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Elektrische Stromversorgungsanlage für Schiffe Die Erfindung bezieht
sich auf eine elektrische Stromverso,rgwngsanlage für Schiffe, insbesondere für
ein wechselstromgespeisbes Bordnetz bei Motorschiffen, mit einem von der Schrauben"velle
angetriebenen Stromerzeuger und einem bei Stillstand oder geringer Drehzahl der
Schraubenwelle einschaltbaren Hilfsaggregat. Bei Hilfseinrichtungen dieser Art kommt
es in erster Linie darauf an, daß gewährleistet wird, daß die Umstellung auf den
Hilfsdienst so rasch erfolgen kann, da:ß de Stromzufuhr nicht unterbrochen wird,
wenn, der Hilfsdienst, insbesondere die Beleuchtung, am vordringlidhsten ist.
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Es ist zwar bereits bekannt, für die Stromversorgung des Hilfsdienstes
eines Schiffes eine Anlage zu schaffen, die ben Störungen selbsttätig auf einen
selbständigen Stromerzeuger umschaltet. Bei diesen bekannten Anlagen ist aber ein
stetiges Mitlaufenlassen der Stromerzeugeraggregabe bei motorischem Antrieb unvermeidlich.
Die Leerlaufverlwste vermindern zumal bei motorischem Antrieb die technische und
wirtschaftliche Leistung der ganzen Anlage erheblich, vor allem aber zieht der dauernde
Leerlauf auch Verschleißwi:rkungen nach sich, so daß die Gefahr besteht, da.ß der
Hilfsstromerzeuger im Augenblick des Ausfallens der Hauptmaschine versagt.
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Zur genauen Einstellung der Drehzahl des GenerAtors bei Wechselstrombetrieb
ist bereits die Verwendung eines stufenlos regelbaren. Überse.tzungsgetriebes zwischen
Generator und Schraubenwelle vorgeschlagen worden. Bei diesem Vorschlag bandelt
es sich jedoch nur darum, die Drehzahl des Stromerzeugers praktisch konstant zu
halten, wenn sich die Drehzahl der Antriebsmaschine der Schiffsschraubenwelle verändert.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Stromerzeuger, der in bekannter
Weise über ein regelbares Übersetzungsgetriebe angetrieben werden soll, gegenüber
der Schraubenwelle abkuppelbar zu gestalten und ihn mit einem Schwungrad auszustatten.,
das dien Stromerzeuger während der Zeit zwischen dem Abkuppeln von der Schraubenwelle
und dem Anfahren des Hilfsaggregates antreibt. Auf d'i'ese Weise wird erreicht,
daß die Drehzahl des Stromerzeugers bei Drefhzahlschwankungen,der Schraubenwelle
nicht nur während des Abkuppelns, sondern bereits vor dem Abkuppeln konstant gehalten
werden kann.
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In weiterer Ausbildung dieses Gedankens kann das regelbare übersetzumg
sgetriebe als Differentialgetriebe ausgebildet sein,, dessen Übersetzungsverhältnis
mittels eines in Abhängigkeit von einem Frequenzregler stehenden Elektromotors mit
veränderlicher Drehzahl geändert wird. Es ist aber auch möglich, das regelbare Übersetzungsgetriebe
als elektrischeübertragung derart auszubilden, daß ein von der Schraubenwelle angetriebener
Gleichstromgenerator einen Gleichstrommotor, der über eine Schaltkupplung mit dem
mit einem Schwungrad versehenem Stromerzeuger gekuppelt ist, antreibt, wobei die
Drehzahl des Gleichstrommotors durch Veränderung der Erregung des Gleiehstromgenerators
und/oder des Gleichstrommotors konstant gehalten wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Stromversorgungsanlage, in welcher der Stromerzeuger
mechanisch angetrieben wird; in Fig. 2 erfolgt der Antrieb durch elektrische Übertragung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anlage besteht aus dem von der Schiffsschraubenwelliel
abkuppelbaren Stromerzeuger 2, der über das regelbare Übersetzungsgetriebe 3, vorzugsweise
ein Differentialgetriebe, angetrieben wird. Das Planetenrad des Getriebes wird vom
1\Tebenschluß-Dreiphasenmotor, dem Kollektormotor 4, angetrieben, dessen Drehzahl
durch den Servomotor 5 geregelt wird. Dieser Servomotor steht in Abhängigkeit von
einem elektrisch, :elektronisch oder magnetisch betätigten Regler, der de Frequenz
an den Klemmen des Stromerzeugers 2 konstant hält, wobei die Drehzahl des Kollektormotors
und somit auch dies Planetenrades geändert werden kann. Zwischen Differentialgetriebe
3 und Stromerzeuger 2 ist die Kupplung 6 :eingebaut. Auf dem Wellenstumpf des Stromerzeugers
2 sind das Schwungrad 7 und der Tachometerdynamo 8 aufgesetzt.
