JP6773619B2 - 張力制御用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、張力制御用電力変換装置に関する。

従来の巻取機電動機の制御方法は、シート状の製品（金属板、紙パルプ）用のもので、電動機が１回転するたびに巻き取るロールが巻き太っていく。また、巻戻機の場合は、巻き細っていく。 このような用途の機械では、材料に張力制御をする場合、張力を一定にするためには、巻き太りに合わせ、電動機の界磁電流（界磁分電流）を強め、回転数を下げ、トルク分電流は、一定になるように制御する。

従来の制御では、交流電動機に置き換えると、トルク分電流が、張力指令値、界磁分電流は、巻き太り補償のため、自動界磁強め（弱め）になる。基本的に、電流制御＝張力制御であるから、回転数は、負荷の要求トルクと電動機の発生トルクで決まる。

なお、電力変換装置と、電力変換装置の出力に接続された誘導電動機と、誘導電動機の回転を検出する回転検出機と、回転指令に応じて前記電力変換装置の出力周波数を可変して前記誘導電動機を制御する制御回路からなる誘導電動機制御装置が知られている（特許文献１参照。）。

特開平４−５４８９０号公報

従来の制御方法は、張力を一定に保つために、巻取径を推定し、巻取径の情報により電動機の軸トルクを調整するため、巻取材料のライン速度または巻取径自体の値を測定する必要があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、巻取材料のライン速度や巻取径にそのものに関する測定が不要とし、電力変換装置内の情報で張力制御を可能にした張力制御用電力変換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、本発明の請求項１記載の張力制御用電力変換装置は、電源の供給を受けて線状材の巻き取り又は巻き戻しを行う電動機を駆動する電力変換装置において、前記電力変換装置の一部を構成するスイッチング素子を制御するＰＷＭ制御部と、
前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、前記線状材の巻き取り又は巻き戻しの際に線状材に対する張力を一定に保つための張力指令に基づいて、前記出力電流を制御するために前記ＰＷＭ制御部に３相交流電圧基準をあたえる出力制御部と、を備え、
前記出力制御部は、前記電流検出部で検出した３相交流電流を互いに直交するｄ軸電流及びｑ軸電流からなる２相交流電流に変換する第１の座標変換部と、指定されたトルク電流指令および前記交流電動機の速度から求められるｑ軸電流基準から前記ｑ軸電流を減算して得られた偏差電流に基づきｑ軸電圧基準を算出するトルク電流制御部と、指定された界磁磁束指令と前記トルク電流制御部で算出された前記偏差電流の界磁分電流に基づく界磁磁束補正値を加算して得られた界磁磁束基準から、ｄ軸電圧基準を算出する界磁電流制御部と、前記トルク電流制御部で生成されたｑ軸電圧基準と前記界磁電流制御部で生成されたｄ軸電圧基準からなる２相交流電圧基準を、前記３相交流電圧基準に変換する第２の座標変換部と、を備え、前記指定されたトルク電流指令は、巻取開始時の巻取径における指定された張力に相当する電動機のトルク電流に相当する値であり、前記ＰＷＭ制御部は、
前記第２の座標変換部から出力された３相交流電圧基準に基づいて前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。

本発明の実施例によれば、巻取材料のライン速度や巻取径にそのものに関する測定が不要とし、電力変換装置内の情報で張力制御を可能にした張力制御用電力変換装置を提供することができる。

実施例１に係る電力変換装置を備えた巻取機の一例。 図１に示す実施例１に係る電力変換装置及び電動機のブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る張力制御用電力変換装置１を備えた巻取機１０００の一例である。巻取機１０００は、電力変換装置１、電動機３、及び、巻取部４などを有して構成される。

電力変換装置１は、出力制御部１０及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御部１１を有して構成される。

電力変換装置１は、直流電源を３相交流電源に変換するインバータ主回路部２０を有して構成され、電動機３を駆動する。

巻取部４は、電動機３に機械的に接続されたボビン４０を有し、電動機３の駆動力によって回転し、ボビン４０に線状材４１を巻き取る。

線状材の巻き取り方法は、図示矢印ａ方向に巻き取りを行い、ボビン４０の一方の側端まで巻き取った後は、矢印a方向と反対方向に巻き取り、ボビン４０の他方の側端まで巻き取る。この一連の巻き取り操作を繰り返しながら、図示矢印ｂで示す径方向に巻き太ってゆく。

