JP3775563B2

JP3775563B2 - 誘導電動機の制御装置

Info

Publication number: JP3775563B2
Application number: JP2000065958A
Authority: JP
Inventors: 裕司鉄谷; 良和市中; 繁雄中尾
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001157479A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、巻上機の駆動源としての誘導電動機をベクトル制御により可変速制御する誘導電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、この種の誘導電動機をベクトル制御により可変速制御する誘導電動機の制御装置の従来例を示すブロック図である。
【０００３】
図８において、１は速度指令器、２は単一積分器、３は速度調節器、４は磁束指令値演算器、５はベクトル演算器、６は速度検出器、７は交流電源、８はインバータ、９は誘導電動機、１０は負荷、２１は加速度演算器、２２は加速トルク演算回路、２３はトルク設定回路、２４は荷重推定回路、２５はトルク演算回路、２６は速度演算回路、２７は速度指令値変換回路を示す。
【０００４】
この誘導電動機の制御装置において、速度指令器１は誘導電動機９が運転するべき回転速度の速度指令値（Ｎ^#）を指令する。単一積分器２は予め定めた加速勾配（増加値／単位時間）または減速勾配（減少値／単位時間）で前記速度指令値（Ｎ^#）に達する（Ｎ^*＝Ｎ^#）まで増加または減少させる速度設定値（Ｎ^*）を出力する。速度調節器３は前記速度設定値（Ｎ^*）と速度検出器６の検出値（ｎ）との偏差を調節演算して、該偏差を零にするトルク指令値（τ^*）を出力する。磁束指令値演算器４は前記検出値（ｎ）から磁束指令値（φ^*）を演算して出力する。
【０００５】
また、ベクトル演算器５では前記トルク指令値（τ^*）と磁束指令値（φ^*）とからインバータ８をベクトル制御する制御信号を出力し、その結果、交流電源７の電力がインバータ８により所望の電圧と周波数の交流電力に変換され、このインバータ８が出力する交流電力が給電される誘導電動機９は、ベクトル制御により可変速制御することができる。
【０００６】
図９は、前記速度指令値（Ｎ^#）と速度設定値（Ｎ^*）との関係を示すタイムチャートである。
【０００７】
図９において、時刻Ｔ₀で正転方向の速度指令値（Ｎ^#）が発せられると、時刻Ｔ₀から時刻Ｔ₁までの期間は、単一積分器２に設定された加速勾配（増加値／単位時間）に基づいて速度設定値（Ｎ^*）を正転方向に増加させ、時刻Ｔ₁でＮ^*＝Ｎ^#となり、時刻Ｔ₁から速度指令値（Ｎ^#）が零にされる時刻Ｔ₂までの期間は、単一積分器２がＮ^*（＝Ｎ^#）を出力し、時刻Ｔ₂から時刻Ｔ₃までの期間は、単一積分器２に設定された減速勾配（減少値／単位時間）に基づいて速度設定値（Ｎ^*）の正転方向の値を減少させ、時刻Ｔ₃でＮ^*＝０となり、時刻Ｔ₃から速度指令値（Ｎ^#）が逆転方向の速度指令値（Ｎ^#）が発せられる時刻Ｔ₄までの期間は、単一積分器２がＮ^*（＝０）を出力し、時刻Ｔ₄から時刻Ｔ₅までの期間は、該減速勾配に基づいて速度設定値（Ｎ^*）の逆転方向の値を増加させ、時刻Ｔ₅でＮ^*＝Ｎ^#となり、時刻Ｔ₅から速度指令値（Ｎ^#）が零にされる時刻Ｔ₆までの期間は、単一積分器２がＮ^*（＝Ｎ^#）を出力し、時刻Ｔ₆から時刻Ｔ₇までの期間は、該加速勾配に基づいて速度設定値（Ｎ^*）の逆転方向の値を減少させ、時刻Ｔ₇でＮ^*＝０となる。
【０００８】
図１０は、図８に示した従来の誘導電動機の制御装置により、誘導電動機９の負荷１０として、減速機を介して巻上機を駆動するシステムの動作説明図であり、図１０（イ）は巻上機の状態を示し、図１０（ロ）は巻上機を昇降させる誘導電動機９の速度を示し、図１０（ハ）は巻上機の昇降に伴う誘導電動機９の出力トルクを示している。
【０００９】
すなわち時刻ｔ₀以前の期間では荷重（図示のｍ）は地上にあり、このときには誘導電動機９は停止しており（速度＝０）、且つ図示しないブレーキにより制動が掛けられている。
【００１０】
先ず、時刻ｔ₀より巻上機は巻き上げを開始するが、図１０（イ）の紙面左端図は時刻ｔ₀の巻上機の状態を示し、前記ブレーキは時刻ｔ₀の時点で開放され、時刻ｔ₀より時刻ｔ₁までは前記単一積分器２に設定された加速勾配で巻上機の巻き上げ速度（ｖ）を増加させている期間を示している。時刻ｔ₁において
、前記速度指令値（Ｎ^#）と速度設定値（Ｎ^*）とが一致し、時刻ｔ₁より時刻ｔ₂までは巻上機の巻き上げ速度（ｖ）が一定の期間を示している。時刻ｔ₂より時刻ｔ₃までは前記単一積分器２に設定された減速勾配で巻上機の巻き上げ速度（ｖ）を減少させている期間を示している。時刻ｔ₃より時刻ｔ₄までは誘導電動機９は停止しており（速度＝０）、且つ前記ブレーキにより制動が掛けられ、この期間では、図１０（イ）の紙面中央図の如く、荷重（図示のｍ）は空中に停止している。
【００１１】
次に、時刻ｔ₄より時刻ｔ₅までは前記単一積分器２に設定された減速勾配で巻上機の巻き下げ速度（ｖ）を増加させている期間を示している。時刻ｔ₅において、前記速度指令値（Ｎ^#）と速度設定値（Ｎ^*）とが一致し、時刻ｔ₅より時刻ｔ₆までは巻上機の巻き下げ速度（ｖ）が一定の期間を示している。時刻ｔ₆より時刻ｔ₇までは前記単一積分器２に設定された加速勾配で巻上機の巻き下げ速度（ｖ）を減少させている期間を示している。時刻ｔ₇以降の期間では荷重（図示のｍ）は地上にあり、このときには誘導電動機９は停止しており（速度＝０）、且つ前記ブレーキにより制動が掛けられている。図１０（イ）の紙面右端図は時刻ｔ₇の巻上機の状態を示している。
