DE3836418A1

DE3836418A1 - Energieversorgungsanlage fuer dieselmotorschiffe mit festpropeller

Info

Publication number: DE3836418A1
Application number: DE3836418A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Kranert
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1988-10-26
Filing date: 1988-10-26
Publication date: 1990-05-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanlage gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Derartige Anlagen weisen im wesentlichen einen von der Hauptan triebsmaschine angetriebenen Wellengenerator mit Gleichstrom zwischenkreis und Blindleistungsmaschine sowie zwei Dieselaggre gate auf. Während der Wellengenerator die Bordnetzleistung P _N erzeugt, die sich bei verminderter Drehzahl der Hauptantriebs maschine auf k · P _N mit k <1 verringert, dienen die Dieselag gregate als Bordnetzaggregate zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das Bordnetz bei verminderter Drehzahl der Hauptan triebsmaschine oder während eines Anfahrvorganges oder eines Um steuervorganges von voraus- auf Rückwärtsdrehzahl oder umgekehrt.

Die nationalen Bauvorschriften der Klassifikation für Schiffe (z.B. Germanischer Lloyd) und die Regeln der Internationalen Marine Organisation fordern für die Bordnetzversorgung, daß bei Ausfall eines Aggregates ein Reserveaggregat die Haupt energieversorgung übernehmen kann und alle Betriebszustände, auch das Anfahren aus dem Betriebszustand "Null" der Haupt antriebsmaschine, mit dem Reserveaggregat gefahren werden kann. Hierbei ist der Wellengenerator in der Regel so ausgelegt, daß er bis ca. 70% der Hauptmaschinen-Drehzahl die Bordnetzleistung P _N abdecken kann. Seine Auslegungsleistung liegt somit bei ca. 140% P _N bei Hauptdiesel-Nenndrehzahl.

Da die Schiffe selten mit maximaler Fahrt betrieben werden, die Kühlwasserpumpen und Maschinenraumlüfter als Hauptverbraucher dann jedoch wesentlich geringere Leistung benötigen, geht man aus Einsparungsgründen dazu über, entweder dann das Bordnetz mit Gleitfrequenz zu fahren oder die Pumpen und Lüfter durch Dreh zahlregelung oder durch polumschaltbare Motoren dem veringerten Leistungsbedarf anzupassen. In den unteren Fahrtstufen des Schiffes sinkt die Bordnetzleistung dann auf ca. 75%P _N. Diesem verringerten Leistungsbedarf steht bei einem normal ausgelegten Schiff eine erheblich höhere installierte Generatorleistung gegen über, so daß Investitions- und Wartungskosten hoch sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungs anlage der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß eine kontinuierliche und unterbrechungsfreie Stromversorgung auf Motor schiffen auch bei einer Verringerung der Leistung und/oder Anzahl der Dieselgeneratoren unter Beachtung und Erfüllung von natio nalen und internationalen Bauvorschriften sichergestellt ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.

Besondere Vorteile der Erfindung sind in der Einsparung an In vestitions- und Wartungskosten aufgrund der Verwendung von mehr elektrotechnischen Bauteilen und weniger verschleißbehafteten Maschinenbauteilen gegenüber den herkömmlichen Anlagen zu sehen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 7 beschrieben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Energieversorgungsanlage bestehend aus einer Wellen generatoranlage und zwei Dieselaggregaten als Bordnetz aggregate, und

Fig. 2 eine ähnliche Anlage wie in Fig. 1, jedoch mit nur einem Bordnetz-Dieselaggregat und einem zusätzlichen Not-Diesel aggregat.

In beiden Figuren sind das Bordnetz mit 1, die Schalter für die wichtigen Verbraucher mit 2, die Schalter für die unwichtigen Verbraucher mit 3 sowie die Wellengeneratoranlage mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Diese Anlage besteht im wesentlichen aus einer Hauptantriebsmaschine 4, die über eine Hauptwelle 5 einen Festpropeller 6 antreibt, einem Wellengenerator 7, einem Gleichstromzwischenkreis 8 mit Frequenzumrichter 81, Gleichrich ter 82 und Zwischenkreisdrossel 9 und einer Blindleistungsma schine 10. Weiterhin ist eine Batterie 11 als Energiespeicher vorhanden, die elektrische Leistung in den Gleichstromzwischen kreis 8 über einen Chopper 12 und die Zwischenkreisdrossel 9 ein speisen kann. Die Batterie 11 ist über eine zeichnerisch nicht dargestellte Ladeeinrichtung direkt vom Wellengenerator 7 oder vom Gleichstromzwischenkreis 8 aufladbar. Auch kann eine Fre quenzregelung durch eine unterlagerte Zwischenkreisstrom- bzw. -leistungsregelung und Ansteuerung des Choppers 12 erfolgen.

Die in Fig. 1 dargestellte Energieversorgungsanlage weist weiterhin zwei Dieselaggregate 13 und 14 auf, die jeweils für annähernd halbe Bordnetzleistung (0,5 · P _N) ausgelegt und auf eine ge meinsame Teilsammelschiene 15 aufschaltbar sind. Die Teilsam melschiene 15 kann über einen Schalter 15 mit dem Bordnetz 1 verbunden werden. Der Wellengenerator 7, der - ebenso wie bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage - im gesamten Betriebsdreh zahlbereich (25-100%) der Nenndrehzahl der Hauptantriebsma schine 4 bei voraus- und Rückwärtsdrehzahl in das Bordnetz 1 einspeist, deckt gemeinsam mit einem Dieselaggregat 13 oder 14 bei minimaler Drehzahl, d.h. bei 25% der Nenndrehzahl der Hauptantriebsmaschine 4 die reduzierte Bordnetzleistung ab. Hierbei wird das Dieselaggregat 13 oder 14 erst bei Drehzahlen kleiner als 70% der Nenndrehzahl zum Wellengenerator 7 zu synchronisiert. Die damit verfügbare Leistung von 25% P _N ist selbst bei minimaler Drehzahl der Hauptantriebsmaschine 4 für das Bordnetz 1 ausreichend. Abhängig vom Umsteuer- oder Anlaß befehl wird das zweite Dieselaggregat 15 bzw. 14 zusynchroni siert. Damit ist eine Forderung erfüllt, daß für alle Betriebs zustände die Bordnetzleistung ohne "blackout", d.h. unterbrechungs los sichergestellt ist.

Bei Ausfall eines der drei Aggregate kann eine Unterbrechung der Versorgung in Kauf genommen werden. Der "blackout" Zustand soll zeitlich jedoch kurz sein. Ein Ausfall des allein spei senden Wellengenerators 7 ist solch eine Situation. Erfindungs gemäß erfolgt dann eine Hochlaufsynchronisation der beiden Diesel aggregate 13 und 14 auf die Teilsammelschiene 15 mit anschließen der Zuschaltung dieser Schiene über den Schalter 16 auf die Hauptsammelschiene 1. Damit ist die "blackout"-Zeit minimal.

Bei Ausfall eines Dieselaggregates 13 bzw. 14 und "Umsteuer befehl" fehlt für sehr kurze Zeit (5-10 S) die anteilige Energie des Wellengenerators 7. Diese kann von einer Batterie 11 in den Zwischenkreis 8 über einen Chopper 12 und die Zwischen kreisdrossel 9 eingespeist werden. Die Frequenzregelung wird dabei, wie bei normalem Wellengenerator-Betrieb, durch unterlagerte Leistungsregelung erfolgen, wobei diese durch den Chopper 12 ausgeregelt wird. Bei Erreichen von ca. -25% der Nenndrehzahl der Hauptantriebsmaschine 4 erfolgt wieder Wellengenerator-Be trieb. Die Batteriespannung wird dabei auf < 50% der Zwischen kreisnennspannung ausgelegt, da bei minimaler Drehzahl des Wel lengenerators 7 seine Spannung auch abgesunken ist. Die bei heutigen Fahrbatterien erreichte Stoßaufladung und die volle Ausnutzung des Spannungshubes der Batterie 11 durch den Chopper 12 ermöglichen die Minimierung der Batteriegröße. Es sei darauf hingeweisen, daß alternativ der Energiespeicher 11 entfallen kann, wenn die Abschaltung der unwichtigen Verbraucher 3 eine so große Entlastung bringt, daß das verbleibende Aggregat die wichtigen Verbraucher 2 versorgen kann.

