JP6856996B2 - 船の軸発電装置 - Google Patents

Description

本発明は船の軸発電装置（ｓｈａｆｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）に関する。より詳細には、本発明は、保護装置を有する船の主軸発電装置に関する。

船は、船のプロペラを回転させるように配置されるメイン・エンジンを有する。エンジンは例えばディーゼル・エンジン又はガス・エンジンであり、しばしば、メイン・エンジンとも呼ばれる。軸がエンジンをプロペラに接続し、この軸はしばしば主軸と呼ばれる。船上の負荷用電力を発生させるために、船は、（１つ又は複数の）発電機に接続される（１つ又は複数の）別個のエンジンを有することができる。別の解決策として、発電機が主軸に接続され、これは、メイン・エンジンがプロペラを回転させさらには発電機を通して電力も発生させることを意味する。主軸の周りの発電機は軸発電機と呼ばれる。軸発電機の発電機が発電機遮断器（ブレーカー）を通して船のグリッドに接続される。

軸発電機は、通常、他励磁式発電機であり、これは、直流（ＤＣ）電圧がロータの巻線に供給されることを意味する。軸発電機は数十年にわたって使用されており、海洋環境において効率的であり且つ信頼性が高いことが分かっている。

発電機に異常が発生した場合、発電機遮断器が開いてグリッドから発電機を切り離す。他励磁式発電機の場合、ステータの巻線に電圧を誘導するのを停止することを目的としてロータの巻線へのＤＣ源を切り離すことも可能である。永久磁石発電機の場合、ステータ巻線の電圧を誘導するのを停止するためにエンジンが停止される。発電機が軸発電機である場合、例えば航行災害などを理由として、メイン・エンジンを停止させることが常に可能であるというわけではない。

国際公開第２０１３／０７１９３７号が、風力発電所などと同様に、発電所で使用される永久磁石発電機の保護装置を開示している。この文献は発電機内のスターポイント測定器（ｓｔａｒ ｐｏｉｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を示している。この測定器は、回路遮断器に対して命令を出す保護リレーによって利用される。国際公開第２０１２／１４３２４５号が、追加の短絡回路によってＡＣＤＣ電力コンバータが保護されるような解決策を開示している。

国際公開第２０１３／０７１９３７号 国際公開第２０１２／１４３２４５号

本発明の目的は、発電機が故障状態にある場合でもメイン・エンジンを動作させるのを可能にするような保護装置を主軸永久磁石発電機が有するような解決策を提供することである。

この目的は、独立請求項に記載される形で達成される。
本発明による船の軸発電装置は、船の主軸に接続される永久磁石発電機と、発電機の電圧を変圧するように構成された周波数変換器とを有する。この装置はまた、発電機と周波数変換器の間に発電機遮断器を有し、この発電機遮断器を通して発電機が周波数変換器に接続可能である。永久磁石発電機の巻線がスターポイント（ｓｔａｒ ｐｏｉｎｔ）に接続され、装置は、巻線とスターポイントの間で発電機の近くに位置するスターポイント遮断器を有する。主軸の周りに、又は歯車を介して発電機を設置することにより、発電機と主軸との間に接続部が構成されることになる。

この装置は、発電機と周波数変換器の間の電流を測定するように構成された第１の電流測定器と、巻線とスターポイントの間の電流を測定するように構成された第２の電流測定器と、第１及び第２の電流測定器に対して、さらにスターポイント遮断器及び発電機遮断器に対して接続可能な保護リレーとをさらに有する。保護リレーは、第２の測定器に反応して発電機の相間で２相又は３相短絡が検出された場合にスターポイントの遮断器を開くように、また上記第１及び第２の測定器に反応して二重地絡事故（ｄｏｕｂｌｅ ｇｒｏｕｎｄ ｆａｕｌｔ）が検出された場合に発電機遮断器を開くように構成される。

保護リレーは、発電機遮断器の異常の場合にスターポイントの遮断器を開くように構成され、また保護リレーは、２相又は３相短絡の場合に過電流を検出するための過電流保護機能と、二重地絡事故の場合に差動電流を検出するための差動電流保護機能とを有する。

この保護リレー装置は、遮断器の開閉操作が互いを妨害したり、異常を起こしたりすることがないように発電機遮断器及びスターポイント遮断器の両方を制御する。したがって、上で示したように多様な不良が対処されることで、開閉操作自体によりさらに問題が起きることがなく、また不良の間もエンジンは動作可能である。

以下では、添付図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

本発明の装置の実例を示す図である。 本発明の装置の周波数変換器をさらに詳細に示す図である。 伝動装置を備える本発明の装置の実例を示す図である

図１は本発明による装置の実例を示す。船の軸発電装置が、船の主軸２の周りに配置されることができる永久磁石発電機１であって、したがって主軸に接続される永久磁石発電機１を有する。船のメイン・エンジン３が、船のプロペラ４を回転させるための動力を主軸に提供する。主軸の周りの発電機が動力の一部を、船の電気グリッド（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｇｒｉｄ）６に接続される負荷で使用され得る電気の形態に変換する。永久磁石発電機１は少なくとも０．５ＭＶＡを提供する。この装置は、発電機１の電圧を変圧するように構成された周波数変換器５と、発電機１及び周波数変換器５の間にある発電機遮断器７とを有し、発電機遮断器７を通して発電機が周波数変換器に接続可能である。電圧の変圧とは、本文脈では、電圧の振幅、周波数及び／又は相が変化させられることを意味する。

永久磁石発電機の巻線１Ａ（より正確には、ステータの巻線）がスターポイント９に接続される。さらに、発電機１が巻線とスターポイントの間にスターポイントの遮断器１０を有する。

この装置は、発電機１と周波数変換器５の間の電流を測定するように構成された第１の電流測定器１５、及びスターポイント９の近くの巻線１Ａ上の電流を測定するように構成された第２の電流測定器１４、並びに、対応する接続部１７、１６，１３、１２を通して、第１の電流測定器１５及び第２の電流測定器１４に対して、且つスターポイントの遮断器１０及び発電機遮断器７に対して接続可能な保護リレー１１をさらに有する。第１の測定器１７及び第２の測定器１６との接続部が保護リレーに測定データを提供し、保護リレーは、上記測定器に反応して、必要である場合に遮断器７、１０を駆動して遮断器７、１０を開く。

保護リレー１１は、第１の測定器１５及び第２の測定器１４に反応して発電機の相間で２相又は３相短絡が検出された場合にスターポイントの遮断器１０を開くように、また上記第１の測定器１５及び第２の測定器１４に反応して二重地絡事故が検出された場合に発電機遮断器７を開くように構成される。発電機の各巻線が相に固有（ｐｈａｓｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ）であることから、２相又は３相短絡は、巻線間の短絡又は相のライン間の短絡である可能性がある。保護リレー１１はまた、発電機遮断器７の異常に起因してスターポイントの遮断器１０を開くように構成される。

保護リレーは、２相又は３相短絡の場合に過電流を検出するための過電流保護機能と、二重地絡事故の場合に差動電流を検出するための差動電流保護機能とを有する。２つの地絡事故が同時に生じた場合に二重地絡事故が起こる。一方の地絡事故は発電機内である可能性があり、もう一方の地絡事故は船のグリッド内である可能性がある。この場合、故障電流がアース（船の船体）及び周波数コンバータを通って流れる。以下の表１が保護リレーのいくつかの特性を示す。

この装置は、装置を監視するために、１つの地絡事故を検出して地絡事故メッセージを提供する地絡事故検出デバイス１８をさらに有することができる。この実施例では、保護リレー１１はさらに、周波数変換器が停止されて地絡事故メッセージが提供された場合にスターポイントの遮断器を開くように構成され得る。この電気システムは海洋船内でＩＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｔｅｒｒａ）システムとして絶縁されることから、地絡事故検出デバイス１８は、絶縁材の抵抗を低下させるような、この絶縁における故障を検出する。

この装置は、スターポイントと、スターポイントの遮断器と、永久磁石発電機の近傍にある第２の電流測定器とを有するスターポイント遮断器キャビネットをさらに有する。従来の解決策では遮断器が発電機から比較的離れたところに位置することに留意されたい。

周波数変換器５は、直流ブリッジ５Ａ及び２つのインバータ５Ａ、５Ｂを有することができ、一方のインバータが発電機１に接続され、もう一方のインバータがグリッド６に接続される。図２に示されるこの種類の構造は良好に駆動するのを可能にする。また、グリッドから発電機へ動力を供給することも可能であり、発電機はこの場合は電気機械として動作する。このようにして、例えば故障状態であることを理由としてメイン・エンジン３が動作しない場合でも、船のプロペラ４が回転させられ得る。

この装置は、周波数変換器と船のグリッドとの間にグリッド遮断器（ｇｒｉｄ ｂｒｅａｋｅｒ）８を有することができる。グリッド遮断器８は好都合には主配電盤２０内に配置される。

したがって本発明は、発電機が故障を有する場合でもメイン・エンジンが動作してプロペラを回転させるような形で、船の主軸と共に永久磁石発電機を利用するのを可能にする。いかなる故障状態においても、スターポイントの遮断器が開けられ得る。本発明の装置は、少なくとも、他励磁式発電機などの従来技術の解決策と同等の信頼性を有する。したがって本発明の永久磁石軸発電装置は高い信頼性の新たな解決策を提供し、少なくとも１．５ＭＶＡなどの、海洋基準（ｍａｒｉｎｅ ｓｔａｎｄａｒｄ）で要求されるような、より強力な装置を実現する。

本発明のシステムを適切に動作させるために、いくつかのアイテムを考察してきた。対応する従来技術の解決策は電圧をオフすること（他励磁）に依存するものであるが、本発明は電流をオフにするという新しい手法（スターポイント遮断器）を有する。保護リレー装置は、遮断器の開閉操作が互いを妨害したり、異常を起こしたりすることがないように発電機遮断器及びスターポイント遮断器の両方を制御する必要がある。加えて、上記遮断器及び測定器並びに保護リレーを有する装置は、変化する周波数レベルにおいて（可能性として、低周波数レベルでも）機能する必要がある。例えば通常の実施例の場合、永久磁石発電機はそのステータ巻線内において５〜３０ＨｚのＡＣの範囲で動作する。これは、多くの解決策では通常速度における主軸の回転速度が約５０〜１００ｒｐｍであることが理由である。したがってこの装置の構成要素は上記の低周波数域に適するものでなければならない。歯車が使用される場合、ステータ巻線の周波数域は例えば３０〜７５Ｈｚであってよい。例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数を有する、又は直流配電を有する船舶の電気グリッドに動力を供給するためには、変化する軸発電機の周波数レベル（５〜３０Ｈｚ及び３０〜７５Ｈｚの範囲）を考慮する必要がある。さらに、永久磁石発電機は少なくとも１．５ＭＶＡを提供するように構成され得、これは、この装置が、既に上で言及した海洋基準によって決定される信頼性及び安全性の要求基準を満たすべきであることを意味する。

船が２つの主軸２を有することが可能となり得る。この場合、本発明によれば、装置は、船の別の主軸に接続可能である別の永久磁石発電機と、この別の発電機及び周波数変換器の間にある別の発電機遮断器とを有し、この別の発電機遮断器を通して別の発電機が周波数変換器に接続可能である。別の永久磁石発電機の巻線が別のスターポイントに接続されており、装置は、別の永久磁石発電機の巻線及び別のスターポイントの間に別のスターポイント遮断器を有する。この装置は、別の発電機と周波数変換器の間の電流を測定するように構成された別の第１の電流測定器と、別の永久磁石発電機の巻線と別のスターポイントの間の電流を測定するように構成された別の第２の電流測定器とをさらに有する。これらの別の要素は、上述した、図１に示される、発電機、遮断器、スターポイント並びに、第１及び第２の測定器に対応する。したがって、これらの別の要素を参照するのに、同じ参照符号が使用されてもよい。

保護リレーが、別の第１の電流測定器及び別の第２の電流測定器に対して、また別のスターポイント遮断器及び別の発電機遮断器に対して接続可能である。保護リレーは、これらに応じて、別の第１の又は別の第２の測定器に反応して別の発電機の相間で２相又は３相短絡が検出された場合に別のスターポイントの遮断器を開くように、また上記別の第１及び別の第２の測定器に反応して二重地絡事故が検出された場合に別の発電機遮断器を開くように構成される。保護リレーの代わりに、これらのタスクを行うように構成され且つ上記接続部を有する別の保護リレーが存在してもよい。

この提示の図は概略的な図であり、したがって実際の解決策では他のデバイスがさらに存在してもよく、これは例えば、周波数変換器内にある電圧制限ユニット及びフィルタなどである。この動力システムは通常３相を有することから、上記遮断器及び電流測定器は各相の接続部を有する。保護リレー１１は図１では１つのデバイスとして説明されるが、遮断器の近くなどの複数のロケーションに分布されてもよく、それでも、上述した１つの保護リレーとして一体に機能することができる。保護リレー１１は、周波数変換器、さらには、地絡事故検出デバイス１８、発電機遮断器７、及びさらには、第１の電流測定器と同じキャビネット１９のところに位置してよい。スターポイント遮断器は発電機組立体内に位置し、或いは発電機の上に位置し、又は発電機の近傍でキャビネット内に位置する。

発電機はまた、低い回転速度の場合に高いトルクで機能する。しかし、所望される場合、本発明の装置は、図３に示されるように、伝動装置（トランスミッションギヤ）３０をさらに備えるように構築され得る。この場合、発電機はさらに伝動装置を介して接続され得る。また、２相又は３相短絡の場合、周波数変換器が動作しておらず、発電機遮断器が開いている場合でも、短絡回路電流が停止され得ることに留意されたい。これは従来技術の永久磁石の解決策では不可能である。

上記から明らかなように、本発明は本文で説明される実施例のみに限定されず、本発明の考え方の範囲内で多くの他の異なる実施例でも実施され得る。

Claims (12)

1. 船の軸発電装置であって、前記船の主軸（２）に接続可能な永久磁石発電機（１）と、前記発電機（１）の電圧を変圧するように構成された周波数変換器（５）と、前記発電機（１）及び前記周波数変換器（５）の間の発電機遮断器（７）とを有し、前記発電機（１）は前記発電機遮断器（７）を通して前記周波数変換器（５）に接続可能である、船の軸発電装置において、
   前記永久磁石発電機（１）の巻線（１Ａ）がスターポイント（９）に接続され、前記軸発電装置が前記巻線と前記スターポイントの間にスターポイント遮断器（１０）を有し、
   前記軸発電装置が、前記発電機（１）と前記周波数変換器（５）の間の電流を測定するように構成された第１の電流測定器（１５）と、前記巻線（１Ａ）と前記スターポイント（９）の間の電流を測定するように構成された第２の電流測定器（１４）と、前記第１の電流測定器（１５）及び前記第２の電流測定器（１４）に対して、また前記スターポイント遮断器（１０）及び前記発電機遮断器（７）に対して接続可能な保護リレー（１１）とをさらに有し、前記保護リレー（１１）は、前記第１の測定器（１５）又は前記第２の測定器（１４）に反応して前記発電機の相間で２相又は３相短絡が検出されると前記スターポイント遮断器（１０）を開くように、また前記第１の測定器（１５）及び前記第２の測定器（１４）に反応して二重地絡事故が検出されると前記発電機遮断器（７）を開くように構成され、
   前記保護リレー（１１）は、前記発電機遮断器（７）の異常により前記スターポイント遮断器（１０）を開くように構成され、また
   前記保護リレー（１１）は、前記２相又は３相短絡の場合に過電流を検出する過電流保護機能と、前記二重地絡事故の場合に差動電流を検出する差動電流保護機能とを有する
   ことを特徴とする、船の軸発電装置。
2. 前記軸発電装置が、単一の地絡事故を検出して、前記装置を監視するための地絡事故メッセージを提供する地絡事故検出デバイス（１８）をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の船の軸発電装置。
3. 前記軸発電装置が、前記スターポイント（９）と、前記スターポイント遮断器（１０）と、前記永久磁石発電機（１）の近傍の前記第２の電流測定器（１４）とを有するスターポイント遮断器キャビネットをさらに有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の船の軸発電装置。
4. 前記周波数変換器（５）が直流ブリッジ（５Ａ）及び２つのインバータ（５Ｂ，５Ｃ）を有することを特徴とする、請求項３に記載の船の軸発電装置。
5. 前記永久磁石発電機（１）が、変化する速度又は一定の速度で動作することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。
6. 前記永久磁石発電機（１）が少なくとも０．５ＭＶＡを提供することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。
7. 前記永久磁石発電機（１）が前記主軸（２）の周りにあることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。
8. 前記軸発電装置が前記主軸（２）の伝動装置（３０）を有し、前記永久磁石発電機（１）が前記伝動装置（３０）を介して前記主軸（２）に接続されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。
9. 前記軸発電装置が、前記船の別の主軸（２）に接続可能な別の永久磁石発電機（１）と、前記別の発電機と前記周波数変換器（５）の間にある別の発電機遮断器（７）とをさらに有し、前記別の発電機（１）は前記別の発電機遮断器（７）を通して前記周波数変換器に接続可能であり、前記別の永久磁石発電機の巻線（１Ａ）が別のスターポイント（９）に接続され、前記軸発電装置が、前記別の永久磁石発電機の前記巻線と前記別のスターポイントの間に別のスターポイント遮断器（１０）を有し、前記軸発電装置が、前記別の発電機（１）と前記周波数変換器（５）の間の電流を測定するように構成された別の第１の電流測定器（１５）と、前記別の永久磁石発電機（１）の前記巻線（１Ａ）と前記別のスターポイント（９）の間の電流を測定するように構成された別の第２の電流測定器（１４）とをさらに有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。
10. 前記保護リレー（１１）が、前記別の第１の電流測定器（１５）及び前記別の第２の電流測定器（１４）に対して、また前記別のスターポイント遮断器（１０）及び前記別の発電機遮断器（７）に対して接続可能であり、また前記保護リレーは、前記別の第１の又は別の第２の測定器に反応して前記別の発電機の相間で２相又は３相短絡が検出されると前記別のスターポイント遮断器を開くように、また前記別の第１及び別の第２の測定器に反応して二重地絡事故が検出されると前記別の発電機遮断器を開くように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の船の軸発電装置。
11. 前記軸発電装置が、前記別の第１の電流測定器（１５）及び前記別の第２の電流測定器（１４）に対して、また前記別のスターポイント遮断器（１０）及び前記別の発電機遮断器（７）に対して接続可能な別の保護リレー（１１）をさらに有し、前記別の保護リレーは、前記別の第１の又は別の第２の測定器に反応して前記別の発電機の相間で２相又は３相短絡が検出されると前記別のスターポイント遮断器を開くように、また前記別の第１及び別の第２の測定器に反応して二重地絡事故が検出されると前記別の発電機遮断器を開くように構成されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。
12. 前記軸発電装置が、前記周波数変換器（５）と前記船のグリッド（６）の間にグリッド遮断器（８）を有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の船の軸発電装置。

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