JP5537264B2 - 電気推進船の駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、推進用プロペラを電動機にて駆動する電気推進船の駆動装置及び駆動方法に関する。

電力変換装置を用いて制御される電動機により船舶の推進用プロペラを駆動して船舶を推進するようにした電気推進船の駆動装置は、よく知られている。

このような電気推進船に停止指令が与えられ、停止制御を行うには幾通りかの方法がある。例えば、電気的制動手段と逆転制動を組み合わせて制動時間を短縮するような提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００７−１２５９０９号公報（全体）

特許文献１に示された手法は、電動機の速度が高い領域では電気的制動を行い、速度が所定値以下になったとき逆相制動を行うというものであるが、電気的制動を行うには電力を消費させる抵抗などの機器が必要となり、また制御装置も複雑となる。

一方、電気推進船に停止指令が与えられたとき、電力変換装置による電動機の運転をオフして所謂フリーラン停止させる手法がある。電力変換装置が停止して電流が遮断されると推進用プロペラの負荷トルクのため所定の減速曲線に従って電動機の速度は低下していく。例えば電気推進船が小型のもので、急速な停止を必要としない場合には、付加装置を必要としないこのフリーラン減速で十分である。

しかしながら、フリーラン減速の開始時に電力変換装置への入力電流が急減したとき、船内電源の電源容量が小さい場合は、船内電源の電源母線の電圧が急上昇する、あるいはそれを制御するために急変動するという問題がある。船内負荷は電源母線に接続されているので、電源電圧の変動が大きければ船内負荷の機器の誤動作や損傷の恐れがある。船内負荷に例えば電圧型インバータがあれば、電圧型インバータ入力部の平滑コンデンサへの充放電により過電流検出の誤動作やヒューズ溶断などが発生する恐れもある。

本発明は、上記問題点を解決するために為されたもので、船内電源の電源母線の電圧を急変動させることなく、簡単な方法で停止制御を行うことが可能な電気推進船の駆動装置及び駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電気推進船の駆動装置は、船舶の推進用プロペラの軸に接続した電動機と、船内電源から給電され、前記電動機を駆動する電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御装置とを具備し、前記制御装置は、外部からの速度指令に基づいて速度制御してトルク基準を出力する速度制御部と、外部からの運転指令に基づいて前記電動機の運転停止を制御する運転シーケンス制御部を有し、前記運転シーケンス制御部は、外部からの運転指令がオフとなったとき、一旦速度基準を所定の減速率で減速し、前記トルク基準が所定値以下となるか、または力行から回生に変化したときに前記電力変換装置を停止して電流を遮断すると共に、前記所定の減速率は、前記運転指令がオフとなったときの前記電動機の速度におけるフリーランによる減速曲線の減速率より緩い勾配としたことを特徴としている。

本発明によれば、船内電源の電源母線の電圧を急変動させることなく、簡単な方法で停止制御を行うことが可能な電気推進船の駆動装置及び駆動方法を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電気推進船の駆動装置の回路構成図。 実施例１における停止制御のフローチャート。 実施例１における停止制御動作のタイムチャート。 この発明の実施例２に係る電気推進船の駆動装置のインバータ制御部の回路構成図。 実施例２における停止制御のフローチャート。 実施例２における停止制御動作のタイムチャート。 本発明の実施例３に係る電気推進船の駆動装置の主回路構成図。 本発明の実施例４に係る電気推進船の駆動装置の主回路構成図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

以下本発明の実施例１に係る電気推進船の駆動装置及び駆動方法を図1乃至図３を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電気推進船の駆動装置の回路構成図である。図１（ａ）に示すように、船内電源３が電源母線５を介して電力変換装置２と船内負荷６に接続されている。船内電源３は交流発電機３１を備えている。電力変換装置２は入力変圧器２１と、この入力変圧器２１の２次電圧を直流に変換するコンバータ２２と、コンバータ２２の直流出力を平滑するコンデンサ２３と、コンバータ２２の直流出力を交流出力に変換するインバータ２４とから構成されている。

インバータ２４は制御部４から駆動信号が与えられている。この駆動信号は、具体的にはインバータ２４を構成するスイッチング素子のゲートに与えるオンオフ信号である。インバータ２４の３相出力は交流電動機１に接続され、交流電動機１は推進用プロペラＰを駆動している。インバータ２４の出力側には電流検出器７が設けられ、これによって検出された電流信号は制御部４に与えられる。また、交流電動機１には速度検出器８が取り付けられ、これによって検出された速度信号も制御部４に与えられる。

図１（ｂ）に制御部４の内部構成を示す。外部から与えられる速度指令は、その詳細を後述するレート減速器４７を介して速度制御部４１に与えられる。速度制御部４１には、速度検出器８によって検出された速度信号を速度検出部４２で適切な信号に変換した速度ＦＢが与えられる。速度制御部４１は速度指令とこの速度ＦＢの偏差が最小となるように制御してトルク基準を出力する。このトルク基準は電流制御部４３に与えられる。電流制御部４３には、電流検出器７によって検出された電流信号を電流検出部４４で適切な信号に変換した電流ＦＢが与えられる。電流制御部４３はトルク基準とこの電流ＦＢの偏差が最小となるように制御して電圧基準を出力する。そしてこの電圧基準は、駆動信号発生部４５に与えられる。そして駆動信号発生部４５はインバータ２４の出力電圧がこの電圧基準となるようにインバータ２４を構成するスイッチング素子に駆動信号を与える。

