JP2012211005A - クレーン装置および給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器からバスバーを介してクレーン装置へ供給する際の給電効率を改善できるコンテナヤード内を自走する門型のクレーン装置を提供する。
【解決手段】クレーン装置１０にＰＷＭコンバータ４０を設け、バスバー８から給電された交流電力の電圧と電流の位相差が小さくなるよう、ＰＷＭ制御により当該交流電力をスイッチングして直流電力に変換し、得られた直流電力を駆動用交流電力に変換してクレーン装置の電動機３０，３１，３２へ供給するインバータ４１，４２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーンに沿って延設したバスバーを介して給電された電力により、コンテナの荷役を行う門型のクレーン装置に関する。

従来、門型のクレーン装置を用いて、船舶やトレーラーに対するコンテナの積み降ろしなどの荷役を行うコンテナヤードには、地上の電力設備から、レーンに沿って延設したバスバーを介してクレーン装置へ給電する、いわゆる電動化方式のコンテナヤードがある（例えば、特許文献１など参照）。

図４は、一般的なコンテナヤードの構成例を示す平面図である。
コンテナヤード７０は、港の埠頭７Ａに面して設けられており、埠頭７Ａに配置されたコンテナクレーン７Ｃにより、船舶７Ｂに対するコンテナ９の積み降ろしが行われる。このコンテナヤード７０には、コンテナ９の載置場所として、コンテナ９の長手方向に沿って伸延する平面視長方形状のエリアからなるレーン７１が複数設けられており、レーン７１内を当該レーン７１の長手方向Ｘにクレーン装置１０が走行することにより、レーン７１内に載置されているコンテナ９が効率よく仕分けされる。

各レーン７１には、クレーン装置１０に対して電力を供給する変圧器７が設けられており、レーン７１に沿って延設されているバスバー８を介して、変圧器７から電力がクレーン装置１０へ供給される。バスバー８は、支柱に架設されたトロリー線からなり、クレーン装置１０に搭載する集電装置をバスバー８と電気的に接触させることにより、クレーン装置１０が変圧器７から電力を集電するものとなっている。

コンテナヤード７０には、道路７２側にゲート７３が設けられており、トレーラー７５はこのゲート７３を通過してコンテナ９の搬入・搬出を行う。
レーン７１には、トレーラー７５の通路が設けられており、この通路に停車したトレーラー７５に対して、クレーン装置１０によるコンテナ９の積み降ろしが行われる。
クレーン装置１０は、レーン７１ごとに対応付けて配置してもよいが、他のレーン７１へ移動させることにより効率よく荷役を行うことができる。このような場合、レーン７１の端部に隣接して設けられているターンレーン７４において、長手方向Ｘと直交する直角方向Ｙへクレーン装置１０を直角走行させる。

特開２００９−０２３８１７号公報

このようなバスバーを介してクレーン装置へ給電する場合、レーン端に設けられた変圧器までは、電力損失が比較的少ない高圧で給電し、変圧器で低圧電力に変圧して、バスバーへ給電する端部給電方式が用いられている。この場合、変圧器とクレーン装置と距離が長くなるにつれて、その間のバスバーの線路抵抗による電圧降下が発生するため、この電圧降下を予め考慮した電圧を変圧器からバスバーへ供給するものとなっている。

しかしながら、変圧器とクレーン装置と距離が長くなるにつれて、クレーン運転時の力率が低下することにより、バスバーの線路リアクタンスによる電力損失が顕著となる。このため、変圧器から最も離れた位置で荷役が行えるよう、バスバーの線路抵抗による電圧降下に加えて線路リアクタンスによる電力損失を考慮して、より大きな電力を変圧器からバスバーへ供給したり、線路抵抗の少ない太いバスバーを設置したりしなければならないという問題点があった。

なお、このような端部給電方式に対して、バスバーでの電力損失を抑制するために、レーン中央部に変圧器を設け、この変圧器までは電力損失が比較的少ない高圧で給電し、変圧器で低圧電力に変圧して、バスバーへ給電する中央給電方式が考えられる。
これにより、バスバー端に変圧器を設けて給電する端部給電方式と比較して、変圧器からクレーン装置までの平均距離を半分に短縮することができ、バスバーでの電力損失を抑制することができる。

