JP2006345583A - 交流電力調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力損失をできるだけ抑えつつ、モータの始動の円滑性を高める。
【解決手段】 モータ２２の始動時にはインバータ回路８の出力である調整交流電圧を切替器９を介してモータ２２に印加し、その交流電圧のＶ／ｆのレートが一定で増加するようにインバータ回路６を制御する。モータ２２の始動後には調整交流電圧がバイパス給電路３上の非調整交流電圧に同期するようにインバータ回路６の制御を変更し、周波数差／位相差検出回路１６より両交流電圧が同期状態であることが検出されると、切替器９を切り替えてモータ２２に非調整交流電圧を印加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば誘導モータ等の動力系負荷に交流電力を供給することで該負荷を駆動する交流電力調整装置に関する。

誘導モータを始動させる際に、当初より定格電圧を印加すると急に高速で回転し始めることにより機械的な衝撃が生じ、大きな騒音を発生したり、例えばギア等の回転伝達機構に大きな負荷が掛かって機械的な消耗が大きくなったりする。また、ポンプ等の場合には、ポンプモータ始動時に急激な回転変動があると、ウォーターハンマー現象が生じ、大きな騒音が発生するのみならず水管の破裂やこれに接続されている各種機器の故障を引き起こすことがある。そこで、モータ始動時の始動電流を抑えモータの回転速度が徐々に上昇するように、いわゆるソフトスタートの手法が採られている。従来より、様々なソフトスタートの手法が知られ、実用に供されている（例えば特許文献１など参照）。

最も一般的なソフトスタート方式として知られるのがスターデルタ方式である。これは、例えば通常３相６線（又は１２線）の誘導モータを、始動時はスター結線とすることで始動電流及びトルクを抑制し、始動後にデルタ結線に切り替えるという方法である。スター結線ではデルタ結線に比べてモータ巻線に印加される電圧が１／√３倍となり、トルクは１／３倍と小さくなる。しかしながら、始動時の電圧は調整できないため、トルクが不足してモータを起動できない場合があり、使用できる負荷が限定されるという問題がある。

一方、半導体電力スイッチング素子の開発及び改良に伴って、近年、半導体電力スイッチング素子のオン・オフ動作を利用してモータへの供給電力を調整する方式が開発されている。その１つが、サイリスタを用いた位相制御によるソフトスタート方式である。この方式では、交流電力の給電路を開閉するサイリスタの点弧角を制御することにより、商用交流電力の半周期の中で実際にモータに供給される電力の割合を調整する。しかしながら、正弦波波形の一部を切り出すような出力電圧波形歪みが生じるため、モータの加速の円滑さに欠ける。

また、サイリスタではなく半導体電力スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を利用したＰＷＭ制御によるソフトスタート方式も提案されている。この方式では、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用交流電力の周波数に比べて十分に高い周波数を有するＰＷＭ信号によってＩＧＢＴをオン／オフ動作させることで、出力される交流電圧の振幅を制御する。これによれば、上記位相制御によるソフトスタート方式よりも出力電圧波形が滑らかになるため、モータの加速の円滑さは或る程度改善される。

しかしながら、上述したような半導体スイッチング素子を利用したソフトスタート回路でも、負荷トルクが大きなモータに対しては徐々に回転速度を上昇させるような円滑な起動ができず、実質的にソフトスタート回路として機能しない場合がある。

特開平１０−３３７０６３号公報

上述のように、従来のソフトスタート方式はいずれも負荷の状態や種類によってモータの始動性能が左右され、所望通りの円滑な起動ができない場合がある。また、半導体スイッチング素子の制御を工夫しても、加速の円滑性等を改善するのには限界がある。さらにまた、様々なモータの特性に合わせてそれぞれ最適な起動や加速を行うのも難しい。

一方、始動時でなくモータを定常的に運転している状況では、効率良く交流電力を利用することで電力消費をできるだけ抑制することが求められる。一般に上述したような半導体スイッチング素子等を利用したソフトスタート回路を通すと或る程度の電力損失は避けられない。そこで、この欠点を補うため、従来、サイリスタを用いた位相制御によるソフトスタート回路を介さずにモータに交流電力を供給するバイパス給電路を併設するとともに、このバイパス給電路とソフトスタート回路を経た給電路とを切り替えるリレーを設け、起動時にはソフトスタート回路による交流電力をモータに供給し、起動した後にリレーを切り替えてバイパス給電路を通した交流電力をモータに供給するという方法が知られている。これによれば、バイパスリレーの切り替えにより定常運転時にはバイパス給電路を通した電力損失の無い交流電力がモータに供給されるため、効率的な運転が行える。

そこで、モータの起動時には負荷の状態や特性、種類などに依存することなく常に円滑な起動が可能でありながら、定常運転時には電力損失をできるだけ抑えてランニングコストを低減させることが望ましい。本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主たる目的は、電力損失を低く抑えながらモータ等の動力系負荷の特性等に依らずに確実に円滑な起動を行い、しかもそれぞれの負荷や使用目的等に応じた最適な起動や加速を行うことができる交流電力調整装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、動力系負荷を駆動するために供給する交流電力を調整する交流電力調整装置において、
a)外部の交流電源による交流電圧を交流−直流−交流変換するインバータ手段と、
b)前記インバータ手段を介さずに外部の交流電源から供給される交流電力を導入するバイパス給電路と、
c)前記インバータ手段の出力である調整交流電圧と前記バイパス給電路による非調整交流電圧とを切り替えて動力系負荷に印加する切替手段と、
d)前記調整交流電圧と前記非調整交流電圧とが同期状態にあることを検出する同期検出手段と、
e)動力系負荷への電力供給開始時には前記切替手段により前記調整交流電圧を該負荷に印加し、且つ該調整交流電圧の周波数及び／又は振幅が徐々に増加するように前記インバータ手段を制御し、前記動力系負荷が始動した後で前記同期検出手段により同期が検出された状態で前記切替手段により前記バイパス給電路による交流電圧を前記負荷に印加するように切り替えて定常運転を開始する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

なお、ここでいう動力系負荷とは典型的には交流モータである。

本発明に係る交流電力調整装置では、制御手段の制御の下に、動力系負荷の起動時にはインバータ手段による調整交流電圧を該負荷に印加し、その調整交流電圧の周波数と振幅（電圧値）とをともに調節することで負荷に与える実効的な電力を徐々に増加させる。また、インバータ手段は高い効率で交流電力を調整することが可能であるが、或る程度の電力損失は避けられないため、動力系負荷を定常運転する際にはインバータ手段を介さないバイパス給電路を通した非調整交流電圧を上記負荷に印加する。したがって、起動から定常運転への移行の際には、切替手段による給電路の切り替えが必要である。但し、インバータ手段の出力である調整交流電圧は、従来の例えばＩＧＢＴを用いたソフトスタート回路などとは異なり振幅のみならず周波数や位相も変化するため、これらがずれているときに切り替えを行うと動力系負荷にラッシュ電流が流れ急激な負荷トルク変動等を起こすおそれがある。

そこで、本発明に係る交流電力調整装置では、インバータ手段による調整交流電圧を動力系負荷に印加している期間に、同期検出手段はその調整交流電圧とバイパス給電路による非調整交流電圧との同期を検出する。ここでいう同期とは、両交流電圧の周波数と位相とがともに一致した状態をいう。但し、実際上は、周波数と位相とが完全に、つまり誤差がゼロになる状態を検出するのは難しいため、それぞれ予め定めた許容誤差範囲内に収束したときに同期したと判断してもよい。そして制御手段は、動力系負荷が始動してその回転が十分に高まった後に上記同期が検出されたならば、切替手段により調整交流電圧の印加から非調整交流電圧の印加に切り替え、動力系負荷の定常運転を実行する。切り替え時点では両交流電圧の周波数及び位相が一致しているので、上記のようなラッシュ電流が流れることを防止することができ、動力系負荷に悪影響を及ぼすことはない。また、定常運転時には動力系負荷に非調整交流電力が供給されるので、インバータ手段による電力損失の影響を受けずに高い効率で負荷は駆動される。

このように本発明に係る交流電力調整装置によれば、モータ等の動力系負荷を始動する際にはインバータ手段により駆動電力が制御されるので、その負荷の特性に合わせて起動や加速を任意に設定し、負荷を円滑に起動させ定常状態に移行させることができる。具体的には、特に始動トルクが大きな負荷に対するトルクブーストスタートや、速度上昇時に機械の共振点等を速やかに通過させるために特定の時点で急峻に速度を上げるジャンプ加速スタートなどを容易に実現できる。

上記制御手段は、動力系負荷への電力供給開始時にインバータ手段を様々な態様で制御することができるが、負荷が例えば誘導モータである場合の一態様として、調整交流電圧の電圧／周波数が一定レートで増加するように制御を行う構成とすることができる。これによれば、誘導モータを円滑に且つ確実に起動させることができる。

また本発明に係る交流電力調整装置では、好ましくは、前記同期検出手段は前記インバータ手段による調整交流電圧と前記バイパス給電路による非調整交流電圧との周波数差及び／又は位相差を検出し、前記制御手段は、動力系負荷が始動した後に、その周波数差及び／又は位相差に基づいて調整交流電圧が非調整交流電圧に対して同期するように前記インバータ手段を制御する構成とするとよい。

この構成では、インバータ手段による調整交流電圧が動力系負荷に印加されている状態で該負荷が起動して、その交流電圧の周波数及び振幅が所定の状態に近づくと、その後、短時間で調整交流電圧と非調整交流電圧とが同期状態に至る。これにより、動力系負荷への印加電圧はバイパス給電路からの非調整交流電圧に切り替わる。したがって、この構成によれば、円滑に起動が行われながら迅速に定常運転に移行するので、総合的な電力損失を抑制するのに有効である。

本発明の一実施例による交流電力調整装置について、図１〜図４を参照しつつ説明する。図１は本実施例による交流電力調整装置の要部の構成図、図２はこの交流電力調整装置の起動時の動作を説明するための図、図３はこの交流電力調整装置の起動時の制御を示すフローチャート、図４はこの交流電力調整装置の起動時の動作を説明するための波形図である。

本実施例による交流電力調整装置の入力端子１ａ、１ｂには例えば交流１００［Ｖ］又は２００［Ｖ］の商用交流電源２１が接続され、出力端子１２ａ、１２ｂには交流電力で駆動される動力系負荷として誘導モータ２２が接続される。入力端子１ａに接続された給電路はバイパス給電路３とインバータ給電路４とに分岐され、インバータ給電路４に供給された交流電力は整流回路５で直流電力に変換され、インバータ駆動回路７により駆動されるインバータ回路６によって再び直流電力から交流電力に変換される。その際に交流電圧の周波数及び振幅が調整される。インバータ回路６の出力である調整給電路８上の調整交流電圧は第１位相検出回路１４に、バイパス給電路３上の非調整交流電圧は第２位相検出回路１５に入力される。第１及び第２位相検出回路１４、１５はいずれもゼロクロス検出回路であり、例えば図４（ａ）に示すような正弦波波形が入力されたときにその波形が上昇する際に電圧ゼロ点となるタイミングで、図４（ｂ）に示すようにパルス信号を出力する。

調整給電路８とバイパス給電路３とは機械的インターロック機能を有する切替器９により択一的に選択されて負荷給電路１０に接続され、スイッチ１１が閉成していれば、切替器９により選択された給電路から負荷給電路１０を通して誘導モータ２２に交流電圧が印加され、電流が流れる。第１及び第２位相検出回路１４、１５の出力信号は周波数差／位相差検出回路１６に入力され、上述したような２系統のパルス信号に基づいて調整給電路８上に現れている調整交流電圧とバイパス給電路３上に現れている非調整交流電圧との周波数及び位相の差を検出し、その情報を制御部１７に送る。制御部１７は例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロプロセッサを中心に構成されており、予めＲＯＭに書き込まれた制御プログラムに従ってインバータ駆動回路７を介してインバータ回路６を制御するとともに切替器９の切り替え及びスイッチ１１のオン・オフを制御する。

次に、上記構成の交流電力調整装置の動作について、図３のフローチャートに沿って説明する。初期状態つまり誘導モータ２２を駆動する前の状態では、スイッチ１１は開成されて誘導モータ２２への電力供給は遮断されている。

制御部１７は誘導モータ２２を起動するべく指示を受けると、負荷給電路１０と調整給電路８とが接続されるように、つまりインバータ回路６の出力が選択されるように切替器９を切り替えた上で、スイッチ１１を閉成する（ステップＳ１）。そして、調整交流電圧の［電圧値］／［周波数］（Ｖ／ｆ）のレート（変化率）を一定とするようにインバータ駆動回路７を介してインバータ回路６を制御する（ステップＳ２）。これにより、図２中に始動期間で示すように、インバータ回路６におけるＶ／ｆはゼロから単調に増加してゆき、周波数及び振幅がともに徐々に増加する正弦波状の調整交流電圧が、切替器９、スイッチ１１を介して誘導モータ２２に印加される。これに伴い始動トルクは徐々に上昇してゆき、誘導モータ２２は円滑に回転を開始してその速度が徐々に上昇する。

制御部１７は上記のような制御を開始した後、周波数差／位相差検出回路１６により、上述したように誘導モータ２２に印加されている調整交流電圧とバイパス給電路３上の非調整交流電圧との周波数差に関する情報を受け取り、周波数差が所定値以内であるか否かを判定する（ステップＳ３）。この所定値は予め適宜に決められ、例えば最終的な目的の周波数（例えば６０Ｈｚ）の±０．５％以内等と定められる。周波数差が所定値以内になるまでは、ステップＳ２へと戻りＶ／ｆレート一定の制御が継続される。

図２に示すように、Ｖ／ｆが上昇していって周波数差が所定値以内になると、制御部１７は次に同調運転を実行する（ステップＳ４）。同調運転に移行すると、制御部１７は周波数／位相差検出回路１６により周波数差と位相差（例えば図４に示すΔθ）の情報を受け取り、周波数差と位相差とがともにゼロに近づくようにインバータ駆動回路７を介してインバータ回路６を制御する。このような制御により、両交流電圧の周波数差はゼロに近づく。但し、両者の位相がずれた状態で周波数差がゼロになることは避ける必要があるため、位相差がほぼゼロとなった状態で且つ周波数差もほぼゼロになるように制御を行う。そして、制御部１７は同調運転への移行後に両交流電圧が同期した、つまり位相差がほぼゼロで周波数差もほぼゼロとなったか否かを判定し、未だ同期状態になっていない場合にはステップＳ４へと戻って同調運転を継続する。ここで、理想的には位相差及び周波数差がともにゼロとなったときに同期状態であると判断するのがよいが、実際には完全にゼロとすることはできないので、予め決めた許容誤差以内に収まったときに同期状態であると判断すればよい。

同期状態とは、図４（ａ）に示すバイパス給電路３上の非調整交流電圧波形と図４（ｃ）に示す調整給電路８上の調整交流電圧波形とが時間軸方向（横軸方向）に重なった状態である。実際上、振幅方向（縦軸方向）にも両電圧波形は殆ど一致する。制御部１７は両交流電圧が同期状態であると判断すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、負荷給電路１０とバイパス給電路３とが接続されるように切替器９を切り替える（ステップＳ６）。このとき、バイパス給電路３上の非調整交流電圧波形と調整給電路８上の調整交流電圧とは殆ど一致しているので、切替器９の切り替えの前後で負荷給電路１０に現れる交流電圧波形は殆ど変化せず、誘導モータ２２の回転に影響を与えない。こうして誘導モータ２２へ印加する交流電圧を切り替えた後には、その電圧を印加し続けることにより定常運転を実行する（ステップＳ７）。

