JP2011041362A - 電動機冷却制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】界磁電流情報を用いずに、負荷電流情報だけで、必要冷却風量を求めることが可能な電動機冷却制御システムを得る。
【解決手段】力率＝１で速度制御される同期電動機においては、界磁電流はその時の負荷電流に対して最大安全界磁電流を上回らないという特性を利用して、予め負荷電流ごとの最大安全界磁電流を風量制御手段４に界磁電流テーブル７として登録しておき、検出器５により電動機１の電機子巻線２の負荷電流の値を検出し、当該検出値に対応する最大安全界磁電流を界磁電流テーブル７から求めて、冷却風量を演算するようにしたので、界磁電流を取り込むことなく負荷電流情報だけで効果的な冷却風量制御による省エネルギーを可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機冷却制御システムに関し、特に、可変速同期電動機等の電動機を通風冷却制御する際に省エネルギーを考慮した風量制御を行うための電動機冷却制御システムに関するものである。

従来技術について説明する。図２は、例えば特許文献１に示された従来の電動機通風冷却制御システムのブロック図であり、図において、１は冷却されるべき巻線２を内部に備える電動機、３は電動機１に冷却風を供給する電動機冷却手段、４は電動機冷却手段３に対する動作指示を出す風量制御手段である。５は巻線２の電流及び温度を検出する検出手段であり、６は風量制御手段４からの動作指示に従って電動機冷却手段３を駆動する駆動手段である。ここで、巻線２の電流は、負荷情報を検出すべきものであるから、負荷電流であり、負荷電流が流れる巻線２は電機子巻線である（以下、巻線２を電機子巻線２と呼ぶこととする。）。

次に、図２に示した従来技術の動作について説明する。電機子巻線２の負荷電流及び温度は検出手段５によって検出され、それらの検出値は風量制御手段４に送信される。次いで、風量制御手段４では受け取った電機子巻線２の負荷電流及び温度とその他の定数値をパラメータとして、風量制御手段４の中に予め用意された制御式（演算式）によって、電動機１に必要な冷却風量を計算する。計算された冷却風量の値は、駆動手段６に送信され、駆動手段６で駆動情報に変換される。駆動手段６は、当該駆動情報に基づいて、電動機冷却手段３を駆動する。電動機冷却手段３は、駆動情報に基づいて指示された冷却風量の冷却風を電動機１に送る。電動機１に備えられた電機子巻線２は送られてきた冷却風によって冷却され、風量制御手段４の上記制御式（演算式）によって想定された温度目標値または温度上昇目標値になるように冷却制御される。

特開２００６−３２５３４７号公報 特開２００４−１８０４５４号公報

冷却すべき電動機には、直流電動機、同期電動機および誘導電動機があり、鉄鋼や非鉄金属の圧延設備でミルモータとして、可変速、変動負荷で使用される。そのため、直流電動機および同期電動機では負荷電流を流す電機子巻線以外に磁束を可変にして電動機の速度を制御する界磁巻線が備わっている。

上述した従来の電動機冷却制御システムでは、風量制御手段４の中に負荷電流の情報が取り込まれているので、負荷電流が流れる電機子巻線２の温度や温度上昇は制御することができた。しかしながら、風量制御手段４の中に界磁電流に関する情報が取り込まれていないので、電機子巻線２よりも界磁巻線（図示せず）への必要冷却風量が多い場合は、冷却風量不足で界磁巻線を過熱焼損させる可能性があった。このため、可変速、変動負荷で使用される鉄鋼圧延設備などでは省エネルギーシステムとしての実用性に欠けていた。

そこで、例えば特許文献２に示された例においては、当該文献の実施の形態２で電動機内部に複数の巻線を備えている例を示し、上記の欠点を解決している。図３は、電機子巻線２とともに界磁巻線２１が電動機１の内部に備わった例である。この例では界磁巻線２１の界磁電流は検出手段５１によって検出され、風量制御手段４に送信される。風量制御手段４では、電機子巻線２の負荷電流情報とともに界磁巻線２１の界磁電流情報の両方を得て、電機子巻線２及び界磁巻線２１の両方に対して適切な冷却風量を計算する。そのため、界磁巻線２１に必要な冷却風量を計算しない図２に示した従来例のように冷却風量不足で界磁巻線を過熱焼損させることはなくなる。

しかしながら、この図３に示した解決例では、負荷電流情報および界磁電流情報の両方を風量制御手段４に取り込む必要がある。一般に圧延設備などでは負荷電流情報は電流値または二乗平方根平均値ＲＭＳなどの形でプラントシステムの制御用または監視用計算機から情報ネットワークを介して容易に風量制御手段４に取り込むことが可能であるが、界磁電流情報は界磁電源などからわざわざ信号を取り込む必要があり、図３の方法で既設の圧延設備に省エネルギーシステムを追加する場合はあらたなケーブル敷設工事や界磁電流のＲＭＳへの信号処理が必要となって設備費用が大きくなるという問題点があった。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、界磁電流情報を風量制御手段に取り込むことなく、負荷電流情報だけで、界磁巻線の焼損を防止しながら、かつ、省エネルギーを図ることが可能な必要冷却風量を求めることが可能な電動機冷却制御システムを得ることを目的とする。

本発明は、内部に負荷電流の流れる電機子巻線と界磁電流の流れる界磁巻線とを有する電動機の冷却制御を行うための電動機冷却制御システムであって、電動機に冷却風を供給する電動機冷却手段と、前記電動機冷却手段を駆動する駆動手段と、前記電機子巻線の負荷電流ごとの界磁電流の最大値を最大安全界磁電流として記憶する界磁電流テーブルと、前記電機子巻線の負荷電流を検出する検出手段と、検出された前記負荷電流の検出値に基づいて前記電機子巻線の冷却用の冷却風量を第１の冷却風量として演算する第１の冷却風量演算手段と、検出された前記負荷電流の検出値に対応する最大安全界磁電流の値を、前記界磁電流テーブルから取得する界磁電流取得手段と、取得された前記最大安全界磁電流の値に基づいて前記界磁巻線の冷却用の冷却風量を第２の冷却風量として演算する第２の冷却風量演算手段と、前記第１の冷却風量と前記第２の冷却風量のうちのいずれか大きい方の値を前記駆動手段に対して出力し、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電動機冷却制御システムである。

本発明は、内部に負荷電流の流れる電機子巻線と界磁電流の流れる界磁巻線とを有する電動機の冷却制御を行うための電動機冷却制御システムであって、電動機に冷却風を供給する電動機冷却手段と、前記電動機冷却手段を駆動する駆動手段と、前記電機子巻線の負荷電流ごとの界磁電流の最大値を最大安全界磁電流として記憶する界磁電流テーブルと、前記電機子巻線の負荷電流を検出する検出手段と、検出された前記負荷電流の検出値に基づいて前記電機子巻線の冷却用の冷却風量を第１の冷却風量として演算する第１の冷却風量演算手段と、検出された前記負荷電流の検出値に対応する最大安全界磁電流の値を、前記界磁電流テーブルから取得する界磁電流取得手段と、取得された前記最大安全界磁電流の値に基づいて前記界磁巻線の冷却用の冷却風量を第２の冷却風量として演算する第２の冷却風量演算手段と、前記第１の冷却風量と前記第２の冷却風量のうちのいずれか大きい方の値を前記駆動手段に対して出力し、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電動機冷却制御システムであるので、界磁電流情報を風量制御手段に取り込むことなく、負荷電流情報だけで、界磁巻線の焼損を防止しながら、かつ、省エネルギーを図ることが可能な必要冷却風量を求めることができる。

本発明の実施の形態１に係る電動機冷却制御システムの構成を示したブロック図である。 従来の冷却制御システムを示すブロック図である。 別の従来の冷却制御システムを示すブロック図である。 可変速同期電動機の速度と界磁電流の特性図である。 可変速同期電動機の負荷電流と界磁電流の特性図である。 可変速同期電動機の界磁電流ＲＭＳ測定値と負荷電流ＲＭＳから計算された最大安全界磁電流ＲＭＳとをグラフで示した説明図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機冷却制御システムの構成を示した図である。図１において、１は冷却されるべき電機子巻線２と界磁巻線２１とを内部に備える電動機、３は電動機１に冷却風を供給するファン等から構成された電動機冷却手段、４は電動機冷却手段３に対する動作指示を出力する風量制御手段である。５は電機子巻線２の電流及び温度（但し、温度はなくてもよい）を検出する検出手段であり、６は風量制御手段４からの動作指示に従って電動機冷却手段３を駆動する駆動手段である。７は界磁電流テーブルである。界磁テーブル７は、負荷電流ごとの最大安全界磁電流を記憶しているものであるが、詳細については後述する。

