JP2006238516A

JP2006238516A - 負荷駆動装置

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Publication number: JP2006238516A
Application number: JP2005045542A
Authority: JP
Inventors: Yuji Shiga; 裕二志賀; Masanori Imazeki; 正典今関; Susumu Shimoda; 進下田; Kei Akune; 圭阿久根; Takaaki Nishikawa; 貴章西川
Original assignee: IHI Corp; Ishikawajima Transport Machinery Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Transport Machinery Co Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】コンデンサから負荷の駆動に要する大電力を確実に得、また負荷から得られる回生電力をコンデンサに確実に回収し得る簡易な構成の負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータと、この交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して負荷を駆動するインバータと、前記交流・直流コンバータから出力された直流電力および前記インバータを介して前記負荷から回収された回生電力を蓄積するコンデンサとを具備し、特にコンデンサの前段に、前記直流電力および前記回生電力の電圧を昇降圧して前記コンデンサに入出力する直流・直流コンバータを設け、コンデンサに加える直流電圧範囲を広くしてその入出力エネルギ量を増大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、クレーン等の運搬機械を駆動するに好適な負荷駆動装置に関する。

クレーン等の運搬機械を駆動する負荷駆動装置は、一般に交流電源を直流電力に変換する直流・交流コンバータと、この直流・交流コンバータから出力される直流電力を、電圧および周波数が制御された交流に変換して電動機を駆動するインバータとを備えて構成される。また上記直流・交流コンバータから出力される直流電力をコンデンサ（蓄電器）に蓄え、このコンデンサに蓄積された電力を用いて前記インバータを力行駆動すると共に、前記電動機を介して得られる回生電力を上記コンデンサに蓄積して前記インバータの駆動に再利用することも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開平１０−２６７０７６号公報

ところで最近、小型で大容量の電気二重層コンデンサが注目されており、上述した負荷駆動装置における電力蓄積用のコンデンサとして電気二重層コンデンサを用いることが考えられる。しかし電気二重層コンデンサを用いるといえども、上述したクレーン等の運搬機械における電動機の駆動には多大な電力を要するので、その電力（電力エネルギ）を如何にして効率的に電気二重層コンデンサに入出力するかが問題となる。換言すればクレーン等における電動機の駆動には大きな力行エネルギを必要とし、また電動機から得られる回生エネルギも大きい。これ故、これらの大きなエネルギ（力行電力／回生電力）を電気二重層コンデンサに確実に入出力（充放電）することが必要となる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電力蓄積用のコンデンサから電動機の駆動に要する大電力を確実に得、また電動機から得られる回生電力を上記コンデンサに確実に回収し得るようにした簡易な構成の負荷駆動装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る負荷駆動装置は、外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータと、この交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して負荷、例えば電動機を駆動するインバータと、前記交流・直流コンバータから出力された直流電力および前記インバータを介して前記負荷から回収された回生電力を蓄積する、例えば電気二重層コンデンサとを具備したものであって、
特に前記コンデンサの前段に、前記直流電力および前記回生電力の電圧を前記コンデンサの充放電制御に適した電圧範囲の電圧に変換して入出力する直流・直流コンバータを設けたことを特徴としている。

好ましくは請求項２に記載するように前記交流・直流コンバータおよびインバータは、前記外部電源および負荷の仕様に応じて構築された電圧系の回路として実現し、前記交流・直流コンバータおよびインバータが入出力する電圧を前記直流・直流コンバータを用いて昇圧または降圧して前記コンデンサに入出力するように構成すれば良い。

上述した構成の負荷駆動装置によれば、直流・直流コンバータを介して電気二重層コンデンサに入出力する電力の電圧を昇降圧し、充放電に伴う電気二重層コンデンサの直流電圧電圧範囲を拡大することができるので、該電気二重層コンデンサに蓄積可能な電力量、ひいては充放電可能な電力量を増大させることができる。この結果、限られた容量の電気二重層コンデンサが有する性能を十分に活用して大電力エネルギを蓄積することが可能となるので、電気二重層コンデンサに蓄積された電気エネルギを用いてインバータを介して負荷を大電力駆動したり、逆に負荷から得られる大きな回生電力を電気二重層コンデンサに確実に回収することが可能となる。

