-
-
Verfahren und Anlagen zur Stromversorgung eines
-
Wechselstromnetzes mit einem Dieselmotor
Verfahren
und Anlagen zur Stromversorgung eines Wechselstromnetzes mit einem Dieselmotor.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Hauptanspruches
und eine Stromversorgungsanlage gemäss Oberbegriff des Anspruchs 5.
-
Bei 3-phasigem Netz, wo der Generator eine Synchronmaschine ist, z.B.
3-phasigem Netz auf Schiffe, wo der Generator ein von dem Schiffsmotor getriebener
Wellengenerator ist, hat man im allgemeinen das Problem, dass die Welle keine konstante
Drehzahl hat, sondern eine Drehzahl, die von vielen verschiedenen Verhältnissen
abhängig ist, z.B. der Geschwindigkeit des Schiffes, dem gewünschten Neigungswinkel
von den Schraubenflügeln, dem Manövrieren des Schiffes u.s.w.
-
Viele verschiedenen Verfahren und Anlagen für Stromversorgung von
Schiffen sind bekannt, wo ein oder mehrere Synchrongeneratore mittels Wechselgetriebe
oder dengleichen Zukuppelungsvorrichtungen an die Hauptmaschine gekuppelt sind.
Der Hauptmotor des Schiffes wird in dieser Weise durch den Wellengenerator die notwendige
elektrische Leistung liefern, wenn das Schiff segelt.
-
Wenn das Schiff nicht segelt, z.B. wenn es im Hafen oder für Anker
liegt, hat man sogenannte Hilfsaggregate bestehend aus einem kleineren Dieselmotor,
der einen Generator antriebt und dadurch das Schiff mit der für den Betrieb nötigen
Elektrizität versorgt.
-
Wenn man einen Synchrongenerator als Wellengenerator verwendet, sind
besondere Veranstaltungen notwendig, sobald die Hauptmaschine auf die für die synchrone
Frequenz entsprechende Umlaufszahl nicht gehalten wird.
-
an kann Z.B. das Schiff mittels den Hilfsaggregaten mit Strom versorgen
bei Umstellen der Stromproduktion vom Wellengenerator an die Hilfsaggregate. Man
kann auch ein Ward-Leonard System zwischen der Hauptmaschine und dem Wellengenerator
verwenden, wodurch der Generator auf die synchrone Umlaufzahl gehalten wird, Stromversorgungsanlagen
mit Wellengeneratoren sind bekannt, wo der als 3-phasiger Wechselstromgenerator
ausgeformte Wellengenerator mit verschiedenen Drehzahlen rotiert und von einem Drehfeld
magnetisiert wird, dessen Grösse und Frequenz in einer solchen Weise eingestellt
ist, dass in dem vom Wellengenerator versehenen 3-phasigen Netz mit einer konstanten
Spannung konstanter Frequenz versehen wird. Solche Anlagen sind bedeutend kostspieliger,
besonders wenn sie für kleine nominellen Drehzahlen hergestellt sind. Es ist ferner
ein Nachteil, dass zum Erzeugen des in Frequenz und Grösse wechselnden Drehfelds
für Magnetisieren des Wellengenerators eine kostspieligere Wechselrichteranlage
notwendig ist.
-
Ferner ist ein Wellengenerator bekannt, der als Gleichstrommaschine
ausgeformt ist. Mittels einem Gleichstrommotor, der einen 3-phasigen Wechselstromgenerator
treibt, wird das Schiffsnetz mit 3-phasigem Wechselstrom versehen.
-
Durch Regelung der Magnetisierung der Gleichstrommaschine wird die
Frequenz konstant gehalten, und durch Regelung de Magnetisierung des 3-phasigen
Wechselstromgenerators wird die Spannung im Schiffsnetz konstant. Auch diese
Wellengeneratoranlage
mit Kommutatormaschinen ist verhältnismässig kostspielig und fordert vielen Platz
sowie konstante Ueberwachung.
-
Ferner ist eine Wellengeneratoranlage bekannt wo der Wellengenerator
den 3-phasigen Wechselstrom hervorbringt, der gleichgerichtet wird, und dann mittels
einem selbststeurenden Wechselrichter wieder an 3-phasige Wechselspannung geändert
wird. Selbststeurende Wechselrichter sind aber kostspielig und kompliziert:,. weil
Mitteln für Hervorbringen des Blindstroms und Kommutierungsstroms notwendig sind.
Um eine einigermassen sinusgeformte Ausgangsspannung zu erreichen, sind noch Filterkreise
notwendig. Schliesslich ist es schwierig, Schutzveranstaltungen gegen Kurzschluss
vorzunehmen, indem der selbststeurende Wechselrichter nicht imstande ist, einen
Kurzschlussstrom abzugeben, der die Sicherungen schmelzen kann.
-
Die obenerwähnten Stromversorgungsanlagen fordern verschiedene Hilfsgeräte,
die teils ein verteurendes Zusatzlenk in der Stromversorgungsanlage sind, und die
teils Ueberwachung erfordern, und die übrigens auch Betriebsenergie erfordern. Mehrere
dieser bekannten Anlagen sind ziemlich energiebedürfend, und einige davon arbeiten
die ganze Zeit mit voller Leistung, auch wenn kein Bedarf hierfür ist. Dadurch wird
eine ziemlich grosse Leistung verloren.
-
Zweck der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Anlage für Stromversorgung
von 3-phasigem Netz, vorzugsweise aber nit.ht ausschl.iessend tinem 3-phasigen Netz
für Schiff'c anzugeben, wo ein Wellengenerator von der Ausgangswelle des Motors
getrieben ist im Verhältnis zu den bekannten
Anlagen eine brennstoffwirtschaftliche
Erzeugung elektrischer Leistung mit einer innerhalb der gewöhnlich festgesetzten
Grenzen liegenden Frequenz ereicht wird und wo es nur notwendig ist, an Aggregatbetrieb
umzuschalten, wenn der Hauptmotor ganz stillsteht.
-
Dies wird erfindungsgemäss erreicht, wenn man wie im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegeben hervorgeht, z.B. bei Verwendung einer Anlage wie
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 näher angegeben. In dieser Weise wird zwischen
der Ausgangswelle des Dieselmotors und de Synchrongenerator ein Planetengetriebe
angebracht, und mittels der dritten Welle des Planetengetriebes wird die Ausgangswelle
des Getriebes gebremst oder beschleunigt, sodass seine Drehzahl - und damit die
Drehzahl des Synchrongenerators - immer innerhalb den gewöhnlich festgesetzten Grenzwerten
liegen.
-
Hierdurch wird es immer möglich, den Schiffsmotor an die wirtschaftlichste
Drehzahl und die Propelle in geeigneteste Neigung einzustellen, beruhend von der
Geschwindigkeit, womit man wünscht, das Schiff zu segeln, und dennoch beinahe immer
das ganze 3-phasige Netz des Schiffes mit Strom von dem Wellengenerator zu versehen,
ohne die Hilfaggregate zu verwenden. Viele Schiffe, besonders Schiffe mit Zweitaktdieselmotoren,
die unter Verhältnisse segeln, wo die Maschine oft manövriert wird, müssen Hilfaggregate
grösstenteils während der Segelzeit verwenden mit schlechter Brennstoffwirtschaft
zufolge. Bei einigen Schiffen wird die Motordrehzahl nach dem Generator des Schiffes
eingestellt - sodass die Wechselstromfrequenz innerhalb den zulässigen Grenzen liegt.,
wodurch die Neigung des Schraubeflügeis gestellt werden muss, um die gewünschte
Geschwindigkeit zu erreichen, mit schlechter Brennstoffwirtschaft zufolge.
-
Mit einem Verfahren und einer Anlage gemäss der Erfindung werden diese-viele
verschiedenen Kompromissen vermieden, und es wird möglich, unabhängig von der Motordrehzahl
immer 3-phasige Leistung von dem Wellengenerator mit korrekter Frequenz zu erreichen.
-
Wenn man wie im Anspruch 2 angegeben hervorgeht, z.B.
-
unter Verwendung von einer Anlage nach Anspruch 6, wird eine einfache
Regelung der Drehzahl auf die Divergenzwelle des Planetengetriebes erreicht, Die
Regelungssignale können unmittelbar vom Synchrongenerator erhalten werden, z.B.
von seinem Vormagnetisierungsgenerator oder von anderen Stellen im Generator.
