KR20090006870A - 폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 폐열 회수식 선박 추진 시스템 - Google Patents

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Abstract

폐열 회수 시스템(20)에 의한 동력 생성의 예기치 않은 고장이 동력 공급 시스템에 지장을 초래하거나 심지어는 선박의 정전을 초래하는 문제점이 본원발명에 따라 방지되는데, 이러한 본원발명은 축-구동식 발전기/모터(11)의 모터 작동 중에 그리고 폐열 회수 시스템(20)에 의한 동력 발생의 고장의 경우에, 축-구동식 발전기/모터(11)가 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환하고, 전환 시간 동안에 에너지원(17, 52)이 내장 전력 시스템(5)에 전기 동력을 공급하여 내장 전력 시스템(5)의 전압 및 주파수가 각각 소정의 한계치 이하로 떨어지지 않게 한다.
Figure P1020087029510
폐열 회수, 선박, 동력

Description

폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 폐열 회수식 선박 추진 시스템 {METHOD FOR OPERATION OF A MARINE-VESSEL PROPULSION SYSTEM WITH WASTE-HEAT RECOVERY, AS WELL AS A MARINE-VESSEL PROPULSION SYSTEM WITH WASTE-HEAT RECOVERY}
본원발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른, 폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 청구항 제8항의 전제부에 따른, 폐열 회수식 선박 추진 시스템에 관한 것이며; 이러한 선박 추진 시스템은, 예를 들어 간행물 "폐열 재생을 통한 배출 감소(Less emissions through waste-heat recovery)" (Waertsilae Corporation, 2004년 4월, Green Ship Conference 발간, 런던, 2004년 4월 28/29일)에 개시되어 있다.
예를 들어 컨테이너 선과 같은 대형 화물선을 위한 추진 시스템은 통상적으로, 선박 프로펠러에 결합되는 축 장치, 예를 들어 프로펠러 축을 구동하기 위한 기계적 에너지를 발생시키기 위하여 저속-운전의(slow-running)의 2행정 디젤 엔진 형태의 주 엔진을 포함한다. 이러한 엔진의 추진 동력은 약 10 MW에서 시작하여 현재에는 70 MW 이상까지 된다.
선박에 내장된 전기 부하(electrical loads)는 통상적으로 내장된 전기 시스 템으로부터 전기 에너지를 공급받으며, 이러한 전기 에너지는 주 엔진보다 빠르게 운전되는 보조 엔진, 통상적으로 고속-운전 4행정 디젤 엔진에 의하여 구동되는 전류 발생기에 의하여 발생된다.
연료 가격의 상승으로, 더 적은 배출가스와 더 낮은 작동 비용에 대한 요구로 인해 최근 들어 에너지 회수를 위한 주 엔진의 폐열 활용에 대한 관심이 증대되었다. 사용가능한 폐열은, 특히 주 엔진의 냉각수 및 배기 가스에서 발견된다.
전술한 공보로부터 공개된 선박 추진 시스템에서, 폐열 회수 시스템은 주 엔진의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하여 내장된 전기 시스템에 공급한다. 인버터(inverter)를 통해 전기 시스템에 연결되는 축-구동식 발전기/모터는 축 장치에 결합되며, 모터 작동에서는, 내장 전력 시스템으로부터의 전기 에너지를 축 장치를 구동하기 위한 기계적 에너지로 변환하며, 발전기 작동에서는, 축 장치의 기계적 에너지를 내장 전력 시스템을 위한 추가적 전기 에너지로 변환한다.
폐열 회수 시스템이 내장 전력 시스템으로 에너지를 공급하자마자, 동력 발생기를 구동하기 위한 보조 엔진이, 동력 관리 시스템에 의하여, 완화되거나(relieved), 또는 최상의 경우에는, 연결이 해제된다. 또한, 발전기 작동에서의 축-구동식 발전기/모터에 의하여 내장 전력 시스템으로 전기 에너지가 공급될 수 있으며, 이러한 수단에 의하여 보조 엔진으로부터의 동력 필요치가 더욱 감소될 수 있다. 이러한 방식에 의하여, 보조 엔진의 배기 가스와 연료 및 작동 비용이 현저히 감소할 수 있다.
주 목적은, 가능하다면, 폐열 회수 시스템으로부터 가용한 전체 전기 에너지 를 내장 전력 시스템으로 공급하는 것이다. 폐열 회수 시스템이 내장 전기 부하에 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생성한다면, 축-구동식 발전기/모터는 이러한 초과 에너지를 가지고 모터 작동에서 작동할 수 있으며, 따라서 추가적인 구동력이 프로펠러 축으로 전달될 수 있다. 이러한 작동의 경우에는, 단지 폐열 회수 시스템만이 내장 전력 시스템에 전기 에너지를 공급하는 반면, 보조 엔진은 연결이 해제된다.
폐열 회수 시스템을 통한 에너지 생성에 예기치 않은 고장이 발생한 경우에는, 높은 수준의(higher-level) 동력 관리 시스템에 의하여 보조 엔진이 작동 개시되어 이에 의해 구동되는 발전기가 내장 전력 시스템을 위한 전류를 생성하기까지는 통상적으로 어느 정도의 시간이 소요된다. 따라서 폐열 회수 시스템에 이한 에너지 생성의 실패는 시스템 전압 및 시스템 주파수의 급강하(dip)를 초래할 수 있으며, 결과적으로, 내장 전력 시스템의 완전한 정전(blackout)에 이르기까지 내장 부하의 안전 차단(safety shutdown), 즉 선박의 작동에 임계적인 부하의 차단을 초래할 수 있다.
본원발명의 목적은 초기에 언급한 유형의 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법을 특정하는 것이며, 또한 폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성의 실패의 경우에 동력 시스템의 지장(interference), 특히 선박의 정전을 방지할 수 있는 선박 추진 시스템을 특정하는 것이다.
방법과 관련된 목적은 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 달성되며; 이러한 방법의 유리한 실시예는 종속항인 제2항 내지 제7항에서 다뤄진다. 선박 추진 시스템에 관한 목적은 청구항 제8항에 따른 선박 추진 시스템에 의하여 달성되며; 이러한 선박 추진 시스템의 유리한 실시예는 종속항인 제9항 내지 제14항에서 다뤄진다.
본원발명에 따른 방법은, 축-구동식 발전기/모터가 모터로서 작동하고 폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성에 고장이 발생하는 경우에, 내장 전력 시스템의 전압 및 주파수가 각각 소정의 한계치 이하로 떨어지지 않도록 전환 시간 동안에 에너지원이 내장 전력 시스템에 전기 에너지를 공급하면서, 축-구동식 발전기/모터가 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환하는 방식을 제공한다.
동력 시스템의 지장은 내장 전력 시스템의 전압 및 주파수에 대한 각각의 한계치를 적절히 선택함으로써 방지될 수 있다. 특히, 폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에 선박에 내장된 임계 부하의 해상 작동에 대한 기능적 신속성(functional readiness)이 보장될 수 있으며, 따라서 선박의 정전이 방지될 수 있다.
본원발명에 따른 방법의 유리한 실시예에 따르면, 직류 링크 변류기(direct link converter)가 인버터로서 사용되며 회전 위상 변류기(rotary phase converter)가 내장 전력 시스템에 대한 에너지원으로서 사용된다. 따라서, 인버터와 같은 경우에서 반응 동력(reactive power)을 생성하기 위해, 어떠한 경우에도, 필요한 위상 변류기가, 폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에 내장 전력 시스템을 지지하는데 사용된다. 이는 추가 에너지원을 위해 필요한 추가 공간을 방지한다.
본원발명에 따른 방법의 대안적 실시예에 따르면, 직류-전압 링크 변류기가 인버터로서 사용되며 이러한 인버터의 직류-전압 전류 링크의 링크 커패시터(ling capacitor)가 에너지원으로서 사용된다. 역시, 여기서, 어느 경우에건 인버터의 작동을 위해, 특히 그 반응 에너지 전달을 위해 필요하여 이미 존재하는 링크 커패시터가 폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에 내장 전력 시스템을 지지하는데 사용된다. 이는 추가 에너지원을 위해 필요한 추가 공간을 방지한다.
인버터가 동력 시스템 측에 전류 변류기를 갖고 모터 측에 전류 변류기를 가지며 각각 제어 가능한 전류 변류기 밸브를 구비하고 축-구동식 발전기/모터 장치가 전류 변류기 밸브의 온-시간(on-time)을 변경함으로써 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환된다는 점으로 인하여, 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 축-구동식 발전기/모터의 특히 빠른 전환(switch-over)이 가능하게 된다.
또한, 축-구동식 발전기/모터는, 상기 전환이, 소프트웨어-제어식 동력 관리 시스템을 우회하여, 폐열 회수 시스템에 의하여 개시되는 경우에, 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 특히 빠르게 전환될 수 있다.
전환과정 동안에 공급될 에너지에 관한 에너지원의 크기, 즉 필요한 공간은, 폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에, 내장 전력 시스템에 연결되며 선내 작동에 비임계적인 전기 부하가 오프(off)로 전환된다는 점으로 인해서, 작게 유지될 수 있다.
본원발명에 따른, 특히 본원발명에 따른 방법을 실행하기 위한, 폐열을 회수하는 선박 추진 시스템은,
폐열 회수 시스템에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에, 축-구동식 발전기/모터를 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환시키기 위한 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템; 및
에너지원을 포함하고, 이때 상기 에너지원에 의하여 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환과정 동안에 전기적 에너지가 상기 내장 전력 시스템으로 공급될 수 있으며, 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환을 위한 시간 및 상기 에너지원의 크기는, 전환과정 동안에 상기 내장 전력 시스템으로 공급되는 에너지로 인하여 상기 내장 전력 시스템의 전압 및 주파수가 각각 소정의 한계치 이하로 떨어지지 않도록, 전환과정의 시간에서 상기 내장 전력 시스템으로 공급될 수 있는 에너지와 관련하여 서로 조화되는 것을 특징으로 한다.
본원발명에 따른 방법에 대해 언급된 장점들은 본원발명에 따른 선박 추진 시스템에 상응하게 적용된다.
종속항의 특징에 따른 발명 및 발명의 다른 유리한 실시예들이 이하에도 예시적인 도면을 참조하여 보다 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 본원발명의 제1 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 기본 회로 다이어그램을 도시한다.
도 2는 도 1의 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템의 예시적인 구조를 도시한 다.
도 3은 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 축-구동식 발전기/모터의 예시적인 전환을 도시한다.
도 4는 본원발명의 제2 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 기본 회로 다이어그램을 도시한다.
도 1에 매우 도식적으로 도시된, 대형 컨테이너 선용의 폐열 회수식 선박 추진 시스템(marine-vessel propulsion system with waste-heat recovery)(1)은, 프로펠러 축(3)을 통해 선박을 추진하기 위한 해상 스크루 프로펠러(4)를 갖는 저속-운전(slow-running) 2-행정 디젤 엔진으로서 구성되는 주 엔진(2)을 가진다.
내장된 전기 동력 시스템(5)은 배에 내장된 전기 장치 및 시스템에 에너지를 공급하는데 사용된다. 이러한 구성에서는, 그 단선(disconnection)이 선내의 정전(blackout)을 초래하는 임계 부하(critical load)와 정전을 초래하지 않는 비임계 부하(uncritical load) 사이의 구분이 이루어져야만 한다. 명확성을 위하여, 도 1에는 각각 단지 하나의 임계 부하(6) 및 하나의 비임계 부하(7)가 도시되었으나, 실제로는 비교적 다수의 부하(6, 7)에 내장 전력 시스템(5)으로부터 전류가 공급된다.
내장 전력 시스템(5)에 대한 에너지를 생성하기 위하여, 몇 개의 발전기(8)가 제공되는데, 이들은 각각 주 엔진보다 빠르게 가동되는 보조 엔진(9)에 의하여 구동된다. 보조 엔진(9)은 통상적으로, 예를 들어 5MW 까지의 전력을 갖는, 고속- 운전 4행정 디젤 엔진이다. 통상적으로, 발전기(8) 및 디젤 엔진(9)은 각각 디젤 발전기 유닛(10)을 형성하도록 결합된다.
축-구동식 발전기/모터(11)는 프로펠러 축(3)에 기계적으로 결합되고 인버터(12) 및 변압기(35)를 통해 내장 전력 시스템(5)에 전기적으로 연결된다. 인버터(12)는 직류 링크 변류기(direct-current link converter)로서 구성되며, 모터측 상에 있는 전류 변류기(13) 및 전력 시스템측 상에 있는 전류 변류기(14)로 이루어진다.
축-구동식 모터/발전기(11)는 저속-운전 동기 기기(slow-running synchronous machine)로서 구성되며, 중간 변속기 없이 바람직하게 프로펠러 축 상에 직접 작용한다. 그러나 축-구동식 모터 발전기(11)는 변속기를 통해 프로펠러 축(3)에도 결합될 수 있거나 프로펠러 축(3)으로부터 먼 단부에서 주 엔진(2)의 크랭크 축에 결합될 수 있다.
축 구동식 모터/발전기(11)를 위한 여자 전류(exciter current)(IE)는 내장 전력 시스템(5)으로부터도 얻어지며 여자 전류 변류기(15)를 통해 제어된다.
여자 전류(IE)의 전기 에너지 및 인버터(12)를 통해 흐르는 전기 에너지를 조절함으로써, 축-구동식 모터/발전기(11)는 모터로서 또는 발전기로서 작동할 수 있다. 모터 작동에 있어서는, 내장 전력 시스템(5)으로부터의 전기 에너지가 해상 스크루 프로펠러(4)를 구동하기 위한 기계적 에너지로 변환된다. 따라서, 내장 전력 시스템(5)의 전력 보유분(power reserves)은 배의 추진 동력을 증가시키는데 사 용될 수 있고, 그 결과 배의 속도가 증가되거나 또는, 배의 속도가 동일하게 유지되면, 주 엔진(2)이 완화(relieve)될 수 있다. 발전기 작동에 있어서는, 프로펠러 축(3)의 기계적 에너지가 내장 전력 시스템(5)에 대한 전기 에너지로 변환된다. 따라서, 주 엔진(2)의 동력 보유분은 내장 전력 시스템(5)에 대한 에너지를 발생시키는데 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위한 축-구동식 모터/발전기(11)의 공칭 동력은 주 엔진(2)의 공칭 동력의 5% 이상이 바람직하다.
인버터(12) 및 여자 전류 변류기(15)를 통한 축-구동식 발전기/모터의 개방- 및 폐쇄-루프 제어는 바람직하게는 디지털 기술로 구성되는 통상적인 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 의하여 실행된다. 전류 변류기(13), 전류 변류기(14) 및 여자 전류 변류기(15)는 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 의하여 서로 독립적으로 제어가능하다.
이러한 목적으로 위하여, 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)은, 아주 자세히 도시되지는 않은, 측정 장치를 통하여 축-구동식 발전기/모터의 회전 속도, 모터 전압(UM), 모터 주파수(FM), 링크 전류(Id), 시스템 전압(UN) 및 시스템 주파수(FN)를 탐지한다.
직류 링크 변류기는 내장 전력 시스템(5)으로 능동 동력(active power) 만을 공급할 수 있으므로, 내장 전력 시스템(5)의 반응 동력 필요치는 동기 발전기(synchronous generator)로서 구성되는 회전 위상 변류기(17)에 의해서 제공된다. 회전 위상 변류기(17)는 정상 작동에서 위상 편이기(phase shifter)로서만 작 동할 뿐이며 동력 시스템(5)에 능동 전력을 공급하지는 않는다. 개시 인버터(starting inverter)(18) 및 개시 모터(19)는 회전 위상 변류기(17)를 작동시키기 위해 사용된다. 개시 인버터(18)는 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 의하여서도 제어된다.
또한, 폐열 회수 시스템(20)은 주 엔진(2)의 열을 내장 전력 시스템(5)을 위한 전기 에너지로 변환한다. 이러한 목적을 위해서, 주 엔진(2)의 폐기 가스로부터의 열이 열 교환기(21)를 통해, 자세히 도시되지는 않은, 증기 회로로 이동되는데, 증기 회로의 내부에는 터보발전기(turbogenerator)(23)에 결합되는 증기 터빈(22)이 연결된다. 폐기 가스 중 일부는, 열 교환기(21)로 공급되기 전에, 역시 터보 발전기(23)에 결합되는 동력 터빈(24)으로도 공급된다. 터보발전기(23)에 의하여 생성되는 전기 에너지는 내장 전력 시스템(5)으로 공급된다.
소프트웨어-제어식 동력 관리 시스템(30)은 다양한 부하의 요구를 충족시키도록 전기 에너지가 제공되는 것을 보장하며, 필요 및 가용 동력에 따라, 개별 부하(6, 7), 디젤 발전기 세트(10), 터보발전기(23), 또는, 각각, 내장 전력 시스템(5)으로의 또는 내장 전력 시스템으로부터의 스위치(31, 32, 33)를 통해 축-구동식 발전기/모터(11)를 연결하거나 연결을 끊는다. 이를 위하여, 동력 관리 시스템(30)은 제어 라인(34) 또는 다른 통신 링크를 통해서 스위치(31, 32, 33), 디젤 발전기 세트(10), 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16) 및, 자세히 도시되지는 않은, 폐열 회수 시스템(20)의 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템에 연결된다.
선박 추진 시스템(1)을 작동하는데 있어서 주 목적은 폐열 회수 시스템(20) 에 의해 제공되는 전체 전기 에너지를 내장 전력 시스템(5)에 공급하는 것이다. 터보발전기(23)가 내장 전력 시스템에 에너지를 공급하자마자, 디젤 발전기 세트(10)는 동력 관리 시스템에 의하여 완화되며, 가능하다면, 연결이 끊어지기도 한다. 이러한 수단에 의하여, 디젤 발전기 세트(10)의 연료와 작동비용 및 배기가 현저히 감소할 수 있다.
폐열 회수 시스템(20)이 내장 전기 부하(6, 7)에 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생성한다면, 축-구동식 발전기/모터(11)는 이러한 초과 에너지를 가지고 모터 작동으로 작동하며, 따라서 추가적인 추진력이 프로펠러 축(3)에 전달된다. 이러한 작동의 경우에는, 폐열 회수 시스템(20)만이 내장 전력 시스템에 전기 에너지를 공급하며; 디젤 발전기 세트(10)는 연결이 해제된다.
그러나 예를 들어 교란(disturbance)의 경우에, 폐열 회수 시스템(20)에 의한 에너지 생성이 예기치 않게 고장나게 되면, 디젤 발전기 세트(10)가 가동 개시되어 내장 전력 시스템(5)에 에너지를 공급할 수 있기까지 몇 초가 소요되므로, 임계 및 비임계 부하(6, 7)의 안전 차단(safety shutdown)으로 인하여 내장 전력 시스템(5)의 전압 및 주파수에서의 급강하(dip)를 초래하게 되고, 따라서 배의 정전(blackout)을 초래하게 된다.
이를 방지하기 위하여, 축-구동식 발전기/모터는 고장 신호 이후 1초 미만의 시간 이내에 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환된다. 전환 시간 동안에, 내장 전력 시스템(5)의 필요한 에너지는 회전 위상 변류기(18)의 회전 운동 에너지로부터 충당된다. 이는 짧은 시간 동안 임계 부하에 에너지 공급을 처리하며, 이러 한 목적을 위해, 내장 전력 시스템(5)의 전압 및 주파수가 각각의 경우에 미리 결정된 한계치 이하로 떨어지지 않도록 내장 전력 시스템(5)에 에너지를 공급한다. 이 경우에 한계치는 선박의 정전을 초래할 수 있는 내장 임계 부하(6)의 안전 차단이 방지되도록 선택된다. 전환 시간 동안의 회전 위상 변류기의 에너지 전달 용량 및 전환 시간은 이러한 목적을 위해 서로 조화된다. 또한, 1초 미만의 전환 시간에 있어서, 지금까지 통상적으로 이용되는, 4 - 7 MVA 전력을 갖는 회전 위상 변류기의 에너지 저장 및 전달 용량은 충분하여, 전환 시간 동안의 에너지 공급을 위한 지정된 오버디멘션닝(designated overdimensioning)이 필요하지 않게 된다.
터보발전기(23)가 내장 전력 시스템(5) 및 다양한 인버터의 반응 동력에 대한 필요치를 충당할 수 있으면, 회전 위상 변류기(17)를 작동시킬 필요가 없게 될 것이어서 회전 위상 변류기는 꺼질 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 터보발전기(23)가 고장나는 경우에도 그 회전 운동 에너지가 내장 전력 시스템(5)을 지지하는데 이용될 수 없게 된다. 따라서 회전 위상 변류기(17)는 터보발전기(23)에 의해 에너지가 생성되는 경우에도 여전히 작동하게 된다.
다른 한편으로, 폐열 회수 시스템(20)이 직접적인 라인 연결(36)을 통하여 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 신호를 보낸다는 점에 의하여, 즉, 소프트웨어-제어식 동력 관리 시스템(30)을 우회함으로써, 짧은 전환 시간이 달성될 수 있다. 이러한 수단에 의하여, 동력 관리 시스템의 소프트웨어에 의한 신호 전달의 지연이 방지될 수 있다.
이러한 목적을 위하여, 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)은, 라인 연 결(36)을 통해, 즉 "하드(hard)" 와이어링(wiring)에 의하여, 고장 제동(fault triggering)을 위한 폐열 회수 시스템(20)의 신호 발생기에 직접적으로 연결되는 신호 입력부를 갖는다. 예시적인 실시예에서는, 신호 발생기가 내장 전력 시스템(5)으로부터 터보 발전기(23)를 분리하기 위하여 고장 동안에 개방되는 스위치(32)의, 자세히 도시되지는 않은, 부동 보조 접촉부(floating auxiliary contact)이다.
또한, 이와 같이 짧은 전환 시간은 전류 변류기(13, 14) 및 여자 전류 변류기(15)가 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 변환될 때 펄스 단절(pulse disconnections) 없이, 즉 단지 온-시간(on-time), 따라서 전류 변류기 밸브의 온-기간만을 변경함으로써 구동된다는 점에 의하여 달성될 수 있다. 전류 변류기 밸브로서 사이리스터(thyristors)가 사용되면, 단지 온-시간만이 이와 관련된 소위 제어각(α)을 통해 통상적으로 제어된다. GTOs, IGBTs 또는 IGCTs 가 사용되면, 온-시간 및 오프-시간 모두가 제어될 수 있다.
펄스 단절이 없는 이와 같은 전류 변류기 밸브의 구동은 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)이 모터 작동 및 발전기 작동에서 동일한 제어 형태를 갖는 전류 변류기(15) 및 인버터(12)를 통해 축-구동식 발전기/모터를 제어한다는 점에 기인한다. 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 변경시의 펄스 단절 및 모터 및 발전기 작동에 대한 서로 다른 형태의 제어에 필요할 수 있는 관련된 지연(associated delays)은 이와 같은 방식으로 방지될 수 있다.
회전 속도가 비교적 느리게 변화되므로, 축-구동식 발전기/모터는 모터 작동 과 발전기 작동 모두에서 흡수된 또는 전달된 전기 동력에 비례하여 유리하게 토크-제어된다. 도 2에 따르면, 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)은, 한편으로는 발전기 작동에서 공칭 토크 값(MG)을 발생시키기 위한 폐쇄-루프 제어 요소(41)를 가지며, 다른 한편으로는 모터 작동에 대해 공칭 토크 값(MM)을 생성하기 위한 폐쇄-루프 제어 요소(42)를 가지며, 전환기(switch-over)(43)는 두 개의 공칭 값 중에서 단지 하나만이 발전기 작동 및 모터 작동에서 인버터(12 및 15)를 구동하기 위해 후속 제어 요소(44)로 전환되는 것을 보장한다. 제어 요소(41, 42), 전환기(43) 및 제어 요소(44)는 소프트웨어의 기능적인 모듈로서 바람직하게 실행된다.
도 3을 참조하여 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환이, 사이리스터가 전류 변류기(13, 14, 15)의 전류 변류기 밸브로서 사용되는 경우를 위해서 이어지는 내용에서 설명될 것이다. 여기서, 전류 변류기(13, 14, 15)의 전류 변류기 밸브의 온-기간 및 이에 따른 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환은 각각의 제어 각(control angle)에 의하여 제어된다. 사이리스터를 통해 흐르는 전류는 그 점화 시간(firing times)에 따른다. 제어 각은 전압의 0 변이(zero transition)에서의 점화에 대해 점화 시간이 얼마나 많은 각도로 이동하였는가를 특정한다. 제어 각을 제어함으로써 전류 변류기를 통해 흐르는 전류 및 이에 따라 전류 변류기의 출력측 상에서의 전압 및 전류가 제어될 수 있다.
도 3은 신호 라인(36) 상의 고장 신호(S), 내장 전력 시스템(5)의 동력 필요치(PN), 동력 시스템 측에서의 인버터(12)의 동력 소비/전달(PM), 모터 측에서의 전류 변류기(13)의 제어 각(αM), 동력 시스템 측에서의 전류 변류기(14)의 제어 각(αN), 및 여자 전류(IE)의 시간에 따른 변화를 도시한다.
시간(t1)에서, 고장 신호(S)가 값(S0)으로 점프하여 폐열 회수 시스템(20)의 고장을 신호로 보낸다. 한편으로, 이는 동력 관리 시스템(30)을 우회(bypassing)하여 비임계 부하(7)를 오프(off)로 전환시킴으써 내장 전력 시스템(5)의 동력 필요치(PN)를 낮춘다. 다른 한편으로, 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)이 1초 미만의 시간 내에 축-구동식 발전기/모터(11)를 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환시킨다. 이를 위하여, 동력 시스템 측의 전류 변류기(14)가, 내장 전력 시스템(5)으로부터 전류 변류기(14)로의 전류 흐름이 가능한 한 빠르게 멈추고 이에 따라 내장 전력 시스템(5)으로부터의 전기 동력 요구치가 더 낮아지도록 하는 방식으로, 제1 단계에서 구동된다.
이러한 목적을 위하여, 폐쇄-루프 제어 요소(42)가 모터 작동에 대하여 공칭 토크값(MM)을 일시적으로 0 으로 낮추며, 이로써 전류 변류기(14)의 밸브를 구동하기 위한 제어 각(αN)이 그 원래 값(α1)으로부터 값(α2)으로 증가하게 된다.
전체적으로, 이러한 수단은 내장 전력 시스템의 동력 요구치(PN)를 값(PNmin)으로 낮춘다. 또한, 동력 시스템 주파수의 순간 값은 후의 발전기 작동을 위한 공칭 값으로서 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 저장된다.
축-구동식 발전기/모터(11)가 약계자(field-weakening) 범위에서 작동하게 되면, 여자 전류 변류기(15)는 다음 단계에서, 모터 전압(UM)이 여자 전류(IE)에 의하여 인버터(12)의 사이리스터의 관통 전도(through-conduction)의 위험이 경감될 정도로 감소되도록 구동된다. 이는 여자 전류 변류기(15)의 사이리스터에 대한 제어 각(αIE)을 변화시킴으로써 실행된다.
발전기 작동을 위한 값까지 감소된 축-구동식 발전기/모터(11)의 여자(excitation)까지의 시간은, 여자 전류(IE)가 먼저 발전기 작동에 대한 실제적으로 의도된 값보다 작은 값으로 낮춰지고 이후 목표 값으로 상승되도록 구동되는 여자 전류 변류기(15)에 의하여 감소될 수 있다. 예시적인 실시예에서와 같이, 여자 전류가 먼저 0.6*IEmax로 낮춰지고 이후 0.8*IEmax로 상승한다면 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.
축-구동식 발전기/모터(11)가 모터 작동의 약계자 범위에서 작동하지 않는다면, 모터 전압(UM)은 이미 인버터(12)의 관통 전도를 방지하기에 충분히 작다.
다음 단계에서, 모터 측의 전류 변류기(13)는 시간(t2)에서 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 의하여, 전류 변류기(13)를 통해 흐르는 에너지의 방향이 역전되도록, 즉 전류 변류기(13)가 축-구동식 발전기/모터(11)로부터 에너지를 흡수하고 이를 직류로 변환하여 직류 링크 회로(37)에 공급하도록 구동된다. 이는 전류 변류기(14)를 구동하기 위한 제어각(αM)을 그 원래 값(αM1)으로부터 값(αM2)로 감소시킴으로써 실행된다. 이제 축-구동식 발전기는 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 변경된다.
다음 단계에서, 동력 시스템 측의 전류 변류기(14)는 시간(t3)에서 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 의하여, 직류 링크 회로(37)에 공급된 에너지를 전류 변류기(13)로부터 내장 전력 시스템(5)의 주파수를 갖는 전류로 변환하여 이를 내장 전력 시스템(5)에 공급하도록 구동된다. 이는 전류 변류기(14)의 밸브를 구동하기 위한 제어각(αN)을 값(αN2)으로부터 값(αN3)로 감소시킴으로써 실행된다.
이제 인버터(12)는 주 엔진(2)의 회전 속도에 종속하는 주파수, 따라서 내장 전력 시스템(5)과는 다른 주파수를 갖는 모터 측의 전류를 내장 전력 시스템(5)의 주파수를 갖는 전류로 변환시킨다. 동력 시스템 전압의 주파수는 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)에 의하여 전환의 개시 이전에 내장 전력 시스템(5)의 그 순간값으로 교정된다.
발전기 작동으로의 전환 시간 동안에 내장 전력 시스템(5)에 의하여 요구되는 에너지(E)는 회전 위상 변류기(18)에 의하여 공급되어, 내장 전력 시스템(5)의 전압 및 주파수는 각각 임계 부하(7)의 안전 차단이 신뢰성있게 방지되도록 선택되는 소정의 한계값 이하로 떨어지지 않게 된다.
직류 링크 인버터(12) 대신에, 직류 전압 링크 인버터도 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 내장 전력 시스템(5)의 반응 동력에 대한 요구치는 직류 전압 링크 인버터의 링크 커패시터에 의하여 충당되어 별도의 회전 위상 변류기는 필요치 않게 된다.
이러한 목적을 위하여, 도 4는, 직류 전류 링크 인버터가 일정-전압 링크 인 버터(51)로 교체되고 회전 위상 변류기가 생략된 것을 제외하고는 도 1의 선박 추진 시스템(1)에 상응하는 선박 추진 시스템(50)을 도시한다.
모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환과정 동안에, 링크 커패시터(52)는, 내장 전력 시스템(5)의 주파수 및 전압이 각각 소정의 한계치 이하로 떨어지지 않도록, 내장 전력 시스템으로 전기 에너지를 공급한다. 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환을 위한 시간 및 전환 시간에서 내장 전력 시스템(5)으로 공급될 수 있는 에너지에 관한 커패시터(52)의 치수는 이러한 목적을 위하여 서로 조화된다.
설명한, 사이리스트 전류 변류기 밸브를 구비한 전류 변류기 및 제어 각(α)을 통한 그 제어의 경우에, 1초 미만의 전환 시간(t3 - t1)이 달성될 수 있다.
온-전환(switching-on) 및 오프-전환(switching-off) 모두와 관련하여, 예를 들어 IGBT 전류 변류기 밸브와 같은 제어 가능한 전류 변류기 밸브가 사용되면, 이들은 제어 각(PWM 변조)을 통해서 제어되는 대신에 펄스 패턴을 통해 제어될 수 있다. 이러한 경우에, 전력 시스템으로부터 전력 시스템 측의 전류 변환기로의 전류 흐름의 차단, 모터 측의 전류 변류기의 에너지 방향 반전(reversal) 및 동력 시스템 측의 전류 변류기에 의해 시스템 전압 및 시스템 주파수로 내장 전력 시스템으로의 에너지 공급은 각각 전류 변류기의 펄스 패턴의 변화에 의하여 영향을 받을 수 있다. 결과적으로, 100 ms 범위의 전환 시간도 가능하다.

