JP5241367B2

JP5241367B2 - 電動巻上機

Info

Publication number: JP5241367B2
Application number: JP2008195627A
Authority: JP
Inventors: 勝志飯島; 和正齋藤; 智石川; 裕吾及川
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP2010035359A

Description

本発明は、インバータ装置にてモーターの回転数制御を行い、モーターの回生動作時に発生した回生電力の処理を回生抵抗器にて行う電動巻上げ装置に関するものである。

インバータ装置における回生抵抗器を保護する装置として、従来はインバータに関する公知例をしてスイッチ用電力半導体が故障したときの回生抵抗器の保護としている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３３６７５８号

本発明が解決しようとする課題について、特許文献１を図１を用いて説明する。特許文献１に記載されているインバータは、整流部１と、回生電力を熱エネルギーにて消費する回生電力処理部７、整流コンデンサ８と、周波数変換を行うパワーモジュール部９と、モーター１０で構成される。回生電力保護を含む回生処理部７は、電力用半導体スイッチ２と回生電力処理部の電流通電状態検出用の電流検出器３、回生抵抗器４と保護用ヒューズ５と、異常時にヒューズ５を溶断される為のサイリスタ６で構成される。

回生抵抗器の保護の動作として、電力用半導体スイッチ２がショートモードで破損した時に、サイリスタ６を通電させ保護用ヒューズ５を溶断させ、回生抵抗器４に加わる電力を遮断する。

このインバータ回生抵抗保護方式ではモーターの水平移動を前提としているので、ヒューズ５の溶断後では力行運転時に発生する短時間の減速運転で生じる回生動作では、回生エネルギーが小さいので問題なくインバータの運転を停止できた。

しかし使用していない状態の電動巻上機においては、荷役が水平移動の他に上下方向の移動を目的としている為、特許文献１での回生抵抗器保護方式が作動した後は、水平方向の力行運転になる巻上動作は出来るが、上下方向移動の回生動作となる巻下動作は行えず、不具合部品の交換まで持上げた荷物を降ろせなくなってしまう事が考えられる。

本発明は、インバータ装置の回生抵抗器の保護を図りつつ、電動巻上機の停止の低減、回生抵抗器の破損の低減と故障の早期発見を知らしめるイ電動巻上機を提供することである。

上記課題を解決するため、電動巻上機において、例えば、インバータ装置とモーターを備えた電動巻上機にあって、インバータ装置は交流電源を平滑する整流部と、整流した直流母線間の平滑コンデンサ部と、整流した電圧を周波数変換するパワーモジュール部と、パワーモジュールを制御や巻上下げ動作を制御する制御部と、前記モーターの回生電力を消費する為の回生抵抗器と電力用半導体スイッチを組み合わせた回生電力処理部と、直流母線間の直流電圧変化を検出して前記回生電力処理部を動作制御する回生電力処理制御部と、制御回路を動作する為の電源部、操作入力装置部と、を備え、前記回生電力処理部の回生電力処理動作を開始する電圧値と回生電力処理後に動作を停止する電圧値にヒステリシス性を持たせ、前記モーターの回生動作期間における前記回生電力処理部への動作信号のオン・オフ時間を取込み前記回生抵抗器の通電負荷状態を求め累積時間から回生抵抗温度上昇を擬似的に求め、前記モーターの時間使用率が多く前記回生抵抗器の温度上昇が上がったと判断したときには、前記インバータ装置の出力周波数を下げる制御を行い前記モーターの回転数を下げることで前記回生抵抗器への通電負荷率を下げ、前記回生抵抗器の破断を低減させる。

本発明によれば、回生抵抗器の通電負荷量に応じて、インバータ装置の出力周波数の制御を行い、回転速度を調整することで、使用頻度がまれに多い場合のために応じた電力容量の大きい回生抵抗器に交換することや冷却ファンの追加等の必要性が減らせ装置全体の部品増加や大形化を防ぐ効果や、回生抵抗器の過通電負荷を抑えることで回生抵抗器の破断を抑える効果が得られる。また、本発明によれば、これらによって電動巻上機の保護による緊急停止の回数低減を図る効果が得られる。

