JP5972060B2 - ドライブシステムの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、抄紙機等に用いられる電動機を制御するインバータ装置、及びこのインバータ装置に直流電力を供給するコンバータ装置を用いたドライブシステムの制御装置に関する。

電動機を制御するインバータ装置、及びこのインバータ装置に直流電力を供給するコンバータ装置を用いたドライブシステムが各種産業分野において広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。このドライブシステムは、交流電源から供給される交流電力をコンバータ装置により直流電力に変換し、この直流電力をインバータ装置に供給して、インバータ装置による可変電圧可変周波数制御により、電動機の回転速度、出力トルク等を制御している。

特開２０１０−２５９２２７号公報

このようなドライブシステムとして抄紙機のドライブシステムが知られている。抄紙機のドライブシステムでは、抄紙機のロールを駆動する電動機の回転速度、出力トルク等を、インバータ装置からの可変電圧可変周波数出力により制御している。この場合、その抄紙機で生産可能な最高抄速（設計抄速）でドライブシステムの運転効率が最適となるようにシステム設計が成されている。すなわち、ドライブシステムにおけるコンバータ装置の直流出力電圧は、最高抄速（設計抄速）での運転に合わせて一定値に制御されている。

ところで、抄紙機は、通常、１種類の紙を生産するだけではなく、複数種の紙の生産に用いられる。この場合、紙種により抄速が異なるため、電動機の実運転速度は紙種に応じて変化する。しかしながら、ドライブシステムにおけるコンバータ装置の直流出力電圧は、最高抄速（設計抄速）での運転に合わせて一定値に制御されているので、運転効率の上で最適な状態で運転することが困難であった。

すなわち、抄紙機のドライブシステムでは、抄紙機の最高抄速（設計抄速）に合わせて最適設計されており、低抄速の運転においても、コンバータ装置の直流出力電圧が一定値（定格値）であるため、電動機の高調波損失、インバータ装置のスイッチング損失などは、設計抄速運転時と比べて低い抄速に見合った程、軽減されていない。前述のように、実際の抄紙機の運転では、製品紙の銘柄（種類）により操業条件に幅があり、操業抄速が設計抄速を大きく下回る場合も多々ある。この場合、ドライブシステムの運転効率は最適化されていないこととなる。

本発明の目的は、コンバータ装置からインバータ装置に供給される直流出力電圧を、インバータ装置出力により駆動される電動機の回転速度に合わせて可変にすることで、運転効率を改善したドライブシステムの制御装置を提供することにある。

本発明に係るドライブシステムの制御装置は、交流電力をコンバータ装置により可変電圧の直流電力に変換し、この直流電力をインバータ装置により可変電圧可変周波数の交流電力に逆変換し、この逆変換された可変電圧可変周波数の交流電力により電動機を駆動するドライブシステムの制御装置であって、前記コンバータ装置への入力電力と前記インバータ装置から出力される前記電動機の運転電力とから前記ドライブシステムの効率を所定周期で演算するシステム全体効率演算回路と、生産対象の種別に応じた回転速度で運転される電動機の回転速度に応じた前記コンバータ装置の直流出力電圧を発生させるための電圧指令値が、前記電動機の回転速度に対応して設定されており、前記電動機の回転速度に対応した電圧指令値を出力する可変電圧指令器と、 前記所定周期毎に前記システム全体効率演算回路が演算した今回効率演算値を前回効率演算値と比較し、前回周期から今回周期への全体効率の変化に基づき、次回周期でのシステム全体効率が上昇する方向に、前記コンバータ装置への直流電圧指令値に補正指令値を与える効率比較回路とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、実操業速度において、システムの全体効率が最適となる直流出力電圧でドライブシステムを制御できる。すなわち、中低速運転時、コンバータ装置の直流出力電圧を制御することにより、ドライブシステムの電力変換素子のスイッチング損失、電動機の高調波損失が低減できる。その結果、システム全体の効率が向上し、省エネルギーの効果が期待できる。

一般的な抄紙機のドライブシステムを示す図である。 本発明で用いるドライブシステムの一例を示す回路図である。 本発明で用いるドライブシステムの他の例を示す回路図である。 本発明の一実施の形態にかかるドライブシステムの制御装置を示す回路図である。 本発明で用いるインバータ装置の出力電圧電流波形と直流入力電圧との関係を説明する波形図である。 本発明の一実施の形態におけるインバータの直流入力電圧とシステム効率との関係を説明する特性図である。 本発明の一実施の形態における最大効率点の探索動作を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図1は、一般的な抄紙機のドライブシステムの概略構成を示している。図1において、製品紙１１は、複数のロール１２により、所定の抄速ｓで、所定の張力ｔを保って送られる。各ロール１２は、対応する電動機１３に、必要に応じて変速機を介して結合しており、この電動機１３により回転駆動される。電動機１３は、コンバータ装置１４及びインバータ装置１５を有するドライブシステムにより運転制御される。コンバータ装置１４は、交流電源１７から供給される交流電力を直流電力に変換する。インバータ装置１５は、コンバータ装置１４から供給される直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に逆変換し、その交流出力により電動機１３の回転速度、出力トルク等を制御する。

図２は本発明の一実施の形態に係るドライブシステムの主回路構成例を示している。このドライブシステムは、図１で示した抄紙機に適用されるものであり、図１に対応する部分には同一の符号を付している。

このドライブシステムのコンバータ装置１４は、逆並列サイリスタコンバータ２１を有し、その入力側は交流リアクトル２２を介して交流電源１７と接続している。また、出力側には直流リアクトル２３及び出力コンデンサ２４が接続されており、交流電源１７から供給される交流電力を可変電圧の直流電力に変換し、出力コンデンサ２４の両端から出力する。すなわち、出力コンデンサ２４両端の出力電圧ｖ（Ｕｄｃ）は、任意の値に変化させることができる。

なお、コンバータ装置１４には、上述した逆並列サイリスタコンバータ２１の他に、図示しないが、一方向サイリスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いたもの、さらには、図３に示すようなダイオードコンバータ３１とチョッパ回路３２とを用いて直流可変電圧出力を得るものを用いてもよい。

インバータ装置１５は、ＩＧＢＴとフライホイールダイオードとで構成されている。このインバータ装置１５は、コンバータ装置１４から供給される直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に逆変換して出力する。すなわち、インバータ装置１５は、その交流出力により電動機１３を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御し、その回転速度、出力トルク等を制御する。

この発明では、コンバータ装置１４からインバータ装置１５に供給される直流出力電圧を、インバータ装置１５の出力により駆動される電動機１３の回転速度に合わせて可変にすることで、運転効率を改善することを目的としており、そのためのドライブシステムの制御装置を図４により説明する。

ここで、制御対象となるドライブシステムは、図１または図３で示したものと同じであり、対応する部分には同じ符号を付している。すなわち、このドライブシステムは、交流電源１７から供給される交流電力を直流可変電圧の直流電力に変換するコンバータ装置１４と、このコンバータ装置１４から出力される直流電力を、交流可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置１５とを有し、このインバータ装置１５から出力される交流可変電圧可変周波数の交流電力により電動機１３を駆動するものである。

そして、その制御装置は、電動機運転電力演算回路４１、システム全体効率演算回路４２、効率比較回路４３、可変電圧指令器４４、上下限値回路４５、及び演算回路４６，４７からなる。

電動機運転電力演算回路４１は、インバータ装置１５から供給される電動機１３の運転電力値を求める。この運転電力値は、電動機１３を駆動制御するインバータ装置１５の制御情報であるトルク信号と回転速度信号を用いるか、もしくは電動機の実トルクτと実回転速度ωを用いて演算により求める。この実施の形態では、複数台の電動機１３を、これに対応する複数台のインバータ装置１５により駆動制御しているので、これら複数（ｎ）台の電動機１３のトルク信号τと回転速度信号ωを用いることにより、それらの総運転電力ΣＰｍは後述する式（１）から求められる。

システム全体効率演算回路４２は、コンバータ装置１４への入力電力Ｐconvと、インバータ装置１５から出力される電動機１３の運転電力、すなわち、上述した電動機運転電力演算回路４１で求めた総電動機運転電力値ΣＰｍとから、ドライブシステムの全体効率ηｓを所定周期で演算する。すなわち、複数（ｎ）台のインバータ装置１４及び電動機１３の駆動系を持つドライブシステムの効率式は、下式（１）で示すように、総電動機運転電力値ΣＰｍとコンバータ装置入力電力値Ｐconvとの比により、システムの全体効率値ηｓとして表現できる。

なお、コンバータ装置１４への入力電力値Ｐconvは、コンバータ装置１４の入力側に設けた図示しない電力計等により検出する。

上式（１）において、τ_ｉは電動機出力トルク[N・m]、ω_ｉは電動機回転角速度 [rad/s]である。

効率比較回路４３は、システム全体効率演算回路４２が所定周期で演算した前回効率演算値と今回効率演算値とを比較する。そして、その比較結果に応じてシステム全体効率が最大になるように、可変電圧指令器４４から出力されるコンバータ装置１４への直流電圧指令値に対する補正指令値を与える。

可変電圧指令器４４には、図５で示すように、電動機１３の回転速度に応じた（略比例した）直流電圧Ｕｄｃの特性が設定されており、この特性に基づきコンバータ装置１４への電圧指令値が出力される。

上下限値回路４５は、可変電圧指令器４４からの電圧指令値に対する上下限値を設定している。すなわち、コンバータ装置１４への電圧指令値となる直流電圧Ｕｄｃの特性に対して図５で示すように上限値であるＵｄｃ上限、及び下限である電動機誘起電圧Ｅｃを設定している。これは電動機１３の実運転に影響がでない範囲にてコンバータ１４の直流出力電圧を可変制御するように、電圧指令値の上下限値を設定したもので、Ｕｄｃ上限は装置定格に依存し、下限Ｅｃは電動機１３が低速運転となった際の低周波数出力でのトルク低下が生じない様に、所定の出力を得られる範囲に設定する。

演算回路４６は、可変電圧指令器４４からの電圧指令値に対して効率比較回路４３からの電圧補正値を加えるために用いられる。また、演算回路４７は、コンバータ装置１４への電圧指令値と、コンバータ装置１４からの出力電圧との偏差を得るために、直流電圧制御器４８は、コンバータ装置１４の出力電圧を制御するために用いられる。

上記構成において、図１で示す抄紙機のドライブシステムにより紙を生産する場合、生産される紙の種類に適した抄速が決定され、図示しない速度指令装置により、インバータ装置１５に対して、生産される紙の抄速に対応した電動機１３の回転速度を実現させるための速度指令が与えられる。インバータ装置１５は、パルス幅変調（以下、ＰＷＭと呼ぶ）制御により、与えられた速度指令に対応した電圧及び周波数の交流電力を出力する。

この抄速に対応した電動機１３の回転速度に関する情報は可変電圧指令器４４にも与えられる。可変電圧指令器４４は、予め設定された電動機１３の回転速度に対応する直流電圧Ｕｄｃの特性（図５で示す）に基づき、運転される電動機１３の回転速度に対応した直流出力電圧を発生させるための電圧指令値を出力する。この電圧指令値は、演算回路４６、上下限値回路４５、演算回路４７、及び直流電圧制御器４８を経てコンバータ装置１４の図示しない制御部に入力される。すなわち、可変電圧指令器４４から出力される電圧指令値に基づき、コンバータ装置１４は抄速に対応した直流出力電圧を生成し、インバータ装置１５の可変電圧可変周波数制御により電動機１３を駆動する。

図６は、インバータ装置１５の三角波比較法によるＰＷＭ制御において、コンバータ装置１４の直流出力電圧Ｕｄｃに変化（Ｕｄｃ１、Ｕｄｃ２）を持たせたときのインバータ装置１５の出力電圧波形及び出力電流波形を示している。図６において、インバータ装置１５の出力電圧基本波実効値６１ａ（線間電圧の出力電圧基本波６２ａ）や、インバータ装置１５の出力電流基本波６３ａが変化しない範囲で、コンバータ装置１４の直流出力電圧ＵｄｃをＵｄｃ１からＵｄｃ２のように低減させることで、インバータ装置１５の出力電流波形の電流リップル６４ａを６４ｂのように抑えられる。

すなわち、生産される紙の種類により抄速が低い場合、インバータ装置１５の出力電圧波形が低い状態であるにもかかわらず、従来のように、コンバータ装置１４の直流出力電圧が１００％のままであると、図６で示すインバータ装置１５に入力される直流電圧はＵｄｃ１と高い状態になる。このため、パルス幅が狭くなり、出力電流波形の電流リップル６４ａは大きくなる。これに対し、本発明のように、抄速に応じてコンバータ装置１４の直流出力電圧を変化させると、図６で示すインバータ装置１５に入力される直流電圧はＵｄｃ２と低い値になる。このため、パルス幅が広くなり、出力電流波形の電流リップルは６４ｂと小さくなる。

これによりインバータ装置１５の出力電流に含まれる高調波成分が低減されるので、電動機１３の高調波損失が低減する。また、インバータ装置１５の出力電流基本波６１ａが変化しない状態で、コンバータ装置１４の出力電圧値がＵｄｃ１からＵｄｃ２のように低減されることで、インバータ装置１５における転流時の電圧と電流で定まる電力変換素子のスイッチング損失が低減できる。

このように抄速に見合ったコンバータ装置１４の直流出力電圧により、インバータ装置１５は可変電圧可変周波数制御を行い、電動機１３を駆動しているが、このときのシステム全体の効率を全体効率演算回路４２により一定周期で演算する。効率比較回路４３は、システム全体効率演算回路４２が、前述の演算式により演算した今回周期におけるシステム全体効率値ηｓを、前回周期で演算したシステム全体効率値と比較する。その結果、システム全体効率値ηｓが高くなる方向へ電圧補正値を出力し、演算回路４６により、可変電圧指令器４４から出力された電圧指令値を補正する。

ここで、可変電圧指令器４４は、コンバータ装置１４に対して、図５で示した抄速、すなわち電動機１３の回転速度に対応した直流電圧Ｕｄｃの特性に基づく電圧指令値を出力している。コンバータ装置１４はこの電圧指令値により抄速に対応した直流出力電圧を発生しており、インバータ装置１５はこの直流出力電圧を入力して可変電圧可変周波数制御を行っている。しかし、この運転状態でのシステム全体効率値ηｓが最も高いとは限らない。ドライブシステムの効率が最適となる為には、ドライブシステムの全体効率値ηｓが高くなる必要があり、それは電動機１３とインバータ装置１５、コンバータ装置１４の運転効率を改善させる事を意味する。ドライブシステム全体の効率を改善する為には、損失の要因となるドライブシステムの電力変換のスイッチング損失や、電動機１３の高調波損失を低減しなければならない。そのためには、コンバータ装置１４の直流出力電圧を変化させてみて、システム全体効率値ηｓがどのように変化するかを判断する必要がある。

そこで、効率比較回路４３は、可変電圧指令器４４から抄速に見合った電圧指令値（初期電圧指令値とする）が出力され、この電圧指令値に基づくコンバータ装置１４の直流出力電圧（初期直流出力電圧とする）によりインバータ装置１５が動作し、電動機１３を駆動している状態において、初回周期での全体効率値ηｓを算出する。この算出された全体効率値ηｓは初回周期であるため比較対象（前回周期での効率値）が無いので、予め仮定した効率向上方向、例えば、電圧上昇方向の電圧補正値を演算回路４６に出力し、電圧指令器４４から出力された初期電圧指令値を補正する。コンバータ装置１４は補正された電圧指令値に基づきそれまでの初期直流出力電圧より若干高い直流出力電圧を生成し、インバータ装置１５に供給する。インバータ装置１５は、前回周期より若干高い入力電圧により所定の抄速を実現すべく、電動機１３を駆動する。

効率比較回路４３は、この若干高い直流入力電圧のインバータ装置１５により電動機１３が駆動されている今回周期におけるシステム全体の効率値ηｓを、前回周期に演算したシステム全体効率値と比較する。その結果、今回周期のシステム全体効率値ηｓが前回周期より高くなっていれば、再度電圧上昇方向の電圧補正値を出力し、演算回路４６により、可変電圧指令器４４から出力された電圧指令値を補正する。

コンバータ装置１４は、上昇方向に補正された電圧指令値に基づき、それまでより高い直流出力電圧を出力する。インバータ装置１５は、より高い直流入力電圧により所定の抄速を実現すべく、電動機１３を駆動する。

効率比較回路４３は、次の周期において、それまでより高い直流入力電圧のインバータ装置１５により電動機１３が駆動されているシステム全体の効率値ηｓを、前回周期（前述した今回周期）に演算したシステム全体効率値と比較する。その結果、システム全体効率値ηｓが前回周期より高くなっていれば、再度、電圧上昇方向の電圧補正値を出力し、演算回路４６により、可変電圧指令器４４から出力された電圧指令値への補正を繰り返す。

これに対し、今回周期のシステム全体効率値ηｓが前回周期より低くなった場合は、前回上昇方向に補正した電圧指令値を元に戻すべく、下げ方向の電圧補正値を演算回路４６に出力し、可変電圧指令器４４から出力された電圧指令値を元に戻すべく補正する。

なお、この補正は、上下限値回路４５により、図５で示したＵｄｃ上限値及び下限値Ｅｃの範囲内に制限される。

図７は、上述した補正動作を説明している。生産される紙の種類に対応する抄速に応じて、インバータ装置１５のドライブシステムの負荷率が高、中、低となった場合の一特性例をそれぞれ示している。例えば、負荷率高の場合についてみると、ある時点でのシステム効率ａが前回周期の効率（図示せず）より高かったため、電圧指令値を上昇方向に補正し、より高い直流電圧で運転を行ったところ、次の周期でのシステム効率ｂが前回周期の効率ａより高くなった状態を示している。この場合は、前述のように、さらに電圧指令値を上昇方向に補正し、より高い直流電圧で運転を行う。図の事例では、次の周期におけるシステム効率ｃ、すなわち、より高い直流電圧で運転を行った場合のシステム効率ｃが前回周期のシステム効率ｂより低くなっている。この場合は、直流電圧を元に戻すべく電圧指令値を下げる方向に補正する。すなわち、負荷率高の状態では、システム効率はｂ点が最も高く、このｂ点での直流電圧を保つように制御すれば、システム効率を最適状態に維持することができる。

このように、負荷率の高、中、低に関わらず、システム全体効率値が最大となるシステム最大効率点を探索する為に、電圧指令値を微小に変化させる。すなわち、効率比較回路４３により、前回と今回のシステム効率値を逐次比較し、その効率が最大となる最大効率点ｂでの直流電圧を求める。そして、求めた直流電圧値になるよう電圧指令値に電圧補正値を加え、電圧指令値を補正する。この補正により、ドライブシステムはシステム最大効率点になるよう制御される。

なお、ドライブシステムとして抄紙機を駆動する場合を説明したが、勿論抄紙機に限定されるものではなく、操業速度変化の比較的少ない駆動対象であれば同様に実施することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１３・・・電動機
１４…コンバータ装置
１５…インバータ装置
１７・・・交流電源
４１・・・電動機運転電力演算回路
４２・・・システム全体効率演算回路
４３・・・効率比較回路
４４・・・可変電圧指令器
４５・・・上下限値回路
４８・・・直流電圧制御器

Claims (4)

1. 交流電力をコンバータ装置により可変電圧の直流電力に変換し、この直流電力をインバータ装置により可変電圧可変周波数の交流電力に逆変換し、この逆変換された可変電圧可変周波数の交流電力により電動機を駆動するドライブシステムの制御装置であって、
   前記コンバータ装置への入力電力と前記インバータ装置から出力される前記電動機の運転電力とから前記ドライブシステムの効率を所定周期で演算するシステム全体効率演算回路と、
   生産対象の種別に応じた回転速度で運転される電動機の回転速度に応じた前記コンバータ装置の直流出力電圧を発生させるための電圧指令値が、前記電動機の回転速度に対応して設定されており、前記電動機の回転速度に対応した電圧指令値を出力する可変電圧指令器と
   前記所定周期毎に前記システム全体効率演算回路が演算した今回効率演算値を前回効率演算値と比較し、前回周期から今回周期への全体効率の変化に基づき、次回周期でのシステム全体効率が上昇する方向に、前記コンバータ装置への直流電圧指令値に補正指令値を与える効率比較回路と、
   を備えたことを特徴とするドライブシステムの制御装置。
2. 前記可変電圧指令器は、前記コンバータ装置の直流出力電圧を前記電動機の回転速度に略比例させる直流電圧指令値を出力し、
   前記効率比較回路は、前記コンバータ装置の直流出力電圧を変化させた場合の効率上昇あるいは低下を判別し、この判別結果に基づいて前記直流電圧指令値に対して効率上昇方向の補正指令値を与える
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライブシステムの制御装置。
3. 前記システム全体効率演算回路は、前記電動機の運転電力値として、前記電動機を駆動制御するインバータ装置の制御情報であるトルク信号と回転速度信号を用いて演算した値を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のドライブシステムの制御装置。
4. ドライブシステムが、抄紙機を駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のドライブシステムの制御装置。

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