Energieversorgungssystem für eine mobile Widerstandsschweißmaschine Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungsystem für eine mobile

Widerstandsschweißmaschine zum Abbrennstumpfschweißen von

Gleisschienen, welches einen mit einem Generator gekoppelten

Verbrennungsmotor sowie eine Ladeeinrichtung zum Aufladen eines

Energiespeichers umfasst, wobei der Energiespeicher ein Pufferelement eines Zwischenkreises ist, an den ein Schweißinverter angeschlossen ist.

Stand der Technik

[02] Ein einfaches Energieversorgungssystem für eine mobile

Widerstandsschweißmaschine zum Abbrennstumpfschweißen von

Gleisschienen ist aus der EP 0 461 575 A2 bekannt. Dabei wird elektrische Energie zur Versorgung eines Schweißinverters mittels eines in der

Schweißmaschine angeordneten Generators bereitgestellt. Bekanntermaßen umfasst ein Aggregat zum Abbrennstumpfschweißen zwei Aggregatblöcke mit einem jeweiligen Klemm- und Schweißbackenpaar. Diese

Aggregatblöcke sind in Schienenlängsrichtung mittels Hydraulikzylinder zueinander verschiebbar. Zum Aktivieren der Hydraulikzylinder ist deshalb eine in der Schweißmaschine angeordnete Hydraulikpumpe vorgesehen.

[03] Um den Leistungsbedarf einer mobilen Widerstandsschweißmaschine zu reduzieren, ist in der DE 28 04 727 A1 ein gattungsgemäßes

Energieversorgungssystem mit einem Akkumulator beschrieben. Dieser Akkumulator wird während einer Schweißpause aufgeladen und deckt die Energiespitzen während eines Schweißvorgangs ab. Damit ist ein kleineres Dieselstromaggregat nutzbar, weil dieses die erforderliche Schweißenergie nicht unmittelbar während eines Schweißvorgangs bereitstellen muss. Zusammenfassung der Erfindung

[04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Energieversorgungssysteme weiterzubilden. Zudem soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems angegeben werden.

[05] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein

Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

[06] Dabei ist vorgesehen, dass das Energieversorgungssystem ein Inselnetz umfasst, an das der Generator angeschlossen ist und das mittels eines gesteuerten Stromrichters mit dem Zwischenkreis gekoppelt ist. Auf diese Weise ist ein flexibel einsetzbares Energieversorgungssystem angegeben, mittels dem unabhängig von einem Ladevorgang des Energiespeichers im Bedarfsfall Energie zwischen dem Zwischenkreis und dem Inselnetz ausgetauscht werden kann.

[07] Zusätzlich zur Ladeeinrichtung ist der Stromrichter als weitere

Systemkomponente angeordnet, um bei Bedarf Energie aus dem

Energiespeicher für Verbraucher im Inselnetz zur Verfügung zu stellen. Falls eine Schweißpause zu kurz ist, um den Akkumulator aufzuladen, schafft der Stromrichter zudem die Möglichkeit, dem Zwischenkreis zusätzliche Energie aus dem Inselnetz zuzuführen. Damit ist das Energieversorgungssystem für unterschiedliche Anwendungsszenarien der Widerstandsschweißmaschine nutzbar.

[08] In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Energiespeicher einen

Lithium-Ionen-Akkumulator. Dieser Akkumulatortyp weist die erforderliche hohe spezifische Energie auf, um die Energiespitzen während eines

Abbrennstumpfschweißvorgangs abzudecken und gegebenenfalls das Inselnetz mittels des Stromrichters zu stützen.

[09] Dabei ist es günstig, wenn der Lithium-Ionen-Akkumulator als Akku-Pack mit einer integrierten Ladeschaltung zur Durchführung eines

Batteriemanagements ausgebildet ist. Das erlaubt eine einfache Integration in das Energieversorgungssystem und die Verwendung eines einfachen Ladegeräts.

[10] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass der Energiespeicher einen

Kondensator als weiteres Pufferelement umfasst. Dieser kann Energie schneller als der Lithium-Ionen-Akkumulator zu Verfügung stellen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass hohe Stromspitzen nahezu verzögerungsfrei abgedeckt werden können, wodurch das Abbrennstumpfschweißen mit konstanter Qualität durchführbar ist.

