JP5800159B2 - クレーン装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、クレーン装置及びその制御方法に係り、特にエンジン発電機と蓄電装置を動力源としてハイブリッド制御するエンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置及びその制御方法に関する。

従来のエンジン発電機と蓄電装置をハイブリッド制御する荷役機械は、蓄電装置の充電状態に応じてエンジン発電機の出力を制御している（例えば、特許文献１参照）。
図８において、１０５はエンジン、１０６は発電機、１２４はインバータ、１０７はバッテリー、１２６はエンジンコントローラであり、エンジン発電機からバッテリーへ充電する際には、バッテリー１０７の蓄電状態を監視してその状態に応じてエンジンコントローラ１２６を制御して、エンジン１０５を燃費効率の良い回転数で運転し、発電機１０６を駆動し、インバータ１２４を介してバッテリー１０７へ充電するように動作させる。負荷の回生電力をバッテリーへ充電する際には、破線矢印による負荷の回生電力をインバータ１２４を介してバッテリー１０７へ充電するように動作させる。負荷を電動する際には、バッテリー１０７の蓄電状態を監視してその状態に応じてエンジンコントローラ１２６を制御して、エンジン１０５を燃費効率の良い回転数で運転し、発電機１０６を駆動し、インバータ１２４を介して実線矢印の方向に電力を供給し、かつ、バッテリー１０７よりインバータ１２４を介して実線矢印の方向に電力を供給する方法でエンジン発電機とバッテリーをハイブリッド制御する。
このように、従来のエンジン発電機と蓄電装置をハイブリッド制御する荷役装置は、エンジン発電機を蓄電装置の充電状態に応じて制御していた。

特開２０００−２８９９８３号

従来のエンジン発電機と蓄電装置のハイブリッド制御する荷役装置では、蓄電装置の蓄電状態に応じてエンジン発電機の出力を制御するので、蓄電装置の蓄電量が低い場合には負荷の電動エネルギーをエンジン発電機が供給しなければならない。このため、エンジン発電機のみでも負荷の電動エネルギーを供給できる容量のエンジン発電機を選定しなければならないという問題があった。また、負荷に対して小容量のエンジン発電機を選定した場合には、負荷の状態に依存するが、荷役動作する前に蓄電装置の蓄電量が既定値未満であると、エンジン発電機から蓄電装置へ充電しなければならず、充電のための待ち時間が生じるという問題もあった。さらに、エンジンを燃費効率の良い回転数で運転しようとすると汎用性を有したエンジン発電機を使用することができなくなり、エンジン発電機が特殊なものになるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、蓄電装置と小容量化されたエンジン発電機をハイブリッド制御して、従来通りの操作性を提供するとともに省エネルギー化、低公害化を計り、蓄電装置の寿命診断や容易にメンテナンスできるクレーン装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、を備え、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えて動作するクレーン装置の制御方法において、前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定する第４の制御方法に切替え、上記以外の巻下動作中の条件では、前記充放電装置の直流電圧指令を前記制動ユニットが動作する直流電圧以下、かつ、前記巻上機用モータが停止している状態での前記直流電圧よりも大きな値に決定し、前記直流電圧指令と前記検出した直流電圧が一致するように制御して前記蓄電装置の電流指令を決定する第５の制御方法に切替え、前記各制御方法で決定した前記蓄電装置の電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えるクレーンコントローラを備えたクレーン装置において、前記クレーンコントローラは、前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定する第４の制御方法に切替え、上記以外の巻下動作中の条件では、前記充放電装置の直流電圧指令を前記制動ユニットが動作する直流電圧以下、かつ前記巻上機用モータが停止している状態での前記直流電圧よりも大きな値に決定し、前記直流電圧指令と前記検出した直流電圧が一致するように制御して前記蓄電装置の電流指令を決定する第５の制御方法に切替え、前記各制御方法で決定した前記蓄電装置の電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、を備え、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えて動作するクレーン装置の制御方法において、前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定し、該電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えるクレーンコントローラを備えたクレーン装置において、前記クレーンコントローラは、前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定し、該電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするものである。

