JP2006166507A - 船舶用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一時的な発電機電圧の変動や周波数の変動が発生しても運転を継続することが可能な船舶用インバータ装置を提供する。
【解決手段】 発電装置１からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、負荷電動機を駆動する変換器２と、この変換器２の出力を制御する制御部４と、前記発電装置１の出力電圧を検出する電圧検出手段５と、この電圧検出手段５の出力をもとに、発電装置１から前記変換器２に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段６と、前記制御部４に前記変換器２の電流制限値を与える電流制限手段７とを備え、前記電流制限手段７は、前記発電機出力の値に応じて前記電流制限値を調節するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、船舶内に搭載され船の推進用電動機あるいはポンプ、コンプレッサなどの補機用電動機を駆動するための船舶用インバータ装置に関する。

近年、船舶用推進装置として保守性や制御性に優れた電気推進駆動装置が採用されてきている。この電気推進駆動装置は、ディーゼルエンジン等の原動機により発電機を駆動して交流電力を発電し、この交流電力をインバータ装置により任意の電圧、周波数に変換し、その出力で交流電動機を可変速駆動し、交流電動機に機械的に接続された船舶推進用のプロペラを回転させて推進力を得るようにしている。

このように交流発電機の出力に、この交流発電機の出力容量に対して大きな比率を占めるような電気推進駆動装置が接続されている場合、両者の制御上の関係から来る不安定現象などが生じないように注意深く制御する必要がある。このため、船舶の減速運転などの過渡運転の際、インバータ装置の状態信号を交流発電機側の制御用としてフィードバックし、交流発電機の運転速度を調整するような提案が為されている。（例えば特許文献１参照。）。
特開平２−２６２４９５号公報（第２−３頁、第１図）

上記特許文献１に示された連係制御は、インバータ装置側の運転状態信号に応じて発電機を制御する例であるが、逆に発電機の運転状況に応じてインバータ装置側を制御し、不安定現象を回避するようにすることも大きな課題である。

従来のインバータ装置による電気推進駆動装置においては、入力電圧の電圧低下と過電圧を検出しインバータを停止する電圧保護装置と、入力電圧の周波数の周波数高と周波数低下を検出してインバータを停止する周波数保護装置が設けられている。例えば電圧保護装置は発電機装置の巻線の電気的な保護のため入力過電圧を検出し、周波数保護装置は発電機装置の機械的な保護のため周波数高を検出してインバータ装置を停止するようにしている。同様に、電圧低下による過電流、また周波数低下による発電機の運転中の減速停止などを防止するため電圧低下及び周波数低下信号によってインバータ装置を停止するようにしている。

ところで、発電装置は一定の電圧及び周波数を出力するように制御されているが、発電装置の供給可能な出力をインバータ装置の入力が上回る場合や、発電装置に供給される燃料の一時的な不足が発生すると発電装置の回転数は低下し出力電圧が保護レベル以下に低下することがある。

また、発電装置に供給される燃料の一時的な過剰のような外乱により発電装置の出力が一時的に上昇した状態においては、一時的な発電機電圧及び周波数の上昇が所定の保護レベル以上となることがある。

上記は、インバータ装置の制御応答を発電装置の比較的遅い応答に合わせるようにしていることもその要因のひとつとなっている。

しかしながら上記のような状態は一時的なものであり、本来は発電装置及びインバータ装置を停止する必要のない運転状態である。

従って本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、一時的な発電機電圧の変動や周波数の変動が発生しても運転を継続することが可能な船舶用インバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の船舶用インバータ装置は、発電装置からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、負荷電動機を駆動する変換器と、この変換器の出力を制御する制御部と、前記発電装置の出力電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段の出力をもとに、前記発電装置から前記変換器に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段と、前記制御部に前記変換器の電流制限値を与える電流制限手段とを備え、前記電流制限手段は、前記発電機出力の値に応じて前記電流制限値を調節するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、一時的な発電機電圧の変動や周波数の変動が発生しても運転を継続することが可能な船舶用インバータ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る船舶用インバータ装置の回路構成図である。

エンジンと発電機で構成される発電装置１は、コンバータ、平滑コンデンサ及びインバータから構成される変換器２に交流電力を供給する。変換器２は推進装置である負荷３を駆動し、制御部４からの制御指令によりその出力が制御されている。負荷３は電動機とプロペラによって構成されている。尚、変換器２の負荷はクレーンやポンプ等駆動用の電動機であっても良い。

電圧検出器５は、発電装置１から供給される変換器２の入力電圧を検出する。出力演算装置６は、前記電圧検出器５の出力が発電装置１の出力電圧であることから、この出力電圧を発電装置１の定格電圧で除算することにより出力可能な電力を演算により求める。発電機が励磁一定の条件下では、発電装置１の供給可能な電力は発電機電圧に比例する。従って電圧検出器５の出力を発電機の電圧の定格値で除算して正規化した値を出力値とすれば、出力演算装置６の出力はその時点で供給可能な出力レベルとなる。

電流制限装置７は、発電装置１の発電機の回転数が低下したとき、変換器２の出力がこのまま一定であると発電装置１の出力不足により回転数が更に低下し供給可能な出力が低下する状態になるのを防止するため、出力演算装置６の演算値が所定の電流制限開始レベルより低下したとき、変換器２に与えている電流制限値を下げ、出力演算装置６の出力が所定の電流制限終了レベルまで戻ったところで電流制限値を徐々に解除して定格電流制限値に戻す動作を行う。

以上説明したような構成及び動作により、発電装置１の出力が一時的に低下したとき、または変換器２の出力が過負荷になったことによって一時的に入力電圧が低下したとき、変換器２用の制御部４に与えている電流制限値を調節して変換器２の出力を抑制することによって発電装置１の電圧低下または周波数低下を防止することが可能となる。従ってシステムとして継続して運転を行うことが可能となる。

尚、上記の電流制限装置７の制御を簡単にするために、電流制限装置７の演算値が所定値以下となったとき、所定期間だけ変換器２に与えている電流制限値を所定量下げるようにしても良い。

図２は本発明に係る船舶用インバータ装置の実施例２を示す回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る船舶用インバータ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、電圧検出器５に代え、周波数検出器８を設け、この周波数検出器８の出力を出力演算装置６Ａに与えるようにした点である。

発電装置１は、変換器２の電源を供給する。変換器２は図２の例では推進装置である負荷３を駆動する。周波数検出器８は、発電装置１から供給される入力電圧の周波数を検出する。発電装置１の電圧と周波数は通常一定に制御されているが、発電装置１の供給可能な出力より負荷が多くなる場合や発電装置１に供給される燃料の一時的な不足が発生すると発電装置１の回転数は低下し出力電圧は低下する。この時の発電装置１の供給可能な出力は発電装置１の発電機の回転数に比例する。この回転数は発電機の出力周波数と等しい。発電機の供給可能な出力は発電機の周波数に比例するため、出力演算装置６Ａは周波数検出器８の出力を発電機の周波数の定格値で除算して正規化した値を出力値とする。

電流制限装置７は、実施例１の場合と同様、出力演算装置６Ａの演算値が所定の電流制限開始レベルより低下したとき、変換器２に与えている電流制限値を下げ、出力演算装置６Ａの出力が所定の電流制限終了レベルまで戻ったところで電流制限値を徐々に解除するように動作する。

以上説明したような実施例２の構成及び動作により、発電装置１の出力が一時的に低下したとき、または変換器２の出力が過負荷になったことによる一時的に入力電圧が低下したとき、変換器２の制御部４に与えている電流制限値を調節して変換器２の出力を抑制することによって発電装置１の電圧低下または周波数低下を防止することが可能となる。従ってシステムとして継続して運転を行うことが可能となる。

図３は本発明に係る船舶用インバータ装置の実施例３を示す回路構成図である。この実施例３の各部について、図２の実施例２に係る船舶用インバータ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例２と異なる点は、インバータ入力演算器９を設け、変換器２の入力電力を求めるようにした点、また電流制限装置７Ａはこのインバータ入力演算器９の出力と出力演算装置６Ａの出力を比較し、その差分に応じて変換器２の制御部４に与える電流制限値を調節するようにした点である。

インバータ入力演算器９は、制御部４からトルク電流指令値と運転周波数信号を受け取り、これらを乗算した値に定数を掛けてインバータ出力を算出し、次に効率で除算してインバータ入力を算出し、更にこれを定格インバータ入力で除算して正規化した値を出力する。

電流制限装置７Ａは、発電装置１の発電機の回転数が低下したとき、変換器２の出力がこのまま一定であると発電装置１の出力不足により回転数が更に低下し供給可能な出力が低下する状態になるのを防止するため、インバータ入力演算器９と出力演算装置６の各々の出力同士を比較し、インバータ入力演算器９の出力の方が大きい場合は、変換器２の制御部４に与える電流制限値を徐々に下げるようにする。

以上説明したこの実施例３の構成及び動作により、発電装置１の出力が一時的に低下したとき、または変換器２の出力が過負荷になってその入力電力が一時的に大きくなったとき、変換器２の制御部４に与えている電流制限値を調節して変換器２の出力を抑制することによって発電装置１の電圧低下または周波数低下を防止することが可能となる。従ってシステムとして継続して運転を行うことが可能となる。

図４は本発明に係る船舶用インバータ装置の実施例４を示す回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る船舶用インバータ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例１と異なる点は、出力演算装置６及び電流制限装置７代え、電流変化率制限装置１０を設け、電圧検出器５の検出電圧に応じてインバータ制御部４に与える電流変化率制限値を調節するようにした点である。

一般的に発電装置１は機械的制御を用いているのに対し、変換器２は電気的制御を用いているため、変換器２の応答特性をより速く設定することができる。発電装置１の出力応答特性以上の速さで変換器２の出力変動が生じた場合、例えば軽負荷状態から過負荷に急峻に変化した場合には一時的な入力電圧および入力周波数の低下が発生する。このため、発電装置１側が許容することができない電流変化率のリミットを変換器２側に設定するようにする。

ただし上記のようなリミットを設定すると、発電装置１に供給される燃料の一時的な不足のような外乱によって発電装置１の出力が低下した場合には、変換器２に許容される応答量が不足する場合が生じる。また、発電装置１に供給される燃料の一時的な過剰のような外乱により発電装置１の出力が上昇した状態においても、変換器２に許容される応答量が不足する場合が生じる。このため電流変化率制限装置１０は、電圧検出器５の出力が発電装置１の発電機の巻線の電気的な保護レベルである過電圧レベル近傍のときは、変換器２の電流変化率の減速レートの制限値を減少させる。また、電圧検出器５の出力が発電装置１の出力の電気的な保護レベルである電圧低レベル近傍のときは、変換器２の電流変化率の増加レートの制限値を減少させる。

このようにすれば、変換器２は電流変化率制限装置１０の出力に従って運転を行うので、変換器２の通常時の電流変化率制限を損なうことなく、発電機の電圧が過電圧または電圧低レベル近傍となるような負荷変動があっても変換器２の危険サイドへの出力変動を抑制でき、従ってシステムとして継続して運転を行うことができる。

また、過電圧および電圧低の保護レベルの近傍になった場合に電流応答ゲインを下げるようにしても、上記と同等の制御効果が得られる。

尚、この実施例４において、実施例２の場合と同様、電圧検出器５に代え、周波数検出器８を使用して発電装置１の出力を求めるようにしても同様の効果が得られることは明らかである。

図５は本発明に係る船舶用インバータ装置の実施例５を示す回路構成図である。この実施例５の各部について、図３の実施例３に係る船舶用インバータ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が、実施例３と異なる点は、発電装置を発電装置１Ａ、１Ｂと複数台設けて出力を並列接続し、この出力で変換器２Ａ、２Ｂ及びこの夫々に接続される負荷３Ａ、３Ｂを並列駆動するようにした点、また出力演算装置６の出力を出力分配装置１１に与え、この出力分配装置１１によって各変換器に許容される出力を電流制限装置７Ｂに与え、この分配された出力と、変換器２Ａ、２Ｂの夫々の制御部４Ａ、４Ｂから得られるトルク電流指令値と運転周波数信号からインバータ入力演算装置９Ａにより夫々の変換器に対して求められた入力電力とを夫々比較し、夫々の変換器の電流制限値を電流制限装置７Ｂから制御部４Ａ、４Ｂに与えるようにした点である。図５に示した例では、変換器２Ａ及び変換器２Ｂは等分の推進負荷を受け持っているため、出力分配装置１１は単純に出力演算装置６の出力を等分するようにしている。

電流制限装置７Ｂは、実施例３の場合と同様、発電装置１Ａ及び発電装置１Ｂの発電機の回転数が低下したとき、変換器２Ａまたは変換器２Ｂの出力がこのまま一定であると発電装置１Ａ及び発電装置１Ｂの合計出力が不足して回転数が更に低下し供給可能な出力が低下する状態になるのを防止するため、インバータ入力演算器９Ａから得られる変換器２Ａ、２Ｂの入力と出力演算装置６の出力から出力分配装置１１を介して得られる変換器２Ａ、２Ｂの夫々に許容される出力を夫々比較し、インバータ入力演算器９側から得られる出力の方が大きい場合は、当該変換器の制御部に与える電流制限値を徐々に下げるようにする。

以上説明したこの実施例５の構成及び動作により、発電装置１Ａと発電装置１Ｂの合計出力が一時的に低下したとき、若しくは変換器２Ａまたは変換器２Ｂの出力が過負荷になってその入力電力が一時的に大きくなったとき、変換器２Ａの制御部４Ａまたは変換器２Ｂの制御部４Ｂに与えている電流制限値を調節して変換器２Ａまたは変換器２Ｂの出力を抑制することによって発電装置１Ａと発電機１Ｂの合計出力の電圧低下または周波数低下を防止することが可能となる。従ってシステムとして継続して運転を行うことが可能となる。

図６は本発明に係る船舶用インバータ装置の実施例６を示す回路構成図である。この実施例６の各部について、図５の実施例５に係る船舶用インバータ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が、実施例５と異なる点は、変換器２Ｃ、負荷３Ｃ及び制御部４Ｃで構成される３台目の並列駆動装置を追加した点、また、周波数検出器８の出力により動作する電流変化率制限装置１０を設け、この出力を制御部４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに与えるようにした点、また出力分配装置１１Ａは負荷情報によりその分配率を自動的に変更できるようにした点である。

電流変化率制限装置１０は、実施例４で説明したように周波数検出器８の検出周波数に見合う検出電圧に応じて制御部４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに与える電流変化率制限を調節する。 また、図６における電流制限装置７Ｂは、図５に示した電流制限装置７Ｂに対して対象回路数が１つ増えただけでその動作は実施例５の場合と同一である。

出力分配装置１１Ａには、例えば船舶の運転状態（航海中、停泊中、荷役中など）が負荷情報として入力され、この負荷情報に応じて自動的に発電装置出力の分配比率を決定する。

電流制限装置７Ｂは、実施例５の場合と同様、発電装置１Ａ及び発電装置１Ｂの発電機の回転数が低下したとき、変換器２Ａ乃至変換器２Ｃの出力がこのまま一定であると発電装置１Ａ及び発電装置１Ｂの合計出力不足により回転数が更に低下し供給可能な出力が低下する状態になるのを防止するため、インバータ入力演算器９Ａから得られる変換器２Ａ、２Ｂ及び２Ｃの入力と出力演算装置６の出力から出力分配装置１１Ａを介して得られる変換器２Ａ、２Ｂ及び２Ｃの夫々に許容される出力を夫々比較し、インバータ入力演算器９Ａ側から得られる出力の方が大きい場合は、当該変換器の制御部に与える電流制限値を徐々に下げるようにする。

以上説明したこの実施例６の構成及び動作により、実施例５の場合と同様、個々の変換器毎に電流制限値を調節して、発電装置１Ａと発電機１Ｂの合計出力の電圧低下または周波数低下を防止することが可能となる。またこの実施例６によれば、船舶の運転状態に連動して自動的に発電装置出力の分配比率を決定するため推進装置以外の負荷、例えばクレーン等の負荷がある場合には都合が良い。更に、この実施例６の場合は、各変換器の電流変化制限の制御も併用しているので、システムの継続運転特性を更に高めることができる。

尚、実施例５及び実施例６では、電流制限装置７Ｂは変換器及び負荷の数だけ演算回路を設けるようにしたが、この演算回路を１つとして合計の発電装置出力とインバータ入力とで演算し、求められた電流制限値を出力分配装置１１、または１１Ａの分配率に従って各変換器に分配するようにしても良い。

本発明の実施例１に係るインバータ装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に係る船舶用インバータ装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る船舶用インバータ装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る船舶用インバータ装置のブロック構成図。 本発明の実施例５に係る船舶用インバータ装置のブロック構成図。 本発明の実施例６に係る船舶用インバータ装置のブロック構成図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 発電装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 変換器
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 負荷
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 制御部
５ 電圧検出器
６、６Ａ 出力演算装置
７、７Ａ、７Ｂ 電流制限装置
８ 周波数検出器
９、９Ａ インバータ入力演算器
１０ 電流変化率制限装置
１１、１１Ａ 出力分配装置

Claims (8)

1. 発電装置からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、負荷電動機を駆動する変換器と、
   この変換器の出力を制御する制御部と、
   前記発電装置の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   この電圧検出手段の出力をもとに、前記発電装置から前記変換器に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段と、
   前記制御部に前記変換器の電流制限値を与える電流制限手段と
   を備え、
   前記電流制限手段は、
   前記発電機出力の値に応じて前記電流制限値を調節するようにしたことを特徴とする船舶用インバータ装置。
2. 発電装置からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、負荷電動機を駆動する変換器と、
   この変換器の出力を制御する制御部と、
   前記発電装置の出力周波数を検出する周波数検出手段と、
   この周波数検出手段の出力をもとに、前記発電装置から前記変換器に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段と、
   前記制御部に前記変換器の電流制限値を与える電流制限手段と
   を備え、
   前記電流制限手段は、
   前記発電機出力の値に応じて前記電流制限値を調節するようにしたことを特徴とする船舶用インバータ装置。
3. 前記電流制限手段は、
   前記発電機出力が第１の所定値以下となったとき、所定期間だけ電流制限値を所定量減少させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶用インバータ装置。
4. 前記電流制限手段は、
   前記発電機出力が第２の所定値以下となったとき前記電流制限値を減少し、前記発電機出力が第３の所定値以上となったとき前記電流制限値を増大して定格電流制限値に戻すようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶用インバータ装置。
5. 発電装置からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、負荷電動機を駆動する変換器と、
   この変換器の出力を制御する制御部と、
   前記発電装置の出力電圧または出力周波数を検出する出力検出手段と、
   この出力検出手段の出力をもとに、前記発電装置から前記変換器に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段と、
   前記制御部に前記変換器の電流制限値を与える電流制限手段と、
   前記制御部から与えられる前記変換器の制御信号から前記変換器の入力電力を演算する変換器入力演算手段と
   を備え、
   前記電流制限手段は、
   前記発電機出力と前記入力電力の差分に応じて前記電流制限値を調節するようにしたことを特徴とする船舶用インバータ装置。
6. 発電装置からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、負荷電動機を駆動する変換器と、
   この変換器の出力を制御する制御部と、
   前記発電装置の出力電圧または出力周波数を検出する出力検出手段と、
   この出力検出手段の出力をもとに、前記発電装置から前記変換器に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段と、
   前記制御部に前記変換器の出力電流の減少及び増加の２つの電流変化率制限値を与える電流変化率制限手段と
   を備え、
   前記電流変化率制限手段は、
   前記発電機出力が第４の所定値以上のとき前記減少電流変化率制限値を減少し、
   前記発電機出力が第５の所定値以下のとき前記増加電流変化率制限値を減少するようにしたことを特徴とする船舶用インバータ装置。
7. 少なくとも１台の発電装置からの交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、夫々負荷電動機を駆動する複数台の変換器と、
   この変換器の出力を夫々制御する制御部と、
   前記発電装置の出力電圧または出力周波数を検出する出力検出手段と、
   この出力検出手段の出力をもとに、前記発電装置から前記変換器に供給可能な発電機出力を演算する出力演算手段と、
   演算された前記発電機出力を複数台の変換器に対して分配する出力分配手段と、
   前記夫々の制御部に前記夫々の変換器の電流制限値を与える電流制限手段と、
   前記夫々の制御部から与えられる前記夫々の変換器の制御信号から前記変換器の入力電力を夫々演算する変換器入力演算手段と
   を備え、
   前記電流制限手段は、
   前記分配された発電機出力と、前記変換器の入力電力とを変換器毎に比較し、
   この夫々の比較結果に応じて変換器毎の電流制限値を調節するようにしたことを特徴とする船舶用インバータ装置。
8. 前記出力分配手段は、
   各々の前記変換器の負荷情報または運転情報に基づいて分配率を決定して分配するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の船舶用インバータ装置。
   
   

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