JP2022178132A - Work machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作業機械に関する。 The present invention relates to work machines.
特許文献1には、エンジンの動力で発電を行う発電機と作業用の動力を出力する電動機とを備えるハイブリッド式の作業機械について記載されている。特許文献1の作業機械においては、直流母線の電圧を維持する蓄電系の部品に異常が検出された場合に、発電機の電力を直流母線に送るインバータが、直流母線の電圧制御を行う。
ハイブリッド式の作業機械においては、発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合に、その後、蓄電池の充電残量が尽きることで電動機の駆動が不可となる。 In a hybrid work machine, when an abnormality occurs in an inverter that converts the electric power of a generator, the electric motor cannot be driven because the remaining charge of the storage battery is exhausted.
本発明は、発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合でも、電動機を駆動できる時間を延ばすことのできる作業機械を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a working machine capable of extending the time during which an electric motor can be driven even when an abnormality occurs in an inverter that converts the electric power of a generator.
本発明に係る作業機械は、
直流電路と、
蓄電池と前記直流電路との間に配置され前記直流電路の電圧を変更可能なDC/DCコンバータと、
発電機により発電された電力を変換して前記直流電路へ送るインバータと、
前記直流電路から供給される電力で駆動する電動機と、
を備え、
前記インバータが異常になったときに前記DC/DCコンバータの制御が切り替わることで前記発電機から前記直流電路へ電力が送られる。
A working machine according to the present invention includes:
DC electric circuit;
a DC/DC converter disposed between a storage battery and the DC circuit and capable of changing the voltage of the DC circuit;
an inverter that converts the power generated by the generator and sends it to the DC electric circuit;
an electric motor driven by electric power supplied from the DC electric circuit;
with
When the inverter becomes abnormal, the control of the DC/DC converter is switched so that electric power is sent from the generator to the DC electric circuit.
本発明によれば、発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合でも、電動機を駆動できる時間を延ばすことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even when abnormality arises in the inverter which converts the electric power of a generator, the time which can drive a motor can be extended.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings.
[ショベルの基本構成]
まず、図1、図2を参照して、本実施形態に係るショベルの基本的な構成について説明をする。
[Basic configuration of excavator]
First, with reference to FIGS. 1 and 2, the basic configuration of the excavator according to this embodiment will be described.
図1は、本実施形態に係るショベルの一例を示す側面図である。ショベルは本発明に係る作業機械の一例に相当する。 FIG. 1 is a side view showing an example of a shovel according to this embodiment. A shovel corresponds to an example of a working machine according to the present invention.
本実施形態に係るショベルは、下部走行体1と、旋回機構2を介して旋回可能に下部走行体1に搭載される上部旋回体3と、アタッチメント(作業装置)としてのブーム4、アーム5、及びバケット6と、オペレータが搭乗するキャビン10を備える。
The excavator according to the present embodiment includes a lower traveling
下部走行体1は、例えば、左右1対のクローラを含み、それぞれのクローラが走行油圧モータ1A,1B(図2参照)で油圧駆動されることにより、自走する。
The lower traveling
上部旋回体3は、後述する旋回用電動機21(図2参照)により電気駆動されることにより、下部走行体1に対して旋回する。
The upper rotating body 3 is electrically driven by a rotating electric motor 21 (see FIG. 2), which will be described later, to rotate relative to the lower traveling
ブーム4は、上部旋回体3の前部中央に俯仰可能に枢着され、ブーム4の先端には、アーム5が上下回動可能に枢着され、アーム5の先端には、バケット6が上下回動可能に枢着される。ブーム4、アーム5、及びバケット6は、それぞれ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によりそれぞれ油圧駆動される。
The
キャビン10は、上部旋回体3の前部左側に搭載される。
The
図2は、本実施形態に係るショベルの駆動系を中心とする構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration centering on the drive system of the excavator according to the present embodiment.
尚、図中、機械的動力ラインは二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御ラインは細い実線でそれぞれ示される。 In the drawing, mechanical power lines are indicated by double lines, high-pressure hydraulic lines are indicated by thick solid lines, pilot lines are indicated by broken lines, and electric drive/control lines are indicated by thin solid lines.
本実施形態に係るショベルの油圧駆動系は、エンジン11と、減速機13と、メインポンプ14と、コントロールバルブ17を含む。また、本実施形態に係る油圧駆動系は、上述の如く、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6のそれぞれを油圧駆動する走行油圧モータ1A,1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9等を含む。
The hydraulic drive system of the excavator according to this embodiment includes an
エンジン11は、油圧駆動系におけるメイン動力源であり、例えば、上部旋回体3の後部に搭載される。エンジン11は、エンジンコントロールモジュール(ECM:Engine Control Module)11Aによる制御の下、予め設定される目標回転数で定回転する。エンジン11は、例えば、軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、減速機13を介してメインポンプ14、パイロットポンプ15を駆動する。また、エンジン11は、減速機13を介して電動発電機12を駆動し、電動発電機12に発電させる。
The
また、エンジン11と減速機13との間の動力伝達経路上には、クラッチ11Bが設けられる。クラッチ11Bは、後述の如く、コントローラ30によりその動作が制御され、エンジン11と減速機13との間を連結状態と非連結状態との間で切り替えることができる。クラッチ11Bは、例えば、コントローラ30の信号で直接制御される電磁式であってよい。
A
尚、クラッチ11Bは、省略されてもよい。
Incidentally, the
減速機13は、例えば、エンジン11と同様、上部旋回体3の後部に搭載され、エンジン11及び後述する電動発電機12が接続される2つの入力軸と、メインポンプ14及びパイロットポンプ15が直列に同軸接続される1つの出力軸を有する。減速機13は、エンジン11及び電動発電機12の動力を所定の減速比でメインポンプ14及びパイロットポンプ15に伝達することができる。また、減速機13は、エンジン11の動力を所定の減速比で、電動発電機12とメインポンプ14及びパイロットポンプ15とに分配して伝達することができる。
The
メインポンプ14は、例えば、エンジン11と同様、上部旋回体3の後部に搭載され、高圧油圧ライン16を通じてコントロールバルブ17に作動油を供給する。メインポンプ14は、エンジン11、或いは、エンジン11及び電動発電機12により駆動される。メインポンプ14は、例えば、可変容量式油圧ポンプであり、後述するコントローラ30による制御の下、レギュレータ(不図示)が斜板の角度(傾転角)を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量(吐出圧)を制御することができる。
The main pump 14 is mounted, for example, on the rear portion of the upper rotating body 3 in the same manner as the
コントロールバルブ17は、例えば、上部旋回体3の中央部に搭載され、オペレータによる操作装置26に対する操作に応じて、油圧駆動系の制御を行う油圧制御装置である。コントロールバルブ17は、上述の如く、高圧油圧ライン16を介してメインポンプ14と接続され、メインポンプ14から供給される作動油を、操作装置26の操作状態に応じて、油圧アクチュエータである走行油圧モータ1A(右用),1B(左用)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9に選択的に供給する。具体的には、コントロールバルブ17は、メインポンプ14から油圧アクチュエータのそれぞれに供給される作動油の流量と流れる方向を制御する複数の油圧制御弁(方向切換弁)を含むバルブユニットである。
The
また、本実施形態に係る電気駆動系は、電動発電機12と、旋回用電動機21と、旋回減速機24と、電流センサ21sと、レゾルバ22と、メカニカルブレーキ23と、蓄電系120を含む。
Also, the electric drive system according to the present embodiment includes a
電動発電機12(第1電動機の一例)は、エンジン11をアシストしてメインポンプ14を駆動する、油圧駆動系に対するアシスト動力源であり、例えば、エンジン11及び減速機13と共に一体として上部旋回体3の後部に搭載される。電動発電機12は、アシスト動力源であるため、通常、電動発電機12の出力は、エンジン11の出力よりも比較的小さく、例えば、電動発電機12は、エンジン11の出力の約20%程度である。電動発電機12は、インバータ18Aを介して蓄電池19を含む蓄電系120と接続され、インバータ18Aを介して蓄電池19や旋回用電動機21から供給される三相交流電力で力行運転し、減速機13を介してメインポンプ14及びパイロットポンプ15を駆動する。また、電動発電機12は、エンジン11により駆動されることにより発電運転を行い、発電電力を蓄電池19や旋回用電動機21に供給することができる。電動発電機12の力行運転と発電運転との切替制御は、後述するコントローラ30によってインバータ18Aが駆動制御されることにより実現される。
The electric motor-generator 12 (an example of a first electric motor) is an assist power source for the hydraulic drive system that assists the
旋回用電動機21(第2電動機、アクチュエータの一例)は、下部走行体1に対して上部旋回体3を旋回自在に接続する旋回機構2を駆動する。旋回用電動機21は、コントローラ30による制御の下、上部旋回体3を旋回駆動する力行運転、及び回生電力を発生させて上部旋回体3を旋回制動する回生運転を行う。旋回用電動機21は、インバータ18Bを介して蓄電系120に接続され、インバータ18Bを介して蓄電池19や電動発電機12から供給される三相交流電力により駆動される。また、旋回用電動機21は、インバータ18Bを介して、回生電力を蓄電池19や電動発電機12に供給する。これにより、回生電力で、蓄電池19を充電したり、電動発電機12を駆動したりすることができる。旋回用電動機21の力行運転と回生運転との切替制御は、コントローラ30によってインバータ18Bが駆動制御されることにより実現される。旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回減速機24が接続される。
A turning electric motor 21 (an example of a second electric motor, an actuator) drives a
旋回減速機24は、旋回用電動機21の回転軸21Aと接続され、旋回用電動機21の出力(トルク)を所定の減速比で減速させることにより、トルクを増大させて、上部旋回体3を旋回駆動する。即ち、力行運転の際、旋回用電動機21は、旋回減速機24を介して、上部旋回体3を旋回駆動する。また、旋回減速機24は、上部旋回体3の慣性回転力を増速させて旋回用電動機21に伝達し、回生電力を発生させる。即ち、回生運転の際、旋回用電動機21は、旋回減速機24を介して伝達される上部旋回体3の慣性回転力により回生発電を行い、上部旋回体3を旋回制動する。
The
電流センサ21sは、旋回用電動機21の三相(U相、V相、W相)のそれぞれの電流を検出する。電流センサ21sは、例えば、旋回用電動機21とインバータ18Bの間の電力経路に設けられる。電流センサ21sによる旋回用電動機21の三相それぞれの電流に対応する検出信号は、インバータ18Bに取り込まれ、インバータ18Bからコントローラ30に送信される。
The
レゾルバ22は、旋回用電動機21の回転位置(回転角)等を検出する。レゾルバ22は、検出した回転角に対応する検出信号をコントローラ30に送信する。
The
メカニカルブレーキ23は、コントローラ30による制御の下、上部旋回体3(具体的には、旋回用電動機21の回転軸21A)に対して、機械的に制動力を発生させ、上部旋回体3を旋回制動すると共に、上部旋回体3の停止状態を維持させる。
Under the control of the
尚、図2中において、旋回減速機24とメカニカルブレーキ23とは、簡単のため、別のブロック要素として記載されるが、メカニカルブレーキ23は、例えば、旋回減速機24に含まれる複数の減速機の間に組み込まれる態様の油圧式ブレーキであってもよいし、旋回減速機24と別体に設けられる態様の電磁式ブレーキであってもよい。
2, the
蓄電系120は、蓄電池19と、DCバス100と、昇降圧コンバータ(DC/DCコンバータに相当)110を含み、例えば、インバータ18A,18Bと共に、上部旋回体3の右側前部に搭載される。
The
蓄電池19(蓄電装置の一例)は、電動発電機12、旋回用電動機21に電力を供給すると共に、DCバス100及び昇降圧コンバータ110を介して供給される電動発電機12、旋回用電動機21の発電電力を充電する。
A storage battery 19 (an example of a power storage device) supplies electric power to the
尚、本実施形態に係るショベルは、通常、エンジン11を油圧駆動系の主たる動力源とし、電動発電機12による消費エネルギは比較的小さい。また、旋回用電動機21は、旋回駆動時の消費エネルギの大部分を旋回制動時の回生発電による回生エネルギとして蓄電池19に戻すことができる。そのため、蓄電池19の容量は、比較的小さい場合が多い。
The excavator according to the present embodiment normally uses the
DCバス100は、インバータ18A,18Bと昇降圧コンバータ110との間に配設され、蓄電池19、電動発電機12、及び旋回用電動機21の間での電力を伝送する。DCバス100は、直流電圧を伝送する正側電力線と負側電力線とを有する直流電路(直流母線)である。
The
昇降圧コンバータ110は、電動発電機12、及び旋回用電動機21の運転状態に応じて、DCバス100の電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える。昇降圧コンバータ110の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス100の電圧検出値、蓄電池19の電圧検出値、及び蓄電池19の電流検出値に基づき、コントローラ30により実現される。
The step-up/step-down
また、本実施形態に係るショベルの操作系は、パイロットポンプ15、操作装置26、圧力センサ29等を含む。
Further, the operating system of the excavator according to this embodiment includes the
パイロットポンプ15は、上部旋回体3の後部に搭載され、パイロットライン25を介して操作装置26にパイロット圧を供給する。パイロットポンプ15は、例えば、固定容量式油圧ポンプであり、エンジン11、或いはエンジン11及び電動発電機12により駆動される。
The
操作装置26は、レバー26A,26Bと、ペダル26Cを含む。操作装置26は、キャビン10の操縦席付近に設けられ、オペレータが各動作要素(下部走行体1、上部旋回体3、ブーム4、アーム5、バケット6等)の操作を行うための操作入力手段である。換言すれば、操作装置26は、各動作要素を駆動する各油圧アクチュエータ(走行油圧モータ1A,1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、バケットシリンダ9等)や電動アクチュエータ(旋回用電動機21等)の操作を行うための操作入力手段である。操作装置26(レバー26A,26B、及びペダル26C)は、油圧ライン27を介して、コントロールバルブ17にそれぞれ接続される。これにより、コントロールバルブ17には、操作装置26における下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6等の操作状態に応じたパイロット信号(パイロット圧)が入力される。そのため、コントロールバルブ17は、操作装置26における操作状態に応じて、各油圧アクチュエータを駆動することができる。また、操作装置26は、油圧ライン28を介して圧力センサ29に接続される。
The operating
圧力センサ29は、上述の如く、油圧ライン28を介して操作装置26と接続され、操作装置26の二次側のパイロット圧、即ち、操作装置26における各動作要素の操作状態に対応するパイロット圧を検出する。圧力センサ29は、コントローラ30に接続され、操作装置26における下部走行体1、上部旋回体3、ブーム4、アーム5、及びバケット6等の操作状態に応じた圧力信号(圧力検出値)がコントローラ30に入力される。
The
また、本実施形態に係るショベルの制御系は、コントローラ30、ECM11A等を含む。コントローラ30、ECM11Aは、その機能が任意のハードウェア、ソフトウェア、或いはその組み合わせにより実現されてよく、例えば、CPU、ROM、RAM、I/O等を含むマイクロコンピュータで構成され、ROMに格納される各種プログラムをCPU上で実行することにより各種機能が実現される。また、コントローラ30、ECM11A等は、例えば、CAN(Controller Area Network)、イーサネット(登録商標)等の通信規格に基づく通信ネットワーク(LAN:Local Area Network)で相互に接続される。
Also, the control system of the excavator according to this embodiment includes the
コントローラ30は、ショベルの駆動制御を行う。例えば、コントローラ30は、圧力センサ29から送信される、操作装置26に対する操作状態に対応する検出値に基づき、電気駆動系の駆動制御を行う。
The
ECM11Aは、エンジン11、具体的には、エンジン11に含まれる各種機器(例えば、燃料噴射装置等)を制御し、エンジン11を所定の回転数で定回転させる(定回転制御)。
The
また、ECM11Aは、エンジン11の各種状態を検出する図示しないセンサ(例えば、回転数センサ)等の検出信号をコントローラ30に送信する。また、ECM11Aは、当該センサの検出信号に基づき、エンジン11の故障を検出する機能(ダイアグ機能)を有し、エンジン11に停止するような故障が発生した場合、コントローラ30に対して故障が発生した旨の信号(故障信号)を送信する。
In addition, the
本実施形態に係るショベルは、電動発電機12に接続されたインバータ18Aに異常が生じた場合に、昇降圧コンバータ110の制御を切り替えることで、旋回用電動機21を駆動できる時間を延ばす異常時運転が行われる。本実施形態に係るショベルは、上述の異常時運転に関連する構成として、異常の発生と異常時運転の実施中であることを表示する表示装置32を備える。オペレータは、当該表示を見ることで、旋回用電動機21を動かすことができるが、インバータ18Aに異常が生じており、メンテナンスが必要であることを認識できる。ショベルは、さらに、異常時運転の開始と停止とを切り替える異常時運転スイッチ36を含み、オペレータの操作で異常時運転を開始又は停止できるようにしてもよい。
The excavator according to the present embodiment switches the control of the buck-
表示装置32は、コントローラ30と通信可能に接続され、コントローラ30による制御の下、オペレータ等に対する各種情報(例えば、後述するショベルの異常時運転における操作ガイダンスに関するガイダンス情報等)を表示する。表示装置32は、例えば、液晶ディスプレイである。
The
異常時運転スイッチ36は、例えば、押しボタン式のハードウェアスイッチであってもよいし、表示装置32の画面に表示される仮想的なボタン(アイコン)としてのソフトウェアスイッチであってもよい。また、異常時運転スイッチ36は、通常運転モードにおいて、他の機能を果たす既存のハードウェアスイッチを兼用する態様であってもよい。
The abnormal operation switch 36 may be, for example, a push-button hardware switch or a software switch as a virtual button (icon) displayed on the screen of the
<インバータ18A>
図3は、電動発電機に接続されたインバータの一例を示す回路図である。電動発電機12に接続されるインバータ18Aは、電動発電機12の三相のコイルにそれぞれ接続される3つの回路部181を備える。各回路部181は、下側スイッチング素子SNを介して負側出力端子TONに至る電流経路、並びに、上側スイッチング素子SPを介して正側出力端子TOPに至る電流経路を含む。各回路部181において、上側スイッチング素子SPと下側スイッチング素子SNとの結節点Nは、電動発電機12の各相のコイルに接続される。正側出力端子TOPと負側出力端子TONとは、それぞれDCバス100の正側電力線100Pと負側電力線100Nとに接続される。
<
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of an inverter connected to a motor generator. The
上側スイッチング素子SPは、制御端子の電圧に応じて電流を流す2端子間をオンとオフとに切り替える。下側スイッチング素子SNは、制御端子の電圧に応じて電流を流す2端子間をオンとオフとに切り替える。上側スイッチング素子SPは、ダイオードDPを含む。下側スイッチング素子SNは、ダイオードDNを含む。ダイオードDPは、上側スイッチング素子SPの電流を流す2端子間に、結節点Nから正側出力端子TOPへ電流を流す向きに接続される。ダイオードDPは、下側スイッチング素子SNの電流を流す2端子間に、負側出力端子TONから結節点Nへ電流を流す向きに接続される。 The upper switching element SP switches on and off between two terminals through which current flows according to the voltage of the control terminal. The lower switching element SN switches on and off between two terminals through which current flows according to the voltage of the control terminal. Upper switching element SP includes a diode DP. Lower switching element SN includes a diode DN. The diode DP is connected between two current-carrying terminals of the upper switching element SP in a direction from the node N to the positive output terminal TOP. The diode DP is connected between the two current-flowing terminals of the lower switching element SN in a direction in which the current flows from the negative output terminal TON to the node N.
コントローラ30は、電動発電機12の回転位相に合わせて、3つの上側スイッチング素子SPと3つの下側スイッチング素子SNとをスイッチング制御することで、電動発電機12の三相のコイルに生じる交流の発電電力を、直流電力に変換する。そして、負側出力端子TONと正側出力端子TOPとからDCバス100に直流電力が送られる。コントローラ30は、電動発電機12のコイルに生じる誘電起電力の位相に対して、位相角をずらした電流が流れるように、インバータ18Aを制御することで、電動発電機12の回生トルクを大きくして、大きな電力を発生させることができる。
The
コントローラ30は、三相のコイルに流れる交流電流を検出し、当該交流電流が目標値に一致するようにインバータ18Aを制御する。
The
<インバータ18Aの異常>
インバータ18Aに異常が生じると、コントローラ30はインバータ18Aのスイッチング制御を停止する。インバータ18Aは、各部の電圧、電流、温度等を検出するセンサを有し、センサの値が異常を示したときに、異常を示す信号がコントローラ30へ送られ、コントローラ30がインバータ18Aが異常であると判別してもよい。あるいは、コントローラ30は、電動発電機12の三相のコイルに流れる電流が目標値から逸脱することでインバータ18Aの異常を判別してもよい。
<Abnormality of
When the
コントローラ30がインバータ18Aの異常と判別し、インバータ18Aの制御を停止すると、上側スイッチング素子SP及び下側スイッチング素子SNがオフ(開)のままとなる。このとき、電動発電機12が回転すると、電動発電機12の三相のコイルに生じた交流の誘導起電力が各結節点Nに出力される。
When the
ここで、DCバス100の電圧(正側電力線と負側電力線との電位差)が、上記の誘導起電力より高ければ、ダイオードDP、DNに逆方向電圧が加わるので、電動発電機12からDCバス100への電流は生じない。逆方向の電流も生じない。一方、DCバス100の電圧が、上記の誘導起電力より小さければ、ダイオードDP、DNに順方向電圧が加わり、電動発電機12からDCバス100へ電流が流れる。すなわち、電動発電機12からDCバス100へ発電電力が送られる。
Here, if the voltage of the DC bus 100 (potential difference between the positive power line and the negative power line) is higher than the induced electromotive force, a reverse voltage is applied to the diodes DP and DN. No current flow to 100 occurs. There is also no reverse current. On the other hand, if the voltage of the
<制御動作>
図4は、ショベルの電気的な駆動系の要部を抽出した図である。
<Control operation>
FIG. 4 is a diagram extracting the essential parts of the electric drive system of the excavator.
前述したように、エンジン11の動力が電動発電機12に伝達され、コントローラ30がインバータ18Aを制御することで、電動発電機12の発電電力がDCバス100に出力される。さらに、コントローラ30が運転操作に応じてインバータ18Bを制御することでDCバス100から旋回用電動機21に電力が送られて旋回用電動機21が駆動する。さらに、昇降圧コンバータ110がDCバス100の電圧を維持するように動作することで、電動発電機12の発電電力が旋回用電動機21の使用電力より大きければ、昇降圧コンバータ110は蓄電池19に充電電流を送る。逆に、昇降圧コンバータ110は、電動発電機12の発電電力が旋回用電動機21の使用電力より小さければ、蓄電池19の放電電流をDCバス100に送る。
As described above, the power of the
続いて、上記電気的な駆動系においてインバータ18Aが正常なときと異常でインバータ18Aの制御が停止したときの動作について説明する。
Next, the operation when the
図5は、電動発電機に接続されたインバータ、昇降圧コンバータ、旋回用電動機に接続されたインバータの動作の一例を示すタイムチャートである。図5では、タイミングt1において異常に基づきインバータ18Aの制御が停止している。
FIG. 5 is a time chart showing an example of the operation of the inverter connected to the motor generator, the step-up/down converter, and the inverter connected to the turning electric motor. In FIG. 5, control of the
正常時(期間T1)、コントローラ30は、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第1電圧V1(例えば360V)に設定する。目標電圧の設定により、DCバス100の電圧が第1電圧V1に調整される。
During normal operation (period T1),
さらに、コントローラ30は、電動機21の出力パワーを第1上限パワーPmax1以下に制限する。電動機21の出力パワーはオペレータの操作、並びに、上部旋回体3の旋回負荷によって変化する。コントローラ30は、電動機21から操作と負荷に応じた所定のパワーが出力されるよう、電動機21の電流を計算し、当該電流が得られるようにインバータ18Bを制御する。なお、出力パワーは、出力トルクと回転速度とを含む概念である。出力パワーは出力トルク、回転速度、又は、これら両方に読み替えてもよい。
Furthermore, the
さらに、コントローラ30は、電動機21の出力パワーに応じて電動発電機12の発電電力を変更する。あるいは、コントローラ30は、蓄電池19の充電残量に応じて、充電残量が少なければ電動発電機12の発電電力を大きく、充電残量が多ければ電動発電機12の発電電力を小さくするように、発電電力を制御してもよい。電動発電機12の発電電力の変更は、インバータ18Aの目標電流を変更することで実現される。インバータ18Aの目標電流とは、電動発電機12のコイルに流れる交流電流の実効値を意味する。
Furthermore, the
正常時(期間T1)では、旋回用電動機21の出力パワーよりも電動発電機12の発電量が小さいとき、昇降圧コンバータ110は、DCバス100の電圧を第1電圧V1に維持するために、蓄電池19からDCバス100へ電流を放出させる。逆に、旋回用電動機21の出力パワーよりも電動発電機12の発電量が大きいとき、昇降圧コンバータ110は、DCバス100の電圧を第1電圧V1に維持するために、DCバス100から蓄電池19へ電流を引き込んで、蓄電池19を充電させる。このような作用により、蓄電池19の充電残量が上下に変動する。
In the normal state (period T1), when the power generation amount of the
インバータ18Aに異常が発生し、異常時運転に切り替わると、コントローラ30は、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第1電圧V1(例えば360V)よりも低い第2電圧V2(例えば220V)に変化させる(期間T2a)。目標電圧の変化に従って、DCバス100の電圧が第2電圧V2に降下する。第2電圧V2は、インバータ18Aが停止した状態で、電動発電機12のコイルに生じる誘導起電力よりも小さい値に設定される。DCバス100の電圧が第2電圧V2であることで、インバータ18Aが停止していても、電動発電機12が回転することでインバータ18AからDCバス100側へ電流が流れる。したがって、電動発電機12から発電電力がDCバス100へ送られる。。
When an abnormality occurs in the
さらに、コントローラ30は、旋回用電動機21の出力パワーを第2上限パワーPmax2以下に制限する。第2上限パワーPmax2は、正常時の上限である第1上限パワーPmax1よりも低い。上記の制限により、第2上限パワーPmax2を超える操作が行われても、コントローラ30は、インバータ18Bの出力電力を第2上限パワーPmax2に抑える。DCバス100の電圧(インバータ18Bの入力電圧)の低下に伴って、旋回用電動機21の出力パワーの上限が下がることで、インバータ18Bに過大な負荷が加わることを抑制できる。
Further, the
さらに、コントローラ30は、蓄電池19の充電残量に応じて、充電残量が第1閾値TH1より多くなったら(タイミングt2)、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第2電圧V2(例えば220V)よりも高い第3電圧V3(例えば300V)に切り替える(期間T2b)。また、コントローラ30は、充電残量が第2閾値TH2より少なくなったら(タイミングt3)、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第2電圧V2に戻す(期間T2c)。第3電圧V3は、正常時の目標電圧である第1電圧V1より低い。
Further, the
第3電圧V3は、インバータ18Aが停止した状態で、電動発電機12のコイルに生じる誘電起電力よりも高い値であるが、低い値でもよい。DCバス100の電圧が第2電圧V2よりも高い第3電圧V3になることで、インバータ18Aが停止し、かつ、電動発電機12が回転しているときに、電動発電機12からDCバス100側へ送られる発電電力をゼロにできる(期間T2b)。あるいは、第3電圧V3を上記の誘導起電力よりも低い値とすることで、電動発電機12からDCバス100側へ送られる発電電力を小さくすることができる。当該小さな発電電力を、旋回用電動機21の消費電力と同等又は当該消費電力よりも小さくすることで、蓄電池19に充電電流を送らず、かつ、蓄電池19の充電残量の低下を抑えることができる。
The third voltage V3 has a value higher than the induced electromotive force generated in the coil of the
第1電圧V1~第3電圧V3は、蓄電池19の電圧よりも高い電圧に設定されてもよい。このような設定によれば、昇降圧コンバータ110は、昇圧動作のみ行うことになるので、昇降圧コンバータ110の回路構成を単純化できる。
The first voltage V1 to the third voltage V3 may be set to voltages higher than the voltage of the
このような制御によれば、期間T2a、T2b、T2cに示すように、蓄電池19の充電残量が減れば電動発電機12からDCバス100へ送られる電力が増す一方、蓄電池19の充電残量が増えれば電動発電機12からDCバス100へ送られる電力が減る。したがって、蓄電池19によって、発電電力と使用電力との差分を緩衝する機能を長く維持することが可能となる。
According to such control, as shown in periods T2a, T2b, and T2c, when the remaining charge of the
異常時運転の際、コントローラ30は、表示装置32に異常時運転の情報を表示させる。表示される情報には、旋回用電動機21の上限パワーが第2上限パワーPmax2に下がったこと、並びに、運転継続が可能であるがインバータ18Aのメンテナンスが必要であること、などが含まれてもよい。オペレータは、表示装置32に表示された情報により、メンテナンスを依頼しつつ、ショベルの運転を継続することができる。あるいは、メンテナンスの依頼を行い、ショベルを現場からメンテナンス用の場所へ移すことができ、異常が生じたショベルが現場に留まってしまうといった事態を低減できる。
During the abnormal operation, the
<制御処理>
図6は、コントローラが実行する異常時運転処理を示すフローチャートである。コントローラ30は、起動したときに異常時運転処理を開始する。異常時運転処理が開始されると、コントローラ30は、インバータ18Aの状態(各部の電流、電圧、温度など)の検出値を読み込んで、インバータ18Aに異常が生じていないか判別する(ステップS1)。そして、異常が無ければ、コントローラ30は、ステップS1に処理を戻して、ステップS1の判別を繰り返す。
<Control processing>
FIG. 6 is a flowchart showing an abnormal operating process executed by the controller. The
一方、異常が有ると判別したら、コントローラ30は、インバータ18Aの制御を停止し(ステップS2)、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第2電圧V2に切り替える(ステップS3)。さらに、旋回用電動機21の上限パワーの設定値を第2上限パワーPmax2に低減させる(ステップS4)。上限パワーの設定により、インバータ18Bの制御処理において、インバータ18Bの出力電力が第2上限パワーPmax2以下に制限される。
On the other hand, if it is determined that there is an abnormality,
続いて、コントローラ30は、昇降圧コンバータ110の目標電圧が第2電圧V2で、かつ、蓄電池19の充電残量が第1閾値TH1より多いか判別し(ステップS5)、NOであれば、そのままステップS7へ処理を進める。一方、YESであれば、コントローラ30は、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第3電圧V3に切り替えてから(ステップS6)、ステップS7へ処理を進める。
Subsequently, the
さらに、コントローラ30は、昇降圧コンバータ110の目標電圧が第3電圧V3で、かつ、蓄電池19の充電残量が第2閾値TH2より少ないか判別し(ステップS7)、NOであれば、処理をステップS5に戻す。一方、YESであれば、コントローラ30は、昇降圧コンバータ110の目標電圧を第2電圧V2に切り替えてから(ステップS8)、処理をステップS5に戻す。
Further, the
このような異常時運転処理により、図5に示した制御動作が実現される。 The control operation shown in FIG. 5 is realized by such abnormal operation processing.
以上のように、本実施形態のショベルによれば、電動発電機12に接続されたインバータ18Aに異常が生じても、昇降圧コンバータ110の制御が切り替えられることで、電動発電機12からDCバス100に電力が送られる。したがって、電動発電機12から送られる電力の分、旋回用電動機21を駆動できる期間を延ばすことができる。
As described above, according to the excavator of the present embodiment, even if an abnormality occurs in the
さらに、本実施形態のショベルによれば、インバータ18Aに異常が生じたときに、昇降圧コンバータ110の目標電圧が正常時の第1電圧V1より低い第2電圧V2に切り替えられる。当該目標電圧の切り替えにより、電動発電機12のコイルに生じた誘導起電力がDCバス100の電圧より高くなって、制御が停止されたインバータ18Aを介して、電動発電機12からDCバス100へ電力を送ることができる。
Furthermore, according to the excavator of the present embodiment, when the
さらに、本実施形態のショベルによれば、蓄電池19の充電残量に基づいて、昇降圧コンバータ110の目標電圧を、第2電圧V2とそれより高い第3電圧V3とに切り替える。目標電圧が第3電圧V3に切り替えられることで、制御が停止されたインバータ18Aを介して、電動発電機12からDCバス100へ送られる発電電力を減らすことができる。したがって、使用電力が、電動発電機12からDCバス100へ送られる電力よりも少なく、蓄電池19の充電残量が増したときには、発電電力を減らすことができ、蓄電池19による電力の緩衝機能を維持することができる。
Furthermore, according to the excavator of this embodiment, the target voltage of the step-up/step-down
さらに、本実施形態のショベルによれば、インバータ18Aに異常が生じたときに、旋回用電動機21の上限パワーが正常時の第1上限パワーPmax1よりも低い第2上限パワーPmax2に切り替えられる。したがって、インバータ18Bの入力電圧の低下に伴って、インバータ18Bに過大な負荷が加わることを抑制できる。
Furthermore, according to the excavator of the present embodiment, when an abnormality occurs in the
なお、上記実施形態では、電動発電機12が発電した電力で駆動される機器が、上部旋回体3を旋回する旋回用電動機21である例を示した。しかし、ブーム4、アーム5、バケット6を駆動する油圧シリンダは、電動機に置き換えることが可能である。この場合、電動発電機12が発電した電力で駆動される機器として、ブーム4、アーム5又はバケット6が適用されてもよい。
In the above embodiment, an example in which the device driven by the electric power generated by the motor-
また、上記実施形態では、電動発電機12が蓄電池19の電力を使用してエンジン11の駆動をアシストする機能を有する構成としたが、電動発電機12は、発電専用の発電機に変更されてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態においてDCバス100の電圧を制御する昇降圧コンバータ110は、昇圧のみを行うDC/DCコンバータであってもよいし、蓄電池19の電圧によっては降圧のみを行うDC/DCコンバータであってもよい。
Further, the step-up/down
(その他の適用例)
続いて、本発明の実施形態に係る作業機械をクレーンシステムに適用した例を説明する。
(Other application examples)
Next, an example in which the work machine according to the embodiment of the present invention is applied to a crane system will be described.
図7A、図7Bは、本実施形態によるクレーンシステムの概略正面図及び概略側面図である。複数の柱40が桁41を支えている。柱40と桁41とによって門型フレームが構成される。柱40の下端に車輪42が取り付けられており、門型フレームがレール43に沿って走行する。図7Aの紙面に垂直な方向及び図7Bの左右方向が走行方向に相当する。桁41にトロリー45が搭載されている。トロリー45に巻き上げ機46が搭載されている。
7A and 7B are schematic front and side views of the crane system according to this embodiment. A plurality of
複数の電動アクチュエータがそれぞれの作動部を駆動する。例えば、門型フレームに搭載された走行用モータ51が車輪42を駆動する。トロリー45に搭載された横行用モータ52が、トロリー45を横行方向に移動させる。図7Aの左右方向及び図7Bの紙面に垂直な方向が横行方向に相当する。巻き上げ機46に搭載された巻上げモータ53が、先端にフック等の吊り下げ具47が取り付けられたワイヤを巻上げ及び繰り出す。このように、巻上げモータ53、横行用モータ52、及び走行用モータ51等の電動アクチュエータが、それぞれ吊り下げ具47、トロリー45、車輪42の作動部を駆動する。
A plurality of electric actuators drive respective actuating portions. For example, a traveling
門型フレームに、交流電源60、電力変換装置(DC-DCコンバータ)65、蓄電装置67、及び電力変換装置(DC-DCコンバータ)68が搭載されている。交流電源60は、エンジン61と発電機62とを含む。交流電源60は、巻上げモータ53、横行用モータ52、及び走行用モータ51に駆動用の電力を供給する。さらに、交流電源60から供給される電力によって蓄電装置67が充電される。
An
発電機62には発電電力を直流電力に変換するインバータ62Iが接続され、巻上げモータ53には当該モータを駆動するインバータ53Iが接続される。インバータ62I、インバータ53I及び電力変換装置68は、DCバスを介して接続される。クレーンシステムのコントローラ70は、インバータ62I、53I及び電力変換装置68に対して、前述した実施形態のコントローラ30と同様の制御を行う。このとき、インバータ62Iは実施形態のインバータ18Aに対応し、インバータ53Iは実施形態のインバータ18Bに対応し、電力変換装置68は実施形態の昇降圧コンバータ110に対応する。
The
また、横行用モータ52には当該モータを駆動するインバータ52Iが接続され、走行用モータ51には当該モータを駆動するインバータ51Iが接続される。そして、コントローラ70は、横行用モータ52及びインバータ52I、並びに、走行用モータ51及びインバータ51Iに対しても、実施形態1のコントローラ30が旋回用電動機21及びインバータ18Bに対して実施した制御と同等の制御を行ってもよい。
Further, the traversing
なお、本実施形態のクレーンシステムにおいては、エンジン61の動力で車輪42が駆動される構成が採用されてもよいし、エンジン61の動力でトロリー45が横行方向に移動する構成が採用されてもよい。
In addition, in the crane system of the present embodiment, a configuration in which the
以上のように、クレーンシステムにおいても、発電電力を変換するインバータ62Iに異常が生じた場合に、発電機62からDCバスへ電力を送ることができるので、前述した実施形態と同様の効果が奏される。
As described above, even in the crane system, if an abnormality occurs in the inverter 62I that converts the generated power, the power can be sent from the
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られず、実施の形態で示した事項は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and the matters shown in the embodiments can be changed as appropriate without departing from the scope of the invention.
3 上部旋回体
4 ブーム
5 アーム
6 バケット
11 エンジン
12 電動発電機(発電機)
18A インバータ
19 蓄電池
21 旋回用電動機
30 コントローラ
32 表示装置
36 異常時運転スイッチ
100 DCバス(直流電路)
110 昇降圧コンバータ
SP 上側スイッチング素子
SN 下側スイッチング素子
DP、DN ダイオード
V1 第1電圧
V2 第2電圧
V3 第3電圧
Pmax1 第1上限パワー
Pmax2 第2上限パワー
45 トロリー
46 巻き上げ機
47 吊り下げ具
51 走行用モータ(電動機)
52 横行用モータ(電動機)
53 巻上げモータ(電動機)
61 エンジン
62 発電機
62I インバータ
68 電力変換装置(DC-DCコンバータ)
70 コントローラ
3
110 buck-boost converter SP upper switching element SN lower switching element DP, DN diode V1 first voltage V2 second voltage V3 third voltage P max1 first upper limit power P max2 second
52 traversing motor (electric motor)
53 Hoisting motor (electric motor)
61
70 controller
Claims (6)
蓄電池と前記直流電路との間に配置され前記直流電路の電圧を変更可能なDC/DCコンバータと、
発電機により発電された電力を変換して前記直流電路へ送るインバータと、
前記直流電路から供給される電力で駆動する電動機と、
を備え、
前記インバータが異常になったときに前記DC/DCコンバータの制御が切り替わることで前記発電機から前記直流電路へ電力が送られる、
作業機械。 DC electric circuit;
a DC/DC converter disposed between a storage battery and the DC circuit and capable of changing the voltage of the DC circuit;
an inverter that converts the power generated by the generator and sends it to the DC electric circuit;
an electric motor driven by electric power supplied from the DC electric circuit;
with
Power is sent from the generator to the DC circuit by switching the control of the DC/DC converter when the inverter becomes abnormal.
working machine.
請求項1記載の作業機械。 When the inverter is normal, the DC/DC converter sets the voltage of the DC electric circuit to a first voltage, and when the inverter becomes abnormal, the DC/DC converter sets the voltage of the DC electric circuit lower than the first voltage. to a second voltage,
A work machine according to claim 1.
請求項2記載の作業機械。 When the inverter becomes abnormal, the DC/DC converter changes the voltage of the DC electric circuit between the second voltage and a third voltage higher than the second voltage, based on the remaining charge of the storage battery. switch to
A work machine according to claim 2.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の作業機械。 When the inverter becomes abnormal, at least one of the output power, rotation speed, and output torque of the electric motor is limited to a lower value than when the inverter is normal.
A working machine according to any one of claims 1 to 3.
前記吊り下げ具が接続されたワイヤを巻き上げる巻き上げ機とを備え、
前記電動機は前記巻き上げ機を駆動する、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の作業機械。 a hanging tool for hanging a load;
A hoisting machine for hoisting the wire to which the hanging tool is connected,
the electric motor drives the hoist;
A working machine according to any one of claims 1 to 4.
を備え、
前記電動機は、前記バケット、前記アーム、前記ブーム及び前記上部旋回体の少なくとも1つを駆動する、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の作業機械。 an upper rotating body that supports the bucket via the arm and the boom;
with
the electric motor drives at least one of the bucket, the arm, the boom, and the upper slewing structure;
A working machine according to any one of claims 1 to 4.
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