本発明によると、エンジン発電機と蓄電装置をハイブリッド制御することで、従来と同じ運転を従来よりも小容量のエンジン発電機を用いても実施でき、エンジン発電機の出力は従来よりも減少させることができるため、エンジン発電機の燃料を削減できる。

また、巻下動作後の巻上運転を待機時間無しで行え、さらに、制動抵抗器で消費させる回生電力量を削減できる。

また、減速時に発生する制動エネルギーを有効利用するために蓄電することができる。

また、次回の運転動作に備えた蓄電装置の充電や、メンテナンス動作、つまり、経年変化による蓄電装置（電気二重層コンデンサ）の静電容量の低下の確認、及び緊急時の充電エネルギーの放出に対応可能である。

本発明の方法を適用するエンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置の構成を示すシステム構成図 本発明の第１の方法の処理手順を示すフローチャート 本発明の制御方法１を示す制御ブロック図 本発明の制御方法３を示す制御ブロック図 本発明の第２の方法の処理手順を示すフローチャート 本発明の第３の方法の処理手順を示すフローチャート 本発明の第４の方法の処理手順を示すフローチャート 従来の方法を適用したラフテレーンクレーン装置の構成を示す駆動・制御系のブロック図

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の方法を実施するエンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置の構成を示すシステム構成図である。ここでは、トランスファークレーン（又はＲＴＧＣ）と呼ばれるコンテナを荷役する門型クレーンを例にして実施例を説明する。
図において実線は電力系統に関する電気的な接続を示しており、破線は指令やフィードバックの信号に関する電気的な流れを示している。
エンジン発電機１により発生した交流電圧は、整流器５を介して直流電圧に変換されて、前記整流器２の出力側に巻上機用インバータ１０、走行機用インバータ１１、横行機用インバータ１２、制動ユニット１５、及び充放電装置２８がつながれている。
また、クレーン操作器具５０によるクレーンの操作信号は、クレーンコントローラ４０を介して巻上機用インバータ１０、走行機用インバータ１１、横行機用インバータ１２へ動作速度の指令として伝送され、巻上機用インバータ１０が巻上機用モータ２０の速度を制御して巻上機３０を駆動し、走行機用インバータ１１が走行機用モータ２１の速度を制御して走行機３１を駆動し、横行機用インバータ１２が横行機用モータ２２の速度を制御して横行機３２を駆動する。
制動ユニット１５はつながれた直流電圧値に応じて、制動抵抗器２５へ電力を供給したり、停止したりすることができる。
ハイブリッド操作器具５１は、充放電及び充放電制御方法をクレーンの状態に応じて自動切替する方法と、クレーンの状態に無関係に、操作器具（スイッチやボタン）を使用して手動切替する方法とを切替える。この切換え信号は、クレーンコントローラ４０を介して充放電装置コントローラ４８に伝送され、充放電装置１８の制御方法を切替える。
充放電装置１８には、例えば、昇降圧チョッパ回路により充電電流、放電電流を制御できるＤＣ／ＤＣコンバータを採用する。蓄電装置２８には例えば、高速に充放電が可能な電気二重層コンデンサを採用する。蓄電装置２８は充放電装置１８の制御によって、電気的エネルギーの充電及び放電動作を行うことができる。
巻上機３０及び、走行機３１及び、横行機３２が、電動動作によりエネルギーを必要とする場合には、エンジン発電機１と蓄電装置２８を充放電装置１８がハイブリッド制御してクレーンを動作させ、回生動作によりエネルギーが回生される場合には、エンジン発電機１と回生動作によるエネルギーを充放電装置１８がハイブリッド制御して蓄電装置２８へ充電する。なお、充放電装置１８は、エンジン発電機の出力可能な電力範囲でエンジン発電機の出力電力を制御する（間接的にエンジン発電機を制御する）ものである。

図２はエンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置での巻上中に制御方法を切替える処理手順を示すフローチャートである。これらの処理はクレーンコントローラ４０で行われる。
はじめに、ステップ１で巻上動作かどうか判断して巻上動作の場合に次のステップに進む。ステップ２で加速中かどうか判断し、加速中である場合に制御方法１を選択して加速中でない場合に次のステップへ進む。
次に、ステップ３で一定速中かどうか判断し、一定速中である場合に次のステップへ進む。ステップ４でロックかどうか判断し、ロックである場合に制御方法２を選択する。
ステップ３において一定速中でない場合、もしくはステップ４でロックではない場合に制御方法３を選択する。
なお、ロックとは吊具がコンテナを吊っている状態を示している。ちなみに、吊具がコンテナを吊っていない状態はアンロックと称される。

図３は前記制御方法１を説明する制御ブロック図であり、クレーンコントローラ４０は、エンジン発電機電力がエンジン発電機指令値に追従するようにＤＣ／ＤＣコンバータに流す電流値を制御する。制御方法は、例えばエンジン発電機電力とエンジン発電機指令値の偏差をＰＩ（比例・積分）制御し、蓄電装置電流指令を決定する。この蓄電装置電流指令を用いて蓄電装置の電流を制御する。このようにしてエンジン発電機電力を制御する。
ここで、制御ブロック内において、Ｐ_{ｇｅｎ＿ｒｅｆ}はエンジン発電機電力指令、Ｐ_ｇｅｎはエンジン発電機電力、Ｖ_ｓｃは蓄電装置の電圧、Ｋ_ｇｅｎはエンジン発電機特性定数、τ_ｇｅｎはエンジン発電機時定数、Ｐ_{ｓｃ＿ｒｅｆ}は蓄電装置電力指令、Ｐ_ｌｏａｄは負荷電力、Ｐ^＊ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ}はエンジン発電機電力指令、Ｉ_{ｓｃ＿ｒｅｆ}は蓄電装置電流指令（ＤＣ／ＤＣコンバータ指令電流・制御入力）、ＰＩはＰＩ制御部を示している。

制御方法１において、エンジン発電機電力指令は、巻上機用インバータのトルク指令値Ｔ_ｒｅｆと巻上機用モータの回転速度ω_ｆｂから数式１を用いて演算できる。

数式１において、η_ｍは巻上機インバータから負荷への電力伝達過程における伝導効率を示しており、０．９ぐらいとなる。αは巻上機用インバータの出力電力に対してどれだけをエンジン発電機が供給するかという割合を示したものである。前記のように、エンジン発電機は小容量のエンジン発電機が選択されているので、αは１よりも小さい値としなければならない。すなわち、例えばαを０．８とした場合には、エンジン発電機が巻上機用インバータの出力電力の８０％を供給し、残りの２０％を蓄電装置が供給してハイブリッド制御する。

制御方法２は、図３と同様の制御ブロック図において、エンジン発電機への電力指令のみを変更して実施する。
制御方法２において、エンジン発電機電力指令は次のように求めることができる。
まず、現在の巻上高さｈ_０から巻上最大高さｈ_ｍａｘまで現在の重量Ｍを巻上するために必要なエネルギーＥ_ｒｅｑは数式２のように演算する。

次に、現在の蓄電装置の電圧Ｖ_０から設定する蓄電装置の最低電圧Ｖ_ｍｉｎまでに蓄電装置が巻上機に供給できるエネルギーＥ_ｓｃは数式３のように演算する。

数式３において、Ｃ_ｓｃは蓄電装置（電気二重層コンデンサ）の静電容量、η_ｓｃは蓄電装置から巻上機へエネルギーを供給した場合の電気的な効率であり、例えば０．７ぐらいとなる。
また、現在の速度ｖ_０で現在の巻上高さｈ_０から巻上最大高さｈ_ｍａｘまで巻上した場合に要する時間ｔ_ｒｅｑは数式４のように演算する。

ここで、現在の巻上高さｈ_０から巻上最大高さｈ_ｍａｘまで現在の重量Ｍを巻上するために必要なエネルギーＥ_ｒｅｑは蓄電装置が巻上機に供給できるエネルギーＥ_ｓｃとエンジン発電機の電力指令Ｐ_{ｇｅｎ＿ｒｅｆ}から数式５のように演算する。

したがって、数式５に数式２、数式３、数式４を代入して制御方法２におけるエンジン発電機電力指令を数式６のように演算する。

図４は前記制御方法３を説明する制御ブロック図であり、クレーンコントローラ４０は、インバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧がインバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧の指令値に追従するようにＤＣ／ＤＣコンバータに流す電流値を制御する。制御方法は、例えば、インバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧とその指令値との偏差をＰＩ（比例・積分）制御して蓄電装置電流指令を決定する。このようにしてインバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧を制御する。
本発明のようなハイブリッド設備を有していないクレーン装置では、巻上機が巻上動作を行うと、インバータ及び充放電装置の直流電圧は低下する。このような場合には、前記直流電圧の低下分を見込んでその直流電圧指令値を決定し、直流電圧部分に蓄電装置から充放電装置を介してエネルギーを供給するようにすれば、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを巻上動作に用いるようにできる。
ここで、直流電圧に変換される整流器の出力部からインバータの入力部にかけてはＤＣリンクと称される。このため、制御ブロック内において、Ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}はＤＣリンク電圧指令、Ｖ_ｄｃはＤＣリンク電圧、Ｉ_ｄｃはＤＣリンク電流、Ｃ_ｄｃはＤＣリンクキャパシタンス、Ｐ_ｄｃはＤＣリンク電力という名称でそれらを示している。

このように、巻上中にクレーンの状態に応じて制御方法を切替えてクレーンの状態に適した制御方法を自動的に採用するので、巻上加速中のように大きな負荷電力が必要な場合には制御方法１で、巻上一定速中のように常に必要な電力値がほとんど一定になる場合には制御方法２で、巻上減速中のように小さな負荷電力が必要な場合には制御方法３で、エンジン発電機が小容量であっても、エンジン発電機と蓄電装置の電力供給状態をハイブリッド制御することができ、操作性においても従来通りの巻上操作ができるのである。

図５はエンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置での巻下中に制御方法を切替える処理手順を示すフローチャートである。これらの処理はクレーンコントローラ４０で行われる。
はじめに、ステップ５で巻下動作かどうか判断し、巻下動作の場合には次のステップに進む。ステップ６で加速中かどうか判断し、加速中でない場合に次のステップへ進む。ステップ７で減速中かどうか判断し、減速中でない場合（巻下げ動作が一定速の場合）に次のステップへ進む。ステップ８で蓄電装置の充電電圧が判定値以上かどうか判断し、判定値以上でない場合に制御方法４を選択する。ステップ６において加速中である場合、もしくはステップ７において減速中である場合、もしくはステップ８において蓄電装置の充電電圧が判定値以上である場合に制御方法５を選択する。

ステップ８における蓄電装置の充電電圧の判定値は次のように演算することができる。
まず、現在の巻上高さｈ_０から巻上最大高さｈ_ｍａｘまで現在の重量Ｍを巻上するために必要なエネルギーＥ_ｒｅｑは数式２と同様に演算する。次にエンジン発電機を最大の出力電力Ｐ_{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ}で現在の重量Ｍもしくは現在がアンロック状態であれば予測できる最大の重量を巻上するために必要な時間ｔ_{ｈｏｉｓｔ}にエンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ}は数式７のように演算する。

また、ある蓄電装置の電圧Ｖ_ｒｅｑから設定する蓄電装置の最低電圧Ｖ_ｍｉｎまでに蓄電装置が巻上機に供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}は数式８のように演算する。

ここで、現在の巻上高さｈ_０から巻上最大高さｈ_ｍａｘまで現在の重量Ｍもしくは現在がアンロック状態であれば、予測できる最大の重量を巻上するために必要なエネルギーＥ_ｒｅｑは蓄電装置が巻上機に供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}とエンジン発電機の供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ}から数式９のように演算する。

したがって、数式９に数式２、数式７、数式８を代入してステップ７における蓄電装置の充電電圧の判定値を数式１０のように演算する。

制御方法４は、図３と同様の制御ブロック図において、エンジン発電機の電力指令のみを変更して実施する。
巻下動作時には、クレーンの次回の巻上動作運転ができるように事前に考慮されていなければならない。つまり、巻下動作による回生エネルギーが小さいと、この回生エネルギーを蓄電装置へ充電していても次回の巻上動作のための蓄電エネルギーとしては不十分な場合がある。このとき、巻下動作による回生エネルギーに加え、エンジン発電機によりエネルギーを充電する。エンジン発電機の指令値は、エンジン発電機の出力可能な範囲内に設定され、エネルギーは充放電装置を介して蓄電装置へ充電される。エンジン発電機の指令値を大きくすればするほど、蓄電装置への急速な充電が可能となる。

制御方法５は、図４と同様の制御ブロック図において、インバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧の指令値のみ変更して実施する。
本発明のようなハイブリッド設備を有していないクレーン装置では、巻上機が巻下動作を行うと、インバータ及び充放電装置の直流電圧は上昇し、所定の電圧値以上になると、接続された制動ユニットが動作し、回生エネルギーを制動抵抗器で消費してしまう。そこで、インバータ及び充放電装置の直流電圧が、制動ユニットが動作する電圧値以下になるようにその指令値を決定し、直流電圧部分から蓄電装置へ充放電装置を介してエネルギーを供給するようにすれば、巻下動作によって生じる回生エネルギーを有効に蓄電装置に蓄えることができる。インバータ及び充放電装置の直流電圧の指令値は、巻上機が巻下動作を行った場合に、直流電圧が上昇して制動ユニットが動作するよりも小さくかつ、クレーンが動作しない状態でのインバータ及び充放電装置の直流電圧値よりも大きな値とすればよい。
尚、クレーンが動作しない状態でのインバータ及び充放電装置の直流電圧値よりも小さな指令値を与えてしまった場合には、エンジン発電機が動作して、巻下動作による回生エネルギーとエンジン発電機の発電エネルギーを蓄電装置へ充電することになる。

以上のようにして、巻下中にクレーンの状態に応じて制御方法を切替えてクレーンの状態に適した制御方法を自動的に採用するので、蓄電装置の蓄電量が少ない場合には制御方法４が選択され、エンジン発電機の発電エネルギーと巻下回生動作による回生エネルギーの両方を蓄電装置へ蓄電できる。また、蓄電装置の蓄電量が十分な場合には制御方法５が選択され、巻下回生動作による回生エネルギーのみを蓄電装置へ蓄電することができる。
このように、エンジン発電機が小容量であっても、次回の巻上操作に備えてエンジン発電機と蓄電装置のハイブリッド制御により巻上操作が可能となるように蓄電装置へエネルギーを充電することができ、操作性においても従来通りの巻下操作ができるのである。

図６は、エンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置での走行中に制御方法を切替える処理手順を示すフローチャートである。これらの処理はクレーンコントローラ４０で行われる。
はじめに、ステップ９で、走行動作かどうか判断して走行動作の場合に次のステップに進む。ステップ１０でＤＣリンクの電圧が判定値以上かどうか判断し、ＤＣリンクの電圧が判定値以上でない場合に次のステップへ進む。ステップ１１で蓄電装置の電圧が判定値以上かどうか判断し、蓄電装置の電圧が判定値以上である場合に次のステップに進む。ステップ１２でエンジン発電機の電力が判定値以上かどうか判断し、エンジン発電機の電力が判定値以上である場合に制御方法６を選択する。
ステップ１０で、ＤＣリンクの電圧が判定値以上でない場合で、ステップ１１で蓄電装置の電圧が判定値以上でない場合に次のステップに進む。ステップ１３でエンジン発電機の電力が判定値以上かどうか判断し、エンジン発電機の電力が判定値以上である場合に制御方法７を選択する。
ステップ１０で、ＤＣリンクの電圧が判定値以上の場合に制御方法８を選択する。
また、ステップ１２で、エンジン発電機の電力が判定値以上でない場合、もしくはステップ１３でエンジン発電機の電力が判定値以上でない場合にはどの制御方法も選択しない。
ステップ１１における蓄電装置の充電電圧の判定値は任意に決定することができる。

