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公開番号2020171187
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2019207406
出願日20191115
発明の名称過負荷保護継電器及びMCCユニット
出願人富士電機機器制御株式会社
代理人個人,個人
主分類H02H 3/08 20060101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電動機の負荷電流に過負荷が検出されたときに負荷電流をより高精度で遮断する過負荷保護継電器を提供する。
【解決手段】過負荷保護継電器30は、電路を通して電動機5にかかる負荷電流を計測し、計測した負荷電流を電気信号に変換して出力する電流センサ36と、電流センサ36から出力された電気信号を入力し、入力した電気信号に基づく負荷電流値が予め定められた閾値を超えたときに電磁接触器20を駆動して電動機5にかかる負荷電流を遮断する駆動制御部42とを備えている。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
電路を通して電動機にかかる負荷電流を計測し、計測した負荷電流を電気信号に変換して出力する電流センサと、
前記電流センサから出力された電気信号を入力し、入力した電気信号に基づく負荷電流値が予め定められた閾値を超えたときに電磁接触器を駆動して前記電動機にかかる負荷電流を遮断する駆動制御部と、
を備えていることを特徴とする過負荷保護継電器。
続きを表示(約 1,100 文字)【請求項2】
前記電流センサの電気信号を前記駆動制御部に伝達する信号線に直列接続で挿入され、かつ前記電流センサと前記駆動制御部との絶縁を確保する信号絶縁器を更に備えていることを特徴とする請求項1に記載の過負荷保護継電器。
【請求項3】
前記電磁接触器は、前記電路に直列接続で挿入される接点部と、前記接点部を開閉動作させるコイル部とを備え、
前記駆動制御部は、前記信号絶縁器及び前記コイル部によって、前記電路、前記電流センサ及び前記接点部を含む電力供給系と絶縁分離されていることを特徴とする請求項2に記載の過負荷保護継電器。
【請求項4】
前記電流センサは、測定導体と、前記測定導体の周辺に配置された空芯コイルとを有するロゴスキーコイル方式の電流センサであることを特徴とする請求項1に記載の過負荷保護継電器。
【請求項5】
前記電磁接触器は、前記電路に直列接続で挿入される接点部と、前記接点部を開閉動作させるコイル部とを備え、
前記駆動制御部は、前記電流センサの前記空芯コイル及び前記コイル部によって、前記電路及び、前記電流センサの前記測定導体及び前記接点部を含む電力供給系と絶縁分離されていることを特徴とする請求項4に記載の過負荷保護継電器。
【請求項6】
前記駆動制御部は、前記電流センサが計測した前記電動機の始動電流値、定格電流値をデジタル値に変換する変換器と、前記変換器で変換されたデジタル値データを前記始動電流値ごとに処理する処理装置と、前記処理装置で処理された前記始動電流値及び定格電流値を保管する記憶部とを備えていることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の過負荷保護継電器。
【請求項7】
請求項1から6の何れか一項に記載の過負荷保護継電器と、
前記電路を開閉する配線用遮断器及び前記電磁接触器と、
を備えていることを特徴とするMCCユニット。
【請求項8】
請求項6に記載の過負荷保護継電器と、
前記電路を開閉する開閉部、及び、前記開閉部の開閉を制御する駆動制御部を有する配線用遮断器及び電磁接触器と、を備え、
前記配線用遮断器及び前記電磁接触器の各々の前記駆動制御部は、デジタル処理及び通信機能を具備するデジタル処理装置を備え、
更に、前記過負荷保護継電器の前記記憶部に保管されたデータをシリアル通信によって前記配線用遮断器及び前記電磁接触器の各々の前記駆動制御部に送信する送信系を備えていることを特徴とするMCCユニット。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、誘導電動機の過負荷保護継電器及びそれを備えたモータコントロールセンタ(MCC:Motor Control Center)ユニットに関する。
続きを表示(約 8,600 文字)【背景技術】
【0002】
平成21年度に実施した資源エネルギー庁の調査結果によれば、三相誘導電動機は、産業部門においてポンプ、送風機、圧縮機などの多様な用途で使用されており、消費電力量は日本における産業部門の消費電力量の75%、日本の消費電力量全体の約55%を占め、相当量のエネルギーを消費する機器となっている。
出典:経済産業省「三相誘導電動機の現状について」
(http://www.meti.go.jp/committee/sougouenergy/shou_energy_kijun/sansou_yudou/001_04_00.pdf)
また、三相誘導電動機の国内市場の現状(出典:経済産業省生産動態統計(2008年度))として、2008年度の電動機の生産・出荷実績(2008年度)容量(MW)に対して三相誘導電動機が83%を占めていることが示されている。したがって、三相誘導電動機の高効率化は日本における省エネに大きく貢献する。
【0003】
2015年4月以降、国内向けに出荷する三相誘導電動機を含むモータのエネルギー消費効率を区分ごとに出荷台数により加重平均した数値が、基準エネルギー消費効率を下回らないようにしなければならない。これらを進める上で三相誘導電動機は効率区分がIE1(標準効率)、IE2(高効率)、IE3(プレミアム効率)で規定されており、効率が一番高いIE3モータはトップランナーモータとも云われている。
モータ(誘導電動機)は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械であり、エネルギー変換に際して、その一部が熱エネルギーとしてモータ内部で消費している。この内部で消費され、動力として使用できないエネルギーは損失であり、損失が大きい場合、モータ入力に対する出力が小さくなり、無駄な電力を消費することになる。この入力と出力の比がモータの効率である。
【0004】
モータの発生損失は、固定損(鉄損及び機械損)、負荷損(一次銅損及び二次銅損)、漂遊負荷損に分けることができる。このうち、鉄損とは、磁気回路の磁場の変化に伴って発生する損失である。機械損とは、回転子と固定子の軸受の摩擦抵抗による損失、冷却ファンの風損などがある。銅損とは、電気エネルギーが銅巻線の導線にある電気抵抗によって熱エネルギーにかわる損失である。
なお、一次銅損は固定子導体、二次銅損は回転子導体で発生する。漂遊負荷損とは、上記以外の損失である。モータの各発生損失の内訳例では、定格運転時の全体損失の内1次銅損が40%、鉄損が30%、2次銅損が16%、機械損が12%、漂遊負荷損が2%などの報告例もある。
【0005】
したがって、モータの効率を高める方法としてモータの損失の中で大きな割合を占める銅損を削減するなどが行なわれている。銅損を削減するためにコイル巻線の断面積を増やして銅損を抑える構造とすることで、上記の例では全体損失の56%に相当する銅損による損失を低減させることなどが行われている。このため、モータを始動してから定格稼働状態まで回転を加速するために必要な駆動トルクを維持するため、モータの始動電流が増加する。
一方、三相誘導電動機への電力供給は、元の電力供給源から配線用遮断器(MCCB,MCB,ブレーカーとも云う)、電磁接触器(MC)、サーマルリレーを経由して行なわれる。配線用遮断器、電磁接触器、サーマルリレーは総称してMCCユニットとも呼ばれ、三相誘導電動機の短絡保護を行なう配線用遮断器と電動機の過負荷に対する保護継電器であるサーマルリレーとの組合せにより適切なモータ保護協調が行なわれている。
【0006】
過負荷保護継電器としてのサーマルリレーは、バイメタルとヒータを組み合わせた素子を用い、例えばモータの負荷電流をヒータで熱に変換してバイメタルを加熱することでバイメタルを湾曲させ、このバイメタルの湾曲変位により電流検出を行ない、過負荷による過電流に対してモータの保護を行う仕組みである。その故、熱動式の過負荷保護継電器と云われている。
サーマルリレーの動作電流値は機械式サーモスタットのようにダイヤル設定しており、通常3極品は両端2極のみヒータが入っている。そして、電流整定値はモータ負荷で通常時の1.73倍以下の値にセットするなど、アナログ的にシステムの安全性を確保している。
【0007】
ところで、三相誘導電動機などのモータにおいては、運転時の効率を高めたトップランナーモータ(IE3)への移行が進んでいる。トップランナーモータは、効率を高める手段としてコイル巻線の断面積を増やして銅損を抑える構造のため、従来のモータ(IE1,IE2)と比べて効率がよく省エネになる反面、始動電流が大きくなる。
一方、既存のMCCユニットは、従来モータに合わせた機器選定を行っているため、トップランナーモータを適用した場合、始動電流により配線用遮断器やサーマルリレーが不要動作し、トップランナーモータが始動できなくなる可能性がある。このため、トップランナーモータの特性に合わせた適切な保護協調を行う必要がある。
【0008】
