JP6980213B2 - 電動機駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、鉱山用巻上機やクレーン等の電動機を駆動するコンバータとインバータから構成される電動機駆動装置に関する。
鉱山用巻上げ機やクレーンの巻上げ、に使用されるコンバータとインバータで構成される電動機駆動装置では、交流電源の電圧低下が起こった場合、電動機駆動装置が制御不能となり、荷物を落下させる危険がある。これを防止する為に従来は、交流電源の電圧低下を検出すると、電動機駆動装置を停止し、駆動モータをブレーキで止めていた。又、インバータの加速制御中に交流電源が停電した際に、加速制御を中止し、回生制動を強制起動する方法が知られている（特許文献１参照。）。
特開２００１−８４９６号公報
しかしながら、上述した従来の方法によると、例えば、荷物を持ち上げた状態で電動機駆動装置が停止してしまうため、復帰、再起動の時間が必要になり、業務効率が悪いという課題があった。また、特許文献１記載の方法では、直流電圧の変動が大きく、回生制動を強制起動するため、コンバータが交流電源側に回生できない場合、電動機駆動装置の直流電圧が上昇し、直流過電圧が発生し、電動機駆動装置が停止してしまう可能性があった。
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、電動機駆動装置が交流電源の電圧低下を検出することで、当該電動機駆動装置が停止することを防止し、装置の許容の範囲内で運転を継続できるコンバータとインバータで構成される電動機駆動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記載の電動機駆動装置は、交流電源の供給を受けて交流電源の電力を直流回路に供給するコンバータと、前記直流回路からの電力を可変周波数の交流電力に変換し、巻上機に使用される電動機を駆動するインバータと、前記交流電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、前記コンバータを制御するコンバータ制御部と、前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、前記インバータ制御部は、前記電動機の回転速度を設定する速度基準設定手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段の出力と、前記速度基準設定手段の出力である内部速度指令との偏差である速度偏差を検出する手段と、前記速度偏差の出力に応じ前記インバータの出力電流を制御する手段と、を備え、前記速度基準設定手段は、外部から与えられる外部速度指令を補正する補正回路を備え、前記補正回路は、前記電圧低下検出手段から電圧低下信号を受信したときに、前記直流電圧検出手段の検出値と第１の基準値との偏差に応じ前記外部速度指令を補正して前記速度基準設定手段の出力とするとき、前記第１の基準値は、電動機駆動装置の直流定格電圧とし、力行時には、絶対値としての前記電動機の回転速度を低下させる方向に外部速度指令を補正し、回生時には、絶対値としての前記電動機の回転速度を上昇させる方向に前記外部速度指令を補正することを特徴とする。
本実施例によれば、交流電源の電圧低下を検出し、当該電動機の回転速度の速度指令を補正することにより、当該電動機駆動装置が停止することを防止し、装置の許容の範囲内で運転を継続することができる電動機駆動装置を提供できる。
実施例１に係る電動機駆動装置の概略構成図。 実施例１に係る電動機駆動装置を構成する速度基準設定部の概略構成図。 実施例１に係る電動機駆動装置の巻上げ、力行時の動作を説明する図。 実施例１に係る電動機駆動装置の巻上げ、回生時の動作を説明する図。 実施例１に係る電動機駆動装置の巻下げ、力行時の動作を説明する図。 実施例１に係る電動機駆動装置の巻下げ、回生時の動作を説明する図。
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に係る電動機駆動装置１００の概略構成図である。
交流電源１は、電動機駆動装置１００の端子Ａに接続され、電動機駆動装置１００に交流電力を供給する。
巻上げ機などを負荷とする当該電動機９０を駆動するため、電動機駆動装置１００は、コンバータ５０から出力された直流電力を、インバータ６０にて３相交流電力に変換し、出力電流検出器７０及び電磁開閉器８０を介して電動機駆動装置１００の端子Ｂに出力する。
このようにして、電動機駆動装置１００の端子Ｂに接続された電動機９０に３相交流電力が供給される。電動機９０は、例えば、クレーン等の巻上げ、巻下げ用の電動機である。
電動機駆動装置１００は、瞬時電圧低下検出部１０、フィルタ部２０、電磁開閉器３０、入力電流検出器４０、コンバータ５０、インバータ６０、出力電流検出器７０、電磁開閉器８０、コンバータ制御部５８、インバータ制御部５９及び遮断器２、３などを有して構成される。
瞬時電圧低下検出部（電圧低下検出手段）１０は、遮断器２を介して端子Ａに接続され、端子Ａに接続された交流電源１の電圧低下を検出する。
瞬時電圧低下検出部１０は、変圧器１１及び瞬時電圧低下検出器１２（以下、瞬低検出器１２と記す。）を有して構成される。変圧器１１は、１次巻線が遮断器２を介して端子Ａに接続され、交流電源１の電圧が高圧の場合に瞬低検出器１２で検出可能な低電圧に変換する。
瞬低検出器１２は、変圧器１１の２次巻線に接続され、交流電源１の電圧低下を検出し、瞬時電圧低下検出信号Ｐ２（以下、瞬低検出信号Ｐ２と記す。）をコンバータ制御部５８及びインバータ制御部５９に出力する。ここで、瞬低検出器１２は、入力された３相交流の電圧が定格の７５％以下になると瞬時に電圧低下を検出し瞬低検出信号Ｐ２を出力し（例えば、Ｈレベル）、入力された３相交流の電圧が定格の９０％以上になると復電したと判断し、瞬低検出信号Ｐ２を出力しない（例えば、Ｌレベルとする）。すなわち、
