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Elektrischer Schiffsantrieb. Elektrische Schiffsantriebe mit Asvnchron-Zeneratoren
sind bekannt. Die Erfindung besteht darin, daß die Asvnchrongeneratoren auf S"\-nchromnotoren
arbeiten, die zum Zwecke des Anlassens, LTmsteuerns und langsamen Laufs von einer
unabhängigen Hilfsstromquelle mit veränderlicher Frequenz betrieben werden.
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Der Antrieb gemäß der Erfindung bietet die Vorteile einer kräftigen
und dabei doch leichten elektrischen Einrichtung, die Möglichkeit, mehrere Generatorgruppen
parallel zu
schalten und den Vorteil, daß verschiedene Geschwindigkeiten
mit gleichbleibender Wirtschaftlichkeit durchgeführt «erden können.
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Die. Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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-\lili. i veranschaulicht schematisch die allgeineine Anordnung der
Anlage.
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Ahh. 2 zeigt die für das Anlassen verwendete Vorrichtung.
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Abb. 3 ist schematische Teilansicht der Primärwicklung des Generators
bei Änderung der Polzahl.
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Abh. d. ist ein Schema der Verbindungen des Motors mit dein Generator
für zwei wesentliche Schiffsgeschwindigkeiten.
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Abb. 5 ist ein solches Schema für drei wesentliche Geschwindigkeiten.
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Abb. 6, 7 und 8 sind Vereinfachungen des Schemas nach Abh. 5.
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Hiernach ist (Ahb. i) eine Wärineniaschine i o (z. B. Dampfturbine)
mit Kraftregler i i mit einem mehrphasigen Asvnchrongenerator 12 gekuppelt. Der
Rotor dieses Generators hat einen sekundären Stromkreis, dessen Widerstand geändert
werden kann, der aus der Wickelung 13, den Schleifringen 14 und einem Widerstand
15 l:esteht, geändert werden kann. Die Kleinrnen der Primärwickelung des Generators
sind mit den Klemmen 18 eitler :\Iehrphasen-Wechselstroniniaschine i9, welche die
Schraube 2o antreibt, verbunden; in die betreffende Leitung ist ein Strombrecher
i 7 eingeschaltet. Die Maschine 19 wirkt hinsichtlich der Wattleistung als Motor
und hinsichtlich der wattlosen Leistung als Generator; sie empfängt aktive Energie
des Generators und gibt ihin die gesamte heuötigte magnetische Energie. Die Maschine
i 9 ist vorn Tvo der Svnchronniotoren; ihre Pole, von denen nur ein Teil dargestellt
ist, haben Feldspulen, welche durch die rnit einer GleichstromleitUng 22, unter
Zwischenschaltung eines Regulierwiderstandes 23 und eines Feldausschalters 2d.,
verbundenen Schleifringe 21 mit Gleichstrom gespeist werden. Die Maschine ist den
Synchronmotoren für Landanlagen ähnlich; ihre Wirkungsweise ist aber insofern diesen
Motoren nicht vollständig gleich, als ihre Frequenz nicht einer äußeren Stromquelle
rnit bestimmter Frequenz angepaßt ist, sondern in besonderer Weise von der die Schraube
antreibenden :Maschine, selbst hei gleichbleibender Geschwindigkeit des Generators,
nach und nach geändert werden kann. Ihre Bauart ist einfacher, da sie keine Dämpfungsstronikreise
oder Kurzschlußanker zum Anlassen und Abstellen benötigt. Zum Anlassen. Unisteuern
und für (las ':Manövrieren hei geringer Geschwindigkeit dient der Drehschalter 25,
ein Widerstand rnit Komrnutator, deren Bürsten finit den Kleinrnen des Antriebsmotors
verbunden sind; in die betreffende Leitung ist ein Strombrecher 26 eingeschaltet.
Die L"m(ireliungsgescliwindigkeit .dieses Widerstandes und damit die Frequenz der
WechselstKinie an den Bürsten. kann durch Regelung der Elen Widerstand 25 unitreiljenden
kleinen Gleichstrotnrnaschine 2;, deren Kraft nur die Reibung des Widerstandes 25
zti überwinden hat und deshalb gering sein kann, vermittels der Widerstände 28 und
29 in der Speiseleitung dieser Maschine geändert werden. Für die elektrische Bremsung,
und zwar gleichzeitig sowohl des Antriebsmotors der Schraube als des Generators,
sind die Widerstände 30 vorgesehen. Soll das mit voller Geschwindigkeit fahrende
Schiff gestoppt «-erden, ist der Vorgang folgender: .\Ian schaltet die Widerstände
30 Mittel> des Schalters 3i ein und stellt den Dampf oder die Brennstoffzufuhr
der :Maschine io ab. Die Geschv-indigkeit der umlaufenden Teile nimmt dann ab, his
die von der Schiffsbewegung rnit,.,renoininene Schraube ein Drehnioinent hat gleich
deni Widerstandsmoment der als @\ echselstroniniaschine auf die Widerstände wirkenden
Antriebsmaschine 19. Bekanntlich ist (las Drehrnoinent der Schraube bei voller Schiffsgeschwindigkeit
gleich (lein normalen Moment der Antriebsmaschine. Die elektrische Bremsung vollzieht
sich im Gegensatz zu den gewöhnlichen Antriebsarten, bei denen (las Schiff noch
eine verhältnismäßig Leträ chtliche Strecke durchläuft bevor die Bremswirkung eintritt,
sofort und zwar ohne Umkehr der Schrauben. Soll (las Schiff viillig zum Anhalten
gebracht werden, schaltet man den Generator 12 ab, hält durch Kurzschluß der Widerstände3o
die Antriebsmaschine ic nahezu an und steuert auf Rücklauf mittels des Drehschalters
25 in gleicher Weise wie für Vorwärtsanlauf. Nachlein die kritische Geschw@indigkeit
überwunden ist, wird der Motor i9 mit dein Generator 12 verhunrlen Lind das Schiff
hält an. Der Drehschalter 25 wird, sobald der Motor 19 vorn Generator 12 eine ausreichende
Kraft für entsprechenden Rücklauf erhält, abgeschaltet.
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Abb. 2 zeigt eine Anordntuig, durch welche rnan für (las Schiff zwei
wirtschaftliche Geschwindigkeiten und günstige llanöv@ierfähigkeit hei geringen
Geschwindigkeiten erhält. Sie besteht in der Anwendung eines Asvnchrongenerators
mit Käfigwickelung. welcher eine Änderung der Polzahl (furch einfache Änderung der
Verbindungen zwischen Generator und Schrauhenrnotor ermöglicht, ohne Zuhilfenahme
von mehreren getrennt liegenden Wickelungen oder Spulenabsclinitten unter Änderung
der inneren Verbindungen.
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Wenn der Generator zwei verschiedene Polzahlen
ermöglicht,
ergehen sich entsprechend der Polzahl zwei verschiedene Werte der viechanischen
Frequenz bei gleichbleibender `inlaufsgeschwindigkeit des Generators. Die Anordnung
nach Abb. z ermöglicht vier oder zwei Generatorpole, und inan hanri finit zwei Polen
eine Schiffsgeschwindigkeit erhalten, «-elche ungefähr gleich der halben, vier Polen
entsprechenden normalen ist.
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Der Wechsel der Pölzahl des Generators hat außerdem den Vorteil, selbsttätig
den Widerstand des sekundären Stromkreises, d.li. des Käfigwiclcelungsankers, für
die geringere Polzahl zti erhöhen. -Man bekommt einen größeren sekundären Widerstand
für geringe Geschwindigkeiten, was in Bezug auf (las Anlassen des Motors und den
gleichmäßigen Lauf hei erhöhter Schlüpfung, d. h. bei sehr geringen Geschwindigkeiten,
von sehr großem Wert ist. Die Zunahme des Widerstandes des Käfigwickelungsankers
ergibt sich leicht 1 ei einem gegebenen Stabe für den Rotor, cla der Strom in den
Ringen des Käfigwickelungsankers der Polteilung proportional, (l. 1i. der Polzahl
unigekehrt proportional ist. Da die Jouleverluste in den Ringen mit dem Otiadrat
des Stromes steigen, vervierfacht sich bei der halben Polzahl, d. h. bei Verdoppelung
der Polteilung, der entsprechende Widerstand der Ringe des Käfigwickeliuigsankers.
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Die Statorwickelung des Generators ist eine Zweilagerparallelwickelung
und hat eine gewisse Zahl von Stromabnehmern a, a (Sbb. 3).
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Die in Abb. q. dargestellte Anordnung erniögliclit vier oder zwei
Pole des Generators; vier Pole entsprechen der normalen, zwei Pole der halben Schiffsgeschwindigkeit,
und ergeben eine bequeme Steuerung unter dieser halben Geschwindigkeit durch einfache
Regelung des Erregerstrornes des Antriebsinotors der Schraule, d. h. der Spannung
der Anlage, so daß Änderung der Schlüpfung im Generator erhalten wird.
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Die Statorwickelung des Generators G hat zwölf Abnehmer
a, a, und zwar bei vier Polen drei gleich weit auseinanderliegende für jeden
Pol, je zwei einander gegenüberliegende können als parallelgeschaltete betrachtet
«-erden; bei zwei Polen bleibt ein Abnehmer über zwei unverbunden. Für den Wechsel
der Verbindungen' zwischen Generator und Motor dienen die Umschalter I,
I." I.. Je nach der Polzahl wird der Wickelungsschritt entsprechend der Polteilung
verkürzt öder verlängert, die durch die Art der Verbindungen der Generatorkleminen
mit den verschiedenen Phasen des Antriebsmotors Lestinimt wird. Bei Zweilagenwickelung
kann die Polteilung ohne Beeinträchtigung der Maschine wesentlich verschieden vom
Wickelungsschritt sein. Jede der Phasen I, II, III des Antriebsmotors ist in zwei
Stromkreise -in, na;, m_, m.`" m.,, m': geteilt, welche durch die Schalter Il, I.,
I3 bei großer Geschwindigkeit parallel und bei niederen Geschwindigkeiten in Reihe
geschaltet werden. Durch die Umkehrschalter I', l'.. l:üiinen zwei Phasen für den
Rücklauf umgelegt werden. Der Drehschalter R wird durch eine kleine Gleichstrommaschine
e getrieben, deren Geschwindigkeit durch den mit der Leitung in Reihe geschalteten
Widerstands gesteuert wird.
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Abb.5 zeigt eine Anordnung für einen Generator mit sechs, vier und
zwei Polen, «-elche drei Geschwindigkeiten ermöglichen: volle, zweidrittel und halbe
Geschwindigkeit. Diese Anordnung entspricht besondersKriegsschifFen, da sie zum
Kreuzen eine Geschwindigkeit von etwa zwei Dritteln der normalen gestattet.
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Die Verbindungen zwischen dem Generator und den Sammelschienen I,
1I, III sind in den Abb. 6, 7 und 8 dargestellt.
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Für die Höchstgeschwindigkeit ist der Generator in Sechsphasenschaltung
mit sechs Polen, für die Zweidrittelgeschwindigkeit in Dreiphasenschaltung mit vier
Polen (ya ist dabei der neutrale Punkt), für die halbe Geschwindigkeit in Sechsphasenschaltung
mit zwei Polen verbunden. Die Änderung der Polzahl des Generators erfolgt durch
die Schalter A, B, C, wie für eine Phase (wegen der CTbersichtlichkeit der
Abbildung) dargestellt ist. In Wirklichkeit sind jeweils drei Kontaktsysteme
A, B, C vorhanden. Die Kombination mit sechs Polen " wird durch Schließen
der Kontakte Al, B, Cl, die mit vier Polen durch die Kontakte A.,
B_" Co, die mit zwei Polen durch Ao, Bo, C, erhalten. Jede der drei Phasen des Antriebsniotors
ist in zwei Stromkreise geteilt, welche für die volle und Zweidrittelgeschwindigkeit
parallel und für die halben und geringen Geschwindigkeiten durch die Schalter 1I,
I@ 1. in Reihe geschaltet werden können.
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Die Umkehr des Ganges vollzieht sich durch Umtauschen zweier Phasen
mittels des Umkehrschalters v.
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Durch die nur für eine Phase gezeichneten Ausschaltvorrichtungen D
kann der Generator vom Motor getrennt und der Strom für vollen Gang abgeschaltet
werden. Die Kontakte Il, Iz, I3 und A, B, C können dann stromlos betätigt
werden.
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Der sich drehende Schalter ist hier mit R bezeichnet; F sind die Bremswiderstände
mit Schaltern und Ku.rzschlußschaltern.
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Die beschriebenen Anordnungen haben nachstehende besondere Vorteile:
Für eine Ttirliine als Wärmemotor hat der Asynchrongenerator initKäfigwickelungsanker
den
Vorteil einfacher und widerstandsfähiger Bauart; die Ringe des Käfigankers sind
viel lotterhafter als die Spulenköpfe der gebräuchlichen svnchronen Wechselstromniaschinen;
die Isolation des Rotorstromkreises ist einfacher: die Ringe und Schienen des Käfigwickelungsankers
können vorteilhaft so angeordnet sein, (1a13 sie einen Haupteffekt gehen, was bei
großer Schlüpfung wichtig ist, 11111 (len @\'iderstand des Käfigwickelungsankers
hei geringen Geschwindigkeiten noch mehr zu erhöhen; die Änderung des sekundären
Widerstandes durch Änderung der Polzahl der Primärwickelung macht die Anwen(lung
eines 1 ewickelten Rotors mit Ringen und Widerstand unnötig, die hei Maschinen mit
großer Geschwindigkeit und großer Kraft immer unerwünscht sind.
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Ein ganz besonderer Vorteil der Anlage besteht in der Schnelligkeit,
mit welcher die Schalter gelegt werden können. Bei den gebräuchlichen Turbowecliselstrotnniascliineti
ist die Zeitkonstante der l:eldwickelung sehr groß, d. h. die zurrt ErIllschen der
magnetischen Strrniitiiig erforderliche Zeit beträgt mehrere Sekunden, wogegen sie
iin vorliegenden Falle praktisch der der Feldwickelung der Antriebsmaschine, welche
wegen der geringeren Polteilung gegenüber einer Turbowechseistrominaschine sehr
viel kürzer ist, gleich ist. Wenn man den Erregerstrom des Antriebsmotors unterbricht,
erlischt deshalb die Spannung sofort und die J,#nderungen der Verbindungen können
sich über toten Leitungen vollziehen.
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Bei der Anwendung eines Generators mit Käfigwickelungsanker und Polzahländerung
wird <las Schiff in folgender Weise auf seine Geschwindigkeit gebracht: Man läßt
den - Antriebsmotor mittels des Drehschalters anlaufen, bis seine Geschwindigkeit
über die kritische, (l. i. z. B. io Prozent zier normalen, steigt, und verbindet
ihn dann mit dein Generator bei geringer Polzahl. Uni ein genügendes Drehinoinent
für die Beschleunigung und seine schnelle Auswirkung zu erreichen, ist die augenblickliche
Übererregung des Motors wichtig, ebenso eine entsprechende Verminderung (leg Generatorgeschwindigkeit
(z. B. auf -die Hälfte). In dein Augenblick, wenn der :Motor in Tritt kommt, stellt
man auf normale Geschwindigkeit ein. Sobald das Schift eine (leg niederen Polzahl
des Generators entsprechende Geschwindigkeit erreicht hat, stellt inan die Dampf-
oller Brennstoffzufuhr entsprechend ab; Generator und Motor verlangsamen ihren Gang,
ebenso die Schraube, und sobald diese leerläuft, verbindet man den --\lot(-)r mit
der Höheren Polzahl des Generators.
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Bei Anwendung eines Generators mit vier und zwei Polen erreicht das
Schlüpfen in dieseln Augenblick ungefähr 5o Prozent. Durch vorübergehendes Übererregen
des Motors erhält inan ein elektrisches Drehniotnent, welches genügt, bei leerlaufender
Turbine den Motor der Schraube zu beschleunigen und den Generator zu verlangsanien.
Die Schlüpfung im Generator vermindert sich und (las Drehtnoinent steigt schnell,
bis der Motor in Tritt kommt. Sodann stellt man die Dampf- oder Brennstoffzufuhr
wieder an und bringt den t-jenerator dadurch auf seine normale Geschwindigkeit.
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Für die Umkehrung des Ganges zerfährt inan in derselben Weise, indem
inan zunächst die Schraube durch die elektrische Bremsung fast bis zum Stillstand
bringt. Will inan eine sehr rasche Unisteuerung. so wird der Generatorgang verlangsamt
und der -Motor inoinentan übererregt, tlin ein Drehinoinent zu erzielen, (las (las
durch die @ch@t@sgeschw@ndigkeit der Schraube aufgedrückte überwindet.