JPH0398480A - 直流電動機用始動器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は定速度直流電動機を抵抗始動法で始動するため
の直流電動機用始動器に関する。

（従来の技術） 従来、直流分巻及び複巻電動機等の定速度直流電動機を
始動する手段として抵抗始動法が一般に用いられている
。また、限流抵抗を制御回路によって自動的に電磁接触
器で順次短絡していくノツチ切替方式が広く用いられて
いる。

まずこのノッチ切替方式抵抗始動法について簡単に説明
する。

数１００ワット以上の直流電動機では、一般に電機子回
路抵抗が小さく、定格電源電圧を全電圧で電動機に印加
し始動すると過大な電流が流れ、熱的，機械的に電動機
が損傷する。このため、始動時に電機子に流れる始動電
流を限流抵抗によって制限している。電動機の回転数の
上昇に伴ない電機子逆起電力が増加し、電機子電流及び
電動機発生トルクは減少する。そのため、限流抵抗を部
分的に短絡し電機子に印加する電圧を増加する。

この動作を繰り返すことにより始動電流を制限しながら
電動機回転数を定格回転数まで上昇させる。

次に、従来例について構成および作用効果を第４図及び
第５図を参照しながら説明する。

第４図は従来の両直流電動機用始動器の回路を示してお
り、図中符号１は直流電動機、Ｓは始動信号接点、７２
−０〜７２−４は電磁接触器、Ｔ，〜Ｔ４は遅延タイマ
、Ｒ，〜Ｒ４は限流抵抗をそれぞれ示している。

第４図において、始動信号接点Ｓが閉路されると、電磁
接触器７２−Ｏの操作回路が励磁され投入される。この
時に電機子１に流れる電流を電動機１の始動時過負荷耐
量以内に制限するように限流抵抗Ｒ＋　，Ｒ２　，Ｒ３
，Ｒ４の直列抵抗値が選定されている。始動時の電機子
電流の制限値は通常定格の２倍程度であり、特別に始動
時間に制限がある場合には定格の４倍程度とするように
電動機の設計を行う場合がある。

直流電動機１の回転数の上昇に伴ない電機子逆起電力が
増加し、電機子電流及び電動機発生トルクは減少してゆ
く。しかしながら、電磁接触器７２−０の操作回路が励
磁されると同時に遅延用タイマＴ，が励磁され、第５図
に示すｔ１時間後に第４図に示す電磁接触器７２−１の
操作回路が励磁され、投入される。この結果、限流抵抗
Ｒ１が短絡され、電機子電流は限流抵抗Ｒ２，Ｒ，，Ｒ
４の直列抵抗値で制限される値まで急峻に上昇する。こ
の時に電機子に流れる電流を電動機の始動時間負荷耐量
以下に制限するように限流抵抗Ｒ２　，Ｒ３，Ｒ４の直
列抵抗値と遅延タイマＴ１の限時設定値が選定されてい
る。

以下、同様の動作によって第５図に示すような始動特性
が得られ、最終的に全ての限流抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ，，
Ｒ４が電磁接触器７２−１．７２−２．７２−３．７２
−４により短絡され、全電圧が電動機１に印加される。

以上は限流抵抗を４段階に短絡する４ノッチ切替方法の
例である。

（発明が解決しようとする課題） 発電用蒸気タービンの軸受強制給油ポンプ，水素ガス冷
却タービン発電機の軸密封油川ポンプ等の駆動用として
、交流電源の喪失時にも設備の保護を行うため、後備設
備として設置される非常用の直流電動機１は極力始動時
間が短いことが要求される。例えば蒸気タービンの非常
用軸受油ポンプ用電動機では１秒間以内の始動時間が要
求されるものである。このような電動機は始動時の過負
荷電流耐量を標準より大きく設計し、始動時の平均トル
クを大きくとれるように電動機１の設計上配慮する場合
があるが、経済的でない。

