JP5961734B1 - 軸駆動発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電モードから電気推進モードへ、あるいは、その逆へのモード切替えに要する時間を短縮する。【解決手段】主機エンジン１１、主機クラッチ１２を介して連結される推進用プロペラ１４及び軸発１３、軸発１３と船内母線２４との間の電力周波数を変換する他励式電力変換器１５、及び他励式電力変換器１５と船内母線２４とに無効電力を供給する同期調相機１７を有する。主機クラッチ１２で主機エンジン１１を推進用プロペラ１４に連結し軸発１３の出力電力を船内母線２４へ供給する発電モードから、主機クラッチ１２で主機エンジン１１を推進用プロペラ１４から切り離し軸発１３を駆動する電気推進モードへ、又は電気推進モードから発電モードへ切替える場合、同期調相機１７を船内母線２４に接続して駆動させた状態で軸発１３の出力がゼロになったことを確認し当該モードの切替えを行う。【選択図】図１

Description

この発明は、船舶内の軸駆動発電システムに関する。

船舶内の軸駆動発電システムに関し、軸駆動発電機が発電した電力を船内母線に供給するための種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１は、軸駆動発電システムに高調波抑制装置として二重巻線交流リアクトルを適用する技術について開示している。特許文献１の技術は、軸駆動発電機が発電した電力を電力変換器で周波数変換した際に生じる高調波が船内母線へ流出することを抑制可能としている。

特許文献２は、軸駆動発電システムにおける外部からの励磁電源を直流バッテリからの初期励磁のみとし、その他の励磁電源を全て軸駆動発電機の出力から供給する技術について開示している。特許文献２の技術は、船内母線喪失時においても軸駆動発電機を非常用発電機として使用可能としている。

また、主機エンジン故障を想定し、軸駆動発電機を推進電動機として使用する軸駆動発電システムについても、種々の技術が提案されている。軸駆動発電機を推進電動機として使用する軸駆動発電システムでは、船内母線を介して供給される電力が電力変換器で周波数変換され、軸駆動発電機に供給される。これにより、主機エンジン故障時においても推進電動機によって推進力を得ることが可能である。

特開２０００−１９７２６９号公報 特開２００６−１６６４９４号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、従来の軸駆動発電システムは、以下のような点について検討の余地がある。

近年では、環境破壊への配慮から、船舶の排ガス規制が強化されることが予想されている。排ガス規制に対する対策として、船舶を運航する速度領域に応じて、主機エンジンによる推進と、軸駆動発電機を推進電動機として使用した電気推進による推進とを使い分けることが考えられる。一例としては、湾内のような低速度領域では主機エンジンを停止して船舶を電気推進させ、一定速度以上の中高速度領域では主機エンジンを駆動して主機エンジンで船舶を推進させることが考えられる。

ところで、軸駆動発電機は、主機エンジンで航行中は、“発電モード”で運転されており、軸駆動発電機を推進電動機として“電気推進モード”で使用するには、制御の切替えが必要となる。

従来の発電モードから電気推進モードへの切替えは、主機エンジン故障時の運用を想定しているため、軸駆動発電システムを一旦停止させた後に、電気推進モードへ切替える手順となっている。したがって、従来の軸駆動発電システムでは、発電モードから電気推進モードへの切替え、あるいは、その逆へのモード切替えに、長時間を要し、その点について検討の余地がある。

本発明が解決しようとする課題は、発電モードから電気推進モードへ、あるいは、その逆へのモード切替えに要する時間を短縮し得る軸駆動発電システムを提供することである。

実施形態の軸駆動発電システムは、主機エンジンと、上記主機エンジンに主機クラッチを介して連結される推進用プロペラ及び軸駆動発電機兼推進電動機と、上記軸駆動発電機兼推進電動機と船内母線との間を接続し、その間の電力周波数を変換する他励式電力変換器と、上記他励式電力変換器と上記船内母線との間に接続され、上記他励式電力変換器及び上記船内母線に無効電力を供給する同期調相機とからなる軸駆動発電システムにおいて、上記主機クラッチで上記主機エンジンを上記推進用プロペラに連結し、上記軸駆動発電機兼推進電動機によって発電された出力電力を上記他励式電力変換器で上記船内母線の周波数に応じた電力に変換し上記船内母線へ供給する発電モードから、上記主機クラッチで上記主機エンジンを上記推進用プロペラから切り離し、上記船内母線の電力を上記他励式電力変換器で上記軸駆動発電機兼推進電動機の回転数指令値に応じた周波数の電力に変換し、上記軸駆動発電機兼推進電動機を駆動する電気推進モードへ、あるいは、上記電気推進モードから上記発電モードへ切替える場合に、上記同期調相機を上記船内母線に接続して駆動させた状態で、上記軸駆動発電機兼推進電動機の出力がゼロになったことを確認して当該モードの切替えを行うよう制御する。

この発明の一実施形態に係る軸駆動発電システムの構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態における制御部の構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態における発電モードから電気推進モードへのモード切替えの動作の一例を示すフローチャートである。 同実施形態における軸発運転開始／停止制御の動作の一例を示すフローチャートである。 同実施形態における電気推進モードから発電モードへのモード切替えの動作の一例を示すフローチャートである。 従来の軸駆動発電システムの構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態における制御部の構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態における発電モード制御演算回路の構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態における電気推進モード制御演算回路の構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態における発電モードから電気推進モードへのモード切替えの動作の一例を示すフローチャートである。 同実施形態における軸発運転開始／停止制御の動作の一例を示すフローチャートである。 同実施形態におけるモード切替え許可制御の動作の一例を示すフローチャートである。 同実施形態におけるスイッチ切替え制御の動作の一例を示すフローチャートである。 同実施形態における電気推進モードから発電モードへのモード切替えの動作の一例を示すフローチャートである。

以下、一実施形態について図面を用いて説明するが、その前に、従来の軸駆動発電システムにおける発電モードと電気推進モードとの切替え制御について、構成例を示し説明する。

図６は、従来の軸駆動発電システムの構成の一例を示すブロック図である。軸駆動発電システム１は、主機エンジン１１、主機クラッチ１２、軸駆動発電機（ＳＧＳ：Shaft Generator System）兼推進電動機（ＳＧＭ：Shaft Generator Motor）１３、推進用プロペラ１４、他励式電力変換器１５、二重巻線交流リアクトル１６、同期調相機１７、ポニーモータ１８、ポニーモータ駆動用インバータ１９、制御部２０、遮断器２１，２２，２３、船内母線２４、船内ディーゼル発電機２５、界磁巻線２６，２７、自動電圧調整器（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）２８，２９、変圧器３０，３１、位置検出器３２、及び回転数検出器３３を備えている。なお、以下の説明において、軸駆動発電機兼推進電動機１３は、軸発１３と読替えるものとする。軸駆動発電システム１を発電モードで制御する場合は、主機クラッチ１２で主機エンジン１１と推進用プロペラ１４及び軸発１３を連結し、主機エンジン１１により船舶を推進させると共に、軸発１３によって発電された出力電力を他励式電力変換器１５で周波数変換して船内母線２４へ供給する。電気推進モードで制御する場合は、主機クラッチ１２で主機エンジン１１と軸発１３とを切り離し、主機エンジン１１を停止させると共に、他励式電力変換器１５で船内母線２４の電力を回転指令値に応じた周波数の電力に周波数変換して軸発１３へ出力し、軸発１３で推進用プロペラ１４を駆動し、船舶を推進させる。

主機エンジン１１は、通常は主機クラッチ１２を介して軸発１３及び推進用プロペラ１４と連結されている。主機エンジン１１は、船舶内におけるディーゼル機関等のエンジンであり、推進用プロペラ１４を駆動させることで船舶を推進させる。主機エンジン１１の故障が検知されると、船体操作盤３４からの指令信号により主機クラッチ１２を脱状態とする。これにより、主機エンジン１１は、軸発１３及び推進用プロペラ１４から切り離される。

軸発１３は、発電モードでは、主機エンジン１１から供給される軸トルクによって交流電力を発電し、その出力電力を他励式電力変換器１５、二重巻線交流リアクトル１６、同期調相機１７、及び遮断器２２を介して、最終的に船内母線２４に供給する。また、電気推進モードでは、軸発１３は、推進電動機として動作し、他励式電力変換器１５を介して船内母線２４から給電される電力で、推進用プロペラ１４を駆動する。

なお、軸発１３の界磁巻線２６には、自動電圧調整器２８が設けられ、軸発１３の出力電圧を一定電圧に調整している。

また、軸発１３には、軸発１３の回転子の位置を検出するための位置検出器３２が設けられ、軸発１３の回転子の位置の情報を位置検出信号Ｎ_ＳＧＭ０として検出し、制御部２０に出力している。

また、軸発１３と他励式電力変換器１５との間の電路には、軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧを検出するための変圧器３０が接続され、制御部２０にその出力電力Ｖ_ＳＧを出力している。

他励式電力変換器１５は、サイリスタコンバータ１５１及びサイリスタインバータ１５２を備えている。他励式電力変換器１５は、軸発１３と船内母線２４との間の電路に接続され、制御部２０からサイリスタゲートパルス（以下、ゲートパルスという。）を受信する。ここで、ゲートパルスは、サイリスタコンバータ１５１に入力されるコンバータゲートパルス、及びサイリスタインバータ１５２に入力されるインバータゲートパルスを含む。他励式電力変換器１５は、受信したゲートパルスに基づき、他励式電力変換器１５に入力される電力を周波数変換する。

具体的には、発電モードでは、他励式電力変換器１５は、軸発１３によって発電された出力電力を受け、ゲートパルスに基づき、船内母線２４の周波数に応じた周波数の電力に変換する。この場合、サイリスタコンバータ１５１は、制御部２０から受信したコンバータゲートパルスに基づき、軸発１３から送出された電力を直流電力に変換し、サイリスタインバータ１５２に送出する。サイリスタインバータ１５２は、制御部２０から受信したインバータゲートパルスに基づき、サイリスタコンバータ１５１から送出された直流電力を船内母線２４の周波数に応じた周波数の交流電力に変換し、船内母線２４に出力する。

また、電気推進モードでは、他励式電力変換器１５は、船内母線２４の電力を受け、ゲートパルスに基づき、図示しない軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒに応じた周波数の電力に変換し、軸発１３へ出力する。この場合、サイリスタコンバータ１５１は、サイリスタインバータとして動作し、サイリスタインバータ１５２は、サイリスタコンバータとして動作する。すなわち、サイリスタコンバータとして動作するサイリスタインバータ１５２は、コンバータゲートパルスとして動作するインバータゲートパルスに基づき、船内母線２４から送出された電力を直流電力に変換し、サイリスタインバータとして動作するサイリスタコンバータ１５１に送出する。サイリスタコンバータ１５１は、コンバータゲートパルスに基づき、サイリスタインバータ１５２から送出された直流電力を図示しない軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒに応じた周波数の交流電力に変換し、軸発１３を駆動する。

なお、サイリスタインバータ１５２と二重巻線交流リアクトル１６との間の電路には、サイリスタインバータ１５２の交流電圧を検出するための変圧器３１が接続され、制御部２０にその検出電圧を出力している。

同期調相機１７は、他励式電力変換器１５と船内母線２４との間に設けられている二重巻線交流リアクトル１６の中間タップに接続され、他励式電力変換器１５及び船内母線２４へ無効電力を供給する。また、同期調相機１７は、二重巻線交流リアクトル１６との組合せにより、他励式電力変換器１５から出力される出力電圧の波形歪みを抑制する。

なお、同期調相機１７の界磁巻線２７には、自動電圧調整器２９が設けられ、同期調相機１７の出力電圧を一定電圧に調整する。また、同期調相機１７は、ポニーモータ１８からトルクを供給されて、停止した状態から始動させることが可能である。なお、ポニーモータ１８は、遮断器２１を介して船内母線２４に接続されたポニーモータ駆動用インバータ１９によって駆動される。

また、同期調相機１７には、同期調相機１７の回転速度を検出する回転数検出器３３が設けられ、同期調相機の回転数Ｎ_ＳＣを制御部２０に出力している。

なお、船内母線２４には、遮断器２３を介して船内ディーゼル発電機２５が接続され、船内ディーゼル発電機２５から出力電力が供給される。

船体操作盤３４は、船内を統括的に制御するための指令信号を送信する機能を有し、主配電盤等で構成される。船体操作盤３４は、発電モードと電気推進モードとの相互のモード切替えに際して、制御部２０に複数の指令信号を送信する。ここで、複数の指令信号は、軸発運転信号又は軸発停止信号（以下、軸発制御信号という。）、発電モード信号又は電気推進モード信号（以下、モード信号という。）を含む。また、複数の指令信号は、軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒ及び同期調相機１７の回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒを含む。

船体操作盤３４は、主機エンジン１１の故障を検知した場合、主機クラッチ１２を脱状態として主機エンジン１１を軸発１３及び推進用プロペラ１４から切り離すと共に、軸発制御信号、すなわち、軸発停止信号を制御部２０へ出力し、他励式電力変換器１５の制御を停止させる。その後、遮断器２２を開き、同期調相機１７を船内母線２４から解列させ、発電モードを停止させる。そして、電気推進モードへ切替えて軸発１３を推進電動機として駆動する場合は、ポニーモータ１８を駆動して、停止した同期調相機１７を再始動し、同期調相機１７を船内母線２４へ遮断器２２を介して接続する。その後、軸発制御信号、すなわち、軸発運転信号を制御部２０へ出力し、他励式電力変換器１５を制御して、船内母線２４の電力を軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒに応じた周波数の電力に変換し、軸発１３を駆動する。

制御部２０は、発電モードから電気推進モードへのモード切替え、及び電気推進モードから発電モードへのモード切替えを制御する機能を有する。制御部２０は、船体操作盤３４から複数の指令信号を受信し、各部３０，３１，３２，３３から複数のセンサ情報をそれぞれ受信する。ここで、センサ情報は、位置検出器３２から受信する位置検出信号Ｎ_ＳＧＭ０、回転数検出器３３から受信する同期調相機回転数Ｎ_ＳＣ、変圧器３０から受信する軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧ、及び変圧器３１から受信するサイリスタインバータ１５２の交流電圧を含む。制御部２０は、受信した各指令信号に基づいてゲートパルスを生成し、他励式電力変換器１５に送信する。

具体的に、制御部２０は、図７に示す如く、軸発システム運転／停止切替え回路２０１、モード選択回路２０２、モード切替え許可回路２０３、回転数演算器２０４、発電モード制御演算回路２０５、電気推進モード制御演算回路２０６、及びゲート切替えスイッチ２０７，２０８を備えている。

軸発システム運転／停止切替え回路２０１は、船体操作盤３４から軸発制御信号、すなわち、軸発運転信号を受信した場合は、“１”を軸発判定信号として生成し、また、軸発停止信号を受信した場合は、“０”を軸発判定信号として生成する。軸発システム運転／停止切替え回路２０１は、この生成した軸発判定信号を発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６に出力する。

モード選択回路２０２は、船体操作盤３４からモード信号、すなわち、発電モード信号、電気推進モード信号を受信し、当該モード信号に応じてモード判定信号を生成する。モード選択回路２０２は、発電モード信号を受信した場合は、“Ａ”をモード判定信号として生成し、電気推進モード信号を受信した場合は、“Ｂ”をモード判定信号として生成する。モード選択回路２０２は、この生成したモード判定信号をゲート切替えスイッチ２０７，２０８に送信する。

モード切替え許可回路２０３は、変圧器３０から軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧを受信し、回転数検出器３３から同期調相機１７の回転数Ｎ_ＳＣを受信する。モード切替え許可回路２０３は、同期調相機１７及び軸発１３の停止を確認した後、モード切替え許可信号を生成する。具体的には、モード切替え許可回路２０３は、同期調相機１７の回転数Ｎ_ＳＣが“０”であり、かつ軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”である場合、モード切替え許可信号を生成し、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８に送信する。

回転数演算器２０４は、位置検出器３２から位置検出信号Ｎ_ＳＧＭ０を受信して軸発１３の回転位相および回転数Ｎ_ＳＧＭを算出し、電気推進モード制御演算回路２０６に送信する。

発電モード制御演算回路２０５は、船体操作盤３４から同期調相機１７の回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒ、すなわち、同期調相機１７が船内母線２４の周波数に応じた回転数で回転する指令値と、回転数検出器３３から検出される同期調相機１７の回転数Ｎ_ＳＣと、軸発システム運転／停止切替え回路２０１から出力される軸発判定信号を受信し、軸発判定信号が“１”の場合は、回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒと回転数Ｎ_ＳＣとの差に応じたコンバータゲートパルス及びインバータゲートパルスを生成し、それぞれゲート切替えスイッチ２０７，２０８の端子“Ａ”に送信する。具体的には、発電モード制御演算回路２０５は、図８に示すように、制御演算器２０５１、及びゲートパルス生成回路２０５２，２０５３を備え、回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒと回転数Ｎ_ＳＣとの差を制御演算器２０５１に入力して、制御演算器２０５１に軸発運転信号である“１”を受信すると、その差の大きさに応じた制御演算値β_１，β_２、すなわち、軸発１３から出力される電力を変換し、その周波数が船内母線２４の周波数と同じになるような演算値を算出し、制御演算値β_１をゲートパルス生成回路２０５２に、制御演算値β_２をゲートパルス生成回路２０５３にそれぞれ送信する。また、制御演算器２０５１は、軸発停止信号である“０”を受信すると、制御演算値β_１，β_２を演算せずに、それぞれのゲートパルス生成回路２０５２，２０５３は、ゲートパルスを生成しない。

電気推進モード制御演算回路２０６は、船体操作盤３４から軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒと、回転数演算器２０４から出力される軸発１３の回転数Ｎ_ＳＧＭと、軸発システム運転／停止切替え回路２０１から出力される軸発判定信号とを受信し、軸発判定信号が“１”の場合は、回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒと回転数Ｎ_ＳＧＭとの差に応じたコンバータゲートパルス及びインバータゲートパルスを生成し、それぞれゲート切替えスイッチ２０７，２０８の端子“Ｂ”に送信する。具体的には、電気推進モード制御演算回路２０６は、図９に示すように、制御演算器２０６１、及びゲートパルス生成回路２０６２，２０６３を備え、回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒと回転数Ｎ_ＳＧＭとの差を制御演算器２０６１に入力して、軸発運転信号である“１”を受信すると、軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒと回転数Ｎ_ＳＧＭとの差の大きさに応じた制御演算値β_３，β_４、すなわち、軸発１３の回転数Ｎ_ＳＧＭが回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒとなるように制御する演算値を算出し、制御演算値β_３をゲートパルス生成回路２０６２に、制御演算値β_４をゲートパルス生成回路２０６３にそれぞれ送信する。また、制御演算器２０６１は、軸発停止信号である“０”を受信すると、制御演算値β_３，β_４を演算せずに“０”を代入し、それぞれのゲートパルス生成回路２０６２，２０６３は、ゲートパルスを生成しない。

ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、図示しないロック機構を備え、モード切替え許可回路２０３からモード切替え許可信号を受信すると、当該ロック機構を解除し、スイッチ切替えが実行できる状態となる。ゲート切替えスイッチ２０７，２０８がモード切替え許可信号を受信した状態で、それぞれモード選択回路２０２からモード判定信号、すなわち、発電モード信号である “Ａ”を受信すると、端子“Ａ”を閉に切替え、電気推進モード信号である“Ｂ”を受信すると、端子“Ｂ”を閉に切替える。

これにより、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８の端子“Ａ”を介して発電モード制御演算回路２０５とサイリスタコンバータ１５１、サイリスタインバータ１５２とを接続し、端子“Ｂ”を介して電気推進モード制御演算回路２０６とサイリスタコンバータ１５１、サイリスタインバータ１５２とを接続する。

また、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、端子の開閉が切替えられると、自動的にスイッチ切替えをロックしてもよい。

次に、以上のように構成された従来の軸駆動発電システム１のモード切替え動作について説明する。まず、発電モードから電気推進モードへのモード切替え動作について、図１０乃至図１４に示すフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳＴ１１０において、船体操作盤３４は、主機エンジン１１に故障が発生したことを検知する。船体操作盤３４は、主機クラッチ１２を脱状態とし、主機エンジン１１を軸発１３及び推進用プロペラ１４から切り離すと共に、ステップＳＴ１２０において、軸発停止信号を制御部２０の軸発システム運転／停止切替え回路２０１に出力し、発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６の演算制御を止める軸発運転停止制御を行う。これにより、他励式電力変換器１５は、電力変換機能を停止するので、ステップＳＴ１３０において、遮断器２２を開とし、同期調相機１７を遊転させ、停止させる。

軸発システム運転／停止切替え回路２０１は、図１１に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１３１−ＳＴ１３２，ＳＴ１３４を実行する。

ステップＳＴ１３１において、軸発停止信号が船体操作盤３４から入力されると、ステップＳＴ１３２で、軸発運転信号でないと判定し（ＳＴ１３２；ｎｏ）、ステップＳＴ１３４に進む。ステップＳＴ１３４は、軸発判定信号として“０”を生成し、発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６に送信（出力）する。発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６は、受信した軸発判定信号“０”に応じてゲートパルスを生成せず、他励式電力変換器１５へのゲートパルス出力を停止する。これにより、他励式電力変換器１５は、軸発１３から出力される電力を周波数変換する機能を停止する。以上で、ステップＳＴ１３１−ＳＴ１３２，ＳＴ１３４の軸発運転停止制御が終了する。

その後、図１０のステップＳＴ１４０のモード切替え許可制御で軸発１３の出力電圧がゼロとなったこと、同期調相機１７の回転が停止していること、すなわち、発電モードから電気推進モードへ切替えても問題ないことを確認する。具体的には、図１２に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１４１−ＳＴ１４３を実行する。

ステップＳＴ１４１において、回転数検出器３３から同期調相機１７の回転数Ｎ_ＳＣを受信し、当該回転数Ｎ_ＳＣが“０”であるか否かを判定する。回転数Ｎ_ＳＣが“０”でない場合（ＳＴ１４１；ｎｏ）、ステップＳＴ１４１に戻り、回転数Ｎ_ＳＣが“０”である場合（ＳＴ１４１；ｙｅｓ）、ステップＳＴ１４２に進む。

ステップＳＴ１４２において、変圧器３０から軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧを受信し、当該出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”であるか否かを判定する。出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”でない場合（ＳＴ１４２；ｎｏ）、ステップＳＴ１４２に戻り、出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”である場合（ＳＴ１４２；ｙｅｓ）、ステップＳＴ１４３に進む。ステップＳＴ１４３において、同期調相機１７及び軸発１３が停止したことを確認し、モード切替え許可信号を生成する。以上により、モード切替え許可回路２０３は、生成したモード切替え許可信号をゲート切替えスイッチ２０７，２０８に送信する。ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、受信したモード切替え許可信号に応じて、スイッチ切替えのロックを解除する。

次に、図１０のステップＳＴ１５０において、スイッチ切替え制御を実行する。具体的には、モード選択回路２０２が図１３に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１５１−ＳＴ１５２，ＳＴ１５４を実行する。

ステップＳＴ１５１において、モード信号として電気推進モード信号が船体操作盤３４から入力されると、モード信号が発電モード信号でないと判定し（ＳＴ１５２；ｎｏ）、ステップＳＴ１５４において、モード判定信号として“Ｂ”を生成し、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８に送信（出力）する。この時、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、モード切替え許可回路２０３Ａからモード切替え許可信号を入力しており、スイッチ切替えのロックを解除しているので、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、受信したモード判定信号に応じて、スイッチを“Ａ”から“Ｂ”に切替える。以上で、ステップＳＴ１５１−ＳＴ１５２，ＳＴ１５４のスイッチ切替え制御が終了する。

この状態で図１０のステップＳＴ１６０に移り、船体操作盤３４は、ポニーモータ１８を駆動して、停止している同期調相機１７を再始動させ、遮断器２２を投入して同期調相機１７を船内母線２４に同期投入する。同期調相機１７が同期投入に達したことを確認した後ステップＳＴ１７０において、船体操作盤３４から軸発運転信号が軸発システム運転／停止切替え回路２０１へ出力され、図１１に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１３１−ＳＴ１３３を実行する。

ステップＳＴ１３１において、軸発運転信号が入力されると、ステップＳＴ１３２において、軸発制御信号が軸発運転信号であると判定し（ＳＴ１３２；ｙｅｓ）、ステップＳＴ１３３から、軸発判定信号である “１”を発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６に送信する。これにより、発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６は、それぞれ同期調相機１７の回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒとその回転数Ｎ_ＳＣ、軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒとその回転数Ｎ_ＳＧＭの差に応じた制御信号を、それぞれゲート切替えスイッチ２０７，２０８へ出力する。ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、モード選択回路２０２からの信号により、それぞれ“Ｂ” に切替わっているので、電気推進モード制御演算回路２０６の制御信号を他励式電力変換器１５へ出力し、軸発１３を、回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒとなるように駆動を開始する。以上により、発電モードから電気推進モードへのモード切替えが完了する。

