KR101212621B1

KR101212621B1 - 상이한 등급들 및 크기들의 저공해 표면 해상 （해군） 선박들을 위한 전력 생성, 분배 그리고 온-보드 전력 공급 시스템

Info

Publication number: KR101212621B1
Application number: KR1020067012111A
Authority: KR
Inventors: 볼프강 르차드키; 마티아스 슐체; 로날트 ?츠케; 베른트 바커
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2012-12-14
Also published as: DE10353967A1; KR20060115897A; WO2005049418A3; US20070077830A1; US7544108B2; WO2005049418A2; EP1701879A2

Abstract

상이한 등급들 및 크기들의 저공해 표면 해상 (해군) 선박들을 위한 전력 생성, 분배, 및 온-보드 전력 공급 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 장비 세그먼트로서 구현되고 DC 네트워크로부터 전력을 공급받을 수 있는 하나 이상의 크루징 속도 구동 유닛, 예컨대 전기적 스러스터 구동 유닛과, AC 네트워크로부터 전력을 공급받을 수 있고 필요시에 연결될 수 있는 하나 이상의 보조 구동 유닛, 예컨대 하이드로젯을 포함한다. 상기 DC 네트워크 및 AC 네트워크는 전력이 상호 간에 전달될 수 있는 방식으로 구현된다.

Description

상이한 등급들 및 크기들의 저공해 표면 해상 （해군） 선박들을 위한 전력 생성, 분배 그리고 온-보드 전력 공급 시스템{POWER GENERATION, DISTRIBUTION, AND ON-BOARD POWER SUPPLY SYSTEM FOR LOW-EMISSIVE SURFACE MARINE (NAVY) SHIPS OF DIFFERENT CLASSES AND SIZES}

본 발명은 다양한 등급들 및 크기들의 저공해 표면 해군 선박들을 위한 전력 생성, 분배 그리고 온-보드 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 하나 이상의 크루즈 추진 시스템, 예컨대 바람직하게 DC 네트워크로부터 전력을 공급받을 수 있는 전기 가동 프로펠러 추진 시스템, 그리고 하나 이상의 추가적인 추진 시스템, 예컨대 필요시 전환될 수 있고 AC 네트워크로부터 전력을 공급받을 수 있는 워터젯 추진 시스템을 포함하며, 상기 DC 네트워크 및 AC 네트워크의 경우 전력이 서로 간에 양방향으로 전달되도록 하는 방식으로 구현된다.

전기적 여기 동기 발전기들은 전통적으로 해군 선박들에 대한 전력을 생산하는데 사용되고, 디젤 엔진들 또는 가스 터빈들에 의해 구동된다. 상기 전력은 교류 기술을 이용해 전달된다. 상기 추진은 디젤 엔진들, 가스 터빈들, 모터에 의해 또는 이들의 조합에 의해 제공되고, 상기 모터들 또는 엔진들은 샤프트를 통해 하나 이상의 프로펠러들을 운전하며, 상기 선박을 위한 순방향 추진력을 제공한다. 고정 피치 프로펠러들 및 가변 피치 프로펠러들 모두가 상기의 경우에 사용된다. 전력 발전기들은 정상적으로 거의 선체 중앙에 배열된다. 종래 기술의 한 예로 왕립 네덜란드 해군의 HNLMS "LPD 로테르담(LPD Rotterdam)"을 들 수 있다. 이 선박은 두 개의 주요 스위치 패널들로 스위칭되는 4 개의 디젤 발전기들을 구비한다. 순방향 추진력은 네 개의 모터들에 의해 공급되고 각각의 경우에 두 개의 모터들은 샤프트 상에서 스텝-다운 전달을 통해 동작한다. 그 외의 이유들로 인해, 두 개의 모터들은 각각의 다른 중간 전압 교환기에 걸쳐 연결된다.

이미 공지된 추진 시스템들은 주로 무공해 시스템으로 설계될 수 없는 단점, 즉 높은 적외선 특징 및 전자적 특징을 가진다. 다른 단점으로 공지된 추진 시스템은 단 하나의 미사일, 예컨대 중간 크기의 선체 중앙의 로켓 명중으로 동작 불가능해질 수 있다.

상기 종래 기술의 배경에 반하여, 본 발명은 무공해 동작 상태들을 포함하여 폭넓게 다른 동작 상태들에 쉽게 매칭되고, 자신의 전력 공급 네트워크 시스템들의 하위 부분이 고장날 경우에도 쓸모 있게 유지될 수 있는 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 이 경우 하나의 목적은 현재 해군 선박들이 서로 독립적으로 동작할 수 있는 두 개의 추진 장치들, 예컨대 선미(stern)의 POD 및 선체 중앙의 워터젯 추진 시스템을 가진다는 사실을 특히 고려하는 것이다. WO 02/057132 A1에 하나의 예가 기술되어 있다.

다른 목적은 역시 상기 선박을 선박 보호 섹션들 또는 영역들로 세분하는 것으로, 상기 선박 보호 섹션들은 심지어 하나 이상의 선박 보호 섹션(들)의 고장이 상기 선박이 명중 지점으로부터 더 이상 이동할 수 없고 적어도 부분적으로는 자신의 작업을 수행할 수 있는 중대한 범위에 대해 상기 선박의 운영 가능성에 악영향을 끼치도록 계획되지 않는다. 상기 목적은 본 발명에 따른 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템이 서로 간에 양방향으로 전력이 전달되도록 하는 방식으로 설계된 하나 이상의 DC 네트워크 및 AC 네트워크를 가지는 것으로 성취된다. 이 경우에, 상기 DC 네트워크는 POD 추진 시스템 또는 선체 내의 전기 추진 시스템, 특히 HTS 모터와 연관되고, 상기 AC 네트워크는 추가적인 전기 추진 시스템, 예컨대 특히 HTS 모터에 의해 구동되는 워터젯 추진 시스템과 연관된다. 이는 종래의 추진 시스템의 대리 기능성에 비해 월등히 좋은 추진 시스템 대리 기능성을 제공한다.

이 경우, 본 발명의 한 개선안은 하나 이상의 전력 생성을 위한 연료 전지 모듈, 특히 적어도 부분적으로는 개질기 수소(reformer hydrogen)를 소비하는 연료 전지 모듈을 상기 DC 네트워크가 가지도록 하는 것이다. 개질기로부터의 소모된 공기 및 소모된 가스들만이 생성되고 그렇지 않으면 정상적인 소모된 가스 기둥은 존재하지 않으므로, 직접 전류를 생산하는 연료 전지 모듈의 사용은 대부분 저공해 크루즈 추진을 제공한다. 이는 상기 개질기로부터 소모된 공기 및 소모된 가스들이 인젝터들을 통해 선박 주위의 물로 분사되어 그에 따라 수평 적외선 지점을 방지하는데 특히 유용하다.

본 발명의 다른 개선안은 서로 연결된 공기-호흡 연료 전지들, 특히 상이한 원동력을 가지는 연료 전지들을 포함하는 상기 연료 전지 모듈을 제공하는 것이다. 이는 온-보드 운전 및 크루즈 추진, 그리고 기내에 순수 산소를 운반하거나 또는 생성할 필요가 없는 것에 특히 적합한 연료 전지 실시예를 제공한다.

이 경우에, 매우 바람직하게도 높은 전기 효율성, 우수한 분할 부하 동작, 저공해 및 저소음 개발로 특징지어지고 본 발명에 따른 선박들을 위한 전기적 추진 시스템을 위한 것과 같은 분산식 및 집중식 응용들 모두에 적합한 연료 전지들의 특정한 장점들로 사용은 만들어진다.

현재 본 발명의 특정한 개선안에서, DC 네트워크는 바람직하게 약 1MW에서 10MW 사이의 다수의 연료 전지 모듈들을 가지고, 상기 각 연료 전지 모듈은 바람직하게 많은 수의 상호 연결된 연료 전지들, 바람직하게는 0.1 MW에서 0.3 MW, 특히 0.12에서 0.15 MW 사이의 연료 전지들로 다양하게 구성된다.

매우 많은 수의 상이한 동작 온도들을 가지는 연료 전지들에 대한 많은 수의 상이한 실시예들이 공지되는데, 이는 해군 선박들의 선체 내 다양한 동력 요구사항들에 따르는 연료 전지 블록들을 형성하기 위해 상기 많은 수의 상이한 종류들을 사용하는 것이 가능하도록 하기 위해서이고, 여기에서 우수한 에너지를 가지는 저온도 연료 전지들의 경우에는 바람직하게도 상기 DC 네트워크상의 변화되는 동력 부하를 위해 사용되고, 에너지가 위와 같이 우수하지 못한 고온도 연료 전지들의 경우에는 바람직하게도 상기 DC 네트워크상의 기본 부하를 위해 사용된다.

본 발명에 따라, 상기 연료 전지들은 개질기, 특히 디젤, 메탄올, 옥탄가가 높은 가솔린 및/또는 천연가스 개질기로부터의 반응 가스와 협력하고 공기와 협력할 수 있다. 공기와 협력할 때, 상기 연료 전지들의 산소측은 거의 21%의 산소를 포함한다. 개질기로부터의 상기 반응 가스(소위 개질기 가스라 불림)와 협력할 때, 상기 연료 전지의 수소측은 그 내부에 혼합된 질소 또는 탄소 이산화물을 포함한다. 이는 본 발명에 따른 크게 역동적인 요구 사항들에 사용되는 것처럼 PEM 연료 전지들이 상기 산소 측 상에서나 또는 상기 수소 측 상에서나 불가능한 형태로 더 이상 설계되지 않음을 의미한다.

본 발명의 특정한 개선안에서, 상기 AC 네트워크는 전력을 생산하기 위하여 가스 터빈, 예컨대 HTS 기술로 구동되는 하나 이상의 동기 발전기를 가진다.

DC 네트워크 및 AC 네트워크는 바람직하게도 1kV에서 15kV 사이의 네트워크이다.

본 발명의 특히 바람직한 개선안에 따라, DC 네트워크 및 AC 네트워크는 선박 내의 온-보드 네트워크에 전력을 공급한다. 현재 본 발명에 따른 전기 추진 시스템은 바람직하게도 상기 DC 네트워크 및 AC 네트워크에 상기 온-보드 네트워크를 결합하기 위한 DC 중계 회로를 가진다. 전력은 바람직하게도 DC 라인들을 경유하여 DC 네트워크 및 AC 네트워크 양쪽으로부터 상기 DC 중계 회로로 그리고 그에 따라 상기 온-보드 네트워크로 전달된다. 이는 상기 요구사항에 따라 전력을 양측 네트워크들로 전달하기가 용이함을 의미한다. AC/DC 변환기들은 상기 목적을 위해 AC 네트워크 내에서 사용된다.

본 발명의 다른 개선안에서, 온-보드 네트워크를 통해 공급되는 부하들이 일반적으로 AC 부하들이므로, 변환기들은 전기적 온-보드 네트워크 내에서 적합한 AC 전압에 대한 온-보드 네트워크에 이용 가능하도록 만들어진 전력을 전환하기 위해 사용된다.

본 발명의 또 다른 개선안에서, 페일-세이프(fail-safe)로 구현된 형태 내에서 배열되는 유리 섬유 라인들은 추진 시스템의 어셈블리들 및 구성 요소들을 구동하고 데이터를 교환하는데 사용된다. 이 경우, 전력 공급 라인들의 경우와 동일한 방식으로 고리들 및 별 형태의 구현들 모두 선택될 수 있다.

다수의 연료 전지 모듈들은 선박 또는 보트 내에서 바람직하게 분배된다. 따라서, 선박 또는 보트 내의 교환 장치들 및 제어 장치들은 매우 간단한 방식으로 연결될 수 있고 그리고 상호 연결될 수 있다. 특히 해군 선박들의 경우, 명중되었을 경우 전력 공급의 유지 및 보장이 가능해야만 한다. 전체적으로, 본 발명은 우수한 생존 가능성 및 명중 발생 후 발생할 수 있는 모든 상황들에 다양하게 반응할 수 있는 전기 장비를 구비한 선박을 제공한다.

본 발명의 또 다른 개선안은 매우 바람직하게도 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템 내에서 전류 제한 기구들을 가지도록 네트워크에 필요한 것들을 공급하고, 상기 시스템은 HTS(고온도 초전도체) 전류 제한기들 및/또는 반도체 스위치 형태이고, 영향받지 않는 네트워크 엘리먼트들을 포함하여 단락 회로들이 발생하는 경우 전압 강하들에 대한 반응이 수 밀리세컨드 영역 내의 시간 간격, 특히 1 밀리세컨드 미만으로 제한되는 것에 의하며, 따라서 이러한 전압 강하들은 각각의 영향받는 네트워크 엘리먼트로 제한될 수 있다.

물론, 해군 선박들 내의 네트워크들은 두 개 이상의 발전기들, 연료 전지 시스템들 또는 고성능 배터리들 또는 이들의 조합들에 의해 공급받는 아일랜드 네트워크(island network) 형태이다. 1kV 미만의 저전압 교환 시스템들이 종종 사용되므로, 상기는 높은 동작 전류들을 가지는 일부의 전기 분배 시스템들을 포함한다. 이러한 네트워크들의 전기 시스템들은 단락이 발생하는 경우 급격한 상승 온난기류 및 동적인 요구사항들에 지배받는다.

전기 보호 개념의 구현 때문에, 그 결과가 전기 네트워크의 정전에 이를 수 있는 명중들 이후 전압 강하들에 대한 발생이 예상되어야만 한다. 이는 발전기 스위치들이 역시 특정한 상황들을 겪을 것임을 의미한다. 당연히 해군 선박의 경우를 포함하여 충분히 전기적인 선박 내에서, 이는 상기 선박 추진 시스템들을 공급하는 것이 더 이상 불가능하므로 기동성의 결여를 야기한다; 이는 상기 선박의 손실을 유도할 수 있고 모든 경우들에서 방지되어야만 한다.

특히 해군 선박들의 경우, 예컨대 적군과 접촉한 후에 예컨대 유도탄에 의한 하나 이상의 명중들이 발생하는 경우 적합한 방식 또는 자동 스위칭 동작들을 실행하는 것이 가능하도록 하기 위하여 예측될 수 없는 방식으로 다양한 섹션들 또는 교환기들이 영향받는 경우에 복합적인 결함들은 종종 일어난다.

만일 전압 강하가 전체 전기 네트워크에 걸쳐 일어난다면, 전자 설계 자동화 및 제어 장비들은 몇십 밀리세컨드에서 수천 밀리세컨드까지의 범위에서 영향을 받는데, 예컨대 주요 영역 내에서의 반응 시간이 0.03에서 6 초 사이일 수 있다. 만일 상기 전자 장비가 예컨대 인버터들을 경유한 배터리로부터의 정적 전달 교환에 의한 인터럽트될 수 없는 공급처를 구비하고 있지 않다면, 이것은 예컨대 운영 시스템들의 재시작을 요구하는 전자 장비의 고장을 이끌 수 있고 이는 시간이 더 많이 소요된다. 따라서, 명중 이후, 즉각적인 스위칭 동작들에는 전력 공급 라인들뿐만 아니라 전자 장비들 역시 요구된다.

하기의 내용에서 언급되는 기준은 종래 기술에 공지된 것으로 상기 방식으로 설계된 전기 네트워크의 가용성 및 결함-보호를 향상시키는데 사용될 수 있다. 부하 유닛들과 마찬가지로 전기 전력 생성 유닛들도 상이한 선박 보호 섹션들 사이에서 분할된다. 개별 교환 시스템 섹션들은 차단기 패널 형태의 패널 내의 교환 시스템에서 직접 배열되는 결합들에 의해 또는 차단기가 각 교환 시스템들별로 제공되는 경우에 연결 라인들을 통해 상호 간에 연결되고, 케이블 런(cable run)으로 연결된다.