[11] Um den Verbrennungsmotors flexibel als Antrieb für weitere Aggregate

nutzen zu können ist es vorteilhaft, wenn der Generator generatorisch und motorisch betreibbar ist. Im motorischen Betrieb des Generators unterstütz dieser den Verbrennungsmotor. Ein an den Verbrennungsmotor gekoppeltes Aggregat kann so beispielsweise kurzzeitig mit einem erhöhten Drehmoment beaufschlagt werden. Die Energie zum motorischen Betrieb des Generators wird dabei mittels Stromrichter durch Entladen des Energiespeichers bereitgestellt.

[12] Ein aus Verbrennungsmotor, Generator, zuschaltbaren Aggregaten und

etwaigen Kupplungseiementen gebildeter Antriebsstrang kann auch gänzlich mittels des Generators angetrieben werden. Das ist nützlich, um

sicherheitsrelevante Aggregate auch dann weiter betreiben zu können, wenn der Verbrennungsmotor ausfällt. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, kurzzeitig einen Fahrantrieb mittels Generator im motorischen Betrieb aufrecht zu erhalten, um eine Schweißmaschine bei ausgefallenem

Verbrennungsmotor aus einem Gefahrenbereich zu bewegen.

[13] Für eine hohe Schweißqualität ist es von Vorteil, wenn der Schweißinverter zur Umformung einer Zwischenkreisspannung in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 1000 Hz eingerichtet ist. Das führt zu einer geringen Baugröße eines nachgeschalteten Schweißtransformators und zu einem Schweißstrom mit sehr geringer Welligkeit.

[14] In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung ist vorgesehen, dass mit dem

Verbrennungsmotor eine Hydraulikpumpe gekoppelt ist, um

Hydraulikkomponenten der Widerstandsschweißmaschine zu versorgen. Beispielsweise erfolgt damit die hydraulische Verschiebung der Aggregatblöcke während eines Schweißvorgangs, wobei aus dem

Energiespeicher über den Stromrichter und den Generator im motorischen Betrieb zusätzliche Energie bereitstellbar ist. Das ist insbesondere am Ende eines Schweißvorgangs von Vorteil, wenn beim sogenannten Stauchschlag die größten Kräfte aufgebracht werden müssen.

[15] Ein besonders einfacher Aufbau des Energieversorgungssystems ist

gegeben, wenn der Energiespeicher und der Schweißinverter als

Einschubmodule eines Schaltschranks ausgebildet sind. Dabei besteht zudem die Möglichkeit, das System bei Bedarf durch zusätzliche

Energiespeicher-Einschubmodule zu erweitern.

[16] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines oben beschriebenen

Energieversorgungssystems sieht vor, dass der Schweißinverter mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher und/oder mittels des

Stromrichters aus dem Inselnetz versorgt wird und dass im Bedarfsfall das Inselnetz mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher mittels des Stromrichters gestützt wird. Damit ist ein flexibler Einsatz des

Energieversorgungssystems für unterschiedliche Anwendungsfälle angegeben.

[17] In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Generator motorisch

betrieben, um die vom Verbrennungsmotor abgebbare Leistung zu steigern. Auf diese Weise wird die im Akkumulator gespeicherte Energie genutzt, um kurzzeitig ein vom Verbrennungsmotor angetriebenes Aggregat mit höherer Leistung als der Maximalleistung des Verbrennungsmotors anzutreiben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[18] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Die Figur zeigt in schematischer

Darstellung ein Energieversorgungssystem für eine mobile

Widerstandsschweißmaschine zum Abbrennstumpfschweißen von

Gleisschienen mit einem Stromrichter zum gesteuerten Energieaustausch zwischen Inselnetz und Zwischenkreis. Beschreibung der Ausführungsformen

[19] Mit einem Verbrennungsmotor 1 sind ein Generator 2 und eine

Hydraulikpumpe 3 direkt oder über nicht dargestellte Kupplungs-, Freilaufoder Getriebeelemente verbunden. Als Verbrennungsmotor 1 ist

beispielsweise ein Dieselmotor mit etwa 100 kW Motorleistung vorgesehen. Der Generator 2 ist ein Element eines Inselnetzes 4, das beispielsweise als dreipoliges Drehstromnetz ausgelegt ist. Das Inselnetz 4 umfasst neben einer Ladeeinrichtung 5 gegebenenfalls noch weitere Verbraucher 6, zum Beispiel eine Maschinensteuerung, ein Kühlaggregat oder einen

Kompressor.

