JP5938341B2

JP5938341B2 - 電動式建設機械

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Publication number: JP5938341B2
Application number: JP2012275866A
Authority: JP
Inventors: 哲弘土井; 秀之濱野; 健昇藤田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2016-06-22
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Description

本発明は、電力を駆動源とした電動式油圧ショベルなどの電動式建設機械に関する。

近年、建設機械の作業現場において、省エネや耐環境性向上の要求が高まりつつある。それに呼応するため、建機メーカではエンジンの代わりに電動モータを搭載し、油圧システムを駆動する電動式建設機械を提供している。

電動式建設機械の従来技術として特許文献１に示される技術がある。この特許文献１には電動式建設機械の一例として電動式油圧ショベルが開示されている。電動式油圧ショベルは車体外部に設置した配電盤等からの商用電源を、ケーブルを介して電動モータに供給し駆動する。そのため、車体から排気ガスは排出されず、更に低騒音で耐環境性に優れている。

電動式油圧ショベルの用途はケーブルの長さが有限であり、移動範囲に制限があるため、スクラップ業や産廃業など定置状態で作業する現場が主であるが、少ない頻度で作業現場内の移動を行う場合がある。電動式油圧ショベルの移動を示す従来技術として、特許文献２に示される技術がある。この特許文献２には電動式油圧ショベルへの外部電源の一例として、バッテリを電源車に備え、電動式油圧ショベルの移動を可能にした技術が開示されている。

電動式油圧ショベルでは交流電力により駆動する電動モータを搭載しているケースが一般的である。そのため、この電源車にはバッテリの直流電力を交流電力に変換する交流変換器、即ちインバータが搭載されている。

電動モータの回転数は交流電力の周波数と略比例関係にある。インバータは電動モータの回転数制御にＶ／Ｆ制御という方式を古くから用いている。このＶ／ＦとはＶｏｌｔａｇｅ／Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙの略で、電圧と交流電力の周波数の比を一定にする制御である。これによって、電動モータへの弱励磁や過励磁を抑え、トルク不足や効率などの低下を防ぐ。

このインバータによって変換された交流電力を電動モータに供給し、電動モータはカップリングなどによりその回転軸に結合した油圧ポンプに駆動力を与え、油圧ポンプは車体の走行装置へ圧油を供給して走行が可能になる。またバッテリを搭載した電源車は電動式油圧ショベルに牽引装置を介して牽引することで、電動式油圧ショベルとバッテリは一緒に移動することが可能になる。

電動式油圧ショベルには電動モータの始動を制御する制御装置を備えている。この制御装置を示す従来技術として、特許文献３に示す技術がある。この特許文献３には制御装置の一例としてスターデルタ始動装置が開示されている。スターデルタ始動装置は複数の電磁式開閉器とタイマで構成され、始動時に電動モータの巻き線を電磁式開閉器によりスター結線にし、タイマでは回転速度がある程度まで増加する時間が設定され、設定時間到達後、タイマが電磁式開閉器を作動させ、デルタ結線に切り替えるものである。

デルタ結線はスター結線に比べインピーダンスが低く、回転時に電流を多く流せるため、トルクを大きく取れるメリットがある。インピーダンスは電動モータの回転数が増加するに伴い、その値が増大するため、電動モータの始動初期のインピーダンスは低い。これにより、商用電源の２００Ｖ程度の電圧が掛かると瞬間的に１０００Ａ程度の大電流が流れてしまう。スター結線のインピーダンスはデルタ結線のインピーダンスに比べ３倍であるため、始動時にスター結線にすることで大電流が流れることを抑制する。

なお、インバータは前述した通り、Ｖ／Ｆ制御を用いて電動モータの回転数制御を行っており、始動時に０回転数付近から目標の回転数へ増加させる際に交流電力の周波数を増加させていくが、前述した電圧と交流電力の周波数は比例関係を維持するように制御を行うため、０回転数付近での電圧は商用電源と比べると低くなり、大電流が流れることを抑制している。

前述した特許文献３に示される従来技術では、スター結線からデルタ結線に切り替わる際に、電磁式開閉器のスイッチング動作によりサージ電圧が発生し、電動モータの全負荷電流の２０倍以上の過電流が瞬間的に流れてしまう。

前述した特許文献２に示される技術である、電源車に搭載したインバータからの交流電力で電動モータを始動する場合、スター結線からデルタ結線への切替え時に発生するサージ電圧により、インバータに過電流が流れてしまう。インバータに過電流保護装置が備えてある場合はインバータが停止し、電動モータも停止してしまう。また電動モータの始動が繰り返し行われる場合は、インバータ自体が破損する虞もある。

前述したサージ電圧を抑制する従来技術として特許文献４に示す技術がある。この特許文献４には抑制技術の一例として、リアクトルを開示している。このリアクトルはインダクタンス特性により、急激な電流変化、即ち過電流を抑制する機能を有する。このリアクトルはインバータを過電流から保護するため、特許文献２に示される電源車への利用も考えられる。

特開２０１１−８９３６４号公報特開２００８−６９５１６号公報特開２０１２−１０２５２４号公報特開２０１１−１９３７１４号公報

前述した特許文献２に示される電源車に前述した特許文献４に示されるリアクトルを利用した場合、電動式建設機械、または電源車のどちらにも搭載できるが、電動式建設機械の電力仕様に適した容量では体積的に大きくなり、設置スペース上の制約が生じる。またこのリアクトルは高価であり、電動式建設機械、または電源車に搭載した場合の設備費用が高価になる問題もある。

本発明は、前述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、電動モータの電源として商用電源と電源車との併用において、電源車を電源として接続した場合、リアクトルを用いることなく、電動モータの始動に伴ってスターデルタ結線回路で発生する過電流を抑制できる電動式建設機械を提供することにある。

この目的を達成するための本発明は、商用電源にケーブルを介して接続可能であるとともに、バッテリと、前記バッテリに接続されるインバータとを備えた電源車にケーブルを介して接続可能であり、走行体と、前記走行体上に備えられた旋回体と、前記旋回体に備えられた作業装置と、前記走行体、前記旋回体、前記作業装置の各々の駆動源を形成し、前記商用電源、または前記電源車の前記バッテリの電力が供給される電動モータと、前記電動モータの駆動を制御するスターデルタ結線回路および前記スターデルタ結線回路の切替えを指示する回路切替え部を有する制御装置と、前記商用電源のケーブル、または前記電源車のケーブルと前記制御装置とを接続する接続部とを備えた電動式建設機械において、前記制御装置は、前記商用電源のケーブル、または前記電源車のケーブルのどちらかが前記接続部に接続されたことを判別する電源判別部と、前記電源判別部からの信号に応じて前記回路切替え部を制御する回路切替え制御部とを有し、前記回路切替え制御部は、前記商用電源のケーブルが前記接続部に接続されたと前記電源判別部で判別されたとき、前記電動モータ始動時に、前記スターデルタ結線回路がスター結線回路となるように前記回路切替え部を制御し、前記回路切替え制御部は、前記電源車のケーブルが前記接続部に接続されたと前記電源判別部で判別されたとき、前記電動モータ始動時に、前記スターデルタ結線回路がデルタ結線回路となるように、前記回路切替え部を制御するとともに、前記電動モータが駆動を継続する間、前記デルタ結線回路を維持するように前記回路切替え部を制御し、前記制御装置は、前記電源判別部において、前記電源車のケーブルが前記接続部に接続されたと判別されたとき、前記スターデルタ結線回路が前記デルタ結線回路になった後に、前記電源車の前記バッテリから電力を供給するように前記インバータを制御する処理を行うためのタイマを有することを特徴としている。

このように構成された本発明は、例えば商用電源のケーブルが接続部に接続された場合、制御装置の電源判別部は商用電源に接続されたと判別し、回路切替え制御部は電動モータ始動時に電源判別部からの信号に応じて、スターデルタ結線回路をスター結線回路に切替えるように回路切替え部を制御する。その後、回路切替え制御部は前述した特許文献３に示されるように、電動モータが始動してから所定時間後に、スターデルタ結線をデルタ結線回路に切替える。スター結線回路からデルタ結線回路に切替えられた際に、過電流が発生しても、インバータを使用していないので、前述した電動モータの停止やインバータ自体の破損といった問題はない。

またこのように構成された本発明は、例えば電源車のケーブルが接続部に接続された場合、電源判別部は電源車に接続されたと判別し、回路切替え制御部は電動モータ始動時に電源判別部からの信号に応じて、デルタ結線回路に切替えるように回路切替え部を制御する。その後、回路切替え制御部は電動モータが駆動している間、デルタ結線回路を維持するように、回路切替え部を制御する。したがって、電源車を電源として接続した場合、デルタ結線回路が継続維持され、スター結線回路からデルタ結線回路に切替わるということがないため、スター結線回路からデルタ結線回路への切替え時の過電流を生じることがない。即ち、本発明は、リアクトルを用いることなく、電動モータの始動に伴ってスターデルタ結線回路で発生する過電流を抑制できる。

また、このように構成された本発明によれば、電源車のバッテリから電力が供給される前に、スターデルタ結線回路をデルタ結線回路に切替えることができるため、デルタ結線回路の電磁式開閉器のスイッチング動作によるサージ電圧を発生させることなく、インバータに対し過電流を抑制できる。

本発明は、電源車のケーブルが建設機械の接続部に接続された際に、電動モータ始動時、および電動モータの駆動が継続している間、制御装置はスターデルタ結線回路のデルタ結線回路のみ有効にしている。即ち本発明は、電動モータの電源として商用電源と電源車との併用において、電源車を電源として接続した場合、リアクトルを用いることなく、電動モータの始動に伴ってスターデルタ結線回路で発生する過電流を抑制できる。その結果、リアクトルを用いないので設備費用を安価に抑えることができ、また設置スペースを有効に利用、例えば他の機器の設置スペースに充てることが可能となる。

本発明に係る電動式建設機械の一実施形態を構成する電動式油圧ショベルを示す図で、電力供給系統を除いた斜視図である。図１に示す電動式油圧ショベルを電源車と接続した場合の側面図である。図１に示す電動式油圧ショベルに備えられる運転室内機器、制御盤内機器、電動モータと、商用電源との電気的接続関係を示した図である。図１に示す電動式油圧ショベルに備えられる運転室内機器、制御盤内機器、電動モータと、図２に示す電源車に備えられるバッテリ、インバータとの電気的接続関係を示した図である。

以下、本発明に係る電動式建設機械の実施形態を図に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る電動式建設機械の一実施形態を構成する電動式油圧ショベルを示す図で、電力供給系統を除いた斜視図である。

図１に示すように、一実施形態に係る電動式油圧ショベル１は、履帯を有し、前後、左右の移動を行う走行体２を備えている。走行体２の上には旋回体３を設けている。旋回体３は図示していないが走行体２との間に介在するベアリング機構により走行体２に対し旋回可能となっている。また旋回体３には前部に作業装置４、後部にカウンタウェイト９、左前部に運転室５、右中間部に制御装置２１を内部に備えた制御盤２０を設けている。前述した走行体２と旋回体３とにより電動式油圧ショベル１の車体が構成されている。

カウンタウェイト９の前部にはモータ室６を配置している。このモータ室６の内部には３相交流電力で駆動する電動モータ７と、この電動モータ７より駆動力を伝達され、作業装置４に圧油を供給する油圧ポンプ８とを配置してある。また、この油圧ポンプ８の取り付け側に対して反対側に位置する電動モータ７の部分、すなわち電動モータ７の回転軸には冷却ファン１０を配置し、冷却ファン１０の正面位置には、油圧ポンプ６からの圧油を通過空気との熱交換で冷却するオイルクーラ１１が備えられている。

