(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶の推進プロペラを駆動する推進電動機と、この推進電動機へ給電する船内電源と、この電源から供給される電力を変換して前記推進電動機を可変速駆動する電力変換装置と、前記推進電動機の減速時に発生される回生電力を吸収して推進電動機に制動をかける電気制動手段とを備えた船舶の電気推進装置において、減速を伴う指令に基づいて、前記電力変換装置を減速運転モードにするとともに前記電気制動手段を作動させて前記推進電動機を減速し、推進電動機の速度が、推進プロペラを停止させないでこれを駆動する推進電動機を正転から逆転に切替えた際に、プロペラ軸等に加わる推進力等の機械力が許容値以下となる速度の最大速度まで減速されたところで前記電気制動手段の作動を停止して前記電力変換装置を逆転運転モードに切替え、推進電動機が指令速度になるまで推進電動機を逆転駆動することを特徴とする船舶の電気推進装置の減速運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記電気制動手段が制動抵抗であることを特徴とする船舶の電気推進装置の減速運転方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記電気制動手段が船内電源系統への電力回生手段であることを特徴とする船舶の電気推進装置の減速運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置により制御される交流電動機により船舶の推進プロペラを駆動するようにした船舶の電気推進装置の減速運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置を介して制御される推進電動機により船舶のプ推進プロペラを駆動して船舶を推進するようにした電気推進装置は、特許文献１等に示されるようによく知られている。このような、電気推進装置は、ディーゼルエンジンやガスタービンなどの原動機駆動による推進装置に比べ、操作性に優れているので、高度な操作性を要求される船舶に採用されることが多い。
【０００３】
このような、電気推進装置の基本構成を図１に示す。
【０００４】
この図において、ＰＳはディーゼルエンジンＤＥとこれにより駆動される交流発電機Ｇとで構成された船内電源である。電気推進装置は、この電源ＰＳから供給される交流電力をダイオードで構成されたコンバータＤＣＮＶにより直流電力に変換し、コンデンサＣで平滑した後、インバータＩＮＶにより可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して推進プロペラＰを駆動する交流の推進電動機Ｍに供給し、この推進電動機Ｍにより推進プロペラＰを可変速駆動して、船舶の航行を制御するものである。なお、ＲはスイッチＳＷを介してインバータＩＮＶの入力側の直流中間回路に接続された制動用抵抗、Ｌは、電源ＰＳの出力母線に接続された船内の一般負荷である。
【０００５】
このような電気推進装置により船舶の航行を停止または減速する方法、すなわち推進電動機Ｍを停止または減速する方法には、通常の停止操作と急速逆転操作がある。急速逆転操作は、推進電動機Ｍを逆転し、推進プロペラＰを逆回転させて船舶を急速に減速停止させる操作である。
【０００６】
１）通常停止操作
通常の停止操作時における図１の電気推進装置の各部の動作波形は図５に示すように変化する。
【０００７】
停止指令をｔ５１時点で行うと、停止点ｔ５２に向かって所定の傾斜で速度指令Ｓが低下される。
【０００８】
このとき、電動機Ｍの速度を減速させるために、スイッチＳＷをオンにして制動抵抗Ｒを接続すると共に、インバータＩＮＶを回生モードの運転に切替え、船舶の慣性エネルギーにより電動機Ｍで発生される回生電力をこの制動抵抗Ｒで消費させて制動をかける。
【０００９】
また、コンバータＤＣＮＶはダイオードで構成されるため、電源ＰＳ側への回生は阻止されるから、制動抵抗Ｒで吸収できないような過大な回生が行われるとコンデンサＣの電圧ＶＣ（通称、直流中間回路電圧と言う）が上昇し過大となって、コンバータＤＣＮＶおよびインバータＩＮＶを構成する半導体素子などに障害を与える恐れがある。
