DE2739116C2 - Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung für den elektrischen Propellerantrieb eines Unterwasserfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung für den elektrischen Propellerantrieb eines Unterwasserfahrzeugs

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Description

Die Erfindung bezieht sich, auf ein Verfahren zum
Betrieb einer Schaltungsanordnung für den elektrischen Propellerantrieb eines Unterwasserfahrzeuges, nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
Bei militärischen Unterwasserfahrzeugen ist es wichtig, den Geräuschpegel aller Antriebselemente sowie deren Schalt- und Regeleinrichtungen möglichst niedrig zu halten, um eine ortung lies Fahrzeuges zu erschweren.
In der DE-OS 17 63 640 ist eine Schaltung mit drei Batteriegruppen beschrieben, die über Dioden parallel geschaltet sind und über einen Thyristor auf zwei mechanisch gekuppelte Gleichstrommotoren speisen. Weiterhin sind Verbindungsleitungen, welche je einen Thyristor enthalten, vorgesehen, welche jeweils mit dem negativen Pci der ersten Batteriegruppe mit dem
so positiven Pol der zweiten Batteriegruppe bzw. den negativen Pol der zweiten Batteriegruppe mit dem positiven Pol der dritten Batteriegruppe verbindet. Bei Zündung dieser Thyristoren erfolgt eine Reihenschaltung der drei Batterien, so daß die zur Verfügung stehende Spannung verdreifacht wird. Durch die erwähnten Sperrdioden ist die Parallelverbindung der drei Batterien gesperrt. Zum Ausschalten dieser Reihenschaltungsverbindungen ist zwischen der Batteriesammelschiene und den Ankerstromkreisen der beiden Motoren ein weiterer Thyristor vorgesehen, dem ein zusätzlicher Thyristor, welcher mit einem Kondensator in Reihe geschaltet ist, parallel liegt, durch dessen Zündung der StromfluH in dem ersten Thyristor unterbrochen werden kann.
Zum Anlassen der beiden Motoren ist in Reihe mit dem Anker jeweils ein Anlaßwiderstand vorgesehen, der von einem weiteren Thyristor überbrückbar ist. Beim Anfahren ist der Anlaßwiderstand wirksam und
die drei Batteriegruppen sind parallelgeschaltet. Nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl werden die den Anlaßwiderständen parallelgeschalteten Thyristoren gezündet und damit die Anlaßwiderstände überbrückt. Soll mit erhöhter Drehzahl, also verdreifachter Batteriespannung, gefahren werden, wird der zwischen Batteriesammeischiene und den beiden Ankerstromkreisen liegende Thyristor durch Zünden des Löschthyristors stromlos gemacht, wodurch auch die den Anlaßwiderständen parallel liegenden Thyristoren zum Erlöschen kommen. Alsoann werden die in den Verbindungsleitungen zwischen den Batterien liegenden Thyristoren sowie der erwähnte, in der Verbindungsleitung zwischen Batterie-Sammelschiene und den Motorankern liegende Thyristor gezündet, wodurch die Motoren an die erhöhte Batteriespannung angelegt werden, wobei die Anlaßwiderstände jeweils dem Anker vorgeschaltet sind. Nach entsprechender Drehzahlerhöhung der Motoren werden die den Anlaßwiderständen parallelen Thyristoren gezündet und diese somit kurzgeschlossen.
Nachteilig ist bei der bekannten Anordnung, von der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen ist, daß bei der normalen Betriebsdrehzahi, aiso bei hoher Spannung, eine größere Anzahl von Thyristoren, die sämtlich den vollen Strom führen müssen, stiomdurchflössen sind, wodurch nicht nur Verluste entstehen, sondern es auch notwendig ist, diese Thyristoren entsprechend groß zu dimensionieren. Diese Kühlung dieser Thyristoren erfolgt in der Regel durch einen kräftigen Luftstrom, der durch den einen Lüfter erzeugt wird. Es ist unvermeidbar, daß der relativ große Lüfter für die Abführung der Verluste der vielen Thyristoren einen erheblichen Geräuschpegel hat, so daß die Geräusche dieses Lüfters über den Schiffskörper ins Wasser gelangen und durch Hörgeräte erfaßt werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung für einen elektrischen Propellerantrieb entsprechend dem Oberbegriff anzugeben, bei welchem der beim Umschalten der Gruppierungen der Batterien auftretende Geräuschpegel äußerst gering ist Die grundsätzlichen Überlegungen der Lösung dieser Aufgabe bestehen darin, daß für die normalen Betriebsvorgänge die Betätigung von Leistungsschaltern, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen müssen und einen hohen Geräuschpegel aufweisen, vermieden werden kann, und auch Lüftergeräusche der Kühleinrichtung der Thyristoren weitgehend unterdrückt werden können.
