DE102017104461A1 - Control of a superposition gear - Google Patents

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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.A drive system for a work machine includes a main electric drive; a switching device for connecting the main drive to a main electrical network; an electric auxiliary drive; a frequency converter for controlling a torque of the auxiliary drive; an output shaft for connection to the work machine; a planetary gear with a ring gear, a sun gear, a planetary gear and a planet carrier, wherein the ring gear to the main drive, the sun gear to the output shaft and the planet carrier is coupled to the auxiliary drive, and a control device which is adapted to the main drive means of the switching device and to control the auxiliary drive by means of the frequency converter. In this case, the control device is set up in particular, the control device is adapted to continuously accelerate or retard the auxiliary drive immediately after detecting a request for a start operation or stop operation of the output shaft.

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.The invention relates to a drive system with a superposition gear, a main drive and an auxiliary drive. In particular, the invention relates to the control of a rotational speed of an output shaft of the superposition gearing.

Stand der TechnikState of the art

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.For driving mechanical systems, eg. As a hoist, a multi-motor assembly is used in the prior art in which a plurality of electric drive motors via a superposition gear (planetary gear) take over the performance in part, d. H. The speeds of the motors add up, while the torques on the sun or the ring gear in each case run parallel to the output. Usually, a main drive and one or more auxiliary drives are used, for safety reasons preferably also an operation without the main drive is possible.

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.A field of application is z. As the regulation of boiler feed pumps in thermal power plants. Here are several, usually three pumps, working together in a strand, usually one of the pumps is at a standstill. For safety reasons, this pump is kept as a reserve and can take over its task in the event of a failure of one of the active pumps. The pump must be accelerated as fast as possible to a nominal speed to keep the flow rate of the strand constant.

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. WO 2014 183 139 A1 relates to a method for starting a driveline with two drives, which act by means of a superposition gear to an output shaft. In this case, one of the drives is mechanically held at a standstill, while the other is turning up from standstill.

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. DE 10 2015 107 934 A1 relates to a drive system with a main drive and an auxiliary drive, which are coupled by means of a superposition gear to a working machine. It is proposed to switch an inverter, which is set up to control the auxiliary drive, to the main drive during a starting operation in order to start it up in a speed-controlled manner.

WO 2016 059 115 A1 geht von einem ähnlichen Antriebssystem aus und zeigt dessen Hochfahren unter temporärer Feststellung der Arbeitsmaschine. WO 2016 059 115 A1 assumes a similar drive system and shows its startup under temporary detection of the working machine.

DE 10 2014 210 870 A1 regt an, einen Startvorgang eines ähnlichen Antriebssystems unter Deaktivierung einer Regeleinrichtung durchzuführen. DE 10 2014 210 870 A1 suggests starting a startup of a similar drive system while disabling a controller.

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.An object underlying the invention is to provide an improved technique for starting or stopping a drive system with a superposition gearbox and multiple drives. The invention solves this problem by means of the subjects of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.A drive system for a work machine includes a main electric drive; a switching device for connecting the main drive to a main electrical network; an electric auxiliary drive; a frequency converter for controlling a torque of the auxiliary drive; an output shaft for connection to the work machine; a planetary gear with a ring gear, a sun gear, a planetary gear and a planet carrier, wherein the ring gear to the main drive, the sun gear to the output shaft and the planet carrier is coupled to the auxiliary drive, and a control device which is adapted to the main drive means of the switching device and to control the auxiliary drive by means of the frequency converter. In this case, the control device is set up in particular, the control device is adapted to continuously accelerate or retard the auxiliary drive immediately after detecting a request for a start or stop operation of the output shaft.

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.In particular, the control device may be configured to perform a starting process with reduced load torque, a quick start or a quick stop. In the quick-start or quick-stop operation, the acceleration or deceleration preferably takes place without a waiting time, for example until a rotational speed of another shaft of the drive system has a predetermined rotational speed. The speed change preferably takes place essentially continuously, which mathematically can correspond to a monotonous function. Small deviations from the monotonous function, for example, to regulate the speed of the output shaft, may be allowed. Thus, an early and effective influencing of the rotational speed of the output shaft can be effected. The starting process or the stopping process can thus be carried out effectively.

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.The quick start procedure may be performed as an alternative to a known, usual starting procedure, which can be used if the work machine is to be accelerated less quickly and more gently. The starting process with reduced load torque can be provided as a further variant. Likewise, the control device can also be set up to carry out a usual stopping operation, which are used can if a normal stop is required instead of a quick or emergency stop. The quick start or the quick stop can put a heavy load on the drive system, so that a slower and gentler method can be implemented as an alternative. It can also be controlled by the control device several different rapid and gentle processes. Thus, the operation of the drive system can be adapted to currently applicable requirements. For example, a compressor in the offshore area can run on a weak electrical network, so that a gentle starting or stopping is usually preferable. For example, in the event of failure of another compressor can still be carried out in the manner described a quick start, so that the failure can be compensated quickly.

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.In general, one or more auxiliary drives can be provided. In the following, for simplicity, only one auxiliary drive is used, if one or more mechanically parallel-connected drive devices are meant.

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.It is further preferred that the control device is adapted to increase the torque of the auxiliary drive during the start or stop operation on its permanently deployable torque. The increase in the torque of the auxiliary drive may allow to perform the quick start or quick stop process faster. Already existing power reserves of an overloadable auxiliary drive can be mobilized for the quick start or rapid stop process. Preferably, the increase in the torque takes place in such a way that the auxiliary drive is not permanently damaged. Current-carrying components of the auxiliary drive, for example a winding, are preferably not permanently damaged. An increased mechanical load of the drive system by the quick-start or rapid stop process, especially on mechanical components, can be accepted. The increased load may relate in particular to a toothing, a shaft or a bearing.

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.The auxiliary drive can be operated at least temporarily in the field weakening area. An efficiency of the auxiliary drive or the inverter can be sacrificed for an increased speed of the auxiliary drive, so that the speed of the output shaft can be reduced faster or further. For controlling the auxiliary drive, the inverter may be part of a field-oriented control or field-oriented control.

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.In a preferred embodiment, the auxiliary drive comprises an asynchronous motor. These electric drive machines are usually overloaded from the house. For example, a standard asynchronous machine can be charged in the short term up to twice its permanently deliverable torque or up to 1.5 times its permanently realizable power without permanent damage occurring.

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.The limit on the performance of the auxiliary drive is usually determined by a maximum temperature, which is generally dependent on external operating conditions as well as the converted mechanical power and a load profile. The drive system may therefore comprise a temperature sensor on the auxiliary drive, which is preferably connected to the control device. The control device may be configured to boost the torque of the auxiliary drive only when the sensed temperature is below a predetermined threshold. In this way, a thermal load of the auxiliary drive can be taken into account, which stirs example of an ambient temperature or a previous torque increase. If no temperature sensor is provided, the temperature can be estimated based on a current, such as by means of an observer model.

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.In a further embodiment, the drive system comprises a temperature sensor, preferably connected to the control device, on the frequency converter. The control device is preferably configured to only increase the torque of the associated auxiliary drive if the sensed temperature is below a further predetermined threshold value. The frequency converter preferably comprises a supply device for supplying a DC voltage from an auxiliary electrical network, which provides AC power, and an inverter for providing an AC voltage for operating the auxiliary drive, usually in three electrical phases. A supply device can be set up to feed several inverters, which can be assigned to different auxiliary drives. The temperature sensor can be used in the supply device or in the inverter. Each temperature sensor can be assigned its own threshold value. It is also possible to use a plurality of temperature sensors on the same device, for example on individual power semiconductors.

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.The frequency converter may be dimensioned such that a current which can be permanently supplied by it is insufficient to increase the torque of the associated auxiliary drive. In other words, the frequency converter or one of its components can also be designed to be overloadable. The torque increase of the auxiliary drive may then require an overload of the frequency converter. This allows the Frequency converter in continuous operation suitable for the auxiliary drive dimensioned. A standard frequency converter is designed to withstand an overload of about 50% over a period of about 10 seconds. By only slightly larger dimensioning of elements of the frequency converter, these values can be increased. Usually, a smaller dimensioned frequency converter can be chosen for the smaller auxiliary drive, so that costs, a size or a weight can be reduced.

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 one embodiment, the control device is configured to perform a quick start operation from an operating state in which the main drive and the auxiliary drive are at least substantially at rest. The work machine is initially also at least substantially quiet. It is preferred that the main drive is switched on and the auxiliary drive is simultaneously brought to speed as quickly as possible, in particular by utilizing an overload capability. The spin of the auxiliary drive can be maximized.

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 a further embodiment, the control device is configured to perform a stop operation, in particular a quick stop, from an operating state in which the main drive is switched on and the auxiliary drive is operated at a positive speed. The main drive usually rotates initially at rated speed and the positive speed of the auxiliary drive raises the speed of the output shaft accordingly. The auxiliary drive is preferably brought as quickly as possible to zero speed and held there until the main drive has come to a standstill.

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.In yet another embodiment, the control device is configured to perform a quick stop operation from an operating state in which the main drive is turned on and the auxiliary drive is operated at negative speed. The speed of the auxiliary motor can be raised simultaneously with the shutdown of the main drive in the direction of zero. In one variant, the speed of the auxiliary drive is then kept at zero, while in another variant a positive speed is set at short notice, so that the output shaft comes to a standstill as quickly as possible. Remaining speeds of the main drive and the auxiliary drive compensate for substantially zero, so that the output shaft can be kept at a standstill. This allows the output shaft to be stopped even before the main and auxiliary drives reach standstill.

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 wirdA method of controlling the above-described drive system includes steps of detecting a request to start or stop; activating or deactivating the main drive by means of the switching device; and the simultaneous driving of the frequency converter such that the auxiliary drive is accelerated or decelerated

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.The method can be carried out or controlled in particular by means of the control device described above. The control device may for this purpose comprise a programmable microcomputer or microcontroller and the method may be in the form of a computer program product which can run on the control device or be stored on a computer-readable data carrier. Features or advantages of the control device can be applied to the method and vice versa.

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
darstellen.The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:
  • 1 a drive system;
  • 2 a superposition gearbox;
  • 3 an arrangement of shafts in a superposition gear;
  • 4 a control diagram of a drive system;
  • 5 a speed diagram;
  • 6 - 8th temporal processes when accelerating a superposition gear; and
  • 9 - 10 Timing during braking of a superposition gear
represent.

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. 1 shows a schematic representation of a drive system 100 , To a work machine 102 To power are an electric main drive 104 and electric auxiliary drives 106 and 108 provided by means of a superposition gear 110 torque-locking with the working machine 102 are coupled. In other embodiments, only one auxiliary drive 106 or more than two auxiliary drives 106 . 108 be used.

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.The working machine 102 For example, it may include a centrifugal pump, a centrifugal compressor, a blower, a compressor or a coal grinder. The operation of the working machine 102 may be critical to the operation or safety of a higher-level facility such as a power plant or heating system. By means of the superposition gearbox 110 can the work machine 102 alternatively by means of the main drive 104 , one or more of the auxiliary drives 106 . 108 or a combination be driven out of it. As will be explained in more detail below, different operating states of the superposition gearing can be used 110 get supported.

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.A main electrical network 112 can by means of a switching device 114 with the main drive 104 either connected or disconnected. The main engine is running when connected to the main network 112 is connected, with a predetermined rated speed. The auxiliary drives 106 and 108 can preferably by means of associated inverter 116 and 118 be controlled, which consists of a DC link 120 be fed, which provides a DC voltage. The inverters 116 . 118 can each have a speed or a provided torque of the associated auxiliary drive 106 . 108 Taxes. For this purpose, a frequency or a voltage can be varied, the respective auxiliary drive 106 . 108 provided. The control of the auxiliary drives 106 . 108 is preferably done by means of a field-oriented control or regulation. The for the inverters 116 . 118 required DC voltage of the DC link 120 is usually by means of a supply device 122 from an electrical auxiliary network 124 provided. The auxiliary network 124 is usually separate from the main network 112 executed and less resilient. The combination of supply device 122 and inverters 116 . 118 is also called frequency converter.

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.A control device 126 is adapted to the drive system 100 and in particular the superposition gearbox 110 to control, in particular to the speed of the output shaft 240 to track a specification. The superposition gearbox 110 can have different operating conditions, in particular in response to a request for a speed to be provided on the machine 102 can be adjusted. A transition between the operating states can by the control device 126 be controlled transparently, so the drive system 100 only the target speed of the machine 102 may need as an external reference variable. For controlling the drive system 100 can the controller 126 one or more mechanical elements of the superposition gearing 110 and / or one of the inverters 116 . 118 to control a speed or torque of an auxiliary drive 106 . 108 to influence. Optionally, the control device 126 also with one or more sensors for scanning an operating state of the drive system 100 connected.

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. 2 shows a preferred embodiment of a superposition gear 110 for use in a drive system 100 to 1 , For easier understanding is except the main drive 104 only an auxiliary drive 106 illustrated, but usually at least one additional auxiliary drive 108 provided (cf. 1 ). The auxiliary drives 106 . 108 are usually connected in parallel mechanically and can be electrically controlled individually or jointly.

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.The superposition gearbox 110 includes a planetary gear 205 with a ring gear 210 a sun wheel 215 , at least one planetary gear 215 and a planet carrier 225 , The planet wheel 215 stands with the ring gear 210 and the sun wheel 215 engaged and is rotatable relative to a bolt 230 stored, concentric with the sun gear 215 rotatable planet carrier is mounted. The ring gear 210 is with a drive shaft 235 for connection to the main drive 104 and the sun wheel 215 with an output shaft 240 for connection to the working machine 102 connected. The planetary gear 205 forms a summing gear that controls the rotational movements of the main drive 104 and the auxiliary drive 106 additively or subtractively and to the work machine 102 can deliver.

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.Next is a switchable clutch 245 provided, which can be opened or closed by means of an actuator 250. The coupling 245 can work positively, frictionally or by means of hydrodynamic conversion and is adapted to the rotational movement of the planet carrier 245 to the input shaft 235 or the ring gear 210 feed back. In the illustrated embodiment, one side is the coupling 245 by means of a gear stage 255 to the planet carrier 245 and the other side by means of a series of transmission wheels 260 with the input shaft 235 coupled. By means of the transmission wheels 260 can be formed another gear stage. The entire transmission of the rotational movement of the planet carrier 225 to the ring gear 210 is called coupling path.

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.In the illustrated embodiment, the auxiliary drive 106 via an auxiliary shaft 270 and preferably a further gear stage 270 to the planet carrier 225 tethered. In this embodiment, the one side of the clutch 245 also with the gear stage 270 and the other side via the transmission wheels 260 with the drive shaft 235 be connected. Transmission ratios of the gear stages 255 . 270 can be selected as needed.

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)
  • iPG: Übersetzung Planetengetriebe 205 (= n1 / n2)
  • iSG1: Übersetzung Getriebestufe (270) (= n3 / n-Planetenradträger 225)
  • iSG2: Übersetzung Getriebestufe (255) (= n2 / n3 oder = n-Zwischenwelle / n-Planetenradträger 225)
  • iSG3: Übersetzung Getriebestufe (260) (= n-Zwischenwelle / n2)
In general:
  • n1: speed output shaft 240 = Speed sun gear 215
  • n2: speed main drive 104 = Speed ring gear 210
  • n3: speed auxiliary drive 106 , 108
  • n intermediate shaft: speed in the clutch path (on the clutch 245 )
  • i PG : Translation planetary gear 205 (= n1 / n2)
  • i SG1 : transmission gear ratio ( 270 ) (= n3 / n planet carrier 225)
  • i SG2 : transmission gear ratio ( 255 ) (= n2 / n3 or = n-intermediate shaft / n-planet carrier 225)
  • i SG3 : gearbox ratio ( 260 ) (= n-intermediate wave / 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 a lower speed range, the working machine 102 with the main drive switched off 104 and closed clutch 245 be driven up to a speed which by the performance of the auxiliary drive 104 and the load capacities of the clutch 245 , of the planetary gear 205 , the gear stages 255 . 270 and the transmission wheels 260 is limited. This speed is usually about 40 - 60% of the maximum speed of the output shaft 240 , The speed of the working machine 102 can be about the speed of the auxiliary drive 106 . 108 be controlled from standstill. The speed of the main drive 104 is about the clutch 245 to the auxiliary drive 102 coupled.

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.In an upper speed range, the working machine 102 with the main drive switched on 104 and clutch are driven up to the maximum speed. The main drive 104 is not controllable in its speed, it usually runs at a fixed rated speed. The lowest speed of the output shaft in this operating condition is the rated speed of the main drive 104 specified. By controlling the auxiliary drive 106 can the speed of the output shaft 240 increased to the maximum speed, the speed of the auxiliary drive 106 and the load capacity of the superposition gearing 110 is dependent.

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.At a transition between the lower speed range (first operating state or range I) and the upper speed range (second operating state or range II) are usually the speed of the auxiliary drive 106 and the operating state of the clutch 245 changed. For a low-wear transition of the lower speed range is preferably selected such that the main drive 104 its rated speed by driving the superposition gear 110 only by means of the auxiliary drive 106 can reach. Will be the main engine 104 switched on at its rated speed, so may be a load on the main network 112 be kept low. In particular, a high inrush current, otherwise for accelerating the rotor of the main drive 104 is required and can be about 8 times the continuous current, omitted.

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.For speed control and overload protection, speed sensors can be used 280 at the main drive 104 , the auxiliary drive 106 and / or the work machine 102 be provided. Is the opening state of the clutch 245 known, one of the speeds from the other two can be determined, so that two speed sensors 280 at the superposition gearbox 110 can suffice. Optionally, also a temperature sensor 285 on one of the auxiliary drives 106 , 108 may be provided to prevent thermal overload. A temperature sensor 285 can also be at the inverter 116 . 118 or the utility 122 in 1 be provided.

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. 3 shows an exemplary embodiment of an arrangement of the input shaft 235 , the auxiliary waves 265 and the output shaft 240 at a superposition gearbox 110 , Hidden elements are shown with broken lines. The viewing direction with respect to in 2 illustrated embodiment is marked A. Notwithstanding the in 2 illustrated embodiment are here two auxiliary shafts 265 on opposite sides of the output shaft 240 intended. The coupling 245 is preferred in the range of the gear stage 255 provided so that the axes of rotation of the clutch 245 and the auxiliary drives 106 . 108 pass through corners of a particular isosceles triangle. The drive shaft 235 is preferably concentric with the output shaft 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. 4 shows an exemplary control diagram 400 of the drive system 100 with the superposition gearbox 110 , In the horizontal direction is a speed N of the working machine 102 as a proportion of a predetermined maximum speed and in the vertical direction a relative torque M as a proportion of a predetermined maximum torque applied. A characteristic 405 shows the torque requirement of an exemplary selected machine 102 about the speed. The torque M of the characteristic 405 here follows an example of a quadratic or cubic function of the speed N. The stronger the moment M of the characteristic 405 increases with the speed N, the smaller is the relative torque at low speeds. The characteristic 405 may also show stronger growth, for example if it follows a higher-order polynomial. Be sufficient strong auxiliary drives 106 . 108 a slower growing function, such as a linear function, can be supported.

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.A section I shows possible operating points of the superposition gearbox 110 when the main drive 104 is switched off and the drive of the Work machine 102 exclusively on the auxiliary drives 106 . 108 he follows. The coupling 245 is closed. Area II shows possible operating points when the main drive is switched on 104 and open clutch 245 , To the work machine 102 For the entire speed range from 0% to 100%, the ranges I and II must be in one range 410 overlap and at least one point of the characteristic 405 the work machine 102 must be in this area 410 be included. For this design, depending on the available speed spread and the characteristic curve 405 approx. 20 - 30% electrical control power at the auxiliary drives 106 . 108 be installed. Thus, a speed control range of 50-100% is realized for the range II and the ratio of the clutch path must be selected so that the range I a speed range up to at least 50% of the maximum speed of the output shaft 240 covers. The resulting translation is preferred over the coupling 245 , between the electric auxiliary drives 106 . 108 and the input shaft 235 , so chosen that the rated speed of the main drive 104 also within the overlap area 410 lies. In this case, the operating state transition between area I (main drive 104 is deactivated) and area II (main drive 104 is activated) by the clutch 245 by means of the actuator 250 opened and the main drive 104 at or near its rated speed to the main electrical network 112 is switched. The described design allows a quasi-continuous speed control of the machine 102 along the load characteristic 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. 5 shows a first sequence when accelerating a superposition gear 110 , In this case, the electrical load of the main drive 104 is reduced as possible during its run-up to reduce its power consumption. The lower the load torque for the main drive 104 is, the faster he can reach his synchronous speed. Usually, the power requirement of the main drive decreases 104 only significantly when reaching the synchronous speed. The time to reach the synchronous speed can be kept as short as possible, which may be advantageous, for example, if the main network 112 weak.

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 the horizontal direction of the representation is a time and in the vertical direction are from top to bottom, a speed N1 of the output shaft 240 , a speed N3 of the auxiliary drive 106 . 108 and a rotational speed N2 of the main drive 104. At the beginning of the process is the superposition gearbox 110 silent, the speeds N1, N2 and N3 are each zero. At a time t0, a request for starting the work machine is made by a superordinate control system or a user 102 posed. At this time at the latest, a speed N1_soll will be sent to the drive system 100 , in particular the control device 126 transmitted to the output shaft 240 with the work machine 102 should be accelerated. In one embodiment, the setpoint speed N1_soll is permanently present and only a release of the drive system takes place at the time t0 100 , Upon request, it will start 505 Initiated here in a first phase 510 until the output shaft 240 has reached the target speed N1_soll, and a second phase 515, until the main drive 104 has reached its rated speed, is subdivided. Is the boot process 505 completed, can be a normal operation 520 respectively.

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.In the first phase 510 becomes main propulsion 104 by means of the switching device 114 to the main network 112 connected. The auxiliary drive 106 . 108 is in the embodiment of 5 in the first phase 510 controlled so that its speed is zero. This usually requires a certain torque, which is also called support torque. Because the main drive 104 Uncontrolled starts up, the torque adjusts depending on its slip frequency. At standstill of the main drive 104 Their slip frequency is the largest and the torque provided is the smallest. A large part of the applied acceleration energy of the main drive 104 goes into the acceleration of the inertial masses of the drive system 100 , causing a rapid increase in the speed N2 of the main drive 104 , and thus an increase in the provided torque, counteracts. The first phase 510 is completed at a time t1 when the rotational speed N1 reaches the rotational speed N1_soll. At time t1 is the run-up of the main drive 104 usually not yet completed on their rated speed.

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.Having reached N1_soll by N1 must in the following second phase 515 the speed N3 of the auxiliary drive 106 . 108 be controlled in order to regulate the output speed N1 to the specification N1_soll and to avoid overshooting the speed N1. Stand the auxiliary drive 106 . 108 previously silent, it must now be rotated. At a time t2, the main drive 104 has stably reached its rated speed (100%) and the second phase 515 is finished, so that normal operation 520 can be included. The speed N3 of the auxiliary drive 106 . 108 can be further controlled to track the rotational speed N1 of the predetermined speed N1_soll, especially when changing the default or a load change by the machine 102 , If necessary, the speed of the auxiliary drive 106 , 108 negative.

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. As a rule, the work machine 102 has a load proportional to the speed results in a reduced load for the main drive by the described process control process. This can shorten the startup process and lower the load on the main electrical network 112 require.

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. 6 shows a second sequence when accelerating a superposition gear 110 , as shown by 5 , In this embodiment, in the first phase 510 in addition to the main drive 104 also the auxiliary drive 106 . 108 speeds up the boot process 505 perform as quickly as possible and so realize a quick start. It is on the auxiliary drive 106 . 108 a predetermined, preferably a maximum torque, with further preferred simultaneous maximization of the rotational speed N3 driven in order to maximize the introduced power, which corresponds to the product of torque and the rotational speed N3. The rated torque of the auxiliary drive 106 , 108 can by means of the inverter 116 . 118 usually be controlled from standstill. The acceleration ends when a predetermined speed or a maximum speed is reached. The maximum speed can be achieved by the auxiliary drive 106 . 108 or a maximum frequency of the inverter 116 . 118 be determined. The maximum speed can also be limited by limitations of the superposition gearbox 110 be predetermined. It can be seen that the time t1, at which the output speed N1 corresponds to the specification N1_soll, approximately at the time t1 in the embodiment of FIG 5 corresponds to, but the default N1_soll there is about 60% and in this case about 90% of a maximum speed.

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. 7 shows a third sequence in accelerating a superposition gear 110 , according to the representations of 5 and 6 , This is the auxiliary drive 106 . 108 driven to deliver a service that exceeds its permanently deliverable power. In particular, the inverter can do this 116 . 118 and the utility 122 be briefly operated above their specification. In one embodiment, the voltage is applied to phases of the auxiliary drive 106 . 108 excessive. In a further embodiment, the auxiliary drive 106 . 108 operated in the field weakening area, as with respect to 8th will be described in more detail. It can be seen that the time t1 at a predetermined speed N1_soll from about 90% of the maximum speed even faster than after the embodiment of 6 is reached. The elevation may already start with the second phase 515 be stopped when the auxiliary drive 106 . 108 has reached its predetermined speed. Previously overloaded elements of the drive system 100 can already cool down and recover thermally.

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.Limits for the maximum speed of the auxiliary drive 106 . 108 or other components of the drive system 100 apply as stated above. In a corresponding manner, the transmittable torque can also be limited. When operating components, in particular the auxiliary drive 106 . 108 , the inverter 116 . 118 or the utility 122 Above its permanently callable load, a temperature control is preferably carried out in order to avoid a thermal overload. The overload can be aborted if any on one of the components of the propulsion system 100 certain temperature exceeds an associated threshold.

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. 8th shows a qualitative speed diagram 800 an electric asynchronous machine, as the auxiliary drive 106 . 108 is preferably carried out. In the horizontal direction, a torque M and in the vertical direction, a speed N is indicated. A first characteristic 805 refers to a normal operation in which the speed of the auxiliary drive 106 . 108 by means of an inverter 116 . 118 is controlled. A second characteristic 810 is opposite to the first characteristic 805 moved vertically upwards.

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.For speed control, the frequencies and voltages at the three electrical phases of the auxiliary machine 106 . 108 controlled. However, the maximum phase voltages are due to the voltage of the DC link 120 limited. Is the torque of the auxiliary machine 106 . 108 positive, while the phase voltages are less than or equal to the DC link voltage, so works the auxiliary machine 106 . 108 in the basic engine speed range 815 , If the torque M is negative under the same condition, the auxiliary machine operates 106 . 108 in the generator basic speed range 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.To further increase the speed of the auxiliary machine 106 . 108 For example, the frequencies of the phase voltages can be further increased without the phase voltages exceeding the intermediate circuit voltage. To reduce the induced reverse voltage in the auxiliary drive 106 . 108 but then the magnetic field must be reduced so that the maximum possible torque is reduced. If the torque M is positive, the auxiliary drive is working 106 . 108 here in the motor field weakening area 825 , with negative torque in the regenerative field weakening range 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.Nevertheless, to provide a high speed N at a high torque M, the voltage of the DC link 120 be raised so that the characteristic 810 in the speed diagram 800 applies. This overload of the auxiliary drive 106 . 108 and the electrical components 116 , 118, 120, 122 can usually be maintained for a short time without permanently damaging the components. For example, overloading of the electrical components 116 . 118 . 120 . 122 be allowed by about 50% for a period of about 10 seconds.

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. 9 shows a further process when changing the speed provided a superposition gear 110 , analogous to the representations of 5 to 7 , In a reversal of the aforementioned embodiments, however, no startup procedure is involved 505 but a stop 705 carried out. The sequence shown is particularly advantageous at a high speed N1.

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.The stop process 705 is divided into a first phase here 710 until the auxiliary drive 106 . 108 has reached a standstill, and a second phase 715 until even the main drive 104 has reached a standstill. At time t0, the request is made to shut down the drive system 100 , analogous to the request for starting described above. Thereupon, in the first phase 710 the main drive 104 by means of the switching device 114 from the main network 112 separated. The main drive 104 can act as an asynchronous no electrical or electromagnetic braking torque and its runner acts as inertial mass, by the auxiliary drive 106 . 108 must be slowed down.

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.The auxiliary drive 106 . 108 is preferred in the motor area 815 or 825 operated to continue a positive supporting moment on the planet carrier 225 exercise. The speed of the auxiliary drive 106 . 108 is delayed by a ramp towards zero speed. The delay is due to reduction of the positive support torque. Reaches the speed of the auxiliary drive 106 . 108 At time t1, a value close to zero, the speed is kept at zero or in a predetermined band around zero.

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. 10 shows a further sequence when switching off or braking a superposition gear 110 , as shown by 9 , The process shown is particularly advantageous at a low speed N1.

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 this case, at the time t0, the rotational speed N3 of the auxiliary drive 106 . 108 negative, so that the speed N1 provided is below the rated speed of the main drive 104 is held.

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.In the first phase 710 becomes the main engine 104 switched off; at the same time the auxiliary drive 106 . 108 slowed down by introducing a positive torque from its negative speed to zero. When braking, the auxiliary drive runs 106 . 108 in generator mode 820 or 830 , In this case, a larger than the permanent by the auxiliary drive 106 . 108 available torque can be retrieved. Because the negative speed of the auxiliary drive 106 , 108 decreasing to the speed N1 of the output shaft 240 acts takes place by accelerating the auxiliary drive 106 . 108 against the speed zero, initially more an acceleration than a deceleration of the speed N1 of the output shaft 240 , The acceleration of the auxiliary drive 106 . 108 and braking the main drive 104 can first partially or completely compensate, so that the rotational speed N1 of the output shaft 240 remains essentially constant.

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.At time t1, the speed N1 starts to decrease and at time t1 'it reaches zero. At t1 'is the speed N2 of the main drive 104 but still positive and is compensated by a remaining negative residual speed of the auxiliary drive 106, 108. Only at time t2 also reach the speeds N2 and N3 zero. The auxiliary drive 106 . 108 can also be switched off when falling below a predetermined, low speed, for example below about 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 a further embodiment, the negative speed of the auxiliary drive 106 . 108 be maintained as long as possible after the time t0 or even further increased in magnitude, to allow as early and as far as possible a reduction in the rotational speed N1. When the rotational speed N1 has reached zero, the rotational speeds N2 and N3 on the superposition gearing compensate each other 110 , The speed N3 of the auxiliary drive 106 . 108 can then be raised to zero, while the speed N2 of the main drive drops, so that the output shaft N1 remains substantially or completely stationary.

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.In yet another embodiment, the auxiliary drive 106 . 108 also from a state in which it first runs at positive speed N3, as part of the stop process 705 initially be brought to a negative speed to the output shaft 240 to slow down as early as possible. The output shaft 240 can stall due to the negative speed of the auxiliary drive 106 . 108 even before the main drive 104 to reach.

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.Conversely, the auxiliary drive can also be used as part of a quick start 106 . 108 initially controlled to a negative speed N3, so the main drive 104 virtually no load when the output shaft is stationary 240 can be brought to its rated speed. The speed N3 of the auxiliary machine 106 , 108 may then be raised to zero or further to a positive value with the output shaft 240 is accelerated.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Antriebssystemdrive system
102102
Arbeitsmaschineworking machine
104104
Hauptantriebmain drive
106106
erster Hilfsantriebfirst auxiliary drive
108108
zweiter Hilfsantriebsecond auxiliary drive
110110
ÜberlagerungsgetriebeSuperposition gear
112112
elektrisches Hauptnetzmain electrical network
114114
Schaltvorrichtungswitching device
116116
erster Wechselrichterfirst inverter
118118
zweiter Wechselrichtersecond inverter
120120
ZwischenkreisDC
122122
Versorgungsvorrichtungsupply device
124124
elektrisches Hilfsnetzelectrical auxiliary network
126126
Steuereinrichtung control device
205205
Planetengetriebeplanetary gear
210210
Hohlradring gear
215215
Sonnenradsun
220220
Planetenradplanet
225225
Planetenradträgerplanet
230230
Bolzenbolt
235235
Antriebswelledrive shaft
240240
Abtriebswelleoutput shaft
245245
Kupplungclutch
250250
Aktuatoractuator
255255
Getriebestufegear stage
260260
Übertragungsradtransmission wheel
265265
Hilfswelleauxiliary shaft
270270
Getriebestufegear stage
280280
DrehzahlsensorSpeed sensor
285285
Temperatursensor temperature sensor
400400
Steuerdiagrammcontrol diagram
405405
Kennliniecurve
410410
Bereich Area
500500
erster Ablauffirst course
505505
Startvorgangstarting procedure
510510
erste Phasefirst phase
515515
zweite Phasesecond phase
520520
Betrieb business
705705
Stoppvorgangstop operation
710710
erste Phasefirst phase
715715
zweite Phase second phase
800800
DrehzahldiagrammSpeed diagram
805805
erste Kennliniefirst characteristic
810810
zweite Kennliniesecond characteristic
815815
motorischer Grunddrehzahlbereichbasic engine speed range
820820
generatorischer Grunddrehzahlbereichregenerative basic speed range
825825
motorischer Feldschwächebereichmotor field weakening area
830830
generatorischer Feldschwächebereichregenerative field weakening range

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (11)

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.A drive system (100) for a work machine (102), the drive system (100) comprising: - a main electric drive (104); - A switching device (114) for connecting the main drive (104) with a main electrical network (112); - An electrical auxiliary drive (106, 108); - A frequency converter (116-122) for controlling a torque of the auxiliary drive (106, 108); - An output shaft (240) for connection to the working machine (102); - A planetary gear (205) having a ring gear (210), a sun gear (215), a planetary gear (220) and a planet carrier (225), wherein the ring gear (210) with the main drive (104), the sun gear (215) with the output shaft (240) and the planet carrier (225) is coupled to the auxiliary drive (106, 108); - a control device (126) which is adapted to control the main drive (104) by means of the switching device (114) and the auxiliary drive (106, 108) by means of the frequency converter (116-122); characterized in that - the control means (126) is arranged to continuously accelerate or decelerate the auxiliary drive (106, 108) immediately after detecting a request for a startup operation (505) or stop operation (705) of the output shaft (240). 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.Drive system (100) after Claim 1 wherein the control means (126) is adapted to overshoot the torque of the auxiliary drive (106, 108) during start-up (505) or stop (705) over its permanently deliverable torque. Antriebssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hilfsantrieb (106, 108) im Feldschwächebereich betrieben wird.Drive system (100) after Claim 1 or 2 , wherein the auxiliary drive (106, 108) is operated in the field weakening area. Antriebssystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hilfsantrieb (106, 108) einen elektrischen Asynchronmotor umfasst.Drive system (100) according to one of the preceding claims, wherein the auxiliary drive (106, 108) comprises an electric asynchronous motor. 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.Drive system (100) according to one of the preceding claims, further comprising a temperature sensor (285) on the auxiliary drive (106, 108), wherein the control device (126) is adapted to only increase the torque of the auxiliary drive (106, 108), if the sensed temperature is below a predetermined threshold. 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.Drive system (100) according to one of the preceding claims, further comprising a temperature sensor (285) on the frequency converter (116-122), wherein the control device (126) is adapted to only increase the torque of the associated auxiliary drive (106, 108), when the sensed temperature is below a predetermined threshold. 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.Drive system (100) according to one of the preceding claims, wherein the frequency converter (116-122) is dimensioned such that a durably be provided by him current is not sufficient to increase the torque of the associated auxiliary drive (106, 108). 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.Drive system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device is adapted to perform a quick start operation (505) from an operating state in which the main drive (104) and the auxiliary drive (106, 108) stand still. 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.Drive system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device is adapted to perform a quick stop (705) from an operating state in which the main drive (104) is turned on and the auxiliary drive (106, 108) is operated at a positive speed. 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.Drive system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device is adapted to perform a quick stop operation (705) from an operating state in which the main drive (104) is turned on and the auxiliary drive (106, 108) is operated at negative speed. 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.A method of controlling a drive system (100) comprising: - a main electric drive (104); - A switching device (114) for connecting the main drive (104) with a main electrical network (112); - An electrical auxiliary drive (106, 108); - A frequency converter (116-122) for controlling a torque of the auxiliary drive (106, 108); - An output shaft (240) for connection to the working machine (102); - A planetary gear (205) with a ring gear (210), a sun gear (215), a planetary gear (220) and a planet carrier (225), wherein the ring gear (210) with the main drive (104), the sun gear (215) with the output shaft (240) and the planet carrier (225) is coupled to the auxiliary drive (106, 108); the method comprising the steps of: - detecting a request to start (505) or stop (705); - Activation or deactivation of the main drive (104) by means of the switching device (114); and simultaneously driving the frequency converter (116-122) such that the auxiliary drive (106, 108) accelerated or decelerated immediately and continuously.
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