CN102906344A - 混合建设机械的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种在对混合建设机械进行小型化的同时，在发动机启动后立即驱动旋转电气电机的技术。与发动机（2）连接的发电机（5）发生交流电力。发电机（5）上连接有换流器（5），控制对旋转电气电机（18）的电力的逆变器（32）与换流器（5）连接。换流器（30）及逆变器（32）由配置于发电机（5）的电源线（34r、34s、34t）和旋转电气电机（18）间的IGBT构成，通过这些IGBT将发电机（5）的交流电力直接变换为能接入旋转电气电机（18）的交流电力。

Description

混合建设机械的控制装置
技术领域
本发明涉及通过流体压力和电力被驱动的混合建设机械的控制装置。
背景技术
混合建设机械的控制装置中，有这样的装置：由发动机驱动油压泵，由该油压泵驱动建设机器所具备的动臂等，并且由发动机驱动发电机，通过该发电机产生的交流电力，而使设有动臂等的建设机械的旋转体旋转。这样的混合建设机械的控制装置的一例在专利文献1中有公开。
在专利文献1的技术中，发电机产生的交流电力由换流器进行整流、由平滑用电容进行平滑而变为直流电力。逆变器将该直流电力变换为交流电力，供给至用于使旋转体旋转的旋转电气电机。
现有技术文献
专利文献1：日本专利特开2008-88660号公报
发明内容
专利文献1所公开的技术中，需要将发电机产生的交流电力暂时变换为直流电力。所以，需要大容量的平滑用的电容器，控制装置将变大型。此外，一般在大容量平滑电容器中使用电解电容器，但电解电容器使用电解液，所以它的容量值的随时间变化大。特别地，在建设机械所暴露于的温度下和振动下，耐用寿命存在很大问题。另一方面，为了能在启动发动机后使旋转电气电机回旋，需要用于利用由换流器整流后的直流电力而对平滑用的电容器进行初始充电的电路，除了控制装置的尺寸和成本会增大之外，还不能在发动机启动后马上使建设机械旋转。
本发明的目的在于提供一种小型、低成本、可靠性高、且发动机启动后也能马上驱动电气电机的混合建设机械的控制装置。
本发明的一个方式的混合建设机械的控制装置具有发电机。该发电机与发动机连接，产生交流电力。优选交流电力是具有多个相的多相电力。另外，发动机也如后述那样驱动油压泵。上述发电机上连接有第1电力变换器。第1电力变换器例如是换流器。第1电力变换器上连接了第2电力变换器，该第2电力变换器控制旋转电气电机的电力。第2电力变换器例如是逆变器。第1及第2电力变换器由在上述发电机的各电源线和上述旋转电气电机之间配置的多个开关元件群构成。这些开关元件群将上述发电机的交流电力直接变换为能够接入上述旋转电气电机的交流电力，对上述旋转电气电机进行回旋控制。向第1电力变换器供给的发电机的交流电力是多相电力，例如三相电力，从第2电力变换器向上述旋转电气电机接入的交流电力也是多相电力，例如三相电力。这些开关元件由第1及第2电力变换器用的控制单元控制。
通过这样构成，将发电机的交流电力通过第1及第2电力变换器变换为能够直接接入旋转电气电机的交流电力，所以无需使用平滑用的电容器，能够进行小型化。而且，未使用平滑用的电容器，所以不需要等待平滑用的电容器充电，启动发动机后，能够马上驱动旋转电气电机，而使建设机械本体旋转。
上述发动机能够设置为也驱动油压泵。在这种情况下，上述发电机构成为作为电气电机也能驱动。该电气电机对上述发动机驱动上述油压泵时的动力进行辅助。将从上述旋转电气电机中再生的交流电力，通过第1及第2电力变换器的上述开关元件群，直接变换为驱动上述发电机的交流电力，驱动上述发电机。开关元件群能够向双方向传送电力。
通过这样构成，能够利用来自旋转电气电机的再生电力驱动发电机。因为能够将从旋转电气电机中再生的交流电力直接变换为驱动发电机的交流电力，所以能使效率提高。
进而，在从上述旋转电气电机再生的交流电力比上述发电机中所需的交流电力多时，能够将其剩余三相交流电力向设于第1及第2电力变换器之间的蓄电器蓄电。
在像以往那样为了对来自发电机的交流电力进行整流、平滑而设置蓄电器的情况下，在蓄电器中产生充放电带来的损失。但是，在像上述那样构成的情况下，仅在剩余电力产生时，蓄电器充电，所以损失的产生少，混合建设机械的效率提高，并且蓄电器的寿命延长。
进而，从上述旋转电气电机中再生的交流电力不足于上述发电机中所需的交流电力时，还能够从上述蓄电器补充该不足电力。通过这样构成，即使来自旋转电气电机的再生电力不足于为了驱动发电机所需的电力，也能以预定的状态驱动发电机。
进而，上述发电机为在对由上述发动机驱动上述油压泵时的动力进行辅助的辅助模式时，上述旋转电气电机再生交流电力的情况下，能够使该再生后的交流电力优先地向上述发电机供给。
通过这样构成，在辅助模式时，油压泵由一定的动力被驱动，所以油压泵的吐出量不变动，能防止对由油压泵驱动的圆弧作动件等的影响。此外，由于不进行蓄电器的充放电，能够减少蓄电器的充放电损失，能够提高效率。
如上，根据本发明，不需要用于驱动旋转电气电机的平滑用的电容器，能够使混合建设机械小型化，并且在此基础上，能够使混合建设机械具有的旋转电气电机在发动机启动后马上驱动。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的混合建设机械的框图。
图2是图1的混合建设机械中使用的间接矩阵换流器的电路图。
具体实施方式
本发明的一个方式的混合建设机械，如图1所示，具有发动机2。该发动机2驱动油压泵4以及发电机5。该油压泵4作为混合建设机械的多个作动件、例如臂油缸6、动臂油缸8、铲斗油缸10、行驶油压电机（L）12、行驶油压电机（R）14的驱动源实现功能。
臂油缸6驱动的臂、动臂油缸8驱动的动臂、铲斗油缸10驱动的铲斗，安装于混合建设机械的上部旋转体。行驶油压电机（L）12、行驶油压电机（R）14驱动可旋转地设有该上部旋转体的行驶体的左右的履带牵引器（crawler）。
为了使上部旋转体旋转，在上部旋转体上经由旋转机构16而结合有电气电机、例如三相电动机18。为了得到用于使三相电动机18的回旋的电力，在发动机2上结合有上述的发电机5。发电机5例如是产生三相交流电力的三相交流发电机，此外，也能作为三相电动机进行动作。发电机5，在作为三相电动机进行动作的情况下，与发动机2一起驱动油压泵4。
发电机5产生的交流电力向间接矩阵换流器22供给，变换频率以及电压后向三相电动机18供给。间接矩阵换流器22由控制部24控制。为了在该控制中使用，由电压检测器26检测发电机20的输出电压，此外，由电流检测部28检测间接矩阵换流器22的输出电流。电压检测器26、电流检测部28中的检测结果向控制部24供给。
间接矩阵换流器22，如图2所示，具有第1电力变换器、例如换流器30和第2电力变换器、例如逆变器32。
换流器30具有三相交流电源输入端子34r、34s、34t，还具有两个中间直流输出端子36p、36n。在电源输入端子34r和中间直流输出端子36p之间连接有开关元件，例如双方向开关电路38。在双方向开关电路38中，具有：集电极与电源输入端子34r连接的IGBT40、和同样地集电极与中间直流输出端子36p连接的IGBT42，这些IGBT40、42的发射极彼此连接。在这些IGBT40、42的集电极·发射极间逆并联地连接有二极管44、46。IGBT40导通时，来自电源输入端子34r的电流经由IGBT40、二极管46流向中间直流输出端子36p。此外，IGBT42导通时，来自中间直流输出端子36p的电流经由IGBT42、二极管44流向电源输入端子34r。
开关电路48、50分别连接于电源输入端子34s、34t与中间直流输出端子36p之间。双方向开关电路48、50也与开关电路38同样地由两个IGBT52、54、56、58和逆并联二极管60、62、64、66构成。
同样地，在电源输入端子34r、34s、34t和中间直流输出端子36n之间连接有双方向开关电路68、70、72。分别有：上述双方向开关电路68由两个IGBT74、76和两个二极管86、88构成，上述双方向开关电路70由两个IGBT78、80和两个二极管90、92构成，上述双方向开关电路72由两个IGBT82、84和两个二极管94、96构成。
这样，换流器30由12个IGBT和12个二极管构成。由该换流器30在中间直流输出端子36p、36n之间，生成中间直流电压。
逆变器32具有经由中间直流电源线98p连接到中间直流输出端子36p的中间直流输入端子100p，还具有经由中间直流电源线98n连接到中间直流输出端子36n的中间直流输入端子100n，还具有连接到三相电动机18的各相的交流输出端子102u、102v、102w。
中间直流输入端子100p与交流输出端子102u之间连接有半导体开关元件，例如IGBT104。IGBT104的集电极位于中间直流输入端子100p侧，发射极位于交流输出端子102u。在IGBT104的集电极·发射极间逆并联地连接有二极管108。同样地，中间直流输入端子100p与交流输出端子102v、102w之间，分别连接有IGBT108、110。这些IGBT108、110上逆并联地连接有二极管112、114。
同样地，在交流输出端子102u、102v、102w与中间直流输入端子100n之间也连接有IGBT116、118、120。IGBT116、118、120的集电极位于交流输出端子102u、102v、102w侧，它们的发射极位于中间直流输入端子100n侧。在这些IGBT116、118、120的集电极·发射极间逆并联地连接有二极管122、124、126。这样，逆变器32由6个IGBT构成。
在中间直流电源线98p、98n间设有充放电电路128。该充放电电路128具有IGBT130，该IGBT130的集电极与中间直流电源线98p连接。该IGBT130的发射极经由电阻器132以及充放电电容134的串联电路连接于中间直流电源线98n。作为充放电电容134，能够使用蓄电器、例如EDLC（双电层电容器）或LiC（锂离子电容）等。与电阻器132及充放电电容134的串联电路并联地连接有IGBT136。IGBT136中，集电极位于电阻器132侧，发射极位于中间直流电源线98n侧。在IGBT130、136的集电极·发射极间逆并联地连接有二极管138、140。
这些换流器30以及逆变器32的各IGBT由图1所示的控制部24控制，向三相发电机18供给具有期望的频率以及期望的电压的交流电力。特别地，由于将三相交流电力通过换流器30以及逆变器32直接变换为期望的交流电力，即，由于没有采用将交流电力由换流器和平滑用电容变换为直流电力之后，再将该直流电力由逆变器变换为期望的交流电力的方法，所以不需要在中间直流电源线98p、98n间设置平滑用的大容量的电容。因此，能使间接矩阵换流器22小型化，能使使用其的混合建设机械也小型化。而且，在使发动机2启动后，不需要等待平滑用电容充分充电的时间，所以能够迅速地启动三相电动机18。
为了按照来自混合建机的操纵者的指令（未图示）使上部旋转体旋转，控制部24控制间接矩阵换流器22，以向三相电动机18供给具有期望的频率以及期望的电压的交流电力。这时，控制部24将来自发电机5的电力优先地向旋转电动机供给。即，控制部24在根据来自操纵者的指令、三相电动机18的磁极位置传感器（未图示）、电压检测器26及/或电流检测部28的检测结果，判断为三相电动机18中为了旋转而所需的电力不足时，从电容134放电，将电容134的电力加到向三相电动机18供给的电力中。此外，控制部24在根据操纵者的指令、三相电动机18的磁极位置传感器、电压检测器26及/或电流检测部28的检测结果，判断为向三相电动机18供给的电力中产生剩余时，将该剩余电力向电容134充电。
此外，在换流器32中，对各IGBT104至110、116至120逆并联地设有二极管106、112、114、122至126，换流器30分别由双方向开关电路38、48、50、68至72构成，所以通过由控制器24控制它们，能够进行三相电动机18的再生控制、对电源输入端子34r、34s、34t产生交流电力。
能够设定对由发动机驱动油压泵4时的动力进行辅助的辅助模式。该辅助模式时，来自间接矩阵换流器22的再生而成的交流电力向发电机5供给，使发电机5作为三相电动机而动作。由此，能够对发动机2驱动油压泵4进行辅助。在该再生的电力与为了通过将发电机5作为电动机而驱动从而辅助发动机2所需的电力相比多的情况下，使充放电电路128的IGBT130导通，用其剩余电力充电充放电用的电容134。另外，IGBT136为了防止充放电用的电容134过充电，而在使充放电用的电容134放电时，进行导通。
如果预先对充放电用的电容134充电，则在根据三相电动机18的再生而产生的再生电力比为了将发电机5作为电动机驱动而应该负担的电力少的情况下，从电容134经由二极管138放电，能够补充基于三相电动机18的再生的再生电力。这样，充放电用的电容134仅在剩余电力产生时充电，仅在再生电力不足时放电，所以无需频繁地充放电，伴随充放电的损失的产生得少。
另外，控制部24根据混合建机的操纵者的指令、电容134的电力检测器（未图示）、电压检测器26及/或电流检测部28的检测结果，判断来自三相电动机18的再生电力不足的情况、或再生电力中产生了剩余电力的情况。
在上述的实施方式中，发电机5能够作为电动机工作，但也可以构成为：另外设置用于辅助驱动油压泵4的电动机，由来自间接矩阵换流器22的再生电力驱动该电动机。进而，也可以对每个臂油缸6、动臂油缸8、铲斗油缸10、行驶油压电机（L）12、行驶油压电机（R）14设置电动机和油压泵，调节对各电动机的电力分配。

Claims (7)

1.一种混合式建设机械的控制装置，具备：
发电机，与发动机连接，产生交流电力；
第1电力变换器，与该发电机连接；
第2电力变换器，与第1电力变换器连接，控制旋转电气电机的电力，
所述混合式建设机械的控制装置的特征在于，
第1及第2电力变换器由配置于所述发电机的各电源线和所述旋转电气电机之间的多个开关元件群构成，通过这些开关元件群将所述发电机的交流电力直接变换为能接入到所述旋转电气电机的交流电力，并对所述旋转电气电机进行回旋控制。
2.根据权利要求1所记载的混合式建设机械的控制装置，其特征在于，
所述发动机还驱动油压泵，所述发电机构成为也能作为电气电机驱动，对所述发动机驱动所述油压泵时的动力进行辅助；
将从所述旋转电气电机再生的交流电力，由第1及第2电力变换器的所述开关元件群直接变换为驱动所述发电机的交流电力，对所述发电机进行驱动。
3.根据权利要求2所记载的混合式建设机械的控制装置，其特征在于，从所述旋转电气电机再生的交流电力比所述发电机中需要的交流电力还多时，将其的剩余三相交流电力在设于第1及第2电力变换器之间的蓄电器中蓄电。
4.根据权利要求3所记载的混合式建设机械的控制装置，其特征在于，
从所述旋转电气电机再生的交流电力不足于所述发电机中需要的交流电力时，从所述蓄电器补充其不足电力。
5.根据权利要求3所记载的混合式建设机械的控制装置，其特征在于，
所述发电机为对以所述发动机驱动所述油压泵时的动力进行辅助的辅助模式时，在所述旋转电气电机再生出了交流电力的情况下，将该再生的交流电力优先地向所述发电机供给。
6.根据权利要求2-5中任意一项所记载的混合式建设机械的控制装置，其特征在于，
所述蓄电器是电容。
7.根据权利要求2-7中任意一项所记载的混合式建设机械的控制装置，其特征在于，
所述油压泵是代替由所述发动机进行驱动的方式而通过与发电机的交流输出连接的交流输入的逆变器来进行驱动的电动油压泵。
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