DE102005015379A1

DE102005015379A1 - Elektrisches Antriebssystem mit einer Gleichstrom-Busspannungssteuerung

Info

Publication number: DE102005015379A1
Application number: DE102005015379A
Authority: DE
Inventors: Brian D. Metamora Kuras; Thomas M. East Peoria Sopko
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2005-12-15
Also published as: US7378808B2; US20050263329A1; US20050263331A1; JP2005335695A; US7298102B2

Abstract

Ein elektronisches Antriebssystem hat eine Leistungsquelle und einen Generator, der betriebsmäßig mit einer Leistungsquelle verbunden ist. Der Generator ist konfiguriert, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen. Das elektrische Antriebssystem hat auch mindestens einen Kondensator, der konfiguriert ist, um eine Leistungslieferung zu speichern. Das elektrische Antrieebssystem hat weiter einen gemeinsamen Bus, der konfiguriert ist, um die Leistungsausgabe zum Kondensator zu leiten. Das elektrische Antriebssystem hat auch mindestens einen Motor, der konfiguriert ist, um Leistung von dem gemeinsamen Bus aufzunehmen. Das elektrische Antriebssystem hat zusätzlich eine Steuervorrichtung in Verbindung mit dem mindestens einen Motor und dem Generator. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um mindestens eine Eingangsgröße aufzunehmen, die mit dem Motor assoziiert ist, eine angeforderte Motorleistung als eine Funktion der mindestens einen Eingangsgröße zu bestimmen und den Generator zu betreiben, um die angeforderte Motorleistung zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf elektrische Antriebssysteme für eine Arbeitsmaschine und insbesondere auf ein elektrisches Antriebssystem mit einer Gleichstrom-Busspannungssteuerung.
Hintergrund
Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, Raupentraktoren und andere Arten von schweren Maschinen werden für eine Vielzahl von Aufgaben verwendet. Diese Arbeitsmaschinen weisen eine Leistungsquelle auf, die beispielsweise ein Motor sein kann, wie beispielsweise ein Diesel-Motor, ein Benzin-Motor oder ein Erdgas-Motor, der die Leistung liefert, die erforderlich ist, um diese Aufgaben zu erfüllen. Um wirkungsvoll diese Aufgaben auszuführen, kann die Leistungsquelle mit einem Generator gekoppelt sein, um eine elektrische Leistungsausgangsgröße zu erzeugen, die zu einem oder mehreren Elektromotoren geliefert wird. Diese Motoren können mit mit dem Boden in Eingriff stehenden Vorrichtungen verbunden sein, um die Arbeitsmaschine voran zu treiben.

Typischerweise wird der Generator angewiesen, Leistung zu erzeugen, wenn ein Spannungsniveau einer Energiespeichervorrichtung, die zwischen dem Generator und dem Motor angeordnet ist, unter ein vorbestimmtes Niveau abfällt, und die Erzeugung von Leistung zu stoppen, wenn das Spannungsniveau der Energiespeichervorrichtung ein vorbestimmtes Niveau überschreitet. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 6 333 620 (das '620-Patent), das an Schmitz und andere am 25. Dezember 2001 ausgegeben wurde, ein Hybrid-Fahrzeug der Reihen-Bauart, welches einen Generator, eine Leistungsquelle, eine Batterieanordnung, mindestens einen Elektromotor und eine Steuervorrichtung besitzt. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um einen Ladungszustand der Batterieanordnung in einer Steuergrenze zu halten.

Die Steuervorrichtung vergleicht einen Ladungszustand der Batterieanordnung mit einer oberen Steuergrenze und verringert die Generatorausgangsgröße, wenn der Ladungszustand gleich oder größer als die assoziierte obere Steuergrenze ist. Die Steuervorrichtung ist weiter konfiguriert, um die Generatorausgangsgröße zu steigern, wenn der Ladungszustand geringer als die obere Steuergrenze ist.

Obwohl die Steuervorrichtung des '620-Patentes einen ausreichend konstanten Ladungszustand der Batterieanordnung aufrecht erhalten kann, kann die Steuervorrichtung komplexe und teure Komponenten erfordern, die nötig sind, um schnell auf Leistungsanforderungsfluktuationen anzusprechen. Zusätzlich kann die Batterieanordnung eine unzureichende Fähigkeit zur Beschleunigung und zur regenerativen Abbremsung vorsehen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein elektrisches Antriebssystem gerichtet, welches eine Leistungsquelle und einen Generator aufweist, der betriebsmäßig mit der Leistungsquelle verbunden ist. Der Generator ist konfiguriert, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen. Das elektrische Antriebssystem weist auch mindestens einen Kondensator auf, der konfiguriert ist, um eine Leistungsversorgung zu speichern. Das elektrische Antriebssystem weist weiterhin einen gemeinsamen Bus auf, der konfiguriert ist, um die Leistungsausgabe zum Kondensator zu leiten. Das elektrische Antriebssystem weist auch mindestens einen Motor auf, der konfiguriert ist, um Leistung vom gemeinsamen Bus aufzunehmen. Das elektrische Antriebssystem weist zusätzlich eine Steuervorrichtung in Verbindung mit dem Motor und/oder dem Generator auf. Die Steuervorrichtung ist so konfiguriert, um mindestens eine Eingangsgröße aufzunehmen, die mit dem Motor assoziiert ist, eine angeforderte Motorleistung als eine Funktion von mindestens einer Eingangsgröße zu bestimmen, und den Generator zu betreiben, um die angeforderte Motorleistung zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs gerichtet. Das Verfahren weist den Betrieb einer Leistungsquelle auf, die mit einem Generator verbunden ist, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen und Leistung in mindestens einem Kondensator zu speichern, der mit dem Generator über einen gemeinsamen Bus verbunden ist. Das Verfahren weist weiter das Leiten von Leistung von dem gemeinsamen Bus zu mindestens einem Motor auf. Das Verfahren weist auch auf, mindestens eine Eingangsgröße zu empfangen, die mit dem mindestens einen Motor assoziiert ist, eine angeforderte Motorleistung als eine Funktion der mindestens einen Eingangsgröße zu bestimmen, und den Generator zu betreiben, um die angeforderte Motorleistung zu erzeugen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
2 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel; und
3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Betrieb eines elektrischen Antriebssystems gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel zeigt.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht eine Arbeitsmaschine 10 mit einer Leistungsquelle 12 und einem elektrischen Antrieb 14, der mit einer Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung 16 verbunden ist. Die Arbeitsmaschine 10 kann eine mobile Maschine sein, die eine gewisse Art eines Betriebsvorgangs ausführt, der mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise Bergbau, Bau, Ackerbau, Transport oder mit irgend einem anderen in der Technik bekannten Industriezweig. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 10 eine Erdbewegungsmaschine, ein Seefahrzeug, ein Flugzeug oder ein Straßenpassagierfahrzeug oder irgend eine andere geeignete mobile Arbeitsmaschine sein.
Die Leistungsquelle 12 kann ein Motor sein, wie beispielsweise ein Diesel-Motor, ein Benzin-Motor, ein Erdgas-Motor oder irgend ein anderer geeigneter Motor. Es wird in Betracht gezogen, dass der elektrische Antrieb 14 mit irgend einer anderen Art einer Leistungsquelle verwendet werden kann, wie beispielsweise mit einer Brennstoffzelle. Die Leistungsquelle 12 kann eine maximale Drehzahlgrenze haben.
Wie in 2 veranschaulicht, kann der elektrische Antrieb 14 einen Generator 18 aufweisen, der konfiguriert ist, um eine Ausgangsleistung zu erzeugen, die zu einem gemeinsamen Bus 20 geleitet wird, der mit einem Motor 22, einem Kondensator 24 und einer Widerstandsgitterschaltung 28 verwendet wird. Der elektrische Antrieb 14 kann auch eine Steuervorrichtung 30 in Verbindung mit dem Motor 22, einem Generator 18, einer Widerstandsgitterschaltung 28 und einem gemeinsamen Bus 20 aufweisen.
Der Generator 18 kann ein dreiphasiger Permanentmagneten-Generator mit alternierendem Feld sein, der konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe ansprechend auf eine Dreheingangsgröße von der Leistungsquelle 12 zu erzeugen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Generator 18 ein Generator mit geschalteter Reluktanz sein kann, ein Direktphasen-Generator oder irgend eine andere Bauart eines in der Technik bekannten Generators. Der Generator 18 kann einen (nicht gezeigten) Rotor aufweisen, der drehbar mit der Leistungsquelle 12 durch irgend welche Mittel verbunden ist, die in der Technik bekannt sind, wie beispielsweise durch eine direkte Kurbelwellenverbindung 32, über einen Getriebestrang, durch eine Hydraulikschaltung oder in irgend einer anderen geeigneten Weise. Der Generator 18 kann kon figuriert sein, um elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen, wenn der Rotor in einem (nicht gezeigten) Stator durch die Leistungsquelle 12 gedreht wird.
Der Generator 18 kann mit dem gemeinsamen Bus 20 über einen Generatorinverter 34 verbunden sein, der konfiguriert sein kann, die dreiphasige alternierende Leistung bzw. Wechselstromleistung in gleichphasige Leistung bzw. Gleichstromleistung zu invertieren. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuervorrichtung 30 in Verbindung mit dem Generatorinverter 34 sein kann. Der gemeinsame Bus 20 kann positive und negative Leistungsleitungen 36, 38 aufweisen, die elektrisch den Generatorinverter 34, den Kondensator 24, die Widerstandsgitterschaltung 28 und einen Motorinverter 40 verbinden, der mit dem Motor 22 verbunden ist. Der gemeinsame Bus 20 kann auch elektrisch mit zusätzlichen (nicht gezeigten) Leistungsspeichervorrichtungen und (nicht gezeigten) zusätzlichen Leistungsbelastungen verbunden sein, um Leistung zu dem gemeinsamen Bus 20 zu liefern und/oder Leistung von diesem abzuziehen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuervorrichtung 30 in Verbindung mit dem Motorinverter 40 sein kann.
Der Motor 22 kann ein Permanentmagnet-Motor der Bauart mit alternierendem Feld sein, um Leistung von dem gemeinsamen Bus 20 aufzunehmen und um eine Bewegung der Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung 16 zu verursachen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Motor 22 ein geschalteter Elektromotor sein kann, ein Direktphasenmotor bzw. Gleichstrommotor oder irgend eine andere Art eines Motors, die in der Technik bekannt ist. Der Motor 22 kann mit der Traktionsvorrichtung 16 über eine direkte Wellenkupplung 42, über einen Getriebemechanismus oder in irgend einer anderen in der Technik bekannten Art verbunden sein.
Der Kondensator 24 kann mit dem gemeinsamen Bus 20 über positive und negative Leistungsleitungen 44, 46 verbunden sein, und kann einen erwünschten Spannungsbereich haben. Es wird in Betracht gezogen, dass irgend eine Anzahl von Kondensatoren in dem elektrischen Antrieb 14 gemäß den Anforderungen einer speziellen Anwendung vorgesehen sein kann.
Für die Zwecke dieser Offenbarung kann der erwünschte Spannungsbereich als der Spannungsbereich definiert sein, der von dem Lieferanten des Kondensators 24 für einen sicheren Betrieb empfohlen wird und kann eine obere Grenze und eine untere Grenze aufweisen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der erwünschte Spannungsbereich durch Einschränkungen der Leistungselektronik des Motors und des Generatorinverters definiert sein kann. Die Auswahl eines Kondensators 24 mit speziellem Spannungsbereich, der in dem elektrischen Antrieb 14 vorgesehen sein kann, kann von der beabsichtigten Anwendung abhängen. Beispielsweise kann der elektrische Antrieb 14, der zum Betrieb in einem kleinen leichtgewichtigen Passagierfahrzeug vorgesehen ist, einen Kondensator 24 mit einem erwünschten Spannungsbereich von ungefähr 300-600 Volt. aufweisen. Der elektrische Antrieb 14, der für den Betrieb in einer Anwendung eines größeren Bergbaulastwagens vorgesehen ist, kann einen Kondensator 24 mit einem erwünschten Spannungsbereich von ungefähr 1500-2500 Volt aufweisen.
Der Kondensator 24 kann konfiguriert sein, um Leistung von dem gemeinsamen Bus 20 abzuziehen und diese Leistung für die spätere Abgabe zu speichern, wenn der Motor 22 oder andere Zusatzlasten Leistung von dem gemeinsamen Bus 20 abziehen. Während des Betriebs des elektrischen Antriebs 14 kann der Generator 18 mehr Leistung als eine angeforderte Motorleistung erzeugen. Wenn ein Spannungsniveau des gemeinsamen Busses 20 unter einer oberen Spannungsgrenze eines erwünschten Spannungsbereiches ist, und der Generator 18 eine übermäßige Leistungsausgabe hat, kann der Kondensator 24 aufgeladen werden, bis die obere Spannungsgrenze erreicht ist. Wenn jedoch der Generator 18 nicht die Kapazität hat, die vom Motor 22 oder von anderen Zusatzlasten angeforderte Leistung zu liefern, kann der Kondensator 24 die in dem Kondensator 24 gespeicherte Leistung zum gemeinsamen Bus 20 entladen.
Übermäßige Leistung kann auch zu dem gemeinsamen Bus 20 durch den Motor 22 während der regenerativen Abbremsung geleitet werden. Immer wenn die Bremsen der Arbeitsmaschine angewandt werden, um die Ar beitsmaschine 10 zu verlangsamen, wird Energie von der Arbeitsmaschine 10 abgeführt. Je schneller die Arbeitsmaschine 10 fährt, desto mehr Energie hat sie. Die Bremsen der Arbeitsmaschine 10 können einen Teil dieser Energie durch Anwendung einer regenerativen Abbremsung aufnehmen. D.h., anstatt einfach die Bremsen zu verwenden, um die Arbeitsmaschine 10 zu stoppen, kann der Motor 22 auch die Arbeitsmaschine verlangsamen, indem er als Generator wirkt, während die Arbeitsmaschine 10 sich verlangsamt. Die Leistung, die vom Motor 22 erzeugt wird, kann zu dem gemeinsamen Bus 20 geleitet werden, wo sie von dem Kondensator 24 aufgenommen werden kann. Leistung, die nicht von dem Kondensator 24 während der regenerativen Abbremsung absorbiert worden ist, kann zum Generator 18 geleitet werden. Der Generator 18 kann dann verwendet werden, um die Leistungsquelle 12 anzutreiben, wodurch er die betriebliche Reibung der Leistungsquelle 12 verwendet, um die übermäßige Leistung abzuleiten.
Die Widerstandsgitterschaltung 28 kann mit dem gemeinsamen Bus 20 über positive und negative Leistungsleitungen 48, 50 verbunden sein und kann konfiguriert sein, um übermäßige Leistung von dem gemeinsamen Bus 20 abzuleiten. Die Widerstandsgitterschaltung 28 kann ein Widerstandselement 52 und einen Schalter 54 haben. Es wird in Betracht gezogen, dass die Widerstandsgitterschaltung 28 eine größere Anzahl von Widerstandselementen 52 aufweisen kann und/oder eine größere Anzahl von Widerstandsgitterschaltungen 28 in dem elektrischen Antrieb 14 vorgesehen sein kann. Der Schalter 54 kann veranlasst werden, sich von einer offenen Position zu einer geschlossenen Position zu bewegen, was jeweilige offene und geschlossene Zustände der Widerstandsgitterschaltung 28 verursacht. Wenn es in dem offenen Zustand ist, zieht das Widerstandsgitter 28 keine Leistung vom gemeinsamen Bus 20 ab. Wenn es jedoch in dem geschlossenen Zustand ist, kann Leistung von dem gemeinsamen Bus 20 durch das Widerstandselement 52 abgeleitet werden.
Die Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um den geschlossenen Zustand auszulösen. Wie oben beschrieben, kann übermäßige Leistung (Leis tung, die nicht von dem Kondensator 24 absorbiert worden ist), die während des Bremsens regeneriert wurde, durch Reibungsverluste der Leistungsquelle 12 abgeleitet werden, wenn der Generator 18 die Leistungsquelle 12 antreibt. Wenn jedoch die übermäßige Leistung über einem vorbestimmten Niveau ist, kann die Leistungsquelle 12 die maximale Drehzahlgrenze überschreiten, wenn man versucht, die übermäßige Leistung abzuleiten. Um eine Überdrehzahl der Leistungsquelle 12 zu verhindern, kann die Widerstandsgitterschaltung 28 in den geschlossenen Zustand umgeschaltet werden, um Leistung vom gemeinsamen Bus 20 wegzunehmen. Die Steuervorrichtung 30 kann den geschlossenen Zustand auslösen, wenn die Leistungsquelle 12 sich der maximalen Drehzahlgrenze nähert.
Die Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um Eingangsgrößen aufzunehmen, die eine angeforderte Motorleistung anzeigen. Diese Eingangsgrößen können eine Motordrehzahl, ein Motordrehmoment, einen Motordrehmomentbefehl, eine Motorspannung und einen Strompegel, einen Gleichstrom-Bus-Spannungspegel und/oder eine Generatordrehzahl aufweisen. Beispielsweise kann eine tatsächliche Motordrehzahl bzw. Ist-Motordrehzahl über eine Kommunikationsleitung 58 von einem Motordrehzahlsensor 56 aufgenommen werden, der auf der Wellenkupplung 42 angeordnet ist. Ein Motorausgangsdrehmoment kann über eine Kommunikationsleitung 62 von einem Drehmomentsensor 60 aufgenommen werden, der auf der Wellenkupplung 42 angeordnet ist. Ein Motorspannungs- und Stromniveau kann über eine Kommunikationsleitung 66 von einem Spannungs- und Stromsensor 64 aufgenommen werden, der mit dem Motor 22 verbunden ist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Spannungs- und Stromsensor 64 in getrennten Sensoren verkörpert sein kann, die konfiguriert sind, um die getrennten Leistungscharakteristiken abzufühlen, die an den Motor 22 geliefert werden. Ein Gleichstrom-Busspannungspegel kann über die Kommunikationsleitung 70 von einem Spannungssensor 68 aufgenommen werden, der mit dem gemeinsamen Bus 20 verbunden ist. Eine tatsächliche Generatordrehzahl bzw. Ist-Generatordrehzahl kann über eine Kommunikationsleitung 74 von einem Generatordrehzahlsensor 72 aufgenommen werden, der auf der Kurbelwellenverbindung 32 angeordnet ist.
Die Steuervorrichtung 30 kann auch in Verbindung mit dem Motor 22, dem Generator 18 und/oder der Widerstandsgitterschaltung 28 über Verbindungsleitungen 76, 78 bzw. 80 sein. Wie zuvor erwähnt, kann die Steuervorrichtung 30 auch in Verbindung mit dem Generatorinverter 34 und dem Motorinverter 40 sein. Die Steuervorrichtung 30 kann in Verbindung mit dem Motor 22 (oder dem Motorinverter 40) sein, um Eingangsgrößen in den Motor 22 zu überwachen, die eine angewiesene Drehzahl bzw. Soll-Drehzahl oder ein angewiesenes Drehmoment bzw. Soll-Drehmoment anzeigen, das an den Motor 22 übermittelt wird. Die Steuervorrichtung 30 kann in Verbindung mit dem Generator 18 (oder dem Generatorinverter 34) sein, um Generatordrehmomentbefehle an den Generator 18 zu senden. Die Steuervorrichtung 30 kann weiter in Verbindung mit der Widerstandsgitterschaltung 28 sein, um die Widerstandsgitterschaltung 28 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand und umgekehrt umzuschalten.
Die Steuervorrichtung 30 kann in einem einzigen Mikroprozessor oder in mehreren Mikroprozessoren verkörpert sein. Zahlreiche kommerziell erhältliche Mikroprozessoren können angepasst werden, um die Funktionen der Steuervorrichtung 30 auszuführen. Es sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 30 leicht in einem Allgemeinen Arbeitsmaschinen-Mikroprozessor verkörpert sein könnte, der zahlreiche Arbeitsmaschinenfunktionen steuern kann.
Die Steuervorrichtung 30 kann irgendwelche Mittel zum Speichern und zum Vergleichen von Informationen und zur Steuerung eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine 10 aufweisen, wie beispielsweise einen Speicher, eine oder mehrere Datenspeichervorrichtungen oder irgendwelche anderen Komponenten, die verwendet werden können, um eine Anwendung laufen zu lassen. Obwohl die Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen so beschrieben werden, dass sie im Speicher gespeichert werden, wird wei terhin der Fachmann erkennen, dass diese Aspekte in Bauarten von mit Computern in Beziehung stehenden Produkten oder computerlesbaren Medien gespeichert werden können oder von diesen gelesen werden können, wie beispielsweise Computerchips und sekundäre Speichervorrichtungen, die Festplatten, Floppy-Disketten, optische Medien, CD-ROM oder andere Formen von RAM bzw. Arbeitsspeicher oder ROM bzw. Lesespeicher aufweisen. Verschiedene andere bekannte Schaltungen können mit der Steuervorrichtung 30 assoziiert sein, die Leistungsversorgungsschaltungen, Signalkonditionierungsschaltungen, Elektromagnettreiberschaltungen, Kommunikations- bzw. Verbindungsschaltungen und andere geeignete Schaltungen aufweisen.
Die Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um den Betrieb des Generators 18 ansprechend auf die angeforderte Generatorleistung zu verändern. Betriebliche Veränderungen des Generators 18 können beispielsweise das Eintreten in einen Zustand zur Erzeugung von positiver Leistung, das Eintreten in einen Zustand zur Erzeugung von negativer Leistung (Überwachung der Leistungsquelle 12), eine Ratenveränderung der Erzeugung der positiven oder negativen Leistung der positiven oder negativen Leistung und/oder den Eintritt in einen Leelaufzustand aufweisen.
Die Steuervorrichtung 30 kann eine Tabelle von Wirkungsgrad-Offset bzw. Wirkungsgradversetzungswerten aufweisen, die in dem Speicher der Steuervorrichtung 30 gespeichert sind. Wie genau in dem folgenden Abschnitt beschrieben wird, können diese Versetzungswerte bzw. Offset-Werte Motorcharakteristiken, wie beispielsweise die Drehzahl und/oder die Temperatur mit dem Motorwirkungsgrad in Beziehung setzen und können auf eine Summe der angeforderten Motor- und Busleistung angewandt werden, um die angeforderte Generatorleistung zu bestimmen, die die angeforderte Motor- und Busleistung decken wird. Diese Offset- bzw. Versetzungswerte können für jeden einzelnen Motor 22 während eine Kalibrierungsstufe eines Herstellungsprozesses bestimmt werden.
Die Traktionsvorrichtung 16, die mit dem Motor 22 verbunden ist, kann irgendwelche Mittel zum Antrieb der Arbeitsmaschine 10 aufweisen, wie beispielsweise Bänder, Raupen, Räder oder irgendwelche anderen Mittel, die in der Technik bekannt sind. Es wird in Betracht gezogen, dass eine oder mehrere Traktionsvorrichtungen 16 auf einer ersten Seite der Arbeitsmaschine 10 unabhängig von einer oder mehreren Traktiuns- bzw. Antriebsvorrichtungen 16 auf einer zweiten Seite der Arbeitsmaschine 10 (wobei nur eine Seite gezeigt ist) gegenüberliegend zur ersten Seite angetrieben werden können.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Flussdiagramm für den elektrischen Antrieb und wird im folgenden Abschnitt detaillierter beschrieben.
Industrielle Anwendbarkeit
Der offenbarte elektrische Antrieb kann auf irgend eine mobile Arbeitsmaschine anwendbar sein. Basierend auf der gemessenen Drehzahl, der angewiesenen Drehzahl, dem gemessenen Drehmoment, dem angewiesenen Drehmoment, der Motorspannung und/oder der Motorstrominformation kann das offenbarte elektrische Antriebssystem dahingehend arbeiten, dass es die Gesamtsystemkosten minimiert und die Ansprechzeit reduziert, die mit einer Veränderung der Motorbelastung assoziiert ist. Eine Veränderung der Motorbelastung könnte unter normalen Umständen verursachen, dass eine gemeinsame Busspannung unter einen erwünschten Spannungsbereich abfällt oder über diesen ansteigt. Die Abweichung von dem erwünschten Spannungsbereich kann einen Leistungsverlust, einen Verlust der Ansprechfähigkeit, eine Instabilität des elektrischen Antriebes und möglicherweise einen Schaden an der Leistungselektronik zur Folge haben, die mit dem elektrischen Antriebssystem assoziiert ist. Anstatt darauf zu warten, dass die gemeinsame Busspannung unter ein vorbestimmtes Niveau während einer Veränderung der Motorbelastung abfällt, kann das Senden eines Soll-Drehmomentbefehls vom Motor direkt zum Generator gleichzeitig mit der Veränderung dahingehend wirken, dass die Leistungsfluktuationen geglättet werden, dass ein erwünschtes Spannungsniveau des gemeinsamen Busses 20 beibehalten wird, dass die Ansprechfähigkeit und die Stabilität des elektrischen Antriebssystems verbessert wird, und dass die Leistungselektronik des elektrischen Antriebs geschützt wird. Der Betrieb des elektrischen Antriebs 14 wird nun im Detail mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben.
Der Prozess der Bestimmung einer Generatordrehmomentanforderung kann eingeleitet werden durch Bestimmung einer Soll-Motorleistung bzw. angeforderten Motorleistung, die mit einer Veränderung der Motorbelastung assoziiert ist. Die angeforderte Motorleistung ist die Leistung, die erforderlich ist, um eine vom Bediener erwünschte Arbeitsmaschinenfahrgeschwindigkeit während verschiedener Belastungszustände aufrecht zu erhalten. Für eine gegebene Arbeitsmaschinenfahrgeschwindigkeit, die von einem Maschinenbediener ausgewählt wird, steigt die angeforderte Motorleistung, wenn das Ausgangsdrehmoment steigt. Genauso fällt für die gleiche gegebene Drehzahl, wenn das Ausgangsdrehmoment abfällt, die angeforderte Motorleistung ebenfalls.
Die angeforderte Motorleistung kann als eine Funktion einer Drehzahl und eines Drehmomentes oder eines angewiesenen Drehmomentes bzw. Ist-Drehmomentes des Motors 22 bestimmt werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die angeforderte Motorleistung auch als eine Funktion der tatsächlichen Spannung und des angewiesenen Stroms bestimmt werden kann, oder auf viele andere Arten, die in der Technik bekannt sind. Die Ausgabe des Motors 22 kann durch ein (nicht gezeigtes) Drehzahlanweisungs- oder Drehmomentanweisungssteuersystem (closed loop) gesteuert werden. Dieses Steuerungssystem (closed loop) kann dahingehend wirken, dass es entweder einen Motorausgangsdrehzahlbefehl oder einen Motorausgangsdrehmomentbefehl an den Motor 22 ausgibt, was die geeignete vom Bediener ausgewählte Arbeitsmaschinenfahrgeschwindigkeit zur Folge hat.
Zwei Verfahren zur Bestimmung der angeforderten Motorleistung als eine Funktion der Motordrehzahl und des Drehmomentes werden in Gleichung 1 und Gleichung 2 unten beschrieben:
Gleichung 1

Soll-Motorleistung = Ist-Motordrehzahl·Motordrehmomentbefehl

Gleichung 2

Soll-Motorleistung = Ist-Motordrehzahl·Ist-Motordrehmoment

Es wird auch in Betracht gezogen, dass weder Drehzahl- noch Drehmomentinformationen verwendet werden können, um die angeforderte Motorleistung zu bestimmen, sondern stattdessen eine Motorspannung und ein Motorstrom gemäß Gleichung 3 und Gleichung 4 verwendet werden könnten, wie unten aufgelistet:
Gleichung 3

Soll-Motorleistung = Ist-Motorspannung·Ist-Motorstrom

Gleichung 4

Soll-Motorleistung = Ist-Motorspannung·Soll-Motorstrom

Die Spannungspegel des gemeinsamen Busses 20 können auch den Betrieb des Generators 18 beeinflussen. Wie oben beschrieben, kann der Kondensator 24 einen erwünschten Spannungsbereich haben. Wenn ein Spannungsniveau des gemeinsamen Busses 20, der mit dem Kondensator 24 verbunden ist, unter den erwünschten Spannungsbereich abfällt oder darüber ansteigt, kann ein Steuerungsalgorithmus (closed loop) eingerichtet werden, um das Spannungsniveau an dem gemeinsamen Bus 20 zu vergrößern oder zu verringern (Schritt 140). Wenn man dies so tut, kann ein Ist-Spannungsniveau bzw. tatsächliches Spannungsniveau, welches von dem Spannungssensor 68 gemessen wird, zuerst mit der Soll-Spannung des Kondensators 24 verglichen werden (Schritt 130). Wenn das Spannungsniveau des gemeinsamen Busses 20 außerhalb des erwünschten Spannungsbereiches ist, kann ein Soll-Busleistungswert, der als eine Funktion des Fehlers zwischen der Ist-Busspannung und der Soll-Busspannung berechnet wurde, zu der angeforderten Motorleistung bzw. Soll-Motorleistung addiert werden, wie aus den Gleichungen 1-4 oben beschrieben (Schritt 120).
Leistungswirkungsgrade von Elektromotoren können variieren, wenn die Drehzahl, das Drehmoment, die Temperatur und andere Betriebsvariablen des Motors variieren. Um diesen Effekt zu kompensieren, kann ein Offset- bzw. Versetzungsfaktor eingerichtet werden. Motorvariable können mit einer Wirkungsgradversetzungskarte bzw. Wirkungsgrad-Offset-Kennfeld verglichen werden, das in dem Speicher der Steuervorrichtung 30 gespeichert ist, um einen Versetzungsfaktor zu bestimmen, der der Motordrehzahl entspricht (Schritt 110). Dieser Versetzungsfaktor kann dann verwendet werden, um die Summe der Soll-Motor- und -Busleistung zu versetzen, um eine Soll-Generatorleistung zu bestimmen, die die Anforderungen der Motor- und Busleistung befriedigt.
Der Generator 18 kann so betrieben werden, dass er die angeforderte bzw. Soll-Generatorleistung erzeugt, und zwar durch Ausgabe eines Drehmomentbefehls an den Generator 18. Das Drehmoment, das vom Generator 18 angewiesen wurde, kann von der Generatordrehzahl und der angeforderten Generatorleistung abhängen, die im Schritt 120 oben bestimmt wurde, und kann gemäß Gleichung 5 unten bestimmt werden (Schritt 150):
Gleichung 5

Generatordrehmomentbefehl = Soll-Generatorleistung/Ist-Generatordrehzahl

Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten elektrischen Antriebssystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung des offenbarten elektrischen Antriebssystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Elektrisches Antriebssystem (14), das Folgendes aufweist: eine Leistungsquelle (12); einen Generator (18), der betriebsmäßig mit der Leistungsquelle verbunden ist und konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen; mindestens einen Kondensator (24), der konfiguriert ist, um eine Leistungsversorgung zu speichern; einen gemeinsamen Bus (20), der konfiguriert ist, um die Leistungsausgabe an den Kondensator zu leiten; mindestens einen Motor (22), der konfiguriert ist, um Leistung von dem gemeinsamen Bus aufzunehmen; und eine Steuervorrichtung (30) in Verbindung mit dem mindestens einen Motor und dem Generator, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um mindestens eine Eingangsgröße aufzunehmen, die mit dem Motor assoziiert ist, um eine angeforderte bzw. Soll-Motorleistung als eine Funktion von der mindestens einen Eingangsgröße zu bestimmen, und den Generator zu betreiben, um die angeforderte Motorleistung zu erzeugen.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung einen Speicher mit darin gespeicherten Motorwirkungsgradversetzungswerten (Offset-Werten), die mit einer Drehzahl von dem mindestens einen Motor in Beziehung stehen, wobei die angeforderte Motorleistung weiter als eine Funktion der Motorwirkungsgradversetzungswerte bestimmt wird.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, welches weiter einen Spannungssensor (68) aufweist, der konfiguriert ist, um ein Spannungsniveau des gemeinsamen Busses zu messen, wobei der mindestens eine Kondensator einen erwünschten Spannungsbereich hat, der eine obere Spannungsgrenze und eine untere Spannungsgrenze aufweist, und wobei die Steuervorrichtung den Generator betätigt bzw. betreibt, um eine Leistungsausgangsrate zu steigern, wenn das Spannungsniveau unter die untere Spannungsgrenze fällt, und die Leistungsausgangsrate zu verringern, wenn das Spannungsniveau die obere Spannungsgrenze überschreitet.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, welches weiter eine Widerstandsgitterschaltung (28) aufweist, die konfiguriert ist, um Leistung von dem gemeinsamen Bus abzuleiten, wenn eine Verringerung der angeforderten Motorleistung bestimmt wird.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs (14), welches Folgendes aufweist: Betrieb einer Leistungsquelle (12), die mit einem Generator (18) verbunden ist, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen; Speichern von Leistung innerhalb von mindestens einem Kondensator (24), der mit dem Generator verbunden ist über einen Bus (20); Leiten von Leistung von dem gemeinsamen Bus zu mindestens einem Motor (22); Aufnahme von mindestens einer Eingangsgröße, die mit dem mindestens einen Motor assoziiert ist; Bestimmung einer angeforderten bzw. Soll-Motorleistung als eine Funktion der mindestens einen Eingangsgröße; und Betreiben des Generators, um die angeforderte Motorleistung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter aufweist, eine Drehzahl zu messen, die mit dem mindestens einen Motor assoziiert ist, wobei die mindestens eine Eingangsgröße in Beziehung zu der gemessenen Drehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter den Vergleich der gemessenen Drehzahl mit einer Nachschautabelle aufweist, die in einem Speicher gespeichert ist, der mit dem elektrischen Antrieb assoziiert ist, um einen Motorwirkungsgradversetzungswert (Offset-Wert) zu bestimmen, wobei die angeforderte Motorleistung weiter als eine Funktion des Motorwirkungsgradversetzungswertes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter den Vergleich eines Spannungsniveaus des gemeinsamen Busses mit einem erwünschten Spannungsbereich von dem mindestens einen Kondensator aufweist; und den Betrieb des Generators, um eine Leistungsausgaberate zu steigern, wenn das Spannungsniveau des gemeinsamen Busses unter eine untere Spannungsgrenze des erwünschten Spannungsbereiches abfällt und eine Leistungsabgaberate zu verringern, wenn das Spannungsniveau des gemeinsamen Busses eine obere Spannungsgrenze des erwünschten Spannungsbereiches überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter das Vergleichen eines Spannungsniveaus des gemeinsamen Busses mit einem erwünschten Spannungsbereich des mindestens einen Kondensators aufweist; und die Ableitung von Leistung aus dem gemeinsamen Bus mit einem Widerstandsgitter (28), wenn das Spannungsniveau des Busses eine obere Spannungsgrenze des erwünschten Spannungsbereiches überschreitet.
Arbeitsmaschine (10), die Folgendes aufweist: ein Gehäuse; mindestens eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um das Gehäuse zu tragen; und ein elektrisches Antriebssystem (14) nach einem der Ansprüche 1-4.