JP6238600B2

JP6238600B2 - 船内供給電源変換装置

Info

Publication number: JP6238600B2
Application number: JP2013137712A
Authority: JP
Inventors: 克則渡邊; 和也林田; 文彦垣野
Original assignee: Nippon Yusen KK; Tsuneishi Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Nippon Yusen KK; Tsuneishi Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: JP2015012738A

Description

本発明は、船舶に搭載されるポンプ等を駆動する電動モータを含めた電気機器に対して電力を供給するための船内供給電源変換装置に関する。

コンテナを輸送するコンテナ船や鉄鉱石を運搬する鉱石船等の種々の船舶には、電力により作動する電気機器が多数搭載されている。例えば、船舶の推進系統の制御機器にも電力が供給され、船舶に設けられた種々の付帯設備を構成する電気機器にも電力が供給される。これらの電気機器に対して電力を供給するために、エンジンにより駆動される発電機が船舶に搭載される。船舶に設けられる電気機器であって、使用電力量が大きいものとしては、バラストタンクに対してバラスト水の給排を行うポンプを駆動するための電動モータや、船舶のエンジンを冷却するための冷却水を供給する電動モータがある。

また、船舶に搭載されるエンジンや発電機などの各種機器を冷却するために、特許文献１に記載されるように、それぞれ電動モータにより駆動される一次冷却水ポンプと二次冷却水ポンプとを有する冷却システムが船舶に搭載されている場合もある。

特開２０１２−１２２３７１号公報

船舶に設けられた付帯設備としてのポンプ等を駆動するための電動モータは、船舶内の照明機器等の他の電気機器と同様に、商用周波数つまり常用周波数の電力により駆動される。電気機器に供給する電圧が相違する場合には、変圧器により電圧が調整されて、それぞれの電気機器に電力が供給される。

ポンプ等を駆動する電動モータを始めとして、これを含めて電力により作動する多数の電気機器が船舶に搭載されており、これらの電気機器に対して供給される電力を発生させるために、船舶には発電機が搭載されている。発電機はエンジンにより駆動されるので、エンジンの燃料を低減して省エネを図るためには、電気機器の使用電力を低減する必要がある。

船舶に搭載される電気機器の全使用電気量の7割以上は、ポンプ等を駆動する電動モータである。この電動モータの使用電力を削減する一般的な手法として、特許文献1にも用いられているインバータを使用し、電動モータの回転数を制御することがある。

船舶のシステム設計では、船舶に起こりうる条件のうち最低の条件においてもシステムが正常に作動することを強いられていることから、システムに必要な計画流量、揚程は実運航上に必要な流量、揚程以上となる。つまり、通常ありうる環境下での通常運航では、必要以上の能力で電動モータは運転していることになる。そこで、先に述べたインバータを使用して電動モータの制御を行い、システムの最適運転を行うことが使用電力の削減手段として有効となるが、更なる使用電力の削減を図り、船舶に搭載されているポンプ一つ一つにインバータを装備することは、システムの複雑化、信頼性の低下、コスト増加を招くこととなり、有効な手段とはならないと考えられる。

そこで、船舶の全システムが常用周波数域を下げた場合に正常に作動出来るか研究を行った結果、ある条件以下においては正常に作動することが判明した。

本研究は、常用周波数域を下げた場合に全システムに及ぼす影響を研究した結果、インバータを個々の電動モータに用いることなく、船内の使用電力を削減出来ることを達成した。

本発明の目的は、ポンプ等を駆動する電動モータを含めた船舶内の電気機器に対する発電エネルギーの省エネを達成することにある。

本発明の船内供給電源変換装置は、船舶に搭載されるポンプ駆動用の電動モータを含めた電気機器に対して供給される電力を制御する船内供給電源変換装置であって、船舶に搭載されるポンプを駆動するポンプ駆動用の電動モータと、それぞれ別々のエンジンにより駆動され、前記電動モータを含めた船舶内の電気機器に対して供給される電力を発生する複数の発電機と、前記エンジンの回転数を制御する回転数制御部に制御信号を送り、前記発電機が発生する電力の周波数を常用周波数と、当該常用周波数よりも小さい省エネ周波数とに切り換える制御手段と、前記制御手段に入力信号を送り、前記発電機の出力周波数を常用周波数と省エネ周波数とに切り換える入力手段とを有し、前記電気機器に対して常用周波数の電力を供給するときには複数の前記発電機をそれぞれ駆動し、前記電気機器に対して省エネ周波数の電力を供給するときには単一の前記発電機を駆動する。

船舶に搭載された電気機器には、エンジンにより駆動される発電機から電力が供給される。船舶内の電気機器にはポンプ等を駆動するための電動モータが含まれている。ポンプの吐出流量、吐出圧（揚程）は、電動モータに供給される電力の周波数によって変化するが、周波数の変化量に対するポンプの流量および揚程の変化量は、電動モータの出力の変化量よりも少ない。したがって、ポンプ等を駆動する電動モータの出力つまり発電機から電動モータに供給される電力の周波数を、常用周波数よりも低い周波数である省エネ周波数としても、流量および揚程をシステムに必要な値に維持しつつ、ポンプを省エネ駆動することができる。これにより、ポンプ等を駆動する電動モータを含めた船舶内の電気機器に対する発電エネルギーの省エネを達成することにある。

