クレーン駆動システムにおける界磁弱化速度制御：原理と実装

2026 年 10 月 10 日

クレーン駆動の界磁弱め速度制御は、昇降機構において運転効率を向上させるためによく用いられます。基本的な考え方は単純です。無負荷状態ではモータは最高速度で回転し、重負荷状態では定格速度で回転します。そして、重負荷と無負荷の間の負荷に対しては、計算された界磁弱め曲線を用いて適切な速度を決定します。

天井クレーンやガントリークレーンのホイスト駆動装置の場合、これは無負荷または軽負荷時の吊り上げ速度の向上、吊り上げ時間の短縮、作業サイクルの短縮、および機器の生産性向上に役立ちます。

特殊な用途では、設計データに従う必要があります。例えば、造船用ガントリークレーンにおいて、無負荷時、半負荷時、全負荷時の速度がそれぞれ3m/分、6m/分、9m/分であり、モータの界磁弱め比が定格速度の3倍に達しない場合、全負荷時の運転速度は定格速度よりも低くなる可能性があります。

以下の説明では、効率性が求められるコンテナ埠頭クレーンと船舶荷揚げ機を例として取り上げます。吊り上げ機構の荷重は、サイクルごとに定格荷重に達するわけではありません。コンテナ埠頭クレーンの場合、コンテナの重量は、コンテナ内の貨物によって異なりますが、通常3トンから40トンです。荷重が重い場合は、吊り上げ速度を遅くする必要があります。荷重が軽い場合は、吊り上げ速度を上げることができ、装置側のサイクル時間を短縮できます。

船舶荷揚げ機の運転条件は比較的単純です。ハッチ全開段階では、グラブによる荷揚げは通常、ほぼ満載状態です。グラブが開くと、機構には軽負荷がかかるため、システムには主に高速と低速の範囲が必要となります。清掃段階では、一度に掴む資材の重量が大きく変動します。このような状況では、軽負荷高速運転によって作業サイクルを大幅に短縮できます。

弱め磁界速度制御の原理

図1-1に示すように、実線は速度と出力の関係を表し、破線は速度と出力トルクの関係を表しています。

モータがゼロ速度から定格速度n_Nまで加速する際、モータの出力電力は速度に比例し、出力トルクは定格トルクのままとなる。この範囲を定トルク特性範囲と呼ぶ。

モータが定格速度n_Nから最大速度n_maxまで回転する場合、モータの出力電力は定格電力で一定に保たれる一方、出力トルクは速度に反比例します。この範囲を定出力特性範囲と呼びます。

図1-1のS1、S3-60%、S3-40%、およびS3-25%の曲線は運動能力に関連するものであり、あくまで例として示されています。

負荷が定格負荷に達すると、モータは定格速度を下回る速度で回転し、定トルク範囲に留まります。出力トルクは一定に保たれますが、出力電力はモータ速度に依存します。

負荷が定格負荷を下回ると、モータは弱磁界領域に入り、定格速度を超えて運転することができます。この定電力領域では、出力電力は一定に保たれ、モータ速度の上昇に伴って出力トルクは減少します。

設計作業においては、電圧制限特性曲線と機械的速度制限を慎重に考慮する必要がある。実際の運転においては、これらの制限値から適切な余裕を持たせるべきである。

電界弱化曲線と負荷重量検出

磁界弱化曲線は機械的性能から算出でき、通常はOEMから提供されます。磁界弱化曲線が利用可能になったら、5%などの一定のマージンを添えて制御プログラムに設定できます。

負荷依存型速度制御の前提は、正確な負荷重量検出である。しかし実際には、負荷検出はしばしば困難な課題の一つとなる。

方法１：重量センサーによる荷重検出

巻き上げ加速中、PLCプログラムは重量センサーのアナログ出力から負荷重量を計算します。次に、負荷重量と界磁弱め曲線からモータ速度指令値を計算し、その指令値をインバータに送信することで、モータは計算された速度で回転します。

