(57)【要約】【課題】  慣性負荷の減速時に得られる回生電力エネルギを有効に活用して電動機を駆動すると共に、電源設備の小容量化を図ることのできる慣性負荷駆動装置を提供する。【解決手段】  慣性負荷１を制振対象物の揺れに応じて加減速するモータ(２)と、入力交流電力から直流電力エネルギを得るコンバータ(６)と、このコンバータを介して得られた直流電力エネルギを蓄積するコンデンサ(７)と、このコンデンサに蓄えられた直流電力エネルギおよび／または前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギを用いてモータ(２)を駆動すると共に、モータ(２)を介して得られる回生電力エネルギを前記コンデンサ(７)に蓄積するインバータ(８)とを具備し、特にモータ(２)に加わる負荷エネルギに基づいてインバータ(８)の作動を制御すると共に、コンバータ(６)の出力電圧を制御してコンデンサへ(７)の充放電を制御する制御器(９)を備える。【選択図】      図１
2006230040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性負荷を加減速する電動機と、
入力交流電力を直流変換して直流電力エネルギを得るコンバータと、
このコンバータを介して得られた直流電力エネルギを蓄積するコンデンサと、
このコンデンサに蓄えられた直流電力エネルギおよび／または前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギを用いて前記電動機を駆動すると共に、前記電動機を介して得られる回生電力エネルギを前記コンデンサに蓄積するインバータと、
前記電動機に加わる負荷エネルギを推定し、この負荷エネルギに基づいて前記インバータの作動を制御すると共に、前記コンバータの作動を制御して前記コンデンサの充放電を制御する制御器と
を具備したことを特徴とする慣性負荷駆動装置。
【請求項２】
前記負荷エネルギは、前記電動機のトルクとその速度とから、または前記コンデンサの容量と該コンデンサに加わる電圧の変動分とから、或いは前記インバータの出力電流と出力電圧とから推定されるものであって、
前記制御器は、前記負荷エネルギ量に応じて前記コンバータの出力電圧および／または入力電流を制御するものである請求項１に記載の慣性負荷駆動装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記負荷エネルギ量が力行の場合には前記コンバータの出力電圧を低く設定し、前記負荷エネルギ量が回生の場合には前記コンバータの出力電圧を高く設定するものである請求項２に記載の慣性負荷駆動装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記負荷エネルギ量を平滑化した値に基づいて前記コンバータの入力電流を制限するものである請求項２に記載の慣性負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性負荷の減速時に得られる回生エネルギを有効に活用して電動機を駆動することができ、更には電源設備の小容量化を図った慣性負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物や機器等の振動を抑制する制振装置は、例えば上記構造物の振動に同期させて該構造物に設けた慣性負荷を、その慣性力が外力に対して逆向きに作用するように振動させることで、その振動を積極的に打ち消すように構成される。特に電動機を用いて上記慣性負荷を加減速する制振装置においては、その減速時に上記電動機を介して得られる回生電気エネルギをコンデンサに蓄積し、この蓄積エネルギを前記電動機の駆動に再利用することが試みられている（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平１０−２６７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで上述した制振装置に代表される慣性負荷駆動装置においては、一般に、慣性負荷を加減速する電動機の最大駆動電力（最大負荷電力）に見合う電力容量の電源設備が用いられる。この為、高層ビル等の構造物に組み込まれる制振装置では電動機の駆動に要する電力が大きいことから、その電源設備が非常に大掛かりなものとなることが否めない。しかも特許文献１に開示されるように慣性負荷の減速時に得られる回生電力エネルギをコンデンサ（蓄電池）に蓄積して電動機の駆動に再利用する場合、一般的にその電源設備は、上記コンデンサ（蓄電池）自体を電力源として用いることが多い。従って外部から供給される電力エネルギは上記回生電力エネルギと共に、一旦、コンデンサ（蓄電池）に蓄えられた後、このコンデンサ（蓄電池）から電動機に電力供給されることになる。これ故、コンデンサ（蓄電池）の充電状態によっては上記回生電力エネルギを十分に回収できない虞があり、回生電力エネルギの全てを有効に活用しているとは言い難い。
【０００４】
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、慣性負荷の減速時に得られる回生電力エネルギを有効に活用して電動機を駆動すると共に、電源設備の小容量化を図ることのできる慣性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】
【０００５】
上述した目的を達成するべく本発明に係る慣性負荷駆動装置は、慣性負荷を加減速する電動機（アクチュエータ）と、入力交流電力を直流変換して直流電力エネルギを得るコンバータ（交流・直流変換器）と、このコンバータを介して得られた直流電力エネルギを蓄積するコンデンサ（蓄電器）と、このコンデンサに蓄えられた直流電力エネルギおよび／または前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギを用いて前記電動機を駆動すると共に、前記電動機を介して得られる回生電力エネルギを前記コンデンサに蓄積するインバータ（駆動器）とを具備したものであって、
特に前記電動機に加わる負荷エネルギを推定し、この負荷エネルギに基づいて前記インバータの作動を制御すると共に、前記コンバータを介する前記コンデンサへの充電エネルギ量を制御する制御器を備えたことを特徴としている（請求項１）。
【０００６】
また前記制御器は、前記電動機のトルクとその速度とから、または前記コンデンサの容量と該コンデンサに加わる電圧の変動分とから、或いは前記インバータの出力電流と出力電圧とから前記負荷エネルギを推定し、推定した負荷エネルギ量に応じて前記コンバータの出力電圧および／または入力電流を制御するように構成される（請求項２）。
特に前記制御器は、前記負荷エネルギ量が力行の場合には前記コンバータの出力電圧を低く設定し、前記負荷エネルギ量が回生の場合には前記コンバータの出力電圧を高く設定するように構成され（請求項３）、更には前記負荷エネルギ量を平滑化した値に基づいて前記コンバータの入力電流を制限するように構成される（請求項４）。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成の慣性負荷駆動装置によれば、慣性負荷を加減速する電動機の負荷エネルギ（電力）に応じてインバータの作動が制御され、更には前記コンバータを介する前記コンデンサへの充電エネルギ量が制御される。従って電動機による慣性負荷の駆動状態が加速（力行）であるか、或いは減速（回生）であるかに応じてコンデンサに対する電力エネルギの充放電を効率的に制御することができるので、前記コンデンサに蓄積された電力エネルギを積極的に活用して電動機を駆動することができ、その消費電力を低減することができる。
【０００８】
特に電動機の負荷エネルギ（電力）を推定し、推定した負荷エネルギ（電力）に基づいてコンバータの出力電圧および／または入力電流を制御し、これによってコンバータを介するコンデンサへの充電エネルギ量を制御するので、外部（入力交流電源）から上記コンバータを介して取り込む電力量を必要最小限に抑えることができる。従って電動機を駆動する電源設備としての電源容量を低減することができる。
【０００９】
また前記負荷エネルギ量が電動機の力行状態を示す場合には前記コンバータの出力電圧を低く設定し、前記負荷エネルギ量が電動機における回生状態を示す場合には前記コンバータの出力電圧を高く設定することで前記コンデンサの蓄積電力エネルギ量（充電量）を制御するので、その制御系が複雑化することがない。しかもコンバータの出力電圧を可変すると言う簡単な制御だけでコンデンサの蓄積電力エネルギ量（充電量）を効果的に制御することができるので、電動機を介する回生電力エネルギの蓄積（充電）と、その再利用（放電）による上記電動機の駆動とを効率的に行うことができる。
【００１０】
更には前記負荷エネルギ量を平滑化してその平均的な負荷エネルギ量を求め、この平均的な負荷エネルギ量を充足するように前記コンバータの入力電流を制限し、これによって前記電動機を駆動するに必要な最小限の電力だけを前記コンバータを介して取り込むようにしている。この結果、多大な電流の流入を抑え、電動機の駆動に必要な電力の平滑分相当まで外部電源からの供給電力を低減することができるので、その電源容量を十分に低く抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る慣性負荷駆動装置について、構造物等の揺れを抑える制振装置を例に説明する。
図１はこの実施形態に係る制振装置の概略構成を示す図で、１は船舶等の制振（減揺）対象物Ａに設けられた慣性負荷としての可動マスである。この可動マス（慣性負荷）１は、例えばリニアガイドにより支持されて水平に直線移動可能に設けられた重量物からなり、モータ（電動機）２により駆動されるリニアアクチュエータ３を介して往復移動されるようになっている。尚、この例ではばね１ａを用いて上記可動マス１を弾性的に支持することで、その移動力に対して制動力を付与するように構成されているが、ばね１ａを用いることのない構成、具体的には振子型の慣性負荷であっても良い。このような可動マス（慣性負荷）１は、制振対象物Ａの揺れに同期してその揺れを起こす外力と逆向きの慣性力を発生させるように移動駆動されることで上記制振対象物Ａの揺れを抑制（制振）する役割を担う。
【００１２】
さて上記モータ２を駆動する電源部は、充電抵抗器４を介して供給される入力交流電力５を直流変換して直流電力エネルギを得るＰＷＭコンバータ等の交流・直流変換器（コンバータ）６と、このコンバータ６を介して得られた直流電力エネルギを蓄積するコンデンサ７と、このコンデンサ７に蓄えられた直流電力エネルギおよび／または前記コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギを用いて前記モータ２を駆動するインバータ（駆動器）８とを備える。特にこのインバータ８は、前記可動マス１の減速時に前記モータ２を介して得られる回生電力エネルギを回収して前記コンデンサ７に蓄積するエネルギ回収機能を備えたものからなる。また前記コンデンサ７は、例えば小型で充電容量の大きい電気二重層コンデンサからなる。
【００１３】
そして上記電源部の作動を制御する制御器９は、例えばマイクロプロセッサが備えた処理機能として実現されるもので、前記モータ２の負荷エネルギ（電力）Ｐを推定し、推定した負荷エネルギに応じて前記インバータ８の作動、および前記コンバータ６の作動をそれぞれ制御するように構成される。具体的には前記制御器９は、前記モータ２の駆動速度（モータ速度）Ｖとその駆動トルクＴとからその負荷エネルギ（電力）Ｐを
Ｐ＝Ｖ・Ｔ
として推定している。
【００１４】
そして制御器９は、推定した負荷エネルギ（電力）Ｐに応じて前記インバータ８の作動を制御すると共に、前記コンバータ６による前記コンデンサ７の充電エネルギ量（充電電力）を制御するものとなっている。具体的には前記制御器９は、推定した負荷エネルギ（電力）Ｐが正［Ｐ＞０］であるときには前記モータ２が可動マス（慣性負荷）１を加速している力行状態であると判定し、逆に上記負荷エネルギ（電力）Ｐが負［Ｐ＜０］であるときには前記可動マス１が減速しており、モータ２が回生状態であると判定している。そして力行の場合にはインバータ８に駆動指令を与えることで、前記コンバータ６および／またはコンデンサ７から得られる電力エネルギをインバータ８を介して供給してモータ２を駆動し、回生である場合には前記モータ２を介して得られる回生電気エネルギを回収して前記コンデンサ７に充電している。
【００１５】
この際、制御器９は、モータ２が力行状態であるか、或いは回生状態であるかに応じて前記コンバータ６の出力電圧を変化させると共に、前記負荷エネルギ（電力）Ｐに応じて前記コンバータ６の入力電流を制限し、これによってコンデンサ７の充電エネルギ量を制御している。特に力行である場合にはコンバータ６の出力電圧を、予め設定された最小電圧値Ｖminとして低く設定し、逆に回生である場合にはコンバータ６の出力電圧を、予め設定された最大電圧値Ｖmaxとして高く設定している。そしてコンバータ６の出力電圧の制御により前記コンデンサ７に加わる端子電圧を最小電圧値Ｖminとして低く設定することで、コンデンサ７に蓄えられた電力エネルギの放電を容易ならしめると共にその放電を積極的に促している。またコンデンサ７に加わる端子電圧を最大電圧値Ｖmaxとして高く設定することで、より多くの電力エネルギを蓄積し得る状態を形成し、前述した回生電力エネルギのコンデンサ７への充電を積極的に促している。
【００１６】
また制御器９は上述した出力電圧の制御と平行して、前記負荷エネルギ（電力）Ｐの平滑化成分を求めることで、その動的成分を除去している。そしてモータ２にて消費される負荷エネルギ（電力）Ｐの平滑化成分に従って、その消費電力エネルギ分を前記入力交流電力５から補充するべく、コンバータ６を介して取り込む入力電流量を制限している。具体的には負荷エネルギ（電力）Ｐの平滑化成分Ｐaveである場合、交流入力電源５の電圧をＶoから
Ｉ＝Ｐave／［（√３）・Ｖo］ ≒ Ｐave／［１.７３・Ｖo］
として上記負荷エネルギ（電力）Ｐの平滑化成分Ｐaveを得るに必要な電流量Ｉを求め、この電流量Ｉだけ入力交流電力５を取り込むものとなっている。換言すればコンバータ６への入力電流を上記電流量Ｉにて制限することで、モータ２を駆動するに必要な最小限の電力だけを外部から取り込むものとなっている。
【００１７】
このようにしてコンバータ６およびインバータ８の作動を制御する制御器９は、具体的には図２にその概略的な機能ブロック構成を示すように、コンバータ６の作動を制御する充放電制御部１０と、インバータ８の作動を制御する制振制御部２０とを備えて構成される。制振制御部２０は、制振対象物Ａに設けられた図示しない変位センサによって検出される横揺れ角速度情報と、前記モータ２の回転角の情報とに従ってモータ２の駆動を制御するフィードバック制御系を構築するもので、モータ２の回転角情報を微分することによりその角速度（モータ速度）を求める微分器２１を備える。また前記横揺れ角速度情報を積分することでその横揺れ角度を求める積分器２２を備える。制御演算器２３は、これらの情報に従って前記制振対象物Ａの横揺れを打ち消し得る前記可動マス（慣性負荷）１の変位量をモータ２の回転角指令として求めており、差分器２４にて上記回転角指令と前記モータ２の現在の回転角との差を、モータ２を加減速制御するに必要な制御量（モータ２に対する速度指令）として求めている。そして係数器２５にて上記制御量に、その制御系に固有な係数を乗じることで前記モータ２を駆動するに必要な速度指令を求めるものとなっている。
【００１８】
これに対して充放電制御部１０は、上述した如く求められるモータ速度と、モータ２のトルクとを乗算器１１にて乗算することで、前述したようにその負荷エネルギ（電力）Ｐを求めている。そしてこの負荷エネルギ（電力）Ｐの値に応じて、具体的には負荷エネルギ（電力）Ｐが正であるか、或いは負であるかに応じてスイッチ１２を切り換え制御し、力行の場合には最小電圧値Ｖminを、また回生の場合には最大電圧値Ｖmaxを前記コンバータ６に対する出力電圧制御値として出力している。更に上記負荷エネルギ（電力）Ｐを低周波のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３を介して平滑化した後、その平滑化成分Ｐaveを係数器１４に導くことで、コンバータ６に設定すべき前述した入力電流に対する制限値を求めるものとなっている。尚、負荷エネルギ（電力）Ｐが正（力行）であるか、或いは負（回生）であるかは、前記負荷エネルギ（電力）Ｐをローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５を介して平滑化した出力を判定して求められる。
