MKSU Architektur für maritime Frequenzumrichter

Architektur und Implementierung mikrocontrollerbasierter Steuerungssysteme für moderne elektrische Schiffsantriebe

Der moderne Schiffbau befindet sich im Wandel und vollzieht aktiv den Übergang von traditionellen Diesel- und Turbinenantriebssystemen zu effizienten elektrischen Antrieben. Im Zentrum dieser Entwicklung stehen hochmoderne elektrische Schiffsantriebssysteme (ESAS), die entscheidend von fortschrittlichen Frequenzumrichtern (FU) und deren mikrocontrollerbasierten Steuerungssystemen (MCSS) abhängen. Dieser Artikel beleuchtet die wesentlichen architektonischen Ansätze und Konstruktionsmerkmale solcher Systeme, die eine hohe Manövrierfähigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit für Schiffe gewährleisten.

Entwicklung und Komponenten elektrischer Schiffsantriebssysteme

Die Entwicklung elektrischer Schiffsantriebssysteme (ESAS) in den letzten Jahrzehnten ist auf ihre erheblichen Vorteile gegenüber traditionellen mechanischen Anlagen zurückzuführen. ESAS bieten eine verbesserte Manövrierfähigkeit, einen optimierten Kraftstoffverbrauch und reduzierte Geräuschemissionen, was besonders für Spezialschiffe wie Eisbrecher, Schlepper und Notfallrettungsschiffe von entscheidender Bedeutung ist. Ein Schlüsselfaktor für die weite Verbreitung von ESAS war der Fortschritt in der transistorbasierten Leistungsumwandlungstechnologie, der die Entwicklung leistungsstarker Frequenzumrichter (FU) zur Steuerung von elektrischen Antriebsmotoren (EAM) und Propellern ermöglichte. Dies hat auch den Übergang zu Wechselstrom-ESAS und die Integration des Antriebssystems in das gesamte elektrische Bordnetz des Schiffes erleichtert.

Eine typische moderne ESAS-Struktur umfasst:

• Elektrische Antriebsmotoren (EAM), meist asynchron.
• Halbleiter-Frequenzumrichter (FU) mit ihren Steuerungssystemen (FU-SS).
• Leistungstransformatoren (optional).
• Elektrische Schaltanlagen.

FU, die das Herzstück der ESAS bilden, basieren auf Spannungsgleichrichtern (gesteuert oder ungesteuert) und autonomen Wechselrichtern (AWR). Active Front End (AFE)-Gleichrichter und AWR werden typischerweise mit IGBT-Transistoren realisiert, während ungesteuerte Gleichrichter (UGR) Dioden verwenden. AFE-Gleichrichter zeigen ihre Überlegenheit durch ihre Fähigkeit, einen gewünschten Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten, Verzerrungen im elektrischen Bordnetz des Schiffes zu minimieren und die Energierückgewinnung beim Bremsen zu unterstützen, wodurch die Gesamtsystemeffizienz gesteigert wird. FU-Steuerungssysteme (FU-SS) erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben: von der Regelung der Drehzahl und des Drehmoments der EAM bis zur Gewährleistung von Anlauf, Stabilisierung, Leistungsbegrenzung, Bremsung und Umkehrung. Sie verarbeiten auch Befehle von verschiedenen lokalen Bedienfeldern (LBF), sammeln und übertragen Diagnoseinformationen an das Schiffssteuerungssystem (SSS), verwalten Übergänge zwischen Betriebsmodi und bieten FU-Schutz in Notfallsituationen. Die Softwareentwicklung für FU-SS erfordert die Anwendung spezialisierter Algorithmen zur Steuerung von Asynchronmotoren. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) werden oft integriert, um Hilfsfunktionen auszuführen, wie die Verarbeitung von Sensorsignalen, die Steuerung von Aktuatoren und die Implementierung von Kommunikationsschnittstellen mit anderen Systemen.

Architekturansätze für Frequenzumrichter-Steuerungssysteme

Im Bereich der Mikroprozessortechnik für FU-SS zeigt sich ein klarer Trend zu erhöhter Integration, erweiterter Funktionalität sowie reduzierter Größe und Gewicht. Dies führt zur Entwicklung kompakter Steuerungseinheiten, bei denen mehrere Platinen in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, mit minimalen Abständen und Steckverbindungen, oft in einem Metallgehäuse zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und Zuverlässigkeit. Verteilte Systeme, bei denen Platinen über größere Entfernungen (über 25 cm) angeordnet und über Kabel verbunden sind, werden aufgrund geringerer EMV und Zuverlässigkeit in den starken elektromagnetischen Feldern, die für die Leistungselektronik charakteristisch sind, weniger bevorzugt.

Moderne FU-SS verwenden am häufigsten eine verteilt-zentralisierte Struktur, bestehend aus:

• Lokale Steuerungssysteme (LSS): Verantwortlich für die Steuerung, Überwachung und den Schutz einzelner Transistorkonverter (TK), wie z.B. AFE-Gleichrichter oder AWR. Die Anzahl der LSS entspricht der Anzahl der TK im FU (mindestens zwei).
• Zentrales Steuerungssystem (ZSS): Koordiniert den Betrieb der LSS, erleichtert den Informationsaustausch mit lokalen Bedienfeldern (LBF) und dem Schiffssteuerungssystem (SSS) und übernimmt die Gesamtverwaltung der ESAS.
• Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS): Eine optionale Komponente, die die Fähigkeiten des ZSS hinsichtlich Ein-/Ausgängen und Schnittstellen erweitert. In Hochleistungskonfigurationen kann eine SPS die Funktionen des ZSS übernehmen, wodurch die Gesamtstruktur des Steuerungssystems erheblich vereinfacht wird.

Das Konzept einer Hochintegrierten Steuerungseinheit (HISE) für FU beinhaltet die Kombination all dieser Komponenten (LSS, ZSS, SPS) in einem einzigen Gehäuse. Vorteile von HISE umfassen verbesserte EMV, reduzierte Abmessungen und geringere Kosten. Eine solche Integration bringt jedoch eine hohe Entwicklungskomplexität, Einschränkungen bei der Anzahl der integrierten LSS und erhöhte Schwierigkeiten bei der Softwareentwicklung und -prüfung mit sich. Dies erfordert von den Entwicklern ein tiefes Verständnis sowohl der Hardware- als auch der Softwareaspekte des Systems sowie Methoden zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit unter strengen Betriebsbedingungen.

Designlösungen für mikrocontrollerbasierte Steuerungseinheiten

Strukturell werden mikrocontrollerbasierte FU-Steuerungssysteme in Einplatinen- und Mehrplatinenlösungen unterteilt, jede mit ihren spezifischen Anwendungen und Vorteilen.

Einplatinen-Steuerungseinheiten sind Systeme, bei denen alle elektronischen Komponenten und Systemfunktionen auf einer einzigen Leiterplatte implementiert sind. Zur Funktionserweiterung oder Spezialisierung nutzen solche Systeme oft Mezzanine-Karten – zusätzliche Platinen, die parallel (übereinander gestapelt) mit der Hauptplatine verbunden sind und spezifische Aufgaben wie die Aufnahme von Mikrocontrollern, Speichermodulen oder LED-Anzeigen erfüllen. Mezzanine-Karten können sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Hauptplatine positioniert werden, was Flexibilität bei der Anordnung und Komponentendichte bietet.

Mehrplatinen-Steuerungseinheiten bestehen im Gegensatz dazu aus mehreren Leiterplatten, von denen jede einen spezifischen Satz von Funktionen erfüllt. Es werden mehrere Haupttypen von Mehrplatinen-Steuerungseinheiten unterschieden:

• Steuerungseinheiten mit einer Hauptplatine (Mother- oder Systemplatine): Die Hauptplatine übernimmt zentrale Informationsverarbeitungs-, Steuerungs- und Überwachungsfunktionen, während Funktionsplatinen (z.B. für diskrete, analoge Ein-/Ausgänge oder digitale Schnittstellen) senkrecht dazu angeschlossen werden. Dieser Ansatz gewährleistet Modularität und die Möglichkeit eines einfachen Austauschs oder Upgrades peripherer Funktionen.
• Steuerungseinheiten mit einer Backplane (oder Querplatine): Eine Backplane dient dazu, verschiedene Funktionsmodule (z.B. Stromversorgungsmodul, Mikrocontroller-Modul, E/A-Modul) elektrisch zu verbinden, die senkrecht in sie eingesteckt werden und oft mit Frontplatten ausgestattet sind. Diese Architektur ist praktisch für die Erstellung von Systemen mit einem hohen Grad an Anpassbarkeit und Wartungsfreundlichkeit.
• Steuerungseinheiten mit mehreren Funktionsplatinen: In diesem Fall sind Platinen (z.B. Leistungs-, Digital-, Analog-, Schnittstellenplatinen) direkt über Steckverbinder miteinander verbunden, ohne eine zentrale Hauptplatine oder Backplane zu verwenden. Diese Option wird oft in spezialisierten Systemen angewendet, bei denen eine Größenminimierung oder eine bestimmte Topologie erforderlich ist.

Auch in Mehrplatinen-Steuerungseinheiten können Mezzanine-Karten zur weiteren Funktionserweiterung oder zur Erhöhung der Komponentendichte auf einzelnen Funktionsplatinen eingesetzt werden. Die Wahl einer spezifischen Designlösung wird durch Anforderungen an Zuverlässigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit, Kosten, Größen- und Gewichtsmerkmale, Softwarekomplexität und die erwarteten Betriebsbedingungen in der maritimen Umgebung bestimmt.

Wichtige Erkenntnisse

• Wandel zum Elektroantrieb: Der moderne Schiffbau vollzieht aktiv den Übergang zu elektrischen Antriebssystemen aufgrund ihrer Effizienz, Manövrierfähigkeit und des Potenzials zur Integration in das einheitliche elektrische Bordnetz eines Schiffes.
• Rolle von FU und FU-SS: Frequenzumrichter sind eine kritische Komponente von ESAS, und ihre mikrocontrollerbasierten Steuerungssysteme (FU-SS) bieten präzise Regelung, Schutz und Interaktion mit den Bordsystemen.
• Architektonische Lösungen: FU-SS verwenden verteilt-zentralisierte Architekturen mit lokalen und zentralen Steuerungssystemen sowie hochintegrierte Einheiten (HISE), um Zuverlässigkeit und Kompaktheit zu verbessern.
• Designansätze: Die Entwicklung von MCSS umfasst sowohl Einplatinenlösungen (mit Mezzanines) als auch Mehrplatinensysteme (mit Hauptplatine, Backplane oder direkter Verbindung von Funktionsplatinen), wobei die Wahl von Skalierbarkeitsanforderungen und Betriebsbedingungen abhängt.
• Entwicklungskomplexität: Die Entwicklung effizienter und zuverlässiger mikrocontrollerbasierter Steuerungssysteme für marine FU erfordert angesichts der rauen Betriebsbedingungen auf See tiefgreifendes Ingenieurwissen in Leistungselektronik, digitaler Signalverarbeitung und Embedded Software.

— Editorial Team