KR102353042B1 - 쇼벨 - Google Patents

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KR102353042B1
KR102353042B1 KR1020167020975A KR20167020975A KR102353042B1 KR 102353042 B1 KR102353042 B1 KR 102353042B1 KR 1020167020975 A KR1020167020975 A KR 1020167020975A KR 20167020975 A KR20167020975 A KR 20167020975A KR 102353042 B1 KR102353042 B1 KR 102353042B1
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지쯔타카 타케오
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스미토모 겐키 가부시키가이샤
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    • E02F9/26—Indicating devices
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    • Y10S903/903—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors having energy storing means, e.g. battery, capacitor

Abstract

본 발명의 실시예에 관한 쇼벨은, 엔진(11)과, 엔진(11)의 구동력을 이용하는 발전기로서 기능하고, 또한, 엔진(11)을 어시스트 가능한 전동기로서 기능하는 전동발전기(12)와, 축전계(120)와, 선회용 전동기(21)와, 전동발전기(12), 축전계(120), 및 선회용 전동기(21)를 접속하는 DC버스(110)와, 전동발전기(12), 축전계(120), 및 선회용 전동기(21)의 움직임을 제어하는 컨트롤러(30)를 갖는다. 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 경우, 선회용 전동기(21)를 역행운전시킬 때에, 발전기로서 기능하는 전동발전기(12)의 발전전력을 선회용 전동기(21)에 공급하고, 선회용 전동기(21)를 회생운전시킬 때에, 선회용 전동기(21)의 회생전력을 전동기로서 기능하는 전동발전기(12)에 공급한다.

Description

쇼벨{Shovel}
본 발명은, 축전기에 축적된 전력에 의하여 구동되는 선회용 전동기를 포함하는 쇼벨에 관한 것이다.
축전계의 이상이 검출된 경우에 축전계의 출력을 억제하여 엔진의 출력을 높임으로써 전동선회계의 구동을 계속시키는 쇼벨이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2010-242444호
그러나, 특허문헌 1은 축전계에 심각한 고장이 발생하여 축전계를 정지시킬 필요가 있는 경우에 대해서는 언급하고 있지 않다. 축전계를 정지시킨 경우, 쇼벨은, 엔진으로 전동선회계를 구동시킬 수 있었다고 하더라도, 전동선회계에 의한 회생전력을 축전계가 흡수할 수 없기 때문에 전동선회계를 전기적으로 제동할 수 없다. 이로 인하여, 쇼벨은 전동선회계를 기계적으로 정지시킨 상태로 유지할 필요가 있다. 그러나, 경사지에 있어서 쇼벨이 불안정한 자세에 있는 경우에, 전동선회계를 기계적으로 정지시키면 오히려 안전면에서 바람직하지 않은 경우가 있다.
상술을 감안하여, 축전계를 정지시킨 경우이더라도 안전성을 확보할 수 있는 쇼벨의 제공이 요망된다.
본 발명의 일 실시형태에 의한 쇼벨은, 엔진과, 상기 엔진의 구동력을 이용하는 발전기로서 기능하고, 또한, 상기 엔진을 어시스트 가능한 전동기로서 기능하는 전동발전기와, 축전계와, 선회용 전동기와, 상기 전동발전기, 상기 축전계, 및 상기 선회용 전동기를 접속하는 버스라인과, 상기 전동발전기, 상기 축전계, 및 상기 선회용 전동기의 움직임을 제어하는 제어장치를 갖는 쇼벨로서, 상기 제어장치는, 상기 축전계를 정지시킨 경우, 상기 선회용 전동기를 역행(力行)운전시킬 때에, 발전기로서 기능하는 상기 전동발전기의 발전전력을 상기 선회용 전동기에 공급하고, 상기 선회용 전동기를 회생운전시킬 때에, 상기 선회용 전동기의 회생전력을 전동기로서 기능하는 상기 전동발전기에 공급한다.
상술한 수단에 의하여, 축전계를 정지시킨 경우이더라도 전동선회계를 적절하게 구동할 수 있는 쇼벨이 제공된다.
도 1은 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는 도 1의 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 축전계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 축전계 정지처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 5는 선회제어 전환처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 6은 축전계 정지시 선회제어에 있어서의 선회회생처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 쇼벨을 나타내는 측면도이다.
하이브리드식 쇼벨의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 개재하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에는 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에는 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 어태치먼트의 일례인 굴삭어태치먼트를 구성하며, 붐실린더(7), 암실린더(8) 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부선회체(3)에는, 캐빈(10)이 마련되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압유압라인은 굵은 실선, 파일럿라인은 파선(破線), 전기구동·제어계는 가는 실선으로 각각 나타나 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 가변용량형 유압펌프로서의 메인펌프(14)와, 고정용량형 유압펌프로서의 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다.
컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8) 및 버킷실린더(9) 등의 유압액추에이터는, 고압유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다. 다만, 유압계는, 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8), 버킷실린더(9), 메인펌프(14), 컨트롤밸브(17)를 포함한다.
전동발전기(12)에는, 전동발전기 제어부로서의 인버터(18)를 통하여, 축전기로서의 커패시터를 포함하는 축전계(120)가 접속된다. 또, 축전계(120)에는, 전동발전기 제어부로서의 인버터(20)를 통하여 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)가 접속된다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬브레이크(23) 및 선회변속기(24)가 접속된다. 또, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메커니컬브레이크(23)와, 선회변속기(24)로 부하구동계로서의 전동선회계가 구성된다.
조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B) 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.
경사센서(M1)는, 하이브리드식 쇼벨이 경사지에 위치하는 것을 검출하는 경사지 검출부의 일례이다. 본 실시예에서는, 경사센서(M1)는, 상부선회체(3)에 탑재되는 가속도센서이며, 상부선회체(3)의 경사각을 검출하여 컨트롤러(30)에 그 검출치를 출력한다.
열소비부(40)는, 선회정지시에 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 열로서 소비하기 위한 기능요소이다. 본 실시예에서는, 열소비부(40)는, 전기저항부(40a) 및 유량제어밸브(40b)를 포함한다. 다만, 전기저항부(40a) 및 유량제어밸브(40b) 중 일방은 생략되어도 된다.
전기저항부(40a)는, 전환스위치 및 전기저항을 포함한다. 전환스위치는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 인버터(20)와 전기저항의 사이의 도통·차단을 전환하는 스위치이다. 그리고, 전기저항부(40a)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 인버터(20)와 전기저항을 도통시켜, 선회정지시에 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 직류 전력으로 하여 전기저항에 수용한다. 전기저항은, 회생전력을 수용하여 열을 발생시킨다. 이와 같이, 전기저항부(40a)는, 회생전력을 열로서 소비할 수 있도록 함으로써, 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 확실히 소비할 수 있도록 한다.
유량제어밸브(40b)는, 메인펌프(14)가 토출하는 작동유의 유량을 제어 가능한 밸브이다. 유량제어밸브(40b)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 메인펌프(14)가 토출하는 작동유의 유량을 제한하여 메인펌프(14)의 토출압 나아가서는 흡수마력을 증대시킨다. 유량제어밸브(40b)는, 메인펌프(14)가 토출하는 작동유의 유량을 제한함으로써 압력 손실을 발생시켜 열을 발생시킨다. 또, 메인펌프(14)의 흡수마력의 증대는, 엔진(11)의 유압부하의 증대를 초래하고, 엔진(11)이 수용 가능한 전동발전기(12)에 의한 어시스트 토크의 증대를 초래한다. 그리고, 엔진(11)이 수용 가능한 어시스트 토크의 증대는, 전동발전기(12)가 소비 가능한 회생전력량의 증대를 초래하며, 나아가서는, 선회용 전동기(21)가 생성 가능한 회생전력량의 증대를 초래한다. 이와 같이, 유량제어밸브(40b)는, 회생전력을 간접적으로 열로서 소비할 수 있도록 함으로써, 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 확실히 소비할 수 있도록 한다. 한편, 엔진(11)의 목표 회전수를 낮은 상태로 유지하도록 해도 된다. 엔진(11)의 운동 에너지를 낮은 상태로 유지함으로써 수용 가능한 회생전력은 증가한다.
도 3은 축전계(120)의 구성을 나타내는 블록도이다. 축전계(120)는, 제1 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압 컨버터(100)와, 버스라인으로서의 DC버스(110)를 포함한다. 제2 축전기로서의 DC버스(110)는, 제1 축전기로서의 커패시터(19), 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터전압치를 검출하기 위한 커패시터전압 검출부(112)와, 커패시터전류치를 검출하기 위한 커패시터전류 검출부(113)가 마련되어 있다. 커패시터전압 검출부(112)와 커패시터전류 검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터전압치와 커패시터전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
또, 커패시터(19)에는, 커패시터(19)의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부로서의 온도센서(M2)가 마련되어 있다. 또, 승강압 컨버터(100)에도, 승강압 컨버터(100)의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부로서의 온도센서(M3)가 마련되어 있다. 다만, 온도센서(M2) 및 온도센서(M3)는, 예를 들면 서미스터로 구성되고, 각 검출치를 컨트롤러(30)에 대하여 출력한다. 또, 커패시터(19)의 온도는, 커패시터(19)의 냉각에 이용되는 냉각수의 온도를 검출함으로써 간접적으로 검출되어도 된다.
승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라, DC버스전압치가 일정한 범위 내에 들어가도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC버스(110)는, 인버터(18 및 20)와 승강압 컨버터(100)의 사이에 배치되어 있으며, 커패시터(19), 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수를 행한다.
또, 커패시터(19)와 승강압 컨버터(100)의 사이에는 전환스위치(M4)가 마련되어 있다. 전환스위치(M4)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 커패시터(19)와 승강압 컨버터(100)의 사이의 도통·차단을 전환하는 스위치이다.
컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 주제어부로서의 제어장치이다. 본 실시예에서는, 컨트롤러(30)는, CPU 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되고, CPU가 내부메모리에 저장된 구동제어용 프로그램을 실행시킴으로써 각종 기능이 실현된다.
또, 컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 선회시키기 위하여 조작장치(26)를 조작한 경우의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.
또, 컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압 제어부로서의 승강압 컨버터(100)를 구동제어하는 것에 의한 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 또, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(어시스트운전 또는 발전운전) 및 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전)에 근거하여, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다.
이 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스전압 검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스전압치, 커패시터전압 검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터전압치 및 커패시터전류 검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터전류치에 근거하여 행해진다.
어시스트모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급된 후, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급되거나, 혹은 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)에 공급된다. 또, 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급된 후, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급되거나, 혹은 인버터(18)를 통하여 전동발전기(12)에 공급된다. 또, 커패시터(19)에 축적된 전력은, 승강압 컨버터(100) 및 DC버스(110)를 통하여 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21) 중 적어도 일방에 공급된다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 축전계(120)에서 이상이 발생한 경우에, 컨트롤러(30)가 축전계(120)를 정지시키는 처리(이하, “축전계 정지처리”라고 함)에 대하여 설명한다. 다만, 도 4는, 축전계 정지처리의 흐름을 나타내는 플로차트이며, 컨트롤러(30)는, 소정 주기로 반복하여 이 축전계 정지처리를 실행한다. 또, 축전계(120)의 “이상”은, 커패시터(19)에 있어서의 전력의 유출입을 정지시켜야 하는 사상(事象)이 발생한 상황 전부를 포함할 수 있다.
먼저, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)가 이상인지 아닌지를 판정한다(스텝 S1). 본 실시예에서는, 컨트롤러(30)는, DC버스전압 검출부(111), 커패시터전압 검출부(112), 커패시터전류 검출부(113), 온도센서(M2), 온도센서(M3) 등의 출력에 근거하여 축전계(120)가 이상인지 아닌지를 판정한다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 온도가 소정 온도 이상이 된 경우, 혹은 승강압 컨버터(100)의 온도가 소정 온도 이상이 된 경우에, 축전계(120)가 이상이라고 판정한다. 또, 컨트롤러(30)는, 커패시터전압치가 소정 범위로부터 일탈한 경우, 커패시터전류치가 소정 범위로부터 일탈한 경우, 혹은 DC버스전압치가 소정 범위로부터 일탈한 경우에, 축전계(120)가 이상이라고 판정한다. 또, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)에 있어서의 커패시터셀의 상태를 제어·관리하는 배터리·매니지먼트·유닛의 고장을 검지한 경우, 혹은 배터리·매니지먼트·유닛이 커패시터셀의 이상(커패시터셀의 과충전, 과방전, 커패시터셀의 용량 계측 결과에 근거하는 커패시터셀의 열화 등)을 검지한 경우에 축전계(120)가 이상이라고 판정해도 된다. 또, 컨트롤러(30)는, DC버스전압 검출부(111), 커패시터전압 검출부(112), 커패시터전류 검출부(113), 온도센서(M2), 온도센서(M3) 등의 이상을 검지한 경우에 축전계(120)가 이상이라고 판정해도 된다. 또, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 내부저항의 계측 결과에 근거하여 커패시터(19)의 열화를 검지한 경우에 축전계(120)가 이상이라고 판정해도 된다.
