JP2019073276A - 舶用推進システム - Google Patents

Abstract

【課題】舶用電気推進システムにおいて、推進用電動機へ電力を供給する電力変換装置の小型化を実現する。【解決手段】舶用推進システムが、推進プロペラと、推進プロペラを駆動する推進用電動機と、推進用電動機及び船内負荷へ電力を供給する船内電源と、船内電源から船内母線を介して推進用電動機へ電力を供給する際に所望の交流電力に変換し、推進用電動機で発電した電力を船内母線を介して船内負荷へ供給する際に所望の交流電力に変換する電力変換装置とを備える。電力変換装置が、入力側三相交流と出力側三相交流との各相間に接続され、キャパシタ及び複数のスイッチング素子を含むＨブリッジセルが複数直列接続されてなる９本のアームを有する電力変換部と、入力側三相交流と出力側三相交流との間で双方向に電力変換を行うように電力変換部を制御する制御部とを有する。【選択図】図９

Description

本発明は、電動機によって推進プロペラを駆動する舶用電気推進システムに関する。

近年、電動機によって推進プロペラを駆動する舶用電気推進システムが提案されている。このような舶用電気推進システムには、電動機によって推進プロペラを駆動する電気推進システムや、主機（原動機）と電動機によって推進プロペラを駆動するハイブリッド電気推進システムなどが含まれる。

例えば、特許文献１に記載の電気推進システムでは、交流電動機である推進用電動機によって推進プロペラが駆動される。推進用電動機へは、交流発電機を含む船内電源と船内母線を介して接続された電力変換装置から電力が供給される。電力変換装置は、入力変圧器と、この入力変圧器の二次電圧を直流に変換するコンバータと、コンバータの直流出力を平滑化するコンデンサと、コンバータの直流出力を交流出力に変換するインバータとを含み、推進用電動機の可変速制御を行う。

また、例えば、特許文献２に記載のハイブリッド推進システムでは、推進プロペラとクラッチを介して接続された主機と、推進プロペラと直結された推進用電動機とによって、推進プロペラが駆動される。推進用電動機へは、発電機と船内母線を介して接続された電力変換装置から電力が供給される。この電力変換装置は、双方向インバータ及びその入力側に設けられた入力変換器を含む。主機には、主機の回転動力を利用して発電する主機駆動発電機が直結されている。そして、主機駆動発電機の電力を電力変換装置及び船内母線を介して船内負荷へ供給しつつ、主機により推進プロペラを駆動する主機推進モードと、発電機及び主機駆動発電機の発電出力を電力変換装置を介して電気推進電動機へ供給して推進プロペラを駆動する電気推進モードとが切り替え可能である。

特開２０１１−２５１５９５号公報 特開２００７−２８４０１８号公報

上記のような舶用電気推進システムでは、推進用電動機へ電力を供給する発電機は、大容量及び小型化の実現のために高電圧化され、数ｋＶ以上の高い出力電圧を発生するものが採用される。しかしながら、発電機と接続される電力変換装置の定格電圧は、これを構成する半導体素子の耐電圧の関係から１ｋＶ以下となる場合が多い。このため、電力変換装置では、入力側に変圧器を備え、この変圧器により発電機の出力電圧を電力変換装置の定格電圧まで降圧するようにしている。

図１７は、従来の舶用推進システムの電力変換装置５０のレイアウトを示す図である。図１７に示す従来の舶用推進システムでは、電力変換装置５０は、船体９に設けられた機関室９１に配置される。機関室９１には、複数段のフロア９２ａ〜ｃが形成されており、そのうちの１段のフロア９２ｂに推進プロペラ２２と軸２３で接続された推進用電動機４０が設置され、そのフロア９２ｂの床面上に変圧器５７、変圧器５７で電圧を下げた後で電力変換を行う電力変換回路を構成する複数の電力変換セル５８、及び、電力変換回路の動作を制御する制御盤５６からなる電力変換装置５０が設置されている。

舶用電気推進システムでは、主機のみによって推進プロペラを駆動する機械推進と比較して、構成機器の種類が多く、更に、電動機のパワー密度が小さい。このことから、舶用電気推進システムで機械推進と同等の推進力を得るためには、機械推進と比較して、構成機器の設置面積が多く必要となる。なお、図示されないが、機関室には、推進用電動機及び電力変換装置の他、発電用ディーゼルエンジン、過給機、ボイラ、発電機、熱交換器、燃料ポンプ、燃料タンク、潤滑油タンクなどの機器が設置されている。

数ＭＷ〜数１０ＭＷ級の舶用電気推進システムにおいて、船内系統は一般的に３．３ｋＶ〜１１ｋＶ程度の高電圧系統が用いられるため、従来の変換装置では、変圧器が必要となる。変圧器は、電力変換装置体積の半分を占めるほど、大きい構成品であるため、自ずと電力変換装置全体の体積が大きくなる。そのため、推進システムの小型化が難しい。

舶用電気推進システムの構成機器の設置面積の低減するためには、電気推進システムのキーコンポーネントである電力変換装置の小型化が有効である。しかし、電力変換装置に含まれる変圧器は、不可分な機器であり、且つ、電力変換装置体積の半分を占めるほど大きいため、それが電力変換装置の小型化を難しくしている。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、推進用電動機によって推進プロペラを駆動する舶用電気推進システムにおいて、推進用電動機へ電力を供給する電力変換装置の小型化を実現することにある。

本発明の一態様に係る舶用推進システムは、
推進プロペラと、
前記推進プロペラを駆動する推進用電動機と、
前記推進用電動機及び船内負荷へ電力を供給する船内電源と、
前記船内電源から船内母線を介して前記推進用電動機へ電力を供給する際に所望の交流電力に変換し、前記推進用電動機で発電した電力を前記船内母線を介して前記船内負荷へ供給する際に所望の交流電力に変換する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置が、入力側三相交流と出力側三相交流との各相間に接続され、キャパシタ及び複数のスイッチング素子を含むＨブリッジセルが複数直列接続されてなる９本のアームを有する電力変換部と、前記入力側三相交流と前記出力側三相交流との間で双方向に電力変換を行うように前記電力変換部を制御する制御部とを有することを特徴としている。

上記舶用推進システムによれば、電力変換装置が変圧器を用いずに入力された三相交流電力を直接に異なる三相交流電力に変換するので、変換される電力を変圧するための変圧器を省略することができる。このように、電力変換装置を、従来の電力変換装置と比較して変圧器の分だけ小型化することができる。また、電力変換装置は、大型で不可分な変圧器を含まないので、主に複数のＨブリッジセルの積み方を変えることで、その外形を比較的自由に変化させることができる。

上記舶用推進システムにおいて、前記電力変換部は、前記アームのそれぞれにおいて、直列接続された複数の前記Ｈブリッジセルの入力側又は出力側に直列に接続されたアームリアクトルと、前記入力側三相交流又は前記出力側三相交流の少なくとも一方において、三相交流の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタとを有し、前記アームリアクトル及び前記高調波抑制フィルタによって、前記アームの入力側と出力側の双方の電流ひずみの評価値が所定の値を満足するように、前記アームリアクトル及び前記高調波抑制フィルタが設計されてなるものであってよい。

このように、アームリアクトル及び高調波抑制フィルタによって高調波電流を抑制するので、アームリアクトルだけで高調波電流を抑制する場合と比較して、アームリアクトル及び高調波抑制フィルタをそれぞれ小型化することができる。

上記舶用推進システムにおいて、前記制御部が機関室のフロアに設置された制御盤内に構成され、複数の前記Ｈブリッジセルが前記機関室のフロアに前記制御盤の高さよりも高い位置まで積み上げられた態様でフレームに支持されていてよい。

このように電力変換装置の構成要素をレイアウトすることで、電力変換装置の設置床面積を小さくすることができ、機関室内の通路や作業面積をより大きく確保することができる。

上記舶用推進システムにおいて、前記制御部が機関室のフロアに設置された制御盤内に構成され、複数の前記Ｈブリッジセルが前記機関室の天井に吊り下げられた態様でフレームに支持されていてよい。

このように電力変換装置の構成要素をレイアウトすることで、電力変換装置の設置床面積を小さくすることができ、機関室内の通路や作業面積をより大きく確保することができる。また、Ｈブリッジセルの下方の床面に他の機器を配置することができる。