また、本発明によれば、電力容量値の少ない回生抵抗器で構成することが出来、回生抵抗器の通電検出量を測定する電流検出器を用いない等の部品削減の効果も得られる。

以下に図面を用いて本発明の実施例について記述する。なお、本発明は図示例に限定されるものではない。

はじめに図２にてインバータ式クレーン（電動巻上機、トロリ装置、サドル装置を含むシステム）の全体構成と動作を説明する。インバータ式クレーンは電動巻上機１１を±Ｘ方向に移動させるためのトロリ用ガーダー１２に取付けたトロリ装置１３、±Ｙ方向に移動させるためのサドル用ガーダー１４に取付けたサドル装置１５と組み合わせ、操作入力装置１６にクレーン操縦者が上、下、東、西、南、北入力することで、クレーンフック１７に取付けた荷物を±Ｚ方向に巻上げ下げと、±Ｘ、±Ｙ方向の移動を行うことが出来る。

電動巻上機１１は、モーター１０と巻上用インバータ装置１８（クレーン全体の制御も行う制御部も含む）、回生抵抗器４から構成される。操作入力装置１６からの±Ｚ方向の動作指示を受け、巻上インバータ装置１８は必要な周波数、電圧、電流をモーター１０に出力し、即座に電動巻上機の停止用ブレーキを解除動作させることで、クレーンフック１７に取付けられた荷物をすべり落とすことなく、巻上げ下げを低速から設定高速度まで滑らかに加速をさせながら行う。

操作入力装置１６からの動作の入力が切れると、巻上用インバータ装置１８はモーター１０に必要な周波数、電圧、電流を出力し、設定高速度から停止まで滑らかな減速を行い、即座に電動巻上機１１内の停止用ブレーキの制動動作を行うことで、荷物をすべり落とすことなく停止保持させる。

同様にトロリ装置１３も、トロリ用モーター１９、トロリ用インバータ装置２０、トロリ用回生抵抗器２１によって構成される。操作入力装置１６からの±Ｘ方向の動作指示を受け、トロリ用インバータ装置２０から必要な周波数、電圧、電流をトロリ用モーター１９に出力し、即座にトロリ装置１３内のブレーキを解除動作させることで、電動巻上機１１を±X方向に低速から設定高速度までの滑らかな加速をさせながら移動させる。

操作入力装置１６からの停止指示がなされると、トロリ用インバータ装置２０は必要な信号をトロリ用モーター１９に出力し、設定高速度から停止まで滑らかな減速を行い、即座にトロリ装置１３内のブレーキの制動動作を行うことで、電動巻上機１１を滑らかな減速をさせ停止保持させる。

同様にサドル装置１５も、サドル用モーター２２とサドル用インバータ装置２３、サドル用回生抵抗器２４によって構成される。操作入力装置１６からの±Ｙ方向の動作指示を受け、サドル用インバータ装置２３は、サドル用モーター２２に必要な周波数、電圧、電流を出力し、即座にサドル装置１５内のブレーキを解除動作させることで、電動巻上機１１を±Ｙ方向に停止状態から設定高速度まで、滑らかな加速を行いながら移動させる。

操作入力装置１６からの動作指示の入力が切れると、サドル用インバータ装置２３はサドル用モーター２２に必要な信号を出力し、設定高速度から停止まで滑らかな減速を行い、即座にサドル内装置１５内のブレーキの制動動作を行うことで、電動巻上機１１を滑らかな減速をさせ停止保持させる。

操作入力装置１６は同時にX、Y、Ｚの３方向の入力も行うことで、各方向の移動、停止を並列に行うことも可能である。

つぎに図３にてインバータ式電動巻上機の運転パターンと回生電力の発生タイミングを説明する。図３ではインバータ式電動巻上機の運転パターンは+Z方向（巻上）への加速、定速、減速による速度と、−Z方向（巻下げ）への加速、定速、減速による速度を示している。斜線で示される部分が回生電力発生部分となっており、+Z方向（巻上）移動では定速からの減速期間に、−Z方向（巻下げ）移動では巻下げ動作の全期間がこれに当てはまる。