Claims (14)

  1. 해상 스크루 프로펠러(4)에 결합되는 축 장치(3)를 구동하는 주 엔진(2);
    상기 주 엔진(2)의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하여 전기적 내장 전력 시스템(5)에 공급하는 폐열 회수 시스템(20);
    인버터(12)에 의하여 상기 전기적 동력 시스템(5)에 연결되는 축-구동식 발전기/모터(11)로서, 상기 축 장치(3)에 결합되며, 모터 작동에서는, 내장 전력 시스템(5)으로부터의 전기 에너지를 상기 축 장치(3)를 구동하기 위한 기계적 에너지로 변환하고, 발전기 작동에서는, 상기 축 장치(3)의 기계적 에너지를 상기 내장 전력 시스템(5)을 위한 전기적 에너지로 변환하는, 축-구동식 발전기/모터(11); 를 포함하는, 폐열 회수식 선박 추진 시스템(1, 50)을 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 축-구동식 발전기/모터(11)의 모터 작동의 경우 및 상기 폐열 회수 시스템(20)에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에, 상기 축-구동식 발전기/모터(11)가 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환되며, 상기 내장 전력 시스템(5)의 전압 및 주파수가 각각 소정의 한계치 이하로 떨어지지 않도록, 전환 시간 동안에 에너지원(17, 52)이 상기 내장 전력 시스템(5)으로 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    인버터로서 직류 링크 인버터(12)가 사용되고, 상기 내장 전력 시스템(5)용 반응 동력을 발생시키기 위한 에너지원으로서 회전 위상 변류기(17)가 사용되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    인버터로서 직류-전압 링크 변류기(51)가 사용되며, 에너지원으로서 직류-전압 링크의 링크 커패시터(52)가 사용되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터(12, 51)가 상기 동력 시스템 측에 전류 변류기를 상기 모터 측에 전류 변류기(13, 14)를 가지고 이들이 각각 제어가능한 전류 변류기 밸브를 구비하며, 상기 축-구동식 발전기/모터(11)가 상기 전류 변류기 밸브의 온-시간을 변경시킴으로써 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 상기 축-구동식 발전기/모터(11)의 전환이, 소프트웨어-제어식 동력 관리 시스템(30)을 우회하여, 상기 폐열 회수 시스템(20)에 의해 개시되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐열 회수 시스템(20)에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에, 상기 내장 전력 시스템(5)에 연결되고 선내 작동에 비임계적인 전기 부하(6)가 오프로 전환되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축-구동식 발전기/모터(11)가 1초 미만의 시간 내에 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  8. 해상 스크루 프로펠러(4)에 결합되는 축 장치(3)를 구동하기 위한 주 엔진(2);
    전기적 내장 전력 시스템(5)을 위해 상기 주 엔진(2)의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하는 폐열 회수 시스템(20);
    인버터(12)를 통해 상기 전기적 동력 시스템(5)에 전기적으로 연결되는 축-구동식 발전기/모터(11)로서, 상기 축 장치(3)에 결합되며, 모터 작동에서는, 내장 전력 시스템(5)으로부터의 전기적 에너지를 상기 축 장치(3)를 구동하기 위한 기계적 에너지로 변환하고, 발전기 작동에서는, 상기 축 장치(3)의 기계적 에너지를 상기 내장 전력 시스템(5)을 위한 전기적 에너지로 변환하는, 축-구동식 발전기/모터(11); 를 포함하는, 폐열 회수식 선박 추진 시스템(1)으로서,
    상기 폐열 회수 시스템(20)에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에, 상기 축-구동식 발전기/모터(11)를 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환시키기 위한 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16); 및
    에너지원(17, 52); 을 포함하고,
    상기 에너지원에 의하여 모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환과정 동안에 전기적 에너지(E)가 상기 내장 전력 시스템(5)으로 공급될 수 있으며,
    모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 전환을 위한 시간 및 상기 에너지원(17, 52)의 크기는, 전환과정 동안에 상기 내장 전력 시스템(5)으로 공급되는 에너지로 인하여 상기 내장 전력 시스템(5)의 전압 및 주파수가 각각 소정의 한계치 이하로 떨어지지 않도록, 전환과정의 시간에서 상기 내장 전력 시스템(5)으로 공급될 수 있는 에너지와 관련하여 서로 조화되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인버터(12)가 직류 링크 인버터(12)로서 구성되고, 상기 에너지원이 상기 내장 전력 시스템(5)용 반응 동력을 발생시키기 위한 회전 위상 변류기(17)인 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 인버터가 직류-전압 링크 인버터(51)로서 구성되고, 상기 에너지원이 직류-전압 링크의 링크 커패시터(52)인 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터(12, 51)가 상기 동력 시스템 측에 전류 변류기를 상기 모터 측 에 전류 변류기(13, 14)를 가지고 이들이 각각 제어가능한 전류 변류기 밸브를 구비하며, 상기 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)이 상기 전류 변류기 밸브의 온-시간을 변경시킴으로써 상기 축-구동식 발전기/모터(11)를 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    모터 작동으로부터 발전기 작동으로의 상기 축-구동식 발전기/모터(11)의 전환이, 상기 내장 전력 시스템(5)의 소프트웨어-제어식 동력 관리 시스템(30)을 우회하여, 상기 폐열 회수 시스템(20)에 의해 개시될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐열 회수 시스템(20)에 의한 에너지 생성에 고장이 발생한 경우에, 상기 내장 전력 시스템(5)에 연결되고 선내 작동에 비임계적인 전기 부하가 연결이 끊기는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축-구동식 발전기/모터(11), 상기 인버터(12, 52) 및 상기 개방- 및 폐쇄-루프 제어 시스템(16)은, 상기 축-구동식 발전기/모터(11)가 1초 미만의 시간 내에 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    폐열 회수식 선박 추진 시스템.
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