特許 5881685 軸発電機システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5881685

(24)【登録日】2016年2月12日

(45)【発行日】2016年3月9日

(54)【発明の名称】軸発電機システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20160225BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20160225BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 R

   H02M7/12 K

   H02M7/12 T

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-513597(P2013-513597)

(86)(22)【出願日】2011年5月2日

(65)【公表番号】特表2013-535181(P2013-535181A)

(43)【公表日】2013年9月9日

(86)【国際出願番号】EP2011056892

(87)【国際公開番号】WO2011154196

(87)【国際公開日】20111215

【審査請求日】2013年5月10日

(31)【優先権主張番号】102010023019.7

(32)【優先日】2010年6月8日

(33)【優先権主張国】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390039413

【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(72)【発明者】

【氏名】ブルノッテ、クリストフ

(72)【発明者】

【氏名】ヒラー、マルク

(72)【発明者】

【氏名】ゾマー、ライナー

【審査官】 仲村 靖

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５３５２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５０６７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０９８２０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５１４４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１４６９６１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

船舶上に設けられた、軸発電機（１８）と、前記軸発電機（１８）と前記船舶の船内電力系統（４８）との間に設けられてそれらを周波数的および電圧的に分離する電圧中間回路形コンバータ（４２）と、船内電力系統側（以下、単に「系統側」と記述する）のインダクタンスとを有する軸発電機システムにおいて、
前記電圧中間回路コンバータ（４２）が、軸発電機側（以下、単に「発電機側」と記述する）と前記系統側とにそれぞれ変換器（４４，４６）を有し、ここに前記船内電力系統（４８）は、その運転状態に依存して異なる共振周波数を持ち得る独立系統であり、
前記発電機側および前記系統側の両変換器（４４，４６）が、直流電圧側で互いに結合されており、
前記系統側の変換器（４６）が、少なくとも２つの相モジュールを有しており、
前記相モジュールが、それぞれ上側および下側の弁アーム（Ｐ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３）を有しており、
前記上側および下側の弁アーム（Ｐ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３）が、それぞれ電気的に直列接続された複数の２極サブシステム（ＳＭ１，…，ＳＭｎ）を有しており、
前記２極サブシステム（ＳＭ１，…，ＳＭｎ）が、それぞれ単極性の蓄積コンデンサ（Ｃ_ＳＭ）を有しており、
各前記蓄積コンデンサ（Ｃ_ＳＭ）に、それぞれ逆並列接続されたダイオード（Ｄ１，Ｄ２）を有する２つのターンオフ制御可能な半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２）の直列回路が、電気的に並列接続されており、
前記各弁アーム（Ｐ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３）が含んでいる前記複数の２極サブシステム（ＳＭ１，…，ＳＭｎ）のうちから選択してオンにする個数を制御し、それに応じて前記系統側の変換器（４６）から出力される出力電圧を前記系統側で要求される系統電圧に適合せしめること、および、前記蓄積コンデンサ（Ｃ_ＳＭ）の蓄積容量ならびに前記半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２）のスイッチング周波数に応じて前記各弁アーム（Ｐ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３）が含んでいる前記複数の２極サブシステム（ＳＭ１，…，ＳＭｎ）のうちから選択してオンにする個数を制御し、それに応じて前記系統側の変換器（４６）から出力される出力電流を、前記船内電力系統（４８）内で短絡が発生した際に前記系統側の変換器（４６）の端子電圧の調整によって高い動的応答性で以て制限せしめた
ことを特徴とする軸発電機システム。

【請求項2】

前記発電機側の変換器（４４）が、多パルス形ダイオード整流器である
ことを特徴とする請求項１記載の軸発電機システム。

【請求項3】

前記発電機側の変換器（４４）が、多パルス形自励変換器である
ことを特徴とする請求項１記載の軸発電機システム。

【請求項4】

前記系統側のインダクタンスが、系統リアクトル（５０）である
ことを特徴とする請求項１記載の軸発電機システム。

【請求項5】

各前記系統リアクトル（５０）が、コンデンサ（Ｃ１）と抵抗（Ｒ１）との直列回路に結合されており、前記抵抗（Ｒ１）の自由端が、互いに電気的に導電接続されている
ことを特徴とする請求項４記載の軸発電機システム。

