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Die Erfindung richtet sich auf eine Schaltung zur Speisung einer Antriebsmaschine oder einer Vielzahl von Antriebsmaschinen, wobei eine Antriebsmaschine z.B. mehrere, vorzugsweise zwei Wicklungssysteme, insbesondere Drehstrom-Wicklungssysteme aufweist, wobei jedem Wicklungssystem ein eigener Umrichter, vorzugsweise ein pulsweitenmodulierter Drehstrom-Umrichter mit Spannungszwischenkreis zugeordnet ist. Zur Gleichrichtung kann ein Dioden-Gleichrichter oder z.B. ein AFE (Active-Front-End (rückspeisefähig)), zugeordnet sein. Die Erfindung richtet sich auch auf den Betrieb eines Bordnetzes. Das Bordnetz ist beispielsweise das Inselnetz eines Schiffes, eines U-Bootes oder einer Offshore-Plattform, welche beispielsweise zur Förderung von Gas und/oder Öl genutzt werden kann. Die Antriebsmaschine betrifft insbesondere den Antrieb eines Schiffes oder eines U-Bootes.
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In einer Reihe von Fällen steht bei Antriebssystemen die Zuverlässigkeit an oberster Stelle. Bspw. ist heutzutage bei Schiffen der sog. dieselelektrische Antrieb sehr verbreitet, wobei ein oder mehrere Dieselgeneratoren oder dergleichen ein oder mehrere Bordnetze speisen, aus denen wiederum - neben anderen Verbrauchern - ein oder mehrere elektrische Antriebsmotoren ihre Energie beziehen. Fallen ein oder mehrere Antriebsmotoren aus, so ist nicht sichergestellt, dass das betreffende Schiff sein Ziel erreicht, sondern gerät in Seenot und löst eine Reihe von zeit- und kostenaufwendigen Rettungsmaßnahmen aus.
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Oftmals stehen an Bord eines Schiffes - aber auch in Flugzeugen, Industrieanlagen wie Bohrinseln, etc. - mehrere unterschiedliche, voneinander unabhängige Versorgungsnetze zur Verfügung. Fällt eines von diesen aus, so werden alle darauf angewiesenen Verbraucher ihren Dienst versagen. Deswegen wird bspw. bei Schiffen mit mehreren Dieselgeneratoren und mehreren Schiffsschrauben jeder Antriebsstrang nach Möglichkeit an ein unterschiedliches Versorgungsnetz angeschlossen. Fällt bei einem solchen Schiff ein Versorgungsnetz aus - beispielsweise wegen eines Defekts in dem betreffenden Generator - so stehen die daran angeschlossenen Antriebsmotoren still. Bei zwei Netzen und zwei Antriebsmotoren steht damit höchstens noch ein Antriebsmotor zur Verfügung, also maximal 50% der Antriebsleistung, selbst wenn der betreffende Generator eine höhere Leistung erzeugen könnte. Damit ist die erreichbare Reisegeschwindigkeit etwa auf die halbe Geschwindigkeit reduziert, und die Reisedauer erhöht sich etwa auf den doppelten Wert.
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Zwar ist es zur Erhöhung der Verfügbarkeit von Antriebssystemen bekannt, Antriebsmotoren mit zwei Wicklungssystemen insbesondere Drehstrom-Wicklungssystemen, zu versehen, wobei jedem Wicklungssystem ein eigener Umrichter, vorzugsweise ein pulsweitenmodulierter Drehstrom-Umrichter mit Spannungszwischenkreis und einem vorgeschalteten Dioden-Gleichrichter, zugeordnet ist. Die beiden, mit demselben Motor gekoppelten Umrichter werden aber üblicherweise an dasselbe Bordnetz angeschlossen, so dass ein Antriebsmotor komplett ausfällt, wenn das betreffende Bordnetz nicht mehr zur Verfügung steht. Selbst wenn die zwei Wicklungen beider Antriebsmotoren bspw. mit jeweils unterschiedlichen Bordnetzen gekoppelt wären, müsste beim Ausfall eines Bordnetzes - bedingt durch die begrenzte Leistung der an das andere Netz gekoppelten Umrichter - die Antriebsleistung auf etwa die Hälfte des ursprünglichen Wertes gedrosselt werden.
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Aus der
WO 2009/135736 A1 ist beispielsweise bekannt, wenigstens einen die Wicklung eines Antriebsmotors speisenden Umrichter eingangsseitig mit verschiedenen, nicht synchronisierten Versorgungsnetzen zu verbinden. Dabei wird von einer Anordnung mit wenigstens einem Antrieb ausgegangen, der seine Leistung über Umrichter, insbesondere über an wenigstens ein (Drehstrom-) Mittelspannungsnetz gekoppelte Umrichter mit Spannungszwischenkreis und (Dioden-) Gleichrichter am Eingang sowie vorzugsweise pulsweitenmodulierten Ausgang erhält. Eine erste Maßnahme zur Erhöhung der Verfügbarkeit ist die Verwendung wenigstens eines Antriebsmotors mit zwei (Drehstrom-) Wicklungssystemen, samt je eines speisenden Umrichters. Ferner wird die Verwendung von zwei voneinander unabhängigen Versorgungsnetzen vorgeschlagen. Dabei sind nicht alle Umrichter eingangsseitig jeweils genau einem Versorgungsnetz zugeordnet, sondern wenigstens ein Umrichter ist von einem Versorgungsnetz auf ein anderes umschaltbar ausgebildet.
