JP6360013B2

JP6360013B2 - 負荷バランス制御装置

Info

Publication number: JP6360013B2
Application number: JP2015157032A
Authority: JP
Inventors: 覚橋本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2035-08-07
Also published as: JP2017038441A

Description

本発明の実施形態は、出力軸が互いに連結されたマスター電動機とスレーブ電動機との負荷バランスを制御する負荷バランス制御装置に関する。

各種の産業分野などにおいて、共通の負荷を複数の電動機により駆動する場合がある。例えば、機械メーカなどにおいて、完成した製品の性能試験を行う場合、被試験材である製品が圧縮機の場合、この圧縮機を電動機により駆動し、その特性を試験することが行われている。或いは、被試験材がシャフト状の加工品の場合は、これを回転させてバランスがとれているかを試験することが行われている。

これらの場合、被試験材の容量や大きさなどにより、電動機１台運転で試験を行う場合や、複数台の電動機をタンデム運転して試験を行う場合がある。複数台の電動機を運転する場合、どれか１台がマスター電動機となり、他はスレーブ電動機となる。

これらマスター電動機及びスレーブ電動機が分担する負荷は、電動機の容量に見合って適切にバランスしている必要があり、マスター、スレーブとも同じ容量であれば均等に分担する必要がある。このため、マスター電動機とスレーブ電動機との負荷バランスを制御する負荷バランス制御が用いられる。

負荷バランス制御には、センサ付ベクトル制御、トルク制御、負荷バランス制御の各機能が必要である。マスター電動機及びスレーブ電動機の可変速な運転制御にはそれぞれインバータ装置が用いられる。ここで、インバータ装置は、対応する電動機に供給される周波数及び電流値を制御するインバータ本体部と、このインバータ本体部のスイッチング素子を制御する制御部とからなる。

汎用のインバータ装置の制御部は、センサ付ベクトル制御機能及びトルク制御機能を持っている。このような汎用のインバータ制御装置を、マスター電動機及びスレーブ電動機毎に設けて、これらを単純並列運転することが考えられた。例えば、負荷分担を考慮して同じ容量の２台の電動機をマスター及びスレーブとして選定し、これら２台の電動機毎に汎用のインバータ装置を設け、単純並列運転を行う。

このような汎用のインバータ装置の単純並列運転を行った場合、振動など、何らかの要因で負荷のアンバランス状態が発生すると、当初僅かなアンバランスであっても徐々にアンバランスが拡大し、一方のインバータ装置がトリップに至ってしまう。また、並列運転される２台のインバータ装置がセンサ付ベクトル制御により２台の電動機を個々に速度制御すると、互いの制御が干渉しあい、安定しない状態となる。このため複数台の電動機の負荷バランス制御を、汎用のインバータ装置の単純並列運転で行うことは困難であった。

前述のように、負荷バランス制御には、センサ付ベクトル制御、トルク制御、負荷バランス制御の各機能が必要である、このため、マスター電動機用のインバータ装置及びスレーブ電動機用のインバータ装置の制御部には、独立した制御ロジックを構成する必要がある。
例えば、マスター電動機用のインバータ装置の制御部では、センサ付ベクトル制御を行うため、マスター電動機の回転速度検出器からフィードバック信号を入力し、外部のＰＬＣ(プログラマブルロジックコントローラ)で設定された速度基準値との偏差に基づく電流基準値を生成する。この電流基準値を、トルク制御のため、マスター電動機用のインバータ本体からのフィードバック電流値と比較し、これらの偏差に基づいて制御電流値を生成し、マスター電動機用のインバータ本体へ制御指令として出力する。

このマスター電動機用インバータ装置における前述した電流基準値は、負荷分担のためにスレーブ電動機用のインバータ装置にも与えられる。スレーブ電動機用インバータ装置の制御部は、トルク制御のため、この電流基準値をスレーブ電動機用のインバータ本体からのフィードバック電流値と比較し、これらの偏差に基づく制御電流値を生成し、スレーブ電動機用のインバータ本体へ制御指令として出力する。

すなわち、マスター電動機用インバータ装置の制御部には、センサ付ベクトル制御、トルク制御、負荷バランス制御の各機能の実現する制御ロジックが構成される。これに対し、スレーブ電動機用インバータ装置の制御部には、マスター電動機用インバータ装置からの電流基準値を受ける機能及び、トルク制御を行う制御ロジックが構成される。

このように、マスター電動機用インバータ装置及びスレーブ電動機用インバータ装置の各制御部に構成される制御ロジックは、互いに大きく異なる。このため、汎用のインバータ装置を用いることは困難であり、専用のインバータ装置を適用せざるを得なかった。

この専用のインバータ装置を用いた負荷バランス制御は、マスター電動機及びスレーブ電動機を１台の電動機とみなして制御するものであり、負荷の急変などにも追従でき、優れた特性を有するが、汎用のインバータ装置を適用できないため、コスト・リードタイムが不利となる。

特開平９−１６３７８３号公報特開平６−３４６１５７号公報

このように従来の負荷バランス制御には汎用のインバータ装置を用いることが困難であり、コスト・リードタイムが不利であった。

本発明は、汎用のインバータ装置の適用を可能とした複数電動機の負荷バランス制御装置を提供することにある。

本発明の実施の形態に係る負荷バランス制御装置は、出力軸が互いに連結されたマスター電動機とスレーブ電動機との負荷バランスを制御する負荷バランス制御装置であって、前記マスター電動機の駆動電流を制御するマスター用インバータ本体部及びマスター用インバータ制御部と、前記スレーブ電動機の駆動電流を制御するスレーブ用インバータ本体部及びスレーブ用インバータ制御部と、前記マスター電動機への供給電力を検出するマスター用電力検出器、及びスレーブ電動機への供給電力を検出するスレーブ用電力検出器と、前記マスター電動機のための第１の速度基準値を出力する速度基準部と、前記マスター電動機の回転速度を検出する速度検出器と、前記マスター用電力検出器で検出された電力値とスレーブ用電力検出器で検出された電力値との偏差に比例した値を前記第１の速度基準値に加えて第２の速度基準値を生成する負荷バランス調整部とを備え、前記マスター用インバータ制御部は、前記第１の速度基準値と前記速度検出器で検出された速度検出値との偏差に基づくマスター用電流基準値を生成するマスター用速度制御部、及びこのマスター用電流基準値と前記マスター用インバータ本体部からのフィードバック電流値との偏差に基づくマスター用インバータ本体部への制御電流値を出力するマスター用電流制御部を有し、前記スレーブ用のインバータ制御部は、前記第２の速度基準値と内部演算速度フィードバック値との偏差に基づくスレーブ用電流基準値を生成するスレーブ用速度制御部、及びこのスレーブ用電流基準値と前記スレーブ用インバータ本体部からのフィードバック電流値との偏差に基づくスレーブ用インバータ本体部への制御電流値を出力するスレーブ用電流制御部を有し、前記内部演算速度フィードバック値は前記スレーブ用インバータ本体部への出力値に基づいて演算される予測値であることを特徴とする。

上記構成によれば、専用のインバータ装置を用いることなく汎用のインバータ装置を適用して複数電動機の負荷バランスを制御することができ、コスト・リードタイムを有利に構成することができる。

本発明の一実施の形態に係る負荷バランス制御装置の構成図である。本発明の他の実施の形態に係る負荷バランス制御装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施の形態を示す図１において、電動機１１，１２は負荷バランス制御対象の電動機で、メカタイ（メカニカルタイ）１３により出力軸が互いに連結されている。この実施の形態では、電動機１１をマスター電動機、電動機１２をスレーブ電動機とする。マスター電動機１１には、その回転速度を検出する速度検出器１４が設けられている。

このマスター電動機１１及びスレーブ電動機１２は、例えば、前述のように機械メーカの試験装置等に用いられ、共通の負荷である被試験材を回転駆動する。なお、マスター電動機１１及びスレーブ電動機１２は互いに同容量であるとする。

これらマスター電動機１１及びスレーブ電動機１２は、それぞれ汎用のインバータ装置１５，１６により可変速で運転制御される。インバータ装置１５，１６は、電源線１８と対応する電動機１１，１２との間に設けられたインバータ本体部１５１，１６１と、このインバータ本体部１５１，１６１のスイッチング素子を制御する制御部１５２，１６２とからなる。

ここで、インバータ本体部１５１は、そのスイッチング素子によりマスター電動機１１の駆動電流を制御するもので、ここではマスター用インバータ本体部と呼び、その制御部１５２をマスター用インバータ制御部と呼ぶ。また、インバータ本体部１６１は、そのスイッチング素子によりスレーブ電動機１２の駆動電流を制御するもので、ここではスレーブ用インバータ本体部と呼び、その制御部１６２をスレーブ用インバータ制御部と呼ぶ。

このマスター用インバータ本体部１５１及びスレーブ用インバータ本体部１６１と、電源線１８との間には、マスター電動機１１への供給電力を検出するマスター用電力検出器２１と、スレーブ電動機１２への供給電力を検出するスレーブ用電力検出器２２とが設けられている。

マスター電動機１１及びスレーブ電動機１２の負荷バランスを制御する負荷バランス制御部２５には、上述したマスター用インバータ制御部１５２、スレーブ用インバータ制御部１６２の他、速度基準部２６、負荷バランス調整部２７が設けられている。これら速度基準部２６、負荷バランス調整部２７はＰＬＣ２８により構成される。

速度基準部２６は、マスター電動機１１のための第１の速度基準値２６１を出力する。また、負荷バランス調整部２７は、マスター用電力検出器２１で検出された電力値２１１とスレーブ用電力検出器２２で検出された電力値２２１との偏差に基づいて、スレーブ電動機１２のための第２の速度基準値２７１を生成する。そのために、負荷バランス調整部２７は、電力を平準化するためのフィルタ３０，３１、偏差を得るための加算器３２、動作領域の不感帯とゲインの機能を備えた演算部３３、及び加算器３４を有する。そして電力値２１１，２２１の偏差を加算器３２で求め、この偏差に比例した値を演算部３３で算出する。この演算部３３で算出された値を、加算器３４により前述した第１の速度基準値２６１に加えて第２の速度基準値２７１を生成する。

ここで、インバータ装置１５，１６には汎用のものを用いているので、それらの制御部であるマスター用インバータ制御部１５２及びスレーブ用インバータ制御部１６２に構成される制御ロジックは基本的に同じである。このため、マスター用インバータ制御部１５２及びスレーブ用インバータ制御部１６２の制御ロジックの説明は、互いに関連する符号を付して以下行う。

これらのインバータ制御部１５２，１６２は、センサ付ベクトル制御機能を実現するための制御ロジックとして加算器３５１，３５２及び速度制御部３６１，３６２を有する。また、トルク制御機能を実現するための制御ロジックとして加算器３７１，３７２及び電流制御部３８１，３８２を有する。

マスター用インバータ制御部１５２では、加算器３５１は第１の速度基準値２６１と、マスター電動機１１の速度検出器１４で検出された速度検出値（速度フィードバック値）１４１との偏差を算出する。速度制御部３６１（以下、これをマスター用速度制御部と呼ぶ）は、加算器３５１で算出された偏差を入力し、この偏差に基づく電流基準値（以下、これをマスター用電流基準値と呼ぶ）３６１１を生成する。

加算器３７１は、マスター用電流基準値３６１１と、マスター用インバータ本体部１５１からのフィードバック電流値１５１１との偏差を算出する。電流制御部３８１（以下、これをマスター用電流制御部と呼ぶ）は、加算器３７１で算出された偏差を入力し、この偏差に基づき、マスター用インバータ本体部１５１のスイッチング素子への制御電流値を生成し、出力する。