次に動作について説明する。電機子巻線２の負荷電流及び温度は検出手段５によって検出され、風量制御手段４に送られる。次いで、風量制御手段４に界磁電流テーブル７を電気的に接続する。なお、界磁電流テーブル７は風量制御手段４に予め内蔵されていてもよい。この際、風量制御手段４は、界磁巻線２１の界磁電流情報は取り込まない。風量制御手段４では、受け取った電機子巻線２の負荷電流情報とその他の定数値をパラメータとして、風量制御手段４の中に備わった制御式（演算式）によって電機子巻線２に必要な冷却風量を計算する。なお、この制御式（演算式）は、特許文献１または２に記載あるいは他の技術文献等に記載の既存の数式を用いるようにすればよい。すなわち、例えば、特許文献１に記載のように、負荷電流の値のほかに、電機子巻線２の温度、電動機１の熱時定数、および、外気温度の情報を用いて、電機子巻線２に必要な冷却風量を計算するようにする。あるいは、特許文献２に記載のように、負荷電流の二乗平均平方根（ＲＭＳ）と電動機１の電機子巻線２の熱時定数とを組み合わせた等価二乗平均平方根値（等価ＲＭＳ）を用いて、電機子巻線２の温度上昇の推定計算値を演算することにより、上記必要風量を求めるようにする。あるいは、他の方法でもよい。

さらに、電機子巻線２の負荷電流情報に対応して界磁電流テーブル７を参照し、最大安全界磁電流を得る。風量制御手段４では、最大安全界磁電流とその他の定数値をパラメータとして、風量制御手段４の中に備わった制御式（演算式）によって、界磁巻線２１に必要な冷却風量を計算する。なお、この制御式（演算式）は、技術文献等に記載の既存の数式を用いるようにすればよい。すなわち、例えば、特許文献２に記載のように、負荷電流の二乗平均平方根（ＲＭＳ）と電動機１の界磁巻線２１の熱時定数とを組み合わせた等価二乗平均平方根値（等価ＲＭＳ）を用いて、界磁巻線２１の温度上昇の推定計算値を演算することにより、上記必要風量を求めるようにする。あるいは、他の方法でもよい。

風量制御手段４では電機子巻線２に必要な冷却風量と界磁巻線２１に必要な冷却風量のうちのいずれか大きい方の値を駆動手段６に送る。駆動手段６では、それを駆動情報に変換し、電動機冷却手段３を駆動する。電動機冷却手段３は駆動情報に従って指示された冷却風量を電動機１に送風する。電動機１に備えられた電機子巻線２及び界磁巻線２１は、送られてきた冷却風量によって冷却され、風量制御手段４の中に備わった制御式（演算式）によって想定された目標温度または目標温度上昇値になるように制御される。

ここで、冷却対象は、鉄鋼圧延用の可変速同期電動機であるが、この電動機は速度制御のため、力率＝１で制御される。電機子巻線２には圧延材料を圧延するに必要なトルクから要求される負荷電流が流れるが、界磁巻線２１には、電動機１の速度に対応して例えば図４に示す界磁電流が流れる。電動機１は、速度（０）から最高速度（ＮＴ）の間で運転されるが、負荷電流を固定して見れば、速度（０）から基底速度（ＮＢ）の間では界磁電流は大略一定で最大値になる。一方、基底速度（ＮＢ）から最高速度（ＮＴ）の間では界磁電流は図４のように減少する。すなわち、速度に対して界磁電流は略々反比例し、基底速度（ＮＢ）付近では急激に減少し、最高速度（ＮＴ）付近では大略一定で最小値となる。この関係を速度固定でみれば、図５のように、負荷電流が大きいほど界磁電流は増加する。図５で負荷電流を固定してみれば、速度（０）から基底速度（ＮＢ）の場合の界磁電流がもっとも大きい。この界磁電流を最大安全界磁電流と呼ぶことにし、当該最大安全界磁電流の値を負荷電流の値ごとに界磁電流テーブル７に記憶させる。これにより、負荷電流の値が分かれば、界磁電流テーブル７を参照することにより、最大安全界磁電流の値を取得することができる。最大安全界磁電流は、実際の界磁電流よりも常に大きいから、最大安全界磁電流で必要冷却風量を計算しておけば、冷却風量が不足して界磁巻線２１を焼損する恐れがなく、省エネルギー量は従来例よりも若干減少するが、従来例では必要であった新たなケーブル敷設工事や界磁電流のＲＭＳへの信号処理を不要とすることができ、コストを抑えた安価で信頼性の高いシステムを提供することができる。図６に実際に計測した界磁電流ＲＭＳと最大安全界磁電流ＲＭＳを示す。最大安全界磁電流ＲＭＳが常に界磁電流ＲＭＳより大きいことが示されている。

