JP3799017B2 - ３相モータ始動手順の改良式制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、3相モータの始動手順を制御するための改良された方法及び装置に関する。本発明は、接触器補機を用いた適応タイミングによる始動器接触器の直接的な制御を含む。より具体的には、転換補機及び短絡補機は、短絡接触器を機構的にドロップアウトし、且つ実行接触器を引込むように各々設けられている。

今日、電気機械式モータ始動器には多くの種類が存在する。モータ始動器は、モータをその電圧降下状態から最高速度に加速するのに用いられる。用いられる始動器の種類は、所望する始動の種類と所望する特性と制御配線とに依存する。

ワイ・デルタ（wye delta）始動器は、モータを段階的に加速するように構成された4つの接触器を含んでいる。第1ステップでは、電圧降下状態のモータをワイ（星状）構成に構成する。このワイ構成では、モータの各相に渡って減電圧が適用される。これによって、各モータ相に渡って全電圧が適用された場合よりも、より緩やかな始動が可能になる。ワイ構成では、各相に渡る電圧は、3の平方根で除算された線間電圧である。各相に渡ってより小さい電圧が適用されるので、低トルクが発生し、低電流が引出される。モータがワイ・デルタ構成においてその最大値に加速されると、モータの各相に渡って全線間電圧が適用されるように、ワイ・デルタ始動器はモータ相を再構成する。各相上で、全線間電圧になっている構成では、モータは最高速度への加速を終了する。ワイ構成からデルタ構成に転換する際に、ワイからデルタへの転換を容易にするべく、始動器スイッチがパワー抵抗に切換えられる。

第2番目の種類の始動器は、アクロス・ザ・ライン始動器（across the line starter）である。アクロス・ザ・ライン始動器は、電圧印加されるとモータの各相に渡って全線間電圧が適用される単一接触器で構成されている。全線間電圧が適用されると、モータはその最高速度に加速する。

第3番目の種類の始動器は、一次反応器／抵抗器の始動器である。一次反応器／抵抗器の始動器は、モータを2ステップで加速するように2つの接触器で構成されている。第1ステップでは、電圧降下状態のモータが、線電圧及びモータ相の間に一連の反応器若しくは抵抗器を備えた構成になっている。この構成では、直列の反応器若しくは抵抗器が、そこに渡る電圧降下を生じ、それゆえに、減電圧がモータに到達することが可能となる。この減電圧によって、モータが減少トルク及び減少電流で加速される。この構成でモータが完全に加速されると、反応器若しくは抵抗器が短絡してモータ相に全線間電圧が適用され得るように、接触器が再構成される。次にモータが最高速度に加速される。

第4番目の種類の始動器は、自動変圧器の始動器である。自動変圧器の始動器は、モータを2ステップで加速させるように構成された3つの接触器から成っている。第1ステップは、変圧器を線電圧及びモータ相の間に配置することによって、電圧降下状態のモータが減電圧モードに構成される。この構成では、モータが減少トルク及び減少電流で加速されるように、変圧器によって生じた減電圧によりモータが加速される。この構成でモータがその最高速度に到達すると、変圧器が効果的に回路から取外されてモータ相への全線間電圧の適用が可能になるように、接触器が再構成される。モータ相に全線間電圧が適用されることで、モータは最高速度に加速される。

