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Title:
DEVICE AND METHOD FOR DRIVING VARIABLE-ROTATIONAL-SPEED WORKING MACHINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/059115
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device and to method for driving a drive train (1) of variable-rotational-speed working machines (30), said device comprising a drive (5), which runs in a constant manner, and a rotational-speed-variable high-gear-ratio gearing as a superposition gearing (10), which has an input branch (11), an output branch (12), and a control branch (15) having control machines (20) that can be connected, wherein the drive train (1) is started up by locking the output branch (12) by means of a braking apparatus (25) in the output branch (12) or by means of a locking apparatus (26) of the working machine or by means of the working machine (30) itself for the start-up of the drive (5) and, after the drive (5) has been connected, the locking of the output branch (12) for the start-up is removed and the working machine (30) is operated, wherein there is always a rotational speed zero crossing of the control branch (15) during the start-up of the working machine (30) and during operation of the working machine (30) in the operating range.

Inventors:
BASTECK, Andreas (Hammerstrasse 3d, Lörrach, 79540, DE)
Application Number:
EP2015/073783
Publication Date:
April 21, 2016
Filing Date:
October 14, 2015
Export Citation:
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Assignee:
BASTECK, Andreas (Hammerstrasse 3d, Lörrach, 79540, DE)
International Classes:
F16H3/72; F04D25/02; H02P5/753
Domestic Patent References:
WO2013075915A22013-05-30
Foreign References:
US20050113201A12005-05-26
DE102006040929A12008-03-20
Attorney, Agent or Firm:
HRUSCHKA, Jürgen (Hruschka & SchnabelMontgelasstr. 2, München, 81679, DE)
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Claims:
Ansprüche

Vorrichtung mit einem Antriebsstrang (1) zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen mit einem konstant laufenden Antrieb (5) und mit einem drehzahlvariablen hochübersetzenden Getriebe, aufweisend:

a) ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (15),

b) eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (15) ,

c) einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40), und

d) einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30),

wobei mittels Regelmaschine (20) das Drehzahlverhältnis zwischen Eingangszweig (11) und Ausgangszweig (12) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

das Überlagerungsgetriebe (10) topologisch konstruktiv so ausgestaltet ist, dass stets ein Drehzahlnulldurchgang des Regelzweigs (15) beim Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) vorliegt und dass sich eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder eine Feststelleinrichtung (26) in der Arbeitsmaschine (30) befindet oder eine Feststellung durch die Arbeitsmaschine (30) selber vorliegt, die beim Hochlauf des Antriebs (5) geschlossen ist und nach Hochlauf des Antriebs (5) beim Hochlauf und im Betrieb der Arbeitsmaschine (30) geöffnet ist.

2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (10) topologisch konstruktiv so ausgeführt ist, dass der Regelzweig (15) mit Steg (55) des Überlagerungsgetriebes (10) verbunden ist . Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) mit gekoppelten Frequenzumrichter (40) so ausgelegt ist, dass diese beim Hochlauf und Betreiben der Arbeitsmaschine (30) sowohl motorisch als auch generatorisch arbeiten kann.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (10) topologisch konstruktiv als einstufiges und mehrstufiges Innen- oder Außengetriebe so ausgebildet ist, dass ein Drehzahlnulldurchgang des Regelzweigs (15) beim Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) und beim Betreiben der Arbeitsmaschine (30) im Betriebsbereich vorliegt.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelmaschine (20) oder mehrere Regelmaschinen (20) im Regelzweig (15) direkt oder durch eine Getriebestufe (57) mit dem Steg (55) des Überlagerungsgetriebes (10) verbunden sind.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Regelmaschinen (20) mit einem Frequenzumrichter (40) oder mit mehreren Frequenzumrichtern (20) gekoppelt sind und bei Einsatz von mehreren Regelmaschinen (20), diese unterschiedliche Betriebsdrehzahlen bzw. Drehfrequenzen aufweisen und im Hochlauf und Betrieb der Arbeitsmaschine einzeln zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden können.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) im oberen Leistungsbereich überwiegend motorisch arbeitet und für Leistung kleiner 40%, bevorzugt kleiner 30% oder kleiner oder gleich 20% der Nennleistung des Antriebsstrangs (1) ausgelegt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrommotor des

Antriebs (5) für eine Eingangsspannung im

Mittelspannungsbereich im Versorgungsnetz, insbesondere zwischen 1 kV und 52 kV ausgelegt ist. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrommotor des Antriebs (5) für eine Eingangsspannung im

Niederspannungsbereich im Versorgungsnetz ausgelegt ist. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und der Frequenzumrichter (40) für eine Spannungsebene im Mittelspannungsbereich ausgelegt sind. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und der Frequenzumrichter (40) für eine Spannungsebene im Niederspannungsbereich ausgelegt sind. 12. Verfahren zum Antrieb eines Antriebsstrangs (1) von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen mit einem konstant laufenden Antrieb (5) und mit einem drehzahlvariablen hochübersetzenden Getriebe aufweisend: a. ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (15),

b. eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (15) ,

c. einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40), und

d. einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30),

wobei mittels Regelmaschine (20) das Drehzahlverhältnis zwischen Eingangszweig (11) und Ausgangszweig (12) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

ein Hochlauf des Antriebsstrangs (1) durch Feststellen des Ausgangszweigs (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine oder durch die Arbeitsmaschine (30) selber der Hochlauf des Antriebs (5) ausgeführt wird und nach Zuschaltung des Antriebs (5) und Aufhebung der Feststellung des Ausgangszweigs (12) der Hochlauf und der Betrieb der Arbeitsmaschine (30) erfolgt, wobei stets ein Drehzahlnulldurchgang des Regelzweigs (15) beim Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) und beim Betreiben der Arbeitsmaschine (30) im Betriebsbereich vorliegt.

Verfahren nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine oder Feststellung der Arbeitsmaschine (30) ein Stützmoment im Ausgangszweig (12) erzeugt wird und dass durch die Regelmaschine (20) mit Frequenzumrichter (40) im motorischen Betrieb ein Hochlauf des Antriebs (5) im entkoppelten Zustand zum Verbrauchernetz erfolgt.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Hochlauf des Antriebs (5) dieser an das Verbrauchernetz angeschlossen wird, die Feststellung des Ausgangszweigs (12) durch das Öffnen der Bremseinrichtung (25) oder der Feststelleinrichtung (26) oder durch Freilaufen der Arbeitsmaschine (30) aufgehoben wird und der Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung für den Hochlauf der

Arbeitsmaschine (30) vorrangig durch den Antrieb (5) erbracht wird, wobei die Regelmaschine (20) mit gekoppeltem Frequenzumrichter (40) die Größe der

Leistungseinbringung des Antriebs (5) über das

Überlagerungsgetriebe (10) im generatorischen und motorischen Betrieb regelt.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zum Antrieb von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren eines Antriebsstrangs zum Betreiben von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen mit steigender Leistungskennlinie (steigend bzw. parabolisch) wie Gebläse, Pumpen und Kompressoren mit einem drehzahlvariablen hochübersetzenden Getriebe in der Ausprägung eines Überlagerungsgetriebes, mit einem

Eingangszweig mit konstant laufenden Antrieb der Ausprägung Drehstrommotor, mit einem Regelzweig mit Regelmaschine und Frequenzumrichter und mit einem Ausgangszweig mit Arbeitsmaschine und mit einer Feststellung des Ausganszweigs durch eine Bremseinrichtung im Ausgangszweig oder durch eine Feststelleinrichtung der Arbeitsmaschine bzw. durch die Arbeitsmaschine selber. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, insbesondere einen Antriebsstrang einer solchen oder für eine solche Anlage.

Beim gesamten Stand der Technik zum Betreiben von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen in der Leistungskategorie von mehreren Megawatt und in einem Drehzahlbereich oberhalb 3000 Umdrehungen pro Minute gelangen als drehzahlvariable Antriebe sowohl Getrieberegelkupplungen oder Überlagerungsgetriebe mit hydrodynamischem Wandler und konstant laufenden Drehstrommotoren als auch drehzahlvariable Drehstrommotoren mit Frequenzumrichter und hochübersetzenden Getrieben zum Einsatz. Solche drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen können Pumpen in Kraftwerken, auch als Kesselspeisepumpen bekannt, oder Kompressoren für Gaspipelines in einem Drehzahlbereich oberhalb von 3000 Umdrehungen pro Minute und mit einer Leistungsaufnahme von mehreren Megawatt, beispielsweise von 5 bis 20 MW oder mehr sein.

Getrieberegelkupplungen und Überlagerungsgetriebe mit hydrodynamischem Wandler weisen ein begrenztes Einsatzfeld der Drehzahl/Leistungsregelung auf. Für Einschaltvorgänge der direkt am Verbrauchernetz gekoppelten Drehstrommotoren sind zusätzliche Aggregate, wie Starthilfeeinrichtungen zum Schutz des Verbrauchernetzes erforderlich.

Drehzahlvariable Drehstrommotoren mit Frequenzumrichtern weisen gegenüber obigen technischen Ausführungen eine Verbesserung im Drehzahl-/Leistungsbereich und im

Anlaufverhalten zum Verbrauchernetz auf, allerdings erfordert der Betrieb der Arbeitsmaschine über Grenzdrehzahl des Drehstrommotors ein zusätzliches hochübersetzendes Getriebe zwischen Drehstrommotor und Arbeitsmaschine. Die erforderliche Auslegung des Frequenzumrichters über die maximale Leistung des Antriebs und der Einsatz von hochübersetzenden Getrieben mit konstantem Übersetzungsverhältnis bewirken eine Reduzierung des Wirkungsgrades über den gesamten Arbeitsbereich. Weiterhin müssen zum Betreiben der Anlage in diesen Leistungsklassen bestimmte Vorkehrungen zur Reduzierung der Einflüsse des Frequenzumrichters auf das Verbrauchernetz durchgeführt werden. Dies erfolgt durch Einsatz von zusätzlichen Filtern, Drosseln und weiteren netztechnischen Ausrüstungen. Die Komponenten Frequenzumrichter über Nennleistung, hochübersetzendes Getriebe und Aggregate zum Verbrauchernetz bewirken einen erhöhten Investitionsbedarf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile im oben genannten Stand der Technik zu verbessern und eine Vorrichtung und ein Verfahren eines Antriebsstrang zum Betreiben von drehzahlvariablen Arbeitsmaschinen anzugehen, bei dem ein kompaktes drehzahlvariables hochübersetzendes Getriebe mit geringer Regelleistung und Feststellmöglichkeit des Ausgangszweigs den Gesamtwirkungsgrad über den gesamten Arbeitsbereich erhöht, die Kosten, die Anzahl der Aggregate, den Bauaufwand und die Störeinflüsse auf das Verbrauchernetz reduziert.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und deren abhängigen Ansprüchen und dem Verfahren nach Anspruch 12 und deren abhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Die Erfindung geht von einem Antriebstrang mit einem drehzahlvariablen hochübersetzenden Getriebe, einem konstant laufenden Antrieb als Hauptantrieb und einer drehzahlvariablen Arbeitsmaschine mit steigender Leitungsaufnahme aus. Das drehzahlvariable hochübersetzende Getriebe entspricht dem Aufbau eines Überlagerungsgetriebes mit Eingangszweig, Ausgangszweig und Regelzweig. Durch die Bereitstellung einer drehzahlvariablen und leistungsvariablen Abtriebsleistung im Ausgangszweig wird das Betreiben der Arbeitsmaschine in verschiedenen Betriebspunkten möglich. Entsprechend

Aufgabenstellung der Anlage kann die Arbeitsmaschine im Bestpunkt mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben werden. Die Regelung der drehzahlvariablen Abtriebsleistung erfolgt durch den Regelzweig des drehzahlvariablen hochübersetzenden Getriebes. Durch die Festlegung von Drehzahl und Drehmoment im Regelzweig durch die Regelmaschine mit dem gekoppelten Frequenzumrichter werden Drehzahl-, Moment- einschließlich Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine geregelt. Die erfindungsmäßige Lösung erlaubt die Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes mit einer Regelleistung kleiner 40%, bevorzugt kleiner 30% im Regelzweig bezogen auf die maximale erforderliche Leistung des Antriebsstrangs. Die topologisch konstruktive Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes mit Eingangszweig, Ausgangzweig und Regelzweig als Innen- und Außengetriebe ist so gestalten, dass stets ein Drehzahlnulldurchgang des Regelzweigs beim Hochlauf der Arbeitsmaschine und beim Betreiben der Arbeitsmaschine im Betriebsbereich vorliegt. Bei richtiger Wahl des Bauverhältnisses entsprechend der topologisch konstruktiven Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes wird somit ein Minimum an Drehzahlniveau im Regelzweig erreicht. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht den Einsatz von Standardmotoren als Regelmaschine und Standardfrequenz- Umrichtern, ohne erhöhte Anforderungen an Moment und Grenzdrehzahl an diese Standardmotoren zu stellen.

Die erfinderische Lösung dieser toplogisch konstruktiven Auslegung des Überlagerungsgetriebes mit Anbindung des Regelzweigs an den Steg wird ein durchgängiges niedriges Drehzahlniveau im Regelzweig und Steg des

Überlagerungsgetriebes erzielt und bewirkt eine Entlastung der Planetenlager durch reduzierte Fliehkräfte durch die Planeten, was generell zu einer Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Antriebsstrangs führt. Bei sehr hohen Übersetzungsverhältnissen im

Überlagerungsgetriebe kann eine Anbindung des Regelzweigs am Aussenrad bzw. die Ausprägung der Planeten als Stufenplaneten von Vorteil sein.

Die Erfindung ermöglicht den Einsatz von direkt in das Verbrauchernetz eingekoppelter Drehstrommotoren als Antrieb. Der Drehstrommotor ist mit der Eingangswelle des Eingangszweigs des drehzahlvariablen hochübersetzenden Getriebes verbunden und stellt die Hauptantriebsleistung im Antriebstrang zur Verfügung. Durch die direkte Kopplung des Drehstrommotors in das Verbrauchernetz können Drehstrommotoren in der Multi - MW - Leistungsklasse auf Mittelspannungsebene entsprechend Verbrauchernetz eingesetzt werden. Somit sind keine zusätzlichen Transformatoren und stärkere Kabelstränge, Bezugsgröße ist hierbei der maximale Strom entsprechend der Spannungsebene, erforderlich. Der Verzicht auf Transformatoren und stärkeren Kabelsträngen führt zu einer Reduzierung der Verlustleitungen und zu einer Anhebung des Gesamtwirkungsgrades bei gleichzeitiger Einsparung von

Investitionskosten .

Das erfindungsmäßige Verfahren erlaubt durch das Feststellen des Ausgangszweigs mittels einer Bremseinrichtung im Ausgangszweig oder einer Feststelleinrichtung der

Arbeitsmaschine oder durch die Arbeitsmaschine selber ein Hochlauf des Drehstrommotors des Antriebs im entkoppelten Zustand zum Verbrauchernetz. Die Netzzuschaltung des Drehstrommotors an das Verbrauchernetz im Hochlauf erfolgt erst dann, wenn die Drehfrequenz des Drehstrommotors mit der Netzfrequenz des Verbrauchernetzes übereinstimmt. Eine Softstarteinrichtung ist somit nicht erforderlich (Einsparung von Investitionskosten) und das Verbrauchernetz Hochlauf nicht belastet.

Der hier dargestellte Aufbau des erfindungsgemäßen Überlagerungsgetriebes ermöglicht einen kompakten Aufbau. In sämtlichen Betriebsbereichen ist die Arbeitsmaschine ideal zu betreiben. Ein modularer Aufbau insbesondere für die Regelmaschine und den Frequenzumrichter ist möglich, so dass mit vertretbarem Fertigungsaufwand verschiedene Leistungsbereiche angeboten werden können.

Die Erfindung wurde anhand mehrerer Ausführungen für die Vorrichtung und das Verfahren beschrieben. Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die dabei offenbarten Merkmale bilden die Erfindung vorteilhaft weiter. Es zeigen:

Schaltbilder Antriebsstränge aus dem Stand der Technik;

Schaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs; Schaltbild des Antriebsstrangs aus Figur 2 mit einer Abwandlung;

Schaltbild mit konstruktiver Ausführung eines Überlagerungsgetriebes als Innengetriebe in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen AntriebsStrangs ;

Schaltbild mit konstruktiver Ausführung eines Überlagerungsgetriebes als Außengetriebe in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen AntriebsStrangs ;

Drehzahl/Zeit - Diagramm des Hochlaufs des Antriebsstrangs der erfindungsgemäßen Lösung; Figur 7 Leistungsdiagramm der erfindungsgemäßen Lösung über den Drehzahlbereich einer Arbeitsmaschine mit parabolischer Leistungskennlinie; und

Figur 8 Schaltbild mit konstruktiver Ausführung eines

Überlagerungsgetriebes in einer weiteren

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs mit zwei durch Leistungsgröße und Betriebsdrehzahl unterschiedliche zuschaltbare Regelzweige Die in Figur 1 dargestellten Schaltbilder betreffen den Stand der Technik mit einem Antriebstrag in der Ausführung als direkt zum Netz gekoppeltem Motor (100), einer Getrieberegelkupplung oder einem Überlagerungsgetriebe mit hydrodynamischen Wandlern (105) und einer Arbeitsmaschine (30) oder mit einem Antriebstrag in der Ausführung mit einem Frequenzumrichter (102), einem drehzahlvariablen Drehstrommotor (101), einem hochübersetzenden Getriebe (106) und einer Arbeitsmaschine (30) .

In Figur 2 ist die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung eines Antriebstrangs (1) mit einem Antrieb (5), einem Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (15), bestehend aus Regelmaschine (20) und gekoppeltem Frequenzumrichter (40) und einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30) und mit einer Feststellung des Ausganszweigs (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (30) bzw. durch die Arbeitsmaschine (30) selber.

In Figur 3 ist die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung eines Antriebstrangs (1) mit einem Antrieb (5), einem Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (15), bestehend jedoch aus zwei Regelmaschinen (20) und einem gekoppelten Frequenzumrichter (40) und einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30) und mit einer Feststellung des Ausganszweigs (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (30) bzw. durch die Arbeitsmaschine (30) selber .

In Figur 4 ist die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung eines Antriebstrangs mit einem Antrieb (5) , einem

Überlagerungsgetriebe (10) als Innengetriebe mit einem Eingangszweig (11) mit Außenrad (52), einem Ausgangszweig (12) mit Sonne (54), einem Regelzweig (15), bestehend aus einem Steg (55) und Planetenrädern, einer weiteren Getriebestufe (57), zwei Regelmaschinen (20) und einem gekoppelten Frequenzumrichter und einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30) mit einer Feststellung des Ausgangszweiges (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (30) bzw. durch die Arbeitsmaschine (30) selber . In Figur 5 ist die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung eines Antriebstrangs mit einem Antrieb (5) , einem

Überlagerungsgetriebe (10) als Innengetriebe mit einem Eingangszweig (11) mit einer Sonne (53), einem Ausgangszweig (12) mit einer zweiten Sonne (54), einem Regelzweig (15), bestehend aus einem Steg (55) und Planetenrädern, einer weiteren Getriebestufe (57), zwei Regelmaschinen (20) und einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30) mit einer Feststellung des Ausgangszweiges (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (30) bzw. durch die Arbeitsmaschine (30) selber.

In Figur 6 ist das Drehzahl /Zeit - Diagramm während des Hochlaufs des Antriebsstrangs der erfindungsgemäßen Lösung mit der Drehzahl des Antriebs (5), des Regelzweigs (15) mit Steg (55) und der Arbeitsmaschine (30) dargestellt.

In Figur 7 sind die aufgenommenen und abgegebenen Leistungen des Überlagerungsgetriebes im Eingangszweig (11), im Ausgangszweig (12) und im Regelzweig (15) in Abhängigkeit der Drehzahl einer Arbeitsmaschine (30) mit parabolischer Leistungskennlinie dargestellt.

In Figur 8 ist die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung eines Antriebstrangs mit einem Antrieb (5) , einem

Überlagerungsgetriebe (10) als Innengetriebe mit einem Eingangszweig (11) mit Außenrad (52), einem Ausgangszweig (12) mit Sonne (54), einem Regelzweig (15), bestehend aus einem Steg (55) und Planetenrädern, einer weiteren Getriebestufe (57) mit mindestens zwei unterschiedlichen Stirnräder (57/1 und 57/2) und mindestens zwei in Leistungsgröße und Betriebsdrehzahlbereich unterschiedliche zuschaltbare Regelmaschinen (20/1 und 20/2), deren mechanische Zuschaltung mittels einer Kupplung (60) erfolgt und zuschaltbaren gekoppelten Frequenzumrichtern und einer am Ausgangszweig (12) gekoppelten Arbeitsmaschine (30) mit einer Feststellung des Ausgangszweiges (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (30) bzw. durch die Arbeitsmaschine (30) selber .

In den Figuren 2 bis 5 weist der Antriebstrang (1) einen Antrieb (5) eines direkt am Verbrauchernetz gekoppelten Drehstrommotors auf. Der Antrieb (5) wird direkt verbunden mit dem Eingangszweig (11) des Überlagerungsgetriebes (10). Die Arbeitsmaschine (30) ist direkt verbunden mit dem Ausgangzweig (12) des Überlagerungsgetriebes (10). Zum Feststellen des Ausgangszweigs (12) befindet sich eine Bremseinheit (25) auf dem Ausgangszweig (12) oder liegt eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (30) bzw. eine Feststellung durch die Arbeitsmaschine (30) selber vor. In Figur 2 erkennt man das erfindungsgemäße ausgeführte Überlagerungsgetriebe (10) mit einer Feststellung des Ausganszweigs (12). Die Feststellung des Ausganszweigs (12) durch eine Bremseinrichtung (25) im Ausgangszweig (12) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine bzw. durch die Arbeitsmaschine (30) selber erfolgt nur beim Hochlauf des Drehstrommotors des Antriebs (5) . Im gesamten Betrieb der Arbeitsmaschine (30) ist die Feststellung des Ausganszweigs (12) aufgehoben und nicht in Funktion. In Figur 3, 4 und 5 ist die Ausgestaltung des

Überlagerungsgetriebes mit mehreren Regelmaschinen (20) im Regelzweig (15) dargestellt.

In Figur 4 und 5 ist das erfindungsmäßig ausgeführte Überlagerungsgetriebe als Innen- und Außengetriebe mit der

Abbindung des Regelzweiges (15) an den Steg (55) des

Überlagerungsgetriebes, mit mehreren Regelmaschinen (20) und einer Getriebestufe (57) im Regelzweig (15) dargestellt. Diese vorteilhafte Gestaltung ermöglicht den Einsatz von Standardmotoren üblicher Baugrößen, bewirkt eine

Leistungsaufteilung im Regelzweig (15) und ermöglicht in der Getriebestufe (57) einen Mehrfacheingriff (56) auf das Zahnrad des Regelzweigs (15) des Überlagerungsgetriebes (10) durch die Anzahl der in Eingriff stehenden Zahnrädern der An- und Abtriebszweige der Regelmaschinen (20) und führt zu einer vorteilhaften Auslegung dieser Zahnradpaarungen (56) .

Die topologisch konstruktive Ausgestaltung des

Überlagerungsgetriebes (10) ist nach Anspruch 1 und 2 als Innengetriebe in Figur 4 und als Außengetriebe in Figur 5 durch die konstruktive Anbindung des Regelzweigs (15) am Steg (55) so gestaltet, dass stets ein Drehzahlnulldurchgang des Regelzweigs (15) beim Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) und beim Betreiben der Arbeitsmaschine (30) im Betriebsbereich vorliegt. Ein generell niedriges Drehzahlniveau im Regelzweig (15) und Steg (55) wird erreicht. Die vorteilhafte Auslegung führt zu einer Entlastung der Planetenlager und ermöglicht den Einsatz von Standardmotoren in den Regelmaschinen (20), wo ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistungsaufnahme / -abgäbe und abzugebenden / aufzunehmenden Moment und Grenzdrehzahl zum Einsatz kommt. Bei optimaler Auslegung mit minimaler Regelleistung wird im unteren Teillastbereich der Arbeitsmaschine (30) der Regelzweig (15) generatorisch betrieben und im höheren Leistungsbereich motorisch. Diese Auslegung entspricht dem Leistungsdiagramm in Figur 7 und weist eine minimale Regelleistung von kleiner als 20%, vorzugsweise kleiner als 30%, kleiner 40% im Regelzweig (15) auf . In Figur 6 wird das Verfahren des Hochlaufs in zwei Teilschritten nach erfinderischem Ansatz dargestellt. Zunächst wird der Antrieb (5) durch den Regelzweig (15) auf Nenndrehzahl des Drehstrommotors gebracht. Danach wird der Drehstrommotor des Antriebs (5) in das Verbrauchernetz zugeschaltet, und es erfolgt der Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) zum gewünschten Betriebspunkt. Die Feststellung des Ausganszweigs (12) erfolgt während des Hochlaufes des Drehstrommotors des Antriebs (5) mit einem erforderlichen Feststellmoment im Ausgangszweig (12) . Dies kann durch Schließung der Bremseinheit (25) , durch Feststellung der Arbeitsmaschine (30) mittels Feststelleinrichtung (26) oder durch ein hohes Losbrechmoment der Arbeitsmaschine (30) selber ohne spezifische Einflüsse der Anlage umgesetzt werden. Letzteres weist nur eine geringe Anzahl von Arbeitsmaschinen (30) auf. Ein definierter und eindeutiger Hochlauf des entkoppelten Drehstrommotors wird somit gewährt. Dies bewirkt einen sicheren prozessstabilen Hochlauf mit guten Regelungsmöglichkeiten durch den Regelzweig (15) mit Regelmaschine (20) und gekoppeltem Frequenzumrichter (40). Eine drehzahlgenaue Führung des Antriebs (5) des Drehstrommotors auf Drehnetzfrequenz beim Hochlauf ist möglich. Durch das Festsetzen des Ausgangzweigs (12) lässt sich eine hohe Regelgüte zwischen Regelzweig (15) und Eingangszweig (11) im Verbund zum Antrieb (5) erreichen. Durch dieses hohe Maß an Regelgüte können auch

Drehstromsynchronmaschinen als Antriebe eingesetzt werden, die zusätzlich zur Übereinstimmung der Drehfrequenz eine Übereinstimmung der Phasenlage zum Verbrauchernetz während des Einschaltvorganges erfordern. Der erfindungsmäßige Ansatz gewährleistet diese Vorrausetzung für Drehstromsynchrongeneratoren als Antrieb (5) . Durch den Einsatz von Drehstromsynchrongeneratoren können zusätzliche Aufgaben der Netzunterstützung im Verbrauchernetz wahrgenommen werden.

Ein weiterer kritischer Punkt ist die Umschaltung des Regelzweigs vom motorischen in den generatorischen Betrieb für Regelmaschine (20) und Frequenzumrichter (40) nach Zuschaltung des Antriebs (5) in das Verbrauchernetz (Stromnetz) und Hochlauf der Arbeitsmaschine (30). Auch in dieser Phase gewährleistet der erfinderische Ansatz eindeutige Zusammenhänge im Antriebsstrang (1) und in der Regelung durch den Regelzweig (15) und ermöglicht während des Umschaltprozesses den geordneten Übergang von der Zuschaltung des Drehstrommotors in das Verbrauchernetz des Antriebs (5) über die Aufhebung der Feststellung des Ausgangszweigs (12) zur Umschaltung vom motorischen zum generatorischen Betrieb des Regelzweigs (15) in den anschließenden Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) . Hierbei kann der Antrieb (5) bei Nenndrehzahl durch Regelung über den Regelzweig (15) gezielt die erforderliche Leistung zur Überwindung des Losbrechmoments der Arbeitsmaschine (30) zuführen. Die hierfür benötigte Leistung ist ein Bruchteil der Nennleistung des Antriebs (5) . Nach Losbrechen der Arbeitsmaschine (30) wird der erforderliche Leistungsbedarf zum Hochlauf der Arbeitsmaschine (30) durch den Regelzweig (15) eingestellt. Dieser Prozess gewährleistet einen sanften Hochlauf des Antriebs (5) und der Arbeitsmaschine (30) und vermeidet bei Zuschaltung des Antriebs (5) hohe Anfahrtsströme durch den Antrieb (5) . Mit diesem Prozess wird der gesamte Antriebsstrang (1) im Hochlauf in seiner mechanischen Belastung entlastet.

Die topologisch konstruktive Ausgestaltung des

Überlagerungsgetriebes (10) ist nach Anspruch 1 bis 6 als Innengetriebe in Figur 8 durch die konstruktive Anbindung des Regelzweigs (15) am Steg (55) so gestaltet, dass im Regelzweigs (15) mindestens eine der Regelmaschinen (20/1) nach Hochlauf des Antriebs (5) und nach Aufhebung der Feststellung des Ausgangszweiges (12) zugeschaltet wird. Die Zuschaltung bzw. Entkopplung kann auch bei Hochlauf, Betrieb oder Abschaltung der Arbeitsmaschine (30) erfolgen. Die mechanische Zuschaltung der Regelmaschine (20/1) kann durch formschlüssige Kupplungen (60) oder anderen Arten von Kupplungen vollzogen werden. Die zugeschaltete bzw. zugeschalteten Regelmaschinen (20/1) weisen einen anderen Leistungs- und Drehzahlbereich einschließlich ein anderes Stirnrads gegenüber der oder den anderen Regelmaschinen (20/2) auf. Durch die vorteilhafte konstruktive Lösung von mindestens zwei unterschiedlichen Regelmaschinen (20/1, 20/2) und deren Möglichkeit der Zuschaltung wird eine optimale Abstimmung der Leistungsflüsse in der Auslegung des Überlagerungsgetriebes (10) erzielt und ermöglicht eine weitere Reduzierung des maximalen erforderlichen Leistungsbedarfs im Regelzweig (15) . Eine oder beide Regelmaschinen können veränderbares schaltbares Übersetzungsverhältnis im Regelzweig aufweisen, um bei Ausnutzung des gesamten Regelbereiches die erforderliche installierte Regelleistung weiter zu reduzieren. Gleichzeitig bewirkt diese vorteilhafte Auslegung eine Absenkung des Drehzahlniveaus im Steg (55) beim Betrieb der Arbeitsmaschine (30) und führt zu einer weiteren Entlastung der Planetenlager und ermöglicht die Umsetzung von hohen Übersetzungsverhältnissen im Überlagerungsgetriebe (10) . Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

. Wirkungsgrad und Ertrag

Der konstruktive Aufbau des Überlagerungsgetriebes (10) ermöglicht für schnelllaufende Gebläse, Pumpen und Kompressoren einen Regelenergiebedarf im Regelzweig (15) kleiner als 20% bevorzugt kleiner 30%, kleiner 40% bezogen auf die Nennleistung des Antriebstrangs (1), wodurch ein maximaler Wirkungsgrad des Antriebstrangs (1) auch im Teillastbereich erzielt wird.

Alle Aggregate im Antriebstrang (1) sind auf ein Minimum ausgelegt und verringern somit im Leistungsfluss die Verlustleistungen, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad verbessert .

Entsprechend des Leistungsbedarfs gelangen direktgekoppelte Drehstrommotoren auf Mittelspannungsebene zum Einsatz und ermöglichen die Einsparung von Transformatoren zur Herabsetzung der Spannung vom Versorgungsnetz auf Niederspannung und der damit verbundenen Verlustleistungen. Durch den Einsatz von Kabeln auf Mittelspannungsebene werden zusätzliche Verlustleistungen gegenüber Niederspannungsebene verringert .

2. Verringerung der Kosten

- Durch den topologisch konstruktiven Aufbau des Überlagerungsgetriebes (10) und den daraus resultierenden niedrigen Leistungsfluss im Regelzweig (15) können Standardmotoren und Standardfrequenzumrichter mit kleiner Leistung auf Niederspannungsebene eingesetzt werden.

- Durch das Feststellen des Ausgangszweigs (12) durch eine Bremseinrichtung (25) oder durch eine Feststelleinrichtung (26) der Arbeitsmaschine (3) oder durch die Arbeitsmaschine (30) selber kann ein Hochlauf des Drehstrommotors des Antriebs (5) ohne Netzankopplung erfolgen und ermöglicht die Einsparung einer Softstarteinrichtung und zusätzlicher Absicherungseinheiten zum Versorgungsnetz durch den sonst vorliegenden Anfahrtsstrom des Drehstrommotors.

Der Einsatz von Drehstrommotoren auf Mittelspannungsebene für den Antrieb (5) ist möglich und ermöglicht die Einsparung von Transformatoren von Mittelspannungsebene

(Versorgungsnetz) auf Niederspannungsebene.

Der topologisch konstruktive Aufbau des

Überlagerungsgetriebes (10) im drehzahlvariablen

Antriebsstrang (1) weist eine höhere Leistungsdichte gegenüber üblichen hochübersetzenden Getrieben mit Frequenzumrichter dieser Leistungsklasse auf und führt zur Reduzierung von Material und Bauraumvolumen. Verbesserung der Anbindung im Versorgungsnetz

Durch die Entkopplung des Drehstrommotors vom Versorgungsnetz sind beim gezielten lastfreien Hochlauf keine zusätzlichen Absicherungseinheiten bzw. Vorkehrungen zur Netzstabilität des Versorgungsnetz notwendig. Der Anfahrtsstrom des Drehstrommotors wird auf ein Minimum reduziert .

Der Einsatz von Drehstromsynchrongeneratoren ist möglich und kann zusätzliche Netzanforderungen während des Betriebes gewährleisten .