TWI638513B

TWI638513B - 控制裝置

Info

Publication number: TWI638513B
Application number: TW106114471A
Authority: TW
Inventors: 本達也
Original assignee: 日商東芝三菱電機產業系統股份有限公司
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2018-10-11
Also published as: JPWO2018154782A1; WO2018154782A1; JP6690885B2; CN110326194A; KR102290819B1; TW201832457A; KR20190104623A; CN110326194B

Abstract

本發明提供一種即使在電動機之繞線溫度之檢測值產生異常或誤差、或在電動機負荷之檢測電流產生異常或誤差，亦可使電動機安全地繼續運轉之控制裝置。實施形態之控制裝置係控制冷卻用電動機，該冷卻用電動機係驅動冷卻電動機之冷媒之流動。控制裝置係具備：依據前述電動機之負荷電流來計算前述冷媒之第1流量的第1運算部；依據前述電動機之繞線的溫度來計算前述冷媒之第2流量的第2運算部；以及依據前述第1運算部及前述第2運算部之輸出，來設定前述冷卻用電動機之旋轉數的第3運算部。

Description

控制裝置

本發明之實施形態係關於一種控制冷卻用電動機之控制裝置，該冷卻用電動機係驅動冷卻電動機之冷媒之流動者。

一般而言，電動機係具有藉由安裝在旋轉軸之風扇的旋轉而使冷媒循環之功能。例如，在如鋼鐵軋延工廠之主機驅動用大型電動機的大容量可變速之電動機的情形，與電動機之旋轉軸上的風扇不同地，另外附設有使電動機冷媒循環之獨立的冷卻設備。

第2圖係顯示大型電動機之冷卻構造之例。在第2圖中，21係大型之電動機，22係軸承，23係冷卻冷媒之冷卻器，24係冷卻風扇，25係驅動冷卻風扇之電動機。圖中之箭頭係表示冷媒之流動。

如第2圖所示，由冷卻風扇24用之電動機25所驅動之冷卻風扇24係使冷媒在電動機21內對流、循環。並且，循環之冷媒會帶走從電動機21產生之熱，因此可將電動機21予以冷卻。從電動機21吸收熱而溫度上升之冷媒係回到冷卻器23，且藉由冷卻器23所冷卻，並循環於電動機21內。

在包含冷卻器23及冷卻風扇24之電動機冷卻系統之設計時，係採用電動機所產生之熱量、冷卻風扇所產生之熱量、電動機之冷卻所需之風量、及進氣至電動機之溫度等各諸量、通氣阻力、冷媒溫度、及冷媒特性等。再者，依據該等參數，電動機冷卻系統係設計成使電動機之溫度落在容許值內。

電動機21所產生之熱量會因為電動機之負荷造成負荷電流變化而使產生損失增減，所以並不一定。設計冷媒之流量而保有餘裕，以使得即便在產生之損失為最大時，亦即電動機21為最大額定運轉的情形，仍會使電動機21之溫度落在容許值中。因此，在以使用條件所設定之範圍內進行運轉時，若使冷卻風扇24進行額定運轉，則電動機21係不會異常地過熱而可安全地繼續運轉。

在電動機21之運轉時使負荷比最大額定還小的情形，即便使冷卻風扇24之流量比額定下降一定程度而進行運轉，電動機21之溫度亦可在容許溫度內進行運轉。因此，結果可減低冷却風扇24之消耗功率。

在該種電動機冷卻系統中，在電動機21之負荷為一定之條件下，一般而言係有下述傾向：越使冷媒之流量減少，電動機21之溫度越上升，越使冷媒之流量增加，電動機21之溫度越降低。

電動機21係依據規格來設定最高容許溫度。因此，以最高容許溫度將電動機21之溫度保持為一定，將有助於提升冷卻風扇24之節能效果。

在謀求冷卻風扇24之節能化之情形下，當使冷媒流量減低超過必要以上時，電動機溫度會超過容許值，而導致電動機壽命之減低，依情況還會導致電動機21之故障。另一方面，當冷媒流量之減少量較少時，冷卻風扇24之節能效果會降低。

在專利文獻1中記載有一種當以溫度感測器所檢測出之電動機溫度成為一定溫度以上時驅動冷卻風扇之技術。在該技術中，冷卻風扇之控制係為開關控制，因此無法進行微細之風量調整。因此，電動機溫度之變動會增加，而無法獲得充分之節能效果。由於驅動冷卻風扇之電動機的啟動次數會增加，因此會有驅動冷卻風扇之電動機的壽命變短之虞。

在專利文獻2中記載有一種依據由溫度感測器所檢測出之電動機溫度而連續地控制冷媒流量之技術。然而，在該技術中，在溫度感測器及其信號之傳送產生誤差或異常時，會有無法計算適當之流量，且無法使電動機在容許溫度內安全地進行運轉之虞。

在專利文獻3中記載有一種依據流通至電動機之電流的實效值(RMS值)推測電動機之上升溫度，以運算對應於溫度上升之適當的冷媒之流量的技術。然而，一般而言，在以電動機電流為基準而計算對應於電動機負荷之所需流量時，會有電流值之誤差或電動機損失模式誤差、電動機冷卻模式之誤差、干擾等情形，因此難以依據預先計算之冷媒流量來控制適當之電動機的溫度。再者，在即使依據試驗運轉而適當地調整運算模式而仍在調整後產生馬達特性之變化或干擾的情形，理論上不可能將電動機之溫度控制成一定。因此，為了不超過電動機之溫度容許值，必須預先使冷媒流量之運算保有足夠的餘裕。再者，當電動機之溫度異常地上升時，亦必須採取追加強制地使冷卻風扇以最大速度運轉之附加功能等對策。然而，在該等情形下，會對應於多餘之風量而消耗能量，造成節能效果降低。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開平5-300687號公報

專利文獻2：日本特開2001-136708號公報

專利文獻3：日本特許第3741101號公報

實施形態係提供一種即使在電動機之繞線溫度之檢測值產生異常或誤差、或在電動機負荷之檢測電流產生異常或誤差，亦可使電動機安全地繼續運轉之控制裝置。

實施形態之控制裝置係控制冷卻用電動機，該冷卻用電動機係驅動冷卻電動機之冷媒之流動。控制裝置係具備：依據前述電動機之負荷電流來計算前述冷媒之第1流量的第1運算部；依據前述電動機之繞線的溫度來計算前述冷媒之第2流量的第2運算部；以及依據前述第1運算部及前述第2運算部之輸出，來設定前述冷卻用電動機之旋轉數的第3運算部。

在本實施形態中，由於係依據屬於由前述電動機電流之實效值所運算之冷媒流量的第1流量、及屬於由前述電動機繞線溫度值所運算之冷媒流量的第2流量兩者，來設定冷卻用電動機之旋轉數，因此即使在電動機之繞線溫度的檢測值產生異常或誤差、或在電動機負荷之檢測電流產生異常或誤差，亦可使電動機安全地繼續運轉。

1‧‧‧電動機

2‧‧‧軸承

3‧‧‧冷卻器

4‧‧‧冷卻風扇

5‧‧‧電動機

6‧‧‧驅動裝置

7‧‧‧驅動裝置

8、9、10‧‧‧遠端IO盤

11‧‧‧通信網路

12‧‧‧控制裝置

13‧‧‧溫度感測器

14‧‧‧集流環

15‧‧‧記憶裝置

21‧‧‧電動機

22‧‧‧軸承

23‧‧‧冷卻器

24‧‧‧冷卻風扇

25‧‧‧電動機

31‧‧‧RMS運算部31

32‧‧‧流量運算部(第1運算部)

33‧‧‧頻率運算部(第3運算部)

34‧‧‧流量運算部(第2運算部)

35‧‧‧加減器

36‧‧‧加法器

100‧‧‧電動機冷卻系統

IM‧‧‧負荷電流

IRMS RMS‧‧‧電流

Q1、Q2、Q3‧‧‧所需流量

Tref‧‧‧基準溫度

Tm‧‧‧繞線溫度

V‧‧‧指令值

△T‧‧‧偏差

第1圖係例示實施形態之電動機冷卻系統的方塊圖。

第2圖係例示電動機之冷卻裝置之構造的概念圖。

第3圖係例示實施形態之控制裝置的方塊圖。

第4圖係用以說明冷卻電動機之控制裝置之動作的流程圖之例。

以下，參照圖式針對本發明之實施形態進行說明。

此外，圖式係示意性或概念性者，各部分之厚度與寬度之關係、部分間之大小的比率等未必與現實者相同。此外，即使是在顯示相同部分之情形，亦會有彼此之尺寸或比率因圖式而顯示出不同之情形。

