JP2021023087A - 誘導電動機の起動制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電動機をインバータで、力率改善して、最後に電源直結にする起動装置を提供する。【解決手段】誘導電動機を起動時は三相可逆インバータの構成で低周波起動し、インバータの電圧源コンデンサを各相毎スイッチで切り離して、磁気エネルギー回生スイッチとして、誘導機の力率を改善する運転を行なうが、電源と誘導機を直結する場合、接点を無アークにて開閉するハイブリッドスイッチとすることで、接点の多頻度開閉を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機の起動方法とその制御装置に関し、起動時の電力系に擾乱を与えずに起動する方法に関する。

誘導電動機は固定子の作る回転磁界により、回転子がかご型の導体に誘導電流を発生させて、その磁界と電流の間の電磁力によって、回転トルクを発生させるが、そこには磁界と回転子との回転スピードの差、即ち、すべりに対応した回転トルクを発生させる電動機である。

この誘導電動機を交流電源で開閉器を介して直入れ起動すると、固定子のコイルに定格電圧が印可されるが回転子が回転していないため、誘導電動機の固定子コイルに流れる起動電流は、漏れリアクタンスで決まり、定格電流の５倍から８倍の電流が固定子コイルに流れる。
しかもこの電流は誘導性の電流、すなわち力率の悪い電流で、上流の電力系統に電圧低下による電力環境への悪影響や、保護ヒューズに過電流が流れるなど好ましくない。また、電動機巻き線の絶縁性能の面から誘導電動機の寿命にとって悪い影響を及ぼす。

誘導電動機に大電流が流れることを防ぐ起動方法として、従来からインバータ起動、リアクトル起動、Ｙ−Δ起動、サイリスタ起動等種々の方法が採用されている。

特開２００９−３３９４２ 「誘導電動機起動制御装置及び誘導機制御方法」 特願２０１７−１２６５４４ 「無アーク電流開閉装置」 特願２００６−０７０４４４ 「通信回線を利用した電力系統安定化システム」

しかし、インバータ起動は好ましいが、起動終了後に可変速運転が不要な電動機の場合、挿入損失になる。起動後、定格スピードに達した後はインバータを金属接点で短絡するとインバータの運転損失は無い。揚水ポンプの場合、揚程が変わらない場合、ポンプの回転スピードをインバータで調整しても水圧が足りないと水が上がらないので、回転スピードを下げられず、省エネは電動機の起動、停止の時分割運転によって可能だが、その多頻度の起動停止する起動装置が必要である

特許文献１の方法は、磁気エネルギー回生スイッチを用いて起動時に、各相の電流位相を進めて電圧を下げて、起動時のラッシュ電流を制限している。進相電流で起動することで、上流配電系統はインダクタンス分電圧が上昇して、電圧が下がらずに起動するので好ましい。しかし、起動トルクを得るのは回転子とのすべり周波数が大きいためにやはり、大きな電流が必要で、これは起動電流のラッシュ電流が無くなるわけではない。

発明が解決するための手段

本発明は、誘導電動機の起動時の上記の課題を解決するために、起動時はインバータとしてソフトな制御であるＶ／Ｈｚ起動によって、起動電流ラッシュの無い起動が可能で、起動が完了すると切り替えスイッチによって、インバータが運転停止した後に、各相の短絡接点をオンして、すみやかに電源直結運転に移行することで、インバータの挿入損失を除去する。さらに、運転時力率を改善する運転を行なえるように、インバータを各相、分離して磁気エネルギー回生スイッチとして運転をするが、磁気エネルギー回生スイッチは短絡接点を開極する際に無アークで開極するように半導体でバイパスして後に開極する。無アークで開極した後に、半導体バイパスをゲート制御で停止すれば、遮断する。

本発明は、さらに、半導体スイッチのゲート制御で遮断完了しても安全のため、長時間の停止の場合最終的に電源上流の事故遮断器を開極して高い絶縁抵抗を確保する。これはゲート回路の誤動作を防ぐためでもある。事故遮断器は半導体の耐圧より大きなサージ電圧の侵入を阻止することができる。

ここで、本発明にかかる金属接点スイッチは、無アークでオンオフするので電極は消耗せず、多頻度の開閉が可能である。これによって誘導電動機の起動はインバータで行い、定格回転になったところで、金属接点のＯＮで直通運転になり、定格運転の後に、金属接点を無アークにて遮断するには、先行特許２の方法を採用してアーク無しに接点を開閉可能なので多頻度のオンオフが可能である。

発明の効果

スターデルタ起動や先行特許でも、起動電流が定格の数倍と大きく、また、すべりが大きいためにトルクも小さく、かつ力率が悪いのが欠点であったが、本発明では半導体スイッチのインバータではＶ／Ｈｚ制御でトルクを制御して起動完了までの短時間のみ動作して、通常運転時、電流は、金属接点を通過するのでインバータは短時間定格の運転であるから、冷却機器が小型軽量になる。

従来の金属接点では、起動停止を繰り返す運転で接点の消耗が問題だが、本発明では、並列する半導体スイッチを使っての無アーク開閉はこれを回避することが出来る。
接点の閉極する前に、半導体スイッチが導通し、無電流で閉極することができ、接点を開極する前に半導体スイッチでバイパスして無電流になってから開極すると接点は無アークで開極する。

接点がアーク無しに開閉できれば、接点の機械寿命の数十万回の開閉が可能になって誘導機の起動停止を頻繁に行える。誘導機の運転に時分割運転する方法が可能になる。

本発明の起動制御装置の構成を示す回路ブロック図、ゲート制御回路は省略した主回路構成図である。 図２は誘導電動機を図１の回路のＳａ，Ｓｂ，Ｓｃ，はオフ、Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｎ１，Ｓｎ２を閉極した状態でインバータ運転の回路状態になることを説明する図である。 Ｓｐ１，Ｓｐ２がオフ、Ｓｎ１，Ｓｎ２がオフ、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃもオフでは、先行特許１の力率改善のための単相ＭＥＲＳ回路が３相分各相にある図である。 半導体スイッチはすべてゲート遮断状態でＳａ，Ｓｂ，Ｓｃが閉状態で、三相電源によって直通運転の形の図である。 接点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを開閉する場合、先立って半導体スイッチのゲートをオンして、その後、半導体スイッチで遮断・導通するハイブリッドスイッチにする説明図である。 複数の誘導電動機起動装置は統括制御装置で制御される構成図である。 先行特許文献１の図１である。

以下、本発明を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の誘導機起動制御装置の構成と回路図の実施例１を示す図である。
図１の回路は、配電線からの事故遮断器、事故時に過電流や地絡電流により開極する事故遮断器があって、その後流に本発明の誘導機起動制御装置がある。本起動制御装置は、単相の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳスイッチ）が３相の各相にそれぞれ接続されており、かつ、ＭＥＲＳコンデンサのプラス側の相互に結ぶ接点スイッチＳｐ１，Ｓｐ２が、ＭＥＲＳコンデンサのマイナス側の相互に結ぶ接点スイッチＳｎ１，Ｓｎ２があって、この４つの接点は一括してオン、オフされる。
さらに、３相交流１の入力Ａ，Ｂ，Ｃ相と誘導電動機２の入力ａ，ｂ，ｃの三相とを接続する接点スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃ、６がある。この３つの接点は一括して、オン、オフされる。

図２は本発明の誘導機起動制御装置がインバータ駆動時の接点スイッチを示す。接点スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃは開極状態で、Ｓｐ１，Ｓｐ２とＳｎ１，Ｓｎ２は閉極状態である。この構成を書き換えると、図２の下の回路図のように書き換えることが出来る。これは、従来の三相入力のインバータ・コンバータ構成であることがわかる。図２に構成を変えて示した回路図も併せて示す。この制御は誘導電動機が起動に必要なトルクを発生する電流を供給して、低い回転スピードから、定格回転スピード近くまで加速する。起動時のみのインバータ運転とすれば、半導体スイッチの冷却装置が簡便になるし、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）半導体スイッチであれば、高温特性がよいので冷却装置がさらに軽便になって、小型化が可能である。

図３は、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃは開極状態、Ｓｐ１，Ｓｐ２とＳｎ１，Ｓｎ２も開極状態である。これは、単相ＭＥＲＳが各相にある状態である。この回路では、先行特許文献１の構成になるが、ここではさらにインバータ構成から接点スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃによる短絡に至る動作を説明する。
１：図２のインバータ起動で定格回転数近くになるとインバータの全てのゲートをオフにしてインバータ運転が停止される。
２：するとコンデンサの充放電電流が停止するので、Ｓｐ１，Ｓｐ２とＳｎ１，Ｓｎ２は無電流状態で開極される。
３：、Ｓｐ１，Ｓｐ２とＳｎ１，Ｓｎ２がオフされると図３の状態になって、コンデンサには交流のピーク電圧が充電されている状態である。ここで半導体スイッチのプラス側、またはマイナス側のどちらか一方をゲートオンすると交流電流を半導体スイッチがバイパスする状態になるので、接点スイッチ、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを無アークにて開極、閉極することが出来る。

図４は三相交流電源から誘導電動機が交流開閉器で、直接接続された状態である。図４のように接点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃが閉極していれば、インバータのゲート制御回路はゲート停止状態にして、インバータ制御回路は消費電力をゼロにすることができ、半導体損失はまったくない状態である。

誘導電動機の運転を停止するには、接点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを開極すればよいが、遮断時のアーク電流で接点の消耗があるので、これを防ぐために、いったん、半導体スイッチを、上アーム、または下アームのどちらかの２つのゲートをオンした状態で接点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを開極すればアーク無しで無電流にて開極する。これは先行特許文献２のハイブリッド開閉器で開示されている。
本発明の起動制御装置によって誘導電動機の起動停止を、接点の消耗を考えることなく多頻度な起動・停止運用が可能になる。

