CN108698680A - 船舶用电推进装置和用于船舶用电推进装置的推进力控制装置 - Google Patents

船舶用电推进装置和用于船舶用电推进装置的推进力控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供船舶用电推进装置和用于船舶用电推进装置的推进力控制装置。本发明的目的在于降低船舶航行时产生的能量损失而进行高效率的推进力控制。在电推进装置(10)中，在第一控制模式中，调速控制部(35A)将发动机33的旋转速度维持为第一设定速度N1(750min－1)，CPP控制部(35B)将CPP(31)的螺距可变控制为目标螺距。另外，在第二控制模式中，CPP控制部(35B)将CPP(31)维持为基准螺距(αa)，调速控制部(35A)以沿着船舶用特性曲线(L1)的方式在从第一设定速度(N1)到第二设定速度(N2(900min－1))的发动机速度范围内控制发动机(33)的旋转速度。

Description

船舶用电推进装置和用于船舶用电推进装置的推进力控制 装置
技术领域
本发明涉及向可变螺距螺旋桨供给电动力来推进船舶的船舶用电推进装置以及应用于所述船舶用电推进装置的推进力控制装置。
背景技术
作为使船舶所具备的螺旋桨旋转而推进船舶的推进装置，获得由与内燃机连结的发电机的电力驱动的电动机的旋转驱动力而使所述螺旋桨旋转的船舶用电推进装置已为公众所知。例如，在专利文献1中公开了可变螺距螺旋桨(controllable pitch propeller：CPP。以下，简称CPP。)与所述电动机的输出轴连结，通过调整CPP的螺距(翼角)来增减船舶的推进力的电推进装置。
作为船舶的主发动机使用的柴油发动机等的内燃机，考虑到船舶的所谓船舶用特性，决定其额定输出等的规格。一般来说，当将纵轴设为主发动机的发动机功率，横轴设为船舶的船速时，发动机功率与船速之间的关系能够用三次方曲线表示。该三次方曲线作为表示所述船舶用特性的曲线(以下，有时称为船舶用特性曲线。)已广为公众所知。即，所述船舶用特性是指主发动机的发动机功率与船舶的船速的三次方成比例的关系。此外，由于存在基准螺距时的螺旋桨转速与船速大致成比例的关系，所述船舶用特性曲线有时用纵轴为主发动机的发动机功率、横轴为螺旋桨转速(或者主发动机的转速)的三次方曲线表示。
此处，图5表示使用CPP作为船舶推进装置时的所述CPP的各螺距的船舶用特性曲线的一例。在图5中，纵轴为主发动机的发动机功率，横轴为螺旋桨转速。另外，图5中用实线表示CPP的能够取得的各螺距αk(k＝1、2、……、11)的船舶用特性曲线。一般来说，期望船舶在实际的航海中遭遇的各种海象中高效率地航运。另外，船舶寿命长，当受到老化等影响而船体和主发动机的性能降低时，船舶用特性也发生变化，但是期望船舶即使在其船舶用特性变化的情况下，也能够在其较长的寿命中综合高效率地航运。在图5的例子中，将满足船舶航海中常用的航行条件中燃料消耗效率最佳的条件(例如，基准螺距为αa，发动机功率为Pa，螺旋桨转速为Na)的点T1设为CPP的螺旋桨设计点，用虚线表示穿过该螺旋桨设计点T1的船舶用特性曲线L1。一般来说，考虑到所述螺旋桨设计点T1处的发动机功率Pa和螺旋桨转速Na，设计CPP的基准螺距αa、直径、翼型等，以便获得燃料消耗效率好的船速。
以往，作为利用使用了CPP的电推进装置控制船舶的船速的方法，自动地控制船速的自动船速控制装置(Automatic Speed Control：ASC)已为公众所知。在由于海象变化等而实际的船速相对于目标速度变化的情况下，自动船速控制装置控制螺旋桨转速(主发动机的转速)或者CPP的螺距中的任意一个，另一方面，或者控制螺旋桨转速以及螺距两者，将船速控制为保持目标速度。图6是将等船速曲线Vk(k＝1、2、……)重叠到图5上的图。例如，在实际的船速降低到比通常航行时的目标速度V2低的船速Vs的情况下，在使螺旋桨转速一定而使螺距变化来控制船速的情况下，如图6中箭头D1所示，船速增大。另一方面，在使螺距一定而控制螺旋桨转速的情况下，如图6的箭头D2所示，船速沿着船舶用特性曲线增大。
专利文献1：日本特开2007-131081号公报
发明内容
但是，图6所示的等船速曲线Vk是连结变为规定的船速的发动机功率与螺旋桨转速的点的曲线，描绘研钵状的曲线。如图6所示，在各等船速曲线中，最底的部分是燃料消耗效率最佳、发动机功率最小的点。由图6可知，穿过螺旋桨设计点T1的船舶用特性曲线L1与连结等船速曲线Vk的各底部的曲线大致一致。如图6所示，例如在进行将螺旋桨转速维持为一定(例如Na)而变更螺距的控制的情况下，在螺旋桨转速Na中，等船速曲线Vk呈现船速越低越向右上升的趋势，且呈现船速越大越向右下降的趋势。但是，由于以往的自动船速控制装置并不根据船速不同的等船速曲线的特性进行船速控制，因此根据能够采取的控制方法的不同，船速控制时燃料消耗量有可能会极端增大。一般来说，由于发动机功率与船速的三次方成比例，因此，在相对于船速的增加量而需要增加三倍的发动机功率的情况下，燃料消耗量也相对于船速的增加量变为大致三倍，可能会产生燃料消耗效率显著恶化这样的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够降低船舶航行时产生的能量损失而进行高效率的推进力控制的船舶用电推进装置以及推进力控制装置。
(1)本发明提供一种向可变螺距螺旋桨供给电动力来推进船舶的船舶用电推进装置。所述船舶用电推进装置具备：发电装置，通过在内燃机的输出轴连接发电机而构成；电动机，由所述发电装置所产生的交流电旋转驱动，向所述可变螺距螺旋桨供给所述电动力；以及控制装置，基于从船舶的操纵装置输入的速度指令信号，将所述可变螺距螺旋桨的螺距以及所述内燃机的旋转速度控制为与所述速度指令信号相应的目标值。
所述控制装置具有：旋转速度控制部，在从预定的第一设定速度到第二设定速度的速度范围内控制所述内燃机的旋转速度，以便产生从预定的第一频率到第二频率的频带的交流电；以及螺距控制部，控制所述可变螺距螺旋桨的螺距。
在所述速度指令信号在预定的基准范围外的情况下，所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第一设定速度或者所述第二设定速度中的任意一个，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距，在所述速度指令信号在所述基准范围内的情况下，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨的螺距与所述速度范围地维持为预定的基准螺距，所述旋转速度控制部以沿着由所述内燃机的发动机功率以及所述可变螺距螺旋桨的螺旋桨转速决定的船舶用特性曲线的方式将所述内燃机控制为与所述目标值相应的旋转速度。
一般来说，船舶在港湾内或特定的航路中速度被限制。因而，当船舶在港湾内航行时，船舶用电推进装置在其输出范围内输出较低的区域旋转驱动螺旋桨。另一方面，当驶出港湾在外海航行时，不对船舶强加速度限制。因此，在船舶驶出到外港后，船舶用电推进装置在其输出范围内输出较高的区域，以燃料消耗效率最佳的条件旋转驱动螺旋桨。除了如拖船这样在港湾内作业的船舶之外，多数船舶在外海以高输出航行的时间比在港湾内以低输出航行的时间长。因此，一般来说，船舶中的船舶用特性是以在外海中的航行为基准而确定的。
在本发明的船舶用电推进装置中，鉴于船舶的使用状况，在来自操纵装置的速度指令信号在所述基准范围外的情况下，所述控制装置的所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第一设定速度或者所述第二设定速度中的任意一个，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距。例如，在所述速度指令信号比所述基准范围的下限值低的情况下，所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第一设定速度，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距。另外，在所述速度指令信号比所述基准范围的上限值高的情况下，所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第二设定速度，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距。
一般来说，在小于第一设定速度的速度区域中，存在难以通过内燃机的旋转速度控制船速，即使有时能够控制效率也会变差。因此，在小于所述第一设定速度的速度区域中，将所述旋转速度维持为所述第一设定速度，并控制可变螺距螺旋桨的螺距，由此能够实现能量损失低的高效率的推进力控制。
另一方面，在所述速度指令信号在所述基准范围内的情况下，所述控制装置的所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨的螺距与所述速度范围对应地维持为预定的基准螺距，所述旋转速度控制部将所述内燃机控制为与所述目标值相应的旋转速度，以便沿着由所述内燃机的发动机功率以及所述可变螺距螺旋桨的螺旋桨转速决定的船舶用特性曲线。在所述速度范围内，通过内燃机的旋转速度控制船速较容易，而且燃料消耗效率好。因此，通过在所述速度范围内将可变螺距螺旋桨维持为基准螺距，并在所述速度范围内可变控制所述旋转速度，实现了能量损失低的高效率的推进力控制。
(2)所述频带是作为商用电源供给的电源频率的允许范围。
由此，从发电装置输出的电力即使不进行频率转换也能够作为商用电源使用。因此，能够从该电力母线直接向船内使用的被电动驱动的负载设备供给电力。即，在本发明的船舶用电推进装置中，无需设置进行频率转换的变频器等，就能够向所述负载设备供给电力。
(3)此外，优选所述第一频率为50Hz，所述第二频率为60Hz。
一般来说，作为通用品的电磁接触器和断路器等电路保护器、船内使用的电气设备被标准设计成以50Hz～60Hz的交流电驱动，不能保证以除此之外的频率(例如40Hz)的交流电驱动。因此，只要所述频带为50Hz～60Hz，作为电路保护器和电气设备，就能够使用通用性高且价格便宜的产品。
(4)另外，优选所述船舶用特性曲线近似于连结所述船舶的等船速曲线的最小点的曲线。
(5)另外，本发明提供一种推进力控制装置，应用于船舶用电推进装置，所述船舶用电推进装置具备：发电装置，通过在内燃机的输出轴连接发电机而构成；以及电动机，由所述发电装置所产生的交流电旋转驱动，向可变螺距螺旋桨供给电动力，所述船舶用电推进装置向所述可变螺距螺旋桨供给所述电动力来推进船舶，所述推进力控制装置基于从船舶的操纵装置输入的速度指令信号，将所述可变螺距螺旋桨的螺距以及所述内燃机的旋转速度控制为与所述速度指令信号相应的目标值。
所述推进力控制装置具有：旋转速度控制部，在从预定的第一设定速度到第二设定速度的速度范围内控制所述内燃机的旋转速度，以便产生从预定的第一频率到第二频率的频带的交流电；以及螺距控制部，控制所述可变螺距螺旋桨的螺距。
在所述速度指令信号在预定的基准范围外的情况下，所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第一设定速度或者所述第二设定速度中的任意一个，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距，在所述速度指令信号在所述基准范围内的情况下，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨的螺距与所述速度范围对应地维持为预定的基准螺距，所述旋转速度控制部以沿着由所述内燃机的发动机功率以及所述可变螺距螺旋桨的螺旋桨转速决定的船舶用特性曲线的方式将所述内燃机控制为与所述目标值相应的旋转速度。
根据本发明，在船舶用电推进装置中，能够降低船舶航行时产生的能量损失而进行高效率的推进力控制。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式的电推进装置的概要结构的结构图。
图2是表示电推进装置的螺旋桨转速与发动机功率之间的关系的船舶用特性曲线、以及表示螺旋桨转速、发动机功率与船速之间的关系的等船速曲线的曲线图。
图3是表示电推进装置的船速指令、控制模式(控制状态)、发动机转速、发电机频率、电动机转速、减速比、螺旋桨转速、螺距(翼角)各自的对应关系的图。
图4是表示由电推进装置的控制装置执行的推进力控制处理的顺序的一例的流程图。
图5是表示用于说明以往的控制方法的船舶用特性曲线的曲线图。
图6是表示用于说明以往的控制方法的船舶用特性曲线以及等船速曲线的曲线图。
具体实施方式
下面，适当参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，以下的各实施方式只不过是将本发明具体化的一例而已，并非用以限定本发明的技术范围。
本发明的实施方式的电推进装置10(本发明的船舶用电推进装置的一例)由电动机39产生的电驱动力使作为船舶的推进机构的可变螺距螺旋桨31(以下简称为“CPP31”。)旋转而产生船舶的推进力的装置。如图1所示，该电推进装置10具备：柴油发动机33(本发明的内燃机的一例，以下简称为“发动机33”。)、发电机37(本发明的发电机的一例)、电动机39(本发明的电动机的一例)、减速机41以及总体地控制电推进装置10的动作的控制装置35(本发明的控制装置、推进力控制装置的一例)。此外，由发动机33和发电机37实现本发明的发电装置。
因此，本发明的船舶用电推进装置能够应用于使用CPP进行推进的所有的船舶，例如，能够广泛地应用于集装箱船和油轮等货船、渡轮和客船等客船、海洋调查船等进行海上作业的特殊船、航海练习船、用于渔业的渔船等的船舶。
发动机33在船舶中被用作向发电机37供给旋转驱动力的驱动源，例如，是发动机功率为几百kW～几千kW的大型柴油发动机。在发动机33设置有电子调速器34。电子调速器34由控制装置35所具备的调速控制部35A(本发明的旋转速度控制部的一例)控制。具体地说，电子调速器34根据从调速控制部35A输入的信号变更燃料齿条位置，调整发动机33的燃料喷射泵的喷射量。由此，变更发动机33的旋转速度。另外，在发动机33设置有检测发动机33的旋转速度的速度传感器24。由速度传感器24检测到的速度信号被反馈到控制装置35。此外，在本实施方式中，作为内燃机的一例例示了发动机33，但不限定于此，只要是像燃气发动机和燃气轮机等那样能够输出旋转驱动力的内燃机，便能够应用各种类型的内燃机，来替代发动机33。另外，速度传感器24也可以是例如根据发电机37的发电频率检测速度的传感器。
发电机37与发动机33的输出轴48连接。发电机37的输入轴通过未图示的联接器(联轴器)与发动机33的输出轴直接连结，发动机33的输出轴48的旋转驱动力直接传递到发电机37。发电机37接受从发动机33的输出轴48传递的旋转驱动力而旋转，产生与其旋转速度相应的频率的交流电。具体地说，发电机37是八极三相同步发电机。在本实施方式中，对于极数为八极的发电机37，由控制装置35旋转控制为发动机33的旋转速度在750min－1(＝第一设定速度N1)到900min－1(＝第二设定速度N2)的发动机速度范围内。
此处，一般来说，由于在轴转速N、频率f和极数P之间存在N＝120f/P(min－1)的关系，所以通过在所述发动机速度范围(750min－1～900min－1)内控制发动机33的旋转速度，发电机37产生并输出频率f为50Hz(＝第一频率F1)～60Hz(＝第二频率F2)的频带范围内的交流电。具体地说，当发动机33的旋转速度为750min－1时，发电机37产生50Hz的交流电，当发动机33的旋转速度为900min－1时，发电机37产生60Hz的交流电。
发电机37的输出侧经由断路器54与公用的电力母线连接。因此，由发电机37产生的交流电在断路器54闭合的状态下流入所述电力母线。
通过送配电用的电力电缆等的供电电路51从所述电力母线向电动机39供给电力。为了保护电路及设备不受过电流的影响，在从所述电力母线到电动机39的供电电路51设置有ACB(Air Circuit Breaker：低压空气断路器)、MCCB(Molded Case Circuit Breaker，模制壳体电路断路器)等的断路器。
另外，从所述电力母线并联设置与供电电路51不同的供电电路52。供电电路52用于向船舶中使用的被电动驱动的负载设备58供给电力。负载设备58例如相当于用于船舶的电动泵和电动阀、马达、操纵装置、警报装置等的各种电气设备。另外，负载设备58例如相当于与船内电源连接使用的电气设备。
此外，在本实施方式中，在供电电路51、52都不设置将由发电机37产生的交流电的频率转换为其他频率的变频器等频率转换装置。
但是，与所述电力母线、供电电路51、52连接的开关和负载设备58都设计成适合商业电源的电源频率。日本和很多国家提供50Hz以及60Hz的商用电源。也就是说，作为商用电源供给的电源频率的允许范围为50Hz～60Hz的范围。在本实施方式中，如上所述，由于只将发动机33的旋转速度控制在750min－1～900min－1之间，所以发电机37的频率的变动为50Hz～60Hz。也就是说，发电机37产生频率f为50Hz～60Hz的频带的交流电。因此，与所述电力母线、供电电路51、52连接的开关和断路器等电路保护器、以及从供电电路52接受电力供给的负载设备58能够应用被标准设计成以50Hz～60Hz的交流电动作的通用性高且廉价的产品。
电动机39由输入的规定的频率的交流电旋转驱动。具体地说，电动机39是利用六极的笼形转子的所谓笼形三相感应电动机。当被输入通过供电电路51或者供电电路52中的任意一个电路供给的交流电时，电动机39以与所输入的交流电的频率相应的旋转速度旋转驱动。在本实施方式中，通过输入50Hz的交流电，电动机39以1000min－1的旋转速度旋转，通过输入60Hz的交流电，电动机39以1200min－1的旋转速度旋转。此外，在感应电动机中，由于转子的旋转速度产生滑动，所以电动机39的输出轴的实际的旋转速度为从上述旋转速度减去滑动速度而得的速度。在以下的说明中，为了便于说明，不考虑所述滑动速度对电动机39的旋转速度进行说明。
减速机41通过未图示的传递齿轮与电动机39的输出轴连结。减速机41以规定的减速比对电动机39的旋转速度进行减速，并朝CPP31的螺旋桨轴49传递。在本实施方式中，减速机41的减速比设定为7.69。因此，当电动机39以1000min－1的旋转速度旋转时，CPP31以130min－1的旋转速度旋转，当电动机39以1200min－1的旋转速度旋转时，CPP31以156min－1的旋转速度旋转。
CPP31是沿着其旋转轴方向产生推力而获得推进船舶的推进力的推进器。CPP31是能够自由变更叶片31A的螺距的螺旋式推进器。在维持一定的旋转方向以及一定的转速的状态下，通过调节叶片31A的螺距而产生任意的前后方向的推进力。CPP31具备螺距调节机构31B。CPP31所具备的多个叶片31A通过螺距调节机构31B相对于螺旋桨轮毂摆动自如地安装，利用螺距调节机构31B使CPP31的螺距(翼角)变化、也就是进行调节，由此能够使CPP31的螺距变化。通过由控制装置35所具备的后述的CPP控制部35B(本发明的螺距控制部的一例)控制螺距调节机构31B来调节CPP31的螺距。
控制装置35是控制电推进装置10，从而控制电推进装置10对船舶赋予的推进力的装置，执行后述的推进力控制处理。具体地说，控制装置35基于从船舶的操纵手柄15(本发明的操纵装置的一例)输入的速度指令信号(船速指令信号)，将CPP31的螺距以及发动机33的旋转速度控制为与所述速度指令信号对应的目标值(目标螺距或者目标转速)。控制装置35具有由CPU、ROM、RAM等构成的微型运算机、主控制板、PLC等的运算装置，由该运算装置执行所述推进力控制处理。
控制装置35具有调速控制部35A和CPP控制部35B。调速控制部35A和CPP控制部35B是控制装置35中通过所述运算装置执行所述ROM内的控制程序而实现的功能部。此外，调速控制部35A和CPP控制部35B也可以由IC等集成电路实现。
操纵手柄15通过信号线等与控制装置35连接。在操纵手柄15除了刻有“NEUTRAL(中立)”的刻度之外，针对前进以及后退均刻有表示船速的四个刻度“DEADSLOW(微速)”、“SLOW(低速)”、“HALF(中速)”、“FULL(高速)”。通过在所述刻度的范围内操作操纵手柄15，与各船速对应的电信号(电报信号)从设置于操纵手柄15的电位计通过所述信号线输入到控制装置35。该电信号是所述速度指令信号。该电信号表示与操纵手柄15的操作位置相应的目标值(目标螺距或者目标转速)，控制装置35将CPP31的螺距以及发动机33的旋转速度控制成为所述目标值。所述目标值存储于控制装置35的RAM等存储装置。
在本实施方式中，从操纵手柄15向控制装置35作为所述电信号输出4mA～20mA的范围的电流信号。例如，当操纵手柄15处于中立位置时输出4mA的信号。另外，当从中立位置向前进侧操作操纵手柄15时，根据该操作位置，输出用于指示后述的第一控制模式下的控制的第一电信号(4mA～10mA)、用于指示后述的第二控制模式下的控制的第二电信号(10mA～18mA)以及用于指示后述的第三控制模式下的控制的第三电信号(18mA～20mA)。此处，用于指示所述第二控制模式下的控制的所述第二电信号的范围(range)是本发明的基准范围的一例。此外，上述的电信号只是一例而已，该信号方式不限定于上述方式。
调速控制部35A在从预定的所述第一设定速度N1(750min－1)到第二设定速度(900min－1)的所述发动机速度范围内控制发动机33的旋转速度，以使发电机37产生从预定的所述第一频率F1(50Hz)到所述第二频率F2(60Hz)的频带的交流电。调速控制部35A将发动机33控制为与后述的第一控制模式到第三控制模式相应的旋转速度。具体地说，调速控制部35A变更设置于发动机33的电子调速器34的燃料齿条位置，根据所述各控制模式调整燃料喷射泵的喷射量，由此，在所述第一设定速度N1到第二设定速度(900min－1)的所述发动机速度范围内控制发动机33的旋转速度。
CPP控制部35B驱动螺距调节机构31B而将叶片31A控制为任意的螺距。在本实施方式中，能够使CPP31的叶片31A在螺距0～αmax之间变化。此处，将CPP31的叶片31A的基准螺距设为αa。在本实施方式中，在船舶的前进控制时，CPP控制部35B在螺距0～αmax的范围调节叶片31A，使其成为与后述的第一控制模式～第三控制模式相应的螺距。此外，在船舶的后退控制时，CPP控制部35B在螺距αmax～0的范围内调节叶片31A。
此处，所述第一控制模式是如下的控制模式：将发动机33的旋转速度维持为所述第一设定速度N1进行旋转，在0～αa的范围内控制CPP31的螺距，使其成为与来自操纵手柄15的所述速度指令信号相应的目标值。在该第一控制模式中，能够在图2的箭头D1所示的范围内控制船速。此外，所述第一设定速度N1能够任意地决定，但是在本实施方式中，所述第一设定速度N1被确定为发电机37中能够产生所述第一频率F1的电力的旋转速度(750min－1)。另外，所述第二控制模式是如下的控制模式：在从所述第一设定速度N1到所述第二设定速度N2的所述发动机速度范围内，根据与操纵手柄15的操作位置相应的所述速度指令信号变更发动机33的旋转速度，将CPP31的螺距固定为所述基准螺距αa。在该第二控制模式中，能够在图2的箭头D2所示的范围内控制船速。此外，所述第二设定速度N2被确定为在船舶航海中常用的航行条件中燃料消耗效率最佳的条件下使用的旋转速度(900min－1)。另外，所述第三控制模式是如下的控制模式：将发动机33的旋转速度维持为所述第二设定速度N2进行旋转，在αa～αmax的范围内控制CPP31的螺距，使其成为与来自操纵手柄15的所述速度指令信号相应的目标值。在该第三控制模式中，能够在图3的箭头D3所示的范围内控制船速。
在本实施方式中，如图2和图3所示，控制装置35在所述第一控制模式中，将发动机33的旋转速度维持为第一设定速度N1，并将CPP31的螺距控制为与操纵手柄15的位置相应的目标螺距。换言之，在所述第一控制模式中，调速控制部35A将发动机33的旋转速度控制为维持第一设定速度N1，CPP控制部35B将CPP31的螺距可变控制为与操纵手柄15的位置相应的目标螺距。此处，图2是示出表示电推进装置10中的螺旋桨转速与发动机功率之间的关系的船舶用特性曲线L1、以及表示螺旋桨转速、发动机功率与船速之间关系的等船速曲线Vk的曲线图。在图2中，船舶用特性曲线L1近似于连结船舶的等船速曲线Vk的最小点的曲线。另外，图3是表示电推进装置10中的目标速度、控制状态、发动机转速、减速比、发电机频率、螺旋桨转速以及翼角(螺距)各自的对应关系的图。此外，由于图2中的船舶用特性曲线L1、等船速曲线Vk等与图5以及图6相同，因此省略其说明。
另外，在所述第二控制模式中，控制装置35将CPP31的螺距维持为所述基准螺距αa，并以沿着由发动机33的发动机功率以及CPP31的转速决定的船舶用特性曲线L1(参照图2)的方式在所述发动机速度范围(750min－1～900min－1)内控制发动机33的旋转速度。换言之，在所述第二控制模式中，CPP控制部35B将CPP31的螺距控制为维持所述基准螺距αa，调速控制部35A以沿着所述船舶用特性曲线L1的方式在所述发动机速度范围内将发动机33的旋转速度控制为与操纵手柄15的位置相应的目标转速。
另外，如图2和图3所示，在所述第三控制模式中，控制装置35将发动机33的旋转速度维持为第二设定速度N2，并将CPP31的螺距控制为与操纵手柄15的位置相应的目标螺距。换言之，在所述第三控制模式中，调速控制部35A将发动机33的旋转速度控制为维持第二设定速度N2，CPP控制部35B将CPP31的螺距控制为与操纵手柄15的位置相应的目标螺距。
以下，参照图4的流程图对由控制装置35执行的推进力控制处理的顺序的一例进行说明。此处，图4的S11、S12、……表示处理顺序(步骤)的编号。此外，在以下的说明中，对前进时的推进力控制处理进行说明，但后退时也同样地进行。
在操纵手柄15处于中立位置时，控制装置35控制电子调速器34，以使发动机33的旋转速度维持为第一设定速度N1(750min－1)。另外，控制装置35将CPP31变更为螺距零。以下，将如此控制的状态称为待机模式。在所述待机模式中，由于发动机33以第一设定速度N1旋转，所以发电机37产生能够作为船内电力使用的所述第一频率F1(50Hz)的电力。另外，由于CPP31的螺距为零，所以电推进装置10不赋予船舶推进力。
如果当处于所述待机模式时从中立位置向前进侧操作操纵手柄15，则控制装置35开始发动机33的旋转速度以及控制CPP31的螺距的控制，以使船舶前进。
在步骤S11中，控制装置35判定当前的控制模式是否是所述第一控制模式。能够基于从操纵手柄15输出的作为所述速度指令信号的所述电信号进行这种判定。例如，通过所述速度指令信号是否是所述第一电信号进行判定。当在步骤S11中判定为是所述第一控制模式时，处理进入步骤S12。
在步骤S12中，控制装置35的调速控制部35A基于速度传感器24的检测信号进行反馈控制(恒定速度控制)，以使发动机33的旋转速度维持为预定的750min－1(第一设定速度N1)。此时，发电机37产生与一定的旋转速度750mim－1对应的一定的频率50Hz(第一频率F1)的交流电，接受该交流电，电动机39以1000min－1的旋转速度旋转，由此，CPP31以133min－1的旋转速度旋转。
然后，在下一步骤S13中，控制装置35的CPP控制部35B在0～αa的范围内将CPP31的螺距可变控制为与操纵手柄15的位置相应的所述目标螺距。
当在步骤S11中判定为不是所述第一控制模式时，处理进入步骤S14。在步骤S14中，控制装置35判定当前的控制模式是否是所述第二控制模式。能够基于从操纵手柄15输出的作为所述速度指令信号的所述电信号进行这种判定。例如，通过所述速度指令信号是否是所述第二电信号进行判定。当在步骤S15中判定为是所述第二控制模式时，处理进入步骤S15。
在步骤S15中，控制装置35的CPP控制部35B控制螺距调节机构31B，以使CPP31的螺距维持所述基准螺距αa。
然后，在下一步骤S16中，控制装置35的调速控制部35A控制电子调速器34，在750～900min－1的范围内将发动机33的旋转速度控制为与操纵手柄15的位置相应的所述目标转速。由此，发电机37产生与发动机33的旋转速度相应的频率的交流电，该交流电被供给至电动机39。由此，在维持所述基准螺距αa不变的状态下，在130min－1～156min－1的范围内控制CPP31的旋转速度。
当在步骤S14中判定为不是所述第二控制模式时，处理进入步骤S17。在步骤S17中，控制装置35判定为当前的控制模式是所述第三控制模式，控制装置35的调速控制部35A将发动机33的旋转速度增加至预定的900min－1(第二设定速度N2)，并基于速度传感器24的检测信号进行反馈控制(恒定速度控制)，以使发动机33的旋转速度维持900min－1。此时，发电机37产生与一定的旋转速度900min－1对应的一定的频率60Hz(第二频率F2)的交流电，接受该交流电，电动机39以1200min－1的旋转速度旋转，由此，CPP31以156min－1的旋转速度旋转。
然后，在下一步骤S18中，控制装置35的CPP控制部35B在αa～αmax的范围内将CPP31的螺距可变控制为与操纵手柄15的位置相应的所述目标螺距。
此外，在步骤S13、S16、S18之后，如果操纵手柄15返回到中立位置时，则结束一系列的推进力控制处理，在不返回中立位置的情况下，反复进行步骤S11以后的处理(S19)。
这样，在本实施方式的电推进装置10中，在所述第一控制模式中，调速控制部35A将发动机33的旋转速度维持为所述第一设定速度N1(750min－1)，CPP控制部35B将CPP31的螺距可变控制为所述目标螺距，因此，能够在低速度控制区域即所述第一控制模式中，抑制船舶航行时的能量损失，并提高效率。
另外，在中速控制区域即所述第二控制模式中，CPP控制部35B将CPP31的螺距维持为所述基准螺距αa，调速控制部35A以沿着所述船舶用特性曲线L1的方式在所述发动机速度范围内将发动机33的旋转速度可变控制为所述目标转速。因此，在所述第二控制模式中，通过将CPP31的螺距维持为所述基准螺距αa，并在所述发动机速度范围控制发动机33的旋转速度，能够实现能量损失低的高效率的推进力控制。
另外，在所述高速区域即所述第三控制模式中，调速控制部35A将发动机33的旋转速度维持为所述第二设定速度N2(900min－1)，CPP控制部35B将CPP31的螺距可变控制为所述目标螺距。这样，在所述第一控制模式、所述第二控制模式以及所述第三控制模式的全部控制模式中，发电机37都不产生偏离50Hz～60Hz的范围的电力。因此，能够将发电机37产生的电力直接供给到船内使用的负载设备58。也就是说，在电推进装置10中，无需设置进行频率转换的变频器等，就能够向负载设备58供给所产生的电力。
另外，在电推进装置10中，与现有构成相比，能够减小减速机41的减速比，所以能够使减速机41小型化。其结果是，减少减速齿轮的齿轮损失，提高减速机41的减速效率，进而提高电推进装置10的效率。
此外，在上述实施方式中，例示了由一台发动机33、一台发电机37、一台电动机39以及一个CPP31构成的电推进装置10，但本发明不限定于该构成。本发明也能够应用于使用由多台发动机33以及发电机37构成的发电装置产生的交流电旋转驱动电动机39的结构的船舶用电推进装置。
另外，在上述实施方式中，例示了使发动机33在750min－1～900min－1的范围内旋转的结构，使CPP31在130min－1～156min－1的范围内旋转的结构，但是发动机33以及CPP31各自的旋转速度的控制范围只是一例而已，能够设定为任意的范围。例如，作为发动机33的旋转速度的控制范围，也可以应用600min－1～750min－1的范围或1000min－1～1200min－1的范围。

Claims (5)

1.一种船舶用电推进装置，向可变螺距螺旋桨供给电动力来推进船舶，其特征在于，
所述船舶用电推进装置具备：
发电装置，通过在内燃机的输出轴连接发电机而构成；
电动机，由所述发电装置所产生的交流电旋转驱动，向所述可变螺距螺旋桨供给所述电动力；以及
控制装置，基于从船舶的操纵装置输入的速度指令信号，将所述可变螺距螺旋桨的螺距以及所述内燃机的旋转速度控制为与所述速度指令信号对应的目标值，
所述控制装置具有：
旋转速度控制部，在从预定的第一设定速度到第二设定速度的速度范围内控制所述内燃机的旋转速度，以便产生从预定的第一频率到第二频率的频带的交流电；以及
螺距控制部，控制所述可变螺距螺旋桨的螺距，
在所述速度指令信号在预定的基准范围外的情况下，所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第一设定速度或者所述第二设定速度中的任意一个，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距，
在所述速度指令信号在所述基准范围内的情况下，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨的螺距与所述速度范围地维持为预定的基准螺距，所述旋转速度控制部以沿着由所述内燃机的发动机功率以及所述可变螺距螺旋桨的螺旋桨转速决定的船舶用特性曲线的方式将所述内燃机控制为与所述目标值相应的旋转速度。
2.根据权利要求1所述的船舶用电推进装置，其特征在于，
所述频带是作为商用电源供给的电源频率的允许范围。
3.根据权利要求2所述的船舶用电推进装置，其特征在于，
所述第一频率为50Hz，所述第二频率为60Hz。
4.根据权利要求1所述的船舶用电推进装置，其特征在于，
所述船舶用特性曲线近似于连结所述船舶的等船速曲线的最小点的曲线。
5.一种推进力控制装置，应用于船舶用电推进装置，
所述船舶用电推进装置具备：
发电装置，通过在内燃机的输出轴连接发电机而构成；以及
电动机，由所述发电装置所产生的交流电旋转驱动，向可变螺距螺旋桨供给电动力，
所述船舶用电推进装置向所述可变螺距螺旋桨供给所述电动力来推进船舶，
所述推进力控制装置基于从船舶的操纵装置输入的速度指令信号，将所述可变螺距螺旋桨的螺距以及所述内燃机的旋转速度控制为与所述速度指令信号对应的目标值，
所述推进力控制装置的特征在于，
所述推进力控制装置具有：
旋转速度控制部，在从预定的第一设定速度到第二设定速度的速度范围内控制所述内燃机的旋转速度，以便产生从预定的第一频率到第二频率的频带的交流电；以及
螺距控制部，控制所述可变螺距螺旋桨的螺距，
在所述速度指令信号在预定的基准范围外的情况下，所述旋转速度控制部将所述内燃机的旋转速度维持为所述第一设定速度或者所述第二设定速度中的任意一个，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨控制为与所述目标值相应的螺距，
在所述速度指令信号在所述基准范围内的情况下，所述螺距控制部将所述可变螺距螺旋桨的螺距与所述速度范围对应地维持为预定的基准螺距，所述旋转速度控制部以沿着由所述内燃机的发动机功率以及所述可变螺距螺旋桨的螺旋桨转速决定的船舶用特性曲线的方式将所述内燃机控制为与所述目标值相应的旋转速度。
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