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Aus der
WO 2016/062565 A1 ist ein Stromnetz eines Schiffes bekannt. Dessen Antriebssystem umfasst mindestens zwei getrennte Energiesystemabschnitte mit jeweils zumindest einer elektrischen Stromquelle. Schalttafeln sind so konfiguriert, dass elektrische Energie an einen Thrusterantrieb oder an mehrere Thrusterantriebe verteilt werden kann. Mit den Schalttafeln ist eine Ringkonfiguration ausgebildet.
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Mit „Halbmotorbetrieb“ wird eine Betriebsart eines Elektromotors (insbesondere zum Antrieb eines Propellers eines Schiffes oder eines U-Bootes) mit zwei dreiphasigen Ständerwicklungen bezeichnet, bei dem nur eine statt der zwei dieser vorhandenen Ständerwicklungen mit nur noch einem statt zwei Umrichtern (Teilumrichtern) betrieben wird. Dabei ist jeweils ein Umrichter einer dieser Ständerwicklungen zugeordnet. Fällt also z.B. ein Umrichter wegen eines Fehlers im Umrichterzwischenkreis aus (z.B. wegen eines Kurzschlusses), so kann der Elektromotor im Halbmotorbetrieb weiter betrieben werden. Dabei kann jedem Umrichter ein Versorgungsnetz zugeordnet werden. So kann die Verfügbarkeit auch bei Ausfall eines oder mehrerer Versorgungsnetze erhöht werden. Bei Ausfall eines Versorgungsnetzes fällt ein Umrichter bzw. Teilumrichter oder das ganze Umrichtersystem aus zumindest zwei Teilumrichtern aus. Abhängig davon, welche Versorgungsnetze ausfallen, kann bei einem Antriebssystem mit Spannungszwischenkreisumrichter der betroffene Elektromotor, welcher eine Antriebsmaschine darstellt, entweder nur noch im Teilmotorbetrieb oder gar nicht betrieben werden.
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Bei Betrieb eines Elektromotors (Antriebsmaschine), insbesondere eines Elektromotors zum Antrieb eines Schiffes oder eines U-Bootes, mit mindestens zwei Umrichtern an getrennten Versorgungsnetzen, wobei die Spannung U1 eines ersten Versorgungsnetzes ungleich der Spannung U2 eines zweiten Versorgungsnetzes ist und die Frequenz f1 des ersten Versorgungsnetzes ungleich der Frequenz f2 des zweiten Versorgungsnetzes ist, fließen schon bei geringen Abweichungen der Versorgungsnetze unzulässig hohe Ausgleichströme im Elektromotor. Beim Auftrennen der Versorgungsnetze muss mindestens ein Umrichter abgeschaltet werden. Eine Betriebssicherheit bei aufgetrenntem Netz ist damit nicht ausreichend gewährt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es die Betriebssicherheit bzw. die Ausfallsicherheit einer Schaltung zur Speisung einer Antriebsmaschine zu erhöhen.
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Eine Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Schaltung nach Anspruch 1 und bei einem Verfahren nach Anspruch 9. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8 und 10 bis 14, sowie aus der Beschreibung.
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Eine Schaltung zur Speisung einer Antriebsmaschine weist zur Speisung eines Stromrichters der Antriebsmaschine einen Ringbus auf. Im Folgenden wird dieser Ringbus auch als erster Ringbus bezeichnet. Die Antriebsmaschine dient insbesondere dem Antrieb eines Schiffes oder eines U-Bootes, wobei die Antriebsmaschine eine Welle antreibt, an welcher ein Propeller befestigt ist. Die Antriebsmaschine ist ein Elektromotor, welcher beispielsweise eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine ist. Die Schaltung ist insbesondere zur Speisung einer Antriebsmaschine mit einem ersten Wicklungssystem und einem zweiten Wicklungssystem vorgesehen, wobei dem ersten Wicklungssystem ein erster Stromrichter zugeordnet ist und dem zweiten Wicklungssystem ein zweiter Stromrichter zugeordnet ist. Der oder die Stromrichter sind insbesondere Umrichter mit einem Spannungszwischenkreis. Die Schaltung ist derart ausgestaltet, dass der erste Stromrichter und der zweite Stromrichter mit dem ersten Ringbus verschaltet sind. Der erste Ringbus zeichnet sich wie jeder Ringbus dadurch aus, dass ein Ring gebildet werden kann. Der Ringbus kann also geschlossen oder offen sein. Der Ringbus weist Schalter auf, welche offen oder geschlossen sein können. Durch das Öffnen eines Schalters im Ringbus kann der Ringbus geöffnet werden.