-
Man kann auch wie im Anspruch 3 angegeben hervorgehen, z.B. bei Verwendung
von einer Anlage gemäss Anspruch 7.
-
Hierbei wird vermieden, Eingriff zu machen oder direkte Anschlüsse
an die Synchronmaschine vorzunehmen, um die notwendigen Regulierungssignale zu erhalten,
weil diese von einem Tachometergenerator an dieselbe Welle wie die Synchronmaschine
gekuppelt zu entnehmen sind.
-
Falls man wie im Anspruch 4 angegeben hervorgeht, z.B.
-
bei Verwendung einer Anlage gemäss Anspruch 8, kann die Grösse des
Gleichstrommotors minimiert werden. Ein Gleichstrommotor soll verhältnismässig gross
sein, um den notwendigen Moment bei niedriger Drehzahl zu liefern, sonst muss der
Motor separat gekühlt werden.
-
Wenn die Anlage wie angegeben ausgeformt wird, werden die niedrigsten
Drehzahlen ganz vermieden, weil ein Stillstandsbereich des Gleichstrommotors elektrisch
abgesperrt ist.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert
durch zwei. verschiedenen Ausführungsformen.
-
is zeigt: Fig. 1 ein Blockschema einer ersten Ausführungsform für
die Erfindung, Fig. 2 ein Blockschema für eine andere Ausführungsform für die Erfindung,
und Fig. 3 eine Kurve über die Drehzahl für die Divergenzwelle des Planetengetriebes
als Funktion der iXtordrehzahl.
-
In Fig. 1 und 2 ist eine Schraubenwelle oder eine Ausgangswelle des
Schiffsmotors mit B bezeichnet, die an Eingangswelle 1 auf einem grossen Planetengetriebe
2 gekuppelt ist. Die Ausgangswelle 11 des Planetengetriebes ist an einen Synchrongenerator
3 gekuppelt, der 3-phasige Wechselstromleistung an das Netz A des Schiffes hervorbringt.
Um die korrekten Drehzahlen zu erhalten, können geeignete Getrieberäder sowohl im
Eingang als im Ausgang des Planetengetriebes 2 eingeschoben werden, weil die Drehzahl
für einen Schiffsdieselmotor ungefähr 60-100 Umdrehungen per Minut ist, und der
Synchrongenerator für die 3-phasigen Wechselstrome eine Drehzahl auf der Eingangswelle
von z.B. 1500 oder 1800 Umdrehungen/ Minut haben soll, um Wechselspannungen bei
50Hz oder 60Hz zu generieren. Das Getriebe 2 ist übrigens ein allgemeines Planetengetriebe
mit einer dritten Welle 10 in Eingriff mit der grossen Zahnkrone im Planetengetriebe.
Wenn die Welle 10 stillsteht, besteht ein festes Getriebeverhältnis zwischen der
Eingangswelle 1 und der
Ausgangswelle 11. Falls die Welle 10 den
einen Weg herum läuft, wird ihre Drehzahl an die Ausgangswelle addiert, und wenn
die Welle 10 den entgegengesetzten Weg herum läuft, wird ihre Drehzahl von der Ausgangswelle
abgezogen.
-
In dieser Weise kann man eine passende Drehzahl von der Drehzahl der
Ausgangswelle 11 erhöhen oder vermindern, sodass der zugekuppelte Generator 3 immer
auf die synchrone Drehzahl läuft, jedenfalls innerhalb der für die Frequenz zulässigen
und festgesetzten Grenzen.
-
Die Welle 10 wird von einem Gleichstrommotor 8 getrieben, der durch
die Leitung 7 von einem Wechselrichter 6 mit Strom versehen wird. Dieser Wechselrichter
wird durch die Leitung 5 mit 3-phasigem Strom vom Generator 3 mit Leistung versehen
und entweder von Regelungssignalen durch die Leitung 9 (Fig.1) direkt vom Generator
3 gesteuert, z.B. vom Vormagnetisierungsgenerator, oder durch eine Leitung 13 (Fig.2)
von einem Tachometergenerator 12 gesteuert, die auf dieselbe Welle als die Synchronmaschine
3 angebracht ist.