しかしながら、この中央給電方式によれば、レーンの中央部に変電設備を設けるには、変圧器をレーン間に設置する必要がある。このため、変圧器さらにはレーンの施工期間が通常より長くなるとともに、変圧器のメンテナンスが不便となり、変圧器にコンテナが落下して損傷する危険性も高くなり、結果として多くのリスクが発生する。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、変圧器からバスバーを介してクレーン装置へ供給する際の給電効率を改善できるクレーン装置を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるクレーン装置は、電動機を駆動することにより、コンテナヤード内の所望レーンでコンテナの巻上げ下げを行うとともに、コンテナヤード内を自走する門型のクレーン装置であって、レーンに沿って延設されたバスバーから集電した交流電力を、ＰＷＭ制御によりスイッチングすることにより、交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータと、ＰＷＭコンバータで得られた直流電力を駆動用交流電力に変換して電動機へ供給するインバータとを備えている。

この際、インバータで、電動機で発生した回生電力を回生直流電力に変換してＰＷＭコンバータへ出力し、ＰＷＭコンバータで、インバータからの回生直流電力を、ＰＷＭ制御によりスイッチングすることにより、回生直流電力を当該回生交流電力に変換し、バスバーへ供給するようにしてもよい。

また、インバータで、電動機で発生した回生電力を回生直流電力に変換して、当該クレーン装置に搭載されている他のインバータへ供給するようにしてもよい。

また、本発明にかかる給電方法は、電動機を駆動することにより、コンテナヤード内の所望レーンでコンテナの巻上げ下げを行うとともに、コンテナヤード内を自走する門型のクレーン装置で用いられる給電方法であって、クレーン装置のＰＷＭコンバータが、レーンに沿って延設されたバスバーから集電した交流電力をＰＷＭ制御によりスイッチングすることにより、交流電力を直流電力に変換するステップと、クレーン装置のインバータが、ＰＷＭコンバータで得られた直流電力を駆動用交流電力に変換して電動機へ供給するステップとを備えている。

本発明によれば、バスバーからクレーン装置への給電点（負荷端）での力率を調整することができ、バスバーの線路リアクタンスによる電力損失を抑制することができる。
したがって、変圧器から離れた位置で荷役を行うクレーン装置でも、その変圧器からクレーン装置までの線路長という条件下において、電圧降下率を最小に抑えることができる。これにより、変圧器からバスバーを介してクレーン装置へ供給する際の給電効率を改善することができ、変圧器から給電する電力の削減、あるいは給電可能な線路長の延長など、コンテナヤード全体について高いコストパフォーマンスを得ることが可能となる。

一実施の形態にかかるクレーン装置の構成を示す機能ブロック図である。 ＰＷＭコンバータの基本ブロック図である。 ＰＷＭコンバータの動作を示す信号波形図である。 一般的なコンテナヤードの構成例を示す平面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［クレーン装置］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態にかかるクレーン装置について説明する。図１は、一実施の形態にかかるクレーン装置の構成を示す機能ブロック図である。

このクレーン装置１０は、コンテナヤードのレーンに沿って延設したバスバー８を介して給電された変圧器（電源装置）７からの電力により、各種電動機を駆動してコンテナの積み降ろしや、タイヤ駆動によるコンテナヤード内での走行などの各種クレーン動作を行う、タイヤ式の門型クレーン装置である。

クレーン装置１０には、主な構成として、給電装置１Ａ、エンジン発電装置１Ｂ、給電切替部１Ｓ、集電装置２、主巻電動機３０、走行電動機３１，３２、横行電動機３３、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータ４０、インバータ（ＩＮＶ）４１，４２，４３、コントローラ５、および共通母線Ｂが設けられている。

給電装置１Ａは、レーンごとに設けられている変圧器７から供給される、例えば三相交流からなる交流電力を、トランスなどのＡＣ／ＡＣ変換器により所定電圧の三相交流に変換して給電切替器へ出力する機能を有している。
集電装置２は、クレーン装置１０の外側に取り付けられて、支柱に架設された絶縁トロリー線からなるバスバー８と電気的に接触することにより、変圧器７からの交流電力を集電し、給電装置１Ａへ出力する機能を有している。

エンジン発電機１Ｂは、ディーセルエンジンで発電機を駆動することにより交流電力を発電して給電切替器１Ｓへ出力する機能を有している。
給電切替器１Ｓは、コントローラ５からの給電切替指令４Ｓに応じて、給電装置１Ａまたはエンジン発電機１Ｂのいずれか一方からの給電を切替選択してＰＷＭコンバータ４０へ供給する機能を有している。

主巻電動機３０は、コンテナの昇降を行うための交流電動機である。走行電動機３１は、架台の走行を行うための交流電動機である。横行電動機３２は、架台の横行を行うための交流電動機である。
ＰＷＭコンバータ４０は、給電切替器１Ｓから供給された交流電力を直流電力に変換して共通母線Ｂに接続されたインバータ４１などの各機器へ出力するＡＣ／ＤＣ変換器である。

インバータ４１は、ＰＷＭコンバータ４０から共通母線Ｂへ出力された直流電力を交流電力に変換して主巻電動機３０および走行電動機３１へ供給するＤＣ／ＡＣ変換器である。
インバータ４２は、ＰＷＭコンバータ４０から共通母線Ｂへ出力された直流電力を交流電力に変換して横行電動機３３へ供給するＤＣ／ＡＣ変換器である。
インバータ４３は、ＰＷＭコンバータ４０から共通母線Ｂへ出力された直流電力を交流電力に変換して照明装置、空調装置、あるいはコントローラ５などの制御装置を含む各種補機設備の電源として供給するＤＣ／ＡＣ変換器である。

コントローラ５は、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサとその周辺回路を有し、マイクロプロセッサまたは周辺回路に設けられたメモリからプログラムを読み込んで実行することにより、プログラムと上記ハードウェアとを協働させて、クレーン装置１０全体を制御するための各種機能を有している。

コントローラ５の主な機能としては、操作レバーや操作スイッチを介して検出した操作者の指令入力５Ａに基づいて、各種コマンド４Ａをやり取りすることによりインバータ４１〜４３を制御して、コンテナの昇降、架台の走行、横行、直角走行などの運転を制御するクレーン運転機能と、クレーン装置１０がターンレーンを通って他のレーンへレーン替えを行う場合、バスバー８からクレーン装置１０が切り離されている期間においてエンジン発電機１Ｂからの電力で走行するために、給電切替指令５Ｓにより給電切替器１Ｓを制御して、エンジン発電機１Ｂからの電力に切り替える給電切替制御機能とを有している。

［本実施の形態の動作］
前述のように、バスバー８を介して変圧器７からクレーン装置１０へ給電した場合、バスバー８での電圧降下や力率低下などの電力損失が発生し、変圧器７から離れた位置で荷役を行うクレーン装置１０でも十分な電力が得られない場合がある。特に、コンテナヤードの大型化に伴ってレーン長が長くなる傾向にあり、レーン端に変圧器７を設置する端部給電方式では、バスバーでの電力損失を無視できない。

一般的には、線路での電圧降下をΔＶ[V]、負荷端での線間電圧をＶ[V]、負荷電流をＩ[A]、線路抵抗をＲ[Ω/m]、負荷端での電圧に対する電流の位相差をθ[角度]、線路リアクタンスをＸ[Ω/m]、線路長をＬとした場合、負荷端での電圧降下率Ｄ[%]は、
Ｄ＝ΔＶ／Ｖ×１００％
＝｛√３×Ｉ×（Ｒｃｏｓθ＋Ｘｓｉｎθ）×Ｌ｝／Ｖ×１００％
で求められる。

ここで、電圧降下率Ｄは、線路長Ｌに応じて増大するが、負荷端での電圧に対する電流の位相差θがゼロ、すなわち力率ｃｏｓθが１のとき、線路リアクタンスＸによる電圧降下分Ｘｓｉｎθがゼロとなり、線路抵抗Ｒによる電圧降下分だけとなる。したがって、位相差θがゼロ、すなわち力率が１のとき、任意の線路長Ｌという条件下において、電圧降下率Ｄを最小に抑えることができる。

図２は、ＰＷＭコンバータの基本ブロック図である。図３は、ＰＷＭコンバータの動作を示す信号波形図である。
一般に、ＰＷＭコンバータには、リアクトルＬ、スイッチング回路ＳＷ、コンデンサＣ、および制御回路ＣＯＮが設けられている。

リアクトルＬは、外部から交流信号が入力される交流端子Ｔａｃとスイッチング回路ＳＷの交流端子Ｓａｃとの間に接続されて、スイッチング回路ＳＷへ入力される交流信号の位相を遅延させる機能を有している。
スイッチング回路ＳＷは、ダイオードやスイッチング素子を用いたＡＣ−ＤＣ変換回路からなり、交流端子Ｓａｃに印加された交流信号を、可変幅パルスで高速スイッチングすることにより直流信号に変換し、直流端子Ｓｄｃから直流端子Ｔｄｃへ出力する機能を有している。

コンデンサＣは、電解コンデンサからなり、スイッチング回路ＳＷの直流端子Ｓｄｃから出力された直流信号を平滑化する機能を有している。
制御回路ＣＯＮは、ＣＰＵや専用の信号処理回路からなり、リアクトルＬに流れる交流信号の交流電流Ｉａｃやスイッチング回路ＳＷで得られた直流信号の直流電圧Ｖｄｃに応じて可変幅パルスのパルス幅やタイミングを制御する機能を有している。

交流端子Ｔａｃから入力された交流信号は、リアクトルＬを介してスイッチング回路ＳＷの交流端子Ｓａｃへ入力される。ここでは、３相交流のうちの任意の位相信号に着目して説明するが、いずれの位相信号についても同様である。
この際、交流端子Ｓａｃにおける信号電圧Ｖｓは、図３に示すように、入力された交流信号の交流電圧Ｖａｃに対して、リアクトルＬで発生する電圧分により、位相がφだけ遅れてスイッチング回路ＳＷへ入力される。

ここで、交流電圧Ｖａｃの電圧ベクトルは、リアクトルＬで発生する電圧の電圧ベクトルと、交流電圧Ｖｓの電圧ベクトルの和に等しく、交流電流Ｉａｃの電流ベクトルはリアクトルＬで発生する電圧の電圧ベクトルと直交関係にある。
したがって、交流電圧Ｖｓの電圧ベクトルの大きさと位相を制御することにより、交流電流Ｉａｃの電流ベクトルの大きさと位相を制御することができる。

このため、制御回路ＣＯＮにより、交流電圧Ｖａｃの位相と交流電流Ｉａｃの位相に基づいて、可変幅パルスのパルス幅やタイミングを制御することにより、交流電流Ｉａｃの電流ベクトルの大きさと位相を制御でき、交流電圧Ｖａｃと交流電流Ｉａｃの位相差をゼロとする、すなわち力率を１とすることができる。
これにより、結果として、線路リアクタンスＸによる電圧降下分Ｘｓｉｎθをゼロとすることができ、任意の線路長Ｌという条件下において、電圧降下率Ｄを最小に抑えることができる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、クレーン装置１０にＰＷＭコンバータ４０を設けて、バスバー８から給電された交流電力を、ＰＷＭ制御によりスイッチングして直流電力に変換するようにしたので、バスバー８からクレーン装置１０への給電点（負荷端）での力率を調整することができ、バスバー８の線路リアクタンスによる電力損失を抑制することができる。

したがって、変圧器７から離れた位置で荷役を行うクレーン装置１０でも、その変圧器７からクレーン装置１０までの線路長という条件下において、電圧降下率を最小に抑えることができる。これにより、変圧器７からバスバー８を介してクレーン装置１０へ供給する際、極めて良好な給電効率を得ることができ、変圧器７から給電する電力の削減、あるいは給電可能な線路長の延長など、コンテナヤード全体について高いコストパフォーマンスを得ることが可能となる。

一般には、変圧器７から高い電圧で電力を給電すれば、変圧器７からクレーン装置１０までのバスバー８での電圧降下を補うことができ、バスバー８の長さ、すなわちレーンの長さを延長することができる。
しかしながら、本実施の形態にかかるタイヤ式の門型クレーン装置１０では、変圧器７からバスバー８を介してクレーン装置１０へ、例えば６００Ｖ程度の比較的低い交流電力を供給するものとなっている。

これは、バスバー８を介して供給される電力の電圧が高くなるほど、回路部品の耐圧性などの要因で、この電圧で動作する回路機器の規模は大きくなり、重量も増大する傾向にあり、特に、タイヤ式の場合、タイヤの耐久性などの観点から、クレーン装置１０全体の重量は小さいほうが望ましいからである。
本実施の形態によれば、このように、変圧器７からバスバー８を介してクレーン装置１０へ供給される電力として、高い電圧を用いることが制限されるような条件であっても、効率よく給電することができ、特に、タイヤ式の門型クレーン装置において、極めて大きな有効が得られる。

また、本実施の形態では、ＰＷＭコンバータ４０でのＡＣ−ＤＣ変換に着目して説明したが、ＰＷＭコンバータ４０ではＤＣ−ＡＣ変換も可逆的に動作可能である。したがって、コンテナの巻き下げ時に主巻電動機３０で発生した回生電力が、インバータ４１で回生直流電力に変換されて、ＰＷＭコンバータ４０の直流端子Ｔｄｃに入力された場合、前述と同様にしてスイッチング動作を行うことにより、回生交流電力に変換することができる。

これにより、ＰＷＭコンバータ４０で得られた交流電力を、給電切替器１Ｓ、給電装置１Ａ、および集電装置２を介してバスバー８へ回生することができ、他のクレーン装置１０で有効利用することができる。したがって、インバータ４１で直流電力に変換された直流回生電力を回生抵抗で熱変換して処分する場合と比較して、極めて高い省エネ効果や省ＣＯ２効果を得ることができる。

また、インバータ４１は、共通母線Ｂを介してインバータ４２，４３と互いに接続されている。このため、共通母線Ｂに接続されたインバータ４２，４３に対しても、インバータ４１からの回生電力を、極めて効率よくを供給することができる。

また、クレーン装置１０のインバータ４１では、運転動作時に高調波が発生して、他の機器の過熱や誤動作、騒音や振動の発生、誘導障害などの原因となるため、高調波を除去するためのフィルタを設ける場合がある。ＰＷＭコンバータ４０では、例えばスイッチング回路での可変幅パルスのタイミング調整や、スイッチング動作の並列化により、高調波を除去することができる。
このため、ＰＷＭコンバータ４０で得られた直流電力を共通母線Ｂから他のインバータ４２，４３へ供給する場合だけでなく、バスバー８から変圧器７を介して上流の電源設備側へ回生する場合でも、極めて高調波の少ない良好な電力を回生することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

以上の説明では、変圧器７からクレーン装置１０への給電経路であるバスバー８として、レーンに沿って、支柱に架設されたトロリー線からなるバスバーを例として説明したが、バスバー８については、これに限定されるものではない。例えば、一端が変圧器７に接続されて、他端がクレーン装置１０のリールに巻き取られて給電装置１Ａに接続された電源ケーブルを、バスバー８の代わりとして用いる場合にも、本発明を同様に適用でき、同様の作用効果を得ることができる。

１０…クレーン装置、１Ａ…給電装置、１Ｂ…エンジン発電機、１Ｓ…給電切替器、２…集電装置、３０…主巻電動機、３１…走行電動機、３２…横行電動機、４０…ＰＷＭコンバータ、４１，４２，４３…インバータ（ＩＮＶ）、４Ａ…コマンド、４Ｓ…給電切替指令、５…コントローラ、５Ａ…指令入力、Ｂ…共通母線、７…変圧器、７０…コンテナヤード、７１…レーン、７２…道路、７３…ゲート、７４…ターンレーン、７５…トレーラー、７Ａ…埠頭、７Ｂ…船舶、７Ｃ…コンテナクレーン、８…バスバー、９…コンテナ、Ｇ…地上。

Claims (4)

1. 電動機を駆動することにより、コンテナヤード内の所望レーンでコンテナの巻上げ下げを行うとともに、コンテナヤード内を自走する門型のクレーン装置であって、
   前記レーンに沿って延設されたバスバーから集電した交流電力を、ＰＷＭ制御によりスイッチングすることにより、前記交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータと、
   前記ＰＷＭコンバータで得られた前記直流電力を駆動用交流電力に変換して前記電動機へ供給するインバータと
   を備えることを特徴とするクレーン装置。
2. 請求項１に記載のクレーン装置において、
   前記インバータは、前記電動機で発生した回生電力を回生直流電力に変換して前記ＰＷＭコンバータへ出力し、
   前記ＰＷＭコンバータは、前記インバータからの前記回生直流電力を、ＰＷＭ制御によりスイッチングすることにより、前記回生直流電力を当該回生交流電力に変換し、前記バスバーへ供給する
   ことを特徴とするクレーン装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のクレーン装置において、
   前記インバータは、前記電動機で発生した回生電力を回生直流電力に変換して、当該クレーン装置に搭載されている他のインバータへ供給する
   ことを特徴とするクレーン装置。
4. 電動機を駆動することにより、コンテナヤード内の所望レーンでコンテナの巻上げ下げを行うとともに、コンテナヤード内を自走する門型のクレーン装置で用いられる給電方法であって、
   前記クレーン装置のＰＷＭコンバータが、前記レーンに沿って延設されたバスバーから集電した交流電力をＰＷＭ制御によりスイッチングすることにより、前記交流電力を直流電力に変換するステップと、
   前記クレーン装置のインバータが、前記ＰＷＭコンバータで得られた前記直流電力を駆動用交流電力に変換して前記電動機へ供給するステップと
   を備えることを特徴とする給電方法。

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