JP5540134B1

JP5540134B1 - 船舶用電気推進装置

Info

Publication number: JP5540134B1
Application number: JP2013100808A
Authority: JP
Inventors: 学徳本
Original assignee: Daihatsu Diesel Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Diesel Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-05-12
Filing date: 2013-05-12
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2033-05-12
Also published as: JP2014218233A

Abstract

【課題】インバータをコンパクトにしてコストを抑制し、船舶の航行時に生じるエネルギー損失を低減することが可能な船舶用電気推進装置を提供する。
【解決手段】発電機３７から電動機３９までに２系統の給電電路５１，５２が設けられている。給電電路５１にインバータ３８と第１電磁接触器５５が設けられており、給電電路５２に第２電磁接触器５６が設けられている。電気推進装置１０は電気推進制御盤３５を有しており、インバータ３８による電動機３９のインバータ制御と、インバータ３８を使用せずにエンジン３３の回転数制御による周波数制御とが行われる。プロペラ３１の回転速度が第２プロペラ速度範囲７２（０％〜８３％）のときにインバータ制御が行われ、プロペラ３１の回転速度が第１プロペラ回転速度７１（８３％〜１００％）になると、周波数制御に切り換えられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、船舶のプロペラを電動機によって回転させる船舶用電気推進装置に関する。

船舶に備えられたプロペラを回転駆動させて船舶を推進させる推進装置として、内燃機関に連結された発電機の電力によって駆動する電動機の回転駆動力を得て前記プロペラを回転させる船舶用電気推進装置が知られている。この種の船舶用電気推進装置は、発電機が発電した電力を制御するインバータを備えており、操舵室などから指定された船速となるように、インバータから前記電動機力へ出力される電力の周波数が制御される。これにより、船舶のプロペラが前記操舵室から指示された船速に応じた回転速度に変速される。近年、環境負荷の低減、貨物スペースの増加、船内作業量の低減、航海の安全性向上などの利点を有することに加え、エネルギー効率が徐々に改善されつつあることから、船舶用電気推進装置への関心が高まってきている。この種の船舶用電気推進装置の一例として、特許文献１には、船舶運航時にインバータを運転して船舶推進用の電動機を駆動させ、船舶停止時にインバータの出力先を荷役用電動機に切り換えて荷役用電動機を駆動させる装置が記載されている。

特開２００１−２５１８９５号公報

ところで、上述した従来の船舶用電気推進装置では、船舶を推進させる電動機を可変速制御するために、四象限運転（正転力行、正転制動、逆転力行、逆転制動）が可能なインバータが必要であり、また、高度な高調波抑制対策が必要である。このようなインバータによって電動機の可変速制御が行われると、インバータにおいて約４〜６％の変換ロスが生じる。船舶用電気推進装置において約４〜６％のエネルギー損失は極めて大きく、省エネルギーの観点からエネルギーが熱として無駄に消費されることは問題である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インバータをコンパクトにしてコストを抑制することができ、船舶の航行時に生じるエネルギー損失を低減することが可能な船舶用電気推進装置を提供することにある。

(1) 本発明は、船舶のプロペラを電動機によって回転させる船舶用電気推進装置であって、発電機関と、インバータと、第１制御手段と、第２制御手段と、制御切換手段とを備える。発電機関は、内燃機関と発電機とを有し、内燃機関の出力軸に発電機が接続されてなるものである。インバータは、前記発電機関によって発電された交流電力の周波数を所定のプロペラ回転速度に対応する周波数に変換して前記電動機に出力する。第１制御手段は、前記内燃機関の回転速度を予め定められた定速度に制御して前記発電機で発電された前記定速度に応じた一定周波数の交流電力を前記インバータを介して前記電動機に供給する。第２制御手段は、前記内燃機関の回転速度を予め定められた機関速度範囲内で制御して前記発電機で発電された前記機関速度範囲に応じた周波数の交流電力を前記インバータを介さずに前記電動機に供給する。制御切換手段は、前記プロペラの回転速度が予め定められた第１プロペラ速度から第２プロペラ速度までの第１プロペラ速度範囲である場合に前記第２制御手段による制御に切り換え、前記第１プロペラ速度範囲以外の第２プロペラ速度範囲である場合に前記第１制御手段による制御に切り換える。

これにより、前記第１プロペラ速度範囲ではインバータを用いない前記第２制御手段による駆動制御が行われるので、インバータにおける変換ロスの発生を防止して、船舶用推進装置におけるエネルギー損失を低減することができる。

(2) 前記第１プロペラ速度範囲は、前記第１プロペラ回転速度以上の速度範囲であり、前記第２プロペラ速度範囲は、前記プロペラが停止した状態から前記第１プロペラ速度までの速度範囲である。

一般に、船舶は、港湾内において速度が制限されている。したがって、船舶が港湾内を航行しているときに、船舶用電気推進装置は、その定格出力範囲において低い出力領域でプロペラを回転駆動させる。一方、港湾を出て外海（外洋）を航行する場合は、船舶に速度制限は課せられない。そのため、船舶が外港に出た後に、船舶用電気推進装置は、その定格出力範囲において高い出力領域でプロペラを回転駆動させる。タグボートのように港湾内で作業する船舶を除き、多くの船舶は、港湾内で低出力で航行する時間よりも外港で高出力で航行する時間のほうが長い。そのため、船舶の使用状況に鑑みて、本発明の船舶用電気推進装置では、前記第１プロペラ速度範囲を前記第１プロペラ回転速度以上の速度範囲とし、前記第２プロペラ速度範囲を前記プロペラが停止した状態から前記第１プロペラ回転速度までの速度範囲としている。これにより、第１プロペラ速度範囲で長時間にわたってプロペラを回転駆動させても、長時間にわたってインバータによる変換ロスが生じないので、船舶用推進装置におけるエネルギー損失を長時間にわたって低減させることができる。また、インバータは、プロペラ回転が停止した状態から前記第１プロペラ回転速度までの第２プロペラ速度範囲だけ使用されるので、本発明の船舶用電気推進装置で用いられるインバータは、前記１プロペラ速度範囲と前記第２プロペラ速度範囲とを合わせた全速度範囲に対応する容量を必要とせず、前記１プロペラ速度範囲に対応する容量のもので十分である。このように、本発明によれば、エネルギー損失を低減できるだけでなく、インバータの容量が小さくて済むのでインバータのコストを抑えることができる。また、容量が小さくてコンパクトなインバータを用いることができるので、インバータの設置自由度が高くなり、また、船舶用電気推進装置自体を小型化することができる。

(3) 前記第１プロペラ速度範囲は、前記発電機で発電される交流電力の周波数が、前記発電機から前記電動機までの電力供給経路に設けられる電気機器に使用可能な電源周波数の許容範囲内となるように設定されている。日本では、商用電源として５０Ｈｚと６０Ｈｚの交流電力が提供されている。また、いずれの外国においても、商用電源の周波数は５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ、又は５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの併用のいずれかである。そのため、電気機器の電源周波数の許容範囲は５０Ｈｚから６０Ｈｚとなっている。したがって、本発明の船舶用電気推進装置においても、前記第１プロペラ速度範囲は、５０Ｈｚから６０Ｈｚの許容範囲で回転駆動可能な範囲に設定されている。

(4) 本発明の船舶用電気推進装置は、前記発電機から前記インバータを経て前記電動機に至る第１電路に設けられ、前記第１電路を開閉する第１開閉器と、前記発電機から前記インバータをバイパスして前記電動機に至る第２電路に設けられ、前記第２電路を開閉する第２開閉器と、を更に備える。この場合、前記制御切換手段は、前記第１制御手段による制御のときに前記第２開閉器をオープンにし、前記第１開閉器をクローズにするものであり、前記第１制御手段による制御から前記第２制御手段による制御に切り換えるときに、前記インバータの出力を所定量だけ増加させた後に前記第１開閉器をオープンにし、その後、前記第２開閉器をクローズにするものである。

これにより、前記制御切換手段による切換時に電動機への出力が一時的に途絶えてプロペラ回転が低下したとしても、切換前にプロペラ回転速度が増加されるため、切換時のプロペラ回転速度の実質的な低下量が抑制されて、円滑な切換制御が可能となる。

本発明によれば、船舶の航行時に生じるエネルギー損失を低減することが可能になる。

本発明の実施形態に係る電気推進装置の概略構成を模式的に示す構成図である。図１の電気推進装置におけるプロペラ回転数とプロペラ負荷と発電電力の周波数との関係を示すグラフ図である。図１の電気推進装置の制御部によって実行される前進加速制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。図１の電気推進装置の制御部によって実行される前進減速制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。図１の電気推進装置の制御部によって実行される前進加速制御処理の手順の他の一例を示すフローチャートである。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

