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Regelung für mit Wechselstrommaschinen arbeitende elektrische Schiffsantriebe
Bei elektrischen Schiffsantrieben mit Wechselstrommotoren wird die Drehzahl der
Schraube durch die Drehzahl bzw. Frequenz der Stromerzeuger bestimmt. Bei solchen
Antrieben kann je einem Motor ein Stromerzeuger zugeordnet sein, oder aber; wie
es besonders bei dieselelektrischen Antrieben üblich ist, es treibt je eine Kraftmaschine
einen Stromerzeuger, und mehrere dieser Stromerzeuger arbeiten gemeinsam auf einen
Propellermotor.
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Die Regelung der Kraftmaschinen eines solchen Antriebs bietet Schwierigkeiten,
die insbesondere bei Umsteuervorgängen, bei denen elektrische Schaltmaßnahmen erforderlich
werden, auftreten. Der elektrische Antrieb macht nämlich im Augenblick der Umsteuerung,
z. B. von Voraus auf Zurück, das Einhalten einer kleinen Grunddrehzahl wünschenswert,
weil sonst der Propellermotor nicht in der Lage wäre, das vom Wasser auf die Schraube
ausgeübte Drehmoment ohne unnötigen Zeitaufwand zu überwinden.
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Die Bedingungen, die der Propellermotor im Augenblick des Umsteuerns
der Schraube erfüllen muß, sollen im folgenden an Hand eines Diagramms näher erläutert
werden. Die Kennlinie r stellt das von der Schiffsschraube in Abhängigkeit von der
Drehzahl geforderte Drehmoment dar. Das an der Schraube aufzuwendende Drehmoment
ist. jedoch nicht allein eine Funktion der Drehzahl, söndern
wird
auch im erheblichen Umfang bestimmt durch die augenblickliche Schiffsgeschwindigkeit.
Im stationären Betrieb erreicht man mit einer bestimmten Schraubendrehzahl, z. B.
aa = ioo %, mit einem bestimmten Drehmoment, z. B. M = i oo 0/a, eine bestimmte
Schiffsgeschwindigkeit, z. B. v = ioo% (Punkt a der Kennlinie i des Diagramms).
Wird die Antriebsleistung weggenommen, also das Motordrehmoment Null, dann wird
die Schraube, nachdem die Schwungmassenenergien der Wellenleitung und des Propellermotors
aufgebraucht sind, um den bisherigen Schlupf langsamer laufen (Punkt b der Kennlinie
i), während das Schiff wegen seiner großen Masse noch längere Zeit mit kaum verminderter
Geschwindigkeit weiterfährt. Würde nunmehr die Schraubendrehzahl weiter herabgesetzt,
dann wirkt die Schraube infolge des überwiegenden Einflusses der Strömung als Turbine
und treibt den Propellermotor an. Je mehr die Schraubenwelle abgebremst wird, desto
größer wird der Schlupf und damit das Widerstandsmoment, das auch beim Rückwärtslauf
weiter ansteigt, hier jedoch infolge des bald einsetzenden Lufteinbruches und der
Kavitation bald keine große Bremswirkung mehr auf das Schiff ausüben kann. Die Schraube
wird dann nur noch das Wasser durchwirbeln. Die Einsattelung der bekannten Kennlinie
i bei der Drehzahl Null ist auf Strömungseinflüsse zurückzuführen. Um bei fahrendem
Schiff die Schraube umzusteuern, muß in jedem Augenblick des Umsteuerns der Propellermotor
immer ein Drehmoment aufbringen, das größer ist als das vom strömenden Wasser auf
die Schraube ausgeübte Moment. Bei Elektrischen Schiffsantrieben ist es bekanntlich
nicht notwendig, die antreibenden Kraftmaschinen, z. B. die Turbinen oder Dieselmotoren,
selbst umzusteuern. Diese können vielmehr in ihrer alten Drehrichtung weiterlaufen,
während die Propellermotoren umgepolt werden, was bei Drehstromantrieben in einfachster
