JP7419220B2 - 過負荷抑制装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、誘導電動機の可変速駆動装置の過負荷抑制装置に関する。

製鉄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。

誘導電動機可変速駆動装置では、始動時に、誘導電動機の界磁を立ち上げる必要があるため、起動指令に対して、遅れて動作する。そこで従来、負荷始動時の応答遅れを抑制するため、誘導電動機の運転停止時にも界磁電流成分の電流を供給する手法がある（特許文献１参照）。

特公昭６３－５９９８号公報

特許文献１に示された手法は、停止時にも誘導電動機に界磁電流を流すことで、電動機を常に励磁させる手法である。この手法を適用した可変速駆動装置で誘導電動機を運転する場合に、過負荷警報が発報されやすくなることがある。

このような過負荷警報を発報しやすい電動機は、熱延ラインの粗主機圧延機の圧下装置用のような、材料の圧延時に、頻繁に運転と停止を繰り返す用途の場合が多い。

過負荷警報が発報されるということは、電動機の運転条件が厳しい状態になっていることを表しており、電動機の過熱や焼損防止のためには、誘導電動機の容量をより大きくする必要がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、運転と停止を繰り返す負荷を駆動する場合に誘導電動機の過負荷状態を抑制し、誘導電動機を保護する過負荷抑制装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る過負荷抑制装置は、材を処理する第１工程に設けられた第１負荷を運転および停止を繰り返す間欠駆動する誘導電動機を速度制御する可変速駆動装置に前記誘導電動機を励磁し、励磁を停止するための励磁信号を生成する。この過負荷抑制装置は、前記材のトラッキング情報を収集するトラッキング情報収集部と、前記材の速度に関する情報を含む設定データ情報を収集する設定データ情報収集部と、前記トラッキング情報および前記設定データ情報にもとづいて、前記材の前記第１工程への進入時刻および前記材の前記第１工程からの退出時刻を計算する速度パターン予測部と、前記進入時刻および前記退出時刻にもとづいて、前記励磁信号を生成する励磁パターン作成部と、を備える。前記励磁パターン作成部は、前記進入時刻よりも前の時刻から前記退出時刻までの期間では前記励磁信号をアクティブとし、前記期間の他の期間では前記励磁信号を非アクティブとする。

本実施形態では、運転と停止を繰り返す負荷を駆動する場合に誘導電動機の過負荷状態を抑制し、誘導電動機を保護する過負荷抑制装置が実現される。

実施形態に係る過負荷抑制装置を例示する模式的なブロック図である。 過負荷抑制装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る過負荷抑制装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態の過負荷抑制装置１０は、制御用ネットワーク１０３を介して、計算機システム１０１およびプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）１０２に通信可能に接続されている。過負荷抑制装置１０は、計算機システム１０１から設定データ情報を収集する。過負荷抑制装置１０は、ＰＬＣ１０２からトラッキング情報を収集する。

設定データ情報には、圧延ライン中の材の圧延速度のデータがあらかじめ設定されている。圧延速度のデータは、速度指令値や、速度指令値に到達し、下降するまでの速度上昇率、速度下降率、あるいは速度指令値から次の速度指令値に移行する際の速度変化率等の情報を含んでいる。

トラッキング情報は、圧延ラインを搬送される材の位置を表す情報であり、その材の製品識別番号に紐づけられている。より具体的には、圧延ラインに設けられた位置センサ等によって材がある工程に進入した時刻およびその工程から退出した時刻を表すことによって、その材のラインにおける位置を表すことができる。

過負荷抑制装置１０は、可変速駆動装置３に接続されている。可変速駆動装置３は、この例では、変圧器２を介して交流電源１に接続されている。可変速駆動装置３は、誘導電動機４に接続されている。

過負荷抑制装置１０は、可変速駆動装置３に励磁指令を送出する。励磁指令は、励磁信号を含んでおり、可変速駆動装置３は、励磁信号が“ＯＮ（アクティブ）”のときに励磁電流を流して誘導電動機４を励磁する。可変速駆動装置３は、励磁信号が“ＯＦＦ（非アクティブ）”のときに励磁電流を遮断して誘導電動機４の励磁を停止する。

