JP2006238518A

JP2006238518A - 負荷駆動装置

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Publication number: JP2006238518A
Application number: JP2005045544A
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】電力蓄積用のコンデンサ、特に大容量の電気二重層コンデンサを安全に、しかも確実に初期充電することでき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、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コンデンサ（電気二重層コンデンサ）とを備え、特に前記交流・直流コンバータの入力側または出力側に前記コンデンサに対する初期充電電流を抑制する電流抑制器を介挿すると共に、前記コンデンサに対する初期充電完了後に上記電流抑制器をバイパスするバイパス回路（スイッチ素子）を設ける。
【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）。

また最近、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ている。
特開平１０−２６７０７６号公報

ところでインバータを駆動するに必要な電力や、電動機から得られる回生電力を回収して蓄積するコンデンサを用いる場合、前述した直流・交流コンバータやインバータが動作可能な最低電圧値まで前記コンデンサを予め初期充電しておくことが必要である。しかしコンデンサを初期充電する場合、直流・交流コンバータにてその充電電流を制御することができないのでコンデンサに過大な電流が流れ込む虞がある。特に大容量の電気二重層コンデンサを用いた場合、過大な充電電流によって電気二重層コンデンサが発熱し、破損する虞がある。

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、特に大容量の電気二重層コンデンサを安全に、しかも確実に初期充電することできる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コンデンサ、例えば大容量の電気二重層コンデンサとを備えたものであって、
特に前記交流・直流コンバータの入力側または出力側に前記コンデンサに対する初期充電電流を抑制する電流抑制器を介挿すると共に、前記コンデンサに対する初期充電完了後に上記電流抑制器をバイパスするバイパス回路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コンデンサを、スイッチ素子を介して前記交流・直流コンバータおよび前記インバータから電気的に切り離し可能に設けておくことが望ましい。また請求項３に記載するように前記コンデンサに、スイッチ素子を介して並列に放電器を接続しておくことが望ましい。

上記構成の負荷駆動装置によれば、交流・直流コンバータの入力側または出力側に設けた電流抑制器を介してコンデンサに対する初期充電を行うので、コンデンサが充電されてその充電電圧が上記交流・直流コンバータおよびインバータが動作可能な電圧となるまでの間、過大な電流が流れることがない。この結果、過大な電流がコンデンサに流れ込むことにより該コンデンサが発熱し、これによってコンデンサが熱破壊するような不具合を未然に防ぐことができる。

そしてコンデンサの初期充電が完了し、その電圧が前記コンバータおよびインバータが動作可能な最低電圧に達した後にはバイパス回路にて前記電流抑制器をバイパスし、コンバータおよび／またはインバータにより前記コンデンサに対する充放電電流の制御を委ねるので、電流抑制器の存在がコンバータおよびインバータの動作に悪影響を及ぼすことがない。従ってコンデンサの熱的破壊を確実に防止しながら、該コンデンサの機能を有効に活用して負荷を駆動することが可能となる。

またスイッチ素子を介してコンデンサを設けておくことにより、コンデンサに何等かの不具合が生じた場合等には、コンバータおよびインバータにおける直流回路側からコンデンサを速やかに切り離すことができるので、上記コンバータおよびインバータによる最低限の負荷駆動条件を維持することができる。またスイッチ素子を介してコンデンサと並列に放電器を設けておけば、コンデンサの保守・点検時等に該コンデンサに蓄えられた電力エネルギの全てを簡易に放電させることができるので、安全性を確保してコンデンサの取り扱いの容易化を図ることが可能となる等の効果が奏せられる。

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２００Ｖ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。

さてこの発明が特徴とするところは、外部電源１と交流・直流コンバータ２との間に電流抑制器１１を直列に介挿すると共に、この電流抑制器１１と並列に該電流抑制器１１をバイパスするスイッチ素子１２を設けたことを特徴としている。電流抑制器１１は、コンデンサ３を初期充電する際の充電電流を制限し、これによって過大電流によるコンデンサ３の発熱を抑えてその破損（熱破壊）を防止する役割を担う。そして上記スイッチ素子１２は、コンデンサ３の初期充電が完了したときに導通駆動されて電流抑制器１１をバイパスし、その後のコンデンサ３に対する充放電制御を交流・直流コンバータ２に委ねる役割を担う。

即ち、交流・直流コンバータ２の直流出力電圧は、２００Ｖ系の回路である場合、例えば３２０Ｖ〜３６０Ｖの範囲で可変制御される。但し、上記直流電圧の下限値［３２０Ｖ］は、２００Ｖ系における交流最大電圧２２０Ｖを２^1/2倍（√２倍）した値であり、その上限値［３６０Ｖ］は２００Ｖ系の直流最大電圧である４００Ｖの１割減を見込んだ電圧値である。そしてコンデンサ３の充電電圧（端子電圧）が上記出力電圧よりも低い場合にはコンデンサ３に対する充電が行われ、逆にコンデンサ３の充電電圧（端子電圧）が上記出力電圧よりも高い場合には、コンデンサ３に蓄積された電力の放電が行われる。従って交流・直流コンバータ２の直流出力電圧を変化させることにより、コンデンサ３に対する充放電が制御されることになる。またこのことは交流・直流コンバータ２によりコンデンサ３の充放電を制御するには、コンデンサ３を上記交流・直流コンバータ２が出力可能な最低電圧まで、予め初期充電しておくことが必要なことを意味する。

一方、コンデンサ３を初期充電する場合には、コンデンサ３の充電量が少なく、その充電電圧が前記交流・直流コンバータ２が出力可能な最低電圧に満たないことを意味する。従って前記交流・直流コンバータ２によるコンデンサ３の充電制御ができないので、コンデンサ３に対して過大な充電電流が流れ込む虞があり、前述した電流抑制器１１はこのコンデンサ３の初期充電時における充電電流量を抑制するものとなっている。従ってこの電流抑制器１１により、コンデンサ３の初期充電電流が制限され、過大電流によるコンデンサ３の熱破壊が未然に防がれるようになっている。そしてコンデンサ３の初期充電が完了し、図２に示すようにコンデンサ３の充電電圧が前記交流・直流コンバータ２が出力可能な電圧範囲に達したとき、スイッチ素子１２の導通により電流抑制器１１がバイパスされてその後の充放電制御が前記交流・直流コンバータ２に委ねられるものとなっている。

かくしてこのような電流抑制器１１とそのバイパス回路としてのスイッチ素子１２とを備えて構成された負荷駆動装置によれば電力蓄積用のコンデンサ３を熱破壊の問題を招来することなく安定に初期充電し、その後は交流・直流コンバータ２にてコンデンサ３に対する充放電を制御することができるので、装置を安定に運転することが可能となる。特に交流・直流コンバータ２によりコンデンサ３の充放電を制御可能な最低電圧に達するまで電流抑制器１１を介してコンデンサ３に対する初期充電電流を簡易に制限し得るので、大容量のコンデンサ３を取り扱う上での安全性を十分に確保することが可能となる。

図３は本発明の一実施形態に係るクレーン用の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。

また前記コンデンサ３は、前述した電流抑制器１１のバイパス用のスイッチ素子（第１のスイッチ素子）１２とは別の第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２の直流回路側に接続されており、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。

またこの例では、交流・直流コンバータ２の前段に昇圧器（リアクトル）７を設け、外部電源１から供給される交流電力の電圧を昇圧して交流・直流コンバータ２に供給するように構成している。具体的には前記外部電源１が２００Ｖの動力系三相交流電源である場合、通常、負荷４としての電動機は上記記電源系に合わせて２００Ｖ仕様のものが用いられる。このような２００Ｖ系の交流電力に対して前記昇圧器７は、その電圧を昇圧して、例えば４００Ｖ系の交流電力に変換して交流・直流コンバータ２に供給するように構成されている。そしてこの４００Ｖ系に昇圧された交流電力に合わせて前記交流・直流コンバータ２および前記インバータ５は、それぞれ４００Ｖ系の電子回路として実現されている。

具体的には前記交流・直流コンバータ２は４００Ｖの交流電力を入力して、例えば３２０Ｖ〜７２０Ｖの直流電力を出力するように構成される。そしてこの交流・直流コンバータ２が出力する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２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、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２００Ｖ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３２０Ｖ〜７２０Ｖの直流電力に変換して回収するように構成される。

このように昇圧器７を備えて構成される負荷駆動装置によれば、前述した図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の出力電圧範囲を高くした分、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系の外部電源１に合わせて交流・直流コンバータ２を構築した場合、通常、その直流出力電圧を３２０〜３６０Ｖの範囲でしか変化させることができない。但し、上記直流電圧の下限値［３２０Ｖ］は、２００Ｖ系における交流最大電圧２２０Ｖを２^1/2倍（√２倍）した値であり、その上限値［３６０Ｖ］は２００Ｖ系の直流最大電圧である４００Ｖの１割減を見込んだ電圧値である。従ってこの場合には、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系の外部電源１に合わせて交流・直流コンバータ２を構築した場合、一般的にその直流出力電圧の可変制御範囲は６２５〜７２０Ｖである。但し、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。従ってこの場合には、コンデンサ３に加える直流電圧の範囲が約９５Ｖとなるだけであり、直流電力の入出力量（充放電量）を前述した２００Ｖ系の約４倍に増大させ得るに過ぎない。

この点、昇圧器（リアクトル）７を用いて２００Ｖ系の交流電力を昇圧して交流・直流コンバータ２に供給するように構成すれば、交流・直流コンバータ２での出力電圧を、例えば３２０〜７２０Ｖの範囲で制御することが可能となり、コンデンサ３に加える直流電圧の範囲を約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。

特に外部電源１から供給される交流電力を昇圧器（リアクトル）７を用いて昇圧して交流・直流コンバータ２に供給し、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。

尚、上述した昇圧器（リアクトル）７を設けることに代えて、コンデンサ３の前段に直流・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昇降圧してコンデンサ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を介して昇降圧してインバータ５に供給するように構成しても良い。

このようにしてコンデンサ３の前段に直流・直流コンバータ８を設けた構成とすれば、例えば２００Ｖ系回路の場合、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３２０〜３６０Ｖの直流電力を、直流・直流コンバータ８を介して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）することが可能となるので、前述した昇圧器（リアクトル）７を用いた場合と同様にコンデンサ３に入出力（充放電）し得る電力量を増大させることができるので、コンデンサ３が有する充放電能力を有効に利用することが可能となる。

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。その上で前述した昇圧器７、或いは直流・直流コンバータ８を設けてコンデンサ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）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。

そして上述した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２００Ｖ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、一般的には低電圧系の電力を昇圧器７を介して高電圧系に変換して用いたり、直流・直流コンバータ８を用いてコンデンサ３に加える電圧の幅（電圧変動範囲）を広くするように変換すれば十分である。

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。更には前述した電流抑制器１１とそのバイパス回路（スイッチ素子）１２については、交流・直流コンバータ２の直流出力側に設けることも勿論可能である。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
７昇圧器（リアクトル）
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、
前記交流・直流コンバータの入力側または出力側に介挿されて前記コンデンサに対する初期充電電流を抑制する電流抑制器と、
前記コンデンサに対する初期充電完了後に上記電流抑制器をバイパスするバイパス回路と
を具備したことを特徴とする負荷駆動装置。
前記コンデンサは、スイッチ素子を介して前記交流・直流コンバータおよび前記インバータから電気的に切り離し可能に設けられたものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
前記コンデンサは、スイッチ素子を介して並列に接続された放電器を備えたものである請求項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１〜３のいずれかに記載の負荷駆動装置。