JP6804147B2 - 作業機械及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械及及び電力変換装置に関する。

電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）の一例として、複数のチョッパ回路を並列に接続し、各列のチョッパ回路の電流位相をずらした位相制御を行うことで、電流リップルを低減させることが可能であることが知られている（特許文献１）。

特開２００４−３５７３８８号公報

電力変換装置が故障した際には、スイッチング用半導体素子やリレー等の故障した部品単位で交換するか、または電力変換装置全体を交換する必要がある。チョッパ回路の並列接続数を変えることにより、電力変換装置によって駆動される電気負荷が必要とする種々の電力容量に対応することが可能であるが、チョッパ回路の並列接続数が変わると、チョッパ回路のスイッチング制御を行う制御装置、電気系の接続構成等を設計し直さなければならない。

本発明の目的は、部品の故障や、要求される電力容量に応じて柔軟に対応することが可能な電力変換装置を搭載した作業機械及を提供することである。本発明の他の目的は、部品の故障や、要求される電力容量に応じて柔軟に対応することが可能な電力変換装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
作業部を駆動するモータと、
前記モータに電力を供給する電力変換装置と
を有し、
前記電力変換装置は、
電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する複数のコンバータモジュールと、
前記モータを含む外部機器と複数の前記コンバータモジュールとの間に介在して両者を電気的に接続し、前記外部機器との接続を維持したまま、１つの前記コンバータモジュールを取り外し可能な構造を持つ端子台モジュールと、
複数の前記コンバータモジュールを冷却するファンモジュールと
を有し、
前記端子台モジュール及び前記ファンモジュールは、複数の前記コンバータモジュールを機械的に支持するフレームとして機能する作業機械が提供される。

本発明の他の観点によると、
電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する複数のコンバータモジュールと、
外部機器と複数の前記コンバータモジュールとの間に介在して両者を電気的に接続し、複数の前記コンバータモジュールの入力端子を並列接続し、複数の前記コンバータモジュールの出力端子を並列接続している端子台モジュールと、
複数の前記コンバータモジュールを冷却するファンモジュールと
を有し、
前記端子台モジュール及び前記ファンモジュールは、複数の前記コンバータモジュールを機械的に支持するフレームとして機能する電力変換装置が提供される。

１つのコンバータモジュールが故障したとき、外部機器と端子台モジュールとの接続を維持したままコンバータモジュールを取り外すことができるため、作業効率を高めるとともに、誤配線のリスクを低減することができる。

コンバータモジュールと外部機器との間に端子台モジュールが介在しているため、外部機器と端子台モジュールとの間の接続を維持したまま、端子台モジュールからコンバータモジュールを取り外すことができる。端子台モジュールによってコンバータモジュールが並列接続されているため、並列接続されるコンバータモジュールの台数に応じて適切な端子台モジュールを選択することにより、コンバータモジュールの台数を柔軟に増減することができる。これにより、要求される電力に応じて柔軟に対応することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施例による電力変換装置のブロック図である。 図２は、実施例による電力変換装置の電気系統の接続構成図である。 図３は、マスター機として動作するコンバータモジュール及びリアクトルの等価回路図である 図４は、実施例による電力変換装置の概略斜視図である。 図５は、コンバータ側接続端子部及び端子台側接続端子部の部分斜視図である。 図６は、実施例による電力変換装置の電圧変換動作に関わる部分の等価回路図である。 図７は、複数のコンバータモジュールのコントロール回路の間の通信シーケンス、及びコントロール回路の動作を示す図である。 図８Ａは、マスター機に接続されたスレーブ機が１台の場合の電流の波形を示すグラフであり、図８Ｂは、マスター機に接続されたスレーブ機が２台の場合の電流の波形を示すグラフである。 図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ実施例による電力変換装置が用いられるクレーンシステムの正面図及び側面図である。 図１０Ａは、実施例による電力変換装置が用いられているクレーンシステムの電力系統図であり、図１０Ｂは、交流電源及びＡＣ−ＤＣ変換装置の概略図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ実施例による電力変換装置が用いられているショベルの側面図及びブロック図である。

図１Ａ〜図３を参照して、実施例による電力変換装置の電気系統の構成について説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施例による電力変換装置の概略ブロック図である。電力変換装置は複数のコンバータモジュール１０と１つの端子台モジュール３０とを含む。図１Ａでは、電力変換装置が２台のコンバータモジュール１０を含む例を示し、図１Ｂは、電力変換装置が３台のコンバータモジュール１０を含む例を示している。コンバータモジュール１０の各々は、電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する。端子台モジュール３０は、電源装置６０や電気負荷６１等の外部機器と複数のコンバータモジュール１０との間に介在して両者を電気的に接続する。

コンバータモジュール１０の各々は、入力端子対１５ｉ及び出力端子対１５ｏを有する。端子台モジュール３０は、一対の外部入力端子３２ｉ及び一対の外部出力端子３２ｏを含む。端子台モジュール３０は、複数のコンバータモジュール１０の入力端子対１５ｉを並列接続するとともに、外部入力端子３２ｉに接続している。同様に、端子台モジュール３０は、複数のコンバータモジュール１０の出力端子対１５ｏを並列接続するとともに、外部出力端子３２ｏに接続している。外部入力端子３２ｉに電源装置６０が接続され、外部出力端子３２ｏに電気負荷６１が接続されている。

図２は、実施例による電力変換装置の電気系統の接続構成図である。実施例による電力変換装置は、複数のコンバータモジュール１０、１台の端子台モジュール３０、１台のファンモジュール５０、及び複数のリアクトル２８を含む。複数のリアクトル２８は、コンバータモジュール１０に対応して設けられている。図２に示した例では、電力変換装置が３個のコンバータモジュール１０及び３個のリアクトル２８を含んでいる。コンバータモジュール１０の各々は、電圧コンバータ回路の一部を構成しており、コンバータモジュール１０とリアクトル２８とが電圧コンバータ回路を構成する。

複数のコンバータモジュール１０のうち１つがマスター機１０Ｍとして動作し、他のコンバータモジュール１０はスレーブ機１０Ｓとして動作する。コンバータモジュール１０の各々は、コントロール回路１１、スイッチング回路１２、リレー１３、制御電源回路１４、及びコンバータ側接続端子部１５を含む。コンバータ側接続端子部１５に、コンバータ側の正側入力端子１５Ｐｉ、負側入力端子１５Ｎｉ、正側出力端子１５Ｐｏ、負側出力端子１５Ｎｏ、リアクトル入力端子１５Ｌｉ、及びリアクトル出力端子１５Ｌｏが配置されている。

図３は、マスター機１０Ｍとして動作するコンバータモジュール１０及びリアクトル２８の等価回路図である。

コンバータモジュール１０のスイッチング回路１２は、２つのスイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂを含む。スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂには、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。２つのスイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂに、それぞれフリーホイールダイオード１２Ｃ及び１２Ｄが接続されている。

２つのスイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂが直列に接続され、この直列回路の一方の端部が正側出力端子１５Ｐｏに接続され、他方の端部が負側出力端子１５Ｎｏ及び負側入力端子１５Ｎｉに接続されている。２つのスイッチング素子１２Ａと１２Ｂとの相互接続点が、リアクトル出力端子１５Ｌｏに接続されている。リレー１３の一方の端子がリアクトル入力端子１５Ｌｉに接続され、他方の端子が正側入力端子１５Ｐｉに接続されている。リアクトル２８が、リアクトル入力端子１５Ｌｉとリアクトル出力端子１５Ｌｏとの間に接続されている。スイッチング回路１２とリアクトル２８とによってチョッパ回路が構成される。コンバータモジュール１０とリアクトル２８とによって昇降圧コンバータ回路が構成される。スイッチング回路１２でスイッチングされた電流が、正側出力端子１５Ｐｏ、負側出力端子１５Ｎｏ、正側入力端子Ｐｉ、負側入力端子１５Ｎｉ、リアクトル出力端子１５Ｌｏ、及びリアクトル入力端子１５Ｌｉを通してコンバータモジュール１０に流出入する。

コントロール回路１１が２つのスイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂのオンオフを制御する。コントロール回路１１は、スイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂのスイッチング周波数及びデューティ比を変化させることができる。さらに、コントロール回路１１はリレー１３のオンオフを制御する。

制御電源端子１６から制御電源回路１４を介してコントロール回路１１に電源が供給される。コントロール回路１１は、ファン制御端子１７を介してファン電源回路５２（図２）にファン５３（図２）の動作を制御する信号を送信する。

図２を参照して説明を続ける。スレーブ機１０Ｓとして動作するコンバータモジュール１０は、マスター機１０Ｍとして動作するコンバータモジュール１０からファン制御端子１７を取り除いた構成と同一である。なお、マスター機１０Ｍとして動作するコンバータモジュール１０と、スレーブ機１０Ｓとして動作するコンバータモジュール１０とを同一の構成としてもよい。この場合、スレーブ機１０Ｓとして動作するコンバータモジュール１０では、ファン制御端子１７が使用されない。

端子台モジュール３０は、電源装置６０、電気負荷６１等の外部機器、及びリアクトル２８と、コンバータモジュール１０との間に介在して、両者を電気的に接続する。端子台モジュール３０の端子台側接続端子部３１に、コンバータモジュール１０ごとに、端子台側の正側入力端子３１Ｐｉ、負側入力端子３１Ｎｉ、正側出力端子３１Ｐｏ、負側出力端子３１Ｎｏ、リアクトル入力端子３１Ｌｉ、及びリアクトル出力端子３１Ｌｏが配置されている。コンバータ側接続端子部１５の複数の端子と、端子台側接続端子部３１の対応する複数の端子とが接続導体、例えばブスバーで接続されている。

さらに、端子台モジュール３０に、外部機器と接続するための複数の外部接続端子が配置されている。具体的には、電源装置６０と接続するための正側入力端子３２Ｐｉと負側入力端子３２Ｎｉ、電気負荷６１と接続するための正側出力端子３２Ｐｏと負側出力端子３２Ｎｏ、リアクトル２８と接続するための３組のリアクトル入力端子３２Ｌｉとリアクトル出力端子３２Ｌｏが配置されている。

端子台モジュール３０は、複数のコンバータモジュール１０の入力端子対、すなわち正側入力端子１５Ｐｉと負側入力端子１５Ｎｉとを並列接続し、複数のコンバータモジュール１０の出力端子対、すなわち正側出力端子１５Ｐｏと負側出力端子１５Ｎｏとを並列接続している。具体的には、電源装置６０に接続するための正側入力端子３２Ｐｉが、端子台側接続端子部３１のすべての正側入力端子３１Ｐｉに接続され、電源装置６０に接続するための負側入力端子３２Ｎｉが、端子台側接続端子部３１のすべての負側入力端子３１Ｎｉに接続され、電気負荷６１に接続するための正側出力端子３２Ｐｏが、端子台側接続端子部３１のすべての正側出力端子３１Ｐｏに接続され、電気負荷６１に接続するための負側出力端子３２Ｎｏが、端子台側接続端子部３１のすべての負側出力端子３１Ｎｏに接続されている。このように、複数のコンバータモジュール１０の入力端子対及び出力端子対の双方が並列接続されることにより、電力変換装置が複数のコンバータモジュール１０によって負荷分散されている。

ファンモジュール５０は、制御電源端子台５１、ファン電源回路５２、ファン５３、制御電源端子５５、及びファン制御端子５６を含む。制御電源端子台５１は制御用電源装置６５に接続される。ファン電源回路５２は、制御電源端子台５１を介して供給される電力を受け、ファン５３に駆動用の電力を供給する。

制御電源端子５５は、コンバータモジュール１０に対応して設けられており、対応するコンバータモジュール１０の制御電源端子１６に接続されている。制御用電源装置６５から、制御電源端子台５１、制御電源端子５５、１６、及び制御電源回路１４を介してコントロール回路１１に電源が供給される。ファン制御端子５６はコンバータモジュール１０のマスター機１０Ｍのファン制御端子１７に接続されている。コンバータモジュール１０のマスター機１０Ｍのコントロール回路１１が、ファン制御端子１７及び５６を介してファン電源回路５２に、ファン５３の駆動信号を送信する。

外部の制御装置６６からマスター機１０Ｍのコントロール回路１１に制御信号が送信される。マスター機１０Ｍのコントロール回路１１、及びスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１は、相互に通信を行う。

次に、図４及び図５を参照して、実施例による電力変換装置の構造について説明する。

図４は、実施例による電力変換装置の概略斜視図である。複数のコンバータモジュール１０の各々は、ほぼ縦長の直方体形状を有し、複数のコンバータモジュール１０が横方向（水平方向）に一列に並んで配置されている。複数のコンバータモジュール１０の下方に端子台モジュール３０が配置され、上方にファンモジュール５０が配置されている。端子台モジュール３０は、一列に並ぶ複数のコンバータモジュール１０の一方の端のコンバータモジュール１０の直下から他方の端のコンバータモジュール１０の直下まで至る長さを持つ。同様に、ファンモジュール５０は、一方の端のコンバータモジュール１０の直上から他方の端のコンバータモジュール１０の直上まで至る長さを持つ。端子台モジュール３０及びファンモジュール５０は、コンバータモジュール１０の台数に対応して過不足の無い大きさとされている。

コンバータモジュール１０の前面に、コンバータ側接続端子部１５、制御電源端子１６、ファン制御端子１７、通信ケーブル用端子１８が配置されている。端子台モジュール３０の前面に、端子台側接続端子部３１、及び外部機器と接続するための複数の正側入力端子３２Ｐｉ、負側入力端子３２Ｎｉ、複数のリアクトル入力端子３２Ｌｉ、複数のリアクトル出力端子３２Ｌｏ、正側出力端子３２Ｐｏ、及び負側出力端子３２Ｎｏが配置されている。ファンモジュール５０の前面に、制御電源端子５５及びファン制御端子５６が配置されている。

コンバータモジュール１０の各々のコンバータ側接続端子部１５に、正側入力端子１５Ｐｉ、負側入力端子１５Ｎｉ、リアクトル入力端子１５Ｌｉ、リアクトル出力端子１５Ｌｏ、正側出力端子１５Ｐｏ、及び負側出力端子１５Ｎｏがこの順番に配置されている。端子台モジュール３０の端子台側接続端子部３１にも、コンバータモジュール１０ごとに、正側入力端子３１Ｐｉ、負側入力端子３１Ｎｉ、リアクトル入力端子３１Ｌｉ、リアクトル出力端子３１Ｌｏ、正側出力端子３１Ｐｏ、及び負側出力端子３１Ｎｏが配置されている。コンバータ側接続端子部１５の複数の端子と、端子台側接続端子部３１の複数の端子とは、コンバータモジュール１０ごとに同一の間隔で、同じ順序で並んでいる。対応する端子同士が接続導体７０により接続されている。接続導体７０が機械的支持力を有する剛性を持ち、コンバータモジュール１０は接続導体７０によって端子台モジュール３０に機械的に支持される。

複数のコンバータモジュール１０の制御電源端子１６と、ファンモジュール５０の複数の制御電源端子５５とが、それぞれ電源ケーブル７５によって接続されている。コンバータモジュール１０のマスター機１０Ｍのファン制御端子１７とファンモジュール５０のファン制御端子５６とが制御配線７６によって接続されている。外部の制御装置６６、及び複数のコンバータモジュール１０のコントロール回路１１（図２）が通信ケーブル７７によって接続されている。

コンバータモジュール１０の筐体の上端から上方に固定部１９が延び、ファンモジュール５０の筐体の下端から下方に固定部５８が延びる。コンバータモジュール１０の固定部１９がファンモジュール５０の固定部５８にねじ止め等によって固定されることにより、コンバータモジュール１０がファンモジュール５０に機械的に支持される。ファンモジュール５０のファン５３によって発生した気流によって、コンバータモジュール１０が冷却される。

図５は、コンバータ側接続端子部１５及び端子台側接続端子部３１を斜め下方から見た部分斜視図である。コンバータ側接続端子部１５は、支持板１５１、複数の絶縁端子１５２、及び側板１５３を含む。支持板１５１は、コンバータモジュール１０（図４）の筐体に固定されている。複数のコンバータ側ブスバー７０１が、それぞれ絶縁端子１５２により支持板１５１に固定されており、スイッチング回路１２及びリレー１３（図３）に電気的に接続されている。複数の絶縁端子１５２が、図３に示した正側入力端子１５Ｐｉ、負側入力端子１５Ｎｉ、リアクトル入力端子１５Ｌｉ、リアクトル出力端子１５Ｌｏ、正側出力端子１５Ｐｏ、及び負側出力端子１５Ｎｏに相当する。コンバータ側ブスバー７０１は、絶縁端子１５２から端子台側接続端子部３１に向かって（下方に向かって）延びる。側板１５３が、支持板１５１に対して垂直に、かつコンバータ側ブスバー７０１の伸びる方向と平行な姿勢で、支持板１５１に固定されている。

