JP2019103296A - 圧延システム用制御装置および圧延システム - Google Patents

Abstract

【課題】安価でありながら高精度な力率補償を実現できる圧延システム用制御装置を提供する。【解決手段】電路に装着され電路おける力率を特定するための電路力率情報を計測する計測部と、圧延機駆動用のモータを駆動するために電路から入力された交流電圧の周波数を他の周波数に変換して出力する可変速ドライブ装置６０と、を有する圧延システムに適用され、計測部から電路力率情報を受信する受信端子４３と、電路力率情報に基づいて、可変速ドライブ装置６０に対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させる指令値Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*を出力する指令値発生部４８−１〜４８−Ｍと、を圧延システム用制御装置４０に設けた。【選択図】図２

Description

本発明は、圧延システム用制御装置および圧延システムに関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約書には、「電源電圧や負荷の変動に対して、安定した運転を維持しスイッチング素子の損失を低減するコンバータを提供する」および「ＰＷＭ信号を発生する変調波と搬送波の変調率は固定とし、力率１制御と直流電圧の定電圧制御を行う。力率１制御に関しては、交流電流と電源電圧を同相とするために変調波の位相を調整する。直流電圧の制御に関しては、デッドタイムの大きさを変えて調整する」と記載されている。

特開平１１−２９９２４５号公報

上述した力率１．０の制御を実現するコンバータは、可変速ドライブ装置として、圧延機用モータの駆動にも適用されている。ここで、圧延機の周辺には、ポンプやファン等の付帯設備も設けられている。これら付帯設備の多くは電動機負荷であり、回転速度一定でオン／オフ制御によって駆動される場合が多く、定常力率は０．５〜０．８程度である。圧延システムの系統全体には、力率１．０の可変速ドライブ装置および各種付帯設備が複雑に組み合わされている。この系統全体の無効電力を低減するために、無効電力補償装置や力率改善コンデンサ等が適用されてきた。
しかし、圧延システムや付帯設備の運転状況は刻一刻と変動しており、運転状況や力率改善装置の選定次第では厳しい目標力率から差異が生じることもある。このため、継続的に系統全体で目標力率（例えば１．０や、０．９９５等）を達成し続けることは困難であった。また、無効電力補償装置のみで近年の厳しい目標力率を達成するためには、細かな容量選定が必要であり、様々な容量の無効電力補償装置を組み合わせて選定する必要があった。さらに、専用の無効電力補償装置を設置することは、設備コストの増大および設置スペースの確保に問題が生じる。また、力率改善コンデンサのみでは、高精度な力率補償は難しかった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、安価でありながら高精度な力率補償を実現できる圧延システム用制御装置および圧延システム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圧延システム用制御装置は、電路に装着され前記電路における力率を特定するための電路力率情報を計測する計測部と、圧延機駆動用のモータを駆動するために前記電路から入力された交流電圧の周波数を他の周波数に変換して出力する可変速ドライブ装置と、を有する圧延システムに適用され、前記計測部から前記電路力率情報を受信する受信端子と、前記電路力率情報に基づいて、前記可変速ドライブ装置に対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させる指令値を出力する指令値発生部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、安価でありながら高精度な力率補償を実現できる。

本発明の一実施形態による圧延システムの電源系統図である。 制御部のブロック図である。 比較例におけるベクトル図である。 本実施形態によるベクトル図である。 本実施形態による他のベクトル図である。

〈実施形態の構成〉
図１は、本発明の一実施形態による圧延システム１の電源系統図である。
圧延システム１は、変圧器２２と、遮断器２４と、計器用変圧器２６と、計器用変流器２８と、計測部３０と、力率改善コンデンサ３２と、制御部４０（圧延システム用制御装置）と、設備内電路５０と、を備えている。さらに、圧延システム１は、Ｍ台（Ｍは複数）の遮断器５２−１〜５２−Ｍ（以下、遮断器５２と総称することがある）と、同数の変圧器５８−１〜５８−Ｍ（同、変圧器５８）と、同数のコンバータ６０−１〜６０−Ｍ（同、コンバータ６０）と、同数のインバータ６２−１〜６２−Ｍ（同、インバータ６２）と、同数の遮断器６４−１〜６４−Ｍ（同、遮断器６４）と、同数の圧延機駆動用のモータ６６−１〜６６−Ｍ（同、モータ６６）と、を備えている。さらに、圧延システム１は、複数の遮断器５１と、複数の変圧器５５と、複数の配電系統５７と、を備えている。圧延機駆動用のモータ６６−１〜６６−Ｍは、図示せぬ圧延機を駆動するためのものである。

変圧器２２は、一次巻線２２ａが受電系統２０に接続され、受電系統２０から受電した電圧を降圧し、二次巻線２２ｂから出力する。遮断器２４は、二次巻線２２ｂと、設備内電路５０との間に接続され、所定の過電流が流れると、圧延システム１の保護のためにオフ状態になる。計器用変圧器２６は二次巻線２２ｂの出力電圧を測定し、計器用変流器２８は二次巻線２２ｂからの出力電流を測定する。計測部３０は、計器用変圧器２６および計器用変流器２８の測定結果に基づいて、二次巻線２２ｂにおける、無効電流、無効電力および力率を計測し、計測結果を制御部４０に供給する。なお、これらの情報は、何れも設備内電路５０における力率を特定できる情報であるため、これらの情報を「電路力率情報」と呼ぶこともある。

変圧器５８は、設備内電路５０の電圧を、コンバータ６０に適した電圧に変換する。コンバータ６０は、供給された交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ６２は、供給された直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調し、モータ６６に供給する。これにより、モータ６６を所望の回転速度で駆動できる。従って、これらコンバータ６０およびインバータ６２は、各々対応するモータ６６の「可変速ドライブ装置」として機能する。遮断器５２は、所定の過電流が流れると、対応する変圧器５８等の保護のためにオフ状態になる。また、遮断器６４は、対応するインバータ６２とモータ６６との接続をオン／オフする。

また、設備内電路５０は、各々複数の遮断器５１および変圧器５５を介して、複数の配電系統５７に接続されている。なお、配電系統５７の詳細については図示を省略するが、各配電系統５７には、ポンプやファン等の付帯設備、照明設備、空調設備等が含まれている。これら付帯設備に含まれている機器には誘導性負荷が多く、複数の配電系統５７において、全体の定常力率は０．５〜０．８程度になる。そこで、設備内電路５０には、力率改善コンデンサ３２が接続されており、設備内電路５０における力率を１．０に近づける。

図２は、制御部４０のブロック図である。
制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、ＲＯＭには、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、ＤＳＰによって実行されるマイクロプログラムおよび各種データ等が格納されている。図２において、制御部４０の内部は、制御プログラムおよびマイクロプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。

図２において制御部４０は、受信端子４３を介して、計測部３０（図１参照）から無効電力の計測結果である無効電力信号Ｐｑを受信する。フィルタ４１は、無効電力信号Ｐｑの高周波成分を減衰させ、その結果を無効電力信号Ｐｑａｖｅとして出力する。減算器４２は、所定の無効電力目標値Ｐｑｔｇから無効電力信号Ｐｑａｖｅを減算し、その結果を合計無効電力算出値Ｐｑ*として出力する。ここで、無効電力目標値Ｐｑｔｇは、例えば零である。

分配率出力部４４−１〜４４−Ｍは、合計無効電力算出値Ｐｑ*をコンバータ６０−１〜６０−Ｍに対応して分配する際の分配率Ａ１〜ＡＭを各々出力する。ここで、あるコンバータ６０−ｋ（１≦ｋ≦Ｍ）において発生可能な無効電力を、無効電力発生容量Ｐｐｋ（すなわちＰｐ１〜ＰｐＭ）とすると、分配率Ａｋは、「Ａｋ＝Ｐｐｋ／（Ｐｐ１＋Ｐｐ２＋…＋ＰｐＭ）」になる。無効電力発生容量Ｐｐｋは、本実施形態においては、コンバータ６０−ｋの能力に応じた定数である。

無効電力算出部４６−１〜４６−Ｍは、それぞれ合計無効電力算出値Ｐｑ*に対して、対応する分配率Ａ１〜ＡＭを乗算し、乗算結果を無効電力算出値Ｐｑ０１*〜Ｐｑ０Ｍ*として出力する。指令値発生部４８−１〜４８−Ｍは、無効電力算出値Ｐｑ０１*〜Ｐｑ０Ｍ*に修正処理を施し、その結果を無効電力指令値Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*として出力する。指令値発生部４８−１〜４８−Ｍにおける修正処理には、以下述べる不感域処理と、リミット処理と、を含む。

ここで、不感域処理とは、無効電力算出値Ｐｑ０ｋ*（但し、１≦ｋ≦Ｍ）が零を含む所定範囲内の値であるとき、無効電力指令値Ｐｑｋ*を零にする処理である。これは、無効電力算出値Ｐｑ０ｋ*が充分に小さい場合は、圧延システム１の全体の無効電力信号Ｐｑａｖｅも小さいため、無効電力の補償を停止し、コンバータ６０−ｋの運転効率を優先させるためである。

また、リミット処理とは、無効電力算出値Ｐｑ０ｋ*が、コンバータ６０−ｋの無効電力発生容量（発生可能な無効電力）を超えた場合、無効電力指令値Ｐｑｋ*を、コンバータ６０−ｋにおける無効電力発生容量以下の値に制限する処理である。これにより、全てのコンバータ６０−ｋについて、発生する無効電力を、各々の無効電力発生容量以下の値に設定することができる。各コンバータ６０−１〜６０−Ｍは、それぞれ供給された無効電力指令値Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*に基づいて、無効電力を発生する。これにより、圧延システム１全体の無効電力が補償される。

〈比較例〉
ここで、本実施形態の比較例について説明する。この比較例は、図１に示した制御部４０は設けられておらず、設備内電路５０に対して、力率改善コンデンサ３２のみによって圧延システム１の無効電力を補償しようとするものである。なお、各々のコンバータ６０は、単独でその力率が１．０に近づくように、無効電力を制御する。
図３は、本比較例におけるベクトル図である。図示の電流ベクトルＩ１，Ｉｈ，Ｉｘは、何れも変圧器２２の二次巻線２２ｂにおける電流ベクトルである。まず、電流ベクトルＩ１は、目標力率（例えば１．０や、０．９９５等）の電流ベクトルである。

また、電流ベクトルＩｘは、複数の遮断器５１を介して複数の配電系統５７に流れる、定常力率における電流ベクトルである。上述したように、配電系統５７には、ポンプやファン等の付帯設備が含まれている。また、電流ベクトルＩｃは、力率改善コンデンサ３２によって発生する電流ベクトルである。そして、電流ベクトルＩｈは、電流ベクトルＩｃによって力率が改善された結果の電流ベクトルである。

圧延システム１の全体の力率を１．０にするためには、電流ベクトルＩ１と電流ベクトルＩｈとが一致するように電流ベクトルＩｃを設定することが好ましい。すなわち、このような電流ベクトルＩｃを実現するように力率改善コンデンサ３２の容量を設定するとよい。しかし、圧延システム１の全体の運転状態により、ポンプやファンの付帯設備も刻一刻と運転状況は変動し、電流ベクトルＩｘが変動する。このため、電流ベクトルＩｈの定常力率を目標力率に設定したとしても、瞬時的には、進み位相あるいは遅れ位相が発生し、図示のように、電流ベクトルＩｈは無効電流成分Ｉｈｘを含むものになる。
このように、力率改善コンデンサ３２のみによって圧延システム１の力率改善を実行すると、力率１.０からズレが生じやすく、予め設定された力率目標を達成することも困難になる。

〈実施形態の動作〉
図４は、本実施形態におけるベクトル図である。
電流ベクトルＩ１，Ｉｘ，Ｉｃ，Ｉｈの意味は、図３のものと同様である。また、電流ベクトルＩｖ１は、進み位相の電流ベクトルであり、電流ベクトルＩｖ２は、遅れ位相の電流ベクトルである。これら電流ベクトルＩｖ１，Ｉｖ２は、制御部４０およびコンバータ６０によって発生可能な電流ベクトルの範囲を表している。これにより、力率改善コンデンサ３２による電流ベクトルＩｃでは補償しきれなかった位相を制御部４０およびコンバータ６０によって補償することができ、電流ベクトルＩｈを目標力率（例えば１．０や、０．９９５等）の電流ベクトルＩ１に、近接させることができる。

また、本実施形態によれば、コンバータ６０に遅れ力率の電流ベクトルＩｖ２等を発生させることができる。従って、設備内電路５０における力率が進み力率であっても遅れ力率であっても、制御部４０は、電流ベクトルＩｈを目標力率の電流ベクトルＩ１に近接させることができる。

図５は、本実施形態における他のベクトル図であり、力率改善コンデンサ３２の動作を停止させた場合の動作状態を示す。
図５において、電流ベクトルＩ１，Ｉｘ，Ｉｈ，Ｉｖ１，Ｉｖ２の意味は、図４のものと同様である。また、力率改善コンデンサ３２の動作を停止させているため、電流ベクトルＩｃ（図４参照）に相当するものは示されていない。この例においては、コンバータ６０の力率制御によって、電流ベクトルＩｈを目標力率の電流ベクトルＩ１に、近接させることができる。

〈実施形態の効果〉
以上のように本実施形態による圧延システム用制御装置（４０）は、計測部（３０）から電路力率情報を受信する受信端子（４３）と、電路力率情報に基づいて、可変速ドライブ装置（６０，６２）に対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させる指令値（Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*）を出力する指令値発生部（４８−１〜４８−Ｍ）と、を備える。
電路力率情報に基づいて、可変速ドライブ装置（６０，６２）に対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させることにより、安価でありながら高精度な力率補償を実現できる。

また、指令値発生部（４８−１〜４８−Ｍ）は、電路（５０）における力率を所定範囲内に設定するように、指令値（Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*）を出力する。
これにより、電路（５０）における力率を所定範囲内に設定することができる。

また、圧延システム（１）において可変速ドライブ装置（６０，６２）は複数設けられ、圧延システム用制御装置（４０）は、各々の可変速ドライブ装置（６０，６２）における無効電力発生容量（Ｐｐｋ）に応じて分配率（Ａ１〜ＡＭ）を出力する分配率出力部（４４−１〜４４−Ｍ）をさらに有し、指令値発生部（４８−１〜４８−Ｍ）は、分配率（Ａ１〜ＡＭ）に応じて、可変速ドライブ装置（６０，６２）毎に指令値（Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*）を出力する。
これにより、各々の可変速ドライブ装置（６０，６２）の無効電力発生容量（Ｐｐｋ）に応じて、指令値（Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*）を発生することができる。

また、圧延システム用制御装置（４０）は、分配率（Ａ１〜ＡＭ）に応じて、可変速ドライブ装置（６０，６２）に対応する無効電力算出値（Ｐｑ０１*〜Ｐｑ０Ｍ*）を出力する無効電力算出部（４６−１〜４６−Ｍ）をさらに有し、指令値発生部（４８−１〜４８−Ｍ）は、対応する無効電力算出値（Ｐｑ０１*〜Ｐｑ０Ｍ*）が零を含む所定範囲内の値であるとき、指令値（Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*）を零に設定する。
これにより、生じている無効電力が小さい場合には、無効電力の補償を停止させ、可変速ドライブ装置（６０，６２）の効率を高めることができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施形態の構成に他の構成を追加してもよく、構成の一部について他の構成に置換をすることも可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態において、制御部４０は、計測部３０から無効電力信号Ｐｑを受信したが、無効電力信号Ｐｑに代えて、他の電路力率情報（例えば無効電流、力率等）を受信し、これらに基づいて無効電力指令値Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*を生成するようにしてもよい。

（２）また、上記実施形態の制御部４０において、指令値発生部４８−１〜４８−Ｍは、コンバータ６０−１〜６０−Ｍに対して無効電力指令値Ｐｑ１*〜ＰｑＭ*を出力したが、これに代えて、各コンバータ６０−１〜６０−Ｍが発生すべき無効電流の指令値を出力するようにしてもよい。なお、各コンバータ６０−１〜６０−Ｍに対して無効電流を指令することは、無効電力を指令することと等価であることは言うまでもない。

（３）上記実施形態においては、無効電力発生容量Ｐｐｋは、コンバータ６０−ｋの能力に応じた定数であった。しかし、無効電力発生容量Ｐｐｋは、コンバータ６０−ｋの運転状態に応じて変動させてもよい。例えば、コンバータ６０−ｋにおいて、設備内電路５０から供給されている有効電力（対応するインバータ６２−ｋに出力している電力）が小さいほど、コンバータ６０−ｋに余力があると考えられるため、無効電力発生容量Ｐｐｋを大きくしてもよい。

（４）上記実施形態は、圧延システム１に対して本発明を適用した例を説明したが、本発明は圧延システム１のみならず、種々の電力設備、工場設備、鉄道車両、船舶等に適用してもよい。すなわち、制御部４０は、一般的には、「電路に装着され前記電路における力率を特定するための電路力率情報を計測する計測部と、前記電路から入力された交流電圧を変換して出力するコンバータと、を有するシステムに適用され、前記計測部から前記電路力率情報を受信する受信端子と、前記電路力率情報に基づいて、前記コンバータに対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させる指令値を出力する指令値発生部と、を備える制御装置」であると考えることができる。

１ 圧延システム
３０ 計測部
４０ 制御部（圧延システム用制御装置）
４３ 受信端子
４４−１〜４４−Ｍ 分配率出力部
４６−１〜４６−Ｍ 無効電力算出部
４８−１〜４８−Ｍ 指令値発生部
５０ 設備内電路（電路）
６０−１〜６０−Ｍ コンバータ（可変速ドライブ装置）
６２−１〜６２−Ｍ インバータ（可変速ドライブ装置）
６６−１〜６６−Ｍ モータ
Ａ１〜ＡＭ 分配率
Ｐｐｋ 無効電力発生容量
Ｐｑ０１*〜Ｐｑ０Ｍ* 無効電力算出値
Ｐｑ１*〜ＰｑＭ* 無効電力指令値

Claims (5)

1. 電路に装着され前記電路における力率を特定するための電路力率情報を計測する計測部と、圧延機駆動用のモータを駆動するために前記電路から入力された交流電圧の周波数を他の周波数に変換して出力する可変速ドライブ装置と、を有する圧延システムに適用され、前記計測部から前記電路力率情報を受信する受信端子と、
   前記電路力率情報に基づいて、前記可変速ドライブ装置に対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させる指令値を出力する指令値発生部と、
   を備えることを特徴とする圧延システム用制御装置。
2. 前記指令値発生部は、前記電路における力率を所定範囲内に設定するように、前記指令値を出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧延システム用制御装置。
3. 前記圧延システムにおいて前記可変速ドライブ装置は複数設けられ、
   各々の前記可変速ドライブ装置における無効電力発生容量に応じて分配率を出力する分配率出力部をさらに有し、
   前記指令値発生部は、前記分配率に応じて、前記可変速ドライブ装置毎に前記指令値を出力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧延システム用制御装置。
4. 前記分配率に応じて、前記可変速ドライブ装置に対応する無効電力算出値を出力する無効電力算出部をさらに有し、
   前記指令値発生部は、対応する前記無効電力算出値が零を含む所定範囲内の値であるとき、前記指令値を零に設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧延システム用制御装置。
5. 電路に装着され前記電路における力率を特定するための電路力率情報を計測する計測部と、
   圧延機駆動用のモータを駆動するために前記電路から入力された交流電圧の周波数を他の周波数に変換して出力する可変速ドライブ装置と、
   前記電路力率情報に基づいて、前記可変速ドライブ装置に対して進み力率または遅れ力率の無効電力を発生させる指令値を出力する圧延システム用制御装置と、
   を備えることを特徴とする圧延システム。

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