JP2012081813A - Marine electric propulsion system, motor drive system, power converter, and power conversion method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、船舶用電気推進システム,モータドライブシステム,電力変換装置及び電力変換方法に関する。 The present invention relates to a marine electric propulsion system, a motor drive system, a power conversion device, and a power conversion method.
一般に、船舶を電気動力にて推進するシステムでは、1台、もしくは2台以上の発電機を船舶内に備え、その発電機で発生した電力を船内負荷と共に電力変換装置に連携し、その電力変換装置から推進用電動機に供給する電力を制御することで、船舶を推進させる。 In general, in a system for propelling a ship with electric power, one or more generators are provided in the ship, and the power generated by the generator is linked to the power converter together with the ship load to convert the power. The ship is propelled by controlling the power supplied from the device to the propulsion motor.
船舶内には推進用電動機の他にも多様な電力負荷があるが、電力貯蔵装置を備えて、気象海象予測電子データ受信器で受信した気象海象データと船舶の運航データに基づいて、電力貯蔵装置の出力調整すると共に発電機駆動用原動機出力を調整することで、船舶航行と共に船内負荷の変動に対応していた。このような技術は、例えば、特開2008−24187号公報に記載されている。 In addition to propulsion motors, there are various power loads in the ship, but it is equipped with a power storage device that stores power based on meteorological sea state data and ship operation data received by the weather sea state prediction electronic data receiver. By adjusting the output of the device and the output of the motor for driving the generator, it was possible to cope with fluctuations in the ship load as well as ship navigation. Such a technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-24187.
しかしながら、船内の負荷は近年多様化しており、発電機の発電容量に匹敵する電力を要するものもあり、負荷変動が大きい大電力負荷も存在するために、従来のように、気象海象予測電子データ受信器で受信した気象海象データと船舶の運航データに基づいて負荷制御するのでは、特に、大電力負荷が短時間で電力消費すると、負荷の急激な増大による船内電力系統の擾乱が発生してしまう。そのため、負荷の急変に対応することは困難であるとの問題が発生していた。また、この負荷の急変を電力貯蔵装置で対応しようとすると、電力貯蔵装置の大型化,重量の増大が避けられず、船舶というスペースに制約がある状況では搭載性が悪化してしまうとの問題も生じている。 However, ship loads have been diversified in recent years, and some of them require power comparable to the power generation capacity of generators, and there are large power loads with large load fluctuations. When load control is performed based on meteorological and oceanographic data received by the receiver and ship operation data, especially when a large power load consumes power in a short time, disturbance of the inboard power system due to a rapid increase in load may occur. End up. Therefore, there has been a problem that it is difficult to cope with a sudden change in load. In addition, if the power storage device tries to cope with this sudden change in load, the power storage device is inevitably increased in size and weight, and the mountability deteriorates in a situation where the space of the ship is limited. Has also occurred.
本発明の目的は、制約された船舶スペースにもかかわらず、船内電力系統の負荷に変動があっても船内の系統安定性の維持が可能な船舶用電気推進システム,モータドライブシステム,電力変換装置及び電力変換方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electric propulsion system for a ship, a motor drive system, and a power conversion device capable of maintaining the system stability in the ship even if the load on the ship power system is fluctuated despite the restricted ship space. And providing a power conversion method.
上記目的を達成するために、本発明では、電力負荷の有効電力に基づいて、発電機の電力を電力変換する電力変換装置を制御して、該電力変換装置からの電力で船舶を推進させるように構成した。 In order to achieve the above object, the present invention controls a power conversion device that converts power of a generator based on the active power of a power load, and propels a ship with the power from the power conversion device. Configured.
本発明によれば、船舶内の限られたスペースを有効的に使用でき、なお且つ、船内電力系統の負荷に変動があっても、船内の系統安定性が維持できる。 According to the present invention, it is possible to effectively use a limited space in a ship, and maintain the in-board system stability even when the load of the in-board power system varies.
以下に、本発明の一実施例を図面とともに説明する。なお、以下の実施例は発明の一形態を示すものであり、本発明は要旨を逸脱しない限り、他の形態を含むものである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following examples show one form of the invention, and the present invention includes other forms unless departing from the gist.
図1に本発明の一実施例である電力変換装置が連系している船内の電力系統を示す。船内の電力系統は、電力系統全体の制御を実施する中央制御装置1,発電機を駆動させるガスタービン2(2a,2b)(ガスタービン2以外でも電力を発生させるものであればディーゼルエンジン等でも代替えできる。),発電機3(3a,3b),配電盤4,電力変換装置5,推進用電動機6,推進用プロペラ7,照明等の船内負荷8,大電力負荷9,大電力負荷に供給される有効電力を検出する有効電力検出器10から構成されている。
FIG. 1 shows a power system in a ship to which a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention is connected. The power system in the ship is a
電力変換装置5の概略構成図を図2に示す。電力変換装置5は、コンバータ11,インバータ12,直流リンクコンデンサ13,直流リンクコンデンサに掛る電圧(以降、直流リンクコンデンサ電圧と称する。)を検出する直流リンク電圧検出センサ14から構成されている。
A schematic configuration diagram of the
コンバータ11,インバータ12の回路構成には様々な方式が適用可能である。本実施例では、2レベル回路方式を適用した場合について説明する。
Various systems can be applied to the circuit configurations of the
図3にコンバータ11の構成図を示す。コンバータ11は制御装置15、UVW相の正側,負側に設置したIGBT素子16(16Ua,16Va,16Wa,16Ub,16Vb,16Wb)、交流側に流れる各相の電流を検出する電流センサ17、交流側の相電圧を検出する電圧センサ98で構成されている。また、図4にインバータ12の構成を示す。インバータ12は制御装置18,UVW相の正側負側に設置したIGBT素子19(19Ua,19Va,19Wa,19Ub,19Vb,19Wb)、交流側に流れる各相の電流を検出する電流センサ20,交流側の相電圧を検出する電圧センサ100で構成されている。本実施例ではインバータ12と同じ構成としているが、他の回路方式としても良い。
FIG. 3 shows a configuration diagram of the
本発明で電力変換装置が実施する制御は、直流リンクにある直流リンクコンデンサ13にかかる電圧をある所定値に保持する直流リンクコンデンサ電圧一定制御と、推進用電動機6に供給する有効電力を調整する推進用電動機出力制御であり、これらの制御について説明する。
The control performed by the power conversion apparatus according to the present invention adjusts the DC link capacitor voltage constant control for maintaining the voltage applied to the
まず、中央制御装置1の制御ブロック図を図5に示す。中央制御装置1はコンバータ11のUVW相の電圧指令値を演算する直流リンクコンデンサ電圧一定制御演算器21と、インバータ12のUVW相の電圧指令を演算する推進用電動機出力制御演算器22で構成されている。以下、両演算器について説明する。
First, a control block diagram of the
直流リンクコンデンサ電圧一定制御演算器21の制御ブロック図を図6に示す。直流リンクコンデンサ電圧一定制御演算器21は電流センサ17で検出された各相の電流Iu1,Iv1,Iw1、電圧センサ109で検出された各相の電圧Vu1,Vv1,Vw1、直流リンク電圧検出センサ14で検出された直流リンクコンデンサ電圧Vdc、系統周波数fを入力とする。ただし、系統周波数fはセンサ等で検出するものではなく、予め直流リンクコンデンサ電圧一定制御演算器21内に保持している値である。uvw−dq変換器23では、上記Iu1,Iv1,Iw1,Vu1,Vv1,Vw1を座標軸変換してdq軸電流Id1,Iq1,Vd1,Vq1に変換する。なお、d軸電流、電圧は無効成分、q軸電流、電圧は有効成分とする。q軸電圧指令演算器24では、系統周波数f,直流リンクコンデンサ電圧Vdc、予め設定した直流リンクコンデンサ電圧指令値Vdc*、dq軸電流Id1,Iq1、q軸電圧Vq1を入力としてq軸電流指令値Iq1*、q軸電圧指令値Vq1*を演算する。また、d軸電圧指令演算器25では、uvw−dq変換器23の出力Id1,Iq1,Vd1、系統周波数f、q軸電圧指令演算器24で演算したq軸電流指令値Iq1*を入力として、d軸電圧指令値Vd1*を演算する。こうして求めたVq1*,Vd1*をdq−uvw変換器26で座標軸変換した値に、予め設定した直流リンクコンデンサ電圧指令値Vdc*を足したものがコンバータ11のUVW相電圧指令値Vu1*,Vv1*,Vw1*となる。
A control block diagram of the DC link capacitor voltage
続いて、推進用電動機出力制御演算器22の制御ブロック図を図7に示す。本実施例では、推進用電動機が永久磁石モータの場合について説明する。推進用電動機出力制御演算器22は、有効電力検出器10で検出される大電力負荷へ供給される有効電力P、推進用電動機の回転角速度ω、インバータ12の交流側出力に設置した電流センサ20により検出したUVW相電流Iu2,Iv2,Iw2を入力としている。ただし、回転角速度ωは予め推進用電動機出力制御演算器22内に保持している値である。uvw−dq変換器27では、上記Iu2,Iv2,Iw2を座標軸変換してdq軸電流Id2,Iq2に変換する。ΔP処理器28では、有効電力検出器10で検出された大電力負荷へ供給される有効電力Pを入力として、推進用電動機6へ供給する有効電力の変化量ΔPを演算する。ここでは、大電力負荷9へ供給される有効電力量の変化が急峻な場合にも船内電力系統の安定性を確保する必要があるために、推進用電動機6へ供給する有効電力量PMを迅速に演算することが求められる。そこで、迅速な演算を実現するための方法の一つとして、一制御周期前の大電力負荷へ供給される有効電力P_z1と現在値Pの差分により、推進用電動機6へ供給する有効電力PMの変化量ΔPを演算する。ただし、ΔPが小さい場合にも推進用電動機へ供給する有効電力PMを変化させてしまうと、システム全体の安定性を損ねることになる。このため、ΔP処理器28に入力される有効電力Pをハイパスフィルタにかけて、その出力値Phiと所定の閾値Pthを比較し、PhiがPthを下回っている場合にはΔPをゼロとするようなΔPに不感帯を設けても良い。また、この時に有効電力Pの値に応じてハイパスフィルタの定数、あるいは閾値Pthを変化させても良い。
Subsequently, a control block diagram of the propulsion motor
ここで、電動機出力をP′、電動機トルクをτとすると、P′=τωという関係があるため、電動機出力をΔP変動させる方法しては、電動機回転速度を一定として電動機トルクをΔτ変化させる、または電動機トルクを一定として電動機回転速度をΔω変化させる、あるいは電動機トルクτと電動機回転速度ωを両方変化させる、の3通りの方法がある。ここでは電動機回転速度を一定として電動機トルクをΔτ変化させることにより電動機出力をΔP変化させる方法を例に説明する。Δτはトルク係数kE,磁束Φ,q軸電流の変化量ΔIq2とすると、 Here, if the motor output is P ′ and the motor torque is τ, there is a relationship P ′ = τω. Therefore, the method of changing the motor output by ΔP is to change the motor torque by Δτ while keeping the motor rotation speed constant. Alternatively, there are three methods of changing the motor rotation speed by Δω while keeping the motor torque constant, or changing both the motor torque τ and the motor rotation speed ω. Here, a method of changing the motor output by ΔP by changing the motor torque by Δτ while keeping the motor rotation speed constant will be described as an example. Δτ is a torque coefficient k E , a magnetic flux Φ, and a q-axis current change amount ΔIq 2.
という関係があることから、式(1)に基づいてq軸電流差分演算器29ではΔIq2を演算する。
Therefore, the q-axis
dq軸電圧指令演算器30では、上記で演算されたId2,Iq2,ΔIq2を入力として、次式(2)に基づいてdq軸電圧指令値Vd2*,Vq2*を演算する。
The dq-axis
ただし、r,Ld,Lq,kEはそれぞれ推進用電動機6の電機子巻線抵抗、d軸インダクタンス、q軸インダクタンス、トルク定数である。 Here, r, L d , L q , and k E are the armature winding resistance, d-axis inductance, q-axis inductance, and torque constant of the propulsion motor 6, respectively.
こうして求めたVd2*,Vq2*をdq−uvw変換器31で座標軸変換して、インバータ12のUVW相電圧指令値Vu2*,Vv2*,Vw2*を求める。
The thus obtained Vd2 * and Vq2 * are coordinate-axis converted by the dq-
上記の直流リンクコンデンサ一定制御演算器21で演算された相電圧指令値Vu1*,Vv1*,Vw1*と直流リンクコンデンサ電圧指令Vdc*、直流リンクコンデンサ電圧Vdcを入力として、コンバータ11の制御装置15では各IGBT素子16のON/OFF信号を演算する。図8に制御装置15の制御ブロック図を示す。変調波演算器(変調波生成器とも称する)32では、以下の式(3)に基づいて各IGBT素子16の変調波を算出する。
The
なお、本実施例のコンバータ11の回路方式の場合、上側にあるIGBT素子16と下側にあるIGBT素子16の電圧指令は、半周期ずれた相電圧指令値を利用してON/OFF信号を演算する必要があるため、変調波演算器32ではVu1*,Vv1*,Vw1*と位相が180°ずれた電圧指令値をそれぞれ生成して、各IGBT素子16の変調波を演算する。そして、比較器34において、スイッチング駆動用搬送波生成器33で生成された搬送波と上記で演算された変調波の大小関係を比較する。この大小関係を入力として、ゲートドライバ35において各IGBT素子16のON/OFF信号を出力する。また、インバータ12の制御装置18の制御ブロック図を図9に示す。変調波演算器36では、上記推進用電動機出力制御演算器22で演算した相電圧指令値Vu2*,Vv2*,Vw2*と直流リンクコンデンサ電圧Vdcを入力として、以下の式(4)に基づいて各IGBT素子19の変調波を求める。
In the case of the circuit system of the
式(4)で求めた変調波を利用して、制御装置18はコンバータ11の制御装置15と同様に各IGBT素子19のON/OFF信号を出力する。
The
このようにして電力変換装置5を制御することにより、大電力負荷9の負荷が極短時間に急激に増加した場合にも、その増加分に応じて推進用電動機へ供給する有効電力を調整することができる。その結果、発電機の停止を防止し、船内電力系統の安定性を確保することが可能となる。
By controlling the
実施例1では、大電力負荷9に供給される有効電力Pを有効電力検出器10により直接検出していたが、電流センサ40、および電圧センサ41を図10に示す位置に設置して、大電力負荷に流れる電流、および掛る電圧に基づいて有効電力を検出しても良い。なお、ここでは有効電力の瞬時値を求めることとし、大電力負荷に流れる各相の電流をIu3,Iv3,Iw3、大電力負荷に掛る各相の電圧をVu3,Vv3,Vw3とすると以下の式(5)で求めることができる。
In the first embodiment, the active power P supplied to the
上記の実施例では、大電力負荷9に供給される有効電力Pの変動に基づいて推進用電動機6に供給する有効電力PMを調整していたが、船舶電気推進システム内に電力貯蔵装置42を備えて、電力貯蔵装置42から供給される有効電力分を考慮して有効電力PMを調整しても良い。電力貯蔵装置42はコンバータ43を介して船舶用電気推進システムに連系させる。この時、図11に示す様に有効電力検出器10と大電力負荷9の間でコンバータ43を連系する方法と、図12に示す様に配電盤4にコンバータ43を連系する方法がある。前者の場合、大電力負荷9が要求する有効電力の変化に対して、電力貯蔵装置42が供給する有効電力の影響により有効電力検出器10で検出される有効電力の変化量が減少するため、推進用電動機6に供給する有効電力の調整量が少なくてすむ。一方、後者の場合は、推進用電動機6に供給する有効電力量の調整の際に発生する遅れ等により有効電力の調整量が不足する場合に、電力貯蔵装置42から供給される有効電力により補うことになる。
In the above embodiment, the active power PM supplied to the propulsion motor 6 is adjusted based on the fluctuation of the active power P supplied to the
図13に電力貯蔵装置42の概略構成図を示す。電力貯蔵装置42は、電解キャパシタ,リチウムイオンキャパシタや鉛蓄電池等の蓄電装置44,蓄電装置44の電圧を検出する電圧センサ45,蓄電装置44を流れる電流を検出する電流センサ46で構成される。電圧センサ45および電流センサ46で検出される蓄電装置出力電圧VB,蓄電装置出力電流IB,コンバータ43の交流出力端に設置した電流センサで検出された電流Iu4,Iv4,Iw4、大電力負荷9からの要求有効電力P*は中央制御装置1に送られ、図14に示す電力貯蔵装置出力制御演算器47の入力となる。なお、コンバータ43の制御方法については上記の実施例と同様である。
FIG. 13 shows a schematic configuration diagram of the
上記の実施例では、推進用電動機6は永久磁石同期電動機としていたが、これを誘導電動機としても良い。この場合のインバータ12の制御ブロック図を図15に示す。なお、上記実施例におけるdq軸電流の定義に基づき、d軸電流は励磁電流、q軸電流はトルク電流と定義する。回転速度制御器(あるいは回転速度演算器とも称する)48では、回転速度指令値ω*とdq軸電圧指令演算器52で求められる回転速度推定値
を入力としてトルク電流Iq2′を演算する。また、ΔP処理器49では上記の実施例に記載の方法でΔPを演算する。そして、Iq2′,Id2*,ΔPを入力として滑り演算器50では推進用電動機6の滑り周波数ωsを演算する。ここで、電動機回転速度を一定として電動機トルクを変化させることでΔPを発生させる場合について説明する。この場合には上記実施例に記載の通り、ΔPよりΔIq2を求める。この時、滑り周波数ωsは以下の式(6)で求めることができる。
In the above embodiment, the propulsion motor 6 is a permanent magnet synchronous motor, but it may be an induction motor. A control block diagram of the
Is used as an input to calculate the torque current Iq2 '. Also, the
ただし、L2は二次巻線インダクタンス、R2は二次巻線抵抗を表す。これより、滑り演算器50はωsとIq2*(=Iq2′−ΔIq2)を出力する。
However, L 2 is the secondary winding inductance, R 2 represents a secondary winding resistance. Thus, the
滑り演算器50より出力されたωsとIq2*、uvw−dq変換器51より出力されたIq2,Id2、d軸電流指令値Id2*を入力としてdq軸電圧指令演算器52ではdq軸電圧指令Vq2*,Vd2*、周波数指令ω1を演算する。なお、周波数指令ω1は式(7)により求められる。
The ω s and Iq2 * output from the
ただし、kP1,kI1はPI制御の比例ゲイン,積分ゲインである。また、上記の回転速度推定値
は式(8)に示す様に、式(9)の第1項,第2項の部分に相当する。
Here, k P1 and k I1 are the proportional gain and integral gain of PI control. In addition, the above estimated rotational speed
Corresponds to the first and second terms of equation (9) as shown in equation (8).
これより、dq電圧指令Vq2*,Vd2*は式(9)により求められる。 Accordingly, the dq voltage commands Vq2 * and Vd2 * are obtained by the equation (9).
上記の実施例では、コンバータ11,インバータ12,コンバータ43の回路構成は2レベル回路方式としていたが、3レベル回路方式としても良い。この時の電力変換器の概略構成図を図16に示す。この場合、直流リンクコンデンサ13はコンバータ11,インバータ12と並列に2個接続され、中性点を含め3ヶ所でコンバータ11とインバータ12で接続している。
In the above embodiment, the circuit configuration of the
例としてコンバータ11を3レベル回路方式とした場合の構成図を図17に示す。IGBT素子16およびダイオード53が図17に示す様に配置されている。この回路構成の時のコンバータ11,インバータ12,コンバータ43のUVW相の電圧指令の演算方法は上記の実施例と同様であるので省略する。
As an example, FIG. 17 shows a configuration diagram when the
コンバータ11,インバータ12,コンバータ43の回路構成としては、上記の実施例以外にも、IGBT素子,直流コンデンサ等から構成されている単位変換器を直列に接続して構成するカスケード方式もある。図18にカスケード方式の場合の電力変換装置5の構成図を示す。電力変換装置5はコンバータ11,インバータ12,直流リンクに掛る電圧を検出する直流リンク電圧検出センサ14により構成される。図19にコンバータ11をカスケード方式とした場合の構成図を示す。コンバータ11は、制御装置15,単位変換器54,バッファリアクトル55で構成されている。また、図19に示す通り、制御装置15と単位変換器54は信号線57によって数珠つなぎに接続されている。ここで、図19に示す通り、カスケード状に接続されている複数の単位変換器をまとめてアームと称する。そして、上側の3つのアームをそれぞれU相アーム54_U,V相アーム54_V,W相アーム54_W、下側の3つのアームをそれぞれU相アーム54_u,V相アーム54_v,W相アーム54_wと称す。ここで、前述の6つのアームに流れる電流を検出する電流センサ56を図19に示す位置に設置する。同様にインバータ12の構成図を図20に示す。インバータ12も同様に制御装置18,単位変換器58,バッファリアクトル59で構成されており、制御装置18と単位変換器58は信号線61によって数珠つなぎに接続されている。そして、上側の3つのアームをそれぞれU相アーム58_U,V相アーム58_V,W相アーム58_W、下側の3つのアームをそれぞれU相アーム58_u,V相アーム58_v,W相アーム58_wと称す。ここで、前述の6つのアームに流れる電流を検出する電流センサ60を図20に示す位置に設置する。
As a circuit configuration of the
続いて、上述の単位変換器54の構成図を図21に示す。単位変換器(あるいは単位セルとも称する)54は2つのIGBT素子62,1つの直流コンデンサ63,ヒューズ64で構成されるセル65,ゲートドライバ66,ゲート電源67,単位変換器制御回路68,自給電源69,電圧センサ70より構成されている。ゲートドライバ66,単位変換器制御回路68は、直流コンデンサ63に充電された電力を自給電源69,ゲート電源67を通して供給する。また、電圧センサ70で検出した直流コンデンサ電圧は中央制御装置1へ送られる。なお、これ以降単位変換器54の直流コンデンサ63に掛る電圧を直流コンデンサ電圧と称する。また、コンバータ12内の単位変換器58の構成については、図21に示す構成と同様である。
Then, the block diagram of the above-mentioned
本実施例における中央制御装置1の制御ブロック図を図22に示す。本実施例における電力変換装置5は、直流リンク電圧を一定にする制御、および推進用電動機の出力制御を行うため、中央制御装置1内は、直流リンク電圧一定制御演算器71,推進用電動機出力制御演算器72を備えている。なお、船舶用電気推進システム内に電力貯蔵装置を搭載している場合には、上記の実施例の様に、電力貯蔵装置出力制御演算器も備えるが、ここでは電力貯蔵装置が無い場合について説明する。
A control block diagram of the
直流リンク電圧一定制御演算器71の制御ブロック図を図23に示す。直流リンク電圧一定制御演算器71は、電流センサ56a,56c,56eで検出されたコンバータの上側アームのUVW相電流値Iu1a,Iv1a,Iw1a、電流センサ56b,56d,56fで検出されたコンバータの下側アームのUVW相電流値Iu1b,Iv1b,Iw1b,発電機周波数f,電圧センサ70で検出された直流コンデンサ電圧Vcを入力とする。uvw−dq変換器73では上記Iu1a,Iv1a,Iw1a,Iu1b,Iv1b,Iw1bを座標軸変換して上側アームのdq軸電流Id1a,Iq1a、下側アームのdq軸電流Id1b,Iq1bに変換する。q軸電圧指令演算器74ではId1a,Iq1a,Id1b,Iq1b,ω,Vc、予め設定した直流コンデンサ電圧指令値Vc*を入力として上側アームのq軸電圧指令値Vq1a*、下側アームのq軸電圧指令値Vq1b*を演算する。また、d軸電圧指令演算器75はId1a,Iq1a,Id1b,Iq1b,ω、予め設定したq軸電流指令値Id1*を入力として上側アームのd軸電圧指令値Vd1a*、下側アームのd軸電圧指令値Vd1b*を演算する。こうして求めたVd1a*,Vq1a*,Vd1b*,Vq1b*をdq−uvw変換器76で座標軸変換した値に、予め設定した直流リンク電圧指令値Vdc*を足したものがコンバータ11の上側アームのUVW相電圧指令値Vu1a*,Vv1a*,Vw1a*、下側アームのUVW相電圧指令値Vu1b*,Vv1b*,Vw1b*となる。
A control block diagram of the DC link voltage
続いて、推進用電動機出力制御演算器72の制御ブロック図を図24に示す。推進用電動機出力制御演算器72は電流センサ60a,60c,60eで検出されたインバータの上側アームのUVW相電流値Iu2a,Iv2a,Iw2a、電流センサ60b,60d,60fで検出されたインバータの下側アームのUVW相電流値Iu2b,Iv2b,Iw2b,推進用電動機の回転数ω,有効電力検出器で検出された大電力負荷への供給有効電力Pを入力とする。uvw−dq変換器77では上記インバータUVW相電流値Iu2a,Iv2a,Iw2a,Iu2b,Iv2b,Iw2bを座標軸変換してdq軸電流Id2a,Iq2a,Id2b,Iq2bに変換する。ΔP処理器78では、大電力負荷への供給有効電力Pより、上記の実施例と同様の方法によりΔPを演算し、ωとともにq軸電流差分演算器79の入力となる。q軸電流差分演算器79で上側アームのq軸電流の変化分ΔIq2aと下側アームのq軸電流の変化分ΔIq2bを演算して、これらと前述のId2a,Iq2a,Id2b,Iq2bを入力として、dq軸電圧指令演算器80でインバータの上側アームのdq軸電圧指令値Vd2a*,Vd2b*、インバータの下側アームのdq軸電圧指令値Vq2a*,Vq2b*を演算する。最後にdq−uvw変換器81で座標軸変換をしてインバータの上側アームのUVW相電圧指令値Vu2a*,Vv2a*,Vw2a*、インバータの下側アームのUVW相電圧指令値Vu2b*,Vv2b*,Vw2b*を求める。
Subsequently, a control block diagram of the propulsion motor
図25にコンバータ11の制御装置15の制御ブロック図を示す。直流リンク電圧一定制御演算器71で求めた相電圧指令Vu1a*,Vv1a*,Vw1a*,Vu1b*,Vv1b*,Vw1b*、および直流リンク電圧指令Vdc*,直流リンク電圧Vdcを入力として変調波演算器82において、式(10)に基づいて変調波を演算する。
FIG. 25 shows a control block diagram of the
ただし、Nはアーム内の単位変換器の数である。この変調波とスイッチング駆動用搬送波生成器83で生成されるスイッチング駆動用搬送波との大小比較を比較器84で行い、これを入力としてゲートドライバ85においてIGBT素子62のON/OFF信号を演算する。また、図26にインバータ12の制御装置18の制御ブロック図を示す。推進用電動機出力制御演算器72で求めた相電圧指令Vu1a*,Vv1a*,Vw1a*,Vu1b*,Vv1b*,Vw1b*、および直流リンク電圧Vdcを入力として変調波演算器86において、式(11)に基づいて変調波を演算する。
N is the number of unit converters in the arm. The
ただし、Nはアーム内の単位変換器の数である。あとはコンバータ11の制御装置15と同様にしてIGBT素子62のON/OFF信号を演算する。
N is the number of unit converters in the arm. Thereafter, the ON / OFF signal of the IGBT element 62 is calculated in the same manner as the
上述の単位変換器54および58はいわゆるチョッパ回路構成であったが、図27に示す様にフルブリッジ回路構成としても良い。この時、単位セル65は4つのIGBT素子62,直流コンデンサ63で構成される。単位セル65以外の構成要素は上記実施例のチョッパ回路の場合と同じである。図中の62AはIGBT素子62a、および62bを、62BはIGBT素子62c、および62dをそれぞれ指しており、62A,62BをそれぞれレグA,レグBと定義する。本実施例におけるコンバータ11の制御装置15の制御ブロック図を図28に示す。制御装置15におけるフローは上記実施例と同様である。ただし、レグAの電圧指令とレグBの電圧指令は互いに1/2周期シフトしたものとするため、変調波演算器90において、入力される相電圧指令Vu1a*,Vv1a*,Vw1a*,Vu1b*,Vv1b*,Vw1b*に対して1/2周期シフトした相電圧指令を生成し、これらをレグA電圧指令値Vu1aA*,Vv1aA*,Vw1aA*,Vu1bA*,Vv1bA*,Vw1bA*、レグB電圧指令値Vu1aB*,Vv1aB*,Vw1aB*,Vu1bB*,Vv1bB*,Vw1bB*として、上式(12)に基づいて変調波を演算する。ここで求めた変調波とスイッチング駆動用搬送波生成器91で生成されたスイッチング駆動用搬送波の大小比較を比較器92で行い、ゲートドライバ93でIGBT素子62のON/OFF信号を演算する。なお、レグA,レグB内にある二つのIGBT素子のON/OFF信号は、両方がON、あるいはOFFとなることは無く、ゲートドライバ93では、比較器103の入力に基づいて演算されたON/OFF信号とは反転させたもう一つのON/OFF信号を生成してIGBT素子62へ出力する。
The
上記の実施例では、単位変換器内のスイッチング素子をIGBTとしたが、換わりにMOSFETを利用しても良い。 In the above embodiment, the switching element in the unit converter is an IGBT, but a MOSFET may be used instead.
コンバータ11の回路構成は、上記の実施例以外にも、図29に示す様にダイオードを利用した整流回路方式としても良い。この場合、交流出力側に高調波フィルタ95を設置する。高調波フィルタ95の回路構成としては、図30に示すようなリアクトル96,コンデンサ97で構成される方式としても良い。なお、本実施例では、ダイオード94を各相2個ずつ合計6個設置しているが、入力する交流電圧と使用するダイオードの定格電圧に応じてダイオードの数を決定すれば良い。
The circuit configuration of the
1 中央制御装置
2 ガスタービン
3 発電機
4 配電盤
5 電力変換装置
6 推進用電動機
7 推進用プロペラ
8 船内負荷
9 大電力負荷
10 有効電力検出器
11,43 コンバータ
12 インバータ
13 直流リンクコンデンサ
14 直流リンク電圧検出センサ
15,18 制御装置
16,19,62 IGBT素子
17,20,40,46,56,60 電流センサ
21 直流リンクコンデンサ電圧一定制御演算器
22,72 推進用電動機出力制御演算器
23,27,51,73,77 uvw−dq変換器
24,74 q軸電圧指令演算器
25,75 d軸電圧指令演算器
26,31,76,81 dq−uvw変換器
28,49,78 ΔP処理器
29,79 q軸電流差分演算器
30,52,80 dq軸電圧指令演算器
32,36,82,86,90 変調波演算器
33,37 スイッチング駆動用搬送波生成器
34,38,84,88,92 比較器
35,39,66,85,89,93 ゲートドライバ
41,45,70,98,99,100,101 電圧センサ
42 電力貯蔵装置
44 蓄電装置
47 電力貯蔵装置出力制御演算器
48 回転速度制御器
50 滑り演算器
53 ダイオード
54,58 単位変換器
55,59 バッファリアクトル
57,61 信号線
63 直流コンデンサ
64 ヒューズ
65 セル
67 ゲート電源
68 単位変換器制御回路
69 自給電源
71 直流リンク電圧一定制御演算器
83,87,91 スイッチング駆動用搬送波生成器
94 ダイオード
95 高調波フィルタ
96 リアクトル
97 コンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Central control apparatus 2 Gas turbine 3 Generator 4 Distribution board 5 Power converter 6 Propulsion motor 7 Propulsion propeller 8 Inboard load 9 Large power load 10 Active power detector 11, 43 Converter 12 Inverter 13 DC link capacitor 14 DC link voltage Detection sensor 15, 18 Control device 16, 19, 62 IGBT element 17, 20, 40, 46, 56, 60 Current sensor 21 DC link capacitor voltage constant control calculator 22, 72 Propulsion motor output control calculator 23, 27, 51, 73, 77 uvw-dq converter 24, 74 q-axis voltage command calculator 25, 75 d-axis voltage command calculator 26, 31, 76, 81 dq-uvw converter 28, 49, 78 ΔP processor 29, 79 q-axis current difference calculator 30, 52, 80 dq-axis voltage command calculator 32, 36, 82, 86, 90 Modulated wave Calculator 33, 37 Switching drive carrier generator 34, 38, 84, 88, 92 Comparator 35, 39, 66, 85, 89, 93 Gate driver 41, 45, 70, 98, 99, 100, 101 Voltage sensor 42 Power storage device 44 Power storage device 47 Power storage device output control calculator 48 Rotational speed controller 50 Slip calculator 53 Diode 54, 58 Unit converter 55, 59 Buffer reactor 57, 61 Signal line 63 DC capacitor 64 Fuse 65 Cell 67 Gate power supply 68 Unit converter control circuit 69 Self-supplied power supply 71 DC link voltage constant control calculator 83, 87, 91 Switching drive carrier generator 94 Diode 95 Harmonic filter 96 Reactor 97 Capacitor
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