EP0063345B1

EP0063345B1 - Drehantrieb für Vortriebsmaschinen

Info

Publication number: EP0063345B1
Application number: EP82103085A
Authority: EP
Inventors: Rudolf Speelmans
Original assignee: Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 1981-04-15
Filing date: 1982-04-10
Publication date: 1986-05-28
Also published as: JPS57178098A; DE3115175C2; ATE20118T1; EP0063345A3; AU543810B2; DE3115175A1; AU8257882A; ZA822527B; EP0063345A2; DE3271330D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Arbeitseinrichtung für den Bohrkopf oder einen ähnlichen, eine drehende Arbeitsbewegung ausführenden Teil einer Vortriebsmaschine für Tunnel, Strecken od. dgl., namentlich Tunnelbohrmaschine, wobei die Drehzahl des elektrischen Bohrkopf-Antriebs (ein Motor oder insbesondere mehrere mechanisch zum Parallelbetrieb gekuppelte Elektromotoren) stufenlos einstellbar ist.
In ihrer Drehzahl stufenlos regulierbare Antriebe für Tunnelbohrmaschinen od. dgl. sind erwünscht oder erforderlich, um u. a. eine optimale Anpassung an die Gebirgseigenschaften sowie einen schonenden, vibrationsarmen Bohrbetrieb zu ermöglichen. Diese Forderung konnte bisher praktisch nur durch einen hydrostatischen Antrieb verwirklicht werden. Stufenlos regelbare hydrostatische Antriebe benötigen viel Platz für die Antriebsaggregate und haben einen niedrigen Gesamtwirkungsgrad. Polumschaltbare Drehstrommotoren sind zwar robust, gestatten aber nur die Einstellung weniger Drehzahlen in Stufen, so daß eine kontinuierliche Regelung nicht möglich ist.
Aus der DE-Ä-2 746 072 ist eine Vortriebseinrichtung bekannt, bei der als Antrieb für ein rotierendes Gewinnungs- bzw. Abräumwerkzeug Gleichstrommotoren, insbesondere Gleichstrom-Nebenschlußmotoren mit durch Änderung der Erregerspannung einstellbarer Drehzahl, vorgesehen sind, wobei die Änderung der Erregerspannung durch einen an eine Drehstromeinspeistung angeschlossenen Stromrichter erfolgen kann.
Dem Einsatz von Gleichstrommotoren als Kollektormotoren stehen bei Tunnelbohrmaschinen u. dgl. erhebliche Schwierigkeiten entgegen, so z. B. deren Baugröße und die Empfindlichkeit gegen Staub.
Aus dem Artikel 'ce Umrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis für industrielle Antriebe in den BBC-Nachrichten 1978, Nr. 11, S. 485 bis 495, sind statische Umrichter zum Betrieb von Drehfeldmaschinen bekannt. Bei solchen und ähnlichen Einrichtungen sind deren Teile in aufrechtstehenden und besonderen Platz für ihre Aufstellung erfordernden Schränken untergebracht. Es handelt sich bei den bekannten Einsatzfällen solcher Umrichter durchweg um stationäre Betriebseinrichtungen oder industrielle Antriebe, wie z. B. für Mühlen, Mischer, Fließbänder, Pumpen, Werkzeugmaschinen usw. Es erschien bisher nicht möglich, Umrichter auch unter schwierigen äußeren Bedingungen unmittelbar bei ortsbeweglichen Aggregaten zu verwenden. Dies gilt besonders für Tunnelbohrmaschinen od. dgl., die für sich in engen, von ihnen selbst aufgefahrenen Streckenquerschnitten arbeiten, somit weit entfernt von Räumlichkeiten, in denen Versorgungseinrichtungen üblicher Art untergebracht werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, Nachteilen, Unzulänglichkeiten und Schwierigkeiten, wie sie bei bekannten stufenlos einstellbaren Antrieben für Tunnelbohrmaschinen od. dgl. bestehen, so bei hydrostatischen Antrieben oder Antrieben mit Gleichstrommotoren, Rechnung zu tragen und einen elektrischen Drehantrieb für Vortriebsmaschinen zu schaffen, der sich unter den be- .schränkten Platzverhältnissen gut unterbringen läßt und sich durch günstige Betriebseigenschaften auszeichnet. Dabei strebt die Erfindung auch eine vorteilhafte Ausbildung eines solchen Antriebs im einzelnen an. Mit der Gesamtaufgabe zusammenhängende weitere Probleme,' mit denen sich die Erfindung befaßt, ergeben sich aus der jeweiligen Erläuterung der aufgezeigten Lösung.
Gemäß der Erfindung kennzeichnet sich die Antriebseinrichtung durch folgende Merkmale :

der Bohrkopf-Antrieb enthält wenigstens einen Drehstrom-Asynchron-Motor,
zur Versorgung des Motors ist ein der Vortriebsmaschine zugeordneter Umrichter mit Regeleinrichtung vorgesehen, mittels dessen der Bohrkopf-Antrieb mit Strom von veränderbarer Frequenz zu speisen ist,
der Umrichter ist in einer den Einsatzbedingungen entsprechenden hohen Schutzart ausgeführt,
eine für den Umrichtebetrieb vorgesehene Zwischenkreisdrossel ist räumlich für sich getrennt von einem den Umrichter enthaltenden Schaltschrank angeordnet,
zur Abfuhr von Wärme von wenigstens einem Teil der Einrichtung ist ein als Wasser/Luft-Kühler ausgebildeter Wärmetauscher vorgesehen,
es ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, mittels derer der Bohrkopf-Antrieb von Umrichterbetrieb auf unmittelbaren Netzbetrieb und umgekehrt schaltbar ist.

Damit ist eine sehr günstige Lösung für den . stufenlosen Antrieb bei einer Vortriebsmaschine gefunden. Unter Verwendung robuster, verschlei- ßfreier und wartungsarmer Motoren ist ein betriebssicherer und wirtschaftlicher Antrieb geschaffen. Wegen des guten Gesamtwirkungsgrades ist die zur Verfügung zu stellende Versorgungsleistung geringer als in anderen Fällen. Im Vergleich zu dem System bei einem hydrostatischen Antrieb werden stoßfreie Anlaufvorgänge ermöglicht, und es wird weniger Platz für die Versorgungseinheit benötigt. Das gesamte Aggregat ist sauber, so daß auch keine nachteiligen Umweltbeeinflussungen auftreten, wie sonst etwa durch Leckage usw. Gegenüber den bei einem hydraulischen System benötigten Schlauchleitungen mit hoher Literleistung ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Antrieb eine wesentlich einfachere Montage der flexiblen Motorleistungskabel. Auch der Geräuschpegel kann im Vergleich zu den von hochtourigen Motoren angetriebenen Pumpen bei hydrostatischen Systemen niedriger gehalten werden.
Der Umnrichter, der insbesondere spritzwassergeschützt und staubdicht ausgeführt wird (z. B. Schutzart IP 65) ist vorteilhaft ein sog. Zwischenkreis- Umrichter mit eingeprägtem Strom. Hierbei handelt es sich um eine ausgereifte und betriebssichere Technik. In einem solchen Umrichter wird eine Gleichspannung in eine Wechselspannung von gewünschter Frequenz und Höhe umgeformt.
Durch den Wärmetauscher läßt sich trotz vollständiger Kapselung des einen oder anderen Aggregats eine wirsame Kühlung erzielen. In der Ausführung als Wasser/Luft-Kühler wird Luft, die innerhalb des Aggregats umgewälzt wird, durch das kältere Wasser abgekühlt. Das Wasser kann in einem geschlossenen Kreislauf fließen und dabei gekühlt werden. Falls am Einsatzort Wasser zur Verfügung steht, kann solches auch angesaugt und nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher wieder abgelassen werden.
Der Bohrkopf-Antrieb bzw. die Motoren desselben können mit einer direktwirkenden Wasserkühlung versehen sein, wenn eine Selbstkühlung bei kleinen Drehzahlen nicht ausreicht.
Dank der Umschaltbarkeit des Bohrkopf-Antriebs vom Umrichterbetrieb auf unmittelbaren Netzbetrieb und umgekehrt kann beim Auftreten einer Störung, z. B. in der Regelelektronik oder an Umrichterbauteilen, der Betrieb der Maschine dadurch aufrechterhalten werden, daß die Motoren unmittelbar vom Netz her versorgt werden. Wenn die Motoren des Bohrkopf-Antriebs als polumschaltbare Drehstrom-Kurzschlußläufermotoren ausgebildet sind, wie es die Erfindung insbesondere vorsieht, kann dann sogar noch mit verschiedenen Drehzahlen gearbeitet werden, wodurch sich die Verfügbarkeit der Anlage erhöht.
Weist der Bohrkopf-Antrieb mehrere Motoren auf, wie es zweckmäßig ist, so werden diese parallel arbeitenden Motoren vorzugsweise von einem gemeinsamen Umrichter in Sammelschienenspeisung versorgt. Die Motoren können in üblicher Weise mechanisch untereinander gekuppelt sein. Es ergibt sich dabei eine problemlose Lastverteilung der Antriebe untereinander. Es fällt jedoch auch in den Rahmen der Erfindung, bei mehreren Motoren jeden derselben einzeln zu versorgen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines Ausführungsbeispieles, aus der zugehörigen Zeichnung und aus den Ansprüchen. Es zeigen :

Figur 1 eine Tunnelbohrmaschine mit elektrischem Bohrkopf-Antrieb und
Figur 2 eine Einrichtung zur Versorgung der Motoren der Tunnelbohrmaschine nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 gezeigte Tunnelbohrmaschine 1 weist einen Maschinenkörper 2 auf, auch Innenkelly genannt, an dessen vorderem Ende ein mit Schneidrollen 4 od. dgl. bestückter Bohrkopf 3 drehbar gelagert ist. Dieser wird von vier parallel arbeitenden Drehstrom-Asynchron-Motoren 5, insbesondere polumschaltbaren Motoren, über ein mechanisches Getriebe 6 und eine von diesem ausgehende, im Inneren des Maschi- .nenkörpers 2 verlaufende Welle, die in Fig. 2 bei der Ziffer 7 angedeutet ist, angetrieben. Die Motoren 5 sind mit einer direktwirkenden Wasserkühlung ausgestattet. In Fig. 2 sind die Kühlkreisläufe schematisch bei der Ziffer 25 angedeutet.
Die Tunnelbohrmaschine 1 enthält außerdem eine Verspanneinrichtung 8, auch Außenkelly genannt, die zwei Gruppen von je vier gegen die Wandung des aufgefahrenen Tunnels andrückbaren Spannschiiden 9 aufweist. Ebenso wie die Verspanneinrichtung können auch hier nicht näher erläuterte andere Teile der Tunnelbohrmaschine in üblicher Weise ausgebildet sein. Ein mit . der Maschine durch Zugstangen 10 od. dgl. gekuppelter Nachläufer 11 weist einen Steuerstand 12 und an diesen anschließend die in Fig. 2 wiedergegebenen Teile und Aggregate zur Speisung der Antriebsmotoren 5 auf, wie nachstehend erläutert wird.
Wegen der meist großen Länge der aufzufahrenden Tunnel oder Strecken ist eine Hochspannungsversorgung oder Mittelspannungsversorgung zweckmäßig, z. B. mit 6 kV, 50 Hz. Diese Energie kann von einer nicht dargestellten Station über ein auf einer Trommel aufwickelbares Kabel einem Versorgungstransformator zugeführt werden, der zweckmäßig als Drehstrom-Trockentrafo ausgebildet und z. B. für eine Typenieistuhg von 500 kVA ausgelegt ist, wobei die Niederspannung, die über ein Versorgungskabel 13 einem gekapselten, z. B. in Schutzart IP 54 oder IP 65 ausgeführten Drehstrom-Schaltschrank 14 zugeführt wird, z. B. 500 V oder 380 V betragen kann. Im Eingang des Schaltschrankes 14 ist ein Leistungsschalter 15 für den gesamten nachfolgenden Teil der Anlage vorgesehen.
Von einem Ausgang des Drehstrom-Schaltschrankes 14 führt ein Kabel 16 zu einem Schaltschrank 17, der in Form und Schutzart ebenfalls den Raum- und Umweltbedingungen des Tunnelbaues angepaßt ist, namentlich spritzwassergeschützt und staubdicht ausgeführt ist (z. B. IP 65), und der einen Umrichter sowie elektronische Regelgeräte zur Versorgung und Regelung der Antriebsmotoren 5 enthält. Zum Abführen der Wärme ist der Schaltschrank 17 mit einem Wärmetauscher in Form eines Wasser/Luft-Kühters 18 ausgestattet. Das Wasser wird ständig gekühlt oder als kaltes Frischwasser der Umgebung entnommen und kühlt seinerseits beim Druchfluß durch ein Rohrschlangensystem 19 die Luft, die im Inneren des Schaltschrankes 17 durch einen Ventilator od. dgl. umgewälzt wird. Eine für den Umrichtebetrieb vorgesehene Zwischenkreisdrossel 20 ist als gesonderte Einheit vor dem Schaltschrank 17 aufgestellt und mit diesem durch ein Kabel verbunden. Sie ist vorteilhaft als Gießharzdrossel ausgebildet. Ihre Wärme wird durch Konvektion abgeführt.
Die Wirkungsweise des Umrichters zur stufenlosen Drehzahl-Verstellung der Drehstrommotoren beruht auf dem Prinzip der Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung von gewünschter Frequenz und Höhe. Die Gleichspannung wird ihrerseits im Umrichter des Schrankes 17 aus der vom Schaltschrank 14 zugeführten Wechselspannung erzeugt. Der Umrichter arbeitet dabei als Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom.
Im Schaltschrank 17 ist ein Schaltfeld 21 vorgesehen, von dem aus Kabel 22 zu den Antriebsmotoren 5 führen, die nach dem Prinzip der Sammelschienenspeisung versorgt werden. In das Schaltfeld 21 ist außerdem noch ein Kabel 23 eingeführt, das unmittelbar von einem zweiten Ausgang des Drehstrom-Schaltschrankes 14 herangeführt ist. Die im Schaltfeld 21 vorgesehenen Geräte sind so ausgebildet, daß die Antriebsmotoren 5 durch einen Umschaltvorgang wahlweise entweder vom Umrichter im Schaltschrank 17 oder unmittelbar vom Drehstromnetz aus dem Schaltschrank 14 gespeist werden können.
Sind die im Schaltfeld 21 vorgesehenen Umschalter auf « Umrichterbetrieb » geschaltet, können die vier Antriebsmotoren 5 mit Befehl « start gemeinsam bis auf eine an einem nicht gezeigten Sollwertsteller eingestellte Drehzahl stoßfrei hochgefahren werden. An diesem Sollwertsteller ist die Antriebsdrehzahl stufenlos von z. B. 1500 U/min bis 150 U/min einstellbar. Das maximale Drehmoment des Bohrkopfes 3 wird durch eine Strombegrenzung im Umrichter limitiert. Bei Erreichen dieses Drehmoments kann durch ein nicht wiedergegebenes Gerät ein akustisches und/oder optisches Signal gegeben werden. Nach Überschreitung dieses Drehmoments läßt sich selbsttätig ein Stillsetzen des Antriebs auslösen. Nach Rücknahme des Vorschubes der Maschine und Quittieren des Signals kann der Bohrkopf erneut angefahren werden:
Weil alle Antriebsmotoren 5 mit ihrem Ritzel über einen Zahnkranz im Getriebe 6 mechanisch miteinander verbunden sind, werden die vier Motoren 5 von dem einen vorgesehenen Umrichter mit der erforderlichen Summenleistung im Parallelbetrieb versorgt.
Die zweite mögliche Betriebsweise der Einrichtung ergibt sich, wenn die im Schaltfeld 21 vorgesehenen Umschalter auf « Netzbetrieb 'geschaltet werden. Dann erfolgt die Versorgung der Motoren 5 unmittelbar vom Drehstromteil im Schaltschrank 14 aus, in dem sich auch die erforderlichen Schütze für diesen Netzbetrieb befinden. Es können dann die Antriebsmotoren 5 nacheinander eingeschaltet werden. Handelt es sich bei der vorteilhaften Ausführung um polumschaltbare Motoren, kann die gewünschte Drehzahl an einem Wahlschalter 24 am Schaltschrank 14 vorgewählt werden. Das Betriebsdrehmoment wird an einem Instrument angezeigt.
Diese Umschaltmöglichkeit kann grundsätzlich von Nutzen sein und ist dann besonders vorteilhaft, wenn im Umrichterteil 17 eine Störung auftritt. Der Bedienungsmann der Maschine ist dann sofort in der Lage, durch Betätigen der Umschalter im Schaltfeld 21 die Versorgung der Antriebsmotoren 5 auf Netzbetrieb umzustellen. Dazu sind keinerlei elektrische Eingriffe erforderlich. Die Maschine ist sogleich wieder betriebsbereit.

Claims

1. Elektrische Antriebseinrichtung für den Bohrkopf oder einen ähnlichen, eine drehende Arbeitsbewegung ausführenden Teil einer Vortriebsmaschine für Tunnel, Strecken od. dgl., namentlich Tunnelbohrmaschine, wobei die Drehzahl des elektrischen Bohrkopf-Antriebs (ein Motor oder insbesondere mehrere mechanisch zum Parallelbetrieb gekuppelte Elektromotoren) stufenlos einstellbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :

der Bohrkopf-Antrieb enthält wenigstens einen Drehstrom-Asynchron-Motor (5),

zur Versorgung des Motors (5) ist ein der Vortriebsmaschine (1) zugeordneter Umrichter mit Regeleinrichtung vorgesehen, mittels dessen der Bohrkopf-Antrieb mit Strom von veränderbarer Frequenz zu speisen ist,

der Umrichter ist in einer den Einsatzbedingungen entsprechenden hohen Schutzart ausgeführt,

eine für den Umrichtebetrieb vorgesehene Zwischenkreisdrossel (20) ist räumlich für sich getrennt von einem den Umrichter enthaltenden Schaltschrank (17) angeordnet,

zur Abfuhr von Wärme von wenigstens einem Teil der Einrichtung ist ein als Wasser/Luft-Kühler ausgebildeter Wärmetauscher (18) vorgesehen,

es ist eine Umschalteinrichtung (21) vorgesehen, mittels derer der Bohrkopf-Antrieb (5) von Umrichterbetrieb auf unmittelbaren Netzbetrieb und umgekehrt schaltbar ist.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Böhrkopf-Antrieb (5) mit einer direktwirkenden Wasserkühlung (25) versehen ist.

3. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Motoren (5) des Bohrkopf-Antriebs polumschaltbare Drehstrom-Kurzschlußläufermotoren sind.