JP2005218225A

JP2005218225A - モータ駆動方法および装置

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Publication number: JP2005218225A
Application number: JP2004021969A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kashiwasuga; 信哉栢菅
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP4216738B2

Abstract

【課題】燃料消費率の改善と環境負荷の低減（騒音・排気の抑制）を実現する。
【解決手段】発電機２が発生する電力をインバータ３によって所定の周波数の電力に変換しモータ４に供給する。制御装置６により全体の動作を制御する。制御装置６は、操作器５からの速度指令を受け、モータ目標回転数Ｎmtp までモータ４の回転数を変化させるために必要な動力を算出し、この必要動力を発生するために必要なエンジン１の回転数Ｎesp を算出する。そして、エンジン１へ速度指令を送り、エンジン１の回転数をＮesp に合わせ込むと同時に、インバータ３へモータ速度指令を送り、モータ４の回転数をＮmtp に合わせ込む。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンで発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によってモータを駆動するモータ駆動方法および装置に関するものである。

従来より、クレーンや車両などにおいては、ディーゼルエンジンで三相交流発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によって三相交流モータを駆動している。以下、このエンジンと発電機を用いたモータ駆動方式をエンジン駆動発電方式と呼ぶ。

このエンジン駆動発電方式では、発電機が発生する電力の周波数を一定とするために、すなわちモータへ供給する電力の周波数を一定とするために、一定回転数でエンジンを駆動している（特許文献１参照）。例えば、モータへの供給電力の周波数を６０Hzとする場合にはエンジンの回転数を１８００ｒｐｍとし、５０Hzとする場合には１５００ｒｐｍとする。

特開２０００−２８２８９７号公報「マトリクスコンバータの実用化への技術を開発」、〔平成１６年１月２２日検索〕、インターネット＜URL:http://www.fujielectric.co.jp/news/02121001/main.html＞

一般的な特徴として、ディーゼルエンジンの出力（ＰＳ）当たりの燃料消費率は、エンジンの回転数が低いほど少なくなる。例えば、回転数を２０００ｒｐｍから１４００ｒｐｍに下げることにより、ディーゼルエンジンの出力当たりの燃料消費率は５％程度改善される（図５（ａ）参照）。
また、ディーゼルエンジンの燃料消費率は、負荷率が７５％より下がると悪くなり、５０％では燃料消費率が１０％程度悪くなる。
また、ディーゼルエンジンの出力は回転数が上がるほど大きくなり（図５（ｂ）参照）、２０００ｒｐｍから２２００ｒｐｍ付近で最大となる。２２００ｒｐｍを過ぎると、トルクの急激な減少により出力が下がるのが普通であり、エンジンの回転数が上がるほど発生する騒音と排気量が増える性質を持つことが知られている。

ここで、従来のエンジン駆動発電方式について考えてみるに、従来のエンジン駆動発電方式では、モータが加速中で大きな動力を消費している場合でも、モータが定速中や減速中で動力消費が少ない場合でも、同じ速度でエンジンが回転され、一定周波数での発電が行われる。エンジン側からみた場合、通常は一定回転数で回転しており、負荷の増減により燃料噴射の量が変化し、負荷の大小に拘わらず、一定回転数を保つように制御される。

この制御状況から分かるように、従来のエンジン駆動発電方式では、負荷がどんなに軽い場合でも一定回転数を保つようにエンジンの回転数が制御される。このため、負荷が軽い場合、負荷率が下がり、燃料消費率が悪くなる。また、本来、負荷が軽い場合にはエンジンの回転数は低くて済むのにも拘わらず、例えばモータへの供給電力の周波数を６０Hzとする場合には１８００ｒｐｍ、５０Hzとする場合には１５００ｒｐｍとするなど、エンジンの回転数が高めに制御され、発生する騒音と排気量が多く、環境に対する負荷が大きかった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料消費率の改善と環境負荷の低減（騒音・排気の抑制）を実現することができるモータ駆動方法および装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、エンジンで発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によってモータを駆動するモータ駆動方法において、発電機が発生する電力を所定の周波数の電力に変換しモータに供給する周波数変換工程と、モータの回転数を操作器からの速度指令に応ずる目標回転数まで変化させるために必要なエンジンの必要回転数を算出する工程と、エンジンの回転数を必要エンジン回転数に、モータの回転数を目標回転数に合わせ込む工程とを設けたものである。なお、本発明は、この方法を適用した装置としても構成することができる。

本発明によれば、エンジンで発電機が駆動され、この発電機が発生する電力が所定の周波数（例えば、５０Hz、６０Hz）の電力に変換され、モータに供給される。また、操作器からのモータへの速度指令が変化し、その速度指令に応ずる目標回転数が変化すると、その目標回転数までモータの回転数を変化させるために必要なエンジンの回転数（必要エンジン回転数）が算出され、この算出された必要エンジン回転数にエンジンの回転数が合わせ込まれる。また、これと同時に、速度指令に応ずる目標回転数にモータの回転数が合わせ込まれる。これにより、エンジンの回転数が「必要なときに必要なだけの動力を発生することができる回転数」に制御され、負荷の大小に拘わらず負荷率をほゞ一定とすることができ、軽負荷時のエンジン回転数を負荷率を保ったままでできるだけ下げることが可能となる。

なお、本発明において、発電機が発生する電力の所定の周波数の電力への変換は、インバータによる交流−直流−交流変換方式、マトリクスコンバータによる交流−交流直接変換方式などで行う。
また、本発明において、現在のエンジン回転数が必要エンジン回転数よりも低い場合、エンジンの回転数が必要エンジン回転数になるまでにタイムラグが発生し、短時間のあいだ電力が不足し、「モータの回転数を目標回転数まで即座に上昇させることができない」というレスポンス不良が発生する。

このレスポンス不良の解決策として、発電機が発生する電力の所定の周波数の電力への変換をインバータによる交流−直流−交流変換方式で行う場合、２次電池を利用するとよい。この場合、インバータ内の直流変換部分に２次電池を接続し、そこから２次電池より電流を流し込むことにより、エンジンの回転数が必要エンジン回転数になるまでの電力の不足を補うようにする。２次電池からのインバータ内の直流変換部分への放電は短時間発生するだけである。したがって、２次電池として、容量的にあまり大きなものを必要としない。また、２次電池への充電は、モータの定速回転時や減速時に余った電力で行うことができる。

本発明において、発電機が発生する電力は、モータ以外の補機（例えば、モータ冷却ファン、照明灯、空調機などの機器）にも供給することがある。この場合、発電機が発生する電力を所定の周波数の電力に変換しモータに供給する周波数変換工程（第１の周波数変換工程）とは別に第２の周波数変換工程を設け、この第２の周波数変換工程によって作られる所定の周波数の電力をモータ以外の補機に供給するようにすれば、モータとは独立して、補機への所定周波数の電力の供給を安定的に行うことが可能となる。また、補機への電力として、モータとは異なる相数や周波数の電力を供給することができる。

本発明によれば、エンジンの回転数が「必要なときに必要なだけの動力を発生することができる回転数」に制御され、負荷の大小に拘わらず負荷率をほゞ一定とすることができ、軽負荷時のエンジン回転数を負荷率を保ったままでできるだけ下げることが可能となり、燃料消費率の改善と環境負荷の低減（騒音・排気の抑制）を実現することができるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１は本発明に係るモータ駆動方法の実施に用いるモータ駆動装置の一例を示すブロック構成図である。同図において、１はクレーンや車両などに搭載されたディーゼルエンジン、２はエンジン１によって駆動される三相交流発電機、３は発電機２が発生する三相交流電力を所定の周波数（例えば、５０Hz）の三相交流電力に変換するインバータ、４はインバータによって変換された所定の周波数の三相交流電力によって駆動される三相交流モータ（動力用モータ）である。

このモータ駆動装置１００（１００Ａ）には、操作器５からのモータ４への速度指令を入力とし、全体の動作を制御する制御装置６が設けられている。また、このモータ駆動装置１００Ａにおいて、インバータ３は交流−直流変換部３−１と直流−交流変換部３−２とを備え、交流−直流−交流変換方式で発電機２からの電力を所定の周波数の電力に変換する。インバータ３は、交流−直流変換部３−１で交流を直流に変換し、直流−交流変換部３−２で直流を交流に変換するので、入力周波数（発電機２からの電力の周波数）の変動に対する出力周波数（モータ４への電力の周波数）の安定度が高い。

図２に制御装置６の機能ブロック図を示す。以下、制御装置６の機能を交えながら、本実施の形態特有の動作について説明する。
操作器５からのモータ４への速度指令はモータ目標回転数Ｎmtp として制御装置６へ与えられる。制御装置６は、操作器５からのモータ４への速度指令が変化し、モータ目標回転数Ｎmtp が変化すると、そのモータ目標回転数Ｎmtp までモータ４の回転数を変化させるために必要な動力（必要動力）を算出する（ブロックＢＬ１）。

そして、制御装置６は、ブロックＢＬ１で算出した必要動力を発生するために必要なエンジン１の回転数（必要エンジン回転数）Ｎesp を算出し（ブロックＢＬ２）、現在のエンジン１の回転数（現在エンジン回転数）Ｎepv と比較する（ブロックＢＬ３）。

〔Ｎepv＞Ｎespの場合〕
現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも高い場合（Ｎepv＞Ｎesp）、制御装置６は、現在エンジン回転数Ｎepv と必要エンジン回転数Ｎesp との差ΔＮe＝Ｎepv−Ｎespをエンジン回転数下げ指令（エンジン速度指令）としてエンジン１へ出力すると同時に（ブロックＢＬ４）、操作器５からの速度指令に応ずるモータ目標回転数Ｎmtp をモータ指令回転数Ｎmsp （モータ速度指令）として直ちにインバータ３へ出力する（ブロックＢＬ５）。これにより、エンジン１からの現在エンジン回転数Ｎepv のフィードバックを受けながら、制御装置６がエンジン１の回転数を必要エンジン回転数Ｎesp に合わせ込む。また、モータ４からの現在モータ回転数Ｎmpv のフィードバックを受けながら、インバータ３がモータ４の回転数をモータ指令回転数Ｎmsp （＝Ｎmtp ）に合わせ込む。

〔Ｎepv＜Ｎespの場合〕
現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも低い場合（Ｎepv＜Ｎespの場合）、制御装置６は、必要エンジン回転数Ｎesp と現在エンジン回転数Ｎepv との差ΔＮe＝Ｎesp−Ｎepvをエンジン回転数上げ指令（エンジン速度指令）としてエンジン１へ出力する（ブロックＢＬ６）。これにより、エンジン１からの現在エンジン回転数Ｎepv のフィードバックを受けながら、制御装置６がエンジン１の回転数を必要エンジン回転数Ｎesp に合わせ込む。

また、現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも低い場合、制御装置６は、現在エンジン回転数Ｎepv と必要エンジン回転数Ｎesp とが等しくなるまで（ブロックＢＬ７）、操作器５からの速度指令に応ずるモータ目標回転数Ｎmtp を保留しておき、現在エンジン回転数Ｎepv で達成可能なモータ４の回転数（最大モータ回転数）Ｎmax をモータ指令回転数Ｎmsp （モータ速度指令）としてインバータ３へ出力する（ブロックＢＬ８）。そして、現在エンジン回転数Ｎepv と必要エンジン回転数Ｎesp とが等しくなれば、モータ目標回転数Ｎmtp をモータ指令回転数Ｎmsp （モータ速度指令）としてインバータ３へ出力する（ブロックＢＬ５）。これにより、モータ４からの現在モータ回転数Ｎmpv のフィードバックを受けながら、インバータ３がモータ４の回転数をモータ目標回転数Ｎmtp に徐々に合わせ込んで行く。

本実施の形態において、現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも低い場合、エンジン１の回転数が必要エンジン回転数Ｎesp になるまでにタイムラグが発生し、短時間のあいだ電力が不足し、モータ４の回転数をモータ目標回転数Ｎmtp まで即座に上昇させることができない。そこで、本実施の形態では、現在エンジン回転数Ｎepv で達成可能な最大モータ回転数Ｎmax を算出し、エンジン１の回転数が必要エンジン回転数Ｎesp になるまで、その算出した最大モータ回転数Ｎmax をインバータ３へのモータ指令回転数Ｎmsp として用いている。

なお、最近の電子制御式エンジンでは、その回転数変化の時間は短くて、人間の感覚的には殆ど問題ない。すなわち、エンジン１を電子制御式エンジンとした場合、その回転数が必要エンジン回転数Ｎesp になるまでのタイムラグは僅かであり、人間の感覚的には殆ど問題ない。本実施の形態では、タイムラグがある程度発生するものとして、現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも低い場合、操作器５からの速度指令に応ずるモータ目標回転数Ｎmtp を保留するものとしたが、タイムラグが極僅かであれば、モータ目標回転数Ｎmtp をインバータ３へのモータ指令回転数Ｎmsp として即座に用いるようにしてもよい。

〔Ｎepv＝Ｎespの場合〕
現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp と等しい場合（Ｎepv＝Ｎespの場合）、制御装置６は、現在エンジン回転数Ｎepv と必要エンジン回転数Ｎesp との差ΔＮe＝０をエンジン回転現状維持指令（エンジン速度指令）としてエンジン１へ出力すると同時に（ブロックＢＬ９）、操作器５からの速度指令に応ずるモータ目標回転数Ｎmtp をモータ指令回転数Ｎmsp （モータ速度指令）として直ちにインバータ３へ出力する（ブロックＢＬ５）。

〔発電電圧制御〕
制御装置５は、発電機２からインバータ３への発電電圧及び電流を監視し、発電機２における発電電圧を一定となるように制御する（ブロックＢＬ１０）。エンジン１の回転数が低下すると、そのままでは発電機２の発電電圧も降下する。そこで、本実施の形態では、エンジン１の回転数が低下しても発電機２の発電電圧が降下しないように、すなわち発電機２の発電電圧が一定となるように、制御装置５から発電電圧制御指令を送って発電機２の界磁を制御する。

以上の説明から分かるように、このモータ駆動装置１００Ａでは、エンジン１の回転数が一定回転数（例えば、１８００／１５００ｒｐｍ）を保つように制御されるのではなく、必要なときに必要なだけの動力を発生することができる回転数（例えば、１２００ｒｐｍ〜２４００ｒｐｍの範囲）に制御されるので、負荷の大小に拘わらず負荷率をほゞ一定とすることができ、軽負荷時のエンジン回転数を負荷率を保ったままでできるだけ下げることが可能となり、燃料消費率の改善と環境負荷の低減（騒音・排気の抑制）を実現することができるようなる。

また、このモータ駆動装置１００Ａでは、エンジン１の回転数を必要なときに必要なだけの動力を発生することができる回転数に制御することにより、従来の一定回転数（例えば、１８００／１５００ｒｐｍ）制御よりも高い回転数に制御し、大きな動力を発生させることが可能である。これにより、例えばクレーンのように必要動力が変化する機械の場合、通常はエンジンの回転数を下げてやり、必要なときにのみエンジンの回転数を高く制御して、大きな動力を発生させることができるようになる。この場合、通常はエンジンの回転数が下げられていることから、全体的な燃料消費率の改善と環境負荷の低減が可能となる。

〔実施の形態２〕
実施の形態１では、現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも低い場合、エンジン１の回転数が必要エンジン回転数Ｎesp になるまでにタイムラグが発生し、短時間のあいだ電力が不足し、「モータ４の回転数をモータ目標回転数Ｎmtp まで即座に上昇させることができない」というレスポンス不良が発生する。

実施の形態２では、このレスポンス不良の解決策として、２次電池を利用する。図３に２次電池の利用例を示す。このモータ駆動装置１００（１００Ｂ）では、２次電池７の正極性端子を充電制御装置８を介してインバータ３内の交流−直流変換部３−１と直流−交流変換部３−２との接続ライン（直流変換部分）に接続している。これにより、現在エンジン回転数Ｎepv が必要エンジン回転数Ｎesp よりも低い場合に生じる電力不足に対し、２次電池７からの電流が充電制御装置８を介してインバータ３内の直流変換部分に流れ込み、エンジン１の回転数が必要エンジン回転数Ｎesp になるまでの電力の不足が補われる。

この実施の形態２において、２次電池７からのインバータ３内の直流変換部分への放電は短時間発生するだけである。したがって、２次電池７として、容量的にあまり大きなものを必要としない。また、２次電池７への充電は、モータ４の定速回転時や減速時に余った電力で行うことができる。

〔実施の形態３〕
クレーンや車両などには、動力用モータとして使用されるモータ４以外の補機として、モータ冷却ファンや照明灯，空調機などの機器がある。これらの補機も発電機２が発生する電力によって駆動する。この場合、インバータ３からのモータ４への電力を分岐して使用することも考えられるが、モータ４の負荷変動によってその電圧や周波数が変化してしまうことが考えられる。また、補機として、モータ４とは異なる相数や周波数の電力を必要とする場合もある。

そこで、実施の形態３では、モータ４へ電力を送るインバータ（第１のインバータ）３とは別に、補機へ電力を送る第２のインバータを設ける。図４に第２のインバータを設けた例を示す。このモータ駆動装置１００（１００Ｃ）では、インバータ３とは別に補機用のインバータ９を設け、このインバータ９によって発電機２が発生する三相交流電力を所定の周波数（例えば、５０Hz）の単相交流電力に変換するようにしている。そして、このインバータ９からの単相交流電力をモータ冷却ファン１０や照明灯１１，空調機１２などの補機へ送るようにしている。また、インバータ３への制御電源としても使用するようにしている。なお、インバータ９は、インバータ３と同じく、交流−直流−交流変換方式で発電機２からの電力を所定の周波数の電力に変換する。

この実施の形態３によれば、動力用モータとして使用されるモータ４とは独立して、補機への所定周波数の電力の供給を安定的に行うことが可能となる。また、補機への電力として、モータ４とは異なる相数や周波数の電力を供給することができる。

クレーンなどの場合、今まではエンジンの回転数を下げるということは発電を止めることにつながり、特に夜間照明灯にも電力を供給している場合、照明の再点灯に時間がかかるため（水銀灯やナトリューム等の場合、再点灯に数分必要）、長時間作業が発生しない時であってもエンジンの回転数を下げることができなかった。本実施の形態では、これらの補機類の電力をインバータ３とは別の補機用のインバータ９から供給することで、エンジン１の回転数を下げて待機することが可能である。

なお、実施の形態１，３（図１，図４）では、インバータ３により交流−直流−交流変換方式で発電機２からの電力を所定の周波数の電力に変換するようにしたが、インバータ３に代えてマトリクスコンバータを設け、交流−交流直接変換方式で発電機２からの電力を所定の周波数の電力に変換するようにしてもよい。また、図４に示した補機用のインバータ９についてもマトリクスインバータとし、交流−交流直接変換方式で周波数変換を行うようにしてもよい。マトリクスコンバータについては、非特許文献１などに示されているので、ここでの説明は省略する。

また、上述した実施の形態１〜３では、エンジン１をディーゼルエンジンとしたが、ガソリンエンジンなど他の種類のエンジンでも同様にして適用することができ可能である。
また、上述した実施の形態１〜３では、発電機２を三相交流発電機とし、モータ４を三相交流モータとしたが、単相交流発電機や単相交流モータとするなど、各種の変形が自在である。また、搭載される装置も、車両やクレーンに限られるものではない。

本発明に係るモータ駆動方法の実施に用いるモータ駆動装置の一例（実施の形態１）を示すブロック構成図である。このモータ駆動装置における制御装置の機能ブロック図である。レスポンス不良の解決策として２次電池を利用した例（実施の形態２）を示すブロック構成図である。補機用のインバータを設けた例（実施の形態３）を示すブロック構成図である。エンジン回転数と燃料消費率との関係およびエンジン回転数と出力馬力との関係を示す図である。

符号の説明

１…ディーゼルエンジン（エンジン）、２…三相交流発電機（発電機）、３…インバータ、３−１…交流−直流変換部、３−２…直流−交流変換部、４…三相交流モータ（モータ）、５…操作器、６…制御装置、７…２次電池、８…充電制御装置、９…補機用のインバータ、１０…モータ冷却ファン、１１…照明灯、１２…空調機、１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）…モータ駆動装置。

Claims

エンジンで発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によってモータを駆動するモータ駆動方法において、
前記発電機が発生する電力を所定の周波数の電力に変換し前記モータに供給する周波数変換工程と、
前記モータの回転数を操作器からの速度指令に応ずる目標回転数まで変化させるために必要な前記エンジンの必要回転数を算出する工程と、
前記エンジンの回転数を前記必要エンジン回転数に、前記モータの回転数を前記目標回転数に合わせ込む工程と
を備えたことを特徴とするモータ駆動方法。
請求項１に記載されたモータ駆動方法において、
前記周波数変換工程での所定の周波数の電力への変換は交流−直流−交流変換方式で行うことを特徴とするモータ駆動方法。
請求項２に記載されたモータ駆動方法において、
現在のエンジン回転数が前記必要エンジン回転数よりも低い場合の前記モータへの電力の不足を２次電池により補うようにしたことを特徴とするモータ駆動方法。
請求項１に記載されたモータ駆動方法において、
前記発電機が発生する電力を所定の周波数の電力に変換し前記モータ以外の補機へ供給する第２の周波数変換工程を備えたことを特徴とするモータ駆動方法。
エンジンで発電機を駆動して電力を発生させ、この発電機が発生する電力によってモータを駆動するモータ駆動装置において、
前記発電機が発生する電力を所定の周波数の電力に変換し前記モータに供給する周波数変換手段と、
前記モータの回転数を操作器からの速度指令に応ずる目標回転数まで変化させるために必要な前記エンジンの必要エンジン回転数を算出する手段と、
前記エンジンの回転数を前記必要エンジン回転数に、前記モータの回転数を前記目標回転数に合わせ込む手段と
を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５に記載されたモータ駆動装置において、
前記周波数変換手段は、前記所定の周波数の電力への変換を交流−直流−交流変換方式で行うインバータであることを特徴とするモータ駆動装置。
請求項６に記載されたモータ駆動装置において、
現在のエンジン回転数が前記必要エンジン回転数よりも低い場合の前記モータへの電力の不足を補う２次電池を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５に記載されたモータ駆動装置において、
前記発電機が発生する電力を所定の周波数の電力に変換し前記モータ以外の補機へ供給する第２の周波数変換手段を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。