JP5508672B2 - 発電の方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、全般的には発電系統に関し、具体的には、変圧器を使用せずに複数の電圧を引き出すように構成された発電機と変換器との組合せを含む発電系統に関する。
少なくとも１つの既知の船舶は、配電系統に電力を供給するのに利用される発電機を含む。配電系統は、バスから電力を受け取る複数の負荷を含む。負荷に電力を供給するために、既知の配電系統は、発電機から供給される電圧レベルを、負荷を動作させるのに必要な電圧レベルに下げるのに使用される複数の変圧器を含む。たとえば、推進系統など、少なくともいくつかの船舶負荷は、約２．３キロボルト（ｋＶ）と約１３．８ｋＶとの間の中間電圧で供給され、しばしばホテルまたはシップサービス負荷（ｈｏｔｅｌ ｏｒ ｓｈｉｐ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｏａｄ）と呼ばれる補助負荷は、約１２０ボルト（Ｖ）と約６９０Ｖとの間のより低い電圧で供給される。
変圧器は、発電機からの出力電圧を、バスに結合されたさまざまな機器によって利用される、より低い電圧に下げるのに許容できるが、既知の変圧器は、寸法／重量制約を有する。具体的には、さまざまな負荷を含む船舶は、負荷が要求する必要な電圧レベルを供給するために多数の変圧器をも必要とする場合がある。その結果、変圧器の組み合わされた重量は、船舶の総重量を増やし、したがって、燃料効率を低下させ、船舶の総建造費用および総運転費用を増やす。さらに、比較的大型の電気機器と共に利用される変圧器は、比較的大きいフットプリントを有する場合があり、この比較的大きいフットプリントは、船舶の限られた限界内に収容するのが難しい場合がある。
米国特許第６５０７５０６号 米国特許第６９０９２０１号 米国特許第６３９２２３４８号 米国特許第４８１６７３６号 米国特許第４７４８３９５号 米国特許第４７２３１０５号 米国特許第４１５３８６９号 米国特許第６１７５１６３号 米国特許第５６８４６９０号 米国特許第４６６１７１４号 米国特許第４０４５７１８号 米国特許第６１１１７６８号 米国特許第６３７３２３０号 米国特許第７１０２３３１号 米国特許第５４２４５９９号 米国特許第７０３４５０９号
したがって、変圧器を使用せずに複数の電圧を引き出すように構成された、改良された発電機と変換器との組合せを含む発電系統を提供することが求められる。
一態様で、電力を生成する方法を提供する。この方法は、少なくとも１つの巻線を有する開放巻線（ｏｐｅｎ−ｗｉｎｄｉｎｇ）発電機を提供することを含み、少なくとも１つの巻線は、第１端子および第２端子を有する。この方法は、第１電気バスを介して第１端子を第１電気パワーエレクトロニクス（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）装置に電気的に結合することと、第２電気バスを介して第２電気端子を第２電気パワーエレクトロニクス装置に電気的に結合することとをも含む。この方法は、さらに、第１電気バス上で第１電圧を誘導し、調節することと、第２電気バス上で第２電圧を誘導し、調節することとを含む。
もう１つの態様では、配電系統が提供される。この系統は、第１電気バスに電気的に結合された少なくとも１つの第１電気パワーエレクトロニクス装置を含む。この系統は、第２電気バスに電気的に結合された少なくとも１つの第２電気パワーエレクトロニクス装置をも含む。この系統は、さらに、第１電気バスおよび第２電気バスに直列に電気的に結合された少なくとも１つの開放巻線発電機を含む。
さらなる態様では、船舶が提供される。この船は、少なくとも１つの電気推進電動機を含む。この船は、少なくとも１つの電気推進電動機に電気的に結合された配電系統をも含む。この配電系統は、第１電気バスに電気的に結合された少なくとも１つの第１電気パワーエレクトロニクス装置を含む。この系統は、第２電気バスに電気的に結合された少なくとも１つの第２電気パワーエレクトロニクス装置をも含む。この系統は、さらに、第１電気バスおよび第２電気バスに直列に電気的に結合された少なくとも１つの開放巻線発電機を含む。
図１は、例示的な船舶発電配電系統１００の一部の概略図である。系統１００は、開放巻線発電機１０２を含み、そのような発電機は、通常、外部バスへの接続のために引き出される各発電機相巻線の関連する端子の両方を含む。これは、Ａ相リード、Ｂ相リード、およびＣ相リードのそれぞれの一端が、一般にデルタ（またはΔ）ワウンドマシン（ｄｅｌｔａ−ｗｏｕｎｄ ｍａｃｈｉｎｅ）またはワイ（またはＹ）ワウンドマシン（Ｙ−ｗｏｕｎｄ ｍａｃｈｉｎｅ）として知られる固定子構成を形成するために電気的に結合される、多数の既知の発電機と対照的である。
例示的実施形態では、発電機１０２は、回転子（図示せず）および固定子１０４を含む、同期式、３相、巻線形回転子、３６メガワット（ＭＷ）、６６００ボルト交流（ＶＡＣ）、２極、６０００回転毎分（ＲＰＭ）発電機である。代替案では、発電機１０２は、本明細書で定義される系統１００の動作を容易にする任意の個数の相と電力値、電圧値、および回転値の定格とを有する突出極発電機、両面固定子発電機、および／または二重供給誘導発電機を含むがこれらに限定されない任意のタイプの発電機である。例示的実施形態では、回転子は、巻線形回転子であり、ここで、関連する巻線（いずれも図示せず）は、別々に励起され、たとえば突出極回転子であるが、これに限定はされない。代替案では、発電機１０２は、回転子に結合される複数の永久磁石（図示せず）を含む永久磁石発電機である。回転子および固定子１０４は、クリアランスギャップ（図示せず）（時々、エアギャップと称する）が固定子１０４と回転子との間で画定されるように配置される。回転子は、所定の個数の極および所定の磁気の強さを有する磁場（図示せず）を生成するように配置される。
固定子１０４は、複数の固定子巻線１０６、１０８、および１１０を含む。エアギャップは、回転子が固定子１０４内で回転される時の回転子回転速度によって決定される所定の周波数で固定子巻線１０６、１０８、および１１０内に所定の電圧を生成するための、回転子と固定子巻線１０６、１０８、および１１０との磁気結合を容易にする。
系統１００は、軸１１４を介して発電機１０２に回転可能に結合された駆動発動機１１２をも含む。例示的実施形態では、駆動発動機１１２は、ガスタービン発動機である。また、例示的実施形態では、駆動発動機１１２は、実質的に一定速度の駆動機構である。代替案では、駆動発動機１１２は、蒸気タービン発動機、ディーゼル発動機、および風力タービン発動機を含むがこれらに限定されない発動機である。また、代替案では、駆動発動機１１２は、可変速駆動機構である。例示的実施形態では、発電機１０２は、直接駆動発電機である、すなわち、ハブ（図示せず）は、軸１１４が発電機回転子を駆動するように軸１１４を発電機回転子に回転可能に結合するのを容易にする。代替案では、ギアボックス（図示せず）が、駆動発動機１１２と発電機１０２との間に配置され、固定子巻線１０６、１０８、および１１０内で所定の周波数を達成するのを容易にするために軸１１４によって生成される回転速度を上げまたは下げるのに使用される。
固定子巻線１０６、１０８、および１１０は、それぞれ電気導管１１８、１２０、および１２２ならびにそれぞれ端子１１９、１２１、および１２３を介して、第１電気パワーエレクトロニクス装置すなわち第１変換器１１６に電気的に結合される。例示的実施形態では、導管１１８、１２０、および１２２は、発電機１０２によって生成される所定の電流、電圧、および周波数の所定の電力を伝導するように構成された複数の電気ケーブルである。その代わりにまたはそれに加えて、導管１１８、１２０、および１２２は、バスバーを含むがこれに限定されない任意の電力伝導デバイスである。導管１１８、１２０、および１２２は、実質的に固定子巻線１０６、１０８、および１１０の延長部である。具体的には、例示的実施形態で、導管１１８、１２０、および１２２のそれぞれは、発電機１０２に関連する３相のそれぞれについて少なくとも１つのケーブルを含む。代替案では、本明細書で説明する発電機１０２の動作を容易にする任意の個数の相を、発電機１０２に関連付けることができる。
例示的実施形態では、変換器１１６は、固定子巻線１０６、１０８、および１１０から伝導される交流（ＡＣ）信号をＡＣ整流によって直流（ＤＣ）信号に変換するアクティブ整流器である。変換器１１６は、パルス幅変調（ＰＷＭ）法を使用して、固定子巻線１０６、１０８、および１１０電流を調整し、ＤＣリンク１２４（下でさらに述べる）の電圧を調節する。例示的実施形態では、変換器１１６は、当技術分野で既知のように、複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチ素子（図示せず）を含む。代替案では、スイッチ素子に、複数のｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｇａｔｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ（ＩＧＣＴ）および複数のゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）（いずれも図示せず）を含めることができるが、これらに限定はされない。さらに、代替案では、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のタイプのスイッチ素子を、使用することができる。変換器１１６は、スイッチ素子の所定のファイヤリングレート（ｆｉｒｉｎｇ ｒａｔｅ）および所定のファイヤリング持続時間（ｆｉｒｉｎｇ ｄｕｒａｔｉｏｎ）がもたらされるように、制御系（図示せず）によって操作され、制御される。変換器１１６は、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のフィルタリング装置を含む。
系統１００は、さらに、変換器１１６に電気的に結合された第１ＤＣリンク１２４を含む。リンク１２４は、正導管１２６、負導管１２８、およびその間に電気的に結合された少なくとも１つの容量性素子すなわちコンデンサ１３０を含む。例示的実施形態では、変換器１１６は、単一のＤＣリンク１２４に電気的に結合される。代替案では、変換器１１６は、個々の別々の複数のＤＣリンク（図示せず）と電気的に通じて結合される。また、例示的実施形態では、コンデンサ１３０は、時々３相ＡＣ整流に関連するＤＣ脈動の軽減を容易にすることによって、ＤＣリンク１２４電圧変動を軽減するのを容易にする。代替案では、コンデンサ１３０は、導管１２６と１２８との間で直列にまたは並列に構成された１つまたは複数のコンデンサである。さらに、例示的実施形態では、導管１２６および１２８は、レールバスである。代替案では、導管１２６および１２８は、バスバーおよびケーブルを含むがこれらに限定されない任意の電力伝導デバイスである。さらに、例示的実施形態では、ＤＣ導管１２６および１２８は、それぞれ、実質的に約ゼロボルトの接地値を中心とする正電圧値および負電圧値を有するように構成される。したがって、系統１００のアーキテクチャは、電気干渉信号の生成を含むがこれに限定されないコモンモード電圧問題の導入を容易にしない。例示的実施形態では、リンク１２４は、約１０００ボルトＤＣ（ＶＤＣ）の電圧を加えられるように構成され、したがって低電圧ＤＣリンクである。
系統１００は、第１ＤＣリンク１２４に電気的に結合された「シップサービス」ＤＣバス１３２をも含む。具体的には、バス１３２は、それぞれ正導管１２６および負導管１２８に電気的に結合された正導管１３４および負導管１３６を含む。容量性素子（図示せず）を、コンデンサ１３０に似た形で導管１３４と１３６との間に配置することができる。バス１３２は、船舶の所定の部分全体を経由するように構成される。例示的実施形態では、バス１３２は、約１０００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって低電圧ＤＣバスである。例示的実施形態では、導管１３４および１３６は、複数のバスバーである。それに加えてまたはその代わりに、導管１３４および１３６は、電気ケーブルを含むがこれに限定されない任意の電力伝導デバイスである。
系統１００は、さらに、バス１３２に電気的に結合された少なくとも１つのシップサービス変換器１３８を含む。具体的には、変換器１３８は、それぞれ正導管１３４および負導管１３６に電気的に結合された正導管１４０および負導管１４２を含む。例示的実施形態では、導管１４０および１４２は、複数のバスバーである。それに加えてまたはその代わりに、導管１４０および１４２は、電気ケーブルを含むがこれに限定されない任意の電力伝導デバイスである。系統１００は、変換器１３８に電気的に結合された複数のシップサービスＡＣ導管１４４をも含む。例示的実施形態では、３つの導管１４４すなわち相ごとに１つの導管があり、導管１４４は、船舶の所定の部分全体を経由するように構成され、約４５０ＶＡＣの電圧を加えられるようにも構成され、したがって低電圧ＡＣバスである。系統１００は、導管１４４からシップサービス負荷に供給できる複数の配電条件設定機器を含むように構成される。
変換器１３８は、導管１２６、１２８、１３４、１３６、１４０、および１４２に沿って伝導されるＤＣ信号をＡＣ信号に変換するインバータである。変換器１３８は、導管１４０および１４２からＤＣ信号を受け取り、これらを導管１４４に沿って伝導される３相ＡＣ信号に変換するのに、ＰＷＭ法を使用する。例示的実施形態では、変換器１３８は、当技術分野で既知の複数のＩＧＢＴスイッチ素子（図示せず）を含む。代替案では、スイッチ素子に、複数のＩＧＣＴおよび複数のＧＴＯ（いずれも図示せず）を含めることができるが、これらに限定はされない。さらに、代替案では、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のタイプのスイッチ素子を、使用することができる。変換器１３８は、スイッチ素子の所定のファイヤリングレートおよび所定のファイヤリング持続時間がもたらされるように、制御系（図示せず）によって操作され、制御される。変換器１３８は、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のフィルタリング装置を含む。
固定子巻線１０６、１０８、および１１０は、それぞれ電気導管１４８、１５０、および１５２を介して、それぞれ端子１４９、１５１、および１５３を介して、第２電気パワーエレクトロニクス装置すなわち第２変換器１４６にも電気的に結合される。例示的実施形態では、導管１４８、１５０、および１５２は、発電機１０２によって生成される所定の電流、電圧、および周波数の所定の電力を伝導するように構成された複数の電気ケーブルである。その代わりにまたはそれに加えて、導管１４８、１５０、および１５２は、バスバーを含むがこれに限定されない任意の電力伝導デバイスである。導管１４８、１５０、および１５２は、実質的に固定子巻線１０６、１０８、および１１０の延長部である。具体的には、例示的実施形態で、導管１４８、１５０、および１５２のそれぞれは、発電機１０２に関連する３相のそれぞれについて少なくとも１つのケーブルを含む。代替案では、本明細書で説明する発電機１０２の動作を容易にする任意の個数の相を、発電機１０２に関連付けることができる。
変換器１４６は、固定子巻線１０６、１０８、および１１０から伝導されるＡＣ信号をＡＣ整流によってＤＣ信号に変換するアクティブ整流器である。変換器１４６は、パルス幅変調（ＰＷＭ）法を使用して、固定子巻線１０６、１０８、および１１０電流を調整し、ＤＣリンク１５４（下でさらに述べる）の電圧を調節する。例示的実施形態では、変換器１４６は、当技術分野で既知のように、複数のＩＧＢＴスイッチ素子（図示せず）を含む。代替案では、スイッチ素子に、複数のＩＧＣＴおよび複数のＧＴＯ（いずれも図示せず）を含めることができるが、これらに限定はされない。さらに、代替案では、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のタイプのスイッチ素子を、使用することができる。変換器１４６は、ＩＧＢＴ素子の所定のファイヤリングレートおよび所定のファイヤリング持続時間がもたらされるように、制御系（図示せず）によって操作され、制御される。変換器１４６は、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のフィルタリング装置を含む。
系統１００は、さらに、変換器１４６に電気的に結合された第２ＤＣリンク１５４を含む。リンク１５４は、正導管１５６、負導管１５８、およびその間に電気的に結合された少なくとも１つの容量性素子すなわちコンデンサ１６０を含む。例示的実施形態では、変換器１４６は、単一のＤＣリンク１５４に電気的に結合される。代替案では、変換器１４６は、個々の別々の複数のＤＣリンク（図示せず）と電気的に通じて結合される。また、例示的実施形態では、コンデンサ１６０は、時々３相ＡＣ整流に関連するＤＣ脈動の軽減を容易にすることによって、ＤＣリンク１５４電圧変動を軽減するのを容易にする。代替案では、コンデンサ１６０は、導管１５６と１５８との間で直列にまたは並列に構成された１つまたは複数のコンデンサである。さらに、例示的実施形態では、導管１５６および１５８は、レールバスである。代替案では、導管１５６および１５８は、バスバーおよびケーブルを含むがこれらに限定されない任意の電力伝導デバイスである。さらに、例示的実施形態では、ＤＣ導管１５６および１５８は、それぞれ、実質的に約ゼロボルトの接地値を中心とする正電圧値および負電圧値を有するように構成される。例示的実施形態では、リンク１５４は、約１００００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって中電圧ＤＣリンクである。
系統１００は、第２ＤＣリンク１５４に電気的に結合された船の推進ＤＣバス１６２をも含む。具体的には、バス１６２は、それぞれ正導管１５６および負導管１５８に電気的に結合された正導管１６４および負導管１６６を含む。容量性素子（図示せず）を、コンデンサ１６０に似た形で導管１６４と１６６との間に配置することができる。バス１６２は、船舶の所定の部分全体を経由するように構成される。例示的実施形態では、バス１６２は、約１００００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって中電圧ＤＣバスである。例示的実施形態では、導管１６４および１６６は、複数のバスバーである。それに加えてまたはその代わりに、導管１６４および１６６は、電気ケーブルを含むがこれに限定されない任意の電力伝導デバイスである。
系統１００は、さらに、バス１６２に電気的に結合された少なくとも１つの船の推進変換器１６８を含む。具体的には、変換器１６８は、それぞれ正導管１６４および負導管１６６に電気的に結合された正導管１７０および負導管１７２を含む。例示的実施形態では、導管１７０および１７２は、複数のバスバーである。それに加えてまたはその代わりに、導管１７０および１７２は、電気ケーブルを含むがこれに限定されない任意の電力伝導デバイスである。系統１００は、変換器１６８に電気的に結合された複数の船の推進ＡＣ導管１７４をも含む。例示的実施形態では、３つの導管１７４すなわち、相ごとに１つの導管があり、導管１７４は、船舶の所定の部分全体を経由するようにも構成される。例示的実施形態では、導管１７４は、約６６００ＶＡＣの電圧を加えられるようにも構成され、したがって中電圧ＡＣバスである。代替案では、導管１７４は、約４１６０ＶＡＣの電圧を加えられるように構成され、やはり中電圧ＡＣバスと考えられる。
変換器１６８は、導管１５６、１５８、１６４、１６６、１７０、および１７２に沿って伝導されるＤＣ信号をＡＣ信号に変換するインバータである。変換器１６８は、導管１７０および１７２からＤＣ信号を受け取り、これらを導管１７４に沿って伝導される３相ＡＣ信号に変換するのに、ＰＷＭ法を使用する。例示的実施形態では、変換器１６８は、当技術分野で既知の複数のＩＧＢＴスイッチ素子（図示せず）を含む。代替案では、スイッチ素子に、複数のＩＧＣＴおよび複数のＧＴＯ（いずれも図示せず）を含めることができるが、これらに限定はされない。さらに、代替案では、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のタイプのスイッチ素子を、使用することができる。変換器１６８は、スイッチ素子の所定のファイヤリングレートおよび所定のファイヤリング持続時間がもたらされるように、制御系（図示せず）によって操作され、制御される。変換器１６８は、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意のフィルタリング装置を含む。
系統１００は、導管１７４を介して変換器１６８に電気的に結合された電気推進電動機１７６をも含む。例示的実施形態では、電動機１７６は、永久磁石、３６ＭＷ、多相、６６００ＶＡＣ、１００極、１２０ＲＰＭ電動機である。代替案では、電動機１７６は、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意の電動機である。電動機１７６は、推進軸１７８およびスクリュー１８０に回転可能に結合される。電動機１７６は、軸１７８を介してスクリュー１８０を回転させるように構成される。変換器１６８は、電動機１７６の回転の方向および速度を制御し、これによって、軸１７８およびスクリュー１８０の速度および方向を制御するように構成される。
電力を生成する例示的方法は、巻線１０６、１０８、および１１０を有する開放巻線発電機１０２を設けることを含み、ここで、巻線１０６、１０８、および１１０のそれぞれは、それぞれ第１端子１１９、１２１、および１２３と、それぞれ第２端子１４９、１５１、および１５３とを有する。この方法は、第１端子１１９、１２１、および１２３をそれぞれ第１電気導管１１８、１２０、および１２２を介して第１変換器１１６に電気的に結合することをも含む。この方法は、さらに、第２端子１４９、１５１、および１５３をそれぞれ第２電気導管１４８、１５０、および１５２を介して第２変換器１４６に電気的に結合することを含む。この方法は、発電機１０２ならびに変換器１１６および１４６を制御することによって、第１電気導管１１８、１２０、および１２２上の第１電圧を誘導し、調節し、第２電気導管１４８、１５０、および１５２上の第２電圧を誘導し、調節することをも含む。
図２は、系統１００の一部の概略図である。動作中に、駆動発動機１１２（図１に図示）は、発電機１０２の回転子（図示せず）を回転可能に駆動する。回転子上に配置された回転子巻線（図示せず）が、回転し、これによって、回転する磁場（図示せず）を形成し、この磁場が、固定子巻線１０６、１０８、および１１０（巻線１０８だけを図２に図示）内に実質的に正弦波の電圧を誘導する。巻線１０８内に誘導される実質的に正弦波の電圧信号２０２を、図２に示す。信号２０２の少なくとも一部、すなわち、実質的に正弦波の電圧信号２０４が、端子１２１を介して導管１２０に伝導される。信号２０４は、変換器１１６内の少なくとも１つのスイッチ素子２０６を介して整流され、これによって、ＤＣ電圧信号（図示せず）が生成され、このＤＣ電圧信号は、少なくとも部分的に導管１２６および１２８とコンデンサ１３０とを介してシップサービスＡＣ導管１４４（図１に図示）に伝導される。同様に、信号２０２の少なくとも一部、すなわち、実質的に正弦波の電圧信号２０８が、端子１５１を介して導管１５０に伝導される。信号２０８は、変換器１４６内の少なくとも１つのスイッチ素子２１０を介して整流され、これによって、ＤＣ電圧信号（図示せず）が生成され、このＤＣ電圧信号は、少なくとも部分的に導管１５６および１５８とコンデンサ１６０とを介して船の推進ＡＣ導管１７４（図１に図示）に伝導されて、軸１７８およびスクリュー１８０を駆動する。信号２０４および２０８の値は、ベクトル加算によって信号２０２の値に加算される。信号２０２、２０４、および２０８の値は、素子２０６に似た変換器１１６内の残りのスイッチ素子の動作ならびに素子２１０に似た変換器１４６内の残りのスイッチ素子の動作を制御する制御系（図示せず）を介して制御される。
図３は、図２に示された系統１００の一部の中で生成される電圧信号２０２、２０４、および２０８のグラフ図である。図３には、電圧信号２０２、２０４、および２０８が、３つすべての電圧信号が互いに同相で示されている。電圧信号２０４の値を、ＶＳＳ（シップサービス電圧を表す）によって表すことができる。また、電圧信号２０８の値を、ＶＰＲＯＰ（船の推進電圧を表す）によって表すことができる。さらに、電圧信号２０２の値を、ＶＧＥＮ（発電機電圧を表す）によって表すことができる。電圧信号２０２、２０４、および２０８の間の関係（ケーブル布線に起因する電圧降下を無視して）は、アルゴリズム
ＶＧＥＮ＝ＶＳＳ＋ＶＰＲＯＰ （１）
によって表すことができる。たとえば、ＶＧＥＮの７．２キロボルトＡＣ（ｋＶＡＣ）値を、ＶＳＳの６００ＶＡＣおよびＶＰＲＯＰの６．６ｋＶＡＣに割り当てることができる。
図４は、図２に示された系統１００の一部の中で生成される電圧信号２０２、２０４、および２０８のグラフ図である。図４には、電圧信号２０２、２０４、および２０８が示され、信号２０４は、信号２０２を基準とする第１位相角２１２を有し、信号２０８は、信号２０２を基準とする第２位相角２１４を有する。図４は、わずかな無効電力成分を伴って操作される系統１００の推進部分を示す。電圧信号２０２、２０４、および２０８の間の関係は、それでも、上のベクトル和アルゴリズム１によって表される。系統１００を、変化するシップサービス負荷および船舶の推進要件に従うようにＶＳＳ、ＶＰＲＯＰ、および発電機１０２電流の大きさおよび角度配置を変更することを含む形で操作することができる。この操作の形は、変換器１１６および１４６を制御することによって発電機１０２の励起電圧を下げることによって容易にすることができ、故障の場合の潜在的な障害電極電流を減らすと同時に発電機１０２内の損失を減らすという利益を有する。
図５は、系統１００の一部の単純化された概略図である。発電機１０２、巻線１０８、端子１２１および１５１、ＡＣ導管１２０および１５０、変換器１１６および１４６、ならびにＤＣ導管１２６、１２８、１５６、および１５８が図示されている。動作中に、ＶＳＳ信号２０４およびＶＰＲＯＰ信号がそれぞれ位相角２１２および２１４を有する図４に示されたものに似て、第１の所定の電力値（図示せず）が、発電機１０２から導管１２０を介して変換器１１６に伝導される。同様に、第２の所定の電力値（図示せず）が、発電機１０２から導管１５０を介して変換器１４６に伝導される。第１および第２の電力値は、上で述べたように、それぞれ位相角２１２および２１４を変更することによって、少なくとも部分的に変調される。たとえば、ＤＣ導管１２６および１２８からの負荷による電力引出が増加する場合に、導管１２６および１２８に関連する電圧値は、所定の電圧値から離れて減少する。制御系は、位相角２１２が調整されるように変換器１１６を制御し、これによって、導管１２６および１２８上の電圧値の実質的に所定の値への復元を容易にするように変換器１１６への第１電力伝導の増加を容易にする。さらに、発電機１０２は、変換器１４６への第２電力の流れに対する影響を軽減しながら、変換器１１６への増やされた第１電力伝導を容易にするように制御される。したがって、シップサービス要求に関する電力伝導要件の変化は、船の推進装置への電力可用性を実質的に減らさない。同様に、船の推進装置に関する電力伝導要件の変化は、船のシップサービス電気負荷への電力可用性を実質的に減らさない。
図６は、系統１００の一部の概略図である。図をわかりやすくするために、発電機１０２の単一の相だけが図６に示されており、他の相は、実質的に類似する。発電機１０２、ＡＣ導管１２０および１５０、変換器１１６および１４６、ＤＣ導管１２６、１２８、１５６、および１５８、ならびにコンデンサ１３０および１６０が、展望のために図示されている。系統１００は、変換器１１６内の複数のスイッチ素子２０６をも含む。スイッチ素子２０６の第１の対は、ＡＣ導管１２０に電気的に結合され、巻線１０８（図示せず）内で生成され、導管１２０を介して変換器１１６に伝導されるＡＣ電力を、制御系２２０を介して制御されるスイッチ２０６のファイヤリングレートおよびファイヤリング持続時間を有する実質的にＤＣの信号に変換するように構成される。類似する構成（図示せず）が、ＡＣ導管１１８および１２２（両方とも図１に図示）について、変換器１１６内に存在する。制御系２２０は、データ導管２２２を介して変換器１１６と電子データ通信して結合され、データ導管２２２は、スイッチ２０６に関連する両方向運転性能データおよびコマンドを伝導するように構成される。接地基準２２４に電気的に結合されたスイッチ２０６の第２の対が、展望のために図示されている。制御系２２０は、それぞれデータ導管２２６および２２８を介してＤＣ導管１２６および１２８に結合され、導管２２６および２２８は、電圧および電流を含むがこれらに限定されない、導管１２６および１２８に関連する運転性能データを伝導するように構成される。
同様に、系統１００は、変換器１４６内の複数のスイッチ素子２１０を含む。スイッチ素子２１０の第１の対は、ＡＣ導管１５０に電気的に結合され、巻線１０８（図示せず）内で生成され、導管１５０を介して変換器１４６に伝導されるＡＣ電力を、制御系２３０を介して制御される素子２１０のファイヤリングレートおよびファイヤリング持続時間を有する実質的にＤＣの信号に変換するように構成される。類似する構成（図示せず）が、ＡＣ導管１４８および１５２（両方とも図１に図示）について、変換器１４６内に存在する。制御系２３０は、データ導管２３２を介して変換器１４６と電子データ通信して結合され、データ導管２３２は、素子２１０に関連する両方向運転性能データおよびコマンドを伝導するように構成される。接地基準２２４に電気的に結合されたスイッチ２１０の第２の対が、展望のために図示されている。制御系２３０は、それぞれデータ導管２３６および２３８を介してＤＣ導管１５６および１５８に結合され、導管２３６および２３８は、電圧および電流を含むがこれらに限定されない、導管１５６および１５８に関連する運転性能データを伝導するように構成される。例示的実施形態では、制御系２２０および２３０は、より大きい制御系（図示せず）のモジュールとして構成される。代替案では、制御系２２０および２３０は、変換器１１６および１４６を介する発電機１０２からの調整された電力伝送を含むがこれに限定されない、本明細書で説明する系統１００の動作を容易にする任意の構成を有する。ＤＣ導管１２６と１２８との間の第１差動電圧２４０が、展望のために図示されている。ＤＣ導管１５６と１５８との間の第２差動電圧２４２も、展望のために図示されている。
図７は、系統１００（図６に図示）の例示的動作のグラフ図である。グラフ３００は、ＶＤＣの単位で第１および第２の差動電圧２４０および２４２（両方とも図６に図示）の値を表すように構成された第１縦座標（Ｙ軸）３０２を含む。グラフ３００は、秒の単位で時間を表すように構成された横座標（Ｘ軸）３０４をも含む。グラフ３００は、さらに、ＤＣアンペア単位で測定されるＤＣ導管１２６および１２８を介して伝導される電流信号値すなわちシップサービスＤＣ電流３０８を表すように構成された第２縦座標（Ｙ軸）３０６を含む。
動作中に、発電機１０２および変換器１１６（両方とも図６に図示）は、協力して第１ＤＣ差動電圧２４０を生成する。また、発電機１０２および変換器１４６（両方とも図６に図示）は、協力して第２ＤＣ差動電圧２４２を生成する。例示的実施形態では、約２秒（横座標３０４を基準とする）と等しい時刻に、シップサービスＤＣ電圧が、第１縦座標３０２を基準とする第１ＤＣ電圧差２４０を介して示されるように、約１０００ＶＤＣである。さらに、伝導されるシップサービスＤＣ電流３０８は、第２縦座標３０６を基準として、約１００ＤＣアンペアである。さらに、船舶の推進装置は、約５０００ＶＤＣを必要とする。約２．５秒と等しい時刻に、シップサービス電力需要が、実質的に即座に高まり、そのような需要は、約１００ＤＣアンペアから約１９５ＤＣアンペアへのシップサービスＤＣ電流３０８の伝導の実質的に瞬間的な増加を誘導する。また、電流３０８の増加と共に、差動電圧２４０のわずかな減少が、約２．５秒から約２．７５秒と等しい時刻に観察される。同様に、ＤＣ電流３０８は、同一の時間期間中に約１９５ＤＣアンペアから約１８５ＤＣアンペアに減少する。約２．５秒と等しい時刻から開始し、電気的遷移が制御系２２０（図６に図示）によって感知される時に、制御系２２０は、変換器１１６内のスイッチ素子２０６（図６に図示）の動作を変更して、２．７５秒と等しい時刻から約３．４秒と等しい時刻までを含む期間中に、ＤＣ電圧差２４０を約１０００ＶＤＣに復元する。また、制御系２２０は、変換器１１６と協力して、ＤＣ電圧差２４０復元と共に、ＤＣ電流３０８を約１８５ＤＣアンペアから約１９７．５ＤＣアンペアに増やす。電気的遷移の過程中に、制御系２２０、制御系２３０（図６に図示）、発電機１０２、変換器１１６、および変換器１４６（図６に図示）は、協力して、ＤＣ電圧差２４２の変化を軽減し、これによって、船の推進動作をシップサービス電気的遷移から実質的に隔離する。系統１００の電気的遷移をもたらす推進遷移も、類似する形でシップサービス電気的動作から実質的に隔離される。
図８は、発電配電系統１００（図１に図示）の少なくとも一部を含む例示的船舶４００の概略図である。本明細書で使用される用語「船舶」は、水を介して船舶を推進するのに利用される推進系統を含む船またははしけと定義される。たとえば、少なくとも１つの既知の船舶は、船舶を推進するのに利用されるプロペラに結合された動力伝達系を含む。動力伝達系は、水を介して船舶を推進するように構成された電気電動機に電力を供給するのを容易にするために少なくとも１つの発電機を含むことができる。例示的動力伝達系の構成を、下で述べる。
例示的船舶４００は、例示的な船舶発電配電系統４０１を含む。系統４０１は、実質的に発電機１０２（図１に図示）に似た複数の開放巻線発電機４０２を含む。系統４０１は、複数の軸４１４を介して発電機４０２にそれぞれが回転可能に結合された複数の駆動発動機４１２をも含む。例示的実施形態では、駆動発動機４１２および軸４１４は、それぞれ駆動発動機１１２および軸１１４（両方とも図１に図示）に実質的に似ている。系統４０１の例示的実施形態は、３つの発電機４０２および３つの駆動発動機４１２を含む。代替案では、系統４０１は、本明細書で説明する船舶４００の動作を容易にする任意の個数の発電機４０２および駆動発動機４１２を含む。
例示的実施形態では、発電機４０２のそれぞれは、巻線１０６、１０８、および１１０（図１に図示）に実質的に似た複数の固定子巻線（図８には図示せず）を含む。各発電機４０２内の固定子巻線の各組は、複数の電気導管４２０および端子（図示せず）を介して、第１電気パワーエレクトロニクス装置すなわち第１変換器４１６に電気的に結合される。各変換器４１６は、複数のスイッチ素子４１７を含み、変換器４１６および素子４１７は、変換器１１６およびスイッチ素子２０６（両方とも図２に図示）に実質的に似ている。さらに、複数の導管４２０および端子は、それぞれ導管１１８、１２０、および１２２ならびに端子１１９、１２１、および１２３（すべて図１に図示）に実質的に似ている。変換器４１６は、制御系２２０（図６に図示）に似た制御系（図示せず）によって制御される。
また、例示的実施形態では、系統４０１は、複数の第１ＤＣリンク４２４を含み、各リンク４２４は、変換器４１６に電気的に結合される。各リンク４２４は、正導管４２６、負導管４２８、およびその間に電気的に結合された少なくとも１つの容量性素子すなわちコンデンサ（図示せず）を含む。ＤＣリンク４２４、導管４２６および４２８、ならびにコンデンサは、それぞれ、ＤＣリンク１２４、導管１２６および１２８、ならびにコンデンサ１３０（すべて図１に図示）に実質的に似ている。例示的実施形態では、リンク４２４は、約１０００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって低電圧ＤＣリンクである。
さらに、例示的実施形態では、系統４０１は、それぞれが複数の第１ＤＣリンク４２４に電気的に結合された複数のシップサービスＤＣバス４３２をも含む。具体的には、各バス４３２は、それぞれ正導管４２６および負導管４２８に電気的に結合された正導管４３４および負導管４３６を含む。例示的実施形態では、系統４０１は、２つのバス４３２を含む。代替案では、系統４０１は、任意の個数のリンク４２４に結合された任意の個数のバス４３２を含む。容量性素子（図示せず）を、コンデンサ１３０に似た形で導管４３４と４３６との間に配置することができる。バス４３２は、実質的にバス１３２（図１に図示）に似ており、船舶４００の所定の部分全体を経由するように構成される。例示的実施形態では、バス４３２は、約１０００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって低電圧ＤＣバスである。
系統４０１は、さらに、それぞれが両方のバス４３２に電気的に結合された２つのシップサービス変換器４３８を含む。具体的には、各変換器４３８は、それぞれが少なくとも１つの正導管４３４および少なくとも１つの負導管４３６に電気的に結合された正導管４４０および負導管４４２を含む。変換器４３８ならびに導管４４０および４４２は、それぞれ変換器１３８ならびに導管１４０および１４２（すべて図１に図示）に実質的に似ている。系統４０１は、シップサービスＡＣ導管４４４の複数の組をも含み、各組は、１つの変換器４３８に電気的に結合される。例示的実施形態では、導管４４４の各組は、３つの導管すなわち相ごとに１つの導管を含み、導管は、船舶４００の所定の部分全体を経由するように構成され、約４５０ＶＡＣの電圧を加えられるようにも構成され、したがって低電圧ＡＣバスである。系統４０１は、導管４４４からシップサービス負荷に供給することができる複数の配電条件設定機器を含むように構成される。
発電機４０２は、複数の電気導管４５０および複数の端子（図示せず）を介して複数の第２電気パワーエレクトロニクス装置すなわち第２変換器４４６にも電気的に結合される。導管４５０および端子は、それぞれ導管１４８、１５０、および１５２ならびに端子１４９、１５１、および１５３（すべて図１に図示）に実質的に似ている。変換器４４６は、固定子巻線から伝導されるＡＣ信号をＡＣ整流によってＤＣ信号に変換するアクティブ整流器である。例示的実施形態では、変換器４４６は、パルス幅変調整流器である。変換器４４６は、当技術分野で既知のように、複数のスイッチ素子４４７を使用して、固定子巻線出力電流を制御する。変換器４４６および素子４４７は、変換器１４６およびスイッチ素子２１０（両方とも図２に図示）に実質的に似ている。変換器４４６は、制御系２３０（図６に図示）に似た制御系（図示せず）によって制御される。
系統４０１は、複数の第２ＤＣリンク４５４をも含み、各リンク４５４は、１つの変換器４４６に電気的に結合される。各リンク４５４は、正導管４５６、負導管４５８、およびその間に電気的に結合された少なくとも１つの容量性素子すなわちコンデンサ（図示せず）を含む。ＤＣリンク４５４、導管４５６および４５８、ならびにコンデンサは、それぞれ、ＤＣリンク１５４、導管１５６および１５８、ならびにコンデンサ１６０（すべて図１に図示）に実質的に似ている。例示的実施形態では、リンク４５４は、約１００００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって中電圧ＤＣリンクである。
系統４０１は、さらに、第２ＤＣリンク４５４のそれぞれに電気的に結合された少なくとも１つの船の推進ＤＣバス４６２を含む。具体的には、バス４６２は、それぞれが正導管４５６のそれぞれおよび負導管４５８のそれぞれに電気的に結合された正導管４６４および負導管４６６を含む。代替案では、任意の個数のバス４６２を、任意の個数のリンク４５４に結合することができる。容量性素子（図示せず）を、コンデンサ１６０に似た形で、導管４６４と４６６との間に配置することができる。バス４６２は、バス１６２（図１に図示）に似ており、船舶４００の所定の部分全体を経由するように構成される。さらに、バス４６２は、パルスを与えられる負荷（図示せず）に電気的に結合されるように構成される。例示的実施形態では、バス４６２は、約１００００ＶＤＣの電圧を加えられるように構成され、したがって中電圧ＤＣリンクである。
系統４０１は、バス４６２に電気的に結合された複数の船の推進変換器４６８をも含む。具体的には、各変換器４６８は、それぞれ正導管４６４および負導管４６６に電気的に結合された正導管４７０および負導管４７２を含む。変換器４６８ならびに導管４７０および４７２は、それぞれ変換器１６８ならびに導管１７０および１７２（すべて図１に図示）に実質的に似ている。
系統４０１は、さらに、変換器４６８に電気的に結合された複数の船の推進ＡＣ導管４７４を含む。例示的実施形態では、３つの導管４７４すなわち相ごとに１つの導管があり、導管４７４は、船舶４００の所定の部分全体を経由するように構成される。導管４７４は、導管１７４（図１に図示）に実質的に似ている。例示的実施形態では、導管４７４は、約６６００ＶＡＣの電圧を加えられるようにも構成され、したがって中電圧ＡＣバスである。
系統４０１は、それぞれが導管４７４を介して１つの変換器４６８に電気的に結合された複数の電気推進電動機４７６をも含む。各電動機４７６は、推進軸４７８およびスクリュー４８０に回転可能に結合され、各電動機４７６は、関連する軸４７８を介して関連するスクリュー４８０を回転させるように構成される。電動機４７６、軸４７８、およびスクリュー４８０は、それぞれ電動機１７６、軸１７８、およびスクリュー１８０（すべて図１に図示）に実質的に似ている。各変換器４６８は、各関連する電動機４７６の回転の方向および速度を制御し、これによって関連する軸４７８およびスクリュー４８０の速度および方向を制御するように構成される。
系統４０１の動作は、系統１００の動作に似ている。系統４０１は、配電系統変圧器（図示せず）の個数の大幅な削減を含む複数の利益を提供する。配電系統変圧器の除去を含んでそこまでのそのような削減は、船４００の重量の削減を容易にする。例示的実施形態は、約２２６８００キログラム（ｋｇ）（５００００００ポンド（ｌｂｓ））すなわち２５０トンの重量の削減を容易にする。そのような船４００の重量の削減は、建造費用および運転費用の削減ならびにより高い速度および燃料効率を容易にする。さらに、系統４０１は、冗長なシップサービスバス４３２および導管４４４を含む。さらに、互いに関して並列化が困難ではない発電機４０２を含む系統４０１の例示的な電気的構成は、潜在的な障害電極電流値の低下を容易にする。したがって、関連する開閉装置およびケーブル布線のより低い故障レーティングを容易にすることができ、これらの構成要素の寸法、重量、およびコストを削減することもできるようになる。また、例示的実施形態では、発電機４０２に結合された複数の駆動発動機４１２が、使用されていない駆動機構と、あまり使用されていない期間中のサービスからの発電能力との除去を可能にすることによって、改善されたエネルギ効率を容易にする。さらに、複数の変換器を用いて推進負荷をシップサービス電気負荷から分離することによって、能動的フィルタリングおよび力率制御が容易になる。また、系統４０１全体を通じて冗長構成要素を使用することによって、オンボード予備部品在庫を減らすことが容易になり、単純化された予防保守法および事後保守法が容易になる。さらに、系統４０１全体を通じて変換器を使用することによって、変換器テクノロジのありそうな将来の機能強化を活用することが容易になる。
図９は、船舶４００（図８に図示）で使用できる代替の発電配電系統５０１の一部の概略図である。系統５０１は、駆動発動機５１２および軸５１４によって駆動される少なくとも１つの発電機５０２を含む。系統５０１は、変換器５１６、ＤＣリンク５２４、ＤＣバス５３２、推進電動機５７６、軸５７８、およびスクリュー５８０をも含む。これらの構成要素は、発電機５０２を除いて系統４０１内の対応物に似ており、発電機５０２は、必ずしも開放巻線発電機ではなく、本明細書で説明する系統５０１の動作を容易にする任意の発電機とすることができる。
系統５０１は、さらに、複数の低電圧変換器ブロック５８２を含む。例示的実施形態で、ブロック５８２は、低電圧ダイオード５８１およびスイッチ素子５８５を含む。各スイッチ素子５８５は、変換器４１６内のスイッチ素子４１７（両方とも図８に図示）に似ている。変換器４１６内の複数の素子４１７ではなく個々の積み重ねられたブロック５８２を使用することの利益は、系統５０１の構成が、船４００内の構成要素位置決めの柔軟性を容易にすることである。また、系統５０１は、関連する電気信号（図示せず）の波形を合成するレベルを選択する際の柔軟性を容易にし、これによって、電力品質管理を容易にする。さらに、系統５０１機能の削減を軽減しながら故障したブロック５８２を迂回することが、容易にされる。さらに、変換器４１６の構造的構成要素（図示せず）に関連する追加の重量を除去することができ、これによって、上で説明した系統４０１の重量削減の利益が強化される。そのような重量削減は、さらに容易にされる。というのは、ブロック５８２が、直列に配置され、これが、変換器４１６の並列構成ではなくブロック５８２からブロック５８２への電圧の合成を容易にし、これによって、関連するＩＧＢＴベースのスイッチ素子構成（図示せず）の寸法のある種の削減が容易になるからである。
系統５０１は、電気導管５８４を介して互いに直列に電気的に結合された３つのブロック５８２の第１組５８３を含む。さらに、各ブロック５８２は、導管５８６を介して発電機５０２の相巻線（図示せず）に結合される。同様に、系統５０１は、導管５８４によって直列に電気的に結合されるという点でブロック５８２の第１組に実質的に似ている３つのブロック５８２の２つの追加の組を含む。第２組５８８および第３組５９０は、組５８８および５９０の関連するブロック５８２を、それぞれ第２および第３の発電機（図示せず）の巻線にまたは発電機５０２に関連する巻線の異なる組（図示せず）に電気的に結合することができるという点で、第１組５８３と異なる。追加の発電機は、それぞれ、発電機５０２に実質的に似ており、それぞれ、導管５９２および５９４を介してその関連するブロックに電気的に結合される。
系統５０１は、変換器５１６に電気的に結合された複数の導管５９６すなわち組５８３、５８８、および５９０ごとに１つの導管をも含む。同様に、系統５０１は、組５８３、５８８、および５９０を電動機５７６に電気的に結合する複数の導管５９８をも含む。
動作中に、発電機５０２は、発動機５１２および軸５１４を介して駆動され、所定の電圧の所定の交流電流が、発電機５０２の各相で生成される。各相からの電流は、導管５８６を介して各ブロック５８２に伝導される。各ブロック５８２は、各関連する導管５８６を介して伝導されたＡＣ信号を受け取り、受け取った信号を、所定の電圧振幅および所定の位相角を含むがこれに限定されない所定の波形を有する電気信号に変換する。変換された信号は、ブロック５８２から導管５８４に伝導され、この伝導された信号は、組５８３内で合計され、さらに、所定の比率で導管５９６および５９８に伝導される。類似する動作が、関連する発電機と共に組５８８および５９０内で実行される。この代替実施形態では、組み合わされた電圧を、合計７２００ＶＡＣになるものとすることができる。ブロック５８２の３つの組５８３、５８８、および５９０を含む系統５０１構成は、各組内の発電および配電を割り当てる際の柔軟性を容易にする。
さらに、動作中に、３つの組５８３、５８８、および５９０内で生成された電力の割り当てられた量が、変換器５１６に伝導され、これらのＡＣ信号は、上で説明したようにＤＣ信号に変換される。また、生成された電力の割り当てられた量が、上で説明した電動機５７６、軸５７８、およびスクリュー５８０の動作のための複数の単一相ＡＣ信号として電動機５７６に伝導される。