瞬低検出器１２は例えはヒステリシスコンパレータを含む。フィルタ部２０は遮断器３を介して端子Ａに接続されている。
フィルタ部２０は、リアクトル２１、２２及びコンデンサ２３などで構成され、コンバータ５０が発生する高調波成分及び遮断器３の開閉時に発生するサージ電圧を低減する。
遮断器３はリアクトル２１の一方の端子（遮断器３側の端子）に接続され、リアクトル２１の他方の端子（コンデンサ２３側の端子）はコンデンサ２３及びリアクトル２２の一方の端子（リアクトル２１側の端子）に接続される。コンデンサ２３の他端子は接地されるか、３相交流の中性点に接続される。リアクトル２２の他方の端子（電磁開閉器３０側の端子）は電磁開閉器３０の一方の端子（リアクトル２２側の端子）に接続される。電磁開閉器３０の他方の端子（コンバータ５０側の端子）は入力電流検出器４０を介してコンバータ５０の交流入力に接続される。
電磁開閉器３０は、入力電流が過電流になり、コンバータ５０以降に接続される回路及び電動機９０を保護する必要がある場合に電磁開閉器３０の接点が自動的に開状態になる。
入力電流検出器４０は、コンバータ５０に入力される入力電流を検出し、その信号をコンバータ制御部５８に入力する。
コンバータ５０は交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、平滑コンデンサ５１で平滑される。
上記平滑コンデンサ５１で平滑された直流電力は、インバータ６０に供給される。すなわちコンバータ５０とインバータ６０は直流回路が接続されている。
インバータ６０は、コンバータ５０から出力された直流電力から、電動機９０を駆動するための可変周波の交流電圧（ここでは、３相交流電圧）を生成し、出力する。インバータ６０の交流出力は出力電流検出器７０及び電磁開閉器８０を介して電動機駆動装置１００の端子Ｂに出力される。さらに電動機駆動装置１００の端子Ｂには電動機９０が接続されている。
出力電流検出器７０は、上記インバータ６０から出力される出力電流を検出する。出力電流検出器７０で検出されたインバータ６０の出力電流帰還信号（以降、出力電流帰還Ｉｆｂｋと記す。）はインバータ制御部５９内の変換回路６７に入力される。変換回路６７は、例えば、出力電流帰還Ｉｆｂｋのトルク電流成分を出力する回路である。例えば、変換回路６７は３相の信号を互いに直交する２軸成分の信号に変換するｄ−ｑ変換回路である。変換回路６７の出力は減算回路６４の−端子に入力される。
平滑コンデンサ５１にはその直流電圧（すなわち直流回路の電圧）を検出する直流電圧検出器（直流電圧検出手段）５２が接続されている。
直流電圧検出器５２の出力はコンバータ制御部５８及びインバータ制御部５９に入力される。通常運転時は、コンバータ制御部５８は直流電圧検出器５２の出力信号である直流電圧帰還信号（以下、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋと記す。）と入力電流検出器４０の出力信号である入力電流帰還信号を使用して、平滑コンデンサ５１の直流電圧（以下単に直流電圧と記す。）を一定の値（以下、定格直流電圧と記す。）に保つ様にコンバータ５０を構成するスイッチング素子を制御するゲートパルスを出力する。コンバータ５０はコンバータ制御部５８から入力したゲートパルスに基づいて制御される。また、瞬低検出器１２から瞬低検出信号Ｐ２を受信した場合にコンバータ制御部５８は必要に応じ保護動作を行う。
電動機９０の軸と物理的に接続された速度センサ（回転速度検出手段）９１は、電動機９０の回転速度を検出し、回転速度帰還信号（以降、速度帰還ωｆｂｋと記す。）を出力する。速度センサ９１から出力された速度帰還ωｆｂｋは、電動機駆動装置１００の端子Ｃを経由して、インバータ制御部５９に入力される。また、図示されない外部の機器から電動機９０の回転速度を指示する信号（以下、外部速度指令と記す。）が電動機駆動装置１００の端子Ｄを経由してインバータ制御部５９に入力される。ここで、外部速度指令及び速度帰還ωｆｂｋは、電動機９０が巻上げ方向に回転する時は正の値、電動機９０が巻下げ方向に回転する時は負の値となるものとする。
以降はインバータ制御部５９内の説明を行う。インバータ制御部５９内の速度基準設定部６１は外部からの外部速度指令、直流電圧検出器５２の出力信号である直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋ及び瞬低検出器１２の出力である瞬低検出信号Ｐ２を入力し、内部速度指令を減算回路６２に出力する。速度基準設定部６１の内部の構成は後述する。
速度帰還ωｆｂｋは、インバータ制御部５９内の減算回路６２のー端子に入力される。速度基準設定部６１の出力である内部速度指令は、減算回路（減算手段）６２の＋端子に入力される。例えば、速度基準設定部６１は速度基準設定手段の一例である。
減算回路６２は、内部速度指令から速度帰還ωｆｂｋを減算し、その結果得られた速度偏差を速度制御部（ＡＳＰＲ：Automatic SPeed Regulator）６３に入力する。
速度制御部６３は、減算回路６２から入力した速度偏差が最小になるように、トルク電流基準を出力し、減算回路６４の＋端子に入力する。
減算回路６４は、トルク電流基準と変換回路６７の出力である出力電流帰還Ｉｆｂｋのトルク電流成分との偏差電流信号を電流制御部（ＡＣＲ：Automatic Current Regulator）（電流制御手段）６５に入力する。
電流制御部６５は、減算回路６４から入力した電流偏差信号が最小になるように出力である電圧指令信号を生成し、ＰＷＭ制御器６６に入力する。
