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Schiffsantrieb durch Brennkraftmaschine mit elektrischer Leistungsübertragung
Um bei Schiffsantrieben mit-Dieselmotoren oder ähnlich arbeitenden Brennkraftmaschinen
bei allen Fahrtgeschwindigkeiten mit möglichst günstigem Brennstoffverbrauch arbeiten
zu können, müssen die folgenden Eigenschaften der Schiffsschrauben und der Dieselmotoren
berücksichtigt werden: Das Drehmoment .der Schiffsschraube ändert sich mit großer
Annäherung proportional mit dem Quadrat ihrer Drehzahl. Die von .der Schraube benötigte
Leistung ändert sich daher angenähert mit der dritten Potenz der Drehzahl.
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Der spezifische Brennstoffverbrauch eines Dieselmotors ist am günstigsten,
wenn der Motor stets mit seinem vollen normalen Drehmoment arbeitet, d. h., wenn
bei verringertem Leistungsbedarf seine Drehzahl proportional mit der Leistung verringert
wird.
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Sind Schiffsschraube und Dieselmotor derart aneinander angepaßt, daß
bei höchster Schraubendrehzahl der Motor ebenfalls mit seiner höchsten Drehzahl
bei vollem Drehmoment läuft, und soll nun beispielsweise die Schraubendrehzahl auf
die Hälfte ihres Höchstwertes verringert werden, so geht dabei die von der Schraube
benötigte Leistung auf ein Achtel des Leistungshöchstwertes zurück. Soll dabei .der
Dieselmotor mit günstigstem Brennstoffverbrauch arbeiten, so muß seine Drehzahl
ebenfalls angenähert auf ein Achtel seiner Höchstdrehzalhl verringert werden. Das
Verhältnis der beiden Drehzahlen zueinander muß also wie z : 4
geändert
werden. Entsprechende Änderungen des Drehzahlverhältnisses ergeben sich bei anderen
Schraubendrehzahlen.
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Selbst wenn man berücksichtigt, daß sich der Wirkungsgrad des Antriebes
bei sinkender Drehzahl auf jeden Falletwas verschlechtert und daher die günstigste
Änderung des Drehzahlverhältnisses in Wirklichkeit nicht ganz so groß ist, wie die
vorstehende Überschlagsrechnung ergibt, so liegt es doch auf der Hand, daß ein starres
Drehzahlverhältnis zwischen Dieselmotor -und Schiffsschraube einen schlechten mittleren
Wirkungsgrad ergeben muß, besonders wenn das betreffende Schiff häufig mit verringerter
Geschwindigkeit fahren muß.
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Es sind verschiedene Antriebe bekannt, mit denen unter Berücksichtigung
der erwähnten Zusammenhänge ein besserer Wirkungsgrad und damit ein besserer spezifischer
Brennstoffverbrauch erreicht werden kann.
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So ist es bekannt, Getriebe mit veränderbarer Obersetzung, z. B. Zahnräder-
oder Flüssigkeitsgetriebe, zwischen Motor und Schiffsschraube vorzusehen.
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Man hat auch Schrauben mit verstellbaren Flügeln vorgesehen, bei denen
durch Änderung des Anstellwinkels die erwähnte gesetzmäßige Abhängigkeit der Schraubenleistung
von ihrer Drehzahl geändert werden kann; um auf diese Weise auch bei starrer Kupplung
zwischen Motor und Schraube einen günstigen Brennstoffverbrauch zu erhalten. Derartige
Einrichtungen sind verhältnismäßig kompliziert und kostspielig. Durch die verstellbare
Ausführung der Schraubenflügel verringert sich außerdem naturgemäß ihre mechanische
Widerstandsfähigkeit, so daß solche Schrauben z. B. bei Eisgang leicht Schaden leiden.
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Vielfach werden insbesondere bei größeren Schiffen elektrische Leistungsübertragungen
zwischen Dieselmotor und Schiffsschraube angewendet. Diese bieten außer der Regelbarkeit
des Verhältnisses der Drehzahl von Motor und Schraube vor allem noch den Vorteil,
daß eine mechanische Verbindung zwischen Motor und Schraube in Form einer langen
Welle wegfällt.
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Eine bekannte Art solcher elektrischen Leistungsübertragung besteht
darin, daß mit dem Dieselmotor ein Gleichstromgenerator gekuppelt ist, der einen
mit der Schiffsschraübe gekuppelten Gleichstrommotor antreibt.
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Bei solchen Antrieben kann die fragliche Änderung des Verhältnisses
der Drehzahlen von Dieselmotor und Schiffsschraube durch eine veränderbare Feldschwächung
am Gleichstrommotor erzielt werden. Gegebenenfalls können zur Erweiterung des Regelbereiches
auch Doppelkommutatormotoren mit zwei getrennten Arbeitswicklungen verwendet werden,
.die nach Bedarf in Reihe oder parallel geschaltet werden.
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Auf diese Weise ist es jedoch nicht möglich, auch den Wirkungsgrad
der elektrischen Maschinen auf dem an sich möglichen günstigsten Wert zu halten.
Das Drehmoment des Generators ist proportional dem Produkt aus seinem Magnetfeld
zu dem Ankerstrom. Soll das Magnetfeld und das Drehmoment bei allen Drehzahlen konstant
bleiben, so darf sich auch der Ankerstrom nicht ändern. Generator und Motor führen
also stets den Vollaststrom. Dabei entstehen auch stets die der Vollast entsprechenden
Kupferverluste in den Wicklungen. Nur die Eisen- und Reibungsverluste nehmen bei
fallender Drehzahl ab. Diese spielen aber meistens schon bei Vollast eine untergeordnete
Rolle. Da, wie gesagt, .der Leistungsverbrauch der Schiffsschraube mit der dritten
Potenz ihrer Drehzahl sinkt, so wird der prozentuale Anteil der Kupferverluste an
der von dem Dieselmotor abgegebenen Leistung bei niedrigen Drehzahlen sehr hoch,
der Wirkungsgrad wird also schlecht.
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Es ist möglich, eine Verbesserung dieser Verhältnisse zu erzielen,
wenn das Magnetfeld des Generators bei abnehmender Drehzahl verstärkt wird, so daß
der Strom sich bei gleichem Drehmoment entsprechend verringern kann. Diese Maßnahme
bedeutet aber eine Vergrößerung des Generators und wirkt sich deshalb nur teilweise
in dem gewünschten Sinne aus.
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Sind Generator und Motor so gebaut, daß sie bei Vollast, d. h. bei
höchster Schiffsgeschwindigkeit mit bestem Wirkungsgrad arbeiten, und sollen beide
Maschinen auch bei kleinerer Drehzahl und Leistung, aber konstantem Drehmoment am
Dieselmotor mit geringen Verlusten betrieben werden, so müßte die Spannung des Generators
in anderer Weise geregelt werden, als diejenige des Motors. Dies ist aber nicht
möglich, da beide Maschinen nur eine gemeinsame Klemmenspannung haben und den gleichen
Strom führen.
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In einem konkreten Beispiel der letztgenannten Art konnte der durch
die Kurve I in der Abbildung dargestellte Wirkungsgrad elektrischer Gleichstrommaschinen
in Abhängigkeit von der Schraubendrehzähl ermittelt werden. Könnte man Strom und
Spannung jeder der beiden Maschinen für sich auf den jeweils günstigsten Wert einregeln,
so wäre ein Wirkungsgrad abhängig von der Schraubendrehzahl nach der Kurve 2 zu
erzielen.
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Dieser kann aber praktisch durch keine der beschriebenen Anordnungen
erreicht werden.
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Es sind auch dieselelektrische Schiffsantriebe bekannt, bei denen
durch Umschaltungen in den elektrischen Stromkreisen, z. B. durch Reihen-und Parällelschaltung
mehrerer Maschinen, Polum,schaltung von Induktionsmotoren u. ä. eine bessere Anpassung
der Drehzahlen erstrebt wird. Hierdurch ergeben sich aber auch nur einige wenige
Geschwindigkeitsstufen, bei denen der Dieselmotor mit vollem Drehmoment arbeitet
und gleichzeitig die Kupferverluste in den elektrischen Maschinen niedrig sind.
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Eine stetige Anpassung, bei der im ganzen Regelbereich diese beiden
Bedingungen erfüllt sind, ist auch bei diesen bekannten Antrieben nicht zu erzielen.
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Zur Vermei@du#ng dieser Nachteile sieht die Erfindung einen Schiffsantrieb
durch Brennkraftmaschine
mit elektrischer Leistungsübertragung
vor, bei der die Drehzahlen der Antriebsmaschine und der Schrauben unabhängig voneinander
regelbar sind und der hierzu folgende Merkmale aufweist, die zum Teil für sich bekannt
sind: I. Der Stromerzeuger für die Leistungsübertragung besteht aus einem Synchrongenerator;
2. als Schraubenantrieb dient ein ein- oder mehrphasiger Wechselstromkommutatormotor;
3. die Motor- und Generatorspannung ist durch Wicklungsumschaltung und/oder Zwischenschaltung
eines Stufentransformators in verschiedener Weise aneinander anpaßbar.
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Die elektrische Energieübertragung kann dabei ein- oder mehrphasig
ausgebildet sein. Im allgemeinen wird man besonders bei größeren Leistungen mehrphasigen
Maschinensätzen den Vorzug geben, da bei diesen das aktive Material besser ausgenutzt
ist und keine oder nur geringe Pulsationen des Drehmomentes entstehen, die eventuell
zu Drehschwingungen der Welle Veranlassung geben könnten.
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Bei Einphasen-Betrieb können für kleinere Leistungen Repulsions-Motoren
und für größere Leistungen die im Bahnbetrieb seit langem bewährten und gut durchgebildeten
Reihen-Schlußmotoren verwendet werden. Für einen Mehrphasen-Antrieb (Drei-, unter
Umständen auch Sechsphasen-Antrieb) kommen Mehrphasen-Kollektormotoren mit Reihen-
oder Nebenschluß-Charakteristik in Frage, die heute schon für beträchtliche Leistungen
gebaut werden.
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Wie gesagt, ist die Unabhängigkeit der Regelung der Motor- und Generatorspannung
die Voraussetzung für einen guten elektrischen Wirkungsgrad. Sie ist bei einer Wechselstromübertragung
nach der Erfindung leicht zu erreichen. Zum Beispiel kann zwischen beiden Maschinen
ein Transformator - vorzugsweise ein Spartransformator - mit Anzapfungen geschaltet
werden, der bei Änderung der Schraubendrehzahl eine Einregelung des günstigsten
Spannungsverhältnisses gestattet. Statt des Anzapftransformators kann auch jeder
andere Spannungsregler verwendet werden.
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Ein anderer Weg ist der, die Arbeitswicklungen des Generators und
je nach Bauart des Motors auch diejenigen des Motors in mehrere Abschnitte zu unterteilen,
die je nach Bedarf in Reihe oder parallel geschaltet werden. Bei Drehstromwicklungen
kommt dabei auch die Umschaltung von Stern in Dreieck in Frage. Bei zweckmäßiger
Polzahl ist eine verhältnismäßig große Stufenzahl auf diese Weise zu erzielen. Bei
zwölf Polen sind z. B. Spannungsstufen zu erzielen, die im Verhältnis I : 2 : 3
: 4 : 6 : I2 stehen. Durch Übergang von Stern- auf Dreieckschaltung läßt die Stufenzahl
sich unter Umständen noch weiter erhöhen. Eine solche Umschaltung ist auch bei mehrphasigen
Kommutatormotoren mit Zwischentransformator möglich. Man legt dabei jeden Teil der
Motor-Ständerwicklung fest in Reihe mit dem entsprechenden Teil der Transformator-Primärwicklung
und schaltet beide gemeinsam um. Mit der Sättigung des Zwischentransformators kann
bekanntlich die Durchgangsdrehzahl des Motors begrenzt werden. Die Wahl solcher
Motoren mit Zwischentransformator ist dann nützlich, wenn damit zu rechnen ist,
daß die Schiffsschraube bei hohem Seegang oft aus dem Wasser taucht und dabei leer
läuft.
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Die Überbrückung der sich durch die Umschaltung der Wicklungsabschnitte
ergebenden Drehzahlstufen ist bei konstantem Drehmoment des Dieselmotors durch die
Regelbarkeit der Wechselstrom-Kommutatormotoren ohne weiteres möglich.
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Die bisher besprochenen Mittel machen die Motorspannung von der Spannung
des Generators unabhängig. Sie bewirken aber noch nicht eine Verringerung der Kupferverluste
im Generator. Für diesen kann die gewünschte günstigste Klemmanspannung durch Regelung
des Erregerstromes eingestellt werden. Das Magnetfeld des Generators ändert sich
bei der angegebenen Betriebsweise schon selbsttätig ein der gewünschten Richtung,
so daß im allgemeinen nur noch eine geringe Justierung nötig sein wird. Das Drehmoment
des Generators ist dem Produkt Feldstärke X Wirkstrom proportional. Bei einem Wechselstromgenerator
wirkt bekanntlich nur ein Teil des Erregerstromes felderzeugend, während ein großer
Teil der Erregeramperewindungen durch den Blindstrom im Anker kompensiert wird.
Bei einer Abnahme des Blindstromes erhöht sich also die Stärke des Magnetfeldes
und gestattet bei gleichbleibendem Drehmoment eine Abnahme des Wirkstromes bei gleichzeitigem
Spannungsanstieg. In dem vorliegenden Fall nimmt nun der Blindstrom bei sinkender
Schraubendrehzahl ab, weil die Leistung und die Frequenz sinken. Da die Drehzahl
des Dieselaggregates in stärkerem Maße zurückgeht als die Schraubendrehzahl, so
läuft der Motor im unteren Arbeitsbereich mehr und mehr übersynchron. Dies wirkt
sich gleichfalls in einer Abnahme des Blindstromes aus.
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Die Klemmenspannung des Generators wächst aber nicht nur infolge dieser
Verringerung des Blindstromes. Auch der Spannungsabfall in der Generatorwicklung
wird mit Ader Abnahme des Stromes, insbesondere des Blindstromes, kleiner, so daß
das Verhältnis der Klemmenspannung zur elektromotorischen Kraft der Maschine besser
wird.
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Durch all diese Effekte ergibt sich selbsttätig eine beträchtliche
Abnahme des Stromes im Generator bei sinkender Schraubendrehzahl trotz konstantem
Drehmoment. Eine weitere Verringerung des Generatorstromes kann durch -eine Änderung
des Erregerstromes erreicht werden. Notfalls kann ,der Blindstrom noch durch- eine
in den Hauptstromkreis eingebaute Drosselspule beeinflußt werden.
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Die Anordnung nach der Erfindung vermag somit tatsächlich die beiden
obengenannten Bedingungen für einen Betrieb mit kleinsten Verlusten zu erfüllen.
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Es i t'zweckmäßig, die Anordnung so zu treffen, da:ß bei voller Schraubendrehzahl
der Motor in Untersynchronismus läuft und damit im unteren
Arbeitsbereich
sein Übersynchronismus nicht zu groß wird.
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Die Kommutierung der Kommutatormotoren bei der veränderlichen Frequenz
bereitet keine Schwierigkeiten. Wenn einmal bei höchster Drehzahl eine einwandfreie
Kommutierung erzielt ist, was bei dem heutigen Stand der Technik keine Schwierigkeiten
macht, so bleibt die Kommutierung auch dann gut, wenn die Drehzahl herabgesetzt
wird, da hierbei auch Strom und Frequenz zurückgehen.
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Wenn bisher nur von einem Motor und einem Generator die Rede war,
so schließt das natürlich nicht aus, daß die Erfindung in gleich vorteilhafter Weise
auch dann angewendet werden kann, wenn mehrere Motoren je eine Schraube antreiben
oder auch zum gemeinsamen Antrieb einer Schraube dienen. Ebenso können auch mehrere
Generatoren vorhanden sein, die von einem oder auch von mehreren Dieselmotoren angetrieben
werden.
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Wenn auch bisher nur von Dieselmotoren die Rede war, so ist doch die
Erfindung auch anwendbar bei allen Brennkraftmotoren, bei denen der spezifische
Brennstoffverbrauch am günstigsten ist, wenn sie auch bei Teillast stets mit vollem
Drehmoment arbeiten.