JP5067557B2

JP5067557B2 - 船舶用インバータシステム

Info

Publication number: JP5067557B2
Application number: JP2008003299A
Authority: JP
Inventors: 久夫光嶋; 良馬名倉
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: JP2009161159A

Description

本発明は、船舶の推進用電動機を駆動するインバータとカーゴポンプ等の搭載機器の電動機を駆動するインバータを共有化する船舶用インバータシステムに関する。

近年、ケミカル船等においては、荷役作業の効率化や環境負荷低減等の目的で電動機の採用が進んでいる。例えば、荷役タンクにはタンク毎に電動カーゴポンプが装備され、これらにより荷役作業及びタンククリーニングを行い、また、主推進装置には電気推進が使用され、電動機によりプロペラが駆動されている。これらの電動機には誘導電動機が採用され、インバータによって駆動される。しかし、カーゴポンプ毎に設置される複数のインバータと主推進用のインバータの両方を船に備えると、船のコストが高くなると共にインバータの船内設置スペースが増えることになる。そこで、従来より図３に示すようなインバータをカーゴポンプ等の非主推進設備と主推進装置で共用する船舶用インバータシステムが採用されている（特許文献１参照）。

従来の船舶用インバータシステムの構成を図３を参照して説明する。主推進用誘導電動機１は多巻線誘導電動機であり、図３の例では２巻線の場合を示す。主推進用誘導電動機１の２つの巻線の内、一方の巻線は切替スイッチ１１を介してインバータ８へ接続され、もう一方の巻線は切替スイッチ１２を介してインバータ９へ接続される。カーゴポンプ３および４は夫々カーゴポンプ用誘導電動機５および６により駆動される。カーゴポンプ用誘導電動機５は切替スイッチ１０を介してインバータ８へ接続され、カーゴポンプ用誘導電動機６は切替スイッチ１３を介してインバータ９へ接続される。インバータ８は遮断器１４を介して船内母線１６へ接続され、インバータ９は遮断器１５を介して船内母線１６へ接続される。パルスジェネレータ７は主推進用誘導電動機１と同軸に接続され、主推進用誘導電動機１の回転に応じてパルス信号を速度検出器１７へ出力する。また、速度検出器１７はパルスジェネレータ７の出力するパルス信号から主推進用誘導電動機１の回転速度を検出し、回転速度検出信号ωｒを速度制御器１８へ出力する。速度制御器１８は回転速度検出信号ωｒを回転速度指令値から減じた誤差を演算増幅してトルク指令信号τｅ＊をインバータ８および９へ出力する。トルク指令信号τｅ＊は各インバータ共同じ量であり、このτｅ＊にインバータの台数を乗じたトルク量が主推進用誘導電動機１に対して加えようとする全トルク量となる。電流検出器１９はインバータ８の３相出力電流値ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１を検出し、インバータ８へ出力する。電流検出器２０はインバータ９の３相出力電流値ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２を検出し、インバータ９へ出力する。切替器２３は切替スイッチ１０〜１３の入切操作をする。

インバータ８は、切替スイッチ１０が開、切替スイッチ１１が閉の場合は、トルク指令信号τｅ＊と主推進用誘導電動機１の回転速度検出信号ωｒおよびインバータ８の３相出力電流値ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１に基づいてベクトル制御演算を行い、主推進用誘導電動機１に印加する電圧を操作して主推進用誘導電動機１の巻線に流れる電流を制御する。切替スイッチ１０が閉、切替スイッチ１１が開の場合は、カーゴポンプ用誘導電動機を例えばＶ／ｆ一定制御により速度制御する。切替スイッチ１０，１１が両方開の場合は、インバータ８は停止する。