【００１２】
このとき、巻上機の一定走行に必要な誘導電動機９の出力トルク（図示のτ₀）と、巻上機の加速または減速に必要な誘導電動機９の出力トルク（図示のτ₀±τ₁）とは図１０（ハ）に示す関係にある。
【００１３】
次に、加速度演算回路２１と、加速トルク演算回路２２と、トルク設定回路２３と、荷重推定回路２４と、トルク演算回路２５と、速度演算回路２６と、速度指令値変換回路２７とにより、前記システムの運転効率を改善すべく、巻上機の荷重に対して運転可能な最大回転速度の演算について説明する。
【００１４】
図１１は、誘導電動機９の負荷１０としての減速機１０ａを介した巻上機１０ｂと、巻上機１０ｂの荷重（図示のｍ）とからなるシステムを示す構成図である。
【００１５】
図１１において、誘導電動機９が回転速度ｎ〔ｒ／ｍｉｎ〕で回転することで、減速機１０ａを介して巻上機１０ｂが回転し、荷重ｍは速度ｖ〔ｍ／ｍｉｎ〕で上昇，下降する。前記速度設定値（Ｎ^*）が増加または減少している期間、すなわち加減速時における速度調節器３の出力であるトルク指令値（τ^*）と走行トルク（τ₀）と加減速必要トルク（τ₁）とには式（１）の関係がある。
【００１６】
【数１】
τ^*＝τ₀＋τ₁ …（１）
この走行トルク（τ₀）は、式（２）の右辺に示す２つの成分に分解される。
【００１７】
【数２】
τ₀＝τ₀₁＋τ₀₂ …（２）
ここで、τ₀₁：荷重ｍに対する走行トルク
τ₀₂：機械損補償トルク
また、加減速必要トルク（τ₁）は、式（３）の右辺に示す２つの成分に分解される。
【００１８】
【数３】
τ₁＝τ₁₁＋τ₁₂ …（３）
ここで、τ₁₁：荷重ｍに対する加減速必要トルク
τ₁₂：電動機と巻上機に対する加減速必要トルク
上記τ₀₁，τ₁₁，τ₁₂それぞれはこのシステムの機械仕様から式（４）〜式（６）で表すことができる。
【００１９】
【数４】
τ₀₁＝ｍｖ／（２πｎ）〔ｋｇｆｍ〕 …（４）
【００２０】
【数５】
τ₁₁＝（ｍｖ²／２π²ｎ²）・（１／３７５）・Δｎ〔ｋｇｆｍ〕…（５）
【００２１】
【数６】
τ₁₂＝（ＧＤ²／３７５）・Δｎ〔ｋｇｆｍ〕 …（６）
ここで、ｍ：荷重質量〔ｋｇ〕
ｖ：昇降速度〔ｍ／ｍｉｎ〕
ｎ：電動機回転速度〔ｒ／ｍｉｎ〕
Δｎ：電動機回転加速度〔ｒ／ｍｉｎ／ｓ〕
ＧＤ²：電動機軸換算全はずみ車効果〔ｋｇｆｍ²〕
このシステムにおける機械損補償トルクτ₀₂は、減速機１０ａの効率に基づくものが大勢を占めるので、下記式（７）で得られる値をトルク設定回路２３に予めプリセットする。
【００２２】
【数７】
τ₀₂＝｛減速機定格出力×（１−減速機効率）／電動機定格出力｝
×電動機定格トルク〔ｋｇｆｍ〕 …（７）
なお、機械損補償トルクτ₀₂は誘導電動機９の回転方向によりその極性が異なるので、トルク設定回路２３には速度検出器６の検出値（ｎ）を取り込み、極性を持った機械損補償トルクτ₀₂を出力するようにしている（図１４参照）。
【００２３】
前記式（６）の電動機と巻上機に対する加減速必要トルクτ₁₂は、予め設定できる電動機軸換算全はずみ車効果（ＧＤ²）と、後述の加速度演算回路２１で得られる加速度（Δｎ）とに基づく乗算演算を加速トルク演算回路２２で行う。
【００２４】
加速度演算回路２１では、式（８）の演算を行っている。
【００２５】
【数８】
Δｎ＝（ｎ_k−ｎ_(k-1)）／Ｔ_S〔ｒ／ｍｉｎ／ｓ〕 …（８）
ここで、ｎ_k：今回の電動機速度検出値〔ｒ／ｍｉｎ〕
ｎ_(k-1)：前回の電動機速度検出値〔ｒ／ｍｉｎ〕
Ｔ_S：検出周期〔ｓ〕
なお、速度調節器３により速度設定値（Ｎ^*）と速度検出値（ｎ）との偏差が常に零になるように制御されているので、加速度（Δｎ）として単一積分器２に設定されている値を用いて行うこともできる。
【００２６】
トルク設定回路２３の出力の機械損補償トルクτ₀₂と加速トルク演算回路２２の出力の加減速必要トルクτ₁₂とを、前記式（１）〜式（３）に代入することにより、式（９）が得られる。
【００２７】
【数９】
τ₀₁＋τ₁₁＝τ^*−τ₀₂−τ₁₂ …（９）
すなわち、前記式（４）と式（５）と式（９）とには、式（４）＋式（５）＝式（９）の関係があるので、この関係式に基づいて荷重推定回路２４では荷重ｍを求める演算を行っている。
【００２８】
またトルク演算回路２５において、荷重推定回路２４で得られた荷重ｍの推定値と前記式（４）とから荷重ｍに対する走行トルクτ₀₁が求まり、同様に前記式（５）とから荷重ｍに対する加減速必要トルクτ₁₁が求まる。
【００２９】
次に、速度演算回路２６での誘導電動機９の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める演算について説明をする。
【００３０】
先ず、加速トルク演算回路２２の演算値（τ₁₂）とトルク設定回路２３の設定値（τ₀₂）とトルク演算回路２５の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、巻上機１０ｂを加減速に必要な誘導電動機９の出力トルクの最大値（τ_M1）とには式（１０）の関係がある（図１０参照）。
【００３１】
【数１０】
τ_M1＝｜τ₀₁＋τ₀₂｜＋｜τ₁₁＋τ₁₂｜ …（１０）
次に、図１２に示す誘導電動機９の短時間運転許容トルク−回転速度特性図（第１象限のみを図示）における前記τ_M1に対応する誘導電動機９の速度値（Ｎ₀₁ ^#）を求める。
【００３２】
なおこの速度値（Ｎ₀₁ ^#）は、式（１１）の関係にある。
【００３３】
【数１１】
Ｎ₀₁ ^#＝（τ_A／τ_M1）・Ｎ_B …（１１）
ここで、Ｎ_B：電動機定格速度
τ_A：電動機定格速度の短時間運転許容トルク