【請求項6】

各前記系統リアクトル（５０）が、コンデンサ（Ｃ１）と抵抗（Ｒ１）との直列回路と結合され、前記コンデンサ（Ｃ１）の自由端が、互いに電気的に導電接続されている
ことを特徴とする請求項４記載の軸発電機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軸発電機を有する軸発電機システムに関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１から軸発電機システムが公知である。軸発電機システムは、割安な電気エネルギーを発生すべく船舶において頻繁に使用されるシステムである。船舶の船内発電設備の構成部分である軸発電機システムは、次の構成要素を有する。
− 可変回転数で駆動されて可変周波数の電気エネルギーを発生する軸発電機、
− 軸発電機と船内電力系統との周波数的および電圧的な分離のための、発電機側の整流器と、系統側インバータと、直流電流中間回路又は直流電圧中間回路とから成る中間回路形コンバータとして実施された静止形周波数変換装置、
− 電流中間回路形コンバータの場合に必要な、中間回路電流を平滑するための中間回路リアクトル、
− 電圧中間回路形コンバータの場合に必要な、中間回路電圧を平滑するための中間回路コンデンサ、
− 短絡電流および高調波を制限するための系統リアクトル、
− 短絡安全性の向上および系統無効電力補償のために必要な、始動電動機付き調相機、
− 軸発電機制御の際に軸発電機励磁電流を調整するための、場合によっては整合変圧器を有する、励磁用変換器、
− 全電子式の調節・制御・監視装置、
− 故障時および短絡時に軸発電機システムの極めて重要な機能部分に給電するためのバッテリ式補助給電装置。

【0003】

この軸発電機システムの系統側は開閉器により船内系統母線に接続可能である。系統内において過激な負荷を確実に回避するために、系統リアクトルとして、いわゆる二重リアクトルが設けられている。この二重リアクトルによって、高調波の伝搬が防止され、短絡電流が、かなり低減される。この二重リアクトルは、しばしば、分離リアクトルコイル、平衡リアクトル、平滑リアクトルとも呼ばれる。理想的な二重リアクトルは、複数の小空隙を有する１つの鉄心上に漏れインダクタンスの少ない２つの巻線を備えた、特殊変圧器である。

【0004】

非特許文献２から、短絡安全性向上のための二重リアクトルの使用方法が認識され得る。この文献には、ディーゼル電気駆動されるクルーズ船における系統特性を二重リアクトルによって改善するための、２つの系統構想が紹介されている。二重リアクトルの使用によって、電気推進システムの反作用が低減される。軸発電機システムの電力変換器を用いたことの反作用として、給電を行う船内電力系統に著しい高調波を発生し、それに因って、系統特性が悪化する。

【0005】

補助装置、照明装置、航海用機器および通信装置に給電するための、船内業務用電力系統、ならびに、居住区域内の給電システムは、高調波の少ない給電電圧を必要とする。高すぎる歪率は、追加損失、動作障害をもたらし、極端な場合、構成要素の破壊を招き得る。二重リアクトルによって高調波の少ない部分系統が取り出することができる。

【0006】

更に、この非特許文献２から、１０ＭＷ以上の軸出力においてサイクロコンバータによって給電される同期電動機がスクリュー駆動装置として使用されるということが認識され得る。サイクロコンバータによって給電される同期電動機の他に、負荷転流形コンバータ付きの変換器給電形電動機も、スクリュー駆動装置として使用される。

【0007】

特許文献１から、廃熱回収式船舶推進システムの運転のための方法ならびに廃熱回収式船舶推進システムが公知である。この船舶推進システムは、特に、系統側変圧器を有するコンバータによって船内電力系統から給電される軸発電機／電動機を有する。軸発電機の電動機としての運転は、「電力取り入れ運転（ＰＴＩ＝Power-Take-In）」と呼ばれる。軸発電機、静止形周波数変換装置、および系統側変圧器は、エネルギーが軸発電機から船内電力系統へ供給されるや否や、同様に軸発電機システムを構成する。軸発電機の発電機としての運転、即ち船内電力系統のために電気エネルギーを発生する運転は、「電力取り出し運転（ＰＴＯ＝Power-Take-Off）」と呼ばれる。しかし、この特許においては、この軸発電機は、主にブースタ駆動装置として、ディーゼルエンジン駆動装置に加えて設置されている。主駆動装置が使用効率よく運転され、ディーゼル発電機セットを遮断することができる。

【0008】

軸発電機が電動機運転から発電機運転へと切り替えられる時間帯では、船内電力系統の電圧および周波数がそれぞれ予め定められた限界値を下回らないように、所定のエネルギー源が電気エネルギーを船内電力系統へ供給する。この種の切り替えは、電力系統故の障時、特に船の停電時に行われる。公知の軸発電システムがブースタ駆動装置として使用される場合には、電動機／発電機運転切り替え中に調相機がエネルギー源となって、このエネルギー源から船内電力系統にエネルギーが供給される。