本発明によれば、推進用電動機によって推進プロペラを駆動する舶用電気推進システムにおいて、推進用電動機へ電力を供給する電力変換装置の小型化を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る舶用推進システムの全体的な構成を示す図である。 図２は、電力変換装置の電力変換部の回路図である。 図３は、Ｈブリッジセルの回路図である。 図４は、電力変換装置の電力変換部の回路図の変形例１である。 図５は、電力変換装置の電力変換部の回路図の変形例２である。 図６は、第１例に係る高調波抑制フィルタの回路図である。 図７は、第２例に係る高調波抑制フィルタの回路図である。 図８は、第３例に係る高調波抑制フィルタの回路図である。 図９は、電力変換装置のレイアウトの第１例を示す図である。 図１０は、図９の電力変換装置のレイアウトに適用される支持フレームの一例を示す図である。 図１１は、図１０に示す支持フレームの一部拡大図である。 図１２は、電力変換装置のレイアウトの第２例を示す図である。 図１３は、図１２の電力変換装置のレイアウトに適用される支持フレームの一例を示す図である。 図１４は、変形例１に係る舶用推進システムの全体的な構成を示す図である。 図１５は、実施例１に係る電力変換部の回路図である。 図１６は、実施例２に係る電力変換部の回路図である。 図１７は、従来の電力変換装置のレイアウトを示す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る舶用推進システム１の構成を示す図である。図１に示す舶用推進システム１は、減速機２１及び推進プロペラ２２からなる推進装置２と、機械推進部３と、電気推進部４とを備え、機械推進部３と電気推進部４とで協調的に船舶の推進動力を得るハイブリッド推進システムである。この舶用推進システム１では、機械推進部３と電気推進部４とを用いて推進プロペラ２２を駆動し、低速時には電気推進部４のみで推進プロペラ２２を駆動し、推進力を得る。また、この舶用推進システム１では、機械推進部３で推進プロペラ２２を駆動した場合に生じた余剰電力や、減速時に推進プロペラ２２から生じる電力を舶内系統に回生させる。

機械推進部３は、推進装置２とクラッチ３１を介して接続されたディーゼルエンジン等の主機３０を含む。機械推進部３は、クラッチ３１の接続／切断を切り替えることにより、主機３０から推進装置２への回転動力を伝達したり遮断したりすることができる。

電気推進部４は、推進装置２と接続された推進用電動機４０と、推進用電動機４０を可変速制御する電力変換装置５と、電力変換装置５への電力の供給源である船内電源６とを含む。

推進用電動機４０は、電気推進時に推進装置２へ回転動力を与える電動機として機能し、機械推進時や減速時に推進装置２の回転エネルギーを利用して発電を行う発電機として機能する、発電電動機である。推進用電動機４０で発電した電力は、船内負荷７へ供給される。

船内電源６は、発電機や蓄電池などである。発電機は、ディーゼルエンジンなどの補機原動機で駆動される補機発電機を含む。また、発電機は、主機３０の回転動力を推進装置２へ伝える軸の回転を利用して発電する軸発電機（主機駆動発電機）を含んでいてもよい。船内電源６は、船内母線８と接続されており、船内電源６から船内母線８を介して船内負荷７や電力変換装置５へ電力が供給される。

電力変換装置５は、推進用電動機４０の力行と回生とを切り替え、力行時には推進用電動機４０を可変速駆動するものである。電力変換装置５は、数ｋＶ以上の高電圧（例えば、３．３ｋＶ〜１１ｋＶ）を与える船内電源６と、変圧器を介さずに直結することができる。また、電力変換装置５は、双方向に電力を供給できるものであって、入力された三相交流電力を直接的に異なる三相交流電力に変換して出力することができる。

電力変換装置５は、電力変換部５１と、電力変換部５１の動作を制御する制御部５２とを有している。電力変換装置５は、所謂、モジュラーマルチレベルマトリクスコンバータ（以下、「ＭＭＭＣ」と称する）である。ＭＭＭＣは、入出力側ともに三相交流が接続され、これら三相交流間の双方向直接変換を実現することができる。

図２は、電力変換装置５の電力変換部５１の回路図である。図２では、入力側三相交流の各相をｕｖｗ相とし、出力側三相交流の各相をｒｓｔ相とする。但し、電力変換装置５は、三相交流間を双方向に直接に変換することができ、また後述するようにその回路構成は対称性を有していることから、ここでの説明における「入力側三相交流」及び「出力側三相交流」は便宜上の定義に過ぎず、例えばｒｓｔ相を「入力側三相交流」、ｕｖｗ相を「出力側三相交流」と定義してもよい。ここで、電力変換装置５が推進用電動機４０の制御装置として機能する際は、電力変換部５１の入力側三相交流には船内電源６が接続され、出力側三相交流には推進用電動機４０が接続される。