前述された始動器の目標は、電圧降下状態のモータを最高速度に加速することである。所望する始動自体の特性に応じて、個々のアプリケーションに種々の始動器が適用される。これらの特性には、低電流引込み若しくは高トルクの高速加速の始動を含む。今日、たいていの始動器は、接触器及びそれらの補機を用いて始動手順のほとんどを行っている。制御モジュールによって、例えば、ワイ・デルタ始動器等の始動手順が開始されてもよく、更に、モータが減電圧モードで加速された後に、このモジュールによって全電圧モードへの転換が開始される。この例におけるワイからデルタへのモータの手順の実際の制御は、単に接触器の補機だけによって制御される。これを達成するために、補機及び接触器の間には大量の制御配線が存在している。この大量の配線によって、製造及びトラブルシューティングに関して制御回路図の複雑性が増し、機能的な融通性がほとんどなくなってしまう。そのような方法は、American Standard Inc.社の一部門であるTrane Company社から、UCPコントローラの一部として市販されている第1世代モータ始動器で用いられた。更に、補機が転換手順を制御するので、それらのタイミング及び構成が重要である。これらの補機は、調整が崩れる若しくは全体が故障するという障害の問題が知られている。一度障害が発生すると、全体の開始手順をエミュレートして、次に、問題をみつけるためにモニタする必要があるため、問題のトラブルシューティングは困難である。接触器のいくつかは、2以上の補機で制御されているため、始動器を完全出力にして種々の点をモニタしながら、モータを何回も始動させる試みを行うだけによって、トラブルシューティングが行われる。完全出力の始動器のトラブルシューティングは非常に危険である。

過去において、接触器の制御を向上させる試みには、始動器モジュール・マイクロ・コントローラによる接触器の直接制御を組込むことが含まれた。これによって、より単純化された配線と、製造及びトラブルシューティングの面における利点が得られるが、性能が損なわれてしまう。補機に手順の制御を行わせるこの独自の方法の利点は、始動器の大きさが接触器のタイミングに反映され、最も効果的な手順が可能になることである。直接制御方法を用いるときには、大きくて緩徐な接触器等の悪い状況でのタイミングを許容する必要があった。これによって、大部分の始動器は、不適切なタイミングとなり、且つ最適な始動特性を下回ってしまう。この方法は、American Standard Inc.社の一部門であるTrane Company社から、市販されている第2世代モータ始動器で、UCP2コントローラ・パッケージの一部として用いられた。

本発明の目的、特性、及び利点は、従来の始動器での問題を解決することである。

本発明の目的、特性、及び利点は、従来の補助制御始動手順の利点と、直接接触器制御方法とを結び付けて、モータの始動及び加速の改良された方法を得ることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータに対する始動器の制御配線を単純化することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、接触器及び補機の直接制御を可能にすることによって配線を最小化し、それにより始動器の製造組立を単純化することである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータ始動手順のトラブルシューティングを容易にすることである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、制御配線の回路図の追従及びトラブルシューティングが容易になるように、単純化された配線を提供することである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータ始動手順におけるトラブルシューティングをサポートすることである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、各接触器を個々に作動可能にして、迅速に問題領域を特定できるように、マイクロ・コントローラが確実に各接触器の直接制御を有することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、モータを始動させることなく、且つパネル内の線電圧なしにこのことが達成できるようにして、より安全なトラブルシューティング環境を作ることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、製造試験モードをサポートすることである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、配線が適切であることを検証するべく製造者が容易に試験することが可能となるように、始動手順において接触器の直接制御を提供することである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータ始動器内の補機への依存性を最小化することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、回路において使用可能にする必要がある部分だけが使用可能にされるように、マイクロ・コントローラが始動手順を管理することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、特別に配列された補機が不要であり、且つ多くても1つの補機が1つの接触器を制御し、それにより補機の故障が容易に発見及び特定されることである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、モータ始動手順において接触器の試験モードをサポートすることである。本発明の別の目的、特性、及び利点は、複数の接触器の直接制御を備えたマイクロ・コントローラを提供し、それらの状態を試験することを可能にして、それにより確実に接触器が、始動を開始する前に、始動手順の際に、且つ実行モードへと適切に機能するようになることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、始動モータ手順に対してプログラム可能な始動器を提供することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、種々の始動器に対してマイクロ・コントローラの制御手順タイミングを調整して性能を最適化し得るように、個々の始動器に対して始動器モジュールをプログラムし得ることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータ始動手順のスマートな始動を提供することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、始動手順の進行の際に、始動がどのように進行しているかモニタ可能であるように、マイクロ・コントローラによって接触器が直接制御されることである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、必要に応じて始動を終了し得ることと、問題領域の詳細な特定により、問題を正確に突き止めることが可能な診断（diagnostic）を要求することとによって、問題の検出が向上されることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータ始動手順においてモータ接触器補機を最小化することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、ワイ・デルタ始動器が従来必要とする7つの補機を減少し、4つのみの補機を用いる始動器配置にすることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、モータ始動手順において転換抵抗器の大きさを最適化することである。本発明の更なる目的、特性、及び利点は、転換抵抗器によって従来の設計よりも低エネルギー定格の輸送が可能となるように、確実に転換手順が可能な限り急速に生じるようにすることである。

