JP2015073385A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇降機の軽負荷高速運転を行う場合、同一荷重に対する巻き上げ時と巻き下げ時の運転周波数を等しく制御する。【解決手段】実施形態によれば、データ設定手段は、通常運転モードとは区別されたデータ設定モードにおいて、昇降機に少なくとも２種類の荷重を加えたときの各巻き上げおよび各巻き下げの条件でモータを軽負荷判定周波数まで加速し、その周波数において負荷検出手段により検出されたそれぞれの負荷に基づいて巻き上げ時と巻き下げ時の荷重−負荷特性を求める。運転制御手段は、通常運転モードにおいて、運転を開始した後巻き上げ／巻き下げ指令に応じてモータを軽負荷判定周波数まで加速し、その周波数において負荷検出手段により検出された負荷と巻き上げ／巻き下げに応じた荷重−負荷特性とに基づいて昇降機に加わる荷重を推定し、その荷重に応じて軽負荷高速運転の高速運転周波数を決定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、昇降機の軽負荷高速運転を行うインバータ装置に関する。

この種のインバータ装置は、荷役効率の向上を目的として、吊荷を上下に移動させるクレーンやホイストの巻上用モータの駆動に広く用いられている。例えば、運転指令が入力されると所定の軽負荷判定周波数で運転し、その運転時のトルクや電流などのインバータ内部情報に基づいてモータが軽負荷かどうかを判定し、軽負荷と判定した場合にはモータの回転速度を高めるように制御する。また、クレーンやホイストの稼働率を一層高めるため、いわゆるフルノッチの状態でインバータ装置の出力電力（絶対値）を一定に保ち、軽負荷になるほどモータの回転速度、すなわち巻き上げ、巻き下げの動作速度（吊荷の昇降速度）を高めるように制御することが行われている。

特開２００６−３３３５７７号公報

しかし、インバータ装置の出力電力が一定となる条件の下で高速運転周波数を決定する場合、機械損失などに起因して、同一荷重を吊り上げた場合であっても、巻き上げ時の動作速度と巻き下げ時の動作速度が異なる問題があった。一般に、同一荷重を巻き上げ駆動、巻き下げ駆動した場合、インバータ装置で観測される出力電力は、巻き上げ時よりも巻き下げ時の方が小さく観測される。このため、インバータ装置の出力を一定に保つことにより高速運転周波数を決定すると、同じ荷重条件にもかかわらず巻き下げ時は巻き上げ時に比べて著しく高速となり、昇降機の操作性を悪化させていた。

そこで、昇降機の軽負荷高速運転を行う場合、同一荷重に対する巻き上げ時と巻き下げ時の運転周波数を等しく制御するインバータ装置を提供する。

実施形態のインバータ装置は、昇降機を駆動するモータの負荷を検出する負荷検出手段を有し、この負荷検出手段により検出された負荷が小さい場合にモータの回転速度を高める軽負荷高速運転を行う制御手段を備えている。制御手段は、軽負荷高速運転の実行条件が規定された運転基準データを設定するデータ設定手段と、その設定された運転基準データに基づいて軽負荷高速運転の実行を制御する運転制御手段とを備えている。

運転基準データは、少なくとも軽負荷判定周波数および荷重の巻き上げ時と巻き下げ時の荷重−負荷特性のデータを含んでいる。データ設定手段は、通常運転モードとは区別されたデータ設定モードにおいて、昇降機に少なくとも２種類の荷重を加えたときの各巻き上げおよび各巻き下げの条件でモータを軽負荷判定周波数まで加速し、この軽負荷判定周波数において負荷検出手段により検出されたそれぞれの負荷に基づいて巻き上げ時と巻き下げ時の荷重−負荷特性を求める。

運転制御手段は、通常運転モードにおいて、運転を開始した後巻き上げ／巻き下げ指令に応じてモータを軽負荷判定周波数まで加速し、この軽負荷判定周波数において負荷検出手段により検出された負荷と巻き上げ／巻き下げに応じた荷重−負荷特性とに基づいて昇降機に加わる荷重を推定し、その荷重に応じて軽負荷高速運転の高速運転周波数を決定する。

一実施形態を示す巻上装置の構成図 軽負荷判定周波数における荷重−負荷特性を示す図 軽負荷高速運転の荷重−運転周波数特性を示す図 データ設定モードにおけるデータ設定運転の説明図 通常運転モードにおける軽負荷高速運転の説明図

以下、図面を参照しながら一実施形態について説明する。図１は、ホイストクレーン装置に設けられた巻上装置１（昇降機）の構成を示している。巻上装置１は、インバータ装置２により巻上用のモータ３(例えば誘導電動機)を可変速制御するようになっている。モータ３の出力は、機械式ブレーキ装置４と減速機（図示せず）とを介して巻取りドラム５に伝達され、モータ３が回転すると、吊荷８はフック７が取り付けられたケーブル６により吊り上げられるようになっている。

インバータ装置２は、主回路部９と制御部１０とから構成されている。主回路部９は、三相交流電源１１から与えられる交流電圧を整流して電源線１２、１３間に出力するコンバータ１４、電源線１２、１３間に接続された平滑用のコンデンサ１５、電源線１２、１３間の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１６、およびインバータ１６からモータ３に流れる電流を検出する電流検出器１７、１８から構成されている。

ここで、コンバータ１４は、ダイオード１４ａを三相ブリッジ接続することにより構成され、インバータ１６は、ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子１６ａを三相ブリッジ接続すると共に各スイッチング素子１６ａに還流ダイオード１６ｂを並列接続することにより構成されている。なお、モータ３の回転軸には、ロータリエンコーダなどの回転速度検出器１９が取り付けられている。

制御部１０（制御手段に相当）は、操作手段２０または外部から入力される種々の信号（例えば運転指令信号、周波数指令信号、自動設定選択信号）、電流検出器１７、１８により検出されたモータ３の相電流、回転速度検出器１９により検出された回転速度などに基づいて、インバータ１６のゲート駆動信号を生成する。この制御部１０は、ベクトル制御に代表されるモータ制御に関する各種の演算を高速に実行可能なプロセッサを備えており、メモリに記憶されたプログラムに従って各演算をソフトウェア処理するようになっている。

図１に示す制御部１０は、上記ソフトウェア処理が実行する各機能をブロックに分けて表している。負荷検出手段２１は、モータ３の負荷を検出するもので、本実施形態ではトルク電流Ｉｑに基づいてモータ３のトルクを検出する。運転制御手段２２は、通常運転モードにおいて、周波数指令信号に従ってモータ３を駆動するとともに、記憶手段２３に記憶されている運転基準データに基づいて軽負荷高速運転を行う。

データ設定手段２４は、通常運転モードとは区別されたデータ設定モードにおいて、モータ３を所定条件の下で駆動し、その駆動状態で負荷検出手段２１により検出されたトルクに基づいて上記運転基準データを自動設定する。ドライブ回路２５は、運転制御手段２２から出力されるＰＷＭ変調されたゲート駆動信号を入力し、絶縁および電圧変換を行ってインバータ１６に対し出力する。表示手段２６は、インバータ装置２の運転や運転基準データの自動設定に関する情報を出力する。なお、制御部１０は、機械式ブレーキ装置４に対する作動指令信号も生成する。

次に、インバータ装置２の動作について図２から図５も参照しながら説明する。インバータ装置２は、自動設定選択信号がＬレベルの場合に実行する通常運転モードと、自動設定選択信号がＨレベルの場合に実行するデータ設定モードとを有している。通常運転モードとは、実際の巻き上げ、巻き下げ動作において周波数指令信号に従ってモータ３を駆動し、ケーブル６を巻き上げたり巻き下げたりする運転モードである。周波数指令信号が正の場合が巻き上げ指令であり、周波数指令信号が負の場合が巻き下げ指令である。