図２は、図１に示す電動式油圧ショベル１を電源車５０と接続した場合の側面図を示している。

電動式油圧ショベル１の後方に電源車５０が位置する。電源車５０は設置台５３とタイヤと図示しない車軸等からなる走行体５４を備えている。電源車５０は牽引装置５５を電動式油圧ショベル１との間に備えている。電動式油圧ショベル１は、電源車５０に備えられたバッテリ５２の電力を供給されることで、電源車５０を牽引しながら移動を可能としている。

設置台５３の上には、バッテリ５２と、インバータ５１が備えられている。バッテリ５２とインバータ５１との間はケーブル５６で接続されており、ケーブル５６を通してバッテリ５２の直流電力をインバータ５１に供給する。ケーブル５６にはバッテリ５２に備えられた図示しない端子台と、インバータ５１に備えられた図示しない端子台とに接続可能な図示しない端子が両端に備えられている。インバータ５１は図示しない内部に備えられたトランジスタで構成されたスィッチング回路を用いて、バッテリ５２の直流電力を３相交流電力に変換し、前述した電動モータ７へ電力を供給している。

インバータ５１から供給された電力はケーブル３０を介して、電動式油圧ショベル１に供給される。ケーブル３０は電動式油圧ショベル１の旋回体３上にあるケーブルスタンド１２にガイドされ、接続部、即ちコネクタ１３に接続される。ケーブル３０は３相交流電力を供給できるように、ケーブル内に１本の配線からなる単線を複数包含した構成となっている。ケーブル３０にはインバータ５１の図示しない端子台に接続可能な図示しない端子が一端に、コネクタ１３に接続可能な後述するコネクタ６２が他端に、各々備えられている。

またインバータ５１と電動式油圧ショベル１との間ではケーブル３１を介して、インバータ５１を始動停止させる信号の通信を行う。ケーブル３０と同様、ケーブル３１も電動式油圧ショベル１の旋回体３上にあるケーブルスタンド１２にガイドされ、後述するコネクタ６０に接続される。ケーブル３１は複数の信号を通信できるように、ケーブル内に単線を複数包含した構成となっている。ケーブル３１にはインバータ５１の図示しない端子台に接続可能な図示しない端子が一端に、後述するコネクタ６０に接続可能な後述するコネクタ６１が他端に、各々備えられている。

本実施形態にかかる電動式油圧ショベル１は後述するように、商用電源１００と電源車５０とを選択的に接続できる構成となっている。

図３は、図１に示す電動式油圧ショベル１に備えられる運転室５内機器、制御盤２０内機器、電動モータ７と、商用電源１００との電気的接続関係を示した図であり、図４は、図１に示す電動式油圧ショベル１に備えられる運転室５内機器、制御盤２０内機器、電動モータ７と、図２に示す電源車５０に備えられるバッテリ５２、インバータ５１との電気的接続関係を示した図である。

電動式油圧ショベル１の始動停止は運転室５内に備えた車体キー４０をオペレータが操作し行われる。車体キー４０からは、制御装置２１などの制御系を起動させるスタンバイ信号と、電動モータ７と全て制御系の通電を停止させる停止信号とを信号線３３を介して、電動モータ７の始動を指示するスタート信号を、信号線３６を介して各々出力する。

信号線３３は、単線３３ａ、および３３ｂを包含した構成となっている。単線３３ａは、スタンバイ信号、停止信号を出力する車体キー４０と、前述した制御盤２０内に備えられた制御装置２１、および制御装置２１に設けられた電源判別部２１ａと、コネクタ６０とを接続している。また、単線３３ｂは、制御装置２１の電源判別部２１ａから出力されるインバータ起動信号を通信し、コネクタ６０に接続している。

上述した電源判別部２１ａは、商用電源１００のケーブル１０１、もしくは前述した電源車５０のケーブル３０のどちらかが、コネクタ１３に接続されたことを判別する。

電動式油圧ショベル１に備えられたコネクタ１３は、図３に示す商用電源１００からのケーブル１０１に備えられたコネクタ１０２、もしくは図４に示す電源車５０からのケーブル３０に備えられたコネクタ６２、とのいずれか一方と接続可能となっており、図３、図４では各々接続した様子を示している。

図３に示す商用電源１００は、電動モータ７を駆動するに十分な電力容量を備えた３相交流電力で例えば５０Ｈｚ、もしくは６０Ｈｚの周波数を有する。

図３に示すコネクタ１０２は、商用電源１００から電力を供給するケーブル１０１の他、コネクタ内信号線１０２ａを接続している。

また、図４に示す電源車５０のバッテリ５２は、電動モータ７を駆動するに十分な電力容量を備えた直流電力で前述したインバータ５１により３相交流電力に変換され、変換された３相交流電力は任意に交流周波数を設定でき、電動モータ７を所定の回転数に制御できる。

図４に示すコネクタ６２は、電源車５０のバッテリ５２から電力を供給するケーブル３０のみを接続している。

電源車５０のインバータ５１からはケーブル３１がコネクタ６１に接続されており、ケーブル３１は、単線３１ａと３１ｂを包含した構成となっている。

電動式油圧ショベル１に備えられたコネクタ６０は、電源車５０のインバータ５１と始動停止信号の通信を行うためのもので、電源車５０のインバータ５１からのケーブル３１に備えられたコネクタ６１と接続し、通信を行う。

コネクタ６０とコネクタ６１を接続すると、コネクタ６０に接続された信号線３３の単信号線３３ａが、コネクタ６１に接続されたケーブル３１の単線３１ａが導通し、コネクタ６０に接続された信号線３３の単信号線３３ａが、コネクタ６１に接続されたケーブル３１の単線３１ｂが導通する。