Weise durch Vertauschen von zwei der drei Zuleitungen zäum Motor durchgeführt werden
kann. Der Drehrichtungswechsel des Propellermotors selbst erfolgt dann im asynchronen
Betrieb mit Hilfe der kräftigen Dämpferwicklung des Motors. Dieser wird zunächst
asynchron bis zum Stillstand abgebremst und läuft dann ohne Pause in umgekehrter
Richtung hoch. Wie schonerwähnt, ist für das Umsteuern von Bedeutung, daß das im
asynchronen Betrieb von dem Drehstrommotor entwickelte Drehmoment stets höher bleibt
als das von der Strömung auf die Schraube ausgeübte Moment. Der Überfluß dient zur
Massenbeschleunigung und bestimmt damit die Geschwindigkeit des Umsteuerns. Das
Moment des Propellermotors wird aber bestimmt durch die Netzfrequenz, d. h. die
Drehzahl des Generators, und durch die Spannung des Netzes. Mit 2, 3 und 4. ist
in dem Diagramm eine Schar von Drehmomentkurvenein und desselben Motors bei verschiedenen
Netzfrequenzen bezeichnet. Das Drehfeld des Motors läuft nach dem Vertauschen der
Zuleitungen entsprechend der beabsichtigten Umsteuerung von Voraus auf Zurück rückwärts,
und zwar jeweils entsprechend der Drehzahl des Generators mit ioo, .io oder 200/0
der Höchstdrehzahl. Hierbei ist die Erregung des Generators stets die gleiche und
damit die abgegebene Spannung verhältnisgleich der Netzfrequenz. Wie man aus dem
Diagramm ersieht, haben sämtliche Drebmom-entkurven einen ähnlichen Verlauf. Bei
Synchronismus mit dem Drehfeld (Punkt c der Kurve 2) kann der Propellermotor als
Asynchronmaschine kein Drehmoment abgeben. Wird dagegen die Maschinendrehzahl etwas
kleiner als die Drehzahl des elektrischen Feldes, so nimmt das Moment des Motors
zunächst ziemlich geradlinig mit dem Schlupf zu. Bei weiterem Vergrößern des Schlupfes
nimmt das :Moment hingegen nach Erreichen eines Höchstwertes (Punkt d der Kennlinie
2) wieder ab, selbst dann, wenn sich die Maschine entgegen dem Drehfeld des Netzes
in Richtung Voraus dreht. Eine Änderung der N etzfrequenz äußert sich, wie aus dem
Diagramm ersichtlich, praktisch in einer Parallelverschiebung der Kennlinien. Je
niedriger die Netzfrequenz, desto höher das Drehmoment des Motors bei der Drehzahl
Null und bei dem gegen das Drehfeld noch in Richtung Voraus laufenden Motor. Wie
schon erwähnt, ist dieser Umstand für die Durchführung der Umsteuerung von größter
Bedeutung, denn um den Motor gegen das von dem Wasser auf die Schraube ausgeübte
Gegenmoment umsteuern zu können, muß das von ihm entwickelte Moment stets größer
sein als das Gegenmoment. Diese Bedingung wird bei einer Frequenz von ioo% der Höchstfrequenz
nicht mehr erfüllt. Bei einer Motordrehzahl von weniger als -f- 4.2% (Punkt e der
Kennlinie 2) reicht das Drehmoment nicht mehr zum Überwinden der Gegenmomente aus.
Senkt man dagegen die Generatordrehzahl und damit die Frequenz auf z. B. 20010 ab,
so ist das Motormoment überwiegend bis zu der Rückwärtsdrehzahl, bei der sich das
Motormoment und Gegenmoment die Waage halten (Punkt f der Kennlinie 4.). Die Umsteuerung
kann daher mit dieser Frequenz sicher durchgeführt werden.
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Auch das an das asynchrone Umsteuern sich anschließende Synchronisieren
des Motors geht bei einer kleinen Frequenz leichter vor sich, da. das Gegenmoment
der Schraube
wesentlich kleiner -ist als bei hoher Rückwärtsdrehzahl.
Die Drehzahl von 2,oo/o wäre daher in vorliegendem Fall als Grunddrehzahl für die
Umsteuermanäver günstig. Ihre Konstanthaltung ist zweckmäßig, da jede Steigerung
der Drehzahl eine Schwächung des vom Propellermotor abgegebenen Moments zur Folge
hat und somit die Umsteuerfähigkeit schwächt, so da.ß eine unerwünschte Verzögerung
des asynchronen Umsteuervorganges eintritt, durch die überdies noch die Anlaufwicklung
des Motors unzulässig erwärmt werden kann. Eine Absenkung der Drehzahl unter einen
bestimmten Wert -ist jedoch ebenfalls unvorteilhaft, da bei sehr kleinen Drehzahlen
die Ohmschen Widerstände der Stromkreise größeren Einfluß erhalten, so daß dann
keine Parallelverschiebung der Motorkennlinien mehr besteht, sondern die Drehmomente
wesentlich kleiner sind (Kennlinie 5). Im Grenzfall des Stillstandes kann der Synchrongenerator
keine Spannung abgeben, so daß auch jede Wirkung des Motors aufhört. Bei der Verwendung
von Dieselmotoren als Antriebsmaschinen der Generatoren muß auch mit Rücksicht auf
die Dieselmaschinen ein zu starkes Absinken der Drehzahl vermieden werden, da bekanntermaßen
Dieselmotoren beim Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl nicht betriebsfähig
sind und zum Stillstand abgewürgt werden.
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Erfindungsgemäß wird bei einem mit Wechselstrommaschinen arbeitenden
elektrischen Schiffsantrieb bei normalem Betrieb die Füllung und damit das Drehmoment
der Generatorantriebsmaschinen willkürlich geregelt. In den Fällen hingegen, in
denen elektrische Schaltmaßnahmen erforderlich sind, werden die Generatorantriebsmaschinen
von auf einen festen Wert eingestellten Drehzahlreglern überwacht. -Die Einhaltung
der gewünschten Grunddrehzahl beim Umsteuern mit einem selbsttätigen Drehzahlregler
ist deswegen zu bevorzugen, weil die in der Drehmomentcharakteristik (Kennlinie
q, der Abbildung) enthaltene Drehmomentspitze sich auch entsprechend auf den Dieselmotor
auswirkt und bei der schnellen Abwicklung des Vorganges ein schnelles Eingreifen
erfordert. Das Bedienungspersonal muß aber gerade im Augenblick des Manövrierens
schon der Überwachung der elektrischen Meßgeräte und Betätigung der elektrischen
Schaltgeräte seine volle Aufmerksamkeit widmen, so daß eine Regelung der Kraftmaschinenfüllung
von Hand in diesem Zeitabschnitt unzweckmäßig wäre.
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Die Füllungsregelung als solche ist bereits bekannt für direkte Schiffsantriebe,
also für Einrichtungen, bei denen die Kraftmaschine, z. B. der Verbrennungsmotor,
direkt auf die Schiffsschraube, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes,
arbeitet. Für solche Anlagen hat sich die Füllungsregelung bewährt, da die Maschinen
stets unter Last arbeiten und im Fall einer Entlastung die Rückstellung des Füllungsreglers
ohne weiteres möglich ist. Auch bei Verwendung eines Flüssigkeitsgetriebes ist der
Betrieb mit einem Füllungsregler bekannt und durchführbar.
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Beim elektrischen Antrieb lassen sich die Vorteile der Füllungsregelung
dagegen nur dann günstig ausnutzen, wenn den besonderen Verhältnissen, die durch
die elektrische Übertragung bei den Schalt- und Umsteuermanövern gegeben sind, Rechnung
getragen wird. Das geschieht, wie dargelegt, am günstigsten durch die zeitweise
Verwendung eines Drehzahlreglers, und zwar lediglich im Augenblick des Einleitens
von Schaltvorgängen.
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Die Anforderungen an die Regelung der Kraftmaschinen bei der normalen
Fahrt sind wesentlich einfacher. Die Gleichhaltung der Drehzahl durch Drehzahlregler,
wie es bei elektrischen Antrieben bisher allgemein üblich war, ist nicht erforderlich.
Eingehende Überlegungen führen sogar dazu, daß eine Nachgiebigkeit der Drehzahl
günstiger ist als ein starres Festhalten. Beim Ruderlegen oder bei schwerem Seegang
ändern sich die Strömungsverhältnisse an den Schrauben sehr stark, so daß, wenn
die Drehzahl gleich gehalten wird, vorübergehend sehr starke Drehmomentsteigerungen
auftreten, die unter Umständen das Höchstmaß des Drehmoments überschreiten, das
die elektrischen Maschinen übertragen können. Es besteht daher die Gefahr, daß die
elektrischen Maschinen durch Überlastung außer Tritt fallen. Es war daher bei turboelektrischen
Antriebsanlagen manchmal notwendig, besondere Drehmomentbegrenzer vorzusehen. Da
durch das dauernde Einregeln einer gleichbleibenden Drehzahl die Kraftmaschinen
dauernden großen Lastschwankungen unterworfen werden, sind diese sehr ungünstig
beansprucht. Ebenso ist auch der Kesselbetrieb sehr unruhig. Der Betrieb wird wesentlich
ruhiger und die Maschinenbelastung gleichmäßiger, wenn in normalem Betrieb an Stelle
der Drehzahl, wie in der Erfindung vorgeschlagen, die Füllung, also das Drehmoment,
eingestellt wird. Da bei hydraulischen Vorgängen sich das Drehmoment quadratisch
mit der Drehzahl ändert, bleiben die Drehzahländerungen selbst bei beträchtlichen
Änderungen der Strömungsverhältnisse für die Schrauben in mäßigen Grenzen. Außerdem
wirken die Schwungmassen der Maschinen ausgleichend. Beim Fehlen eines
Drehzahlreglers
fällt auch die Gefahr weg, daß durch taktmäßige Anregungen, z. B. durch den Seegang,
Eigenschwingungen von Reglern angefacht werden.
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Arbeiten mehrere Generatoren parallel, wie dies besonders bei dieselelektrischen
Antrieben üblich ist, müssen die Regler der einzelnen Maschinen beim Ändern der
Schiffsgeschwindigkeit gemeinsam verstellt werden. Damit dabei die Last auf die
Generatoren gleichmäßig verteilt bleibt, ist bei Verwendung von Drehzahlreglern
eine vollkommene Gleichheit der Reglerkennlinien bei allen Drehzahlen und auch eine
vollkommen gleiche Verstellung aller Regler notwendig. Außerdem müssen die Regler
natürlich den Bedingungen, die durch den Parallellauf gegeben werden, bei jeder
Drehzahl entsprechen. Die gleichzeitige Erfüllung aller dieser Forderungen ist im
Reglerbau nur sehr schwer möglich. Die in-der Erfindung empfohlene gemeinsame Verstellung
der Füllung mit normalen einfachen Reglern macht dagegen keine Schwierigkeiten,
zumal dabei keine große Genauigkeit notwendig ist. Einer Ungenauigkeit von z. B.
40/0 würde bei der Füllungsverstellung einer Ungleichmäßigkeit der Lastverteilung
von ebenfalls 40/0 entsprechen. Bei der Verwendung von Drehzahlreglern hingegen,
die, wie es üblich ist, zwischen Leerlauf und Volllast einen Drehzahlabfall von
z. B. 40/0 aufweisen, würde diese Ungenauigkeit von-40/0 schon eine vollkommene
Entlastung oder dopgelte Überlastung 'der Maschine zur Folge haben, also der Forderung
nach gleicher Lastverteilung nicht im geringsten entsprechen.
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Da bei dem neuen Antrieb Drehzahlregler, die im stationären Betrieb
wirksam sind, fehlen, könnte es unter Umständen vorkommen, daß z. B. beim Öffnen
eines Schalters oder bei Ausfall der Erregung die Drehzahl der Kraftmaschine unzulässig
hoch ansteigt. Um dies zu vermeiden, wäre, wie an sich bekannt, ein besonderer Sicherheitsregler
oder Schnellschluß vorzusehen.