[20] An die Ladeeinrichtung 5 ist ein Energiespeicher 7 angeschlossen. Dieser umfasst günstigerweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator 8, der zur einfachen Einbindung in das Energieversorgungssystem als Akku-Pack mit integrierter Ladeschaltung 9 ausgebildet ist. Diese Ladeschaltung 9 umfasst die für Lithium-Ionen-Akkumulatoren 8 notwendige Elektronik und gibt über eine Datenleitung 10 einem gesteuerten Ladegerät 11 die erforderlichen Lade- und Entladeparameter des Lithium-Ionen-Akkumulators 8 vor. Das Ladegerät 11 ist dabei als einfaches Schaltnetzteil ohne eigenes

Batteriemanagementsystem ausgeführt.

[21] Günstigerweise umfasst der Energiespeicher 7 auch einen Kondensator 12, der beispielsweise als sogenannter Superkondensator (Supercap) ausgebildet ist. Damit wird ein hoher Energiebedarf mit kurzer Dauer zu Beginn des Abbrennstumpfschweißens abgedeckt.

[22] Der Lithium-Ionen-Akkumulator 8 und der Kondensator 12 sind parallel in einem Zwischenkreis 13 als Pufferelemente angeordnet. An dem

Zwischenkreise 13 ist ein Schweißinverter 14 angeschlossen, der eine Zwischenkreisspannung in eine Wechselspannung mit Rechteckform und einer Frequenz von etwa 1000 Hz zerhackt. Dem Schweißinverter 14 ist ein Schweißtransformator 15 zur Umwandlung der Wechselspannung in die für den Schweißvorgang notwendige Ausgangsspannung nachgeordnet. Mit dieser Mittelfrequenztechnik weist ein gleichgerichteter Schweißstrom eine besonders geringe Welligkeit auf. [23] Dabei kann es günstig sein, mehrere parallel geschaltete Schweißinverter 14 mit jeweils nachgeschaltetem Schweißtransformator 15 vorzusehen. Die einzelnen Geräteeinheiten weisen dann eine geringe Baugröße auf und müssen nur für den jeweiligen Teilstrom ausgelegt sein. Eine

Phasenverschiebung der einzelnen Teilströme zueinander reduziert zudem die Welligkeit des resultierenden Schweißstromes.

[24] Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem umfasst einen

gesteuerten Stromrichter 6. Ein Gleichstromanschluss des Stromrichters 16 ist mit dem Zwischenkreis 13 und ein Drehstromanschluss des Stromrichters 16 ist mit dem Inselnetz 4 verbunden. Mittels des Stromrichters 16 erfolgt bei Bedarf ein Energieaustausch zwischen Inselnetz 4 und Zwischenkreis 13. Zu diesem Zweck ist der Stromrichter 16 als Frequenzumrichter mit geeigneten Leistungshalbleiterelementen ausgebildet.

[25] Im Inselnetz sind Messeinrichtungen 17 angeordnet, deren Messergebnisse einer gemeinsamen Steuerung 18 zugeführt sind. Beispielsweise umfassen die Messeinrichtungen 17 eine Spannungsmessschaltung, um einen

Spannungsabfall im Inselnetz 4 zu detektieren. Dabei wird die Spannung im Inselnetz laufend mit einer Spannungsschwelle verglichen. Sobald die Spannungsschwelle unterschritten wird, steuert die Steuerung 18 den

Stromrichter 16 in der Weise an, dass Energie aus dem Energiespeicher 7 ins Inselnetz 4 rückgespeist wird.

[26] Dieser Fall kann beispielsweise auftreten, wenn die vom Verbrennungsmotor angetriebene Hydraulikpumpe 3 und die weiteren Verbraucher 6 mehr Leistung aufnehmen als die maximale Motorleistung. Diese

Leistungsdifferenz wird mit der im Energiespeicher 7 gespeicherten Energie abgedeckt. Auf diese Weise ist es möglich, das Inselnetz kurzzeitig in einem Überlastbereich zu betreiben.

