JPS60134735A - 周波数変動する発電機の無停電切換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は例えば船舶の推進用主軸の動力で駆動停電切換
装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕 外洋を航行中の船舶において、省エネルギーのために、
ディーゼル等の専用機関で駆動される発電機ではなく、
推進用の主軸の動力いわゆる主機関の動力の一部をとり
だして発電するいわゆる主軸駆動発電機（以下軸発電機
と略称する）が使用されることが多い。この場合の主軸
は、いうまでもなく、航行Φ波の影響等で若干速度が変
動しているので、高級な軸発電システムでは、コンバー
タ、インバータ等を使用して周波数を変換することによ
り、安定させているがコストの上から直接主軸で発電機
を駆動して、若干の周波数変動を容認しながら使用する
ことが多い。

しかして、このような運転方式では、実用上から１〜２
％の周波数変動は何等問題ないが、次のような場合に若
干の問題点を含んでいた。すなわち、出航時は軸発電機
は使用できないので、ディーゼル等の専用機関で駆動さ
れる発電機（以下専用発電機と略称する）で給電し、外
洋航行に移りてから軸発電機に切りかえる必要がある。

又、入港前、あるいは悪天候になって周波数変動が許容
限界を超える恐れがある時は、軸発電機から専用発電機
におきかえる必要かあ−る。

しかしながら、周波数が波の影響等により不規則に変動
する軸発電機と、はソ一定回転する専用発電機とを同期
投入して負荷を移す適当な装置が無く、やむをえず一度
船内を全停電させて切りかえることが行なわれていた。

もし、通常の公知の原理による同期投入装置を用いて同
期投入を強行すると、以下のような不具合が生じること
があった。

（１）投入しようとした直前に軸発電機の周波数が急変
すると、位相角が許容値以上の所で遮断器が投入され、
その結果として発電機の同期化力によって軸系に瞬時的
に大きいトルクがかかり、軸系の機械的破壊をまねくお
それがあった。

（２）前部（１）と同じ状態の時、発電機界磁巻線に異
常電圧を誘起し、巻線に接続された半導体素子を破壊さ
せたり、巻線自身の絶縁を破壊させるおそれがあった。

（３）また、投入位相は零（ゼロ）に近くても、周波数
差が急激に大きくなっていく場合、投入後専用発電機の
負荷が急変し、増加の場合は専用機関の瞬時負荷増加率
の限度を越えて機関が停止したり、逆に減少の場合は逆
負荷すなわちモータリング状態となって機関のクランク
周辺の寿命に非常に悪い影響を与えることがあった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、不規則に周波数が変動する軸発電機と
、はｙ一定周波数で運転される専用発電機との間で、安
全に同期投入し、かつ軸発電機から専用発電機へ、ある
いは逆に専用発電機から軸発電機へと安全に負荷を移行
した後、無負荷になった発電機を解列停止せしめる有効
な周波数変動する発電機の無停電切換装置を提供せんと
するものである。

〔発明の概要〕 本発明による周波数変動する発電機の無停電切換装置は
、主機関によって駆動され不規則に周波数が変動する軸
発電機から専用機関によって駆動されはソ一定周波数で
運転される専用発電機へ、あるいはその逆へ負荷を切換
える系統Ｉこおいて、前記軸発電機の変動周波数の変動
分を除去して得られた中心周波数と前記専用発電機の周
波数とが、所定の切換条件を満したとき負荷が接続され
ている軸発電機から専用発電機へ、あるいは負荷が接〔
発明の実施例〕 本発明の一実施例を第１図により詳細に説明する。第１
図において、１は船舶推進用の主機関、２はそれにより
駆動される軸発電機である。３は専用機関で、４はそれ
により駆動される専用発電機である。しかして、軸発電
機２は遮断器５により、又専用発電機４は遮断器６によ
りそれぞれ船内給電母線７に結合し得るようになってお
り、゛また母線７には船内負荷群８が接続されている。

９は本発明の要部となる自動同期投入装置アあり、１０
は軸発′嘔機の′電力を検出する検出器である。

この同期投入装置９には、軸発電機２の端子蒸篭圧信号
と、専用発電機４の端子Ｑ電圧信号がそれぞれ電圧変成
器１１と１２で適当な低電圧にされた後読みこまれてい
る。

１３は、専用機関３の調速器の設定速度を上下させる小
形電動機であり、１３ａに信号を与えると専用発電機の
周波数は上がり、１３ｂに信号を与えると逆に下がるよ
うになっており、１３ａ、１３ｂともに同期投入装置９
に接続されている。さらに、同期投入装置９からの信号
５ａ１５ｂにより遮断器５の人、切を行ない、信号６ａ
　＋６ｂにより遮断器６の人、切を行なうことができる
。

かような接続のもとに、本発明の要部である自動同期投
入装置が如何に動作するかを説明する。

まず、同期投入するための３条件は、周知のごとく、 （１）電圧がはソ等しいこと （２）　周波数がはソ等しいこと （３）電圧位相がはソ等しいこと である。これらのうち、（１）の電圧は、最近はすべて
の発電機は自動電圧調整器を有しており、若干の周波数
変動があっても電圧は変動しないから問題とならない。

今、軸発電機２の周波数をＦｓ１専用発電機４の周波数
をＦｄとする。通常、外洋航行時の周波数Ｆｓは第２図
の如く変動しており、周波数Ｆｄは第２図の如くはソ一
定している。一方、両電圧の位相差φ（ラジアン）は φ＝２πｆ（Ｆｄ−Ｆｓ）ｄｔ＋ｃ±２π　（１）で表
わされ、Ｃは任意定数である。

以上の予備知識のもとに本発明の詳細な説明するが、本
発明は、以下の３要件よりなりたってｌ／）る。

し第一要件〕 従来の同期投入装置は軸発電機２の周波数Ｆｓと専用発
電機４の周波数Ｆｄを接近させなからφが２πの整数倍
になった時、あるいは、そうなる時を予測して遮断器を
投入していた。しかし、第２図の如く周波数Ｆｓが不規
則に変動している時、周波数Ｆｄを追随させて近ずける
ことは不可能である。従つて本装置は専用発電機４の周
波数Ｆｄを軸発電機２の周波数ＰＳに追随させるのでは
なく、周波数Ｆｓの変動分を除去した中心周波数ｐｓｏ
をめ、それに周波数Ｆ’ｄをあわせるように上げ信号１
３ａ又は下げ信号１３ｂに信号を送って、調速用電動機
１３を動かすように構成している。

〔第二要件〕

従来の同期投入装置のように単に位相のあった瞬間に遮
断器投入信号を出すのと異なり、更に下記の条件を設け
て、すべての条件を満足した時に初めて投入信号を出す
ように構成する。

条件は、表１のように専用発電機３から軸発電機２に負
荷を移す時（ケース１）と、逆に軸発電機２から専用発
電機３に負荷を移す時（ケース２）とで異なる。たｙし
、軸発電機２と専用発電機３の容量比や、専用機関の種
類等により条件１〜３のうち、全てが必要という訳では
なく、適当に取捨選択することもあり得る。

表　１ 注　軸発電機のほうは、発電機さえ耐えられれば、逆負
荷、過負荷等は何の心配もない。

〔第三要件〕

最後は同期投入後遮断器を解列する方法である。

この方式を表２に示す。

以上記したことを要約すると以下の如くなる。

第一要件は、投入以前の制御として専用発電機３の周波
数Ｐｄを軸発電機２の中心周波数”ｓｏに合わせること
１ζあり、第二条件は、投入時、位相の合致だけでなく
、専用発電機３を逆負荷、過負荷から守り、更に投入時
の衝撃を防ぐために表１の如く条件を設けることにあり
、第３要件は、投入後専用発電機３の逆負荷と、瞬時の
過大負荷投入を防ぐために表２の如く手段を用いること
にある。

第２図は本装置による投入の状態をケース２の場合につ
いて表わした模式図である。軸発電機２の周波数ＦＳ、
専用発電機４の周波数Ｆｄおよび両全電機２．４の両電
圧波形の位相差φを示し、これらは（１）式の関係を満
足している。

また第２図の条件■、■はそれぞれ第二要件の条件１、
条件２に対応している。同じく条件■。

■は通常の同期投入装置と同様で、条件■は周波数差が
小さい事を、条件■は位相差が小さい事を音吐している
。条件の右方のバーは、その条件が満足されていないた
めに投入を禁止している時期を表わす。

第２図の時間１．の点は位相差がＯであるが、周波数差
が大で■の条件に触れ、従来の同期投入装置でも投入を
禁止している領域である。時間ｔ、は条件２すなわち石
’ｓ　＜Ｏを満足していない為、投入しない。時間ｔ３
は条件１す々わちＦｄ）Ｆｓが満足されていない為、や
はり投入しない。時間１ｓの場合投入すると直ちに専用
発電機４は逆負荷になり、時間１．の場合は極〈短時間
のうちに逆負荷になるおそれがある。時間ｔ４は一応過
去１こ大きい周波数変動（条件３）が無かったものとす
ると、すべての条件を満足するのでここで初めて遮断器
を投入することになる。

一タを使用したほうが容易に構成できるが、ここでは説
明の都合上止としてアナログ回路で構成した例を説明す
る。

第３図において、第１図と同一要素は、同一番号で対応
させている。９ａは通常の同期投入装置と同様公知の同
期投入回路で、軸発電１１Ｎ　（２）と専用発電機（４
）の出力周波数がはソ同じで、かつ位相角がはｙｏの時
出力を出すものである。

９ｂは本装置９のうち、第一要件を司どる部分であり、
変圧器１１　、１２より軸発電機２、専用発電機４の電
圧波形を読みこみ、周波数電圧変換器（ＦＶＣ）　１４
ａ、１４ｂでそれぞれ電圧信号に変換する。

軸発電機２の側の周波数信号Ｆｓは、極めて周波数い の低勺ローパスフィルタ１５を通し、変動分を除去して
中心周波数Ｆｓｏをめている。専用発電機３の周波数Ｆ
ｄは、この出力と比較されて公知のインタラプタ１６に
より適当な間欠信号１３ａ又は１３ｂに変換される。こ
の信号は専用機関３の調速器１３を回転させ、専用発電
機３の周波数Ｆｄを軸発電機２の中心周波数Ｐ’ｓｏに
追随させていく。

９Ｃは第２要件を司どる部分であり、遮断器投入を行な
う部分である。まずコンパレータ１７で条件１のＦｓ）
Ｆｄ　を判別し、次のＮＯＴ回路１８で反転してケース
１とケース２の選択ができるように構成している。次に
軸発電機２の周波数信号Ｐｇを微分器１９で微分し、こ
れをコンパレータ２０でＯと比較して条件２のｄＦｓ／
ｄｉ　）　０　を判別し、ＮＯＴ回路２１でケース１と
ケース２の選択ができるように構成している。

更に、微分器１９の出力を適当な時期にリセットされる
ピーク検出器２２でピークを検出し、その値をコンパレ
ータ２３で判別してＮＯＴ回路２４で反転させて条件３
の信号を作っている。

これら各々信号はＡＮＤ回路（２５）　、（イ）で条件
が取り揃えられ、しゃ断器投入信号（６ａ）、（５ａ）
が出力される。ＡＮＤ回路（ハ）、Ｑ６）の出力には、
ケース１とケース２とに対応して切換えられる切換えリ
レー（ロ）の接点が設けられ、投入信号（６ａ）　、　
（５ａ）を各々ケースに対応するしゃ断器に出力するよ
う構成している。

９ｄは第三要件を司どる部分であり、同期投入後一台を
解列する装置である。同期投入が行なわれると遮断器（
５）　、　（６）の補助接点（ｓＸ）　、　（６Ｘ）の
ＡＮＤが成立しケース１の場合は直ちに遮”断器５に遮
断信号５ｂを出すが、ケース２の場合は投入と同時に専
用発電機４に対し負荷増加信号１３ａを出し、軸発電機
２の電力検出器１０の出力を監視してこれがコンパレー
タ２９によりはソ零（ゼロ）になったことが判別された
時に遮断器６に遮断信号６ｂを出力するよう切換えリレ
ー０７）によって切換えられる。切換えリレーレηは（
ケース１）でＯＮ状態にセットされている。

以上本発明の骨子について詳細に説明してきたが、説明
を単純化するためにたとえばＦｄ　＞　Ｐｓｏという風
に表現してきたが、本発明の趣旨によればＦｄ　）　Ｆ
、。±ΔＦ とすることもあり得ることは当然であり、表現を単純化
したものが、本発明の範囲を限定するものではない事は
勿論である。

また本発明は三つの要件より成り立ち、またその第二要
件は三つの条件から成り立っていることを説明してきた
が、実際には系統の状況により必ずしも全部を採用する
要は無く、適宜取捨選択して適用し得ることは勿論であ
る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明の実施により、不規則に周波数が変
動する軸発電機とはソ一定周波数で運転される専用発電
機の間を無停電でかつ安全に切り換える装置を提供する
ことができ、船舶の省エネルギー及び安全航行に資する
装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による周波数動する発電機の無停電切換
装置を示す全体回路図、第２図は本発明の軸発電機およ
び専用発電機の周波数特性図および位相差特性図、第３
図は本発明に使用する自動同期投入装置を示すブロック
回路図である。 １・・・主機関　２・・・軸発電機 ３・・・専用機関　４・・・専用発電機７・・・船内給
電母線　８・・・負荷群９・・・自動同期投入装置　９
ａ・・・同期投入回路９ｂ・・・調整器制御回路　９Ｃ
・・・遮断器投入回路９ｄ・・・遮断器解列回路　１１
．１２・・・電圧変成器ＦＳ・・・軸発電機の周波数　
Ｐｓｏ・・・軸発電機の中心周波数Ｆｄ・・・専用発電
機の周波数 φ・・・位相差

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主機関によって駆動され不規則に周波数が変動する
   軸発電機から専用機関によって駆動されほぼ一定周波数
   で運転される専用発電機へ、あるいはその逆へ負荷を切
   換える系統において、切換指令に基づき前記軸発電機の
   変動周波数の変動分を除去して中心周波数をめ、前記専
   用発電機の周波数がこの中心周波数となるよう専用機関
   を制御する機能と、 （１）　ＦｄキＦｓｏ　（２）　φ＋０ただし、Ｆｄ：
   専用発電機の周波数 Ｆｓｏ　ｊ軸発電機の中心周波数 φ：専用発電機と軸発電機との電圧 位相差 となる条件で、負荷が接続されている軸発電機から専用
   発電機へ、あるいは負荷が接続されている専用発電機か
   ら軸発電機へ切換える機能とから成ることを特徴とする
   周波数変動する発電機の無停電切換装置。 ２、軸発電機から専用発電機へ切換える場合、（１）　
   Ｆｄ　＞　ｌ’ｇ。 の条件を付加して切換えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の周波Ｖ変動する発電機の無停電切換装
   置。 ３、軸発電機から専用発電機へ切換える場合、（１）　
   正ｔ　Ｆｓ　＜　０ たじし　Ｆ８・・・軸発電機の周波数 の条件を付加して切換えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の周波数変動する発電機の無停電切換装
   置。 ４、軸発電機から専用発電機へ切換える機能は、専用発
   電機と負荷を電気的に接続した後、前記専用発電機の負
   荷を増加させ、軸発電機の出力電力がほぼ零になったこ
   とにより軸発電機と負荷を切放すよう構成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の周波数変動する発
   電機の無停電切換装置。 の条件を付加して切換えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の周波数変動する発電機の（１）　−ｙ
   　Ｆｉ＋　＞　０ の条件を付加して切換えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の周波数変動する発電機の無停電切換装
   置。 ７、軸発電機から専用発電機へ、あるいはその逆へ切換
   える機能は、切換前の所定時間許容以上の周波数変動が
   ないの条件を付加して切換えるよう構成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の周波数変動する発電
   機の無停電切換装置。