JP2016119786A - ２軸電気推進船の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２個の推進電動機のトルク制限検知信号を相互に受け渡し、一方の推進電動機のトルク制限検出信号を受けて、他方の推進電動機の目標速度基準を低下させ、負荷を低減することにより、推進電動機間の速度偏差量を低減し、旋回終了時に、早く目標速度に復帰できる２軸電気推進船の電力変換装置を提供する。【解決手段】２個の推進電動機の電力変換装置を制御する２個の制御手段を備え、前記２個の制御手段は、それぞれ対応する推進電動機の回転軸を駆動制御するトルク制限手段を備え、一方の推進電動機のトルク制限手段が出力したトルク制限検出信号を、他方の推進電動機の制御手段に送信し、当該他方の推進電動機の制御手段が、前記一方の推進電動機のトルク制限手段が出力したトルク制限検出信号を受信した際に、当該他方の推進電動機の速度基準を下げることを特徴とする２軸電気推進船の電力変換装置。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、２軸電気推進船の電力変換装置に関する。

船舶の電気推進装置では、電源を供給する推進発電機の容量が小さく推進発電機保護のための出力制限機能、及び推進電動機保護のため、トルク制限機能を設けることがある。

例えば、同一の速度基準で速度制御された２軸電気推進船の電力変換装置において、旋回中は、内側推進電動機の負荷が重く、外側推進電動機の負荷が軽くなる。

図５は、２軸電気推進船における推進電動機の旋回時における出力制限時の従来の挙動を説明する図である。２軸電気推進船が直進航行している場合、２個の推進電動機Ｍ１、Ｍ２の回転数ｎ１、ｎ２は、目標回転数ｎｓで設定された回転数で旋回開始タイミングｔ１まで駆動される。図６は、本実施例に係る２軸電気推進船のトルク制限時の挙動を説明する図で、２軸電気推進船が進行方向左側に舵角一定で旋回を開始する場合を示している。すなわち、当該２軸電気推進船において、推進電動機Ｍ１は内側推進電動機となり、推進電動機Ｍ２は外側推進電動機となる。

旋回開始タイミングｔ１から内側トルク制限開始タイミングｔ２までは、推進電動機Ｍ１、Ｍ２の回転数ｎ１，ｎ２を目標回転数ｎｓで設定された回転数で駆動する。

特許第５０２５１７６号公報

図５において、推進発電機及び推進電動機が１対１の電気推進装置を持つ船舶においては、旋回内側の推進発電機（以下、内側推進発電機と称する。）の電力制限により旋回内側の推進電動機（以下、内側推進電動機と称する。）Ｍ１はトルク制限となり回転数ｎ１が低下し、さらに、旋回外側の推進電動機（以下、外側推進電動機と称する。）Ｍ２は、目標回転数に対する速度制限を継続すると、速度偏差（回転数偏差）が大きくなり、旋回終了タイミングｔ３後、トルク制限からの復帰に時間がかかり、船舶の運動性能を阻害するという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、２軸電気推進船を駆動するそれぞれの推進電動機のトルク制限検知信号を相互に受け渡し、旋回により、一方の推進電動機がトルク制限となった信号を受けて他方の推進電動機の目標速度基準を低下させて、他方の推進電動機の負荷を低減させることにより、推進電動機間の速度偏差量を低減して、旋回終了時に、早く目標速度に復帰できるようにした２軸電気推進船の電力変換装置を提供することを目的にする。

上記目的を達成するために、本発明の２軸電気推進船の電力変換装置は、少なくとも２個の推進電動機及び当該推進電動機をそれぞれ駆動する電力変換装置を有する２軸電気推進船であって、前記２個の推進電動機を駆動する２個の電力変換装置を制御する２個の制御手段を備え、前記推進電動機は、当該２軸電気推進船の推進軸の左右に、かつ、前記推進電動機の回転軸が前記推進軸と並行に配置され、前記２個の制御手段は、それぞれ対応する推進電動機の回転軸を駆動制御するトルク制限手段を備え、一方の推進電動機のトルク制限手段が出力したトルク制限検出信号を、他方の推進電動機の制御手段に送信し、当該他方の推進電動機の制御手段が、前記一方の推進電動機のトルク制限手段が出力したトルク制限検出信号を受信した際に、当該他方の推進電動機の速度基準を下げることを特徴とする。

