(57)【要約】【課題】停電に対するバックアップ機能を、低コストでエネルギ効率良く実現した簡易な構成の負荷駆動装置を提供する。【解決手段】コンバータから得られる直流電力にてモータを駆動すると共に、モータに生起された回生電力を回収するインバータと、コンバータからの直流電力または前記インバータにて回収された回生電力を蓄積すると共に、蓄積した電力を前記インバータに出力するコンデンサ（電気二重層キャパシタ）とを備え、特にコンデンサに蓄積された電力量が一定となるように前記コンバータの作動を制御すると共に、コンデンサに蓄積された電力量が低下したときには非常用発電機を起動する電力制御装置を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電力を受けて負荷を駆動すると共に該負荷に加わる運動エネルギから回生電力を生成するモータと、
受電設備を介して得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記受電設備に代わって前記コンバータに交流電力を供給する非常用発電機と、
前記コンバータを介して得られる直流電力を前記モータに駆動電力として供給すると共に、前記モータを介して得られる回生電力を回収するインバータと、
前記負荷の状態と前記モータの作動状態とに応じて前記インバータの作動を制御する負荷制御装置と、
前記コンバータから出力される直流電力または前記インバータにて回収される回生電力を蓄積すると共に、蓄積した電力を前記インバータを介して出力するコンデンサと、
このコンデンサに蓄積された電力量を推定し、推定した電力量が所定のバックアップ能力を満たす一定量となるように前記コンバータの作動を制御すると共に、推定した電力量が予め設定した電力量まで低下したときに前記非常用発電機を起動する電力制御装置と
を具備したことを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項２】
前記電力制御装置は、前記コンバータの電流制限値を可変して前記コンデンサに蓄積される電力量を予め定めた目標電力量に一定化制御すると共に、前記コンデンサに蓄積された電力量が前記発電機の立ち上がりに要する時間に亘って前記インバータに電力を供給し得る電力量まで低下したときに前記非常用発電機を起動するものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
【請求項３】
前記コンデンサは、電気二重層キャパシタであって、前記コンデンサに蓄積された電力量は、前記電気二重層キャパシタの出力電圧を検出すると共に、検出した出力電圧から前記負荷の周期的変動分を除去した平均直流電圧として推定されるものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
【請求項４】
前記負荷は、制御対象の挙動に応じて加減速動作する制振装置、若しくは加減速駆動される荷役機械または昇降装置であって、
前記モータは、駆動電力を受けて前記負荷を加速動作させ、前記負荷の減速動作に伴って回生電力を生成するものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、停電時のバックアップ機能を備えた負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高層建築物や船舶等の制御対象物に組み込まれる制振装置は、通常、制御対象物の振動方向に移動自在に設けられた可動マスを備え、前記制御対象物に作用する外力（振動）に対して前記可動マスに逆向きの力を作用させることで、上記外力（振動）を積極的に打ち消すように構成される。またモータを用いて制振装置（負荷）を駆動する負荷駆動装置においては、負荷に加わる運動エネルギ（減速力）によって前記モータに生起される回生電力を回収し、この回生電力をコンデンサ（蓄電器）に蓄積して再利用することも行われている（例えば特許文献１,２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２６７０６号公報
【特許文献２】特開２００７−３２５３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところでこの種の負荷駆動装置に、停電に対処するためのバックアップ機能を組み込むことが考えられている。ちなみにこの種のバックアップ機能は、一般的にはＵＰＳと称される無停電電源装置を用いて実現される。この種の無停電電源装置（ＵＰＳ）は、受電設備を介して受電して負荷駆動装置本体に供給される電力の一部を二次電池に蓄積し、停電時には前記受電設備に代わって前記二次電池に蓄積した電力を前記負荷駆動装置本体に供給する役割を担う。しかしながら無停電電源装置（ＵＰＳ）によるバックアップ能力は、一般的には数１００ｍ秒程度であり、負荷駆動装置のバックアップ機能としては不十分である。