可変速駆動装置３は、図示しないが、制御用ネットワーク１０３を介して、ＰＬＣ１０２に接続されており、ＰＬＣ１０２によって生成され補正された速度指令に応じた速度で誘導電動機４をリアルタイムで駆動する。後に詳述するように、過負荷抑制装置１０は、可変速駆動装置３の速度パターンを予測して、ＰＬＣ１０２がリアルタイムで生成する速度指令よりも早いタイミングで励磁指令を生成する。励磁指令の励磁信号は、ＯＮに設定され、誘導電動機４を励磁し、誘導電動機４が停止する期間が長い場合には、ＯＦＦに設定されることによって、誘導電動機４の励磁を停止する。これによって、可変速駆動装置３による誘導電動機４の起動遅れを生じることなく、励磁電流による過負荷状態を回避することが可能になる。

実施形態の過負荷抑制装置１０の構成について説明する。
過負荷抑制装置１０は、トラッキング情報収集部１２と、設定データ情報収集部１４と、速度パターン予測部１６と、励磁パターン作成部１８と、を備える。

トラッキング情報収集部１２は、ＰＬＣ１０２からトラッキング情報を収集する。設定データ情報収集部１４は、計算機システム１０１から設定データ情報を収集する。

速度パターン予測部１６は、トラッキング情報および設定データ情報にもとづいて、制御対象としている誘導電動機４によって処理される工程での誘導電動機４の速度パターンを予測する。

励磁パターン作成部１８は、速度パターン予測部１６によって生成された、誘導電動機４のための速度パターン予測にもとづいて、励磁パターンを生成する。励磁パターンは、励磁指令として出力され、この例では、ＯＮおよびＯＦＦが組み合わされた励磁信号である。励磁信号がＯＮのときに、誘導電動機４が励磁され、励磁信号がＯＦＦのときに誘導電動機４の励磁が停止される。

過負荷抑制装置１０の動作について説明する。
図２は、過負荷抑制装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。
図２の上の図は、速度パターン予測部１６が生成する誘導電動機４のための速度パターン予測を表した図である。
図２の下の図は、励磁パターン作成部１８が生成する励磁パターンを表す図である。

図２に示すように、時刻ｔ１において、速度の予測値が立ち上がる。時刻ｔ１は、この例の誘導電動機４が処理する工程よりも前の工程に設けられた位置センサによって取得されるトラッキング情報にもとづいて速度パターン予測部１６が計算する。誘導電動機４が処理する工程の位置と位置センサとの間の距離は既知であり、その距離における材の搬送速度も既知であるため、速度パターン予測部１６は、時刻ｔ１を計算することができる。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間では、計算機システム１０１にあらかじめ設定された速度の上昇率、定速走行期間、定速走行時速度および速度の下降率の情報を、速度パターン予測部１６によって抽出し、速度パターンに適用する。時刻ｔ２は、速度パターン予測部１６によって、適用した速度パターンにもとづいて計算される。

時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間および時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間については、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間の場合と同様に、速度パターン予測部１６は、トラッキング情報および設定データ情報にもとづいて、速度パターンを予測し、これら各時刻を計算する。

励磁パターン作成部１８は、速度パターン予測部１６が時刻ｔ１を算出すると、算出された時刻ｔ１にもとづいて励磁信号をＯＦＦからＯＮに遷移させる。この場合には、時刻ｔ１は、あらかじめわかっているため、時刻ｔ１よりもΔｔｒ（第１期間）分、早く励磁信号をＯＮに遷移させる。Δｔｒは、誘導電動機４の始動時間に、トラッキング情報にもとづく時刻の計算の誤差等を考慮してあらかじめ設定され、励磁パターン作成部１８に適用されている。

励磁パターン作成部１８は、あらかじめ算出された時刻ｔ２にもとづいて、励磁信号をＯＮからＯＦＦに遷移させる。この場合には、時刻ｔ２は、あらかじめわかっているため、励磁パターン作成部１８は、時刻ｔ２よりもΔｔｆ（第２期間）分、遅く励磁信号をＯＦＦに遷移させる。好ましくは、Δｔｆは、０であるが、トラッキング情報にもとづく時刻の計算の誤差等を考慮してあらかじめ設定され、励磁パターン作成部１８に適用されている。Δｔｆは、Δｔｒと同じ値に設定されてもよいし、異なる値とされてもよい。

ここで、この例では、先行する時刻ｔ１から時刻ｔ２までの速度パターンと、これに後続する時刻ｔ３から時刻ｔ４までの速度パターンが時間的に接近しており、時刻ｔ２と時刻ｔ３との期間Δｔａが、ΔｔｒとΔｔｆの和である定数αよりも短い場合には、励磁信号をＯＮからＯＦＦへ遷移させ、その後励磁信号をＯＦＦからＯＮに遷移させることができない。そのため、この例では、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間では、励磁パターン作成部１８は、励磁信号をＯＦＦに遷移させることなく、ＯＮを維持する。

