JP2012121675A - 荷役装置の回生電力の利用システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動式荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用して顕著な省エネルギー効果を得る。
【解決手段】天井クレーン１０の荷降し動作時に天井クレーン１０の電動機２４で発生する回生電力を利用する天井クレーン１０の回生電力の利用システム１００であって、天井クレーン１０は、立坑の底部でシールドトンネルを構築するためのセグメント等の資材を、立坑の底部に荷降しする荷役作業に用いられ、電動機２４で発生する回生電力を、給水ポンプ３２等の工事現場内の電力消費系統に供給する利用手段を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動式の荷役装置の降荷時に該荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用するシステム及び方法に関する。

建設工事現場や港湾での荷役作業に用いられる電動式クレーンの消費エネルギーを低減することを目的として、電動式クレーンの電動機（モーター）で発生する回生電力を蓄電装置に蓄電するように構成したクレーン制御システムが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。これらのシステムでは、クレーンの降荷動作時に電動機で発生する回生電力を蓄電装置に蓄電し、クレーンの揚荷動作時に、蓄電装置に蓄電された電力や商用電源からの電力を消費する。

特開２００７―１６６７７５号公報 特開２００６−２２５０９３号公報 特開平９−２９５７９３号公報

特許文献１〜３に記載のクレーン制御システムのように、消費エネルギーの低減を目的として回生電力を利用することは、種々検討されている。しかし、何れの場合においても、回生電力の発生量はクレーンの消費電力量と比して微量であることから、回生電力の利用による省エネルギー効果は大きいものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電動式荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用して顕著な省エネルギー効果を得ることを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る荷役装置の回生電力の利用システムは、電動式の荷役装置の荷降し動作時に該荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用する荷役装置の回生電力の利用システムであって、前記荷役装置は、立坑の底部で地下構造物を構築するための資材を、前記立坑の底部に荷降しする荷役作業に用いられ、前記回生電力を、前記立坑が設けられる工事現場内の電力消費系統に供給し、蓄電装置に蓄電させ、又は、電力事業者の配電系統に供給する利用手段を備えることを特徴とする。

上記荷役装置の回生電力の利用システムにおいて、前記利用手段は、前記回生電力を前記工事現場内の電力消費系統に供給してもよい。

また、上記荷役装置の回生電力の利用システムは、前記回生電力の発生量を表示する表示装置を備えてもよい。

また、本発明に係る荷役装置の回生電力の利用方法は、電動式の荷役装置の荷降し動作時に該荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用する荷役装置の回生電力の利用方法であって、前記荷役装置を、立坑の底部で地下構造物を構築するための資材を、前記立坑の底部に荷降しする荷役作業に用い、前記回生電力を、前記立坑が設けられる工事現場内の電力消費系統に供給し、蓄電装置に蓄電させ、又は、電力事業者の配電系統に供給することを特徴とする。

上記荷役装置の回生電力の利用方法において、前記回生電力の発生量が、前記荷役装置の電力の消費量よりも多くなるように、前記荷役装置を稼動させてもよい。

上記荷役装置の回生電力の利用システム及び方法によれば、電動式荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用して顕著な省エネルギー効果を得ることができる。

一実施形態に係る回生電力利用システムを採用したシールドトンネルの工事現場を示す立面断面図である。 天井クレーンを示す立面図である。 一実施形態に係る回生電力利用システムの概略構成を示すブロック図である。 他の実施形態に係る回生電力利用システムの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る天井クレーン１０の回生電力の利用システム（以下、回生電力利用システムという）１００（図３参照）を採用したシールドトンネル１の工事現場を示す立面断面図である。この図に示すように、天井クレーン１０は、立坑２の上部に設置されており、シールドトンネル１の覆工面を構成するセグメント３や床版等の資材や機材を、立坑２の底部まで荷降しする。なお、本実施形態では、立坑２の底部から両側へ、片側２機のシールド掘進機を発進させて、立坑２の底部を貫通する２本のシールドトンネル１を構築する。また、シールド掘進機と同数の天井クレーン１０を、立坑２の上部に、それぞれ各シールド掘進機に対応するように設置する。

図２は、天井クレーン１０を示す立面図である。この図に示すように、天井クレーン１０は、立坑２の上部に跨るように設置されたガータ１２と、ガータ１２上を横行するトロリ１４と、トロリ１４からワイヤー１５で吊り下げられたフックブロック１６と、ワイヤー１５の巻き取り、巻き出しをすることによりフックブロック１６を昇降させる昇降装置１８とを備える。昇降装置１８は、フックブロック１６とトロリ１４とにそれぞれ設けられたプーリ２０と、トロリ１４に設けられた巻取りドラム２２と、巻取りドラム２２を回転駆動する電動機（モーター）２４とを備える。

天井クレーン１０の荷揚げ動作時には、電動機２４の力行動作により巻取りドラム２２がワイヤー１５を巻き取る方向に回転される。一方、天井クレーン１０の荷降し動作時には、巻取りドラム２２が吊り荷の荷重によりワイヤー１５を巻き出す方向に回転される。この際、巻取りドラム２２に電動機２４の回生ブレーキが作用することで、巻取りドラム２２は低速で回転し、吊荷は低速で降下する。また、電動機２４は回生電力を発生する。

図３は、回生電力利用システム１００の概略構成を示すブロック図である。この図に示すように、回生電力利用システム１００は、電力系統から高圧（例えば、６６００Ｖ）の電力を受電するキュービクル式高圧受電設備（以下、キュービクルという）１１０と、キュービクル１１０に接続された分電盤１２０、１２２と、分電盤１２０に接続された制御盤１３０と、制御盤１３０に接続された電動機２４と、電動機２４からの回生電力の発生量等を表示する表示装置１４０とを備えている。分電盤１２０には、複数の天井クレーン１０の他に、掘削土等を地上に搬送するための垂直ベルトコンベア３０等が接続されている。また、分電盤１２２には、立坑２内や立坑２の周辺に設置された給水ポンプ３２や保安照明３４等の設備が接続されている。即ち、キュービクル１１０は、天井クレーン１０や垂直ベルトコンベア３０や給水ポンプ３２や保安照明３４等の負荷（電力消費系統）に電源を供給する。

キュービクル１１０は、地上に設置されて変圧器や開閉器等を収容しており、高圧で受電した電気を、４００Ｖに変換して分電盤１２０へ、２００Ｖに変換して分電盤１２２へ送電する。また、分電盤１２０、１２２は、地上に設置されて漏電遮断器等を収容している。分電盤１２０は、受電した４００Ｖの交流を、制御盤１３０やその他の接続された４００Ｖ系の設備に分電し、分電盤１２２は、受電した２００Ｖの交流を、給水ポンプ３２や保安照明３４等の２００Ｖ系の設備に分電する。

制御盤１３０は、天井クレーン１０のガータ１２上に設置されてＰＷＭサイクロコンバータ１３２（マトリックスコンバータ）や電力量計等を収容している。ＰＷＭサイクロコンバータ１３２は、小形の入力フィルタと複数個の双方向スイッチとから構成された主回路部を備えるＡＣ／ＡＣ変換器であり、三相交流電源の交流電圧を、ＰＷＭ制御により任意の電圧・周波数の交流電圧に直接変換して電動機２４に出力すると共に、電動機２４で発生した回生電力を交流電源側へ還流させる。

表示装置１４０は、地上に設置され、制御盤１３０等に設けられた電力量計に接続されており、電力量計により計測された電力消費系統全体の現在の消費電力量（ｋＷｈ）、電力量計により計測された電動機２４の現在の回生電力量（ｋＷｈ）、及び、電力消費系統全体の最大需要電力量（最大デマンド）（ｋＷｈ）を表示する。

ところで、制御盤１３０には、分電盤１２０を介して他の天井クレーン１０や垂直ベルトコンベア３０等の４００Ｖ系の設備が接続されており、図中矢印で示すように、電動機２４で発生した回生電力は、作動中の他の天井クレーン１０や作動中の垂直ベルトコンベア３０に供給される。また、制御盤１３０には、分電盤１２０、キュービクル１１０及び分電盤１２２を介して給水ポンプ３２や保安照明３４等の２００Ｖ系の設備が接続されており、図中矢印で示すように、電動機２４の回生動作で発生した回生電力は、キュービクル１１０の変圧器で２００Ｖに変圧されてから作動中の２００Ｖ系の設備に供給される。即ち、回生電力利用システム１００は、回生電力を立坑２が設けられた工事現場内の電力消費系統に供給する利用手段を備えている。

ここで、キュービクル１１０から配電される設備の容量（ｋＷ）の一例を挙げると、天井クレーン１０や垂直ベルトコンベア３０等の４００Ｖ系の設備の総容量は６１５ｋＷ、給水ポンプ３２や保安照明３４等の２００Ｖ系の設備の総容量は１９３．４ｋＷであり、これらの合計量、即ち、キュービクル１１０から配電される設備の総容量は８０８．４ｋＷである。これに対し、天井クレーン１０の電動機２４の容量は９０ｋＷであり、キュービクル１１０から配電される設備の総容量と比して小さい。

このように、回生電力を発生する電動機２４に接続された負荷の容量が、当該電動機２４の容量と比して格段に大きく、キュービクル１１０に接続された電力消費系統全体の回生容量には十分な余裕がある。従って、電動機２４で発生した回生電力を、電動機２４に接続された電力消費系統で全て消費することができ、使用されずに捨てる電力が生じないため、電力消費系統全体の電力の消費量を効果的に低減できる。

特に、本実施形態では、立坑２の底部でシールドトンネル１を構築することから、そのためのセグメント３や床版等の資材を、天井クレーン１０の荷降し動作により立坑２の底部まで降ろし、天井クレーン１０を空荷の状態で巻き上げる、という作業を繰返す。なお、上述のように、シールド掘進機が地中を掘削することにより発生した土砂は、垂直ベルトコンベア３０により地上に搬送するため、天井クレーン１０によっては揚重されない。

そして、天井クレーン１０の巻下げ時には、吊り荷の重量に応じた位置エネルギーが電動機２４から電気エネルギーとして回生されるところ、巻下げ時にはセグメント３等の吊り荷が存在する場合が多く、一方、天井クレーン１０の巻上げ時には、電気エネルギーが吊り荷の重量に応じた運動エネルギーとして電動機２４で消費されるところ、巻上げ時には吊り荷が存在しない場合が多い。このため、天井クレーン１０では、電動機２４からの回生電力の発生量が電動機２４での電力の消費量を上回ることになり、天井クレーン１０では消費されない余剰電力が生じる。そして、天井クレーン１０において多量に発生する余剰電力である回生電力を、他の天井クレーン１０や給水ポンプ３２等の電力消費系統の設備に供給して消費する。これにより、電力消費系統全体の電力の消費量をより効果的に低減でき、顕著な省エネルギー効果を得ることができる。

また、本実施形態では、電動機２４で発生した回生電力を、蓄電装置で蓄電するのではなく、電動機２４に接続された電力消費系統で全て消費するように構成したことにより、キャパシタやバッテリ等の蓄電装置を設置するコストを低減できる。

また、本実施形態では、インバータと電力回生コンバータとの機能を併せ持つＰＷＭサイクロコンバータ１３２を制御盤１３０に設けたことにより、インバータとコンバータとを別個に設ける場合と比して省スペース化でき、制御盤１３０を小型化できる。また、インバータの構成部品であるダイオードが存在しないことから、高調波の発生を防止できる。さらに、ＰＷＭサイクロコンバータ１３２は、一般的に回生用コンバータと比して回生効率が高いことから、電動機２４からの回生電力を効率よく回収することができる。

また、本実施形態では、電動機２４からの回生電力の発生量が、表示装置１４０により表示される。また、表示装置１４０には電力消費系統全体の現在の消費電力量や最大需要電力量が表示される。これにより、作業者等の省エネルギーに対する意識を高揚させることができる。また、作業者等は、回生電力の発生量を考慮したうえで、電力消費系統全体の電力の消費量を、最大需要電力量を超えないように調整することができる。

図４は、他の実施形態に係る回生電力利用システム２００の概略構成を示すブロック図である。この図に示すように、回生電力利用システム２００は、上述の制御盤１３０に替えて制御盤２３０を備える。この制御盤２３０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３２と、インバータ２３４と、回生用コンバータ２３５と、キャパシタやバッテリ等の蓄電装置２３６と、制御装置２３８とを備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ２３２は、４００Ｖの交流を直流に変換してインバータ２３４に出力する。インバータ２３４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３２で変換された直流を、任意の電圧・周波数の交流に変換して電動機２４に出力すると共に、図中実線矢印で示すように、電動機２４の回生動作で発生した交流を直流に変換して蓄電装置２３６に蓄電させる。また、図中鎖線矢印で示すように、回生用コンバータ２３５は、インバータ２３４と並列に接続されており、電動機２４の回生動作で発生した交流を電源側へ還流させる。

制御装置２３８は、蓄電装置２３６の残容量に応じて、電動機２４への電力供給経路を切り替える。例えば、制御装置２３８は、蓄電装置２３６の残容量が所定の閾値以上である場合に、蓄電装置２３６から電動機２４への電力供給に切り替え、蓄電装置２３６の残容量が所定の閾値未満である場合に、キュービクル１１０から電動機２４への電力供給に切り替える。

