JP5914172B2

JP5914172B2 - 電動機用ドライブ装置

Info

Publication number: JP5914172B2
Application number: JP2012122095A
Authority: JP
Inventors: 信明土井; 康裕安東
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: JP2013247833A

Description

この発明は、複数台の交流電動機を並列駆動する電動機用ドライブ装置に関する。

複数台の交流電動機を負荷として駆動する電動機用ドライブ装置においては、停電あるいはドライブ装置の故障が発生した場合，一度負荷はフリーラン状態となる。フリーラン中の負荷をドライブ装置で再接続する場合、異常発生前の周波数で再起動して，全ての負荷の接続を行うと、ドライブ装置に必要な容量が大きくなり，装置が巨大化する。そのため，複数の起動グループに分けて，負荷の接続を決められたシーケンスで順次投入する方式が取り入られている。（例えば特許文献１参照。）。

特開２００２−２０４５５４号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に示されたドライブ装置の再接続方式においては、停電またはドライブ装置の故障の異常信号が発生すると一度負荷はフリーラン状態となる。そしてこの場合、複数の電動機グループの上位に設けられた分岐スイッチを閉路して全ての交流電動機が並列接続されたままフリーランさせる。このようにフリーランさせたとき、フリーラン中の交流電動機が全て交流電動機の同期化力によって同一の回転数で同期した状態となっていることを前提としている。この前提のもとで異常信号が除去されたあとの再起動時にフリーラン中の交流電動機の周波数にドライブ装置の出力周波数を合わせることによってドライブ装置の再接続時の過負荷を防止している。

ところが、現実には複数台の交流電動機のフリーラン時の負荷トルクのばらつきによって、所定時間以上経過すると、同期から脱落する交流電動機が出てくる。このような脱落を防止するには、負荷トルクの大きさが類似したグループをいくつか作り、グループ間では切り離し、個々のグループに属している交流電動機についてのみ同期した状態でフリーランさせる必要がある。このような場合、再接続による再起動を適切に行い、できるだけ短時間で定常状態に復帰させる方法が検討課題として残っていた。

本発明は上記課題に鑑みて為されたもので、グループ間で異なった回転速度でフリーランしている交流電動機を適切に再接続し、できるだけ短時間で定常状態に復帰させることが可能な電動機用ドライブ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電動機用ドライブ装置は、複数台の交流電動機を駆動するためのインバータ装置と、前記インバータ装置の出力側に設けられ、前記複数台の交流電動機を複数の電動機グループに分岐給電する複数台の分岐スイッチと、前記インバータ装置が一旦異常停止したとき、前記複数台の分岐スイッチを開放し、この異常が復旧したとき再び前記交流電動機を駆動する制御を行う再接続制御手段と、前記複数台の分岐スイッチの出力側に各々接続された周波数検出器と、前記周波数検出器から与えられる周波数信号に基づいて再接続するための条件を演算し、前記再接続制御手段に演算結果を与える再接続演算手段とを具備し、前記再接続演算手段は、前記インバータ装置の異常が復旧したとき、前記インバータ装置が再起動中に過負荷とならないような再接続時のインバータ周波数条件と前記分岐スイッチの投入条件を、前記各電動機グループの負荷特性、前記インバータ装置を再接続したときの前記交流電動機の出力トルク特性及び入力電流特性から演算で求めるようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、グループ間で異なった回転速度でフリーランしている交流電動機を適切に再接続し、できるだけ短時間で定常状態に復帰させることが可能な電動機用ドライブ装置を提供することが可能になる。

本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図。本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置の動作説明図。本発明の実施例２に係る電動機用ドライブ装置の動作説明図。本発明の実施例３に係る電動機用ドライブ装置の動作説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下，本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置を図１及び図２に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機用ドライブ装置のシステム構成図である。インバータ装置２は交流電源１から供給される交流電圧をコンバータ２１で直流に変換し、インバータ２２で再び交流に変換して出力する。インバータ装置２の出力によって、分岐スイッチ３１、３２、３３を介して夫々電動機グループ４１、４２、４３を駆動している。電動機グループ４１は、入力を並列分岐する個別スイッチ６１１、・・・６１Ｎ、これらの個別スイッチ６１１、・・・６１Ｎから夫々給電接続される交流電動機５１１、・・・５１Ｎ、また運転中に分岐スイッチ３１がオフされたときのフリーラン中の交流電動機５１１、・・・５１Ｎの逆起電圧の周波数によって回転周波数を検出する周波数検出器７１から構成されている。同様に、電動機グループ４２は、入力を並列分岐する個別スイッチ６２１、・・・６２Ｎ、これらの個別スイッチ６２１、・・・６２Ｎから夫々給電接続される交流電動機５２１、・・・５２Ｎ及び周波数検出器７２から構成され、電動機グループ４３は、入力を並列分岐する個別スイッチ６３１、・・・６３Ｎ、これらの個別スイッチ３１、・・・６３Ｎから夫々給電接続される交流電動機５３１、・・・５３Ｎ及び周波数検出器７３から構成されている。