【0009】

軸発電機システムの別の構成では、静止形周波数変換装置として電圧中間回路形コンバータが設けられる。この電圧中間回路形コンバータは中間回路コンデンサを有し、この直流回路コンデンサが軸発電機の運転切り替え中に船内電力系統にエネルギーを供給するエネルギー源となる。電圧中間回路形コンバータが発電機側および系統側にそれぞれ自励パルス幅変調変換器、特にＩＧＢＴパルス幅変調変換器を有する場合には、特に高速の切り替えが行われる。

【0010】

発電機側および系統側にそれぞれパルス幅変調制御されるＩＧＢＴ変換器を有するこの種の電圧中間回路形コンバータが、特許文献２の図３に詳細に示されている。ブースタ駆動装置としての軸発電機システムにおいて、駆動装置用コンバータとして、電流中間回路形コンバータの代わりに電圧中間回路形コンバータを使用することによって、船内電力系統は、周波数的にだけでなく、電圧的にも、発電機から分離される。更に、電圧中間回路形コンバータは無効電力を供給することができるので、調相機がもはや必要でなくなる。

【0011】

軸発電機システムの静止形周波数変換装置として電流中間回路形コンバータが使用される場合には、二重リアクトルおよび変圧器のほかに、始動用電動機を有する調相機が必要となる。既に冒頭に述べたように、短絡安全性を高めるために、理想的には特殊変圧器である二重リアクトルが必要とされる。この変圧器は、コンバータ出力電圧と船内系統電圧との間の電圧整合のために必要とされる。これらの付加的な構成要素はそれぞれ組み込みスペースを必要とするが、そのスペースは、船内に十分に存在するわけではない。

【0012】

軸発電機システムの静止形周波数変換装置として電圧中間回路形コンバータを使用するとすれば、コンバータ出力電圧と船内系統電圧との間の電圧整合のために変圧器を設けなければならないこととなる。電圧中間回路形コンバータの両変換器は、２レベル回路（低圧）又は３レベル回路（中圧）で構成されることとなる。１０ＭＷ以上の出力の場合には複数の２レベルコンバータもしくは３レベルコンバータを出力側で電気的に並列接続し、対称化制御、所謂Δｉ制御を行わなければならないであろう。低圧コンバータでは、現在のところ、１２００Ｖ乃至１７００Ｖの電圧クラスのターンオフ制御可能な半導体スイッチ、特に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が使用される。これに対して、中圧コンバータの場合には、３３００Ｖから４５００Ｖ迄もしくは６５００Ｖ迄の電圧クラスのＩＧＢＴもしくはＩＧＣＴが使用される。しかし、電圧クラスの上昇に伴って、スイッチング周波数は低下するが、半導体価格は上昇することとなる。

【0013】

ＩＧＢＴのスイッチング周波数が制限されているので、船内電力系統側では、系統反作用に対する船級協会の要求を遵守することができるようにフィルタ措置を講じなければならないであろう。特に、明らかに１ｋＶを上回る中間回路電圧を有する中圧コンバータの場合、スイッチング周波数は数百Ｈｚに制限されている。それによってフィルタ設計は更に困難になる。船内電力系統は、運転状態に依存して異なるインピーダンス、従って異なる共振周波数を持つ独立系統であるために、フィルタ設計はもともと既に困難である。従って電圧中間回路形コンバータの出力端に作用する合成共振周波数も変化し、それに因って、フィルタ設計を電圧中間回路形コンバータのスイッチング周波数に合わせることが非常に難しいものとなる。

【0014】

静止形周波数変換装置としての電圧中間回路形コンバータの発電機側変換器もしくは系統側変換器に使用されるＩＧＢＴのスイッチング周波数が低いので、このコンバータの動的応答性が制限されている。それによって、例えば系統短絡、系統電圧の喪失および回復のような過渡的な運転状態は、構成要素の標準を超えた冗長設計にも拘らず、ほとんど制御できない。更に、上述のフィルタは過渡的な運転状態において振動を起こしやすい。

【0015】

系統短絡およびその他の過渡的な運転状態の制御は特に重要である。この過渡的な運転状態を何らかの方法で制御することを可能にするためには、軸発電機システムの電圧中間回路形コンバータは常に系統にとどまらなければならないであろう。即ち、この電圧中間回路形コンバータは過電流の故に遮断されてはならない。これは、正常運転時にも短絡時にも電流を２点調節によって制御するか、又は、個々の相において点弧信号を一時的に阻止した後に再びその阻止を解除することによって、達成することができるであろうと考えられる。しかしながら、コンバータ出力電圧に予測不能な高調波振動が発生し、それによって既存の系統フィルタが励起されるであろう。その結果、多大な費用をかけないと系統高調波に対する必要な限界を守ることはできないであろう。