この発明によれば、本発明に係る電力変換装置を２軸電気推進船に適用することにより、当該２軸電気推進船は、旋回終了時に早期に目標速度に復帰することが可能になる。

本実施例に係る２軸電気推進船の電力系統図。 本実施例に係る２軸電気推進船の制御部のブロック図。 本実施例に係る２軸電気推進船を推進する推進電動機の旋回時における出力制限時の挙動を説明する図。 推進電動機Ｍ１とＭ２トルク制限検出信号、又は推進電動機Ｍ２とＭ１制限検出信号との関係を説明する図。 ２軸電気推進船における推進電動機の旋回時における出力制限時の従来の挙動を説明する図。 本実施例に係る２軸電気推進船のトルク制限時の挙動を説明する図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例に係る２軸電気推進船の電力系統図である。推進発電機Ｇ１〜Ｇ３で生成された交流電力は、遮断器６０〜６２、断路器５０〜５２を経てＢＵＳ８０に供給される。ＢＵＳ８０に供給された交流電力は、遮断器４０・４１を経てトランス３０・３１の１次側に供給される。トランス３０・３１によって変圧された２次側の低圧（例えば、交流１００Ｖ）からなる低圧電力は、インバータ部２０・２１に供給される。

インバータ部２０・２１は、コンバータ（図示しない）及びインバータ（図示しない）を有して構成される。コンバータは、トランス３０・３１から供給された低圧の交流電力を、直流電力に変換する。インバータは、コンバータによって変換された直流電力を、推進電動機Ｍ１・Ｍ２の動作に必要な交流電力に変換する。なお、推進電動機Ｍ１〜Ｍ２の符号１０〜１１及び推進発電機Ｇ１〜Ｇ３の符号７０〜７２は、付与しなくても区別が容易であることから、特に記載する必要がある場合を除いて省略してある。

推進電動機Ｍ１及びＭ２は、当該２軸電気推進船の推進方向（推進軸）の左右に、かつ、当該推進電動機の回転軸が推進軸と並行に配置される。

制御部９０は、上述したコンバータ及びインバータで構成されたインバータ部２０・２１の動作を制御する。上記インバータ及びコンバータは、複数のスイッチング素子で構成されている。従って、制御部９０は、これらのスイッチング素子のゲートを制御することにより、上述した推進電動機Ｍ１・Ｍ２を駆動制御する。

駆動制御とは、推進電動機Ｍ１・Ｍ２を起動・停止するのみならず、当該推進電動機Ｍ１・Ｍ２の回転速度及び回転トルクを制御する。

図２は、本実施例に係る２軸電気推進船の制御部９０のブロック図である。なお、制御部９０には、インバータ部２０・２１及び推進電動機Ｍ１・Ｍ２は含まない。制御部９０は、推進電動機Ｍ１を制御するＭ１制御部９０ａ及び推進電動機Ｍ２を制御するＭ２制御部９０ｂを有して構成される。Ｍ１制御部９０ａとＭ２制御部９０ｂは同様に構成されているため、以下、Ｍ１制御部９０ａの構成を説明する。

Ｍ１制御部９０ａには、目標回転数設定手段１００、トルク制限回転数低減値設定手段１０１、Ｍ１電動機電力検出手段（Ｍ１推進電動機電動機電力検出手段の略称）１０２、Ｇ１発電機電力検出手段（Ｇ１推進発電機電力検出手段の略称）１０３、出力制限値設定手段１０４、レート処理手段１０７、速度制御手段１１１、トルク制限手段１１３、電流制限手段１１４、推進電動機Ｍ１の速度検出手段１１５などの検出・設定・処理・制限の各手段、切替手段及び加減算・除算などの演算手段が備えられている。上述したように、Ｍ２制御部９０ｂの構成はＭ１制御部９０ａの構成と同様である。