そこで、特許文献1では、従来のサーマルリレーに対し、ケース内部の温度上昇によりバイメタルが湾曲する方向とは反対方向に湾曲する補助バイメタルと、バイメタルと補助バイメタルの2つの湾曲変位により接点の開閉状態を反転させる反転機構部とを有する構成とすることで、効率を高めたトップランナーモータを適用して始動電流が増加した場合にもミストリップしないサーマルリレーを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
特開2017−195111号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、サーマルリレーはバイメタルおよびヒータを流れる電流による熱エネルギーによりバイメタルを可動させている。そして、トップランナーモータによる始動電流が増加したことによる熱エネルギーはヒータを流れる電流の二乗に比例する。このため、従来のモータに対する始動電流の増加による熱エネルギーによりバイメタルが可動する時間まで厳密に制御しているとは言えない。つまり、電流の増加に対して電流から変換された熱エネルギーの増加分、サーマルリレーは遮断処理を早く作動することとなる。したがって、特許文献1では、主たるバイメタルとは逆方向に作動する補助のバイメタルを搭載させ、モータの始動電流による影響をバイメタルによるモータに対する電力供給の不要動作(ミストリップ)を回避するために、時間的に遅延させていると云える。
【0011】
また、サーマルリレーは、バイメタルに巻きつけられたヒータ熱による電力損失も無視できない。ここでの電力損失が無ければ、モータに供給できる電力もさらに効率化できることになる。加えて、モータ始動時による突入電流の影響による回路遮断は配線用遮断器での対応としている。
本発明は、このような従来の問題点を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電動機の負荷電流に過負荷が検出されたときに負荷電流をより高精度で遮断することが可能な過負荷保護継電器及びそれを備えたMCCユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る過負荷保護継電器は、電路を通して電動機にかかる負荷電流を計測し、計測した負荷電流を電気信号に変換して出力する電流センサと、電流センサから出力された電気信号を入力し、入力した電気信号に基づく負荷電流値が予め定められた閾値を超えたときに電磁接触器を駆動して電動機にかかる負荷電流を遮断する駆動制御部と、を備えている。
【0013】
また、本発明の一態様に係るMCCユニットは、上記過負荷保護継電器と、上記電路を開閉する配線用遮断器及び上記電磁接触器と、を備えている。
【0014】
また、本発明の一態様に係るMCCユニットは、上記過負荷保護継電器と、上記電路を開閉する開閉部、及び、開閉部の開閉を制御する駆動制御部を有する配線用遮断器及び電磁接触器とを備えている。そして、過負荷保護継電器の駆動制御部は、電流センサが計測した電動機の始動電流値、定格電流値をデジタル値に変換する変換器と、変換器で変換されたデジタル値データを始動電流値ごとに処理する処理装置と、処理装置で処理された始動電流値及び定格電流値を保管する記憶部とを備えている。そして、配線用遮断器及び電磁接触器の各々の駆動制御部は、デジタル処理及び通信機能を具備するデジタル処理装置を備えている。そして、MCCユニットは、過負荷保護継電器の記憶部に保管されたデータをシリアル通信によって配線用遮断器及び電磁接触器の各々の駆動制御部に送信する送信系を更に備えている。
【0015】
要は、主回路を流れる電流値を直接計測できるようにすることである。少なくとも、バイメタルで消費される電力の一部を使用すれば、主回路の電流計測と計測された電流値によるサーマルリレーとしての処理動作、すなわち、モータ始動時の大電流期間を除いた、定常稼働時の主回路を流れるモータの過負荷検知と過負荷検知に基づく主回路遮断処理が可能となる。
バイメタルで消費される電力はバイメタルに流れる電流の二乗に比例する。MCCユニットを構成する電磁接触器が始動し、モータ(電動機)が始動する直前はバイメタルで消費される電力はゼロであるが、モータの回転速度が定格動作に至るまでは、モータの回転加速に必要なトルクを励起させることとなり、この回転加速に必要なトルクは、定格回転数に至るまでのある適当な回転周波数で最大に達し、それ以降は定格回転数まで減少する動きを見せる。
【0016】
モータ始動時に必要な始動電流はモータを構成する主に回転トルクの発生に必要なインダクタンス成分と磁気励起に必要なアドミッタンス成分であり、上記インダクタンス成分に流れる電流がモータの始動時に流れる増加電流分と考えることができる。
したがって、モータの始動時に流れる始動電流を計測する手段を設け、加えて、モータが始動後に定格稼働運転状態になっている状態の比較的小さな電流を精度よく計測する手段を設ければ、モータの始動時に流れるモータ始動電流変化プロセスをデータ化することができ、加えて、モータは始動後の定格運転状態になった場合の定格電流の電流変化についての電流変化をデータ化することが可能となる。
【0017】
以上の電流などのモータの稼働プロセスのデータ化は、モータの長期に亘る使用を想定した場合に、設置されているモータ動作状態の変化の傾向から故障予知をデジタル的に実現することに繋がり、併せて、省電力化も実現可能となる。
加えて、MCCユニットの中で配線用遮断器、電磁接触器、過負荷保護継電器をデジタル化するなどシリアル通信を通して情報共有するシステムを構成することで、例えば、電磁接触器では電力供給を行なう主回路電圧駆動情報を過負荷保護継電器へ、また、過負荷保護継電器では主回路を流れる電流値情報を電磁接触器へ情報共有することが可能となり、MCCユニットの上位システムにモータの現在の稼働運転状態情報に加え、長期に亘る運転状態の変化の情報の共有することができ、モータの運転状態や故障予知情報を的確に監視することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明の一態様によれば、電動機の負荷電流に過負荷が検出されたときに負荷電流をより高精度で遮断することが可能な過負荷保護継電器及びそれを備えたMCCユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
本発明の第1実施形態に係る過負荷保護継電器を備えたMCCユニット及び電力供給システムを示す図である。
図1のMCCユニットのシステム構成図である。
図1の過負荷保護継電器の構成図である。
図1の過負荷保護継電器の一部を詳細に示す図である。
一般的なモータ保護強調の説明図である。
本発明の第2実施形態に係る過負荷保護継電器の構成図である。
図6の過負荷保護継電器の一部を詳細に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
以下の実施形態では、過負荷保護継電器及びそれを備えたMCCユニット並びに電力供給システムについて説明する。
なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
また、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものではない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【0021】
(第1実施形態)
まず、モータへの電力を供給する電力供給システムについて、図1を用いて説明する。
図1に示すように、電力供給システム1は、電力供給源2からMCCユニット3を経由してモータ(電動機)5に電力を供給するようになっている。そして、MCCユニット3は、電力供給源2とモータ5とを電気的に接続する電路としての主回路電線4に直列接続で電力供給源2側から順に挿入される配線用遮断器10、電磁接触器20及び過負荷保護継電器30を備えている。すなわち、モータ5への電力供給は、電力供給源2からMCCユニット3の配線用遮断器10、電磁接触器20及び負荷保護継電器30の順に行われる。
【0022】
ここで、一般的なモータの保護協調について、図5(出典:一般社団法人日本電機工業会Webページから抜粋)を用いて説明する。
図5に示されるように、モータは、始動時に発生する始動電流が定格電流に対して増加する。これは、モータのインダクターにエネルギーを蓄える電流と、モータのトルクを発生させるために必要な電流の増加によるものである。図5では、配線用遮断器での不要動作領域とサーマルリレーの不要動作領域を示している。配線用遮断器の不要動作領域は、上述のインダクターにエネルギーを蓄える電流と、モータの始動トルクを発生させる電流である。サーマルリレーの不要動作領域はモータのトルク発生のために流れる電流である。
【0023】
図5に示すように、モータの熱特性は、モータが熱的に耐え得る電流−時間の関係を示し、反時限特性となる。従来モータの場合、始動時には一般的に数倍の始動電流(実効換算値)が流れ、モータ回転数の上昇に伴い定格電流に徐々に収束する。モータの過負荷保護を行うには、サーマルリレーの動作特性がモータの熱特性より小さく、かつ、モータ始動電流と交差しないサーマルリレー動作特性とし、保護強調を取る必要があった。運転時の効率を高めたトップランナーモータの場合、始動電流が図5中のハッチング部のように増加する傾向にある。このため、サーマルリレーの動特性とモータ始動電流が交差し、サーマルリレーがミストリップする可能性があった。
なお、図5では熱的に制御するサーマルリレーについて述べているが、このサーマルリレーに対してこの第1実施形態の過負荷保護継電器30は電子的に制御するものである。
【0024】
次に、電力供給システム1及びMCCユニット3の具体的な構成について図2を用いて説明する。この第1実施形態は、MCCユニット全体を各ユニットにおける電力供給形態と情報連携形態と電力系統のセンシングに関して示したシステムの一例である。付け加えるならば、図2に示す電力供給システム1は本発明を説明するための一例であり、電力供給形態と情報連携形態と電力系統のセンシングについて限定されるものではなく、例えば電力系統例ではAC系統から供給を受けて内部回路駆動電源を構成する例としているが、例えばUSB(Universal Serial Bus)接続による電源供給を外部から行うと同時にシリアル通信を行うシステムとしても良い。
【0025】
図2はモータに供給する電力供給のシーケンスを示した図であり、三相交流で電力供給源2からモータ5に電力を供給する電力供給システムの一例である。
モータ5への電力供給は、MCCユニット3を構成する配線用遮断器10、電磁接触器20、過負荷保護継電器30の順に行なわれる。
配線用遮断器10では三相交流を遮断している。そして、配線用遮断器10を閉路すると内部のスイッチを経由して電力供給が電磁接触器20に対してなされる。
【0026】
電磁接触器20も外部から供給される電源から電源回路により内部の制御回路22aおよび駆動回路22bを駆動することによって、電磁石の磁気エネルギーを利用して接点部の開閉を行なう。なお、電磁接触器20の初期の状態では接点部は開放しており、電磁石の磁力により接点部は閉じた状態を継続する。
以後、接続の過負荷保護継電器30を経由してモータの電流供給を行なう。過負荷保護継電器30は常時電流監視をしており、許容される電流値を超える電流がモータに流れた場合にトリップ信号を出力し電力供給系を電磁接触器20で遮断する動作を行なう。
【0027】
配線用遮断器10及び電磁接触器20の各々は、電路としての主回路電線4を開閉する開閉部11,21と、この開閉部11,21の開閉を制御する駆動制御部12,22とを備えている。開閉部11,21は、主回路電線4に直列接続で挿入された接点部と、この接点部を開閉駆動させるコイル部とを備えている。駆動制御部12,22は、制御回路12a,22aと、駆動回路12b,22bと、を備えている。ここで、電磁石で開閉するのは電磁接触器20のみである。配線用遮断器10は閉じる動作は一般的に手動で、開く動作は電子式原理の場合はトリップコイルを駆動回路で励磁して接点部を動作させる。制御回路12a,22aは、例えば、記憶部を内蔵し、更にデジタル処理及び通信機能を具備するマイクロプロセッサなどのデジタル処理装置で構成されている。
【0028】
図2に示すように、過負荷保護継電器30は、電力供給系に流れる電流の電流値を計測する電流センサ36(●印で図示)を備えている。電流センサ36としては、例えば交流の場合であればカレントトランス、ロゴスキーコイル、ホール素子センサを用いた磁気センサによる電流センサに加えて、シャント抵抗を使った電流センシング回路も存在し、どの電流センサにするかを定めるものではない。必要なことはモータ5への電力供給系と、駆動制御部(駆動回路および制御回路)、通信系、外部給電との間に絶縁が必要なことである。
【0029】
過負荷保護継電器30の制御回路42は、演算処理装置として例えばマイクロプロセッサ(以下、MPUと記載)を搭載し、アナログ/デジタル変換器(以下、ADC)を内蔵していることが好ましい。MPUに内蔵されているADCにより、電流供給系の電流値はMPUおよび制御回路42に内蔵する記憶部101(図4参照)に保管することができる。
過負荷保護継電器30で計測され、保管された電力供給系の瞬時値データは、図2に点線で示す通信系50を介して、配線用遮断器10および電磁接触器20の各々の制御回路12a及び制御回路22aに搭載されたMPUと例えばシリアル通信として情報共有が可能となる。
【0030】
次に、電磁接触器20及び過負荷保護継電器30の具体的な構成について、図3及び図4を用いて説明する。
図3に示すように、電磁接触器20は、電路としての内部電源ラインLp1と、内部電源ラインLp1の一端側に接続された第1外部端子28と、内部電源ラインLp1の他端側に接続された第2外部端子29とを備えている。また、電磁接触器20は、開閉部21を備えている。
(【0031】以降は省略されています)

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