JP6300412B2

JP6300412B2 - 異常検出装置及び異常検出方法

Info

Publication number: JP6300412B2
Application number: JP2014210294A
Authority: JP
Inventors: 貴俊浅香
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: JP2016082656A

Description

本発明の実施形態は、電動機用ブレーキ電源の異常検出装置及び異常検出方法に関する。

専用の電源回路からの電源供給により制動状態を開放するブレーキを有する電動機がある。こうした電動機においては、ブレーキ電源回路（以下、電源回路）への開放指令信号の入力に対する電源回路からの開放アンサー信号の有無によって、電源回路の異常を検出している。また、電源回路にサーキットプロテクタを設け、サーキットプロテクタの故障接点で電源回路の異常を検出する場合もある。

しかしながら、開放アンサー信号の有無やサーキットプロテクタの故障接点による方法では、電源回路とブレーキとの間に断線が生じている場合や、ブレーキを開放できない程度の小さな電流が出力されている場合などには、電源回路の異常を適切に検出できないことがあった。このため、電動機のブレーキに用いられる電源回路では、異常検出の精度の向上が望まれる。

特許第４８９８１５９号

本発明の実施形態は、電動機のブレーキに用いられる電源回路の異常を高精度に検出できる異常検出装置及び異常検出方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、電流検出部と異常判定回路を備えた異常検出装置が提供される。前記電流検出部は、開放指令信号の入力に応じて電源回路から電動機のブレーキに流れる電流を検出する。前記異常判定回路へは、前記電流検出部で検出された電流値が入力されるとともに、前記開放指令信号が入力され、前記開放指令信号が入力されている状態において、前記電流値が第１閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定する。前記電源回路は、前記開放指令信号の入力から所定時間経過するまでの第１区間において、第１電圧を前記ブレーキに供給し、前記所定時間の経過から前記開放指令信号の入力の停止までの第２区間において、前記第１電圧よりも低い第２電圧を前記ブレーキに供給する。前記異常判定回路は、前記第１区間において、前記電流値が前記第１閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定し、前記第２区間において、前記電流値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定する。

電動機のブレーキに用いられる電源回路の異常を高精度に検出できる異常検出装置及び異常検出方法が提供される。

実施形態に係る電動機システムを模式的に表すブロック図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る電動機システムの動作の一例を模式的に表すグラフ図である。実施形態に係る電動機システムの動作の一例を模式的に表すフローチャートである。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電動機システムを模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電動機システム１０は、電動機１２と、電源回路１４と、制御盤１６と、異常検出装置２０と、を備える。

電動機１２は、電動機本体部３０と、ブレーキ３２と、を有する。電動機本体部３０は、固定子３０ａと、回転子３０ｂと、を有する。固定子３０ａは、回転子３０ｂを回転可能に支持する。回転子３０ｂは、電動機本体部３０への電源供給により、固定子３０ａに支持された状態で回転する。

ブレーキ３２は、電源回路１４と電気的に接続されている。ブレーキ３２は、電源回路１４からの電源供給によって動作する。ブレーキ３２は、電源回路１４から電源が供給されていない状態で、回転子３０ｂの回転を制動する。そして、ブレーキ３２は、電源回路１４からの電源供給に応じて回転子の制動状態を開放する（解除する）。すなわち、ブレーキ３２は、いわゆる無励磁動作型（負作動型）である。

ブレーキ３２は、例えば、バネなどの弾性体によってブレーキパッドを回転子３０ｂに押し付けることにより、電源を供給されていない状態において回転子３０ｂの回転を制動する。そして、ブレーキ３２は、例えば、電磁石によってブレーキパッドの押し付け状態を解除することにより、電源供給に応じて回転子３０ｂの制動状態を開放する。ブレーキ３２の構造は、上記に限ることなく、電源供給に応じて回転子３０ｂの制動状態を開放することができる任意の構造でよい。

電動機１２は、例えば、誘導電動機である。すなわち、電動機１２は、ブレーキ付きの誘導電動機である。電動機１２は、例えば、同期電動機などの他の交流電動機でもよいし、直流電動機などでもよい。

