WO2016025971A1 - Verfahren zum anfahren eines triebstranges und antrieb hierfür - Google Patents

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Definitions

  • the core of a differential system is a differential gear, which can be a simple planetary gear stage with three inputs and outputs in a simple design, with a downforce with a
  • the base speed (T) in Fig. 2) is that speed of the output of the differential gear 3, wherein the differential drive 5 the
  • the engine brake 13 can also be used to control the engine brake 13
  • the differential drive 5 is preferably accelerated to a speed which is within its control speed range.
  • the speed of the differential drive 5 may also be above its control speed range before synchronization, but the differential drive 5 can then apply only a lower braking torque to accelerate the work machine 1.
  • any type of coupling can be used.
  • any type of coupling can be used.
  • a visco-coupling is e.g. used in the drive train of motor vehicles. In principle, it transmits in its interior a rotary motion over one

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Abstract

Bei einem Verfahren und einem Antrieb zum Anfahren eines Triebstranges mit einer Arbeitsmaschine (1), einer mit einem Stromnetz (12) verbundenen Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine (1), ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, wird die Antriebsmaschine (4) auf eine Betriebsdrehzahl beschleunigt, während eine mit dem Differenzialantrieb (5) verbundene Welle (14) vom zweiten Antrieb getrennt ist. Die Arbeitsmaschine (1) wird beschleunigt, indem die Drehzahl des bis dahin ungebremsten zweiten Antriebs mittels einer Synchronisationseinrichtung (15) mit der mit dem Differenzialantrieb (5) verbundenen Welle (14) synchronisiert wird.

Description

Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges und Antrieb hierfür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges mit einer Arbeitsmaschine, einer Antriebsmaschine und mit einem
Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Antrieb zum Ausführen eines solchen Verfahrens mit einer Arbeitsmaschine, einer Antriebsmaschine und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine, ein Antrieb mit der
Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist.
Eine immer häufiger gestellte Anforderung an Arbeitsmaschinen, wie Fördereinrichtungen (z.B. Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren und Förderbänder), oder wie Mühlen, Brecher usw., für welche die Erfindung besonders geeignet ist, ist ein effizienter drehzahlvariabler Betrieb, bzw. das Anfahren unter Last. Dies wird von z.B. netzgekoppelten elektrischen Maschinen, aber auch von Verbrennungskraftmaschinen kaum erfüllt, da diese meist ein geringes Anfahrmoment und eine fixe
Drehzahl bzw. einen eingeschränkten Drehzahlbereich haben und
Verbrennungskraftmaschinen darüber hinaus unter Last schwer
hochstarten können.
Im Weiteren werden vor allem elektrische Maschinen als Beispiel für Antriebsmaschinen herangezogen, das erfindungsgemäße Prinzip ist aber für alle möglichen Arten von Antriebsmaschinen, so wie z.B. auch für Verbrennungskraftmaschinen, einsetzbar .
Die heute am häufigsten eingesetzten elektrischen Antriebe sind
Drehstrommaschinen, wie z.B. Asynchronmotoren und Synchronmotoren. Trotz hoher elektrischer Leistungsaufnahme sind Drehstrommaschinen bei Stillstand nicht im Stande, diese Leistung vollständig mechanisch abzugeben, was sich in hohen Verlusten und einem geringen Anfahrmoment wiederspiegelt. Dabei zieht eine Drehstrommaschine beim Start von Drehzahl Null aus typischerweise einen etwa 7- bis 10-fachen Nennstrom, was während des Anfahrvorganges eine entsprechend hohe elektrische Last für das Stromnetz verursacht.
Elektrische Maschinen werden daher teilweise auch aus diesem Grund, anstatt direkt an ein Netz angeschlossen zu werden, häufig in
Kombination mit einem Frequenzumrichter als drehzahlvariabler Antrieb ausgeführt. Damit kann man zwar ein Anfahren von Drehzahl Null realisieren, ohne das Netz zu belasten, bzw. einen drehzahlvariablen Betrieb eines Antriebssystems realisieren, die Lösung ist jedoch teuer und mit wesentlichen Wirkungsgradeinbußen verbunden. Eine im Vergleich dazu kostengünstigere und auch bezüglich Wirkungsgrad bessere
Alternative ist der Einsatz von Differenzialsystemen - beispielsweise gemäß AT 507394 A. Grundsätzliche Einschränkung hierbei ist jedoch, dass abhängig vom Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes nur ein relativ kleiner Drehzahlbereich an der Antriebswelle einer
Arbeitsmaschine erreicht werden kann.
Um dies zu umgehen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß
deutschem Gebrauchsmuster DE 20 2012 101 708 U beispielsweise wird das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festgelegt. Auf dieser Basis kann man mit dem Differenzialantrieb den kompletten Triebstrang antreiben bzw. die Antriebsmaschine auf Synchrondrehzahl bringen und diese in weiterer Folge mit dem Netz synchronisieren.
Nachteil dieser Lösung ist, dass der Differenzialantrieb bzw. dessen Frequenzumrichter wesentlich kleiner als die Antriebsmaschine
dimensioniert ist und daher auch nur ein entsprechend kleines
Drehmoment liefern kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, mit der man Antriebsmaschinen frei von äußeren Lasten mit einem Netz verbinden und zusätzlich die Arbeitsmaschine von Drehzahl Null weg anfahren kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Gelöst wird diese Aufgabe des Weiteren mit einem Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Der Kern eines Differenzialsystems ist ein Differenzialgetriebe, das in einer einfachen Ausführung eine einfache Planetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben sein kann, wobei ein Abtrieb mit einer
Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit einer Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist. Damit kann die Arbeitsmaschine bei konstanter Drehzahl, bzw. im Falle einer Verbrennungskraftmaschine mit eingeschränktem Drehzahlbereich oder optimaler Drehzahl, drehzahlvariabel betrieben werden, indem der Differenzialantrieb die entstehende Drehzahldifferenz ausgleicht.
