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Elektrische Kraftübertragung für Schiffe Die Erfindung betrifft eine
elektrische Kraftübertragung für Schiffe, durch die die Leistung des Dieselmotors
oder eines sonstigen Antriebsmotors selbsttätig auf einen einstellbaren Wert geregelt
wird. Sie ermöglicht außerdem eine Schaltung, bei der die Schraube bei jeder Schiffsgeschwindigkeit
umgesteuert werden kann, ohne daß hierbei der Dieselmotor oder die elektrischen
Maschinen gefährdet werden.
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Dieses System bietet bedeutende Vorteile in Fällen, wo der Schiffswiderstand
stark schwankt, besonders also für Schlepper und Fischereischiffe mit Schleppnetzen,
bei denen ein großer Unterschied der Schraubendrehzahl je nach der verlangten Zugkraft
auftritt.
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Die bisher hauptsächlich verwendeten, auf der Ward-Leonard-Schaltung
aufgebauten Kraftübertragungssysteme gestatten wohl, die Drehzahl entsprechend den
erforderlichen Zugkräften so zu regeln, daß die verfügbare Leistung des Dieselmotors
in jeder gewünschten Weise ausgenutzt wird; doch sind hierfür eine Erregermaschine
und besondere Apparate notwendig, die von Hand aus entsprechend verstellt werden
müssen. Da diese Regelung ständig erfolgen muß, wenn beispielsweise ein Fischereischiff
mit Schleppnetz im Seegang wechselnde Widerstände zu überwinden hat, werden in solchen
Fällen selbsttätige Regler verwendet, die die Anlage noch komplizierter und teurer
machen.
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Außer der Ward-Leonard-Schaltung für Schiffe ist von den elektrischen
Kraftübertragungssystemen für Landfahrzeuge besonders das sog. Gebussystem bekannt,
bei dem ein magnetisch schwach gesättigter Nebenschlußgenerator verwendet wird,
der selbsterregt ist oder die Erregung von einer mit
ihm gekuppelten
selbsterregten, magnetisch schwach gesättigten Erregermaschine erhält und eine selbsttätige
Konstanthaltung der Verbrennungsmotorleistung bewirkt. Bel solchen Landfahrzeugen
speist der Generator normale Reihenschlußmotoren.
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Es ist auch die Verwendung von Nebenschlußmotoren zum Antrieb von
Fahrzeugen bekannt, wobei je nach der Schaltung verschiedene Wirkungen, beispielsweise
Nutzbremsung oder Begrenzung der Drehzahl bei geringer Belastung, erzielt werden.
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Es werden außerdem Antriebsmotoren mit einer konstanten Erregung,
wobei die Feldwicklung an einer konstanten Spannung liegt, verwendet, um durch bloße
Änderung der Ankerspannung Drehmoment und Geschwindigkeit zu regeln und durch Übergang
auf negative Spannung die Umsteuerung durchführen zu können.
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Um die Leistung des Generatorantriebsmotors ohne besondere Regelgeräte
automatisch konstant zu halten, wird gemäß der Erfindung der Generatorantriebsmotor
mit einem magnetisch schwach gesättigten Nebenschlußgenerator gekuppelt, der im
wesentlichen selbsterregt ist oder die Erregung von einer mit ihm gekuppelten selbsterregten,
magnetisch schwach gesättigten Erregermaschine erhält, so daß er durch diese elektrische
Auslegung bei höherer Stromstärke eine niedrige Spannung und bei geringerer Stromstärke
eine höhere Spannung bei praktisch konstanter Drehzahl erzeugt (Gebusgenerator)
und daß der Schraubenantriebsmotor im wesentlichen durch eine von der Generatorspannung
gespeiste Nebenschlußwicklung erregt wird. Der Generator und der Schraubenmotor
bzw. die Schraubenmotoren sind Sonderausführungen, die aufeinander abgestimmt sind
und durch ihr elektrisches Verhalten allein bei Zugkraftschwankungen die eingestellte
Leistung des Generatorantriebsmotors konstant halten und erlauben, die Schraube
jederzeit umzusteuern.
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Die Sonderausführung des Generators besteht in folgendem: a) Der Generator
ist magnetisch so schwach gesättigt, daß der geradlinige Teil der Magnetisierungslinie
im belasteten Zustand nicht wesentlich überschritten wird.
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b) Er ist im wesentlichen selbst- oder eigenerregt, d. h. als Nebenschiußgenerator
gebaut, oder er erhält die Erregung von einer selbsterregten, mit ihm gekuppelten,
magnetisch schwach gesättigten Nebenschluß-, `Kompound- oder Reihenschlußerregermaschine.
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c) Sein elektrisches Verhalten gegenüber Stromschwankungen ist ein
derartiges, daß er bei - gegebener Drehzahl bei höherem Strom weniger Spannung und
bei kleinerem Strom mehr Spannung gibt. Außerdem ist er sehr empfindlich gegen Drehzahlschwankungen.
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d) Bei einem geringen Abfall der Drehzahl .fällt die Spannung und
bei einem geringen Anstieg der Drehzahl steigt die Spannung sehr bedeutend.
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e) Für die betriebsmäßig vorkommenden Stromstärken stellt sich daher
das Gleichgewicht zwischen zugeführter Dieselleistung und abgegebener Generatorleistung
bei fast konstanter Drehzahl ein.
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f) Da der Dieselmotor bei einer bestimmten Brennstoffeinstellung in
einem weiten Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment besitzt, so bleibt auch die
Leistung praktisch konstant, wenn der Generator trotz wesentlicher Schwankungen
der entnommenen Stromstärke nur geringe Drehzahlschwankungen aufweist.
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g) Eine Fremderregung und Hauptstromerregung kann aber vorteilhaft
sein; erstere, um den remanenten Magnetismus zu unterstützen und um die Auferregung
des Generators zu beschleunigen, letztere, um die entmagnetisierenden Rückwirkungen
des Ankers auszugleichen und ebenfalls die Auferregung zu fördern.
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h) Eine etwa vorhandene Fremderregung oder Hauptstromerregung ist
so schwach zu bemessen, daß das oben geschilderte Verhalten des magnetisch ungesättigten,
eigenerregten Generators nicht gestört wird.
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i) Ein derartiger Generator besitzt eine äußere Kennlinie gemäß Fig.
i, aus der entnommen werden kann, daß der Kurzschluß einen in zulässigen Grenzen
liegenden Wert annimmt.
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Die Sonderausführung des Schraubenmotors besteht darin, daß er im
wesentlichen als Nebenschlußmotor gebaut ist und von der Spannung des Hauptgenerators
erregt wird. Wenn also die Erregung des Hauptgenerators unterbrochen wird, verschwindet
auch die Nebenschlußerregung des Schraubenmotors. Für das Umsteuern des Schraubenmotors
wird die Erregung des Hauptgenerators unterbrochen und dann die Erregung des Schraubenmotors
in an sich bekannter Weise umgeschaltet. Da sich die Erregung des Generators neu
bilden muß, werden beim Umsteuern übermäßige Stromstärken vermieden. Ist nur ein
Generator vorhanden, so kann die Nebenschlußerregerwicklung des Schraubenmotors
mit der Erregerwicklung des Generators in Reihe- geschaltet werden, Außer der Nebenschlußerregung
erhält der Schraubenmotor noch eine umschaltbare Reihenschlußerregung oder Fremderregung,
die so schwach bemessen ist, daß sie gerade imstande ist, mit dem Kurzschlußstrom
des Generators
jenes Drehmoment zu entwickeln, das zum Umsteuern
der Schraube in voller Fahrt erforderlich ist.
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Die Stärke der Reihenschlußerregung ist versuchsweise zu bestimmen.
Dabei werden vorteilhaft verschiedene Werte derselben gewählt, je nachdem ob das
Schiff in einer der beiden Richtungen fährt oder ob es in der Fahrt umgesteuert
wird. Es wird daher vorgesehen, daß die Reihenschlußwicklung bei Fahrtrichtungswechsel
nach 'Bedarf in der vollen Stärke belassen oder teilweise oder ganz kurzgeschlossen
wird. Es handelt sich also um die Umsteuerung eines Motors, der auf einen Spezialgenerator
abgestimmt ist, und zwar ohne Verwendung 'von Widerständen, wobei die Kurzschlußströme
berücksichtigt werden.
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Die Kombination des Gebusgenerators mit dem von der Generatorspannung
erregten Nebenschlußmotor stellt für die Aufgaben des Schiffsbetriebes eine besonders
einfache technische Lösung dar. Die Verwendung des von der Generatorspannung erregten
Nebenschlußmotors mit Reihenschlußwicklung ist an sich für den Schraubenantrieb
bekannt. Seine Eigenschaften wurden aber bisher nur zur Regelung der Drehzahl und
Belastung bzw. der Belastungsaufteilung bei Antrieben mit mehreren Motoren benutzt,
indem die Widerstände des Nebenschlußkreises verschieden eingestellt wurden. In
Kombination mit dem Gebusgenerator aber erhält der Nebenschlußmotor erst das für
den Schiffsbetrieb erforderliche Verhalten und ist darin dem bei Landfahrzeugen
in Kombination mit der Gebusschaltung verwendeten Serienmotor weit überlegen.
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Bei Schiffen wird die Forderung aufgestellt, daß die Schraube bei
»Volle Fahrt voraus zurückgeschlagen werden kann. Würde ein solches Manöver mit
dem bei Landfahrzeugen benutzten Serienmotor ausgeführt, so müßten zur Verhütung
von unzulässigen Stromstärken besondere Apparate, die im Hauptstromkreis liegen,
angewendet werden.
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Die Kombination des von der Generatorspannung erregten Nebenschlußmotors
mit dem Gebusgenerator bringt es mit sich, daß die Stromstärke selbsttätig begrenzt
ist. Der Gebusgenerator wird bei einer bestimmten Stromstärke selbsttätig spannungslos.
Da die Erregung des Nebenschlußmotors erfindungsgemäß an den Gebusgenerator gelegt
ist, ergibt sich eine erwünschte, zeitlich verzögerte Erregung, so daß bei Stillstand
unmittelbar auf volle Leistung eingestellt werden kann. Die bei der Entwicklung
der Erregung wirksame Selbstinduktion verhindert ein stoßweises Einsetzen der Belastung.
Für die gute Wirkung ist es natürlich notwendig, daß der Schraubenmotor mit dem
Generator gut zusammenarbeitet, daß also beide aufeinander abgestimmt sind.
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Während der Reihenschlußmotor beim Umsteuern bei der Kurzschlußstromstärke
sein höchstes Drehmoment besitzt, wird der Nebenschlußmotor nach der Erfindung hierbei
nur so weit erregt, daß gerade das zum Zurückschlagen der Schraube erforderliche
Moment entwickelt wird. Dadurch werden Hohlraumbildungen an der Schraube vermieden.
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Bei dem System der Erfindung gewährleistet also der Generator die
selbsttätige Regelung von Strom und Spannung, so daß die eingestellte Leistung konstant
bleibt, obwohl die Fahrwiderstände und Schraubendrehzahlen schwanken.
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Infolge des Kurzschlußstromes des Generators und der ihm angepaßten
Erregung des Schraubenmotors kann letzterer in voller Fahrt umgesteuert werden,
wenn die Schaltung so getroffen ist, daß vor dem Umschalten die Erregung des Generators
unterbrochen ist.
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Aus der Zeichnung ist das elektrische Verhalten des Generators und
das Prinzip der Schaltung zu ersehen.
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Fig. i zeigt äußere Kennlinien, das sind Kurven, in die die Spannungen
h über den Stromstärken I eingetragen sind,- welche sich einstellen, wenn bei einer
konstanten Drehzahl der äußere Belastungswiderstand des Generators geändert wird.
Kurve a gilt beispielsweise für eine Drehzahl, die um 2% über der Normaldrehzahl
liegt, Kurve b gilt für die Normaldrehzahl, c und d gelten für Drehzahlen, die 20o
bzw. 40/, unter derselben liegen. Die Kurve e gibt den Zusammenhang zwischen Strom
und Spannung bei konstanter Leistung des Dieselmotors. Bezeichnet A den Belastungspunkt,
der sich einstellt, wenn das Schiff frei fährt, und Punkt B jenen, der dem größten
Schleppzug entspricht, . so bildet A bis B den Betriebsbereich. Man
sieht, daß die Drehzahl des Dieselmotors um höchstens 20j, fallen kann, da die Endpunkte
des Betriebsbereiches auf der Charakteristik für die Normaldrehzahl und auf der
für eine um 2% tieferen Drehzahl liegen. Selbst wenn die ganze Kurve für konstante
Leistung durchfahren wird, was nur beim plötzlichen Umsteuern vorkommt, kann die
Drehzahl nur um 4% schwanken, da die zugehörige Charakteristik gerade berührt wird.