Weiterhin
besteht die Einrichtung gemäß Fig. 1 aus mindestens einem Hilfsstromerzeugeraggregat
mit einem Antrieb 10, vorzugsweise einem Dieselmotor, der mit einem Hilfsstromerzeuger
11 gleicher Nennfrequenz und gleicher Nennspannung wie der Stromerzeuger 2 gekuppelt
ist. Auf dem Wellenstumpf sitzt ein Tachometerdynamo 12.
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Schließlich enthält die Einrichtung nicht gezeichnete Hilfsgeräte
bekannter Bauart zur automatischen Betätigung der Antriebe, wie z. B. einen Frequenzregler
und ein Gerät, das anzeigt, saß der Stromerzeuger 2 seine zulässige untere Drehzahlgrenze
erreicht hat, und das elektrische Kontakte einschaltet, die das Ausrücken der Kupplung
6 am Stromerzeuger 2 bewirken, der alsdann unter der Einwirkung des Schwungrades
7 weiterläuft, wobei der Antrieb 10
eingeschaltet und der Stromerzeuger 11
über die Schienen 9 mit dem Stromerzeuger 2 parallel geschaltet wird, wenn er die--richtige
Drehzahl erreicht hat. DiegenanntenHilfsgerätekönnen übdicheKontakttachometer, Kontaktvoltmcher,
Kontaktwiderstände usw. sein.
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Fig. 1 zeigt eine Einrichtung für Dreiphasenstrom. Die Erfindung umfaßt
aber auch andere, einfachere Einrichtungen, insbesondere eine Gleichstromeinrichtung,
wobei die Frequenzfrage entfällt.
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Die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1 ist folgende: Im ordnungsmäßigen
Betrieb liefert der Strom ohne weiteres der mit gleichbleibender Drehzahl laufende
Stromerzeuger 2.
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Bei Änderung der Drehzahl der Welle 1, insbesondere bei Absinken dieser--Drehzahl,
tritt das elektronische oder elektromagnetische Gerät zur Verstellung der Bürsten
des Kollektormotors 4 in Tätigkeit und wirkt auf den Servomotor 5 -derart ein, saß
die Drehzahl des Stromerzeugers 2- und die Frequenz in der Verteilungsschiene 9
sich nicht vermindern.
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Sinkt die Drehzahl der Welle 1 nur wenig ab und bleibt sie über einem
im voraus bestimmten Mindestwert, so erfolgt die notwendige Regelung, bevor der
Kollektormotor 4 seine Höchstdrehzahl erreicht hat; dabei ändert das Reblergerät
lediglich das Übersetzungsverhältnis des Differentialgetriebes 3, so da.ß dessen
Betriebszustand der neuen Fahrstufe des Schiffes angepaßt wird.
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Fährt das Schiff wieder schneller, so bewirkt der Frequenzregler,
saß der Kollektormotor 4 entsprechend der Drehzahlzunahme der Welle 1 langsamer
läuft und sich wieder der normale Betriebszustand einstellt, wobei eine Frequenzänderung
überhaupt nicht stattfindet.
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Sinkt dagegen die Drehzahl der Welle 1 weiter ab, so erreicht der
Kollel;tormotor 4 die der größten Winkelverstellung der Bürsten entsprechende größte
Drehzahl, und es ist dann nicht mehr möglich, Frequenz und Spannung des vom Stromerzeuger
2 gelieferten Stromes auf normaler Höhe zu halten.
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Alsdann beginnt die kurze Zeit des gestörten Betriebes, in der sich
die Frequenz ändert und erfindungsgemäß die selbsttätige Umschaltung vom Stromerzeuger
2 auf das für sich angeordnete Hilfsaggregat 10, 11 erfolgt.
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Die Umschaltung erfolgt mit den nachstehend beschriebenen Mitteln.
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Die Gesamtschaltung umfa.ßt erfindungsgemäß eine Gruppe an sich bekannter
elektrischer Apparate, welche vermittels der von den Bürstenhalterringen des Kollektormotors
4 ausgelösten Kontakte betätigt werden, wenn die Bürstenhalterringe bei der oben
beschriebenen Bürstenverstellung im voraus bestimmte Endstellungen erreichen. Es
ergeben sich dadurch folgende Schaltvorgänge: a) Der Stromerzeuger 2 wird durch
Ausrücken der Kupplung 6 selbsttätig vom Antrieb abgeschaltet. Das mit dem Polrad
des Stromerzeugers 2 verbundene Schwungrad 7 mit großem Schwungmoment hält alsdann
den Stromerzeuger 2 längere Zeit in Umlauf.
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b) Das Hilfsaggregat 10, 11 wird selbsttätig eingeschaltet und vermittels
eines Drehzahlreglers innerhalb kürzester Zeit auf die normale Drehzahl gebracht.
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c) Der Hilfsstromerzeuger 11 wird nach einem weiter unten beschriebenen
Verfahren über die Schienen 9 mit dem Hauptstromerzeuger 2 parallel geschaltet.
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d) Die nicht unbedingt notwendigen Stromkreise auf dem Schiff, wie
z. B. für Küche, Ventilatoren, Winden usw., werden abgeschaltet, um den Stromerzeuger
2 zu entlasten und das Absinken der Drehzahl desselben möglichst lange zu verhindern.
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Die Parallelschaltung des Stromerzeugers 11 mit dem Stromerzeuger
2 gemäß c) weist folgende Merkmale auf: Der Stromerzeuger 11 ist nicht mit elektromechanischen,
sondern mit elektromagnetischen oder elektronischem Reglern versehen. Bekanntlich
haben solche Regler den Vorteil, saß eine Verzögerung zwischen Drehzahlerhöhung
und Klemmenapannungsanstieg nicht stattfindet. Andererseits erfolgt die Parallelschaltung
nicht erst dann, wenn der einzuschaltende Stromerzeuger bei der Drelhzahlierhöhung
eben die Frequenz des bereits in Betrieb befindlichen Stromerzeugers erreicht hat,
sondern schon bevor dies der Fall ist, auch wenn die Phasen noch nicht miteinander
übereinstimmen.
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Versuche des Erfinders haben in der Tat bewiesen, saß die Parallelschaltung
des Stromerzeugers bei dem auf Schiffen unter den tatsächlichen Verhältnissen benutzten
Masshirnen, und Einrichtungen und mit den erfindungsgemäßen sonstigen Mitteln störungsfrei
vor der 1Jbereinstimmung der Drehzahlen erfolgt, wobei die Phasen noch nicht miteinander
übereinstimmen müssen. Dies erklärt sich folgendermaßen: Sobald die Störung en.ntritt,
wird der Stromerzeuger 2 abgeschaltet. Er läuft dann infolge der kinetischen Energie
des Schwungrades weiter und liefert weiterhin Strom, während seine Drehzahl und
seine Frequenz naturgemäß nachlassen. Um die Zeit bis zur Übereinstimmung der Drehzahlen
überbrücken zu können, sind die Stromerzeuger 2 und 11 mit Dämpferwicklungen ausgerüstet,
und der Stromerzeuger 11 wird vermittels zeitweilig eingesahaltet.erWiderständeauf
die Schienen geschaltet. Der Stromerzeuger 11 ist an ein Frequenz-und Drehzahlko:ntrollgerät
angesdhlo,ssen. Kurz bevor der Stromerzeuger 11 die Drehzahl entsprechend der Frequenz
des vom Schwungrad 7 in Umlauf gehaltenen Stromerzeugers 2 erreicht, schaltet eine
selbsttätige Schaltvorrichtung den Selbstschalter des Stromerzeugers 11 ein, und
zwar in zwei Abschnitten, wobei zuerst die erwähnten Widerstände, die den Stromaustausch
begrenzen, eingeschaltet und dann voneinem Zählwerk durch Kurzsahließ-en .der Widerstandsklemmen
abgesohaltet werden.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel,der Erfindung gemäß Fig. 2 der
Zeichnung erfolgt die Kraftübertragung von der Schiffsschraubenwelle auf den Hauptstromerzeuger
für den Hilfsdienst im Normalbetrieb nicht mehr mechanisch wie bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 1, sondern elektrisch.
Bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 2 ist an Stelle eines Differentialgetriebes, dessen Primärrad auf der Sdhiffsschraubenwelle
angeordnet ist, ein elektrischer Stromerzeuger 13, vorzugsweise ein Gleichstromerzeuger,
vorgesehen, welcher auf der Welle 1 angeordnet ist und mit der gleichen Drehzahl
wie diese Welle läuft oder durch eine Kraftübertragung, beisp-ielsweise ein Vorgelege,
angetrieben wird, dessen Primärrad auf der Welle 1 angeordnet ist. Der Stromerzeuger
13 arbeitet auf die Schienen 14. Des ferneren ist ein Motor 15, vorzugsweise ein
Gleichstrommotor, zum Antrieb des ebenfalls mit einem Schwungrad .7 gekuppelten
Stromerzeugers 2 vorgesehen.
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Die Frequenz des Stromerzeugers 2 wird von einem nicht gezeichneten
elektrischen, elektronischen oder magnetischen Frequenzregler bekannter Bauart gesteuert.
Der Frequenzregler ändert einmal die Erregung des Stromerzeugers 13, derart, daß
dessen Klemmenspannung trotz der Drehzahländerungen der Welle 1 möglichst konstant
gehalten wird. Zum anderen ändert der Frequenzregler die Erregung des Motors 15
zum Ausgleich des Einflusses eines Spannungsabfalles, der am Stromerzeuger 13 dadurch
entsteht, daß die Drehzahl der Welle 1 so stark absinkt, daß ein entsprechender
Ausgleich nicht mehr durch erhöhte Erregung des Stromerzeugers 13 möglich ist.
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Ist die elektrische Kraftübertragung für Wechselstrom vorgesehen,
so werden entsprechende bekannte Verfahren zur Regelung der Drehzahl des Stromerzeugers
2 benutzt.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, aber zweckmäßig, daß der Stromerzeuger
2 vom Antrieb 10 (Dieselmotor) angetrieben und dadurch der Stromerzeuger 11 der
Ausführungsart gemäß Fig. 1 erspart wird. Hierbei ist zwischen Antrieb 10 und Schwungrad
7 eine zweite Schaltkupplung 16 eingebaut.
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Nach einer vorzugsweisen Anordnung kann die Schaltkupplung 16 itn
Betrieb betätigt werden, derart, daß der Antrieb 10 infolge der Schwungradwirkung
anläuft und nicht durch den Motor 15 angeworfen werden muß.
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Die Einrichtung gemäß Fig. 2 weist gegenüber derjenigen gemäß Fig.
1 wesentliche Vorteile auf. Beim Vergleich der beiden Einrichtungen fällt nämlich
dem Fachmann folgendes auf: Der elektrische Antrieb, mit dem Stromerzeuger 13 und
dem Motor 15 ist trotz seiner niedrigen Drehzahl nicht viel teuerer als der mechanische
Antrieb 3 mit dem Regelmotor 4 und dem sonstigen Zubehör. Der elektrische Antrieb
mildert die Wirkungen erheblicher zyklischer Sch.wan:-kungen des Sdhiffsantriebsmotors,
wenn letzterer ein Dieselmotor ist, und ermöglicht den Wegfall der beim Antrieb
mit Vorgelege erforderlichen teueren elastischen Dämpfer und Drehmomentbegrenzer.
Es kann ein Schwungrad 7 mit größerem Schwungmoment gewählt werden, da die zyklischen
Schwankungen des primären Drohmomentes nicht mehr übertragen werden und daher gefährliche
Auswirkungen des Schwungrades nicht mehr zu befürchten sind. Der Regelbereich, der
eine Konstanrhaltung der Frequenz des Stromerzeugers 2 gestattet, ist trotz der
größeren Drehzahlschwankungen der Welle 1 größer, weil die Regelung in zwei Abschnitten
mit zwei Mitteln erreicht wird, indem zuerst die Erregung des Stromerzeugers 13
und dann die Erregung des Motors 15 geändert wird. Es ist einfacher, den Hauptstromerzenger
2 von der Welle 1 zu trennen, da die Ausrückkupplung des Antriebes 3 durch einen
Selbstschalter und den Motor 15 .ersetzt ist. Ein besonders wichtiger Vorteil der
Verwendung einer elektrischen Kraftübertragung besteht darin, daß der Stromerzeuger
2 nicht mehr in der Nähe der Welle 1, wo wenig Platz ist, aufgestellt werden muß,
sondern an einer beliebigen Stelle des Schiffes untergebracht werden kann. Ein weiterer
wichtiger Vorteil, insbesondere hinsichtlich Material-, Gewichts- und Platzeinsparung,
ist es, daß -der Stromerzeuger 2 sowohl als Hauptstromerzeuger, der seinen Antrieb
von der Schiffsschraubenwelle 1 erhält, wie auch als Hilfsstromerzeuger, der vom
Antrieb 10 angetrieben wird, betrieben werden kann.
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Wenn bei elektrischer Übertragung ein besonderes Hilfsstromerzeugeraggregat
10, 11 vorhanden ist, das mit dem Stromerzeuger 2 parallel geschaltet werden muß,
erfolgt die Parallelschaltung nach dem zu Fig. 1 beschriebenen Verfahren.