JP5657371B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電動機の速度制御装置に係り、特に外乱負荷トルクによる速度変動を抑制することのできる交流電動機の速度制御装置に関する。

交流電動機の速度制御装置は、一般に交流電動機の回転速度検出信号と回転速度指令信号を基にトルク電流指令信号を得るメジャーループの速度調整器と、マイナーループを構成するトルク電流調整器を備える。

前記トルク電流調整器から得られるトルク電流に前記速度調整器に対して外乱となる外乱負荷トルク電流を加減算して得られる加速／減速トルク電流が、交流電動機を加減速するためのトルク電流となる。また、前記速度調整器が、外乱負荷トルク電流と加速／減速トルク電流を含めたトルク電流指令を前記トルク電流調整器に出力することで、回転速度指令信号と一致するように交流電動機の回転速度を調整することができる。

また、前記速度調整器は、回転速度指令信号に対する速度指令応答および外乱負荷トルク電流に対する外乱応答を担い、回転速度指令信号に交流電動機の回転速度を追従させるように動作する（特許文献１参照）。

特開平７−４６８７４号公報

一般に鉄鋼圧延プラントに適用される交流電動機の速度調整器の応答は、適用される設備の用途に合わせて設計される。鉄鋼圧延プラントは、被圧延材料を薄く延ばすための圧延機、前記圧延機を駆動する交流電動機、前記交流電動機を任意の回転速度で運転するための電力変換装置を備える。前記交流電動機の速度制御装置は、一般に前記電動機を駆動する電力変換装置の制御回路に備えられる。

ところで、鉄鋼圧延プラント設備の更新工事においては、圧延機は更新せずに既存の設備をそのまま流用し、圧延機を駆動する交流電動機と交流電動機を駆動する電力変換装置のみを更新する場合がある。この場合には、既設圧延機の機械的強度に対する耐久性を考慮して、速度調整器の応答を低応答に設定しなければならない場合がある。

速度調整器のみで交流電動機の回転速度を制御する場合、速度調整器は回転速度指令信号に対する速度指令応答と、外乱負荷トルク電流に対する外乱応答の両方を担うため、速度指令応答と外乱応答の双方が低応答設定となる。

速度調整器を低応答設定とした場合、速度指令応答に対しても外乱応答に対しても、交流電動機を回転速度指令信号通りの回転速度に制御するためには、交流電動機の回転速度検出信号と回転速度指令信号の間には十分な速度偏差が必要である。

しかし、低速度運転領域では、運転速度自体が低速度であるため、特にインパクト的な外乱負荷トルク電流に対しては、速度調整器が応答するために必要な時間と応答可能な速度偏差が得られない。このため、速度調整器は、外乱負荷トルク電流に対抗するトルク電流指令を出力することができず、交流電動機が停止してしまうことがある。交流電動機が停止した場合、圧延機が駆動せず、被圧延材料を加工できないため、安定的な操業運転を実現することはできない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、外乱負荷トルクによる速度変動を抑制して安定な運転を実現することのできる交流電動機の速度制御技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

交流電動機の回転速度指令信号と回転速度検出信号をもとにトルク電流指令を生成する速度調整器と、生成されたトルク電流指令をもとに前記交流電動機に供給するトルク電流を制御するトルク電流調整器と、前記トルク電流指令をもとに推定トルク電流を演算するトルク電流換算ゲイン部と、前記交流電動機の回転速度検出信号をもとに推定加速／減速トルク電流を演算する加速／減速電流換算ゲイン部と、前記推定トルク電流から前記推定加速／減速トルク電流を減算して得られる推定外乱負荷トルク電流にフィルタ処理と外乱負荷トルク電流指令換算ゲインを乗算し推定外乱負荷トルク電流指令を生成する外乱負荷トルクオブザーバゲイン部と、前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力の変化割合を制限する複数のリミッタと、前記交流電動機の回転速度検出信号による回転速度に応じて切り換える切換スイッチと、を備え、
前記交流電動機の低速運転時は、前記切換スイッチにより高応答設定側の前記リミッタに切り換えて、前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力を短時間で前記リミッタによる制限から解放し、前記交流電動機の高速運転時は、前記切換スイッチにより低応答設定側の前記リミッタに切り換えて、前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力を前記短時間よりも長い時間で前記リミッタによる制限を行い、前記リミッタにより制限された前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力を前記トルク電流指令に加算する。