축전계(120)가 이상이라고 판정한 경우(스텝 S1의 YES), 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨다(스텝 S2). 본 실시예에서는, 컨트롤러(30)는, 전환스위치(M4)에 제어신호(차단신호)를 출력하여 커패시터(19)와 승강압 컨버터(100)의 사이를 차단한다. 또, 컨트롤러(30)는, 내부메모리에 있는 축전계 상태플래그의 값을 “1”(정지상태)로 한다. 축전계 상태플래그는, 축전계(120)의 상태를 기억하는 플래그이며, 초기치로서 “0”(작동상태)이 설정된다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)의 작동을 정지시킨다. 다만, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)의 작동을 정지시키는 것만으로 축전계(120)를 정지시켜도 된다.
한편, 축전계(120)가 이상이 아니라고 판정한 경우(스텝 S1의 NO), 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시키지 않고, 금회의 축전계 정지처리를 종료시킨다. 또, 컨트롤러(30)는, 이미 축전계(120)를 정지시키고 있었던 경우이더라도 축전계(120)의 작동을 재개시키지 않고 금회의 축전계 정지처리를 종료시킨다.
단, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 후에 축전계(120)가 이상이 아니라고 판정한 경우에는, 축전계(120)의 작동을 재개시켜도 된다(스텝 S3). 파선으로 나타내는 스텝 S3은, 축전계(120)의 작동을 재개시키는 처리가 생략 가능한 처리인 것을 나타낸다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 전환스위치(M4)에 제어신호(도통 신호)를 출력하여 커패시터(19)와 승강압 컨버터(100)의 사이를 도통시킨다. 또, 컨트롤러(30)는, 내부메모리에 있는 축전계 상태플래그의 값을 “0”(작동상태)으로 한다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)의 작동을 재개시킨다. 다만, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)의 작동을 정지시키는 것만으로 축전계(120)를 정지시키고 있었던 경우에는, 승강압 컨버터(100)의 작동을 재개시킴으로써 축전계(120)의 작동을 재개시킨다.
이와 같이 하여, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)가 이상이라고 판정한 경우에, 축전계(120)를 정지시킨다.
다음으로, 도 5를 참조하여, 선회조작이 행해진 경우에, 축전계(120)의 상태에 따라 컨트롤러(30)가 선회제어의 내용을 전환하는 처리(이하, “선회제어 전환처리”라고 함)에 대하여 설명한다. 다만, 도 5는, 선회제어 전환처리의 흐름을 나타내는 플로차트이며, 컨트롤러(30)는, 선회조작이 행해진 경우에 이 선회제어 전환처리를 실행한다.
먼저, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)가 정지상태에 있는지 없는지를 판정한다(스텝 S11). 본 실시예에서는, 컨트롤러(30)는, 내부메모리에 있는 축전계 상태플래그를 참조하여 축전계(120)가 정지상태에 있는지 없는지를 판정한다.
축전계(120)가 정지상태에 있다고 판정한 경우(스텝 S11의 YES), 컨트롤러(30)는, 선회제어의 내용으로서 축전계 정지시 선회제어를 채용한다(스텝 S12). 본 실시예에서는, 축전계 상태플래그의 값이 “1”(정지상태)인 경우, 컨트롤러(30)는, 축전계 정지시 선회제어를 채용한다. 다만, 축전계 정지시 선회제어의 상세에 대해서는 후술한다.