-
Wenn die Drehzahl auf die Eingangswelle 1 variiert wird, wird eine
passende Erhöhung oder Verminderung der Drehzahl des Motors 8 durch die dritte Welle
10 erreicht, sodass die Ausgangswelle 11 immer den Synchrongenerator mit einer Drehzahl
betriebt, die innerhalb der zulässigen Grenze liegt. Falls es sich um einen Generator
3 mit einer angegebenen Leistung von 1.000 kW handelt, sollen der Motor 8 und der
Versorgungskreislauf 6 bis etwa 200 kW liefern können, d.h. ungefähr 20% der angegebenen
Leistung. Hierbei kann das Regulierungssystem in einem sehr grossen Bereich der
Motordrehzahl fungieren, im grossen und ganzen alle technisch möglichen Drehzahlen
von Leergang bis maximum Drehzahl des Schiffsmotors.
-
Ein Gleichstrommotor kann doch beinahe bei jeder Drehzahl einen konstanten
Moment liefern, soll dies aber auch der Fall sein bei sehr niedrigen Drehzahlen,
werden technische Probleme entstehen, weil der Motor unverhältnismässig gross wird
oder mit einem besonderen System für forcierte Kühlung versehen werden soll.
-
Es ist deshalb vorteilhaft möglich, die Grösse des Gleichstrommotors
zu vermindern bei Auslassung eines Bereich um 0 Drehung/Min. herum, z.B. den Bereich
von -200 bis +200 Drehung/Min., wo das Vorzeichen nur die Umlaufsrichtung angibt.
Dies wird erreicht bei Einführung von einem einfachen Hysteresekreislauf entweder
unmittelbar im Wechselrichter 6 oder in einem separaten Kreislauf in der Leitung
9 oder 13 angebracht. Die Hysteresefunktion ist in Fig. 3 gezeigt, wo eine im wesentlichen
geradelinie Kurve 18 die Drehzahl der Welle 10 oder die Drehzahl in Drehung/Min.
als Funktion der Drehzahl/Min. des Dieselmotors zeigt. Wenn die Drehzahl der Welle
10 von einem negativen Wert den Punkt 16 erreicht, verbleibt die Drehungszahl konstant
-200 Drehung/ Min., bis die Netzfrequenz den Grenzwert des Toleranzbereichs erreicht,
und hier erhöht sich die Drehzahl der Welle 10 vom -200 bis +200 (Punkt 17), und
die Netzfrequenz wird in einem kleinen Sprung berichtigt. Dasselbe geschieht, wenn
die Drehzahl des Schiffsmotors von positiven Werten gegen 0 herabfallend ist. Das
Regulierungssystem kann somit in den Punkten 14 und 15 bei 0 Drehung/Mih des Motors
8 nicht gestoppt werden. Hierdurch entsteht ein kleiner Sprung in die Netzfrequenz,
die Anlage aber ist selbstverständlich in der Weise konstruiert, dass dieser Sprung
innerhalb dem zulässigen Bereich für Abweichung in der Netzfrequenz liegt z.B.
-
+
Wie früher erwähnt kann das Regelungssystem recht
grosse Leistungen zurückführen, die selbstverständlich nicht verloren werden. Die
einzigen entstehenden Verluste betragen 2-4 in dem Planetengetriebe und ganz wenige
Prozentverluste im Gleichstrommotor und Wechselrichter 6. Die Verluste werden unter
keinen Umständen 10% übersteigen. Falls der Gleichstrommotor 8 mit negativer Umlaufs
zahl läuft, d. h. dass er die Drehzahl der Ausgangswelle 11 herabsetzt, kann die
Energie des Gleichstrommotors, der in diesem Falle als Generator läuft, auch dadurch
verwendet werden bei Ueberleiten der generierten Effekt an den Hauptgenerator 3.
-
Der Regelungskreislauf, der eine geschlossene, zurückgekuppelte Schleife
ausmacht, soll selbstverständlich dimensioniert und gegebenenfalls mit besonderen
Mitteln ausgebildet werden, um Pendling zu vermeiden, besonders nach grossen und
plötzlichen Umstellungen oder nach Sprung in der Drehzahl für den Motor 8, vergl.
die Erläuterung zu Fig. 3.
-
- Leerseite -