JPH0730600U - 主機軸駆動発電装置の電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本考案は、無負荷から全負荷までインバータの
力率を高力率に保つことができ、かつ安定で応答の速い
制御が期待できる主機軸駆動発電装置の電圧制御装置を
提供することにある。 【構成】本考案は、船舶の主エンジンによって駆動され
る軸発電機と、軸発電機の端子電圧を制御する電圧調整
器と、軸発電機の出力を直流・交流に変換するコンバー
タ・インバータと、インバータ及び負荷に無効電力を供
給する同期調相機とよりなる主機軸駆動発電装置におい
て、軸発電機の出力電流を検出する電流検出器と、その
電流検出値をもとに関数を発生する関数発生器と、電圧
設定値を関数発生器の出力信号により補正する演算器
と、コンバータ出力の直流電圧を検出する直流電圧検出
器及び制御増幅器を設け、演算器の出力信号と直流電圧
が一致するようにその偏差を制御増幅器にて増幅して電
圧調整器の端子電圧指令値としているので、無負荷から
全負荷までインバータの力率を高力率に保つことがで
き、かつ安定で応答の速い制御が可能である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は船舶用の主機軸駆動発電装置に係わり、軸発電機が低速機でコンバー タの転流リアクタンスが大きな場合でも安定した制御ができる主機軸駆動発電装 置の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

主機軸駆動発電装置は船舶の主エンジンにより発電機を駆動し発電するシステ ムであり省エネ、省保守に効果が大きく、多くの船舶で用いられている。

【０００３】 このような従来の主機軸駆動発電装置を図３に示す構成図を参照して説明する 。 同図において、１は軸発電機、２はコンバータ、３はインバータ、４は同期調 相機、５はエンジン、６はプロペラ、７は負荷、８は遮断器、９は母線、１０は 出力周波数指令設定器、１１は出力周波数検出器、１２は出力周波数指令と出力 周波数検出値の偏差により電流指令値を演算する周波数制御器、１３はインバー タの出力電流を検出する第１の電流検出器、１４は電流指令値と電流検出値が一 致するようにインバータ３とコンバータ２の位相を演算する電流制御器、１５は コンバータ２の位相制御器、１６はインバータ３の位相制御器、１７は軸発電機 １の端子電圧を制御する第１の電圧調整器、１８は同期調相機４の端子電圧を制 御する第２の電圧調整器、１９は直流電圧設定器、２０は電圧検出器、２１は制 御増幅器である。

【０００４】 次に、上記した従来の主機軸駆動発電装置の動作を説明する。 主エンジン５はプロペラ６を駆動するが、同時に軸発電機１をも駆動する。主 エンジン５の回転数は航行状態により変化する。軸発電機１の端子電圧の大きさ は第１の電圧調整器１７によって希望の値に制御できるが、周波数はエンジン回 転数によって変化してしまう。そこで、コンバータ２により交流を一旦直流に変 換しインバータ３により定周波数の交流電力に変換する。同期調相機４はインバ ータ３及び負荷７に無効電力を供給して母線９の電圧を一定に保つ。得られた定 周波定電圧の電力は、遮断器８を通して母線９により負荷７に供給される。軸発 電機１から負荷７に供給する電力は電流に比例するので、負荷７に応じた電力が 供給され、インバータ３の出力周波数が安定するように周波数制御部１２と電流 制御器１４にて電流を制御している。

【０００５】 船舶の主エンジン５は、大容量機であり回転数は低い。したがって、軸発電機 １も出力周波数５〜２０Hzの低速機である。低速機はもともと外形寸法が大きい 上に、少しの出力容量の違いでも寸法が随分変化する。そこで、軸発電機１の力 率をできるだけ１に近付けて運転するようにすれば、外形寸法も小さくできる。 そのため発電運転中は、コンバータ２を制御角α＝０°で運転し、インバータ３ の位相制御で電流を調節するようにしている。こうすると、同期調相機４の外形 寸法は大きくなるが、高速機であるので少ない寸法増加で対応できる。

【０００６】 軸発電機１が低速機の場合リアクタンスが大きくなるため、負荷時のコンバー タ２の転流重なり角が大きくなるという問題もある。軸発電機１の端子電圧が一 定でコンバータ２がα＝０°一定で運転されていても、負荷７が大きくなって転 流重なり角が大きくなれば、コンバータ２の直流出力電圧は無負荷時に比べ大き く垂下する。直流出力電圧が低下すると、インバータ３の力率が低下するので同 期調相機４の容量を大きくしなければならない。

【０００７】 そこで、従来は電圧検出器２０によりコンバータ２の直流出力電圧を検出し、 電圧設定器１９により設定される直流出力電圧設定値との偏差を制御増幅器２１ により増幅して端子電圧指令値として第１の電圧調整器１７に与える構成として いる。この構成とした場合、制御増幅器２１に積分要素を持たせれば、ゲインが 低くても定常的には必ず直流出力電圧を設定値に一致させることができる。その ため、制御ゲインを安定限界の値の数分の一まで小さく設定しても問題ない。そ れは主機軸駆動発電装置では定常特性が重要であり、過渡現象は秒単位の長い時 間まで許容されるからである。このため無負荷時に充分余裕をとって制御増幅器 ２１の調節を行えば、全負荷時まで安定な制御が可能であり、無負荷から全負荷 までインバータを高力率に保つことができ、同期調相機４の容量を低減すること が可能である。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

以上のように運転される主機軸駆動発電装置によれば、主エンジンのパワーに より、定周波数・定電圧の電源が得られ、省エネ・省保守に効果がある。しかし ながら、負荷が小さい時、直流出力電圧が一定となるように軸発電機１の端子電 圧を制御すると、インバータ３での電流制御が不安定になることがあるという問 題があった。

【０００９】 これは、通常の発電運転中、コンバータ２は制御角α＝０°一定で最大直流出 力電圧が得られるように運転し、インバータ３のβ位相制御で負荷に供給する電 流を制御している。ここでインバータ３側についてみると、直流電圧Ｖ_dcと同期 調相機４の端子電圧Ｖ_s/c は一定であり、直流電圧Ｖ_dc、同期調相機の端子電圧 Ｖ_s/c 、制御進み角β、転流重なり角ｕの関係は次式となる。 Ｖ_dc＝（３√２／π）・Ｖ_s/c ・ｃｏｓ（β−ｕ／２）

【００１０】 負荷が大きく転流重なり角ｕが大の時は、制御進み角βも大となってβリミッ ト値に対するβの可変範囲が大であるが、負荷が小さく転流重なり角ｕが小の時 は、制御進み角βも小となり、電流のわずかな変化でβリミットとなって電流制 御が不安定になる。電流制御器１４はインバータ３の制御がβリミットとなって 電流が制御しきれない場合に、コンバータ２のα位相制御で電流を制御しようと する。例えば、負荷が小さくなり直流電流を減少させるような場合に、インバー タ３の位相制御がβリミットとなり、コンバータ２側でもα位相制御のモードに なることである。ここでシステムの電流制御の応答についてみると、軸発電機１ は低速機で出力周波数が低いため、コンバータ２の位相制御の応答はインバータ ３の位相制御の応答にくらべ遅く、システムの電流制御の応答も遅くなる。

【００１１】 通常のコンバータ２が制御角α＝０°一定で運転される場合は、インバータ３ による速い制御応答を望めるが、コンバータ２側でもα位相制御を行うモードに なるとシステムの制御応答はコンバータ２側の遅い制御応答になってしまう。ま た、応答が遅いだけでなく制御が不安定になるという問題があった。

【００１２】 本考案は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は無負荷から全負荷ま でインバータの力率を高力率に保つことができ、かつ安定で応答の速い制御が期 待できる主機軸駆動発電装置の電圧制御装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案は、船舶の主エンジンによって駆動される 軸発電機と、前記軸発電機の端子電圧を制御する電圧調整器と、前記軸発電機の 出力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの直流出力を定周波数の交 流に変換するインバータと、前記インバータ及び負荷に無効電力を供給する同期 調相機とよりなる主機軸駆動発電装置において、前記軸発電機の出力電流を検出 する電流検出器と、その電流検出値をもとに関数を発生する関数発生器と、電圧 設定値を前記関数発生器の出力信号により補正するための演算器と、前記コンバ ータ出力の直流電圧を検出する直流電圧検出器及び制御増幅器を設け、前記演算 器の出力信号と直流電圧が一致するようにその偏差を前記制御増幅器にて増幅し て前記電圧調整器の端子電圧指令値とすることを特徴としたものである。

【００１４】

【作用】

本考案によれば、軸発電機の出力電流を検出し、その値をもとに発生した負荷 に応じた関数と電圧設定値を乗じた信号と、検出したコンバータの直流出力電圧 が一定になるように軸発電機の端子電圧設定値を制御して電圧調整器を運転する ように構成しているので、無負荷から全負荷までインバータの力率を高力率に保 つことができ、かつ安定で応答の速い制御が可能である。

【００１５】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図によって説明する。 図１は本考案の一実施例のブロック図である。本実施例が既に説明した図３の 従来例と異なる点は、第２の電流検出器２２、フィルタ回路２３、関数発生器２ ４、演算器２５を設けた構成のみで、その他の構成は同一であるので、同一部分 には同一符号を付してその説明は省略する。

【００１６】 次に、本実施例の主機軸駆動発電装置の電圧制御装置の動作を説明する。 無負荷から全負荷までコンバータ出力電圧が一定であれば、インバータ側力率 を常に高力率で運転するよう設計できるので、同期調相機の容量を低減できる。 また、コンバータ・インバータの素子の耐圧も定格負荷時に合わせた設計でよく 、効率の良い設計が可能である。そして、安定で応答の速い制御も可能である。 そのために本実施例では、軸発電機１の出力電流を検出する第２の電流検出器２ ２と、フィルタ回路２３で処理した電流検出値をもとに関数を発生する関数発生 器２４と、電圧設定値を関数発生器２４の出力信号により補正するための演算器 ２５と、前記コンバータ出力の直流電圧を検出する直流電圧検出器２０及び制御 増幅器２１を設け、前記演算器２５の出力信号と直流電圧が一致するようにその 偏差を制御増幅器２１にて増幅し、電圧調整器１７の端子電圧指令値とする構成 としている。

【００１７】 このような構成とした場合、主機軸駆動発電装置の発電運転中、負荷の大小に かかわらず直流出力電圧を設定値に一致させることができる。そのため、従来方 式では負荷が小さくなり、インバータ３の位相制御がβリミットとなり、コンバ ータ２側でもα位相制御のモードとなる。そうなると、システムの電流制御の応 答が遅くなるような場合にも、軸発電機１の出力電流から負荷の大きさを検出し 、関数発生器２２により直流の電圧設定値を補正している。従って、コンバータ ２は制御角α＝０°一定のままで運転し、インバータ３のβ位相制御で負荷に供 給する電流を制御できるので、インバータ３による速い制御が可能となる。また 、電流制御応答の遅れに起因する不安定現象もなくなり、無負荷から全負荷まで 安定で応答の速い制御が可能となる。

【００１８】 図２は本考案の関数発生器による関数パターン図の一例で、横軸は軸発電機１ の出力電流で負荷の大きさにほぼ比例する。縦軸は直流の電圧設定値を補正する 信号で、負荷が小さい時に電圧設定値を下げる関数パターンとしている。これに より、コンバータ２を制御角α＝０°一定のままでも、インバータ３の位相制御 はβリミットに対し充分余裕をもった制御で運転することができ、インバータ３ による速い制御が可能になる。また、上記関数パターンは一例であり、目的に応 じて任意のパターンを設定することが可能である。

【００１９】 なお、上記実施例では独立したフィルタ回路２３、関数発生器２４、演算器２ ５、制御増幅器２１などを設ける構成を示したが、本考案はこれに限るものでは なく、周波数制御器１２や電流制御器１４と同一のコントローラにてソフトウェ アにより実現することもできる。

【００２０】 また、上記実施例ではコンバータとインバータを直に結合する構成を示したが 、間に直流リアクトルを介する構成としてもよく、その場合インバータの直流入 力電圧を検出してそれを所定の値に制御する構成としてもよい。

【００２１】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案の主機軸駆動発電装置の電圧制御装置によれば、 無負荷から全負荷までインバータの力率を高力率に保つことができ、同期調相機 の容量を低減することが可能であり、また負荷の大小にかかわらず安定で応答の 速い制御が可能になる、という優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の主機軸駆動発電装置の電圧制御装置の
一実施例のブロック図。

【図２】図１の関数発生器による関数パターンの一例を
示す図。

【図３】従来の主機軸駆動発電装置の電圧制御装置のブ
ロック図。

【符号の説明】

１…軸発電機、２…コンバータ、３…インバータ、４…
同期調相機、５…主エンジン、６…プロペラ、７…負
荷、８…遮断器、９…母線、１０…出力周波数指令設定
器、１１…出力周波数検出器、１２…周波数制御器、１
３，２２…電流検出器、１４…電流制御器、１５，１６
…位相制御器、１７，１８…電圧調整器、１９…電圧設
定器、２０…電圧検出器、２１…制御増幅器、２３…フ
ィルタ回路、２４…関数発生器、２５…演算器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 船舶の主エンジンによって駆動される軸
   発電機と、前記軸発電機の端子電圧を制御する電圧調整
   器と、前記軸発電機の出力を直流に変換するコンバータ
   と、前記コンバータの直流出力を定周波数の交流に変換
   するインバータと、前記インバータ及び負荷に無効電力
   を供給する同期調相機とよりなる主機軸駆動発電装置に
   おいて、前記軸発電機の出力電流を検出する電流検出器
   と、その電流検出値をもとに関数を発生する関数発生器
   と、電圧設定値を前記関数発生器の出力信号により補正
   するための演算器と、前記コンバータ出力の直流電圧を
   検出する直流電圧検出器及び制御増幅器を設け、前記演
   算器の出力信号と直流電圧が一致するようにその偏差を
   前記制御増幅器にて増幅して前記電圧調整器の端子電圧
   指令値とすることを特徴とした主機軸駆動発電装置の電
   圧制御装置。