Um die Antriebsmaschine vom Stillstand aus vorzugsweise auf
Synchrondrehzahl hochzufahren und zusätzlich die Arbeitsmaschine mit hohem Drehmoment von Drehzahl Null anzufahren, kann das Anlaufen erfindungsgemäß wie folgt in z.B. drei Phasen stattfinden:
Phase 1: Die Antriebsmaschine wird entweder direkt (vorzugsweise mit sogenannter Stern/Dreieck-Schaltung, Dämpferwicklungen, einem
Thyristorsteller, Anfahrtransformatoren, etc.) ans Netz geschaltet oder alternativ (in einer besonders netzschonenden Methode) zuerst mit einer zusätzlichen Einrichtung (z.B. mittels parallel geschaltetem Frequenzumrichter) hochgefahren und anschließend mit dem Netz
synchronisiert und verbunden. Im Falle einer Verbrennungskraftmaschine wird diese gestartet und hochgefahren bzw. mit dem Differenzialantrieb gestartet (im Bedarfsfall mit einer auf die Arbeitsmaschine wirkenden Rücklaufsperre oder Bremse) .
Phase 2: Sobald die Antriebsmaschine mit dem Netz synchronisiert bzw. in ihrem Betriebsdrehzahlbereich ist, wird der Di fferenzialantrieb vorzugsweise auf eine maximal mögliche Drehzahl beschleunigt.
Phase 3: Da jetzt das volle Drehmoment der Antriebsmaschine zur
Verfügung steht und die Drehzahldifferenz zwischen zweitem Antrieb und Differenzialantrieb ein auslegungsspezifisches Minimum erreicht hat, beginnt in dieser dritten Phase der Anfahrvorgang der Arbeitsmaschine, indem der bis dahin ungebremste zweite Antrieb des
Differenzialgetriebes mittels einer Synchronisationseinrichtung, insbesondere einer Synchronisationskupplung, mit dem
Differenzialantrieb synchronisiert bzw. verbunden wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche .
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die angeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Antrieb einer
Pumpe gemäß Stand der Technik,
Fig. 2 die Drehzahl- und Leistungsparameter eines Differenzialsystems einer Pumpe,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Aus führungs form eines
Di fferenzialsystems ,
Fig. 4 die sich daraus ergebenden Drehzahlparameter eines
Differenzialsystems beim Anlaufen einer Pumpe.
Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Differenzialsystems für einen
Triebstrang am Beispiel einer Pumpe. Dabei ist die Arbeitsmaschine 1 der Rotor einer Pumpe, welcher über ein Differenzialgetriebe 3 von einer Antriebsmaschine 4 angetrieben wird. Die Antriebsmaschine 4 ist vorzugsweise eine Mittelspannungs-Drehstrommaschine, welche an ein Netz 12, welches im gezeigten Beispiel aufgrund der Mittelspannungs- Drehstrommaschine ein Mittelspannungsnetz ist, angeschlossen wird. Das gewählte Spannungsniveau hängt jedoch vom Einsatzfall und vor allem dem Leistungsniveau der Antriebsmaschine 4 ab und kann ohne Einfluss auf die Grundfunktion des Systems jedes gewünschte Spannungsniveau haben. Entsprechend der Polpaarzahl der Antriebsmaschine 4 ergibt sich ein bauartspezifischer Betriebsdrehzahlbereich. Der
Betriebsdrehzahlbereich ist dabei jener Drehzahlbereich, in dem die Antriebsmaschine 4 ein definiertes bzw. gewünschtes bzw.
erforderliches Drehmoment liefern kann bzw. im Falle einer
elektrischen Antriebsmaschine am Netz 12 betrieben werden kann. Ein Planetenträger 7 ist mit der Antriebswelle 2 verbunden, die
Antriebsmaschine 4 mit einem Hohlrad 8 und ein Sonnenrad 9 des
Differenzialgetriebes 3 mit einem Differenzialantrieb 5. Der Kern des Differenzialsystems ist in dieser Ausführungsform somit eine einfache Planetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine 1, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine 4 und ein zweiter Antrieb mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden ist.
