HARTIG, Rainer (Dammhauser Straße 12, Buxtehude, 21614, DE)
| Patentansprüche 1. Elektrische Antriebswelle (10) mit - zumindest einem drehzahlveränderbaren Generator (11) zur Erzeugung einer Spannung mit variabler Amplitude und vari¬ abler Frequenz, - zumindest einem mit dieser Spannung versorgten drehzahlver¬ änderbaren Antriebsmotor (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) eine Supra- leiter-Wicklung, insbesondere eine Hoch-Temperatur-Supra¬ leiter (HTS)- Wicklung, aufweist. 2. Elektrische Antriebswelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antriebsmotor (12) ebenfalls eine Supraleiter-Wicklung, insbesondere eine Hoch-Temperatur-Supraleiter (HTS)- Wicklung, aufweist. 3. Elektrische Antriebswelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiter-Wicklung eine rotierende Feldwicklung ist. 4. Elektrische Antriebswelle (10) nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen mit der Spannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz ver- sorgten Bordnetzumrichter (15), der diese Spannung in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für ein Bordnetz (3) umwandelt. 5. Elektrische Antriebswelle (10) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere drehzahlveränder¬ bare Generatoren (11) zur Erzeugung einer Spannung mit vari¬ abler Amplitude und variabler Frequenz und eine Generator- Synchronisiereinrichtung (20) zur Synchronisierung der Ampli¬ tude, Frequenz und Phase der von den Generatoren (11) erzeug- ten Spannung. 6. Elektrische Antriebswelle (10) nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bordnetz-Synchroni¬ siereinrichtung (21) zur Synchronisierung der Amplitude, Fre¬ quenz und Phase der Ausgangsspannung des Bordnetzumrichters (15) auf die Amplitude, Frequenz und Phase der Spannung des Bordnetzes (3) , wenn die von dem zumindest einen Generator (11) erzeugte Spannung eine vorgegebene Mindestamplitude und Mindestfrequenz überschreitet. 7. Fahrzeug (1), insbesondere Wasserfahrzeug, mit zumindest einem Antriebsstrang (2) mit einer elektrischen Antriebswelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Antrieb des Fahrzeuges (1) und mit einem Bordnetz (3) zur Versorgung elektrischer Verbraucher an Bord des Fahrzeuges (1) . 8. Fahrzeug (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Bordnetzgenerator (16) zur Versorgung des Bordnetzes (3) mit einer Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz bei abgeschalte- ter elektrischer Welle (10) . 9. Fahrzeug (1) nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine mit dem Antriebsmotor (12) gekop¬ pelte Vortriebseinheit (14) , insbesondere einen Verstellpro- peller, die hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe veränderbar ist, wobei die Vortriebseinheit (14) auf einen Nullschub ein¬ stellbar ist, wenn die von dem zumindest einen Generator (11) erzeugt Spannung eine vorgegebene Mindestamplitude und Min¬ destfrequenz unterschreitet. |
Elektrische Antriebswelle und Fahrzeug mit einer derartigen elektrischen Antriebswelle
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebswelle gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit ei ¬ ner derartigen elektrischen Antriebswelle gemäß Patentanspruch 7.
Elektrische Antriebsanlagen auf Schiffen (z.B. auf vollelektrischen Schiffen) umfassen üblicherweise einen oder meh ¬ rere elektrische Antriebsmotoren zum Antrieb jeweils einer Vortriebseinheit (z.B. eines Propellers), die über jeweils einen Umrichter aus einem elektrischen Netz des Schiffes
(häufig auch als „Fahrnetz" bezeichnet) gespeist werden. Das elektrische Netz wird wiederum von einem oder mehreren Die ¬ selgeneratoren gespeist. Das elektrische Netz hat dabei eine Spannung fest vorgegebener Amplitude und Frequenz, z.B. eine Mittelspannung mit einer Nennspannung von 6.6 kV bei einer Nennfrequenz von 60 Hz. Gegebenenfalls ist zwischen den Um ¬ richter und das Netz noch ein Transformator geschaltet. Die Umrichter wandeln die (ggf. heruntertransformierte) Netzspan ¬ nung in eine für den Betrieb der Antriebsmotoren benötigte Spannung mit von der Netzspannung unterschiedlicher Amplitude und Frequenz um.
Niederspannungsverbraucher an Bord eines Schiffes (z.B. Navi- gations- und Steuergeräte, Lautsprecheranlage, Beleuchtung) werden durch ein separates Bordnetz versorgt, das üblicher ¬ weise eine Nennspannung von 400 V bei einer Nennfrequenz von 50 Hz oder 440V bei 60 Hz hat. Das Bordnetz kann unabhängig von dem Fahrnetz von eigenen Bordnetzgeneratoren mit elektri ¬ scher Energie gespeist werden. Alternativ kann das Bordnetz über einen Bordnetzumrichter aus dem Fahrnetz versorgt wer ¬ den. Der Bordnetzumrichter wandelt die Spannung des Fahrnet ¬ zes in eine Spannung mit der Amplitude und Frequenz des Bord ¬ netzes um. Ein großer Vorteil dieser Lösung ist, dass durch den Umrich ¬ ter Rückwirkungen auf das Fahrnetz aufgrund von Laststößen (z.B. wenn ein Propeller bei schwerer See aus dem Wasser auf- und wieder eintaucht) vermieden werden können, wenn dieser entsprechend groß dimensioniert ist. Neben vielen anderen Vorteilen haben diese Antriebskonzepte aber den Nachteil, dass sie eine größere Zahl Umrichter zur Spannungsumwandlung im Fahrnetz mit entsprechendem Platzbedarf und Kosten benöti ¬ gen .
Eine bekannte elektrische Antriebslösung, die ohne derartige Umrichter auskommt, besteht darin, die Generatoren und die Antriebsmotoren ohne zwischengeschaltete Umrichter miteinan ¬ der zu koppeln. Bei einer derartigen Antriebslösung werden ein oder mehrere drehzahlveränderbare Antriebsmotoren ohne zwischengeschalteten Umrichter direkt mit der von einem oder mehreren drehzahlveränderbaren Generatoren erzeugten Spannung variabler Amplitude und variabler Frequenz betrieben. Die Steuerung und/oder Regelung der Motoren und somit der
Vortriebseinheiten erfolgt somit indirekt durch eine Steue ¬ rung und/oder Regelung der Verbrennungskraftmaschinen zum An ¬ trieb der Generatoren. Die Antriebsmotoren sind dabei elekt ¬ risch fest mit den Generatoren gekoppelt, d.h. eine Drehbewe- gung der Generatoren bewirkt eine entsprechende proportionale Drehbewegung der elektrischen Antriebsmotoren. Es wird somit die Funktion einer mechanischen Welle mit Hilfe von elektri ¬ schen Maschinen nachgebildet. Eine derartige Antriebslösung wird häufig als eine „elektrische Welle" bezeichnet.
Es ist dabei auch bekannt, aus der elektrischen Welle über einen Bordnetzumrichter elektrische Energie auszukoppeln, d.h. ein Bordnetzumrichter wandelt die von dem (den) Genera ¬ tor (en) erzeugte Spannung variabler Amplitude und variabler Frequenz in eine Spannung mit konstanter Amplitude und kon ¬ stanter Frequenz für ein Bordnetz um. Problematisch ist hierbei allerdings, dass Laststöße im Fahr ¬ netz direkt als Spannungs- und Frequenzschwankungen auf die elektrische Welle und somit auch auf den Bordnetzumrichter rückwirken. Dies führt zum einen dazu, dass eine aufwändige Regelung für die elektrische Welle zur Stabilisierung der Drehzahl (bzw. Spannung und Frequenz) der Antriebsmotoren bzw. der Vortriebseinheit benötigt wird. Zum anderen kann dies zu unzulässigen Schwankungen in der Bordnetzspannung führen. Der Bordnetzumformer reagiert daraufhin mit einer Si- cherheitsabschaltung, wodurch die Verfügbarkeit des Bordnet ¬ zes reduziert wird, oder er muss derart überdimensioniert werden, dass er die durch die Laststöße verursachten Fahr ¬ netzschwankungen ausgleichen kann. Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine elektrische An ¬ triebswelle anzugeben, mit der die vorgenannten Nachteile vermieden werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine elektrische An- triebswelle gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestal ¬ tungen der elektrischen Antriebswelle sind Gegenstand der Pa ¬ tentansprüche 2 bis 6. Ein Fahrzeug, insbesondere ein Wasser ¬ fahrzeug, mit einer derartigen elektrischen Antriebswelle ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltun- gen des Fahrzeuges sind Gegenstand der Patentansprüche 8 und 9.
Eine erfindungsgemäße elektrische Antriebswelle umfasst zu ¬ mindest einen drehzahlveränderbaren Generator zur Erzeugung einer Spannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz und zumindest einen mit dieser Spannung versorgten drehzahl ¬ veränderbaren Antriebsmotor. Der zumindest eine Generator weist dabei eine Supraleiter-Wicklung, insbesondere eine Hoch-Temperatur-Supraleiter (HTS)- Wicklung, auf. Bei der Supraleiter-Wicklung kann es sich um eine Ständerwicklung oder um eine rotierende Läuferwicklung des Generators han ¬ deln. Ein Generator mit einer Supraleiter-Wicklung weist üblicher ¬ weise einen im Vergleich zu einem konventionellen Generator ohne Supraleiter-Wicklung wesentlich größeren magnetischen Luftspalt zwischen Läufer und Ständer auf. Dies liegt vor al- lern daran, dass der Supraleiter durch einen Vakuumkryostaten oder eine ähnliche Kühleinrichtung gekühlt wird, dessen bzw. deren Wandung im Luftspalt verläuft. Der relativ große magne ¬ tische Luftspalt bewirkt, dass der Generator eine wesentlich geringere synchrone Reaktanz als ein konventioneller Genera- tor aufweist. Dies führt dazu, dass bei gleicher elektrischer Leistung ein HTS-Generator im Vergleich zu einem herkömmli ¬ chen Generator eine deutlich steifere Strom-Spannungs-Kenn ¬ linie aufweist. Hierdurch kommt es bei LastaufSchaltungen oder -stoßen zu keinem Einbruch der von dem Generator erzeug- ten Spannung. Spannungs- und Frequenzschwankungen in der elektrischen Welle können hierdurch reduziert werden. Damit wird keine aufwändige Regelung für die elektrische Welle zur Stabilisierung der Spannung des Fahrnetzes und der Drehzahl der Antriebsmotoren bzw. der Vortriebseinheit benötigt.
Wenn auch der zumindest eine Antriebsmotor eine Supraleiter- Wicklung, insbesondere eine Hoch-Temperatur-Supraleiter
(HTS)- Wicklung, aufweist, kann er bei geringer Baugröße sehr leistungs- und drehmomentstark ausgebildet werden, was insbe- sondere für einen Einsatz eines Wasserfahrzeuges im Eis wich ¬ tig ist.
Vorzugsweise ist die Supraleiter-Wicklung eine rotierende Läuferwicklung, da bei dieser die zu kühlende Oberfläche kleiner als bei einer Supraleiter-Ständerwicklung gehalten werden kann.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die elektrische An ¬ triebswelle zumindest einen Bordnetz-Umrichter umfasst, der mit der von dem drehzahlveränderbaren Generator erzeugten
Spannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz ver ¬ sorgt wird und der diese Spannung in eine Spannung mit kon ¬ stanter Amplitude und konstanter Frequenz für ein Bordnetz umwandelt. Durch die Vermeidung von Spannungs- und Frequenz ¬ schwankungen auf der elektrischen Welle aufgrund der Steifig ¬ keit der Kennlinie des Generators bzw. der Generatoren können auch unzulässige Schwankungen in der von dem Bordnetz-Um- richter erzeugten Spannung und somit Sicherheitsabschaltungen des Bordnetz-Umrichters oder eine Überdimensionierung des Bordnetz-Umrichters vermieden werden.
Im Fall mehrerer drehzahlveränderbarer Generatoren zur Erzeu- gung jeweils einer Spannung mit variabler Amplitude und vari ¬ abler Frequenz umfasst die elektrische Welle auch eine Gene ¬ rator-Synchronisiereinrichtung zur Synchronisierung der Amp ¬ litude, Frequenz und Phase der von den Generatoren erzeugten Spannungen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die elektrische Antriebswelle noch eine Bordnetz-Synchronisier ¬ einrichtung zur Synchronisierung der Amplitude, Frequenz und Phase der Ausgangsspannung des Bordnetz-Umrichters auf die Amplitude, Frequenz und Phase der Spannung des Bordnetzes, wenn die von dem zumindest einem Generator erzeugte Spannung eine vorgegebene Mindestamplitude und Mindestfrequenz überschreitet . Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein Wasserfahr ¬ zeug wie z.B. ein Eisbrecher oder ein eisgehendes Schiff, um ¬ fasst zumindest einen Antriebsstrang mit einer vorstehend er ¬ läuterten elektrischen Antriebswelle zum Antrieb des Fahrzeu ¬ ges und ein Bordnetz zur Versorgung elektrischer Verbraucher an Bord des Fahrzeuges.
Für eine Spannungsversorgung des Bordnetzes im Hafen bei ab ¬ geschalteter elektrischer Welle kann ein zusätzlicher Hafen ¬ generator, vorzugsweise auch noch ein nachgeschalteter Um- richter, zur Versorgung des Bordnetzes mit einer Spannung mit konstanter Amplitude und Frequenz vorhanden sein. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Fahrzeug eine mit dem Antriebsmotor gekoppelte Vortriebsein ¬ heit, insbesondere einen Verstellpropeller, die hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe veränderbar ist, wobei die Vortriebs- einheit auf einen Nullschub einstellbar ist, wenn die von dem zumindest einen Generator erzeugte Spannung eine vorgegebene Mindestamplitude und Mindestfrequenz unterschreitet.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Fol ¬ genden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 ein Wasserfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elekt- rischen Antriebswelle,
FIG 2 eine Strom-Spannungskennlinie eines HTS-Generators bei einer LastaufSchaltung . Die FIG 1 zeigt ein Wasserfahrzeug 1, z.B. einen Eisbrecher, mit zwei Antriebssträngen 2 zum Antrieb des Wasserfahrzeuges und mit einem Bordnetz 3 zur Versorgung elektrischer Verbrau ¬ cher an Bord des Wasserfahrzeuges. Jeder der Antriebsstränge 2 umfasst eine elektrische Antriebswelle 10, die mehrere drehzahlveränderbare Fahrnetz-Generatoren 11 sowie einen elektrischen Fahrmotor 12 umfasst. Jeder der Generatoren 11 wird von jeweils einer Verbrennungskraftmaschine 13, z.B. ei ¬ nem Dieselmotor, angetrieben. Mit dem Fahrmotor 12 ist eine Vortriebseinheit in Form eines Verstellpropellers 14 mecha- nisch gekoppelt. Zwischen einem Generator 11 und der ihn an ¬ treibenden Verbrennungskraftmaschine 13 sowie zwischen dem Verstellpropeller 14 und dem ihn antreibenden Fahrmotor 12 kann zusätzlich noch ein mechanisches Getriebe geschaltet sei .
Der Fahrmotor 12 wird ohne einen zwischengeschalteten Umrich ¬ ter mit der von den Generatoren 11 erzeugten Spannung mit va ¬ riabler Amplitude und variabler Frequenz betrieben. Die Steu- erung und/oder Regelung der Drehzahl des Fahrmotors 12 und somit des Verstellpropellers 14 erfolgt somit indirekt durch die Steuerung und/oder Regelung der Verbrennungskraftmaschine 13 zum Antrieb der Generatoren 11. Eine Drehbewegung der Verbrennungskraftmaschine 13 bzw. der Generatoren 11 bewirkt somit eine entsprechend proportionale Drehbewegung des Fahr ¬ motors 12. Es wird somit die Funktion einer mechanischen Wel ¬ le mit Hilfe von elektrischen Maschinen nachgebildet.
Mit der von den Generatoren 11 einer elektrischen Antriebs ¬ welle 10 erzeugten Spannung variabler Amplitude und variabler Frequenz wird zusätzlich jeweils ein Bordnetz-Umrichter 15 betrieben, der diese variable Spannung in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für das Bordnetz 3 umwandelt. Aus dem Bordnetz 3 werden nicht näher darge ¬ stellte Niederspannungsverbraucher des Wasserfahrzeuges (z.B. Navigations- und Steuergeräte, Lautsprecheranlage, Beleuch ¬ tung) versorgt. Das Bordnetz 3 hat üblicherweise eine Nenn ¬ spannung von 400V bei einer Nennfrequenz von 50 Hz oder 440V bei 60 Hz.
Ein ebenfalls von einer Verbrennungskraftmaschine 13 ange ¬ triebener zusätzlicher Hafengenerator 16 dient, vorzugsweise über einen nicht näher dargestellten nachgeschalteten Umrich- ter, zur Versorgung des Bordnetzes 3 mit einer Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz bei abgeschalte ¬ ten elektrischen Wellen 10, beispielsweise wenn sich das Was ¬ serfahrzeug im Hafen befindet und keine Antriebsleistung be ¬ nötigt .
Die Generatoren 11 sind dabei als Synchronmaschinen mit einer rotierenden HTS-Feldwicklung (d.h. einer HTS-Wicklung im Läu ¬ fer) ausgebildet. Derartige Maschinen weisen eine geringe synchrone Reaktanz und deshalb große Steifigkeit in ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie auf. Beispielhaft zeigt hierzu FIG 2 die Kennlinie eines Synchrongenerators mit einer rotieren ¬ den HTS-Feldwicklung und einer Leistung von 400kW für den Fall einer Voll-LastaufSchaltung von Null auf 380kW. Eine derartige Maschine weist beispielsweise eine synchrone Längs ¬ reaktanz x d = 0,15 auf. Wie aus dem Verlauf der Stromkurve I und der Spannungskurve U ersichtlich ist, kommt es beim Zu ¬ schalten der Last zum Zeitpunkt t z zu keinen Einbrüchen der Spannung U. Dies zeigt das äußerst stabile Betriebsverhalten einer derartigen Maschine auch unter extremen Lastschwankun ¬ gen .
Im Fall des Wasserfahrzeuges 1 sind somit für die Bordnetz- Umrichter 15 bei propellerseitigen Laststößen (wie sie z.B. bei schwerer See durch ein Aus- und Eintauchen der Propeller 14 verursacht werden) keine Rückwirkungen auf ihre Eingangs ¬ spannung spürbar. Die Bordnetz-Umrichter 15 können somit mit wesentlich geringeren dynamischen Reserven ausgestattet wer- den als bei der Verwendung konventioneller Synchronmaschinen ohne HTS-Wicklung als Generatoren in den Antriebssträngen 2. Außerdem kann in den Antriebssträngen 2 auf eine aufwendige Regelung zur Stabilisierung der Drehzahl (bzw. Spannung und Frequenz) des jeweiligen Fahrmotors 12 bzw. Propellers 14 verzichtet werden.
Von Vorteil sind auch die Fahrmotoren 12 als leistungs- und drehmomentstarke Synchronmaschinen mit einer rotierenden HTS- Feldwicklung (d.h. einer HTS-Wicklung im Läufer) ausgebildet.
Jede der elektrischen Antriebswellen 10 umfasst dabei zusätz ¬ lich noch eine Generator-Synchronisiereinrichtung 20 zur Syn ¬ chronisierung der Amplitude, Frequenz und Phase der von den Generatoren 11 erzeugten Spannungen.
Weiterhin ist jedem der Bordnetz-Umrichter 15 eine Bordnetz- Synchronisiereinrichtung 21 zur Synchronisierung der Amplitu ¬ de, Frequenz und Phase der Ausgangsspannung des Bordnetz- Umrichters 15 auf die Amplitude, Frequenz und Phase der Span- nung des Bordnetzes 3 zugeordnet, wenn die von den Generato ¬ ren 11 der jeweiligen elektrischen Welle 10 erzeugte Spannung eine vorgegebene Mindestamplitude und Mindestfrequenz über ¬ schreitet . Von Vorteil ist jeder der Verstellpropeller 14 derart ausge ¬ bildet, dass er auf einen Nullschub (d.h. keinen Schub) ein ¬ stellbar ist, wenn die von den Generatoren 11 der zugeordne ¬ ten elektrischen Welle 10 erzeugte Spannung eine vorgegebene Mindestamplitude und Mindestfrequenz unterschreitet. Hier ¬ durch wird eine möglichst lange Versorgung des Bordnetzes 3 auch bei einem Rückgang der Generatorleistung sichergestellt Eine andere Möglichkeit, einen Nullschub einzustellen, be ¬ steht auch darin, den Propeller 14 über eine Kupplung auf Nullschub zu schalten.
Im Hafen kann das Bordnetz 3 bei abgeschalteten elektrischen Wellen 10 statt durch den Hafengenerator 16 auch durch eine Batterie oder durch Brennstoffzellen gespeist werden.