此外，在本案說明書及各圖中，關於下述之圖式，對於與前述者相同之要素標記相同符號並適當省略詳細之說明。

第1圖係例示本實施形態之電動機冷卻控制系統的方塊圖。

電動機冷卻系統100係具備電動機1、冷卻器3、冷卻風扇4、冷卻風扇用之電動機5、電動機1用之驅動裝置6、冷卻風扇4用之驅動裝置7、電動機冷卻系統100用之控制裝置12、及溫度感測器13。

電動機1係包含支持旋轉軸之軸承2。電動機1係為例如同步電動機。其包含對設置於同步電動機之旋轉軸的磁場繞組供給直流電流之集流環14。電動機1並不限定於同步電動機，亦可為感應電動機或其他電動機。

冷卻器3係設置在電動機1之上部，且熱連接在電動機1。冷卻器3係例如為熱交換機。藉由冷卻器3而將電動機1之內部的熱放出至外部。藉由冷卻風扇4而使對流產生在電動機1內部，以促進熱交換。

冷卻風扇4係利用已藉由冷卻風扇用之驅動裝置7控制旋轉數之冷卻風扇4用的電動機5所驅動。驅動裝置7係例如反相器裝置。驅動裝置7係以由控制裝置12所設定之旋轉數來驅動電動機5及冷卻風扇4。

電動機1用之驅動裝置6係為例如反相器裝置。以所設定之速度指令值來旋轉控制電動機1。驅動裝置6係藉由將電動機1之電流設置在電動機1之繞線的電流感測器(未圖示)而檢測出。

電動機1與電動機1用之驅動裝置6、冷卻風扇4用之驅動裝置7係分別設置在不同之場所，且分別透過遠端IO盤8、9而連接在控制用之通信網路11。電動機1係藉由從驅動裝置6輸出之操作信號來控制旋轉數。電動機1之運轉資料(例如旋轉數、運轉頻率、及電流實效值等)係輸入至驅動裝置6，且透過遠端IO盤8而傳送至通信網路11。控制裝置12係透過通信網路11來收集運轉資料。

冷卻風扇4之運轉資料(例如旋轉數、運轉頻率、及電流等)係透過遠端IO盤9而傳送至通信網路11。控制裝置12係透過通信網路11收集該等資料。

電動機冷卻系統100用之控制裝置12係將所收集之運轉資料儲存在例如連接在控制裝置12之記憶裝置15。如後所述，在記憶裝置15中儲存將控制裝置12之動作予以控制的程式，且可對應於需要讀出而執行各步驟。在此例中，記憶裝置15雖以與通信網路11不同之線路連接在控制裝置12，但並不限定於此，亦可經由通信網路11而連接等。

溫度感測器13係設置在電動機1之繞線。藉由溫度感測器13來測量電動機1之繞線的溫度。由溫度感測器13所收集之電動機1的溫度資訊係透過遠端IO盤10 及通信網路11，而傳送至連接在通信網路11之控制裝置12。

接著，針對電動機冷卻系統100之控制裝置12的構成加以說明。

第3圖係例示本實施形態之控制裝置的方塊圖。

如第3圖所示，控制裝置12係具備RMS運算部31、以RMS電流為依據之流量運算部(第1運算部)32、以繞線溫度為依據之流量運算部(第2運算部)34、及頻率運算部(第3運算部)33。

RMS運算部31係輸入有電動機1之負荷電流IM的資料。RMS運算部31係依據負荷電流IM計算負荷電流IM之實效值電流(RMS電流)IRMS並予以輸出。

以RMS電流為依據之流量運算部32的輸入，係連接在RMS運算部31之輸出。流量運算部32係將相對於RMS電流IRMS之冷媒之所需流量Q1作為例如表格預先記憶在記憶裝置15。流量運算部32係依據所輸入之RMS電流IRMS而輸出冷媒之所需流量Q1。