以下、２軸電気推進船が進行方向左側に旋回することにより、推進電動機Ｍ１がトルク制限手段１１３によりトルク制限を受け、その際にトルク制限手段１１３から出力されたＭ１トルク制限検出信号により、推進電動機Ｍ２の回転速度及びトルクがＭ２制御部９０ｂにより制御される動作を説明する。

目標回転数設定手段１００は、推進電動機Ｍ１の目標回転数を設定し、その出力は、切替手段１０５の一方の入力端子aに接続される。また、トルク制限回転数低減値設定手段１０１は、推進電動機Ｍ１のトルク制限回転数低減値を設定し、その出力は、切替手段１０５の他方の入力端子ｂに接続される。なお、切替手段１０５の制御端子ｃは、推進電動機Ｍ２のトルク制限手段１３３に接続され、そこから出力されるＭ２トルク制限検出信号によって制御される。通常は、切替手段１０５の入力端子aに接続されている目標回転数設定手段１００の出力が選択されている。

例えば、当該２軸電気推進船が進行方向左側に旋回することにより、推進電動機Ｍ１のトルク制限手段１１３が当該推進電動機Ｍ１のトルクを制限した際に、Ｍ１トルク制限検出信号１１３ａがＭ２制御部９０ｂに送信される。

送信されたＭ１トルク制限検出信号１１３ａは、Ｍ２制御部９０ｂの切替手段１２５の制御端子ｃに入力され、切替手段１２５の入力端子ｂに接続されたトルク制限回転数低減値設定手段１２１の出力が選択される。

切替手段１２５の出力端子ｄは、レート処理手段１２７に接続される。レート処理手段１２７は、切替手段１２５の入力端子ａに接続された目標回転数設定手段によって設定された回転数をもとに速度のレート処理を行う。レート処理手段１２７の処理結果は、減算手段１２９に入力される。

減算手段１２９は、レート処理手段１２７によって設定された速度から、推進電動機Ｍ２の速度を減算する。減算手段１２９の減算出力は、速度制御手段１３１に入力される。その結果、レート処理手段１２７で設定された速度と、推進電動機Ｍ２との差分速度に基づく速度制御が速度制御手段１３１によって行われる。なお、推進発電機電力検出手段１２３によって検出された推進発電機Ｇ２の電力と、推進発電機Ｇ２の出力を設定する出力制限値設定手段１２４によって設定された推進発電機Ｇ２の出力電力が出力電力比較手段１２８によって比較され、その比較結果に基づいて上記速度制御手段１３１による速度設定が制限される。推進発電機Ｇ２の発電能力に関わらず速度設定や後述するトルク設定を行うと推進発電機Ｇ２の障害原因となるため、その障害を防止するためである。

速度制御手段１３１によって設定された速度に基づき。推進電動機Ｍ２を駆動するトルクが生成されるが、当該トルクもトルク制限手段１３３によって制限される。推進電動機Ｍ２の駆動能力（駆動トルク）を超えて駆動トルクを大きくすれば、当該推進電動機Ｍ２の障害の原因となるため、その障害を防止するためである。

電流制御手段１３４は、インバータ部２１に供給する電流を制御する。例えば、インバータ部２１で、当該インバータ部２１を構成するスイッチング素子の短絡障害が発生した場合などには、当該インバータ部２１に許容電流を超えて電流が流れるが場合がある。電流制御手段１３４は、このような場合、インバータ部に流入する電流値を制限ことができる。

インバータ部２０は、上述したようにコンバータ及びインバータを有して構成される。コンバータは、交流電力を直流電力に変換する。インバータは、コンバータによって変換された直流電力を負荷に適合する交流電力に変換する。ここでは、負荷として推進電動機Ｍ１が該当するため、当該推進電動機Ｍ１を駆動するための交流電力（例えば、交流３相電力）に変換される。

推進電動機Ｍ１は、上述したインバータ部２０で生成された交流電力によって駆動される。

速度検出手段１１５は、推進電動機Ｍ１の回転速度を検出する。検出した回転速度は、減速手段１０９、及びトルク制限値算出手段１１２に通知される。

推進電動機Ｍ２は、推進電動機Ｍ１同様にＭ２制御部９０ｂによって駆動制御される。例えば、当該２軸電気推進船が進行方向右側に旋回することにより、推進電動機Ｍ２のトルク制限手段１３３が当該推進電動機Ｍ２のトルクを制限した際に、Ｍ２トルク制限検出信号１１３ａがＭ１制御部９０ｂに送信される。

送信されたＭ２トルク制限検出信号１３３ａは、Ｍ１制御部９０ａの切替手段１０５の制御端子ｃに入力され、切替手段１０５の入力端子ｂに接続されたトルク制限回転数低減値設定手段１０１の出力が選択される。

以下、当該２軸電気推進船が進行方向左側に旋回した場合の動作に係るＭ１制御部９０ａとＭ２制御部９０ｂを入れ替えた場合の各部の動作で説明される。

次に、上述した推進電動機Ｍ１・Ｍ２及び対応する推進発電機Ｇ１・Ｇ２を制御部９０によって出力制限する場合の制御方法の一例を示す。

１．出力制限について
（１）推進電動機Ｍ１及びＭ２の各回転軸は独立制御とする。

（２）出力制限制御は、推進電動機２台（ここでは、Ｍ１、Ｍ２）運転を前提とし、
各軸均等に行うものとする。

（３）推進発電機（ここではＧ１・Ｇ２）の運転条件、推進発電機平行運転係数、出力制限係数より、「出力制限目標値」、「出力制限開始値」、「出力制限解除値」を算出する。これらの値は、設定値により調整可能とする。

（４）推進発電機出力が、「出力制限開始値」レベルに達したら、「出力制限中」表示をすると共に、推進発電機出力が、「出力制限目標値」以下となるように、推進電動機出力を制限（トルク制限）する。

（５）推進発電機出力が、「出力制限解除値」レベルまで低下したら、「出力制限中」表示灯消灯及び推進電動機出力の制限（トルク制限）を解除する。

（６）出力低減値は、現在の推進発電機出力（検出値）と出力制限目標値（設定値）との差とし、１軸分の電動機出力から低減する値に換算する。

（７）トルク制限値は、現在の電動機出力（演算値）から出力低減値を減算して求めた電力（演算値）と、推進電動機回転数（検出値）から演算する。

２．出力制限制御演算式
（１）出力制限目標値[kw]＝推進発電機定格出力[kw]×推進発電機運転台数[台]÷γ×α
（２）出力制限開始値[kw]＝推進発電機定格出力[kw]×推進発電機運転台数[台]÷γ×θ
（３）出力制限解除値[kw]＝推進発電機定格出力[kw]×推進発電機運転台数[台]÷γ×β
α：出力制限目標値係数[kw]（調整範囲：1.00〜0.80）
θ：出力制限開始値係数[kw]（調整範囲：1.00〜0.80）
β：出力制限解除値係数[kw]（調整範囲：1.00〜0.80）
γ：推進発電機並行運転係数[kw]（調整範囲：1.00〜1.15）
出力低減値[%]＝(推進発電機出力(AI)[kw]−出力制限目標値[kw])÷電動機運転台数２[台]÷電動機定格出力1800[kw]≧0[%]
推進発電機出力(AI)：推進発電機運転モード(1G、2G、3G、1G+2G)、及び推進発電機出力の検出値(AI)より演算。
トルク制限値(IQ_LMT_EXT)[%]＝(電動機出力（演算値）[%]−出力低減値[%])
÷電動機速度(SP_F_OUT)[%]×94.2[%]≦100[%]
すなわち、トルク制限値１１２ａ（又は１３２ａ）は、電動機出力１０２ａ（又は１２２ａ）から出力低減値１０６ａ（又は１２６ａ）を減算して得られた電動機出力１０２ｂ（又は１２２ｂ）を電動機速度１１５ａ（又は１３５ａ）で除算して得られた値に９４．２を乗算して得られる。
電動機出力(演算値)[%]：トルク基準(T_R_OUT)[%]×電動機速度(SP_F_OUT)[%]÷94.2[%]≦100[%]
トルク制限レート：絞り(出力制限開始時)は瞬時、戻し(出力制限解除後)は1[%/S]レートとする。出力制限解除後、トルク制限値は100[%]まで戻す。

図３は、本実施例に係る２軸電気推進船を推進する推進電動機の旋回時における出力制限時の挙動を説明する図である。

２軸電気推進船が直進航行している場合、２軸電気推進船は、当該２個の推進電動機Ｍ１、Ｍ２の回転数ｎ１、ｎ２を目標回転数ｎｓで設定された回転数で旋回開始タイミングｔ１まで駆動する。ここで、図６に示す進行方向左側に旋回を開始する場合、推進電動機Ｍ１は内側推進電動機となり、推進電動機Ｍ２は外側推進電動機となる。

旋回開始タイミングｔ１から内側トルク制限開始タイミングｔ２までは、内側推進電動機Ｍ１の回転数ｎ１（以下、内側回転数ｎ１と称する。）及び外側推進電動機Ｍ２の回転数ｎ２（以下、外側回転数ｎ２と称する。）を目標回転数ｎｓで設定された回転数で駆動する。一方、そのトルクは、上述したように内側推進電動機の負荷は旋回に伴って外側推進電動機の負荷に比べて重くなる。従って、内側推進電動機のトルクＴ１（以下、内側トルクＴ１と称する。）は外側推進電動機のトルクＴ２（以下、外側トルクＴ２と称する。）に比べて大きくなり、トルク制限に到達する。無限にトルクが大きくなると内側推進電動機Ｍ１の故障原因になるため、トルク制限が必要になる。

内側トルク制限開始タイミングｔ２後、内側トルク制限を受けて外側の目標回転数ｎｓを内側トルク制限解除まで下げる。この処理は、図２において、推進電動機Ｍ１側のトルク制限手段１１３から出力されるＭ１トルク制限検出信号１１３ａが推進電動機Ｍ２側の切替手段１２５の制御端子ｃに接続されており、当該Ｍ１トルク制限検出信号１１３ａによって推進電動機Ｍ２側の切り替え手段１２５の入力端子ａから入力端子ｂに切り替わることにより行われる。入力信号ｂには、トルク制限回転数低減値設定手段１２１の出力が接続されており、本実施例では、外側の推進電動機Ｍ２の回転数ｎ２（以下、外側回転数ｎ２と称する。）を低下させるが、その際、回生動作にならないように漸減する。このようにして、外側回転数ｎ２が内側トルク制限解除まで低下すると、内側回転数ｎ１と外側回転数ｎ２は同様の回転数になる。

内側回転数ｎ１と外側回転数ｎ２が同様の回転数になる内側トルク制限解除タイミングｔ３では、内側トルク制限が解除されたので外側目標回転数を戻す処理を行う。また、内側トルク制限解除に伴い、内側回転数ｎ１は、目標回転数ｎｓまで戻ろうとする。この結果、内側回転数ｎ１及び外側回転数ｎ２は旋回終了タイミングまでに目標回転数ｎｓ戻る。

なお、内側トルク制限解除タイミングｔ３から旋回終了タイミングｔ４までの間、内側トルクＴ１はトルク制限解除処理に伴い低下し、外側トルクＴ２は内側トルクＴ１に向かって上昇する。

旋回終了タイミングｔ４後、２軸推進船は直進航行することになり、内側回転数ｎ１と外側回転数ｎ２は目標回転数ｎｓで設定された回転数で駆動され、同様に内側トルクＴ１と外側トルクＴ２は、設定されたトルク基準に戻る。

図４は、推進電動機Ｍ１とＭ２トルク制限検出信号又は推進電動機Ｍ２とＭ１制限検出信号との関係を説明する図である。

上述した実施例では、２個の推進電動機Ｍ１、Ｍ２を有する２軸電気推進船が、図６に示す進行方向左側に旋回する場合を例に説明したが、推進方向右側に旋回する場合は、推進電動機Ｍ２が内側推進電動機となるため、図３における内側トルク制限開始タイミングｔ２でトルク制限を開始することになる。この場合は、Ｍ２制御部９０ｂのトルク制限手段１３３から出力されたＭ２トルク制限検出信号がＭ１制御部９０ａの切り替え手段１２５の制御端子ｃに入力され、推進電動機Ｍ１のトルク制限回転数低減値設定手段の出力が選択され（図３に示す旋回内側Ｔ１と旋回外側Ｔ２を入れ替えた場合に相当する。）、この場合、外側推進電動機のトルクＴ１及び外側回転数ｎ１が下がることになる。当該２軸電気推進船が進行方向右側に旋回する場合は、上述した図３の説明において、内側推進電動機をＭ２とし、外側推進電動機１をＭ１とした場合が該当する。

以上説明した本実施例によれば、旋回終了時に内側回転数ｎ１と外側回転数ｎ２の回転数が目標回転数ｎｓに戻っているため、従来、旋回終了時に内側回転数ｎ１と外側回転数ｎ２の間に生じていた回転数偏差（図５参照）がないため、「旋回終了によるトルク制限からの復帰に時間がかかり、船舶の運動性能を阻害する。」という課題を解決することが」できる２軸電気推進船の電力変換装置を提供することができる。

１０、１１ 推進電動機
２０、２１ インバータ部
３０、３１ トランス
４０、４１、６０〜６２ 遮断器
５０〜５２ 断路器
７０〜７２ 推進発電機
９０ 制御部
９０ａ Ｍ１制御部
９０ｂ Ｍ２制御部
１００、１２０ 目標回転数設定手段
１０１、１２１ トルク制限回転数」低減値設定手段
１０２、１２２ 推進電動機電力検出手段
１０３、１２３ 推進発電機電力検出手段
１０４、１２４ 出力制限値設定手段
１０５、１２５ 切替手段
１０７、１２７ レート処理手段
１０８、１２８ 出力電力比較手段
１０９、１２９ 減算手段
１１１、１３１ 速度制御手段
１１３、１３３ トルク制限手段
１１４、１３４ 電流制御手段
１１５、１３５ 速度検出手段

Claims (4)

1. 少なくとも２個の推進電動機及び当該推進電動機をそれぞれ駆動する電力変換装置を有する２軸電気推進船であって、
   前記２個の推進電動機を駆動する２個の電力変換装置を制御する２個の制御手段を備え、
   前記推進電動機は、当該２軸電気推進船の推進軸の左右に、かつ、前記推進電動機の回転軸が前記推進軸と並行に配置され、
   前記２個の制御手段は、それぞれ対応する推進電動機の回転軸を駆動制御するトルク制限手段を備え、一方の推進電動機のトルク制限手段が出力したトルク制限検出信号を、他方の推進電動機の制御手段に送信し、当該他方の推進電動機の制御手段が、前記一方の推進電動機のトルク制限手段が出力したトルク制限検出信号を受信した際に、当該他方の推進電動機の速度基準を下げることを特徴とする２軸電気推進船の電力変換装置。
2. 前記他方の推進電動機の制御手段は、
   前記一方の推進電動機が検出したトルク制限検出信号を受信して当該他方の推進電動機の速度基準を下げる際に、回生動作にならないように当該速度基準を漸減することを特徴とする請求項１記載の２軸電気推進船の電力変換装置。
3. 前記他方の推進電動機の制御手段はさらに、
   前記一方の推進電動機が検出したトルク制限検知信号が解除されたとき、当該他方の推進電動機の速度基準を目標回転数まで復帰させることを特徴とする請求項２記載の２軸電気推進船の電力変換装置。
4. 前記一方の推進電動機のトルク制限手段は、旋回時、内側になる内側推進電動機に対するトルク制限であり、前記他方の推進電動機のトルク制限手段は、旋回時、外側になる外側推進電動機に対するトルク制限であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の２軸電気推進船の電力変換装置。

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