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Elektrischer Schiffsantrieb In, neuerer Zeit wird auf Schiffen an
Stelle der unmittelbaren mechanischen Kupplung der Propeller mait der Kraftmaschine
die elektrische Übertragung verwendet. Diese hat den Vorteil, daß man in der Aufstellung
der Kraftmaschine größere Freiheit besitzt und daß die Leistung eines Propellers
auf mehrere Kraftmaschinen, unterteilt werden kann, was eine Verbesserung des Wirkungsgrades
bei langsamer Fährt zur Folge hat. Dagegen gestaltet sich die Aufgabe der Drehzahlregelung
der Propeller bei elektrischen Schiffsantrieben nicht so einfach, wie es, bei anderen
elektrischen Antrieberi sonst der Fall ist. An sich ergibt sich eine sehr gute RegePbarkeit,
wenn die Propellermotoren als Gleichstrommotoren ausgebildet sind. Hier bereitet
jedoch der danm notwendige Kommutator Schwierigkeiten, da er erstens ziemlich viel
Platz erfordert und-vor allem stark durch die in den Schiffsräumen herrschende Feuchtigkeit
gefährdet ist. Außerdem ist man bei der Verwendung von Gleichstrommotoren in der
Höhe der Maschinenspannung mit Rücksicht auf die Kommutierung beschränkt. Die gleichen
Nachteile gelten auch für eine andere bekannte Antriebsart, bei der zwar der Generator
und
der Propellermotor Wechselstrommaschinen sind, die Übertragung jedoch mit Gleichstrom
erfolgt. Zu diesem Zweck sind zusätzliche Wechselstrom- bzw. Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer
vorgesehen, die naturgemäß ebenfalls wieder Kommutatoren aufweisen müssen. Man ist
deshalb von der Gleichstromübertragung auf die Drelistromübertragung übergegangen,
wobei man den Propellermotor als Asynchron- oder Synchronmotor ausbildet und die
Kraftmaschine entsprechend mit Drehstromgeneratoren kuppelt. Damit sind zwar die
Schwierigkeiten, die der Kommutator hievet, überwunden, auch kann man ohne Schwierigkeiten
wesentlich höhere Übertragungsspannungen verwenden. Es ergibt sich jedoch eine starke
Beschränkung in der 'Möglichkeit der Drehzahlregelung, die man zwar in groben Stufen
durch Polumschaltung der Motoren beherrschen kann, im übrigen aber doch durch Drehzahlregelung
der Kraftmaschine vornehmen maß. Eine Herabregelung der Kraftmaschinendrehzahl ist
aber, insbesondere wenn es sich um Turbinen handelt-, immer mit einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades verbunden. Ganz abgesehen davon ergeben sich für die Generatoren
und Motoren wegen der Auslegung für verminderte Frequenz schwerere und teurere Sonderausführungen.
Auch das Umsteuern auf die umgelehrte Drehrichtung stellt bei Drehstrom noch besondere
Anforderungen an die elektrischen Maschinen.
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Diese Schwierigkeiten werden durch die vorliegende Erfindung überwunden.
Die Erfindung benutzt zwar wieder Gleichstrom als Übertragungsmittel, Zwobei jedoch
in an sich h°kannter Weise sowohl der mit der Kraftmaschine gekuppelte Generator
als auch der Propellermotor als Synchronmaschine ausgebildet werden. Erfindungsgemäß
werden diese starr mit mit Schaltdrosseln ausgerüsteten Kontaktumformern gekuppelt,
über welche die Synchronmaschinen an den Gleichstromübertragungskreis angeschlossen
sind. Dabei wird die Kraftmaschine mit annähernd konstanter Drehzahl betrieben,
und I die Regelung des Propellermotors erfolgt durch Änderung der Aussteuerung eines
oder beider Kontaktumformer oder auch durch Änderung seiner Erregung. Der K=ontaktumformer
mit Schaltdrosseln ist heute so weit entwickelt, daß er auch größte Leistung j gen
bei verhältnismäßig hohen Spannungen sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter
einwandfrei zu beherrschen vermag, i wobei der Raumbedarf nur einen Bruchteil i
des Raumbedarfes anderer Gleichrichterarten beträgt. Durch die starre Kupplung der
KontaktumformermitdenSVnchronmaschiiien j i wird ein unbedingt synchrones Arbeiten
der Kontakte mit den Wicklungsspannungen selbst bei stärkten Belastungsstößen gewährleistet,
so daß auch in dieser Hinsicht keinerlei Schwierigkeiten auftreten können. Der Wirkungsgrad
des Kontaktumformers ist außerordentlich hoch, da der Spannungsabfall an den Kontakten
praktisch gleich 1u11 ist und die Schaltdrosseln bei Wahl geeigneter Eisensorten
für die Kerne nur verhältnismäßig geringe Verluste aufweisen. Die Wirtschaftlichkeit
der Umformung wird daher durch die Einführung des Gleichstromzwischenkreises nicht
nachteilig beeinflußt. Die 'Maschinen können für verhältnismäßig hohe Spannungen
gewickelt werden, wobei bis etwa io kV in dein Gleiclistromübertragungskreis kein
besonderer Transformator erforderlich ist. Sofern es zweckmäßiger ist, können jedoch
auch zur Anpassung der M=aschinenspannung an die Gleichspannung und zur Umformung
der Phasenzahl zwischen die 'Maschinenwicklung und den Kontcktumformer ein oder
mehrere Umspanner ;geschaltet werden.
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In Fig. i ist eine Ausführungsform der Schaltung des Schiffsantriebes
gemäß der Erfindung schematisch wiedergegeben. i ist eire Dampfturbine, die den
Synchrongenerator 2 und den Kontaktumformer 3 antreibt. Elektrisch ist der Kontaktumformer
mit der Wecliselstromwicklung der Maschine 2 über den Transformator 5 verbunden,
wobei mit den Schaltkontakten, die nicht näher dargestellt sind, noch die Schaltdrosseln
.4 in Reihe liegen. Parallel zu den Kontakten «-erden in bekannter Weise noch Neben"vege,
beispielsweise Kondensatoren und Ohmsche Widerstände vorgesehen, die ebenfalls der
Einfachheit halber in der schematischen Zeichnung weggelassen sind. Der Kontaktumformer
3 speist dann seinerseits die Gleichstromübertragungsleitung 6, an die auf der anderen
Seite über den zweiten Kontaktumformer 7, der ebenfalls mit Schaltdrosseln 8 ausgerüstet
ist, und den Umspanner 9 die Drehstromwicklung des Propellermotors io angeschlossen
ist. Der Propellermotor io ist ebenfalls finit dem Antrieb für die Kontakte des
Umformers 7 starr gekuppelt. Gleichzeitig dient der Propellermotor io für den als
Wechselrichter arbeitenden Kontaktumformer 7 als takthaltende und die Wendespannung
liefernde Spannungsquelle. Der Strom für die Erregerwicklung i i des Propellermotors
io wird zweckmäßig einem besonderen Gleichstromhilfsnetz 1 2 entnommen, wobei der
Widerstand 13 zur Regelung seiner Größe dient.
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Die Drehzahl des Propellermotors kann durch Maßnahmen in dem Ankerkreis
oder durch Uderung der Erregung in beliebigen
Grenzen geregelt werden,
so daß die Kraftmaschine bei allen Fahrtgeschwindigkeiten mit konstanter Drehzahl
laufen kann. Der als Synchronmotor ausgebildete Propellermotor verhält sich durch
die Kupplung mit dem Kontaktumformer ähnlich wie ein Gleichstromnebenschlußmotor.
Eine Erhöhung seiner Erregung hat eine Drehzahlsenkung zur Folge. Das gleiche erreicht
man durch eine Herabsetzung der zugeführten Gleichspannung, was nun wieder auf verschiedene
Weise erfolgen kann. Es kann entweder die Erregung des mit der Kraftmaschine gekuppelten
Generators geändert werden, man kann aber auch die Aussteuerung entweder des Kontaktumformers
auf der Erzeugerseite oder des mit dem Motor gekuppelten Kontaktumformers ändern.
Insgesamt ergibt sich also bei ausgezeichneter Regelbarkeit eine beachtliche Heraufsetzung
des mittleren Wirkungsgrades, mit dem der Antrieb arbeitet.
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Die Maschinen werden zweckmäßig mit möglichst hoher Phasenzahl gewickelt,
es können aber auch mehrere in der Phase versetzte dreiphasige Wicklungen vorgesehen
werden, von denen.jede mit einem besonderen ihr zugeordneten Umformersystem verbunden
ist. Die Umformerkontakte werden zweckmäßig in Graetzscher Schaltung angeordnet,
zumal dann herausgeführte Wicklungsnullpunkte überflüssig sind. Man kann dann die
Maschinenwicklungen in sich geschlossen ausführen und braucht sie nur entsprechend
der Phasenzahl mit Anzapfungen zu versehen.
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Der Antrieb, gemäß der Erfindung läßt auch auf einfache Weise eine
Bremsung des Propellermotors, zu, wie siebeispielsweise bei beabsichtigter Fahrtrichtungsumkehr
erforderlich wird. Man braucht zu diesem Zweck nur den mit dem Propellermotor gekuppelten
Kontaktumformer anstatt als Wechselrichter als Gleichrichter und: entsprechend den
Kontaktumformer auf der Erzeugerseite als Wechselrichter auszusteuern und erreicht
dadurch, daß die an dem Propellermotor frei werdende Überschußenergie von den Schwungmassen
des: Erzeugersatzes aufgenommen wird. Zusätzlich kann an den Gleichstromkreis, noch
ein Verbraucher angeschlossen werden, der die frei werdende Energie vernichtet.
Auch die Reversierung selbst gestaltet sich sehr einfach. Man kann zunächst so vorgehen,
daß man den Gleichstromkreis umschaltet. Man kann aber auch die Einschaltzeitpunkte
des. Kontaktumformers auf der Erzeugerseite so legen, daß er auf den Halb-,vellen
der anderen Polarität arbeitet und sich dementsprechend die Polarität des Gleichstromübertragungskreises
umkehrt. Dies kann im Anschlu3 an eine Bremsung völlig stetig vor sich gehen. Besonders,
vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktumformer oder mindestens einer von ihnen als,
Doppelumformer ausgebildet sind. Ein solcher Doppelumformer besteht aus, zwei Kontaktgruppen,
die Wechsel- und gleichstromseitig parallel geschaltet sind und von denen ständig
die eine als Gleichrichter und die andere als Wechselrichter ausgesteuert sind.
Grundsätzlich stellt diese Anordnung eine Kreisschaltung von zwei Kontaktapparaten
an ein und derselben Wechsels.tromwicklung dar. Sie ist in Fig.2 als. Beispiel dargestellt.
15 und 15' sind die beiden Kontaktgruppen, die über die Schaltdrosseln 16
bzw. 16' an eine gemeinsame Drehstromwicklung 14 angeschlos,sen sind, und zwar so,
daß jede Gruppe eine dreiphasige Graetz-Schaltung bildet. Anstatt jedem einzelnen
Kontakt eine besondere Schaltdrossel vorzuschalten, kann man die Schaltdrosseln
auch in, die Verbindungsleitungen zwischen den Kontaktpaaren und den Enden der Wicklung
14 legen. Man benötigt .dann für- jede Kontaktgruppe nur drei Schaltdrosis.eln.
Gleichstromseitig sind die Kontaktgruppen unter Zuhilfenahme einer Saugdrossel
17, die auch durch zwei Glättungsdrosseln ersetzt werden. kann, parallel
geschaltet.
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Die Wirkungsweise beruht darauf, d'aß die Kennlinien der Kontaktumformer
sich sowohl für Gleichrichterbetrieb, wie auch für Wechselrichterbetrieb mit starker
Anfangskrümmung ausführen lassen, wie in Fig.3 gezeigt ist. Bei Leerlauf ist der
Gleichrichterstrom entgegengesetzt gleich dem, Wechs.elrichterstrom; es, fließt
also gleichstromseitig ein; Ausgleichs.trom Igk, der jedoch bei zweckmäßiger Ausgestaltung
der Kennlinie nur gering ist. Ist die Gegenspannung kleiner als die Leerlaufspannung,
so überwiegt der schnell anwachsende Gleichrichterstrom den geringen, noch weiter
abnehmenden Wechselrichterstrom, so daß praktisch fast ausschließlich eine Gleichrichtung
zustande kommt. Ist die Gegenspannung dagegen höher als die Leerlaufspannung, so
findet umgekehrt praktisch nur Wechselrichtung statt. Es ergeben sich mit dieser
Doppelumform,erschaltung also ähnliche Verhältnisse wie bei der Kreuzschaltung von
Ventilstromrichtern, d.. h. es ist jederzeit ein unverzögerter Ubergang vom Motorbetrieb
zum Bremsbetrieb möglich, und es. läßt sich dabei stetig die Gleichspannung bis
auf Null herunter und dann mit umgekehrtem Vorzeichen wieder heraufregeln. Insgesamt
ergeben sich dann also alle Regelmöglichkeiten, wie sie die Speisung des Antriebsmotors
aus einemLeonard-Umformer bieten würde. Die vorgeschlagene Anordnung mit Synchronmaschinen
und Doppelkontaktumformern
bietet also alle Vorteile des BC-triebes
mit Gleichstrommaschinen, ohne die Nachteile dieser Maschinen zu haben.