AT516180A4 - Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges und Antrieb hierfür - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einem Antrieb zum Anfahren eines Triebstranges mit einer Arbeitsmaschine (1), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine (1), ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, wird Arbeitsmaschine (1)Arbeitsmaschine (1) die Antriebsmaschine (4) auf eine Betriebsdrehzahl beschleunigt, während eine mit dem Differenzialantrieb (5) verbundene Welle (14) vom zweiten Antrieb getrennt ist. Die Arbeitsmaschine (1) wird beschleunigt, indem die Drehzahl des bis dahin ungebremsten zweiten Antriebs mittels einer Synchronisationseinrichtung (15) mit der mit dem Differenzialantrieb (5) verbundenen Welle (14) synchronisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges miteiner Arbeitsmaschine, einer Antriebsmaschine und mit einemDifferenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtriebmit der Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschineund ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Antrieb zum Ausführen einessolchen Verfahrens mit einer Arbeitsmaschine, einer Antriebsmaschineund mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobeiein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine, ein Antrieb mit derAntriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantriebverbunden ist

Ein immer häufiger gestellte Anforderung an Arbeitsmaschinen, wieFördereinrichtungen (z.B. Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren undFörderbänder), oder wie Mühlen, Brecher usw., für welche die Erfindungbesonders geeignet ist, ist ein effizienter drehzahlvariabler Betrieb,bzw. das Anfahren unter Last. Dies wird von z.B. netzgekoppeltenelektrischen Maschinen, aber auch Verbrennungskraftmaschinen kaumerfüllt, da diese meist ein geringes Anfahrmoment und eine fixeDrehzahl bzw. einen eingeschränkten Drehzahlbereich haben undVerbrennungskraftmaschinen darüber hinaus unter Last schwerhochstarten können.

Im Weiteren werden v.a. elektrische Maschinen als Beispiel fürAntriebsmaschinen herangezogen, das erfindungsgemäße Prinzip ist aberfür alle möglichen Arten von Antriebsmaschinen, so wie z.B. auch fürVerbrennungskraftmaschinen einsetzbar.

Die heute am häufigsten eingesetzten elektrischen Antriebe sindDrehstrommaschinen wie z.B. Asynchronmotoren und Synchronmotoren.

Trotz hoher elektrischer Leistungsaufnahme sind Drehstrommaschinen beiStillstand nicht im Stande, diese Leistung vollständig mechanischabzugeben, was sich in hohen Verlusten und einem geringen Anfahrmomentwiederspiegelt. Dabei zieht eine Drehstrommaschine beim Start vonDrehzahl Null aus typischerweise einen etwa 7- bis 10-fachen

Nennstrom, was während des Anfahrvorganges eine entsprechend hoheelektrische Last für das Stromnetz verursacht.

Elektrische Maschinen werden daher teilweise auch aus diesem Grund,anstatt direkt an ein Netz angeschlossen zu werden, häufig inKombination mit einem Frequenzumrichter als drehzahlvariabler Antriebausgeführt. Damit kann man zwar ein Anfahren von Drehzahl Nullrealisieren ohne das Netz zu belasten bzw. einen drehzahlvariablenBetrieb eines Antriebssystems realisieren, die Lösung ist jedoch teuerund mit wesentlichen Wirkungsgradeinbußen verbunden. Eine im Vergleichdazu kostengünstigere und auch bezüglich Wirkungsgrad bessereAlternative ist der Einsatz von Differenzialsystemen - beispielsweisegemäß AT 507394 A. Grundsätzliche Einschränkung hierbei ist jedoch,dass abhängig vom Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes nurein relativ kleiner Drehzahlbereich an der Antriebswelle einerArbeitsmaschine erreicht werden kann.

Um dies zu umgehen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß deutschemGebrauchsmuster DE 20 2012 101 708 U beispielsweise wird dasÜbersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festgelegt. Aufdieser Basis kann man mit dem Differenzialantrieb den komplettenTriebstrang antreiben bzw. die Antriebsmaschine auf Synchrondrehzahlbringen und diese in weiterer Folge mit dem Netz synchronisieren.

Nachteil dieser Lösung ist, dass der Differenzialantrieb bzw. dessenFrequenzumrichter wesentlich kleiner als die Antriebsmaschinedimensioniert ist und daher auch nur ein entsprechend kleinesDrehmoment liefern kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, mit der manAntriebsmaschinen frei von äußeren Lasten mit einem Netz verbinden undzusätzlich die Arbeitsmaschine von Drehzahl Null weg anfahren kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen desAnspruchs 1.

Gelöst wird diese Aufgabe des Weiteren mit einem Antrieb mit denMerkmalen des Anspruchs 12.

Der Kern eines Differenzialsystems ist ein Differenzialgetriebe, dasin einer einfachen Ausführung eine einfache Planetengetriebestufe mitdrei An- bzw. Abtrieben sein kann, wobei ein Abtrieb mit einerArbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit einer Antriebsmaschine und einzweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist. Damitkann die Arbeitsmaschine bei konstanter Drehzahl, bzw. im Falle einerVerbrennungskraftmaschine mit eingeschränktem Drehzahlbereich oderoptimaler Drehzahl, drehzahlvariabel betrieben werden, indem derDifferenzialantrieb die entstehende Drehzahldifferenz ausgleicht.

