DE3536448A1 - Stromversorgungsanlage mit einem wellengenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Stromversorgungsanlagen arbeiten überwiegend mit einem Wellengenerator variabler Drehzahl, einem Gleichstromzwischenkreisumrichter zur Frequenzentkopplung und einer Blindleistungsmaschine, die die Netzblindleistung und die Steuer- bzw. Kommentierungsblindleistung des Umrichters liefert. Eine solche Anlage ist von W. Brandes in der Zeitschrift "Hansa", 1969 Heft Nr. 10, Seiten 905-907 mit dem Titel "Wellengeneratoren" in vollautomatisierten Bordnetzen" beschrieben worden. Die Blindleistungsmaschine in dieser Anlage wird mit einem Anwurfmotor vom Bordnetz gestartet. Der Wellengenerator ist in vielen Fällen ein Synchrongenerator ohne Polraddämpferkäfig. Die beschriebene Anordnung hat den Nachteil, daß sie nur mit Hilfe des Bordnetzes gestartet werden kann, einen relativ ungünstigen Wirkungsgrad aufweist und keine Notlaufeigenschaft hat. Außerdem liefert sie oberschwingungshaltigen Strom ins Bordnetz.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wurde gemäß PCT Anmeldung WO 83/02099 der Vorschlag gemacht, den Umrichter nur für die Speisung empfindlicher Verbraucher einzusetzen, die eine hohe Frequenz- und Spannungskonstanz erfordern. Das übrige Netz wird beim Einsatz eines Wellengenerators mit Dämpferkäfig dann von diesem direkt versorgt, wobei die Spannung proportional zur Drehzahl geregelt wird. Dies ist nur für einen relativ geringen Drehzahlbereich der Propellerwelle möglich, da die Leistung der Pumpenantriebe kubisch und die der ohmschen Verbraucher quadratisch von Frequenz bzw. der Spannung abhängig ist. Außerdem sind im Gleichrichterteil des Umrichters steuerbare Ventile einzusetzen.

Aus Energiespargründen werden Bordnetze für Schiffe in zunehmenden Maße mit Gleitfrequenzbetrieb gefahren, indem die Frequenz und Spannung im zulässigen Toleranzbereich von +5 bis -6% verändert wird, um den elektrischen Verbrauch, der bei Pumpen und Lüftern mit der dritten Potenz der Drehzahl absinkt zu minimieren und Verstellpropeller im Teillastbereich effektiver im Kombinatorbetrieb zu betreiben. Die Bordnetzversorgung erfolgt dann über Synchronwellengeneratoren. Da die Schiffe aber im allgemeinen ein Fahrprofil haben, das bis ca. 40% mit Teillast, d. h. auch unter 6% unter Nenndrehzahl gefahren wird, würde bei Verstellpropellerschiffen eine wesentliche Energieeinsparung bei diesen Fahrstufen erreicht werden können, wenn man die Drehzahl mit der verminderten Fahrt absenken und trotzdem die Bordnetzenergie über Wellengeneratoren und damit mit billigerem Schweröl der Hauptmaschine erzeugen könnte.

Frequenzentkoppelte Wellengeneratoren mit mechanischem Überlagerungsgetriebe oder als elektrische Lösung sind dazu in der Lage. Sie haben aber den Nachteil, auch in dem Teil des Fahrprofils, in dem mit Nenndrehzahl oder nahezu mit Nennfahrt gefahren wird, einen schlechteren Wirkungsgrad (ca. 86%) als die direkt betriebenen Wellengeneratoren (95%) zu haben.

In der Hauptanmeldung P 34 23 659.7, auf deren Offenbarungsgehalt Bezug genommen wird, ist eine Stromversorgungsanlage der eingangs genannten Art beschrieben, bei der bei laufendem Wellengenerator und gesperrtem Wechselrichter die Blindleistungsmaschine über einen Netzschalter und die Netzdrossel aus dem Stand asynchron hochläuft. Hierbei wird im zulässigen Drehzahlbereich bis ca. -6% n _N der Wellengenerator direkt auf das Bordnetz gefahren und bei weiterer Absenkung der Hauptmaschinendrehzahl auf Umrichter- WG-Betrieb übersynchronisiert. Diese Stromversorgungsanlage bringt eine Verbesserung des Wirkungsgrades um etwa 3% bei Betrieb um die Nenndrehzahl der Hauptmaschine mit sich. In diesem Betriebsbereich fallen die Stromoberschwingungen fort. Auch gewährleistet sie einen vom Bordnetz unabhängigen Anlauf des Wellengenerators. Zudem werden Notlaufeigenschaften sichergestellt. Von Nachteil ist jedoch, daß bei der Stromversorgungsanlage die Blindleistungsmaschine auch bei Direktbetrieb mitläuft und somit die Verluste der Blindleistungsmaschine und der Netzdrossel vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gegenstand der Hauptanmeldung weiter zu verbessern und eine Stromversorgungsanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, deren Wirkungsgrad nochmals verbessert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Verluste von ca. 5 bis 6% und der Schalter für das Netzfilter eingespart werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß vorhandene Verstellpropellerschiffe, die bereits direkt speisende Wellengeneratoren aufweisen, mit dieser energiesparenden Anlage nachgerüstet werden können und daß trotzdem die Wellengenerator-Versorgung für das Bordnetz bis ca. 30% Drehzahlabsenkung ausreicht. Es wird eine gezielte Anwendung des Gleitfrequenzbetriebes unter Nenndrehzahl mit direkter Einspeisung bis zur unteren Frequenzgrenze und unterhalb dieser Frequenzngrenze eine Speisung des Bordnetzes mit dem Wellengenerator über einen Frequenzumrichter ermöglicht. Von Vorteil ist auch, daß der frequenzentkoppelte Wellengenerator von den Klassifikationen als Hauptgenerator anerkannt wird, da er bei Verstellpropellerschiffen auch bei Ausfall des Frequenzumrichters als Synchronwellengenerator voll funktionsfähig ist. Ein Haupt-Diesel-Aggregat kann vorteilhafterweise entfallen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.

