港湾荷役クレーンシステムの制御方法
【課題】キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を積極的に用いてクレーンシステム全体のエネルギー利用効率を高めた港湾荷役クレーンシステムの制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の港湾荷役クレーンシステムの制御方法は、少なくともディーゼルエンジン１０を動力源とする発電機１１と、この発電機１１から発生する電力を直流に変換する整流回路１２と、整流回路１２から発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１６と、整流回路１２とインバータ回路１６との間の直流電力を蓄電するキャパシタ蓄電回路１４と、インバータ回路１６からの出力で駆動される電動機１７と、電動機１７を動力とするクレーン１８と備えるものであり、ディーゼルエンジン１０を常時オンとして常時該発電機１１によって電力を発生させ、キャパシタ蓄電回路１４に蓄電された電力を補助的に用いる荷揚げモードと、ディーゼルエンジン１０を適宜オンとして必要に応じて発電機１１によって電力を発生させ、キャパシタ蓄電回路１４に蓄電された電力を主として用いる荷下ろしモードとを有する。
【解決手段】本発明の港湾荷役クレーンシステムの制御方法は、少なくともディーゼルエンジン１０を動力源とする発電機１１と、この発電機１１から発生する電力を直流に変換する整流回路１２と、整流回路１２から発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１６と、整流回路１２とインバータ回路１６との間の直流電力を蓄電するキャパシタ蓄電回路１４と、インバータ回路１６からの出力で駆動される電動機１７と、電動機１７を動力とするクレーン１８と備えるものであり、ディーゼルエンジン１０を常時オンとして常時該発電機１１によって電力を発生させ、キャパシタ蓄電回路１４に蓄電された電力を補助的に用いる荷揚げモードと、ディーゼルエンジン１０を適宜オンとして必要に応じて発電機１１によって電力を発生させ、キャパシタ蓄電回路１４に蓄電された電力を主として用いる荷下ろしモードとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、港湾等のヤードにおいて船舶あるいはトレーラへのコンテナの積み込みなどを行う港湾荷役クレーンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
港湾等のヤードにおいては、クレーン装置によって船舶あるいはトレーラへのコンテナ
の積み込み、及び、船舶あるいはトレーラからのコンテナの積み降ろし等の運搬作業が行
われている。これらコンテナの積み込み積み下ろしの際の、コンテナの巻上げ、巻き下げ
はクレーン装置に備えられたモータにより行われている。
【０００３】
近年においては、ヤードの荷役効率の向上が求められており荷役効率を向上させるさま
ざまな技術が提案されている。例えば、特許文献１（特開２００６−１３１３１１号公報）には、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、直流電力を所望の交流電力に変換するインバータ装置と、クレーン主動作機構を駆動する交流電動機と、電動機駆動時に閉とする交流電動機駆動動作スイッチとを備え、前記交流電源からの交流電力は補機負荷にも供給され、かつ前記コンバータ装置及びインバータ装置は二次側で発生した電力を一次側に返すことができる回生機能付きである港湾荷役用クレーン制御装置において、前記コンバータ装置の二次側に接続され、自然エネルギーを電気エネルギーに変換してコンバータ装置の二次側の直流回路に流すための直流発電装置と、前記直流発電装置で得られた直流発電力の逆流防止用ダイオードと、荷役作業時と自然エネルギーによる発電利用時とを切り替えるための直流発電装置切替スイッチと、前記コンバータ装置の二次側に接続され、自然エネルギーによる直流発電力を蓄えるための蓄電池と、を備えたことを特徴とする港湾荷役用クレーン制御装置が開示されている。
【０００４】
また別の提案例としては、特許文献２（特開２００２−３６２７１０号公報）に、給電線から給電を受けて走行する走行台車であって、蓄電部を設けて、停電時に該蓄電部からの電力で走行台車のモータの制御部を駆動することにより、前記制御部によりモータをブレーキとして作動させ、走行台車を減速停止させるようにしたことを特徴とする、走行台車が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１３１３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６２７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２いずれに記載のものも、キャパシタなどの蓄電部を有するものであるが、これらの蓄電部は余剰となった回生電力や自然エネルギーをプールしておく程度の構成であり、積極的にこれを利用するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、少なくともエンジンを動力源とする発電機と、該発電機から発生する電力を直流に変換する整流回路と、該整流回路から発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該整流回路と該