(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットルレバー（１）を有し、出力端（７）にそのスロットルレバー（１）の位置に対応したスロットルレバー信号を発信するスロットルレバー装置と、
電気エネルギーを発生する電流／電圧源（５６）と、
入力端、出力端（１９）及び制御入力端（１２）を有し、この入力端が電流／電圧源（５６）に接続されているカスケード制御装置（６）と、
船舶プロペラ（４）を駆動し、カスケード制御装置（６）の出力端（１９）に接続されているプロペラ用電動機（３）と、
船舶プロペラ（４）の回転数に対応する回転数信号を発信する回転数センサ手段（１４）と、
調節器出力端（１１）、目標値入力端（８）及び現在値入力端（１３）を有し、この目標値入力端（８）にスロットルレバー信号が、現在値入力端（１３）に回転数信号が供給され、調節器出力端（１１）がカスケード制御装置（６）の制御入力端（１２）に接続している調節器装置（２）と、
カスケード制御装置（６）がプロペラ用電動機（３）に与える電気エネルギーの瞬時値の、船舶動作の障害を惹起する時間的変化を抑制するように設定されているフィルタ手段（２，３６，４１，５５）とを備えている
船内電気系統を備えた船舶の船舶推進駆動システム。
【請求項２】
瞬時値が直流電圧の値又は交流電圧の実効値であることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３】
瞬時値が交流電圧の周波数であることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４】
船舶動作の障害がプロペラ用電動機（３）のトルク変動によって惹起される船体の振動であることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項５】
船舶動作の障害が、プロペラ用電動機（３）の回転数を減らすようにスロットルレバー（１）を速く操作することによって惹起されている船内電気系統（５）における電圧上昇又は周波数変動であることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項６】
船舶動作の障害が、原因が舵運動、プロペラピッチの変化、或いはその他の駆動系列を備えた船舶の場合その駆動系列の回転数の変化である、プロペラ（４）における負荷変化により起きる船内電気系統（５）における電圧上昇、電圧のたるみ又は周波数変動であることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項７】
船舶動作の障害が船舶プロペラ（４）の動特性の航行速度に関係する変化により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項８】
フィルタ手段（２，３６，４１，５５）が、振幅変動の周波数が予め定められた限界以上及び／又は振幅変動の振幅が予め定められた限界以下にあるとき、制御入力端（１２）における信号の振幅変動を抑制するように設定されている第一のフィルタ手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項９】
第一のフィルタ手段が振幅フィルタ手段であることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１０】
第一のフィルタ手段が周波数フィルタ手段であることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１１】
第一のフィルタ手段が現在値入力端（１７）に、現在値信号が第一のフィルタ手段を介して導かれるように直列接続されていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１２】
第一のフィルタ手段が調節器出力端（１１）と制御入力端（１２）との間に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１３】
第一のフィルタ手段（３６）が調節器装置（２）に組み込まれていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１４】
第一のフィルタ手段が、それぞれのフィルタ固有値が船舶プロペラ（４）の回転数に関係するように、形成されていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム
【請求項１５】
第一のフィルタ手段が、回転数信号が入力されるフィルタ手段制御入力端を備えていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１６】
調節器装置（２）がＰＩ特性を備えていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１７】
調節器装置（２）及び／又は第一のフィルタ手段がデジタル又はアナログに或いはアナログ／デジタル混合形に動作するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１８】
調節器装置（２）及び／又はフィルタ手段がマイクロプロセッサ／マイクロコントローラにおけるプログラムの形で実現されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項１９】
調節器装置（２）が直列に比例調節器（３３）、積分調節器（３４）及び加算素子（３５）を備え、この比例調節器（３３）の入力端が制御偏差の供給される入力端を形成し、比例調節器（３３）の出力端が積分調節器（３４）の入力端に接続され、比例調節器（３３）の出力端並びに積分調節器（３４）の出力端が加算素子（３５）の入力端に接続され、その出力が調節器出力を形成しかつ比例調節器（３３）の入力端に帰還されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２０】
帰還の大きさが、定格負荷において静的制御偏差が約０，２％〜２％となるように設定されていることを特徴とする請求項１９に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２１】
静的制御偏差が修正された目標値ｎ*によって補償されることを特徴とする請求項２０に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２２】
目標値補償ｎL*が推定された負荷に関係して行われることを特徴とする請求項２１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２３】
負荷が特性曲線に基づいて、補償されていない回転数目標値又は特に回転数現在値から求められることを特徴とする請求項２２に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２４】
カスケード制御装置（６）が、目標値入力端がカスケード制御装置（６）の制御入力端（１２）を形成する調節器として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２５】
カスケード制御装置（６）がその出力端（１９）に、電圧値がスロットルレバー（１）の位置に関係する直流電圧を与えることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２６】
カスケード制御装置（６）がその出力端（１９）に、周波数がスロットルレバー（１）の位置に関係する交流電圧を与えることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２７】
カスケード制御装置（６）が、カスケード制御装置（６）がプロペラ用電動機（３）に与える電流が制御入力端（１２）における信号を介して調整されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２８】
フィルタ手段が第二のフィルタ手段（４１）を含み、このフィルタ手段が、特性曲線（４７）の関数として、プロペラ用電動機（３）の回転数がスロットルレバー（１）の加速方向の操作に追従する間の加速時間を、特にプロペラ用電動機（３）の回転数に関連して規定するように、制御された加速発信器として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項２９】
特性曲線（４７）が跳躍がない意味で連続であることを特徴とする請求項２８に記載の推進駆動システム。
【請求項３０】
第二のフィルタ手段（４１）がスロットルレバー（１）と調節器装置（２）の目標値入力端（８）との間にあることを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３１】
第二のフィルタ手段（４１）が回転数信号の供給される制御入力端（４４）を備えていることを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３２】
定格回転数の０〜約１／３の回転数範囲（４８）において加速時間が一定かつ短く又は僅かに上昇ぎみでかつ短いことを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３３】
定格回転数の１／４以上、特に１／３以上のプロペラ用電動機（３）の回転数範囲（４９）に対して、加速時間がプロペラ用電動機（３）の回転数とともに強く増大することを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３４】
定格回転数の半分以上であるプロペラ用電動機（３）の上部回転数範囲に対して、加速時間がプロペラ用電動機の回転数と共にそれより下にある回転数範囲に対するよりなお著しく増大することを特徴とする請求項３３に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３５】
第二のフィルタ手段（４１）がデジタル又はアナログに或いはデジタル／アナログ混合形で動作するように構成されていることを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３６】
第二のフィルタ手段（４１）に予め与えられている減速時間が定格回転数の１／４まで、特に１／３までのプロペラ用電動機（３）の回転数範囲において同じか短く、それに続くプロペラ用電動機（３）の回転数範囲（５０）において回転数に関係する加速時間よりも遥かに短いことを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３７】
第二のフィルタ手段（４１）に予め与えられている減速時間が一定であるか、プロペラ用電動機の回転数の低下と共に短くなることを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３８】
第二のフィルタ手段（４１）に予め与えられている減速時間が跳躍のない意味で連続であることを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項３９】
第二のフィルタ手段（４１）に予め与えられている減速時間がＲ／ｍｉｎ当り約０，２秒であることを特徴とする請求項２８に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４０】
フィルタ手段（２，３６，４１，５５）がプロペラ用電動機（３）による電力消費の変化の速度を制限する第三のフィルタ手段（５５）を含むことを特徴とする請求項１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４１】
第三のフィルタ手段（５５）が、カスケード制御装置（６）に対する調節器装置（２）の出力量の変化の速度を、船内電気系統（５）に電力を供給する電流／電圧源（５６）に関係する限界値を考慮して制限するように設定されていることを特徴とする請求項４０に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４２】
第三のフィルタ手段（５５）が、加速時間もしくは加速変化速度と称される１つの方向の出力量の変化速度を、減速時間もしくは復帰変化速度と称される他の方向の出力量の変化速度とは異なる値に制限するように構成されていることを特徴とする請求項４０に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４３】
第三のフィルタ手段（５５）により制限されている加速時間の値或いは減速時間の値の少なくとも一方が、特にプロペラ用電動機（３）の現在回転数の大きさの変化と同じ方向に、特にその大きさに比例して変化可能であることを特徴とする請求項４２に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４４】
プロペラ用電動機（３）もしくは船舶プロペラ（４）の低回転数範囲において、第三のフィルタ手段（５５）により予め与えられている加速及び減速時間が船内電気系統（５）に給電する電流／電圧源（５６）の無効電力出力の許容時間変化に合わせられていることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４５】
電流／電圧源が少なくとも２つの発電機（５７．．．６１）を備え、第三のフィルタ手段（５５）により予め与えられている加速時間及び／又は減速時間が、投入されている発電機の数及び／又はサイズの変化に逆方向に、特にその数及び／又はサイズに逆比例して変化可能であることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４６】
第三のフィルタ手段（５５）により予め与えられている加速時間及び／又は減速時間が電流／電圧源の動作状態に関連して変化可能であることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４７】
第三のフィルタ手段（５５）が、加速時間及び／又は減速時間が働かない窓が実現されているように構成されていることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４８】
窓の位置が少なくとも調節器装置（２）の出力量の範囲において、両方向の制限がほぼ同一の変化速度で行われるように、その出力量に対してほぼ対称であることを特徴とする請求項４７に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項４９】
窓を実現するために調節器装置の出力信号が第三のフィルタ手段（５５）の制御入力端（７４）に帰還されていることを特徴とする請求項４７に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項５０】
窓のサイズが、プロペラ用電動機（３）の電力消費の変化速度から生ずる船内電気系統側の無効電流が電流／電圧源（５６）、特に同期発電機のリアクタンスに船内電気系統（５）の許容電圧誤差範囲にある電圧降下を発生するように設定されていることを特徴とする請求項４７に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項５１】
電流／電圧源（５６）が少なくとも２つの発電機（５７．．．６１）を備え、窓のサイズが投入されている発電機（５７．．．６１）の数と共に大きくなることを特徴とする請求項４７に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項５２】
電流目標値の加速時間及び減速時間がプロペラ用電動機（３）の現在回転数の大きさの変化と同方向に、特にその大きさに比例して変えられることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項５３】
電流目標値の加速時間及び減速時間が船内電気系統に電気エネルギーを供給する発電機（５７．．．６１）の数及びサイズに逆比例して変えられることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【請求項５４】
第三のフィルタ手段（５５）がマイクロセッサをベースとして或いはアナログに又はデジタル／アナログ混合形に動作するように構成されていることを特徴とする請求項４１に記載の船舶推進駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
プロペラ用電動機を備えた船舶プロペラ用駆動装置は回転数調節器により制御される。スロットルレバーを介して船橋から回転数目標値が与えられる。調節器の入力端前で加算回路において回転数目標値（指令量）が現実の回転数値と比較され、これから制御偏差を決定し、この値を調節器に供給する。調節器の出力信号は、制御量として、プロペラ用電動機を電流源に接続しているカスケード制御装置に達する。
【０００２】
同期機を備えた駆動装置では、カスケード制御装置は、ディーゼル発電装置の発電機電圧から適当な多相のかつ周波数の変化する供給電圧を発生する電力変換装置からなる。電力変換装置回路は、電力変換装置と同期機との相互接続回路が、電流が直流チョッパを介して調整される直流機と同様に振舞うように構成されている。直流チョッパの制御入力端に達する信号は直流機が受け取る電流を規定する。同様に調節器の制御信号は同期機が動作する電流を規定する。同様に非同期機も電力を供給され船舶の駆動に使用される。
【０００３】
ところで、このような駆動システムは比較的硬直している、即ち、プロペラの回転内にある僅かな回転数変動も補償できる、ことが明らかにされている。
【０００４】
回転数変動もしくは角速度変化の理由は、航行の際に船体の傍を流れ、空間的に不均一な速度プロファイルを持つ水中におけるプロペラの挙動である。プロペラの羽根はその回転運動の際部分的に船尾にある船尾骨材或いはシャフトブラケットを通して運動するが、他方その回転運動の他の部分で水の他の流速に当る。
【０００５】
流体機構的に見て、プロペラにおいて時間的に変化する負荷はその後流域によって表わされる。船体にある骨材或いはシャフトブラケットによって惹起されるこの負荷の変動はまたプロペラの後流域の不均一性として現われ、これはまたプロペラ羽根の回転時のプロペラ前進数字の変動に現れる。
【０００６】
即ち、プロペラの角速度の変動となる周期的なトルク変動が発生し、この変動は回転数調節器もしくはこれの下位の電流調節器により補償され、プロペラの回転数をできるだけ正確に予定された回転数目標値に一定に保つようにする。トルク変動の周波数はプロペラの羽根数を掛けたシャフト回転数に相当する。このトルク変動は駆動電動機によってその固定部、従って船体に伝達される。ディーゼル発電装置においてはトルク反作用も発生する。これにより船舶構造の部分がこの脈動トルクの基本波で振動励起され、機械的条件により船体の共振は当該周波数においては無視できない。振動の発生は船舶上の要員に対して煩わしいだけでなく、船舶の全体構造にまたその積み荷に対して大きな負荷をもたらすので、回避されねばならない。
【０００７】
従来、このような振動に対する弱点はいわゆる有限要素法で計算し、このようにして求められた危険範囲を鋼材の大量使用により補強することが試みられてきた。しかし、この方法は、一方では高価であり、他方では船舶の許容積載重量及び有効空間を減少させ、燃料消費量を上げ、さらに、せいぜい駆動系によって発生する振動の材料を破壊する影響を減少させるとしても、これをその原因から除去することができない。
【０００８】
プロペラの回転数をできるだけ正確に前もって選ばれた回転数目標値に一定に保とうとする回転数制御はまたその他のマイナス効果に繋がる。
【０００９】
後流域の非均一性はフルにプロペラの前進数字の変動として現れるので、プロペラのキャビテーションに対する安全性が減少する。プロペラの動作点がそのキャビテーション限界に近づき或いはこれを越えることがあるからである。特に船体にある船尾骨材或いはシャフトブラケットの範囲においてプロペラの動作点がキャビテーション限界に達し或いはこれを越え、従ってキャビテーションを起こさせ、これにより船舶、特にプロペラに大きな損害をもたらすことがある。キャビテーションはまた許容できない圧力変動及び騒音をも招き、特に客船、調査船及び軍用船の利用価値及び快適性を著しく減少させる。
【００１０】
電動機を介して駆動されるプロペラは回転数を非常に速く調整できる。回転数を速く調整することはとりわけプロペラ羽根においてキャビテーションを招来する。その場合、回転数を調整する速度は船舶の航行速度に、即ち、水がプロペラに当る流速に関係する。
【００１１】
それ故、制御技術的に見て、スロットルレバーと調節器の入力端との間に置かれる加速発信器が設けられる。
【００１２】
プロペラの現在回転数が上昇するとその動特性は著しく変化する。２乗で推移するプロペラ特性群（引綱特性から自由航行特性への移行）により現在回転数が上昇する際にプロペラの許容動特性は過比例的に減少する。
【００１３】
従来の技術により公知の船舶プロペラ用駆動装置においては、加速発信器によって決められている加速時間は、回転数の過剰をプロペラ特性の許容範囲内に保つために、プロペラ駆動電動機の回転数の上昇と共に１ないし３段階で高められる。
【００１４】
さらに、電気的駆動システムはその電力需要に関して発電機の励磁も考慮せねばならない。その時間特性は船舶プロペラに対する電気機械の可能な動特性よりも遅い。
【００１５】
加速発信器は従来技術のこの２つの周辺条件を考慮して次のように設定されている。
プロペラ用電動機は回転数零から始まり先ず制限なしに、即ち最適に加速する。プロペラによって消費される電力は一定の加速時間での加速動作中急速に上昇し、最終的に回転数調節器における電流制限に達してディーゼル発電装置の過負荷を回避する。加速発信器の最初の段階の終わりで他の加速時間に切り換えられる。電気駆動装置から提供される加速電力は殆ど零に復帰する。これによりディーゼル発電装置には電力の取出しの急激な変化が発生し、これは補償せねばならないが、必ずしも補償できない。従って船内電気系統には周波数及び／又は電圧変動が生ずる。
【００１６】
少なくとも加速時間の第一の加速段階で駆動装置はディーゼル発電装置から、場合によってはその他の船内電気系統の給電に欠けている電力を引き出す。
【００１７】
船舶の加速に対して、第一の加速段階から第二の加速段階へ切り換える際に、特定の回転数範囲にわたって非常に僅かな船舶の加速しか発生しないという欠点がある。
【００１８】
プロペラの電気機械の電流限界は上述の駆動装置においては定格トルクの僅か３０％だけそれぞれの船舶プロペラ特性を上回っている。駆動電気機械の電流限界と計算による船舶プロペラ特性との間の範囲は、船舶の加速動作の際に必要な加速トルクの他に荒海及び／又は操船のための予備を持つために必要とされる。
【００１９】
従来船舶プロペラの駆動装置において段階的に制御された加速発信器はプロペラを駆動する電気機械に一定の加速トルクを与えることができなかった。むしろ、この装置は広い回転数範囲にわたってそれぞれ実際の電流限界すら提供する。この理由は、船舶の加速時間が加速発信器型の加速時間の数倍になることにある。
【００２０】
既に上述したように、ディーゼル発電機装置は、船舶プロペラの電気機械の電力消費よりゆっくりにしか変化することができない時間的出力特性を持っている。それ故、プロペラ特性に基づく制約の他にまた発電機設備の最大動特性から生ずる制約をも考慮せねばならない。
【００２１】
船舶のディーゼル発電機装置のディーゼル機関の設計に際して、負荷特性に関して、国際船舶級協会（ＩＡＣＳ）の規準が考慮される。この規準に属する３段階の負荷変化ダイヤグラムは今日の高負荷ディーゼル機関において船舶プロペラの駆動装置の動特性に著しく干渉している。これに加えて、そこに挙げられている値は特に高出力範囲においては今日充分でない保守により、もしくは品質の劣る重油の使用によりしばしば達成されない、という困難がある。ディーゼル機関の軸におけるエネルギー出力の際の可能な動特性は、それ故、経験によれば、船舶が長期に海上にあるとき後退する。
【００２２】
ディーゼル機関のエネルギー出力における、ＩＡＣＳにより或いはその他に一般に拘束的に規定されていない他の時間勾配はディーゼル機関の熱負荷にある。一様な負荷変化は動作温度にあるディーゼル機関において０から定格出力までもしくは定格出力から０までそれぞれのディーゼル機関のサイズに関係する最低時間内で行われねばならない。この時間はサイズに関係して強く変動する。時間経過は部分的にも越えてはならない。さもないと、ディーゼル機関の損傷になるからである。
【００２３】
上述の最低時間は小形のディーゼル機関では１０〜２０秒の間、大形のものでは１２０秒までである。
【００２４】
ディーゼル発電装置と船舶プロペラの電気機械との間にある電力変換装置は制御無効電力を必要とする。この制御無効電力は負荷に関係する。このような電力変換装置の例は電源インバータ、直接コンバータ、直流電機用変換器等である。
【００２５】
無効電力はディーゼル発電機装置の同期発電機によって供給される。制御無効電力を持つ上述の電力変換装置における負荷依存性無効電力の時間勾配は、発電機装置が追従できない同期発電機の端子電圧より、１５〜２５倍も早く変化する。特に同期発電機の励磁磁界の脱磁には時間を必要とする。
【００２６】
船舶プロペラの駆動部においてディーゼル機関の動特性限界が越えられると、その回転数、従ってディーゼル発電機装置から給電される船内電気系統の周波数は許容できない範囲で変動する。発電機装置の回転数制御が動特性限界を考慮せずに船内電気系統の周波数を許容範囲に保とうとするもしくは保たねばならいときには、ディーゼル機関の損傷もまた排除されない。同期発電機の動特性限界を越えると、船内電気系統の電圧も大きく変動して、許容幅から離れる。
【００２７】
従来の技術によれば、今まで、回転数目標値及び／又は電流目標値の加速時間を試験航行において多段階に或いは恒常的に変化させて、船舶プロペラの電気機械とディーゼル発電機装置との間の関係が、許容できない周波数或いは電圧変動が船内電気系統に発生しないような満足の行くものと思われるまで、実験してきた。この場合、しばしば、特定の動作点において最適化することが可能であるに過ぎなかった。プロペラの電気機械の制御における調整可能性と、船内電気系統におけるディーゼル発電機装置に対するその動的作用との間の固定的な関係は存在しなかった。ディーゼル発電機装置の負荷軽減の時間経過はプロペラの駆動装置の制御において滅多に考慮されなかったしもしくは調整不可能であった。
【００２８】
このことから出発して、本発明の課題は、船内電気系統を備えた船舶推進駆動システムであって、快適性の喪失及び／又は船舶の運転障害のないものを提供することにある。
【００２９】
特にこの船舶推進駆動システムはその動特性範囲に関して極めて多様な、上述の周辺条件によりよく適合させるもしくは適合するようにしようとするものである。
【００３０】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を備えた船舶推進駆動システムによって解決される。
【００３１】
快適性の喪失は船舶構造の振動及び／又は灯火の点滅に現れる。本発明による装置により、スロットルレバー及び／又は舵角度の操作速度に無関係に船内電気系統の電圧及び／又は周波数の瞬時値が許容範囲を越えるような変動を発生しないようにされている。
【００３２】
例えば船内電気系統の電圧変動は、スロットルレバーが急激に０に復帰され、発電機装置が同期機の励磁解除より速くその励磁が解かれるときに発生する。逆に、スロットルレバーが余りに速くディーゼル機関出力を上げる方向に制御されるときにも変動が生ずる。通常、その場合、ディーゼル機関は充分速く加速できないので、周波数は低下する。
【００３３】
舵の運動は発電機装置及び／又は船内電気系統に同様な影響を与える。舵の操作と共にプロペラにかかる負荷は上昇し、他方プロペラの負荷は、舵が零位置に動かされるときに後退する。
【００３４】
プロペラの加速動作が強すぎると、それにより大きな騒音が生じ、船舶プロペラにキャビテーションが生ずることもある。
【００３５】
船体やプロペラからの騒音が水中に侵入することは広空間に拡散する環境汚染であり、そのような保護領域（例えば北極及び南極）での船舶の使用を著しく制限する。上述の騒音の放出を削減することは特に客船に対して経済的に特に重要な航行領域を開くものであり、そこに棲息する動物界が本発明により有害な騒音や圧力変動から保護される。
【００３６】
プロペラが航行水路においてトルク変動にさらされることにより生ずる振動に対抗するために、フィルタ手段は、カスケード制御装置の制御入力端にかかる信号の振幅変動を抑制するように設定されている第一のフィルタ手段を含む。トルク変動の結果プロペラ軸の角速度は変化し、これにより回転数発信器から供給される信号がリップルを持つ。このリップルは本発明によらなければ直接制御偏差に現れ、この制御偏差に応じてプロペラ用電動機の電流、従ってその駆動トルクが変動することになる。第一のフィルタ手段によりこのリップルは濾波される。即ち、駆動システムは、プロペラ羽根が高い流れ抵抗にぶつかるときその回転数が低下し、いわゆる「剛性」が再び弱まったとき、その回転数を上げることができる。
