(57)【要約】【課題】インバータ装置で交流電動機を駆動する交流電動機駆動装置における低出力領域での装置の損失を低減して運転効率を高めることができるとともに駆動装置のインバータ装置に部分的な故障が生じても運転を継続することのできる交流電動機駆動装置を提供する。【解決手段】３相以上の多相に構成された交流電動機の各相の固定子巻線をそれぞれ独立して構成し、各相の固定子巻線にそれぞれｎ台（ｎは２以上の整数）の単相インバータユニットを接続してｎ組の多相インバータ装置を構成し、前記多相交流電動機の負荷に応じてこのｎ組の多相インバータ装置の内で運転する多相インバータ装置の組数を選択して出力を制御する。【選択図】図１
2010161846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相以上の多相に構成された交流電動機の各相の固定子巻線をそれぞれ独立して構成し、各相の固定子巻線にそれぞれｎ台（ｎは２以上の整数）の単相インバータユニットを接続してｎ組の多相インバータ装置を構成し、前記多相交流電動機の負荷に応じてこのｎ組の多相インバータ装置の内で運転する多相インバータ装置の組数を選択して出力を制御することを特徴とする交流電動機駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の交流電動機駆動装置において、前記多相インバータ装置をＰＷＭインバータとし、各多相インバータ装置をＰＷＭ制御の搬送波に同期して動作位相をずらして運転することを特徴とする交流電動機駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の交流電動機駆動装置において、前記ｎ台の単相インバータユニットの一部のユニットが故障したとき、この故障したユニットを含む多相インバータ装置を停止または前記交流電動機の固定子巻線から切り離し、残りの多相インバータ装置により前記交流電動機を駆動するようにすることを特徴とする交流電動機駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項に記載の交流電動機駆動装置の交流電動機により船舶の推進機を駆動するようにすることを特徴とする電気推進装置。
【請求項５】
請求項４記載の電気推進装置において、前記交流電動機駆動装置を複数系統設け、各交流電動機駆動装置の交流電動機を共通の推進機に結合することを特徴とする電気推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、船舶の電気推進装置として使用される交流電動機をインバータ装置により駆動するようにした交流電動機駆動装置およびこれを用いた電気推進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、船舶の電気推進装置に使用される交流電動機の駆動装置として、特許文献１に示すものが知られている。この装置は、図６に示すように負荷となる船舶の推進機Ｓを共通に駆動する２台の交流電動機Ｍ１およびＭ２にそれぞれインバータ装置ＩＮＶ１およびＩＮＶ２を接続し、交流電動機Ｍ１、Ｍ２に供給する駆動電力をそれぞれインバータ装置ＩＮＶ１、ＩＮＶ２により制御するものである。
【０００３】
このように１つの負荷を２系統の交流電動機駆動装置により駆動するようにすると、一方の系統の駆動装置が故障しても、他方の健全な系統の駆動装置により負荷の駆動を継続することができるので、交流電動機駆動装置を１系統しか備えない装置に比べて信頼性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０６２４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような装置においても、２系統のインバータ装置がともに故障すると電動機を駆動することができず、船舶の電気推進装置に用いた場合は、船舶の推進が不能となるため、船舶の安全航行が阻害される問題がる。
【０００６】
また、インバータ装置には、それぞれその出力に関係しない固定的な損失が存在し、この固定的な損失は、これを低減することが極めて困難であり、この損失が交流電動機の低出力領域での運転効率を低下させる問題もある。このような運転効率の低下は、船舶の電気推進装置においては、原動機駆動の発電装置と蓄電池とからなるハイブリッド電源の発電装置の故障等により蓄電池で運転するモードになったとき、運転継続時間に影響し、長時間の運転が制限されることになる。