一実施の形態である船内供給電源変換装置を示すブロック図である。一般的なポンプ特性線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、ポンプ１１ａ〜１１ｄが船体に設けられている。このポンプ１１ａ〜１１ｄは羽根車から吐出される水が主として主軸に垂直な面内にあるポンプであり、図１に示される船舶用の電力制御装置により制御される。

船舶推進用のプロペラを駆動するためのメインエンジンつまり主機が船体に搭載されており、主機のウォータジャケットに冷却水の循環供給、軸の潤滑、燃料供給等のために、これらのポンプが設けられている。さらに、船体には、エンジン制御機器や照明器具などの多数の電気機器１３ａ〜１３ｎが搭載されている。ポンプ１１ａ〜１１ｄは電動モータ１４ａ〜１４ｄにより駆動される。

電動モータ１４ａ〜１４ｄを含めた全ての電気機器１３ａ〜１３ｎに対して供給される電力を発生させるために、複数の発電機２１〜２３が船体に搭載されており、それぞれの発電機２１〜２３は、内燃機関つまりエンジン２４〜２６により駆動される。図１には、船体に３つの発電機２１〜２３が搭載された場合が示されているが、船体のサイズに応じて任意の数の発電機が搭載される。３つの発電機２１〜２３により発生した電力は、分電制御盤２７からそれぞれの電気機器に対して供給される。分電制御盤２７は変圧器を有しており、電動モータ１４ａ〜１４ｄには例えば、４４０Ｖの電圧が供給され、他の電気機器１３ａ〜１３ｎには、例えば２２０Ｖまたは１００Ｖの電圧が供給される。全ての電気機器には、同一の周波数の電力が供給され、常用周波数としては６０Ｈｚが設定される。

それぞれの発電機２１〜２３により発生される電力の周波数は、エンジン２４〜２６の回転数により設定され、エンジン２４〜２６の回転数により発電機２１〜２３からの出力電力の周波数が設定される。エンジン２４〜２６の回転数は、それぞれのエンジン２４〜２６に設けられた調速機２４ａ〜２６ａを有する回転数制御部により調整される。エンジン回転数は、エンジンに供給される燃料により変化し、回転数制御部としての調速機２４ａ〜２６ａにより設定回転数が制御される。調速機２４ａ〜２６ａは制御手段としての制御部２８からの制御信号により制御される。制御部２８には、入力手段としての操作ボード２９が接続されており、操作ボード２９に設けられたキー等の入力部を操作することにより、発電機２１〜２３からの出力周波数に応じたエンジン回転数が手動により入力される。入力されたエンジン回転数に対応した制御信号は、制御部２８に送られる。

制御部２８は、データを格納するメモリと、エンジン回転数を演算する演算部とを有している。電動モータ１４ａ〜１４ｄに常用周波数を供給してポンプ１１ａ〜１１ｄを常用回転させる常用運転モードと、省エネ周波数を電動モータ１４ａ〜１４ｄに供給してポンプ１１ａ〜１１ｄを省エネ回転させる省エネ運転モードとに切り換え制御するために、それぞれのモードに対応したエンジン回転数のマップデータがメモリに格納されている。

図２は一般的なポンプ特性線図である。図２において、横軸はポンプの単位時間当たりの吐出流量Ｑ（ｍ^３／ｈ）を示し、縦軸はポンプの吐出圧つまり揚程Ｈ（ｍ）と、ポンプ効率η（％）と、電動モータの出力Ｐ（ｋＷ）とを示す。

図２に示されるように、吐出流量Ｑが５４０ｍ^３／ｈとなるように、ポンプを駆動し、電動モータに常用周波数として６０Ｈｚの電力を供給すると、ポンプの吐出圧つまり揚程Ｈは２５ｍであり、電動モータの出力Ｐは４５．５ｋＷとなる。これに対し、ポンプを駆動するときに、常用周波数よりも低い省エネ周波数として５７Ｈｚの電力を電動モータに供給すると、電動モータの出力Ｐは１５．５ｋＷ低下して４０ｋＷにまで低下するが、ポンプの揚程Ｈは２２．６ｍに低下する。その低下量は２．４ｍに過ぎない。

これを低下率に換算すると、電動モータに供給される電力を常用周波数から省エネ周波数に低下させると、ポンプの吐出圧の低下率は約１０％以下に止まるが、電動モータの出力Ｐを約３４％低下させることができる。電動モータの出力Ｐはこれに供給される電力量に対応している。発電機により発生させる電力の周波数を常用周波数から省エネ周波数に低下させるには、発電機を駆動するためのエンジンの回転数を常用周波数を発生させるときよりも低下させることになり、常用周波数を発生させる場合よりも省エネ周波数を発生させるときの方がエンジンに供給される燃料を低減することができる。これにより、発電エネルギーを低減することができ、省エネを達成することができる。

船舶の付帯設備としての電気機器に対する供給電力が大きいときには、全ての発電機２１〜２３をエンジン２４〜２６により駆動するか、または何れか２台の発電機を駆動する。このときには、エンジン回転数は常用周波数を発生させるための回転数に設定される。一方、３台の発電機のうちいずれか１台の発電機を駆動して電力を発生させるとき、例えば、２台の発電機２２，２３を停止させて、単一の発電機２１のみをエンジン２４により駆動するときには、エンジン回転数は省エネ周波数を発生させるための回転数に設定される。常用周波数を発生させるときのエンジン回転数よりも省エネ周波数を発生させるためのエンジン回転数は低回転とすることができるので、省エネ周波数を発生させるときにおけるエンジン駆動用の燃料を低減することができる。

常用周波数を発生させるために３台のエンジン２４〜２６を駆動させるときには、それぞれの発電機からの出力周波数の整合性を容易に設定することができる。これに対し、省エネ周波数を発生させるために、全ての発電機２１〜２３を駆動させると、周波数の整合をとることが容易でないので、１台の発電機２１のみを駆動させて省エネ周波数を発生させる。これにより、エンジン駆動のための燃料の省エネを達成しつつ、必要な電気機器に対して電力供給を行うことができる。

発電機により常用周波数を発生させるか、省エネ周波数を発生させるかの切り換えは、操作ボード２９に設けられた入力キーを作業者が操作することにより行われ、切り換え操作に基づいて、操作ボード２９からは制御部２８に入力信号が出力される。省エネ周波数を発生させるため、複数台のエンジンのうちいずれのエンジンを駆動するかについても、作業者がキー操作することにより設定される。

制御部２８には、１台の発電機２１を駆動させてポンプ１１ａ〜１１ｄを省エネ運転モードで駆動するときには、他の発電機２２，２３を駆動しないように、インターロックが設けられている。省エネ運転モードのもとで、休止していた他の発電機を駆動する信号が入力されたときには、自動的に常用運転モードに切り換えられる。なお、省エネモードで運転しているときに、発電機２１からの電力が省エネ周波数よりも低下した場合には、警報ブザーや警報ランプ等のアラームを作動させるための警報器が制御部２８に設けられるとともに、自動的に常用運転モードに復帰するように制御される。

エンジン回転数は、制御部２８から出力される駆動信号によりエンジンのガバナー、つまり、調速機２４ａ〜２６ａを有する回転数制御部により制御される。エンジンを常に常用周波数を発生させるための回転数に設定するようにし、インバータにより周波数を変化させるようにすると、インバータを電力制御装置に付加的に設置する必要があるが、既設のエンジン回転数制御部に対する駆動信号を変化させることにより、既存の装置を用いてコストを高めることなく、容易に発電機を省エネ運転することができる。

省エネ周波数としては、上述のように、常用周波数を６０Ｈｚとし、これよりも周波数が５％低い５７Ｈｚとした場合において説明したが、省エネ周波数としてはこの周波数に限られることなく、常用周波数よりも１０％以内低い周波数を省エネ周波数としても、同様に省エネ効果が得られた。ただし、ポンプの吐出圧の低下と省エネ効果とを勘案すると、省エネ周波数としては常用周波数に対する減少周波数を１０％以内の周波数、特に５％程度低い周波数を設定することが好ましいことが判明した。なお、常用周波数として５０Ｈｚが設定される場合には、省エネ周波数としては、それよりも１０％以内低い周波数が省エネ周波数として設定される。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１に示した電力制御装置においては、複数台の発電機を有しているが、１台の発電機を備えた場合にもこの発明を適用することができる。

１１ａ〜１１ｄポンプ
１３ａ〜１３ｎ電気機器
１４ａ〜１４ｄ電動モータ
２１〜２３発電機
２４〜２６エンジン
２４ａ〜２６ａ調速機（回転数制御部）
２７分電制御盤
２８制御部（制御手段）
２９操作ボード（入力手段）

Claims

船舶に搭載されるポンプ駆動用の電動モータを含めた電気機器に対して供給される電力を制御する船内供給電源変換装置であって、
船舶に搭載されるポンプを駆動するポンプ駆動用の電動モータと、
それぞれ別々のエンジンにより駆動され、前記電動モータを含めた船舶内の電気機器に対して供給される電力を発生する複数の発電機と、
前記エンジンの回転数を制御する回転数制御部に制御信号を送り、前記発電機が発生する電力の周波数を常用周波数と、当該常用周波数よりも小さい省エネ周波数とに切り換える制御手段と、
前記制御手段に入力信号を送り、前記発電機の出力周波数を常用周波数と省エネ周波数とに切り換える入力手段とを有し、
前記電気機器に対して常用周波数の電力を供給するときには複数の前記発電機をそれぞれ駆動し、前記電気機器に対して省エネ周波数の電力を供給するときには単一の前記発電機を駆動する船内供給電源変換装置。
請求項１記載の船内供給電源変換装置において、前記省エネ周波数は、常用周波数よりも１０％以内低い周波数である船内供給電源変換装置。