JP4816347B2 - 電気推進装置の推進制御方法および装置 - Google Patents

Description

蓄電池（以下、電池という）と、この電池を充電する発電機とを備えたハイブリッド電源により船舶の推進プロペラを駆動する推進電動機に電力を供給して船舶を推進するようにした船舶の電気推進装置に関する。

電池と、この電池を充電する発電機とからなるハイブリッド電源から電力を供給するようにした船舶の電気推進装置は、特許文献１に示されている。ハイブリッド電源は、船舶の推進プロペラを駆動する推進電動機（主機）に給電する他に、各種の補機類を有する船内設備にも給電するが、電池を発電機により充電しながら発電機および電池の両方から給電を行う運転モードと、発電機を停止して電池のみから給電を行う運転モードがある。

電池のみで給電を行う運転モードの場合、電池電圧は、長時間運転による放電によって徐々に低下するが、船速の増大、すなわち推進電動機の出力の増大によって大幅に低下する。

電池の電圧低下は、特に、推進電動機、船内設備などの全ての機器・装置の安定動作に支障を与え、場合によっては運転不能となり船舶の安全運行を損なう危険性がある。

また、電気推進装置における推進電動機の所要電力と船内設備の所要電力との比は通常約１０：１程度とされるため、推進電動機への電力供給量が大幅に増大すると、推進電動機の電流の大幅増加により、電池電圧の大幅低下を来たし、船内の機器および装置の安定動作に支障を与えることになる。
特開２００５−０８０３１８号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような従来装置においては、このような電池のみの運転モードにおける電池電圧の低下に自動的に対応することは行われておらず、操作員が電池電圧を監視しながら推進電動機の運転を制御して電池電圧の低下を抑制するようにするのが一般的であり、万一、操作員が、電池電圧が低下しているにもかかわらず、推進電動機の回転速度を増加させる操作を行うようなことがあれば、最悪、電池電圧が異常に低下して電気推進装置の全体が動作不能となり、システムダウンに至る恐れがある。

本発明は、前記にかんがみ、電池およびこの電池を充電する発電機からなるハイブリッド電源を備えた電気推進装置おいて、特に、電池のみの運転するモードで、電池電圧を監視して、電池電圧の異常低下を防止し、電気推進装置がシステムダウンに至ることがないように電気推進装置を制御することのできる電気推進装置の推進制御方法および装置を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するために、この発明の制御方法の第１の発明は、蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、前記推進電動機の実際速度が外部の速度設定器から与えられる指令速度と等しくなるように前記推進電動機への供給電力の制御を行う推進制御装置を設け、前記推進電動機への入力電圧とこの入力電圧の許容される下限の電圧として予め設定された制限電圧とを比較し、前記入力電圧が前記制限電圧より高いときは、前記推進制御装置に前記外部の速度設定器に設定された設定速度を指令速度として与え、前記入力電圧が制限電圧より低下したときは、前記推進制御装置に前記入力電圧が前記制限電圧と等しい電圧となる前記推進電動機の速度を演算により求め、この演算により求めた速度を指令速度として与えて、推進電動機の速度制御を行うことを特徴とするものである。

また、この発明の制御方法の第２の発明は、蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、前記推進電動機の実際速度が外部の速度設定器から与えられる指令速度と等しくなるように前記推進電動機への供給電力の制御を行う推進制御装置を設け、前記推進電動機への入力電圧とこの入力電圧の許容される下限の電圧として予め設定された制限電圧とを比較し、前記入力電圧が前記制限電圧より高いときは、前記推進制御装置に前記外部の速度設定器に設定された速度を指令速度として与えて推進電動機の速度制御を行い、前記入力電圧が制限電圧より低下したときは、前記推進制御装置に前記制限電圧を指令電圧として与えて推進電動機の電圧制御を行うことを特徴とするものである。

さらに、この発明の制御装置の第１の発明は、蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、前記推進電動機から検出される実際速度を外部から与えられる指令速度に保つように前記推進電動機への供給電力を制御する速度制御手段、前記推進電動機への指令速度を設定する速度設定器、前記電源から前記推進電動機へ入力される入力電圧の許容される下限の電圧を制限電圧として予め設定する電圧設定器および、前記入力電圧と前記電圧設定器で設定された制限電圧とを比較し、前記入力電圧が前記制限電圧より高いときは、前記速度設定器に設定された速度を指令速度として前記速度制御手段に与え、前記入力電圧が前記制限電圧より低下したときは、演算により前記入力電圧が前記制限電圧となるときの前記推進電動機の速度を求め、この演算により求めた速度を指令速度として前記速度制御手段に与えるようにした演算手段を備えた推進制御装置を設けたことを特徴とするものである。