また、制御装置２３８は、蓄電装置２３６の残容量と電力消費系統の電力の消費量とに応じて、電動機２４からの回生電力の供給経路を切り替える。例えば、制御装置２３８は、蓄電装置２３６が満充電状態になった場合に、図中鎖線矢印で示すように、回生用コンバータ２３５を介して、電動機２４から電気事業者の配電系統２４０への電力供給に切り替える。また、制御装置２３８は、場内の電力消費系統の電力の消費量が所定の閾値以上になった場合に、回生用コンバータ２３５を介して、電動機２４から場内の電力消費系統への電力供給に切り替える。これにより、場内の電力消費系統の電力の消費量が最大需要電力量を超えることを抑制できる。

このように、回生電力利用システム２００は、回生電力を、立坑２が設けられた工事現場内の電力消費系統に供給し、蓄電装置２３６に蓄電させ、電力事業者の配電系統２４０へ供給する利用手段を備える。

ここで、本実施形態においても上述の実施形態と同様に、天井クレーン１０の巻下げ時にはセグメント３等の吊り荷が存在する場合が多く、一方、天井クレーン１０の巻上げ時には吊り荷が存在しない場合が多いことにより、電動機２４からの回生電力の発生量が電動機２４での電力の消費量を上回ることになる。従って、蓄電装置２３６の蓄電量を高いレベルに維持することが可能である。また、蓄電装置２３６の蓄電容量を超える回生電力については、電動機２４に接続された場内の電力消費系統や電力事業者の配電系統２４０に供給することにより、場内で消費したり、電力会社に売電したりすることができる。以上により、顕著な省エネルギー効果を得ることができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、上述の各実施形態では、立坑２の底部に構築する地下構造物としてシールドトンネル１を例に挙げて本発明を説明したが、立坑自体を地下構造物とする場合等、他の地下構造物を構築する場合にも本発明を適用することができる。また、電動式の荷役装置として天井クレーン１０を例に挙げて本発明を説明したが、ウインチ等の他の電動式の荷役装置を用いる場合にも本発明を適用することができる。

１ シールドトンネル（地下構築物）、２ 立坑、３ セグメント（資材）、１０ 天井クレーン（荷役装置）、１２ ガータ、１４ トロリ、１５ ワイヤー、１６ フックブロック、１８ 昇降装置、２０ プーリ、２２ 巻取りドラム、２４ 電動機、３０ 垂直ベルトコンベア、３２ 給水ポンプ、３４ 保安照明、１００ 回生電力利用システム、１１０ キュービクル、１２０、１２２ 分電盤、１３０ 制御盤、１３２ ＰＷＭサイクロコンバータ、１４０ 表示装置、２３０ 制御盤、２３２ ＡＣ／ＤＣコンバータ、２３４ インバータ、２３５ 回生用コンバータ、２３６ 蓄電装置、２３８ 制御装置、２４０ 電力事業者の配電系統

Claims (5)

1. 電動式の荷役装置の荷降し動作時に該荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用する荷役装置の回生電力の利用システムであって、
   前記荷役装置は、立坑の底部で地下構造物を構築するための資材を、前記立坑の底部に荷降しする荷役作業に用いられ、
   前記回生電力を、前記立坑が設けられる工事現場内の電力消費系統に供給し、蓄電装置に蓄電させ、又は、電力事業者の配電系統に供給する利用手段を備えることを特徴とする荷役装置の回生電力の利用システム。
2. 前記利用手段は、前記回生電力を前記工事現場内の電力消費系統に供給することを特徴とする請求項１に記載の荷役装置の回生電力の利用システム。
3. 前記回生電力の発生量を表示する表示装置を備える請求項１又は請求項２に記載の荷役装置の回生電力の利用システム。
4. 電動式の荷役装置の荷降し動作時に該荷役装置の電動機で発生する回生電力を利用する荷役装置の回生電力の利用方法であって、
   前記荷役装置を、立坑の底部で地下構造物を構築するための資材を、前記立坑の底部に荷降しする荷役作業に用い、
   前記回生電力を、前記立坑が設けられる工事現場内の電力消費系統に供給し、蓄電装置に蓄電させ、又は、電力事業者の配電系統に供給することを特徴とする荷役装置の回生電力の利用方法。
5. 前記回生電力の発生量が、前記荷役装置の電力の消費量よりも多くなるように、前記荷役装置を稼動させることを特徴とする請求項４に記載の荷役装置の回生電力の利用方法。

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