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（第２回）
(2)インバータ盤の保守整備モデルプラン
年 3 5 8 10 13 15 18 絶縁抵抗測定等一般点検 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ インバータ制御ユニット内の基板 （メーカー引取り点検・修理、コン デンサ交換） ○ ファン点検・交換 ○ ○ ○ シーケンサユニット （メーカー引取り点検・修理、交換） ○ トランスデューサ ○ ○ ○ インバ ー タ 盤 シーケンサー用バッテリー ○ ○ ○ 制動抵抗器 絶縁抵抗測定 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 変圧器 絶縁抵抗測定 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ※シーケンサユニット、トランスデューサ等の用語の説明については、参考資料（P.25）参照 ◆インバータ盤 ＜表第２項の「インバータ制御ユニット内の基板」及び第４項「シーケンサユニット」について＞ インバータ制御ユニット内の基板及びシーケンサユニット（箱型）に使用されているコンデンサは、 一般的に寿命は７年～１０年程度と言われています。 そのため、これらの基板及びシーケンサユニットについては、メーカーによる引取り整備を１０年目 に行うこととするモデルプランを想定しています。 基板等のメーカー整備内容は、点検、修理のほか、基板上のコンデンサの交換作業が行われることと なります。 【参考】 ・インバータユニットの基板の内容（例） 499GT：18 枚/1 隻、749GT：34 枚/1 隻 （基板の種類：制御基板、電源・ゲート基板、入力モジュール基板 、ＰＧインターフェース基 板 、多重巻線用通信基板） ・シーケンサユニットの内容（例） 499GT： 20 個/1 隻、 749GT： 14 個/1 隻17 ＜表第３項「ファン点検・交換」について＞ ファンに使用されている電動機の軸受けの寿命は、使用環境・運転時間により差が生じます。 ファンの保守整備は、日常点検により異常が出たら交換するという保守管理を前提として、交換周期 を５年とするモデルプランを想定しました。 ＜表第５項の「トランスデューサ」について＞ トランスデューサについても、使用環境により寿命に差が生じます。 ファンと同様に、日常点検により異常が出たら交換するという保守管理を行うこととしますが、制御 用のトランスデューサ（各船型とも 4 個）については 5 年毎交換としました。 なお、このモデルプランでは、表示用のトランスデューサについても本船の運用期間中（２０年間） に１回交換することと想定しています。 【参考】 ・トランスデューサの内容（例） 499GT：24 個/1 隻（制御用 4 個、表示用 20 個） 749GT：22 個/1 隻（制御用 4 個、表示用 18 個）
＜今回検討したＳＥＳ推進システムの各機器の紹介＞
2-2 インバータ盤
2-2-1 インバータ盤の基板の整備
・（左）インバータ盤全体写真（制 御盤、インバータ盤×２） ・（中上）インバータ盤内のインバ ータ制御ユニット ・（右上）インバータ制御ユニット の内部の状況（基板の状況） ・（右下）制御盤の内部の状況（シ ーケンサユニット、トランスデュ ーサ） インバータ盤の整備で重要なのは、インバータ制御ユニット内の基板の整備です。 その基板の整備は、基板に取り付けられているコンデンサの寿命を考慮して、１０年目に行うメーカ ー整備、コンデンサ交換となります。（実際に行われる整備は、大きなインバータ盤自体の交換ではな く、インバータ制御ユニット内の緑色の基板を取り外して、メーカーでの点検・整備（コンデンサ交換）、 そして取り付けという作業となります。）2-2-2 インバータ盤のファンの整備
