In compliance with environmental regulations at sea and the introduction of unmanned autonomous ships, electric propulsion ships are garnering significant attention. Induction machines used as propulsion electric motor (PEM) have maintenance advantages, but speed control is very complicated and difficult. One of the most commonly used techniques for speed control is DTC (direct torque control). DTC is simple in the reference frame transformation and the stator flux calculation. Meanwhile, two-level and three-level voltage source inverters (VSI) are predominantly used. The three-level VSI has more flexibility in voltage space vector selection compared to the two-level VSI. In this paper, speed is controlled using the DTC method based on the specifications of the PEM. The speed controller employs a PI controller with anti-windup functionality. In addition, the characteristics of the two-level VSI and three-level VSI are compared under identical conditions. It was confirmed through simulation that proper control of speed and torque has been achieved. In particular, the torque ripple was small and control was possible with a low DC voltage at low speed in the three-level VSI. The study confirmed that the application of DTC, using a three-level VSI, contributes to enhancing the system's response performance.

직류전동기는 속도제어가 간단하고, 출력 토크특성이 우수한 장점으로 윈치나 카고 펌프 모터 등으로 선박에서 많이 사용되었으며, 전기추진선박이 도입된 초기에는 선박용 추진전동기로도 적용되었다. 하지만 브러시와 정류기와 같은 기계적 정류장치의 단점으로 인해 최근에는 직류전동기와 전기적인 특성은 매우 유사하지만 기계적인 정류장치를 설치하지 않고 반도체 소자를 이용한 전자적인 정류장치를 사용하는 브러시리스 직류전동기의 사용이 증가하고 있다. 기존의 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 인버터 시스템은 2 상여자방식을 사용하므로 역기전력파형이 사다리꼴모양으로 되며, 이로인해 전류가 흐르는 권선이 바뀌는 상전류 전환 구간에서 고조파와 토크리플이 발생하게 된다. 이러한 고조파와 토크리플을 저감하기 위한 다양한 방안이 연구되어 발표되었으며, 본 연구에서는 전력분 석프로그램을 이용하여 브러시리스 직류전동기의 구동회로에 비례적분 속도전류제어기 알고리즘을 구현한 Cascaded H-Bridge 멀티레벨 인버터를 적용하였다. 모델링한 브러시리스 직류전동기의 시뮬레이션을 통해 제안하는 전동기의 구동방식을 적용하는 경우에 기존의 구동방식에 비해 전동기 입력측 전압파형 개선과 고조파 및 토크리플이 현저히 저감되는 결과를 확인할 수 있었다.

Recently, the outboard engine system of internal combustion engine is widely used in the field of small ship propulsion. However, the internal combustion engine has serious problems of energy depletion and environmental problems, so electric propulsion methods are being studied. In this paper, we have developed important motors and controllers of electric propulsion system for small marine outboard motors. The motor design was performed through the motor characteristics analysis method, and the 30Kw system was developed through the BEMF processing circuit and the power conversion circuit by the embedded microprocessor. This study was carried out through government supported projects and achieved quantitative targets through accredited institutions.

근래에 전기추진선박의 필요성이 대두되고 있으며 특수선박을 시작으로 건조가 증가되고 있는 실정이다. 하지만 선박은 운항 환경에 따라 추진기의 출력 토크 및 속도의 변동이 심하므로 전기추진시스템에 큰 영향을 미친다. 대표적으로 출 입항시, 정상상태의 대양 항해시, 황천 항해시에 선박 추진시스템의 토크 및 속도 변동이 짧지만 빈번하게 변동하게 되므로 전기추진시스템의 전력변환장치에서 전류 및 전압파형에 고조파가 크게 포함되어 발전기, 변압기, 컨버터, 인버터 및 추진전동기에 손실의 증가, 기기의 열화 및 토크 맥동 발생 등의 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 선박의 운항 환경에 따른 추진시스템의 전류 및 전압파형에 포함되는 고조파 함유율을 분석하였다. 분석 결과 저속 영역에서의 잦은 속도 및 부하 변동에 따라서 전동기에 공급되는 전류 및 전압 파형에 포함된 총 고조파 왜형율과 전동기의 토크 맥동이 증가됨을 확인할 수 있었다.

국제해사기구(IMO)에서는 해양 환경보호를 위해 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX), 이산화탄소(CO2) 등의 선박 배기가스 배출 규제를 강화하고 있으며, 특히 미국, 유럽을 중심으로 배출가스통제구역(Emission Control Area, ECA)을 설정하여 운용하고 있다. 이러한 환경 규제의 대응방법으로서 친환경·고효율 선박에 대한 요구가 커지면서 배출가스를 줄일 수 있는 전기추진시스템 관련 연구 및 기술에 대한 관심이 늘어나고 있다. 컨테이너선과 같은 상선은 경제속도 운항의 이유로 전기추진시스템의 적용대상에서 벗어나 있었으나, 앞으로 배기가스 배출 규제가 강화되고 4차 산업혁명 기술로 대표되는 빅데이터, IoT 기술을 적용한 자동화 시스템이 선박에 적용되기 위해서는 모니터링 및 제어가 쉬운 전기추진시스템이 필요할 것으로 전망된다. 따라서 본 논문에서는 6,800TEU 컨테이너 선박을 대상으로 전기추진시스템을 적용하기 위해서 기존 컨테이너 선박의 부하분석을 통해 부하분석 기반의 발전기 및 배터리 용량 설계를 목표로 연구를 진행하였다. 부하분석기반으로 설계된 시스템은 배터리를 이용한 부하분배제어를 통해 발전기가 높은 효율구간에서 운용할 수 있다는 장점이 있다.