KR100982845B1

KR100982845B1 - 유도 전동기 구동 장치, 전동기 구동 시스템 및 승강시스템

Info

Publication number: KR100982845B1
Application number: KR1020080057331A
Authority: KR
Inventors: 요오이찌로오 아라까와; 고오이찌로오 나가따; 히로유끼 도미따
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 산키시스템
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-09-16
Also published as: KR20080112122A; TWI342296B; EP2007004B1; CN101330275A; US7902790B2; US20080315824A1; DE602008001462D1; TW200906704A; CN101330275B; JP5547866B2; JP2009005440A; EP2007004A1

Abstract

본 발명의 과제는 가속 불능 판단을 행할 때, 전동기 토크를 이상 최대치 근방까지 발생시키는 것이다.

유도 전동기(16)를 구동하는 전력 변환부(15)와, 유도 전동기(16)의 슬립 주파수를 연산하는 슬립 주파수 연산부(3)와, 유도 전동기(16)의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 슬립 주파수를 연산하는 최대 토크 발생 슬립 연산부(4)와, 유도 전동기(16)의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부(5)를 구비한 유도 전동기 구동 장치(90)이며, 가속 판정부(5)는 슬립 주파수가 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 상태에서 소정 시간을 경과한 경우에 가속 불능이라 판정한다.

유도 전동기, 전력 변환부, 슬립 주파수 연산부, 가속 판정부, 승강 시스템

Description

유도 전동기 구동 장치, 전동기 구동 시스템 및 승강 시스템{INDUCTION MOTOR DRIVE DEVICE, MOTOR DRIVE SYSTEM AND LIFTING SYSTEM}

본 발명은 유도 전동기를 구동 제어하는 가변속 운전을 행하기 위한 유도 전동기 구동 장치, 전동기 구동 시스템 및 이것을 이용한 승강 시스템에 관한 것이다.

크레인 등의 승강 장치를 이용하여 짐을 상승시킬 때에는, 유도 전동기의 소정의 가속률이 하중에 대해 지나치게 빠른 경우의 과대한 전동기 슬립(과슬립)을 방지하거나, 과하중, 짐의 상태, 진동 등에 의한 하중 부하 변동이나, 열 등에 의한 전동기의 상수 변동 등에 의해 야기되는 짐의 낙하를 방지하는 기술이 필요하다. 특허 문헌 1에서는, 회전 속도 검출기를 이용하여 회전 속도 검출치와 전동기 입력 주파수(1차 주파수)로부터 유도 전동기의 슬립 주파수를 취득하여, 이 슬립 주파수가 소정치를 초과한 경우에 감속을 행하거나, 혹은 정지 처리를 행하도록 하고 있다.

또한, 특허 문헌 2에는 저속도 영역에서 부하 최대 토크에 상응하도록 전동기 전류를 벡터 제어하는 기술이 기재되어 있다. 이 기술은, 극성 설정이 불필요 한 d축 전류를 강하게 하고, 전동기 전류를 제한하기 위해 q축 전류를 소정치 혹은 대략 제로로 제한하고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 평2-262893호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 제3351244호 공보(단락 0033, 0036)

그러나, 특허 문헌 1의 기술에서는 유도 전동기의 감속 혹은 정지 처리의 기준이 되는 슬립 주파수를 최적화하는 것에 대해서는 고려되어 있지 않다. 이로 인해, 최대 토크를 발생시키지 않고 유도 전동기를 감속 혹은 정지 처리해 버리는 경우가 있었다.

그래서, 본 발명은 가속 불능 판단을 행할 때 전동기 토크를 이상 최대치 근방까지 발생시킬 수 있는 유도 전동기 구동 장치, 전동기 구동 시스템 및 이것을 이용한 승강 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 유도 전동기 구동 장치는 유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 q축 자속을 연산하는 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 q축 자속을 연산하는 최대 토크 발생 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며, 상기 가속 판정부는, 상기 q축 자속이 상기 최대 토크 발생 q축 자속을 초과한 경우에 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 한다. 또한, 가속 판정부는 q축 자속 대신에 q축 자속에 대응하는 슬립 주파수가 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 경우에도 가속 불능이라 판정할 수 있다. 또한, q축 자속에는 2차 q축 자속이 포함된다.

이에 따르면, 최대 토크를 발생하는 q축 자속, 혹은 슬립 주파수를 기준으로 하기 때문에, 최대 토크를 발생하지 않고 가속 불능이라 판정되는 일은 없다. 또한, 가속 판정부는 슬립 주파수가 상기 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 상태에서 소정 시간을 경과한 경우를 판정하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 슬립 주파수의 급준한 변동에 대한 오동작을 저감시킬 수 있다. 또한, 슬립 주파수가 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 차분 주파수를 시간 적분한 적분치가 소정치를 초과한 경우를 판정함으로써, 슬립 주파수가 증감하면서 변화하는 경우에도 오동작을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 가속 불능 판단을 행할 때 전동기 토크를 이상 최대치 근방까지 발생시킬 수 있다.

