(57)【要約】掘削機(1)は、支持構体(3)；掘削ストリング(12)；掘削ヘッド(11)；可撓性引張素子(17)；支持構体(3)に機械的に連結し、また可撓性引張素子(17)に機械的に関連して掘削ストリング(12)を保持及び動作させる動作装置(21)；第１作業モードで動作装置(21)を作動させて掘削ストリング(12)を持ち上げるよう構成し、また第２作業モードで動作装置(21)に対して機械的制動力を加え、掘削ストリング(12)の降下を制御状態で制動して、所望制御降下速度(Vd)に達せしめこれを維持するよう構成し、さらに、電力(Pmot)を発生するよう構成した、少なくとも１つの第１電動モータ(22)；発生した電力(Pmot)を変換済み電力(Pregen)に変換するよう構成した第１双方向電力コンバータ装置(23)；変換済み電力(Pregen)を送電するよう編成した電気エネルギー送電網(24)；変換済み電力(Pregen)を受け取るよう編成した電力消費ユニット(25)であって、少なくとも１つの第１電気エネルギー貯蔵システム(40)及び電力を発生するよう構成した原動機(50)を有する、該電力消費ユニット(25)；所望制御降下速度(Vd)の値を表す少なくとも１つの第１電気制御信号を送信するよう構成した制御グループ(7)；このような第１電気制御信号に基づいて第２電気制御信号を生成し、また第２電気制御信号を第１双方向電力コンバータ装置(23)に送信するよう構成した制御システム(60)であって、第１双方向電力コンバータ装置(23)は、制御システム(60)から受け取った第２電気制御信号に基づいて第１電動モータ(22)の動作を制御し、これにより掘削ストリング(12)が所望制御降下速度(Vd)における降下を実施するよう構成されているものであり、分散型及びリアルタイム型である、該制御システム(60)を備える。【選択図】図２
2021516732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面に孔を掘削するよう構成された掘削機（１）において、
・フレーム（４）及び支柱（５）を有する支持構体（３）と、
・少なくとも掘削ツール（１６）を有し、また前記孔（６１）を掘削するよう作動し得る掘削ストリング（１２）と、
・前記支柱（５）に沿って案内される様態で並進移動するよう構成され、また回転運動及び／又は並進運動を前記掘削ストリング（１２）に与えるよう動力化される掘削ヘッド（１１）と、
・前記掘削ストリング（１２）に連結された可撓性引張素子（１７）と、
・前記支持構体（３）に機械的に連結され、また前記可撓性引張素子（１７）に機械的に関連付けられた動作装置（２１）であって、前記可撓性引張素子（１７）によって、前記孔（６１）のほぼ縦方向（Ｌ）に沿って前記掘削ストリング（１２）を保持及び移動させるようにした、該動作装置（２１）と、
・前記動作装置（２１）に機械的に連結された少なくとも１つの第１電動モータ（２２）であって、第１作業モードで前記可撓性引張素子（１７）によって前記掘削ストリング（１２）を持ち上げるよう構成され、また第２作業モードで前記動作装置（２１）に機械的制動力を印加して前記可撓性引張素子（１７）によって制御された様態において前記掘削ストリング（１２）の降下を制動し、所望制御降下速度（Vd）に達しまたこの速度を維持するよう構成され、またさらに前記第２作業モードで電力（Pmot）を生成するよう構成された、該第１電動モータ（２２）と、
・前記第１電動モータ（２２）に電気的に接続され、また前記第１電動モータ（２２）によって生成された前記電力（Pmot）を変換した電力（Pregen）に変換するよう構成された第１双方向電力コンバータ装置（２３）と、
・前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）に電気的に接続され、前記変換した電力（Pregen）を伝送するよう配備された電気エネルギー送電網（２４）と、
・前記電気エネルギー送電網（２４）に電気的に接続され、前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）によって変換され、また前記電気エネルギー送電網（２４）によって伝送される前記電力（Pregen）を受け取るよう配備された電力消費ユニット（２５）であって、少なくとも１つの第１電気エネルギー貯蔵システム（４０）及び電力を生成するよう構成された原動機（５０）を有する、該電力消費ユニット（２５）と、
・前記掘削ツール（１６）における前記制御降下速度（Vd）の所望値を表している少なくとも１つの第１電気制御信号を送信するよう構成された、制御グループ（７）と、
・前記第１電気制御信号を受信し、このような第１電気制御信号に基づいて第２電気制御信号を生成し、また前記第２電気制御信号を前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）に送信するよう構成された制御システム（６０）であって、前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）は、前記掘削ストリング（１２）が前記所望制御降下速度（Vd）での降下を実施するよう前記制御システム（６０）から受信した前記第２電気制御信号に基づいて前記第１電動モータ（２２）の動作を制御するよう構成されており、分散型及びリアルタイムタイプである、該制御システム（６０）と、
を備える、掘削機。
【請求項２】
請求項１記載の掘削機（１）において、前記制御システム（６０）は、前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）に関連付けられた少なくとも第１内蔵制御ユニット（７０）を有し、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記第１電気制御信号を受信し、このような第１電気制御信号に基づいて第２電気制御信号を生成し、また前記第２電気制御信号を前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）に送信するよう構成され、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記第１電動モータ（２２）が生成した前記電力（Pmot）を、前記電力消費ユニット（２５）が使用できる最大電力（Pmax）より大きくない値に制限するよう構成されている、掘削機。
【請求項３】
請求項２記載の掘削機（１）において、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、以下のパラメータ、すなわち、
・前記掘削ツールの位置（Pos）、
・前記可撓性引張素子に作用する瞬間重量（Weight）、
・使用される掘削技術のタイプ（ＬＤＰ、ＣＦＡ、ＣＡＰ）、
・使用される掘削ツールのタイプ（Tool）、
・第１電動モータのエネルギー効率（Eff）、
・前記動作装置の又はこのような動作装置に機械的に関連付けられる変速機の最大許容回転速度（Nmax1）、
・第１電動モータの最大許容回転速度（Nmax2）、及び
・電力消費ユニットが使用できる最大電力（Pmax）
のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、掘削ストリングの制御降下速度の最大値（Vmax）を決定するよう構成され、
前記第１内蔵制御ユニット７０は、前記制御降下速度の所望値（Vd）と、前記制御降下速度の先に決定された最大値（Vmax）との間における比較に基づいて、所望最大速度値（Vdmax）を決定するよう構成され、さらに、前記第１内蔵制御ユニット７０は、前記所望最大速度値（Vdmax）に基づいて前記第２電気制御信号を生成するよう構成されている、掘削機。
【請求項４】
請求項２又は３記載の掘削機（１）において、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、以下のパラメータ、すなわち、
・前記掘削ツールの位置（Pos）、
・前記可撓性引張素子に作用する瞬間重量（Weight）、
・使用される掘削技術のタイプ（ＬＤＰ、ＣＦＡ、ＣＡＰ）、
・使用される掘削ツールのタイプ（Tool）、
のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、前記掘削ツールの降下加速度及び／又は減速度の最大値（Amax）を決定するよう構成され、
前記第１内蔵制御ユニット７０は、前記制御降下速度（Vd）の所望値に基づいて決定される加速度又は所望減速度（Ad）の所望値と、先に決定された降下加速度及び／又は降下減速度の最大値（Amax）との間における比較に基づいて、所望制御降下速度の最大許容値（Vdadm）を決定するよう構成されている、掘削機。
【請求項５】
請求項１記載の掘削機（１）において、前記電力消費ユニット（２５）は、複数の電気エネルギー貯蔵システム（４０、４３）を有する、掘削機。
【請求項６】
請求項１又は５記載の掘削機（１）において、前記電気エネルギー貯蔵システム（４０）は、少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）及び前記第２双方向電力コンバータ装置（４１）に関連付けられる少なくとも１つの第１貯蔵ユニット（４２）を有し、前記制御システム（６０）は、前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）に関連付けられる少なくとも１つの第２内蔵制御ユニット（８０）を有し、前記第２内蔵制御ユニット（８０）は、前記掘削ストリング（１２）の少なくとも１回の降下行程中に前記変換した電力（Pregen）に基づいて、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵システム（４０）に貯蔵される電力（Pstored）の瞬間値を制御するような、また前記掘削ストリング（１２）の少なくとも１回の持ち上げ行程中に前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵システム（４０）から電力を前記第１電動モータ（２２）に伝送するような第３電気制御信号を、前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）に送信するよう構成されている、掘削機。
【請求項７】
請求項６記載の掘削機（１）において、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記第１電動モータ（２２）によって発生した電力（Pmot）の瞬間値及び／又は前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）によって変換されかつ前記電気エネルギー送電網（２４）によって伝送される電力（Pregen）の瞬間値を決定するよう構成され、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記決定された少なくとも一方の瞬間値（Pmot、Pregen）を前記少なくとも１つの第２内蔵制御ユニット（８０）に送信するよう構成され、前記少なくとも１つの第２内蔵制御ユニット（８０）は、前記第１内蔵制御ユニット（７０）によって決定された少なくとも一方の瞬間値（Pmot、Pregen）に基づいて、前記少なくとも１つの第１電気エネルギー貯蔵システム（４０）内に貯蔵される電力（Pstrored）の瞬間値を制御するような前記第３電気制御信号を前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）に送信するよう構成されている、掘削機。
【請求項８】
請求項６又は７記載の掘削機（１）において、前記少なくとも１つの第１貯蔵ユニット（４２）は、スーパーキャパシタの第１ユニット又は二次電池の第１ユニットである、掘削機。
【請求項９】
請求項６から８のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）は多相タイプであり、また前記少なくとも１つの第２内蔵制御ユニット（８０）は、
・前記電気エネルギー送電網（２４）の電圧（Vlink）における瞬間値を決定し、このような瞬間値を、前記電気エネルギー送電網（２４）の電圧における第１基準値（Vlinkref1）と比較し、このような比較に基づいて前記電気エネルギー送電網（２４）の電圧における第１制御値を生成するよう、
・前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）の各相を流れる電流値を測定し、また各相を流れる電流値を前記相電流の最大許容値よりも大きくない値に制限するよう、
・前記電圧の第１制御値及び前記相電流の最大許容値のうち少なくとも一方のパラメータに基づいて、前記少なくとも１つの第１電気エネルギー貯蔵システム（４０）内に貯蔵される電力（Pstrored）の前記瞬間値を制御するような前記第３電気制御信号を前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）に送信するように構成されている、掘削機。
【請求項１０】
請求項６から９のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、少なくとも、前記第１電動モータ（２２）のための、前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）のための、前記少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置（４１）のための、前記少なくとも１つの第１貯蔵ユニット（４２）のための、前記第１内蔵制御ユニット（７０）のための、及び前記少なくとも１つの第２内蔵制御ユニット（８０）のための液体冷却システムを備える、掘削機。
【請求項１１】
請求項２から１０のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、コントローラを有し、また前記可撓性引張素子に作用する瞬間重量（Weight）に基づいて、又は前記掘削ストリング（１２）のジオメトリを表しているパラメータに基づいて、このようなコントローラにおける特性パラメータの値を変化させるよう構成されている、掘削機。
【請求項１２】
請求項１から１１のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、電力を発生するよう構成された前記原動機（５０）は、内燃機関（５１）、前記内燃機関（５１）に機械的に連結される第２電動モータ（５２）、及び前記第２電動モータ（５２）に電気的に接続された第３電力コンバータ装置（５３）を有し、また前記制御システム（６０）は、前記第３電力コンバータ装置（５３）に関連付けられる第３内蔵制御ユニット（９０）を有し、前記第３内蔵制御ユニット（９０）は、電力を発生するよう構成された前記原動機（５０）が前記掘削ストリング（１２）の少なくとも１回の持ち上げ行程中に電力を前記第１電動モータ（２２）に伝送するような第４電気制御信号を前記第３電力コンバータ装置（５３）に送信するように構成されている、掘削機。
【請求項１３】
請求項１から１１のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、電力を発生するよう構成された前記原動機（５０）は、燃料電池（５４）、及び前記燃料電池（５４）に電気的に関連付けられた第６電力コンバータ装置（５５）を有し、また前記制御システム（６０）は、前記第６電力コンバータ装置（５５）に関連付けられる第６内蔵制御ユニット（９４）を有し、前記第６内蔵制御ユニット（９４）は、電力を発生するよう構成された前記原動機（５０）が前記掘削ストリング（１２）の少なくとも１回の持ち上げ行程中に電力を前記第１電動モータ（２２）に伝送するような第７電気制御信号を前記第６電力コンバータ装置（５５）に送信するように構成されている、掘削機。
【請求項１４】
請求項１から１３のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、前記電力消費ユニット（２５）は少なくとも１つの消散的電気制動システム（３０）を有し、前記消散的電気制動システム（３０）は、少なくとも１つの第５電力コンバータ装置（３１）及び前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）によって変換された電力（Pregen）の少なくとも一部分を熱的パワーに変換するよう構成された少なくとも１つの抵抗（３２）を有し、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、さらに、前記少なくとも１つの第５電力コンバータ装置（３１）に関連付けられており、また
・前記電気エネルギー送電網（２４）の電圧（Vlink）における瞬間値を決定し、このような決定された瞬間値を、前記電気エネルギー送電網（２４）の電圧における第２基準値（Vlinkref2）と比較し、このような比較に基づいて前記電気エネルギー送電網（２４）の電圧における第２制御値を生成するよう、
・少なくとも電圧の前記第２制御値に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗（３２）が前記変換された電力（Pregen）の少なくとも一部分を熱的パワーに変換するような第５電気制御信号を前記少なくとも１つの第５電力コンバータ装置（３１）に送信するように構成されている、掘削機。
【請求項１５】
請求項１４記載の掘削機（１）において、前記少なくとも１つの消散的電気制動システム（３０）は、前記少なくとも１つの第１貯蔵ユニット（４２）における充電状態を表す瞬間値（SOCinst1、SOCinst2）に基づいて、前記第１双方向電力コンバータ装置（２３）が変換した電力（Pregen）の少なくとも一部分を熱的パワーに変換する、掘削機。
【請求項１６】
請求項２から１５のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、前記制御システム（６０）は、前記第１電気制御信号の前記掘削機（１）における作業状態に対する適合性を検証するよう構成された中央制御ユニット（９１）を有し、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記適合性検証後にのみ前記第１電気制御信号を処理するよう構成されている、掘削機。
【請求項１７】
請求項２から１６のうちいずれか１項記載の掘削機（１）において、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記第１電動モータ（２２）におけるローターの瞬間角度位置（Posrot）及び瞬間角速度（Vrot）を決定するよう構成された計算方法を実現する計算命令群を有し、これにより前記第１電動モータ（２２）が前記可撓性引張素子（１７）によってゼロの瞬間降下速度（Vinst）で前記掘削ストリング（１２）を保持するよう前記動作装置（２１）に制動を加え、前記第１内蔵制御ユニット（７０）は、前記第１電動モータ（２２）におけるローターのこのような瞬間角度位置（Posrot）に基づいて、前記掘削ツールの位置（Pos）を決定するよう構成されている、掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地面に孔を掘削するよう構成された掘削機であって、孔内において制御された速度での降下行程中に掘削ストリングの電気的制動を実施するよう構成された電動モータによって移動する掘削ストリングの動作装置を備える掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
地面に孔を掘削するよう構成された掘削機は、フレーム及び支柱を有する支持構体を備え、支柱には掘削ヘッドを摺動させるよう配備した案内（ガイド）を装備する。掘削機分野で「回転式（ロータリー）」と称されるこの掘削ヘッドは、支柱に沿って案内されて並進移動するよう構成され、また掘削ストリングに回転運動及び／又は並進運動を与えるよう動力化する。支持構体は、この支持構体自体に付随する移動アセンブリによって並進移動する。支持構体に付随する原動機、代表的には内燃機関は掘削機のすべての駆動装置に必要な動力を送給する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような既知の掘削機は、一般的に固定する掘削技術によって地面に孔を掘削するよう構成された掘削ツール（例えば、バケット、ドリル、コアバレル、連続フライトオーガ）を装備する。掘削段階後には、この孔にセメント混合物を充填し、その固化後に基礎パイルが得られる。基礎パイル設置中、例えば、「ＣＦＡ又は連続フライトオーガ（Contiuous Flight Auer）」と称されるいわゆる連続フライトオーガでの掘削技術を用いることによって、「ＣＡＰ又はケースド・オーガ・パイル（Cased Auer Pile）」と称されるいわゆるケースド連続フライトオーガでの掘削技術を用いることによって、掘削ツールは、いわゆる「掘削ストリング」である連続フライトオーガを仕立て、この掘削ストリングは、孔を掘削するよう回転駆動されるよう掘削ヘッドに機械的に連結する。この目的のために、掘削ストリングは、孔のほぼ縦方向に沿って孔自体内で移動することができる形状である。可撓性引張素子は、掘削ヘッドに連結し、またこの掘削ヘッドを保持及び移動するよう配備される。したがって、可撓性引張素子は、掘削ヘッドを介して間接的に掘削ストリングに連結され、また掘削ストリング自体を保持及び移動するよう配備される。可撓性引張素子は、動作装置によって孔のほぼ縦方向に沿ってこの掘削ストリングを移動させる。
【０００４】
この動作装置は、例えば、少なくとも１つの液圧モータによって作動するウインチを有する動作デバイスを有する。支持構体に付随する原動機は、液圧モータを動作させるのに必要な液圧動力を供給するために燃料の化学エネルギーを使用する。孔を掘削するため、連続フライトオーガは、掘削ヘッドにより回転駆動される。連続フライトオーガの「ねじ」型ジオメトリに起因して、形成している孔内における掘削ストリングの降下行程中、この連続フライトオーガは地面内を前進する間において一時的にねじのように振る舞い、適正に保持されない場合、物質排除をすることなしに前進しがちである。可撓性引張素子を介して動作装置によって加わる制動アクションによってフライトオーガを保持することによって、フライトオーガのフライトによって実施される各回転は、フライト自体のピッチよりも小さくなるフライトオーガの縦方向前進に強制的に対応する。このようにして、フライトオーガは物質排除をしつつ地面内で前進する。大きな直径の基礎パイル設置のための掘削中に、例えば、「ＬＤＰ又はラージ・ダイアメター・パイル（Large Diameter Pile）」と称される掘削技術を用いることによって、掘削ツールは、一般的にいわゆる「ケリー」式抜き差しロッドと称される管状抜き差し素子に機械的に連結したバケット又はドリルを構成する。
【０００５】
これら抜き差しロッド及び掘削ツールから成るアセンブリは、通常「掘削ストリング」と称され、また孔のほぼ縦方向に沿って孔自体内で移動することができる形状である。この掘削ストリングは、孔のほぼ縦方向に沿って孔内で掘削ストリングを保持及び移動するよう配備される可撓性引張素子に直接連結され、また例えば、少なくとも１つの液圧モータによって動作するウインチを有する動作装置によって移動させられる。
【０００６】
支持構体に付随する原動機は、液圧モータを動作させるのに必要な液圧動力を供給するために燃料の化学エネルギーを使用する。抜き差しロッドには掘削ヘッドによって与えられる回転運動を受け取るよう配列される縦方向細条を装備する。これら抜き差しロッドは、互いに同軸状に並進移動できる少なくとも２つの管状素子によって形成され、少なくとも外側ロッドの上方端部には掘削ヘッドに接触することになるように配備された外側衝合カラーを設け、また外側ロッド内で同軸状に摺動するよう少なくとも１つの内側ロックを配備する。
【０００７】
外側ロッドの下方端部には、内側ロッドの上方端部に存在するカラーと接触することになるように配備された内側衝合カラーを設け、端部行程位置での相対的同軸状摺動を停止させるようにする。内側ロッドは、一方の端部で可撓性引張素子によって保持されるよう構成し、また他方の端部で掘削ヘッドによって与えられる回転運動を掘削ツールに伝達するよう構成する。「ＬＤＰ」と称される掘削技術を使用することによって、すなわち、管状抜き差し素子に機械的に連結した掘削ツールによって実施される掘削中、掘削ストリングは、孔の底部から繰り返しかつ周期的に上昇させ、ツールに溜まった土を地面レベルで空にすることができるようにしなければならない。
【０００８】
掘削ツールを空にするステップを完了させてまた掘削を継続させる度毎に、ツールが再び掘削すべき土壌に接触するよう孔内に掘削ストリングを戻し降ろす必要がある。したがって、地面レベルと孔の底部との間における掘削ストリングのこの降下及び上昇は、所望掘削深さに到達するまでに周期的に繰り返さなければならないことを理解すべきである。
【０００９】
掘削ストリングの降下行程の初期部分において、外側ロッドは内側ロッドの下方端部に存在する外部衝合部によって内側ロッドに休止し、したがって、掘削ストリングの全重量が可撓性引張素子に作用する。
【００１０】
降下行程がより大きな深さに進行するにつれて、外側ロッドの上方端部に存在する外部衝合カラーが掘削ヘッドに接触するような深さに達し、こうすることによって、外側ロッドがさらに降下を継続することを阻害し、掘削ヘッド自体上に軸方向にロックされた状態に留まる。この時点でのより大きな深さへの掘削ツールの更なる降下は、外側ロッドに対する内側ロッドの同軸状の摺動によってのみ継続することができる。
【００１１】
掘削ツールが達成できる最大降下深さは、内側ロッドが端部行程位置にあるとき、すなわち、この内側ロッドの上方端部に存在するカラーが外側ロッドの下方端部に存在する内側衝合部に接触するときに達する。
【００１２】
外側ロッドが掘削ヘッドに接触するとき、この外側ロッドの重量はもはや可撓性引張素子、したがって動作装置には作用せず、掘削ヘッドに伝達される。内側ロッドが端部行程位置に達して外側ロッドに接触するとき、この内側ロッドの重量はもはや可撓性引張素子、したがって、動作装置には作用せず、掘削ヘッドに伝達される。
【００１３】
実際、外側ロッドは掘削ヘッドに接触し、また内側ロッドが端部行程位置でこの外側ロッドに接触するため、内側ロッドの重量が外側ロッドの重量に加えて掘削ヘッドに伝達されることになる。「ＬＤＰ」掘削技術を使用することによる既知タイプの掘削機が到達できる掘削深さは１００メートルより大きいことさえもあり得るため、通常、互いに内外に５個又は６個にもなる抜き差しロッドを有するようになる複数の管状抜き差し素子から成る掘削ストリングを使用することを必要とし、全体で２０トンを超える質量となる。
【００１４】
この目的のため、既知タイプの掘削機は、到達しなければならない掘削深さに基づいて、異なる重量の様々な掘削ストリングを使用できるよう編成される。掘削ストリングの大きな質量は、それ自らの重量で一時的に降下行程を行うが、過剰な降下速度になりがちであることを意味する。
【００１５】
このような大きな質量と相まった深い掘削深さは、結果として各降下行程の開始時に重力による多量の潜在エネルギーを掘削ストリングが持つことになる。既知タイプの掘削機において、この多量の潜在エネルギーは、動作装置を動作させる液圧モータの液圧回路に接続したオーバーセンターバルブであって、モータ自体の出口におけるオイル流の調整で制動アクションを加えることにより掘削ストリングの降下速度を制御する、該オーバーセンターバルブによって全体的に熱として消散される。
【００１６】
このオーバーセンターバルブは、制御ジョイスティックによって掘削機オペレータが制御するパイロット圧力に基づいて作用する。既知タイプの掘削機における掘削ストリングの降下速度を制御するに必要なパイロット圧力は、内燃機関に機械的に連結したポンプによって発生しなければならないため、掘削ストリングの降下速度制御は燃料消費を必要とする。
【００１７】
さらに、オーバーセンターバルブの使用は、既知タイプの掘削機に使用できる多様な掘削ストリングを制限し、またひいては達成できる掘削深さを制限する。実際に、安全要因を考慮して、オーバーセンターバルブにはこのバルブを常開状態に維持する圧力を誘導する重量よりも大きな重量を有し、したがって、掘削ストリングの降下速度を制御不能にする掘削ストリングを使用することはできない。
【００１８】
このような多量のエネルギー消散は、大域的にエネルギーの観点から見て既知タイプの掘削機を非効率なものにし、また内燃機関の大きな燃料消費を招き、これはすなわち、掘削ストリングの移動はこのタイプの掘削機の運転サイクルの大きな部分にわたるからである。さらに、動作装置を動作させるために液圧モータを使用することはこのタイプのモータに典型的な低効率及びこのタイプの駆動装置に必要な液圧系に存在する相当な圧力低下に起因した液圧系全体の低い全体効率の問題によって影響を受ける。
【００１９】
オーバーセンターバルブのパイロット圧力発生に必要な燃料消費を制限するためには、高いパイロット比を有するオーバーセンターバルブを必要する。しかし、高いパイロット比を使用することは、掘削ストリングにおけるどの抜き差し素子の重量ももはや可撓性引張素子に作用せず、掘削ヘッドに作用して可撓性引張素子に対して作用する、したがって、動作装置に対する重量の急激変動を生ぜしめるときに、動作装置の動作に不安定さを引き起こすおそれがある。
【００２０】
したがって、このような不安定さのリスクを低減するために、概して、低パイロット比を有するオーバーセンターバルブが使用される。しかし、低パイロット比を有するオーバーセンターバルブは、ポンプが発生するパイロット圧力を増大する必要性を伴い、ポンプを駆動するに使用される燃料消費を増大させる。
【００２１】
この結果、既知タイプの掘削機は、掘削ストリングの移動を実施する上で多量の燃料を使用する問題がある。高い燃料消費量は高い頻度の燃料補給を招き、これに関連する掘削機のダウンタイムが既知タイプの掘削機の低生産性を生起する。
【００２２】
掘削ストリングの降下行程に沿って、制御降下速度を常に保証することが必須である、すなわち、この制御降下速度の値が掘削ストリングの降下行程全体に沿って所望及び限定された値に一致するよう、掘削ストリングに適切に制御された制動アクションを加えることによって降下速度を制御する必要がある。孔内における掘削ストリングの降下行程全体に沿う降下速度制御は、先ず第１に、掘削ストリングの抜き差し素子と掘削ヘッドとの間における破壊的な衝突を回避することが必要である。
【００２３】
実際、例えば、制御不能速度での降下に起因して、すなわち、いかなる抜き差しロッドもの重量を可撓性引張素子から掘削ヘッドに伝達するときの「フリーフォール」に起因して抜き差しロッドの降下速度が高すぎる場合、この制御不能速度で生ずる結果としての衝撃は過剰となり、掘削ヘッド自体に損傷を与える。
【００２４】
第２に、孔内における掘削ストリングの制御降下速度を常に保証する必要性は、作成すべき基礎パイルの品質を損なわないようにするため、作成される孔の壁に対する損傷を回避する必要性に起因する。
【００２５】
実際、いわゆる「ドライ掘削」、すなわち、孔を維持する流体がない状態での孔内での掘削ストリングの降下中、掘削ツールは孔自体の壁に接触し、摩擦に起因して壁を損傷し、壁から土壌部分が地滑りすることによる剥落を生ぜしめるおそれがあり、この損傷は降下速度が増大するにつれて増大する。いわゆる「流体掘削」、すなわち、壁の地滑りを防止するため孔内に完全に充填する流体が存在する状態で孔内における掘削ストリングの降下中には、それにも関わらず、孔内における掘削ストリングの降下速度が過剰である場合、掘削ツールの通過中に掘削ツールと孔の壁との間で流動するこの流体の乱流運動が壁自体の浸食を引き起こすおそれがあり、降下速度が増大するにつれて増大する損傷を生起する。
【００２６】
降下速度の制御は不安定さがないものにしなければならず、これはすなわち、動作装置の動作におけるいかなる不安定さも制御降下速度の所望値に対する瞬間降下速度の値の過剰振動を生起するからである。このような過剰速度振動に起因して、掘削ストリングの抜き差し素子がその重量を過剰な高速で掘削ヘッドに伝達し、掘削ヘッド自体に損傷を与える衝撃を引き起こすおそれがある、又は作成している孔の壁に損傷を与えるおそれがある。
【００２７】
このような損傷を修復することは掘削機のダウンタイムを引き起こし、したがって、既知タイプの掘削機の生産性を低下させるということを理解できるであろう。他方、その代わりに、孔の掘削に有効に使用されない時間を短縮するよう孔内における掘削ストリングの降下速度を最大化することが必須である。
【００２８】
したがって、制御されかつ不安定さがない、すなわち、抜き差し素子の掘削ヘッドに対する破壊的衝撃を生ずることがなく、また作成している孔の壁が損傷を受けることがなく、依然として掘削機の高い生産性を保証するに十分であるような降下速度を常に保証するのが必須であることを理解しなければならない。
【００２９】
既知タイプの掘削機において、パイロット圧力によって掘削ストリングの制御降下速度を制御することは、液圧オイルの圧縮率で生ずる応答遅延によって、オイル自体の圧力によって影響されるパイプの弾性によって、またバルブ及び液圧分配器の作動における機械的遅延によって影響を受ける。これらはすべて、制御の容易さの観点及び正確かつ安定性の観点の双方から、既知タイプの掘削機が孔内における掘削ストリングの制御降下速度をうまく制御できないという事実に帰結する。
【００３０】
本発明の目的は、上述の欠点を克服するにあり、またとくに、従来技術の掘削機よりも燃料消費を低減でき、また孔内における掘削ストリングの降下速度制御を改善することもできる掘削機を創り出すことにある。本発明の他の目的は、既知タイプの掘削機よりも高い生産性を有する掘削機を創り出すことにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明によるこれら及び他の目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載のような掘削機を作成することによって達成される。
掘削機の他の特徴は特許請求の範囲従属項の要旨である。
【００３２】
本発明による掘削機の特徴及び利点は、例示的であり、また限定的なものでないと理解されたい以下の説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による掘削機を示す。
【図２】図１の掘削機内に備えられ、本発明の第１実施形態により構成される、動作装置、第１電動モータ、第１双方向電力コンバータ装置、電気エネルギー送電網、制御システム、制御グループ、及び電力消費ユニットを示すブロック図である。
【図３】図１の掘削機の第１内蔵制御ユニット及びこのような掘削機の幾つかのコンポーネントを示すブロック図であり、とくに、第１内蔵制御ユニットは複数の機能ブロックによって表し、これら機能ブロックは第１内蔵制御ユニット内にローディングされたコンピュータ制御プログラムの計算モジュールに対応する。
【図４】図１の掘削機内に備えられ、本発明の第１実施形態の変更形態により構成される、動作装置、第１電動モータ、第１双方向電力コンバータ装置、電気エネルギー送電網、制御システム、制御グループ、及び電力消費ユニットを示すブロック図である。
【図５】図１の掘削機内に備えられ、本発明の第１実施形態の他の変更形態により構成される、動作装置、第１電動モータ、第１双方向電力コンバータ装置、電気エネルギー送電網、制御システム、制御グループ、及び電力消費ユニットを示すブロック図である。
【図６】図１の掘削機内に備えられ、本発明の第２実施形態により構成される、動作装置、第１電動モータ、第１双方向電力コンバータ装置、電気エネルギー送電網、制御システム、制御グループ、及び電力消費ユニットを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面を参照すると、本発明による掘削機は全体的に参照符号１で示す。掘削機１は、移動体アセンブリ２及び支持構体３を備える。代表的には下部車架である移動体アセンブリ２は、支持構体３に機械的に連結し、地面上で支持構体３自体の並進移動を実施するよう動力化する。
【００３５】
支持構体３は、移動体アセンブリ２に固定式に、又は軸線Ｒの周りに回転できるよう機械的に連結し、この支持構体３は、フレーム４と、及びガイド１０を設けた支柱５を有する。例えば、運転室である制御ステーション６は、フレーム４に機械的に連結し、また例えば、ジョイスティック及び／又はペダルである少なくとも１つの制御装置８を有する少なくとも制御グループ７と、並びに例えば、制御パネル又はキーパッドであり、双方ともオペレータが操作できる、いわゆる「ＨＭＩ」と称されるヒューマン・マシン・グラフィカル・インタフェース９を備える。
【００３６】
掘削機１は、さらに、ガイド１０によって支柱５に沿って案内するよう並進移動するよう構成され、また掘削ストリング１２に対して回転運動及び／又は並進移動を付与するように動力化した掘削ヘッド１１を備える。この掘削ストリング１２は、孔自体のほぼ縦方向である方向Ｌに沿う孔６１内部で移動できるような形状である。この掘削ストリング１２は、掘削ヘッド１１によって作動して、孔を掘削することができる。
【００３７】
とくに、図１に示す掘削ストリング１２は、単に例として外部抜き差しロッド１３及び内部抜き差しロッド１４から成り、双方のロッドともに縦方向細条１５を設けてあり、またさらに、内部抜き差しロッド１４に連結した掘削ツール１６を有する。このような縦方向１５によって、これら抜き差しロッド１３及び１４は、掘削ヘッド１１によって与えられる回転運動を受け取り、またこの回転運動を掘削ツールに伝達するよう構成され、またさらに、これらロッドは、これらロッドの縦方向軸線に沿って外部ロッド１３に対する外部ロッド１４の同軸状並進移動を可能にするよう構成される。
【００３８】
掘削機１は、さらに、代表的にはワイヤロープであり、支柱５に沿って滑車１８、１９、２０によって帰還させられ、また掘削ストリング１２を保持及び移動させるよう配備された可撓性引張素子１７を備える。掘削機１は、さらに、例えば、ウインチであり、機械的に支持構体３に連結され、また機械的に可撓性引張素子１７が付随する動作装置２１を備え、さらにまた、第１電動モータ２２を備える。第１電動モータ２２は、直接的に動作装置２１に機械的な連結をする、又は図面には示されない変速機３４を介して間接的に動作装置２１に機械的な連結をすることができる。動作装置２１は、第１電動モータ２２によって動作して、孔自体に対するほぼ縦方向の方向Ｌに沿って可撓性引張素子１７により掘削ストリング１２を移動させることができる。
【００３９】
単なる例としては電磁的制御の機械的ブレーキである、図面に示さない機械的パーキングブレーキを動作装置２１に機械的に付随させ、機械的パーキングブレーキは、動作装置自体の速度が最少閾値より低くなるとき、又は緊急ブレーキが必要とされるとき、自動的に係合して動作装置２１の運動を完全に停止させ、また可撓性引張素子１７によって掘削ストリング１２の重量を保持するよう構成される。
【００４０】
図示の動作装置２１はフレーム４に機械的に連結されているが、支柱５に機械的に連結することができる。第１電動モータ２２は、第１作業モードでは、可撓性引張素子１７によって掘削ストリング１２を持ち上げるよう動作装置２１を作動させるよう構成し、また第２作業モードでは、動作装置２１に機械的制動力を加え、可撓性引張素子１７によって制御状態で掘削ストリング１２の降下に制動をかけ、所望の制御降下速度Vdにしてこれを維持するよう構成される。
【００４１】
第１電動モータ２２は、さらに、第２作業モードでは電力Pmotを生ずるよう構成する。とくに、第１電動モータ２２は、機械的制動力を動作装置２１に加え、この機械的制動力を発生した電力Pmotに変換する。
【００４２】
第１電動モータ２２は、孔内での降下フェーズ及び孔６１外部での降下フェーズすなわち、掘削ツール１６が地面レベル６２より上方に位置するとき、例えば、掘削ツール１６内に溜まった土を地面レベル６２に放出して空にするステップの双方において、所望制御速度の降下行程中に掘削ストリング１２に制動を掛けることができる。
【００４３】
第１電動モータ２２は第１双方向電力コンバータ装置２３に電気的に接続し、この第１双方向電力コンバータ装置２３は、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイス、例えば、サイリスタ（ＳＣＲ、ＧＴＯ）又はトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ）を有する。この第１双方向電力コンバータ装置２３は、次に「リンク」と称される電気エネルギー送電網２４に電気的に接続する。第１双方向電力コンバータ装置２３は、第１電動モータ２２によって発生した電力Pmotを変換済み電力Pregenに変換するよう構成し、またこの変換済み電力Pregenをリンク２４に入力させるよう構成する。例えば、第１双方向電力コンバータ装置２３は、少なくとも発生した電力Pmotの電圧及び電流の形式を変換するＡＣ／ＤＣコンバータとして構成することができる、又は少なくとも発生した電力Pmotの電圧及び電流における少なくとも強度を変換するＡＣ／ＤＣ若しくはＤＣ／ＤＣコンバータとして構成することができる。
【００４４】
電力消費ユニット２５は、リンク２４に電気的に接続し、また第１双方向電力コンバータ装置２３によって変換された変換済み電力Pregenを受け取るよう配備する。リンク２４は、第１双方向電力コンバータ装置２３に電気的に接続し、また第１双方向電力コンバータ装置２３によって変換された変換済み電力Pregenを電力消費ユニット２５に伝送するよう配置する。電力消費ユニット２５は、少なくとも１つの第１電気エネルギー貯蔵システム４０と、及び電力を発生するよう構成した原動機５０とを有する。第１電気エネルギー貯蔵システム４０は、少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置４１を有し、この第２双方向電力コンバータ装置４１は、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイス、例えば、サイリスタ（ＳＣＲ、ＧＴＯ）又はトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ）と、及び少なくとも１つの第２双方向電力コンバータ装置４１に付随する少なくとも１つの第１貯蔵ユニット４２とを有する。
【００４５】
この第１貯蔵ユニット４２は、単に例として、互いに直列及び／若しくは並列に電気的に接続した電気的２層キャパシタのような多重スーパーキャパシタを有するスーパーキャパシタによる第１ユニットとすることができる、又は単に例として、互いに直列及び／若しくは並列に電気的に接続したＬｉ-Ｉｏｎ若しくはＬｉ-ＦｅＰＯ４型のリチウム電池又は純粋鉛電池のような複数の二次電池を有する二次電池による第１ユニットとすることができる。
【００４６】
図２に示すような本発明の第１実施形態において、原動機５０は、少なくとも、例えばジーゼルエンジンのような内燃機関５１と、内燃機関５１に機械的に連結した第２電動モータ５２とを有し、またさらに、第２電動モータ５２に電気的に付随する第３電力コンバータ装置５３であって、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイス、例えば、サイリスタ（ＳＣＲ、ＧＴＯ）又はトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ）を有する、該第３電力コンバータ装置５３を有する。とくに、この第３電力コンバータ装置５３は双方向性とすることができるが、代案として、一方向性とすることができる。
【００４７】
制御グループ７は、掘削ツール１６の所望制御降下速度（Vd）の値を表す少なくとも１つの第１電気制御信号を送信するよう構成する。
【００４８】
掘削機１は、さらに、動作装置２１の運動を制御するよう配備した制御システム６０を備える。とくに、制御システム６０は、第１電気制御信号を受信し、この第１電気制御信号に基づいて第２電気制御信号を生成し、これら第２電気制御信号を第１双方向電力コンバータ装置２３に送信するよう構成し、第１双方向電力コンバータ装置２３は、実際、掘削ストリング１２を所望制御速度Vdで降下させることを実施するため、受信した第２電気制御信号に基づいて第１電動モータ２２の動作を制御するよう構成される。
【００４９】
有利には、制御システム６０は、少なくとも第１双方向電力コンバータ装置２３に付随する第１内蔵制御ユニット７０を有し、この場合、この第１内蔵制御ユニット７０は、第２電気制御信号を生成するよう構成される。
【００５０】
好適には、制御システム６０は分散型とする、すなわち、複数の内蔵制御ユニットを設け、各内蔵制御ユニットは掘削機１のコンポーネントを制御するよう配備される。この場合、分散型制御システムはリアルタイム型とする、すなわち、予め規定した時間周期内で種々の内蔵制御ユニット間で通信データの交換を可能にするよう配備する。制御システム６０におけるこのタイプのアーキテクチャの利点を以下に説明する。
【００５１】
本発明の第１実施形態において、制御システム６０は、さらに、第２双方向電力コンバータ装置４１に付随する第２内蔵制御ユニット８０と、第３電力コンバータ装置５３に付随する第３内蔵制御ユニット９０と、例えば、安全機能を有するＰＬＣのような中央制御ユニット９１と、及び少なくとも１つの通信プロトコルによって、さらに、可能であれば複数の異なる通信プロトコルによって通信データを伝送するように配備した通信システム９２とを有する。とくに、この通信システム９２は、内蔵制御ユニット７０、８０、９０間で、また各内蔵制御ユニット７０、８０、９０と中央制御ユニット９１との間で通信データを伝送するよう配備する。リアルタイム制御システム６０は、種々の内蔵制御ユニット７０、８０、９０間で、また各内蔵制御ユニット７０、８０、９０と中央制御ユニット９１との間で予め規定した時間周期内で通信データの交換を可能にするよう配備する。有利には、しかし限定する意味ではなく、第１双方向電力コンバータ装置２３及び第１内蔵制御ユニット７０は第１共通エンクロージャ２７内に収容し、第２双方向電力コンバータ装置４１及び第２内蔵制御ユニット８０は第２共通エンクロージャ２８内に収容し、また第３電力コンバータ装置５３及び第３内蔵制御ユニット９０は第３共通エンクロージャ２９内に収容する。このような機能エンクロージャ２７、２８、２９は、例えば、既知のタイプの電気的スイッチボード、電気的ボックス、又は電気的キャビネットとすることができる。
【００５２】
第１内蔵制御ユニット７０は、例えば、少なくとも１つのＤＳＰ及び／又は１つのマイクロプロセッサ及び／又は１つのマイクロコントローラ及び／又は１つのＦＰＧＡを有し、この第１内蔵制御ユニット７０はプログラム化する、すなわち、第１内蔵制御ユニット７０のメモリユニット内にローディングしたコンピュータ制御プログラムを有する。このコンピュータ制御プログラムは、複数の計算モジュール、すなわち、第１双方向電力コンバータ装置２３の制御に関与する複数の計算命令群を有する。これら計算モジュールは、必ずしも所定シーケンスに従って互いに順次に実行する必要はなく、計算モジュールの計算命令は、他の計算モジュールにおける計算命令の結果に依存するようにすることができる。後者のケースにおいては、実際、計算モジュールの実行は、１つ又はそれ以上の「予備」計算モジュールの先行実行に依存することができる。第１内蔵制御ユニット７０の制御プログラムは、少なくとも速度制限モジュール７１、速度調節モジュール７２、トルク調節モジュール７３、電力制限モジュール７５、電気制御信号を生成する第１モジュール７７Ａ、瞬間位置及び速度微分モジュール７８、及び加速及び減速制限モジュール７９を有する。
【００５３】
第２内蔵制御ユニット８０は、例えば、少なくとも１つのＤＳＰ及び／又は１つのマイクロプロセッサ及び／又は１つのマイクロコントローラ及び／又は１つのＦＰＧＡを有し、この第２内蔵制御ユニット８０はプログラム化する、すなわち、第２内蔵制御ユニット８０のメモリユニット内にローディングしたコンピュータ制御プログラムを有する。このコンピュータ制御プログラムは、複数の計算モジュール、すなわち、第２双方向電力コンバータ装置４１の制御に関与する複数の計算命令群を有する。第２内蔵制御ユニット８０内にローディングされた制御プログラムは、少なくとも第１リンク電圧調節モジュール、第１電流制限モジュール、電気制御信号を生成する第２モジュール、及び第１熱管理モジュールを有する。中央制御ユニット９１は、少なくとも制御グループ７に電気的に接続する、すなわち、制御デバイス８、ＨＭＩ９、及び通信システム９２に電気的に接続する。この通信システム９２は、少なくとも第１内蔵制御ユニット７０、第２内蔵制御ユニット８０、及び第３内蔵制御ユニット９０、及び中央制御ユニット９１に電気的に接続する。
【００５４】
第１実施形態による掘削機１の運用は、図１から３につき以下に説明する。掘削ツール１６内に溜まった土を地面レベル６２に放出して空にするステップが完了し、また孔６１の縦方向軸線Ｌに掘削ストリングを位置決めした後、オペレータは、孔内における掘削ツール１６の制御した降下速度の所望値を付与するよう、制御デバイス８又はＨＭＩ９を作動する。
【００５５】
制御グループ７は、掘削ツール１６の孔内における制御降下速度Vdの所望値を表している第１電気制御信号を、中央制御ユニット９１に送信するよう構成する。掘削ツール１６は「ケリー」式抜き差しロッドに機械的に連結する場合、掘削ツール１６の制御降下速度Vdの所望値は、各ロッドの重量が可撓性引張素子１７に作用し、かつ掘削ヘッド１１には作用しない限り、各抜き差しロッド１３、１４の所望制御降下速度の値に一致する。
【００５６】
第１電気制御信号を中央制御ユニット９１が受信して、この第１電気制御信号の掘削機１の作業状態との適合性を検証する。この第１電気制御信号が掘削機の作業状態との適合性を示している場合、中央制御ユニット９１は、通信システム９２によってこの第１電気制御信号を、受信して制御プログラムによって処理すべき第１内蔵制御ユニット７０に送信する。第１代案によれば、制御グループ７は、この第１電気制御信号を通信システム９２に送信するよう構成する。後者のケースにおいて、通信プロトコルは、この第１電気制御信号を中央制御ユニット９１に送信し、掘削機１の作業状態との適合性を示している場合にのみ、第１電気制御信号を、受信して制御プログラムによって処理すべき第１内蔵制御ユニット７０に送信する。他の代案によれば、制御グループ７は、この第１電気制御信号を受信すべき第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成する。このケースにおいては、第１電気制御信号は、第１内蔵制御ユニット７０又は制御グループ７によって中央制御ユニット９１にも転送される。とくに、この第１電気制御信号が掘削機１の作業状態との適合性を示している場合、中央制御ユニット９１は、第１内蔵制御ユニット７０に対して状況適合性を表している信号を送信し、これにより、状況適合性を表しているこの信号を受信した後にのみ、第１内蔵制御ユニット７０にローディングされた制御プログラムがこの第１電気制御信号を処理する。
【００５７】
したがって、いかなるケースにおいても、第１電気制御信号は、この第１電気制御信号の掘削機１の作業状態との適合性検証後にのみ第１内蔵制御ユニット７０によって処理される。
【００５８】
この第１内蔵制御ユニット７０は、第１電気制御信号を受信し、また速度制限モジュール７１により制御降下速度Vdの所望値を処理する。この速度制限モジュール７１は、制御降下速度Vdの所望値を制御降下速度の最大値Vmaxと比較する。この制御降下速度の最大値Vmaxは、掘削ツール１６の位置Pos、可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量Weight、動作装置２１又は変速機３４の許容最大回転速度Nmax1、第１電動モータ２２の許容最大回転速度Nmax2、使用される掘削技術のタイプＬＤＰ、ＣＦＡ、ＣＡＰ、使用される掘削ツールのタイプTool、第１電動モータ２２のエネルギー効率Eff、及び電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxのうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、速度制限モジュール７１が決定する。
【００５９】
掘削ツール１６の位置Pos、すなわち、地面レベル６２と比較したレベルは、有利には、瞬間位置及び速度微分モジュール７８によって、又は既知のタイプの掘削機と同様に、動作装置２１に付随する深さセンサを使用して、決定することができる。可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量Weightは、荷重センサ、例えば、滑車１８、１９、２０のうち任意な滑車に機械的に連結したロードセルによって、又は動作装置２１若しくは変速機３４に機械的に連結した任意な荷重センサによって送信される信号により決定することができる。
【００６０】
代案として、可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量Weightは、掘削ツール１６の位置Posに基づいて、及び第１内蔵制御ユニット７０内に保持された、またオペレータがＨＭＩによって入力したパラメータ、例えば、使用される抜き差しロッドの数、各抜き差しロッドの重量及び長さのパラメータに基づいて、第１内蔵制御ユニット７０が決定することができる。
【００６１】
有利には、可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量Weightは、数学的モデル、例えば、動作装置２１又は変速機３４又は第１電動モータ２２又は掘削ストリング１２又は可撓性引張素子１７の動力学に対する運動方程式によって、第１内蔵制御ユニット７０が決定することができる。
【００６２】
動作装置２１又は変速機３４の許容最大回転速度Nmax1、及び第１電動モータ２２の許容最大回転速度Nmax2は、有利には、第１内蔵制御ユニット７０内に保持された、及び第１内蔵制御ユニット７０自体に電気的に関連する制御パネルによって挿入された所定値に基づいて決定することができる。使用される掘削技術のタイプＬＤＰ、ＣＦＡ、ＣＡＰは、ＨＭＩによって入力され、使用される掘削技術のタイプ、例えば、使用される掘削ツールのタイプ（例えば、バケット、ドリル、連続的フライトオーガ）を表す、若しくは掘削機の採用した構成（例えば、「ＬＤＰ」又は「ＣＦＡ」又は「ＣＡＰ」）を表す入力パラメータに基づいて、オペレータが使用する掘削技術のタイプを選択するよう設計された任意なＨＭＩ構成に基づいて、決定することができる。
【００６３】
使用される掘削ツールのタイプToolは、ＨＭＩによって入力され、また掘削ツール１６のジオメトリ、例えば、直径、高さ、連続フライトオーガのフライトピッチ、及び重量を表す入力パラメータに基づいて決定することができる。第１電動モータ２２のエネルギー効率Effは、第１内蔵制御ユニット７０内に保持され、また少なくとも第１電動モータ２２の回転速度の変動、及び第１電動モータ２２が発生する制動トルクの変動とともに、この第１電動モータ２２のエネルギー効率を表すテーブルに基づいて決定することができる、又は少なくとも回転速度の変動及び発生する制動トルクの変動とともに、第１電動モータ２２のエネルギー効率を決定するよう設計した数学的モデルに基づいて計算することができる。
【００６４】
電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxは、有利には電力制限モジュール７５が受け取ることができ、またこの電力制限モジュール７５は、電力消費ユニットが使用できる最大電力Vmaxpowに基づいて制御した降下速度の最大値を速度制限モジュール７１に送信することができる。速度制限モジュール７１は、さらに、制御降下速度値Vdの所望値と制御降下速度最大値Vmaxとの比較に基づいて所望最大速度値Vdmaxを決定するよう構成する。瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、孔内における掘削ツール１６の瞬間降下速度Vinstを表している値を決定し、かつ掘削ツール１６の位置Pos、すなわち、地面レベル６２と比較したレベルを決定するよう構成する。
【００６５】
この瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、さらに、掘削ツール１６の瞬間降下速度Vinstを表している値を加速及び減速制限モジュール７９及び／又は速度調節モジュール７２に送信するよう構成し、さらにまた、掘削ツール１６の位置Posの値を速度制限モジュール７１及び／又は加速及び減速制限モジュール７９に送信するよう構成する。
【００６６】
第１のケースにおいては、瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、掘削ツール１６の瞬間降下速度Vinst及び掘削ツール１６自体の位置Posを表している値を、動作装置２１に接続した既知のタイプの深さセンサ、例えば、ウィンチドラムに機械的に接続したエンコーダによって送られる電気信号に基づいて決定するよう構成する。
【００６７】
第２のケースにおいては、瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、第１電動モータ２２のローターの瞬間角度位置Posrot及び瞬間角速度Vrotを、このローターに接続したセンサ、例えば、エンコーダ若しくはレゾルバにより送信される電気信号に基づいて、またローター自体の瞬間角度位置の推定手段若しくは観測手段に基づいて決定するよう構成する。この第２のケースにおいて、瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、掘削ツール１６の位置Pos、すなわち、地面レベル６２と比較したレベルを、第１電動モータ２２のローターの瞬間角度位置Posrotに基づいて決定するよう構成し、さらにまた、掘削ツール１６の瞬間降下速度Vinstを表している値を、第１電動モータ２２のローターの瞬間角速度Vrotに基づいて決定するよう構成する。
【００６８】
有利には、しかし限定しないが、瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、さらに、ゼロの瞬間角速度でさえもある極めて低速の瞬間角速度における、第１電動モータ２２のローターの瞬間角度位置Posrot及び瞬間角速度Vrotを決定するよう構成する。掘削ツール１６の位置Posは第１電動モータ２２のローターの瞬間角度位置Posrotに基づいて決定することができるため、有利にも、動作装置に連結した既知のタイプのセンサを用いることを回避でき、したがって、コスト削減になることを理解されるであろう。
【００６９】
いかなるケースであっても、掘削ツール１６が「ケリー」式抜き差しロッドに機械的に連結される場合、掘削ツール１６の瞬間降下速度を表している値Vinstは、各抜き差しロッドの重量が可撓性引張素子１７に作用し、また掘削ヘッド１１には作用しない限り、各抜き差しロッド１３、１４の瞬間降下速度を表している値に一致する。
【００７０】
加速及び減速制限モジュール７９は、所望加速度又は所望減速度Adの値を、所望最大速度の値Vdmaxに基づいて、したがって、制御降下速度Vdの所望値にも基づいて、また瞬間降下速度を表している値Vinstに基づいて、決定するよう構成する。この加速及び減速制限モジュール７９は、さらに、加速度及び／又は減速度の最大値Amaxを、掘削ツール１６の位置Pos、可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量Weight、使用される掘削ツールのタイプＬＤＰ、ＣＦＡ、ＣＡＰ、使用される掘削ツールのタイプToolのうち少なくとも１つのパラメータに基づいて決定するよう構成し、さらにまた、所望制御降下速度の許容値Vdadmを、所望加速度又は所望減速度Adの値と加速度及び／又は減速度の最大値Amaxとの比較に基づいて決定するよう構成する。
【００７１】
速度調節モジュール７２は、コントローラ、例えば、比例積分的、比例積分-微分的、履歴的、又はファジー的なコントローラを有することができる。このコントローラによって、速度調節モジュール７２は、所望制御降下速度の許容値Vdadmを、瞬間降下速度を表している値Vinstと比較し、またこの比較に基づいて第１電動モータ２２によって発生する制動トルクの所望値を決定するよう構成する。速度調節モジュール７２は、さらに、発生した制動トルクの最大値Tbrakemaxを、電力消費ユニット２５が使用可能な最大電力Pmax及び第１電動モータ２２が印加可能な最大制動トルクTbrakemotのうち少なくとも１つのパラメータに基づいて決定するよう構成する。
【００７２】
電力消費ユニット２５が使用できる最大電力値Pmaxは、有利には、電力制限モジュール７５が受信することができ、またこの電力制限モジュール７５は、電力消費ユニットが使用できる最大電力に基づく発生制動トルクの最大値Tbrakepowを速度調節モジュール７２に送信することができる。第１電動モータ２２が印加できる最大制動トルクTbrakemotは、第１内蔵制御ユニット７０内に保持され、また少なくとも第１電動モータ２２の回転速度変動、及び／又は既知タイプのＩＥＣによる第１電動モータ２２の負荷タイプの変動、及び／又は第１電動モータ２２の少なくとも１つの温度変動とともに、第１電動モータ２２が印加可能な最大制動トルクを示しているテーブルに基づいて決定することができる。
【００７３】
第１電動モータ２２のこの少なくとも１つの温度は、第１内蔵制御ユニット７０によって、第１電動モータ２２に付随する温度センサによって送信される電気信号に基づいて決定することができる、又はこの第１電動モータ２２の電気的パラメータに基づいて少なくとも１つの温度を計算するよう設計した数学的モデルに基づいて計算することができる。速度調節モジュール７２は、さらに、第１電動モータ２２によって発生した制動トルクTbrakeの基準値を、発生した制動トルクの所望値と発生した制動トルクの最大値Tbrakemaxとの比較に基づいて決定するよう構成する。
【００７４】
第１内蔵制御ユニット７０は、したがって、速度調節モジュール７２によって少なくとも１つの降下行程中における掘削ツールの制御降下速度の瞬間値を制御するよう構成する。電力制限モジュール７５は、第１電動モータ２２によって発生した電力Pmot及び第１双方向電力コンバータ装置２３によって変換された電力Pregenを制限して、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxよりも大きくない値に制限するよう構成する。
【００７５】
この目的のために、電力制限モジュール７５は、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力値Pmaxを表している信号を受信するよう構成し、またさらに、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxに基づいて、速度制限モジュール７１によって決定される制御降下速度の最大値Vmaxを制限する、及び／又は速度調節モジュール７２によって決定される発生制動トルクTbrakeの基準値を制限するよう構成する。
【００７６】
この目的のために、電力消費ユニットが使用できる最大電力に基づく制御降下速度の最大値Vmaxpow、及び／又は電力消費ユニットが使用できる最大電力に基づく発生制動トルクTbrakepowの最大値を生成するよう構成する。
【００７７】
トルク調節モジュール７３は、速度調節モジュール７２によって決定される発生制動トルクTbrakeの基準値に基づく基準制御値COMMを生成するよう構成したコントローラ、例えば、比例積分的、比例積分-微分的、履歴的、又はファジー的なコントローラを有することができる。電気制御信号を発生する第１モジュール７７Ａは、したがって第１内蔵制御ユニット７０も、第２電気制御信号を生成し、また第１双方向電力コンバータ装置２３に送信するよう構成する。
【００７８】
とくに、電気制御信号を発生する第１モジュール７７Ａは、トルク調節モジュール７３によって発生した少なくとも基準制御値COMMに基づいて第２電気制御信号を生成し、またこの第２電気制御信号を第１双方向電力コンバータ装置２３の制御可能電子パワーデバイスに送信し、これにより第１双方向電力コンバータ装置２３は第１電動モータ２２の作業を制御する、すなわち第１電動モータ２２は、制御状況の下で掘削ストリング１２の降下を制動するよう適切な強度の制動トルクを印加することによって、動作装置２１に対して制動トルクを印加する。
【００７９】
基準制御値COMMに基づいて第１内蔵制御ユニット７０が第２電気制御信号を第１双方向電力コンバータ装置２３に送信することになる、この基準制御値COMMは制御降下速度Vdの所望値を起点として決定されるため、印加される制動トルク、及びひいては印加される機械的制動力は、掘削ストリング１２が制御降下速度Vdに等しい速度で降下を実施するような強度を有する。制御降下速度Vdの所望値は、第１電気制御信号により与えられるため、第１内蔵制御ユニット７０は、この第１電気制御信号に基づいて第２電気制御信号を発生し、またこの第２電気制御信号を第１双方向電力コンバータ装置２３に送信するよう構成する。
【００８０】
第２電気制御信号を送信することによって、第１内蔵制御ユニット７０は、この第１双方向電力コンバータ装置２３に電気的に関連付けされる。電気制御信号を生成する第１モジュール７７Ａが送信するこれら第２電気制御信号に基づいて、第１双方向電力コンバータ装置２３は、第１電動モータ２２の少なくとも１つの電気パラメータを制御し、掘削ストリング１２の孔内における全体降下行程に沿う孔内における掘削ストリング１２の降下速度制御を確実にする。
【００８１】
第１電動モータ２２により実施される掘削ストリング１２の制動中、第１双方向電力コンバータ装置２３は、発生した電力Pmotを「Pregen」で示される変換済み電力に変換し、またこれをリンク２４に送給する。電力制限モジュール７５によって、この変換済み電力「Pregen」は、常に電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxよりも大きくない値に制限する。
【００８２】
既知の掘削機におけるよりも一層効率的に内燃機関の燃料を使用できるようにするため、変換済み電力Pregenの少なくとも一部分は、貯蔵電力Psotredとして第１電気エネルギー貯蔵システム４０に転送し、後で再利用できるようにしなければならない。換言すれば、掘削ストリングの降下中、変換済み電力Pregenの少なくとも一部分は第１電気エネルギー貯蔵システム４０に向かい、第１電気エネルギー貯蔵システム４０が電力Psotredを少なくとも１つの第１貯蔵ユニット４２内に貯蔵し、電気エネルギーを後で再利用できるようにしなければならない。
【００８３】
全体降下行程に沿って動作装置２１の作業にいかなる不安定さもなく掘削ストリング１２の制御降下速度の所望値を確実にするため、リンク２４が受ける電圧値を、リンク２４が受ける電圧の最小値と最大値との間に含まれる所定範囲内に維持することが必須である。
【００８４】
この目的のために、リンク２４には、リンク２４に並列に配備した少なくとも１つのキャパシタ２６を設け、リンク２４の電圧振動を制限し得るようにする。この少なくとも１つのキャパシタ２６の必要寸法を減少するために、またリンク２４が受ける電圧を制御速度での掘削ストリング１２の降下中に所定範囲内に維持するために、変換済み電力Pregenに基づいて第１電気エネルギー貯蔵システム４０内に貯蔵される瞬間電力Pstoredの値を制御することが必須である。変換済み電力Pregenに基づいて貯蔵される瞬間電力Pstoredの値のこの制御は、第２双方向電力コンバータ装置４１に付随する第２内蔵制御ユニット８０によって行われる。
【００８５】
第１リンク電圧調節モジュールは、変換済み電力Pregenによって課されるリンク電圧瞬間値Vlinkを決定し、またこのリンク瞬間電圧Vlinkを表すこの値をリンク電圧の第１基準値Vlinkref1と比較し、またこの比較に基づいてリンク電圧の第１制御値を生成するよう構成する。第１電流制限モジュールは、変換済み電力Pregenによって課され、第２双方向電力コンバータ装置４１の各相で流れる電流の値を測定するよう構成し、またさらに、各相に流れるこの電流値を相電流の最大許容値よりも大きくない値に制限するよう構成する。
【００８６】
この第１電流制限モジュールによって、第２内蔵制御ユニット８０は、したがって、第１貯蔵ユニット４２内を流れる電流を調節するよう構成する。電気制御信号を生成する第２モジュールは、リンク電圧の第１制御値、及び相電流の最大許容値のうち少なくとも１つのパラメータに基づいて、第３電気制御信号を生成し、またこれを第２双方向電力コンバータ装置４１の制御可能電子パワーデバイスに送信して、貯蔵電力Pstoredの瞬間値を制御するよう構成する。リンク電圧Vlinkの瞬間値及び第２双方向電力コンバータ装置４１の各相に流れる電流値の双方は、変換済み電力Pregenに依存するため、電気制御信号を生成する第２モジュールは、変換済み電力Pregenに基づく第２電気制御信号を生成し、またこれを送信するよう構成する。これに続いて、第２内蔵制御ユニット８０は、変換済み電力Pregenに基づいて貯蔵される貯蔵電力Pstoredの瞬間値を制御する。
【００８７】
したがって、リアルタイム分散型制御システム６０は、掘削ストリング１２の降下行程中に第２電気制御信号及び第３電気制御信号によって精密に制御された速度で動作装置２１を制御するよう配備されることが理解されるであろう。第３電気制御信号を送信することによって、第２内蔵制御ユニット８０は、第２双方向電力コンバータ装置４１に電気的に関連付けされる。第１温度管理モジュールは、第１貯蔵ユニット４２の少なくとも１つの温度の瞬間値を決定し、またこの瞬間値を温度の最大許容値と比較するよう構成する。
【００８８】
この第１温度管理モジュールは、さらに、相電流の最大許容値、及び／又は各相を流れる電流値、及び／又はこの比較に基づいて貯蔵される貯蔵電力Pstoredの瞬間値を制限するよう構成する。この第１温度管理モジュールは、さらに、第１貯蔵ユニット４２内を流れる電流、すなわち、多重スーパーキャパシタ内若しくは多重二次電池内を流れる電流を平衡化するよう構成する。
【００８９】
とくに、この平衡化を達成するため、第１温度管理モジュールは、第１貯蔵ユニット４２の少なくとも１つの温度のこの瞬間値に基づいて、各スーパーキャパシタを流れる又は各二次電池内を流れる電流を調節する。
【００９０】
有利には、さらに、各スーパーキャパシタ又は各二次電池の温度の瞬間値を決定するよう、この第１温度管理モジュールを構成することができる。このようにして、この第１温度管理モジュールは、各スーパーキャパシタを流れる又は各二次電池を流れる電流を、対応するスーパーキャパシタ又は対応する二次電池の温度の瞬間値に基づいて調節することができる。
【００９１】
第３内蔵制御ユニット９０は、第４電気制御信号を第３電力コンバータ装置５３の制御可能電子パワーデバイスに送信するよう構成し、これにより電力を発生するよう構成した原動機５０は、少なくとも地面レベル６２に向かう掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に、電気エネルギー送電網２４を介して電力を第１双方向電力コンバータ装置２３に、またしたがって、第１電動モータ２２に送信する。この第１電動モータ２２は、第１作業モードで可撓性引張素子１７によって掘削ストリング１２を持ち上げるよう動作装置２１を作動させるよう構成する。
【００９２】
この第１作業モードにおいて、第１電動モータ２２は電力を生成するよう構成した原動機５０によって伝送された電力を機械的駆動力に変換し、この機械的駆動力を動作装置２１に印加して、掘削ストリング１２を持ち上げ、また持ち上げ行程を実施する。第４電気制御信号を送信することによって、第３内蔵制御ユニット９０はこの第３電力コンバータ装置５３に電気的に関連付けられる。
【００９３】
掘削ストリングの動作装置を動作させるため液圧モータ及びオーバーセンターバルブを使用し、また孔内における掘削ストリングの降下速度を制御する既知の掘削機とは異なり、掘削機１は、制御速度での孔内における降下行程の開始時に掘削ストリング１２が有する重力に関する潜在エネルギーを回復させることができ、またしたがって、既知の掘削機よりも全体エネルギー効率を大幅に向上させることができる。
【００９４】
実際、この回復した重力に関する潜在エネルギーは、内燃機関の燃料の化学的エネルギーの代わりに後で使用することができる。例えば、少なくとも１つの第１貯蔵ユニット４２に貯蔵された電気エネルギーの少なくとも一部分は、電気エネルギー送電網２４を介して掘削ストリング１２を持ち上げまた持ち上げ行程を実施する第１電動モータ２２に伝送することによって再利用することができる。燃料消費を減少できることは、燃料補給作業の頻度が低くなることに起因してマシン稼働停止時間を減少することができ、また既知の掘削機よりも掘削機１の生産性を向上することができる。
【００９５】
この目的のために、本発明は、リンク２４から第１貯蔵ユニット４２に向かう、また逆に第１貯蔵ユニット４２からリンク２４に向かう双方向に電力フローを生ずることができる第２双方向電力コンバータ装置４１を使用することを教示する。同様に、本発明は、第１電動モータ２２からリンク２４に向かう、また逆にリンク２４から第１電動モータ２２に向かう双方向に電力フローを生ずることができる第１双方向電力コンバータ装置２３を使用することを教示する。
【００９６】
孔内における掘削ストリング１２の地面レベルに向かう持ち上げ行程中第２内蔵制御ユニット８０は、第３電気制御信号を第２双方向電力コンバータ装置４１に送信するよう構成し、これにより第１電気エネルギー貯蔵システム４０は、電力をリンク２４によって第１双方向電力コンバータ装置２３に、また第１電動モータ２２に伝送する。第１電動モータ２２は、第１作業モードにおいて、掘削ストリング１２を可撓性引張素子１７によって持ち上げるよう動作装置２１を作動させるよう構成する。
【００９７】
この第１作業モードにおいて、第１電動モータ２２は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０によって伝送された電力を機械的駆動力に変換し、また掘削ストリング１２を持ち上げ、また持ち上げ行程を実施するよう、この機械的駆動力を動作装置２１に供給する。このようにして、第２双方向電力コンバータ装置４１は、先に第１貯蔵ユニット４２内に回収されかつ貯蔵されたエネルギーを使用して、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中第１双方向電力コンバータ装置２３によって第１電動モータ２２を操作することができる。掘削ストリング１２のこの持ち上げ行程中、第３内蔵制御ユニット９０は、電力をリンク２４によって第１双方向電力コンバータ装置２３に、またしたがって、第１電動モータ２２に伝送するため、第４電気制御信号を第３電力コンバータ装置５３に送信するよう構成する。
【００９８】
とくに、この第３電力コンバータ装置５３は、一方向型、すなわち、第２電動モータ５２からのみリンク２４に向かう電力フローを生ぜしめるものとし得る、又は双方向型、すなわち、第２電動モータ５２からリンク２４に向かう及びリンク２４から第２電動モータ５２に向かうという双方向の電力フローを生ぜしめるものとし得る。このようにして、第３電力コンバータ装置５３は、掘削ストリング１２の地面レベルに向かう持ち上げ行程中に内燃機関５１の化学的エネルギーを使用することができる。
【００９９】
とくに、燃料の化学的エネルギーは内燃機関５１によって機械的エネルギーに変換され、この機械的エネルギーは、この内燃機関５１に機械的に連結された第２電動モータ５２によって電気エネルギーに変換される。第３電気制御信号及び第４電気制御信号を送信することによって第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び電力５０を生成するよう構成した原動機５０は、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に電力を第１電動モータ２２に伝送し、持ち上げ行程自体を実施するに必要な燃料消費を低減する。
【０１００】
したがって、リアルタイム分散型制御システム６０は、第２電気制御信号、第３電気制御信号、及び第４電気制御信号によって、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に動作装置２１を制御するよう配備されることが理解されるであろう。掘削機１において、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に第１電動モータ２２を操作するよう、燃料の化学的エネルギーに加えて第１貯蔵ユニット４２に回収されかつ保存されたエネルギーを使用できるため、既知の掘削機に比べて燃料消費を低減することができる。
【０１０１】
さらに、掘削ストリング１２の移動を実行する、すなわち、このような掘削ストリング１２の上昇中の持ち上げ及び／又は降下中の制動を実施する上で、ポンプ、液圧モータ、分配器及びオーバーセンターバルブのような液圧コンポーネントではなく、電気的コンポーネントのみが本発明掘削機１に使用されるため、液圧式と比べて、典型的により高い電気的コンポーネントの効率に起因して、従来型掘削機よりも燃料消費を一層低減することができる。さらにまた、オーバーセンターバルブがないことは、パイロット圧の生成に必要な燃料消費を排除することができる。
【０１０２】
第２双方向電力コンバータ装置４１は、バック（buck）型、すなわち、制御速度での掘削ストリング１２の降下中に、第１貯蔵ユニット４２の電圧が常にリンク２４の電圧よりも高くない状態に留まるタイプとすることができる、又はバック・ブースト（buck-boost）型、すなわち、制御速度での掘削ストリング１２の降下中に、第１貯蔵ユニット４２の電圧がリンク２４の電圧よりも低いか、それに等しいか又は高いかのいずれかになり得るタイプとすることができる。
【０１０３】
とくに、バック型第２双方向電力コンバータ装置４１の使用は掘削機１のエネルギー効率を最大化できるとともに、バック・ブースト型第２双方向電力コンバータ装置４１の使用は掘削深さを最大化することができ、またしたがって、双方のケースで掘削機１の生産性を最大化することができる。動作装置２１に機械的に連結した第１電動モータ２２を使用することによって、液圧モータを使用するよりもエネルギー変換の高い効率で掘削ストリング１２が初期的に有する潜在的エネルギーをより多く回収することができる。
【０１０４】
実際、第１電動モータ２２の使用は、重力による潜在的エネルギーの回収のためにも電動モータの典型的高効率を有効利用することができ、またこの効率は、掘削ストリング１２の降下フェーズ中にポンプとして作用する仮想的液圧モータを使用することによって得られる効率よりも明らかに高い。重力による潜在的エネルギーの回収中のエネルギー効率を向上するよう、可撓性引張素子１７によって動作装置２１が掘削ストリング１２に加える最大制動力を全体的に電力に変換できるようにするため、第１内蔵制御ユニット７０には、第１電動モータ２２によって生ずる電力Pmotを電力消費ユニットが使用できる最大電力より大きくない値に制限するよう構成した電力制限モジュール７５を装備する。
【０１０５】
この目的のために、電力制限モジュール７５は、有利には、電力消費ユニット２５が使用可能な最大電力値Pmaxを表している少なくとも１つの信号を受信するよう構成し、例えば、この値は、第１内蔵制御ユニット７０に電気的に関連する制御パネルによってセットすることができる、又はＨＭＩ９によってセットすることができる。
【０１０６】
他の代案によれば、使用可能な最大電力値Pmaxを表している信号は、第２内蔵制御ユニット８０により、又は第３内蔵制御ユニット９０により、又は中央制御ユニット９１により通信システム９２で伝送される通信データによって、第１内蔵制御ユニット７０に送信することができる。
【０１０７】
例えば、使用可能な最大電力値Pmaxを表している信号が第２内蔵制御ユニット８０により第１内蔵制御ユニット７０に送信される場合、第２内蔵制御ユニット８０は、有利には、貯蔵電力Pstoredの瞬間値を決定する及び／又は貯蔵電力Pstoredの最大許容値を決定するよう構成し、またさらに、これら決定した値を通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成した、貯蔵電力を決定するための第１モジュールを有することができる。
【０１０８】
とくに、貯蔵電力を決定するためのこの第１モジュールは、有利には、第１貯蔵ユニット４２の少なくとも１つの温度の瞬間値に基づいて決定される貯蔵電力Pstoredの最大許容値を第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成することができる。
【０１０９】
このケースにおいて、第１内蔵制御ユニット７０は、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxの値を表している信号を、貯蔵電力Pstoredの瞬間値として及び／又は貯蔵電力Pstoredの最大許容値として受信することができ、これら値は双方ともに第２内蔵制御ユニット８０が決定することができる。使用可能最大電力Pmaxの値によって、さらに、変換済み電力Pregenは使用可能最大電力Pmaxに相関するため、リンク２４の電圧振動を制限することができる。
【０１１０】
とくに、電力制限モジュール７５は、使用可能最大電力の値を表している少なくとも２つの信号を受信する、例えば、連続作業条件（例えば、既知のタイプのＩＥＣ標準による負荷タイプＳ１、又はＳ６、又はＳ７、又はＳ８、又はＳ９、又はＳ１０においてのみ）における電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxを表している第１値、及び断続的作業条件（例えば、既知のタイプのＩＥＣ標準による負荷タイプＳ２、又はＳ３、又はＳ４、又はＳ５においてのみ）における電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxを表している第２値を受信するよう構成することができる。
【０１１１】
第１電動モータ２２が発生した電力Pmotを使用可能最大電力Pmaxより大きくない値に制限できるようにするため、第１双方向電力コンバータ装置２３は、制御可能な電子パワーデバイスを有する。実際、制御可能な電子パワーデバイスを使用することによって、第１電動モータ２２が発生した電力Pmotの制御を保証することができ、したがって、掘削ストリング１２の降下速度制御を確実にし、またしたがって、第１電動モータ２２が発生した電力Pmotを電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxより大きくない値に制限できる。
【０１１２】
とくに、本発明の第１実施形態において、強制整流を伴う制御可能な電子パワーデバイス、例えば、ＩＧＢＴｓを使用することは有利であり、これはすなわち、この方法において、第１電動モータ２２の回転速度とは無関係に制御可能な電子パワーデバイスを整流し、第１電動モータ２２の低回転速度でさえも掘削ストリング１２の降下速度制御を常に保証できるようにする。
【０１１３】
さらに、強制整流を伴う制御可能な電子パワーデバイスを使用することにより、電流の高調波成分を最小化することができ、この結果として生ずる他の利点として掘削機１の効率を向上するとともに、電気的及び電子的なコンポーネントの寸法を減少させることができる。可撓性引張素子１７によって動作装置２１が掘削ストリング１２に加えられ、また全体的に第１電動モータ２２により発生する電力に変換される最大制動力が、動作装置２１に要求される高い最大制動力に適合可能な値に達することができるようにするため、電力消費ユニット２５には高出力を有する第１貯蔵ユニット４２を設ける。
【０１１４】
この高出力第１貯蔵ユニット４２がスーパーキャパシタの第１ユニットを有するケースにおいては、スーパーキャパシタに特有の高出力密度に起因して、すなわち、所定サイズに対する高出力に起因して、必要な高い最大制動力を確保するとともに、減少した全体寸法を維持することができる。この高出力第１貯蔵ユニット４２が二次電池、すなわち、再充電可能電池の第１ユニットを有するケースにおいては、電池に特有の低コストに起因して、必要な高い最大制動力を確保するとともに、低コストを維持することができる。
【０１１５】
有利なやり方においては、制御速度での掘削ストリング１２の降下行程中に、連続作業条件の下でこのような二次電池内を流れることができる、例えば、既知タイプのＩＥＣ標準による負荷タイプＳ１で流れることができる電流の値よりも大きい値の電流を流せるよう配備した二次電池を使用することができる。この有利な様態において、必要な高最大制動力を確保するとともに、低コストを維持し、またこれら二次電池の嵩を最小化することもできる。
【０１１６】
したがって、高出力を有する第１電気エネルギー貯蔵システム４０の使用に起因して、また電力制限モジュール７５の採用に起因して、動作装置２１に必要な高最大制動力はオペレータが利用となり、またオペレータは制御グループ７による作用で印加された機械的制動力の強度を制御することができる。電力消費ユニット２５は第１電動モータ２２が発生した電力Pmotを受け取るよう配備されるため、リンク２４の電圧を最小値と最大値との間から成る所定範囲内に維持するとともに、リンク２４のキャパシタ２６の減少サイズを維持することもできる。したがって、リンク２４の電圧を所定範囲内に維持できることは、いかなる作業不安定さを回避することができる。
【０１１７】
電力消費ユニット２５が第１電動モータ２２によって生じた電力Pmotを受け取ることができるようにし、またさらに掘削機１の効率を最大化するため、第２双方向電力コンバータ装置４１は、好適には、多相タイプとして設ける。実際、多相構成を使用することによって、単相構成よりも、第２双方向電力コンバータ装置４１の各相に流れる電流の値を減少することができ、これによりジュール効果に起因する電力損失を減少し、また最大制動力であっても掘削機１の高効率を保証するという有利な結果をもたらす。
【０１１８】
掘削ストリング１２の降下速度制御を改善するため、第１内蔵制御ユニット７０の制御プログラムは、瞬間位置及び速度微分モジュール７８を有する。第１のケースにおいて、この瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、第１電動モータ２２におけるローターが極めて低い又はゼロの瞬間角速度にあっても、このローターに接続したセンサ、例えば、エンコーダ又はリゾルバによって送信される電気信号に基づいて第１電動モータ２２におけるローターの瞬間角度位置及び瞬間角速度を決定するよう構成された計算方法を実現する計算命令群を有する。
【０１１９】
第２のケースにおいて、瞬間位置及び速度微分モジュール７８は、第１電動モータ２２におけるローターが極めて低い又はゼロの瞬間角速度にあっても、ローター自体における瞬間角度位置の推定手段若しくは観測手段に基づいて、例えば、高周波信号放出に基づいて、又はローターにおける溝孔の存在に関連する高調波の存在に基づいて、又は第１電動モータ２２の数学的モデルに基づいて、又はより一般的には、ローターが極めて低い又はゼロの瞬間角速度にあっても、ローターの瞬間角度位置及び瞬間角速度を決定するよう構成された任意な計算方法によって、第１電動モータ２２におけるローターの瞬間角度位置及び瞬間角速度を決定するよう構成された計算方法を実現する計算命令群を有する。
【０１２０】
ローターの瞬間角度位置の推定手段又は観測手段を使用することによって、有利にも、このローターに接続するセンサの使用を回避することができ、結果としてコスト削減が得られる。したがって、双方のケースにおいても、第１電動モータ２２は動作装置２１に対して、極めて低い角速度、ゼロに等しい角速度であっても、最大制動トルクを印加することができる。一方で、極めて低い速度においても掘削ストリング１２の降下速度制御の改善を可能にし、他方で、ゼロの瞬間降下速度Vinstにおいて機械的パーキングブレーキを操作する必要性がなく、可撓性引張素子１７によって懸吊される掘削ストリング１２を維持するよう、すなわち、掘削ストリング１２の重量を保持するよう、第１電動モータ２２が動作装置２１に制動を掛けることを可能にする。
【０１２１】
動作装置２１に必要な高最大制動力がオペレータに利用可能であることから、したがって、有利にも、機械的動力ブレーキの使用を回避することができ、また機械的パーキングブレーキのみを使用することができる。このようにして、掘削機１のエネルギー効率の向上が得られ、これはすなわち、仮想的な機械的動力ブレーキによって加わる消散的機械ブレーキを採用する必要がないためである。
【０１２２】
それにも係わらず、掘削機１は、第１内蔵制御ユニット７０及び／又は第１双方向電力コンバータ装置２３及び／又は電気エネルギー送電網２４及び／又は第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び／又は第２内蔵制御ユニット８０及び／又は原動機５０及び／又は第３内蔵制御ユニット９０及び／又は中央制御ユニット９１のあり得る機能不全に対する安全性を確保する。
【０１２３】
機械的パーキングブレーキは、有利には、例えば、機能不全発生時に緊急ブレーキを掛けなければならない場合、又はオペレータが緊急停止機能を発動させる場合、この動作装置２１の運動を完全に停止させ、また可撓性引張素子１７により掘削ストリング１２を保持するよう自動的に係合するよう構成することができる。この目的のために、この機械的パーキングブレーキを第１内蔵制御ユニット７０に電気的に関連付けすることができ、これにより第１内蔵制御ユニット７０によって送信される電気制御信号が存在すること又は代案として、存在しないことに基づいて、この機械的パーキングブレーキを自動的に係合させることができる。
【０１２４】
代案として、この機械的パーキングブレーキを中央制御ユニット９１に電気的に関連付けすることができ、これにより中央制御ユニット９１によって送信される電気制御信号が存在すること又は代案として、存在しないことに基づいて、この機械的パーキングブレーキを自動的に係合させることができる。掘削機１のためにリアルタイム分散型制御システム６０を使用することは、孔内における掘削ストリング１２の降下速度制御を改善するために有利である。
【０１２５】
とくに、制御システム６０がリアルタイム型であることにより、所定の僅かな計算時間周期内に掘削ストリング１２の降下速度制御を実施することができ、掘削ストリングの降下速度を制御するために液圧システムを使用する既知タイプの掘削機に存在し、また液圧オイルの圧縮性、パイプの弾性、並びにバルブ及び液圧分配器の機械的応答遅延により生ずる応答遅延に対してこの制御を非感受性にすることができる。
【０１２６】
リアルタイム制御システム６０は、さらに、掘削ストリング１２の制御速度での降下フェーズにおける安全性を向上させ、したがって、掘削機１全体の安全性を向上させることを可能にし、これはすなわち、掘削機１の安全性に対する厳密な機能を有する通信データは、通信システム９２によって伝送され、また所定計算時間周期内に制御システム６０のユニットによって処理され、同様に所定の僅かな時間周期内での補正行為を採用することによって、このリアルタイム制御システム６０を安全厳密条件に反応できるようにするからである。
【０１２７】
さらに、制御システム６０が分散型であることは掘削機１にとって有利であり、これはすなわち、生産性を向上させることができるからである。実際、分散型アーキテクチャを採用することに起因して、「汎用」である中央制御ユニット９１に加えて、内蔵制御ユニット７０、８０、９０、すなわち、「特殊用途」向けに統合し、また動作装置２１の制御に特化最適化した制御ユニットを使用することができるようになる。
【０１２８】
とくに、各内蔵制御ユニット７０、８０、９０は掘削機１の特定コンポーネントを制御するよう特別に設計されると理解されたい。とくに、第１内蔵制御ユニット７０は、第１双方向電力コンバータ装置２３によって第１電動モータ２２を制御するよう設計され、第２内蔵制御ユニット８０は、第２双方向電力コンバータ装置４１によって第１貯蔵ユニット４２を制御するよう設計され、また第３内蔵制御ユニット９０は、第３双方向電力コンバータ装置５３によって第２電動モータ５２を制御するよう設計される。
【０１２９】
したがって、これら内蔵制御ユニット７０、８０、９０によって、孔内における掘削ストリング１２の降下速度制御を向上させるようリアルタイム分散型制御システム６０の操作を最適化して、掘削機１のエネルギー効率を向上させ、動作装置２１の作業の安定性を確保できる。これら内蔵制御ユニット７０、８０、９０によって、これら内蔵制御ユニットの統合及び最適化に起因して、掘削機１の特定コンポーネントを制御するよう最適化した安全機能を使用することができる。
【０１３０】
したがって、中央制御ユニット９１は、有利には、掘削機１の全体的安全機能、例えば、第１電気制御信号の適合性検証を管理するよう構成することができるとともに、各内蔵制御ユニット７０、８０、９０は、有利には、掘削機１の特定コンポーネントの特定安全性機能を管理するよう構成することができる、ということを理解しなければならない。
【０１３１】
とくに、第１内蔵制御ユニット７０は、第１電動モータ２２の、及び第１双方向電力コンバータ装置２３の適正動作に関する安全性機能を管理するよう構成することができ、第２内蔵制御ユニット８０は、第２双方向電力コンバータ装置４１の、及び第１貯蔵ユニット４２の適正動作に関する安全性機能を管理するよう構成することができ、第３内蔵制御ユニット９０は、第３双方向電力コンバータ装置５３の、及び第２電動モータ５２の適正動作に関する安全性機能を管理するよう構成することができる。
【０１３２】
単なる例として、第２内蔵制御ユニット８０は、第２双方向電力コンバータ装置４１の、及び／又は第１貯蔵ユニット４２のあり得る機能不全の生起後に第１貯蔵システム４０を電気エネルギー送電網２４から切り離し、この機能不全状況を表している通信データを第１内蔵制御ユニット７０に、又は中央制御ユニット９１に送信し、これにより機械的パーキングブレーキを自動的に係合させるよう構成することができる。
【０１３３】
例えば、第１貯蔵ユニット４２の少なくとも１つの温度の瞬間値が最大許容値を超えたことによる、第１貯蔵システム４０の機能不全生起後に、第２内蔵制御ユニット８０は、貯蔵電力Pstoredの最大許容値のゼロに等しい限界値として減少した値を決定し、機能不全状況を表している通信データとともにこの減少した値を、通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０に、又は中央制御ユニット９１に送信することができる。
【０１３４】
通信システム９２によって、例えば、単なる例としては、インターバス（interbus）、プロフィバス（profibus）、プロフィネット（profinet）、イーサCAT（Ether-CAT）、デバイスネット（devicenet）、CAN-バス、モドバス（modbus）、リアルタイムで通信データの少なくとも一部分を伝送するよう構成された任意なフィールドバスによって、内蔵制御ユニット７０、８０、９０相互間、及び内蔵制御ユニット７０、８０、９０と中央制御ユニット９１との間の双方で通信データの適正交換を保証することができる。中央制御ユニット９１を使用することによって、有利にも、掘削機１の機能安全性を保証することができる。
【０１３５】
とくに、中央制御ユニット９１により、リアルタイム分散型制御システム６０に関連する動作の適正シーケンス、及びより全般的に掘削機１に関連するすべての動作の適正シーケンスを保証することができる。さらに、中央制御ユニット９１は、所定時間インターバルでこのリアルタイム分散型制御システム６０の適正動作の検証を実施するよう構成され、またこの検証に基づいて、電気制御信号を内蔵制御ユニット７０、８０、９０に、また機械的パーキングブレーキに送信するよう構成される。
【０１３６】
とくに、この検証が内蔵制御ユニット７０、８０、９０のうち任意なユニットの機能不全を認識する場合、及び／又はオペレータが緊急停止機能を作動させる場合、この中央制御ユニット９１は、動作装置２１の緊急制動を実施するためのリクエストを表している電気制御信号を、内蔵制御ユニット７０、８０、９０に、及び機械的パーキングブレーキに送信するよう構成する。
【０１３７】
完全に等価な様態で、中央制御ユニット９１は、リアルタイム分散型制御システム６０の適正動作の検証に基づいて、電気制御信号を内蔵制御ユニット７０、８０、９０にのみ送信するよう構成し、また第１内蔵制御ユニット７０は、中央制御ユニット９１が送信した電気制御信号に基づいて電気制御信号を機械的パーキングブレーキに送信するよう構成する。
【０１３８】
中央制御ユニット９１は、さらに有利には、制御グループ７が送信した第１電気制御信号の掘削機１の作業状態との適合性を検証するよう構成する。この作業状態は、中央制御ユニット９１が自動的に決定することができる、又は掘削機のオペレータがＨＭＩによって入力した入力パラメータに基づいて中央制御ユニット９１が決定することができる。
【０１３９】
とくに、第１電気制御信号の適合性検証により、この中央制御ユニット９１は、掘削機１の規定作業状態中、例えば、掘削機１の組立て／分解作業又は保守整備作業中に掘削ストリング１２の降下を阻止することができる。
【０１４０】
さらに、第１電気制御信号の適合性検証により、この中央制御ユニット９１は、掘削機１の作業状態に基づいて、制御降下速度Vdの所望値を制限することができる。例えば、掘削機１の組立て／分解段階又は保守整備段階中にこの制御降下速度Vdの所望値を減少することができる。
【０１４１】
中央制御ユニット９１が制御降下速度Vdの所望値を減少する場合、第１内蔵制御ユニット７０の制御プログラムは、所望降下速度Vdのこの減少した値のみを処理し、第１電気制御信号が表す所望降下速度Vdの値は処理しない。
【０１４２】
速度制限モジュール７１は、有利には、掘削ツールの位置Posの変化とともに、掘削ストリング１２の制御降下速度の最大値Vmaxを変化させ、例えば、掘削ツール１６が孔６１の外側にあるときには、この制御降下速度の最大値Vmaxをより低くすることができ、また掘削ツール１６が孔６１の内部にあるときには、この制御降下速度の最大値Vmaxをより高くすることができる。掘削ツールの位置に基づく制御降下速度の異なる最大値によれば、既知タイプよりも掘削機１の安全性を向上させることができる。
【０１４３】
さらに、掘削ツール１６が孔６１の内部にあるときには、制御降下速度の最大値をより高くすることができるため、掘削機１の高い生産性を保証できる。
【０１４４】
速度制限モジュール７１は、有利には、可撓性引張素子に作用する瞬間重量の変化とともに、掘削ストリング１２の制御降下速度の最大値Vmaxを変化させることができ、例えば、使用する掘削ストリング１２がより重たいときには、この最大値Vmaxを低くすることができ、また使用する掘削ストリング１２がより軽いときには、この最大値Vmaxを高くすることができる。
【０１４５】
他の例として、この最大値Vmaxは、掘削ストリング１２の全重量が可撓性引張素子１７に作用するときには低くすることができ、また掘削ストリング１２の重量の少なくとも一部分がすでに掘削ヘッド１１に転移されているときには大きくすることができる。
【０１４６】
さらに、可撓性引張素子に作用する瞬間重量Weightに基づいて、有利には、掘削機１に新たな掘削ストリング１２を据え付ける際に新しい掘削ストリングの重量に基づいて制御降下速度の最大値Vmaxを変化させることができる。
【０１４７】
このようにして、掘削機１の生産性を最大化することができ、これはすなわち、掘削機１の或る所定サイズに対して許容される最大重量よりも軽い掘削ストリング１２の使用は、制御降下速度の最大値を増加することを可能にし、またひいては孔の掘削で有用に採用されない時間を短縮することができる。
【０１４８】
速度制限モジュール７１は、掘削ストリング１２の制御降下速度の最大値Vmaxを決定するにあたり、動作装置２１の、又は変速機３４の最大許容回転速度Nmax1及び第１電動モータ２２の最大許容回転速度Nmax2をも考慮する。
【０１４９】
このようにして、動作装置２１又は変速機３４の及び第１電動モータ２２の最大回転速度を超えることを回避することができ、したがって、掘削機１のいかなる機械的損傷に対する安全性を向上させることを可能にする。
【０１５０】
速度制限モジュール７１は、有利には、使用する掘削技術のタイプの変化に応じて、掘削ストリング１２の制御降下速度の最大値Vmaxを変化させることができ、例えば、「ＣＦＡ」及び「ＣＡＰ」のような掘削ヘッドに機械的に連結した連続フライトオーガの使用をともなう掘削技術を使用するときには、土を除去することなく連続フライトオーガをねじ込んでいく現象を回避するため、この制御降下速度の最大値Vmaxを低くすることができる。
【０１５１】
「ＬＤＰ」のような管状抜き差し素子に機械的に連結した掘削ツールの使用をともなう掘削技術を使用するときには、孔掘削に有用に採用されない時間を最小化するため、この制御降下速度の最大値Vmaxをより大きくすることができる。さらに、使用する掘削技術のタイプに基づいて、「ドライ掘削」を実施する、すなわち、孔を維持する流体がなくドライ掘削が孔の壁を浸食するリスクを伴わないときには、有利には、制御降下速度の最大値Vmaxをより大きくすることができるとともに、「流体掘削」を実施するときには、掘削ツールが通過する際にこの流体の過剰な撹乱運動に起因する孔の壁における浸食を回避するため、制御降下速度の最大値Vmaxを低くすることができる。
【０１５２】
速度制限モジュール７１は、使用する掘削ツールのタイプToolの変化、例えば、掘削ツール１６のジオメトリ及びカテゴリーの変化に応じて、制御降下速度の最大値Vmaxを変化させることもできる。
【０１５３】
有利には、この制御降下速度の最大値Vmaxは、連続フライトオーガのフライトピッチの増大に応じて大きくすることができ、また土を除去することなく連続フライトオーガをねじ込んでいく現象を回避するため、この制御降下速度の最大値Vmaxを小さくすることができる。
【０１５４】
さらに、掘削ツール１６のジオメトリが、例えば、とくに、丈高掘削ツール１６を使用するケースで、孔を維持する流体の撹乱運動に起因して孔の壁を浸食する現象に対して特に厳密である場合、制御降下速度の最大値Vmaxを減少させることができる。
【０１５５】
掘削ストリング１２の制御降下速度の最大値Vmaxを決定するにあたり、速度制限モジュール７１は、さらに、制御速度での掘削ストリング１２の少なくとも１回の降下行程中第１電動モータ２２のエネルギー効率を最大化するよう、第１電動モータ２２のエネルギー効率を考慮することもできる。
【０１５６】
制御降下速度の最大値Vmaxを決定するにあたり、速度制限モジュール７１は、さらに、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力も考慮して、第１電動モータ２２が発生する電力Pmotを、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxよりも大きくない値に制限する。
【０１５７】
上述したように、制御デバイス８又はＨＭＩ９の操作によって、オペレータは制御降下速度Vdの所望値を与えることができる。とくに、孔掘削作業の開始時に１回だけ制御降下速度の最適値をプリセットするのが有利である。
【０１５８】
例えば、この最適値は、使用する掘削ツールに基づいて、又は使用する掘削技術に基づいてＨＭＩ９によってオペレータがプリセットすることができる。この後、オペレータは制御デバイス８を操作し、制御降下速度Vdの所望値をパーセンテージとして与える、又はいずれにせよ概して、プリセット最適値の分数割合として与える。
【０１５９】
例えば、オペレータが制御デバイス８をフルスケールとなるよう操作する場合、制御降下速度Vdの所望値は、ＨＭＩ９によってプリセットした最適値に等しくなる。オペレータが制御デバイス８をフルスケールの５０％となるよう操作する場合、制御降下速度Vdの所望値は、ＨＭＩ９によってプリセットした最適値の半分の値に等しくなる、すなわち、制御デバイス８の操作程度に比例する。
【０１６０】
明らかに、制御降下速度Vdの所望値は制御デバイス８の操作程度に比例的に対応しないが、非比例法則に従って対応するよう制御デバイス８の調整を変化させることができる。制御グループ７は、支持構体３との機械的連結により掘削機１に関連付けすることができる、又はリアルタイム分散型制御システム６０に対する有線又は無線の接続によってのみ掘削機１に関連付けすることができる。
【０１６１】
加速及び減速制限モジュール７９は、掘削ツールの位置Posの変化に応じて、掘削ツール１６の降下加速度又は降下減速度の最大値Amaxを変化することができ、例えば、加速度の最大値は、掘削ツール１６が孔の外部にあるとき低くすることができ、また掘削ツール１６が孔の内部にあるとき大きくすることができる。加速度のこの異なる最大値は、既知の掘削機よりも掘削機１の安全性向上を可能にする。
【０１６２】
さらに、加速度の最大値は掘削ツール１６が孔の内部にあるときより大きくすることができるため、掘削機１の高い生産性を保証することができる。加速及び減速制限モジュール７９は、さらに、可撓性引張素子に作用する瞬間重量Weightの変化に応じて掘削ツール１６の降下加速度又は降下減速度の最大値Amaxを変化させることができ、例えば、加速度の最大値は可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量が小さいとき大きくすることができるとともに、可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量が大きいとき小さくすることができる。
【０１６３】
逆に、減速度の最大値は可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量が大きいとき小さくすることができるとともに、可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量が小さいとき大きくすることができる。加速度及び減速度のこの異なる最大値によれば、可撓性引張素子１７に課され、したがって、動作装置２１に影響を及ぼす動的過負荷を既知タイプの掘削機よりも減少することを可能にする。
【０１６４】
加速及び減速制限モジュール７９は、さらに、使用する掘削技術タイプの変化に応じて掘削ツール１６の降下加速度又は降下減速度の最大値Amaxを変化させることができ、例えば、「ＬＤＰ」のような管状抜き差し素子に機械的に連結した掘削ツールの使用をともなう掘削技術を使用するときには、孔掘削に有用に採用されない時間を最小化するため、この制御降下速度度の最大値Vmaxをより大きくすることができるとともに、「ＣＦＡ」及び「ＣＡＰ」のような掘削ヘッドに機械的に連結した連続フライトオーガの使用をともなう掘削技術を使用するときには、小さくすることができ、これはすなわち、高い加速度の瞬間値は、土を除去することなく連続フライトオーガをねじ込んでいく現象を示すことになるからである。
【０１６５】
加速及び減速制限モジュール７９は、有利には、さらに、使用する掘削ツールのタイプToolの変化に応じて掘削ツール１６の降下加速度又は降下減速度の最大値Amaxを変化させることができ、例えば、ドリルを使用する場合には、加速度の最大値を大きくすることができるとともに、バケットを使用する場合には小さくすることができ、これはすなわち、バケットは、急激な加速又は減速があると孔の壁の浸食をより生じ易いからである。
【０１６６】
掘削機１は、有利には、支持構体３に少なくとも１つの第１電動モータ２２、第１双方向電力コンバータ装置２３、第１貯蔵システム４０、第１内蔵制御ユニット７０、及び第２内蔵制御ユニット８０を収容できる。この支持構体３は、制限された慣性力を有して軸線Ｒの周りに回転する移動体アセンブリ２に機械的に連結するために制限した寸法でなければならないため、掘削機の安定性に関する問題を回避するため、また支持構体自体の回転に由来する慣性力を最小化するために、収容するコンポーネントの寸法及び質量を抑制することが必須である。
【０１６７】
この目的のために、掘削機１は、第１電動モータ２２用、第２双方向電力コンバータ装置４１用、第１貯蔵ユニット４２用、第１内蔵制御ユニット７０用、及び第２内蔵制御ユニット８０用に液体冷却システムを有する。この冷却システム、例えば、水及びグリコールによって、有利にも、空冷システムよりもこのようなコンポーネントの寸法及び質量の双方を減少することができる。
【０１６８】
さらに、この液体冷却システムによってこれらコンポーネントの信頼性を向上することができ、これはすなわち、掘削機を使用する建設現場に一般的に存在する多量の塵埃から隔絶することができ、また適切なＩＰ保護等級（IP protection rating）を採用することに起因するからである。電力を発生するよう構成した原動機５０を支持構体３に機械的に関連付ける場合、有利には、第３電力コンバータ装置５３用、第２電動モータ５２用、及び第３内蔵制御ユニット９０用にも液体冷却システムを使用する。電力を発生するよう構成した原動機５０を支持構体３に機械的に関連付けないが、電気エネルギー送電網２４にのみ電気的に接続する場合、第２電動モータ５２及び／又は第３電力コンバータ装置５３及び／又は第３内蔵制御ユニット９０に対して空冷システムを使用することができる。
【０１６９】
第１実施形態の第１変更例において、電力制限モジュール７５、したがって第１内蔵制御ユニット７０は、第１電動モータ２２によって発生した電力Pmotの瞬間値を決定する及び／又は第１双方向電力コンバータ装置２３によって変換した電力Pregenの瞬間値を決定することを行い、また、これら決定した瞬間値のうち少なくとも一方を第２内蔵制御ユニット８０に通信システム９２によって送信し、代案的又は付加的にこれら決定した瞬間値のうち少なくとも一方を中央制御ユニット９１に送信することができる。
【０１７０】
第１電気エネルギー貯蔵システム４０が機能不全を生じた場合、第２内蔵制御ユニット８０は、貯蔵した電力Pstoredの瞬間値の、ゼロに等しい限界値のような減少した値を決定し、またこの減少した値を表している通信データを通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０に、又は中央制御ユニット９１に送信することができる。
【０１７１】
第１内蔵制御ユニット７０又は中央制御ユニット９１は、この減少した値を第１内蔵制御ユニット７０によって双方ともに決定した発生した又は変換した電力Pmot又はPregenの瞬間値と比較することができ、またこの減少した値と相当異なる場合、このような通信データは機能不全状況を表すものとして認識する。第１変更例において、貯蔵電力を決定するモジュール、したがって第２内蔵制御ユニット８０は、発生した電力Pmotのこの瞬間値及び／又は変換した電力Pregenのこの瞬間値を受信するよう構成し、またこれら受信した瞬間値に基づいて貯蔵電力Pstoredの制御値を生成するよう構成する。
【０１７２】
電気制御信号を生成する第２モジュール、したがって第２内蔵制御ユニット８０は、少なくとも貯蔵電力Pstoredのこの制御値に基づいて、第３電気制御信号を生成し、またこれを第２双方向電力コンバータ装置４１の制御可能電子パワーデバイスに送信するよう構成し、これにより第２双方向電力コンバータ装置４１は、第１内蔵制御ユニット７０が決定した少なくとも１つの瞬間値に基づいて第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵した電力Pstoredの瞬間値を制御する。
【０１７３】
変換した電力Pregenの瞬間値は、発生した電力Pmotに由来し、また第１双方向電力コンバータ装置２３の効率に由来するため、貯蔵した電力を決定するモジュールは、したがって、第１電動モータ２２によって発生した電力Pmotを表している瞬間値に基づいて貯蔵電力Pstoredの瞬間値を制御することができる。
【０１７４】
第１実施形態の第１変更例は、孔内における掘削ツール１６の制御降下速度Vdの所望値に達してこれを維持することができ、より実効性のあるやり方で、リンク２４の電圧値の過剰振動で生ずる動作装置２１のいかなる動作不安定性の発生をも回避することができる。実際、リンクの電圧振動を排除することができ、これはすなわち、瞬間毎に、リンク２４の電圧の瞬間値を決定する必要なく、またこの瞬間値をリンクの基準値に比較する必要もなく、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値は発生する電力Pmotに基づいて直接制御されるからである。
【０１７５】
このようにして、リンク２４の電圧制御のパフォーマンスを向上させることができ、これに伴ってリンク２４の振動を減少し、また最大で排除することもできる。実際、発生した電力Pmotの瞬間値に直接基づいて、第１リンク調節モジュールが待機する必要なく貯蔵した電力Pstoredの瞬間値を制御することができ、貯蔵した電力Pstoredの瞬間値を変化することができ、リンク電圧の第１基準値に対するリンク電圧の瞬間値変動を生ぜしめることができる。
【０１７６】
第１実施形態の第１変更例において、第１内蔵制御ユニット７０は、さらに、速度調節モジュール７２のコントローラにおける幾つかの特性パラメータの値、例えば、比例及び／又は積分及び／若しくは微分の項におけるゲイン値、又は履歴コントローラの帯域幅の値又はコントローラのファジールールに関連する重量因子の値を変化させるよう構成した適応的制御モジュールを有する。
【０１７７】
このコントローラにおける幾つかの特性パラメータの変化は、瞬間毎に可撓性引張素子１７に作用する瞬間重量Weightに基づいて実施することができる、又は瞬間毎に使用する掘削ストリングのジオメトリを表しているパラメータに基づいて、例えば、ケリー式抜き差しロッドの長さ、及び掘削ツールの位置Posに基づいて実施することができる。この変化は瞬間毎に実施することができるため、有利にも、適応的制御モジュールは、孔内における同一降下行程中にコントローラにおける幾つかの特性パラメータの値を数回変化させることができる。
【０１７８】
コントローラにおける幾つかの特性パラメータのこの変化によって、抜き差しロッドがその重量を掘削ヘッドに伝達するときに生ずる可撓性引張素子１７に作用する重量の急激な変化、及び孔内における制御速度での降下中に掘削ストリング１２に作用する予測不能な摩擦力変化の双方に対して、掘削ストリングの制御降下速度における制御の即応能力、精度及び安定性を最適化することができる。
【０１７９】
掘削機１の第１実施形態における第２変更例を示す。この第２変更例において、電力消費ユニット２５は、さらに、第２電気エネルギー貯蔵システム４３を有する。この第２電気エネルギー貯蔵システム４３は、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイス、例えば、サイリスタ（ＳＣＲ、ＧＴＯ）又はトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ）を有する少なくとも１つの第４電力コンバータ装置４４と、少なくとも１つの第２貯蔵ユニット４５とを備える。
【０１８０】
この第２貯蔵ユニット４５は、単に例として、互いに直列及び／若しくは並列に電気的に接続した電気的２層キャパシタのような多重スーパーキャパシタを有するスーパーキャパシタによる第２ユニットとすることができる、又は単に例として、互いに直列及び／若しくは並列に電気的に接続したＬｉ-Ｉｏｎ若しくはＬｉ-ＦｅＰＯ４型のリチウム電池又は純粋鉛電池のような複数の二次電池を有する二次電池による第２ユニットとすることができる。したがって、第２電気エネルギー貯蔵システム４３は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０と同一様態で、すなわち、同一コンポーネントを有して構成することができる。
【０１８１】
代案として、第２電気エネルギー貯蔵システム４３は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０と類似のやり方で構成することができ、また使用するコンポーネントのサイズが異なる、すなわち、コンポーネントデータシートが特定されるデータプレートの寸法及び／又は電気的公称値（エネルギー容量、定格電力、定格電流、定格電圧）が異なるものとすることができる。
【０１８２】
とくに、この代替案において、第４双方向電力コンバータ装置４４は第１双方向電力コンバータ装置４１とはサイズが異なるものとし、また第２貯蔵ユニット４５は第１貯蔵ユニット４２とはサイズが異なるものとすることができるが、第１貯蔵ユニット４２及び第２貯蔵ユニット４５は双方ともにスーパーキャパシタによって、又は双方ともに二次電池によって構成することができる。
【０１８３】
他の代替案において、第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び第２電気エネルギー貯蔵システム４３は、使用するコンポーネントのタイプに関して異なるものとすることができる。とくに、この他の代替案において、第１貯蔵ユニット４２は、スーパーキャパシタの第１ユニットとすることができるとともに、第２貯蔵ユニット４５は二次電池の第２ユニットとすることができる、又はその逆とすることができる。とくに、図４においては２個のみの電気エネルギー貯蔵システム、すなわち、第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び第２電気エネルギー貯蔵システム４３を示しているが、掘削機１の第１実施形態における第２変更例は、２個より多い数又は２に等しい数の複数電気エネルギー貯蔵システムを有する電力消費ユニット２５の使用を想定することができると理解されたい。
【０１８４】
掘削機１の第１実施形態における第２変更例において、リアルタイム分散型制御システム６０は、中央制御ユニット９１に加えて、通信システム９２、第１内蔵制御ユニット７０、第２内蔵制御ユニット８０、及び第３内蔵制御ユニット９０、さらに、第４双方向電力コンバータ装置４４に関連する第４内蔵制御ユニット９３を有することができる。
【０１８５】
このケースにおいて、通信システム９２は、内蔵制御ユニット７０、８０、９０、９３間で、また各内蔵制御ユニット７０、８０、９０、９３と中央制御ユニット９１との間で通信データを伝送するよう配備する。第４内蔵制御ユニット９３は、例えば、少なくとも１つのＤＳＰ及び／又は１つのマイクロプロセッサ及び／又は１つのマイクロコントローラ及び／又は１つのＦＰＧＡを有し、この第４内蔵制御ユニット９３は、第２内蔵制御ユニット８０につき上述したのと類似の様態にして作成すると有利である。
【０１８６】
とくに、第４内蔵制御ユニット９３は、プログラム化する、すなわち、第４内蔵制御ユニット９３のメモリユニット内にローディングしたコンピュータ制御プログラムを有する。このコンピュータ制御プログラムは、少なくとも第３リンク電圧調節モジュール、第２電流制限モジュール、電気制御信号を生成するための第４モジュール、及び第２温度管理モジュールを有する。電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxの値は、通信システム９２により伝送される通信データによって、第４内蔵制御ユニット９３によっても第１内蔵制御ユニット７０に送信された場合、この第４内蔵制御ユニット９３は、有利には、貯蔵した電力を決定する第２モジュールを有することができる。
【０１８７】
これらモジュールの動作は、第１実施形態に関して第２内蔵制御ユニット８０につき上述したのと類似しているため、説明しない。とくに、第６電気制御信号を送信することによって、第４内蔵制御ユニット９３は、第４双方向電力コンバータ装置４４に電気的に関連付けられる。
【０１８８】
したがって、リアルタイム分散型制御システム６０は、掘削ストリング１２の降下行程中に第２電気制御信号、第３電気制御信号及び第６電気制御信号によって制御された速度で動作装置２１を制御するよう配備されることが理解されるであろう。第３電気制御信号、第４電気制御信号及び第６電気制御信号を送信することによって、第１電気エネルギー貯蔵システム４０、電力を生成するよう構成された原動機５０及び第２電気エネルギー貯蔵システム４３は、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に電力を第１電動モータ２２に伝送する。この第１電動モータ２２は、第１作業モードにおいて、可撓性引張素子１７によって掘削ストリング１２を持ち上げるよう動作装置２１を作動させる。
【０１８９】
この第１作業モードにおいて、第１電動モータ２２は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０によって、電力を生成するよう構成した原動機５０によって、及び第２電気エネルギー貯蔵システム４３によって伝送された電力を機械的駆動力に変換し、この機械的駆動力を動作装置２１に印加して、掘削ストリング１２を持ち上げ、また持ち上げ行程を実施する。したがって、リアルタイム分散型制御システム６０は、第２電気制御信号、第３電気制御信号、第４電気制御信号及び第６電気制御信号によって、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に動作装置２１を制御するよう配備されることが理解されるであろう。
【０１９０】
上述した第１実施形態における第２変更例は、さらに、本発明の目的を満たすことができるとともに、同時に既知タイプの掘削機に存在する問題を解決する。実際、複数の電気エネルギー貯蔵システムを使用することは、既知タイプの掘削機よりも燃料消費を低減することを可能にする。
【０１９１】
とくに、複数の電気エネルギー貯蔵システムを使用することによって、有利にも、制御速度で孔内への降下行程開始時に掘削ストリング１２が持つ多量の重力による潜在的エネルギーを回収することができ、またさらに、既知タイプの掘削機よりも掘削機１の全体エネルギー効率を向上させることができる。
【０１９２】
したがって、より重たい掘削ストリング１２、例えば、より長い掘削ストリング１２を使用することができる。より長い掘削ストリング、例えば、より長い連続フライトオーガ又はより多数の管状抜き差し素子を使用することは、既知タイプの掘削機よりも到達できる掘削深さを増大することができる。掘削深さの増大は掘削ストリングを移動させる既知タイプの掘削機に必要な燃料消費をも増大させることから、掘削ストリングのこの移動は掘削深さ増大に伴って作業サイクルの増加する大きな部分をカバーするため、第１実施形態における第２変更例による掘削機１は、既知タイプの掘削機に比べて燃料消費をより一層低減することを可能にする。
【０１９３】
さらに、複数の電気エネルギー貯蔵システムを使用することによって、有利にも、電力消費ユニット２５が使用可能な電力Pmaxを増大させることができ、またさらに、第１電気モータ２２が動作装置２１に印加する機械的最大制動力を増大させることができる。例えば、第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び第２電気エネルギー貯蔵システム４３が存在する場合、電力消費ユニット２５が使用できる最大電力Pmaxの値を表している信号は、貯蔵電力Pstoredの瞬間値の合計、又は対応する内蔵制御ユニット８０及び９３それぞれによって決定された貯蔵電力Pstoredの最大許容値の合計を表すことができる。
【０１９４】
このようにして、有利にも、孔内における掘削ストリング１２の制御降下速度Vmaxの最大値を増大させることができ、またひいては既知タイプ掘削機よりも掘削機１の生産性を増大させることができる。追加の貯蔵システムが掘削機１に望ましい場合、電力制限モジュール７５は、再び電力消費ユニット２５が使用可能な最大電力Pmaxの新たな値を表している信号によって構成するだけで十分である。
【０１９５】
複数の電気エネルギー貯蔵システムを使用することによって、電気エネルギー貯蔵システムの起こり得る機能不全に対する冗長性を保証することができ、またひいてはこのような機能不全後に必ず機械的パーキングブレーキを係合させる必要なく、掘削機１の安全性を保証することができる。
【０１９６】
例えば、第１電気エネルギー貯蔵システム４０の機能不全を生じた場合、第１実施形態の第２変更例による掘削機１は、運転サイクルを中断する必要なく、第２電気エネルギー貯蔵システム４３を使用することができる。このようにして、掘削機１の生産性を増大させることができる。
【０１９７】
第４双方向電力コンバータ装置４４は、バック（buck）型、すなわち、制御速度での掘削ストリング１２の降下中に、第２貯蔵ユニット４５の電圧が常にリンク２４の電圧よりも高くない状態に留まるタイプとすることができる、又はバック・ブースト（buck-boost）型、すなわち、制御速度での掘削ストリング１２の降下中に、第２貯蔵ユニット４５の電圧がリンク２４の電圧よりも低いか、それに等しいか又は高いかのいずれかになり得るタイプとすることができる。
【０１９８】
とくに、バック型第４双方向電力コンバータ装置４４の使用は掘削機１のエネルギー効率を最大化できるとともに、バック・ブースト型第４双方向電力コンバータ装置４４の使用は掘削深さを最大化することができ、またしたがって、双方のケースで掘削機１の生産性を最大化することができる。
【０１９９】
第４双方向電力コンバータ装置４４は、有利には、ジュール効果に起因する電力損失を減少し、また掘削機１の効率を最大化するために、多相型とすることができる。第２電気エネルギー貯蔵システムを第１電気エネルギー貯蔵システムと同一に構成する場合、規模により可能となる経済性に起因する経済的利点が得られる。第２電気エネルギー貯蔵システム４３が使用するコンポーネントタイプにおいて第１電気エネルギー貯蔵システム４０とは異なる場合、スーパーキャパシタに特有の限定された全体寸法及び二次電池に特有の低コストの双方を同時に有効利用する利点が得られる。
【０２００】
図５は掘削機１の第１実施形態の第３変更例を示す。先の図面につき説明したのとは異なり、掘削機１の第１実施形態の第３変更例においては、電力消費ユニット２５は、さらに、少なくとも１つの消散的電気制動システム３０を有する。この消散的電気制動システム３０は、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイス、例えば、サイリスタ（ＳＣＲ、ＧＴＯ）又はトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ）を有する少なくとも１つの第５電力コンバータ装置３１と、少なくとも１つの抵抗３２とを備える。
【０２０１】
とくに、図５は１個のみの第５電力コンバータ装置３１を有する消散的電気制動システム３０を示すが、消散的電気制動システム３０は、これとは異なり、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイスを有する複数の第５電力コンバータ装置３１を備えることができる。さらに、図５は抵抗３３の多重相系統を有する消散的電気制動システム３０を示すが、消散的電気制動システム３０は、これとは異なり、１個のみの抵抗３２を備えることができる。この抵抗３２は、変換した電力Pregenの少なくとも一部分を熱的パワーに変換するよう構成される。
【０２０２】
変換した電力Pregenの瞬間値は第１電動モータ２２によって発生した電力Pmotの瞬間値、及び第１双方向電力コンバータ装置２３の効率に由来するため、少なくとも１つの抵抗３２は、孔６１内における掘削ストリング１２の制御降下速度での少なくとも１回の降下行程中に第１電動モータ２２によって発生した電力Pmotの少なくとも一部分を熱的パワーに変換するよう構成される。先の図面につき説明したのとは異なり、第１内蔵制御ユニット７０は、第１双方向電力コンバータ装置２３との関連付けに加えて、第５電力コンバータ装置３１に関連付けされる。
【０２０３】
先に説明したことに加えて、掘削機１の第１実施形態の第３変更例によれば、第１内蔵制御ユニット７０の制御プログラムは、さらに、第２リンク電圧調節モジュール及び電気制御信号を発生するための第３モジュールを有する。第２リンク電圧調節モジュールは、リンク電圧Vlinkの瞬間値を決定し、この瞬間値をリンク電圧の第２基準値Vlinkref2と比較するよう構成する。第２リンク電圧調節モジュールは、さらに、この比較に基づいてリンク電圧の第２制御値を生成するように構成する。
【０２０４】
電気制御信号を生成する第３モジュールは、リンク電圧の少なくとも第２制御値に基づいて、第５電力コンバータ装置３１の制御可能な電子パワーデバイスに第５電気制御信号を送信するよう構成し、これにより少なくとも１つの抵抗３２は変換した電力Pregenの少なくとも一部分を熱的パワーに変換する。
【０２０５】
第５電気制御信号を送信することによって、第１内蔵制御ユニット７０は、この第５電力コンバータ装置３１に電気的に関連付けされる。リアルタイム分散型制御システム６０は、第２電気制御信号、第３電気制御信号、第５電気制御信号及び第６電気制御信号によって、掘削ストリング１２の制御速度での降下行程中に動作装置２１を制御するよう配備される。リアルタイム分散型制御システム６０は、第２電気制御信号、第３電気制御信号、第４電気制御信号及び第６電気制御信号によって、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に動作装置２１を制御するよう配備される。
【０２０６】
図５は例として複数の電気エネルギー貯蔵システム４０、４３を示すが、第１実施形態の第３変更例において、電力消費ユニット２５は、さらに、１個のみの電気エネルギー貯蔵システム４０を有することができると理解されたい。さらに、第１実施形態の第３変更例において、電力消費ユニット２５は複数の消散的電気制動システムを有することができ、したがって、複数の対応する第５電力コンバータ装置及び複数の抵抗又は複数の多相抵抗系統を有することができる。
【０２０７】
上述した第１実施形態の第３変更例は、掘削機１の生産性を一層向上させることができるとともに、既知タイプの掘削機に存在する問題を解決することができる。電力消費ユニット２５が１個のみの電気エネルギー貯蔵システム４０を有する場合、この電気エネルギー貯蔵システム４０及び／又は第２内蔵制御ユニット８０の機能不全が生じた場合でも、掘削機１の生産性を向上させることができる。
【０２０８】
実際、第１電気エネルギー貯蔵システム４０の機能不全が掘削ストリングにおける制御速度での孔内への降下中に生じた場合、第２内蔵制御ユニット８０は、有利にも、通信システム９２によってこの機能不全状況を表している少なくとも幾つかの通信データを第１内蔵制御ユニット７０に、及び／又は中央制御ユニット９１に送信するよう構成することができる。
【０２０９】
例えば、第１電気エネルギー貯蔵システム４０の機能不全に起因して第２内蔵制御ユニット８０は、貯蔵電力Pstoredの瞬間値の減少値、例えば、ゼロに等しい制限値を決定することができ、またこの減少値を表している通信データを、通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０に、及び／又は中央制御ユニット９１に送信することができる。
【０２１０】
第１内蔵制御ユニット７０及び／又は中央制御ユニット９１は、この減少値を、発生した電力Pmot又は変化した電力Pregenであって、双方ともに第１内蔵制御ユニット７０によって決定されるこれら電力の瞬間値と比較することができ、またこれら電力が減少値と大きく異なっている場合、このような通信データは機能不全状況を表していると識別する。
【０２１１】
代案的又は付加的に、例えば、第１貯蔵ユニット４２の少なくとも１つの温度の瞬間値が最大許容値を超えたことによる第１貯蔵システム４０の機能不全発生後に、第２内蔵制御ユニット８０は、貯蔵電力Pstoredの最大許容値の減少した値、例えば、ゼロに等しい限界値を決定することができ、また機能不全状況を表している通信データとともに、この減少値を通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０に、及び／又は中央制御ユニット９１に送信することができる。
【０２１２】
第２内蔵制御ユニット８０の機能不全が生ずる場合、中央制御ユニット９１は、有利には、通信システム９２によってこの機能不全状況を表している少なくとも幾つかの通信データを第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成することができる。第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び／又は第２内蔵制御ユニット８０の機能不全状況を表しているこのような通信データに基づいて、制御信号を生成する第３モジュールは、第５電力コンバータ装置３１の制御可能電子パワーデバイスに第５電気制御信号を送信することができ、これにより少なくとも１つの抵抗３２は変換電力Pregenのすべてを熱的パワーに変換する。
【０２１３】
このようにして掘削機１の運転サイクルは中断されず、これはすなわち、機械的パーキングブレーキによる掘削ストリング１２の降下を完全に停止させる必要がないためであり、これにより既知タイプの掘削機よりも掘削機１の生産性を一層向上する。
【０２１４】
電力消費ユニット２５が複数の電気エネルギー貯蔵システム４０、４３を有する場合には、第２電気エネルギー貯蔵システム４３及び／又は第４内蔵制御ユニット９３の機能不全を生ずる場合であっても、掘削機１の生産性を一層向上させることができる。
【０２１５】
第２電気エネルギー貯蔵システム４３の機能不全を生ずる場合、第４内蔵制御ユニット９３は、有利には、このような機能不全を表している少なくとも幾つかの通信データを通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０及び／又は中央制御ユニット９１に送信するよう構成することができる。
【０２１６】
第４内蔵制御ユニット９３の機能不全を生ずる場合、中央制御ユニット９１は、有利には、この機能不全を表している少なくとも幾つかの通信データを通信システム９２によって第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成することができる。第２電気エネルギー貯蔵システム４３及び／又は第４内蔵制御ユニット９３の機能不全を表しているこのような通信データに基づいて、電気制御信号を発生する第３モジュールは、第５電気制御信号を第５電力コンバータ装置の制御可能電子パワーデバイスに送信し、これにより少なくとも１つの抵抗３２は変換電力Pregenの少なくとも一部分を熱的パワーに変換する。
【０２１７】
とくに、少なくとも１つの抵抗３２によって熱的パワーに変換される電力の値は、第２電気エネルギー貯蔵システム４３及び／又は第４内蔵制御ユニット９３の機能不全発生直前又は発生時にこの第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵された電力Pregenの瞬間値に少なくとも等しい。このようにして、有利にも、機能不全状況発生後に、孔内における掘削ストリング１２の制御降下速度の最大値を増大することができ、またひいては既知タイプの掘削機よりも掘削機１の生産性を一層向上することができる。
【０２１８】
さらに、有利にも、掘削ストリング１２の到達可能な掘削深さを増大させ、したがって、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に使用されるコンポーネントの所定サイズに対して、及び／又は第２電気エネルギー貯蔵システム４３に使用されるコンポーネントの所定サイズに対して、掘削機１の生産性を向上させることができる。この目的のために、第２内蔵制御ユニット８０の制御プログラムは、さらに、第１貯蔵ユニット４２の充電状態の瞬間値SOCinst1を決定するよう構成した第１充電状態決定モジュールを有する。
【０２１９】
同様に、第４内蔵制御ユニット９３の制御プログラムは、さらに、第２貯蔵ユニット４５の充電状態の瞬間値SOCinst2を決定するよう構成した第２充電状態決定モジュールを有する。第１充電状態決定モジュールは、さらに、第１貯蔵ユニット４２の充電状態の瞬間値SOCinst1を、この第１貯蔵ユニット４２の充電状態最大値SOCmax1と比較するよう構成し、またこの比較に基づいて第１貯蔵ユニット４２の充電状態の第１制御値を生成するよう構成する。
【０２２０】
同様に、第２充電状態決定モジュールは、さらに、第２貯蔵ユニット４５の充電状態の瞬間値SOCinst2を、この第２貯蔵ユニット４５の充電状態最大値SOCmax2と比較するよう構成し、またこの比較に基づいて第２貯蔵ユニット４５の充電状態の第２制御値を生成するよう構成する。
【０２２１】
第２内蔵制御ユニット８０が、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値を決定する、及び／又は第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの最大許容値を決定するよう構成された、貯蔵電力を決定する第１モジュールを有する場合、これら値は、さらに、充電状態瞬間値SOCinst1に基づいて、又は第１貯蔵ユニット４２の充電状態の第１制御値に基づいて決定することができる。
【０２２２】
とくに、貯蔵電力を決定する第１モジュールは、第１貯蔵ユニット４２における充電状態の第１制御値に基づいて、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの制御値を生成するよう構成する。このとき、電気制御信号を生成する第２モジュールは、貯蔵される電力のこの制御値に基づいて第３電気制御信号を生成し、またこの第３電気制御信号を第２双方向電力コンバータ装置４１の制御可能電子パワーデバイスに送信するよう構成し、これにより第２双方向電力コンバータ装置４１は、第１貯蔵ユニット４２の充電状態の少なくとも瞬間値SOCinst1に基づいて、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値を制御する。
【０２２３】
したがって、第２内蔵制御ユニット８０は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値、及び／又は第１電気エネルギー貯蔵システム４０に貯蔵される電力Pstoredの最大許容値を決定し、またこれら値を、通信システム９２が伝送する通信データによって第１内蔵制御ユニット７０に送信することが理解されるであろう。
【０２２４】
同様に、第４内蔵制御ユニット９３が、第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値を決定する、及び／又は第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの最大許容値を決定するよう構成された、貯蔵電力を決定する第２モジュールを有する場合、これら値は、さらに、充電状態瞬間値SOCinst2に基づいて、又は第１貯蔵ユニット４５の充電状態の第２制御値に基づいて決定することができる。
【０２２５】
このケースにおいて、第４双方向電力コンバータ装置４４は、第２貯蔵ユニット４５の充電状態の少なくとも瞬間値SOCinst2に基づいて、第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値を制御する。
【０２２６】
さらに、第４内蔵制御ユニット９３は、第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値及び／又は第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの最大許容値を決定し、これら値を通信システム９２によって伝送される通信データによって第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成する。
【０２２７】
第１電気エネルギー貯蔵システム４０に使用されるコンポーネントの所定サイズ及び第２電気エネルギー貯蔵システム４３に使用されるコンポーネントの所定サイズに対して、掘削ストリング１２が到達できる掘削深さを一層増大するため、第２内蔵制御ユニット８０及び／又は第４内蔵制御ユニット９３及び／又は中央制御ユニット９１は、第１貯蔵ユニット４２における充電状態のこの第１制御値及び／又は第２貯蔵ユニット４５における充電状態のこの第２制御値を、通信システム９２が伝送する通信データによって第１内蔵制御ユニット７０に送信するよう構成される。
【０２２８】
第１内蔵制御ユニット７０は、したがって、このような通信データに基づいて第５電力コンバータ装置３１における制御可能電子パワーデバイスに第５電気制御信号を送信するよう構成され、これにより、消散的電気制動システム３０、とくに、少なくとも１つの抵抗３２は、第１貯蔵ユニット４２の充電状態瞬間値SOCinst1に基づいて、及び／又は第２貯蔵ユニット４５の充電状態瞬間値SOCinst2に基づいて、変換した電力Pregenの少なくとも一部分を熱的パワーに変換する。
【０２２９】
変換した電力Pregenの瞬間値は、第１電動モータ２２が発生する電力Pmotの瞬間値及び第１双方向電力コンバータ装置２３の効率に由来するため、消散的電気制動システム３０、とくに、少なくとも１つの抵抗３２は、第１貯蔵ユニット４２の充電状態瞬間値SOCinst1に基づいて、及び／又は第２貯蔵ユニット４５の充電状態瞬間値SOCinst2に基づいて、第１電動モータ２２によって発生した電力「Pmot」の少なくとも一部分を熱的パワーに変換することが理解されるであろう。
【０２３０】
とくに、このような通信データを送信することによって、また第５電気制御信号によって、有利にも、少なくとも１つの抵抗３２は、第１貯蔵ユニット４２の充電状態瞬間値SOCinst1及び／又は第２貯蔵ユニット４５の充電状態瞬間値SOCinst2が、それぞれこのような第１貯蔵ユニット４２の充電状態最大値SOCmax1及び第２貯蔵ユニット４５の充電状態最大値SOCmax2よりも大きいとき、第１双方向電力コンバータ装置２３によって変換した電力Pregenのすべて、したがって、第１電動モータ２２によって発生した電力Pmotのすべてを熱的パワーに変換することができる。
【０２３１】
このようにして、有利にも、掘削機１は、第１貯蔵システム４２に使用されるコンポーネント及び／又は第２貯蔵システム４５に使用されるコンポーネントの所定サイズに対して、とくに、所定エネルギー容量に対して到達できるよりも大きい掘削深さに到達することができる。
【０２３２】
とくに、消散的電気制動システム３０によって、第１貯蔵システム４２に使用されるコンポーネント及び／又は第２貯蔵システム４５に使用されるコンポーネントの所定サイズ、とくに、所定エネルギー容量とは全く無関係な値の掘削深さに到達することができる。
【０２３３】
第２リンク電圧調節モジュールによって、第１貯蔵ユニット４２の充電状態瞬間値SOCinst1及び／又は第２貯蔵ユニット４５の充電状態瞬間値SOCinst2が、それぞれこのような第１貯蔵ユニット４２の充電状態最大値SOCmax1及び第２貯蔵ユニット４５の充電状態最大値SOCmax2よりも大きいときであっても、リンク２４の電圧が常にリンク電圧の最小値と最大値との間における所定範囲内に維持されることを保証できる。
【０２３４】
例えば、リンク電圧の第１基準値Vlinkref1より大きい又は等しいリンク電圧の第２基準値Vlinkref2を使用することによって、第１貯蔵ユニット４２の充電状態瞬間値SOCinst1及び／又は第２貯蔵ユニット４５の充電状態瞬間値SOCinst2が、それぞれこの第１貯蔵ユニット４２の充電状態最大値SOCmax1及び第２貯蔵ユニット４５の充電状態最大値SOCmax2よりも大きいときであっても、リンク２４の電圧が常に適正な最大値よりも小さい値に維持されることを保証できる。
【０２３５】
変更例において、第５電力コンバータ装置３１又は複数の第５電力コンバータ装置３１は、第１内蔵制御ユニット７０に関連付けられる代わりに、第５内蔵制御ユニットに関連付けることができる。
【０２３６】
とくに、この第５内蔵制御ユニットは、第５電気制御信号を送信することによって、第５電力コンバータ装置３１又は複数の第５電力コンバータ装置３１に電気的に関連付けられる。
【０２３７】
この変更例において、５内蔵制御ユニットは、第２リンク電圧調節モジュール及び電気制御信号を生成する第３モジュールを有する。通信システム９２は、第１内蔵制御ユニット７０、第２内蔵制御ユニット８０、第３内蔵制御ユニット９０、第４内蔵制御ユニット９３、第５内蔵制御ユニット、及び中央制御ユニット９１に電気的に接続される。このようにして、この通信システム９２は、内蔵制御ユニット７０、８０、９０、９３と第５内蔵制御ユニットとの間で、各内蔵制御ユニット７０、８０、９０、９３と第５内蔵制御ユニットと中央制御ユニット９１との間で通信データを伝送するよう配備される。
【０２３８】
とくに、通信システム９２は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０及び／又は第２内蔵制御ユニット８０及び／又は第２電気エネルギー貯蔵システム４３及び／又は第４内蔵制御ユニット９３における機能不全状況を表している通信データを第５内蔵制御ユニットに伝送するよう配備される。
【０２３９】
さらに、通信システム９２は、第１貯蔵ユニット４２の第１制御値、及び／又は第２貯蔵ユニット４５充電状態の第２制御値を表している通信データを第５内蔵制御ユニットに伝送するよう配備する。
【０２４０】
代案的又は付加的に、通信システム９２は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０に及び／若しくは第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの瞬間値、並びに／又は第１電気エネルギー貯蔵システム４０に及び／若しくは第２電気エネルギー貯蔵システム４３に貯蔵される電力Pstoredの最大許容値を第５内蔵制御ユニットに伝送するよう配備する。
【０２４１】
第２実施形態による掘削機１を、いわゆるＬＤＰとして示される掘削技術が実施する掘削に関して図６に示す。図６の符号付けに関する限り、第１実施形態及びその変更例につき上述した同一コンポーネントは、図６において同一符号を採用して示す。したがって、これらコンポーネントに対しては、第１実施形態及び異なる変更例の双方につき既に上述した説明が有効であると理解しなければならない。
【０２４２】
したがって、第１実施形態とは異なる以下のコンポーネントについて説明する。掘削機１の第１実施形態とは異なって、第２実施形態による電力消費ユニット２５は、電力を生成するよう燃料電池５４及び第６電力コンバータ装置５５を含む原動機５０を有し、該第６電力コンバータ装置５５は、燃料電池５４に電気的に関連付けられ、電気制御信号によって制御可能な電子パワーデバイス、例えば、サイリスタ（ＳＣＲ、ＧＴＯ）又はトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ）を有する。
【０２４３】
動作装置２２の運動を制御するよう配備したリアルタイム分散型制御システム６０は、中央制御ユニット９１、通信システム９２、第１内蔵制御ユニット７０、及び第２内蔵制御ユニット８０に加えて、さらに、第６電力コンバータ装置５５に関連付けられた第６内蔵制御ユニット９４を有する。通信システム９２は、内蔵制御ユニット７０、８０、９４相互間で、また各内蔵制御ユニット７０、８０、９４と中央制御ユニット９１との間で通信データを伝送するよう配備される。第６内蔵制御ユニット９４は、第６電力コンバータ装置５５の制御可能電子パワーデバイスに第７電気制御信号を送信するよう構成し、これにより電力を発生するよう構成された原動機５０は、電気エネルギー送電網２４を介して、孔６１内における掘削ストリング１２の地面レベル６２に向かう少なくとも１回の持ち上げ行程中に第１双方向電力コンバータ装置２３及びひいては第１電動モータ２２に電力を伝送する。
【０２４４】
第１電動モータ２２は、第１作業モードにおいて、掘削ストリング１２を可撓性引張素子１７によって持ち上げるよう動作装置２１を作動させるよう構成する。この第１作業モードにおいて、第１電動モータ２２は、第１電気エネルギー貯蔵システム４０によって伝送された電力を機械的駆動力に変換し、また掘削ストリング１２を持ち上げ、また持ち上げ行程を実施するよう、この機械的駆動力を動作装置２１に供給する。
【０２４５】
第７電気制御信号を送信することによって、第６内蔵制御ユニット９４は、第６双方向電力コンバータ装置５５に電気的に関連付けられる。リアルタイム分散型制御システム６０は、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に第２電気制御信号、第３電気制御信号及び第７電気制御信号によって動作装置２１を制御するよう配備される。
【０２４６】
この第６内蔵制御ユニット９４は、第６電力コンバータ装置５５によって燃料電池５４を制御し、またこの第６電力コンバータ装置５５及び燃料電池５４の適正動作に関する安全機能を監督するよう設計する。本発明の第２実施形態においては、有利には、限定しないが、第６電力コンバータ装置５５及び第６内蔵制御ユニット９４は、第４共通エンクロージャ内、例えば、電気的スイッチボード、電気的ボックス、又は既知タイプの電気的キャビネット内に収容する。地面レベルに向かう掘削ストリング１２の持ち上げ行程中、第６内蔵制御ユニット９４は、第７電気制御信号を第６電力コンバータ装置５５に送信するよう構成し、これにより電気エネルギーを生成するよう構成された原動機は、リンク２４によって第１双方向電力コンバータ装置２３及びひいては第１電動モータ２２に電力を伝送する。
【０２４７】
とくに、第６電力コンバータ装置５５は、一方向型、すなわち、燃料電池５４からのみリンク２４に向かう電力フローを生ぜしめるものとし得る、又は双方向型、すなわち、燃料電池５４からリンク２４に向かう及びリンク２４から燃料電池５４に向かうという双方向の電力フローを生ぜしめるものとし得る。
【０２４８】
この第６電力コンバータ装置５５は、掘削ストリング１２の地面レベル６２に向かう持ち上げ行程中に燃料、例えば水素の化学的エネルギーを使用することができる。とくに、掘削機１の第２実施形態において、燃料の化学的エネルギーは燃料電池５４によって電気エネルギーに変換される。
【０２４９】
第７電気制御信号及び第３電気制御信号を送信することによって、電力を生成するよう構成された原動機５０及び第１電気エネルギー貯蔵システム４０は、掘削ストリング１２の持ち上げ行程中に電力を第１電動モータ２２に伝送する。
【０２５０】
電力を生成するよう構成された原動機５０を支持構体３に機械的に関連付けられる場合、有利には、第６電力コンバータ装置５５、燃料電池５４、及び第６内蔵制御ユニット９４に対しても、液体冷却システムを使用する。電力を生成するよう構成された原動機５０は支持構体３に機械的に関連付けられないが、電気エネルギー送電網２４に電気的にのみ接続する場合、燃料電池５４及び／又は第６電力コンバータ装置５５及び／又は第６内蔵制御ユニット９４に対して空冷システムを使用することができる。
【０２５１】
上述した説明から本発明の掘削機の特徴並びにその利点は明らかであろう。
【０２５２】
最後に、本明細書で着想される掘削機は、多くの変更及び改変を受けることができ、さらにまた、すべての細部は技術的に等価な素子によって交換可能である。実際、使用される材料並びに寸法は技術的要件に従う任意なタイプとすることができる。
【図１】
2021516732.tif 000003
【図２】
2021516732.tif 000004
【図３】
2021516732.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2021516732.tif 000008
【国際調査報告】
2021516732.tif 000009
2021516732.tif 000010
2021516732.tif 000011