特許 7563276 電動機起動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】電動機起動システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20241001BHJP

   H02P 1/30 20060101ALI20241001BHJP

   H02P 1/28 20060101ALI20241001BHJP

   H02P 21/34 20160101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

H02P1/30

H02P1/28

H02P21/34

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021064350

(22)【出願日】2021-04-05

(65)【公開番号】P2022159891

(43)【公開日】2022-10-18

【審査請求日】2023-07-13

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中島 哲也

【審査官】若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１４６３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１８２３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１５０６８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ １／３０

Ｈ０２Ｐ １／２８

Ｈ０２Ｐ ２１／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インバータ装置と出力開閉器と商用開閉器と制御部を有し、
前記出力開閉器は前記インバータ装置の出力と三相誘導電動機の入力の間に設けられ、
前記商用開閉器は三相交流電源と前記三相誘導電動機の入力との間に設けられ、
前記制御部は、前記出力開閉器の開閉状態を制御し、
前記制御部は、前記商用開閉器の開閉状態を制御し、
前記制御部は、前記三相誘導電動機を静止時から起動する時に、前記出力開閉器を閉状態かつ前記商用開閉器を開状態とし、前記インバータ装置の出力により前記三相誘導電動機を駆動するように制御し、
前記制御部は、前記インバータ装置の出力電圧が前記三相交流電源の電圧より低く、前記三相誘導電動機が定格回転速度より低い第１の回転速度に達したと判定した場合に、前記インバータ装置の出力電圧の位相と前記三相交流電源の位相差が許容位相差の範囲内で前記商用開閉器が閉じるように、前記出力開閉器を開状態とする開放信号を与えるとともに、前記商用開閉器を閉状態とする投入信号を与え、前記投入信号を与えるタイミングは、前記商用開閉器の投入動作遅れ時間を考慮し決定され、
前記制御部は、前記三相誘導電動機が前記第１の回転速度に達したと判定した場合に、前記インバータ装置の出力電圧振幅を維持したまま、前記インバータ装置の出力電圧の周波数を増加させ、前記インバータ装置の出力電圧の周波数が第１の周波数以上になった場合に、前記インバータ装置の出力周波数を一定に保ち、前記インバータ装置の出力電圧の位相と前記三相交流電源の位相差が前記許容範囲内で前記商用開閉器が閉じるように、前記商用開閉器を閉状態とする前記投入信号を与えること、
を特徴とする電動機起動システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記商用開閉器の前記投入信号と、前記出力開閉器の前記開放信号を同時に出力すること、
を特徴とする請求項１に記載の電動機起動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機起動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電動機が結合されるポンプ、ファン、又はコンプレッサ等の機械は、プラント運用に応じて運転パターンが決定される。このとき、電動機は、機械の運転パターンに応じた起動頻度が要求される。つまり、何度も起動を繰り返して使用される機械においては、電動機も繰り返し起動が可能（多起動頻度仕様）であることが必要である。

【0003】

一般的に、誘導電動機は、起動時に大電流が流れて熱が発生する。以下特別な記述がない場合は、３相誘導電動機を電動機と略して記す。また、電動機は、起動を繰り返すと熱上昇（起動時の温度上昇）が大きくなる。この熱上昇を許容するために、従来の電動機は、多起動頻度指定がある場合には、枠番を上げて用いられていた。

【0004】

また、特許文献１には、電動機の始動に用いる電力変換装置のインバータ容量を低減できるように改善する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－１４６３８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、電動機の枠番を大きくしてしまうと、必要な連続出力に対応する電動機に対し、使用する電動機の体格が大きくなってしまい、広い設置スペースが必要となったり、コストが高くなってしまうという問題があった。

