夕暮れ時に補償揚重を行う洋上ナックルブームクレーン。ブーム先端から海面へ1本のワイヤが張られている
アクティブヒーブ補償

波を計測し、その動きに逆らって駆動する。そのために必要な電力も把握する。

アクティブヒーブ補償

アクティブヒーブ補償の仕組み、使用されている方式、運転コストを解説します。海中作業では通常、不要であるというのが実情です。アクティブ方式が有効なのは、寸法と付加質量が限られた軽量ペイロードであり、ほとんどの揚重ではパッシブ装置で十分かつ低コストです。

執筆： Peter Wang、COO · · 査読： · 読了時間9分

実用例： 揚重に完全アクティブ制御が過剰な場合は、適応減衰がその間を補います。 ANTARES Adaptive PHC および エンジニアリング調査・解析をご覧ください.

アクティブヒーブ補償（AHC）は、洋上作業中にクレーンまたはウインチから吊り下げたペイロードの鉛直運動を低減する方式です。 パッシブヒーブ補償が機械式ばね・ダンパーシステムを利用するのに対し、アクティブヒーブ補償では、センサーとアルゴリズムで制御した油圧または電動アクチュエータにより、波浪起因の運動を能動的に打ち消します。

AHCシステムは、厳しい海象条件下での海中建設、パイプ敷設、ROV投入、深海掘削、重量物揚重に広く使用されています。

機器を検討中ですか？ アクティブヒーブ補償装置の選択肢を比較 、アクティブフィードバックがパッシブ方式やアダプティブ方式より有効となる条件を確認できます。

アクティブヒーブ補償の仕組み

アクティブヒーブ補償装置は、少なくとも次の要素で構成されます。

  1. 位置計測機能を備えた直動式（例：シリンダー）または回転式（例：ウインチ）のアクチュエータ。
  2. モーションリファレンスユニット（MRU）。インラインAHCではAHC本体に、統合型AHCでは船体に設置できます。
  3. 船体運動に追従できる十分な速度でアクチュエータ位置を操作する何らかの機構（例：油圧モーター）。

アクティブモードでは、コントローラーが固定基準に対するペイロードの運動を低減するようアクチュエータに指令します。残留運動は必ず残ります。センシングと制御の遅延、帯域幅、ストローク、力と電力の上限、および連成したペイロード動力学が、制御ループで除去できる範囲を制限します。 

補償性能は条件および周波数に依存します。達成される残留運動は、入力信号、ペイロード、利用可能なストロークと力、および制御限界によって決まります。補償率を示す際は、測定方法と測定位置も併記してください。

AHCの主な方式

アクティブヒーブ補償装置には多くの方式があります。主な方式と適した用途を以下の表で比較します。

インラインAHCは、設置、力、ストローク、速度、電力、制御の範囲が用途に適合する場合に使用できます。Norwegian Dynamicsのバッテリー駆動式アクティブヒーブ補償装置VEGAは現在開発中です。海中インライン構成では、アクティブ制御と一部のアダプティブPHC機能を組み合わせられますが、プロジェクト条件への適合性を実証する必要があります。

アクティブヒーブ補償の構成と、それらを区別するプロジェクト確認項目。
AHC方式統合方式プロジェクト確認項目
電動回転式（ウインチ）ウインチ駆動トルク、速度、熱的デューティ、電力、回生
油圧回転式（ウインチ）ウインチ駆動力、流量、HPU／アキュムレータ容量、発熱、制御帯域幅
デッキ設置シーブ式既設クレーン／荷重経路デッキへの統合、掛け数、ストローク、力、故障時状態
トップサイドインライン式フック上部の荷重経路上方余裕、吊り質量、ストローク、電力、制御
海中インライン式海中荷重経路定格水深、ローカル計測／制御、エネルギー、回収、保守

構成はペイロード質量だけでは選定できません。力・ストローク・速度の全範囲、デューティサイクル、電源、設置、故障時状態の基準を比較してください。

アクティブヒーブ補償とパッシブヒーブ補償の比較

アクティブヒーブ補償とパッシブ方式の比較：エネルギー源、精度、複雑さ、コスト、最適用途。
項目アクティブ（AHC）パッシブ（PHC）
エネルギー源通常は外部電源（HPU）。Norwegian DynamicsのVEGA（開発中）はバッテリーで作動し、アンビリカルは不要自己完結型（ガススプリング）
運動／荷重応答プロジェクト固有。基準を定義し、残留運動、荷重応答、帯域幅、アクチュエータ限界を検証プロジェクト固有。パッシブ方式の力・ストローク・周波数応答と利用可能な移動量を検証
複雑さ高低
コスト高い低い
適した用途精密位置決め、パイプ敷設スプラッシュゾーン、海底着地

パッシブ、アダプティブパッシブ、アクティブの各構成では、力、ストローク、帯域幅、電力、統合の範囲が異なります。同じプロジェクトの運動・荷重条件で比較してください。性能の百分率を別のシステムや揚重に転用することはできません。

消費エネルギー量

この理想化した例では、空中の100 tのペイロードをインラインAHCで補償します。アクチュエータは振幅1 m、周期10 sの正弦波変位に10時間追従します。

  1. 運動： S(t) = ζ cos(ωt), with ζ = 1 m, T = 10 s and ω = 2π/T. Therefore Ṡ(t) = −ζω sin(ωt).
  2. ガススプリング： 油に対するガスの比R = 10、最大ストロークSmax = 4 m、γ = 1.4。この簡易評価では理想的な断熱窒素を仮定します。
  3. エネルギーの定義： ηdrive = 0.90はバッテリーからアクチュエータまでの駆動効率、ηregen = 0.50は負の機械仕事のうちバッテリーへ回収される割合です。
  4. 継続時間： τ = 10 h = 3,600サイクル。摩擦、補機、実在気体挙動、ポンプ、モーター、バッテリーの詳細マップは含みません。

アクチュエータの機械動力をP(t) = F(t)Ṡ(t)と定義します。正の動力は駆動仕事、負の動力は回生に利用できるエネルギーです。両者は個別に積分する必要があります。

駆動仕事は、0からtauまでのP(t)と0の大きい方の時間積分です。回収仕事は、0からtauまでの−P(t)と0の大きい方の時間積分です
図1：記載した例の1サイクル。赤色部は正の機械駆動仕事、紺色部は回生に利用できる負の機械仕事です。アクチュエータの最大機械動力は11.6 kWです。

中間ストロークでの支持力を基準とした、理想化ガススプリング式アクチュエータの力は次のとおりです。

アクチュエータ力F(t)はmとgの積に次の量を乗じた値です。最大ストロークS maxとR−0.5の積を、S maxとR−0.5の積からS(t)を引いた値で除し、その比をgamma乗して1を引きます

ここで：

S(t)はzetaとomega tの余弦の積、Sの時間微分は−zeta omegaとomega tの正弦の積、omegaは2 pi/T、P(t)はF(t)とSの時間微分の積です

数値積分により、1サイクル当たり正の駆動仕事は36.16 kJ、利用可能な回収仕事は36.16 kJとなります。3,600サイクルでは次のとおりです。

駆動仕事は130.2メガジュール、回収仕事は130.2メガジュールです

バッテリー収支では、各エネルギー経路に対して定義した効率を使用します。

バッテリーエネルギーは、駆動仕事を駆動効率で除した値から、回生効率と回収仕事の積を引いた値です
バッテリーエネルギーは130.2/0.90から0.50と130.2の積を引いた値で、79.6メガジュール、すなわち22.1キロワット時です

アクチュエータの最大機械動力は11.6 kWです。この結果は理想的な簡易評価値であり、バッテリー容量の決定値ではありません。プロジェクトの仕事量には、摩擦、油圧・電気損失、補機、制御デューティ、実在気体挙動、予備余裕、実際の不規則な運動スペクトルも含まれます。

3行で示すエネルギー収支

  1. 条件。 空中の100 tのペイロード、正弦波 zetaは周期T = 10秒において1メートル、インラインAHC、 ガス比R = 10、最大ストロークS max = 4メートル、断熱窒素指数gamma = 1.4。ここで、 駆動効率eta drive = 0.90 はバッテリーからアクチュエータまでの駆動効率、 回生効率eta regen = 0.50 は負の機械仕事のうちバッテリーへ回収される割合です。
  2. 物理量。 10時間にわたり、正の駆動仕事と利用可能な回収仕事はいずれも 130.2 MJ （各サイクル36.16 kJ）。アクチュエータの最大機械動力は 11.6 kW.
  3. 結果。 バッテリーエネルギーは駆動仕事を駆動効率で除した値から、回生効率と回収仕事の積を引いた値です。結果は79.6メガジュール、すなわち22.1キロワット時です.

これは、ガスと効率の定義を明示した理想的な簡易計算です。摩擦、油圧損失、実在気体挙動、ポンプ／モーター／バッテリーの全マップを用いて精緻化します。そのプロジェクトモデルは CONSTELLATION調査の一部です.

AHCとPHCの選定

次の場合はアクティブヒーブ補償を選択します。

  • 解析対象のデューティでパッシブ方式では達成できない、所定の残留運動または荷重応答目標がプロジェクトに要求される
  • 精密な海中位置決めを伴う作業
  • 長時間の連続補償が必要
  • 船舶に利用可能なHPUが既設

次の場合はパッシブヒーブ補償を選択します。

  • 主な懸念事項がスプラッシュゾーンの通過
  • コストと簡潔性を優先
  • ヒーブ補償装置に自己完結性が必要
  • 衝撃吸収が主な要件

→ どちらが適切か不明な場合は、 当社エンジニアにお問い合わせください 。無料でご相談いただけます。

関連製品

  • ANTARES Adaptive PHC ：複数の運転モードと自動減衰制御を備えた高度なパッシブヒーブ補償装置
  • RIGEL Basic PHC ：簡易な作業向けの低コストなパッシブヒーブ補償装置

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アクティブヒーブ補償：よくある質問

アクティブヒーブ補償とは
波浪起因の運動を計測し、動力式アクチュエータにリアルタイムで逆方向の指令を与えることで、吊り下げたペイロードの運動を所定の固定基準または移動基準に近づけるよう低減します。用途には海中建設、パイプ敷設、ROVハンドリング、掘削、重量物揚重があります。
アクティブヒーブ補償装置の仕組み
最小構成は、位置計測機能付きアクチュエータ（シリンダーまたはウインチ）、インラインAHCでは装置上、統合型AHCでは船体上に設置するMRU、および計測運動に追従できる十分に高速な制御システムです。AHCモードでは、コントローラーが所定の基準に対するペイロード運動を低減するようアクチュエータに指令します。
アクティブヒーブ補償の効率
転用可能な一律の百分率はありません。効率が残留運動の低減、荷重低減、電気効率のいずれを意味するかを明示し、ペイロード、船体応答、波浪スペクトル、アクチュエータ限界、制御帯域幅について検証してください。
AHCの消費エネルギー量
構成とデューティサイクルに依存します。このページの理想化したインラインAHCの例、すなわち空中で100 t、振幅1 m、周期10 s、10時間の条件では、駆動仕事と回収仕事を別々に積分すると、駆動効率90%、回生率50%で正味バッテリーエネルギーは79.6 MJ（22.1 kWh）です。アクチュエータの最大機械動力は11.6 kWです。
パッシブ補償よりアクティブ補償を選ぶ条件
必要な残留運動と荷重応答、ペイロードと流体力学特性、ストローク、デューティサイクル、電力、統合上の制約を比較します。アクティブ制御は精密位置決めに、パッシブまたはアダプティブパッシブ装置は自己完結型の荷重低減に適する場合があります。プロジェクトモデルに基づいて決定します。

作業へのアクティブ補償の適用を評価しますか？

AHC、パッシブ減衰、アダプティブパッシブ制御は、それぞれ異なる力、ストローク、運動、電力、統合範囲に適します。プロジェクト目標、海象、制約条件をお送りください。同じ基準で各構成を比較します。

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