當所需流量Q1及RMS電流IRMS較大時，由於電動機1之負荷重，因此電動機1之發熱可能會變大。另一方面，RMS電流IRMS較小時，則可能電動機1之負荷輕，且電動機1之發熱小。因此，所需流量Q1會對應於RMS電流IRMS之增大而具有較大之值。

如此，在以RMS電流為依據之流量運算部32中，係進行對應於實際之負荷電流IM及電動機1的發熱而決定所需流量Q1之前饋控制。

在以繞線溫度為依據之流量運算部34，係輸入有電動機繞線之基準溫度Tref與被檢測出之電動機繞線之檢測溫度Tm之資料的偏差△T。在此例中，為了求出偏差△T，係採用加減器35。以繞線溫度為依據之流量運算部34係依據來自繞線之基準溫度Tref的偏差△T，而計算冷媒之所需流量Q2並予以輸出。

在以繞線溫度為依據之流量運算部34，係預先儲存有對應於偏差△T而設定之所需流量Q2。在流量運算部34中，當輸入之偏差△T較大時，係將所需流量Q2設定為較大，當偏差△T較小時，係將所需流量Q2設定為較小。

如此，在以繞線溫度為依據之流量運算部34中，係進行以使電動機1之實際溫度接近於基準溫度Tref之方式決定所需流量Q2之回饋控制。

頻率運算部33係依據所需流量Q1、Q2，來設定冷卻風扇4之旋轉速度的指令值V。在頻率運算部33中，輸入有藉由加法器36而將所需流量Q1、Q2相加後之流量Q3。在頻率運算部33中，預先儲存有相對於冷媒之流量Q3之冷卻風扇4的旋轉速度之指令值V的值。頻率運算部33係輸出對應於所輸入之流量Q3之冷卻風扇4的旋轉速度之指令值V。

頻率運算部33所輸出之指令值V係作為速度指令值供給至冷卻風扇4用之驅動裝置7。冷卻風扇用之電動機5係以對應於指令值V之旋轉速度旋轉。如此，由於冷媒會以所需之流量Q3流動，因此電動機1會被適當地冷卻。

上述之控制裝置12係包含：按照連接在控制裝置12或內建之記憶裝置15中所儲存的程式而動作之CPU(中央處理器，Central Processing Unit)或MPU(微處理器，Micro Processing Unit)等。例如，控制裝置12係包含CPU等之電腦端末，上述之RMS運算部31、以RMS電流為依據之流量運算部32、頻率運算部33、以繞線温度為依據之流量運算部34、加減器35及加法器36之一部分或全部係藉由程式之步驟而實現。

第4圖係用以說明控制裝置12之動作的流程圖。在以下說明中，按照該流程圖來說明控制裝置12之動作。

如第4圖所示，在步驟S1中，RMS運算部31係導入電動機1之負荷電流IM之資料，以計算RMS電流IRMS。

在步驟S2中，以RMS電流為依據之流量運算部32係採用RMS電流IRMS來計算所需流量Q1。所計算之所需流量Q1係暫時儲存在例如記憶裝置15。

在步驟S3中，加減器35係從溫度感測器13取得電動機繞線之檢測溫度Tm，並計算與預先設定之基準溫度Tref之偏差△T。

在步驟S4中，以繞線溫度為依據之流量運算部34係利用偏差△T來計算所需流量Q2。所計算之所需流量Q2係暫時儲存在例如記憶裝置15。

在步驟S5中，加法器36係分別讀出儲存在記憶裝置15之所需流量Q1、Q2，並將所需流量Q1、Q2予以進行加法運算而計算出最後需要之所需流量Q3並予以輸出。

在步驟S6中，頻率運算部33係利用所需流量Q3來計算冷卻風扇之旋轉速度，以產生對應於所計算之旋轉速度的速度指令值。

上述之各步驟的順序並不限定於此。亦可在步驟S1、S2之前執行步驟S3、S4，亦可同時一併執行該等步驟。

針對本實施形態之控制裝置12的作用及效果加以說明。

在本實施形態之控制裝置12中，係測量電動機1之實際的繞線溫度Tm，且以使其成為預先設定之基準溫度Tref的方式進行回饋控制。因此，可對應於繞線溫度之偏差△T而連續地設定所需流量Q2，故可精細地設定流量。亦即，在溫度之偏差△T較小時，流量係設定為更小之值，而可分別減少驅動冷卻風扇4之電動機5及驅動裝置7的損失，而可實現節能化。

