JP2022047983A - 界磁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電動機をベース速度以上で回転させる場合にも、応答速度の変動を低減させることができる界磁制御装置を提供する。【解決手段】直流電動機に対する界磁電流を変化させる界磁サイリスタの点弧角を制御する位相制御部と、位相制御部に対して位相制御基準を出力するようにＰＩ制御を行う界磁電流制御部と、界磁電流制御部に対する界磁電流弱め量を決定するようにＰＩ制御を行う界磁弱め制御部と、直流電動機の回転速度に応じて、界磁弱め制御部が用いる比例ゲインを補正する補正部とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、直流電動機の速度制御を行う界磁制御装置に関する。

例えば、鉄鋼のプロセスラインなどには、界磁制御装置によって回転速度を制御される直流電動機が用いられる。この直流電動機は、特にベース速度（基底回転数）以上の運転において、定出力特性が求められる。

また、電機子制御を行う電機子制御回路と、界磁電流制御を行う界磁制御回路とを備える直流電動機の駆動装置では、例えば界磁弱め制御が行われている。

この直流電動機の駆動装置は、ベース速度未満の運転では界磁電流を一定にし、電機子制御によって定トルク領域を得る。また、この直流電動機の駆動装置は、ベース速度以上の運転では直流電動機の回転数を上昇させるとともに界磁電流を減少させて電機子電圧を一定に保つことにより、トルクが減少してしまうが定出力領域を得ることができる。

このような制御は、直流電動機の出力を効率よく使用するために行われている。また、直流電動機の界磁弱め制御には、上位のＰＬＣ（Programmable Logic Controller）から界磁基準を入力する方法と、駆動装置内で電機子電圧から界磁基準を算出する方法がある。後者の方法は、自動界磁弱め制御と呼ばれている。

界磁制御装置は、例えば自動界磁弱め制御部及び界磁電流制御部によって構成される。この界磁制御装置は、電機子電圧の基準とフィードバック電圧との偏差から自動界磁弱め制御によって界磁電流基準を出力し、界磁電流制御を行う。

界磁電流制御では、電流値が増加すると巻線のインダクタンスが低下するので、界磁電流が大きくなると応答時間が早くなる。すなわち、ベース速度付近の界磁電流値が高い領域での運転中は、電流制御の応答時間が早い。

しかし、界磁電流制御では、応答時間が早すぎると、負荷がかかった場合に電機子反作用によって界磁が弱められ、界磁電流がハンチングしてトルクが不安定になる可能性がある。

そこで、界磁電流制御部には、界磁電流の大きさに応じてＰＩ制御の比例ゲインを下げるように折れ点関数が設けられ、折れ点関数の設定値が調整されている。

また、特許文献１には、界磁電流制御が遅いことによる過電圧を防止する電動機の速度制御装置が開示されている。

特開昭６３－１７１１８０号公報

しかしながら、上述した直流電動機の界磁制御装置は、自動界磁弱め制御の応答が直流電動機の回転速度によって異なり、ベース速度運転での応答が遅すぎる場合にはモータ過電圧になる。また、上述した界磁制御装置は、直流電動機の回転速度がトップ速度である場合、応答が早すぎると界磁電流がハンチングを起こす恐れがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、直流電動機をベース速度以上で回転させる場合にも、応答速度の変動を低減させることができる界磁制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる界磁制御装置は、直流電動機に対する界磁電流を変化させる界磁サイリスタの点弧角を制御する位相制御部と、前記位相制御部に対して位相制御基準を出力するようにＰＩ制御を行う界磁電流制御部と、前記界磁電流制御部に対する界磁電流弱め量を決定するようにＰＩ制御を行う界磁弱め制御部と、前記直流電動機の回転速度に応じて、前記界磁弱め制御部が用いる比例ゲインを補正する補正部とを有することを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる界磁制御装置は、前記補正部が、前記直流電動機の回転速度がベース速度以上になった場合、予め定められた値まで比例ゲインを下げるように補正する。

また、本発明の一態様にかかる界磁制御装置は、前記補正部が、前記直流電動機の回転速度に対する比例ゲインの割合を示す折れ点関数に基づいて比例ゲインを補正する。

また、本発明の一態様にかかる界磁制御装置は、前記補正部が、前記折れ点関数に対する複数の設定値の平均値を算出することにより、前記複数の設定値の中間値を設定して比例ゲインを補正する。

