WO1987004303A1 - Electrical installation for submarines - Google Patents

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Horst Gehm
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Horst Gehm
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/28—Arrangement of offensive or defensive equipment
    • B63G8/34—Camouflage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/42—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ships or vessels

Definitions

  • the invention relates to an electrical system for submarine boats with a battery, which may consist of several diesel-electric rechargeable batteries - and the electrical consumers on board, such as drives and electrical and electronic devices, supplied with energy via the battery network.
  • a battery which may consist of several diesel-electric rechargeable batteries - and the electrical consumers on board, such as drives and electrical and electronic devices, supplied with energy via the battery network.
  • the main criteria for submarine boats include the achievable diving depth, the maximum speed and the sea endurance. In the course of time, however, the following criteria have also become increasingly important, namely the so-called electromagnetic compatibility, the sonar sensitivity, the ELF-VLF sensitivity of the antennas and, above all, the location security.
  • the measures currently used against electromagnetic interference are mostly based on capacitive wiring of the primary networks, ie the battery network and the AC networks working at 60 Hz and 400 Hz, against boat aces. As a result, however, a considerable proportion of parasitic currents will occur, due to the low Hull impedance at the aforementioned frequencies and the harmonics also occurring will flow over the hull.
  • the invention is accordingly based on the object of showing a solution to the problems mentioned above.
  • a highly secure electrical system for submarine boats is therefore to be proposed, in which the occurrence of the interference currents mentioned is avoided and which accordingly has a high alternating field location security.
  • acoustic location security is also intended
  • the procedure according to the invention is such that, in the electrical installation mentioned at the outset, rotating drives as DC machines or as machines fed with converters are supplied from the battery network while avoiding central AC networks, and that a separate power supply is preferably provided for each device - Provided, the required auxiliary voltages and internal device supply voltages are generated directly from the battery network via power supplies.
  • clocked power supply units are provided, the clock frequency of which should lie above the reception frequency range of external location systems. Since the current usual location systems with
  • the clock frequency of the power supply units should accordingly be greater than 30 kHz.
  • the required signal exchange between the electrical and electronic devices will take place via at least one bus system, whereby for reasons of redundancy two independent bus systems can be provided, which can be operated individually or in parallel.
  • Optical fiber bus systems are expediently used.
  • the battery system consists of four sub-batteries B1-B4,
  • This distributor can contain, inter alia, the switches, fuse elements and the like and can be combined with devices for monitoring the marine technology with display instruments and the like.
  • the on-board DC consumers can be connected to the battery via the distributor V, whereby depending on the voltage requirement, the sub-batteries can be connected individually, in parallel or in series.
  • the batteries can be recharged in a conventional manner by diesel-electric means.
  • a separate power supply in the form of a clocked power supply unit N is provided for all electrical or electronic devices G, which provides the necessary auxiliary voltages and device-internal supply voltages.
  • the clock frequency of the power supplies N1-N3 should be so high that it lies above the reception frequency range of conventional positioning systems. Taking into account the frequencies currently used in location systems, for example a clock frequency of at least 30 kHz can be considered.
  • the device G1 can be a console of a radar device, the drive motor of which is supplied via the power supply N1.
  • the power supply N2 feeds about a weapon control plant G2, while the power supply N3 supplies any other device G3 with power.
  • this system can be expanded by correspondingly more power supplies and devices.
  • the signal exchange between devices G takes place via at least one bus system.
  • bus system two independent bus systems are more expedient, which are designed as optical fiber bus systems and can be selectively operated individually or in parallel.
  • the associated lines have been designated al-a3 and bl-b3.
  • direct current consumers that draw power directly from the battery network without an upstream power supply unit are, for example, rotating drives, such as machines M1 and M2 provided for specific purposes, in which case these are either direct current machines or alternating current machines fed with converters M trades.
  • the machine M2 can be the drive motor of the submarine, for which the largest voltage range of the order of, for example, 160 to 1200 V is provided, while for the other devices G1-G3, machines M and other consumers VS, such as the drive system, Pump,

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Description

Elektrische Anlage für Üntersee-Boote
Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage für Untersee Boote mit einer Batterie, die gegebenenfalls aus mehreren dieselelektrisch nachladbaren Teilbatterien besteht-und die elektrischen Verbraucher an Bord, wie Antriebe sowie elektr sehe und elektronische Geräte, über das Batterienetz mit Energie versorgt.
Als hauptsächliche Kriterien für Untersee-Boote gelten u.a. die erreichbare Tauchtiefe, die Höchstgeschwindigkeit und die Seeausdauer. Zunehmend wichtig sind im Laufe der Zeit aber auch folgende Kriterien geworden, nämlich die soge¬ nannte Elektromagnetische Verträglichkeit, die Sonarem- pfindlichkeit, die ELF-VLF-Empfindlichkeit der Antennen und vor allem die OrtungsSicherheit.
Die derzeit angewendeten Maßnahmen gegen elektromagnetische Beeinflussung beruhen meist auf einer kapazitiven Beschal- tung der Primärnetze, also des Batterienetzes und der mit 60 Hz und 400 Hz arbeitenden Wechselstromnetze, gegen Boots asse. Hierdurch wird allerdings ein beachtlicher Anteil an parasitären Strömen auftreten, die wegen der niedrigen Impedanz des Bootskörpers bei den vorerwähnten Frequenzen und den außerdem auftretenden Oberschwingungen über den Bootskörper fließen werden.
Solche Ströme behindern einerseits den VLF- und den ELF- Empfang sowohl für bootsfeste als auch für nachgeschleppte Antennen. Andererseits wird durch die von diesen Strömen erzeugten Wechselfelder die unerwünschte Ortung des Bootes erleichert, zumal die Dämpfung solcher Felder durch See¬ wasser bei tiefen Frequenzen relativ gering ist.
Nachdem inzwischen beträchtliche Fortschritte im Zusammen¬ hang mit dem Antennengewinn und der Empfindlichkeit von Empfängern gemacht werden konnten, kann man aus vorer- wähnten Gründen eigentlich nicht mehr neue Entwürfe und
Konzepte für Untersee-Boote mit 60 Hz - und 400 Hz - Strom¬ netzen empfehlen. Eine drastische Verringerung der kapazi¬ tiven und induktiven Anteile parasitärer Störströme ist also unbedingt erforderlich und für neue Systementwürfe von entscheidender Bedeutung.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die vorher angesprochenen Probleme aufzu¬ zeigen. Es soll also eine hochsichere elektrische Anlage für Untersee-Boote vorgeschlagen werden, bei der das Auf¬ treten der erwähnten Störströme vermieden wird und die dementsprechend eine hohe Wechselfeld-Ortungssicherheit hat.Außerdem sollen auch die akustische Ortungssicherheit
Ersafz verbessert und der Verbrauch an elektrischer Energie redu¬ ziert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungεgemäß so vorge- gangen, daß bei der eingangs erwähnten elektrischen Anlage unter Vermeidung zentraler Wechselstromnetze rotierende An¬ triebe als Gleichstrommaschinen oder als mit Umrichtern ge¬ speiste Maschinen aus dem Batterienetz versorgt werden und daß für vorzugsweise jedes Gerät eine eigene Stromversor- gung vorgesehen ist, wobei erforderliche Hilfsspannungen und geräteinterne Speisespannungen direkt aus dem Batterie¬ netz über Netzteile erzeugt werden.
Auf diese Weise können quasi die vorher üblichen Entstörungs- maßnahmen vermieden und in diesem Zusammenhang vielleicht noch erforderliche Maßnahmen in örtlich eng begrenzte und streufeldarme Bereiche der Netzteile verlagert werden, die man hinsichtlich einer Schirmung leicht übersehen und be¬ herrschen kann.Insbesondere können nun zentrale Wechsel- Stromnetze entfallen, die bei bisher üblichen Stromversor¬ gungsnetzen als eigentliche Verursacher der nachteiligen Störströme auf der Außenhaut des Bootskörpers aufgetreten sind.
Für die Stromversorgung der jeweiligen Geräte werden ge¬ taktete Netzgeräte vorgesehen, deren Taktfrequenz ober¬ halb des Empfangsfrequenzbereiches fremder OrtungsSysteme liegen soll. Da die derzeit üblichen Ortungssysteme mit
Ersatzblatt - ix -
Frequenzen arbeiten, die unter 30 kHz liegen, sollte dem¬ entsprechend die Taktfrequenz der Netzgeräte größer als 30 kHz sein.
Außerdem wird durch die insofern zutreffenden Maßnahmen gleichzeitig erreicht, daß die akustische Ortungssicherheit des Untersee-Bootes verbessert wird, da das Eigengeräusch bekanntlich bei höheren akustischen Frequenzen besser als bei niedrigen Frequenzen gedämpft wird.
Weiterhin ist zu bedenken, daß die bisher praktizierte Um¬ setzung der Gleichstrom-Batterieleistung in Wechselstrom- Leistung, die zum größten Teil auch wieder gleichgerichtet werden muß, mit höheren Verlusten behaftet ist als eine Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzung mit geräteinternen Spei¬ senetzen. Selbst wenn sich insofern auch durch den Übergang auf ein Gleichstrom-Betriebsnetz und auf getaktete Netztei¬ le eine nur geringe Verbesserung hinsichtlich der Leistungs¬ aufnahme erreichen lassen würde, hat dies dennoch aus ver- ständlichen Gründen gerade bei Untersee-Booten eine beson¬ dere Bedeutung , und zwar u.a. für die mögliche Fahrdauer.
Weitere Maßnahmen zur Unterdrückung von störenden Streufel¬ dern können auch noch am Versorgungsnetz selbst getroffen werden. So sollte die Verteilung der Primärenergie aus dem Batterienetz dadurch streufeidarm erfolgen, daß die stromführenden Leiter in einer an sich bekannten Viereran-
Ersafzbfaft Ordnung verlegt werden und/oder daß Koaxialleiter zur An¬ wendung kommen.
Zur Erzielung einer guten Elektromagnetischen Verträglich- keit wird eine kapazitive Beschaltung zwischen den Leitunge des Batterienetzes nach Bootsmasse hin vermieden, um unsym¬ metrische Störgrößen auf den Leitungen möglichst von vornher ein zu umgehen.. Etwa dennoch auftretende Störgrößen können jedoch durch den Einsatz stromkompensierter Drosseln unter- drückt werden, wobei zur Dämpfung symmetrischer Störgrößen außerdem Kapazitäten zwischen die Leiter der Stromyersorgung leitungen geschaltet werden können.
Der erforderliche Signalaustausch zwischen den elektrischen und elektronischen Geräten, wie etwa zur Boots-, Navigations und Waffentechnik gehörenden Geräten, wird über zumindest ein Bussystem erfolgen, wobei aus Gründen der Redundanz zwei unabhängige Bussysteme vorgesehen werden können, die wählbar einzeln oder parallel betrieben werden können. Zweck t mäßigerweise kommen Lichtleiter-Bussysteme zur Anwendung.
In der anliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsführungsbei- spiel für die erfindungsgemäße Anlage dargestellt,- und zwar schematisch vereinfacht in Form eines Blockschaltbildes.
Die Batterieanlage besteht aus vier Teilbatterien B1-B4,
Ξrsatzblatt die wahlweise über Schalter S1-S4 mit einem Verteiler V ver¬ bunden werden können. Dieser Verteiler kann u.a. die Schal¬ ter, Sicherungselemente und dergleichen enthalten und mit Einrichtungen zur bootstechnischen Überwachung mit Anzeige- instrumenten und dergleichen kombiniert sein.
Mit weiteren Schaltern S5-S10 können die an Bord befindliche Gleichstromverbraucher über den Verteiler V an die Batterie angeschlossen werden, wobei je nach Spannungsbedarf die Teilbatterien einzeln, parallel oder in Reihe aufgeschaltet werden können. Im übrigen können die Batterien in üblicher Weise dieselelektrisch nachgeladen werden.
Für alle elektrischen bzw. elektronischen Geräte G ist eine eigene Stromversorgung in Form eines getakteten Netzteils N vorgesehen, welches die erforderlichen Hilfsspannungen und geräteinternen Speisespannungen bereitstellt. Wie bereits vorher erwähnt wurde, soll die Taktfrequenz der Netzteile N1-N3 so hoch sein,das sie oberhalb des Empfangsfrequenzbe- reiches herkömmlicher Ortungssysteme liegt. Unter Berück¬ sichtigung der derzeit bei Ortungssystemen verwendeten Fre¬ quenzen kommt beispielsweise eine Taktfrequenz von mindes¬ tens 30 kHz in Betracht.
Beim Gerät Gl kann es sich um eine Konsole eines Radarge¬ rätes handeln, dessen Antriebsmotor über das Netzteil Nl versorgt wird. Das Netzteil N2 speist etwa eine Waffenleit- anläge G2, während das Netzteil N3 ein beliebiges anderes Gerät G3 mit Strom versorgt. Im übrigen ist es verständlich, daß dieses System durch entsprechend mehr Netzteile und Geräte erweitert werden kann.
Der Signalaustausch zwischen den Geräten G, also etwa zur Boots-, Navigations- und Waffentechnik gehörenden Geräten, erfolgt über zumindest ein Bussystem. Wie schon erwähnt wur¬ de, sind allerdings zwei unabhängige Bussysteme zweckmäßiger, die als Lichtleiter-Bussysteme ausgebildet und wählbar ein¬ zeln oder parallel betrieben werden können. In der Darstel¬ lung sind die zugehörigen Leitungen mit al-a3 und bl-b3 be¬ zeichnet worden.
Weitere Gleichstromverbraucher, die direkt und ohne vorge¬ schaltetes Netzteil aus dem Batterienetz Strom beziehen, sind beispielsweise rotierende Antriebe, wie etwa die zu bestimmten Zwecken vorgesehenen Maschinen Ml und M2, wobei es sich in diesen Fällen entweder um Gleichstrommaschinen oder mit Umrichter gespeisten Wechselstrom-Maschinen M han¬ delt. Dabei kann die Maschine M2 der Fahrmotor des Unter¬ seebootes sein, für den der größte Spannungsbereich in der Größenordnung von beispielsweise 160 bis 1200 V vorgesehen wird, während für die übrigen Geräte G1-G3 , Maschinen M und sonstigen Verbrauchern VS , wie die Fahranlage, Pumpen,
Lüfter, Heizung und dergleichen, im allgemeinen ein Span¬ nungsbereich von 160 bis 290 V ausreichen wird.
Er

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Anlage für Untersee-Boote mit einer Batterie die gegebenenfalls aus mehreren dieselelektrisch nachlad baren Teilbatterien besteht und die elektrischen Verbrau cher an Bord, wie Antriebe sowie elektrische und elektro nische Geräte, über das Batterienetz mit Energie versorg dadurch gekennzeichnet, daß unter Vermeidung -zentraler Wechselstromnetze rotierende Antriebe (M) als Gleichstro maschinen oder als mit Umrichtern gespeiste Maschinen au dem Batterienetz(B,V,S) versorgt werden und daß für vor- zugsweise jedes Gerät (G) eine eigene Stromversorgung vo gesehen ist, wobei erforderliche Hilfsspannungen und ge¬ räteinterne Speisespannungen direkt aus dem Batterienetz über Netzteile (N) erzeugt werden.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromversorgung der Geräte (G) getaktete Netzgeräte (N) vorgesehen sind, deren Taktfrequenz oberhalb des Empfangsfrequenzbereiches fremder OrtungsSysteme liegt.
3.Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz größer als 30 kHz ist.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Primärenergie aus dem Batterienetz(B,V,S) streufeldarm erfolgt, und zwar durch eine Viereranordnung der Leiter und/oder durch Koaxialleitungen.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet,daß die kapazitive Beschaltung zwischen den Leitern des Batterienetzes(B,V,S) nach Bootsmasse unterbunden ist, während unsymmetrische Störgrößen durch stromkompensierte Drosseln unterdrückt sind und zur Dämpfung symmetrischer Störgrößen erforderlichen¬ falls Kapazitäten zwischen die Stromversorgungslei¬ tungen geschaltet sind.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Signalaustausch zwischen den elektronischen Geräten (G) , etwa zur Boots-, Naviga- tions- und Waffentechnik gehörenden Geräten, über zumindest ein Bussystem (a,b) erfolgt.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unabhängige Lichtleiter-Bussysteme (a,b) vorge¬ sehen sind, die wählbar einzeln oder parallel betreib¬ bar sind.
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