DE668133C - Verfahren zum Umsteuern eines elektrisch angetriebenen Schiffes - Google Patents

Description

Zum Antrieb der Propeller bei Schiffen mit elektrischer Kraftübertragung werden vorteilhaft Asynchronmotoren mit Wirbelstromläufer oder Doppelkäfigläufer verwendet, da diese Schleifringläufern in bezug auf Betriebssicherheit weit überlegen sind. Gegenüber den Schleifringläufern sind jedoch die Kurzschlußläufer im Nachteil bezüglich gewisser Eigenschaften beim Umsteuern.

Nach der vorliegenden Erfindung werden diese im folgenden zunächst erläuterten Nachteile auf ein praktisch erträgliches Maß herabgesetzt, so daß die Vorteile der Wirbelstromläufer unbehindert zur Geltung kommen. Es ist bekannt, das Umsteuern in der Weise vorzunehmen, daß bei aufgehobener Erregung der Generatoren je zwei Zuleitungen zur Ständerwicklung jedes Motors vertauscht werden und dann die Erregung der Generatoren vorübergehend stark vergrößert wird. Hierbei werden jedoch die Generatoren und die dieselben antreibenden Primärmaschinen, z. B. die Dieselgeneratoren, stark überlastet. Die vorübergehende Vergrößerung der Generatorerregung ist deshalb notwendig, weil die Kurzschlußimpedanz des Kurzschluß läufermotors sehr viel kleiner ist als seine Betriebsimpedanz. Will man beispielsweise bei normaler Spannung umsteuern, um sehr starke Drehmomente zu erhalten, so ist bei den Generatoren etwa der doppelte Nennerregerstrom erforderlich, während gleichzeitig der Ankerstrom des Propellermotors und damit auch der der Generatoren, etwa das Vierfache des Nennwertes erreicht. Eine selbsttätige Einstellung der richtigen Erregung läßt sich erzielen, wenn man einen Schnellregler vorsieht, der auf wenigstens annähernd konstantes. Verhältnis Spannung zu Frequenz regelt.

Die elektrische Ausrüstung kann nun erfindungsgemäß ohne besondere Gewichtsvermehrung so entworfen werden, daß jene erhöhte Leistung für die kurze Zeit des Umsteuerns erreicht werden kann. Die Begrenzung dieser Leistung liegt nicht im elektrischen Teil, sondern bei den Triebmaschinen. Bekanntlich können Dieselmotoren ohne besondere Einrichtungen nicht wesentlich mehr als ihr Nennmoment hergeben. Während des Umsteuerns wird aber von den Dieselmotoren eine verhältnismäßig große Überlastung verlangt, wie aus folgender Überlegung hervorgeht:

Wenn eine Drehfeldmaschine bei einer beliebigen Drehzahl η das Moment M hergeben .soll, dann muß vom Ständer auf den Läufer die Leistung Ni (Luftspaltleistung) übertragen werden, welche sich aus der Formel berechnet: Nl = 2nn_s M. Dabei bedeutet n_s die der herrschenden S tänder frequenz entsprechende synchrone Drehzahl. Daraus geht her-

66813a

vor, daß, wenn der Propellermotor unter Nennfrequenz bei irgendeiner Drehzahl η während des Umsteuerns das Nennmoment entwickeln soll, bereits seinem Läufer alleifteine Luftspaltleistung gleich der Nennleistung vom Ständer her zufließen muß. Die Gesamt-.' heit der Dieselmotoren hat aber außer dieser¹-Luftspaltleistung noch die Verluste in den Generatoren und in der Ständerwicklung der

i·⁰ Propellermotoren zu decken. Von diesen Verlusten fallen wegen des großen Stromes die Stromwärmeverluste am meisten ins Gewicht. Beträgt z. B. im Nennbetrieb die Stromwärme im Ständer aller Generatoren und im

¹S Ständer der Propellermotoren zusammen 3 °/o der gesamten Leistung der Dieselmotoren, so ist die Stromwärme beim Umsteuern unter Annahme des vierfachen Nennstromes das i6fache der normalen Stromwärme, also ΐ6 = 48°/₀ der Nennleistung der Dieselmotoren. Diese hätten also, wenn sie während des Umsteuerns mit gleichbleibender Drehzahl laufen, dabei das i,48fache Moment aufzubringen, was im allgemeinen mit

^a5 Schwierigkeiten verknüpft sein wird.

Die Verhältnisse liegen etwas günstiger, wenn die Propellermotoren, wie ebenfalls bereits bekannt, polumschaltbar ausgeführt werden, wodurch für eine gegebene Sammel-Schienenfrequenz die synchrone Drehzahl n_s des Propellermotors verkleinert und somit nach der angegebenen Formel die zu einem bestimmten Moment M gehörige Luftspaltleistung N_L ebenfalls im gleichen Verhältnis verringert wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch die Überlastung der Dieselmotoren bzw. der Einbau einer um die Überlastung vergrößerten Dieselmaschinenanlage vermieden werden. Voraussetzung ist dabei allerdings ein Mehrwellenschiff, d. h. das Schiff muß mindestens mit zwei Propellermotoren ausgerüstet sein, welche von zwei vollständig gleichartigen dieselelektrischen

♦⁵ Maschinengruppen gespeist werden.

Es ist bereits bekannt, bei derartigen Mehrwellenschiffen mit elektrischem Antrieb eine Mehrzahl von Generatoren über Sammelschienen parallel zu schalten und auf eine Mehrzahl von Motoren arbeiten zu lassen, und ferner, bei derartigen Anlagen zur Umsteuerung die Erregung der Generatoren wegzunehmen, die Phasenfolge bei allen Motoren zu vertauschen und dann die Erregung der Generatoren wieder herzustellen und gegebenenfalls über das normale Maß hinaus zu er-, höhen. Bei diesem bekannten Verfahren müssen alle Motoren gleichzeitig von ihrer Schleppdrehzahl auf Stillstand abgebremst

^6d und in der umgekehrten Drehrichtung wieder beschleunigt werden. Die Überlastung jedes einzelnen Generators ist dabei nicht geringer, als wenn die Kupplung zwischen den Einheiten aufgehoben und jede Generatorgruppe ; nur den zugehörigen Motor umsteuern würde. j,|V3Ch der vorliegenden Erfindung wird die teUffirlastung der Generatoren erheblich herabgesetzt. Die Erfindung besteht darin, daß beim Umsteuern die Sammelschienen aller Generatorgruppen elektrisch verbunden' werden und unter vorübergehender Wegnahme der Erregung der Generatoren zunächst nur ein Motor umgesteuert wird, während der andere bzw. die anderen auf die ursprüngliche Drehrichtung eingestellt bleiben, daß dann die Generatoren wieder erregt werden und daß erst, nachdem der umgesteuerte Motor in der neuen Drehrichtung seinen betriebsmäßigen Schlupf annähernd erreicht hat, wiederum unter vorübergehender Wegnahme der Erregung der Generatoren der nächste Motor umgesteuert wird. Die Erfindung gründet sich auf die eigenartige Drehzahlabhängigkeit des > beim fahrenden Schiff vom Wasser auf den Propeller ausgeübten Drehmomentes.

In der Abbildung ist schematisch eine dieselelektrische Schiffsanlage dargestellt, die aus zwei vollständig symmetrischen Gruppen besteht. Es sind A₁, A_&) A₃, A₄ und S₁, B₂, B₃, Bi die beiden Gruppen von Dieselaggregaten, S₁, S₂, S_s, S₄, und T₁, T₂, T_s, T₁ die zugehörigen Generatorschalter; P und Q sind die Propellermotoren; C und D sind die zugehörigen Schalter; U und V sind die Umkehrschalter; K ist der Kupplungsschalter, mit dessen Hilfe die beiden Sammelschienen nach Wunsch verbunden werden können.

Es sei nun angenommen, das Schiff befinde sich in voller Fahrt voraus und solle so rasch wie möglich umgesteuert werden. Alle Generatoren A und B beider Gruppen sowie beide Propellermotoren P und Q seien in Betrieb und mit Nennleistung belastet. Der Kupplungsschalter K kann dabei eingelegt sein oder auch nicht. Zwecks Umsteuerns wird nun zunächst die Erregung beider Generatorgruppen weggenommen und dann der Umkehrschalter U des einen, beispielsweise des linken Motors P umgelegt, während der andere Propellermotor Q vorläufig auf Vorwärtsfahrt im eingestellt bleibt. Gleichzeitig wird der Kupplungsschalter K geschlossen. Beim Wiedereinschalten der Erregung wird der Erregerstrom von Hand oder selbsttätig auf einen entsprechend hohen Wert eingestellt. Die Vorgänge bei dem nun folgenden ersten Teil des Umsteuervorganges sind dadurch gekennzeichnet, daß infolge der großen Belastung durch den umgeschalteten Propellermotor P die Drehzahl der Dieselmotoren und damit die elektrische Frequenz des ganzen Systems rasch abzusinken beginnt und sich die ge-

samte Leistung der zusammengeschalteten Generatoren mehr und mehr auf den umgesteuertenMotor P legt. Denn schon bei etwa 75 °/o der ursprünglichen Frequenz läuft der Propellermotor Q nur noch leer, wie aus der bekannten Drehmomentenkurve hervorgeht. Wenn nun die Frequenz noch weiter heruntersinkt, wird der Propellermotor Q zum asynchronen Generator und liefert Wirkleistung in

ίο das Netz. Von diesem Augenblick an entzieht dieser Propeller der kinetischen Energie des Schiffes Leistung, obwohl er auf Vorwärtslauf geschaltet ist, und nimmt somit auch an der Bremswirkung teil. Er unterstützt somit die Leistung der Dieselmotoren, so daß die Drehzahl der Maschinen nicht mehr wesentlich stärker absinkt. Gleichzeitig wirkt der von dem Wasser angetriebene Propeller als Bremse für das Schiff, so daß die Bremswirkung nicht nur von dem bereits umgesteuerten Propeller, sondern auch von dem noch durch das Wasser geschleppten Propeller ausgeübt wird. Erst nachdem der umgesteuerte Propellermotor P etwa seinen betriebsmäßigen Schlupf erreicht hat, wird nun auch bei wiederum abgeschalteter Erregung der Generatoren der Umkehrschalter V des zweiten Propellermotors Q umgelegt, so daß nach dem Wiedereinschalten der Erregung auch dieser Motor sich auf die neue Drehrichtung umsteuert.

Da bei dem der Erfindung entsprechenden Verfahren eine größere Anzahl von Schalthandlungen nacheinander vorgenommen werden muß, andererseits aber das Umsteuern der Motoren in der Regel mit tunlichster Beschleunigung vorgenommen werden soll, kann es zweckmäßig sein, die Steuereinrichtung so auszubilden, daß die ganzen S teuer vorgänge durch das stufenweise Vorrücken einer einzigen Steuerwalze abgewickelt werden können. Mit diesen an sich bekannten Hilfsmitteln kann ohne weiteres den Anforderungen des Schiffsbetriebes bezüglich schnellem Einsatz der Bremskraft genügt werden.

Selbstverständlich kann in den Fällen, in denen das Umsteuern nicht besonders rasch zu erfolgen braucht, auch so verfahren werden, daß zunächst der eine Motor umgesteuert wird, während der andere solange abgeschaltet wird. In diesem Falle verzichtet man auf die Unterstützung der Dieselmotoren durch die Wirkleistung, die aus der kinetischen' Energie des Schiffes auf die geschilderte Weise herausgezogen werden kann.

Es kann von Vorteil sein, während des ersten.· Teils der Umsteuerperiode den Propellermotor Q von Stern auf Dreieck umzuschalten', um ihn in kleinerem Grade generatorisch arbeiten zu lassen. Sofern die Propellermotoren mit polumschaltbaren Ständerwicklungen versehen sind, kann man durch Umschalten des einen Motors oder beider Motoren auf größere Polzahl die Umsteuerverhältnisse noch weiter verbessern.

Sind mehr als zwei Generatorgruppen mit je einem Propellermotor vorhanden, so kann die vorliegende Erfindung sinngemäß angewendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umsteuern eines elektrisch angetriebenen Schiffes mit mindestens zwei von je einem Motor getriebenen Propellern, denen ebensoviel selbständige Generatorgruppen zugeordnet sind, die beim Umsteuern elektrisch miteinander verbunden und zum Umsteuern vorübergehend entregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Motoren nacheinander umgesteuert und einzeln in der neuen Drehrichtung angenähert auf den betriebsmäßigen Schlupf gebracht und während des ganzen Umsteuervorganges von allen Generatoren gleichzeitig gespeist werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach erfolgtem Umsteuern eines Propellermotors die Erregung der Generatoren über ihren normalen Betriebswert erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Generatoren selbsttätig mittels Schnellregler eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umsteuern wenigstens die zunächst nicht umgesteuerten Motoren von Stern auf Dreieck umgeschaltet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umsteuern wenigstens die zunächst nicht umgesteuerten polumschaltbaren Motoren auf die höhere Polzahl umgeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen