JP2007274862A

JP2007274862A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2007274862A
Application number: JP2006100076A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kashiwasuga; 信哉栢菅; Hidekazu Harada; 秀和原田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】待機中の燃料費を低減する。排ガスによる大気汚染、騒音等の問題を軽減する。
【解決手段】発電機２から主モータ５への電力の供給ラインＬ１に蓄電装置１３を接続する。待機中、蓄電装置１３の蓄電量Ｗを監視し、蓄電量Ｗが所定値Ｗｔｈ１を上回った場合にはエンジン１の運転を停止し、蓄電量Ｗが所定値Ｗｔｈ２（Ｗｔｈ２＜Ｗｔｈ１）を下回った場合にはエンジン１を高燃費効率の出力状態（例えば、最大エンジン出力の２０％以上）で運転し、蓄電装置１３への蓄電を行う。実稼働中、蓄電装置１３は、主モータ５の負荷が小さい場合、主モータ５への余剰な電力によって蓄電される。実稼働中、蓄電装置１３は、主モータ５において回生エネルギーが発生した場合、この回生エネルギーによって蓄電される。実稼働中、主モータ５の負荷が大きい場合、主モータ５への電力が蓄電装置１３からの電力によって補われる。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンで発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によってモータを駆動するモータ駆動装置に関するものである。

従来より、クレーンや車両などでは、エンジンで発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によってモータを駆動している。以下、このエンジンと発電機を用いたモータ駆動方式をエンジン駆動発電方式と呼ぶ。

図１０にエンジン駆動発電方式を採用した従来のクレーンのシステム構成の概略を示す（例えば、特許文献１参照）。同図において、１はエンジン、２はエンジン１によって駆動される発電機、３は発電機２が発生する交流の電力を直流の電力に変換するコンバータ、４はコンバータ３によって変換された直流の電力を所定の周波数（例えば、６０Ｈｚ）の交流電力に変換するインバータ、５はインバータ４によって変換された所定の周波数の交流電力によって駆動される主モータ（動力用モータ）、６はブレーキ、７は減速機、８はドラム、９は吊具にセットされた荷物、１０は発電機２からの電力の供給を受けて作動する主モータ５以外の補機（水銀灯、クーラなど）、１１は操作器、１２は全体の動作を制御する制御装置である。

このクレーンにおいて、オペレータは、操作器１１を介して制御装置１２へ、「実稼働中」、「待機中」などの操作モードを指示する。また、所定時間、操作器１１を操作しないと、自動的に待機中になる。なお、「実稼働中」とは、主モータ５を用いた荷物９の巻き上げや巻き下げなどの実作業を行う操作モードであり、「待機中」とは主モータ５を用いた実作業を行わず補機１０のみへの給電を行う操作モード（主モータ５の駆動を行わない状態で補機１０を作動させる操作モード）である。

〔実稼働中〕
制御装置１２は、操作器１１から操作モードとして「実稼働中」の指示を受けると、まずは補機１０のみを作動させる状態とすると共に、エンジン１を起動し、所定の回転数（例えば、１８００ｒｐｍ）で回転させる（図１１（ａ）に示すｔ１点）。このエンジン１の回転により、発電機２が駆動され、交流の電力が発生する。

発電機２が発生した交流の電力は、コンバータ３によって直流の電力に変換され、インバータ４へ送られる。インバータ４は、コンバータ３によって変換された直流の電力を所定の周波数の交流電力に変換し、主モータ５へ送る。これにより、主モータ５は、給電状態とされる。また、補機１０へも発電機２からの電力が送られ、給電状態とされる。

オペレータは、荷物９を搬送したい場合、操作器１１を介して制御装置１２へ、巻き上げや巻き下げなどの作業指令を送る。これにより、制御装置１２は、その作業指令に応じた方向へ主モータ５を回転させる。この主モータ５の回転により、減速機７およびドラム８を介して、荷物９が巻き上げられたり、巻き下げられたりする。この実作業中、制御装置１２は、必要なパワーが得られるように、エンジン１の出力（エンジン出力）を調整する。

〔待機中〕
制御装置１２は、操作器１１から操作モードとして「待機中」の指示を受けると、エンジン１の出力を低出力状態とする（図１１（ｂ）に示すｔ２点）。なお、エンジン１の回転数は、そのままの状態を維持する。エンジン１の回転数はそのままの状態を維持し、これにより、発電機２での発電が続けられ、補機１０の最大電力を賄い得る最低限の電力が確保される。

特開２００６−７６７４７号公報特開２０００−２８９９８３号公報特開２００４−３６０６１０号公報ドイツ国、特許第１４１２２１８号公報特開平１１−２８５１６５号公報特開２００５−２９８１６３号公報特開２００２−３６２７１０号公報特開２０００−２０１４９２号公報特開２００５−２１８２２５号公報特開２００１−１６３５７４号公報

