Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung umfassend ein Überlagerungsgetriebe, eine Hauptantriebsmaschine, die mit einer Eingangswelle des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, eine oder mehrere Hilfsantriebe und eine Ausgangswelle, die mit einer Arbeitsmaschine verbunden werden kann, wobei das Überlagerungsgetriebe ein Planetengetriebe aufweist mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad, einem Planetenträger und mehreren Planetenrädern und wobei die Eingangswelle mit dem Hohlrad, die Ausgangswelle mit dem Sonnenrad und der oder die Hilfsantriebe über eine Getriebestufe mit dem Planetenträger verbunden sind.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Drehzahllimitierung bei Ausfall oder Schnellabschaltung der Hauptantriebsmaschine oder eines Hilfsantriebes an einer solchen Antriebsvorrichtung.

Bei einem Überlagerungsgetriebe werden allgemein zwei Wellen des Planetengetriebes durch voneinander unabhängige Antriebe so angetrieben, dass die Drehzahlen an der dritten Welle, der Ausgangswelle, addiert oder subtrahiert werden. Ist einer der Antriebe regelbar, dann kann so eine stufenlose Drehzahlregelung für die Ausgangswelle erreicht werden.

Aus dem Stand der Technik sind Antriebsvorrichtungen mit einem Überlagerungsgetriebe bekannt, bei dem eine Hauptantriebsmaschine über die Eingangswelle das Hohlrad eines Planetengetriebes und ein regelbarer Hilfsantrieb über eine Getriebestufe den Planetenträger antreibt, während die Arbeitsmaschine über die Ausgangswelle mit der Sonne verbunden ist. Durch eine solche Antriebsvorrichtung kann die Drehzahl an der Ausgangswelle in einem recht großen Drehzahlbereich stufenlos eingestellt werden und das bei konstant laufender Hauptantriebsmaschine. Des Weiteren ist es möglich, den Hauptantrieb lastfrei anzuschleppen, indem der Hifisantrieb beim Hochlaufen jeweils die Drehzahl der Hauptantriebsmaschine einprägt. Erst wenn der Hauptantrieb in der Nähe der Nenndrehzahl ist und damit ein hohes Drehmoment aufbringen kann, wird die Last langsam beschleunigt, indem die Kompensation der Drehzahl durch den Hilfsantrieb reduziert wird.

Eine konkrete Ausführung ist beispielsweise in der Schrift DE 102014210864 A1 gezeigt. Hier ist nun zusätzlich eine Kupplung zwischen Hilfsantrieb und der ersten Getriebestufe zum Planetenträger vorhanden. Diese Kupplung ermöglicht es, den Hilfsantrieb komplett vom Planetengetriebe zu trennen. Dadurch kann bei einer Störung des Hilfsantriebes dieser stillgelegt werden und der Rest kann zumindest mit der Hauptantriebsmaschine bei konstanter Drehzahl weiterbetrieben werden.

Genutzt werden solche Antriebsvorrichtungen insbesondere zum Antreiben von Pumpen, Verdichtern oder Kompressoren mit großer Leistung, wie sie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie oder in thermischen Kraftwerken verwendet werden.

Nicht zufriedenstellend gelöst ist dabei allerdings das Problem, dass der Hilfsantrieb und das Getriebe beschädigt werden können, wenn die Hauptantriebsmaschine im Betrieb ausfällt oder vom Netz getrennt werden muss. Da in den oben genannten Anwendungsfällen meist die Massenträgheit der Hauptantriebsmaschine viel größer ist als die der angetriebenen Arbeitsmaschine, wird bei Ausfall des Antriebsmomentes an der Hauptantriebsmaschine die Drehzahl der Arbeitsmaschine schnell gegen Null gehen. Aufgrund des Drehzahlgleichgewichtes am Planetengetriebe wird in dieser Getriebevariante der Planetenträger und der Hilfsantrieb stark beschleunigt. Dabei können unzulässige Drehzahlen am Planetenträger auftreten. Das kann durch die Kupplung am Hilfsantrieb nicht verhindert werden, es ist sogar so dass durch das Abkuppeln zwar der Hilfsantrieb geschützt werden kann, die Drehzahl am Planetenträger dann aber noch schneller ansteigen würde. Im Stand der Technik wird vorgeschlagen, das durch eine Bremse am Planetenträger zu verhindern, was aber zur Kupplung noch eine zusätzliche Komponente erfordert. Das erhöht die Kosten der Antriebsvorrichtung und benötigt mehr Bauraum - zwei gravierende Nachteile. Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine verbesserte Lösung für das obengenannte Problem zu finden.

Für die Vorrichtung wird die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Vorrichtung weiter verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Dabei wird die Vorrichtung so weiterentwickelt, dass eine Zusatztriebverbindung mit konstanter zwischen dem Hilfsantrieb auf der einen Seite und dem Hohlrad oder einem Ritzel auf der Eingangswelle auf der anderen Seite vorhanden ist, wobei in dieser Zusatztriebverbindung eine schaltbare Kupplung vorhanden ist, die die Zusatztriebverbindung aktivieren oder unterbrechen kann, derart dass bei Unterbrechung durch die Kupplung die Verbindung zwischen Hilfsantrieb und Planetenträger über die erste Getriebestufe aktiviert bleibt. Aktiviert meint hierbei, dass Leistung und Drehmoment übertragen werden kann. So kann mit Hilfe der Kupplung der Hilfsantrieb und die Hauptantriebsmaschine auf der Eingangsseite des Planetengetriebes über die Zusatztriebverbindung direkt gekoppelt werden. Bei geeigneter Wahl der Übersetzung für die Zusatztriebverbindung kann bei einem Ausfall des Hauptantriebes ein Großteil der Energie in der Kupplung durch die Umbeschleunigung des Hilfsantriebes verzehrt werden. Bei geeigneter verzögerter Ansteuerung der Kupplung kann ein größerer Teil der Energie auch in den Hilfsantrieben verzehrt werden, so dass die Kupplung kleiner und leichter ausgelegt werden kann. Eine Überdrehzahl des Hilfsantriebes oder des Planetenträgers wird damit wirksam verhindert. Somit sind besonders die Planetenbolzen vor einer Beschädigung durch zu hohe Fliehkräfte geschützt.