本発明の目的、特性、及び利点は、接触器の実際の大きさによって、始動手順によるモータの最高速度への電圧印加がどのくらい迅速に行われるか決定されるモータ始動手順が提供される。

本発明は、配線接続されたモータ始動手順の性状と、概ね全てが電気的に制御されたモータ始動手順の性状とを結び付ける構成コントローラを提供する。

本発明は、更に、モータ；モータと機能的に関連付けられている始動接触器、実行接触器、短絡接触器、及び転換接触器；及び実行補助接触器、始動補助接触子、短絡補助接触器及び転換補助接触器を有するモータ始動器を提供する。転換補助接触器によって短絡接触器の動作が機能的に制御され、且つ短絡補助接触器によって実行接触器の動作が機能的に制御される。

本発明は、更に、モータの始動方法を提供する。この方法には、転換接触器を開くステップ；転換接触器に応答して、転換補機による短絡接触器のドロップを生じさせるステップ；及び短絡接触器に応答して、短絡補機による実行接触器の引込みを生じさせるステップを含んでいる。

本発明は、更に、モータ始動手順を用いたモータの始動方法を提供する。この方法は、始動接触器を開くステップ；短絡接触器を閉じるステップ；始動接触器を閉じるステップ；所定の値に到達するまで電流をモニタするステップ；所定の値に達している転換接触器を閉じるステップ；実行リレーを閉じるステップ；転換補機を開くステップ；短絡接触器を降下させるステップ；短絡補機を閉じるステップ；実行接触器を閉じるステップ；及び転換接触器を開くステップを有する。

本発明は、更に、3相モータに対するモータ始動器を提供する。このモータ始動器は、コントローラ；3相モータ；モータに機能的に接続され、且つモータを実行モードの動作に機能的に設定可能である実行接触器；モータに機能的に接続され、且つモータを始動モードの動作に機能的に設定可能である始動接触器；モータに機能的に接続され、且つ始動モード動作を実行モード動作に機能的に転換可能である転換接触器；モータに機能的に接続され、且つブランク接触器（blank contactor）を機能的に短絡可能である短絡接触器；及び転換接触器に物理的にリンクされ、且つ短絡接触器の操作可能な状態を制御するように短絡接触器に機能的に関連付けられた転換補助接触子を有する。

従来の始動器の例として、本発明の譲渡人に譲渡されたMurryへの米国特許第5,563,489号及びEarhart Jr.他への米国特許第5,883,486号があり、言及を以って前記文献を本明細書の一部とする。

図１は、本発明による電気機械式始動器の配置１０を示している。この電気機械式始動器は１０は、マイクロ・コントローラ１２、インタフェース・リレー１４、キー・モータ接触器補助接触子１６、モータ接触器１８、及びモータ自体２０を含む。マイクロ・コントローラ１２は、直接、インタフェース・リレー１４にコマンドを提供する。インタフェース・リレーは、キー・モータ接触器補助接触子１６にコマンドを提供し、且つ直接的及び間接的の両方でモータ接触子１８にコマンドを提供する。モータ接触器１８は、モータ２０を制御する。

本発明によって、始動器用接触器の直接制御の利点と、始動手順の所定部分を進めていくのにキー接触器用補機を用いることにより得られる適応タイミングの利点とが結び付けられる。

図１に示されるように、始動器配置１０は、4つの主要な構成要素：マイクロ・コントローラ１２、インタフェース・リレー１４、モータ接触器補機１６、及びモータ接触器１８を含んでいる。マイクロ・コントローラ１２からの制御ライン２２が、インタフェース１４を駆動する。インタフェース１４は、キー・モータ接触器補機１６と共にモータ接触器１８を駆動する。インタフェース・リレー１４は、マイクロ・コントローラ１２の出力に対してモータ接触器１８を駆動させるための手段を提供する。

図２は、ワイ・デルタ始動器に関する本発明の配線回路図を示す好適実施例である。ワイ・デルタ始動器が最も多くの接触器を用いるので、ワイ・デルタ始動器が図示されているが、本発明は、全ての電気機械式始動器に適用可能であることが意図されている。回路図３０には、モータ接触器１８が始動接触器３２、実行接触器３４、短絡接触器３６、及び転換接触器３８を含んでいるのが図示されている。更に、回路図には、キー・モータ接触器補助接触子１６が、始動補助接触子４２、実行補助接触子４４、短絡補助接触子４６、及び転換補助接触子４８を含んでいるのが図示されている。転換補助接触子４８が転換接触器３８によって作動されるように、転換接触子３８が転換補助接触子４８に物理的にリンクされている。短絡補助接触子４６が短絡接触器３６の動作に従うように、短絡接触器３６が短絡補助接触子４６に物理的にリンクされている。実行補助接触子４４が実行接触器３４の動作に従うように、実行接触器３４が実行補助接触子４４にリンクされている。最後に、始動補助接触子４２が始動接触器３２の動作に従うように、始動接触器３２が始動補助接触子４２に物理的にリンクされている。これらリンクは、ライン４０によって図示されている。ここでの適用では、補助接触器と主接触器との間が物理的なリンクに関するものであるが、機械的、電気的、電気機械的、光ファイバによるもの、及びその他の従来のリンク全てによっても事足りることを、当業者は理解するであろう。この適用目的に関して、用語「リンク」はそのような変形実施例を全て包含している。

始動補助接触子及び実行補助接触子４２、４４は従来の始動器で用いられていたが、転換補助接触子及び短絡補助接触子４６、４８は新規である。これらのキー補助接触子４６、４８を用いることで、転換出力抵抗器を挿入することによって、ワイからデルタへの転換をこの大きさの始動器に関して可能な限り高速に行うことが可能になる。

これは、従来ステージの接触器の補助接触子が次の接触器を順々に駆動させていくことにより達成される。具体的には、転換接触器３８の補助転換接触子４８によって短絡接触器３８が電圧降下され、モータ２０がデルタ・モードに配置される。これによって、次に、短絡接触器３６の補助短絡接触器４６による実行接触器３４への電圧印加が可能になる。

図３は、本発明によるワイ・デルタ始動器のタイミング手順を示しており、一方、図４は、そのような始動の実際のタイミングを規定する表を含んでいる。そのタイミングは一組の構成要素に基づいており、当業者は、その構成要素を変更することによりそのタイミングが変更されることを理解するであろう。

ワイ・デルタ始動の手順は、以下のようになっている。

始動前に、電流が存在しないことを検証するべく、停止及び起動インタフェース・リレー５０、５２への電圧印加によって、始動器接触器３２が閉じられる。このステップは、特定の接触器がそれぞれ適切な状態になっていることを検証するための始動前試験の一部である（C、D）。

次に、電流が存在しないことを検証するために、始動接触器３２を開いて、短絡接触器３６を閉じる（E、F）。

次にモータ相がワイ・モードに構成されて、モータ２０が加速されるように、始動接触器３２が再度閉じられる。この間、適切な状態が確保されるように、実行補助接触子４４がモニタされる。そうなっていない場合には、診断が要求され、始動が終了される（G）。

電流の大きさが所定の値（好適にはRLAの85%）未満に落ちると、モータ２０がワイ・モードにおける加速が完了したものとして判定される（H）。

従って、転換接触器３８が閉じられ、転換抵抗器が回路中にもたらされる。同時に、実行接触器回路３４に電力を供給するように、マイクロ・コントローラ１２によって実行インタフェース・リレー５４が閉じられる。しかしながら、短絡補助接触子４６が開いているので、実行接触器２４は引込みを行わない。転換接触子３８の引込みにより、転換補助接触子４８が開けられる。転換補機４８が開くことによって、短絡接触器３６のドロップアウトが生じる。転換抵抗器は、次に、モータ相と直列になる。短絡接触器３６がドロップアウトにより、短絡補助接触子４６が閉じられる。短絡補助接触子４６を閉じることによって、実行接触器３４が引込みが行われる。実行接触器３４によって転換抵抗器が短絡され、それらが最小時間で効率的に取外される。転換の完了によって、転換接触器３８は電圧降下される。次に、マイクロ・コントローラ１２によって、実行補助接触器４４が、その時に及び残りの実行の間ずっと、適切な閉じた状態になっていることの検証がなされる（J、K、L）。

本発明は、ワイ・デルタ始動器に対する固有の始動器手順に関して説明されてきた。しかしながら、当業者は、本発明の手順、方法、及び装置が全ての電気機械式始動器に適用可能であることを理解するであろうし、且つ多くの修正実施例及び代替実施例が容易に明らかとなることを理解するであろう。構成要素の構成及びその結果によるタイミング等と同様に、用いられている始動器の種類を変更することが可能である。そのような修正実施例及び代替実施例は全て、本発明の請求項の精神及び範疇の範囲内にあることが意図されている。

図１は、本発明によるモータ始動器のブロック図である。 図２は、図１のモータ始動器の始動器及び補助接触器の一般化された図である。 図３は、本発明によるワイ・デルタ始動のタイミング手順グラフである。 図４は、図３のグラフの実際のタイミングが規定された表である。

Claims (19)