しかしながら、図１１に示されるような制御方法では、待機中、常にエンジンを回転させているため、燃料費がかかり、排ガスによる大気汚染、騒音などの問題が生じる。

なお、特許文献２には、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、このバッテリに蓄えられた電力を補機へ供給するようにすることが記載されている。また、バッテリの蓄電量を監視し、蓄電量が所定値を下回るとエンジンの運転を開始し、蓄電量が所定値を上回るとエンジンの運転を停止するようにすることが記載されている。

この特許文献２に示された技術を図１０に示した従来のシステムに適用した場合、発電機２から主モータ５への電力の供給ラインにバッテリを接続し、待機中、そのバッテリに蓄えられた電力を補機１０へ供給するようにすることが考えられる。また、待機中、バッテリの蓄電量を監視し、蓄電量が所定値を下回るとエンジン１の運転を自動的に開始し、蓄電量が所定値を上回るとエンジン１の運転を自動的に停止するようにすることが考えられる。

この場合、図１２に図１１に対応するタイムチャートを示すように、待機中、エンジン１が間欠的に駆動され、バッテリへの蓄電が行われる。これにより、待機中、常にエンジンが回転するということがなくなり、燃料費が低減されると共に、排ガスによる大気汚染、騒音などの問題も軽減される。

しかしながら、この場合、バッテリへの蓄電中、エンジン１は低出力状態で回転する。エンジンの特性上、低出力状態では、図１３にＰ１点として示すように、ＫＷ当たりの燃費が悪い。すなわち、低燃費効率の出力状態で、エンジン１が回転する。このため、待機中の燃料費は、期待するほど下がらない。

なお、発電機から主モータへの電力の供給ラインにバッテリを接続する技術については、特許文献３〜１０などにも示されている。しかし、これらの文献には、バッテリの蓄電量を監視してエンジンを間欠的に運転することについては記載されておらず、特許文献２に示された技術を図１０に示した従来のシステムに適用した場合に考えられる上述した問題の解決策を得ることはできない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排ガスによる大気汚染、騒音などの問題を軽減すると共に、待機中の燃料費をさらに低減することが可能なモータ駆動装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、エンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機が発生する電力の供給を受けて駆動される主モータと、発電機からの電力の供給を受けて作動する補機とを備えたモータ駆動装置において、発電機からの主モータへの電力の供給ラインに接続された蓄電装置と、現在の操作モードが待機中とされている場合、蓄電装置の蓄電量を監視し、蓄電量が所定値を上回った場合にはエンジンの運転を停止し、蓄電量が所定値を下回った場合にはエンジンを高燃費効率の出力状態で運転する蓄電量監視手段とを設けたものである。

この発明によれば、待機中、蓄電装置の蓄電量が監視され、蓄電量が所定値を上回るとエンジンの運転が停止され、蓄電量が所定値を下回るとエンジンの運転が開始される。これにより、待機中、常にエンジンが回転するということがなくなり、燃料費が低減されると共に、排ガスによる大気汚染、騒音などの問題が軽減される。
また、本発明において、蓄電量が所定値を下回ると、エンジンは高燃費効率の出力状態で回転する。すなわち、ＫＷ当たりの燃費が良い状態（例えば、最大エンジン出力の２０％以上）でエンジンが回転し、蓄電装置への蓄電が行われる。これにより、待機中の燃料費がさらに低減する。

なお、本発明において、蓄電量の監視中に用いる所定値は、エンジンの運転を停止する場合の所定値を第１の所定値、エンジンの運転を開始する場合の所定値を第２の所定値とした場合、第１の所定値≧第２の所定値の関係にあればよい。通常は、ヒステリシスを持たせるために、第１の所定値と第２の所定値とは異なる値とする。

本発明において、蓄電装置への蓄電は、発電機が発生する余剰な電力および主モータで発生した回生エネルギーによって行われる。例えば、待機中、エンジンを運転すると、補機への余剰な電力が生じ、この余剰な電力によって蓄電が行われる。また、実稼働中、主モータの負荷が小さい場合には、主モータや補機への余剰な電力が生じ、この余剰な電力によって蓄電装置への蓄電が行われる。また、実稼働中、荷物の巻き下げなどによって主モータが空転すると、主モータに回生エネルギーが生じ、この回生エネルギーによって蓄電が行われる。

なお、本発明において、実稼働中、主モータの負荷が大きく、発電機からの主モータへの電力が不足する場合には、その不足分が蓄電装置からの電力によって補われる。また、本発明において、主モータとしては、巻上用、横行用、走行用などのモータが想定され、これらのモータ単独であってもよいし、組合せであってもよい。

