JP4498729B2 - 船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は改良された船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置に関する。

交流可変速駆動技術の進歩により、船舶の電気推進が増加している。船舶の電気推進を行うと、従来の原動機推進に比べて、融通性のある推進トルク特性の実現が可能である。しかしながら負荷側の特性と電気推進のための船舶用駆動装置の特性のマッチングを計ることが重要となり、例えば制動特性を考えると、発電制動を行うかそれとも回生制動を行うかについて十分な検討が必要となる。推進装置が大型化すると、必要となる制動パワーも増大し、発電機に回生することができなくなるため、制動抵抗を用いるのが一般的であった（例えば、非特許文献１参照。）。
野床 種保、他１名、「電気推進の推進トルク特性とバックパワー」、日本舶用機関学会誌、１９８４年２月、第１９巻、第２号、ｐ.１３５−１４０

上述した船舶用駆動装置においては、通常制動抵抗器を用いた発電制動（ＤＢ）が用いられ、装置が大型化していた。船舶用駆動装置においては、一般に制動を行う機会は少ないため、稀にしか使用しない制動抵抗器に大きなスペースが必要であるということがシステム構成上の問題であった。また、制動抵抗で発生する熱の処理方法も課題となっていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動を行うことのできる船舶電気推進用電動機の制動方法を及び駆動装置提を供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの直流出力に並列に接続された２台の平滑コンデンサと、この平滑コンデンサからの直流電力を夫々交流電力に変換する２台のインバータと、このインバータにより夫々駆動される交流電動機と、この交流電動機に夫々機械的に接続されたプロペラと、前記交流電動機の減速指令を演算し、前記インバータに夫々演算された補正減速指令を与える制動演算手段とで構成し、前記制動演算手段は、減速指令を受けたとき、前記交流電動機の一方を力行運転し、他方を回生運転する運転モードを含む前記補正減速指令を出力するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動を行うことのできる船舶電気推進用電動機の制動方法を及び駆動装置を提供することができる。

以下、本発明に係る船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置の実施例について、図面を参照して説明する。

本発明に係る船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置の実施例１を図１乃至図４
を参照して説明する。図１は本発明の船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置を示す回路構成図である。

発電機１の交流出力をコンバータ２で直流に変換しその直流出力を、Ａ系統及びＢ系統の２系統の駆動系に並列に供給する、Ａ系統の駆動系においては、平滑コンデンサ３Ａを介し、インバータ４Ａで直流を交流に変換し、交流電動機５Ａを駆動する。交流電動機５Ａにはプロペラ６Ａが機械的に取り付けられている。Ｂ系統についても同様に平滑コンデンサ３Ｂを介し、インバータ４Ｂで直流を交流に変換し、交流電動機５ＢＡを駆動する。交流電動機５Ｂにはプロペラ６Ｂが機械的に取り付けられている。

インバータ４Ａ、４Ｂは夫々制御部を有し、出力の電圧及び周波数が制御されているが、図１ではこの制御部の図示を省略している。制動演算制御回路７は、交流電動機５Ａ、５Ｂに対する減速指令を受け、この指令を後述するような方法でインバータ４Ａ及び４Ｂに補正減速指令として再配分する。

以下、図１の回路構成における制動の動作原理及び制動方法について図２乃至図４を参照して説明する。

図２は図１の回路構成における交流電動機５Ａまたは５Ｂの単独の減速特性を示している。今、速度Ｎ１の状態で速度指令を線形に変化させ、一定の減速レートで減速を開始したとする。

このときの減速レートが、交流電動機５Ａまたは５Ｂをフリーランさせた時の減速の傾きより小さければ、図１に示したように減速レートに従って減速を開始する。尚、ハッチング部は余剰の力行パワーを示している。

そして、図１のＡ点まで到達したとき、減速レートが、交流電動機５Ａまたは５Ｂをフリーランさせた時の減速の傾きより大きくなるので、同一の減速レートで減速させようとすると回生パワーをどこかで吸収させる必要がある。

図３は交流電動機５Ａまたは５Ｂの入力電力が速度に応じてどのように変化するかを模式的に示したものである。実際は、船舶の動きによって必ずしも図３に示すような単純な入力特性にはならないが、大筋では図３に示したように、交流電動機５Ａまたは５Ｂをある速度で運転したときの入力は電動機自身の損失とプロペラが消費する電力を合成したものとなり、速度の２乗乃至３乗に略比例して増加する傾向を示す。従って、基本的には図３の入力特性によって図２に示したフリーランによる減速特性が決まっている。