【０００５】
そこで受電設備に給電される商用電源とは独立に電力を生成する非常用発電機を、前述した無停電電源装置（ＵＰＳ）と併用し、停電発生時には先ず無停電電源装置を用いて負荷駆動装置をバックアップし、その後、非常用発電機にてバックアップすることが考えられている。しかしながら無停電電源装置によるバックアップ動作開始に連動させて非常用発電機を起動しても該非常用発電機の立ち上がりに時間が掛かるので、無停電電源装置には前記非常用発電機の立ち上がりに要する時間を上回るバックアップ能力（電源容量）が要求される。これ故、例えば１分以上のバックアップ能力を備えた大容量の無停電電源装置を必要とし、その設備コストが高くなると言う不具合がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、停電に対するバックアップ機能を、低コストでエネルギ効率良く実現した簡易な構成の負荷駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、負荷を駆動するモータが上記負荷に加わる運動エネルギ（減速力）によって発生する回生電力をコンデンサ（蓄電器）に蓄積して再利用する技術に着目し、このコンデンサ（蓄電器）に蓄積した回生電力エネルギを用いて前記モータの駆動をバックアップするように構成すれば上記回生電力を有効に活用しながら、例えば無停電電源装置を用いなくても停電初期時におけるバックアップ機能を実現し得ることに着目している。
【０００８】
そこで上述した目的を達成するべく本発明に係る負荷駆動装置は、
<ａ>  駆動電力を受けて負荷を駆動すると共に該負荷に加わる運動エネルギから回生電力を生成するモータと、
<ｂ>  受電設備を介して得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
<ｃ>  前記受電設備に代わって前記コンバータに交流電力を供給する非常用発電機と、
<ｄ>  前記コンバータを介して得られる直流電力を前記モータに駆動電力として供給すると共に、前記モータを介して得られる回生電力を回収するインバータと、
<ｅ>  前記負荷の状態と前記モータの作動状態とに応じて前記インバータの作動を制御する負荷制御装置と、
<ｆ>  前記コンバータから出力される直流電力または前記インバータにて回収される回生電力を蓄積すると共に、蓄積した電力を前記インバータを介して出力するコンデンサ、例えば電気二重層キャパシタとを備えたものであって、特に
<ｇ>  前記コンデンサに蓄積された電力量を推定し、推定した電力量が所定のバックアップ能力を満たす一定量となるように前記コンバータの作動を制御すると共に、推定した電力量が予め設定した電力量まで低下したときに前記非常用発電機を起動する電力制御装置を設けたことを特徴としている。
【０００９】
ちなみに前記電力制御装置は、例えば前記コンバータの電流制限値を可変して前記コンデンサに蓄積される電力量を、予め定められた目標電力量に一定化制御すると共に、前記コンデンサに蓄積された電力量が前記発電機の立ち上がりに要する時間に亘って前記インバータに電力を供給し得る電力量まで低下したときに前記非常用発電機を起動するように構成される。また前記コンデンサに蓄積された電力量については、例えば前記コンデンサ（電気二重層キャパシタ）の出力電圧を検出すると共に、例えばノッチフィルタを用いて上記検出電圧から前記負荷の周期的変動分を除去した平均直流電圧として推定すれば良い
尚、前記負荷は、制御対象の挙動に応じて加減速動作する制振装置、若しくは加減速駆動される荷役機械または昇降装置であって、前記モータは、駆動電力を受けて前記負荷を加速動作させ、前記負荷の減速動作に伴って回生電力を生成するものからなる。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の負荷駆動装置によれば、モータから得られる回生電力をコンデンサ（電気二重層キャパシタ）に蓄積して前記モータの駆動電力として再利用すると共に、停電時には前記コンデンサ（電気二重層キャパシタ）に蓄積した電力を有効に活用してバックアップ動作し、更には前記コンデンサに蓄積された電力量の低下の程度に応じて非常用発電機を起動するので、動作信頼性の高いバックアップ機能を安価に実現することができる。しかも大容量の無停電電源装置（ＵＰＳ）を必要としないので、その分、装置コストの低減を図ることができる。またモータによる回生電力量を見込んで前記コンデンサ（電気二重層キャパシタ）に蓄積する電力量を管理・設定することができるので、受電設備や非常用発電機等の必要電源容量を低減することができる等の効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置の概略構成図。
