DE102007060928A1

DE102007060928A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom

Info

Publication number: DE102007060928A1
Application number: DE200710060928
Authority: DE
Inventors: Ravisekhar Nadimapalli Raju
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-06-19
Also published as: US7576443B2; US20080143182A1; JP2008154450A; GB2444840A; CA2612823A1; GB0724082D0; GB2444840B; JP5508672B2

Abstract

Es wird ein Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) zur Verfügung gestellt. Das Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) umfasst zumindest eine erste elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist, und zumindest eine zweite elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem zweiten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist, und zumindest einen Generator mit offenen Wicklungen (102, 402, 802), der mit dem ersten und zweiten elektrischen Bus in Serie elektrisch verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme zur elektrischen Stromerzeugung und insbesondere auf ein System zur elektrischen Stromerzeugung, das eine Kombination von Generatoren und Konvertern umfasst, die dafür konfiguriert sind, ohne die Verwendung von Transformatoren mehrere elektrische Spannungen zu erhalten.
Zumindest ein bekanntes Seeschiff enthält einen Generator, der benutzt wird, um Strom an ein elektrisches Verteilungssystem zu liefern. Das elektrische Verteilungssystem umfasst eine Vielzahl von Lasten, die Strom von den Bussen erhalten. Um die Lasten mit Strom zu versorgen, enthalten bekannte elektrische Verteilungssysteme eine Vielzahl von Transformatoren, die benutzt werden, um das vom Generator gelieferte Spannungsniveau auf ein zum Betrieb der Lasten erforderliches Spannungsniveau zu reduzieren. Zumindest einige Seeschiff-Lasten wie beispielsweise der Antrieb werden mit einer Mittelspannung zwischen circa 2,3 Kilovolt (kV) und circa 13,8 kV versorgt, während Hilfslasten, oft auch als "hotel-" oder "ship service loads" bezeichnet, mit einer niedrigeren Spannung zwischen circa 120 Volt (V) und circa 690 V versorgt werden.
Während Transformatoren für die Reduzierung der Generator-Ausgangsspannung auf eine niedrigere Spannung, die von der verschiedenartigen, mit dem Bus verbundenen Aus rüstung verwendet wird, akzeptabel sind, existieren bei bekannten Transformatoren Grenzen hinsichtlich Größe und Gewicht. Speziell Seeschiffe, die eine große Anzahl unterschiedlicher Lasten aufweisen, können auch eine große Anzahl von Transformatoren benötigen, um die von den Lasten benötigten erforderlichen Spannungsniveaus zu liefern. Als Folge davon erhöht das vereinte Gewicht der Transformatoren das Gesamtgewicht des Seeschiffs, verringert so die Treibstoffeffizienz und erhöht die Gesamt-Konstruktions- und Betriebskosten des Seeschiffs. Außerdem können Transformatoren, die mit relativ großer elektrischer Ausrüstung benutzt werden, einen relativ großen Grundriss haben, der eventuell auf dem begrenzten Raum eines Seeschiffs schwierig unterzubringen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Stromerzeugung zur Verfügung gestellt. Das Verfahren beinhaltet das Zur-Verfügung-Stellen von zumindest einem Generator mit offener Wicklung mit zumindest einer Wicklung, wobei die zumindest eine Wicklung über eine erste Generatorklemme und eine zweite Generatorklemme verfügt. Das Verfahren umfasst auch die elektrische Verbindung der ersten Generatorklemme mit einer ersten elektrisch betriebenen Elektronikvorrichtung über einen ersten elektrischen Bus und die elektrische Verbindung der zweiten Generatorklemme mit einer zweiten elektrisch betriebenen Elektronikvorrichtung über einen zweiten elektrischen Bus. Das Verfahren umfasst ferner das Induzieren einer ersten Spannung auf den ersten elektrischen Bus und das Regulieren dieser Spannung sowie das Induzieren einer ersten Spannung auf den zweiten elektrischen Bus und das Regulieren dieser Spannung.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verteilungssystem für elektrischen Strom zur Verfügung gestellt. Das System enthält zumindest eine erste elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist. Das System enthält auch zumindest eine zweite elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem zweiten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist. Das System beinhaltet weiter zumindest einen Generator mit offener Wicklung, der in Serie elektrisch verbunden ist mit dem ersten elektrischen Bus und dem zweiten elektrischen Bus.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Seeschiff zur Verfügung gestellt. Das Seeschiff enthält zumindest einen elektrischen Antriebsmotor. Das Schiff enthält auch ein Verteilungssystem für elektrischen Strom, das mit dem zumindest einen elektrischen Antriebsmotor elektrisch verbunden ist. Das Verteilungssystem für elektrischen Strom umfasst zumindest eine erste elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist. Das System umfasst auch zumindest eine zweite elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem zweiten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist. Das System umfasst weiter zumindest einen Generator mit offener Wicklung, der in Serie elektrisch verbunden ist mit dem ersten elektrischen Bus und dem zweiten elektrischen Bus.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schemaansicht eines Teils eines beispielhaften Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff.
2 ist eine Schemaansicht eines Teils des in 1 gezeigten Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff;
3 ist eine grafische Darstellung von Spannungssignalen, die in dem in 2 gezeigten Teil des Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff erzeugt werden;
4 ist eine grafische Darstellung von Spannungssignalen, die in dem in 2 gezeigten Teil des Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff erzeugt werden;
5 ist eine vereinfachte Schemaansicht eines Teils des in 2 gezeigten Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff;
6 ist eine Schemaansicht eines Teils des in 1 gezeigten Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff;
7 ist eine grafische Darstellung eines beispielhaften Betriebes des in 6 gezeigten Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff;
8 ist eine Schemaansicht eines beispielhaften Seeschiffs, das zumindest einen Teil des in 1 gezeigten Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff umfasst.
9 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems, das in dem in 8 gezeigten Seeschiff verwendet werden könnte;
10 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems, das in dem in 8 gezeigten Seeschiff verwendet werden könnte;
11 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems, das in dem in 8 gezeigten Seeschiff verwendet werden könnte und
12 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems, das in dem in 8 gezeigten Seeschiff verwendet werden könnte.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine Schemaansicht eines Teils eines beispielhaften Stromerzeugungs- und Verteilungssystems für ein Seeschiff 100. Das System 100 enthält einen Generator mit offener Wicklung 102, wobei derartige Generatoren üblicherweise beide der zugeordneten Generatorklemmen für jede Generatorphasenwicklung enthalten, die zwecks Verbindung mit externen Bussen ausgeführt wird. Dies steht im Gegensatz zu vielen bekannten Generatoren, wo ein Ende von jeweils der A-Phasen-Leitung, der B-Phasen-Leitung und der C-Phasen-Leitung elektrisch verbunden sind, um eine Stator-Konfiguration zu bilden, die allgemein als ein "delta-wound Motor" (Motor in Dreieckschaltung oder "Δ-wound Motor") oder ein "wye-wound Motor" (Motor in Sternschaltung oder "y-wound Motor") bekannt ist.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Generator 102 ein zweipoliger 3-Phasen-Synchron-Generator mit gewickeltem Läufer/Rotor, 36 Megawatt (MW), 6600 Volt-Wechselstrom (VAC), 6000 Umdrehungen pro Minute (UpM) mit einem Rotor (nicht dargestellt) und einem Stator 104. Alternativ ist der Generator 102 irgendein Generatortyp, wie unter anderem Schenkelpol-Generatoren, Generatoren mit doppelseitigem Stator, und/oder doppelgespeiste Induktionsgeneratoren mit einer beliebigen Anzahl Phasen und zugelassen für alle Leistungs-, Spannungs- und Rotationswerte, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglichen. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Rotor ein gewickelter Rotor, wobei die zugeordneten Wicklungen (nicht gezeigt) fremderregt sind, beispielsweise unter anderem durch einen Schenkelpol-Rotor. Alternativ ist der Generator 102 ein Permanentmagnet-Generator, der eine Vielzahl von mit dem Rotor verbundenen Permanentmagneten (nicht dargestellt) umfasst. Der Rotor und der Stator 104 sind derart positioniert, dass ein Zwischenraum (manchmal als Luftspalt bezeichnet) zwischen dem Stator 104 und dem Rotor definiert wird. Der Rotor ist so positioniert, dass er ein Magnetfeld (nicht dargestellt) mit einer vorgegebenen Anzahl von Polen und einer vorgegebenen magnetischen Feldstärke erzeugt.
Der Stator 104 umfasst eine Vielzahl Statorwicklungen 106, 108 und 110. Der Luftspalt ermöglicht die magnetische Kopplung der Rotor- und Statorwicklungen 106, 108 und 110, um eine vorgegebene Spannung in den Statorwicklungen 106, 108 und 110 bei einer vorgegebenen Frequenz zu erzeugen, die von der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors bestimmt wird, während der Rotor in dem Stator 104 gedreht wird.
Das System 100 enthält auch einen Antriebsmotor 112, der durch eine Welle 114 drehbar mit dem Generator 102 verbunden ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Antriebsmotor 112 ein Gasturbinenmotor. Außerdem ist in der beispielhaften Ausführungsform der Antriebsmotor 112 im Wesentlichen ein Antrieb mit konstanter Drehzahl. Alternativ ist der Antriebsmotor 112 unter anderem ein Dampfturbinenmotor, ein Dieselmotor und ein Windturbinenmotor. Außerdem ist der Antriebsmotor 112 alternativ ein drehzahlveränderlicher Antrieb. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Generator 102 ein Direct-Drive-Generator, d. h. eine Nabe (nicht dargestellt) ermöglicht die drehbare Verbindung der Welle 114 mit dem Generatorrotor, so dass die Welle 114 den Generatorrotor antreibt. Alternativ wird ein Getriebe (nicht dargestellt) zwischen dem Antriebsmotor 112 und dem Generator 102 positioniert und dazu verwendet, die von der Welle 114 erzeugte Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen oder zu verringern, um zu ermöglichen, dass die vorgegebenen Frequenzen innerhalb der Statorwicklungen 106, 108 und 110 erreicht werden.