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Durch die Verschaltung der Stromrichter der einen oder mehreren Antriebsmaschinen, wobei jeder Antriebsmaschine zumindest ein Stromrichter zugeordnet ist, in einen Ringbus, ergibt sich die Möglichkeit die Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit von Antriebssystemen weiter zu steigern. Dies betrifft insbesondere eine Steigerung der Ausfallsicherheit durch Speisung eines oder mehrerer umrichterbetriebener Elektromotoren mit Halbmotorbetrieb aus getrennten oder verbundenen Versorgungsnetzen.
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In einer Ausgestaltung kann von einer Verschaltung mit wenigstens einem Antrieb ausgegangen werden, der seine Leistung über Umrichter, insbesondere über an wenigstens ein (Drehstrom-) Mittelspannungsnetz gekoppelte Umrichter mit Spannungszwischenkreis und (Dioden-) Gleichrichter am Eingang sowie vorzugsweise pulsweitenmodulierten Ausgang erhält. Eine erste Maßnahme zur Erhöhung der Verfügbarkeit ist die Verwendung wenigstens eines Antriebsmotors mit zwei (Drehstrom-) Wicklungssystemen, samt je eines speisenden Umrichters. Wenigstens zwei Versorgungsnetze können voneinander abhängig oder voneinander unabhängig betrieben werden. Über den ersten Ringbus können alle Stromrichter, bzw. Umrichter, der Antriebsmaschinen eingangsseitig jeweils einem Versorgungsnetz oder allen Versorgungsnetzen zugeordnet werden. So können Stromrichter auch umschaltbar verschiedenen Versorgungsnetzen zugeordnet werden. Dies hat den Vorzug, dass das davon gespeiste Wicklungssystem, bzw. die davon gespeiste Antriebsmaschine bei Ausfall nur eines der mehreren (vorzugsweise zwei) Versorgungsnetze in jedem Fall weiter betrieben werden kann, nämlich an dem jeweils noch intakten, und zwar unabhängig davon, welches der Versorgungsnetze ausgefallen ist.
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In der Regel sind die Versorgungsnetze, die Stromrichter und die Antriebsmaschinen (Antriebsmotoren), also die Elektromotoren mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgebildet. Dreiphasige Antriebsmotoren haben den Vorteil eines fast oberwellenfreien Drehmoments, so dass die angetriebene Einrichtung weniger beansprucht wird.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung integriert der erste Ringbus ein erstes Versorgungsnetz und ein zweites Versorgungsnetz. Das erste Versorgungsnetz weist einen ersten Generator auf. Das zweite Versorgungsnetz weist einen zweiten Generator auf. Das erste Versorgungsnetz kann vom zweiten Versorgungsnetz getrennt werden oder mit diesem verbunden werden. Die Verbindung des ersten Versorgungsnetzes mit dem zweiten Versorgungsnetz gelingt insbesondere über den ersten Ringbus. Das erste Versorgungsnetz und/oder das zweite Versorgungsnetz kann auch eine Vielzahl von Generatoren aufweisen. Die Generatoren werden beispielsweise von einem Diesel oder einer Gasturbine angetrieben. Der Ringbus kann auch eine Vielzahl von Versorgungsnetzen, insbesondere drei oder mehr integrieren.
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Die Stromrichter der Antriebsmaschinen können eingangsseitig über Schalter (Schaltvorrichtungen) mit dem ersten Ringbus verbunden sein. So kann Stromrichter und zugehörige Antriebsmaschine bzw. zugehöriges Wicklungssystem einzeln vom ersten Ringbus getrennt oder mit diesem verbunden werden.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung integriert der erste Ringbus eine erste Kopplung, wobei die erste Kopplung das erste Versorgungsnetz mit dem zweiten Versorgungsnetz verschaltet. Durch diese erste Kopplung kann das erste Versorgungsnetz mit dem zweiten Versorgungsnetz verbunden werden, oder von diesem direkt getrennt werden. Durch den ersten Ringbus kann trotz geöffneter erster Kopplung das erste Versorgungsnetz mit dem zweiten Versorgungsnetz verbunden bleiben. Soll das erste Versorgungsnetz vom zweiten Versorgungsnetz trotz Ringbus getrennt sein, so ist nicht nur die erste Kopplung zu öffnen, wobei dadurch auch der Ringbus geöffnet ist sondern der Ringbus ist an einer zweiten Stelle zwischen dem ersten Versorgungsnetz und dem zweiten Versorgungsnetz zu öffnen. Durch einen geschlossenen ersten Ringbus sind das erste Versorgungsnetz und das zweite Versorgungsnetz zumindest über zwei unterschiedliche Wege miteinander verbunden. Der erste Weg betrifft die erste Kopplung. Der zweite Weg betrifft eine weitere Verbindung. Zur Trennung der Versorgungsnetze ist auch diese weitere Verbindung zu öffnen. Durch die Integration der ersten Kopplung in den ersten Ringbus, weist dieser erste Ringbus zumindest einen Teil dieser ersten Kopplung auf.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung integriert der erste Ringbus einen ersten Antriebsmaschinenbus. Die Integration ist dabei insbesondere so zu verstehen, dass der erste Ringbus zumindest einen Teil des Antriebsmaschinenbusses aufweist. Der erste Stromrichter und der zweite Stromrichter sind mit dem Antriebsmaschinenbus verschaltet. Der Antriebsmaschinenbus ist insbesondere vom ersten Versorgungsnetz und/oder vom zweiten Versorgungsnetz trennbar bzw. mit diesen verbindbar. Dies erhöht die Flexibilität und Verfügbarkeit.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung integriert der erste Ringbus zwei oder mehr Antriebsmaschinenbusse. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Schiff eine Vielzahl von Antriebspropellern hat. Hier und bei allen anderen beschriebenen Ausgestaltungen und Beispielen kann die Schaltung und das Verfahren an der Stelle eines Schiffes auch eine Offshore Plattform betreffen, wie diese beispielsweise zur Ölförderung oder Gasförderung verwendet wird und auch Antriebsmaschinen zum Antrieb von Propellern aufweist.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung weist diese einen zweiten Ringbus zur Versorgung von Bordnetzverbrauchern auf. In einer Ausgestaltung ist der zweite Ringbus derart ausgestaltet, dass auch dieser das erste Versorgungsnetz und das zweite Versorgungsnetz integriert. So kann die Verfügbarkeit von Bordnetzverbrauchern, wie z.B. Kompressoren, Lichtanlagen, Computersysteme, etc. erhöht werden.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung weist der erste Ringbus und der zweite Ringbus gemeinsame Abschnitte auf. So können durch die Öffnung eines Schalters im gemeinsamen Abschnitt sowohl der erste Ringbus wie auch der zweite Ringbus einfach, also einmal, geöffnet werden.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung weist zumindest ein Ringbus, also z.B. der erste Ringbus und/oder der zweite Ringbus eine Ringbusstation (RMU) auf. Eine Ringbusstation ermöglicht einen einfachen und/oder kompakten Aufbau eines Ringbusses. Eine Ringbusstation weist insbesondere einen Eingang für den Ringbus auf und einen Ausgang für den Ringbus auf. Die Ringbusstation weist zwischen dem Eingang und dem Ausgang zumindest einen Abgang zum Anschluss einer Einrichtung auf. Die Einrichtung ist beispielsweise ein Stromrichter. Insbesondere kann der Antriebsmaschinenbus durch eine Ringbusstation (RMU - Ring Main Unit) realisiert sein. In einer Ausgestaltung einer Ringbusstation im ersten Ringbus weist diese einen ersten Abgang (Anschluss) für den ersten Stromrichter und einen zweiten Abgang (Anschluss) für den zweiten Umrichter auf. So kann ein kompakter Anschluss von Stromrichtern ermöglicht werden, welche für den Antrieb eines Schiffes oder eines U-Bootes benötigt werden.
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In einer Ausgestaltung der Schaltung weist das erste Versorgungsnetz zumindest einen Generator auf und das zweite Versorgungsnetz auch zumindest einen Generator und/oder eine Gleichstromquelle wie eine Batterie und/oder eine Brennstoffzelle auf. Durch die Diversifizierung der Energiequellen erhöht sich die Einsatzfähigkeit eines Schiffes und/oder eines U-Bootes.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes ist einem ersten Wicklungssystemen einer Antriebsmaschine ein erster Stromrichter zugeordnet und einem zweiten Wicklungssystem der Antriebsmaschine oder einer weiteren Antriebsmaschine ein zweiter Stromrichter zugeordnet. Es ist als dem ersten Stromrichter das erste Wicklungssystem und dem zweiten Stromrichter das zweite Wicklungssystem der Antriebsmaschine zugeordnet oder es ist dem ersten Stromrichter eine erste Antriebsmaschine und dem zweiten Stromrichter eine weitere zweite Antriebsmaschine mit jeweils nur einem Wicklungssystem zugeordnet. Der erste Stromrichter und der zweite Stromrichter werden aus einem ersten Ringbus gespeist, wobei zur Ausbildung des ersten Ringbusses zumindest eine Ringbusstation (RMS) verwendet wird. Der erste Ringbus entspricht dabei insbesondere dem bereits obig beschriebenen ersten Ringbus. Gleiches gilt für die Ringbusstation und weitere Ringbusse.
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Durch die Einführung eines Ringbus Systems, also durch die Verwendung zumindest des ersten Ringbusses, welcher von mindestens zwei Teilnetzen, also zwei Versorgungsnetzen, gespeist werden kann verbessert sich die Einsatzfähigkeit eines Antriebssystems, welches aus diesem Ringbus gespeist wird. Dies betrifft beispielsweise Einwellenschiffe wie auch Zwei-, Drei- oder Vierwellenschiffe. Spannungszwischenkreisumrichter /Motor Kombinationen für den Antrieb werden aus dem ersten Ringnetz (auch Ringbus genannt) gespeist. Insbesondere jede Spannungszwischenkreisumrichter/Motor Kombination bezieht seine Energie aus dem ersten Ringbus, insbesondere über eine dem Umrichter zugeordnete Ring Main Unit (RMU). Der Ringbus kann auch als Ringnetz bezeichnet werden. Durch den Einsatz einer oder einer Vielzahl von RMU's auf einem Schiff oder einem U-Boot kann ein kompakter Aufbau eines Ringnetzes für die Antriebsmaschinen realisiert werden. In einer weiteren Ausgestaltung werden RMU's auch für die Energieversorgung im Passagierbereich auf Kreuzfahrtschiffen oder anderen Schiffen mit hohem Energiebedarf im Bordnetz des Hotelbereichs eingesetzt. Bei Ausfall eines Versorgungsetzes wird das Ringnetz weiterhin vom verbliebenen Versorgungsnetz gespeist. Durch den Aufbau als Ringnetz ist weiterhin gewährleistet, dass beide Spannungszwischenkreisumrichter/Motor Kombinationen mit der gleichen Spannung versorgt werden (U1=U2, f1=f2).
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Ringbusstation (RMU) also zur Verschaltung bzw. zum Anschluss von zwei oder mehr Antriebsmaschinen oder Wicklungssystemen verwendet.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei Ausfall eines Versorgungsnetzes einer Vielzahl von Versorgungsnetzen der erste Ringbus von einem verbliebenen Versorgungsnetz gespeist.
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Ein derartiges System bietet eine erhöhte Verfügbarkeit der Antriebsanlage in verschiedenen Fehlerfällen. Die Verfügbarkeit ist bei Fehlern im ersten oder zweiten Versorgungsnetz, welche in den ersten Ringbus integriert sind gegeben und gegebenenfalls lediglich durch eine geringere erzeugte Leistung eingeschränkt.
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Durch Versorgung der Stromrichter, insbesondere der Umrichter, für den Antrieb, über einen Ringbus wird die Verfügbarkeit bei Ausfall eines Versorgungssystems erhöht. Durch Versorgung der Umrichter über den Ringbus wird sichergestellt, dass auch bei geöffnetem Kuppelschalter beispielsweise zwischen dem ersten Versorgungsnetz und dem zweiten Versorgungsnetz alle Stromrichter für die Antriebe des Schiffes oder U-Bootes mit der gleichen Spannung und Frequenz versorgt werden. So kommt es insbesondere bei der Speisung von zwei Wicklungssystemen in einem Elektromotor über zwei Umrichter nicht zu Ausgleichsströmen aufgrund von unterschiedlichen Speisespannungen und/oder Frequenzen.
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Das beschriebene Verfahren bzw. die beschriebene Schaltung ist beispielsweise bei Propellerantriebsanlagen für Einwellenschiffe realisiert, wobei Spannungszwischenkreisumrichter auch bei einem Mehrwicklungsmotor nutzbar sind. So wird dessen Verfügbarkeit erhöht.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden also die Stromrichter zweier Wicklungssysteme mit einer gleichen Spannung versorgt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden bei einer geöffneten Kopplung zwischen Versorgungsnetzen die Stromrichter zweier Wicklungssysteme über den ersten Ringbus mit einer gleichen Spannung versorgt, wobei bei geöffneter Kopplung der erste Ringbus geöffnet ist.
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Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren exemplarisch erläutert, wobei gleichartige Elemente die gleichen Bezugszeichen aufweisen; darin zeigen:
- 1 eine erste Schaltung zur Speisung einer Antriebsmaschine;
- 2 eine erste Schaltung zur Speisung zweier Antriebsmaschinen;
- 3 eine zweite Schaltung zur Speisung zweier Antriebsmaschinen;
- 4 eine zweite Schaltung zur Speisung einer Antriebsmaschine;
- 5 eine dritte Schaltung zur Speisung zweier Antriebsmaschinen und
- 6 eine erste Schaltung zur Speisung dreier Antriebsmaschinen.
