JP6720370B1 - 軸駆動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡発生中及び短絡開放後の復電までの電源電圧の低下期間を短縮して、安定した船内母線電源を供給する。【解決手段】軸駆動発電装置は、船舶の主機軸により駆動されるプロペラと同軸に接続され主機により駆動される軸発電機と、軸発電機の界磁巻線に励磁電力を供給する励磁用コンバータと、励磁用コンバータの位相を制御し、軸発電機の端子電圧を一定に保つ自動電圧調整器と、軸発電機の出力側に接続された自励形コンバータと、自励形コンバータから出力される直流電圧を平滑するためのキャパシタと、キャパシタにより平滑された直流電圧を交流電圧に逆変換して出力する自励形インバータと、自励形インバータの出力を制御する制御装置とを有する。制御装置は、船内母線又は船内負荷で短絡が発生した際、高調波フィルタの出力側と船内母線とを接続する遮断器を開放するための短絡電流を給電し、短絡点を開放した直後に予め設定された電圧まで復帰させるように出力を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、船舶の主機軸により駆動される発電機において、この発電機出力を自励形電力変換器を用いて電力変換して船内給電を行う軸駆動発電装置に関する。

船舶の主機軸により駆動される軸駆動発電装置は、例えば、特許文献１に記載されており、自励形電力変換器による短絡電流供給方法は、例えば、特許文献２や非特許文献１に記載されており、一般によく知られている。

船舶において、主機軸又は減速機を介した軸に発電機を接続して、回転エネルギーを電気エネルギーに変換して電力回収を行うことでエネルギーを有効利用する軸駆動発電装置などは一般によく実装されている。

図７には、従来技術による主機軸に発電機を接続した軸駆動発電装置の一例を示している。図７において、１はプロペラ、２は発電機、３は主機、２１は変換装置、２２は同期調相機、２３は交流リアクトル、２４は船内母線、２５は船内負荷である。

図７に示す軸駆動発電装置において、発電機２は、主機３によりプロペラ１と同軸にて駆動され、発電機２で発生する電気エネルギーは変換装置２１に入力され、電力変換され、高調波対策用の交流リアクトル２３を介して船内母線２４及び船内負荷２５へ給電される。この例によれば、変換装置２１は、他励素子で構成されており、同期調相機２２を電源として転流動作を行う。また、同期調相機２２は、系統短絡時の無効電流供給源としても利用される。

以上の構成により主機軸により駆動される発電機２より回転エネルギーを回収し、船内母線２４へ電力供給する方法は広く採用されている。

図８には、従来技術による静止器を用いた発電装置システムの一例を示している。図８において、３１は交流電源、３２は無停電電源装置、３３は系統母線、３４は負荷装置である。

図８に示す発電装置システムでは、交流電源３１より無停電電源装置３２を介して系統母線３３へ給電され、負荷装置３４が駆動される。この時、系統母線３３または負荷装置３４で短絡事故などが発生した場合、無停電電源装置３２より短絡点に流れる過電流を無停電電源装置３２自身で検出して、系統母線への出力電圧を瞬時に絞り、この出力電圧を緩やかに上昇させる仕組み（ソフトスタート）で再起動することで短絡点に対して継続的に電流を供給する方法は一般によく知られている。

以上の構成により自励形素子で構成される電力変換装置より給電される短絡電流を供給する方法は一般的に知られている。

特開２００６−１８０６５３号公報 特開昭６１−２６２０２６号公報

松崎薫著、「無停電電源システム実務読本」、オーム社、２００７年１１月、第６章

しかしながら、従来技術による方法で船内給電を行う場合、短絡電流の供給は可能だが、短絡発生中及び短絡開放後の復電までの期間は電圧低下してしまい、主機運転に必要な補機類の停止を招くおそれがあった。

