TWI419815B - Power system for ships - Google Patents

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Description

供船舶用之動力系統
本發明係關於船舶之動力系統，特別是關於供船舶用之動力系統的控制。
在供船舶用之引擎的控制中，所執行的是PID控制，其可消除所設定之目標回轉數與實際回轉數之間的差額。然而，在天候惡劣時，因為螺旋槳的負載轉矩(torque)會急遽變化，於預想在通常天候下航行之增益(gain)的PID控制下，恐怕會無法獲得充分的應答性能而招致超速(overspeed)所導致的機械故障。針對這種問題，已被提出一種結構(專利文獻1)，其可預測由外部因素所導致螺旋槳回轉數的變動而改變PID控制的增益。
【專利文獻1】日本特開平08-200131號公報
但是，在船舶的一般型調速器(governor)裝置的PID控制(亦包含專利文獻1)中，為了維持一定的回轉數，需配合外部因素而改變燃料噴射量，因此燃料消耗量會大增。近年來，由於降低燃料費用的聲浪日增，因此習用的PID控制便顯得不足。
本發明鑑於上述問題，提供一種供船舶用之動力系統，係在燃料供給中使用以回轉數為基礎的PID控制，即使在外部因素的影響極大的情況下，也能夠在維持目標回轉數的同時達成降低燃料費用的目的。
本發明的供船舶用之動力系統，其在進行燃料噴射量的PID控制時，係以主機的回轉數當作輸入而使得回轉數成為固定，其特徵在於：在主機轉矩有餘裕時，將連結於主機的馬達/發電機當作發電機來利用以回收再生能量；而在前述主機轉矩無餘裕時，將前述馬達/發電機當作馬達來利用以輔助主機動力。
較佳者，係基於諸如主機之目標回轉數與實射回轉數的差額以進行馬達/發電機之切換，且係對應目標回轉數與實射回轉數的差額以控制馬達/發電機的輔助量。
較佳者，係推定諸如外部因素所導致的變動以進行馬達/發電機之切換，且馬達/發電機的輔助量係對應於因變動所導致不足的轉矩部分。
此外，係從主機的狀態檢測輔助所需的必要狀況，以將馬達/發電機當作馬達來利用，且係基於諸如主機的筒內溫度、供給氣壓的至少一個以判斷此時主機的狀態。
根據本發明的供船舶用之動力系統，可在燃料供給中使用以回轉數為基礎的PID控制，即使在外部因素的影響極大的情況下，也能夠在維持目標回轉數的同時達成降低燃料費用的目的。
以下，參照所附圖式以說明本發明的實施型態。
第一圖是本發明的第1實施形態之供船舶用之動力系統的結構方塊圖。
本實施形態的供船舶用之動力系統10，是將主機11及馬達/發電機(軸發電機)12當作動力源而使得螺旋槳13回轉。通往主機11的燃料供給是由調速器裝置14根據PID控制(其係基於回轉數指令與所實測之主機回轉數)所控制。亦即，藉由回授所實測之主機回轉數，主機回轉數便可被維持在設定回轉數(回轉數指令)。另外，藉由習用的回轉數檢測器16檢測主軸15的回轉數，便可量測主機回轉數。
馬達/發電機12係連結於與諸如主軸15相反側之主機11的曲軸。馬達/發電機12係經由變流器/轉換器17而電性連接於電池18。變流器/轉換器17係由控制器19所控制。
也就是說，就控制器19來說，是在將馬達/發電機12當作發電機使其作動之時，將再生能量供給至電池18以進行充電，並在當作馬達使其作動之時，將電力從電池18向馬達/發電機12供給，以輔導主機11的回轉力。
其次，參照第二圖以說明第1實施形態之供船舶用之動力系統的具體動力控制方法。另外，第二圖是第1實施形態的供船舶用之動力系統10的控制系統之方塊線圖。
於動力系統10中，係在主機轉矩有餘裕時，將馬達/發電機12當作發電機來利用以回收再生能量；並在轉矩不足時，當作馬達來利用。如第二圖所示，回轉數檢測器16(參照第一圖)所檢測的主機12之實際回轉數NE 朝PID控制部20的輸入側被回授，目標回轉數(其為回轉數指令)與實際回轉數NE 的偏差(回轉數偏差)被輸入至PID控制部20。如習用周知般，藉由來自PID控制部20的指示，可調整通往主機11的燃料供給量，而進行以主機11為中心之控制對象21的控制。
此外，在第1實施形態中，負回授的回轉數偏差被輸入至控制器19。在控制器19中，基於回轉數偏差以判定主機轉矩的過與不足，據此來判斷欲將馬達/發電機12當作發電機來利用還是當作馬達來利用，同時基於此判斷通過變流器/轉換器17(參照第一圖)以控制馬達/發電機12之驅動。
舉例來說，在回轉數偏差是正值的情況下，由於實際回轉數NE 未達目標回轉數，因此認為轉矩不足，變流器/轉換器17從電池18供給電力而將馬達/發電機12當作馬達使其作動。此時，馬達/發電機12的輔助量(附加轉矩)也可以對應(例如按比例)諸如回轉數偏差之大小而作調整。
此外，在回轉數偏差不到零的情況下，由於實際回轉數NE 高於目標回轉數，因此主機轉矩處於充分的狀態。是故，變流器/轉換器17將在馬達/發電機12所產生的再生能量送往電池18充電。
如上所述，根據第1實施形態，在主機轉矩有餘裕時，將再生能量充電至電池；而在主機轉矩不足時，由於利用所充的電力進行馬達輔助，因此可藉由馬達/發電機吸收波浪等因素所導致的負載轉矩變動，因為可減低主機之回轉數控制所造成的操作量，因此能夠顯著地改善燃料費用。
其次，參照第三圖以說明第2實施形態之供船舶用之動力系統的結構。第三圖是第2實施形態的供船舶用之動力系統30的控制系統之方塊線圖。
在第1實施形態中，是從所實測之主機回轉數與目標回轉數之間的偏差以判定主機轉矩之過與不足，而進行馬達/發電機12的切換。然而，在第2實施形態中，是推定負載轉矩變動等外部因素，並基於此以進行對應於不足之主機轉矩部分的馬達輔助。另外，關於其他的結構，由於係與第1實施形態相同，因此省略其說明。
在推定器22中，係使用由控制對象所得之物理量以推定負載轉矩。在控制器23中，係由所推定之負載轉矩求出在將燃料維持於一定之情況下不足的主機轉矩，馬達/發電機12通過變流器/轉換器17(參照第一圖)被控制器23所控制以輔助所求得之不足部分的轉矩(或是其預定比率)。亦即，與第1實施形態相同，馬達/發電機12配合變動交互地作為馬達及發電機而作動，當作為發電機時係進行對電池18的充電。
另外，負載轉矩被通定成諸如<由主機回轉數之微分值所推定的軸轉矩>與<由通往主機11之燃料供給量所模擬的主機轉矩>間的差額。
如上所述，即使在第2實施形態的結構中，也能夠獲得與第1實施形態相同的效果。
其次，參照第四圖以說明第3實施形態之供船舶用之動力系統的結構。第四圖是第3實施形態的供船舶用之動力系統31的控制系統之方塊線圖。
在第1、第2實施形態中，雖然係監控主機回轉數與外部因素之變動，以進行對應於諸如波浪所導致之變動的馬達輔助，但在第3實施形態中，則係掌握諸如主機11等控制對象的狀態，並在預定的狀態下進行馬達輔助。亦即，在天候惡劣時，負載轉矩變動激烈且燃料供給量亦大幅變動，主機11的狀態也會變化。在第3實施形態的系統中，於此狀況下連續地進行馬達輔助。另外，關於其他的結構，由於係與第1、第2實施形態相同，因此省略其說明。
在本實施形態中，係從供給氣壓與筒內溫度等掌握主機11的狀態。亦即，當因為波浪導致螺旋槳負載上升而回轉數下降，藉由PID控制可增大燃料供給量。藉此，相對於空氣量(供給氣壓)，燃料量會變多、筒內溫度亦會增高。是故，當監控供給氣壓與筒內溫度時，便能夠判定負載轉矩變動是否處於主機11之狀態、負載轉矩變動極大而造成影響的狀態。
在第3實施形態的控制器24中，於主機11的筒內溫度高於預定值的情況、以及供給氣壓為了獲得與現在的燃料量相對應之空氣量而低於必要值的情況下，判斷成輔助是必要的狀態而通過變流器/轉換器17將馬達/發電機12當作馬達來驅動。另外，關於是否處於輔助是必要的狀態之判定，也可以使用複數個參數來進行。
如上所述，在第3實施形態中，係掌握天候惡劣等轉矩變動極大的狀況，在該等情況下藉由實行馬達輔助，便能夠與第1及第2實施形態同樣地提升主機的燃費效率。
10、30、31．．．供船舶用之動力系統
11．．．主機
12．．．馬達/發電機(軸發電機)
13．．．螺旋槳
14．．．調速器
15．．．主軸
16．．．回轉數檢測器
17．．．變流器/轉換器
18．．．電池
19、23、24．．．控制器
20．．．PID控制部
21．．．控制對象
22．．．推定器
第一圖是本發明的第1實施形態之供船舶用之動力系統的結構方塊圖。
第二圖是第1實施形態之控制系統的方塊線圖。
第三圖是第2實施形態之控制系統的方塊線圖。
第四圖是第3實施形態之控制系統的方塊線圖。
10．．．供船舶用之動力系統
11．．．主機
12．．．馬達/發電機(軸發電機)
13．．．螺旋槳
14．．．調速器
15．．．主軸
16．．．回轉數檢測器
17．．．變流器/轉換器
18．．．電池
19、23、24．．．控制器

Claims (7)

  1. 一種供船舶用之動力系統，其在進行燃料噴射量的PID控制時，係以主機的回轉數當作輸入而使得回轉數成為固定，其特徵在於：在主機轉矩有餘裕時，將連結於主機的馬達/發電機當作發電機來利用以回收再生能量；而在前述主機轉矩無餘裕時，將前述馬達/發電機當作馬達來利用以輔助主機動力。
  2. 如申請專利範圍第1項之供船舶用之動力系統，係基於前述主機之目標回轉數與實測回轉數的差額以進行前述馬達/發電機之切換。
  3. 如申請專利範圍第2項之供船舶用之動力系統，係對應前述差額以控制前述馬達/發電機的輔助量。
  4. 如申請專利範圍第3項之供船舶用之動力系統，係推定外部因素所導致的變動以進行前述馬達/發電機之切換。
  5. 如申請專利範圍第4項之供船舶用之動力系統，其中前述馬達/發電機的輔助量係對應於因前述變動所導致不足的轉矩部分。
  6. 如申請專利範圍第1項之供船舶用之動力系統，係從前述主機的狀態檢測輔助所需的必要狀況，以將前述馬達/發電機當作馬達來利用。
  7. 如申請專利範圍第6項之供船舶用之動力系統，其係基於前述主機的筒內溫度、供給氣壓的至少一個以判斷前述主機的狀態。
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