スレーブ用インバータ制御部１６２では、加算器３５２は第２の速度基準値２７１と、後述する内部演算速度フィードバック値１６２１との偏差を算出する。速度制御部３６２（以下、これをスレーブ用速度制御部と呼ぶ）は、加算器３５２で算出された偏差を入力し、この偏差に基づく電流基準値（以下、これをスレーブ用電流基準値と呼ぶ）３６２１を生成する。

加算器３７２は、スレーブ用電流基準値３６２１と、スレーブ用インバータ本体部１６１からのフィードバック電流値１６１１との偏差を算出する。電流制御部３８２（以下、これをスレーブ用電流制御部と呼ぶ）は、加算器３７２で算出された偏差を入力し、この偏差に基づきスレーブ用インバータ本体部１６１への制御電流値を生成し、出力する。

なお、前述した内部演算速度フィードバック値１６２１は、スレーブ用インバータ制御部１６２からスレーブ用インバータ本体部１６１への出力値（周波数、電流値）に基づいて演算される予測値である。この演算機能は汎用インバータ装置に標準的に備わっている。

次に、この実施の形態の作用を説明する。

電動機１１，１２のトルクは下記の式で求められる。

上記の式において、２台の電動機１１，１２の回転数Ｎが同一であるため、電力Ｐの変化分は、電動機１１，１２のトルクＴの変化分と等しくなる。そこで、インバータ本体部１５１，１６１の一次側の電力を検出して比較する事で、２台の電動機１１，１２のトルク差分を算出する。その結果、以下の方式で２台の電動機１１，１２のトルクの負荷バランスを制御することが可能となる。以下、全体的な制御の流れを説明する。

まず、ＰＬＣ２８の速度基準部２６にて、電動機１１，１２の回転数を決める第１の速度基準値２６１を設定する。この第１の速度基準値２６１はマスター用インバータ制御部１５２に入力され、その加算器３５１で、マスター電動機１１の速度検出器１４からの速度フィードバック値が加算され、これらの偏差が算出される。この偏差はマスター用速度制御部３６１に入力され、速度偏差が０になるようにマスター用電流基準値３６１１を生成し、出力する。

このマスター用電流基準値３６１１は加算器３７１にて、マスター用インバータ本体部１５１からのフィードバック電流値１５１１と加算され、それらの偏差が算出される。マスター用電流制御部３８１は、加算器３７１で算出された偏差が０となるような制御電流値を生成し、マスター用インバータ本体部１５１に出力し、そのスイッチング素子を制御する。このためマスター電動機１１は、速度基準部２６で設定された速度で運転される。

次に、スレーブ電動機１２側についてみる。スレーブ電動機１２は、マスター電動機１１とメカタイ１３により連結されているので、マスター電動機１１と同一速度で運転される。このとき、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２との負荷分担が等しければ、それらの出力トルクＴの値も等しく、前述の式から両電動機１１，１２への供給電力Ｐも等しくなる。

前述した第１の速度基準値２６１は、負荷バランス調整部２７にも与えられ、その加算器３４の一方の入力となる。

このとき、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２の負荷がバランスして、両者のトルクが等しい場合、前述のように、両者への供給電力は互いに等しい。すなわち、マスター用電力検出器２１、及びスレーブ用電力検出器２２で検出され、対応するフィルタ３０，３１を介して加算器３２入力される電力値２１１，２２１は互いに等しく、偏差は生じない。このため、加算器３４の一方に入力された第１の速度基準値２６１は、そのまま第２の速度基準値２７１となり、スレーブ用インバータ制御部１６２に入力される。

スレーブ用インバータ制御部１６２では、加算器３５２により、入力された第２の速度基準値２７１と内部演算速度フィードバック値１６２１との偏差を算出する。スレーブ用速度制御部３６２は、加算器３５２で算出された偏差を入力し、この偏差に基づくスレーブ用電流基準値３６２１を生成する。このスレーブ用電流基準値３６２１は、加算器３７２にてスレーブ用インバータ本体部１６１からのフィードバック電流値１６１１と加算され、これら両者の偏差が算出される。スレーブ用電流制御部３８２は、加算器３７２で算出された偏差に基づきスレーブ用インバータ本体部１６１への制御電流値を生成し、出力する。これらの結果、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２とは負荷バランス状態を維持して運転される。