(제1 실시 형태)

(1)식에 나타내는 바와 같이, 크레인 등의 승강 기기를 이용하여 짐을 가속도 α로 들어올리는 경우, 필요한 토크 τm은 가속도 α나 짐(적재 하물)의 무게 m·g에 의존한다. 또한, (1)식에서는 반경 r의 도르래에 의해 짐을 들어올리고 있는 것으로 하고, J는 전동기나 기계 시스템(도르래 등)을 포함하는 전관성 모멘트, ω는 전동기의 회전 속도, m은 적재 하물의 질량, g는 중력 가속도이다.

M·α·r = J·dω/dt = τm - m·g·r (1)

이때, 토크 τm의 최대치는 전동기의 용량으로 정해지고, m·g·r이 크면 (1)식의 가속도 α가 마이너스 또는 제로로 되어, 짐을 들어올리는 것은 불가능하 다. 또한, 가속도 α가 플러스라도, 속도 변화율 dω^*/dt가 (토크 최대치 τm_max - m·g·r)/J보다 크면, 전동기는 지령에 추종할 수 없어 들어올림은 실패한다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태인 전동기 구동 시스템의 구성도이다. 본 실시 형태의 전동기 구동 시스템은 유도 전동기 구동 장치(90) 및 유도 전동기(16)를 구비하고, 유도 전동기 구동 장치(90)는 제어부(91), 전력 변환부(15) 및 전류 검출부(18)를 구비하고, 유도 전동기(16)의 회전 속도를 검출하지 않는 속도 센서리스 제어 시스템이다. 여기서, 유도 전동기(16)는 3상 입력 전압의 주파수[1차 주파수(ω1)]로부터 슬립 주파수(ωs)를 감산한 회전 속도(ωr)로 회전한다. 전력 변환부(15)는 IGBT(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) 등의 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 제어부(91)가 생성한 PWM(Pulse-Width-Modulation) 신호를 기초로 하여 유도 전동기(16)를 구동한다. 전류 검출부(18)는 유도 전동기(16)에 흐르는 전동기 전류(I)를 검출하는 전류 센서로, U상과 W상의 실제 전류를 검출하고 있다. 또한, 도1에는 도10, 도11에 나타내는 3상 교류 전원(92) 및 교류 전류 변환부(94)의 기재가 생략되어 있다.

제어부(91)는, 주로 속도 지령치 연산부(1), 여자 전류 지령 연산부(2), 슬립 주파수 연산부인 슬립 주파수 추정치 연산부(3), 최대 토크 발생 슬립 연산부(4), 가속 판정부(5), 속도 변화율 연산부(6), 속도 변화율 보정부(7), 속도 연산부인 속도 추정 연산부(8), 1차 주파수 지령 연산부(9), d축 전류 제어부(10), q축 전류 제어부(11), 위상 연산부(12), 전압 지령 연산부(13), 좌표 변환부(14), 전력 변환부(15), 좌표 변환부(17) 및 속도 제어부(19)를 구비하고 있고, 이들의 기능은 CPU, ROM, RAM 및 프로그램에 의해 실현된다.

우선, 유도 전동기(16)의 속도 센서리스 벡터 제어에 대해 나타낸다. 또한, 벡터 제어에서는 전동기 자속축(磁束軸)을 d축이라 하고, d축에 전기적으로 수직인 축을 q축이라 정의하고 있다.

속도 지령치 연산부(1)는 유도 전동기(16)의 회전 속도의 기준이 되는 속도 지령(ωra^*)을 출력한다. 가속시, 속도 지령(ωra^*)은 시간과 함께 초기 설정된 시간 변화율(가속률)로 변화한다. 여자 전류 지령 연산부(2)는 여자 전류 지령(Id^*)을 연산한다.

속도 추정 연산부(8)는 좌표 변환부(17)가 출력하는 IqFB를 기초로 하여 산출된 q축 전류(Iq) 등을 기초로 하여, 속도 추정치(ωr^)를 연산한다.

ωr^ = 1/(1 + T1·s)·(L2^*/M^*)·(1/φ2d^*)·(r1^*·Iq^* + ω1^*·(M^*/L2^*)·φ2d^*+ ΔVq - (r1^*+ r2'^*+ Lσ^*·s)·Iq)

속도 제어부(19)는 속도 지령(ωr^*)으로부터 속도 추정치(ωr^)를 감산한 값이 입력되고, 속도 추정치(ωr^)가 속도 지령(ωr^*)에 일치하도록 토크 전류 지령(Iq^*)을 연산한다. d축 전류 제어부(10)는 Id 검출치(IdFB)가 Id^*에 일치하도록 d축 전압 보정치(Δd)를 연산한다. 또한, q축 전류 제어부(11)는 Iq 검출치(IqFB) 가 Iq^*에 일치하도록 q축 전압 보정치(Δq)를 연산한다.

1차 주파수 지령 연산부(9)는 속도 추정치(ωr^)와 속도 지령(ωr^*)을 가산하여, 유도 전동기(16)에 입력되는 전압의 1차 주파수(ω1^*)를 연산한다. 위상 연산부(12)는 1차 주파수(ω1^*)를 적분하여 위상 지령(θ^*)을 연산한다.

전압 지령 연산부(13)는 1차 주파수(ω1^*)나 각종 전류 지령, d축 전류 제어부(10), q축 전류 제어부(11)의 출력을 이용하여 (2)식, (3)식과 같이 d축 전압 지령(Vd^*), q축 전압 지령(Vq^*)을 연산한다.

Vd^* = r1^*·Id^*- ω1^*·Lσ^*·Iq^*+ Δd (2)

Vq^* = r1^*·Iq^* + ω1^*·Lσ^*·Id^*+ ω1^*·(M^*/L2^*)·φ2d^*+ Δq (3)

여기서, r1^*, Lσ^*, M^*, L2^*, φ2d^*는 각각 유도 전동기의 1차 저항 설정치, (1차+2차) 누설 인덕턴스 설정치, 상호 인덕턴스 설정치, 2차 인덕턴스 설정치 및 2차측 d축 자속 지령치이다. Δd, Δq는 상기한 d축 전류 제어부(10), q축 전류 제어부(11)의 출력이다.

좌표 변환부(14)는 d축 전압 지령(Vd^*), q축 전압 지령(Vq^*) 및 위상 지령(θ^*)을 이용하여, PWM 제어된 3상 교류 전압 지령(Vu, Vv, Vw)로 변환한다.

좌표 변환부(17)는 전류 검출부(18)로부터의 교류 전류 검출치와 위상 지령 (θ^*)을 이용하여, 2상의 직류 전류(IdFB, IqFB)로 변환한다. 이상에 의해, 종래의 벡터 제어에서는 소정의 ωr^*에 실제 속도가 추종하도록 전류, 전압을 제어한다.

슬립 주파수 추정치 연산부(3)는 유도 전동기(16)의 슬립 주파수 추정치(ωs^)의 추정 연산을 행한다. 예를 들어, 슬립 주파수(ωs)는 이하와 같이 추정한다.

유도 전동기(16)의 내부에서는 (4)식, (5)식의 관계가 성립한다. 별표(*)가 없는 것은 유도 전동기측의 실제치이고, φ2q는 2차측 q축 자속이다.

Vd = r1·Id - ω1·Lσ·Iq - ω1·(M/L2)·φ2q (4)

Vq = r1·Iq + ω1·Lσ·Id + ω1·(M/L2)·φ2d (5)

전류 제어계에 의해, Id = Id^*, Iq = Iq^*로 제어되고, 저속 영역에 있어서는 (3)식, (5)식의 우변 제2항은 각각 우변 제3항에 비해 작아 무시할 수 있다. 또한, r1, ω1, M, L2는 설정치와 같다고 가정하고, 일반적으로는 Vd^*= Vd, Vq^*= Vq이므로, d축 자속 추정치(φ2d^), q축 자속 추정치(φ2q^)를 구하면 (6)식, (7)식과 같이 된다.

φ2d^ = (Δq + ω1^*·(M^*/L2^*)·φ2d^*)/(ω1^*·(M^*/L2^*)) (6)

φ2q^ = -Δd/(ω1^*·(M^*/L2^*)) (7)

이것을 이용하여 슬립 주파수 지령(ωs^)을 하기와 같이 구한다. 일반적으 로 φ2q, φ2d는 (8)식, (9)식을 충족시킨다. T2는 전동기의 2차 시상수, s는 미분 연산자이다.

φ2d = (M·Id + ωs·T2·φ2q)/(1 + T2·s) (8)

φ2q = (M·Iq - ωs·T2·φ2d)/(1 + T2·s) (9)

여기서, 저속시에 있어서 높은 토크를 발생시키기 위해, d축 전류(Id)를 정격 전류 정도(정격 여자 전류의 2배 이상 정도) 흘리고, 또한 Iq = 0으로 제어하는 경우 ωs의 정상해는 (9)식 및 (10)식과 같이 된다.

ωs = -1/T2·φ2q/φ2d (10)

따라서, (6)식, (7)식 및 (10)식으로부터 ωs를 연산하여, 슬립 주파수 지령(ωs^)으로 한다.

토크 τm은 (11)식과 같이 된다. 또한, (11)식에서 P는 유도 전동기(16)의 극수이다.

τm = 3·(P/2)·(M/L2)·(φ2d·Iq - φ2q·Id) (11)

여기서, 상기와 마찬가지로 d축 전류(Id)를 통상보다 크게 하고, Iq = 0으로 제어하는 경우, 토크 τm은 (12)식과 같이 된다.

τm = 3·(P/2)·(M/L2)·(-φ2q·Id) (12)

d축 전류(Id)는 일정치이므로, (12)식에 따르면 φ2q가 마이너스이고, 또한 절대치가 최대일 때에 최대 토크가 발생한다. 또한, (8)식, (9)식을 φ2d, φ2q에 대해 정상해를 도출하면 (13)식, (14)식이 된다.

φ2d = M·Id/(1 + (ωs·T2)²) (13)

φ2q = -ωs·T2·M·Id/(1 + (ωs·T2)²) (14)

여기서, Id는 정격 여자 전류 이상을 흘리기 때문에, 자속 포화 영역까지 자속이 증가하여 자속이 γ·φ0으로 되어 있는 것으로 한다. 또한, φ0은 전동기의 정격 자속을 나타내며, 통상 γ은 1.1 내지 1.3 정도이다.

