(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主機によって駆動される軸発電機の出力電力を定周波数定電圧の電力に変換し、船内母線へ電力供給する電力変換装置と、
原動機によって駆動され、前記船内母線へ電力供給する船内発電機と、
前記軸発電機と前記電力変換装置との接続部を外部電力系統に接続する遮断器とから成る船舶の陸電供給システムにおいて、
前記主機と前記軸発電機との間に第１クラッチを設けると共に、第２クラッチを介して前記軸発電機を駆動する始動用電動機を設け、
前記主機が停止し前記外部電力系統から電力を受給する場合に、前記第１クラッチにより前記主機と前記軸発電機との直結を解除すると共に、前記第２クラッチにより前記始動用電動機と前記軸発電機とを直結し、
前記船内発電機の電力により前記始動用電動機を初期駆動することにより前記軸発電機を始動させ、
その後、前記始動用電動機と前記軸発電機との直結を解除すると共に、
前記電力変換装置を可変周波数可変電圧制御して前記船内発電機の電力で前記軸発電機を引き続き起動させ、
前記遮断器を介して前記軸発電機を前記外部電力系統に同期投入した後に、
前記電力変換装置を定周波数定電圧制御に切替えて前記外部電力系統の電力を前記船内母線へ供給することにより、
前記軸発電機を前記電力変換装置から前記外部電力系統に流出する高調波の抑制フィルタとして使用することを特徴とする船舶の陸電供給システム。
【請求項２】
前記外部電力系統と前記電力変換装置との間に、タップ付きリアクトルを設け、前記タップ付きリアクトルのタップに前記軸発電機を接続したことを特徴とする請求項１記載の船舶の陸電供給システム。
【請求項３】
前記外部電力系統と前記電力変換装置との間に、２重巻線リアクトルを設け、前記２重巻線リアクトルに前記軸発電機を接続したことを特徴とする請求項１記載の船舶の陸電供給システム。
【請求項４】
主機によって駆動される軸発電機の出力電力を定周波数定電圧の電力に変換し、船内母線へ供給する電力変換装置と、
原動機によって駆動され、前記船内母線へ電力を供給する船内発電機と、
前記軸発電機と電力変換装置との接続部を外部電力系統へ接続する遮断器とから成る船舶の陸電供給システムにおいて、
前記船内発電機と原動機との間に第３クラッチを設けると共に、前記外部電力系統と前記電力変換装置との間に、タップ付きリアクトルを設け、更に、前記船内発電機の出力を前記船内母線から前記タップ付きリアクトルを介して前記電力変換装置の入力側へ切り替える切替器、および、前記電力変換装置の入力側から前記軸発電機を切り離すスイッチを設け、
前記主機が停止し前記外部電力系統から電力を受給する場合に、前記スイッチにより前記軸発電機を前記電力変換装置の入力側より切り離すと共に、前記切替器により前記タップ付きリアクトルを介して前記船内発電機を前記電力変換装置の入力側に切替え、前記遮断器を介して運転中の前記船内発電機を、前記タップ付きリアクトルを介して前記外部電力系統に同期投入した後、前記第３クラッチを解列すると共に、前記電力変換装置を定周波数定電圧制御して前記外部電力系統の電力を前記船内母線へ供給することにより、前記船内発電機を前記電力変換装置から前記外部電力系統に流出する高調波の抑制フィルタとして使用することを特徴とする船舶の陸電供給システム。
【請求項５】
前記タップ付きリアクトルに代え、前記外部電力系統と前記電力変換装置との間に、２重巻線リアクトルを設け、前記２重巻線リアクトルに前記船内発電機を接続したことを特徴とする請求項４に記載の船舶の陸電供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶の航行中、主機によって駆動される軸発電装置の電力変換装置を利用して、船舶停泊時に陸上電力系統等の外部電力系統の電力を変換し、船内母線へ電力を供給する船舶の陸電供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境規制が厳しくなってきている中、船舶においても例外ではなく、船舶の港での停泊時には、船内発電機を駆動するディーゼルエンジンを停止し、エンジンから排ガスを放出させないような対応が求められつつあり、海外の一部の港では、既に法規制で制限するところも出てきている。このため、近年では、陸上電力系統等の外部電力系統（以下、陸上電力系統という）から船舶の船内母線へ電力を供給するシステムが検討されてきた。
【０００３】
図５は、軸発電装置の電力変換装置を利用して陸上電力系統から船内母線へ電力を供給する従来の陸電供給システムの一例を示す図である。
【０００４】
図５において、軸発電装置は、推進プロペラ３を駆動する主機２によって駆動される軸発電機１と、軸発電機１から出力される可変周波数の電力を定周波数定電圧に変換し、遮断器１５を介して船内母線８へ電力を供給する電力変換装置９とから構成されている。
【０００５】