図１０は、船舶４００（図８に図示）で使用できる代替の発電配電系統６０１の一部の概略図である。系統６０１は、それぞれが発動機６１２および軸６１４によって駆動される３つの開放巻線、７０００ＲＰＭ、２００ヘルツ（Ｈｚ）発電機６０２を含む。発動機６１２および軸６１４は、発動機４１２および軸４１４（両方とも図８に図示）に実質的に似ている。各発電機６０２内の巻線（図示せず）のそれぞれの一端は、導管６２０を介して関連する変換器６１６に電気的に結合される。各変換器６１６は、変換器６１６が、サイクロコンバータ調波を軽減するために追加のフィルタリング装置（図示せず）を含むことを除いて、変換器４１６に似ている。各変換器６１６は、関連するＤＣリンク６２４を介してシップサービスＤＣバス６３２に結合される。
系統６０１は、サイクロコンバータまたはマトリックスコンバータとして構成された複数の変換器６４６をも含む。変換器６４６は、それぞれ、発電機６０２に結合され、複数の導管６５０を介してグリッド様の形で互いに結合される。変換器の第１ストリング６８８および変換器の第２ストリング６９０は、それぞれ、複数の導体６７４を介して関連する推進電動機６７６に結合され、各電動機は、軸６７８およびスクリュー６８０を駆動するように構成される。
系統６０１の利益は、系統４０１の利益に実質的に似ている。さらに、そのような複数発電機構成は、系統４０１に類似する形で発電機６０２の出力を各電動機６７６およびＤＣバス６３２に割り当てる際の柔軟性を容易にする。さらに、複数変換器ストリング構成は、ストリング６８８および６９０を介する発電機６０２の出力のさらなる配分を容易にすることによって、そのような柔軟性を高める。また、系統６０１は、関連する電気信号の波形を合成するレベルを選択する際の柔軟性を容易にし、これによって電力品質管理を容易にする。さらに、系統６０１機能の削減を軽減しながら故障した変換器６４６を迂回することが、容易にされる。さらに、変換器４１６の構造的構成要素（図示せず）に関連する追加の重量を除去することができ、これによって、上で説明した系統４０１の重量削減の利益が強化される。さらに、ＳＣＲを、変換器６４６内で使用することができ、ＳＣＲは、通常、他の代替のスイッチ素子より耐久力があり、したがって、故障条件のライドスルーが容易にされる。
図１１は、船舶４００（図８に図示）で使用できる代替の発電配電系統７０１の一部の概略図である。系統７０１は、発動機７１２および軸７１４によって駆動される開放巻線発電機７０２を含む。発電機７０２は、発電機４０２（図８に図示）に実質的に似ている。発電機７０２は、系統４０１の関連する構成要素に似た形で、導管７５０、変換器７４６、ＤＣリンク７５４、変換器７６８、および導管７７４を介して推進電動機７７６に電気的に結合される。この代替実施形態では、変換器７４６は、ＤＣリンク７５４に約６０００ＶＤＣから１００００ＶＤＣの電圧を加えるように構成される。電動機７７６は、軸７７８を介してスクリュー７８０を駆動するように構成される。さらに、発電機７０２は、系統４０１の関連する構成要素に似た形で、変換器７１６、導管７２０、およびＤＣリンク７２４を介してシップサービスＤＣバス７３２に電気的に結合される。
系統７０１は、船４００が軍艦である場合に、高出力武器導管を含めることができるがこれに限定されない、ＤＣリンク７５４に電気的に結合された高出力導管７８１をも含む。系統７０１は、さらに、低電圧発電機７８５を含む。発電機７８５は、約６９０ＶＡＣの電圧で低電圧電力を生成する。発電機７８５は、軸７８９を介して低出力駆動発動機７８７に回転可能に結合される。発電機７８５は、導管７９１、変換器７９３、およびＤＣリンク７９５を介してバス７３２に電気的に結合される。変換器７９３は、変換器７１６に実質的に似ている。系統７０１は、系統４０１に実質的に似た利益を有する。さらに、系統７０１は、高速ターボ発電機および低速ターボ発電機に対処し、停止、故障、または絶縁に関する他の理由に起因して発電機７０２からの電力にアクセスできない場合に、シップサービス電力を発電機７８５から維持することを可能にする。系統７０１は、低電力燃料電池（図示せず）をバス７３２に電気的に結合することにも対処する。
図１２は、船舶４００（図８に図示）で使用できる代替の発電配電系統８０１の一部の概略図である。系統８０１は、発動機８１２および軸８１４によって駆動される開放巻線発電機８０２を含む。発電機８０２は、発電機４０２（図８に図示）に実質的に似ている。発電機８０２は、ＡＣバス８５１、変換器８６９、および導管８７４を介して推進電動機８７６に電気的に結合される。この代替実施形態では、バス８５１上のＡＣ電圧は、バス８５１に電気的に結合された第１バスコンディショナ８９３を介して条件設定される。さらに、変換器８６９は、第１ＡＣ信号（図示せず）を受け取り、振幅および周波数を含むがこれらに限定されないこの信号の特性を変換して、第２ＡＣ信号を生成するように構成される。電動機８７６は、軸８７８を介してスクリュー８８０を駆動するように構成される。さらに、発電機８０２は、ＡＣバス８２５を介してシップサービスＤＣバス８３２に電気的に結合される。バス８２５に電気的に結合された第２バスコンディショナ８９５が、バス８２５上のＡＣ電圧信号を条件設定する。バスコンディショナ８９３および８９５は、推進側バス８５１およびシップサービス側バス８２５への発電機電圧の割当を調節するように制御される。
系統８０１は、船４００が軍艦である場合に、高出力武器導管を含めることができるがこれに限定されない、高出力導管８８１をも含む。系統８０１は、さらに、低電圧発電機８８５を含む。発電機８８５は、約６９０ＶＡＣの電圧で低電圧電力を生成する。発電機８８５は、軸８８９を介して低出力駆動発動機８８７に回転可能に結合される。発電機８８５は、導管８９１を介してバス８３２に電気的に結合される。系統８０１は、系統７０１に実質的に似た利益を有する。
本明細書で説明した発電および配電の方法および装置は、配電系統の動作を容易にする。具体的には、複数の電力変換器と共に船上発電配電系統網を構成することによって、船全体を通じたさまざまな電圧での配電を容易にするための電力変圧器の個数を減らすことが容易になる。より具体的には、そのような構成は、そのような船の重量削減を容易にし、これによって、船速達成および燃料効率を容易にする。そのような構成は、複数レベルの冗長性を提供することと、電気故障ライドスルーを容易にすることとによって、推進信頼性およびシップサービス電気信頼性をも容易にする。さらに、故障した構成要素のトラブルシューティング、修理、および／または交換が、容易にされ、これによって、この系統の総所有コストが下がる。さらに、本明細書で説明した系統を動作させる方法および機器は、ハードウェアの調達、設置、および構成を減らすのを容易にし、したがって、そのような系統の設置に関連する資本コストおよび労働コストを減らす。具体的には、より少数でより小型の変圧器およびよりより少数の重い開閉装置を伴う系統を構成することによって、設置コストおよび保守コストを下げることが容易になる。
発電および配電の例示的実施形態を、上で詳細に説明した。この方法、装置、および系統は、本明細書で説明した特定の実施形態ならびに特定の示された系統および系統構成要素に限定されない。
複数電圧で発電し配電する説明された方法は、二重電圧自動車アーキテクチャなどの応用例および変圧器が大きい寸法および重量という不利益を有する可能性がある沖合石油採掘装置などのスペースを制約された応用例で使用することもできる。
本発明を、さまざまな特定の実施形態に関して説明したが、当業者は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲の中で、変更を加えて本発明を実践できることを了解するであろう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
例示的な船舶発電配電系統の一部を示す概略図である。 図１に示された船舶発電配電系統の一部を示す概略図である。 図２に示された船舶発電配電系統の一部の中で生成される電圧信号を示すグラフ図である。 図２に示された船舶発電配電系統の一部の中で生成される電圧信号を示すグラフ図である。 図２に示された船舶発電配電系統の一部を示す単純化された概略図である。 図１に示された船舶発電配電系統の一部を示す概略図である。 図６に示された船舶発電配電系統の例示的動作を示すグラフ図である。 図１に示された発電配電系統の少なくとも一部を含む例示的船舶を示す概略図である。 図８に示された船舶で使用できる代替の発電配電系統の一部を示す概略図である。 図８に示された船舶で使用できる代替の発電配電系統の一部を示す概略図である。 図８に示された船舶で使用できる代替の発電配電系統の一部を示す概略図である。 図８に示された船舶で使用できる代替の発電配電系統の一部を示す概略図である。
符号の説明
１００ 配電系統
１０２ 開放巻線発電機
１０４ 固定子
１０６ 固定子巻線
１０８ 固定子巻線
１１０ 固定子巻線
１１２ 駆動発動機
１１４ 軸
１１６ 変換器
１１８ 第１導管
１１９ 端子
１２０ 導管
１２１ 端子
１２２ 導管
１２３ 端子
１２４ ＤＣリンク
１２６ ＤＣ導管
１２８ ＤＣ導管
１３０ コンデンサ
１３２ バス
１３４ 正導管
１３６ 負導管
１３８ 変換器
１４０ 正導管
１４２ 負導管
１４４ ＡＣ導管
１４６ 第２変換器
１４８ ＡＣ導管
１４９ 端子
１５０ ＡＣ導管
１５１ 第２端子
１５２ ＡＣ導管
１５３ 第２端子
１５４ 第２ＤＣリンク
１５６ 導管
１５８ ＤＣ導管
１６０ コンデンサ
１６２ ＤＣバス
１６４ 正導管
１６６ 導管
１６８ 変換器
１７０ 導管
１７２ 導管
１７４ ＡＣ導管
１７６ 電気推進電動機
１７８ 軸
１８０ スクリュー
２０２ 電圧信号
２０４ 電圧信号
２０６ スイッチ素子
２０８ 正弦波電圧信号
２１０ スイッチ素子
２１２ 第１位相角
２１４ 第２位相角
２２０ 制御系
２２２ データ導管
２２４ 接地基準
２２６ データ導管
２２８ データ導管
２３０ 制御系
２３２ データ導管
２３６ データ導管
２３８ データ導管
２４０ 第１ＤＣ差動電圧
２４２ 第２ＤＣ差動電圧
３００ グラフ
３０２ 第１縦座標
３０４ 横座標（Ｘ軸）
３０６ 第２縦座標（Ｙ軸）
３０８ ＤＣ電流
４００ 船舶
４０１ 系統
４０２ 開放巻線発電機
４１２ 駆動発動機
４１４ 軸
４１６ 変換器
４１７ スイッチ素子
４２０ 電気導管
４２４ ＤＣリンク
４２６ 正導管
４２８ 負導管
４３２ ＤＣバス
４３４ 正導管
４３６ 負導管
４３８ 変換器
４４０ 正導管
４４２ 負導管
４４４ 導管
４４６ 変換器
４４７ スイッチ素子
４５０ 電気導管
４５４ ＤＣリンク
４５６ 正導管
４５８ 負導管
４６２ ＤＣバス
４６４ 正導管
４６６ 負導管
４６８ 変換器
４７０ 正導管
４７２ 負導管
４７４ ＡＣ導管
４７６ 電気推進電動機
４７８ 軸
４８０ スクリュー
５０１ 発電配電系統
５０２ 発電機
５１２ 発動機
５１４ 軸
５１６ 変換器
５２４ ＤＣリンク
５３２ ＤＣバス
５７６ 推進電動機
５７８ 軸
５８０ スクリュー
５８１ 低電圧ダイオード
５８２ 低電圧変換器ブロック
５８３ 第１組
５８４ 導管
５８５ スイッチ素子
５８８ 組
５９０ 組
５９２ 導管
５９４ 導管
５９６ 導管
５９８ 導管
６０１ 発電配電系統
６０２ 発電機
６１２ 発動機
６１４ 軸
６１６ 変換器
６２０ 導管
６２４ ＤＣリンク
６３２ ＤＣバス
６４６ 変換器
６５０ 導管
６７４ 導体
６７６ 電動機
６７８ 軸
６８０ スクリュー
６８８ 第１ストリング
６９０ 第２ストリング
７０１ 系統
７０２ 開放巻線発電機
７１２ 発動機
７１４ 軸
７１６ 変換器
７２０ 導管
７２４ ＤＣリンク
７３２ ＤＣバス
７４６ 変換器
７５０ 導管
７５４ ＤＣリンク
７６８ 変換器
７７４ 導管
７７６ 電動機
７７８ 軸
７８０ スクリュー
７８１ 高出力導管
７８５ 低電圧発電機
７８７ 低出力駆動発動機
７８９ 軸
７９１ 導管
７９３ 変換器
８０１ 発電配電系統
８０２ 開放巻線発電機
８１２ 発動機
８１４ 軸
８２５ ＡＣバス
８３２ ＤＣバス
８５１ ＡＣバス
８６９ 変換器
８７４ 導管
８７６ 電動機
８７８ 軸
８８０ スクリュー
８８１ 高出力導管
８８５ 発電機
８８７ 低出力駆動発動機
８８９ 軸
８９１ 導管
８９３ 第１バスコンディショナ
８９５ 第２バスコンディショナ

Claims (10)

  1. 各々が複数の変換器ブロックを含む、並列に接続された複数の変換器ブロックの組であって、各変換器ブロックの組が、第１電気バスに電気的に結合された少なくとも１つの第１の変換器ブロックと、第２電気バスに電気的に結合された少なくとも１つの第２の変換器ブロックとを備える、前記複数の変換器ブロックの組と、
    各々が対応する変換器ブロックの組に結合する複数の多相開放巻線発電機であって、各多相開放巻線発電機が、前記第１の変換器ブロックに電気的に結合された固定子巻線の第１の端と前記第２の変換器ブロックに電気的に結合された固定子巻線の第２の端とを備える前記複数の多相開放巻線発電機と、
    を含み、
    前記複数の多相開放巻線発電機が生成した電力が、前記第１電気バスを介して組み合わされて、負荷に伝導される、
    配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  2. 前記多相開放巻線発電機（１０２、４０２、８０２）が、
    回転子と、
    前記回転子の少なくとも一部の回りに延びる固定子（１０４）であって、前記固定子が、少なくとも１つの巻線（１０６、１０８、１１０）を含み、前記少なくとも１つの巻線が、前記第１バスに結合された第１電気端子（１１９、１２１、１２３）と、前記第２バスに結合された第２電気端子（１４９、１５１、１５３）とを含む、固定子（１０４）と
    を含む、請求項１記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  3. 前記少なくとも１つの巻線（１０６、１０８、１１０）が、前記第１バスおよび前記第２バスが実質的に電気的に同期化されるように前記第１バスおよび前記第２バスに電気的に結合された複数の電気的に独立の巻線を含む、請求項２記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  4. 前記多相開放巻線発電機（１０２、４０２、８０２）が、前記第１バス上で第１電圧を誘導し、前記第２バス上で前記第１電圧より高い第２電圧を誘導するように構成され、前記第１電圧と前記第２電圧との合計が、前記多相開放巻線発電機の総電圧出力とほぼ等しい、請求項１乃至３のいずれかに記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  5. 前記複数の変換器ブロックの組の前記第２の変換器ブロックは、複数の導管を介してグリッド様の形で互いに結合される、請求項１乃至４のいずれかに記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  6. 前記複数の変換器ブロックの各々が、少なくとも１つのスイッチ素子を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  7. 前記複数の変換器ブロックの組が、複数の直流（ＤＣ）バス（１６２、４３２、４６２、５３２、６３２、７３２、８３２）に電気的に結合され、前記複数の変換器ブロックの組が、前記複数のＤＣバス上の電圧を制御するように構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）。
  8. 少なくとも１つの電気推進電動機（４７６、５７６、６７６、７７６、８７６）と、
    請求項１乃至７のいずれかに記載の配電系統（１００、４０１、５０１、７０１、８０１）と、
    を含む船（４００）。
  9. 前記電動機によって駆動される軸を備えるスクリューをさらに含む、請求項８記載の船（４００）。
  10. 前記第１バスが複数のシップサービスＤＣバスに結合される、請求項８または９に記載の船（４００）。
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