インバータ装置２は、再接続制御器７によって異常停止後の復帰動作が制御され、再接続制御器７は再接続演算器８と信号をやりとりして上記復帰動作を制御する。再接続演算器８には周波数検出器７１、７２、７３の出力信号が与えられている。尚、インバータ装置２は通常の制御を行う制御装置を有しているが、図１ではこの図示を省略している。

次に動作について図２の動作説明図も参照して説明する。今インバータ装置２が電動機グループ４１、４２、４３を定格周波数で運転している状態で時刻ｔ＝Ｔ１でインバータ装置２が異常停止したとする。ここで異常とは故障または停電による停止であるが、ここでは停電発生とする。この異常信号を受けたとき、再接続制御器７は分岐スイッチ３１、３２、３３を開放して電動機グループ４１、４２、４３をフリーランさせる。電動機グループ４１、４２、４３は、図２に示すようにグループ内は同期し、グループ間はばらばらに減速していく。図２は、電動機グループ４１の負荷が最も軽く電動機グループ４３の負荷が最も重い場合の例である。尚、ここでの交流電動機は、同期運転時には同期電動機、すべり運転時には誘導電動機の特性を有するヒステリシス電動機を想定しているが、残留電圧の大きい誘導電動機であっても良い。

次に時刻ｔ＝Ｔ２で電源が復電し、異常信号がリセットされたとする。このとき、再接続演算器７は、周波数検出器７１、７２、７３の出力信号すなわち電動機グループ４１、４２、４３のそのときの回転周波数から、どのように再接続すればインバータ装置２が過負荷となることがなく、しかも短時間で元の定格速度まで全グループを加速できるかを演算し、その結果を再接続制御器７に与える。

この場合の演算内容について図２を参照して説明する。まず、時刻Ｔ１からＴ２までのフリーラン特性によって各電動機グループの負荷特性がわかる。但し各々の交流電動機及びその負荷体の慣性モーメントは全て等しいものとする。そして、所定の周波数で再投入したときの交流電動機の出力トルク特性、入力電流特性が予め与えられていれば、例えば、図２のようにインバータ周波数を定格のｆｒからｆｒｅｓに下げた状態で電動機グループ４１、４２、４３を投入して再接続したときの再起動特性がシミュレーション可能となり、図示したようにｔ＝Ｔ３で全グループの回転周波数がｆｒｅｓに到達し、ｆｒｅｓまでの再起動が完了する。再起動中の交流電動機の出力トルク及び入力電流は定格運転時のこれらよりかなり多く、例えば３倍というような値となる。従って図２で言えば、全ての電動機グループが加速している期間のインバータ出力電流が最も多く、電動機グループが加速完了する度にインバータ出力電流は減少し、全ての電動機グループが加速完了したｔ＝Ｔ３の時点で定常電流となる。尚この定常電流はインバータの定格電流よりかなり低レベルであるのが通常である。

上記の再起動運転におけるポイントは、Ｔ２からＴ３までの最初の再起動時間における加速電流によるインバータ装置２の熱負荷が問題となるレベルかどうかである。ここで、最初の再起動時間とは、一定の再起動周波数で再起動させたときの同期到達時間であるが、これを単に同期到達時間と称する。上記レベルのチェック方法としては、Ｔ２からＴ３までの同期到達時間のインバータ出力電流の変化からシミュレーションによりインバータ装置２を構成する半導体素子の接合部の温度を求め、これが例えば１２５℃以下であれば問題ないとすることが可能である。より簡単な演算方法としては、インバータ装置２の過負荷耐量特性を過負荷継続時間に対する実効電流で定めておき、図２のＴ２からＴ３までの同期到達時間におけるインバータ出力電流の実効値が上記実効電流以内かどうかで判断することができる。逆に言えばこのような演算を行うことによって全ての電動機グループを同時再接続することが可能な再起動周波数の上限ｆｍａｘを求めることができる。これにより、再接続時に再起動周波数の上限ｆｍａｘが最も回転数の高い電動機グループの回転周波数ｆｍ以上であれば、ｆｍ＜ｆｒｅｓ＜ｆｍａｘの範囲で再起動周波数ｆｒｅｓを選定すれば良い。ここでｆｍａｘの演算値がインバータ定格周波数ｆｒ以上となった場合には上記範囲をｆｍ＜ｆｒｅｓ≦ｆｒとする。

上記の手法によって全ての電動機グループが再起動周波数ｆｒｅｓに到達したｔ＝Ｔ３以降は、図２に示したように定められた加速レートでインバータ装置２の出力周波数を上昇させ、ｔ＝Ｔ４の時点で定格周波数復帰が完了する。尚、上記演算において、ｆｍａｘの演算値がインバータ定格周波数ｆｒ以上となったとき、ｆｒｅｓ＝ｆｒで再起動を行えば、図２におけるｔ＝Ｔ３からｔ＝Ｔ４で行うレート加速動作を省略することができる。

また、ｔ＝Ｔ３の検出は、図示しないインバータ装置２の出力電流検出で行っても良く、あるいは再接続演算器８が演算で求めた時間をタイマーで検出するようにしても良い。

図３は本発明の実施例２に係る電動機用ドライブ装置の動作説明図である。この実施例２は、実施例１において時刻ｔ＝Ｔ２で再接続演算器８が行う演算によって求められた再起動周波数の上限ｆｍａｘが、最も回転数の高い電動機グループの周波数ｆｍ以下である場合の再接続手法の一例を示すものである。

図３に示すように時刻ｔ＝Ｔ２で異常信号が解除されたときの再接続演算器８が行う演算結果が上記であるとき、インバータ装置２は最も回転周波数の低い電動機グループ４３のみをその回転周波数或いは若干高めの周波数で再起動する。図１で言えば分岐スイッチ３３を投入する。そしてｔ＝Ｔ２１の時点まで所定の加速レートで加速する。この間、再接続演算器８は、実施例１で述べた演算を所定のサンプリング周期で行う。すなわち、全ての電動機グループを同時再接続することが可能な再起動周波数の上限ｆｍａｘを求め、再接続時に再起動周波数の上限ｆｍａｘがその時点で最も回転数の高い電動機グループの回転周波数ｆｍ以上であるかどうかを確認する。この確認がとれた所定時間後に分岐スイッチ３３を再度開放したあと、インバータ装置２の再起動周波数ｆｒｅｓをｆｍ＜ｆｒｅｓ＜ｆｍａｘの範囲として分岐スイッチ３１、３２及び３３を同時投入する。この結果、同期到達時間経過後のｔ=Ｔ３の時点で全ての電動機グループが再起動周波数ｆｒｅｓに到達する。これ以降の動作は実施例１と同一となるので、その説明を省略する。

尚、この実施例２において、再起動周波数の上限ｆｍａｘがその時点で最も回転数の高い電動機グループの周波数ｆｍ以上となる前にフリーラン中の電動機グループの周波数が加速運転中のインバータ装置２の周波数に一致したときは、当該フリーラン中の電動機グループをインバータ装置２に投入し、２つ電動機グループをレート加速して上記確認動作を行えば良い。以下同様である。

図４は本発明の実施例３に係る電動機用ドライブ装置の動作説明図である。実施例２においては、異常信号のリセット時、実施例１の条件による再接続ができないとき、最も回転周波数の低い電動機グループを所定の加速レートで加速する操作が必要となる。しかしながら、このような操作を行うことは操作手順が複雑となってしまう。この実施例３は、多少全体の再起動時間が多くかかっても操作手順が簡単になる手法を与える。

図４に示すように、ｔ＝Ｔ２における再起動周波数ｆｒｅｓを電動機グループ４１の回転周波数ｆｍ以下とする。このようにすると電動機グループ４１は再起動後減速モードとなり、回生電力がインバータ装置２に供給される。従って、再起動周波数ｆｒｅｓは電動機グループ４２の回転周波数以上とする必要がある。すなわち、インバータ装置２に回生能力がない場合には再起動時に全体として力行状態を保つ必要がある。従ってこの実施例３においては、ｔ＝Ｔ２の時点で力行状態を保った状態となる最低周波数以上で、且つ実施例１で述べた過負荷条件を満足する最高周波数ｆｍａｘ以下となる範囲を再接続演算器８で演算し、再起動周波数ｆｒｅｓをこの範囲内に設定して再起動する。そして時刻ｔ＝Ｔ２２で全電動機グループが定常状態になると実施例と同一の方法で異常信号が与えられる前の定格周波数運転に復帰させる。

以上、いくつかの実施例について説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１は電動機グループが３個の場合であるが、任意の複数個であれば良い。

また、実施例１乃至３における再起動周波数ｆｒｅｓでの電動機グループの投入のとき、投入時の擾乱を避けるため、同時投入を行わないで各グループで若干時間差を設けて投入するようにしても良い。

また、実施例１乃至３において、全ての電動機グループが同期運転されてから所定の加速レートで加速すると説明したが、再起動周波数の上限ｆｍａｘに対して再起動周波数ｆｒｅｓを十分低くした場合には、全ての電動機グループが同期運転される前にレート加速を行っても良い。

更に、システムに予備用のインバータ装置を別に備え、図１に示したインバータ装置２が故障してこの予備用インバータで再接続する場合であっても、予備用のインバータ装置を用いて実施例１乃至３の再起動動作を行わせることが可能となることは明らかである。

１交流電源
２インバータ装置
３１、３２、３３分岐スイッチ
４１、４２、４３電動機グループ
５１１、・・、５１Ｎ、５２１、・・、５２Ｎ、５３１、・・、５３Ｎ交流電動機
６１１、・・、６１Ｎ、６２１、・・、６２Ｎ、６３１、・・、６３Ｎ個別スイッチ
７再接続制御器
８再接続演算器

Claims

複数台の交流電動機を駆動するためのインバータ装置と、
前記インバータ装置の出力側に設けられ、前記複数台の交流電動機を複数の電動機グループに分岐給電する複数台の分岐スイッチと、
前記インバータ装置が一旦異常停止したとき、前記複数台の分岐スイッチを開放し、この異常が復旧したとき再び前記交流電動機を駆動する制御を行う再接続制御手段と、
前記複数台の分岐スイッチの出力側に各々接続された周波数検出器と、
前記周波数検出器から与えられる周波数信号に基づいて再接続するための条件を演算し、前記再接続制御手段に演算結果を与える再接続演算手段と
を具備し、
前記再接続演算手段は、
前記インバータ装置の異常が復旧したとき、前記インバータ装置が再起動中に過負荷とならないような再接続時のインバータ周波数条件と前記分岐スイッチの投入条件を、前記各電動機グループの負荷特性、前記インバータ装置を再接続したときの前記交流電動機の出力トルク特性及び入力電流特性から演算で求めるようにしたことを特徴とする電動機用ドライブ装置。
前記再接続演算手段が、
前記インバータ装置の出力周波数を、前記周波数検出器が検出する最高の周波数以上で定格周波数以下の第１の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入しても、前記インバータ装置が過負荷とならないことを演算で求めたとき、
前記再接続制御手段は、前記インバータ装置の出力周波数を第１の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入し、前記複数台の交流電動機が再起動周波数に到達したあと、レート加速を行うことによって前記インバータ装置を定格まで復帰させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機用ドライブ装置。
前記再接続演算手段が、
前記インバータ装置の出力周波数を、前記周波数検出器が検出する最高の周波数以上の所定の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入したとき、前記インバータ装置が過負荷となることを演算で求めたとき、
前記再接続制御手段は、
前記電動機グループのうち、最も回転速度の低い電動機グループの周波数に前記インバータ装置の再起動周波数を合わせて前記最も回転速度の低い電動機グループの分岐スイッチを投入し、所定の加速レートでレート加速を行い、
前記再接続演算手段が、前記インバータ装置の出力周波数を、前記周波数検出器が検出する最高の周波数以上で定格周波数以下の第２の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入しても、前記インバータ装置が過負荷とならないことを演算で求めたとき、
前記再接続制御手段は、前記インバータ装置の出力周波数を第２の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入し、前記複数台の交流電動機が再起動周波数に到達したあと、レート加速を行うことによって前記インバータ装置を定格まで復帰させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機用ドライブ装置。
前記再接続演算手段が、
前記インバータ装置の出力周波数を、前記周波数検出器が検出する最高の周波数以下で前記インバータ装置が回生運転とはならない第３の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入しても、前記インバータ装置が過負荷とならないことを演算で求めたとき、
前記再接続制御手段は、前記インバータ装置の出力周波数を第３の再起動周波数に設定して前記複数台の分岐スイッチを同時投入し、前記複数台の交流電動機が再起動周波数に到達したあと、レート加速を行うことによって前記インバータ装置を定格まで復帰させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機用ドライブ装置。
前記再接続演算手段は、
前記インバータ装置の過負荷耐量特性を過負荷継続時間に対する実効電流で設定記憶しておき、所定の再起動周波数による再起動時の同期到達時間における演算で求めたインバータ出力電流の実効値が上記実効電流以内かどうかで再起動可能かどうかを判断するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電動機用ドライブ装置。