Eine Hauptmaschine 1 treibt z. B. über ein Getriebe 2 einen vorzugsweise mit variabler Drehzahl angetriebenen Synchrongenerator mit Dämpferkäfig 3 an. Die Nennfrequenz und -spannung des Generators 3 sind annähernd gleich den Werten des Bordnetzes, wenn die Hauptmaschine 1 Nenndrehzahl hat. Hierbei kann die Polpaarzahl des Generators 3 so ausgelegt sein, daß bei Nenndrehzahl der Hauptmaschine 1 der Generator 3 eine Spannung mit der Nennfrequenz des Bordnetzes abgibt.

Der Generator 3 ist über eine einen ersten Generatorschalter 6, der für den selektiven Schutz des direkt treibenden Wellengenerators 3 eine Kurzschlußauslösung haben kann, aufweisende Netzschiene direkt und über eine weitere Netzschiene, die einen Frequenzumrichter 4 und 5 mit Blindleistungsmaschine 8, eine Netzdrossel 9 und einen zweiten Generatorschalter 10 enthält, an das Bordnetz eines Schiffes angeschlossen. Der Frequenzumrichter 8, der durch Trennlaschen 12 und 13 für Wartungs- oder Reparaturzwecke freigeschaltet werden kann und dessen Umrichteroberschwingungen von einem mittels Schalter abschaltbaren Siebkreiskondensator 7 geglättet werden, ist von einer Einrichtung 15 zur Frequenz/Phasenlageerfassung des Bordnetzes steuerbar. Weiterhin ist ein Bordnetzdiesel 11 vorhanden, wobei für dessen Parallellauf mit dem direkt speisenden Wellengenerator 3 die Generatoren eine Parallellaufautomatik erhalten können.

Die direkt speisende Netzschiene ist somit als auftrennbare Überbrückungsleitung für den Frequenzumrichter 4 und 5 und der ihm nachgeschalteten Netzdrossel 9 ausgebildet, die bei einer Wellengeneratorfrequenz innerhalb des Toleranzbereiches für Über- und Unterfrequenz des Bordnetzes geschlossen und bei einer Wellengeneratorfrequenz außerhalb des Toleranzbereiches aufgetrennt ist. Der Wellengenerator 3 wird bei direkter Einspeisung auf Netzspannung geregelt, während bei Einspeisung über den Frequenzumrichter 4 und 5 eine Stromregelung vorgesehen ist. Zum Zwecke des Übergangs von Direkt- zur Umrichtereinspeisung wird die Blindleistungsmaschine 8 aus dem Stand mit dem Frequenzumrichter 4 und 5 hochgefahren und zur Synchronisierung netzgesteuert auf gleiche Frequenz und Phasenlage zum Netz durch den Frequenzumrichten 4 und 5 gebracht. Der Siebkreis-Kondensator bleibt immer an der Schiene, braucht nicht geschaltet zu werden.

Der Wellengenerator 3 ist für cos γ = 0,8 ausgelegt und arbeitet von Nennfrequenz bis ca. 6% Frequenzabsenkung als spannungsgeregelter (U/F = constant) Wellengenerator 3 über den ersten Generatorschalter 6 bei geöffnetem zweitem Generatorschalter 10 auf das Bordnetz. Sinkt die Hauptmaschinendrehzahl weiter, wird die Blindleistungsmaschine 8 durch den Frequenzumrichter 4, 5 hochgefahren und die Frequenz über die Einrichtung 15 zur Frequenz/Phasenlage-Erfassung vom Netz gesteuert, so daß ein Übersynchronisieren des Umformers möglich ist und der erste Generatorschalter 6 geöffnet werden kann, nachdem der zweite Generatorschalter 10 eingeschaltet wurde. Solange die Versorgung des Bordnetzes über den zweiten Generatorschalter 10 erfolgt, wird die Spannung von der Blindleistungsmaschine 8 geregelt. Bei Stromrichterbetrieb entfällt die Spannungsreglung des Wellengenerators 3. Sie wird ersetzt durch eine Frequenzregelung des Bordnetzes mit unterlagerter Stromregelung.

