JP4552628B2

JP4552628B2 - 船舶の電気推進システムにおける初期突入電流抑制装置

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Publication number: JP4552628B2
Application number: JP2004348756A
Authority: JP
Inventors: 泰弘高林; 修三岡山
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: JP2006155503A

Description

この発明は、大容量の原動機駆動高電圧交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧交流発電装置と、前記高電圧発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された動力配電回線へ給電する回路と、前記低電圧発電装置から直接前記動力配電回線へ給電する回路と、推進機駆動用の主電動機と、前記主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧発電装置から主変圧器を介してこの電力変換装置へ給電する回路から構成された船舶電気推進システムにおいて、運転を開始するときに発生する連系変圧器、主変圧器の初期励磁突入電流および電力変換器の初期充電突入電流等の突入電流を抑制する装置に関する。

船舶の電気推進システムは、大容量の推進機駆動用主電動機、この電動機に駆動電力を供給するディーゼルエンジン等の原動機により発電機を駆動して発電する原動機駆動発電装置およびこの発電装置から推進機駆動用主電動機に供給される電力を変換制御して推進機を可変速制御する電力変換器等により構成される。推進機駆動用の原動機駆動発電装置は大容量となるので、小形化のために、発電機が高電圧化され、数ｋＶ以上の高電圧の出力電圧を発生するようにしている。しかしながら、電力変換器の定格電圧は、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、電力変換器の入力側に変圧器を設けて、この変圧器により原動機駆動発電機の出力電圧を電力変換器の定格電圧まで降圧するようにしている。

また、電気推進式の船舶には、このような大容量の推進用原動機駆動高電圧発電装置の他に、船内の各種動力負荷に給電するための、小容量の原動機駆動低電圧発電装置が設けられ、船内動力負荷の接続された動力配電回線に接続される。

このような高電圧電源から給電される変圧器付きの電力変換器においては、電源スイッチを投入して起動するとき、電力変換器内の平滑コンデンサの初期充電のための突入電流だけでなく、変圧器の初期励磁のための突入電流も流れるため、起動電流が過大となり、機器が損傷する危険がある。また、電源が船舶における原動機駆動発電機のように容量が限られている場合は、この過大な起動時の突入電流によって原動機駆動発電機の出力電圧が変動するだけでなく、原動機の速度変動により出力周波数も大きく変動するなどして発電装置の出力が不安定となり、場合によっては、発電装置から配電系統への給電が遮断され、電力変換器を起動できない事態も生じる。

このような不都合を回避するために、従来から、電力変換器の起動時の突入電流抑制装置が種々提案されている。

図４は、特許文献１に示された従来の突入電流抑制装置を示すものである。

この図４の突入電流抑制装置は、主発電装置１と電力変換器３の間に設けた電源変圧器Ｔに初期充電用の低圧巻線ｎ３を設け、この巻線に充電用スイッチＳＷ２、限流抵抗Ｒを介して低電圧交流電源２から初期充電電流を供給するものである。電力変換装置の電源スイッチＳＷ１を投入して電力変換器３を起動する前に、充電用スイッチＳＷ２を投入することにより、低電圧交流電源２から限流抵抗Ｒを介して低圧巻線ｎ３に充電電流を供給する。この電流によって電源変圧器Ｔが励磁され２次巻線ｎ２の出力電圧よって電力変換器３のコンバータ３１を介して平滑コンデンサ３２が充電される。低電圧交流電源２から供給される電流は限流抵抗Ｒによって制限されるため、電源変圧器Ｔの初期励磁のための突入電流も、平滑コンデンサ３２を初期充電するための突入電流も抑制され、これらは、過大となることはない。所定時間経過して平滑コンデンサ３２の充電が完了するとタイマ９が作動し、初期充電用スイッチＳＷ２を開き、初期充電電流を遮断する。そして、電源スイッチＳＷ１を投入して、電力変換器３の通常の運転を開始する。この電源スイッチＳＷ１の投入時には、すでに電源変圧器Ｔが励磁され、かつ平滑コンデンサ３２が充電されているので、突入電流は流れない。

図５に、特許文献２に示された他の突入電流抑制装置を示す。

この図５の抑制装置は、３相の主発電装置１に電源スイッチＳＷ１、電源変圧器Ｔを介して電力変換器３が接続され、単相の予備充電電源２aから充電スイッチＳＷ２、限流抵抗Ｒ、充電用変圧器Ｔ１を介して電源変圧器Ｔの２次側の２相に充電電圧を与えるようにしたものである。この装置においても、電源スイッチＳＷ１を投入して電力変換器３を起動する前に、充電用スイッチＳＷ２を投入し、予備充電電源２aから限流抵抗Ｒ、充電用変圧器Ｔ１、電力変換器３のコンバータ３１を介して平滑コンデンサ３２が充電される。このときの充電電流は、限流抵抗Ｒによって制限されるので突入電流は過大とならない。