図４は制動演算制御回路７による演算制御動作の一例を示すタイムチャートである。

今、交流電動機５Ａ及び５Ｂが速度指令に従って回転速度Ｎ１で運転されている状態において、時刻ｔ１で交流電動機５Ａ及び５Ｂに対し、逆転速度Ｎ２へ減速／逆転指令が発せられた場合を考える。

このとき、交流電動機５Ａの回転速度を一定値Ｎ１に保ったまま、交流電動機５Ｂを適切な減速レートで減速し、更に逆回転させ、時刻ｔ３で回転速度Ｎ２に到達させる。一方交流電動機５Ｂが減速中の時刻ｔ２で交流電動機５Ａを適切な減速レートで減速させ、時刻ｔ４で回転速度Ｎ２に到達させる。このように、減速指令を補正減速指令として再配分する演算を制動演算制御回路７が行えば、より速い時間で２台の交流電動機５Ａ及び５Ｂが逆転速度Ｎ２に到達できる。この理由は以下の通りである。

図３に示したように、交流電動機５Ｂが減速中、速度がゼロ付近になると自らの損失が減少し、発電機として動作するようになるが、交流電動機５Ａが速度Ｎ１付近で運転中であるため、交流電動機５Ｂの回生電力は交流電動機５Ａの入力電力となる。同様にして、交流電動機５Ａが速度ゼロ近辺で減速中の回生電力は、速度Ｎ２で運転している交流電動機５Ｂの入力電力となる。尚、時刻ｔ２が時刻ｔ３より前でも問題ないのは、時刻ｔ２では交流電動機５Ｂの自らの逆転による力行パワーが増加してきているためである。

また、交流電動機５Ｂの減速レートと交流電動機５Ａの減速レートは必ずしも同一にする必要はない。図５の場合には、交流電動機５Ｂの減速レートを大きくとることも可能である。これは図３に示したように、一定速度で運転している交流電動機５Ａまたは５Ｂの入力電力は速度の略２乃至３乗に比例するためである。従って、例えば交流電動機５Ｂの減速レートを、一定速度で運転している交流電動機５Ａの運転速度に応じて決定するようにすれば、効率的な減速レートの選定が可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、簡単な回路追加により制動を行うことができるため、専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動を行うことのできる船舶電気推進用電動機の制動方法を及び駆動装置を提供することができる。

次に、本発明に係る船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置の実施例２を図５を用いて説明する。図５は本発明の船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置を示す回路構成図である。

この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、図１のコンバータ２を駆動系Ａ及びＢに夫々対応して２分割しコンバータ２Ａ及びコンバータ２Ｂに変更した点、また駆動系Ａと駆動系Ｂの直流回路を接続し、駆動演算制御装置７Ａの出力で動作する正側開閉器８Ａ及び負側開閉器８Ｂを設けた点である。

このような構成において、制動演算制御回路７Ａが減速指令を受け、各インバータに演算された補正減速指令を再配分すると同時に、開閉器７Ａ及び７Ｂを閉路するようにすれば、常時は駆動系ＡとＢとを独立に制御し、減速指令が与えられた時には図１の回路構成と等価な回路を形成して、実施例１の場合と同様の減速制御を行うことが可能となる。

以下に本発明の実施例３を図６及び図７を参照して説明する。図６は本発明に係る船舶電気推進用電動機の制動方法における停止制御動作の場合の制動演算制御回路７による演算制御動作の一例を示すタイムチャートである。

図６（ａ）に示すように、交流電動機５Ａ及び５Ｂが速度指令に従って回転速度Ｎ１で運転されている状態において、時刻ｔ１で交流電動機５Ａ及び５Ｂに対し、速度ゼロへ減速停止指令が発せられた場合を考える。このとき、交流電動機５Ａの回転速度を一定値Ｎ１に保ったまま、交流電動機５Ｂを適切な減速レートで減速し、時刻ｔ２で中間速度Ｎ２まで到達させる。中間速度Ｎ２は負荷特性等を勘案し、可能な限り低い値に選定する。一方、時刻ｔ２で交流電動機５Ａを適切な減速レートで減速させ、時刻ｔ３で回転速度Ｎ２に到達させる。時刻ｔ４からは両電動機共フリーランで停止させる。

このような停止法を採用すれば、図２に示したように、時刻ｔ１で両電動機を減速させ、減速パワーが吸収できなくなってからフリーランで停止させる方法に比べて速い時間で
時刻ｔ４まで到達可能となる。

図６（ｂ）は、中間速度Ｎ２をマイナス速度に選定した場合の制動演算制御回路７による演算制御動作の一例を示すタイムチャートである。プロペラ６Ａ及び６Ｂの負荷特性によっては、このように中間速度をマイナスに選定した方がスムースな減速、停止が得られる。

図７は減速制御動作の場合の制動演算制御回路７による演算制御動作の一例を示すタイムチャートである。

図７に示すように、交流電動機５Ａ及び５Ｂが速度指令に従って回転速度Ｎ１で運転されている状態において、時刻ｔ１で交流電動機５Ａ及び５Ｂに対し、速度Ｎ３へ減速指令が発せられた場合を考える。このとき、交流電動機５Ａの回転速度を一定値Ｎ１に保ったまま、交流電動機５Ｂを適切な減速レートで減速し、時刻ｔ２で中間速度Ｎ２まで到達させる。速度Ｎ２は負荷特性等を勘案して選定する。一方、時刻ｔ２で交流電動機５Ａを適切な減速レートで減速させ、時刻ｔ３で回転速度Ｎ３に到達させる。時刻ｔ３で今度は速度Ｎ２で運転されている交流電動機５Ｂを速度Ｎ３まで減速させる。このように、交互に減速動作を繰り返すようにすれば、減速中の一方の電動機の回生パワーを一定速度で運転中の他方の電動機に吸収させることが可能となるので、より速く所望の速度まで減速可能となる。

以上説明したように、実施例１で説明した逆転の場合だけでなく、停止の場合や減速の場合においても、簡単な回路追加により制動を行うことができるため、専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動を行うことのできる船舶電気推進用電動機の制動方法を提供することができる。

尚、図６及び図７においては説明を簡単にするため、一方の交流電動機が一定の速度レートによる減速が完了したとき、他方の減速を開始するようにしたが、実施例１で説明したように、負荷特性によっては早めに他方の減速を開始するようにしても良い。

また、図７に示した交互に減速動作を行う方法は、図４に示した逆転制動動作や図６に示した停止制動動作に適用することも可能である。

以下に本発明の実施例４について図面を参照して説明する。図８は実施例４における制動演算制御回路の動作例を示すタイムチャートである。

図８において、補正速度指令は図７の減速制御の場合と同様である。図７と異なるのは、一方の交流電動機が減速しているとき、他方の交流電動機の磁束軸電流を増大させるようにした点である。

すなわち、図８に示すように、交流電動機５Ｂが減速している時刻ｔ１からｔ２までの間、及び時刻ｔ３からｔ４までの間は交流電動機５Ａの磁束軸電流を定格以上に強める。また逆に交流電動機５Ａが減速している時刻ｔ２からｔ３までの間は交流電動機５Ｂの磁束軸電流を定格以上に強める。

以上のようにして、力行運転している側の交流電動機の磁束軸電流分を増やし、力率を悪化させ、ロスを増やすことにより、当該電動機の入力電力を増大させているので、減速レートを増やすなどすることが可能となり、効率の良い制動をかけることができる。

以上は減速制動の場合について説明したが、停止制動の場合であっても、また実施例１で説明した逆転制動の場合であっても、このような磁束軸電流制御を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明の実施例４によれば、簡単な磁束軸電流制御の追加により更に効率の良い制動を行うことができるため、専用の制動装置を付加することなく、効率的な制動を行うことのできる船舶電気推進用電動機の制動方法を提供することができる。

本発明の実施例１に係る船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置を示す回路構成図。 船舶電気推進用電動機の減速特性図。 船舶電気推進用電動機の入力電力の速度依存を示す特性図。 逆転制動時の制動演算制御回路の動作タイムチャート。 本発明の実施例２に係る船舶電気推進用電動機の制動方法及び駆動装置を示す回路構成図。 本発明の実施例３に係る船舶電気推進用電動機の制動方法の停止制動時の制動演算制御回路の動作タイムチャート。 本発明の実施例３に係る船舶電気推進用電動機の制動方法の減速制動時の制動演算制御回路の動作タイムチャート。 本発明の実施例４に係る船舶電気推進用電動機の制動方法の減速制動時の制動演算制御回路の動作タイムチャート。

符号の説明

１ 発電機
２、２Ａ、２Ｂ コンバータ
３Ａ、３Ｂ 平滑コンデンサ
４Ａ、４Ｂ インバータ
５Ａ、５Ｂ 交流電動機
６Ａ，６Ｂ プロペラ
７ 制動演算制御回路
８Ａ、８Ｂ 開閉器

Claims (10)

1. 交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   このコンバータの直流出力に並列に接続された２台の平滑コンデンサと、
   この平滑コンデンサからの直流電力を夫々交流電力に変換する２台のインバータと、
   このインバータにより夫々駆動される交流電動機と、
   この交流電動機に夫々機械的に接続されたプロペラと、
   前記交流電動機の減速指令を演算し、前記インバータに夫々演算された補正減速指令を与える制動演算手段と
   から構成され、
   前記制動演算手段は、減速指令を受けたとき、前記交流電動機の一方を力行運転し、他方を回生運転する運転モードを含む前記補正減速指令を出力するようにしたことを特徴とする船舶電気推進用電動機の制動方法。
2. 交流電源に並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する２台のコンバータと、
   このコンバータの直流出力に夫々接続された２台の平滑コンデンサと、
   この平滑コンデンサからの直流電力を夫々交流電力に変換するインバータと、
   このインバータにより夫々駆動される交流電動機と、
   この交流電動機に夫々機械的に接続されたプロペラと、
   前記２台のコンバータの直流出力を同極性同士で接続する開閉器と、
   前記交流電動機の減速指令を演算し、前記インバータに夫々演算された補正減速指令を与える制動演算手段と
   から構成され、
   前記制動演算手段は、減速指令を受けたとき、前記開閉器に閉路指令を与えるとともに、前記交流電動機の一方を力行運転し、他方を回生運転する運転モードを含む前記補正減速指令を出力するようにしたことを特徴とする船舶電気推進用電動機の制動方法。
3. 前記運転モードにおける前記補正減速指令は、
   力行運転する一方の前記交流電動機の速度は一定とし、
   回生運転する他方の前記交流電動機は一定の減速レートで減速させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶電気推進用電動機の制動方法。
4. 前記力行運転する前記交流電動機の回転速度に応じて、前記減速レートを決定するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の船舶電気推進用電動機の制動方法。
5. 前記運転モードにおける前記補正減速指令は、
   力行側の前記交流電動機の磁束軸電流を強める指令を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の船舶電気推進用電動機の制動方法。
6. 前記補正減速指令は、
   一方の前記交流電動機の回転速度を一定に保ち、
   他方の前記交流電動機を減速し、更に逆転させて指定速度で運転し、
   前記他方の交流電動機が前記指定速度に到達する前に、
   前記一方の電動機を減速し、更に逆転させて前記指定速度で運転するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の船舶電気推進用電動機の制動方法。
7. 前記補正減速指令は、
   一方の前記交流電動機の回転速度を一定に保ち、
   他方の交流電動機を減速させて指定速度で運転し、
   前記他方の交流電動機が前記指定速度に到達したとき、または到達する前に、
   前記一方の電動機の減速を開始し、
   前記一方の電動機が前記指定速度に到達したとき、
   両方の前記交流電動機を停止させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の船舶電気推進用電動機の制動方法。
8. 前記補正減速指令は、
   一方の前記交流電動機の回転速度を一定に保ち、
   他方の交流電動機を減速させて第１の指定速度で運転し、
   前記他方の交流電動機が前記第１の指定速度に到達したとき、または到達する前に、
   前記一方の交流電動機の減速を開始して前記第１の指定速度よりも低い第２の指定速度まで減速し、
   前記一方の交流電動機が前記第２の指定速度に到達したとき、または到達する前に、
   前記他方の交流電動機の減速を開始し、
   以下同様の運転を複数回繰り返すようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の船舶電気推進用電動機の制動方法。
9. 交流電力を直流電力に変換する２台のコンバータと、
   このコンバータの直流出力に並列に接続された平滑コンデンサと、
   この平滑コンデンサからの直流電力を夫々交流電力に変換する２台のインバータと、
   このインバータにより夫々駆動される交流電動機と、
   この交流電動機に夫々機械的に接続されたプロペラと、
   前記交流電動機の減速指令を演算し、前記インバータに演算された補正減速指令を夫々与える制動演算手段と
   から構成され、
   前記制動演算手段は、減速指令を受けたとき、前記交流電動機の一方を力行運転し、他方を回生運転する運転モードを含む前記補正減速指令を出力するようにしたことを特徴とする船舶電気推進用電動機の駆動装置。
10. 交流電源に並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する２台のコンバータと、
    このコンバータの直流出力に夫々接続された２台の平滑コンデンサと、
    この平滑コンデンサからの直流電力を夫々交流電力に変換するインバータと、
    このインバータにより夫々駆動される交流電動機と、
    この交流電動機に夫々機械的に接続されたプロペラと、
    前記２台のコンバータの直流出力を同極性同士で接続する開閉器と、
    前記交流電動機の減速指令を演算し、前記インバータに演算された補正減速指令を夫々与える制動演算手段と
    から構成され、
    前記制動演算手段は、減速指令を受けたとき、前記開閉器に閉路指令を与えるとともに、前記交流電動機の一方を力行運転し、他方を回生運転する運転モードを含む前記補正減速指令を出力するようにしたことを特徴とする船舶電気推進用電動機の駆動装置。

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