JP2017123776A - 重機の制御 - Google Patents

Abstract

【課題】機械が作業を行わないときに、機械負荷損失を低減または解消し、モーターの制御が簡単であり、費用効率が高く、メンテナンスフリーな電気式駆動システムが求められている。
【解決手段】本発明は、回転作業機械Ｐは、少なくとも１台のモーターＭ１に連結され、前記モーターＭ１の回転速度は、制御システムＣによって制御されるように構成されている。前記回転作業機械Ｐは、調整可能に構成された負荷制御ＰＣを有し、前記制御システムＣは、前記回転作業機械Ｐに接続されている。本発明により、選択可能な複数の回転速度の間でソフトに遷移を行うことができ、所要エネルギーの変更に合わせて前記モーターＭ１のサイズおよび回転速度をステップバイステップで調整してエネルギー消費を削減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーが１００ｋＷを超える機械など、重機の回転速度およびパワーの制御のためのシステムに関する。

環境と気候は今日重要な側面であり、多くの分野で考慮されている。この点は、特に工業とおよび運輸において重要であり、電気エネルギーおよび燃料の消費と、環境に有害な排気の排出量の削減とが考慮されている。本発明は、機械の始動、停止および動作が、エネルギーを効率的に使用して行われるような部品とその構成を使用することで、大型機械におけるエネルギーの有効利用と、機械のエネルギー効率の高い動作に寄与し、環境に有害な排気の排出量を削減する。

例えば船舶で使用されるような重機の回転速度およびパワーの制御のための既存のシステムの一部は、機械的負荷の制御のほかに、回転速度をゼロと最大（１００％）で切り替えることができる。しかし、このシステムは、船舶が停泊中であっても、モーターを最大回転速度で回転させるため、機械的な負荷系により機械損失を発生させる。また、このような形の機械制御では騒音が問題となる。

多くの場合、既存の電気機械式システムでは突入電流の問題が存在する。電気モーターが直接スターター（direct start）と連結されると、いわゆる公称電流の１０倍となる突入電流を消費する、すなわち、モーターが、この高速かつ大きな加速を行うために、極めて多くの電流を要求とする。この状態は、モーターの負荷に応じて、例えば、０．５秒から数秒間続く。この短時間の急加速を行うには、利用可能な電力が大量に必要となり、この電力は、加速をより精密に制御することで節約することができる。

米国特許第４，５２５，６５５号明細書は、複雑な複円ギア系を介して共通のシャフトに機械的に連結された大小の２台の電気モーターを有する電気モーター駆動システムが開示している。小さなモーターは、作業の起動時に大きなモーターを加速するために使用され、モーターの始動で多量の電力が消費されるのを防ぐことができる。タコメータが比較回路に信号を送信し、２台のモーターに供給する電力を制御している。２台のモーターの速度が等しいときは、制御ユニットは２台のモーターに供給する電力を均衡させる。一方のモーターは、好ましくはもう一方のモーターの２倍のパワーを有する。

英国特許第１０１，８０９号明細書は、ポニーモーターによって同期機械を始動するためのシステムを開示している。ポニーモーターが、同期モーターが所望の速度に達するのを補助すると、機械式スイッチによりポニーモーターがオフにされる。当該文献は１９１６年に刊行されており、ポニーモーターの原理が長年知られている原理であることがわかる。

英国特許第５３９，２０３号明細書は、印刷機または他の機械に使用するための、大小の２台の電気モーター（交流または直流）の駆動装置に関する発明に関する。２台のモーターは、シャフトと電磁クラッチによって連結されている。モーターを制動するためにブレーキが使用される。モーターを反転させるために反転スイッチが使用される。小さなモーターは、クラッチによって印刷機を始動させ、その後、大きなモーターが、印刷機の動作を引き継ぎ、クラッチによって小さなモーターが切断される。

米国特許第６，２９７，６１０号明細書は、複数の電気ユニットの制御に使用することができるシステムを開示している。

このため、機械が作業を行わないときに、機械負荷損失を低減または解消し、モーターの制御が簡単であり、費用効率が高く、メンテナンスフリーな電気式駆動システムが求められている。モーターのアイドル動作時の高い騒音レベルに関する問題を軽減することが好ましい。これは、多くのタイプの代替の電気式駆動システムで問題となる電気的擾乱の解消にも当てはまる。また、回転速度の切り替え時に機械がソフトに加速し、同時に、加速に必要な所要量のパワーのみが機械に供給されるシステムも求められている。

本発明は、重機の回転速度およびパワーの無段調節のためのシステムを提供することによって上記の問題を解決する。このシステムは、既存のシステムよりも小型で、設計が単純であり、複雑な部品点数が少なく、電気的擾乱を発生させず、費用効率が高い。このようなシステムは、コンピュータによる制御システム、電気制御ボード、および制御対象の作業機械に連結されたモーターを有する。上記の問題を解決するシステムは、例えば、通風機の制御、処理プラントのポンプまたはコンプレッサ、航空機または船舶の調節可能なウィングを有するプロペラの制御、風力タービンまたは水力発電機に使用できる。上述の本発明の目的は、上に記載し、添付の請求の範囲に記載のシステムを提供することによって達成される。

このため、本発明は、例えばタービンまたはプロペラなどの回転作業機械の回転速度およびパワーの制御のためのシステムを提供し、前記回転作業機械は、少なくとも１台のモーターまたは発電機に連結され、前記モーターによって与えられる回転速度で回転されるように構成されている。前記モーターまたは発電機は、制御システムに接続され、前記モーターまたは発電機の前記回転速度は、前記制御システムによって制御されるように構成されている。前記回転作業機械は、調整可能に構成された負荷制御を有する。前記制御システムは、前記回転作業機械に接続され、前記回転作業機械における前記負荷制御を制御するように構成されている。このため、本発明により、選択可能な複数の回転速度の間でソフトに遷移を行うことができ、所要パワーの変更に合わせて前記モーターの前記サイズおよび回転速度をステップバイステップで調整してエネルギー消費を削減する。