【0016】

これらの理由から、現在、特に中圧用途に関しては、前述の中圧範囲における要求を満たす電圧中間回路形コンバータを有する軸発電機システムは、未だ実用化されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

【特許文献1】独国特許第１０２００６０２０１４４号明細書

【特許文献2】独国特許出願公開第１０２００５０５９７６０号明細書

【非特許文献】

【0018】

【非特許文献1】１９８３年６月発行のドイツ刊行物“HANSA”第１２０巻第１３号第１２０３−１２０７頁の抜き刷り“WGA23-ein modernes Wellengeneratorsystem”

【非特許文献2】１９９７年発行の刊行物“Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft 91.Band”の第１７３頁以下に掲載されたW.Schild、Dr.W.Planitz共著の論文“Netzgestaltung mit Duplexdrosseln”

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

本発明の課題は、静止形周波数変換装置として電圧中間回路形コンバータを有する軸発電機システムを提供することにあり、これにより、特に系統短絡を動的に制限しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0020】

この課題は、本発明に係る請求項１の特徴事項によって解決される。

【0021】

電圧中間回路形コンバータの系統側変換器を、分散された複数のエネルギー蓄積器を有する変換器として構成することによって、各弁アームのサブモジュールの個数に応じて、この変換器の出力電圧をあらゆる任意の船内系統電圧に適合させることができる。サブモジュールの数が多くなるに従って、この変換器の出力電圧の電圧波形の階段数が増すので、船内電力系統側では、系統反作用に対する船級協会の要求を遵守することを可能にするためのフィルタ手段を設ける必要がなくなる。同様に、サブモジュールの数が多いので、中圧コンバータにおいて、本質的に、より高いスイッチング周波数で動作させ得る低圧用のターンオフ制御可能な半導体スイッチを使用することが可能となる。それによって、分散された複数のエネルギー蓄積器を有するこの変換器は、結果的に生じる高いスイッチング周波数を有し、従って、この変換器の出力電流を、短絡時に端子電圧の高速調整によって高い動的応答性で制限することができる。即ち、この変換器は、短絡時においてもはや過電流の故に遮断されることはない。従って、短絡電流の供給に関する船内電力系統の要求を簡単に満たすことができる。即ち、軸発電機システムの静止形周波数変換装置としての本発明による電圧中間回路形コンバータは、二重リアクトルなしに提供可能である短絡安全性を有する。

【0022】

分散された複数のエネルギー蓄積器を有する変換器のサブモジュールにおいて使用される低圧用ＩＧＢＴ（ＬＶ−ＩＧＢＴ）の高いスイッチング周波数によって、この変換器は、結果的に非常に高いスイッチング周波数を有する。それによって、付属の制御装置の限界周波数が同様に高い値にシフトされるので、その周波数は船内電力系統で起こり得る共振の領域外にある。それによって、設備に依存しないパラメータ設定が可能である。

【0023】

分散された複数のエネルギー蓄積器を有する変換器の制御特性によって、その分散された複数のエネルギー蓄積器を有する変換器である系統側変換器と、非制御変換器、例えばダイオード整流器である発電機側変換器とを有する電圧中間回路形コンバータにおいて、この電圧中間回路形コンバータの中間回路電流をほぼ一定に保つことができる。それにより、軸発電機システムの発電機の発電機電流は、少ない高調波成分を有するものとなり、その高調波成分の実効値は小さくなる。このようにして、発電機電流は、ほぼブロック状となって、軸発電機システムの損失が減少する。
なお、本願発明に係る、より具体的な望ましい各態様については、請求項２−７に記載のとおりのものとすることができる。すなわち；
請求項２に記載の如く、発電機側の変換器（４４）を、非制御変換器、例えば６パルス又はそれ以上のような、多パルス形ダイオード整流器であるようにすることは、望ましい態様である。
また、
請求項３に記載の如く、発電機側の変換器（４４）を、例えばＩＧＢＴパルス幅変調変換器のような、多パルス形自励変換器であるようにすることは、望ましい態様である。
また、
請求項４に記載の如く、系統側のインダクタンスが変圧器（２２）であるようにすること、すなわち変圧器（２２）のインダクタンスを系統側のインダクタンスとして用いるようにすることは、望ましい態様である。
また、
請求項５に記載の如く、系統側のインダクタンスが系統リアクトル（５０）であるようにすること、すなわち系統リアクトル（５０）のインダクタンスを系統側のインダクタンスとして用いるようにすることは、望ましい態様である。
また、
請求項６に記載の如く、各系統リアクトル（５０）が、コンデンサ（Ｃ１）と抵抗（Ｒ１）との直列回路に結合されており、前記抵抗（Ｒ１）の自由端が、互いに電気的に導電接続されるようにし、それらによって形成される減衰コンデンサアームと系統リアクトル５０のインダクタンスとで低域通過フィルタを構成せしめるようにすることは、望ましい態様である。
また、
請求項７に記載の如く、各系統リアクトル（５０）が、コンデンサ（Ｃ１）と抵抗（Ｒ１）との直列回路に結合されており、前記コンデンサ（Ｃ１）の自由端が、互いに電気的に導電接続されているようにし、それらによって形成される減衰コンデンサアームと系統リアクトル５０のインダクタンスとで低域通過フィルタを構成せしめるようにすることは、望ましい態様である。

【0024】

本発明をさらに説明するために、本発明による軸発電機システムの実施形態を概略的に示す図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、軸発電機駆動用コンバータとして電流中間回路形コンバータを有する公知の船舶推進システムの原理図を示している。

【図2】図２は、図１に示した公知の船舶推進システムと同様に軸発電機駆動用コンバータとして電流中間回路形コンバータを有するが、図１に示した公知の船舶推進システムとは異なり調相機を省略した、公知の船舶推進システムの原理図を示している。

【図3】図３は、本発明による軸発電機システムの第１の実施形態を示す図である。

【図4】図４は、本発明による軸発電機システムの第２の実施形態を示す図である。

【図5】図５は、図３もしくは図４による軸発電機システムの系統側の変換器の原理図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

特許文献１から公知の船舶推進システム２は、図１に従って、低速回転する２サイクルディーゼルエンジンとして構成された主機４を有し、この主機４はスクリュー軸６を介して船の推進用スクリュー８を有する。船内系統母線１０によって具体的に示された船内電力系統のためのエネルギー発生のために、多数の発電機１２が設けられ、これらの発電機１２はそれぞれ主機よりも高速回転する補機１４によって駆動される。補機１４は一般に高速回転する４サイクルディーゼルエンジンである。通常は、それぞれ１つの発電機１２とディーゼルエンジン１４とが１つのディーゼル発電機セット１６を構成している。

【0027】

軸発電機／電動機１８が機械的にスクリュー軸６に連結され、電気的にコンバータ２０および変圧器２２を介して船内電力系統の船内系統母線１０に接続されている。コンバータ２０として電流中間回路形コンバータが設けられており、このコンバータは発電機側および系統側にそれぞれ１つの制御可能な変換器２４および２６を有し、両変換器の直流電圧側は中間回路リアクトルにより互いに導電接続されている。これらの制御可能な変換器２４および２６のための制御信号は、制御・調節システム２８によって発生させられる。軸発電機／電動機１８としては低速回転する同期機が使用されるので、軸発電機／電動機１８は付加的に励磁用変換器３０を介して船内系統母線１０に導電接続されている。軸発電機システムのコンバータ２０として電流中間回路形コンバータが設けられており、この電流中間回路形コンバータは船内電力系統に有効電力しか供給できないので、船内電力系統の無効電力需要は調相機３２によって供給される。この調相機３２は通常運転時には移相要素としてしか動作せず、有効電力を船内系統母線に供給しない。始動用コンバータ３４および始動用電動機３６は調相機３２の始動に使用される。始動用コンバータ３４の制御は同様に制御・調節システム２８によって行われる。

【0028】

軸発電機／電動機１８と、付属の制御・調節システム２８を有する電流中間回路形コンバータと、始動用コンバータ３４および始動用電動機３６を有する調相機３２とは、先に述べた非特許文献１から公知の軸発電機システムを構成している。

【0029】

この公知の船舶推進システムの場合には軸発電機１８が電動機として運転され、それによって電気エネルギーが船内電力系統から電流中間回路形コンバータおよび軸発電機／電動機１８により機械エネルギーに変換される。それによって船内電力系統内の予備電力を船舶の推進力増強のために利用し、それによって船舶速度を高めるか、又は同じ速度のままで主機４の負荷を軽減することができる。

