JP3998395B2 - ２線式ソフトスタート回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機等の起動を緩やかに行うソフトスタート回路に係り、特に電動機と３相交流商用電源との間に２個のトライアックを挿入して、この点弧角を制御することにより電動機の回転速度を緩やかに立ち上げる２線式ソフトスタート回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３相商用交流電源と３相誘導電動機等との間にトライアックを挿入してこの点弧角を制御することで緩やかに電動機の起動を行うソフトスタート回路が従来から広く用いられている。係るソフトスタート回路では商用交流電源のＲ、Ｓ、Ｔの各相にそれぞれトライアックを挿入することが一般的であるが、この場合には３回線分のトライアックが必要である。
しかしながら、３回線分のトライアックは必ずしも必要ではなく、例えばＲ相、Ｔ相のみに２個のトライアックを接続して制御することによってもソフトスタート回路を構成することができる。これにより、トライアックの数が２回線分のみで済むことになり、１回線分だけ節減することができる。
【０００３】
係るソフトスタート回路では、電動機を起動するときに、徐々にトライアックの点弧角を拡大することにより電圧を上昇させ、負荷の電動機側に大きな突入電流が流れないようにしている。上述した３回線分のうち２回線分にのみトライアックを挿入した場合に、このトライアックの点弧角を同様に制御していくと、３相間の線間電圧が極端に不釣り合いになるため、起動時に負荷側の各相に与える影響が異なったものとなってしまう。このため、電動機の起動時に定格電流以上の過渡電流が流れ、電動機の緩やかな起動に問題が生じる場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、３回線のうち２回線にのみトライアックを挿入した２線式ソフトスタート回路において、各相間の不平衡電流の発生を抑制して安定な起動が行えるようにした２線式ソフトスタート回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の２線式ソフトスタート回路は、３相電源と該電源により電力の供給を受ける電動機との間に挿入されるソフトスタート回路であり、３相のうちの２相にトライアックを挿入し、前記２相のトライアックの点弧角がずれを生じるようにゲートトリガ信号を制御する演算装置を備え、線間電圧の不平衡量を低減しつつ前記電動機を緩やかに起動することを特徴とするものである。
【０００６】
本発明によれば、上述した３相のうち２相にトライアックを挿入し、そのトライアックの点弧角を不平衡電圧を減少するように、点弧角が２相間で相互にずれを生じるように制御するようにしたものである。そして、このように不平衡電圧を低減することで、電動機の起動時の突入電流の発生を防止することができ、トライアックの数を３相回線で２相分にのみ低減したのにもかかわらず、電動機の安定な起動を行うことが出来る。
【０００７】
また、本発明は、前記点弧角の制御は、前記３相の各線の線間電圧のゼロクロス点を前記演算装置で検出し、これに基づいて行うことを特徴とするものである。
これにより、演算装置では各相の線間電圧のゼロクロス点を基準として、各相の点弧角の制御角を容易に設定することが出来る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態の２線式ソフトスタート回路の概略構成を示す。３相商用交流電源のＲ、Ｓ、Ｔの各相は、それぞれ負荷である電動機１１のＵ、Ｖ、Ｗの各相にそれぞれ線路１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗにより接続されている。ここで負荷である電動機１１は、誘導電動機又は同期電動機等の商用交流電源を直接印加すると大きな突入電流が流れ、起動に支障をきたす電動機であることが好ましい。３相の線路１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗのうち、Ｕ相（１２Ｕ）とＷ相（１２Ｗ）にはそれぞれトライアックＴＲ１、ＴＲ２が挿入されている。
