JP6923337B2

JP6923337B2 - パワーコンポーネント

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Publication number: JP6923337B2
Application number: JP2017066915A
Authority: JP
Inventors: 英昭湯浅
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018170872A

Description

本発明は、パワーコンポーネントに関する。

図１は、パワーコンポーネント２００の回路図である。パワーコンポーネント２００は、整流回路２０２、電磁接触器２０４、ＤＣリンク２０６、平滑コンデンサ（ＤＣリンクコンデンサ）２０８、充電抵抗２１０、を備える。整流回路２０２の入力は三相交流電源と接続され、三相交流波形を全波整流する。整流回路２０２の出力は、電磁接触器２０４を介してＤＣリンク２０６と接続される。ＤＣリンク２０６には平滑コンデンサ２０８が接続される。

電磁接触器２０４は、パワーコンポーネント２００の非動作状態においてオフであり、動作状態においてオンされる。電磁接触器２０４をオンしたときに平滑コンデンサ２０８に突入電流が流れるのを防止するために、電磁接触器２０４と並列に充電抵抗２１０が設けられている。平滑コンデンサ２０８は、電磁接触器２０４がオンする前に、充電抵抗２１０を含む充電経路２１１を介して初期充電され、これにより突入電流が防止される。初期充電の完了後に電磁接触器２０４がオンとなり、負荷の通常運転中は、電磁接触器２０４を含む稼働時電流経路２０５を介して大電流が流れる。

特開２０１６−０９６６９０号公報特開２０００−３１９９３２号公報

充電抵抗２１０の抵抗値は、平滑コンデンサ２０８の容量値が大きいほど、大きくする必要がある。したがって大型のパワーコンポーネント２００では充電抵抗２１０のサイズが非常に大きくなるという問題がある。

加えて本発明者は、図１のパワーコンポーネント２００について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。上述のように、通常運転中は電磁接触器２０４がオンされており、充電抵抗２１０には大電流は流れない。ところが、電磁接触器２０４の故障や異常によって電磁接触器２０４を含む稼働時電流経路２０５が遮断されると、充電抵抗２１０に大電流が定常的に流れ続けることになる。この課題を当業者の一般的な認識と捉えてはならない。

この問題を解決する第１のアプローチとして、想定される定常的な大電流よりも定格電流が大きな抵抗器を選定する方法が考えられるが、これは、ただでさえ大きい抵抗器が、より一層大きくなることを意味し、コストおよびサイズの増大をもたらすであろう。

第２のアプローチとしては、充電経路２１１上に充電抵抗２１０と直列に、リレーを挿入することが考えられる。この場合、電磁接触器２０４に異常や故障が発生した場合、リレーをオフすることにより、充電抵抗２１０に流れる電流を遮断できる。しかしながらこの場合、リレーを追加することによるコスト増は避けられず、また、平滑コンデンサ２０８の容量値が大きい場合に、大きな抵抗器が必要となることにかわりはない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、サイズおよびコストの増加を抑制しつつ、信頼性を高めたパワーコンポーネントの提供にある。

本発明のある態様はパワーコンポーネントに関する。パワーコンポーネントは、ＤＣリンクと、ＤＣリンクと接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに至る第１経路に設けられるメインスイッチと、メインスイッチと並列な第２経路に設けられる半導体スイッチと、を備える。

この態様によると、充電期間において半導体スイッチを介して平滑コンデンサを充電することができる。半導体スイッチを高速にスイッチングさせ、そのデューティ比（オンの時間比率）を短くすることで、実効的な抵抗値を大きくできるため、大きな抵抗器が不要となる。

パワーコンポーネントは、第２経路に半導体スイッチと直列に設けられた抵抗をさらに備えてもよい。これにより抵抗とスイッチングのデューティ比の組み合わせによって実効的な抵抗値を調節することができるため、設計の自由度を高めることができる。

パワーコンポーネントは、平滑コンデンサへの充電電流を検出する電流センサと、充電電流の検出値にもとづいて、半導体スイッチのスイッチングをフィードバック制御するコントローラと、をさらに備えてもよい。これにより充電電流量を正確に制御できる。