また、ノッチ切替によって電機子電流は鋸波状に変化す
るが、同一の電動機始動時過負荷耐量内で始動時間を極
力短縮する゛には電機子電流最大値に対１−で始動トル
クに寄与する始動時の電機子電流平均値を大きくとれば
よい。このためには、ノッチ切替時間の間隔を短縮し、
ノッチ段数を増加すればよいが、電子接触器の応動時間
からノッチ切替時間間隔の設定精度は３００ミリ秒程度
が最大であり、始動時間の短縮は限界となる。また、ノ
ッチ段数を増加すれば電磁接触器等の部品点数が増加し
、始動器自体が大形化する。

次に、電磁接触器で限流抵抗を短絡し、ノッチを切替え
る時に電機子電流が急峻に変動するため、急峻なトルク
変動を生じ回転機の軸系に機械的な負担を加える。また
、電機子電流の急峻な変動はブラシ接触部に整流火花を
生じさせる原因となり、最悪の場合には整流子面で直流
短絡に移行する可能性がある。

電源電圧の変動は始動特性に悪影響を与えるが、高めの
電源電圧で始動する場合始動電流が電動機の始動時過負
荷耐量を上廻り電動機を損傷する可能性がある。一方、
低めの電源電圧で始動する場合始動時の電機子電流平均
値が低めとなり、始動時平均トルクが減少し、所定の始
動時間を満足できない可能性がある。

従って、電動機の始動時過負荷耐量，始動器のノッチ切
替段数，切替時間及び限流抵抗値を選定する際には、電
源電圧の変動範囲を考慮して、電源電圧変動範囲の上限
電圧で始動した場合に始動電流が電動機始動時過負荷耐
量を越えることがなく、かつ、電源電圧変動範囲の下限
電圧で始動した場合に所定の始動時間を越えることがな
いように設計上の配慮が必要である。特に同一系統に複
数台の直流電動機が接続される直流電源系統では、複数
の直流電動機が一斉に始動するケースと１台が単独で始
動するケースとでは、蓄電池の電圧降下の影響により電
源電圧に２０％以上差異が生じる場合がある。このよう
に電動機の始動特性は電源電圧の変動範囲に影響される
課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、直
流電動機の始動時間を短縮すること、始動時のトルク変
動を抑制し回転機の軸系に与える機械的な負担を軽減す
ること、始動時の電動機の整流作用を良好な状態に保つ
こと、及び電源電圧変動が始動特性に与える影響を抑え
ることとができる機能を有する直流電動機用始動器を提
供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は直流電動機に接続された限流抵抗と、この限流
抵抗を短絡する半導体スイッチング素子と、この半導体
スイッチング素子を制御するための制御部とを具備した
ことを特徴とする。

（作　用） 限流抵抗値を半導体スイッチング素子のゲート制御によ
って制御する。電機子の端子電圧および電源電圧を検出
し、電動機の特性に合わせた始動電流包絡線に従い、始
動電流制御を行う。これによって、始動時のトクル平均
値を高くとれ、始動時間を短縮でき、ノッチ切替時のｄ
　ｉ　／　ｄ　ｔが小さくなり、電流電圧変動範囲内で
一定の始動特性が得られる。

（実施例） 本発明に係る直流電動機用始動器の一実施例を第１図か
ら第３図を参照しながら説明する。

第１図において、限流抵抗Ｒ，，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は直
列に接続されており、従来例と同様に電動機１の始動電
流を制限する目的で設けられている。半導体スイッチン
グ素子ＴＨＹ＋　，ＴＨＹ２，ＴＨＹ３　，ＴＨＹ４は
ゲート信号によりＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することがで
き、各々ＯＮ状態で限流抵抗Ｒ＋　，Ｒ２　，Ｒ３　，
Ｒ４を短絡するように構成されている。

制御部２は電源電圧検出器３と電機子端子電圧検出器６
と始動電流包絡線設定器４と外部抵抗設定器５と演算処
理部７と、リレー出力部８と、ゲート制御部９から構成
されている。