ＰＷＭ制御器６６は、電流制御部６５から入力した電圧指令信号に基づいてインバータ６０を構成するスイッチング素子を制御するゲートパルスを生成して出力するＰＷＭ制御器６６から出力されたゲートパルスは、インバータ６０に入力される。 インバータ６０は、ＰＷＭ制御器６６から入力したゲートパルスに基づいて制御され、電動機９０を駆動する交流電圧を出力する。即ち、インバータ６０は電動機９０の回転速度が内部速度指令に追従する様に出力を制御している。
図２は、速度基準設定部（速度基準設定手段）６１の内部構成の一例を表すブロック図である。以下、図２及び図１を用いて、速度基準設定部６１について説明する。速度基準設定部６１は、レート発生回路６１１と補正回路６４１で構成される。
外部速度指令はレート発生回路６１１に入力され、レート発生回路６１１の出力は補正回路６４１内の減算回路６１２の＋端子に入力される。
レート発生回路６１１は、例えば、外部速度指令がステップ状に急峻な変化をした場合でも、レート発生回路６１１が出力する信号の変化率を、あらかじめ定められた所定の変化率以下とすることにより、レート発生回路６１１の変化を抑え、最終的に電動機９０に急峻なトルク変動を与えることを抑制する動作を行う。
減算回路６１２のー端子には補正回路６４１内の切換回路６２８の出力である速度指令補正値が入力される。減算回路６１２の出力は補正回路６４１内の絶対値回路６１３及び補正回路６４１内の比較回路６２６のＡ端子に入力される。さらに、減算回路６１２の出力は速度基準設定部６１から、内部速度指令として出力され、減算回路６２に入力される。即ち、外部から入力された外部速度指令は、レート発生回路６１１を経由して補正回路６４１内の減算回路６１２で速度指令補正値が減算され、内部速度指令として出力さ
れることになる。
速度指令補正値の発生方法について以降説明する。瞬時電圧低下検出部１０から出力された瞬低検出信号Ｐ２は補正回路６４１内の論理積回路６１８の第１端子とオンディレイ６１６に入力される。
オンディレイ６１６は、入力信号がＬレベルからＨレベルになったとき、所定の遅延設定時間後に出力がＬレベルからＨレベルとなる回路である。また、オンディレイ６１６は、入力信号がＨレベルからＬレベルになったときは、瞬時に出力がＨレベルからＬレベルとなる回路である。本実施例では、例えば、オンディレイ６１６の遅延時間は、電動機駆動装置１００の瞬低許容時間Ｔａに設定されている。
オンディレイ６１６の出力は、補正回路６４１内の反転回路６１７に入力されると共に、速度基準設定部６１外へ保護依頼信号として出力される。交流電源１の電圧低下が電動機駆動装置１００の瞬低許容時間Ｔａ以上継続すると、オンディレイ６１６の出力がＨレベルとなる。
保護依頼信号は、例えば、ＰＷＭ制御部６６に入力され、交流電源１の電圧低下が電動機駆動装置１００の瞬低許容時間Ｔａを越えて継続すると、インバータ６０をゲートブロック等の保護依頼動作を指示することができる。例えば、瞬低許容時間Ｔａは第１の設定時間の一例である。例えば、瞬低許容時間Ｔａは０．６秒である。
反転回路６１７の出力は、論理積回路６１８の第２端子に入力される。反転回路６１７は、入力信号と逆の論理レベルを出力する回路である。
論理積回路６１８は、第１端子入力と第２端子入力の論理積を出力する回路である。従って、論理積回路６１８の出力は、瞬低検出信号Ｐ２がＬレベルからＨレベルになると直ちにＨレベルとなり、瞬低検出信号Ｐ２がＨレベルを継続し、Ｈレベルの継続時間がオンディレイ６１６の遅延設定時間である瞬低許容時間Ｔａ以降は、論理積回路６１８の出力はＬレベルとなる。また、瞬低検出信号Ｐ２のＨレベルの継続時間がオンディレイ６１６の遅延設定時間より短い場合は、瞬低検出信号Ｐ２がＨレベルからＬレベルになると論理積回路６１８の出力も直ちにＬレベルとなる。論理積回路６１８の出力は補正回路６４１内の論理積回路６１９の第２端子に入力されている。
絶対値回路６１３の出力は、補正回路６４１内のコンパレータ６１５のＢ端子とコンパレータ６３３のＡ端子に入力される。
コンパレータ６１５のＡ端子には設定回路６１４で設定された値が入力されている。ここで設定回路６１４の設定値は、例えば、電動機９０の定格回転速度の１０％の値である。コンパレータ６１５はＡ端子の値がＢ端子の値より小さい場合、コンパレータ６１５の出力をＨレベルとする比較回路である。従って、本実施例ではたとえば内部速度指令の絶対値が電動機９０の定格回転速度の１０％より大きい場合、コンパレータ６１５の出力がＨレベルとなる。コンパレータ６１５の出力は論理積回路６１９に入力される。論理積回路６１９の出力は第１補正制御回路６２３のイネーブル端子（以降、イネーブル端子をＥ端子と記す。）に接続される。
設定回路６２０の出力は、補正回路６４１内の減算回路６２１の＋端子に入力され、直流電圧検出器５２の出力信号である直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが減算回路６２１のー端子に入力される。設定回路６２０の設定値は、例えば、定格直流電圧である。例えば、設定回路６２０の設定値は第１の基準値の一例である。
減算回路６２１は、設定回路６２０と直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋとの偏差を補正回路６４１内の第１補正制御回路６２３の入力端子に出力する。
第１補正制御回路６２３は、例えば、Ｅ端子にＨレベルが入力されている場合は、入力端子に与えられた偏差が最小に近づくように制御して補正回路６４１内の減算回路６２４の＋端子に信号を出力し、Ｅ端子入力がＬレベルとなると、その出力が零近傍になる様なイネーブル端子付き比例積分回路である。なお、第１補正制御回路６２３が比例積分回路等の積分要素がある回路の場合は、Ｅ端子がＬレベル中は積分要素がリセットされ第１補正制御回路６２３の出力が零近傍となる構成が望ましい。これはＥ端子がＬレベル中は積分要素がリセットされる構成にすることにより、Ｅ端子がＬレベルからＨレベルになった場合、第１補正制御回路６２３の出力は零近傍にから連続的に変化することができるからである。