通常運転モードにおいて、運転制御手段２２は、作業者の操作内容に従って、微速、中速などの複数段階の速度で巻き上げと巻き下げの運転を行う。また、巻上装置１の稼働率を高めるため、運転制御手段２２は、いわゆるフルノッチの操作状態において、軽負荷になるほどモータ３の運転周波数（巻き上げと巻き下げの動作速度）を高める軽負荷高速運転を実行する。一方、データ設定モードとは、実稼動運転に入る前に、データ設定手段２４が上記軽負荷高速運転に用いる運転基準データを自動設定するモードである。

既述したように、インバータ１６の出力電力（絶対値）を一定に制御する場合、同じ荷重であっても巻き上げ時と巻き下げ時の動作速度が異なる。これは、巻き上げ時と巻き下げ時とで、吊荷８を昇降させる仕事に対して機械損失が作用する向きが逆になるからである。すなわち、力行である巻き上げ時には、インバータ１６の出力電力から機械損失が差し引かれた電力が巻き上げに寄与する。このため、巻き上げ時の動作速度は、インバータ１６の出力電力に相当する動作速度よりも低くなる。一方、回生である巻き下げ時には、インバータ１６の回生電力にさらに機械損失が加わった電力が巻き下げにより生じる。このため、巻き下げ時の動作速度は、インバータ１６の出力電力に相当する動作速度よりも高くなる。

図２は、モータ３を軽負荷判定周波数で巻き上げ駆動および巻き下げ駆動したときの吊荷８の荷重Ｍとインバータ検出トルクＴとの関係（荷重（Ｍ）−負荷（Ｔ）特性）を示している。巻き上げ時の周波数指令信号は正であり、力行動作における検出トルクＴは正となる。一方、巻き下げ時の周波数指令信号は負であり、回生動作における検出トルクＴは正となる。

上述したように、巻き上げ時には機械損失に抗するトルクが必要となり、巻き下げ時には機械損失に抗するトルクが不要となる。このため、同一荷重に対し、巻き上げ時のトルクは巻き下げ時のトルクよりも大きくなる。換言すれば、インバータ１６の出力電力（絶対値）を一定に制御すると、巻き上げ時と巻き下げ時とで上記トルク差に応じた速度差が生じることになる。

そこで、インバータ装置２は、データ設定モードにおいて、巻き上げ時の荷重−負荷特性と巻き下げ時の荷重−負荷特性とを求める。インバータ装置２は、フルノッチによる通常運転モードを行う場合、運転の向き（巻き上げ／巻き下げ）に応じた荷重−負荷特性を参照して、軽負荷判定周波数において検出されたトルクＴから吊荷８の荷重Ｍを求める。そして、巻き上げ時と巻き下げ時とで共通に、図３に示す荷重Ｍと軽負荷高速運転の高速運転周波数Ｆとの関係（荷重（Ｍ）−運転周波数（Ｆ）特性）に基づいて高速運転周波数ＦULを決定する。このように制御すると、任意の荷重Ｍに対する巻き上げ時と巻き下げ時の動作速度が等しくなる。以下、具体的に説明する。

作業者は、データ設定モードで荷重−負荷特性を求めるため、定格荷重以下の既知の２種類の荷重Ｍ１、Ｍ２を持つ吊荷８を準備し、それらの荷重Ｍ１、Ｍ２を操作手段２０により入力する。精度を高めるには、２種類の荷重の差が大きい方がよい。例えば、Ｍ１を無荷重に近い小さい荷重とし、Ｍ２を定格荷重とする。作業者は、フック７に荷重Ｍ１の吊荷８を掛けた後、外部から入力し或いは操作手段２０を操作して自動設定選択信号をＨレベルにし、さらに巻き上げ動作の運転指令信号をＨレベルにする。

データ設定手段２４は、指令周波数ｆｃに軽負荷判定周波数Ｆ１をセットし、図４（ａ）に示すようにモータ３を軽負荷判定周波数Ｆ１まで加速する。モータ３が軽負荷判定周波数Ｆ１に達すると、負荷検出手段２１からトルクＴm1を入力する。安定したトルクを得るためには、モータ３が、軽負荷判定周波数Ｆ１よりも到達検出幅だけ低い軽負荷判定周波数Ｆ1Lに達した時点から検出開始遅れ時間Ｔw1が経過した時にトルクＴm1の入力を開始し、軽負荷判定時間Ｔ１が経過までの間におけるトルクＴm1の平均値を演算することが好ましい。その後、減速して停止させる。荷重Ｍ１は無荷重に近いので、トルクＴm1は正（力行）の小さい値になる。ここで、軽負荷判定周波数Ｆ１、軽負荷判定周波数Ｆ1L、検出開始遅れ時間Ｔw1および軽負荷判定時間Ｔ１は運転基準データである。

続いて、作業者が巻き下げ動作の運転指令信号をＨレベルにすると、データ設定手段２４は、指令周波数ｆｃに軽負荷判定周波数−Ｆ１をセットし、図４（ｂ）に示すようにモータ３を軽負荷判定周波数−Ｆ１まで加速する。モータ３が軽負荷判定周波数−Ｆ１に達すると、負荷検出手段２１からトルクＴr1を入力する。安定したトルクを得る方法は巻き上げ時と同様である。荷重Ｍ１は無荷重に近いので、トルクＴr1は正（回生）にはならず負（力行）の小さい値になる。

その後、作業者は、フック７に荷重Ｍ２の吊荷８を掛けた後、再び巻き上げ動作の運転指令信号をＨレベルにする。データ設定手段２４は、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、荷重Ｍ１の場合と同様に軽負荷判定周波数Ｆ１、−Ｆ１まで加速してそれぞれトルクＴm2、Ｔr2を入力する。荷重Ｍ２は定格荷重なので、トルクＴm2はＴm1よりも大きい値（力行）となり、トルクＴr2は正（回生）の大きい値になる。

その後、データ設定手段２４は、巻き上げ時、巻き下げ時の軽負荷判定周波数Ｆ１、−Ｆ１において負荷検出手段２１により検出される負荷Ｔｍ、Ｔｒと吊荷８の推定荷重Ｍｍ、Ｍｒとの関係を示す荷重−負荷特性を、それぞれ（１）式、（２）式のように決定する。この荷重−負荷特性は、運転基準データの一つとして記憶手段２３に記憶される。
Ｍｍ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｔm2−Ｔm1）・（Ｔｍ−Ｔm1）＋Ｍ１ …（１）
Ｍｒ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｔr2−Ｔr1）・（Ｔｒ−Ｔr1）＋Ｍ１ …（２）

任意の荷重Ｍに対しフルノッチで通常運転モードを行う場合、運転制御手段２２は、巻き上げ動作の運転指令信号がＨレベルになると、指令周波数ｆｃに軽負荷判定周波数Ｆ１をセットし、図５（ａ）に示すようにモータ３を軽負荷判定周波数Ｆ１まで加速する。モータ３が軽負荷判定周波数Ｆ１に達すると、負荷検出手段２１からトルクＴｍを入力する。安定したトルクを得る方法はデータ設定モードの場合と同様である。運転制御手段２２は、検出したトルクＴｍと記憶手段２３から読み出した巻き上げ時の荷重−負荷特性に基づいて、推定した荷重Ｍｍを求める。

一方、運転制御手段２２は、巻き下げ動作の運転指令信号がＨレベルになると、指令周波数ｆｃに軽負荷判定周波数−Ｆ１をセットし、図５（ｂ）に示すようにモータ３を軽負荷判定周波数−Ｆ１まで加速する。モータ３が軽負荷判定周波数−Ｆ１に達すると、負荷検出手段２１からトルクＴｒを入力する。運転制御手段２２は、検出したトルクＴｒと記憶手段２３から読み出した巻き下げ時の荷重−負荷特性に基づいて、推定した荷重Ｍｒを求める。

続いて、運転制御手段２２は、図３に示す荷重−運転周波数特性に基づいて軽負荷高速運転の高速運転周波数ＦULを決定する。図３の横軸は荷重Ｍであり、縦軸は高速運転周波数Ｆ（巻き上げ時は正の値、巻き下げ時は負の値）である。荷重−運転周波数特性は、運転基準データの一つであり、巻き上げ時と巻き下げ時で共通のものを使用する。作業者は、巻上装置１の稼働率が高くなる所望の特性を持つ荷重−運転周波数特性を、予め操作手段２０により入力しておく。

図３に示す荷重−運転周波数特性は、吊荷８の荷重Ｍと運転周波数Ｆとの積（仕事率）が一定になる特性であって、巻上装置１の定格荷重Ｍｎで定格周波数Ｆｎとなる基準点Ｐを含むように設定したものである。この特性によれば、荷重Ｍにかかわらず、巻上装置１の出力がほぼ最大（定格出力）を維持する。運転制御手段２２は、（３）式により軽負荷高速運転の高速運転周波数ＦULを決定する。Ｍは、推定荷重ＭｍまたはＭｒである。高速運転周波数ＦULは、荷重Ｍが小さいほど高くなるが、巻上装置１に許容される最大速度Ｆmaxにより制限されている。
ＦUL＝Ｆｎ・（Ｍｎ／Ｍ） …（３）

運転制御手段２２は、指令周波数ｆｃに高速運転周波数ＦUL（巻き上げ時は正の値、巻き下げ時は負の値）をセットし、図５（ａ）、（ｂ）に示すようにモータ３を高速運転周波数ＦULまで加速する。高速運転周波数ＦULに到達後は、高速運転周波数ＦULで運転を継続する。

以上説明したように、本実施形態のインバータ装置２は、フルノッチの通常運転モードにおいて、巻上装置１の荷重が小さいほど回転速度を高める軽負荷高速運転を行うので、巻き上げ時および巻き下げ時の動作速度（吊荷８の昇降速度）を高速化でき、巻上装置１の稼働率を高めることができる。

機械損失があるため、巻き上げ時と巻き下げ時とでは同一荷重に対するインバータ装置２の検出トルクが異なる。そこで、インバータ装置２は、軽負荷判定周波数Ｆ１または−Ｆ１で検出したトルクを、巻き上げ時と巻き下げ時とで別に求めた荷重−負荷特性に適用して吊荷８の荷重を求める。そして、求めた荷重に対して、巻き上げ時と巻き下げ時とで共通の荷重−運転周波数特性を適用して、軽負荷高速運転の高速運転周波数ＦULを決定する。

この構成によれば、単にインバータ出力を一定に制御する構成とは異なり、運転の向き（巻き上げ／巻き下げ）にかかわらず吊荷８の実際の荷重に応じて高速運転周波数ＦULが決定される。従って、インバータ装置２は、同一荷重に対し巻き上げ時と巻き下げ時の運転周波数が等しくなるように軽負荷高速運転することができる。その結果、作業者の操作上の違和感がなくなり、巻上装置１の操作性が向上する。

データ設定手段２４は、データ設定モードにおいて、２種類の荷重をかけたときの巻き上げと巻き下げの条件で軽負荷判定周波数Ｆ１または−Ｆ１まで加速し、その軽負荷判定周波数において検出したトルクに基づいて自動で荷重−負荷特性を決定する。作業者は、既知の荷重を持つ２つの吊荷８（一方を無荷重とすれば１つの吊荷８）を準備すれば、簡単な操作により高精度の荷重−負荷特性を得られる。この場合、作業者は、ケーブル６、フック７などの荷重は考慮する必要がない。

以上説明した実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
データ設定手段２４は、データ設定モードにおいて、巻上装置１に少なくとも２種類の荷重をかけたときの巻き上げと巻き下げの条件で荷重−負荷特性を決定すればよい。３種類以上の荷重を用いれば、より高精度に荷重−負荷特性を決定することができる。