本発明に係る好適な実施形態では、前記制御システムは、第１の制御ボードに接続されてこれを制御するように構成され、前記第１の制御ボードは、前記モーターまたは発電機に接続されてこれを制御するように構成されている。

本発明に係る別の好適な実施形態では、前記第１の制御ボードは、少なくとも１組のサイリスタと、付属の制御電子部品を有する電流センサなどの少なくとも１つのセンサとを有する。前記システムが、利用可能な電力が限られているプラントで使用するのに適するように、前記サイリスタは突入電流および始動トルクを制御できるようにする。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記モーターまたは発電機が回転速度を指示する信号を取得するように、前記制御ボードは、少なくとも２つの接触子も有する。前記接触子は、大きなパワーを必要とする比較的大きなモーターを扱うことができる。

本発明に係る別の好適な実施形態では、前記制御ボードは、少なくとも２組のサイリスタと少なくとも２つのセンサとを有する。前記システムが、利用可能な電力が限られているプラントで使用するのに適するように、前記サイリスタは前記モーターまたは発電機の突入電流および突入トルクを制御できるようにする。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記モーターまたは発電機の前記回転速度を無段階制御できるように、前記制御ボードは、少なくとも１つの周波数変換器と少なくとも１つのセンサとを有する。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記システムは、シャフトを介して相互連結されている少なくとも１台の第１のモーターまたは発電機と少なくとも１台の第２のモーターまたは発電機とを有する。前記第１のモーターまたは発電機の前記始動負荷が大きくなり過ぎるのを抑え、前記加速がソフトかつ制御されて行われるように、前記第２のモーターまたは発電機は、前記第１のモーターまたは発電機が高速の回転速度に達するのを支援するように構成されている。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記第１のモーターまたは発電機と前記第２のモーターまたは発電機とは、第１および第２の制御ボードにそれぞれ接続されてこれらによって制御されるように構成されている。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記第１のモーターまたは発電機は少なくとも１種類の第１の速度を有し、前記第２のモーターまたは発電機は少なくとも１種類の第２の速度を有する。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記第１のモーターまたは発電機の前記パワーは、前記第２のモーターまたは発電機の前記パワーの３〜１０倍である。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記サイリスタは、三相の逆並列接続されたサイリスタまたは相当するパワー半導体である。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記システムは、周波数が５０Ｈｚの外部電力源に接続されている。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記回転作業機械は、例えば１００ｋＷを超えるパワーを有する。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記制御システムは、前記モーターとの間で負荷を連結するために、少なくとも１つのクラッチに連結されてこれを制御するように構成されている。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記回転作業機械はギアに連結され、前記ギアは、前記第１のモーターまたは発電機と前記第２のモーターまたは発電機とに連結されている。前記ギアにより、前記作業機械と前記モーターまたは発電機の間で前記回転速度が調整可能となる。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記回転作業機械はギアに連結されている。前記作業機械と前記モーターまたは発電機間の前記回転速度が調整可能となるように、前記ギアは、前記第１のモーターまたは発電機と、前記第２のモーターまたは発電機とに連結されている。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記システムが情報を送受信することができるように、前記システムに遠隔制御システムが接続されている。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記システムが回転速度を変更することができるように、前記少なくとも１台のモーターまたは発電機が、シャフトを介して非電気式のモーターまたは発電機に連結され、この非電気式のモーターまたは発電機は、前記システム全体を低性能で作動させるためにも使用することができる。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記非電気式のモーターは、圧油源などの非電気式電力源によって駆動される。

本発明に係る更に別の好適な実施形態では、前記非電気式のモーターの性能および動作をモニタして制御できるように、前記非電気式のモーターは、回転速度センサに接続されている。

本発明に係るシステムの好適な第１の実施形態を示す原理図である。 本発明に係るシステムの第２の実施形態を示す原理図である。 本発明に係るシステムの第３の実施形態を示す原理図である。 本発明に係るシステムの第４の実施形態を示す原理図である。 全実施形態における、モーターまたは発電機の可能な別の配置を示す原理図である。 本発明に係るシステムの第５の実施形態を示す原理図である。 本発明に係るシステムの第６の実施形態を示す原理図である。 本発明に係るシステムの第７の実施形態を示す原理図である。

本発明について、本発明を例示する添付の図面を参照して、下記に更に詳細に説明する。

図１は、本発明に係るシステムの好適な実施形態を示す原理図である。図１に示すように、本システムは外部電力源から電力を供給される三相交流システムである。外部電力源は通常５０Ｈｚであるが、６０Ｈｚ等など、ほかの周波数が使用されてもよい。純粋な正弦波形状の電流が、グリッドから直接引き出されて、システムに供給される。このため、システムが実質的な電気的擾乱を発生させることはため、コンバータやフィルタリングは不要である。一部のタイプの電気機械は、メカニカルシャフトにかかる力の方向のみに応じて、モーターと発電機の両方として作動させることができる。この理由から、図１〜図８には、モーターまたは発電機を表す「Ｍ１／Ｇ」で示している。