이때, φ2d, φ2q는 (15)식을 충족시키고, (16)식과 같은 관계가 된다.

√(φ2d² + φ2q²) = γ·φ0 (15)

M·Id/√(1 + (ωs·T2)²) = γ·φ0 (16)

(16)식과 (14)식으로부터 φ2q는 (17)식과 같이 된다.

φ2q = -ωs·T2·γ·φ0/√(1 + (ωs·T2)²) (17)

크레인 등 승강 장치에서 짐을 들어올릴 때에, 1차 주파수(ω1)를 높이고 d축 전류(Id)를 정격 이상으로 부여하고 있는 경우, φ2q는 (17)식에 따라서 ωs에 대해 단조 증가한다. 그러나, 1차 주파수(ω1)(전동기가 정지 상태로부터 회전을 개시할 때까지는 ωs와 동등함)가 계속해서 증가하면, 자기 포화가 풀려 φ2q는 (14)식에 따른다.

도2는 횡축에 ωs(소정치에서 규격화)에 대한 φ2q의 절대치(소정치에서 규격화)를 나타낸 것이다. (14)식의 곡선과 (17)식의 곡선이 교차한 시점에서 포화가 풀려, φ2q 즉 토크가 최대로 된다. (17)식으로부터, 토크가 최대로 되는 슬립 주파수(ωsmax)는 (18)식과 같이 되고, 그때의 최대 토크(τmmax)는 (19)식과 같이 된다. (18)식에서는 Id는 IdFB나 Id^*를 이용하여 구하면 좋고, γ는 예를 들어 1.1 내지 1.3 정도의 값을 넣어 두면 좋다.

ωsmax = √((M·Id/γ/φ0)²-1)/T2 (18)

τmmax = 3(P/2)·(M/L2)·γ·φ0·√(Id² - (γ·φ0/M)²) (19)

최대 토크 발생 슬립 연산부(4)는, 유도 전동기(16)가 최대 토크를 발생시키는 슬립 주파수(ωsmax)를 (18)식을 기초로 하여 연산한다. 또한, d축 전류(Id)는 정격 여자 전류 이상의 일정치에서 제어하고, q축 전류(Iq)는 0에서 일정 제어하는 경우, 부하의 크기에 상관없이 전류치는 항상 일정해진다. 또한, 이 일정치라 함은, 측정 등에 수반되는 노이즈 성분을 포함하는 범위 내에서 일정한 것을 가리킨다.

도3에 나타내는 가속 판정부(5a)는 가속 판정부(5)(도1)의 일 형태로, 임계치 연산부(30), 비교부(31), 카운터(32) 및 리미터(33)를 구비하고 있다.

임계치 연산부(30)는 슬립 주파수(ωsmax)에 따른 임계치(ωsmaxTH)를 연산[예를 들어, ωsmax를 α배(α≤1)]한다. 비교부(31)는 슬립 주파수(ωs^)와 임계치(ωsmaxTH)를 비교하여, ωs^ > ωsmaxTH일 때 출력한다. 카운터(32)는 비교부(31)로부터 시그널을 수취하여, 그 시점으로부터의 경과 시간을 출력한다. 또한, 카운터(32)는 비교부(31)가 ωs^ ≤ ωsmaxTH를 출력한 경우 리셋된다. 즉, 가속 판정부(5)는 ωs^ > ωsmaxTH의 상태가 지속되어 카운터(32)의 출력이 소정의 임계치를 초과한 경우, 들어올림 불가능이라 판정하여 리미터(33)가 시그널을 출력한다.

또한, 리미터(33)의 임계치로서는 슬립의 변화가 토크에 반영되는 전동기의 2차 시상수(예를 들어, 0.15초)보다도 작고, 제어기의 연산 주기(예를 들어, 0.0001초)보다도 큰 값을 설정한다. 또한, 카운터(32) 대신에 적분 회로 등 그 밖의 경과 시간 계측 수단을 이용해도 좋다.

또한, 속도 변화율 연산부(6)는 리미터(33)의 시그널을 수취하여, 속도 변화율로서 마이너스의 소정치를 출력한다. 또한, 리미터(33)로부터의 시그널이 경보 장치(35)에 입력되어 경보를 발한다. 이 경보로는 전기 신호, 소리나 광, 진동 등이 이용된다. 또한, 동시에 브레이크 장치(도시하지 않음)를 이용하여 유도 전동기(16)의 회전을 강제적으로 정지시켜도 좋다.

다시 도1로 되돌아가, 속도 변화율 보정부(7)는 입력인 속도 지령치(ωra^*)에 대해 속도 변화율 연산부(6)의 출력을 따르도록 보정을 가하여 속도 지령치(ωr^*)를 출력한다. 예를 들어, 속도 변화율 보정부(7)는 속도 변화율 연산부(6)의 출력이 조건에 따라 마이너스로 된 경우, 예를 들어 속도 변화율은 마이너스로 보정되고 유도 전동기(16)는 감속한다.

