電気推進 (船舶)
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電気推進（でんきすいしん）は、船の推進方式の一種。電動機によって推進器（スクリュープロペラ、ウォータージェット推進器）を駆動する方式[1]。
来歴[編集]
電気推進方式の採用はまず潜水艦より着手され、1884年のアメリカ海軍のタック艇、1885年のイギリス海軍の「ノーチラス」で蓄電池による電気推進機関が搭載された。これらの機関は相応の成績を示したものの、潜水艇としては肝心の潜航機構が不満足だったため、試作の域を出るものではなかった。その後、1888年に進水したフランス海軍の「ジムノート」は、蓄電池564個と55馬力の電動機による電気推進機関を搭載しており、良好な成績を収めた。またアントニー・レッケンツァウンの設計によって1886年に竣工した小型艇「ヴォルタ」は、やはり蓄電池による電気推進機関を搭載しており、英仏海峡の横断に成功して、水上船艇への電気推進導入の嚆矢となった。その後、1898年に竣工した「ホランド」では水上航走用の原動機が搭載され、自己充電能力を備えた[2]。
蒸気タービンは高回転で性能が良くなる一方、推進器は低回転で効率が良くなることから減速機が必要となるが、20世紀初頭の技術では信頼性の高い減速歯車装置を実用化できなかったことから、電気推進装置によって減速装置とするターボ・エレクトリック方式が広く用いられるようになった。またディーゼルエンジンについても、面倒なクラッチ操作や捩り振動の対策を避けるため、直結駆動ではなくディーゼル・エレクトリック方式を採用することもあった。その後、1920年代ごろより減速歯車装置の信頼性が向上して実用レベルに達したことから電気推進の採用例は減っていったが、第二次世界大戦勃発にともなって護衛駆逐艦や戦時標準船の量産が求められた際には、減速歯車装置の生産が追いつかず、ターボ・エレクトリック方式やディーゼル・エレクトリック方式に切り替えた艦も相当数が建造されている[2]。
第二次大戦後、水上戦闘艦への電気推進の採用は行われなくなっていったが、逆に潜水艦ではディーゼル・エレクトリック方式の採用が一般的になった。また機雷戦艦艇や補助艦艇では、低速・微音での航行能力が買われて電気推進とする例があったほか、商船でも、設計の自由度が買われての採用例もあった。その後、1980年代頃より、技術的にはパワーエレクトロニクスの発達、用兵面では対潜戦のパッシブ戦化に伴う静粛性の要請があって、水上戦闘艦でも電気推進が見直された。特にパワーエレクトロニクスの発達により、推進発電機と艦内給電用発電機を統合する統合電気推進方式の実現のめどがたち、艦内電子機器の発達による電力所要の増大に対応するためにこれを採用する例も登場している[2][3]。
原理[編集]
発電機と電動機の組み合わせに応じて、下記のように分類できる。
- 直流方式
- 交直併用方式
- 交流方式
直流方式[編集]
いわゆるワード・レオナード方式であり、直流発電機を駆動し、その電力で直流整流子電動機を回転させる。直流発電機の励磁を調整することで発生電圧を変化させ、直流電動機の速度を制御することができる[1]。
回路構成は簡易であり、最も初期から使われてきた方式だが、整流子の保守・点検に手間を要するほか、やはり整流子のために電動機の回転数と容量に制限があることから、後述の方式に道を譲った[1]。
交直併用方式[編集]
直流方式の制約のほとんどが整流子の存在に由来することから、これを軽減するため、発電機のみを交流の同期発電機としたものである。交流から直流への変換にもちいる整流器に応じて分類でき、下記の2種類が代表的である[1]。
- サイリスタ・レオナード方式
- 整流器としてサイリスタ・コンバータを使用する方式。サイリスタ位相制御により、交直変換と同時に出力電圧も調整できるため、直流電動機の速度制御も行うことができる。ただし電動機の容量および回転数に制限があり、また入力電源の高調波対策が必要とされる[1]。
- AC-R-DC方式
- 整流器としてダイオードを使用する方式。サイリスタ・レオナード方式と比して電圧・電流の波形歪みが少なく、高調波によるノイズ障害を軽減できる一方で、ダイオードには電圧調整機能がないために、発電機の励磁を調整して発生電圧を変化させる必要があり、統合電気推進化は困難である。また電動機の容量および回転数に制限がある点ではサイリスタ・レオナード方式と同様である[1]。
交流方式[編集]
発電機・電動機ともに交流機とすることで整流子を排除した方式。パワーエレクトロニクスの発達とともに実用化されたものであり、電動機の制御は可変電圧可変周波数制御によって行うため、電力変換回路を組み込む必要がある[1]。
- サイリスタ・モーター方式
- 交流からいったん直流に変換したのち、所望の交流電圧に再変換する方式。主回路にサイリスタを装備するために高調波を発生して他機器への悪影響があり、また出力できる周波数に制約がある[1]。
- サイクロコンバータ方式
- 交流から、別の周波数・電圧の交流に直接変換する方式[1]。出力周波数の最大値は入力周波数の1/3〜1/2程度であり、また力率が悪いなどの問題がある。
- マトリックスコンバータ方式
- 自己消弧能力を持つ高速半導体デバイスを使用し、電源電圧を直接パルス幅変調（PWM）制御して、任意の電圧・周波数を出力する直接変換型電力変換装置。PWM方式では、電圧波形を細かく切り刻むことで高調波抑制用のリアクトルを小型化でき、また装置本体も大幅に効率化・小型化できると期待されている[1]。