【0007】

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、小容量のインバータ装置で電動機の多起動頻度と小型化を両立させることができる電動機起動システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様にかかる電動機起動システムは、インバータ装置と出力開閉器と商用開閉器と制御部を有し、前記出力開閉器は前記インバータ装置の出力と三相誘導電動機の入力の間に設けられ、前記商用開閉器は三相交流電源と前記三相誘導電動機の入力との間に設けられ、前記制御部は、前記出力開閉器の開閉状態を制御し、前記制御部は、前記商用開閉器の開閉状態を制御し、前記制御部は、前記三相誘導電動機を静止時から起動する時に、前記出力開閉器を閉状態かつ前記商用開閉器を開状態とし、前記インバータ装置の出力により前記三相誘導電動機を駆動するように制御し、前記制御部は、前記インバータ装置の出力電圧が前記三相交流電源の電圧より低く、前記三相誘導電動機が定格回転速度より低い第１の回転速度に達したと判定した場合に、前記インバータ装置の出力電圧の位相と前記三相交流電源の位相差が許容位相差の範囲内で前記商用開閉器が閉じるように、前記出力開閉器を開状態とする開放信号を与えるとともに、前記商用開閉器を閉状態とする投入信号を与え、前記投入信号を与えるタイミングは、前記商用開閉器の投入動作遅れ時間を考慮し決定され、前記制御部は、前記三相誘導電動機が前記第１の回転速度に達したと判定した場合に、前記インバータ装置の出力電圧振幅を維持したまま、前記インバータ装置の出力電圧の周波数を増加させ、前記インバータ装置の出力電圧の周波数が第１の周波数以上になった場合に、前記インバータ装置の出力周波数を一定に保ち、前記インバータ装置の出力電圧の位相と前記三相交流電源の位相差が前記許容範囲内で前記商用開閉器が閉じるように、前記商用開閉器を閉状態とする前記投入信号を与えること、を特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、小容量のインバータ装置で電動機の多起動頻度と小型化を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態にかかる電動機起動システム及びその周辺を例示する図である。

【図2】本発明の実施形態の制御部が有する機能を例示する機能ブロック図である。

【図3】第１実施形態の切替タイミング例を示す図である。

【図4】第２実施形態の切替タイミング例を示す図である。

【図5】切替タイミング例を電動機の回転数及びトルク出力として示すグラフである。

【図6】電動機起動システムの第１実施形態の動作例を示すフローチャートである。

【図7】電動機起動システムの第２実施形態の動作例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第１実施形態＞
以下に、図面を用いて電動機起動システムの実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる電動機起動システム１及びその周辺を例示する図である。電動機起動システム１は、例えば５０Ｈｚの三相交流電源（商用電源）２から入力される電力を変換して、電動機（ＩＭ）３に電力を供給する。電動機３は、三相交流誘導機であり、図示しない負荷を駆動する。

【0012】

電動機起動システム１は、インバータ装置４、入力開閉器５、出力開閉器６、商用開閉器７、及び制御部８を有し、例えば図示しない上位装置からの起動指令に応じて電動機３を起動させる。インバータ装置４は、コンバータ４１、コンデンサ４２、及びインバータ４３を有する周波数可変速装置である。

【0013】

コンバータ４１は、三相交流電源２から入力された三相電圧を直流電圧に変換し、コンデンサ４２に対して出力する。コンデンサ４２は、コンバータ４１から入力された直流電圧を平滑化し、インバータ４３に対して出力する。インバータ４３は、コンデンサ４２から入力された直流電圧を電動機３の定格周波数よりも低い周波数の三相電圧、及び定格電圧よりも低い三相電圧の少なくともいずれかの交流に変換し、電動機３を駆動する。

【0014】

入力開閉器５は、三相交流電源２とインバータ装置４の入力との間に設けられ、３相交流電源２のインバータ装置４の入力のオンオフを切り替えるように開閉する。

【0015】

出力開閉器６は、インバータ装置４の３相出力と電動機３の入力との間に設けられ、インバータ装置４の３相出力に対して、電動機３の入力のオンオフを切り替えるように開閉する。

【0016】

商用開閉器７は、三相交流電源２と電動機３の入力との間に設けられ、三相交流電源２が電動機３の入力に対して直接入力される三相電力のオンオフを切り替えるように開閉する。

【0017】

制御部８は、電動機起動システム１を構成する各部を制御する。また、制御部８は、インバータ装置４の入力側及び出力側における電圧それぞれの位相（及び周波数）を検出する機能、並びに電動機３の回転数を計測する機能などを備えている。

【0018】

図２は、制御部８が有する機能を例示する機能ブロック図である。図２に示すように、制御部８は、例えば駆動開閉制御部８０、第１検出部８２、第２検出部８４、及び判定部８６を有する。

【0019】

駆動開閉制御部８０は、例えば駆動制御部８００及び開閉制御部８０２を有し、図示しない上位装置からの指令に応じて、電動機起動システム１を構成する各部を制御する。また、駆動開閉制御部８０は、電動機３の回転数などを計測する機能を備える。

【0020】

駆動制御部８００は、インバータ４３（図１）が電動機３を静止状態から徐々に回転数を上昇し、定格周波数よりも低い周波数の三相電圧、及び定格電圧よりも低い三相電圧の少なくともいずれかによって電動機３を駆動するように、インバータ装置４に対して制御信号を出力する。