Um den Drehzahlbereich des Di fferenzialantriebes 5 optimal anpassen zu können, kann ein Anpassungsgetriebe 10 zwischen dem Sonnenrad 9 und dem Differenzialantrieb 5 implementiert werden. Alternativ zur gezeigten Stirnradstufe kann das Anpassungsgetriebe 10 beispielsweise auch mehrstufig sein bzw. als Zahnriemen oder Kettentrieb ausgeführt und/oder mit einer oder mehreren Planetengetriebestufen kombiniert bzw. ausgeführt werden. Mit dem Anpassungsgetriebe 10 kann man darüber hinaus einen Achsversatz für den Differenzialantrieb 5 realisieren, der aufgrund der beispielhaft gezeigten koaxialen Anordnung der
Arbeitsmaschine 1 und der Antriebsmaschine 4 eine einfache Ausführung des Differenzialantriebes 5 ermöglicht. Mit dem Differenzialantrieb 5 ist eine Motorbremse 13 verbunden, welche den Differenzialantrieb 5 bei Bedarf bremst. Elektrisch ist der Differenzialantrieb 5 mittels vorzugsweise eines Niederspannungs-Frequenzumrichters , bestehend aus einem motorseitigen Wechselrichter 6a und einem netzseitigen
Wechselrichter 6b, und einem Transformator 11 an das Netz 12
angebunden. Der Transformator gleicht allfällige vorhandene
Spannungsdifferenzen zwischen dem Netz 12 und dem netzseitigen
Wechselrichter 6b aus und kann bei Spannungsgleichheit zwischen der Antriebsmaschine 4, dem netzseitigen Wechselrichter 6b und dem Netz 12 entfallen. Die Wechselrichter 6a und 6b sind durch einen
Gleichstromzwischenkreis verbunden und können bei Bedarf örtlich getrennt sein, wobei vorzugsweise der motorseitige Wechselrichter 6a so nah wie möglich beim Di fferenzialantrieb 5 positioniert ist.
Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Antriebsmaschine 4 direkt, das heißt ohne aufwändige Leistungselektronik, an ein Netz 12 angebunden werden kann. Der Ausgleich zwischen variabler Rotordrehzahl und fixer Drehzahl der netzgebundenen Antriebsmaschine 4 wird durch den drehzahlvariablen Differenzialantrieb 5 realisiert. Die Drehmomentgleichung für das Differenzialsystem lautet: DrehmomentDifferenziaiantrieb = DrehmomentArbeitsmaschine * y / X wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für die Übersetzungsverhältnisse im Differenzialgetriebe 3 und im Anpassungsgetriebe 10 ist. Entsprechend proportional verhalten sich auch die Drehmomente an den drei An- bzw. Abtrieben. Die Leistung des Differenzialantriebs 5 entspricht im Wesentlichen dem Produkt aus prozentueller Abweichung der
Pumpendrehzahl von deren Grunddrehzahl x Arbeitsmaschinen-Leistung. Die Grunddrehzahl („T" in Fig. 2) ist jene Drehzahl des Abtriebes des Differenzialgetriebes 3, bei der der Differenzialantrieb 5 die
Drehzahl Null hat. Dementsprechend erfordert ein großer
Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzialantriebs 5. Darin ist auch der Grund zu sehen, warum Differenzialsysteme für kleine Drehzahlbereiche besonders gut geeignet sind, wobei aber grundsätzlich jeder Drehzahlbereich realisierbar ist.
Ein Differenzialantrieb 5 für eine Pumpe als Arbeitsmaschine 1 hat beispielsweise eine Leistung von rund 15% der System-Gesamtleistung. Das wiederum bedeutet, dass mit dem Differenzialsystem keine niedrigen Drehzahlen an der Arbeitsmaschine 1 realisiert werden können. Muss die Arbeitsmaschine 1 von Drehzahl Null in ihren Arbeitsdrehzahlbereich (dies ist der Drehzahlbereich, in dem die Arbeitsmaschine 1 im
Wesentlichen arbeitet) gebracht werden, so kann dies realisiert werden, indem z.B. der Differenzialantrieb 5 eingebremst (entweder elektrisch oder mittels Motorbremse 13) und die Antriebsmaschine 4 an das Netz geschaltet wird. Die Antriebsmaschine 4 wiederum kann aus dem Stand das erforderliche Drehmoment nur schwer aufbringen, bzw. zieht sie einen bis zu 10-fachen Nennstrom, um annähernd auf
Synchrondrehzahl zu beschleunigen. Durch Einsatz einer sogenannten Stern/Dreieck-Schaltung kann man zwar den Hochfahrstrom reduzieren, reduziert damit jedoch auch das realisierbare Hochfahrmoment.
Die Motorbremse 13 kann auch dazu verwendet werden, den
Differenzialantrieb 5 vor Überdrehzahl zu schützen, wenn z. B. die
Antriebsmaschine 4 und der Differenzialantrieb 5 ausfallen und in weiterer Folge die Arbeitsmaschine 1 anhält oder gegen ihre Arbeitsdrehrichtung dreht. Die Arbeitsdrehrichtung ist dabei jene Drehrichtung, in die die Arbeitsmaschine 1 bestimmungsgemäß bzw.
üblicherweise dreht.
Der Differenzialantrieb 5 ist hier als Drehstrommaschine beschrieben. Hierbei bieten sich mehrere Varianten an, wie z.B. die robusten und kostengünstigen Asynchronmaschinen und die fremd- oder
permanenterregten Synchronmaschinen. Letztere sind zwar üblicherweise etwas teurer, haben jedoch einen besseren Wirkungsgrad und können kleiner bzw. leichter gebaut werden.
Anstelle des Differenzialantriebes 5 und des Wechselrichters 6a, 6b kann auch ein hydrostatisches Stellgetriebe eingesetzt werden. Dabei wird der Differenzialantrieb 5 durch eine hydrostatische Pumpe/Motor- Kombination ersetzt, welche mit einer Druckleitung verbunden und welche beide vorzugsweise im Durchflussvolumen verstellbar sind. Damit sind wie im Falle eines drehzahlvariablen elektrischen
Differenzialantriebes die Drehzahlen regelbar. Dies gilt analog auch für den Einsatz von hydrodynamischen Wandlern als Differenzialantrieb 5.
