Jahresbericht. Arbeitsbereich Elektrische Energiesysteme und Automation - 1 -

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1 Jahresbericht 2000 Arbeitsbereich Elektrische Energiesysteme und Automation - 1 -

2 Jahresbericht 2000 Arbeitsbereich Elektrische Energiesysteme und Automation Forschungsschwerpunkt 6 Technische Universität Hamburg-Harburg Anschrift: Eißendorfer Str Hamburg Telefon: 040/ Telefax: 040/ Redaktionsschluss Entwurf und Zusammenstellung: A. de Almeida Ferreira und Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus Herausgeber: Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus - 2 -

3 Inhalt 1 Interna Arbeitsgebiete Lehrveranstaltungen an der TUHH Messtechnisches Labor Forschung Mitarbeiterverzeichnis Forschungs- und Entwicklungsarbeiten Studien-, Diplomarbeiten und Seminarvorträge Abgeschlossene Forschungsarbeiten Derzeitige Forschungsarbeiten Promotionen, Veröffentlichungen /Vorträge Forschungskreis, Fachausschuss, Arbeitsgruppe CA-Forschungskreis Fachausschuss Schiffselektrotechnik der Schiffbautechnischen Gesellschaft (STG) Fachausschuss Geschichte des Schiffbaus der Schiffbautechnischen Gesellschaft (STG)

4 Vorwort Dieser 17. Jahresbericht seit 1986 soll über die Arbeit des Arbeitsbereiches informieren und auch Anregungen für weitere Entwicklungen geben. Wie immer haben die Sekretärin Frau Ferreira und der Oberingenieur Herr Dr. Hochhaus diesen Bericht zusammen gestellt und herausgegeben. Beide nehmen diese Aufgabe seit vielen Jahren verantwortungsbewusst war und ich möchte an dieser Stelle beiden für ihren Einsatz und die sachliche Berichterstattung danken. Prof. Dr.-Ing. Günter Ackermann - 4 -

5 1 Interna In das Jahr 2000 sind wir ohne Rechnerpannen hineingekommen, aber ansonsten ist doch vieles passiert, über das hier kurz berichtet werden soll. Im Januar erfolgte unser Umzug, der vierte in unserer 17-jährigen Instituts-Arbeitsbereich-Historie. Wir erinnern uns: Von der Uni Hannover kamen wir 1983 an die TUHH. Der erste Standort an der TUHH war der Wallgraben, seinerzeit auch Bibliotheksstandort. Dann zogen wir 1984 zum Dampfschiffsweg an die Süderelbe mit Blick auf den Harburger Holzhafen und die ehemalige Schlosswerft. Der nächste Standort (1994) war Finkenwerder mit schönem Blick auf die Elbe und den Yachthafen, aber großer Entfernung zum Campus. Es war hier schwierig, den Kontakt zu den Kollegen, Freunden und Studenten zu halten. Die Parkplatzproblematik war eines der Dauerthemen, die TU-interne Postversorgung ein anderes. Der letzte Umzug (2000) führte uns auf den Campus, ins Technikum, und jetzt sind wir mittendrin im TU-Leben mit kurzen Wegen zu den Hörsälen und Seminarräumen, zur Bibliothek, zur Mensa, zu den Studenten und Kollegen. Aber wo Licht ist, da ist auch Schatten. Es ist hier im Technikum sehr eng, so eng, dass ein Teil der Räume noch nicht mal frei waren, als die Umzugsleute die Tische reintragen wollten. Die für das interdisziplinäre Grundlagenlabor benötigten Flächen bekamen wir erst im März und unsere E-Werkstatt ist ein Jahr nach dem Umzug immer noch nicht fertig. Also kämpfen wir auch im Jahr 2001 mit den Folgen des letzten Umzugs. Am 11. Dezember 2000 wurde durch die Fertigstellung des NIT ein interner Umzug notwendig, der gemeinsam mit den Hausmeistern des Technikums und dem AB 2-09 durchgeführt wurde, damit sind jetzt wieder alle Mitarbeiter des AB 6-09 in einem Gebäude vereint. Das 1998 mit vielen Partnern beantragte F- und E-Vorhaben WIPS wurde endlich genehmigt, uns sogar drei Monate rückwirkend. Aber wie soll das in der TUHH gehen, wissenschaftliche Mitarbeiter rückwirkend einstellen? Es geht natürlich nicht und nach einer internen Ausschreibung und zwei teuren Anzeigen konnten wir am Herrn Dipl.-Ing. Christian Scharfetter und am Herrn Dipl.-Ing. Frank Oberhokamp als neue wissenschaftliche Mitarbeiter am AB 6-09 begrüßen. Die dritte Stelle für einen Dipl.-Ing. der E-Technik blieb unbesetzt, der Stellenmarkt für E-Techniker ist leer gefegt. Es ist außerordentlich erfreulich, dass Herr Dipl.-Ing. Jürgen Brandt nach Beendigung seines Projektes einige Monate die Kollegen im WIPS-Team verstärken wird. Frau Ferreira wurde in den Personalrat gewählt und nimmt hier die Interessen der Angestellten wahr. Außerdem ist sie Mitglied im Konzil und stellvertretendes Mitglied im FSP 6-Rat. Herr Albers ist der Stellvertreter von Frau Ferreira im Konzil. Prof. Ackermann erhielt von den Studenten des Maschinenbaus einen Preis für sein Engagement als Dekan, das Amt hat er zum an Herrn Prof. von Estorff übergeben und verbleibt als stellvertretender Dekan im Dekanatsrat. Herr Dipl.-Ing. L. Mörchen-Klaffke arbeitet im Ausschuss für Lehre und Studium und in der gemeinsamen AG Uni HH/TUHH mit. Die wissenschaftlichen Mitarbeiter (WiMi-Rat) haben Herrn Dipl.-Ing. L. Mörchen-Klaffke und Herrn Dipl.-Ing. B. Verhoeven für zwei Jahre zu ihren Sprechern (zwei von vier) gewählt. Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann ist Mitglied des Technischen Beirates vom Germanischen Lloyd, Leiter des STG-Fachausschusses Schiffselektrotechnik und Mitglied des technisch-wissenschaftlichen Beirates der STG

6 Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus wurde im Juli 2000 zum Leiter des STG-Fachausschusses Geschichte im Schiffbau gewählt, er ist Mitglied im STG-TWB und des Vorstandsrates der STG. Für sein Engagement bei der Ausstellung 100 Jahre STG wurde er mit einem Buchpreis ausgezeichnet. An der Organisation der 95. Hauptversammlung der STG in Hamburg hat Prof. Ackermann mitgewirkt und die Vortragsgruppe Schiffselektrotechnik organisiert und geleitet. Dr. Hochhaus hielt auf der STG- Sommertagung den Vortrag Von der Amphore zum Kühlcontainer, die aus Anlass der Expo am Meer in Wilhelmshaven durchgeführt wurde. Auch dieser Jahresbericht soll wie die bisherigen dazu dienen, den Kontakt zu den ehemaligen Mitarbeitern zu halten. Den Kooperationspartnern, Freunden in der Industrie, bei den Behörden, Institutionen und Hochschulen soll er zur Information dienen. Weitere und aktuelle Informationen z. B. Angebote für Studien- und Diplomarbeiten finden Sie auf unserer Homepage im Internet unter die von Herrn Dipl.-Ing. B. Verhoeven erstellt wurde und auf dem Laufenden gehalten wird. Mit diesem Bericht möchten wir jedoch nicht nur informieren, er dient uns außerdem als Rückblick und wir legen Rechenschaft über unsere Arbeiten ab. Bei allen, die uns und unsere Arbeit unterstützt haben, möchten wir uns an dieser Stelle bedanken. A. de Almeida Ferreira Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus Hamburg-Harburg im April

7 2 Arbeitsgebiete Der Arbeitsbereich beschäftigt sich in der Lehre und Forschung mit dem Gebiet der elektrischen Energietechnik besonders für Schiffe, der elektrischen, thermischen und mechanischen Hilfsmaschinen und mit der Automation von Anlagen und Anlagenteilen. Das ursprünglich auf Schiffe ausgerichtete Arbeitsgebiet wurde vor zehn Jahren auf vergleichbare Industrie-Anlagen erweitert. 2.1 Lehrveranstaltungen an der TUHH Sommersemester 2000 G. Ackermann: Grundlagen der Elektrotechnik für Maschinenbauingenieure J. Brandt: Übung: Grundlagen der Elektrotechnik für Maschinenbauingenieure K.-H. Hochhaus: Hilfsanlagen auf Schiffen und Offshore-Anlagen B. Verhoeven: Übung: Hilfsanlagen auf Schiffen und Offshore-Anlagen G. Ackermann: Automation und Prozessrechentechnik W. Planitz (Lehrbeauftragter): Leistungselektronik B. Verhoeven: Labor Messtechnik B. Verhoeven: Praktikum: Grundlagen der Elektrotechnik für MB L. Mörchen-Klaffke: Interdisziplinäres Grundlagenpraktikum für Elektrotechniker Wintersemester 2000/01 G. Ackermann: Grundlagen der Elektrotechnik für Maschinenbauingenieure J. Brandt: Übung: Grundlagen der Elektrotechnik für Maschinenbauingenieure G. Ackermann: Elektrische Anlagen auf Schiffen G. Ackermann: Übung: Elektrische Anlagen auf Schiffen G. Ackermann: Elektrische Maschinen L. Mörchen-Klaffke: Übung: Elektrische Maschinen L. Mörchen-Klaffke: Interdisziplinäres Grundlagenpraktikum für Elektrotechniker K.-H. Hochhaus: K.-H. Hochhaus: Schiffshilfsmaschinen Übung: Schiffshilfsmaschinen - 7 -

8 2.2 Messtechnisches Labor Die im AB 6-09 verfügbare Messtechnik deckt einen großen physikalischen Bereich elektrischer und nichtelektrischer Größen ab. Diese Größen werden überwiegend in Schiffs- und Automationsanlagen gemessen. Durch Umwandlung dieser Größen in spannungs- oder stromproportionale Messsignale können sie registriert und weiterverarbeitet werden. Die Registrierung und Weiterverarbeitung erfolgt z. B. hauptsächlich mit einem Messwertrechner aber gelegentlich auch mit einem Papierschreiber. Zur Umwandlung der Messgröße in einen normierten Messwert werden im AB 6-09 gegenwärtig folgende Sensorgruppen genutzt: - Flexible Stromwandler für Wechselstrom von 30 A bis A - Stromwandler für Gleich- und Wechselstromsignale im Bereich von 1 A bis A - Power-Analyzer für Leistungs- und Oberschwingungsmessung - Leistungsanalysator - Temperaturmessgeräte von C bis C, in Thermoelement- und Pt 100-Technik - Drehmomentwandler für rotierende Wellen - Drehzahlgeber als Reibräder oder berührungslos von 0 bis /min - Drehwinkelgeber potenziometrisch und durch optische Abtastung - Wegaufnehmer potenziometrisch bis 1000 mm - Beschleunigungsaufnehmer ± 1 g bis ± 200 g - Feuchtemessgerät für relative Luftfeuchte - CO-, CO 2, C 2 H 4 - und O 2 -Messgeräte - Gaschromatograf - Druckaufnehmer im Bereich von 20 mbar bis 500 bar - Wägezellen bis 5 t - Fluid-Durchfluss- und Wärmemengenmessgerät - Strömungsmessgeräte für Luftströmungen - Kreiselkompass - GPS-Gerät zur Ortsbestimmung und Geschwindigkeitsmessung - Neigungswinkelsensor - Kalibriereinrichtung für folgende Messgeräte: Temperatur, Strom, Spannung, Feuchte Diese Sensoren können mit Gleich- und Wechselspannungsmessverstärkern sowie Signaltrennverstärkern für die Aufbereitung der Gebersignale zu flexiblen Messsystemen ausgebaut werden. Weiterhin sind Messinstrumente für die Messung elektrischer Größen wie Leistung, Strom, Spannung, Frequenz als analoge Zeigerinstrumente oder als Multimeter vorhanden. Für umfangreiche Messungen elektrischer Signale in Bordnetzen kann auf sehr universelle Messgeräte zurückgegriffen werden. Die Registrierung der Messsignale ist je nach Messanforderung möglich mit: - Messrechner als Tischgeräte oder Notebooks - Analog- und Speicheroszilloskopen - Mehrkanalschreiber (2 bis 12 Kanäle) für Papiervorschübe von 1 cm/h bis 4 m/sec - x-y-schreiber - 8 -

9 Die Abtastraten der Messrechner liegen maximal zwischen ca. 200 Sample/sec und Samples/sec. Es können bis zu 30 analoge Messwertgeber an einen Messrechner angeschlossen werden. Der Einsatz eines Messrechners bietet auch die Möglichkeit einer automatischen Messwertregistrierung über mehrere Wochen und Monate, z. B. auf einem Schiff. Für die Auswertung bzw. Weiterverarbeitung der gemessenen Größen stehen zahlreiche Plott-Programme, Filterprogramme, Wandlerroutinen und Statistikprogramme bereit. Da viele Messungen an Bord von Schiffen durchgeführt werden und dort oftmals spezielle Anforderungen an die Messtechnik auftreten, ist ein großer Teil der Software für die rechnergestützte Messtechnik im Arbeitsbereich entstanden. Für Messungen an elektrischen Antrieben bis zu einer Leistung von 6 kw und bis zu Drehmomenten von Nm (Messungen an langsamlaufenden Direktantrieben) steht ein Prüfstand mit Drehmoment- und Leistungsmessung zur Verfügung. Für Messungen an elektrischen Maschinen bis zu 100 kw Nennleistung stehen Prüfgeneratoren und Prüffeldeinrichtungen zur Verfügung. Zur Nachbildung von Schaltvorgängen und anderen Ausgleichsvorgängen und auch Kurzschlussvorgängen sind eine Reihe schiffstypischer Motoren und Generatoren bis zu einer Leistung von 437 kva vorhanden (zwei Generatoren je: 437 kva, 440, 555 A). Ein Stoßkurzschlussstrom bis ca. 20 ka kann damit erzeugt werden. 2.3 Forschung Der Arbeitsbereich Elektrische Energiesysteme und Automation beschäftigt sich mit der Analyse des Betriebsverhaltens aller Arten von Maschinen an Bord von Schiffen und Offshore-Anlagen und vergleichbaren Anlagen an Land. Ziel der Arbeiten ist die Untersuchung des Systemverhaltens von Anlagen, die Entwicklung und Auslegung von Regelungen und Automationsanlagen und die Entwicklung indirekter Messverfahren zur betriebsmäßigen Bestimmung von Anlageneigenschaften, die für die Sicherheit und Ökonomie des Betriebes von Bedeutung sind. Die Berechnung, Auslegung und Konstruktion der einzelnen Apparate, Geräte und Maschinen wird nur in Sonderfällen bearbeitet. Die Arbeiten auf dem Gebiet der Elektrotechnik betreffen hauptsächlich Anlagen, deren Einsatz, Aufgabenbereich und Betriebsverhalten in Landanlagen nicht gegeben ist (Inselnetze). Besonders die Entwicklung der Stromrichtertechnik führt dazu, das dem Verhalten des Bordnetzes bei Oberschwingungen bei der Anlagenauslegung besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Die Untersuchung des Zusammenwirkens von Stromrichter mit den Generatoren, dem Bordnetz und den Verbrauchern im Bordnetz ist ein Arbeitsgebiet des Arbeitsbereiches. Die Automation an Bord von Schiffen beeinflusst das Verhalten der Anlagen maßgeblich. Jede Anlagenanalyse und jeder Anlagenentwurf muss deshalb die Automation mit einschließen. Dies gilt besonders auch für - 9 -

10 die Analyse ungewöhnlicher Betriebszustände und für die Analyse und Bewertung von Ausfällen, Fehlern und der Sicherheit. Die Vielzahl der heute auf einem modernen Schiff erfassten Messwerte werden in dem Leitsystem weitgehend isoliert voneinander verarbeitet und ausgewertet. Durch den Einsatz von Modellen kann aus der Kombination verschiedener Messgrößen auf weitere Zustandsgrößen geschlossen werden. Es wird angestrebt, auf diesem Weg zusätzliche Aussagen über Fehler in Anlagen und erforderliche Wartungsmaßnahmen zu treffen. Auf dem Gebiet der Hilfsmaschinen liegt der Schwerpunkt in der Analyse des Betriebsverhaltens von Hilfssystemen. Die Hilfsmaschinen werden nicht isoliert, sondern abhängig von der Umwelt und dem technischen Umfeld betrachtet. Da die für derartige Untersuchungen benötigten Laboreinrichtungen häufig zu aufwändig sind, werden die Systeme mit den Methoden der Simulationstechnik nachgebildet und durch Messungen in den betrachteten oder an vergleichbaren Anlagen aufdatiert. Damit lassen sich auch Untersuchungen an Anlagen oder Anlagenteilen durchführen, an denen Versuche nicht möglich sind. Es können Nennlast- und Teillastbetriebszustände im stationären Betrieb und dynamische Vorgänge betrachtet werden. Mit diesen systemtechnischen Berechnungsmethoden können auch die Regler und Stellglieder behandelt werden, wodurch eine Verringerung der zeit- und kostenaufwändigen Inbetriebnahmen und Einstellungsläufe der Systeme möglich wird. Ein neuer Arbeitsschwerpunkt liegt auf dem Gebiet Unterstützung der Anlagenauslegung durch Simulation des Anlagenverhaltens. Je nach Aufgabenstellung müssen dafür Modelle unterschiedlichen Detaillierungsgrades miteinander kompatibel sein. Für den praktischen Einsatz erfolgt die Generierung von Modellen unter enger Anbindung an eine Projekt- und Komponentendatenbank, in der die Auslegungsdaten, Konfigurationen der geplanten Anlagen abgelegt sind

11 3 Mitarbeiterverzeichnis Telefon: 040/ Durchwahl Professoren, Oberingenieur Prof. Dr.-Ing. Günter Ackermann Slipstek 6, Hamburg 4204 Ackermann (Leiter des Arbeitsbereiches) Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus Rönneburger Str. 21, Seevetal 4206 Hochhaus Sekretariat Andrea de Almeida Ferreira 4205 Ferreira Technisches Personal Dipl.-Ing. Wilhelm Albers Thorsten Düring Thorsten Münsterberg W. Albers Wissenschaftliche Mitarbeiter Dipl.-Ing. Rüdiger de Boer 4203 de-boer Dipl.-Ing. Jürgen Brandt 3038 J. Brandt Dipl.-Ing. Linus Mörchen-Klaffke 4211 Klaffke Msc. Ana Rosa Kreft 4203 ana.kreft Dipl.-Ing. Frank Oberhokamp 4207 oberhokamp Dipl.-Ing. Christian Scharfetter 4208 scharfetter Dipl.-Ing. Bernd Verhoeven 4210 Verhoeven Lehrbeauftragter Dr.-Ing. Wolfgang Planitz, ABB Studentische Hilfskräfte und Tutoren Albrecht, Christopf Arman, Mustafa Bruns, Dennis Fazal, Imran Härer, Frank Hennefarth, Martin Indenbirken, Dennis Koch, Sebastian Neidig, Jörg Orlick, Stefan Syed, Mushtaq

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13 4 Forschungs- und Entwicklungsarbeiten 4.1 Studien-, Diplomarbeiten und Seminarvorträge Neidig (Studienarbeit) Experimentelle Untersuchung zum Störeinfluss von Energiekabeln auf Messsignale unter schiffstypischen Bedingungen Betreuer: G. Ackermann Heining (Diplomarbeit) Voruntersuchung zur Entwicklung eines Systems zur Maschinenzustandsüberwachung für Windkraftanlagen Betreuer: G. Ackermann de la Cruz (Diplomarbeit) Lastverteilung bei Parallelbetrieb von Dieselgeneratoren mit einem Wellengenerator Betreuer: G. Ackermann Pieck (Diplomarbeit) Messtechnische Bestimmung sättigungsbedingter Nichtlinearität von schiffstypischen Drehstromasynchronmotoren Betreuer: G. Ackermann Buituron (Studienarbeit) Auslegung einer kleinen Wasserkraftanlage Betreuer: G. Ackermann Harfart (Studienarbeit) Experimentelle Untersuchung des Frequenzeinflusses auf die Erwärmung von Asynchronmotoren Betreuer: G. Ackermann Martin (Studienarbeit) Konstruktion einer Anlage zur Adsorption und Desorption von Ethylen Betreuer: K.-H. Hochhaus Scharfetter (Studienarbeit) Konstruktion, Bau und Erprobung eines Seewasserwarngerätes für Containerschiffe Betreuer: K.-H. Hochhaus Arjes (Studienarbeit, Uni Bundeswehr) Rechnerische und messtechnisch Untersuchung zur Optimierung von Kühlcontainern Betreuer: K.-H. Hochhaus Werner (Studienarbeit) Durchführung und Auswertung von Schwingungsmessungen auf dem Motorenschiff MASUREN Betreuer: K.-H. Hochhaus

14 de la Cruz (Studienarbeit, Uni Bundeswehr) Vergleich von elektrischen Schiffsantriebsanlagen Betreuer: K.-H. Hochhaus, B. Verhoeven Wang (Diplomarbeit) Mathematische Modellbildung und Simulation eines Brennstoffsystems für Schweröl Betreuer: F. Oberhokamp Halldorsson, Nodorp (Studienarbeit) Auslegung und Konstruktion eines Versuchsstandes für die Untersuchung des Betriebsverhaltens von Drehstrommaschinen Betreuer: L. Mörchen-Klaffke

15 4.2 Abgeschlossene Forschungsarbeiten Bericht- Verfasser Titel Nr. 01/00 Albers, Mörchen-Klaffke, Messung des Spannungsklirrfaktors Brandt 02/00 Brandt Simulation der Netzrückwirkungen auf dem Ankerzieh- Schleppversorger MS Maersk Assister 03/00 Ackermann Auslegung der Regelung für eine Beleuchtungsanlage mit Konstantstromkreis und Wechselstromsteller 04/00 Werner Vibrationsmessung in Vertikal- und Längsrichtung im Deckshaus eines Frachtschiffes 05/00 Brandt Spannungs- und Strommessung am Bugstrahlruder des Containerschiffes MV "Leguan" 06/00 Albers, Benutzung des Simulationsprogramms (Runge-Kutta-Ver-fahren) und grafische Darstellung der Simulationsergebnisse mit Excel und Origin 07/00 Albers PLUSMARKT Barmstedt 08/00 Verhoeven Vergleich von Gasturbine und Dieselmotor als Energieerzeuger für elektrische Schiffsantriebsanlagen Kurzfassung der Technischen Berichte Technischer Bericht 01/00 Spannungsklirrfaktormessung auf dem Ankerzieh-Schleppversorger MS "Maersk Assister" W. Albers, L. Mörchen-Klaffke, J. Brandt Im Auftrag der STN Elektrik GmbH sollen auf dem Ankerzieh-Schleppversorger MS "Maersk Assister" die Spannungsoberschwingungen auf der 660V-/440V- und 230V Ebene sowie in der Sondernetztafel gemessen werden. In der nach dem Kraftwerksprinzip konzipierten Anlage speisen vier 4-polige Wellengeneratoren mit je 3250 kva bei cos ϕ = 0,8 die 660 V/60 Hz-Sammelschiene. Die Wellengeneratoren sind als Tandem- Generatoren ausgeführt, sodass jeweils zwei Wellengeneratoren von einem Getriebeabzweig gemeinsam angetrieben werden. Die größten Verbraucher, die aus dieser 660 V-Sammelschiene versorgt werden, sind die Windenantriebsmotoren. Das gesamte Windensystem besteht aus einer großen AHT Winde und zwei kleineren Winden, einer Backbord- und einer Steuerbordwinde. Das Windensystem wird von vier fremderregten Gleichstrommotoren mit 800 kw bei 660 V im Drehzahlbereich zwischen 0 und 1000 min -1 angetrieben. Die Ankerwicklungen der vier Gleichstrommotoren werden über B6-Thyristorstromrichter aus der 660 V- Sammelschiene gespeist. Diesen Umrichtern sind Kommutierungsdrosseln vorgeschaltet. Zwei Transformatoren mit je kva verbinden die 660 V-Sammelschiene mit der 440 V-Sammelschiene für die Versorgung des allgemeinen Bordnetzes. Zwei weitere Transformatoren verbinden die 440 V-Sammelschiene mit der 230 V-Sammelschiene

16 Um die Netzrückwirkungen der Stromrichterantriebe von den störempfindlichen Verbrauchern fernzuhalten, wird zusätzlich ein Sondernetz, an das die Computer und die nautischen Geräte angeschlossen sind, über einen Filter versorgt. Im Normalfall sind die Sammelschienen auf allen drei Spannungsebenen durch jeweils einen Kuppelschalter in zwei Teilsammelschienen getrennt, sodass die Backbord- und Steuerbordseite getrennt betrachtet werden können. Mit den durchgeführten Messungen sollte untersucht werden, ob die Vorschriften der Klassifikationsgesellschaft Lloyd`s Register bezüglich der Oberschwingungen eingehalten werden. Diese Vorschriften für diese Anwendung besagen, dass der gesamte Spannungsklirrfaktor kleiner als 8 % und die einzelnen Oberschwingungen ab der 25. Ordnung kleiner als 1,5 % sein müssen. Zu diesem Zweck wurden die Oberschwingungen der Spannung von der 1. bis zur 49. Ordnung an folgenden Orten gemessen: an der 660 V Sammelschiene sowohl auf der Backbord- als auch auf der Steuerbordseite an der 440 V Sammelschiene sowohl auf der Backbord- als auch auf der Steuerbordseite an der 230 V Sammelschiene sowohl auf der Backbord- als auch auf der Steuerbordseite an der Sondernetztafel Die Grenzwerte der Klassifikationsgesellschaft bezüglich der Netzrückwirkungen wurden bei allen durchgeführten Versuchen deutlich in allen drei Spannungsebenen eingehalten. Technischer Bericht 02/00 Simulation der Netzrückwirkungen auf dem Ankerzieh-Schleppversorger MS Maersk Assister J. Brandt Die Ergebnisse der theoretischen Vorausberechnungen der Netzrückwirkungen auf dem Ankerzieh-Schleppversorger MS "Maersk Assister" werden den an der ausgeführten Anlage ermittelten Messwerten aus dem Technischen Bericht 01/00 gegenüber gestellt. Die STN-Vorabsimulationen ergaben einen THD-Wert im 660 V-Netz von ca. 8 bis 10 %. Die Messungen während der Probefahrt vom bis ergaben maximale THD-Werte von 3 bis 4 % im 660-V Netz. In diesem Bericht soll versucht werden, die Abweichungen zwischen Messung und Simulation zu erklären. Der Hauptgrund dafür ist folgender: Die Anzahl der in Betrieb befindlichen Generatoren beträgt bei Messung und Simulation immer zwei. Bei den STN-Simulationen wird von einem gleichzeitigen Betrieb zweier Windenantriebsmotoren ausgegangen. Bei der Messung wurde aber jeweils nur ein Windenantriebsmotor auf der Backbord- bzw. Steuerbordseite betrieben. Bei den Messungen waren außerdem ständig Thruster in Betrieb. Dies reduziert den THD-Wert zusätzlich um ca. 0,5 bis 1 %. Eigene Nachrechnungen der TUHH bestätigen im Wesentlichen die Messergebnisse als auch die Simulationsergebnisse von STN

17 Technischer Bericht 03/00 Auslegung der Regelung für eine Beleuchtungsanlage mit Konstantstromkreis und Wechselstromsteller G. Ackermann Für eine Flughafenbefeuerung wird die Regelung des Stromes in einem Konstantstromkreis entworfen. Als Stellglied ist ein Triac mit Phasenanschnittsteuerung vorgegeben. Der Regelalgorithmus ist für die Implementierung in einem Mikrocontroller ausgelegt. Besonderer Wert bei dem Reglerentwurf wurde darauf gelegt, dass keine Einstellung des Reglers und keine anlagenspezifischen Parameter für den Regler erforderlich sind. Dieses wurde dadurch erreicht, dass zunächst durch Simulationsrechnungen der gesamte mögliche Parameterbereich untersucht wurde. Besonders berücksichtigt wurde dabei die erhebliche Erwärmung der Glühfäden in den Lampen, die zu einer Widerstandsvergrößerung im Kreis um etwa den Faktor 10 führt und dass durch Schaltvorgänge ein erheblicher Anteil der Lampen überbrückt sein kann. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Simulation wurde eine Adaption entwickelt, die das Regelverhalten automatisch an die aktuelle Impedanz des Konstantstromkreises anpasst. Spezielle Vorkehrungen wurden getroffen, um eine Überlastung der Lampen durch einen vorübergehenden Überstrom zu vermeiden. Teilweise sind die Lampen bereits durch die Sättigung der vorhandenen Transformatoren geschützt. Trotzdem ist in dem Regler eine spezielle Überstromerkennung eingebunden, die einen aufgetretenen größeren Überstrom schon innerhalb einer Halbwelle erkennt und daraufhin in der folgenden Halbwelle einen Überstrom vermeiden kann. Aus der automatischen Anpassung des Regelverhaltens an die aktuelle Impedanz des Kreises wurde eine Schutzfunktion abgeleitet, die eine Unterbrechung des Konstantstromkreises erkennt und die Spannung abschaltet. Wegen der räumlichen Ausdehnung der Befeuerungsanlage kann bei einer Unterbrechung des Kreises durch die vorhandenen Kapazitäten und mögliche Resonanzschwingungen auf dem Kabel noch ein erheblicher Strom fließen. Erst durch eine Analyse des Stromverlaufes während einer Halbwelle kann eine Unterbrechung eindeutig erkannt werden. Das Regelverhalten und die Unterbrechungserkennung wurden durch Simulationsrechnungen untersucht und die Funktionsfähigkeit gezeigt. Daneben wurden aus den Simulationsrechnungen Besonderheiten für die Implementierung abgeleitet. Technischer Bericht 04/00 Vibrationsmessung in Vertikal- und Längsrichtung im Deckshaus eines Frachtschiffes E. Werner Als eines von vier baugleichen Schwesterschiffen, traten bei einem General-Cargo-Carrier starke Vibrationen im Deckshaus auf. Da die Ursachen für diese Vibrationen nicht eindeutig bestimmbar waren, sollten während einer sechswöchigen Reise auf dem Schiff umfangreiche Messungen der Vibrationsbeschleunigungen Aufschluss über den Erreger der Vibrationen geben. Die Messungen fanden im Zeitraum vom in asiatischen Gewässern und im Indischen Ozean statt. Als Erreger der Schwingungen wurden vor der Messung der Propeller, insbesondere der Freischlag am Propeller, die Massenmomente II. Ordnung des Motors und das Phazing des Propellers zur Hauptmaschine vermutet

18 Die Vibrationsmessung umfasste zwölf Messpunkte, die im Deckshaus von der Brücke bis zum Maschinenraum angeordnet waren. An jedem dieser Messpunkte wurden die Beschleunigungen für verschiedene Drehzahlen und Beladungszustände in horizontaler und vertikaler Richtung aufgenommen. Die Haupterregungen bei den Drehzahlen 98 bzw /min liegen bei 3,2 bzw. 3,7 Hz. Diese Frequenzen entsprechen der Hälfte der Flügelerregung des Propellers und befinden sich im Bereich der Eigenfrequenz des Deckshauses, sodass ein Resonanzfall bei diesen Drehzahlen auftritt. In der Nähe des Propellers treten diese Frequenzen außerdem bei der Drehzahl 120 1/min auf, sodass die Ursache der Erregungen möglicherweise Steigungsunterschiede der Propellerflügel sind. Die Fehlstellung der Ausgleichsmassen im Motor schien auf Grund der Messung am Messpunkt MP18 keinen wesentlichen Einfluss auf die Schwingungserregungen des Deckshauses zu haben. Sie wurde jedoch vom Motorenhersteller überprüft und erwies sich als Ursache der Vibrationen. Technischer Bericht 05/00 Spannungs- und Strommessung am Bugstrahlruder des Containerschiffes MV "Leguan" J. Brandt Auf dem 505 TEU Multipurpose Container Vessel MV "Leguan" sollen die Spannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten des Bugstrahlruders gemessen werden. Das Bugstrahlruder besteht aus einem Asynchronmotor der Firma Ben Buchele, der einen Schottel- Festpropeller antreibt. Zur Variation der Drehzahl in den Stufen 70/85/100 % sind im Rotorkreis Anlasswiderstände angeordnet. Zum Einschalten und Reversieren des Motors befinden sich auf der Statorseite zwei Vakuumschütze der Firma Siemens vom Typ 3TF69. Im Rahmen der Begutachtung des Asynchronmotors hinsichtlich Erwärmung, Schwingungsverhalten und Isolationswiderstand werden die Ein- und Ausschaltvorgänge der Vakuumschalter sowie der Stromverlauf im Stator und Rotor aufgezeichnet. Zusätzlich wird eine Vergleichsmessung mit einem 800 A Luftschütz der Firma Moeller vom Typ DIL 14 AM durchgeführt. Mit den durchgeführten Messungen sollte untersucht werden, ob die Spannungsspitzen bei den Schaltvorgängen möglicherweise zur Zerstörung des Rotors beigetragen haben. Technischer Bericht 06/00 Benutzung des Simulationsprogramms (Runge-Kutta-Verfahren) und grafische Darstellung der Simulationsergebnisse mit Excel und Origin W. Albers Dieses Programmsystem dient dazu, Programme zu entwickeln, mit denen gewöhnliche Differenzialgleichungen und Systeme von gewöhnlichen Differenzialgleichungen integriert werden können. Zur Integration wird das Verfahren von Runge-Kutta mit fester Schrittweite benutzt. Das Programm wurde ca von dem ehemaligen Mitarbeiter Herrn Neumann auf einem Atari-Rechner entwickelt, für den Programmcode wurde der GFA-BASIC-Interpreter verwendet. Die Berechnungsresultate konnten auf dem Bildschirm und auf einem Drucker als Liniendiagramm dargestellt werden wurde das Programm von Herrn Albers auf einen PC portiert, wo es ebenfalls mit einem GFA-BASIC-Interpreter (GFA-BASIC für DOS) ausgeführt wurde. Systembedingt war die Handhabung des Programms, besonders die grafische Darstellung auf Bildschirm und Drucker nicht so optimal wie auf einem Atari-Rechner

19 Das Programm zeichnet Folgendes aus: - nur ca. sechs Din A4-Seiten Programmcode in der leicht zu verstehenden Sprache BASIC - der dazu benötigte Interpreter ist etwa 100 kbyte groß und damit passt alles komplett auf eine Diskette - sehr hohe Simulationsgeschwindigkeit - einfach an jeden Bedarf anzupassen durch direktes Editieren im Programm - einfach einzusetzen bei kleinen und großen Simulationssystemen - optimal für Minimalisten geeignet Nachteile des Programms: - keine grafische Bedienoberfläche (zusammenklicken des zu simulierenden Systems nicht möglich) - keine weitere Bearbeitung der Simulationsergebnisse Zur weiteren Akzeptanz dieses Programms wurde der erhebliche Nachteil der weiter gehenden Datenbearbeitung dadurch aufgehoben, dass das Programm die simulierten Resultate in eine ASCII-Datei speichert, welche dann von beliebigen Tabellenkalkulationsprogrammen weiter verarbeitet werden können. Die ehemals direkte Druckerausgabe wurde aus dem Programm herausgenommen, da es in vielen Fällen zu Problemen führt (z. B. kein drucken über Druckerserver möglich etc.). Technischer Bericht 07/99 PLUSMARKT Barmstedt W. Albers In einem Supermarkt traten plötzlich Störungen in der elektrischen Anlage auf, die zu erheblicher Beeinträchtigung des Marktbetriebes geführt haben. Auf Grund dieser Störungen war der Marktbetrieb für zwei Wochen eingestellt. Unser Arbeitsbereich wurde beauftragt, in beratender Weise die bereits in der Störungsbehebung tätigen Firmen zu unterstützen. Die von uns durchgeführten Messungen in der Anlage zeigten, dass kurze hohe Spannungsänderungen (Transienten) zum Ausfall von elektronischen Geräten wie Kassen, EDV, der Telefonanlage und Kälteanlagen mit elektronischer Regelung geführt haben. Zudem wurden häufig Sicherheitsorgane wie Fehlerstromschutzschalter und Sicherungsautomaten ausgelöst. Die Störungsursache konnte in der Beleuchtung eines Molkereiproduktkühlregals festgestellt werden. Die Schädigung ist vermutlich durch ein Gewitter in Marktnähe entstanden

20 Technischer Bericht 08/00 Vergleich von Gasturbine und Dieselmotor als Energieerzeuger für elektrische Schiffsantriebsanlagen B. Verhoeven Ausgehend von der GUD- bzw. COGES-Antriebsanlage der neuen Klasse von Kreuzfahrtschiffen der Meyer Werft wurde eine vergleichende Untersuchung von Gasturbine und Dieselmotor als Energieerzeuger durchgeführt. Darin werden turboelektrische Anlagen mit dieselelektrischen Anlagen im Allgemeinen, und die COGES-Anlage von GE mit einer COGES-Anlage von ABB und einer dieselelektrischen Anlage von MAN im Speziellen verglichen. Betrachtete Punkte sind der Wirkungsgrad und die Brennstoffqualität sowie der Raumbedarf und die Platzierbarkeit an Bord von Schiffen. 4.3 Derzeitige Forschungsarbeiten Projektierung von Bordnetzen mit stromrichtergesteuerten Verbrauchern Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann Nachteilig bei allen Antrieben und anderen Verbrauchern, die über Stromrichter versorgt werden, ist es, dass der aufgenommene elektrische Strom erhebliche Oberschwingungen enthält, die zusammen mit der Impedanz des Bordnetzes zu einer Verzerrung der Bordnetzspannung führen. Durch Wechselwirkungen der Verbraucher untereinander kann es zudem zu einer erheblichen gegenseitigen Beeinflussung der Verbraucher untereinander oder sogar zu einer Überlastung von Betriebsmitteln kommen. Ziel des Projektes ist es, für die Projektierung von Anlagen Methoden und ein Rechenprogramm zu entwickeln, dass die Ermittlung und Beurteilung solcher Effekte rationell mit einer angemessenen Genauigkeit auf Basis der während einer Projektierung bekannten technischen Daten ermöglicht. Die Vorgehensweise für so eine Berechnung könnte etwa ähnlich schematisiert sein, wie es heute bei der Erstellung einer Energiebilanz für die Planung des Leistungsbedarfes eines Bordnetzes oder der bei der Kurzschlussstromberechnung nach IEC der Fall ist. Für die Beurteilung soll ebenso ein schematisiertes Verfahren gefunden werden, mit dem die Auswirkungen (z. B. zusätzliche Verluste in Maschinen) ermittelt und dargestellt werden können. Energieverteilung für eine Flughafenbefeuerung Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann Die Lampen von Befeuerungsanlagen für Flughäfen sind heute immer in Abschnitten in Reihe geschaltet. Dadurch ist auch bei den großen Ausdehnungen Gewähr leistet, dass alle Lampen von etwa dem gleichen Strom durchflossen werden und so auch gleich hell leuchten. Die Helligkeit der Lampen wird zentral durch die Größe des eingeprägten Stromes eingestellt. Mit heute verfügbaren elektronischen Bauelementen (insbesondere der Leistungselektronik) und Methoden der Regelungstechnik sind auch grundsätzlich Systeme auf Basis von Konstant-Spannungssystemen machbar in der Weise, dass jeder Lampe ein eigener Stromregler zugeordnet ist. In einer Vorstudie zu einem Projekt wird untersucht, unter welchen Randbedingungen dieses System Vorteile gegenüber dem heute üblichen System bietet. Besonderes Gewicht bei dieser Untersuchung hat auch der Vergleich des Verhaltens bei Fehlern und Ausfällen. Ebenso wird untersucht, ob nicht einer Energieverteilung auf Basis eines Gleichspannungssystems Vorteile bieten könnte

21 Heave-Compensation Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann Bei verschiedenen Aufgaben in der Meerestechnik kommt es vor, dass in tiefer See ein Körper an einem Seil positioniert werden soll. Das Seil läuft von einer Seilwinde an Bord eines Schiffes ab. Störungen durch die Eigenbewegung des Schiffes dürfen möglichst nicht zu einer Bewegung des Seils führen. Derartige Schiffe werden deshalb mit einer Heave-Compensation ausgestattet, die wenigstens vertikalen Bewegungen des Seils vermeiden kann. Im Rahmen einer Weiterentwicklung derartiger Einrichtungen durch ein Industrieunternehmen wird ein Modell für das dynamische Zusammenwirken der Winden, deren stromrichtergesteuerter Antriebe und deren Rückwirkung auf das Bordnetz erstellt. Abwärmeausnutzung auf Handelsschiffen Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus Auf Kühl- und Kühlcontainerschiffen wird viel elektrische Energie zur Kälteerzeugung benötigt. Mit Anwendung des Absorptionsprozesses lässt sich diese Kälte auch aus der Abwärme gewinnen. Hierzu wurden von Herrn Dipl.-Ing. Yuan erste Untersuchungen abgeschlossen, die jetzt als Dissertation vorliegt. Weitere Schiffe mit hohem Kältebedarf zur Klimatisierung sind Kreuzfahrtschiffe und Fährschiffe, zu dieser Thematik wurden zwei Aufgabenstellungen bearbeitet, die erste beschäftigt sich mit der Abwärmenutzung eines Handelsschiffes mit kw Antriebsleistung und ca. 20 Personen Besatzung. Die zweite behandelt die Klimatisierung eines Kreuzfahrtschiffes mit kw Antriebsleistung und Personen. Es wurden in beiden Fällen Lithium-Bromid-Absorptionsanlagen gewählt, einstufige und zweistufige Anlagen überschlägig berechnet und mit Kompressionsmaschinen verglichen. Bei der Betrachtung der verschiedenen Schiffsbetriebsarten wird deutlich, dass der Hafenbetrieb problematisch ist, da der Hauptmotor als Abwärmelieferant ausfällt. Hier kann ein etwas größerer Hilfskessel Abhilfe schaffen und eine geschickte Wahl von Kältespeichern kann kurze Zeiten überbrücken. Weitere Arbeiten sind geplant, um andere Methoden zur Kältegewinnung aus Abgaswärme zu untersuchen. Kühlcontainer Dr.-Ing. K.-H. Hochhaus Die 1965 erfolgte internationale Normung der Containerabmessungen beschleunigte die Entwicklung und das Wachstum des Containerverkehrs. Die Kühlcontainer, ideale Transportbehälter für die geschlossene Kühlkette, haben sich in Folge besonders im Seeverkehr durchgesetzt. Von 1978 bis 1994 hat sich die auf TEU bezogene Anzahl der Kühlcontainer alle acht Jahre verdoppelt und die derzeitige Entwicklung (2000 ca R-TEU) lässt bis zum Jahre 2002 eine weitere Verdoppelung auf rund 1.1 Mio. R-TEU erwarten. In den ersten zehn Jahren wurden vorwiegend Porthole-Container verwendet, seit 1978 haben die Integral-Container die Führung übernommen und heute liegt der Porthole-Anteil um 7,5 %. Überlange Kühlcontainer werden vorwiegend in Spezialdiensten eingesetzt, der Durchbruch blieb ihnen bisher versagt. Im Jahr 2000 standen Stellplätze für rund TEU Kühlcontainer auf Vollcontainerschiffen zur Verfügung, davon fast 10 % für Porthole-Container, die vorwiegend von europäischen Reedereien eingesetzt

22 werden. Etwa 40 % der Kühlladung wird in Kühlcontainern transportiert, daraus ergibt sich eine durchschnittliche Auslastung von rund drei jährlichen Kühltransporten pro R-TEU und fünf Nutzungen pro R-TEU Stellplatz und Jahr. Beim Bau von neuen Kühlcontainerschiffen wird der für die E-Bilanz zu berücksichtigende Anteil (für die Kühlcontainer) von der Bauwerft in der Regel zu niedrig angesetzt. Die geringe Auslastung verführt zum Ansatz von niedrigen Mittelwerten und kleinen Gleichzeitigkeitsfaktoren. Dadurch ergeben sich später im Betrieb Probleme, besonders im Revierbetrieb mit Bugstrahlrudereinsatz mit der höchsten E-Belastung. Viele Ladungsschäden von in Kühlcontainern transportierter Ladung zeigen, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die Ursachen zu ergründen. Systemanalyse der elektrischen Energieversorgung an Bord von Schiffen mit Mitteln der Zuverlässigkeitstechnik Dipl.-Ing. R. de Boer Die elektrische Energieversorgung an Bord von Schiffen nimmt eine zentrale Rolle in der Gesamtzuverlässigkeit des Systems Schiff ein, weil nahezu alle Bereiche eines Schiffes bei einem Ausfall betroffen sind. Speziell bei einem Black-out entsteht ein hohes Gefährdungspotenzial für Mannschaft, Schiff und Umwelt. Dementsprechend muss die elektrische Energieversorgung eine hohe Zuverlässigkeit besitzen. In diesem Projekt soll die elektrische Energieversorgung an Bord von Schiffen mit Mitteln der Zuverlässigkeitsanalyse bewertet werden. Der Schwerpunkt zielt dabei auf eine Systemanalyse hin, um z. B. mögliche sicherheitskritische Schwachstellen - Flaschenhälse - aufzudecken. Gegenstand der Untersuchungen sollen vorhandene oder projektierte Anlagen von verschiedenen Schiffstypen sein. Die elektrische Energieversorgung ist ein redundant aufgebautes System, wobei es aber in den Versorgungsnetzen, wie z. B. Brennstoff, Kühlwasser oder Automation zu Überschneidungen kommt. Auf Grund der vielen Berührungspunkte und gegenseitigen Abhängigkeiten können Einzeluntersuchungen nicht durchgeführt werden. Vielmehr muss das Gesamtsystem untersucht werden. Nur so können Vermaschungen zwischen den Baugruppen identifiziert werden. Die Zuverlässigkeitsrechnung stellt Methoden zur Verfügung, um solche komplexe Systeme zu analysieren. Bislang kann ein Brenstoffsystem eines Containerschiffes beginnend bei den Tagestanks untersucht werden. Weitere Informationen über Schiffssysteme liegen noch nicht vor. Aber schon die Brennstoffversorgung zeigt eine Vielzahl von Berührungspunkten und Überschneidungen mit den anderen Bordsystemen. Des Weiteren verlangt die Variabilität der Anlagen - hier z. B. Schweröl- oder Dieselbetrieb der Haupt- und Hilfsmaschinen und die Möglichkeit der getrennten Versorgung der Hilfsdiesel mit Dieselöl- eine genaue Definition der betrachteten Systemzustände und der dabei zu untersuchenden Schäden. Die resultierenden Fehlerbäume können sich je nach der zu erfüllenden Funktion der Anlagenteile erheblich unterscheiden

23 Die Ergebnisse der Zuverlässigkeitsberechnungen dienen nicht nur zur Ermittlung von Ausfall- bzw. Überlebenswahrscheinlichkeiten. Eine Sensitivitätsanalyse ermöglicht die Darstellung des Einflusses einer Komponente auf das Gesamtsystem. Da bei redundanten Systemen ein Einzelfehler nicht zu einem Totalausfall führt, sondern zum Versagen eines Stranges, kann das Verhalten bei Teilausfällen untersucht werden. Die Ermittlung von probabilistischen Kenngrößen stößt insoweit auf Probleme, da die nötigen Wahrscheinlichkeitsdaten über die Komponenten, z. B. deren Ausfallraten, in der Regel nicht bekannt sind. Zur Bearbeitung des Projektes existiert ein Rechenprogramm, das Fehlerbäume auswerten kann. Auf Basis der Booleschen Algebra wird die grafische Struktur des Fehlerbaums in eine mathematische Form - Strukturfunktion- überführt. Exemplarische Berechnungen von Fehlerbäumen haben gezeigt, dass eine konsequente Anwendung der Modularisierung der Fehlerbäume zu einer erheblichen Reduzierung der Rechenzeit führen kann. Die hierzu bei dem Programmpaket notwendigen Änderungen sind durchgeführt worden. Gleichzeitig sind Berechnungsvorschriften für weitere Importanzmaße z. B. der sequenziellen kontributiven Importanz entwickelt worden. Die Weiterentwicklung des Rechenprogramms geschieht parallel zu den Systembetrachtungen. Parallelbetrieb von Synchronwellengenerator mit anderen Aggregaten Dipl.-Ing. Jürgen Brandt An Bord von Schiffen wird häufig ein Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie von der Propellerwelle über ein Getriebe angetrieben. Bei einer der Anlagenvarianten wird das Bordnetz direkt ohne Frequenzumrichter von diesem Wellengenerator versorgt. Die Bordnetzfrequenz hängt damit von der Propellerdrehzahl ab. Schiffe dieser Art sind mit einem Verstellpropeller ausgerüstet, damit unabhängig von der Schiffsgeschwindigkeit die Drehzahl der Hauptmaschine konstant gehalten werden kann. Im Seegang wird jedoch die Drehzahl und damit die Bordnetzfrequenz geringfügig schwanken. Deshalb ist ein dauernder Parallelbetrieb des Wellengenerators mit Dieselaggregaten auf bisher gebauten Handelsschiffen nicht vorgesehen. Lediglich zur Lastübernahme findet kurzfristig ein Parallelbetrieb statt. Bei großem Bedarf an elektrischer Leistung, beispielsweise beim Transport von Kühlcontainern, besteht der Wunsch, parallel zu dem Wellengenerator einen oder mehrere Dieselgeneratoren zu betreiben. Durch den Einsatz von elektronischen Reglern für die Hauptmaschine und die Hilfsdiesel wird ein dauernder Parallelbetrieb ermöglicht. Aber auch mit Standard-Drehzahlreglern für die Hilfsdiesel (mechanisch-hydraulische Drehzahlregler) ohne die Möglichkeit der Füllungsregelung ist ein zuverlässiger und wirtschaftlicher Parallelbetrieb möglich. Um die dabei durch Seegangseinflüsse gestellten Grenzen genauer zu untersuchen, wurden auf einem Containerschiff, das mit einem derartigen Wellengenerator ausgerüstet ist, die Lastschwankungen zwischen Wellen- und Dieselgenerator gemessen sowie die auftretenden Roll- und Stampfbewegungen des Schiffes und die Frequenzschwankungen registriert. Mit den Messdaten konnte das Simulationsmodell der elektrischen Energieerzeugungszentrale validiert werden. Um die dynamischen Vorgänge der Antriebsanlage auch simulieren zu können, wurden für das Propulsionssystem und das Bordnetz einzelne Modelle entworfen. Das Propulsionssystem besteht aus den Komponenten Hauptmaschine, Abgasturbolader, Getriebe, Kupplungen und Verstellpropeller. Bordnetzverbraucher sind Wärmewirtschaftsverbraucher, Beleuchtung, Automationsanlagen und vor allem Asynchronmotoren. Die Asynchronmotoren werden vereinfacht zu einer Ersatzsynchronmaschine zusammengefasst

24 Mit diesem gesamten Simulationsmodell werden verschiedene Aspekte wie beispielsweise die Stabilität des Bordnetzes, das Verhalten der Anlage im Kurzschlussfall und Änderung der Reglerparameter untersucht. Es können Beziehungen zwischen Frequenzänderungen und Lastpendelungen betrachtet und Kriterien für eine automatische Beendigung des Parallelbetriebes infolge der Seegangseinflüsse aufgestellt werden, bevor es durch zu große Lastpendelungen zu einem Black out kommt. Die Beeinflussung der Automation durch den Betrieb von Stromrichtern in Bordnetzen von Schiffen Dipl.-Ing. Linus Mörchen-Klaffke Auf modernen Schiffen werden elektronische Komponenten zur Automatisierung der Anlage eingesetzt, die einen automatischen Betrieb und eine Steuerung aller Systeme des Schiffes von einer zentralen Leitstelle aus ermöglichen. Die zu steuernden Komponenten werden oft elektrisch betrieben und liegen über das gesamte Schiff verteilt. Es müssen daher zwei ausgedehnte Kabelnetze aufgebaut werden, eines zur Versorgung der Komponenten mit elektrischer Energie und eines zum Anschluss der Sensoren an zentrale oder dezentrale Steuerrechner. Beide Netze müssen auf Grund des begrenzten Platzangebotes oft parallel geführt werden und aus Kostengründen wäre es sogar erstrebenswert, beide Systeme in einem Kabel zu integrieren, wenn die Sicherheit dies erlaubt. Diese räumliche Nähe kann allerdings zur Beeinflussung der Automation durch das Energienetz führen, besonders, da in zunehmendem Maße Stromrichter zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern benutzt werden. An Bord von Schiffen und in einigen Industrie-Netzen kann der Anteil der Stromrichter am Gesamtverbraucher höher als 50 % sein. Der durch diese stark nicht-sinusförmigen Ströme große höherfrequente Anteil ist Ursache für die Beeinflussung der Automation. Trotz der in vielen Bereichen langjährigen Erfahrung mit elektromagnetischen Beeinflussungen und trotz der zahlreichen Regeln für die störsichere Auslegung von Kabelsystemen, treten immer wieder Fälle auf, bei denen es durch die Beeinflussung zur Störung des Betriebs von Komponenten oder Systemen einer Anlage kommt. Dabei sind Kabelanlagen an Bord von Schiffen besonders kritisch, da dort oft nicht die Möglichkeit besteht, größere Abstände zwischen Kabeln einzuhalten und da der Anteil der Stromrichterverbraucher sehr groß sein kann. Das Ziel der Arbeit ist es daher, für schiffstypische Anlagen Berechnungsmethoden zu erarbeiten, die bereits im Planungsstadium eine bessere Vorausberechnung oder zumindest Abschätzung der zu erwartenden Störungen erlauben. Damit erhält der Planer von elektrischen Anlagen an Bord von Schiffen die Möglichkeit, schon bei der Auslegung der Systeme kritische Punkte zu erkennen. Er kann so alle Einflussmöglichkeiten optimal nutzen und muss keine unnötigen Maßnahmen ergreifen. Dies ist besonders in den Fällen wichtig, bei denen ein großer Kabelabstand einen unangemessen großen Aufwand erfordert. Zur Entwicklung dieser Berechnungsmethoden und Abschätzungskriterien sollen verschiedene typische und besonders störgefährdeten Kabelsysteme simuliert werden. Dazu wurde zunächst ermittelt, wie Schiffssysteme üblicherweise gebaut werden und welche Auslegungsregelungen, -richtlinien und normen es dafür gibt. Weiterhin wurde der Stand der Wissenschaft bezüglich der Berechnung von Kabelsystemen und der Stand der Technik bezüglich der störsicheren Auslegung dieser Systeme untersucht. Anschließend wurde ein mathematisches Modell für Kabelsysteme ausgewählt, für Schiffssysteme weiterentwickelt und in einem Simulationsprogramm implementiert. Mit Hilfe dieses Simulationsprogramms soll der Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Störungen untersucht werden, indem verschiedene Systemar

25 chitekturen berechnet werden. Aus diesen Ergebnissen werden dann wissenschaftlich fundierte Kriterien für eine störsichere Auslegung von Bordnetzen abgeleitet. Im Rahmen des Projektes wurden neben den Simulationen Messungen im Labor und an Bord eines Schiffes durchgeführt. Msc. Ana Rosa Kreft Vermeidung von Kommutierungseinbrüchen in Inselnetzen mit großen Stromrichtern durch gesteuerte Bereitstellung des Kommutierungsstromes Die Verwendung der Leistungselektronik für die Steuerung und Regelung elektrischer Haupt- und Hilfsantriebe ermöglicht, dass alle elektrischen Verbraucher an Bord von Schiffen aus einem gemeinsamen Netz versorgt werden. Stromrichter haben aber nichtlineare Schaltfunktionen und verursachen Oberschwingungsströme als Rückwirkungen. Diese verzerren die Netzspannung und belasten die Netzqualität. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Methode zur Reduktion der Oberschwingungen untersucht. Das Prinzip dieses Verfahrens ist, einen kompensierenden Kommutierungsstrom zu erzeugen, der den gleichen Oberschwingungsgehalt wie der Netzstrom hat. Hierdurch werden die Stromoberschwingungen im Bordnetz eliminiert und die Spannungsqualität wird verbessert. Zur Lösung dieser Aufgabe wurden die Kommutierungsvorgänge in Stromrichtern modelliert, die für die Entstehung von Oberschwingungen verantwortlich sind. Danach wurde das Bordnetz beschrieben. Das Bordnetz besteht aus Energieerzeugern und Verbrauchern. Bei den Verbrauchern gibt es neben den motorischen Bordnetzlasten noch Wärmewirtschaftsverbraucher, Beleuchtung, Steuerungs-, Melde- und Automationsanlagen. Die Asynchronmaschinen, die wichtigste elektrische Verbrauchergruppe an Bord von Handelsschiffen, werden auf einer Maschine mit Doppelkäfig abgebildet. Die klassischen Modelle für Asynchronmaschinen sind für diese Untersuchung nicht geeignet, weil sie sich entweder nur auf die Grundschwingung beschränken oder ausschließlich die Auswirkungen der Oberschwingungen in der Maschine betrachten. Die Versuche im Labor haben das Modell für den üblichen Betriebsbereich der Maschinen im Wesentlichen bestätigt. Elektrische Heizgeräte werden in guter Näherung als rein ohmsche Verbraucher betrachtet. Obwohl die Anzahl der von automatischen Anlagen ausgeführten Funktionen zugenommen hat, liegt ihr Anteil an der elektrischen Energie, bezogen auf die gesamte Leistung eines Bordnetzes, bei 1%. Eine genaue Beschreibung dieser Verbraucher würde das Bordnetzmodell zu komplex machen. Die Annahme konstanter Wirk- und Blindleistungsaufnahme beschreibt das Verhalten der Steuerungs-, Melde- und Automationsanlagen mit genügender Genauigkeit