【0021】

開閉制御部８０２は、上位装置から駆動開閉制御部８０に対して入力される指令などに基づいて、入力開閉器５、出力開閉器６、及び商用開閉器７の開閉を制御する。また、開閉制御部８０２は、後述する判定部８６が出力する判定結果に応じて、入力開閉器５、出力開閉器６、及び商用開閉器７の開閉を制御する機能を備えている。

【0022】

第１検出部８２は、三相交流電源２からインバータ装置４に対して入力される三相電圧の位相（三相交流電源２のＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧）をそれぞれ検出し、検出した位相それぞれを判定部８６に対して出力する。

【0023】

第２検出部８４は、インバータ装置４が電動機３に対して出力する三相電圧のインバータ装置４の出力Ｕ相電圧、出力Ｖ相電圧、出力Ｗ相電圧）をそれぞれ検出し、検出したそれぞれを判定部８６に対して出力する。尚、第２検出部８４の出力の替わりに、インバータ４３を制御するための電圧制御信号や位相信号を使用してもよい。

【0024】

例えば判定部８６はＰＬＬ回路などを含み、入力された電圧から位相および周波数を検出する。判定部８６は、電動機３が所定の回転速度（第１の回転速度）に達したと判断したタイミングＴ（速度判定タイミングと呼ぶ）の後、第１検出部８２が検出した三相交流電源２の電圧のいずれかの基準相（例えば三相交流電源２のＵ相電圧）と第２検出部８４が検出した基準相と同相電圧（例えばインバータ装置４の出力のＵ相電圧）の位相が一致しているか否かを判定し、判定結果を駆動開閉制御部８０に対して出力する。尚、以下位相が一致しているとは、比較する電圧の位相差が第１の許容位相差（判定値）以内であることも含む。尚、ＰＬＬなど等により位相の検出を行えば三相交流の場合、三相の位相差は１２０度であるため、周波数が異なっても、三相のうち１相でも同相の位相が一致したタイミングは、他の相の位相も一致したタイミングである。あるいはＰＬＬによる位相判定に替えて判定部８６は、第１検出部８２が検出した三相交流電源２の電圧のいずれか（例えば三相交流電源２のＵ相電圧）と、第２検出部８４が検出した同相（例えばインバータ装置４の出力のＵ相電圧）とが０に近い所定の範囲となり、かつ、第１検出部８２が検出した他の位相（例えば三相交流電源２のＶ相電圧、Ｗ相電圧）と、第２検出部８４が検出した他の位相（例えばインバータ装置４の出力Ｖ相電圧、出力Ｗ相電圧）の正負がそれぞれ一致しているか否かを判定し、判定結果を駆動開閉制御部８０に対して出力する。

【0025】

例えば、判定部８６は、位相それぞれが上述したように一致していると判定した場合、一致していると判定したタイミングを、開閉制御部８０２が電動機３の電源を三相交流電源２へ切替える切替タイミングＴ１とする判定結果として駆動開閉制御部８０へ出力する。

【0026】

図３は、電動機起動システム１の第１実施形態の動作例として、判定部８６が位相の一致（位相関係の一致）を判定したタイミング（切替タイミングＴ１）を示す図である。図３（ａ）は、三相交流電源２のＵ相電圧１００、Ｖ相電圧２００、及びＷ相電圧３００と切替タイミングＴ１とを示す図である。図３（ｂ）は、インバータ装置４の出力Ｕ相電圧１１０、出力Ｖ相電圧２１０、及び出力Ｗ相電圧３１０と切替タイミングＴ１とを示す図である。

【0027】

図３においては、例えば、判定部８６は、三相交流電源２のＵ相電圧（値Ａ）とインバータ装置４の出力Ｕ相電圧（値ａ）とが０となり、かつ、三相交流電源２のＶ相電圧（値Ｂ）とインバータ装置４の出力Ｖ相電圧（値ｂ）のいずれも負（－）であり、三相交流電源２のＷ相電圧（値Ｃ）とインバータ装置４の出力Ｗ相電圧（値ｃ）のいずれも正（＋）となっているか否かを判定する。このとき、出力Ｕ相電圧１１０、出力Ｖ相電圧２１０、及び出力Ｗ相電圧３１０の振幅はＸであるとする。

【0028】

なお、上述した開閉制御部８０２（図２）は、例えばインバータ装置４及び入力開閉器５を順に閉じた後、インバータ装置４が駆動する電動機３の回転数が所定の回転数を超えて、第１検出部８２が検出した位相のいずれかと、第２検出部８４が検出した位相のいずれかとが０となり、かつ、第１検出部８２が検出した他の位相と、第２検出部８４が検出した他の位相の正負がそれぞれ一致していると判定部８６が判定した場合、切替タイミングＴ１において出力開閉器６を開いて、商用開閉器７を閉じるように、出力開閉器６および商用開閉器７の遅延時間を考慮して制御を行うように構成されている。

【0029】

このように、第１検出部８２が検出する位相と、第２検出部８４が検出する位相とがそれぞれ近い値となっているため、電動機起動システム１は、切替タイミングＴ１において商用開閉器７を閉じるときのショックを軽減させることができる。また、電動機３の定格周波数よりも低い周波数の三相電圧、及び定格電圧よりも低い三相電圧の少なくともいずれかによって電動機３を駆動するインバータ４３（図１）は、従来用いられていたインバータ（電動機定格と略同等）よりも小容量であり、熱上昇も小さい。つまり、電動機起動システム１は、小容量のインバータ装置で電動機の多起動頻度と小型化を両立させることができる。即ち、切り替えタイミングＴ１におけるインバータ装置４の出力電圧振幅Ｘは三相交流電源２の振幅より小さいので小容量でよい。

【0030】

図５は、電動機起動システム１の動作例として、速度判定タイミングＴにおける電動機３の回転数及びトルク出力と負荷トルクの関係を示すグラフである。第１実施形態においては、速度判定タイミングＴにおける運転点は後述の点ｊであるが、第１検出部８２が検出した位相それぞれと、第２検出部８４が検出した位相それぞれが所定の位相関係となっているか否かを判定部８６が判定した場合の切替タイミングＴ１における運転点も点ｊが維持される。

【0031】

図５において、ｄは、負荷トルクカーブの１例を示す。ｅは、三相交流電源２によって駆動する場合の電動機３のトルクカーブを示す。ｆは、インバータ装置４が定トルクで起動させる場合の電動機３のトルクカーブを示す。ｇは、電動機３が三相交流電源２と同期した場合（滑り周波数ゼロ）の回転数を示す。交点ｈは、負荷トルクと、三相交流電源２によって電動機３を直接駆動した場合に、トルクとがつりあっている状態を示しており、電動機３の定格回転数を示している。交点ｊはインバータ装置４にて電動機２を駆動した場合に電動機出力が負荷トルクとつりあう点となり、速度判定タイミングＴの電動機３の回転速度を示す。すなわち、点ｊで示される回転速度が、第１の回転速度に相当する。
電動機起動システム１は、切替タイミングＴ１まで電流が抑えられる（ｆ参照）。また、電動機起動システム１は、始動から切替タイミングＴ１至るまでの、ｄとｅの差が加速トルクとなる。切替タイミングＴ１の直後では電動機３の回転数は交点ｈよりも低い回転数であり滑りが大きい状態である。しかし、ｄとｅとの差により電動機３は加速され最終的には交点ｈで示される回転速度まで上昇する。切替タイミングＴ１で三相交流電源２により電動機３は駆動されるので、切替時の電動機３の入力電流は、静止状態で三相交流電源２により電動機３を始動した場合より小さくすることができる。

【0032】

図６は、本発明の第１実施形態による電動機起動システム１の動作例を示すフローチャートである。

【0033】

ステップ１０２（Ｓ１０２）において、制御部８（図１，２）は、図示しない通信インターフェースを介して上位装置からの信号を受信する。

【0034】

ステップ１０４（Ｓ１０４）において、駆動開閉制御部８０は、上位装置から受信した信号に電動機３を起動させる起動指令があるか否かを判定する。駆動開閉制御部８０は、起動指令があると判定した場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）にはＳ１０６の処理に進み、起動指令がないと判定した場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）にはＳ１０２の処理に進む。

【0035】

ステップ１０６（Ｓ１０６）において、開閉制御部８０２は、入力開閉器５に対して入力開閉器投入指令を出力して入力開閉器５を閉じさせた後、出力開閉器６に対して出力開閉器投入指令を出力して出力開閉器６を閉じさせる。

【0036】

ステップ１０８（Ｓ１０８）において、駆動制御部８００は、インバータ装置４の運転を開始させる。インバータ装置４は、電動機３への電力の供給を開始する。

【0037】

ステップ１１０（Ｓ１１０）において、駆動制御部８００は、インバータ装置４を後述する第１運転モードで駆動する。インバータ装置４は、第１運転モードで運転する。電動機３は、インバータ装置４から供給された電力により回転する。

【0038】

ステップ１１２（Ｓ１１２）において、判定部８６は、後述する第１条件が満たされたか否かを判定する。駆動開閉制御部８０では、判定部８６が、第１条件が満たされたと判定した場合（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）にはＳ１１６の処理に進み、第１条件が満たされていないと判定した場合（Ｓ１１２：Ｎｏ）にはＳ１１０の処理に戻る。

【0039】

ステップ１１６（Ｓ１１６）において、判定部８６は、後述する第２条件が満たされたか否かを判定する。駆動開閉制御部８０は、判定部８が、第２条件が満たされたと判定した場合（Ｓ１１６：Ｙｅｓ）にはＳ１１８の処理に進み、第２条件が満たされていないと判定した場合（Ｓ１１６：Ｎｏ）にはＳ１１０の処理に戻る。

【0040】

ステップ１１８（Ｓ１１８）において、開閉制御部８０２は、出力開閉器６に対して出力開閉器開放指令を出力して出力開閉器６を開き、商用開閉器７に対して商用開閉器投入指令を出力して商用開閉器７を閉じさせる。なお、開閉制御部８０２は、出力開閉器６が開いてから商用開閉器７が閉じるように、指令から開閉動作までの遅延を考慮して、開放指令及び投入指令の出力タイミングを調整する。そして、電動機３は、三相交流電源２からの電力によって回転する。

【0041】

ステップ１２０（Ｓ１２０）において、駆動制御部８００は、インバータ装置４に対して運転停止命令を出力することにより、インバータ装置４を停止させる。

【0042】

ステップ１２２（Ｓ１２２）において、開閉制御部８０２は、入力開閉器５に対して入力開閉器開放命令を出力することにより、入力開閉器５を開く。

【0043】

ここで、上述した第１運転モード、第１条件及び第２条件について説明する。

【0044】

第１運転モードは、例えばＶ／Ｆ一定制御である。周波数指令は、予め設定された最低周波数から徐々に増加するように設定される。例えば、ベクトル制御（定トルク制御）である。回転速度指令（速度指令）は予め設定される。速度指令は、低速から徐々に増加させられてもよい（予め設定されていても、一般的にインバータ装置内の制御回路では徐々に増加するように設定されている）。また、インバータ装置４の周波数が、三相交流電源２の周波数と異なる場合には、原理的に位相が一致するタイミングは発生する。

【0045】

第１条件は、電動機３が所定の回転速度に達したか否かを判定する条件である。所定の回転速度とは、図５に示した速度判定タイミングＴにおける回転速度である。制御部８は、電動機３に設けられた図示しない回転速度計から電動機３の回転速度を直接計測して計測してもよい。

【0046】

また、制御部８は、インバータ装置４の出力電圧の周波数とセンサレスベクトル制御等によってすべり周波数を演算し、差分から電動機３の回転数を算出してもよい。また、制御部８は、Ｖ／Ｆ一定制御やベクトル制御においてインバータ周波数が所定の周波数に達した後に、所定の時間が経過したときを速度判定タイミングＴとしてもよい。

【0047】

また、制御部８は、電動機３に接続された負荷が予め定まっている場合には、インバータ装置４を起動した後に、所定の時間が経過したときを速度判定タイミングＴとしてもよい。ここで、所定の時間は、例えば試運転等で実測することによって設定可能である。また、制御部８は、インバータ装置４の電流を測定して速度判定タイミングＴを定めてもよい。

【0048】

第２条件は、インバータ装置４の出力電圧の位相と三相交流電源２の位相の位相差が第１の許容位相差の範囲内に入ったか判定する条件である。尚、商用開閉器７の開閉器の投入時の動作遅れ（投入遅延時間）ΔＴ７Ｃを考慮した場合、インバータ装置４の出力電圧の位相と、三相交流電源２の位相とが一致すると想定されるように、商用開閉器７に対して指令するタイミングを設定する。例えば、６．６ｋＶクラスの真空遮断器の場合、投入遅れ時間は略３５ｍｓ程度であり、開放遅延時間は約１１ｍｓ程度である。すなわち、商用開閉器７の投入指令と出力開閉器６の開放指令を同時に出力した場合、出力開閉器６の開放後に、商用開閉器７が投入されることを意味している。したがって、商用開閉器７の投入遅延時間ΔＴ７Ｃをあらかじめ実測し、これを考慮して出力開閉器６の開放指令および商用開閉器７への投入指令を出力することがよい。具体的には切替タイミングＴ１にてインバータ装置４の出力電圧の位相と三相交流電源２の位相の位相差が第１の許容位相差内に入ると判明した場合は、Ｔ１－ΔＴ７Ｃが第２条件の成立タイミング、すなわち出力開閉装置６の開放指令と商用開閉器７への投入指令とすることもできる。さらに、開閉器の動作遅延時間はその操作電源電圧で変動する場合がある。このような場合は操作電源電圧と動作遅延時間の関係をあらかじめ求めて置き、それをルックアップテーブル等のデータとして制御部８内に保管しておき、操作電源電圧に対応して商標開閉器７の投入遅延時間ΔＴ７Ｃを補正して用いる様にしてもよい。

【0049】

例えば、時刻ｔ０に於ける三相交流電源２の周波数をｆｓ、電圧の位相をθｓ、インバータ装置４の出力周波数をｆｉ、出力電圧の位相をθｉとした場合、位相差が無くなるまで周波数が変化しないとすれば、位相差が無くなるタイミングｔｘは時刻ｔ０から式（１）で示される時刻が経過したタイミングである。尚位相は特記なき場合はラジアンで示すものとする。

【0050】

ｔｘ＝（θｉ―θｓ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝・・・・・（１）

【0051】

したがって、商用開閉器７の投入時の第１の許容位相差をΔφとすると、時刻ｔ０から商用開閉器７の投入指令を出力するタイミングＴ７ｃはまでの経過時間は以下の式（２）から（５）の範囲として決定することができる。

【0052】

（θｉ―θｓ―Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ≧０の場合
（θｉ―θｓ+Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ
≧Ｔ７ｃ≧
（θｉ―θｓ―Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ・・・・・（２）

【0053】

（θｉ―θｓ＋Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ
＞０＞
（θｉ―θｓ―Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃの場合
（θｉ―θｓ+Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ
≧Ｔ７ｃ≧０・・・・・（３）
または
１／（ｆｓ－ｆｉ）
≧Ｔ７ｃ≧
（θｉ―θｓ―Δφ＋2π）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ・・・・・（４）

【0054】

（θｉ―θｓ＋Δφ）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ≦０の場合
（θｉ―θｓ+Δφ＋2π）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ
≧Ｔ７ｃ≧
（θｉ―θｓ―Δφ＋2π）／｛２π（ｆｓ－ｆｉ）｝―ΔＴ７ｃ・・・・・（５）

【0055】

第２条件が成立したのち式（２）から（５）に示す様に、インバータ装置４の出力電圧の位相と周波数、３相交流電源の位相と周波数および商用開閉器７の投入遅延時間に関連する値を使用することにより開閉制御部８０２が商用開閉器７へ投入指令を出力するタイミングを適切に判断することが出来る。また、出力開閉器６への開放指令タイミングは商用開閉器７への投入指令タイミングと同時でもよい。

【0056】

このように、第１実施形態にかかる電動機起動システム１は、入力開閉器５及び出力開閉器６を閉じた後、インバータ装置４が駆動する電動機３の回転数が所定の回転数を超えて、第１検出部８２が検出した位相それぞれと、第２検出部８４が検出した位相それぞれが所定の位相関係となっていると判定部８６が判定した場合、出力開閉器６を開いて商用開閉器７を閉じるように制御するので、電動機３が定格回転より低い回転数で、インバータ装置４による電力供給から、三相交流電源２による電力供給に切り替えることから、小容量のインバータ装置で電動機の多起動頻度と小型化を両立させることができる。

【0057】

また、第１実施形態にかかる電動機起動システム１は、回転数を第１条件まで上昇させてから、三相交流電源２と電動機３を接続することにより、起動時熱量を抑えて、電動機の枠番を大きくすることなく多起動頻度に対応することができる。また、一実施形態にかかる電動機起動システム１は、インバータ装置４による電動機３の可変速範囲を小さくすることにより、必要なインバータ装置４の容量も低減することができる。

【0058】

例えば、５０Ｈｚでの電動機３の定格運転に対し、可変速範囲を２０Ｈｚまで（又は２０Ｈｚ以下：すなわち定格周波数の４０％以下）とすると、負荷の反抗トルクは（２０／５０）^２＝１６％となり、これに加速トルク分１０％を加えた２６％相当の電流のみをインバータ装置４から出力することになる。つまり、電動機起動システム１は、小容量のインバータ装置で電流を少なくして熱上昇を抑えて、電動機の多起動頻度と小型化を両立させることができる。

【0059】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の電動機起動システムの基本的な構成は第１実施形態と同様である。以下では、相違点について説明する。第１実施形態では、駆動制御部８００がインバータ４３を制御し、電動機３を静止状態から徐々にその回転数を上昇させ、判定部８６は、電動機３が所定の回転速度に達したと判断した後、駆動制御部８００は、インバータ４３の出力周波数をさらに上昇させ、三相交流電源２の周波数と近接させる様に、さらに、インバータ４３の出力電圧位相が三相交流電源２の電圧位相と一致するように制御する。

【0060】

例えば、判定部８６は、インバータ４２の出力周波数が第２の所定周波数以上となると、周波数を一定に保ち、位相差が所定の範囲内になる切替タイミングＴ２にて、開閉制御部８０２が電動機３の電源を三相交流電源２へ切替る切替タイミングＴ２とする判定結果として駆動開閉制御部８０へ出力する。駆動開閉器制御部８０は、判定部８６からの信号を受信すると、開閉器等の遅延時間を考慮して、切替タイミングＴ２において出力開閉器６を開いて、商用開閉器７を閉じるように制御を行なえるよう、開制御部８０２が出力開閉器６および商標開閉器７へ指令を出力するように構成されている。

【0061】

図４は、本発明の第２実施形態の切替タイミング例を示す図である。第２実施形態の動作例として、第１検出部８２が検出した位相それぞれと、第２検出部８４が検出した位相それぞれが所定の位相関係となっているか否かを判定部８６が判定した場合の切替タイミングＴ２を示すグラフである。図４（ａ）は、三相交流電源２のＵ相電圧１００、Ｖ相電圧２００、及びＷ相電圧３００と切替タイミングＴ２とを示す図である。図４（ｂ）は、インバータ装置４の出力Ｕ相電圧１１０、出力Ｖ相電圧２１０、及び出力Ｗ相電圧３１０と切替タイミングＴ２とを示す図である。

【0062】

図４においては、例えば、判定部８６は、第１検出部８２が検出した電圧の周波数と第２検出部８４が検出した電圧の周波数が所定の範囲に近接し、第１検出部８２が検出した電圧の位相と、第２検出部８４が検出した電圧の位相が一致する位相関係となっているか否かを判定する。このとき、出力Ｕ相電圧１１０、出力Ｖ相電圧２１０、及び出力Ｗ相電圧３１０の振幅はＹであり、交流電源２の振幅より小さい。ここで周波数の近接は比較する電圧の周波数の差が所定の判定値以内であることを意味し、比較する電圧の位相差が所定の判定値以内であることも含む。

【0063】

図４では、三相交流電源２の三相電圧の周波数と、インバータ装置４の出力電圧の周波数がほぼ一致しているため、インバータ装置４の出力電圧も例えば５０Ｈｚである。そのため、電動機３は、電動機３の定格電圧よりも低い出力電圧で駆動され、すべりが大きい状態で回転する。図４に示す状態は、前述の駆動制御部８００がインバータ４３を制御し、電動機３を静止状態から徐々にその回転数を上昇させ、判定部８６は、電動機３が所定の回転速度に達したと判断した時点（この時点は、インバータ装置４の出力周波数は低く滑りは小さい）に比べ、インバータ装置４の出力するトルクは小さくなる。しかし、出力周波数を速やかに上昇させ、インバータ装置４の出力電圧と、三相交流電源２の三相電圧の周波数差と位相差を速やかに所定の範囲内とし、電動機３に供給する電力の供給をインバータ装置４から三相交流電源２に切り替えることにより、電動機３および負荷の慣性の効果があるので、電動機３の回転速度の低下は抑制できる。尚、周波数の差が極端に近接している場合は、位相差を小さくするのに時間がかかるので切り替えを早く実施するには好ましくない。周波数差の許容値は電動機と負荷の慣性モーメント等による切り替え時の回転速度低下に応じて決定することが望ましい。

【0064】

図７は、本発明の第２実施形態による電動機起動システム１の第１動作例を示すフローチャートである。図６との相違点についてのみ説明する。ステップＳ１１０までは第１実施形態と同様である

【0065】

ステップＳ１１２において、制御部８は、第１条件が満たされたと判定した場合（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）にはＳ１１３の処理に進み、第１条件が満たされていないと判定した場合（Ｓ１１２：Ｎｏ）にはＳ１１０の処理に戻る。第１条件の判定基準は第１実施形態と同様である。

【0066】

ステップ１１３（Ｓ１１３）において、駆動制御部８００は、インバータ装置４を後述する第２運転モードで駆動する。インバータ装置４は、第２運転モードで運転する。電動機３は、インバータ装置４から供給された電力により回転する。第２運転モードでは、インバータ装置４の出力電圧の振幅を第１運転モードの最終値のままとし、インバータ装置４の出力周波数を増加させて三相交流電源２と近接させ、さらにインバータ装置４の位相を三相交流電源２と一致させる様に制御する。そして次のステップ１１４に進む。

【0067】

ステップ１１４（Ｓ１１４）において、判定部８６は、後述する第３条件が満たされたか否かを判定する。駆動開閉制御部８０では、判定部８６が、第３条件が満たされたと判定した場合（Ｓ１１４：Ｙｅｓ）にはＳ１１５の処理に進み、第３条件が満たされていないと判定した場合（Ｓ１１４：Ｎｏ）にはＳ１１３の処理に戻る。第３条件はインバータ装置４の出力電圧の周波数が所定の周波数以上であるか否かという条件である。所定の周波数は三相交流電源２の周波数以下である。

【0068】

ステップＳ１１５では駆動制御部８００はインバータ装置４の出力電圧の振幅と周波数を一定に保つ様に制御する。そしてステップＳ１１７に進む。

【0069】

ステップ１１７（Ｓ１１７）において、判定部８６は、後述する第４条件が満たされたか否かを判定する。駆動開閉制御部８０は、判定部８６が、第１動作例においては、第４条件が満たされたと判定した場合（Ｓ１１７：Ｙｅｓ）にはＳ１１８の処理に進み、第４条件が満たされていないと判定した場合（Ｓ１１７：Ｎｏ）にはＳ１１５の処理に戻る。
第４条件では、インバータ装置４の出力電圧の位相と三相交流電源２の位相の位相差が第２の許容位相差の範囲内に入ったか判定する条件である。第２の許容位相差は第１の許容位相差と同じでも良いし、異なっていてもよい。

【0070】

ステップ１１８以降は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、商用開閉器７等の遅延時間を考慮した場合の考え方は、Δφを第２の許容位相差と読み替えることにより、前述の式（２）から（５）が適用でき、第１実施形態と同様な手法が可能である。さらに、切替タイミングＴ２におけるインバータ装置４の出力周波数ｆｉを第１実施形態の場合より高くすることにより、式（２）から（５）におけるｆｓ－ｆｉの値が小さくなるので、商用開閉器７の投入における遅延時間のばらつきに対しても対応し易いことがわかる。

【0071】

このように、第２実施形態にかかる電動機起動システムは、入力開閉器５及び出力開閉器６を閉じた後、インバータ装置４が駆動する電動機３の回転数が所定の回転数を超えると、インバータ装置４の出力電圧の周波数を３相交流電源の電圧の周波数を近接させ、その位相差が小さい状態で、出力開閉器６を開いて商用開閉器７を閉じるように制御するので、電動機３が定格回転より低い回転数で、インバータ装置４による電力供給から、三相交流電源２による電力供給に切り替えることから、小容量のインバータ装置で電動機の多起動頻度と小型化を両立させることができる。

【0072】

また、第２実施形態にかかる電動機起動システム１は、回転数を第１条件まで上昇させてから、三相交流電源２と電動機３を接続することにより、起動時熱量を抑えて、電動機の枠番を大きくすることなく多起動頻度に対応することができる。また、一実施形態にかかる電動機起動システム１は、インバータ装置４による電動機３の可変速範囲を小さくすることにより、必要なインバータ装置４の容量も低減することができる。

【0073】

以上、本発明によれば、電動機定格に比較し、小容量のインバータで、電動機の外形を大きくすることなく、電動機の多頻度起動を実施することができる電動機起動システムを提供することができる。

【符号の説明】

【0074】

１・・・電動機起動システム、２・・・三相交流電源、３・・・電動機、４・・・インバータ装置、５・・・入力開閉器、６・・・出力開閉器、７・・・商用開閉器、８・・・制御部、８０・・・駆動開閉制御部、８２・・・第１検出部、８４・・・第２検出部、８６・・・判定部、８００・・・駆動制御部、８０２・・・開閉制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】