JP5283026B1

JP5283026B1 - 船舶用電気推進システム

Info

Publication number: JP5283026B1
Application number: JP2012113228A
Authority: JP
Inventors: 豊邦加藤
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: JP2013237416A

Abstract

【課題】インバータ等の電力変換部での電力損失が少なく、かつ、蓄電デバイスにバラツキがあったとしても蓄えた電力を有効に使うことが可能な船舶用電気推進システムを提供する。
【解決手段】推進プロペラ８を駆動する推進用電動機１７の固定子巻線を複数の巻線群１７Ａ、１７Ｂに分割し、各固定子巻線１７Ａ、１７Ｂに対応した数だけ蓄電デバイス１９Ａ、１９Ｂ、第１インバータ５Ａ，５Ｂおよび第２インバータ１４Ａ，１４Ｂからなる電源装置１８Ａ、１８Ｂを用意する。各電源装置１８Ａ、１８Ｂ内の第１インバータ５Ａおよび５Ｂによりそれぞれ前記推進用電動機１７を駆動し、第２インバータ１４Ａおよび１４Ｂによりそれぞれ船内負荷を稼動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電デバイスに蓄電した電力を利用して推進する船舶用電気推進システムに関する。

従来の船舶用電気推進システムとしては、船内に設置されたディーゼルエンジン発電装置から出力された電力を用いて推進用電動機を駆動する方式が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

図２は特許文献１に記載の船舶用電気推進システムの一部を省略して示したものである。図２において、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、・・・は、それぞれ船内に設置されたディーゼルエンジン発電装置（Ｄ／Ｇ）であり、それぞれ遮断器２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、・・・を介して船内母線３に接続され、所定周波数・所定電圧の交流電力を供給するようになっている。

この船内母線３には交流電力を直流に変換するダイオードコンバータ４、このダイオードコンバータ４から出力された直流電力を所望周波数・所望電圧の交流電力に変換するインバータ５および遮断器６を介して推進用電動機７が接続されている。この推進用電動機７によって推進プロペラ８が駆動される。なお、船内母線３には推進用電動機７以外に船内に存在する電力負荷としての船内負荷９が遮断器１０を介して接続されている。

近年、環境負荷低減や二酸化炭素低減の機運の高まりから、船舶用電気推進システムの電源をディーゼル発電装置（Ｄ／Ｇ）から二次電池などの蓄電デバイスに置き換える案や、ディーゼルエンジン発電装置（Ｄ／Ｇ）と二次電池とを組み合せて使う案が検討されている。

図３は、図２のディーゼルエンジン発電装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃの替わりに、二次電池１１Ａと充放電装置１２Ａとを組み合わせた電源、二次電池１１Ｂと充放電装置１２Ｂとを組み合わせた電源、二次電池１１Ｃと充放電装置１２Ｃとを組み合わせた電源、を設置した電源構成を示す。

充放電装置１２Ａは、交流電力を直流電力に変換して二次電池１１Ａに充電する役割と、二次電池１１Ａに蓄電している電力を交流電力に変換して船内母線３に出力する役割を担っている。二次電池１１Ｂと充放電装置１２Ｂとを組み合わせた電源、二次電池１１Ｃと充放電装置１２Ｃとを組み合わせた電源も同様である。

なお、二次電池１１Ａは簡略化して示しているが、電池の最小単位であるセルを直列にすることで必要な電圧レベルを得、さらに複数並列にすることで必要な電流容量を得るようにしたセルの集合体である。二次電池１１Ｂおよび１１Ｃも同様である。

特開２００８−１１７８号公報

図３に示す船舶用電気推進システムでは、二次電池１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ・・・からの電力がそれぞれ対応する充放電装置１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・、遮断器２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・を通って船内母線３に供給され、さらに船内母線３からダイオードコンバータ４およびインバータ５を通して推進用電動機７に供給される。

この場合、各二次電池１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ・・・から推進用電動機７に至る電力回路内に存在する電力変換部による電力損失を考えると、前述した図２の船舶用電気推進システムではダイオードコンバータ４における電力損失と、インバータ５における電力損失とを加算した電力損失が生じるのに対して、図３の船舶用電気推進システムではさらに充放電装置１２Ａにおける電力損失が加算され、その分電力損失が大きくなるという欠点がある。すなわち、二次電池を採用した図３のシステムでは、せっかくの二次電池が環境負荷低減および二酸化炭素低減のために充分に活かされないこととなる。

現状の二次電池は、単位体積あたりのエネルギー密度がディーゼルエンジン発電装置で使う化石燃料よりも小さいことを考慮すると、限られた船内スペースに確保できるエネルギー量の点から、運転効率の良い電源構成すなわち、推進電動機への電力供給過程において電力損失の小さい電源構成が望ましい。

発明者は、電力損失の小さい電源構成として、インバータ５の入力側の直流回路に二次電池を接続する図４のような構成の船舶用電気推進システムを検討した。図４において、１３は図３における各二次電池１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの充放電能力を合計した充放電能力を有する二次電池大容量集合体である。

図４の船舶用電気推進システムでは、二次電池１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを撤去した関係で、二次電池大容量集合体１３から船内負荷９へも電力を供給する必要があるので、図３のダイオードコンバータ４に替わってインバータ１４を設け、さらにインバータ１４の出力側をフィルタ１５、トランス１６を介して船内母線３に接続している。このような構成とすることにより、二次電池大容量集合体１３から推進用電動機７に至る電力回路内に存在する電力変換部は一つとなるので、図３の船舶用電気推進システムに比べ電力損失を低減することができる利点がある。

しかしながら、この図４の船舶用電気推進システムの場合、図３の船舶用電気推進システムで分散されている複数の二次電池を一箇所に集約することになるため、新たな問題が生じることがわかった。すなわち、図３の二次電池１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、前述したように二次電池の最小単位であるセルを直並列にすることで必要な電圧レベルと必要な電流容量を得ているが、各二次電池の並列数を３と仮定した場合、二次電池１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを合計した二次電池大容量集合体１３は図５のようになる。

すなわち、１３Ａから１３Ｉのそれぞれは、二次電池を直列接続して１ユニットとして構成されたものであり、合計９ユニットを並列接続して二次電池大容量集合体１３を構成している。

一般に、二次電池セルは内部抵抗にはバラつきがあるため、同時に充電した際に並列接続された各ユニットのＳＯＣ（State of Charge；満充電の状態を１００％、完全放電の状態を０％としたときに、実際に使うことができる電池容量）は揃わない点や、放電する際の過放電に注意を払う必要がある。また、ＳＯＣの大きい電池とＳＯＣの少ない電池とが存在する場合、ＳＯＣの少ない電池に合わせての放電動作となるために溜め込んだ電力を有効に使いきれないという欠点がある。さらに、ユニットの並列数が多くなると能力差の大きい組み合せになることへの注意点、経年劣化による能力のバラつきが大きくなることへの注意点等が必要であり、結局のところ図４のシステムを実用化するには現状では問題点が多い。

そこで本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、電力変換部での電力損失が少なく、かつ、蓄電デバイスにバラつきがあったとしても蓄えた電力を有効に使うことが可能な船舶用電気推進システムを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明による船舶推進用電気推進システムは、複数の巻線群からなる固定子巻線を備えた推進用電動機と、前記推進用電動機によって駆動され、船舶を推進させる推進プロペラと、前記推進用電動機にて船舶を推進するのに必要な電力および前記推進用電動機以外の船内負荷に必要な電力を供給する蓄電デバイス、前記蓄電デバイスに蓄えられた電力を前記推進用電動機に供給する際に所望の交流電力に変換する第１インバータおよび前記蓄電デバイスに蓄えられた電力を前記船内負荷に供給する際に所望の交流電力に変換する第２インバータにより構成され、かつ、前記推進用電動機の巻線群に対応する台数分用意された電源装置とを備え、前記各電源装置の前記第１インバータを前記推進用電動機の各巻線群に接続して当該第１インバータにより前記推進用電動機を駆動するとともに、前記第２インバータを前記船内負荷に接続して当該第２インバータにより前記船内負荷を稼動させることを特徴とする。

本発明によれば、蓄電デバイスから推進用電動機に至る電力回路中の電力変換部における電力損失が少なく、蓄電デバイスにバラつきがあったとしても、バラつきに起因するところの使い切れない電力を出来るだけ少なくすることで、船内環境に適した蓄電デバイスを電力源とする船舶用電気推進システムを提供することができる。

本発明の実施形態における船舶用電気推進システムの構成を示す図。従来のディーゼルエンジン発電機を電源とする船舶用電気推進システムを示す図。二次電池を電源とする従来の船舶用電気推進システムの一構成例を示す図。二次電池を電源とする改良した船舶用電気推進システムの一構成例を示す図。多数のセルの直列と多数の並列接続からなる二次電池の大容量集合体を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図を通して共通する部分には同一符号または対応する符号を付与することにより、重複する部分の説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態における船舶用電気推進システムの構成を示す図である。
図１において、１７は固定子巻線が複数の巻線群１７Ａ、１７Ｂに分割されている電動機で、複数群の固定子巻線を備えた推進用電動機である。図中、固定子巻線１７Ａ、１７Ｂの各端子をそれぞれＡ、Ｂで表わしている。なお、図１の推進用電動機１７は、一例として２つの固定子巻線数１７Ａ、１７Ｂを巻装したものを示しているが、巻線数は２巻線に限定するものではない。なお、固定子巻線を複数に分割する形態として、磁極毎に分割する形態を多巻と呼び、同スロットに別系統となる巻線を収めている形態を多重巻と呼んでいる。ここで、固定子巻線１７Ａと１７Ｂは、多巻の形態であっても、多重巻の形態であっても構わない。

推進用電動機１７の各固定子巻線数１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ対応する第１電力系統の電源装置１８Ａ、第２電力系統の電源装置１８Ｂが接続されている。第１電力系統を構成する回路部品（装置）には添字Ａを付与し、第２電力系統を構成する部品（装置）には添字Ｂを付与している。第１電力系統、第２電力系統は基本的に同じ部品で構成されているので、以下は第１電力系統を代表して説明する。

第１電力系統には電源装置１８Ａと、フィルタ１５Ａと、トランス１６Ａとが設けられている。電源装置１８Ａは、蓄電デバイスとして機能する例えば二次電池１９Ａと、第１インバータ５Ａおよび第２インバータ１４Ａとから構成されている。このうち、第１インバータ５Ａは図４のインバータ５に相当するもので、二次電池１９Ａを電源とし、出力する交流電力を遮断器６Ａを介して推進用電動機１７の一方の固定子巻線１７Ａに供給することによって推進用電動機１７を駆動する。

一方、第２インバータ１４Ａは図４のインバータ１４に相当するもので、第１インバータ５Ａと同様に二次電池１９Ａを電源とし、出力する交流電力を前述したフィルタ１５Ａ、トランス１６Ａを介して船内母線３に給電し、船内母線３から負荷遮断器１０を介して船内負荷９へ供給し、これを稼働させる。第２電力系統も同様の構成、機能を備えているので、説明は省略する。

本実施形態による船舶用電気推進システムはこのように構成されているので、二次電池１９Ａから推進用電動機１７の一方の固定子巻線１７Ａに至る電力回路中に存在する電力変換部は第１インバータ５Ａのみとなり、また、二次電池１９Ｂから推進用電動機１７の他方の固定子巻線１７Ｂに至る電力回路中に存在する電力変換部は第２インバータ５Ｂのみとなる。この結果、本実施形態による船舶用電気推進システムは、図３に示した従来の船舶用電気推進システムに比べて、電力変換部における電力損失を低減することができる。

また、本実施形態による船舶用電気推進システムは、二次電池１９Ａ、１９Ｂが第１の電源装置１８Ａ、第２の電源装置１８Ｂにそれぞれ分散して配置されるので、図４の船舶用電気推進システムのように一箇所に集約設置することを避けることができ、二次電池１９Ａ、１９ＢのＳＯＣに不揃いが生じても個々の二次電池１９Ａと１９Ｂの能力を有効に活用することができる。

なお、本実施形態では、推進用電動機１７の巻線数を２群として例示した関係で、固定子巻線１７Ａ、１７Ｂにそれぞれ接続される電源装置１８Ａ、１８Ｂも２系統であるが、推進用電動機１７の巻線群の数がこれより多くなれば、それに応じて電源装置の数が増えるため、その分二次電池の分散数が増える利点がある。

さらに、本実施形態によれば、推進用電動機１７で生じる回生エネルギーを第１インバータ５Ａ、５Ｂを介して二次電池１９Ａ、１９Ｂに充電することも可能となるので、さらにエネルギー効率の向上に寄与できる。これに対して、図２および図３に示した従来の船舶用電気推進システムでは、ダイオードコンバータ４を使用しているため、船を減速させる際に推進電動機７で生じる回生エネルギーを船内母線３に戻すことができず、図示していない制動抵抗器で熱エネルギーに変換して消費することになる。このため、エネルギー効率は良くない。

なお、図示していないが二次電池１９Ａ、１９Ｂは、それぞれ第二インバータ１４Ａ、１４Ｂを制御して船内母線３、トランス１６Ａ、１６Ｂ、フィルタ１５Ａ、１５Ｂを介して船舶の接岸時に陸からの電力供給を受け充電を行う構成となっている。

３…船内母線、５Ａ，５Ｂ…第１インバータ、６Ａ，６Ｂ…遮断器、８…推進プロペラ、９…船内負荷、１０…負荷遮断器、１４Ａ，１４Ｂ…第２インバータ、１５Ａ，１５Ｂ…フィルタ、１６Ａ，１６Ｂ…トランス、１７…複数群の固定子巻線を備えた推進用電動機、１７Ａ，１７Ｂ…固定子巻線、１８Ａ，１８Ｂ…電源装置、１９Ａ，１９Ｂ…蓄電デバイス（二次電池）。

Claims

複数の巻線群からなる固定子巻線を備えた推進用電動機と、
前記推進用電動機によって駆動され、船舶を推進させる推進プロペラと、
前記推進用電動機にて船舶を推進するのに必要な電力および前記推進用電動機以外の船内負荷に必要な電力を供給する蓄電デバイス、前記蓄電デバイスに蓄えられた電力を前記推進用電動機に供給する際に所望の交流電力に変換する第１インバータおよび前記蓄電デバイスに蓄えられた電力を前記船内負荷に供給する際に所望の交流電力に変換する第２インバータにより構成され、かつ、前記推進用電動機の巻線群に対応する台数分用意された電源装置とを備え、
前記各電源装置の前記第１インバータを前記推進用電動機の各巻線群に接続して当該第１インバータにより前記推進用電動機を駆動するとともに、前記第２インバータを前記船内負荷に接続して当該第２インバータにより前記船内負荷を稼動させることを特徴とする船舶推進用電気推進システム。
前記第２インバータは、フィルタ、トランスおよび船内母線を介して前記船内負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１記載の船舶推進用電気推進システム。