コネクタ１３は、図３に示す商用電源１００からの電力、もしくは図４に示す電源車５０のバッテリ５２からの電力を、後述する制御盤２０に備えられた制御装置２１のスターデルタ結線回路２１ｄに供給する電力線３４と、制御装置２１の電源判別部２１ａに他端を接続している信号線３２とを接続している。

信号線３２は、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１との接続、もしくは図４に示す電源車５０のケーブル３０との接続、を識別する接続識別信号を、電源判別部２１ａに入力するために備えられ、単線３２ａ、および３２ｂを包含した構成となっている。

前述した制御盤２０に備えられた制御装置２１は、前述した電源判別部２１ａと、電動モータ７の駆動を制御するスターデルタ結線回路２１ｄと、スターデルタ結線回路２１ｄの切替えを指示する回路切替え部２１ｃと、電源判別部２１ａからの信号に応じて、回路切替え部２１ｃを制御する回路切替え制御部２１ｂと、タイマ２１ｅと、およびタイマ２１ｆとを有する。

回路切替え制御部２１ｂは、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が、コネクタ１３に接続されたと電源判別部２１ａで判別されたとき、電動モータ７始動時に、スターデルタ結線回路２１ｄがスター結線回路となるように、回路切替え部２１ｃを制御する。

また、回路切替え制御部２１ｂは、図４に示す電源車５０のケーブル３０が、コネクタ１３に接続されたと電源判別部２１ａで判別されたとき、電動モータ７始動時に、スターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路となるように、回路切替え部２１ｃを制御するとともに、電動モータ７が駆動を継続する間、デルタ結線回路を維持するように回路切替え部２１ｃを制御する。

さらに制御装置２１は、電源判別部２１ａにおいて、図４に示す電源車５０のケーブル３０が、コネクタ１３に接続されたと判別されたとき、スターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路になってから、電源車５０のバッテリ５２から電力を供給するようにインバータ５１を制御する処理を行う。

制御装置２１は、電動式油圧ショベル１に搭載された図示しないバッテリと、制御装置２１内の電源判別部２１ａ、回路切替え制御部２１ｂ、回路切替え部２１ｃ、スターデルタ結線回路２１ｄ、タイマ２１ｅ、およびタイマ２１ｆの各部を結ぶ図示しない電力線を有し、車体キー４０から出力されたスタンバイ信号が入力されると、その信号線に介在した図示しない電磁式開閉器がＯＮとなり、制御装置２１内の各部に、その電力線を介して電力が供給され、起動状態になる。

電源判別部２１ａは、車体キー４０から信号線３３を介してスタンバイ信号、停止信号と、信号線３２を介して図３に示す商用電源１００のケーブル１０１、もしくは図４に示す電源車５０のケーブル３０との接続を識別する接続識別信号とを、各々入力する。

さらに電源判別部２１ａは、車体キー４０からのスタンバイ信号と、接続識別信号とを用いて内部演算し、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１と、もしくは図４に示す電源車５０のケーブル３０との接続を判別した接続判別信号を、回路切替え制御部２１ｂへ出力する。

以下、電源判別部２１ａにおいて、車体キー４０からのスタンバイ信号と接続識別信号とを入力してから、内部演算を介して接続判別信号を出力するまでの判別構成を示す。

電源判別部２１ａ内にて、単線３２ａの一端は電源判別部２１ａの図示しない内部電源に予め接続され、車体キー４０からスタンバイ信号を入力することにより、内部電源が起動し、所定の電圧が単線３２ａに印加される。また電源判別部２１ａには、所定の抵抗値を有した抵抗により構成した図示しないプルダウン回路を有し、単線３２ｂの一端はその抵抗の一端と接続（他端はグランドに接続）されている。プルダウン回路で構成されているため、単線３２ｂの他端の電圧は、単線３２ｂの他端に電圧が印加されていなければ、グランド電圧、即ち０Ｖとなり、単線３２ｂの他端に電圧が印加されると、印加電圧となる。電源判別部２１ａはこの単線３２ｂの他端の電圧を接続識別信号として検出する。

電源判別部２１ａの内部演算の構成は、単線３２ａに印加された電圧と、接続識別信号である単線３２ｂの他端の電圧とを、比較する図示しない比較部と、その比較結果である接続判別信号を出力する図示しない出力部からなる。比較部で、単線３２ａに印加された電圧と、接続識別信号である単線３２ｂの電圧とを比較し、その結果が電圧差無となった場合は、電源判別部２１ａは図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が接続されていると判別し、電圧差有となった場合は、電源判別部２１ａは、図４に示す電源車５０のケーブル３０が接続されていると判別する。その判別結果を接続判別信号として、出力部から回路切替え制御部２１ｂへ出力する。

図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が接続されている際は、電動式油圧ショベル１のコネクタ１３に、コネクタ１０２が接続されている。コネクタ１０２にはコネクタ内信号線１０２ａが接続されており、このコネクタ内信号線１０２ａの一端と、コネクタ１３に接続された信号線３２の単線３２ａとが接続され、コネクタ内信号線１０２ａの他端と、単線３２ｂとが接続される。これにより、信号線３２の単線３２ａと３２ｂはコネクタ内信号線１０２ａを介し短絡する。

したがって、信号線３２の単線３２ａの印加電圧と、単線３２ｂの他端の電圧は等しく電圧差無となるため、電源判別部２１ａは、商用電源１００のケーブル１０１が接続されていると判別し、回路切替え制御部２１ｂに商用電源１００のケーブル１０１が接続されている接続判別信号を出力する。

図４に示す電源車５０のケーブル３０が接続されている際は、電動式油圧ショベル１のコネクタ１３に、コネクタ６２が接続されている。コネクタ６２には短絡させるケーブルが接続されていないため、信号線３２の単信号線３２ａと、３２ｂとが導通されない。

