JP6724215B1 - 軸駆動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】船内母線に異常が発生した場合においても安定した船内電源供給が可能な軸駆動発電装置を提供すること。【解決手段】軸駆動発電装置の切替制御装置は、システム始動時は、母線側開閉器を閉状態に切り替えて、船内母線を励磁電源として軸発電機を始動して軸発電機の出力電圧を確立させ、直流中間部の電源成立並びに励磁側高調波フィルタの出力電圧が定格電圧に到達した後は、母線側開閉器を開状態に切り替えて励磁電源から船内母線を切り離し、励磁側開閉器を閉状態に切り替えて前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替える。【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、この発電機出力を電圧形インバータ及び電圧形コンバータによっ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、特許文献１及び特許文献２に示されるように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の有効利用する軸駆動発電機などは一般によく実装されている。

図９には、特許文献１で示される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９において、１はプロペラ、２は軸発電機、３は主機、４は界磁巻線、５は励磁用コンバータ、７は変圧器、８は電圧形コンバータ、９は電圧形インバータ、１１は直流中間部、１７はディーゼル発電機、１８は船内母線、１９は船内負荷、２８は変圧器、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは遮断器である。

図９に示す軸駆動発電装置において、軸発電機２は、主機３によりプロペラ１と同軸にて駆動され、船内母線１８から変圧器７に電気エネルギーが入力され、励磁用コンバータ５に変圧器７によってレベル変換された電気エネルギーが入力され、励磁用コンバータ５により軸発電機２の出力電圧が一定になるように界磁巻線４に入力される電力が調整される。

一方、軸発電機２によって発生する交流電力は、電圧形コンバータ８に入力され、電圧形コンバータ８によって電力変換された直流電力が直流中間部１１を介して電圧形インバータ９に入力され、電圧形インバータ９によって直流電力から交流電力に電力変換され、電力変換された交流電力が変圧器２８によってレベル変換され、船内母線１８に接続された船内負荷１９に給電される。

図１０には、特許文献２で示される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１０において、１はプロペラ、２は軸発電機、３は主機、４は界磁巻線、５は励磁用コンバータ、８は電圧形コンバータ、９は電圧形インバータ、１１は直流中間部、２９は第２の電圧形インバータ、１７はディーゼル発電機、１８は船内母線、１９は船内負荷、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは遮断器である。

図１０に示す軸駆動発電装置では、システム始動時は、ディーゼル発電機１７で電源構成される船内母線１８を励磁電源として軸発電機２を立ち上げ、電圧形コンバータ８で交直変換することで、直流中間部１１の電圧が立ち上がった後、第２の電圧形インバータ２９を始動することで励磁電源を船内母線１８と第２の電圧形インバータ２９の出力とを突き合せた状態で運転され、電圧形インバータ９で直流中間部１１より電力変換した交流電力は船内母線１８を通じて船内負荷１９に給電される。

特表２０１３−５３５１８１号公報 特表２０１２−５２４５０８号公報

特許文献１に示す従来技術の方法によれば、励磁用コンバータ５に電力供給を行う場合、通常時は船内母線１８より電力を供給することが可能だが、船内母線１８に短絡等の異常が発生した場合、励磁用コンバータ５に電力が供給できなくなる。これにより界磁巻線４への電力供給が停止して、軸発電機能が停止するため、船内電源の喪失を招く恐れがあった。

特許文献２に示す従来技術の方法によれば、軸発電機２の励磁電源は船内母線１８と軸発電機出力より生成された直流中間部と第２の電圧形インバータ２９で生成された電源とで並列されているが、船内母線１８に短絡等の異常が発生した場合、第２の電圧形インバータ２９の出力端も船内母線１８と同様に電圧低下などが発生する。これにより第２の電圧形インバータ２９の過電流を引き起こし、システムに支障をきたす恐れがあり、さらには、軸発電機２から電源供給が継続できなくなり、船内電源の喪失を招く恐れがあった。

本発明は上記状況に対処するためになされたもので、船内母線に異常が発生した場合においても安定した船内電源供給が可能な軸駆動発電装置を提供することを目的とするものである。