【0030】

少なくとも始動用コンバータ３４と始動用電動機３６とを有する特別な調相機３２を不要とするために、図２には他の公知の船舶推進システム３８の原理図が概略的に示されている。この船舶推進システム３８は、コンバータ２０として電圧中間回路形コンバータが設けられている点で、図1による船舶推進システム２と異なっている。軸発電機１８が電動機運転されるので、この電圧中間回路形コンバータは中間回路コンデンサバッテリ４０のほかに発電機側に同様に制御可能な変換器２４を有する。この電圧中間回路形コンバータの制御可能な変換器２４および２６として、それぞれ１つの自励式パルス幅変調変換器、特にＩＧＢＴパルス幅変調変換器が設けられている。中間回路コンデンサバッテリ４０は、軸発電機１８の電動機運転から発電機運転への切り替え期間中に、船内電力系統の電圧および周波数がそれぞれ設定された限界値を下回ることがないように、電気エネルギーが船内電力系統へ供給されなければならないように設計されている。

【0031】

この軸発電機システムは、廃熱回収システムによるエネルギー発生の予定外の中断時にのみ、電動機運転から発電機運転へ切り替えられる。この切り替えはディーゼル発電機セット１６が始動されるまでの間、続けられる。即ち、軸発電機システムの発電機運転は、短い渡り時間のためにのみ設けられている。この渡り時間の間、船内電力系統内の高調波成分は我慢される。船内電力系統内のこの高調波成分を低減するためには、船内電力系統側にフィルタ手段が必要ということになるが、このフィルタ手段は図示されていない。従って、この軸発電機システムは、主としてブースタ駆動装置として使用される。

【0032】

電圧中間回路形コンバータの系統側変換器２６の変換器弁、例えば絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が、コンバータ出力電圧が高いために制限されたスイッチング周波数を有することに因って、存在するフィルタのフィルタ設計が更に困難なものとなる。そのフィルタ設計は、特に船内電力系統が、運転される負荷に依存して非常に異なるインピーダンス、従って異なる共振周波数を有し得る独立系統であることに因って、困難なものとなる。従って、コンバータ２０の系統側端子に作用する合成共振周波数も変化し、それによってフィルタ設計をコンバータのスイッチング周波数に合わせることが困難になる。

【0033】

系統側変換器２６の高圧用ＩＧＢＴの制限されたスイッチング周波数およびそれにともなう限られた動的応答性によって、例えば負荷投入、船内電力系統での短絡、系統回復のような過渡的な運転状態の制御が困難であり、この電圧中間回路コンバータの構成要素の過剰設計を招くことを避けがたい。制御を難しくする他の困難性は、使用されるフィルタが過渡的な運転状態において振動を起こしやすいことにある。

【0034】

系統反作用に対する船級協会の要求を遵守しては、系統短絡および他の過渡的な運転状態を制御することを可能にするためには、この電圧中間回路形コンバータは軸発電機システムの静止形周波数変換装置として適していない。この理由から、電圧中間回路形コンバータを有するこの軸発電機システムは主として電動機運転され、エネルギー発生システムの障害発生時にのみ切り替え時間中に移行される発電機運転時には、系統反作用に対する要求を遵守することができないことを我慢しなければならない。同様に、この運転状態においては過渡的な運転状態が発生しないことが前提とされる。軸発電機システムのこの発電機運転は、ディーゼル発電機セット１６が始動されるまでの間のみ続く。

【0035】

図３には本発明による軸発電機システムの第１の実施形態が示されている。この本発明による軸発電機は、軸発電機１８の他に、電圧中間回路形コンバータ４２を有しており、その電圧中間回路形コンバータ４２は、発電機側変換器４４として、非制御変換器、例えば６パルス又はそれ以上の多パルス数のダイオード整流器を有する。発電機側変換器４４としては、多パルス自励変換器を設けるようにしてもよい。本発明による軸発電機システムは、系統側（船内電力系統側）変換器４６として、分散された複数のエネルギー蓄積器を備えた１つの変換器を有する。両変換器４４および４６の直流電圧側は直流的に互いに導電接続されている。この実施形態では分散された複数のエネルギー蓄積器を備えた変換器である系統側変換器４６の交流側は変圧器２２により船内電力系統４８に接続可能である。

【0036】

図４には本発明による軸発電機システムの第２の実施形態が示されている。この実施形態は、分散された複数のエネルギー蓄積器を備えた変換器である系統側変換器４６の交流側が系統リアクトル５０を介して船内電力系統４８に接続可能である点で、図３による実施形態と相違する。

