JP4787539B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、クレーン等の昇降機を駆動するに好適な負荷駆動装置に関する。

クレーン等の昇降機を駆動する負荷駆動装置は、一般に交流電源を直流電力に変換する交流・直流コンバータと、この交流・直流コンバータから出力される直流電力を、電圧および周波数が制御された交流に変換して電動機を駆動するインバータとを備えて構成される。また上記交流・直流コンバータから出力される直流電力をコンデンサ（蓄電器）に蓄え、このコンデンサに蓄積された電力を用いて前記電動機を力行駆動すると共に、前記電動機を介して得られる回生電力を上記コンデンサに蓄積して前記電動機の駆動に再利用することも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。

また最近、小型で大容量の電気二重層コンデンサが注目されており、上述した負荷駆動装置における電力蓄積用のコンデンサとして電気二重層コンデンサに代表される大容量のものを用いることが考えられている（例えば特許文献２を参照）。
特開平１０−２６７０７６号公報 特開平１１−２１７１１６号公報

ところで上述したクレーン等の昇降機における電動機の駆動には多大な電力（力行エネルギ）を要し、また上記電動機から得られる回生電力（回生エネルギ）も大きい。またクレーン（昇降機）においては、その巻き上げに伴う電動機の力行運転と、巻き戻しに伴う電動機の回生運転とが交互に繰り返される。従って回生時の回生電力を電動機の駆動に再利用する異が考えられるが、その場合には、回生エネルギを如何に効率的に制御するかが課題となる。

電動機の力行運転が想定される場合には、電力貯蔵手段としてコンデンサを用意し、その力行駆動に要する電力エネルギを予め上記コンデンサに蓄えておけば良い。逆に電動機の回生運転が予想される場合には、その回生電力をコンデンサに確実に蓄積し得るように該コンデンサに蓄積されている電力量を低く抑え、その充電可能な容量に余裕を持たせておけば良い。しかしながら電動機の運転状況に応じてコンデンサに蓄えておく電力量（電力エネルギ）を調整するには、例えば交流・直流コンバータの作動を極め細かく制御し、外部電源からの電力供給と外部電源への電力回生とを頻繁に繰り返すことが必要となり、その制御負担が大きくなることが否めない。

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、交流・直流コンバータの制御に負担を掛けることなく負荷の運転条件に応じてコンデンサに蓄えておく電力量を適正に制御することができ、ひいては負荷の駆動に要する電力供給量を低減す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、
外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換して前記外部電源に回生する機能を備えた交流・直流コンバータと、
この交流・直流コンバータから出力される直流電力を蓄積するコンデンサと、
このコンデンサに蓄積された直流電力および前記交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して昇降機の電動機を駆動すると共に、前記昇降機の電動機に生じた回生電力を回収して前記コンデンサに蓄積するインバータとを具備したものであって、
前記交流・直流コンバータの作動を制御する制御器は、
<ａ> 前記昇降機により昇降される物体の重量、物体の最大上昇位置、物体の現在の位置、物体の最大下降位置の各情報に基づいて、前記昇降機の電動機の力行運転に要する電力量と、その後の前記昇降機の電動機の回生運転により得られると見込まれる電力量とを予測し、
<ｂ> 前記昇降機の電動機が力行運転されるとき、前記力行運転に要する電力量と前記回生運転により得られると見込まれる電力量との差を補う電力を、予め設定した電流制限値の範囲内で前記外部電源から供給し、
<ｃ> 前記交流・直流コンバータの直流側での直流電圧検出値が予め設定した直流電圧設定値よりも大きいときにだけ、前記電流制限値の範囲内で前記外部電源への電力回生運転を行わせることを特徴としている。

好ましくは請求項２に記載するように前記電流値制限値は、前記交流・直流コンバータの最大許容電流以下の値として設定される。ちなみに前記コンデンサは請求項３に記載するように電気二重層コンデンサからなる。

上述した如く構成された負荷駆動装置によれば、交流・直流コンバータの作動を制御する制御器は、負荷が力行運転されるときにだけ外部電源からの電力供給運転を行い、負荷を運転するに必要な電力量以上の余分な電力がコンデンサに蓄えられているときには外部電源に対する電力回生運転を行うので、負荷の運転に必要な最低限の電力量だけをコンデンサに蓄えることができる。換言すれば負荷を力行運転するに際して、その力行運転に要する電力量と、その後の負荷の回生運転により負荷から回されると見込まれる電力量とに応じて、負荷を運転するに必要な電力量をコンデンサに確保し得る分だけ交流・直流コンバータを電力供給運転するだけなので、その制御負担を大幅に軽減することができる。

しかも交流・直流コンバータを介して電力供給しながら負荷を力行運転することになるので、コンデンサが担う負荷への電力供給負担を軽減し、その小容量化を図ることが可能となる。更には負荷から回生される電力量を見込んだ分、外部電源からの交流・直流コンバータを介する電力供給量を少なくすることが可能となるので、全体的な消費電力量を低減することが可能となる。

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、例えば物品（荷物）を吊り上げて昇降させるクレーンや、物品を載置する昇降ステージを上下動させるリフタ等の昇降機における駆動用の誘導電動機（モータ）を負荷とし、外部電源から与えられる交流電力（例えば２００Ｖの動力系三相交流電力）を用いて上記電動機を駆動するものである。特に負荷駆動装置は、基本的には交流・直流コンバータを用いて交流電力から直流電力を生成し、更にこの直流電力からインバータを用いて電圧および周波数が制御された交流電力を生成して電動機（負荷）を駆動するように構成される。

即ち、本発明に係る負荷駆動装置は、図１にその概略的なブロック構成を示すように外部電源１から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータ２と、この交流・直流コンバータ２から出力される直流電力を蓄積するコンデンサ３を備える。このコンデンサ３は、例えば小型で充電容量の大きい電気二重層コンデンサからなる。更に負荷駆動装置は、上記コンデンサ３に蓄積された直流電力および前記交流・直流コンバータ１から出力される直流電力から電圧および周波数を制御した交流電力を生成して負荷（電動機）４を駆動するインバータ５を備える。またこのインバータ５は、前記負荷（電動機）４から回生電力が得られるとき、その回生電力を直流電力に変換して回収して前記コンデンサ３に蓄積する機能を備えたものである。

尚、前記インバータ５は、負荷４の駆動状態に応じて負荷制御器６によりその動作が制御される。特に負荷制御器６は、負荷４の駆動に要する電力が正（＋）である場合には、コンデンサ３に蓄積された電力および／または交流・直流コンバータ２から得られる電力を用いて負荷４を力行駆動し、また負荷４の駆動に要する電力が負（−）であり、負荷４を介して電力が回生される場合には、その回生電力を回収して前記コンデンサ３を充電するものとなっている。

また前記交流・直流コンバータ２は、その直流側の電圧、具体的にはコンデンサ３の充電電圧（端子電圧）に応じて電源制御器７によりその動作が制御される。特に電源制御器７は、その直流系にて検出されるコンデンサ３の充電電圧Ｖsencと予め設定した直流電圧設定値Ｖfixとを比較し、充電電圧Ｖsencがその設定値Ｖfixよりも高く、コンデンサ３に過剰な電力が蓄積されている場合にだけ前記交流・直流コンバータ２を電力回生運転させることでコンデンサ３の充電量を適正化している。また電源制御器７は、前記負荷４が力行運転される場合、その力行運転に要する電力量と、その後の回生運転時に負荷４から回生されると見込まれる電力量との差を補うべく前記交流・直流コンバータ２を電力供給運転するものとなっている。

具体的にはコンデンサ３の充電量Ｕは、その容量をＣとしたとき［Ｕ＝（１／２）ＣＶ^２］として示され、図２に示すように充電電圧Ｖの２乗に比例して変化する。換言すればコンデンサ３に加える電圧（印加電圧）がその端子電圧よりも高い場合には、コンデンサ３に蓄積し得る電気容量（電気エネルギ量）に余裕があるので、その端子電圧が印加電圧に達するまでコンデンサ３に対する充電が行われる。これに対してコンデンサ３に加える電圧（印加電圧）がその端子電圧よりも低い場合には、コンデンサ３の蓄えられている電気容量（電気エネルギ量）が過剰なので、その端子電圧が印加電圧に達するまでコンデンサ３に対する放電が行われる。

電源制御器７は、上述したようにコンデンサ３における充電量がその直流系において検出されるコンデンサ３の充電電圧（端子電圧）Ｖsencの２乗に比例することに着目し、この直流系での検出電圧Ｖsencからコンデンサ３の充電量を監視している。そして負荷４の駆動に要する電力量（要求電力）に応じて定まる前記コンデンサ３に蓄積しておくべき最適な電力量（電気エネルギ量）に相当する直流電圧設定値Ｖfixと、上記直流系での検出電圧Ｖsencとを比較し（判定機能７ａ）、検出電圧Ｖsencが高い場合にはコンデンサ３に蓄積されている電力量が過剰であると判定して、検出電圧Ｖsencが上記直流電圧設定値Ｖfixとなるまで前記交流・直流コンバータ２を電力回生運転（電力回生運転機能７ｂ）させるものとなっている。この電力回生運転により、コンデンサ３に蓄えられている余剰電力が外部電源１に回生される。

これに対して検出電圧Ｖsencが直流電圧設定値Ｖfixと等しいか、或いは該直流電圧設定値Ｖfixよりも低い場合には、前記電源制御器７は前記負荷４が力行運転されているか否かを判定している（負荷状態検出機能７ｃ）。そして負荷４が力行運転されている場合には、電源制御器７は前記交流・直流コンバータ２を電力供給運転（電力供給運転機能７ｄ）するものとなっている。

尚、交流・直流コンバータ２の電力供給運転とは、外部電源１から供給される交流電力を直流電力に変換してコンデンサ３を充電し、或いはインバータ５に電力を供給する動作であり、電力回生運転とは、コンデンサ３に蓄えられている直流電力を交流電力に変換して外部電源１に戻す（逆供給する）動作である。またこれらの電力供給運転および電力回生運転は、一定の電流値制限の下で行われる。

特に上述した交流・直流コンバータ２の電力供給運転は、負荷４の力行運転に必要な電力量Ｕdrivと、その後に実行される負荷の回生運転によって該負荷４から回生されると予想される回生電力量Ｕbackとの差［Ｕdriv−Ｕback］を前記交流・直流コンバータ２から供給し、これによってコンデンサ３の充電量を上記負荷４から回生される電力を無駄なく上記コンデンサ３に蓄積可能な状態に最適化するべく行われる。

尚、クレーンにより荷物を吊り上げる場合における負荷４の力行運転に要する電力量Ｕdrivについては、例えば荷物の重量Ｗと、クレーンの最大吊り上げ高さＨmaxおよび現在の高さ位置Ｈnowの各情報から
Ｕdriv＝Ｋ１・Ｗ・（Ｈmax−Ｈnow）
として予測（計算）するようにすれば良い。但し、上記Ｋ１は力行運転時の機械効率および電気効率に依存する係数である。また逆に荷物を降ろす場合には、荷物の重量Ｗに逆らってワイヤを巻き戻す際に電動機に回生電力が生起されるので、その回生電力Ｕbackを、クレーンの最大吊り下げ高さをＨminとして
Ｕback＝Ｋ2・Ｗ・（Ｈnow−Ｈmin）
として予測（計算）することができる。但し、上記Ｋ２は回生運転時の機械効率および電気効率に依存する係数である。

尚、クレーン等の昇降機における電動機（負荷）４は、一般的にその巻き上げ（力行運転）と巻き戻し（回生運転）とが交互に繰り返される。そして単にクレーンを巻き上げて荷物を所定の高さまで持ち上げた後（力行運転）、上記クレーンを巻き戻して上記荷物を元の高さ位置まで下ろす（回生運転）だけの場合には、その機械的運動量の絶対値は互いに等しくなる。しかし電動機における電気エネルギと機械的運動エネルギとの間の変換損失に起因して、一般的には力行電力量に比較して回生電力量が小さくなる。特にクレーンを巻き上げて荷物を所定の高さまで持ち上げた後（力行運転）、荷物を降ろして空のクレーンを元の高さ位置まで下ろす（回生運転）場合、そのときの回生電力量は力行運転時に比較して非常に小さくなる。

電源制御器７は、このようにして負荷４の力行運転と回生運転とが基本的に交互に繰り返されることに着目し、前述したように回生運転によって負荷４から得られる回生電力の全てをコンデンサ３に確実に回収し、且つその後の負荷４の力行運転に最低限必要な電力量をコンデンサ３に確保するべく、負荷４の力行駆動時に交流・直流コンバータ２を電力供給運転している。そして負荷４を力行運転することによって消費され、その後の回生運転によって回収される回生電力量だけでは不足する電力量を、上記交流・直流コンバータ２の電力供給運転により補充するものとなっている。

