AT15388U1 - Triebstrang und Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges - Google Patents

Abstract

Ein Triebstrang weist eine Antriebswelle (2), eine mit einem Stromnetz (12) verbundene elektrische Antriebsmaschine (4) und ein Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben auf, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist. Wenigstens ein weiterer Frequenzumrichter (6a) ist abwechselnd mit wenigstens einem weiteren Differenzialantrieb (5a) und mit der Antriebsmaschine (4) verbindbar.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Triebstrang mit einer Antriebswelle, einer mit einem Stromnetz verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle, ein Antrieb mit der Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb verbunden ist, der mittels eines Wechselrichters mit dem Stromnetz verbunden ist.

[0002] Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges mit einer Antriebswelle, einer mit einem Stromnetz verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle, ein Antrieb mit der Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb verbunden ist, der mittels eines Wechselrichters mit dem Stromnetz verbunden ist.

[0003] Ein allgemeines Problem bei Arbeitsmaschinen, wie Fördereinrichtungen z.B. Pumpen, Kompressoren und Ventilatoren oder wie Mühlen, Brecher, Fahrzeuge usw., ist ein effizienter, drehzahlvariabler Betrieb bzw. das Anfahren unter Last.

[0004] Die heute am häufigsten verwendeten elektrischen Antriebe sind Drehstrommaschinen, wie z.B. Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen, welche im Wesentlichen nur mit konstanter Drehzahl betrieben werden. Es müssen darüber hinaus eine Drehstrommaschine und ein dieser nachgelagertes Stromnetz entsprechend groß ausgelegt werden, damit sie vom Stillstand weg ein erforderliches Antriebsmoment liefern können. Elektrische Maschinen werden daher auch aus diesem Grund, anstatt direkt an ein Netz angeschlossen zu werden, häufig in Kombination mit einem Wechselrichter als drehzahlvariabler Antrieb ausgeführt. Damit kann man zwar einen drehzahlvariablen Betrieb von Drehzahl Null realisieren, ohne das Netz stark zu belasten, die Lösung ist jedoch teuer und mit wesentlichen Wirkungsgradeinbußen verbunden. Eine im Vergleich dazu kostengünstigere und auch bezüglich Wirkungsgrad bessere Alternative ist der Einsatz von Differenzialsystemen - beispielsweise gemäß AT 514 589 A. Grundsätzliche Einschränkung hierbei ist jedoch, dass, abhängig vom Übersetzungsverhältnis der Differenzialstufe, nur ein relativ kleiner Drehzahlbereich und daher im sogenannten Differenzialmodus, d.h. bei einer Drehzahländerung mit Hilfe des Differenzialantriebs bei Betriebsdrehzahl der Antriebsmaschine, praktisch keine niedrigen Drehzahlen an der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine erreicht werden können.

[0005] Um dies zu realisieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

[0006] Eine einfache Anfahrmethode ist, bei anfangs stillstehendem Gesamtsystem eine Antriebsmaschine an ein Netz zu schalten und parallel dazu einen Differenzialantrieb so zu betreiben, dass eine Betriebsdrehzahl einer Arbeitsmaschine angefahren wird, sobald die Antriebsmaschine mit dem Netz verbunden ist. Eine weitere klassische Anfahrmethode ist, bei anfangs stillstehendem Gesamtsystem eine Antriebsmaschine an ein Netz zu schalten und parallel dazu eine Arbeitsmaschine mittels z.B. einer (hydrodynamischen) Regelkupplung von der Antriebsmaschine ganz oder teilweise zu entkoppeln. Dabei kann die Regelkupplung vor oder hinter dem Differenzialsystem positioniert sein. Sobald die Antriebsmaschine mit dem Netz verbunden ist, wird die Arbeitsmaschine mittels Regelkupplung angefahren und anschließend die Regelkupplung überbrückt bzw. blockiert. Wesentlicher Nachteil beider Lösungen ist ein sehr hoher Anfahrstrom der Antriebsmaschine, welcher vorzugsweise durch zusätzliche Anlaufhilfen (z.B. Dämpferwicklungen, Thyristorsteller, Stern/Dreieckschaltung, Anfahrtransformatoren, Ponymotor etc.) reduziert werden kann.