Um die Antriebsmaschine vom Stillstand aus vorzugsweise aufSynchrondrehzahl hochzufahren und zusätzlich die Arbeitsmaschine mithohem Drehmoment von Drehzahl Null anzufahren, kann das Anlaufenerfindungsgemäß wie folgt in z.B. drei Phasen stattfinden:

Phase 1: Die Antriebsmaschine wird entweder direkt (vorzugsweise mitsogenannter Stern/Dreieck-Schaltung) ans Netz geschaltet oderalternativ (in einer besonders netzschonenden Methode) zuerst miteiner zusätzlichen Einrichtung (z.B. mittels parallel geschaltetemFrequenzumrichter) hochgefahren und anschließend mit dem Netzsynchronisiert und verbunden. Im Falle einer Verbrennungskra'ftmaschinewird diese gestartet und hochgefahren bzw. mit dem Differenzialantriebgestartet (im Bedarfsfall mit einer auf die Arbeitsmaschine wirkendenRücklaufsperre oder Bremse).

Phase 2: Sobald die Antriebsmaschine mit dem Netz synchronisiert bzw.in ihrem -Betriebsdrehzahlbereich ist, wird der Differenzialantriebvorzugsweise auf eine maximal mögliche Drehzahl beschleunigt.

Phase 3: Da jetzt das volle Drehmoment der Antriebsmaschine zurVerfügung steht und die Drehzahldifferenz zwischen zweitem Antrieb undDifferenzialantrieb ein auslegungsspezifisches Minimum erreicht hat,beginnt in dieser dritten Phase der Anfahrvorgang der Arbeitsmaschine,indem der bis dahin ungebremste zweite Antrieb des

Differenzialgetriebes mittels einer Synchronisationseinrichtung,insbesondere einer Synchronisationskupplung, mit demDifferenzialantrieb synchronisiert bzw. verbunden wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand derUnteransprüche.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mitBezug auf die angeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Antrieb einerPumpe gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 die Drehzahl- und Leistungsparameter eines Differenzialsystemseiner Pumpe,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einesDifferenzialsystems,

Fig. 4 die sich daraus ergebenden Drehzahlparameter einesDifferenzialsystems beim Anlaufen einer Pumpe.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Differenzialsystems für einenTriebstrang am Beispiel einer Pumpe. Dabei ist die Arbeitsmaschine 1der Rotor einer Pumpe, welcher über ein Differenzialgetriebe 3 voneiner Antriebsmaschine 4 angetrieben wird. Die Antriebsmaschine 4 istvorzugsweise eine Mittelspannungs-Drehstrommaschine, welche an einNetz 12, welches im gezeigten Beispiel aufgrund der Mittelspannungs-Drehstrommaschine ein Mittelspannungsnetz ist, angeschlossen wird. Dasgewählte Spannungsniveau hängt jedoch vom Einsatzfall und vor allemdem Leistungsniveau der Antriebsmaschine 4 ab und kann ohne Einflussauf die Grundfunktion des Systems jedes gewünschte Spannungsniveauhaben. Entsprechend der Polpaarzahl der Antriebsmaschine 4 ergibt sichein bauartspezifischer Betriebsdrehzahlbereich. Der

Betriebsdrehzahlbereich ist dabei jener Drehzahlbereich, in dem dieAntriebsmaschine 4 ein definiertes bzw. gewünschtes bzw.erforderliches Drehmoment liefern bzw. im Falle einer elektrischenAntriebsmaschine am Netz 12 betrieben werden kann.

Ein Planetenträger 7 ist mit der Antriebswelle 2 verbunden, dieAntriebsmaschine 4 mit einem Hohlrad 8 und ein Sonnenrad 9 desDifferenzialgetriebes 3 mit einem Differenzialantrieb 5. Der Kern desDifferenzialsystems ist in dieser Ausführungsform somit eine einfachePlanetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtriebmit der Arbeitsmaschine 1, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine4 und ein zweiter Antrieb mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden ist.

Um den Drehzahlbereich des Differenzialantriebes 5 optimal anpassen zukönnen, kann ein Anpassungsgetriebe 10 zwischen dem Sonnenrad 9 unddem Differenzialantrieb 5 implementiert werden. Alternativ zurgezeigten Stirnradstufe kann das Anpassungsgetriebe 10 beispielsweiseauch mehrstufig sein bzw. als Zahnriemen oder Kettentrieb ausgeführtund/oder mit einer oder mehreren Planetengetriebestufen kombiniertbzw. ausgeführt werden. Mit dem Anpassungsgetriebe 10 kann man darüberhinaus einen Achsversatz für den Differenzialantrieb 5 realisieren,der aufgrund der beispielhaft gezeigten koaxialen Anordnung derArbeitsmaschine 1 und der Antriebsmaschine 4 eine einfache Ausführungdes Differenzialantriebes 5 ermöglicht. Mit dem Differenzialantrieb 5ist eine Motorbremse 13 verbunden, welche den Differenzialantrieb 5bei Bedarf bremst. Elektrisch ist der Differenzialantrieb 5 mittelsvorzugsweise eines Niederspannungs-Frequenzumrichters, bestehend auseinem motorseitigen Wechselrichter 6a und einem netzseitigenWechselrichter 6b, und einem Transformator 11 an das Netz 12angebunden. Der Transformator gleicht allfällige vorhandeneSpannungsdifferenzen zwischen dem Netz 12 und dem netzseitigenWechselrichter 6b aus und kann bei Spannungsgleichheit zwischen derAntriebsmaschine 4, dem netzseitigen Wechselrichter 6b und dem Netz 12entfallen. Die Wechselrichter 6a und 6b sind durch einenGleichstromzwischenkreis verbunden und können bei Bedarf örtlichgetrennt sein, wobei vorzugsweise der motorseitige Wechselrichter 6aso nah wie möglich beim Differenzialantrieb 5 positioniert ist.Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Antriebsmaschine 4direkt, das heißt ohne aufwändige Leistungselektronik, an ein Netz 12angebunden werden kann. Der Ausgleich zwischen variabler Rotordrehzahlund fixer Drehzahl der netzgebundenen Antriebsmaschine 4 wird durchden drehzahlvariablen Differenzialantrieb 5 realisiert.