システムは、２台の三相（３〜）二速電気モーターＭ１，Ｍ２を備え、これらは、好ましくは非同期モーターであり、ギアＧに機械的に連結され、作業機械Ｐを駆動する。第１のモーターＭ１は２種類の回転速度Ｈ，Ｌを有し、第２のモーターＭ２も２種類の回転速度Ｈ，Ｍを有する。第１のモーターＭ１はもう一方のモーターＭ２より大きい、すなわち、第１のモーターＭ１はもう一方のモーターＭ２よりも高パワーである。例えば、第１の大きなモーターＭ１は、４極動作では最大出力が１５００ｋＷであり、８極動作では最大出力が４００ｋＷである。もう一方の小さなモーターＭ２は、４極動作では最大出力が２００ｋＷであり、６極動作では最大出力が５００ｋＷである。上で説明した電力の値は、５０Ｈｚ、三相電流の電力源の場合である。周波数の異なる電力源が使用される場合には、上の最大出力の値の例は変わる。上で説明したように、モーターは好ましくは非同期モーターであるが、例えば同期モーターなどの別のタイプのモーターを使用することもできる。本発明の使用が発電機である場合、モーターは発電機となり、システムは、エネルギーを消費する一方ではなく、エネルギーをグリッドに供給する。また、組み合わせのシステム、いわゆる「モーター／発電機動作」も可能である、すなわち、電力の流れを双方向で切り替えることもできる。

ギアＧが、２台のモーターＭ１，Ｍ２間に連結されており、モーターＭ１，Ｍ２に恒久的に機械的な連結を与えている。この機械的な連結は、剛性シャフトの形である。ギアＧの機能は、作業機械ＰとモーターＭ１，Ｍ２間の回転速度を調整することにある。本システムは、ギアＧがなくても作動する。システムにギアＧを使用するかどうかの判断は、作業機械Ｐの特性によって決まる。

ギアＧと作業機械Ｐとの間にクラッチＣＬが連結されている。クラッチＣＬは、電気的に制御され、作業機械Ｐが非作動時には切断され、作業機械の動作時に連結される。システムは、クラッチＣＬなしで機能しても（すなわち、システム全体が回転する）、あるいは、例えばＭ１，Ｍ２のそれぞれとギアＧとの間に、複数のクラッチＣＬが連結されてもよい。クラッチＣＬの数は、価格、保守のしやすさ、摩耗、損失（効率）、寿命、および機能が重要となる評価の問題である。

作業機械Ｐは、回転機械であり、例えば船舶または航空機のプロペラ、通風機、処理プラントのポンプまたはコンプレッサ、風力タービンまたは水力発電機などである。作業機械Ｐは、電気機械式／流体圧式の負荷制御／パワー制御ＰＣを有し、例えばプロペラのブレードなどの角度を調整することにより、作業機械Ｐのパワーを無段階調整することが可能である。

電気機械式／流体圧式負荷制御ＰＣは、回転機械（作業機械Ｐ）内の機械装置である。負荷制御ＰＣは、システムのパワーを調整し、パワーの方向を決定するために使用される。図１に示すように、負荷制御ＰＣはコンピュータによる制御システムＣと接続された負荷コントロールレバーＰＰによって作動される。負荷コントロールレバーＰＰについては、下で更に詳細に説明する。負荷制御ＰＣは、異なるタイプでもよく、例えば、ピッチ制御、バルブによるスロットル制御（ポンプおよび通風機にみられることが多い）、ベーン制御、バルブによって制御される再循環／バイパス制御、スライド制御（電気機械的に制御されたスクリューコンプレッサの無段階の機械的負荷の制御）、あるいはデジタル制御信号が、個々のシリンダがアクティブかパッシブかを決定する、ピストン機械およびコンプレッサの全シリンダを制御しているシリンダ制御などがある。上に挙げた可能なタイプの負荷制御ＰＣは全て、基本的には、制御システムＣから、電気信号によって無段階制御されうる。負荷制御ＰＣは、−１００％〜＋１００％の範囲で無段階で調整することができる。ステップの大きなシリンダ制御を除き、負荷制御ＰＣの無段階制御は、例えば０．５％の微小なステップで行われるため、−１００％〜＋１００％の範囲の任意の値を原則として使用することができる。

本システムは負荷制御ＰＣがなくても使用することができ、この場合にはシステムがより簡潔で安価となるが、システムの柔軟性が大きく低下してしまう。負荷制御ＰＣを使用しない場合には、ステップ応答の制御が粗くなり、作業機械Ｐの負荷／パワー制御を段階的にしか行うことができない。これは、作業機械Ｐの回転速度およびパワーの制御で段階的ステップが必要な場合に使用することができる。負荷制御ＰＣのないシステムは最適なシステムでないが、特定の場合には十分となりうる。負荷制御ＰＣを使用するかどうかの選択は、作業自体と、何を得たいかによって決まる。作業機械Ｐのパワーの方向の正方向から負方向への変換は、電気モーターＭ１，Ｍ２の巻線を、回転方向が反転するように（図示せず）電気機械的に変換しても行うことができる。

第１のモーターＭ１に、第１の電気制御ボードＵ１が接続され、第１のモーターＭ１を制御している。第１の電気制御ボードＵ１は、センサＣＳ（例えば、電流と電圧を測定する電流センサ）を備え、電力を計算して所定の範囲内に保持する。また、制御ボードＵ１は、三相の組逆並列接続されたサイリスタの組Ｔ１と、第１のモーターＭ１の回転速度Ｈ，Ｌを制御している２つの電気式接触子Ｓ１，Ｓ２も備える。接触子Ｓ１か接触子Ｓ２の一方が接続されるか、あるいは、接触子Ｓ１，Ｓ２の両方が切断される。２つの接触子Ｓ１，Ｓ２が同時に接続されることはない。また、制御ボードＵ１は、センサＣＳからの信号を処理する局所制御ユニット（図示せず）も備え、サイリスタＴ１を制御し、当該ユニットに付与されるパワーの量を計算している。

第２のモーターＭ２を制御している第２の電気制御ボードＵ２が、第２のモーターＭ２に接続されている。第２の制御ボードＵ２は、三相の逆並列接続されたサイリスタの組Ｔ２，Ｔ３を２組備え、モーターＭ２の回転速度Ｈ，Ｍを制御している。サイリスタの組Ｔ２，Ｔ３は、それぞれ、個々のセンサＣＳに接続されている。また、制御ボードＵ２は、例えば制御ボードＵ１と同様の局所制御ユニット（図示せず）も備える。センサＣＳと局所制御ユニットとは、第１の制御ボードＵ１に関して説明した機能と同じ機能を備える。

