ホイストクレーン用走行装置
【課題】走行用モータの回生電流をホイストクレーンの始動動作に利用してホイストクレーンの省電力化を実現する。
【解決手段】ホイストクレーンは吊荷を昇降するホイストが横行自在の横行用ガーダーと、横行用ガーダーが走行自在の走行用ガーダーとを有し、横行用ガーダーは走行用モータ２３が設けられた走行台車により走行する。ホイストクレーンは、交流を直流に変換する整流部３２と、直流を交流に周波数変換を行う変換部としての駆動素子部３５と、走行台車を減速停止させるときに走行用モータ２３から発生する制動エネルギーにより充電するキャパシタ３９とを有している。走行台車を始動させるときにはキャパシタ３９の充電エネルギーが走行用モータ２３に供給される。
【解決手段】ホイストクレーンは吊荷を昇降するホイストが横行自在の横行用ガーダーと、横行用ガーダーが走行自在の走行用ガーダーとを有し、横行用ガーダーは走行用モータ２３が設けられた走行台車により走行する。ホイストクレーンは、交流を直流に変換する整流部３２と、直流を交流に周波数変換を行う変換部としての駆動素子部３５と、走行台車を減速停止させるときに走行用モータ２３から発生する制動エネルギーにより充電するキャパシタ３９とを有している。走行台車を始動させるときにはキャパシタ３９の充電エネルギーが走行用モータ２３に供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重量物を吊り上げるホイストが移動自在に装着された横行ガーターを走行させるホイストクレーン用走行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
重量物を吊荷としてこれを上下動するためのホイストつまり巻上機を水平方向に走行移動させるようにしたクレーンとしては、ホイストが移動自在に装着される横行用ガーダーを走行用ガーダーに走行自在に支持するようにしたホイストクレーンがある。横行用ガーダーは、その両端部に取り付けられたクレーンサドルつまり走行台車がそれぞれ移動自在に走行用ガーダーに支持されている。ホイストは横行用ガーダーに沿って横行移動するＸ方向と、横行用ガーダーを走行台車により走行ガーダーの上を横行用ガーダーの横方向させることによるＹ方向とに移動することになる。これにより、ホイストは水平二軸方向つまり水平面に沿う方向に搬送移動する。
【０００３】
ホイストはフックが設けられたワイヤを巻き取るためのドラムを有している。ドラムを昇降用モータにより回転駆動してフックに吊り下げた吊荷を上下動させ、ホイストを横行用ガーターにより横行移動させるとともに横行用ガーダーを走行台車により走行用ガーダーの上を走行移動させることにより、重量物である吊荷を吊り下げられた状態で水平面に沿って移動することができる。
【０００４】
ホイストは吊荷を上下動する際にドラムを回転駆動するための昇降用モータを有し、横行用ガーダーに掛け渡された車輪を駆動するためにホイストには横行用モータが取り付けられている。横行用ガーダーを走行用ガーダーに沿って走行移動させるために、横行用ガーダーの両端部には走行台車としてのクレーンサドルが取り付けられており、クレーンサドルには走行用ガーダーを転動する車輪とこれを駆動するための走行用モータが設けられている。それぞれのモータを誘導モータや同期モータとしてインバータ制御方式とすると、上下方向の昇降速度や水平方向の走行速度を調整することができるとともに始動時と停止時のショックを軽減することができる。
【０００５】
誘導モータや同期モータをインバータ制御方式とすると、モータの減速時にはモータが発電機として作用し回生電力が発生することになる。回生電流が走行台車を初めとする種々の装置における電源回路に流れると電源回路を構成する電子部品を破壊する恐れがあるため、回生電流を制動抵抗に流すことにより回生電流を熱エネルギーに変換して消費するようにしている。例えば、特許文献１には、介護者を昇降させる昇降モータから発生する回生電流を制動抵抗に流して回生電力を消費させるようにした昇降装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３４１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
走行台車としてのクレーンサドルにおいては、従来、クレーンサドルの減速停止時に走行用モータから発生する回生電流を制動抵抗により熱エネルギーに変換して消費するようにしている。クレーンサドルは水平に敷設された走行用ガーダーの上を走行移動するので、クレーンサドルの減速停止のためには走行時の慣性力に抗した制動力をクレーンサドルに加えることになる。この制動力は重量物を吊り下げる場合に比して大きな制動力を必要としないので、回生電流を制動抵抗に流して熱エネルギーに変換することによりクレーンサドルを制動することができる。しかし、クレーンサドルの本来の吊荷を搬送するという基本的な動作や機能とは全く関係のない余分な制動エネルギーを消費するための装置が必要であった。また、クレーンサドルの減速停止動作で生じる制動エネルギーを有効に利用しない従来のホイストクレーンは、製品の省電力化、省エネルギー化に反する構成となっている。
【０００８】
本発明の目的は、走行用モータの回生電流をホイストクレーンの始動動作に利用してホイストクレーンの省電力化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のホイストクレーン用走行装置は、吊荷を昇降するホイストが横行自在に装着される横行用ガーダーと、当該横行用ガーダーの両端部に設けられた走行台車が走行自在に装着される走行用ガーダーとを有するホイストクレーン用走行装置であって、外部電源端子から供給される交流を直流に変換する整流部と、前記整流部から供給される直流を交流に周波数変換を行う変換部と、前記走行台車に設けられた車輪を駆動する走行用モータと、前記走行台車を減速停止させるときに前記走行用モータから発生する制動エネルギーを充電するキャパシタとを有し、前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電エネルギーを前記走行用モータに供給することを特徴とする。
【００１０】
本発明のホイストクレーン用走行装置は、前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電不足の場合には、前記キャパシタから前記走行用モータに対する電力供給を停止して外部電源から前記走行用モータに走行エネルギーを供給することを特徴とする。本発明のホイストクレーン用走行装置は、制動エルネギーを熱エネルギーに変換する制動抵抗と、前記キャパシタの充電電圧が充電完了電圧を越えたときには前記キャパシタに対する充電処理を停止して制動エネルギーを前記制動抵抗に供給する放熱処理に切り換える切換手段とを有することを特徴とする。本発明のホイストクレーン用走行装置は、前記整流部と前記変換部と前記制動抵抗とが設けられた走行制御ユニットの筐体に、前記キャパシタと切換手段とを後付し、外部電源からの交流のみにより前記走行台車を駆動するタイプの走行装置を、前記外部電源のエネルギーと前記キャパシタの充電エネルギーとによる前記走行台車を駆動するタイプに切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ホイストクレーンを減速停止させるときにおける走行モータの制動エネルギーを回収してキャパシタに充電し、キャパシタの充電エネルギーをホイストクレーンの走行エネルギーとして利用するようにしたので、ホイストクレーンの省電力化を達成することができる。
【００１２】
キャパシタの充電電圧が充電不足であるときには外部電源から走行モータに電力を供給するようにしたので、キャパシタが充電不足であってもホイストクレーンを確実に走行させることができる。キャパシタが充電完了した後においても走行モータから制動エネルギーが出力されるときには、キャパシタには制動エネルギーを供給することなく、制動抵抗に制動エネルギーを供給して放熱処理を行うので、キャパシタの過充電発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ホイストクレーンを示す斜視図である。
【図２】ホイストクレーンの制御構成を示すブロック図である。
【図３】ホイストクレーンの走行制御ユニットに設けられた制御回路を示すブロック図である。
【図４】走行制御ユニットの筐体の内部を示す正面図である。
【図５】走行装置の運転パターンに応じた走行力と走行エネルギーの変化を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の走行装置における走行台車の走行動作処理を示すアルゴリズムである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すホイストクレーン１０は、インバータ式クレーンであり、重量物である吊荷を昇降移動させる巻上機つまりホイスト１１を有している。ホイスト１１にはフック１２を備えたワイヤロープ１３が設けられており、ワイヤロープ１３はホイスト１１内に設けられた図示しないドラムに巻き付けられている。ドラムを回転させることにより、フック１２のフック爪１２ａに取り付けられた吊荷を昇降移動つまりＺ方向に巻上げ巻下げ移動する。ドラムを回転させてワイヤロープ１３により吊荷を昇降移動させるために昇降用モータ１４がホイスト１１に設けられている。
【００１５】
ホイスト１１は水平方向に伸びる横行用ガーダー１５に横行移動自在に装着されている。ホイスト１１にはトローリつまり横行台車１６が取り付けられ、横行台車１６には横行用モータ１７により駆動される車輪１８が装着されており、横行用モータ１７によりホイスト１１は横行用ガーダー１５に沿ってＸ方向に横行移動自在となっている。
【００１６】
横行用ガーダー１５の両端部にはクレーンサドルつまり走行台車２１が設けられている。それぞれの走行台車２１は横行用ガーダー１５に対して直角方向となって水平に伸びる相互に平行な走行用ガーダー２２を走行移動する。走行台車２１には走行用モータ２３により駆動される車輪２４が装着されており、走行用モータ２３により横行用ガーダー１５は走行用ガーダー２２に沿ってＹ方向に走行移動自在となっている。このように、ホイスト１１は横行用ガーダー１５に沿うＸ方向移動と、横行用ガーダー１５の走行用ガーダー２２に沿うＹ方向移動との二軸方向つまり水平面に沿って搬送移動する。
【００１７】
ホイスト１１には昇降横行制御ユニット２５が設けられており、この制御ユニット２５からの信号により昇降用モータ１４と横行用モータ１７の駆動が制御される。横行用ガーダー１５には走行制御ユニット２６が設けられており、この制御ユニット２６からの信号により走行用モータ２３の駆動が制御される。ホイスト１１には入力操作部２７が設けられており、この入力操作部２７に設けられたキーやスイッチを作業者が操作することにより、吊荷の巻上げ動作と巻下げ動作が指令され、指令に応じて昇降用モータ１４には電力が供給される。一方、入力操作部２７の操作によりホイスト１１の横行動作つまりＸ方向動作が指令されると、横行用モータ１７に電力が供給される。ホイスト１１の走行動作つまりＹ方向動作が指令されると、走行用モータ２３に電力が供給される。昇降用モータ１４，横行用モータ１７および走行用モータ２３としてはそれぞれ誘導モータが使用されている。
【００１８】
図２はホイストクレーン１０の制御構成を示すブロック図である。昇降用モータ１４と横行用モータ１７の回転を制御するために、昇降横行制御ユニット２５には昇降横行インバータ制御部２８が設けられている。この昇降横行インバータ制御部２８は入力操作部２７に接続されており、入力操作部２７から昇降横行インバータ制御部２８に指令信号が送られる。昇降横行インバータ制御部２８からは昇降用インバータ２８ａと横行用インバータ２８ｂに制御信号から送られるとともにブレーキ２９ａ，２９ｂに制御信号が送られる。走行用モータ２３の回転を制御するために、走行制御ユニット２６には走行インバータ制御部３０が設けられている。この走行インバータ制御部３０は入力操作部２７に接続されており、入力操作部２７から走行インバータ制御部３０に指令信号が送られる。走行インバータ制御部３０からは走行用インバータ３０ａに制御信号が送られるとともにブレーキ２９ｃに制御信号が送られる。それぞれのインバータ２８ａ，２８ｂ，３０ａには外部電源端子３１から３相交流電力が供給される。
【００１９】
昇降用インバータ２８ａと横行用インバータ２８ｂは、入力操作部２７からの操作指令に従って、昇降用モータ１４と横行用モータ１７に対して供給される印加電圧と周波数が制御される。それぞれのモータ１４，１７は、周波数を制御することにより回転速度が調整され、印加電圧を制御することにより出力トルクが調整される。
【００２０】
吊荷をＺ方向に昇降移動させるときには、昇降用のブレーキ２９ａは解除され、昇降用モータ１４に供給される印加電圧の周波数を制御することにより昇降速度が制御される。ホイスト１１をＸ方向に横行移動させるときには、横行用のブレーキ２９ｂを解除した状態のもとで横行用モータ１７に対する印加電圧と周波数が制御される。同様に、走行台車２１の走行移動は、入力操作部２７からの操作指令に従って走行インバータ制御部３０により制御される。ホイスト１１をＹ方向に走行移動させるときには、走行用のブレーキ２９ｃを解除した状態のもとで走行インバータ制御部３０からは走行用モータ２３に印加される印加電圧と周波数とが制御される。
【００２１】
図３はホイストクレーンの走行制御ユニットに設けられた制御回路を示すブロック図である。走行用インバータ３０ａは外部電源端子３１に接続される整流部３２を有し、外部電源からの３相交流は整流部３２により直流に変換される。走行用インバータ３０ａは整流部３２の出力端子に直流母線３３，３４により接続される駆動素子部３５を有しており、この駆動素子部３５は、直流を所定の周波数と電圧を有するＵ，Ｖ，Ｗ相の交流に変換して走行用モータ２３に供給する変換部を構成している。
【００２２】
直流母線３３，３４の間には、整流部３２からの直流を平滑化する整流コンデンサ３６が接続され、直流母線間電圧Ｖｄｃの変化を検出するための電圧モニタ部３７が接続されている。さらに、走行台車２１を減速停止させるときに走行用モータ２３から発生する制動エネルギーを熱エネルギーに変換するために、制動抵抗３８が接続されている。直流母線３３，３４の間には、さらに、制動エネルギーを充電するために蓄電部つまりキャパシタ３９が接続されている。
【００２３】
制動抵抗３８と直流母線３４の間にはこれらを接続状態と切断状態とに切り換えるために抵抗オンオフ用のスイッチＳＷｄが設けられており、キャパシタ３９と直流母線３３との間にはこれらを接続状態と切断状態とに切り換えるために充電オンオフ用のスイッチＳＷｃが接続されている。さらに、直流母線３３にはこれを接続状態と切断状態とに切り換えるために母線オンオフ用のスイッチＳＷｒが接続されている。これらのスイッチにより切換手段が構成されており、これらのスイッチのオンオフにより、走行装置は充電モード、放熱モード、放電モードおよび外部電源モードに切り換えられる。充電モードは、走行用モータ２３から発生する制動エネルギーをキャパシタ３９に充電するモードであり、放熱モードは制動エネルギーを制動抵抗３８に供給して熱エネルギーに変換するモードである。放電モードはキャパシタ３９に充電された充電エネルギーを走行用モータ２３に供給するモードであり、外部電源モードは外部からのＡＣ電源により走行用モータ２３を駆動するモードである。
【００２４】
それぞれのスイッチは走行インバータ制御部３０から信号線４１〜４３により送られる制御信号によりオンオフ制御される。走行インバータ制御部３０には信号線４４により電圧モニタ部３７からの検出信号が送られるようになっており、キャパシタ３９の充電量に応じて上述した何れかのモードが選択される。
【００２５】
図４は走行制御ユニット２６の蓋部材４５を開いた状態における筐体４６の内部を示す正面図である。筐体４６内には走行インバータ制御部３０と走行用インバータ３０ａの基板部４７が取り付けられており、基板部４７には変換部としての駆動素子部３５，整流コンデンサ３６および電圧モニタ部３７に加えてスイッチＳＷｃ，ＳＷｄ，ＳＷｒが内蔵されている。さらに、走行用インバータ３０ａは、制御信号を演算するマイクロプロセッサ、制御プログラム、演算式などが格納されるＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭ等を有している。
【００２６】
本発明の走行装置はキャパシタ３９とスイッチＳＷｃ，ＳＷｄ，ＳＷｒが走行用インバータ３０ａに設けられており、上述した４つのモードの何れかがキャパシタ３９の容量、走行状況等に応じて選択される。走行台車２１は水平方向に移動することになり、上下方向には移動しないので、キャパシタ３９は比較的小型とすることができる。したがって、従来のように、外部電源のみにより走行台車２１を駆動するタイプの走行制御ユニット２６の筐体４６をそのまま利用して、基板部４７を交換し、筐体４６の内部にキャパシタ３９を取り付けることにより、従来のホイストクレーン用走行装置を上述したように４つのモードを有す省エネタイプに設定することもできる。
【００２７】
図５はホイスト１１、横行用ガーダー１５および走行台車２１を含めた走行装置の運転パターンに応じた走行力と走行エネルギーの変化を示すタイムチャートである。
【００２８】
運転パターンとしては、走行台車２１の走行方向の一方を＋Ｙ方向とし、逆方向を−Ｙ方向とし、走行装置を停止状態から加速時間ｔａに渡って加速起動させた後に、一定速度Ｖｓで走行させ、その後、ｔｂの減速時間で減速させるようにしている。走行台車２１はこの運転パターンを＋Ｙ方向と−Ｙ方向とに繰り返すことになる。加速する際には走行用モータ２３から走行装置に加速力Ｆａが加えられ、減速する際には走行用モータ２３に制動力Ｆｂが加えられることになる。加速力Ｆａを加えるための加速エネルギーはＥａであり、制動力を加えるための制動エネルギーはＥｂである。
【００２９】
図６は本発明の走行装置における走行台車２１の走行動作処理を示すアルゴリズムである。走行台車２１は図５の運転パターンに示すように、入力操作部２７からの操作指令に従って、停止中、起動加速中、一定速度での走行動作中、または減速中のいずれかの状態となっている。ステップＳ１では母線オンオフ用のスイッチＳＷｒはオンに設定され、充電オンオフ用のスイッチＳＷｃと抵抗オンオフ用のスイッチＳＷｄはそれぞれオフに設定される。ステップＳ２では走行台車２１が運転中か否かが判定され、ステップＳ３では加速中か否かが判定され、ステップＳ４では減速中であるか否かが判定される。加速中でも減速中でもなれば、ステップＳ５で定速動作が実行される。減速中であると判定されれば、ステップＳ６でキャパシタ３９の充電電圧Ｖｃが直流母線間電圧Ｖｄｃより低いと判定されたときには充電処理（ステップＳ７）が実行される。この充電処理が設定されると走行装置は充電モードとなり、制動エネルギーによりキャパシタ３９は充電される。
【００３０】
充電処理が実行されるときには、充電オンオフ用のスイッチＳＷｃがオンされてキャパシタ３９は両方の母線３３，３４に接続状態となり、他のスイッチＳＷｄ，ＳＷｒはオフされた状態のもとで、充電電圧が設定電圧つまり充電完了電圧Ｖｍを越えたと判定されるまで充電処理が継続される（ステップＳ８〜Ｓ１０）。充電完了電圧Ｖｍは、ステップＳ７がｎ回繰り返されたときに設定される充電電圧Ｖｃである。ステップ１０においてキャパシタ３９が充電完了電圧Ｖｍを越えたと判定されたときには、ステップＳ１１，Ｓ１２を経てステップＳ１３が実行されてキャパシタ３９に対する充電処理が停止されて制動抵抗通電処理が実行される。この制動抵抗通電処理が実行されると走行装置は放熱モードに切り換えられ、制動抵抗３８に制動エネルギーが供給されて制動抵抗３８により放熱処理される。このように、充電完了電圧Ｖｍを越えてキャパシタ３９が充電されることが防止されるので、キャパシタ３９は過充電されることがなく、耐久性を高めることができる。
【００３１】
一方、ステップＳ３において走行台車２１が加速中であると判定されると、ステップＳ１４の放電処理が実行されて走行装置は放電モードとなる。放電処理は、ステップＳ１５において直流母線間電圧Ｖｄｃが充電完了電圧Ｖｍを越えていると判定されたときに、ステップＳ１６，Ｓ１７を経てステップＳ１８によりキャパシタ３９が充電不足であると判定されるまで継続される。ステップＳ１８では直流母線間電圧Ｖｄｃと放電電圧Ｖａとを比較して加速エネルギーが過不足であるか否かを判定する。放電電圧Ｖａは外部からの供給電源電圧Ｖａｃと1.4の積により演算される。キャパシタ３９が充電不足であると判定されると、ステップＳ１９によりスイッチＳＷｒ，ＳＷｄがオンされてステップＳ２０が実行される。これにより、外部電源から供給される電力により走行用モータ２３が駆動される。つまり、走行装置は外部電源モードとなる。なお、放電電圧Ｖａの値が外部の交流電源Ｖａｃの定格値以下の状態では、規定の加速時間ｔａは起動加速動作が可能になるようにスイッチＳＷｒをオンに切換制御を行うようにすることができる。
【００３２】
次に、一般的なサイズのホイストクレーンにおける加速エネルギーＥａと制動エネルギーＥｂを算出すると以下の通りである。
【００３３】
走行台車２１により走行するホイストクレーンの移動部分の総質量Ｍ（ｋｇ）を停止状態から加速起動後に速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）で走行方向に移動させた後に減速停止させた場合について加速力Ｆａ（Ｎ）と制動力Ｆｂ（Ｎ）とを求める。
【００３４】
重力加速度をｇ（ｍ／ｓ2）、走行台車２１と走行用ガーダー２２との動摩擦係数をμ、加速起動時間をｔａ（ｓ）、動作速度（定格速度）をＶｓ（ｍ／ｓ）とすれば走行用モータ２３に必要な加速力Ｆａ（Ｎ）は、
Ｆａ＝Ｍ・［μ・ｇ＋（Ｖｓ／ｔａ）］ （Ｎ） ・・・(1)
となる。
【００３５】
式(1)の右辺の第１項は走行台車２１の車輪と走行用ガーダー２２との接触抵抗で生じる走行力（Ｎ）を表す。また、第２項は加速時間ｔａ（ｓ）で動作速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するための加速力を表す。動作速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）の等速運転では走行用モータ２３に必要な力は式(1)の第１項の走行力（Ｎ）に起因する。
【００３６】
次に、動作速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）による走行動作から減速停止時間ｔｂ（ｍ／ｓ）で減速停止させる場合で走行用モータ２３に必要な制動力Ｆｂ（Ｎ）は、
Ｆｂ＝−Ｍ・［μ・ｇ−（Ｖｓ／ｔｂ）］ （Ｎ） ・・・(2)
となる。
【００３７】
式(1)と同様に、式(2)の右辺の第１項は走行台車２１の車輪と走行用ガーダー２２との接触抵抗で生じる走行負荷に対する走行力（Ｎ）を表す。また、第２項は減速時間ｔｂ（ｍ／ｓ）でＶｓ（ｍ／ｓ）から減速停止させるまでの減速力（Ｎ）を示す。
【００３８】
式(2)の制動力Ｆｂ（Ｎ）で定格速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）から減速時間ｔｂ（ｓ）で移動距離Ｌｂ（ｍ）移動して停止する場合には、制動力Ｆｂ（Ｎ）のなす仕事量Ｗｂ（Ｊ）は、
Ｗｂ＝Ｆｂ・Ｌｂ （Ｊ） ・・・(3)
また、減速時の移動距離Ｌｂ（ｍ）は、
Ｌｂ＝ (1/2)・Ｖｓ・ｔｂ （ｍ） ・・・(4)
式(2)、式(4)を式(3)で表すと、
Ｗｂ＝(1/2)・Ｍ・（Ｖｓ）2−(1/2)・μ・Ｍ・ｇ・Ｖｓ・ｔｂ （Ｊ） ・・・(5)
式(5)の右辺第１項は搬送物も含めた総質量Ｍ（ｋｇ）のホイストクレーンの速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）で持つ運動エネルギーを表す。第２項は走行台車２１の車輪と走行用ガーダー２２との接触抵抗で生じる走行負荷に対する走行力（Ｎ）がなす仕事量を表す。
【００３９】
式(5)より総質量Ｍ（ｋｇ）のホイストクレーンを減速時間ｔｂ（ｓ）で停止させるために、走行用モータ２３に仕事量Ｗｂ（Ｊ）に相当する制動エネルギーＥｂ（Ｊ）を生じさせることになる。
【００４０】
Ｗｂ＝Ｅｂ （Ｊ） ・・・(6)
ホイストクレーンの減速停止動作で走行用モータ２３に生じる制動エネルギーＥｂ（Ｊ）をキャパシタ３９に充電させるための充電容量Ｃｄ（Ｆ）の計算例を示すと以下の通りである。
【００４１】
キャパシタ３９の充電電圧をＶｃとし、式(5)、式(6)より、
Ｅｂ＝(1/2)・Ｍ・（Ｖｓ）2−(1/2)・μ・Ｍ・ｇ・Ｖｓ・ｔｂ
≒(1/2)・Ｃｄ・（Ｖｓ）2 （Ｊ） ・・・(7)
が成立する。
【００４２】
式(7)よりＣｄ（Ｆ）は、
Ｃｄ＝Ｍ・Ｖｓ・ｔｂ・［（Ｖｓ／ｔｂ）−μ・ｇ］／（Ｖｃ）2 （Ｊ）・・・(8)
ホイストクレーンの１回の減速停止動作で充電するキャパシタ３９の容量Ｃｄ（Ｆ）の計算例としては、
ホイスト１１の定格荷重を５０００（ｋｇ）、ホイスト１１と横行用ガーダー１５の自重を１００００（ｋｇ）、走行台車２１の自重を１０００（ｋｇ）、減速時間ｔｂを２（ｓ）、走行の定格速度Ｖｓを０．５（ｍ／ｓ）、充電電圧Ｖｃを３６０（Ｖ）、動摩擦係数μを０．０１、重力加速度ｇを９．８（ｍ／ｓ2）を使用し、これらを式(8)に代入すると、キャパシタ３９の充電容量Ｃｄ（Ｆ）は、Ｃｄ≒０．０２（Ｆ）となる。
【００４３】
次に、走行台車２１の起動加速時に必要な起動加速エネルギーＥａ（Ｊ）を図４を参照しつつ説明する。
【００４４】
式(1)より走行用モータ２３に必要な加速力Ｆａ（Ｎ）は減速停止動作と同様に考えて総質量Ｍを加速時間ｔａ（ｓ）で定格速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するために必要な加速エネルギーＥａ（Ｊ）は、
Ｅａ＝(1/2)・Ｍ・（Ｖｓ）2＋(1/2)・μ・Ｍ・ｇ・Ｖｓ・ｔａ （Ｊ） ・・・(9)
式(9)の右辺第１項は搬送物を含めた総質量Ｍ（ｋｇ）のホイストクレーンの移動部分を静止状態から速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するために必要な加速エネルギーを表す。第２項は定格速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するために必要な加速エネルギーを表す。式(9)より起動加速時間ｔａ（ｓ）の起動加速動作時の加速エネルギーＥａ（Ｊ）を供給するために必要なキャパシタ３９の放電容量Ｃａは放電電圧をＶａ（ｖ）とすれば、式(8)と同様な考えで以下のように表される。
【００４５】
Ｃａ＝Ｍ・Ｖｓ・ｔｂ・［（Ｖｓ／ｔａ）＋μ・ｇ］／（Ｖａ）2 （Ｊ）・・・(10)
減速停止動作と同様にホイストクレーンの１回の起動加速動作で放電すべきキャパシタ３９の容量Ｃａ（Ｆ）の計算例としては、
ホイスト１１の定格荷重を５０００（ｋｇ）、ホイスト１１と横行用ガーダー１５の自重を１００００（ｋｇ）、走行台車２１の自重を１０００（ｋｇ）、加速時間ｔａを２（ｓ）、走行の定格速度Ｖｓを０．５（ｍ／ｓ）、放電電圧Ｖａを２５０（Ｖ）、動摩擦係数μを０．０１、重力加速度ｇを９．８（ｍ／ｓ2）を使用し、これらを式(10)に代入すると、キャパシタ３９の放電容量Ｃａ（Ｆ）は、Ｃａ≒０．０９（Ｆ）となる。
【００４６】
上述した計算例では、キャパシタ３９の物理的な充電容量Ｃｄ（Ｆ）を放電容量Ｃａ（Ｆ）の容量（０．０９Ｆ）のキャパシタ３９を備えれば、約５回の減速停止動作を行えば１回分の２秒間の起動動作に必要な走行エネルギーをキャパシタ３９で補償することができる。
【００４７】
次に、本発明の走行装置による省エネ効果を計算した。計算に用いたホイストクレーンの動作モデルは、走行台車２１を停止状態から２秒間加速し、１０秒間定格速度で走行した後に、２秒減速して停止させた場合である。ホイスト１１を含むホイストクレーンの移動部分の総質量、動摩擦係数、重力加速度等は上述した値を使用した。その計算結果は、以下の通りである。
【００４８】
加速エネルギー：Ｅａ（Ｊ） ３５６８ ・・・(a)
加速時出力： Ｐａ（ｋＷ） １．８
減速エネルギー：Ｅｂ（Ｊ） １２１６ ・・・(b)
減速時出力： Ｐｂ（ｋＷ） ０．６
走行エネルギー：Ｅｓ（Ｊ） ７８４０ ・・・(c)
走行時出力： Ｐｓ（ｋＷ） ０．８
総エネルギー： ΣＥ（Ｊ） １２６２４ ・・・(d)
平均出力： Ｐｓ（ｋＷ） ０．９０
蓄電効率を１．０とすれば、省エネ効果（Σｂ／ΣＥ）は、
（Σｂ／ΣＥ）＝［(b)／(d)］×１００（％）
＝９．６％
となった。
【００４９】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。上述した実施の形態においては、キャパシタ３９に蓄えられた走行エネルギーを走行台車２１を加速する際に利用しているが、一定速度で走行する際に走行エネルギーを利用するようにしても良い。
【符号の説明】
【００５０】
１０…ホイストクレーン、１１…ホイスト、１２…フック、１２ａ…フック爪、１３…ワイヤロープ、１４…昇降用モータ、１５…横行用ガーダー、１６…横行台車、１７…横行用モータ、１８…車輪、２１…走行台車、２２…走行用ガーダー、２３…走行用モータ、２４…車輪、２５…昇降横行制御ユニット、２６…走行制御ユニット、２７…入力操作部、２８…昇降横行インバータ制御部、２８ａ…昇降用インバータ、２８ｂ…横行用インバータ、２９ａ〜２９ｃ…ブレーキ、３０…走行インバータ制御部、３０ａ…走行用インバータ、３１…外部電源端子、３２…整流部、３３，３４…直流母線、３５…駆動素子部、３６…整流コンデンサ、３７…電圧モニタ部、３８…制動抵抗、３９…キャパシタ、４１〜４４…信号線、４５…蓋部材、４６…筐体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重量物を吊り上げるホイストが移動自在に装着された横行ガーターを走行させるホイストクレーン用走行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
重量物を吊荷としてこれを上下動するためのホイストつまり巻上機を水平方向に走行移動させるようにしたクレーンとしては、ホイストが移動自在に装着される横行用ガーダーを走行用ガーダーに走行自在に支持するようにしたホイストクレーンがある。横行用ガーダーは、その両端部に取り付けられたクレーンサドルつまり走行台車がそれぞれ移動自在に走行用ガーダーに支持されている。ホイストは横行用ガーダーに沿って横行移動するＸ方向と、横行用ガーダーを走行台車により走行ガーダーの上を横行用ガーダーの横方向させることによるＹ方向とに移動することになる。これにより、ホイストは水平二軸方向つまり水平面に沿う方向に搬送移動する。
【０００３】
ホイストはフックが設けられたワイヤを巻き取るためのドラムを有している。ドラムを昇降用モータにより回転駆動してフックに吊り下げた吊荷を上下動させ、ホイストを横行用ガーターにより横行移動させるとともに横行用ガーダーを走行台車により走行用ガーダーの上を走行移動させることにより、重量物である吊荷を吊り下げられた状態で水平面に沿って移動することができる。
【０００４】
ホイストは吊荷を上下動する際にドラムを回転駆動するための昇降用モータを有し、横行用ガーダーに掛け渡された車輪を駆動するためにホイストには横行用モータが取り付けられている。横行用ガーダーを走行用ガーダーに沿って走行移動させるために、横行用ガーダーの両端部には走行台車としてのクレーンサドルが取り付けられており、クレーンサドルには走行用ガーダーを転動する車輪とこれを駆動するための走行用モータが設けられている。それぞれのモータを誘導モータや同期モータとしてインバータ制御方式とすると、上下方向の昇降速度や水平方向の走行速度を調整することができるとともに始動時と停止時のショックを軽減することができる。
【０００５】
誘導モータや同期モータをインバータ制御方式とすると、モータの減速時にはモータが発電機として作用し回生電力が発生することになる。回生電流が走行台車を初めとする種々の装置における電源回路に流れると電源回路を構成する電子部品を破壊する恐れがあるため、回生電流を制動抵抗に流すことにより回生電流を熱エネルギーに変換して消費するようにしている。例えば、特許文献１には、介護者を昇降させる昇降モータから発生する回生電流を制動抵抗に流して回生電力を消費させるようにした昇降装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３４１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
走行台車としてのクレーンサドルにおいては、従来、クレーンサドルの減速停止時に走行用モータから発生する回生電流を制動抵抗により熱エネルギーに変換して消費するようにしている。クレーンサドルは水平に敷設された走行用ガーダーの上を走行移動するので、クレーンサドルの減速停止のためには走行時の慣性力に抗した制動力をクレーンサドルに加えることになる。この制動力は重量物を吊り下げる場合に比して大きな制動力を必要としないので、回生電流を制動抵抗に流して熱エネルギーに変換することによりクレーンサドルを制動することができる。しかし、クレーンサドルの本来の吊荷を搬送するという基本的な動作や機能とは全く関係のない余分な制動エネルギーを消費するための装置が必要であった。また、クレーンサドルの減速停止動作で生じる制動エネルギーを有効に利用しない従来のホイストクレーンは、製品の省電力化、省エネルギー化に反する構成となっている。
【０００８】
本発明の目的は、走行用モータの回生電流をホイストクレーンの始動動作に利用してホイストクレーンの省電力化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のホイストクレーン用走行装置は、吊荷を昇降するホイストが横行自在に装着される横行用ガーダーと、当該横行用ガーダーの両端部に設けられた走行台車が走行自在に装着される走行用ガーダーとを有するホイストクレーン用走行装置であって、外部電源端子から供給される交流を直流に変換する整流部と、前記整流部から供給される直流を交流に周波数変換を行う変換部と、前記走行台車に設けられた車輪を駆動する走行用モータと、前記走行台車を減速停止させるときに前記走行用モータから発生する制動エネルギーを充電するキャパシタとを有し、前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電エネルギーを前記走行用モータに供給することを特徴とする。
【００１０】
本発明のホイストクレーン用走行装置は、前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電不足の場合には、前記キャパシタから前記走行用モータに対する電力供給を停止して外部電源から前記走行用モータに走行エネルギーを供給することを特徴とする。本発明のホイストクレーン用走行装置は、制動エルネギーを熱エネルギーに変換する制動抵抗と、前記キャパシタの充電電圧が充電完了電圧を越えたときには前記キャパシタに対する充電処理を停止して制動エネルギーを前記制動抵抗に供給する放熱処理に切り換える切換手段とを有することを特徴とする。本発明のホイストクレーン用走行装置は、前記整流部と前記変換部と前記制動抵抗とが設けられた走行制御ユニットの筐体に、前記キャパシタと切換手段とを後付し、外部電源からの交流のみにより前記走行台車を駆動するタイプの走行装置を、前記外部電源のエネルギーと前記キャパシタの充電エネルギーとによる前記走行台車を駆動するタイプに切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ホイストクレーンを減速停止させるときにおける走行モータの制動エネルギーを回収してキャパシタに充電し、キャパシタの充電エネルギーをホイストクレーンの走行エネルギーとして利用するようにしたので、ホイストクレーンの省電力化を達成することができる。
【００１２】
キャパシタの充電電圧が充電不足であるときには外部電源から走行モータに電力を供給するようにしたので、キャパシタが充電不足であってもホイストクレーンを確実に走行させることができる。キャパシタが充電完了した後においても走行モータから制動エネルギーが出力されるときには、キャパシタには制動エネルギーを供給することなく、制動抵抗に制動エネルギーを供給して放熱処理を行うので、キャパシタの過充電発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ホイストクレーンを示す斜視図である。
【図２】ホイストクレーンの制御構成を示すブロック図である。
【図３】ホイストクレーンの走行制御ユニットに設けられた制御回路を示すブロック図である。
【図４】走行制御ユニットの筐体の内部を示す正面図である。
【図５】走行装置の運転パターンに応じた走行力と走行エネルギーの変化を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の走行装置における走行台車の走行動作処理を示すアルゴリズムである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すホイストクレーン１０は、インバータ式クレーンであり、重量物である吊荷を昇降移動させる巻上機つまりホイスト１１を有している。ホイスト１１にはフック１２を備えたワイヤロープ１３が設けられており、ワイヤロープ１３はホイスト１１内に設けられた図示しないドラムに巻き付けられている。ドラムを回転させることにより、フック１２のフック爪１２ａに取り付けられた吊荷を昇降移動つまりＺ方向に巻上げ巻下げ移動する。ドラムを回転させてワイヤロープ１３により吊荷を昇降移動させるために昇降用モータ１４がホイスト１１に設けられている。
【００１５】
ホイスト１１は水平方向に伸びる横行用ガーダー１５に横行移動自在に装着されている。ホイスト１１にはトローリつまり横行台車１６が取り付けられ、横行台車１６には横行用モータ１７により駆動される車輪１８が装着されており、横行用モータ１７によりホイスト１１は横行用ガーダー１５に沿ってＸ方向に横行移動自在となっている。
【００１６】
横行用ガーダー１５の両端部にはクレーンサドルつまり走行台車２１が設けられている。それぞれの走行台車２１は横行用ガーダー１５に対して直角方向となって水平に伸びる相互に平行な走行用ガーダー２２を走行移動する。走行台車２１には走行用モータ２３により駆動される車輪２４が装着されており、走行用モータ２３により横行用ガーダー１５は走行用ガーダー２２に沿ってＹ方向に走行移動自在となっている。このように、ホイスト１１は横行用ガーダー１５に沿うＸ方向移動と、横行用ガーダー１５の走行用ガーダー２２に沿うＹ方向移動との二軸方向つまり水平面に沿って搬送移動する。
【００１７】
ホイスト１１には昇降横行制御ユニット２５が設けられており、この制御ユニット２５からの信号により昇降用モータ１４と横行用モータ１７の駆動が制御される。横行用ガーダー１５には走行制御ユニット２６が設けられており、この制御ユニット２６からの信号により走行用モータ２３の駆動が制御される。ホイスト１１には入力操作部２７が設けられており、この入力操作部２７に設けられたキーやスイッチを作業者が操作することにより、吊荷の巻上げ動作と巻下げ動作が指令され、指令に応じて昇降用モータ１４には電力が供給される。一方、入力操作部２７の操作によりホイスト１１の横行動作つまりＸ方向動作が指令されると、横行用モータ１７に電力が供給される。ホイスト１１の走行動作つまりＹ方向動作が指令されると、走行用モータ２３に電力が供給される。昇降用モータ１４，横行用モータ１７および走行用モータ２３としてはそれぞれ誘導モータが使用されている。
【００１８】
図２はホイストクレーン１０の制御構成を示すブロック図である。昇降用モータ１４と横行用モータ１７の回転を制御するために、昇降横行制御ユニット２５には昇降横行インバータ制御部２８が設けられている。この昇降横行インバータ制御部２８は入力操作部２７に接続されており、入力操作部２７から昇降横行インバータ制御部２８に指令信号が送られる。昇降横行インバータ制御部２８からは昇降用インバータ２８ａと横行用インバータ２８ｂに制御信号から送られるとともにブレーキ２９ａ，２９ｂに制御信号が送られる。走行用モータ２３の回転を制御するために、走行制御ユニット２６には走行インバータ制御部３０が設けられている。この走行インバータ制御部３０は入力操作部２７に接続されており、入力操作部２７から走行インバータ制御部３０に指令信号が送られる。走行インバータ制御部３０からは走行用インバータ３０ａに制御信号が送られるとともにブレーキ２９ｃに制御信号が送られる。それぞれのインバータ２８ａ，２８ｂ，３０ａには外部電源端子３１から３相交流電力が供給される。
【００１９】
昇降用インバータ２８ａと横行用インバータ２８ｂは、入力操作部２７からの操作指令に従って、昇降用モータ１４と横行用モータ１７に対して供給される印加電圧と周波数が制御される。それぞれのモータ１４，１７は、周波数を制御することにより回転速度が調整され、印加電圧を制御することにより出力トルクが調整される。
【００２０】
吊荷をＺ方向に昇降移動させるときには、昇降用のブレーキ２９ａは解除され、昇降用モータ１４に供給される印加電圧の周波数を制御することにより昇降速度が制御される。ホイスト１１をＸ方向に横行移動させるときには、横行用のブレーキ２９ｂを解除した状態のもとで横行用モータ１７に対する印加電圧と周波数が制御される。同様に、走行台車２１の走行移動は、入力操作部２７からの操作指令に従って走行インバータ制御部３０により制御される。ホイスト１１をＹ方向に走行移動させるときには、走行用のブレーキ２９ｃを解除した状態のもとで走行インバータ制御部３０からは走行用モータ２３に印加される印加電圧と周波数とが制御される。
【００２１】
図３はホイストクレーンの走行制御ユニットに設けられた制御回路を示すブロック図である。走行用インバータ３０ａは外部電源端子３１に接続される整流部３２を有し、外部電源からの３相交流は整流部３２により直流に変換される。走行用インバータ３０ａは整流部３２の出力端子に直流母線３３，３４により接続される駆動素子部３５を有しており、この駆動素子部３５は、直流を所定の周波数と電圧を有するＵ，Ｖ，Ｗ相の交流に変換して走行用モータ２３に供給する変換部を構成している。
【００２２】
直流母線３３，３４の間には、整流部３２からの直流を平滑化する整流コンデンサ３６が接続され、直流母線間電圧Ｖｄｃの変化を検出するための電圧モニタ部３７が接続されている。さらに、走行台車２１を減速停止させるときに走行用モータ２３から発生する制動エネルギーを熱エネルギーに変換するために、制動抵抗３８が接続されている。直流母線３３，３４の間には、さらに、制動エネルギーを充電するために蓄電部つまりキャパシタ３９が接続されている。
【００２３】
制動抵抗３８と直流母線３４の間にはこれらを接続状態と切断状態とに切り換えるために抵抗オンオフ用のスイッチＳＷｄが設けられており、キャパシタ３９と直流母線３３との間にはこれらを接続状態と切断状態とに切り換えるために充電オンオフ用のスイッチＳＷｃが接続されている。さらに、直流母線３３にはこれを接続状態と切断状態とに切り換えるために母線オンオフ用のスイッチＳＷｒが接続されている。これらのスイッチにより切換手段が構成されており、これらのスイッチのオンオフにより、走行装置は充電モード、放熱モード、放電モードおよび外部電源モードに切り換えられる。充電モードは、走行用モータ２３から発生する制動エネルギーをキャパシタ３９に充電するモードであり、放熱モードは制動エネルギーを制動抵抗３８に供給して熱エネルギーに変換するモードである。放電モードはキャパシタ３９に充電された充電エネルギーを走行用モータ２３に供給するモードであり、外部電源モードは外部からのＡＣ電源により走行用モータ２３を駆動するモードである。
【００２４】
それぞれのスイッチは走行インバータ制御部３０から信号線４１〜４３により送られる制御信号によりオンオフ制御される。走行インバータ制御部３０には信号線４４により電圧モニタ部３７からの検出信号が送られるようになっており、キャパシタ３９の充電量に応じて上述した何れかのモードが選択される。
【００２５】
図４は走行制御ユニット２６の蓋部材４５を開いた状態における筐体４６の内部を示す正面図である。筐体４６内には走行インバータ制御部３０と走行用インバータ３０ａの基板部４７が取り付けられており、基板部４７には変換部としての駆動素子部３５，整流コンデンサ３６および電圧モニタ部３７に加えてスイッチＳＷｃ，ＳＷｄ，ＳＷｒが内蔵されている。さらに、走行用インバータ３０ａは、制御信号を演算するマイクロプロセッサ、制御プログラム、演算式などが格納されるＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭ等を有している。
【００２６】
本発明の走行装置はキャパシタ３９とスイッチＳＷｃ，ＳＷｄ，ＳＷｒが走行用インバータ３０ａに設けられており、上述した４つのモードの何れかがキャパシタ３９の容量、走行状況等に応じて選択される。走行台車２１は水平方向に移動することになり、上下方向には移動しないので、キャパシタ３９は比較的小型とすることができる。したがって、従来のように、外部電源のみにより走行台車２１を駆動するタイプの走行制御ユニット２６の筐体４６をそのまま利用して、基板部４７を交換し、筐体４６の内部にキャパシタ３９を取り付けることにより、従来のホイストクレーン用走行装置を上述したように４つのモードを有す省エネタイプに設定することもできる。
【００２７】
図５はホイスト１１、横行用ガーダー１５および走行台車２１を含めた走行装置の運転パターンに応じた走行力と走行エネルギーの変化を示すタイムチャートである。
【００２８】
運転パターンとしては、走行台車２１の走行方向の一方を＋Ｙ方向とし、逆方向を−Ｙ方向とし、走行装置を停止状態から加速時間ｔａに渡って加速起動させた後に、一定速度Ｖｓで走行させ、その後、ｔｂの減速時間で減速させるようにしている。走行台車２１はこの運転パターンを＋Ｙ方向と−Ｙ方向とに繰り返すことになる。加速する際には走行用モータ２３から走行装置に加速力Ｆａが加えられ、減速する際には走行用モータ２３に制動力Ｆｂが加えられることになる。加速力Ｆａを加えるための加速エネルギーはＥａであり、制動力を加えるための制動エネルギーはＥｂである。
【００２９】
図６は本発明の走行装置における走行台車２１の走行動作処理を示すアルゴリズムである。走行台車２１は図５の運転パターンに示すように、入力操作部２７からの操作指令に従って、停止中、起動加速中、一定速度での走行動作中、または減速中のいずれかの状態となっている。ステップＳ１では母線オンオフ用のスイッチＳＷｒはオンに設定され、充電オンオフ用のスイッチＳＷｃと抵抗オンオフ用のスイッチＳＷｄはそれぞれオフに設定される。ステップＳ２では走行台車２１が運転中か否かが判定され、ステップＳ３では加速中か否かが判定され、ステップＳ４では減速中であるか否かが判定される。加速中でも減速中でもなれば、ステップＳ５で定速動作が実行される。減速中であると判定されれば、ステップＳ６でキャパシタ３９の充電電圧Ｖｃが直流母線間電圧Ｖｄｃより低いと判定されたときには充電処理（ステップＳ７）が実行される。この充電処理が設定されると走行装置は充電モードとなり、制動エネルギーによりキャパシタ３９は充電される。
【００３０】
充電処理が実行されるときには、充電オンオフ用のスイッチＳＷｃがオンされてキャパシタ３９は両方の母線３３，３４に接続状態となり、他のスイッチＳＷｄ，ＳＷｒはオフされた状態のもとで、充電電圧が設定電圧つまり充電完了電圧Ｖｍを越えたと判定されるまで充電処理が継続される（ステップＳ８〜Ｓ１０）。充電完了電圧Ｖｍは、ステップＳ７がｎ回繰り返されたときに設定される充電電圧Ｖｃである。ステップ１０においてキャパシタ３９が充電完了電圧Ｖｍを越えたと判定されたときには、ステップＳ１１，Ｓ１２を経てステップＳ１３が実行されてキャパシタ３９に対する充電処理が停止されて制動抵抗通電処理が実行される。この制動抵抗通電処理が実行されると走行装置は放熱モードに切り換えられ、制動抵抗３８に制動エネルギーが供給されて制動抵抗３８により放熱処理される。このように、充電完了電圧Ｖｍを越えてキャパシタ３９が充電されることが防止されるので、キャパシタ３９は過充電されることがなく、耐久性を高めることができる。
【００３１】
一方、ステップＳ３において走行台車２１が加速中であると判定されると、ステップＳ１４の放電処理が実行されて走行装置は放電モードとなる。放電処理は、ステップＳ１５において直流母線間電圧Ｖｄｃが充電完了電圧Ｖｍを越えていると判定されたときに、ステップＳ１６，Ｓ１７を経てステップＳ１８によりキャパシタ３９が充電不足であると判定されるまで継続される。ステップＳ１８では直流母線間電圧Ｖｄｃと放電電圧Ｖａとを比較して加速エネルギーが過不足であるか否かを判定する。放電電圧Ｖａは外部からの供給電源電圧Ｖａｃと1.4の積により演算される。キャパシタ３９が充電不足であると判定されると、ステップＳ１９によりスイッチＳＷｒ，ＳＷｄがオンされてステップＳ２０が実行される。これにより、外部電源から供給される電力により走行用モータ２３が駆動される。つまり、走行装置は外部電源モードとなる。なお、放電電圧Ｖａの値が外部の交流電源Ｖａｃの定格値以下の状態では、規定の加速時間ｔａは起動加速動作が可能になるようにスイッチＳＷｒをオンに切換制御を行うようにすることができる。
【００３２】
次に、一般的なサイズのホイストクレーンにおける加速エネルギーＥａと制動エネルギーＥｂを算出すると以下の通りである。
【００３３】
走行台車２１により走行するホイストクレーンの移動部分の総質量Ｍ（ｋｇ）を停止状態から加速起動後に速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）で走行方向に移動させた後に減速停止させた場合について加速力Ｆａ（Ｎ）と制動力Ｆｂ（Ｎ）とを求める。
【００３４】
重力加速度をｇ（ｍ／ｓ2）、走行台車２１と走行用ガーダー２２との動摩擦係数をμ、加速起動時間をｔａ（ｓ）、動作速度（定格速度）をＶｓ（ｍ／ｓ）とすれば走行用モータ２３に必要な加速力Ｆａ（Ｎ）は、
Ｆａ＝Ｍ・［μ・ｇ＋（Ｖｓ／ｔａ）］ （Ｎ） ・・・(1)
となる。
【００３５】
式(1)の右辺の第１項は走行台車２１の車輪と走行用ガーダー２２との接触抵抗で生じる走行力（Ｎ）を表す。また、第２項は加速時間ｔａ（ｓ）で動作速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するための加速力を表す。動作速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）の等速運転では走行用モータ２３に必要な力は式(1)の第１項の走行力（Ｎ）に起因する。
【００３６】
次に、動作速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）による走行動作から減速停止時間ｔｂ（ｍ／ｓ）で減速停止させる場合で走行用モータ２３に必要な制動力Ｆｂ（Ｎ）は、
Ｆｂ＝−Ｍ・［μ・ｇ−（Ｖｓ／ｔｂ）］ （Ｎ） ・・・(2)
となる。
【００３７】
式(1)と同様に、式(2)の右辺の第１項は走行台車２１の車輪と走行用ガーダー２２との接触抵抗で生じる走行負荷に対する走行力（Ｎ）を表す。また、第２項は減速時間ｔｂ（ｍ／ｓ）でＶｓ（ｍ／ｓ）から減速停止させるまでの減速力（Ｎ）を示す。
【００３８】
式(2)の制動力Ｆｂ（Ｎ）で定格速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）から減速時間ｔｂ（ｓ）で移動距離Ｌｂ（ｍ）移動して停止する場合には、制動力Ｆｂ（Ｎ）のなす仕事量Ｗｂ（Ｊ）は、
Ｗｂ＝Ｆｂ・Ｌｂ （Ｊ） ・・・(3)
また、減速時の移動距離Ｌｂ（ｍ）は、
Ｌｂ＝ (1/2)・Ｖｓ・ｔｂ （ｍ） ・・・(4)
式(2)、式(4)を式(3)で表すと、
Ｗｂ＝(1/2)・Ｍ・（Ｖｓ）2−(1/2)・μ・Ｍ・ｇ・Ｖｓ・ｔｂ （Ｊ） ・・・(5)
式(5)の右辺第１項は搬送物も含めた総質量Ｍ（ｋｇ）のホイストクレーンの速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）で持つ運動エネルギーを表す。第２項は走行台車２１の車輪と走行用ガーダー２２との接触抵抗で生じる走行負荷に対する走行力（Ｎ）がなす仕事量を表す。
【００３９】
式(5)より総質量Ｍ（ｋｇ）のホイストクレーンを減速時間ｔｂ（ｓ）で停止させるために、走行用モータ２３に仕事量Ｗｂ（Ｊ）に相当する制動エネルギーＥｂ（Ｊ）を生じさせることになる。
【００４０】
Ｗｂ＝Ｅｂ （Ｊ） ・・・(6)
ホイストクレーンの減速停止動作で走行用モータ２３に生じる制動エネルギーＥｂ（Ｊ）をキャパシタ３９に充電させるための充電容量Ｃｄ（Ｆ）の計算例を示すと以下の通りである。
【００４１】
キャパシタ３９の充電電圧をＶｃとし、式(5)、式(6)より、
Ｅｂ＝(1/2)・Ｍ・（Ｖｓ）2−(1/2)・μ・Ｍ・ｇ・Ｖｓ・ｔｂ
≒(1/2)・Ｃｄ・（Ｖｓ）2 （Ｊ） ・・・(7)
が成立する。
【００４２】
式(7)よりＣｄ（Ｆ）は、
Ｃｄ＝Ｍ・Ｖｓ・ｔｂ・［（Ｖｓ／ｔｂ）−μ・ｇ］／（Ｖｃ）2 （Ｊ）・・・(8)
ホイストクレーンの１回の減速停止動作で充電するキャパシタ３９の容量Ｃｄ（Ｆ）の計算例としては、
ホイスト１１の定格荷重を５０００（ｋｇ）、ホイスト１１と横行用ガーダー１５の自重を１００００（ｋｇ）、走行台車２１の自重を１０００（ｋｇ）、減速時間ｔｂを２（ｓ）、走行の定格速度Ｖｓを０．５（ｍ／ｓ）、充電電圧Ｖｃを３６０（Ｖ）、動摩擦係数μを０．０１、重力加速度ｇを９．８（ｍ／ｓ2）を使用し、これらを式(8)に代入すると、キャパシタ３９の充電容量Ｃｄ（Ｆ）は、Ｃｄ≒０．０２（Ｆ）となる。
【００４３】
次に、走行台車２１の起動加速時に必要な起動加速エネルギーＥａ（Ｊ）を図４を参照しつつ説明する。
【００４４】
式(1)より走行用モータ２３に必要な加速力Ｆａ（Ｎ）は減速停止動作と同様に考えて総質量Ｍを加速時間ｔａ（ｓ）で定格速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するために必要な加速エネルギーＥａ（Ｊ）は、
Ｅａ＝(1/2)・Ｍ・（Ｖｓ）2＋(1/2)・μ・Ｍ・ｇ・Ｖｓ・ｔａ （Ｊ） ・・・(9)
式(9)の右辺第１項は搬送物を含めた総質量Ｍ（ｋｇ）のホイストクレーンの移動部分を静止状態から速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するために必要な加速エネルギーを表す。第２項は定格速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）まで加速するために必要な加速エネルギーを表す。式(9)より起動加速時間ｔａ（ｓ）の起動加速動作時の加速エネルギーＥａ（Ｊ）を供給するために必要なキャパシタ３９の放電容量Ｃａは放電電圧をＶａ（ｖ）とすれば、式(8)と同様な考えで以下のように表される。
【００４５】
Ｃａ＝Ｍ・Ｖｓ・ｔｂ・［（Ｖｓ／ｔａ）＋μ・ｇ］／（Ｖａ）2 （Ｊ）・・・(10)
減速停止動作と同様にホイストクレーンの１回の起動加速動作で放電すべきキャパシタ３９の容量Ｃａ（Ｆ）の計算例としては、
ホイスト１１の定格荷重を５０００（ｋｇ）、ホイスト１１と横行用ガーダー１５の自重を１００００（ｋｇ）、走行台車２１の自重を１０００（ｋｇ）、加速時間ｔａを２（ｓ）、走行の定格速度Ｖｓを０．５（ｍ／ｓ）、放電電圧Ｖａを２５０（Ｖ）、動摩擦係数μを０．０１、重力加速度ｇを９．８（ｍ／ｓ2）を使用し、これらを式(10)に代入すると、キャパシタ３９の放電容量Ｃａ（Ｆ）は、Ｃａ≒０．０９（Ｆ）となる。
【００４６】
上述した計算例では、キャパシタ３９の物理的な充電容量Ｃｄ（Ｆ）を放電容量Ｃａ（Ｆ）の容量（０．０９Ｆ）のキャパシタ３９を備えれば、約５回の減速停止動作を行えば１回分の２秒間の起動動作に必要な走行エネルギーをキャパシタ３９で補償することができる。
【００４７】
次に、本発明の走行装置による省エネ効果を計算した。計算に用いたホイストクレーンの動作モデルは、走行台車２１を停止状態から２秒間加速し、１０秒間定格速度で走行した後に、２秒減速して停止させた場合である。ホイスト１１を含むホイストクレーンの移動部分の総質量、動摩擦係数、重力加速度等は上述した値を使用した。その計算結果は、以下の通りである。
【００４８】
加速エネルギー：Ｅａ（Ｊ） ３５６８ ・・・(a)
加速時出力： Ｐａ（ｋＷ） １．８
減速エネルギー：Ｅｂ（Ｊ） １２１６ ・・・(b)
減速時出力： Ｐｂ（ｋＷ） ０．６
走行エネルギー：Ｅｓ（Ｊ） ７８４０ ・・・(c)
走行時出力： Ｐｓ（ｋＷ） ０．８
総エネルギー： ΣＥ（Ｊ） １２６２４ ・・・(d)
平均出力： Ｐｓ（ｋＷ） ０．９０
蓄電効率を１．０とすれば、省エネ効果（Σｂ／ΣＥ）は、
（Σｂ／ΣＥ）＝［(b)／(d)］×１００（％）
＝９．６％
となった。
【００４９】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。上述した実施の形態においては、キャパシタ３９に蓄えられた走行エネルギーを走行台車２１を加速する際に利用しているが、一定速度で走行する際に走行エネルギーを利用するようにしても良い。
【符号の説明】
【００５０】
１０…ホイストクレーン、１１…ホイスト、１２…フック、１２ａ…フック爪、１３…ワイヤロープ、１４…昇降用モータ、１５…横行用ガーダー、１６…横行台車、１７…横行用モータ、１８…車輪、２１…走行台車、２２…走行用ガーダー、２３…走行用モータ、２４…車輪、２５…昇降横行制御ユニット、２６…走行制御ユニット、２７…入力操作部、２８…昇降横行インバータ制御部、２８ａ…昇降用インバータ、２８ｂ…横行用インバータ、２９ａ〜２９ｃ…ブレーキ、３０…走行インバータ制御部、３０ａ…走行用インバータ、３１…外部電源端子、３２…整流部、３３，３４…直流母線、３５…駆動素子部、３６…整流コンデンサ、３７…電圧モニタ部、３８…制動抵抗、３９…キャパシタ、４１〜４４…信号線、４５…蓋部材、４６…筐体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吊荷を昇降するホイストが横行自在に装着される横行用ガーダーと、当該横行用ガーダーの両端部に設けられた走行台車が走行自在に装着される走行用ガーダーとを有するホイストクレーン用走行装置であって、
外部電源端子から供給される交流を直流に変換する整流部と、
前記整流部から供給される直流を交流に周波数変換を行う変換部と、
前記走行台車に設けられた車輪を駆動する走行用モータと、
前記走行台車を減速停止させるときに前記走行用モータから発生する制動エネルギーを充電するキャパシタとを有し、
前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電エネルギーを前記走行用モータに供給することを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項２】
請求項１記載のホイストクレーン用走行装置において、前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電不足の場合には、前記キャパシタから前記走行用モータに対する電力供給を停止して外部電源から前記走行用モータに走行エネルギーを供給することを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のホイストクレーン用走行装置において、制動エルネギーを熱エネルギーに変換する制動抵抗と、前記キャパシタの充電電圧が充電完了電圧を越えたときには前記キャパシタに対する充電処理を停止して制動エネルギーを前記制動抵抗に供給する放熱処理に切り換える切換手段とを有することを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項４】
請求項３記載のホイストクレーン用走行装置において、前記整流部と前記変換部と前記制動抵抗とが設けられた走行制御ユニットの筐体に、前記キャパシタと切換手段とを後付し、外部電源からの交流のみにより前記走行台車を駆動するタイプの走行装置を、前記外部電源のエネルギーと前記キャパシタの充電エネルギーとによる前記走行台車を駆動するタイプに切り換えることを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項１】
吊荷を昇降するホイストが横行自在に装着される横行用ガーダーと、当該横行用ガーダーの両端部に設けられた走行台車が走行自在に装着される走行用ガーダーとを有するホイストクレーン用走行装置であって、
外部電源端子から供給される交流を直流に変換する整流部と、
前記整流部から供給される直流を交流に周波数変換を行う変換部と、
前記走行台車に設けられた車輪を駆動する走行用モータと、
前記走行台車を減速停止させるときに前記走行用モータから発生する制動エネルギーを充電するキャパシタとを有し、
前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電エネルギーを前記走行用モータに供給することを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項２】
請求項１記載のホイストクレーン用走行装置において、前記走行台車を走行させるときに前記キャパシタの充電不足の場合には、前記キャパシタから前記走行用モータに対する電力供給を停止して外部電源から前記走行用モータに走行エネルギーを供給することを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のホイストクレーン用走行装置において、制動エルネギーを熱エネルギーに変換する制動抵抗と、前記キャパシタの充電電圧が充電完了電圧を越えたときには前記キャパシタに対する充電処理を停止して制動エネルギーを前記制動抵抗に供給する放熱処理に切り換える切換手段とを有することを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【請求項４】
請求項３記載のホイストクレーン用走行装置において、前記整流部と前記変換部と前記制動抵抗とが設けられた走行制御ユニットの筐体に、前記キャパシタと切換手段とを後付し、外部電源からの交流のみにより前記走行台車を駆動するタイプの走行装置を、前記外部電源のエネルギーと前記キャパシタの充電エネルギーとによる前記走行台車を駆動するタイプに切り換えることを特徴とするホイストクレーン用走行装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１８６１９（Ｐ２０１３−１８６１９Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３９３９（Ｐ２０１１−１５３９３９）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（５０２１２９９３３）株式会社日立産機システム (1,140)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（５０２１２９９３３）株式会社日立産機システム (1,140)
【Ｆターム（参考）】
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