本発明によれば、待機中、蓄電装置の蓄電量を監視し、蓄電量が所定値を上回った場合にはエンジンの運転を停止し、蓄電量が所定値を下回った場合にはエンジンを高燃費効率の出力状態で運転するようにしたので、排ガスによる大気汚染、騒音などの問題を軽減すると共に、待機中の燃料費をさらに低減することが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るモータ駆動装置を搭載したクレーンのシステム構成の一例を示す図である。同図において、図１０と同一符号は図１０を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

この実施の形態では、コンバータ３とインバータ４との間の電力の供給ラインＬ１に、すなわち発電機２からの主モータ５への電力の供給ラインに、蓄電装置１３を接続している。また、蓄電装置１３に対して蓄電量監視装置１４を設け、操作器１１から制御装置１２への操作モード指令を蓄電量監視装置１４へも与えるようにしている。

蓄電量監視装置１４は、操作器１１から操作モードとして「待機中」の指示を受けると、その「待機中」の指示を受けている間、蓄電装置１３の蓄電量Ｗを監視し、蓄電量Ｗが第１の所定値Ｗｔｈ１を上回った場合にはエンジン１へ運転停止指令を送り、蓄電量Ｗが第２の所定値Ｗｔｈ２（Ｗｔｈ２＜Ｗｔｈ１）を下回った場合にはエンジン１へ高燃費効率の出力状態での運転を指示する運転開始指令を送る機能を有している。

なお、本実施の形態では、エンジン１の高燃費効率の出力状態（ＫＷ当たりの燃費が良い状態）を最大エンジン出力の２０％とし（図１３に示すＰ２点）、蓄電量Ｗが所定値Ｗｔｈ２を下回った場合、最大エンジン出力の２０％での運転を指示する運転開始指令をエンジン１へ送るようにしている。

〔実稼働中〕
制御装置１２は、操作器１１から操作モードとして「実稼働中」の指示を受けると、エンジン１を起動し、所定の回転数（例えば、１８００ｒｐｍ）で回転させる（図２（ａ）に示すｔ１点）。このエンジン１の回転により、発電機２が駆動され、交流の電力が発生する。

また、荷物９の巻き下げなどによって主モータ５が空転すると、主モータ５に回生エネルギーが生じ、この回生エネルギーによって蓄電装置１３への蓄電が行われる（図４参照）。また、主モータ５の負荷が大きく、発電機２からの主モータ５への電力が不足する場合には、その不足分が蓄電装置１３からの電力によって補われる（図５参照）。

〔待機中〕
制御装置１２は、操作器１１から操作モードとして「待機中」の指示を受けると、補機１０のみを作動させる状態とする。また、蓄電量監視装置１４は、操作器１１から操作モードとして「待機中」の指示を受けると、蓄電装置１３の蓄電量Ｗの監視を開始する（図２（ｃ）に示すｔ３点）。

図２（ｃ）に示すｔ３点では蓄電量Ｗが所定値Ｗｔｈ１と所定値Ｗｔｈ２との間にある。この場合、蓄電量監視装置１４は、エンジン１へ運転停止指令を送る。これにより、エンジン１の運転が停止し（図２（ａ），（ｂ）に示すｔ３点）、発電機２の駆動が中断される。

エンジン１の停止中、補機１０への給電は、蓄電装置１３からの電力によって行われる（図６参照）。補機１０における電力消費に伴い、蓄電装置１３の蓄電量Ｗが低下し、所定値Ｗｔｈ２を下回ると（図２（ｃ）に示すｔ４点）、蓄電量監視装置１４はエンジン１へ運転開始指令を送る。これにより、エンジン１の運転が開始され（図２（ａ）に示すｔ４点）、エンジン１が高燃費効率の出力状態（最大エンジン出力の２０％）とされる（図２（ｂ）に示すｔ４点）。

エンジン１の運転が開始されると、発電機２の駆動が再開され、発電機２からの補機１０への給電が再開される（図７参照）。また、発電機２からの補機１０への余剰な電力がコンバータ３を介して蓄電装置１３へ送られ、この余剰な電力によって蓄電装置１３への蓄電が行われる。

蓄電装置１３の蓄電量Ｗが上昇し、所定値Ｗｔｈ１を上回ると（図２（ｃ）に示すｔ５点）、蓄電量監視装置１４はエンジン１へ運転停止指令を送る。これにより、エンジン１の運転が停止し（図２（ａ），（ｂ）に示すｔ５点）、発電機２での発電が停止される。これによって、補機１０への給電は、蓄電装置１３からの電力によって行われるようになる（図６参照）。