Die Drehmomentgleichung für das Differenzialsystem lautet:

Drehmomentcifferenzialantrieb — Drehmomentarbeitsmaschine * Y / X/ wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für die Übersetzungsverhältnisse imDifferenzialgetriebe 3 und im Anpassungsgetriebe 10 ist. Entsprechendproportional verhalten sich auch die Drehmomente an den drei An- bzw.Abtrieben. Die Leistung des Differenzialantriebs 5 entspricht imWesentlichen dem Produkt aus prozentueller Abweichung derPumpendrehzahl von deren Grunddrehzahl x Arbeitsmaschinen-Leistung.

Die Grunddrehzahl („T" in Fig. 2) ist jene Drehzahl des Abtriebes desDifferenzialgetriebes 3, bei der der Differenzialantrieb 5 dieDrehzahl Null hat. Dementsprechend erfordert ein großerDrehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierungdes Differenzialantriebs 5. Darin ist auch der Grund zu sehen, warumDifferenzialsysteme für kleine Drehzahlbereiche besonders gut geeignetsind, wobei aber grundsätzlich jeder Drehzahlbereich realisierbar ist.

Ein Differenzialantrieb 5 für eine Pumpe als Arbeitsmaschine 1 hatbeispielsweise eine Leistung von rund 15% der System-Gesamtleistung.Das wiederum bedeutet, dass mit dem Differenzialsystem keine niedrigenDrehzahlen an der Arbeitsmaschine 1 realisiert werden können. Muss dieArbeitsmaschine 1 von Drehzahl Null in ihren Arbeitsdrehzahlbereich(dies ist der Drehzahlbereich, in dem die Arbeitsmaschine 1 imWesentlichen arbeitet) gebracht werden, so kann dies realisiertwerden, indem z.B. der Differenzialantrieb 5 eingebremst (entwederelektrisch oder mittels Motorbremse 13) und die Antriebsmaschine 4 andas Netz geschaltet wird. Die Antriebsmaschine 4 wiederum kann aus demStand das erforderliche Drehmoment nur schwer aufbringen, bzw. ziehtsie einen bis zu 10-fachen Nennstrom, um annähernd aufSynchrondrehzahl zu beschleunigen. Durch Einsatz einer sogenanntenStern/Dreieck-Schaltung kann man zwar den Hochfahrstrom reduzieren,reduziert damit jedoch auch das realisierbare Hochfahrmoment.

Die Motorbremse 13 kann auch dazu verwendet werden, denDifferenzialantrieb 5 vor Überdrehzahl zu schützen, wenn z. ,B. dieAntriebsmaschine 4 und der Differenzialantrieb 5 ausfallen und inweiterer Folge die Arbeitsmaschine 1 anhält oder gegen ihre

Arbeitsdrehrichtung dreht. Die Arbeitsdrehrichtung ist dabei jeneDrehrichtung, in die die Arbeitsmaschine 1 bestimmungsgemäß bzw.üblicherweise dreht.

Der Differenzialantrieb 5 ist hier als Drehstrommaschine beschrieben.Hierbei bieten sich mehrere Varianten an, wie z.B. die robusten undkostengünstigen Asynchronmaschinen und die fremd- oderpermanenterregten Synchronmaschinen. Letztere sind zwar üblicherweiseetwas teurer, haben jedoch einen besseren Wirkungsgrad und bauenkleiner bzw. leichter.

Anstelle des Differenzialantriebes 5 und dem Wechselrichter 6a, 6bkann auch ein hydrostatisches Stellgetriebe eingesetzt werden. Dabeiwird der Differenzialantrieb 5 durch eine hydrostatische Pumpe/Motor-Kombination ersetzt, welche mit einer Druckleitung verbunden undwelche beide vorzugsweise im Durchflussvolumen verstellbar sind. Damitsind wie im Falle eines drehzahlvariablen elektrischenDifferenzialantriebes die Drehzahlen regelbar. Dies gilt analog auchfür den Einsatz von hydrodynamischen Wandlern als Differenzialantrieb5.

Fig. 2 zeigt die Drehzahl- und Leistungsparameter einesDifferenzialsystems am Beispiel einer Pumpe. Die Darstellung zeigtLeistungs- und Drehzahlwerte für eine Arbeitsmaschine 1, eineAntriebsmaschine 4 und einen Differenzialantrieb 5 jeweils aufgetragenüber der Drehzahl der Arbeitsmaschine 1 („Pumpendrehzahl"). DieAntriebsmaschine 4 ist mit dem Netz 12 verbunden und damit ist ihreDrehzahl („Motordrehzahl") konstant - in dem gezeigten Beispiel ca.1.500 1/min für eine vierpolige Drehstrommaschine in einem 50 Hz-Netz.Der Arbeitsdrehzahlbereich für die Arbeitsmaschine 1 geht von 68 % bis100 %, wobei bei 100 % der gewählte Nennpunkt ist. Entsprechend demÜbersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3 und desAnpassungsgetriebes 10 geht die Drehzahl des Differenzialantriebes 5(„Servodrehzahl") von -2.000 1/min bis 1.500 1/min. Dies bedeutet,dass der Differenzialantrieb 5 generatorisch (-) und motorisch (+)betrieben wird. Da die maximal erforderliche Leistung desDifferenzialantriebes 5 („Servoleistung") im generatorischen (-)Bereich (cä. 110kW) geringer als die im motorischen (+) Bereich (ca. 160kW) ist, kann der Differenzialantrieb 5 im generatorischen (-)Bereich im sogenannten Feldschwächebereich betrieben werden, womit fürden Differenzialantrieb 5 eine höhere Drehzahl - jedoch mitreduziertem Drehmoment - realisierbar ist. Damit kann auf einfacheWeise der Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 erweitertwerden. Der Punkt „T" in Fig. 2 markiert die sogenannte„Grunddrehzahl'' der Arbeitsmaschine 1, bei der die Drehzahl desDifferenzialantriebes 5 gleich Null ist.

Im motorischen (+) Bereich des Kennfeldes wird die Arbeitsmaschine 1parallel von der Antriebsmaschine 4 und dem Differenzialantrieb 5angetrieben. Die Summe beider Leistungen ist die Antriebsleistung fürdie Arbeitsmaschine 1 („Systemleistung") - abzüglich anfallenderSystemverluste. Im generatorischen (-) Bereich muss dieAntriebsmaschine 4 die Leistung des Differenzialantriebes 5(„Servoleistung") kompensieren, wodurch die Systemgesamtleistung(„Systemleistung") die Antriebsleistung der Antriebsmaschine 4(„Motorleistung") abzüglich der Leistung des Differenzialantriebes 5ist. D.h., dass wirkungsgradmäßig der motorische (+) Bereich besserist. Dies passt sehr gut zur dargestellten beispielhaftenHäufigkeitsverteilung („Wahrscheinlichkeit") der Lastverteilung imDauerbetrieb der Anlage, welche einen Großteil der Betriebsdauer immotorischen (+) Bereich zeigt. Betriebsbedingt ist jedoch auch einBetrieb bei kleineren Pumpendrehzahlen möglich, wobei hier dieanteilige Verweildauer mit abnehmender Pumpendrehzahl stark abnimmt.

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass, umso näher die Pumpendrehzahl(„Pumpendrehzahl") bei der Grunddrehzahl „T" liegt, umso kleiner derLeistungsfluss über den Differenzialantrieb 5 und somit auch derSystemgesamtwirkungsgrad sehr hoch ist. Da mit zunehmenderPumpendrehzahl auch die erforderliche Antriebsleistung steigt, kannjedoch im Vergleich zu einem Antrieb gemäß Stand der Technik durch denparallelen Antrieb der Antriebsmaschine 4 und desDifferenzialantriebes 5 die erforderliche Leistung derAntriebsmaschine 4 um die Leistung des Differenzialantriebes 5reduziert, bzw. bei vorhandener Antriebsmaschine 4 dieSystemgesamtleistung um die Leistung des Differenzialantriebes 5erhöht werden.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einesDifferenzialsystems. Der gezeigte Triebstrang weist auch hier wie inFig. 1 eine Arbeitsmaschine 1, ein Differenzialgetriebe 3, eineAntriebsmaschine 4 und eine Differenzialantrieb 5 auf, welcher mittelseines Frequenzumrichter 6 (bestehend aus motorseitigem undnetzseitigen Wechselrichter - hier vereinfacht als Einheitdargestellt) und eines Transformators 11 an das Netz 12 angeschlossenist. Auch hier wird der Differenzialantrieb 5 mittels einesAnpassungsgetriebes 10 an das Differenzialgetriebe 3 angebunden.Zusätzlich wird jedoch zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antriebdes Differenzialgetriebes 3 eine Synchronisationseinrichtung,insbesondere eine Synchronisationskupplung 15, implementiert.

Als Arbeitsmaschine 1 ist auch hier beispielhaft eine Pumpedargestellt. Das hier beschriebene Konzept ist jedoch auch beiAntrieben für Arbeitsmaschinen wie z.B. Kompressoren, Ventilatoren undFörderbänder, Mühlen, Brecher, etc. oder Energiegewinnungsanlagen unddergleichen anwendbar.

Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems bei einerEnergiegewinnungsanlage arbeitet die Antriebsmaschine 1 imWesentlichen im generatorischen Betrieb und demzufolge dreht sich derLeistungsfluss im gesamten Antrieb im Vergleich zur Darstellung inFig. 2 um.

