CN105452628A - 增压器及船舶 - Google Patents

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Abstract

混合式增压器(10)具备：第1功率转换部(12)，其具备将直流功率转换为交流功率而输出至发电电动机(30)的功能；平滑电容器(18)，其设在直流母线之间；及控制部(40)，其控制第1功率转换部(12)，以在发电电动机(30)进行动力运行动作时，使实际转速追随从上位控制装置输入的发电电动机(30)的转速指令。控制部(40)，在发电电动机(30)进行动力运行动作时，当发电电动机(30)的转速指令低于实际转速且直流母线电压为规定的第1阈值以上时，将转速指令变更为实际转速以上的值。由此，在发电电动机进行动力运行动作时，能够抑制直流母线电压的上升。

Description

增压器及船舶
技术领域
本发明涉及一种增压器及具备增压器的船舶。
背景技术
以往，已知有如下混合式增压器，即将从内燃机排放的发动机尾气不仅作为增压器压缩机的驱动力来使用，而且还作为驱动发电电动机的动力来使用，以获得发电功率。
图10表示以往的混合式增压器的结构。例如，如图10所示，混合式增压器100具备通过从船用柴油机等内燃机排放的尾气来驱动的排气涡轮机101、由排气涡轮机101驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机102、及连结于排气涡轮机101及压缩机102的旋转轴上的发电电动机103。通过发电电动机103获得的交流发电功率通过转换器104转换为直流功率后，通过逆变器105转换为对应于系统106频率的三相交流功率而供给至系统106。在转换器104与逆变器105之间连接有用于吸收直流电压波动的平滑电容器107。
通常，在混合式增压器中，发电电动机的动力运行动作(从逆变器向发电电动机供给功率的运行状态)及再生动作由控制内燃机的上位控制装置确定选取其一。因此，当由上位控制装置选定动力运行动作时再生动作就被禁止，相反，当选定再生动作时动力运行动作就被禁止。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2012－214143号公报
专利文献2：日本专利公开平7－95775号公报
发明的概要
发明要解决的技术课题
然而，例如，当由上位控制装置选定发电电动机的动力运行动作时，若发电电动机的转速指令在实际转速以下，尽管再生动作被禁止，但仍产生若干量的再生功率，而该再生功率储存于平滑电容器中，而直流母线电压会逐渐上升。若直流母线电压上升而超过规定的容许值，可能会发生半导体元件及电容器的损坏及跳闸等现象。
如上所述的问题，不仅发生在混合式增压器中，同样也会发生在例如具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于压缩机的旋转轴上的电动机的装置。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够抑制动力运行时的直流母线电压上升的增压器及具备该增压器的船舶。
用于解决技术课题的手段
本发明第1方式提供一种具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于所述压缩机的旋转轴上的电动机的增压器，其具备：功率转换机构，其具备将直流功率转换为交流功率并输出至所述电动机的功能；平滑电容器，其设在连接在所述功率转换机构中的直流母线上；及控制机构，其控制所述功率转换机构，以在所述电动机进行动力运行动作时，使实际转速追随从上位控制装置输入的所述电动机的转速指令，所述控制机构具有指令变更机构，以在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的第1阈值以上时，将所述转速指令变更为实际转速以上的值。
根据这种增压器，在进行动力运行动作时，当电动机的转速指令低于实际转速且直流母线电压为规定的第1阈值以上时，将转速指令变更为实际转速以上的值，因此能够增加电动机中所消耗的功率。由此，能够释放设在直流母线之间的平滑电容器所储存的电荷，并能够降低直流母线电压。
上述电动机的“实际转速”，例如，可通过转速测量装置进行测量。转速测量装置例如可采用设在电动机上的转速传感器，或者也可以采用通过马达电流等的运算而估计的转速。对于马达电流，可以测量从功率转换机构向电动机输送的马达电流，或者也可以根据流过直流母线的直流电流等进行估计。根据直流电流进行估计的方法，由于使用比马达电流干扰成分少的电流，因此能够提高估计精度。
在上述增压器中，所述控制机构，在从所述转速指令进行变更时起经过规定期间时为止，当所述平滑电容器的端子间电压变为所述第1阈值以下的值即第2阈值以下时，可将所述转速指令复原为从所述上位控制装置输入的转速指令。
如此，当平滑电容器的端子间电压换言之直流母线电压变为第2阈值以下时，将转速指令复原为原来的转速指令，因此能够使电动机的转速追随从上位控制装置发送的转速指令。
在上述增压器中，在以规定的频率以上进行所述转速指令的变更时，所述指令变更机构可以降低所述转速指令的增加量。
当频繁地进行转速指令的变更时，通过降低转速指令的增加量，能够减缓功率消耗。其结果，能够减缓平滑电容器的端子电压的下降速度，并能够抑制频繁切换转速指令。
在上述船用混合式增压器中，所述指令变更机构，当即使从所述转速指令的变更起经过规定期间所述平滑电容器的端子间电压也未变为低于第2阈值时，可将所述转速指令设为更大的值。
当即使变更转速指令其効果也不明显且即使经过规定期间平滑电容器的端子间电压也未变为低于第2阈值时，通过进一步将转速指令变更为大的值，加大实际转速与转速指令之间的差分。由此，对电动机的供给功率增加，因此能够进一步释放平滑电容器中的电荷，并能够降低平滑电容器的端子间电压。
本发明第2方式提供一种具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于所述压缩机的旋转轴上的电动机的增压器，其具备：功率转换机构，其具备将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机的功能；平滑电容器，其设在连接在所述功率转换机构中的直流母线上；及控制机构，其在所述电动机进行动力运行动作时，将使实际转速追随从上位控制装置输入的所述电动机的转速指令的控制信号发送至所述功率转换机构，所述控制机构，在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，生成增加励磁电流成分的控制指令，并发送至所述功率转换机构。
根据这种增压器，当电动机的转速指令低于实际转速，平滑电容器的端子间电压换言之直流母线电压为阈值以上时，增加励磁电流成分。由此能够增加电动机中所消耗的无功功率，其结果，设在直流母线之间的平滑电容器中的电荷的释放增加，并能够降低平滑电容器的端子间电压。
本发明第3方式提供一种具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于所述压缩机的旋转轴上的电动机的增压器，其具备：功率转换机构，其具备将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机的功能；平滑电容器，其设在连接在所述功率转换机构中的直流母线上；电阻，其与所述平滑电容器并联连接；半导体开关，其与该电阻串联连接，且在稳定状态下为开状态；开关控制机构，其控制所述半导体开关的通断，所述开关控制机构，在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，在规定的工作周期内对所述半导体开关进行通断比控制。
根据这种增压器，在电动机进行动力运行动作时，当转速指令成为低于实际转速且平滑电容器的端子间电压换言之直流母线电压成为阈值以上时，通过开关控制机构对半导体开关进行通断比控制。由此，在半导体开关为导通期间，平滑电容器中的电荷被电阻所消耗，因此能够降低平滑电容器的端子间电压。作为开关元件使用半导体开关，因此能够以数百Hz至数kHz的范围设定开关频率。由此能够抑制放电时的瞬间过电流。
在上述增压器中，所述开关控制机构，根据以所述平滑电容器的端子间电压与所述阈值之间的差分作为输入的比例积分控制，设定所述工作周期内的通断比，同时，当所述电动机转速的波动成为规定值以上时，通过对所述对半导体开关进行通断比控制，可以降低所述比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个。
如此，当电动机转速的波动成为规定值以上时，通过对半导体开关进行通断比控制，减小比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个，因此能够减缓平滑电容器的端子间电压的下降速度。
在上述增压器中，所述开关控制机构，在从对所述半导体开关进行通断比控制开始起规定期间内，当所述平滑电容器的端子间电压未变为所述阈值以下时，可以增加所述比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个。
如此，在从对半导体开关进行通断比控制开始起规定期间内，当平滑电容器的端子间电压未变为阈值以下时，增加比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个，因此能够加快平滑电容器的端子间电压的下降速度。
