(12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 9008 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. B63H 23/24 (06.01) B63H 21/17 (06.01) H02J /00 (06.01) H02J 9/00 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert 13.0.13 (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet 12.12.19 (86) Europeisk søknadsnr 09000344.3 (86) Europeisk innleveringsdag 09.01.13 (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato 09.08.19 () Prioritet 08.01.16, DE, 0800493 (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Andersen, Peter, Triftstrasse 27, 27 Hamburg, Tyskland (72) Oppfinner Andersen, Peter, Triftstrasse 27, 27 Hamburg, Tyskland Buchloh, Heiko, Honneferstrasse 6, 372 Unkel, Tyskland (74) Fullmektig Oslo Patentkontor AS, Postboks 7007 Majorstua, 06 OSLO, Norge (4) Benevnelse Elektrisk energiforsyningssystem, særlig for skip (6) Anførte publikasjoner DE-A1-06 024 94 FR-A- 78 244
1 Beskrivelse Oppfinnelsen vedrører et elektrisk energiforsyningssystem, særlig for skip, med generatorer drevet av dieselmotorer og med forbrukere, hvor en likepenningsmellomkrets som en energibuss er anordnet mellom forbrukerne og generatorene og hvor vekselomformere er tilveiebrakt for forsyning av forbrukerne med vekselspenning. Skip med elektrisk drift er kjent; da de overfor skip med diesel-direktedrift som regel har høyere investeringskostnader, anvendes bare elektrisk drift for skip hvor kostnadsulempene oppveies mot driftsfordeler. Slike driftsfordeler er for eksempel bedre manøvringsevne, sammenlignet med skipene med diesel-direktedrift og tradisjonelle rorsystemer eller en høyere driftssikkerhet ved altfor overlesset utforming av driftsenhetene og energiforsyningsenhetene for driftsenhetene. 1 Dokumentet DE 06 02494, som er ansett å være den nærmestliggende teknikkens stand, beskriver et system av denne typen. Det er spesielt et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et elektrisk energiforsyningssystem for skip, særlig for elvecruiseskip eller større yachter, som på særskilt enkel og sikker måte muliggjør en spesiell økonomisk drift særlig ved en automatisk forbruksoptimalisering av de respektive diesel-generatorsettene som er i service. Derved skal det også tilveiebringes en utforming som er spesielt plassbesparende, dvs. at for kjøre- og forsyningssystemet ombord er det ikke behov for trefasevekselstrøm-fordelingsanlegg i et koplingsskap. Derved skal imidlertid diesel-generatorsettene kunne innkoples eller utkoples ved tastetrykk. 2 Fra DE 04 034 936 A1 og fra DE 06 024 94.6 er det angitt et kjøre- og forsynigssystem ombord for forsyning av elektrisk forbruker med energi ombord på skip, som har en likespenningsmellomkrets for energiforsyningen av driftsenhetene. Konstruksjonen av disse kjente kjøre- og forsyningssystemene ombord på et skip er imidlertid ikke særlig enkel og billig, og det er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe et kjøre- og forsyningssystem ombord som er utformet til å være særlig enkelt og billig. Samtidig skal det muliggjøre en økt redundans og spesielt være tilpasset betingelsene for en elvecruisebåt med sin store lengde. Et moderne elvecruiseskip er over 0 meter lang og har mindre elektriske driftsenheter i baugen samt større driftenheter i akterenden. Et slikt skip skal til
2 enhver tid drives under det optimale forbruket for det påkrevde drivstoffet og tilby alle fordeler av et elektrisk drevet skip med diesel- og eventuelt også gassturbingeneratorsett fordelt i skipet. Dette formålet løses ved at generatorene er konfigurert som asynkrongeneratorer, at mellom generatorene og likespenningsmellomkretsen er anordnet bidireksjonelle vekselomformere og at de bidireksjonelle vekselomformerne har minst en kondensator, med dennes lagrede energi blir den tilhørende asynkrongeneratoren magnetisert under starting. Dette formålet løses videre fordelaktig ved at energibussen for skipet er dannet som likespenningsenergibuss og at spenningsendringene som skjer under drift tjener som kontrollvariabler for generatoreffektene. 1 Likespenningsenergibussen representerer en likespenningsmellomkrets. Ifølge oppfinnelsen blir mest fordelaktig spenningsendringen i mellomkretsen valgt som kontrollvariabler for generatoreffektene. Således følger det at forhold som kan sammenlignes med styringen av et vekselspenningsnett, hvorved det sikkert kan forhindres at det kreves for høy generatoreffekt og dermed at energi forsvinner. Samtidig forhindres også at forsyningssystemet ombord bryter sammen. I ethvert tilfelle tilpasses energikravets generatoreffekt automatisk. 2 I en fordelaktig utforming av oppfinnelsen er det tilveiebrakt individuelle generatorer som er innstilt med hensyn til deres effekt via forskjellig fylling av dieselmotorer og den totale effekten er innstilt via antallet dieselmotorer i drift. Således fremkommer muligheten til å drive de individuelle dieselmotorene med deres generatorer i det respektive optimale forbruket. Dieselmotorene, som ikke er nødvendig for det momentane energikravet, kan frakoples. 3 Videre er det tilveiebrakt at elektrisk energi tilføres eller fjernes fra likespenningsenergibussen via en kombinasjonsenhet av et halvleder-bryteranlegg med mekaniske bryterelementer, som kan sikre en galvanisk separasjon fra generatorene eller drivmotorene. Således fremkommer det en sikrere nettutforming med den spesielle fordel at det kan gis avkall på dyre og plasskrevende koplingsskap og koplingsanlegg anvendt for de tidligere skipene. Ved den galvaniske separasjonen er det på fordelaktig måte mulig å regulere og styre de individuelle delene av forsyningssystemet ombord upåvirket av de andre delene.
3 Videre er det fordelaktig tilveiebrakt at generatorene er forbundet med mellomkretsen via likespenningsmellomkretsvekselomformere med IGBT-bryterelementer, hvor det spesielt er tilveiebrakt at likespenningsmellomkretsvekselomformerne har effektkondensatorer, som leverer den nødvendige magnetiseringsstrøm for asynkrongeneratorer, hvor grupper av likespenningsmellomkretsvekselomformerne er konfigurert på sammenkoplende måte. Således dannes elektriske kraftforsyningsenheter, såkalte E-Power-Packs som sikkert leverer en magnetisert strøm, så snart som asynkrongeneratoren drives av diesel og den tilsvarende vekselomretteren er i drift. Motorene og generatorene på skipet skal være asynkronmaskiner. Dette er en spesielt billig og og robust utforming for de elektriske maskinene. Forskjellene mellom asynkronmaskinene og synkronmaskinene med hensyn til det elektriske nettet utlignes svært fordelaktig ved vekselomretteren. 1 Det er fordelaktig tilveiebrakt at likespenningsmellomkretsvekselomformeren har digitale reguleringsenheter for den elektriske energigeneratorenden, som har en parameterisering for konstantspenningsgeneratorer og/eller asynkrongeneratorer. Således kan enhetlige, billige spenningsmellomkrets-vekselomrettere anvendes. Det er videre tilveiebrakt at vekselomformere, fortrinnsvis med IGBT-brytere, samt spennings- og frekvensregulatorer, er anordnet på likespenningsenergibussen, som muliggjør en egenkommutering. Dette muliggjør fordelaktig en automatisk tilpasning av vekselomretteren til likespenningsenergibussen. 2 3 Det er videre fordelaktig tilveiebrakt at skipet har en likespenningsmellomkrets, som er konfigurert som en likespenningsenergibuss som kan bli frakoplet av en halvlederbryter og forløper fra skipets baugområde til skipets akterområde, hvorved minst en, fortrinnsvis to, transistorbrytere er anordnet i likespenningsenergibussen, hvorved likespenningsenergibussen kan bli frakoplet. Således er det på en enkel måte mulig å danne baug- og akterdriftsgrupper og separere dem fra hverandre samt å drive dem separat avhengig av påførte krav. Således økes driftssikkerheten, hvorved denne sikkerheten kan økes enda mer ved anvendelsen av en nødstrømsgenerator, som er tilkoplet både til den fremre samt den bakre delen av likespenningsenergibussen. Det samme gjelder for en fastlandsforbindelse, som overtar skipets energiforsyning under landligge. Også dette er, på samme måte som nødstrømsgeneratoren, forbundet via en strømretter til likespenningsenergibussen.
4 Det er videre fordelaktig tilveiebrakt at skipet har minst en fastlandsforbindelse, som har en spenningmellomkretsvekselomformer med IGBT-brytere og spenningsog frekvensregulatorer og er konfigurert som en egenkommuterende vekselomformer. Det er videre tilveiebrakt at det har en uavhengig nødstrømsgenerator, som er drevet av en dieselmotor og er tilkoplet med likespenningsenergibussen via minst en spenningsmellomkretsvekselomformer. Således fremkommer totalt sett en svært variabel og svært sikker energiforsyning for det oppfinneriske skipet. 1 Driftsreguleringen kan fordelaktig på samme måte utformes variabelt. Derfor er det tilveiebrakt at spenningsmellomkretsvekselomretteren til driften har digitale reguleringsenheter, som har en parameterisering for en dreiemoment- eller turtallregulering. En dreiemomentregulering er ofte fordelaktig for akterdrift, mens foreligende baugdrift enkelt kan drives turtallsregulert. I utforming av skipet er det videre tilveiebrakt at dieselmotorene kan fjernstyres (start, stopp, effekt) fra skipets bro, og likespenningsmellomkretsvekselomformerne arbeider automatisk. Således kan den tjenestehavende offiseren på broen enkelt styre hele maskinanlegget selv. Maskinpersonale er ikke nødvendig. 2 For forsyningen av de forskjellige forbrukerne i skipet er det tilveiebrakt at underfordelingsenheter for forsyningssystemet ombord er tilkoplet likespenningsenergibussen via strømveksleromformerne. Således bortfaller også de vanlige bryteranlegg for forsyningssystemet ombord, og det trenger svært fordelaktig bare tilveiebringelse av sikringer. Således reduseres ytterligere fordelaktig plassbehovet for skipets elektriske anlegg. Det er ifølge oppfinnelsen tilveiebrakt at skipet særlig er et elvecruiseskip eller en yacht. Her kommer spesielt fordelene med likespenningsenergibussen og den medførte vekselomretteren i forbindelse med bortfallet av koplingsskap til nytte. Disse fordeler fremkommer spesielt for motoryachter eller liknende skip, dvs. for alle skip som har kjøreprofilen med betydelig forskjellige hastigheter over lengre tidsrom og som skal drives med mindre personell. 3 Oppfinnelsen blir nærmere forklart ved hjelp av tegninger, hvorfra, som også angitt i de uselvstendige kravene, også ytterligere oppfinneriske enkelheter kan utledes.
I de enkelt trekk viser: Figur 1 et skjematisk gjengitt skipsnett samt Figur 2 den generelle anordningen av de enkelte drifts-, energiproduksjonsog -fordelingskomponenter i skipet. I Figur 1 betegner 1 akterdrift, i dette eksemplet fire, og 2 baugdrift, i dette eksemplet to. Som akterdrift virker spesielle mekaniske POD'er, som ved en høy virkningsgrad har en god skyvkraft, da de er dannet som tvillingpropellenheter. Driften 2 i baugen er kjente pumpestråler, som fungerer ifølge prinsippet med en vannstråle og kan virke både som baugthruster og baugdrift. Som baugdrift kan den alene overta fremdriften av skipet, hvis akterdriften settes ut av drift. 1 2 Med 3 er en likespenningsenergibuss betegnet, som forbinder de enkelte vekselomretterne for energiforsyningen, driften og forsyningssystemet ombord i elektriske kraftforsyningsenheter med hverandre. Med 8 er en likespenningsenergibuss betegnet, som strekker seg fra baugen til akterenden gjennom skipet, som kan være over 0 meter lang og forbinder de elektriske kraftforsyningsenhetene med hverandre. For å separere de elektriske kraftforsyningsenhetene i baug- og akterdel fra hverandre ved unormal opptreden, er det tilveiebrakt transistorbryter 14 på enden av likespenningsenergibussen 3. I likespenningsenergibussen 3 mater dieselgeneratorsett 4, og 6 samt eventuelt et nødstrømsdieselgeneratorsett 7 inn elektrisk energi. Dette mater både driften 1 og 2 samt underfordelinger 13 som forsyningssystem ombord. Likespenningsenergibussen 3 forsynes med strømrettere 9 på inngangssiden av generatorene samt eventuelt strømrettere på fastlandsforbindelsen med elektrisk energi, som uavhengig av tilstanden som spenningsnivå og frekvens på inngangssiden passende går over til likespenningsenergibussen 3. De nødvendige reguleringskomponentene til strømretteren kan ses i DE 06 024 94.6, som allerede er nevnt som teknikkens stand. 3 På utgangssiden befinner strømrettere 11,12 seg på likespenningsenergibussen, som forsyner både forsyningssystemet ombord samt også driften med elektrisk energi. Strømretterene er kombinert med brytere. Over strømretterene med brytere kan likespenningsenergibussen 3 og de enkelte forgreningene, f.eks. til fordeleren 13, samt til drivkraften og generatorene 1, 2, 4,, 6 og 7, atskilles galvanisk fra hverandre. Disse enhetene kan også styres og reguleres uavhengig av hverandre. Også en separat utkopling uten påvirkning av kjørenettet er mulig.
6 Totalt fremkommer det på en uovertruffen måte et fleksibelt og samtidig godt optimalisert energiforsyningssystem for et skip, særlig et elvecruiseskip. Det forstås at også bryteren, i den grad den ikke er til hinder for sikkerhetskravene, er dannet som halvlederbryter. Dette gjelder også for bryteren 1, som er vist som eksempel. 1 I Figur 2 er med betegnet et skjematisk antydet skipsskrog, hvor den på samme måte skjematisk antydede drivkraften 22 befinner seg i baugen og 23 i akterenden. Videre befinner dieselgeneratorsettet 24 seg i skipsskroget. I den øvre delen av skipet befinner det seg et broområde 21. Broområdet 21 har et styrekonsoll 2, og fra denne går det styreledninger til de enkelte driftsaggregatene, generatorene, osv. Således kan også hele skipets elektriske anlegg styres fra broen. Dette gjelder særlig for inn- og utkopling av generatorene og drivverkene samt deres effektregulering, slik at det på enkel måte fra broen er mulig å oppnå et energioptimalisert forhold mellom skipets energiforsyning og forbruker. Bryteren, strømretteren samt kjøreanlegget til skipet er derved utført på tradisjonell måte, slik at reservedelsforsyningen er enkel og som muliggjør at reservedeler i bare redusert omfang er ombord i skipet. 2 Da drivverkene er anordnet under skroget og at det ikke trengs koplingsskap for en trefasefordeling i kjørenettet, er, uten unntagelse av plassen som trenger dieselgeneratorsettene anordnet i den bakre delen av skroget, hovedsakelig hele skipets interne rom tilgjengelig for lugarer, oppholdsrom og hotelldrift. Således oppnås en optimal utnyttelse av rom for f.eks. en elvecruisebåt, slik at sammen med den til enhver tid foreliggende og enkle muligheten for energiforbruksoptimalisering ved tilpasning av generatoreffekten til det momentane forbruket, fremkommer en hittil uoppnådd god lønnsomhet for et skip, forbundet med overlegne kjøreegenskaper. Dette gjelder også for små cruiseskip og yachter og maritime spesialfartøyer av alle slags typer.
7 Patentkrav 1. Elektrisk energiforsyningssystem, særlig for skip, med generatorer drevet av dieselmotorer (4,, 6, 7) og med forbrukere, hvor en likepenningsmellomkrets som en energibuss (3) er anordnet mellom forbrukerne (1, 2, 13) og generatorene og hvor vekselomformere (11, 12) er tilveiebrakt for forsyning av forbrukerne med vekselspenning, karakterisert ved at generatorene er konfigurert som asynkrongeneratorer, at mellom generatorene og likespenningsmellomkretsen er anordnet bidireksjonelle vekselomformere (9, ) og at de bidireksjonelle vekselomformerne har minst en kondensator, med dennes lagrede energi blir den tilhørende asynkrongeneratoren magnetisert under starting. 1 2. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge krav 1, karakterisert ved at den elektriske energibussen forsyner hele skipet () med elektrisk energi og at spenningsendringene som skjer under drift er anvendt som kontrollvariabler for generatorene i likespenningsenergibussen (3). 3. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at individuelle generatorer er innstilt med hensyn til deres effekt via forskjellig fylling av dieselmotorene (4,, 6) og den totale effekten er innstilt via antallet dieselmotorer (4,, 6) i drift. 2 4. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at elektrisk energi tilføres eller fjernes fra likespenningsenergibussen (3) via kombinasjonsenheter av et halvleder-bryteranlegg med mekaniske bryterelementer (9), som kan sikre en galvanisk separasjon fra generatorene eller drivmotorene (1, 2).. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge krav 4, karakterisert ved at generatorene er forbundet til mellomkretsen via likespenningsmellomkretsvekselomformere med IGBT bryteranlegg (9). 3 6. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge krav 1, 2, 3, 4 eller, karakterisert ved at likespenningsmellomkretsvekselomformerne (9) har effektkondensatorer, som forsyner den nødvendige magnetiseringsstrøm for asynkrongeneratorer, hvor grupper av likespenningsmellomkretsvekselomformerne (9) er konfigurert på sammenkoplende måte.
8 7. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge ett eller flere av krav 1 til 6, karakterisert ved at likespenningsmellomkretsvekselomformerne (9) har digitale reguleringsenheter for den elektriske energigeneratorenden, som har en parameterisering for konstantspenningsgeneratorer og/eller asynkrongeneratorer. 8. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at vekselomformere, fortrinnsvis med IBGT-brytere, samt spennings- og frekvensregulatorer, er anordnet på likespeningsenergibussen (3), som muliggjør en egenkommutering. 9. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det har en likespenningsmellomkrets, som er konfigurert som en likespenningsenergibuss som kan bli frakoplet av en halvlederbryter (14) og forløper fra skipets baugområde til akterområde. 1. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge krav 9, karakterisert ved at minst en, fortrinnsvis to, transistorbrytere (14) er anordnet i likespenningsenergibussen (3), hvorved likespenningsenergibussen (3) kan bli frakoplet. 11. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at likespenningsmellomkretsvekselomformerne (11) har digitale reguleringsenheter, som har en parameterisering for en dreiemoment- eller turtallregulering. 2 12. Skip med et elektrisk energiforsyningssystem, ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det har minst en fastlandsforbindelse, som har en spenningmellomkretsvekselomformer (9) med IGBT-brytere og spenningsog frekvensregulatorer og er konfigurert som en egenkommuterende vekselomformer. 13. Skip med et elektrisk energiforsyningssystem, ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det har en nødstrømsgenerator, som er drevet av en dieselmotor (7) og er tilkoplet med likespenningsenergibussen (3) via minst en spenningsmellomkretsvekselomformer. 3 14. Elektrisk energiforsyningssystem for et skip, ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at dieselmotorene (4,, 6, 7) kan fjernstyres
9 (start, stopp, effekt) fra skipets bro (2), og likespenningsmellomkretsvekselomformerne (9, 11) arbeider automatisk. 1. Elektrisk energiforsyningssystem ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at underfordelingsenheter for forsyningssystemet (13) ombord er tilkoplet med likespenningsenergibussen (3) via strømveksleromformerne. 16. Skip med et elektrisk energiforsyningssystem, ifølge ett eller flere av de foregående krav 1 til 1, karakterisert ved at det er et elvecruiseskip. 17. Skip med et elektrisk energiforsyningssystem, ifølge ett eller flere av de fo- regående krav 1 til 1, karakterisert ved at det er en motoryacht eller et yachtliknende motorseilfartøy. 1 18. Skip med et elektrisk energiforsyningssystem, ifølge ett eller flere av de foregående krav 1 til 1, karakterisert ved at det er en kystvaktbåt eller en patruljebåt. 19. Skip med et elektrisk energiforsyningssystem, ifølge ett eller flere av de foregående krav 1 til 18, karakterisert ved anvendelsen av egenkommuterende likespenningsmellomkretsvekselomformere (9,, 11, 12), som overtar oppgavene til en koplingstavle for elektrisk drift og generatorer.