また、昇降距離の長いシステムを適用する場合には、定速で昇降させる時間も長くなることから巻上機１０ｂを定速運転に必要な誘導電動機９の出力トルクの最大値（τ_M2）は、式（１２）の関係にある（図１０参照）。
【００３４】
【数１２】
τ_M2＝｜τ₀₁＋τ₀₂｜ …（１２）
このときには、図１３に示す誘導電動機９の連続運転許容トルク−回転速度特性図（第１象限のみを図示）における前記τ_M2に対応する誘導電動機９の速度値（Ｎ₀₂ ^#）を求める。
【００３５】
なおこの速度値（Ｎ₀₂ ^#）は、式（１３）の関係にある。
【００３６】
【数１３】
Ｎ₀₂ ^#＝（τ_B／τ_M2）・Ｎ_B …（１３）
ここで、Ｎ_B：電動機定格速度
τ_B：電動機定格速度の連続運転許容トルク
すなわち、速度演算回路２６では前記Ｎ₀₁ ^#またはＮ₀₂ ^#のいずれか小さい方の値を誘導電動機９の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）として出力する。または、このシステムの動作モードに合わせて、当該する前記Ｎ₀₁ ^#またはＮ₀₂ ^#のいずれか一方の値を選択して、誘導電動機９の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）として出力する。
【００３７】
さらに、速度指令値変換回路２７では速度指令器１の指令値（Ｎ^#）または速度演算回路２６の演算値（Ｎ₀ ^#）のいずれか大きい方の値を新たな速度指令値（Ｎ^#）として、単一積分器２に出力する。
【００３８】
上述の荷重推定回路２４で推定した荷重、誘導電動機９の短時間及び連続の許容トルクー速度特性などから誘導電動機９の運転可能最大速度を算定し、この速度で運転することにより、例えば、クレーンに備える巻上機を駆動するシステムなどにこの誘導電動機の制御装置を適用すると、該巻上機を軽荷重で昇降させる際にはより高速で昇降させるなど、運転効率の改善がなされる。
【００３９】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示した従来の巻上機を駆動する誘導電動機の制御装置によると、下記▲１▼〜▲４▼項に記載するような問題点があった。
▲１▼．誘導電動機の加速動作中に、加減速必要トルクを演算するようにしているが単一積分器に設定された前記加速勾配よりも減速勾配が大きい設定条件の場合では、適正な加減速必要トルクを演算できない。
▲２▼．巻上機により荷重を上昇させる場合と下降させる場合とでは、走行トルクと機械損補償トルクの極性の関係が違うため、それぞれ異なった値の運転可能最大速度を演算していた。すなわち、下降させる場合の運転可能最大速度が上昇させる場合の値より大きくなり、例えばクレーンに備える巻上機において、このクレーンの操作員に違和感を与える場合があった。
▲３▼．例えばクレーンに備える巻上機などでは、定格荷重時の定格速度が安全上の仕様として定められているため、演算された運転可能最大速度で上昇させると前記仕様を逸脱する場合があった。
▲４▼．運転可能最大速度指令値の演算は加速動作中に行うようにしているため、例えば負荷外乱（強風などによる負荷の揺動，ロープのたるみなど）で演算値にバラツキが生ずる場合があった。
【００４０】
この発明の目的は上記問題点を解決し、前記システムの使い勝手を良くできる誘導電動機の制御装置を提供することにある。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は、インバータで給電される誘導電動機が減速機を介して巻上機を駆動するシステムであって、前記誘導電動機に指令される速度指令値（Ｎ^#）に基づき、現在の速度設定値（Ｎ^*）を所定の加速勾配（増加値／単位時間）または所定の減速勾配（減少値／単位時間）で該速度指令値（Ｎ^#）に達する（Ｎ^*＝Ｎ^#）まで増加または減少させる速度設定値（Ｎ^*）と、該誘導電動機の速度検出値（ｎ）との偏差を調節演算して得られるトルク指令値（τ^*）と
、該速度検出値（ｎ）から演算して得られる磁束指令値（φ^*）とによるベクトル演算をし、このベクトル演算値に基づき前記インバータを介して該誘導電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出値（ｎ）から前記誘導電動機の加速度（Δｎ）を演算する加速度演算回路と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記誘導電動機の軸換算の全はずみ車効果（ＧＤ²）として予め設定される値と、前記加速勾配と減速勾配の関係とに基づいて、該誘導電動機と巻上機に対する加減速必要トルク（τ₁₂）を演算する加速トルク演算回路と、前記システムの機械損最大値に対応する機械損補償トルク（τ₀₂）を予め設定するトルク設定回路と、前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）と、誘導電動機の回転速度（ｎ）と、該回転速度（ｎ）時の巻上機の昇降速度（ｖ）とに基づいて、該巻上機が昇降させている荷重（ｍ）を推定する荷重推定回路と、荷重推定回路の推定値（ｍ）と
、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記加速勾配と減速勾配の関係とに基づいて、前記荷重（ｍ）に対する走行トルク（τ₀₁）と加減速必要トルク（τ₁₁）とを演算するトルク演算回路と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）とトルク演算回路の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、前記誘導電動機の短時間及び連続の許容トルク−速度特性と、前記荷重に対する走行トルク−速度特性とから該誘導電動機の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める速度演算回路と、前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を新たな速度指令値（Ｎ^#）とする速度指令値変換回路とを備えたことを特徴とする。
