JP4288516B2

JP4288516B2 - 船舶用ハイブリッド推進システム

Info

Publication number: JP4288516B2
Application number: JP2006116799A
Authority: JP
Inventors: 龍司広川; 隆介大久保
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: JP2007284018A

Description

本発明は、主機と主機駆動発電機及び電気推進装置を備えた船舶用ハイブリッド推進システムに関する。

近年、電気推進船は環境にやさしい省エネルギー船として期待が寄せられ、各船種において電気推進船が建造されるようになってきた。しかし、大型船になると電気推進電動機を可変速制御するインバータ装置が大型となり、初期設備費が嵩み高価となる。そこで、大型旅客フェリー等では電気推進電動機の出力を小さく抑えることが可能で、かつ主機と電気推進電動機を運行モードで使い分けることが可能な船舶用ハイブリッド推進システムが採用されている。

電気推進船では船舶の推進力を電気で賄うため、船内電力が大きくなり搭載される主発電機の台数と容量が従来船に比べて大型化する。このような大型化を改善するするために、例えば実例のノルウェーの旅客フェリーでは、周波数無補償式の主機駆動発電機を複数台搭載して主発電機を小容量化したハイブリッド推進システムが採用されている。

図２は従来の旅客フェリー用ハイブリッド推進システムの結線図である。
図２に示すように、従来の旅客フェリー用ハイブリッド推進システムは、複数台の主発電機１と複数台の電気推進電動機２との間にインバータ３Ａが設けられている。電気推進電動機２はプロペラを備えた推進装置４に接続されており、推進装置４はクラッチ５を介して主機６に接続されている。主機６の反対側には主機駆動発電機７が接続されており、主機６は推進に使用されるとともに、主機駆動発電機７の動力源になっている。また、離着桟時に運転されるスラスタ装置８が装備されている。９は安定化電源装置、１０は蓄電池である。

ところで、主機６であるディーゼルエンジンは、定格回転数では運転効率は良好であるが低回転数運転では運転効率が低下し、また長時間の低回転数運転ではエンジン自体の性能低下を助長させる特性を有するため、低回転数運転はできるだけ回避する必要がある。

そこで、このような船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、主機６の低回転数運転を回避させるため、次のような運転方法が採用されている。すなわち、主機６が低回転数運転状態となる港湾内離着桟時とか低速度航行時には、インバータ３Ａの出力が電気推進電動機２に入力されて回転数制御を行い、推進装置４が任意の回転数で駆動される電気推進モードでの航行となるように制御する。この時、クラッチ５を脱として推進装置４と主機６を切り離して、高速一定回転数で主機６を運転し、主機駆動発電機７を一定回転数で駆動させ、周波数、電圧が一定な電源を船内母線へ供給する。一方、高速度航行時には電気推進電動機２を停止させ、この時クラッチ５を嵌合して主機６にて推進力をまかなう主機推進モードとする。

しかしながら、現在の運用方法では、高速度航行の場合は、負荷の変化により主機６の回転数が一定ではないため、それに伴い主機駆動発電機７にて供給される電力の周波数が一定とはならない。

この対策として、船内で使用される補機用電動機は周波数変動に対応した体格の大きな電動機を採用し、また一定周波数が要求される特定負荷への給電に対しては安定化電源装置９およびバックアップ用の蓄電池１０等の設備が必要となる。さらに、周波数変動幅を極力小さく抑えるために電気推進モードから主機推進モードへの切替回転数を高くする必要があり、推進用電動機の容量が大きくなる傾向がある（特許文献１，特許文献２参照）。このような事情により船舶用ハイブリッド推進システムは、コストの高騰および機器設置スペース・重量が増大するという課題を有している。
特開平７−１３２８８５号公報特開平９−００２３９０号公報

本発明は、この様な事情に対処するためになされたもので、その課題は主機駆動発電機が船内に供給する電力の周波数を一定に制御することができ、主機駆動発電機の高機能化および補機用電動機の小型化と、安定化電源装置や蓄電池を不用とすることにより設備費の大幅な削減が可能となると共に、機関室の機器設置スペースの縮小を図ることができる船舶用ハイブリッド推進システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の船舶用ハイブリッド推進システムの発明は、船舶を推進させるプロペラを備えた推進装置と、前記推進装置をクラッチを介して駆動する主機と、前記推進装置に接続された電気推進電動機と、前記主機によって駆動される主機駆動発電機と、船内母線および前記電気推進電動機間に接続されるとともに、船内母線および前記電気推進電動機間に接続されるとともに、力行および回行のできる双方向インバータと、前記主機駆動発電機の出力先を前記双方向インバータ側あるいは船内母線側のいずれか一方へ切り替える主機駆動発電機出力先切替スイッチと、前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機間に設けられ、入り状態のときは前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機を接続し、切り状態のときは前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機間を切り離す電気推進電動機入切スイッチとを備えた船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、電気推進モード時は、前記電気推進電動機入切スイッチを入り状態にして前記船内母線から供給される電力を前記双方向インバータにより制御して前記電気推進電動機の回転数制御を行うとともに、前記主機駆動発電機出力先切替スイッチを前記船内母線側に接続して前記主機駆動発電機の発電出力を前記船内母線側へ供給し、さらに前記クラッチを脱にして前記主機と前記推進装置とを切り離した状態で前記主機を高効率の一定回転数で運転して前記主機駆動発電機を一定回転数で駆動し、主機推進モード時は、前記電気推進電動機入切スイッチを切り状態にして前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機間を切り離すともに、前記主機駆動発電機出力先切替スイッチを前記双方向インバータ側に接続することにより前記主機駆動発電機の出力を前記双方向インバータへ入力して周波数制御を行い、周波数および電圧が一定な安定電力を前記船内母線へ供給し、さらに前記クラッチを嵌合として前記主機と前記推進装置とを接続した状態で前記主機の推進力で船舶を運航することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、船の推進速力を操作する速度制御レバーを備え、前記推進装置の回転数が前記速度制御レバーの位置で指令された切替設定回転数より低い時は前記電気推進モードとなり、前記切替設定回転数より高い時は前記主機推進モードとなるように、前記電気推進電動機入切スイッチと前記主機駆動発電機出力先切替スイッチとを自動的に切り替え、さらにクラッチも連動して嵌脱が自動制御されるようにしたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、前記電気推進電動機の電流値を検出する検出手段を備え、前記速度制御レバーの位置と前記検出手段の検出値とにより前記主機駆動発電機出力先切替スイッチと前記電気推進電動機入切スイッチとを開閉することを特徴とする。

本発明によれば、船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、船舶が主機推進モードでの航行時に主機駆動発電機が船内に供給する電力の周波数を一定に制御することができ、主機駆動発電機の高性能・高機能化および補機用電動機の小型化と安定電源装置や蓄電池を削除することができ、さらに主機回転数の変動幅にとらわれずに電気推進電動機の出力が自由に選定できるため、設備費の大幅な削減が可能となると共に、機関室の機器設置スペースの縮小を図ることができる。また主機駆動発電装置の出力周波数を一定制御できるため主発電機との並列運転が可能となり、複数台ある主機駆動発電機内の１台が不適合でもシステム全体としての信頼性が向上するうえ、運航モードの切り替えを全自動化制御しているため安全で信頼性が向上する船舶用ハイブリッド推進システムを提供することができる。

以下、本発明の最良の実施形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態である船舶用ハイブリッド推進システムの結線図である。
図１に示すように、本実施形態は、主発電機１と複数台の電気推進電動機２との間、および主発電機１と複数台の主機駆動発電機７との間には力行および回行のできる双方向インバータ３Ｂが設けられている。電気推進電動機２は電気推進電動機入切スイッチ１１を経由して、また、主機駆動発電機７は主機駆動発電機出力先切替スイッチ１２を経由して双方向インバータ３Ｂに接続されている。主機６はクラッチ５を介して推進装置４に接続されている。また離着桟時に運転されるスラスタ装置８が船内母線を経由して主発電機1に接続されている。なお、主発電機１と双方向インバータ３Ｂとの間に、母線の電圧ノイズを低減させるために入力変圧器１５を設けている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
港湾内離着桟時および低速度航行時には電気推進電動機入切スイッチ１１を入りにすることにより、双方向インバータ３Ｂの出力が電気推進電動機２に入力されて回転数制御を行い、推進装置４が任意の回転数で駆動される電気推進モードでの航行となる。この時、クラッチ５を脱として推進装置４と主機６を切り離して、最も高効率運転が可能となる高速一定回転数で主機６を運転し主機駆動発電機７を一定回転数で駆動させる。同時に主機駆動発電機出力先切替スイッチ１２を「ａ」側に切り替えることで、主機駆動発電機７より周波数・電圧が一定な安定電源が船内母線へ供給される。スラスタ装置８の運転時には船内負荷が増えるため主機駆動発電機７と主発電機１を並列運転して船内電力を賄う。

また高速度航行時には、電気推進電動機入切スイッチ１１を切りにすることで電気推進電動機２を停止させる。この時、クラッチ５を嵌合して推進装置４と主機６を接続させることで推進装置４が主機６で駆動される主機推進モードでの航行となる。主機６の回転数は船の航行速度に合わせて変動するため主機駆動発電機７の出力周波数が不安定になる。

そこで、主機駆動発電機出力先切替スイッチ１２を「ｂ」側に切り替えて主機駆動発電機７の出力を双方向インバータ３Ｂへ入力することで周波数制御を行い、周波数・電圧が一定な安定電源を船内母線へ供給することが可能となる。
これにより、従来では不可能であった主発電機１との並列運転が可能となり、複数台ある主機駆動発電機７内の１台が不適合でもシステム全体としての信頼性が向上する。

また、電気推進モードと主機推進モードとの切替は、操舵室に装備された船の推進速力を操作する速度制御レバー１６の位置で指令された速度に推進装置４の回転数が到達したときに切り替える。推進装置４からの回転数信号を演算装置１４に入力し、推進装置４の回転数が切替設定回転数より低い時は電気推進モードとし、高い時は主機推進モードとなるように、演算装置１４からの出力信号で電気推進電動機入切スイッチ１１と主機駆動発電機出力先切替スイッチ１２を自動的に切り替えるようにする。またこの時クラッチ５も連動して嵌脱が自動制御されるように構成されている。

図３は推進装置出力と推進装置回転数との関係を示す特性図である。
図３に示すように、推進装置出力は推進装置回転数の三乗に比例する曲線Ａとなる。ここで、電気推進モードと主機推進モードを切り替える切替設定回転数を点ｄに設定した場合、速度制御レバーの位置を（１）から（２）に操作した時、推進装置の回転数は点ａから点ｃの方向へ上昇を始める。そして点ｂを通過する際に電気推進モードから主機推進モードへ自動的に切り替わる。
この様に電気推進モードと主機推進モードの切り替えを全自動にて安全かつスムーズに行うことで船舶航行の安全性と信頼性が向上する。

さらに、電気推進電動機２と電気推進電動機入切スイッチ１１の間には電気推進電動機２の負荷電流を検出するための変流器１３が設けられており、検出された電流は演算装置１４へ入力される。電気推進モードから主機推進モードへの切り替えは、電気推進電動機２の負荷電流値にて切り替える。負荷電流値は変流器１３で検出して演算装置１４に入力し、演算装置１４にて電気推進電動機２の負荷量を演算する。速度制御レバー１６を増方向に操作した時、電気推進電動機２の負荷量とモード切替設定負荷量を比較し、電気推進電動機２の負荷量が設定された値以下の時は電気推進モードとし、負荷量が設定された値以上の時は主機推進モードとなるように、演算装置１４からの出力信号で電気推進電動機入切スイッチ１１と主機駆動発電機出力先切替スイッチ１２を自動的に切り替えるようにする。速度制御レバー１６を減方向に操作した時、レバーの位置が切替設定位置より上の時は主機推進モードとし、下の時は電気推進モードとなるように、電気推進電動機入切スイッチ１１と主機駆動発電機出力先切替スイッチ１２を自動的に切り替えるようにする。またこの時クラッチ５も連動して嵌脱が自動制御される。

