WO2010113653A1 - 舶用動力システム - Google Patents

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宮田淳也
稲見昭一
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三井造船株式会社
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    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the present invention relates to a ship power system, and more particularly to control of a ship power system.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and in a marine power system that uses rotational speed-based PID control for fuel supply, fuel efficiency can be improved while maintaining the target rotational speed even when the influence of disturbance is large.
  • the task is to plan.
  • the marine power system of the present invention is a marine power system that performs PID control of the fuel injection amount so that the rotation speed is constant with the rotation speed of the main engine as an input, and is connected to the main engine when there is a margin in the main engine torque.
  • the motor / generator is used as a generator to recover regenerative energy, and when the main machine torque has no margin, the motor / generator is used as a motor to assist the main machine power.
  • the switching of the motor / generator is performed based on, for example, the difference between the target rotational speed of the main engine and the actual rotational speed, and the assist amount by the motor / generator can be controlled according to the difference between the target rotational speed and the actual rotational speed. preferable.
  • the motor / generator switching is performed by estimating fluctuation due to disturbance, for example, and the assist amount by the motor / generator preferably corresponds to the amount of torque that is insufficient due to fluctuation due to disturbance.
  • the motor / generator may be used as a motor by detecting a situation requiring assistance from the state of the main machine.
  • the state of the main machine is based on, for example, at least one of the in-cylinder temperature of the main machine and the supply air pressure. Is judged.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a marine power system according to the first embodiment of the present invention.
  • the marine power system 10 of the present embodiment rotates the propeller 13 using the main engine 11 and the motor / generator (shaft generator) 12 as power sources.
  • the fuel supply to the main machine 11 is controlled by the governor device 14 by PID control based on the rotation speed command and the actually measured main machine rotation speed. That is, by feeding back the actually measured main machine speed, the main machine speed is maintained at the set speed (rotation speed command).
  • the main engine speed is measured by detecting the speed of the main shaft 15 with a known speed sensor 16.
  • the motor / generator 12 is connected to, for example, the crankshaft of the main machine 11 opposite to the main shaft 15.
  • the motor / generator 12 is electrically connected to the battery 18 via the inverter / converter 17.
  • the inverter / converter 17 is controlled by the controller 19.
  • the controller 19 supplies regenerative energy to the battery 18 for charging.
  • the controller 19 functions as a motor, the controller 19 supplies power from the battery 18 to the motor / generator 12. Assist the rotational force of the main machine 11.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system of the marine power system 10 of the first embodiment.
  • the motor / generator 12 is used as a generator when the main engine torque has a margin, and is used as a motor when the torque is insufficient.
  • the actual rotational speed N E of the rotational speed sensor 16 main engine 12 detected by is fed back to the input side of the PID controller 20, the target rotation is a rotation speed command deviation of the number and the actual rotation speed N E (rpm deviation) is input to the PID controller 20.
  • the fuel supply amount to the main engine 11 is adjusted according to an instruction from the PID control unit 20, and the control object 21 is controlled around the main engine 11.
  • the rotational speed deviation due to negative feedback is input to the controller 19.
  • the controller 19 determines whether the main engine torque is excessive or insufficient based on the rotational speed deviation, and accordingly determines whether the motor / generator 12 is used as a generator or a motor, and based on this determination.
  • the drive of the motor / generator 12 is controlled through an inverter / converter 17 (see FIG. 1).
  • the inverter / controller 17 supplies the electric power from the battery 18
  • the motor / generator 12 is caused to function as a motor.
  • the assist amount (added torque) by the motor / generator 12 may be adjusted, for example, corresponding to (eg, proportional to) the rotational speed deviation.
  • the inverter / controller 17 sends the regenerative energy generated by the motor / generator 12 to the battery 18 for charging.
  • the regenerative energy is charged to the battery, and when the torque is insufficient, the charged power is used to assist the motor, so that the waves, etc. Is absorbed by the motor / generator and the amount of operation by controlling the rotational speed of the main engine is reduced, so that the fuel consumption can be remarkably improved.
  • FIG. 3 is a block diagram of a control system of the marine power system 30 of the second embodiment.
  • the motor / generator 12 is switched by determining whether the main engine torque is excessive or insufficient from the deviation between the measured main engine speed and the target engine speed.
  • disturbances such as load torque fluctuations are estimated, and motor assist corresponding to the insufficient main engine torque is performed based on this disturbance. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the load torque is estimated by the estimator 22 using a physical quantity obtained from the controlled object.
  • the controller 23 obtains the main engine torque that is insufficient when the fuel is maintained constant from the estimated load torque.
  • the motor / generator 12 passes the inverter / converter 17 (see FIG. 1) to obtain the obtained shortage. Is controlled by the controller 23 so as to assist the torque (or a predetermined ratio thereof). That is, similarly to the first embodiment, the motor / generator 12 functions alternately as a motor and a generator in accordance with fluctuations, and the battery 18 is charged when functioning as a generator.
  • the load torque is estimated as, for example, the difference between the shaft torque estimated from the differential value of the main engine speed and the main engine torque simulated from the fuel supply amount to the main engine 11.
  • FIG. 4 is a block diagram of a control system of the marine power system 31 of the third embodiment.
  • the state of the control target such as the main machine 11 And assisting the motor in a predetermined state. That is, during stormy weather, the load torque fluctuates greatly, the fuel supply amount fluctuates greatly, and the state of the main engine 11 also changes.
  • motor assist is continuously performed under such a situation. Since other configurations are the same as those in the first and second embodiments, description thereof will be omitted.
  • the state of the main unit 11 is grasped from, for example, the supply air pressure or the in-cylinder temperature. That is, when the propeller load torque increases due to waves, the rotational speed decreases, and the fuel supply amount increases by PID control. As a result, the fuel amount increases with respect to the air amount (supply pressure), and the in-cylinder temperature increases. Therefore, when the in-cylinder temperature and the supply air pressure are monitored, it can be determined whether or not the state of the main engine 11 and the load torque fluctuation are greatly affected.
  • the controller 24 of the third embodiment when the in-cylinder temperature of the main engine 11 is higher than a predetermined value, or when the supply air pressure is lower than a value necessary to obtain an air amount corresponding to the current fuel amount, It is determined that the assist is necessary, and the motor / generator 12 is driven as a motor through the inverter / converter 17. Note that whether or not the situation requires assistance may be determined using a plurality of parameters.

