(57)【要約】【課題】想定される状況下において、安定した電源を確保することができる負荷駆動装置を提供する。【解決手段】本実施形態に係る負荷駆動装置は、本実施形態に係る負荷駆動装置は、電動機と、コンバータと、リチウムイオン電池と、インバータと、制振制御部とを含む。電動機は、慣性負荷を往復移動させる。コンバータは、入力交流電源から供給される入力交流電力を変換して直流電力エネルギーを得る。リチウムイオン電池は、コンバータを介して得られた直流電力エネルギーを蓄積する。インバータは、コンバータを介して得られた直流電力エネルギー、又はリチウムイオン電池に蓄積された直流電力エネルギーの少なくとも一つを用いて、電動機を駆動する。制振制御部は、インバータの作動を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性負荷を往復移動させる電動機と、
入力交流電力を変換して直流電力エネルギーを得るコンバータと、
前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギーを蓄積するリチウムイオン電池と、
前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギー、又は前記リチウムイオン電池に蓄積された直流電力エネルギーの少なくとも一つを用いて、前記電動機を駆動するインバータと、
前記インバータの作動を制御する制振制御部と、
を具備する負荷駆動装置。
【請求項２】
前記インバータは、前記電動機が力行状態にある場合、前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギー、及び前記リチウムイオン電池に蓄積された直流電力エネルギーを用いて前記電動機を駆動する、請求項１に記載の負荷駆動装置。
【請求項３】
前記インバータは、前記リチウムイオン電池に蓄積された直流電力エネルギーを優先して用いる、請求項２に記載の負荷駆動装置。
【請求項４】
前記リチウムイオン電池は、前記電動機が回生状態にある場合、前記電動機において発生する回生電力エネルギーを蓄積する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の負荷駆動装置。
【請求項５】
前記リチウムイオン電池は、停電時において、前記インバータを介して前記電動機を一定時間駆動させる容量の分だけ、前記直流電力エネルギーを蓄積する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の負荷駆動装置。
【請求項６】
前記リチウムイオン電池における直流電力エネルギーの最大蓄積量は、地殻変動、及び気象を考慮して設定する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の負荷駆動装置。
【請求項７】
前記リチウムイオン電池における直流電力エネルギーの最大蓄積量は、前記電動機の使用率を考慮して設定する、請求項１から請求項６のいずれか一項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、構造物や機器等の対象物に生じる振動を抑制する負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物や機器等の対象物に生じる振動を抑制する負荷駆動装置は、当該対象物に対して設けた慣性負荷を当該対象物に生じる外力に対して逆向きに慣性力を作用するように振動させることで、対象物に生じる振動を能動的に打ち消すように構成される。例えば、下記特許文献１に示す負荷駆動装置は、入力交流電力を変換することで得られた直流電力エネルギー、又は入力交流電力を変換してコンデンサに蓄積された直流電力エネルギーの少なくとも一つを用いて電動機を駆動させて、当該対象物に設けた慣性負荷を振動させることで、対象物に生じる振動を能動的に打ち消している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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、上記負荷駆動装置は、通常時において、入力交流電力を変換することで得られた直流電力エネルギー、及びコンデンサに蓄積された直流電力エネルギーを用いて電動機を駆動させている。このとき、コンデンサの充放電電圧は一定ではないため、電動機を駆動させるための直流電力エネルギーの出力が安定しない。このため、直流電力エネルギーの出力を安定させるための回路を新たに設ける必要がある。
【０００５】
また、上記負荷駆動装置は、停電時の動作保証も要求されている。例えば、負荷駆動装置では、停電時であっても、一定時間対象物に生じる振動を打ち消す性能が要求されている。しかしながら、上記負荷駆動装置は、コンデンサに直流電力エネルギーを蓄積している。つまり、コンデンサの自己放電によって時間の経過と共に蓄積された電荷が失われるため、直流電力エネルギーを蓄積できる時間が短い。すなわち、直流電力エネルギーを蓄積できる時間が短いため、停電時に要求される電動機の一定時間の駆動を保証することができない。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、想定される状況下において、安定した電源を確保することができる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】
