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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schiffsantriebssystems
mit Abwärmerückgewinnung
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Schiffsantriebssystem mit Abwärmerückgewinnung
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 8; ein derartiges Schiffsantriebssystem ist
z. B. aus der Veröffentlichung „Less emissions
through waste heat recovery",
Wärtsilä Corporation,
April 2004, präsentiert
auf der der Green Ship Conference, London, 28/29 April 2004, bekannt.
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Das
Antriebssystem für
große
Cargoschiffe, beispielsweise Containerschiffe, umfasst üblicherweise
eine Hauptmaschine in Form eines langsam laufenden Zweitakt-Dieselmotor
zur Erzeugung von mechanischer Energie zum Antrieb einer Wellenanlage,
z. B. einer Propellerwelle, die mit einem Schiffspropeller gekoppelt
ist. Die Antriebsleistung derartiger Motoren beginnt bei ca. 10
MW und endet zur Zeit bei über
70 MW.
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Elektrische
Verbraucher an Bord des Schiffes werden üblicherweise aus einem elektrischen Schiffsnetz
mit elektrischer Energie versorgt, die wiederum von Stromgeneratoren
erzeugt wird, die von schneller als die Hauptmaschine laufenden
Hilfsmaschinen, üblicherweise
schnell laufenden Viertakt-Dieselmotoren,
angetrieben werden.
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Steigende
Brennstoffpreise, der Wunsch nach geringeren Emissionen und nach
geringeren Betriebskosten haben in den letzten Jahren das Interesse
an der Nutzung der Abwärme
der Hauptmaschine zur Energierückgewinnung
verstärkt.
Nutzbare Abwärme
findet sich insbesondere in den Abgasen und Kühlmitteln der Hauptmaschine.
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So
ist aus der
DE-AS 1 136 235 eine
Stromerzeugungsanlage für
Dieselmotorschiffe bekannt, bei der ein Stromgenerator für ein Bordnetz
sowohl von einer Propellerwelle über
einen Leonardsatz mit einem Motor als auch von einer Dampfturbine
angetrieben wird, wobei die Dampfturbine mit Dampf aus einem Kessel
gespeist wird, durch den Abgase eines Hauptmotors zum Antrieb der
Propellerwelle geführt werden.
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Aus
der
CH-PS 239 476 ist
ein Schiffsantrieb bekannt, bei dem eine Turbine mit Abdampf aus
einer Kolbendampfmaschine zum Antrieb einer Propellerwelle betrieben
wird, wobei die von der Turbine erzeugte Leistung mittels Gleichstrommaschinen
in Leonard-Schaltung wiederum auf die Propellerwelle übertragen
wird.
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Die
WO 2006/072 791 A1 offenbart
ein Schiffsantriebssystem, bei dem aus Abwärme eines Dieselmotors zum
Antrieb einer Propellerwelle elektrische Energie erzeugt wird, die über ein
Energiemanagementsystem für
eine weitere Nutzung im Schiff verteilt wird.
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Aus
der
DE 38 36 418 A1 ist
darüber
hinaus eine Energieversorgungsanlage für Dieselmotorschiffe bekannt,
die einen von einer Hauptmaschine angetriebenen Wellengenerator
mit einem Gleichstromzwischenkreis und eine Blindleistungsmaschine
zur Erzeugung von Leistung für
ein Bordnetz umfasst.
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Bei
einem aus der eingangs genannten Veröffentlichung bekannten Schiffsantriebssystem
erzeugt ein Abwärmerückgewinnungssystem
aus Abwärme
der Hauptmaschine elektrische Energie und speist diese in das elektrische
Schiffsnetz ein. Ein über
einen Umrichter mit dem elektrischen Netz verbundener Wellengenerator/-motor
ist mit der Wellenanlage gekoppelt und wandelt im Motorbetrieb elektrische
Energie aus dem Schiffsnetz in mechanische Energie zum Antrieb der
Wellenanlage und im Genera ratorbetrieb mechanische Energie der Wellenanlage
in zusätzliche
elektrische Energie für
das Schiffsnetz um.
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Sobald
das Abwärmerückgewinnungssystem
Energie in das Schiffsnetz einspeist, werden durch ein Power Management
System die Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren entlastet oder
im besten Fall sogar abgeschaltet. Zusätzlich kann durch den Wellengenerator/-motor
im Generatorbetrieb elektrische Energie in das Schiffsnetz eingespeist
und dadurch der Leistungsbedarf aus den Hilfsmaschinen noch weiter
reduziert werden. Durch diese Maßnahmen können die Brennstoff- und Betriebskosten
sowie Emissionen der Hilfsmaschinen deutlich verringert werden.
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Vorrangiges
Ziel ist es, möglichst
die gesamte vom Abwärmerückgewinnungssystem
zur Verfügung
stehende elektrische Energie in das Schiffsnetz einzuspeisen. Erzeugt
das Abwärmerückgewinnungssystem
sogar mehr Energie, als für
die elektrischen Schiffsverbraucher benötigt wird, so kann mit diesem
Energieüberschuss
der Wellengenerator/-motor im Motorbetrieb betrieben und somit eine zusätzliche
Antriebskraft auf die Propellerwelle abgegeben werden. In diesem
Betriebsfall speist somit nur das Abwärmerückgewinnungssystem elektrische
Energie in das Schiffsnetz ein, während die Hilfsmaschinen dagegen
abgeschaltet sind.
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Bei
einem unvorhergesehenen Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem
dauert es üblicherweise
einige Zeit, bis durch das übergeordnetes
Power Management System die Hilfsmaschinen gestartet und die davon
angetriebenen Generatoren Strom für das Schiffsnetz erzeugen.
Der Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem kann somit
zu Einbrüchen
in der Netzspannung und Netzfrequenz und dadurch zu Sicherheitsabschaltungen
der Schiffsverbraucher bis hin zu einem völligen Blackout des Schiffsnetzes,
d. h. einem Abschalten für
den Betrieb des Schiffes kritischer Verbraucher führen.
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Es
ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines
Schiffsantriebssystem der eingangs genannten Art und ein Schiffsantriebssystem
anzugeben, mit denen Netzstörungen,
insbesondere ein Blackout des Schiffes, bei einem Ausfall der Energieerzeugung
durch das Abwärmerückgewinnungssystem
vermieden werden können.
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Die
Lösung
der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren
gemäß Patentanspruch
1; vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der
Unteransprüche
2 bis 7. Die Lösung
der auf das Schiffsantriebssystem gerichteten Aufgabe gelingt durch
ein Schiffsantriebssystem gemäß Patentanspruch
8; vorteilhafte Ausgestaltungen des Schiffsantriebssystems sind Gegenstand
der Unteransprüche
9 bis 14.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass bei Motorbetrieb des Wellengenerators/-motors und
einem Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem der Wellengenerator/-motor
von Motorbetrieb in Generatorbetrieb umgeschaltet wird, wobei während der
Umschaltzeit eine Energiequelle elektrische Energie in das Schiffsnetz
einspeist, derart, dass Spannung und Frequenz des Schiffsnetzes
einen jeweils vordefinierten Grenzwert nicht unterschreiten.
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Durch
eine geeignete Wahl der jeweiligen Grenzwerte für die Spannung und Frequenz
des Schiffsnetzes können
Netzstörungen
vermieden werden. Insbesondere kann gezielt die Funktionsbereitschaft
für den
Schiffsbetrieb kritischer Verbraucher an Bord des Schiffes bei einem
Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem gewährleistet
und somit ein Blackout des Schiffes vermieden werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Umrichter
ein Gleichstrom-Zwischenkreis-Umrichter
und als Energiequelle eine rotierende Blindleistungsmaschine für das Schiffsnetz
verwendet. Die für
die Blindleistungserzeugung im Fall eines derartigen Umrichters
ohnehin notwendige Blindleistungsmaschine wird somit für die Stützung des
Schiffsnetzes bei Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem
verwendet. Zusätzlicher Platzbedarf
für eine
weitere zusätzliche
Energiequelle wird somit vermieden.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Umrichter ein
Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter
und als Energiequelle ein Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungszwischenkreises
dieses Umrichters verwendet. Auch hier wird der für den Umrichterbetrieb,
insbesondere auch für
dessen Blindleistungsabgabe, ohnehin notwendige und somit bereits
vorhandene Zwischenkreiskondensator für die Stützung des Schiffsnetzes bei
Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem verwendet.
Zusätzlicher
Platzbedarf für
eine weitere zusätzliche
Energiequelle wird somit vermieden.
