DE102006011993A1

DE102006011993A1 - Regelkreisantrieb für ein Arbeitsaggregat einer landwirtschaftlichen oder einer kommunalen Maschine oder einer Baumaschine

Info

Publication number: DE102006011993A1
Application number: DE200610011993
Authority: DE
Original assignee: AGRARSYSTEM GmbH
Current assignee: AGRARSYSTEM GmbH
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-20

Abstract

Es wird ein Regelkreisantrieb (48) für ein Arbeitsaggregat (14), wie einem Dünger-, einem Salz- oder Splittstreuer, einem Kultiviergutdosierer, einer Feldspritze o. dgl., eines Landfahrzeuges, wie einer landwirtschaftlichen oder einer kommunalen Maschine oder einer Baumaschine, mit einem für das Arbeitsaggregat (14) vorgesehenen Antriebsmotor (12) beschrieben, der mit einer elektronischen Regelungseinrichtung (24) verbunden ist, wobei der Antriebsmotor (12) von einem Drehstrommotor gebildet ist, der mit einem Drehstromgenerator (20) über einen Frequenzumrichter (22) zusammengeschaltet ist, der eingangsseitig mit der elektronischen Regelungseinrichtung (24) verbunden ist. Der Drehstromgenerator (20), der Drehstrommotor (12) und der zwischen diesen eingeschaltete Frequenzumrichter (22) bilden vorzugsweise eine gekapselte Einheit (50).

Description

Die Erfindung betrifft einen Regelkreisantrieb für ein Arbeitsaggregat, wie einen Düngerstreuer, einen Salzstreuer, einen Splittstreuer, einen Kultiviergutdosierer, eine Feldspritze oder dergleichen eines Landfahrzeuges, wie einer landwirtschaftlichen oder einer kommunalen Maschine, oder einer Baumaschine, mit einem für das Arbeitsaggregat vorgesehenen Antriebsmotor, der mit einer elektronischen Regelungseinrichtung verbunden ist.
Derartige Regelkreisantriebe sind bislang üblicherweise als elektrohydraulische Regelkreisantriebe ausgebildet, wobei der Antriebsmotor von einem Hydraulikmotor gebildet ist, der mittels eines elektromagnetischen Proportionalventiles geregelt wird, das mit einer elektronischen Regelungseinrichtung zusammengeschaltet ist. Die Ausbildung mit einem elektromagnetischen Proportionalventil weist den Mangel auf, dass die Auflösung der Einstellwerte nicht fein genug ist und ihre Streuung bei der Reproduktion gleicher Werte zu groß. Auch der Regelhub einer solchen elektrohydraulischen Regelung ist relativ klein. Ein ganz wesentlicher Mangel bekannter elektrohydraulischer Regelungen besteht darin, dass das Hydraulikmedium, bei dem es sich um ein Hydrauliköl handelt, altert und somit seine Eigenschaften in unerwünschter Weise ändert. Das bedeutet, dass die Standzeiten – insbesondere bei anwendungstypisch langen Pausen zwischen den Betriebszeiten bei Maschinen der eingangs genannten Art – zu einer unerwünschten Korrosion führen können. Auch unter Umweltschutzgesichtspunkten und unter dem Gesichtspunkt der Nahrungsmittelhygiene auf landwirtschaftlichen Maschinen sind nicht zuverlässig auszuschließende Ölleckagen bei solchen elektrohydraulischen Regelkreisantrieben nachteilig.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Regelkreisantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Mängel bekannter elektrohydraulischer Regelkreisantriebe mit einfachen Mitteln zuverlässig vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Regelkreisantrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des Anspruches 1, d.h. dadurch gelöst, dass der Antriebsmotor von einem Drehstrommotor gebildet ist, der mit einem Drehstromgenerator über einen Frequenzumrichter zusammengeschaltet ist, der eingangsseitig mit der elektronischen Regelungseinrichtung verbunden ist, wobei der Drehstromgenerator, der Drehstrommotor und der zwischen diesem eingeschaltete Frequenzumrichter eine gekapselte Einheit bilden.

Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Regelkreisantriebes sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit dem erfindungsgemäßen Regelkreisantrieb erzielten Vorteile bestehen darin, dass es möglich ist, diesen regelungstechnisch tief in die jeweilige Maschine integrieren zu können. Dadurch, dass der Drehstromgenerator, der Drehstrommotor und der zwischengeschaltete Frequenzumrichter eine gekapselte Einheit bilden, ist es möglich, die gesamte Drehstrombaugruppe mit einer relativ hohen elektrischen Spannung zu betreiben und die Drehstrombaugruppe gegen die Maschine und die restliche Elektrik zuverlässig elektrisch zu isolieren. Die gekapselte Einheit ermöglicht gleichzeitig eine optimale funktionelle Integration.

Die elektronische Regelungseinrichtung dient zur Verwaltung der Frequenzumrichtung. Die vollständige elektrische Kapselung der Drehstromaggregate ist ohne Erdung ausgebildet und alle Schutzleiter der miteinander verbundenen Drehstromaggregate sind untereinander kurzgeschlossen und von der steuernden Elektronikeinrichtung und der Restelektrik der jeweiligen Maschine vollständig elektrisch isoliert, so dass in vorteilhafter Weise eine energetisch autarke Maschineneinheit mit einem mechanischen Antrieb aus der fahrbaren Maschine selbst oder aus einem Maschinenbegleiter in einem gemeinsam bewegten Gespann ohne externe Energiequelle gewährleistbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein elektrisch abgekoppelter Informationsrückfluss in den Regelprozess möglich ist.

Von Vorteil ist die vollständige Isolation des gesamten drehstromelektrischen Systems aus Sicherheitsgründen durch eine elektrisch isolierende Kupplung in der Antriebswelle des Drehstromgenerators und in der Abtriebswelle des Drehstrommotors. Die Trennung zwischen dem Frequenzumrichter und der elektronischen Regelungseinrichtung kann beispielsweise durch eine elektrooptische oder durch eine funk- bzw. drahtlose Entkopplung aller Nachrichtenverbindungen realisiert sein. Die Trennung zwischen dem Drehstromgenerator und den Speiseanschlüssen für nicht zu dem hier beschriebenen Regelsystem gehörende benachbarte elektrische und/oder elektronische Verbraucher der Maschine kann durch eine galvanische Trennung realisiert sein. Bei Speiseanschlüssen kann es sich um solche für elektrische Satellitensysteme handeln. Diese galvanische Trennung ist beispielsweise mit Hilfe eines Transformators mit hohem Schutzgrad möglich.

Erfindungsgemäß sind elektrisch abgekoppelte Informationsschnittstellen im Regelkreis zur Eingabe von Führungsgrößen aus einer Bedieneroberfläche auf der geregelten Maschine von Führungsgrößen aus einem Datenträger oder von Führungsgrößen aus einer drahtlosen Kommunikation, oder Schnittstellen zur Rückkopplung eines oder mehrerer Signalwerte aus dem angetriebenen Prozess als Regelungs-Nachführgrößen und als Input für die elektronische Ansteuerung der Frequenzumrichtung möglich. Des Weiteren sind elektrisch abgekoppelte Leistungsschnittstellen für die Bereitstellung einer Niederspannungsversorgung von z.B. 12V oder 24V für elektrische Verbraucher bzw. elektrische Nachbarsysteme auf der Maschine möglich.

Für kleine Leistungen bzw. kleine Produktionsserien sind Asynchronmaschinen als Generatoren vorteilhaft.

Erfindungsgemäß ist der Frequenzumrichter direkt an den Drehstromgenerator angeschlossen, wobei auf Stabilisatoren für die Spannung und die Frequenz zwischen dem Drehstromgenerator und dem Frequenzumrichter verzichtet werden kann. Der Frequenzumrichter kann zur Ausregelung aller Schwankungen im Gesamtsystem verwendet werden, so dass über alle systeminternen Schwankungen hinweg eine exakte Nachführung des geregelten Prozesses an den systemexternen Führungsgrößen erreichbar ist.

Bevorzugt ist es, wenn eine Einstellung des Betriebsspannungs-Nennwertes für den Frequenzumrichter einseitig unterhalb der maximal erreichbaren Generatorausgangsspannung erfolgt, um eine Abpufferung von Drehzahleinbrüchen im Generatorantrieb zu ermöglichen, so dass der gesamte Toleranzbereich des Frequenzumrichters asymmetrisch für einen Spannungsabfall nach unten genützt werden kann. Beträgt beispielsweise die Spannungstoleranz des Frequenzumrichters ± 10 % und die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators beim der höchsten Drehzahl 230V, so ergibt sich eine Nennspannung des Frequenzumrichters von 207V.

Die Drehzahl der Maschine kann um insgesamt beispielsweise 20 % abfallen, bis die Regelung zusammenbricht, weil die Drehzahl immer nur nach unten schwankt.

Vorteilhaft ist auch ein Freilauf im mechanischen Antrieb des Drehstromgenerators, wobei bei einem kurzzeitigen Drehzahleinbruch der Maschine die Energie aus der Schwungmasse des Drehstromgenerators einen solchen Drehzahleinbruch abpuffert. Zu diesem Zwecke hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine zusätzliche Schwungmasse im Antrieb hinter dem Freilauf auf der Seite des Drehstromgenerators vorzusehen.

Der Frequenzumrichter ist vorzugsweise derartig einstellbar, dass sich das Gesamtsystem nach einem Spannungseinbruch automatisch unverzüglich mit einer Wiederkehr der standardmäßigen Generatorausgangsspannung erholt.

Die Kapselung des gesamten elektrischen Systems ist aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, wobei gleichzeitig ein Witterungsschutz der elektrischen Aggregate gewährleistet wird. Dabei ist darauf zu achten, dass eine ausreichende Kühlung, insbesondere Luftkühlung, erfolgt und umgekehrt Luftfeuchtigkeit abgehalten und ein Stromschlag vermieden wird.

Bevorzugt ist eine Rücklesbarkeit aller elektrischen Leitungen zu Servicezwecken, d.h. eine separate Rückleitung neben jeder Ausgangsleitung, um den Schaltzustand derselben zu prüfen.

Die elektronische Regelungseinrichtung kann in den Frequenzumrichter, d.h. in das Frequenzumrichteraggregat integriert oder von diesem getrennt als eigene Baugruppe vorgesehen sein.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Regelkreisantriebes sind in der nachfolgenden Tabelle bezüglich der Eigenschaften und ihrem Nutzen aufgeführt:

Daraus ist ersichtlich, um wie vielfach leistungsfähiger der erfindungsgemäße Regelkreisantrieb im Vergleich zu einem elektrohydraulischen System ist. Mit elektrischem Strom lassen sich die gewünschten Funktionen nahezu beliebig präzise modellieren – was mit Hydraulikmedien nur vergleichsweise grob und deformiert möglich ist. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Regelkreisantriebes bestehen in der Möglichkeit eines direkten Zugriffes, der optimalen Transparenz, des exakten Kennliniendesigns und einer differenzierten Protokollfähigkeit. Daneben bieten mobile Drehstromsysteme auch Energiemanagementvorteil nicht nur im Vergleich zu den bekannten elektrohydraulischen Systemen sondern auch zu neueren Hochspannungs-Gleichstromsystemen mit großen Akkumulatoren. Derartige Systeme sind beispielsweise im Zusammenhang mit Hybridantrieben für Personenkraftwagen bekannt geworden, wobei langphasige Betriebszustände wie Großstadt- und Fernverkehr unterschieden werden. Im Vergleich hierzu müssen bei landwirtschaftlichen oder kommunalen Maschinen sowie bei Baumaschinen im Arbeitsbetrieb schnellwechselnde Belastungen versorgt werden. Die schnelle Anpassung eines Drehstromgenerators, dessen Leistungsaufnahme sehr flexibel seiner Beanspruchung folgt, puffert einen wechselnden Energiebedarf in vorteilhafter Weise elastisch ab.