Im Gegensatz zu der Anlage aus Fig. 1 weist die in Fig. 2 dar gestellte Energieversorgungsanlage neben der Wellengeneratoran lage, dessen Wellengenerator 7 bei minimaler Drehzahl (25% der Nenndrehzahl) der Hauptantriebsmaschine 4 die reduzierte Bord netzleistung allein abdeckt, ein Dieselaggregat 17 als Bordnetz aggregat und ein als Notaggregat ausgebildetes Dieselaggregat 18 auf. Das Bordnetzaggregat ist für die Erzeugung der Bordnetz leistung P _N ausgelegt, und versorgt im Hafen oder beim Umsteuern das Bordnetz 1. Schaltet man zum Umsteuern die unwichtigen Ver braucher 3 ab, so ist zum Umsteuern, wie oben beschrieben, eine Batterieeinspeisung für den Betrieb der wichtigen Verbraucher 2 geeignet. Läßt man den Wellengenerator 7 auch beim Anlassen und Umsteuern, z.B. ab ±10% n _N parallel zur Batterie 11 mit einspeisen, so kann die Batteriegröße klein gehalten werden. In diesem Fall ist das Bordnetzaggregat 17 ein reines Hafenaggregat mit minimaler Wartung und sein Ausfall für den See- und Revier fahrtbetrieb ohne direkte Folgen auf den Bordbetrieb.

Alternativ zur Batteriestützung des Netzes kann das vorhandene Notaggregat 18 bei Ausfall des Bordnetzaggregates 17 entsprechend den vorschriften des Germanischen Lloyd zum Anlaßvorgang aus dem Zustand "Null" benutzt werden, indem es die "wichtigen" ver braucher 2 für die Hauptantriebsmaschine 4 speist; gleiches gilt auch für einen Umsteuervorgang.

Grundsätzliche Voraussetzung für die beiden Energieversorgungs anlagen der Fig. 1 und 2 sind Wellengeneratoren 7 mit Gleich stromzwischenkreisen 8, die im gesamten Drehzahlbereich und auch bei Teillast einen guten Wirkungsgrad haben. Der große Wellen generator 5 nach Fig. 2 arbeitet in weitem Bereich in Feldschwächung und hat infolge stark verminderter Eisenverluste einen verbesser ten Wirkungsgrad.

Energiewirtschaftliche Verbesserungen ergeben sich dadurch, daß bei beiden Anlagen der Einsatz der Dieselgeneratoren, die einen schlechteren Wirkungsgrad haben als der große Hauptdiesel, mini miert wird. Weiterhin wird der Hauptdiesel im unteren Drehzahl bereich dauernd durch einen Teilbetrag oder die gesamte Bordnetz leistung belastet und damit der Teillastwirkungsgrad des Haupt diesels verbessert.

Sicherheitstechnisch ergibt sich für beide Anlagen eine Verbes serung beim Crash-Stop, da beim Umsteuern infolge der Netzbe lastung im Wellengenerator 7 eine schnellere Abbremsung des Propellers 6 und damit eine kürzere Umsteuer- und Stopzeit er reicht wird. Ein sonst oft praktizierter "blackout" beim Crash- Stop, wenn schneller umgesteuert werden soll und vorher Wellen generator-Alleinbetrieb war, aber die Dieselgeneratoren nicht schnell genug starten können, ist zumindest bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Anlage nicht zu erwarten, da das Bordnetzaggregat 17 sehr lange Zeit hat, um zu starten und zum Wellengenerator 7 zuzusynchronisieren.

Claims

1. Energieversorgungsanlage für Dieselmotorschiffe mit Festpro peller bestehend aus

- einem von der Hauptantriebsmaschine angetriebenen Wellengene rator mit Gleichstromzwischenkreis und Blindleistungsmaschine zur Erzeugung der Bordnetzleistung P _N , die sich bei vermin derter Drehzahl der Hauptantriebsmaschine auf k · P _N (k<1) verringert, und
- zwei Dieselaggregaten zur Einspeisung von elektrischer Lei stung in das Bordnetz bei verminderter Drehzahl der Hauptan triebsmaschine oder während eines Umsteuervorganges von Voraus- auf Rückwärtsdrehzahl oder umgekehrt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Wellengenerator (7) im gesamten Betriebsdrehzahlbe reich (d.h. von +100% bis +25% und von -25% bis -100% der Nenndrehzahl) der Hauptantriebsmaschine (4) bei voraus- und Rückwärtsdrehzahl in das Bordnetz (1) einspeist,
- daß die beiden Dieselaggregate (13, 14) für jeweils annähernd halbe Bordnetzleistung (0,5 · P _N) ausgelegt und auf eine ge meinsame Teilsammelschiene (15) aufschaltbar sind,
- daß der Wellengenerator (7) so ausgelegt ist, daß er gemeinsam mit einem Dieselaggregat (13, 14) bei minimaler Drehzahl (25% der Nenndrehzahl) der Hauptantriebsmaschine (4) die reduzierte Bordnetzleistung abdeckt,
- daß im fehlerfreien Normalbetrieb während eines Umsteuer- oder eines Anfahrvorganges der Hauptantriebsmaschine (4) beide Dieselaggregate (13, 14) die Bordnetzversorgung übernehmen,
- daß bei Ausfall des allein speisenden Wellengenerators (7) beide Dieselaggregate (13, 14) beim Starten auf die Teilsammel schiene (15) geschaltet und unter gleichzeitiger Erregung hoch gefahren werden, und
- daß bei Ausfall eines Dieselaggregates (13, 14) während eines Umsteuervorganges oder des Anlaufes der Hauptantriebsmaschine (4) die unwichtigen verbraucher (3) abgeschaltet und/oder die kurzzeitig ausfallende vom Wellengenerator (7) erzeugte Lei stung von einem Energiespeicher (11) in den Gleichstromzwischen kreis (8) der Wellengeneratoranlage eingespeist wird.

2. Energieversorgungsanlage für Dieselmotorschiffe mit Festpro peller bestehend aus

- einem von der Hauptantriebsmaschine angetriebenen Wellengene rator mit Gleichstromzwischenkreis und Blindleistungsmaschine zur Erzeugung der Bordnetzleistung P _N, die sich bei vermin derter Drehzahl der Hauptantriebsmaschine auf k · P _N (k<1) verringert, und
- zwei Dieselaggregaten zur Einspeisung von elektrischer Lei stung in das Bordnetz bei verminderter Drehzahl der Hauptan triebsmaschine oder während eines Umsteuervorganges von Voraus- auf Rückwärtsdrehzahl oder umgekehrt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Wellengenerator (7) im gesamten Betriebsdrehzahlbe reich (d.h. von +100% bis +25% und von -25% bis -100% der Nenndrehzahl) der Hauptantriebsmaschine (4) bei voraus- und Rückwärtsdrehzahl in das Bordnetz (1) einspeist und derart ausgelegt ist, daß er bei minimaler Drehzahl (25% der Nenn drehzahl) der Hauptantriebsmaschine (4) die reduzierte Bord netzleistung allein abdeckt,
- daß ein Dieselaggregat (17) als Bordnetzaggregat für die Er zeugung der Bordnetzleistung (P _N) ausgelegt ist, das bei Aus fall des Wellengenerators (7) in das Bordnetz (1) einspeist und im fehlerfreien Normalbetrieb während eines Umsteuer- oder eines Anfahrvorganges der Hauptantriebsmaschine (4) die Bordnetzversorgung übernimmt, und
- daß bei Ausfall des Bordnetzaggregates (17) beim Umsteuern oder Anfahren der Hauptantriebsmaschine (4) die unwichtigen verbraucher (3) abgeschaltet und eine Einspeisung von einem Energiespeicher (11) in den Bleichstromzwischenkreis (8) der Wellengeneratoranlage (7) kurzzeitig erfolgt oder daß die Speisung der betriebswichtigen verbraucher (2) von dem zweiten als Notaggregat ausgebildeten Dieselaggregat (18) durchgeführt wird.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher (11) eine Batterie vorgesehen ist, die in den Gleichstromzwischenkreis (8) der Wellengeneratoranlage über einen Chopper (12) und die Zwischenkreisdrossel (9) elektrische Leistung einspeist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bat terie (11) über eine Ladeeinrichtung direkt vom Wellengenerator (7) aufladbar ist.

5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bat terie (11) über eine Ladeeinrichtung vom Gleichstromzwischen kreis (8) aufladbar ist.

6. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzregelung durch eine unterlagerte Zwischenkreisstrom- bzw. -leistungsregelung und Ansteuerung des Choppers (12) er folgt.

7. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wellengenerator (7) auch im Anfahr- oder Um steuerbetrieb der Hauptantriebsmaschine (4), in dem die Hauptan triebsmaschine (4) mit Preßluft betrieben wird, elektrische Leistung anteilmäßig in das Bordnetz (1) einspeist.