DE653360C - Elektrischer Schiffschraubenantrieb mit Asynchronmotoren - Google Patents

Description

REICH

ENTAMT

Zwecks Erzielung niedriger Gewichte und Konstruktionsleistungen der Generatoren werden zum Schraubenantrieb mit Vorliebe Synchronmotoren verwendet, die im Dauerbetrieb auf cos φ = ι erregt sind.

Wirtschaftlich ist diese Maßnahme sehr zweckmäßig, doch hat sie infolge des starren Charakters jeder Synchronmaschine gewisse Nachteile betriebstechnischer Art.

Speist z. B., wie es häufig der Fall ist, ein Generator gleichzeitig die Antriebsmotoren beider Schiffsseiten, so laufen diese unabänderlicherweise mit genau gleicher Drehzahl. Diese Eigenschaft ist durchaus nicht immer vorteilhaft, z. B. nicht, wenn Wind und Seegang das Schiff vom gewünschten Kurse abdrängen. Beim gewöhnlichen Dampfbetrieb genügen kleine Unterschiede in der Drehzahl der Steuerbord- oder Backbordmaschine, um das erwähnte störende Drehmoment aufzuheben, beim elektrischen Synchronbetrieb bleibt nur der Ausweg, das Schiff ständig mit dem Ruder zu stützen, was Brennstoff-, Fahrt- und Zeitverlust bedeutet.

Ferner aber sind beim Synchronbetrieb nicht nur die Drehzahlen der beiden Schrauben z. B. eines gewöhnlichen Zweiwellenschiffes genau gleich, sondern auch die gegenseitige Stellung der Propellerflügel ist unabänderlich, sobald die Motoren einmal in Tritt gefallen sind. Es ist bekannt, daß der durch eine Schraube üblicher Bauart erzeugte Wasserstrom weder nach Druck- noch nach Geschwindigkeitsverhältnissen homogen ist und dadurch, abhängig von Flügelzahl und -stellung sowie der Drehzahl, Erschütterungen des Hinterschiffes hoher Frequenz erzeugt werden, die besonders auf Passagierschiffen sehr störend sind, vornehmlich, wie bei allen Schwingungsvorgängen, wenn Resonanz der Störquellen untereinander wie mit der Eigenschwingungszahl des angestoßenen schwingungsfähigen Gebildes, das ist in diesem Fall der Schiffskörper, vorliegt.

Wenn sich nun, auch beim Synchronbetrieb, die Resonanz mit dem Schiffskörper durch Änderung der Generatordrehzahl mildern läßt, so bleibt die der Störquellen so lange bestehen, als die gegenseitige Flügelstellung der beiden Propeller unverändert bleibt. Jede änderung aber verlangt ein umständliches, schwieriges und in seinem Erfolg dem Zufall anheimgegebenes Manöver, denn es ist notwendig, z. B. durch Aberregen, einen der beiden Synchronmotoren kurzzeitig außer Tritt fallen und dann wieder in Tritt ziehen zu lassen mit einer Winkelverschiebung, die nach Bruchteilen einer Flügelteilung zählt.

Schließlich darf in diesem Zusammenhang die Grundsehwäche aller Schiffsschraubenantriebe mit Synchronmotoren normaler Bauart mit ausgeprägten Polen und Dämpferkäfig nicht unerwähnt bleiben, das ist die relativ geringe Manövrierfähigkeit. Für jedes Maschinenmanöver steht als Arbeitswicklung nur der Dämpferkäfig zur Verfügung mit seinem relativ schlechten Anlaufwirkungsgrad und seiner begrenzten Wärmekapazität. Bei rasch

aufeinanderfolgenden, zeitlich ausgedehnten Manövriervörgängen ist seine Beanspruchung daher sehr groß und die Gefahr von unerwünschten Materialdehnungen nicht zu vermeiden.

Alle diese Mangel werden bei einem elektrischen Schiffsschraubenantrieb mit Asynchronmotoren, die über den Läufer von beliebig angetriebenen Drehstromkollektormaschinen gespeist werden, erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß zur Einstellung der Grunddrehzahl der Asynchronmotoren die Generatorfrequenz geändert wird und daß zur Einstellung des gegenseitigen Geschwindigkeitsverhältnisses der Schrauben die Größe und die Phase der Erregerspannung der mit Schlupf frequenz erregten Drehstromkollektormaschinen, welche hauptsächlich zur Lieferung von Blindleistung an die zugehörigen Schraubenmotoren dienen, geändert wird.

