電動機駆動システム
【課題】ダイオードコンバータを採用した際に、圧延機の噛み込み時に電動機に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐ。
【解決手段】電動機１１と、インバータの直流電源であるダイオードコンバータ２２と、インバータを用いて電動機１１を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う電動機制御装置２３と、電動機制御装置２３により出力される一次電圧を検出する一次電圧検出部１３と、要求されるインバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する変調率変動検出部と、変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて一次電圧の変動量を算出する補正電圧部２５とを備え、電動機制御装置２３は、変動のタイミングに合わせ、一次電圧とその変動量とに基づいて界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出する。
【解決手段】電動機１１と、インバータの直流電源であるダイオードコンバータ２２と、インバータを用いて電動機１１を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う電動機制御装置２３と、電動機制御装置２３により出力される一次電圧を検出する一次電圧検出部１３と、要求されるインバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する変調率変動検出部と、変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて一次電圧の変動量を算出する補正電圧部２５とを備え、電動機制御装置２３は、変動のタイミングに合わせ、一次電圧とその変動量とに基づいて界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を駆動する電動機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電動機と当該電動機を駆動する電動機制御装置とを組み合わせて構成される電動機駆動システムが開示されている。特許文献１には、電動機と電動機制御装置とにおける選定範囲をよりいっそう拡大することを課題とする電動機駆動システムが記載されている。図７は、特許文献１に記載された従来の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【０００３】
この電動機駆動システムは、図７に示すように、速度検出器１、一次磁束角演算器２、微分器３、速度制御器４、制御器５、磁束飽和パターン器６、電流制御器７，８、２−３軸／ＰＷＭ変換器９、電力変換器（電圧型インバータ）１０、電動機１１、電流検出器１２、電圧検出器１３、電流帰還座標変換器１４、すべり積分器１５、電流補償器１６、ｄ軸電流制限器１７、及び一次電圧判定・演算器１８により構成されている。
【０００４】
速度検出器１は、電動機１１の回転速度を検出する。
【０００５】
速度制御器４は、図示しない上位外部プラント制御装置から入力される速度基準信号ωｒ´´と一次磁束角演算器２及び微分器３により演算される速度帰還信号ω´を帰還演算させ、且つ当該速度基準信号ω´をトルク基準信号Ｔｒに変換する。
【０００６】
界磁弱め制御器５は、速度帰還信号ω´を２次磁束基準Φ２＊に変換する。ベクトル制御における電動機界磁成分であるｄ軸界磁電流Ｉｄは、界磁弱め制御器５内にある一つの界磁パターンによって速度帰還信号ω´に応じて、二次磁束基準Φ２＊が演算される。
【０００７】
この界磁パターンは、電動機制御装置に接続される個々の電動機１１により決定され、固定値として設定される。よって、ある大きさの速度帰還信号ω´が入力されると、界磁パターンに沿った電動機１１のｄ軸界磁電流成分Ｉｄが演算される。
【０００８】
磁束飽和パターン器６は、界磁弱め制御器５からの２次磁束基準Φ２＊をｄ軸界磁電流基準信号Ｉｄ＊に変換する。
【０００９】
ｄ軸成分電流制御器７は、磁束飽和パターン器６からのｄ軸界磁電流基準信号Ｉｄ＊とｄ軸電流帰還信号Ｉｄ´の帰還演算結果をｄ軸電圧基準信号Ｖｄ＊に変換する。
【００１０】
ｑ軸成分電流制御器８は、速度制御器４からのトルク基準信号Ｔｒを二次磁束基準Φ２＊で除算して算出されたｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊とｑ軸電流帰還信号Ｉｑ´との帰還演算結果をｑ軸電圧基準信号Ｖｑ＊に変換する。
【００１１】
２−３軸／ＰＷＭ変換器９は、ｄ軸電圧基準信号Ｖｄ＊およびｑ軸電圧基準信号 Ｖｑ＊から２−３軸変換してＰＷＭ(パルス幅変調)信号を生成する。
【００１２】
電力変換器（電圧型インバータ）１０は、２−３軸・ＰＷＭ変換器９からのＰＷＭ信号により、直流電圧Ｖｄcを電動機駆動用交流電圧Ｖ１に変換し、電動機１１に所望の電流を供給して駆動する。
【００１３】
電流検出器１２は、電動機１１に流れる電流を検出する。
【００１４】
一次電圧検出器１３は、電動機制御装置（電力変換器１０）の出力に相当する一次電圧Ｖ１を検出する。
【００１５】
電流帰還座標変換器１４は、電流検出器１２により検出される電流帰還信号を３−２軸およびｄ−q軸変換してベクトル制御におけるｄ軸帰還電流成分Ｉｄ´およびq軸帰還電流成分Ｉｑ´とする。
【００１６】
すべり積分器１５は、界磁弱め制御器５からの２次磁束基準Φ２＊とｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊からすべりωｓを演算し且つ当該すべりωｓを積分する。すなわち、一次磁束角演算器２により演算される一次磁束角θｒと、電動機１１の必要とするトルクを与えるｑ軸トルク電流成分Ｉｑとを基に、すべり角θｓが算出され、実際の電動機磁束角である一次磁束角θｒと加算されることで、電動機１１の必要とする二次磁束角θoが求められる。これを基に、ｄ−ｑ軸成分から三相交流出力成分に変換され、電動機１１に任意の電圧Ｖ１が与えられることで、電動機１１を駆動することができる。
【００１７】
ｑ軸トルク電流補償器１６は、ｄ軸界磁電流の制限分を補うようにｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊に対してｑ軸トルク電流Ｉｑを補償（加算）する。
【００１８】
ｄ軸電流制限器１７は、ｄ軸界磁電流を制限する。
【００１９】
一次電圧判定・演算器１８は、一次電圧検出器１３による検出結果である一次電圧Ｖ１が最大電動機一次電圧Ｖ１ＭＴＯＬを超えた際に、一次電圧Ｖ１を抑制しトルク電流を増加させる所望の電動機出力を実現する。
【００２０】
すなわち、この電動機駆動システムは、界磁弱め領域において、一次電圧判定・演算器１８に一次電圧Ｖ１の監視を行わせ、一次電圧Ｖ１が電動機１１のベース速度での最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを超えた場合に、電動機１１のベース速度での最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを上限とする範囲でｄ軸電流制限器１７によりｄ軸界磁電流Ｉｄを抑制し、他方でq軸トルク電流Ｉｑを増加させ、飽和電圧抑制分を補償するように電動機１１の一次電流Ｉ１Ｍを増加させるようにしている。
【００２１】
電動機制御装置の出力に相当する一次電圧Ｖ１、すなわち電動機１１の一次電圧Ｖ１を電圧検出器１３が検出することで、電動機制御装置は、電動機１１のベース速度における最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを超えないように、一次電圧判定・演算器１８を通じて、ｄ軸電流制限器１７によりｄ軸界磁電流を制限することで、一次電圧Ｖ1を抑制する。
【００２２】
これとともに、ｑ軸トルク電流補償器１６では、ｄ軸界磁電流の制限によって抑制する飽和電圧分を補償するように、ｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊に対してｑ軸トルク電流Ｉｑを補償（加算）することで、電動機１１の一次電流Ｉ１Ｍを増加させる。
【００２３】
すなわち、ｄ軸電流制限器１７によりｄ軸界磁電流を制限することで、飽和電圧を抑制することができるが、他方で、電動機１１のトルクは、ｄ軸界磁電流を制限したことで減少してしまう。そこで、ｑ軸トルク電流Ｉｑに対し、そのｄ軸界磁電流制限分を補なうように、ｑ軸トルク電流補償器１６はｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊に対してトルク補償電流を加算する。
【００２４】
言い換えると、ｑ軸トルク電流補償器１６は、ｄ軸界磁電流基準Ｉｄ* とｑ軸トルク電流基準Ｉｑ* とから導き出される電動機１１の一次電流Ｉ１を、ｄ軸界磁電流の制限前後において同じ大きさとするための補償を行うことを意味しており、定出力特性を満たしつつ、電圧を一定に抑えることが可能となる。
【００２５】
図７に示す電動機駆動システムは、界磁弱め領域の定出力特性を保ったまま、電動機１１のベース速度での最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを、電動機制御装置の選定における判断材料として必要な最大一次電圧と見なすことができ、従来から必要不可欠な出力電圧として考慮してきた飽和電圧分を、マージンとして見なす必要がなくなる。この結果、この電動機駆動システムは、従来よりも小容量の電動機制御装置を得ることができ、装置の適用範囲に柔軟性を持たせて、電動機と電動機制御装置とにおける選定範囲をより一層拡大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００３−８８１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ここで、特許文献１に示すような従来の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータを直流電源とするインバータ装置に適用した場合に、直流電圧がすでに飽和あるいは飽和に近い状態で、急峻な負荷（圧延機の圧延材の噛み込みなど）が加わると、負荷量に比例して、直流電圧が急峻に降下するので、上述した制御によって、ｄ軸界磁電流が制限されて、安定を保つように動作する。
【００２８】
しかしながら、この電動機駆動システムは、ｄ軸界磁電流が所定値まで制限されるまでに制御遅れがあるために、直流電圧が先に降下してしまい、電圧飽和が発生して制御が不安定となり、インバータがトリップする可能性があるという問題点がある。
【００２９】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、ダイオードコンバータを採用した際に、圧延機の噛み込み時に電動機に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる電動機駆動システムを提供することを課題とする。
【００３０】
また、同様にダイオードコンバータを採用した際に、電源電圧が規定値以下に低下した状態で、さらにダイオードコンバータに負荷が印加されることで、直流電圧が低下して、それにより、電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和してインバータの制御不安定又はトリップすることを防ぐことができる電動機駆動システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明に係る電動機駆動システムは、上記課題を解決するために、電力変換器であるインバータにより駆動される電動機と、前記インバータの直流電源であるダイオードコンバータと、前記電動機に流れる一次電流を座標変換して得られる当該電動機の二次磁束（界磁）に沿った座標軸（ｄ軸）成分と当該ｄ軸に直行する座標軸（ｑ軸）成分とに基づくベクトル制御によって前記インバータを用いて前記電動機を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う電動機制御装置と、前記電動機制御装置により出力される一次電圧を検出する一次電圧検出部と、要求される前記インバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する変調率変動検出部と、前記変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて前記一次電圧の変動量を算出する一次電圧変動量算出部とを備え、前記電動機制御装置は、前記変調率変動検出部により検出された変動のタイミングに合わせ、前記一次電圧検出部により検出された一次電圧と前記一次電圧変動量算出部により算出された変動量とに基づいて、界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ダイオードコンバータを採用した際に、圧延機の噛み込み時に電動機に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１の形態の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の電動機駆動システムにおける材料検出部付近の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の形態の電動機駆動システムにおける負荷パターンによる一次電圧上昇の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施例２の形態の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【図５】本発明の実施例２の形態の電動機駆動システムにおける電圧降下の例を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の形態の電動機駆動システムの別の構成例を示す制御ブロック図である。
【図７】従来の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の電動機駆動システムの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３５】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。まず、本実施の形態の構成を説明する。図１は、本発明の実施例１の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。図７に示す従来の電動機駆動システムと異なる点は、インバータの直流電源としてダイオードコンバータ２２を採用している点と、補正電圧部２５、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６、材料検出部２７、及び上位制御部３０をさらに備えている点である。
【００３６】
ただし、本実施例の電動機駆動システムにおける一次磁束角演算器２、微分器３、速度制御器４、界磁弱め制御器５、磁束飽和パターン器６、ｄ軸成分電流制御器７、ｑ軸成分電流制御器８、２−３軸／ＰＷＭ変換器９、電力変換器（電圧型インバータ）１０、電流帰還座標変換器１４、すべり積分器１５、電流補償器１６、ｄ軸電流制限器１７、及び一次電圧判定・演算器１８は、電動機制御装置２３を構成している。
【００３７】
この電動機制御装置２３は、電動機１１に流れる一次電流を座標変換して得られる当該電動機１１の二次磁束（界磁）に沿った座標軸（ｄ軸）成分と当該ｄ軸に直交する座標軸（ｑ軸）成分とに基づくベクトル制御によってインバータを用いて電動機１１を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う。すなわち、電動機１１は、電力変換器１０であるインバータにより駆動される。
【００３８】
電圧検出器１３は、本発明の一次電圧検出部に対応し、電動機制御装置２３により出力される一次電圧を検出する。
【００３９】
ダイオードコンバータ２２は、変圧器２１を介して交流電圧Ｖａｃを入力され、直流電圧Ｖｄｃに変換して電動機制御装置２３内の電力変換器１０に出力する。図７に示す従来の電動機駆動システムにおいては常に一定の直流電圧Ｖｄｃが電力変換器１０に入力されるものとしていたが、本実施例の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータ２２を直流電源として用いるため、常に一定のＶｄｃが電力変換器１０に入力されるわけではなく、例えば電動機１１に急激な負荷が加わる場合や交流電圧Ｖａｃが低下した場合にダイオードコンバータ２２が出力する直流電圧Ｖｄｃも低下する。
【００４０】
補正電圧部２５、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６、及び材料検出部２７は、電動機制御装置２３の外部に設けられ、電動機制御装置２３に接続されている。ここで、図２は、本実施例の電動機駆動システムにおける材料検出部２７付近の詳細な構成を示すブロック図である。
【００４１】
材料検出部２７と負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６とは、本発明の変調率変動検出部に対応し、要求されるインバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する。
【００４２】
ここで、インバータの変調率をｍとし、インバータに入力される直流電圧をＶｄｃ、インバータにより出力される交流電圧（一次電圧）をＶｍとすれば、ｍ＝（Ｖｍ／Ｖｄｃ）×２×√（２／３）が成り立つ。また、インバータの変調率ｍは、上限値が存在する。ただし、変調率変動検出部により検出される変調率は、要求される変調率であるため、上限値を考慮しない。
【００４３】
材料検出部２７は、図２に示すように、圧延ラインのスタンド間に設けられ、圧延ライン上を速度Ｘで流れる材料２８を検出する。ここで、材料検出部２７は、単に材料２８が所定のポイントに来たことを検出すればよく、例えば材料２８の形状や材質等まで検出する必要はない。すなわち、材料検出部２７は、材料２８による負荷変動のタイミングを検出することで、インバータの変調率の変動のタイミングを検出するといえる。
【００４４】
負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等の上位制御部３０から材料２８の詳細な情報（例えば、材料２８の厚み、形状、材質、圧下率等の負荷パターン）を取得し記憶する。負荷パターンは、圧延される材料の種類や、圧延計画により変更されるため、使用する圧延パターンの指示が、ＰＬＣ等の上位制御部３０から与えられる。
【００４５】
これにより、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、負荷変動に伴うダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量を予測する。すなわち、上述した変調率の式により直流電圧Ｖｄｃの変動は要求されるインバータの変調率の変動に連動しており、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、要求されるインバータの変調率の変動量を検出するということができる。
【００４６】
また、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料検出部２７により検出された材料２８が圧延ラインを流れるタイミングに基づいて、インバータの変調率の変動タイミングを算出する。
【００４７】
補正電圧部２５は、本発明の一次電圧変動量算出部に対応し、変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて電動機制御装置２３により出力される一次電圧の変動量を算出する。具体的には、補正電圧部２５は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６により予測されたダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量に基づいて、一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出する。
【００４８】
電動機制御装置２３は、変調率変動検出部により検出された変動のタイミングに合わせ、電圧検出器１３により検出された一次電圧と補正電圧部２５により算出された一次電圧の変動量とに基づいて、界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出する。
【００４９】
具体的には、電動機制御装置２３内の一次電圧判定・演算器１８は、補正電圧部２５により算出された負荷による一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍに基づいて制御開始レベル（設定値）を補正し、補正された制御開始レベル（設定値）と電圧検出器１３により検出された一次電圧Ｖｍとの差に基づいて、ＰＩ制御・リミット制御にて電圧上昇分ΔＶｍに対応するｄ軸界磁電流の抑制分を算出する。
【００５０】
ｄ軸電流制限器１７は、一次電圧判定・演算器１８により出力された抑制分に基づいてｄ軸界磁電流を抑制する。このようにして、電動機制御装置２３は、界磁弱め制御を行い、所望の一次電圧Ｖｍとなるようにする。
【００５１】
その他の構成は、図７で説明した従来の電動機駆動システムと同様であり、重複した説明を省略する。
【００５２】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。材料検出部２７は、図２に示すように、圧延ライン上を速度Ｘで流れる材料２８を検出し、検出結果を負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６に出力する。
【００５３】
負荷タイミング演算・負荷パターン記憶手段２６は、圧延機２９に材料２８が噛み込み、電動機１１に負荷がかかり電動機一次電圧Ｖｍが飽和することを避けるために、負荷が加わるタイミングを計算し、且つ加わる負荷のパターンを予測する。
【００５４】
詳述すると、材料２８の圧延パターンより負荷パターンがあらかじめ判るので、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶手段２６は、上述したようにＰＬＣ等の上位制御部３０から材料２８の圧延パターンの情報を取得し、負荷パターンを予め記憶する。また、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶手段２６は、材料検出部２７による検出信号に基づいて負荷パターンを選定し、電動機１１に加わる負荷の予測値を補正電圧部２５に出力する。
【００５５】
また、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、負荷が加わるタイミングを計算する際に、例えば以下のように演算を行う。負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料２８が圧延機２９に到達するまでにかかる時間ｔ（ｓ）を算出する。例えば、図２に示すように、圧延される材料の速度をＸ（ｍ／ｓ）とし、材料検出部２７から圧延機２９までの距離をＬ（ｍ）とすると、以下の式が成り立つ。
【００５６】
ｔ（ｓ）＝Ｌ（m）／Ｘ（ｍ／ｓ）
なお、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料検出部２７から圧延機２９までの距離Ｌを予め記憶しているものとする。圧延される材料２８の速度Ｘについては、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、ＰＬＣ等の装置から情報を得てもよいし、直接速度を検出してもよい。したがって、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、この計算結果に基づき、材料２８を検出してからｔ（ｓ）後に負荷が加わる（すなわち圧延機２９に材料２８が噛み込む）タイミングと予測できる。
【００５７】
このタイミングよりΔｔ（ｓ）前にて制御が開始できるように、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料を検出した時刻をＴとし、Ｔ＋ｔ（ｓ）−Δｔ（ｓ）後に負荷パターンを出力するような制御を行う。Δｔ（ｓ）前にて制御が開始できるようにする理由は、電動機１１に負荷がかかる前のタイミングにて界磁弱め制御を行うためである。
【００５８】
このように、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、予測値を補正電圧部２５に入力するタイミングを細かく決定してもよいが、あるいは材料検出部２７が材料２８を検出したタイミングですぐに予測値を補正電圧部２５に入力し、即界磁弱め制御が行われるようにしてもよい。
【００５９】
補正電圧部２５は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６により予測される負荷による電動機一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出し、電動機制御装置２３内の一次電圧判定・演算器１８に出力する。
【００６０】
一次電圧判定・演算器１８は、補正電圧部２５により算出された負荷による一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍに基づいて制御開始レベル（設定値）を補正し、補正された制御開始レベル（設定値）と電圧検出器１３により検出された一次電圧Ｖｍとの差に基づいて、ＰＩ制御・リミット制御にて電圧上昇分ΔＶｍに対応するｄ軸界磁電流の抑制分を算出し、算出結果をｄ軸電流制限器１７に出力する。
【００６１】
ｄ軸電流制限器１７は、一次電圧判定・演算器１８により出力された抑制分に基づいてｄ軸界磁電流を抑制する。このようにして、電動機制御装置２３は、界磁弱め制御を行い、所望の一次電圧Ｖｍとなるようにする。
【００６２】
図３は、本実施例の電動機駆動システムにおける負荷パターンによる一次電圧Ｖｍ上昇の一例を示す図である。電動機１１の負荷変動によって、負荷電流ＩＬは変動する。図３においては、例として無負荷（ＮＬ）、負荷電流５０％（ＩＬ＝５０％）、負荷電流１００％（ＩＬ＝１００％）のそれぞれの負荷電流が生じるときの電動機一次電圧Ｖｍの変化と、負荷が加わる際に、無負荷時ベース速度時まで一次電圧Ｖｍを抑制するため界磁弱め制御を行った場合の磁束φの変化を示している。
【００６３】
なお、図３に示すように、従来の電動機駆動システム（例えば図７）においては、ベース速度時における一次電圧Ｖｍは負荷によらず一定であるが、本実施例の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータ２２を採用しているため、ベース速度到達時において、高い負荷がかかっている場合には、無負荷の場合に比して一次電圧Ｖｍが高くなる。
【００６４】
ここで、負荷による電動機一次電圧Ｖｍの上昇分をΔＶｍとする。なお、補正電圧部２５は、ΔＶｍの値について、入力変圧器２１等の回路のインピーダンス値から予測できる。
【００６５】
すなわち、電動機制御装置２３は、一次電圧上昇分ΔＶｍを抑制するために、ｄ軸界磁電流を弱めて図３に示すように磁束φを変化させる必要がある。
【００６６】
その他の作用は、図７で説明した従来の電動機駆動システムと同様であり、重複した説明を省略する。
【００６７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る電動機駆動システムによれば、ダイオードコンバータ２２を採用した際に、圧延機２９の噛み込み時に電動機１１に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧（インバータ出力電圧）Ｖｍの飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる。
【００６８】
すなわち、本実施例の電動機駆動システムは、電動機制御装置２３に負荷が加わる際の電動機一次電圧飽和を予想して避けることができ、電動機制御装置２３を安定して連続運転することができる。
【００６９】
また、以上に述べた実施の形態では、個々の手段及び機能部品について、複数のディスクリート部品からなるものとして説明しており、それらの部品は単一または複数のマイクロプロセッサを用い、そのソフトウェアにて実現することができる。
【実施例２】
【００７０】
実施例１においては、従来の電動機駆動システムに負荷パターンを入力し、負荷パターンと負荷のタイミングによってあらかじめ界磁弱め制御を行い、電圧飽和を避け、所望の電動機一次電圧Ｖｍを得る場合について述べた。
【００７１】
図４は、本発明の実施例２の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。実施例１の電動機駆動システムと異なる点は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６と材料検出部２７とを備えておらず、代わりに電源電圧検出装置３１を備えている点である。
【００７２】
電源電圧検出装置３１は、本発明の変調率変動検出部に対応し、要求されるインバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する。具体的には、電源電圧検出装置３１は、ダイオードコンバータ２２の入力側、すなわち変圧器２１の一次側に設けられ、交流電源電圧Ｖａｃを検出し、検出結果を補正電圧部２５に出力する。
【００７３】
すなわち、電源電圧検出装置３１は、ダイオードコンバータ２２の入力側の交流電源電圧Ｖａｃの測定結果に基づいて、ダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量を予測することで、要求されるインバータの変調率の変動量を検出する。
【００７４】
その他の構成は、図１に示す実施例１の電動機駆動システムと同様であり、重複した説明を省略する。
【００７５】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図５は、本実施例の電動機駆動システムにおける電圧降下の例を示す図である。図５に示すように、ＩＧＢＴやサイリスタ使用時には定電圧制御であるのに対し、本実施例の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータ２２を採用しているため、交流電源電圧Ｖａｃの変動、負荷電流ＩＬの上昇による直流電圧Ｖｄｃの変動が考えられる。
【００７６】
定格交流電源電圧をＶａｃ＿ｃｏｎｓｔ、交流電源電圧降下時の電圧をＶａｃ＿ｄｒｏｐとすると、負荷電流ＩＬの増加による直流母線の電圧降下ΔＶｄｃは回路のインピーダンス値から予測できるため、交流電源電圧Ｖａｃが定格電圧から降下した場合には、当該交流電源電圧降下分と合わせてどの程度直流母線電圧が降下するか予測できる。
【００７７】
したがって、図５に示すように、例えば負荷電流がＩＬ＝５０％で、電源電圧が定格からΔＶac降下した場合、直流母線電圧はＶａｃ＿ｄｒｏｐの位置に移動することになり、そのときの直流母線電圧Ｖｄｃは、Ｖａｃ＿ｃｏｎｓｔ時のＶｄｃ＿ＩＬ＝５０％から低下し、Ｖｄｃ＿ｄｒｏｐの位置まで低下することが判る。
【００７８】
交流電源電圧が低下した状態で、負荷が加わる場合には、大幅な直流電圧降下が起こるため、インバータ入力電圧が大幅に下がり、インバータ出力電圧、すなわち電動機一次電圧電圧Ｖｍが飽和して制御不安定、あるいはインバータトリップに至る可能性がある。
【００７９】
そこで、本実施例の電動機駆動システムにおける電源電圧検出装置３１は、検出された電源電圧Ｖａｃを、定格交流電圧値Ｖａｃ＿ｃｏｎｓｔと比較し、その比較結果ΔＶａｃを用いて、直流電圧Ｖｄｃの降下量ΔＶｄｃを予測し、補正電圧部２５に出力する。
【００８０】
補正電圧部２５は、変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて電動機制御装置２３により出力される一次電圧Ｖｍの変動量を算出する。具体的には、補正電圧部２５は、電源電圧検出装置３１により予測されたダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量に基づいて、一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出する。
【００８１】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８２】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る電動機駆動システムによれば、ダイオードコンバータ２２を採用した際に、電源電圧Ｖａｃが規定値以下に低下した状態で、さらにダイオードコンバータ２２に負荷が印加されることで、直流電圧Ｖｄｃが低下し、それにより電動機一次電圧（インバータ出力電圧）Ｖｍが飽和してインバータの制御不安定又はトリップすることを防ぐことができる。
【００８３】
すなわち、本実施例の電動機駆動システムは、上述した制御により、電源電圧Ｖａｃが降下した際の直流電圧降下と、負荷による直流電圧降下による電動機一次電圧Ｖｍの飽和を避けることができ、電動機制御装置２３を安定して連続運転することができる。
【００８４】
なお、図６は、本実施例の電動機駆動システムの別の構成例を示す制御ブロック図であり、図１に示す電動機駆動システムと図４に示す電動機駆動システムを組み合わせた構成となっている。
【００８５】
この場合には、補正電圧部２５は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６により予測される負荷による電動機一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出するとともに、電源電圧検出装置３１により予測されたダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量に基づいて一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出し、両者を足し合わせたものを最終的な一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍとして電動機制御装置２３内の一次電圧判定・演算器１８に出力する。
【００８６】
このように構成することにより、図６に示す電動機駆動システムは、負荷変動と電源電圧変動の両者を考慮して、電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る電動機駆動システムは、電動機を駆動する電動機駆動システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１ 速度検出器
２ 一次磁束角演算器
３ 微分器
４ 速度制御器
５ 界磁弱め制御器
６ 磁束飽和パターン器
７ ｄ軸成分電流制御器
８ ｑ軸成分電流制御器
９ ２−３軸／ＰＷＭ変換器
１０ 電力変換器（電圧型インバータ）
１１ 電動機
１２ 電流検出器
１３ 一次電圧検出器
１４ 電流帰還座標変換器
１５ すべり積分器
１６ ｑ軸トルク電流補償器
１７ ｄ軸電流制限器
１８ 一次電圧判定・演算器
２１ 変圧器
２２ ダイオードコンバータ
２３ 電動機制御装置
２５ 補正電圧部
２６ 負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部
２７ 材料検出部
２８ 材料
２９ 圧延機
３０ 上位制御部
３１ 電源電圧検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を駆動する電動機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電動機と当該電動機を駆動する電動機制御装置とを組み合わせて構成される電動機駆動システムが開示されている。特許文献１には、電動機と電動機制御装置とにおける選定範囲をよりいっそう拡大することを課題とする電動機駆動システムが記載されている。図７は、特許文献１に記載された従来の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【０００３】
この電動機駆動システムは、図７に示すように、速度検出器１、一次磁束角演算器２、微分器３、速度制御器４、制御器５、磁束飽和パターン器６、電流制御器７，８、２−３軸／ＰＷＭ変換器９、電力変換器（電圧型インバータ）１０、電動機１１、電流検出器１２、電圧検出器１３、電流帰還座標変換器１４、すべり積分器１５、電流補償器１６、ｄ軸電流制限器１７、及び一次電圧判定・演算器１８により構成されている。
【０００４】
速度検出器１は、電動機１１の回転速度を検出する。
【０００５】
速度制御器４は、図示しない上位外部プラント制御装置から入力される速度基準信号ωｒ´´と一次磁束角演算器２及び微分器３により演算される速度帰還信号ω´を帰還演算させ、且つ当該速度基準信号ω´をトルク基準信号Ｔｒに変換する。
【０００６】
界磁弱め制御器５は、速度帰還信号ω´を２次磁束基準Φ２＊に変換する。ベクトル制御における電動機界磁成分であるｄ軸界磁電流Ｉｄは、界磁弱め制御器５内にある一つの界磁パターンによって速度帰還信号ω´に応じて、二次磁束基準Φ２＊が演算される。
【０００７】
この界磁パターンは、電動機制御装置に接続される個々の電動機１１により決定され、固定値として設定される。よって、ある大きさの速度帰還信号ω´が入力されると、界磁パターンに沿った電動機１１のｄ軸界磁電流成分Ｉｄが演算される。
【０００８】
磁束飽和パターン器６は、界磁弱め制御器５からの２次磁束基準Φ２＊をｄ軸界磁電流基準信号Ｉｄ＊に変換する。
【０００９】
ｄ軸成分電流制御器７は、磁束飽和パターン器６からのｄ軸界磁電流基準信号Ｉｄ＊とｄ軸電流帰還信号Ｉｄ´の帰還演算結果をｄ軸電圧基準信号Ｖｄ＊に変換する。
【００１０】
ｑ軸成分電流制御器８は、速度制御器４からのトルク基準信号Ｔｒを二次磁束基準Φ２＊で除算して算出されたｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊とｑ軸電流帰還信号Ｉｑ´との帰還演算結果をｑ軸電圧基準信号Ｖｑ＊に変換する。
【００１１】
２−３軸／ＰＷＭ変換器９は、ｄ軸電圧基準信号Ｖｄ＊およびｑ軸電圧基準信号 Ｖｑ＊から２−３軸変換してＰＷＭ(パルス幅変調)信号を生成する。
【００１２】
電力変換器（電圧型インバータ）１０は、２−３軸・ＰＷＭ変換器９からのＰＷＭ信号により、直流電圧Ｖｄcを電動機駆動用交流電圧Ｖ１に変換し、電動機１１に所望の電流を供給して駆動する。
【００１３】
電流検出器１２は、電動機１１に流れる電流を検出する。
【００１４】
一次電圧検出器１３は、電動機制御装置（電力変換器１０）の出力に相当する一次電圧Ｖ１を検出する。
【００１５】
電流帰還座標変換器１４は、電流検出器１２により検出される電流帰還信号を３−２軸およびｄ−q軸変換してベクトル制御におけるｄ軸帰還電流成分Ｉｄ´およびq軸帰還電流成分Ｉｑ´とする。
【００１６】
すべり積分器１５は、界磁弱め制御器５からの２次磁束基準Φ２＊とｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊からすべりωｓを演算し且つ当該すべりωｓを積分する。すなわち、一次磁束角演算器２により演算される一次磁束角θｒと、電動機１１の必要とするトルクを与えるｑ軸トルク電流成分Ｉｑとを基に、すべり角θｓが算出され、実際の電動機磁束角である一次磁束角θｒと加算されることで、電動機１１の必要とする二次磁束角θoが求められる。これを基に、ｄ−ｑ軸成分から三相交流出力成分に変換され、電動機１１に任意の電圧Ｖ１が与えられることで、電動機１１を駆動することができる。
【００１７】
ｑ軸トルク電流補償器１６は、ｄ軸界磁電流の制限分を補うようにｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊に対してｑ軸トルク電流Ｉｑを補償（加算）する。
【００１８】
ｄ軸電流制限器１７は、ｄ軸界磁電流を制限する。
【００１９】
一次電圧判定・演算器１８は、一次電圧検出器１３による検出結果である一次電圧Ｖ１が最大電動機一次電圧Ｖ１ＭＴＯＬを超えた際に、一次電圧Ｖ１を抑制しトルク電流を増加させる所望の電動機出力を実現する。
【００２０】
すなわち、この電動機駆動システムは、界磁弱め領域において、一次電圧判定・演算器１８に一次電圧Ｖ１の監視を行わせ、一次電圧Ｖ１が電動機１１のベース速度での最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを超えた場合に、電動機１１のベース速度での最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを上限とする範囲でｄ軸電流制限器１７によりｄ軸界磁電流Ｉｄを抑制し、他方でq軸トルク電流Ｉｑを増加させ、飽和電圧抑制分を補償するように電動機１１の一次電流Ｉ１Ｍを増加させるようにしている。
【００２１】
電動機制御装置の出力に相当する一次電圧Ｖ１、すなわち電動機１１の一次電圧Ｖ１を電圧検出器１３が検出することで、電動機制御装置は、電動機１１のベース速度における最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを超えないように、一次電圧判定・演算器１８を通じて、ｄ軸電流制限器１７によりｄ軸界磁電流を制限することで、一次電圧Ｖ1を抑制する。
【００２２】
これとともに、ｑ軸トルク電流補償器１６では、ｄ軸界磁電流の制限によって抑制する飽和電圧分を補償するように、ｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊に対してｑ軸トルク電流Ｉｑを補償（加算）することで、電動機１１の一次電流Ｉ１Ｍを増加させる。
【００２３】
すなわち、ｄ軸電流制限器１７によりｄ軸界磁電流を制限することで、飽和電圧を抑制することができるが、他方で、電動機１１のトルクは、ｄ軸界磁電流を制限したことで減少してしまう。そこで、ｑ軸トルク電流Ｉｑに対し、そのｄ軸界磁電流制限分を補なうように、ｑ軸トルク電流補償器１６はｑ軸トルク電流基準信号Ｉｑ＊に対してトルク補償電流を加算する。
【００２４】
言い換えると、ｑ軸トルク電流補償器１６は、ｄ軸界磁電流基準Ｉｄ* とｑ軸トルク電流基準Ｉｑ* とから導き出される電動機１１の一次電流Ｉ１を、ｄ軸界磁電流の制限前後において同じ大きさとするための補償を行うことを意味しており、定出力特性を満たしつつ、電圧を一定に抑えることが可能となる。
【００２５】
図７に示す電動機駆動システムは、界磁弱め領域の定出力特性を保ったまま、電動機１１のベース速度での最大過負荷一次電圧Ｖ１ＭＢＯＬを、電動機制御装置の選定における判断材料として必要な最大一次電圧と見なすことができ、従来から必要不可欠な出力電圧として考慮してきた飽和電圧分を、マージンとして見なす必要がなくなる。この結果、この電動機駆動システムは、従来よりも小容量の電動機制御装置を得ることができ、装置の適用範囲に柔軟性を持たせて、電動機と電動機制御装置とにおける選定範囲をより一層拡大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００３−８８１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ここで、特許文献１に示すような従来の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータを直流電源とするインバータ装置に適用した場合に、直流電圧がすでに飽和あるいは飽和に近い状態で、急峻な負荷（圧延機の圧延材の噛み込みなど）が加わると、負荷量に比例して、直流電圧が急峻に降下するので、上述した制御によって、ｄ軸界磁電流が制限されて、安定を保つように動作する。
【００２８】
しかしながら、この電動機駆動システムは、ｄ軸界磁電流が所定値まで制限されるまでに制御遅れがあるために、直流電圧が先に降下してしまい、電圧飽和が発生して制御が不安定となり、インバータがトリップする可能性があるという問題点がある。
【００２９】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、ダイオードコンバータを採用した際に、圧延機の噛み込み時に電動機に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる電動機駆動システムを提供することを課題とする。
【００３０】
また、同様にダイオードコンバータを採用した際に、電源電圧が規定値以下に低下した状態で、さらにダイオードコンバータに負荷が印加されることで、直流電圧が低下して、それにより、電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和してインバータの制御不安定又はトリップすることを防ぐことができる電動機駆動システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明に係る電動機駆動システムは、上記課題を解決するために、電力変換器であるインバータにより駆動される電動機と、前記インバータの直流電源であるダイオードコンバータと、前記電動機に流れる一次電流を座標変換して得られる当該電動機の二次磁束（界磁）に沿った座標軸（ｄ軸）成分と当該ｄ軸に直行する座標軸（ｑ軸）成分とに基づくベクトル制御によって前記インバータを用いて前記電動機を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う電動機制御装置と、前記電動機制御装置により出力される一次電圧を検出する一次電圧検出部と、要求される前記インバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する変調率変動検出部と、前記変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて前記一次電圧の変動量を算出する一次電圧変動量算出部とを備え、前記電動機制御装置は、前記変調率変動検出部により検出された変動のタイミングに合わせ、前記一次電圧検出部により検出された一次電圧と前記一次電圧変動量算出部により算出された変動量とに基づいて、界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ダイオードコンバータを採用した際に、圧延機の噛み込み時に電動機に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１の形態の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の電動機駆動システムにおける材料検出部付近の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の形態の電動機駆動システムにおける負荷パターンによる一次電圧上昇の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施例２の形態の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【図５】本発明の実施例２の形態の電動機駆動システムにおける電圧降下の例を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の形態の電動機駆動システムの別の構成例を示す制御ブロック図である。
【図７】従来の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の電動機駆動システムの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３５】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。まず、本実施の形態の構成を説明する。図１は、本発明の実施例１の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。図７に示す従来の電動機駆動システムと異なる点は、インバータの直流電源としてダイオードコンバータ２２を採用している点と、補正電圧部２５、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６、材料検出部２７、及び上位制御部３０をさらに備えている点である。
【００３６】
ただし、本実施例の電動機駆動システムにおける一次磁束角演算器２、微分器３、速度制御器４、界磁弱め制御器５、磁束飽和パターン器６、ｄ軸成分電流制御器７、ｑ軸成分電流制御器８、２−３軸／ＰＷＭ変換器９、電力変換器（電圧型インバータ）１０、電流帰還座標変換器１４、すべり積分器１５、電流補償器１６、ｄ軸電流制限器１７、及び一次電圧判定・演算器１８は、電動機制御装置２３を構成している。
【００３７】
この電動機制御装置２３は、電動機１１に流れる一次電流を座標変換して得られる当該電動機１１の二次磁束（界磁）に沿った座標軸（ｄ軸）成分と当該ｄ軸に直交する座標軸（ｑ軸）成分とに基づくベクトル制御によってインバータを用いて電動機１１を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う。すなわち、電動機１１は、電力変換器１０であるインバータにより駆動される。
【００３８】
電圧検出器１３は、本発明の一次電圧検出部に対応し、電動機制御装置２３により出力される一次電圧を検出する。
【００３９】
ダイオードコンバータ２２は、変圧器２１を介して交流電圧Ｖａｃを入力され、直流電圧Ｖｄｃに変換して電動機制御装置２３内の電力変換器１０に出力する。図７に示す従来の電動機駆動システムにおいては常に一定の直流電圧Ｖｄｃが電力変換器１０に入力されるものとしていたが、本実施例の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータ２２を直流電源として用いるため、常に一定のＶｄｃが電力変換器１０に入力されるわけではなく、例えば電動機１１に急激な負荷が加わる場合や交流電圧Ｖａｃが低下した場合にダイオードコンバータ２２が出力する直流電圧Ｖｄｃも低下する。
【００４０】
補正電圧部２５、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６、及び材料検出部２７は、電動機制御装置２３の外部に設けられ、電動機制御装置２３に接続されている。ここで、図２は、本実施例の電動機駆動システムにおける材料検出部２７付近の詳細な構成を示すブロック図である。
【００４１】
材料検出部２７と負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６とは、本発明の変調率変動検出部に対応し、要求されるインバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する。
【００４２】
ここで、インバータの変調率をｍとし、インバータに入力される直流電圧をＶｄｃ、インバータにより出力される交流電圧（一次電圧）をＶｍとすれば、ｍ＝（Ｖｍ／Ｖｄｃ）×２×√（２／３）が成り立つ。また、インバータの変調率ｍは、上限値が存在する。ただし、変調率変動検出部により検出される変調率は、要求される変調率であるため、上限値を考慮しない。
【００４３】
材料検出部２７は、図２に示すように、圧延ラインのスタンド間に設けられ、圧延ライン上を速度Ｘで流れる材料２８を検出する。ここで、材料検出部２７は、単に材料２８が所定のポイントに来たことを検出すればよく、例えば材料２８の形状や材質等まで検出する必要はない。すなわち、材料検出部２７は、材料２８による負荷変動のタイミングを検出することで、インバータの変調率の変動のタイミングを検出するといえる。
【００４４】
負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等の上位制御部３０から材料２８の詳細な情報（例えば、材料２８の厚み、形状、材質、圧下率等の負荷パターン）を取得し記憶する。負荷パターンは、圧延される材料の種類や、圧延計画により変更されるため、使用する圧延パターンの指示が、ＰＬＣ等の上位制御部３０から与えられる。
【００４５】
これにより、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、負荷変動に伴うダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量を予測する。すなわち、上述した変調率の式により直流電圧Ｖｄｃの変動は要求されるインバータの変調率の変動に連動しており、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、要求されるインバータの変調率の変動量を検出するということができる。
【００４６】
また、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料検出部２７により検出された材料２８が圧延ラインを流れるタイミングに基づいて、インバータの変調率の変動タイミングを算出する。
【００４７】
補正電圧部２５は、本発明の一次電圧変動量算出部に対応し、変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて電動機制御装置２３により出力される一次電圧の変動量を算出する。具体的には、補正電圧部２５は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６により予測されたダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量に基づいて、一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出する。
【００４８】
電動機制御装置２３は、変調率変動検出部により検出された変動のタイミングに合わせ、電圧検出器１３により検出された一次電圧と補正電圧部２５により算出された一次電圧の変動量とに基づいて、界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出する。
【００４９】
具体的には、電動機制御装置２３内の一次電圧判定・演算器１８は、補正電圧部２５により算出された負荷による一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍに基づいて制御開始レベル（設定値）を補正し、補正された制御開始レベル（設定値）と電圧検出器１３により検出された一次電圧Ｖｍとの差に基づいて、ＰＩ制御・リミット制御にて電圧上昇分ΔＶｍに対応するｄ軸界磁電流の抑制分を算出する。
【００５０】
ｄ軸電流制限器１７は、一次電圧判定・演算器１８により出力された抑制分に基づいてｄ軸界磁電流を抑制する。このようにして、電動機制御装置２３は、界磁弱め制御を行い、所望の一次電圧Ｖｍとなるようにする。
【００５１】
その他の構成は、図７で説明した従来の電動機駆動システムと同様であり、重複した説明を省略する。
【００５２】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。材料検出部２７は、図２に示すように、圧延ライン上を速度Ｘで流れる材料２８を検出し、検出結果を負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６に出力する。
【００５３】
負荷タイミング演算・負荷パターン記憶手段２６は、圧延機２９に材料２８が噛み込み、電動機１１に負荷がかかり電動機一次電圧Ｖｍが飽和することを避けるために、負荷が加わるタイミングを計算し、且つ加わる負荷のパターンを予測する。
【００５４】
詳述すると、材料２８の圧延パターンより負荷パターンがあらかじめ判るので、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶手段２６は、上述したようにＰＬＣ等の上位制御部３０から材料２８の圧延パターンの情報を取得し、負荷パターンを予め記憶する。また、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶手段２６は、材料検出部２７による検出信号に基づいて負荷パターンを選定し、電動機１１に加わる負荷の予測値を補正電圧部２５に出力する。
【００５５】
また、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、負荷が加わるタイミングを計算する際に、例えば以下のように演算を行う。負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料２８が圧延機２９に到達するまでにかかる時間ｔ（ｓ）を算出する。例えば、図２に示すように、圧延される材料の速度をＸ（ｍ／ｓ）とし、材料検出部２７から圧延機２９までの距離をＬ（ｍ）とすると、以下の式が成り立つ。
【００５６】
ｔ（ｓ）＝Ｌ（m）／Ｘ（ｍ／ｓ）
なお、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料検出部２７から圧延機２９までの距離Ｌを予め記憶しているものとする。圧延される材料２８の速度Ｘについては、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、ＰＬＣ等の装置から情報を得てもよいし、直接速度を検出してもよい。したがって、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、この計算結果に基づき、材料２８を検出してからｔ（ｓ）後に負荷が加わる（すなわち圧延機２９に材料２８が噛み込む）タイミングと予測できる。
【００５７】
このタイミングよりΔｔ（ｓ）前にて制御が開始できるように、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、材料を検出した時刻をＴとし、Ｔ＋ｔ（ｓ）−Δｔ（ｓ）後に負荷パターンを出力するような制御を行う。Δｔ（ｓ）前にて制御が開始できるようにする理由は、電動機１１に負荷がかかる前のタイミングにて界磁弱め制御を行うためである。
【００５８】
このように、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６は、予測値を補正電圧部２５に入力するタイミングを細かく決定してもよいが、あるいは材料検出部２７が材料２８を検出したタイミングですぐに予測値を補正電圧部２５に入力し、即界磁弱め制御が行われるようにしてもよい。
【００５９】
補正電圧部２５は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６により予測される負荷による電動機一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出し、電動機制御装置２３内の一次電圧判定・演算器１８に出力する。
【００６０】
一次電圧判定・演算器１８は、補正電圧部２５により算出された負荷による一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍに基づいて制御開始レベル（設定値）を補正し、補正された制御開始レベル（設定値）と電圧検出器１３により検出された一次電圧Ｖｍとの差に基づいて、ＰＩ制御・リミット制御にて電圧上昇分ΔＶｍに対応するｄ軸界磁電流の抑制分を算出し、算出結果をｄ軸電流制限器１７に出力する。
【００６１】
ｄ軸電流制限器１７は、一次電圧判定・演算器１８により出力された抑制分に基づいてｄ軸界磁電流を抑制する。このようにして、電動機制御装置２３は、界磁弱め制御を行い、所望の一次電圧Ｖｍとなるようにする。
【００６２】
図３は、本実施例の電動機駆動システムにおける負荷パターンによる一次電圧Ｖｍ上昇の一例を示す図である。電動機１１の負荷変動によって、負荷電流ＩＬは変動する。図３においては、例として無負荷（ＮＬ）、負荷電流５０％（ＩＬ＝５０％）、負荷電流１００％（ＩＬ＝１００％）のそれぞれの負荷電流が生じるときの電動機一次電圧Ｖｍの変化と、負荷が加わる際に、無負荷時ベース速度時まで一次電圧Ｖｍを抑制するため界磁弱め制御を行った場合の磁束φの変化を示している。
【００６３】
なお、図３に示すように、従来の電動機駆動システム（例えば図７）においては、ベース速度時における一次電圧Ｖｍは負荷によらず一定であるが、本実施例の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータ２２を採用しているため、ベース速度到達時において、高い負荷がかかっている場合には、無負荷の場合に比して一次電圧Ｖｍが高くなる。
【００６４】
ここで、負荷による電動機一次電圧Ｖｍの上昇分をΔＶｍとする。なお、補正電圧部２５は、ΔＶｍの値について、入力変圧器２１等の回路のインピーダンス値から予測できる。
【００６５】
すなわち、電動機制御装置２３は、一次電圧上昇分ΔＶｍを抑制するために、ｄ軸界磁電流を弱めて図３に示すように磁束φを変化させる必要がある。
【００６６】
その他の作用は、図７で説明した従来の電動機駆動システムと同様であり、重複した説明を省略する。
【００６７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る電動機駆動システムによれば、ダイオードコンバータ２２を採用した際に、圧延機２９の噛み込み時に電動機１１に急激な負荷が加わる際の電動機一次電圧（インバータ出力電圧）Ｖｍの飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる。
【００６８】
すなわち、本実施例の電動機駆動システムは、電動機制御装置２３に負荷が加わる際の電動機一次電圧飽和を予想して避けることができ、電動機制御装置２３を安定して連続運転することができる。
【００６９】
また、以上に述べた実施の形態では、個々の手段及び機能部品について、複数のディスクリート部品からなるものとして説明しており、それらの部品は単一または複数のマイクロプロセッサを用い、そのソフトウェアにて実現することができる。
【実施例２】
【００７０】
実施例１においては、従来の電動機駆動システムに負荷パターンを入力し、負荷パターンと負荷のタイミングによってあらかじめ界磁弱め制御を行い、電圧飽和を避け、所望の電動機一次電圧Ｖｍを得る場合について述べた。
【００７１】
図４は、本発明の実施例２の電動機駆動システムの構成を示す制御ブロック図である。実施例１の電動機駆動システムと異なる点は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６と材料検出部２７とを備えておらず、代わりに電源電圧検出装置３１を備えている点である。
【００７２】
電源電圧検出装置３１は、本発明の変調率変動検出部に対応し、要求されるインバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する。具体的には、電源電圧検出装置３１は、ダイオードコンバータ２２の入力側、すなわち変圧器２１の一次側に設けられ、交流電源電圧Ｖａｃを検出し、検出結果を補正電圧部２５に出力する。
【００７３】
すなわち、電源電圧検出装置３１は、ダイオードコンバータ２２の入力側の交流電源電圧Ｖａｃの測定結果に基づいて、ダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量を予測することで、要求されるインバータの変調率の変動量を検出する。
【００７４】
その他の構成は、図１に示す実施例１の電動機駆動システムと同様であり、重複した説明を省略する。
【００７５】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図５は、本実施例の電動機駆動システムにおける電圧降下の例を示す図である。図５に示すように、ＩＧＢＴやサイリスタ使用時には定電圧制御であるのに対し、本実施例の電動機駆動システムは、ダイオードコンバータ２２を採用しているため、交流電源電圧Ｖａｃの変動、負荷電流ＩＬの上昇による直流電圧Ｖｄｃの変動が考えられる。
【００７６】
定格交流電源電圧をＶａｃ＿ｃｏｎｓｔ、交流電源電圧降下時の電圧をＶａｃ＿ｄｒｏｐとすると、負荷電流ＩＬの増加による直流母線の電圧降下ΔＶｄｃは回路のインピーダンス値から予測できるため、交流電源電圧Ｖａｃが定格電圧から降下した場合には、当該交流電源電圧降下分と合わせてどの程度直流母線電圧が降下するか予測できる。
【００７７】
したがって、図５に示すように、例えば負荷電流がＩＬ＝５０％で、電源電圧が定格からΔＶac降下した場合、直流母線電圧はＶａｃ＿ｄｒｏｐの位置に移動することになり、そのときの直流母線電圧Ｖｄｃは、Ｖａｃ＿ｃｏｎｓｔ時のＶｄｃ＿ＩＬ＝５０％から低下し、Ｖｄｃ＿ｄｒｏｐの位置まで低下することが判る。
【００７８】
交流電源電圧が低下した状態で、負荷が加わる場合には、大幅な直流電圧降下が起こるため、インバータ入力電圧が大幅に下がり、インバータ出力電圧、すなわち電動機一次電圧電圧Ｖｍが飽和して制御不安定、あるいはインバータトリップに至る可能性がある。
【００７９】
そこで、本実施例の電動機駆動システムにおける電源電圧検出装置３１は、検出された電源電圧Ｖａｃを、定格交流電圧値Ｖａｃ＿ｃｏｎｓｔと比較し、その比較結果ΔＶａｃを用いて、直流電圧Ｖｄｃの降下量ΔＶｄｃを予測し、補正電圧部２５に出力する。
【００８０】
補正電圧部２５は、変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて電動機制御装置２３により出力される一次電圧Ｖｍの変動量を算出する。具体的には、補正電圧部２５は、電源電圧検出装置３１により予測されたダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量に基づいて、一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出する。
【００８１】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８２】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る電動機駆動システムによれば、ダイオードコンバータ２２を採用した際に、電源電圧Ｖａｃが規定値以下に低下した状態で、さらにダイオードコンバータ２２に負荷が印加されることで、直流電圧Ｖｄｃが低下し、それにより電動機一次電圧（インバータ出力電圧）Ｖｍが飽和してインバータの制御不安定又はトリップすることを防ぐことができる。
【００８３】
すなわち、本実施例の電動機駆動システムは、上述した制御により、電源電圧Ｖａｃが降下した際の直流電圧降下と、負荷による直流電圧降下による電動機一次電圧Ｖｍの飽和を避けることができ、電動機制御装置２３を安定して連続運転することができる。
【００８４】
なお、図６は、本実施例の電動機駆動システムの別の構成例を示す制御ブロック図であり、図１に示す電動機駆動システムと図４に示す電動機駆動システムを組み合わせた構成となっている。
【００８５】
この場合には、補正電圧部２５は、負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部２６により予測される負荷による電動機一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出するとともに、電源電圧検出装置３１により予測されたダイオードコンバータ２２により出力される直流電圧Ｖｄｃの降下量に基づいて一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍを算出し、両者を足し合わせたものを最終的な一次電圧Ｖｍの上昇量ΔＶｍとして電動機制御装置２３内の一次電圧判定・演算器１８に出力する。
【００８６】
このように構成することにより、図６に示す電動機駆動システムは、負荷変動と電源電圧変動の両者を考慮して、電動機一次電圧（インバータ出力電圧）の飽和を避けることができるとともに、電圧飽和の影響によるインバータの制御不安定又はトリップを防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る電動機駆動システムは、電動機を駆動する電動機駆動システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１ 速度検出器
２ 一次磁束角演算器
３ 微分器
４ 速度制御器
５ 界磁弱め制御器
６ 磁束飽和パターン器
７ ｄ軸成分電流制御器
８ ｑ軸成分電流制御器
９ ２−３軸／ＰＷＭ変換器
１０ 電力変換器（電圧型インバータ）
１１ 電動機
１２ 電流検出器
１３ 一次電圧検出器
１４ 電流帰還座標変換器
１５ すべり積分器
１６ ｑ軸トルク電流補償器
１７ ｄ軸電流制限器
１８ 一次電圧判定・演算器
２１ 変圧器
２２ ダイオードコンバータ
２３ 電動機制御装置
２５ 補正電圧部
２６ 負荷タイミング演算・負荷パターン記憶部
２７ 材料検出部
２８ 材料
２９ 圧延機
３０ 上位制御部
３１ 電源電圧検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器であるインバータにより駆動される電動機と、
前記インバータの直流電源であるダイオードコンバータと、
前記電動機に流れる一次電流を座標変換して得られる当該電動機の二次磁束（界磁）に沿った座標軸（ｄ軸）成分と当該ｄ軸に直交する座標軸（ｑ軸）成分とに基づくベクトル制御によって前記インバータを用いて前記電動機を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う電動機制御装置と、
前記電動機制御装置により出力される一次電圧を検出する一次電圧検出部と、
要求される前記インバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する変調率変動検出部と、
前記変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて前記一次電圧の変動量を算出する一次電圧変動量算出部とを備え、
前記電動機制御装置は、前記変調率変動検出部により検出された変動のタイミングに合わせ、前記一次電圧検出部により検出された一次電圧と前記一次電圧変動量算出部により算出された変動量とに基づいて、界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出することを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項２】
前記変調率変動検出部は、負荷変動のタイミングを検出することで前記インバータの変調率の変動のタイミングを検出するとともに、負荷変動に伴う前記ダイオードコンバータにより出力される直流電圧の降下量を予測することで前記インバータの変調率の変動量を検出することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
【請求項３】
前記変調率変動検出部は、前記ダイオードコンバータの入力側の交流電源電圧の測定結果に基づいて、前記ダイオードコンバータにより出力される直流電圧の降下量を予測することで、前記インバータの変調率の変動量を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動機駆動システム。
【請求項１】
電力変換器であるインバータにより駆動される電動機と、
前記インバータの直流電源であるダイオードコンバータと、
前記電動機に流れる一次電流を座標変換して得られる当該電動機の二次磁束（界磁）に沿った座標軸（ｄ軸）成分と当該ｄ軸に直交する座標軸（ｑ軸）成分とに基づくベクトル制御によって前記インバータを用いて前記電動機を可変速制御し、且つ界磁弱め制御を行う電動機制御装置と、
前記電動機制御装置により出力される一次電圧を検出する一次電圧検出部と、
要求される前記インバータの変調率の変動が予測される場合に、変動のタイミングと変動量とを検出する変調率変動検出部と、
前記変調率変動検出部により検出された変調率の変動量に基づいて前記一次電圧の変動量を算出する一次電圧変動量算出部とを備え、
前記電動機制御装置は、前記変調率変動検出部により検出された変動のタイミングに合わせ、前記一次電圧検出部により検出された一次電圧と前記一次電圧変動量算出部により算出された変動量とに基づいて、界磁弱め制御を行う際のｄ軸界磁電流抑制分を算出することを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項２】
前記変調率変動検出部は、負荷変動のタイミングを検出することで前記インバータの変調率の変動のタイミングを検出するとともに、負荷変動に伴う前記ダイオードコンバータにより出力される直流電圧の降下量を予測することで前記インバータの変調率の変動量を検出することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
【請求項３】
前記変調率変動検出部は、前記ダイオードコンバータの入力側の交流電源電圧の測定結果に基づいて、前記ダイオードコンバータにより出力される直流電圧の降下量を予測することで、前記インバータの変調率の変動量を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動機駆動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５３８８９（Ｐ２０１２−２５３８８９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２４０３８（Ｐ２０１１−１２４０３８）
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
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