JP7027195B2 - 電動機システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機システム及びその制御方法に関するものである。

従来、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を燃焼室内へ送り込む過給機が知られており、たとえば舶用ディーゼル機関や発電用ディーゼル機関のような２ストローク低速機関等においても広く使用されている。このような過給機は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機及び圧縮機の駆動源になるタービンが回転軸に接続され、ケーシング内に収納されて一体に回転する。なお、タービンは、内燃機関の排気ガスが保有するエネルギーにより駆動される。

上述した過給機として、例えば、回転軸に高速の発電電動機を接続したハイブリッド過給機が知られている。このハイブリッド過給機は、通常の過給機と同様に加圧した燃焼用空気を内燃機関に供給するとともに、余剰の排ガスエネルギーを使って発電し、電力を供給することもできる。

また、上述したハイブリッド過給機の発電電動機に代えて小型化した電動機を採用し、この電動機を過給機に内蔵した電動アシスト過給機が知られている。この電動アシスト過給機は、回転軸を吸入空気導入路側へ延長した軸延長部に小型化した電動機が取り付けられる。この場合、電動機の回転子の重量を既存の過給機軸受により充分支えることができるため、電動機専用の軸受を不要とする、すなわち、電動機専用の軸受を持たないオーバーハング構造が一般的である。このような電動アシスト過給機は、例えば主機関低負荷時に十分な排気ガス量を得られない場合、主機への掃気圧力が足りなくなるため、従来の補助ブロアの使用に替えて電動機に通電し、電動機の駆動力を加えて圧縮機の駆動をアシストする。

特開２０１５－１５８１６１号公報

ところで、上述したようなハイブリッド過給機の発電電動機や電動アシスト過給機の電動機には、回転子に永久磁石を用いたモータが採用されている。このようなモータは回転数と逆起電力とが比例するため、例えば、モータを駆動する電力変換装置（インバータ等）を設計する場合には、モータの最高回転数に対応する電圧を定格電圧とする必要がある。
また、モータの設計では、必要な出力電力から定格電圧と定格電流とをバランスよく設計する必要がある。モータを小型化するためには、定格電流を下げる必要があるが、定格電流を下げてしまうと、一定の出力を得るためには定格電圧を上げる必要がある。そして、モータの定格電圧を上げると、これに伴い、電力変換装置の定格電圧を上げなければならず、耐電圧性能の高い電力変換装置を採用する必要がある。
また、特に、オーバーハング構造を採用する電動アシスト過給機の場合には、モータだけではなく、電力変換装置についても機械的に過給機の最高回転数に耐え得る設計にする必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、過給機の回転軸に連結される電動機システムにおいて、電力変換装置の耐電圧性能を過度に上げることなく、電動機のサイズを低減することのできる電動機システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様は、過給機の回転軸に連結される電動機と、前記電動機に電力を供給する電力変換手段と、前記電動機と前記電力変換手段との接続及び切断を切り替える接続切替手段と、前記接続切替手段を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記電動機の回転数が第１閾値以上であるか否かを判定する第１制御手段と、前記電動機の回転数が前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上であるか否かを判定する第２制御手段とを備え、前記第１制御手段によって前記電動機の回転数が前記第１閾値以上であると判定された場合、または、前記第２制御手段によって前記電動機の回転数が前記第２閾値以上であると判定された場合に、前記電動機と前記電力変換手段との接続を切断するように前記接続切替手段を制御し、前記第２閾値は、前記電力変換手段の許容電圧から決定される最大回転数または前記最大回転数に所定の余裕度を持った値に設定されるとともに、前記過給機の最大回転数よりも小さな値に設定されている電動機システムである。

本態様に係る電動機システムによれば、電動機の回転数が第１閾値または第２閾値以上と判定された場合には、電動機と電力変換手段との接続が切断されるので、電動機の定格電圧に合わせて電力変換手段の耐電圧を高く設計する必要がない。換言すれば、電力変換手段が有する耐電圧性能に応じた回転数に合わせて第１閾値及び第２閾値を設定することで、電力変換手段が耐えうる回転数領域でのみ、電力変換手段と電動機との接続を維持することが可能となる。これにより、電力変換手段の耐電圧性能を過給機の最高回転数に相当する電圧まで引き上げる必要がなくなり、比較的安価な電力変換手段を採用することが可能となる。

例えば、電動アシスト過給機等の過給機システムにおいては、電動機による加勢（アシスト）は、必ずしも過給機の最高回転数まで行われるわけではなく、例えば、そのおよそ半分程度までの回転数までしか必要とされない。したがって、上記第１閾値を電動機による加勢が必要とされない回転数領域の下限値に設定することで、電動機への電力供給を最小限の回転数範囲に制限することができ、不必要な電力の消費を解消することが可能となる。更に、本態様に係る電動機システムによれば、第１制御手段及び第２制御手段の両方において電動機の回転数と各閾値とを比較するので、制御に冗長性を持たせることが可能となる。

上記電動機システムは、前記過給機の回転数を計測する回転数計測手段を備え、前記第１制御手段は、前記回転数計測手段の計測値を前記電動機の回転数として用いることとしてもよい。

上記電動機システムは、前記電力変換手段から出力される線間電圧を計測する電圧計測手段を備え、前記第２制御手段は、前記電圧計測手段の計測値を用いて前記電動機の回転数を得ることとしてもよい。

上記電動機システムは、前記電動機と前記電力変換手段とが接続されている状態において、前記電力変換手段から前記電動機に流れる電流を計測する電流計測手段を備え、前記第２制御手段は、前記電流計測手段の計測値を用いて前記電動機の回転数を得ることとしてもよい。

上記電動機システムにおいて、前記第１制御手段は、前記電圧計測手段の計測値を用いて得られた前記電動機の回転数および前記電流計測手段の計測値を用いて得られた前記電動機の回転数の少なくともいずれか一方を前記第２制御手段から取得し、前記第２制御手段から取得した各前記電動機の回転数が前記第１閾値以上であるか否かを判定することとしてもよい。

このように、回転数計測手段の計測値だけでなく、電圧計測手段の計測値から得られる電動機の回転数、電流計測手段の計測値から得られる電動機の回転数を用いて判定を行うので、計測値にも冗長性を持たせることが可能となる。

上記電動機システムにおいて、前記制御手段は、前記接続切替手段によって前記電動機と前記電力変換手段との接続が切断されている場合に、前記電動機の回転数が前記第１閾値未満に設定されている第３閾値未満である場合に、前記電動機と前記電力変換手段とを接続するように前記接続切替手段を制御することとしてもよい。

上記構成によれば、電動機の回転数が第３閾値を超える回転数領域において、電力変換手段と電動機とが接続されることを回避することが可能となる。

上記電動機システムにおいて、前記第１制御手段は、電動機の回転数が、前記第１閾値よりも大きな値、かつ、前記第２閾値よりも小さな値に設定された第４閾値以上であるか否かを判定し、前記電動機の回転数が前記第４閾値以上である場合に、前記電動機と前記電力変換手段との接続を切断するように前記接続切替手段を制御することとしてもよい。

上記構成によれば、第１制御手段によって電動機の回転数が第４閾値以上であると判定された場合には、第１制御手段から接続切替手段に対して電動機と電力変換手段との接続を遮断させるような制御が行われる。これにより、速やかに電動機と電力変換手段との接続を遮断することができる。また、第２制御手段の故障等によって第２制御手段による接続切替手段の制御が不可能な場合にも、第１制御手段から接続切替手段を制御することができるので、冗長性をより高めることが可能となる。

上記電動機システムにおいて、前記第１制御手段は、前記第２制御手段の上位装置であり、前記第２制御手段として、前記第１制御手段よりも処理速度が速い制御手段を採用することとしてもよい。

上記構成によれば、第１制御手段よりも処理速度の速い第２制御手段において、第１閾値よりも高い第２閾値を用いた回転数の判定処理が行われる。これにより、仮に、第１制御手段において電動機の回転数が第１閾値以上であることが検知されずに、第２制御手段において、電動機の回転数が第２閾値以上であると判定された場合でも、迅速に接続切替手段を制御することが可能となる。

本発明の第二態様は、上記のいずれかに記載の電動機システムと、前記電動機システムが備える前記電動機が回転軸に連結された過給機とを備える過給機システムである。

本発明の第三態様は、上記記載の過給機システムと、前記過給機システムによって外気が圧送される内燃機関とを備える船舶である。

本発明の第四態様は、過給機の回転軸に連結される電動機と、前記電動機に電力を供給する電力変換手段とを備えた電動機システムの制御方法であって、前記電動機の回転数が第１閾値以上であるか否かを判定する第１制御手段と、前記電動機の回転数が前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上であるか否かを判定する第２制御手段とを個別にそれぞれ設け、前記第１制御手段によって前記電動機の回転数が前記第１閾値以上であると判定された場合、または、前記第２制御手段によって前記電動機の回転数が前記第２閾値以上であると判定された場合に、前記電動機と前記電力変換手段との接続を切断し、前記第２閾値は、前記電力変換手段の許容電圧から決定される最大回転数または前記最大回転数に所定の余裕度を持った値に設定されるとともに、前記過給機の最大回転数よりも小さな値に設定されている電動機システムの制御方法である。

本発明によれば、過給機の回転軸に連結される電動機システムにおいて、電力変換装置の耐電圧性能を過度に上げることなく、電動機のサイズを低減することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る過給機システムの概略構成を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る電動機システムに設けられた各種センサの一例について示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る電動機システムのモータ同期中において、第１制御部によって実行される過回転検知処理の処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電動機システムのモータ同期中において、第２制御部によって実行される過回転検知処理の処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電動機システムのモータ非同期中において、第１制御部によって実行されるモータ同期判定処理の処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電動機システムのモータ同期中において、第１制御部によって実行される過回転検知処理の処理手順を示したフローチャートである。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の電動機システム及びその制御方法の第１実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態では、本発明の電動機システムを船舶に適用される電動アシスト過給機に適用した場合を例示して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る過給機システムの概略構成を示した図である。図１に示すように、過給機システムは、船舶に搭載されて使用されるシステムであり、過給機１０と、電動機システム１とを主な構成として備えている。
過給機１０は、舶用ディーゼルエンジン（内燃機関）から排出された排ガスによって駆動される排気タービン２１と、排気タービン２１により駆動されて内燃機関に外気を圧送する圧縮機２３とを備えている。このように、過給機１０は、舶用ディーゼルエンジンから排出されるエンジン排ガスを圧縮機２３の駆動力として利用するものである。

電動機システム１は、電動機３０と、電力変換装置２０と、制御装置４０とを主な構成として備えている。
電動機３０は、排気タービン２１および圧縮機２３の回転軸に連結され、圧縮機２３の駆動をアシストする。
電力変換装置２０は、電動機３０と船内系統（電源）１６との間に接続され、制御装置４０からの制御信号に基づいて駆動することにより、電動機３０に三相交流電力を供給する。電力変換装置２０は、例えば、コンバータ１２と、インバータ１４と、コンバータ１２及びインバータ１４とを接続する直流バス１５に設けられた平滑コンデンサ１８とを主な構成として備えている。

コンバータ１２は、船内系統１６からの三相交流電力を直流電力に変換して直流バス１５に出力する。平滑コンデンサ１８は、直流電圧変動を低減する。インバータ１４は、直流バス１５を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動機３０に出力する。
インバータ１４は、例えば、６つのスイッチング素子をブリッジ接続してなる回路で構成されている。なお、インバータ１４の構成については、この例に限定されず、他の構成を採用することも可能である。

更に、電動機システム１において、インバータ１４と電動機３０とを接続する三相電線には、インバータ１４と電動機３０との接続／切断を切り替えるコンタクタ（接続切替手段）５０が設けられている。なお、インバータ１４と電動機３０との接続／切断を切り替える機構は、上記コンタクタに限定されない。すなわち、インバータ１４と電動機３０との接続／切断を切り替え可能な機構を適宜採用することが可能である。
制御装置４０は、後述する各種センサの計測値に基づいて、電力変換装置２０及びコンタクタ５０を制御する。

図２は、電動機システム１に設けられた各種センサの一例について示した図である。図２に示すように、電動機システム１は、インバータ１４から電動機３０に供給される相間電圧を計測する電圧センサ６０ａ、６０ｂ、インバータ１４から電動機３０に流れる交流電流を計測する電流センサ７０ａ、７０ｂ、過給機１０の回転数を計測する回転数センサ８０を備えている。ここで、回転数センサ８０に加えて、電動機３０の回転数を計測する回転数センサを設けてもよい。更に、電動機システム１は、直流バス１５の直流電圧を計測する電圧センサ（図示略）等を有している。
なお、以下の説明において、各々のセンサを区別する場合には、上記のように符号ａ、ｂを付し、各々を特に区別しない場合には、ａ、ｂを省略する。

本実施形態では、電圧センサ６０ａがＵ相とＶ相との線間電圧Ｖｕｖを、電圧センサ６０ｂがＶ相とＷ相との線間電圧Ｖｖｗを計測する場合を例示しているが、計測される線間電圧の組み合わせはこれらに限定されない。同様に、電流センサ７０ａがＵ相電流を、電流センサ７０ｂがＶ相電流を計測する場合を例示しているが、計測される相電流の組み合わせはこれらに限定されない。
更に、本実施形態では、２つの電圧センサ６０、２つの電流センサ７０を設けた場合を例示しているが電圧センサ６０及び電流センサ７０の設置数についてはこれに限定されず、制御装置４０が電動機３０を制御するのに必要な情報に応じて設置数を適宜増減することが可能である。

制御装置４０は、上記各種センサ６０、７０、８０の計測値に基づいてインバータ１４を制御するとともに、コンタクタ５０の開閉を制御する。
図３は、制御装置４０の概略構成を示した図である。図３に示すように制御装置４０は、第１制御部４１、第２制御部４２を備えている。
例えば、第１制御部４１及び第２制御部４２は、それぞれハードウェア的に独立した装置として構成され、相互に情報の授受が可能な構成とされている。

第１制御部４１及び第２制御部４２は、いずれもマイクロプロセッサ等で構成され、例えば、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、他の装置とデータの授受を行うための通信部等を備えている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式でＲＯＭ等の記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

第１制御部４１は、第２制御部４２の上位装置であり、例えば、過給機１０の運転状態に応じた電動機３０の回転数指令を生成し、第２制御部４２に与える。また、第１制御部４１は、過給機１０の回転数センサ８０から計測値を受信し、この回転数ωに基づいてコンタクタ５０の開閉を制御する。ここで、回転数センサ８０は、例えば、過電流などを羽根車、ロータ先端、スラストカラーの切欠き部等から直接的に回転数を計測するセンサであり、電圧センサ６０や電流センサ７０等の計測値に基づいて演算により回転数を算出するものとは異なる。第１制御部４１の一例として、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）が挙げられる。

第２制御部４２は、電圧センサ６０の電圧計測値及び電流センサ７０の電流計測値に基づいて、第１制御部４１から受信した回転数指令に電動機３０の回転数を一致させるための制御信号（例えば、ＰＷＭ信号）を生成し、生成した制御信号をインバータ１４に与える。これにより、インバータを構成する各スイッチング素子が制御信号に基づいてオンオフすることで、回転数指令に応じた電力をインバータ１４に供給することができる。
更に、第２制御部４２は、電圧センサ６０の電圧計測値Ｖｕｖ、Ｖｖｗ及び電流センサ７０の電流計測値Ｉｕ，Ｉｖに基づいてコンタクタ５０の開閉を制御する。具体的には、第２制御部４２は、電圧計測値Ｖｕｖ、Ｖｖｗを用いて電動機３０の回転数ωｖを演算するとともに、電流計測値Ｉｕ，Ｉｖを用いて電動機３０の回転数ωｉを演算し、演算により取得した回転数ωｖ、ωｉに基づいてコンタクタ５０の開閉を制御する。また、第２制御部４２は、演算した回転数ωｖ、ωｉを第１制御部４１に送信する。
なお、相間電圧から電動機３０の回転数ωｖを演算する方法及び電流計測値から電動機３０の回転数ωｉを演算する方法についてはいずれも公知の技術であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

ここで、電流センサ７０による電流計測は、電動機３０による過給機１０の加勢（モータアシスト）が行われている場合にのみ可能なため、コンタクタ５０が開状態にある場合には、電流計測値に基づくコンタクタ５０の制御は行われない。
第２制御部４２の一例として、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）が挙げられる。第２制御部４２は、第１制御部４１よりも処理速度が速い制御部とされている。

次に、制御装置４０によって実行されるコンタクタ開閉処理について図４～６を参照して具体的に説明する。
まず、コンタクタ５０が閉状態とされることによりインバータ１４と電動機３０とがコンタクタ５０を介して接続され、かつ、インバータ１４が駆動している状態（以下「モータ同期中」という。）にある場合に、第１制御部４１及び第２制御部４２によってそれぞれ実行される過回転検知処理について具体的に説明する。

図４は、モータ同期中において、第１制御部４１によって実行される過回転検知処理の処理手順を示した図である。なお、この過回転検知処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される処理である。
まず、第１制御部４１は、回転数センサ８０によって計測された回転数ωが第１閾値ω１以上であるか否かを判定する（ＳＡ１）。ここで、第１閾値ω１は、後述する第２閾値ω２よりも小さな値に設定されている。第１閾値ω１は、例えば、モータリング上限回転数である。モータリング上限回転数は、例えば、これ以上の回転数ではモータリングしてはいけない回転数、かつ、この回転数で自動でモータリング停止すべき回転数を意味する。
ステップＳＡ１において、回転数ωが第１閾値ω１未満である場合には（ＳＡ１：ＮＯ）、続いて、第２制御部４２から直近に受信した回転数ωｖが第１閾値ω１以上であるか否かを判定する（ＳＡ２）。この結果、回転数ωｖが第１閾値ω１未満である場合には（ＳＡ２：ＮＯ）、続いて、第２制御部４２から直近に受信した回転数ωｉが第１閾値ω１以上であるか否かを判定する（ＳＡ３）。この結果、回転数ωｉが第１閾値ω１未満であると判定した場合には（ＳＡ３：ＮＯ）、電動機３０は過回転状態にないと判断し、当該処理を終了する。

一方、上記回転数ω、ωｖ、ωｉの少なくともいずれか一つが第１閾値ω１以上であると判定した場合には（ＳＡ１，２，３のいずれかでＹＥＳ）、電動機３０が過回転状態にあると判定し、コンタクタ５０を開状態とする接続切断指令Ｓ＿ｏｐｅｎを第２制御部４２に送信する（ＳＡ４）。
第２制御部４２は、接続切断指令Ｓ＿ｏｐｅｎを受信すると、インバータ１４を停止することによりインバータ１４から電動機３０への電力供給をゼロとし、この状態でコンタクタ５０を開状態とする。これにより、電動機３０とインバータ１４との接続が切断される。ここで、上記のように、インバータ１４を停止させてからコンタクタ５０を開状態とすることで、高負荷状態でコンタクタ５０を強制的に開状態とする際に発生するアーク放電等を回避することができる。これにより、アーク放電の発生によるインバータ１４やコンタクタ５０の損傷を防止することができる。
なお、上記例では、ステップＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の順に説明したが、この順番は適宜変更可能である。また、ステップＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の３つの判定処理によって電動機３０が過回転状態にあるか否かを判定したが、これら３つの判定処理は少なくとも１つ行われれば足り、他の２つの判定処理を省略することも可能である。

次に、モータ同期中において、第２制御部４２によって実行される過回転検知処理について説明する。図５は、第２制御部４２によって実行される過回転検知処理の処理手順を示したフローチャートである。なお、この過回転検知処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される処理である。また、第２制御部４２の方が第１制御部４１よりも処理速度が高いため、第２制御部４２による過回転検知処理の繰り返し頻度を第１制御部４１よりも高く設定してもよい。また、この繰り返し頻度は、電圧センサ６０及び電流センサ７０のサンプリング間隔に応じて設定されてもよい。

まず、第２制御部４２は、最新の電圧計測値Ｖｕｖ、Ｖｖｗから電動機３０の回転数ωｖを演算し、演算した回転数ωｖが第２閾値ω２以上であるか否かを判定する（ＳＢ１）。
ここで、第２閾値ω２は、インバータ１４の定格電圧から決定される最大回転数、換言すると、モータ同期中においてインバータ１４が電動機３０と接続可能な最大回転数に設定されている。電動機３０の回転数が第２閾値以上となる領域は、重故障につながる回転数領域と位置付けられる。また、本来であれば、電動機３０の回転数が上述した第１閾値ω１以上となった時点で第１制御部４１によって過回転状態であると判定されるため、電動機３０が第１閾値ω１以上で回転していること自体が異常である。したがって、電動機３０が第２閾値ω２以上であると判定した場合には、可能な限り速やかにコンタクタ５０を開状態とすることが要求される。なお、第２閾値ω２は、インバータ１４が電動機３０と接続可能な最大回転数に所定の余裕度を持った値に設定されていてもよい。なお、第２閾値は、当然ながら過給機１０の最大回転数よりも小さな値に設定される。

ステップＳＢ１において、回転数ωｖが第２閾値ω２未満である場合には（ＳＢ１：ＮＯ）、続いて、最新の電流計測値Ｉｕ，Ｉｖから電動機３０の回転数ωｉを演算し、演算した回転数ωｉが第２閾値ω２以上であるか否かを判定する（ＳＢ２）。この結果、回転数ωｉが第２閾値ω２未満である場合には（ＳＢ２：ＮＯ）、電動機３０は過回転状態にないと判断し、当該処理を終了する。

一方、上記回転数ωｖ、ωｉの少なくともいずれか一つが第２閾値ω２以上であると判定した場合には（ＳＢ１またはＳＢ２：ＹＥＳ）、電動機３０が過回転状態にあると判定し、コンタクタ５０を開状態とする（ＳＢ３）。具体的には、第２制御部４２は、インバータ１４を停止することによりインバータ１４から電動機３０への電力供給をゼロとし、この状態でコンタクタ５０を開状態とする。これにより、電動機３０とインバータ１４との接続が切断される。なお、上述したように、電動機３０の回転数が第２閾値ω２を超えた場合には緊急性が高いので、インバータ１４の停止とともにコンタクタ５０を開状態としてもよい。
なお、上記例では、ステップＳＢ１、ＳＢ２の順に説明したが、この順番は適宜変更可能である。また、ステップＳＢ１、ＳＢ２の２つの判定処理によって電動機３０が過回転状態にあるか否かを判定したが、これら２つの判定処理は少なくとも１つ行われれば足り、他の１つの判定処理を省略することも可能である。

次に、コンタクタ５０が開状態とされ、電動機３０とインバータ１４とが非接続状態にある場合（以下「モータ非同期中」という。）に、第１制御部４１によって実行されるモータ同期判定処理について説明する。図６は、モータ非同期中に第１制御部４１によって実行されるモータ同期判定処理の処理手順を示したフローチャートである。

第１制御部４１は、回転数センサ８０によって計測された回転数ωが、第１閾値よりも小さな値に設定された第３閾値ω３未満であるか否かを判定する（ＳＣ１）。ここで、第３閾値ω３は、電動機３０とインバータ１４とを接続しても問題が生じない回転数領域に設定されている。この結果、回転数ωが第３閾値ω３未満である場合には（ＳＣ１：ＹＥＳ）、続いて、第２制御部４２から受信した電動機３０の回転数ωｖが第３閾値ω３未満であるか否かを判定する（ＳＣ２）。この結果、回転数ωｖが第３閾値ω３未満である場合（ＳＣ２：ＹＥＳ）、すなわち、回転数ω、ωｖの両方が第３閾値ω３未満である場合には（ＳＣ１、ＳＣ２：ＹＥＳ）、モータ同期条件成立と判定し（ＳＣ３）、コンタクタ５０を閉状態とするための接続指令Ｓ＿ｃｌｏｓｅを第２制御部４２に送信する（ＳＣ４）。第２制御部４２は、接続指令Ｓ＿ｃｌｏｓｅを受信すると、コンタクタ５０を閉状態とし、インバータ１４と電動機３０とを接続状態とした後、インバータ１４の駆動を再開する。
一方、回転数ω、ωｖの少なくとも一方が第３閾値ω３以上である場合には（ＳＣ１またはＳＣ２：ＮＯ）、モータ同期条件不成立と判断し（ＳＣ５）、処理を終了する。

なお、図６に示したフローチャートでは、モータ同期条件として回転数条件のみを採用していたが、この例に限らず、例えば、過給機の運転状態等を考慮してモータ同期条件が成立したか否かを判定することとしてもよい。
また、上記例では、ステップＳＣ１、ＳＣ２の順に説明したが、この順番は適宜変更可能である。

以上、説明したように、本実施形態に係る電動機システム及びその制御方法によれば、第１制御部４１において電動機３０の回転数が第１閾値以上と判定された場合、または、第２制御部４２において、電動機３０の回転数が第２閾値以上であると判定された場合に、コンタクタ５０が開状態とされ、電動機３０とインバータ１４とが非接続状態とされ、電動機３０からインバータ１４への逆起電力が遮断される。これにより、インバータ１４の耐電圧性能を過給機１０の最高回転数に相当する電圧まで引き上げる必要がなくなり、比較的安価なインバータ１４を採用することが可能となる。

また、本実施形態によれば、第１制御部４１及び第２制御部４２の両方で過回転検知処理を実行するので、制御に冗長性を持たせることが可能となる。
また、本実施形態によれば、第１制御部４１は、回転数センサ８０によって計測された回転数ωが第１閾値以上であるか否かを判定するので、例えば、第２制御部４２における回転数演算機能が故障することにより、回転数ωｖや回転数ωｉを受信できない場合であっても、回転数センサ８０からの信号に基づいて過回転検知処理やモータ同期判定処理を実行することができる。

また、例えば、電流センサ７０はインバータ１４内に電流が流れている状態でないと電流を検知することができないため、電流センサ７０による計測値に基づいて回転数ωｉを得るためには、モータ同期中であることが条件となる。これに対し、電圧センサ６０はコンタクタ５０よりも過給機側（モータ側）１０に設けられていれば、非同期中でも電圧を検知することができる、換言すると、コンタクタ５０が開状態であっても電圧を計測することができる。したがって、電圧センサ６０に基づいて回転数ωｖを算出することにより、モータ非同期中であり、かつ、何らかの要因で回転数センサ８０による回転数の計測が不可能な状況であっても、回転数に基づくモータ同期判定処理を実行することが可能となる。

また、第１制御部４１においては、第２閾値よりも低い第１閾値を用いることにより、電動機３０の回転数が第２閾値に到達する前にコンタクタ５０を開状態とすることが可能となる。これにより、より安全サイドでインバータ１４と電動機３０との接続を切断することが可能となる。特に、インバータ１４の過回転は重故障に位置づけられるため、第２閾値よりも低い第１閾値を用いて過回転検知を行うことにより、重故障として検知される機会を減らすことができる。なお、本実施形態のように、第１制御部４１が直接的にコンタクタ５０の開閉を制御しない場合には、第１制御部４１において電動機３０の回転数が第１閾値以上であると判定されてから、実際にコンタクタ５０が開状態とされるまでに通信時間等の時間遅延が発生する。したがって、第１制御部４１と第２制御部４２との通信期間等も加味して、第１閾値を設定するとよい。具体的には、第１閾値は、第１制御部４１において電動機３０の回転数が第１閾値以上であると判定されてから実際にコンタクタ５０が開状態とされるまでに、電動機３０の回転数が第２閾値を超えない範囲に設定されるとよい。

更に、第１制御部４１よりも処理速度の速い第２制御部４２では、インバータ１４の定格電圧から決定される最大回転数の近傍に設定された第２閾値を用いて過回転検知を行う。これにより、電動機３０の回転数が第２閾値以上であると判定された場合に、速やかにコンタクタ５０を開状態とすることが可能となる。

更に、本実施形態によれば、回転数センサ８０による計測値だけでなく、電圧センサ６０及び電流センサ７０の計測値から電動機３０の回転数を演算によって取得し、取得したこれらの回転数ωｖ、ωｉを用いて過回転検知を行うので、センサに対しても冗長性を持たせることが可能となる。これにより、過回転検知の確実性をより高めることが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る電動機システム及びその制御方法について説明する。上述した第１実施形態では、第１閾値ω１、第２閾値ω２に基づいて電動機３０の過回転を検知することとしたが、本実施形態においては、これら第１閾値ω１及び第２閾値ω２に加えて、第４閾値ω４に基づいて電動機３０の過回転状態を検知する点が異なる。
以下、本実施形態に係る電動機システム及びその制御方法について、第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図７は、モータ同期中において、制御装置４０の第１制御部４１によって実行される過回転検知処理の処理手順を示した図である。なお、この過回転検知処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される処理であり、上述した第１閾値ω１を用いた過回転検知処理と並列に、または、時分割で、或いは、一連の処理として行われても良い。

まず、第１制御部４１は、回転数センサ８０によって計測された回転数ωが第４閾値ω４以上であるか否かを判定する（ＳＤ１）。ここで、第４閾値ω４は、上述した第１閾値ω１よりも大きく、第２閾値ω２よりも小さな値に設定されている。この結果、回転数ωが第４閾値ω４未満である場合には（ＳＤ１：ＮＯ）、続いて、第２制御部４２から直近に受信した回転数ωｖが第４閾値ω４以上であるか否かを判定する（ＳＤ２）。この結果、回転数ωｖが第４閾値ω４未満である場合には（ＳＤ２：ＮＯ）、続いて、第２制御部４２から直近に受信した回転数ωｉが第４閾値ω４以上であるか否かを判定する（ＳＤ３）。この結果、回転数ωｉが第４閾値ω４未満であると判定した場合には（ＳＤ３：ＮＯ）、電動機３０は過回転状態にないと判断し、当該処理を終了する。

一方、上記回転数ω、ωｖ、ωｉの少なくともいずれか一つが第４閾値ω４以上であると判定した場合には（ＳＤ１，２，３のいずれかでＹＥＳ）、電動機３０が過回転状態にあるとともに、重故障が発生するおそれがあると判定し、コンタクタ５０を開状態とする（ＳＤ４）。これにより、電動機３０とインバータ１４との接続が切断される。このように、電動機の回転数が第４閾値ω４以上であると判定した場合には、第１制御部４１からコンタクタ５０に対して直接的に接続を遮断させるための信号を出力する。これにより、第２制御部４２を介してコンタクタ５０を制御する場合に比べて、コンタクタ５０を速やかに開状態とすることができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る電動機システム及びその制御方法によれば、第１制御部４１において電動機３０の回転数が第４閾値ω４以上と判定された場合に、第１制御部４１からコンタクタ５０に対して直接的にコンタクタ５０を開状態とする信号が出力される。これにより、上述した第１閾値に基づく過回転検知処理のときと比べて、コンタクタ５０が開状態とされるまでの時間を短縮することができ、電動機３０とインバータ１４とを速やかに非接続状態とすることができる。また、上述した第１閾値ω１及び第２閾値ω２に加えて、第１閾値ω１よりも大きく、第２閾値ω２よりも小さい値に設定された第４閾値ω４を用いて過回転検知処理を行うことにより、例えば、第２制御部４２が故障等することにより、上述した第２閾値ω２に基づく過回転検知処理やコンタクタ５０の開制御を行うことができない場合でも、第１制御部４１から直接的に重故障検知やコンタクタ５０の開制御を行うことが可能となる。これにより、冗長性を持たせることができるとともに、安全性を高めることが可能となる。

なお、第１制御部（ＰＬＣ）４１は、本来の回転数からずれた回転数を検知しにくいが、第２制御部（ＤＳＰ）４２では検知できる回転数に幅があり、本来の回転数からずれた回転数を検知した場合でも設定した閾値を超えたものと判断してしまう場合がある。このため、第２閾値ω２は、第４閾値ω４よりも可能な限り高い値に設定されることが好ましい。換言すると、第４閾値ω４と第２閾値ω２との差は可能な限り大きな値とされることが好ましい。これにより、第２制御部４２による誤検知を回避することが可能となる。また、このような理由から、第２閾値ω２は比較的大きな値、換言すると、第２制御部４２による誤検知が発生しにくい値に設定されているので、第１閾値ω１と第２閾値ω２との間に第４閾値ω４を設定しておくことで、第２制御部４２によって過回転検知が行われる前に、第１制御部４１によって早期に異常を検知することが可能となる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本実施形態では、船舶に搭載される電動アシスト過給機の電動機システムに本発明の電動機システム及びその制御方法を適用した場合を例示して説明したが、本発明の適用先は、電動アシスト過給機に限定されない。例えば、電動アシスト過給機に更に発電の機能を搭載させたハイブリッド過給機の電動機システムとして本発明を適用してもよい。

また、第１実施形態では、第２制御部４２がコンタクタ５０の開閉制御を行う場合を例示して説明したが、この例に限られず、第１制御部４１についてもコンタクタ５０の開閉を直接的に制御可能な構成としても良い。より具体的には、電動機の回転数が第１閾値以上であると判定された場合に、第１制御部４１からコンタクタ５０に対して直接的に開信号を出力することとしてもよい。

また、本実施形態では、電流センサ７０の計測値に基づいて演算された電動機３０の回転数ωｉを用いて過回転検知を行うこととしたが、電流センサ７０は電圧センサ６０及び回転数センサ８０と異なり、モータ非同期状態では電流を計測することができない。したがって、電流センサ７０の計測値から演算される電動機３０の回転数ωｉを用いずに過回転検知処理を行うこととしてもよい。また、この例に限られず、上記実施形態で説明した過回転検知処理及びモータ同期判定処理は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりすることが可能である。

１ 電動機システム
１０ 過給機
１４ インバータ
１５ 直流バス
１６ 船内系統
２０ 電力変換装置
２１ 排気タービン
２３ 圧縮機
３０ 電動機
４０ 制御装置
４１ 第１制御部
４２ 第２制御部
５０ コンタクタ
６０（６０ａ、６０ｂ） 電圧センサ
７０（７０ａ、７０ｂ） 電流センサ
８０ 回転数センサ

Claims (11)

1. 過給機の回転軸に連結される電動機と、
   前記電動機に電力を供給する電力変換手段と、
   前記電動機と前記電力変換手段との接続及び切断を切り替える接続切替手段と、
   前記接続切替手段を制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記電動機の回転数が第１閾値以上であるか否かを判定する第１制御手段と、
   前記電動機の回転数が前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上であるか否かを判定する第２制御手段と
   を備え、
   前記第１制御手段によって前記電動機の回転数が前記第１閾値以上であると判定された場合、または、前記第２制御手段によって前記電動機の回転数が前記第２閾値以上であると判定された場合に、前記電動機と前記電力変換手段との接続を切断するように前記接続切替手段を制御し、
   前記第２閾値は、前記電力変換手段の許容電圧から決定される最大回転数または前記最大回転数に所定の余裕度を持った値に設定されるとともに、前記過給機の最大回転数よりも小さな値に設定されている電動機システム。
2. 前記過給機の回転数を計測する回転数計測手段を備え、
   前記第１制御手段は、前記回転数計測手段の計測値を前記電動機の回転数として用いる請求項１に記載の電動機システム。
3. 前記電力変換手段から出力される線間電圧を計測する電圧計測手段を備え、
   前記第２制御手段は、前記電圧計測手段の計測値を用いて前記電動機の回転数を得る請求項１または２に記載の電動機システム。
4. 前記電動機と前記電力変換手段とが接続されている状態において、前記電力変換手段から前記電動機に流れる電流を計測する電流計測手段を備え、
   前記第２制御手段は、前記電流計測手段の計測値を用いて前記電動機の回転数を得る請求項３に記載の電動機システム。
5. 前記第１制御手段は、前記電圧計測手段の計測値を用いて得られた前記電動機の回転数および前記電流計測手段の計測値を用いて得られた前記電動機の回転数の少なくともいずれか一方を前記第２制御手段から取得し、前記第２制御手段から取得した各前記電動機の回転数が前記第１閾値以上であるか否かを判定する請求項４に記載の電動機システム。
6. 前記制御手段は、前記接続切替手段によって前記電動機と前記電力変換手段との接続が切断されている場合に、前記電動機の回転数が前記第１閾値未満に設定されている第３閾値未満である場合に、前記電動機と前記電力変換手段とを接続するように前記接続切替手段を制御する請求項１に記載の電動機システム。
7. 前記第１制御手段は、電動機の回転数が、前記第１閾値よりも大きな値、かつ、前記第２閾値よりも小さな値に設定された第４閾値以上であるか否かを判定し、前記電動機の回転数が前記第４閾値以上である場合に、前記電動機と前記電力変換手段との接続を切断するように前記接続切替手段を制御する請求項１に記載の電動機システム。
8. 前記第１制御手段は、前記第２制御手段の上位装置であり、
   前記第２制御手段は、前記第１制御手段よりも処理速度が速い請求項１に記載の電動機システム。
9. 請求項１に記載の電動機システムと、
   前記電動機システムが備える前記電動機が回転軸に連結された過給機と
   を備える過給機システム。
10. 請求項９に記載の過給機システムと
    前記過給機システムによって外気が圧送される内燃機関と
    を備える船舶。
11. 過給機の回転軸に連結される電動機と、前記電動機に電力を供給する電力変換手段とを備えた電動機システムの制御方法であって、
    前記電動機の回転数が第１閾値以上であるか否かを判定する第１制御手段と、前記電動機の回転数が前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上であるか否かを判定する第２制御手段とを個別にそれぞれ設け、
    前記第１制御手段によって前記電動機の回転数が前記第１閾値以上であると判定された場合、または、前記第２制御手段によって前記電動機の回転数が前記第２閾値以上であると判定された場合に、前記電動機と前記電力変換手段との接続を切断し、
    前記第２閾値は、前記電力変換手段の許容電圧から決定される最大回転数または前記最大回転数に所定の余裕度を持った値に設定されるとともに、前記過給機の最大回転数よりも小さな値に設定されている電動機システムの制御方法。
    

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