Die Grundidee der Erfindung ist hierbei:

1. Das Prinzip der Frequenzregelung der Generatoren wird beibehalten, denn wollte man bei konstanter Frequenz die Drehzahländerung der Wellen innerhalb des gesamten Geschwindigkeitsregelbereiches in die Kommutatorhintermaschinen von Asynchronmotoren verlegen, müßten diese sehr große Abmessungen erhalten und würden dementsprechend teuer und- schwer, also unwirtschaftlich.

2. Das Prinzip, mit einem Leistungsfaktor gleich oder annähernd gleich der Einheit zu fahren, wird im Interesse der Generatorabmessungen und -gewichte beibehalten, doch werden nicht Gleichstrom-, sondern Drehstromkollektormaschinen verwendet.

3. Der im Schiffsbetrieb empfindliche betriebstechnische Nachteil aller Synchronmotoren und der gewöhnlichen Asynchronmotoren, in Parallelschaltung mit genau gleicher oder praktisch gleicher, unveränderlicher Drehzahl zu laufen, wird beseitigt durch Heranziehung der nach 2. vorhandenen Drehstromkollektormaschinen zur Aufnahme oder Abgabe von Wirkleistung an die asynchronen Hauptmotoren in den bestimmten Grenzen, die zum Kurshalten des Schiffes in Wind und Seegang notwendig sind, d. h. die Hauptmotoren können ähnlich wie Wärmekraftmaschinen innerhalb bestimmter Grenzen bei konstanter Frequenz mit untereinander verschiedener, frei und unabhängig voneinander wählbarer Drehzahl laufen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.

In der Abb. 1 bedeuten 1 die Zuleitungskabel und 2 die Ständerwicklung eines beispielsweise dreiphasig betriebenen Propeller-

60' motors, dessen Drehzahl in beim Schiffsbetrieb allgemein üblicher Weise in weiten Grenzen durch Frequenzregelung vom Generator aus geändert werden kann. Die Läuferwicklung 3 sei ebenfalls dreiphasig gedacht, ist aber nicht wie bei den bekannten Schrau-. b'enantrieben mit Asynchronmotoren im Dauerbetrieb kurzgeschlossen, sondern an die Klemmen einer Drehstromkollektormaschine4 geschaltet. Diese Maschine wird zweckmäßig kompensiert und mit festen Bürstensätzen sowie mit Wendezähnen ausgeführt. Sie wird mit 'einer Hilfsmaschine 5 gekuppelt, die je nach Zweckmäßigkeit eine Synchronmaschine (S. M.), eine Asynchronmaschine (A. M.) oder auch eine Gleichstrommaschine (G. M.) sein kann. In den beiden ersteren Fällen ist sie am einfachsten als mit · dem Ständen: des Propellermotors parallel geschaltet zu denken.

Die Erregung der Drehstromkollektormaschine muß einerseits selbsttätig mit Schlupffrequenz, andererseits mit einer Spannung erfolgen, die nach Größe und Phase frei wählbar ist.

Hierfür ist gemäß Abb. 1 ein dreiphasig gedachter Serientransformator 6 vorgesehen, dessen Sekundärwicklung an ihren Klemmen a, b, c die Schlupf frequenz aufweist. Die zugehörige Spannring wird zunächst in dem Induktionsregler 7, etwa vom Übersetzungs- go verhältnis 1:1, auf den gewünschten Wert dear Größe nach und in dem als reiner Phasentransformator wirkenden Induktionsregler 8 auf die gewünschte, zur "jeweiligen Arbeitsweise der Erregermaschine 4 passende Phase gebracht. Die Erregerwicklung der Drehstroitnkollektormaschine 4 ist in der Abb. 1 mit 9 bezeichnet. Da für beide Transformationen Induktionsregler vorgesehen sind, ist ein sehr hoher Wert der Feineinstellung erreichbar.

Ihrem Wesen nach ist die Drehstromkollektormaschine zunächst dazu bestimmt, den Blindverbrauch des Propellermotors zu decken, d. h. ihn im Dauerbetrieb¹ auf cos φ=-ΐ zu halten. Erfindungsgemäß aber wird sie des weiteren samt dem zugehörigen Antriebsmotor 5 der Größe nach derart bemessen, daß sie, z. B. durch Aufnahme von Wirkleistung, den Schlupf des Hauptmotors in den Grenzen regeln kann, die durch die obigen Ausführungen angedeutet sind.

Will man zwecks möglichster Einfachheit der Steueranlage die Induktionsregler vermeiden, so zeigt Abb. 2 einen der hierfür mögliehen Wege.

Die Sekundärklemmen a; b, c des Serientransformators 6 seien an die Klemmen a',b',c' eines kleinen Synehronmotors angeschlossen, dessen Ständer 10 drehbar ist, wie es die nach rechts und links weisenden Pfeile andeuten sollen. Sein Läufer 11 ist mechanisch

gekuppelt mit der Bürstenbrücke eines Potentiometers 12, das, über einen Durchmesser m-n mit Gleichstrom gespeist, in aus der Fernmeldetechnik für Geber bekannter Weise mittels dreier Schleifbürsten und-ringe zur Erzeugung eines Drehfeldes geeignete Spannungen oder Ströme liefert, die der hier in Dreieckschaltung der drei Phasen angedeuteten Ständerwicklung 9/ der Drehstromkollektormaschine zugeführt werden. In Reihe mit dem Potentiometer liegt der gewöhnliche Feldregler 13.

Die richtige Erregerfrequenz wird automatisch durch den kleinen Synchronmotor gegeben, während die Stärke der Erregerspannungen mittels des Feldreglers 13, ihre Phase durch Drehen des Ständers 10 des Synchronmotors beliebig einreguliert werden kann.

Selbstverständlicherweise kann eine solche rein auf Gleichstrom als Erregerquelle eingestellte Anordnung, wie sie oben der Einfachheit wegen dreiphasig beschrieben wurde, je nach den vorliegenden Anforderungen der Praxis auch mit anderen Phasenzahlen im Erregerkreis ausgeführt werden und soll hierbei erfindungsgemäß nicht etwa auf symmetrische und balancierte Systeme beschränkt sein.

In der Abb. 1 ist die Läuferwicklung 3 als gewöhnliche Dreiphasensternschaltung angedeutet. Bezüglich ihrer praktischen Ausführung hat die Forderung denkbar größter Einfachheit im Vordergrund zu stehen mit Rücksicht auf die Raum- und Betriebsverhältnisse an Bord. Dem trägt die in der Abb. 3 schematisch dargestellte Ausführung Rechnung. Dem Wesen nach handelt es sich um einen Läufer mit ausgeprägten Polen, im Äußeren sehr ähnlich dem sogenannten PoI-rad einer Synchronmaschine. Tatsächlich a.ber ist jeder Einzelpol eines solchen in mehrere Pole, je nach der gewünschten Phasenzahl im Sekundärkreis des Propellermotors, aufgelöst, dergestalt, daß jedes so neu entstehende Polpaar zu einer Phase gehört. Dementsprechend stellt also Abb. 3 einen dreiphasigen, zweipoligen Läufer dar. Jeder Einzelpol trägt als Wicklung eine gewöhnliche Spulenwicklung. Die Spulen jedes PoI-paares sind hintereinandergeschaltet zu denken. Unter der üblichen Voraussetzung gleichen Wickelsinnes aller Einzelspulen entstehen drei mit A₁, A₁J, Am bezeichnete Wicklungsanfänge und desgleichen drei Wicklungsenden E/, Eu, Em, die um je 120⁰ elektrisch gegeneinander verschoben sind. Schließt man die Anfänge miteinander kurz, so erhält man offensichtlich auch in dieser Spezialanordnung eine dreiphasige', symmetrische Sternschaltung, deren offene Enden E₁ bis E_1n entweder, z. B. beim Manövrieren, auf Widerstände geschlossen oder, z. B. im Dauerbetrieb, an die Klemmen der Drehstromkollektormaschine unter Zwischenschaltung des erwähnten Serientransformators 6 augeschlossen werden können, wobei es auch zweckdienlich sein kann, beide Anordnungen gleichzeitig zu verwenden, zu den Widerständen Drosselspulen parallel zu schalten usw.

Die in der üblichen Weise mit Punkt und Kreuz gekennzeichnete Stromverteilung ist in der Abb. 3 für den Augenblick dargestellt, in dem von der Drehstromkollektormaschine her in Phase III bei E₁₁₁ der Maximalwert des Stromes eintritt, mithin in den beiden anderen Phasen oder Polpaaren der Halbwert des Erregerstromes herrscht. Das Polpaar ΙΙΙ-Ι1Γ ist daher ziffernmäßig mit 100 °/₀ erregt, die beiden anderen mit je 50°/o- Da die Erregung des Polrades mehrphasig ist, so wandert nach bekannten Gesetzen diese Stromverteilung mit Schlupf frequenz über das Polrad hin.

In der Abb. 3 ist schließlich noch eine über den Durchmesser gewickelte Spule 14 angedeutet, die mit Gleichstrom schwach erregt zu denken ist. Bei der gezeichneten Stromverteilung würde sie im Augenblick die mehrphasige Erregung unterstützen und demgemäß eine halbePeriode der Schlupf frequenz später schwächen. Ihre Wirkung besteht also darin, dem konstanten asynchronen Drehmoment ein synchrones Drehmoment zu überlagern, dergestalt, daß ein schwach pulsierendes resultierendes Drehmoment auf den Läufer ausgeübt wird. Letzterer wird dadurch in gleichmäßigen Intervallen samt dem Propeller beschleunigt und wieder verzögert, d. h. jeder Schraubenflügel pendelt um eine relative Mittellage mit einer durch die Gleichstromerregung der Hilfswicklung 14 einstellbaren Amplitude. Es ist dies als eine Feineinstellung zu betrachten, um Schwingungsreste beseitigen zu können. Zur Dämpfung des in der Spule 14 entstehenden Wechselstromes können bekannte Mittel, wie hohe Ohmsche Vorschaltung, Drosselspulen usw., dienen.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrischer Schiffsschraubenantrieb mit Asynchronmotoren, deren Läufer an mit Schlupffrequenz erregte Drehstromkollektormaschinen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Grunddrehzahl der Asynchronmotoren die Generatorfrequenz geändert wird und daß zur Einstellung des gegenseitigen Geschwindigkeitsverhältnisses der Schrauben die Größe und die Phase der Erregerspannung der mit Schlupffrequenz erregten Drehstromkollektormaschinen, welche hauptsächlich zur Lieferung von

   Blindleistung an die zugehörigen Schrau-■ -bcnmotoren dienen, geändert wird.
2. 2. Elektrischer Schiffsschraubenantrieb nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eiiiregelung der Erregerspannung mit der Schlupffrequenz der Drehstromkollektormaschine nach Größe und Phase ein Serientransformator mit zwei dähintergeschalteten, voneinander unabhängigen ίο Induktionsreglern dient.
3. 3. Elektrischer Schiffsschraubenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei schweren Manövern die Sekundärwicklung jedes asynchronen Schraubenmotors von der Drehstromkollektormaschine abgeschaltet und mit Ohmschen Widerständen, zu denen gegebenenfalls Drosselspulen parallel geschaltet werden, verbunden wird.
4. 4. Elektrischer Schiffsschraubenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Serientransformator mit Schlupf frequenz gespeister Synchronmotor mit drehbarem Primärteil die Bürstenbrücke eines mehrphasigen Spannungsreglers antreibt, der über einen Regler mit Gleichstrom veränderlicher Stärke gespeist wird und mehrphasige Erregerspannungen für die Erregung der Drehstromkollektormaschine liefert, deren Phase durch Drehen des Primärteiles des Synchronmotors und deren Größe mittels des Reglers im Gleichstromkreis einstellbar sind.
5. 5, Elektrischer Schiffsschraubenantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil' jedes Schraubenmotors als Polrad mit ausgeprägten Polen ausgebildet und jeder Hauptpol in Teilpole aufgeteilt ist, deren Zahl je Hauptpolteilung durch die Phs>;.-:i>:ahl des Sekundärteiles gegeben ist.
6. 6. Elektrischer Schiffsschraubenantrieb nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil jedes Schraubenmotors außer der mehrphasigen Arbeits- oder Erregerwicklung eine mit Gleichstrom erregte, je die Teilung eines Hauptpoles umschlingende Erregerwicklung besitzt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen