JP2022178132A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合でも、電動機を駆動できる時間を延ばすことのできる作業機械を提供する。【解決手段】作業機械は、直流電路（１００）と、蓄電池（１９）と直流電路との間に配置され直流電路の電圧を変更可能なＤＣ／ＤＣコンバータ（１１０）と、発電機（１２）により発電された電力を変換して直流電路（１００）へ送るインバータ（１８Ａ）と、直流電路（１００）から供給される電力で駆動する電動機（２１）とを備える。そして、インバータ（１８Ａ）が異常になったときにＤＣ／ＤＣコンバータ（１１０）の制御が切り替わることで発電機（１２）から直流電路（１００）へ電力が送られる。【選択図】図４

Description

本発明は、作業機械に関する。

特許文献１には、エンジンの動力で発電を行う発電機と作業用の動力を出力する電動機とを備えるハイブリッド式の作業機械について記載されている。特許文献１の作業機械においては、直流母線の電圧を維持する蓄電系の部品に異常が検出された場合に、発電機の電力を直流母線に送るインバータが、直流母線の電圧制御を行う。

特開２０１０－１７８５０８号公報

ハイブリッド式の作業機械においては、発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合に、その後、蓄電池の充電残量が尽きることで電動機の駆動が不可となる。

本発明は、発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合でも、電動機を駆動できる時間を延ばすことのできる作業機械を提供することを目的とする。

本発明に係る作業機械は、
直流電路と、
蓄電池と前記直流電路との間に配置され前記直流電路の電圧を変更可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
発電機により発電された電力を変換して前記直流電路へ送るインバータと、
前記直流電路から供給される電力で駆動する電動機と、
を備え、
前記インバータが異常になったときに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御が切り替わることで前記発電機から前記直流電路へ電力が送られる。

本発明によれば、発電機の電力を変換するインバータに異常が生じた場合でも、電動機を駆動できる時間を延ばすことができる。

ショベルの一例を示す側面図である。 ショベルの駆動系を中心とする構成の一例を示すブロック図である。 インバータの一例を示す回路図である。 ショベルの電気的な駆動系の要部を抽出した図である。 電動発電機に接続されたインバータ、昇降圧コンバータ、旋回用電動機に接続されたインバータの動作の一例を示すタイムチャートである。 インバータの異常時においてコントローラが実行する異常時制御処理を示すフローチャートである。 本実施形態によるクレーンシステムの概略正面図（Ａ）及び概略側面図（Ｂ）である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

［ショベルの基本構成］
まず、図１、図２を参照して、本実施形態に係るショベルの基本的な構成について説明をする。

図１は、本実施形態に係るショベルの一例を示す側面図である。ショベルは本発明に係る作業機械の一例に相当する。

本実施形態に係るショベルは、下部走行体１と、旋回機構２を介して旋回可能に下部走行体１に搭載される上部旋回体３と、アタッチメント（作業装置）としてのブーム４、アーム５、及びバケット６と、オペレータが搭乗するキャビン１０を備える。

下部走行体１は、例えば、左右１対のクローラを含み、それぞれのクローラが走行油圧モータ１Ａ，１Ｂ（図２参照）で油圧駆動されることにより、自走する。

上部旋回体３は、後述する旋回用電動機２１（図２参照）により電気駆動されることにより、下部走行体１に対して旋回する。

ブーム４は、上部旋回体３の前部中央に俯仰可能に枢着され、ブーム４の先端には、アーム５が上下回動可能に枢着され、アーム５の先端には、バケット６が上下回動可能に枢着される。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、それぞれ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。

キャビン１０は、上部旋回体３の前部左側に搭載される。

図２は、本実施形態に係るショベルの駆動系を中心とする構成の一例を示すブロック図である。

尚、図中、機械的動力ラインは二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御ラインは細い実線でそれぞれ示される。

本実施形態に係るショベルの油圧駆動系は、エンジン１１と、減速機１３と、メインポンプ１４と、コントロールバルブ１７を含む。また、本実施形態に係る油圧駆動系は、上述の如く、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６のそれぞれを油圧駆動する走行油圧モータ１Ａ，１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９等を含む。

エンジン１１は、油圧駆動系におけるメイン動力源であり、例えば、上部旋回体３の後部に搭載される。エンジン１１は、エンジンコントロールモジュール（ＥＣＭ：Engine Control Module）１１Ａによる制御の下、予め設定される目標回転数で定回転する。エンジン１１は、例えば、軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、減速機１３を介してメインポンプ１４、パイロットポンプ１５を駆動する。また、エンジン１１は、減速機１３を介して電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２に発電させる。

また、エンジン１１と減速機１３との間の動力伝達経路上には、クラッチ１１Ｂが設けられる。クラッチ１１Ｂは、後述の如く、コントローラ３０によりその動作が制御され、エンジン１１と減速機１３との間を連結状態と非連結状態との間で切り替えることができる。クラッチ１１Ｂは、例えば、コントローラ３０の信号で直接制御される電磁式であってよい。

尚、クラッチ１１Ｂは、省略されてもよい。

減速機１３は、例えば、エンジン１１と同様、上部旋回体３の後部に搭載され、エンジン１１及び後述する電動発電機１２が接続される２つの入力軸と、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が直列に同軸接続される１つの出力軸を有する。減速機１３は、エンジン１１及び電動発電機１２の動力を所定の減速比でメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に伝達することができる。また、減速機１３は、エンジン１１の動力を所定の減速比で、電動発電機１２とメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５とに分配して伝達することができる。

メインポンプ１４は、例えば、エンジン１１と同様、上部旋回体３の後部に搭載され、高圧油圧ライン１６を通じてコントロールバルブ１７に作動油を供給する。メインポンプ１４は、エンジン１１、或いは、エンジン１１及び電動発電機１２により駆動される。メインポンプ１４は、例えば、可変容量式油圧ポンプであり、後述するコントローラ３０による制御の下、レギュレータ（不図示）が斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量（吐出圧）を制御することができる。

コントロールバルブ１７は、例えば、上部旋回体３の中央部に搭載され、オペレータによる操作装置２６に対する操作に応じて、油圧駆動系の制御を行う油圧制御装置である。コントロールバルブ１７は、上述の如く、高圧油圧ライン１６を介してメインポンプ１４と接続され、メインポンプ１４から供給される作動油を、操作装置２６の操作状態に応じて、油圧アクチュエータである走行油圧モータ１Ａ（右用），１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に選択的に供給する。具体的には、コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４から油圧アクチュエータのそれぞれに供給される作動油の流量と流れる方向を制御する複数の油圧制御弁（方向切換弁）を含むバルブユニットである。

また、本実施形態に係る電気駆動系は、電動発電機１２と、旋回用電動機２１と、旋回減速機２４と、電流センサ２１ｓと、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、蓄電系１２０を含む。

電動発電機１２（第１電動機の一例）は、エンジン１１をアシストしてメインポンプ１４を駆動する、油圧駆動系に対するアシスト動力源であり、例えば、エンジン１１及び減速機１３と共に一体として上部旋回体３の後部に搭載される。電動発電機１２は、アシスト動力源であるため、通常、電動発電機１２の出力は、エンジン１１の出力よりも比較的小さく、例えば、電動発電機１２は、エンジン１１の出力の約２０％程度である。電動発電機１２は、インバータ１８Ａを介して蓄電池１９を含む蓄電系１２０と接続され、インバータ１８Ａを介して蓄電池１９や旋回用電動機２１から供給される三相交流電力で力行運転し、減速機１３を介してメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５を駆動する。また、電動発電機１２は、エンジン１１により駆動されることにより発電運転を行い、発電電力を蓄電池１９や旋回用電動機２１に供給することができる。電動発電機１２の力行運転と発電運転との切替制御は、後述するコントローラ３０によってインバータ１８Ａが駆動制御されることにより実現される。

旋回用電動機２１（第２電動機、アクチュエータの一例）は、下部走行体１に対して上部旋回体３を旋回自在に接続する旋回機構２を駆動する。旋回用電動機２１は、コントローラ３０による制御の下、上部旋回体３を旋回駆動する力行運転、及び回生電力を発生させて上部旋回体３を旋回制動する回生運転を行う。旋回用電動機２１は、インバータ１８Ｂを介して蓄電系１２０に接続され、インバータ１８Ｂを介して蓄電池１９や電動発電機１２から供給される三相交流電力により駆動される。また、旋回用電動機２１は、インバータ１８Ｂを介して、回生電力を蓄電池１９や電動発電機１２に供給する。これにより、回生電力で、蓄電池１９を充電したり、電動発電機１２を駆動したりすることができる。旋回用電動機２１の力行運転と回生運転との切替制御は、コントローラ３０によってインバータ１８Ｂが駆動制御されることにより実現される。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａと接続され、旋回用電動機２１の出力（トルク）を所定の減速比で減速させることにより、トルクを増大させて、上部旋回体３を旋回駆動する。即ち、力行運転の際、旋回用電動機２１は、旋回減速機２４を介して、上部旋回体３を旋回駆動する。また、旋回減速機２４は、上部旋回体３の慣性回転力を増速させて旋回用電動機２１に伝達し、回生電力を発生させる。即ち、回生運転の際、旋回用電動機２１は、旋回減速機２４を介して伝達される上部旋回体３の慣性回転力により回生発電を行い、上部旋回体３を旋回制動する。

電流センサ２１ｓは、旋回用電動機２１の三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれの電流を検出する。電流センサ２１ｓは、例えば、旋回用電動機２１とインバータ１８Ｂの間の電力経路に設けられる。電流センサ２１ｓによる旋回用電動機２１の三相それぞれの電流に対応する検出信号は、インバータ１８Ｂに取り込まれ、インバータ１８Ｂからコントローラ３０に送信される。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転位置（回転角）等を検出する。レゾルバ２２は、検出した回転角に対応する検出信号をコントローラ３０に送信する。