時刻ｔ３から時刻ｔ４までの速度パターンにさらに後続する時刻ｔ５から時刻ｔ６までの速度パターンでは、時刻ｔ４と時刻ｔ５の期間ΔｔｂがΔｔｒとΔｔｆの和である定数αに比べて十分に長いため、励磁パターン作成部１８は、時刻ｔ４からΔｔｆ分、遅れて励磁信号をＯＮからＯＦＦに遷移させる。励磁パターン作成部１８は、時刻ｔ５よりもΔｔｒ分、早い時刻に励磁信号をＯＦＦからＯＮに遷移させる。なお、定数αは、ΔｔｒとΔｔｆの和とすることが好ましいが、ΔｔｒとΔｔｆよりも大きな値としてももちろんかまわない。定数αは、ΔｔｒとΔｔｆの和と等しくすることによって、より短い期間であっても、誘導電動機４の励磁を停止することができるので、誘導電動機４の一次電流のＲＭＳをより小さく抑えることができる。

誘導電動機４は、時刻ｔ１、時刻ｔ５よりもΔｔｒ分、早く励磁電流が可変速駆動装置３から供給されるので、時刻ｔ１、時刻ｔ５には、運転が可能になる。

誘導電動機４は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間Δｔａでは、定数αよりも十分長い期間がとれないので、励磁電流の通電が継続される。一方で、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間Δｔｂでは、定数αよりも十分長い期間が確保されるため、誘導電動機４は、励磁電流の供給が遮断され、運転期間全体の誘導電動機４に供給される電流値の実効値（ＲＭＳ）を抑制することができる。

過負荷抑制装置１０は、たとえば、演算処理装置および記憶装置を備えたコンピュータ装置によって実現してもよい。過負荷抑制装置１０をコンピュータ装置によって実現する場合には、記憶装置に格納されたプログラムの各ステップを演算処理装置が逐次実行することによって上述の動作および機能が実現される。図１等に示したトラッキング情報収集部１２、設定データ情報収集部１４、速度パターン予測部１６および励磁パターン作成部１８の各要素のすべてまたはその一部の動作および機能は、プログラムを構成するステップによって実現される。

実施形態の過負荷抑制装置１０の効果について説明する。
実施形態の過負荷抑制装置１０は、トラッキング情報収集部１２によって収集されたトラッキング情報を用いて、材の位置をトラッキングすることができる。そして、速度パターン予測部１６によって、その材が制御対象の誘導電動機４によって駆動される機器や機械に到達する時刻を計算することができる。そのため、材が到達する時刻よりも誘導電動機４の起動に要する期間分、早く誘導電動機４を励磁することができる。

過負荷抑制装置１０は、設定データ情報収集部１４によって、トラッキングしている材の到達時刻以降の速度情報を含むデータを収集することができる。そして、速度パターン予測部１６は、トラッキングしている材の到達時刻以降の速度情報を含むデータを用いて、その材が制御対象の誘導電動機４によって駆動される機器や機械から退出する時刻を計算することができる。

このように、過負荷抑制装置１０は、トラッキングしている材が制御対象の誘導電動機４によって駆動される機器や機械に対する到達時刻および退出時刻をあらかじめ計算する。励磁パターン作成部１８は、あらかじめ計算された材の到達時刻および退出時刻を用いて、制御対象の誘導電動機４を励磁するタイミングを励磁パターンとして生成することができる。

従来、圧延プラント等の産業用途では直流電動機が多く利用され、他励式直流電動機を用いて、広範囲に精密な速度制御を実現していた。近年、製造する鋼材の高品質化、高機能化にともない、さらに高精度で精密な速度制御が要求されるようになり、誘導電動機等の交流電動機をベクトル制御等を利用した可変速駆動装置で速度制御する技術に置き換えが進められている。

たとえば、熱間圧延ラインの粗主機圧延機の圧下装置等のように、材料を圧延時に頻繁に運転と停止を繰り返す間欠的な運転をする負荷の場合には、駆動電流の実効値（ＲＭＳ）が厳しくなる傾向にある。誘導電動機は、他励式直流電動機のような界磁巻線をもたないため、磁束を発生させるための励磁電流は、主電源から供給される一次電流（駆動電流）に含まれる。一方で、誘導電動機は、始動時に界磁を立ち上げる必要があり、起動指令と実際に始動のタイミングを同じにすると、始動時の応答遅れを生ずる。これを回避するために、常時励磁電流を流す方法がとられる場合がある。

上述したような速度制御等の高性能化等の要求により、他励式直流電動機から誘導電動機に置き換えを行った場合に、始動タイミング確保のために誘導電動機に常時励磁電流を流す方法をとると、駆動電流のＲＭＳが他励式直流電動機の場合よりも励磁電流の分だけかさ上げされることになる。そのため、誘導電動機は、他励式直流電動機の場合よりも過負荷となりやすく、過熱、焼損等の事故を生じやすくなると考えられる。

実施形態の過負荷抑制装置１０では、材の進入時刻を計算して、材の速度パターンから材の退出時刻を計算することができる。そのため、過負荷抑制装置１０は、計算された進入時刻よりも誘導電動機４の励磁に要する期間分、早く励磁を開始し、計算された退出時刻を確保できるように、励磁パターンを生成することによって、誘導電動機４の始動を保証しつつ、駆動電流のＲＭＳの上昇を抑制することができる。そのため、過負荷抑制装置１０は、誘導電動機４の過負荷状態を抑制して、過熱や焼損等の事故を防止することができる。

他励式直流電動機から誘導電動機への置き換えを行った場合であっても、駆動電流のＲＭＳの上昇にともなう電動機の大形化を回避することができる。

以上説明した実施形態によれば、運転と停止を繰り返す負荷を駆動する場合に誘導電動機の過負荷状態を抑制し、誘導電動機の大型化を回避する過負荷抑制装置を実現することができる。

以上、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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流電源、２ 変圧器、３ 可変速駆動装置、４ 誘導電動機、１０ 過負荷抑制装置、１２ トラッキング情報収集部、１４ 設定データ情報収集部、１６ 速度パターン予測部、１８ 励磁パターン作成部、１０１ 計算機システム、１０２ ＰＬＣ、１０３ 制御用ネットワーク

Claims (3)

1. 材を処理する第１工程に設けられた第１負荷を運転および停止を繰り返す間欠駆動する誘導電動機を速度制御する可変速駆動装置に前記誘導電動機を励磁し、励磁を停止するための励磁信号を生成する過負荷抑制装置であって、
   前記材のトラッキング情報を収集するトラッキング情報収集部と、
   前記材の速度に関する情報を含む設定データ情報を収集する設定データ情報収集部と、
   前記トラッキング情報および前記設定データ情報にもとづいて、前記材の前記第１工程への進入時刻および前記材の前記第１工程からの退出時刻を計算する速度パターン予測部と、
   前記進入時刻および前記退出時刻にもとづいて、前記励磁信号を生成する励磁パターン作成部と、
   を備え、
   前記励磁パターン作成部は、
   前記進入時刻よりも前の時刻から前記退出時刻までの期間では前記励磁信号をアクティブとし、
   前記期間の他の期間では前記励磁信号を非アクティブとする過負荷抑制装置。
2. 前記進入時刻よりも前の時刻と前記進入時刻との間の第１期間は、前記誘導電動機の始動に要する始動期間を含む請求項１記載の過負荷抑制装置。
3. 材を処理する第１工程に設けられた第１負荷を運転および停止を繰り返す間欠駆動する誘導電動機を速度制御する可変速駆動装置に前記誘導電動機を励磁し、励磁を停止するための励磁信号を生成する過負荷抑制装置であって、
   前記材のトラッキング情報を収集するトラッキング情報収集部と、
   前記材の速度に関する情報を含む設定データ情報を収集する設定データ情報収集部と、
   前記トラッキング情報および前記設定データ情報にもとづいて、前記材の前記第１工程への進入時刻および前記材の前記第１工程からの退出時刻を計算する速度パターン予測部と、
   前記進入時刻および前記退出時刻にもとづいて、前記励磁信号を生成する励磁パターン作成部と、
   を備え、
   前記励磁パターン作成部は、
   前記進入時刻よりも前の時刻から前記退出時刻までの期間では前記励磁信号をアクティブとするとともに、前記退出時刻以降の時刻と前記退出時刻との、０よりも長い第２期間では、前記励磁信号をアクティブとし、
   前記期間および前記第２期間の他の期間では前記励磁信号を非アクティブとする過負荷抑制装置。

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