したがって、信号線３２の単信号線３２ａの印加電圧と、単信号線３２ｂの他端の電圧は異なり電圧差有となるため、電源判別部２１ａは、電源車５０のケーブル３０が接続されていると判別し、回路切替え制御部２１ｂに電源車５０のケーブル３０が接続されている接続判別信号を出力する。

また電源判別部２１ａは、タイマ２１ｆと通信を行っている。即ち、電源判別部２１ａは、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１に接続していると判別した際は、タイマ２１ｆに常時タイマカウントを実施させないタイマカウント無効信号を出力し、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続していると判別した際は、回路切替え制御部２１ｂに接続判別信号を出力すると同時に、タイマ２１ｆにタイマカウントを実施させるタイマカウント有効信号を出力する。

さらに電源判別部２１ａは、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続されていると判別した際、車体キー４０からのスタート信号を入力し、且つタイマ２１ｆからの、後述するカウント終了信号を入力した場合に限り、信号線３３の単信号線３３ｂを介して、電源車５０のインバータ５１にインバータ起動信号を出力する。

タイマ２１ｆは、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１に接続され、電源判別部２１ａからタイマカウント無効信号を入力した際は、タイマカウントを実施しない。

またタイマ２１ｆは、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続され、電源判別部２１ａからタイマカウント有効信号を入力した際は、時間をカウントし始め、タイマ２１ｆで予め設定された所定時間経過後に、電源判別部２１ａにカウント終了信号を出力する。

なお、タイマ２１ｆで予め設定された所定時間は、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続されている際、電源判別部２１ａが回路切替え制御部２１ｂに接続判別信号を出力してから、スターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路に切替わるまでの間、電動モータ７へ電源車５０のバッテリ５２の電力をインバータ５１から供給不可とし、スターデルタ結線回路２１ｄの後述する電磁式開閉器のスイッチング動作によるサージ電圧の発生と、インバータ５１に対する過電流を抑制するために設けている。

即ち、タイマ２１ｆで予め設定された所定時間は、図４に示す電源車５０のケーブル３０が接続されている際、電源判別部２１ａが回路切替え制御部２１ｂに接続判別信号を出力してから、スターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路に切替わるまでの時間を基準時間としている。基準時間は計算による算出、もしくは実測から得られる。タイマ２１ｆの所定時間を設定する際は、基準時間より少し長めに余裕をもって設定してもよい。タイマ２１ｆの所定時間はタイマ２１ｆに備えられている図示しない設定装置を用いて、電動式油圧ショベル１のメーカ等が予め設定できるように構成するのが望ましい。

回路切替え制御部２１ｂは、電源判別部２１ａからの接続判別信号を入力し、その接続判別信号に応じて、回路切替え部２１ｃにスター結線回路を指示するスター結線回路指示信号、もしくはデルタ結線回路を指示するデルタ結線回路指示信号を出力する。

回路切替え制御部２１ｂは、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１に接続されている際は、電源判別部２１ａから商用電源１００のケーブル１０１が接続されている接続判別信号を入力するため、回路切替え部２１ｃにスター結線回路を指示するスター結線回路指示信号を出力し、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続されている際は、電源判別部２１ａから電源車５０のケーブル３０が接続されている接続判別信号を入力するため、回路切替え部２１ｃにデルタ結線回路を指示するデルタ結線回路指示信号を出力する。

また回路切替え制御部２１ｂは、前述した車体キー４０から、信号線３６を介してスタート信号を入力することにより、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１に接続され、電源判別部２１ａから商用電源１００のケーブル１０１に接続されている接続判別信号を入力した際は、タイマ２１ｅへタイマ２１ｅを作動させるタイマ機能有効信号を出力し、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続され、電源判別部２１ａから電源車５０のケーブル３０に接続されている接続判別信号を入力した際は、タイマ２１ｅへ常時タイマ２１ｅを作動させないタイマ機能無効信号を出力する。

回路切替え部２１ｃは、回路切替え制御部２１ｂから出力されたスター結線回路指示信号、もしくはデルタ結線回路指示信号を入力し、その各指示信号に応じて、スターデルタ結線回路２１ｄをスター結線回路に切替え操作するスター結線回路切替え信号、もしくはスターデルタ結線回路２１ｄをデルタ結線回路に切替え操作するデルタ結線回路切替え信号を、スターデルタ結線回路２１ｄに出力する。

図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が接続されている際は、回路切替え部２１ｃは、回路切替え制御部２１ｂからスター結線回路を指示するスター結線回路指示信号を入力するため、スターデルタ結線回路２１ｄにスター結線回路に切替え操作するスター結線回路切替え信号を出力し、図４に示す電源車５０のケーブル３０が接続されている際は、回路切替え部２１ｃは、回路切替え制御部２１ｂからデルタ結線回路を指示するデルタ結線回路指示信号を入力するため、スターデルタ結線回路２１ｄにデルタ結線回路に切替え操作するデルタ結線回路切替え信号を出力する。

スターデルタ結線回路２１ｄは図示しないが複数の電磁式開閉器を備え、スター結線回路を構成する電磁式開閉器と、デルタ結線回路を構成する電磁式開閉器から構成される。この電磁式開閉器は、回路切替え部２１ｃからスター結線回路切替え信号を入力することにより、スター結線回路に切替わり、デルタ結線回路切替え信号を入力することにより、デルタ結線回路に切替わり、電力線３５を介して電動モータ７に駆動電力を供給する。

図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が接続された際は、スターデルタ結線回路２１ｄは、回路切替え部２１ｃからスター結線回路切替え信号を入力するため、スター結線回路に切替わり、図４に示す電源車５０のケーブル３０に接続された際は、スターデルタ結線回路２１ｄは、回路切替え部２１ｃからデルタ結線回路切替え信号を入力するため、デルタ結線回路に切替わる。