つぎに図４にて本発明の回生抵抗保護方法を用いたインバータ方式電動巻上機の構成図を示す。主電源３相交流を直流に変換する整流部１と整流コンデンサ８、周波数変換を行うパワーモジュール９と回生電力を熱エネルギーにて消費する回生電力処理部７、回生電力処理部７内のスイッチ用電力半導体２と回生抵抗器４、直流母線間電圧Ｖ_DCの変化を読取る電圧モニタ部２５、インバータ装置及び各部装置の制御を行う制御回路部２６、制御回路部動作用の電源部２７、操作入力装置１６、主電源開閉器２８、モーター１０の制動用ブレーキ２９、異常報知用の表示・警報装置３０で構成される。

制御回路部２６は、入力信号として直流母線間電圧Ｖ_DCの変化を電圧モニタ部２６からA電圧モニタ、電動巻上機の操縦の為にB操作入力取込む。出力信号としてパワーモジュール９の周波数変換駆動の為にCインバータ駆動制御、モーター１０の制動ブレーキ動作の為にD電動巻上機ブレーキ制御、インバータ装置の主電源開閉器動作の為にE主電源開閉制御、スイッチ用電力半導体２の動作の為にＦ回生駆動制御を出力する。

制御回路部２６は操作入力装置１６からのＢ操作入力信号に応じパワーモジュール９に対してＢインバータ駆動制御信号を出力しモーター１０に必要な周波数、電圧、電流を加える。

制御回路部２６のF回生駆動出力にはA電圧モニタの変化に対しヒステリシス性を持たせている。これは、回生駆動出力にヒステリシス性を持たせるのは、図５の定格６３％荷重巻下げ速度定常速度に示す放電時間Ｔａ、充電時間Ｔｂの検出を行いやすくする為である。ヒステリシス性が無いと、回生駆動出力が行われた直後に回生駆動出力が停止してしまい、放電時間Ｔａ、充電時間Ｔｂの検出が行えなくなってしまう。

操作入力により電動巻上機の動作が巻下げ、巻上停止が行われる時、回生電力が発生し整流コンデンサ８に電荷として蓄えられ、直流母線間電圧Ｖ_DCが上昇する。電圧モニタ部２５は直流母線間電圧Ｖ_DCを監視し、A電圧モニタとして制御回路部２７出力する。制御回路部２６は直流母線間電圧Ｖ_DCが回生処理開始電圧まで上昇した場合、スイッチ用電力半導体スイッチ２にＦ回生駆動信号を出力し、回生抵抗器４にて電力消費を行わせ直流母線間電圧Ｖ_DCを降下させる。そして通常充電電圧まで降下したとき、Ｆ回生駆動制御信号の出力を停止し、回生動作状態であれば、また充電され直流母線間電圧Ｖ_DCの電圧上昇が始まる。

制御回路部２６ではこの直流母線間電圧Ｖ_DCの変化する時間から、図５の定格１００％荷重巻下げ速度定常速度の放電時間Ｔａ’を基準とし、実際の動作時の放電時間がＴａ’より長くなった時は過荷重状態、回生抵抗器が切れた状態と判断し、回生抵抗器４の負荷状態が大きくなったと判別した時には、インバータ出力の周波数を下げる制御を行う。巻上電動機のモーター１０の回転速度が遅くさせた時に、表示・警報装置３０に対しＧ異常報知信号を出力し、外部に対して保護動作が働いていることを知らしめる。

保護動作が行われ回生抵抗器４が制御回路部２７の温度が十分に下がったと判断されたのちに、Ｇ異常報知信号を停止し再びモーター１０を定常速度で動作させるようにする。この判断を行うにあたっては、回生動作時間による温度上昇のデータと回生非動作時の温度下降のデータを、制御回路部２７の中に保護動作用のデータテーブルとして収めておき、動作状況から制御回路部２７が回生抵抗器４の温度上昇値が最大許容温度近くまで上がると判断された場合は保護動作を、最大許容温度の半分程度まで下がったと判断された場合は通常動作に動作に戻すというように基準を持たせる。

つぎに図５にて、各荷重状態における直流母線間電圧変化状況と電力半導体スイッチ駆動のタイミングチャートを説明する。１番上が定格荷重６３％の定常速度、２番目が定格荷重１００％の定常速度、３番目が定格荷重６３％の定常速度の１/２でのチャートとなる。

回生動作期間Ｔcは図２おける斜線部の回生電力発生期間と一致し、実際のインバータ装置での回生電力処理は、回生動作期間Ｔc内で回生処理による放電期間Ｔaと回生動作による充電期間Ｔbの各サイクルが数１００m秒程度で繰返し行われている。

またこのＦ回生駆動制御のヒステリシス特性により直流母線間電圧値ＶＤＣが回生電力により回生開始電圧値Ｖ１まで上昇したら、Ｆ回生駆動信号を出力しスイッチ用電力半導体２を通電オンさせ回生抵抗器４に通電させ回生電力を熱エネルギーとして処理し、直流母線間電圧値ＶＤＣが回生電力処理により通常充電電圧Ｖ０まで降下したら、Ｆ回生駆動信号を停止しスイッチ用電力半導体２を通電オフさせ回生抵抗器４への通電を止める。回生動作期間中は回生電力処理が停止するとまた回生電力により整流コンデンサ８が充電にされ、直流母線間電圧値ＶＤＣが上昇するといったように繰返される。

ここでモーターが回生動作によって発生する電力を、回生電力Ｐ１とすると
Ｐ１＝Ｔ×ω×Ｋ ‥式１（Ｔは荷重トルク、ωは各速度２πｆ、Ｋは係数）
で表せる。

また回生電力処理によって消費する回生処理電力を、回生処理電力Ｐとすると
Ｐ２＝Ｖ３²／Ｒ ‥式２（Ｖ３は回生処理時の平均動作電圧値、Ｒは回生抵抗値）
で表せる。式２の回生抵抗値と平均動作電圧値一定であるので回生処理電力Ｐ２は一定であることがわかる。

上記の式１から同じ速度で荷物を降ろす場合、吊下げた荷物の荷重に比例して回生電力Ｐ１は大きくなる。つまり荷重が大きい場合、回生電力Ｐ１の発生量が大きくなることで充電期間Ｔbは短くなり、荷重が小さい場合回生電力Ｐ２の発生量が小さくなり充電期間Ｔbが長くなる。同じ荷重の場合は式１から角速度ω（巻上機のドラム回転速度）に比例して回生電力Ｐ１が大きくなるので、回転速度を遅くすることで回生電力Ｐ１が減少し、充電期間Ｔbが長くなるといえる。

上記式２から図４中の回生抵抗器４が数個で並列に構成されている場合に、仮にこのうちの1つの抵抗器が破断した場合には、回生抵抗値が大きくなり、回生処理電力Ｐ２が小さくなることがわかる。つまり荷物を吊った場合での回生処理動作において、正常な抵抗値に対して、放電期間Ｔ₂は抵抗値に反比例して長くなるといえる。

ここで、荷重６３％で定速度における回生発生電力と回生処理電力を１：３の比率になるように抵抗値を決める。さらにこの条件での回生動作における回生抵抗器４の温度上昇と放熱の温度下降のバランスがとれ、抵抗素子の温度上昇が定格内に収まるように電力容量値を決める。

この条件によって決められた回生電力処理動作が図５の１番目のグラフとなり、充放電の１サイクルの比率は、回生処理時間をＴa、回生充電期間をＴbとすると
回生発生電力×１サイクル＝回生処理電力×Ｔa
１×（Ｔa＋Ｔb）＝３×Ｔa
Ｔa ＝１/２Ｔb
と求められる。よって荷重６３％の定速度での回生抵抗器４の通電比率はＴa/(Ｔa+Ｔb)＝３３．３％となる。

つぎに荷重１００％の定格速度の場合は、式１より回生電力が荷重に比例して大きくなり、それぞれ回生処理時間をＴa’、回生充電期間をＴｂ’とすると
回生発生電力×１サイクル＝回生処理電力×Ｔa’
１００／６３×（Ｔａ’＋Ｔｂ’）＝３×Ｔａ’
Ｔａ’ ＝１.１２Ｔb’
と求められる。よって荷重１００％の定速度での回生抵抗器４の通電比率はＴa’／（Ｔａ’＋Ｔｂ’)＝４７．０％となる。この場合に回生抵抗器４の放熱が追いつかずに抵抗素子の温度が過上昇となることがわかる。

つぎに荷重６３％で定格半分の速度の場合は、式１より回生電力が荷重に比例して大きくなり、それぞれ回生処理時間をＴa”、回生充電期間をＴｂ”とすると
回生発生電力×１サイクル＝回生処理電力×Ｔa”
１／２×（Ｔａ”＋Ｔｂ”）＝３×Ｔａ’
Ｔａ’ ＝０．２Ｔb’
と求められる。よって荷重６３％の定格半分の速度での回生抵抗器４の通電比率はＴa”／（Ｔａ”＋Ｔｂ”)＝１６．６％となる。動作時間は回転速度が１/２になるので２倍となるが、定速度での場合に温度上昇が回生抵抗器４の定格内で飽和する条件で抵抗電力値を設定しているので、問題無く使える。

このように操作の使用頻度に合わせて電動巻上機の速度を遅くさせることで、回生抵抗器４の回生処理電力を減らし温度過上昇による破断を減らす効果が得られる。ここでは、例えば、ホイストの定格荷重での巻上−休止−巻下−休止を１サイクルとして巻上と巻下時間の合計が１サイクルのなかで４０％通電を基準としている。

その後の動作において操作が行われない時間などを計算し、回生抵抗器４の温度が下がってきたと判断した場合は、再びインバータ出力周波数を元の設定値まで上げて運転するようにする。

温度上昇の判断をするに当たっては、回生動作時間による温度上昇のデータと回生非動作時の温度下降のデータを、制御回路部２７の中に保護動作用のデータテーブルとして収めておき、動作状況（充電時間と放電時間の合計と回生非動作の合計比較）から制御回路部２７は回生抵抗器４の温度上昇値を判断するようになっている。

このように操作の使用頻度に合わせて電動巻上機の速度を遅くさせることで、回生抵抗器４の回生処理電力を減らし温度過上昇による破断を減らす効果が得られる。

また回生抵抗器が数個の抵抗で構成されている場合において、何らかの原因で抵抗が破断したことで放電期間Ｔ₂は長くなる。制御回路はインバータ出力周波数を下げて運転することで、残りの正常な抵抗の通電負荷率を下げ、連続する破断を防ぐ効果が得られる。

これらは電動巻上機の定格荷重容量、回生抵抗構成数、回生抵抗値によって直流母線間電圧の充電期間、放電期間が変わるので、制御回路部でテーブルとしてデータを持つか、もしくは計算から求めるようにしてもよい。

このように制御回路の保護動作により、短時間における過剰操作時による回生抵抗器の破断を防ぎ、電動巻上機の使用不能になるリスクの低減を図ることが出来る。また回生抵抗器を定格荷重の動作に合わせた容量以下にすることが出来る効果も得られる。

異常状態時には制御回路から外部にアラーム表示、無線、有線等の手段によって、クレーン操縦者もしくは管理者に知らしめることですばやいメンテナンス性も図れる。

公知の回生抵抗保護方式を示すインバータ装置の構成図（特許文献）である。インバータクレーン装置の全体構成を示す斜視図である。インバータ式電動巻上機の運転パターンと回生電力の発生タイミングを示す図である。本発明の回生抵抗保護方式を示すインバータ装置の構成図である。回生電力発生時の直流母線間電圧変化と電力半導体スイッチ駆動タイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１‥整流部、２‥スイッチ用電力半導体、３‥電流検出器、４‥回生抵抗器、５‥ヒューズ、６‥サイリスタスイッチ、７‥回生電力処理・保護回路、８‥整流コンデンサ、９‥パワーモジュール、１０‥モーター、１１‥電動巻上機、１２‥トロリ用ガーダー、１３‥トロリ装置、１４‥サドル用ガーダー、１５‥サドル装置、１６‥操作入力装置、１７‥クレーンフック、１８‥巻上用インバータ装置、１９‥サドル用モーター、２０‥トロリ用インバータ装置、２１‥トロリ用回生抵抗器、２２‥サドル用モーター、２３‥サドル用インバータ装置、２４‥トロリ用回生抵抗器、２５‥電圧モニタ部、２６‥制御回路部、２７‥電源部、２８‥主電源開閉器、２９‥モーター用ブレーキ、３０‥表示・警報装置

Claims

インバータ装置とモーターを備えた電動巻上機にあって、
前記インバータ装置は
交流電源を平滑する整流部と、
整流した直流母線間の平滑コンデンサ部と、
整流した電圧を周波数変換するパワーモジュール部と、
前記パワーモジュール部と前記モーターの巻上下げ動作を制御する制御部と、
前記モーターの回生電力を消費する為の回生抵抗器と電力用半導体スイッチを組み合わせた回生電力処理部と、
直流母線間の直流電圧変化を検出して前記回生電力処理部を動作制御する回生電力処理制御部と、
前記制御部を動作させる為の電源部、
操作入力装置部と、を備え、
前記回生電力処理部の回生電力処理動作を開始する電圧値と回生電力処理後に動作を停止する電圧値にヒステリシス性を持たせ、前記モーターの回生動作期間における前記回生電力処理部への動作信号のオン・オフ時間を取込み前記回生抵抗器の通電負荷状態を求め累積時間から回生抵抗温度上昇を擬似的に求め、前記モーターの時間使用率が多く前記回生抵抗器の温度上昇が上がったと判断したときであって、
前記制御部で、巻下時における前記回生電力処理制御部から出力されない回生電力処理時のオフ時間に基づき、巻上機に吊られた荷物の過荷重状態を判定し、過荷重状態と判定した場合は、前記インバータ装置の出力周波数を定常設定インバータ出力周波数より下げる制御を行い前記モーターの回転数を下げることで前記回生抵抗器への通電負荷率を下げ、前記回生抵抗器の破断を低減させることを特徴とする電動巻上機。
インバータ装置とモーターを備えた電動巻上機にあって、
前記インバータ装置は
交流電源を平滑する整流部と、
整流した直流母線間の平滑コンデンサ部と、
整流した電圧を周波数変換するパワーモジュール部と、
前記パワーモジュール部と前記モーターの巻上下げ動作を制御する制御部と、
前記モーターの回生電力を消費する為の回生抵抗器と電力用半導体スイッチを組み合わせた回生電力処理部と、
直流母線間の直流電圧変化を検出して前記回生電力処理部を動作制御する回生電力処理制御部と、
前記制御部を動作させる為の電源部、
操作入力装置部と、を備え、
前記回生電力処理部の回生電力処理動作を開始する電圧値と回生電力処理後に動作を停止する電圧値にヒステリシス性を持たせ、前記モーターの回生動作期間における前記回生電力処理部への動作信号のオン・オフ時間を取込み前記回生抵抗器の通電負荷状態を求め累積時間から回生抵抗温度上昇を擬似的に求め、前記モーターの時間使用率が多く前記回生抵抗器の温度上昇が上がったと判断したときであって、
前記制御部で、複数個で構成された前記回生抵抗器の一部が破断した場合の回生電力処理時間の伸び変化から、前記回生抵抗器の破損個数を算出し、算出結果により、前記インバータ装置の出力周波数を下げる制御を行い前記モーターの回転数を下げることで破損していない回生抵抗器への通電負荷率を下げ、前記回生抵抗器の破断を低減させることを特徴とする電動巻上機。
請求項１または２に記載の電動巻上機において、前記インバータ装置の前記制御部は、前記回生抵抗器の通電高負荷率時には保護の為、前記インバータ装置の出力周波数を下げるが、前記回生抵抗器の温度降下に至ると判断されるまで前記モーターの停止もしくは動作制限時間が累積された後に、インバータ装置出力周波数を定常設定周波数に戻し、前記モーターの前記回生抵抗器の保護を自動的に定常状態に復帰させることを特徴とした電動巻上機。
異常状態を表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電動巻上機。