KR101210240B1 - 선박용 동력 시스템 - Google Patents

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Abstract

주기(11)의 크랭크 샤프트에 모터/제너레이터(12)를 연결한다. 주기(11)와 프로펠러(13)를 연결하는 주축(15)에 회전수 센서(16)를 설치한다. 회전수 센서(16)에서 검지되는 주기(11)의 실제 회전수에 기초하여, 주기(11)의 회전이 목표 회전수로 유지되도록 연료 공급의 PID 제어를 행한다. 제어기(19)에 있어서, 목표 회전수와 실제 회전수의 차이로부터 주기 토크의 과부족을 판정한다. 주기 토크가 충분할 때에는 인버터/컨버터(17)를 제어하고, 모터/제너레이터(12)의 회생 에너지를 배터리(18)에 충전한다. 주기 토크가 충분하지 않을 때에는 모터/제너레이터(12)를 모터로서 구동하여 어시스트를 행한다.

Description

선박용 동력 시스템{POWER SYSTEM FOR SHIP}
본 발명은 선박의 동력 시스템에 관한 것이고, 특히 선박용 동력 시스템의 제어에 관한 것이다.
선박용 엔진의 제어에서는 설정된 목표 회전수와 실제 회전수의 차이가 없어지도록 PID 제어가 행해진다. 그러나, 거친 날씨 등에는 프로펠러에 의한 부하 토크가 급격하게 변화하기 때문에, 통상의 기후 하에서의 항행을 상정한 게인(gain)에 의한 PID 제어에서는 충분한 응답 성능이 얻어지지 않고, 오버 스피드(over speed)에 의한 기관의 고장을 초래할 우려가 있다. 이와 같은 문제에 대해서는, 외란에 의한 프로펠러 회전수의 변동을 예측하여 PID 제어의 게인을 변경하는 구성이 제안되어 있다(특허문헌 1).
특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 제(평)8-200131호
그러나, 특허문헌 1도 포함하여, 선박에 있어서의 일반적인 거버너(governor) 장치의 PID 제어에서는 회전수를 일정하게 유지하기 위하여 외란에 맞추어 연료 분사량을 변동시키기 때문에 연료 소비량이 증대된다. 최근에는, 연비 향상이 강하게 요구되기 때문에 종래의 PID 제어로는 충분하지 않다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 연료 공급에 회전수 베이스의 PID 제어를 사용하는 선박용 동력 시스템에 있어서, 외란(外亂)에 의한 영향이 클 때에도 목표 회전수를 유지하면서 연비의 향상을 도모하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명의 선박용 동력 시스템은 주기(主機)의 회전수를 입력으로 하여 회전수가 일정하게 되도록 연료 분사량의 PID 제어를 행하는 선박용 동력 시스템으로서, 주기 토크에 여유가 있을 때에는 주기에 연결된 모터/제너레이터를 제너레이터로 이용하여 회생 에너지를 회수하고, 주기 토크에 여유가 없을 때에는 모터/제너레이터를 모터로 이용하여 주기 동력을 어시스트하는 것을 특징으로 한다.
모터/제너레이터의 변환은 예를 들면 주기의 목표 회전수와 실측 회전수의 차이에 기초하여 행해지고, 모터/제너레이터에 의한 어시스트량은 목표 회전수와 실측 회전수의 차이에 대응하여 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 모터/제너레이터의 변환은 예를 들면 외란에 의한 변동을 추정하여 행해지고, 모터/제너레이터에 의한 어시스트량은 외란에 의한 변동에 의해 부족한 토크 분량에 대응하는 것이 바람직하다.
또한, 주기의 상태로부터 어시스트가 필요한 상황을 검지하여 모터/제너레이터를 모터로서 이용하여도 좋고, 이 때 주기의 상태는 예를 들면 주기의 통내 온도, 급기압 중 적어도 하나에 기초하여 판단된다.
본 발명에 의하면, 연료 공급에 회전수 베이스의 PID 제어를 사용하는 선박용 동력 시스템에 있어서 외란에 의한 영향이 클 때에도 목표 회전수를 유지하면서 연비의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태인 선박용 동력 시스템의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 제 1 실시 형태의 제어계의 블록 선도.
도 3은 제 2 실시 형태의 제어계의 블록 선도.
도 4는 제 3 실시 형태의 제어계의 블록 선도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태인 선박용 동력 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
본 실시 형태의 선박용 동력 시스템(10)은 주기(11) 및 모터/제너레이터(12, 샤프트 제너레이터)를 동력원으로 하여 프로펠러(13)를 회전시킨다. 주기(11)로의 연료 공급은 회전수 지령과 실측된 주기 회전수에 기초하는 PID 제어에 의해 거버너 장치(14)에 의해 제어된다. 즉, 실측된 주기 회전수를 피드백함으로써 주기 회전수가 설정 회전수(회전수 지령)로 유지된다. 또한, 주기 회전수는 주축(15)의 회전수를 주지의 회전수 센서(16)로 검출함으로써 계측된다.
모터/제너레이터(12)는 예를 들면 주축(15)과는 반대측의 주기(11)의 크랭크 샤프트에 연결된다. 모터/제너레이터(12)는 인버터/컨버터(17)를 통해 배터리(18)에 전기적으로 접속된다. 인버터/컨버터(17)는 제어기(19)에 의해 제어된다.
즉, 제어기(19)는 모터/제너레이터(12)를 제너레이터로서 기능시킬 때에는 회생 에너지를 배터리(18)에 공급하여 충전을 행하고, 모터로서 기능시킬 때에는 배터리(18)로부터 전력을 모터/제너레이터(12)에 공급하여 주기(11)의 회전력을 어시스트한다.
다음에, 도 2를 참조하여, 제 1 실시 형태의 선박용 동력 시스템(10)의 구체적인 동력 제어 방법에 관해서 설명한다. 또한, 도 2는 제 1 실시 형태의 선박용 동력 시스템(10)의 제어계의 블록 선도이다.
동력 시스템(10)에서는 주기 토크에 여유가 있을 때에는 모터/제너레이터(12)를 제너레이터로서 이용하고, 토크가 부족할 때에는 모터로서 이용한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 회전수 센서(16, 도 1 참조)에 의해 검출된 주기(12)의 실제 회전수(NE)는 PID 제어부(20)의 입력측으로 피드백되어, 회전수 지령인 목표 회전수와 실제 회전수(NE)의 편차(회전수 편차)가 PID 제어부(20)에 입력된다. 종래 주지된 바와 같이, PID 제어부(20)로부터의 지시에 의해, 주기(11)로의 연료 공급량이 조정되고, 주기(11)를 중심으로 하는 제어 대상(21)의 제어가 행해진다.
또한, 제 1 실시 형태에서는 마이너스(負) 피드백에 의한 회전수 편차가 제어기(19)에 입력된다. 제어기(19)에서는 회전수 편차에 기초하여 주기 토크의 과부족을 판정하고, 그것에 맞추어서, 모터/제너레이터(12)를 제너레이터로서 이용할지 모터로서 이용할지를 판단하는 동시에, 이 판단에 기초하여 모터/제너레이터(12)의 구동을 인버터/컨버터(17, 도 1 참조)를 통해 제어한다.
예를 들면, 회전수 편차가 양의 값인 경우, 실제 회전수(NE)는 목표 회전수에 도달하지 않으므로 토크는 부족한 것으로 생각되고, 인버터/컨버터(17)는 배터리(18)로부터 전력을 공급하여 모터/제너레이터(12)를 모터로서 기능시킨다. 이 때, 모터/제너레이터(12)에 의한 어시스트량(부가되는 토크)은 예를 들면 회전수 편차의 크기에 대응(예를 들면, 비례)하여 조정되어도 좋다.
또한, 회전수 편차가 0 미만이 되는 경우에, 실제 회전수(NE)는 목표 회전수보다 높기 때문에 주기 토크가 충분한 상태에 있다. 따라서, 인버터/컨버터(17)는 모터/제너레이터(12)에서 생성되는 회생 에너지를 배터리(18)로 보내어 충전한다.
이상과 같이, 제 1 실시 형태에 의하면, 주기 토크에 여유가 있을 때에는 회생 에너지를 배터리에 충전하고, 토크가 부족할 때에는 충전된 전력을 이용하여 모터 어시스트를 행하므로, 파랑(波浪) 등에 의한 부하 토크 변동을 모터/제너레이터에서 흡수하여 주기의 회전수 제어에 의한 조작량을 저감하기 때문에, 연비를 현저하게 개선할 수 있다.
다음에, 도 3을 참조하여 제 2 실시 형태의 선박용 동력 시스템의 구성에 관해서 설명한다. 도 3은 제 2 실시 형태의 선박용 동력 시스템(30)의 제어계의 블록 선도이다.
제 1 실시 형태에서는 실측된 주기 회전수와 목표 회전수 사이의 편차로부터 주기 토크의 과부족을 판정하고, 모터/제너레이터(12)의 변환을 행하였다. 그러나, 제 2 실시 형태에서는 부하 토크 변동 등의 외란을 추정하고, 이에 기초하여 부족한 주기 토크 분량에 대응한 모터 어시스트를 행한다. 또한, 다른 구성에 대해서는 제 1 실시 형태와 같기 때문에 그 설명을 생략한다.
부하 토크는 제어 대상으로부터 얻어지는 물리량을 사용하여 추정기(22)에서 추정된다. 제어기(23)에서는 추정된 부하 토크로부터 연료를 일정하게 유지한 경우에 부족한 주기 토크가 구해지고, 모터/제너레이터(12)는 인버터/컨버터(17, 도 1 참조)를 통해 구해진 부족분의 토크(또는 그 소정 비율)를 어시스트하도록 제어기(23)에 의해 제어된다. 즉, 모터/제너레이터(12)는 제 1 실시 형태와 같이 변동에 맞추어 모터 및 제너레이터로서 교대로 기능하고, 제너레이터로서 기능하고 있을 때에는 배터리(18)에 충전이 행해진다.
또한, 부하 토크는 예를 들면 주기 회전수의 미분치로부터 추정된 축 토크와, 주기(11)로의 연료 공급량으로부터 시뮬레이트되는 주기 토크의 차이로서 추정된다.
이상과 같이, 제 2 실시 형태의 구성에서도 제 1 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
다음에, 도 4를 참조하여, 제 3 실시 형태의 선박용 동력 시스템의 구성에 관해서 설명한다. 도 4는 제 3 실시 형태의 선박용 동력 시스템(31)의 제어계의 블록 선도이다.
제 1, 제 2 실시 형태에서는 주기 회전수나 외란의 변동을 모니터하고, 예를 들면 파랑에 의한 변동에 대응한 모터 어시스트를 행하였지만, 제 3 실시 형태에서는 예를 들면 주기(11) 등의 제어 대상의 상태를 파악하여, 소정의 상태에서는 모터 어시스트를 행하는 것이다. 즉, 거친 날씨 등에는 부하 토크 변동이 격렬하고 연료 공급량도 크게 변동되어 주기(11)의 상태도 변화된다. 제 3 실시 형태의 시스템에서는 이와 같은 상황 하에서 연속적으로 모터 어시스트를 행한다. 또한, 그 외의 구성에 관해서는 제 1, 제 2 실시 형태와 같기 때문에 그 설명은 생략한다.
본 실시 형태에서는 예를 들면 급기압이나 통내 온도 등으로부터 주기(11)의 상황을 파악한다. 즉, 파랑에 의해 프로펠러 부하 토크가 상승하면 회전수가 떨어지기 때문에 PID 제어에 의해 연료 공급량이 증대된다. 이것에 의해, 공기량(급기압)에 대해 연료량이 많아져 통내 온도가 높아진다. 따라서, 통내 온도나 급기압을 모니터하면, 주기(11)의 상태, 부하 토크 변동이 크게 영향을 주고 있는 상태인지 아닌지를 판정할 수 있다.
제 3 실시 형태의 제어기(24)에서는 주기(11)의 통내 온도가 소정값보다 높은 경우나, 급기압이 현재의 연료량에 따른 공기량을 얻는데 필요한 값보다 낮은 경우에, 어시스트가 필요한 상태라고 판단하여, 인버터/컨버터(17)를 통해 모터/제너레이터(12)를 모터로서 구동한다. 또한, 어시스트가 필요한 상황인지 아닌지의 판정은 다수의 파라미터를 사용하여 행하여도 좋다.
이상과 같이, 제 3 실시 형태에서는 거친 날씨 등의 토크 변동이 큰 상황을 파악하고, 이와 같은 경우에 모터 어시스트를 실행함으로써 제 1 및 제 2 실시 형태와 같이 주기의 연비 효율을 향상시킬 수 있다.
10, 30, 31 : 선박용 동력 시스템
11 : 주기
12 : 모터/제너레이터(샤프트 제너레이터)
13 : 프로펠러
14 : 거버너 장치
15 : 주축
16 : 회전수 센서
17 : 인버터/컨버터
18 : 배터리
19, 23, 24 : 제어기
20 : PID 제어부
21 : 제어 대상
22 : 추정기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 주기(主機)의 회전수를 입력하여 회전수가 일정해지도록 연료 분사량의 PID 제어를 행하는 선박용 동력 시스템으로서,
    주기 토크에 여유가 있을 때에는 주기에 연결된 모터/제너레이터를 제너레이터로서 이용하여 회생 에너지를 회수하고, 상기 주기 토크에 여유가 없을 때에는 상기 모터/제너레이터를 모터로서 이용하여 주기 동력을 어시스트하고, 상기 모터/제너레이터 변환이 외란(外亂)에 의한 변동을 추정하여 행해지며,
    추정되는 상기 외란에 의한 변동은, 상기 주기의 회전수의 미분치로부터 추정되는 축 토크와 상기 주기로의 연료 공급량으로부터 시뮬레이트되는 주기 토크의 차이로서 추정되는 부하 토크의 변동이고,
    상기 모터/제너레이터에 의한 어시스트량은, 상기 추정되는 부하 토크의 변동에 대해 연료를 일정하게 유지한 경우에 부족한 주기 토크 분량에 대응하는 것을 특징으로 하는 선박용 동력 시스템.
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