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Elektrischer Schiffsschraubenantrieb mittels je zwei in gleicher Weise
ausgeführter polumschaltbarer IVIehrphasen-Induktionsnrotoren mit Kurzschlußanker
für jede Schraube. Der Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Schiffsschraubenantrieb
mittels polumschaltbarer Mehrphasen-Induktionsmotoren mit Kurzschlußanker. Gemäß
der Erfindung besitzt jeder Motor der Schiffsschrauben einen Ständer für drei Polzahlen
und einen als Kurzschlußanker ausgebildeten Läufer, der für die beiden kleineren
Polzahlen niedrigen und für die größte Polzahl hohen Ohmschen widerstand besitzt.
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Die beiden kleineren Polzahlen entsprechen den beiden Hauptgeschwindigkeiten
des Schiffes, der Höchstgeschwindigkeit und der sogenannten Marschgeschwindigkeit.
Damit die Turbogeneratoren; die den Strom für die Motoren der Schiffsschrauben liefern,
in beiden Fällen mit ihrer normalen, dem günstigsten Dampfverbrauch entsprechenden
Drehzahl arbeiten, stehen die beiden Polzahlen im umgekehrten Verhältnis der beiden
Hauptgeschwindigkeiten des Schiffes, d. h., da die Marschgeschwindigkeit zj$ b1@
3@q der Höchstgeschwindigkeit beträgt, stehen die Polzahlen im Verhältnis 3 : 2
oder 4:3. Die dritte Polzahl dient hauptsächlich zum Reversieren und Manövrieren,
auch zur Fahrt mit ganz geringen Geschwindigkeiten. Zwischengeschwindigkeitenzwischen
den Hauptstufen können durch Regeln der Drehzahl der Turbinen erzielt werden.
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Beim Ingangsetzen des Schiffes aus der Ruhe werden die Motoren der
Schiffsschrauben zusammen mit den Turbogeneratoren angelassen; sie arbeiten hierbei
mit kleiner Schlupffrequenz, und es ist daher kein Anlaßwiderstand im Rotor erforderlich,
um das Beschleunigungsmoment zu erzielen. Vor` Ingangsetzung wird mittels des Polumschalters
die der beabsichtigten Fahrtgeschwindigkeit entsprechende Polzahl eingestellt, und
die Rotorwicklung hat für die beiden Hauptgeschwindigkeitsstufen den niederen Ohmschen
Widerstand, den der hohe Wirkungsgrad bei voller Fahrt verlangt.
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Schwieriger sind die Anforderungen beim schnellen Anhalten und beim
Reversieren, wobei die Schiffsschrauben in möglichst kurzer Zeit durch Gegenstrombremsung
ihrer Motoren zum Stillstand bzw. in Gegendrehung gebracht werden, um das in voller
Fahrt befindliche Schiff zu bremsen.
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Zur Gegenstrombremsung .der Motoren wird der Drehsinn des Statordrehfeldes
durch Vertauschung der Reihenfolge der Statorphasen umgekehrt, so daß der Motor
nun gegen das Drehfeld läuft. Um bei der hohen Schlupffrequenz' die zur Erzielung
eines hohen Bremsmomentes günstige Phase des Rotorstromes gegenüber dem Felde zu
erhalten, ist ein größerer Rotorwiderstand erforderlich. Die im Rotorwiderstand
verzehrte elektrische Leistung ist bei der Gegenstrombremsung um einen Betrag größer
als die mechanische Bremsleistung, der sich zu dieser verhält wie die Drehzahl des
Drehfeldes im Motor zur Drehzahl des Rotors. Die gesamte erzeugte Wärme kann also
bei gegebener Bremsleistung verkleinert werden durch Verkleinerung der Drehzahl
des Drehfeldes, was durch Umschaltung auf die dritte größte Polzahl des Motors erzielt
wird. "Bei der Umschaltung in Gegenstrombremsung
wird daher sowohl
der Drehsinn des Drehfeldes umgekehrt als auch zur größten Polzahl übergegangen,
und bei dieser Polzahl hat die Kurzschlußwicklung des Rotors infolge ihrer besonderen
Ausbildung einen hohen Ohmschen Widerstand. Diese dritte Polzahl kann etwa doppelt
so groß gewählt werden wie die für die Höchstgeschwindigkeit, so daß man drei Polzahlen
etwa im Verhältnis z:3:4 oder 3:4:6 erhält.
