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Die
Erfindung betrifft ein Schiff mit Generatoren zur Stromerzeugung
und mit elektrischen Verbrauchern, z. B. Elektromotoren der Schiffsantriebsanlage,
sowie einem Bordnetz, und mit Stromrichtern, die die elektrischen
Verbraucher direkt oder über das Bordnetz bedarfsgerecht
mit Elektroenergie versorgen.
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Aus
der
WO 2004/028899
A1 ist die elektrotechnische Ausrüstung eines
Schiffes bekannt, die dem Vorstehenden entspricht. Außerdem
weist die bekannte elektrotechnische Ausrüstung noch einen Energieerzeuger
für den Hafenbetrieb auf, der durch einen Landanschluss über
eine Steckverbindung ersetzt werden kann. Wenn der Landanschluss
eingesteckt ist, übernimmt er die Energieversorgung des Schiffes
im Hafen. Damit die Funktionsübernahme möglich
ist, muss der Landanschluss Strom mit der Spannung und der Frequenz
des Bordnetzes liefern. Nachteilig ist dabei, dass derartige Landanschlüsse speziell
auf die Bedürfnisse des versorgten Schiffes ausgerichtet
sein müssen und daher nur selten zur Verfügung
stehen. Da die Verfügbarkeit eines passenden Ladeanschlusses
in der Regel nur an einem ständigen Liegeplatz der Fall
ist, muss beim Anlaufen fremder Häfen zumindest ein Dieselgeneratorsatz des
Schiffes für den Hafenbetrieb weiterlaufen und produziert
daher fortlaufend Abgase und Lärm. Aus diesem Grund verbieten
mehr und mehr Hafenbehörden den Betrieb der Hafengeneratoren.
Dies ist für Yachten bereits häufig der Fall und
daher weisen viele Anlegestellen für Yachten bereits Landanschlüsse auf.
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Aber
auch für die Handelsschifffahrt und die Marine treten immer
mehr entsprechende Beschränkungen in Kraft. Es ist Auf gabe
der Erfindung, Schiffe so zu ertüchtigen, dass sie problemlos
Landenergie übernehmen können, wobei Spannung
und Frequenz der Landenergie dem Bordnetz nicht entsprechen müssen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein an Bord des Schiffes
installierter, in Frequenz und Spannung regelbar ausgebildeter Stromrichter über
eine schaltbare elektrische Leitung mit einer landseitigen Stromleitung
verbindbar ist. So kann, ohne dass an Land eine große Zahl
von elektrisch unterschiedlich ausgerüsteten Landanschlüssen
vorhanden sein muss, durch schiffseigene Komponenten die Übernahme
von Landstrom jederzeit problemlos gewährleistet werden.
Es ergibt sich eine bisher unerreichte Flexibilität bei
geringen Kosten, da meist ohnehin ein Stromrichter an Bord vorhanden
ist, der im Hafen zu einem Landanschluss-Stromrichter umfunktioniert wird.
Auch die bordseitig vorhandenen Überwachungseinrichtungen
können weiter benutzt werden. Von besonderem Vorteil ist
dabei, dass Spannungseinbrüche im Landnetz, die in Häfen
gelegentlich vorkommen, keine Schäden an der bordeigenen
Elektronik auslösen können, desgleichen Überspannungsspitzen.
Beides kann der Landanschluss-Stromrichter ausgleichen. Hafenseitig
kann ein ohnehin vorhandenes Nieder- oder Mittelspannungsnetz verwendet
werden, das keinen besonderen Qualitätsansprüchen
unterliegt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist besonders vorteilhaft vorgesehen,
dass der verwendete Landanschluss-Stromrichter derart ausgebildet
ist, dass er beliebige Eingangsspannungen und Frequenzen in Spannungen
und Frequenzen umwandeln kann, die aktuell im Bordnetz vorliegen.
Auch Bordnetze weisen gewisse Schwankungen in ihrer Spannung und
in ihren Frequenzen auf. Bisher war es daher notwendig, dass Spannung
und Frequenz an Bord der Spannung und Frequenz des Landanschlusses entsprechen
mussten. Das Bordnetz musste daher immer an die Landan schlussgrößen
angepasst werden. Dies ist erfindungsgemäß nicht
der Fall, da der Stromrichter in der Lage ist, Differenzen der Spannung
und Frequenz dynamisch auszugleichen. Es genügt also eine
einfache Einschaltung des Landstroms verbunden mit dem Angleichen
des Ausgangsteils des Stromrichters an die jeweilige Frequenzspannung
und Phasenlage des Bordnetzes, um das Schiff im Hafen mit Elektroenergie
zu versorgen. Ein Synchronisieren des Bordnetzes auf das Landnetz,
d. h. Ändern der Bordfrequenz- und -spannung auf die Landnetzwerte,
ist sehr vorteilhaft nicht mehr notwendig.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Landanschluss-Stromrichter eine Steuer- und Regeleinrichtung
aufweist, die bei ausgangsseitig geändertem Leistungsbedarf,
der sich in einer Tendenz zur Frequenzänderung äußert,
die Leistungsabgabe entsprechend anpasst und die Frequenz stabil
hält. So kann sehr vorteilhaft erreicht werden, dass nach
dem Einschalten des Landanschlusses die Energieerzeuger an Bord
des Schiffes entlastet und abgeschaltet werden können,
ohne dass Frequenz- und Spannungsänderungen im Bordnetz
auftreten. Auch das Zuschalten zusätzlicher Verbraucher,
z. B. im Rahmen der sogenannten Hotellast, beeinflusst Spannung
und Frequenz des Bordnetzes nicht. Geführt von der Tendenz
der Frequenz hält der Landanschluss-Stromrichter Frequenz
und Spannung im Bordnetz stabil, ohne dass die Mannschaft des Schiffes
nach dem Einschalten des Landanschluss-Stromrichters eingreifen
muss.
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Es
ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass der
Landanschluss-Stromrichter Steuer- und Regelkomponenten aufweist,
insbesondere softwarebasierte Komponenten, die auf einen Spannungsabfall
oder eine Spannungserhöhung im Schiffsnetz, z. B. durch
Zuschalten oder Abschalten von Generatoren oder Verbrauchern, durch
eine Frequenzerhöhung oder -erniedrigung reagieren. So kann
der Landanschluss-Stromrichter seine vorteilhafte Wirkung für
das Bordnetz entfalten.
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Erfindungsgemäß weist
der Landanschluss-Stromrichter eine Regeleinrichtung auf, die einen
Vier-Quadranten-Betrieb ermöglicht. So ist ein besonders
günstiger Betrieb des Landanschlusses möglich.
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Die
Landverbindung weist vorteilhaft innerhalb des Schiffes eine schaltbare
elektrische Leitung zum Landanschluss-Stromrichter und außerhalb
des Schiffes einen beweglichen Teil, z. B. in Form eines Kabels
mit Steckverbindung, auf, um eine einfache Übernahme des
Landstroms zu ermöglichen. Da ein Stromrichter zumeist
an Bord des Schiffes ohnehin vorhanden ist und er auch Zu- und Ableitungen
aufweist, die benutzt werden können, ergibt sich so häufig
nur ein zusätzlicher Schalter und eine kurze feste Verbindung
innerhalb des Schiffes sowie eine Steckverbindung nach außen.
Eine Umrüstung ist daher sehr kostengünstig.
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Als
Landanschluss-Stromrichter können die unterschiedlichsten
Typen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist ein PWM-Stromrichter,
auf dessen einer Seite der Landstrom mit seiner Spannung und Frequenz
aufgegeben werden kann und dessen andere Seite dann den Bordstrom
mit der notwendigen Spannung und Frequenz liefert.
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Wenn
die Spannungsunterschiede zwischen dem Bordnetz und dem Landnetz
sehr groß sind, wird vorteilhaft noch vorgesehen, dass
ein Transformator zwischengeschaltet wird. Dieser Transformator,
der vorteilhaft an Bord mitgeführt wird, kann auch ein
Spartransformator sein und sollte unterschiedliche Anzapfungspunkte
aufweisen. So ist eine Anpassung an die unterschiedlichsten Spannungsniveaus an
Land möglich, ohne dass der Landanschluss-Stromrichter
auf die unterschiedlichsten Spannungen abgestimmt sein muss. Die
Umwandlung des üblicherweise verwendeten 60 Hz-Eingangsstroms
in den möglicherweise 50 Hz-Bordstrom oder umgekehrt ist
für einen Stromrichter kein Problem.
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Weiterhin
sehr vorteilhaft ist ein Stromrichter in Zwischenkreistechnik, insbesondere,
wenn er einen Statikbestandteil in der Regelung aufweist. Hierfür
sind intern zwei unabhängig voneinander gesteuerte und
geregelte Teile vorhanden, zwischen denen Elektroenergie übergeben
wird. Dies ist eine übliche Lösung, wie überhaupt
die verwendeten Stromrichter und ihre Steuerungen und Regelungen
lediglich einer Software-Anpassung bedürfen, die dem Fachmann geläufig
ist.
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Die
Erfindung ist besonders günstig für Schiffe, die
elektrische Antriebsanlagen aufweisen. Dies können sowohl
Propellerantriebsmotoren sein, als auch Booster auf der Propellerwelle.
Aber auch Schiffe mit Wellengeneratoranlagen haben die erforderlich
großen Stromrichter an Bord, die erfindungsgemäß für
den Hafenbetrieb eingesetzt werden sollen. Booster und Wellengeneratoranlagen
sind heute bereits bei Containerschiffen verbreitet, so dass sich Containerschiffe
mit ihren großen Anforderungen an Elektroenergie zum Betrieb
von Kühlcontainern o. ä. als besonders geeignet
für die erfindungsgemäße Lösung
erwiesen haben. Aber auch Kreuzfahrtschiffe mit ihrer hohen Hotellast
auch im Hafen, hier können bis 15 kW verbraucht werden,
die heutzutage wegen des Fahrkomforts bereits sehr häufig
mit elektrischen Antrieben ausgerüstet sind, eignen sich
gut für die Anwendung der Erfindung. Selbst Marineschiffe,
die eine Dieseldirektantriebsanlage haben, haben in der Regel genügend
große Stromrichter an Bord, um für die erfindungsgemäße
Lösung in Frage zu kommen. Das gleiche gilt für
Spezialschiffe, wie Baggerschiffe, aber insbesondere für neuzeitliche
große Yachten, die alle große mit Stromrichtern
versehene Bordnetze installiert haben.
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Nachzurüsten
ist lediglich unter Umständen ein Transformator sowie einige
Schalt- und Kontrolleinrichtungen, die jedoch im Verhältnis
zur Schiffsgröße so klein sind, dass sie in nachrüstbaren
Modulen, die im Schiff auf jeden Fall noch Platz finden, unterbringbar
sind. Auch bei Neubauten braucht für die erfindungsgemäße
Lösung kein gesonderter Platz vorgesehen werden. Es sind
lediglich die entsprechenden Leitungsverbindungen unterzubringen,
was ohne weiteres möglich ist. Das Gleiche gilt für
den ggf. vorzusehenden Transformator und den Schalter in der Landanschlussverbindung.
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Die
Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert,
aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, auch erfinderische
Merkmale entnehmbar sind. Im Einzelnen zeigen:
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1 ein
schematisch gezeichnetes, beispielhaftes Schiff mit erfindungsgemäßen
Komponenten an Bord;
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2 eine
schematische Darstellung der wesentlichen erfindungsgemäßen
Teile am Beispiel eines Schiffes mit elektrischer Fahranlage;
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3 eine
schematische Darstellung der wesentlichen erfindungsgemäßen
Teile am Beispiel eines Schiffes mit Hybridantrieb; und
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4 die
Darstellung des elektrischen Aufbaus eines geeigneten Stromrichters.
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In 1 bezeichnet 1 den
schematischen Umriss eines Schiffes und 2 einen Mittelspannungslandanschluss.
Für den Landanschluss ist eine Spannung bis 10 kv angegeben.
Dies steht beispielhaft für das Mittelspannungsnetz, das
häufig in Häfen vorhanden ist. Es können
natürlich auch 3,3 oder 6,6 kv sein.
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Hier
sind erfindungsgemäß alle Spannungen möglich. Über
das schematisch angedeutete Kabel 3 wird die Elektroenergie
der Steckverbindung 4 zugeführt und von dort auf
das Schiffsnetz 5 übergeben. Zwischengeschaltet
wird häufig noch ein Transformator 6, um vorteilhaft
etwa auf die Spannung des Schiffsnetzes 5 zu kommen. In
dem Schiff ist weiterhin ein beispielhaft gezeigter Stromrichter 7 vorhanden,
der von einem oder mehreren der Generatoren 8 gespeist
wird. Dabei kann es sich sowohl um Generatoren der Schiffsfahranlage
als auch um Wellengeneratoren oder die Generatoren von Dieselgeneratorsätzen,
die im Schiff verteilt sind, handeln. Über Schaltanlagen 9 und 10 wird
im Beispiel ein Schiffsfahrmotor 11 mit Energie versorgt,
der im Fall eines modernen Containerschiffs als Booster/Wellengeneratoranlage
ausgebildet sein kann. Nicht gezeigt und nicht in die Betrachtungen
einzubeziehen ist eine Dieselhauptmaschine des Schiffes, wenn diese
vorhanden ist. Aber auch bei der Verwendung einer Dieselhauptmaschine
steht im Schiff in der Regel mindestens ein Stromrichter für
zumindestens einen Generator zur Verfügung. Wenn nicht,
kann ein solcher ohne weiteres nachgerüstet werden.
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In 2 bezeichnet 12 den
erfindungsgemäß verwendeten Landanschluss-Stromrichter
mit seiner Stromrichtersteuerung 13. 14 bezeichnet
das Steuer- und Regelsystem für die Schiffsantriebe mit dem
Fahrhebel 15. 16 bezeichnet das Steuer- und Regelsystem
für die Bordnetzeinspeisungen und zusätzlich den
Landanschluss. Die landseitige Stromeinspeisung ist mit 17 bezeichnet,
sie weist eine ihr eigene Spannung U, eine Frequenz F und eine Phasenlage
P auf und wird mit einem landseitigen Leistungsschalter aufgeschaltet.
Mit diesen Eigenschaften geht der Strom des Landanschlusses in den Landanschlusskasten 18 und
wird von dort über den Schalter 19 auf den Landanschluss-Stromrichter 12 übergeben.
Der ggf. vorteilhafte Transformator ist in dieser Darstellung nicht
gezeigt. Da für weist der Stromrichter 12 einen
Transformator 20 auf, der zusammen mit dem Stromrichter 12 und
dem Motor 21 den Antriebsstrang bildet. Schalter 22 und 23 komplettieren
das Antriebsschema. Es versteht sich, dass die Schalter 19 und 22 so
ausgebildet sind, dass ein gleichzeitiges Schließen unmöglich
ist, damit mit Sicherheit verhindert wird, dass der Motor 21 anläuft,
während der Landanschluss 17 noch gelegt ist.
(Verriegelung)
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3 zeigt
eine Abwandlung von 2. Der elektrische Fahrmotor
M ist dabei durch eine elektrische Motor/Generatoreinrichtung ersetzt,
die vorzugsweise auf der Propellerwelle angeordnet ist. Derartige
Hybridsysteme weisen vorteilhaft noch ein Power-Managementsystem
auf, in das etwa auch die in 1 gezeigten
Generatoren oder die an Bord von großen Schiffen vorhandenen
zusätzlichen Diesel-Generatoranlagen einbezogen werden,
um eine optimale Erzeugung von Elektroenergie an Bord von Schiffen
zu ermöglichen.
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4 zeigt
einen besonders geeigneten Stromrichter, an dessen Eingangsseite
die Spannung U1 anliegt, während auf der anderen Seite
die Spannung U2 gegeben ist. Der Stromrichter, der in herkömmlicher
Weise dargestellt ist, weist einen Zwischenkreis auf, wobei beide
Teile des Stromrichters einen unabhängigen Regler aufweisen.
So können die Spannungen und Ströme für
die schematisch dargestellten Leistungshalbleiter erfindungsgemäß eingestellt
werden. Der Stromrichter ist mit 24 bezeichnet, während
die Stromrichterregler mit 25 und 26 bezeichnet
sind. Falls notwendig, weist der Stromrichter auch noch eine weitere
Regelungsmöglichkeit auf, die ggf. eine Statik enthält.
Diese zusätzliche Stromrichterregelung ist mit 27 bezeichnet.
Sie kann eine Blindleistungskompensation durchführen. Wie
bereits ausgeführt, ist es dem Stromrichterfachmann bekannt,
wie derartige Stromrichter technisch ausge führt werden
und die technische Ausführung derartiger Stromrichter ist
auch nicht Gegenstand der Erfindung. Es wird vielmehr ein installierter
Stromrichter mit bekannter Steuerung und Regelung durch Einstellung
seiner Steuerung und Regelung so eingerichtet, dass er eingangsseitig
das Landnetz, wie es vorliegt, verarbeiten kann und ausgangsseitig
stabil einen dem Bordnetzzustand entsprechenden Strom in Bezug auf
Spannung, Frequenz und Phasenlage erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/028899
A1 [0002]