また、この発明の制御装置の第２の発明は、蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、外部から指令速度が加えられたときは前記推進電動機から検出される実際速度を前記指令速度に保ち、外部から指令電圧が加えられたときは、前記推進電動機の入力電圧を前記指令電圧に保つように前記推進電動機の速度および電圧を制御する速度・電圧制御手段、前記推進電動機への指令速度を設定する速度設定器、予め前記電源から前記推進電動機へ入力される入力電圧の許容される下限の電圧を制限電圧として設定する電圧設定器、前記推進電動機の入力電圧と前記電圧設定器に設定された制限電圧とを比較して、入力電圧が制限電圧より高いときは、前記速度・電圧制御手段に前記速度設定器に設定された速度を指令速度として与え、入力電圧が制限電圧より低いときは、前記速度・電圧制御手段に前記電圧設定器に設定された制限電圧を指令電圧として切替えて与える電圧判別手段および、前記速度設定器に設定された速度指令値と前記推進電動機から検出される速度実際値とを比較して、前記速度設定器に設定された速度が前記推進電動機の実際速度より大きくなったとき前記電圧判定手段を入力電圧が制限電圧より高いときの動作状態に戻す速度判別手段を備えた推進制御装置を設けたことを特徴とするものである。

この発明によれば、蓄電池と、この蓄電池を充電する発電機からなるハイブリッド電源を電力供給源とし、この電源によって推進電動機を駆動してプロペラを回転させて推進する船舶の電気推進装置において、推進電動機の入力電圧を監視し、この電圧が予め設定した制限電圧以上の電圧のときは、推進電動機の速度を設定速度に保つ速度制御運転を行い、入力電圧が前記制限値以下に低下したときは、前記推進電動機の入力電圧を予め設定された制限電圧に保つ電圧制御運転が行われるようになるので、発電機を停止して蓄電池のみで運転するモードになったときにも、大電力を必要とする推進電動機の回転速度を増加させようと指令しても、推進電動機の出力が自動的に制限され、主電路電圧が制限電圧以下に低下することが防止され、電気推進装置の機器・装置が電源電圧低下による運転停止などの支障を起こさなくなり、電気推進装置を安定に運転することができ、信頼性を向上することができる。

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。

図１は、この発明の原理的な構成を示すブロック回路図である。

この図において、１は、原動機ＤＥで駆動される交流発電機Ｇおよび整流器ＲＥＣからなる発電装置１１と、この発電装置１１によって充電される蓄電池１２とを備えた船舶内のハイブリッド電源装置である。このハイブリッド電源装置１からスイッチＳ３を介して、船舶推進用プロペラ２を駆動する、電力変換器ＩＮＶと推進電動機Ｍとからなる推進装置３へ給電されるだけでなく、スイッチＳ２を介して直流電動機ＤＣＭ１ないしＤＣＭｎ、交流電動機ＡＣＭ１ないしＡＣＭｎ等の補機類を含む船内設備４へ給電される。電源装置１から供給される電力は直流であるため、推進装置３の電力変換器ＩＮＶは、インバータで構成され、これにより交流電動機で構成された推進電動機Ｍに交流電力を供給する。そして、船内設備４の直流電動機ＤＣＭは直流電力変換器ＤＣＣを介して制御され、交流電動機ＡＣＭは、定電圧低周波インバータＣＶＣＦを介して駆動される。

電源装置１は、発電装置１１が何らかの理由で停止され、電池１２のみから給電して運転するモードがある。電池１２のみからの給電による運転モードでは、原動機ＤＥ、交流発電機Ｇを停止、スイッチＳ４をオフにし、スイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３をオンにして推進装置３、および船内設備４へ電池１２だけから電力が供給されるため、図２に示すような主電路の各点の電圧ＶＢ、Ｖ１〜Ｖ４は推進装置３の電流ＩＭおよび船内設備４の電流ＩＡＸの大きさによって決定される。

さらに、船舶の運行を制御するために、推進装置４を制御する推進制御装置５が設けられている。この推進制御装置５には、推進電動機Ｍへの指令速度ＮＳを設定する速度設定器ＳＲ、推進装置４へ入力する入力電圧Ｖ３について、あらかじめ許容した下限の電圧を制限電圧ＶＬとして設定する電圧設定器ＶＲ、推進電動機Ｍの許容する上限の電流ＩＬを設定する電流設定器ＩＲ、推進装置４の入力電圧Ｖ３を検出する電圧検出器ＶＤ、推進電動機Ｍの実際の速度Ｎを検出する速度検出器ＴＤなどが付設される。制御装置５は、これらの各機器から入力される信号を処理して、電力変換器ＩＮＶを介して推進電動機Ｍの速度を制御する。

