Neues Schiffshebewerk Niederfinow: ABB-Multidrives ACS880 sichern Gleichlauf von Trog

Das Senkrechthebewerk weist größere Dimensionen auf als die alte Anlage. Die nutzbare Länge des Troges beträgt 115 m, seine nutzbare Breite 12,5 m. Er bietet Platz für Motorschiffe mit einer maximalen Länge von 113 Metern, einer Breite von 11,45 Metern und einem Tiefgang von bis zu 2,80 Metern. Schubverbände mit bis zu drei Leichtern können eine Länge von bis zu 114 Metern erreichen. Damit erfüllt das Schiffshebewerk die zweithöchste europäische Wasserstraßenklasse V.

Auch das maximale Gesamtgewicht von Schiff und Ladung hat sich erheblich erhöht: Während das alte Hebewerk eine Grenze von 1.000 Tonnen hatte, liegt die neue Grenze bei 2.300 Tonnen. Um den größeren und schwereren Trog zu heben, wurden die Gegengewichte ebenfalls angepasst, die mehr als doppelt so viel wiegen wie die des alten Hebewerks.

Das neue Schiffshebewerk Niederfinow überwindet einen Höhenunterschied von 36 Metern. Schiffe fahren nach der Öffnung der Tore in die Trogwanne ein, und dank des Gegengewichtsprinzips – des Gewichtsausgleichs durch den Einsatz von Gegengewichten – wird die Hebung mit minimalem Energieaufwand für die Antriebe realisiert.

Die Masse des gefüllten Troges beträgt rund 9.200 Tonnen und wird durch Gegengewichte vollständig kompensiert. Die aus Trog und Gegengewichten resultierenden Kräfte werden über Seilrollen auf die Seilrollenträger und weiter über die darunter angeordneten Pylone und Stützen in die Trogwanne und schließlich in den Untergrund abgetragen. Durch diesen weitgehenden Massenausgleich müssen die Antriebe nur die Kräfte aufbringen, die zur Überwindung von Reibung, Anfahrwiderständen sowie geringfügigen Differenzen im Wasserstand erforderlich sind.

Der Trog wird über vier Ritzel/Triebstockleiter-Kombinationen angetrieben, die symmetrisch auf beiden Trogseiten in etwa den jeweiligen Viertelspunkten angeordnet sind. Die Antriebseinheiten samt Ritzeln befinden sich am Trog, während die Triebstockleitern fest mit dem Traggerüst verbunden sind. Um einen vollbeladenen Trog zu heben, ist nicht viel Kraft erforderlich. Acht 160-Kilowatt-Motoren genügen für den Antrieb des Hebewerks, die 220 Gegengewichte erledigen die restliche Arbeit.

Es existieren vier baugleiche Trogantriebe, einer in jedem Antriebshaus auf dem Trog. Sie wirken bei der Trogfahrt gemeinsam mit den Triebstockleitern an den Pylonen und bewegen den Trog vertikal. Jede der vier Antriebseinheiten besteht aus zwei Elektromotoren mit zwei ABB-Frequenzumrichtern aus der Reihe der ACS880 Industrial Drives. Sie treiben über zwei Stirnradgetriebe und zwei Gelenkwellen das Antriebsritzel an der Triebstockleiter an. Das Antriebsritzel ist über ein Schwingensystem und einen Federtopf mit der Trogsicherung gekoppelt. Der Drehriegel der Trogsicherung wird über einen Abgang an einem Hauptgetriebe synchron zum Ritzel angetrieben.

Alle vier Antriebseinheiten werden durch eine elektronische Gleichlaufregelung gesteuert. Die mechanische Verbindung durch eine Gleichlaufwelle sichert den Gleichlauf bei Störungen im Antriebssystem.

Vier Multidrive-Frequenzumrichtersysteme von ABB sorgen für den Gleichlauf der Motoren und damit auch des Troges. Jedes System besteht aus einem Einspeisemodul, dem Gleichrichter und zwei Wechselrichtern. Der Gleichlauf der beiden Antriebe der jeweiligen Antriebseinheiten des Troges erfolgt nach dem Master-/Follower-Prinzip. Die jeweils zwei Motoren einer Antriebsecke, deren Motorwellen miteinander gekoppelt sind, werden über zwei ACS880 angetrieben.

Die Master-/Follower-Konfiguration besteht aus einem drehzahlgeregelten Masterantrieb und einem Folgeantrieb, der dem Drehmomentsollwert des Masterantriebs folgt. Die ACCS880 sind miteinander gekoppelt und realisieren somit einen Drehmomentengleichlauf. Die Master-/Follower-Frequenzumrichter kommunizieren über eine LWL-Verbindung miteinander. Die Geräte übernehmen im Betrieb die gleiche Last und beeinflussen sich nicht gegenseitig.

Der Gleichlauf aller vier Antriebsecken des Troges erfolgt über eine Lageregelung. Hierfür wird über eine zentrale Regelfunktion kontinuierlich aus den vier Istwert-Positionen eine virtuelle Lageposition berechnet, die den vier Antriebssteuerungen des Troges zeitgleich als Positions-Sollwert vorgegeben wird. Die lokalen Positionsregler der vier Antriebssteuerungen regeln die vorgegebene Position entsprechend der aktuellen Istwert-Position der Antriebseinheit aus. Ist die aktuelle Position höher als die Sollwert-Position, wird die Drehzahl gemindert oder im umgekehrten Fall erhöht, bis die Sollwertposition wieder erreicht wird. Dies erfolgt über den kompletten Fahrweg bei jeder Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeitsvorgabe erfolgt unabhängig von der Lageregelung über eine Fahrkurve.

Fällt ein Antrieb aus, kann die Trogfahrt im eingeschränkten Betrieb mit zwei Antriebseinheiten im Diagonalbetrieb oder mit drei Antriebseinheiten erfolgen. Die defekten Antriebe werden vor Ort nach Kontrolle der Ursachen durch Abwahl am Schaltschrank aus der Gleichlaufregelung ausgeschlossen. Die gestörte Antriebseinheit wird dann nur noch über die Gleichlaufwelle angetrieben. Die Bremsen müssen jedoch funktionsfähig sein, da diese bei Trogfahrten mit angesteuert werden.

Es existieren des Weiteren zwei baugleiche Troghaltevorrichtungen, je eine für die obere und untere Andockposition. Diese entlasten das Antriebssystem beim Stillstand des Troges in den Haltungen. Die Troghaltevorrichtung hat dabei die Aufgabe, das auftretende Ungleichgewicht aus z. B. Sunk, Schwall und Schiffsbewegung direkt abzuleiten, ohne dass diese Lasten das Antriebssystem belasten. Das Ritzel bleibt dabei weiterhin im Eingriff. Jede dieser Vorrichtungen besteht aus je vier hydraulisch bewegten Riegelbarren für die obere bzw. untere Haltung an den Pylonen, die mit vier doppeltwirkenden Klinkenpaaren auf dem Trog zusammenwirken.

Die Messtechnik für die Gleichlaufregelung zur Lageregelung des Trogs umfasst insgesamt acht Inkrementalgeber als Messaufnehmer am B-Wellenende der Motoren. Jede Antriebsecke verfügt über zwei Inkrementalgeber und jeder Motor besitzt je einen. Jeder Inkrementalgeber hat zwei Messignale. Über die an den Motoren angebauten Inkrementalgeber erfolgt die Lageerfassung der Motoren. Diese Werte werden für die Gleichlaufregelung des Trogs verwendet.

Zur Überwachung des Trogantriebs in der Anlageposition sind insgesamt vier Absolutwertgeber an je einem Wellenabgang am Stirnradgetriebe Drehriegel angebaut. Jede Antriebsecke verfügt über einen Absolutwertgeber. Jeder Inkrementalgeber hat zwei Messsignale. Über die Positionswerte wird die Lageregelung des Trogantriebs überwacht. Dieser wird abgeschaltet, wenn festgelegte Toleranzen überschritten werden.

Für die Überwachung der Geschwindigkeit sind vier Inkrementalgeber an je einem Wellenabgang am Stirnradgetriebe Drehriegel angebaut. Je Antriebsecke gibt es einen Inkrementalgeber (Tacho), der jeweils zwei Messsignale hat. Bei überhöhter Geschwindigkeit wird der Antrieb abgeschaltet. Die Geschwindigkeit wird dabei durch den Tacho gemessen und getrennt von der normalen Steuerung überwacht.

Jeder Antriebseinheit ist eine eigene Trogsicherung zugeordnet, die im Havariefall den Trog mechanisch sichert, um eine Gefährdung von Passagieren, Schiffen und der Infrastruktur zu vermeiden. Bei erheblichen Ungleichgewichten zwischen Trog und Gegengewichten – beispielsweise infolge eines plötzlichen Wasserverlusts – könnten die Antriebe den Trog nicht mehr halten; er würde sich unkontrolliert mit zunehmender Geschwindigkeit in eine Endlage bewegen und das Gesamtsystem schwer beschädigen.

Die Trogsicherung ist als Schraubengesperre ausgeführt und bleibt damit in jeder Position des Troges wirksam. Das rein mechanische System steuert sich selbst und funktioniert unabhängig von der Stromversorgung und der Steuerungstechnik. Dies gewährleistet eine dauerhafte Funktionsfähigkeit, auch bei einem Ausfall der elektrischen Systeme.

ABB Industrial Drives sind sehr flexibel einsetzbare Frequenzumrichter, die exakt an die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen der Wasserwirtschaft angepasst werden können. Die ACS880 verfügen über die direkte Drehmomentregelung (DTC), eine von ABB entwickelte Technologie, die ein extrem schnelles Drehmoment-Ansprechverhalten von wenigen Millisekunden und eine hohe dynamische Drehzahlgenauigkeit sicherstellt. Das verleiht den Frequenzumrichtern eine hohe Regelgenauigkeit und sehr gute dynamische Eigenschaften. Bei Mehrmotorenanwendungen wie dieser ermöglichen die einzelnen Wechselrichtermodule mithilfe des DTC-Verfahrens eine schnelle und sehr genaue Übertragung der Drehmoment- und Drehzahlsignale zur Regelung des Antriebsritzels.

In dem Antriebssystem wird ein IGBT-Einspeisemodul verwendet. Dieses Modul dient zur Umwandlung der dreiphasigen AC-Spannung in eine DC-Spannung. Es ermöglicht, Bremsenergie beim Absenken des Troges ins Netz zurückzuspeisen. Das Einspeisemodul liefert die gleiche stabile und gleichmäßige Leistung wie DTC bei der Motorregelung. Aufgrund der DTC-Regelung und der integrierten LCL-Filter bleibt die Strom- und Spannungsverzerrung, der Oberschwingungsgehalt, mit kleiner 5 Prozent äußerst niedrig. Das schont das gesamte elektrische Netz und die darin befindlichen Komponenten und verringert die Verluste, die durch die Oberschwingungen (THDI) entstehen (40 Prozent THDI erzeugen circa 16 Prozent Verluste).

Das Multidrive-System besteht aus Multidrive-Modulen, die an eine gemeinsame DC-Sammelschiene angeschlossen werden, über die die DC-Spannungsversorgung der Wechselrichtermodule erfolgt. Die einzelnen Module wandeln die Gleichspannung zur Stromversorgung der Motoren in eine geregelte Wechselspannung um. Eine eingangsseitig eingebaute Einspeiseeinheit liefert die Gleichspannung. Das auf einer gemeinsamen DC-Sammelschiene basierende Prinzip des ACS880 Multidrive ermöglicht einen einzigen Einspeisepunkt und aufgrund des Gleichzeitigkeitsfaktors eine kleinere Einspeiseleistung als bei separaten Einspeisungen sowie das gemeinsame Bremsen mehrerer Antriebe.