パワーコンポーネントは、初期充電期間において、オープンループで半導体スイッチのスイッチングを制御するコントローラをさらに備えてもよい。

メインスイッチは電磁接触器であってもよい。メインスイッチに半導体スイッチを用いると、負荷側の電力を電源側に回収する回生運転が不能となる場合があるが、電磁接触器を用いると、回生運転が可能となる。

パワーコンポーネントは、入力が交流電源と接続され、出力がＤＣリンクと接続される整流器をさらに備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、サイズおよびコストの増加を抑制しつつ、パワーコンポーネントの信頼性を高めることができる。

パワーコンポーネントの回路図である。第１実施例に係るパワーコンポーネントの回路図である。図２のパワーコンポーネントの動作波形図である。第２実施例に係るパワーコンポーネントの回路図である。第３実施例に係るパワーコンポーネントの回路図である。射出成形機を示す図である。射出成形機の電気系統を示すブロック図である。建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。ショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。ショベルの電気系統のブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１実施例）
図２は、第１実施例に係るパワーコンポーネント３００Ａの回路図である。パワーコンポーネント３００Ａは、整流器３０２、メインスイッチ３０４、ＤＣリンク３０６、平滑コンデンサ３０８、半導体スイッチ３１０、コントローラ３２０を備える。

整流器３０２は、入力が交流電源１０１と接続され、出力がＤＣリンク３０６と接続される。平滑コンデンサ３０８は、ＤＣリンク３０６と接続される。メインスイッチ３０４は、平滑コンデンサ３０８に至る第１経路３０５に設けられる。たとえばメインスイッチ３０４は電磁接触器ＭＣである。半導体スイッチ３１０は、メインスイッチ３０４と並列な第２経路３１１に設けられる。半導体スイッチ３１０は、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いることができる。

コントローラ３２０は、パワーコンポーネント３００Ａに接続される負荷の稼働時（通常運転期間中）は半導体スイッチ３１０をオフ状態にする。またコントローラ３２０は、通常運転に先立つ充電期間において、半導体スイッチ３１０をスイッチングする。充電期間は、平滑コンデンサ３０８の電荷量が少なく、したがってＤＣリンク電圧が低い状態、言い換えれば突入電流が発生する可能性がある状況に設けられる。たとえばパワーコンポーネント３００Ａの起動直後は、典型的な充電期間である。パワーコンポーネント３００Ａは、充電電流Ｉ_ＣＨＧを検出する電流センサ３２２をさらに備える。コントローラ３２０は充電電流Ｉ_ＣＨＧの検出値にもとづいて、半導体スイッチ３１０のスイッチングをフィードバック制御してもよい。

ＤＣリンク３０６に発生するＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは、負荷（不図示）に供給される。

コントローラ３２０は、パワーコンポーネント３００Ａの初期充電期間において、オープンループで半導体スイッチ３１０のスイッチングを制御する。

以上がパワーコンポーネント３００Ａの構成である。続いてその動作を説明する。図３は、図２のパワーコンポーネント３００Ａの動作波形図である。時刻ｔ_０〜ｔ_１が充電期間を、時刻ｔ_１以降が通常運転期間を示す。充電期間において電磁接触器ＭＣはオフしている。ＭＣは、メインスイッチ３０４のオン、オフを、ＣＮＴは半導体スイッチ３１０の制御信号を示す。

コントローラ３２０は充電期間において、半導体スイッチ３１０をスイッチング（チョッピング）させる。これにより、間欠的な充電電流Ｉ_ＣＨＧが平滑コンデンサ３０８に供給される。図２には、充電電流Ｉ_ＣＨＧが連続波形として示されるが、実際にはスイッチング電流であり、図２に示すのはスイッチング電流の時間平均である。

間欠的な充電電流Ｉ_ＣＨＧによって平滑コンデンサ３０８が充電されると、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが時間とともに上昇していく。そして時刻ｔ_１に充電が完了すると、半導体スイッチ３１０のチョッピングが終了し、オフとなる。そして半導体スイッチ３１０である電磁接触器ＭＣがオンとなる。