まず、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る船舶用電気推進装置１０（以下、「電気推進装置」と略称する。）は、船舶の推進機構である固定ピッチプロペラ３１（本発明のプロペラの一例、以下「プロペラ３１」と略称する。）を電動機３９による電駆動力によって回転させて船舶の推進力を発生させるものである。この電気推進装置１０は、図１に示されるように、ディーゼルエンジン３３（本発明の内燃機関の一例、以下「エンジン３３」と略称する。）と、発電機３７と、インバータ３８と、電動機３９と、減速機４１と、電気推進装置１０の全体の動作を統括的に制御する電気推進制御盤３５とを備えている。なお、エンジン３３と発電機３７とによって本発明の発電機関が実現される。また、電気推進制御盤３５が後述する前進加速制御処理を実行することにより、本発明の第１制御手段、第２制御手段、制御切換手段が電気推進制御盤３５によって実現される。

ここで、本発明の船舶用電気推進装置は、様々なタイプの船舶に適用可能であり、例えば、コンテナ船やタンカーなどの貨物船、フェリーや客船などの旅客船、タグボートや海洋調査船などのような海上又は海中作業を行う特殊船、漁業に用いられる漁船、潜水船などの船舶に幅広く適用可能である。

エンジン３３は、船舶において発電機３７に回転駆動力を供給する駆動源として使用されるものであり、例えば、機関出力が数百ｋＷ〜数千ｋＷの大型のディーゼルエンジンである。エンジン３３には、電子ガバナ３４が設けられている。電子ガバナ３４は、入力された信号に応じて燃料ラック位置を変更して、エンジン３３の燃料噴射ポンプの噴射量を調整する。これにより、エンジン３３の回転速度及び出力が変更される。また、エンジン３３には、エンジン３３の回転速度を検知する速度センサー２４が設けられている。速度センサー２４によって検知された速度信号は電気推進制御盤３５にフィードバックされる。なお、本実施形態では、内燃機関の一例としてエンジン３３を例示するが、これに限られず、エンジン３３に代えてガスエンジンやガスタービンなどのように、回転駆動力を出力可能な内燃機関であれば様々なタイプの機関が適用可能である。また、速度センサー２４は、例えば発電機３７の発電周波数から速度を検知するものでもよい。

発電機３７は、エンジン３３の出力軸４８に接続されている。発電機３７の入力軸は、エンジン３３の出力軸に図示しないカップリング（軸継ぎ手）によって直接に連結されており、エンジン３３の出力軸４８の回転駆動力がそのままダイレクトに発電機３７に伝達される。発電機３７は、エンジン３３の出力軸４８から伝達された回転駆動力を受けて回転し、その回転速度に応じた周波数の交流電力を発電するものである。発電機３７は、具体的には、例えば８極３相の同期発電機である。本実施形態では、極数が８極の発電機３７に対して、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１（＝第１設定速度Ｎ１）から９００ｍｉｎ^−１（＝第２設定速度Ｎ２）までの機関速度範囲内となるように電気推進制御盤３５によって回転制御される。

ここで、一般に、軸回転数Ｎと周波数ｆと極数Ｐとの間には、Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ（ｍｉｎ^−１）の関係があるため、前記機関速度範囲（７５０ｍｉｎ^−１〜９００ｍｉｎ^−１）内でエンジン３３の回転速度が制御されることによって、発電機３７は、周波数ｆが５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力を発電して出力する。具体的には、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１のときに発電機３７は５０Ｈｚの交流電力を発電し、エンジン３３の回転速度が９００ｍｉｎ^−１のときに発電機３７は６０Ｈｚの交流電力を発電する。

発電機３７の出力側は、遮断器（ＣＢ：Circuit Breaker）５４を介して共通の電力母線５８に接続されている。そのため、発電機３７で発電された交流電力は、遮断器５４が閉にされた状態で電力母線５８に流れ込む。