インバータ９はインバータ８と同様に作用する。すなわち、切替スイッチ１３が開、切替スイッチ１２が閉の場合は、トルク指令信号τｅ＊と主推進用誘導電動機１の回転速度検出信号ωｒおよびインバータ９の３相出力電流値ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２に基づいてベクトル制御演算を行い、主推進用誘導電動機１に印加する電圧を操作して主推進用誘導電動機１の巻線に流れる電流を制御する。切替スイッチ１３が閉、切替スイッチ１２が開の場合は、カーゴポンプ用誘導電動機を例えばＶ／ｆ一定制御により速度制御する。切替スイッチ１２，１３が両方開の場合は、インバータ９は停止する。

以上のような構成により、カーゴポンプ用誘導電動機と主推進用誘導電動機でインバータを共用することが可能となる。例えばケミカル船の運航の往路においてはタンククリーニングの必要はないため、インバータ８，９は主推進用誘導電動機１の駆動に使用される。荷揚げ地で船が係留中は主推進用誘導電動機１は駆動する必要はなく、インバータ８，９は荷役作業のためカーゴポンプ駆動に使用される。復路においては次の積荷に備えて航行中にタンククリーニングする必要があるため、インバータ８，９のいずれかのインバータを主推進用誘導電動機１の駆動に使用し、他方をカーゴポンプ駆動に使用する。この時、主推進用誘導電動機１のトルクが減少するため船速は減速するが、タンククリーニングを優先し、船は減速運転される。

上記した従来の船舶用インバータシステムでは、インバータの数は２台として説明しているが、インバータの数は２台に限定するものではない。すなわち、主推進用誘導電動機１の巻線数を増やし、各巻線毎にインバータを上記従来例と同様に設置しても同じ機能が得られる。また、このような多巻線電動機を複数のインバータによって駆動すると、インバータ故障時に縮退運転が可能であるメリットもある。

図３に示す従来例において、２台のインバータ８，９により主推進用誘導電動機１を駆動する場合、インバータ８，９はベクトル制御を行う。ベクトル制御は例えば図５に示す誘導電動機のＴ型等価回路（主推進用誘導電動機１の多巻巻線のうちの１巻線に該当）に基づいた図４に示すブロック図（主推進用誘導電動機１の多巻線のうちの１巻線に接続されるインバータに該当）の制御演算およびインバータ制御を行うことで、誘導電動機の磁束を一定に制御しながらトルクを電流のトルク成分に比例させて制御することができ、直流電動機と同様のトルク制御を可能とするものである（非特許文献１参照）。

図５の等価回路の各記号は、誘導電動機の以下を示す（主推進用誘導電動機１の多巻巻線のうちの１巻線に該当）。
Ｖ１：端子電圧
Ｉ１：１次電流
Ｒ１：１次抵抗成分
α：励磁リアクタンス／（２次漏れリアクタンス＋励磁リアクタンス）
Ｌσ：１次漏れリアクタンス＋α×２次漏れリアクタンス
Ｍ’：α×励磁リアクタンス
Ｒ２’：α×α×２次抵抗成分
Ｉ２’：２次電流／α
ｓ：すべり

図４のベクトル制御演算ブロック図（主推進用誘導電動機１の多巻巻線のうちの１巻線に接続されるインバータに該当）において、３０，３１は比例要素、３２は積分要素、３３，３４は除算器、３５，３６は減算器、３７は加算器、３８，４０は座標変換器、３９は電流制御器、４１は電力変換器を示す。