これに対し、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２との分担する負荷がアンバランスであり、両者のトルクに差が生じた場合は、両者への供給電力にも差が生じる。例えば、マスター電動機１１よりスレーブ電動機１２の負担が少なく、マスター用電力検出器２１で検出された電力値２１１よりスレーブ用電力検出器２２で検出された電力値２２１の方が低い場合、これら両者の偏差が加算器３２により算出される。そして、この偏差に比例する値が演算部３３により算出される。この値は加算器３４にて第１の速度基準値２６１に加えられ、第２の速度基準値２７１を生成する。スレーブ電動機１２の負担が上述のようにマスター電動機１１より少ない場合は、第２の速度基準値２７１は第１の速度基準値２６１より高い値となる。

スレーブ用インバータ制御部１６２では、加算器３５２により、入力された第２の速度基準値２７１と内部演算速度フィードバック値１６２１との偏差を算出する。このときスレーブ電動機１２は、マスター電動機１１と同じ速度で回転しているので、増速方向の偏差が生じる。この増速方向の偏差はスレーブ用速度制御部３６２に入力され、この増速方向の偏差に対応した、より大きなスレーブ用電流基準値３６２１を生成する。このスレーブ用電流基準値３６２１は、スレーブ用インバータ本体部１６１からのフィードバック電流値１６１１より大きな値となるので、加算器３７２は電流値を増大させる方向の偏差を算出する。このためスレーブ用電流制御部３８２は、電流値を増大させる方向の偏差に基づき、スレーブ用インバータ本体部１６１への制御電流値を生成し、出力する。このためスレーブ用インバータ本体部１６１は、スレーブ電動機１２に流れる電流値を増大させるので、スレーブ電動機１２への供給電力（トルク）が増大し、マスター電動機１１との負荷分担がバランスする。

このように、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２との間にトルクの偏差が発生した場合、負荷バランス調整部２７の加算器３２の出力に偏差が現れる。その偏差を、演算部３３を介して加算器３４に入力し、第１の速度基準値２６１に加算して、第２の速度基準値２７１を生成し、この第２の速度基準値２７１をスレーブ用インバータ制御部１６２の速度基準とする。すると、マスター側とスレーブ側の速度基準の偏差が生じ、結果としてマスター側とスレーブ側の電流基準が変化する事になる。電流基準が変化する事で再び負荷のバランスを緩やかに元に戻すことが可能となる。

このような穏やかな負荷変動に対しての負荷バランス制御のため、演算部３３では、不安定要素を含む比例積分制御では無く、比例制御のみを適用する。

ここで、スレーブ用インバータ制御部１６２の加算器３５２において、第２の速度基準値２７１に対して内部演算速度フィードバック値１６２１を加算したのは以下の理由による。すなわち、スレーブ用インバータ制御部１６２の加算器３５２に、マスター用インバータ制御部１５２と同様に速度検出器１４からのフィードバック値を加算すると、２台のインバータ装置がセンサ付き速度制御で構成されていることとなり、互いの制御が干渉しあってしまう。このため、スレーブ電動機１２は速度検出器無しのセンサレスベクトル制御とする。したがって、スレーブ用インバータ制御部１６２の加算器３５２へは、センサレスベクトル制御で求められる内部演算速度フィードバック値１６２１を加算した。その結果、スレーブ用インバータ制御部１６２の速度制御精度及び速度応答が、マスター用インバータ制御部１５２より緩やかになり、制御の干渉を防止している。

このように、比較的外乱が少なく、急激な速度応答性を求められない設備では、負荷バランス制御のための負荷バランス調整部２７をインバータ制御部に組み込まず、ＰＬＣ２８に組み込むこと等により、汎用インバータ装置の適用が可能となった。したがって、専用インバータを使用することなく、汎用インバータ装置を適用することで負荷バランス制御を実現する事が可能となる。また、上述のように、外乱が少なく、急激な速度応答性を求められない設備であれば、汎用インバータでも専用インバータと同等の機能を得る事が可能となる。汎用インバータは専用インバータに比べてコスト・リードタイムが有利なだけでなく、技術資料の充実、調整の容易さ、故障時の復旧対応等、採用に際しメリットは多い。

図２は本発明の他の実施形態に係る負荷バランス制御装置の構成図である。図２の実施の形態は、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２との容量が異なる場合である。この場合、負荷バランス調整部２７には、マスター用電力検出器２１で検出された電力値２１１とスレーブ用電力検出器２２で検出された電力値２２１の少なくとも一方（図２ではスレーブ用電力検出器２２で検出された電力値２２１）に容量調整用係数４１をかけている。このことにより、マスター電動機１１とスレーブ電動機１２とを同一容量とみなして偏差を検出することが可能となる。

すなわち、図１で示した実施形態の加算器３２による電力量偏差演算前に容量調整用係数４１を加えた構成である。この構成により、２台の電動機１１，１２の容量が異なる場合でも、スレーブ用電力検出値２２１に容量調整用係数４１を掛けることにより、スレーブ側の出力を適切に調整する事ができる。

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、その他のさまざま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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１１…マスター電動機
１２…スレーブ電動機
１３…メカタイ
１４…速度検出器
１５１…マスター用インバータ本体部
１５２…マスター用インバータ制御部
１６１…スレーブ用インバータ本体部
１６２…スレーブ用インバータ制御部
２１…マスター用電力検出器
２２…スレーブ用電力検出器
２５…負荷バランス制御部
２６…速度基準部
２７…負荷バランス調整部
３２，３４，３５１，３５２，３７１，３７２…加算器
３６１…マスター用速度制御部
３６２…スレーブ用速度制御部
３８１…マスター用電流制御部
３８２…スレーブ用電流制御部
４１…容量調整用係数

Claims

出力軸が互いに連結されたマスター電動機とスレーブ電動機との負荷バランスを制御する負荷バランス制御装置であって、
前記マスター電動機の駆動電流を制御するマスター用インバータ本体部及びマスター用インバータ制御部と、
前記スレーブ電動機の駆動電流を制御するスレーブ用インバータ本体部及びスレーブ用インバータ制御部と、
前記マスター電動機への供給電力を検出するマスター用電力検出器、及びスレーブ電動機への供給電力を検出するスレーブ用電力検出器と、
前記マスター電動機のための第１の速度基準値を出力する速度基準部と、
前記マスター電動機の回転速度を検出する速度検出器と、
前記マスター用電力検出器で検出された電力値とスレーブ用電力検出器で検出された電力値との偏差に比例した値を前記第１の速度基準値に加えて第２の速度基準値を生成する負荷バランス調整部とを備え、
前記マスター用インバータ制御部は、前記第１の速度基準値と前記速度検出器で検出された速度検出値との偏差に基づくマスター用電流基準値を生成するマスター用速度制御部、及びこのマスター用電流基準値と前記マスター用インバータ本体部からのフィードバック電流値との偏差に基づくマスター用インバータ本体部への制御電流値を出力するマスター用電流制御部を有し、
前記スレーブ用のインバータ制御部は、前記第２の速度基準値と内部演算速度フィードバック値との偏差に基づくスレーブ用電流基準値を生成するスレーブ用速度制御部、及びこのスレーブ用電流基準値と前記スレーブ用インバータ本体部からのフィードバック電流値との偏差に基づくスレーブ用インバータ本体部への制御電流値を出力するスレーブ用電流制御部を有し、
前記内部演算速度フィードバック値は前記スレーブ用インバータ本体部への出力値に基づいて演算される予測値である
ことを特徴とする負荷バランス制御装置。
前記負荷バランス調整部は、前記マスター電動機とスレーブ電動機との容量が異なる場合、前記マスター用電力検出器で検出された電力値とスレーブ用電力検出器で検出された電力値の少なくとも一方に容量調整用係数をかけることにより、前記マスター電動機とスレーブ電動機とを同一容量とみなして偏差を検出することを特徴とする請求項１に記載の負荷バランス制御装置。