JP2011207604A - 天井クレーンの巻上駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台の電動機のうち一部が故障した場合非常運転を行える天井クレーンの巻上駆動装置を提供する。
【解決手段】レードルクレーンに備えている１台の巻上ドラム７に対して、複数台の高圧電動機６と、各複数台高圧電動機６に付設された同数台の高圧マトリクスコンバータ２０からなる巻上駆動装置を備えており、高圧電動機６が、基底回転数以下の領域でトルクが一定値の定トルク領域と、基底回転数以上の領域であってトルクが回転数に反比例して低減する定出力領域とからなる特性を有するものであって、高圧マトリクスコンバータ２０は、複数台の高圧電動機６で通常運転するときは、各高圧電動機６を定出力領域で運転させ、複数台より少ない台数の高圧電動機６で非常運転するときは、その高圧電動機６を基底回転数以上で通常運転の回転数より小さくかつ通常運転の半分でない回転数で運転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、天井クレーンの巻上駆動装置に関する。さらに詳しくは、複数台の電動機のうち一部が故障した場合でも非常運転を行える天井クレーンの巻上駆動装置に関する。

レードルクレーンは、製鉄所や製鋼所でレードル（取鍋）を運ぶ、天井クレーンの一種である。電気炉や転炉で作られた溶鋼は、レードルに入れられ、このレードルをレードルクレーンで吊下げてタンディッシュまで運搬し、レードルクレーンを使って内部の溶鋼をタンディッシュに移し替える。そして、タンディッシュから鋳型に注湯して鋳造される。
レードルクレーンは、汎用の天井クレーンと同様に、クレーン本体と走行モータを備えると共に、溶鋼を入れたレードルを吊下げる主フックと、この主フックを上げ下げする主巻き装置と、レードルの下部を持ち上げてレードルを傾斜させる補フックと、この補フックを上げ下げする補巻き装置を備えている。

レードルクレーンを含む天井クレーンでは、その巻上装置は、フックを吊下げたワイヤロープを巻取る巻上ドラムと、この巻上ドラムを巻上げ下げする電動機と、その回転数を制御する電動機制御装置からなる。電動機はレードルクレーンでは、その吊り荷重量が非常に重いことから、その容量は200ｋＷを超えるものが多く、この場合3000Ｖ以上の定格電圧をもつ高圧電動機が適用される。また高圧電動機が適用される場合は、電動機制御装置には3000Ｖ以上の電圧が出力可能で、かつ巻き下げ時に発生する回生電力を処理できる高圧マトリクスコンバータが適用される。
電動機と電動機制御装置は、容量をむやみに大きくすることを避けるため、１台の巻上ドラムに対し複数台の電動機と電動機と同じ台数の電動機制御装置で構成されることが、大型クレーンではよく行われている（例えば非特許文献１）。

ところで、荷物の搬送中に複数台の電動機のうち一部が故障したり、あるいは複数台の電動機制御装置のうちの一部が故障したりすると、残りの健全な装置で吊荷を降ろす等の非常運転を行う場合がある。このような非常運転を行う場合、電動機及び対応する電動機制御装置からなるモータ駆動系が二つの場合、双方ともが正常であれば各電動機が基底速度の２倍運転となるように電動機制御装置を制御し、何れか一方のモータ駆動系が異常となった場合の非常運転では電動機が基底速度運転となるように電動機制御装置に指令を与える制御装置を備え、これにより電動機の容量を増加させないようにしたものがある（例えば特許文献１）。

特開２０００−２３８９８９号公報 （第４〜５頁 図３）

新版機械工学便覧Ｃ３−運搬機械（第１６〜１７頁）

非常運転時の速度を通常運転時の半分としていたのでは、複数台の電動機とそれと同数の電動機制御装置からなる巻上装置の場合には、非常運転時に電動機のトルクが不足する場合を生じるといった問題があった。また、非常運転に必要なトルクはクレーンの積荷の状態や巻上げ運転か巻下げ運転かでも変化し、さらに２台を超えた複数台運転の場合は、何台のモータ駆動系が故障したかでも変化する。従って非常運転の速度を通常運転時の半分に限っていたら、それよりも速い速度での運転が可能な場合でも通常時運手時の半分の速度でしか運転せず、操業効率の悪化を招いていた。

そこで本発明は上記問題を解決するために、複数台の電動機のうち一部が故障した場合の非常運転に対し、電動機容量を大きくしないで済みかつ、非常運転時の電動機のトルク不足を生じず、操業効率の悪化も最小限で済む天井クレーンの巻上駆動装置を提供する。

本発明の天井クレーンの巻上駆動装置は、天井クレーンに備えている１台の巻上ドラムに対して、複数台の高圧電動機と、各複数台高圧電動機に付設された同数台の高圧マトリクスコンバータからなる巻上駆動装置であり、前記高圧電動機が、基底回転数以下の領域でトルクが一定値の定トルク領域と、基底回転数以上の領域であって前記トルク回転数に反比例して低減する定出力領域とからなる特性を有するものであって、前記高圧マトリクスコンバータは、前記複数台の高圧電動機で通常運転するときは、各高圧電動機を定出力領域で運転させ、前記複数台より少ない台数の高圧電動機で非常運転するときは、その高圧電動機を前記基底回転数以上で通常運転の回転数より小さくかつ通常運転の半分でない回転数で運転させることを特徴とする。

本発明によれば、複数台の電動機のうち、一部の電動機で運転する非常運転時には、電動機制御装置がその電動機を基底回転数以上で通常運転時の回転数より小さい回転数で運転するため、回転数は下がるが電動機が出力しうる最大トルクが増加するので、電動機の台数が少なくても、非常運転を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る天井クレーンの要部概念図である。 図１の電動機の回転数・トルク線図である。 本発明が適用される天井クレーンの正面図である。 本発明が適用される天井クレーンの平面図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明は各種の天井クレーンに適用されるが、その一種であるレードルクレーンを例にとって以下の実施形態を説明する。

図３および図４は本発明の一実施形態に係るレードルクレーンの正面図及び平面図である。
図においてレードルクレーンＡは、ガーダ１と車輪２とを備えており、建屋の柱に設置されたレール上を走行するようになっている。
ガーダ１上には、走行用の駆動装置のほか、主フック３を巻き上げ下げする主巻上げ装置４が主トロリー５上に搭載されている。主巻上げ装置４は高圧電動機６と巻上ドラム７とからなる。レードルクレーンの吊り荷の重量の重さから、3000Ｖ以上の定格電圧をもつ高圧電動機６を２台とし、これらで１台の巻上ドラム１が駆動される構成となっている。巻上ドラム７と主フック３との間には、ワイヤロープが掛けまわされており、高圧電動機６を正逆転させることで、荷を吊るした主フック３を上げ下げすることができる。

また、ガーダ１上には、補フック１３を巻き上げ下げする補巻き装置１４が補トロリー１５上に搭載されている。補巻き装置１４は補電動機１６と補ドラム１７とからなり、補ドラム１７と補フック１３との間にはワイヤロープが掛けまわされている。

前記２台の高圧電動機６の回転速度を制御するものとして、高圧マトリクスコンバータ２０がガーダ１上に設置されている。高圧マトリクスコンバータ２０は高圧電動機６を駆動するため、3000Ｖ以上の電圧を出力可能であり、かつ巻下げ時に発生する電力を電源に回生する機能を有するものである。

図１は本発明の一実施形態に係るレードルクレーンの要部概念図である。図において１台の巻上ドラム７には、ギヤボックス８を介して２台の高圧電動機６が接続され、各高圧電動機６には１台づつ計２台の高圧マトリクスコンバータ２０が設けられている。高圧マトリクスコンバータ２０は高圧電動機６の始動、停止と駆動中の回転数を制御するものである。

図２は高圧電動機６の回転数・トルク線図であり、高圧電動機６の性能特性を示している。
横軸のＡ領域は定トルク領域であり、Ｂ領域は定出力領域である。Ａ領域は、０〜基底回転数Ｎ_ｂａｓｅの領域であって、その間の回転数では電動機の出力トルクは回転数に拘らず一定である。
Ｂ領域は基底回転数Ｎ_ｂａｓｅを超える領域であって、その間の回転数では、負荷×回転数で定まる運動エネルギー（出力）が一定であり、トルクは回転数が増えると低減する。つまり、定出力領域でのトルクは定トルク領域より小さい。

本発明の実施形態における巻上げ装置は、図２の回転数・トルク線図を利用しており、その技術原理は、以下のとおりである。
従来の運転法あるいは非常運転を意識していない運転法では、図２の回転数・トルク線図において定トルク領域での基底回転数Ｎ_ｂａｓｅで運転するように設定している。これは、トルクと回転数とも最高値であって最も高能率に運転できるからである。

これに対し、本発明の実施形態では、通常運転の回転数をＮ_ｎに設定し、定出力領域においている。この場合、トルクは基底速度Ｎ_ｂａｓｅで運転する場合のＮ_ｂａｓｅ／Ｎ_ｎに低下している。しかし、本発明の実施形態では、このトルクで通常運転するとして、２台の電動機を用いれば定格荷重の巻上げ下げが可能となる容量の電動機を選択することを前提としている。

そして、仮に２台の電動機のうち１台が故障したとすると、健全な１台の電動機のみで運転し、そのときの回転数Ｎ_ａを基底速度Ｎ_ｂａｓｅに落として運転する。この場合、通常運転時よりＮ_ｎ／Ｎ_ｂａｓｅだけ大きいトルクが出力できる。したがって、電動機の台数が減少しても、吊上中の荷物を巻下げる非常運転は可能となる。ただし回転数は落ちるので、運転速度は遅くなる。しかし、吊上搬送中の荷物を吊り降ろす非常運転であるので、多少の速度低下は実用上差し支えない。もしも１台の電動機の運転回転数Ｎ_ａが基底回転数Ｎ_ｂａｓｅより大きく、そのときのトルクの増加がＮ_ｎ／Ｎ_ａ倍であってもトルク不足とならないならば、基底回転数Ｎ_ｂａｓｅより大きい回転数での運転も可能である。

上記は電動機が２台の場合であるが、電動機が２台より大きい複数台の場合も同様に適用できる。電動機の台数をｎとすると、通常運転での回転数Ｎ_ｎを基底回転数Ｎ_ｂａｓｅのｎ倍に設定し、非常運転時ｍ台で運転するとすれば、非常運転での回転数Ｎａを通常運転での回転数Ｎｎのｍ／ｎ倍とすることにより、１台の電動機の発生する最大トルクはｎ／ｍ倍となり、トルク不足を生じない。

非常運転には吊上中の荷物の巻下げのみを行うものと、巻上げと巻下げの両方を行うものとがある。非常運転は、巻下げのみの方が必要トルクが小さく、巻上げの非常運転を行う場合は容量を大きくしなければトルクが不足する場合もある。

つぎに、巻下げ非常運転を実現した実施例を示す。
巻上時の必要容量Ｐ１は、定格荷重Ｗ×巻上速度Ｖ／（定数×機械効率η）で計算できる。ここで定数は、定格荷重の単位をトンからキロニュートンに、また速度の単位をm/minからm/secに変換するもので、その値は60÷9.8≒6.12である。
いま、Ｗ＝528トン、Ｖ＝１２m/min、η＝0.83とすると、下記（１）のとおりである。
（１）巻上時電動機容量
Ｐ１＝Ｗ×Ｖ／（定数×η）＝528×12／（6.12×0.83）＝1247KW
よって、高圧電動機６を２台とすると、１台の容量が680KWであるなら、680KW×２＝1360KW ＞ 1247Kwとなるので、高圧電動機６の１台の容量を680KWとすれば、巻上げ運転が可能となる。

つぎに、巻下時の必要容量Ｐ２は、Ｗ×Ｖ×η／定数で計算でき、上記（１）と同条件だと、下記（２）のとおりとなる。
（２）巻下時電動機容量
Ｐ２＝Ｗ×Ｖ×η／6.12＝528×12×0.83／6.12＝859KW
そして、高圧電動機６の基底回転数が1150rpmで非常運転時には基底回転数で運転するとしたとき、通常運転での回転数との関係式は、基底回転数に対する通常運転での回転数の比をＫとして、下記式となる。
Ｐ２×（１／Ｋ）＜ 680KW（定格出力）
上記の定数Ｋを1.3とすると、661KWとなり、これは高圧電動機６の定格出力（680KW）より小さくなり、このことは非常時巻下げができることを意味する。また非常時巻下げ速度は必要な容量が680KWとなる速度まで、基底回転数より大きくしてもよい。具体的には1150rpmの680／661倍である1183rpmまでは大きくできる。

以上の理由により、高圧電動機６を容量680KW、基底回転数1150rpmとし、通常運転時回転数を1495rpm、非常運転を３０％少ない基底回転数1150rpmから1183rpmの間の回転数に設定すると２台の内１台が故障しても健全な１台で非常運転としての巻下が可能となる。すなわち、本発明においては、出力一定の領域で速度を低下させるとトルクを大きくできる特性を利用したので、高圧電動機６の容量を大きくせずとも非常時運転を可能とすることができる。
なお、機械効率は0.83としているが機械や電動機によっては多少変化する。

１ ガータ
２ 車輪
３ 主フック
４ 主巻上げ装置
５ 主トロリー
６ 高圧電動機
７ 巻上ドラム
８ ギヤボックス
１３ 補フック
１４ 補巻き装置
１５ 補トロリー
１６ 補電動機
１７ 補ドラム
２０ 高圧マトリクスコンバータ
３０ 筐体

Claims (1)

1. 天井クレーンに備えている１台の巻上ドラムに対して、複数台の高圧電動機と、各複数台高圧電動機に付設された同数台の高圧マトリクスコンバータからなる巻上駆動装置であり、
   前記高圧電動機が、基底回転数以下の領域でトルクが一定値の定トルク領域と、基底回転数以上の領域であって前記トルクが回転数に反比例して低減する定出力領域とからなる特性を有するものであって、
   前記高圧マトリクスコンバータは、前記複数台の高圧電動機で通常運転するときは、各高圧電動機を定出力領域で運転させ、前記複数台より少ない台数の高圧電動機で非常運転するときは、その高圧電動機を前記基底回転数以上で通常運転の回転数より小さくかつ通常運転の半分でない回転数で運転させる
   ことを特徴とする天井クレーンの巻上駆動装置。

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