DE102012101154A1 - Mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb - Google Patents

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Abstract

Bei einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug (1), mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb mit einem Verbrennungsmotor (8), der einen Generator (10) antreibt, einem Umrichter (12) für die Einspeisung der elektrischer Energie des Generators (10) in einen Zwischenkreis (13) sowie einem mit dem Zwischenkreis (13) verbundenen elektrischen Energiespeicher (20), wobei aus dem Zwischenkreis Antriebe der mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere ein Fahrantriebsmotor (16), gespeist werden können, ist der Generator eine fremderregte elektrische Maschine (9) und kann der Umrichter (12) elektrische Energie für die Magnetisierung der fremderregten elektrischen Maschine (9) dem elektrischen Energiespeicher (20) entnehmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb sowie ein Verfahren zur Generatorregelung einer solchen mobilen Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine mobile Arbeitsmaschine, etwa ein Flurförderzeug, mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb mit einem Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt, einem Umrichter für die Einspeisung der elektrischer Energie des Generators in einen Zwischenkreis sowie einem mit dem Zwischenkreis verbundenen elektrischen Energiespeicher, wobei aus dem Zwischenkreis Antriebe der mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere ein Fahrantriebsmotor, gespeist werden können.
  • Es ist bekannt, eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere jedoch ein Flurförderzeug wie etwa einen Gabelstapler, die mit einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang zu versehen.
  • Ein solcher verbrennungsmotorisch-elektrischer Antriebsstrang weist einen durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Generator auf, dessen elektrische Leistung über einen Zwischenkreis einem oder mehreren elektrischen Fahrantriebsmotoren zugeführt wird. Als Fahrantriebsmotoren werden zumeist Asynchrondrehstrommotoren eingesetzt. Der Zwischenkreis ist im Regelfall ein Gleichspannungszwischenkreis und als Generator wird ein Gleichstrom- oder ein Drehstromgenerator verbunden mit einem Gleichrichter eingesetzt, der den Zwischenkreis speist. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades kommen dabei Drehstromsynchrongeneratoren bevorzugt zum Einsatz. Insbesondere werden permanenterregte Drehstromsynchrongeneratoren eingesetzt, da diese in Ihrem Aufbau einfach sind.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass permanent erregte Drehstromsynchrongeneratoren für die Magnete des Rotors seltene Erden benötigen. Diese Rohstoffe sind sehr teuer und nicht in ausreichendem Maße vorhanden.
  • Weiter ist bekannt, als Gleichrichter eines Drehstromgenerators einen passiven, nicht geregelten, Diodengleichrichter einzusetzen. Die von dem permanent erregten Synchrongenerator zur Verfügung gestellte elektrische Energie hängt von der momentanen Antriebsdrehzahl des mit der Synchronmaschine gekoppelten Verbrennungsmotors und der Spannung in dem Gleichspannungszwischenkreis ab, die von der Leistungsaufnahme des Fahrantriebsmotors beeinflusst wird.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik, der einen permanent erregten Synchrongenerator benutzt, ist die begrenzte Möglichkeit, die Leistungsabgabe zu regeln. Dies erweist sich als hinderlich für die Regelung der Spannung in dem Gleichspannungszwischenkreis bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, bei denen hohe Spannungen induziert werden. Es ist nicht möglich, die elektrischen Ausgangsgrößen des Synchrongenerators einzustellen, etwa welcher Strom bei einer bestimmten Spannung und bei einer gewünschten Antriebsdrehzahl abgegeben werden kann.
  • Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bekannt, den Diodengleichrichter durch einen Umrichter als aktiven Gleichrichter zu ersetzen. Eine bekannte Ausführungsform eines Umrichters ist dabei ein Pulswechselrichter, der einen geregelten Betrieb des Synchrongenerators ermöglicht und vorteilhaft mit einer Pulsweitenmodulation arbeitet.
  • Weiterhin sind vorteilhaft Asynchrongeneratoren bekannt, die einen besonders robusten und kostengünstigen Aufbau aufweisen und insbesondere keine teuren und seltenen Rohstoffe für Magnete benötigen, da der Läufer als Kurzschlussläufer aufgebaut ist.
  • Ein Umrichter als aktiver Gleichrichter ermöglicht es, einen asynchronen Generator zu betreiben, indem dieser die Statorfelder so ansteuern kann, dass eine Magnetisierung durch induzierte Ströme in dem Läufer erreicht werden kann. Dabei arbeitet ein Umrichter im Vierquadrantenbetrieb und speist beispielsweise während der Anlaufphase Strom in die Statorfelder des Generators zurück.
