特許 5718696 モータ駆動システム及びモータ駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5718696

(24)【登録日】2015年3月27日

(45)【発行日】2015年5月13日

(54)【発明の名称】モータ駆動システム及びモータ駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 3/00 20060101AFI20150423BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20150423BHJP

【ＦＩ】

   H02P3/00 C

   H02P5/41 Z

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-65921(P2011-65921)

(22)【出願日】2011年3月24日

(65)【公開番号】特開2012-205350(P2012-205350A)

(43)【公開日】2012年10月22日

【審査請求日】2013年12月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】森山 顕仁

【審査官】 宮崎 基樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１３５４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１６４５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３３６７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０３１８７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ １／００−３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータを駆動するモータ駆動システムであって、
交流電源系の交流電圧を直流電圧に変換し、且つ、前記モータ側から入力された回生直流電圧を前記交流電源系に返還する交流電圧に変換する電圧供給装置と、
前記電圧供給装置により変換された前記直流電圧を駆動交流電圧に変換して該駆動交流電圧によって前記モータを駆動し、且つ、停止動作中に前記モータによって生成される回生交流電圧を前記回生直流電圧に変換して前記電圧供給装置に出力するモータ駆動装置と、
前記モータの回転数の減少率に関して、前記回生直流電圧から交流電圧への変換に必要な前記電圧供給装置の回生容量が一定値であるように設定された可変減速レート、及び所定の停止時間で前記モータが停止するように一定の減少率が設定され、且つ、前記一定の減少率が前記モータ及び前記モータ駆動装置が電気的或いは機械的に許容できる最大の減少率である一定減速レートを、それぞれ算出する減速レート算出装置と、
前記モータの停止動作の開始時から前記モータの回転数が前記可変減速レートと前記一定減速レートとで一致する時刻まで前記可変減速レートに従って前記モータを減速させた後、前記一定減速レートに従って前記モータを減速させるように前記モータ駆動装置を制御する制御装置と
を備えることを特徴とするモータ駆動システム。

【請求項2】

前記電圧供給装置が、前記交流電源系の交流電圧を直流電圧に変換する力行用コンバータ、及び前記回生直流電圧を交流電圧に変換する回生用コンバータを備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。

【請求項3】

前記減速レート算出装置が、停止動作の開始時における前記モータの回転数及び前記停止時間を参照して前記可変減速レート及び前記一定減速レートを設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動システム。

【請求項4】

前記減速レート算出装置が、前記可変減速レートに従う回転数と時間の関係を表す曲線が前記一定減速レートに従う回転数と時間の関係を表す直線に接するように、前記回生容量の前記一定値を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ駆動システム。

【請求項5】

停止動作中にモータによって生成される回生交流電圧を回生直流電圧に変換するモータ駆動装置、及び前記回生直流電圧を交流電源系に返還する交流電圧に変換する電圧供給装置を有するモータ駆動システムによるモータ駆動方法であって、
前記モータの回転数の減少率に関して、前記回生直流電圧から交流電圧への変換に必要な前記電圧供給装置の回生容量が一定値であるように設定された可変減速レート、及び、所定の停止時間で前記モータが停止するように一定の減少率が設定され、且つ、前記一定の減少率が前記モータ及び前記モータ駆動装置が電気的或いは機械的に許容できる最大の減少率である一定減速レートを、それぞれ算出するステップと、
前記モータの停止動作の開始時から前記可変減速レートに従って前記モータを減速させるステップと、
前記モータの回転数が前記可変減速レートと前記一定減速レートとで一致する時刻後に、前記可変減速レートから切り替えて前記一定減速レートに従って前記モータを減速させるステップと
を含むことを特徴とするモータ駆動方法。

【請求項6】

停止動作の開始時における前記モータの回転数及び前記停止時間を参照して前記可変減速レート及び前記一定減速レートを設定することを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動方法。

【請求項7】

前記可変減速レートに従う回転数と時間の関係を表す曲線が前記一定減速レートに従う回転数と時間の関係を表す直線に接するように、前記回生容量の前記一定値を設定することを特徴とする請求項５又は６に記載のモータ駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回生機能を有するモータ駆動システム及びモータ駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば圧延ラインなどに使用されるモータの動作を制御するモータ駆動システムにおいて、操業上のトラブルが発生したときなどにモータの非常停止が必要な場合がある。モータが停止されるまでに要求される事項には、設備を早く停止させて、板破断や絞込みといった二次的な災害を防止することなどが挙げられる。非常停止は、予め定められた減速レートに従って早急に設備を停止させ、且つ、二次的な災害の防止という要求を満たすように実施される。