【００１１】
商用交流電源Ｒ、Ｓ、Ｔ相のうち、Ｒ相及びＳ相は、Ｒ相ゼロクロス検出回路１４に接続され、これによりＲＳ相間の線間電圧のゼロクロス点が検出される。同様にＳＴ相間の線間電圧は、Ｔ相ゼロクロス検出回路１５により検出され、これらのゼロクロス点が検出される。検出されたゼロクロス点の信号は演算装置１６に入力され、この信号に基づいてトライアックＴＲ１、ＴＲ２の点弧を制御する点弧開始角が算出される。そして算出結果の点弧開始角はＲ相点弧回路１７、Ｔ相点弧回路１８にそれぞれ送られ、それぞれトライアックＴＲ１、ＴＲ２にゲートトリガ信号として供給される。
【００１２】
トライアックは、二方向性三端子サイリスタであり、１個のゲートで主電極の双方向に対して電流制御の可能なサイリスタである。通常、トライアックはｎｐｎｐｎの五層構造よりなり、２個の三端子サイリスタを逆並列接続した構成である。そして、このゲート電極にトリガパルスを与えることで点弧状態となり、即ちサイリスタが導通状態となり、両電極間に印加される電圧がゼロとなることにより消弧する。即ち、各相の相電圧のゼロ点を通ることで非導通状態となり、トリガパルスが与えられるとこれにより導通状態となり、相電圧が再びゼロとなる位相角１８０°において自動的に消弧する（非導通状態となる）。このため、相電圧の位相角が０〜１８０°の間に点弧開始角を選択することにより、その点弧開始角（トリガパルスを与える位相角）からサイリスタが導通状態となり、電源電圧波形がそのまま負荷電動機側に供給される。そして、点弧開始角以前はサイリスタが不導通状態であるので、電源電圧は負荷電動機側に供給されない。
【００１３】
従って、このソフトスタート回路はゼロクロス検出回路１４、１５により検出されたゼロクロス点に基づいて、演算装置１６でトライアックＴＲ１，ＴＲ２に供給するゲートトリガ信号により導通している位相角（点弧角）を、はじめは小さく、徐々に大きくして最終的にはフル点弧するように制御していく。即ち、点弧開始角が１８０゜の場合には、消弧が１８０°であるため、点弧角（導通状態の位相角）がゼロであるため、トライアックＴＲ１、ＴＲ２に電流が流れないので、負荷である電動機１１には電源電圧がまったく供給されない。このため電動機１１は停止状態である。
【００１４】
次に、点弧角（導通状態の位相角）が小さい状態では、その点弧角の間に商用交流電圧のＲ相及びＴ相の電圧がそのまま電動機１１のＵ相及びＷ相に供給される。このため、部分的に電源に導通した状態となり、等価的に低い電源が供給されたことになり電動機１１は回転を開始する。この状態では等価的な電源電圧が低いため突入電流も低く押さえられる。そして、点弧角が時間の経過とともに徐々に拡大して電動機１１に供給される等価的な電源電圧が大きくなり、電動機は徐々に回転速度を高めていく。そして、点弧開始角が０°、即ち、フル点弧（点弧角が１８０°）となった状態ではＲ、Ｓ、Ｔ相の電圧が直接、電動機Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各相に供給されることになり、電動機１１は定常状態で運転されることになる。
【００１５】
本発明の２線式ソフトスタート回路においては、Ｒ相側とＴ相側でのトライアックＴＲ１、ＴＲ２を導通状態とする点弧角は、時間の経過と共にゼロから上昇して１８０°（フル点弧）に至るが、両者は電圧上昇中にまったく同じ点弧角ではなく、立上がり中の同時刻に対応した点弧角にずれをもたせることを特徴としている。
【００１６】
図２は、Ｒ相及びＴ相の点弧角の制御パターン例を示す。
この図は黒丸一つが単位時間毎の点弧開始角に相当し、単位時間ごとに点弧角が完全消弧状態（点弧開始角が１８０゜）からフル点弧状態（点弧開始角が０゜）に推移していくことを示している。そして、点弧開始角が１８０゜から９０゜までの各単位時間においては、Ｒ相とＴ相とで同一の時刻に同一の点弧開始角で点弧していることを示し、点弧開始角が９０゜から０゜の間では、Ｒ相とＴ相の間で各単位時間の経過に対応した点弧開始角の間にずれがあることを示している。
