JP2015024354A - 遠心分離装置における電動機の駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心分離装置に備わり且つ大きい始動トルクを要する電動機を駆動制御する技術を提供する。【解決手段】遠心分離装置における電動機の駆動制御方法は、前記電動機の始動時において、前記電動機に流れる電流値が所定の制限値を越えないように、第１の周波数上昇率および第１の電圧上昇率で、インバータから交流電流を第１の期間だけ前記電動機に給電する第１の給電ステップと、第１の周波数上昇率よりも高い第２の周波数上昇率および第１の電圧上昇率よりも高い第２の電圧上昇率で、インバータから交流電流を前記第１の期間よりも長い第２の期間だけ前記電動機に給電する第２の給電ステップと、前記第１および第２の給電ステップを経て前記電動機が定常運転回転数に到達した後に、前記電動機への給電を商用電源からの給電に切り替える第３の給電ステップと、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、遠心分離装置に備わり且つ大きい始動トルクを要する電動機を駆動制御する技術に関する。

従来、遠心力を利用して固液分離を行う装置として、「デカンタ」と称される遠心分離装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

例えば回転軸が水平な横型のデカンタは、水平軸廻りに回転可能な回転ボウルと、この回転ボウルに内挿されたスクリューコンベアとが、ケーシングの内部に収容されている構造となっている。

このような構成において、回転する回転ボウル内に被処理液を供給すると、遠心力の作用により回転ボウルの内壁面に固形物が沈降する。そして、回転ボウルの回転軸と同軸上で、ギアボックスを介して回転ボウルとは相対的に差速をもって回転するスクリューコンベアによって固形物が移送されて液から分離される。分離された固形物は、固形物出口から排出され、固形物が分離された液（分離液）は、分離液出口から排出される。

回転ボウルは、駆動制御装置によって駆動制御される電動機によって回転駆動される。当該電動機の回転速度は、電圧と周波数を可変制御したＡＣ電力を駆動制御装置によって給電することにより制御される。

特開平５−１８４９７３号公報

遠心分離装置における回転ボウルの始動時には、非常に大きい始動トルクが必要となる場合がある。このような場合、電動機の電源装置は、大きな始動トルクに対応する出力電流（例えば、８５０Ａ程度の大電流を数秒間）を流すことのできる電流定格を備える必要がある。

特に、低電圧であり且つ低周波数の状態の交流電力から徐々に電圧および周波数を上昇させながら電動機への電力供給を行なうためにインバータを採用する場合、当該インバータも上述のような大きな始動トルクに対応した電流定格を備えていなければならない。図５は、従来のインバータ制御による電動機の加速を行なった場合の、電動機への供給電力の電圧値および周波数の推移および電動機に流れる電流の電流値を示すグラフである。図５に示すように、同グラフに示す給電制御を行った場合、電動機に大きな過電流が流れることが分かる（図５に示す電流値（点線）を参照）。

しかしながら、インバータの電流定格を、始動トルクが大きい電動機に流れる過電流の電流値に対応させようとすると、インバータの大型化やコスト増を招く。また、このようなインバータの大型化は、インバータを内蔵する駆動制御装置全体としてのコンパクト化の妨げともなる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、遠心分離装置に備わり且つ大きい始動トルクを要する電動機を駆動制御する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、遠心分離装置における電動機の駆動制御方法であって、前記電動機の始動時において、前記電動機に流れる電流値が所定の制限値を越えないように、第１の周波数上昇率および第１の電圧上昇率で、インバータから交流電流を第１の期間だけ前記電動機に給電する第１の給電ステップと、第１の周波数上昇率よりも高い第２の周波数上昇率および第１の電圧上昇率よりも高い第２の電圧上昇率で、インバータから交流電流を前記第１の期間よりも長い第２の期間だけ前記電動機に給電する第２の給電ステップと、前記第１および第２の給電ステップを経て前記電動機が定常運転回転数に到達した後に、前記電動機への給電を商用電源からの給電に切り替える第３の給電ステップと、を備える遠心分離装置における電動機の駆動制御方法に関する。

