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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Straßenbaumaschine, einen Drehstromgenerator für eine solche Straßenbaumaschine, ein Verfahren zum Betrieb der Stra-ßenbaumaschine und zur Dimensionierung des Drehstromgenerators.
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Straßenbaumaschinen wie Asphalt- oder Straßenfertiger sind mit elektrisch beheizten Einbaubohlen ausgestattet. Die Einbaubohlen verfügen über eine Vielzahl von Heizelementen, damit die Bohlen für den Einbau des Asphalts erhitzt werden können. Die dafür benötigte elektrische Energie wird von einem Drehstromgenerator erzeugt, der vom Verbrennungs-Antriebsmotor des Straßenfertigers z.B. über einen Riemen angetrieben wird.
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Bevor der Straßenfertiger mit dem Einbau des Asphalts beginnen kann, müssen die Bohlen auf Betriebstemperatur erhitzt werden. Diese Aufheizphase soll möglichst kurz gehalten werden. Das bedeutet, dass während der Aufheizphase das 2-3fache an elektrischer Leistung benötigt wird als während der Einbauphase. Deshalb werden sowohl der Generator als auch die Heizelemente der Bohlen für die Aufheizphase optimiert dimensioniert. Die Dauer der Aufheizphase beträgt je nach Arbeitsbreite des Straßenfertigers etwa 30-45min.
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Während der Aufheizphase werden die Heizelemente in der Regel mit 100% Einschaltdauer und der Nennspannung (ca. 230V) an den Generator geschaltet. Während der Einbauphase wird die Leistung entweder durch Reduzierung der Generatorspannung oder durch Reduzierung der Einschaltdauer reduziert. In der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch- bzw. fremderregter Synchron-Drehstromgenerator verwendet. Dieser hat den Vorteil, dass die Ausgangsspannung über den Strom durch die Erregerwicklung stufenlos auf unterschiedliche Werte eingeregelt werden kann. Dazu wird ein elektronischer Regler mit Datenschnittstelle, z. B. CAN-Bus eingesetzt. So kann die Steuerung des Fertigers die Ausgangsspannung des Generators als Sollwert vorgeben.
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In einem Straßenfertiger sind in der Regel Steckdosen für Normverbraucher (230V/50Hz) installiert, die ebenfalls vom Generator mit Energie versorgt werden. Diese Steckdosen können nur bei entsprechender Generatordrehzahl zugeschaltet werden, bei der der Generator eine dem örtlichen Stromnetz entsprechende Frequenz, beispielsweise 50Hz liefert (2-pol-Generator: 3000U/min, 4-pol-Generator: 1500U/min). Diese Steckdosen werden hauptsächlich in der Vor- und Nachbereitung des Asphalteinbaus benötigt. Das bedeutet, der Verbrennungsmotor (und somit der Generator) soll für diesen Zweck im Bereich der leicht erhöhten Leerlaufdrehzahl betrieben werden. Beim Aufheizen und beim Einbau des Asphalts wiederum muss der Verbrennungsmotor auf Nenndrehzahl gebracht werden, um die geforderte Leistung für die Fortbewegung und das Aufheizen der Bohlen liefern zu können. Diese Drehzahl ist dann fast doppelt so hoch.
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Damit diesen Anforderungen entsprochen werden kann, wird bisher der Synchrongenerator mit seiner Statorwicklung so ausgelegt, dass er bei 50Hz die 230V Strangspannung für die Normverbrauchersteckdose liefert. Bei der höheren Drehzahl bzw. Frequenz tritt im Blechpaket des Stators eine magnetische Sättigung auf. Das bedeutet, bei der höheren Drehzahl wird der Generator nicht im Optimum betrieben.
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Zur Lösung dieses Problems hat der hierzu nächstgelegene Stand der Technik,
EP 23 72 022 A1 , bisher vorgeschlagen, einen elektronischen Spannungswandler vorzusehen, der eine Strangspannung unabhängig von deren Frequenz und Grö-ße in eine stabile Netzspannung von 220 V und 50 Hz umwandelt. Ein solches zusätzliches elektronisches Gerät erhöht die Kosten des Fertigers und wird in der rauen Arbeitsumgebung des Straßenbaus leicht beschädigt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Optimierung des Drehstromgenerators zu ermöglichen, ohne dass ein zusätzlicher Spannungswandler vorgesehen werden muss, und ohne dass auf die Norm-Steckdosen verzichtet werden muss.
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Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Straßenbaumaschine, insbesondere einen Straßenfertiger oder Straßenfertiger-Beschicker mit hohem elektrischen Leistungsbedarf für eine elektrische Heizung oder eine andere elektrische Last gelöst, der mit einem Verbrennungsmotor und einem mit diesem gekoppelten Drehstromgenerator mit einer 3-phasigen Stator-Wicklung zur Versorgung der Heizung und mit mindestens einer Normsteckdose zur Versorgung 1-phasiger Verbraucher mit einer der normalen Netzspannung vergleichbaren Spannung, Frequenz und Leistung, die über eine Schalteinrichtung mit dem Drehstromgenerator elektrisch verbunden sind, die nur dann eine Verbindung herstellt, wenn die vom Drehstromgenerator gelieferte Spannung und Frequenz innerhalb der für eine normale Netzspannung zulässigen Werte liegt, wobei zusätzlich zu der 3 phasigen Stator-Wicklung im Stator des Drehstromgenerators eine separate 1-phasige Stator-Wicklung vorgesehen ist, an die die Schalteinrichtung angeschlossen ist. Ebenso wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Straßenbaumaschine, insbesondere einen Straßenfertiger oder Straßenfertiger-Beschicker mit hohem elektrischen Leistungsbedarf für eine elektrische Heizung oder eine andere elektrische Last gelöst, der mit einem Verbrennungsmotor und einem mit diesem gekoppelten Drehstromgenerator mit einer 3-phasigen Stator-Wicklung zur Versorgung der Heizung und mit mindestens einer Normsteckdose zur Versorgung 1-phasiger Verbraucher mit einer der normalen Netzspannung vergleichbaren Spannung, Frequenz und Leistung, die über eine Schalteinrichtung mit dem Drehstromgenerator elektrisch verbunden sind, die nur dann eine Verbindung herstellt, wenn die vom Drehstromgenerator gelieferte Spannung und Frequenz innerhalb der für eine normale Netzspannung zulässigen Werte liegt, wobei die Schalteinrichtung für die Netzsteckdose(n) zwischen 2 Phasen des Drehstromgenerators angeschlossen ist.
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Außerdem wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Drehstromgenerator gelöst, der mit einem Verbrennungsmotor als Antrieb gekoppelt ist, für Arbeitsmaschinen mit hohem elektrischen Leistungsbedarf für Heizungszwecke oder andere elektrische Lasten mit einer 3 phasigen Stator-Wicklung, die zusätzlich mindestens eine 1-phasige Normsteckdose aufweisen, die eine der normalen 1-phasigen Netzspannung vergleichbare Spannung, Frequenz und Leistung liefern, und die über eine Schalteinrichtung mit dem Drehstromgenerator elektrisch verbunden sind, die nur dann eine Verbindung zwischen Drehstromgenerator und Netzsteckdose(n) herstellt, wenn die vom Drehstromgenerator gelieferte Spannung und Frequenz innerhalb der für eine normale Netzspannung zulässigen Werte liegt, bei dem zusätzlich zu der 3 phasigen Stator-Wicklung im Stator des Drehstromgenerators eine separate 1-phasige Stator-Wicklung vorgesehen ist, an die die Schalteinrichtung angeschlossen ist.
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Weiter wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Drehstromgenerator gelöst, der mit einem Verbrennungsmotor als Antrieb gekoppelt ist, für Arbeitsmaschinen mit hohem elektrischen Leistungsbedarf für Heizungszwecke oder andere elektrische Lasten mit einer 3 phasigen Stator-Wicklung, die zusätzlich mindestens eine 1-phasige Normsteckdose aufweisen, die eine der normalen 1-phasigen Netzspannung vergleichbare Spannung, Frequenz und Leistung liefern, und die über eine Schalteinrichtung mit dem Drehstromgenerator elektrisch verbunden sind, die nur dann eine Verbindung zwischen Drehstromgenerator und Netzsteckdose(n) herstellt, wenn die vom Drehstromgenerator gelieferte Spannung und Frequenz innerhalb der für eine normale Netzspannung zulässigen Werte liegt, bei dem die Schalteinrichtung für die Netzsteckdose(n) zwischen 2 Phasen des Drehstromgenerators angeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird darüber hinaus durch ein Verfahren zur Dimensionierung eines Drehstromgenerators für eine Straßenbaumaschine mit hohem elektrischen Leistungsbedarf und mit mindestens einer Normsteckdose für 1-phasige Netzspannung gelöst, wobei der Drehstromgenerator von einem Verbrennungsmotor der Straßenbaumaschine angetrieben wird, und der Drehstromgenerator auf eine optimale Leistungsdichte und Leistungsabgabe bei einer Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors optimiert wird, und der dadurch eingesparte Bauraum im Stator des Generators zur Unterbringung einer weiteren, 1-phasigen Stator-Wicklung genutzt wird, die dann zur Abgabe einer gewünschten Norm Netzspannung bei einer Generatordrehzahl optimiert wird, die einer gewünschten Netzfrequenz entspricht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Dimensionierung eines Drehstromgenerators für eine Straßenbaumaschine mit hohem elektrischen Leistungsbedarf und mit mindestens einer Normsteckdose für 1-phasige Netzspannung gelöst, wobei der Drehstromgenerator von einem Verbrennungsmotor der Straßenbaumaschine angetrieben wird, und der Drehstromgenerator weitestgehend auf eine optimale Leistungsdichte und Leistungsabgabe bei einer Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors optimiert wird, dennoch noch eine gewünschte Normnetzspannung zwischen zwei Phasen des Drehstromgenerators bei einer Generatordrehzahl, die einer gewünschten Netzfrequenz entspricht, abgeben kann.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Asphalt- oder Straßenfertigers mit einem Drehstromgenerator zur Versorgung einer Einbaubohle mit elektrischer Energie zum Heizen gelöst, wobei der Drehstromgenerator von einem Verbrennungsmotor in dem Asphalt- oder Straßenfertiger angetrieben wird, wobei zusätzlich mindestens eine 1-phasige Norm-Steckdose für eine der normalen Netzspannung vergleichbare Spannung, Frequenz und Leistung von dem Drehstromgenerator versorgt wird, während der Drehstromgenerator mit einer Drehzahl läuft, bei der seine Betriebsfrequenz der gewünschten Netzfrequenz entspricht, und die Versorgung der 1-phasigen Normsteckdose(n) über eine eigene 1-phasige Wicklung im Stator des Drehstromgenerators erfolgt, und der Drehstromgenerator so geregelt wird, dass die Spannung an der 1-phasigen Wicklung der gewünschten Netzspannung entspricht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird schließlich auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Asphalt- oder Straßenfertigers mit einem Drehstromgenerator zur Versorgung einer Einbaubohle mit elektrischer Energie zum Heizen gelöst, wobei der Drehstromgenerator von einem Verbrennungsmotor in dem Asphalt- oder Straßenfertiger angetrieben wird, wobei zusätzlich mindestens eine 1-phasige Norm-Steckdose für eine der normalen Netzspannung vergleichbare Spannung, Frequenz und Leistung von dem Drehstromgenerator versorgt wird, während der Drehstromgenerator mit einer reduzierten Drehzahl läuft, bei der seine Betriebsfrequenz der gewünschten Netzfrequenz entspricht, und die Versorgung der 1-phasigen Norm-Steckdose(n) über zwei Außenleiter (Phasen) des Drehstromgenerators erfolgt, und der Drehstromgenerator bei der reduzierten Drehzahl so geregelt wird, dass die Spannung zwischen den Außenleitern der gewünschten Netzspannung entspricht.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird die Statorwicklung so dimensioniert, dass erst bei der erhöhten Frequenz beim Aufheizen die 230V Strangspannungen erreicht werden (Reduzierung der Windungsanzahl in der Statorwicklung). Somit wird der Generator in der Aufheizphase im Optimum betrieben und kann deutlich mehr Leistung liefern. Das bedeutet, es können mehr Heizelemente in der Bohle verbaut werden und die Aufheizphase wird dadurch verkürzt. Oder anders ausgedrückt, der Generator erwärmt sich bei gleichbleibender Last weniger und kann somit in seinem Volumen verkleinert werden bzw. länger mit einer bestimmten Last betrieben werden oder für eine niedrigere Isolierstoffklasse ausgelegt werden.