또한, 리미터(33)(도3)로부터의 시그널이 없는 상태에서는, 속도 변화율 연산부(6)는 초기 설정된 속도 변화율치를 출력한다. 그로 인해, 속도 변화율 보정부(7)에 의한 ωra^* 변화율은 보정되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 가속 판정부(5)는 슬립 추정치(ωs^)가 최대 토크를 발생하는 슬립 주파수(ωsmaxTH)를 초과한 상태가 소정 시간 계속된 경우를 검출하고, 이 경우에 속도 변화율 연산부(6)는 속도 지령치(ωr^*)의 변화율을 마이너스로 보정하여 유도 전동기(16)의 감속을 행한다. 즉, 전동기 구동 시스템은 들어올림 가속이 불가능해지는 상황을 오작동하는 일 없이 사전에 판정할 수 있어, 안정적으로 완만하게 짐을 내리는 것을 가능하게 할 수 있다.

또한, 크레인 등의 승강 기기에 있어서는, 일정 무게의 짐을 들어올려 다른 장소에 내리고, 다음에 다른 무게의 짐을 들어올리는 등의 동작을 행하는 경우가 있다. 최대 부하를 상정할 수 있는 경우라도 유도 전동기(16)의 부하가 매회 크게 다르고, 상정하지 않은 토크가 걸리는 경우라도 부하에 따른 가속률을 설정할 수 있어 가속이 곤란한 경우를 회피할 수 있다. 또한, 최대 토크 발생 슬립을 기준으로 함으로써, 들어올림 효율을 최대화하는 것이 가능해진다.

(제2 실시 형태)

제1 실시 형태는 최대 토크의 발생을 슬립 주파수(ωs)를 기초로 하여 검출하였지만, 도2에 나타내는 바와 같이 슬립 주파수(ωs)가 ωsmax를 초과하였다고 하는 판정은 2차측 q축 자속(φ2q)으로부터도 판정할 수 있다. 도4에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태의 가속 판정부(5b)는 가속 판정부(5)(도1)에 상당하고, 임계치 연산부(42) 및 비교부(43)를 구비하고, q축 자속 연산부인 φq 추정 연산부(40)의 출력 신호 및 최대 토크 발생 q축 자속 연산부인 최대 토크 발생 φq 연 산부(41)의 출력 신호를 입력하고 있다.

φq 추정 연산부(40)에 있어서 ωs^에 상당하는 q축 자속 추정치(φ2q^)를 연산하고, 최대 토크 발생 φq 연산부(41)에 있어서 ωsmax에 상당하는 q축 자속(φ2qmax)을 연산한다. 임계치 연산부(42)는 φ2qmax에 따른 임계치(φ2qmaxTH)를 연산[예를 들어, φ2qmax를 α배(α≤1)]한다. 이때, φ2q^, φ2qmax, φ2qmaxTH는 마이너스로 된다. 그래서, 비교부(43)는 소정치(φ2qmaxTH)를 φ2q^가 하회한 경우, 혹은 φ2qmaxTH의 절대치를 φ2q^의 절대치가 초과한 경우 가속 불능이라 판정하여, 시그널을 출력한다. 그리고, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 비교부(43)가 출력하는 시그널에 따라서 속도 변화율 연산부(6)에 의해 감속이 행해지고, 또한 경보 장치(35)에 의한 경보 발령이 행해진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 q축 자속 연산치를 이용하여 과슬립을 검출함으로써, 제1 실시 형태와 마찬가지로 짐의 낙하 방지가 가능해진다.

(제3 실시 형태)

제3 실시 형태에 대해, 다른 실시 형태와 상이한 부분에 대해 설명한다.

도5에 나타내는 가속 판정부(5c)는 가속 판정부(5)(도1)에 상당하는 것이지만, ωs^ 대신에 q축 자속 연산부인 φq 추정 연산부(40)에 있어서 q축 자속 추정치(φ2q^)를 연산하고, 최대 토크 발생 q축 자속 연산부인 최대 토크 발생 φq 연산부(41)에 있어서 ωsmax에 상당하는 q축 자속(φ2qmax)을 연산한다.

비교부(53)는 임계치 연산부(42)의 출력(φ2qmaxTH)을 φ2q^가 하회한 경우 시그널을 출력한다. 카운터(54)는 상기 시그널을 수취한 시점으로부터의 시간을 출력한다. 즉, 가속 판정부(5c)는 0 > φ2qmaxTH > φ2q^의 상태가 지속되어 카운터(54)의 출력이 소정의 임계치를 초과한 경우, 가속 불능이라 판정하여 비교부(53)가 시그널을 출력한다. 또한, 제1 실시 형태와 동일하게 시그널에 따라서 속도 변화율 연산부(6)에 의해 감속이 행해지고, 또한 경보 장치(35)에 의한 경보 발령이 행해진다.

이상과 같이 본 실시 형태에서는 q축 자속 연산치를 이용하여 과슬립을 검출하고, 과슬립 상태의 시간에 따라 짐의 낙하를 검지함으로써 보다 오동작이 적은 짐의 낙하 방지가 가능해진다.