タイマ２１ｅは、回路切替え制御部２１ｂからの前述したタイマ機能有効信号、もしくは前述したタイマ機能無効信号を入力する。

タイマ２１ｅは、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が接続され、回路切替え制御部２１ｂから、タイマ機能有効信号を入力した場合は、回路切替え部２１ｃがスターデルタ結線回路２１ｄに出力したスター結線回路切替え信号から、タイマ２１ｅで予め設定された所定時間後に、デルタ結線回路切替え信号に切替える回路切替え信号を、回路切替え部２１ｃに出力する。

タイマ２１ｅで予め設定された所定時間は、図３に示す商用電源１００のケーブル１０１が接続されている際、電動モータ７がインピーダンスの低い０回転数付近でスター結線回路からデルタ結線回路に変わることを禁止し、過電流を抑制するとともに、電動モータ７が所定回転数到達後にインピーダンスの低いデルタ結線回路に切替えるために設定している。

タイマ２１ｅで予め設定された所定時間は、電動式油圧ショベル１が作業するに適した電動モータ７の０回転数からこの所定回転数に到達するまでの時間を基準時間としている。基準時間は計算による算出、もしくは実測から得られる。タイマ２１ｅの所定時間を設定する際は、基準時間より少し長めに余裕をもって設定してもよい。タイマ２１ｅの所定時間はタイマ２１ｅに備えられている図示しない設定装置を用いて、電動式油圧ショベル１のメーカ等が予め設定できるように構成するのが望ましい。

なお、回路切替え部２１ｃは、タイマ２１ｅから前述した回路切替え信号を入力することにより、スターデルタ結線回路２１ｄに、デルタ結線回路切替え信号を出力するとともに、回路切替え制御部２１ｂと、回路切替え部２１ｃのスター結線回路指示信号の入力部との間を結ぶ信号線に介在する図示しない電磁式開閉器をＯＦＦする信号を、図示しない信号線を介して送信し、その電磁式開閉器をＯＦＦする。その結果、スター結線回路指示信号は回路切替え部２１ｃに対し、導通されず無効となる。

したがって回路切替え部２１ｃは、タイマ２１ｅから回路切替え信号を入力した後、スターデルタ結線回路２１ｄに、デルタ結線回路切替え信号を出力し、スターデルタ結線回路２１ｄはデルタ結線回路を構成し、さらに前述した車体キー４０から停止信号が出力されるまで、継続して維持される。

また、図４に示す電源車５０のケーブル３０が接続されている際は、タイマ２１ｅは、回路切替え制御部２１ｂから、前述したタイマ機能無効信号を入力するため、タイマ２１ｅは作動せず、したがってタイマ２１ｅは回路切替え部２１ｃに一切信号を出力せず、回路切替え部２１ｃは、スターデルタ結線回路２１ｄにデルタ結線回路切替え信号を継続的に出力する。

スターデルタ結線回路２１ｄは、回路切替え部２１ｃからデルタ結線回路切替え信号を継続的に入力するため、例えば車体キー４０がスタート信号を出力しても、それに関係なく、デルタ結線回路を継続して構成する。

次に本実施形態について、商用電源１００のケーブル１０１が接続された場合の動作を、図３を用いて説明する。

商用電源１００は、ケーブル１０１に備えられたコネクタ１０２が、電動式油圧ショベル１のコネクタ１３に接続され、電力が供給可能な状態となっている。

コネクタ１３とコネクタ１０２が接続することにより、商用電源１００の電力が制御盤２０の制御装置２１が有するスターデルタ結線回路２１ｄへ出力されるとともに、コネクタ１０２のコネクタ内信号線１０２ａが信号線３２ａ、３２ｂと接続する。

オペレータが運転室内５の車体キー４０を操作し、スタンバイ信号を出力すると、制御盤２０の制御装置２１は起動状態になり、制御装置２１が有する電源判別部２１ａは、車体キー４０から信号線３３を介してスタンバイ信号を入力する。

電源判別部２１ａは、車体キー４０からスタンバイ信号を入力することにより、信号線３２を介して商用電源１００のケーブル１０１との接続を識別するための接続識別信号を検出する。

本実施形態では、商用電源１００のケーブル１０１に備えられたコネクタ１０２とコネクタ１３が接続されていることから、信号線３２の単線３２ａと単線３２ｂはコネクタ１０２内のコネクタ内信号線１０２ａの両端部と接続されるため、短絡しており、単線３２ａの電圧と単線３２ｂの電圧は等しくなる。

したがって、電源判別部２１ａの比較部は単線３２ａと単線３２ｂとの間で、電圧差無とし、商用電源１００のケーブル１０１が接続されていると判別する。さらにこの判別結果を接続判別信号として回路切替え制御部２１ｂに出力する。

また電源判別部２１ａは、回路切替え制御部２１ｂに商用電源１００のケーブル１０１に接続されている接続判別信号を出力すると同時に、タイマ２１ｆに対し、タイマカウント無効信号を出力する。

これによりタイマ２１ｆは、商用電源１００のケーブル１０１が接続されている間は、タイマカウントを行わない。

回路切替え制御部２１ｂは、電源判別部２１ａから出力された商用電源１００のケーブル１０１が接続されていることを示す接続判別信号を入力することにより、電動モータ７始動時にスターデルタ結線回路２１ｄをスター結線回路とすると判断し、前述したスター結線回路指示信号を回路切替え部２１ｃに出力する。

回路切替え部２１ｃは、回路切替え制御部２１ｂからのスター結線回路指示信号を入力することにより、スターデルタ結線回路２１ｄにスター結線回路切替え信号を出力する。

スターデルタ結線回路２１ｄは、回路切替え部２１ｃからのスター結線回路切替え信号を入力することにより、スター結線回路を構成する電磁式開閉器がＯＮして、スター結線回路を構成する。