Bei geeigneter Ansteuerung der Kupplung, so dass möglichst viel Energie im Hilfsantrieb und weniger Energie in der Kupplung verzehrt wird, kann die Temperaturentwicklung in der Anthebsvorrichtung gering gehalten werden. Das ist ein besonderer Vorteil gegenüber der bekannten Variante mit Bremse, vor allem wenn zum Beispiel Anwendungen im explosionsgefährdeten Bereich geplant sind, beispielsweise Verdichter in der Öl- und Gasindustrie oder Ventilatoren im Bereich brennbarer Stäube. Oftmals sind dort bestimmte Temperaturgrenzen vorgegeben, die nicht überschritten werden dürfen, auch nicht im Störfall.

Bei Normalbetrieb ist die Kupplung geöffnet und die Zusatztriebverbindung unterbrochen. Die Hilfsantriebe sind über die Hilfsantriebswellen und die erste Getriebestufe mit dem Planetenträger verbunden. Im Störfall wird die Kupplung wie oben beschrieben geschlossen und die Zusatztriebverbindung aktiviert.

Die Anordnung ist gut geeignet für hohe Drehzahlen am Abtrieb, wie sie beispielsweise bei schnelllaufenden Kompressoren oder bei großen Ventilatoren gefordert sind, weil dadurch der Bauraum und das Gewicht der Antriebsvorrichtung relativ gering gehalten werden können.

In der erfindungsgemäßen Anordnung bietet es zusätzlich den Vorteil, dass die Antriebsvorrichtung bei geschlossener Kupplung alleine durch den Hilfsantrieb die Arbeitsmaschine antreiben kann, also bei stromloser Hauptantriebsmaschine. Das ist mit den bisher bekannten Vorrichtungen nicht möglich. Der Vorteil besteht unter anderem darin, dass somit im niedrigen Drehzahlbereich die Arbeitsmaschine alleine durch die Hilfsantriebe betrieben werden kann. Kommt die Drehzahl an der Eingangswelle in den Bereich der Nenndrehzahl der Hauptantriebsmaschine, kann diese ans elektrische Netz geschaltet werden. So kann die Zeitdauer der unerwünschten Einschaltstromspitzten deutlich verringert werden.

Unter Getriebestufe wird eine Triebverbindung verstanden, die mit konstanter Übersetzung also festem Drehzahlverhältnis Leistung und Drehmoment überträgt. Die erste Getriebestufe wird bevorzugt durch ein einstufiges Stirnradgetriebe zwischen einem Zahnrad auf der Hilfsantriebswelle und dem Planetenträger, der als ein Zahnrad ausgeführt ist oder der ein auf ihn gefügtes Zahnrad trägt, gebildet. Besonders bevorzugt ist es als sogenannte Räderkette ausgebildet, das heißt aus mehreren mindestens zwei Zahnrädern, die nacheinander miteinander in Eingriff stehen und so das Drehmoment auf das Zahnrad am Planetenträger übertragen. Alternativ kann die erste Getriebestufe auch durch ein mehrstufiges Anpassgetriebe oder einen Kettentrieb oder einen Zahnriementrieb gebildet werden.

Die Zusatztriebverbindung kann ebenfalls bevorzugt als einstufiges Stirnradgetriebe aus einem Zahnrad auf der Hilfsantriebswelle und einer Außenverzahnung auf dem Hohlrad oder einem zusätzlichen Ritzel auf der Eingangswelle ausgeführt werden. Die bei der ersten Getriebestufe genannten Varianten zur Ausführung können auch in der Zusatztriebverbindung vorteilhafterweise zur Anwendung kommen, insbesondere die Räderkette. Die benötigte Kupplung ist bevorzugt zwischen der Hilfsantriebswelle und dem Zahnrad auf der Hilfsantriebswelle vorgesehen. So müssen das oder die Zahnräder der Zusatztriebverbindung bei geöffneter Kupplung nicht mitbewegt werden, was vorteilhaft sein kann. Bei der Variante mit einem zusätzlichen Ritzel auf der Eingangswelle kann die Kupplung alternativ zwischen dem Ritzel und der Eingangswelle vorgesehen sein.

Die Zusatztriebverbindung kann durch eine zweite Getriebestufe gebildet werden, wobei die Zusatztriebverbindung von einer Hilfsantriebswelle über die zweite Getriebestufe direkt auf das Hohlrad oder das Ritzel einwirkt. Sie kann auch durch eine zweite und eine dritte Getriebestufe gebildet werden, wobei die zweite Getriebestufe zunächst Drehmoment von der Hilfsantriebswelle auf eine Zwischenwelle überträgt und die dritte Getriebestufe Drehmoment von der Zwischenwelle auf das Ritzel auf der Eingangswelle oder auf das Hohlrad überträgt. Oder die Zusatztriebverbindung ist so ausgebildet, dass von einer Hilfsantriebswelle über eine erste Getriebestufe auf den Planetenträger, über eine zweite Getriebestufe vom Planetenträger auf eine Zwischenwelle und über eine dritte Getriebestufe von der Zwischenwelle auf das Hohlrad oder das Ritzel Drehmoment übertragen wird. Bevorzugt können hierbei die erste Getriebestufe und/oder die dritte Getriebestufe als Räderkette aus je mindestens zwei Zahnrädern zusätzlich zum Zahnrad oder Ritzel, auf das Drehmoment übertragen werden soll, aufgebaut sein. Die Kupplung kann bevorzugt zwischen zweiter und dritter Getriebestufe vorgesehen sein und die Zwischenwelle in eine erste und eine zweite Zwischenwelle teilen. Das ermöglicht eine besonders bauraumsparende Version und ein Gehäuse mit Teilfuge.

