JP5561468B2 - 船舶用電気推進装置のインバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、船舶用電気推進装置のインバータシステムに係り、特に荒天時等の電気推進装置の頻繁な電力変動を抑えるために、推進用電動機のトルクの急峻な増減を抑制制御する船舶用電気推進装置のインバータシステムに関する。

近年、ケミカル船などにおいては、荷役作業の高効率化や環境負荷（環境に与えるマイナスの影響）を低減する等の目的で油圧駆動から電動機駆動への転換が進められている。特に、船内機器の中で最も環境負荷の大きい推進装置をディーゼル機関等の内燃機関から電動機に置換した、いわゆる電気推進装置の採用が拡大している（例えば、特許文献１参照）。

図１３は特許文献１に記載されている一般的な電気推進装置を接続した船内電気系統を示す図である。
この図１３に示す電気推進装置は、推進用誘導電動機を船舶用インバータシステムで駆動するように構成したものである。推進用プロペラ２を駆動する推進用誘導電動機１は、固定子に２つの電機子巻線（図示せず）を巻装されており、２つの電機子巻線のうちの一方の巻線をインバータ４および遮断器６を介して船内母線８に接続し、他方の巻線をインバータ５および遮断器７を介して船内母線８に接続している。

なお、前記インバータ４はマスタインバータ、インバータ５はスレーブインバータとして機能し、それぞれ電機子巻線への印加電圧を制御することによって流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２を制御し、推進用誘導電動機１の駆動トルク、即ち、推進用プロペラ２の推進力を制御するようになっている。

３は推進用誘導電動機１の軸端部に設けられてその回転速度に応じたパルス信号を出力するパルスジェネレータであり、パルス信号をマスタインバータ４に出力してその点弧ゲート角度を制御する。スレーブインバータ５はマスタインバータ４に同期追従する。

前記船内母線８には、それぞれ遮断器５４、５５および５６を介して発電装置５１、５２および５３が接続され、さらに、遮断器５７を介して船内負荷５８が接続されている。なお、発電装置５１、５２および５３は、ディーゼル機関（Ｄ／Ｅ）等の内燃機関によって発電機（Ｇ）を駆動するように構成されている。

通常、船舶の航行中は推進用誘導電動機１がマスタインバータ４およびスレーブインバータ５を介して船内母線８から供給される電力により駆動され、推進用プロペラ２を駆動して船舶の推進力を得ている。

また、電気推進装置以外の船内負荷５８が消費する電力は船内負荷用遮断器５７を介して船内母線８より供給される。電気推進装置およびその他の船内負荷５８が消費する電力は発電装置５１〜５３が発電し、発電装置用遮断器５４〜５６を介して船内母線８へ供給される。

前記発電装置５１〜５３は、図示しない制御装置によってその時々の船内負荷状況に応じて適宜運転台数制御をする、いわゆる発電機台数制御が行われる。
ここで、例えば発電装置１台当りの定格発電量をＡ[ｋＷ]、その負荷率を８０[％]、電気推進装置の消費電力をＢ[ｋＷ]、その他の船内消費電力をＣ[ｋＷ]とする。

いま、発電量と消費電力の関係が、
Ａ×０．８＜（Ｂ＋Ｃ）＜２×Ａ×０．８・・・（１）
である場合には、船内の負荷は発電装置２台分で賄うことが可能なので、発電装置５１および５２を運転して発電し、発電装置５３を休止状態にする。

一方、式（１）において、（Ｂ＋Ｃ）[ｋＷ]が減少したために、
（Ｂ＋Ｃ）＜Ａ×０．８・・・（２）
となった場合には、発電装置５１のみを運転して発電し、発電装置５２および５３は休止状態にする。

次に、図１４を参照して前述した電気推進装置の船舶用インバータシステムについて詳細を説明する。
図１４中、９は速度検出器、１０は速度制御器、１１は速度設定器である。そして１２および１３はそれぞれマスタインバータ４およびスレーブインバータ５から推進用誘導電動機１の各巻線に供給される電流I_１、I_２を検出する電流検出器である。ここで、電流I_１、I_２は、三相各相電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）の総称したものである。

前記速度検出器９は前記パルスジェネレータ３から出力されるパルス信号を入力して推進用誘導電動機１の回転速度を検出し、回転速度検出信号ωrを出力する。前記速度設定器１１は推進用誘導電動機１の目標とする回転速度指令信号ωr*を出力する。速度制御器１０は速度設定器１１で設定した回転速度指令信号ωr*から速度検出器９の回転速度検出信号ωrを減じた誤差を演算増幅してトルク指令信号τe*を求め、その求めたトルク指令信号τe*をインバータ４および５へ出力する。そして、電流検出器１２および１３は、それぞれインバータ４および５を経て各電機子巻線にそれぞれ流れる３相出力電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出してインバータ４および５に入力する。

インバータ４および５は、トルク指令信号τe*と推進用誘導電動機１の回転速度検出信号ωr及び電流検出器１２および１３から入力した３相出力電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに基づいてベクトル制御演算を行い、推進用誘導電動機１に印加する電圧をそれぞれ制御して推進用誘導電動機１の各巻線に流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２を制御する。

