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JP6272077B2 - 過給機及び船舶 - Google Patents

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Description

本発明は、過給機及び過給機を備える船舶に関するものである。
従来、内燃機関から排出されるエンジン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、電動発電機を駆動する動力としても利用して、発電電力を得るようにしたハイブリッド過給機が知られている。
図１０に従来のハイブリッド過給機の構成を示す。図１０に示すように、ハイブリッド過給機１００は、例えば、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排気タービン１０１と、排気タービン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、排気タービン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とを備えている。電動発電機１０３により得られた交流の発電電力は、コンバータ１０４により直流電力に変換された後、インバータ１０５によって系統１０６に応じた周波数の三相交流電力に変換され、系統１０６に供給される。また、コンバータ１０４とインバータ１０５との間には、直流電圧の変動を吸収するための平滑コンデンサ１０７が接続されている。
一般的に、ハイブリッド過給機では、電動発電機の力行動作（インバータから電動発電機へ向かって電力を供給する運転状態）及び回生動作は、内燃機関を制御する上位制御装置によって択一的に決定される。したがって、上位制御装置により力行動作が選定されている場合には回生動作は禁止され、逆に、回生動作が選定されている場合には力行動作が禁止される。
特開２０１２−２１４１４３号公報 特開平７−９５７７５号公報
しかしながら、例えば、上位制御装置によって電動発電機の力行動作が選定されている場合に、電動発電機の回転数指令が実回転数を下回ると、回生動作が禁止されているにもかかわらず、若干量の回生電力が発生し、この回生電力が平滑コンデンサに蓄電されて、直流バス電圧が徐々に上昇してしまう。直流バス電圧が上昇して所定の許容値を超えると、半導体素子やコンデンサの破壊やトリップなどが発生するおそれがあった。
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。
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、力行運転時における直流バス電圧の上昇を抑制することのできる過給機及びその過給機を備える船舶を提供することを目的とする。
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、前記電力変換手段に接続された直流バスに設けられた平滑コンデンサと、前記電動機の力行動作時において、上位制御装置から入力される前記電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように、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、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の第１閾値以上である場合に、前記回転数指令を実回転数以上の値に変更する指令変更手段を有する過給機である。
このような過給機によれば、力行動作時において、電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、直流バス電圧が所定の第１閾値以上である場合に、回転数指令を実回転数以上の値に変更するので、電動機において消費される電力を増加させることができる。これにより、直流バス間に設けられた平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放出させることができ、直流バス電圧を低下させることが可能となる。
上記電動機の「実回転数」は、例えば、回転数計測手段によって計測される。回転数計測手段は、例えば、電動機に設けられた回転数センサでもよいし、あるいは、モータ電流等から演算により推定される回転数であってもよい。また、モータ電流については、電力変換手段から電動機に与えられるモータ電流を計測してもよいし、あるいは、直流バスに流れる直流電流等から推定してもよい。直流電流から推定する方法は、モータ電流よりもノイズ成分が少ない電流を用いるので、推定精度を高めることが可能である。
上記過給機において、前記制御手段は、前記回転数指令の変更時から所定期間経過時までに、前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記第１閾値以下の値である第２閾値以下になった場合に、前記回転数指令を前記上位制御装置から入力される回転数指令に戻すこととしてもよい。
このように、平滑コンデンサの端子間電圧、換言すると、直流バス電圧が第２閾値以下になった場合には、回転数指令を元の回転数指令に戻すので、電動機の回転数を上位制御装置から与えられる回転数指令に追従させることが可能となる。
上記過給機において、前記回転数指令の変更が所定の頻度以上で行われる場合において、前記指令変更手段は、前記回転数指令の増加量を低下させることとしてもよい。
回転数指令の変更が頻繁に行われる場合には、回転数指令の増加量を低下させることにより、電力消費を緩やかにすることができる。この結果、平滑コンデンサの端子電圧の低下速度を緩やかにすることができ、回転数指令が頻繁に切り替わることを抑制することができる。