【図２】制動装置に対するフィードバック制御系の構成例を示す図。
【図３】図１に示す負荷駆動装置における電力制御装置の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置について説明する。
この負荷駆動装置は、例えばモータ（アクチュエータ）により可動マス（負荷）を進退させて建築物（高層ビル）の横揺れを抑制する制振装置を駆動するものである。ちなみに制振装置は、駆動電力を受けて作動して可動マス（負荷）１を駆動すると共に、前記可動マス（負荷）１に加わる運動エネルギ（横揺れ振動）から回生電力を生成するモータ（アクチュエータ）２を主体として構成される。
【００１３】
負荷駆動装置は、例えば図１にその概略構成を示すように、負荷制御装置３の制御を受けて上述したモータ２を通電駆動すると共に、該モータ２に生起された回生電力を回収する機能を備えたインバータ４を備える。このインバータ４は、基本的には受電設備５を介して商用電源系から受電される交流電力を直流電力に変換するコンバータ（交流・直流変換器）６を電力源として作動するものであって、例えばＰＷＭ方式によりモータ２の駆動を制御するタイプのものからなる。尚、前記コンバータ６はその直流出力電圧を制御すると共に、その直流出力電流を制限する機能を備えたものからなる。また内燃機関等によって駆動されて前述した商用電源系とは独立して交流電力を生成する非常用発電機７は、前記受電設備５に対して並列的に設けられ、商用電源系の停電時に前記受電設備５に代わって前記コンバータ６に交流電力を供給する役割を担う。
【００１４】
また前記コンバータ６から出力される直流電力を前記インバータ４に給電する中間回路には、前記コンバータ６から出力される直流電力の一部を蓄積すると共に、前記インバータ４を介して回収された回生電力を蓄積するコンデンサ、具体的には電気二重層キャパシタ８が設けられている。そしてこのコンデンサ（電気二重層キャパシタ）８に蓄積された電力は、前記インバータ４に供給されて再利用されるものとなっている。
【００１５】
基本的には上述した如く電源系を構築した負荷駆動装置における電力制御装置９は、前記コンデンサ（電気二重層キャパシタ）８蓄積された電力量を、例えば該コンデンサ８の端子電圧から推定し、推定した電力量が予め設定した一定の電力量Ｐstdとなるように前記コンバータ６の作動を、特にその出力電流を制御すると共に、上述した如く推定した電力量が予め設定した下限電力量Ｐmin（＜Ｐstd）まで低下したときに前記非常用発電機７を起動する役割を担う。
【００１６】
ちなみに前記下限電力量Ｐminは、停電によって前記コンバータ６から直流電力が得られなくなり、コンバータ６に代わって前記コンデンサ（電気二重層キャパシタ）８に蓄積された電力を前記インバータ４に供給することにより徐々に低下する該コンデンサ８の蓄積電力量が、少なくとも前記非常用発電機７を起動してから該非常用発電機７が所定の電力量を発生し得る状態まで立ち上がる期間に亘って、前記コンデンサ８から前記インバータ４に電力を連続して供給し続け得る電力量からなる。従ってコンデンサ８の電力量が前記下限電力量Ｐminまで低下したことを検出して前記非常用発電機７を起動を起動することにより、該コンデンサ８に蓄積された電力の全てをインバータ４に供給してしまう前に前記非常用発電機７が立ち上がり、該非常用発電機７から前記コンバータ６を介して前記インバータ４に電力供給が行われることになる。
【００１７】
尚、前記電力制御装置９は、ここでは前記コンデンサ８に蓄積されている電力量を該コンデンサ８の端子電圧（コンデンサ電圧）Ｖoutとして捉えて前記コンバータ６および前記非常用発電機７の作動をそれぞれ制御するように構成されている。具体的には前記電力制御装置９は、前記コンデンサ８の端子電圧（コンデンサ電圧）Ｖoutを検出する電圧検出部９ａと、この電圧検出部９ａにて検出されるコンデンサ電圧Ｖoutから前記制振装置の作動に伴う変動成分を除去（抑制）するノッチフィルタ９ｂと、このノッチフィルタ９ｂを介して求められるコンデンサ平均電圧Ｖaveに基づいて前記コンバータ６の作動を制御すると共に、前記コンデンサ平均電圧Ｖaveを予め設定した判定閾値と比較して前記非常用発電機７の起動を制御する電力制御部９ｃとを備えて構成される。
【００１８】