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Die Umschaltung in drei Polzahlen kann entweder mittels zweier Statorwicklungen
hergestellt werden, wovon die eine für eine Polzahl dient, während die zweite für
die beiden anderen Polzahlen umschaltbar ist, oder es kann eine für drei Polzahlen
umschaltbare Wicklung verwendet werden, um totes Kupfer zu sparen und die Ausnutzung
der Maschine zu verbessern. Dreiprasige Wicklungen für drei Polzahlen, die bei allen
Polzahlen gut ausgenutzt sind, erhalten jedoch im allgemeinen eine große Anzahl
Wicklungsenden und Schaltstellen; man kann diese Zahl wesentlich herabsetzen, wenn
man jeder Polzahl eine entsprechende Phasenzahl zuordnet, d. h. mit der Polzahl
der Moto--en auch die Phasenzahl der= Generatoren ändert. Dies ist beim Schiffsantrieb
ohne weiteres möglich, weil die Generatoren ausschließlich zum Antrieb der Schiffsschraubenmotoren
dienen. Die Erhöhung der Zahl der Wicklungsenden am Generator wird reichlich durch
die Verminderung derselben am Motor aufgewogen. Polumschalter der Motoren und Phasenumschalter
der Generatoren werden gemeinsam gesteuert.
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Die Zuordnung von Phasenzahl und Polzahl geschieht derart, daß das
Produkt aus Grundzahl der Polpaarzahl und Phasenzahl konstant ist. Für Polzahlen
im Verhältnis 3:4:6 erhält man z. B. die Phasenzahlen 4, 3, 2 oder 8, 6, 4 usf.
Die bei Erhöhung der Phasenzahl erforderliche Vergrößerung der Anzahl Verbindungsleitungen
ist nur scheinbar, denn bei den großen Stromstärken, die bei den hohen Leistungen
auftreten, ist eine Unterteilung der Leitungen und Schalterkontakte ohnehin erforderlich.
Da außerdem mit der Phasenzahl die Ausnutzung der Maschinen besser wird, gewinnt
man den Vorteil erhöhter Ausnutzung gerade bei der kleinsten Polzahl, d. h. bei
den höchsten Leistungen.
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Die Ausbildung der Rotorkurzschlußwicklung, die bei den kleinen Polzahlen
einen kleinen, bei der größten Polzahl einen hohen Ohmschen Widerstand hat, kann
in bekannter Weise durch Übereinanderlagerung einer vielphasigen Kurzschlußwicklung
von niederem Widerstand und einer Käfigwicklung von hohem Widerstand erfolgen, wobei
die Stäbe in den Nuten gemeinsam sein können. Dabei hat die erste Wicklung eine
Spulenweite gleich der doppelten Polteilung bei der größten Polzahl, so daß :ie
bei dieser nicht wirkt, sondern lediglich die zweite, bei den kleineren Polzahlen
ist der Schritt der ersten Wicklung gleich der Polteilung bzw. etwas verlängert
oder verkürzt, sie ist dann voll wirksam und führt den größten Teil des Stromes,
während die zweite wegen ihres hohen Widerstandes sich nur in geringem Maße an dem
Strom beteiligt.
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Die Zahl der Motoren für jede Schraubenwelle kann bei diesem System
je nach den praktischen Anforderungen beliebig gewählt werden; bei kleineren Leistungen
kann man sich auf einen Motor beschränken. Er ist dann freilich bei verminderter
Fahrtgeschwindigkeit nur schwach belastet, weil die Leistung der Schiffsschraube
mit der Geschwindigkeit sehr schnell abnimmt. Bei größeren Leistungen wird man daher
schon mit Rücksicht auf die Reserve zwei Motoren der geschilderten Bauart für jede
Welle vorsehen, die für je die Hälfte der Höchstleistung bemessen sind, so daß bei
verminderter Geschwindigkeit mit einem Motor gefahren werden kann, der dann wieder
voll belastet ist, während der zweite leer mitläuft. Beim Gegenstrombremsen kann
dann je nach Größe der erforderlichen Bremskraft mit einem Motor oder mit beiden
Motoren zusammen gearbeitet werden.
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Die Zeichnung zeigt das Schaltschema für einen Schiffsantrieb nach
der Erfindung. Darin ist A der Generator, dessen Phasenzahl von 2 auf 3 und 4 geändert
werden kann. Der Motor besitzt eine Statorwicklung B von umschaltbarer Pblzahl und
einen Kurzschlußrotor C und kann über den Schaltapparat D an den Generator A angeschlossen
werden. Zur Erzielung der kleinsten Geschwindigkeit, wird die zwölfpolige Wicklung
12 mittels des i umzuschaltenden Teils in der Schaltwalze D an die zweiphasige Generatorwicklung
2 angeschlossen; durch Umlegen des Umschalters m kann der Motor B C für die Rückwärtsfahrt
des Schiffes reversiert werden. Die zwölfpolige Statorwicklung induziert nicht die
in sich geschlossenen Rotorspulen p von kleinem Ohmsehen Widerstand, deren Wicklungsschritt
entsprechend sechs Polen bemessen ist, sondern die Käfigankerwicklung mit den Kurzschlußringen
q und den Widerstandsverbindungen y. Die nächste Geschwindjgkeit wird durch
Anschluß der achtpoligen Motorwicklung 8 an die dreiphasige Generatorwicklung 3
mittels des Schalterteils n bewirkt, und die Höchstgeschwindigkeit wird erzielt,
indem man die sechspolige Motorwicklung 6 über den Schalterteil o von der vierphasigen
Generatorwicklung 4 speist. In den beiden letzteren Schaltungen wird die niederohmige
Wicklung P des Rotors C induziert.
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Das Schema zeigt sowohl die Wicklungen
2, 3, q. des
Generators A als auch die Wicklungen 6, 8, =2 des Motors B getrennt; diese Wicklungen
können, wie erwähnt, in bekannter Weise ganz oder teilweise vereinigt werden; wie
das gemacht werden kann, soll nicht patentiert werden. Derartige Schalturigen sind
nicht in die Zeichnungen aufgenommen worden, weil sie die Figur undeutlich machen
würden.
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Dieses System hat gegenüber sonst bekannt gewordenen Schiffsantrieben
mit polumschaltbaren Induktionsmotoren mit Kurzschlußankern bedeutende Vorzüge.
Es wurde z. B. vorgeschlagen, die drei Geschwindigkeitsstufen mittels zweier Motoren
für jede Welle derart zu erzielen, daß jedQr Motor zwei Polzahlen hat, wobei die
für die Höchstgeschwindigkeit bestimmte, bei der die Motoren parallel arbeiten müssen,
beiden gemeinsam sind, während die für die Marschgeschwindigkeit und die für das
Reversieren nur bei je einem vorhanden ist, wobei auch nur eine einen für das Reversieren
erforderlichen höheren Läuferwiderstand hat. Bei diesem System wird beim Parallelarbeiten
der Motoren bei der höchsten Leistung die Belastung sich ungleichmäßig auf die Motoren
verteilen, weil der mit dem kleinen Läuferwiderstand das größere Drehmoment abgibt;
dagegen ist bei dem System gemäß der Erfindung die gleichmäßige Verteilung der Belastung
durch vollständig gleiche Ausführung der Motoren einer Welle gewährleistet. Ferner
können beim Bremsen beide Motoren parallel arbeiten, es wird somit nicht nur die
größtmögliche Bremskraft ausnutzbar, sondern es werden auch durch Verteilung der
beim Abbremsen in Wärme umgesetzten Energie auf beide Maschinen bei gleicher Bremskraft
wesentlich geringere Temperaturen erreicht, oder bei gleichen zulässigen Temperaturen
ist weniger wärmeaufnehmende Masse erforderlich. Endlich bietet das neue System
gegenüber dem bekannten wesentlich mehr Reserve bei Beschädigung eines Motors. Es
kann dann mit dem zweiten Motor sowohl gebremst als auch mit der mittleren Geschwindigkeit
gefahren werden, während im gleichen Falle bei dem bekannten System entweder nur
das eine oder das andere möglich ist.