上記舶用ハイブリッド過給機において、前記指令変更手段は、前記回転数指令の変更から所定期間経過しても前記平滑コンデンサの端子間電圧が第２閾値未満にならない場合には、前記回転数指令を更に大きな値に設定することとしてもよい。
回転数指令を変更してもその効果が薄く、所定期間経過しても平滑コンデンサの端子間電圧が第２閾値未満にならない場合には、更に回転数指令を大きな値に変更することにより、実回転数と回転数指令との差分を大きくする。これにより、電動機への供給電力が増加するので、平滑コンデンサの電荷を更に放出させることができ、平滑コンデンサの端子間電圧を低下させることが可能となる。
本発明の第２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、前記電力変換手段に接続された直流バスに設けられた平滑コンデンサと、前記電動機の力行動作時において、上位制御装置から入力される前記電動機の回転数指令に実回転数を追従させるような制御信号を前記電力変換手段に与える制御手段とを備え、前記制御手段は、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、励磁電流成分を増加させるような制御指令を生成し、前記電力変換手段に与える過給機である。
このような過給機によれば、電動機の回転数指令が実回転数未満であり、平滑コンデンサの端子間電圧、換言すると、直流バス電圧が閾値以上である場合には、励磁電流成分を増加させる。これにより、電動機で消費される無効電力を増加させることができ、この結果、直流バス間に設けられた平滑コンデンサの電荷放出が増え、平滑コンデンサの端子間電圧を低下させることが可能となる。
本発明の第３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、前記電力変換手段に接続された直流バスに設けられた平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに並列に接続される抵抗と、該抵抗と直列に接続され、定常状態において開状態とされる半導体スイッチと、前記半導体スイッチのオンオフを制御するスイッチング制御手段とを備え、前記スイッチング制御手段は、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記半導体スイッチを所定のデューティ周期内でオンオフ比率制御する過給機である。
このような過給機によれば、電動機の力行動作時において、回転数指令が実回転数未満となり、平滑コンデンサの端子間電圧、換言すると、直流バス電圧が閾値以上となった場合には、スイッチング制御手段によって半導体スイッチのオンオフ比率制御が行われる。これにより、半導体スイッチがオンされている期間においては、平滑コンデンサの電荷が抵抗によって消費されるので、平滑コンデンサの端子間電圧を低下させることができる。また、スイッチング素子として半導体スイッチを使用していることから、数百Ｈｚから数ｋＨｚでのスイッチング周波数とすることが可能となる。これにより、放電の瞬間の過電流を抑制することができる。
上記過給機において、前記スイッチング制御手段は、前記平滑コンデンサの端子間電圧と前記閾値との差分を入力とする比例積分制御に基づいて前記デューティ周期内のオンオフ比率を設定するとともに、前記半導体スイッチのオンオフ比率制御により、前記電動機の回転数の変動が所定値以上となった場合に、前記比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを下げることとしてもよい。
このように、半導体スイッチのオンオフ比率制御により、電動機の回転数変動が所定値以上となった場合には、比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを小さくするので、平滑コンデンサの端子間電圧の降下速度を緩やかにすることができる。
上記過給機において、前記スイッチング制御手段は、前記半導体スイッチのオンオフ比率制御の開始から所定期間内において前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記閾値以下にならなかった場合に、前記比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを増加させることとしてもよい。
このように、半導体スイッチのオンオフ比率制御の開始から所定期間内において平滑コンデンサの端子間電圧が閾値以下にならなかった場合には、比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを増加させるので、平滑コンデンサの端子間電圧の降下速度を速めることができる。
本発明の第４態様は、上記の過給機と、前記過給機によって外気が圧送される内燃機関とを備える船舶である。
本発明の第５態様は、平滑コンデンサによって直流電力の電圧変動を抑制するとともに、電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法であって、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記回転数指令を実回転数よりも大きな値に変更し、変更後の回転数指令に基づい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方法である。
本発明の第６態様は、平滑コンデンサによって直流電力の電圧変動を抑制するとともに、電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法であって、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、励磁電流成分を増加させるような制御指令を生成し、直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法である。
本発明の第７態様は、平滑コンデンサによって直流電力の電圧変動を抑制するとともに、電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法であって、前記平滑コンデンサと並列に抵抗を接続し、更に、定常状態において開状態とされる半導体スイッチを前記抵抗と直列に接続し、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記半導体スイッチを所定のデューティ周期内でオンオフ比率制御する方法である。
本発明によれば、力行運転時における直流バス電圧の上昇を抑制することができるという効果を奏する。
本発明の第１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。 本発明の第１実施形態に係る制御部の概略機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る制御部により実行される回転数指令の切替処理の手順の一例を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態における回転数、回転数指令、直流バス電圧の関係を示した図である。 本発明の第１実施形態における回転数指令の他の変更例について説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る制御部の概略構成を示した図である。 本発明の第２実施形態における回転数、無効電力、直流バス電圧の関係を示した図である。 本発明の第３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。 本発明の第３実施形態における回転数、半導体スイッチ、直流バス電圧の関係を示した図である。 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。
以下、本発明の過給機をハイブリッド過給機として船舶に適用した場合の各実施形態について図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る舶用ハイブリッド過給機（以下、「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排気タービン２１と、排気タービン２１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２３と、排気タービン２１およびコンプレッサ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エンジン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。
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１２と、第２電力変換部１４と、平滑コンデンサ１８とを主な構成として備えている。
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。平滑コンデンサ１８は、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に設けられ、直流電圧変動を低減する。
また、発電電動機３０の実回転数は、一般的な回転数手段で計測したり、電圧変動周期で判断され、実回転数Ｎは、制御部４０に送信される。
上記第１電力変換部１２及び第２電力変換部１４は、いずれも６つのスイッチング素子をブリッジ接続してなる回路で構成されている。ここで、第１電力変換部１２及び第２電力変換部１４の構成については、上記例に限定されず、他の構成を採用することも可能である。例えば、６つのダイオード素子をブリッジ接続した整流回路と、該整流回路で生成された直流電圧を１または２つのスイッチング素子で昇降圧する回路とを有する構成、あるいは、「６つのスイッチング素子がブリッジ接続されてなる回路」または「６つのダイオード素子をブリッジ接続した整流回路で生成された直流電圧を１または２つのスイッチング素子で昇降圧する回路」を多段に組み合わせた構成（いわゆるマルチレベル回路）、あるいは、９つのスイッチング素子で構成されるマトリクスコンバータ構成、さらにはこれをマルチレベル化した構成としてもよい。
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（不図示）も設けられているが、ここでの説明は省略する。
また、ハイブリッド過給機１０において、直流バス間には、直流バス電圧、換言すると、平滑コンデンサ１８の端子間電圧を検出するための電圧検出部１７が設けられている。
図２は、制御部４０の概略機能ブロック図である。
制御部４０は、発電電動機３０の力行運転時において、回転数指令Ｎ＊に発電電動機３０の回転数が一致するように、第１電力変換部１２を制御する機能を有する。また、発電電動機３０を力行動作させるか、回生動作させるかは、上位制御装置５０からの指令に基づいて決定される。すなわち、力行動作および回生動作の選定において、回転数指令Ｎ＊と発電電動機３０の実回転数Ｎとの関係は考慮されない。したがって、上位制御装置５０において、力行動作が選定されている場合には、この間に、実回転数Ｎが回転数指令Ｎ＊を上回ったとしても回生動作は行わない制御としている。
図２に示すように、制御部４０は、回転数指令発生部４１と、回転数指令切替部４２と、差分演算部４３と、制御信号生成部４４とを備えている。本実施形態では、回転数指令発生部４１と、回転数指令切替部４２とによって、回転数指令変更手段が実現される場合を示している。
回転数指令発生部４１は、発電電動機３０の実回転数Ｎが入力され、実回転数Ｎを所定量増加させた回転数指令Ｎｂ＊を生成する。
回転数指令切替部４２には、上位制御装置５０からの回転数指令Ｎａ＊、発電電動機３０の実回転数Ｎ、回転数指令発生部４１からの回転数指令Ｎｂ＊、及び電圧検出部１７からの直流バス電圧Ｖｄｃが入力される。回転数指令切替部４２は、発電電動機３０の力行動作時において、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値未満である場合には、上位制御装置５０からの回転数指令Ｎａ＊を回転数指令Ｎ＊として出力し、直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値以上である場合には、回転数指令発生部４１からの回転数指令Ｎｂ＊を回転数指令Ｎ＊として出力する。
差分演算部４３は、回転数指令切替部４２から出力された回転数指令Ｎ＊と発電電動機３０の実回転数Ｎとの差分ΔＮを算出し、制御信号生成部４４に出力する。制御信号生成部４４は、差分演算部４３からの差分ΔＮに対して比例積分制御等を行うことにより、実回転数Ｎを回転数指令Ｎ＊に一致させるための第１電力変換部１２の制御信号Ｓを生成する。例えば、制御信号生成部４４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Ｎ＊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。なお、センサレスの場合には、実回転数Ｎは推定値であってもよい。
次に、上記制御部４０により実行される処理のうち、主に、回転数指令の切替処理について図３を参照して説明する。図３は、制御部４０により実行される回転数指令の切替処理の手順の一例を示したフローチャートである。
まず、力行動作時において、直流バス電圧Ｖｄｃが入力されると（ステップＳＡ１）、直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳＡ２）。直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値未満の場合には、ステップＳＡ１戻り、直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値以上の場合には、実回転数Ｎに係数α（例えば、α＝１．０１）を乗算した回転数指令Ｎｂ＊を演算する（ステップＳＡ３）。ここで、係数αは、予め設定されている係数テーブルに基づいて設定されるものであり、初期値としてα＝１．０１が設定されている。
次に、回転数指令Ｎ＊を上位制御装置５０から入力される回転数指令Ｎａ＊からステップＳＡ３で演算した回転数指令Ｎｂ＊に切り替える（ステップＳＡ４）。続いて、発電電動機３０の要求トルク及びイナーシャの関係から、発電電動機３０の実回転数ＮがステップＳＡ３で算出した回転数指令Ｎｂ＊と一致するまでの時間Ｔを演算する（ステップＳＡ５）。
次に、直流バス電圧Ｖｄｃが第２閾値（第１閾値≧第２閾値）未満になる前に、実回転数Ｎが回転数指令Ｎｂ＊に達したか否かを判定する（ステップＳＡ６）。この条件を満たした場合には（ステップＳＡ６において「ＹＥＳ」）、回転数指令Ｎ＊を上位制御装置５０から入力される回転数指令Ｎａ＊に切り替え（ステップＳＡ７）、続いて、係数α＝１．０１に設定し（ステップＳＡ８）、ステップＳＡ１に戻る。
一方、ステップＳＡ６において、上記条件を満たしていなかった場合には（ステップＳＡ６において「ＮＯ」）、回転数指令Ｎ＊をＮｂ＊に切り替えてからＴ時間以内に直流バス電圧Ｖｄｃが第２閾値未満になったか否かを判定する（ステップＳＡ９）。この結果、Ｔ時間以内に直流バス電圧Ｖｄｃが第２閾値未満にならなかった場合には（ステップＳＡ９において「ＮＯ」）、ステップＳＡ７に移行する。一方、ステップＳＡ９において「ＹＥＳ」の場合には、回転数指令Ｎ＊を上位制御装置５０から入力される回転数指令Ｎａ＊に切り替える（ステップＳＡ１０）。次に、直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値以上となった時点から所定時間以内において、回転数指令Ｎ＊の切替が所定回数以上であったか否かを判定する（ステップＳＡ１１）。この所定時間は、例えば、上記ステップＳＡ５で算出される時間Ｔと同一であってもよいし、この時間Ｔよりも長い期間として設定されてもよい。
ステップＳＡ１１において、所定時間内に回転数指令Ｎ＊の切替が所定数以上あった場合には、係数α＝１．００９に設定し（ステップＳＡ１２）、ステップＳＡ１に戻る。一方、ステップＳＡ１１において、所定時間内における回転数指令Ｎ＊の切替が所定数未満であった場合には、本処理を終了する。
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１０及びその制御方法によれば、力行動作時において、上位制御装置５０からの回転数指令Ｎａ＊が発電電動機３０の実回転数Ｎ未満であり、かつ、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値以上である場合に、回転数指令Ｎ＊を実回転Ｎよりも大きな値、例えば、実回転数Ｎに所定の係数α（ただし、α＞１）を乗じることで得られた回転数指令Ｎｂ＊に変更し、変更後の回転数指令Ｎ＊に実回転数Ｎが一致するように第１電力変換部１２を制御する。これにより、直流バス間に設けられた平滑コンデンサ１８に蓄えられた電荷を放出させることができ、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させることが可能となる。
図４に、本実施形態における回転数、回転数指令、直流バス電圧の関係を示す。図４の時刻ｔ１において、回転数指令が実回転数を下回ると、徐々に直流バス電圧が増加する。そして、時刻ｔ２において、直流バス電圧が第１閾値を超えると、回転数指令が実回転数よりも大きい回転数指令がＮｂ＊が設定されることにより、発電電動機３０に供給される電力が増加し、平滑コンデンサ１８の電荷が放出されて、直流バス電圧が徐々に低下する。そして、直流バス電圧が第２閾値（例えば、定常電圧）まで低下すると、回転数指令Ｎ＊が上位制御装置５０からの回転数指令Ｎａ＊に切り替えられ、これに伴い、直流バス電圧が徐々に上昇する。
また、本実施形態によれば、直流バス電圧Ｖｄｃが頻繁に閾値を超えることにより、上記回転数指令Ｎ＊の切り替えが頻繁に行われる場合には、実回転数Ｎに乗じる係数αを段階的に（例えば、１．０１、１．００９、１．０００８等のように）予め設定された小さな値に順次変更してもよい。これにより、直流バス電圧Ｖｄｃの低下速度を緩やかにすることができ、回転数指令Ｎ＊が頻繁に切り替わることを抑制することができる。
逆に、所定時間Ｔを経過しても直流バス電圧Ｖｄｃが閾値以下とならない場合には、例えば、実回転数Ｎに乗じる係数αの値を段階的に大きな値に変更することとしてもよい。このように、回転数指令Ｎ＊を変更してもその効果が薄く、直流バス電圧Ｖｄｃの低下につながらない場合には、係数αの値を段階的に（例えば、１．０１、１．０１１、１．０１２等のように）あらかじめ設定された大きな値に順次設定することにより、回転数指令Ｎ＊と実回転数Ｎとの差分を大きくする。これにより、発電電動機３０への供給電力が増加するので、平滑コンデンサ１８の電荷を更に放出させることができ、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させることが可能となる。
なお、本実施形態においては、上位制御装置５０からの回転数指令Ｎａ＊が実回転数Ｎ未満となり、かつ、直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値以上である場合に、回転数指令Ｎ＊を実回転数よりも大きな値である回転数指令Ｎｂ＊に変更することとしたが、例えば、これに代えて、図５に示すように、上位制御装置５０から与えられる回転数指令Ｎ＊が実回転数Ｎよりも小さい期間において、実回転数Ｎに回転数指令Ｎ＊を一致させるように、回転数指令Ｎ＊を設定することとしてもよい。このように回転数指令Ｎ＊を設定することで、船内系統１６側の制御を変更することなく、ハイブリッド過給機１０側に設けた電力変換装置２０とその制御部４０により、電流が発電電動機３０から船内系統１６側に流れることを回避することができ、直流バス電圧Ｖｄｃの上昇を回避し、定常値一定で維持することが可能となる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２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ついて図面を参照して説明する。
上述した第１実施形態に係るハイブリッド過給機及びその制御方法では、力行動作時において、直流バス電圧Ｖｄｃが第１閾値を超えた場合に、実回転数Ｎよりも大きな回転数指令Ｎ＊を設定することで、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させていたが、本実施形態では、第１電力変換部１２に出力する制御信号を生成する際に参照する励磁電流成分指令を増加させることで、発電電動機３０における無効電力の消費を増加させ、発電電動機の損失を増加させることで直流バス電圧Ｖｄｃを低下させる。
以下、本実施形態に係るハイブリッド過給機及びその方法について、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。
図６は、本実施形態に係る制御部４０´の概略構成を示した図である。図６に示すように、制御部４０´は、三相／二相変換部５１、回転／固定変換部５２、回転数ＰＩ制御部５３、励磁電流成分指令生成部５４、電流ＰＩ制御部５６、固定／回転変換部５７、二相／三相変換部５８、及びＰＷＭ信号生成部５９、及び磁束推定部６０を備えている。
三相／二相変換部５１は、発電電動機３０に流れる三相交流電流を二相電流（α相、β相）に変換する。例えば、三相電流のうちの一相の電流を基準として変換を行う。なお、図６では、ｕ相の電流Ｉｕと、ｖ相の電流Ｉｖとが三相／二相変換部５１に入力されているが、Ｗ相の電流Ｉｗについては、これら２相の電流Ｉｕ，Ｉｖから演算により算出する。
回転／固定変換部５２は、三相／二相変換部５１により二相変換された電流Ｉα，Ｉβをロータ位置を基準に座標変換することで、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを得る。
回転数ＰＩ制御部５３は、発電電動機３０の実回転数Ｎ（ここでは、回転数Ｎは後述する磁束推定部６０により推定された回転数を用いる）が上位制御装置５０から入力される回転数指令Ｎ＊に一致するように、回転数指令Ｎ＊と発電電動機３０の回転数Ｎとの差分に比例積分制御を施すことにより、ｑ軸電流指令（トルク電流指令）Ｉｑ＊が算出される。
励磁電流成分指令生成部５４は、力行動作時であり、かつ、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値未満の場合に、励磁電流成分指令Ｉｄ＊を０（ゼロ）に設定し、力行動作時であり、かつ、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値以上の場合にα（α＞０）を設定する。
電流ＰＩ制御部５６は、回転／固定変換部５２で得たｑ軸電流Ｉｑと回転数ＰＩ制御部５３から出力されたｑ軸電流指令Ｉｑ＊との差分に比例積分制御を施すことによりｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を生成する。同様に、回転／固定変換部５２で得たｄ軸電流Ｉｄと励磁電流成分指令生成部５４から出力されたｄ軸電流指令Ｉｄ＊との差分に比例積分制御を施すことによりｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を生成する。
固定／回転変換部５７は、電流ＰＩ制御部５６で得られたｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊をロータ位置を基準に逆座標変換して、α相電圧指令Ｖα＊及びβ相電圧指令Ｖβ＊を得る。二相／三相変換部５８は、α相電圧指令Ｖα＊及びβ相電圧指令Ｖβ＊を、上記三相／二相変換部５１における座標変換と逆の変換を行うことで、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を得る。ＰＷＭ信号生成部５９は、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊とキャリア信号とを比較することにより、ＰＷＭ信号Ｓを生成する。
磁束推定部６０は、二相電流Ｉα，Ｉβ及び回路定数（インダクタンス、抵抗等）および二相電圧Ｖα，Ｖβから、ロータ発生磁束を推定し、このロータ発生磁束からロータ角に正弦・余弦を乗じた変化周波数が推定される。この変化周波数がロータ回転周波数の極対数倍となることから、位相同期ループを利用してロータ角θを推定することが可能となる。
このような制御部４０´によれば、まず、発電電動機３０に流れる三相電流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のうちの二相（Ｕ相、Ｖ相）が検出され、これらの二相電流が三相／二相変換部５１に入力される。三相／二相変換部５１では、入力された二相電流Ｉｕ，Ｉｖから残りの一相の電流Ｉｗが算出され、三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが二相電流Ｉα，Ｉβに変換される。続いて、回転／固定変換部５２により、二相電流Ｉα，Ｉβがｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換される。
回転数ＰＩ制御部５３では、発電電動機３０の回転数Ｎと上位制御装置５０から与えられる回転数指令Ｎ＊との差分が算出され、この差分に対してＰＩ制御が施されることにより、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊が算出される。
また、励磁電流成分指令生成部５４では、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値未満の場合には、Ｉｄ＊＝０とされ、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値以上の場合には、Ｉｄ＊＝α（α＞０）とされる。このとき、直流バス電圧Ｖｄｃの値に応じてｄ軸電流指令（励磁電流成分指令）の値を設定することとしてもよい。例えば、直流バス電圧Ｖｄｃとｄ軸電流指令とが関連付けられた情報（テーブル、関数等）を保有しており、この情報を用いて直流バス電圧Ｖｄｃに対応するｄ軸電流指令を設定することとしてもよい。この場合、直流バス電圧Ｖｄｃが大きいほど、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊は大きな値に設定される。
電流ＰＩ制御部５６において、ｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸電流Ｉｄをｑ軸電流指令Ｉｑ＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊にそれぞれ一致させるためのｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊が算出され、このｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊が、固定／回転変換部５７及び二相／三相変換部５８を経ることで、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が算出される。そして、ＰＷＭ信号生成部５９において、この三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づくＰＷＭ信号Ｓが生成される。ＰＷＭ信号Ｓは、第１電力変換部１２に与えられ、第１電力変換部１２が備える６個のスイッチング素子のオンオフが制御される。
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、直流バス電圧が所定の第１閾値未満である場合には、通常と同様の制御が行われるが、直流バス電圧が第１閾値以上である場合には、ｄ軸電流指令が通常時よりも大きな値に補正される。これにより、発電電動機３０で消費される無効電力を増加させることができ、この結果、直流バス間に設けられた平滑コンデンサ１８の電荷放出が増加し、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させることが可能となる。
図７に、本実施形態における回転数、無効電力、直流バス電圧の関係を示す。図７において、時刻ｔ１において、回転数指令が実回転数を下回ると、徐々に直流バス電圧が増加する。そして、時刻ｔ２において、直流バス電圧が第１閾値を超えると、ｄ軸電流指令が増加することから、無効電力が増加する。また、これに伴い、直流バス電圧が徐々に低下する。そして、直流バス電圧が第２閾値（例えば、定常電圧）まで低下すると、ｄ軸電流指令の補正値がゼロに再設定されることから、無効電力がゼロとなる。
また、ｄ軸電流指令（励磁電流成分指令）は、発電電動機３０の回転数には寄与しないため、ｄ軸電流指令を変化させても、発電電動機の回転数が変化することはない。これにより、安定した回転数制御を維持することが可能となる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３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ついて図面を参照して説明する。
上述した第１実施形態、第２実施形態に係るハイブリッド過給機及びその制御方法では、制御部４０、４０´による第１電力変換部１２の制御を変えることにより、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させていたが、本実施形態では、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させるためのハード的な構成を新たに設ける点で上述した第１実施形態、第２実施形態と異なる。
以下、本実施形態に係るハイブリッド過給機及びその方法について、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。
図８は、本実施形態に係るハイブリッド過給機の概略構成を示した図である。なお、図１と共通の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図８に示すように、本実施形態に係るハイブリッド過給機１０´は、平滑コンデンサ１８に並列に接続される抵抗７０と、抵抗７０と直列に接続される半導体スイッチ７１と、半導体スイッチ７１のオンオフを制御するスイッチング制御部７２とを更に備えている。半導体スイッチ７１は、定常状態において開状態とされ、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が一例として挙げられる。
スイッチング制御部７２は、発電電動機３０の力行動作時において、発電電動機３０の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の第１閾値以上である場合に、半導体スイッチ７１を所定のデューティ周期内でオンオフ比率制御する。
例えば、スイッチング制御部７２は、直流バス電圧Ｖｄｃと閾値との差分に対して比例積分制御を施すことにより、スイッチングのデューティを決定する。また、スイッチング制御部７２は、半導体スイッチ７１のオンオフ比率制御が行われることにより、発電電動機３０の回転数Ｎの変動が所定値以上となった場合に、比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを低下させる。これにより、直流バス電圧の降下速度を緩やかにすることができる。
また、スイッチング制御部７２は、半導体スイッチ７１のオンオフ比率制御の開始から所定期間内において、直流バス電圧Ｖｄｃが第２閾値（例えば、定常電圧）以下にならなかった場合には、比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを増加させる。これにより、直流バス電圧Ｖｄｃの降下速度を速めることができる。
このようなハイブリッド過給機１０´においては、発電電動機３０の力行動作時において、上位制御装置から入力される回転数指令が実回転数未満となり、直流バス電圧Ｖｄｃが閾値以上となった場合には、スイッチング制御部７２によって半導体スイッチ７１のオンオフ比率制御が行われる。これにより、半導体スイッチ７１がオンされている期間においては、平滑コンデンサ１８の電荷が抵抗７０によって消費されるので、直流バス電圧Ｖｄｃを低下させることができる。
また、スイッチング素子として半導体スイッチ７１を使用していることから、数百Ｈｚから数ｋＨｚでのスイッチング周波数とすることが可能となる。これにより、放電の瞬間の過電流を抑制することができる。
図９に、本実施形態における回転数、半導体スイッチのオンオフ比率制御、直流バス電圧の関係を示す。図９の時刻ｔ１において、回転数指令が実回転数を下回ると、徐々に直流バス電圧が増加する。そして、時刻ｔ２において、直流バス電圧が第１閾値を超えると、半導体スイッチのオンオフが開始されることから、平滑コンデンサ１８の電荷が抵抗７０によって放電される。これにより、直流バス電圧が徐々に低下する。そして、直流バス電圧が定常時の電圧値まで低下すると、半導体スイッチのオンオフが停止される。
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、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。
例えば、上記の各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、上記の各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。
１０，１０´ 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
２１ 排気タービン
２３ コンプレッサ
３０ 発電電動機
４０，４０´ 制御部
４１ 回転数指令発生部
４２ 回転数指令切替部
４３ 差分演算部
４４ 制御信号生成部
５０ 上位制御装置
５４ 励磁電流成分指令生成部
７０ 抵抗
７１ 半導体スイッチ
７２ スイッチング制御部

Claims (12)

  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、
    前記電力変換手段に接続された直流バスに設けられた平滑コンデンサと、
    前記電動機の力行動作時において、上位制御装置から入力される前記電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように、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、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の第１閾値以上である場合に、前記回転数指令を実回転数以上の値に変更する指令変更手段を有する過給機。
  2. 前記制御手段は、前記回転数指令の変更時から所定期間経過時までに、前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記第１閾値以下の値である第２閾値以下になった場合に、前記回転数指令を前記上位制御装置から入力される回転数指令に戻す請求項１に記載の過給機。
  3. 前記回転数指令の変更が所定の頻度以上で行われる場合において、前記指令変更手段は、前記回転数指令の増加量を低下させる請求項２に記載の過給機。
  4. 前記指令変更手段は、前記回転数指令の変更から所定期間経過しても前記平滑コンデンサの端子間電圧が第２閾値未満にならない場合には、前記回転数指令を更に大きな値に設定する請求項１から請求項３のいずれかに記載の過給機。
  5. 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、
    前記電力変換手段に接続された直流バスに設けられた平滑コンデンサと、
    前記電動機の力行動作時において、上位制御装置から入力される前記電動機の回転数指令に実回転数を追従させるような制御信号を前記電力変換手段に与える制御手段と
    を備え、
    前記制御手段は、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、励磁電流成分を増加させるような制御指令を生成し、前記電力変換手段に与える過給機。
  6. 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、
    前記電力変換手段に接続された直流バスに設けられた平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサに並列に接続される抵抗と、
    該抵抗と直列に接続され、定常状態において開状態とされる半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチのオンオフを制御するスイッチング制御手段と
    を備え、
    前記スイッチング制御手段は、前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記半導体スイッチを所定のデューティ周期内でオンオフ比率制御する過給機。
  7. 前記スイッチング制御手段は、前記平滑コンデンサの端子間電圧と前記閾値との差分を入力とする比例積分制御に基づいて前記デューティ周期内のオンオフ比率を設定するとともに、前記半導体スイッチのオンオフ比率制御により、前記電動機の回転数の変動が所定値以上となった場合に、前記比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを下げる請求項６に記載の過給機。
  8. 前記スイッチング制御手段は、前記半導体スイッチのオンオフ比率制御の開始から所定期間内において前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記閾値以下にならなかった場合に、前記比例積分制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少なくともいずれかを増加させる請求項７に記載の過給機。
  9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の過給機と、
    前記過給機によって外気が圧送される内燃機関と
    を備える船舶。
  10. 平滑コンデンサによって直流電力の電圧変動を抑制するとともに、電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法であって、
    前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記回転数指令を実回転数よりも大きな値に変更し、変更後の回転数指令に基づい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方法。
  11. 平滑コンデンサによって直流電力の電圧変動を抑制するとともに、電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法であって、
    前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、励磁電流成分を増加させるような制御指令を生成し、直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法。
  12. 平滑コンデンサによって直流電力の電圧変動を抑制するとともに、電動機の回転数指令に実回転数を追従させるように直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する方法であって、
    前記平滑コンデンサと並列に抵抗を接続し、更に、定常状態において開状態とされる半導体スイッチを前記抵抗と直列に接続し、
    前記電動機の力行動作時において、前記電動機の回転数指令が実回転数未満であり、かつ、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定の閾値以上である場合に、前記半導体スイッチを所定のデューティ周期内でオンオフ比率制御する方法。
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