Beim Übergang von Umrichter- auf direkten Betrieb des Wellengenerators 3 wird die Netzfrequenz/Phasenlage an die Wellengeneratorfrequenz bzw. Dieseldrehzahl herangefahren, der erste Generatorschalter 6 zusynchronisiert und der zweite Generatorschalter 10 geöffnet.

Bei "black out" ist ein Aufbauen des Wellengeneratorbetriebes ohne Dieselaggregat ab Minimaldrehzahl der Hauptmaschine möglich, indem die Ist- Frequenz mit einem Schalter 16 auf die Blindleistungsmaschine 8 umgeschaltet wird. Die Blindleistungsmaschine 8 wird hochgefahren bis in den Toleranzbereich der Frequenz (94% f _N ). Danach kann der Umrichterbetrieb aufgenommen werden.

Fällt der Frequenzumrichter 4, 5 aus, ist ein Notbetrieb möglich, wenn die Drehzahl der Hauptmaschine 1 94% n _N hat. Der Wellengenerator arbeitet dann mit Spannungsregelung und speist über den ersten Generatorschalter 6 das Bordnetz direkt.

Aus zahlreichen Messungen auf Gleitfrequenzschiffen ergibt sich die Faustregel, daß der Bordnetzbedarf mit dem doppelten Prozentsatz der Drehzahlabsenkung absinkt. Bei 6% Drehzahlabsenkung ist also nur 88% Bordnetzleistung erforderlich. Die Zusatzanlage (Frequenzumrichter 4, 5, Blindleistungsmaschine 8, Drossel 9, Filter 7) kann bereits leistungsmäßig verkleinert werden. Der Wellengenerator ist - wie bereits erwähnt - für cos γ = 0,8 ausgelegt. Erfolgt die Umschaltung auf Umrichterbetrieb, hat er wegen der reinen Wirkstromlieferung noch 25% Reserve, so daß er nach weiterer 25% Drehzahlabsenkung noch 100% Leistung abgeben kann, während die Blindleistung von der Blindleistungsmaschine 8 bereitgestellt wird. Die Bordnetzversorgung voller Leistung für diese nachgerüstete Anlage ist daher bei über 30% Hauptmaschinen-Drehzahlabsenkung noch gesichert, mit Teillast auch darunter bis Minimaldrehzahl der Hauptmaschinen, d. h. bei 35% n _N verbleibt 50% P _N .

Claims (6)

1. Stromversorgungsanlage mit einem mit variabler Drehzahl angetriebenen Synchrongenerator als Wellengenerator an einer Antriebswelle einer Hauptantriebsmaschine, wobei der Wellengenerator über eine Netzschiene direkt und über eine weitere Netzschiene mit einem Frequenzumrichter mit Blindleistungsmaschine ein Netz versorgt, bei der nach Patent ........ (Patentanmeldung P 34 23 659.7) die direkt speisende Netzschiene als auftrennbare Überbrückungsleitung für den Frequenzumrichter und einer ihm nachgeschalteten Netzdrossel ausgebildet ist, die bei einer Wellengeneratorfrequenz innerhalb des Toleranzbereiches für Über- und Unterfrequenz des Netzes geschlossen und bei einer Wellengeneratorfrequenz außerhalb des Toleranzbereiches aufgetrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Einspeisung unmittelbar über einen ersten Generatorschalter (6) und die wechselweise, über den Frequenzumrichter (4, 5) durchgeführte frequenzentkoppelte Einspeisung über einen zweiten Generatorschalter (10) erfolgt, daß der Wellengenerator (3) bei direkter Einspeisung auf Netzspannung geregelt wird, daß bei Einspeisung über den Frequenzumrichter (4, 5) eine Stromregelung vorgesehen ist, und daß zum Zwecke des Übergangs von Direkt- zur Umrichtereinspeisung die Blindleistungsmaschine (8) aus dem Stand mit dem Frequenzumrichter (4, 5) hochgefahren und zur Synchronisierung netzgesteuert auf gleiche Frequenz und Phasenlage zum Netz durch den Frequenzumrichter (4, 5) gebracht wird.

2. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellengenerator (3) so ausgelegt ist, daß er bei Nenndrehzahl annähernd Netzspannung und Netzfrequenz abgibt.

3. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellengenerator (3) über ein Getriebe (2) an die Antriebswelle der Hauptmaschine (1) angeschlossen ist.

4. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (4, 5) mittels Trennlaschen (12, 13) aus dem Kreis herausschaltbar ist.

5. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (4, 5) einen selbstgeführten Wechselrichter (5) aufweist.

6. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (4) zum Zweck des Hochlaufs der Blindleistungsmaschine (8) gesteuert gefahren wird.