Beim Anfahren wird in dieser Ausführungsform der Erfindung in einemersten Schritt der Differenzialantrieb 5 mit dem Anpassungsgetriebe 10durch die Synchronisationskupplung 15 vom Rest des Triebstrangesentkoppelt. Wird nun die Antriebsmaschine 4 hochgefahren und mit demNetz verbunden, so dreht das Sonnenrad 9 frei mit und es kann sich imgesamten Triebstrang kein nennenswertes Drehmoment aufbauen. Somitverbleibt die Arbeitsmaschine 1 in einem Bereich kleiner Drehzahl unddie Antriebsmaschine 4 kann ohne nennenswertes äußeres Gegenmomenthochgefahren und mit dem Netz 12 synchronisiert und verbunden werden.Um ein allfälliges Drehen der Arbeitsmaschine 1 gegen derenArbeitsdrehrichtung zu verhindern, kann vorzugsweise eine auf die

Arbeitsmaschine 1 wirkende Rücklaufsperre bzw. alternativ z.B. eineBremse implementiert werden.

Um den oben beschriebenen Effekt des hohen Anfahrstromes beimSynchronisieren der Antriebsmaschine 4 zu vermeiden, kann entwedereine Stern/Dreieck-Schaltung oder ein sogenannter Sanftanlauf (mitz.B. sogenannten phasenanschnittgesteuerten Thyristoren) implementiertwerden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, kann dieAntriebsmaschine 4 durch einen mit der Antriebsmaschine 4 verbundenen„Hilfsantrieb" 2 auf (annähernd) Synchrondrehzahl gebracht undanschließend mit dem Netz 12 synchronisiert und verbunden werden.Dabei verbleibt im Falle einer Asynchronmaschine eine im Vergleich zueinem Startverfahren von Drehzahl Null weg wesentlich geringereEinschaltstromspitze. Vor allem beträgt die Dauer dieserEinschaltstromspitze nur wenige Netzperioden. Maßnahmen, um diesenverbleibenden Einschaltstrom zu reduzieren, sind beispielsweise einkleiner Trenntrafo zum Vormagnetisieren über einen Bypass, oder einsogenannter Thyristorsteller mit geringer Leistung. Das beschriebeneProblem des Einschaltstromes stellt sich nicht bei z.B. fremderregtenSynchrongeneratoren, da diese eine Erregereinheit haben.

Der Hilfsantrieb 2, sofern dieser als z.B. eine Drehstrommaschine oderals integrierte (Zusatz-)Wicklung der Antriebsmaschine 4 ausgeführtist, kann bei Bedarf auch vom Frequenzumrichter 6 angetrieben werden,welcher zu diesem Zweck vom Differenzialantrieb 5 getrennt und mit demHilfsantrieb 2 zu einem drehzahlvariablen Antrieb verbunden wird.Sobald die Antriebsmaschine 4 am Netz ist, wird der Frequenzumrichter6 wieder mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden.

Eine Verbesserung erzielt man z.B. auch, indem man anfangs dieSynchronisationskupplung nicht öffnet und der Differenzialantrieb 5 zuBeginn des Anfahrprozesses auf seine maximal mögliche Betriebsdrehzahlgebracht wird. Aufgrund äußerer Lasten verbleibt währenddessen dieArbeitsmaschine 1 in einem Bereich kleiner Drehzahl bzw. wird eineDrehung der Arbeitsmaschine 1 entgegen ihre Arbeitsdrehrichtung beiBedarf mittels Rücklaufsperre bzw. alternativ z.B. einer Bremseverhindert. Dadurch wird die Antriebsmaschine 4 auf eine Drehzahl gebracht, welche sich entsprechend der Drehzahl der Arbeitsmaschine 1einerseits und dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3und eines evtl. vorhandenen Anpassungsgetriebes 10 andererseitseinstellt. Anschließend wird die Synchronisationskupplung 15 geöffnet,während die Antriebsmaschine 4 vorzugsweise mit sogenannter

Stern/Dreieck-Schaltung oder Sanftanlauf ans Netz 12 geschaltet wird.

Eine alternative Methode zur stoßfreien Netzsynchronisation derelektrischen Antriebsmaschine 4 wäre in diesem Fall bei geöffneterSynchronisationskupplung 15 einerseits den Frequenzumrichter 6 vomDifferenzialantrieb 5 und andererseits die Antriebsmaschine 4 vom Netz12 zu trennen. In weiterer Folge kann man die Antriebsmaschine 4 mitdem Frequenzumrichter 6 verbinden und damit die Antriebsmaschine 4 mitdem Netz 12 synchronisieren und verbinden. Damit kann die

Antriebsmaschine 4 stoßfrei an ein Netz 12 geschaltet werden.Abschließend wird der Frequenzumrichter 6 von der Antriebsmaschine 4getrennt und (wieder) mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden.

Sobald die Antriebsmaschine 4 hochfährt und die Arbeitsmaschine 1 sichwährenddessen nicht oder nur langsam dreht, stellt sich am Sonnenrad 9eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes3 hohe Drehzahl ein, welche meist (unter Berücksichtigung desAnpassungsgetriebes 10) über dem zulässigen Regeldrehzahlbereich desDifferenzialantriebes 5 liegt. Der Regeldrehzahlbereich ist derDrehzahlbereich, in dem der Differenzialantrieb 5 arbeitet, um denArbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 realisieren zu können.

Dazu werden die Übersetzungsverhältnisse des Differenzialgetriebes 3und des Anpassungsgetriebes 10 vorzugsweise so gewählt, dass derDifferenzialantrieb 5 elektrisch/mechanisch optimal ausgenutzt wird.

Die elektrischen/mechanischen Grenzen werden dabei vor allem durch dievom Hersteller spezifizierten Spannungs-, Strom- und Drehzahlgrenzenbestimmt.

In dieser Phase ist der Differenzialantrieb 5 aufgrund der geöffnetenSynchronisationskupplung 15 vom Sonnenrad 9 getrennt. In einemweiteren Schritt wird der Differenzialantrieb 5 bevorzugt auf seinemaximal mögliche Drehzahl (entsprechend dem für das Anfahren der

Arbeitsmaschine 1 erforderliche Drehmoment) beschleunigt, mit dem Zieldie Drehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antriebdes Differenzialgetriebes 3 zu minimieren.

Der Differenzialantrieb 5 wird dabei bevorzugt auf eine Drehzahlbeschleunigt, die in seinem Regeldrehzahlbereich liegt. Die Drehzahldes Differenzialantriebs 5 kann vor dem Synchronisieren aber auch überseinem Regeldrehzahlbereich liegen, wobei der Differenzialantrieb 5dann aber nur ein geringeres Bremsmoment aufbringen kann, um dieArbeitsmaschine 1 zu beschleunigen. Wenn das Bremsmoment desDifferenzialantriebs 5 (innerhalb und/oder außerhalb desRegeldrehzahlbereichs) nicht ausreichend groß ist, um dieArbeitsmaschine 1 mit ausreichender Sicherheit bzw. Reserven zubeschleunigen, kann zusätzlich eine auf die Welle 14 wirkendemechanische, elektrische oder hydraulische Bremse, beispielsweise eineMotorbremse für den Differenzialantrieb (5), vorgesehen sein.

In weiterer Folge wird die Synchronisationskupplung 15 geschlossen unddamit die Drehzahl des bis dahin ungebremsten zweiten Antriebs desDifferenzialgetriebes 3 mit der Drehzahl der Welle 14 synchronisiert.Nach Beendigung dieses Vorganges haben der zweite Antrieb desDifferenzialgetriebes 3 und die Welle 14 die gleiche Drehzahl und derDifferenzialantrieb 5 arbeitet in seinem Regeldrehzahlbereich (unddemzufolge die Arbeitsmaschine 1 in ihrem Arbeitsdrehzahlbereich), dadurch Betätigung der Synchronisationskupplung 15 die Arbeitsmaschine 1zwangsläufig angefahren wird. Das dazu zur Verfügung stehendeDrehmoment wird durch das Minimum aus der auf die Arbeitsmaschine 1wirkenden Bremskraft der Synchronisationskupplung 15, dem Kippmomentder Antriebsmaschine 4 und dem Kippmoment des Differenzialantriebes 5bestimmt.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anfahrmethode auch bei z.B.Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, was mituntererforderlich ist, weil diese im Teildrehzahlbereich nur ein Drehmomenterzeugen können, welches wesentlich geringer als ihr Nenndrehmomentist. Dabei kann in einer ersten Phase die Verbrennungskraftmaschinemit dem Differenzialantrieb 5 gestartet werden. Dies erfolgt beigeschlossener Synchronisationskupplung 15 und indem man, sofern erforderlich, die Arbeitsmaschine 1 gegen ein Drehen entgegen ihrerArbeitsdrehrichtung sperrt (mit z.B. Rücklaufsperre oder Bremse).Anschließend wird vorzugsweise die Synchronisationskupplung 15 wiedergeöffnet und die Antriebsmaschine 4 in einen Drehzahlbereich mitausreichendem Drehmoment (für das Anfahren der Arbeitsmaschine 1)beschleunigt. Im Anschluss daran wird, wie schon oben beschrieben, dieDrehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb desDifferenzialgetriebes 3 minimiert und in weiterer Folge dieSynchronisationskupplung 15 geschlossen und damit die Drehzahl desungebremsten zweiten Antriebs des Differenzialgetriebes 3 mit derDrehzahl der Welle 14 synchronisiert.

Als Synchronisationskupplung 15 wird vorzugsweise eine kraftschlüssigeLamellenkupplung eingesetzt. Eine Lamellenkupplung (auch alsReiblamellenkupplung bezeichnet) besteht aus wenigstens einer Innen-und einer Außenlamelle. Die Innenlamelle(n) ist (sind) mit einer Welleverzahnt und die Außenlamelle (n) wird (werden) von eineminnenverzahnten, rohrförmigen Träger aufgenommen. Um das zuübertragende Drehmoment zu erhöhen, werden oft mehrere Innen- undAußenlamellen abwechselnd angeordnet, so dass bei gleicherBetätigungskraft durch die größere Belagfläche höhere Momenteübertragen werden können. Das charakteristisches Merkmal eineLamellenkupplung im Vergleich mit anderen Kupplungen, ist dieAnordnung mehrerer Reibbeläge in Reihe. Dabei wirkt die gleicheAnpresskraft auf alle Reibpaare. Lamellenkupplungen sind unter Lastschaltbar. Meistens sind diese in Öl laufend und überwiegend inhochbelasteten Haupt- oder Anfahrkupplungen oder inSperrdifferenzialen im Einsatz.

Wird die Lamellenkupplung als sogenannte fail-safe-Kupplungausgeführt, dann wird sie z.B. gegen Federdruck oder Öldruck, etc.geschlossen. Der Vorteil ist, dass das System damit „fail-safe"ausgeführt werden kann. Dies bedeutet, dass bei Systemfehler (z.B.Stromausfall, etc.) die Kupplung automatisch öffnet und damit derDifferenzialantrieb 5 vor z.B. schädigender Überdrehzahl geschütztwerden kann.

Die Synchronisationskupplung 15 muss für den Anfahrvorgang ausreichendgekühlt werden. Diese Kühlung kann z.B. in Kombination mit der Kühlungdes Differenzialgetriebes ausgeführt werden.

Alternativ kann jedoch jede Art von Kupplung eingesetzt werden. Hierbieten sich z.B. sogenannte Visco-Kupplungen an. Eine Visco-Kupplungwird z.B. im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Im Prinzipüberträgt sie in ihrem Inneren eine Drehbewegung über einekreisförmige Scheibe (Lamelle) an der Eingangsseite an ein Fluid,welches wiederum eine weitere Lamelle an der Ausgangsseite antreibt.Durch diese Bauform überträgt die Visco-Kupplung ein Drehmoment undermöglicht einen Drehzahlausgleich. Je größer die

Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangslamelle ist,umso größer wird das Drehmoment, welches die Visco-Kupplung übertragenkann. Durch Drehzahlregelung des Differenzialantriebes 5 kann dieDrehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb desDifferenzialgetriebes 3 entsprechend dem gewünschten zu übertragendenDrehmoment geregelt werden.

Weiters kann durch Erhöhung der Anpresskraft zwischen den Lamellen derVisco-Kupplung einerseits das übertragbare Drehmoment geregelt bzw.die Visco-Kupplung gesperrt werden, womit diese in weiterer Folge dieDrehbewegung des Differenzialantriebes 5 schlupffrei übertragen kann.

Ein wesentlicher Vorteil einer Visco-Kupplung als

Synchronisationskupplung 15 ist deren Unempfindlichkeit bezüglichgroßer Drehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antriebdes Differenzialgetriebes 3 und deren weitgehende Verschleißfreiheit.

Der Vollständigkeit halber sei hier noch erwähnt, dass bei vorhandenerSynchronisationskupplung 15 die Motorbremse 13 entfallen kann, da imFalle einer für den Differenzialantrieb 5 drohenden Überdrehzahl dieSynchronisationskupplung 15 einfach geöffnet und damit derDifferenzialantrieb 5 vom restlichen Triebstrang abgekoppelt wird undauslaufen kann.

Das erfindungsgemäße System kann auch dazu verwendet werden, dieAntriebsmaschine 4 im Phasenschiebebetrieb zu betreiben. D. h., dassdie Antriebsmaschine 4 Blindstrom in das bzw. aus dem Netz 12 liefernbzw. beziehen kann, ohne dass die Arbeitsmaschine 1 betrieben wird.Dies gilt insbesondere für Energiegewinnungsanlagen. Dabei wird dieAntriebsmaschine 4 bloß mit dem Netz 12 verbunden, ohne die weiterenSchritte des beschriebenen Anfahrprozesses auszuführen. Dies erfolgterst wenn die Arbeitsmaschine 1 den Betrieb aufzunehmen hat.

Fig. 4 zeigt die Drehzahlparameter eines Differenzialsystems für daserfindungsgemäße Anfahren, am Beispiel einer Pumpe. Die Darstellungzeigt dabei die Drehzahlwerte für eine Pumpe als Arbeitsmaschine 1(„Pumpe"), eine 4-polige, 60Hz Drehstrommaschine als Antriebsmaschine4 („Antriebsmaschine·") , ein Sonnenrad 9 („zweiter Antrieb") einerDifferenzialstufe 3 und eine Welle 14 („Differenzialantrieb"), derenDrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzung einesAnpassungsgetriebes 10 proportional der Drehzahl desDifferenzialantriebes 5 ist.

Der Anfahrprozess ist in 6 Phasen a bis f unterteilt. Phase „a" zeigtdas Hochfahren der „Antriebsmaschine" bis zu deren Synchrondrehzahl.

Da die „Pumpe" während dieser Phase aufgrund äußerer Kräfte imWesentlichen stehen bleibt, beschleunigt der „zweite Antrieb"entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3bis zu einer weit über dem Regeldrehzahlbereich liegenden Drehzahl. Inder anschließenden Phase „b" wird die „Antriebsmaschine" mit dem Netz12 synchronisiert und mit diesem verbunden und in weiterer Folge inPhase „c" der Differenzialantrieb 5 beschleunigt. Dabei ist die inFig. 4 dargestellte Drehzahl „Differenzialantrieb", die Drehzahl derWelle 14. Sobald der Differenzialantrieb 5 seine für den Anfahrvorgangvorzugsweise maximal mögliche Drehzahl erreicht hat,'wird in Phase „d"die Synchronisationskupplung geschlossen und damit die „Pumpe"beschleunigt. Sobald die Synchronisationskupplung 15 komplettgeschlossen und kein Schlupf mehr vorhanden ist, beginnt derDifferenzialantrieb 5 mit der Drehzahlregelung des Differenzialsystems(Regeldrehzahlbereich). Die Arbeitsmaschine 1 („Pumpe") befindet sichab diesem Zeitpunkt in ihrem Arbeitsdrehzahlbereich, welcher ausTeillastbereich „e" und Nennlast „f" besteht.

Der in Fig. 4 gezeigte Zeitverlauf (x-Achse in Sekunden) ist alsBeispiel zu sehen - die Perioden der einzelnen Phasen sind variabelund werden entsprechend der technischen Realisierbarkeit undvorzugsweise unter der Prämisse kleinstmöglicher Systembelastung(elektrisch und mechanisch) bzw. Systemverschleiß gewählt.

Claims (20)

1. Ansprüche: 1. Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges mit einerArbeitsmaschine (1), einer Antriebsmaschine (4) und mit einemDifferenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei einAbtrieb mit der Arbeitsmaschine (1), ein erster Antrieb mit derAntriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einemDifferenzialantrieb (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,dass die Antriebsmaschine (4) auf eine Betriebsdrehzahlbeschleunigt wird, während eine mit dem Differenzialantrieb (5)verbundene Welle (14) vom zweiten Antrieb getrennt ist, und dassdie Arbeitsmaschine (1) beschleunigt wird, indem die Drehzahl desungebremsten zweiten Antriebs mittels einerSynchronisationseinrichtung (15) mit der mit demDifferenzialantrieb (5) verbundenen Welle (14) synchronisiertwird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieDrehzahl des Differenzialantriebs (5) vor dem Synchronisieren inoder über seinem Regeldrehzahlbereich liegt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass derDifferenzialantrieb (5) vor dem Synchronisieren auf seine maximaleDrehzahl beschleunigt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine elektrischeMaschine ist, die an das Netz (12) angeschlossen wird, bevor derzweiten Antrieb mit der mit dem Differenzialantrieb (5)verbundenen Welle (14) synchronisiert wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) zuerst mit einerzusätzlichen Einrichtung (2) auf zumindest annäherndBetriebsdrehzahl gebracht wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurchgekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) bei geschlossenerSynchronisationseinrichtung (15) mit dem Differenzialantrieb (5)auf eine Drehzahl unter der Betriebsdrehzahl beschleunigt wird unddass die Antriebsmaschine (4) anschließend bei geöffneterSynchronisationseinrichtung (15) auf ihre Betriebsdrehzahlbeschleunigt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine elektrischeMaschine ist, die mittels eines Frequenzumrichters (6) desDifferenzialantriebs (5) beschleunigt und mit dem Stromnetz (12)synchronisiert wird, dass dann die elektrische Maschine (4) mitdem Stromnetz (12) verbunden wird und dass abschließend dieAntriebsmaschine (4) vom Frequenzumrichters (6) getrennt und derFrequenzumrichters (6) mit dem Differenzialantrieb (5) verbundenwird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) ein Generator ist,der auch im Phasenschiebebetrieb betrieben wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass mittels einer Bremse oder Rücklaufsperreverhindert wird, dass sich die Arbeitsmaschine (1) gegen derenbestimmungsgemäße Arbeitsdrehrichtung dreht.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (15) eineDrehzahldifferenz zwischen dem zweiten Antrieb und der Welle (14)entsprechend einem gewünschten zu übertragenden Drehmoment regelt.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch 1 gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) vor demSynchronisieren auf seine maximale Drehzahl, insbesondere seinemaximale Regeldrehzahl, beschleunigt wird.
12. 12. Antrieb zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1bis 11 mit einer Arbeitsmaschine (1), einer Antriebsmaschine (4)und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw.Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine (1), einAntrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb miteinem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, gekennzeichnet durcheine Synchronisationseinrichtung (15), mit welcher der zweiteAntrieb mit einer mit dem Differenzialantrieb (5) verbundenenWelle (14) synchronisiert werden kann.
13. 13. Antrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieSynchronisationseinrichtung (15) eine Lamellenkupplung oder eineVisco-Kupplung ist.
14. 14. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durcheine auf die Welle (14) wirkende Bremse, insbesondere eineMotorbremse für den Differenzialantrieb (5).
15. 15. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurchgekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eineDrehstrommaschine oder eine Verbrennungskraftmaschine ist.
16. 16. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurchgekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (1) eineEnergiegewinnungsanlage, insbesondere eine Windkraftanlage oderWasserkraftanlage, ist.
17. 17. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurchgekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) eineDrehstrommaschine, insbesondere eine Asynchronmaschine oderpermanenterregte Synchronmaschine, ist.
18. 18. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurchgekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) ein hydraulischePumpe/Mot.or-Einrichtung oder ein hydrodynamischer Wandler ist.
19. 19. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurchgekennzeichnet, dass mit der Arbeitsmaschine (1) eine Bremse oderRücklaufsperre verbunden ist, die verhindert, dass sich dieArbeitsmaschine (1) gegen deren bestimmungsgemäßeArbeitsdrehrichtung dreht.
20. 20. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurchgekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung (15) einefail-safe-Kupplung ist.