本発明は、以上の構成を備えるため、外乱負荷トルクによる速度変動を抑制して安定な運転を実現することのできる交流電動機の速度制御技術を提供することができる。

第１の実施形態を説明する図である。 外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）の出力補償波形を示す図である。 第２の実施形態を説明する図である。 外乱負荷トルクオブザーバ制御部（３００）の出力補償波形を示する図である。 交流電動機の速度制御装置を説明する図である。 電力変換装置の全体構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図６は、本発明が適用される電力変換装置の全体構成を説明する図である。図６に示すように、電力変換器は、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器（５００）、直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器（６００）、順変換器および逆変換器間を接続する正側直流母線（Ｐ）、中性点側直流母線（ＣＯＭ）、負側直流母線（Ｎ）、並びに正側直流母線（Ｐ）と中性点側直流母線（ＣＯＭ）間、負側直流母線（Ｎ）と中性点側直流母線（ＣＯＭ）の間に接続した平滑コンデンサ（Ｃｐ）（Ｃｎ）を備える。

順変換器（５００）は、主商用電源（９００）から変圧器（８００）を介して得られる交流電圧を直流電圧（Ｅｐ）（Ｅｎ）に変換し、平滑コンデンサ（Ｃｐ）（Ｃｎ）を充放電することで、直流電圧（Ｅｐ）（Ｅｎ）を一定に保つように制御する。逆変換器（６００）は、順変換器（５００）が変換した直流電圧（Ｅｐ）（Ｅｎ）を任意周波数・振幅の交流電圧に変換し、交流電動機（７００）に電力を供給／回生することで、交流電動機の回転速度を可変速制御する。交流電動機（７００）の回転速度は、速度検出器（７１０）によって回転速度検出信号として検出され、逆変換器（６００）に具備される速度制御装置（６１０）は前記回転速度検出信号をもとに交流電動機の回転速度を制御する。

図５は、電力変換装置に具備される交流電動機の速度制御装置（６１０）を説明する図である。速度制御装置は、交流電動機の回転速度検出信号と回転速度指令信号を基にトルク電流指令信号を得るメジャーループの速度調整器（１０１）と、マイナーループを構成するトルク電流調整器（１０２）を備える。図５において、トルク電流調整器（１０２）から出力されるトルク電流に、外乱負荷トルク電流を加減算することにより加速／減速トルク電流を得ることができる。また、得られた加速／減速トルク電流により交流電動機（１０３）の回転速度を制御する。また、前記交流電動機の回転速度の検出信号には速度検出ゲイン部（１０４）のゲインが乗算されて回転速度検出信号として速度調整器（１０１）へフィードバックされる。なお、前記外乱負荷トルク電流は、被圧延材の噛込み等の外乱として前記交流電動機に印加される付加トルクに相当する電流を模擬している。ここで、速度調整器（１０１）、トルク電流調整器（１０２）、交流電動機（１０３）、速度検出ゲイン部（１０４）の伝達関数は各々（１）〜（４）式で示される。

（但し、Ｋｎ：速度調整器比例ゲイン、 Ｔｎ２：速度調整器積分時定数、
ＫＡＣＲ：トルク電流換算ゲイン、 Ｔｃ：トルク電流調整器積分時定数、
ζφ：トルク係数、Ｊ：慣性モーメント）
図１は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。なお、図１は図５に示す速度制御ループに外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）を付加した構成である。

図１において、外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）は、トルク電流換算ゲイン部（２０１）、加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）、外乱負荷トルクオブザーバ制御ゲイン部（２０３）、外乱負荷トルクオブザーバ制御ゲイン部の応答の変化割合を交流電動機の運転回転速度に応じて可変に制限するためのレート制限リミッタ群（２０５）、および前記リミッタ群の中から所望のリミッタ特性を有するリミッタを回転速度に応じて選択する切換スイッチ（２０４）を備える。

前記トルク電流換算ゲイン部（２０１）は、前記速度調整器（１０１）の出力トルク電流指令から、トルク電流調整器（１０２）によって出力されるトルク電流を推定する。加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）は、前記交流電動機の回転速度検出信号をもとに交流電動機の回転速度を加減速するための加速／減速トルク電流を推定する。