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、前記変圧器の入力電源となる船内母線との接続を開閉する母線側開閉器と、前記励磁用コンバータの位相を制御して前記軸発電機の出力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交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、前記電圧形コンバータの直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧波形を正弦波に成形して前記船内母線に接続する母線側高調波フィルタと、前記電圧形コンバータと前記電圧形インバータとの直流中間部の直流電力を第２の交流電力に変換する励磁用インバータと、前記励磁用インバータの出力側に接続された励磁側高調波フィルタと、前記励磁側高調波フィルタと、前記変圧器及び前記母線側開閉器との接続を開閉する励磁側開閉器と、前記船内母線の電圧を検出する母線側電圧検出器と、前記励磁側高調波フィルタの出力部の電圧を検出する励磁側電圧検出器と、前記母線側電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第１信号及び前記励磁側電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第２信号が入力され、前記第１信号及び前記第２信号に基づいて、前記母線側開閉器及び前記励磁側開閉器の開閉制御を行う切替制御装置とを有し、前記切替制御装置は、システム始動時は、前記母線側開閉器を閉状態に切り替えて、前記船内母線を励磁電源として前記軸発電機を始動して前記軸発電機の出力電圧を確立させ、前記直流中間部の電源成立並びに前記励磁側高調波フィルタの出力電圧が定格電圧に到達した後は、前記母線側開閉器を開状態に切り替えて励磁電源から前記船内母線を切り離し、前記励磁側開閉器を閉状態に切り替えて前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替えることを特徴とする。

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記載に記載の軸駆動発電装置において、前記切替制御装置は、前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替えた後、前記励磁側電圧検出器からの第２信号をもとに異常を検出した場合、励磁電源を前記軸発電機の出力より生成された直流電源から切り離して前記船内母線に切り替え、前記励磁側高調波フィルタの出力電圧が定格電圧に到達した後に、励磁電源から前記船内母線を切り離し、前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替える。

また、請求項３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の励磁電力を、電圧レベルを調整して供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、船内母線の交流電源を直流変換する励磁用コンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電源となる前記励磁用コンバータとの接続を開閉する母線側開閉器と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記軸発電機の出力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交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、前記電圧形コンバータの直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧波形を正弦波に成形して前記船内母線に接続する母線側高調波フィルタと、前記電圧形コンバータと前記電圧形インバータとの直流中間部と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記母線側開閉器との接続を開閉する励磁側開閉器と、前記励磁用コンバータの出力部の直流電圧を検出する第１の直流電圧検出器と、前記直流中間部の直流電圧を検出する第２の直流電圧検出器と、前記第１の直流電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第３信号及び前記第２の直流電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第４信号が入力され、前記第３信号及び前記第４信号に基づいて、前記母線側開閉器及び前記励磁側開閉器の開閉制御を行う切替制御装置とを有し、前記切替制御装置は、システム始動時は、前記母線側開閉器を閉状態に切り替えて、前記励磁用コンバータの出力部の直流電圧を励磁電源として前記軸発電機を始動して前記軸発電機の出力電圧を確立させ、前記直流中間部の電源が成立した後は、前記母線側開閉器を開状態に切り替えて励磁電源から前記励磁用コンバータを切り離し、前記励磁側開閉器を閉状態に切り替えて前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替えることを特徴とする。

また、請求項４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の励磁電力を、電圧レベルを調整して供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、船内母線の交流電源を直流変換する励磁用コンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記軸発電機の出力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交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、前記電圧形コンバータの直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧波形を正弦波に成形して前記船内母線に接続する母線側高調波フィルタと、前記励磁用コンバータにより直流変換した直流電源を前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に供給する第１のダイオードと、前記電圧形コンバータと前記電圧形インバータとの直流中間部の直流電源を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する第２のダイオードとを有し、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとを介して供給される２つの直流電源を突き合せて前記励磁電力を形成することを特徴とする。

本発明の軸駆動発電装置によれば、船内母線に異常が発生した場合（例えば短絡時）においても軸駆動発電装置の運転を継続でき、安定した船内電源供給が可能となる。

本発明の第１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１の実施形態における切替制御装置による切替制御の一例を示すタイムチャート。 第１の本実施形態における軸駆動発電装置の一連の動きを示すフローチャート。 本発明の第２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２の実施形態における切替制御装置による切替制御の一例を示すタイムチャート。 第２の本実施形態における軸駆動発電装置の一連の動きを示すフローチャート。 本発明の第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３の本実施形態における軸駆動発電装置の一連の動きを示すフローチャート。 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。 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。