前記２つの従来の突入電流抑制装置は、いずれも電力変換器の平滑コンデンサの充電のための突入電流の抑制には効果があるが、特に図５に示す従来の装置の場合は、電源変圧器Ｔが２次側から３相のうちの２相が励磁されるだけであるので、３相の励磁が不平衡となる。このため、電源スイッチ２を投入し、運転を開始するとき、電源変圧器Ｔに過大な突入電流が発生する恐れがある。
また図４の従来の装置においては、電源変圧器Ｔの３相を３相の低電圧交流電源２より初期励磁するので、主発電装置１と低電圧交流電源２との電圧位相が揃っていれば、初期励磁後、電源スイッチＳＷ１を投入して電力変換器３の運転を開始するとき、電源変圧器Ｔにはほとんど突入電流が流れないようになるが、主発電装置１と低電圧交流電源２との電圧位相が異なっている場合に、突入電流が発生する恐れがあり、十分に電源変圧器の突入電流を抑制することができない。
特開２００２−３５４８３０号公報特開２００３−０７０２５５号公報

船舶の電気推進システムにおける原動機駆動発電装置を電源とした電力変換器の場合、電力変換器に付属する電源変圧器の励磁突入電流および平滑コンデンサの充電突入電流は電源容量に比して無視できない大きさになるので、原動機駆動発電装置の安定運転のためには、突入電流を電源装置に影響を与えない大きさに抑制することが極めて重要な課題となる。

また、船舶における電源装置は複数台の原動機駆動発電装置で構成され、船舶が長期停泊するときは、大容量の推進機駆動用の原動機駆動主発電装置の運転を停止し、小容量の原動機駆動補助発電装置から船内動力負荷に給電し、航行中は、補助発電装置の運転を停止し、推進機駆動用の大容量原動機駆動主発電装置を運転し、この大容量原動機駆動主発電装置から推進装置へ給電するとともにその一部の電力を船内動力負荷へも給電するなど、船舶の運行モードの変更に応じて発電装置の運転を切換える必要があり、かつ発電装置の運転の切換えの際に、各機器へ流れる突入電流を抑制するとともに、給電系統の無瞬断切換を行うために、切換える発電装置相互の出力周波数および電圧の変動に対応した同期調整制御が不可欠となる。

しかしながら前記従来装置は、何れも、商用電源を用いた陸上設備を前提とした装置であるため、周波数変動、電圧変動および発電装置の切換えを伴う、船舶の電気推進システムへの適用は困難である。

そこで、この発明は、船舶で使用される原動機駆動発電装置を電源とする電力変換器および変圧器の運転開始時に流れる初期充電突入電流および初期励磁突入電流を抑制し、原動機駆動発電装置の周波数および電圧の変動を低減して安定に運転することのできる突入電流抑制装置を提供することを課題とするものである。

この課題を解決するため、この発明は、大容量の原動機駆動高電圧主交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧補助交流発電装置と、推進機駆動用の主電動機と、この主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧主交流発電装置から主変圧器を介してこの電力変換器へ給電する回路と、前記高電圧主交流発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された低電圧の動力配電回線に開閉可能に給電する回路と、前記低電圧補助交流発電装置から直接前記動力配電回線に開閉可能に給電する回路とを備えた船舶の電気推進システムにおいて、前記動力配電回線から前記連系変圧器の初期励磁を行う初期励磁回路をこの連系変圧器の２次側に開閉可能に接続し、前記動力配電回線から前記主変圧器の初期励磁および前記電力変換器の初期充電を行う初期充電回路を前記主変圧器の１次側に充電用昇圧変圧器を介して開閉可能に接続してなることを特徴とするものである。

また、この発明は、大容量の原動機駆動高電圧主交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧補助交流発電装置と、推進機駆動用の主電動機と、この主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧主交流発電装置から主変圧器を介してこの電力変換器へ給電する回路と、前記高電圧主交流発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された低電圧の動力配電回線に開閉可能に給電する回路と、前記低電圧補助交流発電装置から直接前記動力配電回線に開閉可能に給電する回路とを備えた船舶の電気推進システムにおいて、前記動力配電回線から前記連系変圧器の初期励磁を行う初期励磁回路をこの連系変圧器の２次側に開閉可能に接続し、前記動力配電回線から前記主変圧器の初期励磁および前記電力変換器の初期充電を行う初期充電回路を前記主変圧器に設けられた３次巻線側に開閉可能に接続してなることを特徴とするものである。

また前記の船舶の電気推進システムにおける初期突入電流抑制装置において、前記主発電装置を前記動力配電回線に接続する前に前記初期励磁回路により前記連系変圧器の初期励磁を行い、主交流発電装置の出力電圧と動力配電回線の同期を取って主交流発電装置を動力配電回線に接続するようにすると、より過大な突入電流の発生を抑制することができる。

この発明においては、大容量の原動機駆動高電圧主交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧補助交流発電装置と、推進機駆動用の主電動機と、この主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧主交流発電装置から主変圧器を介してこの電力変換器へ給電する回路と、前記高電圧主交流発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された低電圧の動力配電回線に開閉可能に給電する回路と、前記低電圧交流交流発電装置から直接前記動力配電回線に開閉可能に給電する回路とを備えた船舶の電気推進システムにおいて、前記動力配電回線から前記連系変圧器の初期励磁を行う初期励磁回路をこの連系変圧器の２次側に開閉可能に接続し、前記動力配電回線から前記主変圧器の初期励磁および前記電力変換器の初期充電を行う初期充電回路を前記主変圧器の１次側に充電用昇圧変圧器を介して開閉可能に接続し、これらの初期励磁回路および初期充電回路により動力配電回線から連系変圧器の初期励磁を行い、かつ主変圧器および電力変換器の初期励磁および初期充電を行うようにしているので、主発電装置を動力配電回線に連系する際および電力変換器に主発電装置の出力を加えて起動する際に、初期励磁および初期充電のために過大な突入電流がながれることを防止することができる。したがって、電力変換器を起動する際に原動機駆動発電装置は、出力の電圧および周波数の変動が殆どなく安定に運転することができる。

また、この発明においては、大容量の原動機駆動高電圧主交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧補助交流発電装置と、推進機駆動用の主電動機と、この主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧主交流発電装置から主変圧器を介してこの電力変換器へ給電する回路と、前記高電圧主交流発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された低電圧の動力配電回線に開閉可能に給電する回路と、前記低電圧交流交流発電装置から直接前記動力配電回線に開閉可能に給電する回路とを備えた船舶の電気推進システムにおいて、前記動力配電回線から前記連系変圧器の初期励磁を行う初期励磁回路をこの連系変圧器の２次側に開閉可能に接続し、前記動力配電回線から前記主変圧器の初期励磁および前記電力変換器の初期充電を行う初期充電回路を前記主変圧器に設けられた３次巻線側に開閉可能に接続し、これらの初期励磁回路および初期充電回路により動力配電回線から連系変圧器の初期励磁を行い、かつ主変圧器および電力変換器の初期励磁および初期充電を行うようにしているので、主発電装置を動力配電回線に連系する際および電力変換器に主発電装置の出力を加えて起動する際に、初期励磁および初期充電のために過大な突入電流がながれることを防止することができる。したがって、電力変換器を起動する際に原動機駆動発電装置は、出力の電圧および周波数の変動が殆どなく安定に運転することができる。

また、この発明で使用する初期励磁回路および初期充電回路を構成する限流抵抗等の機器は低電圧の動力配電回線に接続されるため、低電圧規格の機器を使用することができ、しがって初期励磁回路および初期充電回路を安価に構成することができる。

以下に図に示すこの発明の実施例について説明する。

図１は、この発明の第１の実施例の構成を示すものである。

図１において、１は、船舶の推進機Ｓとこれを駆動する主電動機Ｍとで構成された電気推進機４を駆動するための大容量の主発電装置となるもので、高電圧の交流発電機Ｇ１をディーゼルエンジンＤＥ１により駆動して例えば電圧が６ｋＶの交流電力を発生するようにした原動機駆動高電圧主交流発電装置である。発電機Ｇ１の出力は電源遮断器ＣＢ１、運転スイッチＳＷ１を介して主変圧器Ｔ０の接続された主配電回線ＭＦに接続される。この主変圧器Ｔ０は１次側に加わる発電機Ｇ１の高電圧の出力電圧を、この電圧より低い所定の電圧、すなわち電力変換器３の入力定格電圧に変成して２次側に接続された電力変換器３に供給する。電力変換器３は、入力の交流電力を直流電力に変換するコンバータ３１、このコンバータ３１の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ３２およびこの平滑コンデンサ３２から供給される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ３３により構成される。この電力変換器３のインバータ３３により電気推進機４の主電動機Ｍを可変速制御して、船舶の航行を制御する。

また、２は専ら船内の動力負荷へ給電するための補助発電装置である。この補助発電装置２はディーゼルエンジンＤＥ２により出力電圧が例えば４４０Ｖの低電圧の補助発電機Ｇ２を駆動して発電を行うもので、遮断器ＣＢ３を介して船内の動力配電回線ＬＦに接続し、この回線に接続された図示しない動力負荷Ｌに給電する。

船舶の航行中など、電気推進機４を駆動する必要があるときは、主発電装置１が運転される。ここで、連系用の遮断器ＣＢ２およびスイッチＳＷ３を投入することにより、主発電装置１の出力を連系変圧器Ｔ１を介して動力配電回線ＬＦへ給電することができる。このようにして主配電回線ＭＦと動力配電回線ＬＦとが連系されているときは、補助発電装置２の運転を停止し、主発電装置１のみを運転し、経済運転モードにする。連系変圧器Ｔ１は、当然、１次側に加わる主発電装置１の高電圧例えば６ｋＶの出力電圧を２次側で動力配電回線ＬＦの定格電圧、例えば４４０Ｖに降圧する。

船舶の停泊中は、補助発電装置２が運転され、遮断器ＣＢ３を投入して補助発電装置２から動力配電回線ＬＦへ給電を行う。連系用の遮断器ＣＢ２およびスイッチＳＷ３は遮断し、動力配電回線ＬＦと主配電回線ＭＦとを切り離し、主発電装置１から動力配電回線ＬＦへの給電を停止するだけでなく、主発電装置１の運転を停止することにより燃料費の節約を図る。

このように主発電装置１および補助発電装置２のいずれからも給電可能にされた低電圧の動力配電回線ＬＦから主変圧器Ｔ０の初期励磁および電力変換器３の平滑コンデンサ３２の初期充電を行うために動力配電回線ＬＦと電力変換器３の接続された電源変圧器Ｔ０の１次側との間に充電スイッチＳＷ２、限流抵抗Ｒ、充電用昇圧変圧器Ｔ２からなる初期充電回路８が接続される。充電用昇圧変圧器Ｔ２は、動力配電回線ＬＦの低い電圧を高電圧の主発電装置１の出力電圧に等しいかまたはやや高い電圧に昇圧する。