電力変換部５１は、Ｈブリッジセル５５を最小構成単位とする。図３に示すように、Ｈブリッジセル５５は、直流コンデンサＣと、この直流コンデンサＣに２つ並列に接続された半導体スイッチ群とを有する。各半導体スイッチ群は、直列接続された２つの半導体スイッチを有する。直列接続された２つの半導体スイッチの接続点が、Ｈブリッジセル５５の出力端となる。半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通すＩＧＢＴなどのスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとを有する。

Ｈブリッジセル５５の出力側を直列多段接続して構成した単位を「アームＡ」と称する。１本のアームＡに含まれるＨブリッジセル５５の個数をｎ個（但し、ｎは正の整数）とする。各アームＡにおいて、直列接続された複数のＨブリッジセル５５の入力側にアームリアクトルＬが直列に接続されている。なお、図２に示す電力変換装置５では、アームリアクトルＬは直列接続された複数のＨブリッジセル５５の入力側に設けられているが、図４に示すように、アームリアクトルＬは直列接続された複数のＨブリッジセル５５の出力側に設けられていてもよい。

電力変換部５１は、入力側三相交流と出力側三相交流との各相間に接続された９本のアームＡを有している。具体的には、アームＡは、入力側三相交流に対して一相あたり３本設けられる。また、出力側三相交流では、入力側三相交流で異なる相にそれぞれ接続された３本のアームＡが同一相に設けられる。

電力変換部５１は、入力側三相交流に一相あたり３個設けられる交流入力端子と、出力側三相交流に一相あたり１個設けられる交流出力端子とを有する。異なる相に設けられた交流入力端子に接続されたアームＡは、同一の交流出力端子に接続される。例えば、入力側三相交流のｕ相、ｖ相及びｗ相に設けられる三相交流入力端子と、出力側三相交流のｒ相に設けられる三相交流出力端子との間には、アームＡur、アームＡvr及びアームＡwrがそれぞれ設けられる。同様に、入力側三相交流のｕ相、ｖ相及びｗ相に設けられる三相交流入力端子と、出力側三相交流のｓ相に設けられる三相交流出力端子との間には、アームＡus、アームＡvs及びアームＡwsがそれぞれ設けられる。同様に、入力側三相交流のｕ相、ｖ相及びｗ相に設けられる三相交流入力端子と、出力側三相交流のｔ相に設けられる三相交流出力端子との間には、アームＡut、アームＡvt及びアームＡwtがそれぞれ設けられる。

電力変換部５１は、入力側三相交流からみた場合と出力側三相交流からみた場合とで、アームＡの接続関係が対称となる回路構成を有している。入力側三相交流あるいは出力側三相交流からみて、同一の相に設けられている３個のアームＡのグループを、「スター変換器」と称する。例えば、出力側三相交流からみると、ｒ相、ｓ相、ｔ相のそれぞれにスター変換器が構成されており、入力側三相交流からみると、ｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれにスター変換器が構成されている。

上述のような電力変換部５１において、各アームＡのスイッチング素子の動作は、制御部５２によって制御される。制御部５２は、例えば、ＤＳＰなどのマイクロプロセッサ及びＦＰＧＡなどのロジック回路等からなる演算装置を備えており、この演算装置において内蔵メモリに格納されたプログラムが内蔵処理部によって実行されることによって、制御部５２としての機能を発揮する。制御部５２は、ＰＤ（Phase Disposition）方式のＰＷＭ制御、ＰＳ（Phase Shift）方式のＰＷＭ制御など公知の制御手法によって、各アームＡ内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。例えば、スター変換器のうちの一つの電圧電流方程式に座標変換を施し、入出力電流制御及び直流コンデンサの電圧バランスの制御を行う方法が知られている。

電力変換装置５は、力行時には、船内電源６から入力される三相交流電力を、制御部５２の制御によって所望の周波数及び電圧の三相交流電力に変換して、推進用電動機４０へ出力するように構成される。ここで、制御部５２の制御によって、ｒ相，ｓ相，ｔ相の各相の交流出力端子へのそれぞれの出力電圧及び出力電流の位相は２π／３ずつずれるように制御される。

同様に、電力変換装置５は、回生時には、推進用電動機４０から入力される三相交流電力を、制御部５２の制御によって所望の周波数及び電圧の三相交流電力に変換して、船内母線８を介して船内負荷７へ出力するように構成される。ここで、制御部５２の制御によって、ｕ相，ｖ相，ｗ相の各相の交流入力端子へのそれぞれの出力電圧及び出力電流の位相は２π／３ずつずれるように制御される。

電力変換部５１では、アームリアクトルＬが各アームＡの入出力電流に作用して、電力変換を行う際に発生する電流ひずみ（高調波電流）を抑制する。しかし、アームリアクトルＬのみでアームＡの入力側と出力側の双方の電流ひずみが要求される値となるようにアームリアクトルＬを設計すると、インダクタンスが入出力電流のうち一方において過剰となる。インダクタンスの大きいリアクトルＬは巨大化する傾向にあり、このようなリアクトルＬによって電力変換装置５の小型化が阻害される。

そこで、電力変換部５１は、図５に示すように、入力側三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタＦを備えてよい。また、電力変換部５１は、出力側三相交流のｒ相、ｓ相、ｔ相の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタＦを備えてよい。つまり、電力変換部５１は、入力側三相交流又は出力側三相交流の少なくとも一方において、三相交流の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタＦを備えてよい。

図６は、高調波抑制フィルタＦの第１例を示す回路図である。図６に示す高調波抑制フィルタＦは、三相交流の各相に直列に接続されたリアクトルで構成される。図７は、高調波抑制フィルタＦの第２例を示す回路図である。図７に示す高調波抑制フィルタＦは、三相交流の各相に直列に接続されたリアクトルとコンデンサとで構成される。図８は、高調波抑制フィルタＦの第３例を示す回路図である。図８に示す高調波抑制フィルタＦは、三相交流の各相に直列に接続された２つのリアクトルと、２つのリアクトル間に設けられたコンデンサで構成される。

そして、アームリアクトルＬと高調波抑制フィルタＦとを合わせたインダクタンスが、各アームＡの入力側と出力側の双方の電流ひずみの評価値が所定の値を満足するように、アームリアクトルＬと高調波抑制フィルタＦとの仕様が決定される。ここで、電流ひずみの評価値として、例えば、総合高調波ひずみ率（ＴＨＤ）を用いることができる。この場合、船級協会規則で要求される総合高調波ひずみ率は５％を超えない値であり、上記電流ひずみの評価値に対する所定の値を５％を超えない値としてよい。なお、総合高調波ひずみ率は、次の式で表すことができる。
総合高調波ひずみ率＝高調波電圧の実効値／基本波電圧の実効値（Ｖ1）×１００（％）
高調波電圧の実効値＝√｛（Ｖ2)²＋（Ｖ3)²＋（Ｖ4)²＋（Ｖ5)²＋・・・｝
上記において、Ｖnとは第ｎ次高調波電圧の実効値を意味する。

このように、アームリアクトルＬ及び高調波抑制フィルタＦによって高調波電流を抑制するので、アームリアクトルＬだけで高調波電流を抑制する場合と比較して、アームリアクトルＬ及び高調波抑制フィルタＦをそれぞれ小型化することができる。そして、このように電力変換装置５を構成する各要素が小型化されることによって、電力変換装置５のレイアウトの自由度が高まる。

電力変換装置５は、制御部５２が構成された制御盤５６と、電力変換部５１を構成する複数のＨブリッジセル５５、アームリアクトルＬ、高調波抑制フィルタＦ、及びそれらを電気的に結合する配線とを、構成要素とする。電力変換装置５は、従来の電力変換装置が備える変圧器を含まないので、従来の電力変換装置と比較して変圧器の分だけ小型化されている。加えて、電力変換装置５は、大型で不可分な機器である変圧器を含まないので、その外形を比較的自由に変化させることができる。

電力変換装置５は、主に複数のＨブリッジセル５５の積み方を変えることで、外形を比較的自由に変化させることができる。図９は、電力変換装置５のレイアウトの第１例を示す図である。図９に示す電力変換装置５では、制御盤５６が機関室９１のフロア９２ｂに設置され、複数のＨブリッジセル５５が機関室９１のフロア９２ｂに制御盤５６の高さよりも高い位置まで積み上げられた態様で支持フレーム６１（図１０、参照）に支持されている。複数のＨブリッジセル５５は、フロア９２ｂの床面と平行な方向よりも、床面と垂直な高さ方向に数多く並べられている。積み上げた複数のＨブリッジセル５５の高さは、機関室９１のフロア９２ｂの床面から、そのフロア９２ｂの天井近傍までの高さであることが望ましい。このように電力変換装置５の構成要素をレイアウトすることで、電力変換装置５の設置床面積を小さくすることができ、機関室９１内の通路や作業面積をより大きく確保することができる。

