DE9301877U1 - Vorrichtung zur Energieversorgung und Verteilung, und zum Antrieb eines Unterseebootes - Google Patents

Vorrichtung zur Energieversorgung und Verteilung, und zum Antrieb eines Unterseebootes

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Description

93 G 3 O 5 3 DE
Siemens Aktiengesellschaft
Vorrichtung zur Energieversorgung und Verteilung, und zum Antrieb eines Unterseebootes
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungs- und Antriebsanlage für ein Unterseeboot.
Die Energieversorgung bei einem konventionell angetriebenen Unterseeboot erfolgt aus einem Gleichspannungssystem, das aus einer Batterie großer Kapazität sowie einem oder mehreren außenluftabhängigen Generatoraggregaten mit Gleichspannungsausgang besteht. Alle wesentlichen Verbraucher, wie z.B. Hilfsantriebe und der elektrische Propellermotor, sind in Gleichspannungstechnik ausgeführt und werden von dem Hauptnetz bzw. Fahrnetz des Gleichspannungssystems gespeist.
Bei dieser Anlage wird bei Überwasserfahrt des Unterseebootes, d.h. bei Vorhandensein einer Verbindung mit der Außenluft, die Bordenergie üblicherweise von mindestens einem Dieselgeneratoraggregat mit Gleichspannungsausgang bereitgestellt, das gleichzeitig auch zur Ladung der Batterie dient. Im getauchten Zustand des Unterseebootes dagegen ist die Batterie der ausschließliche Energielieferant. In diesem Zustand werden sowohl der Propellermotor zum Bootsantrieb als auch alle anderen Verbraucher an Bord ausschließlich aus der Batterie gespeist.
Dieses bekannte System der Gleichspannungsversorgung eines Unterseebootes ist insbesondere wegen der eingeschränkten Unterwasserausdauer nachteilig. So muß die Batterie aufgrund ihrer zentralen Bedeutung im Energieversorgungskonzept eine sehr große Kapazität aufweisen. Hohe Kosten, hohe Anforderungen an Wartung und Instandhaltung, großer Raumbedarf, sowie die Aufrechterhaltung eines möglichst
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andauernd hohen Ladezustandes sind erforderlich. Zudem ist insbesondere bei Speisung aus der Batterie im getauchten Zustand des Unterseebootes die zur Verfügung stehende Gleichspannungshöhe vom aktuellen Ladezustand der Batterie abhängig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungs- und Antriebsanlage für ein Unterseeboot zur Verfügung zu stellen, bei der insbesondere die Höhe der Bordnetzspannung möglichst immer konstant und möglichst unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Unterseebootes ist, und die Bedeutung der Batterie im Energieversorgungskonzept reduziert ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit der im Anspruch 1 angegebenen Energieversorgungs- und Antriebsanlage. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Der Erfindung wird desweiteren unter Zuhilfenahme eines in den nachfolgend kurz angeführten Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt:
FIG 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anlage, FIG 2 die aktiven Teile der Anlage bei der Betriebsart "Marschfahrt" des Unterseebootes FIG 3 die aktiven Teile der Anlage bei der Betriebsart
"Höchstfahrt" des Unterseebootes, FIG 4 die aktiven Teile der Anlage bei der Betriebsart "Schleichfahrt" des Unterseebootes, FIG 5 die aktiven Teile der Anlage bei der Betriebsart "Notfahrt" des Unterseebootes.
Die erfindungsgemäße Energieversorgungs- und Antriebsanlage weist mindestens ein außenluftunabhängiges Generatoraggregat mit Drehstromausgang auf, aus dem ein komplett in Drehstromtechnik ausgeführtes Bordnetz zur Versorgung aller elektrischen Verbraucher des Unterseebootes gespeist wird.
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• t ····
Erfindungsgemäß ist ferner ein Umrichter mit Zwischenkreis vorhanden, welcher ebenfalls über den Drehstromausgang des mindestens einen Generatoraggregates gespeist wird, und der einen mit dem Propeller des Unterseebootes verbundenen Drehstrommotor mit vorgebbarer Spannung und Frequenz speist. Schließlich ist noch eine unmittelbar am Zwischenkreis des Umrichters angeschlossene Batterie vorhanden.
