DE102017104461A1

DE102017104461A1 - Steuerung eines Überlagerungsgetriebes

Info

Publication number: DE102017104461A1
Application number: DE102017104461.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Lindenmaier; Bernd Lauter
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-09-06
Also published as: WO2018158220A1

Abstract

Ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine umfasst einen elektrischen Hauptantrieb; eine Schaltvorrichtung zur Verbindung des Hauptantriebs mit einem elektrischen Hauptnetz; einen elektrischen Hilfsantrieb; einen Frequenzumrichter zur Steuerung eines Drehmoments des Hilfsantriebs; eine Abtriebswelle zur Verbindung mit der Arbeitsmaschine; ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad, einem Planetenrad und einem Planetenradträger, wobei das Hohlrad mit dem Hauptantrieb, das Sonnenrad mit der Abtriebswelle und der Planetenradträger mit dem Hilfsantrieb gekoppelt ist, und eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Hauptantrieb mittels der Schaltvorrichtung und den Hilfsantrieb mittels des Frequenzumrichters zu steuern. Dabei ist die Steuervorrichtung insbesondere dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Hilfsantrieb unmittelbar nach dem Erfassen einer Anforderung eines Startvorgangs oder Stoppvorgangs der Abtriebswelle kontinuierlich zu beschleunigen oder zu verzögern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Überlagerungsgetriebe, einem Hauptantrieb und einem Hilfsantrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung einer Drehzahl einer Abtriebswelle des Überlagerungsgetriebes.
Stand der Technik
Zum Antrieb mechanischer Systeme, z. B. einem Hubwerk, wird nach Stand der Technik eine Mehrmotorenanordnung verwendet, bei denen mehrere elektrische Antriebsmotoren über ein Überlagerungsgetriebe (Planetengetriebe) die Leistung teilweise übernehmen, d. h. die Drehzahlen der Motoren addieren sich, während die Drehmomente über das Sonnenrad oder das Hohlrad jeweils parallel zum Abtrieb laufen. Üblicherweise werden ein Hauptantrieb und einer oder mehrere Hilfsantriebe eingesetzt, wobei aus Sicherheitsgründen bevorzugt auch ein Betrieb ohne den Hauptantrieb möglich ist.
Ein Einsatzgebiet ist z. B. die Regelung von Kesselspeisepumpen in thermischen Kraftwerken. Hier arbeiten mehrere, in der Regel drei Pumpen, gemeinsam in einem Strang, wobei sich meist eine der Pumpen im Stillstand befindet. Diese Pumpe wird aus Sicherheitsgründen als Reserve vorgehalten und kann im Falle eines Ausfalls einer der aktiven Pumpen deren Aufgabe übernehmen. Dabei muss die Pumpe so schnell wie möglich auf eine Nenndrehzahl beschleunigt werden um die Förderleistung des Strangs konstant zu halten.
WO 2014 183 139 A1 betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines Triebstrangs mit zwei Antrieben, die mittels eines Überlagerungsgetriebe auf eine Abtriebswelle wirken. Dabei wird einer der Antriebe mechanisch im Stillstand gehalten, während der andere aus dem Stillstand hochdreht.
DE 10 2015 107 934 A1 betrifft ein Antriebssystem mit einem Hauptantrieb und einem Hilfsantrieb, die mittels eines Überlagerungsgetriebes an eine Arbeitsmaschine gekoppelt sind. Es wird vorgeschlagen, während eines Startvorgangs einen Wechselrichter, der zur Ansteuerung des Hilfsantriebs eingerichtet ist, an den Hauptantrieb zu schalten, um diesen drehzahlgesteuert hochzufahren.
WO 2016 059 115 A1 geht von einem ähnlichen Antriebssystem aus und zeigt dessen Hochfahren unter temporärer Feststellung der Arbeitsmaschine.
DE 10 2014 210 870 A1 regt an, einen Startvorgang eines ähnlichen Antriebssystems unter Deaktivierung einer Regeleinrichtung durchzuführen.
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zum Starten oder Stoppen eines Antriebssystems mit einem Überlagerungsgetriebe und mehreren Antrieben anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine umfasst einen elektrischen Hauptantrieb; eine Schaltvorrichtung zur Verbindung des Hauptantriebs mit einem elektrischen Hauptnetz; einen elektrischen Hilfsantrieb; einen Frequenzumrichter zur Steuerung eines Drehmoments des Hilfsantriebs; eine Abtriebswelle zur Verbindung mit der Arbeitsmaschine; ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad, einem Planetenrad und einem Planetenradträger, wobei das Hohlrad mit dem Hauptantrieb, das Sonnenrad mit der Abtriebswelle und der Planetenradträger mit dem Hilfsantrieb gekoppelt ist, und eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Hauptantrieb mittels der Schaltvorrichtung und den Hilfsantrieb mittels des Frequenzumrichters zu steuern. Dabei ist die Steuervorrichtung insbesondere dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Hilfsantrieb unmittelbar nach dem Erfassen einer Anforderung eines Start- oder Stoppvorgangs der Abtriebswelle kontinuierlich zu beschleunigen oder zu verzögern.
Insbesondere kann die Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, einen Startvorgang mit reduziertem Lastmoment, einen Schnellstart oder einen Schnellstopp durchzuführen. Beim Schnellstart- oder Schnellstoppvorgang erfolgt das Beschleunigen oder Verzögern bevorzugt ohne eine Wartezeit, beispielsweise bis eine Drehzahl einer anderen Welle des Antriebssystem eine vorbestimmte Drehzahl aufweist. Die Drehzahländerung erfolgt bevorzugt im Wesentlichen kontinuierlich, was mathematisch einer monotonen Funktion entsprechen kann. Geringe Abweichungen von der monotonen Funktion, beispielsweise um die Drehzahl der Ausgangswelle zu regeln, können erlaubt sein. So kann eine frühzeitige und effektive Beeinflussung der Drehzahl der Abtriebswelle bewirkt werden. Der Startvorgang oder der Stoppvorgang kann so effektiv durchgeführt werden.
Der Schnellstartvorgang kann alternativ zu einem bekannten, üblichen Startvorgang durchgeführt werden, der verwendet werden kann, wenn die Arbeitsmaschine weniger rasch und dafür schonender beschleunigt werden soll. Der Startvorgang mit reduziertem Lastmoment kann als weitere Variante vorgesehen sein. Ebenso kann die Steuervorrichtung auch zur Durchführung eines üblichen Stoppvorgangs eingerichtet sein, der verwendet werden kann, wenn statt eines Schnell- oder Notstopps ein normaler Stopp verlangt wird. Der Schnellstart oder der Schnellstopp können das Antriebssystem stark belasten, sodass jeweils eine langsamere und schonendere Methode als Alternative implementiert sein kann. Es können auch mehrere unterschiedlich rasche und schonende Abläufe durch die Steuervorrichtung steuerbar sein. So kann der Betrieb des Antriebssystems an aktuell geltende Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise ein Kompressor im Offshore-Bereich kann an einem schwachen elektrisches Netz laufen, sodass ein schonendes Starten oder Stoppen üblicherweise zu bevorzugen ist. Etwa bei Ausfall eines anderen Kompressors kann auf die beschriebene Weise trotzdem ein rascher Start durchgeführt werden, sodass der Ausfall schnell kompensiert werden kann.
Allgemein können einer oder mehrere Hilfsantriebe vorgesehen sein. Im Folgenden wird vereinfachend auf nur einen Hilfsantrieb abgestellt, falls einer oder mehrere mechanisch parallel geschaltete Antriebseinrichtungen gemeint sind.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, das Drehmoment des Hilfsantriebs während des Start- oder Stoppvorgangs über sein dauerhaft bereitstellbares Drehmoment zu überhöhen. Die Überhöhung des Drehmoments des Hilfsantriebs kann es erlauben, den Schnellstart- oder Schnellstoppvorgang rascher durchzuführen. Ohnehin vorhandene Leistungsreserven eines überlastfähigen Hilfsantriebs können für den Schnellstart- oder Schnellstoppvorgang mobilisiert werden. Bevorzugt erfolgt die Überhöhung des Drehmoments derart, dass der Hilfsantrieb nicht dauerhaft beschädigt wird. Stromdurchflossene Komponenten des Hilfsantriebs, beispielsweise eine Wicklung, werden bevorzugt nicht dauerhaft geschädigt. Eine erhöhte mechanische Belastung des Antriebssystems durch den Schnellstart- oder Schnellstoppvorgang, insbesondere an mechanischen Komponenten, kann in Kauf genommen werden. Die erhöhte Belastung kann insbesondere eine Verzahnung, eine Welle oder ein Lager betreffen.
Der Hilfsantrieb kann zumindest vorübergehend im Feldschwächebereich betrieben werden. Eine Effizienz des Hilfsantriebs oder des Wechselrichters kann dabei für eine erhöhte Drehzahl des Hilfsantriebs geopfert werden, sodass die Drehzahl der Abtriebswelle rascher oder weiter verringert sein kann. Zur Steuerung des Hilfsantriebs kann der Wechselrichter Teil einer feldorientierten Steuerung oder feldorientierten Regelung sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Hilfsantrieb einen Asynchronmotor. Diese elektrischen Antriebsmaschinen sind üblicherweise von Haus aus überlastbar. Eine übliche Asynchronmaschine kann beispielsweise kurzfristig bis zum Doppelten ihres dauerhaft bereitstellbaren Drehmoments oder bis zum 1,5-fachen ihrer dauerhaft umsetzbaren Leistung belastet werden, ohne dass ein dauerhafter Schaden eintritt.
Die Grenze der Leistungsfähigkeit des Hilfsantriebs ist üblicherweise durch eine maximale Temperatur bestimmt, die allgemein von äußeren Betriebsbedingungen sowie der umgesetzten mechanischen Leistung und einem Belastungsverlauf abhängig ist. Das Antriebssystem kann daher einen Temperatursensor am Hilfsantrieb umfassen, der bevorzugt mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das Drehmoment des Hilfsantriebs nur dann zu überhöhen, wenn die abgetastete Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Auf diese Weise kann eine thermische Belastung des Hilfsantriebs berücksichtigt werden, der beispielsweise von einer Umgebungstemperatur oder einer zuvor erfolgten Drehmomentüberhöhung rührt. Ist kein Temperatursensor vorgesehen, so kann die Temperatur auf der Basis eines Stroms geschätzt werden, etwa mittels eines Beobachtermodells.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Antriebssystem einen bevorzugt mit der Steuereinrichtung verbundenen Temperatursensor am Frequenzumrichter. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet ist, das Drehmoment des zugeordneten Hilfsantriebs nur dann zu überhöhen, wenn die abgetastete Temperatur unterhalb eines weiteren vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Der Frequenzumrichter umfasst bevorzugt eine Versorgungseinrichtung zur Bereitstellung einer Gleichspannung aus einem elektrischen Hilfsnetz, das Wechselstrom bereitstellt, und einen Wechselrichter zur Bereitstellung einer Wechselspannung zum Betrieb des Hilfsantriebs, üblicherweise in drei elektrischen Phasen. Eine Versorgungseinrichtung kann zur Speisung mehrerer Wechselrichter eingerichtet sein, die verschiedenen Hilfsantrieben zugeordnet sein können. Der Temperatursensor kann in der Versorgungseinrichtung oder im Wechselrichter eingesetzt werden. Jedem Temperatursensor kann ein eigener Schwellenwert zugeordnet werden. Es können auch mehrere Temperatursensoren am gleichen Gerät eingesetzt werden, beispielsweise an einzelnen Leistungshalbleitern.
Der Frequenzumrichter kann derart dimensioniert sein, dass ein dauerhaft durch ihn bereitstellbarer Strom nicht ausreicht, um das Drehmoment des zugeordneten Hilfsantriebs zu überhöhen. Anders ausgedrückt kann auch der Frequenzumrichter oder eine seiner Komponenten überlastfähig ausgeführt sein. Die Drehmomentüberhöhung des Hilfsantriebs kann dann eine Überlastung des Frequenzumrichters erfordern. Dadurch kann der Frequenzumrichter im Dauerbetrieb passend zum Hilfsantrieb dimensioniert werden. Ein üblicher Frequenzumrichter ist dazu eingerichtet, eine Überlastung von ca. 50% über eine Dauer von ca. 10 Sekunden auszuhalten. Durch eine nur wenig größere Dimensionierung von Elementen des Frequenzumrichters können diese Werte gesteigert werden. Üblicherweise kann für den kleineren Hilfsantrieb auch ein schwächer dimensionierter Frequenzumrichter gewählt werden, sodass Kosten, eine Baugröße oder ein Gewicht verringert sein können.
In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, einen Schnellstartvorgang aus einem Betriebszustand durchzuführen, in welchem der Hauptantrieb und der Hilfsantrieb wenigstens im Wesentlichen still stehen. Die Arbeitsmaschine steht dabei zunächst ebenfalls wenigstens im Wesentlichen still. Dabei ist bevorzugt, dass der Hauptantrieb eingeschaltet und der Hilfsantrieb gleichzeitig möglichst rasch, insbesondere unter Ausnutzung einer Überlastfähigkeit, auf Drehzahl gebracht wird. Die Drehbeschleunigung des Hilfsantriebs kann dabei maximiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, einen Stoppvorgang, insbesondere einen Schnellstopp, aus einem Betriebszustand durchzuführen, in welchem der Hauptantrieb eingeschaltet ist und der Hilfsantrieb mit positiver Drehzahl betrieben wird. Der Hauptantrieb dreht dabei üblicherweise zunächst mit Nenndrehzahl und die positive Drehzahl des Hilfsantriebs hebt die Drehzahl der Abtriebswelle entsprechend weiter an. Der Hilfsantrieb wird dabei bevorzugt möglichst schnell auf eine Drehzahl null gebracht und dort gehalten, bis der Hauptantrieb zum Stillstand gekommen ist.
In wieder einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, einen Schnellstoppvorgang aus einem Betriebszustand durchzuführen, in welchem der Hauptantrieb eingeschaltet ist und der Hilfsantrieb mit negativer Drehzahl betrieben wird. Dabei kann die Drehzahl des Hilfsmotors gleichzeitig mit dem Abschalten des Hauptantriebs in Richtung null angehoben werden. In einer Variante wird die Drehzahl des Hilfsantriebs dann auf null gehalten, während in einer anderen Variante kurzfristig eine positive Drehzahl eingestellt wird, sodass die Abtriebswelle möglichst rasch zum Stillstand kommt. Verbleibende Drehzahlen des Hauptantriebs und des Hilfsantriebs kompensieren sich dabei zu im Wesentlichen null, sodass die Abtriebswelle im Stillstand gehalten werden kann. So kann die Abtriebswelle angehalten werden, noch bevor der Haupt- und der Hilfsantrieb den Stillstand erreichen.
Ein Verfahren zum Steuern des oben beschriebenen Antriebssystems umfasst Schritte des Erfassens einer Anforderung zum Start- oder Stoppvorgang; des Aktivierens oder Deaktivierens des Hauptantriebs mittels der Schaltvorrichtung; und des gleichzeitigen Ansteuerns des Frequenzumrichters derart, dass der Hilfsantrieb beschleunigt oder verzögert wird
Das Verfahren kann insbesondere mittels der oben beschriebenen Steuervorrichtung durchgeführt oder gesteuert werden. Die Steuervorrichtung kann dazu einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, das auf der Steuervorrichtung ablaufen oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein kann. Merkmale oder Vorteile der Steuervorrichtung können auf das Verfahren angewandt werden und umgekehrt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 ein Antriebssystem;
2 ein Überlagerungsgetriebe;
3 eine Anordnung von Wellen in einem Überlagerungsgetriebe;
4 ein Steuerdiagramm eines Antriebssystems;
5 ein Drehzahldiagramm;
6 - 8 zeitliche Abläufe beim Beschleunigen eines Überlagerungsgetriebes; und
9 - 10 zeitliche Abläufe beim Abbremsen eines Überlagerungsgetriebes

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 100. Um eine Arbeitsmaschine 102 anzutreiben sind ein elektrischer Hauptantrieb 104 sowie elektrische Hilfsantriebe 106 und 108 vorgesehen, die mittels eines Überlagerungsgetriebes 110 drehmomentschlüssig mit der Arbeitsmaschine 102 gekoppelt sind. In weiteren Ausführungsformen können auch nur ein Hilfsantrieb 106 oder mehr als zwei Hilfsantriebe 106, 108 eingesetzt werden.
Die Arbeitsmaschine 102 kann beispielsweise eine Kreiselpumpe, einen Kreiselverdichter, ein Gebläse, einen Kompressor oder eine Kohlemühle umfassen. Der Betrieb der Arbeitsmaschine 102 kann kritisch für den Betrieb oder die Sicherheit einer übergeordneten Einrichtung wie eines Kraftwerks oder einer Heizanlage sein. Mittels des Überlagerungsgetriebes 110 kann die Arbeitsmaschine 102 alternativ mittels des Hauptantriebs 104, einer oder mehrerer der Hilfsantriebe 106, 108 oder einer Kombination daraus angetrieben werden. Wie unten noch genauer ausgeführt wird, können dabei unterschiedliche Betriebszustände des Überlagerungsgetriebes 110 unterstützt werden.
Ein elektrisches Hauptnetz 112 kann mittels einer Schaltvorrichtung 114 mit dem Hauptantrieb 104 entweder verbunden oder von ihr getrennt werden. Der Hauptantrieb läuft, wenn er mit dem Hauptnetz 112 verbunden ist, mit einer vorbestimmten Nenndrehzahl. Die Hilfsantriebe 106 und 108 können bevorzugt mittels zugeordneter Wechselrichter 116 und 118 angesteuert werden, die aus einem Zwischenkreis 120 gespeist werden, der eine Gleichspannung bereitstellt. Die Wechselrichter 116, 118 können jeweils eine Drehzahl oder ein bereitgestelltes Drehmoment des zugeordneten Hilfsantriebs 106, 108 steuern. Dazu können eine Frequenz oder eine Spannung variiert werden, die dem jeweiligen Hilfsantrieb 106, 108 bereitgestellt wird. Die Steuerung der Hilfsantriebe 106, 108 erfolgt bevorzugt mittels einer feldorientierten Steuerung oder Regelung. Die für die Wechselrichter 116, 118 erforderliche Gleichspannung des Zwischenkreises 120 wird üblicherweise mittels einer Versorgungsvorrichtung 122 aus einem elektrischen Hilfsnetz 124 bereitgestellt. Das Hilfsnetz 124 ist üblicherweise getrennt vom Hauptnetz 112 ausgeführt und weniger stark belastbar. Die Kombination aus Versorgungsvorrichtung 122 und Wechselrichter 116, 118 wird auch Frequenzumrichter genannt.
Eine Steuereinrichtung 126 ist dazu eingerichtet, das Antriebssystem 100 und insbesondere das Überlagerungsgetriebe 110 zu steuern, insbesondere um die Drehzahl der Abtriebswelle 240 einer Vorgabe nachzuführen. Das Überlagerungsgetriebe 110 kann unterschiedliche Betriebszustände aufweisen, die insbesondere in Abhängigkeit einer Anforderung einer bereitzustellenden Drehzahl an der Arbeitsmaschine 102 eingestellt werden können. Ein Übergang zwischen den Betriebszuständen kann dabei durch die Steuereinrichtung 126 transparent gesteuert werden, sodass das Antriebssystem 100 lediglich die Solldrehzahl der Arbeitsmaschine 102 als externe Führungsgröße benötigen kann. Zur Steuerung des Antriebssystems 100 kann die Steuereinrichtung 126 eines oder mehrere mechanische Elemente des Überlagerungsgetriebes 110 und/oder einen der Wechselrichter 116, 118 ansteuern, um eine Drehzahl oder ein Drehmoment eines Hilfsantriebs 106, 108 zu beeinflussen. Gegebenenfalls ist die Steuereinrichtung 126 auch mit einem oder mehreren Sensoren zur Abtastung eines Betriebszustands des Antriebssystems 100 verbunden.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Überlagerungsgetriebes 110 für den Einsatz in einem Antriebssystem 100 nach 1. Zum leichteren Verständnis ist außer dem Hauptantrieb 104 nur ein Hilfsantrieb 106 dargestellt, üblicherweise ist jedoch noch wenigstens ein weiterer Hilfsantrieb 108 vorgesehen (vgl. 1). Die Hilfsantriebe 106, 108 sind üblicherweise mechanisch parallel geschaltet und können elektrisch einzeln oder gemeinsam gesteuert werden.
Das Überlagerungsgetriebe 110 umfasst ein Planetengetriebe 205 mit einem Hohlrad 210, einem Sonnenrad 215, wenigstens einem Planetenrad 215 und einem Planetenradträger 225. Das Planetenrad 215 steht mit dem Hohlrad 210 und dem Sonnenrad 215 in Eingriff und ist drehbar gegenüber einem Bolzen 230 gelagert, der am konzentrisch zum Sonnenrad 215 drehbaren Planetenradträger angebracht ist. Das Hohlrad 210 ist mit einer Antriebswelle 235 zur Verbindung mit dem Hauptantrieb 104 und das Sonnenrad 215 mit einer Abtriebswelle 240 zur Verbindung mit der Arbeitsmaschine 102 verbunden. Das Planetengetriebe 205 bildet ein Summiergetriebe, das die Drehbewegungen des Hauptantriebs 104 und des Hilfsantriebs 106 additiv oder subtraktiv zusammenfassen und an die Arbeitsmaschine 102 abgeben kann.
Weiter ist eine schaltbare Kupplung 245 vorgesehen, die mittels eines Aktuators 250 geöffnet oder geschlossen werden kann. Die Kupplung 245 kann formschlüssig, reibschlüssig oder mittels hydrodynamischer Wandlung arbeiten und ist dazu eingerichtet, die Drehbewegung des Planetenradträgers 245 an die Eingangswelle 235 bzw. das Hohlrad 210 rückzukoppeln. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Seite der Kupplung 245 mittels einer Getriebestufe 255 an den Planetenradträger 245 und die andere Seite mittels einer Serie von Übertragungsrädern 260 mit der Eingangswelle 235 gekoppelt. Mittels der Übertragungsräder 260 kann eine weitere Getriebestufe gebildet werden. Die gesamte Übertragung der Drehbewegung vom Planetenradträger 225 bis zum Hohlrad 210 wird Kupplungspfad genannt.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Hilfsantrieb 106 über eine Hilfswelle 270 und bevorzugt eine weitere Getriebestufe 270 an den Planetenradträger 225 angebunden. In dieser Ausführungsform kann die eine Seite der Kupplung 245 auch mit der Getriebestufe 270 und die andere Seite über die Übertragungsräder 260 mit der Antriebswelle 235 verbunden sein. Übersetzungsverhältnisse der Getriebestufen 255, 270 können jeweils nach Bedarf gewählt werden.
Allgemein gilt:

n1: Drehzahl Abtriebswelle 240 = Drehzahl Sonnenrad 215
n2: Drehzahl Hauptantrieb 104 = Drehzahl Hohlrad 210
n3: Drehzahl Hilfsantrieb 106, 108
n-Zwischenwelle: Drehzahl im Kupplungspfad (an der Kupplung 245)
i_PG: Übersetzung Planetengetriebe 205 (= n1 / n2)
i_SG1: Übersetzung Getriebestufe (270) (= n3 / n-Planetenradträger 225)
i_SG2: Übersetzung Getriebestufe (255) (= n2 / n3 oder = n-Zwischenwelle / n-Planetenradträger 225)
i_SG3: Übersetzung Getriebestufe (260) (= n-Zwischenwelle / n2)

In einem unteren Drehzahlbereich kann die Arbeitsmaschine 102 bei abgeschaltetem Hauptantrieb 104 und geschlossener Kupplung 245 bis zu einer Drehzahl angetrieben werden, die durch die Leistungsfähigkeit des Hilfsantriebs 104 und die Belastbarkeiten der Kupplung 245, des Planetengetriebes 205, der Getriebestufen 255, 270 und der Übertragungsräder 260 begrenzt ist. Diese Drehzahl liegt üblicherweise bei ca. 40 - 60% der Maximaldrehzahl der Abtriebswelle 240. Die Drehzahl der Arbeitsmaschine 102 kann dabei über die Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 ab dem Stillstand gesteuert werden. Die Drehzahl des Hauptantriebs 104 ist über die Kupplung 245 an die des Hilfsantriebs 102 gekoppelt.
In einem oberen Drehzahlbereich kann die Arbeitsmaschine 102 bei eingeschaltetem Hauptantrieb 104 und geöffneter Kupplung bis zur Maximaldrehzahl angetrieben werden. Der Hauptantrieb 104 ist in seiner Drehzahl nicht steuerbar, er läuft üblicherweise mit einer festen Nenndrehzahl. Die niedrigste Drehzahl der Abtriebswelle in diesem Betriebszustand ist durch die Nenndrehzahl des Hauptantriebs 104 vorgegeben. Durch Ansteuern des Hilfsantriebs 106 kann die Drehzahl der Abtriebswelle 240 bis zur Maximaldrehzahl gesteigert werden, die von der Drehzahlfestigkeit des Hilfsantriebs 106 und der Belastbarkeit des Überlagerungsgetriebes 110 abhängig ist.
Bei einem Übergang zwischen dem unteren Drehzahlbereich (erster Betriebszustand oder Bereich I) und dem oberen Drehzahlbereich (zweiter Betriebszustand oder Bereich II) werden üblicherweise die Drehzahl des Hilfsantriebs 106 und der Betätigungszustand der Kupplung 245 geändert. Für einen verschleißarmen Übergang ist der untere Drehzahlbereich bevorzugt derart gewählt, dass der Hauptantrieb 104 seine Nenndrehzahl durch Antreiben des Überlagerungsgetriebes 110 nur mittels des Hilfsantriebs 106 erreichen kann. Wird der Hauptantrieb 104 bei seiner Nenndrehzahl eingeschaltet, so kann eine Belastung des Hauptnetzes 112 gering gehalten sein. Insbesondere kann ein hoher Einschaltstrom, der ansonsten für das Beschleunigen des Läufers des Hauptantriebs 104 erforderlich ist und das ca. 8-fache des Dauerstroms betragen kann, entfallen.
Zur Drehzahlregelung und zum Überlastschutz können Drehzahlsensoren 280 am Hauptantrieb 104, dem Hilfsantrieb 106 und/oder der Arbeitsmaschine 102 vorgesehen sein. Ist der Öffnungszustand der Kupplung 245 bekannt, so kann eine der Drehzahlen aus den anderen beiden bestimmt werden, sodass zwei Drehzahlsensoren 280 am Überlagerungsgetriebe 110 ausreichen können. Optional kann auch ein Temperatursensor 285 an einem der Hilfsantriebe 106, 108 vorgesehen sein, um eine thermische Überlastung zu verhindern. Ein Temperatursensor 285 kann auch am Wechselrichter 116, 118 oder der Versorgungseinrichtung 122 in 1 vorgesehen sein.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung der Eingangswelle 235, der Hilfswellen 265 und der Abtriebswelle 240 an einem Überlagerungsgetriebe 110. Verdeckte Elemente sind mit unterbrochenen Linien dargestellt. Die Blickrichtung bezüglich der in 2 dargestellten Ausführungsform ist mit A gekennzeichnet. Abweichend von der in 2 dargestellten Ausführungsform sind hier zwei Hilfswellen 265 auf einander entgegengesetzten Seiten der Abtriebswelle 240 vorgesehen. Die Kupplung 245 ist bevorzugt im Bereich der Getriebestufe 255 vorgesehen, sodass die Drehachsen der Kupplung 245 und der Hilfsantriebe 106, 108 durch Ecken eines insbesondere gleichschenkligen Dreiecks verlaufen. Die Antriebswelle 235 liegt bevorzugt konzentrisch zur Abtriebswelle 240.
4 zeigt ein beispielhaftes Steuerdiagramm 400 des Antriebssystems 100 mit dem Überlagerungsgetriebe 110. In horizontaler Richtung ist eine Drehzahl N der Arbeitsmaschine 102 als Anteil einer vorbestimmten Maximaldrehzahl und in vertikaler Richtung ein relatives Drehmoment M als Anteil eines vorbestimmten Maximalmoments angetragen. Eine Kennlinie 405 zeigt den Drehmomentbedarf einer beispielhaft gewählten Arbeitsmaschine 102 über die Drehzahl. Das Drehmoment M der Kennlinie 405 folgt hier beispielhaft einer quadratischen oder kubischen Funktion der Drehzahl N. Je stärker das Moment M der Kennlinie 405 mit der Drehzahl N ansteigt, desto kleiner ist das relative Moment bei niedrigen Drehzahlen. Die Kennlinie 405 kann auch ein stärkeres Wachstum zeigen, beispielsweise wenn sie einem Polynom höherer Ordnung folgt. Werden ausreichend starke Hilfsantriebe 106, 108 verwendet, so kann auch eine langsamer wachsende Funktion, beispielsweise eine lineare Funktion, unterstützt werden.
Ein Bereich I zeigt mögliche Arbeitspunkte des Überlagerungsgetriebes 110, wenn der Hauptantrieb 104 abgeschaltet ist und der Antrieb der Arbeitsmaschine 102 ausschließlich über die Hilfsantriebe 106, 108 erfolgt. Die Kupplung 245 ist dabei geschlossen. Ein Bereich II zeigt mögliche Arbeitspunkte bei eingeschaltetem Hauptantrieb 104 und geöffneter Kupplung 245. Um die Arbeitsmaschine 102 über den gesamten Drehzahlbereich von 0% bis 100% steuern zu können, müssen sich die Bereiche I und II in einem Bereich 410 überschneiden und wenigstens ein Punkt der Kennlinie 405 der Arbeitsmaschine 102 muss in diesem Bereich 410 enthalten sein. Für diese Auslegung müssen in Abhängigkeit der verfügbaren Drehzahlspreizung und der Kennlinie 405 ca. 20 - 30 % elektrischer Regelleistung an den Hilfsantrieben 106, 108 installiert werden. Damit wird für den Bereich II ein Drehzahlregelbereich von 50 - 100% realisiert und die Übersetzung des Kupplungspfads muss so gewählt werden, dass der Bereich I einen Drehzahlbereich bis mindestens 50% der Maximaldrehzahl der Abtriebswelle 240 abdeckt. Bevorzugt wird die resultierende Übersetzung über die Kupplung 245, zwischen den elektrischen Hilfsantrieben 106, 108 und der Eingangswelle 235, so gewählt, dass die Nenndrehzahl des Hauptantriebs 104 ebenfalls innerhalb des Überschneidungsbereichs 410 liegt. In diesem Fall kann der Betriebszustandsübergang zwischen Bereich I (Hauptantrieb 104 ist deaktiviert) und Bereich II (Hauptantrieb 104 ist aktiviert) erfolgen, indem die Kupplung 245 mittels des Aktuators 250 geöffnet und der Hauptantrieb 104 bei oder nahe seiner Nenndrehzahl an das elektrische Hauptnetz 112 geschaltet wird. Die beschriebene Auslegung erlaubt einen quasi kontinuierliche Drehzahlsteuerung der Arbeitsmaschine 102 entlang der Lastkennlinie 405.
5 zeigt einen ersten Ablauf beim Beschleunigen eines Überlagerungsgetriebes 110. Dabei wird die elektrische Last des Hauptantriebs 104 während seines Hochlaufens möglichst verringert, um seinen Strombedarf zu reduzieren. Je geringer das Lastmoment für den Hauptantrieb 104 ist, desto schneller kann er seine Synchrondrehzahl erreichen. Üblicherweise nimmt der Strombedarf des Hauptantriebs 104 erst beim Erreichen der Synchrondrehzahl deutlich ab. Die Zeit bis zum Erreichen der Synchrondrehzahl kann so möglichst kurz gehalten werden, was beispielsweise vorteilhaft sein kann, wenn das Hauptnetz 112 schwach ausgelegt ist.
In horizontaler Richtung der Darstellung ist eine Zeit und in vertikaler Richtung sind von oben nach unten eine Drehzahl N1 der Abtriebswelle 240, eine Drehzahl N3 des Hilfsantriebs 106, 108 und eine Drehzahl N2 des Hauptantriebs 104 dargestellt. Zu Beginn des Ablaufs steht das Überlagerungsgetriebe 110 still, die Drehzahlen N1, N2 und N3 sind jeweils null. Zu einem Zeitpunkt t0 wird von einem übergeordneten Leitsystem oder einem Benutzer eine Anforderung zum Starten der Arbeitsmaschine 102 gestellt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird eine Drehzahl N1_soll an das Antriebssystem 100, insbesondere die Steuervorrichtung 126 übermittelt, auf die die Abtriebswelle 240 mit der Arbeitsmaschine 102 beschleunigt werden soll. In einer Ausführungsform liegt die Solldrehzahl N1_soll permanent vor und zum Zeitpunkt t0 erfolgt nur eine Freigabe des Antriebssystems 100. Auf die Anforderung hin wird ein Startvorgang 505 eingeleitet, der hier in eine erste Phase 510, bis die Abtriebswelle 240 die Solldrehzahl N1_soll erreicht hat, und eine zweite Phase 515, bis der Hauptantrieb 104 seine Nenndrehzahl erreicht hat, untergliedert ist. Ist der Startvorgang 505 abgeschlossen, kann ein normaler Betrieb 520 erfolgen.
In der ersten Phase 510 wird Hauptantrieb 104 mittels der Schalteinrichtung 114 ans Hauptnetz 112 geschaltet. Der Hilfsantrieb 106, 108 wird in der Ausführungsform von 5 in der ersten Phase 510 derart gesteuert, dass seine Drehzahl null beträgt. Dafür ist üblicherweise ein bestimmtes Drehmoment erforderlich, das auch Stützmoment genannt wird. Da der Hauptantrieb 104 ungesteuert hochfährt, stellt sich das Drehmoment abhängig von seiner Schlupffrequenz ein. Im Stillstand des Hauptantriebs 104 sind ihre Schlupffrequenz am größten und das bereitgestellte Drehmoment am kleinsten. Ein großer Teil der aufgewendeten Beschleunigungsenergie des Hauptantriebs 104 geht in die Beschleunigung der trägen Massen des Antriebssystems 100, was einem schnellen Anstieg der Drehzahl N2 des Hauptantriebs 104, und somit einer Steigerung des bereitgestellten Drehmoments, entgegenwirkt. Die erste Phase 510 ist zu einem Zeitpunkt t1 beendet, wenn die Drehzahl N1 die Drehzahl N1_soll erreicht. Zum Zeitpunkt t1 ist das Hochlaufen des Hauptantriebs 104 auf ihre Nenndrehzahl üblicherweise noch nicht abgeschlossen.
Mit Erreichen von N1_soll durch N1 muss in der folgenden zweiten Phase 515 die Drehzahl N3 des Hilfsantriebs 106, 108 nachgesteuert werden, um die Abtriebsdrehzahl N1 auf die Vorgabe N1_soll zu regeln und ein Überschießen der Drehzahl N1 zu vermeiden. Stand der Hilfsantrieb 106, 108 zuvor still, muss er jetzt in Drehung versetzt werden. Zu einem Zeitpunkt t2 hat der Hauptantrieb 104 seine Nenndrehzahl (100%) stabil erreicht und die zweite Phase 515 ist beendet, sodass der Normalbetrieb 520 aufgenommen werden kann. Die Drehzahl N3 des Hilfsantriebs 106, 108 kann weiter gesteuert werden, um die Drehzahl N1 der vorgegebenen Drehzahl N1_soll nachzuführen, insbesondere bei einer Änderung der Vorgabe oder einer Belastungsänderung durch die Arbeitsmaschine 102. Erforderlichenfalls ist die Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 dabei negativ.
Da in der Regel die Arbeitsmaschine 102 eine zur Drehzahl proportionale Last aufweist, resultiert für den Hauptantrieb durch den beschriebenen Ablauf Regelvorgang eine reduzierte Belastung. Dies kann den Anlaufvorgang verkürzen und eine geringere Belastung für das elektrische Hauptnetz 112 bedingen.
6 zeigt einen zweiten Ablauf beim Beschleunigen eines Überlagerungsgetriebes 110, entsprechend der Darstellung von 5. In dieser Ausführungsform wird in der ersten Phase 510 zusätzlich zum Hauptantrieb 104 auch der Hilfsantrieb 106, 108 beschleunigt, um den Startvorgang 505 möglichst rasch durchzuführen und so einen Schnellstart zu realisieren. Dabei wird am Hilfsantrieb 106, 108 ein vorbestimmtes, bevorzugt ein maximales Drehmoment, bei weiter bevorzugt gleichzeitiger Maximierung der Drehzahl N3 angesteuert, um die eingebrachte Leistung, die dem Produkt aus Drehmoment und der Drehzahl N3 entspricht, zu maximieren. Das Nennmoment des Hilfsantriebs 106, 108 kann mittels des Wechselrichters 116, 118 üblicherweise ab dem Stillstand angesteuert werden. Das Beschleunigen endet, wenn eine vorbestimmte Drehzahl oder eine Maximaldrehzahl erreicht ist. Die maximale Drehzahl kann durch den Hilfsantrieb 106, 108 oder eine maximale Frequenz des Wechselrichters 116, 118 bestimmt sein. Die maximale Drehzahl kann auch durch Beschränkungen des Überlagerungsgetriebes 110 vorbestimmt sein. Es ist zu erkennen, dass der Zeitpunkt t1, zu dem die Abtriebsdrehzahl N1 der Vorgabe N1_soll entspricht, etwa dem Zeitpunkt t1 in der Ausführungsform von 5 entspricht, jedoch liegt die Vorgabe N1_soll dort bei ca. 60% und vorliegend bei ca. 90% einer Maximaldrehzahl.
7 zeigt einen dritten Ablauf beim Beschleunigen eines Überlagerungsgetriebes 110, entsprechend den Darstellungen der 5 und 6. Hierbei wird der Hilfsantrieb 106, 108 zur Abgabe einer Leistung angesteuert, die seine dauerhaft bereitstellbare Leistung übersteigt. Dazu können insbesondere der Wechselrichter 116, 118 und die Versorgungseinrichtung 122 kurzzeitig über ihrer Spezifikation betrieben werden. In einer Ausführungsform wird die Spannung an Phasen des Hilfsantriebs 106, 108 überhöht. In einer weiteren Ausführungsform wird der Hilfsantrieb 106, 108 im Feldschwächebereich betrieben, wie mit Bezug auf 8 genauer beschrieben wird. Es ist erkennbar, dass der Zeitpunkt t1 bei einer vorgegebenen Drehzahl N1_soll vom ca. 90% der Maximaldrehzahl noch deutlich schneller als nach der Ausführungsform von 6 erreicht wird. Die Überhöhung kann bereits mit dem Beginn der zweiten Phase 515 beendet werden, wenn der Hilfsantrieb 106, 108 seine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat. Zuvor überlastete Elemente des Antriebssystems 100 können sich dabei bereits wieder abkühlen und so thermisch erholen.
Grenzen für die Maximaldrehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 oder anderer Komponenten des Antriebssystems 100 gelten wie oben ausgeführt. In entsprechender Weise kann auch das übertragbare Drehmoment beschränkt sein. Beim Betrieb von Komponenten, insbesondere des Hilfsantriebs 106, 108, des Wechselrichters 116, 118 oder der Versorgungseinrichtung 122 oberhalb ihrer dauerhaft abrufbaren Belastung wird bevorzugt eine Temperaturkontrolle durchgeführt, um eine thermische Überlastung zu vermeiden. Die Überlastung kann abgebrochen werden, falls eine an einer der Komponenten des Antriebssystems 100 bestimmte Temperatur einen zugeordneten Schwellenwert übersteigt.
8 zeigt ein qualitatives Drehzahldiagramm 800 einer elektrischen Asynchronmaschine, als die der Hilfsantrieb 106, 108 bevorzugt ausgeführt ist. In horizontaler Richtung ist ein Drehmoment M und in vertikaler Richtung eine Drehzahl N angegeben. Eine erste Kennlinie 805 bezieht sich auf einen Normalbetrieb, in welchem die Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 mittels eines Wechselrichters 116, 118 gesteuert wird. Eine zweite Kennlinie 810 ist gegenüber der ersten Kennlinie 805 vertikal nach oben verschoben.
Zur Drehzahlsteuerung werden die Frequenzen und Spannungen an den drei elektrischen Phasen der Hilfsmaschine 106, 108 gesteuert. Die maximalen Phasenspannungen sind jedoch durch die Spannung des Zwischenkreises 120 begrenzt. Ist das Drehmoment der Hilfsmaschine 106, 108 positiv, während die Phasenspannungen kleiner oder gleich der Zwischenkreisspannung sind, so arbeitet die Hilfsmaschine 106, 108 im motorischen Grunddrehzahlbereich 815. Ist das Drehmoment M unter der gleichen Bedingung negativ, so arbeitet die Hilfsmaschine 106, 108 im generatorischen Grunddrehzahlbereich 820.
Zur weiteren Erhöhung der Drehzahl der Hilfsmaschine 106, 108 können die Frequenzen der Phasenspannungen weiter erhöht werden, ohne dass die Phasenspannungen die Zwischenkreisspannung übersteigen. Zur Verringerung der induzierten Gegenspannung im Hilfsantrieb 106, 108 muss aber dann das magnetische Feld verringert werden, sodass das maximal mögliche Drehmoment verringert wird. Ist das Drehmoment M positiv, arbeitet der Hilfsantrieb 106, 108 hierbei im motorischen Feldschwächebereich 825, bei negativem Drehmoment im generatorischen Feldschwächebereich 830.
Um trotzdem eine hohe Drehzahl N bei einem hohen Drehmoment M bereitzustellen, kann die Spannung des Zwischenkreises 120 angehoben werden, sodass die Kennlinie 810 im Drehzahldiagramm 800 gilt. Diese Überlastung des Hilfsantriebs 106, 108 und der elektrischen Komponenten 116, 118, 120, 122 kann üblicherweise über eine kurze Zeit aufrecht erhalten werden, ohne die Komponenten dauerhaft zu schädigen. Beispielsweise kann eine Überlastung der elektrischen Komponenten 116, 118, 120, 122 um ca. 50% während einer Dauer von ca. 10 Sekunden zulässig sein.
9 zeigt einen weiteren Ablauf beim Verändern der bereitgestellten Drehzahl eines Überlagerungsgetriebes 110, analog der Darstellungen der 5 bis 7. In Umkehrung der vorgenannten Ausführungsformen wird hier jedoch kein Startvorgang 505 sondern ein Stoppvorgang 705 durchgeführt. Der gezeigte Ablauf ist insbesondere bei einer hohen Drehzahl N1 vorteilhaft.
Der Stoppvorgang 705 gliedert sich hier in eine erste Phase 710, bis der Hilfsantrieb 106, 108 den Stillstand erreicht hat, und eine zweite Phase 715, bis auch der Hauptantrieb 104 den Stillstand erreicht hat. Zum Zeitpunkt t0 erfolgt die Anforderung zur Abschaltung des Antriebssystems 100, analog der oben beschriebenen Anforderung zum Starten. Daraufhin wird in der ersten Phase 710 der Hauptantrieb 104 mittels der Schaltvorrichtung 114 vom Hauptnetz 112 getrennt. Der Hauptantrieb 104 kann als Asynchronmaschine kein elektrisches oder elektromagnetisches Bremsmoment ausüben und sein Läufer wirkt als träge Masse, die durch den Hilfsantrieb 106, 108 abgebremst werden muss.
Der Hilfsantrieb 106, 108 wird bevorzugt im motorischen Bereich 815 oder 825 betrieben um weiterhin ein positives Stützmoment auf den Planetenträger 225 auszuüben. Die Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 wird anhand einer Rampe in Richtung Drehzahl null verzögert. Die Verzögerung entsteht durch Reduktion des positiven Stützmomentes. Erreicht die Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 zum Zeitpunkt t1 einen Wert nahe null, so wird die Drehzahl auf null oder in einem vorbestimmten Band um null gehalten.
10 zeigt einen weiteren Ablauf beim Abschalten bzw. Abbremsen eines Überlagerungsgetriebes 110, entsprechend der Darstellung von 9. Der gezeigte Ablauf ist insbesondere bei einer niedrigen Drehzahl N1 vorteilhaft.
Dabei ist zum Zeitpunkt t0 die Drehzahl N3 des Hilfsantriebs 106, 108 negativ, sodass die bereitgestellte Drehzahl N1 unterhalb der Nenndrehzahl des eingeschalteten Hauptantriebs 104 gehalten ist.
In der ersten Phase 710 wird der Hauptantrieb 104 abgeschaltet; gleichzeitig wird der Hilfsantrieb 106, 108 durch Einleiten eines positiven Drehmoments von seiner negativen Drehzahl in Richtung null abgebremst. Beim Abbremsen läuft der Hilfsantrieb 106, 108 im generatorischen Betrieb 820 oder 830. Dabei kann ein größeres als das dauerhaft durch den Hilfsantrieb 106, 108 bereitstellbare Drehmoment abgerufen werden. Da die negative Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 vermindernd auf die Drehzahl N1 der Abtriebswelle 240 wirkt, erfolgt durch das Beschleunigen des Hilfsantriebs 106, 108 gegen die Drehzahl null zunächst eher eine Beschleunigung als eine Abbremsung der Drehzahl N1 der Abtriebswelle 240. Die Beschleunigung des Hilfsantriebs 106, 108 und das Abbremsen des Hauptantriebs 104 können sich zunächst teilweise oder vollständig kompensieren, sodass die Drehzahl N1 der Abtriebswelle 240 im Wesentlichen konstant bleibt.
Zum Zeitpunkt t1 beginnt die Drehzahl N1 abzufallen und zum Zeitpunkt t1' erreicht sie null. Zu t1' ist die Drehzahl N2 des Hauptantriebs 104 jedoch noch positiv und wird durch eine verbleibende negative Restdrehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 kompensiert. Erst zum Zeitpunkt t2 erreichen auch die Drehzahlen N2 und N3 null. Der Hilfsantrieb 106, 108 kann auch schon bei Unterschreiten einer vorbestimmten, geringen Drehzahl abgeschaltet werden, beispielsweise unterhalb von ca. 10 min^-1.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch die negative Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 nach dem Zeitpunkt t0 so lange wie möglich beibehalten oder betragsmäßig sogar noch weiter vergrößert werden, um eine möglichst frühzeitige und weitgehende Verringerung der Drehzahl N1 zu ermöglichen. Hat die Drehzahl N1 null erreicht, kompensieren sich die Drehzahlen N2 und N3 am Überlagerungsgetriebe 110. Die Drehzahl N3 des Hilfsantriebs 106, 108 kann dann gegen null angehoben werden, während die Drehzahl N2 des Hauptantriebs abfällt, sodass die Abtriebswelle N1 im Wesentlichen oder vollständig still stehen bleibt.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Hilfsantrieb 106, 108 auch aus einem Zustand, in welchem er zunächst mit positiver Drehzahl N3 läuft, im Rahmen des Stoppvorgangs 705 zunächst auf eine negative Drehzahl gebracht werden, um die Abtriebswelle 240 möglichst frühzeitig zu verlangsamen. Die Abtriebswelle 240 kann den Stillstand wegen der negativen Drehzahl des Hilfsantriebs 106, 108 noch vor dem Hauptantrieb 104 erreichen.
Umgekehrt kann auch im Rahmen eines Schnellstarts der Hilfsantrieb 106, 108 zunächst auf eine negative Drehzahl N3 gesteuert werden, sodass der Hauptantrieb 104 praktisch lastfrei bei stillstehender Abtriebswelle 240 auf seine Nenndrehzahl gebracht werden kann. Die Drehzahl N3 der Hilfsmaschine 106, 108 kann dann in Richtung null oder weiter auf einen positiven Wert angehoben werden, wobei die Abtriebswelle 240 beschleunigt wird.
Bezugszeichenliste

100: Antriebssystem
102: Arbeitsmaschine
104: Hauptantrieb
106: erster Hilfsantrieb
108: zweiter Hilfsantrieb
110: Überlagerungsgetriebe
112: elektrisches Hauptnetz
114: Schaltvorrichtung
116: erster Wechselrichter
118: zweiter Wechselrichter
120: Zwischenkreis
122: Versorgungsvorrichtung
124: elektrisches Hilfsnetz
126: Steuereinrichtung
205: Planetengetriebe
210: Hohlrad
215: Sonnenrad
220: Planetenrad
225: Planetenradträger
230: Bolzen
235: Antriebswelle
240: Abtriebswelle
245: Kupplung
250: Aktuator
255: Getriebestufe
260: Übertragungsrad
265: Hilfswelle
270: Getriebestufe
280: Drehzahlsensor
285: Temperatursensor
400: Steuerdiagramm
405: Kennlinie
410: Bereich
500: erster Ablauf
505: Startvorgang
510: erste Phase
515: zweite Phase
520: Betrieb
705: Stoppvorgang
710: erste Phase
715: zweite Phase
800: Drehzahldiagramm
805: erste Kennlinie
810: zweite Kennlinie
815: motorischer Grunddrehzahlbereich
820: generatorischer Grunddrehzahlbereich
825: motorischer Feldschwächebereich
830: generatorischer Feldschwächebereich

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

WO 2014183139 A1 [0004]
DE 102015107934 A1 [0005]
WO 2016059115 A1 [0006]
DE 102014210870 A1 [0007]

Claims

Antriebssystem (100) für eine Arbeitsmaschine (102), wobei das Antriebssystem (100) folgendes umfasst: - einen elektrischen Hauptantrieb (104); - eine Schaltvorrichtung (114) zur Verbindung des Hauptantriebs (104) mit einem elektrischen Hauptnetz (112); - einen elektrischen Hilfsantrieb (106, 108); - einen Frequenzumrichter (116-122) zur Steuerung eines Drehmoments des Hilfsantriebs (106, 108); - eine Abtriebswelle (240) zur Verbindung mit der Arbeitsmaschine (102); - ein Planetengetriebe (205) mit einem Hohlrad (210), einem Sonnenrad (215), einem Planetenrad (220) und einem Planetenradträger (225), wobei das Hohlrad (210) mit dem Hauptantrieb (104), das Sonnenrad (215) mit der Abtriebswelle (240) und der Planetenradträger (225) mit dem Hilfsantrieb (106, 108) gekoppelt ist; - eine Steuereinrichtung (126), die dazu eingerichtet ist, den Hauptantrieb (104) mittels der Schaltvorrichtung (114) und den Hilfsantrieb (106, 108) mittels des Frequenzumrichters (116-122) zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinrichtung (126) dazu eingerichtet ist, den Hilfsantrieb (106, 108) unmittelbar nach dem Erfassen einer Anforderung eines Sstartvorgangs (505) oder Stoppvorgangs (705) der Abtriebswelle (240) kontinuierlich zu beschleunigen oder zu verzögern.
Antriebssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (126) dazu eingerichtet ist, das Drehmoment des Hilfsantriebs (106, 108) während des Startvorgangs (505) oder Stoppvorgangs (705) über sein dauerhaft bereitstellbares Drehmoment zu überhöhen.
Antriebssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hilfsantrieb (106, 108) im Feldschwächebereich betrieben wird.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hilfsantrieb (106, 108) einen elektrischen Asynchronmotor umfasst.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Temperatursensor (285) am Hilfsantrieb (106, 108), wobei die Steuereinrichtung (126) dazu eingerichtet ist, das Drehmoment des Hilfsantriebs (106, 108) nur dann zu überhöhen, wenn die abgetastete Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Temperatursensor (285) am Frequenzumrichter (116-122), wobei die Steuereinrichtung (126) dazu eingerichtet ist, das Drehmoment des zugeordneten Hilfsantriebs (106, 108) nur dann zu überhöhen, wenn die abgetastete Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Frequenzumrichter (116-122) derart dimensioniert ist, dass ein dauerhaft durch ihn bereitstellbarer Strom nicht ausreicht, um das Drehmoment des zugeordneten Hilfsantriebs (106, 108) zu überhöhen.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Schnellstartvorgang (505) aus einem Betriebszustand durchzuführen, in welchem der Hauptantrieb (104) und der Hilfsantrieb (106, 108) still stehen.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Schnellstoppvorgang (705) aus einem Betriebszustand durchzuführen, in welchem der Hauptantrieb (104) eingeschaltet ist und der Hilfsantrieb (106, 108) mit positiver Drehzahl betrieben wird.
Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Schnellstoppvorgang (705) aus einem Betriebszustand durchzuführen, in welchem der Hauptantrieb (104) eingeschaltet ist und der Hilfsantrieb (106, 108) mit negativer Drehzahl betrieben wird.
Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems (100), das folgendes umfasst: - einen elektrischen Hauptantrieb (104); - eine Schaltvorrichtung (114) zur Verbindung des Hauptantriebs (104) mit einem elektrischen Hauptnetz (112); - einen elektrischen Hilfsantrieb (106, 108); - einen Frequenzumrichter (116-122) zur Steuerung eines Drehmoments des Hilfsantriebs (106, 108); - eine Abtriebswelle (240) zur Verbindung mit der Arbeitsmaschine (102); - ein Planetengetriebe (205) mit einem Hohlrad (210), einem Sonnenrad (215), einem Planetenrad (220) und einem Planetenradträger (225), wobei das Hohlrad (210) mit dem Hauptantrieb (104), das Sonnenrad (215) mit der Abtriebswelle (240) und der Planetenradträger (225) mit dem Hilfsantrieb (106, 108) gekoppelt ist; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Erfassen einer Anforderung zum Startvorgang (505) oder Stoppvorgang (705); - Aktivieren oder Deaktivieren des Hauptantriebs (104) mittels der Schaltvorrichtung (114); und - gleichzeitiges Ansteuern des Frequenzumrichters (116-122) derart, dass der Hilfsantrieb (106, 108) unmittelbar und kontinuierlich beschleunigt oder verzögert wird.