本実施例の電動機３は、３相誘導電動機で構成されており、インバータ主回路部２０から３相交流電源の供給を受け、巻取部４を定トルク駆動による巻き取り又は巻き戻しを行う。なお、巻き取りの場合は、巻き取ることによって巻き太りになるが、巻き戻しの場合は、巻戻すことによって巻き細りとなる。また、巻き取りと巻き戻しでは、電動機３の回転方向が逆になるが、何れの場合も線状材４１の張力を一定に保つ必要があるため、以下の説明では、巻き取りの説明を主に行う。

線状材４１を巻き取る場合は、線状材４１の張力を一定に保って巻き取る必要があり、張力を一定に保つには巻き太りによる巻取径の変化に応じ電動機３の軸トルクを調整する必要がある。

図２は、図１に示す実施例１に係る電力変換装置１及び電動機３のブロック図である。

電力変換装置１は、インバータ主回路部２０、電流検出部２１、出力制御部１０及びＰＷＭ制御部１１などを有して構成される。また、電動機３には電動機３の回転数を計測するパルスジェネレータ３０が機械的に接続されている。

出力制御部１０は、トルク電流制御部１００、界磁電流制御部１１０、座標変換部（２相／３相変換）１２０、座標変換部（３相／２相変換部）１３０、速度検出部１５０及び座標軸演算部１４０などを有して構成される。

インバータ主回路部２０から電動機３へ出力される交流３相出力電流は、電流検出部２１により検出される。電流検出部２１で検出したＵ相検出電流Ｉｕ、Ｖ相検出電流Ｉｖ及びＷ相検出電流Ｉｗは、出力制御部１０の座標変換部（３相／２相）１３０（第1の座標変換部）に入力される。

トルク電流制御部１００には図示されない上位の制御装置から、張力指令に相当するトルク電流基準Ｉｑｒ^＊と電動機３の回転速度指令に相当する速度基準ωｒ＊が入力される。

座標変換部（２相／３相）１２０（第２の座標変換部）は、トルク電流制御部１００の出力であるｄ軸電圧基準Ｖｄ^＊及び界磁電流制御部１１０の出力であるｑ軸電圧基準Ｖｑ^＊からなる２相電圧を３相の交流電圧指令（Ｕ ^* 、Ｖ ^* 、Ｗ ^* ）に変換し、ＰＷＭ制御部１１に入力する。

座標変換部（３相／２相）１３０は、Ｕ相検出電流Ｉｕ、Ｖ相検出電流Ｉｖ及びＷ相検出電流Ｉｗからなる３相電流を、座標軸演算部１４０の出力である電動機３の固定子位相θを基準に互いに直交する界磁電流に相当するｄ軸電流Ｉｄ及びトルク電流に相当するｑ軸電流Ｉｑに変換する。変換されたｄ軸電流は、界磁電流制御部１１０の磁束演算回路１１６及び減算回路１１８に入力され、ｑ軸電流は、トルク電流制御部１００の減算回路１０５及び、座標軸演算部１４０の滑り周波数回路１４１に入力される。

速度検出部１５０は、電動機３の回転数を計測するパルスジェネレータ３０から出力されるパルスを入力し、電動機３の回転速度を検出する。検出された回転速度は、電動機３極数を考慮し回転子の電気的な周波数に換算され座標軸演算部１４０に入力される。また、検出された回転速度は電動機３の回転速度ωｒとしてトルク電流制御部１００に入力される。

座標軸演算部１４０は、座標変換部（３相／２相）１３０からｑ軸電流Ｉｑ及び、界磁電流制御部１１０内の磁束演算回路１１６の出力である界磁磁束Φ、並びに速度検出部１５０から回転子の電気的な周波数を入力して電動機３の固定子位相θを演算する。算出された位相θは、座標変換部（２相／３相）１２０及び座標変換部（３相／２相）１３０に入力される。

座標軸演算部１４０は、滑り周波数回路１４１、加算回路１４２位及び座標軸演算回路１４３などを有して構成される。

滑り周波数回路１４１は、座標変換部１３０から出力されたｑ軸電流Ｉｑと、磁束演算回路１１６の出力である磁束演算結果Φから滑り周波数ωｓを演算する。すべり周波数ωｓは、例えばｑ軸電流Ｉｑを磁束演算結果Φで除し、電動機３の極数や巻線抵抗等を考慮した所定の係数を乗じることにより演算することができる。

加算回路１４２は、速度検出部１５０から出力される電動機３の回転周波数ωｒを回転子の電気的な周波数に換算した値と滑り周波数回路１４１の出力である滑り周波数ωｓと加算し、電動機３の固定子の周波数を演算する。さらに座標軸演算部１４３は加算器１４２の出力を積分して電動機３の固定子の位相θを演算する。

このようにして算出された位相θは、上述した座標変換部１２０及び１３０による座標変換時の座標変換軸の基準位相となる。

トルク電流制御部１００は、減算回路１０１、速度制御回路１０２、外部電流指令可変リミッタ１０３、変化量制限回路１０４、減算回路１０５及びｑ軸電流制御回路１０６などを有して構成される。

減算回路１０１（第１の減算回路）は、減算回路の＋側端子に、図示されない上位の制御装置から、電動機３の速度基準ωｒ＊が入力される。さらに、減算回路１０１の−側端子に、速度検出部１５０で検出された電動機３の速度ωｒが入力され、速度基準ωｒ^＊からの速偏差速度を算出し、その出力は速度制御回路１０２に入力される。

速度制御回路１０２は、減算回路１０１で算出された偏差速度が最小となる様に比例積分制御等で、トルク電流を算出し、その出力を外部電流指令可変リミッタ１０３に入力する。

外部電流指令可変リミッタ１０３は、上記算出されたトルク電流を外部から与えられたトルク電流指令Ｉｑｒ^＊の範囲に制限し、変化量制限回路１０４に入力する。

変化量制限回路１０４は入力信号の単位時間あたりの変化量を制限する回路である。

トルク電流がｑ軸電流に相当することから、変化量制限回路の出力であるｑ軸電流基準Ｉｑ^＊が、急峻に変化することは巻取時の張力が急激に変化することであり、好ましくない。そこで変化量制限回路１０４により、電動機３の急激なトルク変動を抑制している。ｑ軸電流基準Ｉｑ＊は減算回路１０５（第２の減算回路）の＋側に入力される。

減算回路１０５（第２の減算回路）は、減算回路の＋側端子に入力されたｑ軸電流基準Ｉｑ^＊と減算回路の−側端子に入力された電動機３のトルク電流に相当する座標変換部（３相／２相）１３０の出力であるｑ軸電流Ｉｑとの偏差を演算する。減算回路１０５の出力はｑ軸電流制御回路１０６に入力される。さらに減算回路１０５の出力は後述する界磁電流制御部１１０内の磁束指令補正演算回路１１３に入力される。

ｑ軸電流制御回路１０６は、その入力信号である減算回路１０５の出力である偏差信号が最小になる様に比例積分制御等によりｑ軸電圧基準Ｖｑ^＊を算出する。算出されたｑ軸電圧基準Ｖｑ^＊は、座標変換部（２相／３相）１２０に入力される。

界磁電流制御部１１０は、磁束指令設定回路１１１、加算回路１１２、磁束指令補正回路１１３、磁束Φリミッタ１１４、減算回路１１５（第３の減算回路）、磁束制御回路１１７、減算回路１１８（第４の減算回路）及びｄ軸電流制御回路１１９などを有して構成される。

加算回路１１２は、電動機３の巻はじめの速度を考慮し予め与えられた界磁磁束指令Φｔ^＊に、磁束指令補正回路１１３の出力である界磁分磁束補正値Φp*を加算し、界磁磁束基準Φ^＊を生成する。

磁束指令補正回路１１３は減算回路１０５の出力である偏差電流の界磁分電流からトルク電流を一定に保つのに必要な界磁磁束補正値Φp*を演算する。

例えば磁束指令補正回路１１３で電動機３の特性に合わせた所定の負のゲインの積分回路である。このようにして、生成された界磁磁束基準Φ^＊は、磁束Φリミッタ１１４に入力される。

磁束Φリミッタ１１４は、界磁磁束基準Φ^＊の制限を行う。この制限を行う理由は、界磁磁束基準Φ^＊が本発明の目的である張力制御可能な範囲を超えた値になることを防止するためである。

減算回路１１５（第３の減算回路）は、減算回路１１５の＋側端子に入力された界磁磁束基準Φ^＊から、減算回路の−側端子に入力された電動機３の界磁電流に相当するｄ軸電流Ｉｄを磁束演算回路１１６によって変換した界磁磁束Φを減算し、その結果である界磁磁束の偏差磁束を、磁束制御回路１１７に入力する。