Besonders vorteilhaft ist die erfinderische Ausführung, wenn die Hauptantriebsmaschine nur drehzahlkonstant betreibbar ist und der oder die Hilfsantriebe drehzahlgeregelt betreibbar sind und insbesondere der oder die Hilfsantriebe als Niederspannungsmotoren ausgeführt sind. Ein Großteil der Antriebsleistung kann von der konstant betriebenen Hauptantriebsmaschine aufgebracht werden. Diese benötigt keinen Frequenzumformer, was Investitionskosten spart. Bevorzugt wird die Hauptantriebsmaschine als Mittelspannungsmotor ausgeführt, also mit einer Spannung von mehr als 1 kV. Die Drehzahlregelung erfolgt über die Hilfsantriebe, die eine geringere Leistung benötigen und die bevorzugt als Niederspannungsmotoren mit einer Spannung von weniger als 1 kV ausgeführt sind. Somit fallen die dafür benötigten Frequenzumformer kleiner und kostengünstiger aus.

Um eine unzulässige Temperaturerhöhung an den Hilfsantrieben zu reduzieren und um ihre Leistung, d.h. ihr Drehmoment auch bei geringer Drehzahl abrufen zu können, ist es von Vorteil, wenn der oder die Hilfsantriebe je einen Fremdkühler aufweisen, der als Fremdlüfter mit separatem Lüftermotor ausgeführt ist und insbesondere einen Sensor zur Überwachung der Wicklungstemperatur am separaten Lüftermotor aufweist. Die im Stand der Technik verwendeten Lüfter, die auf der Motorwelle sitzen und mit der Motordrehzahl mitdrehen, sind dafür nicht ausreichend. Mit einem Fremdkühler ist die Kühlleistung unabhängig von der Drehzahl des Hilfsantriebes steuerbar.

Alternativ können der oder die Hilfsantriebe je einen Fremdkühler aufweisen, der als Wasserkühler ausgeführt ist und insbesondere einen Sensor zur Überwachung der Kühl wässertem peratur im Kühlerrücklauf und/oder einen Sensor zur Überwachung der Kühlwasserpumpe aufweist. Auch hiermit ist eine unabhängige Steuerung der Kühlleistung möglich. Als Kühlwasser kann jedes geeignete flüssige Kühlmittel verwendet werden.

Die zusätzlichen Sensoren ermöglichen eine Erkennung der Kühlleistung und somit eine Erkennung der Belastung des Hilfsantriebes. Diese Daten können zur Regelung der gesamten Antriebsvorrichtung und auch zur vorausschauenden Erkennung von Störfällen genutzt werden. .

Besonders vorteilhaft ist die Kupplung so ausgeführt ist, dass sie im nicht angesteuerten Zustand, insbesondere bei Energieausfall, in den geschlossenen Zustand übergeht und dass die Kupplung bevorzugt als Lamellen-, Klauen- oder Visco-Kupplung ausgeführt ist. Durch die stromlos-geschlossene Ausführung der Kupplung ist gewährleistet, dass der Schutz vor Überdrehzahl auch bei komplettem Energieausfall gegeben ist. Lamellen-, Klauen- oder Visco- Kupplungen oder hydrodynamische Kupplungen sind besonders gut geeignet hohe Leistung zu übertragen. Um eine gezielt verzögerte Schaltung der Kupplung zu ermöglichen, muss der richtige Schaltzeitpunkt bestimmt werden. Dazu ist es notwendig, die Drehzahlen an der Antriebsvorrichtung zu kennen. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn diese so ausgeführt ist, dass von den drei Drehzahlen (n1 ,n2,n3): Hauptantriebsmaschine , Ausgangswelle und Hilfsantrieb zumindest zwei Drehzahlen erfasst oder gemessen werden können. Die dritte notwendige Drehzahl am Planetengetriebe kann über die Drehzahlgleichungen (Willis-Gleichungen) bestimmt werden. Die Erfassung oder Messung kann insbesondere mit Hilfe von Impulsgebern am Antrieb und/oder Drehzahlsensoren erfolgen. Um die Belastung und gegebenenfalls eine aufkommende Störung vorausschauend zu erkennen, ist es von Vorteil, wenn der oder die Hilfsantriebe einen Sensor zur Erfassung der Wicklungstemperatur und/oder einen Sensor zur Erfassung der Lagertemperatur aufweisen. Insbesondere bei hohen Anforderungen an die Temperaturbegrenzung in der Antriebsanordnung ist eine solche Ausführung zu bevorzugen. Weiterhin kann aus den gleichen Gründen die Hauptantriebsmaschine einen Sensor zur Erfassung der Wicklungstemperatur und/oder einen Sensor zur Erfassung der Lagertemperatur aufweisen.

Für das Verfahren wird die Aufgabe durch eine Ausführung gemäß Anspruch 1 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dieses weiter verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.

Es werden folgende Verfahrensschritte an einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ausgeführt, um eine unerwünschte Überdrehzahl am Hilfsantrieb und am Planetenträger zu vermeiden:

A) Erkennen eines Ausfalls oder einer Schnellabschaltung der Hauptantriebsmaschine oder eines Hilfsantriebes;

S) und dann Schließen der Kupplung.

Durch das Schließen der Kupplung nach Erkennen einer Störung werden Hauptantriebsmaschine und Hilfsantriebe über die zweite Stirnradstufe fest miteinander gekoppelt. Somit wird vermieden, dass dabei die Hilfsantriebe und der Planetenträger aufgrund der hohen Massenträgheit der Hauptantriebsmaschine zu stark beschleunigt werden. Das Risiko einer Beschädigung aufgrund zu hoher Drehzahlen wird vermieden. Das Erkennen eines Ausfalls oder einer Schnellabschaltung, wobei hiervon auch ein bevorstehender Ausfall oder eine bevorstehende Schnellabschaltung mit umfasst ist, kann beispielsweise über die Antriebssteuerung und/oder über Signale aus der Stromversorgung, insbesondere bei Ausfall des Versorgungsnetzes oder Auslösen von Sicherungseinrichtungen oder Not-Aus- Einrichtungen, erfolgen. Ebenso können Fehler- oder Störmeldungen verwendet werden. Unter Schließen der Kupplung wird der Schaltzeitpunkt der Ansteuerung der Kupplung verstanden. Nach dem Ansteuern kommt es zunächst zu einer Phase, in der an der Kupplung ein gewisser Schlupf herrscht, bis dann eine weitgehend vollständige Drehmomentübertragung erreicht wird.

