JP5840969B2

JP5840969B2 - 船舶用電気推進ドライブ装置

Info

Publication number: JP5840969B2
Application number: JP2012027060A
Authority: JP
Inventors: 邦昭長坂; 明加々美
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP2013163431A

Description

本発明は、冷却効率を改良した船舶用電気推進ドライブ装置に関する。

スイッチング素子のようなパワーデバイスは技術の発展に伴い大容量化・小型化している。このため、発熱損失は増加し、放熱面積は小さくなる傾向にあり、このようなパワーデバイスを十分に放熱冷却するためには空冷では限界があり、冷媒を用いた冷却器が使用される。一例として、用いられる冷媒は水、冷却器は水冷ヒートシンクが挙げられ、パワーデバイスを収納したモジュール等を水冷ヒートシンクに取り付けて水冷による冷却が実施される。

また、このようなパワーデバイスを使った装置自体も大容量化しており、回路上の制動抵抗器やスナバ抵抗器も大きな発熱損失を生じることがある。抵抗器は自然空冷や強制風冷により冷却することが多いが、発熱損失が大きい場合には表面温度が200℃〜300℃に及ぶこともある。装置の一部がこのように高温になると、周囲に用品や電線は配置できないため、装置は大型化してしまう。そこで、発熱損失の大きくなる抵抗器には水冷抵抗器を使用することがある。水冷抵抗器は内部に水を取り込むことで温度上昇を抑制することができる。

これらのパワーデバイスと抵抗器が共に水冷の場合、冷却装置は１台で構成し、冷却水を循環することによりパワーデバイスと抵抗器の両方を冷却する。しかし、これらの冷却対象を別々冷却するためには、冷却水量は増加し装置全体も大型化・複雑化する。そこで、冷却装置の母管から分岐配管を介して水冷ヒートシンクに冷却水を供給し、抵抗体は冷却水母管に絶縁被膜を介して設けることが提案されている。（例えば特許文献１参照。）。

特開平１０−１５４７８８号公報（第２−３頁、図１）

特許文献１の手法により、パワーデバイスと抵抗器を同一の冷却装置を用いて一括で冷却することは可能である。しかし、パワーデバイスと抵抗器に流す冷却水のバランスを取るために、冷却水量を調整するバルブや、圧力損失を調整するオリフィスなどの調節機構が必要となる。また、これらの調節機構が多数存在すると冷却装置は複雑化し調整作業も難しく多くの時間を費やす。また、パワーデバイスと抵抗器の両方を配管分岐により並列で冷却する場合は冷却装置の冷却水量が増加する。

電気エネルギーを使って船舶を推進するための電気推進ドライブ装置では、パワーデバイスを組み込んだ電力変換装置によって電動機を可変速運転する。また、船舶が減速するときは電動機に制動トルクを与えるため、電動機からのエネルギーをインバータによって電気エネルギーに変換し回生するが、この回生電力は電源系統側に戻さずに電気推進ドライブ装置内の制動抵抗器で消費するのが一般的である。回生電力は減速中の短時間しか生じないが、その電力は非常に大きいため、強制風冷によって冷却しても制動抵抗器は短時間で非常に高温となってしまう。このため、制動抵抗器に水冷抵抗器を使う方法も少なくない。

しかし、パワーデバイスと水冷抵抗器を同一の冷却装置を用いて一括で冷却水を循環させる場合、船舶減速時の短時間の発熱を冷却するために制動抵抗器に常に冷却水を流さなければならないので冷却効率が低下する。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、電力変換装置と制動抵抗器と冷却装置から構成される船舶用電気推進ドライブ装置において、より冷却効率の良い船舶用電気推進ドライブ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の船舶用電気推進ドライブ装置は、交流電圧を入力とし、直流リンクを生成するコンバータ、前記直流リンクに接続された制動制御回路、及び前記直流リンクの直流電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータを備えた電力変換装置と、船舶の減速時に発生する回生電力を、前記制動制御回路を介して消費する制動抵抗器と、前記電力変換装置のパワーデバイス及び前記制動抵抗器を、冷媒を循環させて冷却するようにした冷却装置と、前記冷媒を前記電力変換装置及び前記制動抵抗器に循環させるように配設された冷却配管と、前記電力変換装置に流れる冷媒の流量と前記制動抵抗器に流れる冷媒の流量の割合を調節するための流量調節機構とを具備し、前記流量調節機構は、船舶推進時には前記冷媒が前記電力変換装置側を流れるように動作し、船舶減速時には前記冷媒が前記制動抵抗器側にも循環するように動作するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、電力変換装置と制動抵抗器と冷却装置から構成される船舶用電気推進ドライブ装置において、より冷却効率の良い船舶用電気推進ドライブ装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る船舶用ドライブ装置の冷却水系統図。本発明の実施例１に係る船舶用ドライブ装置の回路構成図。本発明の実施例２に係る船舶用ドライブ装置の冷却水系統図。本発明の実施例３に係る船舶用ドライブ装置の冷却水系統図。本発明の実施例４に係る船舶用ドライブ装置の冷却水系統図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る船船舶用ドライブ装置を図１及び図２を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統図である。電力変換装置１及び制動抵抗器２は、冷却装置３から並列に供給される冷却水によって冷却される。冷却水配管４内の冷却水はポンプ５による通流作用によって、冷却装置３から流出し、電力変換装置１及び制動抵抗器２を冷却したあと再び冷却装置３に循環流入する。制動抵抗器２の冷却水の流入側の配管には流量調節機構である開閉バルブ６が設けられている。冷却装置３の内部には図示しない熱交換器が設けられ、電力変換装置１及び制動抵抗器２を冷却することによって温まった冷却水の温度を低下させる。この熱交換の相手は、通常外水配管７によって与えられる海水、清水などの外水である。

図２は本発明に係る船舶用電気推進ドライブ装置の回路構成図である。電力変換装置１は３レベルコンバータ１１と平滑コンデンサ１２と３レベルインバータ１３と制動制御回路１４とから構成される。入力変圧器２０から与えられる交流電圧は３レベルコンバータ１１によって、Ｐ電位、Ｎ電位及び中性点のＣ電位を有する３レベルの直流電圧に変換され、平滑コンデンサ１２によって平滑される。３レベルの直流電圧は３レベルインバータ１３によって交流に変換され、交流電動機３０を駆動する。尚、３レベルインバータ１３は１相分の内部回路のみ図示している。発熱するパワーデバイスとして、３レベルインバータ１３にはスイッチング素子が、３レベルコンバータ１１にはダイオードが主として使用され、これらのパワーデバイスを水冷ヒートシンクに取り付けて冷却する。また、回生電力を消費するための制動抵抗器２は３レベルの直流リンクから制動制御回路１４を介して接続する。制動制御回路１４にもスイッチング素子を使用しており、これも水冷ヒートシンクで冷却する。

船舶が推進するときは、３レベルコンバータ１１で交流を直流に変換し、３レベルインバータ１３で直流を交流に変換して所望の駆動電力を得て、交流電動機３０を可変速運転する。逆に、船舶が減速するときは、交流電動機３０から生じる回生電力を制動制御回路１４で制御して制動抵抗器２で消費させる。ここで、船舶の制動動作は数分程度の短い時間となるのが普通である。

上記構成において、船舶が推進するときは、電力変換装置１を構成する３レベルコンバータ１１と３レベルインバータ１３のパワーデバイスは発熱し、制動抵抗器２は発熱していない。従って、図１の冷却系統図の開閉バルブ６を閉状態とし、制動抵抗器２には冷却水が循環しない構成とする。逆に、船舶が減速するときは、制動抵抗器２に回生電力が加わり発熱するが、開閉バルブ６を開状態に切り換え、制動抵抗器２に冷却水が流れるようにする。このとき、電力変換装置１への冷却水は減少するが、電力変換装置１の発熱は力行推進時より小さくなるうえ、発熱が短時間のため問題とはならない。これにより冷却装置３は一定量の冷却水を循環するだけで電力変換装置１と制動抵抗器２の両方を冷却できる。

また、回生電力が発生したときに開閉バルブ６を開状態に切り換えるよう、回生電流を検出する回路を設け、この信号をフィードバックして開閉バルブ６を制御することも可能である。

図３は本発明の実施例２に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統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２が実施例１と異なる点は、流量調節機構である開閉バルブ６に代え、三方弁６Ａを設けた点である。三方弁６Ａは、図示するように給水側の冷却水を通流する冷却水配管４が電力変換装置１側と制動抵抗器２側とに分岐する分岐点に設置する。

このように流量調節機構として三方弁６Ａを使用すれば、冷却水の循環の微調整が可能となる。実施例１においては、開閉バルブ６を開としたとき、制動抵抗器２には一定の冷却水量が流れるだけで細かな調節ができない。このため、開閉バルブの選定を間違えると電力変換装置１の冷却水が不足してパワーデバイスの温度が上昇する恐れがある。これに対し、この実施例２では、船舶減速時に、電力変換装置１の発熱の減少に見合った分の冷却水量を減少することが可能となり、パワーデバイスが冷却不足に陥ることを回避できる。

また、電力変換装置１内のパワーデバイスや水冷ヒートシンクの温度を検出しそれをフィードバックする装置を組み込めば、電力変換装置１の冷却不足の程度に応じて三方弁６Ａの開度を調節することも可能である。

図４は本発明の実施例３に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統図である。この実施例３の各部について、図３の本発明の実施例２に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統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２と異なる点は、電力変換装置１内の冷却水配管４を、３レベルコンバータ１１用、３レベルインバータ１３用及び制動制御回路１４用に分け、これらが冷却装置３から見て並列分岐するように配管接続し、図４上で冷却装置３から見て最も遠い位置を３レベルコンバータ１１用の分岐配管とし、冷却水配管４が３レベルコンバータ１１側と制動抵抗器２側とに流入分岐する分岐点に三方弁６Ａを設けた点である。

この実施例３によれば、船舶減速時に回生電力が発生している期間は、３レベルコンバータ１１には通電されず、発熱していないため、電力変換装置１のうち３レベルコンバータ１１のみの冷却水量を減らし、その分の冷却水量で制動抵抗器２を冷却する。これにより、電力変換装置１と制動抵抗器２をより効率良く冷却することが可能となる。

尚、３レベルコンバータ１１と制動制御回路１４は、３レベルインバータ１３に比べて発熱損失は小さく、しかも力行時は制動制御回路１４の発熱はなく、回生時には３レベルコンバータ１１の発熱はないので、３レベルコンバータ１１と制動制御回路１４の冷却水配管４を直列接続し、一括して冷却する構成としても良い。この場合は冷却水配管４が一括した分岐配管側と制動抵抗器２側に分岐する分岐点に三方弁６Ａを設ける。

図５は本発明の実施例４に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る船船舶用ドライブ装置の冷却水の系統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２と異なる点は、電力変換装置１内の冷却水配管４を、３レベルコンバータ１１用、３レベルインバータ１３用及び制動制御回路１４用に分け、これらが冷却装置３から見て並列分岐するように配管接続し、図５上で冷却装置３から見て最も遠い位置を制動制御回路１４用の配管とし、冷却水配管４が制動制御回路１４側と制動抵抗器２側とに流入分岐する分岐点の手前に開閉バルブ６を設けた点である。

電力変換装置１内の制動制御回路１４、制動抵抗器２と同じく、船舶減速時に主に発熱する。そこで、電力変換装置１の中の制動制御回路１４の冷却配管４と制動抵抗器２の冷却配管４を並列接続した状態で開閉バルブ６によって同時に流量制御する。これにより、回生電力が発生している期間は開閉バルブ６を開放して制動制御回路１４と制動抵抗器２に冷却水を流し、力行運転時には開閉バルブ６を閉状態となるように切換えれば、実施例１に比べてより効率的な冷却水の循環が可能となり、装置全体の冷却水量を低減することができる。

また、制動制御回路１４と制動抵抗器２の冷却配管４を直列に接続しても良い。直列接続すれば、圧力損失は増大するが、装置の複雑化を改善することができる。

更に、図５の配管接続の構成において、開閉バルブ６に代えて冷却配管４が３レベルコンバータ１１側に流入分岐する分岐点に三方弁を設ける構成としても良い。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、実施例において、電力変換装置１は３レベル構成として説明したが、３レベルでなく２レベル構成であっても良く、また４レベル以上の多レベル構成であっても良いことは明らかである。すなわち、３レベルコンバータ１１、３レベルインバータ１３は必ずしも３レベルである必要はない。また電力変換装置１内に制動制御回路１４を設ける構成として説明したが、制動制御回路１４は電力変換装置１とは切り離した別盤とする構成としても良い。更に、冷却配管４を流れる冷却水は、水以外の冷媒であっても良い。

１電力変換装置
２制動抵抗器
３冷却装置
４冷却配管
５ポンプ
６開閉バルブ
６Ａ三方弁
７外水配管
１１３レベルコンバータ
１２平滑コンデンサ
１３３レベルインバータ
１４制動制御回路

Claims

交流電圧を入力とし、直流リンクを生成するコンバータ、前記直流リンクに接続された制動制御回路、及び前記直流リンクの直流電圧を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータを備えた電力変換装置と、
船舶の減速時に発生する回生電力を、前記制動制御回路を介して消費する制動抵抗器と、
前記電力変換装置のパワーデバイス及び前記制動抵抗器を、冷媒を循環させて冷却するようにした冷却装置と、
前記冷媒を前記電力変換装置及び前記制動抵抗器に循環させるように配設された冷却配管と、
前記電力変換装置に流れる冷媒の流量と前記制動抵抗器に流れる冷媒の流量の割合を調節するための流量調節機構と
を具備し、
前記流量調節機構は、
船舶推進時には前記冷媒が前記電力変換装置側を流れるように動作し、
船舶減速時には前記冷媒が前記制動抵抗器側にも循環するように動作するようにしたことを特徴とする船舶用電気推進ドライブ装置。
前記冷却配管は前記冷却装置から前記電力変換装置と前記制動抵抗器とを並列に循環するように配設され、
前記流量調節機構は、
前記冷却装置から流出する冷媒が前記電力変換装置側と前記制動抵抗器側に分岐する前記冷却配管の分岐点と前記制動抵抗器の間に設けられた開閉バルブであることを特徴とする請求項１に記載の船舶用電気推進ドライブ装置。
前記冷却配管は前記冷却装置から前記電力変換装置と前記制動抵抗器とを並列に循環するように配設され、
前記流量調節機構は、
前記冷却装置から流出する冷媒が前記電力変換装置側と前記制動抵抗器側に分岐する前記冷却配管の分岐点に設けられた三方弁であることを特徴とする請求項１に記載の船舶用電気推進ドライブ装置。
前記電力変換装置内の冷却水配管を、コンバータ用、インバータ用及び制動制御回路用に分け、これらが前記冷却装置から見て並列分岐するように前記冷却配管を接続し、
前記流量調節機構は、
前記冷却水配管が前記コンバータ側と前記制動抵抗器側とに流入分岐する分岐点に設けられた三方弁であることを特徴とする請求項１に記載の船舶用電気推進ドライブ装置。
前記電力変換装置内の冷却水配管を、コンバータ用、インバータ用及び制動制御回路用に分け、これらが前記冷却装置から見て並列分岐するように前記冷却配管を接続し、
前記流量調節機構は、
前記冷却水配管が前記制動制御回路側と前記制動抵抗器側とに流入分岐する分岐点の手前の前記冷却配管に設けられた開閉バルブであることを特徴とする請求項１に記載の船舶用電気推進ドライブ装置。