Eine derartige Anlage für ein Unterseeboot hat den besonderen Vorteil, daß die Batterie eine untergeordnetere Rolle in der Energieversorgung einnimmt. Sie ist an den Zwischenkreis des Umrichters angeschlossen und wird nur noch bei besonderen Betriebsarten des Unterseebootes benötigt. Demgegenüber stellt in möglichst vielen Betriebsarten des Bootes auch im getauchten Zustand das außenluftunabhängige Generatoraggregat mit Drehstromausgang die ausschließliche Energiequelle dar. Damit kann die Batterie eine wesentlich geringere Kapazität als bei der bisherigen Gleichstromenergieversorgung eines Unterseebootes aufweisen.Die Bremsenergie, welche bei Umsteuermanövern des Unterseebootes auftritt, kann von der Batterie aufgenommen werden.
Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, daß der Betrieb der bordnetzseitigen und propellermotorseitigen Stromrichter des Pulsumrichters über den "batteriegestützten11 Zwischenkreis bei geringer Geräuschanregung des Propellermotores und mit geringen Netzrückwirkungen erfolgen kann. Außerdem sind Spannung und Frequenz im Drehstrom-Bordnetz unabhängig vom Betriebszustand des Unterseebootes konstant.
Die Verbraucher des Bootes, insbesondere die Hilfsmotoren, können präzise dimensioniert werden. Zudem kann der Wert der Zwischenkreis-Gleichspannung ohne Beeinträchtigung des Spannungswertes im Drehstrom-Bordnetz an den aktuellen Ladungszustand der Batterie angepaßt werden.
In FIG 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung aufgebauten Anlage in Form eines Blockschaltbildes
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dargestellt. Dabei sind beispielhaft zwei parallele, außenluftunabhängige Generatoraggregate EVl,EV2 mit je einem Drehstromausgang DRl,DR2 vorhanden. Vorteilhaft handelt es sich dabei um außenluftunabhängige Kreislaufdieselmotoren mit angekuppelten Drehstrom-Synchrongeneratoren, deren Abgase gereinigt, mit Sauerstoff versetzt und den Motoren erneut als Verbrennungsluft zugeführt werden können. Die Kreislaufdieselmotoren können somit auch im getauchten Zustand des Unterseebootes in Betrieb sein.
Die Drehstrom-Synchrongeneratoren speisen Energie bevorzugt in eine gemeinsame Netzsammeischiene HS ein. Hiervon abgehend wird zum einen das Bordnetz BN mit den angeschlossenen Verbrauchern gespeist. Zum anderen wird ein Umrichter PU mit Zwischenkreis ZK gespeist, welcher seinerseits einen zum Betrieb des Propellers P des Unterseebootes dienenden Drehstrommotor PM mit vorgebbarer Spannung und Frequenz versorgt. Erfindungsgemäß sind eine oder mehrere Batterien B direkt am Zwischenkreis ZK des Umrichters PU angeschlossen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann noch ein Ladegerät LG vorhanden sein, welches auf der Drehstromseite bevorzugt mit der Netzsammeischiene HS und auf der Gleichstromseite mit dem Zwischenkreis ZK des Umrichters PU verbunden ist.
Die außenluftunabhängigen Generatoraggregate EVl bzw. EV2 bestehen jeweils bevorzugt aus je einem außenluftunabhängigen Kreislaufdieselmotor KDl,KD2 und je einem angekuppelten bürstenlosen Drehstrom-Konstantspannungs-Synchrongenerator SGl bzw. SG2. Bei dem im Blockschaltbild der FIG 1 dargestellten Beispiel sind zwei parallel arbeitende außenluftunabhängige Generatoraggregat EVl und EV2 vorhanden. Diese sind bevorzugt so ausgelegt, daß die von einem der Generatoraggregate bereitgestellte Energie ausreichend ist, um den Normalbetrieb des Unterseebootes sicherzustellen. So das Unterseeboot kann mit dem Generatoraggregat EVl bzw. EV2 sowohl im nicht getauchtem als
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auch im getauchten Zustand in "Marschfahrt11 betrieben werden. Das zweite Generatoraggregat muß lediglich bei der Betriebsart "Höchstfahrt11 zugeschaltet werden.