本発明によれば、直流電動機をベース速度以上で回転させる場合にも、応答速度の変動を低減させることができる。

一実施形態にかかる界磁制御装置を備えた直流電動機駆動システムの概要を例示する図である。 一実施形態にかかる界磁制御装置を構成する制御系を例示する図である。 折れ点関数部の具体的な構成例を示す図である。 直流電動機駆動システムを有する鉄鋼の熱延システムの概要を示す図である。 直流電動機駆動システムを有する鉄鋼のプロセスラインの概要を示す図である。 直流電動機を駆動するシステムの特性を例示するグラフである。 自動界磁弱め制御の応答が遅すぎる場合の電動機加減速運転波形を例示するグラフである。 自動界磁弱め制御の応答が早すぎる場合の電動機加減速運転波形を例示するグラフである。 電動機加減速運転波形を例示するグラフである。

まず、本発明がなされるに至った背景について説明する。自動界磁弱め制御は、直流電動機の速度（回転速度）によって応答が変わることが分かっている。図６は、直流電動機を駆動するシステムの特性を示すグラフである。

図６に示されているように、例えば、直流電動機の回転速度をベース速度から上昇させ、電機子電圧を一定に保つ場合には、界磁電流の弱め量は大きくなる。一方、直流電動機の回転速度がトップ速度（定格速度）に近い場合には、ベース速度から回転速度を同じだけ上昇させたときよりも界磁電流の弱め量は小さくなる。

すなわち、直流電動機の回転速度をベース速度から上昇させる場合には界磁電流の変化に対する回転速度の応答時間が遅くなり、直流電動機の回転速度がトップ速度に近い場合には界磁電流の変化に対する回転速度の応答時間が早くなっている。

例えば、自動界磁弱め制御におけるゲイン調整は、ベース速度とトップ速度の中間速度で応答が所定の時間となるように行われる。

しかし、図７に示したように、直流電動機の回転速度を上昇させる場合などに応答が遅すぎると、加減速運転時に電機子電圧がオーバーシュート（ａ）するという問題点がある。

例えば、直流電動機が回転させる機械が材料に拘束された状態から解放された場合などのように、急加減速になるとモータ過電圧でトリップする恐れがある。例えば複数の直流電動機がそれぞれ圧延ローラを駆動する鉄鋼ラインの操業中にモータ過電圧が発生すると、ライン停止に至り、生産量に影響が出てしまう。

また、図８に示したように、直流電動機の回転速度を上昇させる場合などに応答が早すぎると、加減速中に界磁電流がハンチング（ｂ）し、トルク出力が不安定になって板緩みしてしまうなどの品質にも影響が出てしまう。

理想的には、図９に示したように、電機子電圧にオーバーシュートがなく、界磁電流にもハンチングがないように直流電動機の加減速を行う制御が望ましい。

次に、直流電動機を駆動する直流電動機駆動システムの具体例について説明する。図１は、一実施形態にかかる界磁制御装置を備えた直流電動機駆動システム１の概要を例示する図である。

図１に示すように、直流電動機駆動システム１は、例えば直流電動機２、主回路３、主回路サイリスタ４、界磁制御装置５、界磁サイリスタ６、及び検出器７を有する。

直流電動機２は、主回路３により点弧される主回路サイリスタ４と、界磁制御装置５により点弧される界磁サイリスタ６とを介して駆動される。また、検出器７は、直流電動機２の回転数（速度）を検出し、検出した速度を主回路３へフィードバックする。

主回路３は、速度制御部３０、電機子電流制御部３２、及び位相制御部３４を有する。速度制御部３０は、速度基準に基づいて速度指令を電機子電流制御部３２に対して出力する。電機子電流制御部３２は、速度指令に基づいて電流指令を位相制御部３４に対して出力する。位相制御部３４は、電流指令に基づいて、主回路サイリスタ４に対する点弧角を制御する。

界磁制御装置５は、界磁弱め制御部５０、界磁電流制御部５２、位相制御部５４、及び補正部５６を有する。なお、界磁制御装置５の具体的な構成例については、図２及び図３を用いて詳述する。

