JP5787212B2

JP5787212B2 - 船舶用ハイブリッド式推進システム

Info

Publication number: JP5787212B2
Application number: JP2011119236A
Authority: JP
Inventors: 浩和鐡
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012245887A

Description

本発明は、推進装置用電動機の回生制動を行うインバータユニットを備えた船舶用ハイブリッド式推進システムに関する。

インバータユニットにより推進装置用電動機の力行制御および回生制御を行う方法として特許文献１に開示された発明がある。
以下、特許文献１に開示された回生制御を本発明と対比するために本発明の構成に準じた従来技術として、図６の構成例を参照して説明する。

１はディーゼルエンジン等の原動機であり、発電機３を駆動する。発電機３の出力電力は船内母線５に供給され、この船内母線５から図示していない船内負荷や、インバータユニット６のインバータ主回路６Ｐを介して推進装置用電動機７に供給される。この推進装置用電動機７は、インバータ主回路６Ｐから供給される交流電力に基づいて回転し、主軸８を介して電気推進プロペラ９を駆動する。

インバータユニット６のインバータ制御装置６Ｃには、速度ハンドルに取り付けられている回転速度設定器１０で定められた回転速度指令値ｎｓ、回転速度検出器１１によって検出された推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲ、およびインバータ主回路６Ｐと推進装置用電動機７との間の主回路に設置した電流検出器（ＣＴ）１２で検出された電流Ｉとを入力する。

インバータ制御装置６Ｃの基本的な機能は、回転速度設定器１０により設定された回転速度指令値ｎｓと回転速度検出器１１により検出された実回転速度ＮＲから速度偏差を算出し、その速度偏差に応じたゲート信号をインバータ主回路６Ｐへ出力する。インバータ主回路６Ｐは、インバータ制御回路６Ｃから出力されたゲート信号によりインバータ主回路６Ｐ内のインバータ（図示せず）をスイッチングし、ゲート信号に対応した可変電圧・可変周波数の交流によって推進装置用電動機７を駆動し、電気推進プロペラ９を回転させる。なお、１３は、インバータ主回路６Ｐの直流回路に接続され、推進装置用電動機７からの回生電力を消費する回生用抵抗器である。
なお、２は主機プロペラ４を駆動する主機で、発電機３を主機２により主機プロペラ４とともに駆動する所謂軸発電機とするケースもある。

特開２００７−６２６７６号公報

近年では環境対策や、発電機および原動機の燃費対策として、燃料を抑えて運航するディーゼルエンジン（主機）と電気推進装置とにより各々推進用プロペラを駆動するようにした、所謂ハイブリッド方式の電気推進システムが有用となってきており、推進装置用電動機の負荷を低減させた燃費に配慮した運航を行う場合が多い。

船舶用ハイブリッド式推進システムの場合、主機プロペラ４による流れの影響や海象による海流の影響を電気推進プロペラ９が受けた場合、船舶の通常航行中にも拘らず、推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓよりも大きくなる場合がある。この場合、インバータ主回路６Ｐには推進装置用電動機７から回生電力が流れ込むため、回生用抵抗器１３でその回生電力を消費させるなど、本来必要のない回生動作を行う必要がある。この回生動作のために、船体にブレーキがかかることになり船舶の速度を低下させるとか、インバータ主回路６Ｐに接続された回生用抵抗器１３の容量を大きく選定しておく必要がある等の欠点があった。

そこで、本発明は、船舶の通常航行時は主機プロペラによる流れの影響や海象による海流の影響等の外乱によって推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓよりも高くなった場合でも、インバータユニット６として不要な回生動作を行うことのない船舶用ハイブリッド式推進システムを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、主機と、前記主機によって駆動される主機プロペラと、前記主機あるいは別個設けた原動機によって駆動されて発電し、発電した交流電力を船内母線に供給する発電機と、前記船内母線を電源とし、インバータユニットのインバータ主回路を介して駆動される推進装置用電動機と、前記推進装置用電動機によって駆動される電気推進プロペラと、前記推進装置用電動機の回転速度指令値を設定する回転速度設定器と、前記推進装置用電動機の実回転速度を検出する回転速度検出器と前記回転速度指令値と前記実回転速度を入力して速度偏差を演算し、その速度偏差に応じて前記インバータ主回路にゲート信号を与えるインバータ制御回路と、前記インバータ主回路を介して前記推進装置用電動機からの回生電力を消費する回生用抵抗器とからなる船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、前記実回転速度が前記回転速度指令値より大きくなった時の速度偏差が予め定めた回生トルク制限値を超えないように制限をかけるリミッタ回路を前記インバータ制御回路に設けると共に、前記回転速度設定器からの信号を入力して回転速度設定器から増速度または一定速度の指令が出力されていることを判別したときは、前記リミッタ回路の回生トルク制限値をゼロに設定変更する回生トルク制限値制御器を設け、前記実回転速度が前記回転速度指令値より大きくなった時の速度偏差に応じたゲート信号が前記インバータ主回路に出力されないように制限することを特徴とする。

