JP3738037B2 - 原動力を有する非同期機およびインバータ／整流器を含む独立電気システム - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、独立して使用する電気システムであって、ガス・タービンまたはディーゼル機関のような主機関と、主機関によって駆動されて第１の交流電圧を発生する発電機と、発電機が発生する第１の交流電圧を変換して直流バスの直流電圧に変換する第１の整流器ユニットと、直流バスの直流電圧を第２の交流電圧に変換する少なくとも１つのインバータ・ユニットとを含む電気システムに関する。
上記によれば、本発明は、独立して使用する電気システムに関するものである。独立して使用する電気システムとは、他の電気ネットワークから独立した、たとえば、砂漠にある、たとえば、船または何か他の発電所の電気システムを意味する。船用の上記の型の電気システムは、たとえば、欧州特許第９７，１８５号にある。この公報によれば、主機関の軸によって駆動される軸発電機として同期発電機を使用することが教示されている。この同期発電機は、２つの電気ネットワークに電力を供給する。一方の電気ネットワークでは、電圧と周波数は、軸発電機の電圧と周波数によって決まる。すなわち、電圧と周波数は、船の主機関の回転速度に直接依存している。他方の電気ネットワークには、電力が交流インバータにより供給される。この交流インバータには、整流器回路とインバータ回路とが含まれ、この交流インバータにより振幅と周波数が一定の交流電圧が作成される。２つの別々の電気ネットワークが使用されているので、船の主要なアクチュエータ、たとえば電動機、ポンプ、圧縮機、換気冷却システム等は、同期発電機から給電されているネットワークから直接、電源を得ているのに対して、無線装置、航行システムおよび照明に必要な電力は、交流インバータから得ている。
上記の公知のシステムには、いくつかの欠点がある。たとえば、主機関を始動できるように別個の付勢回路と別個の電動機を配置しなければならない。もう１つの大きな問題が生じるのは、インバータ・システムが作成する電気が必ずしも高品質でない、すなわち多くの用途で有害な高調波が含まれているときである。また、主機関の故障の場合、このような主機関の故障の場合でも船のスクリューを駆動できる補助機関または構成が無ければ、システムも害をこうむりやすい。
米国特許第４，８８３，９７３号(対応する特開平２−８７９９９号公報)および米国特許第４，３３０，７４３号(対応する特開昭５７−４０３８２号公報)には、それぞれ乗り物と航空機のための電気システムが教示されている。両方のシステムとも、同じ電気機械を主機関、すなわち、乗り物または航空機が始動されるときの電動機として、および電動機が始動した後の電気システムへの電力を発生する発電機として使用する。米国特許第４，８８３，９７３号では、電動機は、２つのモードのある歯車セットを介して乗り物の電動機に結合された非同期機である。歯車セットは、始動モードの間は減速駆動装置として動作し、発電モードの間は直接駆動装置として動作する。乗り物の電動機を始動しているとき、非同期機の回転速度をタコメータにより記録して非同期機に給電し、コンピュータに基づく制御器によって制御されるインバータで機関制御を行わなければならない。これにより、この構成は、出力電圧で所望の電圧／周波数比を維持することができる。米国特許第４，３３０，７４３号に開示されている電気航空機システムで使用されている電動機は、流体トルク・コンバータを含む駆動ユニットを介して航空機用帰還に結合された同期機である。航空機用機関を始動しているとき、同期機が電動機として使用される。これにより、同期機に給電しているインバータ・ユニットは、回転子の位置についてのデータを必要とする。航空機用エンジンを始動しているとき、同期機は、電動機として動作し、その速度は、最初、運転速度まで上昇される。この後、流体トルク・コンバータを使用して航空機用エンジンを次第に所望の速度まで加速してエンジンを始動する。
米国特許第４，８８３，９７３号および第４，３３０，７４３号には、主機関を始動しているときの電動機として、また主機関が運転しているときの発電機として１つの同じ電気機械を使用することが教示されているが、両方の公報の構成で特に電動機として使用するためには、高価で扱いにくい電子技術制御構成が必要とされ、この制御構成には、タコメータまたは回転子位置送信器およびトルク・コンバータと歯車の構成が含まれる。使用されるトルク・コンバータと歯車の構成は、高電力、たとえば、メガワットの伝送に合理的に適用できないようなものである。また、２つの公報からわかる電気システムの動作は、たとえば、電池から得られる直流電圧源に基づいている。これにより、これらのシステムの適用には、ある限界が課される。
発明の簡単な説明
本発明の目的は、独立して使用するように設計され、また上記の公知のシステムの欠点と問題を克服した電気システムを提供することである。これは、主機関によって駆動されて第１の交流電圧を発生する発電機は、主機関の軸に直結された非同期機であり、および第１の整流器ユニットにも直流バスの直流電圧を非同期機への調整可能な周波数の交流電圧に変換するインバータ部分が含まれ、非同期機が電動機として使用されることを特徴とする本発明による電気システムにより達成される。システムの残りの部分の構造に応じて、上記の非同期機を電動機として使用するためのいくつかの部分的に別の理由がある。たとえば、同期機を電動機として使用するとき、ガス・タービンを主機関として使用することができる。また、主機関がガス・タービンであるかディーゼル機関であるかにかかわりなく、主機関の故障の場合に船のスクリュー軸を「帰宅」電動機として駆動することができる。
非同期機が主機関の軸に結合された軸発電機として使用されるとき、主機関として使用されるガス・タービンを始動する電動機として、および主機関の軸から電力を発生する発電機として１つの同じ非同期機が使用される状況が生じる。これによりシステムが単純化され、必要な構成要素の数が少なくなる。更に、かご形誘導電動機のような非同期機は、同期電動機よりずっと安価であり、必要な保守も大幅に少ない。
本発明の電気システムは、交流バスに第３の交流電圧を発生するディーゼル機関／同期発電機の組合わせと、第３の交流電圧を直流バスの直流電圧に変換する第２の整流器ユニットとが更に含まれ、非同期機が電動機として使用されるときに直流電圧を第１の整流器ユニットのインバータ部分で非同期機への交流電圧に更に変換できるように設計することができる。本発明のシステムでは、たとえば主機関を始動するために必要とされるどんな補助電気も、ディーゼル機関／同期発電機の組合わせによって発生することができる。更に、必要なとき、たとえば主機関の故障の場合には、このシステムでは上記の構成により船の他の電気ネットワートと、主機関の軸に結合された電動機の両方に供給できる電力を発生することができ、したがって、船のスクリューも、低い回転速度だけではあるが、このようにして駆動することができる。しかし、その結果、「帰宅」構成が得られる。
本発明の電気システムは、同期発電機の軸と共に回転するように機械的に配列された電動機であって、インバータ・ユニットが発生する第２の交流電圧を受けて同期発電機を駆動することにより、同期発電機に交流バスに第３の交流電圧を発生させる電動機と、同期発電機の負荷がディーゼル機関から電動機に移された後に同期発電機をディーゼル機関から分離するようにディーゼル機関／同期発電機の組合わせの部分の間の軸に配置されたスイッチとを更に含むように設計することができる。
本来、ディーゼル機関によって駆動される同期発電機が電動機で駆動されるように構成された同様の構成により、主機関が例外的に使用されないときにディーゼル機関を補助機関としてのみ使用することができる。この種類の構成のもう１つの結果として、交流バス上に供給される電圧は、別個の同期発電機が発生し、したがって、インバータ構成で発生される電気ではない。これは、交流バスに供給される電圧に高調波が無いということを意味する。
【図面の簡単な説明】
以下、添付図面を参照して、本発明の電気システムと、その得られる利点について更に詳しく説明する。添付図面は、一例として示された本発明による電気システムの一実施例の全体スイッチング図を示す。
発明の詳細な説明
以下、添付図面に示された本発明による電気システムについて説明する。当該電気システムは、動作していない、すなわち、その主機関１４は、まだ始動されていないものとする。この種の始動状況では、ディーゼル機関１、８の少なくとも１つがまず始動される。ディーゼル機関は、同期発電機２、７をそれぞれ駆動する。同期発電機２、７は、メイン・パネルまたは交流バス１７に交流を発生する。船が関係するところでは、ディーゼル機関／同期発電機の組合わせが発生する電気は、図の参照番号４で示される主電源に置き換えることもできる。ディーゼル機関／同期発電機の組合わせ８、７と１、２は、それぞれスイッチ５、３を介して交流バス１７に結合される。
主機関１４を始動するとき、交流バス１７の電圧を整流器ユニット１１に接続するスイッチ６が閉じられる。整流器ユニットは、交流バス１７の交流電圧を直流バス１８の直流電圧に変換する。図には、直流バス１８に接続されたいくつかのインバータ・ユニット１０、１５が示されている。これらのインバータ・ユニットは、他の目的のため所望の周波数の交流電圧を発生するために使用される。これについては、後で更に詳しく説明する。直流バス１８には、スイッチ２４を介してインバータ・ユニット１２も接続され、調整可能な周波数で交流電圧１９を発生する。この交流電圧は、非同期機１３に供給される。非同期機１３は、ここでは電動機として動作する。電動機１３の軸が主電力機械１４の軸と共に回転するように機械的に接続される。接続は、直接接続である。すなわち、この接続には、どんな種類の歯車もスイッチも含まれていない。主機関１４は、たとえば、ガス・タービンまたは大形のディーゼル機関とすることができる。
主機関１４として使用されるガス・タービンの軸が電動機１３によって駆動されるとき、ガス・タービンが始動される。駆動とともに、インバータ・ユニット１２が発生する交流電圧の周波数は、適当な傾斜で上昇するように制御される。したがって、周波数にかかわらず電動機１３を適当な滑りで使用することができる。主機関がディーゼル機関であるとき、これは、たとえば、圧縮空気で一般的な手順により始動される。主機関１４が運転していて電動機１３の回転周波数がインバータ・ユニット１２の発生する交流電圧の周波数より上に上昇したとき、非同期機１３は、発電機の役割を引き受け、インバータ・ユニット１２を介して直流バス１８に電力を戻し始める。インバータ・ユニット１２は、このとき整流器として動作するように制御されている。発電機１３が発生する交流電圧は、滑りを変えることによりインバータ・ユニット１２により調整される。このとき、発電機１３の回転速度は、さまざまに変化することができ、これが直流バス１８にインバータ・ユニット１２が整流する直流電圧のレベルに影響を及ぼすことは無い。このとき、直流バス１８は、交流バス１７と発電機１３の両方から給電されている。
次のステップは、インバータ・ユニット１０を介して直流バス１８に結合された電動機９を始動することである。この電動機は、ディーゼル機関／同期発電機の組合わせ８、７の同期発電機７の軸と共に回転するように機械的に接続されている。次に、発電機７の負荷は、ディーゼル機関８から電動機９に移され、これによりディーゼル機関８と同期発電機７との間の軸上に配置されたスイッチ２２を開くことができる。次に、電動機９によって駆動される同期発電機７は、交流バス１７に交流電圧２１を発生する。ディーゼル機関８がスイッチ２２により同期発電機７から切り離されると、ディーゼル機関８を停止することができる。ディーゼル機関１とこれにより駆動される同期発電機２も停止し、スイッチ３により交流バス１７から切り離すことができる。ディーゼル機関／同期発電機の組合わせ１、２は、主として冗長度を生じるためにシステムに接続されており、本発明によるシステムの最も本質的な動作を提供するために絶対に必要なものではない。もちろん、主機関の故障の場合および多分、ディーゼル機関８の故障の場合でさえも、船の電気システムは、動作を継続することができ、電動機１３は、ディーゼル機関／同期発電機の組合わせ１、２から給電を受けることができるので、上記の「帰宅」構成をこのようにして達成することもできる。
次に、スイッチ３が開いた上記の状況に戻って、始動モードの間にそれを介して交流バス１７から直流バス１８に電力が供給されていたスイッチ６も次に開くことができる。連続した正規の使用では、システムが船であっても、たとえば、砂漠の発電所であっても、システムの電力全体がここで主機関１４によって駆動される発電機１３から得られ、他のどんなディーゼル集合体も使用する必要は無い。しかし、インバータ・ユニット１２または発電機１３が機能不全に陥った場合には、ディーゼルを始動するために必要な期間の後に、交流バスと直流バスが必要とする電力を供給するようにディーゼル期間１、８の準備を行う。同じプラントに接続された他の需要は、たとえば、スイッチ１６を介して交流バスに接続することができ、また、たとえば、スイッチ２３により接続されたインバータ・ユニット１５を介して直接バス１８に接続することができる。「大形」機関は、インバータ・ユニット１５によって公称電流で始動することができる。
本発明の電気システムによって提供される主要な利点は、システムに給電する発電機とガス・タービン主機関を始動する電動機は、コスト効率が良く、構造が簡単で、サイズが小さく、寿命の長い、１つの同じ非同期機であり、代表的には普通のかご形誘導電動機であるということである。非同期機は、主機関の軸に直結され、歯車またはスイッチの構成は必要とされない。これに対する基盤は、いかなる必要な調整も非同期機が電動機として動作するときの供給電圧の周波数調整も非同期機が発電機として動作するときの整流器バスの電圧調整も、インバータ・ユニット１２を使用して電気的に遂行することができる。上記のように、非同期機１３は「帰宅」電動機としても動作することができ、何か他の用途では、非同期機１３は、少なくとも一部が主機関の機能を引き受ける。この電気システムを普通に使用するときは、補助ディーゼルは、全く駆動する必要は無いので、システム全体の効率が改善され、必要な保守が少なくなる。電気システムの動作は、自動的に制御することができ、スタッフは、どんな行動もとる必要は無い。更に、交流バスの電圧は、電動機９により駆動される同期発電機７により供給されるので、普通の使用では交流バスの電圧には高調波が無い。
本発明の電気システムを一例として一実施例について説明してきたが、このシステムは、請求の範囲を逸脱することなく様々に拡張し変化することができるということが理解されるべきである。

Claims (3)

1. 独立して使用される電気システムであって、電気システムは、ガス・タービンおよびディーゼル機関を含む主機関（１４）と、主機関によって駆動され第１の交流電圧（１９）を発生する発電機（１３）と、発電機から発生した第１の交流電圧を直流バス（１８）の直流電圧に変換する第１の整流器ユニット（１２）と、直流バスの直流電圧を第２の交流電圧（２０）に変換する少なくとも１つのインバータ・ユニット（１０，１５）とを含み、主機関によって駆動され第１の交流電圧を発生する発電機は、主機関の軸に直接結合された非同期機であり、第１の整流器ユニットは、直流バスの直流電圧を非同期機への調整可能な周波数を有する交流電圧に変換するインバータ部分を含み、非同期機が電動機として使用されることを特徴とする電気システム。
2. 請求項１記載の電気システムであって、さらに、交流バス（１７）に第３の交流電圧（２１）を発生するディーゼル機関／同期発電機の組合わせ（８、７）と、第３の交流電圧を直流バスの直流電圧に変換する第２の整流器ユニット（１１）とを含み、非同期機が電動機として使用されるときに直流電圧が整流器ユニットのインバータ部分で非同期機への交流電圧に更に変換されることを特徴とする電気システム。
3. 請求項２記載の電気システムであって、さらに、同期発電機（７）の軸と共に回転するように機械的に配列された電動機（９）であって、インバータ・ユニット（１０）から発生した第２の交流電圧（２０）を受け同期発電機を駆動し同期発電機から交流バスに第３の交流電圧を発生させるように配置された電動機と、ディーゼル機関／同期発電機の組合わせの部分の間の軸に配置されたスイッチ（２２）であって、同期発電機（７）の負荷がディーゼル機関（８）から電動機に移動された後に同期発電機をディーゼル機関から分離するスイッチとを含むことを特徴とする電気システム。

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