・（左下）インバータ盤及びイン バータ制御ユニット内部のファ ンの状況 ・（左上）インバータ盤の上部に 取り付けられたファン ・（右下）インバータ制御ユニッ トの上部に取り付けられたファ ン ・（右上）インバータ盤上部のフ ァン吹出口及び背面のフィルタ ーの状況19 インバータ盤の整備については、基板の点検・修理のほか、冷却ファン等の保守・点検が重要です。 ファンは、この写真で分かるように、シンプルな構造、取り付け方法となっています。ファンは常に 回っているものですから、日常の保守としては、音や振動等の異状がないかを確認することとなります。 また、日常点検で重要なのが、フィルター等の給排気部の目詰まり点検です。フィルターの目詰まり や吹き出し口の閉塞などにより、盤内の空気が滞留しないようにしなければなりません。
2-2-3 変圧器、制動抵抗器
・（左下）変圧器 ・（左上）絶縁抵抗測定の実施例 ・（右）制動抵抗器 制動抵抗器・変圧器は、検査として絶縁抵抗測定が義務付けられています。(3)発電原動機の保守整備モデルプラン
年 3 5 8 10 13 15 18 ヘッドカバー、ピストン、連接棒、 燃料噴射弁、ガバナー、クーラー、 過給機、海水ポンプ、清水ポンプ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 開放整備箇所 ライナー、ジャーナル、カム軸、 タペット、燃料噴射ポンプ、燃料 フィードポンプ、潤滑油ポンプ ○ ○ ○ ヘッド・ライナー・ブッシュ ○ メタル・ボルト（2 万時間） ○ ○ ○ バルブ・バルブシート ○ ○ ○ 交換部品 その他衰耗部品 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ◆開放整備箇所 発電原動機の整備工事は、法定の定期的検査で行う標準的な整備を想定しています。 今回のモデルプランには、突発的な修理・臨時検査は含んでいません。 ◆交換部品 シリンダーヘッド、ライナーなどはいろいろな要因により寿命が変化すると思われますが、今回のモ デルプランでは、本船運用期間の間に１回全数交換することとしてプランを策定しました。 ボルトは、前提条件の年５０００時間という運転時間の考え方にかかわらず、定期検査ごとの交換と してプランを策定しました。 バルブなどは、定期検査の開放整備時に全数交換するものとしてプランを策定しました。21
(4)発電機、推進電動機の保守整備モデルプラン
年 3 5 8 10 13 15 18 絶縁抵抗測定 エアギャップ測定 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 発電機 機内一般点検 軸受開放点検、交換 ○ 絶縁抵抗測定 空気冷却器点検 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 推進電動機 機内一般点検 軸受開放点検、交換 ○ 発電機、推進電動機の軸受けについては、負荷、回転数、運転時間により寿命が変化します。 通常は、衰耗程度をみて交換を判断すると思われますが、今回のモデルプランでは、本船運用期間中 に１回交換することと想定してプランを策定しました。＜今回検討したＳＥＳ推進システムの各機器の紹介＞
2-2-4 発電機・推進電動機
・（左）発電機 ・（右）推進電動機 発電機及び推進電動機の整備は主に、点検、作動試験（安全装置動作試験、並行運転、負荷試験）と 絶縁抵抗測定になります。 発電機、推進電動機の軸受けの寿命は、負荷、回転数、運転時間等の使用条件により変化します。従 来、軸受けについては、衰耗した時に交換されることが多いと思われますが、今回のモデルプランでは、 本船運用期間中に１回交換することと想定してプランを策定しました。 絶縁抵抗測定については、インバータ盤等においても実施しますので、工数など重複しないようにし ています。23
参考
インバータについて
(1)インバータの構成品と役割
