DE2711183C2

DE2711183C2 - Umkehrantrieb für Unterwasserfahrzeuge mit fremderregten Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE2711183C2
Application number: DE2711183A
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(grad.) 2081 Appen Angermaier; Klaus Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Kranert
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1977-03-15
Publication date: 1983-10-13
Also published as: NO780875L; DE2711183A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Umkehrantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

In der DE-AS 17 63 640 ist ein Gleichstromantrieb für Wasserfahrzeuge beschrieben, bei dem anstelle von mechanischen Schaltern, wie etwa aus DE-AS 12 03 634 hervorgeht, Thyristoren eingesetzt worden sind. Damit konnten wesentliche Nachteile bekannter Anlagen, nämlich starke Schaltgeräusche und begrenzte Lebensdauer, ausgeräumt werden. Die Gleichstrommotoren dieser Antriebsanlage werden aus Gleiohspannungsquellen, z. B. Batterien, gespeist, wobei durch Serien- und/oder Parallelschaltung mehrere Fahrtstufen einstellbar sind. Ein Umkehrantrieb ist hierin nicht beschrieben. Eine Umschaltung des Motorankers zur Umsteuerung ist aufgrund der Ventilrichtung der elektronischen Schalter nicht möglich.

Für den Bremsbetrieb eines Antriebes nach DE-AS 12 03 634 bietet sich einmal eine Drehzahlverzögerung durch generatorisches Bremsen im IV. Quadranten an, bei der die Richtung des Drehmomentes umgekehrt wird. Hier kann eine Rückspeisung in die Batterie erfolgen. Bei der generatorischen Bremsung wird die Stromrichtung im Anker des Gleichstrommotors umgekehrt. Dabei tritt die Nutzbremsung mit Rücklieferung von Energie in die Batterie ein, sobald ein antreibendes äußeres Drehmoment die Drehzahl über die Leerlaufzahl ansteigen läßt oder aber das Feld verstärkt wird. In diesem Zusammenhang wird auf das Buch von U. Gabler »Unterseebootsbau« Darmstadt 1964, Seiten 71 bis 74 verwiesen. Hierin wird u.a. erwähnt, daß Maschinenhauptschalter als Fahrtrichtungs- oder Feldumschalter zur Drehrichtungsumkehr der Fahrmotoren erforderlich sind.

Weiterhin ist der Umsteuervorgang auf Frachtschiffen bekannt, vergl. Buch von Kosak/Wangerin »Elektrotechnik auf Handelsschiffen«, Berlin, Göttingen, Heidelberg (1956) Seiten 296 bis 299. Auch in diesem Fall wird generatorisch gebremst, so daß Umsteuerzeiten von 15 bis 20 sec notwendig sind. Derart lange Umsteuerzeiten mögen für Frachtschiffe hingenommen werden. Für Umkehrantriebe der eingangs beschriebenen Art sind diese Zeiten zu lang.

Ferner wird eine Drehzahlverzögerung erreicht durch eine Widerstandsbremsung oder auch Kurzschlußbremsung im IV. Quadranten. In diesem Fall wird der Motorankerkreis von der Batterie abgetrennt und auf einen Belastungswiderstand geschaltet.

Gleichstromantriebsanlage mit elektronischen Schaltern lassen eine generatorische Nutzbremsung aufgrund der Ventilwirkung der elektronischen Schalter nicht zu, da eine Ankerstromumkehr nicht möglich ist Für derartige Anlagen kommt nur die Widerstandsbremsung in Betracht.

Aus der DE-PS 3 01 202 ist ein Steuerverfahren für Gleichstromnebensch!\ißm<yoren zum Antrieb von Schiffsschrauben bekannt, bei dem beim Umsteuern durch Öffnen eines Schalters ein Widerstand in den Ankerkreis gelegt und der Ankerstrom bedämpft wird. Ober einen Fahrtregler wird ein negatives Feld im Motor erzeugt. Bei dieser Anordnung ist nur eine Serienschaltung beider Teilbatterien für die volle Spannung möglich. Eine Parallelschaltung ist nicht vorgesehen. In einer Variante dieser Anordnung soll gerade eine Umschaltung der Batterie vermieden und nur die Motoren umgeschaltet werden.

