AT14302U1 - Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges und Triebstrang - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einem Antrieb zum Anfahren eines Triebstranges mit einer Antriebswelle 2, einer Antriebsmaschine 4 und mit einem Differenzialgetriebe 3 mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle 2, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine 4 und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb 5 verbunden ist, wird die Antriebsmaschine 4 mit dem Differenzialantrieb 5 beschleunigt und mit dem Netz 12 synchronisiert, während auf die Antriebswelle 2 ein bremsendes Drehmoment wirkt. In einer Beschleunigungsphase der Antriebswelle 2 wird der zweite Antrieb gebremst.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Triebstranges mit einer Antriebs¬welle, einer Antriebsmaschine und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben,wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine und einzweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist.

[0002] Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Triebstrang zum Ausführen des Verfahrens miteiner Antriebswelle, einer Antriebsmaschine und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An-bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle, ein Antrieb mit der Antriebsmaschineund ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist.

[0003] Eine immer häufiger gestellte Forderung an den Antrieb von Arbeitsmaschinen, wieFördereinrichtungen, z.B. Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren usw., ist ein effizienter dreh¬zahlvariabler Betrieb. Im Weiteren werden elektrische Maschinen als Beispiel für entsprechendeAntriebsmaschinen herangezogen, das Prinzip gilt aber für alle möglichen Arten von Antriebs¬maschinen, so wie z.B. auch für Verbrennungskraftmaschinen.

[0004] Die am häufigsten verwendeten elektrischen Antriebe sind heutzutage Drehstromma¬schinen wie z.B. Asynchronmotoren und Synchronmotoren.

[0005] Diese Drehstrommaschinen sind zwar robust und kostengünstig, können jedoch keinenBetrieb mit variabler Drehzahl realisieren. Gleichzeitig entspricht die Stromaufnahme einerDrehstrommaschine beim Start von Drehzahl Null aus typischerweise dem etwa 10-fachenNennstrom, was während des Startvorganges eine entsprechend hohe elektrische Last für dasNetz verursacht.

[0006] Elektrische Maschinen werden daher aus diesen Gründen, anstatt direkt an ein Netzangeschlossen zu werden, häufig in Kombination mit einem Frequenzumrichter als drehzahlva¬riablem Antrieb ausgeführt. Damit kann man einerseits ein Anfahren von Drehzahl Null realisie¬ren, ohne das Netz zu belasten, und andererseits die Arbeitsmaschine mit optimaler Drehzahlantreiben. Die Lösung ist jedoch teuer und mit wesentlichen Wirkungsgradeinbußen verbunden.Eine im Vergleich dazu kostengünstigere und auch bezüglich Wirkungsgrad bessere Alternativeist der Einsatz von Differenzialsystemen, beispielsweise gemäß AT 507394 A. GrundsätzlicheEinschränkung bei bekannten Ausführungen hierbei ist jedoch, dass abhängig vom Überset¬zungsverhältnis der Differenzialstufe nur ein relativ kleiner Arbeitsdrehzahlbereich bzw. prak¬tisch keine niedrigen Drehzahlen an der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine erreicht werdenkönnen.

[0007] Um dies zu realisieren gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß deutschem Ge¬brauchsmuster DE 20 2012 101 708 U beispielsweise kann man das Übersetzungsverhältnisdes Differenzialgetriebes auf 1 festlegen. Damit kann man mit dem Differenzialantrieb denkompletten Triebstrang antreiben bzw. die Antriebsmaschine auf Synchrondrehzahl bringen unddiese in weiterer Folge mit dem Netz synchronisieren.

[0008] Nachteil dieser Lösung ist, dass der Differenzialantrieb bzw. dessen Frequenzumrichterwesentlich kleiner dimensioniert ist als die Antriebsmaschine und daher auch nur ein entspre¬chend kleines Drehmoment liefern kann.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, mit der man Antriebsma¬schinen mit dem Netz im Wesentlichen stoßfrei synchronisieren und zusätzlich die Arbeitsma¬schine von Drehzahl Null weg starten kann.