図２は、一実施形態にかかる界磁制御装置５を構成する制御系を例示する図である。界磁弱め制御部５０は、電機子電圧基準と電機子電圧フィードバックとの偏差に対し、界磁弱め制御の積分ゲインと、補正部５６から入力される界磁弱め制御の比例ゲイン（後述）とを用いて、界磁電流制御部５２に対する界磁電流弱め量を決定するようにＰＩ制御を行う。なお、界磁弱め制御部５０が出力する界磁電流弱め量には、リミット処理が施されている。

界磁電流制御部５２は、界磁電流基準と界磁電流フィードバックとの偏差に対し、電流制御比例ゲインと電流制御積分ゲインとを用いて、位相制御部５４に対して位相制御基準を出力するようにＰＩ制御を行う。なお、界磁電流基準は、強め時界磁電流基準に対し、界磁弱め制御部５０が出力した界磁電流弱め量が合成されたものである。

強め時界磁電流基準は、定格界磁電流である。強め界磁範囲では界磁電流弱め量は０となり、弱め界磁範囲では強め時界磁電流基準と界磁電流弱め量との差が界磁電流基準となる。

位相制御部５４は、界磁電流制御部５２から入力される位相制御基準に基づいて、直流電動機２に対する界磁電流を変化させる界磁サイリスタ６の点弧角を制御する。

補正部５６は、例えば内部に折れ点関数部５７及び補正カーブ生成部５８を有する。図３は、折れ点関数部５７の具体的な構成例を示す図である。折れ点関数部５７は、例えばユーザにより予め設定される２１通りの折れ点関数設定値００～折れ点関数設定値２０に基づいて、折れ点関数００～折れ点関数２０を補正カーブ生成部５８に対して出力して設定する。

なお、折れ点関数設定値００～折れ点関数設定値２０は、ベース速度以上になった直流電動機２の速度が変化しても、界磁弱め制御の応答をほぼ一定とすることができる折れ点関数００～折れ点関数２０を折れ点関数部５７が補正カーブ生成部５８に対して設定することができるように調整される。

また、折れ点関数部５７は、例えば偶数の折れ点関数設定値のみが設定されても、隣り合う２つの偶数の折れ点関数設定値を用いて平均値を算出することにより、奇数の折れ点関数を算出する機能を備えている。つまり、折れ点関数部５７は、ユーザが調整すべき折れ点関数設定値の数を削減する機能を備えている。

また、折れ点関数部５７は、奇数の折れ点関数設定値の入力を、計算による自動入力、又はユーザによる手動入力のいずれかに、フラグによって切り替えることが可能にされている。つまり、折れ点関数部５７は、界磁弱め制御の微調整を可能にしている。

なお、折れ点関数部５７は、界磁弱め制御部５０が用いる所定の界磁弱め制御の比例ゲインよりも補正部５６が補正した比例ゲインが調整中に誤って大きくなることを防止するために、各折れ点関数設定値に対してリミット処理を施している。

例えば、折れ点関数００～折れ点関数２０は、０％～１００％まで５％ずつ異なる２１通りの速度に対応しており、直流電動機２の回転速度に対する比例ゲインの割合を示している。

補正カーブ生成部５８は、折れ点関数００～折れ点関数２０に基づいて、絶対値処理を施された直流電動機２の速度フィードバックに対してゲインを下げる割合を決定する界磁弱め制御ゲイン補正カーブを生成する。

そして、補正部５６は、入力された所定の界磁弱め制御の比例ゲインに対し、補正カーブ生成部５８が決定したゲインを下げる割合を乗じることにより、直流電動機２の速度に応じて下げた（補正した）界磁弱め制御比例ゲインを算出して界磁弱め制御部５０へ出力する。例えば、補正部５６は、直流電動機２の速度がベース速度に近づくまで上昇したときに比例ゲインの補正を行う。

つまり、補正部５６は、直流電動機２の回転速度に応じて界磁弱め制御部５０が用いる比例ゲインを補正し、例えば直流電動機２の回転速度がベース速度以上になった場合には、予め定められた値まで比例ゲインを下げるように補正する。

このように、界磁制御装置５は、界磁弱め制御部５０が用いる比例ゲインを補正部５６が補正するので、直流電動機２をベース速度以上で回転させる場合にも、応答速度の変動を低減させることができる。