【００３７】
このために使用可能なフィルタ手段は、信号変化が一定のレベルを越えたとき、初めてその信号変化を伝える振幅フィルタとすることができる。このようなフィルタは例えばダイオード特性により実現することができる。その他の可能性は、低域フィルタとして作用し制御偏差に重畳されたリップルを濾波する周波数フィルタである。
【００３８】
周波数フィルタ手段は、限界周波数がプロペラ軸の回転数と共に或いは電圧閾値が入力量の基本値或いは等価値と共に変化するように適応形に構成される。このようにして全ての回転数範囲において充分な動特性が保証され、リップルの抑制が制御動特性に何ら影響することがない或いは他の回転数範囲においてリップルがカスケード制御装置にまで現れることがない。
【００３９】
第一のフィルタ手段は、調節器の入力端と回転数センサとの間に、制御偏差を持つ信号の信号路に或いは調節器とカスケード制御装置の制御入力端との間において調節器の入力端に配置される。このフィルタ手段はカスケード制御装置に組込むこともできる。
【００４０】
フィルタ手段が振幅フィルタとして構成されるときには、制御偏差のための信号路に配置するのがよい。
【００４１】
調節器装置は好ましくはＰＩ制御特性を持っている。
【００４２】
調節器装置は古典的な方法でアナログ調節器装置として或いはデジタル動作するように構成される。
【００４３】
ＰＩ調節器の場合所望のフィルタ特性は、調節器装置の出力信号が逆位相で入力端に帰還されるときに達成される。
【００４４】
プロペラ用電動機用のカスケード制御装置はそれ自体も調節器として構成することができる。このカスケード制御装置に対する制御信号はその場合とくに電流目標値の意義を持っている。即ち、このカスケード制御装置によってプロペラ用電動機に与えられる電流、従ってプロペラ用電動機によって与えられるトルクが制御される。このような制御は、プロペラ用電動機が同期機によって形成され、カスケード制御装置が電力変換装置として構成されるときにも可能である。このために適した回路は従来の技術より公知である。
【００４５】
リップルを濾波するために帰還が使用されるときには、この帰還は、定格負荷において定常制御偏差が約０，２〜約３％となるように制御されるのがよい。この制御偏差が邪魔である場合には、これは適当に修正された目標値によって補償される。目標値補償は推定された負荷に関連して行われる。
【００４６】
急速加速による船舶プロペラにおけるキャビテーションを抑止するために、フィルタ手段が、制御された加速発信器として構成されている第二のフィルタ手段を含むと好ましい。この加速発信器によりプロペラ軸の回転数の変化速度は許容尺度に適合される。
【００４７】
このために第二のフィルタ手段は、プロペラ用電動機の回転数に関連して、スロットルレバーから来る目標値信号の上昇速度が遅くされるような特性曲線を持っている。このために、第二のフィルタ手段は調節器装置の入力端とスロットルレバーとの間に配置される。この位置ではこのフィルタ手段は、調節器装置、カスケード制御装置及びプロペラからなる制御特性を損なわない。
【００４８】
第二のフィルタ手段の特性曲線は跳躍のないという意味で連続である。これはかならずしも数学的の意味で平らである必要はない。むしろ多角線として近づけられる。重要なことは、多角線内の移行に跳躍がないことである。この特性曲線はオフセットを備えた２乗特性曲線とすることができる。
【００４９】
船舶が低速範囲において操船性を良くするように、この特性曲線は少なくとも低回転範囲において、加速時間が一定でかつ短くもしくはプロペラの回転数と共にやや上昇するように設定されている。この駆動システムは準直接的にスロットルレバーに「依存」している。
【００５０】
定格回転数の約２５〜４５％のより高い回転数範囲で始まって、加速時間はプロペラ用電動機の回転数とともに上がるもしくは著しく上がる。これにより可能な角加速度はスロットルレバーの操作速度に無関係に、船舶プロペラの回転数が上がれば上がるほど、それだけ低くなる。
【００５１】
例えば定格回転数の１／２から始まる高回転数範囲において、プロペラ用電動機の回転数が上がる速度はなおまた絞られ、即ち加速時間は回転数と共にその下にある回転数範囲におけるよりなお強く上がる。
【００５２】
しかしながら、プロペラ用電動機の回転数は短い加速時間で始まって、その後プロペラ用電動機の回転数の上昇と共に２乗で上昇させ、プロペラ用電動機の回転数が上がる速度を平方根関数＋オフセットに従って遅らせることも考えられる。
【００５３】
第二のフィルタ手段はマイクロプロセッサによりデジタル形に或いはアナログで動作するように構成できる。
【００５４】
最初に説明したように、快適性の喪失は、船内電気系統の電圧が余りに強く変動するときに発生する。発電機装置は船舶駆動部の電力需要の変化に充分に速く追従できないからである。同期機の励磁及び特に励磁の解除には時間を必要とする。船舶駆動部の電力需要が励磁／励磁解除が行われるより速く変化すると、船内電気系統の電圧が許容可能な裕度幅を離れ、この船内電気系統に接続されている機器に不必要に負過或いは過負過を掛ける。発電機のディーゼル駆動装置もまた充分速く追従できないので、ディーゼル機関に損傷を招くことになる。
【００５５】
これによる障害を除去するために、フィルタ手段は、プロペラ用電動機による電力消費の変化速度を、船内電気系統装置が問題なく追従できるような値に制限する第三のフィルタ手段を含むことができる。
【００５６】
この第三のフィルタ手段は、目標値信号の信号路に、即ち調節器とスロットルレバーとの間に配置するか或いはまた調節器装置の後に又は直接カスケード制御装置に配置することもできる。調節器の後に或いは差の形成後に配置することは、プロペラ負荷の変化により起きる状態変化をも遅くするという利点がある。プロペラ負荷のこのような変化は舵の操作の際に或いは多軸装置において１つのプロペラを切り離したりもしくは絞ったりする際に生ずる。
【００５７】
第三のフィルタ手段の構成はマイクロプロセッサに基づいてデジタル形に行われるのがよい。第三のフィルタ手段はまた古典的に構成し、アナログで動作するようにもできる。
【００５８】
第三のフィルタ手段は、スロットルレバーをより大きな電力消費の方向に操作する際の変化速度を、スロットルレバーをより小さい電力消費の方向に操作するのに比較して、異なる値に制限するように構成される。
【００５９】
この変化速度の制限は少なくともプロペラ用電動機の高出力範囲もしくは回転数範囲において減少する。
【００６０】
第三のフィルタ手段が許容する変化速度は船内電気系統に給電する発電機の数にも関係する。その他の影響量としては、装置の動作状態、即ちこの装置が既に動作可能に温まった定常状態にあるか或いはまだ暖機期間にあるか、もしくは全体動作可能期間に関係した状態がある。さらにまた、発電機装置の負荷（即ちこの負荷がディーゼル機関の低、中間或いは高出力範囲にあるかどうか）も影響量の1つである。
【００６１】
船舶がいつまでも操船性良く、また変化速度の制限に起因する制御振動を発生しないように、第三のフィルタ手段は、カスケード制御装置の制御入力端にかかる信号が変化する速度に影響しないような窓を実現するように構成される。このような窓は、第三のフィルタ手段が調節器装置とカスケード制御装置との間の信号路に配置されるときに特に良好である。この第三のフィルタ手段がスロットルレバーと調節器装置の目標値入力端との間にあるときは、場合によってはこのような窓を省略することができる。
【００６２】
本発明のその他の構成例は請求項１以下の請求項に記載されている。なお、この構成例において表現されていない特徴の組み合わせもまた本発明の保護範囲に属するものである。
【００６３】
また特許請求の範囲において「船舶プロペラ」及び「プロペラ用電動機」について説明されているが、本発明は唯１つの電動機及び唯１つの船舶プロペラに限定されるものでなく、複数の電動機及びプロペラも共通に或いは互いに別々に制御されるものであることは、当該専門家にとって明らかである。さらに本発明は同様に水上船にもまた水中船にも係わるものである。
【００６４】
図において本発明の実施例を説明する。
【００６５】
図１において船の電気推進駆動システムをブロック回路図で示す。このブロック回路図においては本発明の本質にとって重要な部分のみが示されている。勿論、船舶推進駆動システムの正確な回路図は遥かに複雑であるが、全ての細部を図示することは発明の本質を曖昧にするだけで、かえってその理解を困難にする。
【００６６】
この船舶推進駆動システムには、船橋に配置されたスロットルレバー１、調節器装置２、舶用プロペラ４を駆動するためのプロペラ用電動機３、模式的に示された船内電気系統５並びにこの船内電気系統５にプロペラ用電動機３を接続するカスケード制御装置６が設けられている。用語「スロットルレバー」は、この出願明細書では、航行速度を高いコントロールレベルで予め与えるための全ての装置、例えば自動システム、言わば船舶用の「テンポマート」を代表して呼ぶものである。
【００６７】
スロットルレバー１は、舶のプロペラ４の回転数に相当する電気信号を、指令量として接続線７を介して調節器装置２の目標値入力端８に与える。この調節器装置２は加算点９並びにＰＩ調節器１０を備え、その出力端１１はカスケード制御装置６の入力端１２に接続されている。
【００６８】
調節器装置２は現在値信号を回転数センサ１４に接続されている接続線１３を介して得る。回転数センサ１４はデジタル動作する回転数発信器１５と、回転方向検出を備えたデジタル・アナログ変換器１６とから構成される。
【００６９】
回転数発信器１５は、プロペラ用電動機３が動作し、プロペラ４が捻れないように固定されているプロペラ軸１７に接続されている。デジタル・アナログ変換器１６により、回転数発信器１５から出る位相の異なる２つの周期的デジタル信号から、公知の方法で、回転数に比例する符号付き信号が作られ、この信号は接続線１３に到達する。調節器装置２の加算点９において、プロペラ４の回転数に比例するこの信号がスロットルレバー１から来る信号と比較される。
【００７０】
回転数センサ１４は、また、特にカスケード制御装置６における或いはプロペラ用電動機への接続線１９における電流及び電圧の時間的経過により回転数を検出する間接的な測定系であることができる。
【００７１】
これから生ずる差はＰＩ調節器１０においてその特性に応じて処理される。ＰＩ調節器の制御特性は公知であり、ここで詳しく説明する必要はなかろう。
【００７２】
カスケード制御装置６はまた調節器として構成されており、例えばＧＴＯをブリッジ接続し、多相、例えば３相船内電気系統５とプロペラ用電動機３との間に直列に接続されている電力変換器１８を備えている。
【００７３】
プロペラ用電動機３は例えば同期機であり、電力変換器１８は周波数を変えることのできる多相交流電圧を得るように制御される。この電力変換器１８とプロペラ用電動機３との間の接続線１９には電流センサ２１が配置され、これは線２２を介して変換器回路２３に接続されている。電流センサ２１を電力変換器１８の入力側に配置することも同様に可能である。
【００７４】
変換器回路２３は電流センサ２１により検出された交流信号から例えばプロペラ用電動機３を流れる電流の全実効値に相当する直流信号を作る。変換器回路２３はそれに応じてその出力端２４に直流信号を出し、この信号は線２５を介して加算点２６に導かれる。この加算点２６において電流センサ２１の電流に比例する信号が調節器装置２の出力信号と比較される。この加算点２６の他方の入力側は調節器装置６の入力端１２に接続されている。このようにして得られた電流目標値と電流現在値の間の差は線２７を介してもう１つのＰＩ調節器２８に達し、その出力信号は線２９を介して制御回路３１に送り込まれ、この制御回路は調節器出力信号から、多極線３２を介して制御回路３１に接続されている電力変換器１８に対する位相の合った制御信号を作る。
【００７５】
カスケード制御装置６はこの事例では電力変換装置を形成している。同期機に代わって非同期機もプロペラ用電動機を形成することができる。同様に、必要に応じて交流電流を供給される直流機も可能である。
【００７６】
船舶用プロペラ４の傍を流れる水の流域は空間的に異なっている。このような流れ分布の不均一は、船舶プロペラ４が１回転する際に水中に常に同一の抵抗トルクがあることを阻止している。そのプロペラ羽根が特定の流れ範囲に侵入するときに、羽根は大きい抵抗を受ける。この空間的に異なる抵抗により、駆動軸１７が正確に一定の回転数で駆動されるときでも、トルク変動が生ずる。
【００７７】
一定の軸回転数によりプロペラ用電動機３には逆トルクが発生し、これが船舶構造部に伝達される。プロペラ羽根が大きい流れ抵抗を持つ範囲から出ると、直ちにトルクは、次のプロペラ羽根がこの流れ域に達するまで低下する。プロペラ用電動機３が生み出すトルクは、それ故、軸回転数とプロペラ羽根の数との積から生ずる周波数で周期的に変動する。
【００７８】
このトルク変動は角速度の変動として現われ、角速度変化として回転数センサ１４により検出される。調節器装置２は、プロペラ軸１７を一定回転数で駆動するために、この回転数変動を補償しようとする。その結果は船体における大きな振動となる。
【００７９】
カスケード制御装置６の制御入力端１２に達する信号は、他の対策が取られなければ、回転数変動に応じてリップルが重畳されている直流成分から構成される。
【００８０】
本発明によれば調節器装置は、上述のリップルを抑制する目的を持つ第一のフィルタ手段を備えている。
【００８１】
制御入力端１２に達する信号からこのリップルがなくなると、直ちにプロペラ用電動機３は船舶プロペラ４を一定トルクで駆動する。すると、プロペラ軸１７の角速度は、水中における船舶プロペラ４の「瞬間剛性」に応じて周期的に変化する。このためにプロペラ用電動機３から船舶構造部を振動励起する周期的トルク変動が大幅になくなる。
【００８２】
第一のフィルタ手段を実現する方法が図２に示されている。調節器１０は、入力側が加算点９に接続され出力側が積分調節器３４の入力端に接続されている比例調節器３３を備えている。積分調節器３４はその出力側で加算素子３５の入力端に接続され、その加算素子３５の他方の入力端は比例調節器３３の出力側に接続されている。加算素子３５の出力は接続線１１が接続されている調節器の出力を形成している。線１１から、出力信号を逆相で入力に帰還する負帰還抵抗３６が調節器３３の入力端に導かれている。
【００８３】
このように構成された調節器は、全体で見て、船舶プロペラ４のトルク変動により生ずるリップルを少なくとも減少させることのできる低域フィルタ／増幅特性を示す。
【００８４】
帰還抵抗３６により全体の増幅度が変えられる。回転数現在値ｎが回転数目標値ｎ*から偏倚するごとに仮想的に修正された回転数目標値ｎ*は、逆トルクを作るためのカスケード制御装置６が最終電流目標値Ｉ*を作るとき、値ｎR＝Ｒ×Ｉ*だけ下げられる。
【００８５】
これによりカスケード制御装置６はそれに応じて削減された回転数目標値ｎ*−ｎRに補償しょうとし、これによりプロペラ用電動機３に、ｎをｎ*からｎ*−ｎRに削減することによって、プロペラ用電動機３、船舶プロペラ４及びプロペラ軸１７からなる駆動伝達系から振動エネルギーを解放する機会を与える。その場合、調節器装置２は低下する電動機回転数ｎに仮想的に低下する回転数目標値ｎ*−ｎRを対置させ、これにより殆ど逆制御する必要がない。これによりプロペラ用電動機３は全く或いは僅かにしか付加的トルクを発生しないので、電動機固定部において高いトルクが船体に導入されることはない。
【００８６】
プロペラ羽根が他の位置を取ると、直ちにプロペラ軸１７にかかる負荷は低下し、電動機トルクを上げることなく回転数ｎは再び増大する。回転数現在値ｎは仮想の回転数目標値ｎ*−ｎRより大きいから、調節器出力信号の振幅は低下し、システムは最初の動作点に復帰する。回転数はこのようなサイクルの間もっぱら下方に向けられるから、回転数ｎの平均値は実際に一定の回転数目標値ｎ*に対してやや低下し、これは約０，２〜３％の恒常的制御偏差として認識可能である。この作用に対抗するために、指令量チャネルに即ちスロットルレバー１と加算点９との間に回転数目標値ｎ*を仮想的にそれに応じた尺度だけ上方に調整する補償回路を挿入することができる。
【００８７】
この場合、特に船舶プロペラにおいては、プロペラ４の負荷トルクはほぼ２乗でその回転数ｎと共に増大し、従って静止状態においてプロペラ用電動機３の駆動トルクにほぼ比例し抵抗を介して帰還される信号も回転数平均値ｎ〜に２乗関数として近似的に回転数目標値ｎ*に一致する、という事実が利用される。従って、この補償器は回転数目標値ｎ*に対して２乗で増加する分岐部を持たねばならない。
【００８８】
同様に、線１３に、上述の補償を行い、信号ＮL*として線７の加算点３８に供給する関数発生器３７を設けることができる。これにより回転数目標値ｎ*は値ｎL*ｆ（ｎ）だけ上げられる。従って、静止状態においてｎL*＝−ｎRであり、加算点９に信号８と信号３５の和が信号６に等しいという所望の作用を持つ。
【００８９】
図２の構成例においては調節器出力信号の、トルクに比例する変動が約１８０°だけ位相をずらして回転数調節器入力に戻されるので、一方では安定した負帰還が行われ、他方では回転数の負荷による変動を補償するのに必要なトルクもしくはこれにほぼ比例する調節器出力信号が削減される。これにより、とりわけ、駆動トルクの変動が明らかに低減される結果となり、これにより固定部を介して船体に与えられるトルク変動及び船舶プロペラを介して後流域において船舶プロペラにより与えられる圧力変動が危険でない値にまで下げられる。この場合の副次的効果は、プロペラの回転数が最早正確に一定ではなく、むしろ交番負荷によって生ずるある程度の変動を受けることである。このことはしかしながらプロペラによって発生する前進にとっては殆ど重要ではなく、他方好ましいことに電動機の回転子、プロペラ及び軸の慣性モーメントがこれらの変動の抑制に使用される。軸を殆ど摩擦のなく回転支承する結果、船体はこれらの回転数変動によって何ら励起されない。
【００９０】
流体機構的に見て、この効果は、プロペラの回転数が最早正確に一定にとどまらず、むしろプロペラにかかる交番負荷によって起るある程度の変動を持つという主要な利点を持っている。これにより前進数字を持つ後流域の流体機構的結合に起因する変動幅が低減する。前進数字の変動幅の低減は、船体に存在する船尾骨材或いはシャフトブラケットの非均一な後流域にあるプロペラ羽根にかかる負荷の変動が本発明の上述の効果により回転数の変化に繋がるが故に生ずる。この変化はその方向及び大きさにより原因に反対に作用する。回転数の変化、従ってキャビテーションに関して最も危険であるところのプロペラ羽根の前進数字の変動幅の抑制になる。上述の効果によりこのプロペラ羽根がプロペラの他の羽根に反作用することは、その動作点がプロペラの公称動作点において、船体に存在する船尾骨材及びシャフトブラケットの後流域の非均一部分にあるプロペラ羽根の動作点より遥かに密であるが故に余り重要でない。
【００９１】
回転数調節器の帰還された出力信号がある係数で乗算されるのも本発明の範囲である。当然、この帰還は余りに強く選ばれてはならない。さもないと、同じく帰還されたほぼ一定の駆動トルク平均値により回転数目標値の著しい低減が起り、これによって回転数調節器自体がＰＩ特性を持つ回転数調節器を実現する際に最早駆動軸を設定された回転数目標値に加速することができないからである。他方、調節器の入力信号に対してもまたその出力信号に対しても予め定められた電圧範囲、例えば−１０Ｖ〜＋１０Ｖ（なお、限界値はそれぞれ前進及び後進航行における最大回転数もしくは最大トルクに相当する）が提供されているから、帰還の最適度の設定に対してこれらの２つの信号レベルを乗算により適合することが不可欠である。
【００９２】
乗算係数は０，０１％と５％の間、好ましくは０，１％と３％の間、特に０，１５％と２％の間とすることができる。この場合、当然、非常に少ない負帰還が問題である。既に上述したように、交番負荷によって要求されるエネルギーの大部分は電動機回転子、プロペラ及び駆動軸の慣性トルクによって吸収され、これらにそれぞれ再び返還されるからである。
【００９３】
ここで本発明により回転数変動に対するある程度の自由度が与えられていることにより、この駆動系列は、有利なことに、電流供給装置において駆動装置の電力網からの電力入力を平滑化するために貢献するバックアップコンデンサのようなエネルギー蓄積器として使用される。それ故、僅かな負帰還が、駆動電動機により生み出されるトルクが大幅に平滑化され、しかもこれにより予め選定された目標値から大きな残存する制御偏差が惹き起されることがない、という顕著な成果をもたらす。
【００９４】
負帰還の大きさとしては、定格負荷において静的制御偏差が約０，２％と２％との間にあるように設定されるのがよい。この場合、調節器出力信号の負帰還にもかかわらず、制御の質、特に回転数目標値の変化の際の動特性は損なわれない。
【００９５】
本発明によって優先される補償方法は出力量として駆動装置の推定された平均負荷を使用し、区間パラメータを数学的に検出することによりこれから予期される静的制御偏差を求め、回転数目標値をそれに応じて反対方向に調整することによって平衡するようにする。
【００９６】
多くの場合、特に船舶のプロペラ駆動においても、制御区間は少なくとも近似的に公知の特性を持っている。特に静的な平均負荷トルクは特性曲線に基づいて静的回転数現在値から得られる。例えばプロペラ駆動装置において駆動トルクは回転数現在値のほぼ２乗で増大する。回転数現在値がそれ故一定の回転数目標値に一致されねばならないときは、この特性曲線から近似的にそのトルクが決定され、このトルクは静的状態において調節器出力信号にほぼ比例するので、負帰還された信号の平均値、従ってなお残存する制御偏差が決定される。これは目標値に特に加法的に追加され、これにより予め計算された制御偏差が回転数現在値として起きる場合正に理想的な回転数目標値が生ずる。
【００９７】
振動振幅の減少により船体の、有限要素法によって計算された危険な位置の範囲に、面倒な補強を施すことを断念することができる。このことから計算及び構造経費のかなりの削減並びに材料の節約及び組立て時間の短縮ができる。
【００９８】
プロペラ４の回転時の非均一性による船体の振動を抑制するフィルタ手段は古典的な低域フィルタでも実現できる。この場合、合目的的には低域フィルタの限界周波数をプロペラ軸１７の回転数に関係して修正される。
【００９９】
これにより、プロペラの低回転数における低周波数成分も抑制され、これにより制御動特性が高回転数において損なわれることがない。それにもかかわらずプロペラ４の回転数は２の１０乗以上になる。固定限界周波数は場合によっては充分でない。このような低域フィルタを実現するために、デジタル解法が適している。この場合、濾波は畳込み関数により適当な限界周波数で行われる。
【０１００】
リップルは、周波数範囲で濾波する代わりに、振幅範囲を濾波することによって抑制することができる。図３は、濾波することなしにＰＩ調節器１０の出力端に出る信号を概略で示す。信号は定常成分と、それに重畳された前述のリップルからなる。
【０１０１】
この濾波は、マイクロプロセッサ及びその中に含まれたプログラムにより、リップルの振動振幅の谷の下側にある下側限界３９を求めることにより行われる。この下側限界３９に合わせて、リップルの頂点からのある安全間隔を示す上側限界４０を固定する。到着する信号がこれらの限界３９，４０間にある限り、予め規定された平均値、例えば限界３９，４０間の平均値が制御入力端１２に送られる。スロットルレバー１の操作によりこの限界３９，４０を越える大きな偏差が生じたとき初めて、それに応じた制御が行われる。
【０１０２】
このような振幅濾波はマイクロプロセッサで特に簡単に実現することができる。しかしながら、このために、例えばダイオードが示すような非直線性の増幅特性を利用することができる。このような振幅フィルタは好ましくは加算点９と比例調節器３３の入力端との間に配置される。
【０１０３】
この非直線性の伝達比によりリップルは零点付近に抑制され、一方大きな信号は通される。
【０１０４】
図４は、本発明による船舶推進駆動システムを模式的なブロック回路で示す。この船舶推進駆動システムにおいては、カスケード制御装置及びプロペラ用電動機の可能な動特性をプロペラ４の可能かつ許容の走行動特性に合わせるようにする第二のフィルタ手段４１が実現されている。これにより加速時にプロペラのおけるキャビテーション現象が抑制される。
【０１０５】
このブロック回路で既に説明された機能グループが登場する限り、これらは改めては説明されず、これらの機能グループに対しては前の図の符号が付けられている。簡単にするため第一のフィルタ手段と補償回路は図４においては省略されている。
【０１０６】
図４による船舶推進駆動システムの第二のフィルタ手段４１には加速発信器４２が属している。この加速発信器４２は、スロットルレバー４を加算点９の目標値入力端８に接続する接続線７に配置されている。第二のフィルタ手段４１はそれ故指令量チャネルにある。
【０１０７】
第二のフィルタ手段４１の構成要素として、さらに、加速発信器４２の制御入力端４４に線４５を介して接続されている特性曲線発信器４３が設けられている。この特性曲線発信器４３の入力側には、接続線１３から回転数信号を入力側に得る回路モジュール４６が接続されている。この回路モジュール４６は回転数信号の大きさを発生する役割をする。
【０１０８】
第二のフィルタ手段４１は、スロットルレバー１から来る目標値信号の変化速度を、船舶プロペラが確実に泡も立てずキャビテーションも起こさないような値に制限する目的を持っている。如何に速くスロットルレバー１が加速の方向に操作されるかに無関係に、加算点９の入力側の目標値が比較的小さい速度でのみ変化する。
【０１０９】
このようなフィルタ手段はマイクロプロセッサに基づいて作られるのがよい。所望の制限を達成するために、例えばスロットルレバー１から来る信号は微分され、特性曲線発信器４３により制限され、次いで再び積分されて、上昇速度が変えられている基本信号を得る。
【０１１０】
特性曲線発信器４３はそれ故回転数に関係する信号を得る。変化速度の制限、即ち加速時間がプロペラ４の回転数に関係するからである。プロペラ軸１７の現在回転数の大きさは適応特性曲線発信器４３に対する指令量、従って間接的には調節器装置２に伝送される目標値信号の上昇速度に対する指令量となる。
【０１１１】
図５は第二のフィルタ手段４１の特性曲線の経過を示す。これから分かるように、ここ特性曲線は連続性があり、即ち跳躍がなく、折れ線によって近似される。通常運転のための特性４７は、プロペラ４の現在回転数にわたって取られている３つの区間４８，４９及び５０からなる。
【０１１２】
図示の例では低い現在回転数範囲４８は０〜４６Ｒ／ｍｉｎ（約１／３定格回転数まで）、真ん中の現在回転数範囲４９は４６〜７０６Ｒ／ｍｉｎ（約１／２定格回転数まで）、高い現在回転数範囲５０は７０〜１５０Ｒ／ｍｉｎ（最大回転数まで）にわたって延びている。
【０１１３】
図５から分かるように、適応加速発信器４２に対する特性曲線発信器４３においてプロペラ用電動機３の低い現在回転数範囲４８、例えば定格回転数の０〜１／３の範囲に相当する範囲に対して一定で、Ｒ／ｍｉｎ当り秒単位の短い加速時間が規定されている。プロペラ用電動機３、従って船舶プロペラ４はこの操船範囲において高度の動特性で動作できる。
【０１１４】
図５においてプロペラ用電動機３の真ん中の現在回転数範囲４９、即ちプロペラ用電動機３の定格回転数の１／３〜１／２の範囲に対しては、加速時間は比較的小さい勾配で上昇する。この真ん中の現在回転数範囲４９の両限界の間において適応加速発信器４２の特性曲線発信器４３は、プロペラ用電動機３のより高い現在回転数範囲５０に相当する航行モードに移行する。そこで加速時間はプロペラ用電動機３の現在回転数の上昇と共に、真ん中の現在回転数範囲４９よりも大きい勾配でもって上昇する。この場合、第二のフィルタ手段４１の特性曲線発信器４３はなお大きい加速時間を可能にする。回転数に関係する加速時間はプロペラ用電動機３を電流限界から自由に一様に加速することを可能にする。これにより、図６に示されているような連続的な船の加速が生ずる。この加速曲線はたるみを示さない。
【０１１５】
制動動作のために、第二のフィルタ手段４１には一定の減速時間、例えばＲ／ｍｉｎ当り０，２秒になる減速時間を予め設定可能とするのが有効である。
【０１１６】
特性曲線４７の形状に関してプロペラ用電動機３の加速、従ってまた船舶プロペラ４の加速は自由に設定可能である。流体動特性的に見て、その場合、高回転数範囲もしくは航行モード５０に加速を最適に合わせることによって船舶プロペラ４の動作点が良好に制御可能となる、という主要な利点が生ずる。これによりプロペラ４の動作点は、加速の際に、望ましくない或いは有害でさえあるキャビテーションを伴う範囲から外すことができる。このことは経済的にも極めて重要な利点である。船舶プロペラ４におけるキャビテーションはかなりの騒音をもたらし、特に客船、調査船及び軍用船の利用価値を大きく低減させるからである。
【０１１７】
第二のフィルタ手段４１の特性曲線発信器４３には加速時間に対する種々異なる特性曲線を設定することができる。例えば、図５には非常操船のための特性曲線５１が、通常運転のための特性曲線４７とは異なって、部分的に破線で示されている。例えば特性曲線発信器４３のボタンを操作して非常操船のための特性曲線５１を投入することにより速い加速が解除される。本発明による駆動装置により駆動される船舶の最高速度までの加速時間はこれにより例えば半分に低減される。なおこの場合、非常操船用の特性曲線５１は専ら技術的に制約された限界値を考慮している。これに対して例えば特性４７の構成においては他の観点が考慮されている。一般には、この特性曲線を設定する際に充分な操船性と全ての機械設備の運転性の保護との間の妥協が選択される。燃料の最小消費、最小時間、船の高い操船性能等のような異なる目的機能に関しての最適化が可能である。
【０１１８】
第二のフィルタ手段４１の特性曲線発信器４３における特性曲線４７の区間４８の代替的経過は僅かな勾配であり、しかしこの勾配は区間４９の勾配よりも小さい。
【０１１９】
特性曲線発信器４３の勾配は、プロペラ用電動機３の回転数の上昇と共に２乗で上昇させ、付加的に一定のオフセットだけ僅かに持ち上げて、プロペラ用電動機３の低回転数において既に短い加速時間が設定されるようにすることも考えられる。さらにもう１つの代替案は、第二のフィルタ手段の回路モジュール４６を省略し、特性曲線発信器４３をプロペラ用電動機３のマイナスの回転数範囲だけ拡大することである。
【０１２０】
船舶が本発明による上述の２つの駆動装置を備えている限り、適応加速発信器４２によりプロペラ用電動機の２つのプロペラ軸１７の間の負荷分布が制御される。負荷の受取りが小さいプロペラ軸１７は、負荷の受取りが大きいプロペラ軸１７よりやや低い現在回転数を持っている。より高い現在回転数の範囲５０、即ちプロペラ用電動機３の航行モードの範囲において適応加速発信器４２はより小さい回転数現在値で、適応加速発信器４２がより大きい回転数現在値で加速するより常に速く加速する。この特性により船の加速動作の際に両プロペラ軸１７の間の一様な負荷分布が準自動的に設定される。これにより加速の際により高い針路安定性が得られる。
【０１２１】
本発明による駆動装置の第二のフィルタ手段４１の特性により定常負荷トルクにおいて規定可能な加速トルクを与えることが可能である。この規定可能な加速トルクは航行モードの範囲において、即ちプロペラ用電動機３の高い現在回転数範囲においてある程度一定であり、従って時間的に不必要に高い値になることがない。先述の第一のフィルタ手段及び第二のフィルタ手段４１のトレースとの協働で、とりわけ船舶プロペラのキャビテーション或いは泡立ちの傾向が回避される。
【０１２２】
第二のフィルタ手段に含まれる加速発信器４２をトレースするのに適した回路は従来の技術から公知である。簡単にする理由からそれらは図には示されていない。
【０１２３】
図７は本発明による船舶推進駆動システムを著しく模式的なブロック回路で示す。このシステムにおいては、カスケード制御装置及びプロペラ用電動機の可能な動特性を発電機設備の可能で許容できる動特性に整合させるために使用される第三のフィルタ手段５５が実現されている。これにより加速及び制動動作時における船内電気系の電圧及び／又は周波数変動が抑制される。
【０１２４】
このブロック回路において既に先に説明した機能グループが登場する限り、これらは改めて説明されず、かつこれらの機能グループに対して先の図で使用した符号が付けられている。なお、簡単にするために、第一及び第二のフィルタ手段は及び補償回路は図７において省略されている。
【０１２５】
船内電気系統５は４つのディーゼル発電機５７．．．６１を備えたディーゼル発電機装置５６から給電される。これらの発電機は通常３相同期発電機である。
【０１２６】
第三のフィルタ手段５５は、調節器１０の出力端とカスケード制御装置６の制御入力端１２の間にある制限回路６２を含む。
【０１２７】
この制限回路６２の目的は、振幅に関係して調節器１０の出力信号が大きくなったり或いは小さくなったりできるようにし又は急速な上昇速度を制限することにある。この制限回路６２は２つの制御入力端６３，６４を備え、これらはそれぞれ上側及び下側の限界値段６５，６６に接続されている。上側及び下側の限界値段は制御入力端６３，６４を介して、どのような速度で信号がそれぞれ上にもしくは下に向かって変えられるかを規定している。さらに、それらは振幅の窓を限定する特性を持っている。
【０１２８】
振幅に関する調節器１０の出力信号の変化がこの窓の中で動いている間は、その変化速度は制限回路６２によって影響されない。この制限回路６２は、調節器１０の出力信号の振幅が両限界値段６５，６６によって決定されているより強く変化して初めて干渉する。
【０１２９】
両限界値段６５，６６によって決定される振幅窓の中心と大きさは固定されていない。そのために両限界値段６５，６６は制御入力端６７，６９を備えている。これらの制御入力端６７，６９は２つの制御入力端７３，７４を備えた特性曲線発信器７２の出力端に接続され、これらの制御入力端を介して加速時間及び減速時間が決定されている。入力端７４は適当な線を介して制御入力端１２に接続され、かくして、カスケード制御装置６に達する指令量の瞬時値に関する情報を得ている。
【０１３０】
入力端７３はもう１つの特性曲線発信器７５の出力端に接続されている。この発信器には、一方では回路モジュール４５から来る回転数信号が、他方では論理回路７６からの制御信号が供給される。この論理回路７６は制御線７７を介してスイッチ７８，７９，８１，８２に接続され、これらを介して個々の発電機５７．．．６１が船内電気系統５に接続されている。特性曲線発信器７５は加速発信器７２の加速時間及び減速時間を決定している。
【０１３１】
同様に限界値段６５，６６によって決定される振幅窓の大きさは固定されていない。そのため、両限界値段６５，６６はそれぞれ制御入力端９８，９９を備えている。これらの制御入力端９８，９９はさらに別の特性曲線発信器９７の出力端に接続され、この発信器には一方では上述の回路モジュール４５から来る回転数信号が、他方では上述の論路回路７６によって供給される制御信号が供給される。
【０１３２】
限界値段６５は好ましくは加算器であり、限界値段６６は減算器である。加速発信器７２の出力は、回転トルクを形成する制御信号がカスケード制御装置６の制御入力端１２に達するときに、この信号の定常状態を形成する。特性曲線発信器９７の出力は、回転トルクを形成する制御信号がカスケード制御装置６の制御入力端１２に達するときに、この信号の、定常状態に関してそれぞれの動作点において許容の最大信号跳躍を形成する。
【０１３３】
第三のフィルタ手段５５は、それ故、カスケード制御装置６の目標値信号が、従ってプロペラ用電動機３の回転数が変化できる許容変化速度を、船内電気系統に接続されたディーゼル発電機の数と、負荷に達するプロペラ用電動機３の回転数とに関係して決定する。
【０１３４】
限界値段６５，６６と関連して時間的変化、即ち信号変化速度への影響が行われるが、しかしながら、これは、信号変化が限界値段に決定された大きさを越えたときにだけである。このように形成された窓もまた、船内電気系統５に接続されたディーゼル発電機５７．．．６１の数、プロペラ用電動機３の回転数及びカスケード制御装置６の制御信号の大きさに関係する。
【０１３５】
このようにして、プロペラ用電動機３による電力消費の時間変化は、ディーゼル発電機５７．．．６１のディーゼル駆動装置及び／又は同期発電機の電界励磁が追従できる値に制限され、しかも船内電気系統５に過大な電圧変動及び／又は周波数変動が生じない。
【０１３６】
船舶がいつまでも良好に操船可能であり、また何らの制御振動も発生しないように、もちろん、制御入力端１２における制御信号の瞬時値付近にある信号の振幅範囲は上昇速度もしくは下降速度の制限によって影響されない。さもないと、駆動部を制御することによって生ずる瞬時値の変化が制限変化速度により制御振動、従って駆動部のうなりを招く、という危険がある。
【０１３７】
第三のフィルタ手段により、制御入力端１２に達する指令量のための加速時間及び減速時間与えられる。この時間を設定する際にディーゼル発電機装置のディーゼル機関の許容される時間的負荷及び負荷軽減が考慮される。これを考慮するために、第三のフィルタ手段５５に決定される加速時間及び減速時間はプロペラ用電動機３の回転数の値に比例して変化する、これらの時間は、場合によっては、また発電機装置のディーゼル機関の実負荷に応じて変化する。
【０１３８】
図８には、ただ唯一のディーゼル発電機が船内電気系統５に接続されているときに、特性曲線発信器７５で実現される特性８３を示す。
【０１３９】
これから分かるように、プロペラ用電動機の低回転数範囲（即ち約１／３の定格回転数で終わる、ほぼ操縦性範囲に相当する範囲）において、最小の加速時間及び減速時間が決定されている（水平直線部分）。この加速時間及び減速時間は投入されているディーゼル発電機の同期発電機の無効電力出力の許容可能な時間的変化に基づいて決まる。プロペラ用電動機３の回転数の上昇と共に変化速度は低下し、即ち電力消費または発電機装置のディーゼル機関の出力が変化できる範囲の許容時間が大きくなる。これは、図８において特性曲線８３の上昇している部分で示されている。
