JP5547866B2 - 誘導電動機駆動装置、電動機駆動システム、及び昇降システム - Google Patents
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Description
(1)式に示すように、クレーン等の昇降機器を用い荷物を加速度αで吊り上げる場合、必要なトルクτmは加速度αや荷物(積荷)の重さm・gに依存する。なお、(1)式では、半径rの滑車により荷物を吊り上げているとし、Jは電動機や機械系(滑車等)を含む全慣性モーメント、ωは電動機の回転速度、mは積荷の質量、gは重力加速度である。
M・α・r=J・dω/dt=τm−m・g・r (1)
このとき、トルクτmの最大値は電動機の容量で決まり、m・g・rが大きいと、(1)式の加速度αが負又はゼロとなり、荷物を吊り上げることは不可能である。また、加速度αが正であっても、速度変化率dω*/dtが(トルク最大値τmmax−m・g・r)/Jより大きければ、電動機は指令に追従することができず、吊り上げは失敗する。
速度指令値演算部1は、誘導電動機16の回転速度の基準となる速度指令ωra*を出力する。加速の際、速度指令ωra*は時間と共に初期設定された時間変化率(加速レート)で変化する。励磁電流指令演算部2は、励磁電流指令Id*を演算する。
ωr^=1/(1+T1・s)・(L2*/M*)・(1/φ2d*)・(r1*・Iq*+ω1*・(M*/L2*)・φ2d*+ΔVq−(r1*+r2’*+Lσ*・s)・Iq)
Vd*=r1*・Id*−ω1*・Lσ*・Iq*+Δd (2)
Vq*=r1*・Iq*+ω1*・Lσ*・Id*+ω1*・(M*/L2*)・Φ2d*+Δq (3)
ここで、r1*、Lσ*、M*、L2*、Φ2d*はそれぞれ誘導電動機の一次抵抗設定値、(一次+二次)漏れインダクタンス設定値、相互インダクタンス設定値、二次インダクタンス設定値、及び二次側d軸磁束指令値である。Δd、Δqは前記したd軸電流制御部10、q軸電流制御部11の出力である。
座標変換部17は、電流検出部18からの交流電流検出値と位相指令θ*を用いて、2相の直流電流IdFB、IqFBに変換する。以上により、従来のベクトル制御では、所定のωr*に実速度が追従するように、電流、電圧を制御する。
誘導電動機16の内部では(4)式、(5)式の関係が成り立つ。アスタリスク(*)がないものは誘導電動機側の実値であり、Φ2qは二次側q軸磁束である。
Vd=r1・Id−ω1・Lσ・Iq−ω1・(M/L2)・Φ2q (4)
Vq=r1・Iq+ω1・Lσ・Id+ω1・(M/L2)・Φ2d (5)
電流制御系により、Id=Id*、Iq=Iq*に制御され、低速領域においては(3)式、(5)式の右辺第2項はそれぞれ右辺第3項に比べ小さく無視できる。また、r1、ω1、M、L2は設定値通りと仮定し、一般的にはVd*=Vd、Vq*=Vqであることから、d軸磁束推定値Φ2d^、q軸磁束推定値Φ2q^を求めると(6)式、(7)式のようになる。
Φ2d^=(Δq+ω1*・(M*/L2*)・Φ2d*)/(ω1*・(M*/L2*)) (6)
Φ2q^=−Δd/(ω1*・(M*/L2*)) (7)
これを用いてすべり周波数指令ωs^を下記のように求める。一般にΦ2q、Φ2dは(8)式、(9)式を満たす。T2は電動機の二次時定数、sは微分演算子である。
Φ2d=(M・Id+ωs・T2・Φ2q)/(1+T2・s) (8)
Φ2q=(M・Iq−ωs・T2・Φ2d)/(1+T2・s) (9)
ここで、低速時において高トルクを発生させるために、d軸電流Idを定格電流程度(定格励磁電流の2倍以上程度)流し、且つIq=0に制御する場合、ωsの定常解は(9)式、及び(10)式のようになる。
ωs=−1/T2・Φ2q/Φ2d (10)
よって、(6)式、(7)式、及び(10)式からωsを演算し、すべり周波数指令ωs^とする。
τm=3・(P/2)・(M/L2)・(Φ2d・Iq−Φ2q・Id) (11)
ここで、前記と同様にd軸電流Idを通常より大きくし、Iq=0に制御する場合、トルクτmは(12)式のようになる。
τm=3・(P/2)・(M/L2)・(−Φ2q・Id) (12)
Φ2d=M・Id/(1+(ωs・T2)2) (13)
Φ2q=−ωs・T2・M・Id/(1+(ωs・T2)2) (14)
ここで、Idは定格励磁電流以上を流すため、磁束飽和領域まで磁束が増加し、磁束がγ・Φ0になっているものとする。なお、Φ0は電動機の定格磁束を示し、通常γは1.1〜1.3程度である。
√(Φ2d2+Φ2q2)=γ・Φ0 (15)
M・Id/√(1+(ωs・T2)2)=γ・Φ0 (16)
(16)式と(14)式からΦ2qは(17)式のようになる。
Φ2q=−ωs・T2・γ・Φ0/√(1+(ωs・T2)2) (17)
ωsmax=√((M・Id/γ/Φ0)2−1)/T2 (18)
τmmax=3(P/2)・(M/L2)・γ・Φ0・√(Id2−(γ・Φ0/M)2) (19)
最大トルク発生すべり演算部4は、誘導電動機16が最大トルクを発生させるすべり周波数ωsmaxを(18)式に基づいて演算する。また、d軸電流Idは定格励磁電流以上の一定値で制御し、q軸電流Iqは0で一定制御する場合、負荷の大きさに依らず、電流値は常に一定となる。なお、この一定値とは、測定などに伴うノイズ成分を含む範囲内で一定であることを指す。
閾値演算部30は、すべり周波数ωsmaxに応じた閾値ωsmaxTHを演算(例えば、ωsmaxをα倍(α≦1))する。比較部31は、すべり周波数ωs^と閾値ωsmaxTHを比較し、ωs^>ωsmaxTHであるとき出力する。カウンタ32は、比較部31からシグナルを受け取り、その時点からの経過時間を出力する。また、カウンタ32は、比較部31がωs^≦ωsmaxTHを出力した場合、リセットされる。すなわち、加速判定部5は、ωs^>ωsmaxTHの状態が持続し、カウンタ32の出力が所定の閾値を超えた場合、吊り上げ不可能と判定し、リミッタ33がシグナルを出力する。
なお、リミッタ33(図3)からのシグナルが無い状態では、速度変化率演算部6は初期設定された速度変化率値を出力する。そのため、速度変化率補正部7によるωra*変化率の補正はされない。
第1実施形態は、最大トルクの発生をすべり周波数ωsに基づいて検出したが、図2に示すように、すべり周波数ωsがωsmaxを超過したという判定は二次側q軸磁束φ2qからも判定することができる。図4に示すように、第2実施形態の加速判定部5bは、加速判定部5(図1)に相当し、閾値演算部42、及び比較部43を備え、q軸磁束演算部であるφq推定演算部40の出力信号、及び最大トルク発生q軸磁束演算部である最大トルク発生φq演算部41の出力信号を入力している。
以上説明したように、本実施形態ではq軸磁束演算値を用いて過すべりを検出することで、第1実施形態と同様に荷物の落下防止が可能になる。
第3実施形態について、他の実施形態と異なる部分について説明する。
図5に示す加速判定部5cは、加速判定部5(図1)に相当するものであるが、ωs^の代わりにq軸磁束演算部であるφq推定演算部40においてq軸磁束推定値φ2q^を演算し、最大トルク発生q軸磁束演算部である最大トルク発生φq演算部41においてωsmaxに相当するq軸磁束φ2qmaxを演算する。
以上のように本実施形態ではq軸磁束演算値を用いて過すべりを検出し、過すべり状態の時間により荷物の落下を検知することで、より誤動作の少ない荷物の落下防止が可能になる。
第1実施形態は、すべり推定値ωs^が最大トルクを発生するすべり周波数閾値ωsmaxTHを超過した状態が所定時間継続した場合を検出したが、すべり周波数推定値ωs^と最大トルクを発生するすべり周波数閾値ωsmaxTHとの差信号を積分した信号を用いても検出することができる。
図6に示す加速判定部5dは、加速判定部5(図1)に相当し、閾値演算部30、減算器60、比較部61、積算部62、及びリミッタ63を備えている。
第4実施形態はすべり周波数推定値を積分したが、q軸磁束を積分することもできる。
図8の加速判定部5eは、加速判定部5(図1)に相当し、閾値演算部42、減算器70、比較部71、積算部72、及びリミッタ73を備えている。
減算器70は信号(φq^−φqmaxTH)を出力し、この信号(φq^−φqmaxTH)は、比較部71及び積算部72に入力される。比較部71は、入力された信号(φq^−φqmaxTH)の正負からq軸磁束推定値φq^とφqmaxTHとの大小関係を判別する。積算部72は、φq^<φqmaxTHの信号を比較部71から受け取ると、その時点から信号(φq^−φqmaxTH)の時間積分を行い、積算値をリミッタ73に出力する。リミッタ73は、入力値が所定の閾値を超過した場合、加速不能と判定し、シグナルを出力する。さらに、第1実施形態と同じく速度変化率演算部6は、シグナルに従って減速を行い、警報装置35は警報発令を行う。
以上説明したように本実施形態によれば、加速判定部5eは、q軸磁束演算値を用いて過すべりを検出し、過すべりの大きさと時間経過の両方を考慮して加速不能を判定するため、より精度の高い荷物の落下防止を実現できる。
前記各実施形態では、加速判定部5のみを用いて減速及び警報発令を行っていたが、さらに減速判定部と加速判定部との条件判定部を追加することができる。
すなわち、第1実施形態から第5実施形態までに記載の加速判定部5(5a〜5e)と、速度推定演算部8により出力される速度推定値が所定の値(例えば、0)を下回った場合、減速状態と判定してシグナルを出力する減速判定部(図示せず)と、速度指令値ωr*の変化分が0よりも大きい場合、加速中であると判定してシグナルを出力する加速判定部(図示せず)との、3つの条件判定部からシグナルが発せられた場合に加速不能と判定することができる。
また、3つの条件判定部に、推定速度変化率が所定値を下回った場合トルク不足と判定しシグナルを出力するトルク不足判定部(図示せず)を加えた4つの条件判定部を用いて加速不能を判定してもよい。推定速度変化率は、例えば推定速度の微分演算で得られる。
以上のように、本実施形態では、加速指令中においてすべりが大きくなり十分なトルクを出せず誘導電動機16が減速し、又は逆回転したことを検知し、すみやかに減速制御を行ったり警報を出したりすることができる。
第7実施形態では、荷物の現在位置を推定する推定位置演算部(図示せず)を備え、推定位置演算部により出力される推定位置が第1の所定値を超過した後に第2の所定値を下回った場合、シグナルを出力するズリ落ち判定部(図示せず)と、第6実施形態に記載の加速判定部(図示せず)と、第1実施形態から第5実施形態までに記載の加速判定部5(5a〜5e)との、3つの条件判定部からシグナルが発せられた場合に加速不能と判定する。
また、前記3つの条件判定部に、推定速度変化率が所定値を下回った場合トルク不足と判定しシグナルを出力するトルク不足判定部を加えた4つの条件判定部を用いて加速不能を判定してもよい。このとき、推定速度変化率は、例えば、推定速度の積分演算で得られる。
以上説明したように本実施形態の構成を荷物の上昇に用いれば、荷物が元にあった位置から下がる(例えば、地面に衝突する)前にすばやく判定し、誘導電動機16を制御して緩やかに荷物を降ろすことができる。また、荷物が所定値以上に上昇しないよう制御することもできる。
例えば、図9に示す加速判定部5が第1実施形態乃至第7実施形態に挙げた方法で加速不能を示すシグナルを発した場合、速度指令補正値演算部80は、所定の速度補正値Δωr*<0を出力する。速度指令値補正部81は、速度補正値Δωr*に応じて速度指令ωr*の補正を行う。速度補正値Δωr*は、例えば(ωsmaxTH−ωs^)の差分(負の値)に比例ゲインをかけた値や、補正後に適切に荷物を降ろすことのできる固定減速レートに合うよう演算する。
以上のように本実施形態により、第1実施形態乃至第7実施形態と同等の効果を得ることができる。
図10に示すように、本実施形態の誘導電動機駆動装置90は、200Vあるいは400Vの3相交流電源92により動作し、交流電力を直流電力に変換する交流直流変換部94及び波形平滑用コンデンサ95を備え、直流を任意の周波数の交流に変換する直流交流変換部93、及びその動作を生成する制御部91を備えた交流誘導電動機駆動装置90に用いる。
また、図11のように、昇降システム200は、誘導電動機駆動装置90により駆動される誘導電動機16にクレーン等昇降装置100が連結されて構成される。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記各実施形態のすべり周波数推定値演算部3は、(10)式を用いてすべり周波数ωsを推定していたが、一次周波数指令値ω1*から回転速度推定値ωr^を減算してもすべり周波数推定値ωs^を演算することができる。
(2)前記各実施形態は、すべり周波数を推定していたが速度センサを用いてすべり周波数を演算することもできる。
2 励磁電流指令演算部
3 すべり周波数推定値演算部(すべり周波数演算部)
4 最大トルク発生すべり演算部
5,5a,5b,5c,5d,5e,5f,82 加速判定部
6 速度変化率演算部
7 速度変化率補正部
8 速度推定演算部(速度演算部)
9 一次周波数指令演算部
10 d軸電流制御部
11 q軸電流制御部
12 位相演算部
13 電圧指令演算部
14,17 座標変換部
15 電力変換部
16 誘導電動機
18 電流検出部
19 速度制御部
30 閾値演算部
31 比較部
32,54 カウンタ
33,55,63,73 リミッタ
35 警報装置
40 φq推定演算部(q軸磁束演算部)
41 最大トルク発生φq演算部(最大トルク発生q軸磁束演算部)
42 閾値演算部
43,53,71 比較部
60 減算器
61 比較部
62,72 積算部
70 減算器
80 速度指令補正値演算部
81 速度指令値補正部
90 誘導電動機駆動装置
91 制御部
92 3相電源
94 交流直流変換部
95 波形平滑用コンデンサ
100 クレーン等昇降装置
200 昇降システム
Claims (11)
- 誘導電動機を駆動する電力変換部と、前記誘導電動機のすべり周波数を演算するすべり周波数演算部と、磁束飽和領域において前記誘導電動機の最大トルクを発生させる最大トルク発生すべり周波数を演算する最大トルク発生すべり演算部と、前記誘導電動機の加速が可能か否かを判定する加速判定部と、回転磁界座標系のd軸電流指令値、及び速度指令値を変換したq軸電流指令値に従って前記誘導電動機の電動機電流をdqベクトル制御するベクトル制御部とを備えた誘導電動機駆動装置であって、
前記ベクトル制御部は、前記速度指令値及び速度推定値の何れか一方が所定値以下の場合は、前記d軸電流指令値を通常時の値以上に制御し、
前記加速判定部は、前記ベクトル制御部の制御中に、前記すべり周波数が前記最大トルク発生すべり周波数を超えたまま所定時間を経過した場合に、加速不能と判定することを特徴とする誘導電動機駆動装置。 - 誘導電動機を駆動する電力変換部と、前記誘導電動機のすべり周波数を演算するすべり周波数演算部と、磁束飽和領域において前記誘導電動機の最大トルクを発生させる最大トルク発生すべり周波数を演算する最大トルク発生すべり演算部と、前記誘導電動機の加速が可能か否かを判定する加速判定部と、回転磁界座標系のd軸電流指令値、及び速度指令値を変換したq軸電流指令値に従って前記誘導電動機の電動機電流をdqベクトル制御するベクトル制御部とを備えた誘導電動機駆動装置であって、
前記ベクトル制御部は、前記速度指令値及び速度推定値の何れか一方が所定値以下の場合は、前記d軸電流指令値を通常時の値以上に制御し、