上記目的を達成するため、本実施形態に係る負荷駆動装置は、慣性負荷を往復移動させる電動機と、入力交流電力を変換して直流電力エネルギーを得るコンバータと、前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギーを蓄積するリチウムイオン電池と、前記コンバータを介して得られた直流電力エネルギー、又は前記リチウムイオン電池に蓄積された直流電力エネルギーの少なくとも一つを用いて、前記電動機を駆動するインバータと、前記インバータの作動を制御する制振制御部と、を具備する。
【０００８】
上記構成によれば、本実施形態に係る負荷駆動装置において、リチウムイオン電池は、コンバータを介して得られた直流電力エネルギーを蓄積する。具体的には、停電時において、電動機を一定時間駆動させる容量の直流電力エネルギーを蓄積する。リチウムイオン電池の自己放電は、コンデンサより非常に小さいため、リチウムイオン電池の直流電力エネルギーを蓄積できる時間がコンデンサより長い。つまり、リチウムイオン電池はコンデンサより長く直流電力エネルギーを電動機に供給できるため、本実施形態に係る負荷駆動装置は、停電時における電動機の動作保証時間をより長くすることができる。すなわち、本実施形態に係る負荷駆動装置は、停電時に要求される電動機の一定時間の駆動を保証することができる。
【０００９】
また、コンデンサを使用して、停電時に要求される電動機の一定時間の駆動を保証する負荷駆動装置を実現する場合、上記コンデンサの自己放電を考慮して、コンデンサの容量を大きくする必要がある。一方、リチウムイオン電池の自己放電は、コンデンサより非常に小さい。このため、本実施形態に係る負荷駆動装置においては、停電時に保証すべき一定の駆動時間における自己放電の影響が小さいため、リチウムイオン電池の容量を小さくすることができ、負荷駆動装置自体の小型化も図ることができる。
【００１０】
また、リチウムイオン電池の充放電電圧はコンデンサより安定しているため、電動機を駆動させるための直流電力エネルギーの出力が安定する。このため、本実施形態に係る負荷駆動装置は、直流電力エネルギーの出力を安定させるための回路を新たに設ける必要がない。
【００１１】
また、リチウムイオン電池における直流電力エネルギーの最大蓄積量は、モータ２の使用率を考慮して設定する。具体的には、リチウムイオン電池における直流電力エネルギーの最大蓄積量として、モータ２を所定の時間使用した場合に消費する直流電力エネルギーの１０倍の蓄積量、すなわち、１０倍の充電時間を取るように設定する。これにより、停電時においては長時間の電源バックアップを実行することができ、通常時においては入力交流電源の容量を軽減することができる。具体的には、入力交流電源の容量を１/１０に減らすことができる。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成によれば、負荷駆動装置は、想定される状況下において、安定した電源を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る負荷駆動装置を示すブロック図である。
【図２】通常時において電動機が力行状態にある場合の本実施形態に係る負荷駆動装置の電流の流れを示す図である。
【図３】通常時において電動機が回生状態にある場合の本実施形態に係る負荷駆動装置の電流の流れを示す図である。
【図４】停電時における本実施形態に係る負荷駆動装置の電流の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る負荷駆動装置を示すブロック図である。図１に示す負荷駆動装置は、ビルやマンション等の制振（減揺）対象物Ａに生じる振動を能動的に抑制する装置である。例えば、負荷駆動装置は、制振対象物Ａに設けられた慣性負荷を当該制振対象物Ａに生じる外力に対して逆向きに慣性力を作用するように振動させることで、制振対象物Ａに生じる振動を能動的に打ち消すように構成される。
【００１６】
図１に示す負荷駆動装置は、可動マス（慣性負荷）１と、モータ（電動機）２と、回転／直線変換機構（例えば、ボールねじ機構）３と、充電抵抗器４と、交流／直流変換器（コンバータ）６と、リチウムイオン電池７と、インバータ（駆動器）８と、制振制御部９とを含む。
【００１７】
可動マス１は、リニアガイドにより支持されて水平方向に直線移動可能に設けられた重量物により構成される。可動マス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するように往復移動させることで、上記制振対象物Ａの振動を抑制（制振）する。本実施形態における可動マス１は、モータ２により駆動される回転／直線変換機構３を介して水平方向に往復移動されるように設けられている。
【００１８】
なお、上記可動マス１は、振子型の慣性負荷であってもよいし、図示しない弾性体を用いて可動マス１を支持することで、制動力を付与する慣性負荷であってもよい。また、本実施形態における弾性体は、例えば、バネ、ダンパ、又はゴム等の粘弾性体の少なくとも一つである。
【００１９】
コンバータ６は、充電抵抗器４を介して入力交流電源５から供給される入力交流電力を直流に変換して、直流電力エネルギーを得る。本実施形態におけるコンバータ６は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータである。
【００２０】
リチウムイオン電池７は、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギーを蓄積する。本実施形態におけるリチウムイオン電池７は、インバータ８を介してモータ２を一定時間駆動させる容量の分だけ、上記直流電力エネルギーを蓄積可能である。
【００２１】
ここで、本実施形態に係る負荷駆動装置に用いるリチウムイオン電池７の選定について説明する。
【００２２】
