JP2008043018A - 三相電動機の始動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きなサージ電圧や突入電流の発生を防止でき、小型化、軽量化およびコスト低減を図ることができる三相電動機の始動装置を提供する。
【解決手段】三相電動機Mをスター・デルタ結線の切替により始動させる始動装置であって、電動機Mの3つの固定子巻線5をスター結線させる3つの第1開閉器SW1と、電動機Mの3つの固定子巻線5をデルタ結線させる3つの第2開閉器SW2と、単相の3つの調整変圧器2とを備える。各調整変圧器2の巻線の第1部分3U,3V,3Wが各第2開閉器SW2に対して並列に接続され、変圧器巻線の第2部分3X,3Y,3Zが各第1開閉器SW1と第2開閉器SW2との間に直列接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】三相電動機Mをスター・デルタ結線の切替により始動させる始動装置であって、電動機Mの3つの固定子巻線5をスター結線させる3つの第1開閉器SW1と、電動機Mの3つの固定子巻線5をデルタ結線させる3つの第2開閉器SW2と、単相の3つの調整変圧器2とを備える。各調整変圧器2の巻線の第1部分3U,3V,3Wが各第2開閉器SW2に対して並列に接続され、変圧器巻線の第2部分3X,3Y,3Zが各第1開閉器SW1と第2開閉器SW2との間に直列接続されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、スター結線用とデルタ結線用の合計6つの端子を持つ六端子三相誘導電動機のような電動機を始動時のみ電源電圧を減圧した始動電圧で始動させる始動装置に関するものである。
三相誘導電動機では、始動時(静止時)の内部インピーダンスが小さいことから、電源の全電圧を瞬時に印加して始動させると、大きな始動電流が流れて電源がトリップするおそれがある。そのため、三相誘導電動機の始動に際しては、最初に電源電圧を減圧した始動電圧を印加して始動させたのち、回転が或る程度まで加速された時点で電源の全電圧を印加して定格運転に移行するようにしている。このような電動機の始動方式として、従来から、スター・デルタ始動法(特許文献1参照)、リアクトル始動法およびコンドルファ始動法(特許文献2参照)が知られている。
前記スター・デルタ始動法は、主として六端子三相電動機Mを減電圧始動させるものであって、図4の結線図に示す回路構成を有している。この始動装置は、三相電動機Mの3つの固定子巻線のそれぞれに、第1開閉器SW1を直列接続し、かつ第2開閉器SW2を並列接続しており、通常時に固定子巻線がデルタ結線で運転される電動機Mを、3つの第2開閉器SW2が開いた状態において3つの第1開閉器SW1を閉じることにより、始動時のみスター結線としたうえで電源が投入される。これにより、電動機Mには電源電圧の(1/√3)の電圧、つまり電源電圧の56%に減圧された始動電圧が印加され、このときの始動トルクは全電圧始動時の1/3となる。このようにして電動機Mの始動が完了した時点で、第1開閉器S1が開かれて電動機Mの固定子巻線に電流が流れなくなり、続いて、第2開閉器SW2が閉じられて固定子巻線がデルタ結線されることにより、電動機Mは、電源の全電圧が印加されて定格運転に移行する。
また、前記リアクトル始動法は、図5の結線図に示す回路構成を有し、3つの開閉器SW3が開いた状態において電源が投入されることにより、電動機Mは、リアクトルLと電動機Mのインピーダンス分だけ電源電圧が減圧された始動電圧が印加されて始動する。電動機Mの回転速度が十分に高速に達した時点で3つの開閉器SW3が閉じることにより、リアクトルLが開閉器SW3で短絡されて、電動機Mは、電源の全電圧が印加されて定格運転に移行する。