【0037】

分散された複数のエネルギー蓄積器を備えた変換器４６の等価回路図が図５に詳細に示されている。この図によれば、この変換器４６は、３つの相モジュールを有し、それらの相モジュールは、それぞれ上側および下側弁アームＰ１およびＮ１、Ｐ２およびＮ２、Ｐ３およびＮ３を有する。各相モジュールのこれらの両弁アームＰ１，Ｎ１もしくはＰ２，Ｎ２もしくはＰ３，Ｎ３は、各１つのブリッジアームを成している。上側および下側弁アームＰ１およびＮ１、もしくはＰ２およびＮ２、もしくはＰ３およびＮ３の接続点が、各相モジュールの交流電圧側端子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３として引き出されている。変換器内部の回路電流の平滑のために、結合された複数の複数のアームリアクトルＬｚが使用される。これらの交流側端子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３には１つの系統リアクトル５０が接続されている。これらの３つの相モジュールは電気的に互いに並列接続されて、詳しくは示されていない直流電圧給電装置（発電機側変換器４４）に接続されており、この直流電圧給電装置は、分散された複数のエネルギー蓄積器Ｃ_SMを備えた変換器４６の直流電圧端子ＰおよびＮに接続されている。これらの直流電圧端子ＰおよびＮの間に、生成された直流電圧Ｕ_dcが現れる。

【0038】

同様に、この等価回路から、各弁アームＰ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３が多数の電気的に直列接続された２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎを有することが分かる。各２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎは、サブモジュールＳＭ１の拡大図によれば、単極性の蓄積コンデンサＣ_SMと、２つのターンオフ制御可能な半導体スイッチＳ１およびＳ２と、２つのダイオードＤ１およびＤ２とを有する。両ターンオフ制御可能な半導体スイッチＳ１およびＳ２は電気的に直列に接続され、この直列回路が単極の蓄積コンデンサＣ_SMに電気的に並列接続されている。ターンオフ制御可能な半導体スイッチＳ１およびＳ２に逆並列にそれぞれダイオードＤ１もしくはＤ２が接続されている。従って、これらのダイオードＤ１およびＤ２はそれぞれフリーホイーリングダイオードを成している。両ターンオフ制御可能な半導体スイッチＳ１およびＳ２の接続点はモジュール端子Ｘ２として引き出されている。単極性の蓄積コンデンサＣ_SMの負側端子が第２のモジュール端子Ｘ１を成す。単極性の蓄積コンデンサＣ_SMの充電状態においてコンデンサ電圧Ｕ_SMが生じる。

【0039】

各弁アームＰ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３の２極サブシステムＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎのこれらのコンデンサ電圧Ｕ_SM1，Ｕ_SM2，…，Ｕ_SMnは加算されて、それぞれ弁電圧Ｕ_ZP1，Ｕ_ZN1，Ｕ_ZP2，Ｕ_ZN2，Ｕ_ZP3，Ｕ_ZN3となる。それぞれ１つの相モジュールの２つの弁電圧Ｕ_ZP1とＵ_ZN1との和、Ｕ_ZP2とＵ_ZN2との和、Ｕ_ZP3とＵ_ZN3との和が、直流電圧端子ＰおよびＮの間に現れる直流電圧Ｕ_dcとなる。

【0040】

これらの２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎのそれぞれは、３つのスイッチング状態、即ちスイッチング状態Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩのうちの、１つのスイッチング状態に制御される。複数のモジュール端子Ｘ２およびＸ１に、どのスイッチング状態Ｉ、ＩＩもしくはＩＩＩで、どの端子電圧Ｕ_X2X1が現れ、スイッチング状態Ｉ、ＩＩもしくはＩＩＩにおいて、ターンオフ制御可能な半導体スイッチＳ１およびＳ２が、どのようにゲート制御されるかは、この図示の変換器回路構成を開示するドイツ特許出願公開第１０１０３０３１号明細書から、その内容を引き出すことができる。

【0041】

図４の実施形態に対しては、系統リアクトル５０と軸発電機システムの出力端子５２，５４，５６との間に、それぞれコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１との直列回路が接続され、これらの抵抗Ｒ１の自由端が互いに導電接続されている。その直列回路の両構成要素Ｃ１およびＲ１の順序は、この図に対して取り替えてもよい。その場合には、コンデンサＣ１の自由端が互いに導電接続される。これらの減衰コンデンサアームは系統リアクトル５０のインダクタンスと共に低域通過フィルタを構成し、３つの抵抗Ｒ１の接続点５８が軸発電機システムの中性点を成している。この接続点５８には、船内電力系統４８の接地端子に対して高抵抗が接続されるとよい。この種の高抵抗接続により、高抵抗接地された船内電力系統４８における地絡事故を検出することができる。