【００４２】
また第２の発明は前記誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出値（ｎ）から前記誘導電動機の加速度（Δｎ）を演算する加速度演算回路と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記誘導電動機の軸換算の全はずみ車効果（ＧＤ²）として予め設定される値とに基づいて、該誘導電動機と巻上機に対する加減速必要トルク（τ₁₂）を演算する加速トルク演算回路と、前記システムの機械損最大値に対応する機械損補償トルク（τ₀₂）を予め設定するトルク設定回路と、前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）と、誘導電動機の回転速度（ｎ）と、該回転速度（ｎ）時の巻上機の昇降速度（ｖ）とに基づいて、該巻上機が昇降させている荷重（ｍ）を推定する荷重推定回路と、荷重推定回路の推定値（ｍ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）とに基づいて、前記荷重（ｍ）に対する走行トルク（τ₀₁）と加減速必要トルク（τ₁₁）とを演算するトルク演算回路と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）とトルク演算回路の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、前記誘導電動機の短時間及び連続の許容トルク−速度特性と、前記荷重に対する走行トルク−速度特性とから該誘導電動機の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める速度演算回路と、前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を新たな速度指令値（Ｎ^#）とする速度指令値変換回路とを備えたことを特徴とする。
【００４３】
また第３の発明は前記誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出値（ｎ）から前記誘導電動機の加速度（Δｎ）を演算する加速度演算回路と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記誘導電動機の軸換算の全はずみ車効果（ＧＤ²）として予め設定される値とに基づいて、該誘導電動機と巻上機に対する加減速必要トルク（τ₁₂）を演算する加速トルク演算回路と、前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、誘導電動機の回転速度（ｎ）と、該回転速度（ｎ）時の巻上機の昇降速度（ｖ）と、予め設定される前記システムの機械効率（η）とに基づいて該誘導電動機が出力するトルクが駆動トルクか制動トルクかを判別し、この判別結果を伝達係数（κ）として出力する伝達係数演算回路と、前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、伝達係数演算回路の演算値（κ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）とに基づいて、該巻上機が昇降させている荷重（ｍ）を推定する荷重推定回路と、荷重推定回路の推定値（ｍ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）とに基づいて、前記荷重（ｍ）に対する走行トルク（τ₀₁）と加減速必要トルク（τ₁₁）とを演算するトルク演算回路と、前記巻上機の定格昇降速度（Ｖ）と、定格荷重（Ｍ）と、前記機械効率（η）と、前記誘導電動機の定格出力（Ｐ）とから該巻上機の機械仕様に基づく走行トルク−速度特性を演算するトルク−速度パターン演算回路と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク演算回路の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、前記誘導電動機の短時間及び連続の許容トルク−速度特性と
、前記走行トルク−速度パターンの演算値とから該誘導電動機の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める速度演算回路と、前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を新たな速度指令値（Ｎ^#）とする速度指令値変換回路とを備えたことを特徴とする。
【００４４】
さらに第４の発明は前記第１乃至第３のいずれかの発明において、
前記速度演算回路から速度指令値変換回路への経路に、予め設定した前記誘導電動機の速度範囲における前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）の平均値を演算し、この平均値を新たな運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）とする平均値演算回路を挿設したことを特徴とする。
【００４５】
この発明によれば、後述の如く、前記システムの使い勝手を良くすることができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図であり、図８に示した従来例ブロック図と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００４７】
