DE2611567C3 - Verfahren zur Unterdrückung von äußeren Magnetfeldern auf Schiffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrükkung von äußeren Magnetfeldern auf Schiffen, die mit Stromgeneratoren, mindestens einem elektrischen Hauptantriebsmotor, mehreren Batterien und einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern ausgerüstet sind, wobei die Batterien über mindestens eine Schalttafel mit den Generatoren dem Motor und den Verbrauchern zusammengeschaltet werden und bei dem die Batterien zur Drehzahlregelung des Hauptantriebsmotors einmal in Reihe, dann parallel geschaltet werden, durch um die Quellen von magnetischen Feldern gelegte, von gesteuertem Strom durchflossene Kompensationsspulen.

Die Unterdrückung der äußeren Magnetfelder der Schiffe soll ein Ansprechen auf Ortungsgeräte und Sprengkörper vermeiden. Je stärker das Magnetfeld des Schiffes ist, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Ortung oder einer Sprengkörperdetonation und somit die Gefahr einer Schiffsvernichtung.

Bei der Unterdrückung der äußeren Magnetfelder werden je nach der Ursache dieser Felder verschiedene, bekannte Verfahren angewendet. Zur Vermeidung der permanenten Felder, die jedem ferritischen Körper eigen sind, werden soweit wie möglich amagnetische Werkstoffe eingesetzt, welche ein Permanentfeld erst gar nicht entstehen lassen, oder sie werden durch Spulen oder Magnete kompensiert (DE-PS 9 77 881). Vom äußeren Erdfeld induzierte Felder, deren Größe sich mit dem Kurs und der Position des Schiffes im Erdmagnetfeld ändert, können nur zu einem geringen Anteil durch Magnete kompensiert werden. Nach der DE-PS 9 77 881 ist es bekannt, derartige veränderliche, induzierte Felder entsprechend den Änderungen der magnetischen Erdfeldkomponente bei Stampf- und Schlingerbewegungen sowie bei Kursänderungen durch stromdurchflossene Schleifen zu kompensieren. Die Steuerung der Ströme erfolgt dabei entweder von Hand oder durch ein kreiselgesteuertes Rechengerät oder durch magnetische Meßsonden. Die Wirbelfelaer, die bei Stampf- und Schlingerbewegungen des Schiffes aus den vom Erdmagnetfeld im Schiffskörper induzierten Strömen resultieren, werden außerdem durch Kleinhalten der geometrischen Abmessungen und damit der Induktionsflächen der Teile herabgedrückt, die diese Felder hervorrufen können. Außerdem werden von magnetischen Hauptstörkörpern, wie z. B. Antriebsmotoren, ausgehende magnetische Störfelder am Einzelgerät durch lastabhängig automatisch gesteuerte Spulen, Kabelschleifen oder durch elektrisches Gegenschalten mit anderen Verbrauchern verringert

Die DE-PS 9 77 906 beschreibt ein Verfahren zur Kompensation des magnetischen Störfeldes von aus ferromagnetischen Bauteilen (Störkörpern) bestehenden Einheiten, insbesondere auf Schiffen mit unmagnetischer Außenhaut Nach diesem Verfahren sollen in unmittelbarer Nähe der Austrittsstellen magnetischer Störfelder durch geeignete Antidipole Gegenfelder erzeugt werden, deren Größe und Richtung durch den Betriebszustand der Elektromaschinen derart selbsttätig geregelt wird, daß die Störfelder gerade aufgehoben werden. Zur Steuerung der Antidipole dient ein auf Magnetfelder empfindliches Meßsondenpaar. Die Messung des Störfeldes mit Sonden ist jedoch aufwendig und schwierig.
Aus der US-PS 38 01877 ist eine Vorrichtung bekannt, durch die das Innere eines abgeschlossenen Raumes, in dem sich ein gegen magnetische Störungen empfindlicher Apparat wie z. B. ein Elektronenmikroskop, befindet feldfrei gehalten werden kann. Hierzu bedient sich die bekannte Einrichtung dreier Meßsonden, die durch je drei um sie gelegte, einzuregelnde Spulen für bestimmte Störfelder unempfindlich macht.

Trotz der bekannten aufwendigen und technisch hochkomplizierten magnetischen Schutzmaßnahmen bilden sich bei einem Schiff noch Streufelder, welche das Schiff gefährden können, wie Messungen an fertigen Schiffen ergaben. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese restlichen Streufelder zu kompensieren oder zumindest wesentlich zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die Ströme in den Kompensationsspulen bei parallel geschalteten Batterien durch an gleichpoligen Batterieklemmen unmittelbar abgenommene Potentialunterschiede gesteuert werden.

Versuche der Anmelderin ergaben, daß die restlichen Streufelder nicht, wie bisher angenommen, durch ungünstige Kabelverlegung, nämlich Verlegung nicht nach dem Blocksystem, d.h. magnetisch symmetrisch hervorgerufen werden. Als Ursache ergab sich vielmehr

bo eine unterschiedliche Belastung durch die verschiedenen Verbraucher, was zu örtlich begrenzten, parallelen elektrischen Strömen von unterschiedlicher Stärke führt, die im folgenden kurz Schieflasten genannt werden. Die Schieflasten rufen Streufelder hervor.

b^r, Theoretisch könnten solche Schieflast-Streufelder dadurch vermindert werden, daß man die anstehende Schieflast durch entsprechendes Umschalten der Versorgungsleitungen für die Verbraucher auf Gleichlast

bringt; praktisch ist dies im Betrieb aufgrund der unterschiedlichen Innenwiderstände der Stromerzeuger und der Leistungsunterschiede der Verbraucher so gut wie nicht realisierbar. Die bekannten und vorhandenen magnetischen Eigenschutzanlagen, kurz MES-Anlagen, reichen steuerungsmäßig nicht aus, die Schieflast-Streufelder zu kompensieren, da die SchieOast-Streufeider je nach den Netzbelastungen ihre Stärke und Richtung ändern. Überraschenderweise hat sich gezeigt daß die Steuerung der Ströme in den Kompensationsspulen durch an gleichpoligen Batterieklemmen unmittelbar abgenommene Potentialunterschiede geeignet ist, selbsttätig und automatisch jede Größe und Richtung der Schieflast-Streufelder zu kompensieren. Das Verfahren macht sich zunutze, daß bei einer Schieflast, d. h, wenn unterschiedliche Ströme aus parallel geschalteten Stromquellen fließen, zwangsläufig die Klemmenspannungen der Stromquellen differieren. Streufelder treten bei einer Schieflast immer dann auf, wenn die Batterien parallel geschaltet sind. Bei In-Reihe-Schaitung der Batterien werden die Leitungen zur Hauptschalttafel und in der Schalttafel zwangsweise von gleich großen Strömen durchflossen. Die Anmelderin hat erkannt, daß jeweils die Umschaltung auf Parallelbetrieb das kritische Moment ist, bei dem die Kompensation erforderlich ist

Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein.

In besonders einfacher Weise erfolgt die Unterdrückung der Magnetfelder so, daß die Kompensationsspulen direkt mit den an den Batterien unmittelbar abgenommenen Potentialunterschieden beaufschlagt werden. Überraschenderweise genügen die geringen, auf ungleicher Belastung und ungleichen Ladungszuständen beruhenden Differenzspannungen schon, um wirkungsvolle Ströme in den Kompensationsspulen zu erzeugen.

Eine größere Flexibilität und eine genauere Kompensation können dadurch erreicht werden, daß mit den unmittelbar an den Batterieklemmen abgenommenen Potentialunterschieden ein Linearverstärker gesteuert wird und dessen Ausgangsstrom die Kompensationsspulen speist

Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt im einzelnen

F i g. 1 ein prinzipielles Schema des Stromlaufplanes der wesentlichen Teile der Stromversorgungs- und Antriebsanlage eines Schiffes mit elektrischem Antrieb,

F i g. 2 ein Kabel- und Schalttafelschema zu F i g. 1,

Fig.3 eine Skizze einer Schalttafel mit drei Kompensationsspulen,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Stromlaufplanes der Spulen nach F i g. 3,

Fig.5 eine Skizze einer Schalttafel mit zwei Kompensationsspulen,

Fig.6 das Schema des zu Fig.3 zugehörigen Stromlaufplanes,

F i g. 7 die Messungen der Streufeldstärke eines schwimmenden Schiffes bei gleichmäßig belasteter Schalttafel senkrecht *u deren Ebene, unterhalb, mittig und zu beiden Seiten,

F i g. 8 die der F i g· 7 entsprechenden Meßwerte bei ungleichmäßig belasteter Schalttafel,

Fig.9—12 die mit'ig unter der Schalttafel gemessenen Feldstärken bi?i verschiedenen, ungleichmäßigen Belastungen der Schalttafel, einmal ohne Kompensation, einmal mit Kondensation,

Fig. 13 Anordnung der Meßsonden und Meßwagen mit Schalttafel von oben gesehen,

F i g. 14 die gleiche Anordnung von vorn gesehen.

Die Schiffe, bei denen ein Verfahren zur Unterdrükkung von äußeren Magnetfeldern durchgeführt wird, sind nach Fig. 1 mit zwei Stromgeneratoren 1,2 einem Hauptantriebs-Doppelankermotor 3, 4, 5, 6, mehreren Batterien 7, 8, 9 und einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 10, 11, 12, 13 (Fig.2) ausgerüstet Die ίο Batterien 7,8, 9 sind über eine Hauptschalttafel 14 mit den Generatoren 1, 2 und dem Motor 3, 4, 5, 6 zusammengeschaltet Die Verbraucher 10, 11, 12, 13 werden von einer Hilfsschalttafel 15 versorgt deren Zuleitungen vom Eingang der von den Batterien 7, 8, 9 kommenden Leitungen 16,17,18,19,20,21 beim Eintritt in die Hauptschalttafel 14 abzweigen. In der Hauptschalttafel 14 gemäß F i g. 2 befinden sich die in F i g. 1 dargestellten, mit 22—32 und 34—37 bezeichneten Schalter. Diese ermöglichen es, die Batterien 7, 8, 9 zwecks Drehzahländerung des Antriebsmotors 3—6 entweder parallel oder in Reihe zu schalten und den Motor 3—6 umzuschalten.

Die Motorregelung geschieht in folgender Weise. In F i g. 1 ist die Anlage in Nullstellung dargestellt Beim Schließen der Schalter 22—27 sind die drei Batterien 7,

8 und 9 parallel geschaltet Bei gleichzeitig geschlossenem Schalter 28 liegen die Motoranker 3 und 4 in Serie und erhalten je die halbe Batteriespannung. Der Motor dreht hierbei in. der ersten Fahrstufe. Werden der Schalter 28 geöffnet und die Schalter 29 und 30 geschlossen, sind die Anker 3 und 4 parallel geschaltet und liegen an der vollen Batteriespannung; die Drehzahl wird hiermit erhöht Die nächste Fahrstufe wird erreicht wenn bei Serienschaltung die Motoranker 3 und 4, also bei geschlossenem Schalter 28 und geöffneten Schaltern 29 und 30, die Schalter 23, 24, 25 und 26 geöffnet die Schalter 31 und 32 geschlossen und so die Batterien 7, 8 und 9 in Serie geschaltet werden. Die Schalter 22 und 27 bleiben geschlossen. Die letzte Fahrstufe wird bei in Reihe geschalteten Batterien durch Parallelschaltung der Motoranker 3 und 4, also durch öffnen des Schalters 28 und Schließen der Schalter 29 und 30 eingestellt Bei allen Fahrstufen wird das Erregerfeld 5, 6 getrennt von einem Umformer 33 gespeist. Außer diesen Fahrstufen gibt es den dieselelektrischen Fahrbetrieb, bei dem die Generatoren 1 und 2 direkt auf den Motor geschaltet und die Batterien abgeschaltet sind. Zum Beispiel sind bei parallel geschalteten Generatoren 1, 2 und parallel

so geschalteten Ankern 3,4 die Schalter 29,30 und 34—37 geschlossen und die Schalter 22—28 geöffnet. Diese Schaltart wird jedoch nur im Notfall gewählt, da die Batterien dann ohne Ladung die Bordnetze versorgen müssen. Die in F i g. 2 mit zwei Querstrichen versehenen Kabelstränge deuten die induktionsarme Verlegung der Leitungen an, die zu den in der Hauptschalttafel 14 montierten Schaltern 22—32 und 34—37 führen. Für die Motoranker 3 und 4 sind dabei drei Doppelkabel erforderlich, 42, 43 für die Serienschaltung und 44, 45 und 46, 47 für die Parallelschaltung. Die Lage der Schalttafeln 14 und 15 im Schiff ist durch den in Richtung zum Vorschiff weisenden Pfeil Bangedeutet. Durch die Abzweigung der von den Batterien 7,8 und

9 kommenden Leitungen 16—21 wird das übrige b5 Bordnetz unabhängig von der jeweiligen Schaltung des Motors 3—6 immer mit einfacher Batteriespannung versorgt. Die Bordnetzverbraucher liegen mit unterschiedlicher Leistung an den Batterien, so daß die

Batterien unterschiedliche Ladezustände erhalten und zwischen gleichnamigen Polen ein meßbarer Potentialunterschied vorhanden ist. Diese Potentiale gleichen sich über die Parallelschalter 22—27 aus und rufen Ströme hervor, deren Ursache also eine schiefe Belastung der Batterien war. Diese Schieflast führt trotz des streufeldarmen Aufbaues der Schalttafel, der durch die Meßergebnisse nach Fig.7 bei gleichmäßiger Belastung belegt wird, zu Streufeldern gemäß F i g. 8.

Nach den F i g. 3 und 5 werden um die Hauptschalttafei 14, welche die Quelle der Streufelder bei Schieflast ist, Kompensationsspuien 48—50, bzw. 51 und 52 gelegt, die nach den F i g. 4 und 6 von Strömen durchflossen werden, die von Potentialunterschieden an gleichpoligen Batterieklemme!! direkt verursacht sind. Diese kompensieren die von der Schieflast herrührenden Streufelder der Hauptschalttafel. Nach Fig.3 ist die Schalttafel von drei Kompensationsspulen 48,49 und 50 umgeben. Deren Enden werden mit den Differenzspannungen 53, 54 und 55, die an den Enden der positiven Pole der drei Batterien 7, 8 und 9 abgenommen sind, beaufschlagt Nach F i g. 1 und 2 kommen die Potentialunterschiede bei gleichem Batterieladungszustand der einzelnen Batterien durch die ungleichmäßige Belastung mit den Verbrauchern zustande, die über die Leitungen 10—13 mit der Hilfsschalttafel 15 verbunden sind, wobei die zu den negativen Polen der Batterien führenden Leitungen 17,19,21 an der Hauptschalttafel 14 oder der Hilfsschalttafel 15 miteinander verbunden sein können oder aber durch den Hauptantriebsmotor 3—6 oder die Generatoren 1,2 festgelegt werden.

Selbst bei gleichmäßiger Belastung der Einzelbatterien kann durch verschiedene Ladezustände der Batterien eine Schieflast auftreten. Derartige unterschiedliche Ladezustände werden z. B. dadurch hervorgerufen, daß bei In-Reihe-Schaltung der drei Batterien 7, 8, 9 zum Hauptantriebsmotor 3—6 die übrigen Verbraucher 10—13 mit verschiedenen Belastungen an den Einzelbatterien liegen und diese dadurch verschieden entladen. Wenn dann anschließend für langsamere Fahrt die drei Batterien 7, 8, 9 parallel auf den Antriebsmotor 3—6 geschaltet werden, kommt es zu Ausgleichsströmen, wobei die Batterie mit dem schlechtesten Ladezustand als Belastungswiderstand so lange wirkt, bis sich das Potential ausgeglichen hat, und zwar auch dann, wenn die Verbraucher auf Gleichlast gebracht oder abgeschaltet sind. In beiden Fällen wird das in den Schalttafeln 14, 15 entstehende Streufeld durch den Strom in den Kompensationsspulen 48,49,50 ausgeglichen.

njoqJi F i^σ 3 werden die Differenzsⁿannun^cren 53 54 und 55 auf die Spulen 48, 49 und 50 geschaltet Die Spulen können dabei entweder entsprechend den in Fig.4 ausgezogenen Linien als Dreieck oder, wie strichliert angedeutet,, als Stern geschaltet werden. Die Enden 56,57 der Spule 48, die Enden 58,59 der Spule 49 und die Enden 60,61 der Spule 50 sind dabei in folgender Weise mit den Schaltpunkten 62—64 bzw. 65 der F i g. 4 verbunden: Bei Dreieckschaltung Schaltpunkt 62 mit ■ den Spulenenden 57, 58, Schaltpunkt 63 mit den Spulenenden 59, 60 und Schaltpunkt 64 mit den Spulenenden 56,61; bei Sternschaltung Schaltpunkt 62 mit Spulenende 56, Schaltpunkt 63 mit Spulenende 58, Schaltpunkt 64 mit Spulenende 60 und Schaltpunkt 65 mit den Spulenenden 57,59,61. Drei Schiebewiderstände 66,67 und 68 ermöglichen eine Korrektur der an den Spulen liegenden Spannungen. In Fig.4 ist die Verbindung der von den Batterien kommenden Leitungen z. B. mit den Generatoren 1, 2 durch die mit plus bzw. minus bezeichneten Sammelschienen 69, 70 angedeutet Die Innenwiderstände der Batterien 7, 8, 9 sind durch die Widerstände 71,72 und 73 angedeutet, die unterschiedlich groß sein und dann auch bei Gleichlast zu den Differenzspannungen führen können.

Die Messungen der Feldstärke sind mit der Dreispulenanordnung nach Fig.3 und der Dreiecksschaltung nach F i g. 4 in ca. 4,5 m Tiefe unter der Schalttafel durchgeführt worden. Die Fig. 13 und 14 zeigen die Meßanordnung. Die Schalttafel 14 ist so auf einem in Nord-Süd-Richtung 74, 75 verfahrbaren Wagen 76 aufgestellt, daß die Frontplatte zum Beispiel in Richtung Osten veist Die Meßsonden 77—83 liegen nach Fig. 14 in ca. 5m Tiefe unter der Schalttafel 14. Beim Überfahren der Schalttafel messen die Sonden die senkrechte Komponente (z-Richtung) des von der Schalttafel herrührenden magnetischen Feldes, vereinfacht dargestellt als Feldlinie 85. Die in der senkrechten Richtung wirksame Komponente des Erdfeldes von ca. 35,89 A/m und in der Nord-Süd-Richtung 74, 75 (x- Richtung) wirksame Komponente von 13,77 A/m des Gesamtfeldes von ca. 38,52 A/m werden unterdrückt. Durch Abfragen der Meßsonden 77—83 bei verschiedenen Abständen der Schalttafel von der Sondenmeßreihe, beginnen bei 4 m Abstand, entsteht die räumliche Verteilung der senkrechten Komponente der von der Schalttafel verursachten magnetischen Feldstärke entsprechend F i g. 7. Die von den magnetischen Sonden 77—83 gemessenen Werte der senkrechten Komponente des Feldes und der Schalttafel sind in A/m aufgetragen.

Das schraffierte Rechteck in F i g. 7 stellt einen waagerechten Schnitt durch die Schalttafel dar in der Stellung direkt über den Meßsonden 77—83. Die folgende Tafel stellt die Stromstärken zusammen, mit denen die Batterien bei den Messungen der F i g. 7 —12 belastet worden sind, wobei die Zuführung der Ströme über Schleppkabel 84 erfolgte (F i g. 13 und 14).

Fig.	Belastung der	Batterien in A	9
	Batterie		180
	7	8	180
7	180	180	130
8	100	130	170
9	180	84	180
10	90	165	0
11	180	0
12	180	180

Bei der gleichmäßigen Belastung nach Fig.7 ist ein magnetisches Querfeld zur Schalttafel 14 zwar angedeutet, aber unwesentlich klein, was aus dem streufeldarmen Aufbau der Schalttafel resultiert Bei der ungleichmäßigen Belastung nach Fig.8 ergeben sich die größten Streufeldwerte unmittelbar unterhalb der Schalttafel 14; diese fallen zu den Seiten hin ab. Daher ist bei den folgenden Messungen der F i g. 9—12 jeweils genau unter der Schalttafel vermessen worden. Die voll ausgezogenen Kurven zeigen die Feldstärke ohne Kompensation, die strichlierten Kurven nach Einschalten der Kompensationsspulen 48—52. Die Kurven machen deutlich, daß bei umpolenden Schieflaststreufeldern eine richtige Ansteuerung der Kompensationsspulen 48—52 erfolgt

7 8

Für die drei Kompensationsspulen 48—52 wurden je einem Zweischleifensystem. Dabei werden die Diffe-

drei vierzehnadrige Kabel gewählt. Der Eigenverbrauch renzspannungen 53,54 der positiven Pole der Batterien

der Spulen ist vernachlässigbar klein, er liegt bei etwa gegen das Ruhepotential des positiven Poles der

!,0 Watt pro Spule. . Batterie 8 in der in Fig.5 angedeuteten Weise

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Kompensation mit ■> geschaltet.

Hierzu 9 Blatt Zeichiuinucn

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Unterdrückung von äußeren Magnetfeldern auf Schiffen die mit Stromgeneratoren, mindestens einem elektrischen Hauptantriebsmotor, mehreren Batterien und einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern ausgerüstet sind, wobei die Batterien über mindestens eine Schalttafel mit den Generatoren, dem Motor und den Verbrauchern zusammengeschaltet werden und bei dem die Batterien zur Drehzahlregelung des Hauptantriebsmotors einmal in Reihe, dann parallel geschaltet werden, durch um die Quellen von magnetischen Feldern gelegte, von gesteuertem Strom durchflossene Kompensationsspulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme in den Kompersationsspulen (48, 49, 50; 51, 52) bei parallel geschalteten Batterien (7, 8, 9) durch an gleichpoligen Batterieklemmen unmittelbar abgenommene Potentialunterschiede (53,54,55) gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspulen (48, 49, 50; 51, 52) direkt mit den an den Batterieklemmen unmittelbar abgenommenen Potentialunterschieden (53,54,55) beaufschlagt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß mit den unmittelbar an den Batterieklemmen abgenommenen Potentialunterschieden (53, 54, 55) ein Linearverstärker gesteuert wird und dessen Ausgangsstrom die Kompensationsspulen (48,49,50; 51,52) speist