以上のように、本発明の実施の形態１によれば、力率＝１で速度制御される同期電動機では、その時の負荷電流に対して界磁電流は最大安全界磁電流を上回らない特性を利用して、予め、負荷電流ごとの最大安全界磁電流を界磁電流テーブル７として登録しておくようにしたので、当該界磁電流テーブル７から、負荷電流の値さえ分かれば界磁電流の値を取得することができるので、従来のように検出手段により界磁電流の値を検出する必要もなく、また、風量制御手段に界磁電流を取り込む必要もないので、負荷電流情報だけで、電機子巻線２および界磁巻線２１の両方に対して効果的な冷却風量を求め、当該冷却風量による制御で省エネルギーも可能にしながら界磁電流の焼損も防止することを可能にした。また、既設の圧延設備に省エネルギーシステムを追加する場合に従来は必要であった、新たなケーブル敷設工事や界磁電流のＲＭＳへの信号処理がすべて不要となり、設備費用を大幅に抑えることが可能となり、安価で信頼性の高い電動機冷却制御システムを得ることができるという効果が得られる。

なお、本発明においては、力率＝１で速度制御される同期電動機を例に挙げて説明したが、その場合に限らず、速度制御時において負荷電流に対して界磁電流が最大安全界磁電流を上回らない特性を有した電動機であれば、種々の電動機に本発明の電動機冷却制御システムが適用できることは言うまでもない。

また、上記の説明においては、電機子巻線２を冷却するための必要風量と界磁巻線２１を冷却するための必要風量との両方を求めて、そのうちの大きい方の値を駆動手段６に出力する例について示したが、その場合に限らず、例えば、電機子巻線２を冷却するための必要風量よりも界磁巻線２１を冷却するための必要風量の方が常に大きい電動機の場合等は、界磁巻線２１を冷却するための必要風量だけ求めて、それを駆動手段６に出力するようにしてもよい。

実施の形態２．
なお、省エネルギーのための冷却制御システムを導入するには事前に、その効果を予測計算して経済的効果の有無を評価する必要があるが、省エネルギー効果の予測計算のためには、一定期間の電機子巻線２に流れる負荷電流情報と界磁巻線２１に流れる界磁電流情報の測定データが必要である。一般に圧延設備などでは負荷電流情報は電流値または二乗平方根平均値ＲＭＳなどの形でプラントシステムの制御用または監視用計算機から情報ネットワークを介して省エネルギー効果予測のために容易に提供することが可能であるが、界磁電流情報はそのような形で提供できないので、一定期間の計測によって得る必要がある。

上記の実施の形態１で、界磁電流テーブル７を使って冷却制御を行う場合について述べたが、この界磁電流テーブル７に記憶させる最大安全界磁電流は、電動機１の製作時の特性試験成績書に明記されているか、或いは、特性試験成績書から推定できるので、そこから値を得て入力するようにすればよく、従って、負荷電流情報さえ得られれば、界磁電流情報は、特性試験成績書から、最大安全界磁電流（又はＲＭＳ）として求めることができる。これにより、省エネルギーのための冷却制御システムを導入する前に、わざわざ界磁電流情報を計測しないでも、冷却制御システムを導入した場合の最低限の効果を定量的に予測計算することができ、事前効果予測のための費用と時間を節約できる。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、界磁電流テーブル７の最大安全界磁電流を、電動機１の製作時の特性試験成績書から取得または推定するようにしたので、省エネルギーのための冷却制御を導入する前に、わざわざ界磁電流情報を計測する必要がなく、冷却制御を導入した場合の最低限の効果を定量的に予測計算することができ、事前効果予測のための費用と時間を節約することができるという効果が得られる。

１ 電動機、２ 巻線（電機子巻線）、３ 電動機冷却手段、４ 風量制御手段、５ 検出手段、６ 駆動手段、７ 界磁電流テーブル、２１ 界磁巻線、５１ 検出手段。

Claims (1)

1. 内部に負荷電流の流れる電機子巻線と界磁電流の流れる界磁巻線とを有する電動機の冷却制御を行うための電動機冷却制御システムであって、
   電動機に冷却風を供給する電動機冷却手段と、
   前記電動機冷却手段を駆動する駆動手段と、
   前記電機子巻線の負荷電流ごとの界磁電流の最大値を最大安全界磁電流として記憶する界磁電流テーブルと、
   前記電機子巻線の負荷電流を検出する検出手段と、
   検出された前記負荷電流の検出値に基づいて前記電機子巻線の冷却用の冷却風量を第１の冷却風量として演算する第１の冷却風量演算手段と、
   検出された前記負荷電流の検出値に対応する最大安全界磁電流の値を、前記界磁電流テーブルから取得する界磁電流取得手段と、
   取得された前記最大安全界磁電流の値に基づいて前記界磁巻線の冷却用の冷却風量を第２の冷却風量として演算する第２の冷却風量演算手段と、
   前記第１の冷却風量と前記第２の冷却風量のうちのいずれか大きい方の値を前記駆動手段に対して出力し、前記駆動手段を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電動機冷却制御システム。

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