JPS6268094A - 電動機及び電動機速度制御装置の断線等異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、電動機及び電動機速度制御装置の断線等異常
検出装置に関する。

〔発明の背景〕

純電気的手法で断線を検出する方法として、従来より特
開昭５５−１６６４８７号に記載のように速度帰還系の
異常を電′ｌＪＪ機端子電圧が一定以上あることを検出
する電圧比較器の出力と速度検出器ＰＧからの速度信号
がある値以下になると信号を出す速度比較器の出力との
ＡＮＤ条件をとらえ、また速度比較器の過速度を検出す
ることにより判定するものがある。

本従来例は速度帰還信号がないにもかかわらず、電動機
端子電圧が、ある−室以上ある時異常としてとらえ、ま
た速度帰還信号がある値を越えた場合すなわち過速度状
態で異常としてとらえる特徴をもっている。しかし、こ
の従来例における欠点は、速度の有無の状態、端子電圧
有無の状態、過速度の状態をすべて検出信号のレベル比
較により判定させている為、検出レベルを正確に設定す
る必要があり、このレベルの設定を誤ると誤動作をまね
きやすいことである。また過速度の状態が半導体パワ素
子の破壊に起因するものなのか、速度帰還率の調整不良
によるものか判定出来ないなどの問題もある。さらに第
４門限象運転域で過速度状態が起きると失速状態が起き
やすく、これを防ぐ為の過速度予知判断が出来ない欠点
もある。

次に、その他の例としてクレーンの運転等に用いられる
自動ダイナミック制御の断線検出方法がある。まず理解
を容易にする為本制御の概要について説明をしておく。

巻線形誘導電動機に制動力を発生させる方法として、ダ
イナミック制御がある。これは電動機−次巻線にダイナ
ミック電流を流し、二次巻線に発生する起磁力を二次抵
抗器に消費させ、制動力を発生させるものである。自動
ダイナミックとはこのダイナミック電流をサイリスタに
より制御して制動力を調節し、速度制御するものである
。第８図は自動ダイナミック制御の制御系ブロック図で
ある。

この自動ダイナミック制御系は、半導体保護用ヒユーズ
１，２、還流用サイリスタ３、主サイリスタ４、電流検
出器５、逆転用マグネットコンタクタ７、正転用マグネ
ットコンタクタ８１回生運転用マグネットコンタクタ９
、巻線形三和誘導電動機１０、速度設定回路１４Ａ、速
度制御系用誤差増１１１器１５、電流制御系用誤差増巾
器１６、位相制御回路１７、主サイリスタ用ゲー１へ駆
動回路１８、還流サイリスタ用ゲート駆動回路１８Ａ、
電流−電圧変換回路２１、整流回路２２、二次抵抗器及
びその短絡回路２３、速度検出用交流発電機２４、サイ
リスタ駆動インタロック回路２５、ダイナミック運転指
令回路２６より成る。

この図におけるシーケンシャルな動きは、クレーンの運
転状態によって第９図のようになっている。更に、その
速度−トルク特性は第１０図のようである。

第９図では、運転状態として、巻上げと巻下げとの２つ
があり、巻上げ時には、コンタクタ８の＝３− ＯＮによりＩＭＩＯは二相誘導電動機として作動する。

巻下げ時のダイナミック運転では、コンタクタ７のみが
ＯＮにより、ＩＭＩＯは単相誘導電動機として作動する
。この時の電源は単相半波整流電源となる。その時の等
価回路は第１１図に示す。更に、巻下げ時には、回生運
転があり、この運転下では、コンタクタ７．９がＯＮと
なる。ダイナミック運転時の各部波形を第１２図に示す
。

以上の運転下での自動ダイナミック制御において、サイ
リスタ素子の溶断、サイリスタ保護用ヒユーズ１，２の
溶断、サイリスタ素子と接続される電線並びに電動機巻
線の断線を検出する目的で第１３図に示すような断線検
出回路が従来より存在する。主回路構成は第８図と同様
であり、新たに、シャント又は計器用電流検出器６、ボ
ルテージセンサ１２、ボルテージセンサ１２の過入力防
止装置１１゜警報接点１３を付加した。

この図における断線検出方法は、シャント６に電流が流
れると、その両端に微小電圧が発生するが、この電圧を
ボルティージセンサ１２で検出し、ある電流値以下にな
ると警報接点１３を閉じるやり方である。

この回路における欠点は断線と判断する為の電流値をダ
イナミック制御中に必要な最低電流値共トに設定しなけ
ればならないことである。またこの為検出レベルを下げ
すぎるとシャントの両端発生電圧も小さくなり、ボルテ
ィージセンサーでとらえることが出来ない値となってし
まう。ボルティージセンサーでとらえることが出来るよ
うにする為には、電動機停止中でもダイナミック電流を
若干流す制御方式をとらねばならない。この結果軽負荷
時の速度制御性能を悪くし、さらには速度制御範囲がせ
まくなってしまうことになる。

その他の欠点としてはボルティージセンサーや、シャン
トが高価なことである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、半導体電力素子を持つ速度制御盤と本
制御盤により速度制御される電動機間の断線検出を純電
気的手段により、電流や速度の検出レベルを厳格に気に
することなく、速度制御性能に悪影響を与えることなく
、高価なボルティージセンサーやシャントを使用するこ
とな〈実施する断線等異常検出装置を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

従来回路の問題点の解決策を自動ダイナミック制御回路
におけるサイリスタ位相制御の原理により発見すること
ができた。この発見より半導体素子を持ち１．かつ電流
帰還ループを持つ速度制御装置は全て有効となることが
わかった。

第２図は自動ダイナミック制御の速度制御原理を示す図
である。１４は速度設定用可変抵抗器である。動作は次
となる。

速度基準Ｎ＊と速度発電機ＰＧ２４の信号を整流回路２
２により整流した速度帰還信号Ｎｆとの差（Ｎ”　−Ｎ
ｒ）は増幅器１５により増幅され、位相制御回路１７で
サイリスタの点弧位相角を調整する信号■αとなる。位
相制御回路１７を出た信号はサイリスタのゲートを駆動
する為のパワー回路に送られ、パルストランス１８．１
８Ａにより伝送されサイリスタのゲート信号となる。サ
イリスタのゲートに信号がｌｊ、えられるとサイリスタ
のスイッチング作用により、第１１図に示すが如く回路
に第１２図に示すようなダイナミック電流を流すことに
なる。

いま、速度帰還信号Ｎ「が速度基準Ｎｘより大きい場合
、点弧位相角の制御遅れ角αが大となり、サイリスタの
導通角は大となり、ダイナミック電流は増え、電動機の
速度をおさえる方向に働らく。

また帰還速度Ｎ（が速度基準Ｎ本より小さい場合は点弧
位相角の制御遅れ角αが小となりダイナミック電流が減
少し電動機速度を増す方向に働らく。

帰還速度Ｎｆが速度基準Ｎ＊とほぼ等しくなるとダイナ
ミック電流は負荷に見合った電流で一定となり等速運動
状態となる。第３図にＮ”、　Ｎｆ、　Ｉ＊。

Ｉｆ＋　αの信号の状態関係を示す。

本発明は前述の回路動作上の性質を利用し解決するもの
で次なる点に着目している。

まずサイリスタ破壊もしくはサイリスタ素子と電動機巻
線間の断線であるということは電流フィー１（バック信
号がないことである。またダイナミック電流が流れない
のでダイナミック制動は発生せず、電動機回転数Ｎｒが
増大することである。

これらの関係を式で表わせば下記となる。

１木”Ｋｃ（Ｎｒ−Ｎ＊）　　　　・・・・・・（１）
ただしＫＧ増幅器１５の増幅率 Ｎｆ大→■本大　　　　・・・・・・（２）Ｉ　　α、
＝　ＫＣ（Ｎ＊−Ｎ（）＝　Ｋｃ−Ｉ京（Ｎｒ＝Ｏ）　
　＝１３）ただしＫＣ増幅器１６の増幅率 上式により断線またはサイリスタ素子破壊時は、工α＝
ＫＣＩ＊となり、増幅器１６の飽和出力値まで達する。

さらに次なる点に着目している。

断線またはサイリスタ破壊がなく、サイリスタの点弧角
調整信号工αが飽和の状態であれば、サイリスタの制御
遅れ角αは大となり、サイリスタの導通角が大となるか
ら必ず過大な電流が流れることである。