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軸駆動発電装置の構成の一例を示す図である。

図１において、１は船舶を推進させるための主機軸により駆動されるプロペラ、２はプロペラ１と同軸に接続された主機３により駆動される軸発電機、３は主機軸に接続されたプロペラ１と軸発電機２を駆動する主機、４は軸発電機２の界磁巻線、５は軸発電機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、６は励磁用コンバータ５の位相を制御して軸発電機２の出力電圧を一定に保つ自動電圧調整器、７は励磁用コンバータ５の入力電源電圧をレベル変換する変圧器、８は軸発電機２の出力交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータ、９は電圧形コンバータ８の直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータ、１０は電圧形インバータ９の出力電圧波形を正弦波に成形して遮断器３０ａを介して船内母線１８に接続する母線側高調波フィルタ、１１は直流中間部、１２は電圧形コンバータ８と電圧形インバータ９の直流中間部１１の直流電力を第２の交流電力に変換する励磁用インバータ、１３は励磁用インバータ１２の出力側に接続され出力電圧波形を正弦波に成形する励磁側高調波フィルタ、１４は変圧器７の入力電源となる船内母線１８との接続を開閉する母線側開閉器、１５は励磁側高調波フィルタ１３の出力先となる変圧器７及び母線側開閉器１４との接続を開閉する励磁側開閉器、１６は母線側電圧検出器２０で検出した電圧値Ｖ１を示す電圧信号Ｖ１及び励磁側電圧検出器２１で検出した電圧値Ｖ２を示す電圧信号Ｖ２が入力され、電圧信号Ｖ１，Ｖ２に基づいて母線側開閉器１４及び励磁側開閉器１５の開閉制御を行う切替制御装置、１７はディーゼル発電機、１８は船内母線、１９は船内負荷、２０は船内母線１８の電圧を検出する電圧検出器、２１は励磁側高調波フィルタの出力部の電圧を検出する励磁側電圧検出器、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは遮断器である。ディーゼル発電機１７は、一台乃至複数台が設けられる。図１では、２台のディーゼル発電機１７を示しており、それぞれ遮断器３０ｂ，３０ｃを介して船内母線１８と接続され、また船内負荷等と接続される。船内母線１８には、遮断器３０ｄを介して船内負荷１９が接続される。

（作用）
図１において、船内の電気系統では、ディーゼル発電機１７から遮断器３０ｂ，３０ｃを介して船内母線１８へ電力供給され、遮断器３０ｄを介して船内母線１８に接続された船内負荷１９に給電されている。なお、船内母線１８の電力供給源は、必ずしもディーゼル発電機１７である必要はなく、ガスタービン発電機等などの他の発電機であってもよい。

ここで、本実施形態における軸駆動発電装置のメカニズムを説明する。軸発電機２の出力電圧は、軸発電機２の界磁巻線４に対して励磁用コンバータ５により励磁電力を供給することによって発生する。励磁用コンバータ５の入力電源電圧は、変圧器７を介してレベル変換されている。変圧器７の入力電源は、母線側開閉器１４を介して船内母線１８より供給される。軸発電機２の出力電圧は、自動電圧調整器６の信号を元に励磁用コンバータ５の出力電力を調整することで一定に制御されている。尚、レベル変換のための変圧器７は構成上なくてもよい。軸発電機２の出力電圧は、電圧形コンバータ８により交直変換され、直流中間部１１に直流電圧が印加される。直流中間部１１は、電圧形インバータ９に接続されている。直流中間部１１の直流電圧は、電圧形インバータ９により直交変換され、母線側高調波フィルタ１０を介して交流電圧に変換される。母線側高調波フィルタ１０は、遮断器３０ａを介して船内母線１８と接続され、軸発電機２で主機軸より回収したエネルギーが電力変換して船内母線１８へ給電する。尚、主機軸構成において、軸発電機２は、プロペラ１と共に主機軸に同軸で接続されて駆動される構成に限らず、主機３を駆動源とした減速機等を介して駆動される構成としてもよい。船内負荷１９を軸駆動発電装置の出力電力で賄える場合は、ディーゼル発電機１７を停止し、軸駆動発電装置の単独給電としてもよい。

一方、直流中間部１１には励磁用インバータ１２が接続されており、直流中間部１１の直流電圧が励磁用インバータ１２により第２の交流電力に直交変換され、励磁側高調波フィルタ１３を介して交流電圧に変換される。交流電圧に変換された電力は、励磁側開閉器１５を介して、変圧器７と母線側開閉器１４の接続部に供給される。

電圧検出器２０は、船内母線１８の電圧を検出し、その電圧を示す電圧信号Ｖ１を切替制御装置１６に出力する。また、電圧検出器２１は、励磁側高調波フィルタ１３の出力電圧を検出し、その電圧を示す電圧信号Ｖ２を切替制御装置１６に出力する。切替制御装置１６は、電圧信号Ｖ１及び電圧信号Ｖ２の状態に応じて、母線側開閉器１４及び励磁側開閉器１５をオン（閉状態）／オフ（開状態）する切替制御をする。

ここで、第１の実施形態における切替制御装置１６の詳細説明として切替制御の一例を、図２のタイムチャートを用いて説明する。図２では、切替制御装置１６の入出力信号の変化をタイムチャートによって表現している。図２に示すタイムチャートでは、横軸が時間軸を示しており、左から右に流れるものとする。図２（Ａ）（Ｂ）にそれぞれ示すＶ１とＶ２は、電圧信号Ｖ１及び電圧信号Ｖ２が示す電圧値（電圧値Ｖ１及び電圧値Ｖ２）の変化を示し、縦軸の上方向に行くと数値が高くなるものとする。図２（Ｃ）（Ｄ）にそれぞれ示す１４、１５は、母線側開閉器１４と励磁側開閉器１５に対してオンあるいはオフにするためのオン／オフ信号の変化を示すものとする。

図３は、第１の本実施形態における軸駆動発電装置の一連の動きを示すフローチャートである。

システム始動時は、軸発電機２を始動させるための励磁電源を供給するために、少なくとも１つのディーゼル発電機１７と船内母線１８とを遮断器３０ｂ，３０ｃにより接続し、ディーゼル発電機１７の運転を開始させる。ディーゼル発電機１７の運転に伴い、船内母線１８への電力供給が開始され、船内母線１８の電圧値Ｖ１が上昇していく。そして、船内母線１８の電圧が定格電圧まで上昇することにより電源確立する。

電圧検出器２０は、電圧値Ｖ１を示す電圧信号Ｖ１を切替制御装置１６に出力している。切替制御装置１６は、電圧信号Ｖ１をもとに電圧の定格電圧までの上昇を検知して、船内母線確立を検出する（ステップＡ１）（図２（Ａ）：船内母線確立（Ｔ１１））。また、主機３により主機軸が回転される（ステップＡ２）。

船内母線が確立したことを検知すると、切替制御装置１６は、母線側開閉器１４に対してオン信号を出力して、母線側開閉器１４をオン（閉）にする（図２（Ｃ））（ステップＡ３）。これにより船内母線１８と変圧器７とが接続され、変圧器７に対して電源供給される。なお、この時、励磁側開閉器１５は、オフ状態にある（図２（Ｄ））。

船内母線１８から供給される電源は、変圧器７によりレベル変換されて励磁用コンバータ５に出力される。これにより、励磁用コンバータ５から界磁巻線４に対して励磁電力が供給される（ステップＡ４）。

界磁巻線４に励磁電力が供給されることにより、軸発電機２が立ち上がり、軸発電機２の電圧が確立される（図２：（Ｔ１３））（ステップＡ５）。軸発電機２により発生された交流電力は、電圧形コンバータ８により直流電力に変換され（ステップＡ６）、また、電圧形コンバータ８が始動することで直流電圧が確立され（ステップＡ７）、電圧形インバータ９を始動して、電圧形コンバータ８の直流電力を交流電力に変換する（ステップＡ８）。また、直流電力は、直流中間部１１を通じて励磁用インバータ１２に供給される。励磁用インバータ１２が始動することで（図２（Ｂ）：励磁用インバータ始動（Ｔ１２））（ステップＡ１１）、電圧値Ｖ２が上昇して定格電圧に至る。
さらに、電圧形インバータ９の交流電力出力は、母線側高調波フィルタ１０を介して正弦波の交流電圧に成形され、船内母線１８と同期させて接続されることで発電出力が可能となる（ステップＡ９，Ａ１０）。

ここで、船内母線１８から供給される電力に、軸発電機２により発生され、励磁用インバータ１２及び励磁側高調波フィルタ１３を介して供給される電力を同期させるため、図２に示す同期切替１０１の期間において、周波数を増減変化させて周波数及び位相を一致させる（ステップＡ１２）。また、電圧差が生じている場合は、電圧を合わせる増減操作も行われる。切替制御装置１６は、周波数と電圧とが同期した同期点で、励磁側開閉器１５に対してオン信号を出力して、励磁側開閉器１５をオンにする（図２（Ｔ１４））。

その後、切替制御装置１６は、母線側開閉器１４に対してオフ信号を出力し、母線側開閉器１４をオフすることで、励磁電源の供給源の切替えを完了させる。

このように、第１の実施形態の軸駆動発電装置によれば、界磁巻線４に対する励磁電源の供給源を船内母線１８から軸発電機２の出力（直流中間部１１）に適切に切り替えることができ、安定した軸発運転が可能となる。

こうして、励磁電源を軸発電機２（直流中間部１１）の出力に切り替えた後の発電動作中に、船内母線１８に短絡などの異常が発生したものとする（図２：船内母線異常時（Ｔ１６））。

この場合、母線側開閉器１４がオフ状態にあり、船内母線１８から励磁電源が供給されていないため、船内母線１８に発生した異常に影響を受けることなく軸発電機２の運転を継続させることが可能である。

さらに、励磁電源の切替完了後、励磁用インバータ１２の出力に瞬断などの異常が発生したものとする（図２：励磁用インバータ１２出力異常時（Ｔ１９））。励磁用インバータ１２の出力に瞬断が発生すると電圧値Ｖ２が低下する。切替制御装置１６は、励磁側電圧検出器２１からの電圧信Ｖ２をもとに、電圧値Ｖ２が定格電圧から予め設定された基準値を越えて低下したことを検知すると、励磁側開閉器１５に対してオフ信号を出力して励磁側開閉器１５をオフして、励磁用インバータ１２からの励磁電源の供給を停止させる（図２：（Ｔ１７））（ステップＡ１３）。切替制御装置１６は、励磁側開閉器１５をオフした後、母線側開閉器１４に対してオン信号を出力して、母線側開閉器１４をオンする（図２：（Ｔ１８））（ステップＡ１４）。これにより、切替制御装置１６は、図２に示す瞬断切替１０２の期間において、界磁巻線４への電力供給源を軸発電機２（直流中間部１１）から船内母線１８に切り替えることができる。

この時、軸発電機２の慣性により出力が即座に低下しない特性によって、励磁用インバータ１２の出力に発生した瞬断などの異常に影響を受けることなく、電力供給源を切り替えて軸発電機２の運転を継続させることが可能である。

その後、電圧値Ｖ２が再復帰すると（図２（Ｔ１１０））、切替制御装置１６は、前述した同期切替１０１における切替制御と同様にして、図２に示す同期切替１０３の期間において、船内母線１８から供給される電力と、軸発電機２により発生され、励磁用インバータ１２及び励磁側高調波フィルタ１３を介して供給される電力とを同期させる。その後、切替制御装置１６は、励磁側開閉器１５に対してオン信号を出力して、励磁側開閉器１５をオンにし、母線側開閉器１４に対してオフ信号を出力し、母線側開閉器１４をオフにすることで、励磁電源の供給源の切替えを完了させる（ステップＡ１５）。

こうして、励磁用インバータ１２の出力に異常が発生した場合であっても、界磁巻線４への電力供給源を船内母線１８に切り替え、励磁用インバータ１２の出力が正常に戻った後に軸発電機２（直流中間部１１）に切り替えることで、界磁巻線４への電力供給源を軸発電機２とした運転を継続させることが可能である。

（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、界磁巻線４の電力供給源を、軸駆動発電装置始動後に、軸発電機２の出力電圧を電圧形コンバータ８によって交直変換した直流中間部１１の直流電力に切り替えることで、船内母線１８において短絡などの異常が発生した場合であっても異常の影響を受けずに発電運転を継続することができ、安定した船内電力の供給を維持することが可能となる。

［第２の実施形態］
（構成）
図４は、本発明の第２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。

図４において、図１と同じ符号１〜４、６、８〜１１、１４〜１９を付した構成要素は、第１の実施形態の構成要素と同様であるものとして詳細な説明は省略する。図４に示す軸駆動発電装置の構成では、図１に示す構成から変圧器７、励磁用インバータ１２、励磁側高調波フィルタ１３が削除されている。２２はＤＣ／ＤＣコンバータ、２３は第２の励磁用コンバータ、２４は第１の直流電圧検出器、２５は第２の直流電圧検出器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、図１に示す励磁用コンバータ５に代えて設けられている。

第２の実施形態の軸駆動発電装置は、第１の実施形態に対して、励磁電源の回路構成が異なっている。船内母線１８には第２の励磁用コンバータ２３が接続され、船内母線１８からの電力が交直変換されて、母線側開閉器１４を介して直流電源部が生成される。この変換後の直流電源部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に接続され、レベル調整されて界磁巻線４に電力供給する。また、直流電源部は、軸発電機２の出力を電圧形インバータ８によって交直変換された直流中間部１１と励磁側開閉器１５を介して接続されている。

第１の直流電圧検出器２４は、第２の励磁用コンバータ２３と母線側開閉器１４との間に接続され、第２の励磁用コンバータ２３により交直変換された電圧値Ｖ３を検出し、電圧値Ｖ３を示す電圧信号Ｖ３を切替制御装置１６に出力する。第２の直流電圧検出器２５は、直流中間部１１と接続され、電圧形コンバータ８により交直変換された電圧値Ｖ４を検出し、電圧値Ｖ４を示す電圧信号Ｖ４を切替制御装置１６に出力する。

切替制御装置１６は、第１の直流電圧検出器２４で検出した電圧値Ｖ３を示す電圧信号Ｖ３及び第２の直流電圧検出器２５で検出した電圧値Ｖ４を示す電圧信号Ｖ４が入力され、電圧信号Ｖ３，Ｖ４に基づいて母線側開閉器１４及び励磁側開閉器１５の開閉制御を行う。

（作用）
第１の実施形態の軸駆動発電装置では、交流電源を突き合せて励磁電源を切替える仕組みとなっていた。このため、電源を切り替える前に電圧、周波数、位相条件を合わせて同期投入する必要があり、投入までに時間がかかっていた。そこで第２の実施形態の軸駆動発電装置では、この投入時間を削減することができる構成を設けている。以下、第２の実施形態の軸駆動発電装置について動作を説明する。なお、第１実施形態と共通する動作については詳細な説明を省略し、第２実施形態に特徴的な動作について説明する。

第２の実施形態における軸駆動発電装置では、船内母線１８を電源として第２の励磁用コンバータ２３で交直変換し、母線側開閉器１４を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に入力する。軸発電機２の出力電圧は、界磁巻線４にＤＣ／ＤＣコンバータ２２で電力供給することによって発生し、自動電圧調整器６の信号を元にＤＣ／ＤＣコンバータ２２によって一定に制御されている。母線側開閉器１４とＤＣ／ＤＣコンバータ２２の接続部と直流中間部１１は、励磁側開閉器１５を介して接続されている。

第１の直流電圧検出器２４は、第２の励磁用コンバータ２３の直流出力電圧を検出し、その電圧値を示す電圧信号Ｖ３を切替制御装置１６に出力する。また、第２の電圧検出器２５は、直流中間部１１の直流電圧を検出し、その電圧を示す電圧信号Ｖ４を切替制御装置１６に出力する。切替制御装置１６は、電圧信号Ｖ３及び電圧信号Ｖ４の状態に応じて、母線側開閉器１４及び励磁側開閉器１５をオン／オフする切替制御をする。

ここで、第２の実施形態における切替制御装置１６の詳細説明として切替制御の一例を、図５のタイムチャートを用いて説明する。図５では、第１の実施形態における図２と同様にして、切替制御装置１６の入出力信号の変化を、タイムチャートによって表現している。

図６は、第２の実施形態における軸駆動発電装置の一連の動きを示すフローチャートである。

システム始動時は、第１の実施形態と同様にして、軸発電機２を始動させるための励磁電源を供給するために、ディーゼル発電機１７の運転を開始させる。ディーゼル発電機１７の運転に伴い、船内母線１８が確立する（ステップＢ１）。また、主機３により主機軸が回転される（ステップＢ２）。

第２の励磁用コンバータ２３を始動することにより（ステップＢ３）、切替制御装置１６は、第１の直流電圧検出器２４からの電圧信号Ｖ３をもとに、電圧値Ｖ３が定格電圧まで上昇して直流励磁電源が確立したことを検知する（図５（Ａ）：直流励磁電源確立（Ｔ２１））。その後、切替制御装置１６は、直流励磁電源が確立したことを検出すると、母線側開閉器１４に対してオン信号を出力して、母線側開閉器１４をオン（閉）する（図５（Ｃ））（ステップＢ４）。これにより船内母線１８と第２の励磁用コンバータ２３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２２とが接続される。船内母線１８から供給される電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２によりレベル変換されて界磁巻線４に対して励磁電力が供給される（ステップＢ５）。なお、この時、励磁側開閉器１５は、オフ状態にある（図５（Ｄ））。

この後、軸発電機２が立ち上がり（ステップＢ６）、電圧形コンバータ８を始動することで（ステップＢ７）（図５（Ｂ）：電圧形コンバータ始動（Ｔ２２））、直流中間部１１に電圧が印加され、電圧値Ｖ４が上昇して定格電圧に至り、直流電圧が確立され（ステップＢ８）、電圧形インバータ９を始動して、電圧形コンバータ８の直流電力を交流電力に変換する（ステップＢ９）。

ここで、切替制御装置１６は、第２の直流電圧検出器２５からの電圧信号Ｖ４をもとに電圧値Ｖ４が定格電圧に到達したことを検知すると（図５（Ｂ）：（Ｔ２３））、電圧値Ｖ３と電圧値Ｖ４があらかじめ同一レベルに設定されていることを条件として、励磁側開閉器１５をオンする。

第２の実施形態では、界磁巻線４に対して直流電源を供給する構成とすることで、第１の実施形態のように周波数、位相条件を合わせて同期投入する必要がないため、切替時間を短縮できる。なお、第２の励磁用コンバータ２３の出力と電圧形コンバータ８（直流中間部１１）の出力に電位差がある場合は電圧の増減操作を行うようにしても良い。

その後、図５に示す瞬時切替１０４の電源切替期間を経て、切替制御装置１６は、母線側開閉器１４をオフして、励磁電源切替を完了する（図５：（Ｔ２４））。
また、直流電圧確立後（ステップＢ８）、母線側高調波フィルタ１０で正弦波の交流電圧に成形された電圧と船内母線１８とを同期させて接続されることで発電出力が可能となる（ステップＢ１０，Ｂ１１）。

こうして、励磁電源を軸発電機２（直流中間部１１）の出力に切り替えた後の発電動作中に、船内母線１８に短絡などの異常が発生したものとする（図５：船内母線異常時（Ｔ２５））。

この場合、母線側開閉器１４がオフ状態にあり、船内母線１８から励磁電源が供給されていないため、船内母線１８に発生した異常に影響を受けることなく軸発電機２の運転を継続させることが可能である。

さらに、励磁電源の切替完了後、電圧形コンバータ８の出力（電圧値Ｖ４）に瞬断などの異常が発生した場合であっても、第１の実施形態と同様にして、界磁巻線４への電力供給源を船内母線１８に切り替え、電圧値Ｖ４が正常に戻った後に軸発電機２（直流中間部１１）に切り替えることで、界磁巻線４への電力供給源を軸発電機２とした運転を継続させることが可能である（ステップＢ１２〜Ｂ１４）。

（効果）
第２の実施形態における軸駆動発電装置は、第１の実施形態の軸駆動発電装置と同等の効果を有しており、さらに励磁電源を直流電源に構成したことによって、交流電源を接続する際に必要な同期投入操作が不要となり、励磁電源切替完了までの始動時間を短縮することができる。

［第３の実施形態］
（構成）
図７は、本発明の第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。図７において、図４と同じ符号１〜４、６、８〜１１．１７〜１９、２２〜２３は第２の実施形態の説明と同様であるものとして詳細な説明を省略する。図７に示す軸駆動発電装置の構成では、図４に示す構成から母線側開閉器１４、励磁側開閉器１５、第１の直流電圧検出器２４、第２の直流電圧検出器２５が削除されている。２６〜２７はダイオードである。

（作用）
第２の実施形態の軸駆動発電装置では、船内母線１８を電源とした直流電圧と軸発電機２の出力を交直変換して作られた直流電圧に電位差が生じた場合、電位差に応じて横流が流れて機器の過電流や逆流を招く恐れがあるため、電圧レベルの調節及び電源切替が必要であった。これを改良するために第３の実施形態の軸駆動発電装置は、第２の実施形態における母線側開閉器１４と励磁側開閉器１５とをダイオード２６，２７でそれぞれ置き換えた構成としている。軸駆動発電装置は、始動時において船内母線１８を電源として第２の励磁用コンバータ２３で直流変換した直流電圧を、ダイオード２６を介して励磁電源として供給して、軸発電機２並びに電圧形コンバータ８を駆動することで直流中間部１１を確立した後は、ダイオード２７を介して自動的にダイオード２６からの電源と突き合せる。

この構成によると励磁電源の投入制御や切り離し制御を行わずに、軸駆動発電装置を運転することができる。ダイオード２６，２７は、逆流防止できるサイリスタ等の整流素子であってもよい。

図８は、第３の実施形態における軸駆動発電装置の一連の動きを示すフローチャートである。図８に示すステップＣ１〜Ｃ１０に示す処理は、第２の実施形態における図６に示すフローチャートのステップＢ３〜Ｂ３，Ｂ５〜Ｂ１１と同様にして実行されるものとして詳細な説明を省略する。

（効果）
第３の実施形態では、第２の実施形態に対して、２つの励磁電源の電位レベルの調整が不要であるとともに、船内母線１８と切り離す切り替え制御を不要とすることで切替時間を削減し、励磁電源を船内母線１８と直流中間部１１とする冗長性を持たせた軸駆動発電装置を提供できる。

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…電圧形コンバータ、９…電圧形インバータ、１０…母線側高調波フィルタ、１１…直流中間部、１２…励磁用インバータ、１３…励磁側高調波フィルタ、１４…母線側開閉器、１５…励磁側開閉器、１６…切替制御装置、１７…ディーゼル発電機、１８…船内母線、１９…船内負荷、２０…母線側電圧検出器、２１…励磁側電圧検出器、２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２３…第２の励磁用コンバータ、２４…第１の直流電圧検出器、２５…第２の直流電圧検出器、２６…ダイオード、２７…ダイオード、２８…変圧器、２９…第２の電圧形インバータ、１０１，１０３…同期切替、１０２…瞬断切替、１０４…瞬時切替。

Claims (4)

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、
   前記変圧器の入力電源となる船内母線との接続を開閉する母線側開閉器と、
   前記励磁用コンバータの位相を制御して前記軸発電機の出力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交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、
   前記電圧形コンバータの直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータと、
   前記電圧形インバータの出力電圧波形を正弦波に成形して前記船内母線に接続する母線側高調波フィルタと、
   前記電圧形コンバータと前記電圧形インバータとの直流中間部の直流電力を第２の交流電力に変換する励磁用インバータと、
   前記励磁用インバータの出力側に接続された励磁側高調波フィルタと、
   前記励磁側高調波フィルタと、前記変圧器及び前記母線側開閉器との接続を開閉する励磁側開閉器と、
   前記船内母線の電圧を検出する母線側電圧検出器と、
   前記励磁側高調波フィルタの出力部の電圧を検出する励磁側電圧検出器と、
   前記母線側電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第１信号及び前記励磁側電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第２信号が入力され、前記第１信号及び前記第２信号に基づいて、前記母線側開閉器及び前記励磁側開閉器の開閉制御を行う切替制御装置とを有し、
   前記切替制御装置は、システム始動時は、前記母線側開閉器を閉状態に切り替えて、前記船内母線を励磁電源として前記軸発電機を始動して前記軸発電機の出力電圧を確立させ、前記直流中間部の電源成立並びに前記励磁側高調波フィルタの出力電圧が定格電圧に到達した後は、前記母線側開閉器を開状態に切り替えて励磁電源から前記船内母線を切り離し、前記励磁側開閉器を閉状態に切り替えて前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替えることを特徴とする軸駆動発電装置。
2. 前記切替制御装置は、前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替えた後、前記励磁側電圧検出器からの第２信号をもとに異常を検出した場合、励磁電源を前記軸発電機の出力より生成された直流電源から切り離して前記船内母線に切り替え、前記励磁側高調波フィルタの出力電圧が定格電圧に到達した後に、励磁電源から前記船内母線を切り離し、前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替える請求項１記載の軸駆動発電装置。
3. 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の励磁電力を、電圧レベルを調整して供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   船内母線の交流電源を直流変換する励磁用コンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電源となる前記励磁用コンバータとの接続を開閉する母線側開閉器と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記軸発電機の出力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交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、
   前記電圧形コンバータの直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータと、
   前記電圧形インバータの出力電圧波形を正弦波に成形して前記船内母線に接続する母線側高調波フィルタと、
   前記電圧形コンバータと前記電圧形インバータとの直流中間部と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記母線側開閉器との接続を開閉する励磁側開閉器と、
   前記励磁用コンバータの出力部の直流電圧を検出する第１の直流電圧検出器と、
   前記直流中間部の直流電圧を検出する第２の直流電圧検出器と、
   前記第１の直流電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第３信号及び前記第２の直流電圧検出器で検出した電圧の電圧値を示す第４信号が入力され、前記第３信号及び前記第４信号に基づいて、前記母線側開閉器及び前記励磁側開閉器の開閉制御を行う切替制御装置とを有し、
   前記切替制御装置は、システム始動時は、前記母線側開閉器を閉状態に切り替えて、前記励磁用コンバータの出力部の直流電圧を励磁電源として前記軸発電機を始動して前記軸発電機の出力電圧を確立させ、前記直流中間部の電源が成立した後は、前記母線側開閉器を開状態に切り替えて励磁電源から前記励磁用コンバータを切り離し、前記励磁側開閉器を閉状態に切り替えて前記軸発電機の出力より生成された直流電源に励磁電源を切り替えることを特徴とする軸駆動発電装置。
4. 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の励磁電力を、電圧レベルを調整して供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   船内母線の交流電源を直流変換する励磁用コンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記軸発電機の出力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交流電力を直流電力に変換する電圧形コンバータと、
   前記電圧形コンバータの直流電力を交流電力に変換する電圧形インバータと、
   前記電圧形インバータの出力電圧波形を正弦波に成形して前記船内母線に接続する母線側高調波フィルタと、
   前記励磁用コンバータにより直流変換した直流電源を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する第１のダイオードと、
   前記電圧形コンバータと前記電圧形インバータとの直流中間部の直流電源を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する第２のダイオードとを有し、
   前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとを介して供給される２つの直流電源を突き合せて前記励磁電力を形成することを特徴とする軸駆動発電装置。