以上に詳述したように、本発明によれば、遠心分離装置に備わり且つ大きい始動トルクを要する電動機を駆動制御する技術を提供することができる。

本発明の実施の形態による電動機の駆動制御装置を備える遠心分離装置のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態による遠心分離装置における電動機の駆動制御装置に備わる機能を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態による遠心分離装置における電動機の駆動制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態による駆動制御装置によって電動機に給電される交流電力の電圧および周波数の推移と、電動機に流れる電流値を示すグラフである。 従来のインバータ制御による電動機の加速を行なった場合の、電動機への供給電力の電圧値および周波数の推移および電動機に流れる電流の電流値を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施の形態による電動機の駆動制御装置を備える遠心分離装置のシステム構成を示す図である。

（装置構成）
図１は、本実施の形態による遠心分離装置の概略構造の一例を示す図である。本実施の形態による遠心分離装置は、図１に示す一例のように、例えば、被処理液に遠心力を付与するための回転ボウル１１、回転ボウル１１の内部で分離された固形物を搬送するスクリューコンベア１２、差動装置であるギアボックス１６、回転ボウル１１の回転軸に連結される主駆動モータ２（電動機）、制御部９等を備えている。主駆動モータ２は、例えばプーリと回転ベルト等を通じて、回転ボウル１１及びスクリューコンベア１２に動力を伝達できる構成となっている。

なお、図１に示す遠心分離装置は、回転ボウル１１とスクリューコンベア１２が水平軸を回転中心として回転する横型の「デカンタ」である。

主駆動モータ２の入力端子は、電気配線３および電磁接触器ＭＣ１を介して、主駆動側インバータ装置４の出力端子と電気的に接続可能となっている。主駆動側インバータ装置４の入力端子は、電気配線３１を介して、電力を供給可能な電源２２と接続されている。電源２２としては、例えば商用電源や発電機などを採用することができる。また、電磁接触器ＭＣ２により導通と遮断を切り替え可能な電気配線３２により、電源２２と主駆動モータ２が接続されている。これにより、電源２２からの電力を電気配線３１、インバータ４および電気配線３を通して主駆動モータ２に供給する第１の給電モードと、電源２２からの電力を電気配線３２を介して主駆動モータ２に直接供給する第２の給電モードの２通りのモードのいずれかに切り替え可能となっている。

なお、ここでの電磁接触器（Electromagnetic Contactor）とは、電磁石の動作によって電路を開閉するスイッチである。

また、ここでの制御部９としては、例えば以下の（１）や（２）のような構成を採用することができる。

（１）ＣＰＵ９０１およびメモリ９０２を備え、当該メモリに予め記憶されているか所定の記憶装置からメモリ９０２に読み込まれたプログラムをＣＰＵ９０１により実行することで所望の機能を実現する方式
（２）リレー電気回路によって、所望の機能の処理を実現する方式

もちろん、上記（１）や（２）に限定されるものではなく、上記（１）および（２）の組合せとすることもできるし、これらの他の制御方式を採用することもできる。

図２は、本発明の実施の形態による遠心分離装置における電動機の駆動制御装置に備わる機能を示す機能ブロック図である。

本実施の形態による遠心分離装置における電動機の駆動制御装置は、例えば、第１の給電制御部６０１、第２の給電制御部６０２および第３の給電制御部６０３等を備えている。これら第１の給電制御部６０１〜第３の給電制御部６０３の機能は、例えば制御部９によって実現される。

第１の給電制御部６０１は、主駆動モータ２の始動時において、主駆動モータ２に流れる電流値が「所定の制限値」を越えないように、「第１の周波数上昇率」および「第１の電圧上昇率」で、主駆動側インバータ装置４から交流電流を「第１の期間」だけ主駆動モータ２に給電させる。

