DE102009043886A1 - Systeme und Verfahren zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung einer Schiffsservosammelleitung eines Wasserfahrzeugs - Google Patents

Systeme und Verfahren zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung einer Schiffsservosammelleitung eines Wasserfahrzeugs Download PDF

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Ralph Teichmann
KiYoung West Chester Chung
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Abstract

Geschaffen ist ein Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 300) für ein Wasserfahrzeug, das eine das gesamte Wasserfahrzeug umfassende unterbrechungsfreie Stromversorgung ermöglicht. Das Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 300) umfasst: ein Antriebssystem (110, 302, 304), das einen Primärantrieb (130, 132) aufweist, der mit einem Elektromotor/Generator (138) und einer Antriebseinrichtung (134) verbunden ist, wobei der Elektromotor/Generator dazu eingerichtet ist, durch den Primärantrieb angetrieben zu werden und Wechselstrom (AC = Alternating Current) zu erzeugen; ein elektrisches Schiffsservosystem (120), das einen Generatorsatz (150, 152) und eine Schiffsservosammelleitung (158) umfasst, wobei der Generatorsatz dazu eingerichtet ist, Schiffsservostrom zur Verteilung über die Schiffsservosammelleitung zu erzeugen; und ein bidirektionaler Konverter (200), der dazu eingerichtet ist, das Antriebssystem mit dem elektrischen Schiffsservosystem zu verbinden und durch das Antriebssystem erzeugten Wechselstrom in Schiffsservostrom zur Verteilung über das elektrische Schiffsservosystem umzuwandeln.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Das Gebiet der Offenbarung betrifft allgemein Servostromerzeugungssysteme und Antriebssysteme und speziell ein Schiffsantriebssystem, das außerdem dazu eingerichtet ist, einer Schiffsservosammelleitung Strom zu liefern.
  • Zumindest einige bekannte Wasserfahrzeuge enthalten einen Schiffservogeneratorsatz, der einen Motor aufweist, der einen Generator antreibt. Der Generatorsatz dient dazu, einem elektrischen Verteilungssystem auf dem Schiff Strom zu liefern. Das elektrische Verteilungssystem umfasst eine Schiffsservosammelleitung. Mehrere Lasten sind mit der Schiffsservosammelleitung verbunden und entnehmen dem elektrischen Verteilungssystem Strom. Bekannte Wasserfahrzeuge weisen außerdem ein Antriebssystem auf. Typischerweise umfasst das Antriebssystem einen Primärantrieb, der eine Antriebseinrichtung, beispielsweise eine Schiffsschraube, antreibt. Einige bekannte Antriebssysteme werden als hybride Antriebssysteme bezeichnet und können einen Elektromotor enthalten, um die Antriebseinrichtung anzutreiben, oder um den Primärantrieb bei dem Antrieb der Antriebseinrichtung zu unterstützen.
  • Bekannte Wasserfahrzeuge können ferner unterbrechungsfreie Stromquellen (UPS = Uninterruptible Power Supplies) aufweisen, die mit bestimmten Ausrüstungskomponenten auf dem Schiff verbunden sind, die für den Betrieb des Schiffs als kritisch erscheinen. Da der Schiffservogeneratorsatz, das Antriebssystem und die UPS voneinander unabhängige Systeme sind, fügt jedes System dem Inhalt des Wasserfahrzeugs Komponenten hinzu, die Raum erfordern und das Gewicht des Schiffs erhöhen. Darüber hinaus kann es zum Zwecke der Redundanz vorteilhaft sein, mehr als einen Schiffservogeneratorsatz mit dem elektrischen Verteilungssystem zu verbinden, um sicherzustellen, dass Elektrizität auch dann verfügbar ist, wenn ein Generatorsatz außer Betrieb ist. Jeder Schiffservogeneratorsatz kann mit einem Teil der Nennlast betrieben werden, so dass, falls einer der Generatorsätze nicht einwandfrei arbeitet, die übrigen Generatorsätze in der Lage sind, die volle elektrische Last ohne eine Stromunterbrechung zu versorgen. Da Generatorsatzmotoren, beispielsweise Gasturbinentriebwerke, am effizientesten mit einer Nennleistung oder nahe bei dieser arbeiten, kann diese redundante Konfiguration den Wirkungsgrad des elektrischen Verteilersystems begrenzen. Ein Schiff, das eine UPS aufweist, die ausgewählte Komponenten des Schiffs mit Strom versorgen kann, bis ein Reservegeneratorsatz hochgefahren und mit dem Netz verbunden ist, kann den Hauptgeneratorsatz mit einer höheren Last und daher mit einem höheren Wirkungsgrad betreiben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt ist ein Stromversorgungs- und Antriebssystem für ein Wasserfahrzeug geschaffen, das eine das gesamte Wasserfahrzeug umfassende unterbrechungsfreie Stromversorgung ermöglicht. Das Stromversorgungs- und Antriebssystem umfasst ein Antriebssystem mit einem Primärantrieb, der mit einem Elektromotor/Generator und mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist. Der Elektromotor/Generator ist dazu eingerichtet, durch den Primärantrieb angetrieben zu werden und Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Das Stromversorgungs- und Antriebssystem umfasst ferner ein elektrisches Schiffsservosystem, das einen Generatorsatz und eine Schiffsservosammelleitung aufweist. Der Generatorsatz ist dazu eingerichtet, Schiffsservostrom zur Verteilung über die Schiffsservosammelleitung zu erzeugen. Das Stromversorgungs- und Antriebssystem enthält ferner einen bidirektionalen Konverter, der dazu eingerichtet ist, das Antriebssystem mit dem elektrischen Schiffsservosystem zu verbinden, und durch das Antriebssystem erzeugten Wechselstrom in Schiffsservostrom zur Verteilung über das elektrische Schiffsservosystem umzuwandeln.
  • In einem weiteren Aspekt ist ein bidirektionaler Konverter geschaffen, der dazu eingerichtet ist, eine das gesamte Schiff umfassende unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) vorzusehen. Der bidirektionale Konverter umfasst: einen Antriebswechselrichter, der mit einem Elektromotor/Generator verbunden ist; einen Energiespeicherkonverter, der mit dem Antriebswechselrichter und mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden ist; und einen Schiffsservowechselrichter, der mit dem Energiespeicherkonverter und mit einer Schiffsservosammelleitung verbunden ist.
  • In noch einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren geschaffen, um einem Schiffsservosammelleitung eines Wasserfahrzeugs eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) bereitzustellen. Zu dem Verfahren gehört der Schritt, Wechselstrom (AC = Alternating Current), der durch einen mit einem Primärantrieb verbundenen Elektromotor/Generator erzeugt ist, in wenigstens entweder Schiffsservostrom und/oder Gleichstrom (DC = Direct Current) umzuwandeln. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte: Umwandeln von Gleichstrom aus einer Energiespeichereinrichtung in Schiffsservostrom; und Bereitstellen von Schiffsservostrom für die Schiffsservosammelleitung, um mehrere elektrische Einrichtungen zu versorgen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Stromversorgungs- und Antriebssystems für ein Wasserfahrzeug.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des in 1 dargestellten Stromversorgungs- und Antriebssystems für ein Wasserfahrzeug.
  • 3 zeigt ein Schaltschema eines exemplarischen bidirektionalen Konverters.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens, das dazu dient, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für eine Schiffsservosammelleitung eines Wasserfahrzeugs zu schaffen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft und nicht zur Beschränkung. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung sich allgemein in Verbindung mit Antriebs- und elektrischen Leistungssystemen in industriellen, kommerziellen und in Wohnbereichsanwendungen einsetzen lässt.
  • In dem hier verwendeten Sinne sollte die Erwähnung eines Elements oder Schrittes im Singular bzw. in Verbindung mit dem unbestimmten Artikel den Plural des Elements oder Schritts nicht ausschließen, es sei den, ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich genannt. Ferner soll die Bezugnahme auf ”ein Ausführungsbeispiel” der vorliegenden Erfindung nicht als Ausschluss der Existenz zusätzlicher Ausführungsbeispiele inter pretiert werden, die ebenfalls die aufgeführten Merkmale verkörpern.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Stromversorgungs- und Antriebssystems 100 für ein Wasserfahrzeug. Das System 100 enthält ein Antriebssystem 110 und ein elektrisches System 120. In dem Ausführungsbeispiel umfasst das Antriebssystem 110 einen ersten Primärantrieb 130, einen zweiten Primärantrieb 132, eine Antriebseinrichtung 134, ein Getriebe 136 und einen Elektromotor/Generator 138. In einigen Ausführungsbeispielen sind der erste und zweite Primärantrieb 130 und 132 Gasturbinentriebwerke, jedoch können die Primärantriebe 130 und 132 eine beliebiger Verbrennung- oder Elektromotor sein, der es dem Antriebssystem 110 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen. Außerdem kann das Antriebssystem 110, obwohl das Antriebssystem 110 als den ersten Primärantrieb 130 und den zweiten Primärantrieb 132 aufweisend gezeigt ist, einen Primärantrieb oder eine beliebige Anzahl von Primärantrieben enthalten, die es dem Antriebssystem 110 ermöglichen, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen.
  • In dem Ausführungsbeispiel sind der erste und zweite Primärantrieb 130 und 132 mit dem Getriebe 136 verbunden. Wenn der erste und zweite Primärantrieb 130 und 132 in Betrieb sind, überträgt das Getriebe 136 die von dem ersten und zweiten Primärantrieb 130 und 132 ausgehende Bewegung auf die Antriebseinrichtung 134. Die Antriebseinrichtung 134 kann eine Schiffsschraube, ein Luftdüse oder jede sonstige zum Einsatz in Wasserfahrzeugen verwendete Antriebseinrichtung sein. Der erste und zweite Primärantrieb 130 und 132 treiben über das Getriebe 136 außerdem den Elektromotor/Generator 138 an.
  • In dem Ausführungsbeispiel enthält das elektrische System 120 einen ersten Generatorsatz 150 und einen zweiten Generatorsatz 152. Der erste Generatorsatz 150 und der zweite Gene ratorsatz 152 weisen jeweils einen (in 1 nicht dargestellten) Motor und einen (in 1 nicht dargestellten) Generator auf. Obwohl das elektrische System 120 als erste und zweite Generatorsätze 150 und 152 aufweisend gezeigt ist, kann das elektrische System 120 auch lediglich einen einzigen Generatorsatz, oder eine beliebige Anzahl von Generatorsätzen enthalten, die es dem elektrischen System 120 ermöglichen, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen. Der erste und zweite Generatorsatz 150 und 152 sind mit einer Schiffsservosammelleitung 158 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel ist die Schiffsservosammelleitung 158 eine Festfrequenz verwendende elektrische Sammelleitung, die die Verteilung von Elektrizität an (nicht in 1 dargestellte) elektrische Einrichtungen in dem gesamten Wasserfahrzeug vereinfacht.
  • Das System 100 enthält ferner einen bidirektionalen Konverter 200. In dem Ausführungsbeispiel ist der bidirektionale Konverter 200 mit dem Antriebssystem 110 und mit dem elektrischen System 120 verbunden. Insbesondere ist der bidirektionale Konverter 200 über die Schiffsservosammelleitung 158 mit dem elektrischen System 120 und über den Elektromotor/Generator 138 mit dem Antriebssystem 110 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel ist der bidirektionale Konverter 200 ferner mit wenigstens einer Energiespeichereinrichtung 210 verbunden. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energiespeichereinrichtung 210 ein Akkumulator, jedoch kann die Energiespeichereinrichtung 210 auch ein Kondensator, eine Brennstoffzelle oder jede sonstige Energiespeichereinrichtung sein, die es dem System 100 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist der bidirektionale Konverter 200 dazu eingerichtet, in mindestens zwei Modi zu arbeiten. In einem ersten Modus wird wenigstens entweder der Schiffsservosammelleitung 158 und/oder der Energiespeichereinrichtung 210 Elektrizität geliefert, die durch den Elektromo tor/Generator 138 erzeugt wird, der durch den ersten und zweiten Primärantrieb 130 und 132 angetrieben wird. Der Elektromotor/Generator 138 dreht sich mit einer Drehzahl, die proportional zu der Betriebsdrehzahl der Antriebseinrichtung 134 ist, mit der Folge, dass der durch den Elektromotor/Generator 138 erzeugte Wechselstrom (AC) unterschiedliche Frequenzen aufweist. Ferner ist in dem Ausführungsbeispiel der Elektromotor/Generator 138 ein Hochgeschwindigkeitselektromotor/Generator, der Wechselstrom mit einer hohen Frequenz erzeugt, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, in einem Bereich von 100 Hz bis 600 Hz. Typischerweise liefert die Schiffsservosammelleitung 158, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Wechselstrom mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Der bidirektionale Konverter 200 wandelt den durch den Elektromotor/Generator 138 erzeugten hochfrequenten Wechselstrom in einen Wechselstrom mit einer vorbestimmten Festfrequenz um, die zu der Frequenz der Schiffsservosammelleitung 158 passt. In dem Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Kombination des Generatorsatzes 150, des Generatorsatzes 152 und des Elektromotors/Generators 138 es, einen vorbestimmten Leistungspegel für die Schiffsservosammelleitung 158 aufrecht zu erhalten. Obwohl das elektrische System 120 im Vorliegenden als Wechselstrom fester Frequenz erzeugend und liefernd beschrieben ist, kann das elektrische System 120 in weiteren Ausführungsbeispielen auch Wechselstrom mit veränderlicher Frequenz oder einen Gleichstrom erzeugen und liefern.