1. モータ始動器であって、
   モータと、
   前記モータに機能的に関連付けられた始動接触器、運転接触器、短絡接触器、及び転換接触器と、
   運転補助接触器、始動補助接触器、短絡補助接触器、及び転換補助接触器と、
   前記始動接触器、運転接触器、短絡接触器、及び転換接触器に機能的に接続され、且つ前記始動接触器、運転接触器、短絡接触器、及び転換接触器を制御するコントローラと、
   前記コントローラと前記コントローラに接続された各接触器との間に機能的に相互接続され、且つ前記マイクロ・コントローラのコマンドに対応して前記接触器の配置を制御するインタフェース・リレーとを有し、
   前記転換補助接触器が短絡接触器の動作を機能的に制御し、且つ前記短絡補助接触器が前記運転接触器の動作を機能的に制御することを特徴とするモータ始動器。
2. 前記運転補助接触器が前記運転接触器と機能的に通信を行い、
   前記始動補助接触器が前記始動接触器と機能的に通信を行い、
   前記短絡補助接触器が前記短絡接触器と機能的に通信を行い、
   前記転換補助接触器が前記転換接触器と機能的に通信を行うことを特徴とする請求項１に記載のモータ始動器。
3. 前記短絡接触器及び補助接触器の物理的な特性によって、前記モータ始動器のタイミングが決定されることを特徴とする請求項２に記載のモータ始動器。
4. 前記コントローラがプログラム可能であることを特徴とする請求項３に記載のモータ始動器。
5. 補助接触器が4つしか用いられていないことを特徴とする請求項４に記載のモータ始動器。
6. モータを始動する方法であって、
   転換接触器を開くステップと、
   前記転換接触器に対応して、転換補助接触器による短絡接触器の降下を生じさせるステップと、
   前記短絡接触器に対応して、短絡補助接触器による運転接触器の引込みを生じさせるステップとを有することを特徴とする方法。
7. 前記転換補助接触器及び短絡補助接触器は、前記各下降の前記タイミングを制御するように大きさが決定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 更に、前記接触器のタイミングが前記モータ始動器の大きさに適合されるように、前記補助接触器の大きさを決定するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 更に、前記接触器に機能的に接続されたコントローラを含み、
   更に、始動手順が進行する際に、前記始動の各ステップをモニタするステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 更に、前記始動において問題が検出された場合に、前記始動を終了するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 始動手順における前ステージの前記補助接触器によって、次ステージの接触器が駆動されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 一ステージの前記補助転換接触器によって、次ステージの前記短絡接触器が電圧降下され、
    モータを運転モードに設定するように、当該次ステージの前記補助短絡接触器によって、続くステージの前記運転接触器が次に電圧印加されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. モータ始動手順を用いてモータを始動する方法であって、
    始動接触器を閉じるステップと、
    前記始動接触器を開くステップと、
    短絡接触器を閉じるステップと、
    始動接触器を閉じるステップと、
    それが所定の値に到達するまで電流をモニタするステップと、
    前記所定の値に到達している転換接触器を閉じるステップと、
    運転リレーを閉じるステップと、
    転換補助接触器を開くステップと、
    短絡接触器を降下させるステップと、
    短絡補助接触器を閉じるステップと、
    運転接触器を閉じるステップと、
    転換接触器を開くステップとを有することを特徴とする方法。
14. 前記転換補助接触器によって前記短絡接触器の前記動作が制御されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記短絡補助接触器によって前記運転接触器の前記動作が制御されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記方法が、リストされた順に従うことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 3相モータに対するモータ始動器であって、
    コントローラと、
    3相モータと、
    前記モータに機能的に接続され、且つ前記モータを運転モードの動作に機能的に設定可能である運転接触器と、
    前記モータに機能的に接続され、且つ前記モータを始動モードの動作に機能的に設定可能である始動接触器と、
    前記モータに機能的に接続され、且つ前記始動モードの動作を前記運転モードの動作に機能的に転換可能である転換接触器と、
    前記モータに機能的に接続され、且つ前記ブランク接触器を機能的に短絡可能である短絡接触器と、
    前記短絡接触器の前記操作可能な状態を制御するように、前記短絡接触器に機能的に関連付けられ、且つ前記転換接触器に物理的にリンクされた転換補助接触子とを有することを特徴とするモータ始動器。
18. 更に、前記運転接触器の前記操作可能な状態を制御するように、前記運転接触器に機能的に関連付けられ、且つ前記短絡接触器に物理的に接続された短絡補助接触子を含むことを特徴とする請求項１７に記載のモータ始動器。
19. 更に、
    前記コントローラからのコマンドに応答して前記転換接触器の前記操作可能な状態を制御するように、前記コントローラを前記転換接触器と相互接続する転換リレーと、
    前記マイクロ・コントローラ及び前記短絡接触器に機能的に関連付けられ、且つ前記コントローラからのコマンドに応答して前記短絡接触器の前記操作可能な状態を機能的に制御することが可能である短絡リレーと、
    前記コントローラ及び前記運転接触器に機能的に関連付けられ、且つ前記コントローラからのコマンドに応答して前記運転接触器の状態を機能的に制御することが可能である運転リレーと、
    前記コントローラからのコマンドに応答して前記始動接触器の前記操作可能な状態を制御するように、前記コントローラ及び前記始動接触器に機能的に関連付けられた始動リレーを含むことを特徴とする請求項１８に記載のモータ始動器。
    

Images