Die Statorwicklungen 106, 108 und 110 sind durch die elektrischen Leitungen 118, 120 und 122 und die Generatorklemmen 119, 121 und 123 elektrisch verbunden mit einer ersten elektrisch betriebenen Elektronikvorrichtung, d. h. einem ersten Konverter 116. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 118, 120 und 122 eine Vielzahl von Elektrokabeln, die dafür konfiguriert sind, elektrischen Strom mit vorgegegebenen Stromstärken, Spannungen und Frequenzen, die von dem Generator 102 erzeugt werden, zu über tragen. Zusätzlich oder alternativ sind die Leitungen 118, 120 und 122 irgendeine Stromübertragungsvorrichtung wie unter anderem Stromschienen. Die Leitungen 118, 120 und 122 sind im Wesentlichen Verlängerungen der Statorwicklungen 106, 108 und 110. Speziell in der beispielhaften Ausführungsform enthält jede der Leitungen 118, 120 und 122 mindestens ein Kabel für jede der drei mit dem Generator 102 verbundenen Phasen. Alternativ kann jede Anzahl Phasen, die den hier beschriebenen Betrieb des Generators 102 ermöglicht, mit dem Generator 102 verbunden sein.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Konverter 116 ein aktiver Stromrichter, der die von den Statorwicklungen 106, 108 und 110 übertragenen Wechselstromsignale durch Wechselstromgleichrichtung in Gleichstromsignale umwandelt. Der Konverter 116 verwendet Pulsweitenmodulationsverfahren, um die Stromstärken der Statorwicklungen 106, 108 und 110 anzupassen und eine Spannung eines Gleichstrom-Zwischenkreises 124 (weiter unten erörtert) zu regulieren. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Konverter 116 eine Vielzahl von IGBT-Schaltvorrichtungen (IGBT = insulate gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode, nicht dargestellt), wie in der Technik bekannt ist. Alternativ können die Schaltvorrichtungen unter anderem eine Vielzahl von IGCTs (integrated gate commutated thyristors, Weiterentwicklung des GTO-Thyristors) und eine Vielzahl von GTO-Thyristoren (gate turn-off-Thyristoren, ebenfalls nicht dargestellt) enthalten. Ferner kann jede Art von Schaltvorrichtung, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht, verwendet werden. Der Konverter 116 wird von einem Steuersystem (nicht dargestellt) derart betrieben und gesteuert, dass für eine vorgegebene Auslösungsrate und Auslösungsdauer der Schaltvorrichtungen gesorgt ist.
Der Konverter 116 kann jede Filtervorrichtung enthalten, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht.
Das System 100 enthält ferner einen ersten Zwischenkreis 124, der elektrisch mit dem Konverter 166 verbunden ist. Der Zwischenkreis 124 enthält eine positive Leitung 126, eine negative Leitung 128 und zumindest eine zwischen beide gekoppelte kapazitive Vorrichtung oder einen Kondensator 130. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Konverter 116 elektrisch mit einem einzelnen Zwischenkreis 124 verbunden. Alternativ ist der Konverter 116 in elektrischer Kommunikation mit einzelnen und separaten Zwischenkreisen (nicht dargestellt) verbunden. Außerdem ermöglicht in der beispielhaften Ausführungsform der Kondensator 130 die Abschwächung von Spannungsschwankungen in dem Zwischenkreis 124 durch Ermöglichen der Abschwächung einer DC-Welligkeit, die manchmal mit 3-Phasen-Wechselstromgleichrichtung einhergeht. Alternativ kann der Kondensator 130 aus einem oder mehreren Kondensatoren in Serie oder parallel zwischen den Leitungen 126 und 128 bestehen. Ferner sind in der beispielhaften Ausführungsform die Leitungen 126 und 128 Rail-Busse. Alternativ können die Leitungen 126 und 128 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, unter anderem Stromschienen und Kabel. Darüber hinaus sind in der beispielhaften Ausführungsform die Leitungen 126 und 128 derart konfiguriert, dass sie positive und entsprechend negative Spannungswerte aufweisen, die im Wesentlichen um einen Basiswert von circa Null Volt liegen. Daher ermöglicht die Architektur des Systems 100 nicht die Einführung von Gleichtakt-Spannungs-Problemen wie unter anderem die Erzeugung von elektrischen Interferenzsignalen. In der beispielhaften Ausführung ist der Zwischenkreis 124 für eine Beaufschlagung mit circa 1000 Volt Gleichstrom (VDC) konfiguriert und ist daher ein Niederspannungs-Zwischenkreis.
Das System 100 beinhaltet auch einen Ship-Service-Gleichstrom-Bus 132, der elektrisch mit dem ersten Zwischenkreis 124 verbunden ist. Der Bus 132 umfasst eine positive Leitung 134 und eine negative Leitung 136, die elektrisch verbunden sind mit der positiven Leitung 126 und entsprechend mit der negativen Leitung 128. Kapazitive Vorrichtungen (nicht dargestellt) können, ähnlich wie der Kondensator 130, zwischen den Leitungen 134 und 136 positioniert werden. Der Bus 132 ist dafür konfiguriert, durch vorgegebene Teile des Seeschiffes geleitet zu werden. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Bus 132 dafür konfiguriert, mit circa 1000 VDC beaufschlagt zu werden, und ist daher ein Niederspannungs-Gleichstrom-Bus. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 134 und 136 eine Vielzahl von Stromschienen. Zusätzlich oder alternativ können die Leitungen 134 und 136 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, wie unter anderem Elektrokabel.
Das System 100 enthält ferner zumindest einen Ship-Service-Konverter 138, der mit dem Bus 132 elektrisch verbunden ist.
Der Konverter 138 umfasst eine positive Leitung 140 und eine negative Leitung 142, die elektrisch verbunden sind mit der positiven Leitung 134 und entsprechend mit der negativen Leitung 136. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 140 und 142 eine Vielzahl von Stromschienen. Zusätzlich oder alternativ können die Leitungen 140 und 142 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, wie unter anderem Elektrokabel. Das System 100 umfasst auch eine Vielzahl von elektrisch mit dem Konverter 138 verbundenen Ship-Service-Wechselstromleitungen 144. In der beispielhaften Ausführungs form existieren drei Leitungen 144, d. h. eine für jede Phase, wobei die Leitungen 144 dafür konfiguriert sind, durch vorgegebene Teile des Seeschiffs geleitet zu werden und ebenso dafür konfiguriert sind, mit circa 450 VAC beaufschlagt zu werden, weswegen sie ein Niederstrom-Wechselstrom-Bus sind. Das System 100 ist dafür konfiguriert, eine Menge elektrischer Verteilungs- und Konditionierungsausrüstung zu umfassen, die die Ship-Service-Lasten aus den Leitungen 144 versorgt.
Der Konverter 138 ist ein Inverter, der die durch die Leitungen 126, 128, 134, 136, 140 und 142 übertragenen Gleichstromsignale in Wechselstromsignale umwandelt. Der Konverter 138 verwendet PMW-Verfahren, um Gleichstromsignale von den Leitungen 140 und 142 zu empfangen und diese in Drei-Phasen-Wechselstromsignale zur Übermittlung durch die Leitungen 144 umzuwandeln. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Konverter 138 eine Vielzahl von IGBT-Schaltvorrichtungen (nicht dargestellt), wie in der Technik bekannt ist. Alternativ können die Schaltvorrichtungen unter anderem auch eine Vielzahl von IGCTs und eine Vielzahl von GTOs (beide nicht dargestellt) enthalten. Ferner kann alternativ jede Art von Schaltvorrichtung verwendet werden, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht. Der Konverter 138 wird von einem Steuersystem (nicht dargestellt) derart betrieben und gesteuert, dass für eine vorgegebene Auslösungsrate und eine vorgegebene Auslösungsdauer der Schaltvorrichtungen gesorgt ist. Der Konverter 138 kann jede Filtervorrichtung enthalten, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht.
Die Statorwicklungen 106, 108 und 110 sind ebenfalls elektrisch verbunden mit einer zweiten elektrisch betriebenen Elektronikvorrichtung, d. h. einem zweiten Konverter 146, durch die elektrischen Leitungen 148, 150 und 152 und die Klemmen 149, 151 und 153. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 148, 150 und 152 eine Vielzahl von Elektrokabeln, die dafür konfiguriert sind, vorgegebenen elektrischen Strom mit vorgegebenen Stromstärken, Spannungen und Frequenzen, die von dem Generator 102 erzeugt werden, zu übertragen. Zusätzlich oder alternativ können die Leitungen 148, 150 und 152 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, wie unter anderem Stromschienen. Die Leitungen 148, 150 und 152 sind im Wesentlichen Verlängerungen der Statorwicklungen 106, 108 und 110. In der beispielhaften Ausführungsform enthält jede der Leitungen 148, 150 und 152 zumindest ein Kabel für jede der drei mit dem Generator 102 verbundenen Phasen. Alternativ kann jede Anzahl von Phasen mit dem Generator verbunden sein, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht.
Der Konverter 146 ist ein aktiver Stromrichter der die von den Statorwicklungen 106, 108, 110 übertragenen Wechselstromsignale durch Wechselstromgleichrichtung in Gleichstromsignale umwandelt. Der Konverter 146 verwendet PWM-Verfahren (PWM = Pulsweitenmodulation), um die Stromstärken der Statorwicklungen 106, 108 und 110 anzupassen und die Spannung eines Gleichstromzwischenkreises 154 (weiter unten erörtert) zu regulieren. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Konverter 146 eine Vielzahl von IGBT-Schaltvorrichtungen (nicht dargestellt), wie in der Technik bekannt ist. Alternativ können die Schaltvorrichtungen unter anderem auch eine Vielzahl von IGCTs und eine Vielzahl von GTOs (beide nicht dargestellt) enthalten. Ferner kann alternativ jede Art von Schaltvorrichtung verwendet werden, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht.
Der Konverter 146 wird von einem Steuersystem (nicht dargestellt) derart betrieben und gesteuert, dass für eine vorgegebene Auslösungsrate und eine vorgegebene Auslösungsdauer der IGBT-Vorrichtungen gesorgt ist. Der Konverter 146 kann jede Filtervorrichtung enthalten, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht.
Das System 100 enthält ferner einen zweiten Gleichstrom-Zwischenkreis 154, der elektrisch mit dem Konverter 146 verbunden ist. Der Zwischenkreis 154 enthält eine positive Leitung 156, eine negative Leitung 158 und zumindest eine zwischen beide gekoppelte kapazitive Vorrichtung oder einen Kondensator 160. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Konverter 146 elektrisch mit einem einzelnen Gleichstrom-Zwischenkreis 154 verbunden. Alternativ ist der Konverter 146 in elektrischer Kommunikation mit einzelnen und separaten Gleichstrom-Zwischenkreisen (nicht dargestellt) verbunden. Außerdem ermöglicht in der beispielhaften Ausführungsform der Kondensator 160 die Abschwächung von Spannungsschwankungen in dem Gleichstrom-Zwischenkreis 154 durch Ermöglichen der Abschwächung einer DC-Welligkeit, die manchmal mit Drei-Phasen-Wechselstromgleichrichtung einhergeht. Alternativ kann der Kondensator 160 aus einem oder mehreren Kondensatoren in Serie oder parallel zwischen den Leitungen 156 und 158 bestehen. Ferner sind in der beispielhaften Ausführungsform die Leitungen 156 und 158 Rail-Busse. Alternativ können die Leitungen 156 und 158 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, unter anderem Stromschienen und Kabel. Darüber hinaus sind in der beispielhaften Ausführungsform die Gleichstrom-Leitungen 156 und 158 derart konfiguriert, dass sie positive und entsprechend negative Spannungswerte aufweisen, die im Wesentlichen um einen Basiswert von circa Null Volt liegen. In der beispielhaften Ausführung ist der Zwischen kreis 154 für eine Beaufschlagung mit circa 10.000 Volt Gleichstrom (VDC) konfiguriert und ist daher ein Mittelspannungs-Zwischenkreis.
Das System 100 enthält auch einen Schiffsantriebs-Gleichstrombus 612, der elektrisch mit dem zweiten Gleichstrom-Zwischenkreis 154 verbunden ist. Der Bus 162 umfasst eine positive Leitung 164 und eine negative Leitung 166, die elektrisch verbunden sind mit der positiven Leitung 156 und entsprechend mit der negativen Leitung 158. Kapazitive Vorrichtungen (nicht dargestellt) können, ähnlich dem Kondensator 160, zwischen den Leitungen 164 und 166 positioniert sein. Der Bus 162 ist dafür konfiguriert, durch vorgegebene Teile des Seeschiffes geleitet zu werden. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Bus 162 dafür konfiguriert, mit circa 10.000 VDC beaufschlagt zu werden, und ist daher ein Mittelspannungs-Gleichstrom-Bus. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 164 und 166 eine Vielzahl von Stromschienen. Zusätzlich oder alternativ können die Leitungen 164 und 166 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, wie unter anderem Elektrokabel.
Das System 100 enthält ferner zumindest einen Schiffsantriebs-Konverter 168, der mit dem Bus 162 elektrisch verbunden ist. Der Konverter 168 umfasst eine positive Leitung 170 und eine negative Leitung 172, die elektrisch verbunden sind mit der positiven Leitung 164 und entsprechend mit der negativen Leitung 166. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 170 und 172 eine Vielzahl von Stromschienen. Zusätzlich oder alternativ können die Leitungen 170 und 172 jede Stromübertragungsvorrichtung sein, wie unter anderem Elektrokabel. Das System 100 umfasst auch eine Vielzahl von elektrisch mit dem Konverter 168 verbundenen Schiffsantriebs-Wechselstromleitungen 174. In der beispielhaften Ausführungsform existieren drei Leitungen 174, d. h. eine für jede Phase, wobei die Leitungen 174 dafür konfiguriert sind, durch vorgegebene Teile des Seeschiffs geleitet zu werden. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 174 ebenso dafür konfiguriert, mit circa 6600 Wechselstrom-Volt beaufschlagt zu werden, und sind daher ein Mittelspannungs-Wechselstrom-Bus. Alternativ sind die Leitungen 174 dafür konfiguriert, mit circa 4.160 Wechselstrom-Volt beaufschlagt zu werden, was immer noch als ein Mittelspannungs-Wechselstrom-Bus angesehen wird.
Der Konverter 168 ist ein Inverter, der die durch die Leitungen 156, 158, 164, 166, 170 und 172 übertragenen Gleichstromsignale in Wechselstromsignale umwandelt. Der Konverter 168 verwendet PMW-Verfahren, um Gleichstromsignale von den Leitungen 170 und 172 zu empfangen und diese in Drei-Phasen-Wechselstromsignale zur Übermittlung durch die Leitungen 174 umzuwandeln. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Konverter 168 eine Vielzahl von IGBT-Schaltvorrichtungen (nicht dargestellt), wie in der Technik bekannt ist. Alternativ können die Schaltvorrichtungen unter anderem auch eine Vielzahl von IGCTs und eine Vielzahl von GTOs (beide nicht dargestellt) enthalten. Ferner kann alternativ jede Art von Schaltvorrichtung verwendet werden, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht. Der Konverter 168 wird von einem Steuersystem (nicht dargestellt) derart betrieben und gesteuert, dass für eine vorgegebene Auslösungsrate und eine vorgegebene Auslösungsdauer der Schaltvorrichtungen gesorgt ist. Der Konverter 168 kann jede Filtervorrichtung enthalten, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht.
Das System 100 enthält auch einen elektrischen Antriebsmotor 176, der durch die Leitungen 174 elektrisch mit dem Konverter 18 verbunden ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 176 ein Permanentmagnet-, 36 MW-, Multi-Phasen-, 600 VAC-, 100-poliger Motor mit 120 UpM. Alternativ kann der Motor 176 jeder Motor sein, der den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht. Der Motor 176 ist drehbar verbunden mit einer Antriebswelle 178 und -schraube 180. Der Motor 176 ist dafür konfiguriert, die Schraube 180 über die Welle 178 zu drehen. Der Konverter 168 ist dafür konfiguriert, die Richtung und Geschwindigkeit der Umdrehung des Motors 176 zu steuern, und damit die Richtung und Geschwindigkeit der Welle 178 und der Schraube 180.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Stromerzeugung beinhaltet das Zur-Verfügung-Stellen des Generators mit offener Wicklung 102 mit den Wicklungen 106, 108 und 110, wobei die Wicklungen 106, 108 und 110 jeweils über eine erste Generatorklemme 119, 121 und 123 sowie eine zweite Generatorklemme 149, 151 und 153 verfügen. Das Verfahren umfasst auch die elektrische Verbindung der ersten Generatorklemmen 119, 121 und 123 mit dem ersten Konverter 116 durch die ersten elektrischen Leitungen 118, 120 und 122.
Das Verfahren umfasst ferner die elektrische Verbindung der zweiten Generatorklemmen 149, 151 und 153 mit dem zweiten Konverter 146 durch die zweiten elektrischen Leitungen 148, 150 und 152. Das Verfahren umfasst weiter das Induzieren einer ersten Spannung auf die ersten elektrischen Leitungen 118, 120 und 122 und das Regulieren dieser Spannung sowie das Induzieren einer zweiten Spannung auf die zweiten elektrischen Leitungen 148, 150 und 152 und das Regulieren dieser Spannung durch die Steuerung des Generators 102 und der Konverter 116 und 146.
2 ist eine Schemaansicht eines Teils des Systems 100. Im Betriebszustand treibt der Antriebsmotor 112 (gezeigt in 1) drehbar den Rotor (nicht gezeigt) des Generators 102 an. Die auf dem Rotor angebrachten Rotorwicklungen (nicht gezeigt) rotieren und bilden dadurch ein sich drehendes Magnetfeld (nicht gezeigt), das eine im Wesentlichen sinusförmige Spannung auf die Wicklungen 106, 108 und 110 induziert (nur die Wicklung 108 ist in 2 dargestellt). Ein auf die Wicklung 108 induziertes, im Wesentlichen sinusförmiges Spannungssignal 202 ist in 2 dargestellt. Zumindest ein Teil des Signals 202, d. h. das im Wesentlichen sinusförmige Spannungssignal 204, wird über die Klemme 121 zu der Leitung 120 übertragen. Das Signal 204 wird durch zumindest eine in dem Konverter 116 enthaltene Schaltvorrichtung 206 gleichgerichtet, wodurch ein Gleichstrom-Spannungssignal (nicht gezeigt) erzeugt wird, das an die Ship-Service-Leitungen 144 (in 1 gezeigt) übertragen wird, und zwar zumindest teilweise über die Leitungen 126 und 128 und den Kondensator 130. Gleichermaßen wird zumindest ein Teil des Signals 202, d. h. das im Wesentlichen sinusförmige Spannungssignal 208, über die Klemme 151 zu der Leitung 150 übertragen. Das Signal 208 wird gleichgerichtet durch zumindest eine in dem Konverter 146 enthaltene Schaltvorrichtung 210, wodurch ein Gleichstrom-Spannungssignal (nicht gezeigt) erzeugt wird, das zu den Wechselstromleitungen (174) des Schiffsantriebs übertragen wird (in 1 gezeigt), zumindest teilweise durch die Leitungen 156 und 158 und den Kondensator 160, um die Welle 178 und die Schraube 180 anzutreiben. Durch Vektoraddition addieren sich die Werte der Signale 204 und 208 zu dem Wert des Signals 202. Die Werte der Signa le 202, 204 und 208 werden über ein Steuersystem (nicht gezeigt) gesteuert, das sowohl den Betrieb eines restlichen Teils der Schaltvorrichtungen in dem Konverter 116 steuert, die ähnlich der Vorrichtung 206 sind, als auch den Betrieb eines restlichen Teils der Schaltvorrichtungen in dem Konverter 146, die ähnlich der Vorrichtung 210 sind.
3 ist eine grafische Darstellung der Spannungssignale 202, 204 und 208, die in dem in 2 gezeigten Teil des Systems 100 erzeugt werden. 3 stellt die Spannungssignale 202, 204 und 208 dar, wobei alle drei Spannungssignale miteinander in Phase sind. Ein Wert des Spannungssignals 204 kann mit V_SS (für "Ship-Service-Spannung") bezeichnet werden. Außerdem kann ein Wert des Spannungssignals 208 mit V_PROP (für Schiffsantriebsspannung) bezeichnet werden. Weiter kann ein Wert des Spannungssignals 202 mit V_GEN (für Generatorspannung) bezeichnet werden. Das Verhältnis der Spannungssignale 202, 204 und 208 (nicht berücksichtigt ist der leitungsbezogene Spannungsabfall) kann durch den folgenden Algorithmus dargestellt werden: VGEN = VSS + VPROP (1)
Beispielsweise kann ein Wert von 7,2 Kilovolt AC (kVAC) für V_GEN ins Verhältnis gesetzt werden zu einem Wert von 600 VAC für V_SS und 6,6 kVAC für V_PROP.
Die 4 ist eine grafische Darstellung der Spannungssignale 202, 204 und 208, die in dem in 2 gezeigten Teil des Systems 100 erzeugt werden. 4 stellt die Spannungssignale 202, 204 und 208 dar, wobei das Signal 204 einen ersten Phasenwinkel 212, bezogen auf das Signal 202, aufweist, und das Signal 208 einen zweiten Phasenwinkel 214, bezogen auf das Signal 202, aufweist. 4 stellt den Antriebsteil des Systems 100 dar, der mit einer geringen Blindleistungskomponente betrieben wird. Das Verhältnis zwischen den Spannungssignalen 202, 204 und 208 wird immer noch durch den Vektoradditionsalgorithmus 1 oben dargestellt. Das System 100 kann auf eine Weise betrieben werden, die die Änderung der Größe und Winkelposition der V_SS-, V_PROP- und der Generatorspannung (Generator = 102) beinhaltet, um den wechselnden Anforderungen der Ship-Service-Last und des Schiffsantriebs zu genügen. Diese Betriebsart kann ermöglicht werden durch die Reduzierung einer Erregerspannung des Generators 102 durch Steuerung der Konverter 116 und 146 und bietet den Vorteil, potenzielle Fehlerstromwerte im Fall eines Fehlers und Verluste im Generator 102 zu reduzieren.
5 ist eine vereinfachte Darstellung eines Teils des Systems 100. Es werden der Generator 102, die Wicklung 108, die Klemmen 121 und 151, die Wechselstromleitungen 120 und 150, die Konverter 116 und 146 und die Gleichstromleitungen 126, 128, 156 und 158 gezeigt. Im Betriebszustand, ähnlich dem in 4 gezeigten, wobei das V_SS-Signal 204 und das V_PROP-Signal 208 die Phasenwinkel 212 und entsprechend 214 aufweisen, wird ein erster vorgegebener Stromwert (nicht gezeigt) durch die Leitung 120 von dem Generator 102 zu dem Konverter 116 übertragen. Gleichermaßen wird ein zweiter vorgegebener Stromwert (nicht gezeigt) durch die Leitung 150 von dem Generator 102 zu dem Konverter 146 übertragen. Die ersten und zweiten Stromwerte werden zumindest teilweise moduliert durch die wechselnden Phasenwinkel 212 und entsprechend 214, wie oben erörtert. Wenn beispielsweise eine elektrische Leistungsaufnahme von der Last der Gleichstromleitungen 126 und 128 zunimmt, entfernt sich der den Leitungen 126 und 128 zugeordnete Spannungswert von einem vorgegebenen Spannungswert nach unten. Das Steuersystem steuert den Konverter 116 derart, dass der Phasenwinkel 212 angepasst wird, wodurch eine Zunahme der ersten Stromübertragung an den Konverter 116 ermöglicht wird, so dass die Wiederherstellung der Spannungswerte der Leitungen 126 und 128 im Wesentlichen auf den vorgegebenen Wert ermöglicht wird. Außerdem wird der Generator 102 so gesteuert, dass die erhöhte erste Stromübertragung zu dem Konverter 116 ermöglicht wird, während gleichzeitig jegliche Auswirkung auf den zweiten Stromfluss zu dem Konverter 146 abgeschwächt wird. Daher werden Änderungen der Anforderungen an die Energieübertragung für den Ship-Service nicht wesentlich die Energieverfügbarkeit für die Antriebsvorrichtung des Schiffes reduzieren. Gleichermaßen werden inderungen der Anforderungen an die Energieübertragung für die Antriebsvorrichtung des Schiffes nicht wesentlich die Energieverfügbarkeit für die elektrischen Lasten des Ship-Service reduzieren.
6 ist eine Schemaansicht eines Teils des Systems 100. Der Klarheit halber ist nur eine einzelne Phase des Generators 102 in 6 dargestellt, wobei die anderen Phasen im Wesentlichen gleich geartet sind. Um einen Überblick zu geben, sind der Generator 102, die Wechselstromleitungen 120 und 150, die Konverter 116 und 146, die Gleichstromleitungen 126, 128, 156 und 158 sowie die Kondensatoren 130 und 160 dargestellt. Das System 100 umfasst auch eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen 206 innerhalb des Konverters 116. Ein erstes Paar Schaltvorrichtungen 206 ist elektrisch verbunden mit der Wechselstromleitung 120 und dafür konfiguriert, den in der Wicklung 108 (nicht gezeigt) erzeugten und durch die Leitung 120 zu dem Konverter 116 übertragenen Wechselstrom im Wesentlichen in ein Gleichstromsignal umzuwandeln, wobei die Auslösungsrate und Auslösungsdauer der Schal ter 206 durch das Steuersystem 220 gesteuert wird. Eine ähnliche Konfiguration (nicht gezeigt) ist im Konverter 116 für die Wechselstromleitungen 118 und 122 (beide in 1 gezeigt) vorhanden. Das Steuersystem 220 ist über die Datenleitungen 222 im elektronischen Datenaustausch mit dem Konverter 116 verbunden, wobei die Datenleitungen 222 dafür konfiguriert sind, auf die Schalter 206 bezogene, bi-direktionale Betriebsleistungsdaten und Befehle zu übertragen. Um einen Überblick zu geben, ist auch ein zweites Paar Schalter 206, elektrisch verbunden mit einer Bezugserde, dargestellt. Das Steuersystem 220 ist durch die Datenleitungen 226 und 228 verbunden mit den Gleichstromleitungen 126 und entsprechend 128, wobei die Leitungen 226 und 228 dafür konfiguriert sind, auf die Leitungen 126 und 128 bezogene Betriebsleistungsdaten zu übertragen, wie unter anderem Spannungen und Stromstärken.
Gleichermaßen umfasst das System 100 eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen 210 innerhalb des Konverters 146. Ein erstes Paar Schaltvorrichtungen 210 ist elektrisch verbunden mit der Wechselstromleitung 150 und dafür konfiguriert, den in der Wicklung 108 (nicht gezeigt) erzeugten und durch die Leitung 150 zu dem Konverter 146 übertragenen Wechselstrom im Wesentlichen in ein Gleichstromsignal umzuwandeln, wobei die Auslösungsrate und Auslösungsdauer der Vorrichtungen 210 durch das Steuersystem 230 gesteuert wird. Eine ähnliche Konfiguration (nicht gezeigt) existiert in dem Konverter 146 für die Wechselstromleitungen 148 und 152 (beide in 1 dargestellt). Das Steuersystem 230 ist über die Datenleitungen 232 im elektronischen Datenaustausch mit dem Konverter 146 verbunden, wobei die Datenleitungen 232 dafür konfiguriert sind, auf die Vorrichtungen 210 bezogene, bidirektionale Betriebsleistungsdaten und Befehle zu übertragen. Um einen Überblick zu geben, ist auch ein zweites Paar Vorrichtungen 210, elektrisch verbunden mit der Bezugserde 224, dargestellt. Das Steuersystem 230 ist durch die Datenleitungen 236 und 238 verbunden mit den Gleichstromleitungen 156 und entsprechend 158, wobei die Leitungen 236 und 238 dafür konfiguriert sind, auf die Leitungen 156 und 158 bezogene Betriebsleistungsdaten zu übertragen, wie unter anderem Spannungen und Stromstärken. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Steuersysteme 220 und 230 als Module eines größeren Steuersystems (nicht gezeigt) konfiguriert. Alternativ können die Steuersysteme 220 und 230 jede Konfiguration aufweisen, die den hier beschriebenen Betrieb des Systems 100 ermöglicht, wie unter anderem die koordinierte Stromübertragung von dem Generator 102 durch die Konverter 116 und 146. Eine erste Differenzialspannung 240 zwischen den Gleichstromleitungen 126 und 128 ist dargestellt, um einen Überblick zu geben. Eine zweite Differenzialspannung 242 zwischen den Gleichstromleitungen 156 und 158 ist ebenfalls dargestellt, um einen Überblick zu geben.
7 ist eine grafische Darstellung eines beispielhaften Betriebes des Systems 100 (gezeigt in 6). Das Diagramm 300 umfasst eine erste Ordinate (y-Achse) 302, die für die Darstellung der Werte der ersten und zweiten Differenzialspannung 240 und 242 (beide auch in 6 dargestellt) in VDC (Gleichstrom-Volt) ausgelegt ist. Das Diagramm 300 umfasst auch eine Abszisse (x-Achse) 304, die für die Darstellung der Zeit in Sekunden ausgelegt ist. Das Diagramm 300 umfasst ferner eine zweite Ordinate (y-Achse) 306, die für die Darstellung eines Signalwerts der durch die Gleichstromleitungen 126 und 128 übertragenen Stromstärke ausgelegt ist, d. h. ein Ship-Service-Gleichstrom 308, gemessen in Ampere.
Im Betriebszustand wirken der Generator 102 und der Konverter (116) (beide gezeigt in 6) bei der Erzeugung der ersten Gleichstrom-Differenzialspannung 240 zusammen. Außerdem wirken der Generator 102 und der Konverter 146 (gezeigt in 6) bei der Erzeugung der zweiten Gleichstrom-Differenzialspannung 242 zusammen. In der beispielhaften Ausführungsform liegt bei einer Zeit von circa 2 Sekunden (siehe Abszisse 304) die Ship-Service-Gleichstromspannung bei circa 1.000 VDC, wie durch das erste Gleichstromspannungsdifferenzial 240, dargestellt in Ordinate 302, gezeigt wird. Darüber hinaus beträgt die übertragene Ship-Service-Gleichstromstärke circa 100 Gleichstrom-Ampere, wie an der zweiten Ordinate 306 zu erkennen ist. Außerdem erfordert der Schiffsantrieb circa 5.000 VDC. Bei einer Zeit von circa 2,5 Sekunden, erhöht sich die Ship-Service-Leistungsanforderung plötzlich wesentlich, und diese Anforderung induziert eine wesentliche Erhöhung der Übertragung von Ship-Service-Gleichstrom 308 von circa 100 Gleichstrom-Ampere auf circa 195 Gleichstrom-Ampere. Außerdem wird mit dem Anstieg der Stromstärke 308 ein leichter Abfall der Differenzialspannung 240, ungefähr von der Zeit 2,5 Sekunden bis 2,75 Sekunden beobachtet. Gleichermaßen sinkt die Gleichstromstärke 308 in demselben Zeitraum von circa 195 Gleichstrom-Ampere auf circa 185 Gleichstrom-Ampere. Beginnend bei einer Zeit von ungefähr 2,5 Sekunden, wenn die elektrische Transiente von dem Steuersystem 220 (in 6 gezeigt) erkannt wird, modifiziert das Steuersystem 220 den Betrieb der Schaltvorrichtungen 206 (in 6 gezeigt) in dem Konverter 116, um das Gleichstromspannungsdifferenzial 240 zwischen den Zeitentsprechungen von 2,75 Sekunden und circa 3,4 Sekunden wieder auf circa 1.000 Gleichstrom-Volt zu bringen. Das Steuersystem 220 wirkt auch mit dem Konverter 116 zusammen, um die Gleichstromstärke 308 von circa 185 Gleichstrom-Ampere, zu sammen mit der Wiederherstellung des Gleichstromspannungsdifferenzials 240, auf circa 197,5 Gleichstrom-Ampere zu erhöhen. Während des Verlaufs der elektrischen Transiente wirken das Steuersystem 220, das Steuersystem 230 (in 6 gezeigt), der Generator 102, der Konverter 116 und der Konverter 146 (in 6 gezeigt) zusammen, um Änderungen des Gleichstromspannungsdifferenzials 242 abzuschwächen, wobei im Wesentlichen der Schiffsantriebsbetrieb von der elektrischen Transiente des Ship-Service isoliert wird. Antriebstransienten, die in elektrischen Transienten des Systems 100 (in 6 gezeigt) resultieren, werden auf ähnliche Weise ebenso im Wesentlichen von dem elektrischen Ship-Service-Betrieb abgeschirmt.
8 ist eine Schemaansicht eines beispielhaften Seeschiffs 400, das zumindest einen Teil des Stromerzeugungs- und Verteilungssystems 100 (in 1 gezeigt) enthält. Der Begriff "Seeschiff" wie er hier gebraucht wird, ist definiert als ein Schiff oder ein Kahn mit einem Antriebssystem, das dazu benutzt wird, das Seeschiff im Wasser vorwärts zu treiben. Beispielsweise enthält zumindest ein bekanntes Seeschiff einen Antrieb (oder Antriebsstrang), der mit einem Propeller verbunden ist, der benutzt wird, um das Seeschiff anzutreiben. Der Antrieb kann zumindest einen Generator enthalten, um zu ermöglichen, dass einem elektrischen Motor, der dafür konfiguriert ist, das Seeschiff durch das Wasser voranzutreiben, elektrischer Strom zur Verfügung gestellt wird. Die Konfiguration des beispielhaften Antriebsstrangs wird unten erörtert.
Das beispielhafte Seeschiff 400 enthält ein beispielhaftes Seeschiff-Stromerzeugungs- und Verteilungssystem 401. Das System 401 umfasst eine Vielzahl von Generatoren mit offenen Wicklungen 402, die im Wesentlichen dem Generator 102 (in 1 gezeigt) gleichen. Das System 401 enthält auch eine Vielzahl Antriebsmotoren 412, die durch eine Vielzahl von Wellen 414 jeweils drehbar mit den Generatoren 402 verbunden sind. In der beispielhaften Ausführungsform gleichen die Antriebsmotoren 412 und die Wellen 414 im Wesentlichen dem Antriebsmotor 112 und entsprechend der Welle 114 (beide in 1 gezeigt). Die beispielhafte Ausführungsform des Systems 401 umfasst drei Generatoren 402 und drei Antriebsmotoren 412. Alternativ kann das System 401 jede Anzahl von Generatoren 402 und Antriebsmotoren 412 enthalten, die den hier beschriebenen Betrieb des Seeschiffs 400 ermöglicht.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält jeder der Generatoren 402 eine Vielzahl von Statorwicklungen (nicht in 8 gezeigt), die im Wesentlichen den Wicklungen 106, 108 und 110 (in 1 gezeigt) gleichen. Jeder Satz Statorwicklungen in jedem Generator 402 ist elektrisch verbunden mit einer ersten stromgetriebenen Elektronikvorrichtung, d. h. einem ersten Konverter 416, durch eine Vielzahl elektrischer Leitungen 420 und Anschlussklemmen (nicht gezeigt). Jeder Konverter 416 umfasst eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen 417, wobei die Konverter 416 und die Vorrichtungen 417 im Wesentlichen dem Konverter 116 und der Schaltvorrichtung 206 (beide in 2 gezeigt) gleichen. Außerdem gleichen die Vielzahl von Leitungen 420 und Klemmen jeweils im Wesentlichen den Leitungen 118, 120 und 122 und den Klemmen 119, 121 und 123 (alle in 1 gezeigt). Die Konverter 416 werden von einem Steuersystem (nicht gezeigt) gesteuert, das dem Steuersystem 220 (in 6 gezeigt) gleicht.
Außerdem enthält in der beispielhaften Ausführungsform das System 401 eine Vielzahl von ersten Gleichstrom-Zwischenkreisen 424, wobei jeder Zwischenkreis 424 mit einem Konverter 416 elektrisch verbunden ist. Jeder Zwischenkreis 424 enthält eine positive Leitung 426, eine negative Leitung 428, und zumindest eine zwischen sie gekoppelte kapazitive Vorrichtung bzw. einen Kondensator (nicht gezeigt). Die Gleichstrom-Zwischenkreise 424, die Leitungen 426 und 428 sowie die Kondensatoren gleichen im Wesentlichen dem Gleichstrom-Zwischenkreis 124, den Leitungen 126 und 128 und dem Kondensator 130 (alle in 1 gezeigt). In der beispielhaften Ausführungsform sind die Gleichstrom-Zwischenkreise 424 für eine Beaufschlagung mit circa 1.000 Gleichstrom-Volt konfiguriert und sind daher Niederspannungs-Gleichstrom-Zwischenkreise.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das System 401 auch eine Vielzahl von Ship-Service-Gleichstrom-Bussen 432, die jeweils elektrisch verbunden sind mit der Vielzahl von ersten Gleichstrom-Zwischenkreisen 424. Jeder Bus 432 umfasst insbesondere eine positive Leitung 434 und eine negative Leitung 436, die mit der positiven Leitung 426 und entsprechend der negativen Leitung 428 elektrisch verbunden sind. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das System 401 zwei Busse 432. Alternativ kann das System 401 jede Anzahl von Bussen 432, verbunden mit jeder Anzahl von Zwischenkreisen 424, umfassen. Kapazitive Vorrichtungen (nicht gezeigt) können in gleicher Weise wie der Kondensator 130 zwischen den Leitungen 434 und 436 positioniert sein. Die Busse 432 gleichen im Wesentlichen dem Bus 132 (in 1 gezeigt) und sind dafür konfiguriert, durch vorgegebene Teile des Seeschiffs 400 geleitet zu werden. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Busse 432 für eine Beaufschlagung mit circa 1.000 Gleichstrom-Volt konfiguriert und sind daher Niederspannungs-Gleichstrom-Busse.
Das System 401 umfasst ferner zwei Ship-Service-Konverter 438, die elektrisch mit den Bussen 432 verbunden sind. Jeder Konverter 438 enthält eine positive Leitung 440 und eine negative Leitung 442, die elektrisch mit zumindest einer positiven Leitung 434 und entsprechend zumindest mit einer negativen Leitung 436 verbunden sind. Die Konverter 438 und die Leitungen 440 und 442 gleichen im Wesentlichen dem Konverter 138 und den Leitungen 140 und entsprechend 142 (alle in 1 gezeigt). Das System 100 enthält auch eine Vielzahl Sätze von Wechselstrom-Ship-Service-Leitungen 444, wobei jeder Satz elektrisch mit einem Konverter 138 verbunden ist. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst jeder Satz von Leitungen 444 drei Leitungen, d. h. eine für jede Phase, wobei die Leitungen dafür konfiguriert sind, durch vorgegebene Teile des Seeschiffs 400 geleitet zu werden und ebenso dafür konfiguriert sind, mit circa 450 Wechselstrom-Volt beaufschlagt zu werden, weswegen sie ein Niederspannungs-Wechselstrom-Bus sind. Das System ist dafür konfiguriert, eine Vielzahl von Stromverteilungs- und Konditionierungs-Ausrüstungsteilen zu enthalten, die Ship-Service-Lasten aus den Leitungen 444 versorgen können.
Der Generator 402 ist auch elektrisch verbunden mit einer Vielzahl zweiter elektrisch betriebener Elektronikvorrichtungen, d. h. zweiten Konvertern 446, durch eine Vielzahl elektrischer Leitungen 450 und eine Vielzahl von Klemmen (nicht gezeigt). Die Leitungen 450 und die Klemmen gleichen im Wesentlichen den Leitungen 148, 150 und 152 sowie entsprechend den Klemmen 149, 151 und 153 (alle in 1 gezeigt). Der Konverter 446 ist ein aktiver Gleichrichter, der die von den Statorwicklungen übertragenen Wechselstromsignale durch Wechselstrom-Gleichrichtung in Gleichstromsignale umwandelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Konverter 446 ein pulsweitenmodulierter Gleichrichter. Wie in der Technik bekannt ist, verwendet der Konverter 446 eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen 447, um die Ausgangsströme der Statorwicklungen zu steuern. Die Konverter 446 und die Vorrichtungen 447 gleichen im Wesentlichen dem Konverter 146 und der Schaltvorrichtung 210 (beide in 2 gezeigt). Die Konverter 446 werden von einem Steuersystem gesteuert (nicht gezeigt), das dem Steuersystem 230 gleicht (in 6 gezeigt).
Außerdem enthält das System 401 eine Vielzahl von ersten Gleichstrom-Zwischenkreisen 454, wobei jeder Zwischenkreis 454 mit einem Konverter 446 elektrisch verbunden ist. Jeder Zwischenkreis 454 enthält eine positive Leitung 456, eine negative Leitung 458, und zumindest eine zwischen sie gekoppelte kapazitive Vorrichtung bzw. einen Kondensator (nicht gezeigt). Die Gleichstrom-Zwischenkreise 454, die Leitungen 456 und 458 sowie die Kondensatoren gleichen im Wesentlichen dem Gleichstrom-Zwischenkreis 154, den Leitungen 156 und 158 und entsprechend dem Kondensator 160 (alle in 1 gezeigt). In der beispielhaften Ausführungsform sind die Gleichstrom-Zwischenkreise 454 für eine Beaufschlagung mit circa 10.000 Gleichstrom-Volt konfiguriert und sind daher Mittelspannungs-Gleichstrom-Zwischenkreise.
Das System 401 enthält weiter zumindest einen Schiffsantriebs-Gleichstrombus 462, der mit jedem der zweiten Gleichstrom-Zwischenkreise 454 elektrisch verbunden ist. Der Bus 462 enthält eine positive Leitung 464 und eine negative Leitung 466, die elektrisch verbunden sind mit jeder der po sitiven Leitungen 456 und entsprechend mit jeder der negativen Leitungen 458. Alternativ kann jede Anzahl Busse mit jeder Anzahl Zwischenkreise 454 verbunden sein. Kapazitive Vorrichtungen (nicht gezeigt) können in ähnlicher Weise wie der Kondensator 160 zwischen den Leitungen 464 und 466 positioniert sein. Der Bus 462 gleicht im Wesentlichen dem Bus 162 (in 1 gezeigt) und ist dafür konfiguriert, durch vorgegebene Teile des Seeschiffs 400 geleitet zu werden. Darüber hinaus ist der Bus 462 für eine elektrische Verbindung mit Pulslasten (nicht dargestellt) konfiguriert. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Bus 462 für eine Beaufschlagung mit circa 10.000 Gleichstrom-Volt konfiguriert, und ist daher ein Mittelspannungsbus.
Das System 401 umfasst auch eine Vielzahl von Schiffsantriebs-Konvertern 468, die mit dem Bus 462 elektrisch verbunden sind. Jeder Konverter 468 enthält eine positive Leitung 470 und eine negative Leitung 472, die mit der positiven Leitung 464 und entsprechend der negativen Leitung 466 elektrisch verbunden sind. Die Konverter 468 und die Leitungen 470 und 472 gleichen im Wesentlichen dem Konverter 168 und entsprechend den Leitungen 170 und 172 (alle in 1 gezeigt).
Das System 401 umfasst ferner auch eine Vielzahl von Schiffsantriebs-Wechselstromleitungen 474, die mit dem Konverter 468 elektrisch verbunden sind. In der beispielhaften Ausführungsform existieren drei Leitungen 474, d. h. eine für jede Phase, wobei die Leitungen 474 dafür konfiguriert sind, durch vorgegebene Teile des Seeschiffs 400 geleitet zu werden. Die Leitungen 474 gleichen im Wesentlichen den Leitungen 174 (in 1 gezeigt). In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leitungen 474 für eine Beaufschla gung mit circa 6.600 Wechselstrom-Volt konfiguriert und sind daher ein Mittelspannungs-Wechselstrom-Bus.
Das System 100 umfasst auch eine Vielzahl elektrischer Antriebsmotoren 476, die mit einem Konverter 468 durch die Leitungen 474 elektrisch verbunden sind. Jeder Motor 476 ist drehbar verbunden mit einer Antriebswelle 478 und einer Schraube 480, wobei jeder Motor 476 dafür konfiguriert ist, die mit ihm verbundene Schraube 480 durch die mit ihm verbundene Welle 478 zu drehen. Die Motoren 476, die Wellen 478 und die Schrauben 480 gleichen im Wesentlichen dem Motor 176, der Welle 178 und entsprechend der Schraube 180 (alle in 1 gezeigt). Jeder Konverter 468 ist für die Steuerung der Drehrichtung und -geschwindigkeit eines jeden mit ihm verbundenen Motors 476 konfiguriert, und damit für die Steuerung der Drehrichtung und -geschwindigkeit der mit ihm verbundenen Welle 478 und Schraube 480.
Der Betrieb des Systems 401 gleicht dem Betrieb des Systems 100. Das System 401 bietet eine Vielzahl von Vorteilen, darunter eine signifikante Reduzierung der Anzahl der Transformatoren des Stromverteilungssystems (nicht gezeigt). Eine derartige Reduzierung bis hin zum Ausschluss der Transformatoren des Stromverteilungssystems ermöglicht eine Gewichtsreduzierung für das Schiff 400. Die beispielhafte Ausführungsform ermöglicht eine Gewichtsreduzierung in der Größe von circa 226.800 Kilogramm (kg), bzw. 500.000 Pounds (lbs), bzw. etwa 250 Tonnen. Eine derartige Gewichtsreduzierung des Schiffes 400 ermöglicht eine Reduzierung der Konstruktions- und Betriebskosten sowie höhere Geschwindigkeit und verbesserte Treibstoffeffizienz. Darüber hinaus enthält das System 401 die redundanten Ship-Service-Busse 432 und die Leitungen 444. Weiter ermöglicht die beispielhafte elektri sche Konfiguration des Systems 401 mit seinen nicht direkt miteinander verbundenen (not hard-paralleling) Generatoren 402 eine Reduzierung der potenziellen Fehlerstromwerte. Daher können geringere Störungsraten der zugeordneten Schaltanlage und Verkabelung ermöglicht werden, so dass das Gewicht und die Kosten dieser Komponenten ebenfalls reduziert werden können. Außerdem ermöglichen in der beispielhaften Ausführungsform eine Vielzahl von mit den Generatoren 402 verbundenen Antriebsmotoren 412 eine verbesserte Energieeffizienz, indem es während Zeiten geringer Nutzung ermöglicht wird, ungenutzte Antriebs- und Erzeugungskapazität vom Service zu entfernen. Weiterhin ermöglicht die Trennung der Antriebslasten von den elektrischen Ship-Service-Lasten durch eine Vielzahl von Konvertern die aktive Filterung und Steuerung des Leistungsfaktors. Außerdem ermöglicht die Verwendung redundanter Komponenten in dem System 401 die Verkleinerung eines schiffsseitigen Ersatzteillagers sowie vereinfachte präventive und korrektive Wartungsverfahren. Darüber hinaus ermöglicht es die Verwendung von Konvertern im System 403, wahrscheinlichen zukünftigen Verbesserungen der Konvertertechnologie den Weg zu ebnen.
9 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems 501, das in dem Seeschiff 400 (gezeigt in 8) zur Anwendung kommen kann. Das System 501 umfasst zumindest einen von einem Antriebsmotor 512 angetriebenen Generator 502 und eine Welle 514. Das System 501 umfasst ebenso einen Konverter 516, einen Gleichstrom-Zwischenkreis 524, einen Gleichstrom-Bus 532, einen Antriebsmotor 576, eine Welle 578 und eine Schraube 580. Diese Komponenten gleichen ihren Gegenstücken in dem System 401, mit Ausnahme des Generators 502, der nicht notwendigerweise ein Generator mit offenen Wicklungen ist, sondern jeder Generator sein kann, der den hier beschriebenen Betrieb des Systems 501 ermöglicht.
Das System 501 enthält ferner eine Vielzahl von Niederspannungs-Konverterblöcken 582. In der beispielhaften Ausführungsform enthalten die Blöcke 582 Niederspannungsdioden 581 und Schaltvorrichtungen 585. Jede Schaltvorrichtung 585 gleicht der Schaltvorrichtung 417 in dem Konverter 416 (beide in 8 gezeigt). Der Vorteil bei der Verwendung einzelner, gestapelter Blöcke 582 im Gegensatz zu einer Vielzahl von Vorrichtungen 417 in dem Konverter 416 liegt darin, dass die Konfiguration des Systems 501 Flexibilität bei der Positionierung von Komponenten in dem Schiff 400 ermöglicht. Außerdem ermöglicht das System 501 Flexibilität bei der Auswahl der Niveaus der Synthese der Wellenformen der zugeordneten elektrischen Signale (nicht gezeigt), wodurch ein Leistungsqualitätsmanagement ermöglicht wird. Ferner ist es möglich, einen Block 582, der versagt hat, zu umgehen und gleichzeitig eine Verringerung der Leistungsfähigkeit des Systems 501 abzumindern. Darüber hinaus kann mit strukturellen Komponenten (nicht gezeigt) des Konverters 416 verbundenes zusätzliches Gewicht eliminiert werden, wodurch die oben beschriebenen Gewichtsreduzierungsvorteile des Systems 401 vergrößert werden. Eine derartige Gewichtsreduzierung wird ferner dadurch ermöglicht, dass die Blocks 582 in Serie angeordnet sind, was die Addition der Spannungen von Block 582 bis Block 582 ermöglicht, im Gegensatz zu einer Parallelkonfiguration in dem Konverter 416, wodurch eine gewisse Größenreduzierung der verbundenen IGBT-basierten Schaltvorrichtungskonfigurationen (nicht gezeigt) ermöglicht wird.
Das System 501 umfasst einen ersten Satz 583 von drei Blöcken 582, die miteinander durch die elektrischen Leitungen 584 elektrisch in Serie verbunden sind. Außerdem ist jeder Block 582 durch eine Leitung 586 verbunden mit einer Phasenwicklung (nicht gezeigt) des Generators 502. Gleichermaßen enthält das System 501 zwei zusätzliche Sätze von drei Blöcken 582, die im Wesentlichen dem ersten Satz von Blöcken 582 gleichen, insofern als sie durch die Leitungen 584 elektrisch in Serie verbunden sind. Der zweite Satz 588 und der dritte Satz 590 unterscheiden sich insofern von dem ersten Satz 583, als die verbundenen Blöcke 582 der Sätze 588 und 590 elektrisch mit den Wicklungen eines zweiten und entsprechend eines dritten Generators (nicht gezeigt) verbunden sein können, oder aber mit einem anderen, mit dem Generator 502 verbundenen Satz Wicklungen (nicht gezeigt). Die zusätzlichen Generatoren gleichen jeweils im Wesentlichen dem Generator 502 und sind mit den ihnen zugeordneten Blöcken durch die Leitungen 592 und entsprechend 594 elektrisch verbunden.
Das System 501 enthält auch eine Vielzahl von Leitungen 596, d. h. eine für jeden Satz 583, 588 und 590, die elektrisch mit dem Konverter 516 verbunden sind. Gleichermaßen enthält das System auch eine Vielzahl von Leitungen 598, die die Sätze 583, 588 und 590 elektrisch mit dem Motor verbinden.
Im Betriebszustand wird der Generator 502 durch den Motor 512 und die Welle 514 angetrieben, und ein vorgegebener Wechselstrom mit einer vorgegebenen Spannung wird in jeder Phase des Generators 502 erzeugt. Der Strom von jeder Phase wird durch die Leitungen 586 zu jedem Block 582 übertragen. Jeder Block 582 empfängt das durch jede zugeordnete Leitung 586 übertragene Wechselstromsignal und wandelt das empfangene Signal in ein elektrisches Signal mit einer vorgegebenen Wellenform um, die unter anderem eine vorgegebe ne Spannungsamplitude und einen vorgegebenen Phasenwinkel enthält. Die umgewandelten Signale werden von den Blöcken 582 zu den Leitungen 584 übertragen, wobei die übertragenen Signale in dem Set 583 zusammengefasst und in vorgegebenen Größenverhältnissen zu den Leitungen 596 und 598 weiter übertragen werden. Ähnliche Arbeitsschritte werden in den Sets 588 und 590 in Verbindung mit den zugeordneten Generatoren durchgeführt. In dieser alternativen Ausführungsform können die kombinierten Spannungen sich zu 7.200 Wechselstrom-Volt addieren. Die Konfiguration des Systems 501 mit den drei Sets 583, 588 und 590 von Blöcken 582 ermöglicht Flexibilität bei der Aufteilung der Erzeugung und Verteilung innerhalb eines jeden Sets.