図４は推進装置出力と電気推進電動機出力と推進装置回転数との関係を示す特性図である。
図４に示すように、推進装置出力は推進装置回転数の三乗に比例する曲線Ａとなる。電気推進電動機出力は曲線Ａに推進装置の損失を加えた曲線Ｂとなる。ここで、電気推進モードと主機推進モードを切り替える電気推進電動機出力を点ｅに設定した場合、速度制御レバーの位置を（１）から（２）に操作した時、電気推進電動機の出力は点ａ’から増加を始める。そして点ｂ’に到達した時に電気推進モードから主機推進モードへ自動的に切り替わる。

この様に電気推進モードと主機推進モードの切り替えを全自動にて安全かつスムーズに行うことで船舶航行の安全性と信頼性が向上する。なお、モード切り替え制御方式はシステム毎に適宜選択する。

本発明の一実施例である船舶用ハイブリッド推進システムの結線図。従来の旅客フェリー用ハイブリッド推進システムの結線図。推進装置出力と推進装置回転数との関係を示す特性図。推進装置出力と電気推進電動機出力と推進装置回転数との関係を示す特性図。

符号の説明

１…主発電機、２…電気推進電動機、３Ａ…インバータ、３Ｂ…双方向インバータ、４…推進装置、５…クラッチ、６…主機、７…主機駆動発電機、８…スラスタ装置、９…安定化電源装置、１０…蓄電池、１１…電気推進電動機入切スイッチ、１２…主機駆動発電機出力先切替スイッチ、１３…変流器、１４…演算装置、１５…入力変圧器、１６…速度制御レバー。

Claims

船舶を推進させるプロペラを備えた推進装置と、前記推進装置をクラッチを介して駆動する主機と、前記推進装置に接続された電気推進電動機と、前記主機によって駆動される主機駆動発電機と、船内母線および前記電気推進電動機間に接続されるとともに、力行および回行のできる双方向インバータと、前記主機駆動発電機の出力先を前記双方向インバータ側あるいは船内母線側のいずれか一方へ切り替える主機駆動発電機出力先切替スイッチと、前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機間に設けられ、入り状態のときは前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機を接続し、切り状態のときは前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機間を切り離す電気推進電動機入切スイッチとを備えた船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、
電気推進モード時は、前記電気推進電動機入切スイッチを入り状態にして前記船内母線から供給される電力を前記双方向インバータにより制御して前記電気推進電動機の回転数制御を行うとともに、前記主機駆動発電機出力先切替スイッチを前記船内母線側に接続して前記主機駆動発電機の発電出力を前記船内母線側へ供給し、さらに前記クラッチを脱にして前記主機と前記推進装置とを切り離した状態で前記主機を高効率の一定回転数で運転して前記主機駆動発電機を一定回転数で駆動し、
主機推進モード時は、前記電気推進電動機入切スイッチを切り状態にして前記双方向インバータおよび前記電気推進電動機間を切り離すともに、前記主機駆動発電機出力先切替スイッチを前記双方向インバータ側に接続することにより前記主機駆動発電機の出力を前記双方向インバータへ入力して周波数制御を行い、周波数および電圧が一定な安定電力を前記船内母線へ供給し、さらに前記クラッチを嵌合として前記主機と前記推進装置とを接続した状態で前記主機の推進力で船舶を運航することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進システム。
請求項１に記載の船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、船の推進速力を操作する速度制御レバーを備え、前記推進装置の回転数が前記速度制御レバーの位置で指令された切替設定回転数より低い時は前記電気推進モードとなり、前記切替設定回転数より高い時は前記主機推進モードとなるように、前記電気推進電動機入切スイッチと前記主機駆動発電機出力先切替スイッチとを自動的に切り替え、さらにクラッチも連動して嵌脱が自動制御されるようにしたことを特徴とする船舶用ハイブリッド推進システム。
請求項２に記載の船舶用ハイブリッド推進システムにおいて、前記電気推進電動機の電流値を検出する検出手段を備え、前記速度制御レバーの位置と前記検出手段の検出値とにより前記主機駆動発電機出力先切替スイッチと前記電気推進電動機入切スイッチとを開閉することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進システム。