(57)【要約】【課題】低圧側の電圧に異常が発生した場合に、不安定な状態で動作することを抑制することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】クレーン等の作業機械に搭載された電力変換装置が、電源から入力される電力を変換して電動アクチュエータに電力を供給する。検出部が、電源から電力変換装置に過電圧が入力されたことを検出すると、過電圧検出時の処理を実行する。【選択図】図３
2018078768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動部と、
前記作動部を駆動する電動アクチュエータと、
電源から入力される電力を変換して、前記電動アクチュエータに電力を供給する電力変換装置と、
前記電源から前記電力変換装置に過電圧が入力されたことを検出すると、過電圧検出時の処理を実行する検出部と
を有する作業機械。
【請求項２】
前記過電圧検出時の処理は、前記電力変換装置へ入力される電流を遮断する処理である請求項１に記載の作業機械。
【請求項３】
さらに、前記電動アクチュエータに電力を供給する蓄電装置を有し、
前記検出部は、前記電力変換装置へ入力される電流を遮断するとともに、前記蓄電装置から前記電動アクチュエータへの電力の供給を行う処理を実行する請求項２に記載の作業機械。
【請求項４】
前記電力変換装置は、低圧側端子の電圧を昇圧して高圧側端子に電力を出力するチョッパ回路を含み、
前記検出部は、前記低圧側端子に前記高圧側端子の電圧より高い過電圧が印加されたときに過電圧が印加されたことを検出し、
前記過電圧検出時の処理は、前記低圧側端子から前記高圧側端子に流れる異常電流を遮断する処理である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項５】
前記電力変換装置は、さらに、前記低圧側端子から前記高圧側端子に前記チョッパ回路を迂回して電流を流すことが可能に接続されたダイオードを有し、
前記検出部は、前記低圧側端子に前記過電圧が印加されたときに前記低圧側端子から前記ダイオードを通して前記高圧側端子に流れる前記異常電流を検出する請求項４に記載の作業機械。
【請求項６】
さらに、
内燃機関と、
前記内燃機関によって駆動されて発電する発電機と、
前記発電機で発電された交流電力を整流して前記電力変換装置に供給する整流器と
を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項７】
低圧側端子の電圧を昇圧して高圧側端子に電力を出力するチョッパ回路と、
前記低圧側端子に前記高圧側端子の電圧より高い過電圧が印加されたときに、前記過電圧が印加された状態を検出し、前記低圧側端子から前記高圧側端子に流れる異常電流を遮断する遮断手段と
を有する電力変換装置。
【請求項８】
さらに、前記低圧側端子から前記高圧側端子に前記チョッパ回路を迂回して電流を流すことが可能に接続されたダイオードを有し、
前記遮断手段は、前記低圧側端子に前記過電圧が印加されたときに前記低圧側端子から前記ダイオードを通して前記高圧側端子に流れる前記異常電流を検出し、前記異常電流が検出されたら前記異常電流を遮断する請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記遮断手段は、
前記チョッパ回路の通常動作時には電流が流れず、前記低圧側端子に前記過電圧が印加されたときに前記異常電流が流れる箇所に挿入された電流センサと、
前記異常電流が流れる経路を遮断するリレーと、
前記電流センサによる電流の測定値に基づいて前記リレーをオフにするコントローラと
を有する請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記チョッパ回路は、
一方の端子である第１の端子が前記低圧側端子に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの他方の端子である第２の端子と前記高圧側端子との間に接続された上側スイッチング素子と、
前記リアクトルの前記第２の端子と接地との間に接続された下側スイッチング素子と
を有し、
前記ダイオードは、前記リアクトルの前記第１の端子と前記高圧側端子との間に、前記第１の端子から前記高圧側端子に向かう方向が順方向となるように接続されている請求項８または９に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機械及び電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クレーンの巻上げモータ、横行用モータ、走行用モータ等の駆動用電源として、商用電源、エンジンにより駆動される発電機、蓄電装置等が用いられる。駆動用電源が交流である場合には、ＡＣ−ＤＣコンバータや、整流器とＤＣ−ＤＣコンバータとを組み合わせた電力変換装置によって交流電力が直流電力に変換される。駆動用電源が直流である場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータによって電源電圧が昇圧される。交流から直流に変換された直流電力、または昇圧された直流電力をインバータで三相交流電力に変換した後、三相交流電力で巻上げモータ等を駆動する。
【０００３】
ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置の高圧側に接続された電気機器により入出力される電力の急変時に生じ得る高圧側の電圧低下や過電圧の発生を抑制する電源装置が特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された電源装置では、低圧側の直流電源の正極からみて電気機器に対して順方向に接続されたダイードを含む。高圧側の電圧が低下して低圧側の電圧未満に至るときに、このダイードを通して低圧側から高圧側に電力が供給される。このため、高圧側の電圧が低圧側の電圧未満に低下することが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７４７９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電力変換装置の低圧側の電圧に異常が発生すると、電力変換装置の動作が不安定になる場合や、高圧側に接続された電気機器の動作が不安定になる場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、過電圧が入力されたときに電力変換装置の動作が不安定になることに起因する不具合の発生を抑制することができる作業機械を提供することである。本発明の他の目的は、低圧側の電圧に異常が発生した場合に、不安定な状態で動作することを抑制することができる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、
作動部と、
前記作動部を駆動する電動アクチュエータと、
電源から入力される電力を変換して、前記電動アクチュエータに電力を供給する電力変換装置と、
前記電源から前記電力変換装置に過電圧が入力されたことを検出すると、過電圧検出時の処理を実行する検出部と
を有する作業機械が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、
低圧側端子の電圧を昇圧して高圧側端子に電力を出力するチョッパ回路と、
前記低圧側端子に前記高圧側端子の電圧より高い過電圧が印加されたときに、前記過電圧が印加された状態を検出し、前記低圧側端子から前記高圧側端子に流れる異常電流を遮断する遮断手段と
を有する電力変換装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
過電圧が入力されたことを検出して過電圧検出時の処理を実行することにより、不具合の発生を抑制することが可能になる。過電圧が発生したときの異常電流を遮断することにより、電力変換装置が不安定な状態で動作を継続することを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ実施例による電力変換装置を用い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。
【図２】図２Ａは、実施例による電力変換装置を用いたクレーンシステムの電力系統図であり、図２Ｂは、交流電源及び電力変換装置の概略図である。
【図３】図３は、図２Ａ〜図２Ｂに示した実施例による電力変換装置のＤＣ−ＤＣコンバータの等価回路図である。
【図４】図４は、低圧側端子に過電圧が印加されたときに上側保護ダイオードに流れる異常電流の一例を示すグラフである。
【図５】図５は、他の実施例による電力変換装置のＤＣ−ＤＣコンバータの等価回路図である。
【図６】図６は、図５に示した実施例による電力変換装置に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータの電流センサによる電流の測定値の一例を示すグラフである。
【図７】図７は、さらに他の実施例による電力変換装置に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータの等価回路図である。
【図８】図８は、図７に示した実施例による電力変換装置に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側電圧センサによる電圧の測定値ＶＬと、高圧側電圧センサによる電圧の測定値ＶＨとの時間変化の一例を示すグラフである。
【図９】図９Ａは、本実施例によるＡＣ−ＤＣコンバータの等価回路図であり、図９Ｂは、リレー回路の等価回路図である。
【図１０】図１０Ａは、さらに他の実施例による電力変換装置を用いたショベルの側面図であり、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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１Ａ〜図４を参照して、実施例による電力変換装置を用いたクレーンシステムについて説明する。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ実施例による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１３が桁１４を支えている。柱１３と桁１４とによって門型フレームが構成される。柱１３の下端に車輪１７が取り付けられており、門型フレームがレール１８に沿って走行する。図１Ａの紙面に垂直な方向及び図１Ｂの左右方向が走行方向に相当する。桁１４にトロリー１５が搭載されている。トロリー１５に巻き上げ機１６が搭載されている。
【００１４】
複数の電動アクチュエータがそれぞれの作動部を駆動する。例えば、門型フレームに搭載された走行用モータ６７が車輪１７を駆動する。トロリー１５に搭載された横行用モータ６６が、トロリー１５を横行方向に移動させる。図１Ａの左右方向及び図１Ｂの紙面に垂直な方向が横行方向に相当する。巻き上げ機１６に搭載された巻上げモータ６５が、先端にフック等の吊り下げ具１６Ａが取り付けられたワイヤを巻上げ及び繰り出す。このように、巻上げモータ６５、横行用モータ６６、及び走行用モータ６７等の電動アクチュエータが、それぞれ吊り下げ具１６Ａ、トロリー１５、車輪１７等の作動部を駆動する。
【００１５】
門型フレームに、交流電源１０、電力変換装置２０、蓄電装置３０、及びＤＣ−ＤＣコンバータ３２が搭載されている。交流電源１０は、エンジン１１と発電機１２とを含む。交流電源１０は、巻上げモータ６５、横行用モータ６６、及び走行用モータ６７に駆動用の電力を供給する。さらに、交流電源１０から供給される電力によって蓄電装置３０が充電される。
【００１６】
図２Ａは、クレーンシステムの電力系統図である。交流電源１０が電力変換装置２０を介して直流母線５０に接続されている。電力変換装置２０は、交流電源１０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５０に供給する。直流母線５０の正側母線５０Ｐと負側母線５０Ｎとの間に平滑コンデンサ５２が接続されている。
【００１７】
蓄電装置３０がＤＣ−ＤＣコンバータ３２を介して直流母線５０に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３２は、蓄電装置３０の充放電を制御する。蓄電装置３０の放電時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２は蓄電装置３０の出力電圧を昇圧して蓄電装置３０から直流母線５０に直流電力を供給する。蓄電装置３０の充電時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２は直流母線５０の電圧を降圧して直流母線５０から蓄電装置３０に直流電力を供給する。
【００１８】
図２Ａ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６５、横行用モータ６６、及び走行用モータ６７が、それぞれインバータ６１、６２、６３を介して直流母線５０に接続されている。巻上げモータ６５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６６及び走行用モータ６７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２Ａ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。
【００１９】
コントローラ７０が、電力変換装置２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２、インバータ６１、６２、６３を制御することにより、直流母線５０から巻上げモータ６５、横行用モータ６６、及び走行用モータ６７に電力を供給する。コントローラ７０は、直流母線５０の電圧を予め設定された目標値に維持するように電力変換装置２０及びＤＣ−ＤＣコンバータ３２を制御する。巻上げモータ６５が巻下げ動作をするときには、コントローラ７０がインバータ６１を制御して、巻上げモータ６５で発生した回生電力を直流母線５０に供給する。この回生電力により蓄電装置３０を充電することができる。
【００２０】
図２Ｂは、交流電源１０及び電力変換装置２０の概略図である。交流電源１０は、内燃機関等のエンジン１１及び発電機１２を含む。エンジン１１が発電機１２を駆動することにより発電された交流電力が電力変換装置２０に供給される。
【００２１】
電力変換装置２０は、三相全波整流器２１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２２を含む。三相全波整流器２１は、発電機１２で発電された三相交流電力を直流電力に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ２２に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、入力された直流電力を昇圧して直流母線５０に供給する。なお、エンジン１１及び発電機１２に代えて商用電源を用いてもよい。
【００２２】
図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の等価回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ３２（図２Ａ）の構成は、図３に示したＤＣ−ＤＣコンバータ２２の構成と同一であるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の構成についての説明は省略する。
【００２３】
三相全波整流器２１（図２Ｂ）に接続される一次側端子対の負側端子２２２、及び直流母線５０に接続される二次側端子対の負側端子２２４が共に接地されている。一次側端子対の正側端子を低圧側端子２２１といい、二次側端子対の正側端子を高圧側端子２２３ということとする。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２（図２Ａ）の一次側端子対には、蓄電装置３０（図２Ａ）が接続される。
【００２４】
低圧側端子２２１がリレー２２５を介してチョッパ回路２３０に接続されている。リレー２２５に対して並列に、他のリレー２２６と充電抵抗２２７との直列回路が接続されている。チョッパ回路２３０は、低圧側端子２２１の電圧を昇圧して高圧側端子２２３に電力を出力する機能を有する。チョッパ回路２３０は、リアクトル２３１、上側スイッチング素子２３２、及び下側スイッチング素子２３３を含む。
【００２５】
リアクトル２３１の一方の端子がリレー２２５を介して低圧側端子２２１に接続されている。リアクトル２３１の他方の端子は、上側スイッチング素子２３２を介して高圧側端子２２３に接続されるとともに、下側スイッチング素子２３３を介して接地されている。上側スイッチング素子２３２及び下側スイッチング素子２３３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。上側スイッチング素子２３２にフリーホイールダイオード２３４が接続され、下側スイッチング素子２３３にフリーホイールダイオード２３５が接続されている。
【００２６】
リレー２２５とチョッパ回路２３０との接続箇所と高圧側端子２２３との間に、リレー２２５とチョッパ回路２３０との接続箇所から高圧側端子２２３に向かう方向を順方向とする極性で上側保護ダイオード２４１が接続されている。上側保護ダイオード２４１は、低圧側端子２２１から高圧側端子２２３に、チョッパ回路２３０を迂回して電流を流す迂回路を構成する。リレー２２５とチョッパ回路２３０との接続箇所と接地との間に、接地からリレー２２５とチョッパ回路２３０との接続箇所に向かう方向を順方向とする極性で下側保護ダイオード２４２が接続されている。
【００２７】
上側保護ダイオード２４１によって構成されたチョッパ回路２３０の迂回路を流れる電流を、電流センサ２５０が測定する。電流センサ２５０による電流の測定値がコントローラ７０に入力される。コントローラ７０は、リレー２２５とリレー２２６とのオンオフ制御、及び上側スイッチング素子２３２と下側スイッチング素子２３３とのオンオフ制御を行う。
【００２８】
次に、図３に示したＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作について説明する。低圧側端子２２１に直流の電源電圧が印加されており、平滑コンデンサ５２にはエネルギが蓄積されていない初期状態において、コントローラ７０がリレー２２６をオンにする。低圧側端子２２１から充電抵抗２２７、上側保護ダイオード２４１を介して直流母線５０に電流が流れ、平滑コンデンサ５２が充電される。充電抵抗２２７はリレー２２６をオンにしたときの突入電流の発生を抑制する。平滑コンデンサ５２が充電されることによって高圧側端子２２３の電圧が上昇し、低圧側端子２２１の電圧に近づくと、コントローラ７０はリレー２２５をオンにし、リレー２２６をオフにする。これにより、充電抵抗２２７を介することなく低圧側端子２２１から高圧側端子２２３に電流を流すことができる状態が得られる。
【００２９】
次に、昇圧動作について説明する。昇圧動作時には、コントローラ７０が下側スイッチング素子２３３にパルス幅変調信号を入力することにより、下側スイッチング素子２３３を周期的にオンオフさせる。下側スイッチング素子２３３をオフに切り替えたときに、低圧側端子２２１の電圧がリアクトル２３１に発生する誘導起電力に相当する電圧分だけ昇圧され、フリーホイールダイオード２３４を介して高圧側端子２２３に電力が出力される。
【００３０】
次に、降圧動作について説明する。降圧動作時には、コントローラ７０が上側スイッチング素子２３２にパルス幅変調信号を入力することにより、上側スイッチング素子２３２を周期的にオンオフさせる。高圧側端子２２３の電圧から上側スイッチング素子２３２がオンになる割合（デューティ比）に依存する電圧分だけ降圧されて低圧側端子２２１に電力が出力される。上側スイッチング素子２３２をオフに切り替えたときは、リアクトル２３１に発生する誘導起電力により接地からフリーホイールダイオード２３５を介して低圧側端子２２１に電流が流れる。
【００３１】
次に、上側保護ダイオード２４１の機能について説明する。降圧動作中にはリアクトル２３１に低圧側端子２２１に向かう電流が流れている。リレー２２５が何らかの要因で遮断されると、リアクトル２３１に発生する誘導起電力により、リアクトル２３１、上側保護ダイオード２４１、平滑コンデンサ５２、フリーホイールダイオード２３５からなる閉じた電流経路に電流が流れる。この電流により、リアクトル２３１に残留するエネルギが放出される。このように、上側保護ダイオード２４１は、降圧動作時にリレー２２５が何らかの要因で遮断されたときにリアクトル２３１の残留エネルギを放出させるための電流を流す機能を持つ。
【００３２】
次に、下側保護ダイオード２４２の機能について説明する。昇圧動作中にはリアクトル２３１に低圧側端子２２１からリアクトル２３１に流入する方向の電流が流れている。リレー２２５が何らかの要因で遮断されると、リアクトル２３１に発生する誘導起電力により、リアクトル２３１、フリーホイールダイオード２３４、平滑コンデンサ５２、下側保護ダイオード２４２からなる閉じた電流経路に電流が流れる。この電流により、リアクトル２３１に残留するエネルギが放出される。このように、下側保護ダイオード２４２は、昇圧動作時にリレー２２５が何らかの要因で遮断されたときにリアクトル２３１の残留エネルギを放出させるための電流を流す機能を持つ。
【００３３】
次に、低圧側端子２２１に高圧側端子２２３の電圧より高い過電圧が印加されたときの動作について説明する。本実施例においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の低圧側端子２２１に、三相全波整流器２１を介して発電機１２（図２Ｂ）が接続されている。発電機１２を駆動するエンジン１１の回転数の変動に起因して低圧側端子２２１に印加される電圧が不安定になり、過電圧が印加される場合がある。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の低圧側端子２２１が、三相全波整流器２１（図２Ｂ）を介して商用電源に接続されている場合にも、商用電源の異常により過電圧が印加される場合がある。
【００３４】
低圧側端子２２１に過電圧が印加されると、低圧側端子２２１から上側保護ダイオード２４１を経由して高圧側端子２２３に異常電流が流れる。
【００３５】
図４は、低圧側端子２２１に過電圧が印加されたときに上側保護ダイオード２４１に流れる異常電流の一例を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は上側保護ダイオード２４１を流れる電流の大きさを表す。
【００３６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が通常動作しているときには、電流センサ２５０が挿入されている迂回路には電流が流れない。ここで「通常動作」とは、低圧側端子２２１の電圧が高圧側端子２２３の電圧より低い状態での昇降圧動作を意味する。
【００３７】
低圧側端子２２１（図３）に過電圧が印加されて、低圧側端子２２１の電圧が高圧側端子２２３の電圧を超えると、上側保護ダイオード２４１に異常電流が流れ始める（時刻ｔ１）。このとき、直流母線５０の電圧を目標値に維持することができなくなる場合がある。コントローラ７０（図３）は、電流センサ２５０（図３）による電流の測定値と、許容上限値Ｉ０とを比較する。電流の測定値が許容上限値Ｉ０を超えると、コントローラ７０はリレー２２５をオフにすることにより、異常電流を遮断する。さらに、チョッパ回路２３０（図３）の動作を停止させる。電流センサ２５０及びコントローラ７０は、電力変換装置に過電圧が入力されたことを検出する検出部としての機能を有する。
【００３８】
このとき、コントローラ７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の動作も停止させる。なお、コントローラ７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の動作を継続させ、蓄電装置３０からの放電を行わせてもよい。このとき、少なくともオペレータ用のキャビン内のエアコン、照明機器等の補機に蓄電装置３０から電力を供給し続けることが好ましい。
【００３９】
次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、電流センサ２５０、コントローラ７０、及びリレー２２５（図３）が、低圧側端子２２１（図３）に過電圧が印加された状態を検出し、低圧側端子２２１から高圧側端子２２３に流れる異常電流を遮断する遮断手段としての機能を有する。低圧側端子２２１に過電圧が印加されて異常電流が流れると、異常電流が流れる経路の部品や、過電圧が印加される部品が故障する場合がある。本実施例では、過電圧による異常電流を早期に検出し、リレー２２５をオフにするため、過電圧や異常電流に起因する部品の故障を防止することができる。また、リレー２２５をオフにし、チョッパ回路２３０の動作を停止させることにより、不安定な状態でＤＣ−ＤＣコンバータ２２が動作を継続することを回避することができる。
【００４０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作を停止させたときに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の動作は停止させない場合には、蓄電装置３０の電力によって巻上げモータ６５等を継続して動作させることができる。
【００４１】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の通常動作時には電流が流れない迂回路で異常電流を検出するため、通常動作中に低圧側端子２２１から高圧側端子２２３に向かって流れる電流の変動の影響を受けることなく、異常電流を検出することができる。このため、高精度に、かつ早期に異常電流を検出することができる。
【００４２】
例えば、複数のセンサで測定された種々の物理量に基づいて過電圧が印加されたか否かを判定する場合には、複数のセンサのそれぞれの測定精度のばらつき等を考慮して、誤検出を無くすために判定レベルにある程度のマージンを設けておくことが好ましい。本実施例では、異常電流を１つの電流センサ２５０のみで測定するため、複数のセンサの測定精度のばらつきを考慮する必要がない。このため、過電圧状態か否かの判定レベルのマージンを小さくすることができる。これにより、早期にかつ高精度に、過電圧状態を検出することができる。