運転シーケンス制御部４６は、外部から与えられた電動機の運転指令に基づき、駆動信号発生部４５に運転信号を与える。運転シーケンス制御部４６は、この運転指令がオフとなって停止指令となったとき、レート減速器４７にレート減速指令を出力する。そしてこの状態で速度制御部４１の出力であるトルク基準が力行から回生に変化する時点を力行回生検出器４８で検出し、ここで初めて駆動信号発生部４５に停止信号を与える。

以上の構成における停止制御時の動作について図２及び図３を参照して以下説明する。

図２は、運転シーケンス制御部４６の停止制御時のフローチャートである。まず、運転指令が０になったかどうか、すなわち停止指令が与えられたかどうか判断する（ＳＴ１）。そして、運転指令が０であれば、速度基準をレート減速する（ＳＴ２）。次にトルク基準が０または負になったかどうか判断する（ＳＴ３）。そしてトルク基準が０または負になれば、運転信号を０にして駆動信号発生部４５に停止信号を与える。

この停止制御の動作をタイムチャートで示したのが図３である。電動機が速度ＳＰ１で運転中に時刻ｔ＝ｔ１において運転指令をオフする。すると、速度指令がＳＰ１から所定のレートで下がり、電動機の速度も同じレートで減速する。尚、ここで重要なことは、図示したようにこの所定のレートは、速度ＳＰ１におけるフリーランによる減速曲線の減速率より緩い勾配に設定しておくことである。このようにすると、時刻ｔ＝ｔ１におけるトルク基準の変動はフリーラン時の変動より変化量が減少する。従って電源母線５に与える電圧変動は減少する。

推進用プロペラＰの負荷トルクは回転速度の２乗に概略比例するため、時刻ｔ＝ｔ２までの高速度領域では力行運転となるが、時刻ｔ＝ｔ２の速度まで減速すると回生運転に切換わる。この力行運転から回生運転に切換わる時刻ｔ＝ｔ２において交流電動機１をフリーラン停止する。力行運転時のトルク基準はプラス、回生運転時のトルク基準はマイナスとなるため、力行運転から回生運転に切換わるタイミングは、力行回生検出器４８によってトルク基準の極性により判断し、運転信号をオフする。時刻ｔ＝ｔ２では交流電動機１の出力は０なので、このタイミングで電力変換装置２を停止して電流を遮断すれば船内電源３の負荷は変化せず、電源母線５の電圧は変動しない。

上記説明で明らかなようにレート減速器４７は、運転シーケンス制御部４６からレート減速指令が与えられたときだけレート減速を行い、そうでないときは入出力をバイパスする。また、力行回生検出器４８はトルク基準の極性検出を行うと説明したが、トルク基準が所定の値以下となったことを検出するようにしても良い。

以下本発明の実施例２に係る電気推進船の駆動装置及び駆動方法を図４乃至図６を参照して説明する。

図４は本発明の実施例２に係る電気推進船の駆動装置の制御部の内部構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る電気推進船の駆動装置の制御部の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、レート変更器４９を設け、速度ＦＢの値に応じてレート減速器４７Ａの減速レートを変更するように構成した点である。

以上の構成における停止制御時の動作について図５及び図６を参照して以下説明する。

図５は、運転シーケンス制御部４６Ａの停止制御時のフローチャートである。この実施例２のフローチャートの各部について、図２の本発明の実施例１に係る運転シーケンス制御部４６の停止制御時のフローチャートの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ステップＳＴ２において速度基準をレート減速させたあと、所定速度まで減速したかどうかを判断し（ＳＴ２Ａ）、所定速度まで減速されていれば、減速レートを変更する（ＳＴ３Ａ）ようにした点である。

以上の停止制御の動作をタイムチャートで示したのが図６である。実施例１の図３のタイムチャートとの相違は、時刻ｔ＝ｔ１で運転指令が０になったときの減速レートを実施例１の勾配より緩やかに設定し、時刻ｔ＝ｔ３においてレート変更器４９が所定の速度ＳＰ２を検出したとき、減速レートの勾配を急勾配に変更するようにした点である。

この実施例２によれば、速度が高い領域（時刻ｔ＝ｔ１）におけるトルク基準の変動を実施例１に比べて抑えることが可能になるので、電源母線５に与える電圧変動は減少する。尚、速度の低い領域においてはトルク基準の変動が電源母線５の電圧変動に与える影響は小さくなることは明らかである。また、本実施例では減速レートの変更を１回行う説明を行ったが、複数回行えば、より木目細かい変動抑制が可能となることは言うまでもない。

尚、この実施例２では、交流電動機１の速度の低下に応じて減速レートを変更する説明を行ったが、速度の低下ではなくタイマーの設定に応じて減速レートを変更するようにしても良い。

