JPWO2018154782A1 - 制御装置 - Google Patents

Abstract

電動機の巻線温度の検出値に異常や誤差が生じたり、電動機負荷の検出電流に異常や誤差が生じたりしても、電動機を安全に運転継続させる制御装置が提供される。実施形態に係る制御装置は、電動機を冷却する冷媒の流れを駆動する冷却用電動機を制御する。制御装置は、前記電動機の負荷電流に基づいて、前記冷媒の第１流量を計算する第１演算部と、前記電動機の巻線の温度に基づいて、前記冷媒の第２流量を計算する第２演算部と、前記第１演算部および前記第２演算部の出力に基づいて、前記冷却用電動機の回転数を設定する第３演算部と、を備える。

Description

本発明の実施形態は、電動機を冷却する冷媒の流れを駆動する冷却用電動機を制御する制御装置に関する。

一般に電動機は、回転軸に取り付けたファンの回転により冷媒を循環させる機能を有する。たとえば、鉄鋼圧延プラントの主機駆動用大形電動機のような大容量可変速の電動機の場合には、電動機の回転軸上のファンとは別に電動機冷媒を循環させる独立した冷却設備を付帯している。

図２に大形電動機の冷却構造の例を示す。図２においては、２１は大型の電動機、２２は軸受、２３は冷媒を冷却する冷却器、２４は冷却ファン、２５は冷却ファンを駆動する電動機である。図中の矢印は冷媒の流れを表す。

図２に示すように、冷却ファン２４用の電動機２５によって駆動された冷却ファン２４は、冷媒を電動機２１内で対流、循環させる。そして、循環する冷媒は、電動機２１から発生する熱を奪い取るので、電動機２１を冷却することができる。電動機２１から熱を吸収して温度が上昇した冷媒は、冷却器２３に戻り、冷却器２３によって冷却され、電動機２１内を循環する。

冷却器２３および冷却ファン２４を含む電動機冷却システムの設計にあたっては、電動機が発生する熱量、冷却ファンが発生する熱量、電動機の冷却に必要な風量、および電動機に入気する温度といった各諸量、通気抵抗、冷媒温度、ならびに冷媒特性等を用いる。そして、これらのパラメータに基づいて、電動機冷却システムは、電動機の温度を許容値内におさめるように設計される。

電動機２１が発生する熱量は、電動機の負荷により負荷電流が変化し発生損失が増減するため、一定ではない。発生する損失が最大のとき、つまり電動機２１が最大定格運転の場合であっても電動機２１の温度が許容値におさまるように余裕をもって冷媒の流量が設計される。したがって、使用条件で定められた範囲内での運転において、冷却ファン２４を定格運転していれば、電動機２１は異常過熱することはなく、安全に継続運転させることができる。

電動機２１の運転時に負荷が最大定格より小さい場合には、冷却ファン２４の流量を定格より一定程度下げて運転したとしても、電動機２１の温度は許容温度内で運転することが可能である。そのため、結果として冷却ファン２４の消費エネルギーを低減することができる。

このような電動機冷却システムにおいては、電動機２１の負荷が一定の条件下においては、一般に冷媒の流量を減少させるほど電動機２１の温度は上昇し、冷媒の流量を増加させるほど電動機２１の温度は低下する傾向にある。

電動機２１は、規格に基づいて最高許容温度が定められている。よって、電動機２１の温度を最高許容温度で一定に保つことが、冷却ファン２４の省ネルギー効果を高めることにつながる。

冷却ファン２４の省エネルギー化を図る場合には、必要以上に冷媒流量を低減すると、電動機温度が許容値を超えることとなり、電動機寿命の低下、場合によっては電動機２１の故障につながる。一方、冷媒流量の削減量が少ないと、冷却ファン２４の省エネルギー効果が低下する。

特許文献１には、温度センサで検出した電動機温度が一定温度以上となったときに、冷却ファンを駆動する技術が記載されている。この技術では、冷却ファンの制御は、オンオフ制御であるため、きめ細かい風量の調整ができない。そのため、電動機温度の変動が増加し、十分な省エネルギー効果が得られない。冷却ファンを駆動する電動機の始動回数が増加することによって、冷却ファンを駆動する電動機の寿命が短くなるおそれがある。

