CN109707809A - 用于操作可变转速工作设备的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于驱动可变转速工作设备(3)的传动系(1)的装置和方法，所述传动系具有驱动器(2)、具有叠加传动装置(10)，所述叠加传动装置具有输入支路(11)、输出支路(12)和调节支路(13)，其中，设有五种不同运行模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于驱动转速可变的具有递增功率特性曲线(递增或者抛物线状)的变速工作设备的传动系的装置和方法，该工作设备例如具有配置有叠加传动装置的转速可变高传动比传动装置的风扇、泵和压缩机，本发明具有一个连接有马达或涡轮机，比如蒸汽轮机和燃气轮机等的输入支路，该输入支路上有一个锁定机构，一个带有控制装置和变频器的控制支路，输出支路连接工作设备。此外，本发明还涉及一种装置，尤其是具有这一类装置或者用于这一类装置的传动系。
背景技术
在现有技术中，用于驱动功率为数兆瓦以及转速范围大于3000转/分钟的变速工作设备的变速驱动器，如可变转速涡轮机，与齿轮控制离合器或者叠加传动装置配合的稳定运行的三相电机，或者与叠加传动装置和液压传动装置配合具有高传动比的变频器和变速三相交流电机传动装置。这一类的变速工作设备可以是发电厂水泵、如已知的锅炉给水泵，或者是转速范围高于3000转/分钟且功率消耗达数兆瓦(例如5至35兆瓦或者更高)的输气管道压缩机。
这些类别的可变转速涡轮机、齿轮控制离合器以及带有液压传动的叠加传动装置有着一个显著缺陷：由于转速/功率控制有显著的效率下跌所以导致应用领域的限制。
针对整个动作链，比较各驱动方法的系统损耗，例如在发电厂，涡轮机在理想工况点达到最高效率。对于大功率输出，在一个恒定负荷下的能量闭环优先使用涡轮机，然而在其他应用领域例如对于部分负荷时效率明显下降。
为启动涡轮机驱动的装备必须另外安装启动装置，因为涡轮机的能源开始时并不具备。这涉及诸如发电厂运行蒸汽轮机启动时没有储存的水蒸汽，必须另外装备通过电力驱动的锅炉进水泵。这种类型附加装备的不可或缺导致了增加的投资需求。
发明内容
由此，本发明的目的在于克服或者减少上述这些技术现状中的缺陷，为运行可变转速的工作设备提供一种传动系的装置和方法，由此驱动器可在理想工况点以最高效率地运行，保障工作设备的完全运行范围，而无需另外的设备启动装置。
该任务通过以下装置以及方法来完成。有利的改进形式见其他的结合附图的说明。
本发明提供一种传动系，其带有一种可变转速的齿轮箱、一种可变转速的驱动器作为主驱动以及有着增加的功率消耗的可变转速工作设备。
这种可变转速的传动装置适合一种带有一个输入支路、一个输出支路以及一个控制支路的叠加传动装置。这种可变速的传动装置可以将驱动器的运行处于理想工况点。通过提供一种在输出支路上的可变转速和可变功率的驱动动力，在理想的工况点基础上，依据本发明可以在不同的工况点上操作工作设备。
根据设备的任务要求，这种驱动器和工作设备可以运行在最高效率的最佳点。利用可变转速的传动装置上的控制支路来调节可变转速的输出功率，控制支路经过耦合有变频器的控制装置，通过确定控制支路的转速和扭矩来调节工作设备的转速、扭矩以及功率需求，并且依据确定的转速、扭矩和功率处于理想驱动工况点。
依据本发明的可变转速传动装置的解决方案可以覆盖工作设备的全部转速范围。
这些转速范围或者说提速可分为五种运行模式。针对所有五种模式，通过可变转速的传动装置上的控制支路来调节工作设备的转速。
第一模式是在控制支路上，在电动范围的控制装置的驱动。在此，通过在可变转速传动装置内的传动系上的锁定装置或者制动装置来锁死这一驱动。因此针对这一驱动无需能量，从而使用现有工作设备就可启动用于系统的设备。
第二模式是锁定装置的解锁或者制动装置的解除，以及由此使驱动器加速到其理想工况点。在驱动器的转速过零的启动过程中，控制支路上的控制装置由电动运行过渡到传动运行。
第三模式是基于驱动器的理想工况点(或者说更高效率)在控制支路的传动范围内操作控制装置。
第四模式是基于驱动器的理想工况点(或者说更高效率)在控制支路的电动范围内操作控制装置。
如果为驱动器提供能量，可以在第五模式借助驱动器的转速控制，以及通过叠加传动装置上的控制支路的转速控制，工作设备在解除制动装置或者解锁锁定装置时可运行在运行范围。这一模式界于第三模式，并且跨越第一模式和第二模式的运行范围，其区别在于提供驱动器能量，以及操作控制支路上的控制装置在传动运行范围内。
本发明相关的解决方案基于传动系的最大所需功率，使叠加传动装置在控制支路的控制功率小于30％，更好小于25％。
带有输入支路、输出支路以及控制支路的叠加传动装置的拓扑结构设计适合内传动和外传动，使控制装置首先在电动范围，接着在驱动器提速过程中由电动运行调整到具有转速过零的控制支路的传动运行，然后达到驱动器的理想工况点，在工作设备的加速过程中由传动运行经过控制支路的转速过零调整到电动运行。对应工作设备的工况点控制装置表现为一种电动或者传动运行。根据叠加传动装置的拓扑结构设计，当正确选择构造比例时，在控制支路上可以达到最小转速水平。
根据本发明的设计可以使用标准马达作为控制装置以及标准变频装置，就这些标准马达而言无需提高对瞬间和边界转速的要求。
此处所述的根据本发明的叠加传动装置的结构可以实现结构紧凑化。在整个运行范围内，工作设备均可以理想地进行工作。尤其是对于控制装置和变频器可以使用模块化结构，从而使用合理的生产花费即可提供不同的功率范围。
附图说明
本发明的其他特征和优点将在结合附图对实施例进行说明后就能得明显，其中：
图1为关于现有技术的带有启动装置的传动系的平面布置图；
图2为关于现有技术的带有启动装置和相匹配的齿轮箱的传动系的平面布置图；
图3示出按照本发明传动系的带有一种可变转速齿轮箱的传动系的平面布置图；
图4示出根据本发明的传动系的一个实施例中，叠加传动装置作为内啮合的一种结构设计的平面布置图；
图5示出了根据本发明的一个实施例中，叠加传动装置作为外传动的一种结构设计的平面布置图；
图6为根据本发明的解决方案的传动系在各运行模式下的运行范围和提速的转速/工况点图表；
图7示出一种作为功率、效率和扭矩的函数的转速的主涡轮特性曲线，和
图8示出带有两个驱动器和两个并列运行的可变转速齿轮箱以及与传动系相匹配的齿轮的本发明传动系的平面布置图；
图9示出带有一个驱动器和两个并列运行的可变转速齿轮箱以及与传动系相匹配的齿轮的本发明传动系的平面布置图。
具体实施方式
图1和图2所示的图示说明了现有技术，比如在发电厂，具有两个传动系1，该传动系在图1所示的实施例中包括一驱动器2和一工作设备3，而在图2所示的实施例中传动系则带有一个驱动器2、一个配套齿轮箱4和一个工作设备3。两个实施例都要求带有一个作为马达的驱动器8、工作设备3以及齿轮箱7的启动装置5。该齿轮箱7可以是一种具有恒定传动比的齿轮箱、或者变速器控制离合器、或者一种具有可变传动比的液压转换器的叠加传动装置。根据100％的总功率，主传动系1的功率分配是每个50％。
在图3中，说明了根据本发明的一个传动系1的装置，包括一个驱动器2，一个带有一个输入支路路11、输出支路路12以及控制支路路13的叠加传动装置10和与输出支路12相联的工作设备3，所述控制支路13包括控制装置14和一个与其相连的变频器40支路工作设备。
图4示出了按照本发明的另一种传动系1的装置，包括一个驱动器2和一个采用内部传动的叠加传动装置10，该叠加传动装置10具有一个带有外齿轮20的输入支路11、一个带有太阳轮21的输出支路12、一个控制器13，该叠加传动装置还包括一个连接桥22和行星齿轮，另一个传动级23或者多个传动级，其中两个控制装置14可以耦合至少一个或多个变频装置(未图示)，而工作设备3则与输出支路12相连。支路通过叠加传动装置10的输入支路11上的制动装置19、或者通过一个锁定装置18或者驱动器3的固定来实现输入支路11的闭锁。
图5图示了根据本发明的传动系装置，包括一个驱动器2，一个采用内部传动的叠加传动装置10，该叠加传动装置10带有输入支路11、太阳轮24、一个输出支路12和一个第二太阳轮21、一个控制支路13，该叠加传动装置还包括一个连接桥22和行星齿轮，另一个后续传动级23或者多个传动级。其中两个控制装置14可以耦合至少一个或几个变频装置(未图示)，工作设备3与输出支路12相连。通过在叠加传动装置10上的输入支路11上的制动装置19、或者通过一个锁定装置18或者驱动器3的固定来实现输入支路11的闭锁。
图6图示了在工作设备3的整个工作范围的转速/工况点-图表，示出根据本发明的解决方案的传动系1的转速的提升，包括在输入支路11上的低速驱动器2的转速和配套齿轮箱4的输入支路9上的高速驱动器2的转速，带有连接桥的控制支路13和联接工作设备3的输出支路12的转速。其中说明了各自运行范围：通过控制支路13上的控制装置14启动马达作为第一模式35；在控制支路13上的控制装置14的电动和传动运行时，启动驱动器2为第二模式36；控制支路13上的控制装置14的传动运行外加驱动器2的功率输入作为第三模式37；控制支路13上的控制装置14的电动机运行外加驱动器2的功率输入为第四模式38，以及控制支路13上的控制装置14的传动运行外加驱动器2的功率输入为第五模式39。
图7图示了在一个理想运行点34上转速30与功率31、效率32以及扭矩33的关系的主涡轮机特性曲线
图8中的实施例说明了两个带有各自驱动器2的传动系1。所述驱动器2通过叠加传动装置10的输入支路11上的配套齿轮箱4直接与输入支路9相连。工作设备3直接与叠加传动装置10的输出支路12联接。控制装置14和变频装置40经过控制支路13调节叠加传动装置10。
图9图示了一种带有两个传动系1的实施例，两个传动系共用一个驱动器2。该驱动器2经过一个带有输入支路9的配套齿轮箱4，直接联接每个叠加传动装置10上的输入支路11。工作设备3直接联接叠加传动装置10的输出支路12。控制装置14和变频装置40经过控制支路控制叠加传动装置10。
图4说明了本发明的带有锁定机构的叠加传动装置10。通过在叠加传动装置10的输入支路11上的制动装置19、或者通过驱动器2上的锁定装置18、或者驱动器2的锁定，而可以自行锁定。在工作设备3的整个运行过程中，驱动器2的动力供给解锁了输入支路11以及驱动器2的锁定而失去锁定作用。
图4和图5说明了根据本发明的叠加传动装置的实施例，显示出作为内啮合传动和外啮合传动，利用叠加式传动装置的连接桥22与控制支路13的连接，具有多个控制装置20和一个传动级23或者数个传动级。这一有利的结构使得可以利用常规尺寸的标准马达，便于通过多个控制装置14和传动级23在控制支路13上进行动力分布，使得在叠加传动装置10的连接桥22的齿轮上形成多重啮合25，从而形成一种齿轮副的有利设计。
根据本发明的这种拓扑结构的叠加传动装置10的设计，特别如图4作为内啮合传动、如图5作为外啮合传动，通过在连接桥22处控制支路13的结构连接，使得当驱动器2提速时，以及当工作设备3的进一步提速和工作设备3在运行范围运行时始终形成一种控制支路3的转速过零。
对于有着最小控制功率的优化设计，在第一模式35的低负荷范围内，工作设备3由控制装置14电动运行而没有驱动器2的动力输入。所有其他模式(第二到第五模式)具有来自控制支路13的控制装置14和来自驱动器2的动力输入的共同作用。
图6再次说明了根据本发明在五种不同模式中的提速过程。
首先在第一模式35中，当驱动器2、输入支路11以及输入支路9停止运转时，通过电动操作在控制支路13上的控制装置14，将工作设备3的转速设于小于50％的运行转速。驱动器2未被供能，整个系统的启动才有可能。譬如利用锅炉进水泵来启动蒸汽轮机，直到有了启动所必需的蒸汽量，才可以在较低范围内进行锅炉的补水及其操作。额外的启动设备5是不需要的。
在第二模式36中，对于驱动器2具有足够的动力，导致驱动器2加速到驱动器2的理想运行转速，同时操作控制支路13上的控制装置14从电动运行到传动运行。通过驱动器2上的锁定装置18或者叠加传动装置10的输入支路11上的制动装置19实现锁定。使用涡轮机特别是蒸汽轮机前提是一个高的启动扭矩，以保证在最短时间内的驱动器加速。利用控制装置14按照输出支路12的现有转速来控制工作设备3。工作设备3的转速提高是可能的，并可用于保护叠加传动装置10。
第三模式37和第四模式38说明了工作设备3的各种运行范围，应该根据应用来确定。图6说明了具有输出支路12和控制支路13的工作设备3的转速范围。用于驱动发电厂锅炉进水泵的运行范围小于50％到100％的整个转速范围之间。控制支路13上的控制装置14可在传动以及电动范围运行。在整个工作设备3的运行范围内，驱动器2以及输入支路11根据最佳效率设定理想转速。因而可以避免驱动器2与转速相关的效率下降。这尤其关乎涡轮机，参见图7，从而在总分负荷范围内相对现有技术有着二位数的效率提高。
在第三模式37和第五模式39中，值得一提的是，控制装置14的传动运行尤为突出，这使得能量回收并由此更好地利用驱动器2，特别是当涡轮机在部分负荷范围内时。因此在发电厂，用过的蒸汽能可以有选择地回收而无需另外的排放。
第五模式39需要一个运行的驱动器2。通过控制在输入支路11上的驱动器2，以及在叠加传动装置10上的控制装置14的控制支路13，来控制工作设备3。
图8和图9根据本发明说明了系统的概念，具有固定的传动比的有利的配套齿轮箱更高效率地、更好地匹配驱动器2和叠加传动装置10之间的可变运行功率。根据图9，利用一种驱动器2以及变速箱作为配套齿轮箱4实现了尤为经济的结果。两种系统均不要求启动装置，因为根据本发明的具有叠加传动装置10、控制支路13上的控制装置14的工作设备3的部分提速无需驱动器2的动力。
本发明在运行范围、效率和收益以及成本节省上有着下列优点
1.运行范围:
叠加传动装置10和驱动器2之间的叠加传动装置10结构设计以及方法使得可以在整个运行/转速范围内操作工作设备3。基于系统负荷的相关要求毫无问题的得到满足。
-叠加传动装置10的结构，使得可以通过在叠加传动装置10的控制装置14的电动运行，在输入支路11或者在驱动器2锁定，无需驱动器2的动力就可以使工作设备3在低功率范围得以运行。用于发电厂的锅炉供水泵的涡轮驱动的额外的驱动器得以省略。
2.效率和收益:
-叠加传动装置10可以使得驱动器2在理想的转速或者在一个理想的转速范围达到驱动器2的最高效率。因此在利用涡轮机作为驱动器2时，在部分负荷范围可达到二位数的效率提高。
-叠加传动装置10的结构使得对于工作设备3比如快速运行的鼓风机、水泵以及压缩机，可以相对传动系1的额定功率，在控制支路13上的控制能耗小于30％，较佳地小于25％，在部分负荷范围达到最大的传动系1的效率。
3.成本降低:
-通过在叠加传动装置10的制动装置19的输入支路11的锁定，或者通过驱动器2上的锁定装置18，或者通过驱动器2自身，工作设备2可以在没有驱动器2的情况下动力提速，以此省去一个启动装置5及其附加驱动器8、齿轮箱7以及另外的工作设备6。
-通过叠加式传动装置10的拓扑结构设计，以及在控制支路13上的低功率传输，可以使用标准马达和标准变频装置，其具有较小功率，相对低压范围的传动系1的相对于传动系1的额定功率起码小于30％或者小于等于25％。
-在可变转速的传动系1上的叠加传动装置10的拓扑结构设计，相对常见的该功率等级的具有变频器的高传动装置较高的功率密度，使得节省材料和安装空间。
Claims (16)
1.带有传动系(1)的装置，用于驱动可变转速的工作设备(3)，包括一个驱动器(2)以及一个可变转速的变速箱，包括：
-叠加传动装置(10)，带有一个输入支路(11)，一个输出支路(12)和一个控制支路(13)，
-在控制支路(13)中具有至少一个可选择电动或传动工作的控制装置(14)，
-至少一个和控制装置(14)耦合的变频器(40)，以及
-一个和输出支路(12)耦合的工作设备(3)，
其中通过控制装置(14)改变输入支路(11)和输出支路(12)的转速比，其特征在于：
在工作设备(3)的输入支路(11)上设有一个制动装置(19)，以及
该叠加传动装置(10)设计为拓扑结构，使得启动驱动器(2)时同时启动工作设备(3)，在工作设备(3)的输入支路(11)通过解锁制动装置(19)、控制装置(14)电动提速以后始终实现控制支路(13)转速过零，并且在一个驱动器(2)的设定转速下，控制装置(14)由传动启动过渡到电动启动时，控制支路(13)在理想效率点上实现转速过零。
2.带有传动系(1)的装置，用于驱动可变转速的工作设备(3)，包括一个驱动器(2)以及一个可变转速的变速箱，包括：
-叠加传动装置(10)，带有一个输入支路(11)、一个输出支路(12)以及一个控制支路(13)，
-在该控制支路(13)上至少有一个可选择电动或者传动工作的控制装置(14)
-至少一个和该控制装置(14)耦合的变频器(40)，以及
-与输出支路(12)相连的的工作设备(3)，
其中通过控制装置(14)改变输入支路(11)和输出支路的转速比，其特征在于，
在驱动器(2)上设置一锁定装置(18)，以及
该叠加传动装置(10)设计为拓扑结构，使得当工作设备(3)启动时，通过解锁驱动器(2)上的锁定装置(18)，控制装置(14)电动启动以后，在驱动器(2)启动期间始终实现控制支路(13)的转速过零，并且，在一个驱动器(2)的设定转速下，控制装置(14)由传动启动过渡到电动启动时，控制支路(13)在理想效率点上实现转速过零。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，叠加传动装置(10)的拓扑结构，使得为了控制支路(13)在驱动器(2)理想效率节点上控制驱动器(2)的运行，而在驱动器(2)必需的转速或者必需的转速范围内，启动可变转速工作设备(3)。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，叠加传动装置(10)的拓扑结构设计使得控制支路(13)与叠加传动装置(10)的连接桥(22)相连。
5.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于控制装置(14)与一变频器(40)耦合，从而控制装置(14)以电动或者传动模式驱动工作设备(3)。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，叠加传动装置(10)的拓扑结构设计为一级或多级内驱动或者外驱动，使得在运行范围内，工作设备(3)启动以及运行时，控制支路(13)转速过零。
7.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，在控制支路(13)上的一个控制装置(20)或多个控制装置(14)直接或者通过一个或者多个传动级(23)与叠加传动装置(13)的连接桥(22)相连。
8.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述控制装置(14)与一个或者多个变频器(40)耦合。
9.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述控制装置(14)功率为小于传动系额定功率的40％、优选小于30％或者等于25％。
10.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述控制装置(14)及变频器(40)的电压等级设计为中压范围或低压范围。
11.用于驱动传动系(1)的方法，该传动系具有可变转速工作设备(3)，驱动器(2)和可变转速的高传动比的传动装置，包括：
-叠加传动装置(10)，带有一输入支路(11)、一输出支路(12)以及一控制支路(13)，
控制支路(13)中至少有一个可选择电动或传动工作的控制装置(14)，
-至少一个和控制装置(14)耦合的变频器(40)，以及
-一个和输出支路(12)耦合的工作设备(3)，
其中通过控制装置(14)改变输入支路(11)和输出支路(12)的转速比，其特征在于：
在第一模式(35)中，通过在控制装置(14)的电动范围内，在叠加传动装置(10)的控制支路(13)上控制工作设备(3)，同时驱动器(2)通过安装在叠加传动装置(10)的传动系上的一锁定装置(18)或者一制动装置(19)锁死。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在一第二模式(36)中，驱动器(2)启动时，控制支路(13)中的转速过零，控制支路(13)上的控制装置(14)从电动运行过渡到传动运行，同时锁定装置(18)解锁，或者在叠加传动装置(10)的驱动支路(11)上的制动装置(19)的锁定解除，使得驱动器(2)加速到驱动器(2)的理想运行工况点。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在第三模式(37)中，在驱动器(2)理想工况点的基础上，控制装置(14)在控制支路(13)的传动区间内运行，或者在第四模式(38)中，在驱动器(2)的理想工况点的基础上，控制装置(14)在控制支路(13)的电动区间内运行。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在第五模式(39)中，通过驱动器(2)的转速控制以及叠加传动装置(10)的控制支路(13)的转速调整，工作设备(3)的运行范围在制动装置(19)开启或者锁定装置(18)解锁时运行。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在第一模式(35)时，通过控制装置(14)为启动和运行工作设备(3)提供动力。
16.根据权利要求12到14之一所述的方法，其特征在于，在第二模式(36)到第四模式(38)之间启动和运行工作设备(3)，通过驱动器(2)提供动力，而耦合有变频器(40)的控制装置(14)通过叠加传动装置(10)以传动和电动方式根据所需的转速来调整工作设备(3)的转速和动力传动。
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