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Die Darstellung nach 1 zeigt ein Bordnetz 1. Das Bordnetz 1 ist beispielsweise das Bordnetz eines Schiffes, insbesondere das eines Kreuzfahrtschiffes oder das Bordnetz 1 eines U-Bootes. Das Bordnetz 1 stellt eine Schaltung 1 zur Speisung einer Antriebsmaschine 30 zum Antrieb eines Schiffes oder U-Bootes dar. In der schematischen Darstellung sind wichtige Komponenten des Bordnetzes 1 dargestellt. Man erkennt insgesamt vier von je einem Dieselmotor 7 angetriebene Drehstromgeneratoren 11. Ein erstes Versorgungsnetz 2 und ein zweites Versorgungsnetz 3 weisen jeweils zwei Generatoren 11 und einen Bus 12 auf. Die Generatoren 11 sind jeweils über Schalter 13 an den jeweiligen Bus 12 angeschlossen. Über eine Kopplung 33 mit zwei Schaltern 14 lassen sich die Versorgungsnetze 2 und 3 zu einem gemeinsamen Versorgungsnetz 4 verbinden. Zum Antrieb eines Propellers ist ein Antriebsmotor (Antriebsmaschine) 30 vorgesehen. Dieser Antriebsmotor weist ein erstes Wicklungssystem 29a und ein zweites Wicklungssystem 29b auf. Das erste Wicklungssystem 29a wird über einen ersten Umrichter 20 gespeist. Das zweite Wicklungssystem 29b wird über einen zweiten Umrichter 21 gespeist. Die Umrichter 20 und 21 weisen jeweils einen Gleichrichter 26, insbesondere ein Active Front End (AFE), einen Spannungszwischenkreis 27 und einen Wechselrichter 28 auf. Der erste Umrichter 20 ist über einen Schalter 15 mit dem Bus 12 des ersten Versorgungsnetzes 2 verbunden. Der zweite Umrichter 21 ist über einen weiteren Schalter 15 mit dem Bus 12 des zweiten Versorgungsnetzes 3 verbunden. Über Schalter 16, wobei je Versorgungsnetz 2, 3 zumindest ein Schalter 16 vorgesehen ist, lassen sich weitere Verbraucher an das jeweilige Netz anschließen.
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Im Halbmotorbetrieb des Antriebsmotors 30 wird nur eine statt zwei der vorhandenen Ständerwicklungen 29a und 29b mit nur noch einem statt zwei Umrichtern 20, 21 betrieben. Bei Ausfall eines der Versorgungsnetze 2, 3 fällt ein Teilumrichter 20 oder 21 oder das ganze Umrichtersystem aus. Bei Betrieb eines Elektromotors mit mindestens zwei Umrichtern an getrennten Versorgungsnetzen 2 und 3 (U1 ungleich U2, f1 ungleich f2) fließen schon bei geringen Abweichungen der Versorgungsnetze unzulässig hohe Ausgleichströme im Elektromotor 30. Beim Auftrennen der Versorgungsnetze 2 und 3 muss mindestens ein Umrichter abgeschaltet werden. Die Betriebssicherheit ist bei aufgetrenntem Netz damit nicht immer ausreichend gewährt.
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Eine Speisung der Teilsysteme 29a und 29b (ein Umrichter mit einer Motorwicklung) aus unterschiedlichen Netzen 2 und 3 ohne weitere Maßnahmen ist schwierig. Umrichter 20 und 21 sowie der Antriebsmotor 30 sind so auszulegen, dass diese den Betrieb aus getrennten Versorgungsnetzen 2 und 3 tolerieren. Die Toleranz gegenüber unterschiedlichen Eingangsspannungen ist von Stromzwischenkreisumrichtern oder Direktumrichtern (nicht dargestellt) bekannt. Bei letztgenannten Umrichtern ist es aufgrund der Umrichtertopologie nicht relevant ob beide Umrichter aus dem gleichen Netz mit der gleichen Spannung versorgt werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, dass die Elektromotoren nur noch von einem Umrichter gespeist werden. Damit steht nicht mehr die volle Leistung zur Verfügung. Eine entsprechende Akzeptanz des Ausfalls von Teilsystemen bei Ausfall oder Trennung eines Versorgungsnetzes 2, 3 muss damit gegeben sein.
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Die Darstellung nach 2 zeigt ein Bordnetz 1, also eine Schaltung 1, welche sich von der Konstellation nach 1 dadurch unterscheidet, dass der Antriebsmotor 30 über seine Umrichter 20 und 21 direkt nur an das Versorgungsnetz 2 angeschlossen ist. Ein zweiter Antriebsmotor 31 ist mit seinen Umrichtern 22 und 23 direkt nur an das Versorgungsnetz 3 angeschlossen ist. Über die Kopplung 33 sind die Versorgungsnetze 2 und 3 wieder miteinander koppelbar. Die Umrichter/ Motor Kombinationen sind gleichartig aufgebaut. Gemäß der Schaltung nach 2 ist die Speisung der Elektromotoren 30 und 31 aus jeweils nur einem der beiden Versorgungsnetze 2 und 3 möglich. Dies führt bei Ausfall eines oder beider Versorgungsnetze 2 und 3 zum komplett Ausfall des Antriebsmotors (Elektromotors) 30, 31 falls die Netze nicht verbunden sind oder nicht verbunden werden können/dürfen. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass bei Trennung der Versorgungsnetze 2, 3 die Antriebsmotoren 30,31 voll funktionsfähig bleiben. Nachteil ist, dass bei Ausfall eines Versorgungsnetzes 2, 3 ein Antriebsmotor 30, 31 ausfällt. Bei Einwellenschiffen kommt diese Möglichkeit nicht in Frage, da bei Ausfall des Versorgungsnetzes für den Antrieb, dieser komplett ausfällt.
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Die Darstellung nach 3 zeigt ein Bordnetz 1, also eine Schaltung 1, welche sich von der Konstellation nach 2 dadurch unterscheidet, dass die Antriebsmotoren 30, 31 mit einem ihrer jeweils zugeordneten Umrichter 21 und 23 nicht nur mit dem Versorgungsnetz des weiteren Umrichters der gleichen Antriebsmaschine verbindbar ist, sondern auch mit dem weiteren Versorgungsnetz. So ist beispielsweise der Umrichter 21 über Schalter 15 und 17 sowohl mit dem Versorgungsnetz 2 wie auch mit dem Versorgungsnetz 3 verknüpft. Der Umrichter 23 ist mit anderen Schaltern 15 und 17 auch mit dem ersten Versorgungsnetz 2 und dem zweiten Versorgungsnetz 3 verknüpft. So ist es möglich Teilsysteme im Fehlerfall über das erste oder das zweite Versorgungsnetz 2, 3 zu speisen. Bei Ausfall eines Versorgungsnetzes fällt jedoch immer ein Teilumrichter 20 oder 21 bzw. 22 oder 23 aus und somit ist der Antrieb nicht voll verfügbar.
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Die Darstellung nach 4 zeigt ein Bordnetz 1, also eine Schaltung 1, welche sich von der Konstellation nach 1 dadurch unterscheidet, dass es einen Ringbus gibt (erster Ringbus). Zwischen dem ersten Versorgungsnetz 2 und dem zweiten Versorgungsnetz 3 wird ein Ring gebildet. Dieser Ring (Ringbus bzw. Ringnetz) integriert das erste Versorgungsnetz 2 das zweite Versorgungsnetz 3 und die dazwischen liegende Kopplung 33 mit den beiden Schaltern 14. Um nun einen Ring zu bilden weist der Ringbus auch einen Bus 35 auf. Dieser Bus 35 ist ein Antriebsbus, da an diesem der zumindest eine Antriebsmotor 30 angeschlossen ist. Der zumindest eine Antriebsmotor 30 mit den beiden Wicklungssystemen 29a und 29b ist über die Umrichter 20 und 21 und über jeweils einen Schalter 15 an den Bus 35 angeschlossen. Der Bus 35 kann als RMU (Ring Main Unit) ausgebildet sein. Der Bus 35 ist über Schalter 41 und 40 mit dem ersten Versorgungsnetz 2 verbunden. Zudem ist der Bus 35 über Schalter 42 und 43 mit dem zweiten Versorgungsnetz verbunden. Die Schalter 40, 41, 42 und 43 sind Teil des Ringbusses. Die RMU kann die Schalter 15 zwischen dem Bus und den Umrichtern 20 und 21 mit umfassen. Darüber hinaus kann die RMU auch die Schalter 41 und 43 zwischen dem Bus 35 und den Schaltern 40 zum ersten Versorgungsnetz 2 und 42 zum zweiten Versorgungsnetz 3 mit umfassen. Als Energiequelle weist das erste Versorgungsnetz 2 eine Batterie (Akkumulator) 9 auf, welche über einen Stromrichter 8, insbesondere einen Umrichter und einen Schalter 13 mit dem ersten Versorgungsnetz 2 verbunden ist und über dieses geladen bzw. entladen werden kann. Das zweite Versorgungsnetz 3 weist als Antrieb für einen Generator 11 eine Turbine 10, insbesondere eine Gasturbine auf, welche neben den Dieseln 7 als weitere Energiequelle dient.
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Die Darstellung nach 5 zeigt ein Bordnetz 1, also eine Schaltung 1, welche auf 4 basiert, jedoch wie in 2 und 3 eine Konstellation mit zwei Antriebsmotoren 30 und 31 zeigt. Dem ersten Antriebsmotor 30 ist ein erster Antriebsbus 35 zugeordnet. Dem zweiten Antriebsmotor 31 ist ein zweiter Antriebsbus 36 zugeordnet. Die Darstellung der Stromrichter 20 und 21 für den ersten Antriebsmotor 30 ist gegenüber der Darstellung der Stromrichter 22 und 23 für den zweiten Antriebsmotor 31 vereinfacht.
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Der Stromrichter 20 ist über einen Schalter 15 und einen Transformator 50 mit dem ersten Antriebsbus 35 verbunden. Der Stromrichter 21 ist über einen weiteren Schalter 15 und einen Transformator 51 mit dem ersten Antriebsbus 35 verbunden. Der Stromrichter 22 ist über einen weiteren Schalter 15 und einen Transformator 52 mit dem zweiten Antriebsbus 36 verbunden. Der Stromrichter 23 ist über einen weiteren Schalter 15 und einen Transformator 53 mit dem zweiten Antriebsbus 36 verbunden.
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Nach 5 ist auch gezeigt, dass sich die Antriebsmotoren 30 und 31 jeweils über Schalter 75 vom jeweiligen Stromrichter 20, 21, 22 und 23 trennen lassen.
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Zum Anschluss der Antriebsmotoren 30 und 31 an die vorhandenen Versorgungsnetze 2 und 3 lassen sich zwei RMU's ausbilden. Eine erste RMU weist den Bus 35 auf. Eine zweite RMU weist den Bus 36 auf. Der Bus 35 ist mit dem Bus 36 über einen Kopplung 60 verbunden. Die Kopplung 60 lässt sich durch die Schalter 46 und 47 auftrennen. Der Ringbus (erste Ringbus) integriert somit und weist damit auf, das erste Versorgungsnetz 2, das zweite Versorgungsnetz 3 mit dem jeweiligen Bus 12, die Kopplung 33 mit den zugehörigen Schaltern 14, die Kopplung 60 mit den zugehörigen Schaltern 46 und 47 und die Schalter 40 bis 43. In der 5 sind auch den Schaltern 13 zugehörige Schutzeinrichtungen 81 gezeigt. Ebenso sind den Schaltern 40 bis 47 zugehörige Schutzeinrichtungen 80 gezeigt. In der 5 ist auch eine Erdungsoption für das jeweilige Versorgungsnetze 2, 3 gezeigt, sowie weitere Anschlussmöglichkeiten 82 und 83 für weitere Komponenten. Die Versorgungsnetze 2 und 3 weisen jeweils einen Schalter 16 auf. Diese beiden Schalter 16 bilden gemeinsam einen Teil eines weiteren Ringbusses, dem zweiten Ringbus. Der zweite Ringbus dient beispielsweise der Versorgung von Bordverbrauchern. Auf einem Passagierschiff, wie auch auf einem Frachter oder Containerschiff sind dies z.B. Lampen, Computer, Klimaanlagen, Küchengeräte, Heizung, etc. Hierfür sind weitere Busse vorgesehen, welche Schalter 74 für Abgänge aufweisen. Diese Busse werden über Schalter 70 bis 73 in den zweiten Ringbus integriert. Zur Verbindung dieser Busse sind Kopplungen 62 bis 66 vorgesehen.
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Die Darstellung nach 6 zeigt ein Bordnetz 1, also eine Schaltung 1, welche sich von der Konstellation nach 5 dadurch unterscheidet, dass ein dritter Antriebsmotor 32 und ein drittes Versorgungsnetz 5 vorgesehen sind. Über eine Kopplung 34 mit Schaltern 14 ist das dritte Versorgungsnetz 5 mit dem zweiten Versorgungsnetz 3 verbindbar. Das dritte Versorgungsnetz 5 entspricht von seiner Struktur mit zwei Generatoren 11 im Wesentlichen den anderen beiden Versorgungsnetzen 2 und 3, wobei dies nicht so sein muss. Sind das zweite Versorgungsnetz 3 und das dritte Versorgungsnetz 5 gekoppelt, die Schalter 14 der Kopplung 34 also geschlossen, so bildet sich ein gemeinsames Versorgungsnetz 6 aus. Die Antriebssystem mit den Antriebsmotoren 30, 31 und 32 sind vereinfacht dargestellt. Der dritte Antriebsmotor 32 ist über Schalter 75, Umrichter 24 und 25, Transformatoren 54 und 55 und Schalter 15 mit einem Antriebsbus 37 verbunden. Der Antriebsbus 37 ist ein Teil des ersten Ringbusses, welcher auch den Antriebsbus 35 für den Antriebsmotor 30 und den Antriebsbus 36 für den Antriebsmotor 31 aufweist. Der Antriebsbus 37 ist über die Kopplung 61 und die Schalter 48 und 49 mit dem Antriebsbus 36 verbunden. Der Antriebsbus 37 ist über die Schalter 44 und 49 mit dem dritten Versorgungsnetz 5 verbunden. Sind die Kopplungen 33, 34, 60 und 61 geschlossen, wie auch die Schalter 40, 41, 44 und 49 sowie die Schalter 42 und 43 offen, so bildet sich ein erster Ringbus aus. Sind die Schalter 42 und 43 geschlossen gibt es neben dem ersten Ringbus (integriert Versorgungsnetze 2 und 3) auch einen dritten Ringbus (integriert Versorgungsnetze 3 und 5). Der zweite Ringbus betrifft den Ring über die Schalter 16. Eine RMU ist auch beim dritten Antriebsbus 37 entsprechend einsetzbar (vergleiche Beschreibung zu den Antriebsbussen 35 und 36). Die dargestellte Schaltung ist sehr variabel und erhöht die Ausfallsicherheit des gesamten Bordnetzes.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/135736 A1 [0005]
- WO 2016/062565 A1 [0006]