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Abstract

　主機１１のクランクシャフトにモータ／ジェネレータ１２を連結する。主機１１とプロペラ１３を連絡する主軸１５に回転数センサ１６を設ける。回転数センサ１６で検知される主機１１の実回転数に基づいて、主機１１の回転が目標回転数に維持されるように燃料供給のＰＩＤ制御を行う。制御器１９において、目標回転数と実回転数の差から主機トルクの過不足を判定する。主機トルクが十分なときにはインバータ／コンバータ１７を制御して、モータ／ジェネレータ１２の回生エネルギーをバッテリ１８に充電する。主機トルクが不十分なときには、モータ／ジェネレータ１２をモータとして駆動してアシストを行う。

Description

舶用動力システム
　本発明は、船舶の動力システムに関し、特に舶用動力システムの制御に関する。
　舶用エンジンの制御では、設定された目標回転数と実回転数の差がなくなるようにＰＩＤ制御が行われる。しかし、荒天時などには、プロペラによる負荷トルクが急激に変化するため通常の天候の下での航行を想定したゲインによるＰＩＤ制御では、十分な応答性能が得られずオーバースピードによる機関の故障を招く恐れがある。このような問題に対しては、外乱によるプロペラ回転数の変動を予測してＰＩＤ制御のゲインを変更する構成が提案されている（特許文献１）。
特開平８－２００１３１号公報
　しかし、特許文献１も含め船舶における一般のガバナ装置のＰＩＤ制御では、回転数を一定に維持するために外乱に合わせて燃料噴射量を変動させるため、燃料消費量が増大する。近年では、燃費向上が強く求められているため従来のＰＩＤ制御では十分ではない。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料供給に回転数ベースのＰＩＤ制御を用いる舶用動力システムにおいて、外乱による影響が大きいときにも目標回転数を維持しながら燃費の向上を図ることを課題としている。
　本発明の舶用動力システムは、主機の回転数を入力として回転数が一定となるように燃料噴射量のＰＩＤ制御を行う舶用動力システムであって、主機トルクに余裕があるときには、主機に連結されたモータ／ジェネレータをジェネレータとして利用して回生エネルギーを回収し、主機トルクに余裕がないときには、モータ／ジェネレータをモータとして利用して主機動力をアシストすることを特徴としている。
　モータ／ジェネレータの切り替えは、例えば主機の目標回転数と実測回転数の差に基づいて行われ、モータ／ジェネレータによるアシスト量は目標回転数と実測回転数の差に対応して制御されることが好ましい。
　またモータ／ジェネレータの切り替えは、例えば外乱による変動を推定して行われ、モータ／ジェネレータによるアシスト量は、外乱による変動により不足するトルク分に対応することが好ましい。
　また、主機の状態から、アシストが必要な状況を検知してモータ／ジェネレータをモータとして利用してもよく、このとき主機の状態は、例えば主機の筒内温度、給気圧の少なくとも１つに基づいて判断される。
　本発明によれば、燃料供給に回転数ベースのＰＩＤ制御を用いる舶用動力システムにおいて、外乱による影響が大きいときにも目標回転数を維持しながら燃費の向上を図ることができる。
本発明の第１実施形態である舶用動力システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の制御系のブロック線図である。 第２実施形態の制御系のブロック線図である。 第３実施形態の制御系のブロック線図である。
　１０、３０、３１　舶用動力システム
　１１　主機
　１２　モータ／ジェネレータ（シャフトジェネレータ）
　１３　プロペラ
　１４　ガバナ装置
　１５　主軸
　１６　回転数センサ
　１７　インバータ／コンバータ
　１８　バッテリ
　１９、２３、２４　制御器
　２０　ＰＩＤ制御部
　２１　制御対象
　２２　推定器
　以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態である舶用動力システムの構成を示すブロック図である。
　本実施形態の舶用動力システム１０は、主機１１およびモータ／ジェネレータ（シャフトジェネレータ）１２を動力源としてプロペラ１３を回転させる。主機１１への燃料供給は、回転数指令と、実測された主機回転数とに基づくＰＩＤ制御によりガバナ装置１４によって制御される。すなわち、実測された主機回転数をフィードバックすることにより、主機回転数が設定回転数（回転数指令）に維持される。なお、主機回転数は、主軸１５の回転数を周知の回転数センサ１６で検出することにより計測される。
　モータ／ジェネレータ１２は、例えば主軸１５とは反対側の主機１１のクランクシャフトに連結される。モータ／ジェネレータ１２は、インバータ／コンバータ１７を介してバッテリ１８に電気的に接続される。インバータ／コンバータ１７は制御器１９によって制御される。
　すなわち、制御器１９は、モータ／ジェネレータ１２をジェネレータとして機能させるときには、回生エネルギーをバッテリ１８に供給して充電を行い、モータとして機能させるときには、バッテリ１８から電力をモータ／ジェネレータ１２へ供給して、主機１１の回転力をアシストする。
　次に図２を参照して、第１実施形態の舶用動力システム１０の具体的な動力制御方法について説明する。なお、図２は、第１実施形態の舶用動力システム１０の制御系のブロック線図である。
　動力システム１０では、主機トルクに余裕があるときには、モータ／ジェネレータ１２をジェネレータとして利用し、トルクが不足するときにはモータとして利用する。図２に示されるように、回転数センサ１６（図１参照）により検出された主機１２の実回転数ＮＥは、ＰＩＤ制御部２０の入力側へとフィードバックされ、回転数指令である目標回転数と実回転数ＮＥの偏差（回転数偏差）がＰＩＤ制御部２０に入力される。従来周知のように、ＰＩＤ制御部２０からの指示により、主機１１への燃料供給量が調整され、主機１１を中心とする制御対象２１の制御が行われる。
　また、第１実施形態では、負フィードバックによる回転数偏差が制御器１９に入力される。制御器１９では、回転数偏差に基づいて主機トルクの過不足を判定し、それに合わせて、モータ／ジェネレータ１２をジェネレータとして利用するか、モータとして利用するかを判断するとともに、この判断に基づいてモータ／ジェネレータ１２の駆動をインバータ／コンバータ１７（図１参照）を通して制御する。
　例えば、回転数偏差が正の値の場合、実回転数ＮＥは目標回転数に達していないのでトルクは不足していると考えられ、インバータ／コントローラ１７は、電力をバッテリ１８から供給してモータ／ジェネレータ１２をモータとして機能させる。このとき、モータ／ジェネレータ１２によるアシスト量（付加されるトルク）は、例えば回転数偏差の大きさに対応（例えば比例）して調整されてもよい。
　また、回転数偏差が０未満となる場合には、実回転数ＮＥは目標回転数よりも高いので主機トルクは十分な状態にある。したがって、インバータ／コントローラ１７は、モータ／ジェネレータ１２で生成される回生エネルギーをバッテリ１８へと送り充電する。
　以上のように、第１実施形態によれば、主機トルクに余裕があるときには、回生エネルギーをバッテリに充電し、トルクが不足するときには充電された電力を利用してモータアシストを行うので、波浪などによる負荷トルク変動をモータ／ジェネレータで吸収し、主機の回転数制御による操作量を低減するので、燃費を著しく改善することができる。
　次に、図３を参照して第２実施形態の舶用動力システムの構成について説明する。図３は、第２実施形態の舶用動力システム３０の制御系のブロック線図である。
　第１実施形態では、実測された主機回転数と目標回転数の間の偏差から主機トルクの過不足を判定して、モータ／ジェネレータ１２の切り替えを行った。しかし、第２実施形態では、負荷トルク変動などの外乱を推定し、これに基づき不足する主機トルク分に対応したモータアシストを行う。なお、他の構成については第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
　負荷トルクは、制御対象から得られる物理量を用いて推定器２２において推定される。制御器２３では、推定された負荷トルクから、燃料を一定に維持した場合に不足する主機トルクが求められ、モータ／ジェネレータ１２は、インバータ／コンバータ１７（図１参照）を通して、求められた不足分のトルク（またはその所定割合）をアシストするように制御器２３によって制御される。すなわち、モータ／ジェネレータ１２は第１実施形態と同様に、変動に合わせてモータおよびジェネレータとして交互に機能し、ジェネレータとして機能しているときにはバッテリ１８に充電が行われる。
　なお、負荷トルクは、例えば、主機回転数の微分値から推定される軸トルクと、主機１１への燃料供給量からシミュレートされる主機トルクの差として推定される。
　以上のように、第２実施形態の構成においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　次に図４を参照して、第３実施形態の舶用動力システムの構成について説明する。図４は、第３実施形態の舶用動力システム３１の制御系のブロック線図である。
　第１、第２実施形態では、主機回転数や外乱の変動をモニタして、例えば波浪による変動に対応したモータアシストを行ったが、第３実施形態では、例えば主機１１などの制御対象の状態を把握して、所定の状態においてはモータアシストを行うものである。すなわち、荒天時などには、負荷トルク変動が激しく燃料供給量も大きく変動し、主機１１の状態も変化する。第３実施形態のシステムではこのような状況の下において連続的にモータアシストを行う。なお、その他の構成については、第１、第２実施形態と同様であるのでその説明は省略する。
　本実施形態では、例えば給気圧や筒内温度などから主機１１の状態を把握する。すなわち、波浪によりプロペラ負荷トルクが上昇すると回転数が下がるためＰＩＤ制御により燃料供給量が増大する。これにより空気量（給気圧）に対して燃料量が多くなり筒内温度が高くなる。したがって、筒内温度や給気圧をモニタすると、主機１１の状態、負荷トルク変動が大きく影響している状態か否かが判定できる。
　第３実施形態の制御器２４では、主機１１の筒内温度が所定値よりも高い場合や、給気圧が現在の燃料量に応じた空気量を得るのに必要な値よりも低い場合に、アシストが必要な状態であると判断してインバータ／コンバータ１７を通してモータ／ジェネレータ１２をモータとして駆動する。なお、アシストが必要な状況であるか否かの判定は、複数のパラメータを用いて行ってもよい。
　以上のように、第３実施形態では、荒天時などのトルク変動が大きい状況を把握して、そのような場合にモータアシストを実行することにより第１および第２実施形態と同様に、主機の燃費効率を向上することができる。
 

Claims (7)

  1. 　主機の回転数を入力として回転数が一定となるように燃料噴射量のＰＩＤ制御を行う舶用動力システムであって、主機トルクに余裕があるときには、主機に連結されたモータ／ジェネレータをジェネレータとして利用して回生エネルギーを回収し、前記主機トルクに余裕がないときには、前記モータ／ジェネレータをモータとして利用して主機動力をアシストすることを特徴とする舶用動力システム。
  2. 　前記モータ／ジェネレータの切り替えを前記主機の目標回転数と実測回転数の差に基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載の舶用動力システム。
  3. 　前記モータ／ジェネレータによるアシスト量が前記差に対応して制御されることを特徴とする請求項２に記載の舶用動力システム。
  4. 　前記モータ／ジェネレータの切り替えが外乱による変動を推定して行われることを特徴とする請求項３に記載の舶用動力システム。
  5. 　前記モータ／ジェネレータによるアシスト量が前記変動により不足するトルク分に対応することを特徴とする請求項４に記載の舶用動力システム。
  6. 　前記主機の状態から、アシストが必要な状況を検知して前記モータ／ジェネレータをモータとして利用する舶用動力システム。
  7. 　前記主機の状態を、前記主機の筒内温度、給気圧の少なくとも１つに基づいて判断することを特徴とする請求項６に記載の舶用動力システム。
     
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