前記トルク電流換算ゲイン部（２０１）が推定したトルク電流から前記加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）が推定した加速／減速トルク電流を減算することにより、推定外乱負荷トルク電流を得ることができる。

また、外乱負荷トルクオブザーバゲイン部（２０３）は、前記推定外乱負荷トルク電流に、フィルタ処理と外乱負荷トルク電流指令換算ゲインを乗算する処理を施し、推定外乱負荷トルク電流指令信号を得る。

なお、前記トルク電流換算ゲイン部（２０１）、加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）、および外乱負荷トルクオブザーバゲイン部（２０３）の伝達関数は各々（５）〜（７）式で示される。

（但し、Ｋｂ：外乱負荷トルク電流指令換算ゲイン、Ｔｂ：フィルタ時定数）
図２は、第１の実施形態における外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）の出力補償波形を示す。

前述したように、プラントの更新工事においては、圧延機は更新せずに、圧延機を駆動する交流電動機と交流電動機を駆動する電力変換装置のみを更新した場合等においては、既設圧延機の機械的強度の制約により、外乱負荷応答を低応答化しなければならないことがある。

このような場合においては、外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）の応答を種々のレート（変化速度）に制限する複数のレート制限リミッタ（リミッタ群２０５）を配置し、これらのリミッタを交流電動機の回転速度に応じて切換スイッチ（２０４）で切り換える。これにより、既設圧延機の機械的強度負担に配慮し、且つ、低速度運転領域でのインパクト外乱負荷に対応することのできる交流電動機の速度制御を実現することが可能となる。

すなわち、低速度運転時には、レート制限リミッタ（２０５）による制限を弱めて（高レート設定）として、外乱負荷トルクオブザーバ出力を高応答設定とする。これにより、外乱負荷トルクオブザーバ出力は短時間でリミッタによる制限から解放される。このように、外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）の応答を高く設定することで、インパクト外乱負荷に対する回転速度検出信号と回転速度指令信号の速度偏差を最小限に抑制することができ、交流電動機が停止する可能性を最小限に抑制できる。

一方、交流電動機の高速度運転時においては、既設圧延機の機械的強度負担を考慮し、レート制限リミッタ（２０５）による制限と強めて（低レート設定）とすることで、外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）の応答を制限する。すなわち、レート制限リミッタ（２０５）により外乱負荷トルクオブザーバ制御部（２００）の応答を低く設定することで、外乱負荷に対する圧延機の機械的強度負担を軽減する。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧延機の機械的強度負担を軽減しつつも、低速度運転領域におけるインパクト外乱負荷に対する交流電動機の速度制御が可能となる。

図３は、本発明の第２の実施形態を説明する図であり、図１に示す速度制御ループに外乱負荷トルクオブザーバ制御部（３００）を付加した構成である。

図３において、外乱負荷トルクオブザーバ制御部（３００）は、トルク電流換算ゲイン部（２０１）、加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）、外乱負荷トルクオブザーバ制御ゲイン部（２０３）、および外乱負荷トルクオブザーバ出力調整ゲイン部（３０１）を備える。ここで、外乱負荷トルクオブザーバ出力調整ゲイン部（３０１）は、外乱負荷トルクオブザーバゲイン部（２０３）の出力に制限を加え、前記出力を交流電動機運転回転速度に応じて徐々に低減させる。

前記トルク電流換算ゲイン部（２０１）は、前記速度調整器（１０１）の出力トルク電流指令をもとにトルク電流調整器（１０２）によって出力されるトルク電流を推定する。加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）は、前記交流電動機の回転速度検出信号をもとに交流電動機の回転速度を加減速するための加速／減速トルク電流を推定する。

前記トルク電流換算ゲイン部（２０１）が推定したトルク電流から前記加速／減速電流換算ゲイン部（２０２）が推定した加速／減速トルク電流を減算することにより、推定外乱負荷トルク電流を得ることができる。

また、外乱負荷トルクオブザーバゲイン部（２０３）は、前記推定外乱負荷トルク電流に、フィルタ処理と外乱負荷トルク電流指令換算ゲインを乗算する処理を施し、推定外乱負荷トルク電流指令信号を得る。

図４は、第２の実施形態における外乱負荷トルクオブザーバ制御部（３００）の出力補償波形を示す。

前述のように、プラントの更新工事においては、圧延機は更新せずに、圧延機を駆動する交流電動機と交流電動機を駆動する電力変換装置のみを更新した場合等においては、既設圧延機の機械的強度の制約により、外乱負荷応答を低応答化しなければならないことがある。

このような場合においては、外乱負荷トルクオブザーバゲイン部（２０３）の出力補償量を交流電動機運転回転速度に応じて可変に制限する外乱負荷トルクオブザーバ制御出力調整ゲイン部（３０１）を設けることにより、既設圧延機の機械的強度負担に配慮し、且つ、低速度運転領域でのインパクト外乱負荷に対する交流電動機の速度制御が可能となる。

すなわち、低速時においては、外乱負荷トルクオブザーバ制御出力調整ゲイン部（３０１）による出力制限を弱く設定して、外乱負荷トルクオブザーバ出力補償量に対する制限を弱く（制限しないように）設定する。これにより、外乱負荷に対する回転速度検出信号と回転速度指令信号の速度偏差を最小限に抑制することができ、交流電動機が停止する可能性を最小限にして低速度運転時の交流電動機速度制御を可能とする。

一方、交流電動機の高速度運転時においては、既設圧延機の機械的強度負担を考慮し、外乱負荷トルクオブザーバ制御出力調整ゲイン部（３０１）により、外乱負荷トルクオブザーバ出力補償量を制限する。これにより、外乱負荷に対する外乱応答は、低応答設定である速度調整器が担うことになり、圧延機への機械的強度負担を軽減できる。

このように、外乱負荷トルクオブザーバ制御出力調整ゲイン部（３０１）は、交流電動機の回転速度に応じて、低速度運転時から高速度運転時に向けて、徐々にその出力を低減するように設定する。これにより、急激な外乱応答の変動を防止し、交流電動機の安定運転を実現するすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧延機の機械的負担を軽減しつつも、低速度運転領域におけるインパクト外乱負荷に対する交流電動機の安定した速度制御が可能となる。

１０１ 速度調整器
１０２ トルク電流調整器
１０３ 交流電動機／トルク係数
１０４ 速度検出ゲイン部
２００ 外乱負荷トルクオブザーバ制御部
２０１ トルク電流換算ゲイン部
２０２ 加速／減速電流換算ゲイン部
２０３ 外乱負荷トルクオブザーバゲイン部
２０４ 切換スイッチ
２０５ レート制限リミッタ群
３００ 外乱負荷トルクオブザーバ制御部
３０１ 外乱負荷トルクオブザーバ出力調整ゲイン部
５００ 順変換器
６００ 逆変換器
７００ 交流電動機
７１０ 速度検出器
６１０ 速度制御装置
８００ 主変圧器
９００ 主商用電源

Claims (1)

1. 交流電動機の回転速度指令信号と回転速度検出信号をもとにトルク電流指令を生成する速度調整器と、
   生成されたトルク電流指令をもとに前記交流電動機に供給するトルク電流を制御するトルク電流調整器と、
   前記トルク電流指令をもとに推定トルク電流を演算するトルク電流換算ゲイン部と、
   前記交流電動機の回転速度検出信号をもとに推定加速／減速トルク電流を演算する加速／減速電流換算ゲイン部と、
   前記推定トルク電流から前記推定加速／減速トルク電流を減算して得られる推定外乱負荷トルク電流にフィルタ処理と外乱負荷トルク電流指令換算ゲインを乗算し推定外乱負荷トルク電流指令を生成する外乱負荷トルクオブザーバゲイン部と、
   前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力の変化割合を制限する複数のリミッタと、
   前記交流電動機の回転速度検出信号による回転速度に応じて切り換える切換スイッチと、を備え、
   前記交流電動機の低速運転時は、前記切換スイッチにより高応答設定側の前記リミッタに切り換えて、前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力を短時間で前記リミッタによる制限から解放し、
   前記交流電動機の高速運転時は、前記切換スイッチにより低応答設定側の前記リミッタに切り換えて、前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力を前記短時間よりも長い時間で前記リミッタによる制限を行い、
   前記リミッタにより制限された前記外乱負荷トルクオブザーバゲイン部の出力を前記トルク電流指令に加算する
   ことを特徴とする電動機制御装置。
   

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