【００１９】
かくして上述した如く構成された制振装置によれば、図３にその概念を示すようにモータ２を介して得られる回生電力エネルギを前述したコンバータ６の出力電圧制御の下でコンデンサ７に効率的に回収すると共に、電流制限されて外部から供給される電力エネルギと上記コンデンサ７に回収した電力エネルギとを用いてモータ２を力行駆動することができる。従って可動マス１の減速時にモータ２を介して得られる回生電力エネルギを有効に用いて上記モータ２を力行駆動することができるので、その消費電力を大幅に低減することができる。
【００２０】
しかもモータ２の負荷エネルギ（電力）Ｐの平滑化成分Ｐaveに応じてコンバータ６を介する入力電流を制限し、モータ２を実質的に駆動するに必要な電力エネルギ（消費電力Ｐaveに相当）だけを外部交流電源５から供給するので、その電力容量を十分に小さく抑えることができる。換言すればモータ２における最大消費電力に左右されることなく、その負荷電力Ｐを平滑化して求められる実効的な電力エネルギＰaveだけを外部から供給するように電源設備を構築すれば良いので、その電力容量の小さい簡易な構成の電力設備とすることが可能となる。
【００２１】
更には力行／回生に応じてコンバータ６の出力電圧を変化させ、これによってコンデンサ７における充電量（充電能力）を制御するので、簡易にして確実に、しかも積極的に回生電力エネルギをコンデンサ７に蓄積することができる。故に、例えばコンデンサ７の残容量によって回生電力エネルギの回収・蓄積が妨げられるような不具合を招来することもない。
【００２２】
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。実施形態においてはコンバータ６の出力電圧を、力行／回生に応じて最小電圧値Ｖminと最大電圧値Ｖmaxの２値に制御したが、コンデンサ７の残容量に応じてリニアに制御することも勿論可能である。この場合には、コンデンサ７の容量をＣとして力行／回生の電力量Ｐに相当する電圧Ｖを
Ｐ＝（１／２）ＣＶ2
なる関係に従って求め、コンバータ６の出力電圧を上記電圧値Ｖとなるように制御するようにすれば良い。
【００２３】
また前述した実施形態においてはモータ２のトルクとモータ速度とから負荷電力Ｐを推定したが、コンデンサ７の容量Ｃと、コンデンサ７の加わる端子電圧の変動成分とから負荷電力Ｐを推定することも可能であり、或いはインバータ８からモータ２に対して出力される電圧と電流とからその負荷電力Ｐを推定するようにしても良い。更にはインバータ８に組み込まれる負荷電力推定機能の出力をそのまま利用することも勿論可能である。
【００２４】
更にここでは小型で大容量のコンデンサ７として、電気二重層コンデンサを用いることを提唱したが、従来一般的な電解コンデンサ等を用いる場合にも同様に適用可能である。更には慣性負荷の形態も特に限定されるものではなく、モータ２としてもリニアアクチュエータ型のものをそのまま用いることも勿論可能である。即ち、ここでは制振装置を例に説明したが、荷役機械や各種の産業機械において、慣性負荷を加減速制御する場合にも同様に適用することができる。その他、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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る慣性負荷駆動装置の一実施形態である、制振装置の要部概略構成図。
【図２】図１に示す制振装置に組み込まれる制御器の概略的な機能ブロック構成の一例を示す図。
【図３】図１に示す制振装置において、慣性負荷の加減速に伴う力行エネルギと回生エネルギの様子を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１  可動マス（慣性負荷）
２  モータ（電動機）
６  コンバータ
７  コンデンサ
８  インバータ
９  制御器
１０  充放電制御部
２０  制振制御部
【図１】
2006230040.tif 000003
【図２】
2006230040.tif 000004
【図３】
2006230040.tif 000005