JP4492055B2 - インバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法およびクレーン・ホイスト用インバータ制御装置。 - Google Patents

Description

本発明は、軽負荷時に電動機の周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法に関する。

従来より、クレーン・ホイスト軽負荷増速制御方法は種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１に提案されている「インバータ制御クレーン・ホイスト軽負荷増速装置」がある。この装置は、図１０に示す様にＶ／ｆ制御の構成例が示され、平滑コンデンサ９と変換部１０で構成する電圧制御インバータによりモータＩＭ １１が駆動される。Ｖ／ｆ制御は、速度（周波数）指令を入力してゆるやかに始動加速する指令を出力するソフトスタータ６と、このソフトスタータ６の出力指令周波数に比例した電圧を発生するＶ／ｆパターン回路７と、このＶ／ｆパターン回路７からのインバータ出力電圧とＣＴ１２により検出されるインバータ出力電流とを乗算して、出力電力を求める乗算回路８とを有している。求められた出力電力値５は、電動側増速判定回路２又は回生側増速判定回路３によりパワーリミット点を判断し増速を停止させている。
又、軽負荷増速運転の加速中の電力値がオーバーロード（過負荷）等の異常値の場合は、加速レート調整を中止し警告信号により、保持ブレーキ作動処理を行う事としている。
また、その他では、特許文献２に提案されている「インバータの制御装置」がある。この装置は図１１に示す様に、周波数を上昇させた時に回転数が下降中か（Ｓ４０７）否かにより失速を抑える様、出力周波数を下げる機能（Ｓ４０８）を装備している。
また、特許文献３に提案されている「電動機駆動装置」がある。この装置は、図１２に示す様に、インバータ主回路電流を検出しこの電流値Ｉｎを、ストール防止電流設定器２１３により予め設定されたストール防止設定電流Ｉｓと加減算し、比較器２１４より周波数指令の補正値Δｆを出力して、周波数指令値の加減算を行う機能を装備している。
また、特許文献４に提案されている「インバータ式ホイスト」がある。
この装置は、図１３に示すように、負荷率Ｄとインバータ回路３１１に供給される電力の電圧Ｖと、モータ３０３に供給される電力の電流値Ｉと運転周波数ｆとの関係が記憶されていて、コントローラ３１２は、電圧検出器３１７で検出されたインバータ回路３１１に供給される電力の電圧値と電流検出器３１８で検出されたモータ３０３に供給される電力の電流値と指定された運転周波数とメモリ３１４に記憶されている関係とで、フックブロック３０１に掛かる負荷の負荷率Ｄを推定し、負荷率に関して定められている速度変更しきい値Ｄｔｈａと、推定した負荷率Ｄとの大小を比較し、この比較結果に応じて高速運転周波数と低速運転周波数とのうちの一方をインバータ回路３１１へ出力している。
特開平１１−２４６１８２号公報（第７−９頁、図１） 特許第３０９７７０９号号公報（第４−５頁、図１） 特開平９−２０１０８７号公報（第３−４頁、図１） 特開２０００−５３３８５号公報（５−６頁、図１）

特許文献１の方式では、図１０において軽負荷増速時の運転周波数は、加速中に決定し、その速度を解除又は変更するのは、オペレータが操作を止めるか、又は電力オーバーとなってインバータを停止すると言う手順がとられていた。それに、図１０の場合、軽負荷増速時の運転周波数は、電動側、回生側各々加速中に電力値から決定するという手順が取られていた。
また、特許文献２の方式では図１１において、インバータの出力周波数を上げても実際の回転数が低下すると言う事象を捉え出力周波数を下げるという手順がとられていた。
また、特許文献３の方式では図１２において、インバータ出力電流値を基に周波数を加減算する手順がとられていた。
また、特許文献４の方式では図１３において、インバータに供給される電圧と、モータに供給される電流値と運転周波数との関係から負荷率を推定し、予め記憶されているしきい値と比較し高速運転又は低速運転を決定するという手順がとられていた。

しかしながら、従来の特許文献１の方法では、加速中に軽負荷時の速度を決定して運転をするので、運転中の負荷変動に対しては速度修正をすることができないという問題があった。
また、応答性能を必要とされる場合は、加速中は負荷トルク分と加速トルク分をあわせた電力値で制御を行うので、加速時間を延ばし加速トルク分電力の影響を抑えざるをえず、応答性が悪いというような問題も抱えていた。
また、電動、回生共に加速中に電力値より軽負荷時の速度を決定して運転するので、同一荷重を搬送する際の軽負荷増速運転時の速度はかならずしも一致できないという問題があった。
また、電動、回生共に加速中に定出力特性を前提として、電力値から軽負荷時の速度を決定して運転をするので、逓減出力仕様が必要な場合は対応できないという問題があった。

また、従来の特許文献２の方法では、インバータの出力周波数上昇中においてモータの回転数低下を検出し出力周波数を下げる機能で、電動機加速中の失速を保護する機能であって、運転中の負荷変動に対しては速度修正をする事が出来ない問題があった。また、回転数を認識する事で周波数を低減することから回転数の認識精度の影響を受けるというような問題も抱えていた。
また、従来の特許文献３の方法では、インバータの出力電流とストール防止電流値をもとに設定周波数を加減算する機能であるが、電動、回生の速度を一致させる機能ではなく、また、電動機のトルクと速度の特性から電動機の許容最大トルクは一定ではなく、定格速度以上では一般的に速度に逆比例、又は速度の２乗に逆比例して逓減するものであり、こうした特性を定出力範囲の全領域に設定するのは煩雑になりすぎるという問題があった。
また、従来の特許文献４の方法は、インバータの入力電圧とモータの電流と運転周波数などから負荷率を推定する方法であるが、各種負荷率毎、各種電圧毎、各種電流毎、各種運転周波数毎にしきい値を記憶しなければならない繁雑な手順が必要であるという問題があった。また、電動機の許容最大トルクは一定ではなく定格速度以上では一般的に速度に逆比例、又は速度の２乗に逆比例して逓減するものであり、こうした特性を定出力範囲の全領域に設定するのは繁雑になり過ぎるというような問題も抱えている。

そこで、第１の発明は、従来の軽負荷増速運転機能に対応するとともに、軽負荷増速運転中の負荷変化に対しても、故障停止させる事なく安定した運転を継続することができる方法を提供することを目的としている。
更に、第２の発明は、従来の軽負荷増速運転機能に対応するとともに、機械効率の違いから上昇（巻上げ）時と下降（巻下げ）速度が変化する事を防止し搬送品質を向上させる事ができる方法を提供することを目的とする。
更に、第３の発明は、従来の定出力特性と合わせて、逓減出力特性の軽負荷増速運転機能に対応させる事ができる方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機の周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法において、インバータの出力電力検出値を用いて負荷率を推定し、増速可能速度を演算すると同時に、加速レート調整を行い定出力領域において電動機を定格出力値まで加速する機能と軽負荷増速運転中に負荷が増加した事を出力電力検出値から判断し、負荷の増加に合わせ目標速度を自動的に下げ、定出力領域における出力電力値が定格値以内の状態で安定運転を継続することを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機の周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイスト軽負荷増速制御方法において、インバータの出力電力検出値を用いて負荷率を推定し、増速可能速度を演算すると同時に、加速レート調整を行い定出力領域において電動機を定格出力値まで加速する機能と同じ負荷を上昇・下降させた時の速度を同一にすることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、インバータと、電動機と、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機の周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイスト軽負荷増速制御方法において、インバータの出力電力検出値を用いて負荷率を推定し、増速可能速度を演算すると同時に、加速レート調整を行い定出力領域において電動機を定格出力値まで加速する機能と電動機の出力特性が、定出力特性又は逓減出力特性かを判別し、特性に応じた増速可能速度を演算することを特徴としている。

このインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法によれば、軽負荷増速運転中においても電力値を監視し、規定値を超える際には周波数を自動的に下げるようにすることで、軽負荷増速運転中に電力値が規定値を超え一定時間継続した場合、運転周波数を下げる事ことができ、定格電力値以内で安定した軽負荷増速運転を実現することができる。
あるいは、上昇（巻上げ）時軽負荷増速運転中の運転周波数を記憶しておき、下降（巻き下げ）時においては、電力値演算を行わず軽負荷増速運転周波数を記憶値で行うようにしたので、同一荷重搬送時の軽負荷増速運転中速度を同一にする事ことができ、安定した軽負荷増速運転を実現することができる。
あるいは、軽負荷増速運転における出力電力特性を逓減出力仕様として、出力は速度に対し逆比例となる事を配慮し、運転可能周波数を決定する際に逓減出力値を超えない様、周波数を決定出来るようにしたので、逓減出力仕様の場合も規定電力値以内で安定した軽負荷増速運転を実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、定出力領域において電力値を検出し、その値を評価してから減速するという手順をとっているので、電動機の定格出力を限界まで活用することができるという効果がある。
それに、加速時のパワーリミットをラフに設定しておいても、この方式によれば、過電力を認識しているので、自動的に定格電力値に収束することができ調整が簡略化されるという効果もある。
また、本発明によれば、下降（巻下げ）時は電力演算しなくても目標速度を決められるので搬送効率が向上するという効果がある。
それに、定出力仕様又は逓減出力仕様に対応出来るので、機械の要求に応じ柔軟に対応出来るという効果もある。

以下、本発明の第１の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の構成を示すブロック図である。
図２は図１に示すクレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の処理手順を示すフローチャートである。
図３は図１に示す電動機の４象限運転特性を示す図である。

図１において、この方式は、Ｖ／ｆ制御の構成例を示し、平滑コンデンサ９と変換部１０で構成する電圧制御インバータにより、モータＩＭ １１が駆動される。Ｖ／ｆ制御は、速度（周波数）指令を入力してゆるやかに始動加速する指令を出力するソフトスタータ６と、このソフトスタータ６の出力指令周波数に比例した電圧を発生するＶ／ｆパターン回路７と、このＶ／ｆパターン回路７からのインバータ出力電圧とＣＴ１２により検出されるインバータ出力電流とを乗算して出力電力を求める乗算回路８とを有している。求められた出力電力値５は、電動側増速判定回路２又は、回生側増速判定回路３によりパワーリミット点を判断し、増速を停止させることが出来る。
また、以下のブロックは本発明で追加されたブロックの軽負荷増速時減速判定回路であり、軽負荷増速運転中には、出力電力値５を常に監視し、電動側減速判定回路２２と回生側減速判定回路２３により目標速度を現在値から一定量減速される減速指令回路２４を有し、規定電力値から一定の値を超えかつ一定時間を経過した場合は一定の割合で出力周波数を低減する事が出来る。

つぎに図２のフローチャートを用いて動作について説明する。
はじめに、軽負荷増速運転中に負荷の変動により必要トルクが増加すると、インバータはトルク分電流を増加し、必要なトルクを確保しようとしてインバータ出力電流が増加し過電力状態となる。
自動減速フラッグがセットされているか？のチェック（ステップ１、以下Ｓ１と省略する）、初期速度設定完了か？（Ｓ２）、等の初期チェック後、電動側又は、回生側減速判定回路２２（２３）が過電力と判断すると（Ｓ３）、一定時間経過後（Ｓ４）、一定周波数を減じるので（Ｓ５）、図３の定出力特性から明らかなように、回転数が減少すると同時に出力トルクは増加する事となる。

このように、本実施の形態によれば、定出力領域においては定格電力値を基準に減速判断を行い電動機回転数を低減するので、発生するトルクは補正前と比較して大きくなり、失速や警報停止し難いインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御ができるようになる。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図に基づいて説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態に係るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の構成を示すブロック図である。

図５は図１に示す制御方法の処理手順のフローチャートである。
図１において、この方式はＶ／ｆ制御の構成例を示し、平滑コンデンサ９と変換部１０で構成する電圧制御インバータによりモータＩＭ １１が駆動される。Ｖ／ｆ制御は、速度（周波数）指令を入力してゆるやかに始動加速する指令を出力するソフトスタータ６と、このソフトスタータ６の出力指令周波数に比例した電圧を発生するＶ／ｆパターン回路７と、このＶ／ｆパターン回路７からのインバータ出力電圧とＣＴ１２により検出されるインバータ出力電流とを乗算して出力電力を求める乗算回路８とを有している。求められた出力電力値５は、電動側増速判定回路２又は回生側増速判定回路３によりパワーリミット点を判断し、増速を停止させることが出来る。
以下は、本実施の形態で追加されたブロックの回生側軽負荷増速切換回路であり、上昇（巻上げ）軽負荷増速運転中には、軽負増速運転時を停止する直前の出力周波数を記憶回路２５に保存し、下降（巻き下げ）軽負荷増速運転時には、電力演算を行わず、記憶値を目標周波数として直接与えることで、軽負荷増速機能と上昇，下降時同一速度を実現する事が出来る。

つぎに図５を参照して動作について説明する。
はじめに、同一速度フラッグがセットされているか確認する（Ｓ１０）。上昇（巻上げ）軽負荷増速運転中に電力値により運転周波数が決まり、軽負荷増速運転を停止すると同時に（Ｓ１２）、その時点の運転周波数を記憶回路２５に記憶する（Ｓ１３）。回生側には周波数記憶フラッグをセットする（Ｓ１４）。
下降（巻き下げ）軽負荷増速運転動作を認識した時点で（Ｓ１５）、記憶回路２５の値を目標周波数として設定する（Ｓ１６）、（Ｓ１７）。また、記憶された値は、次の上昇（巻上げ）軽負荷増速運転を認識した時点で（Ｓ１８）、リセットするので（Ｓ１９）、（Ｓ２０）、過去のデータで誤った指示値で下降（巻き下げ）しないようにしている。

このように、本実施の形態によれば、速度記憶回路２５により同一荷重を搬送する際の上昇，下降時同一速度のインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御ができるようになる。

以下、本発明の第３の実施の形態について、図に基づいて説明する。
図６は本発明の第３の実施の形態に係るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の構成を示すブロック図である。
図７は図６に示すクレーンホイストの軽負荷増速制御方法の処理手順を示すフローチャートである。
図８は図６に示す電動機の定出力特性の４象限運転特性を示す図である。
図９は図８に示す運転特性の逓減出力特性の場合の４象限運転特性を示す図である。

図６において、この方式は、Ｖ／ｆ制御の構成例を示し、平滑コンデンサ９と変換部１０で構成する電圧制御インバータによりモータＩＭ１１が駆動される。Ｖ／ｆ制御は、速度（周波数）指令を入力してゆるやかに始動加速する指令を出力するソフトスタータ６と、このソフトスタータ６の出力指令周波数に比例した電圧を発生するＶ／ｆパターン回路７と、このＶ／ｆパターン回路７からのインバータ出力電圧とＣＴ１２により検出されるインバータ出力電流とを乗算して出力電力を求める乗算回路８とを有している。求められた出力電力値５は、電動側増速判定回路２又は回生側増速判定回路３によりパワーリミット点を判断し、増速を停止させることが出来る。
以下が本実施の形態で追加されたブロックの軽負荷増速時基準電力判別回路であり、この増速判定回路は、定出力仕様３１の場合は常に一定値であるが、逓減出力仕様の場合は、基底周波数と最高周波数の比の逆比関数３２の様に許容出力電力を逓減する事で逓減仕様の軽負荷増速機能を実現する事が出来る。

つぎに図７のフローチャートを用いて動作について説明する。
先ず、電動機の高速域の出力仕様を決め、上昇（巻上げ）軽負荷増速運転する事で規定電力値により運転周波数が決まり、軽負荷増速運転を停止する。逓減出力フラグがセットされているかチェックし（Ｓ２０）、セットされていなければ定出力仕様なので、図８のような定出力特性に従い設定し運転する（Ｓ２２）。フラグがセットされていれば、図９に示すような逓減出力特性に従って設定し運転される（Ｓ２１）。
このように、本実施の形態によれば、基準となる出力可能電力値を動力計算値からくる単純な関数値で与える事により、簡単かつ調整要素の少ない逓減出力対応のインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の構成を示すブロック図である。 図１に示すクレーンホイストの軽負荷増速制御方法の処理手順を示すフローチャートである。 図１に示す電動機の４象限運転特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の構成を示すブロック図である。 図４に示すクレーンホイストの軽負荷増速制御方法の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法の構成を示すブロック図である。 図６に示すクレーンホイストの軽負荷増速制御方法の処理手順を示すフローチャートである。 図６に示す電動機の定出力特性の４象限運転特性を示す図である。 図８に示す運転特性の逓減出力特性の場合の４象限運転特性を示す図である。 従来のインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速装置の構成を示すブロック図である。 従来のインバータの制御装置の制御フローチャートを示す図である。 従来の電動機駆動装置の構成を示すブロック図である。 従来のインバータ式ホイストのブロック図である。

符号の説明

２ 電動側増速判定回路
３ 回生側増速判定回路
４ 出力回路
５ 電力検出
６ ソフトスタータ
７ Ｖ／ｆパターン
８ 比較演算回路
９ コンデンサ
１０ インバータ主回路
１１ モータＩＭ
１２ ＣＴ
２２ 電動側減速判定回路
２３ 回生側減速判定回路
２４ 出力回路
２５ 出力周波数記憶
２６ 切換回路
３１ 定出力特性カーブ
３２ 逓減出力特性カーブ

Claims (6)

1. インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機に供給する電力の出力周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法において、前記インバータの軽負荷増速運転中に、前記インバータの出力電力を演算し、前記演算された出力電力を出力し、電動側減速判定回路および回生側減速判定回路と、目標出力周波数を現在値から一定量減速する減速指令回路とにより、前記出力電力が前記電動機の定格電力値から一定の値を超え、かつ一定時間を経過した場合には、一定の割合で前記出力周波数を低減することを特徴とするインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法。
   
2. インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機に供給する電力の出力周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法において、前記インバータの上昇（巻上げ）軽負荷増速運転中に、軽負荷増速運転を停止する直前の出力周波数を記憶する出力周波数記憶回路に前記出力周波数を記憶し、下降（巻き下げ）軽負荷増速運転時には前記記憶値を目標出力周波数とし、上昇、下降時の出力周波数を同一にすることを特徴とするインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法。
   
3. インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機に供給する電力の出力周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法において、前記インバータの軽負荷増速運転中に、前記インバータの出力電力を演算し、前記演算された出力電力を出力し、電動側増速判定回路および回生側増速判定回路により増速を停止させる前記電動機の定格出力電力点を判断し、基準電力判別回路により前記電動機の定格出力特性を判別し、前記電動機が定出力仕様の場合は許容出力電力を一定値に保持し、逓減出力仕様の場合は前記電動機の基底周波数と最高周波数の逆比関数に従い許容出力電力を逓減し、前記電動機の定格出力特性に応じた出力周波数とすることを特徴とするインバータ制御クレーン・ホイストの軽負荷増速制御方法。
   
4. インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機に供給する電力の出力周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るクレーン・ホイスト用インバータ制御装置において、前記インバータの軽負荷増速運転中に、前記インバータの出力電力を演算する手段と、前記演算手段で演算された出力電力を出力する手段と、電動側減速判定回路および回生側減速判定回路と、前記判定回路により目標出力周波数を現在値から一定量減速する減速指令回路とを備え、前記出力電力が前記電動機の定格電力値から一定の値を超えかつ一定時間を経過した場合には一定の割合で前記出力周波数を低減することを特徴とするクレーン・ホイスト用インバータ制御装置。
   
5. インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機に供給する電力の出力周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るクレーン・ホイスト用インバータ制御装置において、前記インバータの上昇（巻上げ）軽負荷増速運転中に、軽負荷増速運転を停止する直前の出力周波数を記憶する出力周波数記憶回路を備え、前記出力周波数記憶回路に前記出力周波数を記憶し、下降（巻き下げ）軽負荷増速運転時には前記記憶値を目標出力周波数とし、上昇、下降時の出力周波数を同一にすることを特徴とするクレーン・ホイスト用インバータ制御装置。
   
6. インバータと、指令制御器とを備え、軽負荷時に電動機に供給する電力の出力周波数を上げて加速する事により運転時間の短縮を図るクレーン・ホイスト用インバータ制御装置において、前記インバータの軽負荷増速運転中に、前記インバータの出力電力を演算する手段と、前記演算手段で演算された出力電力を出力する手段と、前記電動機の定格出力電力点を判断し増速を停止させる電動側増速判定回路および回生側増速判定回路と、前記電動機の定格出力特性を判別する基準電力判別回路とを備え、前記電動機が定出力仕様の場合は許容出力電力を一定値に保持し、逓減出力仕様の場合は前記電動機の基底周波数と最高周波数の逆比関数に従い許容出力電力を逓減し、前記電動機の定格出力特性に応じた出力周波数とすることを特徴とするクレーン・ホイスト用インバータ制御装置。

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