コンパレータ６３３のＢ端子には、設定回路６３２で設定された値が入力されている。ここで、設定回路６３２の設定値は、例えば、電動機９０の定格回転速度の１１０％の値である。
コンパレータ６３３は、Ａ端子の値がＢ端子の値より小さい場合、コンパレータ６３３の出力をＨレベルとする比較回路である。従って、本実施例では、例えば、内部速度指令の絶対値が電動機９０の定格回転速度の１１０％以下の場合、コンパレータ６３３の出力がＨレベルとなる。
コンパレータ６３３の出力は、補正回路６４１内の第２補正制御回路６３４のＥ端子に接続される。設定回路６３０の出力は補正回路６４１内の減算回路６３１のー端子に入力され、直流電圧検出器５２の出力信号である直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが減算回路６３１の＋端子に入力される。設定回路６３０の設定値は、例えば、定格直流電圧の１１０％の値である。例えば、設定回路６３０の設定値は第２の基準値の一例である。
減算回路６３１は、設定回路６３０と直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋとの偏差を第２補正制御回路６３４に出力する。
第２補正制御回路６３４は、例えば、Ｅ端子にＨレベルが入力されている場合は、入力端子に与えられた偏差が最小に近づくように制御して補正回路６４１内のリミッタ回路６３５に信号を出力し、Ｅ端子入力がＬレベルとなると、その出力が零近傍になる様なイネーブル端子付き比例積分回路である。なお、第２補正制御回路６３４が比例積分回路等の積分要素がある回路の場合は、Ｅ端子がＬレベル中は積分要素がリセットされ第２補正制御回路６３４の出力が零近傍となる構成が望ましい。これはＥ端子がＬレベル中は積分要素がリセットされる構成にすることにより、Ｅ端子がＬレベルからＨレベルになった場合、第２補正制御回路６３４の出力は零近傍にから連続的に変化することができるからである。
リミッタ６３５は、下限リミッタであり、例えば、下限値は零に設定されている。リミッタ３６５の下限値を零に設定することで第２補正制御回路６３４は内部速度指令が電動機９０の定格回転速度の１１０％以下の場合且つ、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが、例えば、定格直流電圧の１１０を超えた場合にのみリミッタ６３５の出力が零以外の正の出力をすることになり、それ以外はリミッタ６３５の出力は零となる。
ここでリミッタ６３５は、第２補正制御回路６３４の出力が正の時のみ出力が有効になるようになっている。すなわち、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが設定回路６３０で設定された値以上になった場合のみ有効となる回路を構成している。リミッタ６３５の出力は減算回路６２４のー端子に入力される。
減算回路６２４は、第１補正制御回路６２３の出力とリミッタ６３５の出力の差分を出力する。減算回路６２４の出力は切換回路６２８のＡ端子と補正回路６４１内の極性反転回路６２７に入力される。
極性反転回路６２７は、入力された値とー１を乗算し、その結果を出力する回路である。極性反転回路６２７の出力は、切換回路６２８のＢ端子に入力される。
切換回路６２８の制御信号端子には、コンパレータ６２６の出力である切換信号Ｓ１が入力される。
コンパレータ６２６のＢ端子には、設定回路６２５で設定された値が入力されている。ここで設定回路６３５の設定値は零である。コンパレータ６２６はＡ端子の値がＢ端子の値より小さい場合、コンパレータ６３３の出力をＨレベルとする比較回路である。従って、本実施例ではたとえば内部速度指令が電動機９０を巻上げ方向に回転させる値の場合は、コンパレータ６２６の出力である切換信号Ｓ１はLレベルとなり、内部速度指令が電動機９０を巻下げ方向に回転させる値の場合は、コンパレータ６２６の出力である切換信号Ｓ１はＨレベルとなる。コンパレータ６２６の出力は切換回路６２８の制御信号端子に接続されている。
切換回路６２８は、制御信号端子の入力信号レベルがＬレベルの場合はＡ端子に接続された信号を出力し、制御信号端子の入力信号レベルがＨレベルの場合はＢ端子に接続された信号を出力する切換回路である。従って、本実施例では、内部速度指令が電動機９０を巻上げ方向に回転させる値の場合は、切換回路６２８は減算回路６２４の出力信号を出力し、内部速度指令が電動機９０を巻下げ、方向に回転させる値の場合は、切換回路６２８は極性反転回路６２７の出力信号を出力する。
すなわち、第１補正制御回路６２３は、交流電源１の電圧低下発生時に直流電圧帰還ＶＤＣＦＢＫを設定回路６２０の設定値(例えば、定格電圧)維持する様に速度補正信号を出力する回路を構成している。また、コンパレータ６１５や論理積回路６１９は電動機の速度（絶対値）が設定回路６１４で定められた所定値(例えば、１０％)未満となる場合はその速度補正信号を出力することを停止する回路を構成している。
また、第２補正制御回路６３４は、直流電圧帰還ＶＤＣＦＢＫが上昇した場合に設定回路６３０の設定値(例えば、定格の１１０％電圧)以下に維持する様に速度補正信号を出力する回路を構成している。また、コンパレータ６３３は、電動機の速度（絶対値）が設定回路６１４で定められた所定値(例えば、定格回転速度の１１０％)を超える場合はその速度補正信号を出力することを停止する回路を構成している。
切換回路６２８の出力は、速度指令補正値として減算回路６１２のー端子に入力される。即ち、切換回路６２８は、電動機の回転方向によって第１補正制御回路６２３の出力やリミッタ回路６３５を経由した第２補正制御回路６３４の出力である速度指令補正値の極性を切り替える回路である。
補正回路６４１は、交流電源１の電圧低下発生時時においては直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋと設定回路６２０の設定値を比較し、その差分が零に近づく様に外部速度指令を補正して内部速度指令として出力するように構成している。
補正回路６４１は、交流電源１の電圧低下発生時時においては直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが設定回路６２０の設定値より高い場合は、絶対値としての内部速度指令が増加する方向に補正し、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが設定回路６２０の設定値より低い場合は、絶対値としての内部速度指令が減少する方向に補正している。
また、補正回路６４１は直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋと設定回路６３０の設定電値を比較し、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋが設定回路６３０を超える場合は、その差分がその差分が零に近づく様に絶対値としての内部速度指令を上昇させる方向に補正している。
クレーン等の装置に於いて、電動機駆動装置１００が力行動作するか回生動作するかは、荷重とカウンターウエイトの関係で決まるので、巻き上げ、巻き下げの両方向において力行動作と回生動作があり得る。そこで、巻上げ、巻下げの両方向において、各々力行動作及び回生動作中に交流電源１の電圧低下が生じた場合の実施例１に係る電動機駆動装置１００の動作について説明する。
図３は、実施例１に係る電動機駆動装置の巻上げ、力行動作時に交流電源１で電圧低下が発生し、その後復電した場合の電動機駆動装置１００の各部の動作を説明するタイムチャートである。図３に於いて（ａ）〜（ｅ）に示す波形は、図１における（ａ）〜（ｅ）の部位の波形に対応している。以下図１、図２及び図３を用いて実施例１に係る電動機駆動装置１００の巻上げ、力行動作時に交流電源１の電圧低下が発生した場合の動作の一例を説明する
図３（ａ）は、交流電源１の電圧（以下、交流電圧と記す。）の実効値の変化の一例である。この例では、交流電圧が、時刻ｔ０において低下し始め、時刻ｔ１で瞬低検出器１２が動作する定格電圧の７５％以下になり、その後回復し始め、時刻ｔ２でコンバータ５０がコンバータ運転可能な電圧まで回復し、時刻ｔ４で瞬低検出器１２が復帰する定格電圧の９０％に回復した状態を示す。ここで時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間はオンディレイ６１６の遅延設定時間Ｔａより短いものとする。
図３（ｂ）は、瞬低検出器１２の出力である瞬低検出信号Ｐ２の動作を示す。交流電圧が、時刻ｔ１で定格電圧の７５％以下になり、時刻ｔ２で定格電圧の９０％に回復したため、瞬低検出器１２で検出され、瞬低検出信号Ｐ２が時刻ｔ１でＬレベルからＨレベルとなり時刻ｔ４でＬレベルとなった状態を示す。
図３（ｃ）は、外部速度指令である。本実施例では、交流電源１の電圧低下が検出された場合であっても、電動機９０の運転を継続するため、外部から与えられる外部速度指令が一定値の場合を示している。
図３（ｄ）は、内部速度指令である。時刻ｔ１以前は外部速度指令と内部速度指令は等しい値である。内部速度指令は、瞬低検出信号Ｐ２がＨレベルとなった時刻ｔ１以降低下し、時刻ｔ２以降は上昇に転じ、時刻ｔ３で再び外部速度指令と等しくなる。
図３（ｅ）は、出力電流帰還Ｉｆｂｋである。時刻ｔ１以前は一定であるがｔ１以降低下し、時刻ｔ２以降は上昇に転じ、時刻ｔ３で再び一定となっている。
図３（ｆ）は、トルク電流基準である。時刻ｔ１以前は力行動作であるので正の値をしめす。時刻ｔ１以降は内部速度指令が低下するため回生動作をするため、トルク電流基準は負の値を示す、時刻ｔ２以降は力行動作になるため正の値になり、時刻ｔ３で初期の値に復帰している。
図３（ｇ）は、速度帰還ωｆｂｋである。内部速度指令に追従した動作となっている。
図３（ｈ）は、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋである。交流電源１の電圧低下の発生する時刻ｔ０以降は低下し、時刻ｔ１以降は低下が抑制され、交流電源１が回復し時刻ｔ２以降は上昇に転じ、時刻ｔ３で初期の値と等しくなる。
以下動作を説明する。図３の初期条件では、巻上げ動作時であるので、減算回路６１２の出力である内部速度指令は正の値である。従ってコンパレータ６２６の出力はＬレベルであり、切換回路６２８は入力端子Ａすなわち減算回路６２４の出力が選択されている。
巻上げ、力行動作時に、時刻ｔ１にて図３（ｂ）に示す瞬低検出信号Ｐ２が出力されると、速度基準設定部６１内の論理積回路６１８の出力はＨレベルとなる。ここで内部速度指令の絶対値が、例えば、１０％以上であれば論理積回路６１９の出力もＨレベルとなり第１補正制御回路６２３が動作可能になる。
第１補正制御回路６２３は、設定回路６２０の設定値と直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋとの差分が最小になるように信号を出力する。尚、この場合、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋは、設定回路６３０の値より低いので、減算回路６３１の出力は負の値である。従って、第２補正制御回路６３４の出力も負の値であるが、リミッタ回路６３５によりリミッタ回路６３５の出力はゼロとなる。従って、減算回路６１２の−端子には第１補正制御回路６２３の出力値と等しい値が入力される。
ここで、力行動作時に交流電源１の電圧低下が発生すると、コンバータ５０が直流回路に電力を供給できなくなるため時刻ｔ０から直流回路の電圧は下がり図３（ｈ）に示す様に直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋも低下する。従って減算回路６２１の出力は正の値をとる。
時刻ｔ１で第１補正制御回路６２３のイネーブル端子入力がＨレベルになると第１補正制御回路６２３は正の減算回路６２１の出力をゼロに近づける様に正の値を出力する。その結果減算回路６１２の出力である内部速度指令が低下する。
図３（ｆ）に示すトルク電流基準は、時刻ｔ１に於いて内部速度指令が下がるので、電動機９０の速度を低下させるため力行を示す正の値から、例えば、回生を示す負の値になる。また、図３（ｅ）に示される出力電流検出器７０で検出した出力電流帰還Iｆｂｋも時刻ｔ１から小さな値になっている。図３（ｇ）に速度帰還ωｆｂｋは図３（ｄ）に示される内部速度指令に追従した動きを示す。図３（ｈ）に示す直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋは時刻ｔ１以降に一連の動作の結果として低下が抑制される。
交流電圧が復電し、時刻ｔ２にてコンバータ５０が動作可能なレベルになると直流電圧が上昇する。そこで、減算回路６２１の差分が減少するので第１補正制御回路６２３の出力は低下に転じる。従って図３（ｄ）に示す減算回路６１２の出力である内部速度指令は上昇してゆく。また図３（ｆ）に示すトルク電流基準は速度を上昇させるため力行に転じる。また、図３（ｄ）（ｆ）（ｈ）に示されるように、時刻ｔ３にて直流電圧が定格電圧に等しくなると内部速度指令も外部速度指令と等しい値になり、トルク指令も電圧低下以前の値となる。
さらに図３（ａ）に示す様に時刻ｔ４にて交流電圧が所定の値まで復帰すると、図（３）に示す様に瞬低検出はＬレベルとなる。
以上の様に、実施例１に係る電動機駆動装置は巻上げ、力行運転中に瞬時電圧低下が発生しても、停止することなく運転を継続できる。
図４は、実施例１に係る電動機駆動装置の巻上げ、回生動作時に交流電源１で電圧低下が発生し、その後復電した場合の電動機駆動装置１００の各部の動作を説明するタイムチャートである。図４に於いて（ａ）〜（ｅ）に示す波形は、図３と同様に図１における（ａ）〜（ｅ）の部位の波形に対応している。以下図１、図２及び図４を用いて実施例１に係る電動機駆動装置１００の巻上げ、回生動作時に電圧低下が発生した場合の動作の一例を説明する。
図４（ａ）は、図３の(a)と同様に交流電源１の電圧（以下、交流電圧と記す。）の実効値の変化の一例である。交流電圧の変化は図３の（ａ）と同様であるので説明は省略する。
図４（ｂ）は、図（３）（ｂ）と同様に、瞬低検出器１２の出力である瞬低検出信号Ｐ２の動作を示す。動作は図３の（ｂ）と同様であるので説明は省略する。
図４（ｃ）は、外部速度指令である。本実施例では、交流電源１の電圧低下が検出された場合であっても、電動機９０の運転を継続するため、外部から与えられる外部速度指令が一定値の場合を示している。
図４（ｄ）は、内部速度指令である。時刻ｔ１以前は外部速度指令と内部速度指令は等しい値である。内部速度指令が瞬低検出信号Ｐ２がＨレベルとなった時刻ｔ１以降上昇し、時刻ｔ２以降は下降昇に転じ、時刻ｔ３で再び外部速度指令と等しくなる。
図４（ｅ）は、出力電流帰還Ｉｆｂｋである。時刻ｔ１以前は一定であるがｔ１以降低下し、時刻ｔ２以降は上昇に転じ、時刻ｔ３で再び一定となっている。
図４（ｆ）は、トルク電流基準である。時刻ｔ１以前は回生動作であるので負の値を示す。時刻ｔ１以降は内部速度指令が上昇するため力行動作となり、トルク電流基準は正の値を示す、時刻ｔ２以降は回生動作になるため負の値になり、時刻ｔ３で初期の値に復帰している。
図４（ｇ）は、速度帰還ωｆｂｋである。内部速度指令に追従した動作となっている。
図４（ｈ）は、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋである。電圧低下の発生する時刻ｔ０以降は上昇し刻ｔ１以降は上昇が抑制され、交流電源１が回復し時刻ｔ２以降は下降し、時刻ｔ３で初期の値と等しくなる。
図４の初期条件では、巻上げ動作時であるので減算回路６１２の出力である内部速度指令は正の値である。従ってコンパレータ６２６の出力はＬレベルであり、切換回路６２８は入力端子Ａすなわち減算回路６２４の出力が選択されている。
巻上げ、回生動作時に、時刻ｔ１にて図３（ｂ）に示す瞬低検出信号Ｐ２が出力されると、速度基準設定部６１内の論理積回路６１８の出力はＨレベルとなる。ここで内部速度指令の絶対値が、例えば、１０％以上であれば論理積回路６１９の出力もＨレベルとなり第１補正制御回路６２３が動作可能になる。第１補正制御回路６２３は設定回路６２０の設定値と直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋとの差分が最小になるように信号を出力する。
尚、この場合直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋは設定回路６３０の値より低いので減算回路６３１の出力は負の値である。従って第２補正制御回路６３４の出力も負の値であるがリミッタ回路６３５によりリミッタ回路６３５の出力はゼロとなる。従って、減算回路６１２の−端子には第１補正制御回路６２３の出力値と等しい値が入力される。ここで、回生動作時に交流電源１の電圧低下が発生するとコンバータ５０が直流回路から交流電源１に電力を回生できなくなるため時刻ｔ０から直流回路の電圧は上昇し、図３（ｈ）に示す様に直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋも上昇する。従って減算回路６２１の出力は負の値をとる。時刻ｔ１で第１補正制御回路６２３のイネーブル端子入力がＨレベルになると第１補正制御回路６２３は負の減算回路６２１の出力をゼロに近づける様に負の値を出力する。その結果減算回路６１２の出力である内部速度指令が上昇する。図３（ｆ）に示すトルク電流基準は、時刻ｔ１に於いて内部速度指令が上昇するので、電動機９０の速度を上昇させるため回生を示す負の値から、例えば、力行を示す正の値になる。また、図３（ｅ）に示される出力電流検出器７０で検出した出力電流帰還Ｉｆｂｋも時刻ｔ１から小さな値になっている。図４（ｇ）に速度帰還ωｆｂｋは図４（ｄ）に示される内部速度指令に追従した動きを示す。図４（ｈ）に示す直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋは時刻ｔ１以降に一連の動作の結果として上昇が抑制される。
交流電圧が復電し時刻ｔ２にてコンバータ５０が動作可能なレベルになると直流電圧は低下する。そこで、減算回路６２１の差分が減少するので第１補正制御回路６２３の出力の絶対値は低下に転じる。従って図４（ｄ）に示す減算回路６１２の出力である内部速度指令は低下してゆく。また図４（ｆ）に示すトルク電流基準は速度を低下させるため回生に転じる。また、図４（ｄ）（ｆ）（ｈ）に示されるように、時刻ｔ３にて直流電圧が定格電圧に等しくなると内部速度指令も外部速度指令と等しい値になり、トルク指令も電圧低下以前の値となる。
以上の様に、実施例１に係る電動機駆動装置は巻上げ、回生運転中に交流電源１の電圧低下が発生しても、停止することなく運転を継続できる。
図５は、実施例１に係る電動機駆動装置の巻下げ、力行回生動作時に交流電源１で電圧低下が発生し、その後復電した場合の電動機駆動装置１００の各部の動作を説明するタイムチャートである。図５に於いて（ａ）、（ｂ）、（ｅ）に示す波形は、図３と同様に図１における（ａ）、（ｂ）、（ｅ）の部位の波形に対応している。以下図１、図２及び図５を用いて実施例１に係る電動機駆動装置１００の巻上げ、回生動作時に瞬時電圧低下が発生した場合の動作の一例を説明する。
図５（ａ）は、図３の(a)と同様に交流電源１の電圧（以下、交流電圧と記す。）の実効値の変化の一例である。交流電圧の変化は図３の（ａ）と同様であるので説明は省略する。
図５（ｂ）は、図（３）（ｂ）と同様に、瞬低検出器１２の出力である瞬低検出信号Ｐ２の動作を示す。動作は図３の（ｂ）と同様であるので説明は省略する。
図５（ｃ）は、外部速度指令である。巻下げ運転であるため、外部速度指令は負の値を示す。本実施例では、交流電源１の電圧低下が検出された場合であっても、電動機９０の運転を継続するため、外部から与えられる外部速度指令が一定値の場合を示している。極性が反転している以外は図３（ｃ）と同様である。
図５（ｄ）は、内部速度指令である。時刻ｔ１以前は外部速度指令と内部速度指令は等しい負の値である。内部速度指令が瞬低検出信号Ｐ２がＨレベルとなった時刻ｔ１以降上昇し（正方向）、時刻ｔ２以降は下降（負方向）に転じ、時刻ｔ３で再び外部速度指令と等しくなる。極性が反転している以外は図３（ｄ）と同様である。
図５（ｅ）は、出力電流帰還Ｉｆｂｋである。時刻ｔ１以前は一定であるがｔ１以降低下し、時刻ｔ２以降は上昇に転じ、時刻ｔ３で再び一定となっている。図３（ｄ）と同様である。
図５（ｆ）は、トルク電流基準である。時刻ｔ１以前は力行動作であるので正の値を示す。時刻ｔ１以降は内部速度指令の絶対値が低下するため回生動作となり、トルク電流基準は負の値を示す、時刻ｔ２以降は力行動作になるため正の値になり、時刻ｔ３で初期の値に復帰している。図３（ｆ）と同様である。
図５（ｇ）は、速度帰還ωｆｂｋである。内部速度指令に追従した動作となっている。
極性が反転している以外は図３（ｇ）と同様である。
図５（ｈ）は、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋである。交流電源１の電圧低下の発生する時刻ｔ０以降は下降し、刻ｔ１以降は下降が抑制され、交流電源１が回復すると、時刻ｔ２以降は上昇し、刻ｔ３で初期の値と等しくなる。図３（ｄ）と同様である。
図５の初期条件では巻下げ、力行動作時であるので減算回路６１２の出力である内部速度指令は負の値である。従ってコンパレータ６２６の出力はＨレベルであり、切換回路６２８は入力端子Ｂすなわち極性反転回路６２７の出力が選択されている。すばわち、減算回路６２４の出力の極性を反転した値が減算回路６１２のー端子入力に速度補正値として入力される。
以下の動作は、外部速度指令、内部速度指令の極性が反転している以外は図３の説明と同様になるので以降の説明は省略する。
以上の様に、実施例１に係る電動機駆動装置は巻下げ、力行運転中に交流電源１の電圧低下が発生しても、停止することなく運転を継続できる。
図６は、実施例１に係る電動機駆動装置の巻下げ、回生動作時に交流電源１で電圧低下が発生し、その後復電した場合の電動機駆動装置１００の各部の動作を説明するタイムチャートである。図５に於いて（ａ）、（ｂ）、（ｅ）に示す波形は、図３と同様に図１における（ａ）、（ｂ）、（ｅ）の部位の波形に対応している。以下図１、図２及び図６を用いて実施例１に係る電動機駆動装置１００の巻上げ、回生動作時に交流電源１の電圧低下が発生した場合の動作の一例を説明する。
図６（ａ）は、図３の(a)と同様に交流電源１の電圧（以下、交流電圧と記す。）の実効値の変化の一例である。交流電圧の変化は図３の（ａ）と同様であるので説明は省略する。
図６（ｂ）は、図（３）（ｂ）と同様に、瞬低検出器１２の出力である瞬低検出信号Ｐ２の動作を示す。動作は図３の（ｂ）と同様であるので説明は省略する。
図６（ｃ）は、外部速度指令である。巻下げ運転であるため、外部速度指令は負の値を示す。本実施例では、交流電源１の電圧低下が検出された場合であっても、電動機９０の運転を継続するため、外部から与えられる外部速度指令が一定値の場合を示している。
図６（ｄ）は、内部速度指令である。時刻ｔ１以前は外部速度指令と内部速度指令は等しい負の値である。内部速度指令が瞬低検出信号Ｐ２がＨレベルとなった時刻ｔ１以降下降し（負方向）、時刻ｔ２以降は上昇（正方向）に転じ、時刻ｔ３で再び外部速度指令と等しくなる。
図６（ｅ）は、出力電流帰還Ｉｆｂｋである。時刻ｔ１以前は一定であるがｔ１以降低下し、時刻ｔ２以降は上昇に転じ、時刻ｔ３で再び一定となっている。
図６（ｆ）は、トルク電流基準である。時刻ｔ１以前は回生動作であるので負の値を示す。時刻ｔ１以降は内部速度指令の絶対値が上昇するため力行動作となり、トルク電流基準は正の値を示す、時刻ｔ２以降は回生動作になるため負の値になり、時刻ｔ３で初期の値に復帰している。
図６（ｇ）は、速度帰還ωｆｂｋである。内部速度指令に追従した動作となっている。
図６（ｈ）は、直流電圧帰還ＶＤＣｆｂｋである。交流電源１の電圧低下の発生する時刻ｔ０以降は上昇し、時刻ｔ１以降は下降が抑制され、交流電源１が回復すると、時刻ｔ２以降は下降し、時刻ｔ３で初期の値と等しくなる。
図６の初期条件では巻下げ、回生動作時であるので減算回路６１２の出力である内部速度指令は負の値である。従ってコンパレータ６２６の出力はＨレベルであり、切換回路６２８は入力端子Ｂすなわち極性反転回路６２７の出力が選択されている。すばわち、減算回路６２４の出力の極性を反転した値が減算回路６１２のー端子入力に速度補正値として入力される。以下の動作は外部速度指令、内部速度指令の極性が反転している以外は図４の説明と同様になるので以降の説明は省略する。
以上の様に実施例１に係る電動機駆動装置は巻下げ、回生運転中に交流電源１の電圧低下が発生しても、停止することなく運転を継続できる。
以上説明したように、本発明の実施例によれば、電動機駆動装置が巻上げ機やクレーンなどの巻上げ及び巻下げに使用する電動機を運転中に交流電源の電圧低下が発生したとき、交流電源の電圧低下を検出し、当該電動機の回転速度の速度指令を補正することにより、当該電動機駆動装置が停止することを防止し、装置の許容の範囲内で運転を継続することができる電動機駆動装置を提供できる。
１００ 電動機駆動装置
１ 交流電源
２、３ 遮断器
１０ 瞬時電圧低下検出部
１１ 変圧器
１２ 瞬低検出器
２０ フィルタ部
２１、２２ リアクトル
２３ コンデンサ
３０ 電磁開閉器
４０ 入力電流検出器
５０ コンバータ
５１ 平滑コンデンサ
５２ 直流電圧検出器
５８ コンバータ制御部
５９ インバータ制御部
６０ インバータ
６１ 速度基準設定部
６１１ レート発生回路
６１３ 絶対値回路
６１４、６２０、６２５、６３０、６３２ 設定回路
６１５、６２６、６３３ コンパレータ
６１６ オンディレイ
６１７ 反転回路
６１８、６１９ 論理積回路
６２３ 第１補正制御回路
６３４ 第２補正制御回路
６２７ 極性反転回路
６２８ 切換回路
６２９ 一次遅れ回路
６２、６４、６１２、６２１、６２４、６３１ 減算回路
６３５ リミッタ
６４１ 補正回路
６３ 速度制御部
６５ 電流制御部
６６ ＰＷＭ制御器
６７ 変換回路
７０ 出力電流検出器
８０ 電磁開閉器
９０ 電動機
９１ 速度センサ

Claims (2)

  1. 交流電源の供給を受けて交流電源の電力を直流回路に供給するコンバータと、前記直流回路からの電力を可変周波数の交流電力に変換し、巻上機に使用される電動機を駆動するインバータと、
    前記交流電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
    前記コンバータを制御するコンバータ制御部と、
    前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
    前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、
    前記インバータ制御部は、
    前記電動機の回転速度を設定する速度基準設定手段と、
    前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段の出力と、
    前記速度基準設定手段の出力である内部速度指令との偏差である速度偏差を検出する手
    段と、
    前記速度偏差の出力に応じ前記インバータの出力電流を制御する手段と、を備え、
    前記速度基準設定手段は、
    外部から与えられる外部速度指令を補正する補正回路を備え、
    前記補正回路は、
    前記電圧低下検出手段から電圧低下信号を受信したときに、前記直流電圧検出手段の検出値と第１の基準値との偏差に応じ前記外部速度指令を補正して前記速度基準設定手段の出力とするとき、
    前記第１の基準値は、
    電動機駆動装置の直流定格電圧とし、力行時には、絶対値としての前記電動機の回転速度を低下させる方向に外部速度指令を補正し、回生時には、絶対値としての前記電動機の回転速度を上昇させる方向に前記外部速度指令を補正することを特徴とする電動機駆動装置。
  2. 前記補正回路は、
    前記直流電圧検出手段による検出値が前記第１の基準値より大きい第２の基準値を超えた場合は、絶対値としての前記電動機の回転速度を上昇させる方向に前記外部速度指令を補正することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
JP2019559981A 2017-12-22 2017-12-22 電動機駆動装置 Active JP6980213B2 (ja)

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