図４において、比例要素３０は磁束指令Φ２’＊にＭ’の逆数を乗じて１次電流の磁化成分電流指令ｉ１ｄ＊を出力する。除算器３３はトルク指令τｅ＊を磁束指令Φ２’＊で除して１次電流のトルク成分電流指令ｉ１ｑ＊を出力する。比例要素３１はトルク成分電流指令ｉ１ｑ＊にＲ２’を乗じ、除算器３４は比例要素３１の出力信号を磁束指令Φ２’＊で除してすべり周波数指令ωｓ＊を出力する。加算器３７は誘導電動機の速度検出信号ωｒとすべり周波数指令ωｓ＊を加算して１次周波数ω１＊を出力し、積分器３２は１次周波数ω１＊を積分して磁束位相θ＊を出力する。座標変換器３８は検出したインバータ３相出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ（図３のｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１またはｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２に該当）とθ＊を基に下記式（１）により固定子座標系から回転磁界座標系へ座標変換し、誘導電動機１次電流の磁化成分電流検出信号ｉ１ｄとトルク成分の電流検出信号ｉ１ｑを出力する。減算器３５はｉ１ｄ＊からｉ１ｄを減じた誤差を出力し、減算器３６はｉ１ｑ＊からｉ１ｑを減じた誤差を出力し、電流制御器３９はこれらの誤差をそれぞれ例えばＰＩ制御演算を行って回転磁界座標系におけるそれぞれの電圧指令ｖ１ｄ＊とｖ１ｑ＊を出力する。座標変換器４０はｖ１ｄ＊とｖ１ｑ＊とθ＊を基に下記式（２）により回転磁界座標系から固定子座標系へ座標変換し、誘導電動機へ印加する電圧の３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を出力する。電力変換器４１は例えば電圧型ＰＷＭインバータであり、交流入力電圧を直流電圧に変換した後、出力電圧がＶｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊となるように直流電圧を交流電圧に変換して出力する。

以上説明したベクトル制御の作用により、図３の主推進用誘導電動機１の磁束は多巻巻線の各巻線に流れる磁化成分電流による磁束を加算した磁束となり、トルクは多巻巻線の各巻線に流れるトルク成分電流によるトルクを加算したトルクとなる。したがって、トルクは各インバータへ与えられる磁束指令Φ２’＊およびトルク指令τｅ＊に比例して制御可能となるが、トルクを高速に制御するために通常は磁束指令Φ２’＊を一定とし、トルク指令τｅ＊により電動機のトルクを制御する方法がとられる。しかし、図３において、インバータ８，９の２台で主推進用誘導電動機１を駆動中に船内のタンククリーニングを行うためにインバータ８をカーゴポンプ用誘導電動機５の駆動に切替えた場合、主推進用誘導電動機１の駆動はインバータ９から供給される電流のみによって行われることになるので、主推進用誘導電動機１に加えられるトルク成分電流の合計と磁化成分電流の合計がそれぞれ１／２となる。これにより、主推進用誘導電動機１の全トルクは一時的に１／４になるが、速度制御器１８より切替後の所望の船速となるようトルク指令τｅ＊が出力されて、船速は制御される。しかし、切替前のインバータ２台で駆動する場合よりも磁化成分電流の合計が１／２となっているため、トルク成分電流の変化に対してトルクの変化が１／２となり、船速制御の応答速度の低下を招くという問題がある。このような問題は図３に示す２台のインバータによるシステムに限らず、任意のｎ台のインバータと巻線数ｎの主推進用誘導電動機の組合せにおいても生じ、ｎ台の内のｍ台による運転時には主推進用誘導電動機の磁化成分電流の合計はｍ／ｎに低下するため、２台のインバータの場合と同様に船速制御の応答速度の低下を招くという問題がある。
特許第３５２４５９２号電気学会発行電気工学ハンドブック第６版８８４頁および８８５頁

