JP2008043018A - 三相電動機の始動装置 - Google Patents

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

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。

特開２００２−１７１７７７号公報 特開２００６−３３９５４号公報

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。

本発明の一実施形態に係る六端子電動機の始動装置を示す結線図である。 同上の始動装置の始動電圧のベクトル図である。 同上の始動装置における調整変圧器の自己容量を示す特性図である。 従来のスター・デルタ始動法による始動装置を示す結線図である。 従来のリアクトル始動法による始動装置を示す結線図である。 従来のコンドルファ始動法による始動装置を示す結線図である。

符号の説明

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

Claims (2)

1. 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。
2. 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。

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