Als Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die gattungsgemäße Schaltungsanordnung für den elektrischen Propellerantrieb eines Unterwasserfahrzeuges wie im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dargelegt, betrieben wird.
In der ersten Eetriebsphase ergibt sich dadurch, daß die Minuspole und Pluspole der Batteriegruppen jeweils untereinander fortlaufend durch Dioden verbunden sind, daß bei Stromentnahme und offenen Trennschaltern eine Parallelschaltung aller Batteriegruppen erfolgt.
Dieses Schältverfähren hat den größen Vorteil, daß für das betriebsmäßige Schalten keinerlei Leistungsschalter erforderlich sind, so daß sämtliche normalen Betriebsmanöver mit geräuscharmen trennschalterähnliehen Schaltelementen durchgeführt werden können. Der Gleichstromsteller im Ankerstromkreis, kurz Ankerstromsteller gernint, wird dabei lediglich bei der ersten Anfahrstufe als Steller betrieben. Bei der ersten Stufe ist der Motor durch die etwa nach einer Parabel dritten Grades verlaufende Drehmomentdrehzahlcharakteristik des Gegenmomentes des Propellers nur mit einem relativ niedrigen Strom belastet, so daß der Steller für den Motorkreis, der sowieso nur kurze Zeit eingeschaltet ist, gleich groß dimensioniert werden kann, wie der Gleichstromsteller für den Feldkreis, kurz Feldstromsteller genannt.
Bei der Steuerung dieser Schaltanordnung in der kennzeichengemäßen Weise wird die Anzahl der dauernd stromdurchflossenen Thyristoren vermindert und die erforderlichen Thyristoren können kleiner dimensioniert werden. Weiter können bei einem Betrieb in Schleichfahrt die bisher erforderlichen Vorwiderstände, die dauernd Energie verbrauchten oder ein zusätzlicher Antriebsmotor eingespart werden, wobei eine merkliche Gewichtsverminderung gegenüber bekannten Antriebsanordnungen erreicht wird.
In zweckmäßiger Weise wird der Erregerstrom durch Verstellung des Gleichstromstellers im Zusammenspie! mit dem Schließen bzw. öffnen ein; s Schaltkontakt.es zu Batterieumgruppierung so gesteuert, r'aß der über den Schaltkontakt fließende Strom unmittelbar vor und nach dem Schließen bzw. öffnen zu Null oder nahezu zu Null wird.
Dabei kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Erregerstrom mittels der Feldstromsteller so gesteuert sein, daß er dem jeweiligen Ankerstrom proportional ist
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Antriebsmotoren mit separaten Gleichstromstellern im Ankerstromkreis und separate Gleichstromsteller im Feldstromkreis vorgesehen. Bei dieser Ausführung sind für jeden der Motoren jeweils ein Ankerstromsieller und ein Feldstromsteller vorgesehen. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, daß bei Ausfall des einen Motors im Falle einer Betriebsstörung mit etwa halber Leistung mit dem zweiten Motor gefahren werden kann. Da alle Steller gleich cümensioniert werden können, wird die Vorhaltung von Austauschteilen zur Behebung von Störungen erleichtert.
In zweckmäßiger Weise lassen sich die beiden Antriebsmotoren zu einem Doppelankermotor zusammenfassen, wobei aber dafür Sorge getragen ist, daß beim Ausfall eines Ankers der zweite Anker voll betriebsfähig bleibt
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind vier Batteriegruppen vorgesehen, welche wahlweise parallel, reihenparallel oder in Reihe schaltbar sind.
Die vorgesehene Schaltung läßt auch einen Betrieb in Schleichfahrt zu; dabei wird jeweils der Gleichstromsteller im Ankerstror.ikreis auf einen sehr niedrigen Wt/t eingestellt Durch diese Schaltung ist es möglich, die sonst bei Schleichfahrt erforderlichen Vorwidcrstände, die dauernd Energie verbrauchen, oder einen zusätzlichen Antriebsmotor einzusparen, was zu einer merklichen Gewichtsverminderung gegenüber bekannten Antriebsänordnungen führt Zur Vermeidung unnötiger Erreger- und Eisenverluste kann es bei Schleichfahrt und beim Anfahren vorteilhaft sein, den Feldstrom erst am Ende des Ankerstdlbereiches auf seinen vollen Wert zu führen.
In zweckmäßiger Weise ist weiterhin vorgesehen, daß mindestens ein Tr il der Thyristoren der Gleichstromsteller sowie der Dioden mit Wasserkühlung ausgeführt sind.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den im folgenden dargestellten Schaltzuständen von zwei Ausführungsbeispielen: Es zeigt
Fig. I ein Schaltbild mit zwei parallel geschalteten Batterien im Anfahrzustand,
Fig. 2 eine Schaltung mit vier Batteriegruppen, von denen gerade zwei in Reihe und je zwei parallel geschaltet sind,
Fig. 3 dieselbe Schaltung mit zwei in Reihe geschalteten Batteriegruppen, die mit zwei weiteren parallelgeschalteten Batteriegruppen in Reihe liegen.
F i g. 4 die Schaltung mit vier in Reihe geschalteten Batteriegruppen.
In den Schaltbildern sind die Batterien mit BX. 0 2. 0 3 und B4 bezeichnet. Die Pluspole der vier Batterien sind über Dioden D12, D23 und D 34 und die Minuspole der Batterien durch Dioden D 21, D 32 und D43 miteinander verbunden. Durch diese Dioden sind die Bsiicrisn "2TSUe! "^schaltet. Der P!ucnri! dpr Batterie BA ist mit einer (positiven) Sammelschiene SS 1 verbunden.
Weiter sind Schalter S 12, 523 und 534 vorgesehen, durch welche jeweils der Pluspol der Batterie B\ an den Minuspol der Batterie B 2 bzw. der Pluspol der Batterie B2 an den Minuspol der Batterie S3 sowie der Pluspol der Batterie S3 an den Minuspol der Batterie 04 anschaltbar sind, wodurch eine Reihenschaltung der vier Batterien oder auch von weniger als vier Batterien herstellbar ist.
Weiter ist je ein weiterer Schalter S4 zwischen der Sammelschiene SS 1 und dem Pluspol der Batterie B 1 und S5 zwischen dem Minuspol der Batterie S 2 und der Sammelschiene SS 2 vorgesehen. Durch das Einlegen der Schalter S4 und SS in der untersten Spannungsstufe werden die in Reihe geschalteten Dioden D 12 bis D43 überbrückt, so daß der an diesen entstehende Spannungsabfall vermieden wird. Darüber hinaus ermöglichen die geschlossenen Schalter S4 und S5 zum Verlangsamen des Schiffes bei niedrigerer als der Schiffsgeschwindigkeit zuzuordnender Propellerdrehzahl den generatorischen Betrieb des Motors mit Zurückspeisung in die Batterie, was wegen der Dioden sonst nicht möglich wäre.
Die Schalter S 1. S2, S 12, S23, S34 und gegebenenfalls S4 und S5 sind zu einem Schaltwerk zusammengefaßt, durch welches je nach den Erfordernissen der unten beschriebenen Schaltung die Schalterpole geöffnet oder geschlossen werden können.
Zwischen den Sammelschienen SS1 und SS2 sind die Ankerstromkreise geschaltet. In den Ankerstromkreisen sind in Reihe en Hauptschalter WS 1 bzw. WS2, der Ankergleichstromsteller SfIl bzw. S/21 und der Motoranker M 1 bzw. M 2 geschaltet. Der Gleichstromsteller Si 11 bzw. Sf 21 ist jeweils durch einen Schalter S1 bzw. S 2 überbrückbar. Schließlich ist parallel zu den Ankern der Motoren MX bzw. M2 jeweils eine Freilaufdiode DA I bzw. DA 2 geschaltet.
Die Feldstromkreise sind an eine der Batterien angeschaltet. Im Feldstromkreis ist jeweils ein Gleichstromsteller Sf 12 bzw. Sf 22 in Reihe mit der Feldwicklung Fl bzw. F2 geschaltet- Parallel zu der Feldwicklung ist jeweils eine Diode DFl bzw. DF2 geschaltet. Zur Umschaltung der Drehrichtung der Antriebsmotoren sind Feldumschalter FU1 bzw. FU'2 vor der Feldwicklung vorgesehen.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt (siehe Fig. 1): Die beiden Hauptschalter WSl und WS2 werden eingelegt und die Gleichstromsteller St 11 und Sf 21 für den Ankerstromkreis sowie die Gleichstromsteller St 12 und St 22 für die Feldkreise getaktet, so daß der aus der Batterie entnommene Strom jeweils in Impulse, deren Frequenz und/oder Breite von der ihnen zugeordneten Regeleinrichtung gesteuert werden, zerlegt wird. Während der Impulspausen fließt der von der Anker- bzw. Feldinduktivität weitergegebene Strom über die Freilaufdioden DA 1 und DA 2 im Ankerkreis
ίο bzw. DFX und DF2im Feldkreis. Der Feldstrom Il Fist praktisch glatt, obwohl eine mit der Stellerfrequenz zwischen Null und der Batteriespannung wechselnde Spannung anliegt.
Die Welligkeit des Ankerstromes ist jedoch infolge der relativ kleinen Ankerinduktivität merklich größer. Die Impulszeiten der Gleichstromsteller werden kontinuierlich so weit vergrößert bis die am Anker anliegende Spannung der Batteriespannung entspricht. Zu diesem Zeitpunkt werden durch das Schaltwerk die
;c Schalter S ! bzw 5 2, dl"rh welrhe die Gleichstromsteller SfIl bzw. Sf 21 überbrückt werden, eingeschaltet, womit an den Ankern jeweils die volle Batteriespannung anliegt. Von nun an wird der Feldstrom mittels der Feldsleller geschwächt, bis die Drehzahl auf etwa den doppelten Wert weiter gestiegen ist.
Vor dem Umschalten auf die doppelte Batteriespannung durch Reihenschaltung der beiden Batterien B X und 02 wird der Erregerstrom so weit erhöht, daß die induzier! Motorspannung etwa der Spannung der
in beiden in Reihe geschalteten Batterien entspricht. Der Schalter 512 zur Reihenschaltung der beiden Batterien kann damit zugeschaltet werden, ohne daß ein Stromstoß auftritt, da der Motor?irom vorher zu Null geworden ist, da die Motor-EMK größer ist als die Spannung der noch parallel liegenden Batterien.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung sind vier Batteriegruppen vorhanden, von welchen zwei parallel geschaltet sind, und die parallelgeschalteten Gruppen sind wiederum über den Schalter S23 in Reihe geschaltet. Der Anfahrvorgang erfolgt dabei analog zu der Schaltung nach Fig. 1, wobei zuerst die vier Batterien bei geöffnetem Schalter S23 parallel geschaltet sind.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltung wird in der gleichen Weise von Parallelschaltung auf Reihenschaltung, wie oben beschrieben, verfahren, hier wird jedoch nur der Schalter S12 zusätzlich eingelegt, womit sich eine Reihenschaltung von zwei Batterien mit einer Reihenschaltung von zwei parallel geschalteten Batterien ergibt, womit sich eine Spannung vom Dreifachen einer Spannung einer Batterie ergibt.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Schaltung sin„' alle Batteriegruppen in Reihe geschaltet. Der Übergang von der Schaltung nach Fig.3 erfolgt analog zu der oben beschriebenen Schaltung nach F i g. 1.
Zum Absenken der Drehzahl wird zunächst die Feldschwächung rückgängig gemacht, die zum Erreichen der höheren Drehzahl notwendig ist. Wenn der Feldstrom auf seinen Nennwert angestiegen ist, muß die
M) Umschaltung auf die nächstmögliche Spannungsstufe erfolgen. Dazu wird durch eine kurze Übererregung des Feldes über den Nennwert hinaus die Motor-EMK auf die Höhe der Batteriespannung angehoben, so daß der Ankerstrom zu Null wird und der betreffende Schaltkontakt im Schaltwerk stromlos öffnen kann. Es kann vorausgesetzt werden, daß die Motordrehzahl während dieses Vorganges nur unwesentlich abfällt.
Anschließend wird das Feld wieder soweit ge-
schwächt, bis der gewünschte Ankerstrom in der neuen Schnllsüife fließt.
lelduickliingen und I eldsiromsteller sind so misgelegt, dull die notwendige kur/./citigc Übererregung möglich ist.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung für den elektrischen Propellerantrieb eines Unterwasserfahrzeuges, mit den folgenden Merkmalen:
Mindestens ein Gleichstrommotor mit je einer Feldwicklung, ist von einer in Gruppen eingeteilten Akkumulatorenbatterie über Sammelschienen gespeist, welche Batteriegruppen in einer ersten Fahrstufe über elektrische Ventile parallel und in einer weiteren Fahrstufe durch jeweils einen zwischen dem Pluspol einer Batteriegruppe und dem negativen Pol der nächsten Batteriegruppe vorgesehenen Schalter in Serie schaltbar sind, in Reihe mit dem Motoranker ist mindestens ein steuerbares Halbleiterventil geschaltet, die Feldwicklungen sind jeweils über einen Feldstromsteller aus der Batterie gespeist und das steuerbare Halbleiterventil ist der Hauptthyristor eines dem Anker vorgeschalteten Ankerstromstellers, welchem ein Trennschalter parallel geschähet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese wie folgt gesteuert werden:
In einer ersten Betriebsphase wird nach Zündung des Feldstromstellers (St 12 bzw. St 22) und parallel geschalteten Batteriegruppen (B 1, B 2 ...) mit dem Ankerstromsteller (Stil bzw. Sr21) der Ankerstrom so lange verstellt, bis die Motorspannung von einem Minimal wert auf die Spannung (Ul) der Batteriegruppe angestiegen ist, anschließend wird in einer zweiten Betriebsphase der Ankerstromsteller (Stil bzw. Sf21) durch den Trenner (S 1 bzw. S 2) überbrückt und dann mit dem Feldstromsteller (St 12 bzw. StTi) der Erregerstrom im Sinne einer Schwächung des Feldes so lange verstellt, bis die Drehzahl des Motors etwa den doppelten Wert erreicht hat und anschließend mit dem Feldstromsteller (St 12 bzw. Si 22) der Erregerstrom rasch so verstellt, daß die EMK des Motors etwa die doppelte Spannung einer Batteriegruppe erreicht und schließlich wird durch Einlegen des wenigstens einen Schalters zur Batterie-Umgruppierung (S 12, S23, S24) die an den Sammelschienen anstehende Spannung verdoppelt und anschließend der Erregerstrom so weit vermindert, daß der Motor den gewünschten Ankerstrom aufnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom durch Verstellung des Feldstromstellers (S/12 bzw. Sf 22) im Zusammenspiel mit dem Schließen bzw. Öffnen des wenigstens einen Schalters (S 12, S23, S34) zur Batterie-Umgruppierung so gesteuert wird, daß der über den Schalter fließende Strom unmittelbar vor und nach dem Schließen bzw. öffnen zu Null oder nahezu Null wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom mittels des Feldstromstellers (Sf 12 bzw. Sf 22) so gesteuert wird, daß er dem jeweiligen Ankerstrom proportional ist.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Antriebsmotoren (AfI und ΜΊ) mit separaten Ankerstromstellern (SfIl bzw. Sf 21) und separaten Feldstromstellern (Sf 12 bzw. Sf 22) vorgesehen sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Antriebsmotoren zu einem Doppelankermotor zusammengebaut sind.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens noch nach einem der Ansprüche 1—3
5 oder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Batteriegruppen vorgesehen sind, welche wahlweise parallel, reihenparallel oder in Reihe schaltbar sind.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des ίο Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—3 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen zu betätigenden Schalter (S12, S23, S34, Sl, S2) zu einem elektromotorisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren, stromlos schaltenden Schaltwerk zusammengefaßt sind.
8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—3 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Thyristoren der Anker- und Feldstromsteller (Sf 11, Sf 21, Sf 12, Sf 22) sowie der Dioden (D 12,... D 43) mit Wasserkühlung ausgeführt sind.
9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—3 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker- und Feldstromsteller (Sill, Sf21. Sf 12, Sf22) gleich dimensioniert sind.
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