三相の逆並列接続されたサイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、モーターＭ１，Ｍ２の始動電流と始動トルクを制御することができ、制御システムＣから制御される。モーターをソフトに始動するためにサイリスタを使用することは周知である。当業者は、サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３が、大きな突入電流を最小限に抑え、モーターＭ１，Ｍ２がソフトな加速を得るように、始動時のトルクが最小限に抑えられることを理解するであろう。このように始動エネルギーを低く抑えることにより、本システムが、利用可能な電力が限られている弱いグリッドに（例えば船舶上や電力グリッドが弱い地理的エリアにおいて）適したものとなる。サイリスタ制御は、２つの機能を担い、一方の機能は、始動時にソフトな加速を提供することにあり、もう一方の機能は、作動中にモーターＭ１，Ｍ２を保護して、システムに所定の過負荷がかかったときに、瞬時に切断することにある。システムが、利用可能な電力に限りのない発電所で使用される場合、サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３の代りに、例えば接触子、Ｙ／Ｄ始動、抵抗始動、変圧器始動などの簡略な始動システムを設けてもよい。

図示されていないが、代替案として、いわゆるサイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３のバイパスを使用する方法がある。この場合、サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３に並列の接触子を使用し、サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３が、モーターＭ１，Ｍ２の始動時と加速時にその動作を行ったときに動作を引き継ぐ、すなわち、全ての電流を、サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３ではなく接触子を通過させる。この不図示の代替案の利点は、特定のユニットのパワー損失を低減できる点にあるが、機能を変えることはない。

図１に示し、上で説明したように、２つの制御ボードＵ１，Ｕ２は構成が異なる。第１の制御ボードＵ１は、逆並列接続されたサイリスタの組Ｔ１を１組しか有さず、２つの機械式接触子Ｓ１，Ｓ２を有するが、もう一方の制御ボードＵ２は、逆並列接続されたサイリスタの組Ｔ２，Ｔ３を２組有する。第１のモーターＭ１は、前述のように、大きなパワーを必要とする比較的大きなモーターであり、このため、速度を制御するために接触子Ｓ１，Ｓ２を使用することが最も好ましく、これが安価な解決策でもある。もう一方のモーターＭ２は、第１のモーターＭ１より比較的小さなモーターであり、多くのパワーを必要としないため、第１の制御ボードＵ１のように接触子を使用する必要がない。このため、もう一方のモーターＭ２の速度を制御するには、２組の逆並列接続されたサイリスタＴ２，Ｔ３で十分である。このため、もう一方の制御ボードＵ２は、機械的な可動部品のない純粋に電気式の制御ボードであり、簡単であり、もう一方のモーターＭ２の制御に適している。また、制御ボードＵ２は、２つの速度間でスリップを生じさせることなく、ソフトな遷移を与えるために、一時的に、二速を同時に作動させることができるという、制御ボードＵ１にはない利点を有する。

別の実施形態（図示せず）では、２台のモーターＭ１，Ｍ２が、第１の制御ボードＵ１と同じタイプの制御ボードによって制御されても、２台のモーターＭ１，Ｍ２が、第２の制御ボードＵ２と同じタイプの制御ボードによって制御されても、第１のモーターＭ１が、第２の制御ボードＵ２と同じタイプの制御ボードによって制御され、第２のモーターＭ２が、第１の制御ボードＵ１と同じタイプの制御ボードによって制御されてもよい。これらの代替の実施形態は可能な実施形態であるが、いずれも特に最適な組み合わせでない。好適かつ最適な実施形態は、図１に図示したものであり、上で説明したように、第１のモーターＭ１が第１の制御ボードＵ１によって制御され、第２のモーターＭ２が第２の制御ボードＵ２によって制御される。

本発明では、制御システムＣは、制御ボードＵ１，Ｕ２と、作業機械Ｐの負荷制御ＰＣとの両方を制御する。制御システムＣは、制御ボードＵ１，Ｕ２および負荷制御ＰＣを制御するコンピュータによる制御システムと、システムのオペレータ用のユーザインタフェースの両方を備える。オペレータ用のインタフェースは、通常はコンピュータ画面である。ユーザインタフェースは、０（ゼロ）、Ｌ（低）、Ｍ（中）、Ｈ（高）のモード（回転速度）を選択するためのコマンドボタンと、パワーのグラフィカル表示と、作業機械Ｐの負荷を変更および制御するための負荷コントロールレバーＰＰとを有する。負荷コントロールレバーＰＰを作動させると、制御システムＣは、例えばプロペラのブレードの角度を制御するためのコマンド信号を負荷制御ＰＣに供給する。負荷は、上で説明したように、−１００％〜＋１００％の範囲で無段階制御することができる。荷重制御レバーＰＰは、ＦＯＲ（順回転）、Ｎ（ニュートラル）、およびＲＥＶ（反転）の３つのメイン位置を有する。負荷コントロールレバーＰＰの位置がＮのときは、負荷制御ＰＣにゼロコマンドが供給され、モーターＭ１，Ｍ２が選択された回転速度で回転するが、作業機械Ｐは作業を行わない。負荷コントロールレバーＰＰの位置がＦＯＲときは、正の最大コマンドが負荷制御ＰＣに供給され、モーターＭ１，Ｍ２が、選択された回転速度かつ順方向のフルパワーパワー（正のフルパワー）で回転する。負荷コントロールレバーＰＰが位置ＲＥＶに引かれると、パワーの方向が徐々に反転し、負荷制御ＰＣが、作業機械Ｐから、選択された回転速度に関連する最大の反転パワーを供給する。「パワー」のグラフィカル表示は、任意の時点で作業機械Ｐに供給されているパワーの大きさをグラフィカルに表示している。

コマンドボタン０，Ｌ，Ｍ，Ｈは、例えばコンピュータ画面上のボタンであり、オペレータは、これらのボタンを使用して、作業機械Ｐのモード、すなわち、作業機械Ｐの回転速度を選択することができる。例えば、図１では、４種類の回転速度が図示されているが、選択できる回転速度の数が異なっていてもよい。しかし、回転速度は電気式機械Ｍ１，Ｍ２の極数と、電力源周波数によって決まるため、回転速度が任意の回転速度を取ることができるとは限らない。例えば、制御ボードＵ１，Ｕ２のサイリスタＴ１，Ｔ２、Ｔ３の代わりに、周波数変換器ＦＣまたは非電気式のモーターＨＭを使用する場合には、運転モーターＭ２のうち最小のものを介して、低速の回転速度の範囲において、通常回転速度を任意の回転速度で補うことができる。また、電力源周波数を５０Ｈｚと６０Ｈｚで変更することができる。これにより、回転速度を０，Ｌ，Ｍ，Ｈ間でより変動的に（floating）切り替えることができ、システムの柔軟性が向上する。このような変動周波数は、例えば船舶などの閉鎖型のプラントで可能である。周波数変換器ＦＣを使用する場合については、図３を参照して下記で更に詳細に説明する。

オペレータが、特定のコマンドボタン０，Ｌ，Ｍ，Ｈを押下した後に、画面上のボタンのライトにより、システムが選択したモード（回転速度）に到達したことを確認できる。コマンドボタン０は、回転速度を０に、コマンドボタンＬは、回転速度を低速に、コマンドボタンＭは、回転速度を中速に、コマンドボタンＨは、回転速度を高速にそれぞれ設定する。図１に示すように、第１のモーターＭ１は回転速度ＨとＬを、第２のモーターＭ２は回転速度ＨとＭを有する。また、負荷コントロールレバーＰＰは、パワーを制御するために使用される。図１の実施形態の４つのモードにおける回転速度とパワーの値の例を、下記の表１１に示す。上で説明したように、システムは通常５０Ｈｚの電力源で作動するが、別の周波数も可能である。また、表１には、６０Ｈｚの電力源のパワーと回転速度も示すが、５０Ｈｚが始点として使用される。

上の表１に示すように、モード０では、システムがオフにされ、モーターＭ１，Ｍ２は回転されず、パワーを出力しない。モードＬでは、第１のモーターＭ１が、低速の回転速度（７５０ｒｐｍ）で回転する。作業機械Ｐのパワーは、負荷コントロールレバーＰＰによって選択される負荷制御ＰＣの負荷レベルに応じて、０〜４００ｋＷの値を取る。モードＬでは、第２のモーターＭ２が、中速の回転速度（１０００ｒｐｍ）で回転する。作業機械Ｐのパワーは、負荷制御ＰＣの負荷レベルに応じて、０〜５００ｋＷの値を取る。選択されたモードがＨのときは、第１のモーターＭ１が高速の回転速度Ｈ（１５００ｒｐｍ）で回転される。高速の回転速度Ｈにおける作業機械Ｐのパワーは、負荷制御ＰＣの負荷のレベルに応じて、０〜１５００ｋＷの値を取る。

上の説明は、各種の選択モードにおける回転速度とパワーのみを挙げたが、異なるモード間の遷移について触れることも重要である。オペレータが、システムをモード０に設定した場合、制御システムＣのインタフェースのランプが点灯し、システムがこの選択されたモードにあることを示す。次にオペレータがコマンドボタンＬを押下すると、システムがモード０からモードＬに移行する。この０からＬへの遷移を「ＴＲ１」と呼ぶことができる。次に、制御システムＣからの制御信号が、第１の制御ボードＵ１のサイリスタＴ１と接触子Ｓ２を作動させると、第１のモーターＭ１が回転速度０から回転速度Ｌ（７５０ｒｐｍ）に加速する。当業者が周知のサイリスタＴ１の特性のため、第１のモーターＭ１は、所要回転速度Ｌに達するまで、低い始動電流によりソフトに加速する。２台のモーターＭ１，Ｍ２がシャフトを介して機械的に連結されているため、第１のモーターＭ１は、第２のモーターＭ２と共に回転速度Ｌで回転する。

上で説明した遷移ＴＲ１において、負荷制御ＰＣを下げることにより、制御システムＣは、必要な加速エネルギーを低減することができる。高い加速エネルギーを得るには、多くの生成された利用可能なエネルギーを必要とする。利用可能なエネルギーが不足している場合、加速エネルギーを低減させる必要がある。これは、２つの方法で行うことができる。第１の方法は、制御システムＣにより、負荷制御ＰＣに対してコマンドを供給させ、負荷制御ＰＣをゼロの方に調整することによって負荷を低減させる方法である。これは、制御システムＣによって自動的に行うことができ、負荷コントロールレバーＰＰが一時的に無効にされる。制御システムＣは、遠隔制御システムＲＣから利用可能なエネルギーに関する情報を取得する。必要な加速エネルギーを低減させる第２の方法では、クラッチＣＬを使用する。制御システムＣは、クラッチＣＬを切断するコマンドを供給し、マシンＭ１，Ｍ２にかかっている全ての負荷を取り除く。回転速度Ｌに達すると、制御システムＣは、再連結するコマンドをクラッチＣＬに供給し、負荷制御ＰＣの負荷レベルを所要レベルに上げる。いわゆる「ソフトクラッチ」を導入することによって、再連結が、ソフトに（すなわち直接機械的に連結せずに）で行われる。「ソフトクラッチ」の用語は、当業者に周知である。これらの動作が行われると、システムがモードＬとなり、モーターＭ１，Ｍ２の回転速度Ｌが７５０ｒｐｍになり、負荷制御ＰＣによって、パワーが０ｋＷ〜４００ｋＷ間で無段階制御される。

システムがモードＬのときに、オペレータがコマンドボタンＭを作動させると、制御システムＣは、サイリスタＴ１と接触子Ｓ２を切断し、同時に第２のモーターＭ２の第２の制御ボードＵ２のサイリスタＴ３を接続する。ＴＲ２と呼ぶこの遷移モードの初期では、前述のように、２台のモーターＭ１，Ｍ２は低速の回転速度Ｌ（例えば７５０ｒｐｍ）にある。サイリスタＴ３が作動されると、第２のモーターＭ２を回転速度Ｍ（１０００ｒｐｍ）まで加速させる。したがって、第１のモーターＭ１も回転速度Ｍで回転させる。その後、モーターＭ２によって提供される負荷制御ＰＣによって、システムのパワーが、０ｋＷ〜５００ｋＷで無段階制御される。このようにして、回転速度ＬとＭの間でソフトな遷移を得ることができる。

回転速度ＭとＨ間の遷移は、多少異なる方法で行われる。ＴＲ３と呼ぶこの遷移は、モーターＭ１，Ｍ２が回転速度Ｍで回転しており、サイリスタＴ３が接続され、他のサイリスタＴ１，Ｔ２と接触子Ｓ１，Ｓ２が切断されていることに基づいている。遷移ＴＲ３では、第２のモーターが、いわゆるポニーモーターとして機能し、第１のモーターＭ１が高速回転速度Ｈに達するのを補助する支援モーターとなる。オペレータが制御システムＣのコマンドボタンＨを作動させると、サイリスタＴ３が切断され、同時にサイリスタＴ２が接続される。第２のモーターＭ２が、回転速度Ｈに加速する。制御システムＣは、この加速をモニタし、モーターＭ１，Ｍ２が回転速度Ｈに到達したことを検知すると、モーターＭ１に接続された第１の制御ボードＵ１のサイリスタＴ１と接触子Ｓ１を作動させる。サイリスタＴ２が切断され、モーターＭ１が、実質的な始動電流なしでグリッドにソフトに同期される。次に、モーターＭ１，Ｍ２が、固定の高速の回転速度Ｈ（１５００ｒｐｍ）で回転し、負荷制御ＰＣによって、システムのパワーを０ｋＷ〜１５００ｋＷに変更することができる。

モードＨからＭ、ＨからＬ、Ｈから０、ＭからＬ、Ｍから０、Ｌから０、０からＭ、および０からＨへの遷移は、上で説明したのと対応するように行われ、ここでは更に詳細に説明しない。

図１に示すように、遠隔制御システムＲＣがシステムに接続されている。この遠隔制御システムＲＣは、システムのほかの箇所との間で情報を交換し、例えば、グリッドがシステムのほかの箇所に供給しているエネルギーや、このグリッドの容量に関する情報を提供する。このような遠隔制御システムＲＣは、システムが、利用可能なエネルギーを超えるエネルギーをグリッドから引き出すことを防止する、すなわち、システムの過負荷を防ぐ負荷またはパワー制御が行われる。

図１に記載し、詳細に説明した構成要素および機能、ならびに代替の構成は、図２〜８に示す実施形態でも可能である。このため、以下では、図１の実施形態と他の実施形態のそれぞれの大きな差異のみを説明する。

図２は、制御ボードＵ２とモーターＭ２の回転速度以外、図１に示した実施形態と非常に似ている本発明の第２の実施形態を示す。図２の実施形態は、部品点数と価格との両方に鑑みて、図１の好ましい実施形態を簡略化した解決策である。図２に示すシステムの構成要素は、図１に関して上で詳細に説明したものと同じであり、このため、図２に関して更に詳細に説明することはしない。制御ボードＵ２は、図１のように第２のモーターＭ２を制御する。制御ボードＵ２は、センサＣＳと、（図１の２組のサイリスタとは異なり）１組の逆並列接続されたサイリスタＴ２とを備える。１組のみのサイリスタＴ２を使用するのは、第２のモーターＭ２が１種類の回転速度しか持たないことに関連している。制御パネルＣはコマンドボタン０，Ｌ，Ｍ，Ｈを有し、モーターＭ２の回転速度Ｈに対応するのは、制御パネルＣのコマンドボタンＭである。１種類の回転速度しか持たないモーターＭ２は、図１の対応するモーターＭ２よりも簡潔かつ安価なモーターである。モードと、モード間の遷移とは、図１説明したものとほぼ同じである。

図３は、制御ボードＵ２とモーターＭ１，Ｍ２の回転速度とが図１と異なる第３の実施形態を示す。図３の制御ボードＵ２は、電流および電圧を測定し、電力を計算するセンサＣＳを備える。センサＣＳのほかに、制御ボードＵ２は、周波数変換器ＦＣも備える。第１のモーターＭ１は、回転速度ＨとＭで作動することができ、第２のモーターＭ２は、回転速度Ｌを有する一速モーターである。第２のモーターＭ２の回転速度は、周波数変換器ＦＣにより、０から回転速度Ｈの間で無段階制御される。第２のモーターＭ２の回転速度は、制御システムＣから遠隔制御される。周波数変換器ＦＣを使用することにより、回転速度を自由に上下に調整して、モーターＭ２を所望の回転速度に保持できるようになる。また、周波数変換器ＦＣは、第１のモーターＭ１に負荷がかかっておらず、自身の制御パネルＵ１によって制御されていない場合に、第１のモーターＭ１を所望の回転速度に加速するのにも寄与する。