本発明は上記状況に対処するためになされたもので、短絡発生中及び短絡開放後の復電までの電源電圧の低下期間を短縮して、安定した船内母線電源を供給することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明による軸駆動発電装置は、船舶の主機軸により駆動されるプロペラと同軸に接続され主機により駆動される軸発電機と、前記軸発電機の界磁巻線に励磁電力を供給する励磁用コンバータと、前記励磁用コンバータの入力電源電圧をレベル変換する変圧器と、前記励磁用コンバータの位相を制御し、前記軸発電機の端子電圧を一定に保つ自動電圧調整器と、前記軸発電機の出力側に接続された自励形コンバータと、前記自励形コンバータから出力される直流電圧を平滑するためのキャパシタと、前記キャパシタにより平滑された直流電圧を交流電圧に逆変換して出力する自励形インバータと、前記自励形インバータの出力側に接続された高調波フィルタと、前記自励形インバータの出力を制御する制御装置とを有し、前記高調波フィルタの出力側と、船内負荷が接続される船内母線とが遮断器により接続されており、前記制御装置は、前記船内母線又は前記船内負荷で発生した短絡を検出する短絡検出器、及び前記船内母線又は前記船内負荷の短絡点の開放を検出する復電検出器を有し、前記船内母線又は前記船内負荷で短絡が発生したことが前記短絡検出器により検出された際、前記自励形インバータに対して、低減電圧又はゼロ電圧に出力電圧を切り替えるように指令し、その後、スロープ状に出力電圧が上昇するように指令し、前記復電検出器により短絡点の開放が検出された直後に、前記自励形インバータに対して、予め設定された電圧まで復帰させるように指令する。

請求項２に記載の発明による軸駆動発電装置は、請求項１記載の軸駆動発電装置において、前記制御装置は、短絡点を開放した直後に定格電圧まで即座に復帰させるように前記自励形インバータの出力を制御する。

請求項３に記載の発明による軸駆動発電装置は、請求項１記載の軸駆動発電装置において、前記制御装置は、短絡点を開放した直後に、前記遮断器を開放するための短絡電流の供給時より高い出力電圧の復電レートに従って復帰させるように前記自励形インバータの出力を制御する。

請求項４に記載の発明による軸駆動発電装置は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の軸駆動発電装置において、前記自励形コンバータと前記自励形インバータの直流中間部に蓄電機器を接続して、短絡発生時に前記蓄電機器から短絡電力を給電する。

請求項５に記載の発明による軸駆動発電装置は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の軸駆動発電装置において、前記自励形コンバータと前記自励形インバータの直流中間部に燃料電池を接続して、短絡発生時に前記燃料電池から短絡電力を給電する。

本発明の軸駆動発電装置によれば、短絡発生中及び短絡開放後の復電までの電源電圧の低下期間を短縮して、安定した船内母線電源を供給することが可能となる。

本発明の第１の実施形態における舶用軸駆動発電装置（軸駆動発電装置）の構成の一例を示す図。 第１の実施形態における制御装置の構成例を示す図。 第１の実施形態における制御装置による動作結果として得られる出力特性図。 第２の実施形態における制御装置による動作結果として得られる出力特性図。 第３の実施形態における軸駆動発電装置の構成の一例を示す図。 第４の実施形態における軸駆動発電装置の構成の一例を示す図。 従来技術による主機軸に発電機を接続した軸駆動発電装置の一例を示す図。 従来技術による静止器を用いた発電装置システムの一例を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

［第１の実施形態］
（構成）
図１は、本発明の第１の実施形態における舶用軸駆動発電装置（以下、軸駆動発電装置と称する）の構成の一例を示す図である。

図１において、１は船舶を駆動するためのプロペラ、２は主機軸に接続された軸発電機、３は主機、４は発電機の界磁巻線、５は励磁用コンバータ、６は自動電圧調整器、７は変圧器、８は自励形コンバータ、９はキャパシタ（直流コンデンサ）、１０は自励形インバータ、１１は高調波フィルタ、１２は制御装置、１３ａ〜１３ｃは遮断器、１４は出力検出器、１５は船内負荷、１６は船内母線である。

