(57)【要約】【課題】港に到着したときのみに運転されるインバータや始動器を設けることなく、ポンプ用電動機やスラスタ用電動機等の負荷駆動用電動機の回転数を制御して運転すること。【解決手段】主機駆動発電機３の出力側を第１の開閉器３１、コンバータ６、他励式インバータ７を介して同期調相機１１に接続する。更に、同期調相機１１を第３の開閉器３３（３４）を介してカーゴポンプ駆動電動機２６またはスラスタ駆動電動機２９等の負荷駆動電動機に接続するとともに、第４の開閉器３５を介して船内母線２１に接続する。また、船内母線２１とコンバータ６の入力端子とを第２の開閉器３２で接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船内母線と、主機によって駆動される軸発電機と、前記軸発電機の出力電圧を調整する第１の自動電圧調整器と、前記軸発電機の出力電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力である直流電力を交流電力に変換する他励式インバータと、前記コンバータの直流側の電流を検出する電流検出器と、前記他励式インバータおよび前記船内母線に無効電力を供給する同期調相機と、前記同期調相機の出力電圧を調整する第２の自動電圧調整器と、前記同期調相機の回転数を設定する回転数設定器と、前記同期調相機の回転数を検出するための回転数検出器と、前記回転数設定器で設定した回転数指令値と前記回転数検出器の検出値からＰＩ制御を用いて前記コンバータの直流側に流れる電流の指令値を出力する回転数制御回路と、前記回転数制御回路の出力である電流指令値と前記電流検出器で検出した電流値からＰＩ制御を用いて位相制御信号を出力する電流制御回路と、前記他励式インバータの交流側の電圧から同期信号を生成するためのＰＬＬ回路と、前記電流制御回路の出力である位相制御信号と前記ＰＬＬ回路の出力である同期信号から前記他励式インバータにゲートパルス信号を出力する位相制御回路と、前記軸発電機と前記コンバータとの間を接続する回路に直列に設けられた第１の接触器と、前記第１の接触器および前記コンバータ間を接続する回路と前記船内母線との間に設けられた第２の接触器と、前記他励式インバータの出力側を負荷駆動用電動機に接続するための１個または複数個の第３の接触器と、前記他励式インバータの出力側と前記船内母線間に設けた第４の接触器と、船内負荷の運転モードに対応して前記第１乃至第４の接触器をオンまたはオフさせる切替装置と、を備えた船内負荷駆動システムにおいて、
前記他励式インバータの出力電力を船内母線に供給する際は、前記切替装置により前記第１、第４の接触器をオン、前記第２、第３の接触器をオフにし、
前記船内母線の出力電力で前記負荷駆動用電動機を駆動する際は、前記切替装置により前記第１、第４の接触器をオフ、第２、第３の接触器をオンにするとともに、前記船内母線の電力を前記回転数設定器で設定される回転数に応じた周波数に前記他励式インバータで周波数変換して前記負荷駆動用電動機を駆動し、前記回転数設定器で前記負荷駆動用電動機の回転数を制御することを特徴とする船内負荷駆動システム。
【請求項２】
前記コンバータをダイオードで構成することを特徴とする請求項１記載の船内負荷駆動システム。
【請求項３】
前記コンバータをサイリスタで構成することを特徴とする請求項１記載の船内負荷駆動システム。
【請求項４】
前記第１の接触器および第４の接触器を１個に纏めた単極双投形の接触子で構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の船内負荷駆動システム。
【請求項５】
前記主機と推進用プロペラとの間にクラッチを設け、船舶の接岸時にも主機によって軸発電機を駆動すると共に第２の接触器をオフ、第１の接触器をオンにし、軸発電機の出力電力を利用して負荷駆動用電動機を駆動することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の船内負荷駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主機軸駆動発電装置を備えた船内負荷駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から省エネルギーを目的として、ディーゼル機関等の主機関（以下、主機と称する）で軸発電機を駆動し、船内の各負荷に電力を供給するようにした主機軸駆動発電装置が多くの船舶で用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
近年になると、このような主機軸駆動発電装置を設置している船舶においても、更なる省エネルギーのために電動カーゴポンプや電動スラスタなどの負荷駆動用電動機にもインバータを採用するケースが増えている。
【０００４】
これらの装置を搭載した従来の船内負荷駆動システムの一例を図３に示す。  
図３において、１はディーゼル機関等の回転変動する主機（図中、Ｍ／Ｅと表記）であり、主機軸により推進用プロペラ２および軸発電機（図中、ＳＧと表記）３を駆動するようにしている。４は自動電圧調整器(図中、ＡＶＲと表記、以下、第１の自動電圧調整器と称する)であり、軸発電機３の出力電圧を一定電圧に制御するために界磁巻線５に流れる励磁電流を調整するものである。
【０００５】
６は軸発電機３から出力された主機１の回転数によって決まる周波数の交流電力を直流電力に変換するためのダイオード構成のコンバータであり、このコンバータ６から出力された直流電力は直流回路を介してサイリスタで構成されている他励式インバータ７に印加され、ここで交流電力に変換されて出力される。
【０００６】
そして、８はコンバータ６の出力端子および他励式インバータ７の入力端子間を接続する直流回路に流れる直流電流を検出するための電流検出器である。９は他励式インバータ７の出力電圧から歪みを除去するためのリアクトルであり、１０は他励式インバータ７の出力電圧を検出するための変圧器である。
【０００７】
また、１１は同期調相機であり、自動電圧調整器（図中、ＡＶＲと表記、以下、第２の自動電圧調整器と称する)１３によって界磁巻線１２に流れる励磁電流が調整されることによって、他励式インバータ７の出力側の電圧を一定電圧に制御すると共に無効電力を調整する機能を有している。１４は同期調相機１１の回転数を検出するための回転数検出器である。
【０００８】
１５は同期調相機１１の回転数指令値、即ち、他励式インバータ７の出力周波数を設定する回転数設定器であり、通常は船内電力の周波数と同じ周波数となるように一定に設定している。１６は回転数設定器１５の回転数指令値に応じて他励式インバータ７のサイリスタ点弧角を調整して他励式インバータ７の出力周波数、即ち、同期調相機１１の回転数を制御するための制御装置であり、内部の構成要素については後述する。
【０００９】
１７はリアクトル９と同期調相機１１との接続部を後述する船内母線２１に接続するための遮断器である。１８は同期調相機１１の始動時に使用する始動用電動機、１９は始動電動機１８に船内母線２１の電力を供給するための遮断器である。
【００１０】
本件明細書では、以上述べた軸発電機３から遮断器１９に至るまでの破線で囲んでいる部分を便宜上、主機軸駆動発電装置２０と称する。この主機軸駆動発電装置２０は、軸発電機３から出力された主機１の回転数によって決まる周波数の交流電力を回転数設定器１５で設定される回転数指令値に応じた一定周波数の交流電力に変換して出力する装置である。２２は自動同期投入装置（図中、ＡＳＹと表記）であり、主機軸駆動発電装置２０が船内母線２１に同期したときに、前記遮断器１７をオンさせて同期調相機１１を船内母線に同期投入する。２３は船内母線２１に電力供給するディーゼル発電機（図中、Ｄ／Ｇと表記）である。
【００１１】
そして、前記船内母線２１には遮断器２４、インバータ（図中、ＩＮＶ／ＣＯＮＶと表記）２５を介して荷役用カーゴポンプを駆動するためのカーゴポンプ用電動機２６が接続されている。このカーゴポンプ用電動機２６は、主として船舶の接岸後に稼働するもので、その回転数はインバータ２５によって制御される。
【００１２】
また、船内母線２１には同様に遮断器２７、始動器２８を介してスラスタ用電動機２９が接続されている。このスラスタ用電動機２９は船舶の接岸時にスラスタ用プロペラ３０を駆動するものであり、始動器２８はスラスタ用電動機２９の突入電流を抑制するためのものである。
【００１３】
次に、制御装置１６の詳細構成について説明する。  
１６-１は回転数検出器１４で検出された同期調相機１１の回転数と予め回転数設定器１５で設定した回転数指令値とからＰＩ制御により、コンバータ６と他励式インバータ７間の直流回路に流れる直流電流の電流指令値を出力する回転数制御回路（図中、ＡＦＣ回路と表記）である。１６-２は回転数制御回路１６-１から入力される電流指令値と電流検出器８で検出した電流値とからＰＩ制御により位相制御信号を出力する電流制御回路（図中、ＡＣＲ回路と表記）である。また、１６-３は変圧器１０で検出した他励式インバータ７の出力電圧から同期信号を出力するＰＬＬ回路である。そして１６-４は電流制御回路１６-２から入力される位相制御信号とＰＬＬ回路１６-３から入力される同期信号とを基にして他励式インバータ７のサイリスタ点弧角を決め、ゲートパルス信号を出力する位相制御回路である。
【００１４】
以下、船舶が航行中で軸発電機３が使用可能である場合、主機軸駆動発電装置２０の始動から船内母線２１への電力供給を行うまでの各装置の動作を説明する。  
まず、軸発電機３は主機１により駆動され、第１の自動電圧調整器４で界磁巻線５に流れる励磁電流を調整されることにより、一定電圧でかつ、主機１の回転数に応じた周波数の交流電力を出力する。
【００１５】
次に、遮断器１９をオンにして始動用電動機１８で同期調相器１１の始動を開始する。同期調相機１１は、コンバータ６、インバータ７およびリアクトル９を介して軸発電機３の出力電力で所定の回転数まで昇速して始動完了となる。その後、遮断器１９をオフさせ始動用電動機１８への電力供給を止めた状態で、自動同期投入装置２２により遮断器１７をオンにして、船内母線２１へ軸発電機３の電力を供給する。このとき第２の自動電圧調整器１３で界磁巻線１２に流れる励磁電流を調整し、同期調相器１１の電圧を一定電圧に制御すると共に同期調相器１１から他励式インバータ７と船内母線２１へ無効電力を供給する。
【００１６】
制御装置１６は、回転数検出器１４で検出した同期調相機１１の回転数と予め回転数設定器１５で設定してある回転数指令値とから回転数制御回路１６-１で電流検出器８が設けられている直流回路に流れる電流指令値を出力し、電流制御回路１６-２で前記電流指令値と電流検出器８で検出した電流検出値から位相制御信号を出力し、この位相制御信号とＰＬＬ回路１６-３の出力である同期信号を基に位相制御回路１６-４で他励式インバータ７のサイリスタ点弧角を調整し、同期調相機１１の回転数が回転数設定器１５で設定した回転数、即ち、他励式インバータ７の出力周波数が回転数設定器１５で設定した回転数指令値に応じた周波数となるように動作する装置である。
【００１７】
次に、船舶を港に着岸させる場合について説明する。  
船舶を港に着岸させるときは、主機１を停止させるとともに、遮断器１７をオフにし、主機軸駆動発電装置２０の運転を止める。その後、遮断器２７をオンにして船内母線２１の電力を使用し、始動器２８を介してスラスタ用電動機２９でスラスタ用プロペラ３０を駆動させ、船舶を横方向へ推進させる。
【００１８】
船舶が着岸すると遮断器２７をオフにしてスラスタの運転を止める。その後、荷役を行うために遮断器２４をオンにし、船内母線２１の電力を使用してインバータ２５を介してカーゴポンプ用電動機２６を駆動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開平６-２７６７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述したカーゴポンプ用電動機２６やスラスタ用電動機２９等の負荷駆動用電動機は、船内の一般負荷とは異なり、通常、港に到着したときのみに運転される。そして、これら負荷駆動用電動機は、稼動時間が短いにも拘わらずインバータ２５や始動器２８などの専用の装置が必要となるため、船内負荷駆動システム全体としての設備費が高価となり、また、それらの装置を設置する場所が必要となる課題もある。
【００２１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、港に到着したときのみに運転されるインバータや始動器を設けることなく、ポンプ用電動機やスラスタ用電動機等の負荷駆動用電動機の回転数を制御して運転することができる主機軸駆動発電装置を備えた船内負荷駆動システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の課題を解決するため、本発明に係る船内負荷駆動システムは、船内母線と、主機によって駆動される軸発電機と、前記軸発電機の出力電圧を調整する第１の自動電圧調整器と、前記軸発電機の出力電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力である直流電力を交流電力に変換する他励式インバータと、前記コンバータの直流側の電流を検出する電流検出器と、前記他励式インバータおよび前記船内母線に無効電力を供給する同期調相機と、前記同期調相機の出力電圧を調整する第２の自動電圧調整器と、前記同期調相機の回転数を設定する回転数設定器と、前記同期調相機の回転数を検出するための回転数検出器と、前記回転数設定器で設定した回転数指令値と前記回転数検出器の検出値からＰＩ制御を用いて前記コンバータの直流側に流れる電流の指令値を出力する回転数制御回路と、前記回転数制御回路の出力である電流指令値と前記電流検出器で検出した電流値からＰＩ制御を用いて位相制御信号を出力する電流制御回路と、前記他励式インバータの交流側の電圧から同期信号を生成するためのＰＬＬ回路と、前記電流制御回路の出力である位相制御信号と前記ＰＬＬ回路の出力である同期信号から前記他励式インバータにゲートパルス信号を出力する位相制御回路と、前記軸発電機と前記コンバータとの間を接続する回路に直列に設けられた第１の接触器と、前記第１の接触器および前記コンバータ間を接続する回路と前記船内母線との間に設けられた第２の接触器と、前記他励式インバータの出力側を負荷駆動用電動機に接続するための１個または複数個の第３の接触器と、前記他励式インバータの出力側と前記船内母線間に設けた第４の接触器と、船内負荷の運転モードに対応して前記第１乃至第４の接触器をオンまたはオフさせる切替装置と、を備えた船内負荷駆動システムにおいて、前記他励式インバータの出力電力を船内母線に供給する際は、前記切替装置により前記第１、第４の接触器をオン、前記第２、第３の接触器をオフにし、前記船内母線の出力電力で前記負荷駆動用電動機を駆動する際は、前記切替装置により前記第１、第４の接触器をオフ、第２、第３の接触器をオンにするとともに、前記船内母線の電力を前記回転数設定器で設定される回転数に応じた周波数に前記他励式インバータで周波数変換して前記負荷駆動用電動機を駆動し、前記回転数設定器で前記負荷駆動用電動機の回転数を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の船内負荷駆動システムを採用することにより、船舶の接岸時に使用する負荷駆動用電動機に用いる専用のインバータや始動器を省くことができ、また、通常、船舶の接岸時に使用しない軸駆動発電装置の有効活用が図られ、利用効率をあげることができる効果がある。更には、これにより、より安価で省スペースなシステムを提供することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態における船内負荷駆動システムの構成図。
【図２】図１で示した船内負荷駆動システムの運転モードに基づいて各接触器のオン、オフ状態を示す図。
【図３】従来の船内負荷駆動システムの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図１および図２を参照して本発明の実施形態について説明する。  
なお、図３に示した従来の装置または部品と同一の装置または部品には同一符号を付け、また、従来の装置と対応する装置には符号に添字を付加することにより、重複する説明は適宜省略する。
【００２６】
［構成］
図１の船内負荷駆動システムの構成図において、本発明に係る船内負荷駆動システムの実施形態が、従来例と大きく相違する点は以下のとおりである。
【００２７】
すなわち、図３中の遮断器２４とインバータ２５、遮断器２７と始動器２８を取り除いた点と、軸発電機３の出力側とコンバータ６の入力側とを接続する回路の途中に直列に接触器３１を設けた点と、この接触器３１およびコンバータ６の入力側間を接続する回路と船内母線２１との間を接続または開放するための接触器３２を設けた点と、他励式インバータ７の出力側を遮断器１７を介して新たに設けた船内電力配線３７に接続した点と、この船内電力配線３７にカーゴポンプ用電動機２６を接続または開放するための接触器３３を設けた点と、同様に船内電力配線３７にスラスタ用電動機２９を接続または開放するための接触器３４を設けた点と、遮断器１７および船内電力配線３７の接続部と船内母線２１とを接続または開放するための接触器３５を設けた点と、さらに、本実施形態における船内負荷駆動システムの運転モードに基づいてこれら接触器３１乃至接触器３５をオンまたはオフさせる信号を出力する切替装置３６を設けた点と、回転数設定器１５で設定される回転数指令値の範囲をカーゴポンプ用電動機２６およびスラスタ用電動機２９を速度制御できるように拡大した点である。
【００２８】
なお、本発明では、主機軸駆動発電装置に接触器３１を設けて構成の一部が変更されたこと、および運転方法の一部が変更されたことにより、従来装置に付与していた符号２０を２０Ａに変更してある。そして、説明の便宜上、接触器３１を第１の接触器、接触器３２を第２の接触器、接触器３３および３４を纏めて第３の接触器、接触器３５を第４の接触器と呼称する。  
その他の回路構成は図３の場合と同様なので説明は省略する。
【００２９】
［作用］
以下、図２に示す船内負荷駆動システムの３つの運転モードに基づいて各接触器３１乃至接触器３５がオン、オフする様子を参照しながら本実施形態の作用を説明する。
【００３０】
（ｉ）船内母線２１への給電時
まず、船舶の航行中など主機軸駆動発電装置２０Ａの出力電力を船内母線２１へ供給する場合について説明する。
【００３１】
この場合、第２の接触器３２、第３の接触器３３および３４をオフにした状態で、第１の接触器３１および第４の接触器３５をオンにすることにより、軸発電機３を第１の接触器３１、コンバータ６、他励式インバータ７、リアクトル９を介して同期調相機１１に接続するとともに、遮断器１７を介して船内電力配線３７に接続する。さらに船内電力配線３７から第４の接触器３５を介して船内母線２１に接続する。これにより、軸発電機３の出力電力は、コンバータ６、他励式インバータ７により船内母線２１の周波数に調整されて船内母線２１へ供給される。このとき、他励式インバータ７の出力周波数は船内母線２１の出力周波数と同じになるように回転数設定器１５の回転数指令値を設定し固定している。
【００３２】
（ii）スラスタ用電動機２９の駆動時
次に、船舶が港へ接岸する際にスラスタ用電動機２９を運転する場合を説明する。  
この場合、第１の接触器３１、第３の接触器の一方の接触器３３および第４の接触器３５をオフにした状態で、第２の接触器３２および第３の接触器の他方の接触器３４をオンにする。
【００３３】
この結果、軸発電機３とコンバータ６とは切り離され、さらに、船内母線２１と船内電力配線３７とは切り離される。一方、船内母線２１は第２の接触器３２、コンバータ６、他励式インバータ７、リアクトル９を介して同期調相機１１に接続され、さらに、遮断器１７、船内電力配線３７、第３の接触器の他方の接触器３４を介してスラスタ用電動機２９に接続される。
【００３４】
これにより、船内母線２１の電力は、第２の接触器３２、コンバータ６、他励式インバータ７、リアクトル９、同期調相機１１に供給され、さらに、遮断器１７を経て船内電力配線３７から第３の接触器の他方の接触器３４を介してスラスタ用電動機２９に供給される。
【００３５】
このとき、スラスタ用電動機２９の回転数は他励式インバータ７の出力電圧の周波数によって決まるので、同期調相機１１の回転数指令値を決める回転数設定器１５を操作し、スラスタ用電動機２９を速度制御する。
【００３６】
（iii）カーゴポンプ用電動機２６の駆動時
船舶の接岸後、カーゴポンプを運転するときは、スラスタ運転時の状態から第３の接触器の他方の接触器３４をオフさせた後、第３の接触器の一方の接触器３３をオンさせる。
カーゴポンプ用電動機２６の回転数はスラスタ用電動機２９の運転時と同様に回転数設定器１５を操作し、速度制御する。
【００３７】
［変形例］
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、以下記載の（ｉ）乃至（iv）のように適宜変更して実施できるものである。
【００３８】
（ｉ）図１の構成図では第１の接触器３１と逆の開閉状態になる第２の接触器３２とをそれぞれ独立した接触器として描いたが、これら第１の接触器３１と第２の接触器３２の機能を１個に纏めていずれか一方をオンにしたとき、他方がオフとなるような単極双投形の切換開閉器に置き換えても差し支えない。
【００３９】
（ii）図１の構成図では示していないが、主機１と推進用プロペラ２との間にクラッチを設け、船舶の接岸時にも、推進用プロペラ２が主機１の駆動軸から切り離された状態で主機１によって軸発電機３が駆動されている場合は、接触器３２をオフ、接触器３１をオンにして船内母線２１の代わりに軸発電機３の出力電力を利用してカーゴポンプ用電動機２６やスラスタ用電動機２９を駆動するように構成してもよい。
【００４０】
（iii）上記実施形態ではカーゴポンプ用電動機２６やスラスタ用電動機２９の例で説明したが、これに限るものではなく、船舶の接岸時等に駆動される負荷駆動用電動機であればよい。
【００４１】
（iv）上記実施形態ではコンバータ６はダイオードで構成している場合での運転方法について述べたが、コンバータ６をサイリスタで構成することも可能である。この場合、サイリスタコンバータと、他励式インバータ７と、同期調相機１１とでサイリスタモータが構成でき、断続始動による始動が可能となるので、始動用モータ１８と遮断器１９をなくすことができる。
【００４２】
このように本発明の実施形態によれば、船舶の接岸時に船内母線２１の電力を軸駆動発電装置２０Ａの制御回路で周波数変換し、カーゴポンプ用電動機２６やスラスタ用電動機２９等、船舶の接岸時に使用する負荷駆動用電動機を駆動するように構成したので、従来、負荷駆動用電動機に使用していたインバータや始動器といった専用の制御装置を設ける必要がなくなり、また、通常船舶の接岸時には使用しない軸駆動発電装置を有効活用でき、利用効率をあげることができる効果がある。
【符号の説明】
【００４３】
１…主機、２…推進用プロペラ、３…軸発電機、４…第１の自動電圧調整器、５…界磁巻線、６…コンバータ、７…他励式インバータ、８…電流検出器、９…リアクトル、１０…変圧器、１１…同期調相機、１２…界磁巻線、１３…第２の自動電圧調整器、１４…回転数検出器、１５…回転数設定器、１６…制御装置、１６-１…回転数制御回路、１６-２…電流制御回路、１６-３…ＰＬＬ回路、１６-４…位相制御回路、１７…遮断器、１８…同期調相機始動用電動機、１９…遮断器、２０Ａ…主機軸駆動発電装置、２１…船内母線、２２…自動同期投入装置、２３…ディーゼル発電機、２６…カーゴポンプ用電動機、２９…スラスタ用電動機、３０…スラスタ用プロペラ、３１…第１の接触器、３２…第２の接触器、３３または３４…第３の接触器、３５…第４の接触器、３６…切替装置、３７…船内電力配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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