JP5830841B2 - 低揺動洋上荷役システム又はこれを備えた洋上浮遊体 - Google Patents

Description

本発明は、ウィンチ等の荷役機構で吊荷を水中に安定に保持するにあたり、特に荷役機構の効率的な駆動を通じて省エネルギ化を図った低揺動洋上荷役システム又はこれを備えた洋上浮遊体に関するものである。

船舶、洋上浮体構造物などに設置されたウィンチやクレーン等の荷役機構で吊荷を水中に安定に保持するためには、波やうねりなどの影響を打ち消すための揺動制御を行うことが不可欠である。

そこで、このような荷役システムを洋上で構築する上で参考になるものとして、特許文献１に示すものが挙げられる。

このものは、フローティングクレーンのブームより垂下させたワイヤロープに物品を吊下げて作業を行うときに、フローティングクレーンが上下に揺動することによってブームに作用する上下方向の加速度を検知し、該加速度からブームの上下方向の変位量を求め、前記変位量を相殺するように電動モータを制御することによってワイヤロープを繰り出しあるいは巻き取ることによりフローティングクレーンの上下揺動による物品変位すなわち物品の揺動を抑制するようにしたものである。かかる物品を水中の吊荷に置き換えれば、洋上で当該吊荷を安定に保持することが期待できる。

特開平４−１９１２９６号公報

ところで、波やうねりに応じ電動モータを頻繁に駆動してワイヤロープの繰り出しや巻き取りを行う揺動制御時には、大きなエネルギの力行と回生が繰り返し発生する。かかる揺動制御時に負荷（吊荷）自体の平均高さすなわち位置エネルギには変化がないので、力行時に消費するエネルギと回生されるエネルギは等しくなり、電動モータそれ自体から見ればその収支は０となる。

しかしながら、上記特許文献１のものは、揺動制御時には回生エネルギを吸収抵抗などによって熱として放散し、力行時に制御に必要なエネルギ分の発電を行い、電動モータに供給している。このため、ピークエネルギ量を見込んだ大容量の発電機が必要となり、エネルギ損失も多く効率の悪いものになっている。

本発明は、このような課題に着目し、洋上において荷役機構の上下動に起因した吊荷の揺動を抑制しその位置を一定に保つ揺動制御を行うにあたり、より小型で高効率の低揺動洋上荷役システム又はこれを備えた洋上浮遊体を新たに提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の低揺動洋上荷役システムは、エンジンを動力源とする発電機と、この発電機が発生する電力を直流に変換する整流部と、この整流部が発生する直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータからの出力により駆動される電動モータと、この電動モータの動力で吊索の繰り出し又は巻き取りを行うウィンチ等の荷役機構と、洋上での揺動に伴う荷役機構若しくは荷役機構が設置された部位の上下方向の変位に応じて前記インバータを通じ前記荷役機構による吊索の昇降を制御することで当該吊索に懸下された水中の吊荷の位置を略一定に保つ制御を行う揺動制御部とを具備するとともに、前記発電機から前記インバータに向かう給電ラインの一部に直流電力を備蓄する蓄電部を接続して、前記揺動制御部による回生時に前記電動モータから回生エネルギを蓄え、蓄えたエネルギを力行時に前記電動モータに供給し得るようにしたものであって、
前記荷役機構、前記電動モータ及び前記インバータからなる駆動ユニットを、船舶、洋上浮体構造物等の洋上浮遊体の重心位置またはローリングの中心位置を挟んで進行方向と直交する左右方向両側の略対称な位置に配置し、又は、船舶、洋上浮体構造物等の洋上浮遊体の重心位置またはピッチングの中心位置を挟んで進行方向両側の略対称な位置に配置し、各駆動ユニットを、前記エンジン、前記発電機、前記整流部及び前記蓄電部からなる共通の電源ユニットの給電ラインに並列的に接続して、各駆動ユニットの吊索で水中の板状物である吊り荷の複数箇所を協働して支持したことを特徴とする。

このように構成すれば、揺動制御時に発生する回生エネルギを蓄電部に蓄え、蓄えたエネルギを力行時に利用することができるため、蓄電部や発電機の負荷が軽減して小型化が図れ、またエネルギ効率が向上して省エネルギ化を果たすことも可能となる。

この場合、前記荷役機構、前記電動モータ及び前記インバータからなる駆動ユニットを複数ユニット備え、各駆動ユニットを、前記エンジン、前記発電機、前記整流部及び前記蓄電部からなる共通の電源ユニットの給電ラインに並列的に接続しているので、各荷役機構を駆動する電動モータがエネルギを補完し合い、また電流の位相が逆相となる各荷役機構を駆動する電動モータの電流成分が給電ライン上で打ち消し合って蓄電部への電流の出入りが減少する。このため、荷役機構毎に蓄電部を接続する場合に比べて、蓄電部の容量を小さくすることができる。

特に、船舶、洋上浮体構造物等の洋上浮遊体の重心位置またはローリングの中心位置を挟んで進行方向と直交する左右方向両側の略対称な位置に駆動ユニットを対をなして配置し、あるいは、船舶、洋上浮体構造物等の洋上浮遊体の重心位置またはピッチングの中心位置を挟んで進行方向両側の略対称な位置に駆動ユニットを対をなして配置しているので、ローリングやピッチング時に左右方向あるいは前後方向に対をなす駆動ユニットの一方で生じる回生電流と他方で必要とされる力行電流とがほぼ同じ大きさになるため、特に効率的となる。
加えて、各駆動ユニットの吊索で水中の板状物である吊り荷の複数箇所を協働して支持しているので、吊り荷の揺動を抑えつつ水中で吊荷を一定の姿勢に保つことができる。

さらに、電動モータで発生する回生エネルギの余剰分を放散する吸収抵抗を前記給電ラインに更に設ければ、コンデンサ容量を超えてエネルギが回生される場合に、パワー吸収抵抗により熱としてエネルギが放散されるので、蓄電部をコンパクトにしつつ、有効に活用することができる。また、船舶などに設置する場合には、船体の省スペース化を促進することもできるようになる。

特に、前記蓄電部は電気二重層キャパシタであることが効果的である。

そして、以上の低揺動洋上荷役システムを船舶、洋上浮体構造物その他の洋上浮遊体に備えることによって、洋上で効率の良い荷役作業を行うことが可能となる。

本発明は、以上説明したように、モータ駆動用のインバータに蓄電部を接続して、揺動制御時に発生するエネルギの力行と回生に対して、回生時にエネルギを蓄電部に吸収し、力行時に蓄電部に蓄えたエネルギを制御用に供給することができる。このように回生エネルギを有効利用することで、発電機容量を抑えることによる小型化やコストダウンを図ることができ、また、エネルギ効率が高くエコロジーにも資する低揺動洋上荷役システム又はこれを備えた洋上浮遊体を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る低揺動船上荷役システムの模式的な構成図。 本発明の第２実施形態に係る低揺動船上荷役システムの模式的な構成図。 本発明の第３実施形態に係る低揺動船上荷役システムの模式的な構成図。 本発明の第４実施形態に係る低揺動船上荷役システムの模式的な構成図。 本発明の第４実施形態に係る低揺動船上荷役システムの模式的な構成図。

以下、本発明の幾つかの実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞

図１は、本実施形態の低揺動洋上荷役システムたる低揺動船上ウィンチシステムＷＳ１のシステム構成を模式的に示す図である。このウィンチシステムＷＳ１は、洋上浮遊体である船舶の船体１に設置した荷役機構すなわちウィンチ２から、吊索であるワイヤ３を垂下させて水中に負荷である吊荷４を懸下し、ウィンチ２をインバータ７を通じて制御することで波やうねりなどの影響を排して吊荷４を水中のほぼ定位置に保持するものである。

そのためにこのシステムは、発電機５の電力を整流部６を通してインバータ７に供給し、インバータ７はウィンチ２の取付場所の上下方向の変位に応じて揺動制御部８からかかる変位に起因したワイヤ３への影響を打ち消す制御信号を入力されて、電動モータ９を駆動しワイヤ３の張力を一定に保つようにウィンチ２を回転させてワイヤ３の昇降すなわち繰り出し又は巻き取りを行う。

具体的に説明すると、発電機５は重油をエネルギ源としたディーゼルエンジン１０の動力によって稼動し、交流電力を発生する。整流部６は、発電機の交流出力を直流出力へ変換する変換器、および電圧・電流の調整器、および直流リアクトルなどで構成されており、当該三相交流電圧を直流電圧に変換して給電ライン１１に印加する。

インバータ７は、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子と平滑用コンデンサなどから構成され、揺動制御部８からのＰＷＭ制御信号に基づき、所要電圧、所要周波数の三相交流電圧に変換する。

電動モータ９は三相交流モータであり、前記インバータ７によって所要方向に所要速度で駆動される。

揺動制御部８は、ウィンチ２又は当該ウィンチ２の設置場所に設けた加速度センサ１２から入力される加速度信号を積分してウィンチ２が上下変位する際の速度情報を取得し、この速度を打ち消す速度をワイヤ３に与えるべく、前記インバータ７を通じて電動モータ９の回転方向と回転速度を決定する。

かかる揺動制御により、船体１の揺れによって水中の吊荷４に対してワイヤ３の引っ張り又は弛みが生じないように、ウィンチ２が上昇すればワイヤ３を繰り出し、ウィンチ２が降下すればワイヤ３を巻き取って、水中の吊荷４が力を受けないように制御する。万一ワイヤ３にテンションが発生したときのために、ウィンチ２に不図示のトルクセンサを設け、このトルクセンサが張力を検知した場合にウィンチ２を繰り出す２段階の制御を行うようにしてもよい。

このような構成に加えて、本実施形態は、前記発電機５から前記インバータ７に至る給電ライン１１上、具体的には整流部６と前記インバータ７の間に、前記平滑用コンデンサとは別に、更に直流電力を備蓄するバッテリやコンデンサ、電気二重層キャパシタ等からなる蓄電部１３を設けている。そして、前記揺動制御部８による制御時に、電動モータ９からの駆動によるウィンチ２のワイヤ繰り出し速度を越えて吊荷４側からワイヤ３が引っ張られた際に電動モータ９で発生する回生エネルギを前記蓄電部１３に蓄え、この蓄電部１３に蓄えたエネルギを、電動モータ１３によるワイヤ３の巻き取り時すなわち力行時に前記キャパシタ蓄電部１３から電動モータ１３に供給することでウィンチ２に対する駆動電力の一部をまかなうようにしている。

加えて本実施形態は、前記キャパシタ蓄電部１３と並列にパワー吸収抵抗１４を設け、このパワー吸収抵抗１４を切替スイッチ１５を介してグランド部位に選択的に導通させるようにしている。前記揺動制御部８は、回生電圧がキャパシタ容量を超える電圧となったことを適宜の手段により検知して切替スイッチ１５をＯＮにし、電動モータ９で発生する回生エネルギの余剰分を熱エネルギとして放散する制御を併せて行うようにしている。

このような回生電力の構成を船上ウィンチシステムＷＳ１に付加すると、揺動制御時に発生するエネルギの力行と回生に対して、回生時にはエネルギをキャパシタ蓄電部１３に吸収する一方、力行時にはキャパシタ蓄電部１３に蓄えたエネルギを制御用に供給することができ、回生エネルギを有効利用してシステムＷＳ１の省エネルギ化を図ることができるとともに、発電機５の負荷も軽減して、発電機５の小型化を図ることが可能となる。

また、揺動量は気象条件によって変わるほか、まれに大きな波が発生し、瞬間的に大きな振動となる場合がある。このような想定される揺動量の最大値から回生エネルギを見積もってキャパシタ蓄電部１３を設置すると、使用時間の大部分は設置容量の極一部しか使用しない状態となり、キャパシタ蓄電部１３が無駄になるばかりか、設置スペースも大きくなってしまう。これに対し本実施形態は、上記のパワー吸収抵抗１４を設け、キャパシタ蓄電部１３の容量を超えてエネルギが回生される場合には、パワー吸収抵抗１４により、熱としてエネルギを放散するようにしているので、キャパシタ蓄電部１３をコンパクトにしつつ、必要なときには有効利用できるようにして、船舶上での省スペース化も果たすことが可能となる。

特に、前記蓄電部１３に電気二重層キャパシタを採用しているため、小型にして極めて高効率なものになる。

そして、以上の低揺動船上ウィンチシステムＷＳ１を船舶の船体１に備えることによって、洋上で効率の良い荷役作業を行うことが可能となる。
＜第２実施形態＞

図２に示す低揺動洋上荷役システムたるウィンチシステムＷＳ２は、船舶の船体１に設置した複数のウィンチ２ａ〜２ｄからそれぞれワイヤ３ａ〜３ｄを垂下させて各々のワイヤ３ａ〜３ｄで水中に負荷である吊荷（台）４ａ〜４ｄを懸下し、各ウィンチ２ａ〜２ｄをそれぞれインバータ７ａ〜７ｄを通じて制御することで波やうねりなどの影響を排して吊荷４ａ〜４ｄを低揺動で水中に保持するものである。図１と共通する部分には同一符号を付している。

そのために、ウインチ２ａ、前記電動モータ９ａ及びインバータ８ａによって駆動ユニットＵａが構成され、他のウィンチ２ｂ〜２ｄ、電動モータ９ｂ〜９ｄ、インバータ７ｂ〜７ｄによっても駆動ユニットＵｂ、Ｕｃ、Ｕｄが構成される。そして、各駆動ユニットＵａ〜Ｕｄを、前記エンジン１０、前記発電機５、前記整流部６及び前記蓄電部１３からなる共通の電源ユニットＵｚの給電ライン１１に並列的に接続している。揺動制御部８は各々のウィンチ２ａ〜２ｄ若しくはウィンチ設置場所の加速度信号から速度を取得して対応するインバータ７ａ〜７ｄに制御信号を入力し、各電動モータ９ａ〜９ｄを駆動するように構成される。各々のウィンチ２ａ〜２ｄが船体１の浮き沈みを打ち消すようにワイヤ３ａ〜３ｄの繰り出し又は巻き取りを行う結果、各ワイヤ３ａ〜３ｄが引っ張られ又は弛んだ状態になることが防止されて、吊荷４ａ〜４ｄをそれぞれ波の影響を受けずに水中に安定的に保持する。

このように、前記ウインチ２ａ〜２ｄ、前記電動モータ９ａ〜９ｄ及び前記インバータ７ａ〜７ｄからなる複数の駆動ユニットＵａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄを備え、各駆動ユニットＵａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄを、前記エンジン１０、前記発電機５、前記整流部及び前記蓄電部１３からなる共通の電源ユニットＵｚの給電ライン１１に並列的に接続しているので、例えば駆動ユニットＵａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄごとに蓄電部１３を設けた場合に比べて、揺動制御時に発生する供給と吸収といったエネルギの脈動を平滑化することができ、必要電力を有効に低減することが可能になる。揺動制御時には、複数の駆動ユニットＵａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄを給電ライン１１上の共通の蓄電部１３に接続することで、各ウインチ２ａ〜２ｄを駆動する電動モータ９ａ〜９ｄがエネルギを補完し合い、また電流の位相が逆相となる各ウインチ２ａ〜２ｄを駆動する電動モータ９ａ〜９ｄの電流成分が給電ライン１１上で打ち消し合って蓄電部１３への電流の出入りが減少する。このため、それぞれのウインチ２ａ〜２ｄを駆動する電動モータ９ａ〜９ｄのピークに合った容量の蓄電部１３を用意する必要がなく、ウィンチ２ａ〜２ｄの駆動にあたってトータルで生じる損失分のみを供給できる程度の容量にまで発電機５を小型化することが可能になる。
＜第３実施形態＞

図３に示す低揺動洋上荷役システムたる低揺動船上ウィンチシステムＷＳ３は、吊荷４の揺動を抑えつつ水中に吊荷４を一定の姿勢に保つために、複数のウィンチ２ｅ〜２ｈを船体１に配置し、各々のウィンチ２ｅ〜２ｈからそれぞれワイヤ３ｅ〜３ｈを垂下させて、これらのワイヤ３ｅ〜３ｈにより、水中の共通の吊荷４の複数個所を協働して支持するものである。図２と共通する部分には同一符号を付している。

各駆動ユニットＵｅ、Ｕｆ、Ｕｇ，Ｕｈは、船上の４箇所に配置されている。駆動ユニットＵｅ、Ｕｇと駆動ユニットＵｆ，Ｕｈとは、船体１の重心位置Ｏ１またはローリングの中心位置Ｏｒを挟んで進行方向と直交する左右方向両側に略対称な位置関係に配置され、また、駆動ユニットＵｅ、Ｕｆと駆動ユニットＵｇ，Ｕｈとは、船体１の重心位置Ｏｇまたはピッチングの中心位置Ｏｐを挟んで進行方向両側に略対称な位置関係に配置されている。

このため、船体１が左右に揺れるローリング時には、駆動ユニットＵｅ、Ｕｇと駆動ユニットＵｆ、Ｕｇとは、何れか一方が回生となるときには他方が力行となって、回生電流と力行電流が同期して表れ大きさもほぼ釣り合うので、キャパシタ蓄電部１３や発電機５の効率的な負荷軽減が図られ、また、船体１が前後に揺れるピッチング時には、駆動ユニットＵｅ、Ｕｆと駆動ユニットＵｇ、Ｕｈとは、何れか一方が回生となるときには他方が力行となって、回生電流と力行電流が同期して表れ大きさもほぼ釣り合うので、この場合にもキャパシタ蓄電部１３や発電機５の効率的な負荷軽減が図られることとなる。
＜第４実施形態＞

図４に示す低揺動洋上荷役システムたる低揺動船上ウィンチシステムＷＳ４は、４つの駆動ユニットＵａ〜Ｕｄを有している点で第２実施形態と同様であるが、キャパシタ蓄電部１３´を含む電源ユニットＵｚ´の構成を異にしている。

すなわち、この電源ユニットＵｚ´は、発電機５からの交流出力が整流部６によって整流されるまでの間の給電ライン１１上に整流部６´を介してキャパシタ蓄電部１３´を接続し、また、給電ライン１１上、発電機５のすぐ出口にパワー吸収抵抗１４´を配置したものである。符号２０で示すものはＡＣインバータである。このように、各要素部品の配置は上記各実施形態においても種々に変形が可能である。
＜第５実施形態＞

図５に示す低揺動洋上荷役システムたる低揺動船上ウィンチシステムＷＳ５は、船体１１の船底から吊索であるウィンチ２ａ´〜２ｄ´のワイヤ３ａ´〜３ｄ´を水中に垂下させた点で、船体の側壁の外側にウィンチの繰り出し端を持ち出してそこからワイヤを水中に垂下させた上記各実施形態とは構成が異なるものである。このように、吊索の水中への垂れ下げ方も、種々の変形実施が可能である。

以上、本発明の幾つかの実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、本発明を低揺動船上クレーンシステムとして構成してもよいし、船体以外にも洋上の種々の浮遊物に対して本発明を適用することもできる。

また、荷役機構はウィンチに限らず、クレーンの昇降であってもよい。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…船体
２、２ａ〜２ｄ、２ｅ〜２ｈ…荷役機構（ウィンチ）
３、３ａ〜３ｄ、３ｅ〜３ｈ…ワイヤ
５…発電機
６…整流部
７、７ａ〜７ｄ、７ｅ〜７ｈ…インバータ
８…揺動制御部
９…電動モータ
１０…エンジン
１１…給電ライン
１３…蓄電部
１４…吸収抵抗
Ｏｇ…重心位置
Ｏｒ…ローリングの中心位置
Ｏｐ…ピッチングの中心位置
Ｕａ〜Ｕｄ…駆動ユニット
Ｕｅ〜Ｕｈ…駆動ユニット
Ｕｚ…電源ユニット
ＷＳ１〜ＷＳ４…低揺動洋上荷役システム（低揺動船上ウィンチシステム）

Claims (4)

1. エンジンを動力源とする発電機と、この発電機が発生する電力を直流に変換する整流部と、この整流部が発生する直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータからの出力により駆動される電動モータと、この電動モータの動力で吊索の繰り出し又は巻き取りを行うウィンチ等の荷役機構と、洋上での揺動に伴う荷役機構若しくは荷役機構が設置された部位の上下方向の変位に応じて前記インバータを通じ前記荷役機構による吊索の昇降を制御することで当該吊索に懸下された水中の吊荷の位置を略一定に保つ制御を行う揺動制御部とを具備するとともに、前記発電機から前記インバータに向かう給電ラインの一部に直流電力を備蓄する蓄電部を接続して、前記揺動制御部による回生時に前記電動モータから回生エネルギを蓄え、蓄えたエネルギを力行時に前記電動モータに供給し得るようにしたものであって、
   前記荷役機構、前記電動モータ及び前記インバータからなる駆動ユニットを、船舶、洋上浮体構造物等の洋上浮遊体の重心位置またはローリングの中心位置を挟んで進行方向と直交する左右方向両側の略対称な位置に配置し、又は、船舶、洋上浮体構造物等の洋上浮遊体の重心位置またはピッチングの中心位置を挟んで進行方向両側の略対称な位置に配置し、各駆動ユニットを、前記エンジン、前記発電機、前記整流部及び前記蓄電部からなる共通の電源ユニットの給電ラインに並列的に接続して、各駆動ユニットの吊索で水中の板状物である吊り荷の複数箇所を協働して支持したことを特徴とする低揺動洋上荷役システム。
2. 電動モータで発生する回生エネルギの余剰分を放散する吸収抵抗を前記給電ラインに更に設けている請求項１に記載の低揺動洋上荷役システム。
3. 前記蓄電部は電気二重層キャパシタである請求項１又は２に記載の低揺動洋上荷役システム。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の低揺動洋上荷役システムを備えた船舶、洋上浮体構造物その他の洋上浮遊体。

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