本発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、その課題は複数のインバータで駆動する多巻誘導電動機において、インバータの数を減らして駆動する場合の電動機速度制御の応答速度を改善する船舶用インバータシステムを提供するものである。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、船舶のプロペラを駆動する多巻線型の主推進用誘導電動機と、前記主推進用誘導電動機の各巻線毎に切替スイッチを介して接続され、ベクトル制御に従って船内母線から前記誘導電動機へ１次電流を供給する複数のインバータと、前記各インバータに切替スイッチを介して接続され、専用の制御方法で駆動される非推進装置用誘導電動機と、前記主推進用誘導電動機の回転速度を検出する速度検出器と、速度指令信号から速度検出信号を減じた誤差信号を演算増幅し、前記インバータのベクトル制御のトルク電流成分指令信号として出力する速度制御器と、前記複数の切替スイッチを操作すると共に前記切替スイッチの開閉状態より前記主推進用誘導電動機と導通しているインバータの台数信号を出力する切替器と、前記台数信号に基づいて前記インバータのベクトル制御の磁束指令信号に乗ずる１以上のゲイン信号を出力する磁束指令補正器と、前記主推進用誘導電動機の各巻線の１次電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出器とからなる船舶用インバータシステムであって、前記インバータは前記速度検出信号と前記電流検出信号と前記トルク電流成分指令信号と前記磁束指令信号と前記磁束指令信号に乗ずる前記ゲイン信号に基づいてベクトル制御演算を行い、前記磁束指令信号に台数信号に応じて１以上のケイン信号を乗じて前記主推進用誘導電動機の回転数制御の応答速度の低下を抑制することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の船舶用インバータシステムにおいて、前記磁束指令補正器は前記台数信号の低下に伴ってゲイン信号を増加させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の船舶用インバータシステムにおいて、前記磁束指令補正器は前記台数信号の低下に伴って前記インバータの全台数を前記台数信号で除算して算出したゲイン信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、船舶の主推進用誘導電動機と船内の非推進用誘導電動機で駆動用インバータを共用する場合において、主推進用誘導電動機を駆動するインバータの台数が減少しても、主推進用誘導電動機の速度制御の応答速度の低下を抑制することが可能となる。

以下、本発明の最良の実施形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の一例を示す船舶用インバータシステムの構成図であり、既に説明した図３の従来例と同一構成部分には同一符号を付して説明する。

図１において、１は多巻誘導電動機を用いた主推進用誘導電動機であり、この主推進用誘導電動機１の２つの巻線の内、一方の巻線は切替スイッチ１１を介してインバータ８へ接続され、もう一方の巻線は切替スイッチ１２を介してインバータ９へ接続される。カーゴポンプ３および４は夫々カーゴポンプ用誘導電動機５および６により駆動される。カーゴポンプ用誘導電動機５は切替スイッチ１０を介してインバータ８へ接続され、カーゴポンプ用誘導電動機６は切替スイッチ１３を介してインバータ９へ接続される。インバータ８は遮断器１４を介して船内母線１６へ接続され、インバータ９は遮断器１５を介して船内母線１６へ接続される。パルスジェネレータ７は主推進用誘導電動機１と同軸に接続され、主推進用誘導電動機１の回転に応じてパルス信号を速度検出器１７へ出力する。速度検出器１７はパルスジェネレータ７の出力するパルス信号から主推進用誘導電動機１の回転速度を検出し、回転速度検出信号ωｒを速度制御器１８へ出力する。速度制御器１８は回転速度検出信号ωｒを回転速度指令値から減じた誤差を演算増幅してトルク指令信号τｅ＊をインバータ８および９へ出力する。トルク指令信号τｅ＊は各インバータ共同じ量であり、このτｅ＊にインバータの台数を乗じたトルク量が主推進用誘導電動機１に対して加えようとする全トルク量となる。電流検出器１９はインバータ８の３相出力電流値ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１を検出し、インバータ８へ出力する。電流検出器２０はインバータ９の３相出力電流値ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２を検出し、インバータ９へ出力する。

インバータ８は、切替スイッチ１０が開、切替スイッチ１１が閉の場合は、トルク指令信号τｅ＊と主推進用誘導電動機１の回転速度検出信号ωｒおよびインバータ８の３相出力電流値ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１に基づいてベクトル制御演算を行い、主推進用誘導電動機１に印加する電圧を操作して主推進用誘導電動機１の巻線に流れる電流を制御する。切替スイッチ１０が閉、切替スイッチ１１が開の場合は、カーゴポンプ用誘導電動機５を例えばＶ／ｆ一定制御により速度制御する。切替スイッチ１０，１１が両方開の場合は、インバータ８は停止する。また、インバータ９はインバータ８と同様に作用する。すなわち、切替スイッチ１３が開、切替スイッチ１２が閉の場合は、トルク指令信号τｅ＊と主推進用誘導電動機１の回転速度検出信号ωｒおよびインバータ９の３相出力電流値ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２に基づいてベクトル制御演算を行い、主推進用誘導電動機１に印加する電圧を操作して主推進用誘導電動機１の巻線に流れる電流を制御する。切替スイッチ１３が閉、切替スイッチ１２が開の場合は、カーゴポンプ用誘導電動機６を例えばＶ／ｆ一定制御により速度制御する。切替スイッチ１２，１３が両方開の場合は、インバータ９は停止する。

また、切替器２１は切替スイッチ１０，１１，１２，１３を開閉操作すると共に、主推進用誘導電動機１と接続が閉じているインバータの台数信号を出力する。切替スイッチ１０，１１は両方が同時に閉じるようには操作されることはなく、切替スイッチ１２，１３も同様に両方が同時に閉じるようには操作されることはない。磁束指令補正器２２は台数信号に基づいてインバータ８，９のベクトル制御の磁束指令に乗ずるゲインを算出し、ゲイン信号Ｋｘを出力する。ゲインの大きさは１以上とし、その算出方法の一例は台数信号の低下に伴って所望の変化率で増加させる方法、あるいは他の例ではインバータの全台数を台数信号で除算する方法などを用いる。

図２はインバータ８，９が主推進用誘導電動機１を駆動する場合に使用するベクトル制御演算のブロック図（主推進用誘導電動機１の多巻巻線のうちの１巻線に接続されるインバータに該当）であり、図４で既に説明した構成と同一構成部分には同一符号（３０〜４１）を付して説明する。

図２のベクトル制御演算ブロック図において、乗算器４２は磁束指令Φ２’＊に前記図１の磁束指令補正器２２が出力するゲイン信号Ｋｘを乗じ、比例要素３０へ出力する。比例要素３０は磁束指令Φ２’＊にＭ’の逆数を乗じて１次電流の磁化成分電流指令ｉ１ｄ＊を出力する。除算器３３はトルク指令τｅ＊を磁束指令Φ２’＊で除して１次電流のトルク成分電流指令ｉ１ｑ＊を出力する。比例要素３１はｉ１ｑ＊にＲ２’を乗じ、除算器３４は比例要素３１の出力信号を磁束指令Φ２’＊で除してすべり周波数指令ωｓ＊を出力する。加算器３７は誘導電動機の速度検出信号ωｒとすべり周波数指令ωｓ＊を加算して１次周波数ω１＊を出力し、積分器３２はω１＊を積分して磁束位相θ＊を出力する。座標変換器３８は検出したインバータ３相出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとθ＊を基に上記式（１）により固定子座標系から回転磁界座標系へ座標変換し、誘導電動機１次電流の磁化成分電流検出信号ｉ１ｄとトルク成分の電流検出信号ｉ１ｑを出力する。減算器３５はｉ１ｄ＊からｉ１ｄを減じた誤差を出力し、減算器３６はｉ１ｑ＊からｉ１ｑを減じた誤差を出力し、電流制御器３９はこれらの誤差をそれぞれ例えばＰＩ制御演算を行って回転磁界座標系における電圧指令ｖ１ｄ＊とｖ１ｑ＊を出力する。座標変換器４０はｖ１ｄ＊とｖ１ｑ＊とθ＊を基に上記式（２）により回転磁界座標系から固定子座標系へ座標変換し、誘導電動機へ印加する電圧の３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を出力する。電力変換器４１は例えば電圧型ＰＷＭインバータであり、交流入力電圧を直流電圧に変換した後、出力電圧がＶｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊となるように直流電圧を交流電圧に変換して出力する。

本実施形態は以上の構成において、切替スイッチ１１および１２を閉、切替スイッチ１０および１３を開とし、インバータ８および９により主推進用誘導電動機１をベクトル制御にて駆動中に船内のタンククリーニング等を行うために切替器２１により切替スイッチ１０を閉、切替スイッチ１１を開としてインバータ８をカーゴポンプ用誘導電動機５の駆動に切替えた場合、インバータの磁束指令の合計は１／２に低下する。しかしながら、磁束指令補正器２２が台数信号の低下に伴って所望の変化率で増加させる方法の場合は低下分１／２に応じてあらかじめ設定した１以上のゲイン信号を出力する。また、インバータの全台数を台数信号で除算する方法の場合は２のゲイン信号を出力する。これにより、比例要素３０に入力される磁束指令の低下は抑制され、主推進用誘導電動機１の回転数制御の応答速度の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では２巻線の主推進用誘導電動機と２台のインバータの組合せを示したが、３巻線以上の主推進用誘導電動機と該巻線数と同数のインバータの組合せにおいても本実施形態と同様の構成をとることで同様の作用が得られることは明らかである。

本発明の一実施形態の構成図。図１のインバータのベクトル制御演算のブロック図。従来の船舶用インバータシステムの構成図。図３のインバータのベクトル制御演算のブロック図。誘導電動機の等価回路図。

符号の説明

１…主推進用誘導電動機、２…主推進用プロペラ、３，４…カーゴポンプ、５，６…カーゴポンプ用誘導電動機、７…パルスジェネレータ、８，９…インバータ、１０〜１３…切替スイッチ、１４，１５…遮断器、１６…船内母線、１７…速度検出器、１８…速度制御器、１９，２０…電流検出器、２１…切替器、２２…磁束指令補正器、２３…切替器、３０，３１…比例要素、３２…積分要素、３３，３４…除算器、３５，３６…減算器、３７…加算器、３８，４０…座標変換器、３９…電流制御器、４１…電力変換器、４２…乗算器。

Claims

船舶のプロペラを駆動する多巻線型の主推進用誘導電動機と、前記主推進用誘導電動機の各巻線毎に切替スイッチを介して接続され、ベクトル制御に従って船内母線から前記誘導電動機へ１次電流を供給する複数のインバータと、前記各インバータに切替スイッチを介して接続され、専用の制御方法で駆動される非推進装置用誘導電動機と、前記主推進用誘導電動機の回転速度を検出する速度検出器と、速度指令信号から速度検出信号を減じた誤差信号を演算増幅し、前記インバータのベクトル制御のトルク電流成分指令信号として出力する速度制御器と、前記複数の切替スイッチを操作すると共に前記切替スイッチの開閉状態より前記主推進用誘導電動機と導通しているインバータの台数信号を出力する切替器と、前記台数信号に基づいて前記インバータのベクトル制御の磁束指令信号に乗ずる１以上のゲイン信号を出力する磁束指令補正器と、前記主推進用誘導電動機の各巻線の１次電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出器とからなる船舶用インバータシステムであって、前記インバータは前記速度検出信号と前記電流検出信号と前記トルク電流成分指令信号と前記磁束指令信号と前記磁束指令信号に乗ずる前記ゲイン信号に基づいてベクトル制御演算を行い、前記主推進用誘導電動機の回転数制御の応答速度の低下を抑制することを特徴とする船舶用インバータシステム。
請求項１記載の船舶用インバータシステムにおいて、前記磁束指令補正器は前記台数信号の低下に伴ってゲイン信号を増加させることを特徴とする船舶用インバータシステム。
請求項２記載の船舶用インバータシステムにおいて、前記磁束指令補正器は前記台数信号の低下に伴って前記インバータの全台数を前記台数信号で除算して算出したゲイン信号を出力することを特徴とする船舶用インバータシステム。