JP2007046584A - Energy storage device for construction machinery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機により駆動される上部旋回体を備えた建設機械に適用されるとともに、エネルギの蓄積および放出を行うエネルギ蓄積装置に関する。 The present invention relates to an energy storage device that is applied to a construction machine including an upper-part turning body that is driven by an electric motor and that stores and releases energy.
近年、エネルギの高効率化、排ガス浄化、および騒音低減の要請により、キャブ等が設けられた上部の旋回体を旋回電動機で駆動し、作業機や走行体を油圧で駆動するハイブリットタイプの電動旋回ショベルが開発されている。そして、旋回体を駆動するための旋回電動機に必要な電力は、エンジンにより駆動される発電機で発電したものが主として使用されており、必要に応じて電力をキャパシタ等に蓄電し、または放電させることで、エネルギの有効利用を図っている。 In recent years, in response to demands for higher energy efficiency, exhaust gas purification, and noise reduction, a hybrid type electric swing in which the upper swing body provided with a cab and the like is driven by a swing motor and the work machine and the traveling body are driven hydraulically. Excavators are being developed. The electric power necessary for the swing motor for driving the swing body is mainly used as generated by the generator driven by the engine, and the power is stored in a capacitor or the like or discharged as necessary. Therefore, effective use of energy is aimed at.
ところで、エンジンの駆動力の一部を、機械エネルギのままフライホイールの回転力として蓄えておき、必要に応じこのエネルギを使用する方法も提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Incidentally, a method has been proposed in which a part of the driving force of the engine is stored as the rotational force of the flywheel as mechanical energy, and this energy is used as necessary (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1において、フライホイールはエンジンと油圧ポンプとの間の軸上にクラッチを介して配置されており、クラッチの結合時にはフライホイールとエンジン軸が一体となるため、油圧ポンプをエンジンで駆動する時は非常に大きな加速トルクを要し、必要な時に必要な油圧ポンプの出力が得られないという問題がある。 However, in Patent Document 1, the flywheel is disposed on a shaft between the engine and the hydraulic pump via a clutch, and the flywheel and the engine shaft are integrated when the clutch is coupled. When driving, there is a problem that a very large acceleration torque is required, and a necessary hydraulic pump output cannot be obtained when necessary.
また、フライホイールの回転力として蓄積されたエネルギは、機械エネルギのまま油圧ポンプの駆動に用いられるのみであり、旋回体が電動機により駆動されるハイブリットタイプの電動旋回ショベルにおいては、旋回体の駆動に対し何ら貢献し得ない。従って、旋回電動機に必要な電力の供給は、従来通りエンジンと連結された発電機によって行わざるを得ず、旋回電動機と同一容量の発電機が必要となってしまい、さらに、キャパシタ等のエネルギ蓄積手段も従来通り必要であるため、コスト的には割高となってしまう。 Further, the energy accumulated as the rotational force of the flywheel is only used for driving the hydraulic pump as mechanical energy. In a hybrid type electric swing excavator in which the swing body is driven by an electric motor, the drive of the swing body is performed. Cannot contribute to anything. Therefore, the electric power necessary for the swing motor must be supplied by a generator connected to the engine as before, and a generator having the same capacity as that of the swing motor is required. Since the means is also required as before, it is expensive in terms of cost.
本発明の目的は、必要なエネルギを瞬時に蓄えたり放出したりすることができ、かつ建設機械全体としてのコストを低減できるエネルギ蓄積装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an energy storage device capable of storing and releasing necessary energy instantaneously and reducing the cost of the entire construction machine.
本発明の請求項1に係る建設機械のエネルギ蓄積装置は、前記建設機械の旋回体を駆動する旋回電動機および当該旋回電動機に電力を供給する電動発電機とともに共通の電源ラインに接続されたフライホイール電動発電機と、前記フライホイール電動発電機に連結されてエネルギを蓄積するフライホイールと、前記フライホイール電動発電機を制御するフライホイール制御装置とを備え、前記フライホイール制御装置は、前記フライホイール電動発電機の制御対象となる制御電圧値が目標電圧値以上であるかを判定する電圧レベル判定手段と、前記電圧レベル判定手段の判定結果に基づいて、前記フライホイール電動発電機の制御モードを切り換える制御モード切換手段とを備え、前記電圧レベル判定手段により前記制御電圧値が前記目標電圧値以上であると判定された場合、前記制御モード切換手段は、前記フライホイール電動発電機の制御モードを電動機に切り換えて前記フライホイールを回転駆動することで、前記フライホイールにエネルギを蓄積し、前記電圧レベル判定手段により制御電圧値が目標電圧値を下回ると判定された場合、前記制御モード切換手段は、前記フライホイール電動発電機の制御モードを発電機に切り換えて前記フライホイールの回転エネルギで発電を行い、前記電源ラインに電流を供給することを特徴とする。 An energy storage device for a construction machine according to claim 1 of the present invention is a flywheel connected to a common power line together with a swing motor that drives a swing body of the construction machine and a motor generator that supplies electric power to the swing motor. A motor generator, a flywheel connected to the flywheel motor generator for storing energy, and a flywheel control device for controlling the flywheel motor generator, wherein the flywheel control device includes the flywheel Voltage level determination means for determining whether the control voltage value to be controlled by the motor generator is equal to or higher than the target voltage value, and the control mode of the flywheel motor generator based on the determination result of the voltage level determination means Control mode switching means for switching, and the control voltage value is set to the target voltage by the voltage level determination means. When it is determined that the value is greater than or equal to the value, the control mode switching means accumulates energy in the flywheel by switching the control mode of the flywheel motor generator to an electric motor and rotationally driving the flywheel, When it is determined by the voltage level determination means that the control voltage value is lower than the target voltage value, the control mode switching means switches the control mode of the flywheel motor generator to the generator and uses the rotational energy of the flywheel. Power generation is performed, and current is supplied to the power supply line.