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Durch die geringere Windungszahl wird in den Nuten des Stator-Blechpakets Platz frei. Somit kann der Querschnitt des Wickeldrahtes erhöht werden, was zu geringeren Wärmeverlusten im Kupferdraht führt. Da ein Generator mit dieser neuen Wicklungsauslegung erst bei erhöhter Frequenz die 230V Strangspannung liefert, kann für den Betrieb der Normverbrauchersteckdose die Außenleiterspannung (verkettete Spannung oder Dreieck-Spannung) des Generators, also die Spannung zwischen zwei Phasen verwendet werden, die um den Faktor 1,73 höher ist als die Strangspannung.
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Alternativ kann der freigewordene Platz in den Statornuten für eine 2. Wicklung genutzt werden, aus der dann die Normverbrauchersteckdose(n) versorgt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Generator mit hoher elektrischer Leistung für Heizungszwecke mit einer zusätzlich vorgesehenen Norm-Steckdose gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform für einen Generator mit hoher elektrischer Leistung mit einer zusätzlich vorgesehenen Norm-Steckdose; und
- 3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform für einen Generator mit hoher elektrischer Leistung mit einer zusätzlich vorgesehenen Norm-Steckdose.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung soll in
1 zuerst einmal der Stand der Technik erläutert werden, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht. Dieser Stand der Technik ist beispielsweise in der
EP 10 36 883 A2 dargestellt.
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1 zeigt ein elektrisches Blockschaltbild für einen Asphalt- oder Straßenfertiger 10. Dieser umfasst einen Drehstromgenerator 12,-der von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor, meist einem Dieselmotor, auf dem Asphalt- oder Straßenfertiger10 direkt angetrieben wird. Wie üblich umfasst der Drehstromgenerator 3 Stator-Wicklungen W1, W2 und W3, die jeweils zwischen dem Mittelpunktsleiter N und der jeweiligen Phase L1, L2 und L3 liegen, sowie eine nicht dargestellte Rotorwicklung, die über einen Regler 14 mit Erregerstrom versorgt wird. An jeder der Phasen L1, L2 und L3 sind Heizelemente (elektrische Heizwiderstände) 16 angeschlossen, die beispielsweise die Einbaubohle des Asphalt- oder Straßenfertigers 10 beheizen. Um mit dem Drehstromgenerator 12 auch handelsübliche, für den haushaltsüblichen 1-Phasen-Wechselstrom ausgelegte Stromverbraucher 20 an dem Drehstromgenerator 12 betreiben zu können, hat man bisher in der in der Elektrotechnik üblichen Weise entsprechende Norm-Steckdosen 18, beispielsweise eine Netzsteckdose für 230V/50Hz, zwischen eine Phase, hier L1 und den Mittelpunktsleiter N geschaltet. In üblicher Weise ist der Steckdose 18 noch eine Sicherung 22 vorgeschaltet, die bei Kurzschluss des Verbrauchers 20 oder Überlastung der Phase abschalten soll.
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Um zu verhindern, dass der Verbraucher 20 mit einer falschen Frequenz oder einer zu hohen Spannung betrieben wird, ist hier zusätzlich eine Schalteinrichtung 24 vorgesehen, die ständig die Spannung und Frequenz der mit den Steckdosen 18 verbundenen Phase L1 des Drehstromgenerators 12 misst, und nur dann einen Schaltschütz 26 schließt, der zwischen dem Drehstromgenerator 12 und der Normsteckdose 18 angeordnet ist, wenn die Frequenz und die Spannung der Phase L1 innerhalb der für haushaltsüblichen 1-Phasen-Netzwechselstrom bestimmten Werte liegt. Nur dann versorgt Schalteinrichtung 24 die Steuerspule des Schaltschützes 26 mit Strom und schließt dadurch die Verbindung zwischen dem Drehstromgenerator 12 und der Steckdose 18. In allen anderen Fällen wird die Steckdose 18 allpolig vom Drehstromgenerator 12 durch den geöffneten Schütz 26 getrennt.
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2 erläutert ausgehend von 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für die bereits in 1 beschriebenen Gegenstände werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, und eine erneute Beschreibung erfolgt nicht. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Abwandlung des Asphalt- oder Straßenfertigers 10`. Dabei ist in dem Stator 12` eine zusätzliche 1-phasige Wicklung 28 zur Erzeugung der 1-phasigen Netzwechselspannung für die Steckdose 18 vorgesehen. Dadurch kann nun erfindungsgemäß der 3-phasige Wicklungssatz W1, W2 und W3 auf eine optimale Leistungsabgabe bei Nenndrehzahl des den Drehstromgenerator 12' antreibenden Verbrennungsmotors ausgelegt werden. Dadurch kann der Wicklungssatz W1, W2, W3 bei gleicher maximaler Leistungsabgabe, beispielsweise für das Hochheizen der Einbaubohle deutlich kleiner ausgeführt werden. In dem so gewonnenen Raum lässt sich leicht die zusätzliche Wicklung 28 unterbringen. Gleichzeitig ist der Wirkungsgrad des so optimierten 3-phasigen Wicklungssatzes W1, W2, W3 deutlich besser als beim Stand der Technik. Außerdem kann die 1-phasige Wicklung 28 daraufhin optimiert werden, dass sie bei einer Drehzahl des Drehstromgenerators 12', die die Netzfrequenz 50 Hz liefert, optimiert ist. Erfindungsgemäß kann zusätzlich eine Überspannungsableitung 30 parallel zu der Steckdose 18 vorgesehen sein. Damit wird sichergestellt, dass an der Steckdose 18 keinesfalls eine zu hohe Spannung anliegt, auch wenn die Regelung des Generators mittels Regler 14 und die Schalteinrichtung 24 lediglich die Spannung im Drehstromsystem L1, L2, L3, N messen und/oder regeln, und damit keine direkte Regelung der an der 1-phasigen Wicklung 28 anliegenden Spannung möglich ist. Andererseits kann bei dieser Ausführungsform gegebenenfalls die Sicherung 22 weggelassen werden, wenn die Strombegrenzung beispielsweise über den Innenwiderstand der 1-phasigen Wicklung 28 erfolgt.
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Wenn beispielsweise erfindungsgemäß der 3-phasige Wicklungssatz W1, W2, W3 auf eine optimale Leistungsabgabe bei einer Generatordrehzahl, die 75-100 Hz entspricht, optimiert wird, kann es genügen, 75 % der Nuten im Stator zu belegen, im Vergleich zum Stand der Technik gemäß 1, bei dem 100 % der Nuten belegt werden müssen. Es genügt dann beispielsweise eine 4 -fach Wicklung anstelle einer 6-fach Wicklung. Lediglich die zusätzliche 1-phasige Wicklung 28 wird dann sechsfach ausgelegt, und dafür stehen 25 % der Statornut zur Verfügung. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Abwandlung des Asphalt- oder Straßenfertigers 10". Hierbei bleibt der Drehstromgenerator 12 gemäß dem Stand der Technik unverändert, die Steckdose 18 wird jedoch nicht entsprechend den üblichen Regeln für die Gewinnung von 1-Phasen-Wechselstrom aus Drehstrom zwischen einer Phase und dem Mittelpunktsleiter N angeschlossen, sondern im vorliegenden Fall beispielsweise zwischen den Wicklungen W1 und W3. Zusätzlich kann auch hier eine Überspannungsableitung 30 parallel zu der Netzsteckdose 18 vorgesehen sein.
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Auch hierbei ergibt sich eine erhebliche Einsparung gegenüber der Hauptwicklung W1, W2, W3 im Stand der Technik:
- Bei einer 1-Schicht Wicklung kann der Generator 12 auf eine Arbeitsfrequenz von 75 Hz bei Nenndrehzahl optimiert werden, die Einsparung beträgt 35-40 % der Windungsanzahl, bei einer 2-Schicht Wicklung kann der Generator 12 auf eine Arbeitsfrequenz von 75 Hz bei Nenndrehzahl optimiert werden, die Einsparung beträgt 40-45 % der Windungsanzahl.
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Selbstverständlich kann bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht nur eine, sondern eine Vielzahl von Steckdosen 18 vorgesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2372022 A1 [0007]
- EP 1036883 A2 [0019]
