4 Leistungsmessungen, die jedes elektrifizierte Schiff braucht

Ein elektrifiziertes Schiff ist ein Antriebsstrang mit einem Rumpf darum. Generatoren, Umrichter, ein Zwischenkreis, Batterien, ein Elektromotor, eine Welle. Die Messungen, die es qualifizieren, macht ein E-Antriebs-Prüfstand seit Jahren — nur bei höherer Leistung, auf einer bewegten Plattform und mit einem Besichtiger der Klassifikationsgesellschaft, der die Ergebnisse mitliest.

Das Regelwerk dahinter ist in einem Atemzug erzählt. Klassenregeln begrenzen die Spannungsverzerrung auf der Hauptschiene auf 8 %, und auf Schiffen mit Oberschwingungsfiltern verlangen sie einmal im Jahr eine Messung auf See. Marinenormen sind enger, etwa 5 %, und sie beurteilen die Versorgung während eines Lastsprungs statt im stationären Zustand. Alles andere ist Ingenieurarbeit.

Vier Messungen kommen jedes Mal vor: in der Typprüfung, am Prüfstand, auf der Erprobungsfahrt und später im Betrieb. Sie sind auf einer Batteriefähre, einem Hybridschlepper und einem Marineschiff dieselben vier, und sie sind der Grund, warum ein Leistungsanalysator aus dem E-Antriebs-Prüfstand auf ein Schiff passt, ohne dafür neu entwickelt zu werden.

Dieser Beitrag handelt vom Q.boost Power Analyzer GPA100/101, dem breitbandigen Gerät der GPA-Serie: 4 MHz je Kanal und 1,7 MHz Bandbreite, weil eine Schiene voller Umrichter kein sinusförmiges System ist. Für Anlagen, die es sind — ein Generatorsatz auf einer sauberen Schiene, eine PV- oder Batterieschnittstelle —, gibt es die sinusförmige Variante GPA110/111 SL mit 100 kS/s und durchlaufender Aufzeichnung auf eine integrierte SSD. Die vier Messungen unten sind in beiden Fällen dieselben; die Zahlen sind die des GPA100/101.

1. Netzqualität auf einer Schiene voller Umrichter messen

Die Hauptschiene eines Schiffs wird von Maschinen gespeist, die schalten. Jeder Antrieb, jeder Umrichter, jede Batterieschnittstelle gibt Strom ins Netz zurück, der vorher nicht da war, und die Summe davon ist das, was die Klassenregel begrenzt.

Die Messung, die Sie brauchen, ist keine einzelne Zahl. Es sind Effektivwerte von Spannung und Strom, Wirk-, Schein- und Blindleistung, Leistungsfaktor und Gesamtoberschwingungsgehalt — alle auf denselben drei Phasen im selben Moment, fortlaufend während die Anlage läuft, nicht hinterher rekonstruiert.

Zwei Dinge entscheiden, ob die gemessene Verzerrung die wirkliche ist. Das erste ist die Bandbreite. Der Schaltanteil eines Umrichters liegt weit oberhalb der Grundschwingung, und die Ordnungen, auf die moderne Regelwerke sehen — bei Antrieben mit Active Front End bis zur 100. —, liegen dort, wo ein schmalbandiges Gerät längst abgefallen ist. Bei 4 MHz je Kanal und 1,7 MHz Bandbreite steht die Schaltflanke selbst in der Aufzeichnung, nicht nur das, was ihr folgt.

Das zweite ist das Eigenrauschen des Geräts. Die Eingänge des GPA100 liegen bei einem Rauschgrund unter −140 dB und bringen selbst weniger als 3 ppm Verzerrung mit. Das ist der Abstand, den Sie brauchen, wenn die Grenze 8 % heißt und Sie am Ende belegen müssen, ob die Verzerrung aus der Anlage kam oder aus der Messung.

2. Gleich- und Wechselstrom in einem Durchgang messen

Ein Gleichstromnetz an Bord legt die interessanten Zahlen auf beide Seiten des Umrichters, und eine Wirkungsgradangabe ist nur dann etwas wert, wenn beide Seiten im selben Augenblick erfasst wurden.

Der Analysator hat vier Hochspannungseingänge bis ±1.500 V DC, galvanisch getrennt, und vier Eingänge für Stromwandler. Die Messbereiche reichen von ±500 mV bis ±1.500 V. Dasselbe Gerät nimmt damit ein Shunt-Signal und eine Zwischenkreisschiene auf, ohne das Frontend zu wechseln, und jeder Kanal ist von jedem anderen getrennt — auf einem Schiff kein Komfortmerkmal, sondern der Grund, warum Sie gleichzeitig am Zwischenkreis und auf den drei Phasen messen können.

Ein Gerät sieht so die Gleich- und die Wechselstromseite zugleich, und der Wirkungsgrad dieser Umrichtungsstufe ist ein einzelnes Ergebnis statt zweier Messungen, die hinterher zusammengelegt werden.

3. Mechanische Leistung neben die elektrische stellen

Die elektrische Aufnahme ist die halbe Antwort. Bezahlt wird der Schub, und die Klassenregel zu umrichtergespeisten Motoren fragt nach dem Wirkungsgrad der Maschine dazwischen.

Der GPA hat vier Frequenz- und Zählereingänge: zwei für Drehmomentsensoren mit Frequenzausgang, zwei Zählereingänge für Drehzahlsensoren, auflösend von 0,1 Hz bis 1 MHz mit 0,01 % Genauigkeit, einschließlich Drehrichtung. Beim GPA101 liest eine Resolver-Option zusätzlich den motoreigenen Resolver aus. Die mechanische Leistung wird direkt berechnet, im selben Gerät, aus derselben Erfassung — nicht nachträglich aus einem zweiten System mit eigenen Zeitstempeln zusammengeführt. Wellenleistung, elektrische Leistung und der Wirkungsgrad dazwischen kommen als eine Aufzeichnung heraus.

Diese Aufzeichnung macht eine Erprobungsfahrt mit einem Prüfstandslauf vergleichbar. Das Schiff wechselt; die Messung nicht.

4. Den Analysator in den vorhandenen Prüfstand einfügen

Eine Messung, an die niemand herankommt, ist keine Messung. Ergebnisse und Rohwerte verlassen den GPA über EtherCAT und TCP/IP, damit der Analysator ein Knoten im Prüfstand wird und keine zweite Insel daneben.

Die Softwareseite ist bewusst unspektakulär. GI.bench läuft unter Windows und Linux. Eine Q.station HP mit 32 GB RAM und 1 TB SSD zeichnet den Lauf auf, wenn niemand auf den Bildschirm schaut. MATLAB, LabVIEW, OPC UA, MQTT, CAN und eine offene API sind die Wege, auf denen die Daten herauskommen, und das Gerät baut sich entweder in ein 19-Zoll-Rack mit 4 HE oder tragbar in ein Q.brixx-Gehäuse — die Prüfstandsfassung und die Erprobungsfassung sind dasselbe Gerät in einem anderen Gehäuse.

Das zählt für eine bestimmte Sache. Eine Lastsprungbewertung nach Marinenorm muss die Erholung innerhalb von ±16 % in 2 Sekunden zeigen. Das ist eine Frage an die Rohdaten. Ein gemittelter Wert kann sie nicht beantworten, und ein System, das nur Ergebnisse ausgibt, hat den Beleg schon weggeworfen.

Dieselben vier Messungen, ein Gerät

Diese vier Messungen kommen nicht aus dem Schiffbau. Sie kommen aus der Fahrzeug- und E-Antriebsprüfung, wo dieselben Umrichter, dieselben Zwischenkreise und dieselben Wirkungsgradfragen ein Jahrzehnt früher aufkamen und wo der Q.boost Power Analyzer entstanden ist. Schiffe haben die Leistung erhöht und Salzwasser hinzugefügt; die Messaufgabe ist geblieben, wo sie war.

Die praktische Folge ist unspektakulär und trotzdem etwas wert: Prüfstand und Erprobung auf einem Gerät, dann vergleichen Sie Zahlen statt Methoden.

Interessieren Sie sich eher für die Datenkette als für die Leistungsmessung? Lesen Sie dazu den Begleitartikel „Keep the Ship Measurable“.