DE102007018600A1 - Hydraulisch/Elektrischer Wandler - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein hydraulisch/elektrischer Wandler mit einer von einer Naturkraft angetriebenen Pumpe, über die ein Hydrospeicher aufgeladen und ein Hydromotor angetrieben wird. Letzterer treibt einen Generator zur Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie an. Erfindungsgemäß wird die Drehzahl des Hydromotors über eine Sekundärregelung eingestellt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen hydraulisch/elektrischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Derartige Wandler werden beispielsweise bei Wellengeneratoren eingesetzt, wie sie in der
US 6,300,689 B1 beschrieben sind. Der bekannte Wellengenerator hat einen Hydrozylinder, der mit einer Boje in Wirkverbindung steht, so dass der Hydrozylinder durch den Wellengang und die entsprechende Bewegung der Boje betätigt und Druckmittel in einen Hydraulikkreis gefördert wird. Dem Hydrozylinder ist ein hydraulischer Gleichrichter zugeordnet, so dass unabhängig von der Ausfahr- oder Einfahrbewegung des Hydrozylinders Druckmittel in den Hydraulikkreis gefördert wird, um einen dem hydraulischen Gleichrichter nachgeschalteten Hydrospeicher aufzuladen und einen Konstantmotor anzutreiben. Die Abtriebswelle dieses Konstantmotors ist mit einem Generator verbunden, so dass die hydraulische Energie im vorbeschriebenen Hydraulikkreis in elektrische Energie umgewandelt wird. Da der Wellengang sowohl hinsichtlich der Wellenhöhe als auch der Frequenz stark variiert, muss eine aufwendige elektronische Schaltung zur Vergleichmäßigung der Generator-Ausgangsspannung vorgesehen werden. - Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hydraulisch/elektrischen Wandler zu schaffen, bei dem auch bei starken Schwankungen auf der Hydraulikseite eine vergleichmäßigte Ausgangsspannung am Generator erhalten wird.
- Diese Aufgabe wird durch einen hydraulisch/elektrischen Wandler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
- Erfindungsgemäß ist der Wandler mit einer von einer Naturkraft, beispielsweise Wellengang angetriebenen Pumpe ausgeführt, über die ein Hydrospeicher aufladbar und ein Hydromotor antreibbar ist, der seinerseits einen Generator zur Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie antreibt. Erfindungsgemäß ist der Hydromotor an ein Drucknetz angeschlossen und drehzahlgeregelt, so dass der Generator durch Verstellen des Schwenkwinkels in Abhängigkeit von den hydraulikseitigen Schwankungen in weitem Umfang mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben werden kann.
- Derartige Systeme mit einem an einem Drucknetz betriebenen drehzahlgeregelten Verstellmotor werden auch als Sekundärregelung bezeichnet. Bei diesen Systemen wird die Drehzahl des Verstellmotors so geregelt, dass sie unabhängig vom jeweiligen Lastdruck bei dem im Drucknetz anliegenden Netzdruck erreicht wird. Dieser ist im Wesentlichen vom Ladezustand des Hydrospeichers abhängig. Dabei muss das Schluckvolumen des Hydromotors so lange verändert werden bis ein Gleichgewicht des Motordrehmoments mit der Last (Generator) besteht und gleichzeitig die Solldrehzahl erreicht ist.
- Bei der Sekundärregelung handelt es sich dementsprechend um eine Druckkopplung mit Stromreaktion im Gegensatz zu konventionellen Antriebssystemen, bei denen eine Stromkopplung mit Druckreaktion besteht.
- Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Drehzahlregelung elektrohydraulisch durchgeführt wird, wobei der Schwenkwinkel des Hydromotors über einen Stellzylinder verstellt wird.
- Im Druckmittelströmungspfad zwischen der Pumpe und dem Hydromotor ist vorzugsweise ein hydraulischer Gleichrichter angeordnet, so dass der Hydromotor unabhängig von der Betätigungsrichtung der Pumpe mit Druckmittel versorgbar ist.
- Dieser hydraulische Gleichrichter ist vorzugsweise als Wegeventil ausgeführt, das in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Pumpe umschaltbar ist.
- Dieses Wegeventil ist vorzugsweise mit einer Sperrstellung ausgeführt, in der die Druckmittelverbindung zwischen Pumpe und Hydromotor unterbrochen ist.
- Bei dem Regelkreis zur Ansteuerung des Hydromotors ist der Drehzahlregelung eine Lageregelung eines Stellglieds des Hydromotors unterlagert.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Drucknetz des Hydromotors auch ein Niederdruckspeicher angeordnet, so dass Kavitationen vermieden werden können.
- Das Drucknetz mit dem Hydromotor und der Pumpe ist vorzugsweise als geschlossener Kreislauf ausgeführt.
- Um Lekageverluste auszugleichen und das Druckmittel im Drucknetz auszutauschen, kann der Wandler mit einer Speisespüleinheit ausgeführt sein.
- Die Pumpe ist vorzugsweise als ein vom Wellengang betätigter Hydrozylinder ausgeführt.
- Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
- Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen hydraulisch/elektrischen Wandlers (Wellengenerator) und -
2 eine Speisespüleinheit des Wandlers aus1 . - Gemäß dem in
1 dargestellten Schaltschema besteht das dargestellte Ausführungsbeispiel eines hydraulisch/elektrischen Wandlers im Wesentlichen aus einer Pumpe2 , einem hydraulischen Gleichrichter4 , einem in einem Drucknetz6 angeordneten drehzahlgeregelten Verstellmotor8 , einem von diesem angetriebenen Generator10 und einem Regelkreis12 zur Drehzahlregelung des Hydromotors8 . - Die Pumpe
2 ist als Gleichgangzylinder14 ausgeführt, dessen Kolben vom Wellengang betätigbar ist. Für diese Betätigung sind unterschiedliche Modelle bekannt. So ist beispielsweise bei dem eingangs beschriebenen Wandler gemäß derUS 6,300,689 B1 eine Boje mit dem Kolben eines Hydrozylinders verbunden, so dass die durch den Wellengang verursachte Auf- und Abbewegung der Boje in einen Kolbenhub umgesetzt wird. Ein derartiges System kann auch bei dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet werden, um den Kolben16 des Gleichgangzylinders14 zu betätigen. Die beiden vom Kolben16 begrenzten Ringräume des Gleichgangzylinders14 sind über zwei Druckleitungen18 ,20 mit dem hydraulischen Gleichrichter4 verbunden. Dieser ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein 4/3-Wegeventil22 ausgeführt, das durch eine Federanordnung in seine dargestellte Sperrposition vorgespannt ist, in der die Druckmittelverbindung zwischen der Pumpe2 und dem Hydromotor8 unterbrochen ist. Die beiden Ausgangsanschlüsse des Wegeventils22 sind an das Drucknetz6 angeschlossen. Dieses Drucknetz6 besteht im Wesentlichen aus einem Hochdruckzweig24 und einem Niederdruckzweig26 , die mit dem Hochdruckanschluss bzw. dem Niederdruckanschluss des Hydromotors8 verbunden sind. Im Hochdruckzweig24 ist ein Hochdruckspeicher28 und im Niederdruckzweig26 ein Niederdruckspeicher30 vorgesehen, über die der Druck im Drucknetz6 etwa konstant gehalten werden kann und das Auftreten von Kavitationen verhindert wird. - Die Verstellung des Wegeventils
22 erfolgt über Schaltmagnete, wobei durch Umschalten in die mit (a) gekennzeichnete Schaltposition die Druckleitung18 mit dem Hochdruckzweig24 und die Niederdruckleitung20 mit dem Niederdruckzweig26 verbunden ist. Beim Umschalten in die mit (b) gekennzeichnete Schaltposition ist dann entsprechend die Druckleitung18 mit dem Niederdruckzweig26 und die Druckleitung20 mit dem Hochdruckzweig24 verbunden. - Das Umschalten des Wegeventils
22 erfolgt in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Kolbens16 . Die Kolbenbewegung wird mittels eines Wegaufnehmers32 erfasst und über eine Steuereinheit die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens ermittelt. Das Umschalten des Wegeventils22 erfolgt dann jeweils im oberen und unteren Totpunkt. Dieser kann sehr einfach über den Wegaufnehmer und die daraus berechnete Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens erfasst werden, da dieser im Totpunkt die Geschwindigkeit 0 hat. Das Umschalten des Wegeventils22 erfolgt dann jeweils derart, dass der sich verkleinernde Druckraum mit dem Hochdruckzweig24 und der sich vergrößernde Druckraum mit dem Niederdruckzweig26 verbunden ist. - Das dem verstellbaren Hydromotor
8 zugeordnete Drucknetz6 ist als geschlossener Hydraulikkreis ausgeführt. Um Lekageverluste auszugleichen und eine übermäßige Erwärmung des Druckmittels zu vermeiden, kann dieses über eine Speisespüleinheit35 mit Druckmittel aus einem Tank ausgetauscht werden. Der Generator10 wird vom Hydromotor8 über eine Welle34 angetrieben, so dass die hydraulische Energie in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz36 eingespeist wird. Die Einstellung des Schwenkwinkels des Hydromotors8 und dessen Drehzahlregelnug erfolgt über eine Sekundärregelung, wobei in1 die wesentlichen Bauelemente dieses elektronischen Regelkreises12 dargestellt sind. Die Drehzahl nact des Generators10 bzw. des Hydromotors8 wird mit der von einer Steuereinheit38 vorgegebenen Solldrehzahl ncom verglichen und in einen Drehzahlregler40 eingebracht, der beispielsweise ein PID-Übertragungsverhalten aufweisen kann. Das dem Sollwert des Schwenkwinkels entsprechende Ausgangssignal des Drehzahlreglers40 wird über einen Schwenkwinkelaufnehmer42 erfasst und mit dem Schwenkwinkel-Istwert verglichen und die resultierende Spannungsdifferenz in den Schwenkwinkelregler44 eingebracht. Das Ausgangssignal des Schwenkwinkelreglers44 liefert dann die Regelspannung für einen Regelverstärker eines Servoventils46 , über den dann der Torquemotor des Servoventils46 angesteuert wird, um den Schwenkwinkel über einen Stellzylinder48 zu verstellen. Dieser ist ebenfalls als Gleichgangzylinder ausgeführt, wobei dessen Ringräume über das Servoventil46 mit einer Druckmittelquelle49 oder dem Tank T verbindbar ist. - Hinsichtlich weiterer Einzelheiten und Vorteile derartiger Sekundärregelungen sei auf die vorhandene Fachliteratur, beispielsweise den Hydrauliktrainer Band 6, „Hydrostatische Antriebe mit Sekundärregelung", Vereinigte Fachverlage Mainz, 2. Auflage 1995 verwiesen.
-
2 zeigt die dem Drucknetz6 zugeordnete Speisespüleinheit35 im Detail. Da der Grundaufbau derartiger Speisespüleinheiten beispielsweise aus derDE 10 2005 051 324 A1 bekannt ist, werden im Folgenden nur die wesentlichen Bauelemente der Einheit beschrieben. - Gemäß
1 ist die Speisespüleinheit35 mit einer Hochdruckleitung50 an den Hochdruckzweig24 und mit einer Niederdruckleitung52 an den Niederdruckzweig26 angeschlossen. Die Speisespüleinheit35 hat eine Speisepumpe54 , die als Konstantpumpe ausgeführt ist und deren Ausgang mit einer Speiseleitung56 verbunden ist. Der Druck in der Speiseleitung56 kann über ein Pumpendruckbegrenzungsventil58 auf einen Maximaldruck begrenzt werden. In der Speiseleitung56 ist ein Druckreduzierventil58 zum Einstellen eines Speisedrucks angeordnet. Stromabwärts des Druckreduzierventils58 mündet die Speiseleitung56 in eine Hochdruckzweigleitung60 und eine Niederdruckzweigleitung62 ein, in denen jeweils ein in Richtung zur Speisepumpe54 sperrendes Rückschlagventil64 bzw.66 angeordnet ist. Die Hochdruckzweigleitung60 mündet in die Hochdruckleitung50 und die Niederdruckzweigleitung62 in die Niederdruckleitung52 ein. Die Hochdruckleitung50 und die Niederdruckleitung52 sind über zwei Druckbegrenzungsleitungen68 ,70 miteinander verbunden, wobei in der Druckbegrenzungsleitung68 ein in Richtung zur Niederdruckseite öffnendes HD-Druckbegrenzungsventil72 und in der Druckbegrenzungsleitung70 ein in Richtung zur Hochdruckseite öffnendes ND-Druckbegrenzungsventil74 vorgesehen ist. - Parallel zu den beiden Druckbegrenzungsleitungen
68 ,70 verläuft eine Düsenleitung76 , in der zwei zueinander beabstandete Düsen78 ,80 angeordnet sind, zwischen denen ein Tankkanal81 zum Tank T hin abzweigt. Über diese Düsen78 ,80 kann jeweils eine geringe Menge Druckmittel aus dem Hochdruckzweig24 und dem Niederdruckzweig26 zum Tank T hin abströmen, so dass eine Erwärmung des Druckmittels im Drucknetz6 verhindert wird. - Die Speisespüleinheit
35 hat des Weiteren noch ein Spülventil82 , das mit seinen beiden Eingangsanschlüssen an die Hochdruckleitung50 und die Niederdruckleitung52 angeschlossen ist. Das Spülventil82 ist als 3/3-Wegeventil ausgeführt, wobei der Ausgangsanschluss über eine Spülleitung84 mit dem Tank T verbunden ist. In der Spülleitung84 sind ein Druckbegrenzungsventil86 und eine Düse88 angeordnet, wobei letztere zwischen dem Druckbegrenzungsventil86 und dem Spülventil82 vorgesehen ist. Das Umschalten des Spülventils82 erfolgt in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckleitung50 und der Niederdruckleitung52 . Die darin anliegenden Drücke sind an die Steuerseiten des Spülventils82 geführt. Dabei wirkt der Druck in der Hochdruckleitung50 in Richtung der mit (b) gekennzeichneten Schaltposition und der Druck in der Niederdruckleitung52 in Richtung der mit (a) gekennzeichneten Schaltposition. Da üblicher Weise der Druck in der Hochdruckleitung50 höher als in der Niederdruckleitung52 ist, wird das Spülventil82 in seine Schaltposition (b) verstellt, wobei dann die Spülleitung84 mit der Niederdruckleitung52 verbunden ist, so dass das Druckmittel in diesem Bereich über die Düse88 und das Druckbegrenzungsventil86 zum Tank T abströmen kann. Beim Absinken des Drucks in der Hochdruckleitung50 unterhalb des Drucks in der Niederdruckleitung52 wird das Spülventil82 in seine mit (b) gekennzeichnete Position verschoben, in der dann entsprechend das Druckmittel in der Hochdruckleitung50 und im Hochdruckzweig24 zum Tank T abströmen kann. Dabei wird dann entsprechend der zum Tank abströmenden Druckmittelvolumenströme über die Speisepumpe54 Druckmittel in den Hochdruckzweig24 und den Niederdruckzweig26 eingespeist. Die Drücke am Ausgang der Speisepumpe54 , stromabwärts des Druckreduzierventils58 , in den Leitungen50 ,52 und die Druckdifferenz über der Düse88 werden jeweils über mit den Kreissymbolen gekennzeichnete Druckaufnehmer90 erfasst und zur Steuereinheit38 des Systems gemeldet. - Mit der vorbeschriebenen Lösung wird der Schwenkwinkel des Hydromotors
8 immer so verstellt, dass der Generator10 mit der gleichen Drehzahl (beispielsweise 1500 Umderehungen/Min.) umläuft. In dem Fall, in dem die Drehzahl des Generators10 abzufallen beginnt, wird der Schwenkwinkel kurzfristig vergrößert, um das Schluckvolumen zu erhöhen. Bei Erreichen der gewünschten Drehzahl wird dann der Schwenkwinkel wieder zurück geschwenkt. - In dem Fall, in dem der von der Pumpe
14 bereitgestellte Druck absinkt, kann dies über den Schwenkwinkel ausgeglichen werden, indem der Hydromotor8 auf ein größeres Schluckvolumen eingestellt wird. - Offenbart ist ein hydraulisch/elektrischer Wandler mit einer von einer Naturkraft angetriebenen Pumpe, über die ein Hydrospeicher aufgeladen und ein Hydromotor angetrieben wird. Letzterer treibt einen Generator zur Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie an. Erfindungsgemäß wird die Drehzahl des Hydromotors über eine Sekundärregelung eingestellt.
-
- 2
- Pumpe
- 4
- hydraulischer Gleichrichter
- 6
- Drucknetz
- 8
- Hydromotor
- 10
- Generator
- 12
- Regelkreis
- 14
- Gleichgangzylinder
- 16
- Kolben
- 18
- Druckleitung
- 20
- Druckleitung
- 22
- Wegeventil
- 24
- Hochdruckzweig
- 26
- Niederdruckzweig
- 28
- Hochdruckspeicher
- 30
- Niederdruckspeicher
- 32
- Wegaufnehmer
- 34
- Welle
- 35
- Speisespüleinheit
- 36
- Stromnetz
- 38
- Steuereinheit
- 40
- Drehzahlregler
- 42
- Schwenkwinkelaufnehmer
- 44
- Schwenkwinkelregler
- 46
- Servoventil
- 48
- Stellzylinder
- 49
- Druckquelle
- 50
- Hochdruckleitung
- 52
- Niederdruckleitung
- 54
- Speisepumpe
- 56
- Speiseleitung
- 57
- Pumpendruckbegrenzungsventil
- 58
- Druckreduzierventil
- 60
- Hochdruckzweigleitung
- 62
- Niederdruckzweigleitung
- 64
- Rückschlagventil
- 66
- Rückschlagventil
- 68
- Druckbegrenzungsleitung
- 70
- Druckbegrenzungsleitung
- 72
- HD-Druckbegrenzungsventil
- 74
- ND-Druckbegrenzungsventil
- 76
- Düsenleitung
- 78
- Düse
- 80
- Düse
- 81
- Tankkanal
- 82
- Spülventil
- 84
- Spülleitung
- 86
- Druckbegrenzungsventil
- 88
- Düse
- 90
- Druckaufnehmer
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6300689 B1 [0002, 0022]
- - DE 102005051324 A1 [0027]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Hydrostatische Antriebe mit Sekundärregelung", Vereinigte Fachverlage Mainz, 2. Auflage 1995 [0026]
Claims (10)
- Hydraulisch/elektrischer Wandler mit einer vorzugsweise von einer Naturkraft angetriebenen Pumpe (
2 ), über die ein Hydrospeicher (28 ) aufladbar und ein Hydromotor (8 ) antreibbar ist, der seinerseits einen Generator zur Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydromotor (8 ) an ein Drucknetz (6 ) angeschlossen und drehzahlgeregelt ist. - Wandler nach Patentanspruch 1, wobei die Drehzahlregelung elektrohydraulisch ist.
- Wandler nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei zwischen Pumpe (
2 ) und Hydromotor (8 ) ein hydraulischer Gleichrichter (4 ) angeordnet ist. - Wandler nach Patentanspruch 3, wobei der Gleichrichter (
4 ) ein Wegeventil (22 ) ist, das in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Pumpe (2 ) umschaltbar ist. - Wandler nach Patentanspruch 4, wobei das Wegeventil (
22 ) eine Sperrstellung hat, in der die Druckmittelverbindung zwischen Pumpe (2 ) und Hydromotor (8 ) unterbrochen ist. - Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Drehzahlregelung eine Lageregelung eines Stellglieds des Hydromotors (
8 ) unterlagert ist. - Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei im Drucknetz (
6 ) ein Niederdruckspeicher (30 ) angeordnet ist. - Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Drucknetz (
6 ) ein geschlossener Kreislauf ist. - Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei dem Drucknetz (
6 ) eine Speisespüleinheit (35 ) zugeordnet ist. - Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Pumpe (
2 ) ein vom Wellengang betätigter Hydrozylinder (14 ) ist.
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