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Die
Erfindung betrifft ein Energieerzeugungs-, Verteilungs- und Bordstromversorgungssystem
für emissionsarme Überwasser-Marine(Navy)-Schiffe
unterschiedlicher Klassen und Größen mit wenigstens
einem vorzugsweise aus einem Gleichstromnetzwerk mit elektrischer
Energie versorgbaren Marschfahrtantrieb, z.B. einem elektrischen
Ruderpropellerantrieb und mit wenigstens einem aus einem Wechselstromnetzwerk
mit elektrischer Energie versorgbaren Zusatzantrieb, z.B. einem
Wasserstrahlantrieb, welcher bedarfsweise zuschaltbar ist, wobei
das Gleichstrom- und das Wechselstromnetzwerk derart ausgebildet
sind, dass eine wechselseitige Energieübergabe erfolgen kann.
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Herkömmlich werden
auf Marine(Navy)-Schiffen zur Erzeugung elektrischer Energie elektrisch
erregte Synchrongeneratoren verwendet, welche von Dieselmotoren
oder Gasturbinen angetrieben werden. Die Energieübertragung erfolgt in Wechselstromtechnik.
Der Antrieb erfolgt mittels Dieselmotoren, Gasturbinen, Elektromotoren
oder mittels einer Kombination derselben, wobei die Motoren über eine Welle
einen oder mehrere Propeller antreiben und für den Vortrieb des Schiffes
sorgen. Dabei werden sowohl Festpropeller als auch Verstellpropeller
eingesetzt. Üblicherweise
werden die Energieerzeugungsaggregate etwa Mittschiffs angeordnet.
Ein Beispiel für
herkömmliche
Technik bietet die HNLMS „LPD Rotterdam" der Königlichen
Marine der Niederlande. Dieses Schiff ist ausgerüstet mit vier Generator-Dieselsätzen, die
auf zwei Hauptschalttafeln geschaltet sind. Der Vortrieb erfolgt über vier
Elektromotoren, von denen je zwei Motoren über Untersetzungsgetriebe auf
eine Welle wirken. Zwei Motoren sind aus Redundanzgründen über Kreuz
auf die jeweils andere Mittelspannungsschalttafel geschaltet.
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Von
Nachteil bei den bisher bekannten Antriebssystemen ist, dass diese
nicht weitgehend emissionsfrei gestaltbar sind, also eine hohe Infrarotsignatur
und elektromagnetische Signatur aufweisen. Darüber hinaus ist nachteilig,
dass die bisher bekannten Antriebssysteme durch den Treffer nur
eines Flugkörpers,
z.B. einer mittelgroßen
Rakete in das Mittelschiff, außer
Gefecht gesetzt werden können.
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Der
Erfindung liegt in Anbetracht des Standes der Technik die Aufgabe
zugrunde, ein elektrisches Energieerzeugungs-, Verteilungs- und
Bordstromversorgungssystem anzugeben, das leicht an unterschiedlichste,
auch emissionsfreie Betriebszustände
anpassbar ist und bei Ausfall von Teilbereichen seiner elektrischen
Energieversorgungsnetze funktionsfähig gehalten werden kann. Dabei
soll insbesondere berücksichtigt
werden, dass moderne Marine(Navy)-Schiffe zwei unabhängig voneinander funktionsfähige Propulsionseinrichtungen,
z.B. einen POD im Heck und einen Wasserstrahlantrieb Mittschiffs
aufweisen. Ein Beispiel zeigt die WO 02/057132 A1.
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Darüber hinaus
soll auch die Aufteilung des Schiffes in Schiffssicherungsabschnitte
bzw. -bereiche berücksichtigt
werden, wobei auch der Ausfall von einem oder zwei Schiffssicherungsabschnitten die
Funktionsfähigkeit
des Schiffes nicht so wesentlich beeinträchtigen soll, dass sich das
Schiff nicht vom Trefferort entfernen und seine Aufgabe zumindest
teilweise erfüllen
kann. Die Lösung
der Aufgabe besteht darin, dass das erfindungsgemäße Energieerzeugungs-,
Verteilungs- und Bordstromversorgungssystem zumindest ein Gleichstromnetzwerk und
ein Wechselstromnetzwerk aufweist, die derart ausgebildet sind,
dass eine wechselseitige Energieübergabe
erfolgen kann. Dabei sind das Gleichstromnetzwerk einem POD-Antrieb
oder einem Innenbordelektroantrieb, insbesondere mit HTS-Motor,
und das Wechselstromnetzwerk einem elektrischen Zusatzantrieb, z.B.
einem Wasserstrahlantrieb, insbesondere durch einen HTS-Motor angetrieben,
zugeordnet. Hier durch ergibt sich eine Antriebs-Redundanz, die die
bisherigen Antriebs-Redundanzen bei weitem übertrifft.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass das Gleichstromnetzwerk
wenigstens ein Brennstoffzellenmodul zur Erzeugung elektrischer
Energie aufweist, insbesondere ein Brennstoffzellenmodul, das zumindest
teilweise Reformerwasserstoff verbraucht. Durch den Einsatz eines
Brennstoffzellenmoduls, das Gleichstrom erzeugt, ergibt sich eine
weitgehend emissionsarme Marschfahrt, da nur die Abluft und die
Abgase aus dem Reformer erzeugt werden und die sonst übliche Abgasfahne
entfällt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Abluft und die Abgase des
Reformers über
Injektoren in das Umgebungswasser des Schiffes eingedrückt werden,
wodurch sie sich einer horizontalen Infrarotortung entziehen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellenmodul
aus miteinander verschalteten, luftatmenden Brennstoffzellen besteht,
insbesondere aus Brennstoffzellen mit unterschiedlicher Dynamik.
So ergibt sich eine Brennstoffzellenausführung, die für den Bordbetrieb und
die Marschfahrt besonders geeignet ist und für die kein reiner Sauerstoff
an Bord mitgeführt
oder erzeugt werden muss.
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Es
wird dabei sehr vorteilhaft von den besonderen Vorteilen von Brennstoffzellen
Gebrauch gemacht, die sich durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad,
ein gutes Teillastverhalten, niedrige Emissionen sowie äußerst geringe
Geräuschentwicklungen
auszeichnen und die sich sowohl für dezentrale als auch für zentrale
Anwendungen, wie sie für
das erfindungsgemäße elektrische
Antriebssystem für
Schiffe gegeben sind, eignen.
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In
einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das
Gleichstromnetzwerk vorzugsweise mehrere Brennstoffzellenmodule
mit jeweils etwa 1 MW bis 10 MW auf, wobei jedes Brennstoffzellenmodul
vorzugsweise aus vielen miteinan der verschalteten Brennstoffzellen
mit vorzugsweise 0,1 MW bis 0,3 MW, insbesondere 0,12 bis 0,15 MW,
variabel zusammengesetzt ist.
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Brennstoffzellen
sind in vielen unterschiedlichen Ausführungen und mit vielen unterschiedlichen Arbeitstemperaturen
arbeitend bekannt, so dass aus den vielen unterschiedlichen Typen
Brennstoffzellenblöcke
zusammengesetzt werden können,
die den unterschiedlichen dynamischen Anforderungen an Bord von
Marine(Navy)-Schiffen entsprechen, wobei die Niedrigtemperaturbrennstoffzellen,
die eine hohe Dynamik aufweisen, vorteilhaft für eine wechselnde, dynamische
Belastung des Gleichstromnetzwerkes und die Hochtemperaturbrennstoffzellen,
die eine geringe Dynamik aufweisen, vorteilhaft für die Grundlast
des Gleichstromnetzwerkes eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß sind die
Brennstoffzellen mit einem Reaktionsgas aus einem Reformer, insbesondere
Diesel-, Methanol-, Leichtbenzin- und/oder Erdgasreformer und mit
Luft betreibbar. Beim Betrieb mit Luft enthält die Sauerstoffseite der
Brennstoffzellen etwa 21% Sauerstoff. Beim Betrieb mit dem Reaktionsgas
aus einem Reformer, dem sogenannten Reformergas, enthält die Wasserstoffseite
der Brennstoffzelle Beimischungen von Stickstoff oder Kohlendioxid.
Daraus folgt, dass die PEM-Brennstoffzellen, wie sie für hochdynamische
Anforderungen erfindungsgemäß eingesetzt
werden, sowohl auf der Sauerstoffseite als auch auf der Wasserstoffseite nicht
mehr deadended ausgeführt
werden.
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In
einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung weist das Wechselstromnetzwerk
wenigstens einen von einer Gasturbine angetriebenen Synchrongenerator,
z.B. in HTS-Technik, zur Erzeugung elektrischer Energie auf.
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Vorteilhafterweise
sind das Gleichstrom- und das Wechselstromnetzwerk ein 1 kV- bis
15 kV-Netzwerk.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung versorgen das
Gleichstromnetzwerk und das Wechselstromnetzwerk das Bordnetzwerk
des Schiffes mit elektrischer Energie. Vorteilhafterweise weist
das elektrische Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
einen Gleichstromzwischenkreis zur Ankopplung des Bordnetzwerkes
an das Gleich- und an das Wechselstromnetzwerk auf. Vorteilhafterweise
erfolgt die Energieübertragung
sowohl vom Gleichstromnetzwerk als auch von Wechselstromnetzwerk
zu dem Gleichstromzwischenkreis und damit zu dem Bordnetzwerk über Gleichstromleitungen.
So ist eine einfache wechselseitige Energieübergabe je nach Bedarf in den
beiden Netzen möglich.
Seitens des Wechselstromnetzwerkes werden dazu Wechselstrom-/Gleichstrom-Umformer
eingesetzt.
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Seitens
des elektrischen Bordnetzes sind in einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung Umformer eingesetzt, die die dem Bordnetz zur Verfügung gestellte
elektrische Energie in passende Wechselspannung umformen, da in
der Regel über
das Bordnetzwerk zu versorgende Verbraucher Wechselstromverbraucher
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Ansteuerung der Baugruppen und Komponenten des Antriebssystems
und der Datenaustausch mittels Glasfaserleitungen, die in ausfallsicher
konfigurierter Form angeordnet sind. Ebenso wie bei den Energieversorgungsleitungen können dabei
sowohl Ringe als auch sternförmige Konfigurationen
gewählt
werden.
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Vorteilhafterweise
sind mehrere Brennstoffzellenmodule im Schiff oder Boot verteilt
angeordnet. Dadurch lassen sich Schalt- und Steuergeräte des Schiffs
oder Boots auf einfachste Art und Weise anschließen und miteinander verschalten.
Insbesondere bei Marine(Navy)-Schiffen ist im Falle eines Treffers
die elektrische Energieversorgung aufrecht erhaltbar und gesichert.
Insgesamt entsteht durch die Erfindung ein sehr überlebensfähiges Schiff, dessen elektrische
Ausrüstung
variabel auf alle Situationen, die nach Treffern auftreten können, reagieren
kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist sehr vorteilhaft vorgesehen,
dass das Netz in dem Energieerzeugungs-, Verteilungs- und Bordstromversorgungssystem
Strombegrenzungsgeräte
aufweist, die als HTS (hochtemperatursupraleitende) -Strombegrenzer
und/oder Halbleiterschalter ausgebildet sind und mittels derer die
Rückwirkung
von Spannungseinbrüchen
im Kurzschlussfall auf nicht betroffene Teilnetze auf eine Zeitspanne
im niedrigen Millisekundenbereich, insbesondere < 1ms begrenz- und damit derartige Spannungseinbrüche auf
das jeweils betroffene Teilnetz beschränkbar sind.
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Die
Netze von Marine(Navy)-Schiffen sind naturgemäß als Inselnetze ausgeführt, die
durch mindestens zwei Generatoren, Brennstoffzellenanlagen oder
auch Hochleistungsbatterien oder Kombinationen davon gespeist werden.
Zu ihnen gehören elektrische
Verteileranlagen mit teilweise hohen Betriebsströmen, da häufig Niederspannungsschaltanlagen < 1kV eingesetzt
werden. An die elektrischen Anlagen derartiger Netze werden im Falle
eines Kurzschlussereignisses hohe thermische und dynamische Anforderungen
gestellt.
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Bedingt
durch die Gestaltung des elektrischen Schutzkonzeptes ist nach Treffern
mit Spannungseinbrüchen
zu rechnen, welche bis zum Blackout des elektrischen Netzes führen können. Das
bedeutet, dass in bestimmten Situationen auch die Generatorschalter
auslösen.
In einem vollelektrischen Schiff, und um ein solches handelt es
sich bei dem Marine(Navy)-Schiff definitionsgemäß, hat dies die Manövrierunfähigkeit
zur Folge, da die Schiffsantriebe dann nicht mehr versorgt werden
können;
dies kann bis zum Verlust des Schiffes führen und ist auf jeden Fall
zu vermeiden.
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Insbesondere
im Fall von Marine(Navy)-Schiffen treten häufig multiple Fehler auf, z.B.
im Falle eines oder mehrerer Treffer nach Feindberührung, z.B.
durch Lenkflugkörper,
bei dem bzw. bei denen verschiedene Abschnitte bzw. Schalttafeln
betroffen sind, deren Vorhersage nicht möglich ist, um entsprechende
manuelle oder automatische Umschaltungen vornehmen zu können.
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Durch
Spannungseinbruch im gesamten elektrischen Netz kommt es dann zur
Beeinflussung des elektronischen Equipments der Automatisierungs-
und Steuerungstechnik im Bereich von einigen 10 bis hin zu einigen
1000 ms, z.B. kann die Reaktionszeit im Hauptbereich zwischen 0,03
und 6 sec betragen. Sofern das elektronische Equipment nicht unterbrechungsfrei,
z.B. über
Static Transfer Switch von einer Batterie über Wechselrichter gespeist,
versorgt ist, kommt es zum Ausfall des elektronischen Equipments,
was einen Wiederstart beispielsweise der Betriebssysteme erfordert,
welcher weitere Zeit in Anspruch nimmt. Nach einem Treffer sind
also sofortige Umschaltungen nicht nur für die Energieleitungen sondern
auch für
das elektronische Equipment erforderlich.