以上がパワーコンポーネント３００Ａの動作である。このパワーコンポーネント３００Ａによれば、充電期間において半導体スイッチ３１０を介して平滑コンデンサ３０８を緩やかに充電することができ、突入電流を防止できる。半導体スイッチ３１０を高速にスイッチングさせ、そのデューティ比（オンの時間比率）を短くすることで、実効的な抵抗値を大きくできるため、大きな抵抗器が不要となり、コストおよびサイズを小さくできる。

万が一、通常運転期間中にメインスイッチ３０４に異常や故障が発生しても、半導体スイッチ３１０はオフしているから、半導体スイッチ３１０に大電流が流れることはなく、高い信頼性が確保されている。

また半導体スイッチ３１０のスイッチングのデューティ比をフィードバック制御することにより、充電電流を正確に制御できる。

また、メインスイッチ３０４側には、電磁接触器ＭＣなどの機械接点を有するスイッチを用いることで、第１経路３０５には、双方向に電流を流すことができる。これにより、ＤＣリンク３０６に接続される負荷が回生運転をした場合に、回生エネルギーを交流電源１０１側に回収することができる。

（第２実施例）
図４は、第２実施例に係るパワーコンポーネント３００Ｂの回路図である。パワーコンポーネント３００Ｂは、図２のパワーコンポーネント３００Ａに加えて、抵抗３１２をさらに備える。抵抗３１２は、第２経路３１１上に、半導体スイッチ３１０と直列に設けられる。

このパワーコンポーネント３００Ｂによれば、充電経路の抵抗値は、半導体スイッチ３１０のチョッピングによる抵抗成分と、抵抗３１２の抵抗値の合計となる。したがって抵抗３１２とスイッチングのデューティ比の組み合わせによって実効的な抵抗値を調節することができるため、設計の自由度を高めることができる。なおこの構成では、抵抗３１２はそれほど大きな抵抗値が求められないため、図１のパワーコンポーネント２００と比べても、抵抗を小型化できるという利点は図２と同様である。

第１、第２の実施例において、コントローラ３２０は、オープンループで半導体スイッチ３１０をスイッチングしてもよい。

（第３実施例）
第１、第２実施例では、整流器３０２を備えるパワーコンポーネント３００を説明したがその限りではない。図５は、第３実施例に係るパワーコンポーネント３００Ｃの回路図である。パワーコンポーネント３００Ｃは昇降圧コンバータであり、ダイオード３３０，３３２、リアクトル３３４、スイッチング素子３３６，３３８を備える。

パワーコンポーネント３００Ｃでは、充電期間において第２経路３１１およびダイオード３３０を経由して平滑コンデンサ３０８が充電される。充電期間において半導体スイッチ３１０をスイッチングし、そのデューティ比を最適化することにより充電電流Ｉ_ＣＨＧを抑制できる。

図５のパワーコンポーネント３００Ｃにおいて、抵抗３１２を省略してもよい。またコントローラ３２０はオープンループで半導体スイッチ３１０を制御してもよいし、フィードバックにより半導体スイッチ３１０を制御してもよい。

（用途）
（１）射出成形機
続いてパワーコンポーネント３００の用途を説明する。図６は、射出成形機６００を示す図である。射出成形機６００は主として、射出装置６１１、型締装置６１２、エジェクタ装置６７１を備える。これらはベースフレーム６１３の上に支持されている。また射出成形機６００には、着脱可能な金型装置６４３が取り付けられる。

（１．１）金型装置
金型装置６４３は固定金型６４４および可動金型６４５を含み、型締装置６１２に取り付けられる。射出装置６１１は、樹脂を加熱して溶かし、金型装置６４３の内部空間に流し込む（射出）。型締装置６１２は、固定金型６４４と可動金型６４５とを締結し、内部の樹脂に圧力を加え、冷却し、樹脂を金型に応じた形状に成形する。エジェクタ装置６７１は、成形された樹脂（成形品）を金型装置６４３から取り出す。