インバータを採用するＳＥＳにおいて、電気推進関係の機器構成は、大まかに、 発電機ÆトランスÆインバータ（+制動抵抗器）Æ誘導電動機Æ減速ギア類Æプロペラ となります。この中でインバータは、速力制御という重要な役割を果たす構成品です。プロペラを回す 誘導電動機は交流モータであり、回転速度は交流の周波数で決まります。インバータは発電機からの 60Hz の交流を、任意の周波数に変換させる重要な装置です。インバータは高電圧大電流を取り扱う主 回路系と回転数やトルクを指示する制御回路系に分類することができます。 主回路は下図に示すとおり、コンバータ部（整流回路）、コンデンサ（平滑回路）、インバータ部の 3 つに大別することができます。コンバータ部は、発電機から出力される三相交流電圧（60Hz）を整流 して直流に変換します。この直流電圧をインバータ部が受けとって、再び三相交流電圧に変換します。 コンバータにはダイオード、インバータには IGBT が半導体スイッチとして主に使われています。 インバータが三相交流電圧を出力する際に、直流電圧は一定で平滑されていることが制御する上で望 ましいものとなります。コンバータから出力される電圧は脈流成分を持っているため、これを取り除き 電圧を平滑するためにコンデンサが設けられています。 制御回路はトランスデューサ、演算回路(DSP)、ゲート回路、各種シーケンサ回路、保護回路等で構 成され、それらの多くは更にいくつかのプリント回路基板によって構成されています。それらの呼び方 三相６０Ｈｚ 直流電圧直流電圧 三相○○Ｈｚ ダイオード ＩＧＢＴ コンバータ部 コンデンサ インバータ部 インバータ盤内の主回路もメーカーによって様々です。 船速を制御する信号の流れを追うと、船橋等での速度レバーの操作量と船速データはトランデューサ を通して制御回路に収集されます。これらの情報を元に、どのような周波数と電圧の三相交流をインバ ータ主回路に出力させるかを演算・決定し、ゲート回路を通してインバータの IGBT に信号を送ってい ます。 なお、インバータに関連する用語として、耳にする機会の多いものを以下に簡単に紹介します。 インバータ 周波数を変換する装置。 入力した電力の周波数を任意の周波数で出力する。 コンバータ 交流電流を直流に変換する装置。 コンデンサ 直流電圧が一定になるよう平滑にする電子部品。 ダイオード 電流を一定方向にしか流さない整流作用を持つ電子部品。 電圧形インバータと 電流形インバータ インバータの出力端子から電源側を見た場合、電圧源となるものを電圧型イ ンバータ、電流源となるものを電流形インバータという。 電圧型インバータは、コンバータ出力側のコンデンサにより平滑された直流 電圧を得て、これを基にインバータ部で所定の周波数の交流電圧に変換す る。 一方、電流形インバータではコンデンサの代わりに直流リアクトルが接続さ れ、インバータ部への入力電流を平滑にして所定の周波数の電流に変換す る。
VVVF 可変電圧可変周波数（Variable Voltage Variable Frequency）の略で、 インバータが電圧と周波数を自在に可変制御できることを意味する。 PWM パルス幅制御（Pulse Width Modulation）の略で、インバータの制御方式
の 1 つ。出力電圧を正弦波にするため、インバータの半導体スイッチ(IGBT) 速度レバー 速度指令値 IGBT 船速データ 目標回転数 の決定 出力電圧値Ｖ 出力周波数ｆ の決定 PWM 制御回路 ゲート回路 速度制御に関する制御回路の概要
25 IGBT 高電圧大電流を高速でオン・オフすることが可能な半導体スイッチであり、 インバータの主要構成部品。 トランスデューサ 各種信号を使用する制御回路が必要とする信号レベルに変換してくれる電 子部品。母線に設置しているコイル等（変流器）から得られた信号を計装用 信号に変換し、電圧計・電流計にて表示させる働きがある。
シーケンサユニット 一般的に、PLC（Programmable Logic Controller）と呼ばれる電子装置。 リレーやタイマーなどを用いたリレーシーケンス制御の代替として登場し た。リレーやタイマーといった制御部品は、プログラム言語となって存在し ている。このため複雑な動きをリレーシーケンスで作るより簡便・小型にて 作成できる。また信号の入出力の他に、数値演算する機能も有する。 制動抵抗器 モータからの回生電力を消費し、モータより制動トルクを発生させる抵抗 器。 回生電力 プロペラを逆転させた際、モータ（推進電動機）が誘導発電機として動作し 発生する電力。 高調波ノイズ 基本波（電源周波数）の整数倍の周波数を持つノイズ。電子機器の誤動作や 異常な発熱の原因になることがある。 変圧器 交流電力の電圧の高さを、電磁誘導を利用して変換する電力機器。インバー タを採用した電気推進船の場合、インバータに起因する高調波ノイズを低減 する目的にも利用します。
(2)コンデンサの温度影響
インバータ主回路や制御回路のプリント基板等に用いられているコンデンサ（正式には電解コンデン サ）の寿命を左右する要因としては、電気的条件と環境条件に分けることができます。環境条件は、温 度、湿度、振動、塩害等があり、特に温度が最も寿命に影響を与えます。なお、電気的条件としては、 印加電圧、リプル電流、充放電条件があげられます。 温度によるコンデンサの寿命への影響は、静電容量の減少などとなって現れます。それらの現象は、 電解液が封口部を通して徐々に外部に拡散することに起因しており、電気的特性の経時変化と周囲温度 の間には、次式の関係が成立します。 10 / ) (To TxB
Lo
Lx
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− Lx： 実使用時の推定寿命（時間） Lo： 最高使用温度において、定格電圧印加または許容リプル電流重畳時の保証寿命（時間） To： 製品の最高使用温度（℃） Tx： 実使用時の周囲温度（℃） B ： 温度加速係数 ここで、温度加速係数Ｂは製品の最高使用温度以下であればＢ≒２として計算できますので、周囲温 度を 10℃下げれば寿命が 2 倍伸びることがわかります。以上、少し難しく書いてしまったかもしれませんが、結論だけ言えば、コンデンサ寿命の延命効果を 期待するために、できるだけインバータ盤内の温度が上がらないよう、初期設計の段階で工夫するとと もに、運航中においてその盤内温度を保持するための点検・整備が重要となります。
(3)インバータ制御と CPP 制御
-1 速力制御 先述した通り、インバータは速力制御を行うため重要な装置です。具体的には、推進用誘導電動機の 回転数を制御するため、電圧と周波数を可変制御しています。 一方、電気推進船の中でも今回紹介した推進システムとは違う方式として、インバータを使用せずに、 速度制御を CPP（可変ピッチプロペラ）で行う方式があります。この方式の場合は、推進用誘導電動 機が一定速度で回転し、速力調整や前後進の制御は CPP の翼角制御によって行われます。なお、この 方式の場合、誘導電動機の始動時に大きな始動電流が流れるのを抑制する必要があるため、始動補償器 （コンペンセータ）等減電圧始動器が別途設けられます。 -2 効率等 インバータを用いる電気推進船のシステム構成は先にも述べた通り、 発電機ÆトランスÆインバータÆ誘導電動機Æ減速ギア類Æプロペラ です。これに対し、ラインシャフト方式の CPP 制御方式の定常運転状態では、 発電機Æ誘導電動機Æ減速ギア類Æプロペラ となり、構成品点数が少ないものとなっています。このため、発電機出力からプロペラ入力までのエネ ルギー伝達効率は CPP 制御方式の方が優れているものと考えられます。 ただし、推進器効率まで含めて勘案すると、特に低速・微速条件下で比較した場合、CPP 制御方式 では推進力をほとんど出さないにもかかわらず、プロペラを同一速度で回転させ続けるため、全体とし ての効率は低下するとも言われています。なお、これらを検証する様々な速度条件下における定量的な 効率データは公表されている例がほとんどありません。 -3 操船性 インバータ方式の場合、荒天航海時にプロペラが空中に露出しても、推進用電動機の回転数・電圧制 御を行っているためプロペラレーシングの発生が防止されます。例えばプロペラが海面から出た場合は、 無負荷状態となるため推進用電動機の回転数が上がろうとしますが、インバータの速度指令により未然 に防止されます。またプロペラが海中に落ちる場合、推進用電動機が過負荷になる可能性がありますが、 定格以上の電流が流れないよう制御されているため、過負荷に至る心配はありません。 一方、CPP 方式の場合、推進用電動機の回転数制御ができないため、通常の船舶と同じく、プロペ ラが海面に出た時に過速度状態に、プロペラが海中に落ちる時には過負荷になりやすくなっています。27