つまり交流・直流コンバータおよびインバータが入出力する電圧を昇降圧してその電圧変化幅を広くすることで、コンデンサの充放電制御を幅広いレベルで実行することが可能となるので、負荷から得られる大きな回生電力を確実にコンデンサに回収することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置について説明する。
この負荷駆動装置は、例えば物品（荷物）を吊り上げて昇降させるクレーンや、物品を載置する可動ステージを上下動させるリフタ等における駆動用の誘導電動機（モータ）を負荷とし、外部電源から与えられる交流電力（例えば４００Ｖの動力系三相交流電力）を用いて上記電動機を駆動するものである。特に負荷駆動装置は、基本的には交流・直流コンバータを用いて交流電力から直流電力を生成し、更にこの直流電力からインバータを用いて電圧および周波数が制御された交流電力を生成して電動機（負荷）を駆動するように構成される。

即ち、本発明に係る負荷駆動装置は、図１にその概略的なブロック構成を示すように外部電源１から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータ２と、この交流・直流コンバータ２から出力される直流電力を蓄積するコンデンサ３を備える。このコンデンサ３は、例えば小型で充電容量の大きい電気二重層コンデンサからなる。更に負荷駆動装置は、上記コンデンサ３に蓄積された直流電力および／または前記交流・直流コンバータ１から出力される直流電力から電圧および周波数を制御した交流電力を生成して負荷（電動機）４を駆動するインバータ５を備える。またこのインバータ５は、前記負荷（電動機）４から回生電力が得られるとき、その回生電力を直流電力に変換して回収して前記コンデンサ３に蓄積する機能を備えたものである。

尚、前記交流・直流コンバータ２およびインバータ５は、負荷４の駆動状態に応じて制御器６によりその動作がそれぞれ制御されるようになっている。特に制御器６は、負荷４の運転状態に応じてインバータ５の作動を制御するもので、負荷４の駆動に要する電力が正（＋）である場合には、コンデンサ３に蓄積された電力および／または交流・直流コンバータ２から得られる電力を用いて負荷４を力行駆動し、また負荷４の駆動に要する電力が負（−）であり、負荷４を介して電力が回生される場合には、その回生電力を回収して前記コンデンサ３を充電するものとなっている。

特にこの発明が特徴とするところは、交流・直流コンバータ２の直流側とコンデンサ３との間に直流・直流コンバータ８を設け、交流・直流コンバータ２から出力される直流電力、或いはインバータ５を介して回収される回生電力をコンデンサ３の充放電を制御するに好適な電圧に変換してコンデンサ３に供給し、またコンデンサ３に蓄積された直流電力を上記直流・直流コンバータ８を介して元の電圧レベルに戻してインバータ５に供給するように構成している点にある。

具体的には前記外部電源１が４００Ｖの動力系三相交流電源である場合、負荷４としての電動機は上記記電源系に合わせて４００Ｖ仕様のものが用いられ、また前述した交流・直流コンバータ２およびインバータ５は４００Ｖ系の電子回路として実現される。そして交流・直流コンバータ２およびインバータ５における直流回路は、通常、６２５〜７２０Ｖの範囲で直流電圧を変化させ得るように構成される。尚、上記直流電圧の下限値［６２５Ｖ］は、４００Ｖ系における交流最大電圧４４０Ｖを２^1/2倍（√２倍）した値であり、その上限値［７２０Ｖ］は４００Ｖ系の直流最大電圧である８００Ｖの１割減を見込んだ電圧値である。

このような直流回路に対して前述した直流・直流コンバータ８は、例えば６２５〜７２０Ｖの直流電力を３２０〜７２０Ｖの直流電力に変換してコンデンサ３を充電し、またコンデンサ３に蓄積された３２０〜７２０Ｖの直流電力を６２５〜７２０Ｖの直流電力に変換して取り出す（放電させる）ように構成されている。換言すれば直流回路がコンデンサ３に対して入出力（充放電）しようとする６２５〜７２０Ｖの直流電力を、直流・直流コンバータ８は３２０〜７２０Ｖの直流電力に変換してコンデンサ３に入出力（充放電）することで、コンデンサ３に加える直流電圧を変化させている。

そしてこの直流・直流コンバータ８を介してコンデンサ３に印加される３２０Ｖ〜７２０Ｖの直流電圧により前記コンデンサ３への充放電が制御され、コンバータ８の出力電圧がコンデンサ３の充電電圧よりも高い場合には、前記交流・直流コンバータ２から出力される直流電力が直流・直流コンバータ８を介してコンデンサ３に蓄えられるようになっている。また前記インバータ５は、交流・直流コンバータ２から出力された６２５Ｖ〜７２０Ｖの直流電力、および／またはコンデンサ３に蓄えられた３２０Ｖ〜７２０Ｖの直流電力であって、直流・直流コンバータ８を介して６２５Ｖ〜７２０Ｖに変換された直流電力を入力し、これをスイッチングすることで負荷（電動機）４の駆動に必要な４００Ｖ系の周波数制御された交流電力を生成するように構成される。

またこのインバータ５は、前記負荷（電動機）４に機械的運動エネルギが加えられて該負荷（電動機）４から回生電力が得られるとき、この回生電力を６２５Ｖ〜７２０Ｖの直流電力に変換して回収している。そしてこの回生電力は、前記直流・直流コンバータ８を介して３２０Ｖ〜７２０Ｖに変換されてコンデンサ３に加えられ、コンデンサ３に蓄積されるようになっている。

このような直流・直流コンバータ８を備えて構成される負荷駆動装置によれば、図２にコンデンサ３の充電電圧Ｖとその充電エネルギ量（充電量）Ｕとの関係を示すように、交流・直流コンバータ２の出力電圧を直流・直流コンバータ８を介して電圧変化幅を広くした分、コンデンサ３に貯蔵し得る電力量を増大させることができ、コンデンサ３を介して利用し得るエネルギ量（電力量）を増大させることができる。

即ち、コンデンサ３に貯蔵し得る電力量Ｕはコンデンサ３の静電容量をＣとしたとき、［Ｕ＝（１／２）ＣＶ²］として示されるようにその電圧Ｖの２乗に比例して変化する。従ってコンデンサ３に印加する直流電圧Ｖを可変することによって、該コンデンサ３への充電と放電とを制御することができるので、その電圧変化幅（制御幅）が広い程、より多くの電力量を入出力（充放電）させてインバータ５の駆動に、またインバータ５を介して回収される回生電力の蓄積に利用することが可能となる。

ちなみに２００Ｖ系の交流・直流コンバータ２の出力電圧［３２０〜３６０Ｖ］をそのままコンデンサ３に加えた場合、コンデンサ３に加え得る直流電圧の可変幅が約４０Ｖなので、直流電力の入出力量（充放電量）に限界がある。また４００Ｖ系の交流・直流コンバータ２の出力電圧［６２５〜７２０Ｖ］をそのままコンデンサ３に加えても、コンデンサ３に加え得る直流電圧の可変幅が約９５Ｖなので、直流電力の入出力量（充放電量）は前述した２００Ｖ系の約４倍となるに過ぎない。

この点、直流・直流コンバータ８７を用いて４００Ｖ系の直流電力を昇降圧してコンデンサ３に加えるようにすれば、コンデンサ３の電圧を、例えば３２０〜７２０Ｖの範囲で制御することが可能となり、その直流電圧が変化する範囲を約４００Ｖと拡大することができる。この結果、コンデンサ３に蓄積可能な電力量を大きく変化させて直流電力の入出力量（充放電量）を大幅に増大させることが可能となる。つまりコンデンサ３を介して入出力可能な電力量（利用可能なエネルギ量）を大幅に増大させ、コンデンサ３が有する機能を十分に活用することが可能となる。

特に交流・直流コンバータ２およびインバータ５がなす直流回路における直流電力の電圧を直流・直流コンバータ８を介して昇降圧してコンデンサ３に加え、これによってコンデンサ３に供給する直流電圧の変化幅を拡げると言う簡単な構成だけで、コンデンサ３を介して入出力（充放電）される電力量を増大させることが可能となる。従って負荷４の駆動に要する電力が大きく、また負荷４から回収される回生電力が大きい場合であっても、コンデンサ３を用いてその電力の供給と回収とを効率的に制御することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

図３は本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置の具体的な構成例を示すもので、図１に示す構成と同一部分には同一符号を付して示している。
尚、この例では物品（荷物）を３次元的（昇降・走行・横行）に移動させる為の３つの負荷（電動機）４ａ,４ｂ,４ｃが設けられている。そしてこれらの各負荷（電動機）４ａ,４ｂ,４ｃのそれぞれに対応させて、その駆動機である３つのインバータ５ａ,５ｂ,５ｃが並列に設けられている。また交流・直流コンバータ２の前段には電流抑制器（抵抗器）１１が直列に介挿されており、更にこの電流抑制器１１には第１のスイッチ素子１２が並列に設けられている。

上記電流抑制器１１は、直流・直流コンバータ８を介する前記コンデンサ３の見掛け上の充電電圧（端子電圧）が交流・直流コンバータ２の最小出力電圧よりも低いとき、コンデンサ３に対する充電を上記交流・直流コンバータ２によって制御することができないことから、その初期充電時に前記コンデンサ３に対する初期充電電流を抑制する役割を担っている。この電流抑制器１１によってコンデンサ３の初期充電電流が抑制され、過大電流に起因するコンデンサ３の発熱、ひいては発熱に伴うコンデンサ３の熱破壊が防止されている。そして前記第１のスイッチ素子１２は、コンデンサ３の初期充電が完了したとき、この状態をコンデンサ３の端子電圧から検出する等して導通駆動されて前記電流抑制器１１をバイパスする役割を担う。この第１のスイッチ素子１２による電流抑制器１１のバイパスにより、その後は前記交流・直流コンバータ２によりコンデンサ３の充放電が制御される。

また前記コンデンサ３は、第２のスイッチ素子１３を直列に介して前記交流・直流コンバータ８に接続されており、例えばコンデンサ３の異常が検出された場合等に第２のスイッチ素子１３を遮断することで上記コンデンサ３が上述した前記直流・直流コンバータ８（交流・直流コンバータ２の直流回路側）から切り離されるようになっている。更にコンデンサ３には第３のスイッチ素子１４を介して放電器（抵抗器）１５が並列に接続されている。この放電器１５は第３のスイッチ素子１４の導通によりコンデンサ３に接続されて該コンデンサ３に蓄積された電力エネルギを放電させ、熱エネルギとして消費する役割を担っている。即ち、第３のスイッチ素子１４は、コンデンサ３の保守・点検時等に前述した第２のスイッチ素子１３によるコンデンサ３の直流回路からの切り離しに関連して導通駆動される。そしてコンデンサ３の充電エネルギを放電器１５を介して放電させることで、その保守・点検時におけるコンデンサ３の取り扱いの安全性を確保する役割を担っている。

即ち、負荷駆動装置を実現するに際しては、前述したコンバータ２やインバータ５等の基本的な構成要素に加えて、上述した電流抑制器１１やスイッチ素子１２,１３,１４および放電器１５を装備してコンデンサ３を組み込むことで、過大電流に起因するコンデンサ３の熱破壊を防止し、またその保守時の取り扱い等の安全性を考慮した構成とすることが望ましい。その上で前述した直流・直流コンバータ８を用いてコンデンサ３の充放電を制御する直流電圧の変化幅を広くし、これによってコンデンサ３を介して入出力（充放電）すされる電力エネルギ量を増大させた構成とすれば、これによってコンデンサ３の持つ機能を十分に活用した負荷駆動装置を実現することができる。従ってその実用的利点が多大である。

