JP2010161846A - Ac motor driving unit and electric propulsion unit using same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、船舶の電気推進装置として使用される交流電動機をインバータ装置により駆動するようにした交流電動機駆動装置およびこれを用いた電気推進装置に関する。 The present invention relates to an AC motor drive device in which an AC motor used as an electric propulsion device for a ship is driven by an inverter device and an electric propulsion device using the same.
従来から、船舶の電気推進装置に使用される交流電動機の駆動装置として、特許文献１に示すものが知られている。この装置は、図６に示すように負荷となる船舶の推進機Ｓを共通に駆動する２台の交流電動機Ｍ１およびＭ２にそれぞれインバータ装置ＩＮＶ１およびＩＮＶ２を接続し、交流電動機Ｍ１、Ｍ２に供給する駆動電力をそれぞれインバータ装置ＩＮＶ１、ＩＮＶ２により制御するものである。 DESCRIPTION OF RELATED ART Conventionally, what is shown to patent document 1 is known as a drive device of the AC motor used for the electric propulsion apparatus of a ship. In this apparatus, as shown in FIG. 6, inverter devices INV1 and INV2 are connected to two AC motors M1 and M2 that commonly drive a marine vessel propulsion device S, and are supplied to the AC motors M1 and M2. The drive power is controlled by inverter devices INV1 and INV2, respectively.
このように１つの負荷を２系統の交流電動機駆動装置により駆動するようにすると、一方の系統の駆動装置が故障しても、他方の健全な系統の駆動装置により負荷の駆動を継続することができるので、交流電動機駆動装置を１系統しか備えない装置に比べて信頼性を高めることができる。 When one load is driven by two AC motor drive devices in this way, even if one drive device fails, the other healthy drive device can continue to drive the load. Therefore, the reliability can be improved as compared with a device having only one AC motor drive device.
しかしながら、このような装置においても、２系統のインバータ装置がともに故障すると電動機を駆動することができず、船舶の電気推進装置に用いた場合は、船舶の推進が不能となるため、船舶の安全航行が阻害される問題がる。 However, even in such a device, if both inverter systems fail, the motor cannot be driven, and when used in an electric propulsion device for a ship, the propulsion of the ship becomes impossible. There is a problem that navigation is hindered.
また、インバータ装置には、それぞれその出力に関係しない固定的な損失が存在し、この固定的な損失は、これを低減することが極めて困難であり、この損失が交流電動機の低出力領域での運転効率を低下させる問題もある。このような運転効率の低下は、船舶の電気推進装置においては、原動機駆動の発電装置と蓄電池とからなるハイブリッド電源の発電装置の故障等により蓄電池で運転するモードになったとき、運転継続時間に影響し、長時間の運転が制限されることになる。 In addition, each inverter device has a fixed loss that is not related to its output, and this fixed loss is extremely difficult to reduce, and this loss occurs in the low output region of the AC motor. There is also a problem of lowering operating efficiency. Such a decrease in operating efficiency is caused in the operation continuation time of a ship's electric propulsion device when it is in a mode in which it operates with a storage battery due to a failure of a power generator of a hybrid power source consisting of a power generator driven by a prime mover and a storage battery. Will affect the driving for a long time.
この発明は、このような問題を解決するために、交流電動機駆動装置における低出力領域での装置の損失を低減して運転効率を高めることができるとともに駆動装置のインバータ装置に部分的な故障が生じても運転を継続することのできる交流電動機駆動装置を提供することを課題とするものである。 In order to solve such a problem, the present invention can reduce the loss of the device in the low output region in the AC motor drive device to increase the operation efficiency and cause a partial failure in the inverter device of the drive device. An object of the present invention is to provide an AC motor drive device that can continue operation even if it occurs.
このような課題を解決するため，この発明は、３相以上の多相に構成された交流電動機の各相の固定子巻線をそれぞれ独立して構成し、各相の固定子巻線にそれぞれｎ台（ｎは２以上の整数）の単相インバータユニットを接続してｎ組の多相インバータ装置を構成し、前記多相交流電動機の負荷に応じてこのｎ組の多相インバータ装置の内で運転する多相インバータ装置の組数を選択して出力を制御することを特徴とするものである。 In order to solve such a problem, the present invention is configured such that the stator windings of each phase of the AC motor constituted by three or more phases are configured independently, and the stator windings of each phase are respectively provided. By connecting n units (n is an integer of 2 or more) single-phase inverter units, n sets of multi-phase inverter devices are configured, and among the n sets of multi-phase inverter devices according to the load of the multi-phase AC motor. The output is controlled by selecting the number of sets of multi-phase inverter devices that are operated in the above.