ここで前述した制振装置について説明すると、この制振装置は、その制御対象物である建築物に作用する横揺れ（振動）に対して前述した可動マス１を逆向きに振動させることで、上記横振れ（振動）を積極的に打ち消す（制振する）ものである。そのために前記負荷制御装置３は、例えば建築物に設けられた速度センサ（図示せず）により検出される該建築物の振れ角速度と前記モータ２の回転角とに従って前記インバータ４の作動をフィードバック制御し、これによって前記モータ２の回転速度を制御するように構成される。
【００１９】
ちなみに前記負荷制御装置３によるモータ２のフィードバック制御は、前述した特許文献１,２等にも紹介されるように、例えば図２に示すように構成されるような制御系を用いて実現される。具体的には前記建築物の振れ角速度とその積分成分である振れ角を求めると共に、前記モータ２の回転角とその微分成分であるモータ２の回転角速度を求め、制御演算器３ａにて前記建築物の横揺れ（振動）を打ち消し得る前記可動マス１の変位量を、前記モータ２の回転角指令値として求める。そして差分器３ａにて前記制御演算器３ａにて求めた回転角指令値と、前記モータ２の現在の回転角との差を前記モータ２を加減速するに必要な制御量として求め、この制御量に前記フィードバック制御系に固有な係数を乗じて前記モータ２を駆動するに必要な指令値を求めることにより達せられる。尚、加速度センサを用いて建築物の振れ角加速度を求めるような場合には、その振れ角加速度を二回積分するようにすれば良い。
【００２０】
しかして制振装置は、上述したように建築物の横揺れ（振動）に対して可動マス１を逆向きに変位させて上記横揺れを抑制する力を生起するべくモータ２の作動を制御するものであるから、当然のことながら前記建築物の横揺れ（振動）に合わせて前記モータ２を加減速することになる。ちなみにモータ２の加速は、インバータ４を介してモータ２を通電駆動することによって行われ、逆にモータ２の減速は前記可動マス１からモータ２に加わる力によって該モータ２に回生電力を生起することによって行われる。
【００２１】
前述したコンデンサ（電気二重層キャパシタ）８は、このようにしてモータ２に生起される回生電力を回収して蓄積し、蓄積した電力を前記モータ２の駆動に再利用するために用いられる。これ故、コンデンサ８に蓄積される電力エネルギ（蓄積容量）は、回生電力の蓄積に伴って増大し、またモータ２の駆動に伴って減少する。従ってコンデンサ８に蓄積される電力エネルギ（蓄積容量）、ひいては前記コンデンサ８の端子電圧Ｖoutは、インバータ４によるモータ２の駆動および回生電力の回収に伴って変化する。しかもモータ２の加速（力行）および減速（回生）は、前記建築物の横揺れ（往復振動）に同期して行われるので、前記コンデンサ８の端子電圧Ｖoutの変動周期は前記建築物に固有な横揺れ周期Ｔの１／２倍となる。
【００２２】
一方、前記電力制御装置９においては、前述したコンデンサ８が前記モータ２による回生電力を回収して蓄積し、蓄積した回生電力を前記モータ２の駆動に再利用し得ることから、前述した制動装置の駆動に必要な最大電力量から上記再利用可能な回生電力量を差し引いた分の電力量だけを前記コンバータ６を介して給電することで電力エネルギの無駄な消費を防ぐべく、前記コンデンサ８に蓄積された電力量に応じて前記コンバータ６の出力電流をフィードバック制御する。この際、前記コンデンサ８に蓄積された電力量が前記モータ２の力行および回生に伴って周期的に変化することから、ノッチフィルタ９ｂを用いてその変動周波数成分を除去することで、前記コンデンサ８に蓄積された平均的な電力量を求めている。具体的にはコンデンサ８の端子電圧Ｖoutの平均値（平均電圧）Ｖaveを求めている。
【００２３】
そして電力制御部９ｃにおいては、前記モータ２の駆動（力行）に要する電力量が、前記モータ２により回生されて再利用される電力量と前記コンバータ６を介して給電される電力量との和となるように、前記コンバータ６からの給電電力量をフィードバック制御することで、具体的には前記コンバータ６の出力電流を制限することで該コンバータ６から給電される電力量（電力エネルギ）を最小に抑えるものとなっている。具体的には、図３に電力制御部９ｃの構成例を示すように、ノッチフィルタ９ｂを介して求められるコンデンサ８の平均電圧Ｖaveと、前述したモータ２の駆動（力行）に要する電力量が、前記モータ２により回生されて再利用される電力量と前記コンバータ６を介して給電される電力量との和となるように定められた目標電圧との差を求め、この差電圧に応じて前記コンバータ６のフィードバック制御に用いる電流制限値（制御値）を求めている。このコンバータ６のフィードバック制御は、例えばＰＩ制御系を構築することによって行われる。
【００２４】
