JP5751764B2 - クレーン制御装置、及びクレーン装置 - Google Patents
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Description
これにより、原動機(エンジン)により駆動されるエンジン発電機に接続された蓄電装置(バッテリ)を有効に活用して、原動機のアイドリング時間を長くすることができるので、クレーン装置における燃費の改善を図ることができる。また、負荷の上昇によりエンジン発電機から負荷に電力を供給する際に、負荷上昇に電力供給が追いつかないという問題を回避できる。
図10は、本発明に係わるクレーン装置の一例を示す概略構成図であり、トランスファクレーン(エンジン発電機付きクレーン)1の全体構成を示す斜視図である。このトランスファクレーン1は、タイヤ式クレーン装置(RTG;Rubber tired gantry crane )と呼ばれ、軌道のないコンテナヤード等を走行して荷役作業を行うため、動力用電源及び制御用電源等を供給する1台のエンジン発電機21を備えている。
このトランスファクレーン1は、図10に示すように、クレーン走行機体2のガーダ3に沿って水平方向に移動するトロリー4を有し、コンテナCを把持するスプレッダと呼ばれる吊具5がトロリー4から垂れ下がる複数本の吊ロープ6によって吊り下げられている。吊具5は、トロリー4上に搭載された巻上装置7による吊ロープ6の巻き上げ、繰り出し動作によって昇降可能とされている。また、吊具5は、トロリー4の横行移動に追従してクレーン走行機体2のガーダ3に沿って平行移動可能とされている。
(クレーン制御装置の構成の説明)
図1は、本発明の実施形態に係わるクレーン制御装置の構成図であり、トランスファクレーン1の駆動を制御するクレーン制御装置100のシステム構成を示している。なお、このクレーン制御装置100の構成は、後述する第2の実施形態、及び第3の実施形態においても基本的に同じである。
発電機23は交流発電機(例えば、3相交流発電機)であり、発電機23の出力側にはコンバータ24が接続されている。このコンバータ24は、発電機23から出力される交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を直流母線DCLに供給する。このコンバータ24は、複数のインバータ31、32、33、34、35、41等の負荷装置全体に対して直流電力を供給する共通コンバータとなる。また、直流母線DCLの電圧は電圧検出部26により検出され、この直流母線DCLの電圧検出値の信号が信号Vdcとしてコントローラ11、及びコンバータ24に出力される。コンバータ24では、発電機23から入力される交流電圧から直流電圧を出力する際に、コンバータ24から出力される直流電圧が所定の一定電圧になるように定電圧制御を行う。
一方、巻き用のモータM4では、コンテナCの巻き下げ時において、コンテナの重量と移動距離(巻き下げ距離)とにより決まる位置エネルギーの減少分に応じた回生エネルギーが、巻き用のモータM4から連続して回生される。この巻き用のモータM4による回生エネルギーは、横行用モータM1や走行用モータM2,M3のように走行抵抗がなく、コンテナの重量と移動距離(巻き下げ距離)とに応じた大きな回生パワーが連続して得られる。このための、クレーン制御装置100において負荷からの回生パワーが還されるのは、主に巻き下げの場合である。
クレーン装置においてコンテナの巻き上げ動作を行っていない場合や、補機のみを運転するなどの軽負荷時においては、エンジン発電機21内のエンジン22をアイドリング状態にし、バッテリ52のみから負荷30及び40に電力を供給する。また、巻き上げ作業を行う重負荷時においては、エンジン発電機21を運転して負荷30及び40に電流を供給するとともに、バッテリ52から電流を供給する。これにより、エンジン22のアイドリング時間を長くできるようにし、燃費の削減を図るとともに、エンジン排気ガス等による環境への影響を少なくするようにしている。
このSOC検出部53により検出されたバッテリ充電率SOCは、信号SOCとしてコントローラ11内の運転モード制御部14に出力される。また、SOC検出部53は、コントローラ11内のDC/DCコンバータ制御部16に信号SOCを出力する。
この運転モード制御部14では、エンジン22をアイドリングストップ(エンジン停止)状態、アイドリング状態、及び所要回転数の運転状態の各運転状態になるように制御する。なお、アイドリングとは、補機にのみ電力を供給する軽負荷の場合や、無負荷に近い状態等において、エンジンの回転を維持するために低回転(または所定の回転数)で回転させている状態のことを意味している。また、運転モード制御部14は、DC/DCコンバータ制御部16を通して、DC/DCコンバータ51を制御し、バッテリ52の充電動作及び放電動作を制御する。
また、運転モード制御部14内には、エンジン発電機21と蓄電装置50から負荷に供給する電力の分担比率(動力配分)を制御する動力配分制御部14Aが含まれる。この動力配分制御部14Aの動作については後述する。
図2は、クレーン制御装置における運転状態のモードについて説明するための図である。図に示すように、クレーン制御装置100において行われる運転モードには、負荷30(横行用モータM1、走行用モータM2,M3、巻き用のモータM4)と、負荷40(補機)の運転状態に応じて、4つの運転モードがある。
運転モードBは、負荷30から回生される回生電力によりバッテリ52を充電するとともに、負荷40に電力を供給する負荷回生モードである。
これにより、エンジン発電機21に接続された蓄電装置50(バッテリ52)を有効に活用して、エンジン22のアイドリング時間を長くすることができ、クレーン装置における燃費の改善を図ることができる。
上述したように、本発明のクレーン制御装置100においては、バッテリ52により負荷30及び40に電力を供給することが可能な場合には、できるだけバッテリ52から負荷30及び40に放電電流を流すように運転モードを切り替え、エンジン22のアイドリング時間を長くするようにしている。
この場合に、さらにエンジンの燃費の向上と、バッテリの過充電、過放電の回避と、バッテリの充電率の管理の強化(バッテリ寿命の延長)が望まれる。これらの要求は、運転モード制御部14と、エンジン制御部15と、DC/DCコンバータ制御部16により実現することができる。以下、これらの要求の実現方法について説明する。
この動力配分制御は、エンジン発電機21とバッテリ52とを合せて負荷へ電力供給する場合に、その出力配分をバッテリ充電率SOC[%]に応じて変化させるものである。すなわち、バッテリ充電率SOCが高いほどバッテリ52の出力を増加させ、エンジン発電機21の出力を低下させる。逆にバッテリ充電率SOCが低いほど、バッテリ52の出力を低下させ、エンジン発電機21の出力を増加させる。
「エンジン発電機側の出力=要求動力−DC/DCコンバータ側の出力」
このDC/DCコンバータ51から出力される電力を決定する際には、例えば、要求動力の大きさと、バッテリのバッテリ充電率SOCに応じた、DC/DCコンバータ51とエンジン発電機21の出力電力の動力配分を規定する動力配分テーブルを用いることができる。この動力配分テーブルはエンジン燃費特性を考慮して決定されるが、エンジン発電機の出力時は、エンジン回転数が一定となるため、変数の少ない(エンジン回転数をパラメータとしない)テーブルにより、動力配分を規定できる。
そして、図6(A)に示すバッテリ充電率SOCが高い場合は、要求動力の増加に応じて、バッテリ52により供給可能な範囲で、すなわち、バッテリ52の許容最大放電電流Imax1の範囲内で最大限に負荷30及び40へ電力供給を行う。
このバッテリ充電率SOCが中の場合は、バッテリ52からの放電にある程度余裕があるため、点P2から点P3の間においても要求動力の増加に応じて、バッテリ52から負荷30及び40に電力を供給する。また、要求動力が点P3以上においては、バッテリ52により供給可能な範囲で、すなわち、バッテリ52の許容最大放電電流Imax2の範囲内で最大限に負荷30及び40へ電力供給を行う。
次に、本発明の第2の実施形態として、エンジン発電機の出力応答遅れを回避するように、エンジン回転数の制御を行う例について説明する。クレーン装置において要求動力(負荷)が増大し、「運転モードA→運転モードC」、または、「運転モードB→運転モードC」に状態遷移した場合、エンジンがアイドル状態から定格回転数まで上昇するまでに時間がかかり(エンジンの出力遅れが発生し)、必要な動力が得られないという問題がある。この第2の実施形態では、要求動力が低い低負荷への電力供給時(運転モードA)において、低負荷(運転モードA)から高負荷(運転モードC)に変化した場合、エンジンをアイドリング状態から定格回転数まで上昇させる際の回転数の立ち上がり遅れを回避する例について説明する。このために、第2の実施形態のクレーン制御装置では、運転モードA時に負荷要求の状態に応じてエンジン回転数を定格回転数まで上げる。例えば、要求動力が上昇傾向にある場合に、バッテリ出力中(運転モードA中)にエンジン回転数を定格回転数まで上昇させる。
次に本発明の第3の実施形態について説明する。バッテリの充電の際に、例えば、運転モードDにおいてバッテリ充電率SOCが変化する場合に、充電条件を一定のままとすると、充電量が不足しバッテリが過放電(結果としてバッテリから必要な動力が得られない)、または、充電量が多くバッテリが過充電となる恐れがある。本発明の第3の実施形態では、エンジンの燃費の向上と、バッテリの過充電及び過放電の回避と、バッテリ充電率の管理の強化(バッテリ寿命の延長)を実現する充電モードの例について説明する。なお、以下に説明する充電モードの制御は、図1に示すDC/DCコンバータ制御部16内のCC−CV充電制御部16Aにより行われる。
本発明におけるクレーン装置は、図10に示すトランスファクレーン1に対応する。また、本発明におけるクレーン制御装置は、図1に示すクレーン制御装置100に対応する。また、本発明における原動機は、エンジン発電機21内のエンジン22に対応し、本発明における発電機は、発電機23(コンバータ24も含む)に対応する。また、本発明における蓄電装置は、DC/DCコンバータ51とバッテリ52とを含む蓄電装置50に対応する。また、本発明におけるバッテリはバッテリ52に対応する。
また、コントローラ11は、発電機23からの電力を遮断して蓄電装置50から負荷30及び40に電力を供給するバッテリ給電モードである運転モードA、負荷30から回生される回生電力によりバッテリ52を充電する負荷回生モードである運転モードB、発電機23及び蓄電装置50から負荷30及び40に電力を供給する並列給電モードである運転モードC、発電機23からバッテリ52を充電する運転モードDのいずれかの制御モードに切り替える機能を有し、運転モードCでは、負荷30及び40に対して所定値以上の負荷電流が必要な場合に、蓄電装置50から負荷30及び40に所定の電流値の放電電流を供給するとともに、残りの必要な負荷電流をエンジン発電機21の発電電流により負荷30及び40に供給する。また、運転モードAから運転モードCに移行する際には、負荷30及び40の増大に先立って、負荷30及び40の大きさと、蓄電装置50及び発電機23から供給される電力とに応じた給電収支(負荷に応じたバッテリ52と発電機23との負荷分担)を予め設定しておく。
これにより、蓄電装置50を有効に活用して、エンジン22のアイドリング時間を長くすることにより、クレーン装置における燃費の改善を図ることができる効果に加えて、負荷30及び40の上昇によりエンジン発電機21から電力の供給を開始する際に、負荷上昇に電力供給が追いつかないという問題を回避できる。
このようなクレーン制御装置100では、運転モードCにおいて、バッテリ充電率SOCと負荷30及び40の大きと、に応じた値のバッテリ放電電流を、負荷30及び40に供給する。また、エンジン22の回転数を所定の回転数(例えば、定格回転数)まで上昇させて、発電機23から負荷30及び40に発電電流を供給する。
これにより、クレーン装置においてエンジン22のアイドリング時間を長くする効果に加えて、エンジンを燃費特性の高い回転数で運転できる。また、バッテリ充電率SOCに応じて、バッテリ52とエンジン発電機21との動力配分制御(負荷分担)を行うことができる。このため、バッテリ充電率SOCに応じてバッテリ52の放電電流を管理することができ、バッテリ52の過放電を回避できる。
これにより、例えば、巻き下げが行われた後には、短時間内に巻き上げが行われることを判定し、巻き上げ動作が開始される前に(負荷30及び40の上昇に先立って)、エンジン発電機21のエンジン回転数を予め上昇させておく。このため、負荷上昇の際にエンジン発電機21からの電力供給が追いつかないという問題を回避できる。
これにより、負荷30及び40が小さく、バッテリ充電率SOCが低い場合において、バッテリ52を急速充電することができる。また、バッテリ充電率SOCと充電速度を管理することにより、バッテリ52の過充電を回避することができる。
これにより、負荷30及び40が小さい場合において、バッテリ充電率SOCが低いときは、バッテリ52を急速充電し、バッテリ充電率SOCが高いときは、バッテリ52を通常充電することができる。また、負荷30及び40が大きい場合は、バッテリ充電率SOCの値に関係なく、バッテリ52を通常充電することができる。
これにより、CC充電における充電電流、またはCV充電における充電電圧を変化させることにより、バッテリ52への充電速度を容易に変化させることができる。
これにより、負荷30及び40の大きさとバッテリ充電率SOCとに応じて、バッテリ52とエンジン発電機21との負荷分担比率を制御することができる。また、バッテリ充電率SOCに応じて放電電流を制御することにより、バッテリの過放電を回避できる。
このように、トランスファクレーン1においては、本発明のクレーン制御装置100を使用するようにしたので、これにより、エンジン発電機21に接続された蓄電装置50(バッテリ52)を有効に活用して、エンジン22のアイドリング時間を長くすることができ、トランスファクレーン1における燃費の改善を図ることができる。また、負荷30及び40の上昇により、エンジン発電機21から負荷30及び40に電力を供給する際に、負荷上昇に電力供給が追いつかないという問題を回避できる。
100 クレーン制御装置
11 コントローラ
12 クレーン操作部
13 負荷装置制御部
14 運転モード制御部
14A 動力配分制御部
15 エンジン制御部
16 DC/DCコンバータ制御部
16A CC−CV充電制御部
21 エンジン発電機
22 エンジン
23 発電機
24 コンバータ
26 電圧検出部
30 回生を行う負荷
31、32、33、34、35 インバータ
40 回生を行わない負荷
41 補機用インバータ
42 補機
50 蓄電装置
51 DC/DCコンバータ
52 バッテリ(蓄電池)
Claims (9)
- 原動機により駆動される発電機と、
荷役作業を行う装置となる複数の負荷と、
前記発電機に接続され前記負荷に電力を供給するバッテリを有する蓄電装置と、
前記発電機と前記蓄電装置と前記複数の負荷とを制御する制御部と、
から構成され、
前記制御部は、
前記発電機からの電力を遮断して前記蓄電装置から前記負荷に電力を供給するバッテリ給電モードである運転モードA、
前記負荷から回生される回生電力により前記バッテリを充電する負荷回生モードである運転モードB、
前記発電機及び前記蓄電装置から前記負荷に電力を供給する並列給電モードである運転モードC、
前記発電機から前記バッテリを充電する運転モードDのいずれかの制御モードに切り替える機能を有し、
前記運転モードCでは、前記負荷に対して所定の電流値以上の負荷電流が必要とされる場合に、前記蓄電装置からの放電電流と、前記発電機の発電電流を前記負荷に供給すると共に、
前記運転モードAから運転モードCに移行する際には、前記負荷の増大に先立って、前記負荷の大きさと、前記蓄電装置及び発電機から供給される電力とに応じた給電収支を予め設定しておき、
前記運転モードAから運転モードCに移行した場合に、
前記バッテリのバッテリ充電率SOCと前記負荷の大きさとに応じた値の放電電流を前記蓄電装置から前記負荷に供給し、
前記制御部は、
前記バッテリ充電率SOCに応じてバッテリの許容最大放電電流と最小放電電流とを予め設定し、
前記負荷の大きさが第1の負荷閾値を超えて運転モードAから運転モードCに移行した場合において、
前記負荷の大きさが前記第1の負荷閾値を超えて第2の負荷閾値(第1の負荷閾値<第2の負荷閾値)に到達するまでの間は前記バッテリの放電電流を前記許容最大放電電流から前記最小放電電流まで漸減させ、残りの負荷電流を前記発電機の発電電流により供給し、
前記負荷が前記第2の負荷閾値を超えてさらに増大する場合は、前記発電機の発電電流を継続して供給するとともに、前記発電機の発電電流では不足する負荷電流を前記バッテリから前記許容最大放電電流の範囲内で供給する
ことを特徴とするクレーン制御装置。 - 前記制御部は、
前記運転モードAから運転モードCに移行した場合に、
前記原動機の回転数を所定の回転数まで上昇させて、前記発電機から前記負荷に発電電流を供給する
ことを特徴とする請求項1に記載のクレーン制御装置。 - 前記制御部は、
前記運転モードAにおいて、前記負荷の増大に対応する運転モードが発生すると判定される場合に、前記原動機の回転数を予め所定の回転数まで上昇させる
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のクレーン制御装置。 - 前記運転モードDにおいて前記バッテリを充電する際に、前記負荷の大きさと前記バッテリのバッテリ充電率SOCとに応じて、前記バッテリへの充電速度を変化させる
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のクレーン制御装置。 - 前記負荷の大きさが所定の値以下の場合には、前記バッテリ充電率SOCの値に応じて前記充電速度を第1の充電速度または第2の充電速度(第1の充電速度<第2の充電速度)に設定し、
前記負荷の大きさが所定の値以上の場合には、前記バッテリ充電率SOCの値に無関係に前記充電速度を第1の充電速度に設定する
ことを特徴とする請求項4に記載のクレーン制御装置。 - 前記バッテリへの充電は、前記バッテリの充電電圧が低い充電初期の際には定電流充電であるCC充電を行い、前記バッテリの充電電圧が所定の電圧に到達した後には定電圧充電であるCV充電を行うCC−CV充電により行われ、
前記バッテリの充電速度を変化させる際は、前記定電流充電の電流値、及び前記定電圧充電の電圧値の少なくとも一方を変化させる
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載のクレーン制御装置。 - 前記所定の回転数は原動機の定格回転数である
ことを特徴とする請求項3に記載のクレーン制御装置。 - 前記負荷の大きさは、前記荷役作業を行う装置となる複数の負荷の内で稼動される負荷の種類に応じて判定される
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のクレーン制御装置。 - 前記請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のクレーン制御装置と、
前記負荷として駆動され、前記制御部から出力される運転指令に応じて駆動されるモータと、
前記制御部により駆動制御される補機と、
を備えることを特徴とするクレーン装置。
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