また、主配電回線ＭＦと動力配電回線ＬＦは連系変圧器Ｔ１、連系用遮断器ＣＢ２およびスイッチＳＷ３を介して連系接続されている。そして連系変圧器Ｔ１の２次側にこの変圧器を動力配電回線ＬＦから初期励磁するための限流抵抗Ｒ１および励磁スイッチＳＷ４により構成された初期励磁回路９が設けられている。

この装置の運転は、次のように行われる。

船舶の停泊中は、電気推進機４が停止されるため、主発電装置１の運転を停止して、補助発電装置２を運転する。この補助発電装置２から動力配電回線ＬＦへ給電を行うために、連系用遮断器ＣＢ２およびスイッチＳＷ３を遮断して動力配電回線ＬＦを主配電回線ＭＦから切り離し、遮断器ＣＢ３が投入されている。

船舶を出航させるときは、電気推進機４を駆動するために大容量の主発電装置１を起動する。この主発電装置１の出力電圧が確立したところで、動力配電回線ＬＦへの給電を補助発電装置２から主発電装置１に切換えるが、切換のために電源遮断器ＣＢ１を投入し、その後連系用遮断器ＣＢ２およびスイッチＳＷ３を投入するとき、連系用変圧器Ｔ１に初期励磁のための過大な突入電流が発生し、連系用遮断器ＣＢ２が過電流により遮断されることがある。

この発明では、これを避けるために、連系用変圧器Ｔ１の初期励磁時の突入電流を抑制する初期励磁回路９が設けられている。この初期励磁回路９は、遮断器ＣＢ３が投入され補助発電装置２から低電圧の動力配電回線ＬＦに給電されている状態で、もちろん連系用遮断器ＣＢ２およびスイッチＳＷ３が遮断状態のときに、系統制御装置６から励磁スイッチＳＷ４に投入指令信号アを与え、これを投入して、動力配電回線ＬＦから連系変圧器Ｔ１の２次側に励磁電流を供給して初期励磁を行う。このときの電流は限流抵抗Ｒ１によって制限されるので突入電流が抑制されて過大となることはない。所定時間が経過して初期励磁が終了したところで、系統制御装置６から連係用スイッチＳＷ３に投入指令信号イを与えてこれを投入し、その後に充電用スイッチＳＷ４に遮断指令信号アを与えて初期励磁回路９を遮断し、連系変圧器のＴ１の初期励磁工程を終える。

このようして連系変圧器Ｔ１の初期励磁が終了したところで、開かれている連系用遮断器ＣＢ２の両端の電圧ａと電圧ｂの大きさおよび周波数（位相）を比較し、系統制御装置６によりこれらが一致するように主発電装置１の調速装置ＧＶ１および励磁調整装置ＥＸ１に制御信号ｇ、ｈを送る。系統制御装置６は、電圧ａとｂの大きさおよび周波数（位相）が一致し、同期したことが検出されると、同期投入信号ウを連系遮断器ＣＢ２へ与えて同期投入し、その後、遮断器ＣＢ３へ遮断信号エを送り、これを遮断する。これにより、補助発電装置２が動力配電回線ＬＦから切り離され、動力配電回線ＬＦへは主発電装置１から、連系変圧器Ｔ１を介して給電されるようになり、補助発電装置２は運転を停止することができる。

続いて、電力変換装置３の運転を開始する前に主変圧器Ｔ０の初期励磁と平滑コンデンサの３２の初期充電を行うため、運転スイッチＳＷ１の投入に先立って、系統制御装置６から充電スイッチＳＷ２に投入指令信号オを与えてこれを投入する。これにより限流抵抗Ｒ、充電用昇圧変圧器Ｔ２を介して動力回線ＬＦから電力変換器３の接続された主変圧器Ｔ０の１次側に主発電装置１の定格出力電圧と等しいかそれよりやや高い電圧に昇圧された充電電圧が加わる。この充電電圧によって、主変圧器Ｔ０が１次側から初期励磁されるとともに、主変圧器Ｔ０の２次出力電圧により電力変換器３のコンバータ３１を通じて平滑コンデンサ３２が初期充電される。このときの励磁電流および充電電流は限流抵抗Ｒによって制限されるため、初期励磁および初期充電にともなう突入電流は抑制され、過大となることはない。

所定時間後に平滑コンデンサ３２の充電電圧ｐを監視している系統制御装置６が平滑コンデンサ３２の電圧が所定電圧に達し、初期充電が終了したことを検出したところで、運転スイッチＳＷ１に投入指令信号カを与え、これを投入した後、充電スイッチＳＷ２に遮断指令信号オを与えて遮断し、電力変換器３による電気推進機４の駆動の準備が完了する。

運転スイッチＳＷ１が投入されると主変圧器Ｔ０に主発電装置１の出力電圧が加わるが、このとき、主変圧器Ｔ０は既に初期励磁され、電力変換器の平滑コンデンサ３２も初期充電されているので、もはや過大な突入電流が流れることはなく電力変換器３を円滑に起動することができる。

なお、前記においては、連系変圧器Ｔ１の初期励磁が終了したところで、開かれている連系用遮断器ＣＢ２の両端の電圧の大きさおよび周波数（位相）を比較し、系統制御装置６によりこれらが一致するように主発電装置１の調速装置を制御し、同期が取れた時点で、連系用遮断器ＣＢ２を投入して、主配電回線ＭＦと動力配電回線ＬＦを連系した後に、初期充電回路８を介して動力配電回線ＬＦから主変圧器Ｔ０の初期励磁および電力変換器３の初期充電を行うようにしているが、両回線の連系の前に主変圧器Ｔ０と平滑コンデンサ３２の初期励磁および初期充電を行うようにしてもよい。

具体的には、例えば、両回線の同期が取れた時点で、連系用遮断器ＣＢ２を投入する前に、初期充電回路８の充電スイッチＳＷ２を投入して補助発電装置２からの供給電力により電源変圧器Ｔ０と平滑コンデンサ３２の初期励磁および初期充電を開始し、その後、初期励磁および初期充電の期間中に連系用遮断器ＣＢ２を投入し、この連系用遮断器ＣＢ２の投入が完了したところで、遮断器ＣＢ３を遮断して補助発電装置２を動力配電回線ＬＦから切り離し、動力配電回線ＬＦには主発電装置１から連系変圧器Ｔ１を介して給電される状態とし、その後、運転スイッチＳＷ１を投入して主発電装置１を電源変圧器Ｔ０の１次側に接続し、充電スイッチＳＷ２を遮断して初期励磁および初期充電を終了するとともに、電力変換器３の起動を終える。

このように、同期が取れた時点で、連系用遮断器ＣＢ２を投入する前に、主発電装置装置１とは別に設けられた補助発電装置２からの供給電力により電源変圧器Ｔ０と平滑コンデンサ３２の初期励磁および初期充電を開始することにより、電力変換器３の起動制御における初期励磁および初期充電の開始タイミングをより早くすることができるので、その分だけ、電力変換器３の起動を早く行うことができる。

この実施例１においては、初期充電回路８および初期励磁回路９の各機器は低電圧の動力配電回線ＬＦ側に設けられるため、低電圧規格の機器を使用することができ、それによって装置を小形かつ安価に構成することが可能となる。

なお、上述の初期充電回路８による平滑コンデンサ３２への初期充電においては、充電電流が限流抵抗Ｒの抵抗値および平滑コンデンサ３２の容量に基づいてほぼ決まる時定数で時間的に減少していくとともに平滑コンデンサ３２の充電電圧が最終充電電圧値に向って飽和するようにして時間的に上昇していく。このため、実際には初期充電時間を極力短くすることが求められることから、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ３２の充電電圧が最終充電電圧値よりは小さい所定の電圧レベルに達したことを例えば電圧センサやタイマなどにより検知し、検知した時点で運転スイッチＳＷ１を投入した後、充電スイッチＳＷ２を遮断して初期充電を終了させることになる。

一方、高電圧の主発電装置１の電圧が所定の電圧に規定される場合は、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が主発電装置１の規定電圧に対応する規定充電電圧よりも低い電圧であれば、主発電装置１から電源変圧器Ｔ０に向って電力変換器３内の低い充電電圧の平滑コンデンサ３２を再充電するための突入電流が流れ込むことになる。そして、このような再突入電流が電力変換装置の運転の立ち上げ毎に発生することによって、平滑コンデンサ３２に流れる再突入電流により平滑コンデンサ３２の性能劣化がより促進されたり、電源変圧器Ｔ０の巻線に流れる再突入電流によって発生する電磁力による電磁機械的な衝撃に起因して電源変圧器Ｔ０の性能劣化がより促進されたり、高電圧の主発電装置１を構成する発電機Ｇ１およびディーゼルエンジンＤＥ１の制御動作が影響を受けたりするという問題があるので、船舶用電推進装置では原動機駆動発電装置や電力変換装置などの小型化が要請されることから、再突入電流の大きさを極力抑制するか、再突入電流が発生しないようにすることが望ましいことになる。

このような再突入電流を抑制するために、この発明においては、例えば、次のような再
突入電流抑制方式を適用することができる。
［再突入電流抑制方式１］
再突入電流を抑制するための第１の方式は、図１に示す実施例１の装置において、主発電装置１の電圧が所定の電圧に規定されている場合、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が主発電装置１の規定電圧に対応して決まる規定充電電圧と同じ電圧になるようにする。具体的には、初期充電回路８による平滑コンデンサ３２への初期充電における最終充電電圧が上記の規定充電電圧に対して、例えば、約５〜８％程度高い電圧となるように充電用昇圧変圧器Ｔ２の２次出力電圧を高く設定しておき、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ３２の充電電圧が規定充電電圧とほぼ等しい電圧に達した時点で運転スイッチＳＷ１を投入した後に、充電スイッチＳＷ２を遮断して初期充電を終了させるようにする。

これにより、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の実際の充電電圧と規定充電電圧とがほぼ等しく、差があっても１％程度と小さいので、主発電装置１から電力変換器３に向って平滑コンデンサ３２を再充電するために突入電流が流れ込んでもその大きさは極めて小さく抑制されており、平滑コンデンサ３２や電源変圧器Ｔ０などの性能劣化の促進が防止され、主発電装置１を構成する発電機Ｇ１およびディーゼルエンジンＤＥ１の制御動作への影響を抑制することができる。

また、充電用昇圧変圧器Ｔ２の２次出力電圧を電源変圧器Ｔ０の１次電圧すなわち主発電装置１の出力電圧で決まる規定充電電圧より高く設定することにより、平滑コンデンサ３２を所定充電電圧まで充電するのに要する時間を短縮することができるため、電力変換装置の起動を速くすることができる。
［再突入電流抑制方式２］
再突入電流を抑制するための第２の方式は、図１の実施例１において、主発電装置１の電圧が所定の電圧に規定されている場合、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が主発電装置１の規定電圧に対応して決まる規定充電電圧よりも例えば約５〜８％程度高い電圧となるようにしておく。具体的には、初期充電回路８による平滑コンデンサ３２への初期充電における最終充電電圧が上記の規定充電電圧に対して例えば約８〜１５％程度高い電圧、すなわち再突入電流抑制方式１における最終充電電圧値よりさらに高い電圧となるように充電用昇圧変圧器Ｔ２の２次出力電圧を設定しておき、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ３２の充電電圧が規定充電電圧よりも例えば約５〜８％程度高い電圧に達した時点で運転スイッチＳＷ１を投入した後に、充電スイッチＳＷ２を遮断して初期充電を終了させるようにする。

これにより、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の実際の充電電圧は規定充電電圧よりも例えば５〜８％程度高いので、主発電装置１から電力変換器３に向って平滑コンデンサ３２を再充電する再突入電流が流れ込むことはなく、平滑コンデンサ３２や電源変圧器Ｔ０などの性能劣化の促進が防止され、また、高電圧交流電源１を構成する発電機Ｇ１およびディーゼルエンジンＤＥ１の制御動作への影響を、再突入電流抑制方式１に比べてより抑制することができる。

なお、本方式では、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、主変圧器Ｔ０の１次側の電圧が規定電圧よりも高い電圧となっているので、「充電用昇圧変圧器Ｔ２→運転スイッチＳＷ１→連系用遮断器ＣＢ２→連系変圧器Ｔ１→連系スイッチＳＷ３→充電スイッチＳＷ２→限流抵抗Ｒ→充電用昇圧変圧器Ｔ２」および「充電用昇圧変圧器Ｔ２→主変圧器Ｔ０→運転スイッチＳＷ１→電源遮断器ＣＢ１→発電機Ｇ１→電源遮断器ＣＢ１→連系用遮断器ＣＢ２→連系変圧器Ｔ１→連系スイッチＳＷ３→充電スイッチＳＷ２→限流抵抗Ｒ→充電用昇圧変圧器Ｔ２」という２つの回路を循環電流が流れるが、いずれの回路の循環電流も限流抵抗Ｒによって抑制されるので、過大な循環電流が流れることはない。また、いずれの回路の循環電流も、初期充電終了制御中に運転スイッチＳＷ１および充電スイッチＳＷ２の両方が閉じている、約０．５秒程度以下の短いラップ期間中のみ流れるものであるため、発電機Ｇ１、主変圧器Ｔ０、連系変圧器Ｔ１および充電用昇圧変圧器Ｔ２に影響を及ぼすことはなく、また、循環電流が流れることによる限流抵抗Ｒの負担も無視することができる。

なお、上述の再突入電流抑制方式１、２のうち、特に再突入電流抑制方式２では、平滑コンデンサ３２を主発電装置１の規定電圧によって決まる規定充電電圧よりも例えば約５〜８％程度高い電圧まで初期充電することになるため、平滑コンデンサ３２など電力変換器３の構成部品としては、少なくとも上記のような高い電圧に対応することのできる電圧定格の部品を用いることが必要である。

次に図２に示すこの発明の第２の実施例について説明する。

この図２の装置は、図１の装置における初期充電回路８の充電用昇圧変圧器Ｔ２を省略する代わりに、主変圧器Ｔ０の通常の１次巻線Ｎ１、Ｎ２のほかに初期励磁および初期充電用に３次巻線ｎ３を設けている点が図１の実施例１の装置と異なっている。

この３次巻線ｎ３の巻数は、主発電装置１の定格出力電圧が例えば６ｋＶで、動力配電回線の定格電圧が例えば４００Ｖの場合、１次巻線ｎ１に対する巻数比ｎ３／ｎ１が400／6000となる巻数と等しいかこれよりやや小さい巻数に選ばれている。これによって、この充電用巻線ｎ３を介して電力変換器３に充電すると、主発電装置１の電圧が所定の電圧に規定されている場合、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が主発電装置１の規定電圧に対応して決まる規定充電電圧と等しいかこれよりもやや高い電圧となる。

このようにするのは、実施例１の場合と同様に、平滑コンデンサ３２の初期充電の時間を短縮するため、および再突入電流を抑制するためである。

この実施例２の装置におけるそのほかの構成および動作は、前記実施例１の装置と全く同じであるので、詳細な説明を省略する。

この実施例の構成によれば、主変圧器Ｔ０に充電用３次巻線を設けただけでは、外形寸法は殆ど増加しないので、充電用昇圧変圧器を省略できた分、装置全体の設置面積を縮小できる。船舶の場合、船内の面積が限られているため、機器の設置面積を縮小できることは極めて有用なことである。

