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Elektrischer Schiffsantrieb mit Synchronmotoren, die aus Synchrongeneratoren
gespeist werden Es sind elektrische Schiffsantriebe bekannt, bei denen zum Antrieb
der Propeller dienende, Synchronmotoren aus Synchrongeneratoren gespeist werden,
welche von Dampfturbinen oder Olmotoren angetrieben sind. Gegenstand der Erfindung
ist ein elektrischer Schiffsantrieb, der sich von diesen bekannten Antrieben dadurch
unterscheidet, daß zwischen Synchrongenerator und Propellermotor eine Stromrichteranordn.ung
geschaltet ist, d. h. eine Umformeranordnung, welche mit steuerbaren Entladungsgefäßen,
insbesondere gittergesteuerten Quecksilberdampfentladungsgefäßen, arbeitet. Eine
besonders vorteilhafte Umformeranordnung besteht aus einem Gleichrichter, der die
von dem Synchrongenerator gelieferte Wechselspannung in Gleichspannung umformt und
diese Gleichspannung einem Wechselrichter zuführt, durch den die Gleichspannung
in für die Propellermotoren geeignete Wechselspannung umgeformt wird. In die Verbindungsleitung
zwischen den letztgenannten Wechselrichter und die Propellermotoren wird dabei erfindungsgemäß
eine Hilfsspannung geschaltet, die während des Anlaßvorganges der Propellermotoren
und bei kleinen Drehzahlen dieser Motoren die Kommutierung der zu dem Wechselrichter
gehörigen Entladungsstrecken sicherstellt.
Ein Schiffsiantrieb der
vorstehend beschriebenen Art ist im Schaltungsschema in der Zeichnung dargestellt.
Mit einer Dampfturbine i ist ein Synchrongenerator 2 gekuppelt. Die von diesem -Generator
gelieferte Wechselspannung wird - durch einen Gleichrichter 3 in Gleichspannung
umgeformt, die über die- Leitungen 4 einem Wechselrichter 5 zugeführt wird. Auf
der Wechselstromseite des Wechselrichters ist ein Propellermotor 6 angeschlossen.
Zwischen dem Wechselrichter 5 und dem. Motor 6 liegt ein Hilfstransformator 7, der
aus einem Drehstromnetz ä gespeist wird. Die Erregerwicklungen des Synchrongenerators.2
und des Synchronmotors 6 werden aus einer Erregermaschine 9 gespeist, die unter
Zwischenschaltung eines Getriebes io mit der Dampfturbine i gekuppelt ist. -Für
die Steuerung der Entladungsstrecken des Wechselrichters 5 dient ein Kontaktapparat
i i, der von einem Synchronmotor 12 und einem Gleichstrommotor 13 angetrieben werden
kann.
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Zwischen den Gleichrichter 3 und den Wechselrichter 5 ist ein regelbarer
Widerstand 14 geschaltet. Der Widerstand 14 und der Transformator 7 können durch
Schalter 15 bzw. 16 übeubrückt werden.
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Die Antriebsanordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß Generator
und Motor unabhängig voneinander mit verschiedener Frequenz betrieben werden können.
Dies bedeutet, daß im Hinblick auf niedriges Gewicht des Generatorsatzes seine Frequenz
und Drehzahl so hoch als irgend möglich gewählt werden können, bei Turbinenantrieb
z. B. ioo Hz und 6ooo U/min.. Auch für den Propellermotor kann die günstigste Frequenz
frei 'gewählt werden, die bei seiner niedrigen Drehzahl kleiner als die wirtschaftlichste
Generatorfrequenz ist.
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Als zweiter Vorteil ist die Tatsache zu werben, daß der Generatorsatz
unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit dauernd mit der wirtschaftlichsten Drehzahl
betrieben werden kann. Beim Drehstromantrieb dagegen müssen die Fahrtstufen durch
Frequenzregelung, d. h. durch Drehzahlregelung der Turbine bzw. des Ölmotors, eingestellt
und eine entsprechende Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades in Kauf genommen
werden. Demgegenüber bedeutet der Diauerbetrieb des Generatorsatzes mit der wirtschaftlichsten
Drehzahl -eine-Brennstoffersparnis und damit indirekt eine Erhöhung des Schiffsaktionsradius
bzw. der Nutzladefähigkeit.
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Konstante Direhzahl des Generators.atzes ermöglicht ferner unmittelbare
Kupplung der für Generator und Motor gemeinsamen Erregermaschine mit dem Generator,
nötigenfalls über ein Getriebe. Ein besonderes Erregeraggregat mit Hilfsturbine
oder Ölmotor, wie bei Drehstromantrieb eirforderlich, kann daher hier entfallen.