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Aus
dem Stand der Technik sind die im folgenden angegebenen Maßnahmen
bekannt, mittels derer die Verfügbarkeit
und die Ausfallsicherheit des derart gestalteten elektrischen Netzes
erhöht
werden kann. Die Elektroenergieerzeugungseinheiten sowie die Verbrauchereinheiten
werden auf unterschiedliche Schiffssicherungsabschnitte aufgeteilt.
Einzelne Schaltlagenabschnitte sind durch Kupplungen, die direkt
in einer Schaltanlage in einem Feld als Leistungsschalterfeld angeordnet
sind, oder Überleitungen,
bei denen in jeder Schaltanlage ein Leistungsschalter vorgesehen
ist, die mit einer Kabelstrecke verbunden sind, miteinander verbunden.
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Die
elektrischen Netze sind als Ringnetze oder Strahlennetze mit zum
Teil hohem Vermaschungsgrad ausgebildet, wobei Umschaltungseinrichtungen,
z.B. in Form automatischer Schnell umschaltungen, vorgesehen sind,
um den Redundanzanforderungen im geplanten Betrieb gerecht zu werden.
Die bekannten Maßnahmen
sind jedoch unter Umständen
nicht ausreichend.
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Vorteilhaft
soll erfindungsgemäß auch beim Auftreten
von Kurzschlussfällen
jedwede Beschädigung
der elektronischen Ausrüstung
automatisierungs- und steuerungstechnisch zuverlässig ausgeschlossen werden.
Dies wird durch die bereits vorstehend und insbesondere nachfolgend
geschilderten Maßnahmen
erreicht.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn das elektrische Netz Strombegrenzungsgeräte aufweist,
die als HTS-Strombegrenzer ausgebildet sind und mit einem Halbleiterschalter
und/oder einem Leistungsschalter zusammenarbeiten, mittels denen
insbesondere Energiequellen in Form von Elektroenergieerzeugungseinheiten
und/oder Energiespeichern schützbar
sind.
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Durch
den Einsatz eines HTS-Strombegrenzers zwischen zwei Teilnetzen ist
es möglich, das
gesunde Teilnetz rückwirkungsfrei
von einem durch einen Kurzschluss verursachten Spannungseinbruch
im gekuppelten Teilnetz frei zu halten. Das gesunde Teilnetz kann
damit ohne Unterbrechung und ohne Wiederhochlauf der daran angeschlossenen
Energieversorgungseinrichtungen und -verbraucher in Betrieb bleiben.
Durch Zusammenwirken des als Primärschutz wirkenden HTS-Strombegrenzers mit
Sekundärschutzeinrichtungen,
welche auf die vorhandenen konventionellen mechanischen Leistungsschalter
oder elektronischen Halbleiterschalter wirken, ist es möglich, auch
im vom Kurzschluss betroffenen Teilnetz den oder die Fehler selektiv
zu erfassen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Energieerzeugungs-, Verteilungs- und Bordstromversorgungssystem
zumindest in Teilen als Standardausrüstungssegment für Marine(Navy)-Schiffe
unterschiedlicher Größe ausgebildet
ist. So kann vorteilhaft eine Standardisierung der entsprechenden Komponenten
erreicht werden. Dies führt
einmal zu erheblichen Kostenvorteilen als auch zu Vorteilen bei der
Einarbeitung von Personal, der Erstellung von Handbüchern und
Bedienungsanleitungen etc..
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Das
gleiche gilt auch, wenn als Marschfahrtantriebe Standard-POD-Antriebe verwendet
werden bzw. wenn Standard HTS-Motoren- oder Generatoren verwendet werden.
Insgesamt ergibt sich so eine Ausrüstung von Marine(Navy)-Schiffen,
die sowohl die Standkraft als auch die Bedienung, Wartung und Instandhaltung
der Marine(Navy)-Schiffe erheblich verbessert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von
in den Figuren dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
ebenso wie die Ansprüche
weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten enthalten.
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Es
zeigen:
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1 das
prinzipielle Konzept des elektrischen Antriebssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 das
prinzipielle Konzept der Netzwerke des elektrischen Antriebssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen
Netzes für
das System,
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4 eine
Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen
Netzes für
das System,
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5 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Netzes für eine Fregatte,
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6 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Netzes für eine Korvette,
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7 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Netzes für ein Schnellboot,
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8 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Netzes für ein großes unbemanntes
Kampfboot und
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9 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Netzes für ein unbemanntes
kleines Kampfboot.
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1 zeigt
das Antriebskonzept des elektrischen Antriebssystems für Schiffe.
Das elektrische Antriebssystem weist vier in Abhängigkeit des Betriebszustandes
voneinander unabhängig
betreibbare Antriebe auf, zwei Ruderpropellerantriebe 1 und zwei
redundant ausgebildete Wasserstrahlantriebe 2. Bei dem
in 1 dargestellten elektrischen Antriebssystem für Schiffe
sind folgende Betriebszustände vorgesehen:
In
einem Geschwindigkeitsbereich bis zu 20 kn, bzw. in geräuscharmer
Dauermarschfahrt, wird das Schiff nur von den beiden Ruderpropellerantrieben 1 angetrieben
und gesteuert. Die Ruderpropellerantriebe 1 weisen beispielsweise
eine Antriebsleistung von etwa 5 bis 10 MW auf. Die elektrische
Energie für
die Ruderpropellerantriebe 1 und das Bordnetz wird für diesen
Betriebszustand geräuscharm
von Brennstoffzellen 7 in Zusammenwirken von z.B. Dieselreformern
erzeugt, wie nachfolgend noch näher
erläutert.
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In
einem Geschwindigkeitsbereich von über 20 kn werden die beiden
redundant ausgebildeten Wasserstrahlantriebe 4 (Twin-Waterjets) mit einer Leistung
von je etwa 10 bis 20 MW zugeschaltet. Die elektrische Energie für die Wasserstrahlantriebe 4 wird
von zwei Drehstrom-Synchrongeneratoren 6, insbesondere
in HTS-Technik ausgebildet, welche von je einer Gasturbine angetrieben
werden, erzeugt.
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Die
Leistungsverteilung der zum Vortrieb des Schiffes benötigten Schubleistung
zwischen den Ruderpropellerantrieben 1 und den Wasserstrahlantrieben 4 (Twin-Waterjets)
erfolgt nach wirkungsgrad-optimierten Gesichtspunkten.
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Die
Ruderpropellerantriebe 1 beziehen ihre Energie vorteilhaft
aus einem Gleichspannungsnetz (SSB1), in einem Bereich von DC 1
bis .... nkV. Wechselrichtereinheiten 3, bestehend aus
z.B. HV-IGBT-Power-Cards und Dioden-Power-Cards formen die Geichspannung
in Wechselspannung mit variabler Spannung und Frequenz um. Jeder
der beiden Ruderpropellerantriebe 1 besteht aus folgenden Komponenten:
- – Stromversorgungsschrank
- – Umrichter-Schrankgruppe
mit Leistungsteil, Steuer und Regelteil, Rückkühlanlage
- – Azimuth-Steuerung
- – Azimuth-Antrieb
- – Ruderpropeller
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Darüber hinaus
ist vorteilhaft ein Ruderpropeller , insbesondere einziehbar ausgebildet,
im Bugbereich angeordnet und besteht aus zwei Modulen, dem Azimuth-Modul
und dem Propulsions-Modul. Damit ist ein Manövrierantrieb bereitgestellt,
der auch als Notantrieb für
Langstreckenfahrten geeignet ist.
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Das
Azimuth-Modul wird oberhalb der Wasserlinie auf einen entsprechend
bearbeiteten Flansch aufgesetzt und mit diesem verschraubt und abgedichtet.
Diese Einbauart ist für
azimuthierende Antriebe unter dem Begriff „Brunneneinbau" bekannt. Zum Azimuth-Modul
gehören
folgende Teilsysteme:
- – Elektro-hydraulisches Steuerungssystem
- – Schwenklager
- – Tragkegel
- – Hilfsbetriebe
Propulsions-Modul
- – Übertragereinheit
Haupt- und Hilfsenergie sowie Signal-Übertragung
- – Schaltkasten
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Das
Propulsions-Modul enthält
den eigentlichen Antrieb, das heißt, die Elektromotor-Propeller-Einheit.
Das Propulsions-Modul
lässt sich
in folgende Baugruppen gliedern:
- – E-Motor,
z.B. Synchronmotor mit HTS-Läufer
- – Membrankupplungen
- – Propellerwelle
- – Propeller
- – Propellerwellenlagerung
- – Propellerwellenabdichtung
- – Propellerwellenbremse
- – Unterwassergehäuse
- – Schaft
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Als
elektrischer Antriebsmotor für
den Propeller wird vorteilhaft ein Synchronmotor eingesetzt, bestehend
aus dem feststehenden Stator und dem mit der Welle verbundenen Rotor.
Dieser weist vorteilhaft Wicklungen in HTS-Technik auf. Der Stator
ist in das Unterwassergehäuse
vorzugsweise über
eine kraftschlüssige
Verbindung eingebracht. Über
diese Verbindung, vorteilhaft eine Schrumpfverbindung, erfolgt die
Entwärmung
des Stators in das umgebende Seewasser. Der Stator enthält ein dreiphasiges
Wicklungssystem. Die Wicklungsenden werden über ein Schienensystem in den
Anschlussbereich geführt. Zur Überwachung
und zur Steuerung ist der Motor mit Sensoren ausgestattet. Die vorstehend
beschriebene Modul- und Motorausbildung ist im Prinzip aus der Handelsschifffahrt
bekannt und wird im wesentlichen auch für Marine(Navy)-Schiffe übernommen. Für Marine(Navy)-Schiffe
ist dabei insbesondere die Ausbildung des Motors in HTS-Technik
vorgesehen; hierfür
wird im Schaft ein Kälteaggregat
angeordnet.
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Die
elektrische Energie wird vom im Schiff befindlichen Stromrichter 3 zu
den im drehbaren Propulsions-Modul befindlichen Motor über Kabel
und eine Schleifringeinheit übertragen.
Die Schleifringeinheit erlaubt unbegrenzte Drehbewegungen. Die Verbindungen
zwischen Stromrichter und Schleifring sowie zwischen Schleifring
und Motoranschluss-Schienensystem sind mit Kabeln realisiert und
schockfest ausgebildet. Auch der Motor ist vorteilhaft für Marine(Navy)-Schiffe
schockfest ausgebildet.
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Die
Komponenten der Umrichteranlage 3 sind in einer Schrankgruppe
zusammengefasst und bestehen aus den Komponenten Leistungsteil,
Steuer- und Regelteil, Rückkühlanlage.
Der Motor des Propellerantriebs 1 wird durch eine Wechselrichtereinheit 3 gespeist,
die im Schiff angeordnet ist. Die Wechselrichtereinheit 3 erzeugt
eine in Frequenz, Amplitude und Phasenlage geregelte Spannung. Die Spannungsform
wird jeweils dem aktuellen Bedarf des Motors und der übergeordneten
Steuerung angepasst. Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
des elektrischen Antriebssystems werden als Wechselrichtereinheiten 3 z.B.
SIMAR Drive PWM (Siemens Marine Drive Puls Width Modulation) eingesetzt.
Die Wechselrichtereinheiten 3 werden aus dem Gleichspannungsnetz
SSB1 im Bereich von DC 1. .. nkV gespeist. Die Wechselrichtereinheiten 3 bestehen
z.B. aus HV-IGBT- oder IGCT-Power Cards und Dioden Power Cards und
sind in einem Schranksystem aufgebaut. Sie ermöglichen einen Vier-Quadranten-Betrieb
der Propellerantriebe 1. Damit ist ein Betrieb in beiden
Richtungen möglich.
Das zugehörige
Steuer- und Regelsystem ist voll digital ausgebildet und mit Baugruppen
z.B. aus dem Standardsystem SIMADYN und/oder SIMATIC 57 aufgebaut.
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Das
Steuer- und Regelsystem der Propellerantriebe 1 besteht
z.B. aus folgenden Funktionsgruppen:
- – Umrichternahe
Steuerung und Regelung (TCU), integriert im Leistungsteil,
- – Schiffsspezifische
Steuerung und Regelung
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Die
Wechselrichtereinheiten 3 werden mittels Wasser gekühlt und
enthalten z.B. einen geschlossenen Wasserkreislauf, welcher mit
entionisiertem Wasser gefüllt
ist. An diesen Fein wasserkreis sind die IGBT- oder IGCT-Module und
Dioden-Module der Wechselrichtereinheiten 3 angeschlossen.
In der Rückkühlanlage
wird die Verlustwärme
in einem Wasser-Wärme-Tauscher
an einen Frischwasserkreislauf abgegeben, welcher bei Bedarf an
das Frischwassersystem des Schiffes angeschlossen werden kann.
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2 zeigt
das Netzsystem des elektrischen Antriebssystems gemäß 1.
Das Hauptnetz wird für
den Vortrieb des Schiffes verwendet und besteht aus einem Gleichspannungsnetzwerk
DC 1. . .nkV-Netz und einem Wechselspannungsnetzwerk, vorliegend
z.B. ein Mittelspannungsnetz mit 11 kv/50 Hz oder 60 Hz. Das Gleichstromnetzwerk
befindet sich je zur Hälfte
im Schiffssicherungsbereich 1 und 3 (SSB1 und
SSB3). Die beiden Teilnetze sind durch eine Überleitung miteinander verbunden,
welche im Normalbetrieb über
entsprechende Schalterstellungen geschlossen gefahren wird.
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Die
elektrische Energie für
den geräuscharmen
Betriebszustand wird durch vier z.B. 4,5 MW Brennstoffzellen-Module
bereitgestellt, die jeweils aus beispielsweise 30 Brennstoffzellen
mit je 0,15 MW Leistung bestehen. Die Brennstoffzellen-Module umfassen
insbesondere, jedoch nicht unbedingt ausschließlich, sogenannte PEM-Brennstoffzellen,
die jeweils aus einem Stapel in Reihe geschalteter Membranelektrodeneinheiten
und Bipolarplatten, Stacks genannt, bestehen und insofern verhältnismäßig einfach
aufgebaut sind. Sie sind schock- und rüttelfest ausführbar und
daher besonders für
den Einsatz auf Marine(Navy)-Schiffen geeignet. Ihr prinzipieller
Aufbau ist aus der Literatur gut bekannt.
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Die
Energieerzeugung des Gleichstromnetzwerkes erfolgt beispielsweise,
wie bereits ausgeführt, über je zwei
4,5 MW-Brennstoffzellen 7,
die die Ruderpropellerantriebe 1 über Wechselrichtereinheiten 3 mit
elektrischer Energie versorgen. Die Ruderpropellerantriebe haben
dabei beispielsweise eine Motorleistung von 5 bis 10 MW. Darüber hinaus
wird das Bord netz 17 in der Regel über den Bordnetzzwischenkreis 16 ebenfalls
seitens der Brennstoffzellen 7 über das Gleichstromnetzwerk
mit elektrischer Energie versorgt.
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Wie
in 2 des weiteren zu erkennen, versorgen die Brennstoffzellen 7 über das
Gleichstromnetzwerk Waffensysteme des Schiffes, darunter auch High
Energy Puls oder Laser Waffen sowie über entsprechende Umformer
Antriebsmotoren; vorliegend den Antrieb 14 für das Querstrahlruder
bzw. einen sogenannten Bow Thruster (vergl. 1).
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Das
als Wechselstromnetzwerk ausgebildete Mittelspannungsnetz befindet
sich vorteilhaft im Schiffssicherungsbereich 2 (SSB2) und
wird durch zwei Gasturbinen/Synchrongenerator-Aggregate mit beispielsweise jeweils
16 MW mit elektrischer Energie versorgt. Das Wechselstromnetzwerk
speist die Wasserstrahlantriebe 2, welche als Twin-Waterjets ausgebildet
sind. Darüber
hinaus wird der Bordnetzzwischenkreis 16 und über diesen
das Bordnetz 17 von dem Wechselstromnetzwerk bei Bedarf
mit elektrischer Energie versorgt, wozu das Wechselstromnetzwerk
zum Anschluss an den Bordnetzzwischenkreis mit einem Transformator 8 mit
nachgeschaltetem Umformer 9 (Umrichter) versehen ist. Diese
Energiebrücke
spielt in Bezug auf die Ausfallsicherheit des elektrischen Systems
eine besondere Rolle, da über
sie der Ausfall von Energieerzeugungseinheiten aufgefangen werden
kann. Des weiteren kann über diese
Energiebrücke
sehr vorteilhaft ein Anfahren der Waterjets erfolgen, ohne dass
die Garturbinengeneratorsätze
in Betrieb gesetzt werden. Es ist also ein emissionsfreies Anfahren
des mit dem System versehenen Marine(Navy)-Schiffs möglich, bis
eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht wird, um die Abgase der
Gasturbinen oder von eventuellen Dieselaggregaten, die anstelle
der Gasturbinen verwendet werden können, über Abgaseinleitungskammern
in das das Schiff umgebende Wasser einzuleiten.
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Wie
bereits erläutert,
weist das elektrische Antriebssystem einen Gleichstromzwischenkreis 16 zur
Ankopplung des Bordnetzwerkes 17 an das Gleich- und an
das Wechselstromnetzwerk auf. Der Gleichstromzwischenkreis ermöglicht dabei
eine autarke Bordnetzversorgung 17 innerhalb der drei Schiffssicherungsbereiche
SSB1, SSB2 und SSB3. Die Teilnetze in den einzelnen Schiffssicherungsbereichen
SSB1 und SSB3 werden direkt vom Gleichstromnetzwerk über Gleichrichter 10 mit
elektrischer Energie versorgt. Die Gleichrichter 10 verhindern
dabei eine Rückspeisung
von Kurzschlüssen
auf das Gleichstromnetzwerk, so dass eine sichere Energieversorgung
der Propellerantriebe 1, der Waffensysteme 15 und
der Querstrahlruder 14 gegeben ist.
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Im
Schiffssicherungsbereich 2 (SSB2) wird das Bordnetz 17 über den
Gleichstromzwischenkreis 16 mit elektrischer Energie versorgt.
Das Wechselstromnetzwerk des Schiffssicherungsbereichs 2 (SSB2)
weist zur Speisung des Gleichstromzwischenkreises 16 einen
Transformator 8 mit nachgekoppelten Umrichtern 9 auf,
der aus dem für
den Vortrieb der Wasserstrahlantriebe 2 vorgesehenen Wechselstromnetzwerk,
z.B. einem Fahrnetz AC 11kv/60 Hz, eine Gleichspannung erzeugt.
Durch den Transformator 8 ist eine galvanische Trennung
zwischen dem Wechselstromnetzwerk und dem Gleichstromnetzwerk gewährleistet. Über diese
Verbindung, die derart ausgebildet ist, dass in ihr Strom in beiden
Richtungen übergeben
werden kann, sind, wie bereits angegeben, das Wechselstromnetzwerk und
das Gleichstromnetzwerk miteinander verbunden.
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Die
drei Gleichstromnetzwerke des Bordnetzes 17 sind durch Überleitungen
miteinander verbunden, welche im Normalbetrieb geöffnet sind.
Bei Ausfall bzw. Teilausfall eines der für den Betrieb der Antriebe
vorgesehenen Energieerzeuger bzw. deren Netzwerke ist durch den über die Überleitungen
gegebenen Verbundbetrieb des Gleichstromzwischenkreises die Versorgung
des Bordnetzes 17 mit elektrischer Energie gewährleistet.
Die Bordnetze 17 in den einzelnen Schiffssicherungsbereichen SSB1, SSB2
und SSB3 weisen eingangsseitig einen Wechselrichter 13 auf,
der die 1. . . nkv-Gleichspannung in die Bordnetzspannung, also
in 3 AC 60 Hz 440 V umformt (gemäß STANAG
100). Bei Spannungen > 1
kv DC wird zwischen dem Umformer 12 und dem Wechselstromnetzwerk
des Bordnetzes (AC-Netz) ein Transformator zwischengeschaltet.
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Jeder
Wechselrichter 12 (Umformer) des Bordnetzes 17 hat
zwei Energieeinspeisungen. Die Hauptspeisung erfolgt aus dem Gleichstromzwischenkreis
(Bordnetzzwischenkreis) 16 des jeweiligen Schiffssicherungsbereichs
SSB. Die Ersatzeinspeisung erfolgt über die Überleitungen aus dem jeweiligen
Gleichstromzwischenkreis 16 des benachbarten Schiffssicherungsbereichs
SSB. Damit ist eine redundante Versorgung des Bordnetzes 17 gewährleistet.
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Gleichrichterdioden 13 in
den jeweiligen Einspeisungen verhindern vorteilhaft Rückspeisungen
in Richtung des Gleichstromzwischenkreises bzw. in Richtung des
Gleichstromnetzwerkes bzw. des Wechselstromnetzwerkes. Weiterhin
ist vorteilhaft eine unterbrechungslose Lastübernahme von der Haupt- auf
die Ersatzspeisung möglich.