Schließlich geht aus der CH-PS 4 25 966 eine Anordnung zum Anlassen und Bremsen von Gleichstrommotoren hervor, bei der ohmsche Widerstände in ihrem wirksamen Widerstand stetig veränderlich gemacht werden, in dem löschbare Halbleiterzellen periodisch geschaltet werden. Hier ist zwar eine Freilaufdiode für den Bremsbetrieb vorgesehen, die aber nicht einen Teilwiderstand im Ankerkreis überbrückt, sondern den ganzen Widerstand in den Bremskreis einschaltet. Daher muß der Halbleiterschalter wesentlich größer dimensioniert werden, wenn mit dem maximal möglichen Moment gebremst werden soll.

Stopp- und Umsteuerzeiten sind bei vorstehend genannten Anlagenkonzepten relativ lang, wie im Folgenden gezeigt werden wird: Aus der Drehzahlgleichung ergibt sich für den Ankerstrom I_A:

, υ,- η · c ■ Φ

mit Ua — Ankerspannung

Ra — Ankerwiderstand

π — Drehzahl

Φ - Fluß

Dabei entspricht die Motordrehzahl ungefähr der Propellerdrehzahl, so daß n^n_prop ist. Die Gleichung zeigt, daß der Strom Ia verschwindet, wenn die EMK = C · η_ΡΓορ·Φ die Größe der Klemmenspannung Ua erreicht und seine Richtung ändert, wenn die EMK über die Höhe der Klemmenspannung Ua ansteigt.

Da aber in beiden Fällen — Nutzbremsung und Widerstandsbremsung — im IV. Quadranten die Bremswirkung des Schiffes aufgrund des geringen Propellerschubes klein ist und das Motordrehmoment Mrfinit absinkender Propellerschleppdrehzahl ebenfalls klein wird, wird das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl Md · /7_prop — das ist der Betrag der abgegebenen Leistung — ebenfalls klein, so daß nur eine geringe Stoppwirkung erzielt wird (siehe auch die Robinsonkurve). Die Umsteuerzeiten für derartige

Fahranlagen sind daher relativ lang, erfahrungsgemäß 15 see bis 20 see.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Umkehrantrieb zu schaffen, bei dem die für den normalen Fahrbetrieb bemessenen elektronischen Schalter ausreichen, um bei Abgabe eines Stoppkommandos ein großes Bremsmoment zuzulassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Mit dem Antrieb nach der Erfindung sind mehrere Vorteile verbunden. So ist ein Notstopp des Schiffes möglich, weil aus jeder Vorausfahrtstufe über die Fahrtstufe I zurück weiier in höhere Rückwärts-Fahrtstufen umgeschaltet werden kann. Die zum Anfahren notwendigen Widerstände werden gleichzeitig zum Stoppen benutzt und brauchen wegen der kurzen Umsteuerzeiten nicht wesentlich vergrößert zu werden. Gleiches gilt für die Freilaufdioden. Ein normales Stoppmanöver ist ebenso ausführbar, weil in der Fahrtstufe I zurück derart geregelt werden kann, daß bei Feldstärkung mit geringer Rückwärtsdrehzahl gefahren wird. Schließlich werden die elektronischen Schalter beim Bremsvorgang nicht höher belastet, da ein Teil des Ankerstroms durch die Freilaufdiode abfließt.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen weitere Erläuterungen gegeben werden.

F i g. 1 zeigt ein Anlagenkonzept,

F i g. 2 ein Beispiel für die motorische Widerstandsbremsung und

Fig.3 eine Anordnung mit geteiltem Anlaßwiderstand.

Der gestrichelt umrandete Block 1 enthält die Gleichspannungsquelle mit den Umschalteinrichtungen für Parallel- und Serienbetrieb. Sie soll beispielsweise aus vier Teilbatterien bestehen. An den positiven Pol des Blockes 1 ist die Sammelschiene P und an den negativen Pol die Sammelschiene jVangeschlossen. *o

Für die Fahrtstufe I sind alle Teilspannungsquellen parallelgeschaltet. Der elektronische Schalter Sl, der mit seiner Anode auf der positiven Sammelschiene P liegt, wird gezündet, desgleichen der elektronische Schalter 53, der mit seiner Kathode auf der negativen ⁴S Sammelschiene Λ/liegt. Dann fließt der Strom durch den Schalter 5 1, den Vorwiderstand RVi, den Motoranker Ml, die Diode D3, den Motoranker M2, den Vorwiderstand /? V 2 und den Schalter 53.

Für Fahrtstufe I sind die Teilspannungsquellen 1 parallel geschaltet und die Motoranker in Reihe. Soll in dieser Fahrtstufe I weiter gefahren werden, werden nach dem Anfahren die Schalter 52 (mit der Anode an der P-Schiene) und 54 (mit der Kathode an der N-Schiene) gezündet und die Schalter 51 und 53 gelöscht, so daß der Motorstrom nun von der positiven Sammelschiene P über den Schalter S 2, den Motoranker Ml, die Diode D3 den Motoranker M2 und den Schalter 54 zur negativen Sammelschiene /«/fließt. Die Widerstände sind somit aus dem Ankerkreis herausgeschaltet.

Für die Fahrtstufe II sind die Teilspannungsquellen weiterhin parallel geschaltet, die elektronischen Schalter 51 und 53 werden gezündet, desgleichen die Thyristoren T2 (dessen Anode mit der P-Schiene verbunden ist) und Tt (dessen Kathode mit der N-Schiene verbunden ist). Dann fließt ein Teilstrom durch den Thyristor Γ2, den Motoranker A/2, den Vorwiderstand RV2 und den Schäker 53. Ein anderer Teilst.-om fließt durch den Schalter Sl, den Vorwiderstand Ä Vl, den Motoranker M1 und den Thyristor 7*1. Die Motoranker sind also parallel geschaltet. Soll weiterhin in der Fahrtstufe II gefahren werden, werden durch Zünden des Schalters 52 bzw. 54 und Löschen des Schalters 51 bzw. 53 die Vorwiderstände RVi und RV2 aus den beiden Motorankerkreisen herausgeschaltei.

Für die Fahrtstufe III werden alle Teilspannungsquellen in Reihe geschaltet und die Motoranker ebenfalls im Serienbetrieb gefahren über die Vorwiderstände RVi und RV2. Bei Weiterfahrt in Fahrtstufe III werden die Vorwiderstände RVi und RV2 aus dem Motorankerkreis herausgeschaltet.

Für die Fahrtstufe IV bleibt die Reihenschaltung der Teilspannungsquellen bestehen, die Motoranker hingegen werden in Parallelbetrieb über die Vorwiderstände RVi und RV2 umgeschaltet. Bei Weiterfahrt in Fahrtstufe IV werden alsdann die Vorwiderstände RVi und R V2 aus den Motorankerkreisen herausgeschaltet. Die Drehzahlverstellung in den einzelnen Fahrtstufen erfolgt mittels eines Erregerstromreglers 10 mit der zugeordneten Vergleichsstelle 9 durch Verstellen des Erregerstroms. Beide Erregerwicklungen Fl und E 2 werden parallel von dem gleichen Erregergerät 12 eingespeist über den gemeinsamen Bewertungswiderstand 8. Am Bewertungswiderstand 8 wird der Erregerstromistwert abgegriffen und dem Istwertkanal der Vergleichsstelle 9 eingegeben. Das Signal für den Sollwert wird der Vergleichsstelle 9 vorgegeben. Die Differenz AIe zwischen Sollwert und Istwert steht am Eingang des Erregerstromreglers 10 an, sein Ausgangssignal ist die Stellgröße t/ft_o//zur Verstellung des Flusses Φ in den Erregerwicklungen Ei und £2. Jedoch wird dieses Signal UfsoII zunächst einem Begrenzer 11 zugeführt. Ein ankerstromproportionales Signal wird am Vorwiderstand RV2 abgegriffen und dem Begrenzer 11 ebenfalls zugeführt. Erreicht der Ankerstrom seinen zulässigen Grenzwert, bewirkt das ankerstromproportionale Signal, daß die Stellgröße UfsoII nicht mehr zu höheren Werten verändert werden kann, selbst wenn der Sollwert an der Vergleichsstelle 9 vergrößert wird.

Aus der Fahrtstufe IV — Teilspannungsquellen in Reihe, Motoranker parallel, Vorwiderstände RVi und RV2 überbrückt — also aus voller Vorausfahrt, soll gestoppt werden. Dazu wird in die Fahrtstufe I zurück umgeschaltet, das bedeutet: alle Teilbatterien parallel, Motoranker in Reihe mit den zugeordneten Vorwiderständen, Motor-EMK negativ. Die möglichen Versionen des Stoppmanövers werden anhand von Rechenbeispielen erläutert. Dabei sind die Rechengrößen normiert, also auf Nennwerte bezogen. Darüber hinaus wird zur Vereinfachung die Rechnung für einen Motor (bzw. Teilmotor) aufgestellt.

Die elektronischen Schalter 51 bis 54 sind auf l,6fachen Nennstrom ausgelegt. Ausgegangen wird von normierten Rechengrößen:

= 1;Φ_ν= 1,

Zur Erläuterung des Stoppmanövers dient die F i g. 2. Dabei soll in RVX der Innenwiderstand des Motorankers eingeschlossen sein, so daß RV X = RVX+ RA = Q^ ist. Da vier Teilbatterien parallel geschaltet sind, beträgt die Spannung Ua ein Viertel der vollen Spannung, also 0,125. U ist durch die Auslegung der Grenzbewertung a.n Vorwiderstand R V1 auf Ia = 1,6 begrenzt.

Die zulässige Motor-EMKe ergibt sich dann aus der Grundgleichung

Ά =

U_A+cn<P RVl

1,6 0,24 -0,125 =0,259 ■ p.

(D

Nach dem Umschalten auf Stop und Vorgabe einer negativen Erregung — Φ ist etwa eine Propellerdrehzahl von n_Prop=0,5 erreicht. Damit ergibt sich nach (1) ein Fluß Φ

e = c ■ η ■ Φ:

= φ-

0,259 c -0,5

= 0,518,p(2)

und das Drehmoment wird gemäß Grundgleichung Md =c- Ι_ΑΦ;Μά =p- 0.518 ■ 1,6 = 0,829 · p. (3)

Fällt die Propelierdrehzahl weiter, kann das Drehmoment erhöht werden. Da nach (1) ί_Λ auf 1,6 begrenzt ist und e=c ■ η -Φ durch Erhöhung des Flusses konstant gehalten werden kann entsprechend der vorgesehenen Begrenzungsregelung nach Fig. 1, steigt nach (3) bei größer werdendem Fluß Φ das Drehmoment Md= c ■ I ■ Φ an.

Dem zweiten Rechenbeispiel liegt folgende Version zugrunde: läßt eine knappe Auslegung der elektronischen Schalter Sl bis 54 eine große Stromüberhöhung während des Bremsbetriebes nicht zu, können Maßnahmen getroffen werden, um trotzdem eine große Bremswirkung zu erzielen. Wie F i g. 3 zeigt, sezt sich der Vorwiderstand RVi aus den Teilwiderständen RVXa und RVIb zusammen, so daß eine Stromauf teilung des Ankerstromes Ia in /1 + /2 an dem Teilerpunkt P erfolgt. Erläutert wird der Bremsvorgang wieder anhand eines Rechenbeispiels. Der höchste zulässige Strom für die Schalter beträgt 1,1, die Schädlichkeitsgrenze für den Motor hingegen liegt bei 1,9. Der Ankerstrom Ia darf also 1,9 betragen, der durch die Schalter S1-S4 fließende Strom darf 1,1 nicht überschreiten^= 1,9; Ua = 0,125; RVXa + RVl6 = 0,24).

und dann nach (4) die EMK

e = c- η -Φ = Ι₄- RV\a = 1,9 · 0,126 = 0,239

und der Fluß

φ =

I₄-RVIa

c ■ «„„,„

0,239
c 0,5

= 0,478,

So ergibt sich nach (3) ein Drehmoment Md = I₄ · Φ · c = c■ 1,9 · 0,478 = 0,908 -p.

Die Erregung muß in diesem Fall entsprechend dem Motorgrenzwert von 1,9 derart geregelt werden, daß zur Bildung einer stromproportionalen Signalgröße am Widerstand RVXa abgegriffen wird und diese Größe dem Begrenzer 11 zugeführt wird.

Dem dritten Rechenbeispiel liegt die motorische Widerstandsbremsung zugrunde. In diesem Falle ist die Batterie vom Fahrkreis getrennt. Der Grenzwert von I_A beträgt 1,9; Vorwiderstand /?V1=O,24; EMK e=I_A ■ /?Vl;dannist

c-n-0=I₄- RVl = 1,9 · 0,24 = 0,456.

Wenn n_prop auf 0,5 abgefallen ist, ergibt sich für den Fluß Φ

und für das Drehmoment
Md=c- Φ l_A= c- 1,9 0,912 = 1,733 ■ c.

1st die Propellerdrehzahl weiter abgesunken, z. B. auf 0,2, dann würde der Fluß

Λ

wenn der Fluß Φ nicht in diesem Falle auf 1 begrenzt wäre, damit die EMKnicht zu hoch wird und der Wider-

"5 stand RVX nicht vergrößert werden muß. So kann bei einer Erregung von 1 nur eine EMK erreicht werden von

e = c ■ η ■ Φ — ■

r>~_- :,.. Α·α emv =

so 2,28

und l_Ä wird begrenzt auf

0,456 = 0,199

e =c ■ η ■ Φ = I₄ RVIa

(4) __ 0,199 _

RV\b.

(5)

Für die Größe des Teilwiderstandes RVlb ergibt sich dann nach (5) bei einem Grenzwert /, = 1,1

RVXb =-^ = M²A = ClH

1,1

und RVia muß werden

RVIa=RVl -RVIb = 0.24 -0.114 = 0.126 Bei einer geringeren Ankerstromgrenze von I_A = 1,2 würde die Begrenzungsregelung sogar einen Fluß Φ > 1 zulassen, auch bei stark abgesunkenen Propellerdrehzahlen, ohne daß eine energetische Vergrößerung des Vorwiderstandes RV1 notwendig wäre. Bei einem Grenzwert von I_A = 1,2 und einem gleichbleibenden Widerstandswert von 0,24 könnte bei einer Propellerdrehzahl
werden:

.ι = 0,2 die Erregung auf 1,44 > 1 erhöht

φ =

_ I₄ RVl

1,2-0,24

= 1,44,,

c ■ η_ρηψ C ■ 0,2

Das Drehmoment Md würde dann

Md = c ■ 1 ■ Φ = c ■ 1,2 · 1,44 = 1,728 · c. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Umkehrantrieb für Unterwasser-Fahrzeuge mit fremderregten Gleichstrommotoren, die aus Gleich-Spannungsquellen gespeist werden, wobei die einzelnen Fahrstufen durch Serien- und/oder Parallelschaltung der Gleichstrommotoren und der Gleichspannungsquellen mittels elektronischer Schalter einstellbar sind, mit den Gleichstrommotoren Anlaßwiderstände in Reihe liegen, und bei Abgabe eines Stoppkommandos aus einer höheren Fahrstufe eine Entregung der Gleichstrommotoren und eine Parallelschaltung der Gleichspannungsquellen und darauf eine Reihenschaltung der Gleichstrommotoren mit den Anlaßwiderständen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abgabe des Stoppkoiumandos die Gleichstrommotoren (Mi, M2) eine derart geregelte negative Erregung erhalten, daß der von den Gleichspannungsquellen (1) und der negativen Motor-EMK getriebene Ankerstrom unterhalb zulässiger Maximalwerte bleibt (I_grenz< Imsx), und daß jeder Gleichstrommotor (Mi, M2) sowie ein Teil (ä) seines Anlaßwiderstandes (R V1, R V2) durch eine Freilaufdiode (Di, D 2) überbrückt ist.