以上の性質を利用すれば断線を検出出来ることを発見し
た。

＝８一 つまり、サイリスタの点弧位相角調整信号■αが飽和出
力になっているかいないかを判断し、その時電流値が過
大であるかないか判断すればよいわけである。

Ｉαが飽和出力でこの時過大な電流が流れていなければ
断線である。ゆえに断線を検出するのに電流有無の判断
を従来方式であれば、電流を検出出来る最低レベル近く
にて行なっていたが、本方式によれば、過大な電流でな
ければどこでもよいことになる。

本発明の考え方は自動ダイナミック制御盤以外に適用出
来ることもわかった。

まず、うず電流継手による速度制御に適用する例である
。第４図はクレーンの巻上下運転に巻線形誘導電動機と
うす電流継手制御を採用した時の制御ブロック図である
。ここでうず電流制御は巻線形誘導電動機に制動をかけ
る手段として用いられ、主回路はサイリスタ２９．３０
、ダイオード３１゜３２で組合された混合ブリッジと還
流用ダイオード３３より成り、励磁コイル３６の励磁電
流を自動調節出来るようになっている。尚、２７はパル
ストランス、２８は電流検出計である。

いま、速度基準Ｎ＊より速度帰還信号Ｎ、が大きい場合
はサイリスタの導通角が大となり、うず電流継手の励磁
コイル３６に流れる励磁電流が増える。

励磁コイルは不動で、これより磁化される磁極３７自体
も不動である為、巻線形三和誘導電動機の軸と直間され
る回転ドラム３８との結合力が強くなると、制動力が強
くなり速度がおさえられる。また、速度基準Ｎ＊より速
度帰還信号Ｎｆが小さい場合は励磁電流は小となり、磁
極と回転ドラムとの結合力は弱まり、速度は増す。速度
基準Ｎ＊と速度帰還信号Ｎｆがほぼ一致した状態では負
荷と見合った励磁電流となり等速運動状態となる。以上
のことを考え第２図と第４図を比較すると主回路構成が
異なるのみでサイリスタ位相角の調節原理は、自動ダイ
ナミックの制御となんら変わりない。よって本発明の適
用が可能である。

次に可変周波数インバータによる三相誘導電動機のベク
トル制御における適用例である。第５図はすべり周波数
方式ベクトル制御のブロック図である。本制御は主回路
がコンバータ部３９．平滑用コンデンサ４０．パワート
ランジスタ４１〜４６により成り、制御構成も、自動ダ
イナミック制御とかなり異なる。その構成は主要回路部
６１．速度検出部６２、バク１ヘル演算部５３．ＰＷＭ
部６３．切替回路部５２より成っている。まず主要回路
６１は、速度制御ループを構成する部分で速度制御系の
誤差アンプ５６やＶ／Ｆコンバータ５４．すベリ角周波
数演算回路５５を持っている。

速度検出回路６２はパルスジェネレータＰＬＧ５０より
得たパルスを速度に比例した電圧信号にＦ／Ｖ変換器５
１で変換する部分である。

ベクトル演算回路５３は、１ヘルク電流指令信号ｊ−や
、励磁電流信号ｊｍ＊及び−成句周波数信号ω□を主要
回路からもらってベクトル演算して、−次電流指令］ｘ
ｕ’＋　１ｔＶ本、１１ｗ木を得る部分である。

Ｉ）ＷＭ回路６３は−・次電流指令と実際の一次電流を
ヒステリシスコンパレータ５８で比較してＰＷＭ信号を
作り出すところである。５９．６０はベース端ドライバ
ーである。

切り替回路５２は正転、逆転の切り替えを行なう回路で
ある。

以上から構成される制御回路においても電流指令なるも
のと電流帰還信号なるものが得られる。

パワートランジスタ４１〜４６とモードル巻線間に断線
がある場合は、速度制御不能となり、速度基準Ｎ＊と速
度帰還信号は一致しない。Ｎ＊、Ｎｒの差の信号は誤差
増幅器５６より出力され、トルク電流指令信号ｊ６本と
なるが、この場合の出力は飽和の状態または最大出力と
なる。またこの時実電流は流れないので電流帰還信号１
２ｕ＋　１−　ｚＶ＋　１２Ｗは零である。また断線が
なく、トルク電流指令信号ｊ−が飽和状態にある場合は
必ず一次電流指令ｌｉｕ’＋　１ｚＶ＊＋　ｌｔＷ＊も
大となり、したがって電流帰還信号ｊ２ＬＩｔ　１２Ｖ
＋　１２Ｗも大となる。

以上を考察してくると次なる共通点を見出すことが出来
る。半導体電力素子を持った速度制御盤において、その
回路が電流指令と電流帰還信号を持ち合せているものは
、本発明の適用が可能であり、断線検出を容易に行なえ
ることである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本図
は発明の詳細な説明したところの自動ダイナミックの制
御ブロック図（第２図）に今回発明の断線検出回路６４
を付加したものである。主な構成は、非反転増幅器６７
、電圧比較器６６、６８．２人力ＮＡＮＤロジックＩＣ
６９，インバータロジックＩＣ７０，ｌ−ランジスタフ
１．警報リレー７２より成る。

まず、非反転増幅器６７は電流帰還信号Ｉｆの監視を行
う。その出力Ｖ１は、電流帰還信号Ｉｆが大きいか小さ
いかの判定を行なうところの電圧比較器６８の入力電圧
となる。よって電流が小さい時はｖｌは小で電圧比較器
６８の基準レベルｖ６以下となって、６８の出力ｖ３は
Ｈレベル、また電流が大きい時はＶ□は大で電圧比較器
６８の基準レベルｖ６以下となって、６８の出力■３は
Ｌレベルとなる。

次に電圧比較器６６はサイリスタ点弧位相角調整信号Ｉ
αの監視を行なうと共に、この信号が飽和出力に達した
かどうかの判定を行なう。動作は工αの信号が飽和出力
値になった時のみ、電圧比較器６６０基準レベル■７以
上となって、その出力ｖ２はＨレベルとなる。

ただし増幅器１６に出力制限機能が設けられている場合
があり、飽和値に達する前に、制限かがけられた所の最
大出力値にとどまることが考えられる。この場合は飽和
値に達したかどうかでなく、最大値゛になったかどうか
の判定を行なう必要がある。よって電圧比較器６６の基
準レベルＶ７をこの最大出力値に合せる操作を、可変抵
抗器ＶＲＩにより行なう。

次に電圧比較器６６、６８の出力Ｖ２．Ｖ３はそれぞれ
２人力ＮＡＮＤロジックＩＣ２８の入力となり、断線で
あるかどうかの判定が行なわれる。第６図ニＩ　（１、
Ｉｆ＋　Ｖ２１　Ｖ３＋　２人力ＮＡＮＤＯシックＩＣ
２８の出力■４の状態関係を示す。この図かられかるよ
うに、断線のときは、■２．Ｖ３が共にＨレベルのとき
、すなわち、Ｉ〕モードのときであることがわかる。よ
ってこの時に２人力ＮＡＮＤロジックＩＣ２８の出力は
Ｌレベル、次段のインバータロジックＩＣ２９の出力は
Ｈレベル、トランジスタ７１はＯＮとなり、警報リレー
Ｘを駆動し、接点３２を閉じ、断線であることをならし
めることになる。この接点３２の信号はシステム上の異
常信号となり、第８図で示した所の主回路ブレーカ７゜
８．９を解除すると共に巻線形三和誘導電動機ならびに
その駆動装置の停止をさせる為の信号となる。

その他の実施例として第７図に示すようにサイリスタの
点弧位相角調整信号■αの替わりに、サイリスタの点弧
に寄与するところの電流指令信号１本を利用して行なう
方法も考えられる。■末の信号利用が可能な理由は次に
ある。サイリスタ破壊または断線が起きるとダイナミッ
ク電流は流れないので制動力が得られず速度基準Ｎ木よ
り実速度Ｎｆが大きくなるので、Ｎ＊とＮｆの差を比較
し増幅出力する増幅器１５の出力信号、すなわち電流指
令信号１１は必ず飽和出力値または最大出力値まで達す
る。ゆえに前述の動作信号工αのかわりに■木の動作信
号を利用しても断線検出のＬ１的は達せられる。ただし
１本と工αの極性関係は相反関係にある為、反転増幅器
７４が設けられる。また１本の信号が負信号の時のみ電
流を増大させようと働く為、ダイオードＤ３．Ｄ４を設
けて１反転増幅器７４の出力■６を常に正の信号ととら
えるようになっている。

次に・第１図と第７図の付属機能を説明する。抵抗Ｒ３
，コンデンサＣ１は電流フィードバックのリップル分を
平滑する為に設けられる。また抵抗Ｒ６，コンデンサＣ
２はＲ３，Ｃ１を設けた事による。電流帰還信号■１の
時定数遅れを補償する為に設けている。つまりＲ６，Ｃ
２がなければ、サイリスタ位相角信号■αが瞬間的に犬
となった場合出力■、はＨレベルとなるが、■、の信号
はＲ３，Ｃ１の時定数遅れにより、電流が流れていない
のと同じ状態となり、■３をＨレベルとしてしまう。そ
の結果、断線モードと誤判定してしまうからである。ま
た非反転増幅器６７があるのは電流帰還信号のリップル
を平滑する為Ｒ３，ＣＩを＝１６− 設けたが、この非反転増幅器６７なしにＲ３，Ｃ１を設
けると通常のダイナミック制御中の電流帰還信号の時定
数に影響を与えてしまうからである。

また抵抗Ｒ１８，リレー６５はダイナミック運転停止中
の誤動作を防ぐ為にある。〈ダイナミック運転停止中は
Ｊαが飽和値または最大値となり、この時Ｉｆは停止中
の状態である為必ず零となる。ゆえに断線モードの条件
が成立してしまう〉。リレー６５はダイナミック運転ス
タートで開、停止で閉となり、閉じの時増幅器１５の出
力１本を負とするので、サイリスタ位相角指令信号工α
を零にし、■２を零にする。よって断線モードの条件の
成立を回避することが出来る。

以上の実施例に基づく特有の効果は下記となる。

■　従来方法に比べ、高価なボルテージセンサ。

シャントなどの装置を不要とすることが出来る。

■　電流検出をダイナミック制御上必要とする電流検出
器と共用出来る。

■　従来方法ではシャントの発生電圧をボルテージセン
サで検出可能なある最低レベルとする為、ダミー電流を
若干流さなければならなく、制御性能に悪影響を与えた
が、この種の心配をする必要がない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来より簡単な回路において電流検出
に必要な部品を極力おさえることが出来る為、経済的な
効果がある。また断線の判定を電流の検出レベルのみに
たよるのでなく１回路動作上の性質を利用している為、
電流の検出レベルを厳格に設定する必要がない。また断
線に伴う過速度状態を過速度レベルに達する以前のレベ
ルで予想出来る機能を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例図、第２図は自動ダイナミック
の速度制御原理図、第３図は負荷と各種信号との関係図
、第４図はうず電流継手制御の速度制御原理図、第５図
は可変周波数インバータベクトル制御における速度制御
ブロック図、第６図はモードの種別と各種状信号との関
係図、第７図は本発明の他の実施例図、第８図は自動ダ
イナミックの制御ブロック図、第９図は運転状態下での
各種素子の状態を示す図、第１０図は自動ダイナミック
の速度−トルク特性図、第１１図はダイナミック電流の
流れる時の等価回路、第１２図は等価回路における電流
波形図、第１３図は従来の断線検出方法を示す図である
。 １５、１６・・・増幅器、１７・・・位相制御回路、１
８．１８Ａ・・・パルス１−ランス、３，４・・サイリ
スタ、１０・・誘導電動機、６４・・・断線検出回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 速度フィードバック制御と電流フィードバック制御とを
   行う自動速度制御系と、該制御系の出力側に設けられ、
   位相制御又は可変周波数インバータ制御により電動機の
   速度を制御する半導体電力変換装置とより成る電動機の
   速度制御装置において、 電流指令信号が電流を最大に流そうとする信号になって
   いるか否かを判別する第１の比較器と、実電流の帰還信
   号がある一定以上あるかないかを判別する第２の比較器
   と、該第１、第２の比較器の出力を入力とし、この入力
   の組合せが電動機を含む速度制御装置の断線、素子破壊
   を意味する論理となったとき、異常の信号を出力する論
   理演算回路と、より成る電動機及び電動機速度制御装置
   の断線等異常検出装置。