' Ein vierter Vorteil liegt in der Art der Regelung der Fahrgeschwindigkeit. Die
Drehzahlregelung des Stromrichterpropellermotors erfolgt wie bei einer Gleichstrommaschine
mit fester Erregung durch Regelung seiner Ankerspannung, die im oberen _ Drehzahlbereich
zweckmäßig durch Spannungsregelung des- Generators und im unteren Drehzahlbereich
durch Gittersteuerung des generatorseitvgen Stromvrichters bewerkstelligt wird.
Brei Marschfahrt arbeitet dann der Generator mit niedrigerer Spannung, d. h. mit
quadratisch geringeren Eisen- und Erregungsverlusten als beim Nennbetrieb der AK-Fahrt
(äußerste Kraft-Fahrt). Gegenüber den Verhältnisseen des Drehstromantriebs ist damit
eine weitere Wirkungsgradverbesserung für die Fahrtstufen unterhalb der AK-Fahrt
verbunden.
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Für die beiden Stromrichter, welzhe zwischen Synchrongenerator und
Propellermotor geschaltet sind, wird vorteilhaft die in der Zeichnung dargestellte
Brückenschaltung mit Einanodengefäßen verwendet, um die Motor- und Generatoir:arbeitswicklung
möglichst hoch ausnutzen zu können. Im Hinblick auf guten Wirkungsgrad und geringes
Gewicht der Stromrichteranl.age ist es zweckmäßig, die Stromstärke so niedrig wie
möglich, die Übertragungsspannung dagegen so hoch wie möglich zu wählen. Die Spannung
ist dabei durch die Spannung bestimmt, für, die man Drehstrommaschinen noch bauen
kamt. Einer Generato@rspannung von 6 kV entspricht z. B. bei voller Aussteuerung
eine Gleichspannung von, etwa 8 kV.
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Zum Anlassen des Motors dient der bereits erwähnte Hilfstransformator
7, der zwischen den Wechselrichter 5 und den Motor 6 geschaltet ist. Die Typenleistung
dieses Hüfstransform.ators beträgt nur wenige Prozent der Motorenleistung. Der Erregerstrom
für den Motor wird, wie in der Zeichnung angegeben, zweckmäßig einer Erregermaschine
entnommen, die mit der Kraftmaschine des Schiffes gekuppelt ist. Der Motor muß im
voll erregten Zustand anlaufen, es müß daher der Erregerstrom für den Motor bereits
bei Stillstand verfügbar sein.
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Da die Direhstromfrequenz des Wechselrichters 5 bei jedem Anlauf den
ganzen Bereich von Null biis zum Betriebswert durchläuft, kommt für, ihn keine ruhende
magnetische Stoßsteuerung oder eine andere Art der bekannten ruhenden Steuerungen
in Frage, sondern nur eine mechanische Gittersteuerung, bei der ein umlaufender
Kollektor verwendet wird. Den Steuerkollektor kann man an Stelle auf Steuergitter
auch auf eine Ignitronsteuerung arbeiten lassen. Der Steuerkollektor wird zweckmäßig
:getrennt vom Hauptmotor aufgestellt und durch einen Synchronhilfsmotor elektrisch
mit der Hauptmaschirne, gekuppelt, wie dies für den Hilfsmotor 12 in der Zeichnung
dargestellt ist. Zusätzlich ist für den unteren Direhzahlibereich ein Fremdantrieb
des Steuerkollektors, z. B. über einen Gleichstrommotor (Motor 13 in der Zeichnung)
notwendig. Dieser untere Drehzahlbereich reicht bis etwa -15 % der Nenndrehzahl
und umfaßt den Bereich, in denn der Synchronmotor noch nicht selbständig mit dem
Wechselrichter 5 zusammenarbeiten kann. Im Hinblick auf gute Ausnutzung des Hauptmotors
wird der Wechselrichterzündwinkel auf den größtmöglichen Wert von etwa i5o° fest
eingestellt.
Dies bedeutet, daß der Hauptmotor dauernd mit einem
Leistungsfaktor von etwa o,9 übererregt arbeitet.
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Der an den Synchrongenerator angeschlossene Gleichrichter wird zweckmäßig
mit einer ruhenden Gittersteuerung ausgerüstet.
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Für das elektrische Bremsen ist, wie bereits erwähnt, im Gleichstromzwischenkreis
ein - Regelwiderstand 1.4 vorgesehen, da die Turbine bzw. der Ölmotor die: Bremsenergie
nicht aufzunehmen vermag und infolge der besonderen Betriebsart (Frequenzre:gelung)
auch die Dämpferwicklung des Hauptmotors hierfür nicht in Frage kommt.
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Das Anlassen des Propellermotors geschieht auf folgende Weise: Der
Propellermotor sei voll erregt. Der Generator sei auf eine Teilspannung von etwa
5o% des Nennwertes erregt und die Gleichspannung mit Hilfe der Gittersteuerung des
generatorseitige.n Stromrichters auf wenige Prozent herabgeregelt, derart, da.ß
der erforderliche AnGlaufstrom (Größenordnung 5o% des \Tennstromes) fließt. Hierdurch
entsteht auf dem MotGranker eine ruhende Durchflutung, und das Polrad stellt sich
in eine neutrale Lage hierzu ein. Nun wird der Hilfsumspanner eingeschaltet und
durch langsames Andrehen des Steuerkollektors mit Hilfe des Fremdantriebs die Ankerdurchflutung
in Drehung versetzt. Der voll gleichstromerregte Läufer wird hierdurch aus dem Stillstand
heraus synchron mit der An:kerdrehdurchfllutung mitgenommen. Der Drehsinn des Hauptmotors
ist durch den Drehsinn des Steuerkollektors bestimmt. Durch stetiges Erhöhen der
Kollektordrehzahl mit Hilfe des Gleichstrommotors wird die Hauptmaschine zunächst
auf etwa i 5 0,'o ihrer Nenndrehzahl gebracht. Hierbei .arbeitet bereits der Synchronantrieb
des Steuerkollektors. Der Gleichstrommotor und gleichzeitig der Ko.mmutierungshilfsumspanner
können abgeschaltet werden, so daß die, Hauptmaschine im weiteren Anlaufvorgang
selbstgesteuert arbeitet. Durch stetiges Erhöhen der Ankerspannung mit Hilfe des
generatorseitigen Stromrichters und durch Spannungsregelung des Generators wird
dann die Motordrehzahl mühelos auf den Betriebswert gebracht.
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Das elektrische Bremsen und Umsteuern des Schiffes erfolgt ohne eine
Umschaltung im Hauptstromkreis in folgender Weise. Der Überbrückungsschalter des
Bremswiderstandes wird ausgeschaltet und damit der Bnemsiwiderstand plötzlich eingeschaltet.
Hierauf wird die Gittersteueirung des generatorseitigen Stromrichters auf niedrigeGleichspamiung
und gleichzeitig die Steuerung des motorseitigen Stromrichters auf voll ausgesteuerten
Gleichrichterbetrieb umgestellt. Damit ist die Bremsschaltung bereits hergestellt;
der Motor arbeitet voll, der Generator nur mit geringer Gleichspannung auf den Bremswiderstand.
Hierdurch ist sichergestellt, daß der Generatorsatz während der gesamten Bremsperiode
immer noch ein wenig genoratorisch arbeitet und keine Rückenergie aufnimmt. Durch
stufenweises Herausnehmen des Bremswiderstandes wird die Bremswirkung wie bei der
elektrischen Widerstandsbremse eines Straßenbahnmotors bis in die Nähe des Stillstandes
voll aufrechterhalten. Bei etwa 15 % der Nenndrehzahl wird der Kommutierungshilfsumspanner
und der Gleichstromantrieb des Steuerkollektors zugeschaltet. In der Nähe der Drehzahl
Null wird die Gittersteuerung des motorseitigen Stromrichters wieder auf- den ursprünglichen
Wechselrichterbetrieb umgestellt. Die Drehzahl des Steuersatzes und damit der Hauptmaschine
wird mit Hilfe des Gleichstrommotors langsam durch Null nach negativen Werten bei
entgegengesetztem Drehsinn gezogen, bis bei 15 % negativer Drehzahl der Hilfsumspanner
und der Gleichstromantrieb wieder abgeschaltet werden können. Durch Erhöhen der
Gleichspannung mit Hilfe des generatorseitige@n Stromrichters wird dann die Drehzahl
auf dien Btriebswert für Rückwärtsfahrt gebracht.
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Es ist zu backten, daß bei dieser Art des Umsteue;rns Stoßerregung
des Generators nicht erforderlich ist. Auch dies bedingt gegenüber dem Drehstromantrieb
eine Gewichtsersparnis sowohl beim Generator als auch noch viel mehr beim Erregeraggregat.
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Die Verluste in der Stromrichteranlage sind gering und fallen bei
der Wixtschaftlichkeitsberechnung wenig ins Gewicht. Bei voller übertragungsspannung
von etwa 8 kV betragen die Stromrichtervorhiste entsprechend den jeweils vier in
Reihe geschalteten Ventilen nur etwa 1,5%.