図５に示すようにプラス側のアームにあるペアの半導体スイッチにゲートオンで電流双方にバイパス回路を用意しておいて、その後、開極、または閉極すれば接点は、先行特許文献２に開示されているが、無アークで開閉する。接点が開極、閉極が終わった後、半導体スイッチのゲートをオフする。

負荷が過負荷になった場合にこの回路に移行して対処可能である。ＭＥＲＳの回路にするには、接点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを開極するが、先行特許文献２の方法を使って無アークで開極してその後、ＭＥＲＳの構成になる。図７のＭＥＲＳ構成になれば、各相の電圧位相に同期してゲート制御して、誘導電動機に進相電流で駆動すれば、電圧が上昇、誘導機の電流が増加してトルクが増す。例えば、石炭を粉砕するプラントでは石炭に岩石が混入する可能性がある。岩石を噛んで過負荷になって停止する。この時、過負荷時の過渡的トルク発生を誘導機の入力電圧をＭＥＲＳ機能で増やすことでできる。

図６は統括制御システム構成の例を示すが同一系統で複数の誘導電動機の運転中に、近接する他需要家の起動突入電流などで系統電圧が低下した場合、系統に送電線のリアクタンスが大きくて電圧が低下した場合、誘導機の電圧が低下して必要なトルクを負荷に供給できなくなるが、その電圧低下を進相運転の機能で電圧上昇させることが統括制御装置によって可能にすることができる。

請求項６は、また図６で本発明の応用を示すが多数の誘導機群がある産業プラント、工事プラントにおいて、電力契約量を越える状況が予想される場合、先行特許文献３にあるが、通信系統を使ってプラント内の電力安定化、電圧安定化を、本発明の誘導電動機起動装置の制御装置を機動的にオンオフして、契約量の範囲内、電圧変動内で運転継続する。
フライホイール付の誘導機、またはフライホイール効果の大きな負荷を持つ誘導電動機は、電力系統の送電線の落雷事故回避のために「高速度再閉路方式」により瞬低が発生した場合、誘導機が短時間発電して電圧低下を防ぐことができる。

小規模プラントでも本発明により排水ポンプ、揚水ポンプの誘導電動機を容易に起動・停止することができるので、起動順を考慮したり、時分割運転によって電圧安定化、省エネ運転になる。
このように誘導電動機を多数持つプラント、分散電源では本発明の起動制御装置と統括制御装置によって電力のさらなる有効利用が可能になる。

１ 三相交流電源
２ 誘導電動機
３ 半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
４ 直流開閉器
５ コンデンサ
６ 交流開閉器
７ コントローラ

Claims (6)

1. 図１
   三相交流電源と誘導電動機との間に接続される制御装置であって、該制御装置は、逆導通半導体スイッチ４つをブリッジ構成にし、直流端子にコンデンサを接続した磁気エネルギー回生双方向電流スイッチとなし、これを各相に備えて接続されて、ゲート制御によって電流位相を進ませる動作するが、起動時は前記コンデンサのプラス側を各相相互に接続する接点スイッチＳｐ１，Ｓｐ２が有って、また同様にマイナス側を相互に接続する接点スイッチＳｎ１，Ｓｎ２が有って、これら接点スイッチをオンすることで、三相可逆インバータの構成になって、前記誘導電動機を起動する誘導電動機制御装置とその制御法。
2. 前記誘導電動機制御装置は、
   三相交流電源と前記誘導電動機を接続する交流スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃがあって、これらをオンすることで、前記三相交流電源と前記誘導電動機を直結接続する請求項１に記載の誘導電動機制御装置。
3. 前記誘導電動機制御装置は、
   起動時三相可逆インバータ構成になって、前記誘導電動機を必要な起動トルクを発生して、定格回転速度付近まで加速して、そこでインバータの全てのゲート遮断した後に交流スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃを閉極して、三相交流での運転を継続する請求項１及び２に記載の誘導電動機制御装置。
4. 前記誘導電動機制御装置は、
   交流スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃを閉極、開極する際に、前記各相の磁気エネルギー回生スイッチのプラス側、もしくは、マイナスのどちらか一方の２つの半導体スイッチをゲートオン状態にして、双方向の電流をバイパス状態にしてから閉極・開極するように制御するためのコントローラを特徴とする請求項１及び２に記載の誘導電動機制御装置。
5. 前記誘導電動機制御装置は、
   インバータ構成の運転、磁気エネルギー回生スイッチの運転、三相交流の周波数での直運転を選択、そこへ移行をシーケンス制御するコントローラがあって、起動、運転、運転停止を、外部からの通信系を介して行なうコントローラがあることを特徴とする請求項１及び２に記載の誘導電動機制御装置。
6. 前記誘導電動機制御装置は、
   起動、運転、進相運転、運転停止を通信系を介して行なうコントローラの上位にある誘導電動機群のシステム統括制御装置の指令によって行うことを特徴とする請求項１及び２に記載の誘導電動機制御装置。