JP6611194B2

JP6611194B2 - 電動機可変速駆動装置用冷却システム

Info

Publication number: JP6611194B2
Application number: JP2017015574A
Authority: JP
Inventors: なつみ石田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: JP2018125945A

Description

本発明は、電動機可変速駆動装置用冷却システムに関する。

製鐵所等のプラントでは、電動機を可変速駆動するために、直流−交流電力変換器（インバータ）と交流−直流電力変換器（コンバータ）を組み合わせた電力変換器が用いられる。この電動機可変速駆動装置は、複数の半導体素子で構成される。その半導体素子は、電力損失により、発熱する。この熱がある一定の値を超えると、半導体素子が劣化または破壊する恐れがある。そのため、電動機可変速駆動装置には冷却装置が取付けられることが多い。冷却装置としては、低容量向けの空冷方式と大容量向けの水冷方式がある。空冷方式は、ファンを利用し、冷媒である風を電動機可変速駆動装置内に循環させる。水冷方式は、水冷ポンプを利用し、冷媒である水を電動機可変速駆動装置内に循環させる。

従来、電動機可変速駆動装置に用いられる半導体素子の発熱が最大値となる場合でも半導体素子の破損が防止できるよう、冷却装置の冷却能力を定めている。そして、電動機可変速駆動装置が動作している間、冷却装置は、常にその一定能力で冷却を行う。（例えば、特許文献１参照。）

特開平１１−３４１８２４号公報

近年、産業分野では、地球温暖化対策およびランニングコスト削減の観点から、プラントの省エネルギー化への関心が高まっている。ここで、電動機可変速駆動装置に用いられる半導体素子の発熱量は、電動機可変速駆動装置の動作状況に応じて変化する。しかしながら、上述した従来の電動機可変速駆動装置用冷却システムでは、電動機可変速駆動装置の動作状況に関わらず、冷却装置は常時一定能力で冷却を行う。そのため、電動機可変速駆動装置の負荷率が低い場合、冷却装置は半導体素子を過剰に冷却することとなり、冷却システムの省エネルギー化が実現できない。

特に、熱間圧延などの圧延ラインでは、電動機可変速駆動装置は、主機圧延機やスラブ搬送テーブルなど、材料が通過する時だけ負荷がかかる装置に用いられる場合が多い。そのため、圧延材の圧延前後の仕様（材質、幅、長さ、厚さ）のみならず、圧延ピッチといった操業状態によって電動機可変速駆動装置の動作状況は大きく変わる。そこで、圧延トルクおよび速度パターンが分かる設定データ情報と、圧延ピッチが分かる圧延材のトラッキング情報を紐付けて、電動機可変速駆動装置の動作状況を管理することが必要となる。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、鉄鋼圧延ラインを対象に、電動機可変速駆動装置用冷却システムの省エネルギー化を実現することを目的とする。

本発明の一態様によれば、搬送ロール上を搬送される圧延材のトラッキング情報と設定データ情報の入力を受け、半導体素子を有する電動機可変速駆動装置の負荷率を予測し、前記負荷率の予測値から前記半導体素子の発熱損失を予測し、前記発熱損失の予測値から前記電動機可変速駆動装置を冷却する冷却装置の運転パターンを決定する冷却装置制御部を備えた電動機可変速駆動装置用冷却システムが提供される。

半導体素子の発熱量に応じて冷却装置の冷却能力を調整するため、半導体素子を過剰に冷却することが回避でき、電動機可変速駆動装置用冷却システムの省エネルギー化が実現できる。

実施形態の電動機可変速駆動装置用冷却システムの模式図。鉄鋼圧延ラインの模式図。冷却装置の運転パターンの模式図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１は、実施形態の電動機可変速駆動装置用冷却システムの模式図である。

実施形態の電動機可変速駆動装置用冷却システムは、冷却装置制御部４を備えている。冷却装置制御部４は、圧延材のトラッキング情報と設定データ情報の入力を受け、それらの情報に基づき、後述する演算処理を実行し、冷却装置５の運転パターンを決定する。

図２は、実施形態の電動機可変速駆動装置用冷却システムが適用される鉄鋼圧延ラインの模式図である。

図２に示す圧延ラインは、例えば熱間圧延ラインである。加熱炉１１にて加熱されたスラブは粗圧延機１２で粗圧延され、粗圧延後の圧延材（鋼板）１３は仕上げ圧延機１８で仕上げ圧延され、仕上げ圧延後の圧延材（鋼板）１５はランナウト１９で冷却された後、コイラー１６にコイル１７として巻き取られ、次工程へと送られる。

粗圧延機１２および仕上げ圧延機１８は、それぞれ、電動機によって駆動される。また、圧延材は、搬送ロール（搬送テーブル）１４によって図２に示すラインを搬送される。その搬送ロール１４も電動機によって駆動される。圧延ラインにおけるそれら電動機（モータ）を、図１においてまとめて電動機８として表している。

電動機８は、電動機可変速駆動装置７によって可変速駆動される。電動機可変速駆動装置７は、直流−交流電力変換器（インバータ）と交流−直流電力変換器（コンバータ）を組み合わせた構成を有し、複数の半導体素子を含む。

冷却装置５は、配管６に冷却水を送る水冷ポンプを有する。または、冷却装置５は、配管６に風を送る冷却ファンを有する。電動機可変速駆動装置７は、配管６を流れる冷却水または風によって冷却される。

冷却装置制御部４は、高速通信ネットワーク３によって、計算機システム１とＰＬＣ（programmable logic controller）２に接続されている。そして、冷却装置制御部４は、そのネットワーク３経由で、計算機システム１から圧延材の設定データ情報を取得し、ＰＬＣ２から圧延材のトラッキング情報を取得する。

設定データ情報は、圧延材の種類、硬さ、搬送速度パターン、圧延機の圧延トルクなどであり、これらにより、電動機可変速駆動装置７にどのくらいの負荷がかかるのかがわかる。

トラッキング情報は、圧延材が今どこの位置を搬送されているのかを示す。圧延材が圧延機に噛み込まれたときに電動機可変速駆動装置７に負荷がかかる。トラッキング情報は、その負荷がどのタイミングで電動機可変速駆動装置７にかかるのかを示す。

設定データ情報は、計算機システム１に予め設定されたデータ情報である。トラッキング情報は、圧延ラインに設置されたセンサ入力などを受け、ＰＬＣ２が常に計算している。

それらの設定データ情報およびトラッキング情報の入力を受け、冷却装置制御部４は、ある時刻における電動機可変速駆動装置７の負荷率ＬＦ [%]を予測する。

次に、冷却装置制御部４は、電動機可変速駆動装置７の負荷率予測値ＬＦ [%]から、その電動機可変速駆動装置７に用いられている半導体素子の発熱損失ΔＱ [kW]を予測する。この演算は、例えば、半導体素子の発熱損失ΔＱ [kW]が電動機可変速駆動装置７の負荷率ＬＦ [%]に比例することを利用する。

次に、冷却装置制御部４は、半導体素子の発熱損失予測値ΔＱ [kW]から、冷却装置５の水冷ポンプの必要水量、または冷却ファンの必要風量を計算する。

そして、冷却装置制御部４は、冷却装置５の水冷ポンプの必要水量、または冷却ファンの必要風量の計算結果と、ＰＬＣ２から取得された圧延材のトラッキング情報から、冷却装置５の運転パターンを決定する。冷却装置制御部４は、冷却装置５の水冷ポンプ、または冷却ファンを可変速駆動し、制御する。

図３は、冷却装置５の運転パターンの一例の模式図である。
図３において、縦軸方向は水冷ポンプまたは冷却ファンの回転数を表し、横軸方向は時間を表す。

冷却装置５は、冷却装置制御部４の制御に基づき、ある時刻または期間における、水冷ポンプまたは冷却ファンの回転数を制御する。例えば、圧延材が圧延機に噛み込んでいないときには、相対的に水冷ポンプまたは冷却ファンの回転数を落とし、圧延材が圧延機に噛み込み、電動機可変速駆動装置７の負荷が上がり、半導体素子の発熱量が多くなると、相対的に水冷ポンプまたは冷却ファンの回転数を上げる。

冷媒である水または風が配管６を流れ、電動機可変速駆動装置７内を循環し、半導体素子を冷却する。

例えば、水冷ポンプは、粗圧延機用電動機の可変速駆動装置と、仕上げ圧延機用電動機の可変速駆動装置を冷却し、冷却ファンは、搬送ロール用電動機の可変速駆動装置を冷却する。

以上説明した本発明の実施形態によれば、圧延プラントにおいて、ある時刻における各電動機可変速駆動装置７の負荷状況を把握する。そして、その結果から、当該電動機可変速駆動装置７の半導体素子を冷やす冷却装置５の運転パターンを決定する。従って、半導体素子の発熱量に応じて冷却装置５の冷却能力を調整するため、半導体素子を過剰に冷却することが回避でき、電動機可変速駆動装置用冷却システムの省エネルギー化が実現できる。フィードフォワード制御で、適切且つ簡単に冷却性能を制御できる。

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。

１…計算機システム、２…ＰＬＣ、４…冷却装置制御部、５…冷却装置、７…電動機可変速駆動装置、８…電動機、１２…粗圧延機、１８…仕上げ圧延機

Claims

搬送ロール上を搬送される圧延材のトラッキング情報と設定データ情報の入力を受け、半導体素子を有する電動機可変速駆動装置の負荷率を予測し、前記負荷率の予測値から前記半導体素子の発熱損失を予測し、前記発熱損失の予測値から前記電動機可変速駆動装置を冷却する冷却装置の運転パターンを決定する冷却装置制御部を備えた電動機可変速駆動装置用冷却システム。
前記冷却装置制御部は、前記運転パターンに基づき、水冷ポンプまたは冷却ファンの回転数を制御する請求項１記載の電動機可変速駆動装置用冷却システム。
前記電動機可変速駆動装置は、粗圧延機用電動機の可変速駆動装置と、仕上げ圧延機用電動機の可変速駆動装置と、搬送ロール用電動機の可変速駆動装置と、を有し、
前記水冷ポンプは、前記粗圧延機用電動機の可変速駆動装置と前記仕上げ圧延機用電動機の可変速駆動装置を冷却し、前記冷却ファンは、前記搬送ロール用電動機の可変速駆動装置を冷却する請求項２記載の電動機可変速駆動装置用冷却システム。