電源回路１４は、電源４と電気的に接続されている。電源回路１４は、電源４から供給される電源を電動機１２のブレーキ３２の動作に必要な電源に変換し、変換後のブレーキ解放動作に必要な電源をブレーキ３２に供給する。

この例において、電源４は、交流電源である。電源４は、例えば、２００Ｖ（実効値）〜４００Ｖ（実効値）の交流電源である。電源回路１４は、例えば、電源４から供給された交流電源を直流電源に変換してブレーキ３２に供給する。電源回路１４は、例えば、電源４から供給された交流電源をブレーキ解放動作に必要な直流電源に変換してブレーキ３２に供給する。電源４は、単相交流でもよいし、三相交流でも良い。この例において、ブレーキ３２は、直流駆動である。

この例では、電源４と電源回路１４との間に、スイッチング素子１８が設けられている。電源回路１４は、スイッチング素子１８を介して電源４と電気的に接続される。スイッチング素子１８は、電源４の電源を電源回路１４に供給するオン状態と、電源４から電源回路１４への電源供給を遮断するオフ状態と、を切り替える。スイッチング素子１８は、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチでもよいし、リレーや開閉器などの機械式スイッチでもよい。

スイッチング素子１８は、例えば、電源４と電気的に接続された第１主端子と、電源回路１４と電気的に接続された第２主端子と、第１主端子と第２主端子との間に流れる電流を制御する制御端子と、を有する。なお、オフ状態は、例えば、電源回路１４が動作しない程度の小さい電流が各主端子間に流れる状態でもよい。オン状態は、換言すれば、各主端子間に電流が流れる第１状態である。オフ状態は、換言すれば、各主端子間に流れる電流が第１状態よりも小さい第２状態である。

制御盤１６は、電源回路１４と電気的に接続されている。制御盤１６は、電源回路１４に開放指令信号ＯＣＳを入力する。電源回路１４は、制御盤１６からの開放指令信号ＯＣＳの入力に応じて、ブレーキ３２に電力を供給する。制御盤１６は、例えば、外部からの指示に応じて開放指令信号ＯＣＳを電源回路１４に入力する。開放指令信号ＯＣＳは、例えば、制御盤１６に操作部を設け、操作部の操作に応じて電源回路１４に入力してもよい。開放指令信号ＯＣＳは、例えば、プログラムに基づく制御に応じて電源回路１４に入力してもよい。開放指令信号ＯＣＳは、制御盤１６からに限ることなく、他の装置などから電源回路１４に入力してもよい。

異常検出装置２０は、電流検出部２２と、異常判定回路２４と、を有する。電流検出部２２は、電源回路１４からブレーキ３２に供給される電流を検出する。電流検出部２２は、異常判定回路２４と電気的に接続されている。電流検出部２２は、電流の検出結果を異常判定回路２４に入力する。電流検出部２２には、例えば、変流器が用いられる。電流検出部２２は、例えば、ブレーキ３２に供給される電流を非接触で検出する。電流検出部２２は、これに限ることなく、ブレーキ３２に供給される電流を検出可能な任意の素子でよい。

異常判定回路２４には、電流検出部２２で検出された電流の電流値が入力されるとともに、開放指令信号ＯＣＳが入力される。この例では、異常判定回路２４が、制御盤１６内に設けられている。制御盤１６から電源回路１４に入力される開放指令信号ＯＣＳが、異常判定回路２４にも入力される。異常判定回路２４は、制御盤１６と別に設けてもよい。異常判定回路２４を制御盤１６と別に設ける場合には、例えば、異常判定回路２４を制御盤１６に電気的に接続し、制御盤１６から異常判定回路２４に開放指令信号ＯＣＳを入力する。異常判定回路２４は、例えば、制御盤１６のプロセッサ内に設けられた１つの論理ブロックでもよい。

異常判定回路２４は、電流検出部２２で検出された電流と開放指令信号ＯＣＳとを基に、電源回路１４の異常を検出する。異常判定回路２４は、検出された電流の電流値に対して所定の閾値を設定する。異常判定回路２４は、開放指令信号ＯＣＳが入力されている状態において、検出された電流の電流値が閾値より小さい場合に、電源回路１４を異常と判定する。これにより、電源回路１４の異常が検出される。

