JPS6216086A

JPS6216086A - 張力制御装置

Info

Publication number: JPS6216086A
Application number: JP61163511A
Authority: JP
Inventors: モンティ　シェパード
Original assignee: Western Gear Corp
Current assignee: Western Gear Machinery Co
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1987-01-24
Also published as: EP0221240A2; NO862791D0; EP0221240A3; NO862791L

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、モータ駆動制御用としてパルス巾変調インバ
ータを用いたパイプやケーブルの張力付与装置及びホイ
ストのための張力制御装置に係る。

従来の技術可変速度交流モータの制御装置は、同期速度の１０％以
下で用いた場合にモータの制御が困難である。

近年開発された制御装置は、或る条件のもとでは、同期
速度の１０％以下で作動させることができる。このよう
な制御装置は、米国、ニュージャージ州、サラスプレイ
ンフィールドのシーメンス・アリス・インクによって入
手することができる。これらの制御装置は、定電圧直流
リンクコンバータと称する形式のもので、三相同期モー
タや、交流かご形モータに実用される。これら制御装置
は、パルス巾変調インバータを用いてモータへの電力の
供給を制御するものである。これらの制御装置は、米国
、ライスコンシン州、サウスミルウォーキのバクラス・
エリー社（Ｂｕｃｙｒｕｓ−Ｅｒｉｅ　Ｃｏ、）によっ
て製造されたショベル及び引き綱のような掘削装置に使
用するために開発されたものである。

このような装置は、１３００−２０００ＨＰのモータを
使用しており、これは、張力のフィードバック制御系統
とは異なる速度のものである。

基本的に、パルス巾変調（ｐｗＭ）のインバータは、そ
れらの主たる制御機構において２つのコマンド、即ち電
圧及び周波数のコマンドを必要とする。これらの電圧及
び周波数コマンドは、通常、実際のＰＷＭ点弧回路に、
この回路をいかに速く点弧するか、半すイン波当り何個
のパルスを発生するかそしてどのようなパルス巾を用い
るかを伝えるアナログ電圧である。

上記制御装置はベクトル分析器を備えており、この分析
器は、必要なモータ電圧が常に９０”離れた２つの電圧
のベクトル和であると仮定することによって適当な電圧
コマンドを計算する。これは、直角三角形の斜辺を見つ
けるのに使用される簡単な平方の和の平方根手順によっ
て適当なベクトルの大きさを計算することができる。速
度（周波数）についての近似作業の範囲は、モータ定格
の１０％ないし１００％である。このやり方では。

モータ速度の１０％以下は無効である。通常定格速度の
１０％である「最小周波数Ｊｆｍｉｎと称する選択可能
な制御点より下では、「電子抵抗」と称する技術が使用
される。この電子抵抗は、２つの和ベクトルの部分を広
げ、この領域においてより大きな電圧コマンドを発生す
る。これらの部分をどれ程広げるかという係数Ｋが、各
系統ごとに経験的に決定される。この係数には、正確に
１０％の速度において瞬時に得られるものではなく、Ｋ
傾斜回路において「傾斜付け」される。Ｋが傾斜付けさ
れる割合（ミリ秒）（これは実際には傾斜時間が終了す
るまで得られない）は、Ｋの作用の大きさとしてモータ
電流制御の安定性に影響する。

ＰＷＭ制御装置は、本発明者により、特定のブレーキ及
びケーブル張力付与装置及びホイストにおいて一定張力
可変速度の分野で使用されている。

発明が解決しようとする問題点パイプ及びケーブル用の直線的な張力付与装置にＰＷＭ
制御を適用する場合には、１０％以下での性能を加味し
た適当な係数Ｋが、或る種の軽い荷重のかＮっだ非常に
動的な状態において確立されている。然し乍ら、システ
ムに完全に荷重がかＮった状態では通常起こり得ない幾
つかの問題が生じる。或る状態のもとでは、制御が全く
きかなくなる。Ｂ−Ｅ掘削機の非常に大型のホイストモ
ータにおいては、全ての環境を満たすことのできる係数
にの１つの値を見出すことができる（特に、アルファ導
関数信号と称する信号の助けによって）。

電気的な張力付与装置用の小型モータ、即ち、３６０−
５００ＨＰのモータは、モータに負荷をかけたり電動機
作用をさせたり発電機作用をさせたりする各々の指令に
対し、幾つかの速度値において異なったＫの値をもたせ
ねばならないことが分かっている。更に、アルファ導関
数信号は、或る環境においては動作に悪影響を及ぼす。

これにより発生する問題は、負荷を下げてペイ・アウト
状態とした時、即ちモータ電流が非常に高くなった時に
、モータが負荷の制御を失うことである。これは、シス
テムが電動機作用から発電機作用に移行しそして速度が
低速制御から高速制御へ増加する時の過電流時にインバ
ータを「トリップ・アウト」させる。移行速度が低速で
ある時には常にこの状態が生じるが、移行速度が迅速で
ある時の問題はど甚だしいものではない。

問題点を解決するための手段本発明によるパルス巾変調のインバータ型制御装置は、
一定張力を使用する分野で可変速度駆動装置として交流
モータに関連して使用される。

このような一定張力を使用する分野では、張力フィード
バック制御式のパイプ張力付与装置や、ケーブル張力付
与装置や、ホイストが含まれる。定電圧直流リンクコン
バータ型めモータ制御装置は、１つ以上の三相交流同期
又はかご形モータへの電力の供給を制御するのに使用さ
れる。制御装置は。

ベクトル分析システムを用いて、モータに印加する電圧
と周波数との間の適当な関係を決定する形式のものであ
る。更に、制御装置は、低い速度でのモータ特性の変化
を考慮するために或る選択された最小周波数以下で通常
の電圧／周波数関係を変更するための回路を備えている
。電子抵抗と称するこの変更技術は、張力制御の分野に
おいて更に変更される。このような分野では、モータが
ペイ・アウト即ち再生モードで作動している時であって
、低速制御から高速制御への移行中に、この移行時のモ
ータトルクを増加するように制御装置の信号が変更され
る。制御装置は、低速作動中にベクトル分析回路におけ
るベクトル間の角度の変化率を表す信号を発生する。再
生モード作動中には、低いモータ速度制御から高いモー
タ速度制御への移行時に、不所望な作用をなくすように
角度変化率信号が減衰される。

パルス巾変調の制御装置は、パイプ、ケーブル又はホイ
ストケーブルのような移動物体の速度及びこのような物
体の張力に応答する張力制御装置に関連して使用される
。張力制御装置は、所望張力からの張力変化に応答して
モータ制御装置に速度入力信号を発生し、駆動モータの
速度を増加又は減少し、張力を所望値に復帰させる。こ
の制御装置の出力は、移動物体の速度に応じたものであ
り、速度の変化率が作動速度と共に変化するように速度
の調整が変えられる。

実施例本発明によれば、パイプやケーブルの張力付与装置及び
ホイストのような張力付与装置に関連して使用する張力
制御装置が提供される。

第１図には、パイプ又はケーブル及びそれに関連した制
御系統に使用する形式の張力付与装置が概略的に示され
ている。パイプ又はケーブルの張力付与装置は、ブラン
チエツト（Ｂｌａｎｃｈｅｔ）氏等の「パイプ張カニニ
ット（Ｐｉｐｅ　Ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）Ｊ
と題する米国特許第３，６６９，３２９号並びにアブレ
ット（Ａｐｌｅｔ）氏等の「張力制御システム（Ｔｅｎ
ｓｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）Ｊと題する
米国特許第３，７２２，７６９号に開示された形式のも
のである。パイプ張力付与装置１１１０は、パイプ１６
の側面に係合する対向するトラック１２及び１４を有し
ている。このパイプ張力付与装置は、所望の経路に沿っ
て海床にパイプを布設するために或る経路に沿って進め
られる浮動プラットホームの端を超えてパイプを延ばし
ていくようなパイプ布設作業に関連して使用される。パ
イプに所望の張力を維持するためにトラックの速度が制
御装置によって調整される。張力を減少するにはトラッ
クの速度が増加され、張力を増加するにはトラックの速
度が減少される。

張力付与装置の各トラックには、かご形交流誘導モータ
１８及び２０が設けられている。これらのモータは、制
御器２４、タコメータ２６及びロードセル２８を含むフ
ィードバック制御系統に関連して使用されるモータ制御
器２２によって制御される。タコメータの出力はパイプ
の直線速度に対応し、ロードセルの出力はパイプ張力付
与装置１０によってパイプに与えられる張力に対応する
。ロードセルからの信号は、装置のオペレータによって
セットされた張力基準信号と比較される。

調整可能なデッドバンドが設けられている。従って、制
御信号は、速度信号により、パイプの移動速度及び方向
に基づく量だけずらされる。その結果、モータ制御器２
２へ送られる速度信号が発生される。

モータ制御器２２は、低速度制御式のパルス巾変調（Ｐ
ＷＭ）制御装置である。これは、米国、ニュージャージ
州、サウス・プレインフィールドのシーメンス・アリス
・インクから入手できる形式のもので、定電圧直流リン
クコンバータと称されるものである。例えば、三相、５
００Ｖ、５０／　６０　Ｈｚ　、　３６０　Ｋ　Ｖ　Ａ
定格、型式６ＳＣ３４３８−７ＮＡＯＯのシモバート（
Ｓｉｍｏｖｅｒｔ）　Ｐモデル制御装置があり、これは
、前記シーメンス・アリス・インクの４４７Ｔフレーム
、６極、４６０Ｖ、Ｌ１０ＫＷ／１５０ＰＨ（７）三相
かご形誘導モータのごときモータに使用されるものであ
る。

変更された速度信号３０及びタコメータ２６からの速度
信号３２は、制御器へ送られる。

制御器２２は、低速制御のインバータ制御回路３４を備
えており、これは、電圧コマンド及び周波数コマンドを
点弧制御回路３６に供給する。

この点弧制御回路は、インバータ３８の点弧を制御する
。点弧制御回路の作用のもとで、インバータは、主電力
入力４０からダイオード又はＳＣＲブリッジ４２及びフ
ィルタ４４を経て送られた定電圧直流信号を変換するこ
とによってモータ１８及び２０へ交流信号を発生する。

第２図は、ホイスト５０に適用された同じ形式の制御装
置を示している。この制御装置は、ケーブルドラム５６
を制御するホイスト駆動モータ５２及び５４を制御する
。計装滑車５８には、ケーブル速度のタコメータ５９及
びロードセル６０が設けられる。ロードセルは、荷重支
持ケーブル６２にか５る張力に対応する出力を発生する
。制御装置６４は、パイプ張力付与装置に関連して使用
された第１図の制御器２４と同様に機能する。

パイプ張力付与装置の制御回路とホイストの制御回路と
の主たる相違は、速度フィードバック信号のソースにあ
る。第２図に示されたホイスト制御装置においては、タ
コメータがモータ速度フィードバック及び速度入力を制
御装置２４に与える。

或る時間にどれ程の量のケーブルがドラムに巻き付けら
れるかによってケーブルの有効直径が決まるので、駆動
モータは互いに異なるものである。

このため、モータ制御回路６６への速度入力はモータの
タコメータから取り出され、一方、制御装置６４への速
度入力はケーブル速度タコメータ５９から取り出さ九る
。

あらゆる条件のもとてＩ）ＷＭ制御装置を適切に機能さ
せるために、インバータ制御部３４に含まれたベクトル
分析回路が変更されている。制御装置に含まれる前記し
た通常のベクトル分析回路は、第３図ド３示すように変
更される。作動に際し、再生モードにおける高速制御か
ら低速制御への移行並びに電動機モードにおける低速制
御から高速制御及び高速制御から低速制御への移行は充
分なものである。然し乍ら、ケーブル又はパイプの張力
付与装置に使用した時には、再生モードにおいて低速調
整から高速調整への移行中に問題のない滑らかな作動を
得ることができない。小型モータの特性は、大型のホイ
ストモータとは著しく異なり、適切な電圧として現われ
るような充分なトルクが発生しない。迅速な移行中には
、モータがブレークダウンして負荷の制御を失う前に制
御装置がモータを頻繁に「捕える」に充分な時間がこの
移行領域で費やされるので、問題は明らかに生じない。

一方、ゆっくりとした移行中には、不定的にモータがブ
レークダウンして負荷の制御を失い。

高速制御によって負荷を「捕える」前に過電流トリップ
を生じさせる。

この問題を解決するためには、この問題を招く移行中に
モータへの電圧を増加しなければならない。更に、その
効果は、高速の移行よりも低速の移行に対して大きくな
らねばならず、又、電流。

即ち、負荷に基づいたものでなければならない。

制御の変更回路は、デジタル出力を発生する２つのアナ
ログ比較器７０及び７１と、デジタル論理ゲート７２．
７４．７６．７８及び８０と、２つのソリッドステート
リレー８２及び８４と、減衰抵抗８６と、絶対値増幅器
８５と、調整可能な遅延増幅器８８とで構成される。

この変更は、定格モータ周波数が４５　Ｈｚである点を
除けば前記形式のシモバート（Ｓｉｍｏｖｅｒｔ）Ｐ制
御装置において実施されるものとして説明する。接続部
９０を経て制御変更回路へ送られる入力は、カスタムカ
ードと示された回路板に位置する周波数要求信号の絶対
値を表している。接続部９２の入力信号は、モータが発
電機モードにあるか電動機モードにあるかを示す信号で
あり、これは、９２１５カードと示された回路板から得
ることができる。接続部９４の入力信号は、周波数が最
小周波数より高く且つ係数Ｋが０に傾斜していることを
示している。この信号は、Ｂ　／　Ｅ　−Ｓ　ｅｉｍｅ
ｎｓ　　９２１４カードと示された回路板から得られる
。接続部９６の入力信号は、接続部９４の信号と同じ回
路板から得られるアルファ導関数パルスである。接続部
９８の信号は、低速度の変更ベクトル＋／−に、ＩＷを
表す正又は負の信号であり、ライン９４及び９６の信号
と同じ回路板から得られる。

ＰＷＭ制御装置は、最も一般的には、同期速度の１０％
以下において低速制御即ち電子抵抗制御に切り換わるが
、パイプの張力付与に適用する場合には、速度が同期速
度の約６．６％に達するまでは実際上高速制御を維持す
ることが所望される。

接続部９０上で監視されるＰＷＭ制御装置のパラメータ
、即ち、周波数制御電圧の絶対値は。

比較器７０及び７２によって監視される。比較器７０は
、１　、５　Ｈｚ以下の周波数に対し論理高レベルを発
生する。この比較器には、２．５Ｈｚより高い周波数に
達する際に低レベルとなるようなヒステリシスが設けら
れている。比較器７２は。

１、５　Ｈｚより低い周波数において論理低レベルを出
力し、９　Ｈｚより上の周波数において論理高レベルを
出力するようなヒステリシスが設けられている。

比較器７０及び７２の出力は、接続部９２上のシステム
パラメータとアンドされる。このパラメータは１発電機
モードの場合は論理高レベルであり、電動機モードの場
合は論理低レベルである。

ゲート７２の出力は、リレー８４を制御するナントゲー
トに送られる。比較器７２の出力は、システムパラメー
タとアンドされて反転され、このパラメータは、要求周
波数が最小周波数より高く且つ係数Ｋが０に向かって傾
斜される時に高レベルとなる。ゲート７６の出力は、こ
れが真である時に、７８及び８０によって形成されたＲ
Ｓフリップ−フロップをセットする。比較器のトリップ
レベルは、１．５Ｈｚよりも若干低く、２つの比較器が
状態を変える点が若干具なるようにされている。

周波数コマンドが１．５Ｈｚ以下に低下し且つモータが
発電方向をとるように指令された時には、ナントゲート
７４に２つの論理高レベルが与えられる。ナントゲート
の出力は低レベルであり。

リレーはその静止状態にある。これにより、Ｋ。

ＩＷの絶対値が制御傾斜増幅器８８を介して増加し始め
、回路の出力接続部１００に現われる電圧ベクトルＵ２
を増加させる。傾斜の時間は、約１／４秒である。周波
数が２．５Ｈｚより高く増加すると、比較器７０の出力
が変化することによってリレー８４がオフになる。

制御傾斜機能により、接続部１００の出力に対する入力
９８の信号の影響が減少され始めるが、これは、システ
ムが高速調整制御に切り換わる前には生じない。傾斜の
時間切れは重要であり、１゜２秒である。調整部分しこ
対する最小周波数は約３Ｈｚに減少されていることに注
意されたい。高速の移行中には、リレー８４が数ミリ秒
間だけ付勢され、接続部１００の出力に対する影響が傾
斜によって減衰される。低速の移行中には、傾斜回路に
最大の遅延を確立するに充分な長さでリレーがオンにな
り、従って、低速の移行中にも接続部１００上の出力に
は若干の影響が生じる。出力接続部１００に現われる信
号は、電圧ベクトルＵ２であり、これは、Ｕｌ”＋０２
２回路の平方根端子、即ち、　　Ｂ／Ｅ−３ｉ　ｅｍｅ
　ｎ　ｓ　９□４カードと示されたプリント基板に見ら
れる加算接合点に入力される。

アナログ時間遅延回路８８については、傾斜１の遅延が
約１／４秒であり、非常に重要な傾斜２の遅延が１．２
秒である。アナログ時間遅延については正の信号のみが
使用される。

更に別の変更は、アルファ導関数回路に作用するもので
ある。アルファ導関数信号は、計算ベクトル間の角度の
変化率を表している。アルファ導関数パルスは、入力９
６に送られ、厳密な時間周期中にリレー８２及び抵抗８
６　（１００ＫΩ抵抗）の作用によって変更される。変
更された出力は、出力接続部１０８に送られ、これは、
　Ｂ／Ｅ−Ｓｉｅｍｅｎｓ９２１６カードと示されたプ
リント基板に見られる周波数コマンド加算接続点に接続
される。

モータ電圧は、ゼロ速度を離れる時には（特に、再生方
向に）非常に高６＜ものとなるので、アルファ導関数パ
ルスは過剰な電流を生じさせる。

比較器７２は、電動機モードであるか発電機モードであ
るかに拘りなく高い速度に対してＲＳフリップ−フロッ
プをセットする。このフリップ−フロップがセットされ
ると、リレー８２が消勢され、完全なアルファゼロ速度
（完全なアルファ導関数信号の場合）にすることができ
る。周波数コマンドがゼロ速度に安定化する時までに、
フリップ−フロップがリセットされ、消勢状態で示され
ているリレー８２を付勢する。これにより、モータがも
う一度高い速度に達するまでアルファ導関数信号が減衰
される。

上記回路の全ての信号は、Ｏから直流１０ボルトまでで
ある。

パイプの張力付与装置、ケーブルの張力付与装置及びホ
イストに使用される可変速度交流モータのための制御装
置の好ましい実施例について本発明を以上に説明したが
、これらは単に本発明を解説するためのものに過ぎない
。本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更及び
修正がなされるであろうが、これらは全て特許請求の範
囲内に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、パイプ張力付与装置に関連して使用されるパ
ルス巾変調のモータ制御装置及びそれに関連した制御部
品を示す図、第２図は、ホイストに関連して使用されるパルス巾変調
の制御装置及びそれに関連した制御部品を示す図、そし
て第３図は、張力の制御に使用するようにパルス巾変調制
御装置を変更した図である。１０・・・パイプ張力付与装置１２．１４・・・トラック　　１６・・・パイプ１８．
２０・・・誘導モータ２２・・・モ・−タ制御装置２４・・・制御回路　　２６・・・タコメータ２８・・
・ロードセル３４・・・インバータ制御器３６・・・点弧回路　　３８・・・インバータ４０・・
・主電力入力４２・・・ダイオード又はＳＣＲブリッジ４４・・・フ
ィルタ　　５０・・・ホイスト５２．５４・・・駆動モ
ータ５６・・・ケーブルドラム５８・・・滑車　　　　６０・・・ロードセル５９・・
・ケーブル速度タコメータ６２・・・ケーブル　　６４・・・制御装置６６・・・
モータ制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）張力制御ホイスト、ケーブル張力付与装置及びパ
イプ張力付与装置のような或る制御された量の張力のも
とで物体を移動する装置のための張力制御装置において
、ａ）可変速度動作に適した交流駆動モータを具備し、ｂ）入力信号に応答して上記駆動モータの速度を変える
モータ制御器を更に具備し、該モータ制御器は、電圧信
号及び周波数信号に応答して可変周波数及び可変電圧で
上記駆動モータに電力を供給するためのパルス巾変調イ
ンバータ制御器と、入力信号に応答する電圧及び周波数
制御系統とを備えており、そしてｃ）物体の速度及び張力に応答し、所望張力からの張力
の変化に応答して上記モータ制御器に速度入力信号を供
給し、上記駆動モータの速度を増加又は減少して張力を
所望値に復帰させる張力制御系統を更に具備し、この制
御系統は、移動する物体の速度に応答して、速度の変化
率が作動速度と共に変化するように速度調整値を変更す
る手段を備えていることを特徴とする張力制御装置。
（２）上記モータ制御器は、定電圧直流リンクコンバー
タ型の制御器を備え、この制御器は、上記駆動モータへ
の電力の電圧及び周波数を制御する手段と、選択可能な
最小周波数より下で電圧及び周波数の関係を変更して低
速作動中に低速度におけるモータ特性の変化を考慮する
ように上記駆動モータへの電力の電圧及び周波数関係を
変更するための手段とを含んでいる特許請求の範囲第１
項に記載の張力制御装置。
（３）上記の電圧及び周波数制御手段は、モータの速度
が同期速度の６．６％以下である時に電圧及び周波数制
御動作を変更するための電圧及び周波数関係変更手段を
備えている特許請求の範囲第２項に記載の張力制御装置
。
（４）低速度におけるモータ制御特性の変化を考慮する
ように低速変更ベクトル信号を発生するベクトル分析系
統を有する形式の張力制御装置であって、上記ベクトル
分析系統は、モータの再生モードにおいて低速制御から
高速制御への移行時に駆動モータトルクを増大すると共
に制御を失わないようにするために上記低速変更ベクト
ル信号を増加する手段を備えている特許請求の範囲第２
項に記載の張力制御装置。
（５）上記の電圧及び周波数制御手段は、上記駆動モー
タへの電力の電圧及び周波数を制御するためのベクトル
分析系統と、モータ速度が同期速度の１０％以下である
時に電圧及び周波数関係を変える電子抵抗制御器とを含
んでいる特許請求の範囲第１項に記載の張力制御装置。
（６）上記周波数制御器の周波数出力に影響すると共に
ベクトル間の角度の変化率を表すような信号を含むベク
トル分析系統を有した形式の張力制御装置であって、上
記ベクトル分析系統は、上記駆動モータが再生モードに
ある時に低速動作から高速動作への移行中にベクトル角
度変化率信号を変更する手段を更に備えている特許請求
の範囲第３項に記載の張力制御装置。