(제4 실시 형태)

제1 실시 형태는 슬립 추정치(ωs^)가 최대 토크를 발생하는 슬립 주파수 임계치(ωsmaxTH)를 초과한 상태가 소정 시간 계속된 경우를 검출하였지만, 슬립 주파수 추정치(ωs^)와 최대 토크를 발생하는 슬립 주파수 임계치(ωsmaxTH)와의 차분 신호를 적분한 신호를 이용해도 검출할 수 있다.

도6에 나타내는 가속 판정부(5d)는 가속 판정부(5)(도1)에 상당하고, 임계치 연산부(30), 감산기(60), 비교부(61), 적산부(62) 및 리미터(63)를 구비하고 있다.

임계치 연산부(30)는 최대 토크 발생 슬립 연산부(4)의 연산 결과를 이용하여 ωsmaxTH를 출력한다. 감산기(60)는 슬립 주파수 추정치 연산부(3)의 출력 신호인 슬립 주파수 추정치(ωs^)로부터 슬립 주파수 임계치(ωsmaxTH)를 감산한다. 감산기(60)의 출력 신호(ωs^ - ωsmaxTH)는 비교부(61) 및 적산부(62)에 입력된다. 비교부(61)는 입력된 신호(ωs^ - ωsmaxTH)가 플러스인지 마이너스인지로부 터 ωs^와 ωsmaxTH의 대소 관계를 판별하여 출력한다. 적산부(62)는 ωs^ > ωsmaxTH의 시그널을 비교부(61)로부터 수취하면, 그 시점으로부터 (ωs^ - ωsmaxTH)의 시간 적분을 연산하여 출력한다. 리미터(63)는 입력된 적산치가 소정의 임계치를 초과한 경우 가속 불능이라 판정하여, 시그널을 출력한다. 또한, 리미터(63)의 임계치로서는 제어기 연산 주기와 주파수 양자화 1비트분의 곱(예를 들어, 0.00004 rad)보다 크고, 도2에 있어서의 정격 토크 상당의 슬립량과 모터 2차 시상수의 곱(예를 들어, 5 rad)보다 작은 값을 적용한다. 또한, 제1 실시 형태와 동일하게 시그널에 따라서 속도 변화율 연산부(6)에 의해 감속이 행해지고, 또한 경보 장치(35)에 의한 경보 발령이 행해진다.

이상과 같이 본 실시 형태에서는, 과슬립의 크기와 시간 경과의 양방을 고려하여 가속 불능을 판정한다. 또한, 도7은 슬립 주파수 추정치(ωs^)와 슬립 주파수 임계치(ωsmaxTH)의 시간 변화를 나타낸 도면이다. 주파수 추정치(ωs^)는 랜덤한 시간 변동을 동반하고 있고, 증감하면서 일정치인 ωsmaxTH에 수렴되고 있다. 적산부(62)는 ωs^가 ωsmaxTH보다도 큰 값일 때의 시간 t1, t2, t3, …에 대해 시간 적분을 행하므로, 일시적으로 (ωs^ - ωsmaxTH)의 값이 마이너스 값으로 되어도, 다시 플러스로 되었을 때에 적분이 재개된다. 이에 대해 제1 실시 형태의 구성에서는, 일시적으로 (ωs^ - ωsmaxTH)의 값이 마이너스로 되었을 때에 카운터(32)가 완전히 리셋된다.

(제5 실시 형태)

제4 실시 형태는 슬립 주파수 추정치를 적분하였지만, q축 자속을 적분할 수 도 있다.

도8의 가속 판정부(5e)는 가속 판정부(5)(도1)에 상당하고, 임계치 연산부(42), 감산기(70), 비교부(71), 적산부(72) 및 리미터(73)를 구비하고 있다.

감산기(70)는 신호(φq^ - φqmaxTH)를 출력하고, 이 신호(φq^ - φqmaxTH)는 비교부(71) 및 적산부(72)에 입력된다. 비교부(71)는 입력된 신호(φq^ - φqmaxTH)가 플러스인지 마이너스인지로부터 q축 자속 추정치 φq^와 φqmaxTH의 대소 관계를 판별한다. 적산부(72)는 φq^ < φqmaxTH의 신호를 비교부(71)로부터 수취하면, 그 시점으로부터 신호(φq^ - φqmaxTH)의 시간 적분을 행하여 적산치를 리미터(73)에 출력한다. 리미터(73)는 입력치가 소정의 임계치를 초과한 경우 가속 불능이라 판정하여, 시그널을 출력한다. 또한, 제1 실시 형태와 동일하게 속도 변화율 연산부(6)는 시그널에 따라서 감속을 행하고, 경보 장치(35)는 경보 발령을 행한다.

또한, 리미터(73)의 임계치로서는 제어기 연산 주기와 주파수 양자화 1비트분의 곱(예를 들어, 0.00004 rad)보다도 크고, 도2에 있어서의 정격 토크 상당의 d축 자속치와 전동기의 2차 시상수의 곱(φqmax × T2)보다 작은 값을 적용한다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 따르면, 가속 판정부(5e)는 q축 자속 연산치를 이용하여 과슬립을 검출하고, 과슬립의 크기와 시간 경과의 양방을 고려하여 가속 불능을 판정하기 때문에, 보다 정밀도가 높은 짐의 낙하 방지를 실현할 수 있다.

(제6 실시 형태)

상기 각 실시 형태에서는, 가속 판정부(5)만을 이용하여 감속 및 경보 발령을 행하고 있었지만, 또한 감속 판정부와 가속 판정부의 조건 판정부를 추가할 수 있다.

즉, 제1 실시 형태로부터 제5 실시 형태까지 기재한 가속 판정부[5(5a 내지 5e)]와, 속도 추정 연산부(8)에 의해 출력되는 속도 추정치가 소정의 값(예를 들어, 0)을 하회한 경우 감속 상태라 판정하여 시그널을 출력하는 감속 판정부(도시하지 않음)와, 속도 지령치(ωr^*)의 변화분이 0보다도 큰 경우 가속 중이라고 판정하여 시그널을 출력하는 가속 판정부(도시하지 않음)의, 3개의 조건 판정부로부터 시그널이 발생한 경우에 가속 불능이라 판정할 수 있다.

또한, 3개의 조건 판정부에, 추정 속도 변화율이 소정치를 하회한 경우 토크 부족이라 판정하여 시그널을 출력하는 토크 부족 판정부(도시하지 않음)를 추가한 4개의 조건 판정부를 이용하여 가속 불능을 판정해도 좋다. 추정 속도 변화율은, 예를 들어 추정 속도의 미분 연산에 의해 얻어진다.

이상과 같이, 본 실시 형태에서는 가속 지령 중에 있어서 슬립이 커져 충분한 토크를 발생시킬 수 없어 유도 전동기(16)가 감속하거나 또는 역회전한 것을 검지하여, 신속하게 감속 제어를 행하거나 경보를 발할 수 있다.

(제7 실시 형태)

제7 실시 형태에서는, 짐의 현재 위치를 추정하는 추정 위치 연산부(도시하지 않음)를 구비하고, 추정 위치 연산부에 의해 출력되는 추정 위치가 제1 소정치 를 초과한 후에 제2 소정치를 하회한 경우 시그널을 출력하는 떨어짐 판정부(도시하지 않음)와, 제6 실시 형태에 기재한 가속 판정부(도시하지 않음)와, 제1 실시 형태로부터 제5 실시 형태까지 기재한 가속 판정부(5)(5a 내지 5e)의, 3개의 조건 판정부로부터 시그널이 발생된 경우에 가속 불능이라 판정한다.

또한, 상기 3개의 조건 판정부에, 추정 속도 변화율이 소정치를 하회한 경우 토크 부족이라 판정하여 시그널을 출력하는 토크 부족 판정부를 추가한 4개의 조건 판정부를 이용하여 가속 불능을 판정해도 좋다. 이때 추정 속도 변화율은, 예를 들어 추정 속도의 적분 연산에 의해 얻어진다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태의 구성을 짐의 상승에 이용하면, 짐이 본래 있었던 위치로부터 내려가기(예를 들어, 지면에 충돌하기) 전에 재빠르게 판정하여, 유도 전동기(16)를 제어하여 서서히 짐을 내릴 수 있다. 또한, 짐이 소정치 이상으로 상승하지 않도록 제어할 수도 있다.

(제8 실시 형태)

예를 들어, 도9에 나타내는 가속 판정부(5)가 제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태에 언급한 방법으로 가속 불능을 나타내는 시그널을 발생한 경우, 속도 지령 보정치 연산부(80)는 소정의 속도 보정치(Δωr^* < 0)를 출력한다. 속도 지령치 보정부(81)는, 속도 보정치(Δωr^*)에 따라서 속도 지령(ωr^*)의 보정을 행한다. 속도 보정치(Δωr^*)는, 예를 들어(ωsmaxTH - ωs^)의 차분(마이너스 값)에 비례 게인을 곱한 값이나, 보정 후에 적절하게 짐을 내릴 수 있는 고정 감속률과 일치하도 록 연산한다.

이상과 같이 본 실시 형태에 의해, 제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태와 동등한 효과를 얻을 수 있다.

(제9 실시 형태)

도10에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 유도 전동기 구동 장치(90)는 200 V 혹은 400 V의 3상 교류 전원(92)에 의해 동작하고, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류 직류 변환부(94) 및 파형 평활용 콘덴서(95)를 구비하고, 직류를 임의의 주파수의 교류로 변환하는 직류 교류 변환부(93) 및 그 동작을 생성하는 제어부(91)를 구비한 교류 유도 전동기 구동 장치(90)에 이용한다.

또한, 도11과 같이 승강 시스템(200)은 유도 전동기 구동 장치(90)에 의해 구동되는 유도 전동기(16)에 크레인 등 승강 장치(100)가 연결되어 구성된다.

(변형예)

본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 이하와 같은 다양한 변형이 가능하다.

(1) 상기 각 실시 형태의 슬립 주파수 추정치 연산부(3)는, (10)식을 이용하여 슬립 주파수(ωs)를 추정하고 있었지만, 1차 주파수 지령치(ω1^*)로부터 회전 속도 추정치(ωr^)를 감산해도 슬립 주파수 추정치(ωs^)를 연산할 수 있다.