メカニカルブレーキ２３は、コントローラ３０による制御の下、上部旋回体３（具体的には、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａ）に対して、機械的に制動力を発生させ、上部旋回体３を旋回制動すると共に、上部旋回体３の停止状態を維持させる。

尚、図２中において、旋回減速機２４とメカニカルブレーキ２３とは、簡単のため、別のブロック要素として記載されるが、メカニカルブレーキ２３は、例えば、旋回減速機２４に含まれる複数の減速機の間に組み込まれる態様の油圧式ブレーキであってもよいし、旋回減速機２４と別体に設けられる態様の電磁式ブレーキであってもよい。

蓄電系１２０は、蓄電池１９と、ＤＣバス１００と、昇降圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータに相当）１１０を含み、例えば、インバータ１８Ａ，１８Ｂと共に、上部旋回体３の右側前部に搭載される。

蓄電池１９（蓄電装置の一例）は、電動発電機１２、旋回用電動機２１に電力を供給すると共に、ＤＣバス１００及び昇降圧コンバータ１１０を介して供給される電動発電機１２、旋回用電動機２１の発電電力を充電する。

尚、本実施形態に係るショベルは、通常、エンジン１１を油圧駆動系の主たる動力源とし、電動発電機１２による消費エネルギは比較的小さい。また、旋回用電動機２１は、旋回駆動時の消費エネルギの大部分を旋回制動時の回生発電による回生エネルギとして蓄電池１９に戻すことができる。そのため、蓄電池１９の容量は、比較的小さい場合が多い。

ＤＣバス１００は、インバータ１８Ａ，１８Ｂと昇降圧コンバータ１１０との間に配設され、蓄電池１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力を伝送する。ＤＣバス１００は、直流電圧を伝送する正側電力線と負側電力線とを有する直流電路（直流母線）である。

昇降圧コンバータ１１０は、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス１００の電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える。昇降圧コンバータ１１０の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス１００の電圧検出値、蓄電池１９の電圧検出値、及び蓄電池１９の電流検出値に基づき、コントローラ３０により実現される。

また、本実施形態に係るショベルの操作系は、パイロットポンプ１５、操作装置２６、圧力センサ２９等を含む。

パイロットポンプ１５は、上部旋回体３の後部に搭載され、パイロットライン２５を介して操作装置２６にパイロット圧を供給する。パイロットポンプ１５は、例えば、固定容量式油圧ポンプであり、エンジン１１、或いはエンジン１１及び電動発電機１２により駆動される。

操作装置２６は、レバー２６Ａ，２６Ｂと、ペダル２６Ｃを含む。操作装置２６は、キャビン１０の操縦席付近に設けられ、オペレータが各動作要素（下部走行体１、上部旋回体３、ブーム４、アーム５、バケット６等）の操作を行うための操作入力手段である。換言すれば、操作装置２６は、各動作要素を駆動する各油圧アクチュエータ（走行油圧モータ１Ａ，１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９等）や電動アクチュエータ（旋回用電動機２１等）の操作を行うための操作入力手段である。操作装置２６（レバー２６Ａ，２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ）は、油圧ライン２７を介して、コントロールバルブ１７にそれぞれ接続される。これにより、コントロールバルブ１７には、操作装置２６における下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６等の操作状態に応じたパイロット信号（パイロット圧）が入力される。そのため、コントロールバルブ１７は、操作装置２６における操作状態に応じて、各油圧アクチュエータを駆動することができる。また、操作装置２６は、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９に接続される。

圧力センサ２９は、上述の如く、油圧ライン２８を介して操作装置２６と接続され、操作装置２６の二次側のパイロット圧、即ち、操作装置２６における各動作要素の操作状態に対応するパイロット圧を検出する。圧力センサ２９は、コントローラ３０に接続され、操作装置２６における下部走行体１、上部旋回体３、ブーム４、アーム５、及びバケット６等の操作状態に応じた圧力信号（圧力検出値）がコントローラ３０に入力される。

また、本実施形態に係るショベルの制御系は、コントローラ３０、ＥＣＭ１１Ａ等を含む。コントローラ３０、ＥＣＭ１１Ａは、その機能が任意のハードウェア、ソフトウェア、或いはその組み合わせにより実現されてよく、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を含むマイクロコンピュータで構成され、ＲＯＭに格納される各種プログラムをＣＰＵ上で実行することにより各種機能が実現される。また、コントローラ３０、ＥＣＭ１１Ａ等は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）、イーサネット（登録商標）等の通信規格に基づく通信ネットワーク（ＬＡＮ：Local Area Network）で相互に接続される。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う。例えば、コントローラ３０は、圧力センサ２９から送信される、操作装置２６に対する操作状態に対応する検出値に基づき、電気駆動系の駆動制御を行う。

ＥＣＭ１１Ａは、エンジン１１、具体的には、エンジン１１に含まれる各種機器（例えば、燃料噴射装置等）を制御し、エンジン１１を所定の回転数で定回転させる（定回転制御）。

また、ＥＣＭ１１Ａは、エンジン１１の各種状態を検出する図示しないセンサ（例えば、回転数センサ）等の検出信号をコントローラ３０に送信する。また、ＥＣＭ１１Ａは、当該センサの検出信号に基づき、エンジン１１の故障を検出する機能（ダイアグ機能）を有し、エンジン１１に停止するような故障が発生した場合、コントローラ３０に対して故障が発生した旨の信号（故障信号）を送信する。

本実施形態に係るショベルは、電動発電機１２に接続されたインバータ１８Ａに異常が生じた場合に、昇降圧コンバータ１１０の制御を切り替えることで、旋回用電動機２１を駆動できる時間を延ばす異常時運転が行われる。本実施形態に係るショベルは、上述の異常時運転に関連する構成として、異常の発生と異常時運転の実施中であることを表示する表示装置３２を備える。オペレータは、当該表示を見ることで、旋回用電動機２１を動かすことができるが、インバータ１８Ａに異常が生じており、メンテナンスが必要であることを認識できる。ショベルは、さらに、異常時運転の開始と停止とを切り替える異常時運転スイッチ３６を含み、オペレータの操作で異常時運転を開始又は停止できるようにしてもよい。

表示装置３２は、コントローラ３０と通信可能に接続され、コントローラ３０による制御の下、オペレータ等に対する各種情報（例えば、後述するショベルの異常時運転における操作ガイダンスに関するガイダンス情報等）を表示する。表示装置３２は、例えば、液晶ディスプレイである。

異常時運転スイッチ３６は、例えば、押しボタン式のハードウェアスイッチであってもよいし、表示装置３２の画面に表示される仮想的なボタン（アイコン）としてのソフトウェアスイッチであってもよい。また、異常時運転スイッチ３６は、通常運転モードにおいて、他の機能を果たす既存のハードウェアスイッチを兼用する態様であってもよい。

＜インバータ１８Ａ＞
図３は、電動発電機に接続されたインバータの一例を示す回路図である。電動発電機１２に接続されるインバータ１８Ａは、電動発電機１２の三相のコイルにそれぞれ接続される３つの回路部１８１を備える。各回路部１８１は、下側スイッチング素子ＳＮを介して負側出力端子ＴＯＮに至る電流経路、並びに、上側スイッチング素子ＳＰを介して正側出力端子ＴＯＰに至る電流経路を含む。各回路部１８１において、上側スイッチング素子ＳＰと下側スイッチング素子ＳＮとの結節点Ｎは、電動発電機１２の各相のコイルに接続される。正側出力端子ＴＯＰと負側出力端子ＴＯＮとは、それぞれＤＣバス１００の正側電力線１００Ｐと負側電力線１００Ｎとに接続される。

上側スイッチング素子ＳＰは、制御端子の電圧に応じて電流を流す２端子間をオンとオフとに切り替える。下側スイッチング素子ＳＮは、制御端子の電圧に応じて電流を流す２端子間をオンとオフとに切り替える。上側スイッチング素子ＳＰは、ダイオードＤＰを含む。下側スイッチング素子ＳＮは、ダイオードＤＮを含む。ダイオードＤＰは、上側スイッチング素子ＳＰの電流を流す２端子間に、結節点Ｎから正側出力端子ＴＯＰへ電流を流す向きに接続される。ダイオードＤＰは、下側スイッチング素子ＳＮの電流を流す２端子間に、負側出力端子ＴＯＮから結節点Ｎへ電流を流す向きに接続される。

コントローラ３０は、電動発電機１２の回転位相に合わせて、３つの上側スイッチング素子ＳＰと３つの下側スイッチング素子ＳＮとをスイッチング制御することで、電動発電機１２の三相のコイルに生じる交流の発電電力を、直流電力に変換する。そして、負側出力端子ＴＯＮと正側出力端子ＴＯＰとからＤＣバス１００に直流電力が送られる。コントローラ３０は、電動発電機１２のコイルに生じる誘電起電力の位相に対して、位相角をずらした電流が流れるように、インバータ１８Ａを制御することで、電動発電機１２の回生トルクを大きくして、大きな電力を発生させることができる。

コントローラ３０は、三相のコイルに流れる交流電流を検出し、当該交流電流が目標値に一致するようにインバータ１８Ａを制御する。

＜インバータ１８Ａの異常＞
インバータ１８Ａに異常が生じると、コントローラ３０はインバータ１８Ａのスイッチング制御を停止する。インバータ１８Ａは、各部の電圧、電流、温度等を検出するセンサを有し、センサの値が異常を示したときに、異常を示す信号がコントローラ３０へ送られ、コントローラ３０がインバータ１８Ａが異常であると判別してもよい。あるいは、コントローラ３０は、電動発電機１２の三相のコイルに流れる電流が目標値から逸脱することでインバータ１８Ａの異常を判別してもよい。

コントローラ３０がインバータ１８Ａの異常と判別し、インバータ１８Ａの制御を停止すると、上側スイッチング素子ＳＰ及び下側スイッチング素子ＳＮがオフ（開）のままとなる。このとき、電動発電機１２が回転すると、電動発電機１２の三相のコイルに生じた交流の誘導起電力が各結節点Ｎに出力される。

ここで、ＤＣバス１００の電圧（正側電力線と負側電力線との電位差）が、上記の誘導起電力より高ければ、ダイオードＤＰ、ＤＮに逆方向電圧が加わるので、電動発電機１２からＤＣバス１００への電流は生じない。逆方向の電流も生じない。一方、ＤＣバス１００の電圧が、上記の誘導起電力より小さければ、ダイオードＤＰ、ＤＮに順方向電圧が加わり、電動発電機１２からＤＣバス１００へ電流が流れる。すなわち、電動発電機１２からＤＣバス１００へ発電電力が送られる。

＜制御動作＞
図４は、ショベルの電気的な駆動系の要部を抽出した図である。

前述したように、エンジン１１の動力が電動発電機１２に伝達され、コントローラ３０がインバータ１８Ａを制御することで、電動発電機１２の発電電力がＤＣバス１００に出力される。さらに、コントローラ３０が運転操作に応じてインバータ１８Ｂを制御することでＤＣバス１００から旋回用電動機２１に電力が送られて旋回用電動機２１が駆動する。さらに、昇降圧コンバータ１１０がＤＣバス１００の電圧を維持するように動作することで、電動発電機１２の発電電力が旋回用電動機２１の使用電力より大きければ、昇降圧コンバータ１１０は蓄電池１９に充電電流を送る。逆に、昇降圧コンバータ１１０は、電動発電機１２の発電電力が旋回用電動機２１の使用電力より小さければ、蓄電池１９の放電電流をＤＣバス１００に送る。

続いて、上記電気的な駆動系においてインバータ１８Ａが正常なときと異常でインバータ１８Ａの制御が停止したときの動作について説明する。

図５は、電動発電機に接続されたインバータ、昇降圧コンバータ、旋回用電動機に接続されたインバータの動作の一例を示すタイムチャートである。図５では、タイミングｔ１において異常に基づきインバータ１８Ａの制御が停止している。

正常時（期間Ｔ１）、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第１電圧Ｖ１（例えば３６０Ｖ）に設定する。目標電圧の設定により、ＤＣバス１００の電圧が第１電圧Ｖ１に調整される。

さらに、コントローラ３０は、電動機２１の出力パワーを第１上限パワーＰ_ｍａｘ１以下に制限する。電動機２１の出力パワーはオペレータの操作、並びに、上部旋回体３の旋回負荷によって変化する。コントローラ３０は、電動機２１から操作と負荷に応じた所定のパワーが出力されるよう、電動機２１の電流を計算し、当該電流が得られるようにインバータ１８Ｂを制御する。なお、出力パワーは、出力トルクと回転速度とを含む概念である。出力パワーは出力トルク、回転速度、又は、これら両方に読み替えてもよい。

さらに、コントローラ３０は、電動機２１の出力パワーに応じて電動発電機１２の発電電力を変更する。あるいは、コントローラ３０は、蓄電池１９の充電残量に応じて、充電残量が少なければ電動発電機１２の発電電力を大きく、充電残量が多ければ電動発電機１２の発電電力を小さくするように、発電電力を制御してもよい。電動発電機１２の発電電力の変更は、インバータ１８Ａの目標電流を変更することで実現される。インバータ１８Ａの目標電流とは、電動発電機１２のコイルに流れる交流電流の実効値を意味する。

正常時（期間Ｔ１）では、旋回用電動機２１の出力パワーよりも電動発電機１２の発電量が小さいとき、昇降圧コンバータ１１０は、ＤＣバス１００の電圧を第１電圧Ｖ１に維持するために、蓄電池１９からＤＣバス１００へ電流を放出させる。逆に、旋回用電動機２１の出力パワーよりも電動発電機１２の発電量が大きいとき、昇降圧コンバータ１１０は、ＤＣバス１００の電圧を第１電圧Ｖ１に維持するために、ＤＣバス１００から蓄電池１９へ電流を引き込んで、蓄電池１９を充電させる。このような作用により、蓄電池１９の充電残量が上下に変動する。

インバータ１８Ａに異常が発生し、異常時運転に切り替わると、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第１電圧Ｖ１（例えば３６０Ｖ）よりも低い第２電圧Ｖ２（例えば２２０Ｖ）に変化させる（期間Ｔ２ａ）。目標電圧の変化に従って、ＤＣバス１００の電圧が第２電圧Ｖ２に降下する。第２電圧Ｖ２は、インバータ１８Ａが停止した状態で、電動発電機１２のコイルに生じる誘導起電力よりも小さい値に設定される。ＤＣバス１００の電圧が第２電圧Ｖ２であることで、インバータ１８Ａが停止していても、電動発電機１２が回転することでインバータ１８ＡからＤＣバス１００側へ電流が流れる。したがって、電動発電機１２から発電電力がＤＣバス１００へ送られる。。

さらに、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の出力パワーを第２上限パワーＰ_ｍａｘ２以下に制限する。第２上限パワーＰ_ｍａｘ２は、正常時の上限である第１上限パワーＰ_ｍａｘ１よりも低い。上記の制限により、第２上限パワーＰ_ｍａｘ２を超える操作が行われても、コントローラ３０は、インバータ１８Ｂの出力電力を第２上限パワーＰ_ｍａｘ２に抑える。ＤＣバス１００の電圧（インバータ１８Ｂの入力電圧）の低下に伴って、旋回用電動機２１の出力パワーの上限が下がることで、インバータ１８Ｂに過大な負荷が加わることを抑制できる。

さらに、コントローラ３０は、蓄電池１９の充電残量に応じて、充電残量が第１閾値ＴＨ１より多くなったら（タイミングｔ２）、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第２電圧Ｖ２（例えば２２０Ｖ）よりも高い第３電圧Ｖ３（例えば３００Ｖ）に切り替える（期間Ｔ２ｂ）。また、コントローラ３０は、充電残量が第２閾値ＴＨ２より少なくなったら（タイミングｔ３）、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第２電圧Ｖ２に戻す（期間Ｔ２ｃ）。第３電圧Ｖ３は、正常時の目標電圧である第１電圧Ｖ１より低い。

第３電圧Ｖ３は、インバータ１８Ａが停止した状態で、電動発電機１２のコイルに生じる誘電起電力よりも高い値であるが、低い値でもよい。ＤＣバス１００の電圧が第２電圧Ｖ２よりも高い第３電圧Ｖ３になることで、インバータ１８Ａが停止し、かつ、電動発電機１２が回転しているときに、電動発電機１２からＤＣバス１００側へ送られる発電電力をゼロにできる（期間Ｔ２ｂ）。あるいは、第３電圧Ｖ３を上記の誘導起電力よりも低い値とすることで、電動発電機１２からＤＣバス１００側へ送られる発電電力を小さくすることができる。当該小さな発電電力を、旋回用電動機２１の消費電力と同等又は当該消費電力よりも小さくすることで、蓄電池１９に充電電流を送らず、かつ、蓄電池１９の充電残量の低下を抑えることができる。

第１電圧Ｖ１～第３電圧Ｖ３は、蓄電池１９の電圧よりも高い電圧に設定されてもよい。このような設定によれば、昇降圧コンバータ１１０は、昇圧動作のみ行うことになるので、昇降圧コンバータ１１０の回路構成を単純化できる。

このような制御によれば、期間Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃに示すように、蓄電池１９の充電残量が減れば電動発電機１２からＤＣバス１００へ送られる電力が増す一方、蓄電池１９の充電残量が増えれば電動発電機１２からＤＣバス１００へ送られる電力が減る。したがって、蓄電池１９によって、発電電力と使用電力との差分を緩衝する機能を長く維持することが可能となる。

異常時運転の際、コントローラ３０は、表示装置３２に異常時運転の情報を表示させる。表示される情報には、旋回用電動機２１の上限パワーが第２上限パワーＰ_ｍａｘ２に下がったこと、並びに、運転継続が可能であるがインバータ１８Ａのメンテナンスが必要であること、などが含まれてもよい。オペレータは、表示装置３２に表示された情報により、メンテナンスを依頼しつつ、ショベルの運転を継続することができる。あるいは、メンテナンスの依頼を行い、ショベルを現場からメンテナンス用の場所へ移すことができ、異常が生じたショベルが現場に留まってしまうといった事態を低減できる。

＜制御処理＞
図６は、コントローラが実行する異常時運転処理を示すフローチャートである。コントローラ３０は、起動したときに異常時運転処理を開始する。異常時運転処理が開始されると、コントローラ３０は、インバータ１８Ａの状態（各部の電流、電圧、温度など）の検出値を読み込んで、インバータ１８Ａに異常が生じていないか判別する（ステップＳ１）。そして、異常が無ければ、コントローラ３０は、ステップＳ１に処理を戻して、ステップＳ１の判別を繰り返す。

一方、異常が有ると判別したら、コントローラ３０は、インバータ１８Ａの制御を停止し（ステップＳ２）、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第２電圧Ｖ２に切り替える（ステップＳ３）。さらに、旋回用電動機２１の上限パワーの設定値を第２上限パワーＰ_ｍａｘ２に低減させる（ステップＳ４）。上限パワーの設定により、インバータ１８Ｂの制御処理において、インバータ１８Ｂの出力電力が第２上限パワーＰ_ｍａｘ２以下に制限される。

続いて、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧が第２電圧Ｖ２で、かつ、蓄電池１９の充電残量が第１閾値ＴＨ１より多いか判別し（ステップＳ５）、ＮＯであれば、そのままステップＳ７へ処理を進める。一方、ＹＥＳであれば、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第３電圧Ｖ３に切り替えてから（ステップＳ６）、ステップＳ７へ処理を進める。

さらに、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧が第３電圧Ｖ３で、かつ、蓄電池１９の充電残量が第２閾値ＴＨ２より少ないか判別し（ステップＳ７）、ＮＯであれば、処理をステップＳ５に戻す。一方、ＹＥＳであれば、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を第２電圧Ｖ２に切り替えてから（ステップＳ８）、処理をステップＳ５に戻す。

このような異常時運転処理により、図５に示した制御動作が実現される。

以上のように、本実施形態のショベルによれば、電動発電機１２に接続されたインバータ１８Ａに異常が生じても、昇降圧コンバータ１１０の制御が切り替えられることで、電動発電機１２からＤＣバス１００に電力が送られる。したがって、電動発電機１２から送られる電力の分、旋回用電動機２１を駆動できる期間を延ばすことができる。

さらに、本実施形態のショベルによれば、インバータ１８Ａに異常が生じたときに、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧が正常時の第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２に切り替えられる。当該目標電圧の切り替えにより、電動発電機１２のコイルに生じた誘導起電力がＤＣバス１００の電圧より高くなって、制御が停止されたインバータ１８Ａを介して、電動発電機１２からＤＣバス１００へ電力を送ることができる。

さらに、本実施形態のショベルによれば、蓄電池１９の充電残量に基づいて、昇降圧コンバータ１１０の目標電圧を、第２電圧Ｖ２とそれより高い第３電圧Ｖ３とに切り替える。目標電圧が第３電圧Ｖ３に切り替えられることで、制御が停止されたインバータ１８Ａを介して、電動発電機１２からＤＣバス１００へ送られる発電電力を減らすことができる。したがって、使用電力が、電動発電機１２からＤＣバス１００へ送られる電力よりも少なく、蓄電池１９の充電残量が増したときには、発電電力を減らすことができ、蓄電池１９による電力の緩衝機能を維持することができる。

さらに、本実施形態のショベルによれば、インバータ１８Ａに異常が生じたときに、旋回用電動機２１の上限パワーが正常時の第１上限パワーＰ_ｍａｘ１よりも低い第２上限パワーＰ_ｍａｘ２に切り替えられる。したがって、インバータ１８Ｂの入力電圧の低下に伴って、インバータ１８Ｂに過大な負荷が加わることを抑制できる。

なお、上記実施形態では、電動発電機１２が発電した電力で駆動される機器が、上部旋回体３を旋回する旋回用電動機２１である例を示した。しかし、ブーム４、アーム５、バケット６を駆動する油圧シリンダは、電動機に置き換えることが可能である。この場合、電動発電機１２が発電した電力で駆動される機器として、ブーム４、アーム５又はバケット６が適用されてもよい。

また、上記実施形態では、電動発電機１２が蓄電池１９の電力を使用してエンジン１１の駆動をアシストする機能を有する構成としたが、電動発電機１２は、発電専用の発電機に変更されてもよい。

また、上記実施形態においてＤＣバス１００の電圧を制御する昇降圧コンバータ１１０は、昇圧のみを行うＤＣ／ＤＣコンバータであってもよいし、蓄電池１９の電圧によっては降圧のみを行うＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

（その他の適用例）
続いて、本発明の実施形態に係る作業機械をクレーンシステムに適用した例を説明する。

図７Ａ、図７Ｂは、本実施形態によるクレーンシステムの概略正面図及び概略側面図である。複数の柱４０が桁４１を支えている。柱４０と桁４１とによって門型フレームが構成される。柱４０の下端に車輪４２が取り付けられており、門型フレームがレール４３に沿って走行する。図７Ａの紙面に垂直な方向及び図７Ｂの左右方向が走行方向に相当する。桁４１にトロリー４５が搭載されている。トロリー４５に巻き上げ機４６が搭載されている。

複数の電動アクチュエータがそれぞれの作動部を駆動する。例えば、門型フレームに搭載された走行用モータ５１が車輪４２を駆動する。トロリー４５に搭載された横行用モータ５２が、トロリー４５を横行方向に移動させる。図７Ａの左右方向及び図７Ｂの紙面に垂直な方向が横行方向に相当する。巻き上げ機４６に搭載された巻上げモータ５３が、先端にフック等の吊り下げ具４７が取り付けられたワイヤを巻上げ及び繰り出す。このように、巻上げモータ５３、横行用モータ５２、及び走行用モータ５１等の電動アクチュエータが、それぞれ吊り下げ具４７、トロリー４５、車輪４２の作動部を駆動する。

門型フレームに、交流電源６０、電力変換装置（ＤＣ－ＤＣコンバータ）６５、蓄電装置６７、及び電力変換装置（ＤＣ－ＤＣコンバータ）６８が搭載されている。交流電源６０は、エンジン６１と発電機６２とを含む。交流電源６０は、巻上げモータ５３、横行用モータ５２、及び走行用モータ５１に駆動用の電力を供給する。さらに、交流電源６０から供給される電力によって蓄電装置６７が充電される。

発電機６２には発電電力を直流電力に変換するインバータ６２Ｉが接続され、巻上げモータ５３には当該モータを駆動するインバータ５３Ｉが接続される。インバータ６２Ｉ、インバータ５３Ｉ及び電力変換装置６８は、ＤＣバスを介して接続される。クレーンシステムのコントローラ７０は、インバータ６２Ｉ、５３Ｉ及び電力変換装置６８に対して、前述した実施形態のコントローラ３０と同様の制御を行う。このとき、インバータ６２Ｉは実施形態のインバータ１８Ａに対応し、インバータ５３Ｉは実施形態のインバータ１８Ｂに対応し、電力変換装置６８は実施形態の昇降圧コンバータ１１０に対応する。

また、横行用モータ５２には当該モータを駆動するインバータ５２Ｉが接続され、走行用モータ５１には当該モータを駆動するインバータ５１Ｉが接続される。そして、コントローラ７０は、横行用モータ５２及びインバータ５２Ｉ、並びに、走行用モータ５１及びインバータ５１Ｉに対しても、実施形態１のコントローラ３０が旋回用電動機２１及びインバータ１８Ｂに対して実施した制御と同等の制御を行ってもよい。

なお、本実施形態のクレーンシステムにおいては、エンジン６１の動力で車輪４２が駆動される構成が採用されてもよいし、エンジン６１の動力でトロリー４５が横行方向に移動する構成が採用されてもよい。

以上のように、クレーンシステムにおいても、発電電力を変換するインバータ６２Ｉに異常が生じた場合に、発電機６２からＤＣバスへ電力を送ることができるので、前述した実施形態と同様の効果が奏される。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られず、実施の形態で示した事項は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
１１ エンジン
１２ 電動発電機（発電機）
１８Ａ インバータ
１９ 蓄電池
２１ 旋回用電動機
３０ コントローラ
３２ 表示装置
３６ 異常時運転スイッチ
１００ ＤＣバス（直流電路）
１１０ 昇降圧コンバータ
ＳＰ 上側スイッチング素子
ＳＮ 下側スイッチング素子
ＤＰ、ＤＮ ダイオード
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧
Ｖ３ 第３電圧
Ｐ_ｍａｘ１ 第１上限パワー
Ｐ_ｍａｘ２ 第２上限パワー
４５ トロリー
４６ 巻き上げ機
４７ 吊り下げ具
５１ 走行用モータ（電動機）
５２ 横行用モータ（電動機）
５３ 巻上げモータ（電動機）
６１ エンジン
６２ 発電機
６２Ｉ インバータ
６８ 電力変換装置（ＤＣ－ＤＣコンバータ）
７０ コントローラ

Claims (6)

1. 直流電路と、
   蓄電池と前記直流電路との間に配置され前記直流電路の電圧を変更可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
   発電機により発電された電力を変換して前記直流電路へ送るインバータと、
   前記直流電路から供給される電力で駆動する電動機と、
   を備え、
   前記インバータが異常になったときに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御が切り替わることで前記発電機から前記直流電路へ電力が送られる、
   作業機械。
2. 前記インバータの正常時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータは前記直流電路の電圧を第１電圧にし、前記インバータが異常になったときに前記ＤＣ／ＤＣコンバータは前記直流電路の電圧を前記第１電圧よりも低い第２電圧にする、
   請求項１記載の作業機械。
3. 前記インバータが異常になったときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電池の充電残量に基づいて、前記直流電路の電圧を前記第２電圧と、前記第２電圧よりも高い第３電圧とに切り替える、
   請求項２記載の作業機械。
4. 前記インバータが異常になったときに、前記電動機の出力パワー、回転速度及び出力トルクの少なくとも１つが、前記インバータの正常時よりも低い値に制限される、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の作業機械。
5. 荷を吊る吊り下げ具と、
   前記吊り下げ具が接続されたワイヤを巻き上げる巻き上げ機とを備え、
   前記電動機は前記巻き上げ機を駆動する、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作業機械。
6. バケットをアーム及びブームを介して支持する上部旋回体と、
   を備え、
   前記電動機は、前記バケット、前記アーム、前記ブーム及び前記上部旋回体の少なくとも１つを駆動する、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作業機械。

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