【0042】

分散された複数のエネルギー蓄積器Ｃ_SMを備えた変換器４６の場合に、電気的に直列接続された２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎの個数によって、一方では階段状出力電圧の階段数が決定され、他方ではコンバータ出力電圧が船内電力系統のあらゆる任意の振幅、例えば中圧系統に適合させられる。変換器４６の相モジュールの各弁アームＰ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３の２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎの個数が多いほど、コンバータ出力電圧がますます正弦波状になる。それによって、系統反作用に対する船級協会の要求を遵守することを可能にするのに、もはやフィルタ手段は必要でなくなる。

【0043】

２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎのターンオフ制御可能な半導体スイッチＳ１およびＳ２として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、特にＬＶ−ＩＧＢＴが使用される。１２００Ｖ乃至１７００Ｖの阻止電圧を有するこれらのＬＶ−ＩＧＢＴは、３３００Ｖ，４５００Ｖ乃至６５００Ｖの阻止電圧を有するＨＶ−ＩＧＢＴに比べて、著しく高いパルス周波数でスイッチングさせることができる。更にＬＶ−ＩＧＢＴはＨＶ−ＩＧＢＴに比べて著しく安価である。中圧コンバータ４２におけるＬＶ−ＩＧＢＴおよび多数の２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎの使用によって、このコンバータ４２の出力電流を短絡時に高い動的応答性にて制限することができる。それによって、船内電力系統に対する短絡電流供給に関する要求を簡単に満たすことができる。変換器４６の弁アームＰ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３ごとの２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎの個数が多いおかげで、船内電力系統側のフィルタを省略することができるので、過渡的な運転状態を、より容易に制御することができる。この理由は、船内電力系統側にフィルタがもはや存在しないことから、過渡的な運転状態がもはや振動を励起し得ないことにある。同様に、分散された複数のエネルギー蓄積器Ｃ_SMを有する変換器４６の弁アームＰ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２，Ｐ３，Ｎ３ごとの２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎの個数に応じて、この変換器４６を容易にあらゆる任意の出力電圧に適合させることができ、それによって、多くの用途において変圧器２２を省略することが可能となる。

【0044】

軸発電機システムの電圧中間回路形コンバータ４２の船内電力系統側の変換器２６として分散された複数のエネルギー蓄積器を有する変換器４６を使用することによって、この電圧中間回路形コンバータ４２の制御・調節ステム２８のために非常に高いクロック周波数を使用することができ、それによって、この制御・調節ステム２８の限界周波数は、起こり得る共振の領域外に存在することとなる。それによって、コンバータ４６の、設備に依存しないパラメータ設計が可能となる。

【0045】

電圧中間回路形コンバータ４２の船内電力系統側の変換器２６を多数のエネルギー蓄積器Ｃ_SMを有する変換器４６として構成することによって、電圧中間回路形コンバータ４２を軸発電機コンバータ２０として使用することができるので、始動用コンバータ３４と始動用電動機３６とを有する調相機３２は、もはや必要ではなくなる。同様に、フィルタおよび変圧器は、船内電力系統側において、もはや必要ではなくなる。この変換器の構成によって、中圧コンバータにおける２極サブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎにＬＶ−ＩＧＢＴが使用され、それにより、この変換器４６は多数のサブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，…，ＳＭｎと相まって、結果的に高いスイッチング周波数を有することとなり、短絡電流を高い動的応答性で以て制限することが可能となる。中間回路コンデンサバッテリ４０を多数の分散された複数のエネルギー蓄積器Ｃ_SMに分割した電圧中間回路形コンバータである、軸発電機コンバータの船内電力系統側の変換器２６としての分散された複数のエネルギー蓄積器Ｃ_SMを有する変換器４６により、ディーゼル式電気推進船舶における電力系統特性を、著しく改善することが可能となる。

【符号の説明】

【0046】

１８ 軸発電機
２２ 変圧器
４２ 電圧中間回路形コンバータ
４４ 発電機側変換器
４６ 系統側変換器
４８ 船内電力系統
５０ 系統リアクトル
５２，５４，５６ 出力端子
Ｃ１ コンデンサ
Ｒ１ 抵抗
Ｃ_SM 単極の蓄積コンデンサ
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ 下側弁アーム
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 上側弁アーム
Ｓ１，Ｓ２ ターンオフ制御可能な半導体スイッチ
ＳＭ１〜ＳＭｎ ２極サブモジュール（２極サブシステム）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】