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Schiffssehraubenantrieb.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Schiffsschraubenantrieb mittels polumschaltbarer Mehrphasen-Induktionsmotoren mit Kurzschlussanker. Gemäss der Erfindung besitzt jeder Motor der Schiffsschrauben einen Ständer für drei Polzahlen und einen als Kurzschlussanker ausgebildeten Läufer, der für die beiden kleineren Polzahlen niedrigen und für die grösste Polzahl hohen Ohmschen Widerstand besitzt.
Die beiden kleineren Pohlzahlen entsprechen den beiden Hauptgeschwindigkeiten des Schiffes, der Höchstgeschwindigkeit und der sogenannten Marschgeschwindigkeit. Damit, die Turbogeneratoren, die den Strom für die Motoren der Schiffsschrauben liefern, in beiden Fällen mit ihrer normalen, dem günstigsten Dampfverbrauch entsprechenden Drehzahl arbeiten, stehen die beiden Polzahlen im umgekehrten Verhältnis der beiden Hauptgeschwindigkeiten des Schiffes, d. h., da die Marschgeschwindigkeit zwei Drittel bis drei Viertel der Höchstgeschwindigkeit beträgt, stehen die Pohlzahlen im Verhältnis 3 : 2 oder 4 : 3. Die dritte Polzahl dient hauptsächlich zum Reversieren und Manövrieren, auch zur Fahrt mit ganz geringen Geschwindigkeiten. Zwischengeschwindigkeiten zwischen den Hauptstufen können durch Regeln der Drehzahl der Turbinen erzielt werden.
Beim Ingangsetzen des Schiffes aus der Ruhe werden die Motoren der Schiffsschrauben zusammen mit den Turbogeneratoren angelassen ; sie arbeiten hierbei mit kleiner Schlupffrequenz und es ist daher kein Anlasswiderstand im Rotor erforderlich, um das Beschleunigungsmoment zu erzielen. Vor Ingangsetzung wird mittels des Polumschalters die der beabsichtigten Fahrtgeschwindigkeit entsprechende Pohlzahl eingestellt und die Rotorwicklung hat für die beiden Hauptgeschwindigkeitsstufen den niederen Ohmschen Widerstand, den der hohe Wirkungsgrad bei voller Fahrt verlangt.
Schwieriger sind die Anforderungen beim. schnellen Anhalten und beim Reversieren. wobei die Schiffsschrauben in möglichst kurzer Zeit durch Gegenstrombremsung ihrer Motoren zum Stillstand bzw. in Gegendrehung gebracht werden, um das in voller Fahrt befindliche Schiff zu bremsen.
Zur Gegenstrombremsung der Motoren wird'der Drehsinn des Statordrehfeldes durch Vertauschung der Reihenfolge der Statorphasen umgekehrt, so dass der Motor nun gegen das Drehfeld läuft. Um bei der hohen Schlupffrequenz die zur Erzielung eines hohen Bremsmomentes günstige Phase des Rotorstromes gegenüber dem Felde zu erhalten, ist ein grösserer Rotorwiderstand erforderlich. Die im Rotorwiderstand verzehrte elektrische Leistung ist bei der Gegenstrombremsung um einen Betrag grösser als die mechanische Bremsleistung, sich zu dieser verhält. wie die Drehzahl des Drehfeldes im Motor zur Drehzahl des Rotors. Die gesamte erzeugte Wärme kann also bei gegebener Bremsleistung verkleinert werden durch Verkleinerung der Drehzahl des Drehfeldes, was durch Umschaltung auf die die dritte grösste Polzahl des Motors erzielt wird.
Bei der Umschaltung in Gegenstrombremsung wird daher sowohl der Drehsinn des Drehfeldes umgekehrt als auch zur grössten Polzahl übergegangen und bei dieser Polzahl hat die Kurzschlusswicklung des Rotors infolge ihrer besonderen Ausbildung einen hohen Ohmschen Widerstand. Diese dritte Polzahl kann etwa doppelt so gross gewählt werden, wie die für die Höchstgeschwindigkeit, so dass man drei Polzahlen etwa in Verhältnis2 : 3 : 4 oder 3 : 4 : 6 erhält.
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Die Umschaltung in drei Polzahlen kann entweder mittels zwei Statorwicklungen hergestellt werden, wovon die eine für eine Polzahl dient, während die zweite für die beiden anderen Polzahlen umschaltbar ist oder es kann eine für drei Polzahlen umschaltbare Wicklung verwendet werden, um totes Kupfer zu sparen und die Ausnutzung der Maschine zu verbessern. Dreiphasige Wicklungen für drei Polzahlen, die bei allen Polzahlen gut ausgenutzt sind, erhalten jedoch im allgemeinen eine grosse Anzahl Wicklungsenden und Schaltstellen ; man kann diese Zahl wesentlich herabsetzen, wenn man jeder Polzahl eine entsprechende Phasenzahl zuordnet, d. h. mit den Polzahlen der Motoren auch die Phasenzahl der Generatoren ändert. Dies ist beim Schiffsantrieb ohne weiteres möglich, weil die Generatoren ausschliesslich zum Antrieb der Schiffsschraubenmotoren dienen.
Die Erhöhung der Zahl der Wicklungsenden am Generator wird reichlich durch die Verminderung derselben am Motor aufgewogen. Polumschalter der Motoren und Phasenumschalter der Generatoren werden gemeinsam gesteuert.
Die Zuordnung von Phasenzahl und Polzahl geschieht derart, dass das Produkt aus Grundzahl der Polpaarzahl und Phasenzahl konstant ist. Für Polzahlen im Verhältnis 3 : 4 : 6 erhält man z. B. die Phasenzahlen 4, 3, 2 oder 8, 6, 4 usw. Die bei Erhöhung der Phasenzahl erforderliche Vergrösserung der Anzahl der Verbindungsleitungen ist nur scheinbar, denn bei den grossen Stromstärken, die bei den hohen Leistungen auftreten, ist eine Unterteilung der Leitungen und Schalterkontakte ohnehin erforderlich. Da ausserdem mit der Phasenzahl die Ausnutzung der Maschinen besser wird, gewinnt man den Vorteil erhöhter Ausnutzung gerade bei der kleinsten Pohlzahl, d. h. bei den höchsten Leistungen.
Die Ausbildung der Rotorkurzschlusswicklung, die bei den kleinen Polzahlen einen kleinen, bei der grössten Polzahl einen hohen Ohmschen Wiederstand hat, kann in bekannter Weise durch Übereinanderlagerung einer vielphasigen Kurzschlusswicklung von niederem Widerstand und einer Käfigwicklung von hohem Widerstand. erfolgen, wobei die Stäbe in den Nuten gemeinsam sein können. Dabei hat die erste Wicklung eine Spulenweite gleich der doppelten Polteilung bei der grössten Polzahl, so dass sie bei dieser nicht wirkt, sondern lediglich die zweite, bei den kleineren Polzahlen ist der Schritt der ersten Wicklung gleich der Polteilung bzw. etwas verlängert oder verkürzt ; sie ist dann voll wirksam und führt den grössten Teil des Stromes, während die zweite wegen ihres hohen Widerstandes sich nur in geringem Masse an dem Strom beteiligt.
D. e. Zahl der Motoren für Schraubenwelle kann bei diesem System je nach den praktischen Anforderungen beliebig gewählt werden ; bei kleineren Leistungen kann man sich auf einen Motor beschränken. Er ist dann freilich bei verminderter Fahrtgeschwineigkeit nur schwach belastet, weil die Leistung der Schiffsschraube mit der Geschwindigkeit sehr schnell abnimmt. Bei grösseren Leistungen wird man daher schon mit Rücksicht auf die Reserve zwei Motoren der geschilderten Bauart für jede Welle vorsehen, die für je die Hälfte der Höchstleistung bemessen sind, so dass bei verminderter
Geschwindigkeit mit einem Motor gefahren werden kann, der dann wieder voll belastet ist, während der zweite leer mitläuft. Beim Gegenstrombremsen kann dann je nach Grösse der erforderlichen Bremskraft mit einem Motor oder mit beiden Motoren zusammen gearbeitet werden.
Dieses System hat gegenüber sonst bekannt gewordenen Schiffsantrieben mit polumschaltbaren Induktionsmotoren mit Kurzschlussankern bedeutende Vorzüge. Es wurde z. B. vorgeschlagen, die drei Geschwindigkeitsstufen mittels zwei Motoren für jede Welle derart zu erzielen, dass jeder Motor zwei Pohlzahlen hat, wobei die für die Höchst- geschwindigkeit bestimmte, bei der die Motoren parallel arbeiten müssen, beiden gemeinsam sind, während die für die Marschgeschwindigkeit und die für das Reversieren nur bei je einem vorhanden ist, wobei auch nur eine einen für. das Reversieren erforderlichen höheren
Läuferwiderstand hat.
Bei diesem System wird beim Parallelarbeiten der Motoren bei der höchsten Leistung die Belastung sich ungleichmässig auf die Motoren verteilen, weil der mit dem kleinen Läuferwiderstand das grössere Drehmoment abgibt ; dagegen ist bei dem
System gemäss der Erfindung die gleichmässige Verteilung der Belastung durch vollständig gleiche Ausführung der Motoren einer Welle gewährleistet. Ferner können beim Bremsen beide Motoren parallel arbeiten, es wird somit nicht nur die grösstmögliche Bremskraft aus- nutzbar, sondern es werden auch durch Verteilung der beim Abbremsen in Wärme um- gesetzten Energie auf beide Maschinen bei gleicher Bremskraft wesentlich geringere Tempe- raturen erreicht oder bei gleichen zulässigen Temperaturen ist weniger wärmeaufnehmende
Masse erforderlich.
Endlich bietet das neue System gegenüber dem bekannten wesentlich mehr Reserve bei Beschädigung eines Motors. Es kann dann mit dem zweiten Motor sowohl gebremst als auch mit der mittleren Geschwindigkeit gefahren werden, während im gleichen Falle bei dem bekannten System entweder nur das eine oder das andere möglich ist.