次に、電気推進モードから発電モードへのモード切替え動作について図１４に示すフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳＴ２１０において、船体操作盤３４から軸発停止信号が軸発システム運転／停止切替え回路２０１へ出力されると、図１１のフローチャートにしたがって軸発運転停止制御が開始され、軸発システム運転／停止切替え回路２０１から、発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６へ、それぞれ“０”を出力してゲートパルスの生成を停止し、軸発１３の回転を停止させる。その後、ステップＳＴ２２０において、船体操作盤３４からの指示によって遮断器２２を開き、同期調相機１７を遊転、停止させる。

次に、図１４のステップＳＴ２３０のモード切替え許可制御を行い、軸発１３の出力電圧がゼロになったこと、同期調相機１７の回転が停止していること、すなわち、電気推進モードから発電モードへ切替えても問題ないことを確認し、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８のロックを解除する。

モード選択回路２０２は、図１４のステップＳＴ２４０において、スイッチ切替え制御を実行する。具体的には、図１３に示すフローチャートにしたがい、モード判定信号として“Ａ”を生成し、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８に送信（出力）する。この時、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、モード切替え許可回路２０３Ａからモード切替え許可信号を入力しており、スイッチ切替えのロックを解除しているので、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、受信したモード判定信号に応じて、スイッチを“Ｂ”から“Ａ”に切替える。

これと共に、図１４のステップＳＴ２５０において、船体操作盤３４は、ポニーモータ１８を駆動して、停止している同期調相機１７を再始動させ、遮断器２２を投入して同期調相機１７を船内母線２４に同期投入する。

ステップＳＴ２６０において、船体操作盤３４は、主機クラッチ１２を連結させ、主機エンジン１１を駆動させる。これにより軸発１３は、主機エンジン１１の回転数に応じた周波数の電力を他励式電力変換器１５へ出力する。

この状態で、ステップＳＴ２７０において、船体操作盤３４から軸発開始信号が軸発システム運転／停止切替え回路２０１へ出力されると、図１１のフローチャートが実行され、発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６から、それぞれゲート切替えスイッチ２０７，２０８へ制御信号が出力される。ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、モード選択回路２０２からの信号により、それぞれ“Ａ”に切替わっているので、発電モード制御演算回路２０５の制御信号を他励式電力変換器１５へ出力し、軸発１３の出力電力を周波数変換して船内母線２４の周波数になるよう、すなわち、同期調相機１７の回転数Ｎ_ｓｃを回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒとなるように駆動を開始する。以上により、電気推進モードから発電モードへのモード切替えが完了する。

このように従来の軸駆動発電システムは、発電モードから電気推進モードへ、あるいは、電気推進モードから発電モードへ切替えるときに、システム全体を一旦停止してモード切替えを行っており、スムーズな切替えが行えず、時間がかかっていた。

（一実施形態）
本発明は、このような軸駆動発電システムを短時間に、しかも、スムーズに発電モードから電気推進モードへ、あるいは、その逆へ切替えるようにしたもので、その構成の一例を説明する。図１は、本実施形態に係る軸駆動発電システム１の構成の一例を示すブロック図で、図６に示す従来の軸駆動発電システム１と比較して、制御部２０Ａのみが異なっている。したがって、以下では、図６と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる機能について主に述べる。

図２は、本実施形態に係る制御部２０Ａの構成の一例を示すブロック図である。本実施形態に係る制御部２０Ａは、発電モードから電気推進モードへのモード切替えをする場合、または電気推進モードから発電モードへのモード切替えをする場合、同期調相機１７を船内母線２４に接続して駆動させたまま、軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”であることを確認したうえで、モード切替えを行う機能を付加したものである。すなわち、本実施形態に係る制御部２０Ａの構成は、図７に示す従来の制御部２０と比較して、モード切替え許可回路を２０３Ａとする点と、このモード切替え許可回路２０３Ａに同期調相機１７の回転数Ｎ_ＳＣの信号が入力されない点が異なっており、その他の点については、同様の構成である。したがって、以下では、図７に示す従来の制御部２０と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる機能について主に述べる。

モード切替え許可回路２０３Ａは、変圧器３０からの軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧのみを受信する。モード切替え許可回路２０３Ａは、軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”である場合、モード切替え許可信号をゲート切替えスイッチ２０７，２０８に送信する。すなわち、モード切替え許可回路２０３Ａは、モード切替え許可制御において、同期調相機１７の停止を確認する手順を実行することなく、モード切替え許可信号を生成する機能を有する。

船体操作盤３４は、主機エンジン１１の故障を検知しない場合においても、主機クラッチ１２を脱状態として主機エンジン１１を切り離すと共に、制御部２０Ａにモード切替え指令信号を送信する機能を有する。なお、船体操作盤３４は、モード切替えに際し、遮断器２２を閉としたまま、モード切替え指令信号を制御部２０Ａに送信する。

