。その後残りのインピーダンスを消滅させてデルタ結線の運転状態に移行する。

したがって、誘導電動機の始動方法として最も簡便で経済的に行うことのできるスターデルタ始動方法を採用しながら、スター結線からデルタ結線への切換時の固定子巻線への電圧の瞬断をなくし、かつ、スター結線からデルタ結線へ切換える際に発生する一気の大幅なトルク変動を抑制することができ、電動機の負荷に与える衝撃を大幅に緩和することができる。これにより電動機の回転を伝達するベルトのスリップや電動機で駆動する機械の破壊を防止することができ、電動機のさまざまな使用目的に的確に対応することができる。

スター結線からデルタ結線へ切換える際に発生する一気の大幅なトルク変動を抑制する目的を、小幅のトルク変動に分割し、順にトルクを大きくすることにより実現した。

図１は本発明の実施例に係る三相誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図、図２は図１に示すスターデルタ始動装置のタイミングチャート、図３は図２に示すタイミングチャートに基づくスターデルタ始動装置の動作の推移を示す動作説明図、図４は図１に示すスターデルタ始動装置の特性曲線図で（ａ）は電流特性曲線図、（ｂ）はトルク特性曲線図である。

図１において、Ｍはかご形三相誘導電動機、Ｓｗ１は電動機Ｍを運転するときに閉じるスイッチ、Ｓｗ２はスター結線用のスイッチ、Ｓｗ３はデルタ結線用のスイッチ、Ｉ_１，Ｉ_２は抵抗器又はリアクトルなどからなるインピーダンス装置の本体、Ｓｗ５およびＳｗ６はインピーダンス可変用のスイッチである。電動機Ｍの三相の固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａそれぞれの一方の端子Ｕ，Ｖ，ＷはスイッチＳｗ１を介してそれぞれ三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔ相に接続され、他方の端子Ｘ，Ｙ，Ｚはスター結線用のスイッチＳｗ２を介して短絡される。

一相分のインピーダンス装置は、本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路と本体Ｉ_１を短絡するスイッチＳｗ５および本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路を短絡するスイッチＳｗ６とにより可変インピーダンス装置として構成され、本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路の一端はデルタ結線用のスイッチＳｗ３を介して電動機Ｍの一方の端子Ｕに、他端は電動機Ｍの他方の端子Ｙに接続されている。他の一相分のインピーダンス装置も同様に構成され、本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路の一端はデルタ結線用のスイッチＳｗ３を介して電動機Ｍの一方の端子Ｖに、他端は電動機Ｍの他方の端子Ｚに接続されている。さらに他の一相分のインピーダンス装置も同様に構成され、本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路の一端はデルタ結線用のスイッチＳｗ３を介して電動機Ｍの一方の端子Ｗに、他端は電動機Ｍの他方の端子Ｘに接続されている。

つぎに以上の回路構成の動作について図２および図４を参照して説明する。電動機Ｍを運転するとき、図２に示すようにスター結線用のスイッチＳｗ２を投入し、つづいてスイッチＳｗ１を投入する。この状態では電動機Ｍの固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａは図３の（ａ）に示すようにスター結線となり、図４（ａ）に示すように各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに電源の全電圧を加えた場合の３３％のトルクが発生し、このトルクが負荷トルク（図４（ａ）で点線で示す）を上回っていれば電動機Ｍの速度は上昇する。

スター結線のもとに電動機Ｍの速度が上昇した後、デルタ結線用のスイッチＳｗ３を投入し、その直後にスター結線用のスイッチＳｗ２を解放し、この解放と同時にインピーダンス可変用のスイッチＳｗ５を投入する。デルタ結線用のスイッチＳｗ３の投入により図３の（ｂ）に示すように、スター結線された各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａと並列にインピーダンス装置の本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路が接続される。インピーダンス装置の本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路のインピーダンスは大きく設定しているので、この接続によって過大な短絡電流は流れず、図４（ｂ）に示すようにほぼスター結線で始動する場合の電流が維持される。また、スイッチＳｗ２とＳｗ３の両者が投入された状態は一瞬であり、スイッチの破損およびインピーダンス装置の本体Ｉ_１とＩ_２の温度上昇などの問題は発生しない。

そして、スター結線用のスイッチＳｗ２の解放により図３の（ｃ）に示すように、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａと直列にインピーダンス装置の本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路が接続された状態でデルタ結線に移行する。この場合、スター結線用のスイッチＳｗ２の解放と同時にインピーダンス可変用のスイッチＳｗ５を投入するので、図３の（ｄ）に示すように、インピーダンス装置の本体Ｉ_２のインピーダンスが回路上から消滅する。すなわちデルタ結線への移行瞬時はインピーダンス装置の本体Ｉ_１とＩ_２の直列回路の大きいインピーダンスにより、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに加わる大きな変動（５７．７％（１／√３）から１００％への電圧変動）を抑制し、同時に図４（ｂ）に示すようにインピーダンス装置の本体Ｉ_２のインピーダンスの回路上からの消滅により所定の変動幅、この例では５７．７％から７０％の電圧変動幅に抑制する。すなわち、スター結線からデルタ結線への切換時、インピーダンス装置のインピーダンスの変化量の設定で定めた電圧を各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに加わえて電動機Ｍを加速する。

その加速がほぼ終了する時点、実際はインピーダンス可変用のスイッチＳｗ５を投入した時点からタイマを作動し、予め設定した時間経過後、インピーダンス可変用のスイッチＳｗ６を投入しインピーダンス装置のインピーダンスを回路上から消滅させる。この消滅により図３の（ｅ）に示すように、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａのデルタ結線が完成され、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに電源の全電圧が加えられ電動機Ｍは運転状態に移行する。この運転状態は停止するまで継続し、停止後の再運転は以上の動作を繰り返す。

図５は本発明の他の実施例に係る誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図、図６はリアクトルの構成図である。この実施例は、インピーダンス装置をリアクトルで構成した例である。なお、図５において図１に示す実施例と対応する部分には同一の符号を付している。

図５において、Ｉ_１，Ｉ_２はインピーダンス装置の本体を構成するリアクトル、Ｓｗ５およびＳｗ６はインピーダンス可変用のスイッチである。リアクトルＩ_１は１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２を有し、２次巻線ｎ２は１次巻線ｎ１にスイッチＳｗ６を介して逆並列、すなわち１次巻線ｎ１に流れる電流方向と逆方向に電流が流れるようにして並列に接続されている。

リアクトルＩ_２もリアクトルＩ_１と同様に１次巻線ｍ１と２次巻線ｍ２を有し、２次巻線ｍ２は１次巻線ｍ１にスイッチＳｗ５を介して逆並列、すなわち１次巻線ｍ１に流れる電流方向と逆方向に電流が流れるようにして並列に接続されている。そして、リアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２は直列に接続され、この直列回路が一相分のリアクトルとして構成されている。

一相分のリアクトルを構成するリアクトルＩ_１の１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２およびリアクトルＩ_２の１次巻線ｍ１と２次巻線ｍ２は、図６に示す（巻線については一相分のみ示す）ように三本の脚部を有する閉磁路鉄心ｃの脚部ごとにリアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２を上下に分けて巻回されており、スイッチＳｗ５が閉じる（投入される）と１次巻線ｍ１に流れる電流と逆向きに２次巻線ｍ２に電流が流れ、これによりリアクトルＩ_２のリアクタンスが回路上から消滅する。またスイッチＳｗ６が投入されると１次巻線ｎ１に流れる電流と逆向きに２次巻線ｎ２に電流が流れ、これによりリアクトルＩ_１のリアクタンスが回路上から消滅する。

電動機Ｍは図１に示す電動機Ｍと同様に、三相の固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａを有し、固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａそれぞれの一方の端子Ｕ，Ｖ，ＷはスイッチＳｗ１を介して三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔ相に接続され、他方の端子Ｘ，Ｙ，Ｚはスター結線用のスイッチＳｗ２を介して短絡される。また、一方の端子Ｕと他方の端子Ｙ間、一方の端子Ｖと他方の端子Ｚ間、一方の端子Ｗと他方の端子Ｘ間の各間にそれぞれデルタ結線用のスイッチＳｗ３と直列に、リアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２とを直列に接続した一相分のリアクトルが接続されている。

この実施例における各スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３、Ｓｗ５、Ｓｗ６の動作は、実施例１と同様、すなわち図２に示すタイミングで動作し、この実施例の回路構成全体の動作も実施例１と同様である。すなわち、電動機Ｍを運転するとき、まずスター結線用のスイッチＳｗ２を投入し、つづいてスイッチＳｗ１を投入する。この状態では電動機Ｍの固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａはスター結線となり、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに電源の全電圧を加えた場合の３３％のトルクが発生し、このトルクが負荷のトルクを上回っていれば電動機Ｍの速度は上昇する。

スター結線のもとに電動機Ｍの速度が上昇した後、デルタ結線用のスイッチＳｗ３を投入し、その直後にスター結線用のスイッチＳｗ２を解放し、この解放と同時にリアクタンス可変用のスイッチＳｗ５を投入する。デルタ結線用のスイッチＳｗ３の投入によりスター結線された各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａと並列にリアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２の直列回路が接続される。リアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２の直列回路のリアクタンスは大きく設定しているので、この接続によって過大な短絡電流は流れず、ほぼスター結線で始動する場合の電流である。また、スイッチＳｗ２とスイッチＳｗ３の両者が投入された状態は一瞬であり、スイッチの破損および巻線の温度上昇などの問題は発生しない。

そして、スター結線用のスイッチＳｗ２の解放により、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａと直列にリアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２の直列回路が接続された状態でデルタ結線に移行するが、スター結線用のスイッチＳｗ２の解放と同時にスイッチＳｗ５を投入するので、リアクトルＩ_２のリアクタンスが回路上から消滅する。すなわちデルタ結線への移行瞬時はリアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２の直列回路の大きいリアクタンスにより、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに加わるは大きな変動（５７．７％（１／√３）から１００％への電圧変動）を抑制し、同時にリアクトルＩ_２のリアクタンスの消滅により所定の変動幅、実施例１と同様に５７．７％（１／√３）から７０％の電圧幅に抑制する。すなわち、スター結線からデルタ結線への切換時、リアクタンスの変化量の設定で定めた電圧を各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに加わえて電動機Ｍを加速する。

その加速がほぼ終了する時点でスイッチＳｗ６を投入しリアクトルリアクトルＩ_１のリアクタンスを消滅させる。この消滅により各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａのデルタ結線が完成され、各固定子巻線１Ａ，２Ａ，３Ａに電源の全電圧が加えられ電動機Ｍは運転状態に移行する。

図７は本発明のさらに他の実施例に係る誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図である。この実施例は、図５および図６に示す実施例２の回路構成におけるリアクトルＩ_１の２次巻線ｎ２を除き、リアクトルＩ_１のリアクタンスを回路上から消滅させるスイッチＳｗ６をリアクトルＩ_１とリアクトルＩ_２の直列回路と並列に接続した例である。この実施例の動作は、実施例２および実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。

以上、三相誘導電動機について説明したが、本発明は三相以上の多相誘導電動機についても適用することもできる。また、インピーダンス装置のインピーダンスの変化を２段階とするものであるが、より多くの段階で可変するようにしても良い。さらに、各スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３、Ｓｗ５、Ｓｗ６は電磁接触器や、サイリスタ、トライアックなどの半導体スイッチング装置を用いるようにしても良く、スイッチＳｗ１、Ｓｗ２は三相のうちの二相に設けることも可能である。

誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図である。（実施例１） 図１に示すスターデルタ始動装置のタイミングチャートである。 図２に示すタイミングチャートに基づくスターデルタ始動装置の動作の推移を示す動作説明図である。 図１に示すスターデルタ始動装置の特性曲線図で（ａ）は電流特性曲線図、（ｂ）はトルク特性曲線図である。 誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図である。（実施例２） 図５に示す回路構成に用いるリアクトルの構成図である。 誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図である。（実施例３） 従来の誘導電動機のスターデルタ始動装置の回路構成図である。

符号の説明

Ｓｗ１ 運転用スイッチ
Ｓｗ２ スター結線用のスイッチ
Ｓｗ３ デルタ結線用のスイッチ
Ｓｗ５ インピ−ダンス可変用のスイッチ
Ｓｗ６ インピ−ダンス可変用のスイッチ
Ｍ かご形三相誘導電動機
１Ａ、２Ａ、３Ａ 固定子巻線
Ｉ_１、Ｉ_２ インピ−ダンス装置の本体
ｎ１、ｍ１ １次巻線
ｎ２、ｍ２ ２次巻線

Claims (5)

1. 一端が多相電源の各相のそれぞれに接続される多相の固定子巻線を有する誘導電動機と、前記誘導電動機の多相の固定子巻線のそれぞれの他端どうしを接続するスター結線用のスイッチと、前記それぞれの他端を隣り合う相の前記一端に接続するデルタ結線用のスイッチとを有し、前記スター結線用のスイッチの投入からデルタ結線用のスイッチの投入の切換えにより前記誘導電動機を始動してなる誘導電動機のスターデルタ始動装置において、前記デルタ結線用のスイッチと直列に可変インピーダンス装置を接続し、前記デルタ結線用のスイッチの投入後、前記スター結線用のスイッチを解放するとともに、前記可変インピーダンス装置のインピーダンスを順次低減してなることを特徴とする誘導電動機のスターデルタ始動装置。
2. 可変インピーダンス装置は、複数の抵抗器と各抵抗器のそれぞれを短絡する複数のスイッチとからなり、デルタ結線用のスイッチの投入後、前記複数のスイッチを順次投入してなることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のスターデルタ始動装置。
3. 可変インピーダンス装置は、鉄心と、前記鉄心に巻回された複数の巻線と、各巻線のそれぞれを短絡する複数のスイッチとからなり、デルタ結線用のスイッチの投入後、前記複数のスイッチを順次投入してなることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のスターデルタ始動装置。
4. 可変インピーダンス装置は、鉄心と、前記鉄心に巻回された１次巻線と、前記１次巻線と逆並列に接続する２次巻線と、前記２次巻線に流れる電流をオン・オフするスイッチを有するリアクトルを複数組直列に接続して構成され、デルタ結線用のスイッチの投入後、前記リアクトルの複数組のスイッチを順次投入してなることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のスターデルタ始動装置。
5. 可変インピーダンス装置は、鉄心と、前記鉄心に巻回された１次巻線と、前記１次巻線と逆並列に接続する２次巻線と、前記２次巻線に流れる電流をオン・オフする第1のスイッチと、前記１次巻線と直列に接続され前記鉄心に巻回された巻線と、前記巻線と前記１次巻線とを短絡する第２のスイッチとを有し、デルタ結線用のスイッチの投入後、前記第1のスイッチおよび前記第２のスイッチを順次投入してなることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のスターデルタ始動装置。

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