(57)【要約】【課題】力行運転及び回生運転する複数の交流電動機をその一部に備えるとともに、安価な構成で、且つ、高効率及び高力率を得ることができる電動機の可変速駆動制御装置を得る。【解決手段】力行運転及び回生運転する複数の第一交流電動機３と、各第一交流電動機３を独立に可変速制御する複数の第一インバータ装置４と、常時力行運転する複数の第二交流電動機９と、各第二交流電動機９を独立に速度制御する複数の第二インバータ装置１０と、各第一インバータ装置４及び各第二インバータ装置１０に接続された共通直流母線５と、共通直流母線５に接続され、各第一インバータ装置４及び各第二インバータ装置１０に直流電源を供給する共通ダイオードブリッジコンバータ装置６とを備える。そして、第二交流電動機９により、第一交流電動機３の回生運転時に発生し得る回生エネルギーを力行運転で全て消費できるように構成する。【選択図】図１
2008148376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力行運転及び回生運転する複数の第一交流電動機と、
前記各第一交流電動機にそれぞれ対応して設けられ、前記第一交流電動機をそれぞれ独立に可変速制御する複数の第一インバータ装置と、
常時力行運転する複数の第二交流電動機と、
前記各第二交流電動機にそれぞれ対応して設けられ、前記第二交流電動機をそれぞれ独立に速度制御する複数の第二インバータ装置と、
前記各第一インバータ装置及び前記各第二インバータ装置に接続された共通直流母線と、
前記共通直流母線に接続され、前記共通直流母線を介して、前記各第一インバータ装置及び前記各第二インバータ装置に直流電源を供給する共通ダイオードブリッジコンバータ装置と、
を備え、
前記第二交流電動機は、前記第一交流電動機の回生運転時に発生し得る回生エネルギーを、力行運転で全て消費できる負荷容量を有することを特徴とする電動機の可変速駆動制御装置。
【請求項２】
第一交流電動機の回生運転時に発生し得る回生エネルギーが、常時力行運転する第二交流電動機の全負荷容量を超えた場合に、前記第一交流電動機の運転を阻止する監視手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の可変速駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、力行運転及び回生運転する複数の電動機をその一部に備えた電動機の可変速駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の電動機の速度制御が必要なものに、例えば、鉄鋼圧延設備がある。この鉄鋼圧延設備では、鋼材を搬送するテーブルロールや鋼材を切断するシャー設備に、正転力行、正転制動、逆転力行、逆転制動の４象限運転を繰り返す複数の電動機が備えられ、各電動機が速度制御装置によってそれぞれ独立に速度制御されている。そして、これらの速度制御装置では、ＩＧＢＴ素子のような自己消弧形のパワー半導体素子を用いたＰＷＭインバータを用いて、各電動機をそれぞれ速度制御する方式が広く適用されている。
【０００３】
また、上記各インバータ装置としては、主として、設備の簡略化及び設備コストの低下といった観点から、各電動機をそれぞれ速度制御する複数のＰＷＭインバータに対して共通の直流電源装置を設けることにより、共通直流母線を介して各ＰＷＭインバータに直流電源を供給する、いわゆる共通コンバータ方式の装置が広く採用されている。なお、上記共通直流母線にはコンデンサが並列に接続されており、上記共通直流母線は、各ＰＷＭインバータに対して、一定の直流電圧を発生する電圧元として作用する。
【０００４】
また、複数の電動機の速度制御を行う可変速駆動制御装置の従来技術として、力行運転及び回生運転する複数の電動機を速度制御する各インバータ装置からの回生エネルギーを共通直流母線へ再配分するとともに、余剰の回生エネルギーが発生した場合に、共通ブレーキ回路を上記共通直流母線に接続して、上記余剰の回生エネルギーを抵抗にて消費させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２４８２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来では、共通直流電源に接続された各電動機負荷の回生エネルギーの総量が、同じ共通直流電源に接続された各電動機負荷の力行エネルギーの総量を超えた場合、各電動機の速度を正確に制御するためには、余剰に発生した回生エネルギーを、特許文献１記載のもののように抵抗によって消費させたり、或いは、共通直流電源に回生装置を追加することによって余剰の回生エネルギーを交流電源に回生したりする必要があった。
【０００７】
例えば、特許文献１記載のもののように、余剰の回生エネルギーを処理するために、共通直流母線にスイッチング素子を経由して抵抗器を接続し、共通直流母線電圧が上昇した際に回生エネルギーを上記抵抗器で消費させるシステムを追加したような場合には、回生エネルギーを抵抗で消費させることになるため、システム全体の効率が悪化するといった問題があった。特に、頻繁に加減速を繰り返す負荷がある場合には、繰り返しのサイクルごとに回生エネルギーを無駄に消費することになるため、システム全体の効率が極端に悪化する恐れがあった。
【０００８】
一方、余剰の回生エネルギーを交流電源側に回生するためには、直流電圧を制御できる逆並列サイリスタブリッジや、ＩＧＢＴ素子を採用したＰＭＷ制御方式の共通直流電源を採用する必要があった。ここで、共通直流電源として逆並列サイリスタコンバータを採用した場合、余剰な回生エネルギーが交流電源に回生されるため、システム効率の悪化を防止することは可能となる。しかし、逆並列サイリスタコンバータを採用した場合には、例えば、ダイオードコンバータを採用した場合よりも電源効率が悪くなるとともに、交流電源側の条件によっては、サイリスタ電源から発生する遅れ無効電力の対策が必要となり、進相コンデンサ装置等の追加を要する場合があった。
【０００９】
一方、共通直流電源としてＩＧＢＴ素子等のパワー半導体素子を用いたＰＷＭコンバータを採用した場合には、逆並列サイリスタコンバータを採用した場合における上記技術的な問題点を解決することが可能となる。しかし、ＰＷＭコンバータは、例えば、ダイオードコンバータと比較して非常に高価であり、システムのコスト高を招来する要因となってしまう。特に、各電動機からの回生負荷が重畳されて、短時間で大きな余剰回生エネルギーを処理する可能性があるシステムの場合には、その余剰回生エネルギーを処理できる大きな容量のＰＷＭコンバータが必要となり、経済的な負担からＰＷＭコンバータの採用が困難になる場合が多かった。
【００１０】
なお、図３は従来の電動機の可変速駆動制御装置を示す構成図であり、鉄鋼圧延設備に適応されたものを示している。図３において、１は鋼材を搬送するテーブルロール、２は鋼材を切断するシャー設備、３は上記テーブルロール１やシャー設備２を駆動及び制動する誘導電動機、４は誘導電動機３をそれぞれ独立に可変速制御するＩＧＢＴインバータ装置である。ここで、鉄鋼圧延設備では、シャー設備２の慣性モーメントが大きいため、切断速度への加速や切断後に切断刃を定位置に停止させる際の正転制動時に、テーブルローラ１で消費される力行エネルギーよりも大きな回生エネルギー、即ち、余剰の回生エネルギーが発生する。したがって、従来の鉄鋼圧延設備に適用される電動機の可変速駆動制御装置では、ＩＧＢＴインバータ装置４に対する共通の直流電源装置として、正転制動時の回生エネルギーを交流電源６に回生する能力を備えたＰＷＭコンバータ装置１３を採用しなければならなかった。
【００１１】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、力行運転及び回生運転する複数の交流電動機をその一部に備えるとともに、安価な構成で、且つ、高効率及び高力率を得ることができる電動機の可変速駆動制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る電動機の可変速駆動制御装置は、力行運転及び回生運転する複数の第一交流電動機と、各第一交流電動機にそれぞれ対応して設けられ、第一交流電動機をそれぞれ独立に可変速制御する複数の第一インバータ装置と、常時力行運転する複数の第二交流電動機と、各第二交流電動機にそれぞれ対応して設けられ、第二交流電動機をそれぞれ独立に速度制御する複数の第二インバータ装置と、各第一インバータ装置及び各第二インバータ装置に接続された共通直流母線と、共通直流母線に接続され、共通直流母線を介して、各第一インバータ装置及び各第二インバータ装置に直流電源を供給する共通ダイオードブリッジコンバータ装置と、を備え、第二交流電動機は、第一交流電動機の回生運転時に発生し得る回生エネルギーを、力行運転で全て消費できる負荷容量を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、力行運転及び回生運転する複数の交流電動機をその一部に備えるとともに、安価な構成で、且つ、高効率及び高力率な電動機の可変速駆動制御装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【００１５】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機の可変速駆動制御装置を示す構成図であり、鉄鋼圧延設備に適用されたものを示している。図１において、１は鋼材を搬送するテーブルロール、２は鋼材を切断するシャー設備、３は上記各テーブルロール１やシャー設備２に対応して設けられ、力行運転及び回生運転する複数の誘導電動機（第一交流電動機）である。ここで、上記テーブルロール１やシャー設備２は、誘導電動機３により駆動及び制動される。
【００１６】
４は上記各誘導電動機３にそれぞれ対応して設けられ、テーブルロール１等に要求される各動作に合わせて、各誘導電動機３をそれぞれ独立に可変速制御する複数のＩＧＢＴインバータ装置、５は各ＩＧＢＴインバータ装置４に接続された共通直流母線、６は共通直流母線５に接続され、上記共通直流母線５を介して各ＩＧＢＴインバータ装置４に直流電源を供給する１台の共通ダイオードブリッジコンバータ装置、７は共通ダイオードブリッジコンバータ装置６に接続された商用交流電源である。
【００１７】
また、８はポンプやファン等のように、システムの稼動中は常時付勢される負荷設備、９は各負荷設備８に対応して設けられ、負荷設備８を駆動することによって常時力行運転する複数の誘導電動機（第二交流電動機）、１０は上記各誘導電動機９にそれぞれ対応して設けられ、ポンプやファン等に要求される各動作に合わせて、各誘導電動機９をそれぞれ独立に速度制御する複数のＩＧＢＴインバータ装置である。
【００１８】
そして、各ＩＧＢＴインバータ装置１０は、上記共通直流母線５に接続されることにより、共通直流母線５を介して共通ダイオードブリッジコンバータ装置６から直流電源が供給されるように構成されている。また、上記負荷設備８は、力行運転時、全体として、テーブルロール１やシャー設備２で発生し得る最大の回生容量よりも大きな容量を必要とするように構成されている。即ち、上記誘導電動機９は、誘導電動機３の回生運転時に発生し得る回生エネルギーを、力行運転で全て消費できる負荷容量を有している。
【００１９】
上記構成を有する電動機の可変速駆動制御装置では、テーブルロール１やシャー設備２は、鋼材の搬送に合わせて運転及び停止を繰り返す。そして、誘導電動機３に必要とされる出力は、所定の速度への加速や停止までに要する時間、機械の慣性モーメント等により決定されるが、シャー設備２のように慣性モーメントが大きい機械設備を最高速度で運転している状態から停止させる場合には、特に大きな制動エネルギーが必要となる。そして、この時発生する回生エネルギーは、共通直流母線５を経由して、力行運転する電動機負荷として誘導電動機３及び９で全て消費される。
【００２０】
なお、一般の鉄鋼圧延設備の交流可変速駆動システムでは、鋼材の搬送に合わせて加速や減速を行うことが多い。このため、大きな回生エネルギーを消費させることができるだけの力行運転負荷が誘導電動機３の中に常時存在しているとは限らない。また、従来では、ポンプやファン等といった常時力行運転される負荷設備８は、図３に示すようにモータコントロールセンター１１にて商用運転されるか、独立した回生制動能力を持たないインバータ装置（図示せず）によって運転されていた。このため、上記構成を有する電動機の可変速駆動制御装置のように、ポンプやファン等の常時力行運転する負荷設備８をＩＧＢＴインバータ装置１０を介して共通直流母線５に接続することにより、回生エネルギーの一部を誘導電動機９でも消費することができ、従来のように回生エネルギーを抵抗器等で無駄に消費させることもなく、高効率なシステムを構築することが可能となる。
【００２１】
また、常時力行運転される誘導電動機９は、誘導電動機３の回生運転時に発生し得る回生エネルギーを、力行運転で全て消費できる負荷容量を有している。即ち、上記構成の可変速駆動制御装置においては、余剰の回生エネルギーが発生することはなく、共通の直流電源装置として、安価で高力率のダイオードブリッジコンバータを採用することが可能となる。
【００２２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における電動機の可変速駆動制御装置を示す構成図であり、図１の場合と同様に、鉄鋼圧延設備に適用されたものを示している。図２において、１２は常時力行運転するＩＧＢＴインバータ装置１０の駆動状態を監視し、その駆動状態に基づいてテーブルロール１やシャー設備２の運転可否を決定する監視手段であり、例えば、ＰＬＣ等で構成される。即ち、上記監視手段１２は、常時力行運転する負荷容量の合計が、最大回生容量値以下でないことを確認した上で、回生運転のあるテーブルロール１やシャー設備２を運転可能とする。言い換えれば、上記監視手段１２は、誘導電動機３の回生運転時に発生し得る最大回生エネルギーが、常時力行運転する誘導電動機９の全負荷容量を超えた場合に、上記誘導電動機３の運転を阻止するように構成される。
【００２３】
かかる構成を有することにより、共通直流母線５の電圧異常上昇といった事象を確実に防止することが可能となり、安定的な駆動システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態１における電動機の可変速駆動制御装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２における電動機の可変速駆動制御装置を示す構成図である。
【図３】従来の電動機の可変速駆動制御装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  テーブルロール
２  シャー設備
３  誘導電動機
４  ＩＧＢＴインバータ装置
５  共通直流母線
６  共通ダイオードブリッジコンバータ装置
７  商用交流電源
８  負荷設備
９  誘導電動機
１０  ＩＧＢＴインバータ装置
１１  モータコントロールセンター
１２  監視手段
１３  ＰＷＭコンバータ装置
【図１】
2008148376.tif 000003
【図２】
2008148376.tif 000004
【図３】
2008148376.tif 000005