JP2013160017A - 電動式油圧建設機械の給電システムおよび給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】供給電力量が消費電力量よりも低い場合でも安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械を稼働できる電動式油圧建設機械の給電システムおよび給電方法の提供。
【解決手段】発電機２３を備えた電力供給源２０から電源ケーブル３０を介して電動モータ１７で駆動される容量可変型の油圧ポンプ１８を搭載した電動式油圧建設機械１０に電力を供給するに際し、前記電力供給源２０の出力を監視し、その出力が電力供給源２０の最大定格出力を超えたときに油圧ポンプ１８の馬力を減じる減馬力制御を行い、これによっても電力供給源２０の最大定格出力を下回らないときは、油圧ポンプ１８の容量を変えて圧油の吐出流量を下げる。これによって、供給電力量が消費電力量よりも低い場合でも安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械１０を稼働できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動モータによって駆動する油圧ポンプを備えた電動式油圧建設機械に係り、特に、これとは別個独立した電力発生源から電源ケーブルを介して電力を供給する電動式油圧建設機械の給電システムおよび給電方法に関するものである。

従来、鉱山の露天掘り作業などに用いられる大型油圧ショベルには、電動モータによって油圧ポンプを駆動する方式のものがある（以下、電動式油圧建設機械と称す）。この電動式油圧建設機械は、エンジンやこのエンジンによって駆動する発電機などを搭載していないため、搭載した電動モータを駆動するためには、作業現場に予め設置された給電設備から電源ケーブルを介して給電する必要がある。

しかし、このような固定式の給電方式では、電動式油圧建設機械の移動範囲が電源ケーブルの長さに制限されるだけでなく、予め作業現場に給電設備が設置されていない場合には全く利用できないといった欠点がある。

そのため、例えば以下の特許文献１などでは、ディーゼルエンジンとこのディーゼルエンジンで駆動される発電機とを搭載した台車やダンプトラックなどの移動式の電力供給源を電動式油圧建設機械に牽引または追従走行させて、この移動式の電力供給源で発電された電気を電源ケーブルを介して電動式油圧建設機械に供給する方式が提案されている。

特開２０１０−１４２０５０号公報

ところで、特許文献１に示すような移動式の給電方式は、移動範囲に制限がなく、どこでも給電できるといった長所がある反面、移動式の電力供給源だけで十分な電力量を発電して供給するには大型のエンジンや発電機が必要となり、コストが高くなるといった問題がある。

一方、電動式油圧建設機械を給電設備の整った作業現場間で移動させたり、発破作業時に一時的に待避するだけといった消費電力量が少ない稼働状態では、高い給電能力は必要でなく、移動に要する電力だけを供給できるような簡易な電力供給源で十分である。

すなわち、本格稼働時にはすべての油圧アクチュエータを作動するために必要な大量の電力を発電して供給する必要があるが、例えば単なる走行移動や旋回動などの場合の消費電力量は本格稼働時の消費電力量の５０％程度であり、その程度の電力を供給できるような簡易な小型電力源を用いれば大幅なコスト削減が達成できる。

しかし、消費電力量が大きい電動式油圧建設機械と供給電力量がそれよりも小さい簡易な電力供給源との組み合わせでは、緊急時や不用意な操作などによって電動式油圧建設機械の消費電力量が増大して電力供給源の最大供給電力量を超えた場合、その電力供給源の負担が増大して過電流による故障やエンジン停止などによる不測の挙動を招くことが考えられる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、電力供給源の供給電力量が消費電力量よりも低い場合でも安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械を稼働できる新規な電動式油圧建設機械の給電システムおよび給電方法を提供するものである。

前記課題を解決するために第１の発明は、エンジンで発電する発電機を備えた電力供給源から電源ケーブルを介して、電動モータで駆動される容量可変型の油圧ポンプを搭載した電動式油圧建設機械に電力を供給する給電システムであって、前記電力供給源の出力が最大定格出力を超えたときに警告信号を送信する第１のコントローラと、当該第１のコントローラから前記警告信号を受信したときに前記油圧ポンプを制御する第２のコントローラとを備え、当該第２のコントローラは、前記警告信号を受信したときは、前記油圧ポンプの馬力を減じる減馬力制御を行い、当該減馬力制御によっても前記警告信号が受信されているときは、前記油圧ポンプの容量を変えて圧油の吐出流量を下げるように制御することを特徴とする電動式油圧建設機械の給電システムである。

