JPS6366719B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は船舶用軸発電装置に新しい機能を付加
してよりコストパフオーマンスの高い軸発電装置
を提供するものである。

軸発電装置は発電コストの安い電力が得られる
ので最近の省エネルギー、省燃費という時代の要
請に適合した有用な発電装置として注目されてい
る。その内でもインバータ・コンバータ方式の軸
発電装置は広い主軸の回転変化範囲にわたつて定
周波定電圧の良質な電力を効率よく船内交流電力
系統に供給できるので最も注目されている。

第１図にコンバータ・インバータ方式の軸発電
装置の従来例を示す。第１図において、１は減速
機２を介し推進用プロペラ３、即ち推進軸系を駆
動する推進用主機関、４は推進軸系に機械的に結
合された軸発電機、５はダイオードで構成された
コンバータ、６は直流リアクトル、７はサイリス
タで構成されたインバータで、このコンバータ５
と直流リアクトル６とインバータ７とで電力変換
器を構成する。８は補助発電機用原動機、９はク
ラツチ、１０は補助発電機で、この原動機８とク
ラツチ９と補助発電機１０とで補助発電装置を構
成する。１１は軸発電機用励磁装置、１２は補助
発電機の自動電圧調整器（以下AVRと略す）、１
３は電力変換器のインバータ７を制御する制御装
置で、定周波数制御機能を有している。１４は制
御装置１３に設定信号を出力し、電力変換器の出
力周波数を設定する周波数設定器、１５は電圧検
出用変圧器、１６は電流検出用変流器、１７，１
８はしや断器、１９は船内交流母線、２０は船内
負荷である。

第２図に第１図の従来例の制御装置１３の構成
の一例を示す。第２図において１３−１電圧検出
用変圧器１５を介し船内交流母線１９の出力周波
数_Bを検出する周波数検出回路、１３−２は周波
数設定器１４によつて設定される軸発電装置の出
力周波数に応じた信号_Sと周波数検出回路１３−
１からの出力信号の偏差信号を増幅する周波数制
御増幅回路、１３−３は電流検出用変流器１６を
介しインバータの出力電流を検出する電流検出回
路、１３−４は周波数制御増幅回路１３−２の出
力信号と電流検出回路１３−３の出力信号との偏
差信号を増幅する電流制御増幅回路、１３−５は
位相制御回路、１３−６はパルス増幅回路であ
る。

次に第１図の従来例の動作を説明すると、船舶
の停泊中あるいは出入港時はクラツチ９により補
助発電機１０と原動機８が結合され、補助発電機
１０が運転される。発生電力はしや断器１８、船
内交流母線１９を経て船内負荷２０へ供給され
る。

船舶が外洋へ出て軸発電機４が使用可能な状態
になるとしや断器１７が投入され、次いで軸発電
機用励磁装置１１により軸発電機４の界磁巻線が
励磁され軸発電機４が発電を開始する。軸発電機
４の発生する交流電力はコンバータ５で直流電力
に変換され、直流リアクトル６で平滑化された
後、インバータ７で周波数設定器１４の設定信号
に応じた一定周波数の交流電力に再度変換され、
船内交流母線１９へ供給される。

制御装置１３は定周波数制御機能を有してお
り、かつ図示していないが原動機８のガバナーの
垂下特性を電子回路で模擬した特性を持たせてあ
るので、電力変換器のインバータ７は補助発電機
１０と安定に平列運転される。

そして最終的には船内負荷２０は軸発電機４へ
負荷移行され、補助発電機１０は無負荷とされた
後、クラツチ９が開となり、原動機８は切り離さ
れた後停止される。

一方、補助発電機１０はインバータ７の出力電
力により同期調相機として運転継続され、インバ
ータ７および船内負荷２０の要する無効電力を供
給する。AVR１２は船内交流母線１９の電圧を
一定に制御する。このようにして船内負荷は全て
軸発電機４から供給され、動力は全て主機関１か
ら供給される。

そして主機関の回転に変化があつても通常の変
化範囲内であるかぎりこのような構成の軸発電装
置の定周波定電圧制御機能により良質の交流電力
が安価に船舶の全航行中にわたつて供給され続け
る。

船舶が港に入る前には原動機８が始動された
後、クラツチ９が閉にされる。そして負荷が補助
発電機に移行された後、軸発電機４の励磁は停止
されしや断器１７がしや断され軸発電装置は解列
され、それ以後は補助発電機１０により全ての負
荷への電力が供給される。

以上のように構成された軸発電装置は安価に船
内交流母線に電力供給できるメリツトを有してい
るがその設備は比較的大きいものになる。

ところで主機関１の運転信頼度は補機に比べ高
いといわれるが故障が皆無とはいえず主機関１が
故障し停止した場合、軸発電装置は使用不可能と
なり大きな設備が使用不可能となつてしまう。ま
た船舶の操縦の面においても主機関が故障し停止
した場合、操縦不能に陥り漂流することになる。
このようなことが起つた場合、人命にかかわる重
大事故に発展することも考えられる。

そこで主機関が故障停止した場合、何らかの方
法で極く低速でも自力航行することができれば船
舶の安全運行の面で極めて有効であり、この種の
装置が待望されている。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、
その目的は主機関が正常な時は良好な特性を有す
る軸発電装置として動作し、一たん主機関が故障
した時は主機関に代つて船内補助発電機の電力を
利用して極く低速ではあるけれでも推進用プロペ
ラを駆動することのできる船舶用軸発電装置を提
供することにある。

本発明の一実施例を第３図に示す。

第３図において２１は主機関１の故障時に主機
関１と推進軸系とを機械的に切り離す手段のクラ
ツチ、２２は軸発電機１４の回転子の位置を検出
する回転子位置検出器、２３は軸発電機の回転速
度を検出する速度発電機、２４は軸発電機の回転
速度を設定する速度設定器である。

またコンバータ５は全ての素子がサイリスタで
構成される点が従来例と異なる。

第４図は本発明の一実施例の制御装置１３のブ
ロツク図を示す。また第４図の制御回路の動作説
明図を第５図、第６図に示す。第５図、第６図に
おいてN_o、V_o、W_oなどｎが付加してあるのはそ
れぞれ軸発電機の定格速度、定格電圧および速度
発電機の定格電圧を示す。

その他の構成要素は第１図の従来例において同
一番号を付したものと同じである。

第４図において、１３−１は第２図と同様に軸
発電装置の出力周波数を検出する周波数検出回
路、１３−２は周波数制御増幅回路、１３−３は
インバータの出力電流を検出する電流検出回路、
１３−４は電流制御増幅回路、１３−５は位相制
御回路、１３−６はパルス増幅回路でこのような
回路構成で定周波数制御機能を構成している。一
方１３−７は速度設定器２４の出力信号と速度発
電機２３の出力信号との偏差信号を増幅する速度
制御増幅回路、１３−８は速度制御増幅回路１３
−７の出力の絶対値を出力する絶対値回路、１３
−９は速度制御増幅回路１３−７の出力極性によ
りトルク発生方向の出力信号を出力するトルク方
向選択回路、１３−１０は回転子位置検出器２２
の出力信号とトルク方向選択回路１３−９の出力
信号にもとづく点弧位相のパルスを出力する点弧
位相角切換回路、１３−１１はパルス増幅回路
で、このような回路構成で定速度制御機能を構成
している。１３−１２はモード切換信号によつて
定周波数制御機能と定速度制御機能を切換える切
断回路、１３−１３はモード切換信号と回転子位
置検出器２２の出力信号とにより定速度制御機能
始動時位相制御回路１３−５を制御し、インバー
タ７を流れる電流を制御する始動制御回路であ
る。

第５図および第６図を参照しながら第４図の制
御装置１３の動作について説明する。

主機関が正常で通常の軸発電装置として動作す
る場合、制御装置１３は軸発モードすなわち、切
換回路１３−１２の接点をｂ接点側として運転さ
れる。また、軸発電機４の回転速度N_SGと出力電
圧V_SGの関係は第５図で示されるものとする。そ
して軸発電装置の運転範囲がN_nio＜N_SG＜N_naxで
あるものとする。軸発電機４の励磁装置１１は第
５図の特性を満足するように軸発電機４の励磁電
流を制御するものとする。一方、軸発電機４の回
転速度検出用の速度発電機２３の出力電圧Ｗと軸
発電機４の回転速度N_SGの関係は第６図で示され
る。

正常運転中の軸発モードは速度設定器２４の速
度設定信号W_Sは零に保たれ、また切換回路１３
−１２は軸発側のｂ接点側にあるので、電流制御
増幅回路１３−４への設定入力は周波数制御増幅
回路１３−２が接続されている。主機関１の回転
速度が上昇し軸発電機４の回転速度N_SGが正回転
N_nioを越えた時軸発電機の運転開始指令が出され
ると、制御装置１３が動作を開始する。

周波数制御増幅回路１３−２は周波数設定器１
４の周波数設定信号_Sと電圧検出用変圧器１５を
介し周波数検出回路１３−１によつて得られた船
内交流母線１９の周波数信号_Bとの偏差信号に応
じた電流設定信号を増幅し切換回路１３−１２を
経て電流制御増幅回路１３−４に出力する。電流
制御増幅回路１３−４はこの電流設定信号と電流
検出回路１３−３で検出した電流値が一致するよ
うに制御信号を位相制御回路１３−５に出し、位
相制御回路１３−５はその信号に応じて出力パル
スの位相を変化する。パルス増幅回路１３−６は
このパルスを増幅しインバータを構成するサイリ
スタを点弧させる。つまり、位相制御回路１３−
５の入力電圧が方向に増加すればインバータの
点弧位相角は進み（α角減少）、逆に方向に減
少すれば遅れる（α角増加）。第７図に位相制御
回路１３−５の特性の一例を示す。

一方、コンバータ側の制御は速度制御増幅回路
１３−７への速度設定器２４の速度設定信号W_S
は前述したように零であり、速度発電機２３から
の速度信号Ｗは負の値なので、速度制御増幅回路
１３−７の出力には負の出力信号が発生する。ト
ルク方向選択回路１３−９は負の入力信号で逆転
方向のトルクを指令するので、点弧位相切換回路
１３−１０は逆転方向トルクを出すべき点弧位相
のパルスを発生する。この点弧位相のパルスはパ
ルス増幅回路１３−１１で増幅した後コンバータ
５を構成するサイリスタを全点弧させるように働
く。つまり、正方向に回転している軸発電機に逆
方向トルクを出す位相の電流を流すわけだからコ
ンバータ５は順変換動作（整流器動作）となり、
従来と同様に交流電力を直流電力に変換する。

今、周波数制御増幅回路１３−２への周波数設
定_Sより実際の周波数_Bが低下した場合は電流制
御増幅回路１３−４への電流設定信号の正入力電
圧が増加するので、電流制御増幅回路１３−４の
出力は方向に増加する。位相制御回路１３−５
はそれに応じてインバータ７の点弧位相を進ませ
制御遅れ角αを減少させ電流を増すようになる。
なお、始動制御回路１３−１３は軸発モードでは
動作しない。この動作は正常運転中のインバータ
動作においてはインバータの直流入力端子に現れ
る直流電圧を減少させて電流を流れ易くしてイン
バータ７の電流を増加させる作用となるので、イ
ンバータは変換電力を増し出力周波数を増加させ
る。逆に周波数_Bが上昇したら逆の動作で出力周
波数を減少させる。

以上説明したように軸発電機の回転速度N_SGが
N_nio＜N_SG＜N_naxの範囲にあり、制御装置１３の
動作モードが軸発モードの場合は従来の軸発電装
置と同等の性能の軸発電装置として動作する。い
わゆる制御装置１３は定周波数制御装置を形成す
る。

次に主機関１が故障した場合の動作について説
明する。この場合制御装置１３は非常航行モード
となり切換回路１３−１２は推進側のａ接点側に
切換り、電流制御増幅回路１３−４は周波数検出
回路１３−１と周波数制御増幅回路１３−２との
動作に無関係となる。そして船内交流母線１９へ
は補助発電機１０の発生する電力が供給され、そ
の周波数_Bは原動機８のガバナーで制御されてい
る。この船内交流母線１９の交流電力をインバー
タ７、直流リアクトル６、コンバータ５を経て軸
発電機４に供給し、軸発電機４で機械動力に変換
し、減速機２を介し推進用プロペラ３を逆駆動し
ようとするものである。そしてこの時クラツチ２
１は開状態にして主機関１を推進軸系から切り離
す。これは故障した主機関１を切離すという意味
の他、その回転に要する機械損を無くし、推進用
プロペラ３に供給される回転力を増すという重要
な意味がある。

今、正回転駆動（前進）の場合、速度制御増幅
回路１３−７への速度設定器２４の速度設定信号
W_Sは正の値に設定されるので、速度制御増幅回
路１３−７の出力は正となり、トルク方向選択回
路１３−９は正転方向のトルクを指令し点弧位相
角切換回路１３−１０、パルス増幅回路１３−１
１によりコンバータ５のサイリスタは正転方向ト
ルクを出す点弧位相で点弧される。一方、絶対値
回路１３−８は速度制御増幅回路１３−７の出力
の絶対値（速度偏差の絶対値）を出力し、電流制
御増幅回路１３−４に印加するのでインバータ７
のサイリスタは電流制御増幅回路１３−４、位相
制御回路１３−５、パルス増幅回路１３−６の作
用でその値に応じた点弧位相で点弧される。従つ
てインバータ７、コンバータ５のサイリスタは適
宜点弧され電流が流れるので、軸発電機４は正回
転方向のトルクにより正回転方向に回転し始め、
減速機２を介して推進用プロペラは駆動される。
この場合コンバータ５は逆変換動作（インバータ
動作）をしていることになる。一方、インバータ
７は軸発モードと同様位相制御回路１３−５の入
力電圧が方向に増加すれば点弧位相を進ませ
（α減少）電流を増す動作をする。

非常航行モードではインバータ７は順変換動作
（整流器動作）となり、電力は補助発電機１０→
船内交流母線１９→インバータ７→直流リアクト
ル６→コンバータ５→軸発電機４と供給される。
またコンバータ５の転流は回転子位置検出器２２
の出力によつて直流電流の断続および軸発電機電
圧で行なわれる。

非常航行モードにおける制御装置１３の動作の
重点は速度設定信号W_Sと速度発電機２３の速度
信号Ｗの偏差の極性に応じてコンバータ５の点弧
位相を切換えて発生すべきトルクの方向を決定
し、かつ速度偏差の絶対値に比例した電流を流し
てトルクの大きさを制御する点にある。いわゆる
制御装置１３は定速度制御装置を形成する。

またプロペラの要するトルクが回転速度の約２
乗に反比例して減少するので、主機に比べて小容
量の軸発電機でプロペラの低速駆動が可能とな
る。

以上述べたように非常航行モードでは船内補助
発電機の電力を使用してプロペラを低速駆動する
ことにより船舶の完全な漂流を防ぎ最低限の安全
性を保つことが可能となる。

なお、主機関の推進軸からの切離しにはクラツ
チ２１を設けず、非常時のみカツプリングのボル
トをはずす等の手段で結合を切り離すような構成
でもよい。また速度発電機２３の代りにパルス発
生器とＦ／Ｖ変換回路とを組み合せて回転速度検
出器として使用してもよいことはもちろんであ
る。条件が許せば回転子位置検出器２２をパルス
発生器に使用してもよい。

以上述べたように本発明によれば、軸発電装置
の周辺の構成要素を一部追加するのみで従来の軸
発電装置の機能は言うまでもなく、主機関の故障
時にも船内補助発電機の電力を使用して推進用プ
ロペラを低速駆動することができる軸発電装置が
得られる。

これにより主機関故障による船舶の漂流という
重大事故の発生が防止され、最低限の操縦が可能
になるので船舶の安全運行および軸発電装置の有
用性を増すという点での効果は大である。

また本発明によれば非常航行時においても推進
用プロペラの回転制御は前に詳述したとおり軸発
電装置の制御装置をもつて行なわれるので極めて
安定かつ効率良く行われる。つまり電流制御マイ
ナーループを有する定速度制御で運転されるので
直流電動機の静止レオナード制御による電気推進
に近い良好な制御特性が得られ運転は極めて円滑
かつ安定である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の船舶用軸発電装置の回路図、第
２図は第１図の電力変換器制御装置の回路図、第
３図は本発明の船舶用軸発電装置の回路図、第４
図は第３図の電力変換器制御装置の回路図、第５
図は軸発電機の回転速度対出力電圧特性図、第６
図は速度発電機出力電圧対軸発電機回転速度特性
図、第７図は位相制御回路の特性図である。 １……主機関、４……軸発電機、５……コンバ
ータ、７……インバータ、８……原動機、１０…
…補助発電機、１３……電力変換器制御装置、１
９……交流母線、２２……回転子位置検出器、２
３……速度発電機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 通常は、推進軸系を駆動する主機関により駆
   動される軸発電機の出力電力を、コンバータ・イ
   ンバータからなる電力変換器により定周波数電力
   に変換して船内交流母線に供給し、主機関故障時
   は、船内交流母線に接続されている補助発電装置
   の出力電力を前記電力変換器により周波数変換し
   て軸発電機で推進軸系を駆動するものにおいて、
   前記主機関故障時は、速度設定信号と軸発電機の
   速度信号との偏差の極性に応じて前記コンバータ
   の点弧位相を切換えて発生すべきトルクの方向を
   決定し、かつ速度偏差の絶対値に比例した電流を
   流して軸発電機のトルクの大きさを制御する制御
   装置を備えたことを特徴とする船舶用軸発電装
   置。