前記加速判定部は、前記ベクトル制御部の制御中に、前記すべり周波数が前記最大トルク発生すべり周波数を超えた差分周波数を時間積分した積分値が所定値を超過した場合に加速不能と判定することを特徴とする誘導電動機駆動装置。 - 誘導電動機を駆動する電力変換部と、前記誘導電動機のq軸磁束を演算するq軸磁束演算部と、磁束飽和領域において前記誘導電動機の最大トルクを発生させる最大トルク発生q軸磁束を演算する最大トルク発生q軸磁束演算部と、前記誘導電動機の加速が可能か否かを判定する加速判定部と、前記誘導電動機の電動機電流をベクトル制御するベクトル制御部とを備えた誘導電動機駆動装置であって、
前記加速判定部は、前記ベクトル制御部の制御中に、前記q軸磁束が前記最大トルク発生q軸磁束を超過した場合に加速不能と判定することを特徴とする誘導電動機駆動装置。 - 誘導電動機を駆動する電力変換部と、前記誘導電動機のq軸磁束を演算するq軸磁束演算部と、磁束飽和領域において前記誘導電動機の最大トルクを発生させる最大トルク発生q軸磁束を演算する最大トルク発生q軸磁束演算部と、前記誘導電動機の加速が可能か否かを判定する加速判定部と、前記誘導電動機の電動機電流をベクトル制御するベクトル制御部とを備えた誘導電動機駆動装置であって、
前記加速判定部は、前記ベクトル制御部の制御中に、前記q軸磁束演算値が最大トルク発生q軸磁束に基づく所定値を超過したまま所定時間を経過した場合、加速不能と判定することを特徴とする誘導電動機駆動装置。 - 誘導電動機を駆動する電力変換部と、前記誘導電動機のq軸磁束を演算するq軸磁束演算部と、磁束飽和領域において前記誘導電動機の最大トルクを発生させる最大トルク発生q軸磁束を演算する最大トルク発生q軸磁束演算部と、前記誘導電動機の加速が可能か否かを判定する加速判定部と、前記誘導電動機の電動機電流をベクトル制御するベクトル制御部とを備えた誘導電動機駆動装置であって、
前記加速判定部は、前記ベクトル制御部の制御中に、前記q軸磁束が前記最大トルク発生q軸磁束を超えた差分磁束を時間積分した値が所定値を超過した場合に加速不能と判定することを特徴とする誘導電動機駆動装置。 - 前記加速判定部が加速不能と判定したときに、
前記速度指令値を低減し、あるいはその変化率を負に修正して減速する速度指令値補正部、警報を発する警報装置、及び電動機の回転を停止するブレーキ装置の少なくとも何れか一つをさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の誘導電動機駆動装置。 - 前記誘導電動機の回転速度を推定する速度推定演算部をさらに設け、
前記加速判定部は、前記回転速度の推定演算値が所定値を下回った場合にも加速不能と判定することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の誘導電動機駆動装置。 - 前記誘導電動機の速度変化率を推定する推定速度変化率演算部をさらに設け、
前記加速判定部は、前記速度変化率が負である場合にも加速不能と判定することを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の誘導電動機駆動装置。 - 前記電力変換部が3相交流電源により駆動される請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の誘導電動機駆動装置と、
前記電力変換部により駆動される前記誘導電動機とを備えることを特徴とする電動機駆動システム。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の誘導電動機駆動装置と、
前記電力変換部により駆動される前記誘導電動機と、
前記誘導電動機に連結された昇降装置と、
を備えたことを特徴とする昇降システム。 - 前記誘導電動機駆動装置は、前記誘導電動機により移動させられる荷物の位置を演算する位置演算部をさらに設け、
前記加速判定部は、前記位置演算部が演算した値が所定値を下回った場合にも加速不能と判定することを特徴とする請求項10に記載の昇降システム。
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