図１０は、支持フレーム６１の一例を示す図である。図１０に示す支持フレーム６１は、フロア９２ｂの床面と天井面との間で突っ張る複数の柱部材６１ａと、複数の柱部材６１ａに固定された上下方向に複数段の棚板６１ｂとで構成されている。図１１に示すように、各Ｈブリッジセル５５は、隣接する柱部材６１ａの間に位置し、棚板６１ｂに下方から支持されている。Ｈブリッジセル５５を設置する際には、隣接する柱部材６１ａの間にＨブリッジセル５５を挿入し、棚板６１ｂに載置すればよい。

図１２は、電力変換装置５のレイアウトの第２例を示す図である。図１２に示す電力変換装置５では、制御盤５６が機関室９１のフロア９２ｂの床面に設置され、複数のＨブリッジセル５５がそのフロア９２ｂの天井に沿って平たく並べられた態様で、機関室９１の天井に支持された支持フレーム６２（図１３、参照）によって吊り下げられている。複数のＨブリッジセル５５は、高さ方向よりも天井面と平行な方向に数多く並べられた態様で、機関室９１の天井に吊り下げられている。複数のＨブリッジセル５５は、推進用電動機４０やその他の機器の上方に配置されていてよい。このように電力変換装置５の構成要素をレイアウトすることで、電力変換装置５の設置床面積を小さくすることができ、機関室９１内の通路や作業面積をより大きく確保することができる。また、Ｈブリッジセル５５の下方の床面に他の機器を配置することができる。

図１３は、支持フレーム６２の一例を示す図である。図１３に示す支持フレーム６２は、フロア９２ｂの天井から吊り下げられた状態で天井に固定された複数の梁部材６２ａと、複数の梁部材６２ａに固定された上下方向に複数段の棚板６２ｂとで構成されている。各Ｈブリッジセル５５は、隣接する梁部材６２ａの間に位置し、棚板６２ｂに下方から支持されている。なお、電力変換装置５のＨブリッジセル５５のレイアウトとして、機関室９１のフロア９２ｂに積み上げる例と、天井から吊り下げる例とを説明したが、Ｈブリッジセル５５のレイアウトはこれらに限定されず、例えば、機関室９１の壁に棚を設け、それらの棚にＨブリッジセル５５を収容するようにしてもよい。

［変形例１］
次に、上記実施形態の変形例１を説明する。図１４は、変形例１に係る舶用推進システム１Ａの全体的な構成を示す図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

図１４に示す変形例１に係る舶用推進システム１Ａは、推進プロペラ２２からなる推進装置２と、電気推進部４とを備え、電気推進部４で船舶の推進動力を得る電気推進システムである。このように、本発明に係る舶用推進システム１Ａを電気推進システムにも適用させることができる。

電気推進部４は、推進装置２と接続された推進用電動機４０と、推進用電動機４０を可変速制御する電力変換装置５と、電力変換装置５への電力の供給源である船内電源６とを含む。

推進用電動機４０は、電気推進時に推進装置２へ回転動力を与える電動機として機能し、減速時やクラッシュ・ストップ・アスターン時に推進装置２の回転エネルギーを利用して発電を行う発電機として機能する、発電電動機である。推進用電動機４０で発電した電力は、船内負荷７へ供給される。

船内電源６は、発電機や蓄電池などである。発電機は、ディーゼルエンジンなどの補機原動機で駆動される補機発電機を含む。また、発電機は、主機３０の回転動力を推進装置２へ伝える軸の回転を利用して発電する軸発電機（主機駆動発電機）を含んでいてもよい。船内電源６は、船内母線８と接続されており、船内電源６から船内母線８を介して船内負荷７や電力変換装置５へ電力が供給される。

電力変換装置５は、推進用電動機４０の力行と回生とを切り替え、力行時には推進用電動機４０を可変速駆動するものである。電力変換装置５は、上記実施形態と実質的に同じものであって、電力変換部５１と、電力変換部５１の動作を制御する制御部５２とを有している。電力変換装置５は、数ｋＶ以上の高電圧（例えば、３．３ｋＶ〜１１ｋＶ）を与える船内電源６と、変圧器を介さずに直結することができる。また、電力変換装置５は、双方向に電力を供給できるものであって、入力された三相交流電圧を直接的に異なる三相交流電圧に変換して出力することができる。

以上に説明したように、本実施形態（及び変形例１）に係る舶用推進システム１（１Ａ）は、推進プロペラ２２と、推進プロペラ２２を駆動する推進用電動機４０と、推進用電動機４０及び船内負荷７へ電力を供給する船内電源６と、船内電源６から船内母線８を介して推進用電動機４０へ電力を供給する際に所望の交流電力に変換し、推進用電動機４０で発電した電力を船内母線を介して船内負荷７へ供給する際に所望の交流電力に変換する電力変換装置５とを備える。そして、電力変換装置５が、入力側三相交流と出力側三相交流との各相間に接続され、キャパシタ及び複数のスイッチング素子を含むＨブリッジセル５５が複数直列接続されてなる９本のアームＡを有する電力変換部５１と、入力側三相交流と出力側三相交流との間で双方向に電力変換を行うように電力変換部５１を制御する制御部５２とを有する。

これにより、電力変換装置５において、変換される電力を変圧するための変圧器を省略することができる。電力変換装置５を、従来の電力変換装置と比較して変圧器の分だけ小型化することができる。また、電力変換装置５は、大型で不可分な変圧器を含まないので、主に複数のＨブリッジセル５５の積み方を変えることで、その外形を比較的自由に変化させることができる。

また、本実施形態（及び変形例１）に係る舶用推進システム１（１Ａ）は、電力変換部５１が、アームＡのそれぞれにおいて、直列接続された複数のＨブリッジセル５５の入力側又は出力側に直列に接続されたアームリアクトルＬと、入力側三相交流又は出力側三相交流の少なくとも一方において、三相交流の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタＦとを有する。そして、アームリアクトルＬ及び高調波抑制フィルタＦによって、アームＡの入力側と出力側の双方の電流ひずみの評価値が所定の値を満足するように、アームリアクトルＬ及び高調波抑制フィルタＦが設計されてなる。

このようにアームリアクトルＬ及び高調波抑制フィルタＦによって高調波電流を抑制するので、アームリアクトルＬだけで高調波電流を抑制する場合と比較して、アームリアクトルＬ及び高調波抑制フィルタＦを小型化することができる。このことを以下の検証例で説明する。

〔検証例〕
図１５は、実施例１に係る電力変換部の回路図であり、図１６は、実施例２に係る電力変換部の回路図である。実施例１，２の電力変化部は、入力側三相交流と出力側三相交流との各相間に接続された９本のアームを有し、各アームは、直列接続された２個のＨブリッジセルとその入力側に直列に接続されたアームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）とを備える。実施例１の電力変換部は、入力側三相交流の各相に直列に接続された入力フィルタリアクトル（Ｌ１）を更に備える。入力フィルタリアクトル（Ｌ１）は、高調波抑制フィルタＦを構成する。

実施例１では、アームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）及び入力フィルタリアクトル（Ｌ１）で入出力電流ひずみを５％以下とする場合のインダクタンスを、シミュレーションで求めた。実施例２では、アームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）だけで入出力電流ひずみが５％以下とする場合のインダクタンスを、第１のシミュレーションで求めた。第１のシミュレーションの結果を表１に示す。第１のシミュレーションの条件は、次の通りである。
入出力電圧：４４０Ｖｒｍｓ。
入出力電流：３９３．６Ａｒｍｓ。
入出力電力：３００ｋＷ。
出力周波数：６３３Ｈｚ。
電動機のインダクタンスＬＭ：１７．５μＨ。

また、実施例２の電力変換部において、アームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）が実施例１の第１のシミュレーションで得られたインダクタンスと同じインダクタンスを有する場合の入力電流ひずみ率を、第２のシミュレーションで求めた。第２のシミュレーションの結果を実施例２Ａとして表１に示す。第２のシミュレーションでは、アームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）のインダクタンスを６０μＨ、出力電流ひずみ率を５．０％とした他は、第１のシミュレーションと同様の条件とした。

実施例１、実施例２、及び実施例２Ａのインダクタンスに基づいて、リアクトル体積を求めた。リアクトル体積は、Ａｒｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔの考え方に基けば、リアクトルの体積Ｖol_Ｌは、次式・数１で表される。

数１において、Ｌはインダクタンス、Ｋ_ｖはコアの形状から決定される係数、Ｋ_ｕはコアの窓の線積率、Ｂ_ｍａｘは最大磁束密度、Ｊ_ｍａｘは巻き線の最大電流密度を表す。それぞれの回路のリアクトルについて、コアの窓の線積率Ｋ_ｕ、最大磁束密度Ｂ_ｍａｘ、最大電流密度Ｊ_ｍａｘを等しく設計することで、リアクトルに蓄えられるエネルギーの大きさにより、リアクトルの体積を評価できる。入力フィルタリアクトル（Ｌ１）及びアームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）において入力電流Ｉ_ｉｎをＩ_ｍａｘとし、出力電流I_ｏｕｔをＩ_ｍａｘとし、アーム電流を２×Ｉ_ｍａｘ／３とし、圧力損失を無視し、力率を１とする。このように仮定すると、数１からインダクタンスから入力フィルタリアクトル（Ｌ１）の体積を求める式（数２）、及び、インダクタンスからアームリアクトル（Ｌ_ＡＲＭ）の体積を求める式（数３）を導出できる。数２及び数３において、Ｋ_ｖｏｌは係数である。このようにして求めた実施例１、実施例２、及び実施例２Ａのリアクトル体積を表１に示す。

実施例１と実施例２とを比較して、入力フィルタリアクトル（高調波抑制フィルタ）を備えることによって、リアクトル体積が抑えられ、アームリアクトル及び高調波抑制フィルタを更に小型化できることが検証された。また、実施例１と実施例２Ａとを比較して、入力フィルタリアクトル（高調波抑制フィルタ）を備えることによって、アームの入力側及び出力側の電流ひずみが効果的に抑えられることが検証された。

以上に本発明の好適な実施の形態（及び変形例）を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

１，１Ａ ：舶用推進システム
２ ：推進装置
２１ ：減速機
２２ ：推進プロペラ
３ ：機械推進部
３０ ：主機
３１ ：クラッチ
４ ：電気推進部
４０ ：推進用電動機
５ ：電力変換装置
９ ：船体
５１ ：電力変換部
５２ ：制御部
５５ ：Ｈブリッジセル
５６ ：制御盤
６ ：船内電源
７ ：船内負荷
８ ：船内母線
９１ ：機関室
９２ａ〜ｃ ：フロア
６１，６２ 支持フレーム
Ａ ：アーム
Ｆ ：高調波抑制フィルタ
Ｌ ：アームリアクトル

Claims (4)

1. 推進プロペラと、
   前記推進プロペラを駆動する推進用電動機と、
   前記推進用電動機及び船内負荷へ電力を供給する船内電源と、
   前記船内電源から船内母線を介して前記推進用電動機へ電力を供給する際に所望の交流電力に変換し、前記推進用電動機で発電した電力を前記船内母線を介して前記船内負荷へ供給する際に所望の交流電力に変換する電力変換装置とを備え、
   前記電力変換装置が、入力側三相交流と出力側三相交流との各相間に接続され、キャパシタ及び複数のスイッチング素子を含むＨブリッジセルが複数直列接続されてなる９本のアームを有する電力変換部と、前記入力側三相交流と前記出力側三相交流との間で双方向に電力変換を行うように前記電力変換部を制御する制御部とを有する、
   舶用推進システム。
2. 前記電力変換部は、前記アームのそれぞれにおいて、直列接続された複数の前記Ｈブリッジセルの入力側又は出力側に直列に接続されたアームリアクトルと、前記入力側三相交流又は前記出力側三相交流の少なくとも一方において、三相交流の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタとを有し、
   前記アームリアクトル及び前記高調波抑制フィルタによって、前記アームの入力側と出力側の双方の電流ひずみの評価値が所定の値を満足するように、前記アームリアクトル及び前記高調波抑制フィルタが設計されてなる、
   請求項１に記載の舶用推進システム。
3. 前記制御部が機関室のフロアに設置された制御盤内に構成され、
   複数の前記Ｈブリッジセルが前記機関室のフロアに前記制御盤の高さよりも高い位置まで積み上げられた態様でフレームに支持されている、
   請求項１又は２に記載の舶用推進システム。
4. 前記制御部が機関室のフロアに設置された制御盤内に構成され、
   複数の前記Ｈブリッジセルが前記機関室の天井に吊り下げられた態様でフレームに支持されている、
   請求項１又は２に記載の舶用推進システム。