図７は本発明の実施例３に係る電気推進船の駆動装置の主回路構成図である。この実施例３の各部について、図１（ａ）の本発明の実施例１に係る電気推進船の駆動装置の主回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電力変換装置２Ａのコンバータをダイオードコンバータ２１Ａとした点である。

ダイオードコンバータ２１Ａは回生動作を行うことができないため、交流電動機１が回生運転になると平滑コンデンサ２３の直流電圧が上昇して平滑コンデンサ等の機器が損傷する恐れがある。従って、直流電圧値が一定以上に上昇しないよう抵抗制動回路を追加するなどの対策が必要になる。

しかしながら、実施例１と同様に、運転指令がオフとなったとき、一旦交流電動機１の速度を一定レートで減速し、トルク基準が力行から回生に切換わったタイミング、或いはトルク基準が所定値以下となったタイミングにて電力変換装置を停止すれば、回生運転にはならないため、抵抗制動回路などの対策は不要となる。

図８は本発明の実施例４に係る電気推進船の駆動装置の主回路構成図である。この実施例４の各部について、図１（ａ）の本発明の実施例１に係る電気推進船の駆動装置の主回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、船内電源３を直流電源３２によるものとした点、電源母線５Ａを直流回路とした点、電力変換装置２Ｂの入力変圧器２１及びコンバータ２２を省略した点、船内負荷６Ａを直流給電型とした点である。

この実施例４の場合、交流電動機１が回生運転になると電源母線５の直流電圧が上昇してしまうため、船内負荷６の機器が誤動作してしまう恐れがある。従って実施例１と同様に、運転指令がオフとなったとき、一旦交流電動機１の速度を一定レートで減速し、トルク基準が力行から回生に切換わったタイミングにて電力変換装置２Ｂを停止すれば、回生運転にはならないため、船内負荷６Ａの誤動作を防止できる。このように、電源母線５が直流回路であっても本方式を適用することは可能である。

以上の説明において、交流電動機１を直流電動機に置き換えても本発明は有効であることは明らかである。この場合電力変換装置２として直流レオナード装置または直流チョッパ装置を使用すれば良い。

１ 交流電動機
２、２Ａ、２Ｂ 電力変換装置
３ 船内電源
４、４Ａ 制御装置
５、５Ａ 電源母線
６、６Ａ 船内負荷
７ 電流検出器
８ 速度検出器
２１ 入力変圧器
２２ コンバータ
２２Ａ ダイオードコンバータ
２３ コンデンサ
２４ インバータ
３１ 交流発電機
３２ 直流電源
４１ 速度制御部
４２ 速度検出部
４３ 電流制御部
４４ 電流検出部
４５ 駆動信号発生部
４６ 運転シーケンス制御部
４７、４７Ａ レート減速器
４８ 力行回生検出器
４９ レート変更器

Claims (6)

1. 船舶の推進用プロペラの軸に接続した電動機と、
   船内電源から給電され、前記電動機を駆動する電力変換装置と、
   前記電力変換装置を制御する制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、外部からの速度指令に基づいて速度制御してトルク基準を出力する速度制御部と、外部からの運転指令に基づいて前記電動機の運転停止を制御する運転シーケンス制御部を有し、
   前記運転シーケンス制御部は、
   外部からの運転指令がオフとなったとき、一旦速度基準を所定の減速率で減速し、前記トルク基準が所定値以下となるか、または力行から回生に変化したときに前記電力変換装置を停止して電流を遮断すると共に、
   前記所定の減速率は、前記運転指令がオフとなったときの前記電動機の速度におけるフリーランによる減速曲線の減速率より緩い勾配としたことを特徴とする電気推進船の駆動装置。
2. 前記所定の減速率は時間に対して線形な減速レートであることを特徴とする請求項１に記載の電気推進船の駆動装置。
3. 前記電動機の速度に応じて前記所定の減速率の減速レートを変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電気推進船の駆動装置。
4. 船舶の推進用プロペラの軸に接続した電動機と、
   船内電源から給電され、前記電動機を駆動する電力変換装置と、
   前記電力変換装置を制御する制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、外部からの速度指令に基づいて速度制御してトルク基準を出力する速度制御部と、外部からの運転指令に基づいて前記電動機の運転停止を制御する運転シーケンス制御部を有する電気推進船の駆動装置において、
   外部からの運転指令がオフとなったとき、一旦速度基準を所定の減速率で減速し、前記トルク基準が所定値以下となるか、または力行から回生に変化したときに前記電力変換装置を停止して電流を遮断すると共に、
   前記所定の減速率は、前記運転指令がオフとなったときの前記電動機の速度におけるフリーランによる減速曲線の減速率より緩い勾配としたことを特徴とする電気推進船の駆動方法。
5. 前記所定の減速率は、時間に対して線形な減速レートであることを特徴とする請求項４に記載の電気推進船の駆動方法。
6. 前記電動機の速度に応じて前記所定の減速率の減速レートを変化させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電気推進船の駆動方法。

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