次に、以上のように構成された本実施形態に係る軸駆動発電システム１のモード切替え動作について説明する。なお、モード切替え動作時、主機エンジン１１に故障は発生しておらず、軸駆動発電システム１は、発電モードで通常運航中であるとする。まず、発電モードから電気推進モードへのモード切替え動作について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

船体操作盤３４からのモード切替え指令信号を受け、ステップＳＴ３１０において、主機クラッチ１２を脱状態とし、主機エンジン１１を軸発１３及び推進用プロペラ１４から切り離す。この時、船体操作盤３４は、遮断器２２を閉としたままの状態を保ち、同期調相機１７は、船内母線２４に接続されて駆動したままの状態である。

ステップＳＴ３２０において、制御部２０Ａは、軸発運転停止制御を実行する。具体的には、軸発システム運転／停止切替え回路２０１は、図１１に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１３１−ＳＴ１３４を実行し、“０”を、それぞれ発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６へ出力する。これにより、他励式電力変換器１５は、電力変換機能を停止し、発電モードを停止する。なお、軸発運転停止制御の動作は、従来と同様のため、説明を省略する。

ステップＳＴ３３０において、制御部２０Ａは、モード切替え許可制御を実行する。具体的には、モード切替え許可回路２０３Ａは、図４に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ３３１−ＳＴ３３２を実行する。

モード切替え許可回路２０３Ａは、ステップＳＴ３３１において、変圧器３０から受信した軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”であるか否かを判定する。モード切替え許可回路２０３Ａは、出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”でない場合（ＳＴ３３１；ｎｏ）、ステップＳＴ３３１に戻り、出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”である場合（ＳＴ３３１；ｙｅｓ）、ステップＳＴ３３２に進む。

ステップＳＴ３３２において、モード切替え許可回路２０３Ａは、軸発１３の出力電圧Ｖ_ＳＧが“０”であることを確認し、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８にモード切替え許可信号を送信する。ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、受信したモード切替え許可信号に応じて、スイッチ切替えのロックを解除する。以上で、ステップＳＴ３３１−ＳＴ３３２のモード切替え許可制御が終了する。

図３のステップＳＴ３４０において、制御部２０Ａは、スイッチ切替え制御を実行する。具体的には、モード選択回路２０２は、図１３に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１５１−ＳＴ１５４を実行し、“Ｂ”を出力する。この時、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、モード切替え許可回路２０３Ａからモード切替え許可信号を入力しており、スイッチ切替えのロックを解除している。これにより、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、“Ｂ”へ切替わる。なお、スイッチ切替え制御の動作は、従来と同様のため、説明を省略する。

ステップＳＴ３５０において、制御部２０Ａは、軸発運転開始制御を実行する。具体的には、軸発システム運転／停止切替え回路２０１は、図１１に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１３１−ＳＴ１３３を実行し、“１”を、それぞれ発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６へ出力する。なお、軸発運転開始制御の動作は、従来の実施形態と同様の動作のため、説明を省略する。

以上により、他励式電力変換器１５へは、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８の端子“Ｂ”を介して、電気推進モード制御演算回路２０６から軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒと回転数Ｎ_ＳＧＭとの差に応じた制御信号が出力され、軸発１３は、他励式電力変換器１５によって、軸発１３の回転数指令値Ｎ_ＳＧＭ ^ｒに応じた回転数で、電動機として運転を開始し、同期調相機１７を船内母線２４に接続して駆動させたままの状態で、発電モードから電気推進モードへのモード切替えが完了する。

次に、電気推進モードから発電モードへのモード切替え動作について図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。

船体操作盤３４は、モード切替え指令信号を制御部２０Ａに送信する。この時、船体操作盤３４は、遮断器２２を閉としたままの状態を保ち、同期調相機１７は、船内母線２４に接続されて駆動したままの状態である。

ステップＳＴ４１０において、制御部２０Ａは、軸発運転停止制御を実行する。具体的には、軸発システム運転／停止切替え回路２０１は、図１１に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１３１−ＳＴ１３２，ＳＴ１３４を実行し、“０”を、それぞれ発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６へ出力する。これにより、他励式電力変換器１５は、電力変換機能を停止し、電気推進モードが停止する。なお、軸発運転停止制御の動作は、従来と同様のため、説明を省略する。

図５のステップＳＴ４２０において、制御部２０Ａは、モード切替え許可制御を実行する。モード切替え許可制御の動作は、本実施形態に係る発電モードから電気推進モードへのモード切替えにおける図４のステップＳＴ３３１−ＳＴ３３２と同じであり、軸発１３の出力電圧が“０”であることを確認してモード切替え許可信号をゲート切替えスイッチ２０７，２０８へ送信し、スイッチ切替えのロックを解除する。

ステップＳＴ４３０において、制御部２０Ａは、スイッチ切替え制御を実行する。具体的には、モード選択回路２０２は、図１３に示すフローチャートにしたがい、ステップＳＴ１５１−ＳＴ１５３を実行し、“Ａ”を出力する。この時、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、モード切替え許可回路２０３Ａからモード切替え許可信号を入力しており、スイッチ切替えのロックを解除している。これにより、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８は、“Ａ”へ切替わる。なお、スイッチ切替え制御の動作は、従来と同様のため、説明を省略する。

ステップＳＴ４４０において、船体操作盤３４は、主機クラッチ１２を連結させ、主機エンジン１１で軸発１３と推進用プロペラ１４を駆動させる。これにより、軸発１３は、主機エンジン１１の回転数に応じた周波数の電力を他励式電力変換器１５へ出力する。

ステップＳＴ４５０において、制御部２０Ａは、軸発運転開始制御を実行する。軸発運転開始制御の動作は、発電モードから電気推進モードへのモード切替えにおける図１１のステップＳＴ１３１−ＳＴ１３３と同じであり、“１”をそれぞれ発電モード制御演算回路２０５及び電気推進モード制御演算回路２０６へ出力する。

以上により、他励式電力変換器１５へは、ゲート切替えスイッチ２０７，２０８の端子“Ａ”を介して、発電モード制御演算回路２０５から同期調相機１７の回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒと実際の回転数Ｎ_ＳＣとの差に応じた制御信号が出力され、同期調相機１７が回転数指令値Ｎ_ＳＣ ^ｒに応じた回転数で回転、すなわち、軸発１３の出力電力を船内母線２４の周波数となるように変換して船内母線２４へ電力が供給され、電気推進モードから発電モードへのモード切替えが完了する。

上述したように、一実施形態によれば、制御部２０Ａは、発電モードから電気推進モードへ、または電気推進モードから発電モードへモード切替えを制御する場合、同期調相機１７を船内母線２４に接続して駆動させたままの状態で、軸発１３の出力電圧がゼロになったことを確認して当該モード切替えを行うよう制御するようにしている。これにより、従来において必要とされた同期調相機１７の停止、再始動、及び同期投入の手順を廃することができる。したがって、本実施形態によれば、発電モードから電気推進モードへのモード切替えに要する時間を短縮することができる。

補足すると、船体操作盤３４は、主機エンジン１１の故障の検知のみをモード切替えの条件としない。このため、船体操作盤３４は、同期調相機１７を停止させることなく、モード切替えを実行することができる。また、船体操作盤３４は、遮断器２２を閉とした状態でモード切替え指令信号を制御部２０Ａに送信することができる。

なお、本発明の一実施形態を説明したが、一実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。 このように、一実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。一実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…軸駆動発電システム、１１…主機エンジン、１２…主機クラッチ、１３…軸駆動発電機兼推進電動機（軸発）、１４…推進用プロペラ、１５…他励式電力変換器、１６…二重巻線交流リアクトル、１７…同期調相機、１８…ポニーモータ、１９…ポニーモータ駆動用インバータ、２０，２０Ａ…制御部、２１，２２，２３…遮断器、２４…船内母線、２５…船内ディーゼル発電機、２６，２７…界磁巻線、２８，２９…自動電圧調整器、３０，３１…変圧器、３２…位置検出器、３３…回転数検出器、３４…船体操作盤、１５１…サイリスタコンバータ、１５２…サイリスタインバータ、２０１…軸発システム運転／停止切替え回路、２０２…モード選択回路、２０３，２０３Ａ…モード切替え許可回路、２０４…回転数演算器、２０５…発電モード制御演算回路、２０６…電気推進モード制御演算回路、２０７，２０８…ゲート切替えスイッチ、２０５１，２０６１…制御演算器、２０５２，２０５３，２０６２，２０６３…ゲートパルス生成回路。

Claims (1)

1. 主機エンジンと、前記主機エンジンに主機クラッチを介して連結される推進用プロペラ及び軸駆動発電機兼推進電動機と、前記軸駆動発電機兼推進電動機と船内母線との間を接続し、その間の電力周波数を変換する他励式電力変換器と、前記他励式電力変換器と前記船内母線との間に接続され、前記他励式電力変換器及び前記船内母線に無効電力を供給する同期調相機とからなる軸駆動発電システムにおいて、
   前記主機クラッチで前記主機エンジンを前記推進用プロペラに連結し、前記軸駆動発電機兼推進電動機によって発電された出力電力を前記他励式電力変換器で前記船内母線の周波数に応じた電力に変換し前記船内母線へ供給する発電モードから、前記主機クラッチで前記主機エンジンを前記推進用プロペラから切り離し、前記船内母線の電力を前記他励式電力変換器で前記軸駆動発電機兼推進電動機の回転数指令値に応じた周波数の電力に変換し、前記軸駆動発電機兼推進電動機を駆動する電気推進モードへ、あるいは、前記電気推進モードから前記発電モードへ切り替える場合に、前記同期調相機を前記船内母線に接続して駆動させた状態で、前記軸駆動発電機兼推進電動機の出力電圧がゼロになったことを確認して当該モード切替えを行う
   ことを特徴とする軸駆動発電システム。