本発明の請求項2に係る建設機械のエネルギ蓄積装置は、請求項1に記載の建設機械のエネルギ蓄積装置において、前記フライホイール制御装置は、前記目標電圧値を記憶する目標電圧記憶手段を備え、前記電圧レベル判定手段は、前記目標電圧記憶手段から取得される所定の電圧値と、前記電源ラインのライン電圧を検出し前記制御電圧値として出力するライン電圧検出手段から取得される前記ライン電圧値とを比較することを特徴とする。 A construction machine energy storage device according to claim 2 of the present invention is the construction machine energy storage device according to claim 1, wherein the flywheel control device includes a target voltage storage means for storing the target voltage value. The voltage level determination means detects the predetermined voltage value acquired from the target voltage storage means and the line voltage acquired from the line voltage detection means that detects the line voltage of the power supply line and outputs the line voltage as the control voltage value. It is characterized by comparing the value.
本発明の請求項3に係る建設機械のエネルギ蓄積装置は、請求項1に記載の建設機械のエネルギ蓄積装置において、前記フライホイール制御装置は、前記フライホイール電動発電機の発電電圧を前記制御電圧値として出力する発電電圧出力手段を備え、前記電圧レベル判定手段は、前記電動発電機の発電電圧値と、前記発電電圧出力手段から取得される前記フライホイール電動発電機の発電電圧値とを比較することを特徴とする。
The construction machine energy storage device according to
本発明の請求項4に係る建設機械のエネルギ蓄積装置は、請求項2または請求項3に記載の建設機械のエネルギ蓄積装置において、前記フライホイール制御装置は、前記電動発電機の容量と前記フライホイール電動発電機の容量とによって定められる制御ゲインが設定されている制御ゲイン設定手段と、前記制御電圧値の制御を行う電圧制御手段とを備え、前記電圧制御手段は、前記制御ゲイン設定に従って、前記制御電圧値と前記目標電圧値との偏差に応じて決定する電流を、前記フライホイール電動発電機に供給して前記フライホイールにエネルギを蓄積するか、または前記フライホイール電動発電機から前記電源ラインに供給させることを特徴とする。
The construction machine energy storage device according to claim 4 of the present invention is the construction machine energy storage device according to claim 2 or
本発明の請求項5に係る建設機械のエネルギ蓄積装置は、請求項4に記載の建設機械のエネルギ蓄積装置において、前記制御電圧値が前記目標電圧値以上である場合での前記電源ラインから前記電動発電機に供給される電流と、前記電源ラインから前記フライホイール電動発電機に供給される電流との比率、または、前記制御電圧値が前記目標電圧値を下回る場合での前記電動発電機が前記電源ラインに供給する電流と、前記フライホイール電動発電機が前記電源ラインに供給する電流との比率は、前記電動発電機の制御ゲインと前記フライホイール電動発電機の前記制御ゲインとの比率によって定まっていることを特徴とする。 The construction machine energy storage device according to claim 5 of the present invention is the construction machine energy storage device according to claim 4, wherein the control voltage value is greater than or equal to the target voltage value. The ratio of the current supplied to the motor generator and the current supplied from the power line to the flywheel motor generator, or the motor generator when the control voltage value is lower than the target voltage value The ratio of the current supplied to the power supply line and the current supplied to the power supply line by the flywheel motor generator depends on the ratio between the control gain of the motor generator and the control gain of the flywheel motor generator. It is characterized by being fixed.
以上において、請求項1の発明によれば、余った電気エネルギを機械エネルギに変換してフライホイールに蓄積し、一方で蓄積されたエネルギを電気エネルギに変換して放出するため、必要なエネルギを瞬時に蓄えたり放出したりすることができる。また、これにより、電力供給源である電気的蓄電装置の容量を従来に比べ減少させるか、または取り除くことが可能であり、建設機械全体としてのコストを低減できる。さらに、旋回電動機、電動発電機、およびフライホイール電動発電機が共通の電源ラインに接続されているので、相互間でのエネルギの有効利用を図ることができる。 In the above, according to the first aspect of the present invention, the surplus electrical energy is converted into mechanical energy and stored in the flywheel, while the stored energy is converted into electrical energy and released. It can be stored and released instantly. In addition, this makes it possible to reduce or eliminate the capacity of the electrical power storage device, which is a power supply source, as compared with the conventional case, thereby reducing the cost of the entire construction machine. Furthermore, since the swing motor, the motor generator, and the flywheel motor generator are connected to a common power supply line, energy can be effectively used among them.
請求項2の発明によれば、フライホイール電動発電機の制御電圧値を、旋回電動機および電動発電機とともに共通で接続されている電源ライン電圧値としているため、相互間でのエネルギ供給の過不足状態を直接的に監視でき、各々の運転状況に応じてエネルギを速やかに分配できる。 According to the invention of claim 2, since the control voltage value of the flywheel motor / generator is the power line voltage value commonly connected with the swing motor and the motor / generator, excess or deficiency of energy supply between them The state can be monitored directly, and energy can be quickly distributed according to each driving situation.
請求項3の発明によれば、フライホイール電動発電機の制御電圧値を自身の発電電圧とし、その目標値を電動発電機の発電電圧としているため、フライホイール制御装置による制御単独で自立でき、フライホイール制御装置を2次電池と同様の機能として扱うことができる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、フライホイール電動発電機の電圧制御に用いられる制御ゲインは、電動発電機の容量とフライホイール電動発電機の容量とによって定められるので、
電源ラインからフライホイール電動発電機に供給する電流、またはフライホイール電動発電機から電源ラインに供給する電流が各々の容量を超えるのを防止できる。
According to the invention of claim 4, since the control gain used for voltage control of the flywheel motor generator is determined by the capacity of the motor generator and the capacity of the flywheel motor generator,
It is possible to prevent the current supplied from the power line to the flywheel motor generator or the current supplied from the flywheel motor generator to the power line from exceeding the respective capacities.
請求項5の発明によれば、電動発電機の容量とフライホイール電動発電機の容量とによって、それぞれの電圧制御ゲインが定められるので、電流供給または消費量を両者間で適切に配分できる。 According to the invention of claim 5, since the respective voltage control gains are determined by the capacity of the motor generator and the capacity of the flywheel motor generator, current supply or consumption can be appropriately distributed between the two.
〔第1実施形態〕
〔1−1〕全体構成
以下、本発明の第1実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態に係る電動旋回ショベル(建設機械)1の全体を示すブロック図、図2は、電動旋回ショベル1を構成する各制御装置およびDCライン間の接続関係を示す図である。また、図3は、電動旋回ショベル1の旋回体9の制御時における出力状態を示す図である。
[First Embodiment]
[1-1] Overall Configuration A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the entirety of an electric swing excavator (construction machine) 1 according to the present embodiment, and FIG. 2 is a diagram showing a connection relationship between each control device constituting the electric swing excavator 1 and a DC line. . FIG. 3 is a diagram showing an output state when the swing body 9 of the electric swing shovel 1 is controlled.
図1において、電動旋回ショベル1は、それぞれエンジン2で駆動される一対の油圧ポンプ3および電動発電機4を備えた所謂ハイブリット建設機械であり、コントロールバルブ3Aを介して供給される油圧ポンプ3からの油圧によりブームシリンダ5、アームシリンダ6、バケットシリンダ7、および左右の下部走行体用の油圧モータ8が駆動され、電動発電機4からの電力により上部旋回体9が旋回駆動される。
In FIG. 1, an electric swing excavator 1 is a so-called hybrid construction machine having a pair of
そして、本実施形態の電動旋回ショベル1では、上部旋回体9に電気エネルギを供給する前記電動発電機4を含んで電気エネルギ供給部10が構成され、この電気エネルギで駆動される上部旋回体9を含んで電気エネルギ旋回部20が構成されている。加えて電動旋回ショベル1は、電気エネルギを蓄積および放出可能に設けられたエネルギ蓄積装置30と、これら電気エネルギ供給部10、電気エネルギ旋回部20、およびエネルギ蓄積装置30を総括的に制御する旋回制御部40とを備えている。
In the electric swing excavator 1 of the present embodiment, the electric
電気エネルギ供給部10は、前述した電動発電機4と、この電動発電機4を制御する電動発電機制御装置11とを備えている。電動発電機4は、エンジン2を駆動源として発電を行うとともに、電動機としても機能する電動発電機である。すなわち、発電機として機能する場合には、エンジン2の駆動力を電気エネルギに変換し、電動機として機能する場合には、油圧ポンプ3に対するエンジン2の駆動を必要に応じアシストする。電動発電機制御装置11は、後述する旋回制御部40からの指令に基づき、電動発電機4を発電機または電動機として機能させるための制御モードの切り換えを行う。また、電動発電機制御装置11は、旋回制御部40による制御指令に基づいて、電動発電機4のトルクや回転速度の制御を行う。
The electric
電気エネルギ旋回部20は、前述した旋回体9と、この旋回体9を駆動する旋回電動機21と、旋回電動機21を制御する旋回電動機制御装置22とを備えている。このうちの旋回電動機21はDCブラシレス電動機であり、旋回体9の制動時には発電機としても機能してエネルギを回生する。旋回電動機制御装置22は、旋回制御部40による制御指令に基づいて、旋回電動機21のトルクや回転速度、回転位置などの制御を行う。
The electric
エネルギ蓄積装置30は、エネルギの蓄積手段であるフライホイール31と、このフライホイール31を駆動するフライホイール電動発電機32と、フライホイール電動発電機32を制御するフライホイール制御装置33とを備えている。このうちのフライホイール電動発電機32は、電動機および発電機としての機能を有している交流電動発電機である。そして、フライホイール電動発電機32は、電動機として機能する場合には、フライホイール31を回転駆動することで、電気エネルギを機械エネルギに変換して蓄積し、発電機として機能する場合には、フライホイール31の回転力を用いた発電により、機械エネルギを電気エネルギに変換して放出する。
The
フライホイール制御装置33は、フライホイール電動発電機32を発電機または電動機として機能させるための制御モードの切り換え、フライホイール電動発電機32の発電時または電動時の電圧制御、およびフライホイール31の回転数制御を行う。このため、フライホイール制御装置33には、フライホイール電動発電機32の制御対象となる制御電圧値と目標電圧値との偏差を判定する手段が設けられている。また、フライホイール電動発電機32には回転速度センサ34が設けられており、検出した回転速度信号をフライホイール制御装置33へ出力している。
The
旋回制御部40は、旋回電動機21に設けられた回転速度センサ41の出力値および旋回レバー43の操作量に基づいて、旋回電動機制御装置22に制御指令を行うことで、旋回体9の旋回動作を制御する。また、旋回制御部40は、電動発電機4による発電量の調整を行うため、電動発電機制御装置11に対し電動発電機4の制御に関する指令を行い、エンジン2に対し回転速度の指令を行う。すなわち、旋回制御部40は、電動発電機制御装置11、旋回電動機制御装置22、およびエンジン2に対し指令を行うことで、旋回体9の旋回動作に必要な操作全体の制御指令を行う。
The turning
図2において、以上に説明した各部10,20およびエネルギ蓄積装置30の制御装置11,22,33は、それぞれ共通のDCライン上で接続されている。また、このDCライン上には、電圧センサ(ライン電圧検出手段、図1参照)42が設けられており、検出されたライン電圧値(制御電圧値)に応じた電動発電機4およびフライホイール電動発電機32の制御が可能である。従って、旋回電動機21による旋回体9の旋回駆動時には、電動発電機4およびフライホイール電動発電機32が共同して、旋回電動機21への電力の供給を行うことができる。また、旋回電動機21の回生制動時には、回生される電力を電動発電機4およびフライホイール電動発電機32ともに受けることもできる。
In FIG. 2, the
このことを、図3に基づいて具体的に説明する。
オペレータが旋回レバー43を倒して旋回体9の旋回駆動を行った場合、旋回電動機制御装置22を介して、DCラインから旋回電動機21に電流が送り込まれるため、DCライン電圧は下降する。この場合、フライホイール制御装置33は、DCライン電圧値が目標電圧値を下回っていることを検知し、フライホイール電動発電機32を発電機として機能させる。このため、フライホイール電動発電機32では、フライホイール31の回転エネルギにより発電電流が生じる。また、電動発電機制御装置11も同様に、電動発電機4を発電機として機能させるため、電動発電機4では、エンジン2の駆動力により発電電流が生じる。この結果、DCライン上には、フライホイール電動発電機32および電動発電機4からの発電電流が流れ込むため、DCライン電圧値は、目標電圧値に向け上昇していく。
This will be specifically described with reference to FIG.
When the operator tilts the
その後、オペレータが旋回レバー43をニュートラルに戻して旋回体9を制動させる操作を行った場合、旋回電動機21の回生作用により発生した電流が、旋回電動機制御装置22を介してDCラインに流れ込み、DCライン電圧は上昇する。この場合、フライホイール制御装置33は、DCライン電圧値が目標電圧値を上回っていることを検知し、フライホイール電動発電機32を電動機として機能させるとともに、上回っている分の電気エネルギの一部をフライホイール31の回転により回転エネルギに変換して蓄積する。また、電動発電機制御装置11も同様に、電動発電機4を電動機として機能させ、油圧ポンプ3に対するエンジン2の駆動をアシストするので、この分の電流を消費する。この結果、DCライン上からは、フライホイール電動発電機32で変換する機械エネルギの蓄積分および電動発電機4で消費される分の電流が放出されるため、DCライン電圧値は目標電圧値に向け下降していく。
Thereafter, when the operator performs an operation of returning the
〔1−2〕フライホイール制御装置33の説明
次に、本実施形態で特徴的なフライホイール制御装置33について具体的に説明する。
図4において、フライホイール制御装置33は、フライホイール基準速度記憶手段331、補正電圧出力手段332、目標電圧記憶手段333、電圧レベル判定手段334、制御モード切換手段335、制御ゲイン設定手段336、電圧制御手段337、および制御指令実施手段338により構成される。
[1-2] Description of
4, the
フライホイール基準速度記憶手段331は、所定のフライホイール基準速度を記憶している。
補正電圧出力手段332は、フライホイール電動発電機32に設けられた回転速度センサ34の出力値およびフライホイール基準速度記憶手段331に記憶されているフライホイール基準速度に基づき、電動発電機4の発電電圧を補正する発電電圧補正値を算出し、旋回制御部40へ出力する。ここでは、フライホイール基準速度記憶手段331に記憶されているフライホイール基準速度と、回転速度センサ34の出力値との偏差を用いたPI(Proportional Integral:比例積分)制御による速度制御が実施される。
