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Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstfahrende Arbeitsmaschine in Form einer Oberflächenfräse wie z. B. Surface Miner, Asphaltfräse oder Schneefräse mit einem Hauptarbeits- und/oder -antriebsaggregat, das in einem stationären oder nahezu stationären Betriebszustand betreibbar ist und von einer Antriebsvorrichtung umfassend zumindest einen Elektromotor antreibbar ist, wobei dem Elektromotor eine Anlaufschaltung mit einem Frequenzumrichter zur Begrenzung des Anlaufstroms zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen selbstfahrenden Arbeitsmaschine.
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Aus der Schrift
US 5 714 851 A ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, dessen Elektromotor von einem Frequenzumrichter ansteuerbar ist. Wenn der Hybridantrieb bei eingeschalteter Geschwindigkeitsregelung in einem stabilen Betriebszustand betrieben wird, wird der Frequenzumrichter überbrückt und der Elektromotor direkt aus dem Netz gespeist.
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Surface Miner beispielsweise sind kontinuierlich arbeitende Tagebaugeräte, die mit Hilfe einer rotierenden Walze das Gestein oder den Boden fräsend zerkleinern und üblicherweise mit Hilfe von Raupenfahrwerken kontinuierlich voranfahren, um die Walze in das Gestein zu treiben. Die genannte Walze bildet hierbei das Hauptarbeitsaggregat, das hohe Leistung benötigt und insofern einen geeigneten Antrieb erfordert. Diesbezüglich schlägt die
DE 10 2007 007 996 B4 einen dieselelektrischen Antrieb vor, bei dem die Fräswalze des Surface Miners mittels eines Elektromotors angetrieben wird, der von einem Generator mit Strom versorgt wird, der wiederum durch einen Dieselmotor angetrieben wird. Weitere Ausführungen von Surface Minem zeigen auch die Schriften
WO 2003/ 058 031 A1 ,
DE 10 2008 008 260 A1 ,
DE 10 2007 044 090 A1 ,
DE 10 2007 028 812 B4 ,
DE 199 41 800 C2 ,
DE 199 41 799 C2 oder
DE 20 2007 002 403 U1 .
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Gegenüber hydrostatischen Antrieben haben solche Elektroantriebe beachtliche Vorteile, so insbesondere einen besseren Wirkungsgrad und eine leichtere Wartung. Durch den beträchtlich besseren Wirkungsgrad können durch die hierdurch niedrigeren Betriebskosten, die bei den benötigten Leistungen durchaus beachtlich sind, die höheren Anschaffungskosten von Elektromotoren recht schnell wieder kompensiert werden. Insofern bietet sich ein vergleichbares dieselelektrisches Antriebskonzept nicht nur für Surface Miner, sondern auch für ähnliche selbstfahrende Arbeitsmaschinen wie Asphaltfräsen, Schneefräsen oder auch landwirtschaftliche Maschinen wie Mähdrescher oder dergleichen an, die im Bearbeitungsbetrieb kontinuierlich und näherungsweise stationär arbeiten, d.h. eine insbesondere rotatorische Hauptarbeitsbewegung mit konstanter bzw. annähernd konstanter Drehzahl ausführen und die Fahrbewegung die Vorschubbewegung darstellt. „Stationärer“ Betriebszustand meint hierbei nicht zwangsweise exakt konstant in dem Sinne, dass das genannte Hauptarbeitsaggregat tatsächlich mit exakt konstanter Drehzahl betrieben wird, sondern umfasst auch kleinere Schwankungen um den Soll-Arbeitspunkt herum, beispielsweise durch Schwankungen der Drehzahl des Dieselmotors.
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Problematisch ist bei solchen dieselelektrischen Antrieben für die genannte Art von Bearbeitungsmaschinen jedoch der Anlaufvorgang. Eine Direkteinschaltung des Arbeitsmotors am Generator ist nicht sinnvoll, da in diesem Fall ein sehr hoher Anlaufstrom auftritt, der das Fünf- bis Zehnfache des Nennstroms betragen kann und für den das gesamte System zu dimensionieren bzw. überzudimensionieren wäre.
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Bekannt ist daher die Verwendung von Sanft-Anlaufschaltungen, bei denen der Anlaufstrom durch Absenken der Spannung begrenzt wird. Dies ist aber nur möglich, wenn kein oder nahezu kein Drehmoment beim Hochlauf benötigt wird.