制御方法６は、図３と同様の制御ブロック図において、エンジン発電機の電力指令値のみを変更して実施する。
走行運転が力行状態であれば、走行のためのエネルギーが必要であり、エンジン発電機から前記エネルギーは供給される。エンジン発電機の出力電力がその電力指令値を超えないように制御されるが、電力指令値を超えようとする分を蓄電装置が充放電装置を介して放電し供給する。そのため、エンジン発電機の電力指令値はエンジン発電機が出力可能な範囲内の値とすることができる。特に制御方法６の場合、蓄電装置の電圧が判定値以上の値であるので、エンジン発電機の電力指令値に小さな値を選定すれば、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを多く使用するようにでき、エンジン発電機が供給するエネルギー量を軽減できる。

制御方法７は、図３と同様の制御ブロック図において、エンジン発電機の電力指令値のみを変更して実施する。
制御方法６ではエンジン発電機の出力電力が指令値を超えないように電力値を一定に制御して、エンジン発電機が供給するエネルギー量を軽減させることができる。制御方法７では、走行動作はどれくらい続くのか判断できず、蓄電装置の電圧が判定値以上ではない。そのため、蓄電装置に蓄えられたエネルギーは十分でないとし、前記エンジン発電機の電力指令値に制御方法６で選定した値よりも大きな値を選定して、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを僅かだけ使用するようにすると、エンジン発電機が供給するエネルギー量を軽減できる。

制御方法８は、図４と同様の制御ブロック図において、インバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧の指令値のみを変更して実施する。
本発明のようなハイブリッド設備を有していないクレーン装置では、走行機が回生状態になると、インバータ及び充放電装置の直流電圧は上昇して所定値以上になると、接続された制動ユニットが動作し、回生エネルギーを制動抵抗器で消費させる。走行動作においても、インバータ及び充放電装置の直流電圧が、制動ユニットが動作する電圧値以下になるようにその指令値を決定し、直流電圧部分から蓄電装置へ充放電装置を介してエネルギーを供給するようにすれば、走行機の回生動作によって生じる回生エネルギーを蓄電装置に蓄えることができる。

以上のようにして、走行中にクレーンの状態に応じて制御方法を切替えてクレーンの状態に適した制御方法を自動的に採用するので、蓄電装置の蓄電量が多い場合には制御方法６が選択され、走行時に多くのエネルギーを蓄電装置から供給する。蓄電装置に蓄えられたエネルギーが少ない場合には制御方法７が選択され、走行時に小容量化されたエンジン発電機のみでは供給できないエネルギー分を蓄電装置から供給し、走行時に回生動作となる場合には制御方法８が選択され、蓄電装置に回生エネルギーを蓄電することができる。
このように、エンジン発電機が小容量であっても、エンジン発電機と蓄電装置の電力供給状態をハイブリッド制御することで、操作性においても従来通りの走行操作ができるのである。

図７はエンジン発電機駆動型港湾荷役クレーン装置でのクレーン非動作中に制御方法を切替える処理手順を示すフローチャートである。これらの処理はクレーンコントローラ４０で行われる。
はじめにステップ１４でクレーンが非動作かどうか判断してクレーンが非動作の場合に次のステップに進む。ステップ１５では、設置されるスイッチ（ハイブリッド操作器具５１のスイッチ）により充放電が自動的に行われるかどうか選択し、充放電が自動的に行われるように選択されている場合に次のステップへ進む。ステップ１６で蓄電装置の電圧が判定値以上かどうか判断し、蓄電装置の電圧が判定値以上でない場合に制御方法９を選択する。ステップ１５で充放電が自動的に行われるように選択されていない場合に次のステップへ進む。ステップ１７では、設置されるスイッチ（ハイブリッド操作器具５１のスイッチ）により手動で充電が行われるように選択されているかどうか選択し、手動で充電が行われるように選択されている場合に制御方法１０を選択する。ステップ１７で手動で充電が行われるように選択されていない場合に次のステップへ進む。ステップ１８では、設置されるスイッチ（ハイブリッド操作器具５１のスイッチ）により手動で放電が行われるように選択されているかどうか選択し、手動で放電が行われるように選択されている場合に制御方法１１を選択する。また、ステップ１６で蓄電装置の電圧が判定値以上である場合、もしくはステップ１８で手動で放電が行われるように選択されていない場合にはどの制御方法も選択しない。
ステップ１６における蓄電装置の充電電圧の判定値は数式１０により演算することができる。

制御方法９は、図３と同様の制御ブロック図において、エンジン発電機の電力指令値のみを変更して実施する。
本発明によると、クレーンが待機中に次回の巻上動作運転ができるように事前に考慮されていなければならない。蓄電装置の蓄電電圧が判定値以下であり、蓄電装置に蓄えられている蓄電エネルギーが十分でない場合、エンジン発電機が発電したエネルギーを蓄電装置へ充電する必要が有る。エンジン発電機が出力可能な任意の指令値で動作させ、充放電装置を介して蓄電装置へ充電するようにする。エンジン発電機の指令値はエンジン発電機の出力可能な範囲内に設定すれば、エネルギーは充放電装置を介して蓄電装置へ充電される。エンジン発電機の指令値を大きくするほど、蓄電装置への急速な充電が可能となる。

制御方法１０は、充放電装置の電流を直接制御することで蓄電装置へ充電する。
本発明によるとクレーンが待機中に蓄電装置に流れる電流を一定に制御することで、数式１１の関係から蓄電装置の静電容量を算出することができる。

ここで、Ｃｓｃは静電容量、ｉは蓄電装置に流す電流値、ｖは蓄電装置に流した電流値により上昇した電圧値を示す。
この場合の電流指令値は充放電装置の許容電流値内であれば任意に設定することができる。

制御方法１１は、図４と同様の制御ブロック図において、インバータ及び充放電装置の入力部の直流電圧の指令値のみを変更して実施する。
本発明によるとクレーンが待機中に蓄電装置の蓄電エネルギーを放出したい場合に、インバータ及び充放電装置の直流電圧の指令値を前記制動ユニットが動作する電圧値以上に設定する。これにより、エネルギーを制動抵抗器で消費させ、インバータ及び充放電装置の直流電圧を前記指令値になるように、蓄電装置から充放電装置を介して放電させ、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを放出する。

このように、クレーンが非動作中にスイッチの選択状態に応じて制御方法を切替えて、エンジン発電機と蓄電装置をハイブリッド制御するので、制御方法９では待機中に次回の動作に必要なエネルギーを常に蓄電装置へ蓄電しておくことができ、制御方法１０では定電流で充電することにより、経年変化により低下する蓄電装置（電気二重層コンデンサ）の静電容量を演算することができ、制御方法１１ではメンテナンスなど緊急で蓄電装置に蓄えられたエネルギーを放出したい場合に速やかにエネルギーを放出することができる。

本発明は、電動機の回生動作によりエネルギーの回生が生じ得るすべての電動機駆動用のインバータ制御装置とその運転方法に適用可能である。

１ エンジン発電機
５ 整流器
１０ 巻上機用インバータ
１１ 走行機用インバータ
１２ 横行機用インバータ
１５ 制動ユニット
１８ 充放電装置
２０ 巻上機用モータ
２１ 走行機用モータ
２２ 横行機用モータ
２５ 制動抵抗器
２８ 蓄電装置
３０ 巻上機
３１ 走行機
３２ 横行機
４０ クレーンコントローラ
４８ 充放電装置コントローラ
５０ クレーン操作器具
５１ ハイブリッド操作器具
６０ 電力検出器
１０５ エンジン
１０６ 発電機
１０７ バッテリー
１０８ 走行用電動機
１０９ トランスミッション
１１０ 車輪（左前、右前）
１１１ 車輪（左後、右後）
１１２ アクスル
１１３ アクスル
１１４ ブーム起状シリンダ
１１５ ブーム伸縮シリンダ
１１６ ブーム用電動機
１１７ ブーム用油圧ポンプ
１１８ 旋回用電動機
１１９ 減速機
１２０ 三巻ウインチ用電動機
１２１ 補巻ウインチ用電動機
１２２ 減速機
１２３ 減速機
１２４ インバータ
１２４ａ クレーン操作器具
１２５ コントローラ
１２６ エンジンコントローラ
Ａ 上部旋回体（クレーン系）
Ｂ 下部走行体（走行系）

Claims (4)

1. 電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、を備え、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えて動作するクレーン装置の制御方法において、
   前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、
   前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、
   巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定する第４の制御方法に切替え、
   上記以外の巻下動作中の条件では、
   前記充放電装置の直流電圧指令を前記制動ユニットが動作する直流電圧以下、かつ、前記巻上機用モータが停止している状態での前記直流電圧よりも大きな値に決定し、前記直流電圧指令と前記検出した直流電圧が一致するように制御して前記蓄電装置の電流指令を決定する第５の制御方法に切替え、
   前記各制御方法で決定した前記蓄電装置の電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするクレーン装置の制御方法。
2. 電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えるクレーンコントローラを備えたクレーン装置において、
   前記クレーンコントローラは、
   前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、
   前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、
   巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定する第４の制御方法に切替え、
   上記以外の巻下動作中の条件では、
   前記充放電装置の直流電圧指令を前記制動ユニットが動作する直流電圧以下、かつ前記巻上機用モータが停止している状態での前記直流電圧よりも大きな値に決定し、前記直流電圧指令と前記検出した直流電圧が一致するように制御して前記蓄電装置の電流指令を決定する第５の制御方法に切替え、
   前記各制御方法で決定した前記蓄電装置の電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするクレーン装置。
3. 電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、を備え、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えて動作するクレーン装置の制御方法において、
   前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、
   前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、
   巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定し、
   該電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするクレーン装置の制御方法。
4. 電力を発生させるエンジン発電機と、蓄電装置の充放電を制御する充放電装置と、吊荷を巻上げまたは巻下げる巻上機用モータと、前記巻上機用モータを駆動するインバータと、前記エンジン発電機の出力電力を検出する手段と、前記インバータ及び前記充放電装置の入力部の直流電圧を検出する手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する手段と、前記吊荷の高さを検出する手段と、前記吊荷の重量を検出する手段と、前記直流電圧が所定値以上になると前記蓄電装置の充電エネルギーを放電する制動ユニットと、所定の複数の条件下でそれぞれ異なる制御方法に切替えるクレーンコントローラを備えたクレーン装置において、
   前記クレーンコントローラは、
   前記吊荷の高さ及び重量を用いて演算した、次回巻上動作時に前記吊荷を最大高さまで巻上げるのに必要なエネルギーＥ_ｒｅｑ、前記エンジン発電機の最大出力電力Ｐ _{ｇｅｎ＿ｒｅｆ＿ｍａｘ} 及び前記吊荷の巻上げに要する時間ｔ _{ｈｏｉｓｔ} を用いて演算した、次回巻上動作の際における前記エンジン発電機が供給可能なエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ＥＧ} 、及び次回巻上動作の際における前記蓄電装置が前記インバータに供給できるエネルギーＥ_{ａｖａｉｌ＿ｓｃ}を用いて、前記蓄電装置の電圧が次回巻上動作時のための蓄電エネルギーとして十分であるかの判定値を演算し、
   前記吊荷の巻下動作一定速中、かつ前記蓄電装置の電圧が前記判定値よりも小さい条件では、
   巻下動作により供給される回生エネルギーでは不足する分のエネルギーを前記エンジン発電機から前記蓄電装置に充電するように前記蓄電装置の電流指令を決定し、
   該電流指令を用いて、前記インバータの出力電力を前記エンジン発電機と前記蓄電装置とで制御することを特徴とするクレーン装置。
   

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