Elektrohydraulische Antriebe haben einen vergleichsweise hohen Energiegrundbedarf und besitzen eine geringe Elastizität für Spitzenleistungen. Die großen Akkumulatoren von Hochspannungs-Gleichstromsystemen für Hybridantriebe sind für landwirtschaftliche oder kommunale Maschinen bzw. für Baumaschinen weniger geeignet, weil diese häufig kurzzeitig beispielsweise bei der Ernte, der Vegetationspflege o. dgl. zum Einsatz gelangen und danach die längste Zeit stillstehen. Solche lange Stillstandszeiten sind für Akkumulatoren ebenso schädlich wie für elektrohydraulische Systeme. Der erfindungsgemäße Regelkreisantrieb ist im Vergleich dazu robust, energetisch flexibel, preisgünstig und in seinem konstruktiven Aufwand vergleichsweise klein.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelkreisantriebes ist in der Zeichnung in einer Blockdarstellung verdeutlicht und wird nachfolgend beschrieben.
Mit der Bezugsziffer 10 ist in der Figur eine Maschine bezeichnet, bei der es sich um eine landwirtschaftliche oder um eine kommunale Maschine oder um eine Baumaschine handelt. Die Maschine 10 weist eine Antriebsmotor 12 für eine Arbeitsaggregat 14 auf. Bei dem Antriebsmotor 12 handelt es sich um einen Drehstrommotor. Bei dem Arbeitsaggregat handelt es sich beispielsweise um einen Düngerstreuer, einen Salzstreuer, einen Splittstreuerverteiler, einen Kultiviergutdosierer, eine Feldspritzenpumpe oder -ventil o. dgl. Der Antriebsmotor 12 ist mit dem Arbeitsaggregat 14 mittels einer Abtriebswelle 16 verbunden. Die Abtriebswelle 16 ist mit einer elektrisch isolierenden Kupplung 18 ausgebildet.
Der von einem Drehstrommotor gebildete Antriebsmotor 12 ist mit einem Drehstromgenerator 20 verbunden, wobei zwischen dem Drehstromgenerator 20 und dem Drehstrommotor 12 ein Frequenzumrichter 22 eingeschaltet ist.
Mit dem Frequenzumrichter 22 ist eine elektronische Regelungseinrichtung 24 zusammengeschaltet. Die Verbindung der elektronischen Regelungseinrichtung 24 mit dem Frequenzumrichter 22 weist eine drahtlose Schnittstelle 26 auf. Bei dieser drahtlosen Schnittstelle 26 handelt es sich z.B. um einen Optokoppler o. dgl.
Die elektronische Regelungseinrichtung 24 weist einen Eingang 28 für einen Drehzahlsensor 30 und einen Eingang 32 für einen Wegstreckensensor 34 auf. Der Drehzahlsensor 30 dient zum Erfassen der Drehzahl des Drehstrommotors 12, er ist an der Abtriebswelle 16 zwischen dem Drehstrommotor 12 und dem Arbeitsaggregat 14 vorgesehen. Der Wegstreckensensor 34 ist beispielsweise mit den Rädern der Maschine 10 so verbunden, dass er deren Drehzahl überwachen kann.
Die elektronische Regelungseinrichtung 24 weist einen Anschluss 36 für ein Datenportal 38 auf. Über dieses Datenportal 38 kann die Fernkommunikation mit der Regelung hergestellt werden, insbesondere die Eingabe und die Ausgabe der Einstellwerte und/oder die Protokollierung aller Arbeitsergebnisse und/oder aller Arbeitsereignisse der Maschine 10. Dieser Nachrichtenstrom kann über eine Datenbank auf dem Datenportal fließen.
In der Zeichnungsfigur ist mit der Bezugsziffer 40 ein Block bezeichnet, der für elektrische Verbraucher der Maschine wie die Beleuchtung usw. steht, die nicht zur hier beschriebenen Regelung gehören. Die elektrischen Verbraucher 40 sind mit dem Drehstromgenerator 20 zusammengeschaltet, wobei zwischen dem Drehstromgenerator 20 und den elektrischen Verbrauchern 40 eine galvanische Trennung d.h. Entkopplung 42 vorgesehen ist. Diese galvanische Entkopplung 42 ist durch einen Transformator realisierbar.
Der Block 44 verdeutlicht in der Zeichnungsfigur den Antrieb beispielsweise aus der Maschine 10 oder aus einem Nachläufer der Maschine 10. Der Antrieb 44 ist mit dem Drehstromgenerator 20 mittels einer Antriebswelle 46 verbunden. Die Antriebswelle 46 ist – wie die Abtriebswelle 16 zwischen dem Drehstrommotor 12 und dem Arbeitsaggregat 14 – mit einer elektrisch isolierenden Kupplung 18 versehen.
Durch die oben beschriebene Ausbildung ergibt sich ein Regelkreisantrieb 48, wobei der Drehstromgenerator 20, der Drehstrommotor 12 und der dazwischen eingeschaltete Frequenzumrichter 22 eine gekapselte Einheit 50 bilden.

10: Maschine
12: Antriebsmotor (von 10 für 14)
14: Arbeitsaggregat (von 10)
16: Abtriebswelle (zwischen 12 und 14)
18: elektrisch isolierende Kupplung (bei 16)
20: Drehstromgenerator (von 10 für 12)
22: Frequenzumrichter (zwischen 20 und 12)
24: elektronische Regeleinrichtung (für 22)
26: drahtlose Schnittstelle (zwischen 24 und 22)
28: Eingang (von 24 für 30)
30: Drehzahlsensor (zwischen 16 und 24)
32: Eingang (von 24 für 34)
34: Wegstreckensensor (von 10 für 24)
36: Nachrichtenverbindung/Anschluss (von 24 für 38)
38: Datenportal (an 36)
58: elektrische Verbraucher (von 10)
42: galvanische Entkopplung (zwischen 40 und 20)
44: Antrieb (für 20)
46: Antriebswelle (zwischen 44 und 20)
48: Regelkreisantrieb
50: gekapselte Einheit (von 12, 20, 22)

Claims

Regelkreisantrieb für ein Arbeitsaggregat (14), wie auf einem Düngerstreuer, auf einem Salzstreuer, auf einem Splittstreuer, auf einem Kultiviergutdosierer, auf einer Feldspritze o. dgl., eines Landfahrzeuges, wie einer landwirtschaftlichen oder einer kommunalen Maschine oder einer Baumaschine, mit einem für das Arbeitsaggregat (14) vorgesehenen Antriebsmotor (12), der mit einer elektronischen Regelungseinrichtung (24) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (12) von einem Drehstrommotor gebildet ist, der mit einem Drehstromgenerator (20) über einen Frequenzumrichter (22) zusammengeschaltet ist, der eingangsseitig mit der elektronischen Regelungseinrichtung (24) verbunden ist, wobei der Drehstromgenerator (20), der Drehstrommotor (12) und der zwischen diesen eingeschaltete Frequenzumrichter (22) eine elektrisch gekapselte Einheit (50) bilden.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelungseinrichtung (24) mit dem Frequenzumrichter (22) drahtlos verbunden ist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelungseinrichtung (24) einen Eingang (32) für einen Wegstreckensensor (34) aufweist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelungseinrichtung (24) einen Eingang (28) für einen die Drehzahl des Drehstrommotors (12) erfassenden Drehzahlsensor (30) aufweist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelungseinrichtung (24) einen Anschluss (36) für ein Datenportal (38) aufweist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelungseinrichtung (24) eine Eingabetastatur aufweist oder mit einer Eingabetastatur verbindbar ist, oder an ein Datenportal (38) anschließbar ist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenportal (38) zur Ausgabe aller Einstellwerte und/oder zur Protokollierung aller Arbeitsergebnisse und/oder aller Arbeitsereignisse vorgesehen ist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromgenerator (20) mit elektrischen Verbrauchern (40) der Maschine (10) galvanisch entkoppelt verbindbar oder verbunden ist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den elektrischen Verbrauchern (40) und dem Drehstromgenerator (20) eine galvanische Entkopplung (42) vorgesehen ist.
Regelkreisantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Entkopplung (42) von einem Transformator gebildet ist.
Regelkreisantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromgenerator (20) mit einer Schwungmasse verbunden ist.
Regelkreisantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der gekapselten Einheit (50) herausragende Abtriebswelle (16) zwischen dem Drehstrommotor (12) und dem Arbeitsaggregat (14) eine elektrisch isolierenden Kupplung (18) aufweist.
Regelkreisantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Drehstromgenerator (20) verbindbare oder verbundene Antriebswelle (46) eine elektrisch isolierende Kupplung (18) aufweist.
Regelkreisantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromgenerator (20) unmittelbar oder mittelbar durch den Motor einer selbstfahrenden Maschine (10) angetrieben wird.