従来の陸電供給システムは、この電力変換装置９の入力側に軸発電機１と陸上電力系統４とを切替える切替器７を設け、船舶が港に接岸し、主機２が停止すると、切替器７で軸発電機１を切り離し、その入力側を高調波抑制フィルタ６、遮断器５を介して陸上電力系統４に接続し、陸上電力系統４の電力を電力変換装置９で電力変換して船内母線８へ電力供給するように構成している。
【０００６】
これは、船内母線８の電力周波数が６０Ｈｚであるのに対し、陸上電力系統４の周波数は、地域によって５０Ｈｚ、６０Ｈｚ等があり、陸上電力系統の電力をそのまま船内母線へ供給できないためである。
【０００７】
図５に示す陸電供給システムを詳細に説明すると、推進プロペラ３を駆動する主機２の回転軸には軸発電機１が直結されている。軸発電機１は、切替器７を介して電力変換装置９に接続される。電力変換装置９は、軸発電機１の可変周波数の出力電力を定周波数定電圧の電力に変換して船内母線８へ電力供給するもので、コンバータ１２ｂとインバータ１２ａとから成る電力変換器１２とリアクトル１３と同期調相機１４とから構成されている。切替器７は、電力変換装置９との接続を、軸発電機１あるいは高調波抑制フィルタ６の何れかに切り替える。
【０００８】
船舶の航行中は、切替器７は、軸発電機１と電力変換装置９とを接続するように切り替えられる。軸発電機１の電力は、切替器７を介して電力変換装置９に供給され、この電力変換装置９で一定周波数に変換され、遮断器１５を通じて船内の船内母線８へ供給される。
【０００９】
なお、船内母線８には、カップリング２０を介してディーゼルエンジン（以下、原動機という。）２１で駆動され、遮断器１６を介して船内母線８へ電力供給する船内発電機１８が接続される。また、船内母線８には、遮断器１７を介して船内負荷１９が接続される。
【００１０】
尚、軸発電装置を使用するには、電力変換装置９の同期調相機１４を起動しておく必要があるが、その同期調相機１４の起動は、次のようにして行われる。
【００１１】
まず、電力変換装置９の入力側から軸発電機１を切り離し、船内母線８と電力変換装置９の入力側とが遮断器２２を介して接続される。これにより、船内母線８（船内発電機１８）からの電力を利用して、電力変換器１２（コンバータ１２ｂ、インバータ１２ａ）を可変周波数可変電圧制御（Ｖ／Ｆ制御）して徐々に同期調相機１４の回転数を引き上げ、同期調相機１４を起動する。そして、同期調相機１４の起動が完了した後に遮断器１５を閉じて、同期調相機１４を船内母線８に同期投入する。これとほぼ同時に遮断器２２を開き、その後、切替器７を切替えて電力変換装置９の入力側に軸発電機１を接続し、船舶の航行中に軸発電装置として使用可能な状態とする。
【００１２】
船舶が港に到着して停泊すると、主機２の運転が停止されるので、切替器７で軸発電機１を電力変換装置９の入力側から切り離し、電力変換装置９を高調波抑制フィルタ６と遮断器５を介して陸上電力系統４に接続する。これにより陸上電力系統４からの電力は、遮断器５と高調波抑制フィルタ６とを経由して電力変換装置９へ入力される。電力変換装置９を定周波数定電圧制御することにより、陸上電力系統４の電力を変換し、遮断器１５を経由して船内母線８へ供給する。
【００１３】
高調波抑制フィルタ６は、電力変換装置９が電力変換する際に電力変換器１２から発生する高調波が陸上電力系統４に流出しないように設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−１５１２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このように、従来の陸電供給システムでは、船舶が港に停泊し、陸上電力系統４から電力の供給を受ける際に、電力変換器１２から発生される高調波が陸上電力系統４に流出しないように、専用の高調波抑制フィルタ６を設けているが、通常、高調波抑制フィルタ６は、大型でかつ重量が大きいため、積荷スペースの減少、操船速度の低下、燃費低下などをきたし、陸電供給時にのみ使用する高調波抑制フィルタ６を航行中も搭載しておくことは船舶にとって望ましいことではなく、何らかの改善が求められていた。
【００１６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、船舶の停泊時に使用しない軸発電機あるいは船内発電機を電力変換器から陸上電力系統に流出する高調波抑制フィルタとして利用することにより、専用の高調波抑制フィルタを搭載せず、それに伴って船舶の積荷スペースの拡大、操船速度の改善、燃費の改善が行える陸電供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、主機によって駆動される軸発電機の出力電力を定周波数定電圧の電力に変換し、船内母線へ電力供給する電力変換装置と、
原動機によって駆動され、前記船内母線へ電力供給する船内発電機と、前記軸発電機と前記電力変換装置との接続部を外部電力系統に接続する遮断器とから成る船舶の陸電供給システムにおいて、前記主機と前記軸発電機との間に第１クラッチを設けると共に、第２クラッチを介して前記軸発電機を駆動する始動用電動機を設け、前記主機が停止し前記外部電力系統から電力を受給する場合に、前記第１クラッチにより前記主機と前記軸発電機との直結を解除すると共に、前記第２クラッチにより前記始動用電動機と前記軸発電機とを直結し、前記船内発電機の電力により前記始動用電動機を初期駆動することにより前記軸発電機を始動させ、その後、前記始動用電動機と前記軸発電機との直結を解除すると共に、前記電力変換装置を可変周波数可変電圧制御して前記船内発電機の電力で前記軸発電機を引き続き起動させ、前記遮断器を介して前記軸発電機を前記外部電力系統に同期投入した後に、前記電力変換装置を定周波数定電圧制御に切替えて前記外部電力系統の電力を前記船内母線へ供給することにより、前記軸発電機を前記電力変換装置から前記外部電力系統に流出する高調波の抑制フィルタとして使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電力変換装置から陸上電力系統に流出する高調波を軸発電機のリアクタンスを利用して抑制することにより、専用のフィルタを設置しなくても高調波を低減することが可能となり、それに伴って船舶の積荷スペースの拡大、操船速度の改善、燃費の改善が行える。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図。
【図２】第２の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図。
【図３】第３の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図。
【図４】第４の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図。
【図５】陸上電力系統から船内母線へ電力を供給する従来の陸電供給システムの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図である。なお、図５に示す従来の陸電供給システムの構成と同一部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２１】
第１の実施形態における陸電供給システムは、図５に示す構成に加えて、主機２と軸発電機１との間に第１クラッチ２３が設けられる。第１クラッチ２３は、主機２と軸発電機１の直結と、直結解除とを切り替えることができる。また、図１に示す船舶の陸電供給システムは、図５に示す高調波抑制フィルタ６と切替器７とを設けていない。
【００２２】
本発明の第１の実施形態における船舶の陸電供給システムは、電力変換装置９の電力変換器１２から発生する高調波が陸上電力系統４に流出しないように設けていた図５に示す専用の高調波抑制フィルタ６を取り除き、それに代わり、船舶停泊時に使用していない軸発電機１を陸上電力系統４と電力変換装置９との間に同期投入することにより軸発電機１を同期調相機として機能させ、軸発電機１のリアクタンスを利用して高調波の流出を抑制するものである。これにより、設置スペースが大きく、重量も重い、専用の高調波抑制フィルタ６を不要とすることにより、船舶における積荷スペースの拡大（積荷量の増加）、設備機器の軽量化（船速の改善）を図る。
【００２３】
船舶の航行中は、船舶の推進プロペラ３を駆動する主機２と軸発電機１とは第１クラッチ２３により直結される。これにより、主機２によって軸発電機１が駆動され、軸発電機１から可変周波数の電力が出力される。軸発電機１から出力される可変周波数の電力は、電力変換装置９（電力変換器１２、リアクトル１３、同期調相機１４）によって定周波数定電圧の電力に変換され、遮断器１５を通じて船内母線８へ供給される。
【００２４】
船舶が停泊し、主機２が停止される場合には、陸電供給システムは、以下に説明する手順を経て、外部の電力系統である陸上電力系統４から電力を受給する。
【００２５】
主機２が停止されると軸発電機１は、回転が止まり、電力変換装置９の入力側には、軸発電機１から電力が供給されなくなる。この時、同期調相機１４は遮断器１５、船内母線８を経由して船内発電機１８からの電力で回転しており、電力変換装置９としては稼働できる状態にある。
【００２６】
この状態で、まず、陸電供給システムは、第１クラッチ２３により主機２と軸発電機１との直結を解除する。これと共に電力変換装置９を可変周波数可変電圧制御（Ｖ／Ｆ制御）し、遮断器１５を介して船内母線８（船内発電機１８）の電力により徐々に軸発電機１を始動させ、始動後、周波数を上げて所定の周波数及び電圧に達すると、遮断器５を閉じて軸発電機１を陸上電力系統４と電力変換装置９との間に同期投入する。
【００２７】
その状態で、電力変換装置９の制御をＶ／Ｆ制御から定周波数定電圧制御に切り替えて、陸上電力系統４の電力を電力変換装置９で電力変換し船内母線８に供給する。陸上電力系統４から電力が供給されると、原動機２１を停止して遮断器１６で船内発電機１８を船内母線８から解列し、船内負荷１９へは、陸上電力系統４からの電力のみが供給される。
【００２８】
この時、軸発電機１は、主機２で駆動されておらず、単に陸上電力系統４に接続されて同期調相機として回転しているだけなので有効電力は発生できないが、軸発電機１のリアクタンスによって電力変換器１２から発生する高調波が吸収され、陸上電力系統へ流出する高調波が抑制される。
【００２９】
このようにして、第１の実施形態における陸電供給システムでは、船舶の停泊時に使用していない軸発電機１を、陸上電力系統４と電力変換装置９との間に同期投入することにより、軸発電機１を同期調相機として機能させ、軸発電機１のリアクタンスを利用して陸上電力系統４への高調波の流出を抑制することが可能となる。このため、高調波の流出を抑制するための専用のフィルタが不要になることから、船舶においては積荷量の増加や船速の改善、燃費の向上にも寄与することができる。
【００３０】
なお、図１に示す船舶の陸電供給システムは、電力変換装置９に他励式の電力変換器１２を使用しているため、電力変換器１２のインバータ１２ａの出力側にリアクトル１３と同期調相機１４を設け、同期調相機１４からインバータ１２ａに無効電力を供給すると共に、同期調相機１４で出力電圧を一定に保つように構成しているが、自励式の電力変換器を用いて、リアクトル、同期調相機を省略することも可能である。この場合には、同期調相機１４を事前に起動するための構成（遮断器２２を介して船内母線８と電力変換器１２とを接続する構成及び制御）も不要となるため、陸電供給システムの構成を簡単にすることができる。尚、自励式の電力変換装置を用いた構成の場合も、前述した他励式の電力変換器１２を用いた構成の場合と同様の効果を得ることが可能である。
【００３１】
（第２の実施形態）  
図２は、第２の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図である。なお、図１に示す第１の実施形態における陸電供給システムの構成と同一部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
第２の実施形態における陸電供給システムは、図２に示すように、図１に示す構成に加えて、軸発電機１に第２クラッチ２４を介して、始動用電動機（ポニーモータ）２５を設けると共に、この始動用電動機２５に船内母線８から電力を供給するためのスイッチ２６を設けている。
【００３３】
第１の実施形態では、電力変換装置９を可変周波数可変電圧制御して軸発電機１を始動させているが、第２の実施形態の陸電供給システムでは、始動用電動機２５を用いて初期始動させる。
【００３４】
第１クラッチ２３により主機２と軸発電機１との直結が解除されると、第２クラッチ２４により始動用電動機２５と軸発電機１とを直結し、スイッチ２６を介して船内母線８（船内発電機１８）からの電力により始動用電動機２５を駆動して、軸発電機１を初期始動させる。
【００３５】
軸発電機１が初期始動された後、第２クラッチ２４により始動用電動機２５と軸発電機１との直結を解除し、第１の実施形態と同様にして、電力変換装置９を可変周波数可変電圧制御して船内母線８（船内発電機１８）の電力により軸発電機１を引き続き起動させる。その後、軸発電機１の周波数が上がり所定の周波数及び電圧に達すると、遮断器５を閉じて軸発電機１を陸上電力系統４と電力変換装置９との間に同期投入する。
【００３６】
以下、第１の実施形態と同様にして、軸発電機１を陸上電力系統４への高調波の流出を抑制するためのフィルタとして使用しながら、電力変換装置９を陸上電力系統４からの電力を電力変換装置９で変換して船内母線８に供給する。
【００３７】
このようにして、第２の実施形態の陸電供給システムでは、始動用電動機２５により軸発電機１を初期始動させることにより、第１の実施形態のように最初から電力変換装置９により起動する場合よりも制御を簡素化することができる。始動用電動機２５の容量としては、軸発電機１を初期始動させることが可能な小容量の電動機で十分であり、設置するスペースも少なくてすむ。
【００３８】
なお、第２の実施形態では、始動用電動機２５に代えて、他の装置を用いて軸発電機１を始動させることが可能である。例えば、主機２には、予めセルモータや起動用エアー装置が準備されているため、これらの装置を用いて軸発電機１の回転を立ち上げることも可能である。軸発電機１を始動させた後は、前述と同様にして、電力変換装置９により軸発電機１を引き続き起動させれば良い。
【００３９】
（第３の実施形態）  
図３は、第３の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図である。なお、図１に示す第１の実施形態における陸電供給システムの構成と同一部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４０】
第３の実施形態における陸電供給システムは、図３に示すように、図１に示す構成に加えて、遮断器５（陸上電力系統４）と電力変換装置９との間に中間タップ付交流リアクトル２７を設け、その中間タップに軸発電機１を接続したものである。
【００４１】
図３に示すように、中間タップ付交流リアクトル２７を追加接続することにより、交流リアクトル２７と軸発電機１のリアクタンスの相互抑制作用が増し、電力変換器１２から陸上電力系統４へ流出する高調波を大きく低減できることができる。その他の動作は、第１及び第２の実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００４２】
なお、図３に示す交流リアクトル２７を設けた構成は、図２に示す第２の実施形態の陸電供給システムに適用することも可能である。また、交流リアクトル２７は、中間タップ付のリアクトルだけでなく、２重巻線リアクトルを用いることも可能である。
【００４３】
（第４の実施形態）  
図４は、第４の実施形態における船舶の陸電供給システムの主構成を示すブロック図である。なお、図１に示す第１の実施形態における陸電供給システムの構成と同一部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
第４の実施形態における陸電供給システムは、図４に示すように、図１に示す構成に加えて、原動機２１と船内発電機１８を直結しているカップリング２０に代えて第３クラッチ３０を設けると共に、船内発電機１８の出力側には、その出力を電力変換装置９の入力側、あるいは、遮断器１６を介して船内母線８に接続切替する切替器２８が設けられている。
【００４５】
また、軸発電機１の出力側には、電力変換装置９の入力側との接続／切断を切り換えるスイッチ３３が設けられている。
【００４６】
第１の実施形態では、陸上電力系統４から電力を受給する場合に、軸発電機１を電力系統４に同期投入することにより、軸発電機１を陸上電力系統４への高調波抑制フィルタとして使用しているが、第４の実施形態では、軸発電機１に代えて船内発電機１８を高調波抑制フィルタとして使用する。
【００４７】
第４の実施形態では、船舶が停泊し、主機２が停止されると、軸発電機１はスイッチ３３によって、電力変換装置９の入力側から切り離される。この時、船内発電機１８は、第３クラッチ３０により原動機２１と直結されており、船内発電機１８から切替器２８、遮断器１６を介して船内母線８へ電力を供給しているので、遮断器１６で、まず船内母線８と遮断して、切替器２８を切替え、運転中の船内発電機１８を電力変換装置９の入力側に接続すると共に、遮断器５を介して陸上電力系統４へ同期投入する。その後、第３クラッチ３０により船内発電機１８と原動機２１との直結を解除し、船内発電機１８を陸上電力系統４と電力変換装置９との間に設けた同期調相機として機能させる。
【００４８】
これにより、第４の実施形態では、第１の実施形態における軸発電機１と同様にして、船内発電機１８を高調波抑制フィルタとして作用させ、電力変換器１２から陸上電力系統４へ流出する高調波を抑制させることができる。
【００４９】
なお、図４に示す構成では、船内発電機１８は、切替器２８を介して、陸上電力系統４と電力変換装置９との接続部に直接接続されるが、第３の実施形態と同様にして、遮断器５と電力変換装置９との間に中間タップ付きのリアクトルあるいは２重巻線リアクトルを設けて、中間タップ付きのリアクトルあるいは２重巻線リアクトルを介して、陸上電力系統４と接続する構成としても良い。これにより、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、前述した説明では、船舶の停泊時に陸上電力系統４から電力が供給されるとしているが、陸上電力系統４に限らず、その他の外部の電力系統から電力が供給される場合においても、本実施形態における陸電供給システムを適用することが可能である。
【００５１】
また、本発明は前述した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、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、各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。
【符号の説明】
【００５２】
１…軸発電機、２…主機、３…推進プロペラ、４…陸上電力系統、５，１５，１６，１７，２２…遮断器、６…高調波抑制フィルタ、７…切替器、８…船内母線、９…電力変換装置、１２…電力変換器、１２ａ…インバータ、１２ｂ…コンバータ、１３…リアクトル、１４…同期調相機、１８…船内発電機、１９…船内負荷、２０…カップリング、２１…ディーゼルエンジン（原動機）、２３…第１クラッチ、２４…第２クラッチ、２５…始動用電動機、２６，３３…スイッチ、２８…切替器、２７…交流リアクトル、３０…第３クラッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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