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Überlastregelungsvorrichtung für Tankstabilisierungsanlagen Bei Tankstabilisierungsanlagen:
für Schiffe mit Förderung der Tankflüssigkeit durch eine Verstellpropellerpu.mpe
ist im Flüssigkeitsverbindungskanal der zusammenarbeitenden Tanks ein Versteldpropeller
an@geordmet., dessen Anstellwinkel in Abhängigkeit vorn den Steuerdaten einzustellen
ist. Als Steuerdaten können z. B. der Schrägla;genwink e1 des Schiffes, die Schräglagenwinkelgeschwindigkeit,
der Schlingerwinkel, die Tankflüssigkeitsstanddifferenz und andere Größen, allein
oder in geeigneter Kombination dienen. Der aus diesen Daten nach einer bestimmten
Gesetzmäßigkeit von einem Steuergerät ermittelte und z.. B. durch den Ausschlag
eines Drehmagneten dargestellte Resultatwert dient als Regelwert für den Propelleranstellwinkel.
Vorzugsweise wird die Pumpe von einem Motor mit konstanter Drehzahl und gleichbleibendem
Drehsinn angetrieben, wobei alsdann, da ja die Förderrichtung im: Takte der Schiffsschwingungen
wechseln muß, Verstellpropeller mit Durchgang durch die Nullstellung verwendet werden,.
Da die Verstellkraft eines Drehmagneten für die Verstellung der Propellerflügel
im allgemeinen nicht ausreicht, dienen die Ausschläge des Drehmagneten in der Regel
zunächst zur Steuerung eines Kraft= verstärkers, der die Regelbewegung mit hinreichender
Kraft nachbildet, gegebenenfalls
kann zwischen Kraftverstärker und
dem Verstellmechanismus der Propellerpumpe noch ein Servomotor eingeschaltet werden.
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Die Erfindung betrifft eine Überlastregelungsvorrichtung für Tankstabilisierungsanlagen
von Schiffen mit einer Verstellpropellerpumpe als Aktivierungsantrieb, deren Anstellwinlzel
bei Überschreiten einer vorgegebenen Leistung des elektrischen Antriebsmotors zusätzlich
im Sinn einer Konstanthaltung dieser Leistung durch eine von dem Betriebszustand
des Antriebsmotors abhängige elektrische Hilfseinrichtung gesteuert wird, die auf
einen den Steuerwert liefernden Drehmagneten einwirkt; das wesentliche erfinderische
Merkmal besteht darin, daß bei Verwendung eines Wechsel- oder Drehstrommotors mit
diesem in Reihe ein vorzugsweise mit Luftspalt versehener Stro,mtra,nsformator geschaltet
ist, der bei Überschreiten der vorgegebenen Motorstromstärke eine Schwächung des
Drehmagnetfeldes durch Einschalten eines Ohmschen Widerstands bewirkt oder eine
Gegenspannung zu der die Drehmagnetfelderregung erzeugenden und gleichzurichtenden
Wechselspannung hervorruft. Auf diese Weise wird eine Überlastung des Propelleranstellmotors
verhindert und eine optimale Ausnutzung der Pumpe gewährleistet.
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andere Lösungen dieser Aufgabe sind bereits bekanntgeworden. Zum Beispiel
besteht eine mechanische Lösung darin, da.ß der Anstell-,vinkel der Propellerflügel
an einem nach den Steuerdaten angetriebenen Raumflächenkörper eingestellt wird und
dieser so gestaltet ist, daß eine Überlastung nicht eintreten kann. Weiterhin ist
es bekannt, bei der Regelung von Flugzeugpropellern auf konstante Tourenzahl eine
von dem Betriebszustand der Antriebsmaschine abhängige elektrische Hilfssteuereinrichtung
zu verwenden, um den zur Verstellung der Propellerflügel erforderlichen Impuls zu
erhalten. Tedoch ist bei dieser Anordnung Gleichstrombetrieb vorgesehen, während
die erfindungsgemäße Ausführung einen Wechsel- oder Drehstrommotor zur Voraussetzung
hat.
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Fig. i -zeigt die grundsätzliche Anordnung einer Tanksta,bilisierungsanläge,
für die die Erfindung anwendbar sein kann. In F'ig. a ist ein Ausführungsbeispiel
für die elektromechanische Lösung der Erfindungsaufgabe dargestellt, das ist das
Einschalten eines Ohmsche u Widerstands in den Stromkreis der Drehmagnetfeldwicklung,
währerid Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der rein elektrischen Lösung, nämlich der
Erzeugung einer Gegenspannung zu der die Drehmagnetfelderregung hervorrufenden Spannung,
zeigt.
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In Fig. i ist der Ouerschnitt eines Schiffes i gezeichnet, das an
der Backbord- und an der Steuerbordseite mit je einem Tank z bzw. 3 versehen ist,
die oben durch einen Luftkanal ,I und unten durch einen Flüssigkeitskanals miteinander
verbunden sind. Im Luftverbindungskanal 4. befindet sich eine Absl>errvorrichtung
6 z. B. in Form einer A yschließklappe. Mit der Drehachse dieser Klappe ist ein
Hebel 9 verbunden, an dem eine Zugfeder 1o und die Kolbenstange eines Kolbentriebes;,
8 angreifen. Durch Zuführen eines Druckmittels in den unter dem Kolben 8 1>zfindlichen
Raum des Zylinders 7 kann entgegen der Zugkraft der Feder io die Klappe 6 geöffnet
werden. Als Fördervorrichtung zum Verschieben der Tankflüssigkeit von Backbord-
zum Steuerbordtank oder umgekehrt dient eine im Flüssigkeitskanal 5 angeordnete
Verstellpropellerpumpe i i mit senkrechter Achse, die über das Vorgelege 12 von
dem Elektromotor 13 angetrieben wird. Bei fördernder Pumpe wird die Klappe 6 durch
eine Druckölstetierung offengehalten, während beim Anstellwinkel /3 = o und ebenso
bei abgestelltem Motor die Klappe geschlossen ist. Für die Einstellung des Anstellwinkels
der Propellerschaufeln 14. auf den jeweils richtigen Wert und zum Öffnen und Schließen
der Klappe 6 dient die Steuereinrichtung 15, die aus dem obenerwähnten Steuergerät
und dem Drehmagneten in Verbindung mit Kraftverstärker und Servomotor bestehen kann.
Die Steuereinrichtung 15 ermittelt also einmal den Regelwert für den Propelleranstellwinkel
ß, der sich z. B. bei Bekämpfung reiner Schräglagen aus dem Schräglagenwinkel a
und der Schräglagenwinkelgeschwindigkeit x zusammensetzen kann, erforderlichenfalls
kann auch die Flüssigl:eitsstanddiferenz in den Regelwert mit eingehen; bei Schlingerdämpfung
kann sich der am Dnehmagneten einzustellende Regelwert für den Anstellwinkel f3
z. B. aus dem Schlingerwinkel 9,-# und der etwa vorhandenen statischen Schräglage
a zusammensetzen oder noch weitere Steuerdaten, wie etwa Schlingerwinkelgeschwindigkeit
oder Schlingerwinkelbeschleunigung enthalten. Auf die Art der Ermittlung der Regelwerte
für den Propellera.nstellwinkel und die dabei zu beachtenden Gesetzmäßigkeiten braucht
nicht näher eingegangen zu werden, da diesem Zweck dienende Steuergeräte bekannt
sind und nicht den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden. Es kann also davon
ausgegangen werden, daß in jedem Augenblick der für eine richtige Stabilisierung
günstigste Regelwert am Anker des Drehmagneten eingestellt ist. Die Erfindung betrifft
eine Ergänzung des den Regelwert liefernden Steuergerätes, durch die eine Überlastung
des Pumpenmotors vermieden und optimale Ausnutzung der verfügbaren Leistung gewährleistet
ist.
Derartige Einrichtungen sind für die in Rede stehenden Anlagen von großer Wichtigkeit,
da bei der Eigenart des Betriebes mit Verstellpropellern beinahe ständig die Möglichkeit
einer Überlastung des Antriebsmotors besteht.
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Die Erfindung hat zur Voraussetzung, daß als Pumpenantriebsmotor ein
Wechsel- oder Drehstrommotor dient. Da die von dem Drehmagneten zu liefernden Steuerkomml
entsprechend der wechselnden Förderrichtung richtungsabhängig sind, muß der Drehmagnet
natürlich auf gerichteten Strom ansprechen. Ein besonderes Gleichstromnetz kann
jedoch durch an sich bekannte GleichrIchterschaftungen vermieden werden.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsg4,mä.ßen
Überlastregelung bedeuten R, S, T di-e drei Phasen eines Drehstromn etzes, von dem
aus der Pumpenantriebsmotor 13 gespeist wird.. In der Phase T, also in Reihe mit
dem: Motor 13, liegt die Primärwicklung eines Transformators 16, der somit einen
Stromtransformator darstellt. Der Eisenkern 169 dieses Transformators ist gemäß
weiterer Erfindung mit einem Luftspalt versehen; es handelt sich also um einen offenen
Transformator. Auf die Bedeutung dieser Maßnahme wird weiter unten eingegangen.
Die Sekundärspule des Transformators 16 liefert die Felderregung eines Wechselstromdrehsystems,
das aus dem S.tator 17 und dem Anker 18 besteht. Die Ankerspannung wird von den
Phasen R und S des Dreb istromnietzes geliefert, ist also konstant. In der Regel
wird es erforderlich sein, die Netzspannung durch einen Zwischentransformator 1g
auf die für den, Betrieb des Wechselstromsystems geeignete Spannung herunterzutransformieren.
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Bei angestelltem Pumpenmotor 13 wird in der Sekundärspule des Transformators
16 ein Strom induziert,. also das Feld 17 des Wechselstromdrehsystems erregt. Das
im Anker 18 erzeugte Feld hat das Bestreben, sich in die Richtung des resultierenden
Feldes des Stators 17 zu stellen, wird daran jedoch durch die an ihm angreifende
Feder 2,o verhindert, die den Anker entgegen den auf ihn einwirkenden magnetischen
Kräften gegen einen Anschlag 21 zieht, durch den die Nullage des Ankers bestimmt
ist. Erst wenn der Pumpenmotorstrom., der ja mit dem die Primärspule des Stromtransformators
16 durchfließenden Strom identisch ist, einen bestimmten Wert, z. B. 12o Ampere
überschreitet, ist die von den magnetischen Kräften hervorgerufene Drehwirkung auf
den Anker so groß, daß die Zugkraft der Feder 2o überwunden wird und der Anker einen
Ausschlag im Sinn des eingezeichneten Pfeiles macht. Eine Drehung des Ankers bei
geringster Stromänderung am Motor wird dadurch erreicht, daß der Ariker aus seiner
freien Nullstellung heraus in den maximalen Drehmomentenanstieg hineingedreht wird
und in dieser Stellung durch die diesem Drehmoment entgegenwirkende Kraft der Feder
2o gehalten wird. Auf der Achse des Ankers sitzt fest der Hebel 22, der als Kontakt
ausgebildet ist und bei der Drehbewegung des Ankers über einen Widerstand 23 hinweggleitet.
In der durch den Anschlag 21 bestimmten Nullstellung des Ankers 18. ist der Widerstand
23 völlig ausgeschaltet. Erst bei überschreiten der zulässigen Stromstärke von 12o
Ampere wird er eingeschaltet. Der Widerstand 23 liegt im Stromkreis d, -,s Stators
24 des den Regelwert für den Propelleranstellwinkel ß liefernden Drehmagneten. Der
Erregungsstrom des Stators 24. wird aus dem Drehstromnetz. unter Zwischenschaltung
eines Transformators 26 und einer Gleichrichteranordnung 27, im dargestellten Fäll
einer Graetzschen Schaltung, geliefert. Die-Felderregung ist also bei sich nicht
änderndem Widerstand 23 konstant. Dem Anker 25 wird dagegen eine dem jeweiligen
Steuerwert ß entsprechende Spannung zugeführt, so daß die Verdrehung des Ankers
25 ein Maß für diesen Steuerwert ß darstellt, gleichbleibende Felderregung vorausgesetzt.
Entsprechend der Verdrehung des Ankers 25 werden alsdann über Kraftverstärker und
Servomotor die Propellerflügel eingestellt.
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Die beschriebene Einrichtung hat folgende Wirkungsweise. Im Normalbetrieb,
d. h. wenn die Stromaufnahme des Motors unterhalb des angenommenen Wertes von 12o
Ampere liebt, ist nach obigem der Ohmsche Widerstand 23 ganz ausgeschaltet. Überschreitet
der Motorstrom jedoch dien Wert von i2,o,Ampere, so überwindet ldfas Sam Anker 18
des Wechselstromdrehsysroem.s erzeugte Drehmoment die Zugkraft d(er Feder 20, der
Kontakthebel 22 schaltet mit wachsendem Drehwinkel den Widerstand 23 ein, wodurch
das Feld des Drehmagneten geschwächt wird. Diese Feldschwächung hat zur Folge, daß
der Anker 25 des Drehmagneten um einen entsprechenden Betrag zurückgeht, d. h. der
Wert ß wird verkleinert, und die Propelleerschau:feln werden auf einen kleineren
Anstellwi:nkeleingestellt. Folglich geht jetzt auch die Stromaufnahme des Pumpenmotors
13 zurück, und zwar um so viel, bis der Normalbetrieb wieder hergestellt ist, d.
h. der Widerstand im Erregungsstromkreis 24 des Drehmagneten wieder völlig ausgeschaltet
ist. Diese selbsttätige Überlastregelung tritt also immer dann in Wirkung, sobald
die zulässige Motorstromstärke VOR 12o Ampere überschritten wird. Es findet eine
Wechselwirkung zwischen Motorstrom
und Magnetfeldschwächung statt
in dem Sinn einer selbsttätigen Einregelung auf die zulässige Belastung. Der vom
Steuergerät gelieferte Regelwert für den Anstellwinkel jj wird, sofern er eine Überlastung
des Motors zur Folge hat, immer von selbst, um so weit vermindert, daß der Motor
nur in seinen zulässigen Grenzen beansprucht wird.
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Da es sich bei dem Transformator 16 um einen Stromtransformator handelt,
wird der in der Erregungswicklung 17 des Wcchselstromdrehsystems hervorgerufene
Strom gcge,nüber dem Ankerstrom eine Phasenverschiebung aufweisen, die etwa einen
Betrag von z20° ausmachen wird bzw. leicht auf einen derartigen Wert gebracht werden
kann. Diese Phasenverschiebung, die das Drehmoment schwächt, kann am einfachsten
dadurch ausgeglichen werden, daß der Stromtransformator 16 und der die Ankerspannung
des Wechselstromdechsystems liefernde Spannungstranisfo,rmator 19 an verschiedenen
Phasen des Drehstromnetzes liegen. Demgemäß ist die Primärspule des Transformators
1g an die Phasen R un:d S des Drehstro.mnetzes angeschlossen.
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In gleicher Weise wie bei Drehstrombetrieb arbeitet die beschriebene
Regeleinrichtung bei Wechselstrom:betrieb. In diesem Fall ist jedoch ein Ausgleich
der Phasenverschiebung zwischen Feldspannung und Ankerspannung des Wech:selstromdirehsystems
17, @r.8 nicht auf die eben beschriebene einfache Weise möglich; vielmehr wird es
erforderlich sein, zu diesem Zweck besondere Phasenschieber vorzusehen.
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Die Energie für die beschriebene Regeleinrichtung wird nicht aus dem
Drehstrom- bzw. Wechselstromnetz genommen, sondern vom Motor geliefert, da ja erfindungsgemäß
Stromtransformator 16 und Pumpenmotor 13 in Reihe liegen. Es besteht daher für den
Stromtransformator die Forderung der möglichst geringen Energieaufnahme, damit die
dem Motor entzogene Energie keine schädlichen Rückwirkungen auf den Steuervorgang
auslöst. Würde der Stromtransformator 16 in der sonst üblichen Weise als geschlossener
Transformator, d. h. ohne Luftspalt ausgeführt werden, so wäre der Sättigungsgrad
der magnetischen Induktion bald erreicht, und das würde einen unverhältnismäßig
groß zu bauenden Transformator mit großer Stromaufnahme bedingen. Um die Sättigung
des Transformators zu verhindern, wird daher erfindungsgemäß der Eisenkern des Stromtransformators
16, wie es auch die Figur zeigt, mit einem Luftspalt, der z. B. 3 mm betragen kann,
ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, den für die Verdrehung des Ankers 18
erforderlichen Anstieg der Leistungsaufnahme zu erhalten, ohne da:ß dem Pu@mpenmotor
13 nennenswerte Energiebeträge entzogen zu werden brauchen.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt eine rein elektrische Ausführung
des Erfindungsgedankens. Die Teile der Anordnung nach Fig. 3, die mit denen der
Anordnung nach Fig.2 übereinstimmen und die gleiche Wirkung haben, sind mit den
gleichen Bezugsziffern versehen.. In der Figur ist wiederum der Drehmagnet 2d.,
25 dargestellt, dessen Erregungsspannung aus dem Netz über den Transformator 26'
und Gleichrichter 27 geliefert wird. Der Transformator 26' entspricht dem Transformator
26 in Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied., @daß. im erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel
ein geschlossener, im Ausführungsheispiel nach Fig. 3 ein offener Transformator
benutzt wird. In Reihe mit dem Pumpenmotor liegt wiederum die Primärspule eines
Stromtransformators 16, dessen Eisenkern 16a mit einem Luftspalt versehen ist. Die
Sekundärspule des Stromtransformators 16 und die Sekundärspule des Spannungstransformators
26' sind gegeneinandergeschaltet, so da.ß die Differenz der beiden Spannungen die
Erregungsspannung des Drehmagneten 2-, 25 abgibt. Gegebenenfalls kann man noch,
um die erforderlichen Spannungs-`verte besser zu erreichen, zwischen den Transformatoren
16 und 26' einen Zwischentransformatoreinschalten. DieTransformatoren sind so bemessen,
daß die resultierende Spannung, d. h. die Spannung für die Felderregung des Drehmagneten,
bei der maximal zulässigen Stromaufnahme des Pumpenmotors 13, also bei 12o Ampere,
einen solchen Wert hat, wie er für die Verdrehung des Ankers 25 um den richtigen,
dem Regelwert ß entsprechenden Wert erforderlich ist. Wird die Stromstärke von 12o
Ampere überschritten, so steigt die vom Stromtransformator gelieferte Gegenspannung,
während die von der Sekundärspule 26' kommende Spannung ihren konstanten Wert beibehält.
Das Feld des Drehmagneten 24, 25 wird also geschwächt, der Anker 25 geht
zurück, und im entsprec enden Maße wird auch der Anstellwinkel der Propellerflügel
vermindert. Es findet eine ähnliche Wechselwirkung statt, wie sie beim vorigen Ausführungsbeispiel
besprochen wurde.
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Da es sich bei der Regeleinrichtung nach Fig. 3 um eine induktive
Spannungsschwächung handelt, im Gegensatz zu der Ohmschen Widerstandsänderung im
Beispiel nach Fig. 2, muß mit Rücksicht auf die dem offenen Transformator 16 eigene
Charakteristik auch der Transformator 26' offen ausgeführt, d. h. sein Eisenkern
mit einem Luftspalt versehen sein. In diesem Fall sind die Phasenverhältnisse für
die gegeneinandergeschalteten Spannungen gleich, Die in Fig.3 dargestellte
Regeleinrichtung
hat allerdings zur Folge, daß der Pumpenmotor immer auf normale Leistung eingestellt
wird, auch wenn das Steuergerät einen Regelwert für den Anstellwinkel ß liefert,
der eine geringere Motorleistung zur Folge hat. Das Steuergerät braucht in diesem
Fall nur Steuerkommandos für den Umschaltzeitpunkt und die Förderrichtung der Tankflüssigkeitsbewegung
zu geben, während eine Leistungsbemessung nicht mehr erforderlich ist. Unter gewissen
Umständen kann ein solches Steuerungsverfahren angebracht oder vorteilhaft sein.
Will man die Einrichtung jedoch, wie im Beispiel nach Fig. a als reinen überlastregler
gebrauchen, dann sind zusätzliche Schalteinrichtungen, z. B. Relais, Widerstände
od. dgl., erforderlich, die eine Begrenzung des Wirkungsbereiches der Einrichtung
hervorrufen.