第２の給電制御部６０２は、「第１の周波数上昇率」よりも高い「第２の周波数上昇率」および第１の電圧上昇率よりも高い「第２の電圧上昇率」で、主駆動側インバータ装置４から交流電流を第１の期間よりも長い「第２の期間」だけ主駆動モータ２に給電させる。

第３の給電制御部６０３は、第１給電制御部６０１および第２の給電制御部６０２による給電の後に主駆動モータ２が定常運転回転数に到達した後に、主駆動モータ２への給電を電源２２（商用電源）からの給電に切り替える。

＜本発明の動作説明＞
図３は、本発明の実施の形態による遠心分離装置における電動機の駆動制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。また、図４は、本発明の実施の形態による駆動制御装置によって電動機に給電される交流電力の電圧および周波数の推移と、電動機に流れる電流値を示すグラフである。

制御部９は、電動機の始動時において、電磁接触器ＭＣ１をＯＮ（導通状態）にし且つ電磁接触器ＭＣ２をＯＦＦ（遮断状態）にし、主駆動モータ２に流れる電流値が所定の制限値を越えないように、第１の周波数上昇率および第１の電圧上昇率で、主駆動側インバータ装置４から交流電流を電気配線３を介して例えば１２２秒間（第１の期間）だけ主駆動モータ２に給電する（第１の給電ステップ）（ＡＣＴ１０１）。

ここで、第１の給電ステップでの「所定の制限値」、「第１の周波数上昇率」、「第１の電圧上昇率」および「第１の期間」の具体的な設定値は、例えば定格電力が１８５ｋＷのインバータを使用する場合、以下のように設定することができる。下記設定値はあくまで一例であり、具体的数値はこれに限定されるものではないことは言うまでもない。なお、ここでの駆動開始時の電圧値は例えば６Ｖであり、駆動開始時の周波数は例えば１．３Ｈｚである。

所定の制限値 ： 450[A]
第１の周波数上昇率： (3[Hz]−1.3[Hz])／122[sec] = 0.014 [Hz/sec]
第１の電圧上昇率 ： (15[V]−6[V])／122[sec] = 0.073 [V/sec]
第１の期間 ： 122[Sec]
第１の給電ステップにおける周波数目標値： 3[Hz]
第１の給電ステップにおける電圧値目標値： 15[V]

次に、制御部９は、上記第１の給電ステップと同様に電磁接触器ＭＣ１をＯＮ（導通状態）にし且つ電磁接触器ＭＣ２をＯＦＦ（遮断状態）としたままで、第１の周波数上昇率よりも高い第２の周波数上昇率および第１の電圧上昇率よりも高い第２の電圧上昇率で、主駆動側インバータ装置４から交流電流を例えば５６４秒間（第２の期間）だけ主駆動モータ２に給電する（第２の給電ステップ）（ＡＣＴ１０２）。

ここで、第２の給電ステップでの「第２の周波数上昇率」、「第２の電圧上昇率」および「第２の期間」の具体的な設定値は、例えば以下のように設定することができる。下記設定値はあくまで一例であり、具体的数値はこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

第２の周波数上昇率： (50[Hz]−3[Hz])／564[sec] = 0.083 [Hz/sec]
第２の電圧上昇率 ： (380[V]−15[V])／564[sec] = 0.647 [V/sec]
第２の期間 ： 564 [Sec]
第２の給電ステップにおける周波数目標値： 50 [Hz]
第２の給電ステップにおける電圧値目標値： 380 [V]

ここで、周波数および電圧それぞれの第２の期間における目標値(定常運転時の周波数値および電圧値に相当)を１００％とし、この１００％の値に対する単位時間あたりの増加率を上昇率と捉えると、本実施の形態における「第１の周波数上昇率」、「第１の電圧上昇率」、「第２の周波数上昇率」および「第２の電圧上昇率」は、例えばそれぞれ以下のように表現できる。すなわち、ここでは、「第１の周波数上昇率」および「第２の周波数上昇率」は、第２の給電ステップにおける周波数目標値に対する増加割合を示し、「第１の電圧上昇率」および「第２の電圧上昇率」は、第２の給電ステップにおける電圧値目標値に対する増加割合を示している。

