(57)【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ーを得るコンバータと、
このコンバータを介して得られた電力エネルギー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ーおよび／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ー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ー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ーを推定し、この負荷エネルギーに基づいて前記インバータの作動を制御する制振制御部と、
前記コンデンサに加わる電圧値を検出する電圧検出部と、
この電圧検出部が検出した前記コンデンサに加わる電圧値から前記慣性負荷における固有振動数の２倍の周波数成分を除去して出力するフィルタと、
前記負荷エネルギー量を平滑化した値に基づく前記コンデンサの平均電圧値を保持する平均電圧設定部と、
前記フィルタを介して出力された電圧値と前記平均電圧設定部に保持された平均電圧値とを比較して前記コンバータの出力電流を制御する電源制御部と
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】
前記制振制御部は、前記電動機のトルクおよびその速度から前記負荷エネルギーを推定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】
前記インバータは、前記負荷エネルギー量が回生の場合には前記コンデンサに回生電力エネルギーを蓄える一方、前記負荷エネルギー量が力行の場合には前記コンデンサに蓄えられた回生電力エネルギーを用いるものである請求項１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電力エネルギー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、その減速時に電動機を介して得られる回生電力エネルギーをコンデンサに蓄積し、この蓄積された回生電力エネルギーを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ーをコンデンサ（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。したがって外部から供給される電力エネルギーは上記回生電力エネルギーと共に、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ーを十分に回収できない虞があり、回生電力エネルギーの全てを有効に活用しているとは言い難い。
【０００４】
更には、外部から供給される電力エネルギーが電動機の力行状態・回生状態の繰り返し周期で変動するため、電源設備は、この変動する電力エネルギーの最大電力エネルギーを十分供給できるだけの能力を備えなければならず、電源設備が大がかりなものとなることが否めなかった。
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ー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と、入力交流電力を直流変換して直流電力エネルギーを得るコンバータと、このコンバータを介して得られた電力エネルギー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ーおよび／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ー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ー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ーを推定し、この負荷エネルギーに基づいて前記インバータの作動を制御する制振制御部と前記コンデンサに加わる電圧値を検出する電圧検出部と、この電圧検出部が検出した前記コンデンサに加わる電圧値から前記慣性負荷における固有振動数の２倍の周波数成分を除去して出力するフィルタと、前記負荷エネルギー量を平滑化した値に基づく前記コンデンサの平均電圧値を保持する平均電圧設定部と、前記フィルタを介して出力された電圧値と前記平均電圧設定部に保持された平均電圧値とを比較して前記コンバータの出力電流を制御する電源制御部とを具備したことを特徴としている（請求項１）。
【０００６】
特に前記制振制御部は、前記電動機のトルクおよびその速度から前記負荷エネルギーを推定するものとして構成される（請求項２）。
また前記インバータは、前記負荷エネルギー量が回生の場合には前記コンデンサに回生エネルギーを蓄える一方、前記負荷エネルギー量が力行の場合には前記コンデンサに蓄えられた回生エネルギーを用いるものとして構成される。（請求項３）。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成の慣性負荷駆動装置によれば、加減速する電動機の負荷エネルギー（電力）の変動成分をコンデンサの充放電によってまかない、この変動成分、即ち慣性負荷の固有振動数の２倍の周波数で変動する負荷エネルギーの成分をノッチフィルタで除去して実質的に電動機を駆動する電力エネルギーをコンバータから供給しているので消費電力を低減することができる。つまり上記の慣性負荷駆動装置は、電動機による慣性負荷の駆動状態が減速である場合、慣性負荷の減速によって得られるエネルギーを電力回生してコンデンサに蓄える一方、慣性負荷が加速（力行）である場合、電力回生によって蓄えられたエネルギーを用いて電動機を駆動するとともに、実質的に電動機を駆動する電力エネルギーをコンバータから供給しているので、コンデンサに蓄積された電力エネルギーを積極的に活用して電動機を駆動することができる共に、慣性負荷駆動装置の消費電力を低減することができる。したがって本発明の慣性負荷駆動装置は、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、電源設備の小容量化を図ることができる。
【０００８】
また前記負荷エネルギーは、前記電動機のトルクおよびその速度から推定されるものとして構成されているので、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可能となる等の実用上多大なる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら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あって、１は船舶や建造物（建物）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により駆動される回転／直線変換機構（例えば、ボールねじ機構）３を介して往復移動されるようになっている。この可動マス１は、振子型の慣性負荷であってもよいし、図示しないバネを用いて可動マス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慣性負荷であってもかまわない。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す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。
【００１０】
またモータ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源５を直流変換して直流電力エネルギーを得る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ー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ーおよび／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ーを用いて前記モータ２を駆動するインバータ（駆動器）８とを備えて構成される。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ーを回収して前記コンデンサ７に蓄積するエネルギー回収機能を備えて構成される。また前記コンデンサ７は、例えば小形小型で充電容量の大きい電気二重層コンデンサや蓄電池等の充放電可能なデバイスが用いられる。
【００１１】
一方、上記コンバータ６の作動を制御する電源制御部１０は、コンデンサ７に加わる電圧を検出する電圧検出部１１と、この電圧検出部１１が検出した電圧値から前記慣性負荷（制振対象物Ａ）における固有振動数の２倍の周波数成分を除去するフィルタ１２を有している。このフィルタ１２は、例えばノッチフィルタが適用される。
ところでモータ２が力行状態であるか、或いは回生状態であるかによってコンデンサ７に加わる電圧は変化する。つまりモータ２が力行状態にあるときは、コンデンサ７に蓄えられた回生電力エネルギーが放出されてモータ２に与えられるためコンデンサ７の電圧が低下する一方、モータ２が回生状態にあるときは、モータ２からコンデンサ７へ回生電力エネルギーが供給されてコンデンサ７の電圧が上昇する。
【００１２】
このモータ２による回生電力エネルギーの放出および供給は、制振対象物の固有周期Ｔの１／２倍の周期で変化する。換言すれば制振対象物の固有振動数ｆ（＝１／Ｔ）の２倍に周波数（２ｆ）で変化する。したがって、モータ２に供給される電力エネルギーは、固有振動数ｆの２倍の周波数（Ｔ／２の周期）で変化するともに、モータ２から回生される回生電力エネルギーも同様に固有振動数ｆの２倍の周波数（Ｔ／２の周期）で変化することになる。
【００１３】
このようなことからコンデンサ７の電圧は、コンバータ６から出力される直流電圧に制振対象物Ａの固有振動数ｆの２倍の周波数で変化する成分が重畳された脈流となる。したがって、モータ２の力行に要する電力エネルギーと、回生される回生電力エネルギーがバランスするようにコンデンサ７の電圧（直流平均電圧）を設定すれば、コンバータ６から供給される電力エネルギーを最小に抑えることができる。
【００１４】
電源制御部１０は、上述の直流平均電圧を設定する直流平均電圧設定部１３を備えている。そして実質的にモータ２を駆動する電力エネルギーをコンバータ６から供給すべく直流平均電圧設定部１３に設定された電圧値とノッチフィルタ１２を介して制振対象物Ａの振動抑制に伴うコンデンサ７の電圧変動分を除去した電圧値との差分を比較器１４で求める。次いで、比較器１４の出力をコンバータ６の出力電流を制御する調節計１５を介してコンバータ６に電源電流制限値として与えるサーボ系を形成している。尚、調節計１５は、例えばサーボ系に一般に用いられるＰＩ制御系が適用されるが、これに限定されるものではない。
【００１５】
また、電源制御部１０には、モータ２の力行動作および回生動作によって変動するコンデンサ７に加わる最大電圧を保持し、コンバータ６の出力電圧が過大にならないよう制限する最大電圧設定部１６が設けられている。
このように構成された本発明の一実施形態に係る慣性負荷駆動装置は、モータ２の力行動作および回生動作による電圧変動分（回生電力エネルギーの授受）をコンデンサ７の充放電によって行い、実質的に電動機を駆動するための電力エネルギーをコンバータ６から供給するように構成されている。したがってモータ２の駆動中であってもコンバータ６から出力される電力エネルギーの平滑化がはかられ、供給電流を抑えることが可能となる。
【００１６】
一方、モータ２を駆動するインバータ８の作動を制御する制振制御部２０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、制振対象物Ａ（例えば、船舶）に設けられた図示しない角度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。
【００１７】
或いは、図３にその概略的な機能ブロック図に示すように、制振対象物Ａが建物の場合、前述した横ぶれ角速度に変えて建物に加わる加速度（建物加速度）を更に二回積分した値を組み合わせて回転角指定（変位指令）を求めるように構成してもよい。
このような特徴ある本発明の一実施形態に係る慣性負荷駆動装置について発明者らは、その効果を確認すべくノッチフィルタ１２の有無による供給電力エネルギーの変化を捉える検証試験を実施した。この検証試験は、図４に示すように可動マス１に換えてはずみ車３１をモータ２ａの軸に接続し、インバータ８に駆動指定（操作指令）を与える制振制御部に換えて所定の周波数を発振する発振器３０を用い、調節計１５にＰ動作（比例動作）を適用して慣性負荷駆動装置の応答を確認したものである。
【００１８】
まず、ノッチフィルタ１２を用いず発振器３０の出力周波数を０.５Ｈｚとし、モータ２の所要電力、コンデンサ７に加わる電圧および入力交流電源５における消費電力の変化をそれぞれ測定した。ちなみに発振器３０の出力周波数を０.５Ｈｚに設定すると、モータ２は、±２４００min−１で正逆転駆動される。
その結果、図５（ａ）に示すようにモータ２が要求する電力は、周期的に電力エネルギーの消費（＋符号で示す）と回生（−符号で示す）を繰り返し、その変動周期に合わせてモータ２が電力を消費しているとき（力行）には、同図（ｂ）に示すようにコンデンサ７の電圧が降下する一方、回生動作をしているときには、コンデンサ７の電圧が上昇している。そして入力交流電源５は、同図（ｃ）に示すようにコンデンサ７の電圧が低下したとき、即ちモータ２が力行状態にあるとき電力エネルギーを供給することが確かめられた。この結果が示すようにフィルタ１２を用いない場合は、コンデンサ７に電力回生しているにもかかわらず、この回生した回生電力エネルギーが有効に活用されていないことがわかる。
【００１９】
一方、フィルタ１２を備えた本発明の慣性負荷駆動装置についても同一条件で検証試験を実施した。その結果、図６に示すようにフィルタ１２がないときと同様、モータ２の力行動作および回生動作に伴ってコンデンサ７に加わる電圧は、同図（ｂ）に示すように周期的に上昇・下降を繰り返している。しかしながら入力交流電源５が供給する電力は、同図（ｃ）に示すようにほぼ一定値を示している。これは、モータ２の回生動作に伴ってコンデンサ７に蓄えられた回生電力エネルギーが、モータ２の力行動作中にそのモータ２に供給されて消費されていることを示している。
【００２０】
更に発明者らは、発振器３０の出力周波数を０.７Ｈｚとした場合、本発明のフィルタ１２を備えた本発明の慣性負荷駆動装置についても前述と同一条件で検証試験を実施した。その結果、発振器３０の出力周波数を０.５Ｈｚとしたときと同様、モータ２の力行動作および回生動作に伴って所要電力は、図７（ａ）に示すように周期的に増減すると共に、コンデンサ７に加わる電圧も同図（ｂ）に示すように周期的に上昇・下降を繰り返している。しかしながら入力交流電源５が供給する電力は、同図（ｃ）に示すようにほぼ一定値を示すことが確認できた。これは、モータ２の回生動作に伴ってコンデンサ７に蓄えられた回生電力エネルギーが、モータ２の力行動作中にモータ２に供給されて消費されていることを示している。
【００２１】
これらの結果が示すように入力交流電源５から供給される電力エネルギーは、モータ２の力行動作・回生動作の繰り返しによっても実質的にモータ２を駆動するだけのエネルギーを供給すればよい。したがって、フィルタ１２がないときのようにモータ２の力行時に必要な最大電力を供給する必要がなく、電源容量の小さな入力交流電源５を用いることが可能となる。
【００２２】
かくして上述した如く構成された制振装置によれば、モータ２の力行・回生に伴ってコンデンサ７に加えられる電圧変動成分をフィルタ１２（ノッチフィルタ）によって除去してコンバータ６の出力電流を制御しているので、モータ２の回生電力エネルギーを有効に活用できる。
したがって可動マス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ー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。しかも、本発明の慣性負荷駆動装置は、実質的にモータ２を駆動するための電力エネルギーをコンバータ６から供給すればよく、電源容量の小さな入力交流電源５を用いることが可能となる。また、本発明の慣性負荷駆動装置は、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ーの回収・蓄積が妨げられるような不具合を招来することもない。
【００２３】
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小形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としても回転／直線変換機構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可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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を示す図。
【図２】図１に示す制振装置に組み込まれる駆動制御部の概略的な機能ブロック構成の一例を示す図。
【図３】図１に示す制振装置に組み込まれる駆動制御部の概略的な機能ブロック構成の別の例を示す図。
【図４】図１に示す慣性負荷駆動装置を用いてその効果を検証するための模擬制振装置の要部概略構成を示す図。
【図５】図４に示す模擬制振装置においてノッチフィルタを用いないときのモータの電力、コンデンサの電圧および電源から供給される電力の時間変化を示す図。
【図６】図４に示す模擬制振装置においてノッチフィルタを用いたときのモータの電力、コンデンサの電圧および電源から供給される電力の時間変化を示す図。
【図７】図４に示す模擬制振装置において発振器の周波数を変えてノッチフィルタを用いたときのモータの電力、コンデンサの電圧および電源から供給される電力の時間変化を示す図。
【符号の説明】
【００２５】
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    コンバータ
７    コンデンサ
８    インバータ
１０  電源制御部
１１  電圧検出部
１２  フィルタ（ノッチフィルタ）
１３  直流平均電圧設定部
１４  比較器
１６  最大電圧設定部
２０  制振制御部
【図１】
0004788908.tif 000002
【図２】
0004788908.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004788908.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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