まず、制振対象物Ａでは、地震等の地殻変動に起因する振動や台風等の気象に起因する振動が生じる可能性がある。すなわち、本実施形態におけるリチウムイオン電池７として、上記要因による振動に対して要求されるモータ２の必要駆動時間やモータ２の駆動時に消費する直流電力エネルギーの最大値を考慮して、モータ２を一定時間駆動させる容量の直流電力エネルギーを蓄積可能なものを選定する必要がある。また、リチウムイオン電池７として、停電時であっても、モータ２を一定時間駆動するために必要な容量の直流電力エネルギーを蓄積可能なものを選定する必要がある。
【００２３】
本実施形態におけるリチウムイオン電池７は、例えば、充電時間や充電効率を考慮して、モータ２の回生動作により満充電となる上限容量に設定されてもよい。なお、本実施形態におけるリチウムイオン電池７は、例えば、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、又はナトリウム・硫黄電池等の充放電可能なデバイスに置換可能である。
【００２４】
インバータ８は、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギー、又はリチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーの少なくとも一つを用いてモータ２を駆動する。なお、本実施形態におけるインバータ８は、モータ２が回生状態にある場合、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ーを回収してリチウムイオン電池７に蓄積するエネルギー回収機能を備えていてもよい。
【００２５】
制振制御部９は、モータ２を駆動するインバータ８の作動を制御する。例えば、制振制御部９は、制振対象物Ａに設けられた角度センサによって検出される横揺れ角速度情報と、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。制振制御部９は、横揺れ角速度情報と、モータ２の回転角の情報とに従って、制振対象物Ａの横揺れを打ち消す可動マス１の変位量をモータ２の回転角指令として求め、上記回転角指令とモータ２の現在の回転角との差を、モータ２を加減速制御するために必要な制御量（モータ２に対する速度指令）として求める。さらに、上記制御量に、その制御系に固有な係数を乗じることでモータ２を駆動するに必要な速度指令を求める。なお、制振制御部９において、制振対象物Ａに加わる加速度から回転角指定（変位指令）を求めるようにしてもよい。また、制振制御部９に関しても、リチウムイオン電池７より電源供給することにより、停電時であっても電源を確保することができ、インバータ８の作動を制御することができる。
【００２６】
ここで、本実施形態に係る負荷駆動装置の各動作状態における電流の流れについて図２乃至図４を参照して説明する。
【００２７】
（通常時においてモータが力行状態にある場合）
図２は、通常時においてモータ２が力行状態にある場合の本実施形態に係る負荷駆動装置の電流の流れを示す図である。図２に示すように、通常時においてモータ２が力行状態にある場合、コンバータ６は、充電抵抗器４を介して入力交流電源５から供給される入力交流電力を直流に変換して、直流電力エネルギーを得る。インバータ８は、モータ２が力行状態にある場合、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギー、及びリチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーを用いてモータ２を駆動する。このとき、インバータ８は、リチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーを優先して用いる。これにより、本実施形態に係る負荷駆動装置は、コンバータ６を介して供給される直流電力エネルギーの容量を低減することができる。
【００２８】
（通常時においてモータが回生状態にある場合）
図３は、通常時においてモータ２が回生状態にある場合の本実施形態に係る負荷駆動装置の電流の流れを示す図である。図３に示すように、通常時においてモータ２が回生状態にある場合、モータ２において発生した回生電力エネルギーが、インバータ８を介してリチウムイオン電池７に蓄積される。すなわち、モータ２の回生動作により、モータ２が力行状態にある場合に用いる直流電力エネルギーをリチウムイオン電池７に蓄積することができる。これにより、本実施形態に係る負荷駆動装置は、モータ２が力行状態にある場合に用いる直流電力エネルギーの総量に占める、コンバータ６を介して供給される直流電力エネルギーの容量を低減することができる。なお、リチウムイオン電池７における直流電力エネルギーの容量がモータ２を一定時間駆動させる容量に満たない場合、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギーをリチウムイオン電池７に蓄積すればよい。
（停電時）
図４は、停電時における本実施形態に係る負荷駆動装置の電流の流れを示す図である。図４に示すように、インバータ８は、停電時、リチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーを用いてモータ２を駆動することができる。この理由としては、リチウムイオン電池７単体でモータ２を一定時間駆動させることが可能な容量を有しているためである。また、制振制御部９には、リチウムイオン電池７が接続されており、停電時であっても電源をリチウムイオン電池７により確保することができる。このため、制振制御部９は、インバータ８の作動を制御することができる。これにより、本実施形態に係る負荷駆動装置は、停電時であっても、通常時と同様に、モータ２を一定時間駆動させることができる。
【００２９】
（総括）
上記に示す通り、本実施形態に係る負荷駆動装置は、モータ２と、コンバータ６と、リチウムイオン電池７と、インバータ８と、制振制御部９とを含む。モータ２は、慣性負荷を往復移動させる。コンバータ６は、入力交流電源５から供給される入力交流電力を変換して直流電力エネルギーを得る。リチウムイオン電池７は、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギーを蓄積する。インバータ８は、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギー、又はリチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーの少なくとも一つを用いて、モータ２を駆動する。制振制御部９は、インバータ８の作動を制御する。
【００３０】
上記構成によれば、本実施形態に係る負荷駆動装置では、通常時においてモータ２が力行状態にある場合、コンバータ６は、充電抵抗器４を介して入力交流電源５から供給される入力交流電力を直流に変換して、直流電力エネルギーを得る。インバータ８は、モータ２が力行状態にある場合、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギー、及びリチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーを用いてモータ２を駆動する。このとき、インバータ８は、リチウムイオン電池７に蓄積された直流電力エネルギーを優先して用いる。これにより、本実施形態に係る負荷駆動装置は、コンバータ６を介して供給される直流電力エネルギーの容量を低減することができる。
【００３１】
また、本実施形態に係る負荷駆動装置では、通常時においてモータ２が回生状態にある場合、モータ２において発生した回生電力エネルギーが、インバータ８を介してリチウムイオン電池７に蓄積される。すなわち、モータ２の回生動作により、モータ２が力行状態にある場合に用いる直流電力エネルギーをリチウムイオン電池７に蓄積することができる。これにより、本実施形態に係る負荷駆動装置は、モータ２が力行状態にある場合に用いる直流電力エネルギーの総量に占める、コンバータ６を介して供給される直流電力エネルギーの容量を低減することができる。なお、リチウムイオン電池７における直流電力エネルギーの容量がモータ２を一定時間駆動させる容量に満たない場合、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギーをリチウムイオン電池７に蓄積すればよい。
【００３２】
また、本実施形態に係る負荷駆動装置において、リチウムイオン電池７は、コンバータ６を介して得られた直流電力エネルギーを蓄積する。具体的には、停電時において、インバータ８を介してモータ２を一定時間駆動させる容量の直流電力エネルギーを蓄積する。リチウムイオン電池７の直流電力エネルギーを蓄積できる時間がコンデンサより長い。つまり、リチウムイオン電池７はコンデンサより長く直流電力エネルギーをモータ２に供給できるため、本実施形態に係る負荷駆動装置は、停電時における電動機の動作保証時間をより長くすることができる。すなわち、本実施形態に係る負荷駆動装置は、停電時に要求されるモータ２の一定時間の駆動を保証することができる。
【００３３】
また、コンデンサを使用して、停電時に要求されるモータ２の一定時間の駆動を保証する負荷駆動装置を実現する場合、上記コンデンサの自己放電を考慮して、コンデンサの容量を大きくする必要がある。一方、リチウムイオン電池７の自己放電は、コンデンサより非常に小さい。このため、本実施形態に係る負荷駆動装置においては、停電時に保証すべき一定の駆動時間における自己放電の影響が小さいため、リチウムイオン電池７の容量を小さくすることができ、負荷駆動装置自体の小型化も図ることができる。
【００３４】
また、リチウムイオン電池７の充放電電圧はコンデンサより安定しているため、モータ２を駆動させるための直流電力エネルギーの出力が安定している。このため、本実施形態に係る負荷駆動装置は、直流電力エネルギーの出力を安定させるための回路を新たに設ける必要がない。
【００３５】
また、リチウムイオン電池７における直流電力エネルギーの最大蓄積量は、モータ２の使用率を考慮して設定する。例えば、リチウムイオン電池７における直流電力エネルギーの最大蓄積量として、モータ２を所定の時間使用した場合に消費する直流電力エネルギーの１０倍の蓄積量、すなわち、１０倍の充電時間を取るように設定する。これにより、停電時においては長時間の電源バックアップを実行することができ、通常時においては入力交流電源５の容量を軽減することができる。具体的には、入力交流電源５の容量を１/１０に減らすことができる。
【００３６】
かくして、本実施形態に係る負荷駆動装置は、想定される状況下において、安定した電源を確保することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  可動マス（慣性負荷）
２  モータ（電動機）
３  回転／直線変換機構
４  充電抵抗器
５  入力交流電源
６  交流／直流変換器（コンバータ）
７  リチウムイオン電池
８  インバータ（駆動器）
９  制振制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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