第１の周波数上昇率 ： (0.014 [Hz/sec]／50 [Hz])×100 = 0.0279 [%/sec]
第１の電圧上昇率 ： (0.073 [V/sec]／380 [V])×100 = 0.0192 [%/sec]
第２の周波数上昇率 ： (0.083 [Hz/sec]／50 [Hz])×100 = 0.1667 [%/sec]
第２の電圧上昇率 ： (0.647 [V/sec]／380 [V])×100 = 0.1703 [%/sec]

上述のように、本実施の形態では、「第１の周波数上昇率」は「第１の電圧上昇率」よりも高くなるように設定されている。

一般に、始動トルクの大きい電動機を始動する際には、交流電流の周波数の上昇率よりも電圧値の上昇率の方が、電流値の上昇に与える影響は大きい。すなわち、電動機に供給する交流電流の周波数を急激に上昇させるときよりも電圧値を急激に上昇させるときの方が、過電流が発生しやすい。そこで、本実施の形態では、少なくとも第１の期間において、周波数値の上昇率よりも電圧値の上昇率を低く抑えることにより、図４に示すように過電流の発生を効果的に抑制している（図４に示す電流値（点線）を参照）。

なお、ここでは周波数の上昇率が、少なくとも第１の給電ステップにおいて電圧の上昇率を上回る設定を例示しているが、必ずしもこれに限られるものではなく、第１の給電ステップによる電動機の始動時および第２の給電ステップの双方において周波数上昇率が電圧上昇率を上回るように設定することにより、電動機の始動時における過電流の発生をより確実に抑制することもできる。

また、本実施の形態では、例えば、第１の給電ステップによる主駆動モータ２への給電時の電流値のピークを過ぎたタイミングで、第２の給電ステップによる給電に切り替えている。なお、ここでの「電流値のピークを過ぎたタイミング」とは、「電流値がピーク値を過ぎる瞬間」だけでなく、「ピーク値を過ぎてから所定時間経過したタイミング」をも意味するものとする。ここでの「所定時間」としては、例えば３０秒〜９０秒程度の時間とすることができる。

このように、第１の給電ステップにより主駆動モータ２における過電流の発生を抑えるように最低限の給電により主駆動モータ２を始動させ、第２の給電ステップによって定常運転回転数までの加速を行なうことで、過電流の抑制を図るとともに過剰に加速期間が延びることを防ぐことができる。

そして、制御部９は、第１および第２の給電ステップを経て主駆動モータ２の加速が完了し、主駆動モータ２が定常運転回転数に到達した後に、電磁接触器ＭＣ１をＯＦＦ（遮断状態）にし且つ電磁接触器ＭＣ２をＯＮ（導通状態）とし、主駆動モータ２への給電を電源２２（商用電源）からの給電に切り替える（第３の給電ステップ）（ＡＣＴ１０３）。なお、ここでの主駆動モータ２の定常運転回転数は、例えば１５００ｒｐｍとすることができるが、当該回転数は遠心分離装置の仕様に応じて適宜変更可能である。

このように、本実施の形態では、第２の給電ステップによる主駆動モータ２の定常運転回転数までの加速が完了した時点で第３の給電ステップによる給電に切り替えている。すなわち、ここでは、主駆動モータ２を始動して定常運転回転数で運転するまでの間に、第１の給電ステップ〜第３の給電ステップによる電力供給を順番に行なう構成を例示しているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、主駆動モータ２の始動から定常運転回転数に達するまでの間の加速期間における給電ステップを３段階以上とすることもできる。

