DE3212457C2

DE3212457C2 - Wellengeneratoranlage mit Synchron-Phasenschieber, insbesondere für Schiffe

Info

Publication number: DE3212457C2
Application number: DE19823212457
Authority: DE
Inventors: Akira Dipl.-Ing. Kobe Hyogo Misaizu; Takayoshi Dipl.-Ing. Tokio/Tokyo Nakano; Kouichi Dipl.-Ing. Fujisawa Kanagawa Niwa; Masashi Hachioji Tokio/Tokyo Takada
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1985-12-05
Also published as: JPS57170100A; JPH028539B2; DE3212457A1

Abstract

Bei einer Wellengeneratoranlage, insbesondere für Schiffe, speist ein von einer Hauptmaschine (10) mit veränderbarer Drehzahl angetriebener Wechselstromwellengenerator (12) über einen Umrichter Wechselspannungs-Sammelschienen (24) eines Bordnetzes mit konstanter Frequenz und konstanter Wechselspannung. Der Umrichter besitzt einen getrennt erregten Wechselrichter (18), dem ein Synchron-Phasenschieber (20) als getrennte Erregerquelle zugeordnet ist, wobei eine Laststeuereinrichtung für den Synchron-Phasenschieber (20) vorgesehen ist. Der Synchron-Phasenschieber (20) ist über eine Kupplung (34) an eine Last (36) in Form einer Maschine anschließbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellengeneratoranlage, insbesondere für Schiffe, bei der ein von einer Hauptmaschine mit veränderbarer Drehzahl angetriebener Wechselstromwellengenerator über einen Umrichter Wechselspannungs-Sammelschienen eines Bordnetzes mit konstanter Frequenz und konstanter Wechselspannung speist und der Umrichter einen Gleichrichter und einen Wechselrichter besitzt, wobei der Wechselrichter mittels einer Synchronmaschine lastgeführt ist, mit eine Last darstellenden Verbrauchern.

Als Wellengeneratoranlage dient bei bekannten Ausführungen eine Anordnung, bei der ein Wechselstromwellengenerator mechanisch mit einer Hauptantriebsmaschine (Dieselmotor) gekuppelt ist, deren Drehzahl veränderbar ist Die vom Wechselstromwellengenerator abgegebene Energie variabler Frequenz und Spannung wird über einen Gleichrichter gleichgerichtet und über einen Gleichstromzwischenkreis einem getrennt erregten Wechselrichter zugeführt, dem ein Synchron-Phasenschieber zugeordnet ist. Der Wechselrichter formt die gleichgespannte Energie variabler Größe in Wechselspannungsenergie konstanter Frequenz und konstanter Spannung um, die dann den Wechselspannungs-Sammelschienen eines Bordnetzes zugeführt wird. Der Wechselstromwellengenerator und der Synchron-Phasenschieber sind jeweils mit einer Erregeranordnung ausgerüstet.

Die Blindleistung, die für das Kommutieren in dem Wechselrichter erforderlich ist, wird von dem Synchron-Phasenschieber geliefert, während die Wirkleistung über den Wechselrichter den Sammelschier.en des Bordnetzes zugeführt wird. Dabei kann die Wirkleistungsabgabe des Wellengenerators durch Einstellen des Erregerstromes des Wechselstromgenerators eingeregelt werden.

Wellengeneratoranlagen haben den Vorteil, daß Kraftstoff für das Antriebssystem eingespart werden kann und daß verschiedene Verbraucher über die Wellengeneratoranlage mit konstanter Wechselspannung und konstanter Frequenz gespeist werden können. Es ist jedoch erforderlich, die Wellengeneratoranlage sofort außer Betrieb zu setzen, wenn eine untere Drehzahl unterschritten wird oder die Hauptantriebswelle angehalten wird.

Aus dem Siemens Sonderdurck aus »New Ships/Die Neubauten« 15. Jahrgang 1970, H. 1, Seiten 6 bis 9 ist eine Wellengeneratoranlage für Schiffe bekannt, bei der

ein von einer Hauptmaschine mit veränderbarer Drehzahl angetriebener Wechselstromwellengenerator über einen Umrichter Wechselspannungs-Sammelschienen eines Bordnetzes mit konstanter Frequenz und konstanter Wechselspannung speist Der Umrichter besitzt einen Thyristor-Wechselrichter, dem ein Synchronphasenschieber als getrennte Erregerquelle zugeordnet ist, wobei eine Laststeuerungseinrichtung für den Synchronphasenschieber vorgesehen ist, der über eine Kupplung an einen Dieselmotor anschließbar ist Bei dieser bekannten Ausführung dient der Dieselmotor dazu, vor Inbetriebnahme des Wellengenerators den Synchron-Phasenschieber hochzufahren, um die Arbeitsbedingungen für die Inbetriebnahme des Wellengenerators zu schaffen. Ist der Wellengenerator dann eingeschaltet, so wird der Synchron-Phasenschieber durch Lösen der Kupplung vom Dieselmotor abgekuppelt Der Dieselmotor wird dann stillgesetzt und der Synchron-Phasenschieber läuft als Synchronmotor weiter, wobei er die erforderliche Blindleistung für den Wechselrichter und die Verbraucher des Bordnetzes liefert. Dem Bordnetz sind weitere von je einem Dieselmotor angetriebene Generatoren zugeordnet die bei niedrigen Drehzahlen oder einem Stoppen der Hauptantriebswelle die Energieversorgung übernehmen (siehe auch Hans-Schiffahrt-Schiffbau-Hafen, 1969, Seiten 905 bis 907).

Aus dem Bordnetz werden neben zahlreichen elektrisch angetriebenen Hilfsmaschinen, die für den Schiffsund Maschinenbetrieb unter Deck aufgestellt werden und für die sich im allgemeinen eine Drehzahländerung während des Betriebes erübrigt, auch Verbraucher wie z. B. Motoren von Fischnetzwindenantrieben betrieben, denen zur Drehzahlsteuerung Thyristorsteller vorgeschaltet werden. Auch bei Winden- und Kranantrieben werden Motoren über Thyristoren aus dem Drehstrom-Bordnetz gespeist (VDI-Zeitschrift 109 [1967], Nr. 32 November - Seiten 1536,1537).

Aus der DE-OS 15 88 461 ist es bekannt, eine Last an die Synchronmaschine anzukuppeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wellengeneratoranlage den Aufwand zum Betrieb von eine Last darstellenden drehzahlvariablen Verbrauchern zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Wellengcneratoranlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Last über eine Kupplung an den Synchron-Phasenschieber anschließbar ist und der Umrichter bei Anschaltung an den WcI-

lengenerator und Abtrennung vom Bordnetz oder bei Anschaltung an das Bordnetz und Abtrennung vom Wellengenerator zur Drehzahlsteuerung der Last dient

Auf diese Weise kann die Wellengenaratoranlage nicht nur zur Umwandlung in Energie mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung verwendet werden, sondern über den Synchron-Phasenschieber zusätzlich auch für den Antrieb und Steuerung der Last Insbesondere ist es möglich, nach Trennen des Wechselrichters von den Wechselstromsammeischienen und Einspeisen der Wirkleistung in den Synchronphasenschieber diesen als drehzahlgesteuerten Elektromotor zu betreiben und mit ihm die Last anzutreiben. Dabei ist es mit wenigen Mitteln möglich, eine Anlauf-Geschwindigkeitssteuer-Charakteristik eines Wechselstrommotors ohne Kommutator zu erzielen. Über die eigentliche Funktion der Wellengeneratoranlage hinaus — eine konstante Frequenz und konstante Spannung zu erzeugen — kann also auch eine Wechselspannung mit veränderbarer Frequenz und Spannung für bevorzugte Verbraucher bereitgestellt werden, ohne daß ein gesonderter Thyristorsteller erforderlich ist Damit ist auch eine große Last insbesondere bei niedriger Schiffsgeschwindigkeit oder im Stillstand des Schiffes in der Drehzahl auf einfache Weise regelbar. Dies führt zu herabgesetzten Kosten des gesamten Antriebssystems. Wird die Last mit Energie von den Wechselspannungs-Sammelschienen gespeist so wird eine Herabsetzung des elektrischen Stoßes auf den Wechselspannungs-Sammelschienen beim Anfahren der Last mit hohen Drehmoment und kleinem Strom ermöglicht, weil der Synchron-Phasenschieber mit kleiner Frequenz und kleiner Spannung angefahren werden kann.

Beim Starten einer Last mit großer Leistungsaufnahme kann andererseits der Wellengenerator von den Wechselspannungs-Sammelschienen abgetrennt werden und die Last mit Energie vom Wellengenerator gespeist werden. Dadurch wird eine Beeinflussung anderer vom Bordnetz gespeister Lasten vermieden.

Derartige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Darin zeigt

F i g. 1 eine Wellengeneratoranlage, die eine als Maschine ausgebildete Last speist,

F i g. 2 einen anstelle eines Gleichrichters eines Gleichstromzwischenkreises und eines Wechselrichters verwendbaren Direktumrichter und

F i g. 3 und 4 nähere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wellengeneratoranlage.

In Fig. 1 ist ein Wechselstromwellengenerator 12 mechanisch mit einer Hauptantriebsmaschine 10 gekuppelt deren Drehzahl variabel ist. Die vom Wechselstromwellengenerator 12 abgegebene Energie wird über Gleichrichter 14 gleichgerichtet und über einen Gleichstromzwischenkreis 16 einem getrennt erregten Wechselrichter 18 zugeführt. Ein Synchron-Phasenschieber 20 dient als getrennt erregende Speisequelle für den getrennte erregten Wechselrichter 18, der die gleichgespannte Energie in Wechselspannungsenergie umrichtet, die dann den Wechselspannungs-Sammelschienen 24 eines Bordnetzes über einen Schalter 22 zugeführt wird. Mit 26 und 28 sind eine Erregerwicklung bzw. eine Erregeranordnung für den Wechselspannungswellengenerator 12 bezeichnet und mit 30 und 32 eine Erregerwicklung bzw. Erregeranordnung für den Synchron-Phasenschieber 20.

Blindleistung, die zum Kommutieren in dem getrennt erregten Wechselrichter 18 erforderlich ist wird vom Synchron-Phasenschieber 20 in die Wechselspannungs-Sammelschienen 24 eingespeist während Wirkleistung über den Wechselrichter 18 den Wechselspannungs-Sammelschienen 24 zugeführt wird. Die Wirkleistungsabgabe der Wellengeneratoraniage kann dabei durch Veränderung des Erregerstromes des Wechselstromwellengenerators 12 eingeregelt werden. Dabei wird trotz variabler Drehzahl des Wechselstromwellengenerators 12 eine konstante Frequenz bei konstanter Spannung erreicht

Eine Last 36 in Form einer Arbeitsmaschine ist mit dem Synchron-Phasenschieber mittels einer Kupplung 34 verbunden. Zur Steuerung der Last wird der Schalter 22 geöffnet und dann der Synchron-Phasenschieber 20 mit der Last 36 über die Wellen mittels der Kupplung 34 verbunden. Damit ist der gesamte Ausgang des Wechselrichters 18 über den Synchron-Phasenschieber 20 auf die Last 36 geschaltet In diesem Fall kann die Zahl der Umdrehungen der Last durch Einstellen der Spannung im Gleichstromzwischenkreis 16, der den Gleichrichter 14 und den Wechselrichter 18 verbindet, eingestellt werden.

Eine Schaltungsanordnung, die den Gleichrichter 14 und den Wechselrichter 18 enthält bzw. einen Wechselrichter mit variabler Frequenz und variabler Spannung kann auch durch Verwendung eines Drehstrom-Umrichters ohne Verwendung eines Gleichstromzwischenkreises 16 gebildet werden — wie dies F i g. 2 zeigt Diese Ausführung ist für eine Steuerung solcher Lasten geeignet, bei denen häufig wiederholende Start- und Stop-Manöver ausgeführt werden oder die ein großes Drehmoment beim Hochlaufen erfordern.

Darüber hinaus ist es — wie Fig.3 zeigt — auch möglich, den Wechselstromwellengenerator 12 mit dem Gleichrichter 14 über einen Schalter 38 zu verbinden und die Eingangsklemmen des Gleichrichters 14 an die Wechselstromsammelschienen 24 über einen Schalter 40 anzuschließen. Mit dieser Anordnung kann die Drehzahl der Last 36 kontinuierlich gesteuert werden, wenn der Wechselstromgenerator 12 mit niedriger Geschwindigkeit umläuft oder stillsteht, und zwar durch Abschalten des Wechselstromwellengenerators 12 von dem Umrichter, indem der Schalter 38 geöffnet wird und dann Wechselstromenergie von den Wechselstromsammeischienen 24 des Bordnetzes in den Gleichrichter 14 durch Schließen des Schalters 40 eingespeist wird. Hierbei wird angenommen, daß die Wechselstromsammelschienen 24 mit einer bestimmten Wechselspannungsenergie von einem anderen Versorgungskreis, z. B. einem Bordnetzgenerator, gespeist werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft für den Gleichrichter 14 einen Stromrichter mit veränderbarer Gleichspannung wie z. B. einen gesteuerter Gleichrichter in Drehstrombrükkenschaltung (»Thyristor-Vorwärts-Brückenkreis«) einzusetzen, wodurch es ermöglicht wird, eine veränderbare Gleichspannung in den Gleichstromzwischenkreis 16 einzuspeisen.

Bei dem vorliegenden Laststeuersystem, ist für den ω Fall, daß die als Last 36 dienende Maschine mit einer konstanten Drehzahl betrieben wird, der Schalter 22 während des Startvorganges der Last 36 geöffnet und der Schalter 22 nach dem Anlaufvorgang der Last geschlossen, um sie mit den Wechelspannungs-Sammelschienen 24, wie in F i g. 2 gezeigt, zu verbinden, so daß Energie nicht nur zu der mit dem Synchron-Phasenschieber 20 gekuppelten Last 36, sondern auch zu einer mit den Wechselspannungs-Sammelschienen verbun-

denen anderen Last gelangt.

Bei einer Steuerung der Drehzahl mehrerer Lasten wird jede Last 42 bzw. 44 über eine Kupplung 46 bzw. 48 mit einem Synchron-Phasenschieber 50 bzw. 52 gekuppelt (F i g. 4). Dabei können die Synchron-Phasenschieber 50,52 mit den Ausgangsklemmen des Wechselrichters 18 und/oder den Wechselspannungs-Sammelschienen 24 über die Schalter 54, 56 und 58, 60 verbunden werden. Bei dieser Ausführung wird zuerst der Schalter 54 geschlossen, um die Last 42 über den Wechselrichter hochzufahren, dann wird der Schalter 54 geöffnet, nachdem der Schalter 56 geschlossen wurde und die Last 42 mit den Wechselspannungs-Sammelschienen 24 verbunden, dann wird der Schalter 58 geschlossen, um die Last 44 über den Wechselrichter 18 zu starten und danach wird der Schalter 58 geöffnet, nachdem der Schalter 60 geschlossen wurde und damit die Last 44 mit den Wechselspannungs-Sammelschienen 24 verbunden. Mit diesen Verfahrensschritten kann eine Vielzahl von Lasten 42,44 usw. nacheinander gestartet werden.

Wie ersichtlich, kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung dann, wenn an eine Hauptantriebswelle zum Antrieb eines Schiffes oder dergleichen eine Wellengeneratoranlage angeschlossen wird, diese ihren Betrieb sogar dann fortsetzen, wenn die Hauptantriebswelle in einen herabgesetzten Drehzahlbereich gebracht wird oder in einen nicht mehr betriebsfähigen Bereich abfällt. Es können dadurch an sich erforderliche Speiseeinrichtungen auf einem Schiff eingespart werden und es ist ein Betrieb mit gutem Wirkungsgrad für verschiedene Schiffsantriebe möglich. Besonders vorteilhaft ist das vorliegende System für Schiffsantriebe mit großen Lasten einsetzbar, die mit niedriger Geschwindigkeit betrieben werden oder auch im Stillstand des Schiffes wie z.B. für Schleppnetzwinden in Trawler-Booten, für belastete ölpumpen in einem Tanker, für Bugstrahlruder während eines Manövers ir einem Hafen oder für Abgasturbolader für Automobile. Insbesondere kann das vorliegende System auch dann eingesetzt werden, wenn der Wechselstromwellengenerator außer Betrieb ist, und es kann auf einfache Weise eine Geschwindigkeitssteuerung für jede mit dem Synchron-Phasenschieber gekuppelte Last vorgenommen werden, was zu herabgesetzten Kosten des ganzen Systems und auch zu einer gesteigerten Verfügbarkeit des Wellengenerators führt

Darüber hinaus kann durch das Laststeuersystem der Erfindung dann, wenn eine Last mit großer Leistungsaufnahme gestartet wird, der Wellengenerator von den Wechselspannungs-Sammelschienen abgetrennt werden, und die Last mit Energie von dem Wellengenerator gespeist werden. Dadurch wird eine Beeinflussung anderer vom Bordnetz gespeister Lasten vermieden. Wird die Last mit Energie von den Wechselspannungs-Sammelschienen gespeist, so wird andererseits eine Herabsetzung des elektrischen Stoßes auf den Wechselspannungs-Sammelschienen beim Anfahren der Last mit hohem Drehmoment und kleinem Strom ermöglicht, weil der Synchron-Phasenschieber mit kleiner Frequenz und kleiner Spannung angefahren werden kann.

Bezugszeichenliste

10 mit variabler Drehzahl arbeitende Hauptantriebsmaschine

12 Wechselstromgenerator

14 Gleichrichter

16 Gleichstromzwischenkreis

18 Wechselrichter

20 Synchron-Phasenschieber

22 Schalter

24 Gleichstromsammeischienen

26 Erregerwicklung

28 Erregereinrichtung

30 Erregerwicklung

32 Erregereinrichtung

34 Kupplung

36 sich drehende Last

38 Schalter

40 Schalter

42 Last

44 Last

46 Kupplung

48 Kupplung

50 Synchron-Phasenschieber

52 Synchron-Phasenschieber

54 Schalter

56 Schalter

58 Schalter

60 Schalter

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wellengeneratoranlage, insbesondere für Schiffe, bei der ein von einer Hauptmaschine mit veränderbarer Drehzahl angetriebener Wechselstromwellengenerator über einen Umrichter Wechselspannungs-Sammelschienen eines Bordnetzes mit konstanter Frequenz und konstanter Wechselspannung speist und der Umrichter einen Gleichrichter und einen Wechselrichter besitzt, wobei der Wechselrichter mittels einer Synchronmaschine lastgeführt ist, mit eine Last darstellenden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (36) über eine Kupplung (34) an den Synchronphasenschieber (20) anschließbar ist und der Umrichter (14, 16,1.8) bei Anschaltung an den Wellengenerator und Abtrennung vom Bordneu oder bei Anschaltung an das Bordnetz und Abtrennung vom Wellengenerator zur Drehzahlsteuerung der Last (36) dient

2. Anordnung zur Steuerung der Last nach Anspruch 1, bei der die Ausgangsklemmen des Umrichters über einen Schalter mit den Wechselspannungs-Sammelschienen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (22) beim Starten der Last offen ist und nach dem Startvorgang der Last geschlossen wird.

3. Anordnung zur Steuerung der Last nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lasten (42, 44) mit einer Vielzahl von Synchron-Phasenschiebern (50, 52) über entsprechende Kupplungen (46, 48) verbunden ist und die Synchron-Phasenschieber (50, 52) parallel an die Ausgangsklemmen des Umrichters und an die Wcchselspannungs-Sammelschienen (24) über Schalter (56,60) anschließbar sind.