JP6614063B2 - 電動機冷却制御システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機冷却制御システムに関する。特に二次冷媒の温度変化を電動機冷却制御に用いた電動機冷却制御システムに関する。

製鐵所の圧延プラントを構成する機器の一つに電動機がある。特に主機駆動用大型電動機は、圧延プラントにおける重要な電気設備である。電動機は運転に伴い損失が発生する。損失は負荷電流によって変化する可変損と、負荷に関わりなくおおよそ一定な固定損とに分けられる。電動機の損失は電動機発熱によって現れる。電動機が連続的な運転を行うためには、電動機機外へ熱を抜熱する構造が不可欠である。

前述の主機駆動用大型電動機の冷却方式は、使用する冷媒通路の形式、冷媒の種類および冷媒の送り方によって大別される。前述した主機駆動大型電動機は、大容量かつ高トルクを要求されるものが多いため電動機の発熱量も比例して多い。このような大容量かつ高トルクを必要とする大型電動機の冷却構造には、一般的に空気冷却器が多く用いられている。

図２は、一般的な大型電動機の冷却構造を説明するための概念図である。図２において、電動機２２は、一次冷媒２３によって冷却される。一次冷媒２３は、熱交換器を有する空気冷却器２１を介して二次冷媒２４によって冷却される。一般的な大型電動機の冷却構造では、一次冷媒２３に空気、二次冷媒２４に水が用いられる。具体的には、電動機上部の風道内部に設けられた空気冷却器２１に水を流して電動機内気を効果的に冷却する全閉空気冷却器付形電動機が知られている。この全閉空気冷却器には、外部ファンが取り付けられている。この外部ファンを運転する事により電動機の冷却に必要な冷却風が電動機内部を循環している。

通常、前述した空気冷却器の設計にあたっては、電動機発生熱量、外部ファン発生熱量、電動機必要風量、電動機入気温度といった各諸量と、通気抵抗、二次冷媒水温、二次冷媒冷却水質から空気冷却器容量が算出され、算出された空気冷却器容量から必要冷却水量が算出される。したがって、使用条件で定められた範囲内での運転に於いて、電動機は異常加熱する事はなく安全に継続運転させることができる。

前述のとおり、電動機の冷却に必要な空気冷却器容量は、発生熱量と冷却媒体の温度や水量等の諸量から算出される。電動機の固定子巻線温度は、その運転による負荷電流の増減により上下する。この固定子巻線温度が電動機巻線の絶縁破壊を起こさない範囲で正常に冷却されていれば、電動機は問題なく安全に継続運転することができるため、電動機の固定子巻線温度を監視する方式が多く用いられている。

また、近年においては省エネルギーの観点から、電動機負荷電流に応じて冷却ファンの回転周波数を制御する冷却制御システムが考案されている。

特開２００４−１８０４５４号公報

ところで、前述のような電動機の冷却構造は、二次冷媒として冷却水を必要とするが、この冷却水は外部に敷設されているクーリングタワーによって生成され、電動機を始めとした冷却水を必要とする被冷却設備に供給されている。

一般的に前述したクーリングタワーは工場敷地内の屋外に建設される。そのため、前記クーリングタワーによって生成される冷却水（二次冷媒）は、外気温度に大きく左右されることになる。特に夏場は冬場と同じ冷却水温度とはならず、二次冷媒による一次冷媒の冷却が不十分となり、結果として、電動機が十分に冷却されない場合がある。空気冷却器の設計にあたって二次冷媒温度は、ある使用条件下における冷却水温度を考慮して設計されるが、この冷却水温度は固定値として扱われることがほとんどである。特に１年間を通して夏季・冬季の外気温度に差が大きい地域においては、外気温度の影響が冷却制御システムに誤差を生じさせてしまう。

特許文献１においては、電動機負荷電流の変化から固定子巻線温度上昇値を等価的に算出し、電動機が有する温度上昇許容値内となるように冷却風量を演算し、冷却ファンの回転速度を制御している。しかしながら、特許文献１にて算出される冷却風量は、前述した、ある決められた使用条件下で製作された空気冷却器仕様に基づいているが、固定子巻線温度を一定に制御する場合に於いては、二次冷媒温度は常に変化する為、電動機負荷電流から演算される風量は必ずしも電動機を十分に冷却する風量となっているとは限らない。特許文献１では二次冷媒温度の変動が考慮されておらず、特に夏場では、季節を通じて外気温度が高いことに比例して二次冷媒温度も高くなるため、この影響が顕著となる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、二次冷媒温度が変動する場合であっても、電動機を十分に冷却することのできる電動機冷却制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、電動機冷却制御システムであって、
電動機の機内に一次冷媒を循環させる冷却ファンと、
クーリングタワーから供給される二次冷媒により前記一次冷媒を冷却する熱交換器と、
前記二次冷媒の温度を検出する二次冷媒温度センサと、
前記電動機の負荷電流を検出する電流センサと、
前記負荷電流に相関する物理量に基づいて、前記電動機の冷却に必要な必要冷却風量を算出する風量演算部と、
前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度に基づいて風量補正量を算出する風量補正量演算部と、
前記必要冷却風量を前記風量補正量で補正した値に基づいて前記冷却ファンの回転速度を算出する周波数演算部と、
前記回転速度に基づいて前記冷却ファンを制御する冷却ファン駆動制御装置と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記風量補正量演算部は、前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度が、設計上の最高温度を超える場合に、前記必要冷却風量を増量補正する風量補正量を算出する。

さらに好ましくは、前記風量補正量演算部は、前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度が高いほど大きな風量補正量を算出する。

本発明に係る電動機冷却制御システムによれば、二次冷媒温度の変動に応じて必要冷却風量を補正することができるため、二次冷媒温度の変動に影響されることなく、電動機を十分に冷却することができる。

本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための概念図である。 一般的な大型電動機の冷却構造を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態１に係る電動機冷却制御装置８の機能ブロック図である。 電動機冷却制御装置８が有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
＜システム構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための概念図である。本実施の形態においては、製鉄や製紙等に用いられる鉄鋼圧延設備等の比較的大型の直流電動機や交流電動機を冷却するための電動機冷却制御システムについて説明するが、小型の電動機にも本発明は適用可能である。

図１に示す電動機冷却制御システムは、電動機１、軸受２、回転速度センサ３、電動機駆動制御装置４、電流センサ５、第１リモートＩＯ盤６、制御ネットワーク７、電動機冷却制御装置８、空気冷却器９（熱交換器１０および冷却ファン１１を含む）、二次冷媒管路１２、クーリングタワー１３、冷却ファン駆動制御装置１４、第２リモートＩＯ盤１５、機内温度センサ１６、二次冷媒温度センサ１７、第３リモートＩＯ盤１８を備える。

電動機１、電動機駆動制御装置４、冷却ファン駆動制御装置１４はそれぞれ別の場所に設置され、それぞれ第１リモートＩＯ盤６、第２リモートＩＯ盤１５を介して制御ネットワーク７に接続される。

電動機１は、電動機駆動制御装置４から出力される操作信号によって回転子の回転速度が制御される可変速電動機である。電動機１は、機内に固定子巻線を有し、冷却ファン１１から一次冷媒の供給を受けて巻線を冷却させながら駆動する。軸受２は、回転子の回転を外部に伝える回転軸を支持する。回転速度センサ３は、電動機１の回転軸の近傍に設けられ、回転軸の回転速度を検出する。

電動機１は、電動機駆動制御装置４に接続する。電流センサ５は、電動機１と電動機駆動制御装置４との間に設けられ、電動機１の負荷電流の値を検出する。電動機駆動制御装置４は、第１リモートＩＯ盤６に接続する。第１リモートＩＯ盤６は、制御ネットワーク７を介して電動機冷却制御装置８に接続する。

電動機駆動制御装置４は、電動機１の電源駆動装置であるインバータである。電動機駆動制御装置４は、電動機１に操作信号を出力する他、電動機１の運転データを第１リモートＩＯ盤６および制御ネットワーク７を介して電動機冷却制御装置８に送信する。電動機冷却制御装置８に収集される運転データは、回転速度センサ３により検出された電動機１の回転速度、電流センサ５により検出された電動機１の負荷電流、運転周波数等を含む。

また、電動機１の上部の風道内部には空気冷却器９が設けられる。空気冷却器９は、電動機に付帯する設備であり、損失により発生した熱を冷却する冷却装置である。空気冷却器９は、熱交換器１０および冷却ファン１１を含む。

熱交換器１０は、冷却ファン１１により電動機１に供給される一次冷媒（冷却風）を二次冷媒により冷却する。一次冷媒は気体（例えば、空気）であり、二次冷媒は液体又は気体（例えば、水）である。本実施の形態に係る空気冷却器９、電動機１、一次冷媒、二次冷媒による冷却構造は、上述した図２の空気冷却器２１、電動機２２、一次冷媒２３、二次冷媒２４による冷却構造と同様である。

空気冷却器９は、二次冷媒管路１２を介してクーリングタワー１３に接続する。空気冷却器９は、クーリングタワー１３において冷却された二次冷媒を取り入れ、熱交換器１０により一次冷媒と熱交換された二次冷媒をクーリングタワー１３に排出する。クーリングタワー１３は、空気冷却器９とは別の場所、具体的には工場敷地内の屋外に設けられている。そのため、二次冷媒温度は外気温度に大きく左右され、特に夏場は冬場と同じ冷却水温度とはならない。

冷却ファン１１は、電動機１の機内に二次冷媒によって冷却された一次冷媒（冷却風）を循環させ、電動機１の巻線に冷却風を供給する。冷却ファン１１は、ファンに回転動力を与える冷却ファンモータを含む。冷却ファンモータは、冷却ファン駆動制御装置１４から出力される操作信号によって回転速度が制御される。

冷却ファン１１は、冷却ファン駆動制御装置１４に接続する。冷却ファン駆動制御装置１４は、第２リモートＩＯ盤１５に接続する。第２リモートＩＯ盤１５は、制御ネットワーク７を介して電動機冷却制御装置８に接続する。

冷却ファン駆動制御装置１４は、冷却ファン１１の電源駆動装置であるインバータである。冷却ファン駆動制御装置１４は、冷却ファン１１に操作信号を出力する他、冷却ファン１１の運転データを第２リモートＩＯ盤１５および制御ネットワーク７を介して電動機冷却制御装置８に送信する。電動機冷却制御装置８に収集される運転データは、冷却ファンモータの近傍に設けられた回転速度センサ（図示省略）により検出された冷却ファン１１の回転速度、冷却ファン駆動制御装置１４との間に設けられた電流センサ（図示省略）により検出された冷却ファン１１の負荷電流、運転周波数等を含む。

また、電動機１の機内には、固定子巻線温度を検出する機内温度センサ１６が設けられる。二次冷媒管路１２には、クーリングタワー１３から空気冷却器９へ供給される二次冷媒の温度を検出する二次冷媒温度センサ１７が設けられている。機内温度センサ１６および二次冷媒温度センサ１７は、第３リモートＩＯ盤１８に接続する。機内温度センサ１６および二次冷媒温度センサ１７により検出された固定子巻線温度および二次冷媒温度は、第３リモートＩＯ盤１８および制御ネットワーク７を介して電動機冷却制御装置８に収集される。

電動機冷却制御装置８に収集されたデータは全て同期され、時期列データとして収集されているものとする。

＜電動機冷却制御装置＞
次に、図３を参照して電動機冷却制御装置８が有する機能について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る電動機冷却制御装置８の機能ブロック図である。

電動機冷却制御装置８は、電動機１の負荷電流、二次冷媒温度に基づいて冷却ファン１１の回転速度を決定する制御装置である。電動機冷却制御装置８は、ＲＭＳ演算部３１、風量演算部３２、風量補正量演算部３３、風量補正値データ格納部３４、周波数演算部３５を備える。

ＲＭＳ演算部３１は、電動機駆動制御装置４から取得した電動機１の負荷電流の値から、負荷電流の二乗平均平方根（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ：ＲＭＳ）を算出する。一般的に巻線の発熱は負荷電流の二乗に比例する負荷損と負荷に依存しない固定損の和で表わされる。そのため巻線の温度上昇値は負荷電流に対し二次関数となる。ＲＭＳ演算部３１は、予め定義された関係式を用いて、ＲＭＳから固定子巻線の温度上昇値を推定計算する。

風量演算部３２は、固定子巻線の温度上昇値（負荷電流に相関する物理量）に基づいて、電動機１の冷却に必要な必要冷却風量を算出する。風量演算部３２には、各諸量に基づいて必要冷却風量と温度上昇値との関係を定めた関係式が予め定義されている。

風量補正量演算部３３、風量補正値データ格納部３４は、本実施の形態に係る電動機冷却制御装置８の主な特徴部である。

風量補正量演算部３３は、二次冷媒温度センサ１７により検出された二次冷媒温度に基づいて風量補正量を算出する。具体的には、風量補正量演算部３３は、二次冷媒温度センサ１７により検出された二次冷媒温度が、電動機の冷却設計上の二次冷媒最高温度を超える場合に、必要冷却風量を増量補正する風量補正量を算出する。また、風量補正量演算部３３は、二次冷媒温度センサ１７により検出された二次冷媒温度が、二次冷媒最高温度よりも低い電動機の冷却設計上の二次冷媒最低温度を下回る場合に、必要冷却風量を減量補正する風量補正量を算出する。風量補正量の傾向として、二次冷媒温度センサ１７により検出された二次冷媒温度が高いほど大きな風量補正量が算出される。

好ましくは、二次冷媒温度と風量補正値との関係を定めたデータテーブルを予め格納した風量補正値データ格納部３４を備える。例えばデータテーブルには、二次冷媒温度が高いほど大きな風量補正値が定義されている。風量補正量演算部３３は、データテーブルから、二次冷媒温度センサ１７により検出された二次冷媒温度に応じた風量補正量を取得する。

前述したとおり、空気冷却器９の設計にあたっては、電動機１の発生熱量、冷却ファン１１の発生熱量、電動機１の必要風量、電動機１の入気温度といった各諸量と通気抵抗、二次冷媒水温、二次冷媒冷却水質から空気冷却器容量が算出され、算出された空気冷却器容量から必要冷却水量が算出されている。空気冷却器容量は固定値のため、空気冷却器容量の設計時に用いられる各諸量が変化した場合は、空気冷却器容量から逆算して各諸量を求めることができる。即ち、二次冷媒温度の変化に応じた冷却性能は予め演算する事が可能であり、空気冷却器設計データから予め計算され、データテーブルとして風量補正値データ格納部３４に格納する事ができる。

風量補正量演算部３３により算出された風量補正量は、風量演算部３２より算出された必要冷却風量に加算される。

周波数演算部３５は、必要冷却風量を風量補正量で補正した値に基づいて冷却ファン１１の回転速度（周波数）を算出する。具体的には、周波数演算部３５は、補正後の必要冷却風量に基づいて冷却ファン駆動制御装置１４（インバータ）の出力周波数を算出する。周波数演算部３５は、補正後の必要冷却風量を得るためのインバータの周波数を、冷却ファン１１と冷却風通路の特性を考慮して必要冷却風量と周波数との予め定めた関係式より計算する。冷却ファン駆動制御装置１４は、周波数をインバータが規定する物理的な信号に変換して、冷却ファン１１を補正後の必要冷却風量を満たす回転速度で駆動させる。

＜効果＞
以上説明したように、本実施の形態に係る電動機冷却制御システムによれば、二次冷媒温度の変動に応じて必要冷却風量を補正することができ、補正後の必要冷却風量を満たすように冷却ファン１１の回転速度を制御できる。そのため、二次冷媒温度の変動に影響されることなく、電動機１を十分に冷却することができる。

＜変形例＞
ところで、本実施の形態に係る電動機冷却制御システムにおいては、ＲＭＳは電動機冷却制御装置８において演算されているが、これに限定されるものではない。電動機１の負荷電流は電動機駆動制御装置４にて制御されているため、ＲＭＳは電動機駆動制御装置４にて演算され、電動機冷却制御装置８に入力することとしてもよい。

＜ハードウェア構成例＞
図４は、電動機冷却制御装置８が有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。電動機冷却制御装置８内の各部は機能の一部を示し、各機能は処理回路により実現される。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ９１と少なくとも１つのメモリ９２とを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア９３を備える。

処理回路がプロセッサ９１とメモリ９２とを備える場合、各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、メモリ９２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。

処理回路が専用のハードウェア９３を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものである。例えば、各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、各機能は、まとめて処理回路で実現される。

また、各機能について、一部を専用のハードウェア９３で実現し、他部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア９３、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって各機能を実現する。

１、２２ 電動機
２ 軸受
３ 回転速度センサ
４ 電動機駆動制御装置
５ 電流センサ
６ 第１リモートＩＯ盤
７ 制御ネットワーク
８ 電動機冷却制御装置
９、２１ 空気冷却器
１０ 熱交換器
１１ 冷却ファン
１２ 二次冷媒管路
１３ クーリングタワー
１４ 冷却ファン駆動制御装置
１５ 第２リモートＩＯ盤
１６ 機内温度センサ
１７ 二次冷媒温度センサ
１８ 第３リモートＩＯ盤
２３ 一次冷媒
２４ 二次冷媒
３１ ＲＭＳ演算部
３２ 風量演算部
３３ 風量補正量演算部
３４ 風量補正値データ格納部
３５ 周波数演算部
９１ プロセッサ
９２ メモリ
９３ ハードウェア

Claims (5)

1. 電動機の機内に一次冷媒を循環させる冷却ファンと、
   クーリングタワーから供給される二次冷媒により前記一次冷媒を冷却する熱交換器と、
   前記二次冷媒の温度を検出する二次冷媒温度センサと、
   前記電動機の負荷電流を検出する電流センサと、
   前記負荷電流に相関する物理量に基づいて、前記電動機の冷却に必要な必要冷却風量を算出する風量演算部と、
   前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度に基づいて風量補正量を算出する風量補正量演算部と、
   前記必要冷却風量を前記風量補正量で補正した値に基づいて前記冷却ファンの回転速度を算出する周波数演算部と、
   前記回転速度に基づいて前記冷却ファンを制御する冷却ファン駆動制御装置と、を備え、
   前記風量補正量演算部は、前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度が、前記電動機の冷却設計上の二次冷媒最高温度を超える場合に、前記必要冷却風量を増量補正する風量補正量を算出すること、
   を備えることを特徴とする電動機冷却制御システム。
2. 前記風量補正量演算部は、前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度が、前記二次冷媒最高温度よりも低い前記電動機の冷却設計上の二次冷媒最低温度を下回る場合に、前記必要冷却風量を減量補正する風量補正量を算出すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電動機冷却制御システム。
3. 前記風量補正量演算部は、前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度が高いほど大きな風量補正量を算出すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の電動機冷却制御システム。
4. 二次冷媒温度が高いほど大きな風量補正値が定義されたデータテーブルを予め格納した風量補正値データ格納部、をさらに備え、
   前記風量補正量演算部は、前記データテーブルから、前記二次冷媒温度センサにより検出された二次冷媒温度に応じた風量補正量を取得すること、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機冷却制御システム。
5. 前記電動機は、可変速電動機であること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機冷却制御システム。

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