特許文献２には、温度センサで検出した電動機温度に基づいて、冷媒流量を連続的に制御する技術が記載されている。しかし、この技術では、温度センサおよびその信号の伝送に誤差や異常が発生した場合に、適切な流量を計算することができず、電動機を許容温度内で安全に運転させることができなくなるおそれがある。

特許文献３には、電動機に流れる電流の実効値（ＲＭＳ値）をもとに電動機の上昇温度を推定し、温度上昇に応じた適切な冷媒の流量を演算する技術が記載されている。しかし、一般に電動機電流をもとに電動機負荷に応じた所要流量を計算する場合、電流値の誤差や電動機損失モデル誤差、電動機冷却モデルの誤差、外乱などがあるため、あらかじめ計算した冷媒流量により適切な電動機の温度を制御することは困難である。また、試験運転により演算モデルを適切に調整したとしても、調整後にモータ特性の変化や外乱が発生した場合には、電動機の温度を一定に制御することは原理的に不可能である。そのため、電動機の温度許容値を超えないように、冷媒流量の演算をあらかじめ十分な余裕をもたせたる必要がある。さらに、電動機の温度が異常に上昇した場合に、強制的に冷却ファンを最大速度運転させる付加機能を追加する等の対処をとること必要もある。しかし、これらの場合には、余分な風量に応じてエネルギーを消費することとなり、省エネルギー効果が低下する。

特開平５−３００６８７号公報 特開２００１−１３６７０８号公報 特許第３７４１１０１号公報

実施形態は、電動機の巻線温度の検出値に異常や誤差が生じたり、電動機負荷の検出電流に異常や誤差が生じたりしても、電動機を安全に運転継続させる制御装置を提供する。

実施形態に係る制御装置は、電動機を冷却する冷媒の流れを駆動する冷却用電動機を制御する。制御装置は、前記電動機の負荷電流に基づいて、前記冷媒の第１流量を計算する第１演算部と、前記電動機の巻線の温度に基づいて、前記冷媒の第２流量を計算する第２演算部と、前記第１演算部および前記第２演算部の出力に基づいて、前記冷却用電動機の回転数を設定する第３演算部と、を備える。

本実施形態では、前記電動機電流の実効値から演算される冷媒流量である第１流量と、前記電動機巻線温度値から演算される冷媒流量である第２流量の両方に基づいて冷却用電動機の回転数を設定するので、電動機の巻線温度の検出値に異常や誤差が生じたり、電動機負荷の検出電流に異常や誤差が生じたりしても、電動機を安全に運転継続させることができる。

実施形態に係る電動機冷却システムを例示するブロック図である。 電動機の冷却装置の構造を例示する概念図である。 実施形態に係る制御装置を例示するブロック図である。 電動機を冷却する制御装置の動作を説明するためのフロー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、本実施形態に係る電動機冷却制御システムを例示するブロック図である。
電動機冷却システム１００は、電動機１と、冷却器３と、冷却ファン４と、冷却ファン用の電動機５と、電動機１用の駆動装置６と、冷却ファン４用の駆動装置７と、電動機冷却システム１００のための制御装置１２と、温度センサ１３と、を備える。

電動機１は、回転軸を支持する軸受２を含む。電動機１は、たとえば同期電動機である。同期電動機の回転軸に設けられた界磁巻線に直流電流を供給するコレクタリング１４を含んでいる。電動機１は、同期電動機に限らず、誘導電動機や他の電動機であってもよい。

冷却器３は、電動機１の上部に設けられ、電動機１に熱的に接続されている。冷却器３は、たとえば熱交換機である。冷却器３によって電動機１の内部の熱が外部に放出される。冷却ファン４によって、電動機１内部に対流を生じさせて、熱交換を促進する。

冷却ファン４は、冷却ファン用の駆動装置７によって回転数が制御された冷却ファン４用の電動機５で駆動される。駆動装置７は、たとえばインバータ装置である。駆動装置７は、制御装置１２によって設定された回転数で電動機５および冷却ファン４を駆動する。

電動機１用の駆動装置６は、たとえばインバータ装置である。設定された速度指令値で電動機１を回転制御する。駆動装置６は、電動機１の電流を電動機１の巻線に設けられた電流センサ（図示せず）によって検出する。

電動機１と電動機１用の駆動装置６、冷却ファン４用の駆動装置７はそれぞれ別の場所に設置され、それぞれリモートＩＯ盤８，９を介して制御用の通信ネットワーク１１に接続される。電動機１は、駆動装置６から出力される操作信号によって、回転数が制御されている。電動機１の運転データ（たとえば回転数、運転周波数、および電流実効値等）は、駆動装置６へ入力され、リモートＩＯ盤８を介して通信ネットワーク１１に伝送される。制御装置１２は、通信ネットワーク１１を介して運転データを収集する。

冷却ファン４の運転データ（たとえば回転数、運転周波数、および電流等）は、リモートＩＯ盤９を介して通信ネットワーク１１に伝送される。制御装置１２は、通信ネットワーク１１を介してこれらのデータを収集する。

電動機冷却システム１００のための制御装置１２は、収集した運転データを、たとえば制御装置１２に接続された記憶装置１５に格納する。後述するように、記憶装置１５には、制御装置１２の動作を制御するプログラムを格納し、必要に応じて読み出して各ステップを実行することができる。この例では、記憶装置１５は、通信ネットワーク１１とは異なる回線で制御装置１２に接続されているが、これに限らず、通信ネットワーク１１経由で接続される等してもよい。

温度センサ１３は、電動機１の巻線に設けられている。温度センサ１３によって、電動機１の巻線の温度を計測する。温度センサ１３によって収集される電動機１の温度情報は、リモートＩＯ盤１０および通信ネットワーク１１を介して、通信ネットワーク１１に接続されている制御装置１２に伝送される。

次に電動機冷却システム１００の制御装置１２の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る制御装置を例示するブロック図である。
図３に示すように、制御装置１２は、ＲＭＳ演算部３１と、ＲＭＳ電流に基づく流量演算部（第１演算部）３２と、巻線温度に基づく流量演算部（第２演算部）３４と、周波数演算部（第３演算部）３３と、を備える。

ＲＭＳ演算部３１は、電動機１の負荷電流ＩＭのデータが入力される。ＲＭＳ演算部３１は、負荷電流ＩＭに基づいて、負荷電流ＩＭの実効値電流（ＲＭＳ電流）ＩＲＭＳを計算して出力する。

ＲＭＳ電流に基づく流量演算部３２の入力は、ＲＭＳ演算部３１の出力に接続されている。流量演算部３２は、ＲＭＳ電流ＩＲＭＳに対する冷媒の所要流量Ｑ１が、たとえばテーブルとして記憶装置１５にあらかじめ記憶されている。流量演算部３２は、入力されたＲＭＳ電流ＩＲＭＳに基づいて冷媒の所要流量Ｑ１を出力する。

所要流量Ｑ１およびＲＭＳ電流ＩＲＭＳが大きい場合には、電動機１の負荷が重いために、電動機１の発熱が大きくなっていると考えられる。一方、ＲＭＳ電流ＩＲＭＳが小さい場合には、電動機１の負荷が軽く、電動機１の発熱は小さいと考えられる。そのため、所要流量Ｑ１は、ＲＭＳ電流ＩＲＭＳの増大に応じて大きい値を有する。

このように、ＲＭＳ電流に基づく流量演算部３２では、実際の負荷電流ＩＭおよび電動機１の発熱に応じて所要流量Ｑ１を決定するフィードフォワード制御を行う。

巻線温度に基づく流量演算部３４には、電動機巻線の基準温度Ｔｒｅｆと検出された電動機巻線の検出温度Ｔｍのデータとの偏差ΔＴが入力される。この例では、偏差ΔＴをもとめるために、加減算器３５を用いている。巻線温度に基づく流量演算部３４は、巻線の基準温度Ｔｒｅｆからの偏差ΔＴに基づいて、冷媒の所要流量Ｑ２を計算して出力する。

巻線温度に基づく流量演算部３４には、偏差ΔＴに応じて設定された所要流量Ｑ２があらかじめ格納されている。流量演算部３４では、入力された偏差ΔＴが大きい場合には、所要流量Ｑ２を大きく設定し、偏差ΔＴが小さい場合には、所要流量Ｑ２が小さく設定されている。

このように、巻線温度に基づく流量演算部３４では、電動機１の実際の温度が基準温度Ｔｒｅｆに近づくように所要流量Ｑ２を決定するフィードバック制御が行われる。

周波数演算部３３は、所要流量Ｑ１，Ｑ２に基づいて、冷却ファン４の回転速度の指令値Ｖを設定する。周波数演算部３３には、加算器３６によって、所要流量Ｑ１，Ｑ２を加算した流量Ｑ３が入力される。周波数演算部３３には、冷媒の流量Ｑ３に対する冷却ファン４の回転速度の指令値Ｖの値があらかじめ格納されている。周波数演算部３３は、入力された流量Ｑ３に応じた冷却ファン４の回転速度の指令値Ｖを出力する。

周波数演算部３３が出力した指令値Ｖは、冷却ファン４用の駆動装置７に速度指令値として供給される。冷却ファン用の電動機５は、指令値Ｖに応じた回転速度で回転する。このようにして、必要な流量Ｑ３で冷媒が流れるので、電動機１は適切に冷却される。

上述した制御装置１２は、制御装置１２に接続され、あるいは内蔵された記憶装置１５に格納されたプログラムにしたがって動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等を含む。たとえば、制御装置１２は、ＣＰＵ等を含むコンピュータ端末であり、上述したＲＭＳ演算部３１、ＲＭＳ電流に基づく流量演算部３２、周波数演算部３３、巻線温度に基づく流量演算部３４、加減算器３５および加算器３６は、その一部または全部がプログラムのステップにより実現される。

図４は、制御装置１２の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、このフローチャートにしたがって、制御装置１２の動作について説明する。

図４に示すように、ステップＳ１において、ＲＭＳ演算部３１は、電動機１の負荷電流ＩＭのデータを取り込んで、ＲＭＳ電流ＩＲＭＳを計算する。

ステップＳ２において、ＲＭＳ電流に基づく流量演算部３２は、ＲＭＳ電流ＩＲＭＳを用いて、所要流量Ｑ１を計算する。計算された所要流量Ｑ１は、たとえば記憶装置１５に一旦格納される。

ステップＳ３において、加減算器３５は、温度センサ１３から電動機巻線の検出温度Ｔｍを取得し、あらかじめ設定されている基準温度Ｔｒｅｆとの偏差ΔＴを計算する。

ステップＳ４において、巻線温度に基づく流量演算部３４は、偏差ΔＴを用いて所要流量Ｑ２を計算する。計算された所要流量Ｑ２は、たとえば記憶装置１５に一旦格納される。

ステップＳ５において、加算器３６は、記憶装置１５に格納されている所要流量Ｑ１，Ｑ２をそれぞれ読み出して、所要流量Ｑ１，Ｑ２を加算して最終的に必要な所要流量Ｑ３を計算し出力する。

ステップＳ６において、周波数演算部３３は、所要流量Ｑ３を用いて、冷却ファンの回転速度を計算し、計算された回転速度に応じた速度指令値を生成する。

上述した各ステップの順序は、これに限らない。ステップＳ１，Ｓ２に先駆けて、ステップＳ３，Ｓ４を実行してもよいし、これらを同時併行して実行するようにしてもよい。

本実施形態の制御装置１２の作用および効果について説明する。
本実施形態の制御装置１２では、電動機１の実際の巻線温度Ｔｍを計測し、あらかじめ設定した基準温度Ｔｒｅｆとなるようにフィードバック制御を行う。そのため、巻線温度の偏差ΔＴに応じて連続的に所要流量Ｑ２を設定することができるので、きめ細かく流量設定することができる。つまり、温度の偏差ΔＴが小さい場合には、流量は、より小さい値に設定され、冷却ファン４を駆動する電動機５および駆動装置７の損失をそれぞれ低減することができ、省エネルギー化が可能になる。

冷却ファン４の起動および停止を冷却ファン４用の駆動装置７によって、制御することができるので、スムーズな起動および停止が可能になり、冷却ファン４用の電動機５の寿命を延長することを可能にする。

本実施形態の制御装置１２では、電動機１の負荷電流ＩＭおよび電動機１の巻線温度Ｔｍをそれぞれ独立に計測し、それぞれ独立の制御変数として用いて制御を行う。そのため、検出した巻線温度Ｔｍに誤差を生じたり、温度データの伝送に異常が発生したりした場合であっても、電動機１の負荷電流ＩＭが大きい場合には、電流ＲＭＳに基づく流量演算部３２によって、適切に流量Ｑ１が設定されるので、電動機１の冷却が不足することがない。

また、電動機の負荷電流の検出値に誤差を生じ、実際よりも小さな値を検出した場合であっても、制御装置１２は、負荷電流ＩＭと独立して計測された巻線温度Ｔｍを基準温度Ｔｒｅｆに一致させるようにフィードバック制御する。そのため、電動機１の負荷電流ＩＭの増大による発熱は、巻線温度に基づく流量演算部３４によって計算された流量Ｑ２にしたがって抑制される。

電動機１に流れる負荷電流ＩＭに基づいて電動機１の温度上昇を計算によって求める場合（たとえば上述の特許文献３等）には、電流検出の誤差に加えて、電動機損失モデルに起因する誤差を含む。そのため、電流誤差が大きくなると温度誤差がより大きくなる傾向にある。電動機損失モデルは、配線の損失（銅損）や渦電流損、磁気コアの損失（鉄損）等非線形で複雑であり、モデルの誤差を避けることは困難である。

また、電動機の損失モデルや冷却時のモデルは、実物ごとに相違し、詳細にモデル化することは困難である。

さらに、実物ごとにモデル化を行ったとしても、実物の調整後に電動機特性の変化や外乱の発生を完全になくすことは困難であり、変化等生じるごとにモデル更新をすることは現実的ではない。

本実施形態の制御装置１２では、実物の調整後に変動するモデルパラメータのうち、電動機１の負荷電流ＩＭおよび巻線温度Ｔｍを独立して計測し、独立して制御するので、誤差の少ない流量を設定することができる。

電流ＲＭＳに基づく流量演算部３２では、電動機１の負荷電流ＩＭを検出して適切な値に制御するフィードフォワード制御を用いているので、負荷電流ＩＭの変動に対して迅速に応答して冷却の流量を適切な値に設定することができる。

以上説明した実施形態によれば、電動機温度を最高許容温度以下の一定の温度基準値に制御するとともに、電動機温度センサなどの誤差や異常が発生した場合にも安全に運転を継続可能な電動機冷却制御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。

Claims (4)

1. 電動機を冷却する冷媒の流れを駆動する冷却用の電動機を制御する制御装置であって、
   前記電動機の負荷電流に基づいて、前記冷媒の第１流量を計算する第１演算部と、
   前記電動機の巻線の温度に基づいて、前記冷媒の第２流量を計算する第２演算部と、
   前記第１演算部および前記第２演算部の出力に基づいて、前記冷却用の電動機の回転数を設定する第３演算部と、
   を備えた制御装置。
2. 前記第１演算部は、前記負荷電流に基づいて前記電動機を駆動する電流の実効値を計算し、前記実効値に基づいて前記第１流量を設定する請求項１記載の制御装置。
3. 前記第２演算部は、前記巻線の温度と、あらかじめ設定された基準温度との偏差を計算し、前記偏差が小さくなるように前記第２流量を設定する請求項１記載の制御装置。
4. 前記第３演算部は、前記第１演算部の出力と前記第２演算部の出力とを加算して前記回転数を設定する請求項１記載の制御装置。

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