端子台側接続端子部３１は、支持板３１１、複数の絶縁端子３１２、及び側板３１３を含む。支持板３１１は端子台モジュール３０の筐体に固定されている。複数の絶縁端子３１２が、図４に示した端子台側接続端子部３１の正側入力端子３１Ｐｉ、負側入力端子３１Ｎｉ、リアクトル入力端子３１Ｌｉ、リアクトル出力端子３１Ｌｏ、正側出力端子３１Ｐｏ、及び負側出力端子３１Ｎｏに相当する。複数の端子台側ブスバー７０２が絶縁端子３１２により支持板３１１に固定されており、図２、図３に示した外部接続用の正側入力端子３２Ｐｉ、負側入力端子３２Ｎｉ、リアクトル入力端子３２Ｌｉ、リアクトル出力端子３２Ｌｏ、正側出力端子３２Ｐｏ、及び負側出力端子３２Ｎｏに接続されている。

コンバータモジュール１０側の支持板１５１の下端側の一部分が、端子台モジュール３０側の支持板３１１の上端側の一部分の上に重なっている。コンバータ側ブスバー７０１の下端側の一部分が、端子台側ブスバー７０２の上端側の一部分の上に重なっている。ブスバーの７０１と７０２との重なり箇所が、着脱可能な締結具、例えばねじ７０３で締結されることにより、端子台側ブスバー７０２に対してコンバータ側ブスバー７０１が機械的に固定され、かつ電気的に接続されている。

端子台モジュール３０側の側板３１３は、微小間隙を隔てて配置された２枚の板を含んでいる。この２枚の板の間に、コンバータモジュール１０側の側板１５３の下端が挿入される。

次に、図６〜図８Ｂを参照して、実施例による電力変換装置の動作について説明する。

図６は、実施例による電力変換装置の電圧変換動作に関わる部分の等価回路図である。コンバータモジュール１０の各々の回路構成については図３を参照して説明したので、ここでは説明を省略する。複数のコンバータモジュール１０の入力側の端子、すなわち正側入力端子１５Ｐｉと負側入力端子１５Ｎｉとが並列接続され、出力側の端子、すなわち正側出力端子１５Ｐｏと負側出力端子１５Ｎｏとが並列接続されている。複数の負側入力端子Ｎｉと複数の負側出力端子Ｎｏとが相互に接続されて接地される。

外部の電源装置６０から電力変換装置に向かって流れる電流をＩで表す。３つのコンバータモジュール１０にそれぞれ入力される電流を、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３で表す。コンバータモジュール１０の入力側の端子が並列接続されているため、
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３
が成り立つ。

制御装置６６がマスター機１０Ｍのコントロール回路１１に制御信号を送信する。マスター機１０Ｍのコントロール回路１１は、複数のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１と、動作の制御のための通信を行う。

図７は、複数のコンバータモジュール１０のコントロール回路１１の間の通信シーケンス、及びコントロール回路１１の動作を示す図である。図７では、１台のマスター機１０Ｍと２台のスレーブ機１０Ｓとで電力変換装置が構成されている例を示している。マスター機１０Ｍ及びスレーブ機１０Ｓには同一のクロック信号が与えられており、このクロック信号に基づいて、複数のコンバータモジュール１０が、同一のスイッチング周波数でスイッチング回路１２（図３）のスイッチングを行う。マスター機１０Ｍのスイッチングの位相を基準とし、スレーブ機１０Ｓは位相をシフトさせてスイッチングを行う。いる。以下、図７を参照して、位相シフト量の決定方法について説明する。

外部の制御装置６６（図６）からマスター機１０Ｍのコントロール回路１１に起動信号が送信されると、マスター機１０Ｍのコントロール回路１１はスレーブ機１０Ｓに対して点呼を行う。マスター機１０Ｍのコントロール回路１１は、スレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１からの応答により、接続されているスレーブ機１０Ｓの台数を検知する（ステップＳ０１）。

マスター機１０Ｍのコントロール回路１１は、接続されているスレーブ機１０Ｓの台数に基づいて、スレーブ機１０Ｓで設定すべき位相シフト量の刻み幅を算出する（ステップＳ０２）。接続されているスレーブ機１０Ｓの台数がＮのとき、位相シフト量の刻み幅ΔＰＳは下記の式で算出される。
ΔＰＳ＝１／（Ｎ＋１）
例えば、接続されているスレーブ機１０Ｓの台数が１台のとき、位相シフト量の刻み幅ΔＰＳは１／２と算出され、接続されているスレーブ機１０Ｓの台数が２台のとき、位相シフト量の刻み幅ΔＰＳは１／３と算出される。位相シフト量の刻み幅ΔＰＳは、位相シフト量が３６０°×ΔＰＳだけずれることを意味する。

マスター機１０Ｍのコントロール回路１１は、１台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１に、位相シフト量の刻み幅ΔＰＳを通知する（ステップＳ０３）。１台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１は、自機の位相シフト量ＰＳとして、位相シフト量の刻み幅ΔＰＳを設定する（ステップＳ０４）。図７に示した例では、１台目のスレーブ機１０Ｓの位相シフト量ＰＳは１／３になる。

その後、１台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１は、自機の位相シフト量ＰＳと刻み幅ΔＰＳを２台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１に通知する（ステップＳ０５）。２台目のスレーブ機１０Ｓは、通知された位相シフト量ＰＳに刻み幅ΔＰＳを加えた値を、自機の位相シフト量ＰＳとして設定する（ステップＳ０６）。図７に示した例では位相シフト量ＰＳは２／３になる。３台目以降のスレーブ機１０Ｓの処理も、２台目のスレーブ機１０Ｓの処理と同様である。

スレーブ機１０Ｓは、自機の位相シフト量ＰＳの設定が完了すると、マスター機１０Ｍに設定完了を通知する（ステップＳ０７）。

マスター機１０Ｍのコントロール回路１１は、全てのスレーブ機１０Ｓから設定完了の通知を受信すると、昇降圧制御を開始する（ステップＳ０８）と同時に、１台目のスレーブ機１０Ｓに制御開始を指令する（ステップＳ０９）。１台目のスレーブ機１０Ｓは、制御開始の指令を受信すると、設定されている位相シフト量ＰＳに基づいて昇降圧制御を開始する（ステップＳ１０）とともに、２台目のスレーブ機１０Ｓに制御開始を指令する（ステップＳ１１）。２台目のスレーブ機１０Ｓは、制御開始の指令を受信すると、設定されている位相シフト量ＰＳに基づいて昇降圧制御を開始する（ステップＳ１２）。スレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１は、昇降圧制御を開始するとマスター機１０Ｍに運転確認通知を送信する（ステップＳ１３）。

マスター機１０Ｍのコントロール回路１１が外部の制御装置６６（図２）から運転停止の指令を受けると、昇降圧制御を停止させる（ステップＳ１４）と共に、１台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１に制御停止を指令する（ステップＳ１５）。１台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１は、制御停止の指令を受信すると、昇降圧制御を停止すると（ステップＳ１６）と共に、２台目のスレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１に制御停止を指令する（ステップＳ１７）。２台目のスレーブ機１０Ｓは、制御停止の指令を受信すると、昇降圧制御を停止する（ステップＳ１８）。スレーブ機１０Ｓのコントロール回路１１は、昇降圧制御を停止するとマスター機１０Ｍに運転停止完了を通知する（ステップＳ１９）。

次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、外部の電源装置６０から電力変換装置に入力される電流の波形について説明する。

図８Ａは、マスター機１０Ｍに接続されたスレーブ機１０Ｓが１台の場合の電流の波形を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は電流の大きさを表す。太い実線は、マスター機１０Ｍに流れ込む電流Ｉ１（図６）を示し、細い実線は、スレーブ機１０Ｓに流れ込む電流Ｉ２を示し、破線は電源装置６０から流出する電流Ｉを示す。

マスター機１０Ｍに接続されているスレーブ機１０Ｓが１台であるため、スレーブ機１０Ｓの位相シフト量ＰＳは１／２に設定される。スレーブ機１０Ｓは、マスター機１０Ｍに対して位相シフト量ＰＳが１／２の条件でスイッチングを行っているため、電流Ｉ２の波形は電流Ｉ１の波形に対して位相が一周期の１／２、すなわち１８０°遅れている。

図８Ｂは、マスター機１０Ｍに接続されたスレーブ機１０Ｓが２台の場合の電流の波形を示すグラフである。太い実線は、マスター機１０Ｍに流れ込む電流Ｉ１（図６）を示し、細い実線は、１台目のスレーブ機１０Ｓに流れ込む電流Ｉ２を示し、中間の太さの実線は２台目のスレーブ機１０Ｓに流れ込む電流Ｉ３を示し、破線は電源装置６０から流出する電流Ｉを示す。

マスター機１０Ｍに接続されているスレーブ機１０Ｓが２台であるため、１台目のスレーブ機１０Ｓの位相シフト量ＰＳは１／３に設定され、２台目のスレーブ機１０Ｓの位相シフト量ＰＳは２／３に設定される。１台目のスレーブ機１０Ｓは、マスター機１０Ｍに対して位相シフト量ＰＳが１／３の条件でスイッチングを行っているため、電流Ｉ２の波形は電流Ｉ１の波形に対して位相が一周期の１／３、すなわち１２０°遅れている。同様に、電流Ｉ３の波形は電流Ｉ１の波形に対して位相が一周期の２／３、すなわち２４０°遅れている。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
実施例による電力変換装置においては、コンバータモジュール１０の昇降圧制御される電流の経路が、端子台モジュール３０（図２）を介して外部機器、例えば電源装置６０、電気負荷６１、リアクトル２８（図２）に接続される。このため、例えば、端子台モジュール３０と外部機器との電気的接続を維持したまま（配線を取り外すことなく）、かつ機械的接続構造を維持したまま（機械的接続構造に影響を与えることなく）、故障したコンバータモジュール１０を端子台モジュール３０から取り外し、新たなコンバータモジュール１０を取り付けることができる。さらに、故障していないコンバータモジュール１０と端子台モジュール３０との間の電気的接続を維持したまま、かつ機械的接続構造を維持したまま、故障したコンバータモジュール１０を端子台モジュール３０から取り外すことができる。これにより、作業時の手間を軽減することができるとともに、誤配線のリスクを低減することができる。

また、図５に示したようにコンバータ側ブスバー７０１が端子台側ブスバー７０２の上に重ねられているため、ねじ７０３を緩めてコンバータモジュール１０を端子台モジュール３０から容易に取り外すことができる。コンバータモジュール１０の側板１５３を端子台モジュール３０の側板３１３の間隙部に挿入することにより、新たに取り付けるコンバータモジュール１０を容易に位置決めすることができる。

コンバータモジュール１０の各々にコントロール回路１１が搭載されているため、コンバータモジュール１０の交換時に、コントロール回路１１とスイッチング回路１２（図３）との間の配線の取り外しや取付けの作業を行う必要がない。このため、作業効率を高めることができる。

外部機器の定格駆動電力に応じて、コンバータモジュール１０の台数を増減させることにより、種々の定格駆動電力の外部機器に柔軟に対応することができる。端子台モジュール３０及びファンモジュール５０として、コンバータモジュール１０の台数に応じて過不足の無い大きさのものを用いればよい。

コンバータモジュール１０は、コンバータ側ブスバー７０１及び端子台側ブスバー７０２（図５）により端子台モジュール３０に機械的に固定される。コンバータモジュール１０の固定部１９をファンモジュール５０の固定部５８にねじ止めすることにより、コンバータモジュール１０がファンモジュール５０に機械的に固定される。このように、端子台モジュール３０及びファンモジュール５０は、電気的接続を実現する機能を有するとともに、コンバータモジュール１０を機械的に固定するフレームとしての機能を併せ持つ。

コンバータモジュール１０の台数を増減させた場合、マスター機１０Ｍのコントロール回路１１がスレーブ機１０Ｓの台数に応じてスレーブ機１０Ｓによるスイッチング動作の位相シフト量の刻み幅ΔＰＳを決定するため、コンバータモジュール１０の台数を増減させてもコンバータモジュール１０のスイッチングの動作タイミングを均等にずらすことができる。これにより、電流リップルの増加を抑制することができる。

次に、図９Ａ〜図１０Ｂを参照して、上記実施例による電力変換装置を適用したクレーンシステムについて説明する。

図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ上記実施例によるによる電力変換装置を適用した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２３が桁２４を支えている。柱２３と桁２４とによって門型フレームが構成される。柱２３の下端に車輪２７が取り付けられており、門型フレームがレール２１に沿って走行する。図９Ａの紙面に垂直な方向及び図９Ｂの左右方向が走行方向に相当する。門型フレームに搭載された走行用モータ９１が車輪２７を駆動する。

桁２４にトロリー２５が搭載されている。トロリー２５は横行用モータ９０によって駆動されることにより横行方向に移動する。図９Ａの左右方向及び図９Ｂの紙面に垂直な方向が横行方向に相当する。走行用モータ９１及び横行用モータ９０は、吊り下げられた対象物を垂直方向と交差する方向に移動させる移動モータとしての役割を持つ。

トロリー２５に巻き上げ機２６が搭載されている。巻き上げ機２６は、巻上げモータ８９によって駆動されることにより、先端にフック等の吊り下げ具２６Ａが取り付けられたワイヤの巻上げ及び繰り出しを行う。

車輪２７が、走行用モータ９１によって駆動される対象となる作業部に相当し、トロリー２５が、横行用モータ９０によって駆動される対象となる作業部に相当し、巻き上げ機２６が、巻上げモータ８９によって駆動される対象となる作業部に相当する。

門型フレームに、交流電源８０、ＡＣ−ＤＣ変換装置８１、蓄電装置８４、及び電力変換装置８５が搭載されている。交流電源８０は、エンジン８０Ｅと発電機８０Ｇとを含む。交流電源８０は、巻上げモータ８９、横行用モータ９０、及び走行用モータ９１に駆動用の電力を供給する。さらに、交流電源８０から供給される電力によって蓄電装置８４が充電される。

図１０Ａは、クレーンシステムの電力系統図である。交流電源８０がＡＣ−ＤＣ変換装置８１を介して直流母線８２に接続されている。ＡＣ−ＤＣ変換装置８１は、交流電源８０から供給される交流電力を目標とする電圧の直流電力に変換して直流母線８２に供給する。直流母線８２の正側母線８２Ｐと負側母線８２Ｎとの間に平滑コンデンサ８３が接続されている。

蓄電装置８４が電力変換装置８５を介して直流母線８２に接続されている。電力変換装置８５として、上記実施例による電力変換装置が適用される。電力変換装置８５は、蓄電装置８４の充放電を制御する。蓄電装置８４の放電時には、電力変換装置８５は蓄電装置８４の出力電圧を昇圧して蓄電装置８４から直流母線８２に直流電力を供給する。蓄電装置８４の充電時には、電力変換装置８５は直流母線８２の電圧を降圧して直流母線８２から蓄電装置８４に直流電力を供給する。

図１０Ａに示したクレーンシステムがガントリークレーンシステムである場合、巻上げモータ８９、横行用モータ９０、及び走行用モータ９１が、それぞれインバータ８６、８７、８８を介して直流母線８２に接続されている。巻上げモータ８９は、搬送対象物を吊り上げて垂直方向に移動させる。横行用モータ９０及び走行用モータ９１は、搬送対象物を垂直方向と交差する水平方向に移動させる移動モータとして機能する。図１０Ａに示したクレーンシステムが旋回型クレーンシステムである場合には、移動モータとして、ブームの起伏用モータ及び旋回用モータが用いられる。

コントローラ９２が、ＡＣ−ＤＣ変換装置８１、電力変換装置８５、インバータ８６、８７、８８を制御することにより、直流母線８２から巻上げモータ８９、横行用モータ９０、及び走行用モータ９１に電力を供給する。巻上げモータ８９が巻下げ動作をするときには、コントローラ９２がインバータ８６を制御して、巻上げモータ８９で発生した回生電力を直流母線８２に供給する。この回生電力により蓄電装置８４を充電することができる。

図１０Ｂは、交流電源８０及びＡＣ−ＤＣ変換装置８１の概略図である。交流電源８０は、内燃機関等のエンジン８０Ｅ及び発電機８０Ｇを含む。エンジン８０Ｅが発電機８０Ｇを駆動することにより発電された交流電力がＡＣ−ＤＣ変換装置８１に供給される。

ＡＣ−ＤＣ変換装置８１は、三相全波整流器８１Ａ及び電力変換装置８１Ｂを含む。三相全波整流器８１Ａは、発電機８０Ｇで発電された三相交流電力を直流電力に変換して電力変換装置８１Ｂに供給する。電力変換装置８１Ｂとして、上記実施例による電力変換装置が用いられる。電力変換装置８１Ｂは、入力された直流電力を昇圧して直流母線８２に供給する。なお、エンジン８０Ｅ及び発電機８０Ｇに代えて商用電源を用いてもよい。

電力変換装置８５及び８１Ｂとして上記実施例による電力変換装置が用いられているため、クレーンシステムの規模に応じてコンバータモジュール１０（図２）の台数を柔軟に変更することができる。また、コンバータモジュール１０の故障時に、容易にコンバータモジュール１０を交換することができる。このため、故障修理のためにクレーンを停止させなければならない時間を短縮することができる。また、故障した１つのコンバータモジュール１０を取り外して、残りの正常なコンバータモジュール１０のみでクレーンを動作させることも可能である。

図９Ａ〜図１０Ｂでは、実施例による電力変換装置を、門型フレームを持つガントリークレーンに適用した例を示したが、その他のクレーン、例えばジブクレーン、天井クレーン等に適用することが可能である。さらに、クレーン以外の作業機械、例えばショベルに適用することも可能である。

次に、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、実施例による電力変換装置が搭載されたショベルについて説明する。

図１１Ａは、実施例による電力変換装置が搭載されたショベルの側面図である。下部走行体１００に対して旋回可能に上部旋回体１０１が搭載されている。上部旋回体１０１にアタッチメント１１０が取り付けられている。アタッチメント１１０は、上部旋回体１０１に取り付けられたブーム１１２、ブーム１１２の先端に取り付けられたアーム１１３、及びアーム１１３の先端に取り付けられたバケット１１４を含む。ブームシリンダ１１５がブーム１１２を起伏させる。アームシリンダ１１６がアーム１１３を開閉させる。バケットシリンダ１１７がバケットを開閉させる。

図１０Ｂは、ショベルの油圧駆動系及び電気駆動系のブロック図である。エンジン１２０、電動発電機１２２、及び油圧ポンプ１２３がトルクコンバータ１２１を介して相互に接続されている。油圧ポンプ１２３から油圧負荷１２４に動力が供給される。油圧負荷１２４には、例えば、ブームシリンダ１１５、アームシリンダ１１６、バケットシリンダ１１７（図１０Ａ）、及び下部走行体１００のクローラを駆動する油圧モータ等が含まれる。

電動発電機１２２で発電された電力がＡＣ−ＤＣ変換装置１３０を介して直流母線１３１に供給される。直流母線１３１に平滑コンデンサ１３２が接続されている。ＡＣ−ＤＣ変換装置１３０には、例えば双方向インバータが用いられる。

直流母線１３１にＤＣ−ＤＣコンバータ１３６を介して蓄電装置１３５が接続されている。さらに、直流母線１３１にインバータ１４１を介して旋回モータ１４０が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６として、上記実施例による電力変換装置が用いられる。上部旋回体１０１が、旋回モータ１４０によって駆動される対象となる作業部に相当する。

電動発電機１２２は、アシスト運転と発電運転との両方を行うことができる。電動発電機１２２が発電運転されるときは、エンジン１２０からトルクコンバータ１２１を介して電動発電機１２２に動力が伝達される。電動発電機１２２がアシスト運転されるときは、蓄電装置１３５からＤＣ−ＤＣコンバータ１３６、直流母線１３１、ＡＣ−ＤＣ変換装置１３０を介して電動発電機１２２に電力が供給される。電動発電機１２２が動力を発生することにより、エンジン１２０をアシストする。

インバータ１４１は、直流母線１３１から旋回モータ１４０に電力を供給して旋回モータ１４０を駆動する。旋回モータ１４０が回生動作をするときには、旋回モータ１４０で発生した回生電力を直流母線１３１に供給する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６に実施例による電力変換装置を用いているため、コンバータモジュール１０（図１Ａ、図１Ｂ）の故障修理のためにショベルを停止させなければならない時間を短縮することができる。また、故障した１つのコンバータモジュール１０を取り外して、残りの正常なコンバータモジュール１０のみでショベルを動作させることも可能である。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ コンバータモジュール
１０Ｍ マスター機
１０Ｓ スレーブ機
１１ コントロール回路
１２ スイッチング回路
１２Ａ、１２Ｂ スイッチング素子
１２Ｃ、１２Ｄ フリーホイールダイオード
１３ リレー
１４ 制御電源回路
１５ コンバータ側接続端子部
１５Ｐｉ コンバータ側の正側入力端子
１５Ｎｉ コンバータ側の負側入力端子
１５Ｌｉ コンバータ側のリアクトル入力端子
１５Ｌｏ コンバータ側のリアクトル出力端子
１５Ｐｏ コンバータ側の正側出力端子
１５Ｎｏ コンバータ側の負側出力端子
１６ 制御電源端子
１７ ファン制御端子
１８ 通信ケーブル用端子
１９ 固定部
２８ リアクトル
３０ 端子台モジュール
３１ 端子台側接続端子部
３１Ｐｉ 端子台側の正側入力端子
３１Ｎｉ 端子台側の負側入力端子
３１Ｌｉ 端子台側のリアクトル入力端子
３１Ｌｏ 端子台側のリアクトル出力端子
３１Ｐｏ 端子台側の正側出力端子
３１Ｎｏ 端子台側の負側出力端子
３２Ｐｉ 外部機器接続用の正側入力端子
３２Ｎｉ 外部機器接続用の負側入力端子
３２Ｌｉ 外部機器接続用のリアクトル入力端子
３２Ｌｏ 外部機器接続用のリアクトル出力端子
３２Ｐｏ 外部機器接続用の正側出力端子
３２Ｎｏ 外部機器接続用の負側出力端子
５０ ファンモジュール
５１ 制御電源端子台
５２ ファン電源回路
５３ ファン
５５ 制御電源端子
５６ ファン制御端子
５８ 固定部
６０ 電源装置
６１ 電気負荷
６５ 制御電源装置
６６ 制御装置
７０ 接続導体
７５ 電源ケーブル
７６ 制御配線
７７ 通信ケーブル
８０ 交流電源
８０Ｅ エンジン
８０Ｇ 発電機
８１ ＡＣ−ＤＣ変換装置
８１Ａ 三相全波整流器
８１Ｂ 電力変換装置
８２ 直流母線
８２Ｐ 正側母線
８２Ｎ 負側母線
８３ 平滑コンデンサ
８４ 蓄電装置
８５ 電力変換装置
８６、８７、８８ インバータ
８９ 巻上げモータ
９０ 横行用モータ
９１ 走行モータ
９２ コントローラ
１００ 下部走行体
１０１ 上部旋回体
１１０ アタッチメント
１１２ ブーム
１１３ アーム
１１４ バケット
１１５ ブームシリンダ
１１６ アームシリンダ
１１７ バケットシリンダ
１２０ エンジン
１２１ トルクコンバータ
１２２ 電動発電機
１２３ 油圧ポンプ
１２４ 油圧負荷
１３０ 電力変換装置
１３１ 直流母線
１３２ 平滑コンデンサ
１３５ 蓄電装置
１３６ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１４０ 旋回モータ
１４１ インバータ
１５１ 支持板
１５２ 絶縁端子
１５３ 側板
３１１ 支持板
３１２ 絶縁端子
３１３ 側板
７０１ コンバータ側ブスバー
７０２ 端子台側ブスバー
７０３ ねじ

Claims (10)

1. 作業部を駆動するモータと、
   前記モータに電力を供給する電力変換装置と
   を有し、
   前記電力変換装置は、
   電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する複数のコンバータモジュールと、
   前記モータを含む外部機器と複数の前記コンバータモジュールとの間に介在して両者を電気的に接続し、前記外部機器との接続を維持したまま、１つの前記コンバータモジュールを取り外し可能な構造を持つ端子台モジュールと、
   複数の前記コンバータモジュールを冷却するファンモジュールと
   を有し、
   前記端子台モジュール及び前記ファンモジュールは、複数の前記コンバータモジュールを機械的に支持するフレームとして機能する作業機械。
2. 作業部を駆動するモータと、
   前記モータに電力を供給する電力変換装置と
   を有し、
   前記電力変換装置は、
   電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する複数のコンバータモジュールと、
   前記モータを含む外部機器と複数の前記コンバータモジュールとの間に介在して両者を電気的に接続し、前記外部機器との接続を維持したまま、１つの前記コンバータモジュールを取り外し可能な構造を持つ端子台モジュールと
   を有し、
   複数の前記コンバータモジュールの１つはマスター機であり、他はスレーブ機であり、
   前記マスター機は前記スレーブ機と通信を行うことにより、前記スレーブ機の台数を検知し、検知された台数に基づいて、前記スレーブ機で設定すべき位相シフト量の刻み幅を算出して前記スレーブ機に通知し、
   前記スレーブ機は、通知された前記刻み幅に基づいて自己の位相シフト量を決定する作業機械。
3. 取り外し対象の前記コンバータモジュール以外の前記コンバータモジュールと前記端子台モジュールとの接続を維持したまま、取り外し対象の前記コンバータモジュールを前記端子台モジュールから取り外し可能に、複数の前記コンバータモジュールと前記端子台モジュールとが電気的に接続されている請求項１または２に記載の作業機械。
4. 電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する複数のコンバータモジュールと、
   外部機器と複数の前記コンバータモジュールとの間に介在して両者を電気的に接続し、複数の前記コンバータモジュールの入力端子を並列接続し、複数の前記コンバータモジュールの出力端子を並列接続している端子台モジュールと、
   複数の前記コンバータモジュールを冷却するファンモジュールと
   を有し、
   前記端子台モジュール及び前記ファンモジュールは、複数の前記コンバータモジュールを機械的に支持するフレームとして機能する電力変換装置。
5. 電圧コンバータ回路の少なくとも一部を構成する複数のコンバータモジュールと、
   外部機器と複数の前記コンバータモジュールとの間に介在して両者を電気的に接続し、複数の前記コンバータモジュールの入力端子を並列接続し、複数の前記コンバータモジュールの出力端子を並列接続している端子台モジュールと
   を有し、
   複数の前記コンバータモジュールの１つはマスター機であり、他はスレーブ機であり、
   前記マスター機は前記スレーブ機と通信を行うことにより、前記スレーブ機の台数を検知し、検知された台数に基づいて、前記スレーブ機で設定すべき位相シフト量の刻み幅を算出して前記スレーブ機に通知し、
   前記スレーブ機は、通知された前記刻み幅に基づいて自己の位相シフト量を決定する電力変換装置。
6. 前記マスター機及び検知された前記スレーブ機からなる複数の前記コンバータモジュールのスイッチングの動作のタイミングが均等にずれるように、前記マスター機が前記スレーブ機の動作を制御する請求項５に記載の電力変換装置。
7. 複数の前記コンバータモジュールの各々は、前記端子台モジュールと前記外部機器との間の接続を維持し、かつ他の前記コンバータモジュールと前記端子台モジュールとの接続を維持したまま取り外し可能に前記端子台モジュールに電気的に接続されている請求項４乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記端子台モジュールは、前記外部機器の定格駆動電力に応じて必要となる前記コンバータモジュールの台数に対応して過不足の無い大きさとされている請求項４乃至７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記コンバータモジュールの各々は、スイッチング素子、前記スイッチング素子のオンオフを制御するコントロール回路、及び前記スイッチング素子でスイッチングされる電流が流出入する複数のコンバータ側接続端子を含み、
   前記端子台モジュールは、複数の端子台側接続端子、及び所定の前記端子台側接続端子に電気的に接続された複数の外部接続端子を含み、複数の前記端子台側接続端子は、前記コンバータモジュールごとに複数の前記コンバータ側接続端子に対応して設けられ、対応する前記コンバータ側接続端子に接続されており、複数の前記外部接続端子は前記外部機器に接続される請求項４乃至８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. さらに、複数の前記コンバータモジュールの各々に対応して配置されたリアクトルを有し、前記リアクトルは、前記端子台モジュールを介して対応する前記コンバータモジュールに接続されており、前記コンバータモジュールと前記リアクトルとによって昇降圧コンバータ回路が構成される請求項４乃至９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
    

Images