[0010] Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch,dass die Antriebsmaschine mit dem Differenzialantrieb beschleunigt und mit dem Netz synchro¬nisiert wird, während auf die Antriebswelle ein bremsendes Drehmoment wirkt, und dass ineiner Beschleunigungsphase der Antriebswelle der zweite Antrieb gebremst wird.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe des Weiteren mit einem Triebstrang durch eine Bremse oderRücklaufsperre, die auf den Abtrieb wirkt.

[0012] Der Kern eines Differenzialsystems ist ein Differenzialgetriebe, das in einer einfachenAusführung eine einfache Planetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben sein kann, wobeiein Abtrieb mit der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit der Antriebsma¬schine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist. Damit kann dieArbeitsmaschine bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine drehzahlvariabel betriebenwerden, indem der Differenzialantrieb die Drehzahldifferenz ausgleicht.

[0013] Um eine Antriebsmaschine vom Stillstand aus vorzugsweise auf Synchrondrehzahl zubringen und zusätzlich eine Arbeitsmaschine von Drehzahl Null anfahren zu können, kann dasStarten des Systems erfindungsgemäß z.B. wie folgt in 2 Phasen stattfinden: [0014] Phase 1: Die Antriebsmaschine wird vorzugsweise zuerst mit einem Differenzialantriebauf (zumindest näherungsweise) Synchrondrehzahl gebracht und dann mit dem Netz synchro¬nisiert. Dabei bleibt das Differenzialgetriebe während dieses Startvorganges, abgesehen vonden zu überwindenden massenträgheitsmomentbedingten Reaktionskräften vom ersten Antriebbzw. der damit verbundenen Antriebsmaschine, weitgehend frei von äußeren mechanischenLasten. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass, bis die Antriebsmaschine ihre Nenndrehzahlerreicht hat, auf die Antriebswelle der Arbeitsmaschine ein entsprechend kleines antreibendesDrehmoment wirkt, wodurch die Arbeitsmaschine im Wesentlichen stehen bleibt. Der Differenzi¬alantrieb erreicht während dieser Phase ein dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetrie¬bes entsprechendes Mehrfaches seiner Synchrondrehzahl.

[0015] Phase 2: Nachdem die Antriebsmaschine mit dem Netz verbunden ist, beginnt in derzweiten Phase das eigentliche Beschleunigen bzw. Starten der Arbeitsmaschine unter Last,indem der zweite Antrieb der Differenzialgetriebestufe mittels eines Differenzialantriebes verzö¬gert wird. Für diese zweite Phase ist der Differenzialantrieb entsprechend dimensioniert (insbe¬sondere in Hinblick auf die hohen Drehzahlen) und kann mittels des Frequenzumrichters beimaximal erforderlicher Drehzahl das für die Beschleunigung der Arbeitsmaschine erforderlicheBremsmoment erzeugen.

[0016] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0017] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf dieangeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: [0018] Fig. 1 das Prinzip eines erfindungsgemäßen Differenzialsystems für einen Antrieb einer Pumpe, [0019] Fig. 2 eine Drehmomentkennlinie einer Drehstrommaschine, [0020] Fig. 3 die im sogenannten Feldschwächebereich erzielbaren Drehmomente eines erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Antriebs, [0021] Fig. 4 den Vergleich der Drehmomentkennlinien für eine Pumpe und einen drehzahl¬ variablen Antrieb beim Starten des Differenzialantriebes und [0022] Fig. 5 den Ablauf eines Startvorganges gemäß vorliegender Erfindung.

