Verbesserung des Motorschutzes eines Gleichstromantriebs Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gleichstromnetz für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshore-Anlagen mit zumindest einer in einem jeweiligen Quellenstrang angeordneten Gleichstromquelle und zumindest einem in einem jeweiligen Motorstrang angeordneten Gleichstromantriebsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beeinflussen eines in einem Gleichstromnetz fließenden Gleichstroms.

Gleichstromnetze bzw. Gleichstromanlagen sind beispielsweise in Unterwasserschiffen weit verbreitet. Insbesondere sind dort Summenkurzschlussströme von ca. 100 kA und mehr möglich, was im Kurzschlussfall in Folge hoher mechanischer Kräfte durch Stossströme zu einer erheblichen dynamischen und thermischen Belastung der gesamten Gleichstromanlage führt. Bei einem Kurzschluss im Propulsionsbetrieb geht dabei der

Gleichstrommotor vom motorischen in den generatorischen Betrieb über. Kritisch wird es, wenn am Gleichstrommotor ein sogenanntes „Kommutatorrundfeuer" auftritt, was zu großen Schäden am Gleichstrommotor führen kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Fall eines Kurzschlusses in einem elektrischen Gleichstromnetz einen verbesserten Schutz des elektrischen Gleichstromnetzes zu gewährleisten . Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Gleichstromnetz der eingangs genannten Art, wobei jeweils zumindest eine Strommesseinrichtung zur Erfassung eines Stroms und/oder Stromanstiegs an der zumindest einen Gleichstromquelle vorgesehen ist sowie zumindest eine Steuerung zur Beeinflussung eines in dem jeweiligen Motorstrang des Gleichstromnetzes fließenden Gleichstromes, falls der durch die zumindest eine Strommesseinrichtung erfasste Strom und/oder Stromanstieg größer als ein vorgebbarer Strom und/oder Stromanstieg ist vorgesehen sind. Diese Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5.

Im Propulsionsbetrieb geht der zumindest eine Gleichstroman- triebsmotor bei Auftreten eines Kurzschlusses vom motorischen in den generatorischen Betrieb über, so dass sich die Stromrichtung umkehrt und aufgrund einer relativ hohen Zeitkonstante im Motorkreis der Kurzschlussstrom am zumindest einen Gleichstromantriebsmotor relativ langsam ansteigt. Dagegen steigt der Kurzschlussstrom an der zumindest einen Gleichstromquelle sehr viel schneller und erreicht schneller kritische Stromwerte. Durch die erfindungsgemäße Erfassung des Stroms und/oder Stromanstiegs an der zumindest einen Gleichstromquelle kann somit im Fall eines Kurzschlusses eine frü- here Beeinflussung des im jeweiligen Motorstrang des Gleichstromnetzes fließenden Gleichstroms bewirkt werden, weil dort gemessen wird, wo am schnellsten kritische Ströme erreicht werden. Durch die schnellere Beeinfussung des jeweiligen Motorstrang des Gleichstromses wird daher der Schutz der

Gleichstromanlage, insbesondere des zumindest einen Gleichstrommotors wesentlich verbessert. Dabei kann die Beeinflussung beispielsweise derart erfolgen, dass der im jeweiligen Motorstrang fließende Gleichstrom begrenzt oder abgeschaltet wird .

Durch die Messung des Stroms und/oder Stromanstiegs an der zumindest einen Gleichstromquelle wird die Erfassung eines kritischen Stroms und/oder Stromanstiegs zusätzlich verlässlicher als bei Messung am zumindest einen Gleichstrommotor, da im Betrieb des zumindest einen Gleichstrommotors dynamische Stromspitzen auftreten können. Bei der Festlegung einer Auslösereinstellung für den Fall eines Kurzschlusses spielen diese Stromspitzen somit eine kleinere Rolle. Somit kann der kritische Stromwert mit geringerer Sicherheitsreserve und da- mit auch kleiner gewählt werden.

Der Stromanstieg kann beispielsweise durch die zeitliche Ableitung des Stromes charakterisiert werden. Ist die zeitliche Ableitung des Stromes während einer bestimmten Zeit größer als der vorgebbare, als kritisch angesehene Wert, wird der Gleichstrom auf Veranlassung der Steuerung abgeschaltet, insbesondere durch Schalter oder Leistungsschalter. Als Kriteri- um für das Vorliegen eines Kurzschlusses und der folgenden Abschaltung des Gleichstromes kann alternativ zum Stromanstieg auch der Absolutwert des fließenden Gleichstroms verwendet werden. Möglich ist auch, einen kritischen Stromanstieg dadurch zu detektieren, dass ein bestimmter Absolutwert des Stromes erreicht wird und gleichzeitig eine bestimmte zeitliche Ableitung des Stromes vorliegt.

Die zumindest eine Gleichstromquelle kann beispielsweise als Batterieanlage ausgeführt sein. Ferner kann die zumindest ei- ne Gleichstromquelle eine Brennstoffzellenanlage umfassen.

Denkbar ist weiterhin der Einsatz eines Gleichstromgenerators bzw. mehrerer der zuvor genannten Anlagen und Generatoren.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen

Gleichstromnetzes ist im jeweiligen Motorstrang dem jeweiligen Gleichstromantriebsmotor zumindest ein Anlasswiderstand zur Reduzierung eines Anlassstromes vorgeschaltet, wobei der zumindest eine Anlasswiderstand mittels zumindest eines parallel zu ihm geschaltenen Leistungsschalters überbrückbar ist und wobei eine Wirkverbindung derart zwischen dem zumindest einen Leistungsschalter und der zumindest einen Steuerung besteht, dass der zumindest eine Anlasswiderstand mittels des zumindest einen Leistungsschalters zuschaltbar ist, falls der durch die zumindest eine Strommesseinrichtung er- fasste Strom und/oder Stromanstieg größer als der vorgebbare Strom und/oder Stromanstieg ist.

Oft werden bei Gleichstromantrieben kurzzeitig Anlasswiderstände zur Reduzierung der Anlaufströme in die Motorkreise eingeschaltet. Nach erfolgtem Hochlauf werden im normalen Betrieb anschließend die Anlasswiderstände durch einen oder mehrere Leistungsschalter kurzgeschlossen. Durch das dynamische Abschalten des zumindest einen Leistungsschalters bei Erfassung eines Stroms und/oder Stromanstiegs, der größer als der vorgebbare Strom und/oder Stromanstieg ist, wird der zumindest eine Anlasswiderstand wieder in den Motorkreis einbezogen, was zu einer Reduzierung des vom Motor im generatori- sehen Betrieb erzeugten Kurzschlussstromanteils führt. Dies führt zu einem verbesserten Schutz des elektrischen Gleichstromnetzes, da im Kurzschlussfall geringere Stossströme auftreten, was zu einer verringerten dynamischen und thermischen Belastung des Gleichstromnetzes führt. Der zumindest eine An- lasswiderstand führt also auch im Kurzschlussfall zu einer Strombegrenzung und kann gleichzeitig die beispielsweise in Induktivitäten gespeicherte elektrische Energie sicher und kontrolliert abbauen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Gleichstromnetzes ist der im jeweiligen Motorstrang des Gleichstromnetzes fließende Gleichstrom mittels zumindest eines ersten Schalters und/oder mittels zumindest eines zweiten Schalters abschaltbar.

Der bzw. die Schalter unterbrechen somit das Gleichstromnetz im jeweiligen Motorstrang. Durch diese Unterbrechung sind die elektrischen Potentiale des jeweiligen Pole der zumindest einen Gleichstromquelle und des zumindest einen Gleichstroman- triebsmotors nicht mehr miteinander verbunden. Durch die vollständige Trennung der Potentiale der entsprechenden Pole der zumindest einen Gleichstromquelle und des zumindest einen Gleichstromantriebsmotors werden insbesondere mögliche

Kriechströme vermieden oder stark verringert, insbesondere bei Wassereinbruch bei einem Wasserfahrzeug. Somit wird der Schutz des elektrischen Gleichstromnetzes im Kurzschlussfall durch die Trennung der Potentiale weiter verbessert.

Von Vorteil ist dabei insbesondere, den Gleichstromantriebs- motor komplett und möglichst frühzeitig von weiteren Gleichstromverbrauchern oder Gleichstromquellen zu trennen, so dass ein Kommutatorrundfeuer vermieden werden kann oder zumindest weniger stark auftritt. Dadurch dass der Stromanstieg an der Gleichstromquelle erfasst wird, also dort wo im Kurzschlussfall der Strom am schnellsten ansteigt, ist eine besonders frühe Trennung des Gleichstromantriebsmotors vom Gleichstromnetz möglich. Eine Erfassung eines Stromanstiegs am Gleich- stromantriebsmotor würde zu einer wesentlich späteren Erkennung eines Kurzschlusses führen, so dass mögliche Kommutatorrundfeuer schwerwiegender ausfallen.

Um die Unterbrechung des jeweiligen Motorstranges möglichst rasch durchzuführen, können die Schalter beispielsweise derart dynamisch angesteuert werden, dass die Trennung anhand der Schalter durch die dynamische Ansteuerung schneller zu bewerkstelligen ist als in normalem Betrieb der Schalter. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Gleichstromnetzes umfasst die zumindest eine Gleichstromquelle zumindest eine Batterieanlage und zumindest einen Gleichstromgenerator, wobei mittels zumindest einer ersten Strommesseinrichtung ein erster Strom und/oder Stromanstieg an der zumindest einen Batterieanlage und mittels zumindest einer zweiten Strommesseinrichtung ein zweiter Strom und/oder Stromanstieg an dem zumindest einen Gleichstromgenerator erfassbar ist und wobei eine Wirkverbindung derart zwischen der zumindest einen ersten Strommesseinrichtung, der zumindest einen zweiten Strommesseinrichtung und der zumindest einen Steuerung besteht, dass der Gleichstrom beeinflussbar ist, falls der erfasste erste Strom und/oder Stromanstieg und/oder der erfasste zweite Strom und/oder Stromanstieg größer als der vorgebbare Strom und/oder Stromanstieg ist.

Der Einsatz von sowohl zumindest einer Batterieanlage als auch zumindest eines Gleichstromgenerators ist insbesondere bei Unterwasserfahrzeugen weit verbreitet. Der zumindest eine Gleichstromgenerator wird beispielsweise durch einen Diesel- motor angetrieben und stellt damit elektrische Energie bereit. Da der Dieselmotor abschaltbar und gleichzeitig der zumindest eine Gleichstromantriebsmotor weiterhin betreibbar sein muss, ist zumindest eine Batterieanlage vorgesehen, die elektrische Energie speichern kann. Wird der Dieselmotor ausgeschaltet, kann die zumindest eine Batterieanlage den zumindest einen Gleichstromantriebsmotor weiterhin mit Energie versorgen .

Durch die Erfassung des ersten Stroms und/oder Stromanstiegs und des zweiten Stroms und/oder Stromanstiegs kann eine besonders schnelle Beeinflussung, insbesondere Abschaltung, des Gleichstroms bewirkt werden, sobald beispielsweise lediglich einer der beiden erfassten Ströme und/oder Stromanstiege größer als der vorgebbare Strom und/oder Stromanstieg ist. Somit basiert die Erfassung eines Kurzschlusses auf der Erfassung eines Stroms und/oder Stromanstiegs an jener Komponente der Gleichstromquelle, welche am sensibelsten auf einen Kurz- schluss reagiert. Alternativ kann der Gleichstrom beeinflusst werden, sobald beide erfasste Ströme und/oder Stromanstiege größer als der vorgebbare Strom und/oder Stromanstieg sind. Dadurch kann eine besonders zuverlässige Erkennung eines Kurzschlusses gewährleistet werden. Prinzipiell ist weiterhin denkbar, dass die zumindest eine Gleichstromquelle noch weitere Komponenten umfasst, wobei der jeweilige Strom und/oder Stromanstieg an den Komponenten der Gleichstromquelle mittels einer jeweiligen Strommesseinrichtung erfassbar ist und der Gleichstrom beeinflusst wird, sobald einer, mehrere oder alle der erfassten Ströme und/oder Stromanstiege größer als der vorgebbare Strom und/oder Stromanstieg sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert. Es zeigen:

FIG 1 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Gleichstromnetzes und

FIG 2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Batteriestroms, eines Generatorstroms und eines Motorstroms . Figur 1 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Gleichstromnetzes. Gleichstromantriebsmotoren 2 sind über eine erste Verbindung 8 und eine zweite Verbindung 10 mit Batterieanlagen 12 und den Gleichstromgeneratoren 13 verbunden, sofern erste Schalter 9, 19, 39 und zweite Schalter 11, 21, 41 geschlossen sind. Innerhalb des jeweiligen Motorstranges ist ein Gleichstrom von der ersten Verbindung 8 zum jeweiligen Gleichstromantriebsmotor 2 mittels des jeweiligen ersten Schalters 9 un- terbrechbar und ein Gleichstrom von der zweiten Verbindung 10 zum jeweiligen Gleichstromantriebsmotor 2 mittels des jeweiligen zweiten Schalters 11 unterbrechbar. Im Betrieb, d.h. wenn die zuvor genannten Schalter 9, 19, 39, 11, 21, 41 geschlossen sind, kann ein Gleichstrom von den Batterieanlagen 12 und den Gleichstromgeneratoren 13 zu den Gleichstromantriebsmotoren 2 fließen, wobei die erste Verbindung 8 als Stromschiene mit positiver Spannung und die zweite Verbindung 10 als Stromschiene mit negativer Spannung fungieren. Beim Anlassen der Gleichstromantriebsmotoren 2 sind Leistungs- Schalter 7 geöffnet, so dass der Gleichstrom über Anlasswiderstände 6 fließt und dadurch begrenzt wird. Im normalen Betrieb sind die Leistungsschalter 7 jedoch geschlossen, so dass die Anlasswiderstände 6 überbrückt sind. Jeweils an den Batterieanlagen 12 auftretende Stromanstiege bzw. dort fließende Ströme werden über jeweilige erste Strommesseinrichtungen 14 erfasst. Jeweilige zweite Strommesseinrichtungen 15 erfassen jeweilige Stromanstiege an den Gleichstromgeneratoren 13 bzw. dort fließende Ströme. Die von den ersten Strommesseinrichtungen 14 und den zweiten Strommesseinrichtungen 15 ermittelten Stromanstiege bzw. Ströme werden an zumindest eine Steuerung 4 übermittelt, welche die übermittelten Daten mit einem vorgebbaren kritischen Stromanstieg bzw. einem vorgebbaren kritischen Strom vergleicht. Stellt die Steuerung 4 anhand dieses Vergleiches fest, dass ein

Kurzschluss vorliegt, kann sie Steuersignale derart ausgeben, dass die ersten Schalter 9 und die zweiten Schalter 11 geöffnet werden, um den fließenden Gleichstrom direkt an den Gleichstromantriebsmotoren 2 zu unterbrechen. Durch die Erfassung der Stromanstiege anhand der ersten Strommesseinrichtungen 14 den Batterieanlagen 12 und anhand der zweiten

Strommesseinrichtungen 15 an den Gleichstromgeneratoren 13 ist eine besonders schnelle Erfassung eines Kurzschlusses möglich, da dort die schnellsten Stromanstiege zu erwarten sind. Durch diese frühzeitige Kurzschlusserkennung können die Gleichstromantriebsmotoren 2 sehr schnell vom restlichen Gleichstromnetz getrennt werden und somit ein Kommutatorrund- feuer vermieden oder in seinen Auswirkungen zumindest beschränkt werden. Weiterhin kann die Steuerung 4 im Fall eines festgestellten Kurzschlusses Steuersignale an die Leistungsschalter 7 ausgeben, die dann geöffnet werden, um einen eventuell fließenden Gleichstrom mittels der Anlasslasswiderstän- de 6 zu begrenzen.

Im Fall eines Kurzschlusses kann zusätzlich vorgesehen werden, dass die Steuerung 4 auch Steuersignale an die weiteren ersten Schalter 19, 39 und die weiteren zweiten Schalter 21, 41 sendet, welche sich zwischen den Gleichstromgeneratoren 13 bzw. den Batterieanlagen 12 einerseits und der ersten Verbindung 8 bzw. der zweiten Verbindung 10 andererseits befinden. Somit wird der fließende Gleichstrom auch direkt an den Batterieanlagen 12 und den Gleichstromgeneratoren 13 unterbro- chen. Dies kann auch, beispielsweise in Bezug auf die Batterieanlagen 12, später erfolgen als die Unterbrechung des Gleichstroms mittels der ersten Schalter 9, 11.

Obwohl direkt an den Gleichstromantriebsmotoren 2 vergleichs- weise kleine Ströme und Stromanstiege im Fall eines Kurzschlusses zu erwarten sind, ist es weiterhin möglich, Stromanstiege bzw. Ströme auch dort mittels weiterer Strommesseinrichtungen 30 zu ermitteln. Die ermittelten Daten können dann ebenfalls an die Steuerung 4 übermittelt werden, welche diese Daten beim Feststellen eines Kurzschlusses ebenfalls berücksichtigen kann. Selbstverständlich kann das elektrische Gleichstromnetz auch lediglich aus z.B. der rechten Hälfte des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels bestehen und hätte somit nur einen Gleichstromantriebsmotor 2, einen Gleichstromgenerator 13 und nur eine Batterieanlage 12. Dabei ist es weiterhin möglich, lediglich nur einen Gleichstromgenerator 13 oder nur eine Batterieanlage 12 vorzusehen, ohne dass dabei Nachteile in Bezug auf einen verbesserten Überstromschutz gemäß der Erfindung entstehen.

Figur 2 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Batteriestromes 16, eines Generatorstromes 17 und eines Motorstromes 18. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinatenachse der Strom aufgetragen, wobei ein angenom- mener Kurzschluss zur Zeit t = 0 stattfindet. Um den Kurz- schluss festzustellen, wird überwacht, ob der Batteriestrom 16 oder der Generatorstrom 17 größer als ein kritischer Strom 31 ist. Alternativ zu einem Absolutwert eines kritischen Stromes 31 kann dabei auch ein vorgebbarer Stromanstieg, bei- spielsweise in Form einer zeitlichen Ableitung des Stromes als Kriterium zur Feststellung eines Kurzschlusses dienen.

Im Fall eines Kurzschlusses im Propulsionsbetrieb geht der Motor vom motorischen in den generatorischen Betrieb über, d.h. der Motorstrom 18 wechselt zunächst seine Polarität und steigt danach mit der Zeit langsam an. Im Gegensatz dazu steigen der Batteriestrom 16 und der Generatorstrom 17 unmittelbar nach dem Kurzschluss schlagartig an. Dabei erreicht der Batteriestrom relativ schnell einen bestimmten Grenzwert, wohingegen der Generatorstrom eine Oszillation mit anfänglich großen Ausschlägen um einen relativ großen Grenzwert ausführt. Der kritische Strom 31 wird vom Batteriestrom 16 oder dem Generatorstrom 17 innerhalb sehr kurzer Zeit, im vorliegenden Beispiel innerhalb 1 ms, erreicht. Dagegen erreicht der Motorstrom 18 den kritischen Strom 31 sehr viel später, im vorliegenden Beispiel in 9 ms. Folglich erlaubt die Überwachung des Batteriestroms 16 und des Generatorstroms 17 eine sehr schnelle Erkennung eines Kurzschlusses, insbesondere verglichen mit einer Überwachung des Motorstroms 18.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein elektrisches

Gleichstromnetz für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshore-Anlagen mit zumindest einer in einem jeweiligen Quellenstrang angeordneten Gleichstromquelle und zumindest einem in einem jeweiligen Motorstrang angeordneten Gleichstromantriebsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beeinflussen eines in einem Gleichstromnetz fließenden Gleichstroms. Um im Fall eines Kurzschlusses in einem elektrischen Gleichstromnetz einen verbesserten Schutz zu ge- währleisten, wird vorgeschlagen, jeweils zumindest eine

Strommesseinrichtung zur Erfassung eines Stroms und/oder Stromanstiegs an der zumindest einen Gleichstromquelle und zumindest eine Steuerung zur Beeinflussung eines in dem jeweiligen Motorstrang des Gleichstromnetzes fließenden Gleich- Stromes, falls der durch die zumindest eine Strommesseinrichtung erfasste Strom und/oder Stromanstieg größer als ein vorgebbarer Strom und/oder Stromanstieg ist vorzusehen.