(4)インバータの故障率と保守整備
-1 故障率 多くの工業製品の故障率は、一般にバスタブ曲線で推移・変化します。バスタブ曲線は主に 3 つの期 間に分類され、コンデンサを含むインバータ盤内機器についても同様と考えられます。 ①初期故障：使用開始後の比較的早い時期に、設計・製造上の欠点、使用環境との不適合などによ って起こる故障。 ②偶発故障：初期故障期間を過ぎ、摩耗故障期間に至る以前の時期に、偶発的に起こる故障。多く の構成部品からなる製品の安定期にみられる故障。 この時期までが、一般的にリプレース、リニューアルのための推奨期間といえる。 ③摩耗故障：疲労・摩耗現象などによって時間と共に故障率が大きくなる故障。 -2 日常点検 インバータを搭載する電気推進船の乗員が、インバータについての簡単な知識を持っていることは、 日常点検・保守整備をする上で非常に好ましいものといえます。ただし、その制御原理等の詳しい知識 まで必要とされることは無いと考えます。むしろ、「インバータは速力制御をする上で重要な役割を持 つ機器である」との強い認識を持って、日々の点検整備を行うことが求められると考えられます。 実質的に日常点検で実施する内容として、以下のことがあげられます。なお、インバータのメーカー や設置環境によって、日常点検の項目・内容が変わってきますが、日常点検作業量としては少ないもの と考えます。 ・インバータパネル等が異状発熱していないか触れて確認 ・インバータパネルの吸排気ファンおよびパネル内の冷却ファンが正常に回転しているかどうか確 認 ・吸気ファンのフィルタエレメントを定期的に洗浄あるいは交換 -3 保守整備・部品交換 インバータは速力制御をする上で重要な役割を担っていることから、異状や故障が発生してから部品 バスタブ曲線 時間 ① ② ③ 故障率交換するという対応は難しいものとなります。このため、予防的な部品交換・保守整備をメーカーが推 奨する期間内に実施することが望ましいと考えます。特に、コンデンサは周囲の環境温度によって寿命 が大きく左右されることから、なるべく環境温度を下げておくことが大切であるし、定期的な交換を考 慮することが重要となります。 コンデンサ寿命に関わる保守整備は主回路だけではなく、制御回路でも同様です。たとえば、制御パ ネル等に多数組み込まれている各種プリント基板や各種信号の伝達に使用されるトランデューサにも コンデンサが多数使用されており、定期的な予防措置としての交換が必要になります。また、万が一に 備えた予備のプリント基板やトランデューサについても、良好な環境で保管していることが望ましいと 考えます。 メーカーによって名称や推奨定期整備間隔が異なる場合もありますが、以下にあげる部品などが定期 的交換を求められています。 ・インバータパネルの吸排気ファンおよびパネル内冷却ファン ・主回路のコンデンサ ・制御回路のプリント基板 ・制御シーケンス回路のバックアップ用電池 ・トランスデューサ 部品交換にあたって、メーカーからプリント基板を取り寄せる場合、交換するプリント基板のシリア ルナンバーを連絡すると、代替品の手配がスムーズになりやすい。また、シリアルナンバーが不明な場 合は、本船の建造日や造船所名および船台番号を予め連絡する等の方法もあります。 参考：平成１８年度ＳＥＳ１技術セミナー資料 「SES1 のメンテナンス 保守整備」 「SES1 のメンテナンス インバータ制御技術」（東京海洋大学 木船助教授）