[27] Die mittels Stromrichter 16 ins Inselnetz 4 eingespeiste Energie ist auch

nutzbar, um über den Generator 2 im motorischen Betrieb den

Verbrennungsmotor 1 zu stützen. Somit übersteigt die am

Verbrennungsmotor 1 abgebbare Leistung (z.B. 150 kW) die maximale Motorleistung. Angesteuert wird der als Asynchronmaschine ausgebildete Generator dabei mittels der gemeinsamen Steuerung 18. Beim Abbrennstumpfschweißen von Gleisschienen erfolgt am Ende des Schweißvorgangs der Stauchschlag. Dabei werden die Aggregatblöcke der Schweißmaschine mit hoher Kraft zueinander verschoben. Für diesen

Prozessschritt kann die Hydraulikpumpe 3 kurzzeitig einen hohen

Hydraulikdruck bereitstellen, indem die am Verbrennungsmotor 1 abgebbare Leistung mittels Generator 2 angehoben wird. Somit muss die Leistung des Verbrennungsmotors 1 nicht für diese Lastspitzen ausgelegt sein. Es reicht aus, wenn der Verbrennungsmotor 1 genügend Leistung aufweist, damit der Energiespeicher während einer Schweißpause ausreichend aufgeladen wird. Die Aufladung des Energiespeichers 7 erfolgt dabei mittels der

Ladeeinrichtung 5. Beim Abbrennstumpfschweißen von Gleisschienen dauert eine Schweißpause erfahrungsgemäß ausreichend lang, um im

Energiespeicher 7 genügend Energie für den nächsten Schweißvorgang zu speichern. Dabei ist eine gleichmäßige Belastung des Generators 2 und des

I

Verbrennungsmotors 1 ohne Motord rückung sichergestellt.

Während eines Schweißvorgangs wird die im Energiespeicher 7

gespeicherte Energie dem Schweißinverter 14 zugeführt. Die Ansteuerung des Schweißinverters 14 erfolgt zu diesem Zweck mittels der gemeinsamen Steuerung 18. Eine Elektronik in der Ladeschaltung 9 oder im Ladegerät 11 meldet dabei der Steuerung 18 laufend den Ladezustand des Lithium-Ionen- Akkumulators 8.

Im Regelbetrieb wird der Energiespeicher 7 während einer Schweißpause so weit aufgeladen, dass im Anschluss zumindest ein ganzer Schweißvorgang durchführbar ist. Dabei werden zunächst die Stromspitzen am Beginn des Abbrennstumpfschweißens abgedeckt und beim abschließenden

Stauchschlag wird der Verbrennungsmotor 1 mittels des Generators 2 im motorischen Betrieb gestützt.

Reicht hingegen die im Kondensator 12 und im Lithium-Ionen-Akkumulator 8 gespeicherte Energie nicht aus, um einen ganzen Schweißvorgang

durchzuführen, wird mittels des Stromrichters 16 Energie aus dem Inselnetz 4 in den Zwischenkreis 13 gespeist. Zu diesem Zweck ist der Stromrichter 16 als bidirektionaler Wechselrichter ausgebildet. Dabei wird gegebenenfalls Energie im Energiespeicher 7 zurückbehalten, um damit den Verbrennungsmotor 1 beim abschließenden Stauchschlag zu stützen.

[33] Für ein Hochfahren des Energieversorgungssystems kann es günstig sein, wenn im Inselnetz 4 Schütze 19 zum anfänglichen Wegschalten von

Verbrauchern 6 vorgesehen sind. Die Ansteuerung der Schütze 19 erfolgt dabei in Abhängigkeit einer sich aufbauenden Spannung mittels der gemeinsamen Steuerung 18. Zudem ist darauf zu achten, dass während des Hochfahrens ein Ladestrom des Kondensators 12 begrenzt wird. Das kann durch einen ausreichenden Innenwiderstand oder durch eine aktive

Strombegrenzung mittels des als Schaltnetzteil ausgebildeten Ladegeräts 11 geschehen.

[34] Die einzelnen Komponenten des Energieversorgungssystems sind

günstigerweise als Einschubmodule eines Schaltschranks ausgebildet. Auf diese Weise ist ein rascher Austausch einer fehlerhaften Komponente sichergestellt. Zudem kann bei Bedarf auf einfache Weise ein Akku-Pack mit geänderter Kapazität zur Anwendung kommen oder das System mit zusätzlichen Komponenten erweitert werden.

[35] Der Aufbau des Energieversorgungssystems als erweitertes Inselnetz erlaubt eine Containerbauweise der Widerstandsschweißmaschine, sodass diese flexibel entweder als Standgerät oder als Aufbau auf diversen Fahrzeugen ausgebildet sein kann.