JP2016012962A

JP2016012962A - 流量制御装置

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Publication number: JP2016012962A
Application number: JP2014132682A
Authority: JP
Inventors: 大輔出利葉; Daisuke Ideriha; 裕介石田; Yusuke Ishida; 拓二下浦; Takuji Shimoura; 昭彦黒岩; Akihiko Kuroiwa
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP6192230B2

Abstract

【課題】流量を制御する流量制御装置において、インバータに障害が発生した場合であっても、一端ダンパ５１を絞り電動機出力を軽減すると共に、インバータを商用周波数まで加速させ、商用電源に同期させて商用駆動し、インバータ復帰の際は、インバータ可変速駆動することにより連続稼働が可能な流量制御装置を提供する。
【解決手段】電動機７０をインバータ駆動特性曲線Ｃｉｎｖ上でインバータ可変速駆動を行っていたときに、インバータに障害が発生した場合、ダンパの開口角度を絞る（小さくする）ことにより負荷を軽くする。その際、運転動作点は（ａ）から（ｂ）に移動する。ここでインバータ可変速駆動を行うことにより商用電源と同期させ、商用駆動特性曲線Ｃｃ上で電動機を駆動する商用駆動に移動し、インバータ可変速駆動を止める。この状態で、インバータが復帰した場合は、インバータ可変速駆動に移動し、初期状態に復帰する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数のインバータ及び商用電源を並列に接続して電動機を駆動し、風量又は水量などの流量を制御する流量制御装置に関する。

発電所のＦＤＦ（Forced Draft Fan：燃料の燃焼に必要な空気を送り込む押込みファン）やＩＤＦ（Induced Draft Fan：煙道ガスを煙突に送り込む誘引ファン）、給水ポンプ、製鉄所の高炉ブロワ及び焼結ブロワ等の風量、水量を制御する流量制御装置では、商用周波数での固定速＋ダンパ等の機械的流量制御部から省エネルギーを目的にインバータで可変速駆動することが多くなっている。

一方、これらの設備も大型化し、インバータが故障した場合に設備が停止したことによる操業への影響が大きく、インバータが故障した場合にも、商用電源に切り替え、設備の運転を継続することが要求される場合が増えている。

例えば、電動機をインバータ駆動又は商用駆動可能な交流電動機の制御装置において、インバータ駆動から商用駆動に同期切替えを行うときに、商用電源の電流を検出し、この信号を活用することにより同期切替えに要する過渡期間を最短化し、確実に同期切替えを行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−１６８０９１号公報

従来、上記流量制御装置では、インバータが故障した場合に、商用電源に切り替えていた。具体的には、インバータの運転を一旦停止し、商用電源に切り替えていたため、インバータ停止に伴う流量の低下が大きく、操業への影響が大きかった。

また、上述した流量制御装置では、大容量の電動機を商用電源に直入れ投入することになるので、電動機に大きな突入電流が流れ、電源系統電圧が低下し、電源系統に接続される他の機器へ影響を及ぼすことがあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、発電所のＦＤＦやＩＤＦ、給水ポンプ、製鉄所の高炉ブロワ及び焼結ブロワ等の風量、水量などの流量を制御する流量制御装置において、インバータが故障した場合であっても、当該インバータを切り離し、必要な電動機出力を正常なインバータ出力で賄える範囲でインバータを使用して可変速駆動し、又必要な電動機出力を正常なインバータ出力で賄えない場合は、一端ダンパを絞り電動機出力を軽減すると共に、インバータを商用周波数まで加速させ、商用電源に同期させて商用側に投入（商用駆動）することにより、上記課題を解決することができる流量制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の流量制御装置は、商用電源に接続され、電動機を可変速駆動する複数のインバータと、前記電動機を駆動する商用電源と、前記複数のインバータと前記電動機との間に設けられた複数の第１の開閉器と、前記商用電源と前記電動機との間に設けられた第２の開閉器と、管内を流れる流体の流量を制御するダンパと、前記ダンパを回動することにより、流体の流れる方向と垂直方向に対するダンパの開口角度を可変することができるとき、そのダンパの開口角度を可変することにより、流体の流量を制御する回動制御手段と、前記第１又は第２の開閉器、前記複数のインバータを可変速駆動するインバータ可変速駆動手段並びに前記回動制御手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電動機が前記インバータ可変速駆動手段によって駆動されているときに、その一部のインバータに障害が発生したとき、当該障害が発生したインバータを切り離し、残りのインバータで賄える範囲まで、前記回動制御手段によって前記ダンパを絞ることにより前記電動機の負荷を軽減し、前記インバータ可変速駆動手段によって前記電動機の回転速度を商用電源周波数まで加速させ、前記商用電源に同期させて前記第２の開閉器を投入して前記電動機を商用駆動手段に切り替えると共に、前記第1の開閉器を開くことにより、前記インバータ可変速駆動手段を停止することを特徴とする。