このような駆動制御方法によれば、大きい始動トルクを必要とする電動機を始動する際でも電動機に流れる電流の電流値が過大になることがなく、結果として電動機への電力供給を行なう駆動制御装置に備わるインバータの電流定格値の低減を図ることができる。このように、インバータの電流定格値の低減を図ることによりインバータ自体を小型化することで、駆動制御装置全体としての小型化を実現することができる。

なお、上記実施の形態では、ボウルおよびコンベアの回転軸が水平である横型の遠心分離装置を例示したが、これに限られるものではなく、例えば回転ボウルとコンベアが鉛直軸を回転中心として回転する竪型の遠心分離装置に本発明を適用することも可能である。

さらに、回転ボウル内で固形物を搬送するコンベアは、回転ボウルと相対的な差速をもって回転することによって固形物を搬送することができればよく、必ずしもスクリュー式のコンベアでなくともよい。

また、上述の実施の形態では、固‐液分離を行なう遠心分離装置を一例として挙げたが、これに限られるものではなく、例えば液‐液分離や固‐液‐液の三相分離を行う遠心分離装置に本発明を適用することも可能であることは言うまでもない。

なお、上記実施の形態において示した構成はあくまで例示であり、例えばそれぞれの実施形態にて示した構成の構成要素の一部または全部について、形状の変更、サイズの変更、個数の変更、位置関係の変更、材質の変更等を行った場合であっても、本発明による遠心分離装置を構成する各必須構成要素と同等な機能を実質的に備えそれらの作用が同じであれば、本発明による遠心分離装置の必須構成要素を備えているものとみなすことができる。また、上記実施の形態による遠心分離装置を構成する各構成要素のうちの少なくともいずれかを同等の機能を有する代替手段によって置換した場合も、当該構成は実質的に本発明による遠心分離装置の構成要件を備えるとみなすことができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。

１１ 回転ボウル
１２ スクリューコンベア
１６ ギアボックス
２ 主駆動モータ（電動機）
２３ バック駆動モータ
９ 制御部
９０１ ＣＰＵ
９０２ ＡＳＩＣ
９０３ ＭＥＭＯＲＹ
９０４ ＨＤＤ
６０１ 第１の給電制御部
６０２ 第２の給電制御部
６０３ 第３の給電制御部

Claims (5)

1. 遠心分離装置における電動機の駆動制御方法であって、
   前記電動機の始動時において、前記電動機に流れる電流値が所定の制限値を越えないように、第１の周波数上昇率および第１の電圧上昇率で、インバータから交流電流を第１の期間だけ前記電動機に給電する第１の給電ステップと、
   第１の周波数上昇率よりも高い第２の周波数上昇率および第１の電圧上昇率よりも高い第２の電圧上昇率で、インバータから交流電流を前記第１の期間よりも長い第２の期間だけ前記電動機に給電する第２の給電ステップと、
   前記第１および第２の給電ステップを経て前記電動機が定常運転回転数に到達した後に、前記電動機への給電を商用電源からの給電に切り替える第３の給電ステップと、
   を備える遠心分離装置における電動機の駆動制御方法。
2. 前記第１の周波数上昇率は前記第１の電圧上昇率よりも高く、前記第２の周波数上昇率は前記第２の電圧上昇率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の遠心分離装置における電動機の駆動制御方法。
3. 前記第１の給電ステップによる前記電動機への給電時の電流値のピークを過ぎたタイミングで、前記第２の給電ステップによる給電に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離装置における電動機の駆動制御方法。
4. 前記第２の給電ステップによる前記電動機の定常運転回転数までの加速が完了した時点で前記第３の給電ステップによる給電に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離装置における電動機の駆動制御方法。
5. 前記電動機は、前記遠心分離装置に備わる遠心分離処理を行なうための回転ボウルを回転駆動することを特徴とする請求項１に記載の遠心分離装置における電動機の駆動制御方法。

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