【0003】

このため、非常停止時間の短縮や複数のモータに対しての協調停止を目的とする種々のモータの停止方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−７４１６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

モータ駆動システムが使用される中で、非常時の停止時間の短縮や非常停止から復旧までに要する時間の短縮などと同時に、設備導入コストの削減が課題である。例えば、減速時にモータから交流電源系に返還される回生エネルギーを回収するために使用されるコンバータの容量（以下において「回生容量という」。）を低減することが必要である。しかしながら、従来は、回生エネルギーを考慮して回生容量をできるだけ小さくするという目的のために非常停止時のモータ制御は行われていない。このため、モータの非常停止時に必要な回生容量が大きく、設備導入コストの上昇や設備の設置面積の増加という問題があった。

【0006】

上記問題点に鑑み、本発明は、モータの停止動作における回生容量の大きさを抑制できるモータ駆動システム及びモータ駆動方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、モータを駆動するモータ駆動システムであって、（イ）交流電源系の交流電圧を直流電圧に変換し、且つ、モータ側から入力された回生直流電圧を交流電源系に返還する交流電圧に変換する電圧供給装置と、（ロ）電圧供給装置により変換された直流電圧を駆動交流電圧に変換してその駆動交流電圧によってモータを駆動し、且つ、停止動作中にモータによって生成される回生交流電圧を回生直流電圧に変換して電圧供給装置に出力するモータ駆動装置と、（ハ）モータの回転数の減少率に関して、回生直流電圧から交流電圧への変換に必要な電圧供給装置の回生容量が一定値であるように設定された可変減速レート、及び所定の停止時間でモータが停止するように一定の減少率が設定され、且つ、一定の減少率がモータ及びモータ駆動装置が電気的或いは機械的に許容できる最大の減少率である一定減速レートを、それぞれ算出する減速レート算出装置と、（ニ）モータの停止動作の開始時からモータの回転数が可変減速レートと一定減速レートとで一致する時刻まで可変減速レートに従ってモータを減速させた後、一定減速レートに従ってモータを減速させるようにモータ駆動装置を制御する制御装置とを備えるモータ駆動システムが提供される。

【0008】

本発明の他の態様によれば、停止動作中にモータによって生成される回生交流電圧を回生直流電圧に変換するモータ駆動装置、及び回生直流電圧を交流電源系に返還する交流電圧に変換する電圧供給装置を有するモータ駆動システムによるモータ駆動方法であって、（イ）モータの回転数の減少率に関して、回生直流電圧から交流電圧への変換に必要な電圧供給装置の回生容量が一定値であるように設定された可変減速レート、及び、所定の停止時間でモータが停止するように一定の減少率が設定され、且つ、一定の減少率がモータ及びモータ駆動装置が電気的或いは機械的に許容できる最大の減少率である一定減速レートを、それぞれ算出するステップと、（ロ）モータの停止動作の開始時から可変減速レートに従ってモータを減速させるステップと、（ハ）モータの回転数が可変減速レートと一定減速レートとで一致する時刻後に、可変減速レートから切り替えて一定減速レートに従ってモータを減速させるステップとを含むモータ駆動方法が提供される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、モータの停止動作における回生容量の大きさを抑制できるモータ駆動システム及びモータ駆動方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示す模式図である。

【図2】本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの制御によるモータの回転数の減少の例を示すグラフである。

【図3】本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの制御による回生容量の変化の例を示すグラフである。

【図4】本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの制御によるモータの回転数の減少の他の例を示すグラフである。

【図5】本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの制御による回生容量の変化の他の例を示すグラフである。

【図6】本発明の他の実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【0012】

本発明の実施形態に係るモータ駆動システム１は、図１に示すように、電圧供給装置１０、モータ駆動装置２０、減速レート算出装置３０及び制御装置４０を備え、モータ１００を駆動する。

【0013】

電圧供給装置１０は、交流電源系２００の交流電圧を直流電圧に変換し、且つ、モータ１００側から入力された回生直流電圧を交流電源系に返還する交流電圧に変換する。モータ駆動装置２０は、電圧供給装置１０により変換された直流電圧を駆動交流電圧に変換してその駆動交流電圧によってモータ１００を駆動し、且つ、停止動作中にモータ１００によって生成される回生交流電圧を回生直流電圧に変換して電圧供給装置１０に出力する。減速レート算出装置３０は、モータ１００の回転数の減少率に関して、回生直流電圧から交流電圧への変換に必要な電圧供給装置１０の回生容量が一定値であるように設定された可変減速レート、及び所定の停止時間でモータ１００が停止するように一定の減少率が設定された一定減速レートを、それぞれ算出する。制御装置４０は、モータ１００の停止動作の開始時からモータ１００の回転数が可変減速レートと一定減速レートとで一致する時刻まで可変減速レートに従ってモータ１００を減速させた後、一定減速レートに従ってモータ１００を減速させるようにモータ駆動装置２０を制御する。

【0014】

「可変減速レート」は、モータ１００において生成される回生エネルギーを回収して交流電源系２００に返還する場合において電圧供給装置１０に必要な回生容量が一定値であるように、モータ１００の回転数の減少率が調整された減速レートである。このため、可変減速レートにおけるモータ１００の回転数の減少率は一定ではなく、モータ駆動装置２０から入力された回生直流電圧を交流電圧に変換する際の回生容量が一定であるように回転数の減少率が変化する。回生容量はモータ１００の回転数の二乗の変化量に比例するため、Ｐ＝Ａ×ｄ（Ｎｔ²）／ｄｔのように回生容量Ｐはモータ１００の回転数Ｎｔの関数として表される（Ａは定数）。減速レート算出装置３０は、停止動作の開始時におけるモータ１００の回転数を参照し、可変減速レートを設定する。

【0015】

一方、「一定減速レート」は、モータ１００の回転数の減少率が一定である減速レートである。一定減速レートは、非常時に生産設備において要求される非常停止時間である停止時間Ｔ_STOPでモータ１００が停止するように設定された減速レートであり、常に一定の減少率でモータ１００の回転数が減少するように設定される。一定減速レートにおける回転数の減少率は、例えば、モータ駆動装置２０やモータ１００が電気的或いは機械的に許容できる最大の減少率である。停止時間Ｔ_STOPは、生産設備の操作者の要求に応じて予め設定される。

【0016】

図１に示す電圧供給装置１０は、力行用コンバータ１１と回生用コンバータ１２とを有する。力行用コンバータ１１はモータ１００を駆動するためのコンバータであり、交流電源系２００の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をモータ駆動装置２０に出力する。回生用コンバータ１２は回生エネルギーを回収するためのコンバータであり、モータ駆動装置２０から入力される回生直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を交流電源系２００に返還する。可変減速レートの設定において目標となる回生容量の一定値は、回生用コンバータ１２の回生容量の大きさに応じて決められる。或いは、回生容量値を設定した後に、その値に応じて回生用コンバータ１２の回生容量の大きさを決定する場合もある。

【0017】

なお、図１では、モータ駆動システム１が駆動するモータ１００が複数台ある場合を示しているが、モータ駆動システム１が駆動するモータ１００が１台であってもよい。モータ駆動装置２０は、通常はモータ１００毎に１台ずつ配置される。また、複数のモータ１００は同一仕様のモータでなくてもよく、例えば生産ラインの各場所においてそれぞれ最適なトルクを発生させるモータが使用され、モータのサイズは互いに異なっていてもよい。

【0018】

モータ駆動装置２０は、電圧供給装置１０により変換された直流電圧を、任意の周波数及び電圧値の駆動交流電圧に変換する。そして、モータ駆動装置２０により、所定の周波数や電圧値の駆動交流電圧がモータ１００に供給される。駆動交流電圧の周波数や電圧値は、モータ１００のそれぞれの目的や用途に応じて、必要な回転速度やトルクなどが得られるように設定される。

【0019】

モータ１００のそれぞれは、モータ１００の回転数を検出する回転数検出機構１１０を有する。回転数検出機構１１０により、稼動中及び停止動作中のモータ１００の回転数がリアルタイムで検出される。検出されたモータ１００の回転数は、減速レート算出装置３０及び制御装置４０に通知される。

【0020】

非常停止信号の入力などによってモータ駆動システム１によるモータ１００の停止動作を開始する場合、減速レート算出装置３０が、可変減速レート及び一定減速レートを算出する。具体的には、減速レート算出装置３０は、回転数検出機構１１０により検出された、停止動作の開始時点におけるモータ１００の回転数を参照する。そして、停止動作開始時点でのモータ１００の回転数及び停止時間Ｔ_STOPに基づいて可変減速レート及び一定減速レートが算出される。算出された可変減速レート及び一定減速レートは制御装置４０に通知される。

【0021】

制御装置４０は、可変減速レート及び一定減速レートに従ってモータ１００の回転数を減少させるように、モータ駆動装置２０を制御する。詳細は後述するが、制御装置４０はリアルタイムで検出されるモータ１００の回転数を参照して、停止動作の途中で可変減速レートから一定減速レートに減速レートを切り替える。つまり、制御装置４０は、停止動作の最初は可変減速レートに従ってモータ１００を減速させ、停止動作の途中から、可変減速レートに代えて一定減速レートに従ってモータ１００を減速させるように、モータ駆動装置２０を制御する。

【0022】

モータ１００の停止動作が開始されると、モータ１００は回生ブレーキをかける際の交流発電機として作用する。この結果モータ１００で発生する回生エネルギーは、以下のようにして、モータ駆動システム１を介して交流電源系２００に返還される。即ち、停止動作中のモータ１００で生成される回生交流電圧が、モータ駆動装置２０によって回生直流電圧に変換される。モータ駆動装置２０は、回生直流電圧を電圧供給装置１０に出力する。電圧供給装置１０は、入力された回生直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を交流電源系２００に返還する。

【0023】

図２及び図３を参照して、モータ駆動システム１によるモータ１００の非常停止動作の例を以下に説明する。

【0024】

先ず、時刻ｔ０において、非常停止命令が入力されるなどして、モータ駆動システム１がモータ１００の停止動作を開始する。即ち、減速レート算出装置３０が、時刻ｔ０におけるモータ１００の回転数及び停止時間Ｔ_STOPに応じて可変減速レート及び一定減速レートを算出する。可変減速レート及び一定減速レートは、減速レート算出装置３０から制御装置４０に通知される。そして、可変減速レートに従ってモータ１００の回転数が減少するように、制御装置４０がモータ駆動装置２０を制御する。

【0025】

可変減速レートは、回生容量が予め設定された一定値を維持するように設定され、停止時間Ｔ_STOPのみによっては制限されない。可変減速レートに従うモータ１００の回転数Ｒａは、図２に実線で示すように最初はなだらかに減少し、その後急激に減少する。回転数Ｒａである場合の回生容量は、図３の特性Ｃａに示すように一定値Ｃ_F1を維持する
一方、図２に破線で示すように、一定減速レートに従うモータ１００の回転数Ｒｂは、時刻ｔ０から停止時間Ｔ_STOP後の時刻ｔｓにおいてモータ１００の回転数が零になる直線で表される。一定減速レートの設定においては、回転数の減少率が一定で、且つ時刻ｔｓにおいてモータ１００の回転数が零になることが条件である。一定減速レートに従ってモータ１００の回転数を減少させる場合には、図３の特性Ｃｂに示すように、回生容量は直線的に減少する。一定減速レートに従ってモータ１００を制御すると、停止開始時に回生容量は最も大きい。

【0026】

時刻ｔ０から始まる、可変減速レートに従ってモータ１００の回転数が減少する期間（以下において、「可変減速期間」という。）Ｔａの後、時刻ｔｓでモータ１００が停止するために、時刻ｔ１において制御装置４０が減速レートを可変減速レートから一定減速レートに切り替える。時刻ｔ１から時刻ｔｓまでの、一定減速レートに従ってモータ１００の回転数が減少する期間（以下において、「一定減速期間」という。）Ｔｂの後、時刻ｔｓにおいてモータ１００が停止する。

【0027】

減速レートを可変減速レートから一定減速レートに切り替えるタイミングは、以下のように決定される。時刻ｔ０から時刻ｔｓまでのモータ１００の回転数を時間に対する関数として考えると、一定減速レートは時刻ｔｓにおいて回転数が零となる直線である。一定減速レートに従う回転数Ｒｂと時間との関係を表すこの直線と、可変減速レートに従う回転数Ｒａと時間との関係を表す曲線とが交差する図２の時刻ｔ１において、減速レートが可変減速レートから一定減速レートに切り替えられる。つまり、可変減速レートに従うモータ１００の回転数と一定減速レートに従うモータ１００の回転数とが一致する時刻ｔ１において、減速レートが切り替えられる。

【0028】

図３に示すように、減速レートが一定減速レートに切り替わる時刻ｔ１において、回生容量は最大値Ｃ_Fmaxになる。回生用コンバータ１２の回生容量の大きさは、最大値Ｃ_Fmax以上であることが必要である。

【0029】

上記のように、図１に示したモータ駆動システム１では、非常停止開始から停止時間Ｔ_STOP後にモータ１００が停止するまでの減速期間において、回生容量が一定である可変減速レートに従ってモータ１００の回転数を減少させる可変減速期間Ｔａが最初に設定される。つまり、停止動作においてモータ１００の回転数が最大である停止動作開始時点では、回生容量が一定である可変減速レートに従ってモータ１００の回転数が減少する。これにより、停止動作開始時点の回生容量を小さくすることができる。

【0030】

そして、可変減速レートから一定減速レートに切り替える時点におけるモータ１００の回転数が停止動作開始時点よりも下がることにより、停止動作全体における回生容量の最大値を抑制することができる。更に、停止動作の途中から一定減速レートに従ってモータ１００の回転数を減少させる一定減速期間Ｔｂが設定されることにより、停止動作の開始から所望の停止時間Ｔ_STOP後にモータ１００を停止させることができる。

【0031】

また、設定された停止時間Ｔ_STOPと停止動作開始時のモータ１００の回転数とを用いて、図４に示すように、可変減速レートに従う回転数Ｒａと時間との関係を表す曲線が、一定減速レートに従う回転数Ｒｂと時間との関係を表す直線と接するように、回生容量の一定値を設定してもよい。そして、回転数Ｒａを表す曲線が回転数Ｒｂを表す直線と接する時刻ｔ２において、減速レートが可変減速レートから一定減速レートに切り替えられる。時刻ｔ２は、可変減速レートにおける回転数及び回転数の減少率が、一定減速レートにおける回転数及び回転数の減少率と一致する時刻である。

【0032】

図４に示すようにモータ１００の回転数を制御した場合、図５に示すように、可変減速期間Ｔａにおける回生容量の一定値Ｃ_F2が、一定減速レートに切り替える時点における回生容量である。即ち、回生容量の一定値Ｃ_F2が、一定減速期間Ｔｂも含めた全減速期間を通して最大の回生容量である。したがって、モータ駆動システム１によるモータ１００の非常停止動作における回生容量の最大値を最も小さくすることができる。

【0033】

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るモータ駆動システム１によれば、モータ１００の非常停止時における回生容量の大きさを抑制できる。その結果、回生用コンバータ１２の回生容量を低減できるので、設備導入コストの上昇や設備の設置面積の増加を抑制できる。

【0034】

なお、モータ１００が複数台ある場合に、減速レートはモータ駆動装置２０毎に設定できる。モータ駆動装置２０の各減速レートは、モータ１００の各停止時間Ｔ_STOPが共通になるように設定されることが好ましい。

【0035】

各モータ１００について停止時間Ｔ_STOPを共通とすることにより、複数のモータ１００の協調停止が可能である。つまり、各モータ１００のそれぞれが個別に停止動作をすることなく、互いに協調を取って停止させることができる。その結果、例えば圧延ラインにおける板破断や絞込みなどの処理対象の板の破損、及び、製造設備の各機器の損害といった２次的な災害を防止することができる。

【0036】

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

【0037】

既に述べた実施形態の説明においては、電圧供給装置１０が力行用コンバータ１１と回生用コンバータ１２の２種類のコンバータを有する場合を示した。しかし、例えば図６に示すように、電圧供給装置１０が力行用コンバータと回生用コンバータの機能を兼ねた一つのコンバータ１３のみを有する場合にも、本発明は適用可能である。

【0038】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0039】

１…モータ駆動システム
１０…電圧供給装置
１１…力行用コンバータ
１２…回生用コンバータ
１３…コンバータ
２０…モータ駆動装置
３０…減速レート算出装置
４０…制御装置
１００…モータ
１１０…回転数検出機構
２００…交流電源系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】