しかしながら商用電源系が停電した場合には前記コンバータ６を介する給電が停止するので、前記コンデンサ８において前記モータ２からの回生電力を回収しているといえども、該モータ２の駆動（力行）に伴って前記コンデンサ８に蓄積される電力エネルギ量が次第に低下する。具体的には停電に伴って前記コンデンサ８の平均端子電圧Ｖaveが次第に低下する。そこで本装置においては、図３に示すように前記電力制御部９において前記コンデンサ８の平均電圧Ｖaveが、予め設定した電圧下限値Ｖminまで低下したか否かを比較器９ｄにて判定し、前記平均電圧Ｖaveの低下が検出されたときに前記非常用発電機７を起動する起動信号を生成するものとなっている。
【００２５】
この判定に用いられる電圧下限値Ｖminは、前述した下限電力量Ｐminに相当するものであり、前記コンデンサ８に残されている電力量が、少なくとも前記非常用発電機７が所定の電力量を発生し得る状態まで立ち上がる期間に亘って前記インバータ４に電力を連続して供給し続け得る電力量を満たしているか否かを判定するための閾値である。従って前記コンデンサ８の平均電圧Ｖaveが前記電圧下限値Ｖminまで低下したときに起動信号を発生して前記非常用発電機７を起動すれば、コンデンサ８に蓄積される電力エネルギの全てが使い果たされる前に前記非常用発電機７が立ち上がることになるので、これによって商用電源の停電から制振装置を確実にバックアップすることが可能となる。
【００２６】
かくして上述した如く構成された負荷駆動装置によれば、制振装置のモータ２から得られる回生電力をコンデンサ８に回収して前記モータ２の駆動に再利用するので、コンバータ６を介してインバータ４に供給すべき電力量を、上記回生電力量に相当する分、少なくすることができる。具体的には２軸制振装置において、定格５５ＫＷのモータ２を４台駆動する場合、前記インバータ４としては２２０ＫＷ（＝５５ＫＷ×４）の電気容量が要求される。このような電力要求を満たす為には、従来一般的には３５０ＫＶＡのコンバータ６が必要となり、更に受電設備や非常用発電機、および無停電電源装置としては、それぞれ余裕を見込んで３５０ＫＶＡの電気容量のものを準備することが必要となる。
【００２７】
この点、前述したようにモータ２の回生電力を蓄積する、例えば６０Ｆのコンデンサ（電気二重層キャパシタ）８を備えた構成を採用すれば、理論計算上、前記コンバータ６としては１１０ＫＶＡ程度の電気容量を持てば十分であり、また受電設備５および非常用発電機７としては、余裕を見込んでも１５０ＫＶＡ程度の電気容量を持てば十分である。従ってコンバータ６を含むインバータ４に対する給電系の必要電気容量を大幅に低減することが可能となり、新たにコンデンサ８を必要とするといえどもその設備コストを低減することが可能となる。
【００２８】
また前述した構成によれば、コンデンサ８に蓄積された電力を利用して停電時における制振装置の動作をバックアップし、また前記コンデンサ８に蓄積された電力の全てを消費してしまう前に非常用発電機７を確実に立ち上げることができるので、コンデンサ８による制振装置のバックアップと相俟って前記制振装置の動作を確実にバックアップすることができる。特にコンデンサ８に蓄積された電力量の低下が検出されたときに前記非常用発電機７を起動するので、前記商用電源系の停電を検出して非常用発電機７を起動していた従来の制御方式のように、瞬時停電が発生しただけであっても非常用発電機７を起動してしまうような不具合がない。また停電が瞬時停電であるか否かを判定する必要もない等の効果が奏せられる。
【００２９】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは建築物に加わる横揺れを抑える制振装置を駆動する負荷駆動装置を例に説明したが、その制御対象は加減速駆動される荷役機械または昇降装置であっても良い。またコンデンサ８としては、小型で大容量の電気二重層キャパシタを用いることが好適であるが、大容量の電解コンデンサ等を用いることも勿論可能である。更にはモータ２としては、往復駆動される直動型の、いわゆるリニアアクチュエータであっても良い。またインバータ４やコンバータ６等の電気容量については、その制御対象である制振装置等の仕様に応じたものであれば良く、実施形態にて例示した値に特定されないことは言うまでもない。要は本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  可動マス
２  モータ
３  負荷制御装置
４  インバータ
５  受電設備
６  コンバータ
７  非常用発電機
８  コンデンサ（電気二重層キャパシタ）
９  電力制御装置
【図１】
2010239785.tif 000003
【図２】
2010239785.tif 000004
【図３】
2010239785.tif 000005