本発明によれば、主機プロペラによる電気推進プロペラ側への影響や海象条件等の外乱が発生したとしても、通常航行時に不要な回生動作が発生せず、不必要に船体にブレーキがかかることもなく船舶速度の低下防止がはかれ、また、インバータユニットに接続された回生用抵抗器の容量も大きく選定する必要もない船舶用ハイブリッド式推進システムを提供することができる。

本発明の実施形態１による船舶用ハイブリッド式推進システムを示す構成図。実施形態１の回生トルク制限値制御器の機能ブロック図。実施形態１のインバータユニットの概略構成図。実施形態１のインバータユニットによるインバータ制御時の速度制御の作用説明図。本発明の実施形態２によるインバータ主回路の結線図。従来システムの実施形態の構成図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、図６に記載された従来のシステム構成図中の部品と同一部品には同一符号を付けて、重複する説明は適宜省略する。

［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１による船舶用ハイブリッド式推進システムの構成図、図２は実施形態１の回生トルク制限値制御器の内部構成例を示す図、図３は本実施形態１で採用したインバータユニットの概略を示す構成図である。

（構成）
本実施形態１の図１が従来例の図６と相違する主な点は、インバータ制御回路６Ｃにリミッタ回路を付加したことと、新たに回生トルク制限値制御器１４を設けた点である。その他の構成は図６と同じである。

まず図１において、本実施形態１で新たに設けた回生トルク制限値制御器１４は、速度ハンドルに設けられた回転速度設定器１０からの信号１０ｓを入力してその速度ハンドル位置に応じた回生トルク制限値を出力するように構成されている。

図２は回生トルク制限値制御器１４の機能ブロック図である。
回生トルク制限値制御器１４は、回転速度設定器（速度ハンドル）１０からの信号１０ｓを入力し、ハンドル操作状態判定手段１４_１において回転速度設定器（速度ハンドル）１０の位置情報１０ｓが「増速または一定速度」の位置に対応したものであるのか、それとも「減速（逆転）」の位置に対応したものであるのかを判定する。

このハンドル操作状態判定手段１４_１によって回転速度設定器（速度ハンドル）１０の位置が「増速操作または一定速度操作」の位置であると判定された場合、第１の設定手段１４_２が選択されてこの第１の設定手段１４_２に設定されている「回生トルク制限値=０%」に対応した値が次段の回生トルク制限値設定手段１４_３に出力される。この回生トルク制限値設定手段１４_３は、第１の設定手段１４_２から出力された値を最終的に設定値に置き換えるための手段である。したがって、回生トルク制限値設定手段１４_３は、第１の設定手段１４_２から「回生トルク制限値=０%」に対応した値を入力すると、推進装置用電動機７の回生トルク制限値が０%に変更されるような回生トルク制限指令１４ｓをインバータ制御回路６Ｃのリミッタ回路６Ｃ _４に出力する。

つまり、実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓより大きくなった時の速度偏差に応じたゲート信号がインバータユニット６のインバータ主回路６Ｐに出力されないように作用する。

一方、ハンドル操作状態判定手段１４_１によって回転速度設定器（速度ハンドル）１０の位置が「減速操作（逆転操作）」の位置であると判定された場合は、第２の設定手段１４_４が選択され、この第２の設定手段１４_４で予め設定されている「回生トルク制限値=３０%」に対応した値が前記回生トルク制限値設定手段１４_３に出力される。回生トルク制限値設定手段１４_３は、第２の設定手段１４_４から出力された値が最終的に推進装置用電動機７の回生トルク制限値＝３０%となるように、回生トルク制限指令１４ｓをインバータ制御回路６Ｃのリミッタ回路６Ｃ _４に出力する。

つまり、実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓより大きくなった時の速度偏差に応じたゲート信号が３０％に制限されインバータユニット６のインバータ主回路６Ｐに出力されるように作用する。

この回生トルク制限値=３０%という設定値は、船舶用ハイブリッド式推進システムを搭載している船体に必要な回生量として予め算出した値である。
なお、本実施形態では減速操作（逆転操作）時の回生トルク制限値を３０％と定めたが、この３０％という値は一例に過ぎず、船体の大きさや推進力によって変わり得る。

次に、図３を参照して本実施形態１で採用したインバータユニット６について説明する。まず、インバータ制御回路６Ｃについて説明する。
インバータユニット６のインバータ制御回路６Ｃは、回転速度検出器１１で検出した推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲを同制御回路６Ｃ内で処理しやすい実回転速度信号ｎｒに変換する第１の信号変換器６Ｃ_１と、推進装置用電動機７に回転速度指令値を設定するための回転速度設定器１０から出力された回転速度指令値ｎｓと前記信号変換器６Ｃ_１から出力された実回転速度信号ｎｒとの速度偏差ｎｃ（ｎｃ＝ｎｓ−ｎｒ）を求める第1の加算部６Ｃ_２と、この第1の加算部６Ｃ_２から出力された速度偏差ｎｃを入力してこれを比例積分（ＰＩ制御）により増幅することにより電流指令ｉ^＊を作成する自動速度制御器６Ｃ_３と、この自動速度制御器６Ｃ_３から出力された電流指令ｉ^＊を入力し、この電流指令が予め定めた力行トルク制限値（プラス側の制限値）あるいは回生トルク制限値（マイナス側の制限値）の範囲から逸脱することのないように、すなわち、力行トルク制限値を上回る大きさの電流指令ｉ^＊とか、回生トルク制限値を下回る大きさの電流指令ｉ^＊が出力されることがないように制限をかけて出力するリミッタ回路６Ｃ_４と、電流検出器（ＣＴ）１２で測定された推進装置用電動機７に流れる電流Ｉを処理しやすい形に変換して電流検出値ｉを出力する第２の信号変換器６Ｃ_５と、この第２の信号変換器６Ｃ_５で得られた電流検出値ｉを前記リミッタ回路６Ｃ_４を通過した電流指令ｉ^＊と付き合わせて電流偏差を求める第２の加算部６Ｃ_６と、この第２の加算部６Ｃ_６で求めた電流偏差を入力してこれを比例積分（ＰＩ制御）により増幅する自動電流制御器６Ｃ_７と、この自動電流制御器６Ｃ_７の出力に応じてインバータ主回路６Ｐの半導体制御素子（例えば、ＩＧＢＴ）にゲート信号を与える第３の信号変換器６Ｃ_８と、を備えている。

なお、前記リミッタ回路６Ｃ_４に設定されている力行トルク制限値、回生トルク制限値のいずれの制限値も電流偏差ｉ_＊が電動機の定格以上になったり、または回生用抵抗器の容量を超えたりしないように予め設定されている。

次にインバータ主回路６Ｐについて説明する。
インバータ主回路６Ｐは、ダイオードのブリッジ結線によって構成され、交流端子を船内母線５に接続されたダイオードコンバータ回路６Ｐ_１と、このダイオードコンバータ回路６Ｐ_１の直流端子間に接続された平滑用コンデンサ６Ｐ_２と、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子のブリッジ結線によって構成され、直流端子を前記平滑用コンデンサ６Ｐ_２に接続され、交流端子を前記推進装置用電動機７に接続されたインバータ回路６Ｐ_３とから構成されている。なお、インバータ主回路６Ｐの構成部品ではないが、インバータ回路６Ｐ_３の直流側端子間には、インバータユニット６の回生動作時に回生用抵抗器１３を接続するためのスイッチング素子６Ｐ_４が接続されている。

図４はインバータユニット６の制御による速度制御を説明するための図であり、リミッタ回路の制限値を変更しないときの特性を示している。
制御対象となる推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲ（実線）が回転速度指令値ｎｓ（破線）より高い場合は、インバータユニット６はインバータ回路６Ｐ_３に回生動作（電力は電動機からインバータの方向へ発生）を行なわせ、スイッチング素子６Ｐ_４を介して回生用抵抗器１３で電力消費することによって推進装置用電動機７に電気ブレーキをかけ、回転速度ＮＲを目標回転速度ｎｓと一致するように制御する。

一方、制御対象となる推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓより低い場合は、インバータユニット６はインバータ回路６Ｐ_３に力行動作（電力はインバータから電動機の方向へ発生）を行なわせ、インバータ回路６Ｐ_３の出力を増加させることで推進装置用電動機７の回転速度を増加させ回転速度指令値ｎｓと一致するように制御する。

（作用）
図１において、船舶の通常航行中は、速度ハンドルに設けられた回転速度設定器１０から回生トルク制限値制御器１４へ入力する信号１０ｓが、増速または一定速度の操作状態を示す信号であるため、回生トルク制限値制御器１４からは、インバータ制御回路６Ｃのリミッタ回路６Ｃ_４に回生トルク制限値ゼロ（０％）の回生トルク制限指令１４ｓを出力する。

従って、自動速度制御器６Ｃ_３から実回転速度ＮＲと回転速度指令値ｎｓとの速度偏差に応じた電流指令ｉ^＊が出力されてもリミッタ回路６Ｃ_４によって０％に制限され、第２の加算部６Ｃ_６へは電流指令ｉ^＊が出力されなくなる。

つまり、電気推進プロペラ９への外乱によって回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓよりも上昇しても、リミッタ回路６Ｃ_４により回生トルク制限値ゼロ（０％）の回生トルク制限が行われているため回生トルクが発生せず、推進装置用電動機７に電気的なブレーキが発生しない。

尚、速度ハンドルが減速（逆転）位置にあるときは、回転速度設定器１０からの信号１０ｓによって、回生トルク制限値制御器１４からインバータ制御回路６Ｃのリミッタ回路６Ｃ_４に回生トルク制限値（３０％）の回生トルク制限指令１４ｓが出力され、リミッタ回路６Ｃ_４により回生トルク制限値（３０％）の回生トルク制限が行われる。従って、実回転速度ＮＲと回転速度指令値ｎｓの偏差に応じた制限値（３０％）に制限された回生トルクが発生し、推進装置用電動機７に電気的なブレーキが発生する。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態１によれば、回生トルク制限値制御器１４により、速度ハンドルの操作に応じて増速または一定速時で航行中はインバータ制御回路６Ｃ内のリミッタ回路６Ｃ_４の制限値を０（ゼロ）％に切換えるようにしたので、万一、外乱によって推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓよりも高くなったとしても、従来システムで発生していたような不要な回生制動の発生を防ぐことが可能となる。

［実施形態２］
次に図５を参照して本発明の実施形態２によるインバータ主回路について説明する。
本実施形態２が前述の実施形態１と異なる点は、インバータ主回路６Ｐのコンバータ回路６Ｐ_１にある。

本実施形態２のインバータ主回路６Ｐは、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子をブリッジ結線して構成されたコンバータ回路６Ｐ_１と、このコンバータ回路６Ｐ_１の直流端子間に接続された平滑用コンデンサ６Ｐ_２と、スイッチング素子をブリッジ結線して構成され、直流端子を平滑用コンデンサ６Ｐ _２に接続され、交流端子を前記推進装置用電動機側に接続されたインバータ回路６Ｐ_３とから構成されており、図１の回生用抵抗器１３は撤去してある。

この実施形態２の場合、推進装置用電動機７の実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓより高い場合、回生電力は推進装置用電動機７からインバータ主回路６Ｐを介して船内母線５に回生されるようになる。その他は、実施形態１と同じなので説明を省略する。

本実施形態２の場合も、前述した実施形態１同様に万一、外乱によって電気推進プロペラ９の実回転速度ＮＲが回転速度指令値ｎｓよりも高くなったとしても、従来システムで発生していたような不要な回生制動を防ぐことができるほかに、実施形態１に比べて回生電力を消費するための回生用抵抗器１３を設置する必要がないので、回生電力を回生用抵抗器で無駄に消費することなく、船内母線５側に有効に回生することができる。

また、回生用抵抗器１３を必要としない分、回生用抵抗器１３専用の冷却装置とか、回生用抵抗器１３の熱が他の部品や機器に影響が出ないようにするための船内レイアウトも特に考慮する必要がないという長所がある。

１…原動機、２…主機、３…発電機、４…主機プロペラ、５…船内母線、６…インバータユニット、６Ｐ…インバータ主回路、６Ｐ_１…コンバータ回路、６Ｐ_２…平滑用コンデンサ、６Ｐ_３…インバータ回路、６Ｐ_４…スイッチング素子、６Ｃ…インバータ制御回路、６Ｃ_２…加算部、６Ｃ_３…自動速度制御器、６Ｃ_４…リミッタ回路、６Ｃ_６…加算部、６Ｃ_７…自動電流制御器、７…推進装置用電動機、８…主軸、９…電気推進プロペラ、１０…速度ハンドル（回転速度設定器）、１１…回転速度検出器、１２…電流検出器（ＣＴ）、１３…回生用抵抗器、１４…回生トルク制限値制御器。

Claims

主機と、
前記主機によって駆動される主機プロペラと、
前記主機あるいは別個設けた原動機によって駆動されて発電し、発電した交流電力を船内母線に供給する発電機と、
前記船内母線を電源とし、インバータユニットのインバータ主回路を介して駆動される推進装置用電動機と、
前記推進装置用電動機によって駆動される電気推進プロペラと、
前記推進装置用電動機の回転速度指令値を設定する回転速度設定器と、
前記推進装置用電動機の実回転速度を検出する回転速度検出器と
前記回転速度指令値と前記実回転速度を入力して速度偏差を演算し、その速度偏差に応じて前記インバータ主回路にゲート信号を与えるインバータ制御回路と、
前記インバータ主回路を介して前記推進装置用電動機からの回生電力を消費する回生用抵抗器とからなる船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、
前記実回転速度が前記回転速度指令値より大きくなった時の速度偏差が予め定めた回生トルク制限値を超えないように制限をかけるリミッタ回路を前記インバータ制御回路に設けると共に、前記回転速度設定器からの信号を入力して回転速度設定器から増速度または一定速度の指令が出力されていることを判別したときは、前記リミッタ回路の回生トルク制限値をゼロに設定変更する回生トルク制限値制御器を設け、前記実回転速度が前記回転速度指令値より大きくなった時の速度偏差に応じたゲート信号が前記インバータ主回路に出力されないように制限することを特徴とする船舶用ハイブリッド式推進システム。
前記インバータ制御回路は、前記回転速度設定器の前記回転速度指令値と前記回転速度検出器の実回転速度との偏差を入力して速度制御演算を行い電流指令を出力する自動速度制御器と、この自動速度制御器から出力された電流指令を入力しその電流指令を予め定めた上限値および下限値の範囲内に制限して出力するリミッタ回路と、このリミッタ回路から出力された電流指令と電流検出器で検出された推進装置用電動機に流れる出力電流との電流偏差に応じて電流制御を行なう自動電流制御器を備え、前記回生トルク制限値制御器によって前記回転速度設定器が増速度または一定速度の指令を出力していることを判別したとき、前記リミッタ回路の下限値を予め定めた制限値であるゼロに設定変更し、前記自動速度制御器から出力された電流指令のマイナス分が次段の自動電流制御器に入力されないように制御することを特徴とする請求項１記載の船舶用ハイブリッド式推進システム。
前記インバータ主回路は、ダイオードをブリッジ結線して構成されたダイオードコンバータ回路と、このダイオードコンバータ回路の直流端子間に接続された平滑用コンデンサと、スイッチング素子をブリッジ結線して構成され直流端子を前記平滑用コンデンサ側に接続され、交流端子を前記推進装置用電動機側に接続されたインバータ回路とからなり、前記インバータ回路の直流側端子間にスイッチング素子を介して回生用抵抗器を接続したことを特徴とする請求項１または２記載の船舶用ハイブリッド推進システム。
前記インバータ主回路は、スイッチング素子をブリッジ結線して構成されたコンバータ回路と、このコンバータ回路の直流端子間に接続された平滑用コンデンサと、スイッチング素子をブリッジ結線して構成され、直流端子を前記平滑用コンデンサに接続され、交流端子を前記推進装置用電動機側に接続されたインバータ回路と、からなることを特徴とする請求項１または２記載の船舶用ハイブリッド推進システム。