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Eine
besonders schnelle Umschaltung des Wellengenerators/-motors von Motorbetrieb
in Generatorbetrieb ist dadurch möglich, dass der Umrichter einen
netzseitigen und einen motorseitigen Stromrichter mit jeweils steuerbaren
Stromrichterventilen aufweist und die Umschaltung der Wellengenerator-/motoreinrichtung
von Motorbetrieb in Generatorbetrieb durch Änderung der Einschaltdauer
der Stromrichterventile erfolgt.
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Weiterhin
kann eine besonders schnelle Umschaltung des Wellengenerators/-motors
von Motorbetrieb in Generatorbetrieb erfolgen, wenn die Umschaltung
von dem Abwärmerückgewinnungssystem unter
Umgehung eines softwaregesteuerten Power Management Systems ausgelöst wird.
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Die
Dimensionierung der Energiequelle hinsichtlich der während der
Umschaltung einzuspeisenden Energie und somit deren Platzbedarf
kann dadurch klein gehalten werden, dass bei dem Ausfall der Energieerzeugung
durch das Abwärmerückgewinnungssystem
an das Schiffsnetz angeschlossene, für den Schiffsbetrieb unkritische,
elektrische Verbraucher abgeschaltet werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Schiffsantriebssystem
mit Abwärmerückgewinnung,
insbesondere zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfasst
- – ein
Steuer- und Regelsystem zur Umschaltung des Wellengenerators/-motors
bei einem Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem
von Motorbetrieb zu Generatorbetrieb und
- – eine
Energiequelle, durch die während
der Umschaltung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb elektrische
Energie in das Schiffsnetz einspeisbar ist, wobei die Zeit für die Umschaltung
von Motorbetrieb in Generatorbetrieb und die Dimensionierung der
Energiequelle hinsichtlich der in der Zeit der Umschaltung in das
Schiffsnetz einspeisbaren Energie derart aufeinander abgestimmt
sind, dass aufgrund der während
der Umschaltung in das Schiffsnetz eingespeisten Energie die Spannung und
Frequenz des Schiffsnetzes einen jeweils vorgegebenen Wert nicht
unterschreiten.
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Die
für das
erfindungsgemäße Verfahren
genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Schiffsantriebssystem.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Schiffsantriebssystems gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung,
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2 ein
Beispiel für
den Aufbau des Steuer- und Regelsystems von 1,
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3 ein
Beispiel für
eine Umschaltung des Wellengenerators/-motors von Motor- zu Generatorbetrieb
und
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4 ein
Prinzipschaltbild eines Schiffsantriebssystems gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.
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Ein
in 1 stark schematisiert gezeigtes Schiffsantriebssystem 1 mit
Abwärmerückgewinnung für ein großes Containerschiff
weist eine als langsam laufenden Zweitaktdieselmotor ausgebildete
Hauptmaschine 2 auf, die über eine Propellerwel le 3 einen Schiffspropeller 4 zum
Antrieb des Schiffes aufweist.
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Ein
elektrisches Schiffsnetz 5 dient zur Energieversorgung
elektrischer Geräte
und Systeme an Bord des Schiffes. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen
kritischen Verbrauchern, deren Abschaltung zu einem Blackout an
Bord des Schiffes führt,
und unkritischen Verbrauchern (z. B. Hotellast), die nicht zu einem
Blackout führen.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
ist in 1 jeweils nur ein einziger kritischer Verbraucher 6 und
ein einziger unkritischer Verbraucher 7 dargestellt, in
der Praxis werden jeweils eine größere Anzahl derartiger Verbraucher 6, 7 aus
dem Schiffsnetz 5 mit Strom versorgt.
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Zur
Energieerzeugung für
das Schiffsnetz 5 sind mehrere Generatoren 8 vorgesehen,
die jeweils von einer schneller als die Hauptmaschine laufenden Hilfsmaschine 9 angetrieben
werden. Bei den Hilfsmaschinen 9 handelt es sich üblicherweise
um schnell laufende Viertakt-Dieselmotoren mit einer Leistung von
beispielsweise bis zu 5 MW. Üblicherweise
sind jeweils ein Generator 8 und ein Dieselmotor 9 zu
einem Dieselgeneratoraggregat 10 zusammengefasst.
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Ein
Wellengenerator/-motor 11 ist mechanisch mit der Propellerwelle 3 gekoppelt
und elektrisch über
einen Umrichter 12 und einen Transformator 35 mit
dem Schiffsnetz 5 verbunden. Der Umrichter 12 ist
als Gleichstrom-Zwischenkreisumrichter ausgebildet und besteht aus
einem motorseitigen Stromrichter 13 und einem netzseitigen
Stromrichter 14.
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Der
Wellenmotor/-generator 11 ist als langsam laufende Synchronmaschine
ausgebildet und wirkt vorzugsweise direkt ohne zwischengeschaltetes
Getriebe auf die Propellerwelle. Der Wellenmotor/-generator 11 kann
aber auch über
ein Getriebe an der Propellerwelle 3 angekuppelt oder mit
der Kurbelwelle der Hauptmaschine 2 gekuppelt sein, und zwar
an dem Ende, das von der Propellerwelle 3 abliegt.
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Der
Erregerstrom IE für den Wellengenerator/-motor 11 wird
ebenfalls aus dem Schiffsnetz 5 bezogen und über einen
Erregerstromrichter 15 gesteuert und geregelt.
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Durch
Steuerung und Regelung des elektrischen Energieflusses durch den
Umrichter 12 und des Erregerstromes IE kann
der Wellengenerator/-motor 11 entweder als Motor oder als
Generator betrieben werden. Im Motorbetrieb wird dann elektrische
Energie aus dem Schiffsnetz 5 in mechanische Energie zum
Antrieb des Schiffspropellers 4 umgewandelt. Leistungsreserven
im Schiffsnetz 5 können somit
zur Vergrößerung der
Antriebsleistung des Schiffes verwendet werden, wodurch entweder
die Schiffsgeschwindigkeit erhöht
oder bei gleich bleibender Schiffsgeschwindigkeit die Hauptmaschine 2 entlastet
werden kann. Im Generatorbetrieb wird mechanische Energie der Propellerwelle 3 in
elektrische Energie für
das Schiffsnetz 5 umgewandelt. Hierdurch können Leistungsreserven
der Hauptmaschine 2 zur Erzeugung von Energie für das Schiffsnetz 5 verwendet
werden. Bevorzugt beträgt
die Nennleistung des Wellenmotors/-generators 11 hierzu
wenigstens 5% der Nennleistung der Hauptmaschine 2.
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Die
Steuerung und Regelung des Wellengenerators/-motors über den
Umrichter 12 und den Erregerstromrichter 15 erfolgt
durch ein gemeinsames, vorzugsweise in Digitaltechnik ausgeführtes, Steuer- und
Regelsystem 16. Der Stromrichter 13, der Stromrichter 14 und
der Erregerstromrichter 15 sind hierbei durch das Steuer-
und Regelsystem 16 unabhängig voneinander steuerbar
und regelbar.
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Hierfür erfasst
das Steuer- und Regelsystem 16 über nicht näher dargestellte Messeinrichtungen die
Drehzahl des Wellengenerators/-motors, die Motorspannung UM, Motorfrequenz fM,
Zwischenkreisstrom Id, Netzspannung UN und Netzfrequenz fN.
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Da
ein Gleichstrom-Zwischenkreis-Umrichter nur Wirkleistung in das
Schiffsnetz 5 einspeisen kann, wird der Blindleistungsbedarf
des Schiffsnetzes 5 von einer als Synchrongenerator ausgebildeten Blindleistungsmaschine 17 bereitgestellt.
Die Blindleistungsmaschine 17 arbeitet im Normalbetrieb
nur als Phasenschieber und speist keine Wirkleistung in das Netz 5 ein.
Ein Anfahrumrichter 18 und ein Anfahrmotor 19 dienen
zum Start der Blindleistungsmaschine 17. Die Steuerung
des Anfahrumrichters 18 erfolgt ebenfalls durch das Steuer-
und Regelsystem 16.
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Zusätzlich wandelt
ein Abwärmerückgewinnungssystem 20 Wärme der
Hauptmaschine 2 in elektrische Energie für das Schiffsnetz 5 um.
Hierzu wird Wärme
aus den Abgasen der Hauptmaschine 2 über einen Wärmetauscher 21 an
einen nicht näher dargestellten
Dampfkreislauf übertragen,
in den eine Dampfturbine 22 geschaltet ist, die mit einem
Turbogenerator 23 gekoppelt ist. Ein Teil der Abgase wird vor
der Zufuhr zu dem Wärmetauscher 21 zudem
einer Leistungsturbine 24 zugeführt, die ebenfalls mit dem
Turbogenerator 23 gekoppelt ist. Die von dem Turbogenerator 23 erzeugte
elektrische Energie wird in das Schiffsnetz 5 eingespeist.
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Ein
softwaregesteuertes Power Management System 30 sorgt für die bedarfsgerechte
Bereitstellung der elektrischen Energie für die verschiedenen Verbaucher
und schaltet je nach Anforderung und zur Verfügung stehender Leistung über Schalter 31, 32, 33 einzelne
Verbraucher 6, 7, Dieselgeneratorsätze 10,
den Turbogenerator 23 bzw. den Wellengenerator/-motor 11 dem Schiffsnetz 5 zu
oder ab. Das Power Management System 30 ist hierzu über Steuerleitungen 34 oder
andere Kommunikationsverbindungen mit den Schaltern 31, 32, 33,
den Dieselgeneratoraggregaten 10, dem Steuer- und Regelsystem 16 sowie
einem nicht näher
dargestellten Steuer- und Regelsystem des Abwärmerückgewinnungssystems 20 verbunden.
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Vorrangiges
Ziel beim Betrieb des Schiffsantriebssystems 1 ist es,
die gesamte vom Abwärmerückgewinnungssystem 20 zur
Verfügung
stehende elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 einzuspeisen.
Sobald der Turbogenerator 23 Energie in das Schiffsnetz
einspeist, werden durch das Power Management System die Dieselgeneratorsätze 10 entlastet
und, falls möglich,
sogar abgeschaltet. Durch diese Maßnahmen können die Brennstoff- und Betriebskosten
sowie die Emissionen der Dieselgeneratorsätze 10 deutlich verringert
werden.
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Erzeugt
das Abwärmerückgewinnungssystem 20 sogar
mehr Energie, als für
die elektrischen Schiffsverbraucher 6, 7 benötigt wird,
so wird mit diesem Energieüberschuss
der Wellengenerator-/motor 11 im Motorbetrieb betrieben
und somit eine zusätzliche
Antriebskraft auf die Propellerwelle 3 gegeben. In diesem
Betriebsfall speist somit nur das Abwärmerückgewinnungssystem 20 elektrische
Energie in das Schiffsnetz ein; die Dieselgeneratorsätze 10 sind
dagegen abgeschaltet.
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Ein
ungeplanter Ausfall der Energieerzeugung durch das Abwärmerückgewinnungssystem 20, z.
B. im Fall einer Störung,
würde somit
jedoch zu einem Einbruch der Spannung und Frequenz des Schiffsnetzes 5 mit
der Folge einer Sicherheitsabschaltung der kritischen und unkritischen
Verbraucher 6, 7 und somit zu einem Blackout des
Schiffes führen,
da es einige Sekunden dauert, bis die Dieselgeneratorsätze 10 gestartet
und zur Energieversorgung für
das Schiffsnetz 5 zur Verfügung stehen.
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Um
dies zu vermeiden, wird der Wellengenerator/-motor innerhalb von
weniger als 1 Sekunde nach Störungssignalisierung
von Motorbetrieb in Generatorbetrieb umgeschaltet. Während der
Umschaltzeit wird der Energiebedarf des Netzes 5 aus der
kinetischen Rotationsenergie der Blindleistungsmaschine 17 gedeckt.
Diese übernimmt
kurzzeitig die Energieversorgung für die kritischen Verbraucher und
speist hierfür
Energie in das Schiffsnetz 5 ein, und zwar derart, dass
Spannung und Frequenz des Schiffsnetzes 5 einen jeweils
vorgegebenen Grenzwert nicht unterschreiten. Die Grenzwerte sind
hierbei so gewählt,
dass eine Sicherheitsabschaltung der kritischen Schiffsverbraucher 6,
die zu einem Blackout des Schiffes führen könnte, vermieden wird. Die Umschaltzeit
und die Energieabgabefähigkeit
der Blindleistungsmaschine während
der Umschaltzeit sind hierfür
aufeinander abgestimmt. Bei einer Umschaltzeit von weniger als 1
Sekunde reicht darüber hinaus
die Energiespeicherungs- und -abgabefähigkeit der bisher üblicherweise
verwendeten Blindleistungsmaschinen mit einer Leistung von 4-7 MVA, aus,
so dass eine gezielte Überdimensionierung
für die
Zwecke der Energieeinspeisung während
der Umschaltzeit nicht notwendig ist.
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Wenn
der Turbogenerator 23 den Blindleistungsbedarf des Schiffsnetzes 5 und
der verschiedenen Stromrichter decken könnte, wäre ein Betrieb der Blindleistungsmaschine 17 nicht
notwendig und sie könnte
abgeschaltet werden. Allerdings stände dann auch deren kinetische
Rotationsenergie für
die Stützung
des Schiffsnetzes 5 bei einem Ausfall des Turbogenerators 23 nicht
zur Verfügung.
Die Blindleistungsmaschine 17 wird somit auch bei Energieerzeugung
durch den Turbogenerator 23 weiter betrieben.
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Eine
kurze Umschaltzeit ist zum einen dadurch erzielbar, dass das Abwärmerückgewinnungssystem 20 dem
Steuer- und Regelsystem 16 die Störung über eine direkte Leitungsverbindung 36,
d. h. unter Umgehung des softwaregesteuerten Power Management Systems 30,
signalisiert. Verzögerungen
in der Signalübertragung
durch die Software des Power Management Systems können hierdurch
vermieden werden.
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Das
Steuer- und Regelsystem 16 weist hierzu einen Signaleingang
auf, der über
die Leitungsverbindung 36, d. h. durch eine „harte" Verdrahtung, direkt
mit einem Signalgeber des Abwärmerückgewinnungssystems 20 für eine Störauslösung verbunden ist.
Im Ausführungsbeispiel
ist der Signalgeber ein nicht näher
dargestellter potenzialfreier Hilfskontakt des Schalters 32,
der bei einer Störung
geöffnet
wird, um den Turbogenerators 23 vom Netz 5 zu
trennen.
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Weiterhin
ist eine derart kurze Umschaltzeit dadurch erzielbar, dass die Ansteuerung
der Stromrichter 13, 14 und des Erregerstromrichters 15 bei
der Umschaltung von Motorbetrieb zu Generatorbetrieb ohne Impulsabschaltungen,
d. h. alleine durch Veränderung
der Einschaltzeitpunkte und somit Einschaltdauern der Stromrichterventile
erfolgt. Bei Verwendung von Thyristoren als Stromrichterventilen
werden hierbei üblicherweise
nur die Einschaltzeitpunkte über
den sogenannten Steuerwinkel α gesteuert.
Bei Verwendung von GTOs, IGBTs oder IGCTs können sowohl die Einschalt-
als auch die Ausschaltzeitpunkte gesteuert werden.
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Eine
derartige Ansteuerung der Stromrichterventile ohne Impulsabschaltung
ist dadurch möglich,
dass das Steuer- und Regelsystem 16 den Wellengenerator/-motor über den
Umrichter 12 und Stromrichter 15 im Motorbetrieb
und Generatorbetrieb mit der gleichen Regelungsart regelt. Impulsabschaltungen
beim Übergang
vom Motorbetrieb zu Generatorbetrieb und die damit einhergehenden
Verzögerungen,
wie sie bei unterschiedlichen Regelungsarten für Motor- und Generatorbetrieb
notwendig wären,
können
dadurch vermieden werden.
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Vorteilhaft
wird der Wellengenerator/-motor sowohl im Motorbetrieb als auch
im Generatorbetrieb drehmomentgeregelt und somit proportional zur
aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Leistung, da sich die
Drehzahl relativ langsam ändert. Das
Steuer- und Regelsystem 16 weist dann gemäß 2 zum
einen eine Regelungskomponente 41 zur Erzeugung eines Drehmomenten-Sollwertes
MG im Generatorbetrieb und zum anderen eine
Regelungskomponente 42 zur Erzeugung eines Drehmomenten-Sollwertes
MM für
den Motorbetrieb auf, wobei durch eine Umschaltung 43 sichergestellt
wird, dass nur einer der beiden Sollwerte auf eine nachfolgende Steuerungskomponente 44 für die Ansteuerung
der Umrichter 12 und 15 im Generator- und im Motorbetrieb
geschaltet ist. Die Regelungskomponenten 41, 42,
die Umschaltung 43 und die Steuerungskomponente 44 sind
vorzugsweise als Funktionsbausteine in einer Software realisiert.
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Unter
Bezugnahme auf 3 soll im Folgenden für den Fall,
dass in den Stromrichtern 13, 14, 15 Thyristoren
als Stromrichterventile verwendet werden, eine Umschaltung von Motor- zu Generatorbetrieb
erläutert
werden. Die Einschaltdauern der Stromrichterventile der Stromrichter 13, 14 und 15 und
damit die Umschaltung von Motor- auf Generatorbetrieb werden dabei über die
jeweiligen Steuerwinkel gesteuert. Der Stromfluss durch die Thyristoren
hängt von
deren Zündzeitpunkten
ab. Der Steuerwinkel gibt an, um wie viel Grad der Zündzeitpunkt gegenüber einer
Zündung
beim Nulldurchgang der Spannung verschoben ist. Durch Steuerung
des Steuerwinkels kann der Stromfluss durch den Stromrichter und
somit Strom und Spannung auf der Stromrichterausgangsseite gesteuert
werden.
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3 zeigt
den zeitlichen Verlauf des Störungssignales
S auf der Signalleitung 36, des Leistungsbedarfes PN des
Schiffsnetzes 5, der netzseitigen Leistungsaufnahme/-abgabe
PM des Umrichters 12, des Steuerwinkels αN des
motorseitigen Stromrichters 13, des Steuerwinkels αN des
netzseitigen Stromrichters 14 und des Erregerstromes IE.
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Im
Zeitpunkt t1 signalisiert das Störsignal
S durch einen Sprung auf den Wert So eine Störung des Abwärmerückgewinnungssystems 20.
Hierdurch wird zum einen unter Umgehung des Power Management Systems 30 der
Leistungsbedarf PN des Schiffsnetzes 5 durch
Abschaltung der unkritischen Verbraucher 7 gesenkt. Zum
anderen schaltet das Steuer- und Regelsystem 16 den Wellengenerator/-motor 11 nun
innerhalb von weniger als 1 Sekunde von Motorbetrieb in Generatorbetrieb
um. Hierzu wird in einem ersten Schritt der netzseitige Stromrichter 14 derart
angesteuert, dass der Stromfluss aus dem Netz 5 in den
Stromrichter 14 schnellstmöglich unterbunden und somit
auch der Bedarf an elektrischer Leistung aus dem Schiffsnetz 5 weiter
gesenkt wird.
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Hierfür senkt
die Regelungskomponente 42 für den Motorbetrieb den Momentensollwert
MM augenblicklich auf Null, wodurch der Steuerwinkel αN für die Ansteuerung
der Ventile des Stromrichters 14 von seinem ursprünglichen
Wert α1 auf den Wert α2 vergrößert wird.
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Insgesamt
wird durch diese Maßnahmen
der Leistungsbedarf PN des Schiffsnetzes
auf den Wert PNmin gesenkt. Außerdem wird
der Momentanwert der Netzfrequenz als Sollwert für den späteren Generatorbetrieb in dem
Steuer- und Regelsystem 16 abgespeichert.
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Falls
der Wellengenerator/-motor 11 im Motorbetrieb im Feldschwächebereich
betrieben wurde, wird in einem nächsten
Schritt der Erregerstromrichter 15 derart angesteuert,
dass über
den Erregungsstrom IE die Motorspannung UM soweit reduziert wird,
dass die Gefahr eines Wechselrichterkippens der Thyristoren des
Umrichters 12 vermieden wird. Dies geschieht über eine Änderung
des Steuerwinkels αIE für
die Thyristoren des Erregerstromrichters 15.
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Die
Zeit bis die Erregung des Wellengenerator/-motors 11 auf
den für
den Generatorbetrieb angestrebten Wert reduziert ist, kann dadurch
verkleinert werden, dass der Erregerstromrichter 15 derart angesteuert
wird, dass der Erregerstrom IE zuerst auf einen Wert abgesenkt wird,
der kleiner ist als der tatsächlich
für den
Generatorbetrieb angestrebte Wert, und anschließend auf den angestrebten Wert angehoben
wird. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn
wie im Fall des Ausführungsbeispieles
der Erregerstrom zuerst auf 0.6·IEmax abgesenkt
und anschließend
auf 0.8·IEmax angehoben wird.
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Falls
der Wellengenerator/-motor 11 im Motorbetrieb nicht im
Feldschwächebereich
betrieben wurde, ist die Motorspannung UM bereits klein genug, um
ein Wechselrichterkippen im Umrichter 12 zu vermeiden.