상기 전기 네트워크들은 링 네트워크들 또는 상호 접속에서 높은 차수를 가질 수도 있는 계층적 네트워크들의 형태이고, 계획된 동작에서의 나머지 요구 사항들을 충족시키기 위해 제공되는 스위칭 장치들, 예컨대 자동 고속도 스위칭 장치들을 구비하고 있다. 그러나, 어떤 환경들에서는, 공지된 기준들이 적합하지 않다.

본 발명에 따라, 심지어 단락 회로들이 발생하는 경우 전자 장비에 대한 어떠한 손상도 자동화 및 제어 기법들에 의해 방지되는 것이 바람직하게도 확실하다. 이는 상기에서 기술한 기준들에 의해 성취되고 특히 다음의 내용에서 기술되는 것에 의해 성취된다.

본 발명은 HTS 전류 제한기들의 형태이고 반도체 스위치 및/또는 차단기와 상호 작용하는 전류 제한 기구들을 구비하는 전기 네트워크에 특히 바람직하고, 이는 전기 전력 생성 유닛들 및/또는 에너지 축적기 형태인 에너지 소스들을 특히 보호하는 것이 가능함에 따른다.

두 개의 네트워크 엘리먼트들 사이에서 HTS 전류 제한기를 사용하는 것은 결합된 네트워크 엘리먼트 내의 단락에 의해 유발되는 전압 강하에 의한 어떠한 반응들로부터도 견고한 네트워크 엘리먼트들이 유지될 수 있도록 하는 것을 가능하게 한다. 따라서 상기 견고한 네트워크 엘리먼트는 어떠한 인터럽션 없이도 그리고 전력 공급 장치의 재시작 및 그것에 연결된 부하들 없이도 동작 상태를 유지할 수 있다. 종래의 전통적인 기계적 차단기들 또는 전자 반도체 스위치들 상에서 동작하는 제2 보호적 장치들과 함께, 제1 보호로서 동작하는 HTS 전류 제한기의 상호 작용은 심지어 단락에 의해 영향받는 네트워크 내에서의 결함(들)을 선택적으로 탐지해내는 것도 가능하게 한다.

본 발명은 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템이 적어도 부분적으로 다양한 크기들의 해군 선박들을 위한 표준 장비 세그먼트로서 설계되도록 한다. 이는 바람직하게도 대응되는 구성 요소들의 표준이 성취되도록 한다. 이는 한편으로는 상당한 비용상의 이점들 및 개인의 훈련에서의 이점, 매뉴얼들의 생산과 명령들 등의 운영에서 이점들을 이끈다.

이것은 표준 POD 추진 시스템들이 크루즈 추진 시스템들로서 사용될 때, 또는 표준 HTS 모터들 또는 발전기들이 사용될 때 역시 정확하다. 전체적으로, 따라서 이것은 생존성뿐만 아니라 해군 선박들의 동작, 서비스 및 유지를 상당히 향상시키는 해군 선박 장비를 제공한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 도면들에 도시된 예시적인 실시예들에 대한 참조를 이용한 하기 내용에서 더 상세히 설명될 것이고, 청구항들에 대해서도 동일한 방식으로 본 발명에서 역시 중요한 더 상세한 설명이 포함될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 추진 시스템의 기본 개념에 대한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 전기 추진 시스템에서의 네트워크들의 기본 개념에 대한 도면,

도 3은 상기 시스템을 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 제1 실시예 아웃라인에 대한 도면,

도 4는 상기 시스템을 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 제2 실시예 아웃라인에 대한 도면,

도 5는 프리깃함을 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 아웃라인에 대한 도면,

도 6은 코르벳함을 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 아웃라인에 대한 도면,

도 7은 고속 보트를 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 아웃라인에 대한 도면,

도 8은 대형 무인 전투 보트를 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 아웃라인에 대한 도면, 및

도 9는 소형 무인 전투 보트를 위한 본 발명에 따른 전기 네트워크의 아웃라인에 대한 도면이다.

도 1은 선박들을 위한 전기 추진 시스템의 추진 개념을 나타낸다. 전기 추진 시스템은 동작 상태에 따라 서로 독립적으로 운영될 수 있는 네 개의 추진 엘리먼트들, 즉 두 개의 가동 추진 시스템들(1) 및 중복 설계된 두 개의 워터젯 추진 시스템들(2)을 가진다. 도 1에 도시된 바와 같은 선박들을 위한 전기 추진 시스템의 경우, 하기의 동작 상태들이 제공된다:

20 노트들까지의 속도 범위에서, 또는 저소음 크루즈 속도에서 여행할 때, 선박은 단지 두 개의 가동 프로펠러 추진 시스템들(1)에 의해서 추진되고 제어된다. 일 예로서, 가동 프로펠러 추진 시스템들(1)은 약 5에서 10 MW의 추진 전력을 가진다. 가동 프로펠러 추진 시스템들(1) 및 온-보드 네트워크를 위한 전력은 예컨대 디젤 개질기들과 상호 작용하는 연료 전지들(7)에 의한 저소음 방식으로 생산되는 동작 상태를 위한 것으로, 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.

상기 20 노트들 속도 범위에서, 중복 설계된 두 개의 워터젯 추진 시스템들(4)은 약 10에서 20 MW의 전력을 각각 이용하여 켜진다. 워터젯 추진 시스템들(4)을 위한 전력은 특히 가스 터빈에 의해 각각 구동되고 HTS 기술로 설계된 두 개의 3상 동기 발전기들(6)에 의해 생산된다.
가동 프로펠러 추진 시스템들(1)과 워터젯 추진 시스템들(4) 사이에서 선박이 전진하도록 추진하는데 요구되는 스러스트 전력(thrust power)의 전력 분배는 효율 최적화 양상들에 기초한다.

바람직하게도 가동 프로펠러 추진 시스템들(1)은 DC 1부터 n kV까지의 범위에서 DC 전압 네트워크(SSB1)로부터 그들의 전력을 가져온다. 예컨대, HV-IGBT 전력 카드들과 다이오드 전력 카드들을 포함하는 인버터 유닛들(3)은 상기 DC 전압을 다양한 전압 및 주파수의 AC 전압으로 변환한다. 두 개의 가동 프로펠러 추진 시스템들(1) 각각은 다음의 구성 요소들을 포함한다:

- 전력 공급 캐비닛

- 전력 섹션, 개회로 및 폐회로 제어 섹션, 밀폐 주기 냉각 시스템을 갖는 변환기 캐비닛 그룹

- 방위각 제어

- 방위각 추진

-가동 프로펠러

또한, 가동 프로펠러, 특히 취소할 수 있도록 설계된 가동 프로펠러는 바람직하게도 이물 영역에 배열되고 두 개의 모듈들, 방위각 모듈 및 추진 모듈을 포함한다. 이는 장거리 여행을 위한 대기전력 추진 시스템으로서도 역시 적합한 작전 추진 시스템을 도출한다.

방위각 모듈은 워터 라인 위에서 적절하게 규격화된 플랜지(flange)에 들어맞고 그것에 나사로 고정되며 실링(sealing)된다. 방위각 추진 시스템들을 위한 이러한 형태의 설치는 "well installation"이란 표현으로 잘 알려져 있다. 방위각 모듈은 다음의 하위 시스템들을 포함한다:

- 전기유압식 제어 시스템

- 피봇팅 베어링

- 지지 원추

- 보조 동작 추진 모듈

- 신호 전송과 동시에 제1 및 제2 전력에 대한 전송기 유닛

- 스위치 박스들

추진 모듈은 실제 추진 시스템, 즉 모터 프로펠러 유닛을 담고 있다. 상기 추진 모듈은 다음의 부품들로 세분될 수 있다:

- 모터, 예컨대 HTS 회전자를 가지는 동기 모터

- 멤브레인 결합들

- 프로펠러 샤프트

- 프로펠러

- 프로펠러 샤프트 베어링

- 프로펠러 샤프트 실(seal)

- 프로펠러 샤프트 제동기

- 수면 속 하우징

- 샤프트

샤프트에 연결된, 고정되어 있는 고정자 및 회전자를 포함하는 동기 모터는 바람직하게도 프로펠러를 위한 전기 구동 모터로서 사용된다. 회전자는 바람직하게 HTS 기술을 이용한 권선들(windings)을 가진다. 고정자는 압입 연결을 경유하여 수면 속 하우징에 삽입된다. 열은 상기 고정자로부터 상기 연결, 바람직하게는 쉬링크(shrink) 연결을 통해 주위 바닷물로 분출된다. 고정자는 3상 권선 시스템(winding system)을 포함한다. 권선 종단들은 레일 시스템을 경유하여 연결 영역에 통과된다. 모터는 모니터링 및 제어를 위한 센서들을 구비한다. 이미 기술된 모듈 및 모터 설계는 상선으로부터 특히 잘 알려져 있고 본질적으로 해군 선박들에도 역시 채택되었다. 특히 이 경우에 해군 선박들을 위한 모터는 HTS 기술로 설계되는 것으로 파악된다; 냉각 시스템은 상기 목적을 위해 샤프트 내에 배열된다.

전력은 선박 내에 위치한 변환기(3)로부터 케이블들 및 집전 고리 유닛을 경유해 회전할 수 있는 추진 모듈 내에 위치한 모터로 전달된다. 집전 고리 유닛은 비 제한적인 회전 운동들이 가능하게 한다. 변환기와 집전 고리 사이, 집전 고리와 레일 시스템에 연결된 모터 사이의 연결들은 케이블들에 의해 제공되고 내진성(shock-resistant)을 갖도록 설계된다. 해군 선박들을 위한 모터 역시 바람직하게도 내진성(shock-resistant)을 갖도록 설계된다.

변환기 시스템(3)의 구성 요소들은 캐비닛 그룹으로 결합되고, 상기 구성 요소들은 전력 섹션, 개회로 및 폐회로 제어 섹션, 그리고 밀폐 주기 냉각 시스템을 포함한다. 프로펠러 추진 시스템(1)을 위한 모터는 선박 내에 배열된 인버터 유닛(3)으로부터 공급받는다. 인버터 유닛(3)은 주파수, 진폭, 위상 각이 제어되는 전압을 생산한다. 상기 전압 형상(form)은 어느 주어진 시각에서 모터 및 더욱 높은 수준의 제어 시스템에 의한 요구에 대하여 각 경우별로 매치된다. 도 1에 도시된 바와 같은 전기 추진 시스템의 예시적인 실시예의 경우, 예컨대 SIMAR Drive PWM(Siemens Marine Drive Pulse Width Modulation)은 인버터 유닛들(3)을 위해 사용된다. 인버터 유닛들(3)은 DC 1부터 n kV까지 범위의 DC 전압 네트워크(SSB1)로부터 공급받는다. 인버터 유닛들(3)은 예컨대 HV-IGBT 또는 IGCT 전력 카드들과 다이오드 전력 카드들을 포함하고, 캐비닛 시스템에 꼭 맞는다. 인버터 유닛들(3)은 프로펠러 추진 시스템들(1)이 4-쿼드런트 동작(4-quadrant operation)을 할 수 있도록 한다. 따라서 양방향에서의 동작이 가능하다. 결합된 개회로 및 폐회로 제어 시스템은 완전하게 디지털로 설계되고 예컨대 SIMADYN 및/또는 SIMATIC S7 표준 시스템을 포함하는 그룹 부품들로 만들어진다.

예시로서, 프로펠러 추진 시스템들(1)을 위한 개회로 및 폐회로 제어 시스템은 다음의 기능적 그룹들을 포함한다:

- 전력 섹션 내에 통합된 변환기에 접속한 개회로 및 폐회로 제어(TCU)

- 선박-특정 개회로 및 폐회로 제어

인버터 유닛들(3)은 물로 냉각되고, 예컨대 탈이온수로 채워진 폐쇄 워터 회로(closed water circuit)를 포함한다. 상기 순수-워터 회로는 인버터 유닛들(3)의 IGBT 또는 IGCT 모듈들 그리고 다이오드 모듈들에 연결된다. 밀폐 주기 냉각 시스템 내에서의 열 손실들은 요청된 선박 프레쉬-워터 시스템에 연결될 수 있는 프레쉬-워터 회로에 대한 워터/열 교환기에서 방산된다.

도 2는 도 1에 도시된 전기 추진 시스템의 네트워크 시스템을 나타낸다. 주 네트워크는 선박의 순방향 추진에 사용되고 DC 1부터 n kV 네트워크의 DC 전압 네트워크 및 예시로서 현재의 경우, 11 kV/50Hz 또는 60 Hz의 중간-전압 네트워크인 AC 전압 네트워크를 포함한다. DC 네트워크의 절반씩은 선박 보호 영역들(1, 3)(SSB1 및 SSB3) 내에 각각 위치해 있다. 두 개의 네트워크 엘리먼트들은 정상 동작 동안에 적절한 스위치 위치들을 통해 폐쇄 형상으로 동작되는 연결 라인에 의해 서로 연결된다.

저소음 동작 상태를 위한 전력은 예컨대 4.5 MW의 네 개의 연료 전지 모듈들에 의해 공급되고, 상기 각 연료 전지 모듈들은 예컨대 각각 0.15 MW 등급을 갖는 30 개의 연료 전지들을 포함한다. 반드시 독점적으로는 아니지만, 연료 전지 모듈들은 특히 각각이 다량의 직렬-연결된 멤브레인 전극 유닛들과 스택들로서 언급되는 양극 플레이트들을 포함하고 상기 범위에 대해 상대적으로 간단한 설계를 가지는 소위 PEM 연료 전지들을 포함한다. 연료 전지 모듈들은 내진성(shock-and vibration-resistant)을 갖도록 설계되고 따라서 해군 선박들 상에서 사용하기에 특히 적합하다. 연료 전지 모듈들의 기본 설계는 본문에 잘 나와 있다.

전력은 예컨대 이미 언급된 바와 같이 각 경우에서 두 개의 4.5 MW 연료 전지들(7)에 통하는 DC 네트워크를 위해 생산되고, 상기 두 개의 연료 전지들(7)은 인버터 유닛들(3)을 경유해 가동 프로펠러 추진 시스템들(1)에 전력을 공급한다. 일 예로서, 상기 경우에서 가동 프로펠러 추진 시스템들은 5에서 10 MW의 모터 등급을 가진다. 또한, 일반적으로 온-보드 네트워크(17)는 DC 네트워크를 통하는 연료 전지들(7)로부터의 온-보드 네트워크 중간 회로(16)를 통해 전력을 공급받는다.

도 2에서도 역시 볼 수 있는 바와 같이, 연료 전지들(7)은 적절한 변환기들을 경유하는 추진 모터들에 공급해 주는 것과 마찬가지로, 고에너지 펄스 또는 레이저 무기들을 포함하여 DC 네트워크를 통해 선박 무기 시스템들에 공급해 준다; 현재의 경우 추진 시스템(14)은 측면 추진기 또는 소위 이물 추진기(도 1 참조)를 위한 것이다.

AC 네트워크 형태의 중간-전압 네트워크는 바람직하게도 선박 보호 영역(2)(SSB2) 내에 위치하고 두 개의 가스 터빈들/동기 발전기 유닛들로부터 전력(예컨대, 각각 16 MW임)을 공급받는다. AC 네트워크는 한 쌍의 워터젯들 형태인 워터넷 추진 시스템들(2)로 공급한다. 또한, 온-보드 네트워크 중간 회로(16)와, 그것을 경유하는 온-보드 네트워크(17)는 요청된 AC 네트워크로부터의 전력을 공급받고, 이를 위해서 상기 AC 네트워크는 변압기(8)를 통해 온-보드 네트워크 중간 회로로 연결되기 위해 다운스트림 변환기(9)로부터 공급받는다. 상기 전력 브릿지는 전력 생성 유닛들의 고장을 다룰 수 있도록 하므로 전기 시스템의 결함-보호에 관하여 특정한 역할을 갖는다. 또한, 워터젯들은 매우 바람직하게도 가스 터빈 발전기 세트들을 시작하는 과정 없이 상기 전력 브릿지를 통해 시작될 수 있다. 그러므로 이는 가스 터빈들 또는 가스 터빈들을 대신해 배기 가스 입구실들을 통해 사용될 수 있는 어떠한 디젤 유닛들로부터의 배기 가스들도 선박 주위 물로 방출하기 위하여, 충분한 속도에 이르기 전까지 상기 시스템으로부터 공급받는 해군 선박에서 공해 없는 시작이 가능하도록 한다.

이미 언급된 바와 같이, 전기 추진 시스템은 DC 네트워크 및 AC 네트워크에 온-보드 네트워크(17)를 결합하기 위하여 DC 중간 회로(16)를 가진다. 이 경우 DC 중간 회로는 세 개의 선박 보호 영역들(SSB1, SSB2, SSB3) 내에서 자율 온-보드 네트워크 공급기(17)를 허용한다. 개별 선박 보호 영역들(SSB1, SSB3) 내의 네트워크 엘리먼트들은 정류기들(10)을 통해 DC 네트워크로부터 직접 전력을 공급받는다. 이 경우 정류기들(10)은 단락 회로들이 DC 네트워크에 다시 공급받지 않도록 하고, 따라서 프로펠러 추진 시스템들(1), 무기 시스템들(15) 및 측면 추진기(14)를 위한 안전한 전력을 공급한다.

선박 보호 영역(2)(SSB2)에서, 온-보드 네트워크(17)는 DC 중간 회로(16)를 통해 전력을 공급받는다. 선박 보호 영역(2)(SSB2) 내의 AC 네트워크는 DC 중간 회로(16)에 공급하기 위해 변환기들(9)에 역으로 공급받는 변압기(8)를 갖고, 상기 DC 중간 회로(16)는 워터젯 추진 시스템들(2)에 의해 순방향 추진을 위해 공급되는 예컨대 11 kV/60Hz AC 추진 네트워크인 AC 네트워크로부터 DC 전압을 생산한다. 변압기(8)는 AC 네트워크 및 DC 네트워크 사이의 DC 절연을 보장한다. 이미 언급된 바와 같이, AC 네트워크 및 DC 네트워크는 상기 연결을 통해 또 다른 곳에 연결되고, 상기 연결은 전력이 양방향으로 전달될 수 있는 방식으로 설계된다.

온-보드 네트워크(17)에서 세 개의 DC 네트워크들은 정상 동작 동안에 오픈되는 연결 라인들에 의해 서로 연결된다. 추진 시스템들 또는 그들의 네트워크들의 동작을 위해 공급되는 전력 발전기들 중의 하나가 고장 또는 일부가 고장 나는 경우, 상기 온-보드 네트워크(17)에 대한 전력 공급은 입력측 상에서 인버터(13)를 가지는 DC(SSB1, SSB2, SSB3)의 병렬 동작에 의해 보장된다. 상기 인버터(13)는 1...n kV DC 전압을 온-보드 네트워크 전압, 즉 3상의 60Hz 440V AC(STANAG 100에 따름)로 변환한다. 변압기는 변환기(12) 및 온-보드 네트워크(AC 네트워크)의 AC 네트워크 사이에 1 kV 초과 DC 전압들을 위해 연결된다.

온-보드 네트워크(17)에 포함된 각 인버터(12)(변환기)는 두 개의 전력 급전부들을 가진다. 주요 급전부는 각 선박 보호 영역(SSB) 내에서 DC 중간 회로(온-보드 네트워크 중간 회로)(16)로부터 공급받는다. 대기 급전부는 연결 라인들을 통해 인접 선박 보호 영역(SSB) 내의 각 DC 중간 회로(16)로부터 공급받는다. 이는 온-보드 네트워크(17)를 위한 중복 공급을 보장한다.

각 급전들 내의 정류기 다이오드들(13)은 바람직하게도 DC 중간 회로 방향으로의, 또는 DC 네트워크 또는 AC 네트워크 방향으로의 피드백을 차단한다. 부하들 역시 바람직하게도 주요 급전부로부터 대기 급전부로 어떠한 인터럽션 없이 전달될 수 있다. 주요 급전부를 위한 스위치들과 각 온-보드 네트워크들을 위한 대기 급전부는 선박 보호 영역들(SSB1, SSB2, SSB3)에 대한 어떠한 인터럽션 없이 DC 중간 회로(16)에 의해 스위칭될 수 있다.

회로 기준들에 의해서가 아닌, 단락 회로들로부터의 결과적 전압 인터럽션들, 또는 DC 네트워크 또는 AC 네트워크 그리고 가동 프로펠러 추진 시스템들(1) 그리고 워터젯 추진 시스템들(1)로부터의 스위칭 프로세스들이 온-보드 네트워크(17)로 전이되는 것을 방지하기 위하여, DC 출력을 갖는 에너지 저장소들(11)은 온-보드 네트워크들(17)로부터 공급받는다. 에너지 저장소들(11)은 인버터(12)의 입력 및 정류기 다이오드들(13)의 출력 사이에 배열된다. 이미 언급된 바와 같이, 정류기 다이오드들(13)은 바람직하게도 네트워크측 상에서 단락 회로들에 대한 피드백을 방지한다.

도 1 및 도 2에 도시된 전기 추진 시스템은 매우 바람직하게도 전력 발전기들이 모두 동시에 운영되는 것뿐만 아니라 순방향 추진 구성 요소들이 모두 동시에 스위칭되는 것 역시 가능하게 한다. 상대적으로 저속도인 추진 상태들을 위해, 다양한 추진 장치들이 요청에 따라 스위칭될 수 있고, 이 경우 전력 발전기 유닛들은 요청에 따라 마찬가지로 사용된다.

추진 네트워크들(추진 시스템들(1, 2)을 위한 DC 네트워크 및 AC 네트워크)의 구분 및 분리와 세 개의 선박 보호 영역들(SSB1, SSB2, SSB3)로의 주요 그룹 분배는 각 경우에 하나의 추진 시스템 및 온-보드 네트워크 공급처의 적어도 66%가 명중 발생시에도 여전히 쓸모 있을 가능성이 매우 높음을 의미한다. 이 경우, 상기 명중은 단지 선박 구조만이 해당 영역 내에 여전히 유지될 만큼 충분히 심각할 수 있다. 그럼에도 불구하고 해군 선박은 여전히 조종 가능하고 상기 명중 위치로부터 이동할 수 있다.

도 3의 예시에 도시된 바와 같이 전기 네트워크(21)는 온-보드 해군 선박들에 사용되고 앞서 기술된 예시적인 실시예와 마찬가지로 세 개의 선박 보호 영역들(22, 23, 24)로 세분된다.

적어도 하나의 연료 전지 유닛(25)은 각 경우에 전력 생성 유닛으로서 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(24) 내에 제공된다. 직접 전류를 생산하는 상기 연료 전지 유닛(25)은 인버터(26)를 통해 AC 주 네트워크(27)로 전력을 공급하고, 회로 차단기 또는 부하 인터럽터 스위치(28)는 인버터(26) 및 주 네트워크(27) 사이에 제공된다.

발전기들(29)은 전력 생성 유닛들로서 선박 보호 영역(23) 내에 제공되고 각 경우 회로 차단기 또는 부하 인터럽터 스위치(28)를 통해 주 네트워크(27)로 전력을 공급한다. 선박 보호 영역(23)에서, 주 네트워크(27)는 회로 차단기(32)와 결합하고 그와 함께 HTS 전류 제한기(31) 형태인 전류 제한 기구가 배열된 네트워크 결합(30)을 가진다. 두 개의 네트워크 엘리먼트들은 선박 보호 영역(23) 내의 네트워크 결합(30)에 의해 형성되고, 그 중 하나는 각 경우 두 개의 발전기들(29) 중 하나와 결합한다.

네트워크 연결 라인(33)은 주 네트워크(27)가 선박 보호 영역들(22, 23, 24) 사이에서 경계들을 가로질러 연결되거나 또는 연결될 수 있는 것에 의해, 선박 보호 영역(23) 및 선박 보호 영역(24) 사이에서와 마찬가지로 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(23) 사이에서 각각 제공된다. HTS 전류 제한기(31) 역시 도 3에 도시된 두 개의 네트워크 연결 라인들(33) 내에 각각 제공되고, 각 HTS 전류 제한기(31)는 두 개의 각 선박 보호 영역들(22 및 23, 또는 23 및 24) 내에서 회로 차단기(32)와 결합한다. 상기 도면에 도시되지 않은 선박 추진 유닛들은 주 네트워크(27)를 통해 전력을 공급받을 수 있다. 도 3의 구조에 도시된 바와 같이, 상기는 선박 추진 유닛들을 주 네트워크(27)에 연결한 도시되지 않은 인출선들(outgoers)(34)에 의해 수행된다.

또한, 도 3의 전기 네트워크는 온-보드 네트워크 중간 회로들(35)을 가지고, 도 3에 도시된 예시적 실시예에서 각 선박 보호 영역(22, 23, 24)에 하나씩 제공된다. 온-보드 네트워크 중간 회로들(35)은 인출선들(36)을 통해 주 네트워크(27)로 연결되고, 각 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 선박 보호 영역(22) 내의 인출선(36)에 의해 그리고 선박 보호 영역(23) 내의 다른 인출선(36)에 의해 연결된다. 예컨대, 선박 보호 영역(22)의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 인출선(36)에 의해 선박 보호 영역(22) 내의 주 네트워크(27)에 연결되고, 인출선(36)에 의해 선박 보호 영영(23) 내의 주 네트워크(27)에 연결된다. 선박 보호 영역(23)의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 인출선(36)에 의해 선박 보호 영역(22) 내의 주 네트워크(27)에 연결되고, 인출선(36)에 의해 선박 보호 영역(24) 내의 주 네트워크(27)에 연결된다. 선박 보호 영역(24)의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 하나의 인출선에 의해 선박 보호 영역(24) 내의 주 네트워크(27)에 연결되고, 하나의 인출선(36)에 의해 선박 보호 영역(23) 내의 주 네트워크(27)에 연결된다.

양방향 전류를 위한 반도체 스위치(37)는 온-보드 네트워크 중간 회로(35)가 주 네트워크(27)에 연결된 것에 의해 각 인출선(36) 내에 배열되고 회로 차단기(32)와 결합한다. 또한, 에너지 저장소(38)는 각 온-보드 네트워크 중간 회로(35) 내에 제공되고 선택적으로 변압기가 구비될 수 있는 인버터(39)를 통해 각 온-보드 네트워크 중간 회로(35)에 연결된다. 온-보드 네트워크 중간 회로들(35)은 회로 차단기(28)가 각각 제공된 인출선들(40)에 의해 도시되지 않은 개별 부하들(loads)을 유도하는 부하 인출선들(42)로부터 온-보드 네트워크 주요 그룹들에 연결된다.

도 4에 예시적으로 도시된 전기 네트워크(21)는 도 3에 도시된 실시예에 대응되는 세 개의 선박 보호 영역들(22, 23, 24)로 역시 세분화된 주요 DC 네트워크를 가진다.

DC/DC 변환기 및 DC/DC 셋업 컨트롤러(43)는 선박 보호 영역들(22, 24) 내의 각 연료 전지 유닛(25)과 결합하고, 연료 전지 유닛들(25)은 이를 통해 전력을 DC 1...n kV의 주 네트워크(27)로 공급한다. 대응되는 방식에서, 중앙의 선박 보호 영역(23)에 제공된 두 개의 발전기들(29)은 정류기들(44)을 통해 주 네트워크(27)에 연결된다. 각 전력 생성 유닛(25, 29) 역시 회로 차단기 또는 부하 인터럽터 스위치(28)와 결합한다.

선박 보호 영역(23)에 제공된 네트워크 결합(30)을 갖고, 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(23) 사이에서 또는 선박 보호 영역(23) 및 선박 보호 영역(24) 사이에서 두 개의 네트워크 연결 라인들(33)을 갖는 주 네트워크(27)의 실시예는 도 3에 도시된 전기 네트워크(21)의 것에 대응된다.

도 4에 도시되지 않은 선박 추진 유닛들은 인출선들(34)을 통해 주 네트워크(27)로부터 공급받는다. 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(24) 내에 배열되고 선박 추진 유닛들을 이끄는 두 개의 인출선들(34)이 단방향 전류를 위해 각각이 회로 차단기(32)와 결합하는 반도체 스위치들(45)로 공급받는다는 것은 주목되어야 한다. 또한, 세 개의 온-보드 네트워크 중간 회로들(35)은 주요 DC 네트워크(27)로부터 전력을 공급받는다. 이를 위해, 선박 보호 영역(22) 내의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 인출선(36)을 통해 선박 보호 영역(22)의 주 네트워크(27)에 연결되고 인출선(36)을 통해 선박 보호 영역(23)의 주 네트워크(27)에 연결된다. 단방향 전류를 위한 반도체 스위치(45)는 회로 차단기(32)와 상기 두 개의 인출선들(36)에 각각 위치한 다이오드(46)와 연계하여 배열되고, 상기 다이오드(46)는 결함 발생시 상이한 보호 영역들 사이에 위치한 라인들의 분리을 위해 사용되는 선택적 구성 요소가다.

선박 보호 영역(23)의 온-보드 네트워크 중간 회로(35) 역시 상기 기술된 것과 같이 구현된 두 개의 인출선들(36)을 통해 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(24)의 주 네트워크(27)에 연결된다. 대응되는 방식에서, 선박 보호 영역(24)의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 상기 기술된 것과 같이 구현된 두 개의 인출선들(36)을 통해 선박 보호 영역(23) 및 선박 보호 영역(24)의 주 네트워크(27)에 연결된다.

선박 보호 영역들(22, 23, 24)의 온-보드 네트워크 중간 회로들(35)은 각각 에너지 저장소(38)와 결합하고, 상기 에너지 저장소(38)는 단방향 전류를 위해 반도체 스위치(45)를 통하여 충전 및 방전된다. 각 선박 보호 영역(22, 23, 24)의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)는 인출선(40)을 통해 세 개의 440 V 3상 60 Hz 온-보드 네트워크 주요 그룹들(41)에 연결되고, 하나의 인버터 또는 전압을 낮추는 컨트롤러(47)는 각 인출선(40)의 회로 차단기(28)와 연계하여 배열된다. 개별 부하(loads)들은 온-보드 네트워크 주요 그룹들(41)로부터 부하 인출선들(42)을 통해 전력을 공급받는다.

도 3 및 도 4에서 더 상세히 설명된 전기 네트워크들(21)에서, 다양한 선박 보호 영역들(22, 23, 24)에 배열된 네트워크 구성 요소들은 적합한 방식으로 서로 연결된다. 선박 보호 영역(22)에서 단락 발생시, 선박 보호 영역(23)으로부터의 단락 전류 구성 요소는 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(23) 사이의 네트워크 연결 라인(33)에 위치한 HTS 전류 제한기(31)에 의해 제한된다; 단지 상기 제한된 전류만이 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(23) 사이의 상기 네트워크 연결 라인(33)을 통해 흐를 수 있고, 이때 선박 보호 영역(23) 및 선박 보호 영역(24)에서 탐지 가능한 어떠한 전압 강하도 발생하지 않는다. 상기 제한된 전류의 추가적인 양은 발전기 스위치, 즉 적절하다면 상기 발전기 스위치를 통과하는 전류에 의해 등급화된 보호에 고려되어야만 한다. 대응되는 상황은 종래 기술에 공지되어 있다.

등급화된 인출선 스위칭은 두 개의 인출선들(36)의 반도체 스위치들(37, 45)에 의해 가능하고, 제1 선박 보호 영역의 온-보드 네트워크 중간 회로(35)가 주 네트워크(27)에 연결된 것에 의해 가능하다; 만일 전압 강하가 짧게 지속이 된다면, 필요한 경우 주 네트워크(27) 역시 선박 보호 영역(22)에서 유지된다.

근본적으로, 소개된 보호 기준들은 중요성에 기초하여 선택될 수 있는 경우 반도체 스위치들에 의한 전류 기준, 또는 전통적으로 전류/시간 등급을 이용하여 부-분배 보드들(41)을 보호하는 것이 가능하다.

HTS 전류 제한기(31)는 심각한 상황에서 선박 보호 영역(22) 및 선박 보호 영역(23) 사이의 네트워크 연결 라인(33)을 단절하는데 사용될 수 있다; 이는 반도체 스위치(37 또는 45)에 의해 결함 인출선을 확인한 후 즉각적으로 다시 스위치 온 될 수 있다.

초전도 상태에서, 각 HTS 전류 제한기(31)는 측정될 수 없을 정도로 작은 전기 저항을 가진다. 정격전류를 넘는 전류의 경우, 초전도 상태가 정상적인 전도 상태로 변경되기 전까지 HTS 전류 제한기(31)의 전기 저항은 급격히 상승한다. 그 다음에 HTS 전류 제한기 또는 초전도체는 다시 차갑게 되기 전까지 유한 저항을 취한다.

전력 네트워크에서, 위에서 기술된 예시적인 실시예들과 같이 HTS 전류 제한기(31)는 단절 특성을 갖는 DC-절연 엘리먼트와 연계하여 사용된다; 상기 예시적인 실시예들의 경우, 회로 차단기(32)는 그러한 것으로서 제공된다. 필요하다면, 상 기 목적을 위해 부하 인터럽터 스위치들 역시 사용될 수 있다.

HTS 전류 제한기, 반도체 스위치 그리고 회로 차단기 또는 부하 인터럽터 스위치의 조합은 전력 생성 유닛 또는 부하의 보호를 위해 바람직할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 전기 네트워크(21)의 예시적인 실시예들은 해군 선박들에서뿐만 아니라 연안 경비대 보트들, 어업 보호 보트들에서도 사용되는, 즉 공해들 상에서 관할상의 작업들을 수행할 수 있고 저격될 수 있는 모든 잠재적 선박들에서 사용되는 해상 선박 네트워크들이다. 도 4에 도시된 AC 및 DC 네트워크들의 조합은 바람직한 변형으로 간주될 수도 있다.

예시로서, 연료 전지들, 가스 터빈 세트들 및 디젤 발전기 세트들은 전력 생성 유닛들로서 사용될 수도 있다. 예컨대, 에너지 저장소들(38)은 배터리들, 커패시터들, 플라이휠 발전기들, 초전도 자기 에너지 저장소들 등의 형태일 수 있고, 상기 언급된 모든 에너지 저장소들은 도 4에 나타난 상기 바람직한 변형의 경우에 예비 에너지로 공급하기 위해 반도체 스위치들(45)을 통해 결합된 부하 레벨에 연결되어야만 한다는 공통점을 가진다. 바람직하게는 전송 라인들을 위한 다양한 전압 레벨들은 각 경우에 사용 분야 및 갖추어진 선박의 용무에 따라 본 발명의 범위에서 가능하다.

선박 네트워크는 VDE/DIN 및/또는 IEC에 기반을 둔 변형들 중의 하나에 따라 설계된 접지 및 포텐셜 시스템을 가지고, 상기 선박 네트워크는 바람직하게도 AC 중간 전압 또는 저전압을 위한 절연된 별점을 가지며, 마찬가지로 절연 시스템(IT 네트워크)은 DC 전압 네트워크들을 위해 가능하다. 하나의 상에서 접지 쇼트가 즉각적으로 단락을 유발하지 않으므로 상기 절연 시스템이 선호된다.

HTS 전류 제한기들은 비록 결합들 또는 연결 라인들 내에 배열되는 것이 선호될지라도 에너지 소스들, 예컨대 발전기들, 배터리들, 연료 전지들 또는 그와 같은 것들에 배열될 수도 있다. 마찬가지로 반도체 스위치들은 에너지 소스들, 예컨대 발전기들, 배터리들, 연료 전지들, 결합들 또는 연결 라인들 내에 배열될 수도 있다; 그러나, 이러한 반도체 스위치들은 단방향 전류 방향의 인출선들에 바람직하게 배열될 수 있고, 그 경우에 등급화된 보호를 허용하는 것처럼 상기 반도체 스위치들은 설계된다.

도 5 내지 도 9는 다양한 해군 선박들을 위한 선박 크기들에 따라 상기 시스템의 다양한 개선안들을 예시적인 형식으로 나타낸다.

도 5는 프리깃함을 위한 네트워크 및 추진 개념을 나타낸다; 도 6은 코르벳함을 위한 상기 네트워크 및 추진 개념을 나타낸다; 도 7은 고속 보트를 위한 상기 네트워크 및 추진 개념을 나타낸다; 도 8은 대형 종류의 무인 전투 보트를 위한 상기 네트워크 및 추진 개념을 나타내고, 도 9는 소형 무인 전투 보트를 위한 네트워크 및 추진 개념을 나타낸다.

도 5 내지 도 9에서, 각 경우에 51은 연료 전지 시스템들에 의한 전력 생성을, 52는 가스 터빈 발전기들(또는 디젤 발전기들)을, 그리고 54가 상기 가스 터빈 발전기에 연결된 추진 네트워크인 것과 마찬가지로 53은 상기 연료 전지에 연결된 추진 네트워크를 나타낸다. 55는 크루즈 추진 시스템들, 56은 초고속 추진 시스템들을 나타내고 57은 보조 추진 시스템을 나타낸다. 58은 무기 시스템들을 나타내고 59는 전기적 저전압 시스템들을 나타낸다. 개별 장치들은 각 경우에 SSB1, SSB2, SSB3 및 SSB4로 주석이 달린 선박 보호 영역들 내에 배열된다. 원칙적으로, 이것은 이미 기술된 일부분들이고 도 3 및 도 4에서 상세히 기술된 것으로서 보호 구성 요소들을 가지고 있다. 개별 유닛들과 구성 요소들의 크기 및 개수는 각 경우에 선박 크기에 달려 있고, 아마도 다양한 선박들의 특정한 이용에 달려 있다. 비록 본 발명의 근본적인 원칙들을 사용하는 상이한 개선안들 역시 보호에 포함되어야 함이 당업자에게 자명함에도 불구하고, 도 5 내지 도 9는 특히 바람직한 개선안들을 나타낸다.

POD 추진 시스템들을 구비한 선박들뿐만 아니라 선체 엔진들 또는 모터들을 구비한 선박들도 본 발명에 따라 전기적으로 갖추어질 수 있음 역시 당업자에게는 자명하다.

HTS 선체 모터들 또는 엔진들은 매우 짧은 프로펠러 샤프트들, 즉 전통적으로 갖추어진 선박들 내에 샤프트 터널이 위치한 영역 내에 배열된 모터들 또는 엔진들을 가지도록 바람직하게 설계되는 경우에 해당한다. 사용은 HTS 기술을 채택한 가벼운 무게들 및 작은 부피들의 모터들로 매우 바람직하게 만들어질 수 있다. 이 경우, 워터젯 추진 시스템들에 대한 필요가 없고, 또는 그들이 특별한 프로펠러 추진 시스템들로 교체될 수 있다.

Claims

다양한 등급들 및 크기들의 저공해 표면 해군 선박(low-emission surface navy vessel)들을 위한 장비 세그먼트 형태의 전력 생성, 분배 및 온-보드(on-board) 전력 공급 시스템에 있어서,

DC 네트워크로부터 전력을 공급받을 수 있는 하나 이상의 크루즈 추진 시스템을 구비하고, 필요시 스위치 온 될 수 있고 AC 네트워크로부터 전력을 공급받을 수 있는 하나 이상의 추가적인 추진 시스템을 구비하며, 상기 DC 네트워크 및 상기 AC 네트워크는 전력이 상호 간에 양방향으로 전달될 수 있도록 하는 방식으로 구성되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 DC 네트워크는 전력 생성을 위한 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 가지는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈은 서로 연결된 공기-호흡 연료 전지들을 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 AC 네트워크는 전력을 생성하기 위하여 가스 터빈에 의해 구동되는 적어도 하나의 동기 발전기를 가지는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 DC 네트워크는 1 kV 내지 15 kV의 네트워크인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 AC 네트워크는 1 kV 내지 15 kV/50 Hz 또는 60 Hz 네트워크인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 DC 네트워크 및 상기 AC 네트워크는 필요시 상기 선박 내의 온-보드 네트워크에 전력을 공동으로 공급하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 DC 네트워크 및 상기 AC 네트워크 중 적어도 하나에 상기 온-보드 네트워크를 결합하기 위한 DC 중간 회로(intermediate circuit)를 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 DC 네트워크는 고에너지 펄스 또는 레이저 무기들을 포함하는 무기 및 전자 시스템들에 전력을 공급하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

다수의 연료 전지 모듈들은 해군 선박에서 서로 구획화된 상이한 섹션들 또는 안전 지대들에 분산되어 배열되고, 고장-안전 네트워크(fail-safe network)를 형성하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 해군 선박 내에 형성된 전기 네트워크

를 더 포함하고, 상기 전기 네트워크는 HTS(고온 초전도체) 전류 제한기들 및 반도체 스위치들 중 적어도 하나의 형태인 전류 제한 기구들을 포함하며, 영향받지 않는 네트워크 엘리먼트들을 포함하여 단락 회로의 발생시 상기 전류 제한 기구들에 의해 전압 강하들에 대한 반응이 몇 밀리세컨드 범위 내의 시간 간격으로 제한되며, 그에 따라 상기와 같은 전압 강하들은 각각 영향받은 네트워크 엘리먼트로 제한될 수 있는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 전기 네트워크는 HTS 전류 제한기 및 반도체 스위치 및 회로 차단기 중 적어도 하나를 각각 포함하는 전류 제한 기구들을 포함하고, 상기 전류 제한 기구들에 의해 전력 생성 유닛들 및 에너지 저장소들 중 적어도 하나의 형태인 에너지 소스들의 보호가 가능한,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 HTS 전류 제한기들은 회로 차단기들상에서 동작하는 2차 보호 장치들과 결합하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 전기 네트워크는 전류/시간 등급을 갖는 계층적 네트워크의 형태이고, 상기 전기 네트워크의 네트워크 결합들 및 연결 라인들 중 적어도 하나에 상기 전류 제한 기구들이 배열되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 전류 제한 기구들은 전류 선택이 네트워크 구성과 함께 상기 전류 제한 기구들에 의해 달성될 수 있도록 배열되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 해군 선박의 상기 전기 네트워크는 가능한 한 적은 상호 접속 또는 무-반응(reaction-free) 상호 접속을 갖는 계층적 네트워크의 형태인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 16 항에 있어서,

상기 무-반응 상호 접속은 DC 스위칭 시스템들의 다이오드-분리 공급(diode-decoupled feeding) 또는 두 개의 상이한 선박 보호 섹션들로부터의 DC 부하들에 의해 제공되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

형성된 상기 전기 네트워크는 상호 접속된 전기 네트워크의 형태인 정상 상태로부터 계층적 네트워크의 형태인 특별 상태로 스위칭될 수 있고 상기 전류 제한 기구들의 유효성은 보장되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 전기 네트워크는 통신 장치를 갖는 개별 스위칭 장치들을 포함하고, 상기 스위칭 장치의 고장 발생시에 상기 통신 장치에 의해 접촉이 어떠한 시간 지연 없이 트립(trip)하는 스위치로 이루어질 수 있는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 전기 네트워크는 고속의 계산 속도를 갖는 정기적 진단 유닛을 가지는 자동화 및 제어 장치를 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 20 항에 있어서,

센서 또는 시그널링 유닛이 모든 잠재적 결함 위치에 제공되어, 상기 센서 또는 시그널링 유닛에 의해 각 결함 위치와 관련된 전류 제한 기구 상태 또는 상기 각 결함 위치와 관련된 물리적 변수가 탐지되어 상기 자동화 및 제어 장치를 위한 상기 정기적 진단 유닛에 전달될 수 있는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 21 항에 있어서,

상기 센서 또는 시그널링 유닛은 그들의 결함 위치들과 무관한 공급들을 갖는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 21 항에 있어서,

상기 자동화 및 제어 장치를 위한 상기 정기적 진단 유닛과, 상기 센서 또는 시그널링 유닛 사이의 연결은 유선 기반의 엘리먼트들에 의해 제공되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 21 항에 있어서,

상기 센서는 선박 보호 섹션 내에 설치되는 분산된 리피터(repeater)들과 함께 전선들의 사용 없이 탐지하고 전선들의 사용 없이 전송하는 백업 센서(back-up sensor)들을 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

PEM 또는 HT 연료 전지들이 전력 생성 유닛들로서 제공되고, 상기 PEM 또는 HT 연료 전지들에 의해 직류 전류가 DC 중간-전압 네트워크 형태의 주 네트워크에 공급될 수 있는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

배터리들, 고체-상태 저장 장치들 및 회전 저장 장치들 중 적어도 하나가 에너지 저장소들로서 제공되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템은 네트워크 결합들 및 네트워크 연결 라인들 중 적어도 하나를 포함하고, 각각의 경우에 HTS 전류 제한기가 존재하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템은 박막 기술을 이용하여 설계되고 극저온 액체로서 액체 질소를 사용하는 YBaCuO 화합물들로 구성된 초전도체를 갖는 HTS 전류 제한기들을 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

반도체 스위치들이 배열된 인출선(outgoer)들

을 더 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템은 온-보드 네트워크 중간 회로들을 연결하고 반도체 스위치들을 포함하는 인출선들을 갖는 주 온-보드 네트워크를 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 30 항에 있어서,

온-보드 네트워크의 주요 그룹들과 연관된 부하 인출선들은 반도체 스위치들을 갖는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

전력 생성 유닛들 또는 에너지 저장소들 형태인 에너지 소스들은 반도체 스위치들에 의해 보호될 수 있는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

IGCT 스위칭 엘리먼트들(integrated gate commutated thyristors), GTO(gate turn-off thyristors), IGBT(insulated gate bipolar transistors) 또는 MOS 트랜지스터들 형태인 반도체 스위치들을 갖는 전기 네트워크

를 더 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 33 항에 있어서,

IGCT들 형태인 반도체 스위치들의 스위칭 엘리먼트들은 스너버(snubber) 회로들에 의해 보호되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템은 다양한 크기의 해군 선박들을 위한 표준 장비 세그먼트 형태이고, 크기 매칭은 네트워크 축소 또는 확장의 형태로 제공되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

POD 추진 시스템들이 상기 크루즈 추진 시스템으로서 사용되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

전기 선내(in-board) 모터들은 상기 크루즈 추진 시스템으로서 사용되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 크루즈 추진 시스템은 전기 가동 프로펠러 추진 시스템인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 DC 네트워크는 상이한 원동력(dynamic)들을 가지는 연료 전지들을 포함하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 추가적인 추진 시스템은 워터젯 추진 시스템인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 연료 전지 모듈은 적어도 부분적으로는 개질기 수소(reformer hydrogen)를 소비하는 연료 전지 모듈인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 동기 발전기는 HTS 기술을 이용한 동기 발전기인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 시간 간격은 1 ms 미만인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 20 항에 있어서,

상기 정기적 진단 유닛은 퍼지 논리 또는 신경 회로망의 엘리먼트들을 이용하여 자기 학습에 기반하여 동작하는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 23 항에 있어서,

상기 유선 기반의 엘리먼트들은 구리 라인들 또는 유리 섬유 라인들 형태의 제어 케이블들 또는 버스 케이블들인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 고체-상태 저장 장치들은 자기 저장 장치들 및 커패시터들인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 26 항에 있어서,

배터리들, 고체-상태 저장 장치들 및 회전 저장 장치들 중 적어도 하나는 온-보드 네트워크 중간 회로 내에 배열되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 27 항에 있어서,

상기 HTS 전류 제한기는 연관된 직렬-연결 회로 차단기를 갖는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 29 항에 있어서,

상기 반도체 스위치들은 연관된 직렬-연결 회로 차단기와 함께 배치되는,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 반도체 스위치들은 고속 반도체 스위치들인,

전력 생성, 분배 및 온-보드 전력 공급 시스템.