Durch den Gleichstromzwischenkreis 16 können die Schalter für die Haupt-
und die Ersatzspeisung der jeweiligen Bordnetze in den Schiffssicherungsbereichen
SSB1, SSB2 und SSB3 unterbrechungslos umgeschaltet werden.
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Um
außer
durch schaltungstechnische Maßnahmen
zu verhindern, dass sich die resultierenden Spannungsunterbrechungen
aus Kurzschlüssen, bzw.
Schaltvorgängen
aus dem Gleichstromnetzwerk bzw. dem Wechselstromnetzwerk und der
Ruderpropellerantriebe 1 bzw. Wasserstrahlantriebe 2 auf
das Bordnetz 17 übertragen,
sind Energiespeicher 11 mit Gleichstromausgang seitens
der Bordnetze 17 vorgesehen. Diese sind zwischen dem Eingang
des Wechselrichters 12 und dem Ausgang der Gleichrichterdioden 13 angeordnet.
Durch die Gleichrichterdioden 13 wird vorteilhaft eine
Rückspeisung
auf netzseitige Kurzschlüsse
verhindert, wie bereits erläutert.
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Das
elektrische Antriebssystem gemäß den 1 und 2 erlaubt
es sehr vorteilhaft, sowohl alle Energieerzeuger gleichzeitig zu
betreiben als auch alle Vortriebskomponenten gleichzeitig einzuschalten.
Für Fahrzustände mit
geringerer Geschwindigkeit kann die Einschaltung der verschiedenen
Propulsionseinrichtungen je nach Bedarf erfolgen, wobei ebenfalls
je nach Bedarf die Energieerzeugereinheiten eingesetzt werden.
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Durch
die Trennung und Aufteilung der Fahrnetze (Gleichstromnetzwerk und
Wechselstromnetzwerk für
die Antriebe 1 und 2) und die Hauptgruppenverteilung
in die drei Schiffssicherungsbereiche SSB1, SSB2 und SSB3, sind
im Trefferfall mit großer Wahrscheinlichkeit
jeweils ein Antriebssystem und mindestens 66 % der Bordnetzversorgung
noch einsatzfähig.
Dabei kann der Treffer so gravierend sein, dass in seinem Bereich
nur noch die Schiffsstruktur erhalten bleibt. Das Marine(Navy)-Schiff
bleibt trotzdem noch manövrierfähig und
kann sich vom Trefferort entfernen.
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Ein
in 3 beispielhaft gezeigtes elektrisches Netz 21 kommt
an Bord von Marine(Navy)-Schiffen zum Einsatz und ist in – im dargestellten Ausführungsbeispiel – ebenfalls
drei Schiffssicherungsbereiche 22, 23 und 24 untergliedert.
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Im
Schiffssicherungsbereich 22 sowie im Schiffssicherungsbereich 24 ist
als Elektroenergieerzeugungseinheit jeweils mindestens eine Brennstoffzelleneinheit 25 vorgesehen.
Diese Brennstoffzelleneinheit 25, die einen Gleichstrom
generiert, speist elektrische Energie über einen DC/AC-Wandler 26 in ein
AC-Hauptnetz 27 ein, zwischen dem DC/AC-Wandler 26 und
dem Hauptnetz 27 ist ein Leistungs- bzw. Lastschalter 28 vorgesehen.
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Im
Schiffssicherungsbereich 23 sind als Elektroenergieerzeugungseinheiten
zwei Generatoren 29 vorgesehen, die über jeweils einen Leistungs- bzw.
Lastschalter 28 elektrische Energie in das Hauptnetz 27 einspeisen.
Im Schiffssicherungsbereich 23 weist das Hauptnetz 27 eine
Netzkupplung 30 auf, in der ein Strombegrenzungsgerät in Form
eines HTS-Strombegrenzers 31 angeordnet ist, dem ein Leistungsschalter 32 zugeordnet
ist. Mittels der Netzkupplung 30 werden im Schiffssicherungsbereich 23 zwei
Teilnetze ausgebildet, von denen jeweils einer einem der beiden
Generatoren 29 zugeordnet ist.
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Zwischen
dem Schiffssicherungsbereich 22 und dem Schiffssicherungsbereich 23 sowie
zwischen dem Schiffssicherungsbereich 23 und dem Schiffssicherungsbereich 24 ist
jeweils eine Netzüberleitung 33 vorgesehen,
mittels der das Hauptnetz 27 über die Grenzen der Schiffssicherungsbereiche 22, 23 und 24 verbunden
bzw. verbindbar ist. Auch in den beiden in 3 gezeigten
Netzüberleitungen 33 ist
jeweils ein HTS-Strombegrenzer 31 vorgesehen, dem seitens
beider Schiffssicherungsbereiche 22, 23 bzw. 23, 24 jeweils
ein Leistungsschalter 32 zugeordnet ist. Aus dem Hauptnetz 27 sind
die in dieser FIGUR nicht gezeigten Schiffsantriebseinheiten mit elektrischer
Energie versorgbar. Dies geschieht, wie sich aus 3 prinzipiell
ergibt, mittels Abzweigen 34, die die nicht gezeigten Schiffsantriebseinheiten an
das Hauptnetz 27 anschließen.
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Des
weiteren gehören
zu dem in 3 gezeigten elektrischen Netz
Bordnetzzwischenkreise 35, von denen im in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
in jedem Schiffssicherungsbereich 22, 23, 24 einer
vorgesehen ist. Die Bordnetzzwischenkreise 35 sind über Abzweige 36 an
das Hauptnetz 27 angeschlossen, wobei jeder Bordnetzzwischenkreis 35 mittels
zweier Abzweige 36 an das Hauptnetz 27 angeschlossen
ist und die einem Bordnetzzwischenkreis 35 zugeordneten
Abzweige 36 in unterschiedlichen Schiffssicherungsbereichen 22, 23, 24 an
das Hauptnetz 27 angeschlossen sind. So ist beispielsweise
der Bordnetzzwischenkreis 35 im Schiffssicherungsbereich 22 mittels
eines Abzweigs 36 im Schiffssicherungsbereich 22 und
mittels eines weiteren Abzweigs 36 im Schiffssicherungsbereich 23 an das
Hauptnetz 27 angeschlossen. Der Bordnetzzwischenkreis 35 im
Schiffssicherungsbereich 23 ist mittels eines Abzweigs 36 an
das Hauptnetz 27 im Schiffssicherungsbereich 22 und
mittels eines Abzweigs 36 an das Hauptnetz 27 im
Schiffssicherungsbereich 24 angeschlossen. Der Bordnetzzwischenkreis 35 im
Schiffssicherungsbereich 24 ist mittels eines Abzweigs
an das Hauptnetz 27 im Schiffssicherungsbereich 24 und
mittels eines Abzweigs 36 an das Hauptnetz 27 im
Schiffssicherungsbereich 23 angeschlossen.
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In
jedem Abzweig 36, mittels dem ein Bordnetzzwischenkreis 35 an
das Hauptnetz 27 angeschlossen ist, ist ein Halbleiterschalter 37 für bidirektionalen
Strom angeordnet, dem ein Leistungsschalter 32 zugeordnet
ist. Des weiteren ist in jedem Bordnetzzwischenkreis 35 ein
Energiespeicher 38 vorgesehen, der über einen DC/AC-Wandler 39,
der optional mit einem Transformator ausgerüstet sein kann, mit dem jeweiligen
Bordnetzzwischenkreis 35 verbunden ist. Die Bordnetzzwischenkreise 35 sind
mittels Abzweigungen 40, in denen jeweils ein Leistungsschalter 28 vorgesehen
ist, an Bordnetz-Hauptgruppen angeschlossen, von denen Verbraucherabzweige 42 zu
einzelnen Verbrauchern, die nicht dargestellt sind, führen.
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Das
in 4 beispielhaft gezeigte elektrische Netz 21 hat
ein DC-Hauptnetz, welches entsprechend der anhand 3 gezeigten
Ausführungsform
ebenfalls in die drei Schiffssicherungsbereiche 22, 23, 24 untergliedert
ist.
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In
den Schiffssicherungsbereichen 22 und 24 ist jeweils
der Brennstoffzelleneinheit 25 ein DC/DC-Wandler bzw. DC/DC-Hochsetzsteller 43 zugeordnet, über die
die Brennstoffzelleneinheiten 25 elektrische Energie in
das DC 1. . . nkv-Hauptnetz 27 einspeisen. Entsprechend
sind die beiden im mittleren Schiffsicherungsbereich 23 vorgesehenen
Generatoren 29 über
AC/DC-Wandler bzw. Gleichrichter 44 an das Hauptnetz 27 ange schlossen.
Jeder Elektroenergieerzeugungseinheit 25, 29 ist
des weiteren ein Leistungs- bzw. Lastschalter 28 zugeordnet.
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Die
Ausgestaltung des Hauptnetzes 27 mit der im Schiffssicherungsbereich 23 vorgesehenen Netzkupplung 30 und
den beiden Netzüberleitungen 33 zwischen
dem Schiffssicherungsbereich 22 und dem Schiffssicherungsbereich 23 bzw.
Schiffssicherungsbereich 23 und dem Schiffssicherungsbereich 24 entspricht
derjenigen des in 3 gezeigten elektrischen Netzes 21.
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Über die
Abzweige 34 werden aus dem Hauptnetz 27 heraus
die Schiffsantriebseinheiten, die in 4 nicht
gezeigt sind, mit elektrischer Energie versorgt. Es sei darauf hingewiesen,
dass die beiden im Schiffssicherungsbereich 22 und im Schiffssicherungsbereich 24 angeordneten,
zu den Schiffsantriebseinheiten führenden Abzweige 34 mit
Halbleiterschaltern 45 für unidirektionalen Strom versehen sind,
denen jeweils ein Leistungsschalter 32 zugeordnet ist.
Aus dem DC-Hauptnetz 27 werden des weiteren die drei Bordnetzzwischenkreise 35 mit elektrischer
Energie versorgt. Hierzu ist der Bordnetzzwischenkreis 35 im
Schiffssicherungsbereich 22 über einen Abzweig 36 an
das Hauptnetz 27 im Schiffssicherungsbereich 22 und über einen
Abzweig 36 an das Hauptnetz 27 im Schiffssicherungsbereich 23 angeschlossen.
In jedem dieser beiden Abzweige 36 ist ein Halbleiterschalter 45 für unidirektionalen Strom
in Kombination mit einem Leistungsschalter 32 und einer
Diode 46 angeordnet, wobei es sich bei der Diode 46 um
ein optionales Bauteil handelt, das der Entkopplung der Leitungen
zwischen verschiedenen Schiffssicherungsbereichen im Fehlerfall
dient.
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Der
Bordnetzzwischenkreis 35 im Schiffssicherungsbereich 23 ist über ebenfalls
zwei wie vorstehend beschrieben ausgestaltete Abzweige 36 an das
Hauptnetz 27 im Schiffssicherungsbereich 22 und
im Schiffssicherungsbereich 24 angeschlossen. Entsprechend
ist der Bordnetzzwischenkreis 35 im Schiffssicherungsbereich 24 über zwei
wie vorstehend beschrieben aus gestaltete Abzweige 36 an
das Hauptnetz 27 im Schiffssicherungsbereich 23 und
im Schiffssicherungsbereich 24 angeschlossen.
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Den
Bordnetzzwischenkreisen 35 in den Schiffssicherungsbereichen 22, 23, 24 ist
jeweils ein Energiespeicher 38 zugeordnet, der über einen
Halbleiterschalter 45 für
unidirektionalen Strom ge- bzw. entladen wird. Der Bordnetzzwischenkreis 35 jedes Schiffssicherungsbereiches 22, 23, 24 ist über einen Abzweig 40 an
drei AC 440 V 3~ 60Hz Bordnetz-Hauptgruppen 41 angeschlossen,
wobei in jedem Abzweig 40 ein DC/AC-Wandler bzw. Tiefsetzsteller 47 in
Verbindung mit einem Leistungsschalter 28 angeordnet ist. Über die
Verbraucherabzweige 42 werden aus den Bordnetzhauptgruppen 41 die
einzelnen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
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Bei
den in den 3 und 4 näher erläuterten
elektrischen Netzen 21 sind die in den unterschiedlichen
Schiffssicherungsbereichen 22, 23, 24 angeordneten
Teilnetze in geeigneter Weise miteinander gekuppelt. Für den Fall
eines Kurzschlusses im Schiffssicherungsbereich 22 wird
der Kurzschlussstromanteil aus dem Schiffssicherungsbereich 23 durch
den HTS-Strombegrenzer 31 in der Netzüberleitung 33 zwischen
dem Schiffssicherungsbereich 22 und dem Schiffssicherungsbereich 23 begrenzt;
durch diese Netzüberleitung 33 zwischen dem
Schiffssicherungsbereich 22 und dem Schiffssicherungsbereich 23 fließt nur noch
der begrenzte Strom, dabei bleiben der Schiffssicherungsbereich 23 und
der Schiffssicherungsbereich 24 ohne spürbaren Spannungseinbruch. Der
zusätzliche
Betrag des begrenzten Stromes muss im Selektivschutz des Generatorschalters
berücksichtigt
werden, das heißt, gegebenenfalls über Strom
durch den Generatorschalter. Entsprechendes ist dem Fachmann bekannt.
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Mittels
der Halbleiterschalter 37 bzw. 45 in den beiden
Abzweigen 36, mittels denen der Bordnetzzwischenkreis 35 im
ersten Schiffssicherungsbereich an das Hauptnetz 27 ange schlossen
ist, ist eine selektive Abzweigabschaltung möglich; sofern der Spannungseinbruch
kurz gehalten werden kann, kann gegebenenfalls das Hauptnetz 27 auch
im Schiffssicherungsbereich 22 aufrecht erhalten werden.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
die Unterverteilungen 41 gegebenenfalls über das
Kriterium Strom mit Halbleiterschaltern oder aber konventionell über Strom/Zeitstaffelung
zu schützen,
wobei hier die eingeleiteten Schutzmaßnahmen nach der Wichtigkeit
gewählt
werden.
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Aufgrund
der Funktion des HTS-Strombegrenzers 31 ist im Ernstfall
die Netzüberleitung 33 zwischen
dem Schiffssicherungsbereich 22 und dem Schiffssicherungsbereich 23 ausgeschaltet;
sie kann unmittelbar nach Klärung
des fehlerhaften Abzweigs mittels der Halbleiterschalter 37 bzw. 45 wieder
eingeschaltet werden.
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Jeder
HTS-Strombegrenzer 31 hat im supraleitenden Zustand einen
nicht messbaren, vernachlässigbar
kleinen elektrischen Widerstand. Im Falle eines Stromes, der oberhalb
des Bemessungsstroms liegt, steigt der elektrische Widerstand des HTS-Strombegrenzers 31 sprungartig
an, bis sein supraleitender Zustand in seinen normalleitenden Zustand überwechselt.
Der HTS-Strombegrenzer bzw. dessen Supraleiter nimmt dann einen
endlichen Widerstand an, bis er wieder zurückgekühlt wird.
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In
einem Stromnetz wird der HTS-Strombegrenzer 31, wie in
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, in Verbindung
mit einem galvanisch trennenden Element mit Ausschaltvermögen eingesetzt;
im Falle der Ausführungsbeispiele
ist als solches der Leistungsschalter 32 vorgesehen. Hier ist
ggf. auch der Einsatz von Lastschaltern möglich.
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Zum
Schutz einer Elektroenergieerzeugungseinheit oder eines Verbrauchers
kann eine Kombination aus einem HTS-Strombegren zer, einem Halbleiterschalter
und einem Leistungs- bzw. Lastschalter vorteilhaft sein.
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Bei
den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen elektrischen
Netzes 21 handelt es sich um Schiffsnetze, die nicht nur
auf Marine(Navy)-Schiffen, sondern auch auf Küstenwachbooten, Fischereischutzbooten, also
auf allen möglichen
Schiffen, die hoheitliche Aufgaben auf hoher See vornehmen und evtl.
beschossen werden, zum Einsatz kommen können. Als Vorzugsvariante ist
die in 4 angegebene Kombination aus AC- und DC-Netzen
anzusehen.
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Als
Elektroenergieerzeugungseinheiten können beispielsweise Brennstoffzellen,
Gasturbosätze und
Dieselgeneratorsätze
zum Einsatz kommen. Die Energiespeicher 38 können beispielsweise
in Form von Batterien, Kondensatoren, Schwungradgeneratoren, supraleitenden
Magnetenergiespeichern etc. ausgeführt sein, wobei allen genannten
Energiespeichern im Falle der in 4 gezeigten
Vorzugsvariante gemeinsam ist, dass sie über Halbleiterschalter 45 zur
Reserveenergieeinspeisung an die zugeordnete Verbraucherebene zugeschaltet
werden müssen.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Spannungsebenen, vorzugsweise
für Übertragungsleistungen
möglich,
die jeweils von dem Einsatz- und Aufgabengebiet des auszurüstenden
Schiffes abhängen.
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Das
Schiffsnetz hat ein Erdungs- und Potentialsystem, welches nach einer
der Varianten nach VDE DIN bzw. IEC ausgeführt wird; vorzugsweise hat das
Schiffsnetz einen isolierten Sternpunkt bei AC-Mittel- bzw. Niederspannung,
wobei für
Gleichspannungsnetze ebenfalls ein isoliertes System (IT-Netz) möglich ist.
Das isolierte System ist bevorzugt, weil ein Erdschluss einer Phase
nicht sofort zum Kurzschluss führt.
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Die
HTS-Strombegrenzer können
an Energie-Quellen, z.B. an Generatoren, Batterien, Brennstoffzellen
od.dgl. angeordnet werden, vorzugsweise sind sie jedoch in Kupplungen
oder Überleitungen anzuordnen.
Die Halbleiterschalter können
ebenfalls an Energie-Quellen, z.B. Generatoren, Batterien, Brennstoffzellen,
in Kupplungen oder Überleitungen angeordnet
werden; vorzugsweise können
derartige Halbleiterschalter jedoch in Abzweigen mit unidirektionaler
Stromrichtung angeordnet werden, wobei sie so dimensioniert werden,
dass ein selektiver Schutz realisiert werden kann.
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In
den 5 bis 9 werden in Beispielsform die
unterschiedlichen Ausgestaltungen des Systems in Abhängigkeit
von den Schiffsgrößen der
unterschiedlichen Marine-Schiffe gezeigt.
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5 zeigt
ein Netz und eine Antriebskonzeption einer Fregatte; 6 das
Netz und die Antriebskonzeption einer Korvette; 7 das
Netz und die Antriebskonzeption eines Schnellboots; 8 das
Netz und die Antriebskonzeption eines unbemannten Kampfboots in
größerer Form
und 9 das Netz und die Antriebskonzeption eines kleineren unbemannten
Kampfboots.
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In
den 5 bis 9 bezeichnet jeweils 51 die
Energieerzeugung mit Brennstoffzellenanlagen, 52 die Energieerzeugung
mit Gasturbinengeneratoren (wahlweise auch mit Dieselgeneratoren)
sowie 53 das Fahrnetz, das an die Brennstoffzelle angeschlossen
ist, sowie 54 das Fahrnetz, das an den Gasturbinengenerator
angeschlossen ist. 55 bezeichnet die Marschfahrtantriebe, 56 die
Höchstfahrtantriebe
und 57 einen Hilfsantrieb. 58 bezeichnet die Waffensysteme
und 59 die E-Werke für
die Niederspannung. Die einzelnen Aggregate sind jeweils in Schiffssicherungsbereichen
angeordnet, die mit SSB1, SSB2, SSB3 und SSB4 bezeichnet sind. Im Prinzip
handelt es sich um die bereits vorstehend beschriebenen Aufteilungen,
die mit den in den 3 und 4 detailliert
beschriebenen Siche rungskomponenten versehen werden. Die Größe und Anzahl der
einzelnen Aggregate und Komponenten sind jeweils von der Schiffsgröße sowie
gegebenenfalls auch von dem speziellen Einsatz der unterschiedlichen
Schiffe abhängig.
In den 5 bis 9 werden besonders vorteilhafte
Ausgestaltungen gezeigt, es versteht sich jedoch für den Fachmann,
dass abweichende, von den Grundprinzipien der Erfindung Gebrauch
machende Ausgestaltungen mit in den Schutz einbezogen werden sollen.
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Desgleichen
versteht sich für
den Fachmann, dass nicht nur Schiffe mit POD-Antrieben, sondern
auch Schiffe mit Innenbordmotoren entsprechend der Erfindung elektrisch
ausgerüstet
werden.
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HTS-Innenbordmotoren
werden dabei vorteilhaft mit sehr kurzen Propellerwellen ausgeführt, d.h.,
die Motoren werden in dem Bereich angeordnet, in dem sich bei konventionell
ausgerüsteten
Schiffen die Wellentunnel befinden. So kann sehr vorteilhaft von
den geringen Gewichten und Abmessungen der elektrischen Motoren
in HTS-Technik Gebrauch gemacht werden. Dabei können die Wasserstrahlantriebe
entfallen oder durch spezielle Propellerantriebe ersetzt werden.