図２は、図１の装置の電池１２のみから給電する運転モードにおける主電路のインピーダンスを示すものである。この図において、ｅＢは、電池１２の起電力、ＶＢは、電池１２の出力端電圧、ＲＢは電池１２の内部抵抗、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ主電路のａ−ｂ点間、ｂ−ｃ点間、ｃ−ｄ点（推進装置３の入力端）間およびｂ点−船内設備４間の抵抗、Ｖ１〜Ｖ３は、それぞれ主回路のｂ、ｃおよびｄ点の電圧である。

電池１２の出力電流ＩＢは、推進装置３への供給電流ＩＭと船内設備４への供給電流ＩＡＸの合計電流（ＩＢ＝ＩＭ＋ＩＡＸ）となる。

電池１２の端子電圧ＶＢは、
ＶＢ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ （１）
となり、船内設備４への分岐点ｂの電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝ＶＢ−ＩＢ×Ｒ１ （２）
となる。そして、推進装置３への供給（入力）電圧Ｖ３は、
Ｖ３＝Ｖ１−ＩＭ×（Ｒ２＋Ｒ３） （３）
となり、船内設備４への供給電圧Ｖ４は、
Ｖ４＝Ｖ１−ＩＡＸ×Ｒ４ （４）
となる。

ここで、推進装置３の入力電流がＩＭであるので、これにより推進装置３の入力電圧Ｖ３を求めると、
Ｖ３＝ｅＢ−ＩＭ×（ＲＢ＋Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）−ＩＡＸ×（ＲＢ＋Ｒ１） （５）
となるが、通常の回路では電池１２の内部抵抗ＲＢの抵抗値が他の母線の抵抗Ｒ１〜Ｒ３などの抵抗値に比べて大きいことから、電池１２の電圧変動は内部抵抗ＲＢによって支配されることが多い。

推進装置３の入力電圧Ｖ３は、上の（５）式で示されるように推進装置３の入力電流ＩＭによって支配され、かつ、船内設備４への分岐点ｂおよび船内設備４の入力端の電圧Ｖ１、Ｖ４は電池１２の出力電圧ＶＢによって大きく変動することが判る。

さらに、電池１２の出力電圧ＶＢは、次の（６）式に示すように電池内部起電力ｅＢによって変化することがわかる。

ＶＢ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ＝ｅＢ−（ＩＭ＋ＩＡＸ）×ＲＢ （６）
そしてこの電池内部起電力ｅＢは、電池１２の充電状態、または放電状態の電池残存量によって高電圧、中間電圧、低電圧の範囲で変化し、電池を供給源とする電源における高電圧と許容される下限の電圧（低電圧）との実用的な電圧変動範囲は１：０．５とされている。

ここで、主電路電流、すなわち推進電動機電流ＩＭが定格電流の１００％電流のときに推進装置３の入力端ｄまでの電圧降下が電源電圧の１０％であると仮定した合における入力電圧Ｖ３の電圧降下特性を、電池１２の内部起電力ｅＢが高電圧レベル、中間電圧レベル、低電圧レベルと変化した場合のそれぞれについて、図４に示す。図４において、特性線Ｂは電池１２の電池電圧ＶＢが無負荷で定格電圧の１００％電圧となる高電圧レベルにあるときの電圧降下特性ＶＨを示し、特性線Ａは電池電圧ＶＢが無負荷で定格電圧の８０％電圧程度となる中間電圧レベルにあるときの電圧降下特性ＶＭを示し、そして特性線Ｃは電池電圧ＶＢが無負荷で定格電圧の６０％電圧程度の低電圧レベルにあるときの電圧降下特性ＶＬ１を示す。

また、この図４には、推進電動機Ｍの回転速度Ｎを一定としたときの推進装置３の入力端ｄの電圧Ｖ３の変化と電流の変化の関係も併せて示している。なお、プロペラを駆動する推進電動機Ｍの出力Ｐは回転速度Ｎの３乗に比例するとされている。定出力線１００は回転速度が定格速度の１００％速度であって出力も定格出力の１００％出力であるときの電圧−電流特性を示すものであり、定出力線７０は回転速度が約９０％速度であって出力が約７１％出力であるときの電圧−電流特性を示すものであり、さらに、定出力線４０は回転速度が約７５％速度のであって出力が約４３％出力であるときの電圧−電流特性を示すものである。

例えば、推進電動機Ｍを定格速度の約９０％速度（約７１％出力）で運転しているときの推進装置３の入力電圧Ｖ３は、電池電圧ＶＢが高レベルにあるときは、特性線Ｂ（電圧降下特性ＶＨ）と定出力線７０との交点のＶＨ１ｂの電圧となるので、約９５％電圧となり、電流ＩＭは定格電流の６０％電流程度となる。