図３にこの発明の第３の実施例を示す。

この実施例３の装置は、前記実施例１における電気推進機４、これを駆動制御する電力変換器３、主変圧器Ｔ０およびこれらの電源となる大容量の原動機駆動高電圧主発電装置１からなる電気推進装置を２系統設け、各系統を共通の動力配電回線ＬＦへ連系可能に構成したものである。各系統の構成機器は同じであるので各系統をＡ、Ｂとして各機器を示す符号は、図１に示す機器と同じものは同じ符号にし、それぞれにＡ、Ｂのサフィックスを付加して各系統を示すようにしている。すなわち、例えば１Ａは、Ａ系統の主発電装置を、３Ｂは、Ｂ系統の電力変換器を示す。

次に、出航のために２系統の電気推進装置を起動する過程を説明する。

停泊中は、補助発電装置２が運転され、この発電装置２から投入された遮断器ＣＢ３を介して動力配電回線ＬＦに給電される。

この状態で、まずＡ系統の主発電装置１Ａを起動し、出力電圧を確立してから、電源遮断器ＣＢ１Ａを投入する。引き続き連系遮断器ＣＢ２Ａ，連系スイッチＳＷ３Ａを開いた状態で、連系用変圧器Ｔ１Ａの初期励磁を行うために、初期励磁回路９Ａの励磁スイッチＳＷ４Ａを投入して、動力配電回線ＬＦから限流抵抗Ｒ１Ａを介して、連系用変圧器Ｔ１Ａの２次側から初期励磁を行い、所定時間が経過して初期励磁が終了したところで、連系用遮断器ＣＢ２Ａの両端の電圧ａとｂの同期を検出する。同期が取れていなければ、図示しない系統制御装置から、主発電装置１ＡのディーゼルエンジンＤＥ１Ａの調速装置ＧＶ１Ａおよび発電機Ｇ１Ａの励磁調整装置ＥＸ１Ａに同期指令を与えて両電圧が同期するように発電装置の出力の電圧および周波数を調節する。連系用遮断器ＣＢ２Ａの両端の電圧ａとｂの同期が検出されたところで、この遮断器が投入される。その後に連系スイッチＳＷ３Ａを投入し、励磁スイッチＳＷ４Ａを遮断して、主発電装置１Ａを動力配電回線ＬＦに接続する。

このようにして、主発電装置１Ａから動力配電回線ＬＦに給電可能な状態となったところで、補助電源遮断器ＣＢ３を遮断し、補助発電装置２を動力配電回線ＬＦから切り離し、補助発電装置２の運転を停止する。

さらに、Ａ系統の電気推進機４Ａを駆動するために電力変換器３Ａを起動するが、その前に、主変圧器Ｔ０Ａの初期励磁および電力変換器３Ａの平滑コンデンサ３２Ａの初期充電を行うために初期充電回路８Ａの充電スイッチＳＷ２Ａを投入する。これにより、動力配電回線ＬＦから限流抵抗ＲＡおよび充電用昇圧変圧器Ｔ２Ａを介して主変圧器Ｔ０Ａの１次側に動力配電回線ＬＦの所定の低電圧から所定の高電圧に変成された電圧が充電電圧として加えられる。この充電電圧によって主変圧器Ｔ０Ａが初期励磁されるとともに、電力変換器３Ａの平滑コンデンサ３２Ａが初期充電される。このときの電流は、限流抵抗ＲＡによって制限されるため、突入電流は抑制され過大になることはない。

平滑コンデンサ３２Ａの充電電圧が所定値に達したところで充電が終了するので、運転スイッチＳＷ１Ａを投入し、主発電装置１Ａの出力を主変圧器Ｔ０Ａを介して電力変換器３Ａに加え、電気推進機４Ａを駆動可能な状態にする。運転スイッチＳＷ１Ａを投入して主発電装置１Ａの出力電圧が主変圧器Ｔ０Ａに印加されたとき、既に主変圧器Ｔ０Ａは初期励磁され、電力変換器３Ａの平滑コンデンサ３２Ａも初期充電されているので、大きな突入電流が流れることはなく、電力変換器３Ａを安全に起動することができる。スイッチＳＷ１Ａが投入されたところで、充電スイッチＳＷ２Ａが遮断され、充電回路８Ａは、主変圧器Ｔ０Ａから切り離される。

ここまでは、実施例１の動作と同じである。この実施例３においては、ここからＢ系統の運転を開始する。

その順序は、Ａ系統の場合と同じである。まず、主発電装置１Ｂを起動し、出力電圧が確立したところで、電源遮断器ＣＢ１Ｂを投入する。そして、連系遮断器ＣＢ２Ｂを投入する前に、初期励磁回路９Ｂの励磁スイッチＳＷ４Ｂを投入し、主発電装置１Ａから給電されている動力配電回線ＬＦから限流抵抗Ｒ１Ｂを介して連系変圧器Ｔ１Ｂを２次側から初期励磁する。この初期励磁が終わったところで、連系遮断器ＣＢ２Ｂの両端の電圧ａとｂ´の同期を取るための制御を行い、同期が検出されると主発電装置１Ａの出力電圧と主発電装置１Ｂの出力電圧の同期が取れたことになるので連系遮断器ＣＢ２Ｂを投入する。このとき、連系変圧器Ｔ１Ｂは既に初期励磁されているので、突入電流が流れることはない。

このあと、連系スイッチＳＷ３Ｂを投入し、初期励磁回路９Ｂの励磁スイッチＳＷ４Ｂを遮断して、初期励磁回路９Ｂを連系変圧器Ｔ１Ｂから切り離す。引き続き、初期充電回路８Ｂの充電スイッチＳＷ２Ｂを投入して限流抵抗ＲＢ、充電用昇圧変圧器Ｔ２Ｂを介して、動力配電回線ＬＦから主変圧器Ｔ０Ｂの１次側に充電電圧を加え、主変圧器Ｔ０Ｂの初期励磁と電力変換器３Ｂの平滑コンデンサ３２Ｂの初期充電を行う。

所定時間後、平滑コンデンサ３２Ｂの充電電圧が所定値に達して充電が終了したところで、運転スイッチＳＷ１Ｂを投入して主変圧器Ｔ０Ｂを介して主発電装置１Ｂから電力変換器３Ｂに給電する。このスイッチＳＷ１Ｂの投入されたところで、充電スイッチＳＷ２Ｂを遮断し、充電回路８Ｂを主変圧器Ｔ０Ｂの１次側から切離し、電気推進機４Ｂの駆動に備える。運転スイッチＳＷ１Ｂを投入するときは、既に主変圧器Ｔ０Ｂは初期励磁され、電力変換器３Ｂは平滑コンデンサ３２Ｂの初期充電も済んでいるので、このスイッチＳＷ１Ｂの投入により主変圧器Ｔ０Ｂおよび電力変換器３Ｂに主発電装置１Ｂから電力を供給しても過大な突入電流は流れず、電力変換器３Ｂを円滑かつ安全に起動することができる。

この後は、電力変換器３Ａ，３Ｂにより電気推進機４Ａおよび４Ｂを可変速駆動し、船舶の航行を制御する。

前記においては、２系統の電気推進装置の起動を１系統ずつ時間をずらして行うことを説明したが、補助発電装置２の容量が許せば、２系統同時に起動の操作を行うようにしてよい。

なお、上述の図３の装置において、初期充電回路８Ａ，８Ｂの充電用昇圧変圧器Ｔ２Ａ，Ｔ２Ｂを省略する代わりに、主変圧器Ｔ０Ａ，Ｔ０Ｂの通常の１次巻線Ｎ１、Ｎ２のほかに初期励磁および初期充電用に３次巻線ｎ３を設けた構成としてもよい。

この発明の第１の実施例を示す回路構成図である。この発明の第２の実施例を示す回路構成図である。この発明の第３の実施例を示す回路構成図である。従来装置を示す回路構成図である。他の従来装置を示す回路構成図である。

符号の説明

１：原動機駆動主発電装置
２：原動機駆動補助発電装置
３：電力変換器
４：電気推進機
６：系統制御装置
８：初期充電回路
９：初期励磁回路

Claims

大容量の原動機駆動高電圧主交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧補助交流発電装置と、推進機駆動用の主電動機と、この主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧主交流発電装置から主変圧器を介してこの電力変換器へ給電する回路と、前記高電圧主交流発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された低電圧の動力配電回線に開閉可能に給電する回路と、前記低電圧補助交流発電装置から直接前記動力配電回線に開閉可能に給電する回路とを備えた船舶の電気推進システムにおいて、前記動力配電回線から前記連系変圧器の初期励磁を行う初期励磁回路をこの連系変圧器の２次側に開閉可能に接続し、前記動力配電回線から前記主変圧器の初期励磁および前記電力変換器の初期充電を行う初期充電回路を前記主変圧器の１次側に充電用昇圧変圧器を介して開閉可能に接続してなることを特徴とする船舶の電気推進システムにおける初期突入電流抑制装置。
大容量の原動機駆動高電圧主交流発電装置および小容量の原動機駆動低電圧補助交流発電装置と、推進機駆動用の主電動機と、この主電動機への電力を制御する電力変換器と、前記高電圧主交流発電装置から主変圧器を介してこの電力変換器へ給電する回路と、前記高電圧主交流発電装置から連系変圧器を介して船内動力負荷の接続された低電圧の動力配電回線に開閉可能に給電する回路と、前記低電圧補助交流発電装置から直接前記動力配電回線に開閉可能に給電する回路とを備えた船舶の電気推進システムにおいて、前記動力配電回線から前記連系変圧器の初期励磁を行う初期励磁回路をこの連系変圧器の２次側に開閉可能に接続し、前記動力配電回線から前記主変圧器の初期励磁および前記電力変換器の初期充電を行う初期充電回路を前記主変圧器に設けられた３次巻線側に開閉可能に接続してなることを特徴とする船舶の電気推進システムにおける初期突入電流抑制装置。
請求項１あるいは請求項２に記載の船舶の電気推進システムにおける初期突入電流抑制装置において、前記主交流発電装置を前記動力配電回線に接続する前に前記初期励磁回路により前記連系変圧器の初期励磁を行い、主交流発電装置の出力電圧と動力配電回線の同期を取って主交流発電装置を動力配電回線に接続することを特徴とする船舶の電気推進システムにおける初期突入電流抑制装置。