Um die Drehzahllimitierung weiter zu verbessern und die Belastung der Kupplung zu reduzieren, ist es von Vorteil wenn die folgenden Schritte zusätzlich ausgeführt werden:

B) Wiederholtes Ermitteln oder Messen der Drehzahlen an einem der Hilfsantriebe oder dem Planetenträger, an der Eingangswelle oder der

Hauptantriebsmaschine und an der Ausgangswelle oder der Arbeitsmaschine;

C) Berechnen des Synchronisierungspunktes aus der Bedingung: Drehzahl (n2) der Hauptantriebsmaschine ist vor dem Schließen der Kupplung gleich der Drehzahl (n2) nach dem Schließen der Kupplung;

S1 ) Sofortiges Schließen der Kupplung nur, falls sich die Drehzahl (n3) des Hilfsantriebes von der Synchronisierungsdrehzahl (n_syn) entfernt,

S2) oder ansonsten verzögertes Schließen der Kupplung, sobald die Drehzahl (n3) des Hilfsantriebes maximal um 5%, bevorzugt maximal um 3% von der Synchronisierungsdrehzahl (n_syn) abweicht.

Prozessbedingt können manche Schritte ganz oder teilweise parallel erfolgen. Insbesondere die Schritte B) und C) können parallel gemacht werden. Beziehungsweise der Schritt B) kann auch laufend während des Betriebes erfolgen. Die Schritte S1 ) und S2) sind als Fallunterscheidung anzusehen und als Detaillierung von Schritt S): Ist die Bedingung„Drehzahl (n3) des Hilfsantriebes entfernt sich von Synchronisierungsdrehzahl" erfüllt, so wird S1 ) umgesetzt. Ist dagegen die Bedingung nicht erfüllt, so wird stattdessen S2) umgesetzt.

Um die Drehzahlen der beiden Antriebswellen und der Ausgangswelle bestimmen zu können, müssen zumindest zwei der Drehzahlen gemessen werden. Die dritte kann dann über die sogenannte Willis-Gleichung ermittelt werden. Die Messung kann über Drehzahlsensoren an geeigneter Stelle oder über Impulsgebern an den Antrieben erfolgen. Beim konstant angetriebenen Hauptanthebsmotor kann mit gewissen Abstrichen an die Genauigkeit auch im Störfall in Näherung angenommen werden, dass die Drehzahl zunächst konstant ist, dann reicht sogar eine Drehzahl-Messung aus.

Die Willis-Gleichung für das Drehzahlgleichgewicht bei geöffneter Kupplung lautet: n1 - ( i_PG ^* n2) - ((1 - i_PG) ^* (n3 / i_SG1 )) = 0 (GI.1 )

Die Bezeichnung der Drehzahlen und Übersetzungsverhältnisse findet sich in der Bezugszeichenliste zu den Figuren.

Für die Berechnung des Synchronisierungspunktes muss die Bedingung erfüllt sein, dass die Drehzahl (n2) an der Hauptantriebsmaschine vor und nach dem Schließen der Kupplung gleich ist. Während die Willis-Gleichung die Bedingung bei geöffneter Kupplung angibt, gibt die nachfolgende Gleichung die Bedingung bei geschlossener Kupplung an:

n2 = n3 / i_SG2 (Gl.2a)

Beide Gleichungen müssen gleichzeitig erfüllt sein am Synchronisierungspunkt. Ist das gegeben, kann die Kupplung mit minimalem Schlupf geschlossen werden. Durch das Übersetzungsverhältnis i_SG2 ist die Drehzahl des Hilfsantriebes am Synchronisierungspunkt in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hauptantriebsmaschine vorgegeben. Durch Einsetzen der GI.1 in die GI.2 kann die Bedingung nicht nur für n2 und n3, sondern alternativ auch in Abhängigkeit von den anderen Drehzahlen ausgedrückt werden. Die Auswahl des Übersetzungsverhältnisses i_SG2 wird so gewählt, dass die Drehzahl am Synchronisierungspunkt im Regelbereich der Antriebsvorrichtung liegt.

Bei einer Ausführung mit einer Zusatztriebverbindung, die vom Hilfsantrieb über die erste Getriebestufe auf den Planetenträger und von dort über eine zweite Getriebestufe auf eine Zwischenwelle und von dort über eine dritte Getriebestufe auf das Hohlrad oder auf das Ritzel auf der Eingangswelle wirkt, gilt anstatt der Gleichung (2a) folgende Gleichung für die Bedingung bei geschlossenen Kupplung:

n2 = n3 ^* (i_SG3 ^* i_SG2 / i_SG1 ) (Gl.2b) Nun werden bei Erkennen eines Ausfalls die aktuellen Drehzahlen mit der Drehzahl am Synchronisierungspunkt verglichen. Entfernt sich die Drehzahl des Hilfsantriebes von dessen Synchronisierungsdrehzahl so wird die Kupplung sofort geschlossen und der Hilfsantrieb fest an die Hauptantriebsmaschine gekoppelt. Bewegt sich die Drehzahl des Hilfsantriebes dagegen auf die Synchronisierungsdrehzahl zu so wird das Schließen der Kupplung verzögert. Und zwar solange bis die Drehzahl des Hilfsantriebes nicht mehr als 5%, bevorzugt um nicht mehr als 3% von der zugehörigen Synchronisierungsdrehzahl abweicht. Dadurch wird erreicht, dass die Energieaufnahme und damit die Temperaturentwicklung in der Kupplung möglichst gering ist. Der erste Fall mit sofortigem Schließen der Kupplung ist nur dann nötig, wenn die Drehzahl des Hilfsantriebes die Synchronisierungsdrehzahl schon überschritten hat und ohne Eingriff nicht mehr erreichen kann.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn ein bevorstehender Ausfall oder Schnellabschaltung der Hauptantriebsmaschine (2) bereits vor Eintritt erkannt werden kann. Dazu können beispielsweise Temperaturobergrenzen für die Wicklungstemperatur und/oder für die Lagertemperatur eines oder mehrerer Antriebe durch einen oder mehrere Temperatursensoren überwacht werden. Weiterhin können zur Erkennung eines Ausfalls oder bevorstehenden Ausfalls zusätzlich aktuelle Beschleunigungswerte aus den gemessenen oder ermittelten Drehzahlen (n1 ,n2,n3) verwendet werden. So kann beim Auftreten besonderer Gradienten in der Drehzahl ein Ausfall erkannt werden und das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahllimitierung durchgeführt werden.

Es kann vorteilhaft sein, bei Ausfall oder Fehlfunktion der Hauptantriebsmaschine als weiteren Verfahrensschritt eine Drehzahlvorgabe oder eine Drehmomentvorgabe an die Hilfsantriebe durchzuführen, um sie so in die Nähe der Synchronisierungsdrehzahl zu bringen. Dadurch kann vermieden werden, dass zu viel Energie in der Kupplung aufgenommen werden muss. Somit wird die Temperaturentwicklung in der Kupplung reduziert.

Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen: erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung weitere erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit positiver Drehzahl der Hilfsantriebe

weitere erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit negativer Drehzahl der Hilfsantriebe

weitere erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit weiterer Triebverbindung über Räderkette weitere erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit weiterer Triebverbindung über Räderkette als Ausschnitt in Frontansicht beispielhafter Drehzahlverlauf ohne Schließen der Kupplung weiterer beispielhafter Drehzahlverlauf ohne Schließen der Kupplung beispielhafter Drehzahlverlauf mit sofortigem Schließen der Kupplung beispielhafter Drehzahlverlauf mit verzögertem Schließen der Kupplung

Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten. In Fig.1 ist eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gezeigt, die über die Ausgangswelle 15 an die Arbeitsmaschine 1 angebunden ist. Und an einer solchen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahllimitierung vorteilhaft eingesetzt werden. Das Überlagerungsgetriebe 17 weist ein Gehäuse 9 auf und umfasst ein Planetengetriebe 18 mit der Übersetzung i_PG. Die Eingangswelle 14 verbindet die Hauptantriebsmaschine 2 mit dem Hohlrad 4 des Planetengetriebes und die Ausgangswelle 15 verbindet das Sonnenrad 7 mit der Arbeitsmaschine 1 . Die dritte Welle des Überlagerungsgetriebes wird durch die Hilfsantriebswellen 16.1 und 16.2 gebildet. Diese verbinden über die erste Getriebestufe 6.1 , 6.2 die Hilfsantriebe 3.1 und 3.2 mit dem Planetenträger 10. Der Planetenträger 10 trägt zum einen die Planetenräder 5 über die Planetenbolzen und auf der anderen Seite ist er als Zahnrad ausgebildet, das mit den jeweiligen Zahnrädern auf den Hilfsantriebswellen 16.1 und 16.2 die erste Getriebestufe 6 bildet. Das Zahnrad auf den Planetenträger kann auch gefügt sein, es muss nicht unbedingt einteilig aus dem Planetenträger gebildet sein. Im dieser Figur ist die bevorzugte Variante für die Getriebestufe nämlich in Form einer Stirnradstufe dargestellt. Weiterhin ist diese Ausführung mit zwei Hilfsantrieben 3.1 und 3.2 ausgestattet; die Erfindung kann aber auch mit nur einem Hilfsantrieb oder mit mehreren, zum Beispiel drei Hilfsantrieben umgesetzt werden. Wichtig ist, dass die Hilfsantriebe über eine Getriebestufe 6.1 ,6.2 mit gleicher Übersetzung mit dem Planetenträger 10 gekoppelt sind. Die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 sind als regelbare Motoren mit kleinerer Leistung und die Hauptantriebsmaschine 2 als Motor mit höherer Leistung aber konstanter Drehzahl ausgeführt. Bevorzugt können die Hilfsantriebe als Niederspannungsmotoren ausgeführt werden, da sie oft nur ca. 10 bis 30% der gesamten Antriebsleistung haben. Somit fallen auch die notwendigen Frequenzumformer und die sonstigen Komponenten zur Regelung kleiner und günstiger aus. Die Hauptantriebsmaschine 2 ist bei vielen Anwendungen als Mittelspannungsmotor ausgeführt, um insgesamt die benötigte Leistung zu liefern, und kann ohne Regelung ausgeführt werden. Solche Antriebsvorrichtungen sind besonders interessant bei hohen Leistungen von mehreren MW, wie sie bei schnelllaufenden Pumpen, Kompressoren oder Ventilatoren in der Öl- und Gasindustrie oder in thermischen Kraftwerken vorkommen. Über die Drehzahl und Drehrichtung der Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 kann die Drehzahl an der Ausgangswelle 15 um einen gewissen Anteil erhöht oder erniedrigt werden. Die Grenzen dieses Bereiches bei maximaler Drehzahl der Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 einmal in positiver und einmal in negativer Drehrichtung geben den möglichen Regelbereich vor. Die Übersetzung i_SG1 der ersten Getriebestufe 6.1 , 6.2 muss an die Nenndrehzahlverhältnisse und Drehmomentverhältnisse zwischen Hilfsantrieb und Hauptantrieb angepasst werden.

Über eine zweite Getriebestufe 8, die hier wiederum als Stirnradstufe von einem weiteren Zahnrad auf der Hilfsantriebswelle 16.1 und der Außenverzahnung auf dem Hohlrad 4 gebildet wird, können die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 unter Umgehung des Planetengetriebes 18 direkt mit der Eingangswelle 14 und der Hauptantriebsmaschine 2 gekoppelt werden. Dieser Leistungspfad stellt die Zusatztriebverbindung dar, die zusätzlich zur Verbindung wirkt, die zwischen den Hilfsantrieben 3.1 , 3.2 und dem Planetenträger 10 besteht. Diese Zusatztriebverbindung kann über die schaltbare Kupplung 1 1 .1 mit dem Aktuator 23 geöffnet oder geschlossen werden. Die Übersetzung i_SG2 der zweiten Getriebestufe muss so ausgelegt sein, dass die Drehzahl im Synchronisierungspunkt im Regelbereich liegt. Auch bei geöffneter Kupplung bleibt die Verbindung zwischen Hilfsantrieb 3.1 , 3.2 und Planetenträger 10 über die erste Getriebestufe 6.1 , 6.2 aktiviert.

Fällt nun einer der Antriebe 2, 3.1 , 3.2 aufgrund einer Störung aus oder wird eine Schnellabschaltung, insbesondere des Hauptantriebes 2, eingeleitet, so fällt die Drehzahl n1 an der Arbeitsmaschine schnell ab, da deren Massenträgheit in diesen Anwendungen sehr viel kleiner ist, als die der Antriebsmotoren 2, 3.1 , 3.2. Da die Massenträgheit der Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 auch noch kleiner ist als die der Hauptantriebsmaschine 2, werden der Planetenträger 10 und die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 im Störungsfall durch das schnelle Auslaufen der Arbeitsmaschine 1 und das langsame Auslaufen der Hauptantriebsmaschine 2 beschleunigt. Wird dabei eine unzulässig hohe Drehzahl erreicht, können die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 und besonders die Planetenräder 5 und deren Bolzen beschädigt werden. Eine sichere Auslegung des Planetengetriebes 18 auf diesen besonderen Störfall oder eine zusätzlich vorgesehene Bremse würden die Antriebsvorrichtung unnötig groß und teuer machen.

Durch das Schließen der Kupplung 1 1 .1 nach dem Erkennen eines entsprechenden Störfalls kann im erfindungsgemäßen System diese Überdrehzahl verhindert werden. Informationen zum Erkennen eines Störfalls können beispielsweise aus dem Steuerungssystem oder dem System der Energieversorgung kommen. Zusätzlich können Temperatursensoren zur Lagerüberwachung 25,27,29 oder zur Überwachung der Wicklungstemperatur 24,26,28 an den Antriebsmotoren vorhanden sein, deren Signal zur Erkennung einer Störung oder einer sich abzeichnenden Störung verwendet werden. An den Hilfsantrieben sind Fremdkühler vorgesehen, die hier als Fremdlüfter 12,13 mit eigenem Lüftermotor und mit Überwachungssensoren für die Wicklungstemperatur 32,33 ausgeführt sind. Die Ausführung mit Fremdkühler hat den Vorteil, dass auch bei geringer Drehzahl des Hilfsantriebes eine höhere Kühlleistung möglich ist, die unabhängig von der Drehzahl des Hilfsantriebes geregelt werden kann. Das ist nötig falls ein höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl gefordert wird, was nicht nur im normalen Betrieb, sondern auch nach Schließen der Kupplung 1 1 .1 im hier beschriebenen Verfahren zur Drehzahllimitierung vorkommen kann.

Bevorzugt wird die Kupplung 1 1 .1 und ihre Ansteuerung so ausgeführt, dass die Kupplung bei Ausfall der Ansteuerung geschlossen ist. Dadurch wird gewährleistet, dass selbst bei komplettem Stromausfall und Ausfall der Steuerung dennoch die Drehzahllimitierung über die geschlossene Kupplung erreicht wird.

Des Weiteren können Drehzahlsensoren 22.1 , 22.2, 30 an den Antrieben vorgesehen sein. Diese können durch die Impulsgeber der Motoren gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Drehzahlsensor 20 am Zahnrad der ersten Getriebestufe 6.1 ,6.2, ein Drehzahlsensor 21 am Zahnrad des Planetenträgers 10 und ein Drehzahlsensor 31 an der Ausgangswelle 15 vorhanden sein. Somit sind Varianten angegeben, mit denen alle Drehzahlen n1 , n2, n3 und die des Planetenträgers gemessen werden können. Letztendlich ist es allerdings ausreichend, wenn zwei dieser Drehzahlen gemessen werden, denn die übrigen Drehzahlen können dann über die Drehzahlgleichung des Planetengetriebes 18 und über die Übersetzungen bestimmt werden. Es sind somit nicht alle gezeigten Drehzahlsensoren gleichzeitig nötig.

Die Bestimmung der Drehzahlen und insbesondere die Kenntnis deren Verläufe im Störfall bieten den Vorteil, dass damit bestimmt werden kann, wann der beste Schaltzeitpunkt für die Kupplung 1 1 .1 ist. Durch ein verzögertes Schließen nach dem Erkennen eines Störfalls und einen optimierten Schaltzeitpunkt kann die Belastung und die Temperaturerhöhung in der Kupplung 1 1 .1 beim Herunterfahren des Systems deutlich reduziert werden.

Fig.2a und 2b stellen eine weitere Ausführung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar. Der wesentliche Unterschied zur Ausführung in Fig .1 ist, dass die zweite Getriebestufe 8 nicht mit einer Außenverzahnung auf dem Hohlrad 4 gebildet wird, sondern dass stattdessen ein Ritzel 4.1 auf der Eingangswelle 14 sitzt, das mit dem zweiten Zahnrad auf der Hilfsantriebswelle 16.1 im Eingriff ist. Die schaltbare Kupplung 1 1 .1 ist wiederum zwischen diesem zweiten Zahnrad und der Hilfsantriebswelle 16.1 dargestellt. Alternativ könnte die Kupplung allerdings auch zwischen dem Ritzel 4.1 und er Eingangswelle 14 vorgesehen werden.

Auch in dieser Ausführung können die bei Fig.1 genannten Sensoren vorteilhafterweise eingesetzt werden. Über die Pfeile an den Wellen wird die Drehrichtung (+/-) angezeigt. In beiden Fällen wird angenommen, dass die Kupplung 1 1 .1 geöffnet ist. Die Drehrichtung der Ausgangswelle 15 ist immer gegenläufig zur Drehrichtung der Eingangswelle 14. Fig.2a beschreibt den Betrieb oberhalb des Umkehrpunktes, das heißt die Hilfsantriebe erhöhen in diesem Fall die Drehzahl an der Ausgangswelle 15 gegenüber der Drehzahl, die sich bei Nenndrehzahl der Hauptantriebsmaschine 2 einstellen würde, wenn der Planetenträger 10 und die Hilfsantriebe stehen (= Umkehrpunkt). Und Fig.2b zeigt den Fall, dass die Drehzahl der Arbeitsmaschine

1 unter dem Umkehrpunkt liegt, also dass die Hilfsantriebe durch die Überlagerung die Drehzahl reduzieren.

In Fig.3a ist eine weitere bevorzugte Ausführung der erfinderischen Antriebsanordnung dargestellt. Der Einfachheit halber ist nur ein Hilfsantrieb 3.2 gezeigt, bevorzugt sind aber zwei oder sogar drei Hilfsantriebe analog vorhanden. Desweiteren ist der Hilfsantrieb 3.2 schematisch unter der Hauptantriebsmaschine

2 gezeichnet, auch wenn er bei zwei Hilfsantrieben bevorzugt auf der gleichen Ebene mit der Hauptantriebsmaschine 2 liegen kann. Vom Hilfsantrieb 3.2 wird über die erste Getriebestufe, die als Räderkette 6.2a, 6.2b ausgebildet ist, Drehmoment auf den Planetenträger 10 übertragen. Die Zusatztriebverbindung nutzt ebenfalls diese erste Getriebestufe und überträgt dann das Drehmoment weiter über die zweite Getriebestufe 8.1 auf den ersten Teil der Zwischenwelle 16.3. Über die schaltbare Kupplung 1 1 .2 wird die erste Zwischenwelle 16.3 mit der zweiten Zwischenwelle 16.4 verbunden. Und von der Zwischenwelle 16.4 wird das Drehmoment dann über die dritte Getriebestufe, die hier als Räderkette 19.1 , 19.2, 19.3 ausgeführt ist, auf das Ritzel 4.1 auf der Eingangswelle 14 übertragen. So wird bei geschlossener Kupplung 1 1 .2 der Hilfsantrieb 3.2 durch die Zusatztriebverbindung über erste, zweite und dritte Getriebestufe mit der Eingangswelle 14 verbunden. Bei geöffneter Kupplung 1 1 .2 wirkt der Hilfsantrieb über die erste Getriebestufe nur auf den Planetenträger. Die Kupplung 1 1 .2 wird über den Aktuator 23 betätigt. Für die Berechnung des Synchronisierungspunktes gilt die Gleichung (2b). Anstelle einer oder beider gezeigter Räderketten kann auch jeweils eine Stirnradstufe mit größeren Zahnrädern verwendet werden. Oder es kann eine der anderen genannten Varianten für die Drehmomentübertragung eingesetzt werden. Gut zu erkennen ist der Vorteil, dass die Ausführung im Bereich der Hilfsantriebe 3.2 mit der Hilfsantriebswelle 16.2 sehr kompakt und platzsparend in der Breite sein kann. Das ermöglicht beispielsweise, dass die erfindungsgemäße Antriebsanordnung in Anwendungen bauraumneutral gegenüber bisherigen Antriebssystemen eingesetzt werden kann.

Fig.3b zeigt einen Ausschnitt der Ausführungsform aus Fig.3a in Frontansicht aus Blickrichtung A, wobei nur die Zahnräder gezeigt werden. Wellen und Antriebe sind nicht dargestellt. Gezeigt ist eine Version mit zwei Hilfsantrieben. Über die Räderketten 6.1 a, 6.1 b und 6.2a, 6.2b, die die erste Getriebestufe darstellen, wird Drehmoment von der jeweiligen Hilfsantriebswelle auf den Planetenträger 10 übertragen. Die zweite Getriebestufe 8.1 steht mit dem Planetenträger 10 im Eingriff und überträgt das Drehmoment auf die Zwischenwelle. Von dort wird bei geschlossener Kupplung das Drehmoment über die dritte Getriebestufe, die wiederum als Räderkette 19.1 , 19.2, 19.3 ausgebildet ist, auf das Ritzel 4.1 auf der Eingangswelle übertragen. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass das Getriebegehäuse gut horizontal geteilt ausgeführt werden kann, da alle Wellen die das Gehäuse durchdringen müssen auf einer Höhe liegen können. Die Lagersitze der Hilfsantriebswellen, der Eingangswelle und der Ausgangswelle werden durch die Teilfuge entsprechend auf einer Höhe geteilt.

Die Drehzahlverläufe in Fig.4a und 4b zeigen schematisch für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, was passieren würde, wenn die Hauptantriebsmaschine 2 ausfällt (Zeitpunkt 50 sec), ohne dass die Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 geschlossen wird. Die Zahlenwerte sind nur Beispiele zur Veranschaulichung unter Annahme einer bestimmten Auslegung der Antriebsvorrichtung. Sie können selbstverständlich variieren, je nachdem wie die Antriebe 2, 3.1 , 3.2, die Arbeitsmaschinel und die Übersetzungen im Getriebe 17,18 ausgelegt sind. Fig.4a stellt den Fall dar, dass die Hilfsantriebe vor Eintritt des Störfalls mit positiver Drehrichtung und die Arbeitsmaschine 1 mit maximaler Drehzahl betrieben wurden. Durch das schnelle Abfallen der Drehzahl n1 der Arbeitsmaschine aufgrund ihrer geringen Massenträgheit und durch das geringe Abfallen der Drehzahl n2 der Hauptantriebsmaschine 2 aufgrund ihrer sehr hohen Massenträgheit werden die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 zunächst umbeschleunigt in die negative Drehrichtung und dann zu hohen Drehzahlen hin weiter beschleunigt. Dabei besteht die Gefahr, dass Hilfsantrieb 3.1 , 3.2 oder Planetenträger 10 durch unzulässige Überdrehzahl beschädigt werden.

