JP3892570B2 - インバータ制御ターニング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動用交流電動機を備えたターニング装置、例えば事業用火力・原子力発電所用蒸気タービン等用いられるインバータ制御ターニング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の蒸気タービン用ターニング装置の概略図である。ターニング装置１は、ターニング装置本体３と多段の歯車列５とそれを支持する架台・ラック・軸・軸受類から構成されており、その入力軸は主交流電動機７とカップリングを介して結合されている。歯車列５の出力軸には駆動用歯車９が取リ付けられている。この歯車９は、ターニング結合指令信号を受けて励磁された電磁弁１１及びそれにより作動するエアシリンダ１３により上方へ移動し、車軸１５に設置された被駆動用歯車１７と噛み合わされる。歯車列５の入力軸は、またクラッチを介して副交流電動機１９と接続されており、これは歯車９と歯車１７を噛み合わせる際に、その噛み合わせを正規の位置に設定するために使用される。主交流電動機７の出力回転数は、歯車列５により減速され、結合された歯車９及び歯車１７を介して、車軸１５で２〜２０ｒｐｍの低速回転数となるよう伝達される。タービン起動に伴いタービン内部に蒸気が流入し車軸１５を駆動するようになると、被駆動用歯車１７の回転数が駆動用歯車９のそれを上回り、両歯車の接触している面に隙間が生じる。これにより駆動用歯車９に被駆動用歯車１７からの反作用が加わらなくなると、歯車９は、それを支持するラックの自重により下方へ移動し、歯車９と歯車１７の係合は解消される。なお、主交流電動機７及び副交流電動機１９には、交流電源２１から電力が供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなターニング装置において、駆動用歯車９と被駆動用歯車１７を噛み合わせた後、主交流電動機７を同期速度まで回転上昇させると、以下のような問題点があった。すなわち、主交流電動機７自体のトルク特性は、起動直後の発生トルクが大きく、また回転数上昇に伴い発生トルクが変動する。図９は、誘導電動機である主交流電動機７の一般的な特性を示した図である。この図からもわかるように、主交流電動機７のトルク特性は、起動直後と同期速度到達前にピークを持っている。従って、回転上昇過程及び同期速度到達直後に、歯車９と歯車１７の結合が解消してしまうことがある（離脱する）のである。
【０００４】
一般に交流電動機の発生トルクは、入力電圧の二乗に比例する。そのため、従来からサイリスタ制御により主交流電動機７の始動時入力電圧を制御し発生トルクを低く抑える方法は存在した。しかし、その設定は経過時間に対する上昇率を含めて数個のパラメータしかなく、またその制御時間も最大で十数秒程度しかとれないようなフレキシビリティの小さいものであった。このため、ターニング装置にとって望ましい電動機出力特性を得ることは困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、インバータ制御を採用し、主交流電動機７の発生トルクが大きく変動する電動機の回転上昇過程及び同期速度到達直後の場合においても、ターニング装置側の駆動用歯車９と車軸側の被駆動用歯車１７との間の結合状態を良好に保持することができるインバータ制御ターニング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決する手段】
請求項１に対応するインバータ制御ターニング装置は、被駆動歯車を駆動する駆動歯車と、この駆動歯車を駆動する主交流電動機と、この主交流電動機に加えられる入力電圧と周波数を、駆動歯車に加えられるトルクが起動初期において低く、その後増加するように制御するインバータ制御装置とを備える。そして、前記インバータ制御装置には、出力電圧・周波数を、主交流電動機の起動開始から同期速度到達時まで一定の時間間隔毎に任意に設定できる入力装置が設けられている。
これにより、主交流電動機の発生トルクが大きく変動する電動機の回転上昇過程及び同期速度到達直後の場合においても、ターニング装置側の駆動歯車と車軸側の被駆動歯車との間の係合状態を良好に保持することができる。
さらに、経過時間に対する主交流電動機の入力電圧・周波数を随時詳細に設定できるため、負荷側の要求に応じた回転数及びトルク特性を得ることができる。
【０００７】
請求項２に対応するインバータ制御ターニング装置は、インバータ制御装置の出力電圧・周波数の設定において、主交流電動機の起動開始からの経過時間に対して、立ち上げ時の傾きを大きく、時間が経つにつれて徐々に緩やかになり、最終到達速度近傍でほとんど傾き０となるように増加させるように設定される。従って、主交流電動機起動直後の発生トルクを小さく抑えるとともに、同期速度到達直前直後における回転数及びトルク変動を小さく抑えることができる。
【０００８】
請求項３に対応するインバータ制御ターニング装置は、駆動歯車を前記被駆動歯車に対してして離接させ、駆動歯車と被駆動歯車とを係合状態と非係合状態にする離接手段と、駆動歯車を被駆動歯車に係合させるために、駆動歯車を駆動する副交流電動機とをさらに備え、駆動歯車を駆動させるとともに、離接手段によって駆動歯車を被駆動歯車に係合させて、駆動歯車を被駆動歯車に噛み合わせるようになされているから、ターニング起動信号を受けたとき、副交流電動機を作動させるとともに離接手段を作動させて、駆動歯車と被駆動歯車とを噛み合わせ、主交流電動機始動前にターニング装置側駆動歯車と車軸側被駆動歯車とを正規の位置に係合させることができる。
【０００９】
請求項４に対応するインバータ制御ターニング装置は、駆動歯車を被駆動歯車に対してして離接させ、駆動歯車と被駆動歯車とを係合状態と非係合状態にする離接手段と、駆動歯車が被駆動歯車に係合させるために、駆動歯車を駆動する副交流電動機とをさらに備え、駆動歯車を短時間の寸動によって慣性回転させ、その後離接手段によって駆動歯車を被駆動歯車に係合させて、駆動歯車を被駆動歯車に噛み合わせるようになされているから、両歯車の噛み合わせを円滑に行うことができる。
【００１０】
請求項５に対応するインバータ制御ターニング装置は、駆動歯車を被駆動歯車に対してして離接させ、駆動歯車と被駆動歯車とを係合状態と非係合状態にする離接手段を有し、主交流電動機が駆動歯車を駆動させるとともに、離接手段によって駆動歯車を被駆動歯車に係合させて、駆動歯車を被駆動歯車に噛み合わせるようになされているから、副交流電動機を省略することができ、従って、コストダウンを図ることができる。
【００１１】
請求項６に対応するインバータ制御ターニング装置は、主交流電動機の運用を同期速度到達直後に商用電源に切り替える。これによりインバータ制御装置の省電力化を図ることがてきる。
【００１２】
請求項７に対応するインバータ制御ターニング装置は、主交流電動機の運用を商用電源に切り替えず、任意の主交流電動機の速度にて連続してインバータ制御を実施する。これによリ主交流電動機の同期速度以外での一定運転が可能になり、状況に応じたフレキシビリティのある運用が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
図１は本発明の第１の実施の形態のインバータ制御ターニング装置の構成図である。
ターニング装置３１は、従来の技術と同様、ターニング装置本体３と多段の歯車列５とそれを支持する架台・ラック・軸・軸受類から構成されている。この歯車列５は、その入力軸が主交流電動機７とカップリングを介して結合されている。また、この歯車列５の出力軸には、駆動用歯車９が取り付けられている。そして、主交流電動機７の回転を減速して駆動用歯車９に伝達するようになっている。この駆動用歯車９は、ターニング結合指令信号を受けて励磁された電磁弁１１及びそれにより作動するエアシリンダ１３により上方へ移動し、車軸１５に設置された被駆動用歯車１７と噛み合わされる。歯車列５の入力軸は、またクラッチを介して副交流電動機１９と接続されている。この副交流電動機１９は、駆動用歯車９と被駆動用歯車１７の噛み合わせを正規の位置に設定するために使用される。主交流電動機７の出力回転数は歯車列５により減速され、係合された歯車９及び歯車１７を介して、車軸１５に伝達される。主交流電動機７と交流電源２１は電源ケーブルで接続されるが、その間にはインバータ制御装置３３が設けられている。このインバータ制御装置３３は、主交流電動機７の入力電圧・周波数を制御する。その制御方法は、主交流電動機の起動からの経過時間に対する入力電圧・周波数を設定することにより行われる。そして、その設定は、インバータ制御装置３３に付属する入力装置３５にて随時人間系で入力するようになっている。
【００１４】
次に、このインバータ制御ターニング装置３１の動作を説明する。
ターニング結合指令信号を受けると、まず副交流電動機１９が起動する。その後、励磁された電磁弁１１及びエアシリンダ１３によリ、ターニング装置側駆動用歯車９が車軸側被駆動用歯車１７に向かって移動し、両者が噛み合わされる。また、副交流電動機１９は、電磁弁１１が励磁される前に、ストールして停止する。
【００１５】
その後、インバータ制御装置３３により主交流電動機７の入力電圧・周波数が制御された状態で主交流電動機７が起動され、その回転数がターニング装置３１の歯車列５及び結合された歯車９と歯車１７によって減速されて車軸１５に伝達される。主交流電動機７の回転上昇に伴い車軸１５の回転数も増加し、やがて同期速度に到達する。そして、同期速度到達直後に商用電源に切り替えられ、インバータ制御装置は停止する。また、あらかじめ設定された回転数に到達した後、その状態で一定回転数を保持し、インバータ制御装置を継続して運用するようにしてもよい。
【００１６】
図２はインバータ制御装置により入力電圧・周波数が制御された状態の主交流電動機７のトルク特性を、図３は主交流電動機７の入力電圧・周波数を一定の時間間隔毎に設定した場合の例を、図４は、その設定を、立ち上げ時の傾きを大きく、時間が経つにつれて徐々に緩やかになり、最終到達速度近傍でほとんど傾き０となるように増加させた場合の例である。
【００１７】
交流電動機の発生トルクは入力電圧の二乗に比例するので、インバータ制御装置で主交流電動機７の入力電圧と入力周波数を同じ比率で変化させた場合、図２に示すように、起動直後の発生トルクを小さくできるとともに、低回転数域を中心に発生トルクを全体的に減少させることができる。また、入力装置３５は、主交流電動機７の入力電圧・周波数を一定の時間間隔で任意に設定できるため、図２のトルク特性を容易に時間的に調整することが可能になる。
【００１８】
図３は、入力電圧・周波数を時間に対して一次関数的に増加するよう設定した場合の一例である。
【００１９】
図４は、この入力電圧・周波数の設定を経過時間に対して立ち上げ時の傾きを大きく、時間が経つにつれて徐々に緩やかになり、最終到達速度近傍でほとんど傾き０となるように増加するよう設定した場合を示す。このようにすれば、主交流電動機７の同期速度到達前に存在するピークトルク前後でのトルク変動を緩和することができるとともに、同期速度到達後の回転数変動を最小限にすることができる。
【００２０】
図５はターニング装置側駆動用歯車９と車軸側被駆動用歯車１７の噛み合わせ時における、電磁弁１１・エアシリンダ１３・副交流電動機１９及び主交流電動機７の起動シーケンスを示すものである。この図で二点鎖線４１で示す場合は、ターニング結合指令信号を受けて、まず副交流電動機１９が起動する。その後電磁弁１１が励磁されエアシリンダ１３を作動し、歯車９を歯車１７に噛み合わせる。噛み合わせが完了すると二点鎖線４１に示すように副交流電動機１９はストールして停止するとともに、リミットスイッチが作動し主交流電動機７を起動させる。
【００２１】
一方、図５において実線４３で示す場合は、ターニング結合指令信号を受けて副交流電動機１９が起動するが、実線４３に示すように数秒後には停止する。その後、電磁弁１１が励磁されエアシリンダ１３を作動し、歯車９を歯車１７に噛み合わせる。その際、副交流電動機１９は既に停止しており、歯車列５の慣性力のみによって噛み合わせ動作が行われるので、より滑らかに両歯車の結合を行うことができる。
【００２２】
なお、このインバータ制御ターニング装置において、主交流電動機７が同期速度に到達した直後に商用電源に切り替えるようにしてもよい。このようにすれば、インバータ制御装置の省電力化を図ることができる。
【００２３】
また、主交流電動機７の電源を商用電源に切り替えずに、連続してインバータ制御を実施するようにしてもよい。このようにすれば、最終到達回転数を負荷側の要求に応じて自由に設定できるので、より自由度のある運用を行うことができる。
【００２４】
本実施の形態によれば、主交流電動機７の回転上昇過程及び同期速度到達直後においても、ターニング装置側駆動用歯車９と車軸側被駆動用歯車１７の結合状態を良好に保持することができる。
【００２５】
第２の実施の形態
図７は、本発明の第２の実施の形態のインバータ制御ターニング装置５１を示す構成図である。
このインバータ制御ターニング装置５１は、第１の実施の形態と異なり、副交流電動機１９がなく、この副交流電動機１９に適用していたシーケンスを主交流電動機７に適用したものである。
【００２６】
図６は、このインバータ制御ターニング装置５１において、ターニング装置側駆動用歯車９と車軸側被駆動用歯車１７を噛み合わせる際の、電磁弁１１・エアシリンダ１３及び主交流電動機７の起動シーケンスを示したものである。この図において、ターニング結合指令信号を受けると、主交流電動機７は起動するが、その数秒後に実線４７に示すように一旦停止する。その後電磁弁１１が励磁されエアシリンダ１３を作動し、歯車９を歯車１７に噛み合わせる。噛み合わせが完了するとリミットスイッチが作動し主交流電動機７を再度起動させ、回転上昇を行う。このように、このインバータ制御ターニング装置５１は、ターニング装置３１で副交流電動機１９が行っていた寸動動作を、主交流電動機７に兼用させるようにしたものである。このようにすることによって、第１の実施の形態と同じ機能を果たすことができるとともに、副交流電動機という設備を削減することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、主交流電動機の入力電圧及び入力周波数をインバータ制御装置により時間的に任意に設定することが可能となるため、主交流電動機の発生トルク特性を負荷側の要求に応じた状態にすることができる。従って、ターニング装置側の駆動用歯車と車軸側の被駆動用歯車の結合状態を、主交流電動機の起動に伴う過渡状態時の場合でも良好に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態のインバータ制御ターニング装置を示す構成図。
【図２】 インバータ制御装置によって入力電圧、周波数が制御された状態における主交流電動機のトルク特性を示す図。
【図３】 インバータ制御装置により主交流電動機の入力電圧・周波数を時間に対して一次関数的に増加するよう設定した場合の主交流電動機のトルク変化特性を示す図。
【図４】 インバータ制御装置により主交流電動機の入力電圧・周波数を時間に対して立ち上げ時の傾きを大きく、時間が経つにつれて徐々に緩やかになり、最終到達速度近傍でほとんど傾き０となるように増加するよう設定した場合の主交流電動機のトルク変化特性を示す図。
【図５】 副交流電動機を使用する場合の電磁弁・エアシリンダ・副交流電動機及び主交流電動機の起動シーケンスを示す図。
【図６】 副交流電動機を使用しない場合の電磁弁・エアシリンダ及び主交流電動機の起動シーケンスを示す図。
【図７】 本発明の第２の実施の形態のインバータ制御ターニング装置を示す構成図。
【図８】 従来のターニング装置を示す構成図。
【図９】 主交流電動機の一般的なトルク特性を示す図。
【符号の説明】
７ 主交流電動機
９ 駆動歯車
１３ エアシリンダ
１５ 車軸
１７ 被駆動歯車
１９ 副交流電動機
３１ インバータ制御ターニング装置
３３ インバータ制御装置
３５ 入力装置
５１ インバータ制御ターニング装置

Claims (7)

1. 被駆動歯車が設けられた軸を回転駆動するターニング装置であって、
   前記被駆動歯車を駆動する駆動歯車と、
   この駆動歯車を駆動する主交流電動機と、
   この主交流電動機に加えられる入力電圧と周波数を、前記駆動歯車に加えられるトルクが起動初期において低く、その後増加するように制御するインバータ制御装置と、
   を備え、
   前記インバータ制御装置には、前記主交流電動機への出力電圧及び周波数を、前記主交流電動機の起動開始から一定の時間間隔毎に任意に設定しうる入力装置が設けられていることを特徴とするインバータ制御ターニング装置。
2. 前記インバータ制御装置は、前記主交流電動機への出力電圧及び周波数を、その時間経過に対する傾きが、起動時には大きく、時間が経つにつれて徐々に緩やかになり、最終到達速度近傍でほとんど傾き０となるように設定されうることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御ターニング装置。
3. 前記駆動歯車を前記被駆動歯車に対してして離接させ、前記駆動歯車と前記被駆動歯車とを係合状態と非係合状態にする離接手段と、
   前記駆動歯車を前記被駆動歯車に係合するために、前記駆動歯車を駆動する副交流電動機と、をさらに備え、
   前記副交流電動機が前記駆動歯車を駆動させるとともに、前記離接手段が前記駆動歯車を前記被駆動歯車に係合させて、前記駆動歯車を前記被駆動歯車に噛み合わせるようになされていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御ターニング装置。
4. 前記駆動歯車を前記被駆動歯車に対してして離接させ、前記駆動歯車と前記被駆動歯車とを係合状態と非係合状態にする離接手段と、
   前記駆動歯車を前記被駆動歯車に係合させるために、前記駆動歯車を駆動する副交流電動機と、をさらに備え、
   前記副交流電動機が前記駆動歯車を短時間の寸動によって慣性回転させ、その後前記離接手段が前記駆動歯車を前記被駆動歯車に係合させて、前記駆動歯車を前記被駆動歯車に噛み合わせるようになされていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御ターニング装置。
5. 前記駆動歯車を前記被駆動歯車に対してして離接させ、前記駆動歯車と前記被駆動歯車とを係合状態と非係合状態にする離接手段を有し、
   前記主交流電動機が前記駆動歯車を駆動させるとともに、前記離接手段が前記駆動歯車を前記被駆動歯車に係合させて、前記駆動歯車を前記被駆動歯車に噛み合わせるようになされていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御ターニング装置。
6. 主交流電動機の同期速度到達直後に商用電源に切り替えることを特徴とする請求項３，４，５のいずれかに記載のインバータ制御ターニング装置。
7. 主交流電動機の同期速度到達後においても、任意の主交流電動機の速度にて連続してインバータ制御を実施することを特徴とする請求項３，４，５のいずれかに記載のインバータ制御ターニング装置。

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