由於可藉由冷卻風扇4用之驅動裝置7來控制冷卻風扇4之起動及停止，因此可執行順暢之起動及停止，且可延長冷卻風扇4用之電動機5的壽命。

在本實施形態之控制裝置12中，係分別獨立地測量電動機1之負荷電流IM及電動機1之繞線溫度Tm，且作為分別獨立之控制變數來使用而進行控制。因此，即使在所檢測出之繞線溫度Tm產生誤差、或在溫度資料之傳送產生異常之情形下，當電動機1之負荷電流IM較大時，亦會藉由以電流RMS為依據之流量運算部32而適當地設定流量Q1，因此不會有電動機1之冷卻不足的情況。

再者，即使在電動機之負荷電流的檢測值產生誤差，且檢測出比實際更小之值時，控制裝置12係以使和負荷電流IM獨立地測量之繞線溫度Tm與基準溫度Tref一致之方式進行回饋控制。因此，因電動機1之負荷電流IM之增大所造成的發熱會按照藉由以繞線溫度為依據之流量運算部34所計算之流量Q2而受到抑制。

在依據流動至電動機1之負荷電流IM並藉由計算而求出電動機1之溫度上升時(例如上述之專利文獻3等)，除了電流檢測之誤差之外，亦包含起因於電動機損失模式之誤差。因此，會有當電流誤差變大時溫度誤差就變得更大之傾向。電動機損失模式係配線之損失(銅損)或渦電流損、磁性鐵心之損失(鐵損)等非線形且複雑，難以避免模式之誤差。

此外，電動機之損失模式或冷卻時之模式係依各個實物而不同，而難以詳細地模式化。

再者，即使依各個實物而進行模式化，亦難以在實物之調整後完全地消除電動機特性之變化或干擾的產生，要依每次有變化等產生就進行模式更新並不實際。

在本實施形態之控制裝置12中，由於是將在實物之調整後變動之模式參數中之電動機1的負荷電流IM及繞線溫度Tm予以獨立地測量且獨立地進行控制，因此可設定誤差少之流量。

在以電流RMS為依據之流量運算部32中，係採用檢測出電動機1之負荷電流IM而控制成適當的值之前饋控制，因此可對於負荷電流IM之變動迅速地反應而將冷卻之流量設定為適當的值。

依據以上說明之實施形態，可實現一種電動機冷卻控制裝置，不但將電動機溫度控制在最高容許溫度以下之一定的溫度基準值，並且即使在有電動機溫度感測器等之誤差或異常產生時，亦可安全地繼續進行運轉。

以上，雖說明了本發明的幾個實施形態，但該等實施形態係作為例示提出者，並非用以限定發明之範圍。該等新穎的實施形態係可藉由其他各種形態來實施，且可在不脫離本發明之要旨的範圍內進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其變形係包含在本發明之範圍及要旨中，並且包含在申請專利範圍所述之發明及其等效物之範圍中。再者，前述之各實施形態係可彼此組合來實施。

Claims

一種控制裝置，係控制冷卻用之電動機者，該冷卻用之電動機係驅動冷卻電動機之冷媒之流動，該控制裝置係具備：依據前述電動機之負荷電流來計算前述冷媒之第1流量的第1運算部；依據前述電動機之繞線的溫度來計算前述冷媒之第2流量的第2運算部；以及依據前述第1運算部及前述第2運算部之輸出，來設定前述冷卻用之電動機之旋轉數的第3運算部。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，前述第1運算部係依據前述負荷電流來計算驅動前述電動機之電流的實效值，且依據前述實效值來設定前述第1流量。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，前述第2運算部係計算前述繞線的溫度與預先設定之基準溫度的偏差，且以使前述偏差變小之方式設定前述第2流量。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，前述第3運算部係將前述第1運算部之輸出與前述第2運算部之輸出予以進行加法運算，以設定前述旋轉數。