ここでオペレータが電動モータ７を始動させるため、前述した車体キー４０を操作し、スタート信号が出力されると、回路切替え制御部２１ｂは、車体キー４０から、信号線３６を介してスタート信号を入力し、タイマ２１ｅにタイマ機能有効信号を出力する。

タイマ２１ｅは回路切替え制御部２１ｂのタイマ機能有効信号を入力し、タイマ２１ｅで予め設定した所定時間後、回路切替え部２１ｃにデルタ結線回路に切替える回路切替え信号を出力する。

回路切替え部２１ｃは、タイマ２１ｅがタイマ機能有効信号を入力してから、タイマ２１ｅで予め設定された所定時間に到達するまでの間、スターデルタ結線回路２１ｄに、スター結線回路切替え信号を出力し、スターデルタ結線回路２１ｄは、タイマ２１ｅがタイマ機能有効信号を入力してから、タイマ２１ｅで予め設定された所定時間に到達するまでの間スター結線回路を構成する。

さらに回路切替え部２１ｃは、タイマ２１ｅで予め設定された所定時間に到達後、タイマ２１ｅから回路切替え信号を入力することにより、スターデルタ結線回路２１ｄに、デルタ結線回路切替え信号を出力するとともに、回路切替え制御部２１ｂから出力されたスター結線回路指示信号を、図示しない電磁式開閉器により遮断し、回路切替え部２１ｃに対し無効とする。

タイマ２１ｅからの回路切替え信号により、回路切替え制御部２１ｂからのスター結線回路指示信号が遮断され、その結果、回路切替え部２１ｃは、スターデルタ結線回路２１ｄにスター結線回路切替え信号を出力しない。それと同時にスターデルタ結線回路２１ｄにはデルタ結線回路切替え信号を出力する。さらにオペレータが車体キー４０を操作し、停止信号が出力されるまで、継続してデルタ結線回路切替え信号を出力し、スターデルタ結線回路２１ｄは継続してデルタ結線回路を構成する。

図３に示す本実施形態によれば、商用電源１００のケーブル１０１が接続された際、電動モータ７が０回転数から所定回転数に到達するまでの間、スターデルタ結線回路２１ｄは、スター結線回路を構成し、タイマ２１ｅによりタイマ２１ｅ所定時間経過後に、デルタ結線回路に切替えられる。この結果、電動モータ７のインピーダンスが低い０回転数付近では、デルタ結線回路より３倍インピーダンスが高いスター結線回路を構成するため、デルタ結線回路と比べ、大電流が抑制できる。

また、タイマ２１ｅが、タイマ２１ｅで予め設定された所定時間に到達した後は、スター結線回路からデルタ結線回路に切替わるため、スター結線回路に比べ、インピーダンスが１／３低くなり、電動モータ７への電流値が３倍に増加する。この結果、電動式油圧ショベル１が作業を行うに必要なトルクが得られる。

次に本実施形態について、電源車５０のケーブル３０が接続された場合の動作を、図４を用いて説明する。

電源車５０のケーブル３０に備えられたコネクタ６２が、電動式油圧ショベル１のコネクタ１３に接続され、電力が供給できる状態となっている。また電源車５０のインバータ５１のケーブル３１に備えられたコネクタ６１が、電動式油圧ショベル１のコネクタ６０に接続され、運転室５内の車体キー４０のスタンバイ信号、および停止信号や、制御装置２１の電源判別部２１ａからのインバータ起動信号を通信できる状態となっている。

コネクタ１３とコネクタ６２が接続されることにより、電源車５０のバッテリ５２の電力が制御盤２０の制御装置２１が有するスターデルタ結線回路２１ｄへ出力される。

電源判別部２１ａは、車体キー４０からのスタンバイ信号を入力することにより、信号線３２を介して電源車５０のケーブル３０との接続を識別するための接続識別信号を検出する。

本実施形態では、電源車５０のケーブル３０に備えられたコネクタ６２とコネクタ１３が接続されていることから、信号線３２の単線３２ａと単線３２ｂはコネクタ６２では短絡せず、単線３２ａの電圧と単線３２ｂの電圧は異なる。

したがって、電源判別部２１ａの比較部は単線３２ａと単線３２ｂとの間で、電圧差有とし、電源車５０のケーブル３０が接続されていると判別する。さらにこの判別結果を接続判別信号として回路切替え制御部２１ｂに出力する。

また電源判別部２１ａは、回路切替え制御部２１ｂに電源車５０のケーブル３０が接続されている接続判別信号を出力する。

回路切替え制御部２１ｂは、電源判別部２１ａから出力された、電源車５０のケーブル３０が接続されていることを示す接続判別信号を入力し、電動モータ７始動時にスターデルタ結線回路２１ｄをデルタ結線回路とすべく、前述したデルタ結線回路指示信号を回路切替え部２１ｃに出力する。

回路切替え部２１ｃは、回路切替え制御部２１ｂからのデルタ結線回路指示信号を入力することにより、スターデルタ結線回路２１ｄにデルタ結線回路切替え信号を出力する。

スターデルタ結線回路２１ｄは、回路切替え部２１ｃからのデルタ結線回路切替え信号を入力することにより、デルタ結線回路を構成する電磁式開閉器がＯＮして、デルタ結線回路を構成する。

ここでオペレータが電動モータ７を始動させるため、前述した車体キー４０を操作し、スタート信号が出力されると、回路切替え制御部２１ｂは、タイマ２１ｅにタイマ機能無効信号を出力する。

タイマ２１ｅは回路切替え制御部２１ｂのタイマ機能無効信号を入力し、回路切替え部２１ｃに出力しない。

これにより回路切替え部２１ｃは、スターデルタ結線回路２１ｄに対し、オペレータの操作により車体キー４０が停止信号を出力するまで、デルタ結線回路切替え信号を継続して出力する。