限流抵抗Ｒ１，Ｒ２　，Ｒ３，Ｒ４は半導体スイッチン
グ素子ＴＨＹ，，ＴＨＹ２，ＴＨＹ３，ＴＨＹ４の全て
がＯＦＦ状態で電源電圧変動範囲の上限電圧から始動し
た場合においても始動電流が電動機の始動時過負荷耐量
を越えないものとする。

各々の抵抗値はＲ　，＝　２　Ｒ　２　＝　４　Ｒ　３
＝　８　Ｒ　４とするように選定する。この場合、半導
体スイッチング素子ＴＨＹ＋　，ＴＨＹ２　，ＴＨＹ３
　，ＴＨＹ４の各々のＯ　Ｎ／Ｏ　Ｆ　Ｆ状態の組合せ
によって限流抵杭の合成抵抗値はＯ，Ｒ４　，　　２Ｒ
４　，４Ｒ４．・・・・・・．１５Ｒ４の１６通りが可
能であり、等価的に１５ノッチ構成とできる。この各々
の半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、限流
抵抗値の組合せパターンを次の表に示す。

（以下　余白） 表はゲート信号０から１５までにつき限流抵抗合成抵抗
値と半導体スイッチング素子ＴＨＹＩ〜４の動作状態を
示している。

電源電圧検出器３は電源電圧を連続的に検出し、演算処
理部７に規格化した信号を出力する。電機子端子電圧検
出器６は電機子端子電圧を連続的に検出し、規格化した
信号を演算処理部７に出力する。始動電流包絡線設定器
４は電動機の特性に応じて第２図に示す始動電流包路線
を可変的に設定できる機能を有し、始動信号を受信後、
設定された始動電流包路線に応じた時間関数信号を演算
処理部７に出力する。

外部抵抗設定器５は電源電圧検出器３の検出部から電動
機１までの電路抵抗に応じて、可変的に設定できる機能
を有し、設定された信号を演算処理部７に出力する。

演算処理部７はマイクロプロセッサ等によりこれらの入
力信号を周期的に演算処理を行い、始動用の電磁接触器
７２−０の操作回路を励磁するためのリレー出力部８に
投入信号を出力する。また、半導体スイッチング素子Ｔ
Ｆ｛Ｙ，，Ｔ｝ｉＹ２　．ＴＨＹ３　．ＴＨＹ４のＯ　
Ｎ／Ｏ　Ｆ　Ｆ状態を制御するためのゲート制御部９に
信号を出力する。

ゲート制御部は限流抵杭の選定に応じて、全直列抵抗値
Ｒｌ＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４を可変的に設定する機能を有し
、演算処理部７からの入力信号から先に表示したゲート
信号パターンを判別し、各々の半導体スイッチング素子
ＴＨＹＩ　，ＴＨＹ２，ＴＨＹ３　，’ｒＨＹ４にゲー
ト制御信号を出力する。

演算処理部では、制御周期毎に の演算処理を行う。ここで、Ｒｓ（０　はその時刻での
限流抵抗整定目標値（Ω）、’／（１）はその時刻での
電源電圧検出器３からの入力信号（Ｖ）、Ｅ　（ｔ）は
その時刻での電機子端子電圧検出器６からの入力信号（
Ｖ）　、Ｉ　ｓ　（１）は始動信号発生時からのカウン
トしたその時刻での始動包絡曲線設定器４からの入力信
号（Ａ），Ｒ４は外部抵抗設定器５からの固定入力信号
（Ω）である。

次にゲート制御部９では演算処理部７からの入力信号で
ある限流抵抗整定目標値Ｒ　ｓ　（＋）より高い側で最
も近い限流抵抗合成抵抗値のゲート信号パターンを判別
し、各々の半導体スイッチング素子ＴＨＹ，，ＴＨＹ２
．ＴＨＹＩ　，ＴＨＹ４にゲート制御信号を出力する。

これらの１制御周期の流れ図を第３図に示す。

以上の制御周期を始動期間内にわたり継続的に行うこと
により始動電流が第２図の設定された始動電流包絡線で
包絡されるように限流抵抗合成抵抗値が制御される。

従って、第２図に示すとおり始動時の電機子電流平均値
は従来例より大きくとることができ、電動機の始動時間
を短縮することができる。

また、ゲート信号パターン切替時の電機子電流変化量は
従来例より小さくなり、回転機の軸系に与える機械的負
担を軽減できると同時に、整流状態を良好に保つことが
できる。

さらに、電源電圧の変動を受けずに一定の始動特性を得
ることができる。

また、電源電圧の変動を受けずに一定の始動特性を得る
ことができる。

なお、始動信号発生と、始動が完了する時間に余裕を見
た一定時限をおいて、演算処理部７の機能を停止させ、
リレー出力部８の電磁接触器投入信号を保持し、ゲート
制御部９の半導体スイッチング素子のゲート制御信号は
全数ＯＮ状態とするように保持する。

以上の実施例では４個の限流抵抗及び半導体スイッチン
グ素子で構成し、回路のりアクタンス分を考慮しない説
明であるが、限流抵抗および半導体スイッチング素子の
構威数を増加すれば、急峻な変動を伴わない滑らかな始
動電流制御を行うことができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、直流電動機の始動時間を短縮すると、
始動時のトルク変動を抑制し、回転機の軸系に与える機
械的な負担を軽減すること、始動時の電動機の整流作用
を良好な状態に保つこと、及び、点源電圧変動が始動特
性に与える影響を抑えることができる機能を有する直流
電動機用始動器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る直梳電動機用始動器の一実施例を
示す回路図、第２図は本発明における直流で同期の始動
特性を示す特性図、第３図は本発明の制御の流れを示す
流れ図、第４図は従来の直流で同期用始動器を示す回路
図、第５図は従来例における直流電動機の始動特性を示
す特性図である。 １・・・直流電動機 ２・・・制御部 ３・・・電源電圧検出器 ４・・・始動電流包絡線設定器 ５・・・外部抵抗設定器 ６・・・電機子端子電圧検出器 ７・・・演算処理部 ８・・・リレー出力部 ９・・・ゲート制御部 ７２−０〜７２−４・・・電磁接触器 Ｒ，〜Ｒ４・・・限流抵抗 Ｓ・・・始動信号接点 ＴＨＹ，〜ＴＨＹ４・・・半導体スイッチング素子Ｔ１
〜Ｔ４・・・遅延タイマ Ｒ　ｓ　（＋）・・・時刻ｔでの限流抵抗整定目標値ｖ
（１）・・・時刻ｔでの電源電圧検出器からの入力信号 Ｅ　（１）・・・時刻ｔでの電機子端子電圧検出器から
の入力信号 Ｉ　ｓ　（＋）・・・時刻ｔでの始動電流包絡線設定器
からの入力信号 ＲＬ・・・外部抵抗設定器からの固定人力信号ＧＳＰ　
　Ｏ〜ＧＳＰ　　１５・・・表のゲート信号パターン ＶＬ・・・電圧変動範囲の下限電圧 ＶＨ・・・電圧変動範囲の上限電圧 ｔｓ＋α・・・始動が完了する時間に余裕を加えた時間 Ｒ４・・・限流抵杭の抵抗値 ＭＰＵ・・・演算処理部 ＣＣＵ・・・ゲート制御部 ＲＹＤ・・・リレー出力部 （８７３３）代理人　弁理士　猪　設　祥　晃（ほか　
１名） 第１図 第 ３ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 直流電動機に接続された限流抵抗と、この限流抵抗を短
   絡する半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチ
   ング素子を制御するための制御部とを具備したことを特
   徴とする直流電動機用始動器。