-
Drehzahlgeregelter Unterwasserpropellerantrieb für Aktiv- oder Bugstrahlruder
für Schiffe Die Erfindung betrifft einen drehzahlgeregelten Unterwasserpropellerantrieb
für Aktiv- oder Bugstrahlruder für Schiffe, wobei der Antrieb aus einem Asynchronmotor
besteht, der vom Bordnetz über eine verstellbare Spannungsquelle gespeist und dessen
Drehzahl über deren Verstellung eingestellt wird.
-
Elektrische Unterwasserpropellerantriebe für Ak-
tivruder und
Querstrahlanlagen sind im Schiffbau bereits bekannt. Als Antrieb wird bei Drehstrombordnetzen
ein Asynchronmotor mit Käfigläufer verwendet, der im Ruderblatt oder in einem Querkanal
des Schiffes so eingebaut ist, daß er von außen durch das ihn umgebende Wasser ständig
gekühlt wird. Eine zusätzliche innere Kühlung wird dadurch erreicht, daß der Motor
mit Süßwasser gefüllt ist. Die innere Wasserversorgung dient zugleich zur Schmierung
der Lager. Aktivruder und Querstrahlanlagen sind als Manövrierhilfen in Handelsschiffen
und besonders in Spezialschiffen, wie Kabellegern, Forschungsschiffen usw., vorgesehen.
Bei Havarien sind sie auch als Notantriebe zu verwenden. Für ihren Einsatz im besonderen
auf Spezialschiffen ist eine feinstufige Drehzahlverstellung des Antriebsmotors
erwünscht. Diese Verstellung erfolgt bisher durch Änderung der Frequenz und der
Spannung. Die z. B. für eine verminderte Drehzahl erforderliche niedrigere Frequenz
wird bislang entweder von rotierenden Frequenzumformern oder auch von bordnetzunabhängigen
Diesel-Drehstromaggregaten geliefert. Ein solcher Umformersatz beansprucht ein eigenes
Fundament im Schiffsraum. Eine Frequenzänderung ist auch durch statische Frequenzwandler
möglich. Eine Drehzahlverstellung des Antriebsmotors läßt sich ebenfalls dadurch
erreichen, daß an Stelle der Frequenz die zugeführte Ständerspannung und damit der
Motorstrom verändert wird. Diese Verstellung geschieht entweder über Anzapftransformatoren
bzw. Drehstromstelltransformatoren oder über steuerbare Halbleiterventile, z. B.
Thyristoren. Dabei wird in jeder Motorzuleitung ein antiparalleles Paar von steuerbaren
Halbleiterventilen angeordnet, über deren Verstellung des Zündzeitpunktes sich die
Motorspannung stetig steuern läßt.
-
Zur Feststellung der Motordrehzahl wird ein Tachogenerator benötigt,
da bei Asynchronmotoren durch die Moment-Drehzahl-Kennlinie einem eingestellten
Spannungswert nicht eine definierte Motordrehzahl zugeordnet ist. Dieser Tachogenerator
ist direkt an den Antriebsmotor angekuppelt. Er muß mit dem Antriebsmotor zusammen
im Ruderblatt oder in einem Querkanal am Bug des Schiffes untergebracht werden.
Nachteilig ist, daß neben den eigentlichen Motorzuleitungen zusätzliche Meßleitungen
des Tachogenerators aus dem Gehäuse, in dem die Antriebseinheit untergebracht ist,
herausgeführt werden müssen. Die Wartungsanfälligkeit der Antriebseinheit nimmt
durch den benötigten Meßwertumformer zu. Eine häufige Wartung des Unterwasserpropellerantriebs
ist im praktischen Betrieb nicht möglich. Damit ist bei dieser Ausführung durch
die erhöhte Störanfälligkeit bisher nicht immer ein dauerhafter und zuverlässiger
Betrieb gegeben.
-
Bei der Drehzahlverstellung durch Verändern der Motorspannung tritt
bei verminderter Drehzahl eine dem Schlupf des Asynchronmotors proportionale Verlustleistung
im Läuferkreis auf. Eine Wärmeentwicklung im Läuferkäfig und damit innerhalb der
Maschine ist die Folge. Diese entstehende Wärme wird durch das den Motor umgebende
Wasser ständig abgeführt. Durch das innere Kühlwasser ist eine zusätzliche Kühlwirkung
erreicht. Allerdings hat auch der Motor in der bisherigen Form Nachteile. Auf Grund
der Form der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie steigt je nach eingestelltem Spannungswert
der Strom in der Ständerwicklung auf das Zwei- bis Dreifache des Nennstromes. Diese
hohe Strombelastung läßt sich auch durch die Wasserkühlung nicht beherrschen. Deshalb
können bisher nur ganz bestimmte Spannungswerte und damit Drehzahlwerte eingestellt
werden, bei denen die Stromaufnahme des Motors nicht über einen maximal zulässigen
Wert hinausgeht. Eine feinfühlige Drehzahlverstellung der Motorspannung ist in diesem
Falle also nicht möglich. Zudem ist durch die Kennlinienform des Motors nicht immer
ein stabiler Betriebspunkt gegeben. Eine Instabilität tritt vor allem dann auf,
wenn die zugeführte Spannung stark vermindert wird.
Es ist bekannt,
durch besondere Auslegung des Läufers, z. B. als Widerstandsläufer, die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
des Motors zu verändem. Damit verschwindet mehr oder weniger der ausgeprägte Sattel
in der Kennlinie. Durch diese Veränderung nehmen aber die Verluste des Motors zu,
so daß eine größere Ausführung und eine verstärkte Kühlung notwendig werden. Außerdem
verringert sich der Wirkungsgrad des Motors. Aus diesen Gründen werden Widerstandsläufer
im allgemeinen nicht verwendet.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen drehzahlgeregelten
Unterwasserpropellerantrieb, der aus einem Asynchronmotor besteht, vorzuschlagen,
bei dem eine feinstufige und betriebssichere Drehzahlregelung möglich ist. Die Aufgabe
wird bei einem eingangs erwähnten Unterwasserpropellerantrieb dadurch gelöst, daß
der Asynchronmotor einen an sich bekannten Widerstandsläufer mit hohem Ankerwiderstand
aufweist und daß zu seiner Drehzahlregelung der Istwert der Drehzahl aus dem Istwert
der zugeführten Ständerspannung gewonnen wird.
-
Da durch die äußere und innere Wasserkühlung des Unterwasserpropellerantriebs
eine wirksame Kühlung gewährleistet ist, läßt sich ein Läufer mit hohem Ankerwiderstand
für diesen Antrieb verwenden. Der Motor kann demnach in Baugröße und Gewicht klein
gehalten werden. Unterwasserpropellerantriebe sind als Manövrierhilfen nur kurzzeitig
eingeschaltet, so daß der verringerte Wirkungsgrad des Antriebsmotors hier keine
entscheidende Rolle spielt. Durch den Läufer mit hohem Ankerwiderstand wird die
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie so verändert, daß sich stetig abfallende Kennlinien
ergeben. Diese Kennlinien sind in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt. Aufgetragen
ist das Moment M im Verhältnis zum Nennmoment M" als Funktion der Drehzahl n im
Verhältnis zur synchronen Drehzahl n, Als Parameter ist die Motorspannung gewählt.
Kurvea entspricht einer Spannung von 10011/o, Kurve b einer solchen von 701/o
und Kurve c einer solchen von 50% der Nennspannung. Die Propellerkennlinie zeigt
Kennlinied. Die jeweils eingestellten Arbeitspunkte Pl. P2 und P, ergeben sieh durch
die Schnittpunkte der Motorkennlinien a. b, c mit der Propellerkennlinie
d. Durch den ffachän Kennlinienverlauf ist die Stabilität des Antriebs bei
Betrieb gewährleistet. Zur Feststellung des Stromes, den der Motor in den Arbeitspunkten
Pl. P#, P, aufnimmt, ist eine Kurvenschar I zu I" als Funktion von n zu n.,
in F i g. 2 gezeigt. Aufgetragen ist der Strom I im Verhältnis zum Nennstrom
I" als Funktion der Drehzahl n im Verhältnis zur synchronen Drehzahl n, Auch hier
ist die Motorspannung als Parameter gewählt. Kurve e entspricht einer Spannung von
10011/o, Kurve f einer solchen von 70 0/a und Kurve g einer solchen
von 50 % der Nennspannung. Der jeweilige Strom, den der Motor in den Arbeitspunkten
Pl, P21 P, in F i g. 1
aufnimmt, wird durch Ermitteln der zugehörigen Drehzahlen
aus F i g. 1 gewonnen. Daraus ergeben sich in F i g. 2 die Stromarbeitspunkte
P4, Pp PG, Diese werden zur Stromarbeitskurve h miteinander verbunden. Die Kurve
h zeigt also an, wie hoch im entsprechenden Arbeitspunkt des Motors der Strom ist,
den der Motor aufnimmt. Dieser Antrieb mit Widerstandsläufer nimmt bei einer Spannungsverstellung
einen Strom von etwa 130 1/o des Nennstromes auf, bisher bekannte Unterwasserpropellerantriebe
hingegen über 200 % des Nennstromes. Für keinen Wert der eingestellten Ständerspannung
wird der maximale Strom überschritten. Aus diesem Grunde ist eine stufenlose und
selbsttätige Spannungsverstellung des Antriebs möglich. Damit erweist sich die Verwendung
des Motors mit Widerstandsläufer für einen Unterwasserpropellerantrieb als besonders
vorteilhaft.
-
Durch die besondere Ausbildung des Motorläufers ist nun einer ein(yestellten
Motorspannung ein definierter Wert für die Drehzahl des Antriebs zugeordnet. Diese
Tatsache macht sich die Erfindung zunutze, indem sie zur Drehzahlregelung die Motorspannung
direkt als Regelgröße vorgibt. Der Drehzahl-Istwert wird also erfindungsgemäß aus
dem Wert der zugeführten Spannung gewonnen. Diese Maßnahme hat den großen Vorteil,
daß der bisher benötigte Meßwertumformer in Form eines Tachogenerators wegfällt.
Damit entfällt ein Element für den Regelkreis, welches bisher durch seine besondere
Wartungsanfälligkeit Anlaß zu Störungen und Ausfällen gegeben hat. Die Sicherheit
der Unterwasserpropellerantriebe als Manövrierhilfen nimmt demnach bedeutend zu.
Vorteilhaft ist auch, daß durch die Drehzahlverstellung über die Regelung der zugeführten
Ständerspannung der Unterwasserpropellerantrieb von Spannungsschwankungen des Bordnetzes
unabhängig ist. Durch die besondere elektrische Auslegung des Unterwassermotors
wird bei hohem Anzugsmoment ein kleiner Einschaltstrom erreicht.
-
Der Drehzahlregelkreis für den Unterwasserpropellerantrieb ist in
F i g. 3 gezeigt. Ein Drehstromkäfigläufermotor 10 mit einem Propeller
11 ist an die Spannung eines Schiffsbordnetzes 12 gelegt. über einen Motorschutzschalter
13 wird der Antrieb 10
ein- oder ausgeschaltet. In jeder Motorzuleitung
ist ein antiparalleles Paar von steuerbaren Halbleiterventilen 14, 15,
16 angeordnet. Eine kontaktlose Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors
10 ist möglich, wenn die Schaltung durch zwei weitere hier nicht gezeigte
Paare antiparalleler steuerbarer Halbleiterventile ergänzt wird. Im einfachsten
Fall wird die Drehrichtungsumkehr mit zwei ebenfalls nicht dargestellten Wendeschützen
erreicht. Erfindungsgemäß wird die Istdrehzahl des Antriebsmotors 10 aus
dem Istwert der zugeführten Ständerspannung gewonnen. Dazu wird die der Istdrehzahl
entsprechende Spannung zwischen zwei Phasen der Motorzuleitung abgegriffen und über
einen Transformator 17 einem Gleichrichter 18 zugeführt. Als Wert
für die augenblickliche Motordrehzahl ni,t wird dieser nach dem Ausgang aus dem
Gleichrichter 18 auf einen Soll-Ist-Wertvergleich geführt. Die Vorgabe der
Solldrehzahl n""l, geschieht von Hand über einen Fahrhebelsteller 19, der
auf der Brücke des Schiffes angeordnet ist. Die Abweichung vom Drehzahlsollwert
n""l, wird einem Regelverstärker 20 zugeführt, dessen Ausgangsgröße der Stromsollwert
I",l, ist. Ein dem Spannungsregelkreis unterlagerter Stromregelkreis ist ständig
im Eingriff, da er das überschreiten eines maximalen Stromwertes verhindern soll.
Der Istwert des in den Motorzuleitungen fließenden Stromes wird über einen Stromwandler
21 erfaßt, als Spannung an einer Bürde 22 abgegriffen und einem Gleichrichter
23 zugeführt. Aus dem Gleichrichter 23 wird der Stromistwert li,t
auf dem Vergleichspunkt
zum Soll-Ist-Wertvergleich geführt und
die Abweichung vom Stromsollwert I""j, auf einen Stromregelverstärker 24 gegeben.
Der Ausgang des Stromregelverstärkers 24 geht direkt auf ein Zündirnpulsgerät
25. Über Steuersignale des Zündimpulsgerätes 25 werden die antiparallelen
Halbleiterventilpaare 14, 15, 16 gesteuert. Durch zeitliches Verschieben
der Zündzeitpunkte dieser Ventile gegenüber den positiven Nulldurchgängen der drei
Phasenspannungen wird der Effektivwert der Motorspannung und damit auch der Motorstrom
verstellt. Sind diese Zündzeitpunkte innerhalb des Bereichs von 30 bis
180' (elektrisch) einer Halbwelle verschiebbar, so kann die Motorspannung
von Null bis zur vollen Netzspannung stetig geändert werden. Damit ist eine stufenlose
Drehzahlregelung von Null bis zur vollen Nenndrehzahl des Antriebsmotors
10 möglich.