そしてこのように構成された負荷駆動装置によれば、例えば図４に負荷４に対する入出力エネルギ（電力）とコンデンサ３の電圧（充電量）との関係を示すように、負荷４から回生電力が得られるときには、その回生電力によるコンデンサ３の充電によってその充電量が高められ、これに伴ってコンデンサ３の電圧が高くなる。その後、負荷４を力行駆動する場合には、コンデンサ３に蓄積された電力がインバータ５を介して供給される、この電力供給に伴ってコンデンサ３の電圧が低下する。そして低下したコンデンサ３の充電量は、その後の交流・直流コンバータ３を介する電力補充により補われることになる。従ってコンデンサ３を介して負荷４に対する駆動と、負荷４からの回生電力の回収とが前述した幅の広い直流電圧可変範囲の下で効率的に行われることになる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここではクレーンやリフタ等の昇降機の駆動を例に説明したが、負荷４から回生電力が得られるものであれば同様に適用することができる。具体的には負荷４を加減速し、加速時に力行エネルギを消費し、減速時に回生エネルギを回収し得るような負荷の駆動に同様に用いることができる。また上述した例においては４００Ｖ系の外部電源１を用いた負荷駆動装置について説明したが、２００Ｖ系の外部電源１を用いた負荷駆動装置にも同様に適用可能である。

また昇降機の具体例としては、港湾設備におけるコンテナ移送（搬送）用のクレーン、ビル建設に用いられるジブクライミングクレーン、工場設備等における天井クレーン、自動倉庫におけるスタッカクレーン、更には機械式立体駐車場におけるリフタ等に適用可能である。更には上述した実施形態においては４００Ｖ系の交流・直流コンバータ２の出力電圧［６２５〜７２０Ｖ］を、直流・直流コンバータ８を介して［３２０〜７２０Ｖ］の電圧に変換してコンデンサ３に入出力するようにしたが、２００Ｖ系の交流・直流コンバータ２の出力電圧［３２０〜３６０Ｖ］を、直流・直流コンバータ８を介して［３２０〜７２０Ｖ］の電圧に変換してコンデンサ３に入出力するようにしても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係る負荷駆動装置の概略構成を示す図。コンデンサの電圧とその充電量との関係を示す図。本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置の概略的な構成例を示す図。図３に示す負荷駆動装置における負荷に対する入出力エネルギ（電力）とコンデンサの電圧（充電量）との関係を示す図。

符号の説明

１外部電源（交流電力）
２交流・直流コンバータ
３コンデンサ（電気二重層コンデンサ）
４負荷（電動機）
５インバータ
６制御器
８直流・直流コンバータ
１１電流抑制器
１２第１のスイッチ素子（バイパス回路）
１３第２のスイッチ素子（切り離し回路）
１４第３のスイッチ素子（放電回路）
１５放電器

Claims

外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータと、
この交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して負荷を駆動するインバータと、
前記交流・直流コンバータから出力された直流電力および前記インバータを介して前記負荷から回収された回生電力を蓄積するコンデンサとを具備し、
前記コンデンサの前段に、前記直流電力および前記回生電力の電圧を前記コンデンサの充放電制御に適した電圧に変換して該コンデンサに入出力する直流・直流コンバータを設けたことを特徴とする負荷駆動装置。
前記交流・直流コンバータおよびインバータは、前記外部電源および負荷の仕様に応じて構築された電圧系の回路からなり、
前記直流・直流コンバータは、前記交流・直流コンバータおよびインバータが入出力する電圧を昇圧または降圧して前記コンデンサに入出力するものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
前記コンデンサは電気二重層コンデンサであって、前記負荷は昇降機を駆動する電動機である請求項１または２に記載の負荷駆動装置。