（１．２）射出装置
射出装置６１１は、射出装置フレーム６１４によって支持されている。ガイド６８１は、射出装置フレーム６１４の長手方向に配設される。そして、射出装置フレーム６１４によってボールねじ軸６２１が回転自在に支持され、ボールねじ軸６２１の一端が可塑化移動用モータ６２２に連結される。また、ボールねじ軸６２１とボールねじナット６２３とが螺合させられ、ボールねじナット６２３と射出装置６１１とがスプリング６２４およびブラケット６２５を介して連結される。したがって、可塑化移動用モータ６２２を正方向あるいは逆方向に駆動すると、可塑化移動用モータ６２２の回転運動は、ボールねじ軸６２１とボールねじナット６２３との組合せ、すなわち、ねじ装置６９１によって直線運動に変換され、この直線運動がブラケット６２５に伝達される。そして、ブラケット６２５がガイド６８１に沿って矢印Ａ方向に移動させられ、射出装置６１１が進退させられる。

また、ブラケット６２５には、前方（図における左方）に向けて加熱シリンダ６１５が固定され、加熱シリンダ６１５の前端（図における左端）に射出ノズル６１６が配設される。そして、加熱シリンダ６１５にホッパ６１７が配設されるとともに、加熱シリンダ６１５の内部にはスクリュ６２６が進退（図における左右方向に移動）自在に、かつ、回転自在に配設され、スクリュ６２６の後端（図における右端）が支持部材６８２によって支持される。

支持部材６８２には計量装置駆動用サーボモータ（以下、計量用サーボモータと略称する）６８３が取り付けられ、この計量用サーボモータ６８３を駆動することによって発生させられた回転がタイミングベルト６８４を介してスクリュ６２６に伝達されるようになっている。

射出装置フレーム６１４には、スクリュ６２６と平行にボールねじ軸６８５が回転自在に支持されるとともに、ボールねじ軸６８５と射出装置駆動用サーボモータ（以下、射出用サーボモータと略称する）６８６とがタイミングベルト６８７を介して連結される。そして、ボールねじ軸６８５の前端は、支持部材６８２に固定されたボールねじナット６７４と螺合させられる。したがって、射出用サーボモータ６８６を駆動すると、その回転運動は、ボールねじ軸６８５とボールねじナット６７４との組合せ、すなわち、ねじ装置６９２によって直線運動に変換され、直線運動が支持部材６８２に伝達される。

次に、射出装置６１１の動作について説明する。まず、計量工程においては、計量用サーボモータ６８３を駆動し、タイミングベルト６８４を介してスクリュ６２６を回転させ、射出用サーボモータ６８６を駆動し、タイミングベルト６８７を介してスクリュ６２６を所定の位置まで後退（図における右方に移動）させる。このとき、ホッパ６１７から供給された樹脂は、加熱シリンダ６１５内において加熱されて溶融させられ、スクリュ６２６の後退に伴ってスクリュ６２６の前方に溜められる。

次に、射出工程においては、射出ノズル６１６を固定金型６４４に押し付け、射出用サーボモータ６８６を駆動し、タイミングベルト６８７を介してボールねじ軸６８５を回転させる。このとき、支持部材６８２はボールねじ軸６８５の回転に伴って移動させられ、スクリュ６２６を前進（図における左方に移動）させるので、スクリュ６２６の前方に溜められた樹脂は射出ノズル６１６から射出され、固定金型６４４と可動金型６４５との間に形成されたキャビティ空間６４７に充填される。

（１．３）型締装置
次に、型締装置６１２について説明する。型締装置６１２は、射出装置６１１と対向するようにしてベースフレーム６１３に支持される。型締装置６１２は、固定プラテン６５１、トグルサポート６５２、固定プラテン６５１とトグルサポート６５２との間に架設されたタイバー６５３、固定プラテン６５１と対向して配設され、タイバー６５３に沿って進退自在に配設された可動プラテン６５４、および、可動プラテン６５４とトグルサポート６５２との間に配設されたトグル機構６５６を備える。そして、固定プラテン６５１および可動プラテン６５４に、互いに対向させて固定金型６４４および可動金型６４５がそれぞれ取り付けられる。

トグル機構６５６は、図示されない型締用サーボモータによってクロスヘッド６５８をトグルサポート６５２と可動プラテン６５４との間で進退させることによって、可動プラテン６５４をタイバー６５３に沿って進退させ、可動金型６４５を固定金型６４４に対して接離させて、型閉、型締および型開を行うようになっている。

そのために、トグル機構６５６は、クロスヘッド６５８に対して揺動自在に支持されたトグルレバー６６１、トグルサポート６５２に対して揺動自在に支持されたトグルレバー６６２、可動プラテン６５４に対して揺動自在に支持されたトグルアーム６６３から成り、トグルレバー６６１とトグルレバー６６２との間、およびトグルレバー６６２とトグルアーム６６３との間がそれぞれリンク結合される。

また、ボールねじ軸６６４がトグルサポート６５２に対して回転自在に支持され、ボールねじ軸６６４と、クロスヘッド６５８に固定されたボールねじナット６６５とが螺合させられる。そして、ボールねじ軸６６４を回転させるために、トグルサポート６５２の側面に型締用サーボモータ（図示省略）が取り付けられる。

したがって、型締用サーボモータを駆動すると、型締用サーボモータの回転運動が、ボールねじ軸６６４とボールねじナット６６５との組合せ、すなわち、ねじ装置６９３によって直線運動に変換され、直線運動がクロスヘッド６５８に伝達され、クロスヘッド６５８は矢印Ｃ方向に進退させられる。すなわち、クロスヘッド６５８を前進（図における右方に移動）させると、トグル機構６５６が伸展して可動プラテン６５４が前進させられ、型閉および型締が行われ、クロスヘッド６５８を後退（図における左方に移動）させると、トグル機構６５６が屈曲して可動プラテン６５４が後退させられ、型開が行われる。

（１．４）電気系統
図７は、射出成形機６００の電気系統を示すブロック図である。整流器７０２は交流電源と接続され、交流電圧を整流する。ＤＣリンク７０５には平滑コンデンサ７０３が接続されており、整流器７０２の出力電圧が平滑化される。コンバータ７０４は、平滑コンデンサ７０３に生ずる直流電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ_ＤＣ１を、所定の電圧レベルに安定化し、ＤＣリンク７０８にＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣ２を発生する。ＤＣリンク７０８には平滑コンデンサ７０６が接続される。ＤＣリンク７０８には、複数のインバータ７２０が接続される。各インバータ７２０は対応するモータ７２２を駆動する。モータ７２２Ａ〜７２２Ｃは、上述の可塑化移動用モータ６２２、計量用サーボモータ６８３、射出用サーボモータ６８６、型締用サーボモータであってもよい。そのほか射出成形機６００にはさまざまなサーボ機構が設けられており、各軸に、インバータ７２０とモータ７２２が設けられる。

双方向コンバータ７１０は、ＤＣリンク７０８と蓄電モジュール７１２の間に設けられる。蓄電モジュール７１２は主としてバックアップ電源として機能し、交流電源が遮断された場合などに、双方向コンバータ７１０は、コンバータ７０４に変わって、蓄電モジュール７１２の電力を平滑コンデンサ７０６に供給する。また、インバータ７２０が回生運転を行い、余剰なエネルギーが発生した場合には、双方向コンバータ７１０はその余剰なエネルギーで蓄電モジュール７１２を充電する。

図７の整流器７０２および平滑コンデンサ７０３を、図２のパワーコンポーネント３００Ａあるいは図４のパワーコンポーネント３００Ｂとしてもよい。あるいは図７のコンバータ７０４を、図５のパワーコンポーネント３００Ｃとしてもよい。図７の双方向コンバータ７１０を、図５のパワーコンポーネント３００Ｃとしてもよい。

（２）ショベル
パワーコンポーネントは、ショベルやクレーンなどの建設機械にも用いることができる。図８は、建設機械の一例であるショベル５００の外観を示す斜視図である。ショベル５００は、主として下部走行体（クローラ）５０２と、下部走行体５０２の上部に旋回機構５０３を介して回動自在に搭載された上部旋回体５０４とを備えている。

旋回体５０４には、アタッチメント５１０が取り付けられる。アタッチメント５１０は、ブーム５１２と、ブーム５１２の先端にリンク接続されたアーム５１４と、アーム５１４の先端にリンク接続されたバケット５１６とを備える。ブーム５１２、アーム５１４、およびバケット５１６は、それぞれブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２、およびバケットシリンダ５２４によって油圧駆動される。また、旋回体５０４には、オペレータを収容するための運転室５０８や、油圧を発生するためのエンジン５０６といった動力源が設けられている。

図９は、ショベル５００の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図９では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

エンジン５０６および電動発電機５３０の回転軸は、共に減速機５３２の入力軸に接続され、互いに連結されている。エンジン５０６の負荷が大きいときには、電動発電機５３０が自身の駆動力によりエンジン５０６の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機５３０の駆動力が減速機５３２の出力軸を経てメインポンプ５３４に伝達される。一方、エンジン５０６の負荷が小さいときには、エンジン５０６の駆動力が減速機５３２を経て電動発電機５３０に伝達されることにより、電動発電機５３０が発電を行う。

電動発電機５３０はアシスト用インバータ５３１の２次側（出力）端に接続される。アシスト用インバータ５３１は、コントローラ５４０（アシスト用インバータコントローラ）からの指令にもとづき、電動発電機５３０の運転制御を行う。電動発電機５３０の駆動と発電との切りかえは、ショベル５００における電気系統の駆動制御を行うコントローラ５４０により、エンジン５０６の負荷等に応じて行われる。

減速機５３２の出力軸にはメインポンプ５３４およびパイロットポンプ５３６が接続されており、メインポンプ５３４には高圧油圧ライン５４２を介してコントロールバルブ５４４が接続されている。コントロールバルブ５４４は、ショベル５００における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ５４４には、図８に示した下部走行体５０２を駆動するための油圧モータ５５０Ａおよび５５０Ｂの他、ブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２およびバケットシリンダ５２４が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ５４４は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

パイロットポンプ５３６には、パイロットライン５５２を介して操作手段５５４が接続されている。操作手段５５４は、旋回用電動機５６０、下部走行体５０２、ブーム５１２、アーム５１４およびバケット５１６を操作するためのレバーやペダルであり、オペレータによって操作される。

操作手段５５４には、油圧ライン５５６を介してコントロールバルブ５４４が接続され、また、油圧ライン５５８を介して圧力センサ５５９が接続される。操作手段５５４は、パイロットライン５５２を通じて供給される油圧（１次側の油圧）をオペレータの操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作手段５５４から出力される２次側の油圧は、油圧ライン５５６を通じてコントロールバルブ５４４に供給されるとともに、圧力センサ５５９によって検出される。

圧力センサ５５９は、操作手段５５４に対して旋回機構５０３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン５５８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ５５９は、油圧ライン５５８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、旋回指令としてコントローラ５４０に入力され、旋回用電動機５６０の駆動制御に用いられる。

コントローラ５４０（旋回用インバータコントローラ）は、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ５６２により検出される旋回用電動機５６０の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ５６１を制御する。たとえば旋回用電動機５６０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ５６１によって交流駆動される。

コントローラ５４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ５４０は、各種センサおよび操作手段５５４等からの操作入力を受けて、アシスト用インバータ５３１、旋回用インバータ５６１および蓄電手段５７０等の駆動制御を行う。

旋回用電動機５６０は、図８の旋回機構５０３に設けられ、上部旋回体５０４を回動させる交流電動機である。旋回用電動機５６０の回転軸５６６には、レゾルバ５６２、メカニカルブレーキ５６３および旋回減速機５６４が接続される。

旋回用電動機５６０が力行運転を行う際には、旋回用電動機５６０の回転駆動力の回転力が旋回減速機５６４にて増幅され、旋回体５０４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体５０４の慣性回転により、旋回減速機５６４にて回転数が増加されて旋回用電動機５６０に伝達され、回生電力を発生させる。

レゾルバ５６２は、旋回用電動機５６０と機械的に連結され、旋回用電動機５６０の回転軸５６６の回転位置および回転角度を検出する。メカニカルブレーキ５６３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ５４０からの指令によって、旋回用電動機５６０の回転軸５６６を機械的に停止させる。旋回減速機５６４は、旋回用電動機５６０の回転軸５６６の回転速度を減速して旋回機構５０３に機械的に伝達する。

蓄電手段５７０は、旋回用インバータ５６１の電源であり、ＤＣリンク電圧を供給する。蓄電手段５７０は、蓄電手段を含み、アシスト用インバータ５３１や旋回用インバータ５６１が回生運転を行う際には、それらからの回生エネルギーを蓄電可能に構成される。

