JP5407854B2 - 大型モータに付設された冷却ファンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鉄工場の圧延機を駆動するミルモータのような大型モータに付設された冷却ファンの運転方法に関するものである。

製鉄工場において鋳片等の熱間圧延機を駆動するミルモータとしては、出力が４０００ＫＷを超える大型モータが用いられているが、このような大型モータが万一故障すると長期間にわたり工場の生産が停止することとなる。このため、大型モータにはモータ巻線温度が設定された上限値を超えることのないように、専用の冷却ファンが付設されてモータ巻線を冷却している。

例えば特許文献１には、モータ巻線温度の検出値に応じて冷却ファンの回転を制御することが提案されている。また、大型モータの駆動電流値の二乗平均値（ＲＭＳ）に応じて冷却ファンの回転を制御することも行われている。熱間圧延機は生産スケジュールに従って間欠的に送り込まれる鋳片等を圧延するため、ミルモータの運転も断続的に行われ、圧延中はロードオンの状態となり、圧延が終了すると次の圧延を開始するまでロードオフの状態となる。

モータ巻線温度の上昇を極力防止するという観点から、従来は大型モータのロードオフ中でも冷却ファンは常に回転させておくのが一般的であった。ところが本発明者がモータ寿命に関する検討を行った結果、従来の冷却ファンの運転方法はモータ寿命の観点からは好ましくない点があることが判明した。すなわち、従来法ではロードオフ中に大型モータのモータ巻線温度が常温付近にまで降下し、ロードオンとともに再び上昇して、図１に示すようなヒートサイクルを繰り返す。しかしこのようなヒートサイクルの繰り返しはモータ巻線の絶縁劣化を招き、モータ寿命を短縮させていることが判明した。

特開２００６−２９６１０７号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、ロードオン中における大型モータのモータ巻線温度の上昇を抑制できることはもちろん、ヒートサイクルによる絶縁劣化を抑制するとともに、電力消費量をも抑制することができる大型モータに付設された冷却ファンの運転方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、断続的に運転される大型モータに付設された冷却ファンの運転方法であって、大型モータがロードオンの状態では冷却ファンをフル回転させ、大型モータがロードオフとなったときにはモータ巻線温度と次にロードオンになるまでの時間とに基づいてモータ巻線温度の変化を予測し、次のロードオン開始時のモータ巻線温度が所定温度となるように冷却ファンをフル回転させず冷却ファンの回転数を制御することによって、ヒートサイクルによる絶縁劣化を抑制したことを特徴とするものである。

なお、モータ巻線温度を、Ｑｄｔ−Ｋ（Ｔ−Ｔ０）ｄｔ＝ＣｄＴのモデル式（Ｑは発熱量（Ｗ）、Ｔは巻線温度（Ｋ）、Ｔ０は周囲温度（Ｋ）、Ｋは放熱係数(Ｗ／Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは熱容量（Ｊ/Ｋ））により予測することが好ましい。また、ロードオフ中はモータ巻線温度が常に上限値を超えないように維持するように制御することが好ましい。また上記したように、大型モータとしては例えば圧延機のミルモータが代表的なものである。

本発明の冷却ファンの運転方法によれば、大型モータがロードオンの状態では冷却ファンをフル回転させ、大型モータがロードオフとなったときには、モータ巻線温度と次にロードオンになるまでの時間とに基づいてモータ巻線温度の変化を予測し、次のロードオン開始時のモータ巻線温度が所定温度となるように冷却ファンをフル回転させず、冷却ファンの回転数を制御する。このためロードオン中における大型モータのモータ巻線温度の上昇を抑制できることはもちろん、ロードオフ中のモータ巻線温度の過度の降下もなくなるため、ヒートサイクルによる絶縁劣化を抑制することができる。さらにロードオフ中は冷却ファンの回転数を低下させるため、電力消費量を削減することもできる。

巻線のヒートサイクルを示すグラフである。 大型モータと冷却ファンの説明図である。 本発明の制御ブロック図である。 本発明における巻線温度の変化を示すグラフである。 本発明における冷却ファンの回転数の変化を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図２において、１は大型モータ、２はそのモータ巻線、３は冷却ファンである。この実施形態では大型モータ１は熱間圧延機を駆動するミルモータであり、その出力は例えば４０００〜６５００ｋＷである。冷却ファン３は、例えば図示のように大型モータ１の上部に配置されており、冷却風を大型モータ１の内部に送風してモータ巻線２の温度上昇を抑制している。前記したように、熱間圧延機は生産スケジュールに従って間欠的に送り込まれる鋳片等を圧延するため、大型モータ１の運転も断続的に行われ、ロードオンの状態とロードオフの状態を繰り返す。

本発明はこの冷却ファン３の運転を、生産スケジュールとモータ巻線２の温度検出値とに基づいて適切に行うものであり、図３にその制御ブロック図を示す。なお生産スケジュールは上位コンピュータから出力されるものであり、モータ巻線２の温度は図示しない温度センサーによって常時測定されるものである。また大型モータ１の負荷電流値も常時制御器４に入力されているので、制御器４は大型モータ１のロードオン、ロードオフを識別するとともにロードオン時の負荷電流の瞬時値を知ることができる。

本発明では、ロードオン時には冷却ファン３をフル回転（１００％運転）として、モータ巻線２の温度が上限温度を超えないようにする。上限値はモータ容量や巻線構造，絶縁種別によって異なるが，たとえばF 種の大型ミルモータの場合，６０℃〜９０℃，冷却ファンの省エネとモータへの熱影響ミニマムの観点から，７０℃〜８０℃とすることが好ましいが、モータの種類や出力によって適宜設定すればよい。

また本発明では、ロードオフとなったときには、そのときのモータ巻線温度と次にロードオンになるまでの時間とに基づいてモータ巻線温度の変化を予測する。この予測は、Ｑｄｔ−Ｋ（Ｔ−Ｔ０）ｄｔ＝ＣｄＴのモデル式（Ｑは発熱量（Ｗ）、Ｔは巻線温度（Ｋ）、Ｔ０は周囲温度（Ｋ）、Ｋは放熱係数(Ｗ／Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは熱容量（Ｊ/Ｋ））により行うことができる。左辺の第１項のＱは、負荷電流Ｉがモータ巻線２を流れることによって発生するジュール熱であるから、巻線抵抗をＲとするとＱ＝Ｉ^２Ｒの式で求めることができる。左辺の第２項のＫ（Ｔ−Ｔ０）は抜熱を意味する項であり、巻線温度Ｔと周囲温度Ｔ０との差に放熱係数Ｋを掛けて求めることができる。発熱量−抜熱量＝実発熱量でありＣｄＴに等しいので、この式からｔ時間後の巻線温度を予測することができる。

大型モータ１のロードオン、ロードオフのタイミングは生産を管理する上位コンピュータから制御器４に入力されてくるので、ロードオフ時には次にロードオンになるまでの時間ｔを予め知ることができる。制御器４は、モータ巻線温度、次にロードオンになるまでの時間、周囲温度などからｔ時間後の巻線温度を予測し、次にロードオンとなるときの巻線温度Ｔが所定温度となるように冷却ファン３の回転数を制御する。この様子は図４に示すとおりであり、ここでいう所定温度は例えば７０℃である。これによって大型モータ１の巻線温度Ｔはロードオフ中は常に上限値を越えないように維持するように制御されることとなり、絶縁劣化の原因となる図１に示したようなヒートサイクルは生じない。これをヒートサイクル劣化率という指標によって表すと本発明では０．１１％／年となり、従来法の０．６８％／年よりも大幅に減少するので、大型モータ１の寿命延長を図ることが可能となる。

また上記した本発明の運転方法によれば、大型モータ１がロードオン中は冷却ファン３をフル回転させるが、ロードオフとなった瞬間から冷却ファン３の回転数は大幅に低下する。このため、ロードオフ中も冷却ファン３をフル回転させていた従来の運転方法に比較して、冷却ファン３を運転するための電力を１/３以下にまで低減させることができる。なお図５のグラフに示すように、本発明の運転方法によれば負荷電流の二乗平均値によって冷却ファン３の回転数を制御するＲＭＳ法に比較しても冷却ファン３の回転数は低くなり、冷却ファン３を運転するための電力はＲＭＳ法の３/４程度となる。なお，ロードオフと同時に冷却ファンを停止しない理由としては，次材が最大負荷の場合に温度上限値を超えないようにするためである。

しかも本発明によれば、次にロードオンとなるときの巻線温度Ｔはそれまでの時間間隔の長短にかかわらず、常に一定（例えば７０℃）になるように制御される。このため次にロードオンとなったときに負荷電流の上昇に伴なって巻線温度Ｔが上昇するが、直ちに冷却ファン３をフル回転させることと相俟って、次のロードオン時間中に巻線温度Ｔの過度の上昇が発生することもない。

以上に説明したように、本発明によれば、ロードオン中における大型モータのモータ巻線温度の上昇を抑制できることはもちろん、ヒートサイクルによる絶縁劣化を抑制するとともに、電力消費量をも抑制することができる等の多くの利点がある。なお以上の説明はミルモータの冷却ファンを中心として行ったが、断続的に運転される大型モータの冷却ファンであれば、本発明をそのまま適用できることはいうまでもない。

１ 大型モータ
２ モータ巻線
３ 冷却ファン
４ 制御器

Claims (3)

1. 断続的に運転される大型モータに付設された冷却ファンの運転方法であって、大型モータがロードオンの状態では冷却ファンをフル回転させ、大型モータがロードオフとなったときにはモータ巻線温度と次にロードオンになるまでの時間とに基づいてモータ巻線温度の変化を予測し、次のロードオン開始時のモータ巻線温度が所定温度となるように冷却ファンをフル回転させず冷却ファンの回転数を制御することによって、ヒートサイクルによる絶縁劣化を抑制したことを特徴とする大型モータに付設された冷却ファンの運転方法。
2. モータ巻線温度を、Ｑｄｔ−Ｋ（Ｔ−Ｔ０）ｄｔ＝ＣｄＴのモデル式（Ｑは発熱量（Ｗ）、Ｔは巻線温度（Ｋ）、Ｔ０は周囲温度（Ｋ）、Ｋは放熱係数(Ｗ／Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは熱容量（Ｊ/Ｋ））により予測することを特徴とする請求項１記載の大型モータに付設された冷却ファンの運転方法。
3. 大型モータがミルモータであることを特徴とする請求項１記載の大型モータに付設された冷却ファンの運転方法。