CN113183747A - 用于泵的动力传动系、能量产生设备或类似以及启动这种动力传动系的方法 - Google Patents

用于泵的动力传动系、能量产生设备或类似以及启动这种动力传动系的方法 Download PDF

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CN113183747A
CN113183747A CN202110515744.7A CN202110515744A CN113183747A CN 113183747 A CN113183747 A CN 113183747A CN 202110515744 A CN202110515744 A CN 202110515744A CN 113183747 A CN113183747 A CN 113183747A
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M·瓦尔德纳
G·黑亨贝格尔
M·埃里亚韦茨
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Abstract

本发明涉及用于在差动系统中启动动力传动系的方法，动力传动系包括从动机的驱动轴、电驱动机以及差速器，差速器具有三个驱动或从动端，一个从动端能够与驱动轴(2)连接，一个第一驱动端能够与驱动机连接，并且一个第二驱动端能够与差动驱动装置(5)连接，其中，通过差动驱动装置将驱动机从零转速或大致为零的转速启动，而驱动机与电网分离并且同时一个驱动端是经由离合器与另一个驱动端或从动端连接的。根据本发明规定，将所述驱动机随后与电网同步并连接到电网，所述差动驱动装置在所述驱动机同步之后从电动机模式变为发电机模式，并且通过在差动系统中由此产生的新的负载分配，原来通过离合器流动的转矩被调整到零，并且离合器被打开。

Description

用于泵的动力传动系、能量产生设备或类似以及启动这种动 力传动系的方法
本申请是申请日为2016年04月25日、申请号为201680024701.6、国际申请号为PCT/AT2016/000040、发明名称为“用于泵的动力传动系、能量产生设备或类似以及启动这种动力传动系的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种动力传动系。
本发明还涉及一种用于启动动力传动系的方法。
本发明还涉及一种用于在差动系统中启动动力传动系的方法。
背景技术
从动机(如输送装置，例如泵、压缩机和通风机，或如粉碎机、破碎机、车辆等)的一般问题是有效的、转速可变的运行或在负载下的起动，或例如能量获取设备直至转速为零的运行。此外，电机被用作驱动机或发电机的示例，但是该原理适用于所有可能类型的驱动机以及例如内燃机。
目前最常使用的电驱动器或发电机是三相电机，例如基本上仅以恒定转速运行的异步电机和同步电机。此外，三相电机和其下游的电网必须被设计为相应地大，以便它们能够从静止状态传递期望的驱动转矩。因此，由于这个原因，电机也不是直接连接到电网，而是通常与变频器组合设计成转速可变的驱动器。因此，虽然可以在不强烈加载电网的情况下实现从零转速开始的、转速可变的运行，但是该方案是昂贵的并且与显著的效率损失相关联。相比较而言经济的且效率更好的替代方案是使用差动系统，例如根据AT507394A。然而，这里的基本限制是，根据差动级的传动比，仅仅可以实现相对较小的转速范围，因此在所谓的差动模式下，即在使用差动驱动装置实现转速变化的情况下在驱动机的运行转速下，在从动机的驱动轴上基本上无法实现较低的转速。
这样做有几种可能性。根据DE202012101708U，例如可以将差速器的传动比可以固定在1。在此基础上，可以用差动驱动装置驱动完整的动力传动系，或者可以将驱动机置于同步转速并可随后与电网同步。
这种方法的缺点在于差动驱动装置和其下游的变频器的尺寸被设计成比驱动机小得多，因此也可以仅传送相应小的转矩。这不足以在从动机运行时将驱动机加速到同步转速。
AT 514 396A显示了一种方法，驱动机可以通过该方法加速到具有高转矩的转速范围内，并且在接下来的步骤中从动机可以远离零转速启动。这是通过驱动机从零转速或大致为零的转速启动而实现的，而在驱动轴上作用外部制动转矩，并且第二驱动端在驱动轴的加速阶段中被制动。这种方法的缺点在于，为此目的所需的制动装置是复杂的，并且具有例如系统总功率的20％的大小的差动驱动装置仅仅可以实现一个为工作转速的大约50到100％的连续转速范围。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方案，利用该方案驱动机可以优选地在负载下被加速，例如以便将例如直接耦合到电网的电机与电网同步，和/或可以实现大的工作转速范围。
该目的是利用根据本发明的动力传动系实现的，其包括：从动机的驱动轴；驱动机；以及差速器，该差速器具有三个驱动或从动端，一个从动端能够与驱动轴连接，一个第一驱动端能够与驱动机连接，并且一个第二驱动端能够与差动驱动装置连接，根据本发明规定，一个驱动端同时能与另一驱动端或与所述从动端连接。
此外，通过一种用于启动动力传动系的方法来实现该目的，该动力传动系包括从动机的驱动轴、驱动机以及差速器，该差速器具有三个驱动或从动端，一个从动端能够与驱动轴连接，一个第一驱动端能够与驱动机连接，并且一个第二驱动端能够与差动驱动装置连接，将驱动机从零转速或大致为零的转速启动，而同时一个驱动端是与另一个驱动端或从动端连接的。