すなわち図１においては、図８に示した加速トルク演算回路２２とトルク演算回路２５と速度演算回路２６とに代えて、加速トルク演算回路３０とトルク演算回路３１と速度演算回路３２とを備えている。
【００４８】
先ず加速トルク演算回路３０では、単一積分器２から前記加速勾配と減速勾配とを読み取り、加速勾配≧減速勾配に設定されているときには前述の式（６）による演算値τ₁₂を出力し、加速勾配＜減速勾配に設定されているときには下記式（１４）による演算値τ₁₂を出力する。
【００４９】
【数１４】

次にトルク演算回路３１では、単一積分器２から前記加速勾配と減速勾配とを読み取り、加速勾配≧減速勾配に設定されているときには前述の式（５）による演算値τ₁₁を出力し、加速勾配＜減速勾配に設定されているときには下記式（１５）による演算値τ₁₁を出力する。
【００５０】
【数１５】
τ₁₁＝（ｍｖ²／２π²ｎ²）・（１／３７５）・Δｎ
×( 減速勾配／加速勾配）〔ｋｇｆｍ〕 …（１５）
すなわち、上述の加速トルク演算回路３０とトルク演算回路３１とにより、加減速必要トルクτ₁（＝τ₁₁＋τ₁₂）をより適正な値にすることができる。
【００５１】
さらに速度演算回路３２では、巻上機の上昇動作時と下降動作時の速度を一致させるためと、荷重が定格値付近では必ず定格速度で運転するために、前述の式（１１）による速度値Ｎ₀₁ ^#と式（１３）による速度値Ｎ₀₂ ^#の導出に加えて、後述の速度値Ｎ₀₃ ^#を導出し、これらＮ₀₁ ^#，Ｎ₀₂ ^#，Ｎ₀₃ ^#の内いずれか最小値を運転可能最大速度指令値Ｎ₀ ^#として出力している。
【００５２】
この速度演算回路３２における速度値Ｎ₀₃ ^#の導出について、図２，図３に示す特性図を参照しつつ、以下に説明する。
【００５３】
図２は、定格荷重付近では必ず定格速度で運転するための誘導電動機９の許容トルク（τ_C）−回転速度の特性図（第１象限のみ図示）であり、この許容トルクτ_Cは下記式（１６）で表される。
【００５４】
【数１６】
τ_C＝τ_A・Ｋ₁ …（１６）
ここで、τ_A：誘導電動機９の定格速度時の連続運転許容トルク
Ｋ₁：定格荷重時の走行トルクの電動機定格トルクに対する比率
図２に示したτ_K2は、定格荷重付近では必ず定格速度が速度値として導出されるための値であり、予め設定した比率Ｋ₂を用いた式（１７）で表される。
【００５５】
【数１７】
τ_K2＝τ_C・Ｋ₂ …（１７）
また図２に示したτ_K3は、電動機最高速度（Ｎ_MAX）におけるトルクで式（１８）で表される。
【００５６】
【数１８】
τ_K3＝τ_C・Ｎ_B／Ｎ_MAX …（１８）
ここで、Ｎ_B：電動機定格速度
誘導電動機９が定格速度（Ｎ_B）から最高速度（Ｎ_MAX）までの間における許容トルクは、下記式（１９）で表される。
【００５７】
【数１９】
許容トルク＝τ_C・（ｎ／Ｎ_MAX）・Ｋ_x …（１９）
ここで、ｎ：電動機の回転速度
Ｋ_x：図３に示す前記ｎ−Ｋ_x特性図から得られる値
すなわち、図２に示す前述の荷重ｍに対する走行トルク（τ₀₁）に対応する誘導電動機９の速度値（Ｎ₀₃ ^#）を求めれば、巻上機の上昇動作時と下降動作時の速度値を一致させることができる。
【００５８】
なお、この速度値（Ｎ₀₃ ^#）は、τ₀₁≧τ_K2のときにはＮ₀₃ ^#＝Ｎ_Bとなり、τ₀₁＜τ_K2のときには、式（２０）で示すＮ₀₃ ^#となる。
【００５９】
【数２０】
Ｎ₀₃ ^#＝（τ_C・Ｋ_x／τ₀₁）・Ｎ_B …（２０）
さらに速度演算回路３２では、このシステムの動作モードに合わせて、当該する前記Ｎ₀₁ ^#またはＮ₀₂ ^#またはＮ₀₃ ^#のいずれか一つの値を選択して、誘導電動機９の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）として出力することもできる。
【００６０】
図４は、この発明の第２の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図であり、図１に示した実施例ブロック図と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００６１】
すなわち、この誘導電動機の制御装置では図１に示した速度演算回路３２から速度指令値変換回路２７への経路に、平均値演算回路３３を挿設している。
【００６２】
この平均値演算回路３３では単一積分器２から出力される速度指令値（Ｎ^*）に対し、予め設定した演算開始速度から電動機の定格速度（Ｎ_B）に到達するまでの間、速度演算回路３２が出力する運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）の平均値を演算し、この平均値を新たな運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）として出力することで、強風などによる荷重の揺動，ロープのたるみなどに起因した演算値のバラツキを抑制している。
【００６３】
図５は、この発明の第３の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図であり、図１，図４，図８に示したブロック図と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００６４】
すなわち、この誘導電動機の制御装置では図８に示した速度演算回路２６に代えて上述の速度演算回路３２を備え、さらに速度演算回路３２から速度指令値変換回路２７への経路に、上述の平均値演算回路３３を挿設している。
【００６５】
