JP5165301B2 - 巻上機の荷重落下防止方法、及び運転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻上下用の電動機（誘導電動機）をインバータで駆動する巻上機の荷重の落下（荷重のずり落ち）を未然に検知して荷重の落下を防止する巻上機の荷重落下防止方法、及び荷重の落下防止手段を備えた巻上機の運転制御装置に関するものである。

近年、巻上機の巻上下用の電動機（誘導電動機）をインバータからの出力電力で駆動する、所謂インバータ駆動の電気チェーンブロックや電動ホイスト等の巻上機が多く使用されている。この種の巻上機は、通常上昇用押釦スイッチ及び下降用押釦スイッチを有する操作ボックスからの上昇指令及び下降指令でインバータから電動機に上昇用駆動電力及び下降用駆動電力を供給し、該電動機を上昇方向（正回転）及び下降方向（逆回転）に回転させ、更に加減速させて運転している。また、操作ボックスの上昇用押釦スイッチ及び下降用押釦スイッチは、２段押し込み構成で、１段目低速、２段目は高速と２段階の速度指示ができるようになっている場合が多い。また、上昇及び下降用の押釦スイッチの押し込み量により無段速で制御できるようになっているものもある。

上記インバータ駆動の巻上機において、過荷重運転時や低電圧運転時に電動機が脱調する場合がある。電動機が脱調すると荷重が落下（ずり落ち）するという問題がある。従来この荷重落下に対する技術として、下記に示すものがあった。
（ａ）ブレーキ開放時のみ電動機トルクを検出し、運転中は電動機の回転をエンコーダで検出する方法（特許文献１）。
（ｂ）インバータの出力電圧又は電流を確認し、電圧又は電流が異常になったら、ブレーキを掛ける方法（特許文献２）。
（ｃ）インバータから電動機に供給される電流を検出し、該電動機におけるオーバトルクの有無を判定する。その際減速停止時の判定電流レベルを高くし、それ以外の判定電流レベルを低くする方法（特許文献３）。
特開平６−１９９４９３号公報 特開昭６１−１６２４９３号公報 特開２０００−２７２８７４号公報

上記特許文献に記載のものはいずれも荷重の落下が開始してから落下を検出するものであり、落下防止対策が遅れがちとなり、安全性に問題があった。また、エンコーダと、該エンコーダからの信号を取り込み回転数を算出する回路機器が必要になり、コスト高となるという問題がある。また、別途ブレーキの追加が必要となったり、その取付けスペース等が必要になるという問題もある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、従来のインバータ駆動の巻上機に別途構成部品を追加することなく簡単な構成で、巻上下用の電動機（誘導電動機）の脱調兆候を検出して、荷重の落下を未然に防止することができる巻上機の荷重落下防止方法、及び荷重の落下防止手段を備えた巻上機の運転制御装置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は、巻上下用の誘導電動機、該誘導電動機に駆動電力を供給するインバータ、該インバータを制御するインバータ制御部を備え、操作部の操作指令によりインバータ制御部でインバータを制御し、該インバータから誘導電動機に供給される駆動電力を制御し、上昇運転及び下降運転を行う巻上機の荷重落下防止方法であって、誘導電動機の脱調兆候を検出して荷重の落下を未然に検知し、荷重落下防止の対策をとることを特徴とする。

上記巻上機において、巻上下用の誘導電動機が脱調すると荷重が落下する。よって、脱調兆候を検出して、荷重の落下が始まる前に落下防止対策をとることができ、より安全で信頼性の高い荷重落下防止方法を提供できる。

また、本発明は上記巻上機の荷重落下防止方法において、インバータ制御部は誘導電動機の１次電流の大きさとその位相を制御するようにインバータを制御するベクトル制御を行っており、誘導電動機の１次電流の大きさと、該１次電流のトルク発生電流成分の大きさを監視し、１次電流の大きさの値とトルク発生電流成分の大きさの値がそれぞれ所定の値より大きい場合に脱調兆候とすることを特徴とする。

誘導電動機をベクトル制御した場合、該誘導電動機のトルク発生電流成分の方が１次電流に比べて過荷重（過負荷トルク）を正確に検出できるから、トルク発生電流成分の大きさの値が所定の値より大きい場合、例えばトルク発生電流成分が定格の１８０％以上になったら脱調の兆候があるとして、ブレーキを作動させる等の荷重落下防止対策を採ることにより、発生する荷重落下を防止でき信頼性の高い荷重落下防止方法となる。