【００１７】
即ち、Ｒ相のトライアックＴＲ１の点弧開始角は、時刻Ｔ０で１８０゜（消弧状態）、時刻Ｔ１で１５０゜、時刻Ｔ２で１２０゜、時刻Ｔ３で９０゜、時刻Ｔ４で９０゜、時刻Ｔ５で６０゜、時刻Ｔ６で６０゜、時刻Ｔ７で３０゜，時刻Ｔ８で０゜（フル点弧状態）となる。これに対してＴ相の点弧開始角は、時刻Ｔ０で１８０゜（消弧状態）、時刻Ｔ１で１５０゜、時刻Ｔ２で１２０゜、時刻Ｔ３で９０゜、時刻Ｔ４で６０゜、時刻Ｔ５で３０゜、時刻Ｔ６で０゜（フル点弧状態）、時刻Ｔ７及び時刻Ｔ８で同様に０゜（フル点弧状態）が継続する。
以上のように、時刻Ｔ０から時刻Ｔ３迄の間は、ＴＲ１とＴＲ２の点弧開始角は両者の間で一致しているが、時刻Ｔ４から時刻Ｔ７の間でＴＲ１とＴＲ２の点弧開始角には３０°または６０°のずれが存在している。
ここで、時刻Ｔ０からＴ９に至る電動機の立ち上がり時間は、例えば数秒から数分であり負荷となる電動機の容量及び起動特性に対応して、適宜設定される。また、単位時間は一定であり、時刻Ｔ０からＴ９に至る各時刻は等間隔に設定される。
【００１８】
図３はこのように点弧角にずれをもたせた場合の電動機に供給される線間電圧の波形を示す。図３は、上述の図２における時刻Ｔ４におけるＲ相の点弧開始角が９０゜、Ｔ相の点弧開始角が６０゜の場合を示している。（ａ）はＵＶ相間の線間電圧波形を示し、（ｂ）はＶＷ相間の線間電圧波形を示し、（ｃ）はＷＵ相間の線間電圧波形をそれぞれ示している。これに対して、図４はＲ相とＴ相で点弧開始角にずれがない場合を示している。すなわちＲ相及びＴ相のトライアックＴＲ１、ＴＲ２の点弧開始角がそれぞれ６０゜である場合を示している。（ａ）はそのときのＵＶ相間の線間電圧波形を示し、（ｂ）はＶＷ相間の線間電圧波形を示し、（ｃ）はＷＵ相間の線間電圧波形をそれぞれ示している。
【００１９】
次に点弧開始角に図３に示すようにずれがある場合と、図４に示すようにずれがない場合との各線間電圧の不平衡性について検討する。等価的な線間電圧を求めるために各線間電圧の積分値を用いて検討する。図３（ａ）のＵＶ相間の線間電圧の積分値は、次式により求められる。
【数１】

【００２０】
従って、ＵＶ相線間電圧積分値＝２５０√２＋５０√６、
同様に、ＶＷ相線間電圧積分値＝２００√２＋１００√６、
同様に、ＷＵ相間線間電圧積分値＝１５０√２＋５０√６
が得られる。
【００２１】
これらの線間電圧積分値の差を求めると
ＵＶ相線間電圧積分値−ＶＷ相線間電圧積分値＝５０（√６−√２）、
ＶＷ相線間電圧積分値−ＷＵ相線間電圧積分値＝５０（√２＋√６）、
ＷＵ相線間電圧積分値−ＵＶ相線間電圧積分値＝１００√２
である。
これらの差の合計を求めると、１００（√２＋√６）となる。
【００２２】
図４の各相間の線間電圧の積分値を計算すると、
ＵＶ相線間電圧積分値＝４００√２、
ＶＷ相線間電圧積分値＝２００√２＋１００√６、
ＷＵ相間線間電圧積分値＝４００√２−１００√６
が得られる。
【００２３】
これらの線間電圧積分値の差を求めると
ＵＶ相線間電圧積分値−ＶＷ相線間電圧積分値＝２００√２−１００√６、
ＶＷ相線間電圧積分値−ＷＵ相線間電圧積分値＝２００（√６−√２）、
ＷＵ相線間電圧積分値−ＵＶ相線間電圧積分値＝１００√６
である。
これらの差の合計を求めると、２００√６となる。
【００２４】
従って、図３における点弧開始角にずれをもうけた場合と、図４における点弧開始角にずれを設けない場合の等価線間電圧の不平衡量の合計を比較すると、
図３における不平衡量の合計１００（√２＋√６）
図４における不平衡量の合計２００√６
ここで、１００（√２＋√６）＜２００√６
となる。即ち、図３に示すようにＲ相の点弧開始角９０゜、Ｔ相の点弧開始角６０゜の方が、図４に示すＲ相の点弧開始角６０゜、Ｔ相の点弧開始角６０゜に対して、線間電圧の不平衡量の合計値の差が大きく、これにより点弧開始角にずれを設けることが効果的であることが判る。
【００２５】
尚、この計算例はＲ相の点弧開始角を９０゜Ｔ相の点弧開始角を６０゜とした場合を、それぞれの点弧開始角が６０゜と共通にした場合と比較したものであるが、その他の位相角についても同様の傾向があると考えられる。従って、特に点弧開始角が９０゜以下の点弧角が比較的大きい場合において、同時刻の点弧開始角にずれを持たせることが、等価的な線間電圧の不平衡量を低減することに有効と考えられる。これにより、負荷電動機を起動する際に、電圧不平衡量に起因する突入電流等を最小限に抑制し、安定な電動機の起動を行うことができる。
【００２６】
尚、上記実施形態においては、図２にＲ相とＴ相の点弧開始角のずれをもたせるパターンの１例について説明したが、このずれのパターンは１例を示したものであり他にも同様の線間電圧不平衡量の差を小さくするようなパターンが存在することは勿論である。また、この実施形態においてはＲ相とＴ相にトライアックを挿入する例について説明したが、Ｒ相とＳ相、又は、Ｓ相とＴ相にトライアックを挿入するようにしてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、トライアックを用いて点弧角を制御する２線式ソフトスタート回路において、同時刻における点弧開始角にずれをもたせて、点弧角を徐々に拡大するようにしたものである。これにより電動機に供給する３相線間電圧の不平衡量を減少し、安定した電動機の緩やかな立ち上がりが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】２線式ソフトスタート回路の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態のＲ相とＴ相の点弧開始角にずれをもたせた電圧上昇パターンを示す図である。
【図３】点弧開始角にずれをもたせた場合の線間電圧波形を示す図であり、（ａ）はＵＶ相間の線間電圧を示し、（ｂ）はＶＷ相間の線間電圧を示し、（ｃ）はＷＵ相間の線間電圧をそれぞれ示す。
【図４】点弧開始角にずれをもたせない場合の線間電圧波形を示す図であり、（ａ）はＵＶ相間の線間電圧を示し、（ｂ）はＶＷ相間の線間電圧を示し、（ｃ）はＷＵ相間の線間電圧をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１１ 電動機
１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗ 接続線路
１４、１５ ゼロクロス検出回路
１６ 演算装置
１７、１８ 点弧回路
ＴＲ１、ＴＲ２ トライアック
Ｒ、Ｓ、Ｔ ３相商用交流電源の相
Ｕ、Ｖ，Ｗ 負荷電動機の相

Claims (2)

1. ３相電源と該電源により電力の供給を受ける電動機との間に挿入されるソフトスタート回路であり、３相のうちの２相にトライアックを挿入し、前記２相のトライアックの点弧角がずれを生じるようにゲートトリガ信号を制御する演算装置を備え、
   前記点弧角の制御は、前記３相の各線の線間電圧のゼロクロス点を前記演算装置で検出し、これに基づいて行い、点弧角を点弧開始角が完全消弧状態の１８０°からフル点弧状態の０°まで徐々に拡大し、
   点弧開始角が完全消弧状態の１８０°から９０°においては、前記２相のトライアックは同一の時刻に同一の点弧開始角で点弧し、点弧開始角が９０°からフル点弧状態の０°の間では前記２相のトライアックの同一の時刻における点弧開始角をずらし、線間電圧の不平衡量を低減することを特徴とする２線式ソフトスタート回路。
2. 前記２相のトライアックは、点弧開始角が９０°からフル点弧状態の間では、点弧角の制御パターンにより、同一の時刻における点弧開始角をずらし、線間電圧の不平衡量を低減することを特徴とする請求項１記載の２線式ソフトスタート回路。

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