DE671653C - Elektrische Schiffsantriebsanlage mit Synchronmotoren als Propellermotoren und Wechselstromgeneratoren, die durch Dampfturbinen angetrieben werden - Google Patents

Description

A 71396

Für den Antrieb von Schiffsschrauben verwendet man in neuerer Zeit in vielen Fällen den elektrischen Antrieb in der Weise, daß die Schiffsschrauben von Elektromotoren angetrieben werden, welche über von Turbinen oder Dieselmotoren angetriebene Generatoren gespeist werden. Diese elektrischen Antriebe bieten für gewisse Betriebsfälle große Vorteile gegenüber dem direkten Antrieb der Schrauben. Von einem derartigen Antrieb wird verlangt, daß die Drehzahl der Schiffsschrauben unabhängig von der Drehzahl der Generatoren und ohne zusätzliche Verluste geregelt werden kann. Man hat bisher für derartige Schiffsantriebe sowohl Gleichstromantriebe als auch Wechselstromantriebe mit Asynchron- und Synchronmotoren vorgeschlagen. Während die Gleichstromantriebe im Hinblick auf Wirkungsgrad und infolge

ao der Verwendung der Kommutatoren bei Überschreiten einer gewissen Leistung Schwierigkeiten bieten, erfüllt andererseits der Antrieb durch Wechselstrommotoren nicht alle Anforderungen hinsichtlich der Unabhängigkeit der Drehzahlen von Motor und Generator. Es ist sodann vorgeschlagen worden, für solche Schiffsantriebe kommutatorlose Wechselstrommotoren zu verwenden, welche über gesteuerte Entladungsgefäße gespeist werden und welche hinsichtlich ihrer Regelung alle Eigenschaften des .Gleichstrommotors aufweisen, ohne dessen Nachteile zu besitzen.

Derartige ventilgesteuerte Wechselstrommotoren sind verhältnismäßig schwer, weil die Ausnutzung der Wicklungen im Stator beträchtlich schlechter ist als die Ausnutzung der Wicklungen in normalen Wechselstrommaschinen. Diese ventilgesteuerten Motoren ■gestatten, bei beliebiger, konstanter oder veränderlicher Frequenz des zugeführten Wechselstromes durch einfache Regelung der dem Motor zugeführten Wechselspannung mit Hilfe der Erregung der Generatoren jede beliebige Drehzahl bei praktisch konstantem Leistungsfaktor einzuhalten. Es ist nun bekannt, daß die von einer Schiffsschraube aufgenommene Leistung ungefähr mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit sich ändert, so daß beispielsweise bei 80 °/o der Maximalgeschwindigkeit die von der Schraube aufgenommene Leistung nur 50 % der der vollen Maximalgeschwindigkeit entsprechenden Leistung beträgt. Andererseits gestattet die Dampfturbine als Antriebsmaschine für den Generator einen wenn auch kleinen Spielraum in der Drehzahl der Turbine, ohne daß der Wirkungsgrad der Turbine in unzulässigem Maße verschlechtert wird.

Die vorliegende Erfindung stützt sich auf diese Tatsachen und bezweckt, innerhalb eines sehr großen Geschwindigkeitsregelbereiches, beispielsweise zwischen ο und 80 °/o der Maximalgeschwindigkeit, alle Vorteile des Antriebes der Schiffsschraube durch ventil-

gesteuerte Motoren zu benutzen_s wobei die bei dieser Betriebsweise aufgenommene Leistung und also auch die Leistung des Steuerventils nur etwa 50 % der Motorleistung betragen muß, wobei in dem Bereich oberhalb+ 80 °/₀ der Maximalgeschwindigkeit bis zu" 100 °/o die Antriebsmotoren als normal« Asynchron- oder Synchronmotoren arbeiten. Bei diesem Betrieb als Synchronmotoren kann die Drehzahl der Motoren innerhalb des für' die Drehzahlregelung der Turbinen zulässigen Bereiches geändert werden, beispielsweise im Bereich von 80 bis 100 °/₀ der Maximalgeschwindigkeit. Bei dieser Betriebsweise müssen daher die Antriebsmotoren nur für die normale Leistung als Synchronmotoren entsprechend der Maximalgeschwindigkeit bemessen werden, wobei gleichzeitig die Statorwicklungen der Motoren hinsichtlich Querschnitt und Windungszahl den Anforderungen für den Betrieb als ventilgesteuerte Motoren mit halber Leisung entsprechen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein elektrischer Antrieb von Schiffsschrauben mit Wechselstromgeneratoren, die durch Dampfturbinen angetrieben werden, und Synchronmotoren als Propellermotoren, die innerhalb eines unteren Geschwindigkeitsbereiches vom Stillstand bis zu einer bestimmten oberen Grenzgeschwindigkeit (beispielsweise ο bis 80%) bei Betrieb mit der wirtschaftlichsten konstant gehaltenen Drehzahl der Turbinen als ventilgesteuerte Mehrphasenmotoren arbeiten, dagegen innerhalb des oberen Geschwindigkeitsbereiches (80 bis 100 °/₀ der Maximalgeschwindigkeit) als Asynchron- oder Synchronmotoren betrieben werden, wobei während der Zeit, wo die Motoren als Asynchron- oder Synchronmotoren arbeiten, die Steuerventile stromlos sind und ferner eine Geschwindigkeitsregelung mit Hilfe der Drehzahlregelung der Turbine erfolgt.

An Hand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert, und zwar zeigt die Fig. 1 schematisch die grundsätzliche Schaltung einer Zweiwellenanlage. Die Anlage besteht im wesentlichen aus zwei durch Turbinen angetriebene Sechsphasengeneratoren mit Doppelsechsphasenwicklung im Stator und zwei Propellermotoren mit Steuerventil und Zubehör. Zwecks besserer Übersichtlichkeit des Schaltschemas ist die Anlage nur einphasig gezeichnet und die erforderliche Zahl der Verbindungsleitungen mit Ziffern angedeutet. Es bedeuten α die beiden Antriebsturbinen, welche mit den Sechsphasengeneratoren b mit Doppelwicklung gekuppelt sind. Die zwölf Wicklungsenden der Statorwicklung dieser Generatoren sind zu zwei sechsphasigen Sammelschienensystemen c und d geführt, von denen das System c mit dem einen Motor h, das System d mit dem anderen Motor h verbunden ist. Die sechs Wicklungsmittelpunkte jedes Generators sind über einen 6g f Umschalter e mit Saugdrosselspulen / verbunden, deren Mittelpunkte zu den Kathoden '»der Steuerventile g geführt sind. In die Zuleitungen zu den Statorwicklungen der Propellermotoren h ist je ein Umschalter i eingebaut, welcher die für den Übergang vom Betrieb als ventilgesteuerter Motor zum Betrieb als Asynchron- oder Synchronmotor und umgekehrt erforderlichen Umschaltungen der Stator wicklung durchführt und von welchem aus zwölf Verbindungen zu den Anoden jedes Steuerventils g geführt sind. Die Erregung der Polräder ρ sowohl der Generatoren b als auch der Motoren h erfolgt von einem Hilfsgleichstromsystem / aus über Regelwiderstände m.

Es ist zu bemerken, daß den ventilgesteuerten Propellermotoren h jede beliebige Charakteristik gegeben werden kann, sei es Nebenschluß-, Kompound- oder Reihenschlußcharakteristik. Im vorliegenden Fall erfolgt die Regelung der Drehzahl bei Betrieb als ventilgesteuerte Motoren ausschließlich durch Spannungsregelung an den Generatoren, d. h. mit Hilfe der Erregung der Generatoren b. Bei gegebenem Drehmoment ist die Drehzahl der Motoren proportional der zugeführten Spannung. Bei Betrieb als ventilgesteuerte Motoren erfolgt die Speisung gemeinsam durch einen einzelnen Generator, wobei der Kupplungsschalter η für die beiden Sammelschienensysteme geöffnet ist und wobei der Umschalter e je nach dem im Betrieb befindlichen Generator in der einen oder anderen Stellung sich befindet. Bei dieser Betriebsweise arbeitet je eine der beiden Sechsphasenwicklungen des Generators b auf einen Propellermotor, wobei wieder einem jeden Motor eine besondere Saugdrosselspule f zugeordnet werden muß. Es besteht in dieser Schaltung die Möglichkeit, jeden der beiden Motoren unabhängig vom anderen mit Hilfe der Gittersteuerung allein oder durch Veränderung der Erregung des Polrades in der Drehzahl zu regeln, wobei zu bemerken ist, daß bei Regelung mit Hilfe der Gittersteuerung der Leistungsfaktor des vom Motor aufgenommenen Stromes ungefähr proportional mit der Drehzahl abnimmt. Da indessen die Zeiten, während welchen die Schiffsschrauben mit ungleichen Drehzahlen arbeiten, verhältnismäßig klein sind, spielt diese Tatsache praktisch keine Rolle. Die gemeinsame Regelung der Drehzahl beider Motoren erfolgt, wie bereits angegeben, durch Veränderung der Generatorspannung. Diese Betriebsweise ist durchführbar bis zu einer

Drehzahl, wo die entsprechende Leistung mit der Leistung der Steuerventile g übereinstimmt. Soll diese Geschwindigkeit überschritten werden, so können die ventilgesteuerten Motoren mittels der Umschalter i von den Steuerventilen g abgetrennt und als Asynchron- oder Synchronmotoren verwendet werden.
Das Umschalten der Motoren von Ventilauf Synchronbetrieb und umgekehrt erfolgt auf sehr einfache Weise und ist an Hand der Fig. 2 leicht verständlich. Angenommen, die Umschaltung soll bei einer Geschwindigkeit von 8o °/₀ der maximalen Geschwindigkeit erfolgen, d. h. die vom Generator abgegebene Spannung sei 8o °/o der Nennspannung bei der wirtschaftlich günstigsten Drehzahl der Turbinen und bei der reduzierten Spannung entsprechend reduzierter Erregung. Um die Umschaltung der ventilgesteuerten Motoren auf Synchronbetrieb einzuleiten, muß nun die Drehzahl der Turbine auf 8o % erniedrigt und gleichzeitig die Erregung des Generators auf ioo °/₀ erhöht werden, so daß nun bei reduzierter Frequenz die Generatoren dieselbe Spannung wie früher abgeben. Nun ist gemäß Fig. 2 in die Statorwicklung r jedes Propellermotors ein Voltmeter ν oder ein Synchronoskop eingeschaltet, das den synchronen Gang des ventilgesteuerten Motors mit der Netzspannung anzeigt. Bei Synchronismus kann durch Umlegen des Umschalters j der Propellermotor synchronisiert werden, indem eine dreiphasige Wicklungsgruppe im Propellermotor unmittelbar, d. h. unter LTmgehung des Steuerventils g mit je einer Wicklung des Generators b verbunden wird. Nach erfolgter Umschaltung arbeitet sodann der Propellermotor als normaler Synchronmotor synchron mit den Generatoren, so daß die Drehzahl der Schrauben durch Erhöhung der Drehzahl der Generatoren von 80 °/₀ auf die maximale Geschwindigkeit gesteigert werden kann, wobei dann die Steuerventile g

Ί5 und die Saugdrosselspule/ bis zu den Mittelpunkten der Statorwicklung stromlos werden. Soll umgekehrt aus dem Synchronbetrieb auf den Betrieb als ventilgesteuerter Motor übergegangen werden, so muß nur dafür gesorgt werden, daß die Erregung der Propellermotoren im Verhältnis zu derjenigen der Generatoren oberhalb eines bestimmten, durch die Spannungsgleichheit bestimmten Wertes liegt, d. h. es müssen die Synchronmaschinen mit einem minimalen, durch Versuche oder Berechnung feststellbaren Leistungsfaktor arbeiten, bevor auf Ventilbetrieb umgeschaltet werden darf. Die Parallelschaltung der zweiten Turbine bei Übergang auf Synchronbetrieb kann dabei vor oder nach dem Umschalten erfolgen, ebenso die Abschaltung der zweiten Turbine bei Übergang auf Ventilbetrieb.

Nach der Erfindung erfolgt das rasche Umsteuern der Propellermotoren von Vorwärtsauf Rückwärtsfahrt und umgekehrt auf sehr einfache Weise, wobei angenommen wird, daß das Umsteuern je nach den Verhältnissen nur bei reduzierter Geschwindigkeit, d. h. bei Ventilbetrieb der Motoren, erfolgen muß. Om ein möglichst rasches Stillsetzen der Propellermotoren herbeizuführen und unter Beachtung der Tatsache, daß das Widerstandsmoment auf die Propellerwelle bei Unterschreitung einer gewissen Geschwindigkeit positiv wird, d. h. daß die Propellerwelle durch den Fahrtstrom angetrieben wird, muß den Motoren zur Umsteuerung ein möglichst konstanter und möglichst hoher Strom zugeführt und dabei das wirksame Drehmoment umgekehrt werden. Dies ist im vorliegenden Fall ohne weiteres möglich, und zwar durch bloßes Umlegen der Steuerung am ventilgesteuerten Motor und gleichzeitiges Einschalten je eines Bremswiderstandes t in die Zuleitungen zwischen Generatoren und Motoren. Es bestehen nun zwei Möglichkeiten, dieses Umsteuern vorzunehmen. Die eine setzt voraus, daß die Entregung der Generatoren in der gewünschten Zeit möglich ist. Unter dieser Voraussetzung geht das Umsteuern in der Weise vor sich, daß die Steuerung der Propellermotoren umgelegt und die Entregung des Generators bis zur Remanenz durchgeführt wird, wobei gleichzeitig die im normalen Betrieb kurzgeschlossenen Widerstände t zwischen Generatoren und Propellermotoren durch Öffnen der Überbrückung eingeschaltet werden. In diesem Moment arbeitet der Motor als Generator auf die Widerstände t, wobei bei abnehmender Drehzahl des Motors die abnehmende Motorspannung durch eine zunehmende, mit Hilfe der Erregung des Generators geregelte Generatorzusatzspannung ergänzt werden kann, so daß bei konstantem Widerstand t ein bestimmter Bremsstrom durch den Motor fließt, bis dieser zum Stillstand kommt. In diesem Moment wird wiederum die Erregung der Generatoren auf Null reduziert, und gleichzeitig werden die Widerstände t wieder überbrückt, wonach durch langsames Hochregeln der Generatorspannng der Motor mit beliebigem Drehmoment rückwärts zu arbeiten beginnt. Die Widerstände t sind dazu bestimmt, die kinetische Energie der Propellermotoren zu vernichten, und sind erforderlich, weil das Netz als solches keine Rückenergie aufnehmen kann.

Eine zweite Möglichkeit des Umsteuerns ergibt sich für den Fall, das aus irgendwelchen Gründen auf die Einwirkung bei der

Erregung der Generatoren beim Umsteuern verzichtet werden muß. In diesem Fall müssen die Widerstände t stufenweise überbrückt werden mit Hilfe von ferngesteuerten Schützen. Die Umsteuerung der Propellermotoren geht dann in der Weise vor sich, daß die Steuerung der Motoren umgelegt wird und gleichzeitig die Widerstände t eingeschaltet werden, die in diesem Falle für

ίο die doppelte Leistung gegenüber dem vorerwähnten Falle zu bemessen sind. In diesem Moment arbeitet nun der Motor als Generator mit dem Schiffsgenerator in Reihe auf die Widerstände t. Nach Maßgabe der abnehmenden Drehzahl und Spannung der als Generator arbeitenden Propellermotoren müssen, wenn ein konstanter Bremsstrom erreicht werden soll, die Widerstände t nun stufenweise abgeschaltet werden, so daß beispielsweise bei Stillstand der Propellermotoren die Widerstände t auf 50 % ihres ursprünglichen Wertes und nach erfolgtem Umsteuern auf volle Drehzahl rückwärts auf Null reduziert werden.

Um einerseits eine möglichst einfache Statorwicklung in den Generatoren und andererseits möglichst wenig Steuerventile zu erhalten, ist es vorteilhaft, die Statorwicklungen der Propellermotoren in an sich bekannter Weise in zwei oder mehrere unter sich genau gleiche und gleichphasige Mehrphasenwicklungen zu unterteilen, wobei diese Wicklungen jeweils abwechslungsweise arbeiten. Bei dieser Anordnung tritt der bereits erwähnte Nachteil der schlechten Kupferausnutzung in der Statorwicklung der Motoren vollkommen zurück, weil die für die volle Leistung als Synchronmotor bemessene Statorwicklung den Anforderungen hinsichtlich Kupfergewicht als ventilgesteuerter Motor bei halber Nennleistung (etwa 80 °/₀ der maximalen Geschwindigkeit) gerade genügt, d. h. also, die Propellermotoren sind bei dieser Betriebsweise gerade bei voller Belastung in der bestmöglichen Weise ausgenutzt und wer-• den somit nicht schwerer als normal. Ebenso muß das Steuerventil nur ; für die halbe Nennleistung der Motoren bemessen werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ι. Elektrische Schiffsantriebsanlage mit Synchronmotoren a,ls Propellermotoren und Wechselstromgeneratoren, die durch Dampfturbinen angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmotoren innerhalb eines unteren Geschwindigkeitsbereiches vom Stillstand bis zu einer bestimmten oberen Grenzgeschwindigkeit (beispielsweise 80 °/o) bei Betrieb mit der wirtschaftlichsten konstant gehaltenen Drehzahl der Turbinen als ventilgesteuerte Mehrphasenmotoren, dagegen innerhalb des oberen Geschwindigkeitsbereiches bis zur maximalen Geschwindigkeit als Asynchron- oder Synchronmotoren betrieben werden, wobei während der Zeit, wo die Motoren als Asynchron- oder Synchronmotoren arbeiten, die Steuerventile stromlos sind und ferner eine Geschwindigkeitsregelung mit Hilfe der Drehzahlregelung der Turbine erfolgt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang vom Betrieb als ventilgesteuerter Motor zum Betrieb als Asynchron- oder Synchronmotor und umgekehrt ohne stromlose Zwischenpause durch Umlegen je eines Umschalters je Motor erfolgt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellermotoren als mehrphasige Motoren mit Mehrfachwicklung im Stator gebaut sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks raschen Umsteuerns der Propellermotoren bei Betrieb als ventilgesteuerte Motoren in die Verbindungsleitungen zwischen Generatoren und Motoren Ohmsche Wider-* stände eingeschaltet werden, die beim Umsteuern der Propellermotoren im Notfall eingeschaltet und stufenweise überbrückt werden, wobei gleichzeitig die Gittersteuerung der Steuerventile der Motoren unmittelbar auf »volle Fahrt zurück« umgelegt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen