JP4356684B2

JP4356684B2 - 船舶の電気推進装置

Info

Publication number: JP4356684B2
Application number: JP2005324557A
Authority: JP
Inventors: 健谷口
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: JP2007131081A

Description

本発明は、船内に設けた電源から電動機と船内負荷に電力を供給し、この電動機により船舶のプロペラを駆動する船舶の電気推進装置に関する。

船舶の電気推進装置としては、以下に示す特許文献１や特許文献２がある。
特許文献１に開示されている船舶の電気推進装置（以下第１の従来例という）を図６を参照して説明する。

図６に示すように、１は原動機、２はガバナ、３は発電機、４は電動機、５は可変ピッチプロペラ、６は船内負荷、１５は速度指令発生器、１７は周波数検出器、３３はピッチ制御器、３４はピッチ信号出力器、３５は推進力調節レバーである。

図６に示すように、原動機１により発電機３を駆動して発電する。発電機３は発電した電力を電動機４と船内負荷６に供給する。原動機１はガバナ２により回転速度を制御される。可変ピッチプロペラ５は船の推進用であり、電動機４が可変ピッチプロペラ５を駆動して船の推進力を得る。

周波数検出器１７は発電機３の出力周波数を検出し、速度指令発生器１５に出力する。速度指令発生器１５は発電機３の出力周波数が定格周波数となるように、ガバナ２に対して原動機速度指令を出力する。

推進力調節レバー３５は船の推進力を増減させるためのもので、推進力指令を出力する。この推進力指令に対応してピッチ信号出力器３４からピッチ信号が出力される。このピッチ信号をピッチ制御器３３で受けて可変ピッチプロペラ５のピッチを制御する。可変ピッチプロペラ５のピッチを変化させることにより、船の推進力を増減することができ、船を加速／減速することができる。

また、特許文献２に開示されている可変速方式の船舶の電気推進装置（以下第２の従来例という）を図７を参照して説明する。
図７に示す第２の従来例の構成と、図６の第１の従来例の構成の違いは、発電機３の出力側にコンバータ７とインバータ８とコンデンサ１０を備えると共に、電動機４の出力側にピッチ制御器３３と可変ピッチプロペラ５とを設け、このピッチ制御器３３とピッチ信号出力器３４の代りに固定ピッチプロペラ９と電動機速度指令出力器３６を備えたことである。

図７に示すように、第２の従来例では発電機３の出力する交流電力をコンバータ７で一旦直流電力に変換する。コンデンサ１０はコンバータ７の出力する直流電力の電圧を平滑化する。インバータ８は平滑化された直流電力を交流電力に変換し、電動機４を駆動する。

電動機４には固定ピッチプロペラ９が接続されている。電動機速度指令出力器３６は推進力調節レバー３５より推進力指令を入力して電動機速度指令をインバータ８に出力する。インバータ８は電動機速度指令に応じて、電動機４に出力する交流電力の電圧・周波数を変換させる。電動機４の回転速度が変化することで船の推進力を増減することができる。

次に、従来の船舶の電気推進装置である図６の第１の従来例と図７の第２の従来例を比較すると、第１の従来例ではコンバータとインバータがないため構成が簡単で安価となる長所があり、第２の従来例では推進力を下げる時にはインバータを可変速運転することによりプロペラの回転速度を下げ、プロペラ損失を減らすことができるので、推進効率が良くなる長所がある。しかし、その反面、第１の従来例では推進力を下げる時も同じプロペラ回転速度で運転するため推進効率が悪くなる欠点があり、また、第２の従来例では船の推進力の電動機４に対応した容量のコンバータとインバータが必要となるので設備が高価となる欠点がある。

図８は船体の推進力と船の推進に必要な電動機出力との関係の一例を示す図である。第１の従来例と第２の従来例で必要な電動機出力を比較すると、推進力がＦ₁以上の時に必要な電動機出力はほぼ同じであるが、第１の従来例では推進力が小さい領域において第２の従来例に比べて大きな電動機出力が必要となる。通常、船舶は常に最大推進力で航行するのではなく、最大推進力より小さい推進力で航行する場合が多いので、第１の従来例では推進効率の平均は悪化することになる。
特開２００４−１７８０５号公報特開２００５−１７６４７５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は、プロペラ及び発電機の損失が少なくて済み、推進効率を向上させることができ、かつ安価な船舶の電気推進装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、船舶の推進力指令を出力する推進力調節手段と、船舶に推進力を与える可変ピッチプロペラと、前記可変ピッチプロペラのピッチを調整するピッチ制御器と、前記推進力指令を入力して前記ピッチ制御器にピッチ信号を出力するピッチ信号出力器と、前記可変ピッチプロペラに回転トルクを与える第１の電動機と、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータにより得られた直流電力を定格周波数の交流電力に変換して船内負荷に供給するインバータと、前記第１の電動機と前記コンバータに電力を供給する第１の発電機と、前記第１の発電機を駆動する原動機と、前記原動機の回転速度を制御するガバナと、前記第１の発電機の出力周波数を検出する周波数検出器と、前記ピッチ信号と前記第１の発電機の出力周波数を入力して前記ガバナに原動機速度指令を出力する速度指令発生器とを備え、船内負荷に対して一定周波数の交流電力を供給し、前記ピッチ信号がプロペラの推進効率特性によって定める所定値以上の時は前記第１の発電機の出力周波数を定格周波数とし、前記ピッチ信号が前記所定値より小さい時は前記第１の発電機の出力周波数を定格周波数より下げるように前記速度指令発生器が原動機速度指令を出力することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の船舶の電気推進装置において、前記コンバータと前記インバータの代りに交流／交流直接形電力変換装置を備え、前記第１の発電機の出力する交流電力を定格周波数の交流電力に変換して船内負荷に供給することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の船舶の電気推進装置において、前記コンバータと前記インバータを備えず、前記第１の発電機と船内負荷を直接接続することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の船舶の電気推進装置において、第１の遮断器を介して前記第１の発電機によって電力を供給されて回転する第２の電動機と、前記第２の電動機で駆動される第２の発電機と、前記第１の発電機と船内負荷の接続を開閉する第２の遮断器と、前記第２の発電機と船内負荷の接続を開閉する第３の遮断器と、前記周波数検出器からの信号に基づいて前記第１の遮断器、前記第２の遮断器および前記第３の遮断器を操作する切替制御器を備え、前記周波数検出器の出力する周波数検出信号が予め定めた周波数設定値より低くなった場合は前記第１の遮断器を投入し所定時間後に第２の遮断器を開くと同時に第３の遮断器を閉じ、前記周波数検出信号が予め定めた周波数設定値より高くなった場合は前記第１の遮断器及び第３の遮断器を開くと同時に前記第２の遮断器を閉じることを特徴とする。

本発明の船舶の電気推進装置によれば、可変ピッチプロペラの効率が悪い領域まで船の推進力を下げて航行する時は、発電機の出力周波数を下げ、プロペラの回転速度を下げることにより、プロペラ及び発電機の損失が少なくて済み、推進効率を向上させることができる。

さらに、推進効率を向上させるために発電機の出力周波数を下げた場合においても、船内負荷に供給する電力の周波数と定格周波数との差を抑制することができるので、船内負荷へ定格周波数に近い電力を供給することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である船舶の電気推進装置の構成図である。
本実施形態が、図６の従来の船舶の電気推進装置と異なる構成は、発電機の出力側にコンバータ１１とインバータ１２とフィルタ１３とコンデンサ１４を設けた点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して説明する。

次に、本実施形態の船舶の電気推進装置について説明する。
コンバータ１１は発電機３の出力電力を直流電力に変換し、このコンバータ１１の出力する直流電力の電圧はコンデンサ１４により平滑化される。インバータ１２はこの平滑化された直流電力を周波数一定（例えば定格周波数）の交流電力に変換される。この周波数一定の交流電力は、さらにフィルタ１３で波形整形されて船内負荷６に供給される。

一方、速度指令発生器１８は発電機３の出力周波数とピッチ信号出力器３４が出力するピッチ信号を入力し、ガバナ２に対して原動機速度指令を出力する。例えば、図８に示すように、可変ピッチプロペラの推進効率が悪化する領域が推進力Ｆ₁以下の領域である場合、推進力Ｆ₁の時のピッチ信号の値をｐ₁とする。ピッチ信号がｐ₁以上の場合は、原動機速度指令は発電機３の出力周波数が定格周波数になるようにする。また、ピッチ信号がｐ₁より小さい場合、すなわち可変ピッチプロペラの推進効率が悪い領域では原動機速度指令を下げ、発電機３の出力周波数を定格周波数より低くすることにより、可変ピッチプロペラ５の回転速度を下げる。そうすると、発電機３の出力周波数は変動することとなるが、船内負荷６にはインバータ１２からフィルタ１３を介して定格周波数の交流電力が供給される。

本実施形態によれば、可変ピッチプロペラの推進効率が悪い推進力の領域まで船の推進力を下げて航行させる時、発電機３の出力周波数を下げることにより可変ピッチプロペラ５の回転速度も下げることができる。このことにより、本実施形態では、第１の従来例と比べると、プロペラの損失が少なくて済み、船の推進効率を向上させることができる。

また、船内負荷６に対しては、発電機３の出力する交流電力をコンバータ１１、コンデンサ１４、インバータ１２、フィルタ１３で定格周波数の交流電力に変換するので、第１の従来例と同様に定格周波数の交流電力を供給することができる。

さらに、船の推進に使われる電動機４に必要な電力は船内負荷６の消費電力より大きいので、第２の従来例においては電動機４の最大消費電力に対応した大容量のコンバータとインバータが必要となるが、本実施形態では、比較的小容量の船内負荷６に対応した容量のコンバータとインバータを備えればよいので、第２の従来例に比べて設備費用を安価とすることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態である船舶の電気推進装置の構成図である。
本実施形態の船舶の電気推進装置が、図１の第１の実施形態と相違する構成は、交流電力を周波数の異なる交流電力に直接変換する交流／交流直接形電力変換装置１６を設けた点にあり、その他の構成は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して説明する。

本実施形態で用いる交流／交流直接形電力変換装置１６の例としては図３に示すマトリックスコンバータがある。このマトリックスコンバータは、双方向スイッチ２１〜２９を適切に切り替えることにより、交流電力を周波数の異なる交流電力に直接変換することができる。フィルタ３１は電源側に流れる高調波を除去し、フィルタ３２は負荷側に流れる高調波を除去する。

次に、本実施形態の動作を説明する。
図２において発電機３は周波数が変化する交流電力を出力し、交流／交流直接形電力変換装置１６に入力する。交流／交流直接形電力変換装置１６では発電機３から出力される交流電力を定格周波数の交流電力に変換して船内負荷６に供給する。
したがって、本実施形態も、第１の実施形態と同様に定格周波数の交流電力を船内負荷に供給することができる。

交流／交流直接形電力変換装置１６以外は第１の実施形態と同一構成であるので、第１の実施形態と同様に、プロペラの損失が少なくて済み、船の推進効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態の船舶の電気推進装置の構成図である。
本実施形態が図１の第１の実施形態と異なる構成は、コンバータ１１、インバータ１２、フィルタ１３、コンデンサ１４を省略し、発電機３と船内負荷６を直接接続した点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して説明する。

上記の第１及び第２の実施形態では、発電機３と船内負荷６を直接接続しており、船内負荷に定格周波数の交流電力を供給するように構成されているが、負荷の種類によっては周波数が多少変動しても差し支えない場合もある。そのような場合に本実施形態を適用する。

次に、本実施形態の動作を説明する。
本実施形態では、船内負荷６が発電機３に直結されているので、発電機３の出力周波数が変動すれば負荷に供給する交流電力の周波数は変動するが、周波数が変動しても差し支えない負荷を対象とする。

また、本実施形態は、第１及び第２の実施形態と同様に、発電機３の出力周波数を下げることにより、プロペラの損失は少なくて済み、船の推進効率を向上させることができる。

（第４の実施形態）
図５は、本実施形態による船舶の電気推進装置の構成図である。
本実施形態が図４と異なる構成は、電動機３７、発電機３８、遮断器３９，４０，４１、切り替え制御器４２を備えた点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して説明する。

図に示すように、本実施形態の電動機３７は遮断器３９を介して発電機３に接続され、発電機３より電力の供給を受けて回転する。また、発電機３８は電動機３７と直結され、電動機３７によって駆動されて発電する。さらに、遮断器４０は発電機３と船内負荷６の接続を開閉し、遮断器４１は発電機３８と船内負荷６の接続を開閉する。また、切り替え制御器４２は周波数検出器１７の出力する周波数検出信号に基づいて遮断器３９，４０，４１を開閉操作する。

次に、本実施形態の動作を説明する。
電動機と発電機の同期速度は次式で表される。

Ｎが等しければ周波数は極数に比例するので、発電機３８の極数を電動機３７の極数より大きくすることにより、発電機３の出力周波数より発電機３８の出力周波数を高くすることができる。例えば電動機３７の極数を１０極、発電機３８の極数を１２極とすれば、発電機３８の出力周波数は発電機３の出力周波数の１．２倍となる。したがって、予め定めた周波数以上の場合は発電機３から船内負荷６へ電力を供給し、予め定めた周波数以下の場合は発電機３８から船内負荷６へ電力を供給すれば、船内負荷６に供給する電力の周波数の大きな変動を抑制することができる。

そのために、本実施形態においては、遮断器４０を閉じて発電機３から船内負荷６に電力を供給している場合に、切り替え制御器４２が、周波数検出器の出力する発電機３の周波数検出信号を入力し、予め定めた周波数以下となった場合に遮断器３９を閉じ、一定期間経過後に遮断器４０を開くと同時に遮断器４１を閉じることにより、船内負荷に供給する電力の大きな周波数変動を抑制する。

一方、発電機３の周波数が予め定めた周波数以上になった場合は、遮断器３９及び遮断器４１を開くと同時に、遮断器４０を閉じることで、船内負荷６に供給する電力の大きな周波数変動を抑制する。

例えば、定格周波数を６０Hzとすると、切り替え制御器４２は、発電機３の出力周波数と予め定めた周波数（例えば５４．５Hzとする）を比較し、出力周波数＞５４．５Hzである時は遮断器４０を閉じ、遮断器３９，４１を開くことにより発電機３と船内負荷６を接続し、発電機３の出力周波数≦５４．５Hzである時は遮断器４０を開き、遮断器３９，４１を閉じることにより、発電機３８と船内負荷６を接続する。

このような遮断器３９，４０，４１の開閉作用により、発電機３の出力周波数≦５４．５Hzとなった時には、発電機３の出力周波数の１．２倍の周波数の交流電力を発電機３８から供給するので、表１に示すように、船内負荷６に供給される交流電力の周波数と定格周波数（６０Hz）との差を減らすことができる。

以上説明したように、本実施形態では船内負荷６に供給する電力の周波数は変動するものの、第３の実施形態と比べて、定格周波数との差を小さくすることができる。
また、本実施形態でも、第１及び第２の実施形態と同様に、発電機３の出力周波数を下げることにより、プロペラの損失は少なくて済み、船の推進効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態である船舶の電気推進装置の構成図。本発明の第２の実施形態である船舶の電気推進装置の構成図。交流／交流直接形電力変換装置の構成図。本発明の第３の実施形態である船舶の電気推進装置の構成図。本発明の第４の実施形態である船舶の電気推進装置の構成図。従来の船舶の電気推進装置の構成図。従来の他の船舶の電気推進装置の構成図。船舶における推進力と推進に必要な電動機出力の関係を示す図。

符号の説明

１…原動機、２…ガバナ、３，３８…発電機、４，３７…電動機、５…可変ピッチプロペラ、６…船内負荷、７，１１…コンバータ、８，１２…インバータ、９…固定ピッチプロペラ、１０，１４…コンデンサ、１３，３１，３２…フィルタ、１５，１８…速度指令発生器、１６…交流／交流直接形電力変換装置、１７…周波数検出器、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９…双方向スイッチ、３３…ピッチ制御器、３４…ピッチ信号出力器、３５…推進力調節レバー、３６…電動機速度指令出力器、３９，４０，４１…遮断器、４２…切り替え制御器。

Claims

船舶の推進力指令を出力する推進力調節手段と、船舶に推進力を与える可変ピッチプロペラと、前記可変ピッチプロペラのピッチを調整するピッチ制御器と、前記推進力指令を入力して前記ピッチ制御器にピッチ信号を出力するピッチ信号出力器と、前記可変ピッチプロペラに回転トルクを与える第１の電動機と、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータにより得られた直流電力を定格周波数の交流電力に変換して船内負荷に供給するインバータと、前記第１の電動機と前記コンバータに電力を供給する第１の発電機と、前記第１の発電機を駆動する原動機と、前記原動機の回転速度を制御するガバナと、前記第１の発電機の出力周波数を検出する周波数検出器と、前記ピッチ信号と前記第１の発電機の出力周波数を入力して前記ガバナに原動機速度指令を出力する速度指令発生器とを備え、船内負荷に対して一定周波数の交流電力を供給し、前記ピッチ信号がプロペラの推進効率特性によって定める所定値以上の時は前記第１の発電機の出力周波数を定格周波数とし、前記ピッチ信号が前記所定値より小さい時は前記第１の発電機の出力周波数を定格周波数より下げるように前記速度指令発生器が原動機速度指令を出力することを特徴とする船舶の電気推進装置。
請求項１に記載の船舶の電気推進装置において、前記コンバータと前記インバータの代りに交流／交流直接形電力変換装置を備え、前記第１の発電機の出力する交流電力を定格周波数の交流電力に変換して船内負荷に供給することを特徴とする船舶の電気推進装置。
請求項１に記載の船舶の電気推進装置において、前記コンバータと前記インバータを備えず、前記第１の発電機と船内負荷を直接接続することを特徴とする船舶の電気推進装置。
請求項３に記載の船舶の電気推進装置において、第１の遮断器を介して前記第１の発電機によって電力を供給されて回転する第２の電動機と、前記第２の電動機で駆動される第２の発電機と、前記第１の発電機と船内負荷の接続を開閉する第２の遮断器と、前記第２の発電機と船内負荷の接続を開閉する第３の遮断器と、前記周波数検出器からの信号に基づいて前記第１の遮断器、前記第２の遮断器および前記第３の遮断器を操作する切替制御器を備え、前記周波数検出器の出力する周波数検出信号が予め定めた周波数設定値より低くなった場合は前記第１の遮断器を投入し所定時間後に第２の遮断器を開くと同時に第３の遮断器を閉じ、前記周波数検出信号が予め定めた周波数設定値より高くなった場合は前記第１の遮断器及び第３の遮断器を開くと同時に前記第２の遮断器を閉じることを特徴とする船舶の電気推進装置。