  • Problematisch ist jedoch dabei, dass hierfür entsprechend bereits Energie zur Verfügung stehen muss und insbesondere beim Anlaufen des Generators diese nicht zur Verfügung steht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Flurförderzeug mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antrieb einen kostengünstigen und robusten Generator zur Verfügung zu stellen sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Flurförderzeugs.
  • Diese Aufgabe wird durch eine mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Generatorregelung bei einer solchen mobilen Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere bei einem Flurförderzeug, mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb mit einem Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt, mit einem Umrichter für die Einspeisung der elektrischer Energie des Generators in einen Zwischenkreis sowie einem mit dem Zwischenkreis verbundenen elektrischen Energiespeicher, wobei aus dem Zwischenkreis Antriebe der mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere ein Fahrantriebsmotor, gespeist werden können, der Generator eine fremderregte elektrische Maschine ist und der Umrichter elektrische Energie für die Magnetisierung der fremderregten elektrischen Maschine dem elektrischen Energiespeicher entnehmen kann.
  • Vorteilhaft ist es dadurch möglich, eine fremderregte elektrische Maschine als Generator einzusetzen und die hohen Kosten der Permanentmagnete einer permanent erregten Maschine zu vermeiden, die insbesondere durch die Verwendung teurer Rohstoffe wie seltener Erden entstehen. Ein elektrischer Energiespeicher ist insbesondere bei mobilen Arbeitsmaschinen mit verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang, beispielsweise diesel-elektrischen Gabelstaplern, oftmals bereits vorhanden, da in diesem zurückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird. Wenn nun der elektrische Energiespeicher so ausgelegt ist, dass er über einen gewissen Zeitraum, insbesondere den Zeitraum typischer Betriebspausen solcher Fahrzeuge, elektrische Energie speichern kann, so kann diese dazu dienen, den Generator elektrisch fremd zu erregen, wenn bei dem Start des Verbrennungsmotors der Generator anläuft. Weiterhin ist es auch möglich, falls bei Leerlaufdrehzahl an dem Generator keine oder nur eine sehr geringe Last anliegt, durch Energieentnahme aus dem elektrischen Energiespeicher den Blindstrom beim Hochlaufen des Generators zu regeln und somit eine schnelle Reaktion des Generators auf eine Erhöhung der Drehzahl des Verbrennungsmotors sowie ein schnelles zur Verfügung stellen einer hohen elektrischen Leistung sicherzustellen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die fremderregte elektrische Maschine ein Drehstromgenerator, insbesondere ein Asynchrondrehstromgenerator.
  • Einen Asynchrondrehstromgenerator bzw. allgemein eine Asynchrondrehstrommaschine weist einen einfachen und die robusten Aufbau auf. Vor allem ist ein Asynchrondrehstromgenerator kostengünstig und erfordert keinerlei besonders teuren Rohstoffe.
  • Der elektrische Energiespeicher kann aus Hochleistungskondensatoren aufgebaut sein.
  • Hochleistungskondensatoren, etwa Doppelschichtkondensatoren, die auch unter dem Handelsnamen Ultracap bekannt sind, bieten die Möglichkeit einer sehr schnellen Speicherung sowie Abgabe von elektrischer Energie mit hoher Energiedichte.
  • Vorteilhaft ist der elektrische Energiespeicher aus einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionenbatterie, aufgebaut.
  • Eine Lithium-Ionenbatterie ermöglicht eine besonders hohe Energiedichte.
  • In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist die fremderregte elektrische Maschine auch als Motor betreibbar, insbesondere kann diese den Verbrennungsmotor starten.
  • Da für die Fremderregung im Regelfall ein Umrichter mit einer Möglichkeit eines Vierquadrantenbetriebs erforderlich ist, lässt sich auf sehr einfache Weise der Generator auch als Motor betreiben, insbesondere im Falle eines Asynchrondrehstromgenerators. Dadurch kann für den Verbrennungsmotor ein eigener Startermotor entfallen, wenn der Motorstart durch den Generator erfolgt.
  • Vorteilhaft weist die mobile Arbeitsmaschine einen Hybridantrieb auf.
  • Besondere Vorteile ergeben sich bei einem Hybridantrieb, da bei diesem für kurzzeitige Phasen besonders hoher Leistungsanforderungen, wie etwa der Beschleunigung des Fahrzeugs, regelmäßig elektrische Energiespeicher vorgesehen werden, die in Zeiten geringerer Leistungsanforderungen durch den Generator aufgeladen werden oder im Rahmen der Energierückgewinnung beim elektrischen Bremsen. Dadurch ist es möglich, einen kleineren Verbrennungsmotor vorzusehen mit einem entsprechend geringeren Treibstoffverbrauch.
  • Bei einem Flurförderzeug mit einer Hubvorrichtung, wie etwa ein Gabelstapler, ergeben sich nochmals besondere Vorteile, da bei diesen eine besonders hohe Hubleistung mit einem schnellen Anheben der Last erreicht werden kann während einer kurzen Belastungsphase, ohne dass der Verbrennungsmotor mit einer entsprechend hohen Leistung ausgelegt werden muss. Weiterhin kann beim Absenken durch eine hybride Energieversorgung Energie zurückgewonnen werden, die ansonsten nur in Wärme des Hydrauliköls der üblichen hydraulischen Hubvorrichtung umgesetzt wird.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Generatorregelung einer mobilen Arbeitsmaschine, wie sie zuvor beschrieben wurde, gelöst, bei dem der Umrichter beim Anlaufen des Generators aus dem Stillstand die elektrische Energie für die Fremderregung dem elektrischen Energiespeicher entnimmt.
  • Das Verfahren weist die bereits zuvor geschilderten Vorteile auf.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt:
  • 1 eine als Flurförderzeug ausgebildete erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antriebsstrang schematisch in Aufsicht und
  • 2 eine schematische Darstellung des verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrangs der 1.
  • In der 1 ist eine als Flurförderzeug 1 in Form eines Gegengewichtsgabelstaplers ausgebildete mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antriebstrang mit dessen wesentlichen Aggregaten dargestellt.
  • Das Flurförderzeug 1 weist einen Fahrzeugrahmen 2 auf, der im lastzugewandten Bereich mit zwei Antriebsrädern 3 und im lastabgewandten Bereich mit gelenkten Rädern 4 versehen ist. Am vorderen lastzugewandten Bereich des Flurförderzeugs 1 ist ein Hubgerüst 5 angeordnet, an dem ein als Lastgabel ausgebildetes Lastaufnahmemittel 6 auf- und abbewegbar angeordnet ist. Im lastabgewandten Bereich ist das Flurförderzeug 1 mit einem Gegengewicht 7 versehen.
  • Das Flurförderzeug 1 ist mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang versehen, der einen Verbrennungsmotor 8, z. B. einen Dieselmotor, und eine mit dem Verbrennungsmotor 8 verbundene und durch diesen angetriebene fremderregte elektrische Maschine 9 als Generator 10 gebildet ist. Die fremderregte elektrische Maschine 9 besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Asynchrondrehstromgenerator 11, der durch seinen Kurzschlussläufer einen einfachen und robusten Aufbau aufweist.
  • Die von dem Asynchrondrehstromgenerator 11 erzeugte elektrische Energie wird über einen Umrichter 12 über einen Gleichspannungszwischenkreis 13 einem weiteren Umrichter 14 zugeführt, der einen an einer Antriebsachse 15 angeordneten elektrischer Fahrantriebsmotor 16, beispielsweise ein Asynchrondrehstrommotor, mit elektrischer Energie versorgt.
  • Der Fahrantriebsmotor 16 steht unter Zwischenschaltung eines Differentialgetriebes 17 und zweier Untersetzungsgetriebe 18 mit den Antriebsrädern 3 in Verbindung. Anstelle einer derartigen Einmotorachse als Antriebsachse 15, bei der ein Fahrantriebsmotor 16 beide Antriebsräder 3 antreibt, kann auch eine Zweimotorachse vorgesehen werden, bei der jeweils ein Fahrantriebsmotor unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit dem entsprechenden Antriebsrad 3 in Verbindung steht.
  • Der Verbrennungsmotor 8, der Generator 9 sowie die Umrichter 12, 14 und die weiteren Komponenten der Antriebsachse 15 sind hierbei zusammen in einem Aggregateraum 19 des Flurförderzeugs 1 angeordnet.
  • Mit dem Gleichspannungszwischenkreis 13 ist ein elektrischer Energiespeicher 20 verbunden. Das Flurförderzeug 1 weist einen hybriden Antriebsstrang auf. Im Fall von Belastungsspitzen, etwa beim Anheben einer Last auf dem Lastaufnahmemittels 6 durch das Hubgerüst 5 oder beim Beschleunigen des Fahrzeugs, speist der elektrische Energiespeicher 20 zusätzlich zu dem Generator 10 Strom in den Gleichspannungszwischenkreis 13 und es steht eine höhere Leistung zur Verfügung, als der Verbrennungsmotor 8 allein erbringen kann. In Zeiträumen mit geringerer Leistungsanforderung kann der Verbrennungsmotor 8 über den Generator 10 den elektrischen Energiespeicher 20 wieder aufladen. Zusätzlich kann der elektrische Energiespeicher 20 durch zurückgewonnene Energie beim elektrischen Bremsen aus dem Fahrantriebsmotor 16 wieder aufgeladen werden oder aus zurückgewonnener Energie beim Absenken der Last an dem Hubgerüst 5.
  • Der Verbrennungsmotor 8 hat eine Flüssigkeitskühlung, die einen Wärmetauscher 21 und Kühlkreisläufe 22 aufweist.
  • Die 2 zeigt eine schematische Darstellung des verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrangs der 1. Der Verbrennungsmotor 8 treibt den als Asynchrondrehstromgenerator 11 ausgebildeten Generator 10 an und der von dem Generator 10 erzeugte Drehstrom wird in dem Umrichter 12 als Gleichrichter gleichgerichtet und über den Gleichspannungszwischenkreis 13 dem weiteren Umrichter 14 sowie dem elektrischen Fahrantriebsmotor 16 zugeführt, der über das Differentialgetriebe 17 die Antriebsräder 3 antreibt. Ein Kondensator 23 dient als Eingangsfilter der Umrichter 13, 14 sowie gleichzeitig auch als Eingangsfilter eines Gleichspannungswandlers 24. Über den Gleichspannungswandler 24 ist der im vorliegenden Beispiel als Lithium-Ionenbatterie 25 ausgebildete elektrische Energiespeicher 20 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 13 verbunden.
  • Beim Anlaufen des Generators 10, wenn der Verbrennungsmotor 8 gestartet wird, aber auch beim Hochlaufen aus dem Leerlauf, kann der in beiden Richtung wirkende Umrichter 12 aus den elektrischen Energiespeicher 20 über den Gleichspannungswandler 24 Strom entnehmen, um den Asynchrondrehstromgenerator 11 magnetisch fremd zu erregen. Zu jedem Zeitpunkt des Betriebs ist durch Energieentnahme aus dem elektrischen Energiespeicher 20 eine Regelung des Blindstroms möglich.
  • In einer Variante ist es möglich, über den einen Vierquadrantenbetrieb ermöglichenden Umrichter 12 den Verbrennungsmotor 8 durch den als Motor wirkenden Asynchrondrehstromgenerator 11 zu starten.

Claims (7)

  1. Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug (1), mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb mit einem Verbrennungsmotor (8), der einen Generator (10) antreibt, einem Umrichter (12) für die Einspeisung der elektrischer Energie des Generators (10) in einen Zwischenkreis (13) sowie einem mit dem Zwischenkreis (13) verbundenen elektrischen Energiespeicher (20), wobei aus dem Zwischenkreis Antriebe der mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere ein Fahrantriebsmotor (16), gespeist werden können, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator eine fremderregte elektrische Maschine (9) ist und der Umrichter (12) elektrische Energie für die Magnetisierung der fremderregten elektrischen Maschine (9) dem elektrischen Energiespeicher (20) entnehmen kann.
  2. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fremderregte elektrische Maschine (9) ein Drehstromgenerator, insbesondere ein Asynchrondrehstromgenerator (11), ist.
  3. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (20) aus Hochleistungskondensatoren aufgebaut ist.
  4. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (20) aus einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionenbatterie (25), aufgebaut ist.
  5. Mobile Arbeitsmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fremderregte elektrische Maschine (9) auch als Motor betreibbar ist, insbesondere den Verbrennungsmotor (8) starten kann.
  6. Mobile Arbeitsmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Arbeitsmaschine einen Hybridantrieb aufweist.
  7. Verfahren zur Generatorregelung einer mobilen Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (12) beim Anlaufen des Generators (10) aus dem Stillstand die elektrische Energie für die Fremderregung dem elektrischen Energiespeicher (20) entnimmt.
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RU2653062C1 (ru) * 2017-03-14 2018-05-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение "16 Центральный научно-исследовательский испытательный ордена Красной Звезды институт имени маршала войск связи А.И. Белова" Министерства обороны Российской Федерации Система управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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