Energieumwandlung in Meeresumgebungen

Größere Schiffe verfügen über einen (Diesel-)Generator und ein eigenes Bordnetz, um alle elektrischen Verbraucher mit Strom in der richtigen Spannung und Frequenz zu versorgen. Im Hafen ist es aus mehreren Gründen nicht wünschenswert, dieses autonome System einzusetzen. Lärm- und Geruchsbelästigung sind die Hauptgründe, aber auch Emissionen und Kosten sind Gründe für den Kauf von so genanntem Landstrom im Hafen. Ein Problem dabei ist, dass die Qualität und die Spezifikationen des Landstroms von Hafen zu Hafen sehr unterschiedlich sein können. Eine 1:1-Nutzung auf dem Schiff ist damit meist nicht möglich. Landstromwechselrichter bieten eine Lösung, um den Landstrom in einen für das jeweilige Schiff geeigneten Strom umzuwandeln.

Entwicklungen

Marpower ist ein Unternehmen, das solche Landstromwechselrichter entwickelt und herstellt. Vor zwei Jahren begann das Unternehmen mit der Entwicklung einer neuen Generation, die den heutigen Anforderungen und Wünschen entspricht. Abgesehen davon, dass die "Anlage von heute" kompakt und leicht sein muss, besteht auch der Wunsch, sie skalierbar und universell einsetzbar zu machen, sowie einfach zu installieren, wartungsarm und natürlich erschwinglich.

Abbildung 3 zeigt den Vorgang schematisch: 

Auf der linken Seite kommt der Landstrom als Wechselspannung an. Diese wird zunächst gleichgerichtet und dann in eine Rechteckwelle 'zerhackt', die schließlich durch einen zweiten Transformator in die gewünschte Wechselspannung für das Schiff umgewandelt wird. Hans Zijlstra, kaufmännischer Direktor von Elincom: "Bei den benötigten Transformatoren gibt es viele Parameter, die bestimmen, wie zuverlässig, effizient und effektiv die endgültige Lösung ist. Im Wesentlichen geht es dabei um die Wärmeentwicklung und die Abmessungen, aber auch um die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Induktivität bei hohen Strömen, die parasitäre Kapazität, die Ausbreitung der Selbstinduktivität und damit die Fähigkeit, beim Chopping sehr schnell und effizient zu schalten. Im Entwicklungsprozess ist es wichtig, Entscheidungen zu treffen, bei denen ein Optimum erreicht wird.

Zusammenarbeit

Um Marpower bei der Entwicklung eines kompakten, flexiblen und universellen Systems bestmöglich zu unterstützen, ohne Kompromisse bei Qualität, Sicherheit und Effizienz einzugehen, beauftragte Elincom das deutsche Unternehmen Block. Block ist eines der Unternehmen, die Elincom in den Niederlanden vertritt und liefert eine Vielzahl von Komponenten, um eine Spannung zu erzeugen, die genau den spezifischen Anforderungen des Kunden entspricht. Ein perfekter Partner, um die Anforderungen des Kunden genau zu spezifizieren, Modelle anzufertigen und zu simulieren und schließlich viele Tests durchzuführen, um ein effektives Ergebnis zu erzielen,
effiziente und erschwingliche Lösung. Danny Langbroek, Geschäftsführer: "Abgesehen von den Herausforderungen, die Hans bereits erwähnt hat, muss man sich bei jedem Entwurf auch mit den Produktionskosten auseinandersetzen. Nicht jede technische Lösung kann effektiv in ein Serienprodukt umgesetzt werden. Außerdem ist die technisch beste Materialwahl für das Kernmaterial oder den Wickeldraht nicht immer auch die preislich beste Wahl. In diesem Prozess suchen wir in enger Absprache mit dem Kunden und der Fabrik nach einem Gleichgewicht."

Lösungen

Eine der Entscheidungen, die Marpower getroffen hat, um den Landstromwechselrichter effizient zu machen, ist die Verwendung der neuesten Generation von SiC-Halbleitern. Dadurch kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden, aber auch eine Wasserkühlung ist erforderlich. Daraus ergibt sich letztlich die Möglichkeit einer höheren Schaltfrequenz von 40 kHz, wodurch die Anlage um das Zehnfache kleiner und fast 98% leichter werden konnte (11 kg für den neuen Wechselrichter im Vergleich zu 500 kg für einen herkömmlichen 50 kVA / 50 Hz Transformator). Außerdem wurden zahlreiche Berechnungen und Tests durchgeführt, um die richtige Wicklungskonfiguration zu ermitteln. Für die im Landstrom-Wechselrichter verwendeten Mittelfrequenzspulen wählte Block die in Abbildung 4 gezeigte erste Konfiguration, die mit 30 µm Litze hergestellt wurde. Alles in allem war es ein intensives Projekt, bei dem die Zusammenarbeit zwischen den Partnern, von denen jeder sein eigenes Wissen einbrachte, zu einem Landstromwechselrichter mit den richtigen Spezifikationen führte.

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