JP4945313B2 - 回生抵抗故障判断システム - Google Patents

Description

本発明は、周波数変換機にて回転数制御を行い、電動機の回生電力の処理を回生抵抗器にて行なう電動巻上機、トロリ装置、サドル装置に関するものである。

回生抵抗を保護する装置として、従来型ではインバータに関する公知例としてスイッチ用電力半導体が故障したときの回生抵抗の保護として特開平５-３３６７５８号公報が記載されている。

特開平５-３３６７５８号公報

本発明が解決しようとする課題について、公知の特開平５-３３６７５８号公報を、図１を用いて説明する。特許文献に記載されているインバータ回生抵抗保護装置では、保護用にとりつけたヒューズ５が回生電流の突入電流により劣化し断線した場合、もしくはサイリスタスイッチ６のショートモード故障によるヒューズ５の溶断、回生抵抗４の劣化に伴う断線が起こったとき、回生回路部7で正常に回生電力が消費出来なくなる。つまり電動機１０の回生動作時に、回生エネルギーを消費できず、インバータ装置の整流装置１の電圧ＶＤＣが上昇し、過電圧保護動作が発生し動作を停止する。

これは電動巻上機において巻上動作は出来るが、巻下動作が出来ない。トロリ装置、サドル装置においては減速部分での電動機の急停止が発生する。部品交換まで一部動作をおこなう事が出来なくなり、保護発生後の対処方法で配慮が欠けていた。

本発明は上記課題による電動巻上機、トロリ装置、サドル装置の回生抵抗故障を早期に発見し、完全に動作不能になることを防止するためのインバータ回生抵抗故障判断システムを提供することである。

本発明に係る問題点を解決するために、図２を用いて説明する。本発明では回生抵抗器を並列に複数の抵抗器１１〜１５で構成し、この回生抵抗器全体に流れる回生電流値を検出する電流検出器３と組み合わせることで回生抵抗故障判別回路１６を構成する。この構成により電流値に応じて段階的な抵抗切れ数を判断する。なおこの回路図では回生抵抗を５個で示しているが、複数個であればいくつでもよい。

この回生抵抗故障判断回路１６から得られた情報を、周波数制御を行なう制御部で取込み、電流値に応じて周波数変換機の周波数を下げる制御を行なう手段により達成される。
また回生抵抗故障判断手段と表示装置、スピーカー装置、振動発生装置などを組み合わせて構成する手段を有する。

本発明の回生抵抗故障判断システムにより、並列に複数で構成された回生抵抗器のひとつが断線した時に、合成抵抗値増大に応じた回生電流値減少の変化を、電流検出器で検出し制御部で取込み、周波数変換機の周波数制御を下げるように制御するように行なうことで、回生抵抗のさらなる断線を防げる。これにより巻上機においては停止を回避できるため、応急的な巻下げ動作が行なえる。

さらに即座に表示もしくは音、振動等で知らしめることで、断線状態を外部に知らしめ、周波数変換器の完全停止に至る前に回生抵抗器を交換する事が可能になる。さらに故障数があらかじめ判るので部品準備にムダが発生しない。また天井クレーンの場合、高所作業となるので、必要最小限の作業ですむため、作業時間の短縮が図れ、安全性の向上にもつながる。

また回路保護装置の簡略化を図れる等の効果が得られる。

はじめに図３、図４にてインバータ式クレーン装置の全体構成と動作状況を説明する。図３において、クレーンサドル装置１７、３０は、ガーダーに組み込まれた電動巻上機２３およびトロリ装置２０を、サドル用電動機１８、３１により、サドル用レール上でｅ方向またはｆ方向に移動させる。サドル用電動機１８、３１は、操作入力装置２７からの指示とサドル用周波数変換装置２８により、必要な周波数、電圧、電流特性に制御される。

トロリ装置２０は、トロリ用電動機１９により、ガーダーに沿って電動巻上機２３をｃ方向またはｄ方向に移動させる。トロリ用電動機１９は、操作入力装置２７からの指示とトロリ用周波数変換装置２９により、必要な周波数、電圧、電流特性に制御される。

そして、電動巻上機２３は、巻上用電動機２４により荷物をａ方向またはｂ方向に移動させる。巻上用電動機２４は、操作入力装置２７からの指示と巻上用周波数変換装置２１により、必要な周波数、電圧、電流特性に制御される。

なお、このインバータ式クレーン装置は、操作入力装置２７からの運転指示によりクレーンサドル装置１７、３０のｅ、ｆ方向への移動、トロリ装置２０によるｃ、ｄ方向への移動、電動巻上機２３によるａ、ｂ方向への移動を並列処理することもできる。

これらトロリ装置、クレーンサドル装置、電動巻上機の動作時の運転パターンについては図４に示す。図４に示す各運転パターンにおいて、斜線で示される部分が回生エネルギーを生じる部分であり、クレーンサドル装置１７、３０とトロリ装置２０では走行から減速するとき、電動巻上機２３では巻下時と、巻上から減速するときが当てはまる。

回生エネルギーは、サドル用電動機１８、３１の発生分はサドル用回生抵抗装置２９、トロリ用電動機１９の発生分はトロリ用回生抵抗装置２６、巻上用電動機２４の発生分は巻上用回生抵抗装置２２で熱エネルギーに変換して処理する。

また、周波数変換装置２１、２５、２８と回生抵抗装置２２、２６、２９をそれぞれ巻上用、トロリ用、サドル用で別々に取り付けているが、巻上用とトロリ用の回生抵抗装置を共用してひとつにまとめる配置であってもよい。

以下、本発明を、電動巻上機当てはめ、図４、図５、図６、図７を用いて説明する。

図５は本発明の周波数変換装置を用いた電動巻上機の構成図を示す。荷物を巻き上げる、あるいは巻き下げる運転指令が操作入力装置２７により与えられると、その信号は制御装置３４に取り込まれる。制御装置３４では、操作入力装置２７からの情報により周波数変換装置３３とブレーキ装置３５とを制御し、巻上用電動機２４の回転速度を連続的あるいは階段状的に可変させる。回生抵抗器１１〜１５には以下の状態で回生電流が流れる。すなわち図４に示した電動巻上機パターンにおける斜線で示される部分である。

巻下および減速時に巻上用電動機２４が発電現象を起こすことにより発生した回生エネルギーは、巻上用電動機２４と周波数変換装置３３間の回生電圧を上昇させ(図２の整流装置１のＶＤＣ間電圧)、そして電圧上昇を検知し制御部３４が通電制御し(図２の電力用スイッチ半導体２をオンさせ)、回生電流として回生抵抗器１１〜１５に流れ、熱エネルギーへと変換することにより処理される。

次に回生電流検知方法の説明にあたり、まず複数個の回生抵抗器が通常時とそれぞれ切れたときの回生電流の変化について示す。図５に示す複数の回生抵抗器に流れる回生電流を説明しやすくするため、抵抗器１１〜１５を各100(Ω)とし、回生装置動作点電圧ＶＤＣ＝３５０(Ｖ)とする。また変化率がわかりやすい様に図６に回生電流値の変化を記したグラフを示す。

５本とも通電されるときの流れる電流を回生電流I１とすると、
回生電流Ｉ１＝回生動作電圧÷回生抵抗合計値(５本)
＝３５０÷（１００÷５）＝１７．５(Ａ)
となる。

ここで抵抗器１１が切れたときの流れる電流を回生電流Ｉ２とすると、
回生電流Ｉ２＝回生動作電圧÷回生抵抗合計値(４本)
＝３５０÷(１００÷４)＝１４．０(Ａ)
電流減少率 ＝(１７．５―１４．０)÷１７．５＝０．２
＝２０(％)
同様に、２本が切れた時には電流減少率４０(％)、３本が切れたときは電流減少率６０(％)、４本が切れたときは電流減少率８０(％)と判断する。このように正常時の回生電流値を基準に、常時回生電流値を測定し、減少率を求めれば、段階的に抵抗切れが判断できる。

次に抵抗切れに応じ周波数変換器の出力周波数を制御する理由の説明をする。上記で記載したように回生抵抗器が切れたときは、合成抵抗値が上昇し回生電流が流れなくなる。しかし巻上用電動機２４の逆起電力による回生電力は変わらないので、回生電力を消費出来なくなることでＶＤＣ間電圧が上昇する方向になり、これを防止するための手段が電動機の巻下周波数を下げなければいけなくなる。ここで電動機の起電力Ｐは
起電力Ｐ(Ｗ)＝トルクＴ×回転数ω
で表される。トルクＴは電動機の巻下げ時の下に引かれる力とみなすと、下がるとき荷物の重量は変わらないので、回転数ωを下げれば起電力Ｐは正比例して下がることがわかる。ここで、抵抗の合計の電力容量が１本切れた場合４/５になるので、起電力Ｐをも比例して４/５に減少させなくてはいけない。この場合、回転数と起電力は比例するので、回転数を２０％減速させれば良い。同様に２本切れの場合４０％、３本切れの場合６０％、４本切れの場合８０％減速となる。

このように回生抵抗切れに応じて周波数変換器の出力周波数を制御することで、常に抵抗の負荷率を一定以下に抑え、抵抗切れを防ぐことを目的としている。

この段階的な電流変化を回生抵抗故障判断回路１６から制御装置３４に取込むことで、周波数変換機３３と表示装置３６を制御する動作を、図７のフローチャートを用いて説明する。

回生電流値測定処理ａで制御装置３４は回生動作時の回生電流値を電流検出器３から取込む。回生電流値変化計算処理ｂでは、その電流値から、あらかじめ記憶している正常状態の電流値をもとに、変化率を計算する。回生抵抗器がまったく切れていない正常時は、減少率０％となるので、分岐点処理ｃでＮｏに進み、再度回生電流値測定処理ａに移行し再度繰り返す。

回生抵抗器の１本切れた時、この時回生電流値測定処理ａでは取込んだ電流値が、回生電流値変化計算処理ｂで２０％減少と計算される(上記回生電流値減少率計算参照)ので、分岐処理ｃでＹｅｓ側に進み、分岐処理ｄでＹｅｓに進み、制御装置３４は表示装置３６にて外部に抵抗切れ、１本を知らせる。たとえば表示例として赤、黄、緑のランプ等を使用して点灯と点滅（１秒点灯１秒消灯を１サイクルと、そのあと５秒消灯等の組合せで何回点滅したと判断する）の組合せで知らせる手段を用い、回生抵抗が１本切れた場合は、赤点灯で故障を示し、黄３回点滅で回生抵抗故障を示し、緑１回点滅で回生抵抗が１本切れたことで知らせる。そして巻下の回転数を２０％下げる指示を制御装置３４が周波数変換装置３３に与え、処理ａに移行する。

回生抵抗が２本切れた場合は、同様に分岐処理ｅでＹｅｓ側に進み、表示装置３６にて今度は赤ランプ点灯、黄ランプ３回点滅、緑ランプが２回点滅し、回生抵抗が２本切れたことを知らせ、巻下げの回転数を４０％下げるように制御する。

実施例では回生抵抗が３本切れた場合は分岐処理ｆをへて、巻下回転周波数を６０％下げる。４本切れの場合は分岐処理ｇをへて、巻下回転周波数を８０％まで下げる。５本の回生抵抗器が切れた場合では回生電力が消費出来なくなるが、ＶＤＣ間電圧上昇を防ぐ為に、周波数変換機を回生電力が発生しない周波数に抑え、応急的に使用出来るようにする。

このように動作させることで、電動巻上機の回生抵抗が切れた時に、外部に状態を知らしめ、電動巻上機の完全停止を防ぎ、応急的に巻下等の動作を可能とする事ができる。かつ完全停止に至るまえに切れた回生抵抗器を交換する事が可能となる。

この実施例では、外部に抵抗切れを知らせる手段として、表示を使ったが、解決する手段の項目で記載したように音、振動等でもよい。また回生抵抗器の個数を５個としたが、複数個であれば何個でもよく、使用状況に応じフローチャートの周波数変換機の、巻下回転数減速量も加減するように変更してもよい。

この回生抵抗故障判別手段は、図３に示すインバータ式クレーン装置のトロリ装置、あるいはサドル装置にも利用でき、減速時の急停止を防ぐことに効果がある。

公知回生抵抗保護とインバータ装置を示す回路図である。 本発明の回生回路装置とインバータ装置を示す回路図である。 インバータ式クレーン装置の全体構成を示す斜視図である。 インバータ式クレーンの運転パターンと回生電流通電パターンである。 本発明の周波数変換装置を用いた電動巻上機の構成を示すブロック図である。 本発明における回生電流値の変化量を示すグラフ。 本発明における回生抵抗保護のフローチャートである。

符号の説明

１…整流装置、２…スイッチ用電力半導体、３…電流検出器、４…大形回生抵抗器、５…ヒューズ、６…サイリスタスイッチ、７…回生回路部、８…整流コンデンサ、９…周波数変換機、１０…電動機、１１…回生抵抗器、１２…回生抵抗器、１３…回生抵抗器、１４…回生抵抗器、１５…回生抵抗器、１６…回生抵抗故障判別回路、１７…クレーンサドル装置、１８…サドル用電動機、１９…トロリ用電動機、２０…トロリ装置、２１…巻上用周波数変換装置、２２…巻上用回生抵抗装置、２３…電動巻上機、２４…巻上用電動機、２５…トロリ用周波数変換装置、２６…トロリ用回生抵抗装置、２７…操作入力装置、２８…サドル用周波数変換装置、２９…サドル用回生抵抗装置、３０…クレーンサドル装置、３１…サドル用電動機、３２…主電源、３３…周波数変換装置、３４…制御装置、３５…制動装置、３６…表示装置。

Claims (2)

1. 荷役を目的とする電動巻上機、電動トロリ装置、電動サドル装置の電動機を駆動する周波数変換器と、
   複数の抵抗器の並列接続で構成し、前記電動機から発生する回生電力を熱エネルギーに変換して処理する回生抵抗器と、
   前記回生抵抗器全体に流れる回生電流値を検出する検出器と、
   検出された前記回生電流値と予め設定された電流値とを比較する比較手段と、
   前記比較手段の比較結果によって前記回生抵抗器における抵抗器の断線を判定する判定手段と、
   前記比較手段の比較結果に応じ前記周波数変換器の出力周波数を制御する制御手段と、
   前記判定手段の判定結果を外部に知らしめる手段と、を有することを特徴とする回生抵抗故障判断システム。
2. 請求項１に記載の回生抵抗故障判断システムにおいて、
   前記判定手段において前記回生抵抗器の全ての抵抗器が断線していると判定した場合は、前記制御手段で前記周波数変換器の出力周波数を回生電力が生じない周波数となるよう制御することを特徴とする回生抵抗故障判断システム。

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