電池電圧ＶＢが中間電圧レベルのときは、入力電圧Ｖ３は、特性線Ａ（電圧降下特性ＶＭ）と定出力線７０との交点のＶＭの電圧となるので、７０％強の電圧となり、電流ＩＭが約７５％電流になる。

そして、電池電圧ＶＢが低電圧レベルのときは、入力電圧Ｖ３は、特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）と定出力線７０との交点のＶＬ１ｂの電圧となるので、５０％電圧となり、電流ＩＭが１００％電流となるような電圧−電流特性となる。

図３は推進電動機Ｍの電流ＩＭと回転速度Ｎ、出力Ｐおよび入力電圧Ｖ３との関係を示した特性線図であり、この図の上部に示されている電圧−電流特性は、図４の電圧−電流特性における中間電圧レベル以下の部分に相当するものである。

上述のようにプロペラを駆動する推進電動機Ｍの出力Ｐは回転速度Ｎの３乗に比例するとされ、推進装置３の入力電流ＩＭはこの出力Ｐを入力電圧Ｖ３で除した
ＩＭ＝Ｐ÷（Ｖ３×ρ（効率）） （７）
となる。

ここで、例えば、入力電圧Ｖ３が８０％電圧の中間電圧レベルであって、電流ＩＭが１００％電流であるときに推進電動機Ｍの回転速度Ｎおよび出力Ｐがそれぞれ１００％速度および１００％出力（図３および図４のＶＭａ点）となる特性線Ａ（電圧降下特性ＶＭ）を基準とすれば、入力電圧Ｖ３が１００％電圧の高電圧レベルであってその電圧降下特性が電圧降下特性ＶＨであるときは、特性線Ｂで示されるように、８０％電流で１００％速度および１００％出力（図４のＶＨａ点）を得ることができるが、入力電圧Ｖ３が６０％電圧程度の低電圧レベルであってその電圧降下特性が電圧降下特性ＶＬ１であるときは、特性線Ｃで示されるように、電流ＩＭを１００％電流に制限したとすれば回転速度Ｎおよび出力Ｐはそれぞれ約９０％速度および約７１％出力（図３および図４のＶＬ１ｂ点）に低下する。

また、入力電圧Ｖ３の高電圧レベルと低電圧レベルとの実用的な電圧変動範囲を１：０．５とした場合は、許容する下限の制限電圧ＶＬＬが５０％電圧となるため、電気推進装置において、定出力線７０での定出力運転を維持するための入力電圧Ｖ３の電圧低下レベルは、図３および図４に示す特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）のレベルに制限されるが、主電路から給電を受ける機器・装置に許容される低電圧レベルの設計条件を特性線Ｄ（電圧降下特性ＶＬ２）のレベルとしておけば、前記のような電圧変動範囲では、全ての機器が、安定動作を阻害されること運転を行うことができる。

しかし、低電圧制限電圧ＶＬＬを設けなければ、主電路電流ＩＭを１００％電流として運転している状態で、入力電圧Ｖ３が特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）、特性線Ｄ（電圧降下特性ＶＬ２）、特性線Ｅ（電圧降下特性ＶＬ３）のように低下したときには、図３および図４に示すように、入力電圧Ｖ３はＶＬ１ｂ点、ＶＬ２ｅ点、ＶＬ３ｆ点の如く低下して、機器・装置の安定動作に重大な支障を与えることになる。

したがって、特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）を基準として、許容下限電圧を制限電圧ＶＬＬ（例えば、５０％電圧）に設定し、推進電動機Ｍの運転電流ＩＭが増加しようとしたときには入力電圧Ｖ３がこの制限電圧ＶＬＬ以下にならないよう運転電流ＩＭを制御すれば入力電圧Ｖ３は、制限電圧ＶＬＬ以下には低下しないようになる。

例えば、特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）において主電路電流、すなわち推進電動機電流ＩＭを１００％電流、回転速度Ｎを約９０％速度（図３におけるＮＬ１であり、このときの出力Ｐは約７１％出力）に、特性線Ｄ（電圧降下特性ＶＬ２）では、主電路電流ＩＭを６０％電流、回転速度Ｎを約７５％速度（図３におけるＮＬ２であり、このときの出力Ｐは約４３％出力）に、そして、特性線Ｅ（電圧降下特性ＶＬ３）では主電路電流ＩＭを２０％電流、回転速度Ｎを約５２％速度（図３におけるＮＬ３であり、このときの出力Ｐは約１４％出力）になるよう推進電動機Ｍの回転速度Ｎを低下させて主電路電流（推進電動機電流）ＩＭを減少させれば、動作点が、図３および図４における、ＶＬ１ｂ点から、ＶＬ２ｃ、ＶＬ３ｄ点へ順次移動し、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬに保持される。