インバータ回路との間の直流電力を蓄電するキャパシタ蓄電回路と、該インバータ回路からの出力で駆動される電動機と、該電動機を動力とするクレーンと備える港湾荷役クレーンシステムにおいて、該エンジンを常時オンとして常時該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を補助的に用いる荷揚げモードと、該エンジンを適宜オンとして必要に応じて該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を主として用いる荷下ろしモードと、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、該キャパシタ蓄電回路に蓄電される電力の傾向により判別することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、手動により切り替え得ることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を該キャパシタ蓄電回路に蓄電することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を抵抗器で消費させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムによれば、キャパシタ蓄電回路への蓄電傾向を検出してこれを目安として、荷揚げモードと、荷下ろしモードを切り替えるように構成されているために、キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を積極的に用いることができ、クレーンシステム全体のエネルギー利用効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムの回路構成を示す図である。図１において、１０はディーゼルエンジン、１１は発電機、１２は整流回路、１３は充電制御回路、１４はキャパシタ蓄電回路、１５はＤＣ−ＤＣ変換回路、１６はインバータ回路、１７は電動機、１８はクレーン稼働部、２０は電圧検出回路、２１は電流検出回路、２２はシステム制御回路をそれぞれ示している。
【００１３】
重油をエネルギー源としたディーゼルエンジン１０の動力は発電機１１に伝達され、交流電流を発生させる。整流回路１２ダイオードの３相ブリッジで構成された整流器であり当該交流電源の三相交流電圧を直流電圧に変換する。充電制御回路１３は、キャパシタ蓄電回路１４への充電を制御し、ＤＣ−ＤＣ変換回路１５はインバータ回路１６への入力をコントロールする。インバータ回路１６は、トランジスタ等と環流ダイオードで構成された整流制御素子の３相ブリッジから成るインバータであり、ＤＣ−ＤＣ変換回路１５からの出力である直流電圧を可変電圧、可変周波数の三相交流電圧に変換するＰＷＭインバータである。インバータ回路１６からの出力は、電動機１７に入力されて、これによって発生するトルクはクレーン稼働部１８によって、コンテナの荷揚げ、荷下ろしに用いられる。電圧検出回路２０は端子Ｔ−Ｔ’間の電圧を検出し、電流検出回路２１はＴ−Ｔ’間を流れる電流の検出を行う。システム制御回路２２は、電圧検出回路２０及び電流検出回路２１からの検出結果を受け、港湾荷役クレーンシステム全体の制御を行う。
【００１４】
以上のように構成される港湾荷役クレーンシステムにおける具体的な動作について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおけるクレーンの動作を示す図である。図２において、３１は船、３２はヤード、３３はコンテナ等の荷をそれぞれ示している。
【００１５】
図２（Ａ）は低所から高所に荷３３を揚げる状況を示す図であり、また図２（Ｂ）は、高所から低所に荷３３を下げる状況を示す図である。前者のような港湾荷役クレーンシステムの動作を荷揚げモードと称することとし、後者のような港湾荷役クレーンシステムの動作を荷下ろしモードと称することとする。
（Ａ）荷揚げモードについて
クレーンが荷揚げを行うときには、ディーゼルエンジン１０を常時オン状態とする。そして、発電機１１をクレーンの主動力とし、キャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタに蓄電された電力は（コンテナ等の）荷の持ち上げをアシスト（ピークカット）するために用いる。
【００１６】
また、クレーン停止時またはクレーン旋回時の間には、ディーゼルエンジン１０が常時オン状態であるために発生する発電機１１からの電力は整流して定電流源としてキャパシタ蓄電回路１４に充電する。なお、荷の持ち下げ（クレーン降下時）の位置エネルギーにより電動機１７で発生する回生電力はキャパシタ蓄電回路１４に適宜蓄電するようにしてもよい。
（Ｂ）荷下ろしモードについて
クレーンが荷下ろしを行うときには、キャパシタ蓄電回路１４を主動力とし、キャパシタ蓄電回路１４にあらかじめ蓄電された電力を用いて荷の持ち上げ（クレーン上昇）を行う。また、持ち下ろし（クレーン下降）の位置エネルギーで発生する回生電力をキャパシタ蓄電回路１４で蓄電し、（位置エネルギーを蓄電したにも関わらず）一定レベルの蓄電量に満たない場合のみ、ディーゼルエンジン１０をオンとして、発電機１１を動作させて充電する。
【００１７】
一方、荷下ろし（クレーン下降）を繰り返すことにより回生電力がキャパシタ蓄電回路１４の蓄電容量を超える場合には（つまり、荷の持ち下ろしによる蓄電電力が荷の持ち上げやクレーンの旋回動作等で消費しきれないと蓄電量が増加していくので）、別途設置した不図示の抵抗器を使用して発電制御を作用させて消費するようにするとよい。
【００１８】
次に、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおいて、上記の荷揚げモード・荷下ろしモードとの判定について説明する。電圧検出回路２０は端子Ｔ−Ｔ’間の電圧を検出しこれに係る検出信号をシステム制御回路２２に送信する。また、電流検出回路２１、端子Ｔ−Ｔ’間に流れる電流を検出してこれに係る検出信号をシステム制御回路２２に送信する。システム制御回路２２には不図示のマイクロコンピュータ等の演算手段を有しており、これら電圧検出信号から得られる電圧値と、電流検出信号から得られる電流値との積を計算する。これにより、システム制御回路２２は、クレーンの一連の動作によってキャパシタ蓄電回路１４に電力が蓄積される傾向にあるか、或いはキャパシタ蓄電回路１４の電力が消費される傾向にあるかを判別して、クレーンシステムを荷揚げモードとするか、或いは荷下ろしモードとするかを判別する。システム制御回路２２は、キャパシタ蓄電回路１４に電力が蓄積される傾向にある場合には、荷下ろしモードと判定し、キャパシタ蓄電回路１４の電力が消費される傾向にある場合には、荷揚げモードと判定する。システム制御回路２２は、以上のような判定に基づいて、ディーゼルエンジン１０を常時オンとするか（すなわち、発電機１１で常に電力を発生させるか）、或いは適宜ディーゼルエンジン１０をオンとするか（すなわち、必要に応じて発電機１１で電力を発生させるか）に係るオンオフ信号をディーゼルエンジン１０に出力する。
【００１９】
なお、クレーンシステムにおける荷揚げモードと、荷下ろしモードは上記のような判定によらず、適宜手動にて切り替えられように構成しておいてもよい。
【００２０】
以上のように、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムによれば、キャパシタ蓄電回路１４への蓄電傾向を検出してこれを目安として、荷揚げモードと、荷下ろしモードを切り替えるように構成されているために、キャパシタ蓄電回路１４に蓄電された電力を積極的に用いることができ、クレーンシステム全体のエネルギー利用効率を高めることができる。
【００２１】
以下、具体的に実施例を定量化して述べる。この例ではクレーン負荷は５０トンとしている。これを駆動する電動機１７は１５０ｋＷで、キャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタは電圧をＤＣ６００Ｖ、静電容量を８４Ｆで蓄電量を４．２ｋＷｈとしている。発電機１１の容量は２００ｋｗとする。この蓄電容量が十分であれば、５０トン荷重をキャパシタ蓄電した電力だけで高さ１５ｍまで持ち上げ、この荷物を所定の位置に下ろすことができる。降下時には電動機１７は発電機として作用しキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタに充電を行う。
【００２２】
このことを図３に示している。キャパシタは起動時ＤＣ６００Ｖに充電されており荷３３を持ち上げるにつれて最高高さの時にはＤＣ４００Ｖまで電圧降下している。ＤＣ−ＤＣ変換回路１５は一定の電力をインバータ回路１６に供給する場合、キャパシタ蓄電電圧が降下するにつれて電流値が増大するので通常半電圧のＤＣ３００Ｖ位まで利用される。
【００２３】
荷３３を降下させると制動エネルギーは回生電力としてキャパシタに充電して最終的には電圧がＤＣ５３８Ｖに充電されている。このサイクルでの電圧降下分ＤＣ６２Ｖはこの運転における電力変換損失（０．８２ｋＷｈ）である。この例はキャパシタ蓄電回路１４のキャパシタ容量が十分に計画されているので、発電機１１による電力の供給は行われていない。しかし、このキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの蓄電量を半減した場合には上昇運転時に電力不足を起こすので発電機１１を起動させる必要がある。
【００２４】
この様子を示したものが図４である。図４における運転曲線において時刻２１．４秒の時点には、キャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの電圧降下がＤＣ４００Ｖ以下に低下して電力不足を生じるので発電機１１が起動して最大電力で１６３ｋＷ供給している。クレーン降下運転では、発電機１１の電力の一部と回生電力とがキャパシタに充電されて最終的にはキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの電圧はＤＣ６２４Ｖになっている。
【００２５】
図４に示すようにキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの電力が低下してから発電機１１を起動しても発電機１１の最大電力２００ｋＷに近いピーク電力を必要として発電機１１の容量低減する効果は少ない。またキャパシタの電力放電後不足電力を負荷に供給するとキャパシタ蓄電回路１４に再充電されて回生電力を充電する容量が不足しキャパシタ蓄電回路１４は初期電圧よりも高くなりキャパシタ蓄電回路１４の電圧耐量を上げなければならなく設備費用が高くなる要因が生じる。
【００２６】
そこで図５に効果を示すようにキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタから負荷に電力を放電している期間において発電機１１から定電流充電することで発電機容量を低減することができる。すなわち、図５において上昇運転時にキャパシタ蓄電回路１４から放電されるが、この期間に発電機１１からキャパシタ蓄電回路１４のキャパシタに１２５Ａの定電流で充電してキャパシタ電圧は最高高さに至るときにインバータ入力電圧が下限と仮定する電圧ＤＣ３００Ｖまで降下している。この間の発電機１１からの最高電力は７４．６ｋＷまで低減されている。下降時の回生電力による充電では最終的にＤＣ５８４Ｖに収まっている。
【００２７】
以上述べたようにキャパシタ蓄電回路１４の充電期間に発電機１１から定電流で充電することにより発電機１１の負荷は平準化されて発電容量は低減できる。しかし、荷役クレーンは荷揚げや荷下ろしで荷の運転が上昇や下降作業が一方向に繰り返される場合が一般的である。船にコンテナを積み込む場合は、荷役クレーンは荷揚げ作業を繰り返すので、キャパシタ蓄電回路１４からの放電時に合わせて発電機１１を作動させて定電流モードで電力を供給し両方から電動機１７の電力を供給する本発明の制御となる。ただしこの場合クレーンは無負荷で降下するので自重分に相当する位置エネルギーのみの回生電力の充電になるので降下時に荷重エネルギーに相当する発電機１１での充電が必要である。
【００２８】
また逆に、船からコンテナなどの荷を積み下ろしする場合には降下時での回生電力が無負荷での上昇時の消費電力よりも大きく、したがって限られた蓄電容量では全ての制動エネルギーを吸収することはできない。そこで対策として、キャパシタの容量超過を検出してスイッチを介して発電抵抗器を挿入して余剰分のエネルギーを熱に変換する必要がある。この荷下ろし作業サイクルでは降下時でのキャパシタ蓄電回路１４に回生される電力が上昇値での放電電力よりも大きくなるので発電機１１の作動はしなくてもよい。
【００２９】
以上のようなシステムの利用を行えば、荷役の上昇と下降の負荷がバランスしている場合にはキャパシタ蓄電回路１４の放電期間に発電機１１より定電流でキャパシタ蓄電回路１４を充電することで平準化された電力となり、発電機１１の容量を低減することができる。またキャパシタ蓄電回路１４の蓄電量を制動運転の期間に発電電力でキャパシタ蓄電回路１４を充電することにより弊害即ち充電余力を失うことを防ぐことで蓄電容量を増やすことを避けることができる。また、荷揚げを一方向に続けて行う場合にはキャパシタ蓄電回路１４の電力を維持するために必要な電力をクレーン降下時に発電機１１で一定電流制御して充電することで発電機１１の容量を低減することができる。また荷下ろしが一方的に続けて行われる場合には、回生電力は抵抗器で発電制動するので、機械ブレーキの作用を少なくすることができ、蓄電容量を増やすことを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムの回路構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおけるクレーンの動作を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおける運転曲線の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおける運転曲線の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおける運転曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・ディーゼルエンジン、１１・・・発電機、１２・・・整流回路、１３・・・充電制御回路、１４・・・キャパシタ蓄電回路、１５・・・ＤＣ−ＤＣ変換回路、１６・・・インバータ回路、１７・・・電動機、１８・・・クレーン稼働部、２０・・・電圧検出回路、２１・・・電流検出回路、２２・・・システム制御回路、３１・・・船、３２・・・ヤード、３３・・・荷
【技術分野】
【０００１】
本発明は、港湾等のヤードにおいて船舶あるいはトレーラへのコンテナの積み込みなどを行う港湾荷役クレーンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
港湾等のヤードにおいては、クレーン装置によって船舶あるいはトレーラへのコンテナ
の積み込み、及び、船舶あるいはトレーラからのコンテナの積み降ろし等の運搬作業が行
われている。これらコンテナの積み込み積み下ろしの際の、コンテナの巻上げ、巻き下げ
はクレーン装置に備えられたモータにより行われている。
【０００３】
近年においては、ヤードの荷役効率の向上が求められており荷役効率を向上させるさま
ざまな技術が提案されている。例えば、特許文献１（特開２００６−１３１３１１号公報）には、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、直流電力を所望の交流電力に変換するインバータ装置と、クレーン主動作機構を駆動する交流電動機と、電動機駆動時に閉とする交流電動機駆動動作スイッチとを備え、前記交流電源からの交流電力は補機負荷にも供給され、かつ前記コンバータ装置及びインバータ装置は二次側で発生した電力を一次側に返すことができる回生機能付きである港湾荷役用クレーン制御装置において、前記コンバータ装置の二次側に接続され、自然エネルギーを電気エネルギーに変換してコンバータ装置の二次側の直流回路に流すための直流発電装置と、前記直流発電装置で得られた直流発電力の逆流防止用ダイオードと、荷役作業時と自然エネルギーによる発電利用時とを切り替えるための直流発電装置切替スイッチと、前記コンバータ装置の二次側に接続され、自然エネルギーによる直流発電力を蓄えるための蓄電池と、を備えたことを特徴とする港湾荷役用クレーン制御装置が開示されている。
【０００４】
また別の提案例としては、特許文献２（特開２００２−３６２７１０号公報）に、給電線から給電を受けて走行する走行台車であって、蓄電部を設けて、停電時に該蓄電部からの電力で走行台車のモータの制御部を駆動することにより、前記制御部によりモータをブレーキとして作動させ、走行台車を減速停止させるようにしたことを特徴とする、走行台車が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１３１３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６２７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２いずれに記載のものも、キャパシタなどの蓄電部を有するものであるが、これらの蓄電部は余剰となった回生電力や自然エネルギーをプールしておく程度の構成であり、積極的にこれを利用するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、少なくともエンジンを動力源とする発電機と、該発電機から発生する電力を直流に変換する整流回路と、該整流回路から発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該整流回路と該インバータ回路との間の直流電力を蓄電するキャパシタ蓄電回路と、該インバータ回路からの出力で駆動される電動機と、該電動機を動力とするクレーンと備える港湾荷役クレーンシステムにおいて、該エンジンを常時オンとして常時該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を補助的に用いる荷揚げモードと、該エンジンを適宜オンとして必要に応じて該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を主として用いる荷下ろしモードと、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、該キャパシタ蓄電回路に蓄電される電力の傾向により判別することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、手動により切り替え得ることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を該キャパシタ蓄電回路に蓄電することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステムにおいて、該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を抵抗器で消費させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムによれば、キャパシタ蓄電回路への蓄電傾向を検出してこれを目安として、荷揚げモードと、荷下ろしモードを切り替えるように構成されているために、キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を積極的に用いることができ、クレーンシステム全体のエネルギー利用効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムの回路構成を示す図である。図１において、１０はディーゼルエンジン、１１は発電機、１２は整流回路、１３は充電制御回路、１４はキャパシタ蓄電回路、１５はＤＣ−ＤＣ変換回路、１６はインバータ回路、１７は電動機、１８はクレーン稼働部、２０は電圧検出回路、２１は電流検出回路、２２はシステム制御回路をそれぞれ示している。
【００１３】
重油をエネルギー源としたディーゼルエンジン１０の動力は発電機１１に伝達され、交流電流を発生させる。整流回路１２ダイオードの３相ブリッジで構成された整流器であり当該交流電源の三相交流電圧を直流電圧に変換する。充電制御回路１３は、キャパシタ蓄電回路１４への充電を制御し、ＤＣ−ＤＣ変換回路１５はインバータ回路１６への入力をコントロールする。インバータ回路１６は、トランジスタ等と環流ダイオードで構成された整流制御素子の３相ブリッジから成るインバータであり、ＤＣ−ＤＣ変換回路１５からの出力である直流電圧を可変電圧、可変周波数の三相交流電圧に変換するＰＷＭインバータである。インバータ回路１６からの出力は、電動機１７に入力されて、これによって発生するトルクはクレーン稼働部１８によって、コンテナの荷揚げ、荷下ろしに用いられる。電圧検出回路２０は端子Ｔ−Ｔ’間の電圧を検出し、電流検出回路２１はＴ−Ｔ’間を流れる電流の検出を行う。システム制御回路２２は、電圧検出回路２０及び電流検出回路２１からの検出結果を受け、港湾荷役クレーンシステム全体の制御を行う。
【００１４】
以上のように構成される港湾荷役クレーンシステムにおける具体的な動作について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおけるクレーンの動作を示す図である。図２において、３１は船、３２はヤード、３３はコンテナ等の荷をそれぞれ示している。
【００１５】
図２（Ａ）は低所から高所に荷３３を揚げる状況を示す図であり、また図２（Ｂ）は、高所から低所に荷３３を下げる状況を示す図である。前者のような港湾荷役クレーンシステムの動作を荷揚げモードと称することとし、後者のような港湾荷役クレーンシステムの動作を荷下ろしモードと称することとする。
（Ａ）荷揚げモードについて
クレーンが荷揚げを行うときには、ディーゼルエンジン１０を常時オン状態とする。そして、発電機１１をクレーンの主動力とし、キャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタに蓄電された電力は（コンテナ等の）荷の持ち上げをアシスト（ピークカット）するために用いる。
【００１６】
また、クレーン停止時またはクレーン旋回時の間には、ディーゼルエンジン１０が常時オン状態であるために発生する発電機１１からの電力は整流して定電流源としてキャパシタ蓄電回路１４に充電する。なお、荷の持ち下げ（クレーン降下時）の位置エネルギーにより電動機１７で発生する回生電力はキャパシタ蓄電回路１４に適宜蓄電するようにしてもよい。
（Ｂ）荷下ろしモードについて
クレーンが荷下ろしを行うときには、キャパシタ蓄電回路１４を主動力とし、キャパシタ蓄電回路１４にあらかじめ蓄電された電力を用いて荷の持ち上げ（クレーン上昇）を行う。また、持ち下ろし（クレーン下降）の位置エネルギーで発生する回生電力をキャパシタ蓄電回路１４で蓄電し、（位置エネルギーを蓄電したにも関わらず）一定レベルの蓄電量に満たない場合のみ、ディーゼルエンジン１０をオンとして、発電機１１を動作させて充電する。
【００１７】
一方、荷下ろし（クレーン下降）を繰り返すことにより回生電力がキャパシタ蓄電回路１４の蓄電容量を超える場合には（つまり、荷の持ち下ろしによる蓄電電力が荷の持ち上げやクレーンの旋回動作等で消費しきれないと蓄電量が増加していくので）、別途設置した不図示の抵抗器を使用して発電制御を作用させて消費するようにするとよい。
【００１８】
次に、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおいて、上記の荷揚げモード・荷下ろしモードとの判定について説明する。電圧検出回路２０は端子Ｔ−Ｔ’間の電圧を検出しこれに係る検出信号をシステム制御回路２２に送信する。また、電流検出回路２１、端子Ｔ−Ｔ’間に流れる電流を検出してこれに係る検出信号をシステム制御回路２２に送信する。システム制御回路２２には不図示のマイクロコンピュータ等の演算手段を有しており、これら電圧検出信号から得られる電圧値と、電流検出信号から得られる電流値との積を計算する。これにより、システム制御回路２２は、クレーンの一連の動作によってキャパシタ蓄電回路１４に電力が蓄積される傾向にあるか、或いはキャパシタ蓄電回路１４の電力が消費される傾向にあるかを判別して、クレーンシステムを荷揚げモードとするか、或いは荷下ろしモードとするかを判別する。システム制御回路２２は、キャパシタ蓄電回路１４に電力が蓄積される傾向にある場合には、荷下ろしモードと判定し、キャパシタ蓄電回路１４の電力が消費される傾向にある場合には、荷揚げモードと判定する。システム制御回路２２は、以上のような判定に基づいて、ディーゼルエンジン１０を常時オンとするか（すなわち、発電機１１で常に電力を発生させるか）、或いは適宜ディーゼルエンジン１０をオンとするか（すなわち、必要に応じて発電機１１で電力を発生させるか）に係るオンオフ信号をディーゼルエンジン１０に出力する。
【００１９】
なお、クレーンシステムにおける荷揚げモードと、荷下ろしモードは上記のような判定によらず、適宜手動にて切り替えられように構成しておいてもよい。
【００２０】
以上のように、本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムによれば、キャパシタ蓄電回路１４への蓄電傾向を検出してこれを目安として、荷揚げモードと、荷下ろしモードを切り替えるように構成されているために、キャパシタ蓄電回路１４に蓄電された電力を積極的に用いることができ、クレーンシステム全体のエネルギー利用効率を高めることができる。
【００２１】
以下、具体的に実施例を定量化して述べる。この例ではクレーン負荷は５０トンとしている。これを駆動する電動機１７は１５０ｋＷで、キャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタは電圧をＤＣ６００Ｖ、静電容量を８４Ｆで蓄電量を４．２ｋＷｈとしている。発電機１１の容量は２００ｋｗとする。この蓄電容量が十分であれば、５０トン荷重をキャパシタ蓄電した電力だけで高さ１５ｍまで持ち上げ、この荷物を所定の位置に下ろすことができる。降下時には電動機１７は発電機として作用しキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタに充電を行う。
【００２２】
このことを図３に示している。キャパシタは起動時ＤＣ６００Ｖに充電されており荷３３を持ち上げるにつれて最高高さの時にはＤＣ４００Ｖまで電圧降下している。ＤＣ−ＤＣ変換回路１５は一定の電力をインバータ回路１６に供給する場合、キャパシタ蓄電電圧が降下するにつれて電流値が増大するので通常半電圧のＤＣ３００Ｖ位まで利用される。
【００２３】
荷３３を降下させると制動エネルギーは回生電力としてキャパシタに充電して最終的には電圧がＤＣ５３８Ｖに充電されている。このサイクルでの電圧降下分ＤＣ６２Ｖはこの運転における電力変換損失（０．８２ｋＷｈ）である。この例はキャパシタ蓄電回路１４のキャパシタ容量が十分に計画されているので、発電機１１による電力の供給は行われていない。しかし、このキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの蓄電量を半減した場合には上昇運転時に電力不足を起こすので発電機１１を起動させる必要がある。
【００２４】
この様子を示したものが図４である。図４における運転曲線において時刻２１．４秒の時点には、キャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの電圧降下がＤＣ４００Ｖ以下に低下して電力不足を生じるので発電機１１が起動して最大電力で１６３ｋＷ供給している。クレーン降下運転では、発電機１１の電力の一部と回生電力とがキャパシタに充電されて最終的にはキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの電圧はＤＣ６２４Ｖになっている。
【００２５】
図４に示すようにキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタの電力が低下してから発電機１１を起動しても発電機１１の最大電力２００ｋＷに近いピーク電力を必要として発電機１１の容量低減する効果は少ない。またキャパシタの電力放電後不足電力を負荷に供給するとキャパシタ蓄電回路１４に再充電されて回生電力を充電する容量が不足しキャパシタ蓄電回路１４は初期電圧よりも高くなりキャパシタ蓄電回路１４の電圧耐量を上げなければならなく設備費用が高くなる要因が生じる。
【００２６】
そこで図５に効果を示すようにキャパシタ蓄電回路１４におけるキャパシタから負荷に電力を放電している期間において発電機１１から定電流充電することで発電機容量を低減することができる。すなわち、図５において上昇運転時にキャパシタ蓄電回路１４から放電されるが、この期間に発電機１１からキャパシタ蓄電回路１４のキャパシタに１２５Ａの定電流で充電してキャパシタ電圧は最高高さに至るときにインバータ入力電圧が下限と仮定する電圧ＤＣ３００Ｖまで降下している。この間の発電機１１からの最高電力は７４．６ｋＷまで低減されている。下降時の回生電力による充電では最終的にＤＣ５８４Ｖに収まっている。
【００２７】
以上述べたようにキャパシタ蓄電回路１４の充電期間に発電機１１から定電流で充電することにより発電機１１の負荷は平準化されて発電容量は低減できる。しかし、荷役クレーンは荷揚げや荷下ろしで荷の運転が上昇や下降作業が一方向に繰り返される場合が一般的である。船にコンテナを積み込む場合は、荷役クレーンは荷揚げ作業を繰り返すので、キャパシタ蓄電回路１４からの放電時に合わせて発電機１１を作動させて定電流モードで電力を供給し両方から電動機１７の電力を供給する本発明の制御となる。ただしこの場合クレーンは無負荷で降下するので自重分に相当する位置エネルギーのみの回生電力の充電になるので降下時に荷重エネルギーに相当する発電機１１での充電が必要である。
【００２８】
また逆に、船からコンテナなどの荷を積み下ろしする場合には降下時での回生電力が無負荷での上昇時の消費電力よりも大きく、したがって限られた蓄電容量では全ての制動エネルギーを吸収することはできない。そこで対策として、キャパシタの容量超過を検出してスイッチを介して発電抵抗器を挿入して余剰分のエネルギーを熱に変換する必要がある。この荷下ろし作業サイクルでは降下時でのキャパシタ蓄電回路１４に回生される電力が上昇値での放電電力よりも大きくなるので発電機１１の作動はしなくてもよい。
【００２９】
以上のようなシステムの利用を行えば、荷役の上昇と下降の負荷がバランスしている場合にはキャパシタ蓄電回路１４の放電期間に発電機１１より定電流でキャパシタ蓄電回路１４を充電することで平準化された電力となり、発電機１１の容量を低減することができる。またキャパシタ蓄電回路１４の蓄電量を制動運転の期間に発電電力でキャパシタ蓄電回路１４を充電することにより弊害即ち充電余力を失うことを防ぐことで蓄電容量を増やすことを避けることができる。また、荷揚げを一方向に続けて行う場合にはキャパシタ蓄電回路１４の電力を維持するために必要な電力をクレーン降下時に発電機１１で一定電流制御して充電することで発電機１１の容量を低減することができる。また荷下ろしが一方的に続けて行われる場合には、回生電力は抵抗器で発電制動するので、機械ブレーキの作用を少なくすることができ、蓄電容量を増やすことを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムの回路構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおけるクレーンの動作を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおける運転曲線の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおける運転曲線の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る港湾荷役クレーンシステムにおける運転曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・ディーゼルエンジン、１１・・・発電機、１２・・・整流回路、１３・・・充電制御回路、１４・・・キャパシタ蓄電回路、１５・・・ＤＣ−ＤＣ変換回路、１６・・・インバータ回路、１７・・・電動機、１８・・・クレーン稼働部、２０・・・電圧検出回路、２１・・・電流検出回路、２２・・・システム制御回路、３１・・・船、３２・・・ヤード、３３・・・荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともエンジンを動力源とする発電機と、該発電機から発生する電力を直流に変換する整流回路と、該整流回路から発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該整流回路と該インバータ回路との間の直流電力を蓄電するキャパシタ蓄電回路と、該インバータ回路からの出力で駆動される電動機と、該電動機を動力とするクレーンと備える港湾荷役クレーンシステムにおいて、
該エンジンを常時オンとして常時該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を補助的に用いる荷揚げモードと、該エンジンを適宜オンとして必要に応じて該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を主として用いる荷下ろしモードと、を有することを特徴とする港湾荷役クレーンシステム。
【請求項２】
該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、該キャパシタ蓄電回路に蓄電される電力の傾向により判別することを特徴とする請求項１に記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項３】
該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、手動により切り替え得ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項４】
該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を該キャパシタ蓄電回路に蓄電することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項５】
該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を抵抗器で消費させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項１】
少なくともエンジンを動力源とする発電機と、該発電機から発生する電力を直流に変換する整流回路と、該整流回路から発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該整流回路と該インバータ回路との間の直流電力を蓄電するキャパシタ蓄電回路と、該インバータ回路からの出力で駆動される電動機と、該電動機を動力とするクレーンと備える港湾荷役クレーンシステムにおいて、
該エンジンを常時オンとして常時該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を補助的に用いる荷揚げモードと、該エンジンを適宜オンとして必要に応じて該発電機によって電力を発生させ、該キャパシタ蓄電回路に蓄電された電力を主として用いる荷下ろしモードと、を有することを特徴とする港湾荷役クレーンシステム。
【請求項２】
該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、該キャパシタ蓄電回路に蓄電される電力の傾向により判別することを特徴とする請求項１に記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項３】
該荷揚げモードと該荷下ろしモードとは、手動により切り替え得ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項４】
該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を該キャパシタ蓄電回路に蓄電することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステム。
【請求項５】
該クレーンの降下時に該電動機が発生する回生電力を抵抗器で消費させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の港湾荷役クレーンシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−５００９５（Ｐ２００８−５００９５Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２７２７２（Ｐ２００６−２２７２７２）
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【特許番号】特許第３９６０５５５号（Ｐ３９６０５５５）
【特許公報発行日】平成１９年８月１５日（２００７．８．１５）
【出願人】（３９３０１３５６０）株式会社パワーシステム (127)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【特許番号】特許第３９６０５５５号（Ｐ３９６０５５５）
【特許公報発行日】平成１９年８月１５日（２００７．８．１５）
【出願人】（３９３０１３５６０）株式会社パワーシステム (127)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]