この発明によれば、発電所のＦＤＦやＩＤＦ、給水ポンプ、製鉄所の高速ブロワ、焼結ブロワ等の大設備を停止することなく、継続して運転することができ、発電所や製鉄所の操業の影響を軽減できる。

本発明の実施例１に係る流量制御システムの構成図。本発明の実施例１に係る流量制御装置の動作を電動機の駆動特性を用いて説明する遷移図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る流量制御システム１００の構成図である。本実施例に係る流量制御システム１００は、電動機７０、流量制御装置８０及び流量制御部５０を有して構成される。

流量制御装置８０は、商用電源１、遮断器１０・２０・３０・４０、インバータ部２１・３１・４１、リアクトル２３・３３・４３、制御部６０及び回動制御部（回動制御手段）６１などで構成される。

このように構成された流量制御装置８０は、商用電源１又は上記インバータ部２１・３１・４１から出力されるインバータ出力電源に切り替えることにより負荷としての電動機７０に当該電動機７０を駆動する電力を供給する。

上記電動機７０を上記インバータ出力電源で駆動する時は、当該インバータを可変速駆動することにより、電動機７０を可変速駆動することができる。

商用電源１の形態は、当該商用電源１を直接電動機７０に供給する第1の商用電源系統１ａ、商用電源１をインバータ部２１を介して電動機７０に供給する第２の商用電源系統１ｂ、商用電源１をインバータ部３１を介して電動機７０に供給する第３の商用電源系統１ｃ及び商用電源１をインバータ部４１を介して電動機７０に供給する第４の商用電源系統１ｄで構成される。なお、図示した例は、商用電源１に対してインバータ部を３台並列に接続した場合を示しているが、これに限らないのは言うに及ばない。

遮断器１０・２０・３０・４０は、短絡、過電流又は地絡等の際に電路を遮断することができる。

第１の商用電源系統１ａは、遮断器（第２の開閉器）１０の一端に接続され、他端は、電動機７０に接続される。

第２の商用電源系統１ｂ、第３の商用電源系統１ｃ及び第３の商用電源系統１ｄは、遮断器２０・３０・４０の一端に接続され、他端は、インバータ部２１・３１・４１に接続され、商用電源（例えば１００Ｖ５０Ｈｚ）が供給される。

インバータ部２１・３１・４１は、コンバータ及びインバータを有して構成される。コンバータは、供給された商用電源（交流電源）を直流電源に変換する。

インバータは、コンバータによって変換された直流電源を、電圧、周波数共可変可能な交流電源に変換する。本実施例のインバータは、供給される直流電源に直列に接続されたスイッチング素子（図示しない）が設けられており、当該スイッチング素子は制御部６０によって制御され、電動機７０の可変速駆動に必要な交流電源が生成される。

このようにして、インバータ部２１・３１・４１によって生成された交流電源は、それぞれ開閉器（第1の開閉器）２２・３２・４２の一端に接続される。

上記開閉器２２・３２・４２の他端は、リアクトル２３・３３・４３に接続される。リアクトル２３・３３・４３は、インバータ部２１・３１・４１の間及び商用電源１とインバータ部２１・３１・４３間に流れる横流を抑制する効果を有する。

このようにして生成された交流電源は、電動機７０を駆動するための電源であるから、使用される電動機の使用態様に応じて、インバータ部２１・３１・４１から出力される周波数及び電圧等が設定される。