【０１４０】
２つのディーゼル発電機で船内電気系統５に給電しているときには、特性曲線８４が適用される。この曲線は、図８に示されるように、曲線８３の下側にあり、即ち、この曲線の水平部分においてもまた立ち上がっている部分においてもより速い出力変化が起こる。
【０１４１】
もちろん、一般的には、航行運転を始めから全てのディーゼル発電機５７．．．６１で始めることは適当でない。ディーゼル発電機５７．．６１が、プロペラ用電動機３の回転数に関係して、即ち船の駆動装置の全電力消費に関係して、順次接続されるときに、図９の許容可能の時間的電力変化の経過が生ずる。
【０１４２】
左側の上昇部分８７を含めて左側の水平部分はただ２つのディーゼル発電機を備えた曲線８４の対応部分に相当する。相応の電力消費に相当する特定の回転数から３番目のディーゼル発電機が接続され、それにより電力消費の時間的変化が、曲線８７が飛躍的に移行する曲線８８によって規定されている。さらに電力消費が上がると最後に４番目のディーゼル発電機が接続され、それにより電力変化は曲線８９で行われる。
【０１４３】
入力端１２に生ずる指令量の許容可能な時間的変化は大よそ鋸歯状の経過を持ち、ディーゼル発電機を接続することにより高い電力範囲においてもただ２つのディーゼル発電機による操船性に相当するような値にほぼ保たれる。
【０１４４】
準安定状態において調節器１０は、カスケード制御装置６に伝送される目標値をどのような制限もなく通すことができるようでなければならない。さもないと、上述したように、プロペラ用電動機３に大きなうなりが生じて、これが船に機械的な振動として作用する。これは、さらに、船舶プロペラ４においてキャビテーションを助長し或いは引き起こす。それ故、時間的な変化速度の制限が上述の振幅窓の中で無効にされる。
【０１４５】
振幅変化がこの窓の中で変化速度に無関係であると、第三のフィルタ手段５５は作用しない。調節器１０、従ってカスケード制御装置６もこの範囲に対してその完全な動特性で働いているので、船内電気系統５には電圧変動が生ずる。ディーゼル発電機装置５６の同期発電機の励磁が充分速く追従できないからである。調節器装置６は前述したように電力変換装置として動作し、無効電流を出すので、これが同期発電機の実効リアクタンスにより電圧変動を招く。この窓の大きさは、それ故、負荷変化により生じ、船内電気系統に流れる無効電流が投入された発電機のリアクタンスに、いずれの場合にも船内電気系統５の許容可能な電圧公差内にある電圧降下を生ずるように設定される。船内電気系統５の許容可能な電圧公差内の非常に速い電圧変動はその動作に対して危険でない。
【０１４６】
窓の下縁部もしくは上縁部が制御入力端１２における目標値の瞬時値に対して持つ距離はプロペラ用電動機３の回転数の大きさの関数である。船内電気系統側の力率はその時の調節器装置６の制御に関係するからである。さらに窓の大きさは船内電気系統５に給電するディーゼル発電機装置５６の同期発電機の数に比例する。この理由は船内電気系統において、並列接続された同期発電機の比較的小さいリアクタンスから生ずる短絡電力が比較的大きいことにある。
【０１４７】
図１０には制御入力端１２における目標値に対する窓の変形例が、プロペラ用電動機３の電流消費が回転数に関係しない場合に対して示されている。２つの曲線９１間に規定される最小の窓は船内電気系統に唯１つのディーゼル発電機が接続されている事例に適用される。２つの曲線９２によるそれよりやや大きい窓は２つのディーゼル発電機の場合であり、他方２つの曲線９３の間隔に相当する窓から曲線９４による窓まで、全体として４つのディーゼル発電機が船内電気系統５を給電するときに、拡大される。
【０１４８】
図１１はプロペラ用電動機３の回転数に関係して駆動電力を変化したときの窓の幅を模式的に示す。窓の幅は２つの破線で代表される。
【０１４９】
これらの曲線は２つのディーゼル発電機が接続されたときに低回転数で始まる。左側の第一の跳躍点において、他の１つのディーゼル発電機が、右側の第二の跳躍点で４つのディーゼル発電機が作動する。
【０１５０】
さらに、制御入力端１２における目標値の加速及び減速時間が船内電気系統に電気エネルギーを供給するディーゼル発電機装置の動作状態に関係して変化されるのが好ましく、ディーゼル発電機装置の異なるディーゼル発電機が異なる動作状態にあり得る。
【０１５１】
第三のフィルタ５５を調節器１０の出力端に特別に配置することにより、スロットルレバー１の操作によってではなく、プロペラ４における負荷変化に起因する非常に速い制御動作も抑制される。負荷変化は、舵が掛けられるとき或いは舵が零位置に復帰するように操作されるときに発生する。負荷変化は回転数変化を生じ、これは補償されねばならず、異なるエネルギーの取り出しにつながる。調節器１０自体は非常に速く、第三のフィルタ手段５５による制限なしでは船内電気系統に場合によっては過大な要求をすることになる。
【０１５２】
なお、上述の３つのフィルタ手段は任意の形で互いに組み合わせて使用できることは自明である。
【０１５３】
フィルタ、制御回路及び調節回路は、理解を容易にするために、上には古典的な電気的原理回路図の形で示されている。しかしながら、実際の構成ではこれらのフィルタ、制御回路及び調節回路は主にプログラム或いはプログラムセクションの形で実現されていることは自明である。この説明の方式が実際の変換の特殊な方式を制限するものではない。何となれば、フィルタ及び調節器がプログラムとして構成されることは専門家にとって明白であるからである。デジタル変換はとりわけ長い時定数或いは変化する時定数を持つ制御においては利点がある。
【０１５４】
船舶推進駆動システムは電気的システムとこれから給電される電気的駆動システムとからなり、プロペラ用電動機のための下位の制御を備えている。プロペラ用電動機の回転数は、指令量がスロットルレバーから来る上位の調節器を介して与えられる。駆動システムの高い動特性に基づく船舶運転の障害を抑制するために、フィルタ手段が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  水中におけるプロペラの挙動に起因する船体の振動を回避するための第一のフィルタ手段を備えた船舶推進駆動システムのブロック回路
【図２】  図１の制御回路を詳しいブロック回路
【図３】  振幅フィルタの伝送特性を示す図
【図４】  船舶プロペラの動特性に動特性を合わせるための第二のフィルタ手段を備えた船舶推進駆動システムのブロック回路
【図５】  第二のフィルタ手段の伝送特性を示す図
【図６】  本発明による推進駆動システムを備えている船の加速の経過を示す図
【図７】  プロペラ用電動機の動特性を発電機装置の動特性に合わせるために、第三のフィルタ手段を備えた船舶推進駆動システムのブロック回路
【図８】  第三のフィルタ手段の特性を示す図
【図９】  給電発電機の異なる数において電流目標値の加速及び減速時間の経過を示す図
【図１０】  変化速度の制限が行われないときの第三のフィルタ手段の窓の経過を示す図
【図１１】  接続された発電機の数に関係した窓の経過を示す図
【符号の説明】
１              スロットルレバー
２              調節器装置
３              プロペラ用電動機
４              船舶プロペラ
５              船内電気系統
６              カスケード制御装置
１０            調節器
１２            制御入力端
１４            回転数センサ
１５            回転数発信器
１６            デジタル・アナログ変換器
１７            プロペラ軸
１８            電力変換器
１９            出力端
２１            電流センサ
２３            変換器回路
２６            加算点
２８            ＰＩ調節器
３１            補償回路
３３            比例調節器
３４            積分調節器
３５            加算素子
３６            負帰還抵抗
３７            特性曲線発信器
４１            第二のフィルタ手段
４２            加速発信器
４３            特性曲線発信器
４６            回路モジュール
５５            第三のフィルタ手段
５６            電圧／電流源
５７〜６１      ディーゼル発電機
６２            制限回路
６５，６６      目標値段階
７２            特性曲線発信器
７５            特性曲線発信器
７６            論理回路
７８〜８２      スイッチ
【図１】
0003990155.tif 000002
【図２】
0003990155.tif 000003
【図３】
0003990155.tif 000004
【図４】
0003990155.tif 000005
【図５】
0003990155.tif 000006
【図６】
0003990155.tif 000007
【図７】
0003990155.tif 000008
【図８】
0003990155.tif 000009
【図９】
0003990155.tif 000010
【図１０】
0003990155.tif 000011
【図１１】
0003990155.tif 000012