Ferner wird im Betriebszustand eine anteilsmäßig zugeteilte Menge des in den drei Sets 583, 588 und 590 erzeugten elektrischen Stroms zu dem Konverter 516 übertragen, wobei die Wechselstromsignale wie oben beschrieben in Gleichstromsignale umgewandelt werden. Außerdem wird für den oben beschriebenen Betrieb des Motors 576, der Welle 578 und der Schraube 580 eine anteilsmäßig zugeteilte Menge des erzeugten elektrischen Stroms als eine Vielzahl von Einphasen-Wechselstromsignalen zu dem Motor 576 übertragen.
10 ist eine Schemadarstellung eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems 601, das in dem Seeschiff 400 (gezeigt in 8) eingesetzt werden kann. Das System 601 umfasst drei Generatoren 602 mit offenen Wicklungen, 7.000 UpM, 200 Hertz (Hz), die von einem Motor 612 und einer Welle 614 angetrieben werden. Die Motoren 612 und die Wellen 614 gleichen im Wesentlichen dem Motor 412 und der Welle 414 (beide in 8 gezeigt). Ein Ende der Wicklungen (nicht gezeigt) in jedem Generator 602 ist durch einen Satz Leitungen 620 elektrisch verbunden mit einem zugeordneten Konverter 616. Jeder Konverter 616 gleicht dem Konverter 416, mit Ausnahme dessen, dass der Konverter 616 eine zusätzliche Filtervorrichtung (nicht gezeigt) enthält, um die Direktumrichter-Oberwellen abzuschwächen. Jeder Konverter 616 ist durch einen zugeordneten Gleichstrom-Zwischenkreis mit einem Ship-Service-Gleichstrom-Bus 632 verbunden.
Das System 601 umfasst auch eine Vielzahl von als Direktumrichtern oder Matrixkonvertern konfigurierten Konvertern 646. Die Konverter 646 sind jeweils in netzartiger Weise durch eine Vielzahl von Leitungen 650 mit den Generatoren 602 und untereinander verbunden. Ein erster Strang 688 von Konvertern und ein zweiter Strang 690 von Konvertern sind jeweils durch eine Vielzahl von Leitungen 674 mit einem zugeordneten Antriebsmotor 676 verbunden, wobei jeder Motor dafür konfiguriert ist, eine Welle 678 und eine Schraube 680 anzutreiben.
Die Vorteile des Systems 601 sind im Wesentlichen gleich denen des Systems 401. Zusätzlich ermöglicht eine solche Multi-Generator-Konfiguration Flexibilität bei der Aufteilung der Ausgangsleistungen der Generatoren 602 auf jeden Motor 676 und Gleichstrom-Bus 632 in ähnlicher Weise wie bei dem System 401. Außerdem erhöht die Multi-Konverter-Stränge-Konfiguration diese Flexibilität, indem sie die weitere Aufteilung der Ausgangsleistungen der Generatoren 602 durch die Stränge 688 und 690 ermöglicht. Außerdem ermöglicht das System 601 Flexibilität bei der Auswahl der Niveaus der Synthese der Wellenformen der zugeordneten elektrischen Signale, wodurch ein Leistungsqualitätsmanagement ermöglicht wird. Ferner ist es möglich, einen Konverter 646, der versagt hat, zu umgehen und gleichzeitig eine Verringerung der Leistungsfähigkeit des Systems 601 abzumindern. Darüber hinaus kann mit strukturellen Komponenten (nicht gezeigt) des Konverters 416 verbundenes zusätzliches Gewicht eliminiert werden, wodurch die oben beschriebenen Gewichtsreduzierungsvorteile des Systems 401 vergrößert werden. Außerdem können in den Konvertern 646 SCRs verwendet werden, die normalerweise robuster als viele andere Schaltvorrichtungen sind, wodurch "Ride-through" (Durchfahren durch den Fehlerzustand) bei Fehlerzuständen ermöglicht wird.
11 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromerzeugungs- und Verteilungssystems 701, das in dem Seeschiff 400 (gezeigt in 8) zur Anwendung kommen kann. Das System 701 umfasst einen Generator mit offenen Wicklungen 702, der von dem Motor 712 und der Welle 714 angetrieben wird. Der Generator 702 gleicht im Wesentlichen dem Generator 402 (gezeigt in 8). Der Generator 702 ist durch eine Leitung 750, einen Konverter 746, einen Gleichstrom-Zwischenkreis 754, einen Konverter 768 und eine Leitung 774 elektrisch verbunden mit einem Antriebsmotor 776 – in ähnlicher Weise wie die verbundenen Komponenten des Systems 401. In dieser alternativen Ausführungsform ist der Konverter 746 dafür konfiguriert, den Gleichstrom-Zwischenkreis 754 mit circa 6.000 bis 10.000 Gleichstrom-Volt zu beaufschlagen. Der Motor 776 ist dafür konfiguriert, eine Schraube 780 über eine Welle 778 anzutreiben. Außerdem ist der Generator 702 durch einen Konverter 716, eine Leitung 720 und einen Gleichstrom-Zwischenkreis 724 elektrisch verbunden mit einem Ship-Service-Gleichstrom-Bus 732 – in ähnlicher Weise wie die verbundenen Komponenten des Systems 401.
Das System 701 enthält auch eine Hochstromleitung 781, die mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis 724 elektrisch verbunden ist und unter anderem in dem Fall, dass das Schiff 400 ein Kriegsschiff ist, eine Hochstrom-Waffenleitung enthalten kann. Das System 701 enthält ferner einen Niederspannungsgenerator 785. Der Generator 785 erzeugt Niederspannungsstrom mit einer Spannung von circa 690 VAC (Wechselstrom-Volt). Der Generator 785 ist durch eine Welle 789 drehbar verbunden mit einem Niederstrom-Antriebsmotor 787. Der Generator 785 ist elektrisch verbunden mit dem Bus 732 durch eine Leitung 791, einen Konverter 793 und einen Gleichstrom-Zwischenkreis 745. Der Konverter 793 gleicht im Wesentlichen dem Konverter 716. Das System 701 bietet im Wesentlichen dieselben Vorteile wie das System 401. Zusätzlich passt das System 701 sich Hochgeschwindigkeits-Turbogeneratoren und langsam laufenden Turbogeneratoren an und ermöglicht die Aufrechterhaltung des Ship-Service-Stroms durch den Generator 785, wenn Strom von dem Generator 702 wegen einer Abschaltung, Störungen oder anderen Gründen für eine Isolierung nicht zugänglich ist. Das System 701 ermöglicht auch die elektrische Verbindung von Low-Power-Brennstoffzellen mit dem Bus 732.
12 ist eine Schemaansicht eines Teils eines alternativen Stromversorgungs- und Verteilungssystems 801, das in dem Seeschiff 400 (gezeigt in 8) zur Anwendung kommen kann. Das System 801 umfasst einen Generator mit offenen Wicklungen 802, der von dem Motor 812 und der Welle 814 angetrieben wird. Der Generator 802 gleicht im Wesentlichen dem Generator 402 (gezeigt in 8). Der Generator 802 ist durch einen Wechselstrom-Bus 851, einen Konverter 869 und eine Leitung 874 elektrisch verbunden mit einem Antriebsmotor 876. In dieser alternativen Ausführungsform wird die wechselstromspannung auf dem Bus 851 durch einen ersten Bus-Konditionierer 893 aufbereitet, der mit dem Bus 851 elektrisch verbunden ist. Außerdem ist der Konverter 869 dafür konfiguriert, ein erstes Wechselstromsignal (nicht gezeigt) zu empfangen und die Eigenschaften des Signals, wie unter anderem Amplitude und Frequenz, zwecks Erzeugung eines zweiten Wechselstromsignals umzuwandeln. Der Motor 876 ist dafür konfiguriert, über eine Welle 878 eine Schraube 880 anzutreiben. Außerdem ist der Generator 802 durch einen Wechselstrom-Bus 825 elektrisch verbunden mit einem Ship-Service-Gleichstrom-Bus 832. Ein zweiter Bus-Konditionierer 895, der mit dem Bus 825 elektrisch verbunden ist, bereitet die Wechselspannungssignale auf dem Bus 825 auf. Die Bus-Konditionierer 893 und 895 sind so gesteuert, dass sie die Aufteilung der Generatorspannung auf den antriebsseitigen Bus 851 und den shipservice-seitigen Bus 825 regulieren.
Das System 801 enthält auch eine Hochstromleitung 881, die unter anderem in dem Fall, dass das Schiff 400 ein Kriegsschiff ist, eine Hochstrom-Waffenleitung enthalten kann. Das System 801 enthält ferner einen Niederspannungsgenerator 885. Der Generator 885 erzeugt Niederspannungsstrom mit einer Spannung von circa 690 VAC (Wechselstrom-Volt). Der Generator 885 ist durch eine Welle 889 drehbar verbunden mit einem Niederstrom-Antriebsmotor 887. Der Generator 885 ist mit dem Bus 832 durch eine Leitung 891 elektrisch verbunden. Das System 801 bietet im Wesentlichen dieselben Vorteile wie das System 701.