한편, 축전계(120)가 정지상태에 없다고 판정한 경우(스텝 S11의 NO), 컨트롤러(30)는, 선회제어의 내용으로서 통상시 선회제어를 채용한다(스텝 S13). 본 실시예에서는, 축전계 상태플래그의 값이 “0”(작동상태)인 경우, 컨트롤러(30)는, 통상시 선회제어를 채용한다. 통상시 선회제어에서는, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)가 소정의 충전율(SOC)을 유지할 수 있도록 커패시터(19)를 충방전시킨다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)가 선회용 전동기(21) 등의 각종 전기부하로부터 회생전력을 수용했다고 하더라도, 혹은 커패시터(19)의 충전 이외의 목적으로 전동발전기(12)가 행하는 발전에 의한 발전전력을 수용했다고 하더라도 과충전이 되지 않도록, 커패시터(19)의 SOC를 적절한 레벨(예를 들면 70%)로 유지한다.
다만, 본 실시예에서는, 커패시터(19)의 SOC는, 커패시터전압 검출부(112)가 검출하는 커패시터전압치에 근거하여 산출된다. 단, 커패시터(19)의 SOC는, 커패시터(19)의 내부저항을 계측함으로써 도출되어도 되고, 다른 임의의 공지의 방법을 이용하여 도출되어도 된다.
또, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)가 정지상태에 있다고 판정한 경우(스텝 S11의 YES), 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있는지 없는지를 판정하고(스텝 S14), 그 후에, 축전계 정지시 선회제어를 채용할지 안 할지를 결정해도 된다.
예를 들면, 컨트롤러(30)는, 경사센서(M1)의 출력에 근거하여 쇼벨이 경사지에 위치하는 것을 검출한 경우에 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있다고 판정한다. 혹은, 리졸버(22)의 출력에 근거하여 산출되는 선회속도가 소정치 이상인 경우에 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있다고 판정해도 된다. 혹은, 붐각도, 암각도 및 버킷각도로부터 산출되는 쇼벨의 작업반경(선회중심과 버킷(6)의 거리)이 소정치 이상인 경우에 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있다고 판정해도 된다. 혹은, 붐실린더압으로부터 산출되는 버킷(6) 내의 토사 등의 중량이 소정치 이상인 경우에 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있다고 판정해도 된다. 다만, 붐각도, 암각도, 버킷각도, 붐실린더압 등은 공지의 센서를 이용하여 검출된다.
쇼벨의 자세가 불안정상태에 있다고 판정한 경우(스텝 S14의 YES), 컨트롤러(30)는, 축전계 정지시 선회제어를 채용한다(스텝 S12).
한편, 쇼벨의 자세가 불안정상태에 없다고 판정한 경우(스텝 S14의 NO), 컨트롤러(30)는, 상부선회체(3)의 선회를 정지시킨다(스텝 S15). 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 선회 중이면, 선회조작이 행해지고 있는 경우이더라도 메커니컬브레이크(23)를 작동시켜 상부선회체(3)의 선회를 정지시킨다. 혹은, 컨트롤러(30)는, 선회 중이 아니면, 선회조작이 행해진 경우이더라도 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 동작시키지 않고, 상부선회체(3)의 선회를 개시시키지 않도록 한다. 또, 컨트롤러(30)는, 엔진(11)을 정지시켜 쇼벨을 완전히 정지시켜도 된다.
다만, 파선으로 나타내는 스텝 S14 및 스텝 S15는, 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있는지 없는지를 판정하는 처리, 및 선회를 정지시키는 처리가 생략 가능한 처리인 것을 나타낸다.
이와 같이 하여, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)의 상태에 따라 선회제어의 내용을 전환한다.
다음으로 축전계 정지시 선회제어의 상세에 대하여 설명한다. 축전계 정지시 선회제어에 있어서 선회용 전동기(21)가 역행운전상태일 때, 컨트롤러(30)는, 엔진(11)의 구동력을 이용하여 전동발전기(12)를 발전기로서 기능시킨다. 그리고, 전동발전기(12)가 발전하는 전력만으로 선회용 전동기(21)를 구동시킨다.
다만, 컨트롤러(30)는, 선회속도가 소정치를 넘지 않도록 속도지령, 선회토크 등(이하, “선회토크 등”이라고 함)을 제한해도 된다. 그 후의 선회회생시에 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력의 최대치가, 전동발전기(12)의 소비 가능 전력을 상회하지 않도록 하기 위해서이다. 다만, 소비 가능 전력은, 엔진(11)을 어시스트하는 전동기로서 기능하는 전동발전기(12)가 수용 가능한 전력이며, 엔진(11)의 부하가 클수록 크다. 예를 들면, 유압액추에이터가 조작되고 있는 경우에는 엔진(11)의 유압부하가 크기 때문에, 소비 가능 전력은 커진다.
선회토크 등을 제한하면, 상부선회체(3)의 최대선회속도는 저하된다. 이때, 유압액추에이터의 조작이 행해지고 있는 경우, 컨트롤러(30)는, 최대선회속도의 저하에 따라 유압액추에이터의 동작속도를 저하시켜도 된다. 조작자가 원하는 조작감에 맞추기 위해서이다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 최대선회속도의 저하에 따라, 메인펌프(14)의 사판경전각을 조정하는 레귤레이터(도시하지 않음)를 제어하여 메인펌프(14)의 토출량을 저감시킨다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 축전계 정지시 선회제어에 있어서, 선회용 전동기(21)가 회생운전상태인 경우에 컨트롤러(30)가 선회용 전동기(21)의 회생전력을 제어하는 처리에 대하여 설명한다. 다만, 도 6은, 그 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이며, 컨트롤러(30)는, 선회용 전동기(21)가 회생운전상태인 경우에, 소정의 제어주기로 반복하여 이 처리를 실행한다.
개략적으로는, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 경우에 선회용 전동기(21)를 회생운전시킬 때에는 쇼벨의 자세에 따라 제동토크를 제한한다. 선회 중인 상부선회체(3)를 정지시켰을 때에 발생하는 상부선회체(3)의 관성에 의한 반동에 의하여 불안정한 상태에 있는 쇼벨이 밸런스를 무너트려 버리는 것을 방지하기 위해서이다. 다만, 제동토크는, 기본적으로 선회용 전동기(21)가 회생운전에 의하여 발생시키는 제동토크이지만, 메커니컬브레이크(23)에 의한 제동토크를 포함하고 있어도 된다.
먼저, 컨트롤러(30)는, 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 전동발전기(12)에서 소비시킨다(스텝 S61). 예를 들면, 엔진(11)이 어시스트출력을 필요로 하고 있는지 아닌지에 관계없이, 전동발전기(12)를 강제적으로 전동기로서 기능시킨다.
또, 컨트롤러(30)는, 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있는 경우에는 회생전력을 제한한다(스텝 S62). 예를 들면, 컨트롤러(30)는, 선회용 전동기(21)의 여자(勵磁) 전류를 억제하여 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 작게 한다. 이 경우, 컨트롤러(30)는 회생전력의 저감에 따라 전동발전기(12)의 어시스트출력을 저감시킨다. 선회용 전동기(21)가 발생시키는 제동토크를 소정의 제동토크 미만으로 제한하고, 선회 중인 상부선회체(3)를 정지시켰을 때에 발생하는 상부선회체(3)의 관성에 의한 반동이 과도하게 커지는 것을 방지하기 위해서이다. 또, 메커니컬브레이크(23)를 병용하는 경우, 컨트롤러(30)는, 메커니컬브레이크(23)를 단속적으로 작동시킴으로써 메커니컬브레이크(23)가 발생시키는 제동토크를 제한해도 된다.
다만, 컨트롤러(30)는, 선회용 전동기(21)의 회생전력이, 전동발전기(12)의 소비 가능 전력을 상회하는 경우, 그 초과분을 열로서 소비시켜도 된다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 인버터(20)를 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(도시하지 않음)의 출력에 근거하여 회생전력이 소비 가능 전력을 상회하는지 아닌지를 판정한다(스텝 S63). 그리고, 회생전력이 소비 가능 전력을 상회한다고 판정한 경우(스텝 S63의 YES), 컨트롤러(30)는, 열소비부(40)를 작동시켜 그 초과분을 열로서 소비시킨다(스텝 S64). 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생 전력 전부를 확실히 소비시켜 원하는 제동력을 발생시키기 위해서이다.
다만, 파선으로 나타내는 스텝 S63 및 스텝 S64는, 회생전력이 소비 가능 전력을 상회하는지 아닌지를 판정하는 처리, 및 초과분을 열로서 소비시키는 처리가 생략 가능한 처리인 것을 나타낸다. 선회역행시에 선회토크 등을 제한하여 선회동작을 제한함으로써, 선회회생시에 회생전력이 소비 가능 전력을 상회하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
이상의 구성에 의하여, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 경우, 선회용 전동기(21)를 역행운전시킬 때에는, 발전기로서 기능하는 전동발전기(12)의 발전전력을 선회용 전동기(21)에 공급한다. 또, 축전계(120)를 정지시킨 경우, 선회용 전동기(21)를 회생운전시킬 때에는, 선회용 전동기(21)의 회생전력을 전동기로서 기능하는 전동발전기(12)에 공급한다. 이로 인하여, 축전계(120)를 정지시킨 경우이더라도 전동선회계를 적절하게 구동할 수 있다. 그 결과, 불안정한 자세의 쇼벨에서 축전계(120)의 이상이 발생하여 전동선회계를 정지시켰을 때이더라도, 그 후의 전동선회계의 구동을 허가함으로써 쇼벨을 안정 자세로 이행시킬 수 있다.
또, 본 발명의 실시예에 관한 쇼벨은, 선회용 전동기(21)의 회생전력을 열로서 소비하는 열소비부(40)를 갖고 있어도 된다. 이 경우, 회생전력이 전동발전기(12)의 소비 가능 전력보다 큰 경우이더라도 회생 전력 전부를 확실히 소비할 수 있고, 상부선회체(3)를 원하는 제동토크로 정지시킬 수 있다.
또, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 경우, 선회용 전동기(21)를 역행운전시킬 때의 선회토크 등을 제한함으로써, 그 후에 선회용 전동기(21)를 회생운전시킬 때에 선회용 전동기(21)가 생성하는 회생전력을 제한해도 된다. 이 경우, 회생전력이 전동발전기(12)의 소비 가능 전력보다 커지는 것을 방지할 수 있고, 회생 전력 전부를 전동발전기(12)에서 확실히 소비할 수 있도록 하여, 상부선회체(3)를 원하는 제동토크로 정지시킬 수 있다.
또, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 경우로서, 선회조작과 유압액추에이터의 조작을 포함하는 복합조작이 행해진 경우, 선회용 전동기(21)를 역행운전시킬 때의 선회토크 등의 제한에 따라 유압액추에이터의 움직임을 제한해도 된다. 이 경우, 최대선회속도의 저하에 맞추어 유압액추에이터의 동작속도를 저하시킬 수 있어, 조작자가 원하는 조작감을 실현할 수 있다.
또, 컨트롤러(30)는, 축전계(120)를 정지시킨 경우에 선회용 전동기(21)를 회생운전시킬 때, 쇼벨의 자세가 불안정상태에 있는 경우에는, 제동토크를 제한해도 된다. 이 경우, 선회 중인 상부선회체(3)를 정지시켰을 때에 발생하는 상부선회체(3)의 관성에 의한 반동에 의하여 쇼벨이 밸런스를 무너트려 버리는 것을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은, 상술한 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 상술한 실시예에 다양한 변형 및 치환을 더할 수 있다.
또, 본원은, 2014년 3월 31일에 출원한 일본 특허출원 2014-074521호에 근거하는 우선권을 주장하는 것이며, 이들 일본 특허출원의 전체내용을 본원에 참고로 원용한다.
1: 하부주행체
1A, 1B: 유압모터
2: 선회기구
3: 상부선회체
4: 붐
5: 암
6: 버킷
7: 붐실린더
8: 암실린더
9: 버킷실린더
10: 캐빈
11: 엔진
12: 전동발전기
13: 변속기
14: 메인펌프
15: 파일럿펌프
16: 고압유압라인
17: 컨트롤밸브
18, 20: 인버터
19: 커패시터
21: 선회용 전동기
22: 리졸버
23: 메커니컬브레이크
24: 선회변속기
25: 파일럿라인
26: 조작장치
26A, 26B: 레버
26C: 페달
27: 유압라인
28: 유압라인
29: 압력센서
30: 컨트롤러
40: 열소비부
40a: 전기저항부
40b: 유량제어밸브
100: 승강압 컨버터
110: DC버스
111: DC버스전압 검출부
112: 커패시터전압 검출부
113: 커패시터전류 검출부
120: 축전계
M1: 경사센서
M2: 온도센서
M3: 온도센서
M4: 전환스위치

Claims (7)

  1. 유압펌프와,
    상기 유압펌프를 구동가능한 전동발전기와,
    축전계와,
    선회용 전동기와,
    제어장치를 갖는 쇼벨로서,
    상기 제어장치는, 상기 쇼벨의 작동중에 상기 축전계가, 상기 축전계와 다른 계와의 사이에서의 전력의 유출입이 정지되는 정지상태인 경우, 상기 선회용 전동기가 감속중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급하고,
    상기 축전계가 상기 정지상태인 경우, 상기 정지상태로 이행하기 전과 비교하여, 상기 선회용 전동기에 의한 선회의 움직임을 느리게하고, 또한, 상기 유압펌프에 의하여 구동되는 유압액추에이터의 움직임을 느리게 하는,
    쇼벨.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축전계의 정지상태는, 상기 축전계의 과방전, 과충전, 열화, 전압이상, 온도이상을 포함하는 이상이 생겼을 때에, 상기 축전계의 충전이 정지된 상태, 또는, 스위치에 의해서 상기 축전계와 상기 선회용 전동기가 전기적으로 차단된 상태를 포함하는,
    쇼벨.