【００４３】
次に、図５及び図６を参照して他の実施例について説明する。以下、図２Ａ〜図４に示した実施例と共通の構成については説明を省略する。
【００４４】
図５は、本実施例による電力変換装置に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータ２２の等価回路図である。本実施例では、電流センサ２５０（図３）に代えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の通常動作時にも電流が流れる箇所に電流センサ２５１が挿入されている。例えば、リレー２２５とチョッパ回路２３０との間に電流センサ２５１が接続されている。電流センサ２５１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の通常動作時に流れる電流と、過電圧に起因する異常電流との合計値を測定する。
【００４５】
電流センサ２５１による電流の測定値がコントローラ７０に入力される。コントローラ７０は電流の測定値に基づいて過電圧が印加されたか否かを判定する。過電圧が印加されたと判定した場合には、リレー２２５をオフにすることにより、異常電流を遮断する。さらに、チョッパ回路２３０の動作を停止させる。
【００４６】
図６は、電流センサ２５１（図５）による電流の測定値の一例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。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が通常動作しているときは、電流センサ２５１は通常動作時に流れる電流Ｉｎを測定する。時刻ｔ１の時点から過電圧に起因する異常電流Ｉａが流れ始めると、電流センサ２５１による電流の測定値は、通常動作時の電流Ｉｎと異常電流Ｉａとの和に等しくなる。
【００４７】
コントローラ７０は、電流センサ２５１による電流の測定値と、許容上限値Ｉ１とを比較し、電流の測定値が許容上限値Ｉ１を超えたら、リレー２２５を遮断する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の通常動作時に流れる電流Ｉｎは、上側スイッチング素子２３２及び下側スイッチング素子２３３のスイッチングによるリップルを含む。さらに、上側スイッチング素子２３２及び下側スイッチング素子２３３のオンオフ制御の周波数やデューティ比に依存して、通常動作時の電流Ｉｎが変動する。コントローラ７０（図５）は、上側スイッチング素子２３２及び下側スイッチング素子２３３の制御条件に応じて電流の許容上限値Ｉ１を決定する。
【００４８】
次に、図５及び図６に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、電流センサ２５１、コントローラ７０、及びリレー２２５（図５）が、低圧側端子２２１に過電圧が印加された状態を検出し、低圧側端子２２１から高圧側端子２２３に流れる異常電流を遮断する遮断手段としての機能を有する。本実施例においても、過電圧に起因する異常電流を検出してリレー２２５を遮断することにより、過電圧や異常電流による部品の故障を防止することができる。また、本実施例では、過電圧を検出するための電流センサ２５１を、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の通常動作時に流れる電流を測定する電流センサと兼用することができる。
【００４９】
次に、図７及び図８を参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図２Ａ〜図４に示した実施例と共通の構成については説明を省略する。
【００５０】
図７は、本実施例による電力変換装置に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータ２２の等価回路図である。本実施例では、電流センサ２５０（図３）に代えて、低圧側電圧センサ２５２及び高圧側電圧センサ２５３が用いられる。低圧側電圧センサ２５２は、接地と低圧側端子２２１との間の電圧を測定し、高圧側電圧センサ２５３は、接地と高圧側端子２２３との間の電圧を測定する。
【００５１】
コントローラ７０が、低圧側電圧センサ２５２及び高圧側電圧センサ２５３で測定された電圧の測定値に基づき、過電圧の発生を検出し、過電圧が発生していると判定した場合にはリレー２２５をオフにする。
【００５２】
図８は、低圧側電圧センサ２５２（図７）による電圧の測定値ＶＬと、高圧側電圧センサ２５３（図７）による電圧の測定値ＶＨとの時間変化の一例を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は電圧の大きさを表す。
【００５３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の通常動作時には、低圧側電圧センサ２５２による電圧の測定値ＶＬが高圧側電圧センサ２５３による電圧の測定値ＶＨより低い。低圧側端子２２１（図７）に過電圧が印加されると（時刻ｔ１）、低圧側電圧センサ２５２による電圧の測定値ＶＬが上昇し始め、高圧側電圧センサ２５３による電圧の測定値ＶＨを超える。
【００５４】
コントローラ７０は、電圧の測定値ＶＬとＶＨとを比較した結果、低圧側端子２２１に過電圧が印加されていると判定した場合に、リレー２２５（図７）をオフにする。例えば、測定値ＶＬとＶＨとの差または比を算出し、算出結果が許容値を外れている場合に、低圧側端子２２１に過電圧が印加されたと判定すればよい。
【００５５】
例えば、コントローラ７０は、測定値ＶＨからマージンＶＭを減算した値を測定値ＶＬが超えたら、低圧側端子２２１に過電圧が印加されたと判定する。マージンＶＭは、低圧側電圧センサ２５２と高圧側電圧センサ２５３との測定誤差のばらつきによる過電圧検出遅れを回避するために設けられている。
【００５６】
次に、図７及び図８に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、低圧側電圧センサ２５２、高圧側電圧センサ２５３、コントローラ７０、及びリレー２２５が、低圧側端子２２１に過電圧が印加された状態を検出し、低圧側端子２２１から高圧側端子２２３に流れる異常電流を遮断する遮断手段としての機能を有する。本実施例においても、過電圧に起因する異常電流を検出してリレー２２５を遮断することにより、過電圧や異常電流による部品の故障を防止することができる。本実施例では、過電圧を検出するための低圧側電圧センサ２５２及び高圧側電圧センサ２５３を、それぞれ低圧側端子２２１の電圧を測定する電圧センサ及び高圧側端子２２３の電圧を測定する電圧センサと兼用することができる。
【００５７】
次に、図９Ａ及び図９Ｂを参照してさらに他の実施例による電力変換装置について説明する。以下、図２Ａ〜図４に示した実施例と共通の構成については説明を省略する。図２Ａ〜図４に示した実施例では、電力変換装置２０を、三相全波整流器２１とＤＣ−ＤＣコンバータ２２（図２Ｂ）とで構成したが、本実施例では、電力変換装置２０としてＡＣ−ＤＣコンバータが用いられる。
【００５８】
図９Ａは、本実施例によるＡＣ−ＤＣコンバータの等価回路図である。ＡＣ−ＤＣコンバータの一次側端子郡が、低圧側端子２２１Ｕ、２２１Ｖ、及び２２１Ｗを含み、二次側端子対が高圧側端子２２３及び負側端子２２４を含む。低圧側端子２２１Ｕ、２２１Ｖ、及び２２１Ｗが、それぞれ交流電源のＵ相、Ｖ相、及びＷ相に接続される。高圧側端子２２３及び負側端子２２４が、それぞれ直流母線５０の正側母線５０Ｐ及び負側母線５０Ｎに接続される。
【００５９】
チョッパ回路９０が、Ｕ相用のリアクトル９１Ｕ、上側スイッチング素子９２Ｕ、及び下側スイッチング素子９３Ｕを含む。上側スイッチング素子９２Ｕ及び下側スイッチング素子９３Ｕに、それぞれフリーホイールダイオード９４Ｕ及び９５Ｕが接続されている。リアクトル９１Ｕ、上側スイッチング素子９２Ｕ、下側スイッチング素子９３Ｕ、及びフリーホイールダイオード９４Ｕ、９５Ｕの接続構成は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２（図３）のリアクトル２３１、上側スイッチング素子２３２、下側スイッチング素子２３３、フリーホイールダイオード２３４、２３５の接続構成と同一である。Ｖ相及びＷ相についても、同様にリアクトル、上側スイッチング素子、下側スイッチング素子、及びフリーホイールダイオードが設けられている。
【００６０】
Ｕ相用の低圧側端子２２１ＵがＵ相用のリレー回路８０Ｕを介してＵ相用のリアクトル９１Ｕに接続されている。リレー回路８０Ｕとリアクトル９１Ｕとの接続箇所と高圧側端子２２３との間に、リレー回路８０Ｕとリアクトル９１Ｕとの接続箇所から高圧側端子２２３に向かう方向を順方向とする極性でＵ相用の上側保護ダイオード８１Ｕが接続されている。リレー回路８０Ｕとリアクトル９１Ｕとの接続箇所と負側端子２２４との間に、負側端子２２４からリレー回路８０Ｕとリアクトル９１Ｕとの接続箇所に向かう方向が順方向となる極性でＵ相用の下側保護ダイオード８２Ｕが接続されている。上側保護ダイオード８１Ｕ及び下側保護ダイオード８２Ｕは、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータ２２（図３）の上側保護ダイオード２４１及び下側保護ダイオード２４２に相当する。Ｖ相及びＷ相についても同様に、リレー回路、上側保護ダイオード、及び下側保護ダイオードが設けられている。
【００６１】
図９Ｂは、リレー回路８０Ｕの等価回路図である。リレー回路８０Ｕは、リレー８４Ｕ、８５Ｕ、及び充電抵抗８６Ｕを含む。リレー８４Ｕ、８５Ｕ、及び充電抵抗８６Ｕの接続構成は、図３に支援した実施例のリレー２２５、２２６、及び充電抵抗２２７の接続構成と同一である。Ｖ相用及びＷ相用のリレー回路も、Ｕ相用のリレー回路８０Ｕの構成と同一である。
【００６２】
Ｕ相用の上側保護ダイオード８１Ｕ、Ｖ相用の上側保護ダイオード、及びＷ相用の上側保護ダイオードは、それぞれチョッパ回路９０を迂回して低圧側端子２２１Ｕ、２２１Ｖ、及び２２１Ｗから高圧側端子２２３に電流を流す迂回路を構成している。Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の迂回路が合流した箇所を流れる電流を電流センサ８３が測定する。コントローラ７０は、電流センサ８３による電流の測定値に基づいて、低圧側端子２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗのいずれかに過電圧が印加されているか否かを判定する。過電圧が印加されていると判定した場合には、Ｕ相用のリレー回路８０Ｕ、Ｖ相用及びＷ相用のリレー回路を遮断する。
【００６３】
次に、図９Ａ及び図９Ｂに示した実施例の優れた効果について説明する。本実施例においては、電流センサ８３、コントローラ７０、Ｕ相用のリレー回路８０Ｕ、Ｖ相用及びＷ相用のリレー回路が、低圧側端子２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗに過電圧が印加された状態を検出し、低圧側端子２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗから高圧側端子２２３に流れる異常電流を遮断する遮断手段としての機能を有する。本実施例においても、過電圧に起因する異常電流を検出してリレー回路８０Ｕ等を遮断することにより、過電圧や異常電流による部品の故障を防止することができる。
【００６４】
図１〜図８では、実施例による電力変換装置をクレーンに適用した例を示したが、実施例による電力変換装置は、その他の作業機械、例えばショベルに適用することも可能である。
次に、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照してさらに他の実施例による電力変換装置を用いたショベルについて説明する。
【００６５】
図１０Ａは、本実施例による電力変換装置を用い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。
【００６６】
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。
【００６７】
電動発電機１２２で発電された電力が電力変換装置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。電力変換装置１３０には、例えば図９に示した実施例による電力変換装置等の双方向インバータが用いられる。
【００６８】
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の構成は、図２Ａに示した実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ３２の構成と同一である。
【００６９】
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、電力変換装置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予知、エンジン１２０をアシストする。
【００７０】
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。
【００７１】
上記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。
【符号の説明】
【００７２】
１０  交流電源
１１  エンジン
１２  発電機
１３  柱
１４  桁
１５  トロリー
１６  巻き上げ機
１６Ａ  吊り下げ具
１７  車輪
１８  レール
２０  電力変換装置
２１  三相全波整流器
２２  ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０  蓄電装置
３２  ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０  直流母線
５０Ｐ  正側母線
５０Ｎ  負側母線
５２  平滑コンデンサ
６１、６２、６３  インバータ
６５  巻上げモータ
６６  横行用モータ
６７  走行用モータ
７０  コントローラ
８０Ｕ  Ｕ相用のリレー回路
８１Ｕ  Ｕ相用の上側保護ダイオード
８２Ｕ  Ｕ相用の下側保護ダイオード
８３  電流センサ
８４Ｕ、８５Ｕ  リレー
８６Ｕ  充電抵抗
９０  チョッパ回路
９１Ｕ  Ｕ相用のリアクトル
９２Ｕ  Ｕ相用の上側スイッチング素子
９３Ｕ  Ｕ相用の下側スイッチング素子
９４Ｕ、９５Ｕ  フリーホイールダイオード
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
２２１  低圧側端子
２２１Ｕ  Ｕ相用の低圧側端子
２２１Ｖ  Ｖ相用の低圧側端子
２２１Ｗ  Ｗ相用の低圧側端子
２２２  負側端子
２２３  高圧側端子
２２４  負側端子
２２５、２２６  リレー
２２７  充電抵抗
２３０  チョッパ回路
２３１  リアクトル
２３２  上側スイッチング素子
２３３  下側スイッチング素子
２３４、２３５  フリーホイールダイオード
２４１  上側保護ダイオード
２４２  下側保護ダイオード
２５０、２５１  電流センサ
２５２  低圧側電圧センサ
２５３  高圧側電圧センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018078768.tif 000009
【図８】
2018078768.tif 000010
【図９】
2018078768.tif 000011
【図１０】
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