Die Verfahren und Vorrichtungen zur Stromerzeugung und -verteilung, wie sie hier erörtert werden, ermöglichen den Betrieb von Stromverteilungssystemen. Insbesondere ermöglicht es das Konfigurieren eines schiffsseitigen Stro merzeugungs- und -verteilungsnetzwerks mit einer Vielzahl von Stromkonvertern, die Anzahl der Stromtransformatoren zu reduzieren, um die Verteilung von elektrischem Strom mit unterschiedlichen Spannungen auf dem gesamten Schiff zu ermöglichen. Genauer ausgedrückt, ermöglicht eine solche Konfiguration die Gewichtsreduzierung derartiger Schiffe und ermöglicht dadurch das Erreichen der Schiffsgeschwindigkeit und Treibstoffeffizienz. Eine solche Konfiguration begünstigt auch die Verlässlichkeit des Antriebs sowie der Ship-Service-Elektrik, indem mehrere Redundanzebenen zur Verfügung gestellt werden und ein Ride-through (Weiterbetrieb) bei elektrischen Störungen ermöglicht wird. Außerdem wird die Fehlersuche, Reparatur und/oder das Ersetzen der fehlerhaften Komponenten erleichtert, wodurch die Gesamtkosten für den Besitz des Systems reduziert werden. Ferner erleichtern das Verfahren und die Ausrüstung für Betriebssysteme wie das hier beschriebene eine Reduzierung der Hardware-Beschaffung, -Installation und -Konfiguration und verringern daher die mit der Installation derartiger Systeme verbundenen Kapital- und Arbeitskosten. Insbesondere die Konfiguration der Systeme mit weniger und kleineren Transformatoren und leichteren Schaltanlagen ermöglicht eine Verringerung der Installations- und Wartungskosten.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erzeugung und Verteilung von elektrischem Strom wurden oben detailliert beschrieben. Die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sind weder beschränkt auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen, noch auf die spezifischen dargestellten Systeme und Systemkomponenten.
Das beschriebene Verfahren, elektrischen Strom mit mehreren Spannungen zu erzeugen und zu verteilen, kann auch in Anwendungen wie Dualspannungs-Automobilarchitekturen und räumlich beschränkten Anwendungen wie Offshore-Ölplattformen verwendet werden, wo Transformatoren wegen ihrer großen Abmessungen und ihres Gewichts nachteilig sein können.
Während die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung auch in modifizierter Form im Geiste und im Anwendungsbereich der Ansprüche angewendet werden kann.
Es wird ein Stromverteilungssystem 100, 401, 501, 701, 801 zur Verfügung gestellt. Das Stromverteilungssystem 100, 401, 501, 701, 801 umfasst zumindest eine erste elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist, und zumindest eine zweite elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem zweiten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist, und zumindest einen Generator mit offenen Wicklungen 102, 402, 802, der mit dem ersten und zweiten elektrischen Bus in Serie elektrisch verbunden ist.

100: Stromverteilungssystem
102: Generator mit offenen Wicklungen
104: Stator
106: Wicklung
108: Wicklung
110: Wicklung
112: Antriebsmotor
114: Welle
116: Konverter
118: erste elektrische Leitungen
119: Klemmen
120: Leitungen
121: Klemme
122: Klemme
123: Klemme
124: Gleichstrom-Zwischenkreis
126: Gleichstromleitung
128: Gleichstromleitung
130: Kondensator
132: Bus
134: Positive Leitung
136: Negative Leitung
138: Konverter
140: Positive Leitung
142: Negative Leitung
144: Wechselstromleitung
146: zweiter Konverter
148: Wechselstromleitung
149: Klemme
150: Wechselstromleitung
151: zweite Klemme
152: Wechselstromleitung
153: zweite Klemme
154: zweiter Gleichstrom-Zwischenkreis
156: Leitung
158: Gleichstromleitung
160: Kondensator
162: Gleichstrom-Bus
164: Positive Leitung
166: Leitung
168: Konverter
170: Leitung
172: Leitung
174: Wechselstromleitung
176: Elektrischer Antriebsmotor
178: Welle
180: Schraube
202: Spannungssignal
204: Spannungssignal
206: Schaltvorrichtung
208: Sinusförmiges Spannungssignal
210: Schaltvorrichtung
212: erster Phasenwinkel
214: zweiter Phasenwinkel
220: Steuersystem
222: Datenleitung
224: Erde, Bezugserde
226: Datenleitung
228: Datenleitung
230: Steuersystem
232: Datenleitung
236: Datenleitung
238: Datenleitung
240: erstes Gleichstrom-Spannungsdifferenzial
242: zweites Gleichstrom-Spannungsdifferenzial
300: Diagramm
302: erste Ordinate
304: Abszisse (x-Achse)
306: zweite Ordinate (y-Achse)
308: Gleichstromstärke
400: Seeschiff
401: System
402: Generator mit offenen Windungen
412: Antriebsmotoren
414: Welle
416: Konverter
417: Schaltvorrichtung
420: Elektrische Leitungen
424: Gleichstrom-Zwischenkreise
426: positive Leitung
428: negative Leitung
432: Gleichstrom-Busse
434: positive Leitung
436: negative Leitung
438: Konverter
440: positive Leitung
442: negative Leitung
444: Leitung
446: Konverter
447: Schaltvorrichtung
450: elektrische Leitung
454: Gleichstrom-Zwischenkreis
456: positive Leitung
458: negative Leitung
462: Gleichstrom-Bus
464: positive Leitung
466: negative Leitung
468: Konverter
470: positive Leitung
472: negative Leitung
474: Wechselstromleitung
476: Elektrischer Antriebsmotor
478: Welle
480: Schraube
501: Stromerzeugungs- und Verteilungssystem
502: Generator
512: Motor
514: Welle
516: Konverter
524: Gleichstrom-Zwischenkreis
532: Gleichstrom-Bus
576: Motor
578: Welle
580: Schraube
581: Niederspannungsdiode
582: Niederspannungskonverterblock
583: erster Satz
584: Leitung
585: Schaltvorrichtung
588: Satz
590: Satz
592: Leitung
594: Leitung
596: Leitung
598: Leitung
601: Stromerzeugungs- und Verteilungssystem
602: Generatoren
612: Motor
614: Welle
616: Konverter
620: Leitung
624: Gleichstrom-Zwischenkreis
632: Gleichstrom-Bus
646: Konverter
650: Leitung
674: Leitung
676: Motor
678: Welle
680: Schraube
688: erster Strang
690: zweiter Strang
701: System
702: Generator mit offenen Wicklungen
712: Motor
714: Welle
716: Konverter
720: Leitung
732: Gleichstrom-Bus
745: Gleichstrom-Zwischenkreis
746: Konverter
750: Leitung
754: Gleichstrom-Zwischenkreis
768: Konverter
774: Leitung
776: Motor
778: Welle
780: Schraube
781: Hochstromleitung
785: Niederspannungsgenerator
787: Niederstrom-Antriebsmotor
789: Welle
791: Leitung
793: Konverter
801: Stromerzeugungs- und Verteilungssystem
802: Generator mit offenen Wicklungen
812: Motor
814: Welle
825: Wechselstrom-Bus
832: Gleichstrom-Bus
851: Wechselstrom-Bus
869: Konverter
874: Leitung
876: Motor
878: Welle
880: Schraube
881: Hochstromleitung
885: Generator
887: Niederstrom-Antriebsmotor
889: Welle
891: Leitung
893: erster Bus-Konditionierer
895: zweiter Bus-Konditionierer

Claims

Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801), umfassend: zumindest eine erste elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die elektrisch mit einem ersten elektrischen Bus verbunden ist; zumindest eine zweite elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die elektrisch mit einem zweiten elektrischen Bus verbunden ist, und zumindest einen Generator mit offenen Wicklungen (102, 402, 802), der mit dem ersten elektrischen Bus und dem zweiten elektrischen Bus in Serie elektrisch verbunden ist.
Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) nach Anspruch 1, wobei der Generator mit offenen Wicklungen (102, 402, 802) umfasst: einen Rotor und einen Stator (104), der sich zumindest um einen Teil des Rotors erstreckt, wobei der Stator zumindest eine Wicklung umfasst (106, 108, 110), und wobei die zumindest eine Wicklung eine mit dem ersten Bus verbundene erste elektrische Klemme (119, 121, 123) und eine mit dem zweiten Bus verbundene zweite Klemme (149, 151, 153) umfasst.
Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Wicklung (106, 108, 110) einen Vielzahl von elektrisch unabhängigen Wicklungen umfasst, die derart mit dem ersten und zweiten Bus elektrisch verbunden sind, dass der erste und der zweite Bus im Wesentlichen elektrisch synchronisiert sind.
Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) nach Anspruch 1, wobei der Generator mit offenen Wicklungen (102, 402, 802) dafür konfiguriert ist, eine erste Spannung auf den ersten Bus und eine zweite Spannung auf den zweiten Bus zu induzieren, und wobei die Summe der ersten und zweiten Spannungen ungefähr gleich der Gesamt-Spannungsabgabe des Generators mit offenen Wicklungen ist.
Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) nach Anspruch 4, wobei die erste Spannung geringer als die zweite Spannung ist.
Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) nach Anspruch 1, wobei jede der zumindest einen ersten und zweiten elektrisch betriebenen Elektronikvorrichtungen eine Vielzahl von Konvertern umfasst (646), die für die Steuerung der ersten und zweiten Spannung konfiguriert sind, und wobei die Vielzahl von Konvertern zumindest eine Schaltvorrichtung umfasst.
Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801) nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Konvertern (646) mit einer Vielzahl von Gleichstrom-Bussen (162, 432, 462, 532, 632, 732, 832) elektrisch verbunden sind, und wobei die Vielzahl von Konvertern für die Steuerung einer Spannung auf der Vielzahl von Gleichstrom-Bussen konfiguriert ist.
Schiff (400), umfassend: zumindest einen elektrischen Antriebsmotor (476, 576, 676, 776, 876) und ein elektrisch mit dem zumindest einen elektrischen Antriebsmotor verbundenes Stromverteilungssystem (100, 401, 501, 701, 801), wobei das Stromverteilungssystem umfasst: zumindest eine erste elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist; zumindest eine zweite elektrisch betriebene Elektronikvorrichtung, die mit einem zweiten elektrischen Bus elektrisch verbunden ist; zumindest einen Generator mit offenen Wicklungen (102, 402, 802), der mit dem ersten und dem zweiten Bus elektrisch in Serie verbunden ist;
Schiff (400) nach Anspruch 8, wobei der Generator mit offenen Wicklungen (102, 402, 802) umfasst: einen Rotor und einen Stator (104), der sich um zumindest einen Teil des Rotors erstreckt, wobei der Stator zumindest eine Wicklung (106, 108, 110) umfasst, und wobei die zumindest eine Wicklung eine mit dem ersten Bus verbundene erste elektrische Klemme (119, 121, 123) und eine mit dem zweiten Bus verbundene zweite elektrische Klemme (149, 151, 153) umfasst.
Schiff (400) nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Wicklung (106, 108, 110) eine Vielzahl von elektrisch unabhängigen Wicklungen umfasst, die derart elektrisch mit dem ersten und zweiten Bus verbunden sind, dass der erste und der zweite Bus im Wesentlichen elektrisch synchronisiert sind.