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Wird nur ein Anlaufmoment benötigt, das kleiner als ein Drittel des Anlaufmomentes des Motors bei Direkteinschaltung ist, kann der Arbeitsmotor auch über eine SternDreieck-Schaltung gestartet werden. Bei dieser Variante entsteht aber immer noch ein hoher Anlaufstrom, der in der Regel deutlich über dem Nennstrom liegt und bei der Auslegung des Generators berücksichtigt werden muss, was diesen größer und teurer werden lässt.
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Beispielsweise bei Surface Minern kann jedoch durchaus auch ein relativ hohes Anlaufmoment notwendig sein, beispielsweise um nach einem Festfrieren der Fräswalze diese ruckartig zu lösen. In solchen Fällen, bei denen beim Hochlauf aufgrund eines äußeren Lastmomentes oder geforderter Hochlaufzeiten ein relevanter Teil des Nennmoments oder gar ein größeres Hochlaufmoment bis zum ca. Doppelten des Nennmoments benötigt wird, ist der Einbau eines Frequenzumrichters bekannt, der die vom Generator bereitgestellte Frequenz umrichtet, um beim Hochlauf den Einschaltstrom zu begrenzen. Wie 9 zeigt, ist der entsprechende Frequenzumrichter FU zwischen den Generator G und den Elektromotor M des Antriebs geschaltet.
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Obwohl der (Haupt-)Arbeitsantrieb im Einsatz mit konstanter bzw. annähernd konstanter Drehzahl betrieben wird, erfolgt dann die Speisung während der gesamten Betriebszeit über den genannten Frequenzumrichter, dessen Größe hierdurch mindestens der Nennleistung des Arbeitsantriebs entsprechen muss. Dies ist nachteilig hinsichtlich Verlusten, Wirkungsgrad, Betriebskosten und Verschleiß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte selbstfahrende Arbeitsmaschine sowie ein verbessertes Verfahren zu deren Betreiben zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll ein verbesserter Wirkungsgrad und niedrigere Betriebskosten mit einfachen Mitteln erreicht werden, ohne ein problemloses, sicheres Anlaufen zu opfern.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine selbstfahrende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also vorgeschlagen, zum Hochfahren des Antriebs einen Frequenzumrichter zu nutzen, um den Anlaufstrom zu begrenzen, dann jedoch für den stationären Betrieb ohne den Frequenzumrichter zu arbeiten, um die im Frequenzumrichter entstehenden Verluste und die mit dem Betrieb am Frequenzumrichter einhergehende Reduzierung des Wirkungsgrads der Elektromotoren zu vermeiden. Ist das Arbeitsaggregat hochgelaufen bzw. ist zumindest annähernd der gewünschte stationäre Betriebszustand erzielt, wird der für den Anlauf benutzte Frequenzumrichter überbrückt. Erfindungsgemäß ist eine Betriebsschaltung für den stationären Betrieb vorgesehen, die einen Überbrücker zur Überbrückung des Frequenzumrichters nach dem Anlaufen und/oder Erreichen des stationären Betriebszustands umfasst. Der Überbrücker ist wahlweise schaltbar, um den Frequenzumrichter der Anlaufschaltung zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Die Verwendung eines Frequenzumrichters in der Anlaufphase und dessen Überbrückung in der stationären Betriebsphase hat folgende Vorteile:
- - Die Verluste im Frequenzumrichter fallen im Dauerbetrieb nicht länger unnötigerweise und permanent an, sondern werden nur in der Anlaufphase in Kauf genommen. Insbesondere bei Maschinen großer Leistung können hierdurch beträchtliche Betriebskosten gespart werden.
- - Der Wirkungsgrad des Motors kann im stationären Betrieb verbessert werden, da der Wirkungsgrad des Motors bei Versorgung direkt von einem Generator oder einer anderen elektrischen Energiequelle mit einer sauberen Sinusspannung besser ist als bei Versorgung über einen Frequenzumrichter.
- - Die Verfügbarkeit wird verbessert und die Wartungsintervalle können verlängert werden, da eventuelle Probleme oder Ausfälle eines permanent betriebenen Frequenzumrichters vermieden werden, was sich insbesondere bei Maschinen, die intensiv genutzt werden und hohe Laufzeiten haben, stark auswirken kann.
- - Die Isolierung des Motors ist keiner Dauerbelastung durch Hochspannungsspitzen und hohen Spannungsänderungen ΔU/Δt der Frequenzumrichtereinspeisung ausgesetzt.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsschaltung ein unmittelbares, direktes Durchschalten der Frequenz der elektrischen Energiequelle auf den Elektromotor der zuvor genannten Antriebsvorrichtung vorsehen und/oder zumindest im stationären Betrieb zumindest alle die Frequenzumrichter überbrücken, die dem Hauptarbeitsaggregat und/oder den Arbeitsaggregaten hoher Leistung zugeordnet sind. Durch das direkte Durchschalten der Frequenz der elektrischen Energiequelle auf den Elektromotor bestimmt die Frequenz der elektrischen Energiequelle die Motordrehzahl. Wird als elektrische Energiequelle vorteilhafterweise ein Generator verwendet, der von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, angetrieben wird, kann die gewünschte Antriebsgeschwindigkeit des Arbeitsaggregats bzw. Drehzahl des Elektromotors auch dann, wenn der Verbrennungsmotor in gewünschter Weise bei nahezu konstanter Drehzahl betrieben wird, dadurch erreicht werden, dass die Polpaarzahl des Generators und des Arbeitsmotors sowie eventuelle Getriebeübersetzungen zwischen Elektromotor und Arbeitsaggregat sowie Verbrennungsmotor und Generator so gewählt werden, dass bei dem möglichen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors der gewünschte Drehzahlbereich des Arbeitsaggregats erreicht wird, wobei vorteilhafterweise eine zumindest nahezu konstante Werkzeugdrehzahl bzw. Arbeitsaggregatsgeschwindigkeit bei einer zumindest nahezu konstanten Verbrennungsmotordrehzahl vorgesehen ist. Wird anstelle eines Dieselmotors mit Generator eine beliebige andere Energiequelle mit nahezu fester Frequenz der elektrischen Spannung verwendet, kann in entsprechender Weise die Drehzahl der Hauptarbeitsbewegung über die Polpaarzahl des Elektromotors und/oder Getriebeübersetzungen eingestellt werden.
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Die Überbrückung des Frequenzumrichters nach dem Anlaufen des Arbeitsaggregats kann grundsätzlich in verschiedener Art und Weise gesteuert werden. Beispielsweise wäre eine zeitabhängige Überbrückung möglich dergestalt, dass nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Starten der Überbrücker aktiviert wird. Gemäß der Erfindung jedoch ist eine drehzahlabhängige Überbrückung des Frequenzumrichters vorgesehen. Die zuvor genannte Betriebsschaltung weist eine Steuervorrichtung auf, die den Überbrücker in Abhängigkeit der Drehzahl des Hauptarbeits- und/oder Hauptantriebsaggregats und/oder des Elektromotors aktiviert bzw. deaktiviert. Dabei deaktiviert die genannte Steuervorrichtung den Überbrücker unterhalb einer vorbestimmten Solldrehzahl, so dass der Elektromotor über den Frequenzumrichter angesteuert wird, und aktiviert den Überbrücker oberhalb einer vorbestimmten Solldrehzahl, so dass der Frequenzumrichter überbrückt wird. Die genannte Abschaltdrehzahl, oberhalb derer der Frequenzumrichter überbrückt wird, kann die Solldrehzahl des stationären Betriebs sein, oder ggf. auch eine um einen vorbestimmten Betrag darunter liegende Drehzahl, beispielsweise 95 % der genannten Solldrehzahl des stationären Betriebs.
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In Weiterbildung der Erfindung wird für den zumindest einen Elektromotor von der elektrischen Energiequelle eine Arbeitsfrequenz in einem Bereich zur Verfügung gestellt, der deutlich über den Frequenzen der bekannten Industrienetze liegt. Vorteilhafterweise kann die Arbeitsfrequenz, mit der der Elektromotor somit im stationären Betrieb betrieben wird, mehr als 75 Hz, vorzugsweise mehr als 100 Hz und insbesondere etwa 100 bis 200 Hz betragen. Dies ermöglicht besonders kompakte, also kleine und damit auch kostengünstige Antriebsmotoren in beschränkten Einbauräumen zu realisieren.
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Bei dem Elektromotor, dessen Frequenzumrichter für den stationären Betrieb überbrückt wird, kann es sich um einen oder mehrere Antriebsmotoren des Hauptarbeitsaggregats handeln, das die Hauptarbeitsbewegung der selbstfahrenden Arbeitsmaschine ausführt und/oder dessen Funktion bestimmt. Im Falle einer Oberflächenfräse kann es sich insbesondere um den oder die Antriebsmotoren für die Fräswalze handeln, wobei je nach Systemauslegung und Randbedingungen die Verwendung nur eines Elektromotors oder alternativ auch die Verwendung mehrerer Elektromotoren vorgesehen sein kann, wobei vorteilhafterweise bei Verwendung mehrere Elektromotoren zum Antrieb des Arbeitsaggregats die genannten Elektromotoren mechanisch und/oder steuerungstechnisch miteinander gekoppelt sind, so dass sie mit im Wesentlichen gleicher oder zueinander proportionaler Drehzahl laufen.
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Die Strombelastbarkeit des oder der Frequenzumrichter für den Hochlauf ist hierbei vorteilhafterweise so gewählt, dass ein Hochlauf mit einem Moment bis hin zum Nennmoment oder auch darüber hinaus möglich ist, wobei ggf. vorteilhaft sein kann, für den Hochlauf bis zum Zweifachen des Nennmoments zur Verfügung zu haben. Aufgrund der Wirkungsweise eines Frequenzumrichters wird der Generator beim Hochlauf nicht mit hohen Blindströmen belastet, vielmehr muss der Generator nur einen der aktuellen Motorleistung proportionalen Strom liefern und kann somit deutlich kleiner ausgelegt werden.
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Erfolgt der Hochlauf zwar nicht immer lastfrei, aber doch deutlich unterhalb des Nennmoments, kann bei Verwendung nur eines Elektromotors ein Frequenzumrichter Verwendung finden, dessen Strombelastbarkeit kleiner ist als der Motorstrom bei Nennmoment.
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Werden indes mehrere Elektromotoren zum Antrieb des Hauptarbeitsaggregats verwendet, kann vorgesehen sein, nicht allen, sondern nur einem Teil oder nur einem der Elektromotoren einen Frequenzumrichter zuzuordnen und für den Hochlauf nur diesen Teil oder nur den genannten einen der Elektromotoren zu verwenden. Hierbei wird vorteilhafterweise beim Hochlauf nur der Elektromotor oder die Elektromotoren mit Frequenzumrichter mit Energie versorgt, so dass nur dieser Elektromotor oder diese Elektromotoren die Hauptarbeitsbewegung auf Arbeitsdrehzahl bringt/bringen. Der Elektromotor oder die Elektromotoren ohne Frequenzumrichter werden hierbei von der elektrischen Energiequelle abgetrennt und über eine mechanische Koppelung an das Hauptarbeitsaggregat oder den jeweiligen Elektromotor stromlos mit hoch geschleppt. Nach Erreichen des stationären Betriebszustands werden der zumindest eine Frequenzumrichter für den zumindest einen Elektromotor überbrückt und der zumindest eine weitere Elektromotor ohne Frequenzumrichter mit der elektrischen Energiequelle verbunden, so dass dann sämtliche Elektromotoren des genannten Hauptarbeitsaggregats direkt von der elektrischen Energiequelle her gespeist werden.
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Insbesondere kann hierbei dann, wenn beim Hochlauf Lastmomente unter dem Nennmoment auftreten, die Strombelastbarkeit des Frequenzumrichters bzw. die Summe der Strombelastbarkeiten der mehreren Frequenzumrichter kleiner gewählt werden als die Summe der Motorströme bei Nennmoment.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der Frequenzumrichter mit einem Bremswiderstand versehen bzw. verbunden sein. Hierdurch kann zur Schonung von eventuell an den Antriebsmotoren des Hauptarbeitsaggregats befindlichen mechanischen Bremsen mit einer elektrischen Bremsung über den genannten Bremswiderstand das Hauptarbeitsaggregat bis zum Stillstand verzögert werden. Vorteilhafterweise ist eine Bremsschaltung vorgesehen, die eine Trennvorrichtung zur Trennung aller direkten Verbindungen des zumindest einen Elektromotors zur elektrischen Energiequelle sowie Synchronisiermittel zum Synchronisieren des oder der Frequenzumrichter auf den Elektromotor vor Bremsbeginn umfasst. Vorteilhafterweise werden vor dem elektrischen Bremsen alle direkten Verbindungen von dem zumindest einen Elektromotor zur elektrischen Energiequelle beispielsweise über Schütze geöffnet, wobei vorteilhafterweise der zumindest eine Frequenzumrichter auf den jeweiligen Elektromotor synchronisiert wird, bevor mit dem elektrischen Bremsen begonnen wird.
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Je nach Dimensionierung des Frequenzumrichters und des Bremswiderstands kann ein Bremsmoment bis hin zum Nennmoment des Elektromotors oder sogar darüber erzeugt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der Frequenzumrichter auch zum Fahren einer reduzierten Drehzahl des Hauptarbeitsaggregats, beispielsweise eines Schleichgangs zur Wartungszwecken und/oder zum Positionieren des Arbeitsaggregats für einen Werkzeugwechsel genutzt werden. Hierzu kann eine Schleichgangschaltung und/oder eine Positionierschaltung vorgesehen sein, die die Überbrückung des zumindest einen Frequenzumrichters deaktiviert und den zumindest einen Frequenzumrichter in der gewünschten Weise ansteuert, um die reduzierte Drehzahl und/oder das Anfahren einer vorbestimmten Position zu realisieren.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Rückwärtsschaltung vorgesehen sein, die ebenfalls die Überbrückung des zumindest einen Frequenzumrichters deaktiviert und über den genannten, zumindest einen Frequenzumrichter die Arbeitsbewegung des genannten Hauptarbeitsaggregats reversiert und/oder eine Rückwärtsbewegung des Hauptarbeitsaggregats bewirkt. Ein solches Reversieren kann beispielsweise zum Losbrechen und zur Beseitigung von Blockaden genutzt werden. Das Losbrechen aus dem Stillstand oder das Reversieren sind je nach Auslegung des zumindest einen Frequenzumrichters bis zum Nennmoment des Antriebs oder sogar darüber hinaus möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung wird das elektrische System der selbstfahrenden Arbeitsmaschine nicht nur für den Antrieb von dessen Hauptarbeits- und/oder Hauptantriebsaggregat genutzt, sondern auch für die Speisung von zumindest einem weiteren elektrischen Nebenaggregat. Derartige Nebenaggregate können verschiedene elektrische Verbraucher sein und im Falle einer Oberflächenfräse insbesondere die Fahrantriebe und/oder beispielsweise die Antriebe eines Abförderers, eines Verladeförderers, einer Lenkvorrichtung und/oder eines Schwenkwerks sein. Derartige Nebenaggregate haben üblicherweise eine deutlich geringere Leistungsaufnahme als der Antrieb des Hauptarbeitsaggregats. Trotzdem können grundsätzlich der Antrieb des Hauptarbeitsaggregats und die elektrischen Nebenaggregate über eine gemeinsame Spannungsebene gespeist werden.
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Um jedoch für den Hauptantrieb mit kleineren Strömen auskommen zu können, wäre es vorteilhaft, diesen Hauptantrieb mit einer höheren Spannung zu speisen. Diese höhere Spannung jedoch ist bei den Nebenaggregaten aufgrund des höheren Aufwands für die Isolierung und höherer Kosten für die Frequenzumrichter an diesen Nebenaggregaten bei den ohnehin kleinen Stromstärken unerwünscht. Vorteilhafterweise werden an den Nebenaggregaten Frequenzumrichter verwendet, um deren Arbeitsgeschwindigkeit gegenüber der Arbeitsgeschwindigkeit des Hauptarbeitsaggregats verändern zu können, um den Betrieb der Maschine an verschiedene Bearbeitungs- und Umgebungsparameter anpassen zu können. Um einerseits den Hauptantrieb mit einer höheren Spannung speisen zu können, andererseits für die Nebenaggregate diese höhere Spannung zu vermeiden, können in Weiterbildung der Erfindung auf der Bearbeitungsmaschine zwei Spannungsebenen vorgesehen sein, und zwar eine höhere Spannungsebene zur Speisung der elektrischen Verbraucher, insbesondere Elektromotoren, mit höherer Leistung und eine niedrigere Spannungsebene für die Speisung der elektrischen Verbraucher, insbesondere Elektromotoren, mit kleinerer Leistung.
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In Weiterbildung der Erfindung können die unterschiedlichen Spannungsebenen durch einen gemeinsamen Generator erzeugt werden, der hierzu mit zwei getrennten Statorwicklungen ausgeführt sein kann, welche je eine Spannungsebene zur Verfügung stellen. Bei einer solchen Anordnung sind die beiden Spannungsebenen voneinander galvanisch getrennt. Wird indes eine solche galvanische Trennung nicht benötigt, kann der Generator auch mit nur einer Statorwicklung ausgeführt werden, wobei die kleinere Spannungsebene dann über eine Anzapfung dieser einen Wicklung herausgeführt werden kann.
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Zur Reduzierung der Spannung für die Nebenaggregate kann auch ein Trafo oder ein DC/DC-Wandler Verwendung finden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1: eine schematische, Darstellung einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine, die nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung als selbstfahrende Oberflächenfräse in Form eines Surface Miners ausgebildet ist, jedoch auch eine Asphaltfräse bilden kann,
- 2: eine schematische Darstellung des Antriebssystems für das Hauptarbeitsaggregat der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1, das bei dieser Ausführung dieselelektrisch ausgebildet ist und einen Elektromotor aufweist, der über einen Frequenzumrichter, dem ein Überbrücker zugeordnet ist, gespeist wird,
- 3: eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für das Hauptarbeitsaggregat der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1, wobei nach einer alternativen Ausführung der Antrieb zwei Elektromotoren umfasst, denen jeweils ein Frequenzumrichter zugeordnet ist,
- 4: eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für das Hauptarbeitsaggregat der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1, wobei nach einer weiteren Ausführung der Erfindung der Antrieb zwei Elektromotoren umfasst, denen ein gemeinsamer Frequenzumrichter zugeordnet ist,
- 5: eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für das Hauptarbeitsaggregat der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1, wobei nach einer weiteren Ausführung der Erfindung der Antrieb zwei Elektromotoren umfasst, von denen nur einem Elektromotor ein Frequenzumrichter zugeordnet ist,
- 6: eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für das Hauptarbeitsaggregat der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1, die sich von der Ausführung nach 5 durch einen dem Frequenzumrichter zugeordneten Bremswiderstand unterscheidet,
- 7: eine schematische Darstellung des gesamten Antriebssystems der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1 mit Haupt- und Nebenaggregaten, die jeweils von Elektromotoren angetrieben werden, wobei die Haupt- und Nebenaggregate von derselben Spannungsebene gespeist werden,
- 8: eine schematische Darstellung des gesamten Antriebssystems der selbstfahrenden Arbeitsmaschine aus 1 mit Haupt- und Nebenaggregaten, die jeweils von Elektromotoren angetrieben werden, wobei die Haupt- und Nebenaggregate durch verschiedene Spannungsebenen gespeist werden, die vom Generator mittels separater Wicklungen erzeugt werden, und
- 9: eine schematische Darstellung einer dieselelektrischen Antriebsvorrichtung für das Hauptarbeitsaggregat einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine, die keine Überbrückung des dem Elektromotor zugeordneten Frequenzumrichters besitzt.
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1 zeigt eine selbstfahrende Arbeitsmaschine in Form einer Oberflächenfräse 1, deren Hauptarbeitsaggregat 2 eine um eine liegende Achse drehbar antreibbare Fräserwalze bildet, an deren Umfang Schneidwerkzeuge angebracht sind, um eine Boden- oder Asphaltschicht oder dergleichen zu zerkleinern. Die Oberflächenfräse 1 wird hierbei mittels Fahrwerken, insbesondere Raupenfahrwerken 3, kontinuierlich verfahren, so dass die genannte Fräserwalze kontinuierlich eine Vorschubbewegung erfährt. Der Maschinenkorpus 4, der durch die genannten Raupenfahrwerke 3 fahrbar auf dem Boden abgestützt ist und die genannte Fräserwalze trägt, umfasst weiterhin noch Fördermittel zum Abfördern des Fräsgutes. Das Fräsgut wird von der Fräserwalze her kommend auf einen Aufnahmeförderer 5 übernommen, der das Gut auf einen Beladeförderer 6 übergibt, um das zerkleinerte Gut beispielsweise auf einen Truck überzuladen. Die genannten Aufnahme- und Beladeförderer 5 und 6 können beispielsweise als Bandanlagen ausgebildet sein.
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Das vorgenannte Hauptarbeitsaggregat 2 kann gemäß 2 mittels eines Elektromotors M angetrieben werden, der über eine Kupplung und/oder über ein Getriebe 12 mit dem Hauptarbeitsaggregat verbunden und ggf. im Inneren der Fräserwalze untergebracht sein kann.
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Als elektrische Energiequelle ist in der gezeichneten Ausführung ein Generator G vorgesehen, der von einem Verbrennungsmotor, der in der gezeichneten Ausführung als Dieselmotor 7 ausgebildet ist, über eine Kupplung und/oder über ein Getriebe 8 angetrieben wird. Alternativ oder zusätzlich könnte die selbstfahrende Arbeitsmaschine, je nach Ausbildung, auch eine andere elektrische Energiequelle besitzen bzw. nutzen und/oder einen Stromnetzanschluss beispielsweise in Form eines Kabels besitzen, um an eine externe elektrische Energiequelle angeschlossen zu werden.
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Wie 2 zeigt, ist der Elektromotor von dem Generator G her wahlweise über einen Frequenzumrichter FU oder direkt, d.h. ohne bzw. unter Überbrückung des Frequenzumrichters FU speisbar. Der Überbrücker 9 bildet sozusagen einen Bypass der Zufuhrleitung um den Frequenzumrichter FU herum.
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Vorteilhafterweise ist der genannte Überbrücker 9 durch ein Schaltelement 10 schaltbar, so dass der Motor M wahlweise über den Frequenzumrichter FU oder unter Umgehung desselben speisbar ist.
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Durch einen Trennschalter 11 kann die elektrische Versorgung des Elektromotors M gänzlich vom Generator G abgetrennt werden.
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Um das Hauptarbeitsaggregat 2 anlaufen zu lassen, öffnet die elektronische Steuervorrichtung der selbstfahrenden Arbeitsmaschine das Schaltelement 10, um den Überbrücker 9 zu deaktivieren, so dass die Generatorspannung des Generators G den Frequenzumrichter FU versorgt. Über den Frequenzumrichter FU wird der Elektromotor M hochgefahren, bis der Elektromotor M und/oder das Hauptarbeitsaggregat 2 die gewünschte Betriebsdrehzahl erreicht. Sobald diese erreicht ist, wird der Überbrücker 9 aktiviert, indem das Schaltelement 10 geschlossen wird, so dass der Elektromotor M direkt mit der Sinusspannung des Generators G versorgt wird. Der Frequenzumrichter FU ist umgangen. Dabei wird das Dieselaggregat 7 mit vorzugsweise konstanter Drehzahl betrieben. Um hierbei die gewünschte Betriebsdrehzahl des Arbeitsaggregats 2 zu erreichen, werden die Polpaarzahlen des Generators G und des Elektromotors M sowie die Getriebeübersetzungen der Getriebe 8 und 12 in geeigneter Weise gewählt, um ohne Veränderung der Drehzahl des Dieselaggregats 7 die gewünschte Betriebsdrehzahl des Hauptarbeitsaggregats 2 zu erzielen.
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Je nach benötigtem Anlaufmoment wird die Strombelastbarkeit des Frequenzumrichters FU so gewählt, dass das gewünschte Anlaufmoment erreichbar ist. Dieses kann je nach Bearbeitungsmaschine unter, aber auch über dem Nennmoment für den stationären Betrieb liegen.
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Gemäß 3 können in vorteilhafter Weise auch mehrere Elektromotoren M für den Antrieb des Hauptarbeitsaggregats 2 vorgesehen sein. In der gezeichneten Ausführung sind hierbei zwei Elektromotoren M vorgesehen, die jeweils mit dem Hauptarbeitsaggregat 2 in Antriebsverbindung stehen und über das Hauptarbeitsaggregat 2 miteinander mechanisch gekoppelt sind. In der Ausführung nach 3 ist hierbei jedem der Elektromotoren M ein Frequenzumrichter FU zugeordnet, über die die vom Generator G erzeugte Spannung auf die Elektromotoren M speisbar ist. Durch einen gemeinsamen Überbrücker 9 sind beide Frequenzumrichter FU überbrückbar, so dass im stationären Betrieb auch hier die Betriebsspannung des Generators G direkt auf die Elektromotoren M gegeben werden kann.
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Wie 4 zeigt, können die beiden Elektromotoren M in der Anlaufphase auch über einen gemeinsamen Frequenzumrichter FU gespeist werden. Während bei der Ausführung nach 3 mit separaten Frequenzumrichtern deren Strombelastbarkeit an das von jedem Motor aufzubringende Anlaufmoment während der Anlaufphase anzupassen ist, ist bei der Ausführung nach 4 die Strombelastbarkeit des Frequenzumrichters FU so zu wählen, dass sie der Summe der beiden Anlaufströme der beiden Elektromotoren M bei dem jeweils aufzubringenden Anlaufmoment entspricht.
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Ist das benötigte Anlaufmoment deutlich geringer als die Summe der Nennmomente der Elektromotoren M im stationären Betrieb, kann auch nur einem der Elektromotoren M ein Frequenzumrichter FU zugeordnet sein, wie dies 5 zeigt. Bei dieser Ausführung wird während des Anlaufvorgangs der zweite Elektromotor M durch einen Trennschalter 14 gänzlich von der Spannungsbeaufschlagung des elektrischen Netzes abgeschnitten, so dass dieser zweite Elektromotor M stromlos mit hochläuft. Das Hochlaufen wird allein von dem mit einem Frequenzumrichter FU gespeisten Elektromotor M bewirkt. Ist die gewünschte Betriebsdrehzahl des stationären Betriebs des Hauptarbeitsaggregats 2 erreicht, wird einerseits der Überbrücker 9 durch Schließen des Schaltelements 10 aktiviert, um den genannten Frequenzumrichter FU zu überbrücken. Andererseits wird der Trennschalter 14 geschlossen, um den zweiten Elektromotor M an die Spannungsversorgung anzuschließen. Dementsprechend sind dann auch hier im stationären Betrieb nach dem Anlaufen beide Elektromotoren 17 direkt mit der Sinusspannung des Generators G beaufschlagt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann dem Frequenzumrichter FU ein Bremswiderstand 15 zugeordnet sein, um eine elektrische Bremsung des Hauptarbeitsaggregats 2 durch den Elektromotor M vorzunehmen zu können. Wie 6 verdeutlicht, ist der Bremswiderstand 15 in einer Schleife angeordnet, die an den genannten Frequenzumrichter FU angeschlossen ist. Je nach Dimensionierung des Frequenzumrichters FU und des Bremswiderstands kann ein Bremsmoment bis hin zum Nennmoment des Elektromotors M oder sogar darüber erzeugt werden. Vor dem elektrischen Bremsen werden alle direkten Verbindungen von den Elektromotoren M zum Generator G geöffnet. Weiterhin wird der Frequenzumrichter FU auf den Elektromotor M synchronisiert, bevor mit dem elektrischen Bremsen begonnen wird.
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Wie 7 zeigt, wird der vom Dieselaggregat 7 angetriebene Generator G nicht nur zur Versorgung der Antriebsvorrichtung 13 des Hauptarbeitsaggregats 2 verwendet, sondern auch für die Speisung von weiteren Nebenaggregaten 16. Diese Nebenaggregate 16 können einerseits die Fahrantriebe FAW1, FAW2 und FAW3 der Raupenfahrwerke 3 der Oberflächenfräse 1 aus 1 umfassen. Weiterhin können die Nebenaggregate 16 auch die Antriebsvorrichtungen weiterer Funktionsbausteine wie des Abzugsbands, des Verladebands, der Lenkraupe oder des Schwenkwerks umfassen. In der gezeichneten Ausführungsform umfassen die genannten Fahrantriebe FAW1, FAW2 und FAW3 jeweils nur einen Elektromotor M, während die Antriebe der weiteren Nebenaggregate für das Abzugsband, das Verladeband und die Lenkraupe jeweils zwei Elektromotoren M umfassen. Je nach benötigter Leistung und Nebenaggregat können jedoch auch andere Konfigurationen vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise sind die Nebenaggregate 16 jeweils mit einem Frequenzumrichter FU versehen, um die jeweiligen Elektromotoren M bezüglich ihrer Drehzahl variabel steuern zu können, um trotz stationärem Betrieb der Fräserwalze den Bearbeitungsbetrieb an verschiedene Parameter wie Bodenhärte, Gefälle und dergleichen anpassen zu können.
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In der Ausführung gemäß 7 werden hierbei die Nebenaggregate 16 einschließlich der genannten Fahrantriebe einerseits sowie die Antriebsvorrichtung 13 des Hauptarbeitsaggregats 2 andererseits von einer gemeinsamen Spannungsebene gespeist, wobei die Nebenaggregate 16 hierbei über Netzdrosseln 17 angebunden sind.
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Um einerseits die Antriebsvorrichtung 13 des Hauptarbeitsaggregats 2 mit einer höheren Spannung und damit geringeren Strömen speisen zu können und andererseits an den leistungsärmeren Nebenaggregaten 16 keine erhöhte Isolierung und unnötig teure Sonderfrequenzumrichter FU vorsehen zu müssen, kann nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung auch vorgesehen sein, den Hauptantrieb einerseits und die Nebenaggregate andererseits von unterschiedlichen Spannungsebenen zu speisen. Eine höhere Spannungsebene ist für die Speisung der Motoren mit höherer Leistung und eine niedrigere Spannungsebene ist für die Speisung der Motoren mit kleinerer Leistung vorgesehen. Eine solche Ausführung zeigt 8, wobei hierbei die beiden Spannungsebenen durch den gemeinsamen Generator G erzeugt werden, der mit zwei getrennten Statorwicklungen ausgeführt sein kann, welche je eine Spannungsebene zur Verfügung stellen.
