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【発明の名称】 港湾荷役クレーンシステムの制御方法
【発明者】 【氏名】六藤 孝雄

【氏名】清水 敦

【要約】 【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。

【構成】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。
【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。
【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
【出願人】 【識別番号】393013560
【氏名又は名称】株式会社パワーシステム
【出願日】 平成18年8月24日(2006.8.24)
【代理人】 【識別番号】100139114
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 貞嗣

【識別番号】100088041
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 龍吉

【識別番号】100139103
【弁理士】
【氏名又は名称】小山 卓志

【識別番号】100095980
【弁理士】
【氏名又は名称】菅井 英雄

【識別番号】100094787
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 健二

【識別番号】100097777
【弁理士】
【氏名又は名称】韮澤 弘

【識別番号】100091971
【弁理士】
【氏名又は名称】米澤 明

【識別番号】100109748
【弁理士】
【氏名又は名称】飯高 勉

【識別番号】100119220
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 武彦


【公開番号】 特開2008−50095(P2008−50095A)
【公開日】 平成20年3月6日(2008.3.6)
【出願番号】 特願2006−227272(P2006−227272)