電力母線５８から電動機３９までの間には２系統の給電電路５１，５２が並列に設けられている。給電電路５１，５２は、電力母線５８と電動機３９との間を接続する送配電用の電力ケーブルによって構成されている。給電電路５１は、本発明の第１電路の一例であり、発電機３７からインバータ３８を経て電動機３９に至る給電電路である。給電電路５１には、給電電路５１を開閉する第１電磁接触器５５（本発明の第１開閉器の一例）が設けられている。第１電磁接触器５５の開閉動作は電気推進制御盤３５によって制御される。給電電路５２は、本発明の第２電路の一例であり、発電機３７からインバータ３８をバイパスして電動機３９に至る給電電路である。給電電路５２には、給電電路５２を開閉する第２電磁接触器５６（本発明の第２開閉器の一例）が設けられている。第２電磁接触器５６の開閉動作は電気推進制御盤３５によって制御される。なお、図示されていないが、給電電路５１，５２には、過電流から回路や機器を保護するために遮断器が設けられている。また、給電電路５２には、電動機３９の突入電流を抑制するために交流リアクトル（ＡＣＬ）が設けられている。

第１電磁接触器５５や第２電磁接触器５６、ＣＢ、ＡＣＬなどのように給電電路５１，５２や電力母線５８に設けられる電気機器は、商用電源の電源周波数に適合するように設計されている。日本だけでなく外国でも、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの商用電源が提供されている。したがって、一般に、図１の電力母線５８や給電電路５１，５２において使用される電磁接触器や遮断器等の電気機器は、５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力で駆動するように標準設計されており、それ以外の周波数（例えば４０Ｈｚ）の交流電力での駆動は保証されていない。上述したように、本実施形態では、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１までの間でしか制御されないため、発電機３７の周波数の変動は５０Ｈｚから６０Ｈｚとなる。言い換えると、発電機３７で発電される交流電力の周波数が電力母線５８や給電電路５１，５２に設けられる第１電磁接触器５５、第２電磁接触器５６、遮断器などの電気機器に使用可能な電源周波数の許容範囲内（５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ）となるように、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１までの範囲内で制御される。これにより、電気機器として、汎用性が高く安価なものを用いることができる。

インバータ３８は、給電電路５１において第１電磁接触器５５よりも下流側（二次側）に設けられている。インバータ３８は、発電機３７によって発電された交流電力の周波数を所定のプロペラ回転速度に対応する周波数に変換して電動機３９に出力する。これにより、電動機３９が前記周波数に応じた回転速度で回転される。本実施形態では、後述するように、プロペラ３１の定格回転速度を１００％としたときに、プロペラ３１が停止した０％から８３％までの第２プロペラ速度範囲７２（図２参照）内でプロペラ３１を回転させるときにインバータ３８が使用される。また、８３％から１００％までの第１プロペラ速度範囲７１（図２参照）内ではインバータ３８は使用されない。ここで、プロペラ回転出力８３％は、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１のときにインバータ３８によって５０Ｈｚの交流電力が電動機３９に出力されたときのプロペラ３１の回転速度に一致する。また、プロペラ回転出力１００％はエンジン３３の回転速度が９００ｍｉｎ^−１のときに発電機３７から直接に６０Ｈｚの交流電力が電動機３９に出力されたときのプロペラ３１の回転速度に一致する。

電動機３９は、入力された所定の周波数の交流電力によって回転駆動するものである。具体的には、電動機３９は、６極のかご形の回転子を利用した所謂かご形三相誘導電動機である。電動機３９は、給電電路５１または給電電路５２の何れかの電路を通って給電された交流電力が入力されると、入力された交流電力の周波数に応じた回転速度で回転駆動する。

減速機４１は、図示しない伝達ギヤを介して電動機３９の出力軸に連結されている。減速機４１は、電動機３９の回転速度を所定の減速比で減速してプロペラ３１のプロペラ軸４９に伝達する。減速機４１には、プロペラ３１の回転速度を検知するための速度センサー２５が設けられている。速度センサー２５によって検知された速度信号は電気推進制御盤３５にフィードバックされる。

電気推進制御盤３５は、電気推進装置１０を制御して、船舶の船速を制御するものであり、後述の前進加速制御処理、前進減速制御処理、急速逆転制御処理を実行する。電気推進制御盤３５は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどによって構成されたマイクロコンピュータやメイン制御ボード、ＰＬＣなどの制御部を有しており、この制御部によって前記各制御処理が実行される。電気推進制御盤３５は、入力された指示信号に応じてエンジン３３及びインバータ３８を制御する。より詳細には、電気推進制御盤３５は、入力された指示信号に応じた機関回転速度となるようにエンジン３３を制御するとともに、入力された指示信号に応じたプロペラ回転速度となるようにインバータ３８を制御する。具体的には、電気推進制御盤３５は、エンジン３３に設けられた電子ガバナ３４の燃料ラック位置を変更して、実際の回転速度に応じて燃料噴射ポンプの噴射量を調整することにより、エンジン３３の回転速度を制御する。ここで、前記指示信号としては、船舶の操舵室又は機関室に備えられた操縦ハンドル１５から送られてくるテレグラフ信号（「ＮＥＵＴＲＡＬ」「ＤＥＡＤＳＬＯＷ」「ＳＬＯＷ」「ＨＡＬＦ」「ＦＵＬＬ」などの船速を示す船速信号）が考えられる。前記指示信号は、例えば、操縦ハンドル１５に設けられたポテンショメーターからの電気信号として電気推進制御盤３５に入力される。なお、電気推進制御盤３５による制御の詳細につては後述する。

上述した構成の電気推進装置１０においては、例えば、操舵室から船速信号としてプロペラ回転０％〜８３％を示す信号が送られてきたときに、電気推進制御盤３５は、表１に示されるインバータ制御を行う。具体的には、電気推進制御盤３５は、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１で一定となるように制御する。また、インバータ３８の出力の周波数を前記船速信号に応じた周波数となるように０〜５０Ｈｚの範囲で制御する。これにより、プロペラ３１の回転速度が０％〜８３％の間で変速される。一方、操舵室から船速信号としてプロペラ回転８３％以上の信号が送られてきたときは、電気推進制御盤３５は、表１に示される周波数制御を行う。具体的には、電気推進制御盤３５は、インバータ３８を用いずに、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１〜９００ｍｉｎ^−１の範囲内で制御して、発電機３７の出力の周波数を前記船速信号に応じた周波数となるように５０〜６０Ｈｚの範囲で制御する。これにより、プロペラ３１の回転速度が８３％〜１００％の間で変速される。なお、表１は、電気推進装置１０において、船速信号、制御状態、エンジン回転数、インバータ出力の周波数、発電機周波数、プロペラ回転数それぞれの対応関係を示すものである。

以下、図３〜図５のフローチャートを参照して、電気推進制御盤３５によって実行される前進加速制御処理、前進減速制御処理、急速逆転制御処理の手順の一例について説明する。ここで、図３〜図５におけるＳ１１、Ｓ１２、…は処理手順（ステップ）の番号を表している。また、図３〜図５において同じ処理手順には同じ処理手順番号を付している。

まず、図３を参照して、前記前進加速制御処理の手順の一例について説明する。図３は、操縦ハンドル１５が中立位置から前進へ操作されたときの前進加速制御処理の手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、遮断器５４は手動で既に閉じられた状態にあるものとする。また、操縦ハンドル１５が中立にあるときは第１電磁接触器５５及び第２電磁接触器５６はいずれも開状態（オープン状態）にあるものとする。

電気推進制御盤３５は、操縦ハンドル１５が中立位置にあるときに、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１に維持するように電子ガバナ３４を制御する（Ｓ１１）。以下、このように制御された状態をエンジン３３の待機状態という。

ステップＳ１２では、電気推進制御盤３５は、操縦ハンドル１５が前進低速領域にあるかどうかを判定する。かかる判定は、操縦ハンドル１５から入力された前記ポテンショメーターからの信号に基づいて行われる。ここで、前進低速領域とは、プロペラ回転速度の指示信号（船速信号）としてプロペラ３１の定格回転速度に対して０％〜８３％までの指示信号を前記ポテンショメーターから出力するハンドル操作領域である。つまり、０％〜８３％までの第２プロペラ速度範囲７２（図２参照）でプロペラ３１を回転させるためのハンドル操作領域である。前記待機状態において、操縦ハンドル１５が中立位置から前進へ操作されると、ステップＳ１２において、操縦ハンドル１５の位置が前記前進低速領域であると判定される。このとき、電気推進制御盤３５は、第２電磁接触器５６を開状態にしたままで、第１電磁接触器５５を開から閉にして、発電機３７で発電した一定周波数５０Ｈｚの交流電力をインバータ３８に供給する（Ｓ１３）。

その後、電気推進制御盤３５は、インバータ３８に前記船速信号に応じた制御信号を出力して、電動機３９をインバータ制御して電動機３９の回転速度を変速する（Ｓ１４）。続いて、電気推進制御盤３５は、前進指令が喪失したかどうかを判定し（Ｓ２３）、前進指令が喪失していない場合は、ステップＳ１２に戻って、ステップＳ１２以降の処理を行う。

ステップＳ１２において、操縦ハンドル１５の位置が前記前進低速領域ではないと判定されると、電気推進制御盤３５は、操縦ハンドル１５が前進高速領域にあるかどうかを判定する（Ｓ１５）。ここで、前進高速領域とは、プロペラ回転数の指示信号（船速信号）としてプロペラ３１の定格回転速度に対して８３％〜１００％までの指示信号を前記ポテンショメーターから出力するハンドル操作領域である。つまり、８３％〜１００％までの第１プロペラ速度範囲７１（図２参照）でプロペラ３１を回転させるためのハンドル操作領域である。ステップＳ１５において、操縦ハンドル１５の位置が前記前進高速領域であると判定されると、電気推進制御盤３５は、第２電磁接触器５６を開状態にしたままで、第１電磁接触器５５を開から閉にして、発電機３７で発電した一定周波数５０Ｈｚの交流電力をインバータ３８に供給する（Ｓ１６）。その後、電気推進制御盤３５は、インバータ３８に前記船速信号に応じた制御信号を出力して、電動機３９をインバータ制御して電動機３９の回転速度を変速する（Ｓ１７）。具体的には、電気推進制御盤３５は、インバータ制御によって増速可能な上限速度であるプロペラ回転速度８３％となるようにインバータ３８の出力周波数を５０Ｈｚまで上昇させる。

次のステップＳ１８では、電気推進制御盤３５は、プロペラ回転速度が定格回転速度の８３％まで増速されたかどうかを判定する。かかる判定は、速度センサー２５からの検知信号に基づいて行われる。ここで、プロペラ回転速度が定格回転速度の８３％になったときのインバータ３７の出力周波数は５０Ｈｚである。ステップＳ１８において、プロペラ回転速度が定格回転速度の８３％であると判定されると、電気推進制御盤３５は、電動機３９に対する駆動制御を、インバータ制御から、発電機３７で発電した交流電力を直接に電動機３９に供給して電動機３９を制御する周波数制御に切り換える。具体的には、ステップＳ１９において、電気推進制御盤３５は、インバータ３８から電動機３９への出力を所定量だけ増加させる。本実施形態では、インバータ３８から電動機３９に出力される交流電力の周波数が現状の５０Ｈｚから５２Ｈｚに上昇される。これにより、プロペラ３１の回転速度が８３％から約８７％（＝１００％×５２／６２）まで増速する。その後、電気推進制御盤３５は、第１電磁接触器５５を閉から開にして（Ｓ２０）、続いて、第２電磁接触器５６を開から閉にする（Ｓ２１）。これにより、インバータ３８への電力供給が停止され、その代わりに、発電機３７から給電電路５２を経て電動機３９へ直接に交流電力が供給される。

その後、電気推進制御盤３５は、前記船速信号に応じたエンジン回転速度（目標回転速度）となるように電子ガバナ３４を制御して、エンジン３３の回転速度を７５０〜９００ｍｉｎ^−１の範囲内で制御する。これにより、発電機３７は、エンジン回転速度に応じた周波数の交流電力を発電し、その交流電力がインバータ３８を経ずに電動機３９に供給される。

なお、ステップＳ２０で第１電磁接触器５５が開にされてからステップＳ２１で第２電磁接触器５６が閉になるまでの間、電動機３９には電力が供給されないためプロペラ回転速度は低下するが、上述したように、ステップＳ１９でプロペラ回転速度を定格回転速度の約８７％まで増加させているため、実質的に、プロペラ回転速度が切換時のプロペラ回転速度８３％から大幅に低下することはない。そのため、電動機３９に対する駆動制御を、前記インバータ制御から前記周波数制御へ円滑に切り換えることができる。

次に、図４を参照して、前記前進減速制御処理の手順の一例について説明する。図４は、操縦ハンドル１５が前記前進高速領域から前記前進低速領域まで操作されたときの前進減速制御処理の手順を示すフローチャートである。

ステップＳ３１において、電気推進制御盤３５は、操縦ハンドル１５が前記前進高速領域から前進低速領域まで操作されたかどうかを判定する。ステップＳ３１において、操縦ハンドル１５が操作されて操縦ハンドル１５の位置が前記前進高速領域から前記前進低速領域に移動したと判定されると、電気推進制御盤３５は、電子ガバナ３４を制御して、エンジン３３の回転速度を予め定められた７５０ｍｉｎ^−１まで減速させる（Ｓ３２）。その後、速度センサー２４からの検知信号に基づいてエンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１になったと判定されると、第２電磁接触器５６を閉から開にして給電電路５２への電力供給を停止する（Ｓ３３）。その後、電気推進制御盤３５は、第１電磁接触器５５を開から閉にして、発電機３７で発電した一定周波数５０Ｈｚの交流電力をインバータ３８に供給し（Ｓ３４）、そして、上述のステップＳ１４と同様のインバータ制御によって電動機３９の回転速度を変速する（Ｓ３５）。

なお、操縦ハンドル１５が前記前進高速領域から中立位置まで操作された場合は、ステップＳ３５におけるインバータ制御によって徐々にインバータ３８の出力周波数が低下されて最終的に０Ｈｚにされる。これにより、電動機３９の駆動制御が停止して、プロペラ３１の回転速度がゼロになる。

このように、本実施形態の電気推進装置１０では、プロペラ３１の回転速度が定格回転速度の０％〜８３％までの速度範囲（第２プロペラ速度範囲７２）である場合に前記インバータ制御（Ｓ１４，Ｓ１７）が行われ、プロペラ３１の回転速度が定格回転速度の８３％以上の速度範囲（第１プロペラ速度範囲７１）である場合に前記周波数制御（Ｓ２２）が行われる。このため、例えば港湾内で船舶が航行するときは、速度制限によって定格回転速度の８３％以下の低速領域で航行することになるので、低速領域において円滑な制御が可能な前記インバータ制御によってプロペラ３１の回転速度が制御される。一方、船舶が外海で航行するときは、定格回転速度の８３％以上の高速領域で長時間航行することになるので、インバータ３８による変換ロスが生じず、効率のよい航行ができる前記周波数制御によってプロペラ３１の回転速度が制御される。これにより、外海航行時のエネルギー効率が向上する。また、プロペラ３１の定格回転速度に対応する容量のインバータ３８を用意する必要がなく、プロペラ３１の定格回転速度の８３％に対応する負荷５７％（図２参照）の容量の小さくてコンパクトなインバータ３８を用いることができる。また、インバータ３８の容量が小さくて済むのでインバータ３８のコストを抑えることができる。

また、前記インバータ制御から前記周波数制御に切り換える際に、ステップＳ１９においてインバータ出力がアップされて、プロペラ回転速度が所定量だけ増速されている。そのため、ステップＳ２０で第１電磁接触器５５が開にされてからステップＳ２１で第２電磁接触器５６が閉になるまでの間、電動機３９に電力が供給されずにプロペラ回転速度が低下しても、プロペラ回転速度が切換時のプロペラ回転速度８３％から大幅に低下することはない。そのため、電動機３９に対する駆動制御を、前記インバータ制御から前記周波数制御へ円滑に切り換えることができる。

なお、上述の実施形態では、図３のフローチャートを用いて前進加速制御処理について説明したが、前記前進加速制御処理は、船舶の後進時の加速制御処理にも適用可能である。

また、上述の実施形態では、１台のエンジン３３と１台の発電機３７によって構成された電気推進装置１０を例示したが、これに限定されない。本発明は、複数のエンジン３３及び発電機３７による発電機関によって発電された交流電力を用いて複数の電動機３９を回転駆動させる構成の船舶用電気推進装置にも適用可能である。

また、上述の実施形態では、前記前進加速制御処理において、インバータ制御によってプロペラ回転速度が定格回転速度の８３％になった後にインバータ３８の出力をアップしてから、第１電磁接触５５を開にし、その後に第２電磁接触器５６を閉にする例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、インバータ３８から出力される交流電力と、発電機３７から供給される交流電力との同期をとるための同期投入装置（シンクロ装置とも称される。）を用いた実施例であってもよい。具体的には、図５に示されるように、インバータ制御によってプロペラ回転速度が定格回転速度の８３％になったと判定された後に（Ｓ１８）、第２電磁接触５６を閉にして（Ｄ２１）、給電電路５１及び給電電路５２双方を接続し、その後、双方の交流電力の周波数及び位相を合わせるための揃速制御を行い（Ｓ１０１）、同期がとれた場合に（Ｓ１０２）、第１電磁接触５５を開にする（Ｓ２０）ようにしてもよい。これにより、前記インバータ制御から前記周波数制御に切り換えるときのプロペラ回転速度の低下が防止され、損失なく円滑な切換が可能となる。

また、上述の実施形態では、プロペラ３１の定格回転速度の８３％から１００％までの第１プロペラ速度範囲７１（図２参照）において前記周波数制御を適用する例について説明したが、これに限定されない。例えば、減速機４１が変速比（減速比）の異なる第１減速ギヤ及び第２減速ギヤに基づいて変速するものである場合に、定格回転速度の６６％から８３％の速度範囲を第１減速ギヤを用いて前記周波数制御を行い、定格回転速度の８３％から１００％の速度範囲を第２減速ギヤを用いて前記周波数制御を行うものであってもよい。この場合、前記インバータ制御は、０％〜６６％の速度範囲だけとなるので、インバータ３８の容量を更に小さくすることができる。

また、上述の実施形態では、プロペラ３１の定格回転速度の０％〜８３％である第２プロペラ速度範囲７２で前記インバータ制御を行い、８３％〜１００％である第１プロペラ速度範囲７１で前記周波数制御を行う例について説明したが、これに限定されない。例えば、タグボートのように低速領域を中心に使用する船舶の場合は、上述の実施形態とは逆に、プロペラ３１の定格回転速度の０％〜８３％である第２プロペラ速度範囲７２で前記周波数制御を行い、８３％〜１００％である第１プロペラ速度範囲７１で前記インバータ制御を行うようにしてもよい。また、プロペラ３１の定格回転速度のうち、例えば、４０％〜６０％の速度範囲を中心に使用する船舶の場合は、この速度範囲で前記周波数制御を行い、それ以外の速度範囲（０〜４０％、６０％〜１００％）では前記インバータ制御を行うようにしてもよい。

１０：電気推進装置
３１：固定ピッチプロペラ
３３：ディーゼルエンジン
３５：電気推進制御盤
３７：発電機
３８：インバータ
３９：電動機
４１：減速機

Claims

船舶のプロペラを電動機によって回転させる船舶用電気推進装置であって、
内燃機関の出力軸に発電機が接続されてなる発電機関と、
前記発電機関によって発電された交流電力の周波数を所定のプロペラ回転速度に対応する周波数に変換して前記電動機に出力するインバータと、
前記内燃機関の回転速度を予め定められた定速度に制御して前記発電機で発電された前記定速度に応じた一定周波数の交流電力を前記インバータを介して前記電動機に供給する第１制御手段と、
前記内燃機関の回転速度を予め定められた機関速度範囲内で制御して前記発電機で発電された前記機関速度範囲に応じた周波数の交流電力を前記インバータを介さずに前記電動機に供給する第２制御手段と、
前記プロペラの回転速度が予め定められた第１プロペラ速度から第２プロペラ速度までの第１プロペラ速度範囲である場合に前記第２制御手段による制御に切り換え、前記第１プロペラ速度範囲以外の第２プロペラ速度範囲である場合に前記第１制御手段による制御に切り換える制御切換手段と、を具備する船舶用電気推進装置。
前記第１プロペラ速度範囲は、前記第１プロペラ回転速度以上の速度範囲であり、
前記第２プロペラ速度範囲は、前記プロペラが停止した状態から前記第１プロペラ速度までの速度範囲である請求項１に記載の船舶用電気推進装置。
前記第１プロペラ速度範囲は、前記発電機で発電される交流電力の周波数が、前記発電機から前記電動機までの電力供給経路に設けられる電気機器に使用可能な電源周波数の許容範囲内となるように５０Ｈｚから６０Ｈｚの間に設定されている請求項２に記載の船舶用電気推進装置。
前記発電機から前記インバータを経て前記電動機に至る第１電路に設けられ、前記第１電路を開閉する第１開閉器と、
前記発電機から前記インバータをバイパスして前記電動機に至る第２電路に設けられ、前記第２電路を開閉する第２開閉器と、を更に備え、
前記制御切換手段は、前記第１制御手段による制御のときに前記第２開閉器をオープンにし、前記第１開閉器をクローズにするものであり、前記第１制御手段による制御から前記第２制御手段による制御に切り換えるときに、前記インバータの出力を所定量だけ増加させた後に前記第１開閉器をオープンにし、その後、前記第２開閉器をクローズにするものである請求項２又は３に記載の船舶用電気推進装置。