本发明第4方式提供一种具备上述的增压器及通过所述增压器压送外部气体的内燃机的船舶。
本发明第5方式提供一种方法，其通过平滑电容器抑制直流功率的电压波动，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机，以使实际转速追随电动机的转速指令，该方法中，在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，将所述转速指令变更为比实际转速更大的值，并根据变更后的转速指令将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机。
本发明第6方式提供一种方法，其通过平滑电容器抑制直流功率的电压波动，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机，以使实际转速追随电动机的转速指令，该方法中，在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，生成增加励磁电流成分的控制指令，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机。
本发明第7方式提供一种方法，其通过平滑电容器抑制直流功率的电压波动，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机，以使实际转速追随电动机的转速指令，该方法中，与所述平滑电容器并联连接电阻，而且将在稳定状态下为开状态的半导体开关与所述电阻串联连接，并在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，在规定的工作周期内对所述半导体开关进行通断比控制。
发明效果
根据本发明，可获得能够抑制动力运行时的直流母线电压上升的效果。
附图说明
图1是表示本发明第1实施方式所涉及的船用混合式增压器的概略结构的图。
图2是表示本发明第1实施方式所涉及的控制部的概略功能的框图。
图3是表示通过本发明第1实施方式所涉及的控制部执行的转速指令切换处理顺序的一例的流程图。
图4是表示本发明第1实施方式的转速、转速指令、直流母线电压之间关系的图。
图5是用于说明本发明第1实施方式的转速指令的其他变更例的图。
图6是表示本发明第2实施方式所涉及的控制部的概略结构的图。
图7是表示本发明第2实施方式的转速、无功功率、直流母线电压之间关系的图。
图8是表示本发明第3实施方式所涉及的船用混合式增压器的概略结构的图。
图9是表示本发明第3实施方式的转速、半导体开关、直流母线电压之间关系的图。
图10是表示以往的船用混合式增压器的概略结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明以本发明的增压器作为混合式增压器而适用于船舶时的各实施方式。
〔第1实施方式〕
图1是表示本发明第1实施方式所涉及的船用混合式增压器(以下，称为“混合式增压器”。)的概略结构的图。如图1所示，混合式增压器10具备通过从船用柴油机(内燃机)排放的尾气来驱动的排气涡轮机21、由排气涡轮机21驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机23、以及连结于排气涡轮机21及压缩机23的旋转轴上的发电电动机30。混合式增压器10，将从船用柴油机排放的发动机尾气不仅作为增压器的压缩机的驱动力使用，还作为发电电动机30的驱动动力使用，从而获得发电功率。
混合式增压器10具备设在发电电动机30与船内系统16之间的功率转换装置20。功率转换装置20具备作为主要结构的第1功率转换部12、第2功率转换部14及平滑电容器18。
第1功率转换部12，在发电电动机30进行再生动作时，将发电电动机30的发电功率转换为直流功率而进行输出，而在进行动力运行动作时，将直流功率转换为交流功率而输出至发电电动机30。第2功率转换部14，在发电电动机30进行再生动作时，将来自第1功率转换部12的直流功率转换为适合系统的三相交流功率而输出至船内系统16，而在进行动力运行动作时，将来自船内系统16的三相交流功率转换为直流功率而输出至第1功率转换部12。平滑电容器18设在第1功率转换部12与第2功率转换部14之间的直流母线之间而降低直流电压波动。
发电电动机30的实际转速，可用常规的转速机构进行测量，或用电压波动周期来进行判断，而实际转速N则发送至控制部40。
