Antriebssystem für eine Anlage mit einem Wechselspannungsin- selnetz

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Anlage mit einem Wechselspannungsinselnetz, insbesondere für ein Schiff oder eine Offshore-Plattform, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis (auch als „Load Commutated Inverter" (LCI) bezeichnet) ist eine vergleichsweise einfache, vielfach eingesetzte Umrichterschaltung für Antriebssysteme. Ein solcher Umrichter umfasst einen netzsei- tigen Stromrichter und einen maschinenseitigen Stromrichter, wobei der netzseitige Stromrichter eingangsseitig mit einem Wechselspannungsnetz und ausgangsseitig mit dem Gleichstromzwischenkreis und der motorseitige Stromrichter eingangsseitig mit dem Gleichstromzwischenkreis und ausgangsseitig mit einer Drehstromantriebsmaschine verbunden sind. In den

Gleichstromzwischenkreis ist üblicherweise eine Drossel geschaltet, die als Energiespeicher für den Zwischenkreisstrom dient, so dass möglichst ein ideal geglätteter, konstanter Zwischenkreisstrom fließt.

Ein derartiger Umrichter wird sehr häufig für Antriebe mit Synchronmaschinen großer Leistungen verwendet und bietet eine vergleichweise einfache Möglichkeit zum IV-Quadrantenbetrieb (d.h. motorischen und generatorischen Betrieb) der Drehstrom- antriebsmaschine in beiden Drehrichtungen.

Im motorischen Betrieb (d.h. beim „Antreiben") nimmt die Drehstromantriebsmaschine über den Umrichter elektrische Energie aus dem Wechselspannungsnetz auf. Dabei arbeiten der netzseitige Stromrichter im Gleichrichterbetrieb und der ma- schinenseitige Stromrichter im Wechselrichterbetrieb. Im generatorischen Betrieb (d.h. beim „Bremsen") erzeugt die Drehstromantriebsmaschine elektrische Energie und gibt sie über den Umrichter an das Wechselspannungsnetz ab. Dabei arbeiten der netzseitige Stromrichter im Wechselrichterbetrieb und der maschinenseitige Stromrichter im Gleichrichterbetrieb .

Der Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis wird, insbesondere in Kombination mit Synchronmaschinen, sehr häufig für elekt- rische Schiffsantriebe (Propulsions-Hauptantriebe) eingesetzt. Dies gilt vor allem bei großen Antriebsleistungen im einstelligen oder zweistelligen Megawattbereich.

Bei Schiffsantrieben ist insbesondere dann, wenn Propeller mit feststehenden Flügeln („Festpropeller") eingesetzt werden, der generatorische Betrieb in den Quadranten IV bzw. II unverzichtbar, um den Propeller abbremsen und die Propellerdrehrichtung umkehren zu können. Grund dafür ist, dass das sich bewegende Schiff eine sog. „durchziehende Last" durch strömendes Wasser darstellt.

Bei Schiffsantrieben mit einem Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis wird die beim generatorischen Betrieb frei werdende Energie normalerweise über den Umrichter ins Netz zurückgespeist. Bei einem Bremsvorgang eine Schiffes kann diese Energie im zwei- oder dreistelligen Megaj oulebereich liegen, wobei die Bremszeit in der Regel im Bereich von ca. 10 bis 60 Sekunden liegt.

Für Schiffe, deren Bordnetz nur eine kleine sogenannte „Hotellast" hat, d.h. bei denen die elektrische Hauptantriebsanlage den bei weitem größten elektrischen Verbraucher darstellt, ist die Energierückspeisung ins Bordnetz oft nicht erwünscht und/oder nicht mit der erforderlichen Leistung mög- lieh, denn in diesen Fällen würden durch die Energierückspeisung unerwünschte und/oder nicht zulässige Spannungs- und/oder Frequenzerhöhungen der Bordnetzspannung auftreten. Diese Probleme können grundsätzlich in Wechselspannungsinsel- netzen auftreten, da gerade in Inselnetzen die Anzahl der elektrischen Verbraucher und somit die Aufnahmefähigkeit des Netzes für rückgespeiste Energie oft begrenzt ist.

Bei einer in der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Anmeldeaktenzeichen Nr. 07022773.1 beschriebenen Lösung werden unerwünschte und/oder nicht zulässige Spannungs- und/oder Frequenzerhöhungen der Spannung eines Wechselspannungsnetzes eines Schiffes dadurch vermieden, dass die rückgespeiste Energie in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt, der vorübergehend dem Netz zugeschaltet wird. Durch den Bremswiderstand wird somit ein zusätzlicher Verbraucher an das Bordnetz angeschlossen, die eigentliche Energierückspeisung ins Bordnetz aber selbst nicht verhindert. Jeweils mit Zu- und Abschalten des Bremswiderstands tritt hierbei eine sprungartige Änderung der Leistungsbilanz auf, wodurch hohe Anforderungen an die Dynamik der Generatorregelungen bestehen.

Für Antriebssysteme mit einem Umrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis statt mit einem Gleichstromzwischenkreis sind bereits Schaltungen mit einem Bremswiderstand bekannt, der im Gleichspannungszwischenkreis angeordnet ist. In der Regel wird eine solche Lösung dann eingesetzt, wenn der netz- seitige Stromrichter als Gleichrichter mit Dioden ausgeführt ist, so dass keine Energierückspeisung ins Wechselspannungsnetz erfolgen kann. Derartige Lösungen können aber aufgrund der wesentlichen funktionalen Unterschiede zwischen einem Gleichspannungszwischenkreis und einem Gleichstromzwischen- kreis nicht ohne weiteres auf einen Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis übertragen werden.

Aus der DE 749817 A ist ein Schiffantriebssystem bekannt, bei dem ein Drehstromantriebsmotor ohne einen zwischengeschalte- ten Umrichter direkt mit dem Netz verbunden ist. Der Motor wird dabei im generatorischen Betrieb mit Hilfe eines Umschalters galvanisch von dem Netz getrennt und mit Bremswiderständen verbunden. Aus der DE 870 725 A ist ebenfalls ein Schiffantriebssystem bekannt, bei dem ein Drehstromantriebsmotor ohne einen zwischengeschalteten Umrichter direkt mit dem Netz verbunden ist. Es wird ein Motor mit mehreren, sich gegenseitig nicht beeinflussenden Drehstrom- und Erregerwicklungssystemen verwendet. Das zum Bremsen verwendete Drehstrom-Wicklungssystem ist im Motorbetrieb inaktiv, d.h. in ihm werden im Motorbetrieb keine Spannungen induziert. Zum Bremsen wird durch Ein- speisung eines geeigneten Erregerstromes dann in diesem Dreh- strom-Wicklungssystem eine Spannung induziert, so dass durch Bremswiderstände, die am betreffenden Drehstrom-Wicklungssystem angeschlossen sind, ein den Antrieb abbremsender Strom fließen kann.

Beide Lösungen beschreiben somit verschiedene Möglichkeiten zum Abbremsen von Drehstrom-Schiffsantriebsmotoren, die direkt am Wechselspannungsnetz betrieben werden. Sie sind somit nicht ohne weiteres auf Drehstromantriebe mit Umrichterspeisung, insbesondere solche mit Stromzwischenkreis, übertrag- bar.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, für ein Antriebssystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Möglichkeit zu schaffen, mit der unerwünschte und/oder nicht zulässige Spannungs- und/oder Frequenzerhöhungen im Wechselspannungsinselnetz vermieden werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausges- taltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass unerwünschte und/oder nicht zulässige Spannungs- und/oder Frequenzerhöhungen der Bordnetzspannung vermieden werden können, wenn schon die Energierückspeisung ins Wechselspannungsinselnetz selbst zumindest teilweise vermieden wird. Der netz- und der maschinenseitige Stromrichter lassen sich über ihre Steuerung und Regelung zwar so betreiben, dass keine Energie ins Netz zurück gespeist wird, die im Generatorbetrieb anfallende Energie (im Fall eines Schiffes die beim Abbremsen des Propellers physikalisch bedingt anfallende Bremsenergie) muss dann aber in anderer Weise abgebaut werden.

Erfindungsgemäß weist das Antriebssystem deshalb eine in dem Zwischenkreis angeordnete Energieaufnahmeeinrichtung auf, die zumindest einen Energieaufnehmer zur Aufnahme zumindest eines Teils der elektrischen Energie, die die Drehstromantriebsma- schine im generatorischen Betrieb erzeugt und über den motor- seitigen Stromrichter an den Zwischenkreis abgibt, umfasst. Der Energieaufnehmer besteht bevorzugt aus zumindest einem ohmschen Widerstand, der die elektrische Energie in Wärme umwandelt. Es ist aber auch denkbar, die im generatorischen Be- trieb erzeugte elektrische Energie in einem geeigneten Energiespeicher, z.B. in einem Hochleistungskondensator oder einem Schwungrad, zwischenzuspeichern und einer weiteren Verwendung in der Anlage zuzuführen. Sofern die Energieaufnahmeeinrichtung mehrere Energieaufnehmer umfasst, können diese beispielsweise zueinander parallel und/oder in Reihe geschaltet sein.

Die rückgespeiste Energie wird somit zumindest teilweise bereits im Zwischenkreis des Stromrichters aufgenommen, so dass sie erst gar nicht in das Netz gelangen kann. Die rückgespeiste Energie kann dabei vollständig in dem Zwischenkreis aufgenommen werden oder aber auch nur anteilsmäßig in Abhängigkeit von dem bei Generatorbetrieb situationsabhängig vorliegenden Energieaufnahmevermögen der an das Netz angeschlos- senen Verbraucher.

Erfindungsgemäß ist der zumindest eine Energieaufnehmer durch die Energieaufnahmeeinrichtung zumindest in Abhängigkeit von der Polarität der Zwischenkreisspannung aktivierbar. Eine derartige Aktivierung kann beispielsweise in der Zuschaltung des Energieaufnehmers zu dem Zwischenkreis bestehen. Hierbei liegt die Überlegung zugrunde, dass im motorischen Betrieb der Maschine für die im Gleichstrom-Zwischenkreis umgesetzte Leistung P _z allgemein gelten muss:

P _Z ,motorisch = U ₂ • I ₂ > 0 . (Gl . 1 )

Im generatorischen Betrieb muss somit für die Leistung P _z im Zwischenkreis allgemein gelten:

Pz , generatorisch = U ₂ • I ₂ < 0 (Gl . 2 )

Das Hauptmerkmal eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis liegt darin, dass sich die Stromrichtung des Zwischen- kreisstroms I _z prinzipbedingt nicht umkehren kann. Unabhängig davon, ob motorischer oder generatorischer Betrieb vorliegt, ist das Vorzeichen des Stromes also unveränderlich (hier „ +1 ") ; mathematisch ausgedrückt gilt somit:

Sign (I ₂ , motorisch} = Sign {I ₂ , _ge neratorisch} = konst . = +1 (Gl . 3)

Damit die Zwischenkreisleistung im generatorischen Betrieb negativ, d.h. kleiner Null werden kann (siehe Gl. 2), muss sich somit die Polarität der Zwischenkreisspannung U _z für den generatorischen Betrieb umkehren:

motorischer Betrieb: Sign {U ₂ , _mo torisch} = +1 (Gl. 4)

generatorischer Betrieb: Sign {U ₂ , _ge neratorisch} = -1 (Gl. 5)

Die Polarität der Zwischenkreisspannung ist somit ein Indikator für die Betriebsart der Drehstromantriebsmaschine und kann gezielt dazu genutzt werden, um den Energieaufnehmer im generatorischen Betrieb zu aktivieren und im motorischen Betrieb zu deaktivieren.

Eine Aktivierung des Energieaufnehmers bei einer im generatorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung ist dadurch besonders einfach möglich, dass die Energie- aufnahmeeinrichtung eine in Reihe zu dem Energieaufnehmer geschaltet Diode umfasst, die derart gepolt ist, dass sie bei einer im generatorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung leitend ist und bei einer im motori- sehen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung sperrt. Bei mehreren in Reihe geschalteten Energieaufnehmern ist hierbei eine einzige in Reihe zu dieser Reihenschaltung geschaltete und somit für sämtliche Energieaufnehmer gemeinsame Diode ausreichend. Bei mehreren parallel ge- schalteten Energieaufnehmern kann eine zu dieser gesamten Parallelschaltung in Reihe geschaltete gemeinsame Diode ausreichend sein; es kann aber für jeden der Energieaufnehmer auch jeweils eine eigene Diode vorhanden sein.

Alternativ kann die Energieaufnahmeeinrichtung statt der Diode auch einen in Reihe zu dem Energieaufnehmer geschalteten steuerbaren leistungselektronischen Halbleiterschalter umfassen, der derart gepolt ist, dass er bei einer im generatorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspan- nung in einen leitenden Zustand schaltbar ist und bei einer im motorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung sperrt. Der Energieaufnehmer kann somit gezielt dem Zwischenkreis zugeschaltet werden, wodurch der Zeitpunkt und somit der Anteil der rückgespeisten Energie, der im Zwi- schenkreis aufgenommen wird bzw. der dem Netz zugeführt wird, aktiv gesteuert werden kann. Der leistungselektronische Halbleiterschalter ist hierzu bevorzugt als ein rückwärtssperrendes Leistungs-Halbleiterbauelement , insbesondere als ein Thyristor, ausgebildet. Bei mehreren in Reihe geschalteten Ener- gieaufnehmern ist hierbei ebenfalls eine einzige in Reihe zu dieser Reihenschaltung geschalteter und somit für sämtliche Energieaufnehmer gemeinsamer Halbleiterschalter ausreichend. Bei mehreren parallel geschalteten Energieaufnehmern kann ein zu dieser Parallelschaltung in Reihe geschalteter gemeinsamer Halbleiterschalter ausreichend sein; es kann aber auch für jeden der Energieaufnehmer jeweils ein eigener Halbleiterschalter vorhanden sein, der in Reihe zu dem Energieaufnehmer geschaltet ist. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Energieaufnahmeeinrichtung hinsichtlich einer Aufnahme von elektrischer Bremsleistung der Drehstromantriebsmaschine veränderbar ausgebildet. Die Aufnahme von elektrischer Brems- leistung kann dann in Abhängigkeit von der Höhe eines situationsabhängig benötigten Bremsmomentes der Drehstromantriebsmaschine eingestellt werden.

Zur Veränderung der Aufnahme von elektrischer Bremsleistung kann die Energieaufnahmeeinrichtung für zumindest einen Teil der Energieaufnehmer jeweils einen in Reihe oder parallel zu dem jeweiligen Energieaufnehmer geschalteten Schalter umfassen. Die Energieaufnehmer, vorzugsweise mehrere ohmsche Widerstände, können hierdurch zu- und/oder weggeschaltet werden und somit im generatorischen Betrieb der Drehstromantriebsmaschine die Energie- und Leistungsaufnahme und damit das Bremsmoment der Drehstromantriebsmaschine in Stufen variiert werden. Die Energieaufnahmeeinrichtung kann beispielsweise mehrere parallel geschaltete Energieaufnehmer mit jeweils ei- nem in Reihe hierzu geschalteten Schalter oder mehrere in

Reihe geschaltete Energieaufnehmer mit jeweils einem hierzu parallel geschalteten Schalter umfassen.

Der oder die Schalter sind bevorzugt als leistungselektroni- sehe Halbleiterschalter ausgebildet. Hierbei können abschaltbare oder auch nicht abschaltbare Halbleiterschalter zum Einsatz kommen. Für den Fall, dass der Halbleiterschalter keine Sperrspannung aufnehmen kann, ist diesem bevorzugt eine Diode in Reihe geschaltet, die diese Sperrspannung aufnehmen kann.

Wenn der leistungselektronische Halbleiterschalter als ein rückwärtssperrendes Leistungs-Halbleiterbauelement, insbesondere als ein Thyristor, ausgebildet ist, kann eine in Reihe zu dem zumindest einen Energieaufnehmer geschaltete Diode entfallen, da das rückwärtssperrende Leistungs-Halbleiterbauelement die Funktion der Diode mit übernehmen kann. Alternativ oder ergänzend kann zur Veränderung der Aufnahme von elektrischer Bremsleistung der Drehstromantriebsmaschine zumindest einer der Energieaufnehmer als ein kontinuierlich veränderbarer ohmscher Widerstand ausgebildet sein. Hierdurch kann die Aufnahme von elektrischer Bremsleistung der Drehstromantriebsmaschine und somit deren Bremsmoment stufenlos variiert werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Antriebssystem eine Überwachungs- und Steuerungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Aufnahme von elektrischer Bremsleistung der Drehstromantriebsmaschine durch die Energieaufnahmeeinrichtung in Abhängigkeit eines gewünschten Soll-Bremsmoments der Drehstromantriebsmaschine und in Abhän- gigkeit von Ist-Werten des Antriebssystems. Bei diesen Ist- Werten kann es sich z.B. um Werte für

- die Polarität der Zwischenkreisspannung und/oder

- die Höhe der Zwischenkreisspannung (und/oder

- den Zwischenkreisstrom und/oder - die Motordrehzahl und/oder

- die Motorspannung und/oder

- den Motorstroms handeln .

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn die Drehstromantriebsmaschine eine Leistung im ein- oder mehrstelligen Megawattbereich aufweist.

Die von der Energieaufnahmeeinrichtung aufgenommene Energie kann auch anderweitig genutzt werden, z.B. zur Erwärmung von Raumluft, Heizungs- und Brauchwasser. Zusätzlich oder alternativ kann es sich, insbesondere bei Antrieben im Bereich hoher Leistungen, weiterhin als besonders vorteilhaft erweisen, wenn diese Energie gespeichert werden kann. Dies kann z.B. in elektrischen Energiespeichern (z.B. Kondensatoren), in elektrochemischen Energiespeichern (z.B. Akkumulatoren), in mechanischen Energiespeichern (Schwungradspeichern) oder in thermischen Speichern (z.B. Warmwasserspeicher) erfolgen. Der zu- mindest eine Energieaufnehmer kann deshalb anstatt als ein ohmscher Widerstand auch als ein Energiespeicher, insbesondere als eine Hochleistungs-Kondensatorbatterie oder eine elektrochemische Batterie (Akkumulator) oder als ein Schwung- radspeicher, ausgebildet sein.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:

FIG 1 ein erstes aus dem Stand der Technik bekanntes Antriebssystem,

FIG 2 ein zweites aus dem Stand der Technik bekanntes An- triebssystem,

FIG 3 ein Drehzahl-Drehmomenten-Diagramm für die vier Drehzahl-Drehmomentenquadranten eines Schiffsantriebs in vereinfachter Form,

FIG 4 das Antriebssystem von FIG 2 mit einer Darstellung der Zwischenkreisspannung bei motorischem und generatorischem Betrieb, FIG 5 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

AntriebsSystems,

FIG 6 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,

FIG 7 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

AntriebsSystems, FIG 8 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

AntriebsSystems, FIG 9 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

AntriebsSystems, FIG 10 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Antriebssystems und

FIG 11 eine siebente Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.

Ein FIG 1 gezeigtes und aus dem Stand der Technik bekanntes Antriebssystem 1 für ein Schiff umfasst einen Gleichstromzwi- schenkreis-Umrichter 2, der wiederum einen netzseitigen Stromrichter 3 und einen maschinenseitigen Stromrichter 4 um- fasst. Der netzseitige Stromrichter 3 ist eingangsseitig über einen Transformator 6 mit einem Wechselspannungsnetz 7 und ausgangsseitig mit dem Gleichstromzwischenkreis 5 verbunden. Der motorseitige Stromrichter 4 ist eingangsseitig mit dem Gleichstromzwischenkreis 5 und ausgangsseitig mit einer Dreh- stromantriebsmaschine 8 verbunden. Die Stromrichter 3 und 4 umfassen jeweils eine Anzahl von Stromrichterventilen, die als leistungselektronische Halbleiterschalter ausgebildet sind.

Der Gleichstromzwischenkreis 5 umfasst zwei Leiter 9, 10 wobei in den Leiter 9 eine Gleichstromglättungsdrossel 11 ge- schaltet ist, die als Energiespeicher für den Zwischenkreis- strom I _z dient, so dass im Idealfall (unendlich große Induktivität der Drossel 11) ein ideal geglätteter, konstanter Zwischenkreisstrom I _z fließt. Die Stromrichtung des Zwischen- kreisstroms I _z kann sich hierbei prinzipbedingt nicht umkeh- ren, da sie durch die Halbleiterschalter, bei denen es sich üblicherweise um Thyristoren handelt, in den netz- und maschinenseitigen Stromrichtern 3 und 4 fest vorgegeben ist.

Wie in Figur 2 gezeigt, wird der netzseitige Stromrichter 3 für größere Leistungen oft 12-pulsig (oder auch noch höher pulsig) ausgeführt, um geringe Oberschwingungs-Netzrückwir- kungen zu erhalten. Der maschinenseitige Stromrichter 4 wird meist nur 6-pulsig ausgeführt. Für sehr große Leistungen und/oder wenn Redundanzanforderungen gestellt werden, kann außerdem durch Verwendung von mehreren Umrichtern die Speisung von Maschinen mit mehreren, dreiphasigen Wicklungssystemen erfolgen (nicht dargestellt) .

Die Regelung und Ansteuerung der beiden Stromrichter 3, 4 er- folgt üblicherweise mittels einer sog. „stromrichternahen

Steuerung- und Regelung" in Abhängigkeit des vorgegebenen Motor-Sollmoments. Die Vorgabe des Solldrehmoments erfolgt i.d.R. durch eine überlagerte Drehzahlregelung. Die erforder- liehen Steuer- und Regelungskomponenten sind in den Figuren nicht mit dargestellt.

Bei der Drehfeldmaschine handelt es sich beispielsweise um eine Synchronmaschine mit einer Leistung im ein- oder zweistelligen Megawattbereich, die als Propulsions-Hauptantrieb eines Schiffes genutzt wird.

Für die vorstehend erläuterte Anwendung als Schiffsantrieb lassen sich die vier Quadranten des Drehzahl-Drehmomenten-

Diagramms in stark vereinfachter Form wie in Figur 3 gezeigt darstellen (vereinfachte Darstellung der sog. „Robinson-Kurven") . Insbesondere dann, wenn Propeller mit feststehenden Flügeln („Festpropeller") eingesetzt werden, ist der genera- torische Betrieb in den Quadranten IV bzw. II unverzichtbar, um den Propeller abbremsen und die Propellerdrehrichtung umkehren zu können. Grund dafür ist, dass das sich bewegende Schiff eine sog. „durchziehende Last" durch strömendes Wasser darstellt. Die entsprechenden Kurvenabschnitte sind in Bild 3 mit durchgezogener Linie dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 versehen.

FIG 4 zeigt für den Fall des Antriebssystems von FIG 2 die unterschiedliche Polarität der Zwischenkreisspannung U _z für den motorischen und für den generatorischen Betrieb der Drehstrommaschine 8. Dabei verdeutlich der mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Pfeil die Polarität der Zwischenkreisspannung U _z im motorischen Betrieb und der umgekehrt gerichtete, mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnete Pfeil die Polarität der Zwi- schenkreisspannung U _z im generatorischen Betrieb.

Ein in FIG 5 gezeigtes erfindungsgemäßes Antriebssystem 1 weist die gleichen Komponenten wie das in FIG 2 gezeigte Antriebssystem und zusätzliche eine in dem Gleichstromzwischen- kreis 5 angeordnete Energieaufnahmeeinrichtung 20 auf. Die

Energieaufnahmeeinrichtung 20 ist hierzu zwischen die beiden Leiter 9, 10 des Gleichstromzwischenkreises 5 geschaltet. Die Energieaufnahmeeinrichtung 20 umfasst einen elektrischen Wi- derstand 21 als Energieaufnehmer zur Aufnahme der elektrischen Energie, die die Drehstromantriebsmaschine 8 im generatorischen Betrieb erzeugt und über den motorseitigen Stromrichter 4 an den Zwischenkreis 5 abgibt. Die Energieaufnahme- einrichtung 20 kann natürlich als Energieaufnehmer statt nur eines einzigen Widerstandes 21 auch mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Widerstände oder auch Energiespeicher umfassen .

In dem in FIG 5 dargestellten Fall ist der elektrische Widerstand 21 derart ausgelegt, dass durch ihn die gesamte Energie aufnehmbar ist, die die Drehstromantriebsmaschine 8 bei einem Bremsvorgang des Schiffes im generatorischen Betrieb erzeugt.

Die Energieaufnahmeeinrichtung 20 umfasst weiterhin eine in Reihe zu dem Widerstand 21 geschaltet Diode 22, die derart gepolt ist, dass sie bei einer im generatorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung U _z , die durch den Pfeil 14 veranschaulicht ist, leitend ist und bei einer im motorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung U _z , die durch den Pfeil 13 veranschaulicht ist, sperrt. Ein Strom kann durch den Widerstand 21 nur dann fließen, wenn die Diode 22 leitend ist, d.h. eine dem Bremsbetrieb (generatorischen Betrieb) entsprechende Zwischen- kreisspannung U _z anliegt. In FIG 5 ist das dann der Fall, wenn der Leiter 9 negatives Potential und der Leiter 10 positives Potential aufweist. Dabei ist in FIG 5 für den motorischen Betrieb die Richtung des Zwischenkreisstromes I _z , d.h. des Antriebsstromes, mit einer mit 15 bezeichneten punktiert dargestellten Linie und für den generatorischen Betrieb die Richtung des Zwischenkreisstromes I _z , d.h. des Bremsstromes, mit einer mit 16 bezeichneten gestrichelt dargestellten Linie gezeigt .

Der netzseitige Stromrichter 3 kann im Bremsbetrieb in einen inaktiven Zustand gebracht werden, in dem die Zündimpulse für die Ventile dieses Stromrichters gesperrt werden, so dass keine Rückleistung aus dem Zwischenkreis 5 über den Stromrichter 3 in das Netz 7 fließen kann.

Bei einem in FIG 6 gezeigten Antriebssystem 1 umfasst die Energieaufnahmeeinrichtung 20 zusätzlich einen zu dem Widerstand 21 und der Diode 22 geschalteten Schalter 23, so dass die Funktion „Bremsen mit Bremswiderstand" im Bedarfsfall zu- oder weggeschaltet werden kann. Es empfiehlt sich dann auch, parallel zum Widerstand 21 eine sog. Freilaufdiode 24 zu schalten, damit die in der parasitären Induktivität des Widerstands 21 (und ggf. seiner elektrischen Anschlussleitungen) gespeicherte Energie nicht zu unzulässig hohen Belastungen des Schalters 23 beim Abschalten eines Bremsstromes führt.

Bei einem in FIG 7 gezeigten Antriebssystem 1 umfasst die Energieaufnahmeeinrichtung 20 mehrere parallel zueinander geschaltete ohmsche Widerstände 21 mit jeweils einem in Reihe dazu geschalteten Schalter 23. Zusätzlich ist jedem der Wi- derstände 21 jeweils eine Freilaufdiode 24 parallel geschaltet. Im generatorischen Betrieb der Drehstromantriebsmaschine 8 kann somit durch Zu- oder Wegschalten von Widerständen 21 die Aufnahme von Bremsleistung in Stufen verändert und somit an das situationsabhängig benötigte Bremsmoment angepasst werden. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass der jeweils wirksame Bremswiderstand der tatsächlichen Motordrehzahl angepasst werden kann. Mit einem unveränderlichen Bremswiderstand würde andernfalls die beim Bremsen im Motor induzierte, mit sinkender Drehzahl abnehmende Motorspannung einen ebenfalls sinkenden Bremsstrom und damit ein kleiner werdendes Bremsmoment bewirken.

Wie in FIG 8 dargestellt ist, kann die Energieaufnahmeeinrichtung 20 auch mehrere in Reihe geschaltete Widerstände 21 umfassen, wobei mehrere oder alle davon jeweils einen hierzu parallel geschalteten Schalter 23 zur Überbrückung des Widerstandes 21 umfassen. Zusätzlich ist zu jedem der Widerstände 21 jeweils eine Freilaufdiode 24 parallel geschaltet. Durch Öffnen und Schließen der Schalter 23 können dann einzelne oder mehrere Widerstände 21 überbrückt werden, so dass sich die Aufnahme von Bremsleistung ebenfalls in Abhängigkeit von dem benötigten Bremsmoment steuern und/oder regeln lässt.

Die in FIG 7 bzw. 8 dargestellten Möglichkeiten zur Veränderung bzw. Steuerung des wirksamen Bremswiderstands und somit der Aufnahme von Bremsleistung der Drehstromantriebsmaschine 8 können alternativ oder in Kombination miteinander verwendet werden (nicht dargestellt) .

Der oder die Schalter 23 können als abschaltbare oder nicht abschaltbare leistungselektronische Halbleiterschalter (im Folgenden als „Leistungs-Halbleiterschalter" bezeichnet) aus- gebildet sein. FIG 9 zeigt hierzu für den Fall des Ausführungsbeispiels von FIG 6 eine Ausbildung des Schalters 23 in vorteilhafter Weise als ein steuerbarer, abschaltbarer Leis- tungs-Halbleiterschalter 25 in Form eines IGBT.

Wenn für den Leistungs-Halbleiterschalter ein rückwärtssperrender Leistungs-Halbleiterschalter zum Einsatz kommt, kann auch eine in Reihe zu dem Widerstand geschaltete Diode zur Aktivierung der Energieaufnahme entfallen. FIG 10 zeigt hierzu für den Fall des Ausführungsbeispiels von FIG 6, dass statt der Diode 22 ein in Reihe zu dem Widerstand 21 geschalteter steuerbarer, rückwärtssperrender Leistungs-Halbleiterschalter zum Einsatz kommt, der in FIG 10 in Form eines Thyristors 26 dargestellt ist.

Ein rückwärtssperrender Leistungs-Halbleiterschalter ist deshalb sehr gut für diese Verwendung geeignet, da er sowohl eine Sperrspannung wie auch eine Blockierspannung aufnehmen kann, d.h. ein solcher Leistungs-Halbleiterschalter 26 kann die Funktion der Diode 22, wie sie z.B. in den FIG 6 und FIG 7 dargestellt ist, mit übernehmen.

Der rückwärtssperrende Leistungs-Halbleiterschalter, in FIG 10 der Thyristor 26, ist derart gepolt, dass er bei einer im generatorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischen- kreisspannung in einen leitenden Zustand schaltbar ist und bei einer im motorischen Betrieb vorliegenden Polarität der Zwischenkreisspannung U _z sperrt.

Da Thyristoren keine abschaltbaren leistungselektronischen Bauelemente sind, fließt nach einmaliger Ansteuerung („Zünden") des Thyristors 26 solange ein Bremsstrom durch den jeweiligen Widerstand 21, bis der Nulldurchgang des Stromes er- reicht ist. Das ist dann der Fall, wenn die anfallende Bremsenergie im Widerstand 21 praktisch vollständig abgebaut ist oder der Umrichter 2 wieder in den motorischen Betrieb gebracht wird, so das der Thyristor 26 bei der sich dabei einstellenden Zwischenkreisspannung U _z wieder sperrt.

Die Verwendung von steuerbaren, abschaltbaren Leistungs- Halbleiterschaltern (z.B. IGBT's, IGCT's) und von steuerbaren, nicht abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschaltern (z.B. Thyristoren) für die Schalter 23 kann alternativ oder in Kom- bination miteinander erfolgen (nicht dargestellt) .

Wie in FIG 11 dargestellt ist, ist es weiterhin von besonderem Vorteil, wenn das Antriebssystem eine Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 27 umfasst, die derart eingerichtet ist, dass sie die Aufnahme von elektrischer Bremsleistung der Drehstromantriebsmaschine 8 durch die Energieaufnahmeeinrichtung 20 in Abhängigkeit eines gewünschten Soll-Bremsmoments M _Br * der Drehstromantriebsmaschine 8 und in Abhängigkeit von Ist-Werten des Antriebssystems 1 steuert und/oder regelt. Die Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 27 erfasst und wertet hierzu die Polarität der Zwischenkreisspannung U _z und/oder die Höhe der Zwischenkreisspannung U _z und/oder den Zwischen- kreisstrom I _z und/oder die Motordrehzahl n und/oder die Motorspannung U _M aus und generiert daraus Ansteuersignale für die Schalter 23, so dass eine bedarfsgerechte und/oder vom

Arbeitspunkt des Antriebsystems 1 abhängige Änderung bzw. Anpassung der jeweils wirksamen Bremsleistung, z.B. durch Zu- und/oder Wegschalten von Bremswiderständen 21 (wie im Zusammenhang mit FIG 7 und FIG 8 erläutert), erfolgen kann.

Für die Schalter 23 ist es dann von besonderem Vorteil, wenn dafür abschaltbare oder nicht abschaltbare Leistungs-Halblei- terschalter verwendet werden, wie sie beispielhaft bereits in den Figuren FIG 9 und 10 dargestellt wurden.

Die Energieaufnahmeeinrichtung 20 kann neben der dargestell- ten stufigen Veränderung der Aufnahme von Bremsleistung auch stufenlos ausgeführt werden, in dem als Energieaufnehmer stufenlos veränderbare Energieaufnehmer, z.B. stufenlos veränderbare ohmsche Widerstände, verwendet werden.