上記実施例では、制御部１７は調整交流電圧と非調整交流電圧との周波数と位相とが一致した状態を検出して切替器９による切り替え動作を行うように制御を行っており、このときには両電圧の振幅も一致しているものとみなしているが、振幅（電圧値）の一致も検出するようにし、周波数、位相、振幅がいずれも一致した状態であるとき（許容範囲内に収まった状態であるとき）に同期状態であるとみなして、切替器９による切り替えを実行するようにしてもよい。

また、上記実施例では説明を簡単にするために単相交流で説明したが、三相交流でも同様の構成をとることができることは当然である。

また、上記実施例では、誘導モータ２２の始動期間にＶ／ｆのレートが一定となるようにインバータ回路７を制御していたが、モータやそのほかに負荷によってはその特性に合わせて始動時のインバータ制御を変更してもよい。例えば図５に示すようにＶ／ｆのレートが徐々に増加するようにしてもよいし、逆に図６に示すようにＶ／ｆのレートが徐々に減少するようにしてもよい。

また、上記実施例は本発明の一例にすぎず、上記記載以外の点において本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、又は追加を行っても、本願の特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による交流電力調整装置の要部の構成図。 本実施例の交流電力調整装置の起動時のインバータ回路のＶ／ｆの変化を示す図。 本実施例の交流電力調整装置の起動時の制御を示すフローチャート。 本実施例の交流電力調整装置の起動時の動作を説明するための波形図。 他の実施例による起動時のインバータ回路のＶ／ｆの変化を示す図。 他の実施例による起動時のインバータ回路のＶ／ｆの変化を示す図。

符号の説明

１ａ、１ｂ…入力端子
３…バイパス給電路
４…インバータ給電路
５…整流回路
６…インバータ回路
７…インバータ駆動回路
８…調整給電路
９…切替器
１０…負荷給電路
１１…スイッチ
１２ａ、１２ｂ…出力端子
１４…第１位相検出回路
１５…第２位相検出回路
１６…周波数差／位相差検出回路
１７…制御部
２１…商用交流電源
２２…誘導モータ

Claims (3)

1. 動力系負荷を駆動するために供給する交流電力を調整する交流電力調整装置において、
   a)外部の交流電源による交流電圧を交流−直流−交流変換するインバータ手段と、
   b)前記インバータ手段を介さずに外部の交流電源から供給される交流電力を導入するバイパス給電路と、
   c)前記インバータ手段の出力である調整交流電圧と前記バイパス給電路による非調整交流電圧とを切り替えて動力系負荷に印加する切替手段と、
   d)前記調整交流電圧と前記非調整交流電圧とが同期状態にあることを検出する同期検出手段と、
   e)動力系負荷への電力供給開始時には前記切替手段により前記調整交流電圧を該負荷に印加し、且つ該調整交流電圧の周波数及び／又は振幅が徐々に増加するように前記インバータ手段を制御し、前記動力系負荷が始動した後で前記同期検出手段により同期が検出された状態で前記切替手段により前記バイパス給電路による交流電圧を前記負荷に印加するように切り替えて定常運転を開始する制御手段と、
   を備えることを特徴とする交流電力調整装置。
2. 前記制御手段は、動力系負荷への電力供給開始時に前記インバータ手段による調整交流電圧の電圧／周波数が一定レートで増加するように制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の交流電力調整装置。
3. 前記同期検出手段は前記インバータ手段による調整交流電圧と前記バイパス給電路による非調整交流電圧との周波数差及び／又は位相差を検出し、前記制御手段は、動力系負荷が始動した後に、その周波数差及び／又は位相差に基づいて調整交流電圧が非調整交流電圧に対して同期するように前記インバータ手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流電力調整装置。
   

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