  • Wie oben beschrieben, können der Generatorsatz 150 und der Generatorsatz 152 beispielsweise jeweils mit der halben Nennleistung betrieben werden, um einen vollen Leistungspegel für die Schiffsservosammelleitung 158 zu erzeugen, während sie den Schutz vorsehen, dass beide Generatorsätze in Betrieb und verfügbar sind, um einen erhöhten Strombedarf zu decken, falls einer der Generatorsätze 150 und 152 heruntergefahren wird. Mehrere Generatorsätze 150 und 152 stellen außerdem sicher, dass größere Strommengen für die Schiffsservosammelleitung 158 verfügbar sind, falls auf der Schiffsservosammelleitung 158 eine größere elektrische Last aufgeschaltet wird. Beispielsweise befindet sich ein Teil der elektrischen Ausrüstung auf einem Wasserfahrzeug nicht ständig in Betrieb, erfordert jedoch einen hohen Strompegel, wenn sie eingeschaltet wird. Ein spezielles Beispiel hierfür ist das Radarsystem eines Wasserfahrzeugs.
  • Da Generatorsatzmotoren, beispielsweise Gasturbinentriebwerke, am effizientesten mit oder nahe einer Nennleistung arbeiten, kann ein Betreiben von Generatorsätzen 150 und 152 unterhalb der Nennleistung den Wirkungsgrad des elektrischen Verteilersystems begrenzen. Durch Einspeisung von durch das Antriebssystem 110 erzeugtem Strom in die Schiffsservosammelleitung 158 ermöglicht der bidirektionale Konverter 200 in dem Ausführungsbeispiel die Verwendung eines Generatorsatzes, der nahe bei der Nennleistung arbeitet, um der Schiffsservosammelleitung 158 Schiffsservostrom zu liefern, während die Fähigkeit aufrecht erhalten wird, die Stromerzeugung nach Wunsch zu steigern.
  • In einem zweiten Modus sind der erste und zweite Primärantrieb 130 und 132 außer Betrieb oder arbeiten bei einem niedrigen Pegel. In dem zweiten Modus wird Strom über den bidirektionalen Konverter 200, durch die Schiffsservosammelleitung 158 und/oder durch die Energiespeichereinrichtung 210 an den Elektromotor/Generator 138 geliefert. Der Elektromotor/Generator 138 wandelt die gelieferte Elektrizität in Rotationsenergie um, die genutzt wird, um die Antriebseinrichtung 134 anzutreiben. Der bidirektionale Konverter 200 trägt in dem zweiten Modus zum Antrieb des Wasserfahrzeugs bei, wobei er Elektrizität verwendet, die durch den Generatorsatz 150 und/oder den Generatorsatz 152 erzeugt ist, oder durch die Energiespeichereinrichtung 210 bereitgestellt wird.
  • In dem Ausführungsbeispiel schafft das System 100 ferner eine UPS, die dimensioniert ist, um der Schiffsservosammelleitung 158 für eine vorbestimmte Zeitspanne den gesamten Schiffsservostrom zu liefern. Diese vorbestimmte Zeitspanne ist ausreichend lang bemessen, um die Schiffsservostromversorgung aufrecht zu erhalten, bis die Generatorsätze 150 und/oder 152 nach einem Zwischenfall dem Netz wieder aufgeschaltet sind. Der bidirektionale Konverter 200 nimmt Gleichstrom (DC) von der Energiespeichereinrichtung 210 auf und wandelt diesen in Schiffsservostrom um, beispielsweise in Wechselstrom mit fester Frequenz, der in die Schiffsservosammelleitung 158 eingespeist wird.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Stromversorgungs- und Antriebssystems für ein Wasserfahrzeug 300. Das System 300 dient als ein Beispiel für (in 1 gezeigte) Mehrfachsysteme 100, die miteinander verbunden sind. Beispielsweise enthält das System 300 ein erstes Stromversorgungs- und Antriebssystem 302 für ein Wasserfahrzeug und ein zweites Stromversorgungs- und Antriebssystem für ein Wasserfahrzeug 304. Von dem (in 1 gezeigten) System 100 und den Systemen 302 und 304 gemeinsam verwendete Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In dem Ausführungsbeispiel enthält das Stromversorgungs- und Antriebssystem 300 zwei Energiespeichereinrichtungen 210 und 310. Beide Energiespeichereinrichtungen 210 und 310 sind mit dem bidirektionale Konverter 200 des Systems 302 und mit dem bidirektionalen Konverter 200 des Systems 304 verbunden. Dadurch dass die Systeme 302 und 304 miteinander verbunden sind, können sie beide auf die Energiespeichereinrichtungen 210 und 310 zugreifen. Die Tatsache, dass ein Zugriff auf beide Energiespeichereinrichtungen 210 und 310 möglich ist, erlaubt eine Verbesserung der UPS-Fähigkeiten sowohl für das System 302 als auch für das System 304, indem die Menge gespeicherter Ener gie, die für jedes der Systeme 302 und 304 verfügbar ist, gesteigert ist, und indem eine Schicht einer Energiespeicherungsredundanz hinzugefügt ist.