さらに、前記コンドルファ始動法は、図6に示すように、主として三端子電動機Mを減電圧始動させるものであって、始動時に、第1開閉器SW1が開き、かつ、第2開閉器SW1を閉じた状態で電源を投入すると、電動機Mは、単巻変圧器Tの中間タップTPを境界とする直列巻線TU,TV,TWと分路巻線TX,TY,TZとの巻数比に応じて電源電圧が減圧された始動電圧が印加されて、回転を加速する。この回転が或る程度まで上がった時点で第2開閉器SW2が開かれると、電動機Mには、リアクトルとして作用する直列巻線TU,TV,TWのみを介して制限された電流が流れ、そののち、第1開閉器SW1が閉じられて直列巻線TU,TV,TWが短絡されることにより、電動機Mは、電源の全電圧が印加されて定格運転に移行する。
しかしながら、図4に示したスター・デルタ始動法は、リアクトルや変圧器などを用いないことから、安価で軽量および小型となる利点がある反面、スター結線からデルタ結線への切替時に電動機巻線を回路から一旦切り離すために、電動機Mの電流が途切れる期間が生じるのに伴い、大きなサージ電圧と突入電流が発生するので、大容量電動機や高圧電動機に適用できず、主に低圧電動機の始動に採用されている。しかも、この始動法は、固定子巻線をスター結線して始動させるために、始動電圧は電源電圧の56%に固定され、電動機Mにより駆動される負荷(例えば製鉄所の大型送風機)が大きいために、大きな始動トルクを要する電動機Mの始動に対応できない。
また、図5に示した前記リアクトル始動法は、リアクトルLのリアクタンスを適切に選択することで、始動トルクを負荷に対応して設定することができるとともに開閉器の使用数が他の方式よりも少ない利点があるが、リアクトルLが高価で、かつ重量が大である上に、大型であり、しかも、始動トルクを同一に設定したときの始動電流が3つの方式の中で最も大きくて効率が低い。
さらに、図6に示したコンドルファ始動法は、電動機Mの回転速度が十分に高速に達して第2開閉器SW2が開かれたときに、単巻変圧器Tの固定子巻線の一部である直列巻線TU,TV,TWを通じて電動機Mに電流が途切れることなく流れ続けるので、大きなサージ電圧や突入電流が発生することがなく、単巻変圧器Tの中間タップTPの位置を変更することにより始動トルクを選択して設定することができ、リアクトル始動法と同じ始動トルクを得るための始動電流が少ない利点がある。ところが、このコンドルファ始動法は、スター・デルタ始動法に比較して、単巻変圧器Tを用いるのに伴い、大型化し、かつ重量が大きくなり、さらに、高価な単巻変圧器Tを用いることと、開閉器SW1,SW2の使用数がリアクトル始動法よりも多くなることとにより、コスト高となる。
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたもので、大きなサージ電圧や突入電流の発生を防止できるとともに始動電圧を任意に設定でき、小型化、軽量化およびコスト低減を図ることができる三相電動機の始動装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成するために、本発明に係る三相電動機の始動装置は、三相電動機をスター・デルタ結線の切替により始動させる始動装置であって、前記電動機の3つの固定子巻線をスター結線させる3つの第1開閉器と、前記電動機の3つの固定子巻線をデルタ結線させる3つの第2開閉器と、単相の3つの調整変圧器とを備え、前記各調整変圧器の巻線の第1部分が前記各第2開閉器に対して並列に接続され、前記変圧器巻線の第2部分が前記各第1開閉器と第2開閉器との間に直列接続されている。
この構成によれば、始動時に、各第2開閉器が開いた状態で各第1開閉器が閉じられて三相電動機の各固定子巻線がスター結線され、この状態で電源投入されると、三相電動機Mの各固定子巻線には、スター結線の中性点の電圧に調整変圧器の巻線の第2部分の電圧が付加された電圧が印加される。スター結線の中性点の電圧は電源電圧の57%(=1/√3)である。したがって、例えば、第2部分の巻数が第1部分の1/7である場合、固定子巻線には電源電圧の57%+8%(=57×1/7)=65%の電圧が印加される。そのため、コンドルファ始動装置の単巻変圧器に較べて自己容量が格段に小さな調整変圧器を用いながらも、コンドルファ始動装置とほぼ同様の機能(高い始動電圧)を得ることができる。すなわち、始動装置の軽量化、小型化およびコストダウンを達成できる。また、変圧器巻線の第2部分の巻数を変更することにより、任意の始動電圧を設定して、電動機の負荷に応じた所要の始動トルクを得ることができる。つづいて、第2開閉器を開いたまま第1開閉器を開くと、電動機の各固定子巻線が調整変圧器の巻線の第1部分を介して電源に接続されるので、抑制された電流が電動機に給電され続ける。
前記始動電圧の印加により電動機の回転速度が十分に高速に達した時点で、第1開閉器は開いたままにして第2開閉器が閉じられる。これにより、電動機の各相の固定子巻線はデルタ結線に切り替えられ、電動機に電源の全電圧が印加されて定格運転に入る。こうして、始動の当初から定格運転に至るまで電動機に電流が流れ続ける。すなわち、固定子巻線は電源に対し切断されることなく接続されたままの状態に保持されるので、電源接続の際の大きなサージ電圧や突入電流が発生しない。
本発明において、好ましくは、前記変圧器巻線の第1部分と第2部分との巻数比が5〜8である。この構成によれば、始動初期にスター結線の中性点よりも1/5〜1/8だけ高い始動電圧を供給できる。
本発明の三相電動機の始動装置によれば、始動時に電動機の固定子巻線をスター結線させる第1開閉器およびデルタ結線に切り替える第2開閉器と、変圧器巻線の第1部分が第2開閉器に並列接続され、かつ、第2部分が第1開閉器と第2開閉器との間に直列接続されてオートトランスとして機能する調整変圧器とを設けたので、スター結線からデルタ結線への切替時に固定子巻線が回路から切り離されないことから、大きなサージ電圧や突入電流が発生することがなく、また、調整変圧器により、始動電圧を通常のスター結線よりも高くして大きな始動トルクを得ることができ、さらに、コンドルファ始動装置における単巻変圧器よりも小型、かつ軽量で安価な調整変圧器を用いることができる。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態に係る三相電動機の始動装置1を示す結線図である。この実施形態では、例えば製鉄所の送風機駆動用電動機のように大型で高圧の六端子三相誘導電動機Mを始動させる場合を例示している。この始動装置1は、図4のスター・デルタ始動法による従来装置と同一構成に、図6のコンドルファ始動装置の単巻変圧器Tとほぼ同様に機能する単巻変圧器からなる調整変圧器2を三相電動機Mの各固定子巻線5に対応して3つ付設したのみである。この始動装置1は、スター・デルタ始動法により一般に始動される六端子三相電動機Mを、同様にスター・デルタ結線の切替により始動させるにも拘らず、既存のスター・デルタ始動法とは異なり、電動機Mの負荷の相違に対応して始動電圧を可変して始動トルクを任意に設定できる構成を有している。この点についての詳細は後述する。
前記始動装置は、電動機Mの3つの固定子巻線5をスター結線させる3つの第1開閉器SW1と、電動機Mの3つの固定子巻線5をデルタ結線させる3つの第2開閉器SW2と、単巻の3つの調整変圧器2とを備え、各調整変圧器2の巻線3の第1部分3U,3V,3Wが各第2開閉器SW2に対して並列に接続され、変圧器巻線3の第2部分3X,3Y,3Zが各第1開閉器SW1と第2開閉器SW2との間に直列接続されている。各第1部分3U,3V,3Wの巻数は同一であり、各第2部分3X,3Y,3Zの巻数も同一である。第1部分3U,3V,3Wと第2部分3X,3Y,3Zの巻数比は5に設定されている。調整変圧器2は図示しないコアを有している。第1開閉器SW1と第2開閉器SW2の切替えにより、三相電動機Mをスター結線からデルタ結線に切り替えて始動させる。各調整変圧器2の変圧器巻線3の第1部分3U,3V,3Wは、電源と各調整変圧器2の中間タップa,b,cとの間の巻線部分であり、第2部分3X,3Y,3Zは、前記中間タップa,b,cと中性点Nとの間の巻線部分である。既存のスター・デルタ始動法における始動電圧と同じである。
つぎに、前記始動装置1の作用について説明する。第2開閉器SW2がOFFの状態において第1開閉器SW1をONして電源を投入する。これにより、始動時には、電動機Mの三相R,S,Tの固定子巻線5にスター結線の中性点Nの電圧と、各調整変圧器2の変圧器巻線3の第2部分3X,3Y,3Zの電圧とのベクトル和により定まる始動電圧が印加される。この実施形態では、各変圧器巻線3が同一構成であるから、各固定子巻線5には電源電圧を57%(1/√3)まで減圧した始動電圧が印加される。
このように、電動機Mに印加される始動電圧を電源電圧(電源電圧)のP%(この例では56%)に低減するための調整変圧器2の変圧器巻線の第1部分3U,3V,3Wでの発生電圧E1および第2部分3X,3Y,3Zに発生するタップ電圧E2は次式から求めることができる。すなわち、電動機Mへの印加電圧の電源電圧に対する比率pを、p=P/100(但し、Pは電動機Mへの印加電圧(%))とすると、第1部分3U,3V,3Wでの発生電圧E1は、電源の全電圧である回路電圧ELに対して、E1/EL=1/2k倍となる。ただし、k=(√3)−〔√(4p2 −1)〕である。また、第2部分3X,3Y,3Zに発生する電圧E2は、回路電圧ELに対して、E1/EL=(2/√3)−1/2k倍となる。これらの式から明らかなように、電動機Mの始動電圧は、調整変圧器2の第2部分電圧E2と回路電圧ELによって定まるので、第2部分電圧E2を変えることにより、任意の値に設定することができる。始動電圧を適宜設定することにより、電動機Mの負荷に応じた所要の始動トルクを設定することができる。第1部分3U,3V,3Wと第2部分3X,3Y,3Zの巻数比は5〜8の範囲であり、これにより、全電圧の57%の始動電圧が、第1開閉器SW1の開放により、68%(=57+11(=57×1/5))〜64%(=57+7(=57×1/8))という、実用的な範囲にまで上昇する。
この65%の始動電圧は、既存のコンドルファ始動装置において一般的に用いられている電圧であって、最も効率か良く、かつ電動機Mの負荷が変化して重負荷となった場合であっても、この負荷を確実に回転駆動させることができる。このように、この始動装置1は、六端子三相電動機Mをスター・デルタ結線の切替えにより始動させるが、コンドルファ始動法と同様に単巻変圧器である調整変圧器2を付設して、コンドルファ始動法と同様の始動を行うことができる。
前記始動電圧について、図2のベクトル図を参照しながら説明する。同図において、ELは電源電圧をそのまま電動機Mに印加したときの各相の線間電圧のベクトル成分、ESはスター結線したときの各相の相電圧のベクトル成分、ECは相電圧と変圧器巻線の第2部分3X,3Y,3Zの両端電圧である第2部分電圧E2とのベクトル和である上昇した始動電圧のベクトル成分をそれぞれ示している。図1の固定子巻線5のRU巻線を例にとると、図2のスター結線の中性点電圧ES(ベクトルRZ)に変圧器巻線3Wの第2部分電圧(ベクトルZc)が付加されて、ベクトルRUの電圧となる。こうして、始動電圧ECは、図2に矢印で示すように、スター結線により電源電圧を57%まで低減した電圧を、調整変圧器2の変圧器巻線の第2部分3X,3Y,3Zにより8%だけ上げて、電源電圧の65%になる。
つづいて、第2開閉器SW2を開いたまま第1開閉器SW1を短時間(例えば0.2秒間)だけ開くと、電動機の各固定子巻線が調整変圧器の巻線の第1部分を介して電源に接続されるので、抑制された電流が電動機に給電され続ける。つまり、調整変圧器2はいわゆるオートトランスと同様に作動する。
こうして、連続した始動電圧の印加により電動機Mの回転速度が十分に高速に達した時点で、第1開閉器SW1は開いたままにして第2開閉器SW2が閉じられる。これにより、電動機Mの各相の固定子巻線5は、調整変圧器2を短絡してデルタ結線に切り替えられた状態となり、固定子巻線5には電源の全電圧ELが印加されて始動が完了し、電動機Mが定格運転に入る。こうして、固定子巻線5は、始動完了まで、電源に対し切断されることなく接続されたままの状態に保持される。これにより、既存のスター・デルタ始動法による始動の場合のような大きなサージ電圧や突入電流が発生しない。
前記始動装置では、調整変圧器2がオートトランスとして機能するように接続されており、このオートトランスは、変圧器巻線3の第1部分3U,3V,3Wの巻数が多い程、自己容量が小さくなる。換言すれば、オートトランスは、スイッチの開放などによりオープンとされる巻線部分の巻数が少ない程、電圧の変化分が少なくなり、これに伴って自己容量が小さくなる。
したがって、オートトランスとして機能する調整変圧器2における共通に使用する巻線部分である第1部分3U,3V,3Wと、第1開閉器SW1の開放によりオープンとされる巻線部分である第2部分3X,3Y,3Zとの巻数比を、57対8、つまり約7対1に設定している。したがって、調整変圧器2は、共通に使用する巻線部分である第1部分3U,3V,3Wの巻数が第2部分3X,3Y,3Zの巻数の7倍となるから、当該変圧器3の大きさの決定要素である自己容量を小さくできる。
これに対し、図6の従来のコンドルファ始動装置では、単巻変圧器Tにより電源電圧に対し65%に減圧した始動電圧を得るために、単巻変圧器Tの直列巻線TU,TV,TWと分路巻線TX,TY,TZとの巻数比を35対65、つまり約1対2に設定している。したがって、単巻変圧器Tは、共通に使用する直列巻線TU,TV,TWの巻数が、オープンとされる巻線部分である分路巻線TX,TY,TZの巻数の半分程度と少ないために、上述したように大型で、かつ、重量が大きく、しかも高価な単巻変圧器Tを用いる必要がある。
上述の調整変圧器2の容量について、図3を参照しながらさらに詳述する。図3は、電動機Mへの印加電圧の電源電圧に対する比率pと、調整変圧器2の自己容量(変圧器の実際の容量)の全電圧容量(変圧器に電源電圧を直接印加したときの容量)に対する比率との関係を示す特性図である。この特性図は、電動機Mへの始動電圧として実用上多く使用され範囲内で測定した実測値に基づき求めたものであり、丸印のプロットによる特性曲線は前記実施形態の始動装置に関するものであり、三角印のプロットによる特性曲線は比較のために求めた既存のコンドルファ始動装置に関するものである。
図3において、既存のコンドルファ始動装置において最も効率の良い始動電圧として一般的に採用されている0.65(65%)の比率pについて見ると、実施形態の始動装置1では、調整変圧器2の自己容量の全電圧容量に対する比率が約0.065となるのに対して、既存のコンドルファ始動装置では単巻変圧器T(図6)の同比率が約0.15となる。したがって、電源電圧の65%の始動電圧を得るの必要な調整変圧器2として、コンドルファ始動装置の単巻変圧器Tに対し1/2.5の格段に小さな容量のものを用いることができ、さらに、電源電圧に対し0.65(65%)以下の比率pの始動電圧を設定する場合には、一層小さな容量の調整変圧器2を用いることができる。そのため、前記始動装置は、コンドルファ始動装置に用いる単巻変圧器Tに較べて自己容量が半分以下の小さな調整変圧器2を用いて、コンドルファ始動装置とほぼ同様の機能を得ることができるので、コンドルファ始動装置に比較して、軽量化、小型化およびコストダウンを図ることができる。
2 調整変圧器
3 変圧器巻線
3U,3V,3W 変圧器巻線の第1部分
3X,3Y,3Z 変圧器巻線の第2部分
5 固定子巻線
M 三相電動機
SW1 第1開閉器
SW2 第2開閉器
3 変圧器巻線
3U,3V,3W 変圧器巻線の第1部分
3X,3Y,3Z 変圧器巻線の第2部分
5 固定子巻線
M 三相電動機
SW1 第1開閉器
SW2 第2開閉器
Claims (2)
- 三相電動機をスター・デルタ結線の切替により始動させる始動装置であって、
前記電動機の3つの固定子巻線をスター結線させる3つの第1開閉器と、
前記電動機の3つの固定子巻線をデルタ結線させる3つの第2開閉器と、
単相の3つの調整変圧器とを備え、
前記各調整変圧器の巻線の第1部分が前記各第2開閉器に対して並列に接続され、前記変圧器巻線の第2部分が前記各第1開閉器と第2開閉器との間に直列接続されている始動装置。 - 請求項1において、前記変圧器巻線の第1部分と第2部分の巻数比が5〜8である始動装置。
Priority Applications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108306553A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-07-20 | 上海特波电机有限公司 | 三相异步电机起动装置及其起动方法 |
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