(2) 상기 각 실시 형태는 슬립 주파수를 추정하고 있었지만, 속도 센서를 이용하여 슬립 주파수를 연산할 수도 있다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태인 유도 전동기 구동 장치의 구성도.

도2는 제1 실시 형태의 q축 자속의 시간 변화를 나타내는 도면.

도3은 제2 실시 형태의 가속 판정부 및 이것의 접속 관계를 나타낸 도면.

도4는 제3 실시 형태의 가속 판정부 및 이것의 접속 관계를 나타낸 도면.

도5는 제4 실시 형태의 가속 판정부 및 이것의 접속 관계를 나타낸 도면.

도6은 제5 실시 형태의 가속 판정부 및 이것의 접속 관계를 나타낸 도면.

도7은 제5 실시 형태의 슬립 주파수의 시간 변화를 나타낸 도면.

도8은 제6 실시 형태의 가속 판정부 및 이것의 접속 관계를 나타낸 도면.

도9는 제8 실시 형태의 유도 전동기 구동 장치의 전체적인 구성도.

도10은 제9 실시 형태의 유도 전동기 구동 장치의 접속 관계를 나타낸 구성도.

도11은 유도 전동기 구동 장치에 크레인 등 승강 장치를 장착한 경우의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 속도 지령치 연산부

2 : 여자 전류 지령 연산부

3 : 슬립 주파수 추정치 연산부(슬립 주파수 연산부)

4 : 최대 토크 발생 슬립 연산부

5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f : 가속 판정부

6 : 속도 변화율 연산부

7 : 속도 변화율 보정부

8 : 속도 추정 연산부(속도 연산부)

9 : 1차 주파수 지령 연산부

10 : d축 전류 제어부

11 : q축 전류 제어부

12 : 위상 연산부

Claims

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유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 슬립 주파수를 연산하는 슬립 주파수 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 슬립 주파수를 연산하는 최대 토크 발생 슬립 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며,

상기 가속 판정부는, 상기 슬립 주파수가 상기 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 차분 주파수를 시간 적분한 적분치가 소정치를 초과한 경우에 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동 장치.
유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 q축 자속을 연산하는 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 q축 자속을 연산하는 최대 토크 발생 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며,

상기 가속 판정부는, 상기 q축 자속이 상기 최대 토크 발생 q축 자속을 초과한 경우에 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동 장치.
유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 q축 자속을 연산하는 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 q축 자속을 연산하는 최대 토크 발생 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며,

상기 가속 판정부는, 상기 q축 자속 연산치가 최대 토크 발생 q축 자속을 기초로 하는 소정치를 초과한 상태에서 소정 시간을 경과한 경우 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동 장치.
유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 q축 자속을 연산하는 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 q축 자속을 연산하는 최대 토크 발생 q축 자속 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며,

상기 가속 판정부는, 상기 q축 자속이 상기 최대 토크 발생 q축 자속을 초과한 차분 자속을 시간 적분한 값이 소정치를 초과한 경우에 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동 장치.
삭제
유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 슬립 주파수를 연산하는 슬립 주파수 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 슬립 주파수를 연산하는 최대 토크 발생 슬립 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며,

상기 가속 판정부는, 상기 슬립 주파수가 상기 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 상태에서 소정 시간을 경과한 경우에 가속 불능이라 판정하며,

상기 유도 전동기의 회전 속도를 추정하는 속도 추정 연산부를 더 설치하고,

상기 가속 판정부는, 상기 회전 속도의 추정 연산치가 소정치를 하회한 경우에도 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동 장치.
유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 슬립 주파수를 연산하는 슬립 주파수 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 슬립 주파수를 연산하는 최대 토크 발생 슬립 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비한 유도 전동기 구동 장치이며,

상기 가속 판정부는, 상기 슬립 주파수가 상기 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 상태에서 소정 시간을 경과한 경우에 가속 불능이라 판정하며,

상기 유도 전동기의 속도 변화율을 연산하는 속도 변화율 연산부를 더 설치하고,

상기 가속 판정부는, 상기 속도 변화율이 마이너스인 경우에도 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동 장치.
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유도 전동기를 구동하는 전력 변환부와, 상기 유도 전동기의 슬립 주파수를 연산하는 슬립 주파수 연산부와, 상기 유도 전동기의 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 발생 슬립 주파수를 연산하는 최대 토크 발생 슬립 연산부와, 상기 유도 전동기의 가속이 가능한지 여부를 판정하는 가속 판정부를 구비하며, 상기 가속 판정부는, 상기 슬립 주파수가 상기 최대 토크 발생 슬립 주파수를 초과한 상태에서 소정 시간을 경과한 경우에 가속 불능이라 판정하는 유도 전동기 구동 장치와,

상기 전력 변환부에 의해 구동되는 상기 유도 전동기와,

상기 유도 전동기에 연결된 승강 장치를 구비하며,

상기 유도 전동기 구동 장치는 상기 유도 전동기에 의해 이동되는 짐의 위치를 연산하는 위치 연산부를 더 설치하고,

상기 가속 판정부는, 상기 위치 연산부가 연산한 값이 소정치를 하회한 경우에도 가속 불능이라 판정하는 것을 특징으로 하는 승강 시스템.