以下同様にして、蓄電装置１３の蓄電量Ｗが低下し、所定値Ｗｔｈ２を下回る毎に、エンジン１が間欠的に運転される。これにより、待機中、常にエンジン１が回転するということがなくなり、燃料費が低減されると共に、排ガスによる大気汚染、騒音などの問題が軽減される。また、蓄電量Ｗが所定値Ｗｔｈ２を下回ると、エンジン１が高燃費効率の出力状態（ＫＷ当たりの燃費が良い状態）で回転するので、待機中の燃料費がさらに低減する。

なお、上述した実施の形態では、蓄電装置１３をコンバータ３とインバータ４との間の電力の供給ラインＬ１に接続するようにしたが、例えば図８に示すように、蓄電装置１３の前段にコンバータ１５を設け、このコンバータ１５を介して発電機２とコンバータ３との間の電力の供給ラインＬ２に接続するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、発電機２とコンバータ３との間の電力の供給ラインＬ２に補機１０を接続するようにしたが、例えば図９に示すように、コンバータ３とインバータ４との間の電力の供給ラインＬ１にインバータ１６を介して補機１０を接続するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、ヒステリシスを持たせるために、所定値Ｗｔｈ１と所定値Ｗｔｈ２の値を異ならせたが、所定値Ｗｔｈ１と所定値Ｗｔｈ２とを同じ値としてもよい。
また、上述した実施の形態では、エンジンの高燃費効率の出力状態を最大エンジン出力の２０％としたが、この値はエンジンの種類などによっても異なるものであり、一概に何％以上とは言えない。発明者らの実験などによれば、最大エンジン出力の２０％以上とすることにより、良好な結果が得られた。

また、上述した実施の形態では、荷物９の搬送作業として巻き上げや巻き下げを行うものとして説明したが、荷物９を前後方向へ搬送したり、左右方向へ搬送したりする場合もある。このような場合も、巻き下げ時と同様にして、主モータ５に回生エネルギーが生じると、この回生エネルギーによって蓄電装置１３への蓄電が行われる。

また、上述した実施の形態では、制御装置１２とは別の装置として蓄電量監視装置１４を設けたが、蓄電量監視装置１４の機能を制御装置１２に付加するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、クレーンへの適用例として説明したが、車両などに適用してもよい。

本発明に係るモータ駆動装置を搭載したクレーンのシステム構成の一例を示す図である。このクレーンにおける実稼働中および待機中のエンジン回転数、エンジン出力および蓄電量の変化を示すタイムチャートである。このクレーンにおける実稼働中の主モータの負荷が小さい場合の電力の流れを説明する図である。このクレーンにおける実稼働中の回生エネルギーが発生した場合の電力の流れを説明する図である。このクレーンにおける実稼働中の主モータの負荷が大きい場合の電力の流れを説明する図である。このクレーンにおける待機中のエンジンの停止中の電力の流れを説明する図である。このクレーンにおける待機中のエンジンの回転中の電力の流れを説明する図である。電力の供給ラインへの蓄電装置の他の接続例を示す図である。電力の供給ラインへの補機の他の接続例を示す図である。エンジン駆動発電方式を採用した従来のクレーンのシステム構成の概要を示す図である。従来のクレーンにおける実稼働中および待機中のエンジン回転数およびエンジン出力の変化を示すタイムチャートである。特許文献２に示された技術を従来のシステムに適用した場合に考えられる待機中の制御動作を説明するためのタイムチャートである。エンジン出力とＫＷ当たりの燃費との関係を示す図である。

符号の説明

１…エンジン、２…発電機、３…コンバータ、４…インバータ、５…主モータ、６…ブレーキ、７…減速機、８…ドラム、９…荷物、１０…補機、１１…操作器、１２…制御装置、１３…蓄電装置、１４…蓄電量監視装置、１５…コンバータ、１６…インバータ、Ｌ１，Ｌ２…電力の供給ライン。

Claims

エンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機が発生する電力の供給を受けて駆動される主モータと、前記発電機からの電力の供給を受けて作動する前記主モータ以外の補機とを備えたモータ駆動装置において、
前記発電機からの前記主モータへの電力の供給ラインに接続された蓄電装置と、
現在の操作モードが前記主モータの駆動を行わない状態で前記補機を作動させる待機中とされている場合、前記蓄電装置の蓄電量を監視し、蓄電量が所定値を上回った場合には前記エンジンの運転を停止し、蓄電量が所定値を下回った場合には前記エンジンを高燃費効率の出力状態で運転する蓄電量監視手段と
を備えることをことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１に記載されたモータ駆動装置において、
前記蓄電装置は、前記発電機が発生する余剰な電力および前記主モータで発生した回生エネルギーによって蓄電される
ことを特徴とするモータ駆動装置。