例えば、クレーンに備える巻上機を駆動するシステムなどに図５に示した誘導電動機の制御装置を適用すると、該巻上機を軽荷重で昇降させる際にはより高速で昇降させるなどの運転効率の改善がなされ、また、該巻上機の上昇動作時と下降動作時の速度値を一致させることができ、さらに、強風などによる荷重の揺動，ロープのたるみなどに起因した演算値のバラツキを抑制している。
【００６６】
図６は、この発明の第４の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図であり、図８に示した従来例ブロック図と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００６７】
すなわち、この誘導電動機の制御装置では図８に示したトルク設定回路２３と荷重推定回路２４と速度演算回路２６とに代えて、伝達係数演算回路４１と荷重推定回路４２とトルク−速度パターン演算回路４３と速度演算回路４４とを備えている。
【００６８】
先ず伝達係数演算回路４１では、速度調節器３からのトルク指令値（τ^*）と加速トルク演算回路２２からの演算値（τ₁₂）との減算演算（τ^*−τ₁₂）を行ない、この演算値の極性と速度検出器６の検出値（ｎ）の極性との関係及びこのシステムの機械効率（η）から、誘導電動機９が駆動中であれば伝達係数（κ）として「１／η」を出力し、また、誘導電動機９が制動中であれば伝達係数（κ）として「η」を出力する。
【００６９】
また、加減速時における速度調節器３の出力であるトルク指令値（τ^*）と走行トルク（τ₀）と加減速必要トルク（τ₁）との間には先述の式（１）の関係があり、さらに前記伝達係数（κ）との関係は下記式（２１），（２２）で表される。
【００７０】
【数２１】
τ₀＝τ₀₁・κ …（２１）
ここで、τ₀₁：荷重ｍに対する走行トルク
【００７１】
【数２２】
τ₁＝τ₁₁・κ＋τ₁₂ …（２２）
ここで、τ₁₁：荷重ｍに対する加減速必要トルク
τ₁₂：電動機と巻上機に対する加減速必要トルク
従って、式（１）と式（２１）と式（２２）とから、式（２３）の関係が導出される。
【００７２】
【数２３】
τ₀₁・κ＋τ₁₁・κ＝τ^*−τ₁₂ …（２３）
すなわち、先述の「式（４）＋式（５）」に伝達係数（κ）を乗じた値が上記式（２３）の関係にあることから、荷重推定回路４２では、これらの関係式に基づいて、荷重ｍを求める演算を行っている。
【００７３】
次にトルク−速度パターン演算回路４３，速度演算回路４４の動作について説明する。
【００７４】
この巻上機の機械仕様を満たすために、定格荷重では必ず定格速度が運転可能最大速度として演算できるように、先述の図２に示した許容トルク−回転速度の特性図を設けている。
【００７５】
図２に示すτ_K2は下記式（２４）の関係にある。
【００７６】
【数２４】

すなわちトルク−速度パターン演算回路４３では上記式（２４）から導出されるτ_K2により図２に示す如き走行トルク−速度パターンを演算して出力し、速度演算回路４４では先述の式（１１）による速度値Ｎ₀₁ ^#と式（１３）による速度値Ｎ₀₂ ^#の導出に加えて、トルク−速度パターン演算器４３の演算パターンに基づいて、前記荷重ｍに対する走行トルク（τ₀₁）に対応する誘導電動機９の速度値（Ｎ₀₃ ^#）を求め、これらＮ₀₁ ^#，Ｎ₀₂ ^#，Ｎ₀₃ ^#の内いずれか最小値を運転可能最大速度指令値Ｎ₀ ^#として出力することにより、巻上機の上昇動作時と下降動作時の速度値を一致させることができる。
【００７７】
なお、この速度値（Ｎ₀₃ ^#）は、τ₀₁≧τ_K2のときにはＮ₀₃ ^#＝Ｎ_Bとなり、τ₀₁＜τ_K2のときには、先述の式（２０）で示すＮ₀₃ ^#となる。
【００７８】
さらに速度演算回路４４では、このシステムの動作モードに合わせて、当該する前記Ｎ₀₁ ^#またはＮ₀₂ ^#またはＮ₀₃ ^#のいずれか一つの値を選択して、誘導電動機９の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）として出力することもできる。
【００７９】
その結果、この誘導電動機の制御装置では、巻上機の機械仕様を取り込むことで内部演算精度が改善され、荷重に応じた最適な速度パターンが得られる。
【００８０】
図７は、この発明の第５の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図であり、図６に示した実施例ブロック図と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００８１】
すなわち、この誘導電動機の制御装置では図６に示した速度演算回路４４から速度指令値変換回路２７への経路に、平均値演算回路４５を挿設している。
【００８２】
この平均値演算回路４５では単一積分器２から出力される速度指令値（Ｎ^*）に対し、予め設定した演算開始速度から電動機の定格速度（Ｎ_B）に到達するまでの間、速度演算回路４４が出力する運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）の平均値を演算し、この平均値を新たな運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）として出力することで、強風などによる荷重の揺動，ロープのたるみなどに起因した演算値のバラツキを抑制している。
【００８３】
なお、図１，図４〜図７に示した実施例の説明では、カウンタウェイト無しで誘導電動機９に速度検出器６を備えたシステムの例について述べたが、この発明はカウンタウェイトを備えるシステムにも適用可能であり、また、この発明は速度検出器６を省略した、いわゆる、速度センサレスベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置にも適用可能であり、さらに、この発明は電動機として同期電動機または直流電動機の制御装置にも適用可能である。
