(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機から給電される交流電圧を直流に変換するコンバータと、
このコンバータの出力電圧を平滑する直流コンデンサと、
このコンバータの出力を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記交流電動機の制動時の回生電力を吸収するために前記コンバータの出力に並列に接続された制動抵抗器と半導体スイッチの直列回路と、
前記制動抵抗器の温度を検出する温度検出器と、
前記制動抵抗器に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記温度検出器の検出温度と前記電流検出器の検出電流を入力とし、前記制動抵抗器の過熱保護出力を出力する制動抵抗器保護回路と
を具備し、
前記制動抵抗器保護回路は、
前記検出温度が所定の閾値を超えたとき前記過熱保護出力を得ると共に、所定の第１の監視時間における前記検出電流の大きさが所定の第１の閾値を超えたときにも前記過熱保護出力を得ることによって、前記温度検出器の検出遅れによって前記制動抵抗器の保護ができない、制動電流が大きい領域の保護を補完するようにしたことを特徴とする船舶用ドライブ装置。
【請求項２】
前記インバータは３レベルインバータであり、
前記コンバータ、前記直流コンデンサ、前記直列回路、前記制動抵抗器、前記温度検出器及び前記電流検出器の各々は正側及び負側の２つから成り、
前記制動抵抗器保護回路は、
所定の第１の監視時間における正側の前記電流検出器または負側の前記電流検出器の検出電流の大きさが所定の第１の閾値を超えたとき、前記過熱保護出力を得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の船舶用ドライブ装置。
【請求項３】
前記制動抵抗器保護回路は、
所定の第２の監視時間における前記検出電流の大きさが所定の第２の閾値を超えたとき、前記過熱保護出力を得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の船舶用ドライブ装置。
【請求項４】
前記検出電流の大きさはＲＭＳ値（実効値）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の船舶用ドライブ装置。
【請求項５】
発電機から給電される交流電圧を直流に変換するコンバータと、
このコンバータの出力電圧を平滑する直流コンデンサと、
このコンバータの出力を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
前記交流電動機の制動時の回生電力を吸収するために前記コンバータの出力に並列に接続された制動抵抗器と半導体スイッチの直列回路と、
前記制動抵抗器の温度を検出する温度検出器と、
前記制動抵抗器に流れる電流を検出する電流検出器と
を具備する船舶用ドライブ装置において、
前記温度検出器の検出温度が所定の閾値を超えたとき前記制動抵抗器を保護するための過熱保護出力を得ると共に、所定の第１の監視時間における前記電流検出器の検出電流の大きさが所定の第１の閾値を超えたときにも前記過熱保護出力を得ることによって、前記温度検出器の検出遅れによって前記制動抵抗器の保護ができない、制動電流が大きい領域の保護を補完するようにしたことを特徴とする船舶用ドライブ装置用制動抵抗器の保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、制動用抵抗器を備えた船舶用ドライブ装置及び当該装置用制動抵抗器の保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気推進を行う船舶用ドライブ装置においては、減速時には電動機に制動トルクを与える必要がある。制動トルクを与えるためには、プロペラから電動機に伝えられる慣性エネルギーをインバータによって電気エネルギーに変換し、電源系統に回生する手法が考えられる。しかしながら電動機容量が船舶用発電機の電源容量に対して比較的大きい場合には、回生される電力によって大きな電源変動が生じるという問題がある。このため、電動機から与えられる回生電力をインバータの入力側に設けられた制動抵抗器で消費させるようにするのが一般的である。
【０００３】
このように回生電力吸収専用に設けられた制動抵抗器の容量は、ドライブ装置の容量に比べると小さくても良いが、制動回路の故障等によって過大な電流が流れた場合過熱保護を行う必要がある。
【０００４】
制動用抵抗器の過熱保護は測温抵抗体による検出温度で行うことが考えられるが、制動用抵抗器と測温抵抗体とを絶縁する必要があるため特に高圧のドライブ装置の場合、絶縁のための空間距離が大きくなり、応答時間の遅れが問題となる。このため、直接温度検出は行わずに、減速時の回生電力から制動抵抗器の温度を推定演算する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２２５１５８号公報（第３−４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示された手法は原理的には可能であるが、温度推定演算が複雑になるという問題があった。本発明は上記に鑑み為されたもので、比較的簡単な回路構成で制動抵抗器を精度よく保護することが可能な船舶用ドライブ装置及び当該装置用制動抵抗器の保護方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の船舶用ドライブ装置及び当該装置用制動抵抗器の保護方法は、発電機から給電される交流電圧を直流に変換するコンバータと、このコンバータの出力電圧を平滑する直流コンデンサと、このコンバータの出力を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記交流電動機の制動時の回生電力を吸収するために前記コンバータの出力に並列に接続された制動抵抗器と半導体スイッチの直列回路と、前記制動抵抗器の温度を検出する温度検出器と、前記制動抵抗器に流れる電流を検出する電流検出器とを具備する船舶用ドライブ装置において、前記検出温度が所定の閾値を超えたとき前記過熱保護出力を得ると共に、所定の第１の監視時間における前記検出電流の大きさが所定の第１の閾値を超えたときにも前記過熱保護出力を得ることによって、前記温度検出器の検出遅れによって前記制動抵抗器の保護ができない、制動電流が大きい領域の保護を補完するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、比較的簡単な回路構成で制動抵抗器を精度よく保護することが可能な船舶用ドライブ装置及び当該装置用制動抵抗器の保護方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る船舶用ドライブ装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る船舶用ドライブ装置の制動抵抗器保護動作の説明図。
【図３】本発明の実施例２に係る船舶用ドライブ装置の制動抵抗器保護回路のブロック構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る船舶用ドライブ装置を図１及び図２を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施例１に係る船舶用ドライブ装置の回路構成図であり、図１（ａ）に全体の回路構成図、図１（ｂ）に制動抵抗器保護回路のブロック構成図を示す。図１（ａ）に示すように、船舶用発電機の交流電源から入力変圧器１を介して得られた位相の異なる２つの３相交流電圧は、正側コンバータ２Ｐと負側コンバータ２Ｎに各々供給される。正側コンバータの直流出力は平滑用の直流コンデンサ３Ｐに、負側コンバータの直流出力は平滑用の直流コンデンサ３Ｎに夫々与えられ、直流コンデンサ３Ｐの負側端子と直流コンデンサ３Ｎの正側端子は互いに接続されている。このようにして正電位Ｐ、負電位Ｎ及び中性点電位Ｃの３レベルの直流電圧が得られ、この３レベルの直流電圧は３レベルインバータ４に与えられる。３レベルインバータ４は３レベルの直流電圧を３レベルの交流電圧に変換して交流電動機５を駆動する。
【００１３】
ここで３レベルインバータ４は、１相あたり４個のスイッチング素子を直列接続して直列接続体を構成し、その中点から交流出力を得る。これらの直列接続体の両端は正、負の直流電位に接続され、正側及び負側の端部のスイッチング素子と中間のスイッチング素子の中間点は夫々ダイオードを介して中性点電位にクランプされている。３レベルインバータ４のスイッチング素子は、図示しない制御回路からの指令によりオンオフ制御されている。通常、制御回路には速度基準が与えられ、フィードバック速度との偏差がゼロとなるように電流基準を出力し、この電流基準とフィードバック電流との偏差がゼロとなるような電圧基準に基づいて上記オンオフ制御が行われる。
【００１４】
正電位Ｐと中性点電位Ｃの間には半導体スイッチ６Ｐと制動抵抗器７Ｐの直列回路が接続されている。同様に中性点電位Ｃと負電位Ｎの間には半導体スイッチ６Ｎと制動抵抗器７Ｎの直列回路が接続されている。制動抵抗器７Ｐ、７Ｎの表面温度は夫々温度検出素子８Ｐ、８Ｎで検出され、制動抵抗器保護回路２０に与えられる。また、制動抵抗器７Ｐ、７Ｎに流れる電流は夫々電流検出器９Ｐ、９Ｎで検出され、制動抵抗器保護回路２０に与えられる。制動抵抗器７Ｐ、７Ｎと並列にフライホイールダイオード１０Ｐ、１０Ｎが夫々接続されている。制動抵抗器７Ｐ、７Ｎは、交流電動機５を減速制動したとき回生電力を消費する。一般的に船舶の制動動作による回生電力は数分オーダーの短時間だけ発生するので、制動抵抗器７Ｐ、７Ｎは短時間定格のものを選定する。半導体スイッチ６Ｐ、６Ｎのオンオフ制御によって制動電流は制御される。図示しない制動制御回路が半導体スイッチ６Ｐ、６Ｎにゲート制御パルスを与えるが、回生電力によって増大する直流電圧が所定値を超えないようにＰＷＭの変調率を制御するのが普通である。
【００１５】
制動抵抗器保護回路２０の内部構成について図１（ｂ）を参照して以下に説明する。電流検出器９Ｐ、９Ｎで検出された制動電流は夫々ＲＭＳ演算器２１Ｐ、２１Ｎに与えられる。ＲＭＳ演算器２１Ｐ、２１Ｎにおいては、所定の監視時間Ｔ１の間の制動電流の実効値（ＲＭＳ値）を演算しその演算結果を夫々比較回路２３Ｐ、２３Ｎに与える。比較回路２３Ｐ、２３Ｎにおいては、設定電流設定器２２で予め設定された設定電流値（閾値）と上記ＲＭＳ値を夫々比較し、上記ＲＭＳ値が設定電流値を超えたとき、論理信号１を夫々出力し、ＯＲ回路２４に与える。そしてＯＲ回路２４の出力はＯＲ回路２９の一方の入力となる。
【００１６】
温度検出素子８Ｐ、８Ｎで検出された温度情報は夫々温度検出回路２５Ｐ、２５Ｎに与えられる。温度検出回路２５Ｐ、２５Ｎにおいては、定められた演算を行うことによって各々の検出温度を求め、その結果を夫々比較回路２７Ｐ、２７Ｎに与える。従って、温度検出素子８Ｐと温度検出回路２５Ｐ、温度検出素子８Ｎと温度検出回路２５Ｎの夫々の組合せで温度検出器を構成している。比較回路２７Ｐ、２７Ｎにおいては、設定温度設定器２２で予め設定された設定温度（閾値）と上記検出温度を夫々比較し、上記検出温度が設定温度を超えたとき、論理信号１を夫々出力し、ＯＲ回路２８に与える。そしてＯＲ回路２８の出力はＯＲ回路２９の他方の入力となり、ＯＲ回路２９の出力が保護回路２０の過熱保護信号となる。この過熱保護信号が出力されたとき、例えば３レベルインバータの動作を停止させる、あるいは半導体スイッチ６Ｐ、６Ｎをゲートブロックさせるようにする。
【００１７】
以上のように構成された制動抵抗器保護回路２０の動作について図２を参照して以下説明する。図２はシミュレーションを元に作成した制動抵抗器保護動作の説明図であり、縦軸は時間（ｓ）、横軸には電流（％）が対数スケールで目盛ってある。実線で示した「抵抗の温度上限」は、ある電流を制動抵抗器に流したとき、保護すべき温度に到達する時間を示す。従ってこの温度上限に到達する時間以前に保護動作を行う必要がある。破線で示した「温度監視」は、ある電流を制動抵抗器に流したとき、温度検出素子による検出温度が上記温度上限に到達する時間を示している。この「温度監視」はＡ点で上記「抵抗の温度上限」とクロスしている。これはＡ点の電流以下の異常電流では温度検出器によって制動抵抗器を保護することが可能であるが、Ａ点の電流以上の異常電流が流れたときには、温度検出器の検出遅れによって制動抵抗器の保護ができないことを示している。
【００１８】
これに対して、一点鎖線で示した「電流監視５分ＲＭＳ」は、監視時間Ｔ１＝５分間で電流の実効値を計測したとき、保護レベルに到達するまでの時間を示している。ここで保護レベルは１００％以上の電流で、且つ所定の継続時間が経過したとき制動抵抗器の温度が「抵抗の温度上限」となる電流値に設定する。図２のＢ点がこの位置に相当する。図２から明らかなように、Ｂ点の電流を超える制動電流のとき、実線の「抵抗の温度上限」以下の継続時間で「電流監視５分ＲＭＳ」が保護レベルに到達するので、制動抵抗器の保護は可能となる。逆にＢ点の電流以下の制動電流のときは制動抵抗器の保護はできない。
【００１９】
以上の説明により図の「温度監視」と「電流監視５分ＲＭＳ」のＯＲ条件で保護を行えば、「電流監視５分ＲＭＳ」の保護レベルが温度検出素子の検出遅れによって制動抵抗器の保護ができない領域を補完するので、確実な保護を行うことが可能となる。実際の制動電流は一定ではないが、実効値計算の時間範囲内の変動分はＲＭＳ電流に含まれるので、制動抵抗器の熱時定数に応じて監視時間を選定すればＲＭＳ電流は図示した程度に概ね制動抵抗器の温度を模擬可能となる。保護レベルは下げるほど安全サイドではあるが、船舶の運用側から考えるとなるべく多くの制動動作が可能な方が好ましい。このためには、「抵抗の温度上昇」の曲線になるべく近い保護レベルとする必要がある。
【００２０】
図２に二点鎖線で示すように監視時間Ｔ２＝２０分として「電流監視２０分ＲＭＳ」を適用すれば、高電流領域の保護レベルを上げることが可能となる。しかしこの場合は高電流領域の保護時間が「抵抗の温度上限」を超えてしまう。従って、図２の例では、「抵抗の温度上昇」の曲線になるべく近い保護レベルとするには「電流監視５分ＲＭＳ」と「電流監視２０分ＲＭＳ」の中間の値を選定すべきことが分かる。
【実施例２】
【００２１】
図３は本発明の実施例２に係る船舶用ドライブ装置の制動抵抗器保護回路のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る制動抵抗器保護回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ＲＭＳ演算器２１Ｐ、２１Ｎとは異なる監視時間を有するＲＭＳ演算器３１Ｐ、３１Ｎを設け、２つの監視時間による保護を温度保護に加える構成とした点である。
【００２２】
電流検出器９Ｐ、９Ｎで検出された制動電流は夫々ＲＭＳ演算器２１Ｐ、２１Ｎに与えられると共にＲＭＳ演算器３１Ｐ、３１Ｎにも並列に与えられる。ＲＭＳ演算器３１Ｐ、３１Ｎにおいては、所定の監視時間Ｔ２の間の制動電流の実効値（ＲＭＳ値）を演算しその演算結果を夫々比較回路３３Ｐ、３３Ｎに与える。比較回路３３Ｐ、３３Ｎにおいては、設定電流設定器２２で予め設定された設定電流値と上記ＲＭＳ値を夫々比較し、上記ＲＭＳ値が設定電流値を超えたとき、論理信号１を夫々出力し、ＯＲ回路３４に与える。そしてＯＲ回路３４の出力はＯＲ回路２９Ａの第３の入力となる。
【００２３】
図２に示したように監視時間を変えてＲＭＳ電流による保護を行うと、異なる特性の保護レベルが得られる。従って、実施例２のように異なる監視時間のＲＭＳ電流による保護を組み合わせて使用すると、低電流領域から高電流領域に渡ってより木目の細かい保護を行うことか可能となる場合がある。
【００２４】
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００２５】
例えば、実施例１では３レベルインバータ４を用いる例で説明したが、インバータは２レベルであっても良い。この場合はコンバータ、直流コンデンサ、半導体スイッチ、制動抵抗器等は全て１種類となり、制動抵抗器保護回路のＲＭＳ演算器も１種類で良い。
【００２６】
また、実施例においては電流のＲＭＳ演算を行う例で説明したが、必ずしもＲＭＳ演算を行う必要ななく、監視時間における電流の大きさを求めるようにしても良い。ここで電流の大きさとは、絶対値の平均値、２乗の平均値などを意味する。
【００２７】
また、実施例２において、ＲＭＳ演算器３１Ｐ、３１Ｎの比較対象保護レベルである設定電流値は設定電流設定器２２で設定された値としたが、設定電流設定器を別に設け、異なった設定電流値としても良い。
【００２８】
また、制動抵抗器保護回路の過熱保護出力を２段階に構成し、最初の段階で警報を、次の段階で３レベルインバータまたは半導体スイッチのゲートブロックを行うようにしても良い。この場合には温度あるいは電流の閾値を２段階としても良いし、あるいは実施例２の構成において、何れかの監視時間の設定電流だけを２段階としても良い。
【００２９】
更に、実施例２では２種類の監視時間のＲＭＳ電流による保護を組み合わせて使用する例を説明したが、３種類以上を組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００３０】
１  入力変圧器
２Ｐ  正側コンバータ
２Ｎ  負側コンバータ
３Ｐ、３Ｎ  直流コンデンサ
４  ３レベルインバータ
５  交流電動機
６Ｐ、６Ｎ  半導体スイッチ
７Ｐ、７Ｎ  制動抵抗器
８Ｐ、８Ｎ  温度検出素子
９Ｐ、９Ｎ  電流検出器
１０Ｐ、１０Ｎ  フライホイールダイオード
２０  制動抵抗器保護回路
２１Ｐ、２１Ｎ  ＲＭＳ演算器
２２  電流設定器
２３Ｐ、２３Ｎ  比較器
２４、２５、２５Ａ  ＯＲ回路
２５Ｐ、２５Ｎ  温度検出回路
２６  温度設定器
２７Ｐ、２７Ｎ  比較器
２８  ＯＲ回路
２９、２９Ａ  ＯＲ回路
３１Ｐ、３１Ｎ  ＲＭＳ演算器２
３３Ｐ、３３Ｎ  比較器
３４  ＯＲ回路
【図１】
0005876681.tif 000002
【図２】
0005876681.tif 000003
【図３】
0005876681.tif 000004