磁束制御回路１１７は、その入力信号である減算回路１１５の出力の偏差磁束が最小になる様に比例積分制御等によりｄ軸電流基準Ｉｄ^＊を算出する。

算出されたｄ軸電流基準Ｉｄ^＊は、減算回路１１８（第４の減算回路）の＋端子に入力される。

減算回路１１８（第４の減算回路）は、減算回路１１８の＋端子に入力されたｄ軸電流基準Ｉｄ^＊から減算回路の−側端子に入力された電動機３の界磁電流に相当するｄ軸電流Ｉｄを減算して算出したｄ軸電流の偏差電流を、ｄ軸電流制御回路１１９に入力する。

ｄ軸電流制御回路１１９は、その入力信号である減算回路１１８の出力である偏差電流が最小になる様に比例積分制御等によりｄ軸電圧基準Ｖｄ^＊を算出する。算出されたｄ軸電圧基準Ｖｄ^＊は、座標変換部（２相／３相）１２０に入力される。

座標変換部１２０（第２の座標変換部）は、ｑ軸電圧基準Ｖｑ^＊及びｄ軸電圧基準からなる２相電圧を３相の交流電圧指令（Ｕ*、Ｖ*、Ｗ*）に変換し、ＰＷＭ制御部１１に入力する。

ＰＷＭ制御部１１は、例えば入力された電圧指令値と三角波キャリアとの比較によるパルス幅変調を行い、ゲートパルス信号を生成してインバータ主回路部２０に送る。

インバータ主回路部２０はＰＷＭ制御部から送信されたゲートパルス信号により、インバータ主回路部２０を構成するスイッチング素子のゲートＧを制御して直流電源を交流電源に変換する。

次に、本回路の動きについて説明する。速度制御回路１０２の出力が外部から与えられるトルク電流指令Ｉｑｒ*で与えられる範囲より速度制御回路１０２の出力が小さい場合は、外部電流指令可変リミッタ１０３の出力は速度制御回路１０２の出力となる。また、速度制御回路１０２の出力が外部から与えられるトルク電流指令Ｉｑｒ*で与えられる範囲より速度制御回路１０２の出力が大きい場合は、外部電流指令可変リミッタ１０３の出力はトルク電流指令Ｉｑｒ*の値となる。

線状材４１に張力がほとんど加わっていないような条件（例えば線状材４１が断線している条件や巻取開始前）では、電動機３の速度ωｒと外部からの速度指令値ωｒ*が一致すれば減算器１０１の出力はほぼゼロであり、速度制御回路１０２の出力もほぼゼロであるので、その値は外部から与えられるトルク電流指令Ｉｑｒ*で与えられる範囲より小さい。よって、外部電流指令可変リミッタ１０３の出力は速度制御回路１０２の出力となる。また、その変化も小さく、変化量制限回路１０４の影響もうけない。したがって、電力変換装置１と電動機３は通常の速度フィードバック系を構成し、電動機３は外部速度指令ωｒ*による定速度運転を行う。

次に、巻取が開始され、電動機３に負荷が加わると電動機３の回転速度は低下するので、速度検出部１５０の出力である速度ωｒは低下し速度指令値ωｒ*の間の偏差速度が増大する、したがって速度制御回路１０２の出力も増大し、その値が、速度制御回路１０２の出力が外部から与えられるトルク電流指令Ｉｑｒ*で与えられる値から逸脱すると、外部電流指令可変リミッタ１０３の出力はトルク電流指令Ｉｑｒ*で与えられる値となる。そして、変化量制限回路１０４の出力であるｑ軸電流基準Ｉｑ*もトルク電流指令Ｉｑｒ*で与えられる値となる。

したがって、電力変換装置１と電動機３はｑ軸電流による電流フィードバック系を構成し、電動機３は外部から与えられるトルク電流指令Ｉｑｒ^*による定トルク運転を行う。ここで、トルク電流指令Ｉｑｒ^*を巻取開始時の巻取径における指定された張力Ｔに相当する値にすることにより、所定の張力Ｔで線状材４１を巻き取ることができる。