荷重−運転周波数特性は、図３に示す特性に限られない。
モータ３の負荷をトルク電流Ｉｑに基づくトルクにより検出したが、これに替えて、トルク電流Ｉｑそのもの、インバータ装置２の入力電力、出力電力などのインバータ装置２の内部情報もしくはそれらから演算できる負荷に相当するもしくは代替可能な量により検出するように構成してもよい。

運転制御手段２２およびデータ設定手段２４は、それぞれ負荷検出手段２１により検出されたトルク（またはトルク電流Ｉｑ等）を一次遅れフィルタで処理した値を用いて運転制御および運転基準データの自動設定を行うように構成してもよい。

モータ３は、同期モータ、ブラシレスＤＣモータなどであってもよい。インバータ装置２は、いわゆるセンサレス駆動方式であってもよい。
以上説明した実施形態によれば、軽負荷高速運転を行う場合、同一荷重に対する巻き上げ時と巻き下げ時の運転周波数を等しく制御することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は巻上装置（昇降機）、２はインバータ装置、３はモータ、１０は制御部（制御手段）、２１は負荷検出手段、２２は運転制御手段、２４はデータ設定手段である。

Claims (3)

1. 昇降機を駆動するモータの負荷を検出する負荷検出手段を有し、この負荷検出手段により検出された負荷が小さい場合に前記モータの回転速度を高める軽負荷高速運転を行う制御手段を備えたインバータ装置において、
   前記制御手段は、前記軽負荷高速運転の実行条件が規定された運転基準データを設定するデータ設定手段と、その設定された運転基準データに基づいて前記軽負荷高速運転の実行を制御する運転制御手段とを備え、
   前記運転基準データは、少なくとも軽負荷判定周波数および荷重の巻き上げ時と巻き下げ時の荷重−負荷特性のデータを含み、
   前記データ設定手段は、通常運転モードとは区別されたデータ設定モードにおいて、前記昇降機に少なくとも２種類の荷重を加えたときの各巻き上げおよび各巻き下げの条件で前記モータを前記軽負荷判定周波数まで加速し、この軽負荷判定周波数において前記負荷検出手段により検出されたそれぞれの負荷に基づいて前記巻き上げ時と巻き下げ時の荷重−負荷特性を求め、
   前記運転制御手段は、前記通常運転モードにおいて、運転を開始した後巻き上げ／巻き下げ指令に応じて前記モータを前記軽負荷判定周波数まで加速し、この軽負荷判定周波数において前記負荷検出手段により検出された負荷と巻き上げ／巻き下げに応じた前記荷重−負荷特性とに基づいて前記昇降機に加わる荷重を推定し、その荷重に応じて前記軽負荷高速運転の高速運転周波数を決定することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記データ設定手段は、前記軽負荷判定周波数において、荷重Ｍ１の巻き上げ時に検出された負荷をＴm1、荷重Ｍ１の巻き下げ時に検出された負荷をＴr1、荷重Ｍ２の巻き上げ時に検出された負荷をＴm2、荷重Ｍ２の巻き下げ時に検出された負荷をＴr2としたとき、巻き上げ時、巻き下げ時の前記軽負荷判定周波数において前記負荷検出手段により検出される負荷Ｔｍ、Ｔｒと推定荷重Ｍｍ、Ｍｒとの関係を示す荷重−負荷特性を
   Ｍｍ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｔm2−Ｔm1）・（Ｔｍ−Ｔm1）＋Ｍ１
   Ｍｒ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｔr2−Ｔr1）・（Ｔｒ−Ｔr1）＋Ｍ１
   により求めることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記運転制御手段は、前記昇降機を軽負荷高速運転するときに用いる荷重−運転周波数特性を特定する一動作点の荷重をＭｎ、運転周波数をＦｎとし、前記推定した荷重をＭとすれば、
   ＦUL＝Ｆｎ・（Ｍｎ／Ｍ）
   により前記軽負荷高速運転の高速運転周波数ＦULを決定することを特徴とする請求項１または２記載のインバータ装置。

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