JP2014129047A - 交通システム - Google Patents

Abstract

【課題】並列運転する駆動部が、片方の推進装置を力行モード、もう片方を回生モードで運転して速度調整動作を行うことで、制動時に発生する回生電力による電力系統の変動を防止し、所定の進行方向に進行させることができる、交通システムを提供する。
【解決手段】互いに独立して駆動する第１、第２の駆動部が、進行方向に向かって両側部に配設された交通システムに関する。第１、第２駆動部は、それぞれシステム電力源からの電力を変換するインバータ１２ａ，１２ｂと、インバータからの電力により作動する交流電動機１３ａ，１３ｂと、これら交流電動機に夫々機械的に接続された推進機構部１０と、第１、第２駆動部に対し、制動時に一方が力行モードで他方が回生モードで運転するように速度指令を出す制御装置１５と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は交通システムに関し、特には、力行モードと回生モードとを切り換えることで、制動時に発生する回生電力による電力系統の変動を防止し、無駄のない駆動制御動作を可能とした交通システムに関するものである。

近年、電気推進式の船舶が増加している。電気推進式船舶は、エンジン推進式の駆動式船舶に比較して、自在に速度制御を行うことができる。
例えば、特許文献１に示すように、並列運転する２軸の電気推進装置で、減速（制動時）に減速レートに差をつけて、片方の推進装置の回生電力を他方の推進装置の入力電力として消費することで、回生電力による電力系統の変動を防止するための専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動が可能となったとしている。

ここで、図６に特許文献１の電気推進式船舶および駆動装置について回路構成を示し、概略説明する。
すなわち、この駆動装置では、発電機１の交流出力をコンバータ２で直流に変換しその直流出力を、Ａ系統及びＢ系統の２軸推進式の駆動系に並列に供給する構成としている。
Ａ系統の駆動系においては、平滑コンデンサ３Ａを介し、インバータＡ４Ａで直流を交流に変換し、交流電動機５Ａを駆動する。交流電動機５Ａにはプロペラ６Ａが機械的に取り付けられている。
Ｂ系統についても同様に平滑コンデンサ３Ｂを介し、インバータＢ４Ｂで直流を交流に変換し、交流電動機１４を駆動する。交流電動機１４にはプロペラ６Ｂが機械的に取り付けられている。
インバータＡ４Ａ、インバータＢ４Ｂは夫々制御装置を有し、出力の電圧及び周波数が制御される構成である。
制動演算制御回路７は、交流電動機５Ａ、５Ｂに対する減速指令を受け、インバータＡ４Ａ及びインバータＢ４Ｂに補正減速指令として再配分する。

以上のような回路構成における駆動装置について、図７にこの駆動装置における交流電動機５Ａまたは５Ｂの単独の減速特性を示し説明すると、今、速度Ｎ１の状態で速度指令を線形に変化させ、一定の減速レートで減速を開始したとする。このときの減速レートが、交流電動機５Ａまたは５Ｂをフリーランさせた時の減速の傾きより小さければ、図７に示したように減速レートに従って減速を開始する。尚、ハッチング部は余剰の力行パワーを示している。

そして、図７のＡ点まで到達したとき、減速レートが、交流電動機５Ａまたは５Ｂをフリーランさせた時の減速の傾きより大きくなるので、同一の減速レートで減速させようとすると回生パワーをどこかで吸収させる必要がある。

次に、図８に制動演算制御回路７による演算制御動作の一例を示すタイムチャートを示し、説明する。
今、交流電動機５Ａ及び５Ｂが速度指令に従って回転速度Ｎ１で運転されている状態において、時刻ｔ１で交流電動機５Ａ及び５Ｂに対し、逆転速度Ｎ２へ減速／逆転指令が発せられた場合を考える。
このとき、交流電動機５Ａの回転速度を一定値Ｎ１に保ったまま、交流電動機５Ｂを適切な減速レートで減速し、更に逆回転させ、時刻ｔ３で回転速度Ｎ２に到達させる。
一方交流電動機５Ｂが減速中の時刻ｔ２で交流電動機５Ａを適切な減速レートで減速させ、時刻ｔ４で回転速度Ｎ２に到達させる。このように、減速指令を補正減速指令として再配分する演算を制動演算制御回路７が行えば、より速い時間で２台の交流電動機５Ａ及び５Ｂが逆転速度Ｎ２に到達できる。

このように、簡単な回路追加により制動を行うことができるため、専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動を行うことができるとしている。

特開２００５−１７６４７５号公報

しかしながら、以上のような方式の電気推進装置では、並列運転する推進装置が進行方向に直角に並べて配置されている場合、左右の推力に差が出るため、直進性を確保するのは困難であり、船舶は旋回してしまう。
本発明は、以上のような課題を解決するために提案されたものであって、並列運転する推進装置が進行方向に直角に並べて配置されている場合において、調速時に片方の推進装置を力行モード、もう片方を回生モードで運転して速度調整動作を行うことで、所定の進行方向に進行させることができる、交通システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１にかかる本発明では、互いに独立して駆動する第１、第２の駆動部が、進行方向に向かって両側部に配設された交通システムにおいて、第１、第２駆動部は、それぞれシステム電力源からの電力を変換するインバータと、該インバータからの電力により作動する交流電動機と、これら交流電動機に夫々機械的に接続された推進機構部と、第１、第２駆動部に対し、一方が力行モードで他方が回生モードで運転するように速度指令を出す制御装置と、を具備することを特徴とする。

これにより、速度調整時に交通システムが旋回することはなく、蛇行しながら、設定進行方向に向かって進むことができる。

また、請求項２にかかる本発明では、制御装置は、第１、第２駆動部に対し、力行と回生が交互に切り換わるように、交流電動機への速度指令を演算して、インバータに夫々演算された補正速度指令を与える、ことを特徴とする。

これにより、第１、第２駆動部の力行・回生運転の切り換えを行い、設定進行方向に向かうように動作させることができる。

また、請求項３にかかる本発明では、力行と回生とは、予め設定した時間間隔で切り換わるようにしたことを特徴とする。

これにより、左右の蛇行幅をほぼ均等にして、設定進行方向に向かうことができる。

また、請求項４にかかる本発明では、速度指令は、予め定めた速度レートにしたがって演算した第１、第２駆動部の速度バランスの時間変化に基づいて変化させ、切り換え時に、直前の双方の指令値を入れ換えて第１、第２駆動部に供給するようにした、ことを特徴とする。

これにより、速度調整時に交通システムは旋回することなく、蛇行しながら、設定進行方向に向かって進むことができる。この場合、蛇行幅を設定範囲内でコントロールすることができる。

また、請求項５にかかる本発明では、前記切り換え時に、一定時間のフリーランを入れた後に直前の双方の指令値を入れ換えて前記第１、第２駆動部に供給するようにした、ことを特徴とする。

これにより、第１、第２駆動部に対して急激な負荷変化を与えることなく、力行・回生の切り換えができるため、第１、第２駆動部へ及ぼされるダメージを軽減することができる。

また、請求項６にかかる本発明では、切り換え時間は、第１、第２駆動部の速度に応じて調整することを特徴とする。

これにより、速度が速く推進装置の回転も速い時の力行・回生の切り換え回数を減らすことができるので、第１、第２駆動部への負担を軽減することができて、推力差の影響が大きい低速時は切り換えを速くすることで、蛇行幅を小さくすることができる。

また、請求項７にかかる本発明では、力行と回生とは、ＧＰＳ等の方位信号に基づいて、設定進路に対して方位偏差が規定値を越え、且つ偏差方向が正の方向か負の方向かに基づいて切り換えるようにした、ことを特徴とする。

これにより、設定の方位偏差内であれば、不要な力行・回生の切り換えをなくすことで、第１、第２駆動部へ及ぼされるダメージを軽減することができる。

さらに、請求項１ないし請求項７の交通システムは、電気推進式船舶である。

本発明は、特に電気推進式船舶の操船に大きな利点をもたらす。

本発明によれば、互いに独立して駆動する第１、第２の駆動部が、進行方向に向かって両側部に配設された交通システムで、速度調整時に第１、第２駆動部のうちの一方を力行モード、他方を回生モードで運転して調速動作を行うことで、システム内電力母線の電力変動を小さくし、双方の第１、第２駆動部が力行と回生が交互に切り換わるように、速度指令を与えることで交通システムの直進性を確保することができる。

本発明にかかる交通システムの第１実施形態を示すブロック構成図である。 第１実施形態における交通システムの制御装置の動作タイムチャートの一例を示すグラフである。 第１実施形態における交通システムの制御装置の動作タイムチャートの別例を示すグラフである。 第１実施形態における交通システムの制御装置の動作タイムチャートの他の一例を示すグラフである。 本発明にかかる交通システムの第２実施形態を示すブロック構成図である。 従来の交通システムを一例を示す回路構成図である。 従来の船舶電気推進用電動機の減速特性図である。 従来の逆転制動時の制動演算制御回路の動作タイムチャートである。

以下、本発明に係る交通システムの実施形態を挙げ、添付の図面を基に説明する。

本発明に係る交通システムの実施形態を示し、添付図に基づいて説明する。なお、ここでの交通システムには、２台の推進装置が進行方向に向かって、左右に配置された船舶を実施形態として挙げ、説明する。

（第１実施形態）
本発明に係る電気推進式船舶の実施形態を示し、添付図に基づいて説明する。
図１に、第１実施形態にかかる二軸推進式の電気推進式船舶の推進機構部１０を示す。
この推進機構部１０は船舶の船体（図示省略）の進行方向に向かって、左右に艤装された推進用プロペラ（後述）を具備する。

この推進機構部１０では、船内動力源１１（交流発電機）の交流電力を直流電力に変換するコンバータ（図示省略）と、コンバータからの直流電力を交流電力に変換する第１インバータ１２ａ、第２インバータ１２ｂと、これら第１、第２インバータ１２ａ、１２ｂからの交流電力により作動する交流電動機１３ａ、１３ｂと、これら交流電動機１３ａ、１３ｂに夫々機械的に接続された推進用プロペラ１４ａ、１４ｂとを具備する。
また、この推進機構部１０では、第１駆動部としての第１インバータ１２ａ−交流電動機１３ａ−推進用プロペラ１４ａ、並びに第２駆動部としての第２インバータ１２ｂ−交流電動機１３ｂ−推進用プロペラ１４ｂに対し、制動時に一方が力行モードで他方が回生モードで運転するように減速指令を出す制御装置１５と、を具備する。

制御装置１５は、交流電動機１３ａ、１３ｂの速度制御をするために、第１、第２インバータ１２ａ、１２ｂに対し、電力制御指令を与える。
すなわち、制御装置１５は、交流電動機１３ａ、１３ｂに対し、力行と回生が交互に切り換わるように、交流電動機１３ａ、１３ｂへの減速指令を演算して、第１、第２インバータ１２ａ、１２ｂに夫々演算された補正減速指令を与えるようにしている。
また、制御装置１５には、力行と回生運転とが切り換わる時間間隔が設定されている。
さらに制御装置１５には、減速レートが予め設定されており、減速指令が、予め定めた減速レートにしたがって演算した交流電動機１３ａ、１３ｂの速度バランスの時間変化に基づいて変化させ、切り換え時に、直前の双方の指令値を入れ換えて交流電動機１３ａ、１３ｂに供給するようにしている。
ここで、力行モードとは、ここでは交流電動機を指定した速度に維持・加速する力行トルクを発生し、回生モードとは、交流電動機が外力受けて回転する速度に対して、減速する制動トルクを発生する運転モードをいう。

次に、図２に制御装置１５の動作タイムチャートの一例を示し、説明する。
図２では、制御装置１５により、減速指令が出された時の交流電動機１３ａ、１３ｂに対する規定時間ごとの回転速度を示している。この場合、交流電動機１３ａ、１３ｂが速度指令に従って回転速度Ｎ１で運転されている状態において、交流電動機１３ａ、１３ｂに対し、力行、回生運転と切り換え指令を与えながら、逆転速度Ｎ２へ至る過程を示している。

例えば交流電動機１３ａの回転速度の推移を実線で示し、交流電動機１３ｂの回転速度の推移を破線で示す。
交流電動機１３ａは、時刻ｔ１から時刻ｔ２の直前まで、回転速度をＮ１に維持するように速度指令が出され、交流電動機１３ｂは、時刻ｔ１まで、徐々に減速するように速度指令が出され、時刻ｔ１から時刻ｔ２の直前まで、所定の減速レートで減速するように速度指令が出される。

そして、ｔ１の時点で交流電動機１３ａ、１３ｂに対し速度指令が切り換えられ、交流電動機１３ａは、回転速度がＮ１から、交流電動機１３ｂのｔ２直前での回転速度から所定の減速レートで到達する回転速度に達する。そして、時刻ｔ３まで、所定の減速レートで減速する。

一方、交流電動機１３ｂは、逆に当初の回転速度Ｎ１に達するように制御され、時刻ｔ３の前の時点まで回転速度Ｎ１に保った後、所定の減速レートで減速する。

次いで、時刻ｔ３の時点で、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令が再逆転し、時刻ｔ４にかけて、それぞれの交流電動機１３ａ、１３ｂは、同減速レートで減速する。

さらに、時刻ｔ４に達した時点で、さらに、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令が逆転し、時刻ｔ５にかけてそれぞれの交流電動機１３ａ、１３ｂは、同減速レートで減速する。

ここで、交流電動機１３ａは時刻ｔ５に達する前に逆転速度Ｎ２に到達するので、その後、時刻ｔ５まで逆転速度Ｎ２を維持する。
時刻ｔ５に達した時点で、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令が逆転し、交流電動機１３ａは逆転速度Ｎ２から、時刻ｔ５での交流電動機１３ｂの速度に連なる値の速度に切り換えられ、時刻ｔ６に達するまで減速レートで減速する。

以上のように、第１実施形態にかかる二軸推進式の電気推進式船舶の推進機構部１０では、回転速度Ｎ１から、逆転速度Ｎ２に至るまで、交流電動機１３ａ、１３ｂに交互に、力行モードと回生モードで減速指令を与え、所定の減速レートに即して到達することができるので、制動時に交通システムが旋回することはなく、蛇行しながら、設定進行方向に向かって進むことができる。

また、二軸推進式の電気推進式船舶の推進機構部１０は、以下のように実施することもできる。
（第２実施形態）
この場合の制御装置１５では、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令の切り換え時に、一定時間のフリーランｆｒを入れた後に直前の双方の指令値を入れ換えて交流電動機１３ａ、１３ｂに速度指令を出すようにしている。
ここで、フリーランｆｒとは、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令が０で船舶に動力が加わってなく惰力で運航している状態をいい、交流電動機１３ａ、１３ｂの出力軸に対する負荷がかからない無負荷状態を意味している。
そこで、図３に示した制御装置１５の動作タイムチャートを基に説明する。
フリーランｆｒは、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令の切り換え時に設定される。フリーランｆｒ、速度指令が０の時間Ｔ_ｆｒは、それぞれの力行、回生運転モードで運転される時間Ｔに比較して短く設定される。

このような第２実施形態の推進機構部１０においても、回転速度Ｎ１から逆転速度Ｎ２に至るまで、交流電動機１３ａ、１３ｂに交互に、力行モードと回生モードで減速指令を与え、所定の減速レートに即して到達することができる。
この場合、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令の切り換え時に、フリーランｆｒ、速度指令が０の時間Ｔｆｒが設定されるため、回転速度Ｎ１から逆転速度Ｎ２に達するまでの時間が、全実施形態に比較して長くなる。
しかしながら、各速度指令の切り換え時のフリーランｆｒ、速度指令が０の時間Ｔｆｒ、交流電動機１３ａ、１３ｂの出力軸に対する負荷がかからない無負荷状態となるため、交流電動機１３ａ、１３ｂに対して急激な不可変化を与えることなく、力行・回生の切り換えができるため、交流電動機１３ａ、１３ｂへ及ぼされるダメージを軽減することができる。

また、二軸推進式の電気推進式船舶の推進機構部１０は、以下のように実施することもできる。
（第３実施形態）
ここでは、切り換え時間は、電気推進式船舶の船速に応じて調整することができる。
この場合、図４に示すように、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令の切り換え時間は、船速が高いほど、力行、回生運転モードで運転される時間Ｔ_Ｈ〜Ｔ_Ｌを長く設定することができる。
このように設定することで、船速が速く交流電動機１３ａ、１３ｂの回転も速い時の力行・回生の切り換え回数を減らすことができるので、交流電動機１３ａ、１３ｂへの負担を軽減することができる。
一方、推力差の影響が大きくなる船速の低速時には、切り換え間隔Ｔ_Ｌを短く設定することで、蛇行幅を小さくすることができる。

さらに本発明では、以下の第４実施形態によっても実施することができる。
（第４実施形態）
かかる第４実施形態では、力行運転と回生運転とは、ＧＰＳ等の方位信号に基づいて、設定進路に対して方位偏差が規定値を越えたところで切り換えるようにすることができる。
図５に、第４実施形態を示す。かかる第４実施形態では、制御装置１５に、船舶Ｓの進路方向を把握するＧＰＳ（Global Positioning System、図示省略）が搭載されている。
制御装置１５は、ＧＰＳで把握された進路情報を基に、予め設定された設定進路とを比較して、設定進路に対する方位偏差が規定値以内か否かを判定する規定偏差判定部２０と、方位偏差の方向が＋方向か−方向化かを判断する偏差方向判断部２１とを備えている。また、制御装置１５は、規定偏差判定部２０と偏差方向判断部２１との判定・判断信号に基づいて切換決定部２２が設けられ、さらに切換決定部２２からの信号を基に、力行・回生を切り換えるようにインバータに対する指令を出力する切換指令発生部２３を具備する。

そして制御装置１５は、以下のような、手順で力行運転と回生運転との切り換えを行う。
すなわち、ＧＰＳで把握された船舶Ｓの進路情報を基に、予め設定された設定進路とを比較して、規定偏差判定部２０により規定偏差を超過し、且つ、偏差方向判断部２１により方位偏差の方向が＋方向であると判断された場合に、切換決定部２２から、切換指令発生部２３を介して、交流電動機１３ａ、１３ｂに対する速度指令の運転モードを、交流電動機１３ａを力行運転モードに交流電動機１３ｂを回生運転モードに切り換えるようにインバータ１２ａ、１２ｂに指令を発する。
逆に、規定偏差判定部２０により規定偏差を超過し、且つ、偏差方向判断部２１により方位偏差の方向が−方向であると判断された場合に、切換決定部２２から、切換指令発生部２３を介して、交流電動機１３ａを回生運転モードに交流電動機１３ｂを力行運転モードに切り換えるようにインバータ１２ａ、１２ｂに指令を発することができる。

このようにＧＰＳに基づいて、力行運転と回生運転との切り換えを行うことができるので、設定の方位偏差内であれば、不要な力行・回生の切り換えをなくすことで、交流電動機１３ａ、１３ｂに対するダメージを軽減することができる。

以上、本発明について、第１〜第４実施形態に基づき、制動時の制御運転を挙げ、説明した。いずれにしても本発明では、互いに独立して駆動する第１、第２の駆動部が、進行方向に向かって両側部に配設された交通システムで、制動時に第１、第２駆動部のうちの一方を力行モード、他方を回生モードで運転して減速動作を行うことで、システム内電力母線の電力変動を小さくし、双方の第１、第２駆動部が力行と回生が交互に切り換わるように、減速指令を与えることで交通システムの直進性を確保することができる。

勿論、本発明の交通システムは、制動時に限らず、その他、調速時、加速時においても第１、第２駆動部のうちの一方を力行モード、他方を回生モードで運転することができる。

本発明は電気推進式船舶について実施形態を挙げ、説明したが、勿論、電気推進式船舶に限らず、あらゆる交通システムの互いに独立的に駆動する動力部を備えたものであれば本発明の技術思想を適用して好適なシステムとして提供することができる。

１０推進機構部
１１船内動力源
１２ａ第１インバータ
１２ｂ第２インバータ
１３ａ、１３ｂ交流電動機
１４ａ、１４ｂ推進用プロペラ
１５制御装置
２０偏差判定部
２１偏差方向判断部
２２切換決定部
２３切換指令発生部

Claims (8)

1. 互いに独立して駆動する第１、第２の駆動部が、進行方向に向かって両側部に配設された交通システムにおいて、
   前記第１、第２駆動部は、それぞれシステム電力源からの電力を変換するインバータと、該インバータからの電力により作動する交流電動機と、
   これら交流電動機に夫々機械的に接続された推進機構部と、
   前記第１、第２駆動部に対し、一方が力行モードで他方が回生モードで運転するように速度指令を出す制御装置と、
   を具備することを特徴とする交通システム。
2. 前記制御装置は、前記第１、第２駆動部に対し、力行と回生が交互に切り換わるように、前記交流電動機への速度指令を演算して、前記インバータに夫々演算された補正速度指令を与える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の交通システム。
3. 前記力行と回生とは、予め設定した時間間隔で切り換わるようにした、
   ことを特徴とする請求項２に記載の交通システム。
4. 前記速度指令は、予め定めた速度レートにしたがって演算した第１、第２駆動部の速度バランスの時間変化に基づいて変化させ、切り換え時に、直前の双方の指令値を入れ換えて前記第１、第２駆動部に供給するようにした、
   ことを特徴とする請求項２に記載の交通システム。
5. 前記切り換え時に、一定時間のフリーランを入れた後に直前の双方の指令値を入れ換えて前記第１、第２駆動部に供給するようにした、
   ことを特徴とする請求項４に記載の交通システム。
6. 前記切り換え時間は、交通システムの速度に応じて調整することを特徴とする請求項３に記載の交通システム。
7. 前記力行と回生とは、ＧＰＳ等の方位信号に基づいて、設定進路に対して方位偏差が規定値を越え、且つ偏差方向が正の方向か負の方向かに基づいて切り換えるようにした、ことを特徴とする請求項２に記載の交通システム。
8. 請求項１ないし請求項７の交通システムは、電気推進式船舶である、ことを特徴とする交通システム。
   
   

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