このような構成によれば、電動式油圧建設機械側の消費電力が増大して電力供給源の出力が最大定格出力を超えたときには、油圧ポンプの馬力を減じる減馬力制御を行って消費電力を下げ、さらにこの減馬力制御によっても電力供給源の出力が最大定格出力を下回らないときは、油圧ポンプの容量を変えて圧油の吐出流量を下げてさらなる消費電力を下げることができる。これによって、電動式油圧建設機械側の消費電力量が電力供給源の最大供給電力量（最大定格出力）を大きく上回ることがなくなるため、電力供給源の供給電力量が消費電力量よりも低い場合でも、電力供給源の給電能力を最大限に利用しつつ、安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械を稼働することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２のコントローラによって前記油圧ポンプの容量を変えて圧油の吐出流量を最小にしても前記警告信号を受信したときは、その旨を警告する警告手段をさらに備えたことを特徴とする電動式油圧建設機械の給電システムである。

このような構成によれば、油圧ポンプの圧油の吐出流量を最小にしても電動式油圧建設機械側の消費電力量が電力供給源の最大供給電力量（最大定格出力）よりも高い場合には、モニタや警告音などの警告手段によってオペレータなどにその旨を明確に知らせることができる。これによって、オペレータなどは、手動で電動モータやエンジンを停止するなどの適切な対応を迅速に採ることが可能となる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第２のコントローラは、前記警告手段による警告をした後に、前記電動モータを停止することを特徴とする電動式油圧建設機械の給電システムである。このような構成によれば、過電流による故障やエンジン停止などによる不測の挙動を回避することができる。

第４の発明は、第１乃至第３の発明において、前記電力供給源は、前記電動式油圧建設機械に牽引されて移動可能な車両、または前記電動式油圧建設機械の移動に追従して自走可能な車両であることを特徴とする電動式油圧建設機械の給電システムである。

このような構成によれば、電力供給源が電動式油圧建設機械と共に移動できるため、電源ケーブルの長さに制限されることなく、給電設備の整った作業現場間の移動や一時的な待避移動などを容易に行うことができる。

第５の発明は、エンジンで発電する発電機を備えた電力供給源から電源ケーブルを介して電動モータで駆動される容量可変型の油圧ポンプを搭載した電動式油圧建設機械に電力を供給する方法であって、前記電力供給源の出力を監視し、当該出力が前記電力供給源の最大定格出力を超えたときに前記油圧ポンプの馬力を減じる減馬力制御を行い、当該減馬力制御によっても前記電力供給源の出力が最大定格出力を下回らないときは、前記油圧ポンプの容量を変えて圧油の吐出流量を下げるように制御することを特徴とする電動式油圧建設機械の給電方法である。

このような方法によれば、第１の発明と同様に、電動式油圧建設機械側の消費電力量が電力供給源の最大定格出力を上回ることがなくなるため、電力供給源の供給電力量が消費電力量よりも低い場合でも、電力供給源の給電能力を最大限に利用しつつ、安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械を稼働することができる。

本発明の給電システムおよび給電方法によれば、電動式油圧建設機械側の消費電力が電力供給源の供給電力を上回ることがなくなるため、電力供給源の供給電力が消費電力よりも低い場合であっても、その電力供給源の給電能力を最大限利用しつつ、安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械を稼働することができる。

本発明に係る電動式油圧建設機械の給電システムの実施の一形態を示す全体図である。 本発明に係る電動式油圧建設機械の給電システムの構成を示すブロック図である。 機械側コントローラ（第１コントローラ）１６ｄによる処理の流れを示すフローチャート図である。 給電側コントローラ（第２コントローラ）２４による処理の流れを示すフローチャート図である。 減馬力制御の流れを示すフローチャート図である。 ポンプ傾転制御の流れを示すフローチャート図である。