【００８４】
【発明の効果】
この発明によれば、上述の荷重推定回路で推定した荷重，誘導電動機の短時間及び連続の許容トルクー速度特性などから該誘導電動機の運転可能最大速度を導出し、この速度で運転しつつ、且つ、定格荷重のときには定格速度以内で運転できることから、例えばクレーンに備える巻上機などにこの誘導電動機の制御装置を適用したときに、使い勝手の良いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図
【図２】図１の動作を説明する特性図
【図３】図１の動作を説明する特性図
【図４】この発明の第２の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図
【図５】この発明の第３の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図
【図６】この発明の第４の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図
【図７】この発明の第５の実施例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図
【図８】従来例を示す誘導電動機の制御装置のブロック図
【図９】図８の動作を説明するタイムチャート
【図１０】図８の動作を説明する特性図
【図１１】図８の動作を説明する構成図
【図１２】図８の動作を説明する特性図
【図１３】図８の動作を説明する特性図
【図１４】図８の動作を説明する特性図
【符号の説明】
１…速度指令器、２…単一積分器、３…速度調節器、４…磁束指令値演算器、５…ベクトル演算器、６…速度検出器、７…交流電源、８…インバータ、９…誘導電動機、１０…負荷、２１…加速度演算回路、２２，３０…加速トルク演算回路、２３…トルク設定回路、２４，４２…荷重推定回路、２５，３１…トルク演算回路、２６，３２，４４…速度演算回路、２７…速度指令値変換回路、３３，４５…平均値演算回路、４１…伝達係数演算回路、４３…トルク−速度パターン演算回路。

Claims

インバータで給電される誘導電動機が減速機を介して巻上機を駆動するシステムであって、
前記誘導電動機に指令される速度指令値（Ｎ^#）に基づき、現在の速度設定値（Ｎ^*）を所定の加速勾配（増加値／単位時間）または所定の減速勾配（減少値／単位時間）で該速度指令値（Ｎ^#）に達する（Ｎ^*＝Ｎ^#）まで増加または減少させる速度設定値（Ｎ^*）と、該誘導電動機の速度検出値（ｎ）との偏差を調節演算して得られるトルク指令値（τ^*）と、該速度検出値（ｎ）から演算して得られる磁束指令値（φ^*）とによるベクトル演算をし、このベクトル演算値に基づき前記インバータを介して該誘導電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出値（ｎ）から前記誘導電動機の加速度（Δｎ）を演算する加速度演算回路と、
加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記誘導電動機の軸換算の全はずみ車効果（ＧＤ²）として予め設定される値と、前記加速勾配と減速勾配の関係とに基づいて、該誘導電動機と巻上機に対する加減速必要トルク（τ₁₂）を演算する加速トルク演算回路と、
前記システムの機械損最大値に対応する機械損補償トルク（τ₀₂）を予め設定するトルク設定回路と、
前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）と、誘導電動機の回転速度（ｎ）と、該回転速度（ｎ）時の巻上機の昇降速度（ｖ）とに基づいて、該巻上機が昇降させている荷重（ｍ）を推定する荷重推定回路と、
荷重推定回路の推定値（ｍ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記加速勾配と減速勾配の関係とに基づいて、前記荷重（ｍ）に対する走行トルク（τ₀₁）と加減速必要トルク（τ₁₁）とを演算するトルク演算回路と、
加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）とトルク演算回路の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、前記誘導電動機の短時間及び連続の許容トルク−速度特性と、前記荷重に対する走行トルク−速度特性とから該誘導電動機の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める速度演算回路と、
前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を新たな速度指令値（Ｎ^#）とする速度指令値変換回路とを備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
インバータで給電される誘導電動機が減速機を介して巻上機を駆動するシステムであって、
前記誘導電動機に指令される速度指令値（Ｎ^#）に基づき、現在の速度設定値（Ｎ^*）を所定の加速勾配（増加値／単位時間）または所定の減速勾配（減少値／単位時間）で該速度指令値（Ｎ^#）に達する（Ｎ^*＝Ｎ^#）まで増加または減少させる速度設定値（Ｎ^*）と、該誘導電動機の速度検出値（ｎ）との偏差を調節演算して得られるトルク指令値（τ^*）と、該速度検出値（ｎ）から演算して得られる磁束指令値（φ^*）とによるベクトル演算をし、このベクトル演算値に基づき前記インバータを介して該誘導電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出値（ｎ）から前記誘導電動機の加速度（Δｎ）を演算する加速度演算回路と、
