Für den Betrieb von Ausflugs- und Privatschiffen auf Seen mit sensibler Ökologie kann der dieselelektrische Antrieb einen wichtigen Beitrag zur Reinhaltung der Gewässer und der Luft leisten. Durch die mechanische Entkopplung von Die-selantrieb und Schiffsschraube fährt der Dieselmotor immer im optimalen Arbeitspunkt. Man erreicht einen sehr hohen Wirkungsgrad bei minimaler Schadstoff- emission nach neuesten US-Emmisionswerten.
Der Autor Dipl.-Ing. Lutz Steinhaus ist Mitarbeiter der Cegelec AAS GmbH, Berlin
Dieses Antriebskonzept mit Frequenzumrichtern von Cegelec wurde von der Fa. Gebr. Rademacher GmbH für den Neubau „Alsterschipper“ der ATG Hamburg gewählt. Die Inbetriebnahme im März 1998 war ein voller Erfolg. Zukünftig sollen weitere Schiffe der Flotte an Alster-Ausflugsschiffen mit dieser modernen Antriebstechnik ausgerüstet werden.
Antriebskonzept
Ein schadstoffarmer Dieselmotor, gekoppelt mit einem Drehstromgenerator, versorgt Antrieb, Steuerung und Bordnetz des Schiffes. Zwei Frequenzumrichter des Types Alspa MD2000 62/78-400 regeln zwei wassergekühlte Drehstrom-Asynchronmotoren von jeweils 45 kW, die direkt die Schiffsschraube antreiben. Die Motoren sind über eine Kupplung starr gekoppelt.
Ein Frequenzumrichter des Types Alspa MV1047 regelt den Drehstrommotor (22 kW) für das Bugstrahlruder. Dies unterstützt die Manövrierfähigkeit des Schiffes in engen Kanälen und bei Anlegemanövern.
Der Dieselmotor läuft mit einer konstanten Drehzahl von 1500 min-1 und erzeugt ein Netz von 3 x 400 V, 50 Hz, mit einer Abgabeleistung von 200 kVA. Um an Bord handels- übliche elektrische Geräte, bspw. für die Gastronomie, nutzen zu können, wird elektronisch ein Bordnetz von 230 V, 50 Hz, zur Verfügung gestellt.
Das Dieselaggregat ist schwingungsfrei im Maschinenraum eingebaut. Der Maschinenraum selbst ist mit hochwertigen, schalldämmenden Isoliermaterialien ausgekleidet. Ein integrierter Wärmetauscher im Schiffsboden, unterhalb der Wasserlinie, versorgt den Kühlkreislauf des Diesels und der wassergekühlten Drehstrom-Asynchronmotoren mit reinem Wasser. Die Motoren treiben den Schiffspropeller über eine Kardanwelle mit Kreuzgelenken direkt an. Getriebe und eine durch das gesamte Schiff gehende Antriebswelle wie bei Schiffen mit konventionellem Dieselantrieb gibt es nicht mehr. Unangenehme Wellen- und Lagergeräusche entfallen ganz.
Um der Forderung nach hoher Verfügbarkeit des Schiffes gerecht zu werden und unter Berücksichtigung der beengten Einbauverhältnisse wurde die erforderliche Antriebsleistung auf ein redundantes System mit zwei Alspa Frequenzumrichtern und zwei Motoren aufgeteilt. Die daraus resultierende geringe Bauhöhe der wassergekühlten Drehstrom-Asynchronmotoren ermöglichte den problemlosen Einbau in den niedrigen Schiffsrumpf.
Steuerungs- und Regelungskonzept
Will man nun zwei starr gekoppelte Motoren an zwei seperaten Frequenzumrichtern betreiben, muß man dafür sorgen, daß beide Motoren dassel-
be Drehmoment erzeugen. Die Regler würden sonst auf Grund von Toleranzen gegeneinander arbeiten. Man vermeidet damit eine thermische Überlastung der Motoren und frühzeitigen Verschleiß an den mechanischen Bauelementen im Antriebsstrang.
Die im Bild dargestellte Regelungsstruktur sorgt für eine gleichmäßige Lastaufteilung zwischen den beiden Fahrmotoren. Die Antriebe für die Schiffsschraube arbeiten im Master/Slave-Betrieb. Dabei ist am Master die Betriebsart Drehzahl-Regelung ohne Geber und am Slave die Betriebsart Drehmoment-Regelung ohne Geber eingestellt. Die 8-poligen Drehstrom-Asynchronmotoren werden im Drehzahlbereich 250 – 735 min-1 in beiden Drehrichtungen betrieben. Die Lastaufteilung arbeitet sowohl motorisch als auch generatorisch sehr zuverlässig. Die Stromaufnahme beider Antriebsmotoren hat zu jedem Zeitpunkt den gleichen Betrag.
Sowohl der Fahrantrieb als auch das Bugstrahlruder bekommen ihren Drehzahl-Sollwert (-10 bis +10 V) von jeweils einem Joystick im Fahrstand des Kapitäns.
Der Drehmoment-Sollwert (IL_Sollwert2, -10V bis +10V) wird über eine geschirmte Leitung zum Slave übertragen. Die EMV-gerechte Verlegung der Leitung ist hier von besonderer Bedeutung, da das Signal direkt den Drehmoment-Regler des Slave bedient, der mit Drehmomentanregelzeiten von 2 bis 8 ms arbeitet.
Bedingung: 4 Quadranten-Betrieb
Die hohe Dynamik beim Umsteuern des Schiffes von voll-voraus auf voll-zurück erfordert den Einsatz der Umrichter im 4 Quadranten-Betrieb mit Brems-Chopper und Bremswiderstand.
Für Schleichfahrten bei Kanal-und Mondscheinfahrten und für den Notbetrieb kann innerhalb weniger Sekunden auf Einmotorenbetrieb mit einem Frequenzumrichter umgeschaltet werden. Das Schiff gleitet dann „flüsterleise“ mit maximal 60% der Schiffsschraubennenndrehzahl über das Wasser. Die Fahrgäste können die herrliche Natur rund um die Alster so nicht nur beobachten, sondern auch intensiv „hören“.
Für den Notbetrieb schaltet die Steuerung automatisch auf den noch verfügbaren Antrieb um. Wird dabei auf den Slave-Antrieb umgeschaltet, gibt es freilich einiges zu beachten. Da der Slave jetzt die Funktion des Master übernehmen muß, ist die Betriebsart von Drehmoment- auf Drehzahl-Regelung ohne Geber zu ändern. Entsprechend obiger Regelungsstruktur muß auch der Drehzahl-Sollwert durch Anwahl einer anderen Sollwertquelle aktiviert werden. Alspa Frequenzumrichtern stehen verschiedene Sollwertquellen zur Verfügung, unter anderem zwei analoge Eingänge, Feldbusse, RS422, Festdrehzahlen, Motorpoti, Technologie.
Im genannten Anwendungsfall wird der zweite analoge Eingang genutzt.
Die oben beschriebenen Änderungen werden bei Alspa Frequenzumrichtern durch die sehr komfortable Funktion der Parametersatzumschaltung realisiert. Diese erfolgt durch ein Steuersignal an der Klemmenleiste oder über einen angeschlossenen Feldbus. Dem Frequenzumrichter stehen dann alle Einstellungen, die er in einem zweiten Parametersatz gespeichert hat, für die Steuerung und Regelung zur Verfügung.
Frequenzumrichter
Alspa
KEM 542
Vorteil des dieselelektrischen Antriebs
Zusammenfassend ist festzustellen, daß sich aus der Verbindung eines modernen, schadstoffarmen Dieselaggregates mit Alspa Frequenz- umrichtern und Drehstrommotoren wesentliche Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben ergeben:
n geringe Abgasemissionswerte
n geringe Lärmentwicklung, gemessene Werte: im Fahrstand 62 db, im Ach-terschiff 50 db
n hoher Wirkungsgrad der Anlage, weil Getriebe und Schraubenwelle feh-len (Gesamtwirkungsgrad 92 %)
n hohe Dynamik beim Drehmomentenverlauf (Umsteuerzeiten von 3 s von voll-voraus und voll-zurück)
n wartungsfreie Antriebs-elektronik, hohe Verfüg-barkeit und Sicherheit durch Redundanz der Antriebselektronik
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