ところで、インバータ４および５に供給される電力のうちほとんどは推進用電動機１で消費される。推進用誘導電動機１、インバータ４および５の効率を無視すると、電気推進装置すなわち推進用誘導電動機１が消費する電力は、
Ｐ＝ωr×Ｔ・・・（３）
となる。

ここで、Ｐは消費電力［Ｗ］、ωrは推進用誘導電動機１の回転速度［ｒａｄ／ｓ］、Ｔは推進用誘導電動機１の発生トルク［Ｎ・ｍ］を表す。（３）式からわかるように、回転速度ωrを一定とした場合、発生トルクＴにより消費電力Ｐが変動する。
船舶を通常航行する場合、速度設定器１１の出力する回転速度指令信号ωr*は、０〜定格航行速度までの値を取り得る。

特開２００９−１９４９９３号公報

図１４に示した従来の電気推進装置の船舶用インバータシステムは、速度設定器１１から出力される回転速度指令信号ωr*と速度検出器９から出力される回転速度検出信号ωrとが一致するように制御する。

推進用誘導電動機１により駆動される推進用プロペラ２にかかる負荷トルクは常に一定とはなっておらず、刻々と変化する。特に荒天時は波浪により推進用プロペラ２にかかる負荷トルクは頻繁に大きく変動することになる。

このとき、図１４に示した従来の電気推進装置の船舶用インバータシステムは、推進用誘導電動機１の回転速度を一定に制御しようとする。すなわち負荷トルクが増減すると、推進用誘導電動機１のトルクを増減させ、推進用誘導電動機１の回転速度を速度設定器１１が出力する一定の値に制御しようとする。一方、式（３）に示すように、消費電力Ｐ［Ｗ］は回転速度指令信号ωrと発生トルクＴの積によって表されるため、発生トルクＴが増減すると消費電力Ｐ［Ｗ］は大きく増減する。

マスタインバータ４およびスレーブインバータ５は、推進用誘導電動機１のトルクの増減を非常に高速に制御するため、回転速度指令信号ωr*を一定にした場合、電気推進装置を船内母線８側からみると消費電力Ｐ［Ｗ］が頻繁に増減する。

電気推進装置の頻繁な消費電力Ｐ［Ｗ］の変動は、発電装置５１、５２および５３を構成するディーゼル機関（Ｄ／Ｅ）の燃費に悪影響を与える可能性がある。さらに消費電力Ｐ［Ｗ］の変動幅が大きくなると、ディーゼル機関（Ｄ／Ｅ）のガバナも頻繁に上げ／下げ操作されることとなり、ガバナの寿命にも悪影響を与えてしまう。

図１４に示した従来の電気推進装置の船舶用インバータシステムにおいては、その消費電力は０〜定格消費電力の値を取る。従って、図１３に示される船内電気系統において、発電装置５１、５２および５３は電気推進装置の消費電力およびその他の船内負荷５８を賄える台数を運転しなければならない。例えば、発電装置１台当りの発電量をＡ[ｋＷ]、その負荷率を８０[％]、電気推進装置の消費電力をＢ’[ｋＷ]、その他の船内負荷の消費電力をＣ[ｋＷ]としたとき、
Ａ×０．８＜（Ｂ’＋Ｃ）≦２×Ａ×０．８・・・（４）
であるならば、発電装置は２台以上運転する必要がある。

しかし、電気推進装置は常に定格速度および定格トルクで運転する必要は無く、運転状況によっては出力を落として運転することもある。例えば出入港時など、船舶を微速運転する場合には電気推進装置も微速運転するので、消費電力は減少する。しかし、荒天時においては波浪により推進用プロペラ２にかかる負荷トルクが急峻に変動するため、消費電力も急峻に変動する。前記消費電力の急峻な変動により、発電装置の発電量を超過する可能性があるので、休止状態の発電装置の起動と停止を頻繁に行うことになる。そうすると、真に必要な発電量に対して発電装置を余分に運転することとなり、燃費が悪化するという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたもので、推進用誘導電動機の発生トルクが急峻に増減しないようにして発電装置から発生する電力の変動を緩和させ、これにより発電装置の燃料消費を抑制するようにした船舶用電気推進装置のインバータシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、船舶のプロペラを駆動する１または２以上の巻線を持つ推進用誘導電動機と、前記推進用誘導電動機の回転速度指令信号を出力する速度設定器と、前記推進用誘導電動機の回転速度を検出し回転速度検出信号を出力する速度検出器と、前記速度設定器で設定した回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との誤差に基づいてトルク指令信号を出力する速度制御器と、前記推進用誘導電動機の各巻線毎に接続され、前記トルク指令信号により船内の発電装置から前記推進用誘導電動機へ供給する一次電流をベクトル制御するインバータと、からなる船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、
前記速度制御器が出力するトルク指令信号を荒天時の前記推進用誘導電動機に生じるトルク変動周期よりも若干長めの時定数を持たせた一次遅れトルク指令信号として出力するトルク指令フィルタを設け、前記トルク指令フィルタから出力される一次遅れトルク指令信号を荒天時に前記インバータへ出力することにより、前記インバータに出力されるトルク指令信号の急峻な変動を抑制して前記推進用誘導電動機の一次電流の急峻な増減を緩和し、それにより荒天時に予備機として搭載している発電装置の運転を抑制することを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記トルク指令フィルタの動作を切換スイッチの切換えによって有効あるいは無効とすることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記トルク指令フィルタの時定数を複数記憶する時定数設定器と、前記時定数設定器に対し複数の時定数と１対１で対応する呼出信号を与えることにより任意の時定数を選択して前記トルク指令フィルタに設定する呼出信号切換スイッチとを備えたことを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記速度設定器の出力する回転速度指令信号の変動幅が所定の範囲にある場合にトルク指令フィルタを無効とする信号を出力し、変動幅が所定の範囲を超えた場合にトルク指令フィルタを有効とする信号を出力し、前記切換スイッチを切替える速度設定監視器を備えたことを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項２記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記速度設定器の出力する回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した速度検出信号との偏差が所定の範囲内にある場合にトルク指令フィルタを無効とする信号を出力し、前記偏差が所定の範囲を超えた場合にトルク指令フィルタを有効とする信号を出力し、前記切換スイッチを切替える速度偏差監視器を備えたことを特徴とする。

さらに、請求項６記載の発明は、船舶のプロペラを駆動する１または２以上の巻線を持つ推進用誘導電動機と、前記推進用誘導電動機の回転速度指令信号を出力する速度設定器と、前記推進用誘導電動機の回転速度を検出し回転速度検出信号を出力する速度検出器と、前記速度設定器で設定した回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との誤差に基づいてトルク指令信号を出力する速度制御器と、前記推進用誘導電動機の各巻線毎に接続され、前記トルク指令信号により船内の発電装置から前記推進用誘導電動機へ供給する一次電流をベクトル制御するインバータと、からなる船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、
前記速度制御器の比例ゲイン値および積分ゲイン値を設定する比例ゲイン設定器と積分ゲイン設定器を設け、前記比例ゲイン値および積分ゲイン値を荒天時に適宜設定し、荒天時に推進用誘導電動機に生じるトルク変動周期よりも若干大きな一次遅れ時間を前記速度制御器から出力されるトルク指令信号に持たせることにより、当該速度制御器から前記インバータへ出力するトルク指令信号の急峻な変動を抑制して前記推進用誘導電動機の一次電流の急峻な増減を緩和し、それにより荒天時に予備機として搭載している発電装置の運転を抑制することを特徴とする。

さらにまた、請求項７記載の発明は、請求項６記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記比例ゲイン値を複数記憶する比例ゲイン設定器と、当該比例ゲイン設定器に対し複数の比例ゲイン値と１対１で対応する呼出信号を与えることにより任意の比例ゲイン値を選択して前記速度制御器の比例ゲイン値を設定する比例ゲイン値の呼出信号切換スイッチと、前記積分ゲイン値を複数記憶する積分ゲイン設定器と、当該積分ゲイン設定器に対し複数の積分ゲイン値と１対１で対応する呼出信号を与えることにより任意の積分ゲイン値を選択して前記速度制御器の積分ゲイン値を設定する積分ゲイン値の呼出信号切換スイッチと、を設けたことを特徴とする。

さらにまた、請求項８記載の発明は、請求項７記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記比例ゲイン値の呼出信号切換スイッチおよび積分ゲイン値の呼出信号切換スイッチに代え、比例ゲイン値の呼出信号自動切換器および積分ゲイン値の呼出信号自動切換器を設けると共に、これらの呼出信号自動切換器に前記速度設定器の出力する回転速度指令信号の値に応じた呼出信号を与え、その呼出信号に応じた比例ゲイン値および積分ゲイン値を前記比例ゲイン設定器および前記積分ゲイン設定器から選択出力し、前記速度制御器内の比例ゲイン値および積分ゲイン値として設定するゲイン呼出速度設定監視器を備えたことを特徴とする。

さらにまた、請求項９記載の発明は、請求項８記載の船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、前記ゲイン呼出速度設定監視器に代え、前記比例ゲイン値の呼出信号自動切換器および積分ゲイン値の呼出信号自動切換器に、前記速度設定器の出力する回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との差に応じた呼出信号を与え、その呼出信号に応じた比例ゲイン値および積分ゲイン値を前記比例ゲイン設定器および前記積分ゲイン設定器から選択出力し、前記速度制御器内の比例ゲイン値および積分ゲイン値として設定するゲイン呼出速度偏差監視器を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、速度設定器の回転速度指令信号と速度検出器の回転速度検出信号との誤差に基づくトルク指令信号に対して、荒天時に推進用誘導電動機に生じるトルク変動周期よりも若干大きな一次遅れ時間ｔを持たせてインバータに出力するようにしたので、荒天時における急峻な負荷トルクの変動に対して高速に反応することがなくなり、その結果、発電装置の発電出力に急峻な増減が無くなり、荒天時に予備機として搭載している発電装置の運転を抑制して、内燃機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

また、他の発明によれば、速度設定器の回転速度指令信号と速度検出器の回転速度検出信号との誤差に適切な、比例ゲイン値および積分ゲイン値を設定するようにしたので、荒天時における急峻な負荷トルクの変動に対して高速に反応することがなくなり、その結果、発電装置の発電出力に急峻な増減が無くなり、荒天時に予備機として搭載している発電装置の運転を抑制して、内燃機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る船舶用電気推進装置のインバータシステムの構成図。 本発明の実施形態１に係るトルク指令フィルタの構成図。 本発明の実施形態２に係るトルク指令フィルタの構成図。 本発明の実施形態３に係るトルク指令フィルタの構成図。 本発明の実施形態４に係るトルク指令フィルタの構成図。 本発明の実施形態５に係るトルク指令フィルタの構成図。 本発明の実施形態６に係る船舶用電気推進装置のインバータシステムの構成図。 本発明の実施形態６に係るトルク指令フィルタ機能を示す構成図。 本発明の実施形態７に係るトルク指令フィルタ機能を示す構成図。 図９のゲイン呼出速度設定監視器の入力ωr*と出力Ｋの関係を表す特性図。 本発明の実施形態８に係るトルク指令フィルタ機能を示す構成図。 図１１のゲイン呼出速度偏差監視器の入力ωr*’と出力Ｋの関係を表す特性図。 従来の船舶用電気推進装置のインバータシステムを用いた船内電気系統図。 図１３の船内電気系統図中の船舶用電気推進装置のインバータシステムの構成図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照し説明する。なお、各図を通じて同一部品や同一要素には同一符号を付けて説明する。

［実施形態１］
図１は実施形態１の船舶用電気推進装置のインバータシステムの構成図であり、図２は実施形態１の制御回路におけるトルク指令フィルタの構成図である。

図１において、本実施形態１が図１４で説明した従来の船舶用電気推進装置のインバータシステムの構成と相違する構成は、新たにトルク指令フィルタ１４を追加した点であり、その他の構成は図１４と同一である。

図１に示す電気推進装置は、推進用誘導電動機１を船舶用インバータシステムで駆動するように構成したものであって、推進用プロペラ２を駆動する推進用誘導電動機１の固定子には２つの電機子巻線（図示せず）が巻装されており、この２つの電機子巻線のうち一方はマスタインバータ４および遮断器６を介して船内母線８に接続され、他方はスレーブインバータ５および遮断器７を介して船内母線８に接続されている。なお、マスタインバータおよびスレーブインバータを以下、単にインバータと称する。

前記インバータ４、インバータ５は複数の各電機子巻線にそれぞれ印加される電圧を制御して流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２を制御し、推進用誘導電動機１の駆動トルク、即ち、推進用プロペラ２の推進力を制御するように構成されている。

パルスジェネレータ３は推進用誘導電動機１の軸端部に設けられてその回転速度に応じたパルス信号を出力する。速度検出器９はパルスジェネレータ３から出力されるパルス信号から推進用誘導電動機１の回転速度を検出して回転速度検出信号ωrを出力する。

速度設定器１１は推進用誘導電動機１の目標とする回転速度指令信号ωr*を設定するものである。速度制御器１０は速度設定器１１で設定した回転速度指令信号ωr*から速度検出器９の回転速度検出信号ωrを減じて得られた誤差（ωr*−ωr）を増幅してトルク指令信号τe*を求め、この求めたトルク指令信号τe*を本実施形態１で新たに設けたトルク指令フィルタ１４へ出力する。

電流検出器１２および１３はインバータ４および５から各電機子巻線にそれぞれ流れる３相出力電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、それぞれインバータ４および５の図示しないゲート制御装置へ入力する。

図２は新たに設けたトルク指令フィルタ１４と、速度設定器１１および速度制御器１０との接続を示す図である。
図２中、１０_１は速度設定器１１で設定した回転速度指令信号ωr*からフィードバック信号である速度検出器９の回転速度検出信号ωrを減じる減算器、１０_２は減算器１０_１から出力される誤差（ωr*−ωr）を増幅してトルク指令信号τe*を出力する誤差増幅部である。

トルク指令フィルタ１４は、速度制御器１０から出力されたトルク指令信号τｅ*に予め定めた時定数ｔを持たせて、一次遅れトルク指令信号τet*としてインバータ４および５に与える。

なお、この予め定めた時定数ｔは、本発明で取り上げている急峻な負荷トルクの変動周期よりも若干長めに設定してある。
このため、インバータ４および５は、前記一次遅れトルク指令信号τet*に基づいて以下述べるように、推進用誘導電動機１のトルクに一次遅れ成分を持たせるよう動作する。

すなわち、インバータ４および５の図示していないゲート制御装置は、トルク指令フィルタ１４から出力された一次遅れトルク指令信号τet*、速度検出器９から出力された回転速度検出信号ωrおよび電流検出器１２、１３で検出した３相出力電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを入力し、これらに基づいてベクトル制御演算を行ってインバータ４および５の図示していない主回路のスイッチング素子にゲート信号を与える。

これによって推進用誘導電動機１に印加される電圧が制御されて推進用誘導電動機１の各巻線にそれぞれ流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２が制御され、推進用誘導電動機１のトルクが一次遅れ時定数分だけ遅れて発生する。

以上述べたように、本実施形態１によれば、インバータ４および５のトルク指令に対して予め定めた一次遅れ時間ｔを持たせるようにしたので、急峻な負荷トルクの変動に対して高速に反応することがなくなる。この結果、発電装置の発電出力に急峻な増減が無くなり、発電機を駆動するディーゼル機関等の内燃機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

［実施形態２］
図３は実施形態２で新たに設けたトルク指令フィルタと、速度設定器および速度制御器との接続を示す図である。
本実施形態２は、前記トルク指令フィルタ１４を運転者が必要時のみ動作させるようにしたもので、図３に示すように、速度制御器１０とトルク指令フィルタ１４との間に人為的に操作されるトルク指令フィルタ切換スイッチ６０を介在させるようにしたものである。

トルク指令フィルタ１４を動作させる条件は、運転者に委ねられており、運転者がトルク指令フィルタ切換スイッチ６０を閉じると、速度制御器１０から出力されたトルク指令信号τe*は、トルク指令フィルタ１４に入力されて一次遅れ処理されて、インバータ４および５に入力されるようになる。

一方、運転者がトルク指令フィルタ切換スイッチ６０を開くと、速度制御器１０より出力されたトルク指令信号τe*は、図１４の従来例と同様一次遅れ時間処理されずに直接インバータ４および５に入力される。

このように、本実施形態２では、人為的に操作されるトルク指令フィルタ切換スイッチ６０を設置するようにしたので、例えば、荒天時にトルク指令フィルタ切換スイッチ６０を閉にしてトルク指令フィルタ１４を動作させることにより、トルクの急峻な変動を抑制して消費電力Ｐ[Ｗ]の変動を抑制し、発電装置５１〜５３のディーゼル機関の燃費改善を行うことができ、通常航海時にはトルク指令フィルタ切換スイッチ６０を開にしてトルク指令フィルタ１４を動作させないようにすることが可能となる。
以上述べたように、本実施形態２によれば、トルク指令フィルタ１４を必要時のみ動作させることができる。

［実施形態３］
図４は実施形態３で新たに設けたトルク指令フィルタと、速度設定器および速度制御器との接続を示す図である。

本実施形態３は、図４に示すように、時定数をＮ個（Ｎは２以上の自然数）分記憶できる時定数設定器６１を設け、この時定数設定器６１に記憶されているＮ個の時定数（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、・・、ｔ_Ｎ）の中から、呼出信号切換スイッチ６５により任意の時定数を一つ選択して前記トルク指令フィルタ１４に設定することができるように構成したものである。

前記呼出信号切換スイッチ６５は、運転者が手動切換により呼出信号を時定数設定器６１に与えることで、トルク指令フィルタ１４の時定数tを切換えることができる。
因みに、トルク指令フィルタ１４の一次遅れ時間を大きくさせる場合には大きな時定数ｔが選択できるように呼出信号を与え、一次遅れ時間を小さくする場合には小さな時定数ｔが選択できるように呼出信号を与えるようにすればよい。

このように本実施形態３によれば、海上の波の状態に応じてトルク指令フィルタ１４の一次遅れ時間を決定する時定数ｔを切換えることによりインバータのトルク指令に一次遅れ時間を持たせ、急峻な負荷トルクの変動に対して高速に反応することを防ぎ、発電機を駆動するディーゼル機関の燃費消費を抑制することが可能となる。

［実施形態４］
図５は実施形態４で新たに設けたトルク指令フィルタと、速度設定器および速度制御器との接続を示す図である。
本実施形態４は、図５に示すように、トルク指令フィルタ１４を有効とするか、あるいは無効とするかを、速度設定器１１から出力される回転速度指令信号ωr*の変動幅に基づいて決めるようにしたものである。

速度設定監視器６２は、回転速度指令信号ωr*の変動幅が所定の範囲内にある場合はトルク指令フィルタ１４を無効とする信号を出力し、回転速度指令信号ωr*の変動幅が所定の範囲を超えた場合には、トルク指令フィルタ１４を有効とする信号を出力するように構成されている。トルク指令フィルタ切換スイッチ６０は、速度設定監視器６２がトルク指令フィルタ１４を無効とする信号を出力した場合、速度制御器１０より出力されたトルク指令信号τe*がトルク指令フィルタ１４をバイパスしてインバータ４および５に入力し、逆に、トルク指令フィルタ１４を有効とする信号を出力した場合、速度制御器１０より出力されたトルク指令信号τe*をトルク指令フィルタ１４に入力し、一次遅れ時間処理した一次遅れトルク指令信号τet*をインバータ４および５に入力される。

船舶の通常航海時は、速度設定器１１から出力される回転速度指令信号ωr*の変動幅が所定の範囲内にあるため、トルク指令フィルタ１４を無効として運転し、荒天時に運転者等により任意に回転速度指令信号ωr*が設定されることにより、回転速度指令信号ωr*の変動幅が所定の範囲を超えるため、トルク指令フィルタ１４を有効として運転し、インバータのトルク指令に一次遅れ時間を持たせ、急峻な負荷トルクの変動に対して高速に反応することを防ぎ、発電機を駆動するディーゼル機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

［実施形態５］
図６は実施形態５で新たに設けたトルク指令フィルタと、速度設定器および速度制御器との接続を示す図である。
本実施形態５は、トルク指令フィルタ１４を有効とするかあるいは無効とするかを、前述した図５のように速度設定器１１から出力される回転速度指令信号ωr*の変動幅に基づいて決めるのではなく、図６に示すように、速度設定器１１と速度検出器９の出力値の誤差（ωr*−ωr）に基づいて決めるようにしたものである。

本実施形態５では、速度設定器１１と速度検出器９の出力値の誤差（ωr*−ωr）を監視する速度偏差監視器６４を設け、この速度偏差監視器６４が速度設定器１１と速度検出器９の出力値の誤差（ωr*−ωr）が所定の範囲内にある場合はトルク指令フィルタ１４を無効とする信号を出力し、誤差（ωr*−ωr）が所定の範囲を超えた場合にトルク指令フィルタ１４を有効とする信号を出力するように構成されている。

船舶の通常航行時は、推進用プロペラ２にかかる負荷トルクの変動が少ないため、速度設定器１１と速度検出器９の出力値の誤差（ωr*−ωr）が所定の範囲にありトルク指令フィルタ１４が無効となる。

一方、荒天時には前記負荷トルクの変動が大きいため、速度設定器１１と速度検出器９の出力値の誤差（ωr*−ωr）が所定の範囲を超えるためトルク指令フィルタ１４が有効となり、インバータのトルク指令に一次遅れ時間を持たせ、急峻な負荷トルクの変動に対して高速に反応することを防ぎ、発電機を駆動するディーゼル機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

［実施形態６］
図７は実施形態６の船舶用電気推進装置のインバータシステムの構成図であり、図８は実施形態６に係るトルク指令フィルタ機能を示す構成図である。
本実施形態６が、図１４で説明した従来の船舶用電気推進装置のインバータシステムと相違する構成は、図７で示すように、比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２を新たに設け、これら比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２で設定された設定値をそれぞれ速度制御器１０に入力するように構成した点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成要素には同一符号を付して説明する。

図７において、本実施形態６による船舶用電気推進装置のインバータシステムは、推進用誘導電動機１により推進用プロペラ２は駆動している。インバータ４および５はそれぞれ遮断器６および７を介して船内母線８に接続される。パルスジェネレータ３は推進用誘導電動機１と同軸に配置され、推進用誘導電動機１の回転速度に応じてパルス信号を出力する。

速度検出器９はパルスジェネレータ３の出力するパルス信号から推進用誘導電動機１の回転速度を検出し、回転速度検出信号ωrを出力する。速度設定器１１は推進用誘導電動機１の目標とする回転速度指令信号ωr*を出力する。

速度制御器１０は回転速度検出信号ωrを回転速度指令信号ωr*から減じた誤差を演算増幅してトルク指令信号τe*をインバータ４および５へ出力する。電流検出器１２および１３はそれぞれインバータ４および５の３相出力電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、それぞれインバータ４および５へ出力する。

比例ゲイン設定器７１は比例ゲイン値を複数記憶できるように構成され、それぞれの記憶された比例ゲイン値と１対１で対応する呼出信号により任意の比例ゲイン値を選択して速度制御器１０に比例ゲイン値を出力する。

また、積分ゲイン設定器７２は、積分ゲイン値を複数記憶できるように構成され、それぞれの記憶された積分ゲイン値と１対１で対応する呼出信号により任意の積分ゲイン値を選択して前記速度制御器１０に積分ゲイン値を出力する。

前記比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２は、詳細を図８で示すように、それぞれ複数の比例ゲイン値（Ｋｐ１、Ｋｐ２、・・・ＫｐＮ）および複数の積分ゲイン値（Ｋ_Ｉ１、Ｋ_Ｉ２、・・・Ｋ_ＩＮ）を記憶できるように構成されている。

また、これらの比例ゲイン設定器７１、および積分ゲイン設定器７２にそれぞれ対応して比例ゲイン値呼出設定手段としての呼出信号切替スイッチ６５_１と、積分ゲイン値呼出設定手段としての呼出信号切替スイッチ６５_２とを設けており、これら呼出信号切替スイッチ６５_１および６５_２から比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２に任意の呼出信号を与えることにより、それぞれ速度制御器１０の比例ゲイン値（Ｋｐ）１０_３および積分ゲイン値（Ｋ_１１／Ｓ）１０_４を設定するように構成されている。

すなわち、呼出信号切替スイッチ６５_１で比例ゲイン設定器７１に与える呼出信号によって速度制御器１０内の比例ゲイン値（Ｋｐ）１０_３を設定し、かつ、呼出信号切替スイッチ６５_２で積分ゲイン設定器７２に与える呼出信号によって速度制御器１０内の積分ゲイン値（Ｋ_１１／Ｓ）１０_４を設定するようになっている。

そして、これら比例ゲイン値（Ｋｐ）１０_３および積分ゲイン値（Ｋ_１１／Ｓ）１０_４は、加算器１０_５で加算されてトルク指令信号τe*としてインバータ４および５に出力される。

以上述べたように、本実施形態６によれば、複数の比例ゲイン値を有する比例ゲイン設定器７１および複数の積分ゲイン値を有する積分ゲイン設定器７２を設置し、運転者が荒天時および出入港時等必要に応じて最適値と思われる比例ゲイン値および積分ゲイン値を適宜選択して出力させることによりトルクの急峻な変動を抑制でき、式（３）より消費電力Ｐ[Ｗ]の変動も抑制できるため、発電機を駆動するディーゼル機関の燃費を改善することができる。

［実施形態７］
図９は実施形態７に係る速度制御器と、比例ゲイン設定器および積分ゲイン設定器によるトルク指令フィルタ機能を示す構成図である。

本実施形態７は、前述した実施形態６を改良したものであり、図９に示すように、図８の比例ゲイン値の呼出信号切換スイッチ６５ _１ および積分ゲイン値の呼出信号切換スイッチ６５ _２ に代えて、比例ゲイン値の呼出信号自動切換器６６ _１ および積分ゲイン値の呼出信号自動切換器６６ _２ を設けると共に、これらの自動切換器６６ _１、 ６６ _２ に速度設定器１１が出力する回転速度指令信号ωr*に応じた呼出信号を与え、その呼出信号に応じた比例ゲイン値および積分ゲイン値を比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２から選択し、速度制御器１０内の比例ゲイン値（Ｋｐ）１０ _３ および積分ゲイン値（Ｋ _１ １／Ｓ）１０ _４ として設定するゲイン呼出速度設定監視器７３を備えたものである。

図１０はゲイン呼出速度設定監視器７３の特性図であり、横軸に回転速度指令信号ωr*を、縦軸にゲイン呼出信号Ｋをとっている。
図１０において、速度設定器１１の出力する回転速度指令信号ωr*の偏差をΔωとし、ゲイン呼出速度設定監視器７３の取り得るゲイン呼出信号Ｋの個数をn個（nは２以上の自然数）とすると、
Δω／n＝Δa・・・（５）
となり、ゲイン呼出信号Ｋの１個あたりの偏差はΔaとなる。Δa １個あたりのゲイン呼出信号Ｋは同一であり、回転速度指令信号ωr*の値によって段階的にゲイン呼出信号が選択出力される。

すなわち、海上の波の状態に応じて運転者が操作する速度設定器１１の出力する回転速度指令信号ωr*より比例ゲイン値（Ｋｐ）および積分ゲイン値（Ｋ_１１／Ｓ）を選択し、急峻な推進用誘導電動機１のトルク変動に対して高速に反応することを防ぎ、発電機を駆動するディーゼル機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

［実施形態８］
図１１は実施形態８に係る速度制御器と、比例ゲイン設定器および積分ゲイン設定器によるトルク指令フィルタ機能を示す構成図である。

図１１に示すように、本実施形態８が、前述した実施形態７と異なる構成は、速度設定器１１が出力する回転速度指令信号ωr*によって比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２へ出力する呼出信号を選択するゲイン呼出速度設定監視器７３に替えて、比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２の値は速度設定器１１と速度検出器９の出力値の差ωr*’により、比例ゲイン設定器７１および積分ゲイン設定器７２へ出力する呼出信号を選択するゲイン呼出速度偏差監視器７４を備えるようにした点である。

図１２はゲイン呼出速度偏差監視器７４の特性図であり、横軸に速度設定器１１と速度検出器９の出力差ωr*’を、縦軸にゲイン呼出信号Ｋをとっている。

速度設定器１１と速度検出器９との出力差ωr*’の偏差がΔωであり、ゲイン呼出速度偏差監視器７４の取り得るゲイン呼出信号Ｋの個数をn個（nは２以上の自然数）とすると、前述した実施形態７の場合と同様に
Δω／n＝Δa・・・（５）
となり、ゲイン呼出信号Ｋの1個あたりの偏差はΔaとなる。Δa １個あたりのゲイン呼出信号Ｋは同一であり、速度設定器１１と速度検出器９との出力差ωr*’の値によって段階的にゲイン呼出信号が選択出力される。

すなわち、海上の波の状態に応じて運転者が操作する速度設定器１１と速度検出器９との出力差ωr*’の値によって比例ゲイン値（Ｋｐ）１０_３および積分ゲイン値（Ｋ_１１／Ｓ）１０_４を選択し、急峻な推進用誘導電動機１のトルク変動に対して高速に反応することを防ぎ、発電装置のディーゼル機関の燃料消費を抑制することが可能となる。

［変形例］
以上説明した各実施形態では、２巻線の推進用誘導電動機１と２台のインバータ４、５の組合せ例を説明したが、推進用誘導電動機１の巻線数やインバータの台数は本願発明の課題とは直接関係無いので、１巻線の推進用誘導電動機と１台のインバータの組合せる場合、あるいは、３巻線以上の推進用誘導電動機とその巻線数と同じ台数のインバータを組合せる場合等においても同様の作用効果を奏することができる。

１…推進用誘導電動機、２…推進用プロペラ、３…パルスジェネレータ、４，５…インバータ、６，７…遮断器、８…船内母線、９…速度検出器、１０…速度制御器、１０_１…減算器、１０_２…誤差演算部、１０_３…比例ゲイン値、１０_４…積分ゲイン値、１０_５…加算部、１１…速度設定器、１２，１３…電流検出器、１４…トルク指令フィルタ、５１〜５３…発電装置、５４〜５７…遮断器、５８…負荷、６０…トルク指令フィルタ切換スイッチ、６１…時定数設定器、６２…速度設定監視器、６４…速度偏差監視器、６５_１，６５_１…呼出信号切換スイッチ、６６_１，６６_２…呼出信号自動切換部、７１…比例ゲイン設定器、７２…積分ゲイン設定器、７３…ゲイン呼出速度設定監視器、７４…ゲイン呼出速度偏差監視器。

Claims (9)

1. 船舶のプロペラを駆動する１または２以上の巻線を持つ推進用誘導電動機と、
   前記推進用誘導電動機の回転速度指令信号を出力する速度設定器と、
   前記推進用誘導電動機の回転速度を検出し回転速度検出信号を出力する速度検出器と、
   前記速度設定器で設定した回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との誤差に基づいてトルク指令信号を出力する速度制御器と、
   前記推進用誘導電動機の各巻線毎に接続され、前記トルク指令信号により船内の発電装置から前記推進用誘導電動機へ供給する一次電流をベクトル制御するインバータと、
   からなる船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、
   前記速度制御器が出力するトルク指令信号を荒天時の前記推進用誘導電動機に生じるトルク変動周期よりも若干長めの時定数を持たせた一次遅れトルク指令信号として出力するトルク指令フィルタを設け、
   前記トルク指令フィルタから出力される一次遅れトルク指令信号を荒天時に前記インバータへ出力することにより、前記インバータに出力されるトルク指令信号の急峻な変動を抑制して前記推進用誘導電動機の一次電流の急峻な増減を緩和し、それにより荒天時に予備機として搭載している発電装置の運転を抑制することを特徴とする船舶用電気推進装置のインバータシステム。
2. 前記トルク指令フィルタの動作を切換スイッチの切換えによって有効あるいは無効とすることを特徴とする請求項１記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。
3. 前記トルク指令フィルタの時定数を複数記憶する時定数設定器と、前記時定数設定器に対し複数の時定数と１対１で対応する呼出信号を与えることにより任意の時定数を選択して前記トルク指令フィルタに設定する呼出信号切換スイッチとを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。
4. 前記速度設定器の出力する回転速度指令信号の変動幅が所定の範囲にある場合にトルク指令フィルタを無効とする信号を出力し、変動幅が所定の範囲を超えた場合にトルク指令フィルタを有効とする信号を出力し、前記切換スイッチを切替える速度設定監視器を備えたことを特徴とする請求項２記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。
5. 前記速度設定器の出力する回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との偏差が所定の範囲内にある場合にトルク指令フィルタを無効とする信号を出力し、前記偏差が所定の範囲を超えた場合にトルク指令フィルタを有効とする信号を出力し、前記切換スイッチを切替える速度偏差監視器を備えたことを特徴とする請求項２記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。
6. 船舶のプロペラを駆動する１または２以上の巻線を持つ推進用誘導電動機と、
   前記推進用誘導電動機の回転速度指令信号を出力する速度設定器と、
   前記推進用誘導電動機の回転速度を検出し回転速度検出信号を出力する速度検出器と、
   前記速度設定器で設定した回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との誤差に基づいてトルク指令信号を出力する速度制御器と、
   前記推進用誘導電動機の各巻線毎に接続され、前記トルク指令信号により船内の発電装置から前記推進用誘導電動機へ供給する一次電流をベクトル制御するインバータと、
   からなる船舶用電気推進装置のインバータシステムにおいて、
   前記速度制御器の比例ゲイン値および積分ゲイン値を設定する比例ゲイン設定器と積分ゲイン設定器を設け、
   前記比例ゲイン値および積分ゲイン値を荒天時に適宜設定し、荒天時に推進用誘導電動機に生じるトルク変動周期よりも若干大きな一次遅れ時間を前記速度制御器から出力されるトルク指令信号に持たせることにより、当該速度制御器から前記インバータへ出力するトルク指令信号の急峻な変動を抑制して前記推進用誘導電動機の一次電流の急峻な増減を緩和し、それにより荒天時に予備機として搭載している発電装置の運転を抑制することを特徴とする船舶用電気推進装置のインバータシステム。
7. 前記比例ゲイン値を複数記憶する比例ゲイン設定器と、当該比例ゲイン設定器に対し複数の比例ゲイン値と１対１で対応する呼出信号を与えることにより任意の比例ゲイン値を選択して前記速度制御器の比例ゲイン値を設定する比例ゲイン値の呼出信号切換スイッチと、
   前記積分ゲイン値を複数記憶する積分ゲイン設定器と、当該積分ゲイン設定器に対し複数の積分ゲイン値と１対１で対応する呼出信号を与えることにより任意の積分ゲイン値を選択して前記速度制御器の積分ゲイン値を設定する積分ゲイン値の呼出信号切換スイッチと、を設けたことを特徴とする請求項６記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。
8. 前記比例ゲイン値の呼出信号切換スイッチおよび積分ゲイン値の呼出信号切換スイッチに代え、比例ゲイン値の呼出信号自動切換器および積分ゲイン値の呼出信号自動切換器を設けると共に、これらの呼出信号自動切換器に前記速度設定器の出力する回転速度指令信号の値に応じた呼出信号を与え、その呼出信号に応じた比例ゲイン値および積分ゲイン値を前記比例ゲイン設定器および前記積分ゲイン設定器から選択出力し、前記速度制御器内の比例ゲイン値および積分ゲイン値として設定するゲイン呼出速度設定監視器を備えたことを特徴とする請求項７記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。
9. 前記ゲイン呼出速度設定監視器に代え、前記比例ゲイン値の呼出信号自動切換器および積分ゲイン値の呼出信号自動切換器に、前記速度設定器の出力する回転速度指令信号と前記速度検出器で検出した回転速度検出信号との差に応じた呼出信号を与え、その呼出信号に応じた比例ゲイン値および積分ゲイン値を前記比例ゲイン設定器および前記積分ゲイン設定器から選択出力し、前記速度制御器内の比例ゲイン値および積分ゲイン値として設定するゲイン呼出速度偏差監視器を備えたことを特徴とする請求項８記載の船舶用電気推進装置のインバータシステム。

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