Effizient Einwassern

Bodensee Werft setzt auf rückspeisefähigen Matrix-Konverter

Die traditionsreiche Schiffswerft der Schweizerischen Bodensee Schifffahrt in Romanshorn verfügt über technische Einrichtungen auf dem neuesten Stand der Technik: Dazu gehört auch eine energieeffiziente Helling-Anlage zum Aufziehen und Einwassern tonnenschwerer Schiffe. Durch den Einsatz eines Matrix-Konverters des Unternehmens Yaskawa kann die generatorische Energie direkt und mit hohem Wirkungsgrad ins Netz zurückgespeist werden.

Seit 1850 sorgt die heutige Schweizerische Bodensee Schifffahrt (SBS) für gute Verbindungen auf Europas großem Binnensee. Anfangs wurden die Dampfschiffe noch in einer Eisenbahn-Werkstätte am Hafen Romanshorn repariert. Doch schon 1864 nahm die Schiffswerft in Romanshorn ihren Betrieb auf. Dort, in der mittlerweile größten Werft der Bodenseeregion, werden auch heute noch Schiffe gewartet und zwar nicht nur die Linienschiffe der SBS, sondern auch anderer Gesellschaften wie etwa der Bodensee- Schifffahrtsbetriebe GmbH Deutschland (BSB). Allerdings reichten die Dimensionen der historischen Gebäude z. B. für das 60 m lange SBS-Fährschiff MF Euregia nicht mehr aus. Aus diesem Grund wurde das denkmalgeschützte Ensemble im Jahr 2014 umfassend saniert. Dabei wurde die Halle um 19 m verlängert und das Dach um 1,2 m angehoben. Auch die Werkstätten wie Schreinerei, Malerei, Schlosserei, mechanische Werkstatt und die Büroräumlichkeiten wurden den heutigen Anforderungen angepasst.

Antriebstechnische Herausforderung

Im Zentrum der Werft steht weiterhin die Helling – also ein direkt vom See aus zugänglicher Hallenbereich, in dem an den Schiffen gearbeitet wird. Über eine Schräge werden die Schiffe dorthin aus dem Wasser aufgezogen und nach Abschluss der Arbeiten wieder eingewassert. Die Helling-Anlage, ein starker Seilzug mit einer Zugkraft von bis zu 70 Tonnen, benötigt dafür etwa 30 Minuten pro Richtung. In der Vergangenheit wurde die Anlage mit einem 26-kW-Schleifringläufermotor betrieben (Bild 01). Über Wendeschütze wurde die Drehrichtung geschaltet und mit variablen Leistungswiderständen das Drehmoment gesteuert. Eine mechanische Bremse diente als Nothalt und als Festhaltebremse im Stillstand.

Im Zuge der Werft-Modernisierung sollten die vorhandenen mechanischen und elektromechanischen Komponenten möglichst erhalten bleiben, der Antrieb jedoch auf einen zeitgemäßen Frequenzumrichter umgestellt werden. Den Auftrag erhielt die Swiss Drives AG mit Sitz in Tübach, die in der Schweiz Vertriebs- und Engineeringaktivitäten für Yaskawa übernimmt.

Technisch lässt sich ein Schleifringläufermotor problemlos auch mit einem modernen Frequenzumrichter kombinieren, soweit die Schleifringe der Rotorwicklung kurzgeschlossen werden. Allerdings war damit noch nicht die Frage beantwortet, welches Umrichter-Modell für diese Anwendung die besten Ergebnisse bringt. Swiss Drives führte deshalb zunächst erste Praxisversuche mit einem Umrichter aus der Reihe A1000 von Yaskawa durch, die erfolgreich verliefen. Beim Aufziehen läuft der Antrieb mit einer Nennleistung von 26 kW, allerdings wird der Antrieb beim Einwassern mit etwa 10 bis 15 kW im generatorischen Betrieb gefahren, da das Schiff nach unten zieht. Bei einer konventionellen Umrichter-Lösung wie dem A1000 mit Bremswiderständen geht die generatorische Energie als Abwärme verloren. Bremsregler und Bremswiderstände müssten für die rd. 30-minütige Dauer des Einwasserns entsprechend groß ausgelegt werden, was energietechnisch wenig sinnvoll wäre.

Rückspeisung überschüssiger Bremsenergie

Eine 2014 erstmals vorgestellte Neuentwicklung erwies sich vor diesem Hintergrund als Lösung: Der Matrix-Konverter vom Typ U1000 ermöglicht als rückspeisefähiger Direktumrichter den effizienten Antrieb von Asynchron- oder Synchron- Maschinen und gleichzeitig auch die energieeffiziente Rückspeisung überschüssiger Bremsenergie. Der Konverter besteht aus neun bidirektionalen Schaltern, angeordnet in einer Matrix. Die dreiphasige Wechselstromquelle wird direkt in die erforderliche Spannung und Frequenz für den Motor umgewandelt. Anders als bei alternativen Frequenzumrichtern setzt der Antriebstechnikspezialist hier auf eine Technologie, die im Niederspannungsbereich kaum noch Anwendung findet, die aber zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Die Installation des U1000 gestaltet sich einfach. Beim Hauptstromkreis müssen nur die Netzzuleitung und der Motor verdrahtet werden. Zusätzliche Netzfilter, Drosseln, Bremsoptionen werden nicht benötigt (Bild 02). Verglichen mit einer alternativen Frequenzumrichter-Lösung ist somit auch eine Reduzierung des Platzbedarfs möglich. Für den Betrieb des Motors wählte Swiss Drives die Open-Loop-Vector-Regelung. Mit dem integrierten Autotuning ließen sich Motor und Konverter problemlos auf einander abstimmen. Nicht zuletzt konnte die vorhandene mechanische Bremse gut in das Antriebskonzept integriert werden: Gesteuert durch den U1000, dient sie als Festhaltebremse im Stillstand und stellt die Nothalt-Funktion mit geführtem Schnellstopp und sicherem Halt sicher (Safe Torque Off).

Seit März 2015 ist der Matrix-Konverter in der Bodensee Werft der Schweizerischen Bodensee Schifffahrt im Einsatz und beweist seitdem, dass die generatorische Energie direkt und mit einem hohen Wirkungsgrad ins Netz zurück gespeist werden kann.