JP5196827B2 - クレーン装置 - Google Patents

Description

本発明は、クレーン装置に関し、特に駆動電力をエンジン駆動で発電するエンジン駆動発電方式のクレーン装置に関する。

港湾などのヤードにおいて、船舶やトレーラに対するコンテナなどの荷物の積み降ろしを行うクレーン装置では、複数の電動機を用いて、荷物の昇降、さらには架台の走行や横行などの動作を行っている。また、これら電動機へ動作電力を供給するため、エンジン駆動発電方式では、ディーゼルエンジンを用いて発電機を駆動するエンジン発電装置を用いて必要な電力を各電動機へ供給する構成となっている。

このようなクレーン装置では、荷物の吊り上げ時などは最大負荷となるが、荷物の吊り下げ時など電力をほとんど必要としない場合もあり、負荷変動が大きい。したがって、最大負荷時に見合った電力を発電機から供給するためにはディーゼルエンジンや発電機として大型のものが必要となるものの、平均負荷を上回る設備規模となるため、設備コストや運転コストの面で非効率であった。

従来、このようなクレーン装置に蓄電装置を設けて、常時、エンジン発電装置で発電するとともに、最大負荷時などに蓄電装置から並列的に電力を供給し、回生時に発生した余剰電力を蓄電装置へ充電するものが提案されている（例えば、特許文献１など参照）。この場合、エンジン発電装置ではディーゼルエンジンを常時一定の回転速度（単位時間当たりの回転数）で運転して発電するため、運転コストの削減はあまり実現できないという問題点があった。

特開２００１−１６３５７４号公報

エンジン発電装置を用いたクレーン装置において、運転コストを効果的に削減するため、負荷に見合った回転速度でディーゼルエンジンを運転することにより、燃費を改善する方法が考えられる。
しかしながら、このような技術では、ディーゼルエンジンの回転速度を変化させた場合、発電機で発電される電力の周波数や電力量が変化するため、運転状況によっては必要とする発電電力が得られない場合が発生しうるという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、エンジン発電装置のディーゼルエンジンの回転速度が変化する場合でも所望の発電電力を安定して供給することが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、エンジンにより駆動されて電力を出力する発電装置と、発電装置からの発電電力を整流して直流共通母線に供給する整流器と、発電装置からの発電電力を昇圧整流して直流共通母線に供給する電圧昇圧装置とを備えている。

また、電池やコンデンサなどの蓄電池を有し、整流器および電圧昇圧装置から直流共通母線に対する電力供給状況または当該クレーンの運転状況に応じて、直流共通母線に対して蓄電池による充放電を行う蓄電装置をさらに備えてもよい。

また、電池やコンデンサなどの蓄電池を有し、直流共通母線の直流電圧が所定の放電しきい値以下に低下した場合に、蓄電池に蓄積されている直流電力を直流共通母線に供給し、直流共通母線の直流電圧が所定の充電しきい値以上に上昇した場合に、直流共通母線から直流電力を蓄電池へ充電する蓄電装置をさらに備えてもよい。

本発明によれば、整流器により、発電装置からの発電電力が整流されて直流共通母線に供給されるとともに、電圧昇圧装置により、発電装置からの発電電力が昇圧整流されて直流共通母線に供給されるため、発電装置のディーゼルエンジン回転速度が変化して、発電機で発電される電力の周波数や電力量が変化した場合でも、電圧昇圧装置から直流共通母線に対して発電電力が補助的に供給される。
したがって、負荷に見合った回転速度で発電装置のエンジンディーゼルエンジンを運転する場合でも、そのエンジン回転速度の変化に関係なく、所望の発電電力を安定して供給することができ、運転コストの効果的な削減と発電電力の安定供給の両方を実現することが可能となる。

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。
［本実施の形態の構成］
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、本発明の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１は、エンジン駆動で発電した電力を直流共通母線に供給することにより、直流共通母線に接続された電動機を駆動して荷物の積み降ろしを行う装置であり、主な構成として、エンジン発電装置１、整流器１３、電圧昇圧装置２、主巻電動機３０、走行電動機３１，３２、横行電動機３３、インバータ４１〜４４、放電装置５、蓄電装置６、コントローラ７、および直流共通母線９が設けられている。
本実施の形態は、直流共通母線９に対する整流器１３からの電力供給と並行して、電圧昇圧装置２により、エンジン発電装置１からの発電電力を昇圧整流して直流共通母線９に供給するようにしたものである。

以下、本実施の形態にかかるクレーン装置の構成について詳細に説明する。
エンジン発電装置１は、ディーゼルエンジン（ＤＥ）１１と交流発電機（Ｇ）１２を有し、ディーセルエンジン１１で交流発電機１２を駆動することにより交流電力を発電して出力する装置であり、単位時間あたりのエンジン回転数、すなわちエンジン回転速度を示すコントローラ７からの運転指示１０に基づいて、ディーゼルエンジン１１のエンジン回転速度を変更する機能を有している。

整流器１３は、エンジン発電装置１と直流共通母線９との間に接続され、エンジン発電装置１から出力された交流電力を直流電力に整流して直流共通母線９へ供給する整流装置である。
電圧昇圧装置２は、整流器１３に対して並列的に、エンジン発電装置１と直流共通母線９との間に接続され、エンジン発電装置１から出力された交流電力を昇圧整流して直流共通母線９へ供給する装置である。電圧昇圧装置２の具体例としては、電圧昇圧用のチョッパ装置がある。

主巻電動機３０は、荷物の昇降を行うための交流電動機である。走行電動機３１，４２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３３は、架台の横行を行うための交流電動機である。
インバータ４１は、直流共通母線９上の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、直流共通母線９上の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３２へ供給するＤＣ／ＡＣ変換器である。
インバータ４３は、直流共通母線９上の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４４は、直流共通母線９上の直流電力を交流電力に変換して照明、空調、および各種補機の電源として供給するＤＣ／ＡＣ変換器である。
放電装置５は、荷物の吊り降ろし時などの回生時に直流共通母線９上に発生した余剰直流電力を、抵抗器などを用いて放電する回路装置である。
蓄電装置６は、電池やコンデンサなどの蓄電池を内蔵する回路装置であり、整流器１３および電圧昇圧装置２から直流共通母線９に対する電力供給状況または／およびクレーンの運転状況に応じて、直流共通母線９に対して蓄電池による充放電を行う機能を有している。

コントローラ７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７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クレーン操作７０に基づいて、インバータ４１〜４４を制御して、荷物の昇降、架台の走行や横行などの運転を制御するクレーン運転機能、直流共通母線９に対するエンジン発電装置１から整流器１３および電圧昇圧装置２を介した電力供給状況を確認する電力供給状況確認機能、および確認した電力供給状況に基づいてディーゼルエンジン回転速度を示す運転指示１０をエンジン発電装置１へ出力する発電制御機能がある。

電力供給状況確認機能により、直流共通母線９に対する電力供給状況を確認する場合、必要とされる負荷電力と所定のしきい値とを比較すれば、電力供給の過不足を確認できる。

負荷電力を求めるための具体的方法としては、直流共通母線９へ供給されている電力の変動、電動機３０〜３３の回転速度（単位時間当たりの回転数）、または操作者によるクレーン操作７０から求める方法が考えられ、少なくともこれら３つの方法のいずれかを用いればよい。
直流共通母線９へ供給されている電力の変動を用いる方法については、例えば整流器１３，２３から直流共通母線９へ供給される電力の電流および電圧を監視し、これら電流および電圧から実際に供給されている電力を負荷電力として算出すればよい。

電動機３０〜３３の回転速度４５を用いる方法については、コントローラ７からインバータ４１〜４４へ指示した回転速度を用い、この回転速度と各電動機３０〜３３の動作特性とから電動機３０〜３３で消費する負荷電力を算出すればよい。なお、回転速度４５は、インバータ４１〜４４から電動機３０〜３３へ出力される交流電力の出力周波数と等しいため、インバータ４１〜４４の出力周波数を回転速度４５として取得して用いてもよい。
クレーン操作７０を用いる方法については、荷物の昇降、架台の走行や横行などの運転操作ごとに必要な負荷電力を予め計測してメモリに保存しておき、実際に検出したクレーン操作７０に対応する負荷電力をメモリから読み出せばよい。

［本実施の形態の動作］
次に、図２〜図４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の動作について詳細に説明する。図２は、本発明の一実施の形態にかかるクレーン装置の発電制御処理を示すフローチャートである。図３は、整流器を介して供給される主供給電力と電圧昇圧装置を介して供給される副供給電力の電力供給特性である。図４は、整流器および電圧昇圧装置の両方から供給される供給電力を示す電力供給特性である。ここでは、直流共通母線９へ供給されている電力の変動に基づいて電力供給状況を確認する場合を例として説明する。

コントローラ７は、操作者による運転開始操作の検出に応じて、エンジン発電装置１に対して発電開始を示す運転指示１０を出力した後、図２の発電制御処理を開始する。
コントローラ７は、まず、電力供給状況確認機能により、直流共通母線９へ供給された供給電力１４を検出し（ステップ１００）、この供給電力１４に応じたエンジン回転速度Ｎを算出する（ステップ１０１）。

エンジン発電装置１は、整流器１３を介して直流共通母線９へ供給する主供給電力ＰＭとエンジン回転速度Ｎとについて、図３に示すような電力供給特性を有している。この種の電力供給特性は、一般的に、エンジン回転速度Ｎの増加に応じて主供給電力ＰＭが単調増加し、所定の最大電力値に達した後に減衰する傾向がある。したがって、コントローラ７のメモリにこのような電力供給特性を関数や表形式で予め保存しておけば、所望の主供給電力ＰＭすなわち検出した供給電力１４を供給するのに必要なエンジン回転速度Ｎを算出できる。

次に、コントローラ７は、発電制御機能により、電力供給状況確認機能で算出したエンジン回転速度Ｎを示す運転指示１０をエンジン発電装置１へ出力し（ステップ１０２）、ステップ１００へ戻る。
これにより、直流共通母線９に対する電力供給状況に応じてエンジン発電装置１のエンジン回転速度が調整されるため、負荷に見合った回転速度でディーゼルエンジンが運転でき、燃費を改善できる。

この際、エンジン発電装置１のエンジン回転速度の変化は、交流発電機１２の回転速度、すなわち交流発電機１２で発電される交流電力の周波数の変化として表れる。このため、整流器１３から出力される主供給電力ＰＭも、入力される交流電力の周波数に応じて変化する。
これに対して、電圧昇圧装置２は、図３に示すように、エンジン発電装置１のエンジン回転速度Ｎの変化に関係なく、エンジン発電装置１からの発電電力を昇圧整流し、一定の副供給電力ＰＳａとして直流共通母線９へ供給する。

したがって、主供給電力ＰＭと並行して副供給電力ＰＳが直流共通母線９へ出力されるため、整流器および電圧昇圧装置の両方から供給される供給電力１４は、図３に示した両方の電力供給特性が合成されて、図４のような電力供給特性となる。すなわち、エンジン回転速度ＮがＮｔｈ未満の場合には、主供給電力ＰＭ＜副供給電力ＰＳａとなって直流共通母線９へは副供給電力ＰＳａが供給され、エンジン回転速度ＮがＮｔｈ以上の場合には、主供給電力ＰＭ≧副供給電力ＰＳａとなって直流共通母線９へは主供給電力ＰＭが供給される。
これにより、エンジン発電装置１のエンジン回転速度Ｎの変化に関係なく、所望の発電電力を安定して供給することができる。

［本実施の形態の動作例］
次に、図５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の動作例について説明する。図５は、本発明の一実施の形態にかかるクレーン装置の動作例を示すタイミングチャートである。ここでは、負荷電力３４が低下してエンジン発電装置１のエンジン回転速度が低下した場合を例として説明する。

時刻Ｔ０以前において、負荷電力３４がＰＬａである任意のクレーン動作が行われており、コントローラ７により、エンジン発電装置１のエンジン回転速度ＮがＮｂに設定されているものとする。このとき、主供給電力ＰＭはＰＭａであり、副供給電力ＰＳａ（一定値）より大きいため、供給電力１４としてＰＭａが供給されている。
時刻Ｔ０において、クレーン動作が終了して負荷電力３４が低下し始めた場合、コントローラ７は徐々に低下する負荷電力３４に応じたエンジン回転速度Ｎを運転指示１０により順次設定する。これにより、エンジン発電装置１がエンジン回転速度Ｎを徐々に低下させるため、主供給電力ＰＭは徐々に低下し、供給電力１４も徐々に低下する。

この後、負荷電力３４は、時刻Ｔ２においてＰＬｂまで低下し、エンジン回転速度ＮもＮｂまで低減し、主供給電力ＰＭもＰＭｂまで低下する。
ここで、主供給電力ＰＭがＰＳａ（＞ＰＬｂ）まで低下した時刻Ｔ１の時点でＰＳａ＞ＰＭとなるため、時刻Ｔ１以降、供給電力１４は副供給電力ＰＭのＰＭａに保持される。

その後、時刻Ｔ３において、新たなクレーン動作が開始されて負荷電力３４が上昇し始めた場合、コントローラ７は徐々に上昇する負荷電力３４に応じたエンジン回転速度Ｎを運転指示１０により順次設定する。これにより、エンジン発電装置１がエンジン回転速度Ｎを徐々に上昇させるため、主供給電力ＰＭは徐々に上昇し、供給電力１４も徐々に上昇する。

この後、負荷電力３４は、時刻Ｔ５においてＰＬａまで上昇し、エンジン回転速度ＮもＮａまで上昇し、主供給電力ＰＭもＰＭａまで上昇する。
ここで、主供給電力ＰＭがＰＳａ（＜ＰＬａ）まで上昇した時刻Ｔ４の時点でＰＳａ＜ＰＭとなるため、時刻Ｔ４以降、供給電力１４は主供給電力ＰＳと等しくなる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、直流共通母線９に対する整流器１３からの電力供給と並行して、電圧昇圧装置２により、エンジン発電装置１からの発電電力を昇圧整流して直流共通母線９に供給するようにしたので、例えば負荷低下に応じてエンジン発電装置１のエンジン回転速度Ｎを低下させたことにより、整流器１３からの供給電力が低下した場合でも、電圧昇圧装置２から供給電力で補われる。
このため、負荷に見合った回転速度でエンジン発電装置１のエンジンディーゼルエンジンを運転する場合でも、そのエンジン回転速度の変化に関係なく、所望の発電電力を安定して供給することができ、運転コストの効果的な削減と発電電力の安定供給の両方を実現することが可能となる。

また、電圧昇圧装置２は、一般的に、蓄電装置より安価なコストの設備規模で、クレーン動作終了までの長期間にわたって蓄電装置より大きな電力を安定して供給することができる。これにより、クレーン装置全体として効果的なコスト削減が得られる。

また、本実施の形態において、図１に示すように、蓄電装置６を直流共通母線９に接続して、整流器１３および電圧昇圧装置２から直流共通母線９に対する電力供給状況または当該クレーンの運転状況に応じて、直流共通母線９に対して蓄電池による充放電を行うようにしてもよい。

例えば図２に示すように、時刻Ｔ３においてエンジン発電装置１のエンジン回転速度Ｎを上げ始めてから主供給電力１４が最大値ＰＭに達する時刻Ｔ５までの間、整流器１３から直流共通母線９に対する電力供給が追いつかない場合がある。このような場合には、蓄電装置６の蓄電池から直流共通母線９に対して放電し、不足分の電力を補うことができる。また時刻Ｔ０からの回生時や電動機３０〜３３での消費電力が低い期間に直流共通母線９に発生した余剰電力を蓄電装置６の蓄電池に充電すれば、余剰電力を有効利用できる。

蓄電装置６での充放電制御については、例えば、エンジン発電装置１に対する運転指示１０と同様にして、コントローラ７により、直流共通母線９に対する整流器１３および電圧昇圧装置２からの電力供給状況、または／およびクレーン操作７０から得た当該クレーンの運転状況に基づいて、蓄電装置６に対する充放電指示を出力するようにしてもよい。
あるいは、蓄電装置６に充放電制御機能を設け、直流共通母線９の直流電圧が所定の放電しきい値以下に低下した場合に、蓄電池に蓄積されている直流電力を直流共通母線９に供給し、直流共通母線９の直流電圧が所定の充電しきい値以上に上昇した場合に、直流共通母線９上の直流電力を蓄電池へ充電するようにしてもよい。

これにより、電動機３０〜３３の回転加速時など多くの電力が必要となる期間において、エンジン発電装置１、整流器１３、および電圧昇圧装置２に対して大きな負荷がかかるのを回避することができる。また、蓄電装置６は、このような負荷電力がピークとなる期間だけ一時的に使用されるため、大きな蓄電容量を必要とせず、前述した従来技術と比較して蓄電装置６に必要な設備コストを低減できる。

［実施の形態の拡張］
以上の実施の形態では、コントローラ７により負荷電力を取得するための具体的構成として、直流共通母線９へ供給されている電力の変動を算出する場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、電動機３０〜３３の回転速度４５や操作者によるクレーン操作７０に応じて負荷電力を算出してもよく、前述と同様の作用効果が得られる。

例えば、電動機３０〜３３の回転速度４５は、それぞれの消費電力と密接な関係があり、各電動機３０〜３３の動作特性として示すことができる。またこれら回転速度４５は、各インバータ４１〜４４から出力する交流電力の周波数と等しい。したがって、コントローラ７において、予めメモリに保存しておいた各電動機３０〜３３の動作特性を参照して、各インバータ４１〜４４から取得した回転速度４５に対応する消費電力を求め、これら消費電力の総和により負荷電力３４を算出すればよい。

また、荷物の昇降、さらには架台の走行や横行などの個々のクレーン動作は、それぞれ固有の負荷電力を必要とし、両者の関係はある程度固定的な関係として捉えることができる。したがって、コントローラ７のメモリにクレーン動作とその動作に必要な負荷電力との対応関係を予め保存しておき、クレーン操作７０で操作入力に応じて上記対応関係を参照し、操作入力されたクレーン操作に必要なクレーン動作ごとに負荷電力を取得し、これらの総和から操作入力されたクレーン操作に必要な負荷電力を算出すればよい。

本発明の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。 本発明の一実施の形態にかかるクレーン装置の発電制御処理を示すフローチャートである。 整流器を介して供給される主供給電力と電圧昇圧装置を介して供給される副供給電力の電力供給特性である。 整流器および電圧昇圧装置の両方から供給される供給電力を示す電力供給特性である。 本発明の一実施の形態にかかるクレーン装置の動作例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…エンジン発電装置、１０…運転指示、１１…ディーゼルエンジン、１２…交流発電機、１３…整流器、１４…供給電力、２…電圧昇圧装置、３０…主巻電動機、３１，３２…走行電動機、３３…横行電動機、３４…負荷電力、４１〜４４…インバータ、４５…回転速度、５…放電装置、６…蓄電装置、７…コントローラ、７０…クレーン操作、９…直流共通母線、ＰＭ…主供給電力、ＰＳ…副供給電力。

Claims (3)

1. エンジン発電装置で発電した電力を直流共通母線に供給することにより、この直流共通母線に接続された電動機を駆動して荷物の積み降ろしを行うクレーン装置であって、
   前記電動機で消費する負荷電力に応じたエンジン回転速度を示す運転指示を前記エンジン発電装置へ出力するコントローラと、
   エンジンで発電機を駆動して交流電力を出力するとともに、コントローラからの運転指示に応じたエンジン回転速度で当該エンジンを運転する前記エンジン発電装置と、
   前記エンジン発電装置からの交流電力を整流し、得られた主供給電力を前記直流共通母線に供給する整流器と、
   前記エンジン発電装置からの交流電力を昇圧整流し、得られた副供給電力を前記主供給電力と並行して前記直流共通母線に供給する電圧昇圧装置とを備え、
   前記コントローラは、クレーン動作が終了した場合、前記運転指示により、前記主供給電力が前記副供給電力より低くなるよう前記エンジン回転速度を低減する
   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、
   電池やコンデンサなどの蓄電池を有し、前記整流器および前記電圧昇圧装置から前記直流共通母線に対する電力供給状況または当該クレーンの運転状況に応じて、前記直流共通母線に対して前記蓄電池による充放電を行う蓄電装置をさらに備えることを特徴とするクレーン装置。
3. 請求項１に記載のクレーン装置において、
   電池やコンデンサなどの蓄電池を有し、前記直流共通母線の直流電圧が所定の放電しきい値以下に低下した場合に、前記蓄電池に蓄積されている直流電力を前記直流共通母線に供給し、前記直流共通母線の直流電圧が所定の充電しきい値以上に上昇した場合に、前記直流共通母線から直流電力を前記蓄電池へ充電する蓄電装置をさらに備えることを特徴とするクレーン装置。
   

Images