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In
einem nächsten
Schritt wird im Zeitpunkt t2 durch das Steuer- und Regelsystem 16 der
motorseitige Stromrichter 13 derart angesteuert, dass sich die
Energieflussrichtung durch den Stromrichter 13 umkehrt,
d. h. dass der Stromrichter 13 Energie von dem Wellengenerator/-motor 11 aufnimmt,
in einen Gleichstrom umwandelt und dem Gleichstromzwischenkreis 37 zuführt. Dies
geschieht durch Verkleinerung des Steuerwinkels αM für die Ansteuerung
der Ventile des Stromrichters 14 von seinem ursprünglichen
Wert αM1 auf den Wert αM2.
Der Wellengenerator geht nun von motorischen in generatorischen
Betrieb.
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In
einem nächsten
Schritt wird im Zeitpunkt t3 durch das Steuer- und Regelsystem 16 der
netzseitige Stromrichter 14 derart angesteuert, dass er die
dem Gleichstromzwischenkreis 37 vom Stromrichter 13 zugeführte Energie
in einen Strom mit der Frequenz des Schiffsnetzes 5 umwandelt
und in das Netz 5 einspeist. Dies geschieht dadurch, dass
der Steuerwinkel αN für
die Ansteuerung der Ventile des Stromrichters 14 vom Wert αN2 auf
den Wert αN3 verkleinert wird.
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Der
Umrichter 12 wandelt nun den motorseitigen Strom mit von
der Drehzahl der Hauptmaschine 2 abhängiger Frequenz und somit vom
Schiffsnetz 5 unterschiedlicher Frequenz in einen Strom
mit der Frequenz des Schiffsnetzes 5 um. Die Frequenz der Netzspannung
wird dabei von dem Steuer- und Regelsystem 16 auf ihren
Momentanwert im Schiffsnetz 5 vor Beginn der Umschaltung
geregelt.
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Die
während
der Zeit der Umschaltung auf Generatorbetrieb vom Schiffsnetz 5 benötigte Energie
E wird von der Blindleistungsmaschine 18 eingespeist, so
dass die Frequenz und die Spannung des Schiffsnetzes 5 jeweils
vorgegebene Grenzwerte nicht unterschreiten, die so gewählt sind,
dass eine Sicherheitsabschaltung der kritischen Verbraucher 7 sicher
vermieden wird.
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Statt
eines Gleichstrom-Zwischenkreisumrichters 12 kann auch
ein Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter verwendet werden. In
diesem Fall wird der Blindleistungsbedarf des Schiffsnetzes 5 durch
den Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichters gedeckt, so dass
eine gesonderte Blindleistungsmaschine nicht notwendig ist.
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4 zeigt
hierfür
ein Schiffsantriebssystem 50, das dem Schiffsantriebssystem 1 aus 1 entspricht,
mit der Ausnahme dass der Gleichstrom-Zwischenkreisumrichter durch
einen Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter 51 ersetzt
wurde und die Blindleistungsmaschine entfallen ist.
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Während der
Umschaltung von Motor- zu Generatorbetrieb speist dann der Zwischenkreiskondensator 52 elektrische
Energie in das Schiffsnetz ein, derart, dass die Spannung und die
Frequenz des Schiffsnetzes 5 jeweils vorgegebene Grenzwerte nicht
unterschreiten. Die Zeit für
die Umschaltung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb und die Dimensionierung
des Zwischenkreiskondensators 52 hinsichtlich der in der
Zeit der Umschaltung in das Schiffsnetz 5 einspeisbaren
Energie sind hierzu aufeinander abgestimmt.
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Im
erläuterten
Fall von Stromrichtern mit Thyristor-Stromrichterventilen und deren
Steuerung über
den Steuerwinkel α können Umschaltzeiten
t3 – t1
von weniger als 1 Sekunde erzielt werden.
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Werden
sowohl hinsichtlich der Ein- als auch hinsichtlich der Ausschaltung
steuerbare Stromrichterventile, z. B. IGBT-Stromrichterventile verwendet, kann
deren Steuerung statt über
den Steuerwinkel über
ein Pulsmuster erfolgen (PWM-Modulation). In diesem Fall erfolgt
die Sperrung des Stromflusses vom Netz in den netzseitigen Stromrichter,
die Umkehr der Energierichtung im motorseitigen Stromrichter und
die Energieeinspeisung in das Schiffsnetz mit der Netzspannung und
Netzfrequenz durch den netzseitigen Stromrichter jeweils durch Änderungen
der Pulsmuster der Stromrichter. Hierdurch sind sogar Umschaltzeiten
im Bereich von 100 ms möglich.