電動機７０は負荷としてのファン（又はポンプ）５２が接続される。ここでは、ファン５２が接続された場合を例に説明する。

ダンパ５１は、管内を流れる流体の流量を制御する。ダンパ５１は当該ダンパ５１の中央を軸として図示矢印Ａ方向に回動可能に構成されており、ダンパ５１の位置が管内を流れる流体の流れる方向と垂直方向に対する開口角度θを有する場合の流量Ｑθは、下式で示すことができる。
Ｑθ＝Ｑｃｏｓθ・・・・・・・・・・・・・（１）
制御部（制御手段）６０は、開閉器（第1の開閉器）２２・３２・４２、インバータ部２１・３１・４１を可変駆動するインバータ可変速駆動手段、遮断器（第２の開閉器）１０・２０・３０・４０、及び回動制御部（回動制御手段）６１を制御する。

回動制御部６１は、制御部６０からの指示に基づいてダンパ５１の開口角度θを設定する。ダンパ５１の開口角度θが設定されると、当該開口角度θに応じて負荷が制限される。従って、ダンパ５１の回動角度θを制御することにより、ファン５２によって送風される流量制御を行うことができる。

図２は、本発明の実施例１に係る流量制御装置８０の動作を電動機の駆動特性を用いて説明する遷移図である。

図に示す駆動特性は、横軸は風量（単位は、ｍ^３／hであるが、ここではＱｕ（Quantity）を用いて簡略表記する。）で、縦軸は風圧（単位は、Ｐａ（Pascal））であり、ダンパ５１の開口角度θをパラメータとしたときの、風量、風圧に対するインバータ可変速駆動特性Ｃｉｎｖ及び商用駆動特性Ｃｃを示す。

なお、図は、ダンパ５１の開口角度θの替わりに、特定の開口角度θ１（Ｐ１ｄａｍｐ）、θ２（Ｐ２ｄａｍｐ）、θ３（Ｐ３ｄａｍｐ）をパラメータとするインバータ可変速駆動特性Ｃｉｎｖ及び商用駆動特性Ｃｃを示す図である。

上記パラメータは、負荷の状態に応じて、必要とされる風量・風圧が設定され、その風量・風圧に対する開口角度θをパラメータとするインバータ可変速駆動特性及び商用駆動特性がシミュレーション又は実証試験を経て設定される。

本実施例に示す運転動作点の移動（遷移）図は、省エネ駆動を考慮して低速（回転数Ｎ２）でインバータ可変速駆動する場合のインバータ可変速駆動特性Ｃｉｎｖと、商用周波数（回転数Ｎ１＞Ｎ２）で商用駆動する場合の商用駆動特性Ｃｃを示しており、インバータの一部に障害が発生したとき及び障害が回復したときにこれらのインバータ可変速駆動特性Ｃｉｎｖと、商用駆動特性Ｃｃが切り替えられて駆動される場合の方法を遷移図として示したものである。以下、この図を参考にして本実施例に係る流量制御装置８０の動作を説明する。

通常運転時は、運転動作点（ａ）の位置で運転していることを前提に以下説明する。
（１）運転動作点（ａ）の位置では、ダンパ５１の開口角度はＰ１ｄａｍｐ（開口角度θ＝θ１＝０）であり、風量Ｑは基準風量Ｑｓに対して０．７Ｑｓ（Ｑｕ）、風圧は、基準風圧Ｈｓに対して０．４７Ｈｓ（Ｐａ）で運転中である。この運転動作点（ａ）点での運転状態は、インバータによる可変速駆動が行われている状態で、上述した省エネ運転中に該当する。このときの運転能力Ｐ（ａ）は下式（２）で示すことができる。
Ｐ（ａ）＝０．７Ｑｓ（Ｑｕ）×０．４７Ｈｓ（Ｐａ）・・・・・・・・（２）
＝０．３３Ｑｓ・Ｈｓ（Ｑｕ・Ｐａ）
基準風量Ｑｓ＝１、基準風圧Ｈｓ＝１とすると、
Ｐ（ａ）＝０．３３（Ｑｕ・Ｐａ）
（２）この状態でインバータが故障した場合、当該故障したインバータを切り離し、残りのインバータで賄える範囲までダンパ５１を絞り、電動機７０の出力を軽減する。回転数はそのままで、運転動作点（ａ）から回転数Ｎ２の駆動特性曲線Ｃｉｎｖに基づいて運転動作点（ｂ）に移動させる。

