船舶用電力供給装置

专利摘要:
本発明の目的は、電気の生成とその需要との間の比較的短期間の不均衡の際における保護動作の必要がなくなるように、障害状態にある小さめの電気ネットワークにおける周波数の変化を低減させることである。その目的は、メインクレームに従った、電力を電気モータに向けるための電力供給装置によって実現される。本発明に従ったその装置は、そのネットワークの周波数を監視する。そのネットワークの周波数が十分に変化した場合、その装置は、その電気モータに向けられる電力量を変化させることによって反応する。このように、その目的は、電気エネルギーの需要と電気エネルギーの生成とを等しい状態に維持することである。その電力ネットワークは、その電力ネットワークが継続的に運転可能となるように、制御された態様でその生成する電気エネルギーの量を変化させる機会が与えられる。
公开号:JP2011512114A
申请号:JP2010541809
申请日:2009-01-09
公开日:2011-04-14
发明作者:ペンサール，ヨハン
申请人:ワルトシラ フィンランド オサケユキチュア；
IPC主号:H02P27-06

专利说明:

[0001] 本発明は、電気モータ用電力供給装置に関する。本発明は、特に、船舶に置かれた電気モータに電力を向けるよう設計された電力供給装置に関する。]
背景技術

[0002] 電力は、送電ネットワークに接続された発電機群を用いて生成される。その送電ネットワークは、その生成された電力を、電気モータ群や照明器具等の消費部に送る。電力を蓄える経済的な方法はないため、その生成された電力は、それが生成されたときに消費されなければならない。言い換えれば、消費エネルギー量は、生成エネルギー量に一致していなければならない。]
[0003] 発電機群は、電気を生成するために設計された電気モータであり、そのロータ群は、所定速度で回転する。通常、それら発電機群の回転速度は、その送電ネットワークの周波数と同じである。通常、その送電ネットワークの周波数は、５０Ｈｚである。しかしながら、電気ネットワークの需要は絶え間なく変動するため、すなわち、そのネットワークは動的状態にあるため、その電気ネットワークは、生成される電気エネルギーと消費される電気エネルギーとの間の一定量の不均衡を受け容れることができなければならない。この不均衡は、そのネットワークの周波数における小さな変動と見なされ得る。発電機群、及び、電力を用いる電気モータ群の回転質量は、小さい短期間の不均衡状態を補うことができる。エネルギーが、慣性の形で回転質量に保存されるからである。]
[0004] 発電量と電力需要との間の不均衡がより大きく、且つ／或いは、その期間がより長い場合、そのネットワークの周波数は、より大きく変動する傾向にある。このことは、そのネットワークの一部をそのネットワークの残りの部分から隔離し、或いは、予備電源をそのネットワークに接続するといった、そのネットワークにおける保護動作を引き起こす。それら保護動作の目的は、その障害の間も、送電ネットワークにおけるできるだけ広い部分を利用可能な状態に維持することである。例えば、そのネットワークにおいて比較的長い期間にわたって需要の急激な増加があった場合、それら発電機は、必要とされる程速くは、必要な電力を生成することができず、それらモータ群の回転質量も、十分に長い時間にわたる需要の増加を補うことができない。それ故に、その電気ネットワークの周波数は、低下し始める。その周波数の低下のために、そのネットワークの一部は、それら発電機群が必要とされる追加の電力を生成できるまでそのネットワークの残りの部分から隔離され、その後、そのネットワークのその一部は、そのネットワークの残りの部分に再び接続され得る。同じような動作は、そのネットワークにおけるより大きな発電機が急にシャットダウンし他の発電機群がその動作しなくなった発電機の発電を代わりに行わなければならない場合にも生じ得る。上述のことは、基幹ネットワーク、及び、船舶における電気ネットワークのような小さな独立の電気ネットワークの双方に関連する。]
[0005] 最近では、多くの適用において、周波数変換器が利用される。周波数変換器により、電力供給は、電気モータ又は他の電気器具の需要に正確に一致するよう、その大きさが決定され得る。例えば、送風機のかご形モータは、動作時間のほとんどにおいて中間的な回転速度で十分であれば、常に最大速度で駆動される必要はない。周波数変換器を用いることによって、多くのエネルギーを節約することができる。]
[0006] 通常の周波数変換器において、交流電圧は、直流電圧に変換され、その後、その直流電圧は、別の交流電圧に再変換される。その第二の交流電圧は、電気モータのような負荷に電力を向けるために用いられる。また、その第二の交流電圧は、制御され得る。しかしながら、周波数制御ドライブは、その電気モータと発電との間の直接接続を切断し、それによって、その電気モータの回転慣性は、そのネットワークにおけるより小さい負荷変動の補償にそれ以上加わることができなくなる。しかしながら、その電気モータの電力需要は、そのネットワークの周波数及び位相にかかわらず、しばらくの間は一定となる傾向にある。]
[0007] 図１は、発電機群２、３、４を有する船舶における電気ネットワーク１の例を示す。電気モータ７、８は、モータ固有の周波数変換器群５、６を通じてそのネットワークに接続される。それら電気モータ群のシャフト群は、その船舶のプロペラ群９、１０に接続される。船舶におけるそれら電気モータ群は大きく、それらの電力をその船舶の電気ネットワークのサイズと比べると、特に大きい。] 図１
[0008] その船舶における電気ネットワークは、比較的小さい。このため、その船舶における発電機群のうちのひとつに障害が発生したときでさえ、かなり重大な障害状態となり、そのネットワークの周波数の変化と見なされ得る。例えば、その船舶における発電機群のうちのひとつが故障した場合、その故障した発電機の電力を他の発電機群で補うことができるようになる前に、数秒を要することとなる。通常、ディーゼル式モータ群が、その船舶における発電機として使用される。周波数変換器群５、６の背後に位置付けられるそれら大きな電気モータ群の慣性は、そのネットワークの周波数の維持に加わることができない。それ故に、電気ネットワーク１は、障害が発生し易いものとなり、言い換えれば、保護動作が直ぐにそのネットワークの一部又はそのネットワーク全体を切り離すこととなる。そのネットワークで障害が発生すると、プロペラ群９、１０の回転速度は低下する。プロペラ駆動において、その回転速度とその使用電力との間の関係は直接的であり、回転速度の小さな変化でさえその電力需要においてはっきりと見て取れ、またその逆も同様である。それ故に、その電気ネットワークにおける障害のために、船舶の操作性は直ぐに低下し、そして、その船舶は停止する。ネットワークの不完全な電力の期間が十分に長い場合、そのネットワークの周波数は、そのネットワークにおける保護動作を始動させるのに十分な程度に低下する。最悪の場合、その船舶のネットワーク全体がシャットダウンされなければならず、それによって、その船舶のプロペラ群は、もはや推進力をもたらすことはなく、その船舶は、ほとんど進むことができなくなる。これは、破滅的結果をもたらし得る。]
発明が解決しようとする課題

[0009] 本発明の目的は、発電と電気需要との間の比較的短期間の不均衡の際における保護動作の必要がないように、障害状態にある小さめの電気ネットワークにおける周波数の変化を低減させることである。]
課題を解決するための手段

[0010] その目的は、電力を電気モータに向けるための、メインクレームに従った電力供給装置によって実現される。本発明に従った装置は、そのネットワークの周波数を監視する。そのネットワークの周波数が十分に変動した場合、その装置は、その電気モータに向けられる電力量を変えることによって反応する。それ故に、その目的は、電気エネルギーの需要に見合う生成電気エネルギー量を作ることであり、それによって、そのネットワークの周波数は、許容動作範囲で維持される。その電力ネットワークは、その電力ネットワークが継続的に作動させられるように、制御された態様で生成電気エネルギー量を変化させる機会が与えられる。]
[0011] 以下では、図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。]
図面の簡単な説明

[0012] 船舶における電力ネットワークの例を示す。
本発明に従った装置の例を示す。]
実施例

[0013] 図２は、本発明に従った電力供給装置の例を示す。電気モータのための電力供給装置２１は、ＡＣ／ＤＣ変換器（交流／直流変換器）２２及びＤＣ／ＡＣ変換器（直流／交流変換器）２３を含む。それら変換器の直流側は、相互に接続されている。ＤＣ／ＡＣ変換器２３の交流側は、所望の交流を形成するために制御され得る。その装置は、ＡＣ／ＤＣ変換器２２の交流側の周波数を監視するための監視装置２４、監視装置２４における周波数と参照周波数２８とを比較するための比較手段２５、比較手段２５における比較に対する反応として補正制御信号２１０を形成するための補正手段２６、並びに、外部設定信号２９及び補正制御信号２１０からＤＣ／ＡＣ変換器２３に対する制御信号を形成するための制御信号手段２７を含む。] 図２
[0014] ＡＣ／ＤＣ変換器２２がその交流側において電力ネットワーク１に接続され、ＤＣ／ＡＣ変換器２３がその交流側において電気モータ７に接続されていることが、図２から見て取れる。電気モータ７は、プロペラ９を回転させるために接続され、言い換えれば、この例は、船舶環境を示している。] 図２
[0015] 例えば、その船舶における発電機群のうちのひとつで突然障害が発生し、もはや電気エネルギーを生成しなくなった場合、それら電気モータ群及びその船舶における他の電気機器群による需要は、その船舶におけるそれら発電機群によって生成される電気エネルギーを超過する。それ故に、その電気ネットワークの周波数は、低下する傾向にある。小さめのネットワークにおいて、その周波数の低下は、その周波数変換器の背後にある電気モータ群がそれらの慣性によってそのネットワークの周波数の変動を補うことができない場合に、特に速いものとなる。]
[0016] 電力供給装置２１の監視装置２４は、その周波数の低下を検出する。比較手段２５は、その検出された周波数と参照周波数２８とを比較する。その参照周波数は、電力供給装置２１の外部において利用可能であり、言い換えれば、図２で示されるように外部ソースから利用可能であり、或いは、電力供給装置２１内の内部ソースとして準備されてもよい。その内部ソースは、例えば、その参照周波数に関するデータを含むその装置のメモリであってもよい。その参照周波数は、その電気ネットワークにおける標準的な周波数である。通常、それら電気ネットワーク群では、５０Ｈｚが用いられる。一つの方法は、監視される周波数と比較値としての参照周波数２８との間の差を形成するために比較手段２５を配置する。] 図２
[0017] 補正手段２６は、比較手段２５の比較信号に対する反応として補正制御信号２１０を形成する。制御信号手段２７は、電気モータ７に向けられる電気エネルギーを低減させるためにＤＣ／ＡＣ変換器２３の交流側の制御信号を変えるべくその補正制御信号を用いる（この場合、エネルギーの入力が低減される。）。その目的は、その電気ネットワークを運転可能な状態に維持するためにその電気ネットワークの周波数における変化に即座に対応することである。このことは、その電気ネットワークにおける他の発電機群がその故障した発電機の代わりに発電を行うのに十分な時間を得ることができるようにする。電気モータ７のエネルギー消費は、同時にそれら残りの発電機群による発電を増大させながら、通常レベルに円滑に戻され得る（その補正信号は、エネルギー入力量を増大させる傾向にある。）。その電気ネットワークは、その間ずっと運転可能な状態にあり、有害な停電が発生することもない。]
[0018] その電気ネットワークにおける極めて小さな周波数の変化に反応する理由はない。それらは、運転中において極めて当たり前のことであり、それ自体としては有害なものではないからである。それ故に、比較手段２５における比較値が閾値を超えたときに補正手段２６が補正信号２１０を形成するよう、一定の閾値又は閾値群を用いるように補正手段２６を準備することが好適である。]
[0019] その補正信号は、比較手段２５の比較値に応じて、線形的、非線形的、或いは動的なものとなり得る。例えば、閾値ｋと、監視される周波数と参照周波数２８との間の差ｅとの間の差の絶対値がその比較信号である場合、その補正制御信号は、それを一定の乗数で乗算したり、それを指数関数の指数として用いたり、或いは、それを時間に関し微分したりすることによって、それから直接的に形成され得る。このように、その補正制御信号は、例えば、比較手段２５の比較値の導関数に依存し得る。]
[0020] 制御信号手段２７は、外部設定信号２９及び補正信号２１０からＤＣ／ＡＣ変換器２３の交流側における制御信号を形成するように構成される。その制御信号は、補正制御信号２１０が外部設定信号２９から減算され、或いは、その補正制御信号がその外部設定信号に加算されるようにして、形成され得る。その減算は、その電気モータへの電気エネルギーの入力を低減させるためのものであり、その加算は、その電気モータへの電気エネルギーの入力を増大させるためのものである。]
[0021] 図２において、比較手段２５、補正手段２６、及び制御信号手段２７は、個別のユニット群として示されている。しかしながら、それらは、例えば個別の電子ユニット群、又はその装置内に配置されるプロセッサユニットで実行されるよう構成されるプログラムユニット群として実現されてもよい。] 図２
[0022] また、それらの手段は、それらが一つのユニット２１１に統合されるように、実現されてもよい。図２の破線で区切られたユニットは、このオプションを示す。比較手段２５、補正手段２６、及び制御信号手段２７は、例えば、ＡＳＩＣ回路（特定用途向け集積回路）であってもよい。] 図２
[0023] それ故、本発明に従った電気エネルギー導入装置２１は、必要に応じて電気エネルギーをその負荷に向け、そのネットワークの周波数における十分に大きな変化が存在する場合に、その向けられるエネルギーの量を変化させる。向けられるエネルギーの量を変化させる目的は、そのネットワークにおけるエネルギー生成とエネルギー需要とを互いに一致させ、そのネットワークを運転可能な状態に維持することである。すなわち、本発明は、そのネットワークの故障耐性を向上させる。]
[0024] 上述の説明及びそれらの実施例群を考慮すると、本発明に従った実施例が多くの態様で実現され得ることは明らかである。本発明が本明細書で言及された実施例群に限定されることはなく本発明が別の多くの実施例群によって実現され得ることは明らかである。]
[0025] このように、任意の独創的な実施例が、本発明の範囲内において実施され得ることとなる。]

权利要求:

請求項1
電気モータのための電力供給装置であって、ＡＣ／ＤＣ変換器及びＤＣ／ＡＣ変換器であり、該ＡＣ／ＤＣ変換器及び該ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側が相互に接続され、該ＤＣ／ＡＣ変換器の交流側が、所望の交流を形成できるように制御可能であるところのＡＣ／ＤＣ変換器及びＤＣ／ＡＣ変換器を含み、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の交流側の周波数を監視する監視装置と、前記監視装置によって監視される周波数と参照周波数とを比較する比較手段と、前記比較手段における比較に対する反応として補正制御信号を形成する補正手段と、外部設定信号及び前記補正制御信号から前記ＤＣ／ＡＣ変換器の交流側に対する制御信号を形成する制御信号手段と、を含み、形成された前記制御信号は、前記電気モータに供給される電力の量を変化させるようにし、そしてまた、送電ネットワークにおける負荷を変化させるようにして、該電力の変化が該送電ネットワークにおける周波数を前記参照周波数の方に変化させる、ことを特徴とする装置。
請求項2
前記補正手段は、前記比較手段の比較値が閾値を超えたときに該補正手段が補正制御信号を形成するように、該閾値を用いるように構成される、請求項１に記載の装置。
請求項3
前記補正制御信号は、前記比較手段の比較値に応じて線形的に決定される、請求項２に記載の装置。
請求項4
前記補正制御信号は、前記比較手段の比較値に応じて非線形的に決定される、請求項２に記載の装置。
請求項5
前記補正制御信号は、前記比較手段の比較値の導関数に応じて決定される、請求項２に記載の装置。
請求項6
前記比較手段は、前記監視される周波数と前記参照周波数との間の差を前記比較値として形成するよう構成される、請求項４に記載の装置。
請求項7
前記制御信号手段は、前記設定信号から前記補正制御信号を減算し或いは前記設定信号に前記補正制御信号を加算するよう構成される、請求項４に記載の装置。
請求項8
前記参照周波数は、外部ソースから利用可能なように構成される、請求項４に記載の装置。
請求項9
前記参照周波数は、当該電力供給装置における内部ソースとして準備される、請求項４に記載の装置。
請求項10
前記比較手段、前記補正手段、及び前記制御信号手段は、個別の電子回路群である、請求項４に記載の装置。
請求項11
前記比較手段、前記補正手段、及び前記制御信号手段は、プロセッサユニットにおいて実行されるよう設計されるプログラムユニット群である、請求項４に記載の装置。
請求項12
前記比較手段、前記補正手段、及び前記制御信号手段は、単一のユニットに統合される、請求項４に記載の装置。
請求項13
前記比較手段、前記補正手段、及び前記制御信号手段は、ＡＳＩＣ回路である、請求項１２に記載の装置。
請求項14
当該装置は、船舶における電気モータに接続され、該モータは、プロペラに関連付けられる、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の装置。