[0007] Gemäß DE 20 2012 101 708 U beispielsweise kann man das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festlegen. Auf dieser Basis kann man mit dem Differenzialantrieb den kompletten Triebstrang antreiben bzw. die Antriebsmaschine auf Synchrondrehzahl bringen und diese in weiterer Folge mit dem Netz synchronisieren. Nachteil dieser Lösung ist, dass der Differenzialantrieb und der ihm nachgelagerte Wechselrichter wesentlich kleiner dimensioniert sind als die Antriebsmaschine und daher auch nur ein entsprechend kleines Drehmoment liefern können. Dies reicht nicht aus, um die Antriebsmaschine bis zur Synchrondrehzahl zu beschleunigen, wenn die Arbeitsmaschine in Betrieb ist.

[0008] Die AT 514 396 A zeigt eine Lösung, mit der man Antriebsmaschinen in einen Drehzahlbereich mit hohem Drehmoment beschleunigen und die Arbeitsmaschine von Drehzahl Null weg anfahren kann. Gelöst wir dies dadurch, dass die Antriebsmaschine von einer Drehzahl von Null oder annähernd Null angefahren wird und dass in einer Beschleunigungsphase der Antriebswelle der zweite Antrieb gebremst wird. Nachteil dieser Lösung ist, dass die dafür notwendige Bremsvorrichtung aufwändig ist und mit einem Differenzialantrieb in der Größe von ca. 20% der Systemgesamtleistung nur ein Drehzahlbereich von ca. 50% bis 100% der Arbeitsdrehzahl realisiert werden kann.

[0009] Die AT 514 239 A zeigt eine Lösung, bei der die elektrische Antriebsmaschine mit dem Wechselrichter des Differenzialantriebes verbindbar ist, womit niedrige Drehzahlen an der Antriebswelle der Arbeitsmaschine realisierbar sind. Nachteil dieser Lösung ist, dass dabei die Antriebsmaschine bei kontinuierlichem Betrieb der Arbeitsmaschine nicht mit dem Netz synchronisierbar ist, sofern der Wechselrichter nicht entsprechend (über)dimensioniert wird.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, mit der man eine Antriebsmaschine, vorzugsweise unter Last, beschleunigen und anschließend bei kontinuierlichem Betrieb der Arbeitsmaschine an das Netz schalten, vorzugsweise vorher mit dem Netz synchronisieren, bzw. einen großen Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine realisieren kann.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Triebstrang mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 4.

[0012] Gelöst wird diese Aufgabe des Weiteren mit einem Verfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 13 bis 16.

[0013] Der Kern eines Differenzialsystems ist ein Differenzialgetriebe, das in einer einfachen, erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Planetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben sein kann, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit einer Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit zwei oder mehreren Differenzialantrieben verbunden ist. Damit kann die Arbeitsmaschine bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine drehzahlvariabel betrieben werden, indem die Differenzialantriebe eine variable Drehzahl der Antriebswelle ermöglichen.

[0014] Um eine Arbeitsmaschine vom Stillstand aus in Betrieb zu setzen und zusätzlich eine Antriebsmaschine vom Stillstand aus vorzugsweise auf Synchrondrehzahl zu bringen, kann der Betrieb des Systems in einer Durchführungsform der Erfindung z.B. in den folgenden 2 Phasen stattfinden: [0015] Phase 1: Wenigstens ein erster Wechselrichter regelt mittels eines ersten Differenzialantriebes die Drehzahl des zweiten Antriebes des Differenzialsystems. Wenigstens ein zweiter Wechselrichter zumindest eines zweiten Differenzialantriebes wird direkt oder mittels eines Transformators mit der Antriebsmaschine verbunden, welche in dieser Phase nicht direkt mit dem Netz verbunden ist. In dieser Konfiguration kann die Antriebsmaschine über den zweiten Wechselrichter drehzahlvariabel betrieben und in weiterer Folge mit einem Netz synchronisiert werden oder es kann zumindest annähernd die Betriebsdrehzahl der Antriebsmaschine angesteuert und diese anschließend mit dem Netz verbunden werden. Das System arbeitet in dieser ersten Phase im sogenannten Betriebsmodus I. Um das erforderliche Antriebsdrehmoment der Arbeitsmaschine möglichst gering zu halten, kann beispielsweise ein (hydraulischer) Kurzschluss oder ein Bypass im (hydraulischen) Kreislauf des angetriebenen Systems vorgesehen werden.

[0016] Phase 2: Sobald die Antriebsmaschine mit dem Netz verbunden ist, kann der zweite Wechselrichter mit dem zweiten Differenzialantrieb verbunden werden. Dieser regelt dann gemeinsam mit dem ersten Differenzialantrieb die Drehzahl des zweiten Antriebes des Differen zialsystems. Das System arbeitet in dieser zweiten Phase im sogenannten Betriebsmodus II, womit ein für die Arbeitsmaschine maximales Drehmoment bei maximaler Antriebsdrehzahl realisiert werden kann.

[0017] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

[0018] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die angeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: [0019] Fig. 1 das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Antrieb einer Pumpe gemäß

Stand der Technik, [0020] Fig. 1a ein Diagramm mit einem typischen Drehmomentverlauf einer Pumpe, [0021] Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialsystems für schnell laufende Arbeitsmaschinen, [0022] Fig. 3 ein Beispiel für die Drehzahl- und Leistungsparameter eines Differenzialsys tems gern. Fig. 2 und [0023] Fig. 4 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialsystems für langsam laufende Arbeitsmaschinen.

[0024] Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Triebstrang am Beispiel einer Pumpe. Diese Ausführungsform kommt bevorzugt bei schnell laufenden Arbeitsmaschinen zum Einsatz. Der dargestellte Triebstrang weist eine Arbeitsmaschine 1, eine Antriebswelle 2, eine Antriebsmaschine 4 und einen Differenzialantrieb 5 auf, welche mit den Ab- bzw. Antrieben eines Differenzialgetriebes 3 verbunden sind. Der Differenzialantrieb 5 ist mittels eines Wechselrichters 6 (bestehend aus vorzugsweise motorseitigem und netzseitigem Wechselrichter -hier vereinfacht als Einheit dargestellt) und eines Transformators 11 an ein Netz 12 angeschlossen.

[0025] Da in dem ausgeführten Beispiel die Arbeitsmaschine 1 mit einer Drehzahl betrieben wird, die deutlich über der synchronen Drehzahl der Antriebsmaschine 4 liegt, wird die Antriebswelle 2 mit dem Sonnenrad 8 als Abtrieb und die Antriebsmaschine 4 mit dem Hohlrad 7 als erstem Antrieb verbunden. Der Differenzialantrieb 5 ist mit dem Planetenträger 10 (als zweiten Antrieb) mit einem oder mehreren Planetenrädern 9 verbunden.

[0026] Der Planetenträger 10 kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig mit drehfest miteinander verbundenen Komponenten ausgeführt sein. Da das Drehmoment am Planetenträger 10 relativ hoch ist, ist es von Vorteil, eine Übersetzungsstufe 13, 14 zwischen dem Planetenträger 10 und dem Differenzialantrieb 5 zu implementieren. Dafür bietet sich z.B. eine Stirnradstufe an, wobei das Zahnrad 13 drehfest mit dem Planetenträger 10 und das Zahnrad 14 mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden ist.

[0027] Als Arbeitsmaschine 1 ist in den Figuren 1,2 und 4 beispielhaft symbolisch eine Pumpe dargestellt. Die hier und zu den folgenden Figuren beschriebenen Prinzipien sind jedoch auch bei Antrieben für Arbeitsmaschinen, wie z.B. Kompressoren, Ventilatoren, Förderbänder, Mühlen, Brecher, etc. oder Energiegewinnungsanlagen, z.B. Windkraftanlagen und dergleichen, anwendbar.

[0028] Eine Pumpe hat als Strömungsmaschine einen quadratischen Drehmomentverlauf, dem beim Anfahren bautypische Losbrechmomente aus der Lagerung der Triebstrangelemente etc. überlagert sind. Dies führt dazu, dass beim Anfahren zuerst ein Losbrechdrehmoment in der Höhe von z.B. 10% des Nenndrehmomentes der Arbeitsmaschine 1 zu überwinden ist. Mit steigender Drehzahl sinkt dann das erforderliche Antriebsdrehmoment (durch Wegfall des Losbrechdrehmomentes) und es stellt sich ein entsprechend der Arbeitsdrehzahl der Arbeitsmaschine 1 (etwa quadratisch) ansteigendes Drehmoment ein, welches bei Nenndrehzahl das Nenndrehmoment erreicht. Der beschriebene Drehmomentverlauf ist in Fig. 1a beispielhaft dargestellt.

[0029] Mit einer von der Antriebsmaschine 4 bestimmten Drehzahl des Hohlrades 7 und einer betriebsbedingt geforderten Drehzahl des Sonnenrades 8 ergibt sich zwangsläufig eine einzustellende Drehzahl bzw. ein einzustellendes Drehmoment am Planetenträger 10, welche vom Differenzialantrieb 5 zu regeln sind.

[0030] Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Antriebsmaschine 4 direkt, das heißt ohne aufwändige Leistungselektronik, an das Netz 12 angebunden werden kann, wobei der Ausgleich zwischen variabler Rotordrehzahl und fixer Drehzahl der netzgebundenen Antriebsmaschine 4 durch den drehzahlvariablen Differenzialantrieb 5 realisiert wird.

[0031] Die Drehmomentgleichung für das Differenzialsystem lautet: [0032] Der Größenfaktor y/x ist ein

Maß für die Übersetzungsverhältnisse im Differenzialgetriebe 3 und in der Übersetzungsstufe 13, 14. Das Drehmoment an den Ab- und Antrieben ist zueinander proportional, wodurch der Differenzialantrieb 5 das Drehmoment im gesamten Triebstrang regeln kann. Die Leistung des Differenzialantriebs 5 ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Drehzahl der Arbeitsmaschine 1 von deren Grunddrehzahl x Antriebswellenleistung. Die Grunddrehzahl ist dabei jene Drehzahl, welche sich an der Arbeitsmaschine einstellt, wenn der Differenzialantrieb 5 die Drehzahl gleich Null hat. Dementsprechend erfordert ein großer Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzialantriebes 5. Hat der Differenzialantrieb 5 beispielsweise eine Nennleistung von rund 20% der System-Gesamtleistung (Nennleistung der Arbeitsmaschine), bedeutet dies unter Ausnutzung eines typischen sogenannten Feldschwächebereichs des Differenzialantriebes 5, dass an der Arbeitsmaschine 1 minimale Arbeitsdrehzahlen von rd. 50% der Arbeits-Nenndrehzahl realisiert werden können. Darin ist auch der Grund zu sehen, warum Differenzialsysteme gemäß Stand der Technik für kleine Arbeitsdrehzahlbereiche besonders gut geeignet sind, wobei aber grundsätzlich jeder Arbeitsdrehzahlbereich realisierbar ist.

[0033] Fig. 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialsystems für schnell laufende Arbeitsmaschinen. Grundsätzlich ist das Differenzialgetriebe gleich aufgebaut wie in Fig. 1 beschrieben. Eine Übersetzungsstufe 13, 14 ist ebenfalls zwischen dem Planetenträger 10 und dem Differenzialantrieb 5 implementiert. Alternativ zur dargestellten Stirnradstufe 13, 14 kann die Übersetzungsstufe beispielsweise auch mehrstufig (gegebenenfalls mit mehreren Übersetzungsverhältnissen schaltbar/regelbar) sein bzw. als Zahnriemen, Kettentrieb oder mit einer Planetenstufe ausgeführt werden. In einer besonders in axialer Richtung des Differenzialsystems platzsparenden Variante kann vorzugsweise die Übersetzungsstufe 13, 14, 14a als Kegelradstufe ausgeführt werden.

[0034] Fig. 2 zeigt im Unterschied zu Fig. 1 zwei Differenzialantriebe 5, 5a mit jeweils einem Wechselrichter 6, 6a. Ebenso können auch mehr als zwei Differenzialantriebe bzw. Wechselrichter den Planetenträger 10 antreiben. Das zu übertragende Drehmoment der Übersetzungsstufe wird auf diese Differenzialantriebe verteilt. Die Differenzialantriebe 5, 5a können dabei gleichmäßig oder auch asymmetrisch über den Umfang des Planetenträgers 10 verteilt sein bzw. die gleiche oder eine unterschiedliche Leistung haben. Der Wechseltrichter 6a ist wahlweise entweder mit dem Differenzialantrieb 5a oder, bei verschiedener Spannung von Wechselrichter 6a und Antriebsmaschine 4, über einen Transformator 11a mit der Antriebsmaschine 4 verbindbar. Mittels eines Schalters 15 ist die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 verbindbar.

[0035] Mit Schaltern 16 bzw. 17 ist der Wechselrichter 6a mit dem Differenzialantrieb 5a oder mit der Antriebsmaschine 4 verbindbar.