また、本発明は巻上下用の誘導電動機、該誘導電動機に駆動電力を供給するインバータ、該インバータを制御するインバータ制御部を備え、操作部の操作指令によりインバータ制御部でインバータを制御し、該インバータから誘導電動機に供給される駆動電力を制御し、上昇運転及び下降運転を行う巻上機の運転制御装置であって、誘導電動機の脱調兆候を検出する脱調兆候検出手段を備え、インバータ制御部は、脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、ブレーキを作動させると共に、インバータから誘導電動機に供給する電力を遮断することを特徴とする。

上記のように巻上機において、巻上下用の誘導電動機が脱調すると荷重が落下する。よって、脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、ブレーキを作動させると共に、インバータから誘導電動機に供給する電力を遮断することにより、実際に落下が発生する前にブレーキ力が作用し、実際に落下が発生するのを防止できるから、より安全で信頼性の高い荷重落下防止が実行できる。

また、本願発明は上記巻上機の運転制御装置において、インバータ制御部は、脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、先ずブレーキを作動させ、該ブレーキがブレーキ力を発揮する所定時間経過後にインバータから誘導電動機に供給する電力を遮断することを特徴とする。

上記のようにインバータ制御部は、脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、先ずブレーキを作動させ、所定時間経過後にインバータから誘導電動機に供給する電力を遮断するので、ブレーキを作動してブレーキ力が作用してから、電力を遮断させることになる。よって、電力が遮断されてから、ブレーキが作動するのと異なり、ブレーキ力が作用するまでの間に荷重が自由落下することを防ぐことができ、より安全で信頼性が向上する。

また、本発明は上記巻上機の運転制御装置において、インバータ制御部は誘導電動機の１次電流の大きさとその位相を制御するようにインバータを制御するベクトル制御を行っており、脱調兆候検出手段は、誘導電動機の１次電流の大きさと、該１次電流のトルク発生電流成分の大きさを監視し、１次電流の大きさの値とトルク発生電流成分の大きさの値がそれぞれの所定の値より大きい場合に脱調兆候とすることを特徴とする。

誘導電動機をベクトル制御した場合、該誘導電動機のトルク発生電流成分の方が１次電流に比べて過荷重（過負荷トルク）を正確に検出できるから、トルク発生電流成分の大きさの値が所定の値より大きい場合、例えばトルク発生電流成分の大きさの値が定格の大きさの値の１８０％以上になったら脱調の兆候があるとして、ブレーキを作動させる等の荷重落下防止対策をとることにより、信頼性の高い荷重落下防止方法となる。

本発明に係る巻上機の荷重落下防止方法によれば、脱調兆候を検出して荷重落下防止の対策を行うことにより、荷重の落下が始まる前に荷重落下防止対策をとることにより、より安全で信頼性の高い荷重落下防止ができる。

また、本発明に係る巻上機の運転制御装置によれば、誘導電動機の脱調兆候を検出する脱調兆候検出手段を備え、インバータ制御部は、脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、ブレーキを作動させると共に、インバータから誘導電動機に供給する電力を遮断するので、荷重の落下が始まる前に荷重落下対策をとることにより、より安全で信頼性の高い荷重落下防止ができる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る巻上機の運転制御装置の構成例を示すブロック図である。なお、ここでは巻上機として電気チェーンブロックを例に説明するが、巻上機は電気チェーンブロックに限定されるものではなく、例えば電動ロープホイストでもよい。運転制御装置１は、操作ボックス２、制御装置３、インバータ４を備えている。インバータ４には３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）交流電力（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの２００Ｖ商用電力）が電力供給線５を介して入力され、制御装置３からの上昇（低速、高速）指令、下降（低速、高速）指令により、インバータ４が備えるインバータ制御部（図示せず）の制御を介してインバータ４から３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流駆動電力が巻上下用の電動機（誘導電動機）６に供給されるようになっている。これにより電動機６は可変速で正回転（上昇方向）及び逆回転（下降方向）するようになっている。７は電動機６を制動する電磁ブレーキ、８は電源用の変圧器であり、１次側は電力供給線５のＲ相とＴ相間に接続され、２次側から制御装置３やインバータ４等に低電圧（例えば２４Ｖ）の電力を供給する。

操作ボックス２は非常用押釦スイッチ２１、上昇用押釦スイッチ（上昇低・高速２段押釦スイッチ）２２、下降用押釦スイッチ（下降低・高速２段押釦スイッチ）２３を備えており、その出力信号は制御装置３のインターフェース（ＩＦ）回路３１に入力されるようになっている。非常用押釦スイッチ２１は常時閉じており、電源を投入すると変圧器８の２次側出力が非常用押釦スイッチ２１を通ってリレー３４に印加され、付勢によりその接点３４ａが閉じ、インバータ４の端子ＨＩ、ＨＣが短絡される。電動機暴走等の異常が発生した場合、非常用押釦スイッチ２１を押すとリレー３４の付勢は解除され、その接点は開き、インバータ４の端子ＨＩ、ＨＣは開放される。なお、操作ボックス２の上昇用押釦スイッチ２２、下降用押釦スイッチ２３は無段式（押し込み量で巻上下げ速度が設定できる）の押釦スイッチでもよい。

また、図１において、５１は上限リミットスイッチ、５２は下限リミットスイッチである。上限リミットスイッチ５１と下限リミットスイッチ５２は常時閉じており、図示しない電気チェーンブロックのロードチェーンの一端に取り付けたフックを上昇し続け、上限リミットスイッチ５１のレバーを押すとその接点が開放する。また反対に、フックが下降をし続けると、ロードチェーンの他端に取り付けた端末ストッパーが上昇をし続け、下限リミットスイッチ５２のレバーを押すとその接点が開放する。インバータ４はそれらを認識し、電動機６の正回転（上昇方向）又は逆回転（下降方向）をそれぞれ停止する（電動機６への駆動電力の供給を停止する）。

上記のようにリレー３４は電源が投入されると付勢され、その接点３４ａが閉じるようになっている。インバータ４のＶ相にダイオードスタック７１が直列に挿入されており、Ｖ相に流れる電流を整流した直流が電磁ブレーキ７に流れそのブレーキを開放する。電磁ブレーキ７のブレーキ力を作動させるときは、インバータ４がその端子ＭＡ、ＭＣを短絡するとリレー３６に変圧器８の２次側出力が印加され付勢され、その接点３６ａが閉じるとダイオードスタック７１から電磁ブレーキ７に供給されていた直流電流が絶たれブレーキ力が作動する。なお、図１において、４１は巻上機の荷下降時、電動機６にダイナミックブレーキ（発電制動）をかけた時に発電される電力を通電させて熱消費させる抵抗器である。

上記運転制御装置１において、インバータ４のインバータ制御部（図示せず）は、誘導電動機である電動機６の電流を図２（ａ）、（ｂ）に示すように、トルク電流成分Ｉ₂、励磁電流成分Ｉ₀に分けて、１次電流Ｉ₁の大きさとその位相角θを制御するベクトル制御をおこなっている。なお、図２（ａ）は電動機が定格電圧で運転されている場合のトルク成分電流Ｉ₂と１次電流Ｉ₁、励磁電流成分Ｉ₀の関係を示す図であり、同図（ｂ）は電動機６が低電圧（定格電圧より低い電圧）で運転されている場合のトルク成分電流Ｉ₂と１次電流Ｉ₁、励磁電流成分Ｉ₀の関係を示す図である。このベクトル制御の特徴は電動機６の低速回転から高トルクを出力できることと、電動機トルクが算出できることにある。

ここでは、インバータ制御部はインバータ４をベクトル制御、即ち電動機６の１次電流Ｉ₁、トルク電流成分（トルク発生電流成分）Ｉ₂、励磁電流成分Ｉ₀、励磁電流成分Ｉ₀と１次電流Ｉ₁との位相角をθとした場合、下記の式が成立するように、１次電流Ｉ₁の大きさと位相角θを制御していることを条件として、トルク成分電流Ｉ₂を監視して、該トルク成分電流Ｉ₂が所定の電流値を超えた場合（例えば定格のトルク発生電流成分の１８０％以上が０．２秒以上継続した場合）、脱調兆候と判断する。
Ｉ₁＝（Ｉ₀ ²＋Ｉ₂ ²）^1/2
θ＝ｔａｎ^-1（Ｉ₂／Ｉ₁）

電動機６が定格電圧又はその近傍で運転されている場合は、１次電流Ｉ₁よりトルク成分電流Ｉ₂の方が過荷重（過トルク）を正確に検出できるから、上記のようにトルク成分電流Ｉ₂を監視する方がよい。しかしながら、インバータ４の出力電圧、即ち電動機６の１次電圧が定格より低い場合、高速でのトルク出力は低下する（トルクは電圧の２乗に比例する）。この場合には、定格トルクが出力されない。そのため、過トルクが検出しにくくなり、反対に電動機６の１次電流が増加するから、電動機６の１次電流を監視する方が脱調兆候を検出しやすい。そこで、電動機６が定格電圧以下で運転されている場合は、電動機６の１次電流を監視し、該電動機６の１次電流が所定電流値以上（例えば定格電流の２２０％以上）になった場合は、脱調兆候と判断する。

インバータ制御部が脱調兆候と判断すると、電動機６に供給する電力を遮断すると共に、インバータ４の端子ＭＡ、ＭＣを短絡してリレー３６を付勢し、その接点３６ａを閉じてダイオードスタック７１から電磁ブレーキ７に供給されている直流電流を絶ち、ブレーキ力を作動させる。このとき電磁ブレーキ７に供給されている直流電流を絶っても直ちにブレーキ力が作用するわけではなく、ブレーキ力が作用するまでの時間（ブレーキ作動時間）吊り荷が自由落下状態となる。そこで、図３に示すように、脱調兆候検出と同時にブレーキを作動させるが、インバータ出力はブレーキ作動時間Ｉ（ブレーキ力の作用が作用するまでの時間）を待って遮断する。これにより吊り荷が自由落下する時間を与えることなく安全に停止させることができる。

図４はインバータ制御部が行う脱調兆候監視の処理フローを示す図である。先ず、巻上機の電源が投入され運転が開始されたら、電動機電流（１次電流）が所定値以上（例えば、定格の１８０％以上）か判断し（ステップＳＴ１）、ＮＯであったら続いてトルク発生電流成分が所定値以上（例えば、定格の１８０％以上）かを判断し（ステップＳＴ２）ＮＯであったら前記ステップＳＴ１に戻り、電動機電流とトルク発生電流成分の監視を続ける。

前記ステップＳＴ１で電動機電流が所定値以上であった場合と前記ステップＳＴ２でトルク発生電流成分が所定値以上であった場合、脱調兆候があるとして所定の処理（例えば警報を発する等の処理）を行い（ステップＳＴ３）、更に電磁ブレーキ７への直流電流を絶って該電磁ブレーキ７を作動させる（ステップＳＴ４）。続いてブレーキ作動時間（図３参照）が経過したか否か判断し（ステップＳＴ５）、経過したらインバータ４から電動機６へ供給している電力を遮断して（ステップＳＴ６）、処理を終了する。このように脱調兆候を検出したら電磁ブレーキ７への直流電流を絶っても直ちにブレーキ力が作用する訳ではないから、ブレーキ力が作用する時間（ブレーキ作動時間（図３参照））を待ってインバータ４から電動機６へ供給される電力を遮断することにより、荷重の自由落下を防止できる。

巻上下用の電動機６に脱調が発生する条件は、下記の１〜３である。
１．過荷重を吊り上げるとき（低速、高速とも）
２．過荷重で低速で巻き上がり、高速で巻き上がらないとき（上昇用押釦スイッチ２２を１段目から２段目に押しても荷重が高速で巻き上がらないとき）
３．過荷重で減速時の電動機トルクが不足するとき（上昇用押釦スイッチ２２を１段目まで押し込み低速で荷重を巻上げ、又は下降用押釦スイッチ２３を２段目で押し込んで下降高速巻下げから下降用押釦スイッチ２３を１段目まで押し込んで下降低速操作時）

上記のようにインバータ制御部の電動機６のベクトル制御のもとで電動機６の１次電流とそのトルク発生電流成分を監視し、該１次電流値とトルク発生電流成分値が所定の値を超えたら、脱調の兆候があるとして巻上機が備えている電磁ブレーキ７を作動させた後、ブレーキ力が作用する時間（ブレーキ作動時間）が経過したら、インバータ４から電動機６への電力を遮断するので、電動機６に脱調が発生し、吊り荷の落下するのを安全に確実に防止できる。また、この脱調兆候の検出、電磁ブレーキ７を作動、電動機６への電力遮断の処理を通常のインバータ駆動の巻上機に何ら別部品の追加なしに、インバータ制御部に組み込まれている制御用コンピュータのソフトウエアを変えるのみで実施可能であるから、安価なコストで達成することができる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載のない何れの構成であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

本発明に係る巻上機の運転制御装置の構成例を示すブロック図である。 電動機のベクトル制御における励磁電流成分Ｉ₀、２次電量Ｉ₂、１次電流Ｉ₁の関係を示す図である。 本発明に係る巻上機の運転制御装置の脱調兆候検出、ブレーキ作動、インバータ出力遮断のタイミングを示す図である。 本発明に係る巻上機の運転制御装置の脱調兆候監視処理フローを示す図である。

符号の説明

１ 運転制御装置
２ 操作ボックス
３ 制御装置
４ インバータ
５ 電力供給線
６ 電動機
７ 電磁ブレーキ
８ 変圧器
２１ 非常用押釦スイッチ
２２ 上昇用押釦スイッチ
２３ 下降用押釦スイッチ
３１ インターフェース回路
３４ リレー
３６ リレー
４１ 抵抗器
５１ 上限リミットスイッチ
５２ 上限リミットスイッチ
７１ ダイオードスタック

Claims (5)

1. 巻上下用の誘導電動機、該誘導電動機に駆動電力を供給するインバータ、該インバータを制御するインバータ制御部を備え、操作部の操作指令により前記インバータ制御部で前記インバータを制御し、該インバータから前記誘導電動機に供給される駆動電力を制御し、上昇運転及び下降運転を行う巻上機の荷重落下防止方法であって、
   前記誘導電動機の脱調兆候を検出して荷重の落下を未然に検知し、荷重落下防止の対策をとることを特徴とする巻上機の荷重落下防止方法。
2. 請求項１に記載の巻上機の荷重落下防止方法において、
   前記インバータ制御部は前記誘導電動機の１次電流の大きさとその位相を制御するように前記インバータを制御するベクトル制御を行っており、
   前記誘導電動機の１次電流の大きさと、該１次電流のトルク発生電流成分の大きさを監視し、
   前記１次電流の大きさの値と前記トルク発生電流成分の大きさの値がそれぞれ所定の値より大きい場合に前記脱調兆候とすることを特徴とする巻上機の荷重落下防止方法。
3. 巻上下用の誘導電動機、該誘導電動機に駆動電力を供給するインバータ、該インバータを制御するインバータ制御部を備え、操作部の操作指令により前記インバータ制御部で前記インバータを制御し、該インバータから前記誘導電動機に供給される駆動電力を制御し、上昇運転及び下降運転を行う巻上機の運転制御装置であって、
   前記誘導電動機の脱調兆候を検出する脱調兆候検出手段を備え、
   前記インバータ制御部は、前記脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、ブレーキを作動させると共に、前記インバータから前記誘導電動機に供給する電力を遮断することを特徴とする巻上機の運転制御装置。
4. 請求項３に記載の巻上機の運転制御装置において、
   前記インバータ制御部は、前記脱調兆候検出手段が脱調兆候を検出したら、先ず前記ブレーキを作動させ、該ブレーキがブレーキ力を発揮する所定時間経過後に前記インバータから前記誘導電動機に供給する電力を遮断することを特徴とする巻上機の運転制御装置。
5. 請求項３又は４に記載の巻上機の運転制御装置において、
   前記インバータ制御部は前記誘導電動機の１次電流の大きさとその位相を制御するように前記インバータを制御するベクトル制御を行っており、
   前記脱調兆候検出手段は、前記誘導電動機の１次電流の大きさと、該１次電流のトルク発生電流成分の大きさを監視し、
   前記１次電流の大きさの値と前記トルク発生電流成分の大きさの値がそれぞれの所定の値より大きい場合に前記脱調兆候とすることを特徴とする巻上機の運転制御装置。

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