【０００７】
この発明は、このような問題を解決するために、交流電動機駆動装置における低出力領域での装置の損失を低減して運転効率を高めることができるとともに駆動装置のインバータ装置に部分的な故障が生じても運転を継続することのできる交流電動機駆動装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するため，この発明は、３相以上の多相に構成された交流電動機の各相の固定子巻線をそれぞれ独立して構成し、各相の固定子巻線にそれぞれｎ台（ｎは２以上の整数）の単相インバータユニットを接続してｎ組の多相インバータ装置を構成し、前記多相交流電動機の負荷に応じてこのｎ組の多相インバータ装置の内で運転する多相インバータ装置の組数を選択して出力を制御することを特徴とするものである。
【０００９】
この発明おいては、ｎ組の多相インバータ装置をＰＷＭインバータとし、各多相インバータ装置をＰＷＭ制御の搬送波に同期して動作位相をずらして運転するのがよい。
【００１０】
また、この発明においては、前記ｎ台の単相インバータユニットの一部のユニットが故障したとき、この故障したユニットを含む多相インバータ装置を停止または前記交流電動機の固定子巻線から切り離して残りの多相インバータ装置により前記交流電動機を駆動するようにすることもできる。
【００１１】
この発明の交流電動機駆動装置の交流電動機により船舶の推進機を駆動するようにすることができ、また、この場合、この交流電動機駆動装置を複数系統設け、各交流電動機駆動装置の交流電動機を共通の推進機に結合することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、交流電動機に並列に接続された複数組のインバータ装置を交流電動機に接続された負荷に応じて、運転するインバータ装置の組数を選択して出力を制御するようにしているので、低負荷となる領域においては、いくつかの組のインバータ装置が停止または、交流電動機から切り離なされようになるため、インバータ装置の損失が低減され、交流電動機駆動装置の運転効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の交流電動機駆動装置の実施例を示すのブロック回路構成図。
【図２】この発明の交流電動機駆動装置におけるインバータ装置のＰＷＭ制御パターンを示す図。
【図３】この発明の交流電動機駆動装置を用いた船舶の電気推進装置の構成を示すブロック回路構成図。
【図４】図３に示す電気推進装置のインバータ装置の動作説明に用いる運転パターン図。
【図５】船舶の推進機の推進機回転速度−出力（負荷）特性を示す図。
【図６】従来の交流電動機駆動装置を示すブロック回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、この発明の交流電動機駆動装置の実施例を示すブロック回路構成図である。
【００１６】
この図において、Ｍは交流電動機であり、３相の独立した固定子相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを有する。固定子巻線の相数は３相以上の任意の多相でよいが、ここでは３相の例を示す。
【００１７】
各相の固定子相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにはそれぞれ２台（２台以上の複数台でもよい）ずつ単相インバータユニットＵ１，Ｕ２、Ｖ１，Ｖ２およびＷ１，Ｗ２が並列に接続される。これらの６台のインバータユニットはＵ１〜Ｗ１とＵ２〜Ｗ２の２組に分けられ、各組の３台のインバータユニットは、１２０°ずつ位相をずらしてＰＷＭ制御により運転され、３相ＰＷＭインバータ装置を構成する。したがって、ここでは、２組のＰＷＭ制御の３相インバータ装置から交流電動機Ｍに並列に３相電力を供給させてこれを駆動する構成となる。
【００１８】
各組の各相のインバータユニットは図２に示すようなパターンでＰＷＭ制御される。Ｕ相の２台のインバータユニットＵ１、Ｕ２は、互いにＰＷＭ制御の搬送波に同期して１８０度位相をずらして並列運転される。図２において黒塗りパルス波形は、第１組のインバータユニットＵ１の電圧パルス波形であり、白抜きパルス波形は、第２組のインバータユニットＵ２の電圧パルス波形である。インバータユニットＵ１のパルス幅変調された電圧パルスとインバータユニットＵ２のパルス幅変調された電圧パルスが、図２に示すように時系列的に交互に発生し、点線で示すような正弦波の交流電圧ｕを交流電動機ＭのＵ相の固定子相巻線Ｕに加える。
【００１９】
Ｖ相およびＷ相のインバータユニットＶ１，Ｖ２およびＷ１，Ｗ２もＵ相に対して１２０°ずつ位相差をもって同様に運転され、交流電動機ＭのＶ相およびＷ相の固定子相巻線ＶおよびＷに図２に示す正弦波交流電圧ｖおよびｗを加える。
【００２０】
このように、各相の２組のインバータユニットは交互に動作するが交流電動機Ｍには並列に電力を供給することになるので、各組のインバータ装置は交流電動機Ｍの定格容量Ｑの１／２のＱ／２の容量でよいことになる。
【００２１】
このように構成された交流電動機駆動装置の運転制御は次のように行う。
まず、定格容量Ｑの交流電動機Ｍを１００％の出力Ｑで運転する場合は、それぞれＱ／２ずつの出力容量を有する２組のインバータＩＮＶ１およびＩＮＶ２をそれぞれ１００％の出力で運転する。
１００〜５０％の間の出力、すなわちＱ〜Ｑ／２で運転する場合は、２組のインバータ装置ＩＮＶ１およびＩＮＶ２の何れか一方のインバータ装置の出力を１００％出力に固定し、他方のインバータ装置の出力を１００〜０％の出力に制御する。または、２組のインバータ装置ＩＮＶ１およびＩＮＶ２の出力を同時に１００〜５０％に制御することにより各組のインバータが半分ずつ、すなわちＱ／２〜Ｑ／４ずつ負担して、交流電動機に低格の１００〜５０％の電力を供給する。
出力を５０％（Ｑ／２）以下にする場合は、いずれか一方の組のたとえばインバータユニットＵ１，Ｖ１，Ｗ１で構成されるインバータ装置ＩＮＶ１だけを運転し、他方の組のインバータ装置ＩＮＶ２の運転を停止する。
これにより、交流電動機Ｍの出力が５０％以下の低出力となる運転領域では、２組のうちの一方の組のインバータ装置だけが運転されるので、運転を停止する組のインバータの損失がなくなることにより、インバータ装置の運転損失が低減され、運転効率を高めることができる。
また、一方の組のインバータ装置が故障した場合、他方の組のインバータが健全であれば、出力は定格の５０％以下に低下するが、健全なインバータ装置で運転を継続することが可能となるので、駆動装置の信頼性を高めることができる。
さらに、交流電動機の固定子巻線の相数ｎを７相、１１相、２３相などのより大きな相数とした場合は、故障したインバータユニットのみを停止させて、故障した方の組のその相だけを欠相して２組のインバータで運転するようにしても運転に大きな支障が生じないので、わずかな出力低下で運転を継続することができる。
並列運転するインバータ装置の組数を増やしても同様に部分的なインバータユニットの故障によっては交流電動機の運転を停止することなく継続することができ、より信頼性を高めることができる。
２組のインバータ装置をＰＷＭ制御の搬送波に同期して時系列的に交互に動作させるので、交流電動機の固定子巻線に印加する電圧・電流のスイッチング周波数が２倍になるから交流電動機の固定子巻線から発する聴覚的電磁騒音が低減され低騒音での運転が可能となる。
また、各インバータ装置の搬送波を高周波化する必要がないのでインバータ装置に用いる半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減することができるから、効率が向上することができる。
【００２２】
次に図３に示すこの発明の交流電動機駆動装置を船舶の電気推進装置に適用した場合の応用例について説明する。
【００２３】
図３に示す船舶の推進機Ｓの駆動軸には２台の交流電動機Ｍ１およびＭ２が結合されている。交流電動機Ｍ１、Ｍ２は、図１に示した交流電動機Ｍと同様に３相の固定子巻線を備え、各相巻線には、２組ずつ単相インバータユニットＵ１１〜Ｗ１２およびＵ２１〜Ｗ２２を接続して２系統の交流電動機駆動装置を構成する。インバータ装置の接続される電源線Ｌには、電源としてディーゼルエンジンＤＥで駆動される交流発電機Ｇとその交流出力を直流出力に変換する整流装置Ｒとからなる発電装置ＰＧとこの発電装置ＰＧによって充電される蓄電池ＢとがそれぞれスイッチＳＷＧおよびＳＷＢを介して接続される。各インバータユニットは、電源線Ｌおよび電動機の固定子相巻線に断路器ＤＳを介して接続されている。
【００２４】
ここで、２台の交流電動機Ｍ１、Ｍ２の出力容量ＱMは、２台の交流電動機で推進機Ｓの定格出力Ｑｓを負担できるようにそれぞれ半分のＱｓ／２に選ばれている。また、各交流電動機に２組ずつ接続されたインバータＩＮＶ１１、ＩＮＶ１２およびＩＮＶ２１、ＩＮＶ２２の出力容量ＱIは、それぞれ交流電動機Ｍ１、Ｍ２の定格出力（Qｓ／２）の１／２、すなわちQｓ／４に選定されている。
【００２５】
このような電気推進装置の動作を図４に示す運転パターンに基づいて説明する。
【００２６】
まず、推進機Ｓが定格出力Ｑｓの１００％の出力で駆動され、定格回転速度Ｎｓの１００％の回転速度で回転する、図５に示す推進機Ｓの回転速度−電動機出力特性線上の動作点Ｐ100で運転する場合は、図４の出力１００％の欄に示すようにインバータＩＮＶ１１〜ＩＮＶ２２の全部のインバータ装置をそれぞれの定格出力の１００％の出力で運転する。
【００２７】
交流電動機Ｍ１、Ｍ２の出力を定格出力Ｑｓの７５％に低下すると、推進機Ｓは回転速度の３乗に比例した負荷特性を示すので、推進機Ｓの回転速度が定格速度Ｎｓの９１％の回転速度となる動作点Ｐ75に移る。このときは、図４の出力７５％の欄に示すように、電動機Ｍ２に接続されたインバータ装置ＩＮＶ２２を構成するインバータユニットＵ２２〜Ｗ２２を停止し、残りのインバータ装置ＩＮＶ１１、ＩＮＶ１２およびＩＮＶ２１をそれぞれの定格の１００％出力で運転する。このため、電動機Ｍ１がＱs／２を出力し、電動機Ｍ２がＱs／４を出力し、推進機Ｓが３Ｑs／４の出力で駆動される。これは推進機Ｓの定格出力Ｑsの７５％となる。
【００２８】
定格出力Ｑsの５０％出力で電動機Ｍ１、Ｍ２を運転するときは、図４の出力５０％の欄に示されるように、電動機Ｍ２に接続された２組のインバータＩＮＶ２１とＩＮＶ２２をともに停止し、電動機Ｍ１に接続されたインバータ装置ＩＮＶ１１およびＩＮＶ１２をそれぞれの定格の１００％出力で運転する。これにより、電動機Ｍ１が定格出力Ｑsの５０％を出力し、電動機Ｍ２の出力がゼロとなり、推進機Ｓは、定格出力Ｑsの５０％の出力で駆動されるため、動作点が図５の点Ｐ50に移り、回転速度が定格回転速度Ｎｓの７９％に低下する。
【００２９】
次に、図４の出力２５％の欄に示すように、電動機Ｍ１に接続されたインバータＩＮＶ１１だけをその定格の１００％出力で運転し、残りのインバータＩＮＶ１２、ＩＮＶ２１およびＩＮＶ２２の運転を停止すると、電動機Ｍ１が定格出力Ｑsの２５％の出力で推進機Ｓを駆動するので、推進機Ｓの動作点が図５の点Ｐ25へ移り、回転速度が定格速度Ｎｓの６３％の速度となる。
【００３０】
このように、推進機Ｓの回転速度、したがって推進機負荷によって、電動機Ｍ１およびＭ２に接続された４組のインバータを、その運転する組数を選択して制御することにより、推進機の速度を定格の０〜６３％速度（定格の０〜２５％出力）、定格の６３〜７９％速度（定格の２５〜５０％出力）、定格の７９〜９１％速度（定格の５０〜７５％出力）および定格の９１〜１００％速度（定格の９１〜１００％出力）に制御することができ、推進機の回転送度および推進機負荷に応じた最適な運転を行うことができる。
【００３１】
推進機Ｓの速度を定格の６３％の速度に落として、出力が定格の２５％で運転するときは、４組のインバータ装置のうちの１／４（２５％）となる１組のインバータ装置だけを運転することになるので、このときのインバータ装置の損失は、１００％負荷相当時の１／４以下に低減されることになる。
【００３２】
図３に示すような、蓄電池Ｂと発電装置ＰＧとを接続したハイブリッド電源において、蓄電池のみで運転するモードでは、電池放電容量と電気推進装置の効率によって運転可能時間が支配されるから、電気推進装置における電動機駆動装置の損失を低減して効率を高めることは、極めて重要な要素となる。
【００３３】
一般に電動機駆動装置を構成するインバータ装置の損失は、固定損（スイッチング素子のオン電圧×通電電流）とスイッチング素子のスイッチング損失（回路電圧×通電電流×スイッチング時間）が支配的となる。
しかし、定格の１００％出力を５０％容量のインバータ装置２組で供給するように構成し、５０％出力以下のときに、インバータ装置の２組運転を１組運転に切替えれば、インバータの発生損失が1／２になる。すなわち、電気推進装置において、この発明のように低回転速度の低負荷領域でインバータ装置の運転台数を減らすことによりインバータ装置の発生損失を低減させることができる。
また、電動機の損失は、銅損、鉄損、キャリア損、機械損などからなるが、図３に示す電気推進装置のように、１つの推進機を５０％容量の２台の電動機Ｍ１およびＭ２で駆動するように構成し、５０％負荷では、電動機Ｍ２を停止し、電動機Ｍ１単機で運転するようにすると、停止した電動機は損失を発生しないので、全体の電動機損失は１００％負荷時の約１／２以下に低減する。さらに、２５％負荷時の固定子巻線電流は、５０％負荷時より、1／２に低下するから、電流の２乗に比例する銅損はおよそ（１／２）2＝１／４に減少するので、さらに電動機損失が低減し効率の向上が図れる。
このことから、負荷に応じて電動機の運転台数とインバータ装置の運転組数を選択して運転すれば、低負荷領域での発生損失を大幅に低減させて効率向上が図れる。
前記においては、電動機が２台、各電動機の固定子巻線に接続するインバータ装置が２組の例で説明したが、この発明においてインバータ装置を３組とした場合は、１／３、２／３、３／３のように、回転速度＝負荷に応じてインバータ装置の運転組数を選択して制御すれば、さらにきめ細かに出力に対応して運転ができるから、効率向上と故障時の応急運転範囲の拡大が可能になる。
なお、図６に示す従来方式によれば、図４に示す回転速度＝負荷の０〜１００%の全範囲を１組のインバータ装置の電圧および周波数の制御によって運転する方法であるから、電動機、およびインバータ装置の損失は負荷に応じて発生することになる。
この発明のように、推進機の回転速度＝負荷＝電動機出力に応じてインバータ装置の運転組数を選択して制御すれば、インバータ装置、電動機巻線が発生する損失を低減させることができて、電気推進装置の効率を向上させることができる。
また、この発明においては、次のような運転方法をとることができる。
まず、第１に前記のインバータ装置の運転組数制御を応用して、図３に示す電気推進装置において、例えば、電動機Ｍ２のインバータ装置ＩＮＶ２２のインバータユニットＵ２２が故障した場合は、インバータユニットＵ２２、Ｖ２２，Ｗ２２を停止させるか、又は、電動機Ｍ２から切離しを行い、残りの３組のインバータ装置ＩＮＶ１１．ＩＮＶ１２ＩＮＶ２１で運転を行う。運転するインバータ装置の組数が３組に減ったので出力は定格の７５％出力に減少するが、推進機Ｓを定格の９１％の回転速度で運転を継続することができる。
同様に、電動機Ｍ２の系統で故障が発生し場合には、電動機Ｍ１のみでの運転とする。これにより定格の５０％出力が可能であるので、推進機Ｓを定格の７９％の回転速度で駆動できる。
さらに、電動機Ｍ１のインバータ装置ＩＮＶ１２のインバータユニットＵ１２、電動機Ｍ２のインバータＩＮＶ２２のインバータユニットＵ２２の両者が故障した場合には、インバータ装置ＩＮＶ１２とＩＮＶ２２とを電動機Ｍ１、Ｍ２から切り離し、インバータ装置ＩＮＶ１１およびＩＮＶ２１だけで運転を継続する。このようにすると電動機Ｍ１、Ｍ２がそれぞれ定格の２５％の出力で駆動されるので、合計５０％の出力で推進機Ｓを駆動することが可能となるから、船舶の安全航行が確保できる。
この発明によれば、交流電動機の各相巻線にそれぞれ複数（ｎ）台の単相インバータユニットを接続して構成するため、各単相インバータユニットの容量は電動機の各相巻線容量の１／ｎでよいからインバータユニットの小型・軽量化ができるので、故障した際などにインバータユニットの交換作業が容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
この発明による交流電動機駆動装置は、船舶の電気推進装置のほかにも車両の電気推進装置等にも利用できる。
【符号の説明】
【００３５】
Ｍ：交流電動機
Ｕ，Ｖ，Ｗ：固定子相巻線
Ｕ１，Ｕ２〜Ｗ１，Ｗ２：単相インバータユニット
ＩＮＶ１，ＩＮＶ２：３相インバータ装置
【図１】
2010161846.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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