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Ik stellt den Kurzschlußstrom dar, d. h. den höchsten Strom, den der
Generator entwickeln kann. Die bei den Kurven a bis d angegebenen Prozentwerte
sind natürlich nur Beispiele und richten sich nach der elektrischen Bemessung des
Generators.
Fig.2 zeigt das Prinzip der Schaltung. Der Dieselmotor
i ist durch .die Welle 3 mit dem Generatoranker 2 gekuppelt. Dieser ist durch die
Leitung 5 mit dem Schraubenmotor 6, der die Schiffsschraube 7 antreibt, fest verbunden,
während der andere Pol desselben über die Kompoundwicklung q., die nicht unbedingt
erforderlich ist, am Schalter 8 liegt.
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Je nach der Stellung dieses Schalters 8 wird die Serienwicklung 9
des .Motors 6 für die eine oder die andere Drehrichtung in die zweite Leitung vom
Generator zum Motor eingeschaltet. Die Nebenschlußwicklung io des Generators liegt
über den Schalter 8 und einen Satz von Widerständen 12- 12 in Serie mit der Nebenschlußerregerwicklung
z i des Motors 6 an den Klemmen des Generators. Der Schalter 8 schaltet je nach
der Hebelstellung die Nebenschlußerregerwicklung z i des Motors für die eine oder
andere Drehrichtung und verschieden große Widerstände in den Erregerstromkreis.
Eine evtl. vorhandene, schwach erregte zusätzliche Fremderregungswicklung 13 auf
dem Generator liegt ebenfalls über den Schalter 8 an einer Batterie 1q.. Der Hebel
des Schalters 8 ist aber noch mit einer Nockenscheibe 15 verbunden, durch
welche er mittels des Winkelhebels 16 und der Stange 17 auf die Brennstoffpumpe
18 und den Regler i9 des Dieselmotors wirkt.
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Die Wirkungsweise ist kurz folgende. In der Nullstellung des Hebels
ist der Generator stromlos. Die Auslegung des Hebels in der Richtung h entspricht
dem Vorwärtsgang, wobei die äußerste Lage der Höchstleistung des Motors entspricht,
Man erkennt, daß in den Zwischenstellungen in die Nebenschlußwicklung noch nicht
der ganze Widerstand eingeschaltet ist und die Rolle des Winkelhebels 16 -durch
die Nocke noch nicht ganz angehoben ist. Dies bewirkt, daß bei der getroffenen Anordnung
die Brennstoffpumpe 18 nicht die volle Brennstoffmenge gibt und der Regler i9 nicht
die volle Federspannung hat. Wegen der verringerten Brennstoffmenge ist das Drehmoment
des Dieselmotors klein, und der Regler schließt schon bei geringer Drehzahl. Die
Zwischenstellungen entsprechen Fahrstufen mit verringerter Leistung. Ganz analog
ist die Einstellung der Rückwärtsfahrt über die einzelnen Teillaststufen bis zur
Vollast, wenn der Hebel in Richtung R ausgelegt wird.
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Soll möglichst rasch auf die andere Fahrtrichtung umgesteuert werden,
so wird der Hebel einfach umgelegt. Eine momentane Umschaltung würde aber unter
Umständen doch einen zu starken Stromstoß hervorrufen. Es ist daher vorgesehen,
daß der Hebel die Nullstellung erst passierbn kann, wenn der Generator stromlos
geworden ist. Diese an sich bekannte Einrichtung ist nicht gezeichnet. Sie ist z.
B. in der Weise auszuführen, daß ein Riegel in der Nullstellung erst dann zurückgeht,
wenn er durch ein an der Klemmenspannung liegendes Relais freigegeben wird. Sobald
aber der Hebel frei ist, kann er sofort in die äußerste Lage gestellt werden, da
die Erregung doch eine gewisse Zeit erfordert und der Strom den Wert Ik nicht überschreiten
kann. Hierin liegt ein großer Vorzug gegenüber der Ward-Leonard-Schaltung.
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Es wird bemerkt, daß die Schaltung in bekannter Weise statt für die
direkte Betätigung durch den Hebel des Schalters 8 auch für Fernbetätigung durch
Schützen, Relais, Servomotoren usw. getroffen werden kann, wobei außerdem die bekannten
Verriegelungen gegen Fehlbetätigung anwendbar sind.
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Ebenso kann die Übertragung statt für Dieselmotoren auch für jede
andere Art von Antriebsmaschinen sinngemäß Verwendung finden.