JP2011125109A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力源として発電機の発電効率を高め、エネルギ効率の向上を図った負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】交流電力を生成する発電機およびこの発電機が生成した交流電力を直流電力に変換して出力する交流・直流変換器を備えた発電設備と、この発電設備から出力される直流電力をモータに駆動電力として供給すると共に、前記モータから得られる回生電力を回収するインバータと、前記発電設備から出力される直流電力または前記インバータにて回収される回生電力を蓄積すると共に、蓄積した電力を前記インバータを介して前記モータに供給するコンデンサと、このコンデンサに蓄積された電力量から前記モータの平均的需要電力量を推定して前記発電機の運転を制御する発電制御装置とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータを介して可変速制御を行う電動機を駆動する負荷駆動装置であって、特に発電機を用いて前記電動機の駆動電力を生成する負荷駆動装置に関する。

高層建築物や船舶等の制御対象物に組み込まれる制振装置は、通常、制御対象物の振動方向に移動自在に設けられた可動マスを備え、前記制御対象物に作用する外力（振動）に対して前記可動マスに逆向きの力を作用させることで、上記外力（振動）を積極的に打ち消すように構成される。またモータ（電動機）を用いて制振装置（負荷）を駆動する負荷駆動装置においては、負荷に加わる運動エネルギ（減速力）によって前記モータに生起される回生電力を回収し、この回生電力をコンデンサ（蓄電器）に蓄積して再利用することも行われている（例えば特許文献１,２を参照）。

特開平１０−２６７０６号公報 特開２００７−３２５３４２号公報

ところで上述した負荷駆動装置は、一般的には受電設備を用いて商用電力を取り込み、この商用電力を電力源として作動するように構成される。しかしながら負荷駆動装置が用いられる環境に、必ずしも商用電源があるとは限らない。このような場合には、専ら、負荷駆動装置に発電機を装備し、この発電機にて生成した電力により作動するように構成される。この場合には、一般的には負荷駆動装置が必要とする最大駆動電力を賄い得る発電能力を備えた発電機を用いることが必要となる。

しかしながら前述した特許文献２に開示されように、モータから得られる回生電力をコンデンサ（電機二重層キャパシタ）に蓄積して再利用する負荷駆動装置においては、直流電力を生成するＰＷＭコンバータからの出力電流を制限して前記コンデンサに蓄積する電力量を調整するので、発電機にて生成した電力を有効利用することができないと言う問題があった。換言すれば負荷駆動装置が必要とする最大駆動電力を賄い得る発電能力を備えた発電機にて生成した電力を電流制限して用いることになるので、そのエネルギ効率が悪いと言う問題があった。

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、電力源として発電機を備えた負荷駆動装置であって、特に前記発電機の発電効率を高め、エネルギ効率の向上を図ることのできる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、
<ａ> 駆動電力を受けて負荷を駆動すると共に、該負荷に加わる運動エネルギから回生電力を生成するモータと、
<ｂ> 交流電力を生成する発電機、およびこの発電機が生成した交流電力を直流電力に変換して出力する、例えばダイオード整流器等の交流・直流変換器を備えた発電設備と、
<ｃ> 前記負荷の状態に応じて前記発電設備から出力される直流電力を前記モータに駆動電力として供給すると共に、前記モータから得られる回生電力を回収するインバータと、
<ｄ> 前記発電設備から出力される直流電力または前記インバータにて回収される回生電力を蓄積すると共に、蓄積した電力を前記インバータを介して前記モータに供給する、例えば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のコンデンサと、
<ｅ> このコンデンサに蓄積された電力量から前記モータの平均的需要電力量を推定し、推定した平均的需要電力量に応じて前記発電機の運転を制御する発電制御装置と
を具備したことを特徴としている。

ちなみに前記発電機は、例えば内燃機関（エンジン）により回転駆動されて交流電力を発生するタイプのものからなり、前記発電制御装置は、例えば前記発電機の回転数を制御して該発電機が生成する交流電力量を変化させるように構成される。
また前記発電制御装置は、前記電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタの端子電圧を検出し、検出した電圧をピークカット処理した後にフィルタリング処理して前記負荷の周期的変動分を除去した平滑化直流電圧から、前記コンデンサに蓄積された電力量を求めるように構成される。

尚、前記負荷は、例えば制御対象の挙動に応じて加減速動作する制振装置、若しくは加減速駆動される荷役機械または昇降装置からなり、前記モータは、駆動電力を受けて前記負荷を加速動作させ、前記負荷の減速動作に伴って回生電力を生成するものからなる。

上記構成の負荷駆動装置によれば、コンデンサの蓄積された電力量から推定される前記モータの平均的需要電力量に応じて前記発電機の運転を制御し、該発電機が生成する電力量自体を調整するので前記発電機の発電効率を高めることができる。またコンデンサに蓄積される電力量が前記モータの平均的需要電力量となるように前記発電機の発電量を最適化するので、発電機が生成した電力を無駄にすることがなく、エネルギ効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置の概略構成図。 図１に示す負荷駆動装置における電力制御部の構成例を示す図。 発電機の回転周波数と出力電力との関係を示す図。

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、例えば図１にその概略構成を示すように、モータ（アクチュエータ）により可動マス（負荷）を進退させて制御対象物の横揺れを抑制する制振装置を駆動するものである。

ちなみに制振装置は、駆動電力を受けて作動して可動マス（負荷）１を駆動すると共に、前記可動マス（負荷）１に加わる運動エネルギ（横揺れ振動）から回生電力を生成するモータ（アクチュエータ）２と、負荷制御装置３の制御の下で前記モータ２を通電駆動すると共に、該モータ２に生起された回生電力を回収する機能を備えたインバータ４とを備えて構成される。尚、負荷制御装置３は、前記制御対象物の状態に応じて、具体的には可動マス（負荷）１を加速動作させるべく前記モータ２を駆動し、また前記可動マス（負荷）１の減速動作に伴って前記モータ２に発生する回生電力を回収するように前記インバータ４の作動を制御する。ちなみにこのインバータ４は、例えばＰＷＭ方式によりモータ２の駆動を制御するタイプのものからなる。

またこの負荷駆動装置は、内燃機関（エンジン）により回転駆動されて交流電力を生成する発電機５と、この発電機５が発電した交流電力を整流して直流電力に変換して出力する交流・直流変換器（ダイオード・コンバータ）６とを備えた発電設備７を備える。前述したインバータ４は、基本的には発電設備７から得られる直流電力を電力源として作動するものである。

また前記発電設備７から出力される直流電力を前記インバータ４に給電する中間回路には、前記発電設備７から出力される直流電力の一部を蓄積すると共に、前記インバータ４を介して回収された回生電力を蓄積するコンデンサ、具体的には小型で大容量の電気二重層キャパシタ８が設けられている。そしてこのコンデンサ（電気二重層キャパシタ）８に蓄積された電力は、前記インバータ４に供給されて再利用されるものとなっている。尚、電気二重層キャパシタ８に代えて、小型で大容量のリチウムイオンキャパシタを用いることも可能である。

基本的には上述した如く電源系を構築した負荷駆動装置における電力制御装置９は、前記コンデンサ（電気二重層キャパシタ）８に蓄積された電力量から前記モータ２の平均的需要電力量を推定し、前記発電機５の発電量（出力電力量）が上記推定した電力量となるように該発電機５の作動を、特に発電機５の回転数を制御する役割を担う。

尚、前記電力制御装置９は、ここでは前記コンデンサ８に蓄積されている電力量を該コンデンサ８の端子電圧（コンデンサ電圧）Ｖoutとして捉えて前記発電機５の作動を制御するように構成されている。具体的には前記電力制御装置９は、前記コンデンサ８の端子電圧（コンデンサ電圧）Ｖoutを、予め定めた上限電圧にてピークカットして検出する電圧検出部９ａと、この電圧検出部９ａにて検出されるコンデンサ電圧Ｖoutから前記制振装置の作動に伴う変動成分を除去（抑制）するノッチフィルタ９ｂと、このノッチフィルタ９ｂを介して求められるコンデンサ平均電圧Ｖaveに基づいて前記発電機５の作動を制御する電力制御部９ｃとを備えて構成される。この電力制御部９ｃによる前記発電機５の制御については後述する。

ここで前述した制振装置について説明すると、この制振装置は、その制御対象物に作用する横揺れ（振動）に対して前述した可動マス１を逆向きに振動させることで、上記横振れ（振動）を積極的に打ち消す（制振する）ものである。そのために前記負荷制御装置３は、例えば制御対象物に設けられた速度センサ（図示せず）により検出される該制御対象物の振れ角速度と前記モータ２の回転角とに従って前記インバータ４の作動をフィードバック制御し、これによって前記モータ２の回転速度を制御するように構成される。この負荷制御装置３によるモータ２のフィードバック制御については、前述した特許文献１,２等に詳しく紹介される通りである。

そして制振装置は、上述したように制御対象物の横揺れ（振動）に対して可動マス１を逆向きに変位させてその横揺れを抑制する力を生起するべく前記モータ２の作動を制御するものであるから、当然のことながら前記制御対象物の横揺れ（振動）に合わせて前記モータ２を加減速することになる。ちなみにモータ２の加速は、インバータ４を介してモータ２を通電駆動することによって行われ、逆にモータ２の減速は前記可動マス１からモータ２に加わる力によって該モータ２に回生電力を生起することによって行われる。

前述したコンデンサ（電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ）８は、このようにしてモータ２に生起される回生電力を回収して蓄積し、蓄積した電力を前記モータ２の駆動に再利用するために用いられる。そしてコンデンサ８に蓄積される電力エネルギ（蓄積容量）は、回生電力の蓄積に伴って増大し、またモータ２の駆動（力行）に伴って減少する。従ってコンデンサ８に蓄積される電力エネルギ（蓄積容量）、ひいては該コンデンサ８の端子電圧Ｖoutは、図２に示すようにインバータ４によるモータ２の駆動およびモータ２からの回生電力の回収に伴って変化する。しかもモータ２の加速（力行）および減速（回生）は、前記制御対象物の横揺れ（往復振動）に同期して行われるので、前記コンデンサ８の端子電圧Ｖoutの変動周期は前記制御対象物に固有な横揺れ周期Ｔの１／２倍となる。

このとき前記モータ２の力行時にコンデンサ８から放出される電力量と、前記モータ２から回収される回生電力量とがバランスするようになれば、前記電源設備７から供給すべき電力量は、実質的に前記モータ２の力行に要する電力量から該モータ２により回生される電力分を差し引いた電力量となる。そしてこの電力量は、丁度、前記コンデンサ８に定常的に蓄積される電力量、換言すれば前記モータ２の平均的な需要電力量となる。従って前記コンデンサ８に蓄積される平均的な電力量が、前記モータ２の平均的な需要電力量となるように前記発電設備７からの供給電力量を設定すれば、該発電設備７にて発生させるべき電力量を最小限に抑え、該発電設備７を効率的に運転しうることになる。

そこで前記電力制御装置９においては、前記コンデンサ８の蓄積電力量の変化を捉えるべく電圧検出部９ａにて前記コンデンサ８の端子電圧Ｖoutを検出し、検出した端子電圧Ｖoutをノッチフィルタ９ｂを介してフィルタリングすることでその変動周波数成分を除去することで、前記コンデンサ８の平均電圧Ｖaveを該コンデンサ８に蓄積された平均的な電力量として求めている。この際、前記電圧検出部９ａまたはノッチフィルタ９ｂにおいては、検出した端子電圧Ｖoutに対してピークカット処理を施し、瞬時的な電圧変化を除去している。このピークカット処理を併用することで、前記コンデンサ８の定常的な平均端子電圧Ｖaveが安定に求められている。

そして電力制御装置９における電力制御部９ｃにおいては、上述した如く求められたコンデンサ８の定常的な平均端子電圧Ｖave（平均点電力需要量）を制御目標値とし、例えば図３に示されるような発電機５の発電特性に従い、上記平均点電力需要量として示される電力を発電するに必要な発電機５の運転回転数を求めている。そしてこの回転数を前記発電機５に対して運転制御値として与え、該発電機５の運転を、ひいては発電機５が発電する電力量を制御している。

かくして上述した如く構成された負荷駆動装置によれば、コンデンサ８に蓄積される平均的な電力量に従って発電機５の発電量を制御するので、モータ２から回収される回生電力をその力行運転に有効に活用することができ、また発電機５にて発電すべき電力量を最小限に抑えることができる。この結果、そのエネルギ効率を十分に高めることができ、また発電機５を過剰に運転することがないので省エネルギ化を図ることができる。

ちなみに制振装置のモータ２から得られる回生電力をコンデンサ８に回収して前記モータ２の駆動に再利用するので、基本的には発電設備５からインバータ４に供給すべき電力量を、上記回生電力量に相当する分、少なくすることができる。具体的には２軸制振装置において、定格５５ＫＷのモータ２を４台駆動する場合、前記インバータ４としては２２０ＫＷ（＝５５ＫＷ×４）の電気容量が要求される。このような電力要求を満たす為には、従来一般的には３５０ＫＶＡの発電能力を備えた発電機５が必要となる。

この点、前述したようにモータ２の回生電力を蓄積する、例えば６０Ｆのコンデンサ（電気二重層キャパシタ）８を備えた構成を採用すれば、理論計算上、前記発電設備７として、ひいては前記発電機５としては１１０ＫＶＡ程度の電気容量を持てば十分であり、余裕を見込んでも１５０ＫＶＡ程度の発電能力を持てば十分である。

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。ここでは制御対象物に加わる横揺れを抑える制振装置を駆動する負荷駆動装置を例に説明したが、その制御対象は加減速駆動されるクレーン等の荷役機械またはエレベータ・リフト等の昇降装置であっても良い。また前記モータ２としては、往復駆動される直動型の、いわゆるリニアアクチュエータであっても良い。

またインバータ４等の電気容量については、その制御対象である制振装置等の仕様に応じたものであれば良く、実施形態にて例示した値に特定されないことは言うまでもない。また発電機５としてもガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンにて駆動されるものや、ガスタービンエンジンにて駆動されるもの等、種々のタイプのものが適用可能である。要は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。

１ 可動マス
２ モータ
３ 負荷制御装置
４ インバータ
５ 発電機
６ 交流・直流変換器（ダイオード・コンバータ）
７ 発電設備
８ コンデンサ（電気二重層キャパシタ）
９ 電力制御装置
９ａ 電圧検出部
９ｂ ノッチフィルタ
９ｃ 電力制御部

Claims (5)

1. 駆動電力を受けて負荷を駆動すると共に、該負荷に加わる運動エネルギから回生電力を生成するモータと、
   交流電力を生成する発電機、およびこの発電機が生成した交流電力を直流電力に変換して出力する交流・直流変換器を備えた発電設備と、
   前記負荷の状態に応じて前記発電設備から出力される直流電力を前記モータに駆動電力として供給すると共に、前記モータから得られる回生電力を回収するインバータと、
   前記発電設備から出力される直流電力または前記インバータにて回収される回生電力を蓄積すると共に、蓄積した電力を前記インバータを介して前記モータに供給するコンデンサと、
   このコンデンサに蓄積された電力量から前記モータの平均的需要電力量を推定し、推定した平均的需要電力量に応じて前記発電機の運転を制御する発電制御装置と
   を具備したことを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記発電機は、内燃機関（エンジン）により回転駆動されて交流電力を発生するタイプのものからなる請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記発電制御装置は、前記発電機の回転数を制御して該発電機が生成する交流電力量を変化させるものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
4. 前記コンデンサは、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタであって、
   前記コンデンサに蓄積された電力量は、前記電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタの端子電圧を検出し、検出した電圧をピークカット処理した後にフィルタリング処理して前記負荷の周期的変動分を除去した平滑化直流電圧から求められるものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
5. 前記負荷は、制御対象の挙動に応じて加減速動作する制振装置、若しくは加減速駆動される荷役機械または昇降装置であって、
   前記モータは、駆動電力を受けて前記負荷を加速動作させ、前記負荷の減速動作に伴って回生電力を生成するものである請求項１に記載の負荷駆動装置。

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