  • 3 zeigt ein Schaltschema eines (in 1 und 2 gezeigten) exemplarischen bidirektionalen Konverters 200. In dem Ausführungsbeispiel enthält der bidirektionale Konverter 200 zwei Wechselrichter und einen Energiespeicherkonverter. Insbesondere enthält der bidirektionale Konverter 200 einen Antriebswechselrichter 400, der mit einem Schiffsservowechselrichter 410 und mit einem Energiespeicherkonverter 420 verbunden ist. Wie oben beschrieben, arbeitet der bidirektionale Konverter 200 in zwei Betriebsarten, indem er elektrischen Strom entweder zu der Schiffsservosammelleitung 158 leitet, oder indem er elektrischen Strom zu dem Elektromotor/Generator 138 leitet. Der Antriebswechselrichter 400, der Schiffsservowechselrichter 410 und der Energiespeicherkonverter 420 arbeiten sämtliche in zwei Modi.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor/Generator 138 mit dem Antriebswechselrichter 400 verbunden. In dem ersten Modus wandelt der Antriebswechselrichter 400 erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom um, der dem Energiespeicherkonverter 420 und dem Schiffsservowechselrichter 410 bereitgestellt wird. In dem zweiten Modus wandelt der Antriebswechselrichter 400 Gleichstrom, der von der Energiespeichereinrichtung 210 stammt, oder Gleichstrom der durch den Schiffsservowechselrichter 410 geliefert wird, in Wechselstrom um, um den Elektromotor/Generator 138 anzutreiben. In dem Ausführungsbeispiel ist der Antriebswechselrichter 400 ein Dreipunktwechselrichter. Der Dreipunktwechselrichter ermöglicht eine Verringerung der Frequenz des durch den Elektromotor/Generator 138 erzeugten Wechselstroms auf beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz, um diesen in die Schiffsservosammelleitung 158 einzuspeisen.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicherkonverter 420 ein Gleichspannungswandler. Der Energiespeicherkonverter 420 arbeitet in zwei Modi, indem er entweder Gleichstrom entweder von dem Antriebswechselrichter 400 oder von dem Schiffsservowechselrichter 410 aufnimmt, oder indem er Gleichstrom dem Antriebswechselrichter 400 oder dem Schiffsservowechselrichter 410 liefert. In dem ersten Modus wird der aufgenommene Gleichstrom genutzt, um die Energiespeichereinrichtung 210 wiederaufzuladen. In dem zweiten Modus liefert der Energiespeicherkonverter 420 Gleichstrom entweder an den Antriebswechselrichter 400 oder an den Schiffsservowechselrichter 410, was die UPS-Fähigkeiten des (in 1 gezeigten) Systems 100 verbessert.
  • Der Schiffsservowechselrichter 410 arbeitet ebenfalls in zwei Modi. In dem ersten Modus nimmt der Schiffsservowechselrichter 410 Gleichstrom entweder von dem Energiespeicherkonverter 420 oder von dem Antriebswechselrichter 400 auf. Der Schiffsservowechselrichter 410 wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um und speist den Wechselstrom in die Schiffsservosammelleitung 158 ein. In dem zweiten Modus nimmt der Schiffsservowechselrichter 410 Wechselstrom von der Schiffsservosammelleitung 158 auf, wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um und liefert den Gleichstrom dem Energiespeicherkonverter 420 und dem Antriebswechselrichter 400.
  • Wie im Vorliegenden beschrieben, unterstützt der bidirektionale Konverter 200 den Schiffsantrieb anhand von elektrischem Strom, der durch beispielsweise den (in 1 gezeigten) Generatorsatz 150 erzeugt ist. Der bidirektionale Konverter 200 ermöglicht es außerdem, der Schiffsservosammelleitung 158 elektrischen Strom bereitzustellen, der durch den Elektromotor/Generator 138 erzeugt wird, der durch einen Primärantrieb angetrieben wird. Dadurch das der Einsatz von durch das Antriebssystem erzeugtem elektrischen Strom ermöglicht ist, ermöglicht der bidirektionale Konverter 200 eine Verringerung der Anzahl von Generatorsätzen.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm 450 eines exemplarischen Verfahrens, das dazu dient, eine UPS für die (in 1 gezeigte) Schiffsservosammelleitung 158 eines Wasserfahrzeugs zu schaffen. Das exemplarische Verfahren beinhaltet den Schritt, Wechselstrom (AC), der durch den (in 1 gezeigten) Elektromotor/Generator 138 erzeugt ist, wenigstens entweder in Schiffsservostrom und/oder in Gleichstrom (DC) 460 umzuwandeln. Wie oben beschrieben, erzeugt der Elektromotor/Generator 138 Wechselstrom, wenn er durch einen Primärantrieb, beispielsweise den Primärantrieb 130 des Antriebssystems 110, angetrieben wird. In dem Ausführungsbeispiel ist der Schiffsservostrom ein Wechselstrom fester Frequenz, jedoch kann der Schiffsservostrom auch ein Wechselstrom mit veränderlicher Frequenz oder Gleichstrom sein.
  • In dem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Schritt des Umwandelns in Schiffsservostrom 460 ein Umwandeln eines erzeugten Wechselstroms, der eine hohe Frequenz aufweist, in einen Wechselstrom mit einer niedrigeren, festen Frequenz. Da der Elektromotor/Generator 138 von einem Primärantrieb mit einer hohen Drehzahl angetrieben wird, erzeugt der Elektromotor/Generator 138, wie oben beschrieben, einen Wechselstrom hoher Frequenz. Der Schritt des Umwandelns in Wechselstrom mit fester Frequenz 460 ermöglicht den Einsatz von durch den Elektromotor/Generator 138 erzeugtem Wechselstrom für die mit einer Festfrequenz arbeitende Schiffsservosammelleitung 158 bei einer niedrigeren Frequenz.
  • Das exemplarische Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, von der Energiespeichereinrichtung 210 stammenden Gleichstrom in Wechselstrom fester Frequenz umzuwandeln 462. Das Verfahren beinhaltet weiter den Schritt, der Schiffsservo sammelleitung 158 einen Wechselstrom fester Frequenz bereitzustellen 464, um diesen mehreren elektrischen Einrichtungen zu liefern.
  • Der Schritt des Umwandelns 460 kann ein Umwandeln eines durch den Elektromotor/Generator 138 erzeugten Wechselstroms in Gleichstrom beinhalten, der zur Wiederaufladung der Energiespeichereinrichtung 210 dient. Das exemplarische Verfahren kann ferner den Schritt des Umwandelns von Wechselstrom fester Frequenz, der aus der Schiffsservosammelleitung 158 stammt, in Gleichstrom beinhalten, der zur Wiederaufladung der Energiespeichereinrichtung 210 dient. Die Energiespeichereinrichtung 210 ist geeignet ausgewählt, um ausreichend Strom zu speichern, um die Schiffsservosammelleitung 158 für eine vorbestimmte Dauer mit elektrischem Strom zu versorgen, um elektrische Einrichtungen zu betreiben, die mit der Schiffsservosammelleitung verbunden sind. In wenigstens einem Beispiel ist eine Energiespeichereinrichtung ausgewählt, die eine ausreichende elektrische Strommenge speichert, um mit der Schiffsservosammelleitung verbundene elektrische Einrichtungen für eine gewisse Zeitspanne zu betreiben, die ausreicht, um einen ausgefallenen Generatorsatz wieder dem Netz zuzuschalten. In einigen Ausführungsbeispielen liegt die vorbestimmte Zeitspanne im Bereich von fünf bis zwanzig Minuten.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Verfahrens und von Systemen, die dazu dienen, ein Antriebssystem und ein elektrisches Verteilungssystem mit Strom zu versorgen, schaffen ein kostengünstiges und zuverlässiges Mittel zur Bereitstellung einer UPS für eine Schiffsservosammelleitung eines Wasserfahrzeugs. Insbesondere ermöglichen die im Vorliegenden beschriebenen Verfahren und Systeme es, in einem Wasserfahrzeug im Falle einer Generatorsatzfehlfunktion eine minimale Unterbrechung elektrischer Einrichtungen sicherzustellen. Das im Vorliegenden beschriebene Verfahren und die Syste me stellen außerdem sicher, dass auf der Schiffsservosammelleitung ausreichend Strom für elektrische Hochlastanwendungen verfügbar ist.
  • Darüber hinaus vereinfachen die oben beschriebenen Verfahren und Systeme die Integration von UPS-Fähigkeiten in einem bidirektionalen Konverter, der andere Funktionen auf dem Schiff erfüllt. Dies reduziert den Umfang von eingebauter Ausrüstung im Vergleich zu einem UPS-System, das einen separaten Wechselrichter aufweist. Der oben beschriebene bidirektionale Konverter ermöglicht außerdem die Verwendung eines kompakten Elektromotor/Generators aufgrund der Fähigkeit des Konverters, hochfrequenten Wechselstrom in einen Wechselstrom mit einer niedrigeren und festen Frequenz umzuwandeln, der sich zur Verteilung auf der Schiffsservosammelleitung eignet. Außerdem ermöglichen das im Vorliegenden beschriebene Verfahren und die Systeme eine Reduzierung der Anzahl von Generatorsätzen auf dem Wasserfahrzeug, indem anhand der mechanischen Energie eines Primärantriebs erzeugter Wechselstrom in einen nutzbaren Wechselstrom fester Frequenz umgewandelt wird, um diesen in eine Schiffsservosammelleitung einzuspeisen. Darüber hinaus ermöglicht die Tatsache, dass der Konverter bidirektional ist, es außerdem anstelle des Einsatzes eines Primärantriebs zum Antrieb des Wasserfahrzeugs einen Elektromotor/Generator zu verwenden, der mit elektrischen Strom betrieben wird, der durch Generatorsätze erzeugt wird, die gewöhnlich für elektrische Schiffsservoanwendungen reserviert sind. Dementsprechend verbessern das im Vorliegenden beschriebene Verfahren und die Systeme UPS-Fähigkeiten eines Wasserfahrzeugs auf kostengünstige und zuverlässige Weise.
  • Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu offenbaren, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
  • Geschaffen ist ein Stromversorgungs- und Antriebssystem 100, 300 für ein Wasserfahrzeug, das eine das gesamte Wasserfahrzeug umfassende unterbrechungsfreie Stromversorgung ermöglicht. Das Stromversorgungs- und Antriebssystem 100, 300 umfasst: ein Antriebssystem 110, 302, 304, das einen Primärantrieb 130, 132 aufweist, der mit einem Elektromotor/Generator 138 und einer Antriebseinrichtung 134 verbunden ist, wobei der Elektromotor/Generator dazu eingerichtet ist, durch den Primärantrieb angetrieben zu werden und Wechselstrom (AC = Alternating Current) zu erzeugen; ein elektrisches Schiffsservosystem 120, das einen Generatorsatz 150, 152 und eine Schiffsservosammelleitung 158 umfasst, wobei der Generatorsatz dazu eingerichtet ist, Schiffsservostrom zur Verteilung über die Schiffsservosammelleitung zu erzeugen; und ein bidirektionaler Konverter 200, der dazu eingerichtet ist, das Antriebssystem mit dem elektrischen Schiffsservosystem zu verbinden, und durch das Antriebssystem erzeugten Wechselstrom in Schiffsservostrom zur Verteilung über das elektrische Schiffsservosystem umzuwandeln. Bezugszeichenliste:
    100 Stromversorgungs- und Antriebssystem für ein Wasserfahrzeug
    110 Antriebssystem
    120 Elektrisches System
    130 Zweite Primärantriebe
    132 Zweiter Primärantrieb
    134 Antriebseinrichtung
    136 Getriebe
    138 Antriebsmotor/Generator
    150 Generatorsätze
    152 Zweiter Generatorsatz
    158 Schiffsservosammelleitung
    200 Bidirektionaler Konverter
    210 Energiespeichereinrichtung
    300 Stromversorgungs- und Antriebssystem
    302 Stromversorgungs- und Antriebssystem
    304 Stromversorgungs- und Antriebssystem
    310 Speichergeräte
    400 Antriebswechselrichter
    410 Schiffsservowechselrichter
    420 Energiespeicherkonverter
    450 Flussdiagramm
    460 Umwandeln von Wechselstrom (AC), der durch einen Elektromotor/Generator erzeugt ist, der mit einem Primärantrieb verbunden ist, in wenigstens entweder Schiffsservostrom und/oder in Gleichstrom (DC)
    462 Umwandeln von Gleichstrom aus der Energiespeichereinrichtung in Schiffsservostrom
    464 Bereitstellen von Schiffsservostrom für die Schiffsservosammelleitung, um mehrere elektrische Einrichtungen zu versorgen

Claims (10)

  1. Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 300) für ein Wasserfahrzeug, das eine das gesamte Wasserfahrzeug umfassende unterbrechungsfreie Stromversorgung bereitstellt, wobei das Stromversorgungs- und Antriebssystem aufweist: ein Antriebssystem (110, 302, 304), das einen Primärantrieb (130, 132) umfasst, der mit einem Elektromotor/Generator (138) und einer Antriebseinrichtung (134) verbunden ist, wobei der Elektromotor/Generator dazu eingerichtet ist, durch den Primärantrieb angetrieben zu werden und Wechselstrom (AC) zu erzeugen; ein elektrisches Schiffsservosystem (120), das einen Generatorsatz (150, 152) und eine Schiffsservosammelleitung (158) umfasst, wobei der Generatorsatz dazu eingerichtet ist, Schiffsservostrom zur Verteilung über die Schiffsservosammelleitung zu erzeugen; und ein bidirektionaler Konverter (200), der dazu eingerichtet ist, das Antriebssystem mit dem elektrischen Schiffsservosystem zu verbinden und durch das Antriebssystem erzeugten Wechselstrom in Schiffsservostrom zur Verteilung über das elektrische Schiffsservosystem umzuwandeln.
  2. Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 200) nach Anspruch 1, ferner mit einer Energiespeichereinrichtung (210, 310), die mit dem bidirektionalen Konverter (200) verbunden ist, wobei der bidirektionale Konverter dazu eingerichtet ist, durch das Antriebssystem erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom (DC) zur Wiederaufladung der Energiespeichereinrichtung umzuwandeln.
  3. Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 300) nach Anspruch 2, wobei der bidirektionale Konverter (200) ferner dazu eingerichtet ist, aus dem elektrischen Schiffsservosystem (120) stammenden Schiffsservostrom in Gleichstrom umzuwandeln, der dazu dient, die Energiespeichereinrichtung (210, 310) wiederaufzuladen.
  4. Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 300) nach Anspruch 2, wobei der bidirektionale Konverter (200) ferner dazu eingerichtet ist, Gleichstrom aus der Energiespeichereinrichtung (210, 310) aufzunehmen und den Gleichstrom wenigstens entweder in Wechselstrom, um den Elektromotor/Generator (138) mit Strom zu versorgen, oder in Schiffsservostrom zur Verteilung über die Schiffsservosammelleitung (158) umzuwandeln.
  5. Stromversorgungs- und Antriebssystem (100, 300) nach Anspruch 1, wobei der bidirektionale Konverter (200) ferner dazu eingerichtet ist, Schiffsservostrom aus der Schiffsservosammelleitung (158) in Wechselstrom umzuwandeln, um den Elektromotor/Generator (138) mit Strom zu versorgen.
  6. Bidirektionaler Konverter (200), der dazu eingerichtet ist, eine das gesamte Schiff umfassende unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) vorzusehen, wobei der bidirektionale Konverter aufweist: einen Antriebswechselrichter (400), der mit einem Elektromotor/Generator (138) verbunden ist; einen Energiespeicherkonverter (420), der mit dem Antriebswechselrichter und mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden ist; und einen Schiffsservowechselrichter, der mit dem Energiespeicherkonverter und mit einer Schiffsservosammelleitung verbunden ist.
  7. Bidirektionaler Konverter (200) nach Anspruch 6, wobei der Antriebswechselrichter (400) dazu eingerichtet ist, in einem ersten Modus und in einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus beinhaltet, dass der Elektromotor/Generator (138) dem Antriebswechselrichter Wechselstrom (AC) zuführt, und der zweite Modus beinhaltet, dass der Antriebswechselrichter dem Elektromotor/Generator Wechselstrom zuführt.
  8. Bidirektionaler Konverter (200) nach Anspruch 7, wobei der zweite Modus außerdem beinhaltet, dass der Antriebswechselrichter (400) elektrischen Strom von wenigstens entweder dem Energiespeicherkonverter (420) und/oder dem Schiffsservowechselrichter (410) aufnimmt.
  9. Bidirektionale Konverter (200) nach Anspruch 7, wobei der Elektromotor/Generator (138) dazu eingerichtet ist, mit einer Schiffsantriebseinrichtung (134) und einem Primärantrieb (130, 132) verbunden zu werden, wobei der Primärantrieb in dem ersten Modus den Elektromotor/Generator antreibt, wobei Wechselstrom erzeugt wird, der dem Antriebswechselrichter (400) zugeführt wird, und wobei der Elektromotor/Generator in dem zweiten Modus über den Antriebswechselrichter Wechselstrom aufnimmt und die Schiffsantriebseinrichtung antreibt.
  10. Bidirektionaler Konverter (200) nach Anspruch 6, wobei der Antriebswechselrichter (400) dazu eingerichtet ist, Gleichstrom aus der Energiespeichereinrichtung (210, 310) in Wechselstrom umzuwandeln, um den Elektromotor/Generator (138) mit Strom zu versorgen.
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