此外，根据本发明提供一种用于在差动系统中启动动力传动系的方法，该动力传动系包括从动机的驱动轴、电驱动机以及差速器，该差速器具有三个驱动或从动端，一个从动端能够与驱动轴连接，一个第一驱动端能够与驱动机连接，并且一个第二驱动端能够与差动驱动装置连接，其中，通过差动驱动装置将驱动机从零转速或大致为零的转速启动，而驱动机与电网分离并且同时一个驱动端是经由离合器与另一个驱动端或从动端连接的，根据本发明规定，将所述驱动机随后与电网同步并连接到电网，所述差动驱动装置在所述驱动机同步之后从电动机模式变为发电机模式，并且通过在差动系统中由此产生的新的负载分配，原来通过离合器流动的转矩被调整到零，并且离合器被打开。
差动系统的核心是差速器，其在简单的实施例中可以是具有三个驱动或从动端的单行星齿轮传动机构级，一个从动端与从动机的驱动轴连接，一个第一驱动端与驱动机连接，并且一个第二驱动端与差动驱动装置连接。因此，从动机可以在驱动机的恒定转速下以可变转速的方式运行，差动驱动装置使得可以实现驱动轴的可变转速。
为了将从动机从静止状态出发置入运行(如果驱动机是电机，附加地将驱动机从静止状态出发优选地置于同步转速)，则可以根据本发明例如在以下三个阶段中实现系统的运行：
阶段1：差动驱动装置在静止状态下不仅与差动系统的第一驱动端连接而且与差动系统的第二驱动端连接。然后，差动驱动装置被加速，从动机开始工作。与从动机的转矩特性曲线和差动驱动装置的功率相关地，在该运行模式Ⅰ下，优选实现高达从动机的额定工作转速的大约40％-50％的工作转速范围。在此运行模式Ⅰ中驱动机保持与电网分离。优选地，如此选择传动机构级的传动比(差动驱动装置经由该传动比级与两个驱动端连接)，使得一旦差动驱动装置进入其功率极限附近，驱动机至少近似达到其运行转速。差动驱动装置在这个阶段在电机模式工作，即从电网接收电力。
阶段2：与差动系统的第一个驱动端连接的并且正在运行转速范围内运行的驱动机现在与电网连接。由于差动驱动装置在运行模式II的较低工作转速范围内在发电机模式下工作，即，它将能量输送到电网中，所以在下一步骤中，差动驱动装置的转矩从电动机模式调整到发电机模式。由此驱动机连续地越来越重地被加载，直到整个差动系统优选地进入运行模式II的工作转速范围的下限区域。
为了使系统负载尽可能小，优选地，差动驱动装置的从电动机模式到发电机模式的转变被阻尼，即不会突然实现。
阶段3：一旦在差动驱动装置和驱动机上就转速和转矩而言调节到在运行模式II的较低工作转速范围内的运行点，差动驱动装置将与差动系统的第一驱动端分离。该系统现在在差动模式中工作，在对于该从动机的第三阶段中，可以实现最大驱动转速时的最大转矩。
本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。
附图说明
以下参照附图说明本发明的优选实施例。这里：
图1示出了根据现有技术的用于泵的一个驱动端的差动系统的原理，
图2示出了根据本发明的用于高速驱动端的差动系统的实施例，
图2a示出了具有泵的典型转矩特性的图表，
图3示出了根据本发明的用于高速驱动端的差动系统的另一实施例，
图4显示了在启动期间差动系统的转速参数和功率参数的时间特性，
图5示出了根据本发明的用于慢速驱动端的差动系统的实施例，
图6示出了根据本发明的另一实施例，其中差动驱动装置可以与差动系统的第二驱动端和从动端连接，
图7示出了根据本发明的另一实施例，其中差动系统的差动驱动装置5与第二驱动端连接并且可以与从动端连接，
图8示出了根据本发明的另一实施例，其中差动系统的差动驱动装置5与第二驱动端连接并且可以与从动端连接，
图9示出了根据本发明的另一实施例，其中从动端可以连接到差动系统的第一驱动端，
图10示出了根据本发明的另一实施例，其中差动驱动装置可以经由第二驱动端连接到差动系统的第一驱动端，
图11示出了根据本发明的具有正传动比传动机构的差动系统的实施例，
图12示出了根据本发明的具有正传动比传动机构的差动系统的另一实施例，并且
图13示出了根据本发明的用于能量获取设备的差动系统的另一实施例。
具体实施方式
图1以泵作为示例示出用于动力传动系的差动系统的原理。这里，从动机1是泵的象征性示出的转子，其通过驱动轴2和差速器7至9由驱动机4驱动。驱动机4优选为中压三相电机，其连接到电网12上，该电网在所示基于中压三相电机的示例中是中压电网。所选择的电压水平取决于驱动机4的应用和尤其是功率水平，并且可以具有任何期望的电压水平，而不影响根据本发明的系统的基本功能。根据驱动机4的极对的数量，存在设计专用的工作转速范围。工作转速范围是这样的工作转速范围，在该工作转速范围中驱动机4能够提供限定或期望或需要的转矩，并且驱动机4在电驱动机的情况下可以与电网12同步，或者在内燃机的情况下可以被启动或操作。差速器的行星架7与驱动轴2连接，驱动机4与齿圈8连接，并且差速器的太阳轮9与差动驱动装置5连接。差动驱动装置5优选是三相电机，特别是异步电机或永磁激励同步电机。
代替差动驱动装置5，也可使用静液压致动装置。这里，差动驱动装置5被静液压泵/马达组合代替，该泵/马达组合连接到压力管线并且两者优选是流量可调节的。因此，与在转速可调节的电差动驱动装置5的情况下相同，转速是可调节的。
因此，本实施例中的差动系统的核心是具有三个驱动或从动端的单行星齿轮传动级，一个从动端与从动机1的驱动轴2连接，第一驱动端与驱动机4连接并且第二驱动端与差动驱动装置5连接。
为了能够最佳地匹配系统的转速范围，在行星架7和从动机1之间实现了适配传动机构10。替代所示的正齿轮级，适配传动机构10也可以例如被设计为多级的或设计成齿形带或链条传动机构和/或可以与行星齿轮传动机构级或锥齿轮传动机构级组合。此外，通过适配传动机构10，可以为从动机1实现轴线错位，从而能够实现差动驱动装置5和驱动机4的同轴布置。差动驱动装置5通过优选的低压转换器6和(如果必要的话)变压器11电连接到电网12上。这个构思的一个重要优点是驱动机4可以直接地、即没有复杂的功率电子装置地连接到电网12上。在可变的转子转速和与电网连接的驱动机4的固定转速之间的均衡通过转速可变的变速差动驱动装置5实现。
差动系统的转矩方程如下：转矩差动驱动装置＝转矩驱动轴*y/x。
尺度因子y/x是在差速器3中和在适配传动机构10中的传动比的尺度。从动端和驱动端上的转矩相互成比例，由此差动驱动装置5可以控制整个动力传动系中的转矩。差动驱动装置5的功率基本上与从动机1的转速与其基础转速的百分比偏差乘以驱动轴功率的乘积成比例。在这种情况下，基准转速是当差动驱动装置5的转速等于零时在从动机1上形成的转速。因此，从动机1的大的工作转速范围需要差动驱动装置5的相应的大尺寸。如果差动驱动装置5具有例如为系统总功率(从动机的额定功率)的约20％的额定功率，这意味着，在使用差动驱动装置5的典型的所谓的弱磁区域时在从动机1上可以实现大约为额定工作转速50％的最小工作转速。这也是为什么根据现有技术的差动驱动装置特别适用于小的工作转速范围，但原则上任何工作转速范围都是可以实现的。然而，可以确定，在标准基础上的高极三相电机通常允许相对于同步转速更高的超速；原则上这可以实现从动机1的(在差动驱动装置5的相同额定功率情况下)较大的工作转速范围，因为差动驱动装置5的较大的弱磁区域是可能的。
为了能够从等于零的转速启动差动系统，差动驱动装置5通过离合器25可分离地连接到太阳轮9。同步制动器24作用在差动系统的第二驱动端上、因此作用在太阳轮9上并因此作用在整个动力传动系上。在启动期间，在差动系统的该实施例中，在第一步骤中，差动驱动装置5通过离合器25与差动系统的其余部分脱离耦合。如果此时驱动机4加速并与电网12连接，太阳轮9同时自由转动，并且在整个动力传动系中不会产生明显的转矩。因此，在这种情况下，从动机1也保持在低速范围内，并且驱动机4可以与电网12连接，而没有明显的外部反转矩。
一旦驱动机4被加速到高于一定转速并且从动机1基本上静止，则在太阳轮9上建立与差速器的传动比相对应地高的转速，该转速通常高于差动驱动装置5的允许的控制转速范围。控制转速范围是这样的转速范围，差动驱动装置5在该转速范围中工作，以便能够实现从动机1的工作转速范围。控制转速范围主要由制造商规定的电压、电流和转速极限规定。
本实施例中的差动驱动装置5在这个阶段不能与太阳轮9连接。因此，在接下来步骤中，通过同步制动器24，将差动系统的与太阳轮9连接的第二驱动端减慢到位于差动驱动装置5的控制转速范围内的转速。这根据实现的制动系统24或对动力传动系的要求不仅可以在转速/转矩控制下而且可以在转速/转矩非控制下实现。随后，离合器25的差速器侧部分优选地借助于差动驱动装置5与差动系统的第二驱动端的转速同步，并且然后离合器25闭合。
通过操纵同步制动器24(在图1中示出为液力制动器)并且因此通过减慢差动系统的第二驱动端，驱动轴2被强制加速，可用转矩通过一方面同步制动器24的作用在驱动轴2上的制动力和另一方面驱动机4的极限转矩的最小值确定。
图2示出了根据本发明的差动系统的一个实施例，其能够在没有适配传动机构的情况下实现超同步的工作转速范围。该实施例优选用于高速从动机。这里，所示出的动力传动系统如同在图1中也具有从动机1、驱动轴2、驱动机4和与差速器3的从动端或驱动端连接的差动驱动装置5。差动驱动装置5通过转换器6(其由优选电动机侧和电网侧整流器和逆变器组成，这里被简化为一个单元示出)和变压器11连接到电网12。驱动机4可以通过开关23连接到电网12。
由于在所示例子中，从动机1以明显高于驱动机4的同步转速的转速运转，所以驱动轴2与太阳轮13连接并且驱动机4借助于连接轴19与齿圈14连接。差动驱动装置5可以利用行星架16与两个或更多个行星齿轮15连接。因此，在驱动机4与从动机1之间的传动比(例如为2.5至6.5)可以以简单的方式通过一个行星齿轮传动机构级并且在没有匹配传动机构的情况下实现。此外，通过例如多级行星齿轮组，可以实现更高的传动比。多级行星齿轮组的特征在于，行星齿轮15各自具有彼此不可相对旋转地相连的并且具有不同节圆直径的两个齿轮，一个齿轮与太阳轮相互作用并且第二齿轮与齿圈相互作用。
在图1至图3、图5和图9至图12中，示例地示意示出了作为从动机1的泵。然而，这里描述的和参照以下附图描述的原理也可以在用于从动机(例如压缩机、通风机和传送带、粉碎机、破碎机等或能量获取设备等中)的驱动端中应用。
泵作为流动机器具有二次转矩分布曲线，在启动期间叠加来自动力传动系元件等的轴承系统的设计典型的起动力矩。这首先导致例如在启动期间必须克服从动机1的额定转矩的10％-20％的水平的转矩。随着转速的增加，所需的驱动转矩下降(由于没有起动转矩)，并且形成与从动机1的工作转速相对应地(大致二次)上升的转矩，其在额定转速时达到额定转矩。所描述的转矩分布曲线以图2a中的图表示例地示出。
利用齿圈14的由驱动机4确定的转速和由运行引起的太阳轮13的转速，强制地在行星架16形成待设定的转速或待设定的转矩，它们可由差动驱动装置5控制。
例如，行星架16可以被设计成一体的，或者被设计成多部分的，具有彼此不可相对旋转地连接的多个部件。因为行星架16上的转矩高，所以有利的是，例如在行星架16和差动驱动装置5之间实现变速级17、18。为此例如推荐使用正齿轮级，齿轮17与行星架16不可相对旋转地连接，并且齿轮18与差动驱动装置5连接。替代地，变速级例如也可以是多级的，或者可以被设计为齿形带、链传动机构、行星齿轮传动级或作为圆锥齿轮传动机构。也可以代替传动级17、18，实施可连接调节的或可选地可分阶段调节的传动装置。
图2示出了具有转换器6的差动驱动装置5。同样地，多个差动驱动装置可以驱动行星架16，由此将传动比级17、18的待传输的转矩分配到这些差动驱动装置上。在这种情况下，差动驱动装置可以均匀地或不对称地分布在齿轮17的圆周上。在这种情况下，各差动驱动装置优选地但不是必需地由公共的转换器6操控，优选地一个差动驱动装置作为所谓的“主”，并且另外的差动驱动装置作为所谓的“从”。差动驱动装置也可以由几个电动机侧整流器或逆变器单独地或分组地操控，这些所谓的与差动驱动装置连接的电动机侧整流器和逆变器优选地具有一个公共的经由直流中间电路连接的、经由变压器11连接到电网12的所谓的电网侧整流器或逆变器。
当系统配备有多个差动驱动装置时，优选只有一个差动驱动装置5通过辅助传动机构与驱动机4连接，如图2所示。在这种情况下，附加于第一差动驱动装置5，至少一个第二差动驱动装置经由行星架16和变速级17、18驱动辅助传动机构20。因此，仅需要一个辅助传动机构20。
辅助传动机构20与连接轴19连接并且然后与驱动机4或差动系统的第一驱动端连接。该辅助传动机构20可以借助于离合器22连接到差动驱动装置5，并且优选地还驱动润滑油泵21。离合器22可以基本上位于差动驱动装置5和差动系统的第一驱动端之间的任何地方，即也可以不在辅助传动机构20的最靠近差动驱动装置5的级的地方。离合器22优选地被设计为爪式离合器、齿式离合器、多盘式离合器或单向离合器。在此单向离合器(也称为超越离合器)是仅在一个旋转方向上起作用的离合器。单向离合器也可以以自动同步离合器的形式设计。这是一种单向离合器，其中转矩通过齿式离合器传递。驱动机4也可以与辅助传动机构20的传动机构中间级连接，辅助传动机构20与第一驱动端的连接被保持。
在所示实施例中差动驱动装置5通过离合器25可分离地与传动比级17、18连接。为了启动系统，差动驱动装置5通过闭合离合器25与传动比级17、18连接并且通过闭合离合器22与辅助传动机构20连接。通过差动驱动装置5然后加速，从而从动机1和驱动机4同时加速。在离合器22被设计成单向离合器的情况下，该单向离合器将差动驱动装置5的旋转运动自动传递给辅助传动机构20或驱动机4。
如果驱动机4被设计为异步电机，则优选地将其置于运行转速，然后关闭开关23，并且驱动机4与电网12连接。当驱动机被连接到电网12时仅短暂地引出磁化电流。后者虽然高于驱动机4的额定电流，但是仅存在于几个电网周期，并且远低于当驱动机4在负载下连接到电网上时由驱动机4引出的设定电流。如果需要，可以通过使用不同的公认技术方法来额外地减小该磁化电流。然后，打开离合器22，差动系统以所谓的差动模式工作。如果离合器22被设计为单向离合器，则一旦驱动部件(差动驱动装置5)的转速变得低于要驱动的部件(在图2中辅助传动机构20)的转速，则连接自动断开(在这方面也参见图4)。如果驱动机4被设计为同步电机，根据公认的技术规则，可以与电网同步并且因此无浪涌地连接到电网。在这种情况下，差动驱动装置5帮助驱动机4与电网同步，其方式为差动驱动装置可以控制驱动机4的转速以及优选相位角并与电网12同步。
如果驱动机4是内燃机，则其可以通过差动驱动装置5的支持来启动。
在运行故障(例如电网故障)的情况下，在最坏的情况下，驱动机4和从动机1都将以不受控制的方式运行。为了在这种情况下保护在差动模式下工作的差动驱动装置5防止超速，可以使用作用在差动系统的第二驱动端上的制动器26和/或直接作用在差动驱动装置5上的制动器27。一种替代方法是打开离合器25并且以这种方式将差动驱动装置5与差动系统的剩余部分分离。
如果离合器22被设计为单向离合器，则一旦驱动部件(辅助传动机构20)的转速变得低于待驱动部件(差动驱动装置5)的转速，则该离合器的连接被自动激活，由此自动防止差动驱动装置5的超速。因此，当使用单向离合器作为离合器22时，对于运行模式“启动”和“差速运行”或“运行故障”而言既不需要离合器25，也不需要制动器26和27。
如果离合器22被设计为多盘式离合器，则在运行故障的情况下，优选地当辅助传动机构20的输出轴与差动驱动装置5之间的转速差为最小时(理想情况是在转速差大致为零)，激活该离合器。
在本发明的另一个实施例中，制动器26还可用于在所述启动过程中制动差动系统的第二驱动端，以避免行星架16的时间同步的加速。这里，离合器22保持闭合并且离合器25保持打开。因此，从动机1可以从等于零的工作转速出发运行。然而，从动机1的最大可达到的驱动功率与差动驱动装置5的功率容量相对应地而受到限制。因为然而例如锅炉给水泵的运行也包括具有低转速(低于在差动模式下的可达到的工作转速)和低功率的运行模式或由于维护引起的重新运转，所以这可以通过本实施例来实现。
通过用制动器制动第一驱动端(在图2的情况下，例如利用在驱动机4上的制动器28)来实现类似的结果。在该应用中离合器25闭合并且离合器22打开。因此，在齿圈14处于静止状态时，可以用差动驱动装置5驱动行星架16和因此从动机1。这种制动器28的另一应用是在运行故障的情况下平行于从动机1来减慢驱动机4，以便因此防止差动驱动装置5上的超速。
如图1和图2所示，在差动系统中，第一和第二驱动端和从动端可以可选地与齿圈或行星架或太阳轮连接。在根据本发明的另一变型中，差动驱动装置5连接到齿圈14，驱动机4连接到行星架16，从动机1连接到太阳轮13。其它替代组合也同样由本发明包括。图2所示的结构示出了一个实施例，利用该实施例能够容易且经济地实现在从动机1上的高转速。一个示例性构造(其中从动机1与齿圈14连接，驱动机4与太阳轮13连接，并且差动驱动装置5与行星架16连接)是用于减速传动的一个可能的变型实施例。
图3示出了根据本发明用于高速驱动端的差动系统的另一个实施例。差动系统的结构基本上与图2所述的相同。与图2相比，传动比级29显示为锥齿轮传动级。因此，差动驱动装置5的旋转轴线与驱动机4和从动机1的旋转轴线成角度错位地设置。这样，辅助传动机构30也应当设计为圆锥齿轮传动机构。通过角度错位，结果是在差动驱动装置5与从动机1之间的轴线距离增加，并且由此从动机1可以移动成更加靠近差动系统。同样地，差动驱动装置5可以沿驱动机4的方向被镜像反转地设置(比较图2和图5)，因此驱动机4可以移动成更加靠近差动系统。
辅助传动机构30优选地可以以与辅助传动机构20相同的方式设计，使得(a)从动机1和驱动机4的旋转方向相反，并且(b)驱动机4优选地到达其运行转速，一旦差动驱动装置5进入其功率极限的范围中。
辅助传动机构30可以通过离合器31与差动驱动装置5连接，并且优选地还驱动润滑油泵21。离合器31可以位于差动驱动装置5和连接轴19之间的路径中的任何位置，但是优选地位于润滑油泵21和差动驱动装置5之间，以确保润滑系统的紧急运行。如果差动驱动装置5沿驱动机4的方向被镜像反转地设置，则辅助传动机构30的第一齿轮运行成例如可联接在差动驱动装置5和差动系统的第二驱动端之间的连接轴上(比较图2和图5)。
离合器22的设计和功能基本上同样适用于离合器31。此外，离合器22、31还可以被设计为具有附加/集成的锁定功能的液力耦合器/变矩器，并且因此在差动模式下在动力传动系中发生故障时，也可以通过闭合作为紧急制动系统使用，并且可以保护差动驱动装置5防止超速(参见针对图2的说明)。替代地(或补充地)，例如也可以使用直接作用在差动驱动装置5上的制动器27。然而，根据本发明原则上可以使用任何类型的离合器。
如图3所示的离合器34如同离合器32和33首先用于将从动机1、驱动机4和差动驱动装置5与差动系统的传动机构部分连接。如果使用简单且经济的离合器31是优选的，则如已经描述的图2所示的离合器34可以在操作中被脱开(如果需要也可以在超速时自动打开)，以在例如运行故障的情况将差动驱动装置5与差动系统的第二驱动端分离。因此，制动器27原则上也不再是需要的。替代地，如已经说明的那样，代替离合器31，可以使用防止在发生故障的情况下差动驱动装置5上的超速的单向离合器。因此，在差动模式(运行模式II)中在发生故障的情况下，从动机1和驱动机4的转速始终朝向“最低工作转速”的方向进行并且因此所需要的单向离合器转动方向被定义了。
差动系统的启动并运行到其额定工作点分三个阶段实现，如借助于图3所述。这三个阶段如下：
阶段1：差动驱动装置5与差动系统的第二驱动端连接并且另外通过闭合离合器31借助于辅助传动机构30附加地与差动系统的第一驱动端(包括连接轴19和驱动机4)连接(在单向离合器的情况下单向离合器自动激活)。然后，差动驱动装置5被加速，并且从动机1开始工作。根据从动机1(加上可能与动力传动系连接的所谓的增压泵69)的转矩特征曲线和差动驱动装置5的功率，在该运行模式Ⅰ中，优选地可以实现可连续调节的工作转速，其为零到例如从动机1的额定工作转速的大约40％-50％。动力传动系在这里被定义为驱动轴2和驱动机4之间的整个驱动传动系。驱动机4在这种运行模式Ⅰ中保持与电网分离。
在这种情况下起作用的传动机构3、29和30的传动比被选择为使得一旦差动驱动装置5进入其功率极限的区域内，驱动机4就达到其运行转速。也就是说，差动驱动装置5被设计成使得其(a)可以克服传动系的固有的起动力矩，并且(b)在运行模式I中达到了一个工作转速，其位于尽可能低的、在差动模式(运行模式II)中可达到的工作转速的范围中。优选地，允许运行模式I和II的工作转速范围的或多或少的重叠，以有利于运行模式I和II之间的转换的控制滞后。
如果旨在将差动驱动装置5设计成尽可能小的功率，则也可以提供运行模式I和II之间的工作转速间隙。然而，这里在运行模式I和II之间切换时，必须容忍转矩和转速突变，这可以优选通过控制技术或者也利用阻尼器和/或离合器和/或具有附加/集成锁定功能的液力变矩器(例如作为离合器31)来补偿。如果在运行模式I和运行模式II之间存在工作转速间隙，则如上所述差动驱动装置5不能将驱动机4加速到直至其运行转速。然后驱动机4以低于其同步转速的转速切换到电网12上；这导致相应的电流和转矩浪涌。然而，它们比当驱动机4以等于零的转速切换到电网12时小。差动驱动装置5在驱动机被切换到电网12期间与辅助传动机构分离(在单向离合器的情况下，其被自动停用)并且在差动系统的第二驱动端上“产生”反作用力矩。
差动驱动装置5在第一阶段(运行模式I)中总是电动机式工作，即从电网获得能量。
阶段2：一旦驱动机4达到其运行转速，如借助于图2所述，则驱动机与电网12同步并且开关23闭合。
由于差动驱动装置5在运行模式II的下部工作转速范围内发电机式工作，即，它向电网供电，所以在下一步骤中，差动驱动装置5的转矩从对于运行模式I需要的电动机式运行调节到对于运行模式II首先必需的发电机式运行。以这种方式，驱动机4连续地强烈受载，直到差动系统优选地进入运行模式II的工作转速范围的下部区域。
为了使系统负载保持尽可能小，从差动驱动装置5的电动机模式到发电机模式的转换最好发生被缓冲，即不会突变地发生。
阶段3：差动系统一旦达到在运行模式II的下部工作转速范围内的针对阶段2所描述的工作点，则差动驱动装置5与差动系统的第一驱动端分离，其方式为要么打开离合器51，要么在单向离合器的情况下，一旦差动驱动装置的转速降低，连接被自动断开(停用)。系统现在在运行模式II(＝差动模式)中工作，由此在第三阶段中对于从动机1而言可以在最大驱动转速的情况下实现最大转矩。
为了将差动系统从运行模式II切换到运行模式I，例如为了断开从动机1或为了更小的输送能量，优选推荐以下流程：
首先，触发运行模式II的工作转速范围的下部区域。在两个离合器半部(通过差动驱动装置5的转速控制)优选同步之后，闭合离合器31(如果不设计为单向离合器)。作为下一步骤，将差动驱动装置5的转矩从运行模式II所需的发电机式运行调整到运行模式I所需的电动机式运行。以这种方式，驱动机4被连续卸载，直至不再提供转矩。通过开关23紧接着被打开，驱动机4能够与电网12平稳地分离。在离合器22、31设计为单向离合器的情况下，在这种情况下单向离合器自动激活。此时的差动系统现在在运行模式I中工作并且因此可以运行直至等于零的工作转速。
图4在无量纲时间轴上示出了在针对图3描述的阶段期间从动机1、驱动机4、差动驱动装置5和离合器22、31的转矩和转速的分布曲线。
阶段1：在时间T0存在完整的差动系统。一旦差动驱动装置5开始转动，从动机1和驱动机4也加速，直到后者1达到其运行转速，在图4中利用T1表示。在时间标记T0和T1之间，差动系统在运行模式I中工作。
阶段2：在下一步骤中，直到该时刻无负载工作的驱动机4与电网12同步，并且开关23在时间T2闭合。
而后在随后的步骤(T2和T3之间)中，将差动驱动装置5的转矩从电动机模式调整到发电机模式(差动驱动装置5的转矩改变方向)。以这种方式，驱动机4连续地强烈受载(驱动机4的转矩上升)，直到差动系统优选地到达运行模式II的工作转速范围的下部工作点。通过在差动系统中由此产生的新的负载分配，原来通过离合器22、31流动的转矩被调整到零，并且离合器22、31被打开或在单向离合器的情况下自动地停用。在时间点T4，因此结束阶段2。
在阶段2中差动系统的驱动端和从动端的转速优选保持基本恒定，但是基于由运行引起的对于从动机1的要求或对于驱动机4的同步过程的要求，所述转速也可以变化。在这方面，运行模式I和II的工作转速的重叠是有利的，因为以这种方式，可以校正在时间T1和T2之间可能出现的转速波动，因此驱动机4可以平稳地与电网12连接。
阶段3：此时的差动系统在时间T4和T6之间在运行模式II(＝差动模式)中工作。在此在T4和T5之间的区域显示了部分负载范围，在该范围中系统功率可变地调节，直到其在T5和T6之间例如保持在具有恒定额定转矩和恒定额定转速的额定功率(在图4中因此作为恒定线示出)。在T4和T5之间的范围内，差动驱动装置5从发电机模式转变为电动机模式，这在其转速(“差动驱动装置”转速)中可见。
差动系统在运行模式II中以高于额定转速的转速运行基本上是可能的，差动驱动装置5然后必须在弱磁区域中运行。在这样做时，根据已知的工程规则，其转矩仅在一定程度上可用。
在三相电机的情况下，驱动机4的转速(“驱动机”转速)在运行模式II中保持基本恒定。
如果离合器22或31被设计为单向离合器，则自动实现离合器22、31的激活/停用，通过该离合器可实现在所描述的相位/运行模式之间的流畅过渡。
图4中时间轴的时间关系可以单独配置，并且取决于差动系统的设计标准或运行要求。
所描述的运行概念也类似适用于例如能量获取装置的发电机模式。在能量获取设备中使用根据本发明的系统的情况下，从动机1例如是风力发电设备或水轮机，驱动机4是基本上在发电机式运行中工作的电机。因此，与图1至图12中的图示及其描述相比，在整个驱动传动系中的功率流反转。这也适用于在T2和T3之间在图4中描述的差动驱动装置5的转矩方向的控制。
如果差动系统用于所谓的泵式涡轮机(从动机有时作为涡轮机，有时作为泵运行)，则用根据本发明的系统不仅可以实现发电机模式/发电机式运行(涡轮机)而且可以实现电动机模式/电动机式运行(泵)，其中可以连续地从一种运行模式切换到另一种运行模式。在这种情况下，从一个运行模式(涡轮机)到另一个(泵)的转变优选地在时间T0进行。
基本上，这里描述的概念也可以根据图2至图12中描述的功能和变型实施例来扩展。
图5示出了根据本发明的差动系统用于优选慢速运行的驱动端的一个实施例。该原理来自图1、图2和图3的说明，也可用于快速运行的驱动端。与图2和图3的概念的主要区别在于，差动驱动装置5与作为差动系统的第二驱动端的太阳轮9(而不是图2和3中的行星架16)连接，并且从动机1与行星架7(而不是图2和图3中的太阳轮13)连接。差动驱动装置5可以借助于离合器22与辅助传动机构20连接，并且优选地还驱动润滑油泵21。离合器22可以位于差动驱动装置5和连接轴19之间的路径中的任何地方，但是优选地位于润滑油泵21和差动驱动装置5之间，以确保润滑系统的紧急运行。
图6示出了根据本发明的另一个实施例，其中差动驱动装置5可以连接到差动系统的第二驱动端和从动端。在该实施例中，差动驱动装置5一方面连接到差动系统的第二驱动端，另一方面，可以通过离合器22和辅助传动机构61与差动系统的从动端或驱动轴2连接。基本上，与图2至图5已经描述的相同，仅差动驱动装置5通过行星架7和齿圈8驱动驱动轴2和驱动机4。图6中设置一个匹配传动机构级60，以优化差动驱动装置5的转速控制范围。
图7示出了根据本发明的另一实施例，其中差动系统的差动驱动装置5与第二驱动端连接并且可以与从动端连接。与图6的实施例相反，这里第二驱动端与齿圈63连接，第一驱动端与行星架64连接并且从动端与太阳轮65连接。因此，差动驱动装置5经由传动比级66和具有外齿的齿圈63控制驱动轴2的转速。为了启动，差动驱动装置5可以借助于离合器31和辅助传动机构62与差动系统的从动端连接。为了对于运行需要的制动过程，设置制动器67(在图示的实施例中示出为盘式制动器)，制动蹄与驱动机4连接并且制动盘优选与离合器33连接。如果离合器33被设计为具有过载保护(例如，转矩限制器)，则应优选地注意，该过载保护不是位于制动转矩的主负载路径中，以便因此不限制可最大限度地传递的制动转矩。在这种情况下，主负载路径是制动器67的大部分制动转矩流过的路径。制动器67在驱动机4上的上述定位的一个主要优点是，因此差动系统的第一驱动端的支承保持没有可能作用的横向力(由于不均匀作用的制动力)。
图8示出了根据本发明的另一实施例，其中差动系统的差动驱动装置5经由具有外齿的齿圈63与第二驱动端连接，并且可以经由离合器22和辅助传动机构68与第一驱动端连接。
根据图6、7和8的实施例特别适合应用于作为从动机1的能量获取设备(例如风力发电机)中。在这种情况下，驱动机4是电机，其工作基本上在发电机模式下工作。因此，整个驱动传动系中的动力流反转(在这方面也参见图4的说明)。在这种情况下，差动系统优选地是所谓的主传动装置的一部分，驱动轴2在大多数情况下连接到该主传动装置的其他传动机构级，以便在相应的高转矩时实现对于从动机而言所需要的低转速。
图9示出了根据本发明的另一实施例，其中从动端可以与差动系统的第一驱动端连接。在该图中，差动驱动装置5一方面与第二驱动端连接，并且另一方面差动系统的从动端或例如驱动轴2可以经由辅助传动机构70借助于离合器31与差动系统的第一驱动端或随后的驱动机4连接。基本上，与已经针对图2至图8所描述的相同，只有差动驱动装置5在运行模式I中经由差动系统的从动端驱动驱动机4或在图示的变型实施例中通过驱动轴2附加地驱动驱动机。
图10示出了根据本发明的另一实施例，其中差动驱动装置5可以经由第二驱动端、变速器41和辅助传动机构42与差动系统的第一驱动端连接。
图11示出了根据本发明的差动系统的一个实施例，其具有所谓的正传动比传动机构(也称为行星齿轮传动装置)。这里，差动系统的第一驱动端的驱动轴19连接到第一太阳轮44，并且从动机1连接到第二太阳轮45。行星架46配备有两个或更多个多级行星齿轮47、48。多级行星齿轮的特征在于行星齿轮分别具有两个齿轮47、48，齿轮47、48相互不可相对旋转地连接并且具有不同的节圆直径。在本发明的所示实施例中，齿轮48与太阳轮44相互作用，并且齿轮47与太阳轮45相互作用。差动驱动装置5以可变转速驱动行星架46。为了实现运行模式I，行星架46可以经由传动比级49和辅助传动机构50与差动系统的第一驱动端或者说驱动机4连接。驱动机4和驱动机1的旋转方向在这里是相同的，并且与辅助传动机构50组合的传动比级49使相对于行星架46的旋转方向反转。作为正传动比传动机构形式的差动系统的所示实施例允许在驱动机4和从动机1之间小的传动比，并且由于没有齿圈也可经济地制造。
图12示出了根据本发明的差动系统的另一个实施例，其形式为正传动比传动机构。基本上，其功能由根据图11的设计得到。然而，在该实施例中，辅助传动机构52可以连接到变速器51。在根据本发明的另一个实施例中，差动驱动装置5直接连接到轴55。
如图2至图12以示例的方式示出的，根据本发明，存在用于实现根据本发明的启动功能的许多可能性。从根本上来说，总是例如通过辅助传动机构20、30、42、50、52、53、61、62、68、70实现对差动系统的桥接，使得一旦从动机1例如在运行模式II中达到下部工作转速，则驱动机4达到其运行转速。但是，如上所述，可以存在运行模式I和II的工作转速范围的或多或少的重叠或工作转速间隙。然而，根据本发明，在所有实施例中，驱动机4和从动机1通过差动驱动装置5被平行加速。
图13示出了根据本发明的用于能量获取设备的差动系统的另一实施例。在根据本发明的系统在能量获取设备中使用的情况下，驱动机42是基本上在发电机模式下工作的电机，优选地是他励的中压同步电机(也见图4和图8的说明)。
在这种情况下，从动机38(例如，风力发电机的转子)经由主传动装置39驱动差速级40的行星架。因此，结合图1至图12描述的驱动机在工作运行范围内作为发电机42运行。通过转换器6和变压器11连接到电网12的差动驱动装置5通过轴35(其同轴地在发电机42的转子中空轴43中被引导)连接到差速器40的第二驱动端。差动驱动装置5可以通过辅助传动机构53和离合器54与驱动机42的转子轴43连接，辅助传动机构53的行星架与发电机42的壳体不可相对旋转地连接或被集成到该壳体中。离合器22、31的设计基本上同样适用于离合器54。示意性地作为行星齿轮传动级示出的辅助传动机构53也可以被一个/多个正齿轮或锥齿轮传动级替代。这特别是当根据AT511720A，差动系统设计有多个通过正齿轮传动级连接的差动驱动装置时适用。然而，从根本上来说，可以使用任何类型的传动装置或带驱动装置或类似件。
代替差动驱动装置5，可使用静液压致动装置。这里，差动驱动装置5和转换器6被两部分或多部分的静液压泵/马达组合代替，该组合连接到压力管线上并且优选地是流量可调节的。因此，如在转速可调节的电差动驱动装置5的情况下，转速是可调节的。在这样做时，泵/马达组合的一部分优选地与驱动轴2和/或借助于电驱动装置至少暂时与电网12连接，和/或泵/马达组合的一部分有时由其他驱动单元驱动。
该变型实施例也可类似地当使用液力变矩器用作差动驱动装置时应用。
根据本发明的系统还可以用于以所谓的相移模式运行驱动机4或发电机42。也就是说，驱动机可以或者作为电动机4或作为发电机42将无功电流输入电网中或从电网12中抽出，而不使从动机1被运行。在此驱动机4或42优选地借助于差动驱动装置5仅仅与电网12同步和连接，并且然后差动驱动装置5优选地通过打开离合器22、31、54而与驱动机4、42分离，而不执行所述启动过程的其他步骤。这仅在从动机1必须开始运行时才实现。

Claims (11)

1.一种用于在差动系统中启动动力传动系的方法，该动力传动系包括从动机(1，38)的驱动轴(2)、电驱动机(4，42)以及差速器(3、7至9、40)，该差速器具有三个驱动或从动端，一个从动端能够与驱动轴(2)连接，一个第一驱动端能够与驱动机(4、42)连接，并且一个第二驱动端能够与差动驱动装置(5)连接，其中，通过差动驱动装置(5)将驱动机(4、42)从零转速或大致为零的转速启动，而驱动机(4、42)与电网(12)分离并且同时一个驱动端是经由离合器(22、31、54、63)与另一个驱动端或从动端连接的，其特征在于，
将所述驱动机(4、42)随后与电网同步并连接到电网(12)，
所述差动驱动装置(5)在所述驱动机(4、42)同步之后从电动机模式变为发电机模式，并且
通过在差动系统中由此产生的新的负载分配，原来通过离合器(22、31、54、63)流动的转矩被调整到零，并且离合器(22、31、54、63)被打开。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，驱动机(4、42)从零转速或大致零转速起动，而同时差动驱动装置(5)一方面是与第一驱动端或从动端连接的并且另一方面是与第二驱动端连接的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述差动驱动装置(5)在电动机模式下工作，同时一方面驱动第一驱动端或从动端并且在另一方面驱动第二驱动端。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在该阶段中，将从动机加速到至多为从动机(1)的工作额定转速的大约40％-50％的转速范围。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于差动驱动装置(5)，将电机(4、42)的转速和特别是相位角与电网(12)同步。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，随后将差动驱动装置(5)与第一驱动端分离。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，一旦差动驱动装置(5)进入其功率极限的区域内，驱动机(4、42)基本上达到其运行转速。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动机(4、42)在通过所述差动驱动装置(5)与电网(12)同步之后在相移模式中工作。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，为了从动机在低转速范围内运行，所述第一驱动端利用制动器(28)制动或锁定，而差动驱动装置(5)驱动第二驱动端。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，为了从动机在低转速范围内运行，所述第二驱动端利用制动器(26)制动或锁定，而差动驱动装置(5)驱动第一驱动端。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在运行故障的情况下，差动驱动装置(5)与第一驱动端和第二驱动端或从动端连接。
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