JP2006238519A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンデンサに蓄える電力量を適正に制御して、コンデンサに蓄積した電力による負荷の駆動と負荷から回生電力の回収を効率的に行い得る負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】 外部電源から与えられる電力にてコンデンサを充電すると共に、コンデンサの蓄積電力を外部電源に回生する交流・直流コンバータと、コンデンサの蓄積電力を用いて負荷を駆動すると共に、負荷から得られる回生電力をコンデンサに蓄積するインバータとを具備し、前記交流・直流コンバータの作動を制御する制御器は、直流電圧検出値が直流電圧上限値と直流電圧下限値との間にあるときには、電流制限しながら外部電源からの電力供給運転を行わせ、直流電圧検出値が直流電圧上限値を越えるときには電流制限を解除して外部電源への電力回生運転を、また直流電圧検出値が直流電圧下限値に満たないときには、電流制限を解除して外部電源からの電力供給運転を行わせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、クレーン等の昇降機を駆動するに好適な負荷駆動装置に関する。

クレーン等の昇降機を駆動する負荷駆動装置は、一般に交流電源を直流電力に変換する直流・交流コンバータと、この直流・交流コンバータから出力される直流電力を、電圧および周波数が制御された交流に変換して電動機を駆動するインバータとを備えて構成される。また上記直流・交流コンバータから出力される直流電力をコンデンサ（蓄電器）に蓄え、このコンデンサに蓄積された電力を用いて前記インバータを力行駆動すると共に、前記電動機を介して得られる回生電力を上記コンデンサに蓄積して前記インバータの駆動に再利用することも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。

また最近、小型で大容量の電気二重層コンデンサが注目されており、上述した負荷駆動装置における電力蓄積用のコンデンサとして電気二重層コンデンサを用いることが考えられている。
特開平１０−２６７０７６号公報

ところで上述したクレーン等の昇降機における電動機の駆動には多大な電力（力行エネルギ）を要し、また電動機から得られる回生電力（回生エネルギ）も大きい。従ってその電力（電力エネルギ）を如何にして効率的に電気二重層コンデンサに入出力するかが問題となる。しかも電気二重層コンデンサに蓄積した電力エネルギを有効に活用し、また電動機から得られた回生電力を無駄なく回収して再利用するには、電動機の運転条件に応じて電気二重層コンデンサに蓄積した電力量を適正に保つことが必要である。

具体的には電動機の力行運転が想定される場合には、その力行駆動に要する電力エネルギを予め電気二重層コンデンサに蓄えておくことが必要である。逆に電動機の回生運転が予想される場合には、その回生電力を電気二重層コンデンサに確実に蓄積し得るように該電気二重層コンデンサに蓄積されている電力量を低く抑え、その充電可能な容量に余裕を持たせておくことが必要である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、負荷の運転条件に応じてコンデンサに蓄えておく電力量を適正に制御することができ、これによって上記コンデンサを介する負荷の駆動と負荷から回収される回生電力の蓄積とを効率的に行い得るようにした負荷駆動装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る負荷駆動装置は、外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換して前記外部電源に回生する機能を備えた交流・直流コンバータと、この交流・直流コンバータから出力される直流電力を蓄積するコンデンサと、このコンデンサに蓄積された直流電力および／または前記交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して負荷を駆動すると共に、上記負荷に生じた回生電力を回収して前記コンデンサに蓄積するインバータとを具備し、
前記交流・直流コンバータの作動を制御する制御器においては、
<ａ> 前記交流・直流コンバータの直流側での直流電圧検出値が予め設定した直流電圧上限値と直流電圧下限値との間にあるときには、所定の電流値制限値の範囲内で前記外部電源からの電力供給運転を行わせると共に、
<ｂ> 前記直流電圧検出値が前記直流電圧上限値よりも大きいときには、電流値制限を解除して前記外部電源への電力回生運転を行わせ、
<ｃ> 更には前記直流電圧検出値が前記直流電圧下限値よりも小さいときには、電流値制限を解除して前記外部電源からの電力供給運転を行わせることを特徴としている。

好ましくは請求項２に記載するように前記電流値制限値を、前記交流・直流コンバータの最大許容電流以下の値として予め設定さし、また請求項３に記載するように前記直流電圧上限値を前記交流・直流コンバータの動作特性を保証する前記コンデンサの最大充電容量を規定する電圧値として、また前記直流電圧下限値を前記交流・直流コンバータの動作特性を保証する前記コンデンサの最小充電容量を規定する電圧値として設定することが望ましい。

ちなみに前記コンデンサは請求項４に記載するように小型で大容量の電気二重層コンデンサからなり、また前記負荷は昇降機を駆動する電動機からなる。

上述した如く構成された負荷駆動装置によれば、交流・直流コンバータの作動を制御する制御器は、該交流・直流コンバータの直流側での直流電圧検出値、つまりコンデンサの充電電圧（端子電圧）が、予め設定した直流電圧上限値と直流電圧下限値との間にあるか否かを判定し、その判定結果に応じて前記交流・直流コンバータの作動を制御する。そしてコンデンサの充電電圧が上記直流電圧上限値と直流電圧下限値との間にあるときには、所定の電流値制限の下で前記交流・直流コンバータに外部電源からコンデンサに電力供給する電力供給運転を行わせる。そしてコンデンサの充電電圧が前記直流電圧上限値を越える場合には、負荷からの回生電力の回収によって直流側での電力エネルギ（コンデンサの充電量）が過剰となっていると判定して、所定の電流制限の下で前記交流・直流コンバータに前記コンデンサに蓄積されている電力を外部電源に戻す電力回生運転を行わせる。更にコンデンサの充電電圧が前記直流電圧下限値に満たない場合には、コンデンサの充電量が大幅に不足していると判断し、前記交流・直流コンバータに前記外部電源からコンデンサに電力供給する電力供給運転を行わせる。

従って直流電圧上限値と直流電圧下限値とによる管理の下で前記コンデンサの充電量を適正に制御することが可能となる。しかもコンデンサの充電量が大幅に不足している場合以外においては、上述した電力供給運転および電力回生運転を、予め設定した電流制限値の範囲でそれぞれ実行するので、コンデンサに過度な負担を掛けることなしにその充電量を適正化することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置について説明する。
この負荷駆動装置は、例えば物品（荷物）を吊り上げて昇降させるクレーンや、物品を載置する昇降ステージを上下動させるリフタ等における駆動用の誘導電動機（モータ）を負荷とし、外部電源から与えられる交流電力（例えば２００Ｖの動力系三相交流電力）を用いて上記電動機を駆動するものである。特に負荷駆動装置は、基本的には交流・直流コンバータを用いて交流電力から直流電力を生成し、更にこの直流電力からインバータを用いて電圧および周波数が制御された交流電力を生成して電動機（負荷）を駆動するように構成される。

即ち、本発明に係る負荷駆動装置は、図１にその概略的なブロック構成を示すように外部電源１から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータ２と、この交流・直流コンバータ２から出力される直流電力を蓄積するコンデンサ３を備える。このコンデンサ３は、例えば小型で充電容量の大きい電気二重層コンデンサからなる。更に負荷駆動装置は、上記コンデンサ３に蓄積された直流電力および／または前記交流・直流コンバータ１から出力される直流電力から、電圧および周波数を制御した交流電力を生成して負荷（電動機）４を駆動するインバータ５を備える。またこのインバータ５は、前記負荷（電動機）４から回生電力が得られるとき、その回生電力を直流電力に変換して回収して前記コンデンサ３に蓄積する機能を備えたものである。

尚、前記インバータ５は、負荷４の駆動状態に応じて負荷制御器６によりその動作が制御される。特に負荷制御器６は、負荷４の駆動に要する電力が正（＋）である場合には、コンデンサ３に蓄積された電力および／または交流・直流コンバータ２から得られる電力を用いて負荷４を力行駆動し、また負荷４の駆動に要する電力が負（−）であり、負荷４を介して電力が回生される場合には、その回生電力を回収して前記コンデンサ３を充電するものとなっている。

また前記交流・直流コンバータ２は、その直流側の電圧、具体的にはコンデンサ３の充電電圧（端子電圧）に応じて電源制御器７によりその動作が制御される。特に電源制御器７は、その直流系にて検出されるコンデンサ３の充電電圧Ｖsencを、前記交流・直流コンバータ２が出力制御可能な直流電圧上限値Ｖmaxおよび直流電圧下限値Ｖminとそれぞれ比較し、その比較結果に応じて前記交流・直流コンバータ２を電力供給運転、または電力回生運転させることで前記コンデンサ３の充電量を制御している。

具体的にはコンデンサ３の充電量Ｕは、その容量をＣとしたとき［Ｕ＝（１／２）ＣＶ²］として示され、図２に示すように充電電圧Ｖの２乗に比例して変化する。換言すればコンデンサ３に加える電圧（印加電圧）がその端子電圧よりも高い場合には、コンデンサ３に蓄積し得る電気容量（電気エネルギ量）に余裕があるので、その端子電圧が印加電圧に達するまでコンデンサ３に対する充電が行われる。これに対してコンデンサ３に加える電圧（印加電圧）がその端子電圧よりも低い場合には、コンデンサ３の蓄えられている電気容量（電気エネルギ量）が過剰なので、その端子電圧が印加電圧に達するまでコンデンサ３に対する放電が行われる。

電源制御器７は、上述したようにコンデンサ３における充電量が該コンデンサ３に加える直流電圧の２乗に比例して変化することに着目し、前述した直流電圧上限値Ｖmaxおよび直流電圧下限値Ｖminの範囲においてコンデンサ３の充電量を適正に制御するものとなっている。そして特に、前記直流系にて検出されるコンデンサ３の充電電圧（直流電圧検出値）Ｖsencと直流電圧上限値Ｖmaxとを比較し（第１の判定機能７ａ）、直流電圧検出値Ｖsencの方が高い場合には、コンデンサ３に過剰に直流電圧が蓄積されていると判断して前記交流・直流コンバータ２を電力回生運転している（電力回生運転機能７ｂ）。この交流・直流コンバータ２の電力回生運転により、前記コンデンサ３に蓄積されている過剰な直流電力が交流電力に変換されて外部電源１に回生される（戻される）。

また電源制御器７は、コンデンサ３の充電電圧（直流電圧検出値）Ｖsencが前記直流電圧上限値Ｖmaxよりも低い場合には、上記充電電圧（直流電圧検出値）Ｖsencと前述した直流電圧下限値Ｖminとを比較している（第２の判定機能７ｃ）。そして直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧下限値Ｖminに満たないような場合には、コンデンサ３の充電量が大幅に不足していると判定し、前記交流・直流コンバータ２を電力供給運転している（電力供給運転機能７ｄ）。この電力供給運転により外部電源１からコンデンサ３へと電力供給が行われて、前記コンデンサ３の電圧が前記交流・直流コンバータ２が制御不可能な電圧に低下することを防いでいる。

そして前記コンデンサ３の充電電圧（直流電圧検出値）Ｖsencが前述した直流電圧上限値Ｖmaxおよび直流電圧下限値Ｖminの範囲内にあるときには（判定機能７ａ,７ｃ）、電源制御器７は負荷４の駆動によって消費される電力量を補うべく、所定の電流制限の下で前記交流・直流コンバータ２を電力供給運転している（電力供給運転機能７ｅ）。この電流制限付きの電力供給運転は、負荷４の駆動に要する電力量（要求電力）に応じた電力を前記ンデンサ３に蓄積しておくべく、直流電圧検出値Ｖsencが、例えば予め設定した直流電圧設定値Ｖfixとなるまで実行される。尚、この直流電圧設定値Ｖfixについては、負荷４を駆動するに必要十分な電力量を見込んで、前述した直流電圧上限値Ｖmaxとして設定しておくことも可能である。

具体的には前記電源制御部７においては、図３にその概略的な制御手順を示すように先ずその運転条件が成立しているか否かを判定する〈ステップＳ１〉。そして運転条件が成立している場合には、初期設定処理として交流・直流コンバータ２が出力すべく直流電力の予め設定した直流電圧設定値Ｖfixを取り込むと共に、図示しないセンサ（電圧計）にて検出される直流系の電圧（コンデンサ３の充電電圧）を直流電圧検出値Ｖsencを取り込む〈ステップＳ２〉。この際、交流・直流コンバータ２における電力供給時の電流制限値Ｉsupと、電力回生時の電流制限値Ｉregとをそれぞれ取り込むと共に、更に交流・直流コンバータ２の動作特性を保証する出力電圧の範囲を示す直流電圧上限値Ｖmaxと直流電圧下限値Ｖminとをそれぞれ取り込む。

尚、上記電力供給時および電力回生時の各電流制限値Ｉsup,Ｉregは、交流・直流コンバータ２の仕様によって定まる許容最大電流の範囲で任意に設定すれば良いものである。また前記直流電圧設定値Ｖfixを、前記交流・直流コンバータ２の動作特性を保証する範囲において前記コンデンサ３に最大量の電力を蓄積するべく前記直流電圧上限値Ｖmaxに固定的に設定することも可能であり、また後述するように負荷４の駆動条件に応じて可変設定することも可能である。

しかる後、電源制御部７においては、先ず前記直流電圧設定値Ｖfixと直流電圧検出値Ｖsencとを比較し、コンデンサ３に所要とする電力量が蓄積されているか否かを判定する〈ステップＳ３〉。そして直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧設定値Ｖfixと等しく、コンデンサ３に所要とする電力量が蓄積されていることが確認された場合には、交流・直流コンバータ２に対する制御を停止して元に戻る〈ステップＳ４〉。

これに対して直流電圧設定値Ｖfixと直流電圧検出値Ｖsencとが異なる場合に、直流電圧設定値Ｖfixよりも直流電圧検出値Ｖsencが高いか否かを判定する〈ステップＳ５〉。そして直流電圧設定値Ｖfixよりも直流電圧検出値Ｖsencが高い場合には、コンデンサ３に所望とする電力量以上の電力が蓄えられていることが判定されるので、前記交流・直流コンバータ２を電力回生運転する。この際、上記直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧上限値Ｖmaxを上回っているか否かを判定し〈ステップＳ６〉、直流電圧検出値Ｖsencが高い場合には、コンデンサ３に過剰に蓄積されている電力エネルギを速やかに外部電源１に回収するべく、交流・直流コンバータ２を前述した電流制限を解除して電力回生運転を行う〈ステップＳ７〉。しかし直流電圧検出値Ｖsencが低い場合には、前記コンデンサ３の充電電力を徐々に外部電源１に回収するべく、前記交流・直流コンバータ２を前述した電流制限値Ｉregによる電流制限の下で一定電流で電力回生運転する〈ステップＳ８〉。

これに対して直流電圧設定値Ｖfixよりも直流電圧検出値Ｖsencが低い場合には、コンデンサ３に所望とする電力量の電力が蓄えられてないことが判定されるので、前記交流・直流コンバータ２を電力供給運転する。この際、上記直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧下限値Ｖminに満たないか否かを判定し〈ステップＳ９〉、直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧下限値Ｖminに満たない場合には、コンデンサ３の充電量を前記交流・直流コンバータ２の動作特性を保証する範囲まで速やかに充電するべく、交流・直流コンバータ２を前述した電流制限を解除して電力供給運転を行う〈ステップＳ１０〉。しかし直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧下限値Ｖminを上回っている場合には、前記コンデンサ３を所望とする充電量まで徐々に充電するべく、前記交流・直流コンバータ２を前述した電流制限値Ｉsupによる電流制限の下で一定電流で電力供給運転する〈ステップＳ１１〉。

即ち、コンデンサ３の充電電圧である直流系での直流電圧検出値Ｖsencが、交流・直流コンバータ２によりコンデンサ３の充電量を制御し得る直流電圧上限値Ｖmaxと直流電圧下限値Ｖminの範囲内にあるときには、コンデンサ３の充電量を制御する直流電圧設定値Ｖfixとの電圧関係に応じて、交流・直流コンバータ２を前述した電流制限条件の下で電力供給運転、または電力回生運転させてコンデンサ３の充電量を一定化制御する。しかし直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧上限値Ｖmaxを越え、コンデンサ３の充電量が過剰である場合には、交流・直流コンバータ２を強制的に電力回生運転して過剰な電力エネルギを外部電源１に回生させ、また直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧下限値Ｖminに満たない場合には、前記交流・直流コンバータ２が制御不可能な電圧に前記コンデンサ３の電圧（充電量）が低下することを防ぐべく前記交流・直流コンバータ２を強制的に電力供給運転する。

かくしてこのような交流・直流コンバータ２の運転制御によれば、その直流系での直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧上限値Ｖmaxを越え、コンデンサ３に蓄積しようとする電力量が、交流・直流コンバータ２が制御可能なコンデンサ３の充電量を超えないように交流・直流コンバータ２が電力回生運転されるので、直流系での余剰電力を効果的に外部電源１に戻して電力回収することができる。また直流系での直流電圧検出値Ｖsencが直流電圧下限値Ｖminに満たない場合には、交流・直流コンバータ２を電力供給運転することで外部電源１からの電力にてコンデンサ３を充電するので、コンデンサ３の充電量（蓄積した電力量）を前記交流・直流コンバータ２の動作特性を保証する範囲まで速やかに充電することができる。

その上で前述した直流電圧上限値Ｖmaxと直流電圧下限値Ｖminの範囲内において、交流・直流コンバータ２の電流制限を加えた電力供給運転により前記コンデンサ３を一定電流で、或いは一定電力量で充電することができるので、コンデンサ３に対して負荷４の駆動に伴う電力消費分を定常的に補いながら、負荷４を力行運転および回生運転することが可能となる。

更にはコンデンサ３に蓄積する電力量を、負荷４の駆動に要する電力量、および負荷４から得られる回生電力量を見込んで安定的に制御することも可能となる。そして負荷駆動装置による負荷４の駆動によって消費される電力を、定電流供給または定電力供給してコンデンサ３の充電流を最適化しながら、コンデンサ３に蓄積された余剰な電力を外部電源１に効率的に回生させることが可能となる。従って負荷駆動装置としての消費電力量を効果的に抑えることが可能となる等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前述した直流電圧設定値Ｖfixを負荷４の運転状態に応じて可変設定するようにしても良い。具体的にはクレーンに用いて荷物を高所に移動する（持ち上げる）場合には、その負荷４である電動機を力行（巻き上げ）運転する必要がある。従ってその力行駆動に要する電力量を予測し、予めその電力量をコンデンサ３に確保するように前記直流電圧設定値Ｖfixを前述した直流電圧上限値Ｖmaxと直流電圧下限値Ｖminとの範囲内において高く設定する。

また上記クレーンを用いて荷物を高所から降ろす場合には、荷物の重量に逆らって電動機により制動を掛けながら下降（巻き戻し）運転するので、負荷（電動）４から回生電力を得ることができる。従ってこの回生運転によって得られる電力量を予測し、その回生電力を前記コンデンサ３に確実に蓄積し得るように、予め前記直流電圧設定値Ｖfixを前述した直流電圧上限値Ｖmaxと直流電圧下限値Ｖminとの範囲内において低く設定し、コンデンサ３に蓄積された電力量を外部電源１に回生しておく。そしてコンデンサ３に、前記負荷４から回生される電力を蓄積し得る分の余力を持たせておくようにすれば良い。

また工場等に設けられる天井クレーンにおいては、専ら、荷物を持ち上げて別の場所に移動した後、その場所に上記荷物を降ろす運転が基本となるので、荷物の持ち上げに要する力行電力量と、荷物の降ろし運転時に得られる回生電力量とをそれぞれ予測し、負荷４に対して入出力する力行電力量・回生電力量を勘案して前記コンデンサ３に蓄積しておくべき電力量を決定して前記直流電圧設定値Ｖfixを設定するようにすれば良い。

またここではクレーンやリフタ等の昇降機の駆動を例に説明したが、負荷４から回生電力が得られるものであれば同様に適用することができる。具体的には負荷４を加減速し、加速時に力行エネルギを消費し、減速時に回生エネルギを回収し得るような負荷の駆動に同様に用いることができる。また昇降機の具体例としては、港湾設備におけるコンテナ移送（搬送）用のクレーン、ビル建設に用いられるジブクライミングクレーン、自動倉庫におけるスタッカクレーン、更には機械式立体駐車場におけるリフタ等を挙げることができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置の要部概略構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態を説明する為のコンデンサへの電力供給と上記コンデンサからの電力回生との処理概念を示す図。 本発明の一実施形態に係る負荷駆動装置における交流・直流インバータの動作制御手順の例を示す図。

符号の説明

１ 外部電源
２ 交流・直流コンバータ
３ コンデンサ（電気二重層コンデンサ）
４ 負荷（電動機）
５ インバータ
６ 負荷制御器
７ 電源制御器
７ａ 第１の判定機能
７ｂ 電力回生運転機能
７ｃ 第２の判定機能
７ｄ 電力供給運転機能
７ｅ 電力供給運転機能（電流制限付き）

Claims (4)

1. 外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換して前記外部電源に回生する機能を備えた交流・直流コンバータと、
   この交流・直流コンバータから出力される直流電力を蓄積するコンデンサと、
   このコンデンサに蓄積された直流電力および／または前記交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して負荷を駆動すると共に、上記負荷に生じた回生電力を回収して前記コンデンサに蓄積するインバータとを具備し、
   前記交流・直流コンバータの作動を制御する制御器は、
   前記交流・直流コンバータの直流側での直流電圧検出値が予め設定した直流電圧上限値と直流電圧下限値との間にあるときには、所定の電流値制限値の範囲内で前記外部電源からの電力供給運転を行わせ、
   前記直流電圧検出値が前記直流電圧上限値よりも大きいときには、電流値制限を解除して前記外部電源への電力回生運転を行わせ、
   前記直流電圧検出値が前記直流電圧下限値よりも小さいときには、電流値制限を解除して前記外部電源からの電力供給運転を行わせる
   ことを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記電流値制限値は、前記交流・直流コンバータの最大許容電流以下の値として予め設定されるものである請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記直流電圧上限値は、前記交流・直流コンバータの動作特性を保証する前記コンデンサの最大充電容量を規定する電圧値であって、前記直流電圧下限値は、前記交流・直流コンバータの動作特性を保証する前記コンデンサの最小充電容量を規定する電圧値である請求項１または２に記載の負荷駆動装置。
4. 前記コンデンサは電気二重層コンデンサであって、前記負荷は昇降機を駆動する電動機である請求項１〜３のいずれかに記載の負荷駆動装置。

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