【００１０】
これを防止するために、コンデンサ両端電圧ＶＣが許容値を超えないようインバータＩＮＶにより回生電力の制御を行う必要がある。このとき、制動電流Ｉｍｂは図示するように電動機Ｍの速度Ｎの減速と共に低下するが、おおよそ回転速度Ｎが０となる停止点ｔ５２までインバータＩＮＶは回生動作を継続する。
【００１１】
このようにインバータＩＮＶが回生動作を行うｔ５１からｔ５２の間の制動期間の全期間にわたって回生電力を制動抵抗Ｒで吸収する必要があるから、制動抵抗Ｒの大きさを決める電流・時間積容量（Ｉ2・ｔ）が増大し、寸法、重量、コストが増大する。なお、通常運転時のコンデンサＣの端子電圧ＶＣｓは電源ＰＳの出力電圧をダイオードコンバータＤＣＮＶで整流したときの電圧であり、制動運転時のコンデンサＣの電圧ＶＣｂはＶＣｓよりやや高めに設定して、制動動作中に電源ＰＳから制動抵抗Ｒへの電力注入がないようにする。
【００１２】
２）急速逆転操作
前述の通り、急速逆転操作は推進電動機を逆回転させて船舶を緊急に停止させる場合の操作で、全速から急速逆転操作によって短時間、短距離で船舶を停船させるため、推進プロペラＰの駆動軸に過大な機械力を与えることになり、この操作は、機械的に過酷な操作となる。
【００１３】
急速逆転操作時における図１の電気推進装置の各部の動作波形を図６に示す。
【００１４】
急速逆転操作においては、前記の通常停止操作と同様に、減速指令により電動機Ｍの速度が減速を開始してから、速度Ｎが０点に近いＮｚに達するまで、または速度指令Ｓが０を通過するまでは、制動抵抗Ｒを投入して、これにより船舶の慣性エネルギーによる回生電力を吸収するが、この時点から電動機Ｍが逆転運転されるようになる。
【００１５】
船舶の慣性エネルギーは船舶の大きさに比例し、かつ船速＝電動機速度Ｎの約３乗に比例するから、大形船、高速船になるほど慣性エネルギー＝回生エネルギーが大きくなり、急速逆転操作時にも、この回生エネルギーのほとんどを制動抵抗器Ｒにより消費することになるので、この制動抵抗Ｒの容量が大きくなり、制動抵抗Ｒの寸法、重量、コストが増大することになる。
【００１６】
また、このような電気推進装置における電気制動手段としては前記した制動抵抗を用いる抵抗制動手段の外に回生エネルギーを電源へ回生するようにした回生制動手段がある。しかし、船舶の船内電源の容量は限られているため、推進電動機の回生エネルギーを全部、電源に回生できるようにするためには電源の容量を格別大きくする必要がある。電源容量を大きくすると、発電機およびこれを駆動するディーゼルエンジンなどの原動機が大形となり、船舶への搭載に支障を来たし、また、原動機の大形化に伴うコスト増加と共に、燃費効率の悪化による運用費のコスト増加をもたらす。
【００１７】
船内電源の発電装置の容量を増加せずに推進電動機の回生エネルギーを有効に回収するため、前記特許文献１では、電気推進装置のコンバータとして可逆動作を行うコンバータＣＮＶを備え、このコンバータにより電源ＰＳの接続された船内母線に回生エネルギーを回生し、この母線に接続された船内の一般負荷Ｌで消費するにすることが提案されている。
【００１８】
しかし、このように推進電動機の回生エネルギーを船内負荷に回生するようにしても、船舶の電気設備の容量は、推進プロペラを駆動する推進電動機が最も大きく、船内の一般負荷の容量は、総合しても推進電動機の容量の１０％程度にしかならないのが一般的であるため、船内負荷によっては十分な制動力を得ることができないので、制動時間および制動距離が長くなる問題が残る。
【特許文献１】特開平７−３１５２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
このように従来の電気推進装置における減速運転方法には多くの問題があるので、この発明は、このような問題を解消するために、抵抗制動や、回生制動などの電気的制動手段と逆転制動とを組み合わせて、電気的制動手段を構成する制動抵抗などの装置を小形にすることの可能な電気推進装置の減速運転方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この課題を解決するため、この発明は、船舶の推進プロペラを駆動する推進電動機と、この推進電動機へ給電する船内電源と、この電源から供給される電力を変換して前記推進電動機を可変速駆動する電力変換装置と、前記推進電動機の減速時に発生される回生電力を吸収して推進電動機に制動をかける電気的制動手段とを備えた船舶の電気推進装置において、減速を伴う指令に基づいて、前記電力変換装置を減速運転モードにするとともに前記電気制動手段を作動させて前記推進電動機を減速し、推進電動機の速度が、推進プロペラを停止させないでこれを駆動する推進電動機を正転から逆転に切替えた際に、プロペラ軸等に加わる推進力等の機械力が許容値以下となる速度の最大速度まで減速されたところで前記電気制動手段の作動を停止して前記電力変換装置を逆転運転モードに切替え、推進電動機が指令速度になるまで推進電動機を逆転駆動することを特徴とするものである。
【００２２】
また、この発明においては、電気的制動手段としては抵抗制動手段または回生制動手段を用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、電気推進装置において、減速を伴う指令に基づいて、前記電力変換装置を減速運転モードにするとともに前記電気制動手段を作動させて前記推進電動機を減速し、推進電動機の速度が所定の速度まで減速されたところで前記電気制動手段の作動を停止して前記電力変換装置を逆転運転モードに切替え、推進電動機が指令速度になるまで推進電動機を逆転駆動するようにしたので、短い制動距離で停船させることができる効果が得られる。また、電気的制動手段は制動期間の初期の比較的短い期間に作動するだけとなるため、電気的制動手段に用いる制動抵抗等の機器の時間定格容量を小さくでき、小形にすることができる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、この発明の実施の形態を具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００２５】
図1に示すような、コンバータとしてダイオードコンバータＤＣＮＶを備え、電気的制動手段として抵抗制動回路を用いた電気推進装置におけるこの発明の減速運転方法の実施例を、図３に示す動作波形図を用いて説明する。
【００２６】
この実施例においては、図示しない速度指令器から全速を示す速度指令Ｓｆが与えられるとインバータＩＮＶからこの全速に対応した出力が推進電動機Ｍに与えられ、推進電動機Ｍが全速Ｎｆで推進プロペラＰを駆動することにより船舶の速度が全速に保たれる。全速航行中に、図３のｔ１時点で停船指令または減速指令が与えられると、図３（ｄ）に示すように速度指令器から所定の傾斜で低下する速度指令Ｓが与えられる。この速度指令に応じてインバータＩＮＶが減速回生モード運転に転じるので、推進電動機Ｍが減速を始め、船舶の慣性エネルギーにより回生電力を発生する。インバータＩＮＶは、推進電動機Ｍで発生される回生電力をその入力側の直流中間回路に戻すが、ダイオードコンバータＤＣＮＶは、ダイオードで構成されているため、電源ＰＳ側への回生を阻止するので、回生電力がコンデンサＣに充電されその電圧をＶｂに上昇させる（図３（ｂ）参照）。インバータＩＮＶの入力側の直流中間回路には、減速指令が与えられると同時に図３（ｅ）に示すようにスイッチＳＷが投入（オン）され、このスイッチＳＷを介して制動抵抗Ｒが接続されるので、回生電力がこの制動抵抗Ｒによって消費されることにより推進電動機Ｍに制動力が生じる。
【００２７】
推進電動機Ｍの電流Ｉｍは、図３（ｃ）に示すように減速モードになると同時に、力行側から回生側に極性を変えて流れる。このときの回生電流Ｉｍｂは、インバータＩＮＶが許容できる最大の電流に制御して、大きな制動力が得られるようにする。回生電流Ｉｍｂは、電動機Ｍの速度の低下に従って減少する。
【００２８】
推進電動機Ｍの速度が予め設定した速度Ｎｘに達するｔ２時点において、この発明では、図３（ｄ）に示すように速度指令Ｓを直ちに逆転指令に変更するとともに、スイッチＳＷを遮断し制動抵抗Ｒを切り離して電気的制動を解除する。
【００２９】
この速度Ｎｘは、推進プロペラＰを停止させないでこれを駆動する推進電動機を正転から逆転に切替えた際に、プロペラ軸等に加わる推力等の機械力が許容値以下となる速度の最大速度に決めている。通常、この速度Ｎｘは定格速度（全速速度）Ｎｆの７０〜６０％となる。
【００３０】
従って、電動機速度Ｎが速度Ｎｘに達したｔ２時点で、インバータＩＮＶは、運転モードが回生モードから逆転方向の力行モードに切替えられ、推進電動機Ｍに逆転方向の駆動電力を供給するようになるので、電動機の電流Ｉｍも力行方向に流れを変える。推進電動機Ｍの駆動方向が逆転に転じられることにより、推進プロペラＰに、これが正転方向に回転している状態で逆転方向の駆動力が加えられるため、より大きな制動力が推進プロペラＰに与えられるので、推進電動機Ｍの速度ＮもＮｘから急傾斜で減じられるようになる（図３（ａ）参照）。
【００３１】
通常の停船操作の場合には、推進電動機速度Ｎがゼロになるｔ３付近で、給電を止めて推進電動機Ｍを停止させることにより船舶を停船させる。
【００３２】
しかし、衝突事故回避のような危機回避操作の場合には、図３に示すように、推進電動機Ｍの速度Ｎがゼロになったｔ３時点以後も逆転方向への給電を続ける。これにより、ｔ３時点から電動機Ｍの速度Ｎが逆転方向に次第に加速されるので、船舶は船速ゼロを通過して進行方向を後進方向に変え、衝突物がある場合にはこれから離間する方向に進行することにより、衝突回避行動がより確実となる。
【００３３】
なお、この発明においては、船舶の速度すなわち、推進電動機Ｍの回転速度Ｎが前記のＮｘより、低い速度で運行されているときに停船または逆転指令が与えられ時には、この指令が与えられた時点から、所定の時間Ｔｘが経過したところで、推進電動機Ｍを逆転操作するようにすることにより、全速からの停船の場合と同様に、電気的制動と逆転制動とを効果的に併用して、制動期間を短縮することができる。そして、電気的制動手段としての抵抗制動回路の動作期間が短期間となるので、短時間定格の小容量の制動抵抗を使用することができ、制動抵抗の小形化ができるので、船舶へ支障なく搭載することができるようになる。
【実施例２】
【００３４】
次に、図２に示すように、コンバータとして可逆形のコンバータＣＮＶを備え、電気的制動手段として抵抗制動回路と回生制動手段とを併用するようにした電気推進装置におけるこの発明の減速運転方法の実施例を、図４に示す動作波形図を用いて説明する。
【００３５】
この実施例の場合は、コンバータＣＮＶが制御可能な半導体素子により可逆動作可能に構成されているので、インバータ（回生）モードで運転することにより直流中間回路から電源装置ＰＳ側への電力変換もできる。
【００３６】
全速航行中に図４のｔ１１時点で停船または減速指令が出されると、図示しない速度指令器から出力される速度指令Ｓが所定の傾斜で低下される。これにしたがって、図２の電気推進装置のインバータＩＮＶが減速回生モード運転にされるとともに、コンバータＣＮＶも回生モード運転に切替えられる。そして同時に、スイッチＳＷが投入（オン）され、直流中間回路に制動抵抗Ｒが接続され抵抗制動回路が投入される。
【００３７】
推進電動機Ｍは減速されることにより船舶の慣性エネルギーにより推進プロペラを介して駆動され、回生電力を発生し、この電力がインバータＩＮＶを介してインバータの入力側の直流中間回路側へ戻されるので、中間回路のコンデンサＣの電圧が通常の力行運転時のＶｓからＶｂに上昇する。この回生電力は、一部がコンバータＣＮＶを介して電源装置ＰＳ側の母線に回生されるとともに残りが制動抵抗Ｒで制動電力として消費されることにより推進電動機Ｍに制動力を発生させる。このとき推進電動機Ｍに流れる回生制動電流Ｉｍｂは、電源装置ＰＳ側への回生電流Ｉｓと、制動抵抗回路へ流れる制動電流Ｉｒとを合わせた電流となり、その大きさは、インバータＩＮＶによりインバータ自身の最大許容電流値を越えない範囲で最大となるように制御されるので、電動機速度＝船速Ｎが低下するにしたがって減少する（図４（ｃ）参照）。
【００３８】
電源側へ回生された電力は、電源ＰＳまたは船内母線に接続された船内一般負荷で吸収される。
【００３９】
電動機速度Ｎが予め設定した速度Ｎｘに達するｔ１２時点で、この発明にしたがってスイッチＳＷを遮断して制動抵抗Ｒを切り離すとともに、コンバータＣＮＶをインバータモード運転からコンバータモード運転へ切替え、かつインバータＩＮＶを減速回生モードから逆転駆動モードに切替えて電気的制動手段を解除する。これにより、電気的制動手段が解除され、電動機電流Ｉｍが回生電流Ｉｍｂから力行電流Ｉｍｓに切替わるので、推進電動機Ｍが逆転方向に駆動され、推進プロペラＰの逆転駆動を始めるので推進プロペラＰに大きな制動トルクが加わり、電動機速度Ｎが急激に減速する。
【００４０】
プロペラＰが正転しているところで、推進電動機Ｍにより逆転駆動すると、プロペラ軸に大きな推力等の機械力が加わるが、切替速度Ｎｘを、前記したとおり、逆転駆動によってプロペラ軸に加わる機械力が許容される大きさより小さくなるような速度の最大速度に選定しているため、この逆転駆動によるプロペラ軸に加わる機械力が適正に制限されるのでプロペラ軸が異常になるようなことはない。
【００４１】
一般的な停船ならば、電動機速度Ｎがゼロとなったｔ１３時点で、インバータＩＮＶの運転を停止して、推進電動機Ｍの逆転駆動を止めることにより、船舶を停船する。しかし、衝突回避のような危険回避を行っている場合には、電動機速度Ｎがゼロとなってもそのまま逆転運転を継続するようにする。このように逆転運転が継続されると、プロペラＰがここから逆転を始め、船舶が後進を開始するので、船舶は衝突物がある場合にはこれから離間する方向に進行し、衝突物との距離を広げ、衝突事故に対する回避行動がより確実となる。
【００４２】
この実施例においても、船舶の速度が、前記の規定速度Ｎｘよりも低い速度から減速を行う場合は、減速指令から所定の時間Ｔｘ経過後に電気的制動動作を解除し、推進電動機を逆転運転モードに切替えるようにする。
【００４３】
この実施例２によれば、電気的制動手段として、抵抗制動回路と回生制動手段を併用しているので、船内電源装置ＰＳ側の回生容量が小さい場合には、制動抵抗の容量を増やすことにより円滑に電気制動をおこなうことができる。また、電源への回生容量分だけ制動抵抗の容量を減らすことができるので、この制動抵抗をより小形にできる効果も得られる。
【００４４】
以上のようにこの発明によれば、電気的制動手段を備えた船舶の電気推進装置において、減速を伴う指令に基づいて、前記電力変換装置を減速運転モードにするとともに前記電気制動手段をこの減速指令が与えられたところから推進電動機の速度が所定の速度まで減速されるところまで、あるいは所定時間経過するところまで作動し、この後、推進電動機を逆転運転するように電気制動と逆転制動を併用しているので、制動期間を短縮することができるとともに電気制動手段の運転時間が短くなりその時間容量を低減できるので電気制動に使用する制動抵抗などの機器を小形にできるので有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明を適用する抵抗制動手段を用いた船舶の電気推進装置の基本的な回路構成図である。
【図２】この発明を適用する抵抗制動手段および回生制動手段を用いた船舶の電気推進装置の基本的な回路構成図である。
【図３】この発明の実施例１の説明に用いる図１に示す電気推進装置の各部の動作波形図である。
【図４】この発明の実施例２の説明に用いる図２に示す電気推進装置の各部の動作波形図である。
【図５】従来の方法を説明するための図１に示す電気推進装置の各部の動作波形図である。
【図６】従来の他の方法を説明するための図１に示す電気推進装置の各部の動作波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
Ｐ：推進プロペラ
Ｍ：推進電動機
ＩＮＶ：インバータ
ＤＣＮＶ，ＣＮＶ：コンバータ
Ｒ：制動抵抗
ＰＳ：船内電源装置
Ｌ：  船内一般負荷
【図１】
0004788294.tif 000002
【図２】
0004788294.tif 000003
【図３】
0004788294.tif 000004
【図４】
0004788294.tif 000005
【図５】
0004788294.tif 000006
【図６】
0004788294.tif 000007