Fig. 2 zeigt die Drehzahl- und Leistungsparameter eines
Differenzialsystems am Beispiel einer Pumpe. Die Darstellung zeigt Leistungs- und Drehzahlwerte für eine Arbeitsmaschine 1, eine
Antriebsmaschine 4 und einen Differenzialantrieb 5, jeweils
aufgetragen über der Drehzahl der Arbeitsmaschine 1
(„Pumpendrehzahl") . Die Antriebsmaschine 4 ist mit dem Netz 12 verbunden und damit ist ihre Drehzahl („Motordrehzahl") konstant - in dem gezeigten Beispiel ca. 1.500 1/min für eine vierpolige
Drehstrommaschine in einem 50 Hz-Netz. Der Arbeitsdrehzahlbereich für die Arbeitsmaschine 1 geht von 68 % bis 100 %, wobei bei 100 % der gewählte Nennpunkt ist. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3 und des Anpassungsgetriebes 10 geht die
Drehzahl des Differenzialantriebes 5 („Servodrehzahl" ) von -2.000 1/min bis 1.500 1/min. Dies bedeutet, dass der Differenzialantrieb 5 generatorisch (-) und motorisch (+) betrieben wird. Da die maximal erforderliche Leistung des Differenzialantriebes 5 („Servoleistung" ) im generatorischen (-) Bereich (ca. 110kW) geringer als die im motorischen {+) Bereich (ca. 160kW) ist, kann der Differenzialantrieb 5 im generatorischen (-) Bereich im sogenannten Feldschwächebereich betrieben werden, womit für den Differenzialantrieb 5 eine höhere Drehzahl - jedoch mit reduziertem Drehmoment - realisierbar ist. Damit kann auf einfache Weise der Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 erweitert werden. Der Punkt „T" in Fig. 2 markiert die sogenannte „Grunddrehzahl" der Arbeitsmaschine 1, bei der die Drehzahl des
Differenzialantriebes 5 gleich Null ist.
Im motorischen (+) Bereich des Kennfeldes wird die Arbeitsmaschine 1 parallel von der Antriebsmaschine 4 und dem Differenzialantrieb 5 angetrieben. Die Summe beider Leistungen ist die Antriebsleistung für die Arbeitsmaschine 1 („Systemleistung") - abzüglich anfallender Systemverluste. Im generatorischen (-) Bereich muss die
Antriebsmaschine 4 die Leistung des Differenzialantriebes 5
(„Servoleistung") kompensieren, wodurch die Systemgesamtleistung („Systemleistung") die Antriebsleistung der Antriebsmaschine 4
(„Motorleistung") abzüglich der Leistung des Differenzialantriebes 5 ist. D.h., dass wirkungsgradmäßig der motorische (+) Bereich besser ist. Dies passt sehr gut zur dargestellten beispielhaften
Häufigkeitsverteilung („Wahrscheinlichkeit") der Lastverteilung im Dauerbetrieb der Anlage, welche einen Großteil der Betriebsdauer im motorischen (+) Bereich zeigt. Betriebsbedingt ist jedoch auch ein Betrieb bei kleineren Pumpendrehzahlen möglich, wobei hier die anteilige Verweildauer mit abnehmender Pumpendrehzahl stark abnimmt.
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass, umso näher die Pumpendrehzahl („Pumpendrehzahl") bei der Grunddrehzahl „T" liegt, umso kleiner der Leistungsfluss über den Differenzialantrieb 5 und somit auch der Systemgesamtwirkungsgrad sehr hoch ist. Da mit zunehmender
Pumpendrehzahl auch die erforderliche Antriebsleistung steigt, kann jedoch im Vergleich zu einem Antrieb gemäß Stand der Technik durch den parallelen Antrieb der Antriebsmaschine 4 und des
Differenzialantriebes 5 die erforderliche Leistung der
Antriebsmaschine 4 um die Leistung des Differenzialantriebes 5 reduziert, bzw. bei vorhandener Antriebsmaschine 4 die Systemgesamtleistung um die Leistung des Differenzialantriebes 5 erhöht werden.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines
Differenzialsystems . Der gezeigte Triebstrang weist auch hier wie in Fig. 1 eine Arbeitsmaschine 1, ein Differenzialgetriebe 3, eine
Antriebsmaschine 4 und einen Differenzialantrieb 5 auf, welcher mittels eines Frequenzumrichters 6 (bestehend aus motorseitigem und netzseitigem Wechselrichter - hier vereinfacht als Einheit
dargestellt) und eines Transformators 11 an das Netz 12 angeschlossen ist. Auch hier wird der Differenzialantrieb 5 mittels eines
Anpassungsgetriebes 10 an das Differenzialgetriebe 3 angebunden.
Zusätzlich wird jedoch zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb des Differenzialgetriebes 3 eine Synchronisationseinrichtung,
insbesondere eine Synchronisationskupplung 15, implementiert.
Als Arbeitsmaschine 1 ist auch hier beispielhaft eine Pumpe
dargestellt. Das hier beschriebene Konzept ist jedoch auch bei
Antrieben für Arbeitsmaschinen, wie z.B. Kompressoren, Ventilatoren und Förderbänder, Mühlen, Brecher, etc., oder Energiegewinnungsanlagen und dergleichen anwendbar.
Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems bei einer
Energiegewinnungsanlage arbeitet die Antriebsmaschine 1 im
Wesentlichen im generatorischen Betrieb und demzufolge dreht sich der Leistungsfluss im gesamten Antrieb im Vergleich zur Darstellung in Fig. 2 um.
Beim Anfahren wird in dieser Aus führungs form der Erfindung in einem ersten Schritt der Differenzialantrieb 5 mit dem Anpassungsgetriebe 10 durch die Synchronisationskupplung 15 vom Rest des Triebstranges entkoppelt. Wird nun die Antriebsmaschine 4 hochgefahren und mit dem Netz verbunden, so dreht das Sonnenrad 9 frei mit und es kann sich im gesamten Triebstrang kein nennenswertes Drehmoment aufbauen. Somit verbleibt die Arbeitsmaschine 1 in einem Bereich kleiner Drehzahl und die Antriebsmaschine 4 kann ohne nennenswertes äußeres Gegenmoment hochgefahren und mit dem Netz 12 synchronisiert und verbunden werden. Um ein allfälliges Drehen der Arbeitsmaschine 1 gegen deren Arbeitsdrehrichtung zu verhindern, kann vorzugsweise eine auf die Arbeitsmaschine 1 wirkende Rücklaufsperre bzw. alternativ z.B. eine Bremse implementiert werden.
Um den oben beschriebenen Effekt des hohen Anfahrstromes beim
Synchronisieren der Antriebsmaschine 4 zu vermeiden, können entweder eine Stern/Dreieck-Schaltung, ein sogenannter Sanftanlauf (mit z.B. sogenannten phasenanschnittgesteuerten Thyristoren) , eine
Dämpferwicklung oder ein Anfahrtransformator, etc. implementiert werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Antriebsmaschine 4 durch einen mit der Antriebsmaschine 4 verbundenen „Hilfsantrieb" 2 auf (annähernd) Synchrondrehzahl gebracht und anschließend mit dem Netz 12 synchronisiert und verbunden werden.
Dabei verbleibt im Falle einer Asynchronmaschine eine im Vergleich zu einem Startverfahren von Drehzahl Null weg wesentlich geringere
Einschaltstromspitze. Vor allem beträgt die Dauer dieser
Einschaltstromspitze nur wenige Netzperioden. Maßnahmen, um diesen verbleibenden Einschaltstrom zu reduzieren, sind beispielsweise ein kleiner Trenntrafo zum Vormagnetisieren über einen Bypass, oder ein sogenannter Thyristorsteller mit geringer Leistung. Das beschriebene Problem des Einschaltstromes stellt sich nicht bei z.B. fremderregten Synchrongeneratoren, da diese eine Erregereinheit haben.
Der Hilfsantrieb 2, sofern dieser als z.B. eine Drehstrommaschine oder als integrierte ( Zusatz- ) Wicklung der Antriebsmaschine 4 ausgeführt ist, kann bei Bedarf auch vom Frequenzumrichter 6 angetrieben werden, welcher zu diesem Zweck vom Differenzialantrieb 5 getrennt und mit dem Hilfsantrieb 2 zu einem drehzahlvariablen Antrieb verbunden wird.
Sobald die Antriebsmaschine 4 am Netz ist, wird der Frequenzumrichter 6 wieder mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden.
Eine Verbesserung erzielt man z.B. auch, indem man anfangs die
Synchronisationskupplung nicht öffnet und der Differenzialantrieb 5 zu Beginn des Anfahrprozesses auf seine maximal mögliche Betriebsdrehzahl gebracht wird. Aufgrund äußerer Lasten verbleibt währenddessen die Arbeitsmaschine 1 in einem Bereich kleiner Drehzahl bzw. wird eine Drehung der Arbeitsmaschine 1 entgegen ihre Arbeitsdrehrichtung bei Bedarf mittels einer Rücklaufsperre bzw. alternativ z.B. mittels einer Bremse verhindert. Dadurch wird die Antriebsmaschine 4 auf eine
Drehzahl gebracht, welche sich entsprechend der Drehzahl der
Arbeitsmaschine 1 einerseits und dem Übersetzungsverhältnis des
Differenzialgetriebes 3 und eines evtl. vorhandenen
Anpassungsgetriebes 10 andererseits einstellt. Anschließend wird die Synchronisationskupplung 15 geöffnet, während die Antriebsmaschine 4 ans Netz 12 geschaltet wird.
Eine weitere vorteilhafte Anfahrmethode ist, bei anfangs
stillstehendem Gesamtsystem eine Antriebsmaschine an ein Netz zu schalten und parallel dazu einen Differenzialantrieb so zu betreiben, dass vorzugsweise eine minimale, im Differenzialmodus realisierbare Betriebsdrehzahl einer Arbeitsmaschine erreicht wird, sobald die
Antriebsmaschine mit dem Netz verbunden ist. Wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist ein sehr hoher Anfahrstrom der Antriebsmaschine, welcher vorzugsweise durch zusätzliche Anlaufhilfen (z.B.
Dämpferwicklungen, Thyristorsteller, Stern/Dreieckschaltung,
Anfahrtransformatoren, etc.) reduziert werden kann.
Eine alternative Methode zur stoßfreien Netzsynchronisation der elektrischen Antriebsmaschine 4 wäre in diesem Fall, bei geöffneter Synchronisationskupplung 15 einerseits den Frequenzumrichter 6 vom Differenzialantrieb 5 und andererseits die Antriebsmaschine 4 vom Netz 12 zu trennen. In weiterer Folge kann man die Antriebsmaschine 4 mit dem Frequenzumrichter 6 verbinden und damit die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 synchronisieren und verbinden. Damit kann die Antriebsmaschine 4 stoßfrei an ein Netz 12 geschaltet werden. Abschließend wird der Frequenzumrichter 6 von der Antriebsmaschine 4 getrennt und (wieder) mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden.
Sobald die Antriebsmaschine 4 hochfährt und die Arbeitsmaschine 1 sich währenddessen nicht oder nur langsam dreht, stellt sich am Sonnenrad 9 eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3 hohe Drehzahl ein, welche meist (unter Berücksichtigung des
Anpassungsgetriebes 10) über dem zulässigen Regeldrehzahlbereich des Differenzialantriebes 5 liegt. Der Regeldrehzahlbereich ist der
Drehzahlbereich, in dem der Differenzialantrieb 5 arbeitet, um den Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 realisieren zu können. Dazu werden die Übersetzungsverhältnisse des Differenzialgetriebes 3 und des Anpassungsgetriebes 10 vorzugsweise so gewählt, dass der Differenzialantrieb 5 elektrisch/mechanisch optimal ausgenutzt wird. Die elektrischen/mechanischen Grenzen werden dabei vor allem durch die vom Hersteller spezifizierten Spannungs-, Strom- und Drehzahlgrenzen bestimmt .
In dieser Phase ist der Differenzialantrieb 5 aufgrund der geöffneten Synchronisationskupplung 15 vom Sonnenrad 9 getrennt. In einem weiteren Schritt wird der Differenzialantrieb 5 bevorzugt auf seine maximal mögliche Drehzahl (entsprechend dem für das Anfahren der Arbeitsmaschine 1 erforderliche Drehmoment) beschleunigt, mit dem Ziel, die Drehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb des Differenzialgetriebes 3 zu minimieren.
Der Differenzialantrieb 5 wird dabei bevorzugt auf eine Drehzahl beschleunigt, die in seinem Regeldrehzahlbereich liegt. Die Drehzahl des Differenzialantriebs 5 kann vor dem Synchronisieren aber auch über seinem Regeldrehzahlbereich liegen, wobei der Differenzialantrieb 5 dann aber nur ein geringeres Bremsmoment aufbringen kann, um die Arbeitsmaschine 1 zu beschleunigen. Wenn das Bremsmoment des
Differenzialantriebs 5 (innerhalb und/oder außerhalb des
Regeldrehzahlbereichs) nicht ausreichend groß ist, um die
Arbeitsmaschine 1 mit ausreichender Sicherheit bzw. Reserven zu beschleunigen, kann zusätzlich eine auf die Welle 14 wirkende
mechanische, elektrische oder hydraulische Bremse, beispielsweise eine Motorbremse für den Differenzialantrieb (5) , vorgesehen sein.
In weiterer Folge wird die Synchronisationskupplung 15 geschlossen und damit die Drehzahl des bis dahin ungebremsten zweiten Antriebs des Differenzialgetriebes 3 mit der Drehzahl der Welle 14 synchronisiert. Nach Beendigung dieses Vorganges haben der zweite Antrieb des
Differenzialgetriebes 3 und die Welle 14 die gleiche Drehzahl und der Differenzialantrieb 5 arbeitet in seinem Regeldrehzahlbereich (und demzufolge die Arbeitsmaschine 1 in ihrem Arbeitsdrehzahlbereich) , da durch Betätigung der Synchronisationskupplung 15 die Arbeitsmaschine 1 zwangsläufig angefahren wird. Das dazu zur Verfügung stehende
Drehmoment wird durch das Minimum aus der auf die Arbeitsmaschine 1 wirkenden Bremskraft der Synchronisationskupplung 15, dem Kippmoment der Antriebsmaschine 4 und dem Kippmoment des Differenzialantriebes 5 bestimmt .
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anfahrmethode auch bei z.B. Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, was mitunter
erforderlich ist, weil diese im Teildrehzahlbereich nur ein Drehmoment erzeugen können, welches wesentlich geringer als ihr Nenndrehmoment ist. Dabei kann in einer ersten Phase die Verbrennungskraftmaschine mit dem Differenzialantrieb 5 gestartet werden. Dies erfolgt bei geschlossener Synchronisationskupplung 15 und indem man, sofern erforderlich, die Arbeitsmaschine 1 gegen ein Drehen entgegen ihrer Arbeitsdrehrichtung sperrt (mit z.B. Rücklaufsperre oder Bremse) .
Anschließend wird vorzugsweise die Synchronisationskupplung 15 wieder geöffnet und die Antriebsmaschine 4 in einen Drehzahlbereich mit ausreichendem Drehmoment (für das Anfahren der Arbeitsmaschine 1) beschleunigt. Im Anschluss daran wird, wie schon oben beschrieben, die Drehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb des Differenzialgetriebes 3 minimiert und in weiterer Folge die
Synchronisationskupplung 15 geschlossen und damit die Drehzahl des ungebremsten zweiten Antriebs des Differenzialgetriebes 3 mit der Drehzahl der Welle 14 synchronisiert.
Als Synchronisationskupplung 15 wird vorzugsweise eine kraftschlüssige Lamellenkupplung eingesetzt. Eine Lamellenkupplung (auch als
Reiblamellenkupplung bezeichnet) besteht aus wenigstens einer Innen- und einer Außenlamelle. Die Innenlamelle (n) ist (sind) mit einer Welle verzahnt und die Außenlamelle (n) wird (werden) von einem
innenverzahnten, rohrförmigen Träger aufgenommen. Um das zu
übertragende Drehmoment zu erhöhen, werden oft mehrere Innen- und Außenlamellen abwechselnd angeordnet, so dass bei gleicher
Betätigungskraft durch die größere Belagfläche höhere Momente
übertragen werden können. Charakteristisches Merkmal einer
Lamellenkupplung im Vergleich zu anderen Kupplungen, ist die Anordnung mehrerer Reibbeläge in Reihe. Dabei wirkt die gleiche Anpresskraft auf alle Reibpaare. Lamellenkupplungen sind unter Last schaltbar. Meistens sind diese in Öl laufend und überwiegend in hochbelasteten Haupt- oder Anfahrkupplungen oder in Sperrdifferenzialen im Einsatz.
Wird die Lamellenkupplung als sogenannte fail-safe-Kupplung
ausgeführt, dann wird sie z.B. gegen Federdruck oder Öldruck, etc. geschlossen. Der Vorteil ist, dass das System damit „fail-safe" ausgeführt werden kann. Dies bedeutet, dass bei Systemfehlern (z.B. Stromausfall, etc.) die Kupplung automatisch öffnet und damit der Differenzialantrieb 5 vor z.B. schädigender Überdrehzahl geschützt werden kann.
Die Synchronisationskupplung 15 muss für den Anfahrvorgang ausreichend gekühlt werden. Diese Kühlung kann z.B. in Kombination mit der Kühlung des Differenzialgetriebes ausgeführt werden.
Alternativ kann jedoch jede Art von Kupplung eingesetzt werden. Hier bieten sich z.B. sogenannte Visco-Kupplungen an. Eine Visco-Kupplung wird z.B. im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Im Prinzip überträgt sie in ihrem Inneren eine Drehbewegung über eine
kreisförmige Scheibe (Lamelle) an der Eingangsseite an ein Fluid, welches wiederum eine weitere Lamelle an der Ausgangsseite antreibt. Durch diese Bauform überträgt die Visco-Kupplung ein Drehmoment und ermöglicht einen Drehzahlausgleich. Je größer die
Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangslamelle ist, umso größer wird das Drehmoment, welches die Visco-Kupplung übertragen kann. Durch Drehzahlregelung des Differenzialantriebes 5 kann die Drehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb des Differenzialgetriebes 3 entsprechend dem gewünschten zu übertragenden Drehmoment geregelt werden.
Weiters kann durch Erhöhung der Anpresskraft zwischen den Lamellen der Visco-Kupplung einerseits das übertragbare Drehmoment geregelt bzw. die Visco-Kupplung gesperrt werden, womit diese in weiterer Folge die Drehbewegung des Differenzialantriebes 5 schlupffrei übertragen kann. Ein wesentlicher Vorteil einer Visco-Kupplung als
Synchronisationskupplung 15 ist deren Unempfindlichkeit bezüglich großer Drehzahldifferenz zwischen der Welle 14 und dem zweiten Antrieb des Differenzialgetriebes 3 und deren weitgehende Verschleißfreiheit.
Der Vollständigkeit halber sei hier noch erwähnt, dass bei vorhandener Synchronisationskupplung 15 die Motorbremse 13 entfallen kann, da im Falle einer für den Differenzialantrieb 5 drohenden Überdrehzahl die Synchronisationskupplung 15 einfach geöffnet und damit der
Differenzialantrieb 5 vom restlichen Triebstrang abgekoppelt wird und auslaufen kann.
Das erfindungsgemäße System kann auch dazu verwendet werden, die Antriebsmaschine 4 im Phasenschiebebetrieb zu betreiben. D. h., dass die Antriebsmaschine 4 Blindstrom in das bzw. aus dem Netz 12 liefern bzw. beziehen kann, ohne dass die Arbeitsmaschine 1 betrieben wird. Dies gilt insbesondere für Energiegewinnungsanlagen. Dabei wird die Antriebsmaschine 4 bloß mit dem Netz 12 verbunden, ohne die weiteren Schritte des beschriebenen Anfahrprozesses auszuführen. Dies erfolgt erst, wenn die Arbeitsmaschine 1 den Betrieb aufzunehmen hat.
Fig. 4 zeigt die Drehzahlparameter eines Differenzialsystems für das erfindungsgemäße Anfahren am Beispiel einer Pumpe. Die Darstellung zeigt dabei die Drehzahlwerte für eine Pumpe als Arbeitsmaschine 1 („Pumpe"), eine 4-polige, 60Hz Drehstrommaschine als Antriebsmaschine 4 („Antriebsmaschine"), ein Sonnenrad 9 („zweiter Antrieb") einer Differenzialstufe 3 und eine Welle 14 („Differenzialantrieb" ) , deren Drehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzung eines
Anpassungsgetriebes 10 proportional der Drehzahl des
Differenzialantriebes 5 ist.
Der Anfahrprozess ist in 6 Phasen a bis f unterteilt. Phase „a" zeigt das Hochfahren der „Antriebsmaschine" bis zu deren Synchrondrehzahl. Da die „Pumpe" während dieser Phase aufgrund äußerer Kräfte im
Wesentlichen stehen bleibt, beschleunigt der „zweite Antrieb"
entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3 bis zu einer weit über dem Regeldrehzahlbereich liegenden Drehzahl. In der anschließenden Phase „b" wird die „Antriebsmaschine" mit dem Netz 12 synchronisiert und mit diesem verbunden und in weiterer Folge in Phase „c" der Differenzialantrieb 5 beschleunigt. Dabei ist die in Fig. 4 dargestellte Drehzahl „Differenzialantrieb" die Drehzahl der Welle 14. Sobald der Differenzialantrieb 5 seine für den Anfahrvorgang vorzugsweise maximal mögliche Drehzahl erreicht hat, wird in Phase „d" die Synchronisationskupplung geschlossen und damit die „Pumpe" beschleunigt. Sobald die Synchronisationskupplung 15 komplett
geschlossen und kein Schlupf mehr vorhanden ist, beginnt der
Differenzialantrieb 5 mit der Drehzahlregelung des Differenzialsystems (Regeldrehzahlbereich) . Die Arbeitsmaschine 1 („Pumpe") befindet sich ab diesem Zeitpunkt in ihrem Arbeitsdrehzahlbereich, welcher aus Teillastbereich „e" und Nennlast „f" besteht.
Um das während der Beschleunigungsphase zu überwindende Drehmoment der Arbeitsmaschine 1 möglichst gering zu halten, kann beispielsweise in einer Anlage ein hydraulischer Kurzschluss oder ein Bypass vorgesehen und während des Anfahrvorganges aktiviert werden.
Der in Fig. 4 gezeigte Zeitverlauf (x-Achse in Sekunden) ist als Beispiel zu sehen - die Perioden der einzelnen Phasen sind variabel und werden entsprechend der technischen Realisierbarkeit und
vorzugsweise unter der Prämisse kleinstmöglicher Systembelastung (elektrisch und mechanisch) bzw. Systemverschleiß gewählt.

Claims

Ansprüche :
Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges mit einer
Arbeitsmaschine (1), einer Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine (1), ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem
Differenzialantrieb (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) auf eine Betriebsdrehzahl
beschleunigt wird, während eine mit dem Differenzialantrieb (5) verbundene Welle (14) vom zweiten Antrieb getrennt ist, und dass die Arbeitsmaschine (1) beschleunigt wird, indem die Drehzahl des ungebremsten zweiten Antriebs mittels einer
Synchronisationseinrichtung (15) mit der mit dem
Differenzialantrieb (5) verbundenen Welle (14) synchronisiert wird .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Drehzahl des Differenzialantriebs (5) vor dem Synchronisieren in oder über seinem Regeldrehzahlbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) vor dem Synchronisieren auf seine maximale Drehzahl beschleunigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine elektrische Maschine ist, die an das Netz (12) angeschlossen wird, bevor der zweiten Antrieb mit der mit dem Differenzialantrieb (5)
verbundenen Welle (14) synchronisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) zuerst mit einer zusätzlichen Einrichtung (2) auf zumindest annähernd
Betriebsdrehzahl gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) bei geschlossener Synchronisationseinrichtung (15) mit dem Differenzialantrieb (5) auf eine Drehzahl unter der Betriebsdrehzahl beschleunigt wird und dass die Antriebsmaschine (4) anschließend bei geöffneter
Synchronisationseinrichtung (15) auf ihre Betriebsdrehzahl beschleunigt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine elektrische Maschine ist, die mittels eines Frequenzumrichters (6) des
Differenzialantriebs (5) beschleunigt und mit dem Stromnetz (12) synchronisiert wird, dass dann die elektrische Maschine (4) mit dem Stromnetz (12) verbunden wird und dass abschließend die
Antriebsmaschine (4) vom Frequenzumrichter (6) getrennt und der Frequenzumrichter (6) mit dem Differenzialantrieb (5) verbunden wird .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) ein Generator ist, der auch im Phasenschiebebetrieb betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass mittels einer Bremse oder Rücklaufsperre verhindert wird, dass sich die Arbeitsmaschine (1) gegen deren bestimmungsgemäße Arbeitsdrehrichtung dreht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (15) eine
Drehzahldifferenz zwischen dem zweiten Antrieb und der Welle (14) entsprechend einem gewünschten zu übertragenden Drehmoment regelt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) vor dem
Synchronisieren auf seine maximale Drehzahl, insbesondere seine maximale Regeldrehzahl, beschleunigt wird.
12. Antrieb zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einer Arbeitsmaschine (1), einer Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw.
Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Arbeitsmaschine (1), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Synchronisationseinrichtung (15), mit welcher der zweite Antrieb mit einer mit dem Differenzialantrieb (5) verbundenen Welle (14) synchronisiert werden kann.
13. Antrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Synchronisationseinrichtung (15) eine Lamellenkupplung oder eine Visco-Kupplung ist.
14. Antrieb nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine auf die Welle (14) wirkende Bremse, insbesondere eine Motorbremse für den
Differenzialantrieb (5) .
15. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine
Drehstrommaschine oder eine Verbrennungskraftmaschine ist.
16. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (1) eine
Energiegewinnungsanlage, insbesondere eine Windkraftanlage oder Wasserkraftanlage, ist.
17. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) eine
Drehstrommaschine, insbesondere eine Asynchronmaschine oder permanenterregte Synchronmaschine, ist.
18. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) eine hydraulische Pumpe/Motor-Einrichtung oder ein hydrodynamischer Wandler ist.
19. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass mit der Arbeitsmaschine (1) eine Bremse oder Rücklaufsperre verbunden ist, die verhindert, dass sich die Arbeitsmaschine (1) gegen deren bestimmungsgemäße
Arbeitsdrehrichtung dreht.
20. Antrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung (15) eine fail-safe-Kupplung ist.
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