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Anordnung zum elektrischen Antrieb von Schiffsschrauben durch Asynchron-Wechselstrommotoren.
Für Schiffsantriebe großer Leistung ist der Antrieb mit Asynchronmaschinen mit Rücksicht
auf ihre Einfachheit und Betriebssicherheit in erster Reihe brauchbar. Ein Nachteil
dieses Antriebes besteht jedoch darin, d.aß es nicht möglich ist, bei diesen Maschinen
eine weitgehende Drehzahlregelung bei geringen Geschwindigkeiten zu erzielen. Um
dies zu erreichen, hat man vorgeschlagen, zu dem Drehstromantrieb bei geringen Geschwindigkeiten
einen Gleichstromantrieb hinzuzuschalten, so daß auf der Schraubenwelle ein Drehstrommotor
und ein Gleichstrommotor angeordnet sind. Die Nachteile, die die Anordnung von zwei
getrennt benutzten Motoren auf einer Welle mit sich bringt, werden bei einer anderen
bekannten Anordnung dadurch vermieden, daß zwar nur ein Asvnchonmotor für den Antrieb
der Schraube verwendet wird, dieser aber für die Regelung der Schraubengeschwindigkeit
aus einem Gleichstrom-Wechselstromumformer gespeist wird, der seinen Strom aus einem
Wechselstrom-Gleichstroinumformer erhält, dem die Energie aus dem für volle Fahrt
verwendeten Wechselstromgenerator zugeführt wird. Hierfür ist aber eine große Anzahl
von Maschinen erforderlieh,
außerdem arbeitet die Antriehsinaschine
für den Generator für große Fahrt bei geringen Geschwindigkeiten und geringen Leistungen
unwirtschaftlich.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine andere Anordnung zum elektrischen
Antrieb von Schiffsschrauben, wonach sowohl für große Geschwindigkeit und große
Leistung als auch für geringe Geschwindigkeit und geringe Leistung der gleiche Motor
dient, der jedoch im ersten Falle aus einem kollektorlosen Synchron- oder Asynchrongenerator
gespeist wird, im zweiten Falle aus einer Maschine mit von dem mechanischen Antrieb
des Generators für große Fahrt unabhängiger Energiezufuhr.
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Einige Ausführungsbeispiele für diesen Erfindungsgedanken sind in
den Abb. i bis 3 der Zeichnung veranschaulicht und in folgendem beschrieben. Bei
der Anordnung nach Abb. r wird der die Schraube p antreibende Asynchronmotor na
in jenen Betriebsperioden, die große Leistung und große Geschwindigkeit erfordern
(große Fahrt), aus dem kollektorlosen Generator h mit der Antriebsmaschine
d
angetrieben, der als Synchron- oder Asynchrongenerator ausgeführt sein kann.
Für kleine Leistung und kleine Geschwindigkeit (kleine Fahrt), während der eine
weitgehendere Regelung wünschenswert ist, dient der Kollektorgenerator g mit der
besonderen Antriebsmaschine d', die von der Maschine d mechanisch unabhängig ist.
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Durch Bürstenverschiebung oder durch Regelung des Übersetzungverhältnisses
kann in an sich bekannter Weise die in dem Kollektorgenerator erzeugte Frequenz
geregelt und damit der Schraubenmotor gesteuert werden. Die Umsteuerung des Schraubenmotors
erfolgt am einfachsten durch Vertauschen zweier Phasenleitungen. Als Schraubenmotor
kann ein beliebiger Asynchroninotor dienen, am einfachsten ein solcher mit Kurzschlußläufer.
Verwendet man einen Schleifringläufer, so erlaubt dieser noch den besonderen Vorteil,
daß der Motor mit dem Kollektorgenerator in Kaskade geschaltet werden kann, so daß
eine weitgehende wirtschaftlich günstige Drehzahlregelung unter Aufrechterhaltung
der Turbinendrehzahl erzielt wird.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. r zur Speisung des Motors
für die kleinen Geschwindigkeiten ein Wechselstromgenerator .dient, können für diesen
Zweck auch Gleichstrom - Wechselstrornumformer verwendet werden, ohne rlaß es erforderlich
wäre, diese über einen Wechselstrom-Gleichstromumformer aus dem Wechselstromgenerator
für große Fahrt zu speisen. Dies ist insbesondere dann wertvoll, wenn es sich tun
den Antrieb von Unterseebooten bei Unterwasserfahrt handelt, bei denen dann die
zum Antrieb erforderliche Energie einer Akkuinulatorenbatterie entnommen wird. Man
schaltet dann, wie dies die: Ausführungsbeispiele nach Abb. 2 und 3 zeigen, zwischen
die Akkumulatorenbatterie a, die zum Antrieb bei Unterwasserfahrt dient, und den
Drehstromschraubenmotor m einen Kollektorumformer, z. B. einen Einankerumformer,
Kaskadenumformer oder Motorgenerator.
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Für Überwasserfahrt wird dann der reine Drehstrornantrieb verwendet.
Dagegen wird der Erfindung gemäß für Unterwasserfahrt der Strom der Gleichstrombatterie
zunächst in einem Kollektorumformer it in Drehstrom verwandelt und in dieser Form
dem Schraulienmotor zugeführt.
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Als` Umformer wird man einen Einankerumformer vorziehen, der sich
als schnelllaufende Maschine mit gutem Wirkungsgrad ausführen läßt. Raumbedarf und
Gewicht fallen erheblich kleiner aus als die eines unmittelbar auf die Schraubenwelle
arbeitenden Motors. Ein solcher Motor nämlich kann nur für die verhältnismäßig niedere
Drehzahl der Schraube ausgeführt werden, falls man nicht eine besondere Übersetzung
anordnen will. Ein weiterer Nachteil eines solchen Motors, abgesehen von seinem
:großen Gewicht, besteht u. a. auch darin, daß man eine besondere Kupplung braucht,
wenn die Schraube längere Zeit aus der Gleichstrommaschine betrieben werden soll,
um den Wechselstrommotor abschalten zu können, dessen Reihungsverluste bei langen
Betriebszeiten, wie sie :gerade bei der Unterwasserfahrt von Unterseebooten in Frage
kommen, von ungünstigem Einfluß auf den Aktionsradius sein können. Andererseits
wird auch bei der Verwendung von zwei Motoren auf der Schraubenwelle mit Rücksicht
auf die großen zu beschleunigenden :Massen die Steuerfähigkeit der Schraube beeinträchtigt.
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Durch Verwendung eines Umformers ergibt sich somit eine einfache Anordnung,
eine Ersparnis an Gewicht. Andererseits kann der schnellaufende kleine Umformer
mit ge.-rin.gein Raumbedarf bequem an beliebigen .Stellen und auch mit beliebiger
Achsrichtung im Schiffsraum untergebracht werden.
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Auch der Wirkungsgrad wird günstiger als bei Verwendung eines besonderen
Schraubenmotors, weil der Drehstrommotor auch bei den geringen in Frage kommenden
Belastungen mit hohem Wirkungsgrad ausgeführt werden kann und der schnellaufende
Einankertnnformer an sich schon einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Ein weiterer nicht unbeträchtlicher Vorteil besteht darin, daß jetzt
die Ladung der Batte-12 rie ohne weiteres bei ruhender Schraubenwelle und mit hohem
Wirkungsgrad erfolgen
kann, während man bei anderen Antrieben die
Schraube abkuppeln müßte, um den Gleichstrommotor als Ladegenerator verwenden zu
können.
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Um die Geschwindigkeit des Schraubenmotors zu regeln, können verschiedene
Wege eingeschlagen werden. Es kann der Schraubenmotor polumschaltbar angeordnet
werden, es kann ferner auch die Gleichstromanordnung, bestehend aus Batterie .und
Umformer, durch Serienparallelschaltung der Batterieteile oder mehrerer Umformer
oder beider in für Gleichstrommotoren bekannter Weise geregelt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 3. Dort ist der Umformer doppelt
ausgeführt. Die beiden Gleichstromseiten können in Reihen- oder Nebeneinandersch.altung
an .die Batterie gelegt werden. Bei Schiffen mit Doppelschraubenantrieb können auch
die Umformer beider Schiffsseiten :gleichstromseitig in Reihe oder nebeneinander
geschaltet werden. Die Wechselstromseiten läßt man dann am besten, um das Auftreten
von Ausgleichströmen zu vermeiden, auf getrennte Wicklungen des Motors oder eines
Transformators t arbeiten, der zwischen Motor und Kollektorumformer geschaltet wird.
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Die verschiedenen Geschwindigkeitsstufen für den Gleichstromantrieb
können mit den für Gleichstrom- oder Wechselstrommaschinen bekannten Mitteln gleichstromseitig
oder wechselstromseitig eingestellt werden. Zur Feinregelung kann die Feldregelung
-des Umformers dienen. Hierdurch wird ohne weiteres eine Frequenzänderung zur Regelung
des Motors erzielt. Das Umsteuern des Motors kann auch hier durch Vertauschen der
Phasenleitungen vorgenommen werden. Der Umformer kann dann seine Drehrichtung beibehalten,
so daß die schnellaufenden Massen des Umformers nicht mit verzögert und beschleunigt
werden müssen.
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Bei den eigenartigen Betriebsverhältnissen, die bei dem hier beschriebenen
Schiffsantrieb vorliegen, können Störungen, die sonst bei Einankerumformern :beim
Betriebe von der Gleichstromseite aus zu erwarten sind, hier nicht auftreten. So
können die Maschinen nicht leicht pendeln, weil derMotor asynchron ist. Außerdem
wirkt die Schraube, deren Drehmoment mit der dritten Potenz der Drehzahl ansteigt,
günstig. Andererseits kann aber auch der Einankerumformer nicht durchgehen, weil
die feldschwächende Wirkung des wattlosen Stromes bei Belastung durch den Motor
das gefährliche Maß nicht überschreiten kann. Statt eines Einankerumformers kann
man, wie schon erwähnt," auch einen Motorgenerator oder einen Kaskadenumformer verwenden,
wobei der Zwischentransformator entbehrlich wird.
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Für -das Laden der Batterie sind besondere Zusatzmaschinen oder Apparate
nicht nötig; man kann vielmehr die vorhandenen Maschineneinrichtungen verwenden.
Man speist hierzu den Umformer wechselstromseitig von der Dampfmaschine aus mit
einer für die Batterieladung passenden Spannung und regelt @diese Spannung beispielsweise
durch Feldregelung des Drehstrouigenerators. Zum Laden der Batterie ist es nicht
einmal nötig, den Hauptmotor abzustellen. Es kann aus dem Generator :gleichzeitig
die Batterie geladen und der Motor betrieben werden, so -daß also das Aufladen der
Batterie jederzeit bei Überwasserfahrt erfolgen kann und beides, Batterieladung
und Geschwindigkeitsregelung, unabhängig voneinander beherrschbar sind. Die Geschwindigkeitsregelung
des Motors erfolgt nämlich durch Frequenzregelung, also durch Änderung der Turbinendrehzahl,
während der Ladevorgang durch Spannungsänderung, also durch Feldregelung es Motors,
beherrscht sind.