CONTINUOUS SHIP POWER SUPPLY FROM THE PROPULSION NETWORK AT ALTERNATING CURRENT SHIP DRIVE OF A VAIABLE FREQUENCY AND PARTIAL FREQUENCY CONVERTER

Abstract: 1. Arrangement for the board mains supply in a polyphase alternating current ship's drive of variable frequency with a propulsion generator (3) driven by a primary energy converter (2), a starting-up inverter (5 to 8) and a propeller motor (1) fed at a constant ratio of voltage to frequency, wherein the propeller motor (1) is connected - in a lower rotational speed range at constant minimum rotational speed of the primary energy converter (2) - by way of the starting-up inverter (5 to 8) and - in the range above the minimum rotational speed - directly with the propulsion generator (3) in the manner of an electrical shaft, characterized by an arrangement for the continuous energy supply for the board mains by the primary energy converter (2), wherein board mains frequency and voltage are supplied in the lower rotational speed by the propulsion generator (3) by way of a transformer (4) between propulsion rail and board mains rail or from a further generator (9) coupled to the propulsion generator (3) and wherein - in the range above the minimum rotational speed - the starting-up inverter (5 to 8) is separated from the propeller motor (1) and connected with the interposition of a synchronous phase changer (12) to the board mains.

Description: "Kontinuierliche Bo rdnetzve rsorgung aus dem Fahrnetz bei Drehstrom-Schiffs - antrieben variabler Frequenz und Teilumrichter" Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung zur kontinuierlichen Bordnetzversorgung gemäss den Merkmalen der Oberbegriffe des Anspruches 1. Für Schiffspropellerantriebe werden neben Gas- bzw Dampfturbinen, in der Mehrzahl Diesel, eingesetzt. Aus unterschiedlichen Gründen können die Drehzahlen der Aggregate nicht unterhalb einer bestimmten Grenze eingestellt werden. Soll für Antriebe von Sonderschiffen auch eine niedrigere Drehzahl ermöglicht werden, so ist u.a. ein elektrischer Antrieb einsetzbar. Bei einem Gleichstromantrieb wird in der Regel der GS-Motor über einen Stromrichter von einem oder mehreren Fahrgeneratoren gespeist, die mit konstanter Spannung und Frequenz arbeiten und durch geeignete Primärenergiewandler angetrieben werden. Hierbei ist parallel von der Fahrschiene eine Spannungsversorgung des Bordnetzes möglich. Der Antrieb kann in allen 4 Quadranten betrieben werden. Das gleiche gilt für einen Drehstrompropellermotor mit Zwischenkreisumrich ter. Es ist auch bekannt, einen Motor einer Propellerantriebsanlage über Stromrichter im ganzen Drehzahlbereich und das Bordnetz aus der Fahrschiene zu speisen. Diese haben dann konstante Spannung und Frequenz. In diesem Zusammenhang wird auf die Zeitschrift "Hansa", 1978, Seiten hingewiesen. Der Stromrichter in dieser Anlage muss für die Gesamtleistung des Propellerantriebes ausgelegt sein. Generatoren und Motoren sind grösser zu bemessen. Im Teildrehzahlbereich arbeiten die Primärenergiewandler mit einem schlechten Wirkungsgrad. Eine kostengünstigere Lösung bei kaum eingeschränkter Manövrierfähigkeit ist der Einsatz eines DS#S-Anfahrumnchters für den Drehzahlbereich, der nicht von den Primärenergiewandlern abgedeckt wird. In Fig. 1 sind in einem Drehmoment/Drehzahl-Diagram die Leistungskennlinien des Anfahrumrichters mu, des Propellers m eines Dieselmotors m D und des Primärwandlers mw dargestellt. Der über den Umrichter verfügbare Fahrbereich ist durch mu begrenzt. Oberhalb der Minimal drehzahl des Primärenergiewandlers wird der Umrichter überbrückt und der Antrieb als elektrische Welle betrieben, wobei die Propellerdrehzahl mit der Drehzahl des Primärenergiewandlers einstellbar ist (vgl. DE-P 31 33 311.7). Bei dieser Konfiguration ist bislang keine Speisung des Bordnetzes durch den Fahrgenerator möglich. Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin zu sehen, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen mit der ein Propellerbetrieb elektrische Welle mit Anfahrumrichter in allen vier Quadranten bei gleichzeitiger Speisung des Bordnetzes durch einen mit veränderlicher Spannung und Frequenz betriebenen DrehstromWahrgenerator gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass bei zutreffend gewählter Leistung des Primärenergiewandlers das oberhalb der Minimaldrehzahl zur Verfügung stehende Drehmoment m w (Fig. 1) zum Propellerdrehmoment mp so viel Reserve besitzt, dass das Bordnetz über den hier nicht mehr benötigten Anfahrumrichter gespeist werden kann. Die Anordnung nach der Erfindung weist wesentliche Vorteile gegenüber dem Bekannten auf. Durch die Möglichkeit, die Antriebs- und Bordnetzleistung aus einem gemeinsamen mit billigem Schweröl betriebenen Aggregat zu beziehen, wird der Gesamtwirkungsgrad verbessert. Ausserdem wird das Aggregat bei Teildrehzahlen des Propellermotors gegenüber einer Fahranlage mit einem Stromrichter für alle Drehzahlen besser ausgenutzt. Der spezifische Kraftstoffverbrauch wird bis zu 32 % bei 50 % Drehzahl und darunter gesenkt. Hinzu kommt eine Verbesserung des Wirkungsgrades um ca. 2 % bei Betrieb oberhalb der Anfahrumrichterdrehzahl, da hier der Umrichter für die Fahranlage nicht mehr eingesetzt wird und seine typischen Verluste entfallen. Bei Verwendung eines angeflanschten Bordnetzgenerators an das Fahraggregat bei Anfahrumrichterbetrieb werden elektromagnetische Störungen (es), verursacht durch Stromrichter, auf dem Bordnetz vermieden. Nach dem Hochfahren der Anlage kann bei Nenndrehzahl der elektrischen Welle die Versorgung des Bordnetzes dann vom Fahranlagengenerator übernommen werden. Hier ist nur für eine relativ kurze Zeit des Hochlaufs die Speisung des Bordnetzes über den Umrichter mit seinen unvermeidlichen EM-Störungen erforderlich. Diese Tatsache begünstigt den Einsatz dieser Anlage auf Forschungsschiffen o.ä., die in ihrem Operationsgebiet nur mit Teilleistung und dann mit einem ungestörten Bordnetz fahren. Ausserdem ist die Anlage vorzugsweise auf Schiffen einsetzbar, die eine gute Manövrierfähigkeit erfordern, wie Fähren, Versorger, Rettungsschiffe, usw. > die im unteren Fahrtbereich (n < 0 5) erhebliche Brennstoffkosten einspart. prop Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. 2 Die Anordnung einer Fahranlage Fig. 3 in einem Kraftstoffverbrauch/Drehzahl-Diagramm die Kennlinien für eine Fahranlage mit Vollumrichter und mit Anfahrumrichter. Wird nach Fig. 2 die Nennfrequenz des Propellermotors 1 so gelegt, dass bei der gegebenen Minimaldrehzahl des Primärenergieerzeugers 2 der Fahrgenerator 3 bei ulf = const-Regelung Bordnetzfrequenz abgibt, so kann das Bordnetz über einen Transformator 4 gespeist werden, während der Motor 1 über den Zwischenkreisumrichter 5 ...8 frequenzentkoppelt betrieben wird. Bei gleicher Spannung kann der Transformator entfallen. Ist es konstruktiv nicht möglich, die Minimalfrequenz des Fahrgenerators gleich der Bordnetzfrequenz zu wählen, so kann das Bordnetz über einen angeflanschten Generator 9, der durch entsprechende Polpaarzahl die erforderliche Bordnetzfreouenz erzeugt, versorgt werden. Wird bei erforderlicher höherer Drehzahl des Propellermotors 1 der Umrichter durch den Schalter 10 überbrückt, so schaltet der Umschalter 11 den Umrichter 5...8 vom Motor 1 frei und die Synchronblindleistungsmaschine 12 auf den Umrichter Die Maschine kann schon vorher durch einen Anwurfmotor oder bei geschlossenem Schalter 13 asynchron vom Bordnetz gestartet worden sein. Im anderen Fall wird sie durch den Umrichter auf Nennfrequenz gefahren und der Schalter 13 geschlossen. Danach übernimmt der Umrichter die Bordnetzversorgung. Ist der Wechselrichter netzgeführt, so liefert die Blindleistungsmaschine die erforderliche Kommutierungs- und Steue rbl indl eistung sowie die Netzblindleistung und sorgt für den geforderten Strom im Kurzschlussfall. Ist der Wech sel richter selbstgeführt, so muss die Blindleistungsmaschine nur die entsprechende Blindleistungs- und Kurzschlussstromversorgung für das Bordnetz übernehmen. Hat der Umrichter die Bordnetzlast übernommen, so kann der Transformator 4 oder Generator 9 über die Schalter 15 bzw. 14 abgeschaltet werden. Der Primärenergieerzeuger 2 kann seine Drehzahl und damit die Drehzahl des Propellermotors 1 erhöhen, wobei durch den Generator 3 die Spannung proportional angehoben wird. Der Umrichter entkoppelt Frequenz und Spannung. System eigene Spannungsspitzen werden durch einen zuschaltbaren Kondensator 7,8 im Gleichstromzwischenkreis geglättet. Ist die Nennfrequenz der elektrischen Welle gleich der Bordnetzfrequenz, so kann bei Propellernenndrehzahl das Bordnetz mit dem Fahrnetz synchronisiert und dann über den Transformtor 4 mit Schalter 15 verbunden werden. Der Umrichter wird durch Schalter 11 oder 13 vom Bordnetz getrennt. Die Anlage erlaubt ein schnelles Reversieren oder einen Notstopp aus erhöhter Schiffsfahrt. In diesem Fall wird der Schalter 10 geöffnet und der Bremsschalter 17 geschlossen. Der Motor 1 treibt über seine Erregung geregelt einen definierten Strom in den Bremswiderstand 18. Wird das Bordnetz direkt über den Transformtor 4 betrieben, so muss der Umrichter 5 ... 8 die Bordnetzversorgung übernehmen. Die Blindleistungsmaschine ist zu diesem Zweck wieder anzulassen, wenn sie nicht vorher mitlief. Mit Schalter 11 und 13 (wenn nicht schon geschlossen) wird der Umrichter auf das Bordnetz gechaltet. Er kann Last übernehmen. Schalter 15 wird geöffnet. Die Drehzahl des Primärenergiewandlers 2 wird auf die Minimaldrehzahl, die Bordnetzfrequenz entspricht, zurückgenommen und mit dem Bordnetz synchro mslerl. Schalter 14 bzw. 15 werden geschlossen und 13 geöffnet. Damit ist der Umrichter für die Propellermotorspeisung frei. Schalter 11 wird umgeschaltet. Inzwischen wurde der Motor durch die Bremsung auf den Widerstand 18 verzögert und der Bremsschalter 17 kann geöffnet werden. Der Umrichter fährt, sobald seine Auslegung bezüglich Drehmoment es zulässt, den Motor aus dem 4. Quadranten in den 3. Quadranten. Sollte es erforderlich sein, so kann, wie oben beschrieben, der Umrichter mit Schalter 10 überbrückt werden, um eine höhere Drehzahl in entgegengesetzter Drehrich tung mit dem Betrieb als elektrische Welle zu erhalten. Für diesen Fall muss Schalter 10 als Phasenwendeschalter ausgelegt sein. Die erforderliche Schaltanlage kann relativ einfach gehalten werden, wenn man berücksichtigt, dass ausser den Schaltern 10, 17 und 20 alle anderen stromlos schaltbar sind. Als Kurzschlussschutz sind nur die Schalter 13, 20, 14/15 und 19 auszulegen (14/15 sind alternativ zu betrachten). Es kann davon ausgegangen werden, dass der Übergang von dem Manöverbereich nprOp 0,5 prop auf Marschfahrt und umgekehrt relativ selten erfolgt. Das gleiche gilt für ein Notstoppmanöver aus voller Schiffsgeschwindigkeit. Die Schaithäufigkeit der Schalter 10, 17, 11, 13, 14/15 ist also sehr gering und es kann von langen Standzeiten ausgegangen werden. Die Schalter 19, 14/15 und 20 wären als Lastschalter und Kurzschlussschutz auch bei einer herkömmlichen Anlage erforderlich Um während des Betriebes mit dem Anfahrumrichter starke Frequenzschwankungen von Generator 3 bzw. 9 zu vermeiden, wird der Propellermotorstrom im Gleichstromzwischenkreis über den Generatorstromrichter 5 in der Art begrenzt, dass die Drehzahl des Primärenergiewandlers bei Belastungen durch den Propell ermotor annähernd konstant bleibt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass bei voller Manövrierfähigkeit des Prooellermotors von 6 % bei Nenndrehzahl das Bordnetz kontinuierlich vom Antriebsaggregat der Fahranlage versorgt wird. Es kann ein Bordnetzaggregat - nach Absprache mit den Klassifikationsgesellschaften - eingespart werden. Das mit Dieselöl betreibbare Aggregat 16 ist nur noch für stand by-Betrieb, den Notfall oder im Hafen erforderlich. Dieses Konzept ermöglicht ein "Drucken" der Minimal-Dauerdrehzahl des Hauptdiesels durch Erhöhen der Teillast entsprechend der Propellerleistungskurve um den Betrag der Bordnetzlast ( > 10 % PN bei Spezialschiffen). Es ist die energieökonomische Alternative zu dem elektrischen Antrieb mit Verstelipropeller.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Anordnung zur kontinuierlichen Bordnetzversorgung aus einem Fahrnetz bei Drehstrom-Schiffsantrieben mit variabler Frequenz und Teilum richter, wobei die Antriebe im unteren Drehzahlbereich eines Primärwandlers an einem Anfahrum richter angeschlossen und im Bereich oberhalb der Minimal-Drehzahl unmittelbar mit einem Fahrgenerator nach Art einer elexstrischen Welle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Drehzahlbereich der Fahrgenerator (3) bei einer U/f = const -Regelung Bordnetzfrequenz und -spannung abgibt und wahlweise über einen Transformator (4) zwischen Fahrschiene und Bordnetzschiene oder über einen an den Fahrgenerator (3) angekuppelten Generator (9) das Bordnetz und über den Anfahrumrichter (5..8) den Propellermotor (1) frequenzentkoppelt versorgt, und dass im Bereich oberhalb der Minimal-Drehzahl der Umrichter überbrückt und unter Einschaltung einer Synchronblindleistungsmaschine (12) auf das Bordnetz geschaltet wird. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennfrequenz des Propellermotors (1) so gewählt ist, dass bei Minimal-Drehzahl des Primärenergiewandlers (2) der Fahrgenerator (3) Bordnetzfrequenz abgibt. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im höheren Drehzahlbereich des Propellermotors (1) mittels eines Schalters (10) der Umrichter (5...8) überbrückt und mit einem Umschalter ( 11) die Blindlei- stungsmaschine (12) mit dem Umrichter verbunden wird, der die Blindleistungsmaschine hochfährt. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungsmaschine (12) über einen Schalter (13) mit der Bordnetzmaschine verbunden wird. 5. Anordnung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass nach Übernahme der Bordnetzlast durch den Umrichter (5 ..8) Schalter (14, 15) den Transformator (4) bzw. den Generator (9) von der Bordnetzschiene trennen. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gleichstromzwischenkreis der Umrichter (5...8) für Glättung systemeigener Spannungsspitzen eine abschaltbare Kapazität (7,8) vorgesehen ist. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleicher Frequenz von elektrischer Welle und Bordnetz das Bordnetz mit dem Fahrnetz synchronisiert, der Transformator (4) über seinen Schalter (1 5) auf die Bordnetzschiene geschaltet, und der Umrichter (5...8) über den Umschalter (11) bzw. den Schalter (13) vom Bordnetz getrennt wird. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umsteueroder Notstoppmanöver der Fahrschienenschalter (10) geöffnet und ein Bremsschalter (17) geschlossen wird, wobei bei angeschaltetem Transformator (4) durch Schliessen der Schalter (11, 13) der Umrichter (5...8) die Bordnetzversorgung übernimmt und der Transformator (4) über seinen Schalter (15) abgetrennt wird. 9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Primärenergiewandlers (2) auf Minimal drehzahl zurückgenommen und mit dem Bord netz synchronisiert wird. 10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des Umsteuervorganges der Transformator - bzw. Generatorschalter (14, 15) wieder geschlossen und der Umschalter (11) vorübergehend in Stellung Propellermotorspeisung aus dem Umrichter (5...8) gebracht wird. 11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überbrückungsschalter (10) des Umrichters (5....8) als Phasenwendeschalter ausgelegt ist. 12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anfahrbetrieb der Propellermotorstrom im Gleichstromzwischenkreis über den Generatorstromrichter (5) zur Konstanthaltung der Drehzahl des Primärwandlers (2) begrenzt wird.

Inventors: KRANERT, KLAUS, DR.-ING., LOSEKANN, WOLFGANG, DIPL.-ING., Lösekann, Wolfgang, Dipl.-Ing.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1984
Main classification: H02P1
IPC codes: B63H21, B63H23, H02M5, H02P9, H02P1, H02J3, B63J3