かくして上述した如く構成された負荷制御装置によれば、図３に負荷４の力行運転と回生運転に伴う電力の入出力関係と、コンデンサ３における充電量の変化の関係を示すように、負荷４の力行運転に伴う交流・直流コンバータ２の電力供給運転により電力補充がなされるので、コンデンサ３の充電量の低下を抑えることができる。そしてその後の負荷４の回生運転により該負荷４から回収される回生電力にてコンデンサ３の充電量を前述した力行運転前の状態に戻すことができる。この結果、前述したようにコンデンサ３の充電量を、負荷４を力行運転した後には、その後の回生運転により得られると見込まれる回生電力の全てを回収し得る電力量に最適化することができる。また回生運転を行った後には、その後の力行運転に必要となる電力量を賄える程度まで、コンデンサ３に充電された電力量を最適化することが可能となる。

これ故、負荷４の運転状態に応じてコンデンサ３の充電量を最適化しながら、また交流・直流コンバータ２を介して補充すべき電力量を最小限に抑えながら負荷４を効率的に駆動することが可能となる。また前述したようにコンデンサ３に蓄積された電力量が過剰な場合には、交流・直流コンバータ２の電力回生運転によりその余剰電力を外部電源１に回生することができるので、負荷駆動装置としての消費電力量を効果的に抑えることが可能となる等の効果が奏せられる。

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。例えば負荷４の力行運転時に交流・直流コンバータ２を電力供給運転するに際しては、簡易的には上記力行運転に要する電力量に所定の係数を乗じた値を、その後の回生運転時に回収されると見込まれる回生電力量としたり、その計算値を直接的に電力補充量として求めるようにしても良い。またコンデンサ３に蓄積しておく最適な電力量としては、初期時において負荷４を力行運転するに必要な電力量として定めるようにすれば十分である。

またここではクレーンやリフタ等の昇降機の駆動を例に説明したが、負荷４から回生電力が得られるものであれば同様に適用することができる。具体的には負荷４を加減速し、加速時に力行エネルギを消費し、減速時に回生エネルギを回収し得るような負荷の駆動に同様に用いることができる。また昇降機の具体例としては、港湾設備におけるコンテナ移送（搬送）用のクレーン、ビル建設に用いられるジブクライミングクレーン、自動倉庫におけるスタッカクレーン、更には機械式立体駐車場におけるリフタ等を挙げることができる。

また負荷４の力行運転に要する電力量よりも、その後の負荷４の回生運転時に負荷４から回収されると見込まれる回生電力量が大きいと見込まれるような特殊な場合には、交流・直流コンバータ２の電力供給運転による電力補充を停止制御することも可能である。具体的には高所から荷物を下ろす作業だけを行うような場合、負荷４の力行電力に比較してその回生電力量が大きくなると見込まれるので、このような場合には交流・直流コンバータ２の電力供給運転を停止させても良い。その他、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。

本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置の要部概略構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態を説明する為のコンデンサへの電力供給と上記コンデンサからの電力回生との処理概念を示す図。 本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置における負荷の力行運転と回生運転に伴う電力の入出力関係と、コンデンサにおける充電量の変化の関係を示す図。

符号の説明

１ 外部電源
２ 交流・直流コンバータ
３ コンデンサ（電気二重層コンデンサ）
４ 負荷（電動機）
５ インバータ
６ 負荷制御器
７ 電源制御器
７ａ 判定機能
７ｂ 電力回生運転機能
７ｃ 負荷状態検出機能
７ｄ 電力供給運転機能

Claims (3)

1. 外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換して前記外部電源に回生する機能を備えた交流・直流コンバータと、
   この交流・直流コンバータから出力される直流電力を蓄積するコンデンサと、
   このコンデンサに蓄積された直流電力および前記交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して昇降機の電動機を駆動すると共に、前記昇降機の電動機に生じた回生電力を回収して前記コンデンサに蓄積するインバータとを具備し、
   前記交流・直流コンバータの作動を制御する制御器は、
   前記昇降機により昇降される物体の重量、物体の最大上昇位置、物体の現在の位置、物体の最大下降位置の各情報に基づいて、前記昇降機の電動機の力行運転に要する電力量と、その後の前記昇降機の電動機の回生運転により得られると見込まれる電力量とを予測し、
   前記昇降機の電動機が力行運転されるとき、前記力行運転に要する電力量と前記回生運転により得られると見込まれる電力量との差を補う電力を、予め設定した電流制限値の範囲内で前記外部電源から供給し、
   前記交流・直流コンバータの直流側での直流電圧検出値が予め設定した直流電圧設定値よりも大きいときに、前記電流制限値の範囲内で前記外部電源への電力回生運転を行わせることを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記電流値制限値は、前記交流・直流コンバータの最大許容電流以下の値として設定されるものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記コンデンサは電気二重層コンデンサである請求項１又は２に記載の負荷駆動装置。

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