しかしながら、重量センサーのデータはドリフトする可能性があり、測定精度を保証することは困難です。これは大きなリスクとなります。計算された磁界弱化速度が不正確な場合、速度が過剰になる一方で、ホイストモーターの出力トルクが不足する可能性があります。これにより、過速度などの制御不能事故につながる恐れがあります。

方法2：モータ電流による負荷推定

重量センサーの精度問題を解決するために、一般的な負荷推定方法をPLCプログラムに実装することができます。ホイストモーターの電流を用いて負荷重量を算出します。モーターが定常運転状態にある場合、モーターの出力トルクは負荷重量に比例し、モーター電流は出力トルクにほぼ比例します。したがって、モーター電流を用いて負荷重量を推定することが可能です。

図1-2に示すように、加速中、モータ出力トルクは4つの部分から構成され、M_LOADは負荷に比例します。

モータ電流Aと負荷Tの間の比例係数Kは、試運転中に実測によって決定する必要がある。

T = K x A

測定方法は以下のとおりです。

既知の荷重T_LOADを地面から浮いた状態まで持ち上げ、静止状態から基準速度または定格速度まで加速させる。
モータ電流Aを取得します。電流サンプリングは加速段階で行う必要があります。これは、加速中の負荷重量から界磁弱化速度を計算する必要があるためです。データ精度を向上させるため、加速の中間段階でサンプリングすることをお勧めします。例えば、ゼロから基準速度までの加速時間が3秒の場合、動作開始後1.5秒経過してからサンプリングを開始できます。100msごとに1回サンプリングし、合計5つのサンプルを収集し、その5つのサンプルの平均値をモータ電流A_Mとして使用します。
Kを計算する：K = T_LOAD / A_M
実際の運転中は、同じ方法で電流値Aを読み取ります。次に、T = K × A の式を用いて負荷重量を計算し、その結果を弱磁界曲線と組み合わせてモータの弱磁界速度を計算します。

重要なポイント：

安全のため、電流サンプリングが失敗した場合、またはサンプリング結果が不確かな場合は、モーターは定格速度でのみ運転させるべきである。
揚重中に算出された磁場弱化速度は、降下時の基準値としても使用できる。
各運転サイクル終了後、界磁弱め速度を定格速度にリセットする必要があります。速度基準値は、有効な界磁弱め速度が再計算された後にのみ更新してください。

シーメンス製品の導入および改修に関する注意事項

初期のシーメンス製システムでは、T300などのテクノロジーボードが使用されており、このボードには弱磁界速度制御機能が統合されていました。ユーザーは、使用前に簡単なアプリケーション開発と現場での慎重な試運転を行うだけで済みました。T300はMasterdrive 6SE70電子ボックス内のCUVCボードの隣に設置され、T300上にEPROMが挿入されていたため、プログラムはEPROMに保存されました。

シーメンスは、より新しいSINAMICS駆動システム向けに、SIMOTIONプラットフォーム上でクレーン制御ソフトウェアパッケージ「SIMOCRANE」を開発しました。これには、界磁弱化速度制御などのクレーン技術プログラムが含まれていました。SIMOTIONの段階的廃止に伴い、SIMOCRANEはCU320ハードウェアプラットフォームに移行され、現在も界磁弱化速度制御をサポートしています。

改修プロジェクトには特別な注意が必要です。T300はSINAMICSシステムでは使用できないため、その機能はPLC、CU320、または別のプラットフォームに移行する必要があります。そうしないと、弱磁界機能を備えたクレーンが、高速と低速の2段階速度のみのクレーンに改造されてしまう可能性があります。

機能の原理と実装方法が理解できたら、プロジェクトチームは機能を独自開発するか、成熟したソフトウェアパッケージを購入するかを決定できます。エンジニアリングアプリケーションにおいては、機能が何をするのかを知るだけでなく、なぜそれが機能するのかを理解することも重要です。