この発明おいては、ｎ組の多相インバータ装置をＰＷＭインバータとし、各多相インバータ装置をＰＷＭ制御の搬送波に同期して動作位相をずらして運転するのがよい。 In the present invention, the n sets of multi-phase inverter devices are preferably PWM inverters, and each multi-phase inverter device is preferably operated by shifting the operation phase in synchronization with the PWM control carrier wave.
また、この発明においては、前記ｎ台の単相インバータユニットの一部のユニットが故障したとき、この故障したユニットを含む多相インバータ装置を停止または前記交流電動機の固定子巻線から切り離して残りの多相インバータ装置により前記交流電動機を駆動するようにすることもできる。 According to the present invention, when a part of the n single-phase inverter units fails, the multi-phase inverter device including the failed unit is stopped or separated from the stator winding of the AC motor. The AC motor can be driven by the multiphase inverter device.
この発明の交流電動機駆動装置の交流電動機により船舶の推進機を駆動するようにすることができ、また、この場合、この交流電動機駆動装置を複数系統設け、各交流電動機駆動装置の交流電動機を共通の推進機に結合することもできる。 The propulsion device of the ship can be driven by the AC motor of the AC motor driving device of the present invention. In this case, a plurality of AC motor driving devices are provided, and the AC motors of the AC motor driving devices are shared. It can also be combined with other propulsion devices.
この発明によれば、交流電動機に並列に接続された複数組のインバータ装置を交流電動機に接続された負荷に応じて、運転するインバータ装置の組数を選択して出力を制御するようにしているので、低負荷となる領域においては、いくつかの組のインバータ装置が停止または、交流電動機から切り離なされようになるため、インバータ装置の損失が低減され、交流電動機駆動装置の運転効率を高くすることができる。 According to this invention, a plurality of sets of inverter devices connected in parallel to the AC motor are selected according to the load connected to the AC motor, and the number of inverter devices to be operated is selected to control the output. Therefore, in a region where the load is low, several sets of inverter devices are stopped or disconnected from the AC motor, so that the loss of the inverter devices is reduced and the operating efficiency of the AC motor drive device is increased. be able to.
以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、この発明の交流電動機駆動装置の実施例を示すブロック回路構成図である。 FIG. 1 is a block circuit configuration diagram showing an embodiment of an AC motor driving device of the present invention.
この図において、Ｍは交流電動機であり、３相の独立した固定子相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを有する。固定子巻線の相数は３相以上の任意の多相でよいが、ここでは３相の例を示す。 In this figure, M is an AC motor and has three-phase independent stator phase windings U, V, and W. The number of phases of the stator winding may be any number of three or more phases, but here an example of three phases is shown.
各相の固定子相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにはそれぞれ２台（２台以上の複数台でもよい）ずつ単相インバータユニットＵ１，Ｕ２、Ｖ１，Ｖ２およびＷ１，Ｗ２が並列に接続される。これらの６台のインバータユニットはＵ１〜Ｗ１とＵ２〜Ｗ２の２組に分けられ、各組の３台のインバータユニットは、１２０°ずつ位相をずらしてＰＷＭ制御により運転され、３相ＰＷＭインバータ装置を構成する。したがって、ここでは、２組のＰＷＭ制御の３相インバータ装置から交流電動機Ｍに並列に３相電力を供給させてこれを駆動する構成となる。 Single-phase inverter units U1, U2, V1, V2 and W1, W2 are connected in parallel to each of the stator phase windings U, V, W of each phase (may be two or more). . These six inverter units are divided into two sets of U1 to W1 and U2 to W2, and the three inverter units of each set are operated by PWM control with a phase shift of 120 ° by three phases. Configure. Accordingly, here, the configuration is such that three-phase power is supplied in parallel to the AC motor M from two sets of PWM-controlled three-phase inverter devices.
各組の各相のインバータユニットは図２に示すようなパターンでＰＷＭ制御される。Ｕ相の２台のインバータユニットＵ１、Ｕ２は、互いにＰＷＭ制御の搬送波に同期して１８０度位相をずらして並列運転される。図２において黒塗りパルス波形は、第１組のインバータユニットＵ１の電圧パルス波形であり、白抜きパルス波形は、第２組のインバータユニットＵ２の電圧パルス波形である。インバータユニットＵ１のパルス幅変調された電圧パルスとインバータユニットＵ２のパルス幅変調された電圧パルスが、図２に示すように時系列的に交互に発生し、点線で示すような正弦波の交流電圧ｕを交流電動機ＭのＵ相の固定子相巻線Ｕに加える。 The inverter units of each phase of each set are PWM controlled in a pattern as shown in FIG. The two U-phase inverter units U1 and U2 are operated in parallel with a phase shift of 180 degrees in synchronization with the PWM control carrier wave. In FIG. 2, the black pulse waveform is a voltage pulse waveform of the first set of inverter units U1, and the white pulse waveform is a voltage pulse waveform of the second set of inverter units U2. The voltage pulse modulated by the pulse width of the inverter unit U1 and the voltage pulse modulated by the pulse width of the inverter unit U2 are alternately generated in time series as shown in FIG. u is added to the U-phase stator phase winding U of the AC motor M.
Ｖ相およびＷ相のインバータユニットＶ１，Ｖ２およびＷ１，Ｗ２もＵ相に対して１２０°ずつ位相差をもって同様に運転され、交流電動機ＭのＶ相およびＷ相の固定子相巻線ＶおよびＷに図２に示す正弦波交流電圧ｖおよびｗを加える。 The V-phase and W-phase inverter units V1, V2 and W1, W2 are similarly operated with a phase difference of 120 ° with respect to the U-phase, and the V-phase and W-phase stator phase windings V and W of the AC motor M are also operated. Are applied with sinusoidal AC voltages v and w shown in FIG.
このように、各相の２組のインバータユニットは交互に動作するが交流電動機Ｍには並列に電力を供給することになるので、各組のインバータ装置は交流電動機Ｍの定格容量Ｑの１／２のＱ／２の容量でよいことになる。 Thus, although two sets of inverter units for each phase operate alternately, power is supplied to AC motor M in parallel, so each set of inverter devices has a 1 / Q of rated capacity Q of AC motor M. A capacity of Q / 2 of 2 is sufficient.
このように構成された交流電動機駆動装置の運転制御は次のように行う。
まず、定格容量Ｑの交流電動機Ｍを１００％の出力Ｑで運転する場合は、それぞれＱ／２ずつの出力容量を有する２組のインバータＩＮＶ１およびＩＮＶ２をそれぞれ１００％の出力で運転する。
１００〜５０％の間の出力、すなわちＱ〜Ｑ／２で運転する場合は、２組のインバータ装置ＩＮＶ１およびＩＮＶ２の何れか一方のインバータ装置の出力を１００％出力に固定し、他方のインバータ装置の出力を１００〜０％の出力に制御する。または、２組のインバータ装置ＩＮＶ１およびＩＮＶ２の出力を同時に１００〜５０％に制御することにより各組のインバータが半分ずつ、すなわちＱ／２〜Ｑ／４ずつ負担して、交流電動機に低格の１００〜５０％の電力を供給する。
出力を５０％（Ｑ／２）以下にする場合は、いずれか一方の組のたとえばインバータユニットＵ１，Ｖ１，Ｗ１で構成されるインバータ装置ＩＮＶ１だけを運転し、他方の組のインバータ装置ＩＮＶ２の運転を停止する。
これにより、交流電動機Ｍの出力が５０％以下の低出力となる運転領域では、２組のうちの一方の組のインバータ装置だけが運転されるので、運転を停止する組のインバータの損失がなくなることにより、インバータ装置の運転損失が低減され、運転効率を高めることができる。
また、一方の組のインバータ装置が故障した場合、他方の組のインバータが健全であれば、出力は定格の５０％以下に低下するが、健全なインバータ装置で運転を継続することが可能となるので、駆動装置の信頼性を高めることができる。
さらに、交流電動機の固定子巻線の相数ｎを７相、１１相、２３相などのより大きな相数とした場合は、故障したインバータユニットのみを停止させて、故障した方の組のその相だけを欠相して２組のインバータで運転するようにしても運転に大きな支障が生じないので、わずかな出力低下で運転を継続することができる。
並列運転するインバータ装置の組数を増やしても同様に部分的なインバータユニットの故障によっては交流電動機の運転を停止することなく継続することができ、より信頼性を高めることができる。
２組のインバータ装置をＰＷＭ制御の搬送波に同期して時系列的に交互に動作させるので、交流電動機の固定子巻線に印加する電圧・電流のスイッチング周波数が２倍になるから交流電動機の固定子巻線から発する聴覚的電磁騒音が低減され低騒音での運転が可能となる。
また、各インバータ装置の搬送波を高周波化する必要がないのでインバータ装置に用いる半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減することができるから、効率が向上することができる。
Operation control of the AC motor drive device configured as described above is performed as follows.
First, when the AC motor M having the rated capacity Q is operated at an output Q of 100%, the two inverters INV1 and INV2 each having an output capacity of Q / 2 are operated at an output of 100%.
When operating at 100 to 50% output, that is, Q to Q / 2, the output of either one of the two inverter devices INV1 and INV2 is fixed to 100% output, and the other inverter device Is controlled to 100 to 0%. Alternatively, by simultaneously controlling the outputs of the two sets of inverter devices INV1 and INV2 to 100 to 50%, each set of inverters bears half, that is, Q / 2 to Q / 4. Supply 100-50% power.
When the output is set to 50% (Q / 2) or less, only one inverter device INV1 including, for example, inverter units U1, V1, and W1 is operated, and the other inverter device INV2 is operated. To stop.
Thereby, in the operation region where the output of the AC motor M is a low output of 50% or less, only one of the two sets of inverter devices is operated, so that there is no loss of the inverter of the set that stops the operation. As a result, the operating loss of the inverter device is reduced, and the operating efficiency can be increased.
In addition, when one set of inverter devices fails, if the other set of inverters is healthy, the output drops to 50% or less of the rating, but it is possible to continue operation with a healthy inverter device. Therefore, the reliability of the drive device can be increased.
Furthermore, when the number of phases n of the stator winding of the AC motor is set to a larger number of phases such as 7, 11, 23, etc., only the failed inverter unit is stopped and Even if only the phases are phased out and the operation is performed with the two sets of inverters, the operation is not hindered. Therefore, the operation can be continued with a slight decrease in output.
Even if the number of inverter devices to be operated in parallel is increased, the operation of the AC motor can be continued without stopping depending on a partial failure of the inverter unit, and the reliability can be further improved.
Since two sets of inverters are operated alternately in time series in synchronization with the PWM control carrier wave, the voltage / current switching frequency applied to the stator winding of the AC motor is doubled, so that the AC motor is fixed. Auditory electromagnetic noise emitted from the child winding is reduced, and operation with low noise becomes possible.
Moreover, since it is not necessary to increase the frequency of the carrier wave of each inverter device, the switching loss of the semiconductor switching element used in the inverter device can be reduced, so that the efficiency can be improved.
次に図３に示すこの発明の交流電動機駆動装置を船舶の電気推進装置に適用した場合の応用例について説明する。 Next, an application example in which the AC motor drive device of the present invention shown in FIG. 3 is applied to an electric propulsion device for a ship will be described.
図３に示す船舶の推進機Ｓの駆動軸には２台の交流電動機Ｍ１およびＭ２が結合されている。交流電動機Ｍ１、Ｍ２は、図１に示した交流電動機Ｍと同様に３相の固定子巻線を備え、各相巻線には、２組ずつ単相インバータユニットＵ１１〜Ｗ１２およびＵ２１〜Ｗ２２を接続して２系統の交流電動機駆動装置を構成する。インバータ装置の接続される電源線Ｌには、電源としてディーゼルエンジンＤＥで駆動される交流発電機Ｇとその交流出力を直流出力に変換する整流装置Ｒとからなる発電装置ＰＧとこの発電装置ＰＧによって充電される蓄電池ＢとがそれぞれスイッチＳＷＧおよびＳＷＢを介して接続される。各インバータユニットは、電源線Ｌおよび電動機の固定子相巻線に断路器ＤＳを介して接続されている。 Two AC motors M1 and M2 are coupled to the drive shaft of the marine propulsion device S shown in FIG. The AC motors M1 and M2 are provided with three-phase stator windings as in the AC motor M shown in FIG. 1, and two pairs of single-phase inverter units U11 to W12 and U21 to W22 are provided for each phase winding. Connected to form a two-system AC motor drive device. The power supply line L to which the inverter device is connected includes a power generator PG including an AC generator G driven by a diesel engine DE as a power source and a rectifier R that converts the AC output into a DC output, and the power generator PG. A storage battery B to be charged is connected via switches SWG and SWB, respectively. Each inverter unit is connected to the power line L and the stator phase winding of the electric motor via a disconnector DS.
ここで、２台の交流電動機Ｍ１、Ｍ２の出力容量ＱMは、２台の交流電動機で推進機Ｓの定格出力Ｑｓを負担できるようにそれぞれ半分のＱｓ／２に選ばれている。また、各交流電動機に２組ずつ接続されたインバータＩＮＶ１１、ＩＮＶ１２およびＩＮＶ２１、ＩＮＶ２２の出力容量ＱIは、それぞれ交流電動機Ｍ１、Ｍ２の定格出力（Qｓ／２）の１／２、すなわちQｓ／４に選定されている。 Here, the output capacities Q M of the two AC motors M1 and M2 are each selected to be half Qs / 2 so that the two AC motors can bear the rated output Qs of the propulsion unit S. Further, the output capacities Q I of the inverters INV11, INV12 and INV21, INV22 connected to each AC motor in pairs are 1/2 of the rated outputs (Qs / 2) of the AC motors M1, M2, respectively, that is, Qs / 4. Has been selected.
このような電気推進装置の動作を図４に示す運転パターンに基づいて説明する。 The operation of such an electric propulsion device will be described based on the operation pattern shown in FIG.
まず、推進機Ｓが定格出力Ｑｓの１００％の出力で駆動され、定格回転速度Ｎｓの１００％の回転速度で回転する、図５に示す推進機Ｓの回転速度−電動機出力特性線上の動作点Ｐ100で運転する場合は、図４の出力１００％の欄に示すようにインバータＩＮＶ１１〜ＩＮＶ２２の全部のインバータ装置をそれぞれの定格出力の１００％の出力で運転する。 First, the propulsion unit S is driven at an output of 100% of the rated output Qs and rotates at a rotational speed of 100% of the rated rotational speed Ns. The operating point on the rotational speed-motor output characteristic line of the propulsion unit S shown in FIG. when operating at P 100 is operated all the inverter apparatus of the inverter INV11~INV22 as shown in the output of 100% in the column of FIG. 4 at 100% output of the respective rated output.
交流電動機Ｍ１、Ｍ２の出力を定格出力Ｑｓの７５％に低下すると、推進機Ｓは回転速度の３乗に比例した負荷特性を示すので、推進機Ｓの回転速度が定格速度Ｎｓの９１％の回転速度となる動作点Ｐ75に移る。このときは、図４の出力７５％の欄に示すように、電動機Ｍ２に接続されたインバータ装置ＩＮＶ２２を構成するインバータユニットＵ２２〜Ｗ２２を停止し、残りのインバータ装置ＩＮＶ１１、ＩＮＶ１２およびＩＮＶ２１をそれぞれの定格の１００％出力で運転する。このため、電動機Ｍ１がＱs／２を出力し、電動機Ｍ２がＱs／４を出力し、推進機Ｓが３Ｑs／４の出力で駆動される。これは推進機Ｓの定格出力Ｑsの７５％となる。 When the output of the AC motors M1 and M2 is reduced to 75% of the rated output Qs, the propulsion unit S exhibits load characteristics proportional to the cube of the rotation speed, so the rotation speed of the propulsion unit S is 91% of the rated speed Ns. Move to the operating point P 75 at which the rotational speed is reached. At this time, as shown in the column of 75% output in FIG. 4, the inverter units U22 to W22 constituting the inverter device INV22 connected to the electric motor M2 are stopped, and the remaining inverter devices INV11, INV12, and INV21 are connected to the respective inverter devices INV11, INV12, and INV21. Operate at 100% rated output. Therefore, the electric motor M1 outputs Q s / 2, the electric motor M2 outputs Q s / 4, and the propulsion device S is driven with an output of 3Q s / 4. This is 75% of the rated output Q s of the propulsion device S.
定格出力Ｑsの５０％出力で電動機Ｍ１、Ｍ２を運転するときは、図４の出力５０％の欄に示されるように、電動機Ｍ２に接続された２組のインバータＩＮＶ２１とＩＮＶ２２をともに停止し、電動機Ｍ１に接続されたインバータ装置ＩＮＶ１１およびＩＮＶ１２をそれぞれの定格の１００％出力で運転する。これにより、電動機Ｍ１が定格出力Ｑsの５０％を出力し、電動機Ｍ２の出力がゼロとなり、推進機Ｓは、定格出力Ｑsの５０％の出力で駆動されるため、動作点が図５の点Ｐ50に移り、回転速度が定格回転速度Ｎｓの７９％に低下する。 When the motors M1 and M2 are operated at 50% output of the rated output Q s , the two sets of inverters INV21 and INV22 connected to the motor M2 are stopped as shown in the column of output 50% in FIG. The inverter devices INV11 and INV12 connected to the electric motor M1 are operated at 100% output of their respective ratings. As a result, the electric motor M1 outputs 50% of the rated output Q s , the output of the electric motor M2 becomes zero, and the propulsion unit S is driven at an output of 50% of the rated output Q s . moved to a point P 50, the rotational speed is reduced to 79% of rated speed Ns.
次に、図４の出力２５％の欄に示すように、電動機Ｍ１に接続されたインバータＩＮＶ１１だけをその定格の１００％出力で運転し、残りのインバータＩＮＶ１２、ＩＮＶ２１およびＩＮＶ２２の運転を停止すると、電動機Ｍ１が定格出力Ｑsの２５％の出力で推進機Ｓを駆動するので、推進機Ｓの動作点が図５の点Ｐ25へ移り、回転速度が定格速度Ｎｓの６３％の速度となる。 Next, as shown in the column of 25% output in FIG. 4, only the inverter INV11 connected to the motor M1 is operated at the rated 100% output, and the remaining inverters INV12, INV21 and INV22 are stopped. Since the electric motor M1 drives the propulsion unit S with an output of 25% of the rated output Q s , the operating point of the propulsion unit S moves to the point P 25 in FIG. 5 and the rotation speed becomes 63% of the rated speed Ns. .
このように、推進機Ｓの回転速度、したがって推進機負荷によって、電動機Ｍ１およびＭ２に接続された４組のインバータを、その運転する組数を選択して制御することにより、推進機の速度を定格の０〜６３％速度（定格の０〜２５％出力）、定格の６３〜７９％速度（定格の２５〜５０％出力）、定格の７９〜９１％速度（定格の５０〜７５％出力）および定格の９１〜１００％速度（定格の９１〜１００％出力）に制御することができ、推進機の回転送度および推進機負荷に応じた最適な運転を行うことができる。 In this way, the speed of the propulsion unit is controlled by selecting the number of sets to operate the four inverters connected to the electric motors M1 and M2 according to the rotational speed of the propulsion unit S, and hence the propulsion unit load. Rated 0-63% speed (rated 0-25% output), rated 63-79% speed (rated 25-50% output), rated 79-91% speed (rated 50-75% output) In addition, the speed can be controlled to 91 to 100% of the rated speed (91 to 100% of the rated output), and the optimum operation can be performed in accordance with the transfer rate of the propulsion unit and the propulsion unit load.
推進機Ｓの速度を定格の６３％の速度に落として、出力が定格の２５％で運転するときは、４組のインバータ装置のうちの１／４（２５％）となる１組のインバータ装置だけを運転することになるので、このときのインバータ装置の損失は、１００％負荷相当時の１／４以下に低減されることになる。 When the speed of the propulsion unit S is reduced to 63% of the rated speed and the output is operated at 25% of the rated speed, one set of inverter apparatuses that is 1/4 (25%) of the four sets of inverter apparatuses. Therefore, the loss of the inverter device at this time is reduced to 1/4 or less of that corresponding to 100% load.
図３に示すような、蓄電池Ｂと発電装置ＰＧとを接続したハイブリッド電源において、蓄電池のみで運転するモードでは、電池放電容量と電気推進装置の効率によって運転可能時間が支配されるから、電気推進装置における電動機駆動装置の損失を低減して効率を高めることは、極めて重要な要素となる。 In the hybrid power source in which the storage battery B and the power generation device PG are connected as shown in FIG. 3, in the mode of operation using only the storage battery, the operation time is governed by the battery discharge capacity and the efficiency of the electric propulsion device. It is a very important factor to increase the efficiency by reducing the loss of the motor drive device in the apparatus.
一般に電動機駆動装置を構成するインバータ装置の損失は、固定損（スイッチング素子のオン電圧×通電電流）とスイッチング素子のスイッチング損失（回路電圧×通電電流×スイッチング時間）が支配的となる。
しかし、定格の１００％出力を５０％容量のインバータ装置２組で供給するように構成し、５０％出力以下のときに、インバータ装置の２組運転を１組運転に切替えれば、インバータの発生損失が1／２になる。すなわち、電気推進装置において、この発明のように低回転速度の低負荷領域でインバータ装置の運転台数を減らすことによりインバータ装置の発生損失を低減させることができる。
また、電動機の損失は、銅損、鉄損、キャリア損、機械損などからなるが、図３に示す電気推進装置のように、１つの推進機を５０％容量の２台の電動機Ｍ１およびＭ２で駆動するように構成し、５０％負荷では、電動機Ｍ２を停止し、電動機Ｍ１単機で運転するようにすると、停止した電動機は損失を発生しないので、全体の電動機損失は１００％負荷時の約１／２以下に低減する。さらに、２５％負荷時の固定子巻線電流は、５０％負荷時より、1／２に低下するから、電流の２乗に比例する銅損はおよそ（１／２）2＝１／４に減少するので、さらに電動機損失が低減し効率の向上が図れる。
このことから、負荷に応じて電動機の運転台数とインバータ装置の運転組数を選択して運転すれば、低負荷領域での発生損失を大幅に低減させて効率向上が図れる。
前記においては、電動機が２台、各電動機の固定子巻線に接続するインバータ装置が２組の例で説明したが、この発明においてインバータ装置を３組とした場合は、１／３、２／３、３／３のように、回転速度＝負荷に応じてインバータ装置の運転組数を選択して制御すれば、さらにきめ細かに出力に対応して運転ができるから、効率向上と故障時の応急運転範囲の拡大が可能になる。
なお、図６に示す従来方式によれば、図４に示す回転速度＝負荷の０〜１００%の全範囲を１組のインバータ装置の電圧および周波数の制御によって運転する方法であるから、電動機、およびインバータ装置の損失は負荷に応じて発生することになる。
この発明のように、推進機の回転速度＝負荷＝電動機出力に応じてインバータ装置の運転組数を選択して制御すれば、インバータ装置、電動機巻線が発生する損失を低減させることができて、電気推進装置の効率を向上させることができる。
また、この発明においては、次のような運転方法をとることができる。
まず、第１に前記のインバータ装置の運転組数制御を応用して、図３に示す電気推進装置において、例えば、電動機Ｍ２のインバータ装置ＩＮＶ２２のインバータユニットＵ２２が故障した場合は、インバータユニットＵ２２、Ｖ２２，Ｗ２２を停止させるか、又は、電動機Ｍ２から切離しを行い、残りの３組のインバータ装置ＩＮＶ１１．ＩＮＶ１２ＩＮＶ２１で運転を行う。運転するインバータ装置の組数が３組に減ったので出力は定格の７５％出力に減少するが、推進機Ｓを定格の９１％の回転速度で運転を継続することができる。
同様に、電動機Ｍ２の系統で故障が発生し場合には、電動機Ｍ１のみでの運転とする。これにより定格の５０％出力が可能であるので、推進機Ｓを定格の７９％の回転速度で駆動できる。
さらに、電動機Ｍ１のインバータ装置ＩＮＶ１２のインバータユニットＵ１２、電動機Ｍ２のインバータＩＮＶ２２のインバータユニットＵ２２の両者が故障した場合には、インバータ装置ＩＮＶ１２とＩＮＶ２２とを電動機Ｍ１、Ｍ２から切り離し、インバータ装置ＩＮＶ１１およびＩＮＶ２１だけで運転を継続する。このようにすると電動機Ｍ１、Ｍ２がそれぞれ定格の２５％の出力で駆動されるので、合計５０％の出力で推進機Ｓを駆動することが可能となるから、船舶の安全航行が確保できる。
この発明によれば、交流電動機の各相巻線にそれぞれ複数（ｎ）台の単相インバータユニットを接続して構成するため、各単相インバータユニットの容量は電動機の各相巻線容量の１／ｎでよいからインバータユニットの小型・軽量化ができるので、故障した際などにインバータユニットの交換作業が容易になる。
In general, the loss of the inverter device that constitutes the electric motor drive device is dominated by a fixed loss (on-voltage of the switching element × conduction current) and a switching loss of the switching element (circuit voltage × conduction current × switching time).
However, if it is configured to supply 100% rated output with two sets of 50% capacity inverter devices, and the two sets of inverter devices are switched to one set operation when the output is 50% or less, an inverter is generated. Loss is halved. That is, in the electric propulsion apparatus, the generation loss of the inverter apparatus can be reduced by reducing the number of operating inverter apparatuses in a low load region at a low rotational speed as in the present invention.
Further, the loss of the electric motor includes copper loss, iron loss, carrier loss, mechanical loss, and the like. As in the electric propulsion apparatus shown in FIG. 3, one electric motor is divided into two electric motors M1 and M2 having a 50% capacity. If the motor M2 is stopped at 50% load and is operated with the motor M1 alone, the stopped motor does not generate a loss, so the total motor loss is about 100% load. Reduce to 1/2 or less. Furthermore, since the stator winding current at 25% load is reduced to 1/2 that at 50% load, the copper loss proportional to the square of the current is approximately (1/2) 2 = 1/4. Since it decreases, the motor loss is further reduced and the efficiency can be improved.
Therefore, if the number of motors operated and the number of operating sets of inverter devices are selected according to the load, the loss can be greatly reduced in the low load region and the efficiency can be improved.
In the above description, two motors and two inverter devices connected to the stator winding of each motor have been described. However, in the present invention, when three inverter devices are used, 1/3, 2 / If you select and control the number of operating sets of inverter devices according to the rotational speed = load, as in 3, 3/3, you can operate more precisely according to the output, improving efficiency and emergency in case of failure The operating range can be expanded.
Note that, according to the conventional method shown in FIG. 6, the rotational speed shown in FIG. 4 is a method of operating the entire range of 0 to 100% of the load by controlling the voltage and frequency of a set of inverter devices. And the loss of an inverter apparatus will generate | occur | produce according to load.
As in the present invention, if the number of operating sets of the inverter device is selected and controlled according to the rotation speed of the propulsion device = load = motor output, the loss generated by the inverter device and the motor winding can be reduced. The efficiency of the electric propulsion device can be improved.
Moreover, in this invention, the following driving | running methods can be taken.
First, by applying the above-described operation set control of the inverter device, in the electric propulsion device shown in FIG. 3, for example, when the inverter unit U22 of the inverter device INV22 of the electric motor M2 fails, the inverter unit U22, V22, W22 are stopped or disconnected from the motor M2, and the remaining three sets of inverter devices INV11. Operate with INV12INV21. Since the number of inverter devices to be operated is reduced to three, the output is reduced to 75% of the rated output, but the propulsion unit S can be continuously operated at a rotational speed of 91% of the rated.
Similarly, when a failure occurs in the system of the electric motor M2, only the electric motor M1 is operated. As a result, 50% of the rated output is possible, so that the propulsion unit S can be driven at a rotational speed of 79% of the rated value.
Further, when both the inverter unit U12 of the inverter device INV12 of the electric motor M1 and the inverter unit U22 of the inverter INV22 of the electric motor M2 fail, the inverter devices INV12 and INV22 are disconnected from the electric motors M1 and M2, and the inverter devices INV11 and INV21 are separated. Just continue driving. In this way, since the electric motors M1 and M2 are each driven with an output of 25% of the rating, the propulsion unit S can be driven with a total output of 50%, so that safe navigation of the ship can be ensured.
According to the present invention, since a plurality of (n) single-phase inverter units are connected to each phase winding of the AC motor, the capacity of each single-phase inverter unit is 1 of the winding capacity of each phase of the motor. Since / n can be used, the inverter unit can be reduced in size and weight, so that the inverter unit can be easily replaced when it breaks down.
この発明による交流電動機駆動装置は、船舶の電気推進装置のほかにも車両の電気推進装置等にも利用できる。 The AC motor driving device according to the present invention can be used for an electric propulsion device for a vehicle in addition to an electric propulsion device for a ship.
Ｍ：交流電動機
Ｕ，Ｖ，Ｗ：固定子相巻線
Ｕ１，Ｕ２〜Ｗ１，Ｗ２：単相インバータユニット
ＩＮＶ１，ＩＮＶ２：３相インバータ装置
M: AC motor U, V, W: Stator phase winding U1, U2-W1, W2: Single-phase inverter unit INV1, INV2: Three-phase inverter device
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