当然、電池端子電圧ＶＢ、主電路電圧Ｖ２、および船内設備４の給電回路電圧Ｖ４は入力電圧Ｖ３以上の電圧が確保されるから、全ての機器・装置が支障なく安定動作を継続することができ、船舶の安全運行が確保される。

このような原理に基づくこの発明の第１の実施例を図５に示す。

図５において、推進装置３の推進電動機Ｍを駆動制御する電力変換装置ＩＮＶを制御する推進制御装置５は、速度制御部５１および演算部５２ならびに、速度設定器ＳＲ、電圧設定器ＶＲ、電流設定器ＩＲおよび表示装置ＤＰを備えている。

速度設定器ＳＲは推進電動機Ｍへの指令速度ＮＳを設定する設定器である。電圧設定器ＶＲは、船内の全ての機器を安定に動作させるために許容される下限の電圧を制限電圧ＶＬＬとして設定する設定器である。そして電流設定器ＩＲは推進装置の許容される上限の電流値を制限電流ＩＬとして設定する設定器である。表示装置ＤＰは、その都度の運転状態等を表示し、操作員へ報知するものである。

演算部５２は、電圧検出器ＶＤによって検出された推進装置３の入力電圧Ｖ３と、電圧設定器ＶＲに設定された制限電圧ＶＬＬとを比較し、Ｖ３がＶＬＬより高い間（Ｖ３＞ＶＬＬ）は、速度設定器ＳＲに設定された指令速度ＮＳをそのまま、速度制御部５１に速度指令Ｎｓとして与える。しかし、入力電圧Ｖ３が電圧設定器ＶＲに設定された制限電圧ＶＬＬ以下（Ｖ３≦ＶＬＬ）になると、演算部５２は、入力電圧Ｖ３を電圧設定器ＶＲに設定された制限電圧ＶＬＬ以下に低下させないために、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬになるときの推進電動機Ｍの速度ＮＬを演算により求め、これを新しい指令速度Ｎｓとして速度制御部５１に与えるように動作する。

速度制御部５１は、演算部５２から与えられた指令速度Ｎｓと、速度検出器ＴＤからフィードバックされた推進電動機Ｍの実際速度Ｎとの偏差を求めて、この偏差がゼロになるように、電力変換器ＩＮＶに電力指令信号ＰＳを与える。電力変換器ＩＮＶは、推進電動機Ｍへ供給する電力Ｐをこの速度制御部５１から与えられた電力指令信号ＰＳに応じた電力に制御する。これによって、推進電動機Ｍの速度Ｎが指令速度Ｎｓになるように制御される。

今、推進電動機Ｍが、図４の定出力線１００と特性線Ｂ（電圧降下特性ＶＨ）との交点の動作点ＶＨａで運転されているとき、電池１２だけから給電されている場合、電池電圧ＶＢが徐々に低下し特性線Ａ（電圧降下特性ＶＭ）の電圧レベルまで低下すると動作点がＶＭａに移る。当然、出力一定の定出力運転であるから、推進電動機Ｍの回転速度Ｎは一定であり、推進装置３の入力電流ＩＭは（７）式の関係から、電圧の低下と共に増加する。すなわち、図４に示すとおり、動作点ＶＨａにおける８０％の主電路電流ＩＭが動作点ＶＭａでは１００％電流に増加する。

推進制御装置５は、電流設定器ＩＲで電流制限値ＩＬを１００％電流に設定した場合、電池電圧ＶＢが低下し、これにより入力電圧Ｖ３が動作点ＶＭａの電圧からさらに特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）の電圧レベルまで低下すると、速度制御部５１は電流検出器ＳＨで検出した入力電流ＩＭが制限電流ＩＬ（ここでは１００％電流とする）を超えないように電流制限動作を行いながら速度制御動作を行うので、動作点が、図３および図４に示す特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）上の動作点ＶＬ１ｂに移動し、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬに保たれる。

この動作を、いま少し詳しく説明する。演算部５２は、入力電圧Ｖ３が電圧設定器ＶＲで設定した制限電圧ＶＬＬ（図３および図４では５０％電圧）以下になると、これを検出して演算を開始し、入力電圧Ｖ３が電圧設定器ＶＲに設定された制限電圧ＶＬＬになったときの推進電動機Ｍの速度ＮＬを求め、速度制御装置５１に与える速度指令Ｎｓを、速度設定器ＳＲに設定した速度設定値ＮＳに対応する値から、この演算して求めた速度ＮＬに対応した新しい値に変更する。