線状材４１がボビン４０に巻き取られて、巻太りが生じると、電動機３にとっては負荷が増えることになり必要なトルクのため滑りがわずかに増加し、電動機３のトルク電流に相当するｑ軸電流Ｉｑが増加する、するとｑ軸電流基準Ｉｑ^＊との偏差が発生し減算回路１０５の値に負の出力が発生する。この負の値を負のゲインの積分回路である磁束指令補正回路１１３に入力すると出力である界磁磁束補正値Φp*は正の値となり、加算回路１１２の出力である磁束基準Φ*は界磁磁束補正値Φp*の値だけ増加することになる。すると、磁束リミッタ１１４の出力も増える。したがって、最終的に電力変換装置１と電動機３はｄ軸電流による電流フィードバック系を構成し、ｄ軸電流Ｉｄも増加するので電動機３の磁束も増加する。するとトルク電流相当のｑ軸電流Ｉｑは元の値にもどり減算回路１０５の出力である偏差電流は減少する。偏差電流が減少しても磁束指令補正回路１１３は積分回路であるので界磁磁束補正値Φp*の値は維持され、磁束基準Φ*は初期値より増加された値となる。

このようにして線状材４１が巻き取られ巻太りが生じるたびに磁束指令補正回路１１３の出力界磁磁束補正値Φp*が増加してゆくので、トルク電流相当のｑ軸電流Ｉｑは外部から与えられるトルク電流指令Ｉｑｒ*で一定の値に制御された状態で巻き太りに応じ界磁電流基準Φ*を増加させ、電動機３のトルクを制御して線状材４１に加わる張力を一定に制御制御することができる。

ＰＷＭ制御部１１は、電力変換装置２が図示しないコンバータを含む場合は、当該コンバータを制御して交流電源を直流電源に変換し、当該変換された直流電源が上記インバータ主回路部２０に供給される場合もあるが、この場合も本発明の趣旨に含まれる。

本発明の実施例によれば、電線、糸などの線状の材料を巻き取る巻取機において、
ルク電流を一定制御することが可能な張力制御用電力変換装置を提供することができる。

１０００ 巻取機
１ 電力変換装置
１０ 出力制御部
１１ ＰＷＭ制御部
１００ トルク電流制御部
１１０ 界磁電流制御部
１２０ 座標変換部（２相／３相）
１３０ 座標変換部（３相／２相）
１４０ 座標軸演算部
１５０ 速度演算部
２０ インバータ主回路部
２１ 電流検出部
３ 電動機
３０ パルスジェネレータ
４ 巻取部
４１ 線状材

Claims (2)

1. 電源の供給を受けて線状材の巻き取り又は巻き戻しを行う電動機を駆動する電力変換装置において、
   前記電力変換装置の一部を構成するスイッチング素子を制御するＰＷＭ制御部と、
   前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、
   前記線状材の巻き取り又は巻き戻しの際に線状材に対する張力を一定に保つための張力指令に基づいて、前記出力電流を制御するために前記ＰＷＭ制御部に３相交流電圧基準をあたえる出力制御部と、を備え、
   前記出力制御部は、
   前記電流検出部で検出した３相交流電流を互いに直交するｄ軸電流及びｑ軸電流からなる２相交流電流に変換する第１の座標変換部と、指定されたトルク電流指令および前記交流電動機の速度から求められるｑ軸電流基準から前記ｑ軸電流を減算して得られた偏差電流に基づきｑ軸電圧基準を算出するトルク電流制御部と、
   指定された界磁磁束指令と前記トルク電流制御部で算出された前記偏差電流の界磁分電流に基づく界磁磁束補正値を加算して得られた界磁磁束基準から、ｄ軸電圧基準を算出する界磁電流制御部と、
   前記トルク電流制御部で生成されたｑ軸電圧基準と前記界磁電流制御部で生成されたｄ軸電圧基準からなる２相交流電圧基準を、前記３相交流電圧基準に変換する第２の座標変換部と、を備え、
   前記指定されたトルク電流指令は、
   巻取開始時の巻取径における指定された張力に相当する電動機のトルク電流に相当する値であり、
   前記ＰＷＭ制御部は、
   前記第２の座標変換部から出力された３相交流電圧基準に基づいて前記スイッチング素子を制御することを特徴とする電動機を駆動する張力制御用電力変換装置。
2. 前記界磁磁束補正値は、
   前記偏差電流をあらかじめ定められたゲインで積分することにより演算することを特徴とする請求項１記載の張力制御用電力変換装置。