スターデルタ結線回路２１ｄは、回路切替え部２１ｃからのデルタ結線回路切替え信号を入力することにより、デルタ結線回路を構成する電磁式開閉器がＯＮして、デルタ結線回路を構成する。また、回路切替え部２１ｃが、オペレータの操作により車体キー４０が停止信号を出力するまで、継続してデルタ結線回路切替え信号を出力するにともない、継続してデルタ結線回路を構成する。

また、オペレータが電動モータ７を始動させるため、前述した車体キー４０を操作し、スタート信号が出力されると、電源判別部２１ａは、タイマ２１ｆに前述したタイマカウント有効信号を出力する。

電源判別部２１ａは、タイマ２１ｆで予め設定された所定時間経過後、タイマ２１ｆからカウント終了信号を入力することにより、スターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路に既に構成されていると判断し、電源車５０のインバータ５１に対し、インバータ起動信号を出力する。

電源車５０のインバータ５１は、電源判別部２１ａから出力されたインバータ起動信号を入力することにより起動し、例えば前述したＶ／Ｆ制御を行いながら、ケーブル３０を介して、電動モータ７へ電力を供給する。

図４で示す電源車５０のケーブル３０が接続された際、電源車５０のインバータ５１により、電動モータ７が０回転数から増速し、所定回転数に到達後も、スターデルタ結線回路２１ｄは、継続してデルタ結線回路を構成する。この結果、スター結線回路からデルタ結線回路に切替わらないため、スターデルタ結線回路２１ｄの電磁式開閉器のスイッチング動作によるサージ電圧が発生せず、インバータ５１に対する過電流を抑制できる。

また、タイマ２１ｆによりスターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路を構成してから、インバータ５１を起動するため、インバータ５１が電流の供給を始める際に、スターデルタ結線回路２１ｄは既にデルタ結線回路を構成しており、デルタ結線回路の電磁式開閉器のスイッチング動作によるサージ電圧が発生せず、インバータ５１に対する過電流を抑制できる。

このように構成された本実施形態により、電源車５０のケーブル３０がコネクタ１３に接続された際に、電動モータ７始動時、および電動モータ７の駆動が継続している間、制御装置２１はスターデルタ結線回路２１ｄのデルタ結線回路のみ有効にする。これにより、電動モータの電源として商用電源と電源車との併用において、電源車５０を電源として接続した場合、リアクトルを用いることなく、電動モータ７の始動に伴い、スターデルタ結線回路２１ｄで発生する過電流を抑制できる。その結果、リアクトルを用いないので設備費用を安価に抑えることができ、また設置スペースを有効に利用、例えば他の機器に充てることが可能となる。

さらに、電動モータ７を始動するため、オペレータが車体キー４０を操作し、スタート信号を出力した際、電源判別部２１ａは、スターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路に切替わってから、電源車５０のインバータ５１にインバータ起動信号を出力する。これによりスターデルタ結線回路２１ｄがデルタ結線回路に切替わる際は、電源車５０のインバータ５１から電力が供給されておらず、デルタ結線回路に切替わる際に発生する過電流を、リアクトルを用いずに抑制できる。

１電動式油圧ショベル
２走行体
３旋回体
４作業装置
７電動モータ
１３コネクタ（接続部）
２１制御装置
２１ａ電源判別部
２１ｂ回路切替え制御部
２１ｅタイマ
２１ｆタイマ
３０ケーブル
３１ケーブル
３１ａ単線
３１ｂ単線
３２信号線
３２ａ単線
３２ｂ単線
３３信号線
３３ａ単線
３３ｂ単線
３６信号線
４０車体キー
５０電源車
５１インバータ
６０コネクタ
６１コネクタ
６２コネクタ
６３コネクタ
１００商用電源
１０１ケーブル
１０２コネクタ
１０２ａコネクタ内信号線

Claims

商用電源にケーブルを介して接続可能であるとともに、
バッテリと、前記バッテリに接続されるインバータとを備えた電源車にケーブルを介して接続可能であり、
走行体と、前記走行体上に備えられた旋回体と、前記旋回体に備えられた作業装置と、前記走行体、前記旋回体、前記作業装置の各々の駆動源を形成し、前記商用電源、または前記電源車の前記バッテリの電力が供給される電動モータと、前記電動モータの駆動を制御するスターデルタ結線回路および前記スターデルタ結線回路の切替えを指示する回路切替え部を有する制御装置と、前記商用電源のケーブル、または前記電源車のケーブルと前記制御装置とを接続する接続部とを備えた電動式建設機械において、
前記制御装置は、前記商用電源のケーブル、または前記電源車のケーブルのどちらかが前記接続部に接続されたことを判別する電源判別部と、前記電源判別部からの信号に応じて前記回路切替え部を制御する回路切替え制御部とを有し、
前記回路切替え制御部は、前記商用電源のケーブルが前記接続部に接続されたと前記電源判別部で判別されたとき、前記電動モータ始動時に、前記スターデルタ結線回路がスター結線回路となるように前記回路切替え部を制御し、
前記回路切替え制御部は、前記電源車のケーブルが前記接続部に接続されたと前記電源判別部で判別されたとき、前記電動モータ始動時に、前記スターデルタ結線回路がデルタ結線回路となるように、前記回路切替え部を制御するとともに、前記電動モータが駆動を継続する間、前記デルタ結線回路を維持するように前記回路切替え部を制御し、
前記制御装置は、前記電源判別部において、前記電源車のケーブルが前記接続部に接続されたと判別されたとき、前記スターデルタ結線回路が前記デルタ結線回路になった後に、前記電源車の前記バッテリから電力を供給するように前記インバータを制御する処理を行うためのタイマを有することを特徴とする電動式建設機械。