The flywheel reference
The correction voltage output means 332 generates power from the motor generator 4 based on the output value of the
ここで、補正電圧出力手段332が設けられているのは、電圧制御のみだとフライホイール31の回転が大きく低下することがあり、この場合に発電ができなくなるのを防ぐためである。従って、常時エネルギの蓄積(充電)と放出(放電)を繰り返せるよう、フライホイール31が常に適切な回転速度を有している必要があり、定常的に速度制御を利かせ、充放電のないときはフライホイール31が特定の回転速度で回転を続けるような制御が必要となる。そこで、補正電圧出力手段332は、フライホイール電動発電機32の回転速度を用いて速度制御を行い、電動発電機4の発電電圧補正値として旋回制御部40へ出力している。
Here, the reason why the correction voltage output means 332 is provided is to prevent the rotation of the
なお、発電電圧補正値は、旋回制御部40で電動発電機4の発電量の制御に用いられ、電動発電機4の発電量を増加させることでライン電圧を上昇させる。その結果、フライホイール電動発電機32は電動機として機能し、フライホイール31を回転させてエネルギを蓄積する。例えば、エンジン2の始動時などは、フライホイール31は全く回転していないため、発電電圧補正値が大きくなり、これによって電動発電機4の発電量を大きく増加させるので、フライホイール電動発電機32がフライホイール31を回転し、エネルギを蓄積する。
The power generation voltage correction value is used for controlling the power generation amount of the motor generator 4 by the turning
目標電圧記憶手段333には、旋回電動機21を安定して駆動するために必要なライン電圧に当たる所定の電圧値が記憶されている。そして、この電圧値がフライホイール電動発電機32に対する発電電圧指令値(目標電圧値)となる。なお、発電電圧指令値は、旋回電動機21の負荷の状況に応じて変更される場合もある。
The target voltage storage means 333 stores a predetermined voltage value corresponding to a line voltage necessary for stably driving the swing motor 21. This voltage value becomes the generated voltage command value (target voltage value) for the
電圧レベル判定手段334は、目標電圧記憶手段333に記憶されている所定の電圧値を発電電圧指令値として、DCライン電圧値との偏差の符号を判定する。すなわち、発電電圧指令値から、DCライン電圧値を引いた値が、ゼロ以上であるか否かを判定する。 The voltage level determination means 334 determines the sign of the deviation from the DC line voltage value using the predetermined voltage value stored in the target voltage storage means 333 as the generated voltage command value. That is, it is determined whether or not a value obtained by subtracting the DC line voltage value from the generated voltage command value is zero or more.
制御モード切換手段335は、電圧レベル判定手段334の判定結果に基づき、フライホイール電動発電機32の制御モードを切り換える。すなわち、前記偏差が正の場合には、制御モード切換手段335は、フライホイール電動発電機32の機能を発電機モードに切り換え、負の場合には、フライホイール電動発電機32の機能を電動機モードに切り換える。
The control
制御ゲイン設定手段336には、電圧制御手段337の制御ゲインが設定されており、ここでは、あらかじめ決められた値を取るような回路設定がなされている。
電圧制御手段337は、DCライン電圧を所定の発電電圧指令値に近づけるための電圧制御演算を行うものであり、前記偏差を用いて制御指令実施手段338への指令の生成を行い、これを制御指令実施手段338に出力する。ここでは、電圧制御手段337による演算手段として、前記偏差および制御ゲイン設定手段336で設定された制御ゲインを用いたP(Proportional:比例)制御を行っており、そのための演算回路が組まれている。
In the control gain setting means 336, the control gain of the voltage control means 337 is set. Here, a circuit setting is made so as to take a predetermined value.
The voltage control means 337 performs a voltage control calculation for bringing the DC line voltage close to a predetermined generated voltage command value, generates a command to the control command execution means 338 using the deviation, and controls this. Output to the command execution means 338. Here, P (Proportional) control using the control gain set by the deviation and control gain setting means 336 is performed as calculation means by the voltage control means 337, and an arithmetic circuit for that purpose is assembled. .
図5および図6は、フライホイール電動発電機32および電動発電機4の電圧制御ゲインを示す図であり、具体的にはそれぞれについての電圧および電流の関係を表している。すなわち、制御ゲイン設定手段336および電圧制御手段337は、旋回体9の旋回または制動により旋回電動機21が電動機または発電機として機能した場合、変動するDCライン電圧に対し図中の点線に応じて求まる電流が、フライホイール電動発電機32および電動発電機4からDCライン流れたり、DCラインからフライホイール電動発電機32および電動発電機4に流れたりするような回路設定とされている。
FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing voltage control gains of the
例えば、旋回電動機21による旋回体9の旋回駆動によりDCライン電圧が図5のAの値まで低下した場合、フライホイール電動発電機32からはA1の電流が、電動発電機4からはA2の電流がDCライン上に供給される。
また、旋回体9の制動に伴う旋回電動機21の回生作用によりDCライン電圧が図6のBの値まで上昇した場合、フライホイール電動発電機32にはB1の電流が、電動発電機4にはB2の電流が流れ、それぞれフライホイール31の回転駆動および油圧ポンプ3の駆動に対するエンジン2のアシストに用いられる(具体的には、エンジン2での燃料噴射量を低減させる)。
For example, when the DC line voltage is lowered to the value A in FIG. 5 due to the turning drive of the turning body 9 by the turning electric motor 21, the current A1 from the
Further, when the DC line voltage rises to the value B in FIG. 6 due to the regenerative action of the swing motor 21 accompanying the braking of the swing body 9, the current B 1 is supplied to the
この、DCライン電圧低下時のフライホイール電動発電機32および電動発電機4からDCライン上への電流の供給配分や、DCライン電圧上昇時の電流の消費配分は、フライホイール電動発電機32および電動発電機4の容量比により決定される。すなわち、フライホイール電動発電機32の容量のほうが電動発電機4の容量よりも大きければ、フライホイール電動発電機32の電圧制御ゲインをより小さく設定することになる。
The supply distribution of current from the
制御指令実施手段338は、電圧制御手段337からの指令に基づいて、フライホイール電動発電機32の駆動を制御する。ここでは、制御指令実施手段338として、パワー素子を含んだ駆動回路が用いられている。
The control
〔1−3〕フライホイール制御装置33による制御フロー
次に、図7に基づいて、フライホイール制御装置33による制御フローについて説明する。
まず、フライホイール制御装置33は、DCライン電圧値、およびフライホイール電動発電機32に設けられた回転速度センサ34の出力値の読み込みを行う(ステップ11:図面上および以下の説明においてはステップを単に「S」と略す)。
[1-3] Control Flow by
First, the
補正電圧出力手段332は、フライホイール電動発電機32の回転速度およびフライホイール基準速度記憶手段331に記憶されているフライホイール基準速度に基づき、発電電圧補正値を演算する(S12)。なお、この発電電圧補正値は旋回制御部40へ出力される。
電圧レベル判定手段334は、DCライン電圧値の、発電電圧指令値に対する偏差の符号、すなわち、発電電圧指令値からDCライン電圧値を引いた値が、ゼロ以上であるか否かを判定する(S13)。
ここでの符号が正の場合、制御モード切換手段335は、フライホイール電動発電機32の機能を電動機モードに切り換える(S14)。一方、符号が負の場合、制御モード切換手段335は、フライホイール電動発電機32の機能を発電機モードに切り換える(S15)。
The correction voltage output means 332 calculates a power generation voltage correction value based on the rotational speed of the
The voltage level determination means 334 determines whether the sign of the deviation of the DC line voltage value from the generated voltage command value, that is, the value obtained by subtracting the DC line voltage value from the generated voltage command value is equal to or greater than zero ( S13).
When the sign here is positive, the control mode switching means 335 switches the function of the
そして、電圧制御手段337は、前記偏差を用いて制御指令実施手段338への指令を生成する(S16)。
制御指令実施手段338は、電圧制御手段337からの指令に基づいて、フライホイール電動発電機32の駆動を制御する(S17)。
Then, the
The control command execution means 338 controls the drive of the
〔第2実施形態〕
図8には、本発明の第2実施形態が示されている。
本実施形態では、電動発電機4の発電電圧をフライホイール電動発電機32に対する発電電圧指令値(目標電圧値)としている点、および発電電圧指令値との比較対象をフライホイール電動発電機32の発電電圧(制御電圧値)としている点が、第1実施形態とは異なる。これらにより、フライホイール制御装置33による制御単独で自立でき、フライホイール制御装置33を2次電池と同様の機能として扱うことができる。
このような本実施形態では、電動発電機4の発電電圧をフライホイール電動発電機32に対する発電電圧指令値としているため、所定の電圧値を記憶する目標電圧記憶手段は必要ではなく、設けられていない。
[Second Embodiment]
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the power generation voltage of the motor generator 4 is set as a power generation voltage command value (target voltage value) for the
In this embodiment, since the power generation voltage of the motor generator 4 is the power generation voltage command value for the
一方、発電電圧指令値との比較対象をフライホイール電動発電機32の発電電圧としているため、フライホイール電動発電機32の発電電圧を出力する発電電圧出力手段339が必要であり、これをフライホイール制御装置33に設けている。また、これとともに、補正電圧出力手段332で算出された発電電圧補正値は、フライホイール制御装置33の内部でフィードバックされ、電圧レベル判定手段334の判定に用いられる。この結果、フライホイール電動発電機32の速度制御が、フライホイール制御装置33での電圧制御に影響を与え、フライホイール電動発電機32を発電機として機能させる方向に作用する。
On the other hand, since the power generation voltage command value is compared with the power generation voltage of the
これに伴い、電圧レベル判定手段334は、電動発電機4の発電電圧を発電電圧指令値として、補正電圧出力手段332により出力される発電電圧補正値とフライホイール電動発電機32の発電電圧との和の、発電電圧指令値に対する偏差の符号を判定する。すなわち、発電電圧指令値から、発電電圧補正値とフライホイール電動発電機32の発電電圧値とを引いた値が、ゼロ以上であるか否かを判定する。なお、その他の制御構造は、第1実施形態と同じであり、ここでの説明を省略する。
Accordingly, the voltage level determination means 334 uses the power generation voltage of the motor generator 4 as the power generation voltage command value, and the power generation voltage correction value output from the correction voltage output means 332 and the power generation voltage of the
次に、図9に基づいて、フライホイール制御装置33による制御フローについて説明する。
まず、フライホイール制御装置33は、電動発電機4の発電電圧値、フライホイール電動発電機32の発電電圧値、およびフライホイール電動発電機32に設けられた回転速度センサ34の出力値の読み込みを行う(S21)。
Next, a control flow by the
First, the
補正電圧出力手段332は、第1実施形態と同じく、フライホイール電動発電機32の回転速度およびフライホイール基準速度記憶手段331に記憶されているフライホイール基準速度に基づき、発電電圧補正値を演算する(S22)。
電圧レベル判定手段334は、発電電圧補正値とフライホイール電動発電機32の発電電圧値との和の、発電電圧指令値に対する偏差の符号、すなわち、発電電圧指令値から補正電圧値とフライホイール電動発電機32の発電電圧値とを引いた値の符号が、正負どちらであるかを判定する(S23)。
The correction voltage output means 332 calculates a power generation voltage correction value based on the rotational speed of the flywheel motor /
The voltage level determination means 334 is a sign of the deviation of the sum of the power generation voltage correction value and the power generation voltage value of the
これ以降のS24〜S27については、第1実施形態と同様である。すなわち、電圧レベル判定手段334の結果に基づいて、制御モード切換手段335がフライホイール電動発電機32の制御モードを切り換え(S24、S25)、制御指令実施手段338は、電圧制御手段337が生成した制御指令(S26)に基づいて、フライホイール電動発電機32の駆動を制御する(S27)。
Subsequent S24 to S27 are the same as those in the first embodiment. That is, based on the result of the voltage level determination means 334, the control mode switching means 335 switches the control mode of the flywheel motor generator 32 (S24, S25), and the control command execution means 338 is generated by the voltage control means 337. Based on the control command (S26), the drive of the
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態においては、制御ゲイン設定手段336や電圧制御手段337は電圧制御回路であったが、マイクロプロセッサを用いたものであってもよい。その場合の制御ゲイン設定手段336としては、電圧レベル判定手段の判定結果に基づいて予め記憶されているパターンから制御ゲインを選択するものや、電圧レベル判定手段の判定で用いられる偏差に基づいて演算するものなどが考えられる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Including other structures etc. which can achieve the objective of this invention, the deformation | transformation etc. which are shown below are also contained in this invention.
For example, in the embodiment, the control
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。 The best configuration, method and the like for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described with particular reference to certain specific embodiments, but details of the above-described embodiments have been set forth without departing from the scope and spirit of the invention. In this configuration, those skilled in the art can make various modifications.
本発明は、電動機により駆動される旋回体を搭載したあらゆる建設機械に適用可能である。 The present invention is applicable to any construction machine equipped with a revolving structure driven by an electric motor.
1…電動旋回ショベル(建設機械)、4…電動発電機、9…旋回体、21…旋回電動機、30…エネルギ蓄積装置、31…フライホイール、32…フライホイール電動発電機、33…フライホイール制御装置、42…電圧センサ(ライン電圧検出手段)、333…目標電圧記憶手段、334…電圧レベル判定手段、335…制御モード切換手段、336…制御ゲイン設定手段、337…電圧制御手段、339…発電電圧出力手段。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electric turning shovel (construction machine), 4 ... Motor generator, 9 ... Turning body, 21 ... Turning electric motor, 30 ... Energy storage device, 31 ... Flywheel, 32 ... Flywheel motor generator, 33 ... Flywheel control Device: 42 ... Voltage sensor (line voltage detection means), 333 ... Target voltage storage means, 334 ... Voltage level determination means, 335 ... Control mode switching means, 336 ... Control gain setting means, 337 ... Voltage control means, 339 ... Power generation Voltage output means.
Claims (5)
前記建設機械(1)の旋回体(9)を駆動する旋回電動機(21)および当該旋回電動機(21)に電力を供給する電動発電機(4)と共に共通の電源ラインに接続されたフライホイール電動発電機(32)と、
前記フライホイール電動発電機(32)に連結されてエネルギを蓄積するフライホイール(31)と、
前記フライホイール電動発電機(32)を制御するフライホイール制御装置(33)とを備え、
前記フライホイール制御装置(33)は、
前記フライホイール電動発電機(32)の制御対象となる制御電圧値が目標電圧値以上であるかを判定する電圧レベル判定手段(334)と、
前記電圧レベル判定手段(334)の判定結果に基づいて、前記フライホイール電動発電機(32)の制御モードを切り換える制御モード切換手段(335)とを備え、
前記電圧レベル判定手段(334)により前記制御電圧値が前記目標電圧値以上であると判定された場合、前記制御モード切換手段(335)は、前記フライホイール電動発電機(32)の制御モードを電動機に切り換えて前記フライホイール(31)を回転駆動することで、前記フライホイール(31)にエネルギを蓄積し、
前記電圧レベル判定手段(334)により制御電圧値が目標電圧値を下回ると判定された場合、前記制御モード切換手段(335)は、前記フライホイール電動発電機(32)の制御モードを発電機に切り換えて前記フライホイール(31)の回転エネルギで発電を行い、前記電源ラインに電流を供給する
ことを特徴とする建設機械(1)のエネルギ蓄積装置(30)。 In the energy storage device (30) of the construction machine (1),
A flywheel electric motor connected to a common power line together with a swing motor (21) for driving the swing body (9) of the construction machine (1) and a motor generator (4) for supplying electric power to the swing motor (21). A generator (32);
A flywheel (31) coupled to the flywheel motor generator (32) for storing energy;
A flywheel control device (33) for controlling the flywheel motor generator (32),
The flywheel control device (33)
Voltage level determination means (334) for determining whether a control voltage value to be controlled by the flywheel motor generator (32) is equal to or higher than a target voltage value;
Control mode switching means (335) for switching the control mode of the flywheel motor generator (32) based on the determination result of the voltage level determination means (334),
When it is determined by the voltage level determination means (334) that the control voltage value is greater than or equal to the target voltage value, the control mode switching means (335) sets the control mode of the flywheel motor generator (32). By switching to an electric motor and rotating the flywheel (31), energy is accumulated in the flywheel (31),
When it is determined by the voltage level determination means (334) that the control voltage value is lower than the target voltage value, the control mode switching means (335) sets the control mode of the flywheel motor generator (32) to the generator. The energy storage device (30) of the construction machine (1), wherein the energy storage device (30) is switched to generate electric power with the rotational energy of the flywheel (31) and supply current to the power line.
前記フライホイール制御装置(33)は、前記目標電圧値を記憶する目標電圧記憶手段(333)を備え、
前記電圧レベル判定手段(334)は、前記目標電圧記憶手段(333)から取得される所定の電圧値と、前記電源ラインのライン電圧を検出し前記制御電圧値として出力するライン電圧検出手段(42)から取得される前記ライン電圧値とを比較する
ことを特徴とする建設機械(1)のエネルギ蓄積装置(30)。 In the energy storage device (30) of the construction machine (1) according to claim 1,
The flywheel control device (33) includes target voltage storage means (333) for storing the target voltage value,
The voltage level determination means (334) detects a predetermined voltage value acquired from the target voltage storage means (333) and a line voltage of the power supply line, and outputs a line voltage detection means (42) as the control voltage value. The energy storage device (30) of the construction machine (1), characterized in that the line voltage value obtained from (1) is compared.
前記フライホイール制御装置(33)は、前記フライホイール電動発電機(32)の発電電圧を前記制御電圧値として出力する発電電圧出力手段(339)を備え、
前記電圧レベル判定手段(334)は、前記電動発電機(4)の発電電圧値と、前記発電電圧出力手段(339)から取得される前記フライホイール電動発電機(32)の発電電圧値とを比較する
ことを特徴とする建設機械(1)のエネルギ蓄積装置(30)。 In the energy storage device (30) of the construction machine (1) according to claim 1,
The flywheel control device (33) includes power generation voltage output means (339) for outputting the power generation voltage of the flywheel motor generator (32) as the control voltage value.
The voltage level determination means (334) calculates a power generation voltage value of the motor generator (4) and a power generation voltage value of the flywheel motor generator (32) acquired from the power generation voltage output means (339). An energy storage device (30) for a construction machine (1) characterized in that it is compared.
前記フライホイール制御装置(33)は、
前記電動発電機(4)の容量と前記フライホイール電動発電機(32)の容量とによって定められる制御ゲインが設定されている制御ゲイン設定手段(336)と、
前記制御電圧値の制御を行う電圧制御手段(337)とを備え、
前記電圧制御手段(337)は、前記制御ゲイン設定に従って、前記制御電圧値と前記目標電圧値との偏差に応じて決定する電流を、前記フライホイール電動発電機(32)に供給して前記フライホイール(31)にエネルギを蓄積するか、または前記フライホイール電動発電機(32)から前記電源ラインに供給する
ことを特徴とする建設機械(1)のエネルギ蓄積装置(30)。 In the energy storage device (30) of the construction machine (1) according to claim 2 or 3, the flywheel control device (33)
Control gain setting means (336) in which a control gain determined by the capacity of the motor generator (4) and the capacity of the flywheel motor generator (32) is set;
Voltage control means (337) for controlling the control voltage value,
The voltage control means (337) supplies, to the flywheel motor / generator (32), a current determined according to a deviation between the control voltage value and the target voltage value according to the control gain setting. An energy storage device (30) for a construction machine (1), wherein energy is stored in a wheel (31) or supplied to the power supply line from the flywheel motor generator (32).
前記制御電圧値が前記目標電圧値以上である場合での前記電源ラインから前記電動発電機(4)に供給される電流と、前記電源ラインから前記フライホイール電動発電機(32)に供給される電流との比率、または、前記制御電圧値が前記目標電圧値を下回る場合での前記電動発電機(4)が前記電源ラインに供給する電流と、前記フライホイール電動発電機(32)が前記電源ラインに供給する電流との比率は、前記電動発電機(4)の制御ゲインと前記フライホイール電動発電機(32)の前記制御ゲインとの比率によって定まっている
ことを特徴とする建設機械(1)のエネルギ蓄積装置(30)。 In the energy storage device (30) of the construction machine (1) according to claim 4,
A current supplied from the power line to the motor generator (4) when the control voltage value is equal to or higher than the target voltage value, and a current supplied from the power line to the flywheel motor generator (32). The current supplied to the power line by the motor generator (4) when the control voltage value is lower than the target voltage value, and the flywheel motor generator (32) The ratio of the current supplied to the line is determined by the ratio of the control gain of the motor generator (4) and the control gain of the flywheel motor generator (32). Construction machine (1 ) Energy storage device (30).
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