また、界磁制御装置５は、直流電動機２の速度上昇に応じて界磁弱め制御部５０が用いる比例ゲインを下げ、界磁弱め範囲の領域を含む全領域で自動界磁弱め制御の応答時間が一定となるように調整することもできる。すなわち、界磁制御装置５は、直流電動機２の加減速運転時における電機子電圧のオーバーシュートや界磁電流のハンチングの発生を低減することができる。

次に、直流電動機２及び界磁制御装置５を備えた直流電動機駆動システム１の具体的な実施例について説明する。

図４は、直流電動機駆動システム１を有する鉄鋼の熱延システム８の概要を示す図である。鉄鋼の熱延システム８は、運転室８０から情報系ＬＡＮを介して運転を行い、計算機室８１から制御用ＬＡＮを介して制御を行うことが可能にされている。

加熱炉エリア８２では、加熱炉燃焼制御が行われる。粗圧延機エリア８３では、粗圧延機幅制御が行われる。エッジヒータ・バーヒータエリア８４の下流に配置される仕上圧延機エリア８５では、ルーパ制御、ルーパレス制御、自動板厚制御、及び仕上出側温度制御が行われる。例えば、界磁制御装置５は、仕上圧延機エリア８５で用いられる直流電動機２などに対して用いられる。また、水冷却装置８６の下流に配置されたコイラーエリア８７において用いられる直流電動機２などに対しても、界磁制御装置５が用いられている。

図５は、直流電動機駆動システム１を有する鉄鋼のプロセスライン９の概要を示す図である。プロセスライン９は、連続焼鈍ラインであり、冷間圧延された薄板（鋼板）を一定速度で搬送する必要がある。プロセスライン９は、搬送ロール間にスリップが生じてしまうと、薄板に疵を生じさせてしまうからである。

薄板は、ペイオフリール９０から払い出される。例えば、ペイオフリール９０において用いられる直流電動機２などに対し、界磁制御装置５が用いられている。

また、溶接機９１、洗浄セクション９２、入側ルーパ９３、焼鈍炉９４、及び出側ルーパ９５を通って搬送された薄板は、調質圧延機９６により機械特性及び形状の微調整が行われ、レンションリール９７により巻き取られる。例えば、調質圧延機９６及びレンションリール９７において用いられる直流電動機２などに対しても、界磁制御装置５が用いられている。

１・・・直流電動機駆動システム、２・・・直流電動機、３・・・主回路、４・・・主回路サイリスタ、５・・・界磁制御装置、６・・・界磁サイリスタ、７・・・検出器、８・・・鉄鋼の熱延システム、９・・・プロセスライン、３０・・・速度制御部、３２・・・電機子電流制御部、３４・・・位相制御部、５０・・・界磁弱め制御部、５２・・・界磁電流制御部、５４・・・位相制御部、５６・・・補正部、５７・・・折れ点関数部、５８・・・補正カーブ生成部、８５・・・仕上圧延機エリア、８７・・・コイラーエリア、９０・・・ペイオフリール、９６・・・調質圧延機、９７・・・レンションリール

Claims (4)

1. 直流電動機に対する界磁電流を変化させる界磁サイリスタの点弧角を制御する位相制御部と、
   前記位相制御部に対して位相制御基準を出力するようにＰＩ制御を行う界磁電流制御部と、
   前記界磁電流制御部に対する界磁電流弱め量を決定するようにＰＩ制御を行う界磁弱め制御部と、
   前記直流電動機の回転速度に応じて、前記界磁弱め制御部が用いる比例ゲインを補正する補正部と
   を有することを特徴とする界磁制御装置。
2. 前記補正部は、
   前記直流電動機の回転速度がベース速度以上になった場合、予め定められた値まで比例ゲインを下げるように補正すること
   を特徴とする請求項１に記載の界磁制御装置。
3. 前記補正部は、
   前記直流電動機の回転速度に対する比例ゲインの割合を示す折れ点関数に基づいて比例ゲインを補正すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の界磁制御装置。
4. 前記補正部は、
   前記折れ点関数に対する複数の設定値の平均値を算出することにより、前記複数の設定値の中間値を設定して比例ゲインを補正すること
   を特徴とする請求項３に記載の界磁制御装置。

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