EP1395487A1 - Schiffsantriebssystem mit vermindertem bordnetzklirrfaktor - Google Patents

Schiffsantriebssystem mit vermindertem bordnetzklirrfaktor

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EP1395487A1
EP1395487A1 EP02745129A EP02745129A EP1395487A1 EP 1395487 A1 EP1395487 A1 EP 1395487A1 EP 02745129 A EP02745129 A EP 02745129A EP 02745129 A EP02745129 A EP 02745129A EP 1395487 A1 EP1395487 A1 EP 1395487A1
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EP
European Patent Office
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intermediate circuit
converter
electrical system
converters
ship
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02745129A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Iden
Gustav Vaupel
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1395487A1 publication Critical patent/EP1395487A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/08—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/443—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/45—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only

Definitions

  • Harmonics occur in the vehicle electrical system when there is a non-sinusoidal current draw, for example when strong non-linear consumers are connected to the vehicle electrical system.
  • the vehicle electrical system must not contain any major harmonic components even if the electrical ship propulsion system is fed from the vehicle electrical system.
  • the electric ship propulsion system comprises one or more converters connected to the on-board electrical system, each of which supplies one or more electric propeller motors with current.
  • the on-board electrical system is usually a 3-phase medium-voltage network, in rare cases also a low-voltage network. From this, the converter including the
  • Converter transformer for the drive motor a three-phase voltage system with variable voltage and frequency.
  • the voltage at the output of the converter depends on the frequency.
  • the converter can be an intermediate circuit converter with a direct voltage intermediate circuit and a multi-phase control th bridge in the exit.
  • a pulsating load is created on the capacitor, which has an effect on the vehicle electrical system.
  • Known measures include the use of a three-phase transformer, whose primary windings are connected in a triangle.
  • the three-phase transformer has two sets of secondary windings, one connected in a star and the other in a delta. These two sets of secondary windings are each connected to their own bridge rectifiers, which feed a common DC link capacitor on the output side.
  • Three-phase bridges made of IGBT x s are connected to the intermediate circuit capacitor for each phase of the output network of the converter.
  • the IGBTs are controlled in such a way that there is an approximately sinusoidal current profile in the stator winding of the connected propeller motor.
  • Such a converter is referred to as a twelve-pulse converter, in which only the characteristic harmonics of the orders are left on the network side
  • the motors are subjected to different powers. Due to the different load on the motors and the corresponding system feedback, the distortion factor to be measured in the vehicle electrical system is reduced by up to a third. This reduction is particularly noticeable in the higher harmonics, which do not cancel each other out due to the special wiring of the converters.
  • the theory for the improvement of the distortion factor is that a change in the current flow angle at the intermediate circuit capacitor is responsible for the reduction. With a lower load on the intermediate circuit capacitor in the converter, charging currents occur with different phase angles compared to a greater current draw from the intermediate circuit capacitor. This change in the phase angle may have repercussions on the three-phase bridge on the output side and the current profile in the connected motor.
  • the regulation of the drive motors of the ship can be carried out in such a way that the load distribution to the motors occurs in every operating situation in the sense of minimizing the harmonics of the order 23, 25, 47, 49.
  • the method according to the invention can be used in particular on ships which have engines at the bow and stern, so that the different output does not lead to a course change which has to be compensated for by a rudder deflection.
  • An improvement in the harmonic content can also be achieved in ships with two propeller motors at the stern, which are operated with the same power.
  • the DC link capacitors in the inverters for the propeller motors differ. Due to the different capacitance values of the DC link capacitors in the two converters, the higher harmonics that occur in a 24-pulse converter can be compensated in a similar way.
  • each of the converters is designed as a 24-pulse converter, so that the lower harmonics cancel each other out as described at the beginning.
  • 1 shows the basic circuit diagram for the electric drive of a ship, which has two propeller motors at each end, 2 shows a table to illustrate the harmonic distortion behavior as a function of the load distribution on the propeller motors,
  • FIG. 3 shows the basic circuit diagram for the electrical drive of a ship with two propeller motors
  • FIG. 4 shows the basic circuit diagram of a converter.
  • FIG. 1 shows the basic circuit diagram for a ship propulsion system with electric motors.
  • the drive system includes a total of five schematically indicated diesel engines 1, 2, 3, 4 and 5.
  • a three-phase synchronous generator 6, 7, 8, 9, 11 is mechanically coupled to each of the diesel engines 1 ... 5.
  • the synchronous generators 6, 7, 8, 9, 11 are combined into groups, the synchronous generators 6 and 7 working on a first busbar 12 and the synchronous generators 8, 9, 11 working on a second busbar 13.
  • the two busbars are electrically coupled to one another in normal operation.
  • the two busbars 12, 13 symbolize a medium-voltage network with 50 Hz and 6.6 kV.
  • a three-phase transformer 14, 15 is connected to each of the two busbars 12, 13 and feeds the low-voltage electrical system 16, 17 on the output side.
  • the transformers are connected in a triangle on the input side and in a star on the output side.
  • the power supply for the travel drive follows from the two busbars 12, 13.
  • two converters 18 and 19 are connected to the busbar 12 and two converters 21 and 22 are connected to the busbar 13.
  • Each of the converters 18..22 feeds an associated three-phase asynchronous motor 23 ... 27.
  • Each of the asynchronous motors 23..27 drives an associated ship propeller via a ship shaft 28..32
  • the two ship propellers 33, 35 are one Ship propellers 34 and 36 are provided at the other end of the ship. Such a distribution of the ship's propellers is used, for example, in double-ended ferries to save turning maneuvers.
  • the propeller motors 23 and 26, which are assigned to one end of the ship, are connected to different busbars. This ensures that if a busbar 12 or 13 fails, at least one propeller motor is available to the drive at each end of the ship.
  • the converters 18..22 are identical to one another. These are 12-pulse converters with a DC link. Since the converters 18..22 are identical to one another, it is sufficient to describe the structure of only one of the converters 18..22 in more detail.
  • the converter 18 On the input side, the converter 18 has a three-phase transformer 37 with a primary winding group 38 connected in a triangle, which is connected to the busbar 12.
  • the three-phase transformer 37 also includes two groups of secondary windings 39 and 41 which are magnetically coupled to the primary windings 38.
  • the group of secondary windings 39 is in a triangle and the group of secondary windings 41 is connected in a star, so that one
  • Phase rotation between the output voltages is obtained.
  • Each of the two groups 41 and 39 of secondary windings is connected to an associated three-phase bridge rectifier 42 and 43.
  • the bridge rectifiers 42, 43 are simply uncontrolled diode bridge rectifiers.
  • Both bridge rectifiers 42, 43 charge a common intermediate circuit capacitor 44, which consists of the parallel connection of several individual capacitors.
  • the capacitance of the DC link capacitor is approx. 56 F per motor.
  • From the intermediate circuit capacitor 44 is fed a controlled three-phase bridge 45 made of IGBT, the output side of the Generate three-phase supply voltage for the asynchronous motor 23.
  • Additional windings on the three-phase transformer 37 ensure that the phase position on the two groups 41 and 39 of secondary windings is additionally rotated by plus 7.5 °.
  • the converter 19 connected to the same busbar 12 has the same construction as explained above, with the restriction that the additional circuitry results in a phase shift of minus 7.5 °.
  • both frequency converters have a phase shift of 15 ° relative to one another, so that from the perspective of busbar 12 they work like a 24-pulse converter.
  • the distortion factor values listed in the table in FIG. 2 can be achieved with the circuit arrangement shown. If three generators are in operation and all motors are operated with the same output, a harmonic distortion of 3.09% must be measured on the busbars 12, 13.
  • the propeller flow has a distortion factor of 7.54%. However, if the mo- gates are operated asymmetrically, ie the power per busbar 12 or 13 is divided in a ratio of 1: 0.6, the total drive power being the same as before, the distortion factor suddenly drops in the voltage curve on the busbars 12 and 13 to 1.9 %.
  • the propeller motor 24 consumes, for example, 0.6 times the power of the power of the propeller motor 23; the same relationship applies to the propeller motors 26 and 27.
  • the distortion factor in the current to the single motor is practically independent of the load distribution.
  • the distortion factor for the current, as it is emitted by each of the individual generators, is practically independent of the load and the operating station on the busbars 12, 13.
  • the reduction in the distortion factor in the voltage profile on the busbars 12, 13 arises from a compensating effect between a converter that is more heavily loaded and a converter that is less heavily loaded.
  • the distortion factor in the output signal of each converter is practically independent of the load distribution. It is assumed that the change in the current flow angle associated with the change in load is responsible for the compensation effect during the periodic recharging of the intermediate circuit capacitor.
  • each of the converters 18, 21 is designed to be 24-pulse per se.
  • a 24-pulse converter can be obtained, for example, by charging the intermediate circuit capacitor 44 via two magnetically uncoupled transformers, the transformers being rotated on the primary side by 15 ° in phase relationship.
  • the basic circuit diagram for such a converter is illustrated in FIG. 4.
  • the converter 18 according to FIG. 4 has two input transformers 46 and 47.
  • Each of the input transformers 46, 47 has a group of primary windings 48 and 49 which, as already mentioned, are electrically rotated by 15 ° relative to one another.
  • Each of the two transformers 46, 47 is further provided with two groups of secondary windings 51, 52, 53 and 54, which are connected in a delta or star and connected to an associated bridge rectifier 55, 56, 57 and 58.
  • the bridge rectifiers 55 ... 58 charge an intermediate circuit capacitor 59, from which three groups of bridges 61, 62 and 63 are fed, which contain IGBTs in their bridge branches. By driving the IGB ⁇ s in known Way, the desired three-phase alternating current is generated at the output.
  • the two converters 18 and 21 are designed in accordance with FIG. 4 and, as already stated, differ in the size of the intermediate circuit capacitor 59. Since each converter in the exemplary embodiment in accordance with FIG. 4 operates with 24 pulses, no harmonics occur below the 23rd harmonic. Only the harmonics 23, 25 and 47, 49 remain. Compensation occurs here in that with the same power, i.e. symmetrical distribution of the drive power to the two remaining propeller motors 23 and 26, the capacitances of the two intermediate circuit capacitors 54 in the two power converters 18, 21 differ in a similar manner as the power distribution among the propeller motors which in the embodiment according to FIG Distortion factor.
  • a reduction in the distortion factor in the medium-voltage network is achieved by connecting two converters or groups of converters in such a way that they behave like 24-pulse converters from the point of view of the network.
  • the converters or groups of converters obtained in this way are loaded differently, or are dimensioned differently in their DC voltage intermediate circuit.

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Abstract

Bei einem Schiff mit elektrischem Fahrantrieb, wird eine Verminderung des Klirrfaktors in dem Mittelspannungsnetz erreicht, indem zwei Stromrichter oder Gruppen von Stromrichtern so zusammen geschaltet werden, dass sie sich aus der Sicht des Netzes wie 24-pulsige Stromrichter verhalten. Die so erhaltenen Stromrichter oder Gruppen von Stromrichtern, werden unterschiedlich belastet, oder in ihrem Gleichspannungszwischenkreis unterschiedlich dimensioniert.

Description

Beschreibung
Schiffsantriebssystem mit vermindertem Bordnetzklirrfaktor
Für den Oberschwingungsgehalt des Bordnetzes von Schiffen gibt es frequenzabhängige Grenzwerte. Zu hohe Oberschwingungsanteile in dem Bordnetz verursachen zusätzliche Verluste im Bordnetz und können zu Betriebsstörungen bei Geräten führen, die an dem Bordnetz angeschlossen sind und hieraus ihre elektrische Energie beziehen.
Oberschwingungen im Bordnetz entstehen, wenn eine nicht sinusförmige Stromentnahme erfolgt, bspw. wenn starke nichtlineare Verbraucher an das Bordnetz angeschlossen werden. Der nichtsinusförmige Stromverlauf im Netz durch den starken Verbraucher führt in Verbindung mit der endlichen Impedanz des Bordnetzes zu entsprechenden Rückwirkungen auf die Spannung. Letztere werden durch Induktivitäten verursacht, die im Bordnetz unvermeidbar vorhanden sind.
Das Bordnetz darf auch dann keine größeren Oberschwingungsanteile enthalten, wenn aus dem Bordnetz der elektrische Schiffsantrieb gespeist wird.
Der elektrische Schiffsantrieb urαfasst einen oder mehrere an dem Bordnetz angeschlossene Stromrichter, von denen jeder einen oder mehrere elektrische Propellermotoren mit Strom versorgt. Üblicherweise ist das Bordnetz ein 3- Phasen-Mittelspannungsnetz, in seltenen Fällen auch ein Niederspannungs- netz. Hieraus erzeugt der Stromrichter einschließlich des
Stromrichter-Transformators für den Antriebsmotor ein dreiphasiges Spannungssystem mit variabler Spannung und Frequenz. Die Spannung am Ausgang des Stromrichters hängt von der Frequenz ab .
Der Stromrichter kann ein Zwisc enkreisumrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis und einer mehrphasigen gesteuer- ten Brücke im Ausgang sein. Durch die Steuerung der Brücke, die eingangsseitig an den Zwischenkreiskondensator angeschlossen ist, entsteht u.a. eine pulsierende Belastung an dem Kondensator, die auf das Bordnetz zurückwirkt.
Durch sinnvolle Beschaltung des Stromrichters, hat man in der Vergangenheit versucht, die durch den Stromrichter verursachte Rückwirkung auf den Klirrfaktor des Bordnetzes niedrig zu halten.
Zu den bekannten Maßnahmen gehört die Verwendung eines Dreiphasentransformators, dessen Primärwicklungen im Dreieck geschaltet sind. Der Dreiphasentransformator weist zwei Sätze von Sekundärwicklungen auf, von denen die eine im Stern und die andere im Dreieck geschaltet ist. Diese beiden Sätze von Sekundärwicklungen sind jeweils an eigenen Brückengleichrichtern angeschlossen, die ausgangsseitig einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator speisen. An den Zwischenkreiskondensator sind für jede Phase des Ausgangsnetzes des Stromrichters Drehstrombrücken aus IGBTxs angeschaltet. Die IGBT s werden so angesteuert, dass sich ein angenähert sinusförmiger Stromverlauf in der Ständerwicklung des angeschlossenen Propellermotors ergibt. Ein derartiger Stromrichter wird als zwölfpul- siger Umrichter bezeichnet, bei dem auf der Netzseite nur noch die charakteristischen Oberschwingungen der Ordnungen
11, 13, 23, 25, 35, 37, 47 und 49 usw. auftreten. Die anderen Oberschwingungen heben sich gegenseitig auf.
Eine noch weitergehende Reduktion lässt sich erreichen, wenn die Eingangsströme von zwei derartigen Stromrichter durch entsprechende Zusatzwicklungen um 15° gegeneinander gedreht werden. Hierdurch kommt aus der Sicht des Bordnetzes das Verhalten eines 24-pulsigen Umrichters zustande. Bei einem solchen Betrieb treten nur noch charakteristischen Oberschwin- gungen der Ordnung 23, 25, 47 und 49 etc. auf. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Schiffes bzw. ein Schiffsantriebssystem zu schaffen, bei dem die Amplituden der Oberschwingungen noch weiter reduziert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. dem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Motoren mit unterschiedlicher Leistung beaufschlagt. Aufgrund der unterschiedlichen Last an den Motoren und der entsprechenden Netzrückwirkung, reduziert sich der im Bordnetz zu messende Klirrfaktor um bis zu einem Drittel. Diese Reduktion macht sich besonders an den höheren Harmonischen bemerkbar, die sich aufgrund der besonderen Beschaltung der Stromrichter gegenseitig nicht auslöschen.
Die Theorie für die Verbesserung des Klirrfaktors geht dahin, dass für die Verminderung eine Veränderung des Stromflusswinkels an dem Zwischenkreiskondensator verantwortlich ist. Bei einer geringeren Last an dem Zwischenkreiskondensator in dem Stromrichter treten Ladeströme mit anderen Phasenwinkeln auf verglichen mit einer stärkeren Stromentnahme aus dem Zwi- schenkreiskondensator. Diese Änderung des Phasenwinkels hat möglicherweise Rückwirkungen auf die ausgangsseitige Drehstrombrücke und den Stromverlauf im angeschlossenen Motor.
Die Regelung der Antriebsmotoren des Schiffes kann so erfol- gen, dass bei jeder Betriebssituation die Lastverteilung auf die Motoren im Sinne einer Minimierung der Oberschwingungen der Ordnung 23, 25, 47, 49 auftritt.
Es hat sich gezeigt, dass eine Leistungsaufteilen zwischen den Propellermotoren bzw. zwischen zwei Gruppen von Propellermotoren im Verhältnis zwischen 1:0,9 bis 1:0,25 Vorzugs- weise zwischen 1:0,7 bis 1:0,5 und höchst vorzugsweise um 1:0,6 vorzunehmen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere bei Schiffen verwendbar, die am Bug und am Heck Motoren aufweisen, so dass die unterschiedliche Leistung nicht zu einer Kursänderung führt, die durch einen Ruderausschlag kompensiert werden muss .
Eine Verbesserung des Oberschwingungengehaltes lässt sich a- ber auch bei Schiffen mit zwei Propellermotoren am Heck erreichen, die mit gleicher Leistung betrieben werden. In diesem Falle unterscheiden die Zwischenkreiskondensatoren in den Wechselrichtern für die Propellermotoren. Aufgrund der unter- schiedlichen Kapazitätswerte der Zwischenkreiskondensatoren in den beiden Stromrichtern, können die höheren Harmonischen, wie sie bei einem 24-pulsigen Stromrichter auftreten, in ähnlicher Weise kompensiert werden.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn jeder der Stromrichter jeweils als 24-pulsiger Umrichter ausgeführt ist, so dass sich die niedrigeren Harmonischen wie eingangs beschrieben gegenseitig auslöschen.
Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen. Hierbei sollen auch solche Kombinationen als beansprucht angesehen werden, auf die kein ausdrückliches Ausführungsbeispiel gerichtet ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
FIG 1 das Prinzipschaltbild für den elektrischen Antrieb eines Schiffes, das an jedem Ende jeweils zwei Pro- pellermotoren aufweist, FIG 2 eine Tabelle zur Veranschaulichung des Klirrfaktorverhaltens in Abhängigkeit von der Lastverteilung auf die Propellermotoren,
FIG 3 das Prinzipschaltbild für den elektrischen Antrieb eines Schiffes mit zwei Propellermotoren und
FIG 4 das Prinzipschaltbild eines Stromrichters.
Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild für ein Schiffsantriebssystem mit Elektromotoren. Zu dem Antriebssystem gehören insgesamt fünf schematisch angedeutete Dieselmotoren 1, 2, 3, 4 und 5. Mit jedem der Dieselmotoren 1...5 ist jeweils ein Dreiphasensynchrongenerator 6, 7, 8, 9, 11 mechanisch gekop- pelt.
Die Synchrongeneratoren 6, 7, 8, 9, 11 sind zu Gruppen zusam- mengefasst, wobei die Synchrongeneratoren 6 und 7 auf einer erste Sammelschiene 12 und die Synchrongeneratoren 8, 9, 11 auf eine zweite Sammelschiene 13 arbeiten. Die beiden Sammelschienen sind im Normalbetrieb elektrisch miteinander gekuppelt. Die beiden Sammelschienen 12, 13 symbolisieren ein Mittelsspannungsnetz mit 50 Hz und 6,6 kV. An jede der beiden Sammelschienen 12, 13 ist ein Dreiphasentransformator 14, 15 angeschlossen, der ausgangsseitig das Niederspannungsbordnetz 16, 17 speist. Die Transformatoren sind eingangsseitig im Dreieck und ausgangsseitig im Stern geschaltet.
Aus den beiden Sammelschienen 12, 13 folgt die Stromversor- gung für den Fahrantrieb. Hierzu sind an der Sammelschiene 12 zwei Stromrichter 18 und 19 und an der Sammelschiene 13 zwei Stromrichter 21 und 22 angeschaltet. Jeder der Stromrichter 18..22 speist einen zugehörigen Drehstromasynchronmotor 23...27. Jeder der Asynchronmotoren 23..27 treibt über eine Schiffswelle 28..32 einen zugehörigen Schiffspropeller
33...36. Die beiden Schiffspropeller 33, 35 sind dem einen Schiffspropeller 34 und 36 am anderen Schiffsende vorgesehen sind. Eine solche Verteilung der Schiffspropeller wird bspw. bei Doppelendfähren verwendet um Wendemanöver einzusparen.
Aus Redundanzgründen sind die Propellermotoren 23 und 26, die dem einen Schiffsende zugeordnet sind, an unterschiedlichen Sammelschienen angeschlossen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei Ausfall einer Sammelschiene 12 oder 13, an jedem Schiffsende wenigstens ein Propellermotor dem Antrieb zur Verfügung steht.
Die Stromrichter 18..22 sind untereinander gleich ausgeführt. Es handelt sich um 12-pulsige Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis. Da die Stromrichter 18..22 untereinander identisch sind, genügt es den Aufbau lediglich eines der Stromrichter 18..22 genauer zu beschreiben.
Der Stromrichter 18 weist eingangsseitig einen Dreiphasen- transformator 37 auf mit einer im Dreieck geschalteten Pri- märwicklungsgruppe 38, die an die Sammelschiene 12 angeschlossen ist. Ferner gehören zu dem Dreiphasentransformator 37 zwei Gruppen von Sekundärwicklungen 39 und 41, die mit den Primärwicklungen 38 magnetisch gekoppelt sind. Die Gruppe von Sekundärwicklungen 39 ist im Dreieck und die Gruppe der Se- kundärwicklungen 41 ist im Stern geschaltet, so dass eine
Phasendrehung zwischen den Ausgangsspannungen erhalten wird. Jede der beiden Gruppen 41 und 39 von Sekundärwicklungen ist an einen zugehörigen dreiphasigen Brückengleichrichter 42 und 43 angeschlossen. Die Brückengleichrichter 42, 43 sind einfa- ehe ungesteuerte Diodenbrückengleichrichter .
Beide Brückengleichrichter 42, 43 laden einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator 44, der aus der Parallelschaltung mehrerer Einzelkondensatoren besteht. Die Kapazität des Zwi- schenkreiskondensators liegt bei ca. 56 F pro Motor. Aus dem Zwischenkreiskondensator 44 wird eine aus IGBT aufgebaute gesteuerte Drehstrombrücke 45 gespeist, die ausgangsseitig die dreiphasige VersorgungsSpannung für den Asynchronmotor 23 erzeugen.
Durch nicht weiter gezeigte Zusatzwicklungen auf dem Dreipha- sentransformator 37 wird dafür gesorgt, dass die Phasenlage an den beiden Gruppen 41 und 39 von Sekundärwicklungen zusätzlich um plus 7,5° gedreht ist.
Der an derselben Stromschiene 12 angeschlossene Stromrichter 19 hat denselben, wie zuvor erläuterten Aufbau mit der Einschränkung, dass durch die Zusatzbeschaltung eine Phasendrehung von minus 7,5° erhalten wird. Dadurch weisen beide Frequenzumrichter zueinander eine Phasendrehung von 15° auf, so dass sie aus der Sicht der Sammelschiene 12 wie ein 24- pulsiger Stromrichter arbeiten.
Bei einem 24-pulsigen Stromrichter entstehen nur charakteristischen Oberschwingungen ab der 23. Oberschwingung; die darunter liegenden löschen sich gegenseitig aus. Die Auslö- schung kommt vereinfacht ausgedrückt dadurch zustande, dass bei den Oberschwingungen unterhalb der 23. Oberschwingung der eine Stromrichter gerade dann auf einen höheren Strombedarf umschaltet, wenn der andere Stromrichter um denselben Betrag den Stro bedarf vermindert. Aus der Sicht der Sammelschiene ändert sich dadurch an der Belastung nichts. Die Beschaltung der Sammelschiene 12 ist somit von Haus aus oberschwingungs- arm. Die einzigen charakteristischen Oberschwingungen, die zu berücksichtigen sind und sich nicht kompensieren, sind bei dieser Art der Beschaltung die 23. und die 25. sowie die 47. und die 49. Oberschwingung, etc.
Mit der gezeigten Schaltungsanordnung sind die in Tabelle von Figur 2 aufgeführten Klirrfaktorwerte zu erreichen. Wenn drei Generatoren in Betrieb sind und alle Motoren mit der gleichen Leistung betrieben werden, ist auf der Sammelschiene 12, 13 ein Klirrfaktor von 3,09 % zu messen. Der Propellerstrom weist einen Klirrfaktor von 7,54 % auf. Wenn hingegen die Mo- toren unsymmetrisch betrieben werden, d.h. die Leistung pro Sammelschiene 12 bzw. 13 im Verhältnis 1:0,6 aufgeteilt ist, wobei die Gesamtantriebsleistung genauso groß ist wie zuvor, sinkt schlagartig der Klirrfaktor im Spannungsverlauf auf den Sammelschienen 12 bzw. 13 auf 1,9 %. In diesem Betriebsfall nimmt der Propellermotor 24 z.B. die 0,6-fachen Leistung der Leistung des Propellermotors 23 auf; für die Propellermotoren 26 und 27 gilt dieselbe Beziehung.
Ein ähnliches Bild ergibt sich, wenn 4 Generatoren in Betrieb sind und die Propellermotoren wiederum symmetrisch belastet sind. Der Klirrfaktor ist dann wegen etwas geringerem Genera- torinnenwiderstand etwas kleiner, nämlich nur 2,91 % als im Betriebsfall mit 3 Generatoren. Er wird wiederum deutlich re- duziert, wenn die Motoren unsymmetrisch belastet sind, ohne dass die Gesamtantriebsleistung sich ändert. In diesem Fall verhält sich die Leistung der Motoren 23 und 26 zu der Leistung der Motoren 24 und 27 wie 1:0,37. Der Spannungsklirrfaktor auf den Stromschienen 12, 13 geht auf 1,31 % zurück.
Gleichwohl ändert sich am Klirrfaktor im Strom zum Einzelmotor praktisch nichts, wie die zweite Spalte erkennen lässt. Der Klirrfaktor im Strom zu dem einzelnen Motor ist von der Lastaufteilung praktisch unabhängig. Auch der Klirrfaktor für den Strom, wie er von jedem der einzelnen Generatoren abgegeben wird, ist praktisch von der Belastung und der Betriebsstation an den Stromschienen 12, 13 unabhängig.
Ebenfalls sehr günstige Verhältnisse werden erreicht, wenn fünf Generatoren in Betrieb sind und die Antriebsleistung zwischen den Motoren im Verhältnis 1:0,37 aufgeteilt ist.
Wie die Tabelle erkennen lässt, entsteht die Verminderung im Klirrfaktor im Spannungsverlauf auf den Sammelschienen 12, 13 durch eine Kompensationswirkung zwischen einem stärker belasteten und einem weniger stark belasteten Stromrichter. Der Klirrfaktor im Ausgangssignal jedes Stromrichters, ist hinge- gen von der Lastverteilung praktisch unabhängig. Es wird davon ausgegangen, dass die mit der Laständerung einhergehende Änderung des Stromflusswinkels beim periodischen Nachladen des Zwischenkreiskondensators für die Kompensationswirkung verantwortlich ist.
Eine ähnlich Verbesserung kann erreicht werden, wenn das Schiff mit zwei Antriebsmotoren gemäß Figur 3 ausgerüstet ist. Die Schaltungsanordnung nach Figur 3 ist praktisch die linke Seite der Schaltungsanordnung nach Figur 1, mit der
Einschränkung, dass der Stromrichter 21 an die Sammelschiene 12 angeschlossen ist. Es sind deswegen auch die selben Bezugszeichen, wie in der linken Hälfte von Figur 1 verwendet. Eine erneute Erläuterung des Aufbaus erübrigt sich somit.
Ein weiterer Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 besteht darin, dass jeder der Stromrichter 18, 21 für sich 24-pulsig ausgeführt ist. Ein 24-pulsiger Stromrichter kann bspw. erhalten werden, indem der Zwischenkreiskondensa- tor 44 über zwei magnetisch nicht gekoppelte Transformatoren geladen wird, wobei die Transformatoren primärseitig um 15° in der Phasenlage gegeneinander gedreht sind. Das Prinzipschaltbild für einen solchen Stromrichter ist in Figur 4 veranschaulicht.
Der Stromrichter 18 gemäß Figur 4 weist zwei Eingangstransformatoren 46 und 47 auf. Jeder der Eingangstransformatoren 46, 47 verfügt über eine Gruppe von Primärwicklungen 48 und 49, die, wie bereits erwähnt, elektrisch um 15° gegeneinander gedreht sind. Jede der beiden Transformatoren 46, 47 ist ferner mit zwei Gruppen von Sekundärwicklungen 51, 52, 53 und 54 versehen, die im Dreieck bzw. im Stern geschaltet und mit einem zugehörigen Brückengleichrichter 55, 56, 57 und 58 beschaltet sind. Die Brückengleichrichter 55....58 laden einen Zwischenkreiskondensator 59, aus dem drei Gruppen von Brücken 61, 62 und 63 gespeist werden, die in ihren Brückenzweigen IGBT s enthalten. Durch Ansteuern der IGB λs in bekannter Weise, wird am Ausgang der gewünschte Dreiphasenwechselstrom erzeugt.
Die beiden Stromrichter 18 und 21 sind gemäß Figur 4 gestal- tet und unterscheiden sich wie bereits ausgeführt in der Größe des Zwischenkreiskondensators 59. Da jeder Stromrichter bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 24-pulsig arbeitet, treten keine Oberschwingungen unterhalb der 23. Oberwelle auf. Es bleiben nur die Oberschwingungen 23, 25 und 47, 49 übrig. Hier tritt eine Kompensation auf, indem bei gleicher Leistung, d.h. symmetrischer Verteilung der Antriebsleistung auf die beiden verbliebenen Propellermotoren 23 und 26 sich die Kapazitäten der beiden Zwischenkreiskondensatoren 54 in den beiden Stromrichtern 18, 21 in ähnlicher Weise unter- scheiden, wie die Leistungsaufteilung unter den Propellermotoren die bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zu der Verminderung des Klirrfaktors geführt hat.
Bei einem Schiff mit elektrischem Fahrantrieb, wird eine Ver- minderung des Klirrfaktors in dem Mittelspannungsnetz erreicht, indem zwei Stromrichter oder Gruppen von Stromrichtern so zusammen geschaltet werden, dass sie sich aus der Sicht des Netzes wie 24-pulsige Stromrichter verhalten. Die so erhaltenen Stromrichter oder Gruppen von Stromrichtern, werden unterschiedlich belastet, oder in ihrem Gleichspannungszwischenkreis unterschiedlich dimensioniert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Schiffes, zu dem wenigstens ein elektrischer Propellermotor (23..27) an einem Schiffsende, wenigstens ein elektrischer Propellermotor (23..27) an dem anderen Schiffsende sowie für jeden Propellermotor (23..27) ein Stromrichter (18..22) mit Gleichspannungszwischenkreis (44) und ein 3-phasiges Bordnetz (12,13) gehören, aus dem die Stromrichter (18..22) gemeinsam gespeist werden, wobei gemäß dem Verfahren die Leistung auf die beiden Propellermotoren (23..27) ungleich aufgeteilt ist, um das Maß an Oberschwingungen, die die Stromrichter (18..22) in dem Bord- netz (12,13) hervorrufen, zu vermindern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (18..22) derart gestaltet und an das Bordnetz (12,13) angeschlossen sind, dass sie lediglich Ober- Schwingungen der Ordnung 23, 25, 47, 49... in dem Bordnetz (12,13) hervorrufen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufteilung derart gesteuert wird, dass die vek- torielle Summe der Oberschwingungen im Bordnetz (12,13), insbesondere der Oberschwingungen der Ordnung 23, 25, 47, 49... minimiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung zwischen den Propellermotoren (23..27) im Verhältnis zwischen 1:0,9 bis 1:0,25 aufgeteilt ist, vorzugsweise zwischen 1:0,7 bis 1:0,5, höchst vorzugsweise um 1:0,6 aufgeteilt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Stromrichter (18..22) eingangsseitig einen Transformator (37) aufweist, die derart gestaltet sind, dass die Eingangsströme um 15° gegeneinander phasenverschoben sind, und die jeder für sich eine 12-pulsige Netzrückwirkung erzeugen.
6. Schiffsantriebssystem mit einem 3-phasigen Bordnetz (12), mit wenigstens einem ersten Prppellermotor (23) , mit wenigstens einem zweiten Propellermotor (26) , mit einem den ersten Propellermotor (23) speisenden ersten Stromrichter (18) , der an das Bordnetz (12) angeschlossen ist, der einen Gleichspannungszwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator (44) aufweist und der 12-pulsig arbeitet, mit einem den zweiten Propellermotor (26) speisenden zweiten Stromrichter (21), der an das Bordnetz (12) angeschlossen ist, der einen Gleichspannungszwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator (59) aufweist und der 12-pulsig arbeitet, wobei sich die Kapazitätswerte der Zwischenkreiskondensatoren (44) des ersten Stromrichters (18) von den Kapazitätswerten der Zwischenkreiskondensatoren (44) des zweiten Stromrichters (21) in einem Maße unterscheiden, derart, dass bei gleicher Leistungsaufnahme der beiden Propellermotoren (23,26) die 0- berschwingungen im Bordnetz (12) minimal werden.
7. Schiffsantriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Verhältnis der Kapazitätswerte zwischen
1:0,9 bis 1:0,25 liegt, vorzugsweise zwischen 1:0,7 bis 1:0,5, höchst vorzugsweise um 1:0,6 liegt.
8. Schiffsantriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Stromrichter (18,21) Eingangstransformatoren (39,41) aufweisen, die derart gestaltet sind, dass die Eingangsströme um 15° gegeneinander phasenverschoben sind.
9. Schiffsantriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass bei wenigstens einem Stromrichter (18,21) der Zwischenkreiskondensators (44) aus mehreren Kondensatoren aufgebaut ist und dass durch Wegschalten von Kondensatoren die Gesamtkapazität des Zwischenkreiskondensators (44) umschaltbar ist.
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