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Die Erfindung betrifft einen Drehstromantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem
Verbrennungsmotor, der einen Generator treibt, und ein oder mehreren elektrischen
Fahrmotoren, die die Antriebsräder antreiben.
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Unter Kraftfahrzeug kann jedes beliebige, selbstangetriebene Fahrzeug verstanden
werden, insbesondere bezieht sich die Erfindung jedoch auf mobile Arbeitsmaschinen
wie Flurförderzeuge oder Gabelstapler. Der Einsatz in PKW ist jedoch ebenso möglich.
Ob zum Antrieb ein oder mehrere Elektromotoren verwendet werden, spielt bei der
Erfindung keine Rolle. Ebenso wenig, ob die Motoren die Räder direkt treiben oder
über ein Getriebe oder über eine gemeinsame Antriebsachse.
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In Gabelstaplern sind seit vielen Jahren dieselelektrische Antriebe in
Gleichstromtechnik am Markt. In den letzten Jahren wurden auch Antriebe in
Drehstromtechnik angeboten, die einen Drehstromgenerator umfassen, der von einem
Dieselmotor angetrieben wird. Der von diesem Drehstromgenerator, der in der Regel
permanent erregt ist, erzeugte Drehstrom wird in einem Gleichrichter gleichgerichtet.
Dieser Gleichstrom wird von einem Umrichter wieder in einen Drehstrom umgewandelt,
der nun jedoch die Frequenz hat, mit der man den Fahrmotor (Asynchronmotor)
ansteuern will. Diese Anlagen sind äußerst robust, haben jedoch den Nachteil, dass
ein verlustbehafteter und relativ teurer Umrichter verwendet werden muss. Da die zu
schaltenden Ströme relativ hoch sind, sind die Bauteile des Umrichters relativ teuer.
Neben den Verlusten, die im Betrieb auftreten und die die Energieeffizienz
beeinträchtigen, ist häufig auch noch eine eigene Kühlung für die Leistungselektronik
notwendig, die wiederum einen zusätzlichen Aufwand darstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen preisgünstigeren und technisch nahezu
gleichwertigen Drehstromantrieb vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Antrieb mit dem Merkmal des
Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird also ein fremderregter Generator verwendet, dessen
Ausgangsspannung über die Erregerwicklung gesteuert wird. Als wesentliches
Merkmal sind der Generator und der Fahrmotor elektrisch direkt miteinander
verbunden. Bei der Erfindung wird der vom Generator erzeugte Strom also nicht
gleichgerichtet und dann in einem Umrichter wieder zu Drehstrom umgewandelt,
sondern der Fahrmotor erhält durch die direkte Ansteuerung einen Drehstrom, dessen
Frequenz vom Generator, und damit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors,
abhängig ist. Dies ist gerade im Rangierbetrieb eines Gabelstaplers jedoch nicht immer
günstig. Zur unabhängigen Steuerung des Fahrmotors ist deshalb vorgesehen, dass
die Erregung des fremderregten Synchrongenerators ebenfalls gesteuert wird. Durch
diese Steuerung gelingt es, die Spannung, die der Synchrongenerator zum Fahrmotor
liefert, in einem weiten Bereich, nämlich von 0 bis zur maximal erzeugten Spannung zu
regeln. Zusammen mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors vom Leerlauf bis zu
seiner Maximaldrehzahl kann somit die Drehzahl des Fahrmotors entkoppelt ebenfalls
zwischen 0 und der Maximaldrehzahl geregelt werden. Die Erfindung erlaubt zwar
keine so dynamische Regelung, wie sie beim Stand der Technik möglich ist, der von
einem Umrichter mit Drehstrom ausgeht, hat aber die großen Vorteile der Verringerung
der Schalt- und Durchlassverluste der Leitungshalbleiter sowie die Erhöhung der
Systemsicherheit durch die Bauteilreduzierung. Der Fahrmotor ist vektorgeregelt. Sein
Drehspannungssystem ist zu jeder Zeit bekannt und regelbar.
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In einer Ausführung der Erfindung sind zwei Umschalter vorgesehen, die in zwei der
durchgehenden Phasen zwischen Generator und Fahrmotor angeordnet sind und die
den Strom durchleiten, unterbrechen oder auf die andere Phase geben können.
Dadurch wird eine Drehrichtungsumkehr des Fahrmotors gegenüber der Drehrichtung
des Generators erreicht. Dies ist gerade für Gabelstapler, die häufig rangieren, sehr
wichtig. Die Umschalter können einfache mechanische Wendeschalter sein,
Thyristoren, Triacs oder Phasenwender. Da das Umschalten relativ selten (in Hertz
gemessen) erfolgt, sind hier einfache, preisgünstige Schaltelemente einsetzbar.
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In einer Ausführung der Erfindung sind zwei Stromsensoren vorgesehen, die den zum
Fahrmotor laufenden Strom überwachen. Werden diese beispielsweise in die Phasen
U und V eingesetzt, um deren Stromfluss zu überwachen, so ist der Gesamtstromfluss
durch die drei Phasen U, V, W eindeutig zu jeder Zeit bestimmbar und über die
Fahrzeugsteuerung regelbar.
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In einer Ausführung der Erfindung sind zwei Drehgeber vorgesehen, wobei der erste
Drehgeber die Drehzahl des Verbrennungsmotors und des damit gekoppelten
Synchrongenerators misst und an die Fahrzeugssteuerung weitergibt und der zweite
Drehgeber die Drehzahl des Fahrmotors misst und der Fahrzeugsteuerung rückmeldet.
So ist eine Vektorregelung des Antriebs möglich. Die Drehzahlregelung des
Fahrmotors erfolgt nun also nicht nur über die Frequenz, sondern auch über die
Reduktion der Spannung. Mit dem erfindungsgemäßen Antrieb ist sowohl ein
Zweiquadrantenbetrieb als auch ein Vierquadrantenbetrieb möglich. Als Quadranten
sind, wie für den Drehstromantrieb allgemein bekannt, die Felder eines Graphen
gemeint, bei denen die Geschwindigkeit über dem Drehmoment aufgetragen ist.
Positive Geschwindigkeit und positives Drehmoment bezeichnet ein Fahren nach vorne
(erster Quadrant), negatives Drehmoment und positive Geschwindigkeit beim Bremsen
(zweiter Quadrant), der dritte Quadrant umfasst das Rückwärtsfahren mit negativem
Drehmoment und negativer Geschwindigkeit, während der vierte Quadrant mit
positivem Drehmoment und negativer Geschwindigkeit das Bremsen beim
Rückwärtsfahren beschreibt. Mit der Erfindung können alle vier Quadranten bedient
werden.
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In einer Ausführung der Erfindung ist ein Retarder vorgesehen, der bevorzugt parallel
zum Verbrennungsmotor angeordnet ist. Beim Bremsen liefert der Fahrmotor Energie,
die über die direkte elektrische Kopplung zum Synchrongenerator übertragen wird und
diesen zum Hochdrehen veranlasst. Dadurch würde auch der Verbrennungsmotor
hochgedreht. Ein Retarder kann dies verhindern.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Die Figur
zeigt prinzipiell den Antriebsstrang eines Flurförderzeugs mit dem Verbrennungsmotor
V, an den ein fremderregter Synchrongenerator G direkt gekoppelt ist. Zur
Überwachung der Drehzahl ist ein Drehzahlgeber REV auf der Generatorwelle
vorgesehen. Als Fahrmotor M ist ein Asynchronmotor vorgesehen, der über die
Antriebsachse DR (und eventuell ein Reduktionsgetriebe) die Räder antreibt. Ein
zweiter Drehzahlgeber REV sitzt auf der Motorwelle. Erfindungsgemäß sind nun der
Generator G und der Fahrmotor M direkt elektrisch miteinander verbunden. D. h., dass
die von dem Generator G ausgehenden Phasen L1, L2 und L3 direkt zum Motor M
geführt werden, wo sie als Phasen UVW bezeichnet sind. Eingezeichnet sind in die
beiden Phasen V und W jeweils zwei Umschalter US, die den Strom direkt weiterleiten,
vollständig unterbrechen oder auf die jeweils andere Phase leiten können. Weiterhin
sind die zwei Stromsensoren IU und IV eingezeichnet, die die Ströme dieser beiden
Phasen messen. Die Fahrzeugsteuerung FS, die mit einem CAN-Bus CAN
zusammenarbeitet, erhält die Informationen von den beiden Drehzahlgebern REV und
von den beiden Stromsensoren IU, IV und steuert ihrerseits den Erregerstrom IE im
Generator G.
Zur Funktion der Erfindung
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Beim Anlassen des Verbrennungsmotors V läuft dieser mit der Leerlaufdrehzahl, z. B.
800 Umdrehungen pro Minute. Mit dieser Drehzahl läuft auch der Generator G. Durch
die direkte Durchschaltung der drei Phasen L1, L2 und L3 liegt nun auch eine der
Polzahl des Generators entsprechende Frequenz am Asynchronmotor M an und würde
diesen zu einer entsprechenden Drehzahl veranlassen, wenn die Spannung
ausreichend hoch wäre. Die Höhe dieser Spannung, die vom Generator G zum Motor
M geleitet wird, kann erfindungsgemäß jedoch über die Fahrzeugsteuerung zwischen 0
und Maximal gesteuert werden, in dem die Erregerwicklung IE mit entsprechender
Spannung versorgt wird oder nicht. Soll das Fahrzeug stehen bleiben, kann der Strom
in der Erregerwicklung auf 0 geschaltet werden, oder die beiden Umschalter US
können geöffnet werden. Der vom Generator erzeugte Strom hat dann zwar eine
seiner Polzahl entsprechende Frequenz, seine Spannung ist aber 0, so dass der Motor
M stehen bleibt. Zum Anfahren kann nun die Erregerwicklungsspannung leicht erhöht
werden, so dass nun ein Strom zum Fahrmotor M fließt. Seine Frequenz ist nach wie
vor proportional der des Verbrennungsmotors V, seine Spannung und die damit
übertragene Leistung ist jedoch so niedrig, dass der Motor M nur ein geringes
Drehmoment liefert. Ein langsames Anfahren ist damit möglich. Wird der Erregerstrom
IE maximal geschaltet (z. B. mit 24 V Bordspannung), erzeugt der Generator G
ausreichenden Strom um den Fahrmotor M mit einer der Drehzahl des
Verbrennungsmotors V proportionalen Drehzahl laufen zu lassen. Will der Fahrer
schneller fahren, muss die Fahrzeugsteuerung den Verbrennungsmotor V höher
drehen. Dadurch wird vom Generator G ein Drehstrom mit höherer Frequenz erzeugt,
der den Fahrmotor M zu einer schnelleren Drehzahl veranlasst. Zum langsamen
Fahren oder zum Bremsen kann nun sowohl die Drehzahl des Verbrennungsmotors V
reduziert werden, als auch der Erregerstrom IE in der Erregerwicklung verringert
werden. Der Fahrmotor M erzeugt dann ein Bremsmoment. Zum Umschalten der
Fahrtrichtung werden die beiden Umschalter US, die in den Phasen L2 und L3 des
Generators G gezeigt sind, umgeschaltet. Der Motor M dreht sich dann in die andere
Richtung. Dadurch wird ein Rückwärtsfahren ermöglicht.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines fremderregten Synchrongenerators G
statt des bisher verwendeten permanent erregten Generators ist also eine
Abkoppelung der Motordrehzahl von der Generatordrehzahl möglich. Als Fahrmotor M
kann ein Asynchronmotor verwendet werden, der jedoch bevorzugt eine relativ weiche
Kennlinie haben sollten, um ein weiches Anfahrverhalten zu erzeugen. Die
Drehrichtungsumschaltung sollte bevorzugt im Strom Null-Durchgang erfolgen.