異常判定回路２４は、スイッチング素子１８の制御端子と電気的に接続されている。異常判定回路２４は、例えば、制御端子に入力する電圧により、スイッチング素子１８のオン状態とオフ状態とを切り替える。

異常判定回路２４は、電源回路１４の異常を検出した場合、スイッチング素子１８をオフ状態にし、電源回路１４への電源供給を停止させる。これにより、異常判定回路２４は、電源回路１４の異常を検出した場合に、電源回路１４からブレーキ３２への電源の供給を停止させる。換言すれば、異常判定回路２４は、電源回路１４の異常を検出した場合に、電源回路１４の動作を停止させる。すなわち、異常判定回路２４は、電源回路１４の異常を検出した場合、ブレーキ３２によって回転子３０ｂの回転を制動する。

なお、ブレーキ３２への電源供給の停止は、上記に限ることなく、例えば、電源回路１４への開放指令信号ＯＣＳの入力を停止させることで行ってもよい。また、例えば、電源回路１４と電動機１２との間にスイッチング素子１８を設け、スイッチング素子１８をオフ状態にすることによって行ってもよい。

例えば、異常判定回路２４が電源回路１４の異常を検出した場合には、電動機１２の電動機本体部３０への電源供給を停止させる。これにより、ブレーキ３２で制動された状態で、回転子３０ｂに駆動力が加わり続けてしまうことを抑制することができる。例えば、電動機１２の故障を抑制することができる。又は、本来ブレーキが動作すべきタイミングで、動作しない事に起因する事故を防ぐことができる。

異常判定回路２４は、例えば、電源回路１４の異常を検出した場合に、電源回路１４の異常を報知してもよい。報知の態様は、ベル・ブザーなどの音やランプ表示などの光など、異常の報知が可能な任意の態様でよい。また、報知は、オペレータなどに対する報知でもよいし、制御盤１６などの他のコントローラなどに対する報知でもよい。例えば、異常の検出を制御盤１６に報知し、この報知に応答して制御盤１６に電動機本体部３０への電源供給を停止させてもよい。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る電動機システムの動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
図２（ａ）〜図２（ｃ）の横軸は、時間ｔである。
図２（ａ）の縦軸は、電源回路１４及び異常判定回路２４に入力される開放指令信号ＯＣＳである。
図２（ｂ）の縦軸は、電源回路１４からブレーキ３２に供給される電力の電圧Ｖである。
図２（ｃ）の縦軸は、電流検出部２２で検出された電流Ｉである。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、電源回路１４は、開放指令信号ＯＣＳの入力から所定時間経過するまでの第１区間Ｔ１において、第１電圧Ｖ１をブレーキ３２に供給する。そして、電源回路１４は、所定時間の経過から開放指令信号ＯＣＳの入力の停止までの第２区間Ｔ２において、第２電圧Ｖ２をブレーキ３２に供給する。第２電圧Ｖ２の電圧値は、第１電圧Ｖ１の電圧値よりも低い。第１区間Ｔ１の所定時間は、例えば、１秒である。

第１電圧Ｖ１は、ブレーキ３２を起動させるための、いわゆるフォーシング電圧である。第２電圧Ｖ２は、ブレーキ３２を開放状態で保持するための、いわゆる保持電圧である。第１電圧Ｖ１は、例えば、１００Ｖである。第２電圧Ｖ２は、例えば、２４Ｖである。第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の値は、上記に限ることなく、ブレーキ３２に対応させて任意に設定すればよい。また、例えば、フォーシング電圧と保持電圧との差が小さい場合などには、第２電圧Ｖ２に切り替えることなく、第１電圧Ｖ１を印加し続けてもよい。

図２（ｃ）に表したように、異常判定回路２４は、第１区間Ｔ１において、第１閾値Ｉｐ１を設定する。異常判定回路２４は、第２区間Ｔ２において、第２閾値Ｉｐ２を設定する。第２閾値Ｉｐ２は、第１閾値Ｉｐ１よりも小さい。第１閾値Ｉｐ１は、例えば、ブレーキ３２に第１電圧Ｖ１を印加した時の定格電流に応じて設定される。第２閾値Ｉｐ２は、例えば、ブレーキ３２に第２電圧Ｖ２を印加した時の定格電流に応じて設定される。

異常判定回路２４は、第１区間Ｔ１において、電流検出部２２で検出された電流Ｉｓ（以下、フォーシング電流Ｉｓと称す）の電流値が、第１閾値Ｉｐ１より小さい場合に、電源回路１４を異常と判定する。

異常判定回路２４は、第２区間Ｔ２において、電流検出部２２で検出された電流Ｉｒ（以下、保持電流Ｉｒと称す）の電流値が、第２閾値Ｉｐ２より小さい場合に、電源回路１４を異常と判定する。

また、異常判定回路２４は、タイマ機能を有する。異常判定回路２４は、フォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１より小さいの状態が第１時間ｈ１継続された場合に、電源回路１４を異常と判定する。第１時間ｈ１は、第１区間Ｔ１の時間よりも短い任意の値に設定される。例えば、第１区間Ｔ１が１秒である場合、第１時間ｈ１は、０．５秒程度に設定される。これにより、例えば、フォーシング電流Ｉｓの立ち上がりの遅れを、電源回路１４の異常として検出してしまうことなどを抑制することができる。例えば、電源回路１４の異常の検出精度を高めることができる。

異常判定回路２４は、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さい状態が第２時間ｈ２継続された場合に、電源回路１４を異常と判定する。第２時間ｈ２は、例えば、３秒以下程度に設定される。これにより、例えば、電源４の瞬時電圧低下などにともなう一時的な保持電流Ｉｒの低下を異常として検出してしまうことを抑制することができる。例えば、電源回路１４の異常の検出精度をより高めることができる。

次に、本実施形態に係る電動機システム１０の作用について説明する。
図３は、実施形態に係る電動機システムの動作の一例を模式的に表すフローチャートである。
図３に表したように、異常検出装置２０の異常判定回路２４は、開放指令信号ＯＣＳが入力されると、第１区間Ｔ１であるか否かの判定を行う（ステップＳ０１）。

異常判定回路２４は、例えば、開放指令信号ＯＣＳの入力のタイミングから計時を開始し、所定時間未満である場合に、第１区間Ｔ１と判定し、所定時間以上である場合に、第２区間Ｔ２と判定する。異常判定回路２４は、例えば、開放指令信号ＯＣＳの入力のタイミングから１秒未満である場合に、第１区間Ｔ１と判定し、１秒以上である場合に、第２区間Ｔ２と判定する。

異常判定回路２４は、第１区間Ｔ１であると判定すると、電流検出部２２で検出された電流を基に、フォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１より小さいか否かを判定する（ステップＳ０２）。

異常判定回路２４は、ステップＳ０１において第２区間Ｔ２であると判定した場合、及び、ステップＳ０２においてフォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１以上と判定した場合、電流検出部２２で検出された電流を基に、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さいか否かを判定する（ステップＳ０３）。

異常判定回路２４は、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２以上と判定した場合、電源回路１４が正常であると判定する（ステップＳ０４）。

異常判定回路２４は、ステップＳ０２においてフォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１より小さいと判定した場合、フォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１より小さい状態が第１時間ｈ１継続されたか否かを判定する（ステップＳ０５）。

異常判定回路２４は、第１閾値Ｉｐ１より小さいと判定したタイミングから第１時間ｈ１の経過の前に、フォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１以上となった場合には、ステップＳ０１に戻り、再び第１区間Ｔ１であるか否かを判定する。

一方、異常判定回路２４は、フォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１より小さい状態が第１時間ｈ１継続されたと判定した場合、電源回路１４が異常であると判定する（ステップＳ０６）。

また、異常判定回路２４は、ステップＳ０３において保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さいと判定した場合、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さい状態が第２時間ｈ２継続されたか否かを判定する（ステップＳ０７）。

異常判定回路２４は、第２閾値Ｉｐ２より小さいと判定したタイミングから第２時間ｈ２の経過の前に、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２以上となった場合には、ステップＳ０３に戻り、再び保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さいか否かを判定する。そして、異常判定回路２４は、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さい状態が第２時間ｈ２継続されたと判定した場合、電源回路１４が異常であると判定する。

異常判定回路２４は、電源回路１４を異常と判定した場合、スイッチング素子１８をオフ状態にし、電源回路１４からブレーキ３２への電源の供給を停止させる。これにより、電源回路１４の異常が検出された場合には、ブレーキ３２によって回転子３０ｂの回転を制動する。

このように、本実施形態に係る異常検出装置２０では、ブレーキ３２に供給される電流を電流検出部２２で検出し、検出された電流を基に、電源回路１４の異常を検出する。これにより、例えば、電源回路１４とブレーキ３２との間に断線が生じている場合や、ブレーキ３２を開放できない程度の小さな電流が出力されている場合などにおいても、電源回路１４の異常を適切に検出することができる。例えば、電源回路１４とブレーキ３２との間の断線を電源回路１４の異常として検出することができる。従って、本実施形態に係る異常検出装置２０では、電源回路１４の異常を高精度に検出することができる。

また、上記のように、フォーシング電流Ｉｓの電流値が第１閾値Ｉｐ１より小さい状態が第１時間ｈ１継続された場合に、電源回路１４を異常と判定する。そして、保持電流Ｉｒの電流値が第２閾値Ｉｐ２より小さい状態が第２時間ｈ２継続された場合に、電源回路１４を異常と判定する。これにより、電源回路１４の異常をより高精度に検出することができる。

例えば、電動機システム１０をアーク炉に用いた場合には、電源回路１４の異常によりブレーキ３２が正常に動作せず、電極が炉体に接触してしまうことを抑制することができる。例えば、電極の折損を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。

４…電源、１０…電動機システム、１２…電動機、１４…電源回路、１６…制御盤、１８…スイッチング素子、２０…異常検出装置、２２…電流検出部、２４…異常判定回路、３０…電動機本体部、３２…ブレーキ

Claims

開放指令信号の入力に応じて電源回路から電動機のブレーキに供給される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流の電流値が入力されるとともに、前記開放指令信号が入力され、前記開放指令信号が入力されている状態において、前記電流値が第１閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定する異常判定回路と、
を備え、
前記電源回路は、前記開放指令信号の入力から所定時間経過するまでの第１区間において、第１電圧を前記ブレーキに供給し、前記所定時間の経過から前記開放指令信号の入力の停止までの第２区間において、前記第１電圧よりも低い第２電圧を前記ブレーキに供給し、
前記異常判定回路は、前記第１区間において、前記電流値が前記第１閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定し、前記第２区間において、前記電流値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定する異常検出装置。
前記異常判定回路は、前記第１区間において、前記電流値が前記第１閾値より小さい状態が第１時間継続された場合に、前記電源回路を異常と判定し、前記第２区間において、前記電流値が前記第２閾値より小さい状態が第２時間継続された場合に、前記電源回路を異常と判定する請求項１記載の異常検出装置。
前記異常判定回路は、前記電源回路の異常を判定した場合に、前記電源回路から前記ブレーキへの電源の供給を停止させる請求項１又は２に記載の異常検出装置。
開放指令信号の入力に応じて電源回路から電動機のブレーキに供給される電流を検出する工程であって、前記電源回路は、前記開放指令信号の入力から所定時間経過するまでの第１区間において、第１電圧を前記ブレーキに供給し、前記所定時間の経過から前記開放指令信号の入力の停止までの第２区間において、前記第１電圧よりも低い第２電圧を前記ブレーキに供給する工程と、
前記開放指令信号が前記電源回路に入力されている状態において、前記第１区間において、前記電流値が前記第１閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定し、前記第２区間において、前記電流値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値より小さい状態である場合に、前記電源回路を異常と判定する工程と、
を備えた異常検出方法。