Fig.4b stellt den entgegengesetzten Fall dar, bei dem die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 mit negativer Drehzahl betrieben werden. Die Arbeitsmaschine 1 läuft dabei mit reduzierter Drehzahl n1 . Im Störfall (wieder Zeitpunkt 50 sec) werden sie dann zu noch höheren negativen Drehzahlen beschleunigt. Wieder mit dem Risiko, dass Schäden durch Überdrehzahl auftreten.

An einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nun mithilfe der schaltbaren Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 in einem geeigneten Verfahren verhindert werden, dass unzulässige Überdrehzahlen am Hilfsantrieb 3.1 , 3.2 oder am Planetenträger 10 auftreten. Fig.5 zeigt beispielhaft die Drehzahlverläufe für den Fall, dass die Kupplung 1 1 sofort nach Erkennen des Störfalls (Zeitpunkt 50 sec) geschlossen wird. Die ca. 2 sec Verzögerung bis zum Knickpunkt ergeben sich durch den zunächst auftretenden Schlupf in der Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2, solange bis die Hilfsantriebe 3.1 , 3.2 umbeschleunigt sind. Nach dem Knickpunkt ist zu erkennen, wie die nun durch die Getriebestufe 8,8.1 ,19.1 ,19.2,19.3 gekoppelten Drehzahlen n2 und n3 gleichartig bis auf Null abnehmen. Beim sofortigen Schließen der Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 muss die gesamte Energie in der Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 aufgenommen werden, was zu einer entsprechenden Temperaturerhöhung führt. Um das Umbeschleunigen der Hilfsantriebe zu unterstützen, können diese nach Erkennen des Störfalls mit Drehmoment- oder Drehzahlvorgaben angesteuert werden. Das ist allerdings nur möglich, wenn ausschließlich die Hauptantriebsmaschine ausgefallen ist oder schnell-abgeschaltet wird.

Fig.6 zeigt die Drehzahlverläufe für ein weiter optimiertes Verfahren zur Drehzahllimitierung im Störfall, bei dem die Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 erst verzögert und synchronisiert geschlossen wird. Dadurch kann die notwendige Energieaufnahme und die Temperaturerhöhung in der Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 begrenzt werden. Dazu wird die Synchronisierungsdrehzahl mit Gl.2 und GI.1 berechnet. Des Weiteren werden die Drehzahlen n1 , n2 und n3 gemessen oder bestimmt. Wenn zwei davon gemessen werden, kann die dritte über das Drehzahlgleichgewicht (Willis- Gleichung) bestimmt werden. Nun kann der Drehzahlverlauf mit der Drehzahl am Synchronisierungspunkt verglichen werden.

Bewegt sich die Drehzahl n3 des Hilfsantriebes auf die Synchronisierungsdrehzahl zu, so wird das Schließen der Kupplung 1 1 .1 ,1 1 .2 solange verzögert, bis die Drehzahl n3 in deren Nähe gekommen ist. Beispielsweise solange bis sie maximal 5%, bevorzugt maximal 3% von dieser abweicht. Durch die kleinere Drehzahldifferenz beim Schließen kann die dabei entstehende Temperaturerhöhung begrenzt werden. Im gezeigten Beispiel wurde das Schließen so verzögert, dass erst zum Zeitpunkt 55 sec eine volle Drehmomentübertragung in der Kupplung 1 1 erfolgt.

Bewegt sich die Drehzahl n3 des Hilfsantriebes allerdings bei Erkennen des Störfalls von der Synchronisierungsdrehzahl weg, wird die Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 dennoch sofort geschlossen, um ein weiteres Anwachsen der Differenz zu vermeiden.

Selbstverständlich können die Drehzahlbedingungen zum Schließen der Kupplung 1 1 .1 , 1 1 .2 auch für die anderen Drehzahlen formuliert werden. Zur Umrechnung wird die GI.1 verwendet. Bezuqszeichenliste

1 Arbeitsmaschine

2 Hauptantrieb

3.1,3.2 Hilfsantrieb

4 Hohlrad

4.1 Ritzel

5 Planetenräder

6.1,6.1a,6.1b,

6.2,6.2a,6.2b erste Getriebestufe

7 Sonnenrad

8, 8.1 zweite Getriebestufe

9 Gehäuse

10 Planetenträger

11.1, 11.2 schaltbare Kupplung

12, 13 Fremdkühlung

14 Eingangswelle

15 Ausgangswelle

16.1, 16.2 Hilfsantriebswellen

16.3, 16.4 Zwischenwelle

17 Überlagerungsgetriebe

18 Planetengetriebe

19.1,19.2,19.3 dritte Getriebestufe

20, 21 , 22.1 , 22.2, 30, 31 Drehzahlsensoren

23 Aktuator für Kupplung

24, 26, 28, 32, 33 Wicklungstemperatursensoren

25, 27, 29 Lagertemperatursensoren n1 Drehzahl Ausgangswelle = Sonnenrad

n2 Drehzahl Hauptantrieb = Hohlrad

n3 Drehzahl Hilfsantriebe

PG Übersetzung Planetengetriebe (= n1 / n2)

SG1 Übersetzung erste Getriebestufe (6.x) (= n3 / n-Planetenträger) SG2 Übersetzung zweite Getriebestufe (8.x)

(= n2 / n3 oder = n-Zwischenwelle / n-Planetenträger) i_ SG3 Übersetzung dritte Getriebestufe (19.x) (= n-Zwischenwelle / n2)