周波数変換器に関連する周知の問題として、電気グリッドに多くの擾乱を発生させる点がある。この問題は、第１の制御ボードＵ１にサイリスタＴ１と接触子Ｓ１，Ｓ２と、周波数変換器ＦＣを備えた第２の制御ボードＵとを使用することにより、本発明において解消されている。パワーが、モーターＭ２から、中〜高速のモーターＭ１に移される。周波数変換器は標準的な部品であり、周波数変換器のタイプと商品名を選択することは、当業者にとって容易であろう。

図４に、本発明に係る第４の可能な実施形態が示される。この実施形態は、モーターＭ１，Ｍ２以外は、図１に示した実施形態と非常に似ている。大きなモーターＭ１が高速の回転速度Ｈを有し、小さなモーターＭ２が２種類の回転速度ＨとＬを有する。この場合も、第２のモーターＭ２は、第１のモーターＭ１が高速の回転速度Ｈに達するのを補助する補助モーターとして機能する。制御パネルＣは、モーターＭ１，Ｍ２の回転速度に対応して、モード選択用の３つのコマンドボタン０，Ｌ，Ｈを備える。異なる回転速度間の遷移は、図１に関して説明したとおりである。

図１〜４，６では、第１のモーターＭ１が、シャフトを介してギアＧに機械的に連結され、第２のモーターＭ２も、シャフトを介して同じギアＧに機械的に連結されている。代替の簡単な構成として、第２のモーターＭ２を、ギアＧを介さずにシャフトを介して第１のモーターＭ１に連結し、このため第１のモーターＭ１に２つのシャフトを設ける方法がある。このような可能な構成が図５に示される。図５のモーターＭ１，Ｍ２は一速モーターである、すなわち、モーターＭ１は回転速度Ｈを有し、モーターＭ２は回転速度Ｌを有する。このため、制御システムＣには、選択可能なモードが０，Ｌ，Ｈの３つしか図示されていない。この解決策は、他の実施形態を機械的に変更しただけであり、ギアＧを機械的に簡潔化したものであるが、制御の点では変更が行われていない。図５に示す実施形態は、ほかの実施形態のように、ギアＧやクラッチＣＬを省略することによっても簡略化できる。図５に示す簡略な構成は、図１〜４，６に示す全ての実施形態の代わりの簡略な構成として使用することができる。

図６は、本発明の第５の実施形態を示す図である。この実施形態は、上記の実施形態の２台のモーターに代えて、４台のモーターＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を備える。４台のモーターＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、同じ特性を有する二速モーターである。それぞれのモーターに一速または三速を使用してもよい。図６のモーターＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は高速Ｈと低速Ｌの２種類の速度を有して図示されているが、他の回転速度も可能である。制御ボードＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４が、モーターＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４に接続されてこれを制御している。この制御ボードＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４は、全て、同じ構造と機能を有する。この４つの制御ボードＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４は、１組の逆並列接続されたサイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と、センサＣＳと、２つの接触子Ｓ１１とＳ１２、Ｓ２１とＳ２２、Ｓ３１とＳ３２、またはＳ４１とＳ４２と、をそれぞれ備える。制御ボードＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４は、同様の構造と機能を有しうるが、図示した構造に代えて、例えば、２組の逆並列接続されたサイリスタと２つのセンサを有していてもよい（図示せず）。制御システムＣは、制御ボードＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４を制御する。図６の実施形態におけるパワーと回転速度の無段階制御は、上に挙げた実施形態に関して説明したのと同じように行われる。図６において、システムは４台のモーターを備えるが、２〜１０台の範囲の任意の台数の、同じ並列モーターを使用することができる。図６の制御システムでは、スイッチおよびインジケータＤが追加されており、これらは他の実施形態には存在しない。スイッチ／インジケータＤは、ユーザによって作動されると、作業機械Ｐから得るパワーの大きさに応じて、モーターＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４のうちの１〜４台を接続する動的な機能を有する。図６に示す実施形態は、数台の駆動モーターにまたがって作業機械Ｐに大きなパワーを供給する必要がある場合に主に使用される。

図６に示した構成の不図示の代替例として、４台のモーターＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４に第５のモーターを追加する場合がある。この第５の追加のモーターは、図３に示したような、小さな周波数制御モーターである。

図７は、システムが１台のモーターＭ１のみを有する本発明の第６の実施形態を示す。モーターＭ１は、高速Ｈと低速Ｌの２種類の回転速度を有する二速モーターである。三速モーターまたは四速モーターを使用することもできる。したがって、制御ボードＵ１も拡張する必要がある。上で説明した実施形態のように、モーターＭ１も制御ボードＵ１によって制御される。制御ボードＵ１は、２つのセンサＣＳと２組の逆並列接続されたサイリスタＴ２，Ｔ３を備える。制御ボードＵ１の別の構造（図示せず）として、制御ボードＵ１が、センサＣＳと、１組の逆並列された接続サイリスタと、２つの接触子を格納していてもよい。制御ボードＵ１は、上で説明したように、同じ構造と機能を有する制御システムＣによって制御される。モーターＭ１は２種類の回転速度ＨとＬを有するため、制御システムＣには、モード０，Ｌ，Ｈを選択する３つのコマンドボタンしかない。この実施形態では、ポニーモーターが使用される他の実施形態とは異なり、サイリスタＴ２，Ｔ３のみがモーターＭ１のあらゆる加速を行ない、システムの動作を担っている。図７に示したこのシステムは、グリッドの負荷が大きくなり、上に挙げた変形例よりも強力なグリッドが必要となる。

図８は、本発明の第７の実施形態を示し、図３に示した実施形態の変形例である。第７の実施形態では、システムは、図３の周波数変換器ＦＣの代わりに、非電気式のモーター／タービンＨＭを有する。この非電気式のモーター／タービンＨＭは、通常は、液圧または空気圧駆動であるが、他のタイプの非電気式のモーター／タービンを使用してもよい。非電気式のモーター／タービンＨＭは、個別の電力源Ｓによって駆動される。非電気式のモーター／タービンＨＭは、電気式ではないため、その動作を測定する回転速度センサＳＰが必要となる。回転速度センサＳＰが、非電気式のモーター／タービンＨＭを電気的に監視している。非電気式のモーター／タービンＨＭは、回転速度が０からＬに、０からＨに遷移できるように制御され、システム全体を低性能で作動させるためにも使用することができる。戻りＲは、非電気式のモーター／タービンから戻る駆動媒体の量であり、例えばポンプを介して電力源Ｓに再循環される。

モーターＭ１は、回転速度ＨとＬを有する二速の電気モーターまたは発電機であり、それぞれセンサＣＳに接続されている２組の逆並列接続されたサイリスタＴ２，Ｔ２を格納している制御ボードＵ１によって制御される。制御システムＣは、上に挙げた他の実施形態と同様に、制御ボードＵ１と、モーターＭ１と、モーター／タービンＨＭとを制御する。モーターＭ１は、原則として一速から四速の任意の速度を有しうる。

本発明に係るシステムに使用される部品は、入手可能な市販品の（off-the-self）部品であり、各種部品の好適なタイプと商品名を当業者は理解するであろう。例外は制御システムＣに接続されるソフトウェアであり、これは標準的なソフトウェアではない。

Claims (22)

1. 回転速度およびパワーの制御のためのシステムであって、前記システムは、
   外部電力源を介して動力供給されかつ回転作業機械を駆動する少なくとも１台のモーターと、
   前記少なくとも１台のモーターにかつ前記回転作業機械に接続された制御システムと、
   を備え、
   前記回転作業機械は、前記少なくとも１台のモーターによって提供される回転速度で回転し、
   前記少なくとも１台のモーターによって提供される回転速度は、前記制御システムによって制御され、
   前記回転作業機械は、調整可能な負荷制御を備え、
   前記制御システムは、前記調整可能な負荷制御を制御し、かつ、始動時に前記少なくとも１台のモーターにソフトな加速を提供して、複数の選択可能な回転速度の間でのソフトな遷移およびより低いエネルギー消費を実現するように適合されている、システム。
2. 前記制御システムは、第１の制御ボードに接続されかつ前記第１の制御ボードを制御するように構成され、
   前記第１の制御ボードは、前記少なくとも１台のモーターに接続されかつ前記少なくとも１台のモーターを制御するように構成されている、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の制御ボードは、少なくとも１組のサイリスタおよび少なくとも１つのセンサを備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１の制御ボードは、少なくとも２つの接触子をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１の制御ボードは、少なくとも２組のサイリスタおよび少なくとも２つのセンサを備える、請求項２に記載のシステム。
6. 前記第１の制御ボードは、少なくとも１つの周波数変換器および少なくとも１つのセンサを備える、請求項２に記載のシステム。
7. 前記システムは、シャフトを介して相互連結された第１のモーターおよび第２のモーターを備え、前記第２のモーターは、前記第１のモーターが高速の回転速度に達するのを支援するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１のモーターおよび前記第２のモーターは、それぞれ、第１の制御ボードおよび第２の制御ボードに接続され、かつ、前記第１の制御ボードおよび前記第２の制御ボードによって制御されるように構成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１のモーターは少なくとも１種類の第１の速度で回転し、前記第２のモーターは少なくとも１種類の第２の速度で回転する、請求項７に記載のシステム。
10. 前記第１のモーターは、前記第２のモーターのパワーより３〜１０倍大きいパワーを備える、請求項７に記載のシステム。
11. 前記少なくとも１組のサイリスタは、三相の逆並列接続されたサイリスタまたは相当するパワー半導体を備える、請求項３に記載のシステム。
12. ５０Ｈｚの周波数を有する外部電力源を備える、請求項１に記載のシステム。
13. 前記回転作業機械は１００ｋＷより大きいパワーを備える、請求項１に記載のシステム。
14. 少なくとも１つのクラッチを備える、請求項１に記載のシステム。
15. 前記回転作業機械はギアに接続され、
    前記ギアは前記少なくとも１台のモーターに接続されている、
    請求項１に記載のシステム。
16. 前記回転作業機械はギアに接続され、
    前記ギアは前記第１のモーターおよび前記第２のモーターに接続されている、
    請求項７に記載のシステム。
17. 遠隔制御システムを備える、請求項１に記載のシステム。
18. 前記少なくとも１台のモーターは、シャフトを介して非電気式のモーターに接続され、前記非電気式のモーターは、前記制御システムによって制御されている、請求項１に記載のシステム。
19. 前記非電気式のモーターは、動力源によって駆動される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記非電気式のモーターは、回転速度センサに接続されている、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記少なくとも１台のモーターのうちの少なくとも１台は、発電機として動作するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
22. 回転速度およびパワーの制御のためのシステムであって、前記システムは、
    外部電力源を介して動力供給されかつ回転作業機械を駆動する少なくとも１台のモーターと、
    前記少なくとも１台のモーターにかつ前記回転作業機械に接続された制御システムであって、前記制御システムは、第１の制御ボードに接続されかつ前記第１の制御ボードを制御するように構成され、前記第１の制御ボードは、少なくとも１組のサイリスタおよび少なくとも１つのセンサを備える、制御システムと、
    を備え、
    前記少なくとも１組のサイリスタは、三相の逆並列接続されたサイリスタであり、
    前記回転作業機械は、前記少なくとも１台のモーターによって提供される回転速度で回転し、
    前記少なくとも１台のモーターによって提供される回転速度は、前記制御システムによって制御され、
    前記回転作業機械は、調整可能な負荷制御を備え、
    前記制御システムは、前記調整可能な負荷制御を制御し、かつ、前記少なくとも１台のモーターにソフトな加速を提供して、複数の選択可能な回転速度の間での始動時のソフトな遷移およびより低いエネルギー消費を実現するように適合されている、システム。

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