図１０は、ショベル５００の電気系統のブロック図である。蓄電手段５７０は、蓄電モジュール５７２と、蓄電モジュール５７２の充放電を制御する双方向コンバータ５７４と、正極および負極の直流配線からなるＤＣリンク５７６とを備えている。ＤＣリンク５７６には、平滑コンデンサ５７８が接続される。蓄電モジュール５７２としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いることができる。ＤＣリンク５７６には、アシスト用インバータ５３１、旋回用インバータ５６１それぞれの１次側（直流入力）が接続されている。双方向コンバータ５７４は、コントローラ５４０によって、ＤＣリンク５７６に生ずるＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが所定の電圧レベルとなるように制御される。たとえば双方向コンバータ５７４は昇降圧コンバータであり、電動発電機５３０や旋回用電動機５６０が力行運転する際には、双方向コンバータ５７４を昇圧動作させ、それらに電源を供給する。反対に電動発電機５３０や旋回用電動機５６０が回生運転する際には、双方向コンバータ５７４を降圧動作させ、電動発電機５３０が発生した電力を蓄電器に回収する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣリンク電圧値、バッテリ電圧値およびバッテリ電流値にもとづき、コントローラ５４０によって行われる。

以上がショベル５００の全体構成である。図１０の双方向コンバータ（昇降圧コンバータ）５７４および平滑コンデンサ５７８を、図５のパワーコンポーネント３００Ｃとしてもよい。

そのほか、実施の形態に係るパワーコンポーネント３００は、電気自動車や電動フォークリフト、ＡＧＶ（無人搬送車）にも採用することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

３００…パワーコンポーネント、３０２…整流器、３０４…メインスイッチ、３０５…第１経路、３０６…ＤＣリンク、３０８…平滑コンデンサ、３１０…半導体スイッチ、３１１…第２経路、３１２…抵抗、３２０…コントローラ、３２２…電流センサ、３３０，３３２…ダイオード、３３４…リアクトル、３３６，３３８…スイッチング素子。

Claims

パワーコンポーネントであって、
第１ＤＣリンクと、
前記第１ＤＣリンクと接続される第１平滑コンデンサと、
蓄電手段の電圧を昇圧して前記第１ＤＣリンクに発生するとともに、前記第１ＤＣリンクの電圧を降圧して前記蓄電手段に回収可能な双方向コンバータと、
前記双方向コンバータの前記蓄電手段側の入力と前記第１ＤＣリンクの間に設けられるダイオードと、
前記蓄電手段から前記双方向コンバータの前記蓄電手段側の入力に至る第１経路に設けられる第１メインスイッチと、
前記第１メインスイッチと並列な第２経路に設けられる第１半導体スイッチと、
を備え、
前記パワーコンポーネントの起動時に、前記第１半導体スイッチがスイッチングすることにより、前記第１半導体スイッチのオン期間に前記第１平滑コンデンサに電流が供給されて前記第１平滑コンデンサを充電可能であることを特徴とするパワーコンポーネント。
前記第２経路に、前記第１半導体スイッチと直列に設けられた抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンポーネント。
前記第１平滑コンデンサへの充電電流を検出する電流センサと、
前記充電電流の検出値にもとづいて、前記第１半導体スイッチのスイッチングをフィードバック制御するコントローラと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンポーネント。
初期充電期間において、オープンループで前記第１半導体スイッチのスイッチングを制御するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンポーネント。
前記第１メインスイッチは電磁接触器であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンポーネント。
第２ＤＣリンクと、
前記第２ＤＣリンクと接続される第２平滑コンデンサと、
入力が交流電源と接続される整流器と、
それぞれの入力が前記第２ＤＣリンクに接続され、それぞれの出力がモータと接続されている複数のインバータと、
前記整流器の出力から前記第２平滑コンデンサに至る第３経路に設けられる第２メインスイッチと、
前記第２メインスイッチと並列な第４経路に設けられる第２半導体スイッチと、
を備え、
前記パワーコンポーネントの起動時に、前記第２半導体スイッチがスイッチングすることにより、前記第２半導体スイッチのオン期間に前記第２平滑コンデンサに電流が供給されて前記第２平滑コンデンサを充電可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のパワーコンポーネント。
前記第１ＤＣリンクと前記第２ＤＣリンクの間に設けられるコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のパワーコンポーネント。