Als Umrichter PU wird bevorzugt ein Pulsumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis ZK verwendet. Dieser ist auf der Netzseite über einen Anschluß HN bevorzugt an eine Netzsammeischiene HS angeschlossen und weist dort zumindest einen gesteuerten Gleichrichter GR und einen ersten Wechselrichter WRl auf. Dabei dient der gesteuerte Gleichrichter GR zur Einspeisung von Energie aus dem Drehstromsystem der Netzsammeischiene HS in den Gleichspannungszwischenkreis ZK. Der Wechselrichter WRl dient zur Einspeisung von Energie in die Netzsammeischiene HS, welche in
einem Sonder- bzw. Notbetriebszustand des Unterseebootes aus der am Zwischenkreis ZK angeschlossenen Batterie B entnommen wird.
Auf der Seite des Propellers P des Unterseebootes ist der Umrichter PU über einen Motornetzanschluß MN mit einem Drehstromotor PM verbunden.Bevorzugt kann hierzu ein Drehstrom-Asynchronmotor oder ein Drehstrom-Synchronmotor eingesetzt werden. Bei dem in FIG 1 dargestellten Beispiel sind bevorzugt aus Gründen der Redundanz und Geräuscharmut zwei parallele Wechselrichter WR2,WR3 vorhanden, welche jeweils über einen separaten dreiphasigen Motornetzanschluß MN mit je einem Wicklungssystem der Ständerwicklung des Propellermotors PM verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Energieversorgungs- und Antriebsanlage für ein Unterseeboot weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Zum einen erfolgt die Energieerzeugung in möglichst vielen Betriebszuständen des Bootes mit Hilfe der robusten, bürstenlosen Drehstrom-Konstantspannungs-Synchrongeneratoren SGl, bzw. SG2 der Generatoraggregate EVl,EV2. Ferner ist die gesamte Energieversorgung aufgrund des in Drehstromtechnik ausgeführten Bordnetzes HS streufeidarm.
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Ferner können im Bordnetz kostengünstige Schaltgeräte, z.B. in standardisierter Industrieausführung, und Drehstrommotoren eingesetzt werden, welche wartungsfreier sind als Gleichstrommotoren. Schließlich sind zur Versorgung von Unternetzen mit gleicher Frequenz wie das Bordnetz lediglich Transformatoren und keine separaten Umrichter erforderlich.
Auch für den Propellerantrieb bietet die erfindungsgemäße Anlage eine Vielzahl von Vorteilen. So kann der Propellermotor bevorzugt als ein robuster, wartungsarmer Drehstromasynchronmotor mit einer Mehrphasen-Ständerwicklung ausgeführt sein, welcher über einen Pulsumrichter gespeist wird. Falls in den Wechselrichtern WRl, WR2,WR3 des Pulsumrichters "IGBT" Transistoren eingesetzt werden, können die Wechselrichter mit höherer Pulsfrequenz und somit geringerer Geräuschanregung im Motor betrieben werden. Ausgangsspannung und Frequenz der Wechselrichter WR2,WR3 lassen sich durch Pulsbreitenmodulation der IGBT-Transistoren vollständig zwischen Null und Maximalfrequenz bzw. Maximalspannung steuern, so daß sich Motordrehzahlen zum Antrieb des Propellers P in beiden Drehrichtungen von 0 bis 100 % einstellen lassen. Zudem kann mit einem derart ausgeführten Pulsumrichter Bremsbetrieb gefahren werden, so daß schnelle Umsteuermanöver des Propellers möglich sind. Dabei wird die Bremsenergie von der Batterie aufgenommen.
Bei einer weiteren, in FIG 1 bereits dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ladegerät LG vorhanden, welches am Eingang bevorzugt über die Netzsammeischiene HN mit dem Drehstromausgang DRl,DR2 des mindestens einen Generatoraggregates EVl,EV2 und am Ausgang mit dem Zwischenkreis ZK des Umrichters PU verbunden ist. Bevorzugt sind der Umrichter PU und das Ladegerät LG in einem ersten Betriebszustand so umschaltbar, daß die Batterie B mit Hilfe von extern zugeführter Energie über vorzugsweise
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einen Landanschluß LA geladen werden kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Generatoraggregate EVl,EV2, z.B. während der Hafenliegezeit des Unterseebootes, stillgesetzt sind. Bei einem zweiten Betriebszustand sind der Umrichter PU und das Ladegerät LG so umschaltbar, daß der Drehstrommotor PM zum Antrieb des Propellers P des Unterseebootes durch Zwischenschaltung des Ladegerätes LG von mindestens einem der beiden Generatoraggregate EVl,EV2 gespeist werden kann. Dies ist insbesondere bei Ausfall des gesteuerten Gleichrichters GR auf der Eingangsseite des Umrichters PU in der Betriebsart "Notfahrt11 des Unterseebootes von Bedeutung.
Häufig auftretende Betriebsarten des Unterseebootes und die dazugehörigen Schaltungszustände der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und Antriebsanlage werden abschließend anhand der Blockschaltbilder in den Figuren 2-5 kurz erläutert.
So zeigt FIG 2 die Betriebsart "Marschfahrt11 des Unterseebootes. Dabei ist beispielhaft das erste Generatoraggregat EVl mit dem Kreislaufdieselmotor KDl und dem Synchrongenerator SGl in Betrieb. Dessen Energiefluß El wird in die Netzsammeischiene HS eingespeist und teilt sich in einen Energiefluß E3 zum Betrieb des Bordnetzes BN und einen Energiefluß E2 durch den Pulsumrichter PU hindurch zum Betrieb des Drehstrommotors PM des Propellers P auf. Der zweite Kreislaufdieselmotor KD2 mit Synchrongenerator SG2 und das Ladegerät LG sind außer Betrieb. Die Batterie B liegt an der Gleichspannung des Zwischenkreises. Es findet somit eine Ladung bzw. Ladungserhaltung statt. Zur optimalen Ladung bzw. Ladungserhaltung kann zusätzlich insbesondere im gesteuerten Gleichrichter GR des Pulsumrichters PU eine spezielle Ladekennlinie für die Batterie hinterlegt sein.
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In FIG 3 ist die Betriebsart "Höchstfahrt11 des Unterseebootes dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Betriebsart "Marschfahrt11 in FIG 2 dadurch, daß zusätzlich das zweite Generatoraggregat EV2 mit seinem Synchrongenerator SG2 in Betrieb ist. Beide speisen die Energieflüsse El und E4 in die Netzsammeischiene HS ein. Der größere Teil dieser Energie wird in Form des Energieflusses E2 über den Pulsumrichter PU dem Propellermotor PM zugeführt. Ein kleinerer Teil E3 fließt in das Bordnetz BN zur Speisung der Bootsverbraucher. Auch hier liegt die Batterie B zur Ladung bzw. Ladungserhaltung an der Gleichspannung des Zwischenkreises an.
In FIG 4 ist die Betriebsart "Schleichfahrt" des Unterseebootes dargestellt. Dabei sind die außenluftunabhangigen Kreislaufdieselmotoren KDl bzw. KD2 der Generatoraggregate EVl bzw. EV2 zur Vermeidung von Geräuschen abgeschaltet. Die Energieversorgung des Bootes erfolgt ausschließlich über die Batterie B. Diese speist über einen ersten Energiefluß E5 über die Wechselrichter WR2 und/oder WR3 den Drehstrommotor PM für den Propeller P. Über einen zweiten Energiefluß E6 durch den eingangseitigen Wechselrichter WRl des Pulsumrichters PU wird ferner der Energiefluß E3 für das Bordnetz BN sichergestellt.
In FIG 5 ist die Betriebsart "Notfahrt" des Unterseebootes dargestellt. Dabei werden die Energieflüsse El bzw. E2 von den außenluftunabhangigen Krexslaufdxeselmotoren KDl bzw. KD2 mit dem dazugehörigen Synchrongeneratoren SGl bzw. SG2 in die Netzsammeischiene HS eingespeist. Sie teilen sich auf in einen Energiefluß E3 für das Bordnetz BN und einen Energiefluß E7 durch das Ladegerät LG. Der Energiefluß E7 wird dem Zwischenkreis ZK des Pulsumrichters PU und von dort über die ausgangsseitigen Wechselrichtiger WR2 und/ oder WR3 dem Drehstrommotor PM des Propellers P zugeführt. Diese Art des Propellernotbetriebes wird dann benötigt, wenn aufgrund eines elektrischen Defektes z.B. der
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gesteuerte Gleichrichter GR auf der Eingangsseite des Pulsumrichterss PU ausgefallen ist.
Anhand der in den FIG 2-5 dargestellten, bevorzugten Betriebsarten ist zu erkennen, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Energieversorgungs- und Antriebsanlage die Batterie B weder in den Hauptbetriebsarten "Marschfahrt11 und "Höchstfahrt" gemäß FIG 2,3 noch in der Betriebsart "Notfahrt" gemäß FIG 5 benötigt wird, sondern über den Zwischenkreis ZK auf maximale Spannung und Kapazität geladen und gehalten wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob die in den FIG 2, 3, 5 dargestellten Betriebsarten bei Überwasserfahrt oder im Tauchbetrieb des Unterseebootes auftreten. Lediglich bei der in FIG 4 dargestellten Betriebsart "Schleichfahrt11 wird die Batterie B noch als alleinige Energiequelle benötigt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung hat somit die Batterie an Bedeutung abgenommen, und kann insbesondere in Bezug auf die bereitzustellende Batteriekapazität erheblich kleiner ausgelegt werden, als bei herkömmlichen Gleichstrom-Unterseeboot-Energieversorgungen .
• ·
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Claims (6)

93 G 3 O 5 3 OE &iacgr;&ogr; Schutzansprüche
1. Energieversorgungs- und Antriebsanlage für ein
Unterseeboot, mit
5
a) mindestens einem außenluftunabhängigen Generatoraggregat (EVl,EV2) mit Drehstromausgang (DRl,DR2),
b) einem in Drehstromtechnik ausgeführten Bordnetz (HS,BN) zur Versorgung von nahezu allen elektrischen Verbrauchern des Unterseebootes, welches über den Drehstromausgang (DR1,DR2) des mindestens einen Generatoraggregates (EV1,EV2) gespeist wird,
c) einem Pulsumrichter (PU) mit Gleichspannungszwischenkreis (ZK), welcher über den Drehstromausgang (DR1,DR2) des mindestens einen Generatoraggregates (EV1,EV2) gespeist wird (HN), und der einen mit dem Propeller (P) des Unterseebootes verbundenen Drehstrommotor (PM) mit vorgebbarer Spannung und Frequenz speist, und
d) einer Batterie (B), welche am Gleichspannungszwischenkreis (ZK) des Umrichters (PU) angeschlossen ist (AK).
2. Energieversorgungs- und Antriebsanlage nach Anspruch 1, mit einer dieselelektrischen Energieversorgungseinheit (EVl, EV2) bestehend aus einem außenluftunabhängigen Kreislaufdieselmotor (KD1,KD2) mit angekuppeltem Synchrongenerator (SG1,SG2) als ein Generatoraggregat (EV1,EV2).
3. Energieversorgungs- und Antriebsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zwei parallelen Generatoraggregaten (EV1,EV2), welche so ausgelegt sind, daß einer der Generatoraggregate (EVl) für die Betriebsart "Marsch
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fahrt" des Unterseebootes ausreichend Energie bereitstellt, und daß zweite Generatoraggregat (EV2) nur bei der Betriebsart das "Höchstfahrt11 des Unterseebootes zugeschaltet wird.
5
4. Energieversorgungs- und Antriebsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einem Ladegerät (LG), welches am Eingang mit dem Drehstromausgang (DR1,DR2) des mindestens einen Generatoraggregates (EV1,EV2) und am Ausgang mit dem Gleichspannungszwischenkreis (ZK) des Pulsumrichters (PU) verbunden ist.
5. Energieversorgungs- und Antriebsanlage nach Anspruch 4, wobei der Pulsumrichter (PU) und das Ladegerät (LG) so umschaltbar sind, daß die Batterie (B) über das Ladegerät (LG) mit extern zugeführter (LA) elektrischer Energie geladen werden kann, insbesondere bei Stillstand des mindestens einen Generatoraggregates (EV1,EV2) während einer Hafenliegezeit.
6. Energieversorgungs- und Antriebsanlage nach Anspruch 4, wobei der Pulsumrichter (PU) und das Ladegerät (LG) so umschaltbar sind, daß der mit dem Propeller (P) verbundene Drehstrommotor (PM) durch Zwischenschaltung des Ladegerätes (LG) von dem mindestens einen Generatoraggregat (EV1,EV2) gespeist wird, insbesondere bei einem Ausfall der Eingangsseite (GR) des Pulsumrichters (PU) in der Betriebsart "Notfahrt" des Unterseebootes.
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