  3. 유압펌프와,
    상기 유압펌프를 구동가능한 전동발전기와,
    축전계와,
    선회용 전동기와,
    제어장치를 갖는 쇼벨로서,
    상기 제어장치는, 상기 쇼벨의 작동중에 상기 축전계가, 싱가 축전계와 다른 계와의 사이에서의 전력의 유출입이 정지되는 정지상태인 경우, 상기 선회용 전동기가 감속중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급하고,
    상기 제어장치는, 상기 쇼벨이 경사지에 위치하는 것, 선회속도가 소정치 이상인 것, 어태치먼트의 선단이 상기 쇼벨로부터 소정거리만큼 떨어져 있는 것, 또는, 상기 어태치먼트의 선단에 소정의 중량이 걸려있는 것, 혹은, 상기 쇼벨이 불안정한 자세인 것을 포함하는 불안정상태인지 여부를 판정하고,
    상기 불안정상태에 있는 경우, 또한, 상기 축전계가 상기 정지상태인 경우에 상기 선회용 전동기가 감속중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급시키는,
    쇼벨.
  4. 유압펌프와,
    상기 유압펌프를 구동가능한 전동발전기와,
    축전계와,
    선회용 전동기와,
    제어장치를 갖는 쇼벨로서,
    상기 제어장치는, 상기 쇼벨의 작동중에 상기 축전계가, 상기 축전계와 다른 계와의 사이에서의 전력의 유출입이 정지되는 정지상태인 경우, 상기 선회용 전동기가 감속중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급하고,
    상기 선회용 전동기에 의해서 선회구동되는 선회체를 가지며,
    상기 제어장치는, 상기 축전계가 상기 정지상태인 경우, 상기 쇼벨의 자세에 따라서 상기 선회체에 가해지는 제동토크를 저하시키는,
    쇼벨.
  5. 유압펌프와,
    상기 유압펌프를 구동가능한 전동발전기와,
    축전계와,
    선회용 전동기와,
    제어장치를 갖는 쇼벨로서,
    상기 제어장치는, 상기 쇼벨의 작동중에 상기 축전계가, 상기 축전계와 다른 계와의 사이에서의 전력의 유출입이 정지되는 정지상태인 경우, 상기 선회용 전동기가 감속 중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급하고,
    상기 축전계가 정지상태로 되고, 상기 선회용 전동기가 감속중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급할 때, 상기 유압펌프를 회전시키기 위해 필요한 힘을 크게하는,
    쇼벨.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 유압펌프가 토출하는 작동유의 유량을 유량제어밸브로 제한하거나, 혹은, 엔진의 회전수를 낮게 하는, 쇼벨.
  7. 유압펌프와,
    상기 유압펌프를 구동가능한 전동발전기와,
    축전계와,
    선회용 전동기와,
    제어장치를 갖는 쇼벨로서,
    상기 제어장치는, 상기 쇼벨의 작동중에 상기 축전계가, 상기 축전계와 다른 계와의 사이에서의 전력의 유출입이 정지되는 정지상태인 경우, 상기 선회용 전동기가 감속중에 발생시키는 전력을 상기 전동발전기에 공급하고,
    상기 쇼벨의 자세에 따라서 선회체의 선회를 정지시킬지 축전계 정지시 선회제어를 채용할지를 결정하는,
    쇼벨.
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