演算部５２は、図３および図４の動作点ＶＬ１ｂにおける電圧検出器ＶＤで検出した入力電圧Ｖ３（＝ＶＬＬ）と、電流検出器ＳＨで検出した入力電流ＩＭ（＝ＩＭ１＝１００％電流）とから推進電動機Ｍの出力Ｐ１＝ＶＬＬ×ＩＭ１を演算により求め、この求めた出力Ｐ１と効率等を加味して
Ｐ＝Ｎ³×Ｋ（定数） （８）
Ｎ＝（Ｐ／Ｋ）^1/3 （９）
の関係から、出力Ｐ１に相当する速度ＮＬ１を求め、この演算により求めた回転速度ＮＬ１を速度制御部５１へ速度指令Ｎｓとして与えるので、推進電動機Ｍは、演算結果の指令速度ＮＬ１で運転され、推進電動機Ｍの出力はＰ１となる。

電池電圧ＶＢがさらに低下して特性線Ｄ（電圧降下特性ＶＬ２）のレベルになったとき、入力電流ＩＭを１００％電流のままで運転したとすれば、入力電圧Ｖ３は電圧設定器ＶＲで設定した制限電圧ＶＬＬを下回る動作点ＶＬ２ｅの電圧まで低下することになるので（図３および図４参照）、演算部５２は入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬに保たれるように、回転速度をさらに下げるために、新たな速度指令値ＮＬ２を演算して、速度制御部５１へ新たな速度指令Ｎｓ（＝ＮＬ２）として与える。

これにより、速度指令ＮｓがＮＬ２に低下されると動作点ＶＬ１ｂが動作点ＶＬ２ｃへ向かい、電動機の回転速度ＮがＮＬ２に低下するから、入力電流は減少し、結果として入力電圧が上昇し、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬと一致する動作点ＶＬ２ｃに到達する。

同様に、入力電圧Ｖ３がさらに特性線Ｅ（電圧降下特性ＶＬ３）上の動作点ＶＬ３ｆの電圧まで低下しようとすれば、さらに推進電動機Ｍの回転速度Ｎを低下させて入力電流を減少させて、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬ以下にならないように動作点ＶＬ３ｄに持ち上げるように、この点における推進電動機Ｍの出力Ｐ３＝ＶＬＬ×ＩＭ３（図３および図４では、電流ＩＭ＝ＩＭ３は２０％電流）を求め、ＮＬ３＝（Ｐ３／Ｋ）^1/3 によりこの出力Ｐ３に対応する推進電動Ｍの回転速度Ｎを演算し、求めた回転速度ＮＬ３を速度指令Ｎｓとして速度制御部１２へ与えて推進電動機Ｍの回転速度ＮをＮＬ３に制御する。

図３および図４の動作点ＶＬ１ｂにおいて、演算部５２により求めた速度指令値ＮＬ１（図３では約９０％速度）で電圧制限運転中に、速度設定器ＳＲの設定値ＮＳを例えば回転速度ＮＬ２（図３では約７５％速度）に下げた場合には、演算部５２は、推進電動機の実際速度Ｎ＝ＮＬ１が速度設定器ＶＲの設定速度ＮＳ＝ＮＬ２より大きくなるので、ＮＳ＜Ｎが検出されたとき、電圧制限運転を解除して、速度設定器ＶＲの速度設定ＮＳ＝ＮＬ２を速度制御部５１に速度指令Ｎｓとして与えて推進電動機Ｍの速度制御運転を行う。

そして、この速度制御運転は、電圧制限動作に至らない領域の指令速度Ｎｓ＝ＮＬ２（図３では約７５％速度であり、このときの出力Ｐは約４３％出力）で運転されることになり、その動作点は、図３および図４においては、特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）と定出力線４０との交点ＶＬ１ｃとなる。

したがって、上記のように速度設定器ＳＲの設定値ＮＳを回転速度ＮＬ２に下げた場合の動作点の推移は、図３および図４においては、速度指令値ＮＬ１（図３では約９０％速度）で電圧制限運転が行われていた動作点ＶＬ１ｂから特性線Ｃ（電圧降下特性ＶＬ１）に沿って図の左上方向へ上昇していき、速度設定ＮＳ＝ＮＬ２での速度制御運転が行われる動作点ＶＬ１ｃに到達するものとなる。

なお、演算部５２はＶＬＬ≧Ｖ３であることを検出すると電圧制限動作中であることを示す信号１４を表示装置ＤＰへ出力して操作員に注意を喚起する。

次に図６に示すこの発明の第２の実施例について説明する。

前記の実施例１では、電池電圧ＶＢないしは推進装置３の入力電圧Ｖ３が予め設定した制限電圧ＶＬＬより高く、電圧制限動作の必要のない動作領域では速度設定器ＳＲに設定した指令速度ＮＳで推進電動機Ｍを運転し、電池電圧ＶＢないしは入力電圧Ｖ３が低制限電圧ＶＬＬ以下に低下して電圧制限動作の必要となる動作領域に至れば入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬに一致する推進電動機Ｍの回転速度ＮＬを演算部が算出して、推進電動機Ｍの速度Ｎがこの速度ＮＬとなるように運転するようにしているのに対して、この実施例２は、低電圧制限値を境として、速度制御と電圧制御とを切り替えて運転するようにしたものである。

図６の推進制御装置５における速度・電圧制御部５３は、指令速度ＮＳと指令電圧ＶＬとを切替えて入力できるように構成されている。この制御部５３にはこの他に速度検出器ＴＤにより検出された推進電動機Ｍの実際速度Ｎ、電流検出器ＳＨにより検出された推進装置４への入力電流ＩＭおよび電圧検出器ＶＤにより検出された推進装置４の入力電圧Ｖ３が加えられる。

この制御部５３は、速度設定器ＳＲから指令速度ＮＳが入力されているときは、この指令速度ＮＳと速度検出器ＴＤからの推進電動機Ｍの速度Ｎとを比較し、推進電動機Ｍの速度Ｎが指令速度ＮＳになるように、推進電動機Ｍへの供給電力を制御する電力変換装置ＩＮＶに制御指令ＰＳを与えて、速度制御動作をし、電圧設定器ＶＲからこれに設定された制限電圧ＶＬＬが入力されているときは、制限電圧ＶＬＬと電圧検出器ＶＤからの推進装置４への入力電圧Ｖ３とを比較して、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬになるように電力変換装置ＩＮＶへ制御指令ＰＳを与えて電圧制御動作をするように、指令信号の入力を切替えることにより動作モードが切り替えられるように構成されている。

電圧判別器５４は、電圧設定器ＶＲにより設定された制限電圧ＶＬＬと電圧検出器ＶＤで検出される推進装置４の入力電圧Ｖ３とを比較して、このような制御部５３へ動作モードの切替えを指令するものである。この電圧判別器５４は、制限電圧ＶＬＬと推進装置４の入力電圧Ｖ３とを比較して、ＶＬＬ＞Ｖ３のときは、切替え信号１０を発生し、これにより、速度設定器ＳＲから制御部５３へ与えられていた指令速度ＮＳを接点ｂによりオフにし、電圧設定器ＶＲに設定された制限電圧ＶＬＬを接点ａをオンにして制御部５３に与えるように動作する。ＶＬＬ＜Ｖ３になると、切替え信号１０を停止して、接点ａ，ｂのオン・オフ状態を切替え、制御部５３への制限電圧ＶＬＬの印加を停止し、指令速度ＮＳを加えるようにする。

また、速度判別器５５は、電圧制御動作中に、速度設定器ＳＲに設定された速度設定値ＮＳと速度検出器ＴＤからの推進電動機Ｍの検出速度Ｎとを比較し、ＮＳ＜Ｎになったとき、電圧判別器５４へリセット信号１２を与える動作をする。

電池電圧ＶＢないしは入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬより十分高い状態にあるときは、ＶＬＬ＜Ｖ３であるので、電圧判別器５４はリセット状態におかれ判別信号１０を停止しているため、接点ｂがオンし、速度設定器ＳＲから指令速度ＮＳが制御部５３に与えられているので、制御部５３は、速度制御動作を行い、制御部５３は、指令速度ＮＳと推進電動機Ｍの実際速度Ｎとを比較して両者一致するように推進電動機Ｍへの供給電力を制御する電力変換装置ＩＮＶに制御信号ＰＳを与える。

電池電圧ＶＢが低下し、ＶＬ≧Ｖ３となると、電圧判別器５４が、判別信号１０を発生し、接点ｂをオフにし、接点ａをオンにするので、制御部５３に加わる指令信号が、電圧設定器ＶＲに設定された制限電圧ＶＬＬに切替わり、制御部５３は電圧制御動作に制御動作を切替える。このように、制御部５３の動作が電圧制御動作に切替われば推進装置３の入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬに保たれるように推進電動機Ｍへの供給電力が制御されるため、回転速度Ｎは、最早、指令速度ＮＳに保たれることなく、これより低い速度に下げられ、この後は、入力電圧Ｖ３が制限電圧ＶＬＬに保たれるように電流ＩＭが制御され電池電圧ＶＢのこれ以上の低下が抑制されるようになる。

また、電圧制限動作中に速度設定器の指令速度ＮＳが運転中の推進電動機の実際速度Ｎより小さな値に下げられると、速度判別部５５が、ＮＳ＜Ｎを検出してリセット信号１２を発生する。電圧判別器５４はこのリセット信号１２によりリセットされて切替え信号１０を遮断し、接点ａ、ｂを元のオフ、オンの状態に戻し、制御部５３の制御動作モードを電圧制御モードから速度制御モードへ切替える。

この発明の原理的構成を示すブロック回路図である。 図１における、蓄電池のみの運転状態におけるインピーダンスの分布を示す回路図である。 この発明の動作説明に用いる推進装置の電流−電圧・出力・速度特性図である。 この発明の動作説明に用いる電流−電圧特性図である。 この発明の実施例１の構成を示すブロック回路図である。 この発明の実施例２の構成を示すブロック回路図である。

符号の説明

１：ハイブリッド電源装置
１１：発電装置
１２：蓄電池
２：推進用プロペラ
３：推進装置
ＩＮＶ：電力変換装置
Ｍ：推進電動機
４：船内設備
５：推進制御装置
５１：制御部
５２：演算部
ＩＲ：電流設定器
ＴＤ：速度検出器
ＶＤ：電圧検出器
ＳＨ：電流検出器
ＳＲ：速度設定器
ＶＲ：電圧設定器

Claims (4)

1. 蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、前記推進電動機の実際速度が外部の速度設定器から与えられる指令速度と等しくなるように前記推進電動機への供給電力の制御を行う推進制御装置を設け、前記推進電動機への入力電圧とこの入力電圧の許容される下限の電圧として予め設定された制限電圧とを比較し、前記入力電圧が前記制限電圧より高いときは、前記推進制御装置に前記外部の速度設定器に設定された設定速度を指令速度として与え、前記入力電圧が制限電圧より低下したときは、前記推進制御装置に前記入力電圧が前記制限電圧と等しい電圧となる前記推進電動機の速度を演算により求め、この演算により求めた速度を指令速度として与えて、推進電動機の速度制御を行うことを特徴とする電気推進装置の推進制御方法。
2. 蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、前記推進電動機の実際速度が外部の速度設定器から与えられる指令速度と等しくなるように前記推進電動機への供給電力の制御を行う推進制御装置を設け、前記推進電動機への入力電圧とこの入力電圧の許容される下限の電圧として予め設定された制限電圧とを比較し、前記入力電圧が前記制限電圧より高いときは、前記推進制御装置に前記外部の速度設定器に設定された速度を指令速度として与えて推進電動機の速度制御を行い、前記入力電圧が制限電圧より低下したときは、前記推進制御装置に前記制限電圧を指令電圧として与えて推進電動機の電圧制御を行うことを特徴とする電気推進装置の推進制御方法。
3. 蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、前記推進電動機から検出される実際速度を外部から与えられる指令速度に保つように前記推進電動機への供給電力を制御する速度制御手段、前記推進電動機への指令速度を設定する速度設定器、前記電源から前記推進電動機へ入力される入力電圧の許容される下限の電圧を制限電圧として予め設定する電圧設定器および、前記入力電圧と前記電圧設定器で設定された制限電圧とを比較し、前記入力電圧が前記制限電圧より高いときは、前記速度設定器に設定された速度を指令速度として前記速度制御手段に与え、前記入力電圧が前記制限電圧より低下したときは、演算により前記入力電圧が前記制限電圧となるときの前記推進電動機の速度を求め、この演算により求めた速度を指令速度として前記速度制御手段に与えるようにした演算手段を備えた推進制御装置を設けたことを特徴とする電気推進装置の推進制御装置。
4. 蓄電池と、この蓄電池を充電するための発電装置とを備えたハイブリッド電源から、船舶を推進するプロペラを駆動する推進電動機およびその他の補機類を含む船内設備に給電して船舶の運行を行うようにした電気推進装置において、外部から指令速度が加えられたときは前記推進電動機から検出される実際速度を前記指令速度に保ち、外部から指令電圧が加えられたときは、前記推進電動機の入力電圧を前記指令電圧に保つように前記推進電動機の速度および電圧を制御する速度・電圧制御手段、前記推進電動機への指令速度を設定する速度設定器、予め前記電源から前記推進電動機へ入力される入力電圧の許容される下限の電圧を制限電圧として設定する電圧設定器、前記推進電動機の入力電圧と前記電圧設定器に設定された制限電圧とを比較して、入力電圧が制限電圧より高いときは、前記速度・電圧制御手段に前記速度設定器に設定された速度を指令速度として与え、入力電圧が制限電圧より低いときは、前記速度・電圧制御手段に前記電圧設定器に設定された制限電圧を指令電圧として切替えて与える電圧判別手段および、前記速度設定器に設定された速度指令値と前記推進電動機から検出される速度実際値とを比較して、前記速度設定器に設定された速度が前記推進電動機の実際速度より大きくなったとき前記電圧判定手段を入力電圧が制限電圧より高いときの動作状態に戻す速度判別手段を備えた推進制御装置を設けたことを特徴とする電気推進装置の推進制御装置。
   
   

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