CN107112929B - 传动系统和用于运行传动系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传动系统，其包括驱动轴(2)、驱动装置(4)和行星齿轮变速器(3)，所述行星齿轮变速器具有三个驱动器或从动器，其中，一个从动器与驱动轴(2)连接，一个驱动器与驱动装置(4)连接，并且一个第二驱动器与电气的差动驱动器(5)连接，在所述传动系统中，所述差动驱动器(5)能在没有变频器的情况下直接接通到电网(12)上，以便所述传动系统能够在没有变频器的情况下运行。

Description

传动系统和用于运行传动系统的方法
技术领域
本发明涉及一种传动系统，其包括驱动轴、驱动装置和差速器，所述差速器具有三个驱动器或从动器，其中，一个从动器与驱动轴连接，一个驱动器与驱动装置连接，并且第二驱动器与电气的差动驱动器连接。
此外，本发明涉及一种用于运行传动系统的方法，所述传动系统包括驱动轴、驱动装置和差速器，所述差速器具有三个驱动器或从动器，其中，一个从动器与驱动轴连接、一个驱动器与驱动装置连接，并且第二驱动器与电气的差动驱动器连接。
背景技术
对做功机械、例如输送装置(如泵、压缩机和通风机)或者例如磨碎机、轧碎机、车辆或者例如能量产生设备等经常提出的要求是高效的转速可变的运行。
此外，电机被考虑为在这一点上使用的驱动装置的示例，但是该原理适用于所有可能类型的驱动装置，例如内燃机。
现在最经常使用的电驱动器是三相电机、例如异步电动机和同步电动机。为了使所述电驱动器能转速可变地运行，所述电驱动器与变频器相结合地连接到电网上。因此，虽然可以实现驱动器的转速可变的运行，但该解决方案是昂贵的并且与显著的效率损失相关联。
相对来说更低成本的并且在效率方面也更好的备选方案是使用例如按照文献AT507 394 A的差动系统。差动系统的核心在于差速器，该差速器在一种简单的实施方式中是具有三个驱动器或从动器的简单的行星齿轮变速器级，其中，一个从动器与做功机械的驱动轴连接，一个第一驱动器与驱动装置连接，并且一个第二驱动器与差动驱动器连接。因此，驱动装置可以在驱动装置转速恒定的情况下转速可变地运行，其方式为：转速可变的差动驱动器补偿所产生的转速差。转速该可变的差动驱动器通常是与驱动装置相比小的三相电机，该三相电机借助于相应的小的变频器连接到电网上。
然而，变频器比电机更易出故障并且具有明显更短的使用寿命。
发明内容
因此，本发明的任务在于，给出一种开头提到的类型的装置和方法，利用其可以在没有变频器的情况下运行传动系统。
该任务利用一种传动系统来解决。
此外，该任务在用于运行驱动系统的方法中得到解决。
当差动驱动器能选择性地经由变频器或与变频器并联的导线接通到电网上时，按照本发明优点在于，传动系统如本身已知的那样可以经由变频器运行，但即使变频器具有缺陷或者出现故障，传动系统也可以继续运行，即使该传动系统的转速变化性取消或者受限。
附图说明
下面参照附图阐述本发明的优选的实施方式。在附图中：
图1示出用于按照现有技术的泵的驱动器的差动系统的原理；
图2示出差动系统的按照本发明的第一实施方式；
图3示出差动系统的按照本发明的另一种实施方式；
图4示出泵的按照本发明的差动系统的转速参数和功率参数；以及
图5示出三相电机的特征曲线。
具体实施方式
图1以泵为例示出用于传动系统的差动系统的原理。在此，做功机械1是泵的转子，该转子通过驱动轴2和差速器3被驱动装置4驱动。驱动装置4优选是中压三相电机，该中压三相电机连接到电网12上，该电网在示出的实例中基于中压三相电机是中压电网。然而，所选择的电压水平与使用情况并且尤其是与驱动装置4的功率级有关并且可以在不影响按照本发明的系统的基本功能的情况下具有任何期望的电压水平。按照驱动装置4的极对数得出结构型式特定的运行转速范围。在此，运行转速范围是这样的转速范围，在该转速范围内驱动装置4可以提供限定的或者期望的或者所需的转矩或者在电气的驱动装置的情况下可以与电网12同步。行星齿轮架7与驱动轴2连接，驱动装置4与齿圈8连接并且差速器3的太阳轮9与差动驱动器5连接。因此，在该实施方式中，差动系统的核心是具有三个驱动器或从动器的简单的行星齿轮传动级，其中，一个从动器与做功机械1的驱动轴2连接，一个第一驱动器与驱动装置4连接，并且一个第二驱动器与差动驱动器5连接。
因此，传动系统基本上包括驱动装置4、差速器3和差动驱动器5。
为了可以优化地匹配差动驱动器5的转速范围，执行在太阳轮9和差动驱动器5之间的匹配变速器10。备选于所示出的正齿轮级，匹配变速器10例如也可以是多级的或者构造成齿形皮带或者传动链和/或行星齿轮级或者锥齿轮传动装置。此外，利用匹配变速器10可以实现用于差动驱动器5的轴向偏移，该轴向偏移基于做功机械1和驱动装置4的同轴地布置结构能实现差动驱动器5的简单的实施方式。差动驱动器5与一个马达制动器13连接，该马达制动器在需要时制动差动驱动器5。差动驱动器5借助于优选低压变频器以及变压器11电地结合到电网12上，所述低压变频器包括(根据作为马达或者发电机的运行类型)在差动驱动器侧的整流或变流器6a和电网侧的变流或整流器6b。变压器补偿在电网12和电网侧的变流或整流器6b之间的可能存在的电压差并且可以在驱动装置4、电网侧的变流或整流器6b和电网12之间的电压一致时省去。整流或变流器6a以及变流或整流器6b通过直流中间电路连接并且可以在需要时局部地分离，其中，优选差动驱动器侧的整流或变流器6a尽可能接近差动驱动器5地定位。
为了实现整个系统的高的可靠性，变频器也可能冗余地构造，例如在文献WO2012/001138 A中提出的那样。
差动系统的主要优点在于，只要驱动装置是电机，则驱动装置4可以直接(即无需动力电子设备地)连接到电网12上。在连接电网的驱动装置4的可变的转子转速和固定的转速之间的补偿通过转速可变的差动驱动器5实现。
用于差动系统的转矩方程式为：
差动驱动器的转矩＝驱动轴的转矩*y/x，
其中，参数因子y/x是用于在差速器3中和在匹配变速器10中的传动比的大小。差动驱动器5的功率基本上同泵转速与其基本转速x的偏差百分比与驱动轴功率的乘积成正比。与此相应地，大的转速范围原则上需要差动驱动器5的相应大的尺寸。这也正是为什么差动系统特别良好地适用于小的转速范围但原则上能实现任意转速范围的原因。
图2示出差动系统的一种按照本发明的实施方式。所示出的传动系统在这里也如在图1中那样具有驱动装置4、差速器3、差动驱动器5和变频器6a、6b，所述变频器借助于变压器11连接到电网12上。做功机械1在这里也借助于驱动轴2驱动。
变压器在需要时补偿在电网12和差动驱动器5之间存在的电压差并且可以在电压一致时取消。
马达制动器14在该实施变型方案中(备选于在图1中的马达制动器13的位置)在差动驱动器5和太阳轮9之间定位。所述马达制动器示例性地与匹配变速器10的齿轮轴连接，但是按照结构上的需求原则上可以设置在太阳轮9和差动驱动器5之间的任意位置处。因此，差动驱动器5可以为了可能需要的修理而拆卸并且差动系统仍然以基本转速“T”(图4)继续运行。
备选于马达制动器13和/或14，可以设置任何类型的力锁合和/或形锁合的锁定或者锁止。所述锁定要么标准化地设置要么在需要时使用。
然而，变频器6a、6b如开始时已经提到的那样比电机更易出错并且具有明显更短的使用寿命。出于该原因，一种解决方案对于设备使用者来说是重要的：一旦变频器不(再)为运行准备就绪，则该解决方案能实现运行的延续。
按照本发明，所述任务通过如下方式解决，即，在变频器6a、6b的故障情况下，将所述变频器与差动驱动器5分离并且将差动驱动器5直接(或者如果需要的话经由变压器11)通过导线15与电网12连接。为此，设置两个开关16、17，利用这两个开关可以将差动驱动器5备选地接通到变频器6a、6b或者导线15上。因此，可以设定至少一个转速固定的运行点。
如果差动驱动器5构造成能换极的三相电机，则可以实现至少两个、然而在需要时也实现多个同步转速，其方式为：在三相电机的定子中安装两个或更多个电分离的绕组。常见的是4和6或者4和8对电极。因此，例如在50Hz电网中4极的三相电机具有1500 1/min的同步转速，6极的三相电机具有1000 1/min的同步转速，并且8极的三相电机具有750 1/min的同步转速。
即，因此可以按照所实施的换极可能性实现两个或者更多个用于做功机械(1)的转速固定的运行点。但是，即使差动驱动器5不可换极，传动系统也还总是以所述(其中一个)同步转速继续运行。
用于做功机械(1)的另一个转速固定的运行点处于基本转速“T”。例如当制动器13、14激活时，该基本转速是太阳轮(9)所处的运行点。
图3示出按照本发明的差动系统的另一种实施方式。原则上，差动系统与在图2中示出地相同地构建。在系统的按照本发明的扩展中，构造成三相电机的差动驱动器5可以以不同的旋转磁场方向与电网12连接。
为了改变旋转方向，必须改变标准旋转磁场的旋转方向。在此，在三相电网运行时，两个外导体、例如外导体L1和L3的交换是足够的。为此，常见的电路是换向保护电路。
在实际的应用中，马达端子U2、V2和W2桥接并且在右边的旋转磁场中：L1接通到U1上，L2接通到V1上并且L3接通到W1上，或者在左边的旋转磁场中：L1接通到W1上，L2接通到V1上并且L3接通到U1上。通过旋转磁场的改变，差动驱动器5要么作为马达(功率流方向“a”)要么作为发电机(功率流方向“b”)工作。因此，针对做功机械1得出另一个转速固定的运行点。如果三相电机是可换极的，则相应地获得多个附加的转速固定的运行点。
在图3的按照本发明的实施方式中，导线15象征旋转磁场，差动驱动器5利用该旋转磁场转动到马达的范围内并且由此沿功率流方向“a”进行。可以借助于开关19与差动驱动器5连接的另一个导线18象征旋转磁场，差动驱动器5利用该旋转磁场转动到发电机的范围内并且由此沿功率流方向“b”进行。当然，在实际中，也可能仅存在所述两个导线15、18中的一个导线并且为了改变旋转方向例如将外导体如所描述的那样连接。
即，在按照图3的差动系统中，能实现至少三个转速固定的运行点，在使用可换极的三相电机的情况下能实现至少五个。在差动系统的一种简化的实施方式中，变频器6a、6b可以省去并且做功机械1以多个转速固定的运行点运行。
图1至图3示出差动系统，在该差动系统中，第一驱动器与齿圈连接，从动器与行星齿轮架连接，并且第二驱动器与太阳轮连接。在另一种按照本发明的变型方案中，第二驱动器可以与行星齿轮架7连接，第一驱动器与齿圈8连接，并且从动器与太阳轮9连接。其它备选的组合同样被本发明所包含。
图4示出例如用于泵的按照本发明的差动系统的转速参数和功率参数。视图示出用于作为做功机械1的泵的功率值和转速值，驱动装置4和差动驱动器5分别关于驱动轴2的转速值(“泵转速”)绘出。驱动装置4与电网12连接并且由此该驱动装置的转速(“马达转速”)是恒定的，在所示出的实例中针对在50Hz电网中的四极三相电机大约为1500 1/min。用于驱动轴2的工作转速范围处于68％至100％，其中，在100％时是差动系统的所选择的额定点或者最大点。在此，按照差动系统的传动比，差动驱动器5的转速(“伺服转速”)处于-2000 1/min至1500 1/min，其中，大约1500 1/min的转速是差动驱动器5的对于所述实例所选择的同步转速(在所示的实例中同样是在50Hz电网中的4极三相电机)。大致在该同步转速中差动驱动器5提供额定转矩。在此，额定转矩看作是三相电机在给出的环境条件下可以持续提供的最大转矩。
图4示出，差动驱动器5发电机式(-)地并且马达式(+)地运行。因为差动驱动器5在发电机式(-)的范围中的最大的所需功率(大约110kW)小于在马达式(+)的范围中的最大的所需功率(大约160kW)，所以差动驱动器5可以在发电机式(-)的范围内在所谓的去磁范围内持续地运行，借此，对于差动驱动器5能实现更高的(高于其同步转速的)转速(然而具有减小的转矩)。因此，可以以简单的方式将用于做功机械1的转速范围扩展至运行点“C”。如果配置按照图3的差动系统，则可以通过旋转磁场的改变达到工作点“A”和“B”。即，差动系统可以在差动驱动器5按照本发明直接连接到电网12上的情况下(对应于如图3所描述的按照本发明的实施方式在没有变频器6a、6b的情况下)实现在做功机械1的几乎整个运行转速范围上的运行点。
在差动系统的一种特别简单的实施方式中，变频器可以设计为所谓的2Q系统(二象限变频器)，由此，差动系统接着仅设计用于马达式(+)的范围。因此，电网侧的整流器6b例如也可以构造成简单的二极管整流器。在差动系统的所述设计变型方案中，在这里也可以使做功机械1在将差动驱动器5按照本发明直接连接到电网12上的情况下(对应于图2所描述的按照本发明的实施方式在没有变频器6a、6b的情况下)不仅以其最小点而且以其最大点运行。
如果差动驱动器5设计为可换极的三相电机，则也可以通过极对数的相应的切换实现在最小转速和最大转速之间的转速。
在图4中点“T”标出驱动轴2的所谓的“基本转速”，在该基本转速时差动驱动器5的转速等于零。点“T”以理想的方式处于一个工作范围中，在该工作范围中在大的时间份额内运行设备。在所述运行点中可以激活马达制动器13、14，借此，不必运行差动驱动器5并且因此避免与此相关的损失和损耗。在特征曲线的马达式(+)的范围内，进行驱动装置4和差动驱动器5并联的驱动。两个功率的总和是扣除累积的系统损失之后的用于驱动轴2的驱动功率(“系统功率”)。在发电机式(-)的范围中驱动装置4必须补偿差动驱动器5的功率(“伺服功率”)，由此，系统总功率(“系统功率”)是扣除差动驱动器5的功率之后的驱动装置4的驱动功率(“马达功率”)。即，马达式(+)的范围的效率更高。
原则上确定：经过差动驱动器5的功率流越小进而系统总效率越高，则泵转速(“泵转速”)越接近基本转速“T”。然而，因为所需的驱动功率随着泵转速的增加也提高，所以与按照现有技术的驱动器相比可以通过驱动装置4和差动驱动器5的平行驱动将驱动装置4的所需的尺寸减掉差动驱动器5的尺寸。
不言而喻地，用于在所描述的运行点中停止或者运行差动驱动器5的各个所描述的措施可以要么单独地要么以相互间任意的组合使用，从而根据使用情况至少一个运行点也能够实现用于传动系统的任意多个运行点，即使变频器或者甚至差动驱动器没有运行。
在传动系统的运行期间，也可以在所描述的运行点之间变换，由此转速可变的运行是可能的。在所述运行点中，差动驱动器5(如果所述差动驱动器处于运行中)分别以不同的转速运行，但是所述转速分别涉及同步转速，因为差动驱动器直接地或者必要时仅通过变压器11连接到电网12上。
作为做功机械1，在图1至图3中示例性地象征性地示出泵。然而，在这里描述的概念也能在用于所有其它类型的做功机械的驱动装置中使用，比如压缩机、通风机和输送带、磨碎机、轧碎机等或者能量产生设备和类似物。
在能量产生设备中使用按照本发明的系统的情况下，驱动装置4基本上在发电机式的运行中工作并且因此反转在整个传动系统中的功率流。
如果具有能直接(没有变频器6a、6b)连接到电网12上的差动驱动器5的按照本发明的差动系统提高功率，则优选首先将驱动装置4接通到电网上，而将第二驱动器(太阳轮轴9或者差动驱动器5)优选借助于运行制动器13、14或者借助于锁定装置保持制动。因此，做功机械1实现运行点“T”。接着，差动系统要么在所述运行点中运行要么将差动驱动器5接通到电网上。在此，随后在差动驱动器5上出现如下转速，所述转速通过在差动驱动器5上所选择的/预调节的旋转磁场方向或者极对数得出。随后对于做功机械1设定的运行点按照对于差动驱动器5所选择的旋转磁场方向或者极对数以及差动驱动器3和匹配变速器级10的传动比得出。
但是，所述系统当然也可以以任意其它方式提高功率，例如通过如下方式：驱动装置4和差动驱动器5同时接通到电网上或者首先将差动驱动器5并且接着将驱动装置4接通到电网上。在例如非电气的驱动装置中，差动驱动器5同样可以在驱动装置之前、与驱动装置同时和在驱动装置之后接入。
所述做功机械1可以在所述配置中、即在没有变频器的情况下非连续地转速可变地运行。当做功机械1例如是在管路系统中的输送装置时，在管路系统中在做功机械1下游可以设置有节流阀或者盖板或者旁通阀或者阀门。因此，必要时可以在基于差动系统的固定的转速设定的同样固定的流量或者输送高度之间实现流量的调节。
对于高的设备可用性具有很大的优点的是：在变频器6a、6b故障时整个系统可以无中断地继续运行。然而，在此要注意以下边界条件：
这一方面是系统特性，特别是在运行点“B”和“C”之间的系统运行范围，在该系统运行范围中差动驱动器5发电机式(-)地以高的转速工作。如果在所述运行范围中变频器6a、6b出现故障，则差动驱动器5瞬间加速并且出现达到有害的超转速范围的危险。
这可以利用按照本发明的运行系统防止，其方式为：优选制动器13、14或者任何其它对第二驱动器的转速起作用的减速装置这样快地激活，使得所述减速装置虽然不是一定会使第二驱动器停止，但会防止差动系统或者差动驱动器5的第二驱动器的对系统有害的超转速。
如果期望达到运行点“T”，则使差动系统的第二驱动器制动。
如果应达到所述运行点“B”或“A”中的一个运行点，则在另一个优选并行的步骤中将差动驱动器5直接与电网12连接。如果这足够快地发生，则可以省去其中一个上面描述的减速装置的激活。此外，如果省去达到运行点“B”的可能性，则节省例如换向保护电路并且同时要么优选达到运行点“T”要么备选地达到运行点“A”，其方式为：差动驱动器5沿标准旋转磁场的为此所需的旋转方向与电网12连接。
如果达到运行点“B”，则也可以将减速装置用于差动驱动器5的转速调节的电网同步，其方式为：所述减速装置这样激活，使得在差动驱动器与电网12连接之前，在差动驱动器5上基本上设定差动驱动器的同步转速。
利用减速装置原则上也可以在运行点“C”和“T”之间的系统运行范围中实现连续的转速可变的运行。这例如适宜的是，差动驱动器5故障，或者差动驱动器5或逆变器6a、6b的功率不足以提供所要求的运行转矩。
图5示出(例如可用作差动驱动器5的)三相电机的特征曲线，在该三相电机中旋转磁场这样连接到电网上，使得按照本发明按照图4设定运行点“A”(在图5中三相电机的“额定点”)。在此，在点“C”和“T”之间的系统运行范围中，三相电机沿着特征曲线的点线的部分(“反向电流制动范围”)运动。由在图5中视图可以看出，能通过三相电机在反向电流制动范围中典型地实现的转矩(Mi/MiK)明显小于该三相电机的额定转矩。然而，在反向电流制动范围中的转矩可以通过例如三相电机的转子杆的特定的设计提高。如果这不足以将差动系统调节到所期望的转速固定的运行点，则优选附加地激活减速装置、例如激活已经所描述的制动器。也优选的是，差动驱动器5在变频器6a、6b故障时在系统运行范围中在“T”上方(马达式(+)的范围)达到按照图4的特征曲线的发电机式(-)的范围中。减速装置在两种情况下优选这样长时间地激活，直至一方面差动驱动器5直接与电网连接并且另一方面系统运行转速在特征曲线的发电机式(-)的范围中(<“T”)运动。
具有做功机械1在能无变频器6a、6b地实现转速固定的运行点之间的减少的输送功率的、具有固定的转速的可能的运行点利用节流装置调节。节流装置例如可以调节节流阀、盖板、旁通阀或者阀门，所述节流装置例如可以在管路系统中在做功机械1下游定位。当做功机械1例如是机械的驱动器时，节流装置例如可以是制动器、缓行器或者类似物，以便降低驱动装置1的功率。
然而，在这种情况下，仅达到在相应的转速固定的(固定的)运行点“之下”(沿更小的转速或者输送量或功率的方向)的运行点。为了效率优化地实现系统的整个运行范围，按照本发明，可以在固定的转速点之间相应地改变运行的需求。为了使整个系统尽可能效率优化地运行，利用差动驱动器5优选始终设定高一级的(沿更高的转速或输送量的方向)的转速固定的运行点(“B”、“T”或“A”)并且借助于节流装置达到处于其下的运行点。
然而，在一种优选的、按照本发明的实施方式中，为了由运行决定地按要求地调节流量和输送高度，在转速固定的运行点“A”、“T”和“B”之间变换，而不必使用节流阀。
如果所述系统在变频器6a、6b故障的时刻处于在“B”和“T”之间的运行点中，则优选差动驱动器5要么直接接通到电网12上，从而达到运行点“A”，要么通过制动差动系统的第二驱动器设定运行点“T”。
如果所述系统在变频器6a、6b故障的时刻处于在“T”和“A”之间的运行点中，则优选差动驱动器5这样直接接通到电网12上，使得直接达到运行点"A"，而不必激活差动系统的第二驱动器的减速装置(如果如上面所述系统运行转速例如不下降到低于“T”)。
按照本发明，具有转速固定的运行点“A”、“T”和“B”的所描述的调节方案也能扩展到具有可换极的差动驱动器5的系统上，由此，得出相应更大数量的转速固定的运行点，接着可以在这些运行点之间运行优化地转换。

Claims (8)

1.用于运行驱动系统的方法，所述驱动系统包括驱动轴(2)、驱动装置(4)和差速器(3)，所述差速器具有第一驱动器、第二驱动器和从动器，其中，从动器与驱动轴(2)连接，第一驱动器与驱动装置(4)连接，并且第二驱动器与电气的差动驱动器(5)连接，所述差动驱动器能经由变频器(6a、6b)与电网(12)连接，所述驱动轴(2)能够在转速固定的运行点上运行，
其特征在于，所述差动驱动器(5)经由变频器(6a、6b)运行，或者当所述差动驱动器经由与变频器(6a、6b)并联的导线直接或者仅经由变压器(11)连接到电网(12)上期间，所述驱动轴(2)由所述电气的差动驱动器(5)以同步转速驱动，
在所述驱动轴(2)上连接有做功机械(1)，为所述做功机械(1)提供多个转速固定的运行点，其方式为：
-当所述差速器(3)的第二驱动器静止时，所述做功机械在一个转速固定的运行点上以基本转速(T)运行；或
-通过可换极的差动驱动器(5)使所述做功机械在一个或多个转速固定的运行点上运行；或
-通过反转差动驱动器(5)的旋转磁场方向使所述做功机械在一个或多个转速固定的运行点上运行，
并且在变频器(6a、6b)故障时使所述做功机械(1)在高一级的转速固定的运行点上运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述变频器(6a、6b)具有故障时，所述差动驱动器(5)经由导线(15、18)接通到电网(12)上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二驱动器是太阳轮(9)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在运行期间在各所述运行点之间变换。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二驱动器在变频器(6a、6b)故障并且做功机械(1)在基本转速(T)以下运行时借助于减速装置制动，所述减速装置作用于第二驱动器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述减速装置是力锁合和/或形锁合制动器(13、14)、缓行器或差速锁。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在变频器(6a、6b)故障时在差动驱动器(5)在基本转速(T)以下运行期间，一直激活所述减速装置，直至达到高一级的转速固定的运行点或者高一级的转速固定的运行点之一，然而最大不超过基本转速(T)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述做功机械(1)的输送功率在转速固定的运行点上运行时借助于节流装置降低。
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