加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記誘導電動機の軸換算の全はずみ車効果（ＧＤ²）として予め設定される値とに基づいて、該誘導電動機と巻上機に対する加減速必要トルク（τ₁₂）を演算する加速トルク演算回路と、
前記システムの機械損最大値に対応する機械損補償トルク（τ₀₂）を予め設定するトルク設定回路と、
前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）と、誘導電動機の回転速度（ｎ）と、該回転速度（ｎ）時の巻上機の昇降速度（ｖ）とに基づいて、該巻上機が昇降させている荷重（ｍ）を推定する荷重推定回路と、
荷重推定回路の推定値（ｍ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）とに基づいて、前記荷重（ｍ）に対する走行トルク（τ₀₁）と加減速必要トルク（τ₁₁）とを演算するトルク演算回路と、
加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク設定回路の設定値（τ₀₂）とトルク演算回路の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、前記誘導電動機の短時間及び連続の許容トルク−速度特性と、前記荷重に対する走行トルク−速度特性とから該誘導電動機の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める速度演算回路と、
前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を新たな速度指令値（Ｎ^#）とする速度指令値変換回路とを備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
インバータで給電される誘導電動機が減速機を介して巻上機を駆動するシステムであって、
前記誘導電動機に指令される速度指令値（Ｎ^#）に基づき、現在の速度設定値（Ｎ^*）を所定の加速勾配（増加値／単位時間）または所定の減速勾配（減少値／単位時間）で該速度指令値（Ｎ^#）に達する（Ｎ^*＝Ｎ^#）まで増加または減少させる速度設定値（Ｎ^*）と、該誘導電動機の速度検出値（ｎ）との偏差を調節演算して得られるトルク指令値（τ^*）と、該速度検出値（ｎ）から演算して得られる磁束指令値（φ^*）とによるベクトル演算をし、このベクトル演算値に基づき前記インバータを介して該誘導電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出値（ｎ）から前記誘導電動機の加速度（Δｎ）を演算する加速度演算回路と、
加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、前記誘導電動機の軸換算の全はずみ車効果（ＧＤ²）として予め設定される値とに基づいて、該誘導電動機と巻上機に対する加減速必要トルク（τ₁₂）を演算する加速トルク演算回路と、
前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、誘導電動機の回転速度（ｎ）と、該回転速度（ｎ）時の巻上機の昇降速度（ｖ）と、予め設定される前記システムの機械効率（η）とに基づいて該誘導電動機が出力するトルクが駆動トルクか制動トルクかを判別し、この判別結果を伝達係数（κ）として出力する伝達係数演算回路と、
前記トルク指令値（τ^*）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）と、加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、伝達係数演算回路の演算値（κ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）とに基づいて、該巻上機が昇降させている荷重（ｍ）を推定する荷重推定回路と、
荷重推定回路の推定値（ｍ）と、前記回転速度（ｎ）と、前記昇降速度（ｖ）と、加速度演算回路の演算値（Δｎ）とに基づいて、前記荷重（ｍ）に対する走行トルク（τ₀₁）と加減速必要トルク（τ₁₁）とを演算するトルク演算回路と、
前記巻上機の定格昇降速度（Ｖ）と、定格荷重（Ｍ）と、前記機械効率（η）と、前記誘導電動機の定格出力（Ｐ）とから該巻上機の機械仕様に基づく走行トルク−速度特性を演算するトルク−速度パターン演算回路と、
加速トルク演算回路の演算値（τ₁₂）と、トルク演算回路の演算値（τ₀₁，τ₁₁）と、前記誘導電動機の短時間及び連続の許容トルク−速度特性と、前記走行トルク−速度パターンの演算値とから該誘導電動機の運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を求める速度演算回路と、
前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）を新たな速度指令値（Ｎ^#）とする速度指令値変換回路とを備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘導電動機の制御装置において、
前記速度演算回路から速度指令値変換回路への経路に、予め設定した前記誘導電動機の速度範囲における前記運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）の平均値を演算し、この平均値を新たな運転可能最大速度指令値（Ｎ₀ ^#）とする平均値演算回路を挿設したことを特徴とする誘導電動機の制御装置。