上述第1功率转换部12及第2功率转换部14均由以桥接六个开关元件制成的电路所构成。在此，对于第1功率转换部12及第2功率转换部14的结构，并不限定于上述例，也可以采用其他结构。例如，也可以采用，具有桥接六个二极管元件的整流电路及将该整流电路所生成的直流电压以一个或两个开关元件来进行升降压的电路的结构，或者，“以桥接六个开关元件制成的电路”或多层组合“将桥接六个二极管元件的整流电路所生成的直流电压以一个或两个开关元件来进行升降压的电路”的结构(所谓多电平电路)，或者，由九个开关元件构成的矩阵转换器的结构，而且对这些进行多电平化的结构。
第1功率转换部12由控制部40进行控制。虽设有用于控制第2功率转换部14的控制部(未图示)，在此省略其说明。
在混合式增压器10中，在直流母线之间设有用于检测直流母线电压换言之平滑电容器18的端子间电压的电压检测部17。
图2是表示控制部40的概略功能的框图。
控制部40具有控制第1功率转换部12以在发电电动机30进行动力运行时使发电电动机30的转速与转速指令N*一致的功能。发电电动机30进行动力运行动作还是进行再生动作，是根据上位控制装置50发送的指令来确定的。即，在选定动力运行动作及再生动作时，不考虑转速指令N*与发电电动机30的实际转速N之间的关系。因此，在上位控制装置50中控制为选定动力运行动作时，即使在这期间实际转速N超出转速指令N*，也不会进行再生动作。
如图2所示，控制部40具备转速指令产生部41、转速指令切换部42、差分运算部43及控制信号生成部44。在本实施方式中显示通过转速指令产生部41与转速指令切换部42来实现转速指令变更机构的情形。
转速指令产生部41生成输入发电电动机30的实际转速N而以规定量增加实际转速N的转速指令Nb*。
在转速指令切换部42中输入来自上位控制装置50的转速指令Na*、发电电动机30的实际转速N、来自转速指令产生部41的转速指令Nb*及来自电压检测部17的直流母线电压Vdc。转速指令切换部42，在发电电动机30进行动力运行动作时，当直流母线电压Vdc低于规定的第1阈值时，将来自上位控制装置50的转速指令Na*作为转速指令N*来进行输出，当直流母线电压Vdc为第1阈值以上时，将来自转速指令产生部41的转速指令Nb*作为转速指令N*来进行输出。
差分运算部43计算从转速指令切换部42输出的转速指令N*与发电电动机30的实际转速N之间的差分ΔN并输出至控制信号生成部44。控制信号生成部44，通过对来自差分运算部43的差分ΔN进行比例积分控制等生成用于使实际转速N与转速指令N*一致的第1功率转换部12的控制信号S。例如，控制信号生成部44生成用于控制第1功率转换部12所具备的各开关元件的通断的PWM信号。对于生成使实际转速N与转速指令N*一致的PWM信号的控制方法，由于存在很多已知技术，可适当采用这些已知技术。在无传感器时，实际转速N可以是估计值。
接着，在通过上述控制部40执行的处理中，参照图3主要对转速指令的切换处理进行说明。图3是表示通过控制部40执行的转速指令切换处理顺序的一例的流程图。
首先，在进行动力运行动作时，若输入直流母线电压Vdc(步骤SA1)，则判断直流母线电压Vdc是否为第1阈值以上(步骤SA2)。当直流母线电压Vdc低于第1阈值时，返回步骤SA1，当直流母线电压Vdc为第1阈值以上时，运算实际转速N乘以系数α(例如，α＝1.01)的转速指令Nb*(步骤SA3)。其中，系数α是根据预先设定的系数表进行设定的，作为初始值设定为α＝1.01。
接着，将转速指令N*由从上位控制装置50输入的转速指令Na*切换为步骤SA3中运算的转速指令Nb*(步骤SA4)。接着，从发电电动机30的要求转矩及惯性的关系，运算发电电动机30的实际转速N与步骤SA3中算出的转速指令Nb*一致为止的时间T(步骤SA5)。
接着，直流母线电压Vdc变为低于第2阈值(第1阈值≥第2阈值)之前，判断实际转速N是否达到转速指令Nb*(步骤SA6)。当满足该条件时(步骤SA6中“YES”)，将转速指令N*切换为从上位控制装置50输入的转速指令Na*(步骤SA7)，接着，设定系数α＝1.01(步骤SA8)后返回步骤SA1。
另一方面，在步骤SA6中，当不满足上述条件时(步骤SA6中“NO”)，从转速指令N*切换为Nb*起T时间以内判断直流母线电压Vdc是否变为低于第2阈值(步骤SA9)。其结果，当T时间以内直流母线电压Vdc未变为低于第2阈值时(步骤SA9中“NO”)，转到步骤SA7。另一方面，当步骤SA9中为“YES”时，将转速指令N*切换为从上位控制装置50输入的转速指令Na*(步骤SA10)。接着，在直流母线电压Vdc成为第1阈值以上的时刻起规定时间以内，判断转速指令N*的切换是否为规定次数以上(步骤SA11)。该规定时间，例如，可以设定为与上述步骤SA5所算出的时间T相同，也可以设定为比该时间T更长的时间。
在步骤SA11中，在规定时间内转速指令N*的切换为规定数以上时，设定系数α＝1.009(步骤SA12)后返回步骤SA1。另一方面，在步骤SA11中，规定时间内的转速指令N*的切换低于规定数时结束本处理。
如以上说明，根据本实施方式所涉及的混合式增压器10及其控制方法，在进行动力运行动作时，当来自上位控制装置50的转速指令Na*低于发电电动机30的实际转速N且直流母线电压Vdc为规定的第1阈值以上时，将转速指令N*变更为大于实际转速N的值，例如，变更为实际转速N乘以规定的系数α(其中，α＞1)而得的转速指令Nb*，并控制第1功率转换部12以使实际转速N与变更后的转速指令N*一致。由此，能够释放储存于设在直流母线之间的平滑电容器18中的电荷，并能够降低直流母线电压Vdc。
图4中示出本实施方式的转速、转速指令、直流母线电压之间的关系。在图4的时刻t1，若转速指令在实际转速以下，则直流母线电压逐渐增加。而且，在时刻t2，若直流母线电压超过第1阈值，则设定转速指令大于实际转速的转速指令Nb*，由此向发电电动机30供给的功率增加，平滑电容器18中的电荷被释放，而直流母线电压逐渐降低。而且，若直流母线电压降至第2阈值(例如，稳定电压)，则转速指令N*切换为来自上位控制装置50的转速指令Na*，直流母线电压随之逐渐上升。
根据本实施方式，当直流母线电压Vdc频繁超过阈值而上述转速指令N*频繁进行切换时，可将与实际转速N相乘的系数α阶段性(例如，1.01，1.009，1.0008等)地依次变更为预先设定的小的值。由此，能够减缓直流母线电压Vdc的下降速度，并能够抑制转速指令N*频繁的切换。
相反，即使经过规定时间T但直流母线电压Vdc仍未成为阈值以下时，例如，可将与实际转速N相乘的系数α的值阶段性地变更为大的值。如此，当即使变更转速指令N*但其効果也不明显且未使直流母线电压Vdc下降时，通过将系数α的值阶段性(例如，1.01，1.011，1.012等)地依次设定为预先设定的大的值，来加大转速指令N*与实际转速N之间的差分。由此，向发电电动机30供给的功率增加，因此能够进一步释放平滑电容器18中的电荷，并能够降低直流母线电压Vdc。
在本实施方式中，当来自上位控制装置50的转速指令Na*低于实际转速N且直流母线电压Vdc为第1阈值以上时，将转速指令N*变更为大于实际转速的值即转速指令Nb*，但可以替换为，例如，如图5所示，在从上位控制装置50发送的转速指令N*小于实际转速N期间，设定转速指令N*以使转速指令N*与实际转速N一致。通过如此设定转速指令N*，无需变更船内系统16侧的控制，而通过设在混合式增压器10侧的功率转换装置20及其控制部40，能够避免电流从发电电动机30向船内系统16侧的流通，且避免直流母线电压Vdc的上升，并能够维持恒定的稳定值。
〔第2实施方式〕
其次，参照附图说明本发明第2实施方式所涉及的混合式增压器及其控制方法。
上述的第1实施方式所涉及的混合式增压器及其控制方法中，在进行动力运行动作时，当直流母线电压Vdc超过第1阈值时，通过设定大于实际转速N的转速指令N*来降低直流母线电压Vdc，但在本实施方式中，通过增加生成输出至第1功率转换部12的控制信号时进行参考的励磁电流成分指令，来增加发电电动机30中的无功功率的消耗，并通过增加发电电动机的损耗来降低直流母线电压Vdc。
以下，对本实施方式所涉及的混合式增压器及其方法，主要对与上述第1实施方式的不同点进行说明。
图6是表示本实施方式所涉及的控制部40’的概略结构的图。如图6所示，控制部40’具备三相/两相转换部51、旋转/固定转换部52、转速PI控制部53、励磁电流成分指令生成部54、电流PI控制部56、固定/旋转转换部57、两相/三相转换部58、及PWM信号生成部59、及磁通量估计部60。
三相/两相转换部51将流过发电电动机30的三相交流电流转换为两相电流(α相、β相)。例如，以三相电流中的一相电流为基准进行转换。图6中，u相的电流Iu及v相的电流Iv输入至三相/两相转换部51，但对于W相的电流Iw，通过计算这些两相电流Iu、Iv来算出。
旋转/固定转换部52，将通过三相/两相转换部51转换为两相的电流Iα、Iβ以转子位置为基准进行坐标转换，以获得d轴电流Id及q轴电流Iq。
转速PI控制部53，为了使发电电动机30的实际转速N(在此，转速N采用通过后述的磁通量估计部60进行估计的转速)与从上位控制装置50输入的转速指令N*一致，对转速指令N*与发电电动机30的转速N之间的差分进行比例积分控制，并以此算出q轴电流指令(转矩电流指令)Iq*。
励磁电流成分指令生成部54，当进行动力运行动作且直流母线电压Vdc低于规定的第1阈值时，将励磁电流成分指令Id*设定为0(零)，当进行动力运行动作且直流母线电压Vdc为规定的第1阈值以上时，设定α(α＞0)。
电流PI控制部56，通过对旋转/固定转换部52中所得的q轴电流Iq与从转速PI控制部53输出的q轴电流指令Iq*之间的差分进行比例积分控制来生成q轴电压指令Vq*。同样，通过对旋转/固定转换部52中所得的d轴电流Id与从励磁电流成分指令生成部54输出的d轴电流指令Id*之间的差分进行比例积分控制来生成d轴电压指令Vd*。
固定/旋转转换部57，对电流PI控制部56中所得的q轴电压指令Vq*及d轴电压指令Vd*以转子位置为基准进行逆坐标转换，获得α相电压指令Vα*及β相电压指令Vβ*。两相/三相转换部58，对α相电压指令Vα*及β相电压指令Vβ*进行与上述三相/两相转换部51中的坐标转换相反的转换，从而获得三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*。PWM信号生成部59，通过三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*与载波信号进行比较生成PWM信号S。
磁通量估计部60，根据两相电流Iα、Iβ及电路常数(电感、电阻等)以及两相电压Vα、Vβ估计转子产生磁通量，根据该转子产生磁通量可估计出转子角乘以正弦、余弦的变化频率。该变化频率为转子旋转频率的极对数倍，由此利用锁相环路能够估计转子角θ。
根据这种控制部40’，首先，流过发电电动机30的三相电流(U相、V相、W相)中的两相(U相、V相)被检测，这些两相电流输入至三相/两相转换部51。在三相/两相转换部51中，根据所输入的两相电流Iu、Iv算出剩余的一相的电流Iw，且三相电流Iu、Iv、Iw转换为两相电流Iα、Iβ。接着，通过旋转/固定转换部52，两相电流Iα、Iβ转换为d轴电流Id及q轴电流Iq。
在转速PI控制部53中算出发电电动机30的转速N与从上位控制装置50发送的转速指令N*之间的差分，并通过对该差分进行PI控制算出q轴电流指令Iq*。
在励磁电流成分指令生成部54中，当直流母线电压Vdc低于规定的第1阈值时，Id*＝0，当直流母线电压Vdc为规定的第1阈值以上时，Id*＝α(α＞0)。此时，可对应于直流母线电压Vdc的值而设定d轴电流指令(励磁电流成分指令)的值。例如，保存直流母线电压Vdc与d轴电流指令之间建立关联的信息(表、函数等)，并使用该信息设定对应于直流母线电压Vdc的d轴电流指令。此时，直流母线电压Vdc越大，d轴电流指令Id*的设定值越大。
在电流PI控制部56中，算出用于使q轴电流Iq及d轴电流Id分别与q轴电流指令Iq*及d轴电流指令Id*一致的q轴电压指令Vq*及d轴电压指令Vd*，并通过该q轴电压指令Vq*及d轴电压指令Vd*经由固定/旋转转换部57及两相/三相转换部58来算出三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*。而且，在PWM信号生成部59中，根据该三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*生成PWM信号S。PWM信号S发送至第1功率转换部12而控制第1功率转换部12所具备的六个开关元件的通断。
如以上说明，根据本实施方式所涉及的混合式增压器及其控制方法，在发电电动机30进行动力运行动作时，当直流母线电压低于规定的第1阈值时，进行常规控制，但是，当直流母线电压为第1阈值以上时d轴电流指令校正为大于常规时的值。由此，能够增加发电电动机30中所消耗的无功功率，其结果，增加设在直流母线之间的平滑电容器18中的电荷的释放，并能够降低直流母线电压Vdc。
图7示出本实施方式的转速、无功功率、直流母线电压之间的关系。图7中，在时刻t1，若转速指令在实际转速以下，则直流母线电压逐渐增加。而且，在时刻t2，若直流母线电压超过第1阈值，则d轴电流指令增加从而无功功率增加。另外，直流母线电压随之逐渐降低。而且，若直流母线电压降至第2阈值(例如，稳定电压)，则d轴电流指令的校正值被重新设定为零，从而无功功率变为零。
d轴电流指令(励磁电流成分指令)对发电电动机30的转速不起作用，因此即使改变d轴电流指令，发电电动机的转速也不会发生变化。由此，能够维持稳定的转速控制。
〔第3实施方式〕
接着，参照附图说明本发明第3实施方式所涉及的混合式增压器及其控制方法。
上述的第1实施方式及第2实施方式所涉及的混合式增压器及其控制方法中，通过由控制部40、40’改变对第1功率转换部12的控制，从而降低直流母线电压Vdc，但在本实施方式中，增设用于降低直流母线电压Vdc的硬件结构这点不同于上述的第1实施方式及第2实施方式。
以下，对于本实施方式所涉及的混合式增压器及其方法，主要对与上述第1实施方式的不同点进行说明。
图8是表示本实施方式所涉及的混合式增压器的概略结构的图。对于与图1通用的结构标注相同的符号，并省略其说明。如图8所示，本实施方式所涉及的混合式增压器10’进一步具备与平滑电容器18并联连接的电阻70、与电阻70串联连接的半导体开关71、及控制半导体开关71的通断的开关控制部72。半导体开关71在稳定状态下为开状态，例如可例举IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)及FET(FieldEffectTransistor)等。
开关控制部72，在发电电动机30进行动力运行动作时，当发电电动机30的转速指令低于实际转速且直流母线电压Vdc为规定的第1阈值以上时，在规定的工作周期内对半导体开关71进行通断比控制。
例如，开关控制部72，通过对直流母线电压Vdc与阈值之间的差分进行比例积分控制，确定开关的工作状态。开关控制部72，当发电电动机30转速N的波动成为规定值以上时，通过对半导体开关71进行通断比控制，减小比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个。由此，能够减缓直流母线电压的下降速度。
开关控制部72，在对半导体开关71进行通断比控制开始起规定期间内，当直流母线电压Vdc未变为第2阈值(例如，稳定电压)以下时，增加比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个。由此，能够加快直流母线电压Vdc的下降速度。
在这种混合式增压器10’中，在发电电动机30进行动力运行动作时，当从上位控制装置输入的转速指令成为低于实际转速且直流母线电压Vdc成为阈值以上时，通过开关控制部72对半导体开关71进行通断比控制。由此，在半导体开关71为导通期间，平滑电容器18中的电荷被电阻70所消耗，因此能够降低直流母线电压Vdc。
作为开关元件使用半导体开关71，因此能够以数百Hz至数kHz范围的设定开关频率。由此，能够抑制放电时的瞬间过电流。
图9表示本实施方式的转速、对半导体开关进行的通断比控制、直流母线电压之间的关系。在图9的时刻t1，若转速指令在实际转速以下，则直流母线电压逐渐增加。而且，在时刻t2，若直流母线电压超过第1阈值，则半导体开关的通断开始进行，由此平滑电容器18中的电荷通过电阻70进行放电。由此，直流母线电压逐渐下降。而且，若直流母线电压降至稳定时的电压值，则半导体开关的通断被停止。
本发明并不仅限定于上述的实施方式，在不脱离发明的技术思想的范畴，可以进行各种形式的变更，例如将上述的各实施方式的一部分或者全部进行组合等。
例如，在上述的各实施方式中，举例说明了以本发明的增压器作为船用混合式增压器来适用于船舶时的情形，但本发明的增压器也可适用于船舶之外的其他装置中。在上述的各实施方式中，举例说明了以再生(发电)动作及动力运行动作两者均可进行的发电电动机30作为电动机而具备的情形，但代替发电电动机30可以采用不具有再生功能且只做动力运行动作的电动机，此时，可将直流功率转换为交流功率而进行输出的逆变器作为功率转换机构来使用。
符号说明
10、10’-船用混合式增压器，12-第1功率转换部，14-第2功率转换部，16-船内系统，21-排气涡轮机，23-压缩机，30-发电电动机，40、40’-控制部，41-转速指令产生部，42-转速指令切换部，43-差分运算部，44-控制信号生成部，50-上位控制装置，54-励磁电流成分指令生成部，70-电阻，71-半导体开关，72-开关控制部。

Claims (12)

1.一种增压器，其具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于所述压缩机的旋转轴上的电动机，所述增压器具备：
功率转换机构，其具备将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机的功能；
平滑电容器，其设在连接在所述功率转换机构中的直流母线上；及
控制机构，其控制所述功率转换机构，以在所述电动机进行动力运行动作时，使实际转速追随从上位控制装置输入的所述电动机的转速指令，
所述控制机构具有指令变更机构，以在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的第1阈值以上时，将所述转速指令变更为实际转速以上的值。
2.根据权利要求1所述的增压器，其中，
所述控制机构，在从所述转速指令的变更时起经过规定期间时为止，当所述平滑电容器的端子间电压变为所述第1阈值以下的值即第2阈值以下时，将所述转速指令复原为从所述上位控制装置输入的转速指令。
3.根据权利要求2所述的增压器，其中，
所述转速指令的变更以规定的频率以上进行时，所述指令变更机构降低所述转速指令的增加量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的增压器，其中，
所述指令变更机构，当即使从所述转速指令的变更起经过规定期间所述平滑电容器的端子间电压也未变为低于第2阈值时，将所述转速指令设为更大的值。
5.一种增压器，其具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于所述压缩机的旋转轴上的电动机，所述增压器具备：
功率转换机构，其具备将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机的功能；
平滑电容器，其设在连接在所述功率转换机构中的直流母线上；
控制机构，其在所述电动机进行动力运行动作时，将使实际转速追随从上位控制装置输入的所述电动机的转速指令的控制信号发送至所述功率转换机构，
所述控制机构，在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，生成增加励磁电流成分的控制指令，并发送至所述功率转换机构。
6.一种增压器，其具备由涡轮机驱动并向内燃机压送外部气体的压缩机及连结于所述压缩机的旋转轴上的电动机，所述增压器具备：
功率转换机构，其具备将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机的功能；
平滑电容器，其设在连接在所述功率转换机构中的直流母线上；
电阻，其与所述平滑电容器并联连接；
半导体开关，其与该电阻串联连接，且在稳定状态下为开状态；及
开关控制机构，其控制所述半导体开关的通断，
所述开关控制机构，在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，在规定的工作周期内对所述半导体开关进行通断比控制。
7.根据权利要求6所述的增压器，其中，
所述开关控制机构，根据以所述平滑电容器的端子间电压与所述规定的阈值之间的差分作为输入的比例积分控制，设定所述工作周期内的通断比，同时，当所述电动机转速的波动变为规定值以上时，通过对所述半导体开关进行通断比控制，降低所述比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个。
8.根据权利要求7所述的增压器，其中，
所述开关控制机构，在从对所述半导体开关进行通断比控制开始至规定期间内，当所述平滑电容器的端子间电压未变为所述阈值以下时，增加所述比例积分控制的比例增益及积分增益中的至少任意一个。
9.一种船舶，其具备：
权利要求1至8中任一项所述的增压器；及
通过所述增压器压送外部气体的内燃机。
10.一种方法，其通过平滑电容器抑制直流功率的电压波动，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机，以使实际转速追随电动机的转速指令，其中，
在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，将所述转速指令变更为大于实际转速的值，且根据变更后的转速指令将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机。
11.一种方法，其通过平滑电容器抑制直流功率的电压波动，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机，以使实际转速追随电动机的转速指令，其中，
在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，生成增加励磁电流成分的控制指令，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机。
12.一种方法，其通过平滑电容器抑制直流功率的电压波动，并将直流功率转换为交流功率而输出至所述电动机，以使实际转速追随电动机的转速指令，其中，
与所述平滑电容器并联连接电阻，而且，将在稳定状态下为开状态的半导体开关与所述电阻串联连接，
在所述电动机进行动力运行动作时，当所述电动机的转速指令低于实际转速且所述平滑电容器的端子间电压为规定的阈值以上时，在规定的工作周期内对所述半导体开关进行通断比控制。
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