次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１および図２は本発明に係る電動式油圧建設機械の給電システム１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの給電システム１００は、電動式油圧建設機械１０と電力供給源２０とを電源ケーブル３０で接続し、この電力供給源２０で発電した電力を電源ケーブル３０を介して電動式油圧建設機械１０に供給するようになっている。

この電動式油圧建設機械１０は、例えば露天掘り作業などを行う大型の油圧ショベルであり、自走可能なクローラ式の下部走行体１１と、この下部走行体１１上に旋回自在に搭載された上部旋回体１２とから車体が構成されている。そして、この車体を構成する上部旋回体１２の前部側には、掘削作業などを行うためのフロント作業機１３が俯仰動自在に設けられている。

この上部旋回体１２は、ベースとなる旋回フレーム１４上に建屋カバー１５と、オペレータが搭乗する運転室（キャブ）１６とが設けられた構成となっている。そして、建屋カバー１５の後端には図示しないカウンターウェイトが設けられていると共に、その内部には、電動モータ１７と、この電動モータ１７によって駆動される油圧ポンプ１８（図２参照）と、フロント作業機１３のブームシリンダ１３ａ、アームシリンダ１３ｂ、バケットシリンダ１３ｃなどの油圧アクチュエータに油圧ポンプ１８で発生した圧油を給排するコントロールバルブ（図示せず）などが設けられている。また、この建屋カバー１５には、電動モータ１７への給電や後述する機械側コントローラ１６ｄなどを制御する制御盤１９なども設けられている。

運転室（キャブ）１６内には、オペレータが着座するシート（図示せず）の他に、図２に示すように下部走行体１１の走行を操作する走行レバー１６ａと、フロント作業機１３の操作や上部旋回体１２の旋回操作などを行うコントロールレバー１６ｂと、各種情報を表示するモニタ１６ｃと、機械側コントローラ１６ｄとが主に設けられている。

この機械側コントローラ１６ｄは、ＬＳＩなどの情報処理装置から構成されており、主に走行レバー１６ａやコントロールレバー１６ｂからの操作信号を受信し、ＲＯＭなどに記憶された所定の制御プログラムに従って油圧ポンプ１８やコントロールバルブ（図示せず）などを制御するようになっている。また、この機械側コントローラ１６ｄは、電力供給源２０に設置された給電側コントローラ２４からのアラーム信号を受信したときにも、後述するような油圧ポンプ１８の制御を行うようになっている。

電動モータ１７は、制御盤１９を介して供給される数千ボルト、数十〜百数十アンペアの三相交流（ＡＣ）によって回転軸を回転駆動し、その回転軸にカップリング１７ａを介して接続された油圧ポンプ１８を駆動するようになっている。

一方、油圧ポンプ１８は、圧油の吐出流量が調整可能な公知の容量可変型の油圧ポンプ、例えば、傾転制御により回転数を一定に保ったままプランジャーストロークを変化させて吐出流量を調整するコネクティングロッド式のピストン油圧ポンプなどからなっている。そして、この油圧ポンプ１８は、前記機械側コントローラ１６ｄによって制御される傾転制御部１８ａを備えており、この傾転制御部１８ａによる傾転制御によって容積が増減することで圧油の吐出流量が調整可能となっている。

また、この電動式油圧建設機械１０の旋回軸部には、スリップリング１９ａが設けられている。このスリップリング１９ａは、上部旋回体１２側に設けられた制御盤１９から延びるケーブルＣ１と、ターミナルボックス１１ａから延びるケーブルＣ２とを旋回自在に接続して旋回時における断線などを回避できる構造となっている。そして、このケーブルＣ１とケーブルＣ２は、それぞれ三相交流を流すための３つの導電線Ｔ、Ｓ、Ｒと、アース線Ｅと、機械側コントローラ１６ｄから延びる信号線Ｌとから構成されている。ターミナルボックス１１ａは、図１に示すように下部走行体１１側に設けられており、電力供給源２０側から延びる電源ケーブル３０端部に設けられたコネクタ部が脱着可能となっている。

電源供給源２０は、自走可能なトラック２１と、そのトラック２１の荷台上に設置された発電用のディーゼルエンジン２２と、発電機２３と、給電側コントローラ２４などから主に構成されている。ディーゼルエンジン２２は、図示しない燃料タンクから供給される軽油などを燃料とし、ＥＣＭ（ディーゼルエンジン制御ユニット）２５によってその回転数などのエンジン制御がなされるようになっている。そして、エンジン始動後には、その出力軸にカップリング２２ａを介して接続された発電機２３を駆動するようになっている。発電機２３は、ディーゼルエンジン２２の出力によって駆動し、所定電圧・所定電流、例えば、６６００ボルト・１００アンペア前後の高電圧・高電流の三相交流（ＡＣ）を発電するようになっている。そして、この発電機２３には、電源ケーブル３０の他端部が接続されており、この電源ケーブル３０を介して電動式油圧建設機械１０側に連続して給電するようになっている。

給電側コントローラ２４は、ＬＳＩなどの情報処理装置から構成されており、ＥＣＭ２６などを監視して後述するようにエンジン負荷が最大定格出力を超えたときにアラーム信号を電源ケーブル３０の信号線Ｌを介して前述した機械側コントローラ１６ｄに送信するようになっている。

次に、このよう構成をした給電システム１００による給電方法の一例を図３乃至図６のフローチャートを主に参照しながら説明する。図３は、電源供給源２０に設けられた給電側コントローラ２４による処理の流れを示したものである。この給電側コントローラ２４は、電源投入後（エンジン駆動後）、所定のシステムチェックが終了したならば、最初のステップＳ１００に移行してＥＣＭ２６からディーゼルエンジン２２の情報を取得し、アラーム情報を受信したか否かを判断する。このアラーム情報とは、例えばエンジンの負荷がその最大定格出力を超えたときに発生する信号である。また、このＥＣＭ２６は、エンジンの負荷がその最大定格出力を下回らない限り連続して出力するようになっている。

そして、アラーム情報を受信しないと判断したとき（ＮＯ）は、ステップＳ１０８までジャンプするが、アラーム情報を受信したと判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１０２に移行する。ステップＳ１０２では、ディーゼルエンジン２２の負荷が最大定格出力を超えたと判断し、電源ケーブル３０の信号線Ｌを介して電動式油圧建設機械１０側にアラーム信号を送信して次のステップＳ１０４に移行する。なお、この給電側コントローラ２４は、ＥＣＭ２６からアラーム情報が発信されている間は間断なく連続してアラーム信号を送信する。

ステップＳ１０４では、そのアラーム情報が停止したか否かを判断し、停止していないと判断したとき（ＮＯ）は、引き続きアラーム信号を送信し（ステップＳ１０２）、停止したと判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１０６に移行する。ステップＳ１０６では、アラーム信号の送信を停止して最後のステップＳ１０８に移行する。ステップＳ１０８では、ディーゼルエンジン２２が停止したか否かを判断し、停止したと判断したとき（ＹＥＳ）は、処理を終了するが、停止していないと判断したとき（ＮＯ）は、最初のステップＳ１００に戻って同様な処理を繰り返す。

次に、図４は電動式油圧建設機械１０側に設けられた機械側コントローラ１６ｄによる処理の流れを示したものである。この機械側コントローラ１６ｄは、電源投入後、初期のシステムチェックが終了したならば、最初のステップＳ２００に移行して電動モータ１７を起動して次のステップＳ２０２に移行する。ステップＳ２０２では、電源供給源２０側からアラーム信号を受信したか否かを判断する。すなわち、単に電動モータ１７を起動しただけの状態でアラーム信号が発せられたか否かを判断する。そして、この状態でアラーム信号を受信したと判断したとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ５０４までジャンプするが、アラーム信号を受信しないと判断したとき（ＮＯ）は、次のステップＳ２０４に移行する。

ステップＳ２０４では、操作入力信号を受信したか否か、すなわち油圧ポンプ１８からの圧油によって油圧アクチュエータを動作させる走行レバー１６ａやコントロールレバー１６ｂの操作入力信号があったか否かを判断する。その結果、操作入力信号がないと判断したとき（ＮＯ）は、そのまま待機し、操作入力信号があったと判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ２０６に移行する。

ステップＳ２０６では、その操作入力信号があった後、すなわち油圧ポンプ１８に負荷が掛かった後にアラーム信号が発せられたか否かを判断する。アラーム信号を受信しないと判断したとき（ＮＯ）は、ステップＳ２０４まで戻るが、アラーム信号を受信したと判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ３００に移行して減馬力制御を行ってこの油圧ポンプ１８の吸収馬力を下げてこれを駆動する電動モータ１７の負荷を軽減する。

図５は、このステップＳ３００における減馬力制御の具体例を示したものである。先ず、最初のステップＳ３０２で所定のゲインで減馬力制御を行って油圧ポンプ１８の吸収馬力を下げてから次のステップＳ３０４でアラーム信号が停止したか否かを判断する。この最初の減馬力制御でアラーム信号が停止したと判断したとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０４に戻るが、アラーム信号が停止していないと判断したとき（ＮＯ）は、次のステップＳ３０６に移行して減馬力制御のゲインが最大、すなわち油圧ポンプ１８の吸収馬力を最大限に下げた状態であるか否かを判断する。

この結果、減馬力制御のゲインが最大でないと判断したとき（ＮＯ）は、ステップＳ３０８に移行して減馬力制御のゲインをさらに上げてステップＳ３０４に戻るが、減馬力制御のゲインが最大であると判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ３１０に移行してアラームが停止したか否かを判断する。減馬力制御のゲインを最大にした結果、アラーム信号が停止したと判断したとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０４に戻るが、ゲインを最大にしてもアラーム信号が停止していないと判断したとき（ＮＯ）は、図４に示すように次のであるポンプ傾転制御ステップＳ４００に移行する。

図６は、このステップＳ４００におけるポンプ傾転制御の具体例を示したものである。
先ず、最初のステップＳ４０２でポンプ傾転制御を行って油圧ポンプ１８の容量を減らして吐出流量を下げてから次のステップＳ４０４でアラーム信号が停止したか否かを判断する。この最初の傾転制御でアラーム信号が停止したと判断したとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０４に戻るが、アラーム信号が停止していないと判断したとき（ＮＯ）は、次のステップＳ４０６に移行して傾転が最小、すなわち油圧ポンプ１８の容量を最も小さくして吐出流量を最小に下げた状態であるか否かを判断する。

この結果、ポンプ傾転が最小、すなわち油圧ポンプ１８の吐出流量が最小でないと判断したとき（ＮＯ）は、ステップＳ４０８に移行してポンプ傾転をさらに下げてステップＳ４０４に戻るが、ポンプ傾転が最小であると判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ４１０に移行してアラームが停止したか否かを判断する。ポンプ傾転を最小にした結果、アラーム信号が停止したと判断したとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０４に戻るが、ポンプ傾転を最小にしてもアラーム信号が停止していないと判断したとき（ＮＯ）は、図４に示すように次のステップＳ５００に移行する。

ステップＳ５００では、電動式油圧建設機械１０側における消費電力量が電力供給源２０側の最大定格出力を超えた旨の警告アラームを、例えば運転室１６内に設けたモニタ１６ｃなどに表示してオペレータに走行レバー１６ａやコントロールレバー１６ｂの操作停止などを促して次のステップＳ５０２に移行する。ステップＳ５０２では、その警告アラーム表示によって走行レバー１６ａやコントロールレバー１６ｂの操作停止信号を受信したか否かを判断し、操作停止信号を受信していないと判断したとき（ＮＯ）は、ステップＳ２０４に戻るが、操作停止信号を受信したと判断したとき（ＹＥＳ）は、最後のステップＳ５０４に移行して電動モータ１８を強制的に停止する制御を行って処理を終了する。

このように本発明の給電方法は、電動モータ１７と油圧ポンプ１８を起動し、これらに負荷をかける操作を行った際にその消費電力量が電力供給源２０側の最大定格出力を超えた場合には、先ず、油圧ポンプ１８の吸収馬力を下げる減馬力制御を行ってその消費電力量を抑える。そして、この減馬力制御によってもその消費電力量が電力供給源２０側の最大定格出力を下回らない場合には、油圧ポンプ１８の傾転制御を行ってその容積を減らして吐出流量を小さくすることでさらにその消費電力量を抑え、このポンプ傾転制御によってもその消費電力量が電力供給源２０側の最大定格出力を下回らない場合には、その旨を警告アラームとしてオペレータに知らせるようにしたものである。

これによって、電動式油圧建設機械１０側の消費電力量が電力供給源２０の供給電力量を長時間に亘って上回ることがなくなるため、電力供給源２０の供給電力量が消費電力量よりも低い場合でもその電力供給源２０の給電能力を最大限に利用しつつ、安定的に電力を供給して電動式油圧建設機械１０を稼働することができる。つまり、電動式油圧建設機械１０の最大消費電力量を電力供給源２０の最大供給電力量に抑えることが可能となり、過電流やエンジン停止などに伴う突然の電力喪失による電動式油圧建設機械１０の予期せぬ挙動などの不都合を未然に回避できる。また、図４に示したように、オペレータが警告に気がつかなかったり、無視した場合には、オペレータに警告した後に、電動モータ１７を強制的に停止するような処理を行えば、より確実に過電流による故障やエンジン停止などによる不測の挙動などを回避することができる。

１００…給電システム
１０…電動式油圧建設機械
１１…下部走行体
１１ａ…ターミナルボックス
１２…上部旋回体
１６ａ…走行レバー
１６ｂ…コントロールレバー
１６ｃ…モニタ（警告手段）
１６ｄ…機械側コントローラ１６（第２コントローラ）
１７…電動モータ
１８…油圧ポンプ
２０…電力供給源
２１…トラック（車両）
２２…ディーゼルエンジン
２３…発電機
２４…給電側コントローラ（第１コントローラ）
３０…電源ケーブル

Claims (5)

1. エンジンで発電する発電機を備えた電力供給源から電源ケーブルを介して、電動モータで駆動される容量可変型の油圧ポンプを搭載した電動式油圧建設機械に電力を供給する給電システムであって、
   前記電力供給源の出力が最大定格出力を超えたときに警告信号を送信する第１のコントローラと、当該第１のコントローラから前記警告信号を受信したときに前記油圧ポンプを制御する第２のコントローラとを備え、
   当該第２のコントローラは、前記警告信号を受信したときは、前記油圧ポンプの馬力を減じる減馬力制御を行い、当該減馬力制御によっても前記警告信号が受信されているときは、前記油圧ポンプの容量を変えて圧油の吐出流量を下げるように制御することを特徴とする電動式油圧建設機械の給電システム。
2. 前記第２のコントローラによって前記油圧ポンプの圧油の吐出流量を最小に制御しても前記警告信号を受信したときは、その旨を警告する警告手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動式油圧建設機械の給電システム。
3. 前記第２のコントローラは、警告手段による警告をした後に、前記電動モータを停止することを特徴とする請求項１または２に記載の電動式油圧建設機械の給電システム。
4. 前記電力供給源は、前記電動式油圧建設機械に牽引されて移動可能な車両、または前記電動式油圧建設機械の移動に追従して自走可能な車両であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動式油圧建設機械の給電システム。
5. エンジンで発電する発電機を備えた電力供給源から電源ケーブルを介して電動モータで駆動される容量可変型の油圧ポンプを搭載した電動式油圧建設機械に電力を供給する方法であって、
   前記電力供給源の出力を監視し、当該出力が前記電力供給源の最大定格出力を超えたときに前記油圧ポンプの馬力を減じる減馬力制御を行い、当該減馬力制御によっても前記電力供給源の最大定格出力を下回らないときは、前記油圧ポンプの容量を変えて圧油の吐出流量を下げるように制御することを特徴とする電動式油圧建設機械の給電方法。

Images