[0036] In einer ersten Phase regelt der erste Wechselrichter 6 mittels des ersten Differenzialantriebes 5 die Drehzahl des zweiten Antriebes des Differenzialsystems (Planetenträger 10). Der zweite Wechselrichter 6a wird (direkt oder mittels eines Transformators 11a) mit der Antriebsmaschine 4 verbunden, welche in dieser Phase mit dem Schalter 15 vom Netz 12 getrennt ist. In dieser Konfiguration kann die Antriebsmaschine 4 mit dem Wechselrichter 6a drehzahlvaria- bei betrieben und in weiterer Folge mit dem Netz 12 synchronisiert werden.

[0037] Anstatt die Standardwicklung der Antriebsmaschine 4, wie beschrieben, mit dem Wechselrichter 6a zu verbinden, kann die Antriebsmaschine 4 auch eine Hilfswicklung mit vorzugsweise gleichem Spannungsniveau wie der Wechselrichter 6a haben. Als weitere Alternative kann ein mechanisch mit der Antriebsmaschine 4 verbundener Hilfsmotor (auch Ponymotor genannt) vom Wechselrichter 6a angetrieben werden und die Antriebsmaschine 4 anfahren, um sie mit dem Netz 12 synchronisieren zu können.

[0038] Ist die Antriebsmaschine 4 als Drehstrommaschine ausgeführt, so wird diese zum Synchronisieren vorzugsweise gemäß den anerkannten Regeln der Technik auf Synchrondrehzahl gebracht und dann mit dem Netz 12 synchronisiert. Anschließend wird der Schalter 15 geschlossen und somit die Antriebsmaschine 4 direkt mit dem Netz 12 verbunden.

[0039] Das System arbeitet in dieser ersten Phase im sogenannten Betriebsmodus I.

[0040] Phase 2: Sobald die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 verbunden ist, kann der Schalter 17 geöffnet und der zweite Wechselrichter 6a durch Schließen des Schalters 16 mit dem zweiten Differenzialantrieb 5a verbunden werden. Dieser regelt dann gemeinsam mit dem ersten Differenzialantrieb 5 die Drehzahl des zweiten Antriebes des Differenzialsystems. Das System arbeitet in dieser zweiten Phase im sogenannten Betriebsmodus II, womit ein für die Arbeitsmaschine 1 maximales Drehmoment bei maximaler Antriebsdrehzahl realisiert werden kann. Um in dieser zweiten Phase die Leerlaufverluste des Transformators 11a zu minimieren, kann ein zusätzlicher Trennschalter zwischen Transformator 11a und Antriebsmaschine 4 vorgesehen werden.

[0041] Mit dem beschriebenen zweiphasigen Verfahren (Betriebsmodus I für niedrigere Drehzahlen und Betriebsmodus II für höhere Drehzahlen) kann man das Differenzialsystem stufenlos über den ganzen Drehzahlbereich (0-100%) der Arbeitsmaschine 1 betreiben. Es ist auch möglich, im Betriebsmodus II den zweiten Wechselrichter 6a und somit auch den zweiten Differenzialantrieb 5a nicht zuzuschalten bzw. bei Bedarf den ersten oder zweiten Wechselrichter 6, 6a mit dem entsprechenden Differenzialantrieb 5, 5a abzukoppeln, z.B. wenn ein Defekt oder keine entsprechende Leistungsanforderung an den Antrieb vorliegt.

[0042] Das Umschalten vom Betriebsmodus II in den Betriebsmodus I erfolgt gegensinnig zu dem oben beschriebenen Ablauf.

[0043] Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Drehzahl- und Leistungsparameter eines Differenzialsystems gern. Fig. 2 mit den Leistungsflüssen der Arbeitsmaschine 1 [P(Arbeitsmaschine)], des Differenzialantriebs 5 [P (Differenzialantrieb)] und der Antriebsmaschine 4 [P(Antriebsmaschi-ne)] sowie der Drehzahl der Antriebsmaschine 4 [n(Antriebsmaschine)] aufgetragen über der Drehzahl der Arbeitsmaschine 4 [n/n(max)]. Der Leistungsfluss [P(Differenzialantrieb)] entspricht der gesamten Antriebsleistung für den zweiten Antrieb des Differenzialsystems.

[0044] Im Betriebsmodus I wird die Antriebsmaschine 4 mittels zweitem Wechselrichter 6a auf Synchrondrehzahl (im dargestellten Beispiel eine 4-polige Drehstrommaschine in einem 50Hz-Netz) gebracht. Der Leistungsfluss für die Antriebsmaschine 4 ist motorisch, der Leistungsfluss für den Differenzialantrieb 5 ist generatorisch. Am Übergang vom Betriebsmodus I in den Betriebsmodus II wird die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz verbunden. In weiterer Folge sind beide Differenzialantriebe 5, 5a in Betrieb und wechseln bei ca. 80% der Nenndrehzahl der Arbeitsmaschine 1 vom generatorischen in den motorischen Betrieb. Die Summe aus den Leistungen der Antriebsmaschine 4 und der Differenzialantriebe 5, 5a ist die resultierende Antriebsleistung für die Arbeitsmaschine 1.

[0045] Die Drehzahlregelung des zweiten Antriebes des Differenzialsystems bzw. die Aufteilung der erforderlichen Gesamtnennleistung zwischen den Differenzialantrieben 5, 5a bzw. den Wechselrichtern 6, 6a wird vorzugsweise so gewählt, wie dies zum Erreichen der Arbeitsdrehzahl der Arbeitsmaschine 1 und für die Synchronisation der Antriebsmaschine erforderlich ist. D.h. die Wechselrichter 6 und 6a bzw. der Differenzialantrieb 5 werden so ausgelegt, dass (a) die inhärenten Losbrechmomente eines Triebstranges überwunden werden können und (b) im Betriebsmodus I eine Arbeitsdrehzahl der Arbeitsmaschine 1 erreicht werden kann, welche im Bereich der unteren im Betriebsmodus II erreichbaren Arbeitsdrehzahl liegt.

[0046] Abhängig von der Drehmomentkennlinie der Arbeitsmaschine 1 und der Leistung des Differenzialantriebes 5 wird im Betriebsmodus I vorzugsweise ein Arbeitsdrehzahlbereich von etwa 40-50% der Arbeits- Nenndrehzahl der Arbeitsmaschine 1 realisiert.

[0047] Um das erforderliche Antriebsdrehmoment an der Arbeitsmaschine 1 in dieser Phase möglichst gering zu halten, kann beispielsweise ein hydraulischer Kurzschluss oder ein Bypass im hydraulischen Kreislauf des angetriebenen Systems vorgesehen werden.

[0048] Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialsystems für langsam laufende Arbeitsmaschinen. Das Prinzip leitet sich aus den Erläuterungen zu Fig. 2 ab.

[0049] Der wesentliche Unterschied zum Konzept gemäß Fig. 2 ist, dass der Differenzialantrieb 5 mit dem Sonnenrad 19 als zweitem Antrieb des Differenzialsystems (anstelle des Planetenträgers 10 in Fig. 2) und die Arbeitsmaschine 1 über eine Getriebevorstufe 20 mit dem Planetenträger 21 (anstelle des Sonnenrades 8 in Fig. 2) verbunden ist. Dabei ist hier beispielsweise der Differenzialantrieb 5 koaxial zur Antriebsmaschine 4 angeordnet. Um ein hohes Übersetzungsverhältnis im Differenzialgetriebe zu realisieren, können die Planetenräder 22 als Stufenplaneten ausgeführt oder eine Anpassungsgetriebestufe zwischen dem Sonnenrad 19 und dem Differenzialantrieb 5 implementiert werden. Die Antriebsmaschine 4 ist mit dem Hohlrad 18 des Differenzialgetriebes verbunden.

[0050] Als eine alternativ zu Fig. 2 mögliche Ausführungsform ist in Fig. 4 der Differenzialantrieb 5 mit zwei Wicklungssystemen ausgestattet, welche separat mit den Wechselrichtern 6 bzw. 6a verbindbar sind. Im Übrigen ist das Gesamtsystem in den wie schon zu Fig. 2 beschriebenen zwei Phasen bzw. Betriebsmodi betreibbar.

[0051] Es ist auch bei dieser Ausführungsform möglich, im Betriebsmodus II den zweiten Wechselrichter 6a und somit auch das zweite Wicklungssystem nicht zuzuschalten bzw. bei Bedarf den ersten oder zweiten Wechselrichter 6, 6a abzukoppeln, z.B. wenn ein Defekt oder keine entsprechende Leistungsanforderung an den Antrieb vorliegt.

[0052] Alternativ kann der Differenzialantrieb 5 auch nur mit einem Wicklungssystem ausgestattet sein, und die Wechselrichter 6 und 6b sind beide mit dieser Wicklung verbunden bzw. arbeiten alternativ, parallel oder in Serie.

[0053] Wie Fig. 2 und Fig. 4 zeigen, können in einem Differenzialsystem der erste und zweite Antrieb und der Abtrieb alternativ mit einem Hohlrad oder einem Planetenträger oder einem Sonnenrad verbunden werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante wird der Differenzialantrieb 5 mit dem Hohlrad, die Antriebsmaschine 4 mit dem Planetenträger und die Arbeitsmaschine 1 mit dem Sonnenrad des Differenzialgetriebes verbunden.

[0054] Eine weitere Ausprägungsmöglichkeit für z.B. langsam drehende Arbeitsmaschinen ergibt sich, indem man den Differenzialantrieb mit dem Planetenträger, die Antriebsmaschine mit dem Sonnenrad und die Arbeitsmaschine mit dem Hohlrad des Differenzialgetriebes verbindet. Weitere alternative Kombinationen sind ebenfalls von der Erfindung erfasst.

[0055] Vorzugsweise erlaubt man zugunsten einer Regelhysterese für den Übergang vom Betriebsmodus I in den Betriebsmodus II eine mehr oder weniger große Überlappung der Arbeitsdrehzahlbereiche. Will man die Differenzialantriebe 5 und 5a leistungsmäßig so klein wie möglich auslegen, kann man auch eine Arbeitsdrehzahllücke zwischen den Betriebsmodi I und II vorsehen. Dabei muss man jedoch beim Umschalten zwischen Betriebsmodus I und II Drehmoment- und Drehzahlsprünge in Kauf nehmen, welche man vorzugsweise regelungstechnisch oder auch mit Dämpfern und/oder Kupplungen und/oder hydrodynamischen Drehmomentwandlern mit zusätzlicher bzw. integrierter Arretierfunktion - z.B. einer Kupplung 23 - ausgleichen kann.

[0056] Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems bei einer Energiegewinnungs- anlage ist die Antriebsmaschine 4 eine elektrische Maschine, die im Wesentlichen im generatorischen Betrieb arbeitet. Demzufolge dreht sich der Leistungsfluss im gesamten Antriebsstrang im Vergleich zu den Darstellungen in den Fig. 1 bis 4 bzw. deren Beschreibung um.

[0057] Die Arbeitsmaschine 1 (z.B. der Rotor einer Windkraftanlage) treibt dabei z.B. den Planetenträger 10, 21 einer Differenzialstufe an. Die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 beschriebene Antriebsmaschine 4 wird im Arbeitsbetriebsbereich als Generator betrieben. Die über die Wechselrichter 6 und 6a mit dem Netz 12 verbundenen Differenzialantriebe 5 und 5a sind mit dem zweiten Antrieb des Differenzialgetriebes verbunden, arbeiten jedoch im niedrigeren Drehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 motorisch und im höheren Drehzahlbereich generatorisch.

[0058] Wird das Differenzialsystem für eine sogenannte Pumpturbine (Arbeitsmaschine arbeitet zeitweise als Turbine und zeitweise als Pumpe) verwendet, kann mit dem erfindungsgemäßen System sowohl ein generatorischer (Turbine) als auch ein motorischer (Pumpe) Betrieb realisiert werden, wobei stufenlos von einer Betriebsart in die andere umgeschaltet werden kann.

[0059] Das erfindungsgemäße System kann auch dazu verwendet werden, die Antriebsmaschine 4 im Phasenschiebebetrieb zu betreiben. D.h., dass die Antriebsmaschine 4 Blindstrom in das bzw. aus dem Netz 12 liefern bzw. beziehen kann, ohne dass die Arbeitsmaschine 1 betrieben wird. Dabei wird die Antriebsmaschine 4 vorzugsweise mit dem Wechselrichter 6a bloß mit dem Netz 12 synchronisiert und verbunden, und der Differenzialantrieb 5 vorzugsweise durch Öffnen der Kupplung 23 vom zweiten Antrieb des Differenzialsystems getrennt.

Claims (20)

1. Ansprüche

   1. Triebstrang mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren Frequenzumrichter (6a), der abwechselnd mit wenigstens einem weiteren Differenzialantrieb (5a) und mit der Antriebsmaschine (4) verbindbar ist.
2. 2. Triebstrang mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, gekennzeichnet durch einen weiteren Frequenzumrichter (6a), der abwechselnd mit dem Differenzialantrieb (5) und mit der Antriebsmaschine (4) verbindbar ist.
3. 3. Triebstrang mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren Frequenzumrichter (6a), der abwechselnd mit wenigstens einem weiteren Differenzialantrieb (5a) und mit einem Hilfsmotor zum Anfahren der Antriebsmaschine (4) verbindbar ist.
4. 4. Triebstrang mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, gekennzeichnet durch einen weiteren Frequenzumrichter (6a), der abwechselnd mit dem Differenzialantrieb (5) und mit einem Hilfsmotor zum Anfahren der Antriebsmaschine (4) verbindbar ist.
5. 5. Triebstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine Hilfswicklung mit gleicher Spannung wie der weitere Frequenzumrichter (6a) aufweist.
6. 6. Triebstrang nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) mit zwei Wicklungssystemen ausgestattet ist und dass das eine Wicklungssystem mit dem einen Frequenzumrichter (6) verbunden und das zweite Wicklungssystem mit dem weiteren Frequenzumrichter (6a) verbindbar ist.
7. 7. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Antrieb und dem Differenzialantrieb (5) bzw. dem weiteren Differenzialantrieb (5a) eine Übersetzungsstufe (13, 14, 14a), vorzugsweise eine Kegelradstufe, angeordnet ist.
8. 8. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) mittels eines Schalters (15) mit dem Netz (12) verbindbar ist und dass der weitere Frequenzumrichter (6a) mit Schaltern (16, 17) entweder mit dem Differenzialantrieb (5) bzw. dem weiteren Differenzialantrieb (5a) oder mit der Antriebsmaschine (4) verbindbar ist.
9. 9. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (1) eine Fördereinrichtung, wie z.B. eine Pumpe, eine Pumpturbine, ein Kompressor, ein Ventilator, eine Mühle, ein Brecher, ein Fahrzeug oder ein Rotor einer Energiegewinnungsanlage, wie z.B. eine Windkraftanlage, Wasserkraftanlage oder dergleichen, ist.
10. 10. Triebstrang nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Kurzschluss oder Bypass im hydraulischen Kreislauf des angetriebenen Systems, um das Drehmoment in der Arbeitsmaschine (1) möglichst gering zu halten.
11. 11. Triebstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Frequenzumrichter (6a) über einen Transformator (11, 11a) entweder mit dem Netz (12) oder mit der Antriebsmaschine (4) verbunden ist.
12. 12. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Kupplung (23), über welche der Differenzialantrieb (5) und ggf. der weitere Differenzialantrieb (5a) mit dem zweiten Antrieb verbunden ist.
13. 13. Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass von einem ersten Betriebsmodus, bei dem wenigstens ein weiterer Frequenzumrichter (6a) mit der Antriebsmaschine (4) verbunden ist, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der weitere Frequenzumrichter (6a) mit wenigstens einem weiteren Differenzialantrieb (5a) verbunden ist, umgeschaltet wird.
14. 14. Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass von einem ersten Betriebsmodus, bei dem ein weiterer Frequenzumrichter (6a) mit der Antriebsmaschine (4) verbunden ist, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der weitere Frequenzumrichter (6a) mit dem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, umgeschaltet wird.
15. 15. Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass von einem ersten Betriebsmodus, bei dem wenigstens ein weiterer Frequenzumrichter (6a) mit einem Hilfsmotor zum Anfahren der Antriebsmaschine (4) verbunden ist, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der weitere Frequenzumrichter (6a) mit wenigstens einem weiteren Differenzialantrieb (5a) verbunden ist, umgeschaltet wird.
16. 16. Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges mit einer Antriebswelle (2), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen, elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzialantrieb (5) verbunden ist, der mittels eines Frequenzumrichters (6) mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass von einem ersten Betriebsmodus, bei dem ein weiterer Frequenzumrichter (6a) mit einem Hilfsmotor zum Anfahren der Antriebsmaschine (4) verbunden ist, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der weitere Frequenzumrichter (6a) mit dem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, umgeschaltet wird.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) mit dem Stromnetz synchronisiert wird, bevor sie an das Stromnetz (12) geschaltet wird.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) im ersten Betriebsmodus über den weiteren Frequenzumrichter (6a) drehzahlvariabel betrieben wird.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird, indem der weitere Frequenzumrichter (6a) vom Differenzialantrieb (5) bzw. vom weiteren Differenzialantrieb (5a) getrennt und mit der Arbeitsmaschine (4) verbunden wird.
20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) im Phasenschiebebetrieb betrieben wird, indem die Antriebsmaschine (4) vorzugsweise mittels des weiteren Frequenzumrichters (6a) mit dem Stromnetz (12) synchronisiert und verbunden wird.