(57)【要約】【課題】船舶用電気推進装置の負荷の運用状況が変化しても高調波を抑制する。【解決手段】船舶用電気推進装置は複数の発電機１と複数の電動機２が複数の電力変換器３を介して接続され、１以上の負荷系統を構成してなる。高調波抑制のための制御装置は、負荷系統の数と電動機の運転台数を検出する検出手段５と、抑制対象の高調波成分である電力変換器３のキャリア周波数の倍数を設定する設定手段１２と、前記負荷系統毎に前記運転台数と前記倍数に基づいて各電力変換器の位相差を求め、それぞれの電力変換器のキャリア位相を制御する制御手段６を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一負荷系統内に複数の電力変換器と電動機が接続されている船舶用電気推進装置の制御方法において、
電力と遮断器の状態とから負荷系統と電動機の運転台数を検出し、負荷系統毎に設定される低減したい高調波成分と前記運転台数とに応じて各電力変換器のキャリア位相差を求め、それぞれの電力変換器のキャリア位相を制御することを特徴とする船舶用電気推進装置の制御方法。
【請求項２】
請求項１において、前記低減したい高調波成分は、キャリア周波数の整数倍である船舶用電気推進装置の制御方法。
【請求項３】
１または複数の発電機と複数の電動機が複数の電力変換器を介して接続され、１以上の負荷系統を構成してなる船舶用電気推進装置であって、
負荷系統の数と電動機の運転台数を検出する検出手段と、抑制対象の高調波成分である前記電力変換器のキャリア周波数の倍数を設定する設定手段と、前記負荷系統毎に前記運転台数と前記倍数に基づいて各電力変換器の位相差を求め、それぞれの電力変換器のキャリア位相を制御する制御手段を設けることを特徴とする船舶用電気推進装置の制御装置。
【請求項４】
請求項３において、前記制御手段は運転台数Ｔ、倍数Ｋとし、位相差Φを、Φ＝２π／ＴＫによって求めることを特徴とする船舶用電気推進装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は船舶用電気推進装置に係り、電力変換器のキャリア位相を最適にして高調波電流を抑制する制御方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶用電気推進装置はプロペラ軸に直結した推進用電動機と推進用電動機を制御する電力変換器と、電力変換器から発生する高調波電流を低減させるリアクトルと、これらに電源を供給する発電機および配電盤から構成される。
【０００３】
船舶用電気推進装置では、運転中の推進用電動機はすべて同出力で運用することが基本となっており、それぞれの推進用電動機を異なる出力で運転するような運用はなく、電力変換器はこれら推進用電動機をバランス制御している。リアクトルは電力変換器から発生する高調波を低減させるために挿入する一般的なインダクタンス成分であり、船によっては変圧器が配置される場合もある。
【０００４】
２台以上の発電機を運転する場合は同期運転される。発電機は出力電圧の一周期中において、０ｖとクロスする点を同期の基準点としているため、発電機の出力電圧に高調波が含まれると、０Ｖの交差する基準点が複数発生してしまい、安定した同期運転が難しくなる。また、発電機の焼損にもつながる可能性がある。
【０００５】
図４は発電機の出力電圧とそのゼロクロス点を示している。（ａ）は高調波のない場合でゼロクロス点は１点となる。（ｂ）は高調波のある場合でゼロクロス点は複数となる。
【０００６】
このように、各発電機には高調波耐量設計が必要となる他、発電機側及び一般負荷側にフィルタ設備などの設置が必要となってくる。しかし、船舶では船内設置スペースの制約等から、フィルタ設備の削減が要求されており、フィルタ設備以外の新しい高調波対策が必要である。
【０００７】
船舶用電気推進装置とシステムが類似している鉄鋼向け圧延主機ドライブシステムでは、商用電源側に流れる高調波電流を低減する対策の１つとして、特許文献１に記載の方式が採用されている。ここでは、各電力変換器のキャリア位相を制御し、互いの高調波電流が打ち消し合うように制御している。
【０００８】
【特許文献１】特許第３２３６９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鉄鋼向け圧延主機ドライブシステムで実施しているキャリア位相制御による高調波対策は、負荷の運転台数及び負荷系統が一定であることが前提となっている。すなわち、鉄鋼システムは商用電源を受電し圧延主機（電動機）を電力変換器で制御しており、負荷系統は常に一定運用され、負荷の運転台数が変わることはない。このため、鉄鋼システムでは一定のキャリア位相差で各電力変換器を運転しておけば、系統内の高調波電流は打ち消し合うことにより減少されるので、フィルタ設備の縮小、削減が可能となる。
【００１０】
しかしながら、船舶用電気推進装置の場合は、負荷系統や負荷の運転台数がパターン的に変化するため、鉄鋼システムのような一定のキャリア位相差で電力変換器を運転すると、パターンが変わる度に多大な高調波電流が系統に流れ、高調波低減の効果が得られない。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術に鑑み、負荷の運用状況が変化しても高調波抑制の効果を有する船舶用電気推進装置の制御方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、同一負荷系統内に複数の電力変換器と電動機が接続されている船舶用電気推進装置の制御方法において、負荷系統と電動機の運転台数を検出し、負荷系統毎に設定される低減したい高調波成分と前記運転台数とに応じて各電力変換器のキャリア位相差を求め、それぞれの電力変換器のキャリア位相を制御することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、１または複数の発電機と複数の電動機が複数の電力変換器を介して接続され、１以上の負荷系統を構成してなる船舶用電気推進装置の制御装置であって、負荷系統の数と電動機の運転台数を検出する検出手段と、抑制対象の高調波である前記電力変換器のキャリア周波数の倍数を設定する設定手段と、前記負荷系統毎に前記運転台数と前記倍数に基づいて各電力変換器の位相差を求め、それぞれの電力変換器のキャリア位相を制御する制御手段を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の船舶用電気推進装置によれば、電動機の運転台数や負荷系統などの運用状況に応じてそれぞれの電力変換器のキャリア位相を最適に制御できるので、同一負荷系統内の高調波電流を抑制できる効果がある。
【００１５】
本発明を採用すれば、フィルタ設備を縮小、削減できるため、船内スペースの確保が可能となり、客室、貨物室の拡大が図れるほか、フィルタ設備自体の配置自由度も増し、船体設計の自由度が幅広くなる。また、発電機の高調波耐量設計、同期運転が容易になる他、同一系統上にある一般負荷の安定性も増し、信頼性の高い船舶向け電気推進装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態を説明する。船舶用推進装置の電動機は船のバランス等の理由もあり、基本的にすべて同じ定格の電動機を使用し、各プロペラ軸に1台もしくは２台以上連結され、大型船になるとプロペラ軸が４軸になる場合もある。船の速力に合わせて運転する発電機と推進用電動機台数を決定し、配電盤によりそれらの系統を選定して船を推進させる。
【００１７】
図３は船舶用電気推進装置の負荷系統図を示している。（ａ）は出入港時の負荷系統図である。出入港時は速力が遅いので運転する発電機は１台（Ｇ３）のみで、推進用電動機３台（Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５）及び船内の一般負荷にそれぞれ電力を供給している。（ｂ）は巡航時の負荷系統図で、負荷系統１，２から構成されており、速力も早くなることから、発電機５台（Ｇ２−Ｇ６）と推進用電動機４台（Ｍ２−Ｍ５）を運転している。
【００１８】
負荷系統１は、系統内に２台の発電機が同期運転し、２台の推進用電動機に電力を供給している。負荷系統２は、系統内に３台の発電機が同期運転し、２台の推進用電動機と一般負荷に電力を供給している。さらに全速時では、図３（ｂ）における全てのスイッチをオンし、Ｇ１を含む６台の発電機が同期運転し、全ての電動機（Ｍ１−Ｍ６）に電力を供給している。これらの負荷運転台数や負荷系統は、運用状況に応じてパターン的に変更される。
【００１９】
船舶用電気推進装置では、推進用負荷（電動機）と船内の一般負荷（無線、レーダ等）は同一系統上にあるため、電力変換器から発生する高調波が一般負荷に悪影響を及ぼす可能性があり、高調波対策が必須となる。このため、同一負荷系統に複数台の電力変換器（半導体素子によるスイッチング電源）が存在する装置においては、スイッチの開閉や電流等を検出する検出器により負荷運転台数や負荷系統の運用状態を常時監視する。そして、この運用状態に応じて各電力変換器のキャリア位相を最適に制御し、同一系統内の高調波電流を抑制（打ち消し）する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例による船舶用電力推進装置の構成図である。船舶用電力推進装置は、複数の発電機１と、複数の推進用負荷（電動機：ｎ＝１〜ｍ）２と複数の電力変換器３（ｎ＝１〜ｍ）を備えている。なお、系統上の各リアクトルは一般的に設置される高調波対策用のリアクトルである。また、発電機１と負荷の接続を行う遮断器や、発電機間や電力変換器３との接続を行う遮断器を持つ電源監視盤４と、負荷の状態を検出する検出器５と、電力変換器３の位相を制御する電力変換器監視制御盤６を有している。
【００２１】
各検出器５からの負荷運用情報（電力）と、電源監視盤４からの電源運用情報（電圧、電流、遮断器入切）とから、電力変換器監視制御盤６は負荷系統の数と電動機の運転台数を検出する。さらに、電力変換器監視制御盤６の設定器で設定された電力変換器３のキャリア周波数の整数倍数、すなわち抑制する対象高調波の倍数を把握する。電力変換器監視制御盤６はこれらに基づいて算出されたそれぞれの位相差で運転中の各電力変換器３を制御し、高調波電流を抑制（打ち消し）する。
【００２２】
ここで、抑制する対象の高調波について説明する。キャリア周波数fc、電源周波数feで運転する電力変換器は、キャリア周波数fcの２倍付近の成分（2fc±ｆe）で最も高調波が大きくなる。これらは、ＰＷＭ方式の電力変換器に該当する特性であり、この成分を大幅に減少することができれば、高調波電流を抑制することが可能である。
【００２３】
例えば、同一負荷系統上に２台の電力変換器（Ａ，Ｂ）が運転している場合、電力変換器のコンバータのキャリア（ｅtＡ，ｅtＢ）をそれぞれ式１，２で定義すると、電源電流に含まれるキャリアのＫ倍の高調波（ｅtｋＡ,ｅtｋＢ）は式３，４で表すことができる。
ｅtＡ＝(２／π)sin-1｛sin(２πfcｔ＋ΦＡ)｝        …（１）
ｅtＢ＝(２／π)sin-1｛sin(２πfcｔ＋ΦＢ)｝        …（２）
ここで、ΦＡ、ΦＢは電力変換器（コンバータＡ，Ｂ）のキャリア位相である。
ｅtｋＡ＝Ｈｋsinｋ(２πfcｔ＋ΦＡ)                …（３）
ｅtｋＢ＝Ｈｋsinｋ(２πfcｔ＋ΦＢ)                …（４）
よって、キャリア周波のｋ倍の成分が打ち消し合うためには、式５、６の通り、両者（ΦＡ，ΦＢ）の位相差がπ／ｋになればよい。
ｋ（ΦＡ−ΦＢ）＝π                    …（５）
（ΦＡ−ΦＢ）＝π／ｋ                  …（６）
ここで、π＝２π／Ｔ（Ｔ：運転中の電力変換器台数）である。つまり、図３（ａ）に示す出入港時では、同一系統内に３台の電力変換器が運転中であるから、キャリアの２倍の高調波を打ち消すには６０度、４倍の高調波を打ち消すには３０度の位相差をつければ良い。
【００２４】
同様に、図３（ｂ）の巡航時では、負荷系統１は２台の電動機が運転中であるから、キャリアの２倍の高調波を打ち消すには９０度、４倍の高調波を打ち消すには４５度の位相差をつければ良い。また、負荷系統２は３台の電動機が運転しているから、キャリアの２倍の高調波を打ち消すには６０度、４倍の高調波を打ち消すには３０度の位相差をつければ良く、一般的に位相差Φは式７で表すことができる。
Φ＝２π／ＴＫ                  …（７）
また、図３（ａ）の出入港時から、（ｂ）の巡航時の負荷系統に移行する場合は、まず新たに運転させる発電機Ｇ２、Ｇ４〜Ｇ６をＧ３に合わせて同期運転させ、同期運転が完了したら各発電機を投入する。次に、遮断器ＶＣＢ４及びＶＣＢ５オープンにし、新たに駆動される推進用電動機Ｍ４を一旦系統から分離して起動させる。この時、運転していた電動機Ｍ５は単独運転となるため、高調波の打消しが実施されなくなるので、ＶＣＢ６もＶＣＢ４（ＶＣＢ５）と同時にオープンにし、一般負荷にはＧ６にて電力を供給する。最後に、推進用電動機Ｍ４とＭ５が同出力になると、ＶＣＢ５とＶＣＢ６を投入する。この時、推進用電動機Ｍ４とＭ５は式７に基づく位相差で運転されている。
【００２５】
なお、巡航時において、負荷系統を２つに分けているのは、ＶＣＢ４を境に右舷用推進負荷、左舷用推進負荷と分かれているためである。船が緊急に進路変更をする場合は、舵による操船だけでなく、同時に右舷と左舷のプロペラの出力を変更する場合もある。右舷と左舷が同じ出力で運用するのであれば、ＶＣＢ４を投入し、負荷系統を１つにしても問題はない。
【００２６】
本実施例によれば、検出器等により負荷運転台数、負荷系統を監視し、これら運用状態に応じてそれぞれの電力変換器のキャリア位相を上記式７で求めて制御する。これにより、負荷運転台数や負荷系統が変わっても、同一系統内の高調波電流は互いに打ち消しあって低減される。
【００２７】
図２は、図１の電力変換器監視制御盤の構成を機能ブロック図で示したものである。また、図中の矢印は電力変換器制御盤における制御の流れを示している。
【００２８】
電力変換器監視制御盤６の演算装置１１では、電源監視盤４からの運用情報である遮断器の入切信号及び発電機出力電圧、配電盤の系統電流信号から、現在の負荷系統数を判断し、負荷系統ごとの運転電動機の番号を決定する。また、検出器５(ｎ＝１〜ｍ)の負荷運用情報である電力信号から、それぞれの負荷系統内にある負荷運転台数Ｔを算出する。
【００２９】
演算装置１３では設定器１２よりセットされた低減高調波次数ｋ(通常はｋ＝２)と負荷運転台数Ｔから基準位相Φを算出する。たとえば、運転台数Ｔ＝３、低減高調波次数ｋ＝２の場合、基準位相Φ＝π／３＝３０度となる。
【００３０】
演算装置１４では算出した基準位相Φに対し、それぞれ０〜(Ｔ−１)まで整数倍した位相（Φ１〜ΦＴ）を算出する。たとえば、基準となる負荷の位相Φ１＝０とし、２台目の負荷の位相Φ２＝３０度、３台目の負荷の位相Φ３＝６０度となる。
【００３１】
このキャリア位相（Φ１〜ΦＴ）を、基準キャリア発振器１５から発振されるキャリア周波数ｅ(t)にそれぞれ追加したキャリア周波数で、運転中の各電力変換器３を制御することにより、高調波電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例に係わるシステム構成図。
【図２】図１の制御機能と制御手順を示すブロック図。
【図３】船舶用電気推進装置の負荷系統図。
【図４】発電機同期運転における基準点（ゼロクロス点）を示す説明図。
【符号の説明】
【００３３】
１…発電機、２…負荷（電動機）、３…電力変換器、４…電源監視盤、５…検出器、６…電力変換器監視制御盤、１１，１３，１４…演算装置、１２…設定器、１５…基準キャリア発振器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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