具体的には、ダンパ５１の開口角度をＰ１ｄａｍｐ（開口角度θ＝θ１）からＰ３ｄａｍｐ（開口角度θ＝θ３）に変更することにより、負荷を軽くし、運転動作点を、Ｐ１ｄａｍｐ上の運転動作点（ａ）からＰ３ｄａｍｐ上の運転動作点（ｂ）に移動（遷移）させることである。

この運転点動作点（ｂ）では、風量が０．３Ｑｓ（Ｑｕ）、風圧が０．６Ｈｓ（Ｐａ）で運転することになる。この運転動作点（ｂ）での運転能力Ｐ（ｂ）は、上記運転能力Ｐ（ａ）同様に下式（３）で示すことができる。
Ｐ（ｂ）＝０．３Ｑｓ（Ｑｕ）×０．６Ｈｓ(Ｐａ)・・・・・・・・・（３）
＝０．１８（Ｑｕ・Ｐａ）
従って、この運転動作点（ｂ）では、運転動作点（ａ）での運転能力Ｐ（ａ）＝０．３３（Ｑｕ・Ｐａ）から運転能力Ｐ（ｂ）＝０．１８（Ｑｕ・Ｐａ）に低下したことになる。

（３）この運転動作点（ｂ）での負荷の軽い状態で、インバータにより電動機７０を可変速駆動し当該電動機７０の回転数を商用電源周波数まで加速させ、商用電源に同期させて遮断器１０を投入し、電動機７０を商用駆動に切り替える。このことはすなわち、運転動作点を（ｂ）から運転動作点（ｃ）に移動（遷移）させることになる。

具体的には、電動機７０の回転数が、Ｐ３ｄａｍｐ上の運転動作点（ｂ）にあるとき、制御部６０は、インバータによって電動機７０を駆動するドライブ速度基準を商用電源周波数に設定し、商用電源周波数まで加速する。

制御部６０はまた、インバータから出力されるインバータ出力電源と商用電源との位相・電圧振幅差を検出する検出手段（図示しない）と、当該検出手段による検出の結果が設定レベル以内になったことを確認する確認手段（図示しない）とを備え、上記検出結果が設定レベル以内になっている場合には、遮断器１０を投入して商用駆動に移動すると共に、インバータによるインバータ可変速駆動を停止する。

運転動作点（ｃ）での運転能力Ｐ（ｃ）は上述同様に下式（４）で示すことができる。
Ｐ（ｃ）＝０．３５Ｑｓ（Ｑｕ）×１．０７Ｈｓ（Ｐａ）・・・・（４）
＝０．３７（Ｑｕ・Ｐａ）
従って、この運転動作点（ｃ）では、運転動作点（ａ）の時の当初の運転能力Ｐ（ａ）＝０．３３（Ｑｕ・Ｐａ）を達成しており、故障したインバータの運転能力を回復したことになる。

運転動作点（ｃ）は、電動機７０を商用電源で駆動（商用駆動）する際の定格回転数Ｎ１の駆動特性曲線Ｃｃ上にある。駆動特性曲線Ｃｃは、ダンパ５１の開口角度θに対する駆動特性曲線であり、運転動作点（ｃ）から運転動作点（ｄ）方向に移動（遷移）することにより、開口角度θが大きくなる（ダンパが開く）と共に、風量が大きくなり、従って負荷が大きくなる。

（４）その後、商用電源での固定速運転時に、ダンパの開閉（開口角度θを制御すること）により流量（風量）を制御することができる。例えば、ダンパを開くと（開口角度θを大きくすると）運転動作点は、図示した駆動特性曲線Ｃｃ上の運転動作点（ｃ）から運転動作点（ｄ）に移動（遷移）する。

（５）商用電源での固定速運転時に故障したインバータが復帰した場合には、商用駆動からインバータによるインバータ可変速駆動に切り替える。

具体的には、運転動作点（ｄ）から回動制御部（回動制御手段）６１によってダンパを開き、ダンパの開放角度をＰ１ｄａｍｐにして、運転動作点（ｅ）とし、Ｐ１ｄａｍｐ上で、インバータ可変速駆動による回転速度を商用駆動に同期させて開閉器２２、３２、４２を投入し、商用駆動との並列駆動後、商用駆動側遮断器１０を引き外すことにより、商用駆動からインバータ可変速駆動に切り替える。

（６）その後、インバータ可変速駆動によって電動機７０の回転数を、運転動作点（ａ）の回転数に到達するまで引き下げる。このようにして、電動機７０の回転数が、初期状態である運転動作点（ａ）に復帰する。

（７）その後は、図示した駆動特性曲線Ｃｉｎｖの曲線上、運転動作点（ａ）から運転動作点（ｂ）の間でインバータによる省エネ運転を継続する。

以上説明したように、本実施例によれば、「発明が解決しようとする課題」に記載されたインバータ停止に伴う流量の低下が大きく操業への影響が大きいという課題を解決することができ、設備を停止させずに運転を継続できる。また、商用駆動とインバータによるインバータ可変速駆動切り替え時に同期させるので、他設備への影響を抑えることができる。

１商用電源
１０、２０、３０、４０遮断器
２１、３１、４１インバータ部
２２、３２、４２開閉器
２３、３３、４３リアクトル
５０流量制御部
５１ダンパ
５２ファン（ｏｒポンプ）
６０制御部
７０電動機
８０流量制御装置
１００流量制御システム

Claims

商用電源に接続され、電動機を可変速駆動する複数のインバータと、
前記電動機を駆動する商用電源と、
前記複数のインバータと前記電動機との間に設けられた複数の第１の開閉器と、
前記商用電源と前記電動機との間に設けられた第２の開閉器と、
管内を流れる流体の流量を制御するダンパと、
前記ダンパを回動することにより、流体の流れる方向と垂直方向に対するダンパの開口角度を可変することができるとき、そのダンパの開口角度を可変することにより、流体の流量を制御する回動制御手段と、
前記第１又は第２の開閉器、前記複数のインバータを可変速駆動するインバータ可変速駆動手段並びに前記回動制御手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記電動機が前記インバータ可変速駆動手段によって駆動されているときに、その一部のインバータに障害が発生したとき、当該障害が発生したインバータを切り離し、残りのインバータで賄える範囲まで、前記回動制御手段によって前記ダンパを絞ることにより前記電動機の負荷を軽減し、前記インバータ可変速駆動手段によって前記電動機の回転速度を商用電源周波数まで加速させ、前記商用電源に同期させて前記第２の開閉器を投入して前記電動機を商用駆動手段に切り替えると共に、前記第1の開閉器を開くことにより、前記インバータ可変速駆動手段を停止することを特徴とする流量制御装置。
前記電動機が前記商用駆動手段によって商用駆動されているときに、前記障害発生のインバータが復帰したとき、前記制御手段は、前記インバータの回転速度を当該商用駆動されている電動機の回転速度に同期させ、商用駆動からインバータ可変速駆動に切り替える請求項1記載の流量制御装置。
前記制御手段はまた、
前記インバータから出力されるインバータ出力電源と商用電源との位相・電圧振幅差を検出する検出手段と、
当該検出手段による検出結果が設定レベル以内になったことを確認する確認手段と、
を備え、前記確認手段による確認がとれたとき、商用電源側の開閉器の投入を許可する請求項１記載の流量制御装置。
前記制御手段はまた、
インバータ可変速駆動手段により前記電動機を駆動するときの駆動特性であるインバータ可変速駆動特性と、
商用駆動手段により前記電動機を商用周波数で駆動するときの駆動特性である商用駆動特性と、を備え、
前記電動機を省エネ駆動する際は、当該電動機を前記インバータ可変速駆動特性の曲線上で、可変速駆動することにより、前記インバータ可変速駆動手段の一部に障害が発生した場合は、前記商用駆動特性の曲線上で、前記ダンパの開口角度を回動制御することにより駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の流量制御装置。