第１の実施形態における軸駆動発電装置は、船舶の主機軸により駆動されるプロペラ１と同軸に接続され主機３により駆動される軸発電機２と、軸発電機２の界磁巻線４に励磁電力を供給する励磁用コンバータ５と、励磁用コンバータ５の入力電源電圧をレベル変換する変圧器７と、励磁用コンバータ５の位相を制御し、軸発電機２の端子電圧を一定に保つ自動電圧調整器６と、軸発電機２の出力側に接続された自励形コンバータ８と、自励形コンバータ８から出力される直流電圧を平滑するためのキャパシタ９と、キャパシタ９により平滑された直流電圧を交流電圧に逆変換して出力する自励形インバータ１０と、自励形インバータ１０の出力側に接続された高調波フィルタ１１と、自励形インバータ１０の出力を制御する制御装置１２とを有している。軸駆動発電装置は、高調波フィルタ１１の出力側と、船内負荷１５が接続される船内母線１６とが遮断器１３ａにより接続され、変圧器７と船内母線１６とが遮断器１３ｂにより接続され、船内母線１６と船内負荷１５が遮断器１３ｃにより接続される。第１の実施形態における制御装置１２は、出力検出器１４により検出される船内母線１６の電圧あるいは電流をもとに、船内母線１６又は船内負荷１５で短絡が発生したことを検出した際、遮断器１３ａを開放するための短絡電流を給電し、短絡点を開放した直後に予め設定された電圧まで復帰させるように自励形インバータ１０の出力を制御する構成を有する。

図２に、第１の実施形態における制御装置１２の構成例を示す。１２ａは定格電圧指令、１２ｂは低減電圧又はゼロ電圧指令、１２ｃは出力電圧検出信号、１２ｄは出力電流検出信号、１２ｅは出力電圧指令信号、１２ｆは短絡検出器、１２ｇは復電検出器、１２ｈは電圧指令制御器である。

なお、出力検出器１４は、船内母線１６の電圧を検出して、出力電圧検出信号１２ｃを制御装置１２の短絡検出器１２ｆ及び復電検出器１２ｇに出力する。また、出力検出器１４は、船内母線１６の電流を検出して、出力電流検出信号１２ｄを制御装置１２の短絡検出器１２ｆ及び復電検出器１２ｇに出力する。

図３は、第１の実施形態における制御装置１２による動作結果として得られる出力特性図の一例を示している。図３において、１０１，１０２は出力電圧カーブ、１１０は短絡発生点、１１１は短絡回路開放点を示す。

（作用）
図１においては、主機３を駆動源として、主機軸により駆動される軸発電機２の発生する電力は、自励形コンバータ８及びキャパシタ９及び自励形インバータ１０により電力変換され、高調波フィルタ１１を介して船内母線１６及び船内負荷１５に各々遮断器１３ａ，１３ｃを介して接続される。主機軸構成において軸発電機２が主機を駆動源として減速機などを介して駆動される場合であってもよい。

ここで、軸発電機２の出力電圧は界磁巻線４に船内母線１６を電源として遮断器１３ｂを介して変圧器７でレベル変換された電圧を元に励磁用コンバータ５で電力給電されることで発生する。軸発電機２より発生する電圧は、自動電圧調整器６により一定となるように励磁用コンバータ５を制御している。界磁巻線４に供給する電源は船内母線１６に限らず、他の電源機器からの供給であってもよい。また、レベル変換のための変圧器７は構成上なくてもよい。

このとき、給電中に例えば船内負荷１５で短絡が発生した場合、船内母線１６の電圧が低下することで、自励形インバータ１０の出力電圧との間に差を生じ、電流（短絡電流）が流れる。ここで、制御装置１２は、図２に示すように、電圧指令制御器１２ｈにより内部で予め設定された定格電圧指令１２ａ、あるいは低減電圧又はゼロ電圧指令１２ｂを電圧基準として選択して、自励形インバータ１０へ出力電圧指令信号１２ｅを与えるものである。また、短絡検出器１２ｆは、出力電圧検出信号１２ｃ、出力電流検出信号１２ｄを入力として船内母線１６の短絡状況を検出するものである。さらに、復電検出器１２ｇは、出力電圧検出信号１２ｃ、出力電流検出信号１２ｄを入力として船内母線１６の復電状況を検出するものである。電圧指令制御器１２ｈは、短絡検出器１２ｆ及び復電検出器１２ｇの検出状況に応じて、定格電圧指令１２ａあるいは低減電圧又はゼロ電圧指令１２ｂの何れかに切り替わり出力電圧指令信号１２ｅを決定する。

電圧指令制御器１２ｈは、定格電圧指令１２ａから低減電圧又はゼロ電圧指令１２ｂへ切り替わる際は即座に切り替わるが、その後、自動的に定格電圧指令１２ａに向かってスロープ状に数値復帰する機能を有している。

なお、定格電圧指令１２ａ乃至低減電圧又はゼロ電圧指令１２ｂは、内部で予め設定された値に限らず、外部信号として与えられるものでもよい。また、短絡検出器１２ｆ及び復電検出器１２ｇは、出力電圧検出信号１２ｃあるいは出力電流検出信号１２ｄの何れか一方に基づいて短絡発生を検出する構成としてもよい。

通常時は、電圧指令制御器１２ｈにより定格電圧指令１２ａが選択され、自励形インバータ１０の出力電圧は定格電圧に制御されている。船内母線１６又は船内負荷１５で短絡が発生した際には短絡検出器１２ｆにより短絡を検出して、出力電圧指令信号１２ｅを定格電圧指令１２ａから低減電圧又はゼロ電圧指令１２ｂに切り替えることで、出力電圧を低減出力又はゼロに設定する。こうして、電位差を小さくすることで自励形インバータ１０の過電流トリップによる停止を回避することができる。その後、自動的に出力電圧指令信号１２ｅがスロープ状に復帰することで電圧指令が上昇することにより船内インピーダンスに比例して電流が上昇して短絡点近傍の遮断器１３ａを開放するための電流を継続的に給電する（短絡電流の供給を維持する）。なお、出力電圧の復帰手段はスロープに限らず、関数やパルスのオン期間に応じて上昇させるなどの他のレート変更手段であってもよい。

ここで、船内母線１６の短絡時は母線電圧が低下する（ゼロに近づく）ため、インバータ出力電圧と乖離する。つまり自励形インバータ１０の出力電圧を上昇させても船内母線１６の電圧は上昇しない。この時、継続的に電流を供給することで遮断器１３ａがトリップして短絡点と切り離されることで船内母線１６の電圧は上昇復帰が可能となる。

第１の実施形態の構成では、短絡点近傍の遮断器１３ａを開放するために自励形インバータ１０の出力電圧をスロープ状に上昇させて電流を継続的に供給するが、この上昇度合いが緩やかであると短絡点開放後の復電に時間がかかることから、電圧指令制御器１２ｈにスロープ状に数値復帰する機能に加えて、復電検出器１２ｇにより船内母線１６の復電状況を検出して、定格電圧指令１２ａに即座に切り替える機能を付与する。これにより、自励形インバータ１０の出力電圧を定格電圧に即座に復帰させることができる。

上記で説明した制御について図３を用いて説明する。図３に示す出力特性図では自励形インバータ１０の出力電圧の指令値をイメージしている。図３に示す出力特性図において、時間軸の左側（通常時）において出力電圧カーブ１０１は定格電圧であり、短絡発生を検知した短絡発生点１１０の時点で出力電圧を低下させ、短絡回路開放点１１１の時点で出力電圧レート１０１から出力電圧レート１０２に切り替えて出力電圧を即座に復電する。

上記のように短絡点開放を検出した時点で自励形インバータ１０の出力電圧を定格電圧に即座に切り替えることで、短絡事故の際の船内母線１６の電圧が低下する期間を短くすることができる。

（効果）
以上の構成により、第１の実施形態における軸駆動発電装置では、船内母線１６あるいは船内負荷１５における短絡発生時に短絡点開放を検出して、短絡点開放を検出した直後に、出力電圧を定格電圧に即座に切り替えることで出力電圧復帰時間を短縮し、安定した船内母線電源の供給を可能としている。これにより、短絡事故により発生する船内母線１６のブラックアウト又は電源電圧の低下期間を短くして、主機駆動用の補機運転を継続させることができ、船内航行を維持することが可能となる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、短絡点開放検知後に自励形インバータ１０の出力電圧を定格電圧に即座に変更している。この場合、船内負荷１５が大きければ電圧上昇と同時に突入電流が流れ、自励形インバータ１０の出力過電流を引き起こすおそれがある。

そこで、第２の実施形態では、制御装置１２の電圧指令制御器１２ｈに対してさらなる改良を加え、自励形インバータ１０の出力電圧をステップ状に変更して即座に定格電圧まで上昇させるのではなく、遮断器１３ａを開放するための短絡電流の供給時より高い出力電圧の船内負荷１５に対応した復電レートに従って復帰させるように自励形インバータ１０の出力を制御する。なお、第２の実施形態における軸駆動発電装置の構成は、図１に示す第１実施形態の構成と同じものとして詳細な説明を省略する。

図４は、第２の実施形態における制御装置１２による動作結果として得られる出力特性図の一例を示している。電圧指令制御器１２ｈは、例えば図４に示すように出力電圧カーブ１０１で運転していた状態において短絡発生点１１０の時点で出力電圧を低下させ、第１の実施形態と同様にして自励形インバータ１０の出力電圧をスロープ状に上昇させて短絡電流を継続的に供給する。そして、電圧指令制御器１２ｈは、短絡回路開放点１１１の時点で出力電圧カーブ１０１とは異なる、予め設定した復電レートに従って復帰させるように自励形インバータ１０の出力を制御する。復電レートは、船内負荷１５に応じて、例えば図４に示す復電レート１０３ａ乃至復電レート１０３ｂの範囲で設定される。

このようにして、第２の実施形態における軸駆動発電装置では、短絡電流供給時とは異なる第２のスロープを設定して、短絡点開放を検出した時点で自励形インバータ１０の出力電圧を復電レートに従って制御することにより、突入電流の発生を抑制して、安定な船内電源を構築することができる。なお、第２のスロープは、関数やパルスのオン期間に応じて上昇させるなどの他のレート変化手段であってもよい。

［第３の実施形態］
第１乃至第２の実施形態では、船内母線１６又は船内負荷１５で短絡が発生した際、短絡給電の影響を軸発電機２及び自励形コンバータ８が受けるおそれがある。このため、短絡給電の影響を軸発電機２及び自励形コンバータ８が受けないようにするため、軸発電機２の設計が複雑になる場合や、自励形コンバータ８の容量アップが必要となる場合がある。そこで、第３の実施形態の軸駆動発電装置では、直流電圧部に蓄電機器１７を設けて短絡電流供給時の過渡的な電力を蓄電機器から供給することで、軸発電機２や自励形コンバータ８への影響を抑制する。

図５は、第３の実施形態における軸駆動発電装置の構成の一例を示す図である。なお、第１の実施形態において説明した図１と同じ構成について同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、第３の実施形態における軸駆動発電装置では、自励形コンバータ８と自励形インバータ１０の直流中間部に蓄電機器１７を接続している。従って、短絡発生時には、蓄電機器１７から短絡電力を給電することができる。

こうして、直流電圧部に蓄電機器１７を設けて短絡電流供給時の過渡的な電力を蓄電機器１７から供給することで、軸発電機２や自励形コンバータ８への影響を抑制することができる。従って、軸発電機２について複雑な設計をする必要が無く、また短絡給電の影響を考慮した自励形コンバータ８の容量増大を抑制することができる。

［第４の実施形態］
第１乃至第２乃至第３の実施形態では短絡時の給電電力は軸発電機２又はキャパシタ９又は蓄電機器１７から構成されているが、船内負荷１５で短絡が発生した際、他の船内負荷電力が大きければ、短絡給電＋船内負荷給電となり、軸発電機２や自励形コンバータ８又は蓄電機器１７の容量を大きく選定する必要がありシステム容量が増大する問題がある。

そこで、第４の実施形態の軸駆動発電装置では、直流電圧部に燃料電池１８を設けて短絡発生時に燃料電池１８から必要電力を給電することでシステム容量を抑え、且つ軸発電機２や自励形コンバータ８への影響を抑制したものである。

図６は、第４の実施形態における軸駆動発電装置の構成の一例を示す図である。なお、第１の実施形態において説明した図１と同じ構成について同一符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、第４の実施形態における軸駆動発電装置では、自励形コンバータ８と自励形インバータ１０の直流中間部に燃料電池１８を接続している。従って、短絡発生時には、燃料電池１８から短絡電力を給電することができる。

こうして、他の船内負荷電力が大きくても、直流電圧部に燃料電池１８を設けて短絡電流供給時の過渡的な電力を燃料電池１８から供給することで、軸発電機２や自励形コンバータ８の容量増大を抑制することができる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…プロペラ、２…軸発電機、３…主機、４…界磁巻線、５…励磁用コンバータ、６…自動電圧調整器、７…変圧器、８…自励形コンバータ、９…キャパシタ（直流コンデンサ）、１０…自励形インバータ、１１…高調波フィルタ、１２…制御装置、１２ａ…定格電圧指令、１２ｂ…低減電圧又はゼロ電圧指令、１２ｃ…出力電圧検出信号、１２ｄ…出力電流検出信号、１２ｅ…出力電圧指令信号、１２ｆ…短絡検出器、１２ｇ…復電検出器、１２ｈ…電圧指令制御器、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…遮断器、１４…出力検出器、１５、２５…船内負荷、１６、２４…船内母線、１７…蓄電機器、１８…燃料電池、２１…変換装置、２２…回期調相機、２３…交流リアクトル、３１…交流電源、３２…無停電電源装置、３３…系統母線、３４…負荷装置、１０１，１０２…出力電圧カーブ、１０３ａ、１０３ｂ…復電レート、１１０…短絡発生点、１１１…短絡回路開放点。

Claims (5)

1. 船舶の主機軸により駆動されるプロペラと同軸に接続され主機により駆動される軸発電機と、
   前記軸発電機の界磁巻線に励磁電力を供給する励磁用コンバータと、
   前記励磁用コンバータの入力電源電圧をレベル変換する変圧器と、
   前記励磁用コンバータの位相を制御し、前記軸発電機の端子電圧を一定に保つ自動電圧調整器と、
   前記軸発電機の出力側に接続された自励形コンバータと、
   前記自励形コンバータから出力される直流電圧を平滑するためのキャパシタと、
   前記キャパシタにより平滑された直流電圧を交流電圧に逆変換して出力する自励形インバータと、
   前記自励形インバータの出力側に接続された高調波フィルタと、
   前記自励形インバータの出力を制御する制御装置とを有し、
   前記高調波フィルタの出力側と、船内負荷が接続される船内母線とが遮断器により接続されており、
   前記制御装置は、
   前記船内母線又は前記船内負荷で発生した短絡を検出する短絡検出器、及び前記船内母線又は前記船内負荷の短絡点の開放を検出する復電検出器を有し、
   前記船内母線又は前記船内負荷で短絡が発生したことが前記短絡検出器により検出された際、前記自励形インバータに対して、低減電圧又はゼロ電圧に出力電圧を切り替えるように指令し、その後、スロープ状に出力電圧が上昇するように指令し、前記復電検出器により短絡点の開放が検出された直後に、前記自励形インバータに対して、予め設定された電圧まで復帰させるように指令する軸駆動発電装置。
2. 請求項１記載の軸駆動発電装置において、前記制御装置は、前記復電検出器により短絡点の開放が検出された直後に定格電圧まで即座に復帰させるように前記自励形インバータの出力を制御する軸駆動発電装置。
3. 請求項１記載の軸駆動発電装置において、前記制御装置は、前記復電検出器により短絡点の開放が検出された直後に、前記スロープ状に出力電圧を上昇させた時より高い出力電圧の復電レートに従って復帰させるように前記自励形インバータの出力を制御する軸駆動発電装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の軸駆動発電装置において、前記自励形コンバータと前記自励形インバータの直流中間部に蓄電機器を接続して、短絡発生時に前記蓄電機器から短絡電力を給電する軸駆動発電装置。
5. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の軸駆動発電装置において、前記自励形コンバータと前記自励形インバータの直流中間部に燃料電池を接続して、短絡発生時に前記燃料電池から短絡電力を給電する軸駆動発電装置。