(57)【要約】【課題】電動機への供給電力の変動を抑制することを目的とする。【解決手段】制御部４０は、発電電動機の回転数を所定の回転数指令に一致させるように第１電力変換部を制御する。上位制御装置５０で設定された回転数指令Ｎ＊は、制御部４０の平滑化部４１に入力される。平滑化部４１において、回転数指令Ｎ＊は、一次遅れ要素４６により平滑化され、レートリミット４８により変化率が所定値以下に制限される。平滑化部４１から出力された回転数指令Ｎｓ＊は、差分演算部において発電電動機の実回転数Ｎとの差分ΔＮが算出され、この差分ΔＮに基づく制御指令Ｓが制御信号生成部４３において生成され、この制御指令Ｓに基づいて第１電力変換部が制御される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンにより駆動されて内燃機関に外気を圧送するコンプレッサと、前記コンプレッサの回転軸に連結される電動機とを備えた過給機であって、
直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する機能を備える電力変換手段と、
前記電力変換手段を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
上位制御手段から与えられる回転数指令の時定数よりも長い時定数を有し、前記上位制御手段からの回転数指令を平滑化して出力する平滑化手段と、
前記平滑化手段から出力された前記回転数指令に、前記電動機の回転数を一致させるための制御信号を生成する制御信号生成手段と
を備える過給機。
【請求項２】
前記制御手段は、前記電動機の電力変動量と時定数とが関連付けられた時定数情報を有し、現在の電力変動量に対応する時定数を前記時定数情報から取得し、取得した時定数に前記平滑化手段の時定数を変更する時定数変更手段を備える請求項１に記載の過給機。
【請求項３】
前記時定数変更手段は、前記電力変動量を所定の間隔をおいて繰り返し算出し、算出した前記電力変動量が所定の閾値を超える場合に、前記電力変動量に対する時定数が大きくなるように、前記時定数情報を変更する請求項２に記載の過給機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の過給機と、
前記過給機に排ガスを導入するとともに、前記過給機から圧縮された外気が供給される内燃機関と
を備える船舶。
【請求項５】
コンプレッサの回転数を電動機によって制御する方法であって、
上位制御装置から入力される回転数指令を、該回転数指令の時定数よりも長い時定数で平滑化し、平滑化後の回転数指令に前記電動機の回転数を一致させるように、前記電動機へ供給する電力を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、過給機及び過給機を備える船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図５に示すように、舶用ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出された排ガスによって駆動されるタービン１０１と、タービン１０１により駆動されて内燃機関に外気を圧送するコンプレッサ１０２と、タービン１０１およびコンプレッサ１０２の回転軸に連結される発電電動機１０３とを備えたハイブリッド過給機１００が知られている。このハイブリッド過給機１００は、内燃機関から排出される排ガスを過給機のコンプレッサ駆動力として利用するだけでなく、発電電動機１０３を駆動する動力としても利用して、発電電力を得るものである。発電電動機１０３により得られた交流の発電電力は、第１電力変換部１０４により直流電力に変換された後、第２電力変換部１０５によって船内系統１０６に応じた周波数の三相交流電力に変換され、船内系統１０６に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８２３０５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４４７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、内燃機関の低負荷時に、発電電動機を力行動作させて、内燃機関の効率を向上させることが提案されている。発電電動機の力行動作時には、図５に示した第１電力変換部１０４がインバータとして機能し、第２電力変換部１０５がコンバータとして機能する。そして、第１電力変換部１０４を制御する制御部（不図示）は、不図示の上位制御装置から与えられる回転数指令に、発電電動機１０３の実回転数が一致するような制御信号を生成して第１電力変換部１０４に与えることにより、回転数指令に応じた電力が発電電動機１０３に供給され、実回転数が変化する。
【０００５】
ところで、上位制御装置からの回転数指令の変化周波数と、第１電力変換部１０４を制御する制御部の制御応答とにそれほど差がない場合、第１電力変換部１０４への制御信号は、回転数指令の変化に速やかに応答して変化することとなる。したがって、例えば、回転数指令が変動する場合、この変動に追従して発電電動機１０３へ供給される電力が変動することとなる。発電電動機１０３への供給電力が変動すると、電力供給元である船内系統に影響を与え、船内系統の電圧や周波数が不安定になるおそれがある。また、系統安定のためにディーゼル発電機等の他の発電装置が設けられている場合には、他の発電装置による電力調整を頻繁に行う必要があった。
また、上記の如き問題は、ハイブリッド過給機に限って生じるものではなく、例えば、タービンにより駆動されて内燃機関に外気を圧送するコンプレッサと、コンプレッサの回転軸に連結される電動機とを備える装置においても同様に発生する問題である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電動機への供給電力の変動を抑制することのできる過給機及び船舶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】
本発明の第１態様は、タービンにより駆動されて内燃機関に外気を圧送するコンプレッサと、前記コンプレッサの回転軸に連結される電動機とを備えた過給機であって、直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する機能を備える電力変換手段と、前記電力変換手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、上位制御手段から与えられる回転数指令の時定数よりも長い時定数を有し、前記上位制御手段からの回転数指令を平滑化して出力する平滑化手段と、前記平滑化手段から出力された前記回転数指令に、前記電動機の回転数を一致させるための制御信号を生成する制御信号生成手段とを備える過給機である。
【０００８】
このような過給機によれば、上位制御手段から与えられた回転数指令が平滑化手段によって平滑化されるので、上位制御手段から与えられる回転数指令よりも緩やかに変化する回転数指令を制御手段内で生成することができる。そして、平滑化後の回転数指令に実回転数を一致させるような制御信号が制御信号生成手段によって生成されて、電力変換手段に与えられるので、電力変換手段から電動機に出力される電力の変動を抑制することが可能となる。
【０００９】
上記過給機において、前記制御手段は、前記電動機の電力変動量と時定数とが関連付けられた時定数情報を有し、現在の電力変動量に対応する時定数を前記時定数情報から取得し、取得した時定数に前記平滑化手段の時定数を変更する時定数変更手段を更に備えることとしてもよい。
【００１０】
このような構成によれば、その時々の電力変動量に応じて平滑化手段の時定数が変更されるので、その時々の電力変動量に応じた適切な時定数を用いて、回転数指令の平滑化を行うことが可能となる。
【００１１】
上記過給機において、前記時定数変更手段は、前記電力変動量を所定の間隔をおいて繰り返し算出し、算出した前記電力変動量が所定の閾値を超える場合に、前記電力変動量に対する時定数が大きくなるように、前記時定数情報を変更することとしてもよい。
【００１２】
このような過給機によれば、時定数情報から取得した時定数を用いても、電力変動量が所定の閾値を超えてしまい、電力変動量の低減に寄与しなかった場合には、時定数情報自体を時定数が増加する方向に変更する。これにより、各電力変動量に対する時定数を大きくすることができ、電力変動量の低下作用を高めることができる。ここで、時定数の最大値は、例えば、電動機の時定数よりも小さい値に設定されている。時定数の最大値を電動機の時定数よりも小さな値にすることで、回転数制御の応答性を著しく低下させることなく、電力変動を抑制することが可能となる。
【００１３】
本発明の第２態様は、上記過給機と、前記過給機に排ガスを導入するとともに、前記過給機から圧縮された外気が供給される内燃機関とを備える船舶である。
本発明の第３態様は、コンプレッサの回転数を電動機によって制御する方法であって、上位制御装置から入力される回転数指令を、該回転数指令の時定数よりも長い時定数で平滑化し、平滑化後の回転数指令に前記電動機の回転数を一致させるように、前記電動機へ供給する電力を制御する方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電動機への供給電力の変動を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る舶用ハイブリッド過給機の概略構成を示した図である。
【図２】図１に示した制御部が備える機能を示した機能ブロック図である。
【図３】電力変動量の一算出例について説明するための図である。
【図４】時定数情報の一例を示した図である。
【図５】従来の舶用ハイブリッド過給機の概略構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の過給機を舶用ハイブリッド過給機として船舶に適用した場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る舶用ハイブリッド過給機（以下単に「ハイブリッド過給機」という。）の概略構成を示した図である。図１に示すように、ハイブリッド過給機１０は、舶用ディーゼルエンジン（内燃機関）から排出された排ガスによって駆動されるタービン２１と、タービン２１により駆動されて舶用ディーゼルエンジンに外気を圧送するコンプレッサ２３と、コンプレッサ２３の回転軸に連結される発電電動機３０とを主な構成として備えている。ハイブリッド過給機１０は、舶用ディーゼルエンジンから排出される排ガスを過給機のコンプレッサ駆動力として利用するだけでなく、発電電動機３０を駆動する動力としても利用して、発電電力を得るものである。
【００１７】
また、ハイブリッド過給機１０は、発電電動機３０と船内系統１６との間に設けられた電力変換装置２０を備える。電力変換装置２０は、第１電力変換部（電力変換手段）１２と、第２電力変換部１４とを主な構成として備えている。
【００１８】
第１電力変換部１２は、発電電動機３０の回生動作時においては、発電電動機３０の発電電力を直流電力に変換して出力し、力行動作時においては、直流電力を交流電力に変換して発電電動機３０に出力する。第２電力変換部１４は、発電電動機３０の回生動作時においては、第１電力変換部１２からの直流電力を系統に適した三相交流電力に変換して船内系統１６に出力し、力行動作時においては、船内系統１６からの三相交流電力を直流電力に変換して第１電力変換部１２に出力する。
【００１９】
上記第１電力変換部１２及び第２電力変換部１４の構成は特に限定されないが、例えば、一例として、６つのスイッチング素子がブリッジ接続されてなる構成が挙げられる。第１電力変換部１２は、制御部４０によって制御される。なお、第２電力変換部１４を制御するための制御部も設けられているが、ここでの説明は省略する。
【００２０】
制御部４０は、発電電動機３０の力行運転時において、例えば、舶用ディーゼルエンジンを制御する上位制御装置５０（図２参照）から与えられる回転数指令Ｎに、発電電動機３０の回転数Ｎが一致するように、第１電力変換部１２を制御する機能を有する。
【００２１】
図２は、制御部４０が備える機能を示した機能ブロック図である。図２に示すように、制御部４０は、平滑化部４１と、時定数変更部４２と、制御信号生成部４３とを主な構成として示している。平滑化部４１は、例えば、一時遅れ要素４６と、レートリミッタ４８とを備えている。一次遅れ要素４６は、抵抗とコンデンサ成分とからなるＲＣフィルタ等のハードウェアとして実現されてもよいし、ソフトウェアとして実現されてもよい。また、レートリミッタ４８の後段に、一次遅れ要素が更に設けられる構成とされていてもよい。
なお、平滑化部４１の構成は、図２に示した構成に限定されず、一次遅れ要素４６及びレートリミッタ４８のいずれか一方を少なくとも有していればよい。
【００２２】
一次遅れ要素４６は、上位制御装置５０における回転数指令Ｎ＊の時定数（例えば、数１００ｍｓｅｃから数ｓｅｃの間）よりも長い時定数τ（例えば、回転数指令Ｎ＊の時定数の１０倍以上、例えば、数ｓｅｃから数十ｓｅｃの間）を有し、上位制御装置５０からの回転数指令Ｎ＊を平滑化して出力する。レートリミッタ４８は、一次遅れ要素４６から出力された回転数指令の変化率が所定値を超えないように制限する。
【００２３】
時定数変更部４２は、第１電力変換部１２から発電電動機３０に供給される電力の変動量（以下「電力変動量ΔＰ」という。）を演算し、電力変動量ΔＰに応じて一次遅れ要素４６の時定数τを設定する。ここで、発電電動機３０の電力Ｐは、例えば、発電電動機３０に供給される三相交流電圧及び三相交流電流に基づいて算出してもよいし、第１電力変換部１２と第２電力変換部１４との間の直流バス間の電圧及び電流を用いて算出してもよい。なお、検出精度の観点から直流バス間の電圧及び電流を用いることが好ましい。これは、三相電圧には高調波成分が多く含まれているが、直流電圧は平滑コンデンサの効果で高調波成分が少ないため、比較的精度がよく、かつ演算が容易だからである。
【００２４】
電力変動量ΔＰは、例えば、一定期間における電力平均値Ｐａｖｅと電力最大値Ｐｍａｘとの差分として求めてもよいし（図３参照）、一定期間における電力平均値Ｐａｖｅと電力最小値Ｐｍｉｎとの差分として求めてもよいし、電力平均値Ｐａｖｅと標準偏差から求めることとしてもよい。また、一定期間における電力平均値Ｐａｖｅと最大電力値Ｐｍａｘとの差分および電力平均値Ｐａｖｅと最小電力値Ｐｍｉｎとの差分をそれぞれ算出し、大きい方の値を電力変動量ΔＰとして採用することとしてもよい。このように、電力変動量ΔＰの算出方法については適宜適切な方法を採用することができる。また、電力変動量ΔＰの算出は、所定の時間間隔で定期的に行われる。
【００２５】
時定数変更部４２は、図４に示すように、電力変動量ΔＰと時定数τとが関連付けられた時定数情報を有している。なお、時定数情報は、電力変動量ΔＰをパラメータとする関数で表されていてもよいし、テーブルとして用意されていてもよい。時定数変更部４２は、時定数情報から電力変動量ΔＰに対応する時定数τを取得し、取得した時定数τに一次遅れ要素４６の時定数を変更する。また、時定数変更部４２は、電力変動量ΔＰが所定の閾値を超える場合には、電力変動量ΔＰに対する時定数τが大きくなるように、時定数情報を変更する。例えば、図４に示した時定数情報を例に挙げると、時定数特性の傾きを所定量増加させる。また、以下の（１）式のように、時定数τが電力変動量ΔＰをパラメータとする関数で表されていた場合には、係数αの値を所定倍（例えば、１．１倍）することにより、同じ電力変動量ΔＰに対する時定数τの値を増加させるように、時定数情報を変更する。
【００２６】
τ＝α×ΔＰ＋ｂ      （１）
（１）式において、α＞０，ｂ≧０である。
【００２７】
なお、時定数τと電力変動量ΔＰとは、必ずしも比例関係になくてもよい。
ここで、時定数τの最大値は、例えば、発電電動機３０の時定数よりも小さい値に設定される。時定数τの最大値を発電電動機３０の時定数よりも小さな値にすることで、回転数制御の応答性を著しく低下させることなく、電力変動を抑制することが可能となる。
【００２８】
制御信号生成部４３は、平滑化部４１から出力された回転数指令Ｎｓ＊と発電電動機３０の実回転数Ｎとの差分が入力として与えられ、この差分に対してＰＩ制御等を行うことにより、実回転数Ｎを回転数指令Ｎｓ＊に一致させるための第１電力変換部１２の制御信号を生成する。例えば、制御信号生成部４３は、第１電力変換部１２が備える各スイッチング素子のオンオフを制御するためのＰＷＭ信号を生成する。なお、実回転数Ｎを回転数指令Ｎｓ＊に一致させるＰＷＭ信号を生成する制御方法については、多くの公知技術が存在することから、これら公知技術を適宜採用すればよい。
【００２９】
このようなハイブリッド過給機１０においては、上位制御装置５０において所定の時定数で回転数指令Ｎ＊が設定される。例えば、上位制御装置５０では、内燃機関の要求負荷と回転数指令とが関連付けられた情報を用いて、その時々の内燃機関の要求負荷に応じた回転数指令Ｎ＊が設定される。制御部４０において、上位制御装置５０で設定された回転数指令Ｎ＊が入力されると、一次遅れ要素４６により回転数指令Ｎ＊が平滑化され、レートリミッタ４８により変化率が所定値以下に制限される。このとき、一次遅れ要素４６の時定数には、時定数変更部４２によって、その時々の電力変動量ΔＰに応じて設定された時定数τが採用される。
【００３０】
平滑化後の回転数指令Ｎｓ＊は、差分演算部において実回転数Ｎとの差分ΔＮが算出され、この差分ΔＮに対してＰＩ制御等が制御信号生成部４３において施されることにより、実回転数Ｎを回転数指令Ｎｓ＊に一致させるための第１電力変換部１２の制御信号Ｓが生成される。そして、この制御信号Ｓが第１電力変換部１２に与えられることにより、回転数指令Ｎｓ＊に応じた電力が発電電動機３０に与えられ、発電電動機３０の回転数が制御されることとなる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態に係るハイブリッド過給機及びその制御方法によれば、発電電動機３０の力行動作時において、上位制御装置５０から与えられた回転数指令Ｎ＊が平滑化部４１によって平滑化されるので、上位制御装置５０から与えられる回転数指令Ｎ＊よりも緩やかに変化する回転数指令Ｎｓ＊を制御部４０内で生成することができる。そして、平滑化後の回転数指令Ｎｓ＊に実回転数Ｎを一致させるような制御信号Ｓが生成されて、第１電力変換部１２に与えられるので、第１電力変換部１２から発電電動機に出力される電力の変動を抑制することが可能となる。
【００３２】
これにより、船内系統１６の安定性を維持することが可能となる。また、ディーゼルエンジンなどの他の発電装置が設けられていた場合には、他の発電装置のガバナ装置に過度の負担をかけることがなくなり、ガバナの寿命が短縮することを防止することが可能となる。また、従来は、発電電動機による船内系統への影響と他の負荷急変とが同時に発生した場合には、船内系統の電圧等が著しく悪化することが予想されたが、本実施形態に係るハイブリッド過給機及びその制御方法によれば、発電電動機に起因する船内系統への影響を低減することができるので、回転数指令の変動と、他の要因による負荷急変とが同時に生じた場合でも、所定品質以上の電圧・周波数の船内系統を維持することができる。
【００３３】
また、一次遅れ要素４６は、ローパスフィルタとしても機能する。したがって、例えば、上位制御装置５０から入力された回転数指令Ｎ＊が不連続点であった場合やノイズを含んでいた場合には、回転数指令Ｎ＊を連続的な値に変換したり、ノイズを除去したりすることが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態に係るハイブリッド過給機及びその制御方法によれば、電力変動量ΔＰに応じて一次遅れ要素４６の時定数を変更するので、その時々の電力変動量ΔＰに応じた適切な時定数を用いて、回転数指令Ｎ＊の平滑化を行うことができる。
更に、電力変動量ΔＰが所定の閾値以上である場合には、時定数情報を変更するので、平滑化の効き目を強くすることにより、電力変動量ΔＰを閾値以下とすることが可能となる。例えば、経年劣化などにより第１電力変換部１２や発電電動機３０の特性が変化した場合でも、時定数情報を変更する機能を有することにより、経年劣化等による特性の変化に対応することができる。
【００３５】
本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。
例えば、上記の実施形態においては、本発明の過給機を舶用ハイブリッド過給機として船舶に適用した場合を例示して説明したが、本発明の過給機は船舶だけではなく、他の装置にも適用可能である。また、上記実施形態においては、回生（発電）動作及び力行動作の両方を可能とする発電電動機３０を電動機として備える場合を例示したが、発電電動機３０に代えて回生機能を有しない力行動作のみの電動機を採用してもよく、また、この場合には、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータを電力変換手段として採用すればよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０  舶用ハイブリッド過給機
１２  第１電力変換部
１４  第２電力変換部
１６  船内系統
２０  電力変換装置
２１  タービン
２３  コンプレッサ
３０  発電電動機
４０  制御部
４１  平滑化部
４２  時定数変更部
４３  制御信号生成部
５０  上位制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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