[0023] Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau eines Antriebs bzw. Differenzialsystems füreinen Triebstrang am Beispiel einer Pumpe. Dabei ist die Arbeitsmaschine 1 der Rotor einerPumpe, welcher über eine Antriebswelle 2 und ein Differenzialgetriebe 3 von einer Antriebsma¬schine 4 angetrieben wird. Die Antriebsmaschine 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel vorzugs¬weise eine Mittelspannungs- Drehstrommaschine, welche an ein Netz 12, das im gezeigtenBeispiel aufgrund einer Mittelspannungs-Drehstrommaschine ein Mittelspannungsnetz ist,angeschlossen wird. Das gewählte Spannungsniveau hängt jedoch vom Einsatzfall und vorallem vom Leistungsniveau der Antriebsmaschine 4 ab und kann ohne Einfluss auf die Grund¬funktion des erfindungsgemäßen Systems jedes gewünschte Spannungsniveau haben. EinPlanetenträger 7 ist mit der Antriebswelle 2 verbunden, die Antriebsmaschine 4 mit einem Hohl¬rad 8 und ein Sonnenrad 9 des Differenzialgetriebes 3 mit einem Differenzialantrieb 5. Der Kerndes Differenzialsystems ist in dieser Ausführungsform somit eine einfache Planetengetriebestu¬fe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle 2 der Arbeitsmaschine 1, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine 4 und ein zweiter Antrieb mit dem Differenzialan¬trieb 5 verbunden ist.

[0024] Um den Drehzahlbereich des Differenzialantriebs 5 optimal anpassen zu können, wirdoptional ein Anpassungsgetriebe 10 zwischen dem Sonnenrad 9 und dem Differenzialantrieb 5implementiert. Alternativ zur gezeigten Stirnradstufe kann das Anpassungsgetriebe 10 bei¬spielsweise auch mehrstufig sein bzw. als Zahnriemen oder Kettentrieb ausgeführt und/oder miteiner Planetengetriebestufe kombiniert bzw. als eine Planetengetriebestufe ausgeführt werden.Mit dem Anpassungsgetriebe 10 kann man darüber hinaus einen Achsversatz für den Differen¬zialantrieb 5 realisieren, der aufgrund der beispielhaft dargestellten, koaxialen Anordnung derArbeitsmaschine 1 und der Antriebsmaschine 4 eine einfache Ausführung des Differenzialan¬triebes 5 ermöglicht. Mit dem Differenzialantrieb 5 ist eine Motorbremse 13 verbunden, welcheden Differenzialantrieb 5 bei Bedarf bremst. Elektrisch ist der Differenzialantrieb 5 mittels vor¬zugsweise eines Niederspannungs- Frequenzumrichters, bestehend aus einem motorseitigenWechselrichter 6a und einem netzseitigen Wechselrichter 6b, und eines Transformators 11 andas Netz 12 angebunden. Der Transformator gleicht allfällige vorhandene Spannungsdifferen¬zen zwischen dem Netz 12 und dem netzseitigen Wechselrichter 6b aus und kann bei Span¬nungsgleichheit zwischen der Antriebsmaschine 4, dem netzseitigen Wechselrichter 6b unddem Netz 12 entfallen. Die Wechselrichter 6a und 6b sind durch einen Gleichstromzwischen-kreis verbunden. Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die die Hauptlast führendeAntriebsmaschine 4 direkt, das heißt ohne aufwändige Leistungselektronik, an ein Netz 12angebunden werden kann. Der Ausgleich zwischen variabler Rotordrehzahl und fixer Drehzahlder netzgebundenen Antriebsmaschine 4 wird durch den drehzahlvariablen Differenzialantrieb 5realisiert.

[0025] Die Drehmomentgleichung für das Differenzialsystem lautet:

DrehmomentDifferenziaiantrieb" DrehmomentAntriebsweiie y/x> [0026] wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für die Übersetzungsverhältnisse im Differenzialge¬triebe 3 und im Anpassungsgetriebe 10 ist. Die Leistung des Differenzialantriebs 5 ist im We¬sentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Pumpendrehzahl vonderen Grunddrehzahl x Antriebswellenleistung. Dementsprechend erfordert ein großer Dreh¬zahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzialantriebs 5.Darin ist auch der Grund zu sehen, warum Differenzialsysteme für kleine Drehzahlbereichebesonders gut geeignet sind, wobei aber grundsätzlich jeder Drehzahlbereich realisierbar ist.

[0027] Ein Differenzialantrieb 5 für eine Pumpe als Arbeitsmaschine 1 hat beispielsweise eineLeistung von rund 15% der System-Gesamtleistung. Das wiederum bedeutet, dass mit demDifferenzialsystem keine niedrigen Drehzahlen (nahe Drehzahl Null) an der Arbeitsmaschine 1realisiert werden können, ohne den Differenzialantrieb 5 bis zum rund 4-fachen seiner Syn¬chrondrehzahl zu beschleunigen.

[0028] So kann im Stand der Technik beispielsweise die Arbeitsmaschine 1 von Drehzahl Nullin ihren Arbeitsdrehzahlbereich (dies ist der Drehzahlbereich, in dem die Arbeitsmaschine 1 imWesentlichen arbeitet = Arbeitsbetrieb) gebracht werden, indem der Differenzialantrieb 5 einge¬bremst (entweder elektrisch oder mittels Motorbremse 13) und die Antriebsmaschine 4 an dasNetz geschaltet wird. Die Arbeitsmaschine 4 wiederum zieht dabei aber einen bis zu 10-fachenNennstrom, um auf ihre Synchrondrehzahl zu beschleunigen. Durch Einsatz einer sogenanntenStern/Dreieck-Schaltung kann man den Anfahrstrom reduzieren, reduziert damit jedoch auchdas realisierbare Anfahrmoment.

[0029] Erfindungsgemäß erzielt man eine Verbesserung des Problems eines hohen Anfahr¬stromes, indem der Differenzialantrieb 5 zu Beginn des Startvorganges auf eine über den Re¬geldrehzahlbereich (Regeldrehzahlbereich ist der Drehzahlbereich, in dem der Differenzialan¬trieb 5 arbeitet, um den Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 realisieren zu können)hinausgehende Betriebsdrehzahl gebracht wird. Durch Einsatz moderner Frequenzumrichter-Technologien kann dies ein Mehrfaches der Synchrondrehzahl des Differenzialantriebes 5 sein, sofern der Differenzialantrieb 5 für diese Drehzahlen ausgelegt ist. Aufgrund äußerer Lastenverbleibt währenddessen die Arbeitsmaschine 1 in einem Bereich sehr kleiner Drehzahl bzw.kann die Arbeitsmaschine 1 im Bedarfsfall auch eingebremst bzw. mittels Rücklaufsperre eineDrehbewegung entgegen deren Arbeitsdrehrichtung verhindert werden. Dadurch wird die An¬triebsmaschine 4 auf eine (zumindest näherungsweise) netzsynchrone Drehzahl (= Leerlauf¬punkt gem. Fig. 2) gebracht und anschließend mit dem Netz verbunden. Dabei verbleibt imFalle einer Asynchronmaschine eine im Vergleich zu dem Startverfahren von Drehzahl Nullwesentlich geringere Einschaltstromspitze. Vor allem ist die Dauer dieser Einschaltstromspitzenur wenige Netzperioden. Maßnahmen, um diesen verbleibenden Einschaltstrom zu reduzieren,sind beispielsweise ein kleiner Trenntrafo zum Vormagnetisieren über einen Bypass, oder einsogenannter Thyristorsteller. Das beschriebene Problem des Einschaltstromes stellt sich nichtbei z.B. fremderregten Synchrongeneratoren, da diese eine Erregereinheit haben.

[0030] Nachdem die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz verbunden ist, wird der Differenzialan¬trieb 5 verzögert bzw. gebremst, wodurch die Drehzahl der Arbeitsmaschine 1 in deren Arbeits¬drehzahlbereich erhöht, während die Antriebsmaschine 4 mit annähernd fixer Drehzahl am Netz12 hängt.

[0031] Die Drehzahlregelung bzw. die Verzögerung der Drehzahl des Differenzialantriebes 5erfolgt dabei vorzugsweise elektrisch durch den Wechselrichter 6a, 6b und/oder mittels Motor¬bremse 13. Da der Wechselrichter in diesem Fall generatorisch arbeitet, wird die dabei entste¬hende Bremsenergie entweder in das Netz 12 eingespeist oder im Wechselrichter-Zwischen-kreis (= elektrische Verbindung von motorseitigem und netzseitigem Wechselrichter) vorzugs¬weise mittels sogenanntem Chopper in einem Widerstand verheizt. Dies ist vor allem dannnotwendig, wenn z.B. in einer besonders einfachen Ausführungsform des Differenzialsystemsder Differenzialantrieb 5 nur motorisch betrieben wird und damit der netzseitige Wechselrichter6b als vorzugsweise einfacher und robuster Diodengleichrichter ausgeführt werden kann,wodurch eine Netzrückspeisung nicht möglich ist.

[0032] Die Motorbremse 13 kann auch dazu verwendet werden, den Differenzialantrieb 5 vorÜberdrehzahlen zu schützen, wenn z.B. die Antriebsmaschine 4 ausfällt und die Arbeitsmaschi¬ne 1 anhält oder in die Gegenrichtung dreht. Aufgrund der hohen Drehzahlen während desStartvorganges empfiehlt es sich, eine verschleißfreie Motorbremse 13 einzusetzen. Diesbezüg¬lich ist der Einsatz von sogenannten Retardern empfehlenswert.

[0033] Hier ist zunächst einmal die Gruppe der hydrodynamischen Retarder (= hydraulischeBremse) zu nennen. Hydrodynamische Retarder arbeiten meist mit Öl oder Wasser, das beiBedarf in ein Wandlergehäuse geleitet wird. Das Wandlergehäuse besteht aus zwei rotations¬symmetrischen und sich gegenüberliegenden Schaufelrädern und zuvor einem Rotor, der mitdem Triebstrang der Anlage verbunden ist, und einem feststehenden Stator. Der Rotor be¬schleunigt das zugeführte Ol und die Zentrifugalkraft drückt es nach außen. Durch die Form derRotorschaufeln wird das Öl in den Stator geleitet, der dadurch ein bremsendes Drehmoment imRotor induziert und in weiterer Folge dann auch den gesamten Triebstrang bremst. Bei einemelektrodynamischen Retarder (= elektrische Bremse), z.B. einer Wirbelstrombremse, sind z.B.zwei Stahlscheiben (Rotoren), die nicht magnetisiert sind, mit dem Antriebsstrang verbunden.Dazwischen liegt der Stator mit elektrischen Spulen. Wenn durch Aktivierung des RetardersStrom eingesteuert wird, werden Magnetfelder erzeugt, die durch die Rotoren geschlossenwerden. Die gegenläufigen Magnetfelder erzeugen dann die Bremswirkung. Die entstandeneWärme wird z.B. durch innenbelüftete Rotorscheiben wieder abgegeben. Ein wesentlicherVorteil eines Retarders als Betriebsbremse ist dessen Verschleißfreiheit und gute Regelbarkeit.Die Motorbremse 13 kann aber grundsätzlich jede Art von Bremse sein.

[0034] Fig. 2 zeigt eine der Fachliteratur (Übungen zu „Elektrische Energietechnik II" Institut fürLeistungselektronik und Elektrische Antriebe, Universität Stuttgart, Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stieflow) entnommene Darstellung der Drehmomentkennlinie einer Drehstrommaschine (indiesem Fall einer Asynchronmaschine). Die Drehmomentkennlinie zeigt dabei wichtige Punktewie Kipppunkt, Nennpunkt und Leerlaufpunkt. Dabei liefert die Drehstrommaschine am Kipp¬ punkt ein sogenanntes Kippdrehmoment, am Nennpunkt ein sogenanntes Nenndrehmomentund läuft am Leerlaufpunkt drehmomentfrei mit dem Netz synchron. Das Kippdrehmomentbeträgt beispielsweise bei herkömmlichen Asynchronmaschinen ca. das 2-3-fache Nenndreh¬moment. Für die folgenden Ausführungen wurde ein Kippdrehmoment in der Höhe des zweifa¬chen Nenndrehmoments angenommen. Bei entsprechend höheren bzw. niedrigeren Kippdreh¬momenten kann das erreichbare Drehmoment linear skaliert werden. Typischerweise kann einKippdrehmoment nur zeitlich beschränkt bereitgestellt werden, ein Nenndrehmoment ist ein imDauerbetrieb (= Arbeitsbetrieb) realisierbares Drehmoment.

[0035] Eine weitere Möglichkeit, den Drehzahlbereich für den Differenzialantrieb 5 zu erweitern,bietet die sogenannte 87Hz- Kennlinie für den Betrieb des Wechselrichters 6a, 6b. Das Prinzipist dabei folgendes: Motoren kann man typischerweise in Stern- (400V) oder Dreieck-Schaltung(230V) betreiben. Betreibt man einen Motor wie üblich mit 400V in Sternschaltung, dann er¬reicht man bei 50Hz dessen Nennpunkt. Diese Kennlinie wird im Frequenzumrichter eingestellt.Man kann einen Motor aber auch mit 400V in Dreieckschaltung betreiben und den Frequenzum¬richter so parametrieren, dass er bei 230V die 50Hz erreicht. Dadurch erreicht der Frequenzum¬richter seine Nennspannung (400V) erst bei 87Hz (V3 x 50Hz). Da das Motordrehmoment biszum Nennpunkt konstant ist, erreicht man mit der 87Hz-Kennlinie eine höhere Leistung. Zubeachten ist dabei jedoch, dass man im Vergleich zur Sternschaltung bei der Dreieckschaltungeinen um V3 höheren Strom hat. D.h. der Frequenzumrichter muss stärker dimensioniert sein.Darüber hinaus entstehen im Motor durch die höhere Frequenz auch höhere Verluste, für dieder Motor thermisch ausgelegt sein muss. Letztendlich erreicht man jedoch mit der 87Hz-Kennlinie einen entsprechend (V3) größeren Drehzahlbereich mit - im Gegensatz zur Feld¬schwächung - nicht reduziertem Drehmoment. Die Drehmomente bei 4-facher Feldschwächungsind um den Faktor 3 höher. Will man den Wechselrichter 6a, 6b nicht für einen um V3 höherenStrom dimensionieren, muss man im Arbeitsbetrieb wieder in die Sternschaltung wechseln. Dieserfordert v.a. einen Mehraufwand bezüglich Schaltanlage.

[0036] Bei Stromnetzen, welche nicht mit 50Hz betrieben werden, ändert sich die angegebeneFrequenz von 87Hz entsprechend. Bei einem 60Hz-Netz sind dies etwa 104Hz.

[0037] Grundsätzlich ist es auch möglich, zwischen dem Differenzialantrieb 5 und dem zweitenAntrieb ein Getriebe mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis (in Stufen oder stufenlos) zuintegrieren (zusätzlich zu einem oder anstelle eines Anpassungsgetriebes 10), um damit dieerforderliche Drehzahl des Differenzialantriebes 5 für den Startvorgang entsprechend zu redu¬zieren. Diese Option kann man in weiterer Folge auch dazu nutzen, den Arbeitsdrehzahlbereichder Arbeitsmaschine 1 zu vergrößern. Arbeitsmaschinen 1 wie Pumpen, Ventilatoren, Verdich¬ter und dergleichen haben eine exponentielle Drehzahl/Leistungs-Kennlinie, womit das erforder¬liche Antriebsdrehmoment im Teillastbereich entsprechend klein ist (vergl. hierzu auch Fig. 4).Mit dieser Methode kann man zwar keine wesentlich höheren Drehmomente am zweiten Antriebrealisieren, jedoch kann man dadurch die maximal auftretenden Drehzahlen am Differenzialan¬trieb 5 reduzieren.

[0038] Fig. 3 zeigt eine der Fachliteratur (Drehstrommotoren, Teil 2, Elektro- und Informations¬technik, Hochschule Darmstadt, Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter) entnommene Darstellungdes im Feldschwächebereich maximal realisierbaren Drehmoments eines drehzahlvariablen,elektrischen Antriebes. Die Wechselrichterausgangsspannung wird dabei bis zur Nenndrehzahlproportional mit der Drehzahl erhöht. Dadurch erhält man ein nahezu konstantes Drehmomentbis zur Feldschwächegrenze. Ab der Feldschwächegrenze kann die Ausgangsspannung beimUmrichter nicht weiter erhöht werden. Die Spannung und die Leistung bleiben konstant und dasKippdrehmoment nimmt mit ~ 1/n2 ab.

[0039] Fig. 4 zeigt die abhängig von der Drehzahl des Differenzialantriebes 5 (n_s/n_max [p.u.]([„per unit"])) realisierbaren Drehmomente (M/M_n [p.u.]). Dabei sind n_s die variable Drehzahl,n_max die Nenndrehzahl des Differenzialantriebes 5 und M_n dessen Nenndrehmoment.

[0040] Die Kurve M_k/M_n zeigt ein realisierbares Kippdrehmoment (mechanisch an der Welledes Differenzialantriebes 5). Dieses Kippdrehmoment kann der Differenzialantrieb 5 jedoch nur zeitlich beschränkt bereitstellen, z.B. für den Startvorgang des Differenzialsystems. Die KurveM_max/M_n zeigt hingegen ein dauerhaft realisierbares Antriebsdrehmoment des Differenzial¬antriebes 5, basierend auf dessen Nenndrehmoment.

[0041] Als dritte Kurve (MPumpe) ist beispielhaft ein für den Startvorgang und den Arbeitsbe¬trieb einer Pumpe erforderliches Antriebsdrehmoment dargestellt. Der markierte „maximaleArbeitsbereich" ist der Bereich, in dem die Kurve M_max/M_n über der Kurve M Pumpe liegtund damit das System dauerhaft betrieben werden kann. Wird das System noch weiter imFeldschwächebereich betrieben, dann fällt die Kurve M_max/M_n unter die Kurve M Pumpe.Die Kurve M_k/M_n liegt hingegen im gesamten dargestellten Drehzahlbereich über der KurveM Pumpe, womit die Arbeitsmaschine 1 von Drehzahl Null gestartet werden kann. Da ein Start¬vorgang zeitlich begrenzt ist, wird der Differenzialantrieb 5 dadurch auch nicht thermisch über¬lastet.

[0042] Der „maximale Arbeitsbereich" stellt auch eine typische Grenze für den Betrieb vonpermanentmagneterregten Synchronmaschinen (als Differenzialantrieb 5) im Feldschwächebe¬reich dar. Da bei solchen Maschinen die Spannung proportional mit der Drehzahl steigt (auchüber die Nenndrehzahl hinaus) und der dadurch im Feldschwächebereich über die Nennspan¬nung hinausgehende Spannungsanteil vom Wechselrichter kompensiert werden muss, ist diedoppelte Nenndrehzahl ein bauarttypisches Drehzahllimit.

[0043] Die in Fig. 4 dargestellte Kennlinie M Pumpe ist eine typische Kennlinie für Strömungs¬maschinen wie Pumpen, Verdichter, Ventilatoren und dergleichen. Das erforderliche Drehmo¬ment für den Startvorgang kann man dabei durch Einsatz von Verstellmechanismen, wie z.B.Schaufelrad- oder Rotorblattverstellung reduzieren, sofern dies konstruktiv vorgesehen ist.Damit wird auch das für den Startvorgang erforderliche Drehmoment entsprechend kleiner.

[0044] Das erfindungsgemäße System kann auch dazu verwendet werden, die Antriebsma¬schine 4 vorerst einmal in den Phasenschiebebetrieb zu bringen. D.h., dass die Antriebsma¬schine 4, nachdem sie mit dem Netz 12 verbunden wurde, ausschließlich Blindstrom in dasNetz 12 liefern bzw. aus dem Netz 12 beziehen kann, ohne dass die Arbeitsmaschine 1 betrie¬ben wird. Dabei wird die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 verbunden, ohne die weiterenSchritte des erfindungsgemäßen Startvorganges auszuführen. Dabei kann der Differenzialan¬trieb 5, nachdem die Antriebsmaschine 1 mit dem Netz 12 verbunden wurde, lastfrei geschaltetwerden, wodurch dieser nicht mehr elektrisch und nur noch mechanisch (aufgrund der sicheinstellenden Drehzahlen) belastet wird. Die weiteren Schritte des beschriebenen Startvorgan¬ges erfolgen, wenn die Arbeitsmaschine 1 den Arbeitsbetrieb aufzunehmen hat.

[0045] Fig. 5 zeigt zusammenfassend den Ablauf eines Startvorganges gemäß vorliegenderErfindung.

Claims (18)

1. Ansprüche 1. Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges mit einer Antriebswelle (2) , einer Antriebs¬maschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei einAbtrieb mit der Antriebswelle (2), ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und einzweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,dass die Antriebsmaschine (4) mit dem Differenzialantrieb (5) beschleunigt und mit demNetz (12) synchronisiert wird, während auf die Antriebswelle (2) ein bremsendes Drehmo¬ment wirkt, und dass in einer Beschleunigungsphase der Antriebswelle (2) der zweite An¬trieb gebremst wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) voneiner Drehzahl von Null oder annähernd Null ausgehend mit dem Differenzialantrieb (5)beschleunigt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem die An¬triebsmaschine (4) mit dem Netz (12) synchronisiert ist, der zweite Antrieb gebremst wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiteAntrieb vom Differenzialantrieb (2) gebremst wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstensein Teil der Bremsleistung von einer mit dem Differenzialantrieb (5) verbundenen mechani¬schen, elektrischen oder hydraulischen Bremse (13) erzeugt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiteAntrieb direkt mechanisch, elektrisch oder hydraulisch gebremst wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start¬vorgang zum Steuern des Drehmomentes einer mit der Antriebswelle (2) verbundenen Ar¬beitsmaschine (1) eine Schaufelrad- oder Rotorblattstellung der Arbeitsmaschine (1) geän¬dert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffe¬renzialantrieb sowohl mit 50Hz oder 60Hz als auch mit 87Hz oder 104Hz betrieben wird.
9. 9. Triebstrang zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einerAntriebswelle (2), einer Antriebsmaschine (4) und mit einem Differenzialgetriebe (3) mitdrei An- bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle (2), ein Antrieb mit der An¬triebsmaschine (4) und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist,gekennzeichnet durch eine Bremse oder Rücklaufsperre, die auf den Abtrieb wirkt.
10. 10. Triebstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4)eine mit einem Stromnetz (12) verbundene Drehstrommaschine ist.
11. 11. Triebstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine eineVerbrennungskraftmaschine ist.
12. 12. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass derDifferenzialantrieb (5) eine Drehstrommaschine ist.
13. 13. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass derDifferenzialantrieb eine hydraulische Pumpe/Motor ist.
14. 14. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Differen¬zialantrieb (5) über eine Anpassungsgetriebestufe (10) mit dem zweiten Antrieb verbundenist.
15. 15. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass derDifferenzialantrieb (5) über ein ggf. stufenloses Verstellgetriebe mit dem zweiten Antriebverbunden ist.
16. 16. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieBremse (13) ein Retarder ist.
17. 17. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass derDifferenzialantrieb (5) über einen Wechselrichter (6a, 6b) mit dem Netz (12) verbunden istund dass im Wechselrichter (6a, 6b) des Differenzialantriebes (5) ein Chopper und ein Wi¬derstand angeordnet sind.
18. 18. Triebstrang nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieArbeitsmaschine (1) eine Pumpe, ein Verdichter oder ein Ventilator ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen