Triebstrang für Pumpen, Energieerzeugungsanlagen oder dergleichen und Verfahren zum Anfahren eines solchen Triebstranges

Die Erfindung betrifft einen Triebstrang mit den Merkmalen des

Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 25.

Ein allgemeines Problem von Arbeitsmaschinen, wie Fördereinrichtungen, z.B. Pumpen, Kompressoren und Ventilatoren, oder wie Mühlen, Brecher, Fahrzeuge usw., ist ein effizienter, drehzahlvariabler Betrieb, bzw. das Anfahren unter Last, bzw. der Betrieb von z.B.

Energiegewinnungsanlagen bis zu einer Drehzahl gleich Null. Im

Weiteren werden elektrische Maschinen als Beispiel für

Antriebsmaschinen bzw. Generatoren herangezogen, das Prinzip gilt aber für alle möglichen Arten von Antriebsmaschinen, so wie z.B. für

Verbrennungskraftmaschinen .

Die heute am häufigsten verwendeten elektrischen Antriebe bzw.

Generatoren sind Drehstrommaschinen, wie z.B. Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen, welche im Wesentlichen nur mit konstanter Drehzahl betrieben werden. Es muss darüber hinaus eine Drehstrommaschine und ein dieser nachgelagertes Stromnetz entsprechend groß ausgelegt werden, damit sie vom Stillstand weg ein erforderliches Antriebsmoment liefern kann. Elektrische Maschinen werden daher auch aus diesem Grund, anstatt direkt an ein Netz angeschlossen zu werden, häufig in Kombination mit einem Frequenzumrichter als drehzahlvariabler Antrieb ausgeführt. Damit kann man zwar einen drehzahlvariablen Betrieb von Drehzahl Null realisieren, ohne das Netz stark zu belasten, die Lösung ist jedoch teuer und mit wesentlichen Wirkungsgradeinbußen verbunden. Eine im Vergleich dazu kostengünstigere und auch bezüglich

Wirkungsgrad bessere Alternative ist der Einsatz von

Differenzialsystemen - beispielsweise gemäß AT 507 394 A.

Grundsätzliche Einschränkung hierbei ist jedoch, dass abhängig vom Übersetzungsverhältnis der Differenzialstufe nur ein relativ kleiner Drehzahlbereich und daher im sogenannten Differenzialmodus , d.h. bei einer Drehzahländerung mit Hilfe des Differenzialantriebs bei Betriebsdrehzahl der Antriebsmaschine, praktisch keine niedrigen Drehzahlen an der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine erreicht werden können .

Um dies zu realisieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß DE 20 2012 101 708 U beispielsweise kann man das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festlegen. Auf dieser Basis kann man mit dem Differenzialantrieb den kompletten Triebstrang antreiben bzw. die Antriebsmaschine auf Synchrondrehzahl bringen und diese in weiterer Folge mit dem Netz synchronisieren.

Nachteil dieser Lösung ist, dass der Differenzialantrieb und der ihm nachgelagerte Frequenzumrichter wesentlich kleiner dimensioniert sind als die Antriebsmaschine und daher auch nur ein entsprechend kleines Drehmoment liefern können. Dies reicht nicht aus, die Antriebsmaschine bis zur Synchrondrehzahl zu beschleunigen, wenn die Arbeitsmaschine in Betrieb ist.

Die AT 514 396 A zeigt eine Lösung, mit der man Antriebsmaschinen in einen Drehzahlbereich mit hohem Drehmoment beschleunigen und in einem weiteren Schritt die Arbeitsmaschine von Drehzahl Null weg anfahren kann. Gelöst wir dies dadurch, dass die Antriebsmaschine von einer Drehzahl von Null oder annähernd Null angefahren wird, während auf die Antriebswelle ein äußeres, bremsendes Drehmoment wirkt, und dass in einer Beschleunigungsphase der Antriebswelle der zweite Antrieb gebremst wird. Nachteil dieser Lösung ist, dass die dafür notwendige Bremsvorrichtung aufwändig ist und mit einem Differenzialantrieb in der Größe von z.B. 20% der Systemgesamtleistung nur ein

kontinuierlicher Drehzahlbereich von ca. 50% bis 100% der

Arbeitsdrehzahl realisiert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, mit der man Antriebsmaschinen vorzugsweise unter Last beschleunigen kann,

beispielsweise um z.B. direkt an ein Netz gekoppelte, elektrische Maschinen mit dem Netz zu synchronisieren, bzw. einen großen

Arbeitsdrehzahlbereich realisieren kann. Gelöst wir diese Aufgabe mit einem Triebstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gelöst wird diese Aufgabe des Weiteren mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 25.

Der Kern eines Differenzialsystems ist ein Differenzialgetriebe, das in einer einfachen Ausführung eine einfache Planetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben sein kann, wobei ein Abtrieb mit der

Antriebswelle einer Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit einer Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist. Damit kann die Arbeitsmaschine bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine drehzahlvariabel betrieben werden, wobei der Differenzialantrieb eine variable Drehzahl der Antriebswelle

ermöglicht .

Um eine Arbeitsmaschine vom Stillstand aus in Betrieb zu setzen und, wenn die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine ist, zusätzlich eine Antriebsmaschine vom Stillstand aus vorzugsweise auf

Synchrondrehzahl zu bringen, kann der Betrieb des Systems

erfindungsgemäß z.B. in den folgenden 3 Phasen stattfinden:

Phase 1: Ein Differenzialantrieb wird im Stillstand sowohl mit dem ersten Antrieb als auch mit dem zweiten Antrieb des

Differenzialsystems verbunden. Anschließend wird der

Differenzialantrieb beschleunigt und die Arbeitsmaschine beginnt zu arbeiten. Abhängig von der Drehmomentkennlinie der Arbeitsmaschine und der Leistung des Differenzialantriebes , wird in diesem Betriebsmodus I vorzugsweise ein Arbeitsdrehzahlbereich von bis zu ca. 40%-50% der Arbeits-Nenndrehzahl der Arbeitsmaschine realisiert. Die

Antriebsmaschine bleibt in diesem Betriebsmodus I vom Netz getrennt. Die Übersetzungsverhältnisse der Getriebestufen, über welche der Differenzialantrieb mit den beiden Antrieben verbunden ist, werden vorzugsweise so gewählt, dass die Antriebsmaschine zumindest annähernd ihre Betriebsdrehzahl erreicht, sobald der Differenzialantrieb in die Nähe seiner Leistungsgrenze kommt. Der Differenzialantrieb arbeitet in dieser Phase motorisch - d.h. er bezieht Energie vom Netz. Phase 2: Die mit dem ersten Antrieb des Differenzialsystems verbundene und jetzt im Betriebsdrehzahlbereich laufende Antriebsmaschine wird nun mit dem Netz verbunden. Da der Differenzialantrieb im unteren Arbeitsdrehzahlbereich des Betriebsmodus II generatorisch arbeitet - d.h. er liefert Energie ins Netz, wird im nächsten Schritt das

Drehmoment des Differenzialantriebes vom motorischen in den

generatorischen Betrieb geregelt. Dadurch wird die Antriebsmaschine kontinuierlich immer stärker belastet, bis das gesamte

Differenzialsystem vorzugsweise in den Bereich der unteren Grenze des Arbeitsdrehzahlbereiches des Betriebsmodus II kommt.

Um die Systembelastungen möglichst gering zu halten, erfolgt

vorzugsweise der Übergang vom motorischen in den generatorischen Betrieb des Differenzialantriebes gedämpft, d.h. nicht schlagartig.

Phase 3: Sobald sich am Differenzialantrieb und an der

Antriebsmaschine bezüglich Drehzahl und Drehmoment ein Betriebspunkt im unteren Arbeitsdrehzahlbereich des Betriebsmodus II eingestellt hat, wird der Differenzialantrieb vom ersten Antrieb des

Differenzialsystems getrennt. Das System arbeitet nun im

Differenzialmodus , womit in dieser dritten Phase für die

Arbeitsmaschine ein maximales Drehmoment bei maximaler

Antriebsdrehzahl realisiert werden kann.

Bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung sind Gegenstand der

Unteransprüche .

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die angeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Antrieb einer

Pumpe gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems für schnell laufende Antriebe,

Fig. 2a ein Diagramm mit einem typischen Drehmomentverlauf einer

Pumpe,

Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems für schnell laufende Antriebe, Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf von Drehzahl- und Leistungsparameter eines Differenzialsystems während des Anfahrens,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems für langsam laufende Antriebe,

Fig. 6 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein

Differenzialantrieb mit einem zweiten Antrieb und einem Abtrieb eines Differenzialsystems verbindbar ist,

Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein

Differenzialantrieb 5 eines Differenzialsystems mit dem zweiten Antrieb verbunden und dem Abtrieb verbindbar ist,

Fig. 8 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein

Differenzialantrieb 5 eines Differenzialsystems mit dem zweiten Antrieb verbunden und dem Abtrieb verbindbar ist,

Fig. 9 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein

Abtrieb mit einem ersten Antrieb eines Differenzialsystems verbindbar ist,

Fig. 10 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein

Differenzialantrieb via eines zweiten Antriebs mit einem ersten Antrieb eines Differenzialsystems verbindbar ist,

Fig. 11 eine erfindungsgemäße Aus führungs form eines

Differenzialsystems mit einem Plusgetriebe,

Fig. 12 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems mit einem Plusgetriebe, und

Fig. 13 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems für eine Energiegewinnungsanlage.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Differenzialsystems für einen

Triebstrang am Beispiel einer Pumpe. Dabei ist die Arbeitsmaschine 1 der symbolisch dargestellte Rotor einer Pumpe, welcher über eine Antriebswelle 2 und ein Differenzialgetriebe 7 bis 9 von einer

Antriebsmaschine 4 angetrieben wird. Die Antriebsmaschine 4 ist vorzugsweise eine Mittelspannungs-Drehstrommaschine, welche an ein Netz 12, welches im gezeigten Beispiel aufgrund einer Mittelspannungs- Drehstrommaschine ein Mittelspannungsnetz ist, angeschlossen wird. Das gewählte Spannungsniveau hängt vom Einsatzfall und vor allem dem Leistungsniveau der Antriebsmaschine 4 ab und kann ohne Einfluss auf die Grundfunktion des erfindungsgemäßen Systems jedes gewünschte Spannungsniveau haben. Entsprechend der Polpaarzahl der Antriebsmaschine 4 ergibt sich ein bauartspezifischer

Betriebsdrehzahlbereich. Der Betriebsdrehzahlbereich ist dabei jener Drehzahlbereich, in dem die Antriebsmaschine 4 ein definiertes bzw. gewünschtes oder erforderliches Drehmoment liefern kann, und in dem die Antriebsmaschine 4 im Falle einer elektrischen Antriebsmaschine mit dem Netz 12 synchronisiert werden, bzw. im Falle einer

Verbrennungskraftmaschine gestartet bzw. betrieben werden kann. Ein Planetenträger 7 des Differenzialgetriebes ist mit der Antriebswelle 2 verbunden, die Antriebsmaschine 4 mit einem Hohlrad 8 und ein

Sonnenrad 9 des Differenzialgetriebes mit einem Differenzialantrieb 5. Der Differenzialantrieb 5 ist vorzugsweise eine Drehstrommaschine und insbesondere eine Asynchronmaschine oder eine permanentmagneterregte Synchronmaschine .

Anstelle des Differenzialantriebes 5 kann auch ein hydrostatisches Stellgetriebe eingesetzt werden. Dabei wird der Differenzialantrieb 5 durch eine hydrostatische Pumpe/Motor-Kombination ersetzt, welche mit einer Druckleitung verbunden und welche beide vorzugsweise im

Durchflussvolumen verstellbar sind. Damit sind wie im Falle eines drehzahlvariablen, elektrischen Differenzialantriebes 5 die Drehzahlen regelbar .

Der Kern des Differenzialsystems ist in dieser Ausführungsform somit eine einfache Planetengetriebestufe 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 Differenzialantrieb 5 verbunden ist

Um den Drehzahlbereich des Systems optimal anpassen zu können, wird ein Anpassungsgetriebe 10 zwischen dem Planetenträger 7 und der

Arbeitsmaschine 1 implementiert. Alternativ zur gezeigten

Stirnradstufe kann das Anpassungsgetriebe 10 beispielsweise auch mehrstufig sein bzw. als Zahnriemen oder Kettentrieb ausgeführt und/oder mit einer Planetengetriebestufe oder einer Kegelradstufe kombiniert werden. Mit dem Anpassungsgetriebe 10 kann man darüber hinaus einen Achsversatz für die Arbeitsmaschine 1 realisieren, der eine koaxiale Anordnung des Differenzialantriebes 5 und der

Antriebsmaschine 4 ermöglicht. Elektrisch ist der Differenzialantrieb 5 mittels vorzugsweise einem Niederspannungs-ümrichter 6 und - sofern erforderlich - einem Transformator 11 an das Netz 12 angebunden.

Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Antriebsmaschine 4 direkt, das heißt ohne aufwändige Leistungselektronik, an das Netz 12 angebunden werden kann. Der Ausgleich zwischen variabler Rotordrehzahl und fixer Drehzahl der netzgebundenen Antriebsmaschine 4 wird durch den drehzahlvariablen Differenzialantrieb 5 realisiert.

Die Drehmomentgleichung für das Differenzialsystem lautet: Drehmomentoifferenziaiantrieb = DrehmomentAntriebsweiie * y / X,

Der Größenfaktor y/x ist ein Maß für die Übersetzungsverhältnisse im Differenzialgetriebe 3 und im Anpassungsgetriebe 10. Das Drehmoment an den Ab- und Antrieben ist zueinander proportional, wodurch der

Differenzialantrieb 5 das Drehmoment im gesamten Triebstrang regeln kann. Die Leistung des Differenzialantriebs 5 ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Drehzahl der Arbeitsmaschine 1 von deren Grunddrehzahl, multipliziert mit der Antriebswellenleistung. Die Grunddrehzahl ist dabei jene Drehzahl, welche sich an der Arbeitsmaschine 1 einstellt, wenn der

Differenzialantrieb 5 die Drehzahl gleich Null hat. Dementsprechend erfordert ein großer Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzialantriebes 5. Hat der Differenzialantrieb 5 beispielsweise eine Nennleistung von rund 20% der System-Gesamtleistung (Nennleistung der Arbeitsmaschine) , bedeutet dies unter Ausnutzung eines typischen sogenannten

Feldschwächebereichs des Differenzialantriebes 5, dass an der

Arbeitsmaschine 1 minimale Arbeitsdrehzahlen von etwa 50% der Arbeits- Nenndrehzahl realisiert werden können. Darin ist auch der Grund zu sehen, warum Differenzialsysteme gemäß Stand der Technik für kleine Arbeitsdrehzahlbereiche besonders gut geeignet sind, wobei aber grundsätzlich jeder Arbeitsdrehzahlbereich realisierbar ist. Es kann jedoch festgestellt werden, dass höherpolige Drehstrommaschinen standardmäßig meist höhere Überdrehzahlen in Relation zur

Synchrondrehzahl erlauben, was prinzipiell einen (bei gleicher

Nennleistung des Differenzialantriebes 5) größeren Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 ermöglicht, weil ein größerer Feldschwächebereich des Differenzialantriebes 5 möglich ist.

Um das Differenzialsystem von einer Drehzahl gleich Null anfahren zu können, wird der Differenzialantrieb 5 mittels einer Kupplung 25 mit dem Sonnenrad 9 trennbar verbunden. Eine Synchronisationsbremse 24 wirkt auf den zweiten Antrieb des Differenzialsystems und somit auf das Sonnenrad 9 und damit auf den gesamten Triebstrang. Beim Anfahren wird in dieser Ausführungsform eines Differenzialsystems in einem ersten Schritt der Differenzialantrieb 5 durch die Kupplung 25 vom Rest des Differenzialsystems entkoppelt. Wird nun die Antriebsmaschine 4 hochgefahren und mit dem Netz 12 verbunden, so dreht das Sonnenrad 9 frei mit und es kann sich im gesamten Triebstrang kein nennenswertes Drehmoment aufbauen. Somit verbleibt auch in diesem Fall die

Arbeitsmaschine 1 in einem Bereich kleiner Drehzahl und die

Antriebsmaschine 4 kann ohne nennenswertes äußeres Gegenmoment mit dem Netz 12 verbunden werden.

Sobald die Antriebsmaschine 4 über eine gewisse Drehzahl beschleunigt und die Arbeitsmaschine 1 im Wesentlichen still steht, stellt sich am Sonnenrad 9 eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des

Differenzialgetriebes hohe Drehzahl ein, welche meist über dem erlaubten Regeldrehzahlbereich des Differenzialantriebes 5 liegt. Der Regeldrehzahlbereich ist der Drehzahlbereich, in dem der

Differenzialantrieb 5 arbeitet, um den Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 realisieren zu können. Der Regeldrehzahlbereich wird dabei vor allem durch die vom Hersteller spezifizierten Spannungs-, Strom- und Drehzahlgrenzen bestimmt.

Der Differenzialantrieb 5 kann bei diesem Ausführungsbeispiel in dieser Phase nicht mit dem Sonnenrad 9 verbunden werden. In einem weiteren Schritt wird daher mittels Synchronisationsbremse 24 der mit dem Sonnenrad 9 verbundene zweite Antrieb des Differenzialsystems auf eine Drehzahl verzögert, welche im Regeldrehzahlbereich des

Differenzialantriebes 5 liegt. Dies kann, abhängig vom realisierten Bremssystem 24 bzw. den Anforderungen an den Triebstrang, sowohl Drehzahl/Drehmoment-geregelt als auch -ungeregelt erfolgen. In weiterer Folge wird der differenzialgetriebeseitige Teil der Kupplung 25 vorzugsweise mittels Differenzialantrieb 5 mit der Drehzahl des zweiten Antriebs des Differenzialsystems synchronisiert und

anschließend die Kupplung 25 geschlossen.

Durch Betätigung der Synchronisationsbremse 24 (in Fig. 1 symbolisch als hydrodynamische Bremse dargestellt) und damit Verzögerung des zweiten Antriebes des Differenzialsystems wird zwangsweise die

Antriebswelle 2 beschleunigt, wobei das dazu zur Verfügung stehende Drehmoment durch das Minimum aus der auf die Antriebswelle 2 wirkenden Bremskraft der Synchronisationsbremse 24 einerseits und dem Kippmoment der Antriebsmaschine 4 andererseits bestimmt wird.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems , welches einen übersynchronen

Arbeitsdrehzahlbereich ohne Anpassungsgetriebe ermöglicht. Diese Aus führungs form kommt bevorzugt bei schnell laufenden Arbeitsmaschinen zum Einsatz. Der dargestellte Triebstrang weist auch hier wie in Fig. 1 eine Arbeitsmaschine 1, eine Antriebswelle 2, eine Antriebsmaschine 4 und einen Differenzialantrieb 5 auf, welche mit den Ab- bzw.

Antrieben eines Differenzialgetriebes 3 verbunden sind. Der

Differenzialantrieb 5 ist mittels eines Umrichters 6 (bestehend aus vorzugsweise motorseitigem und netzseitigem Gleich- bzw.

Wechselrichter - hier vereinfacht als Einheit dargestellt) und eines Transformators 11 an ein Netz 12 angeschlossen. Die Antriebsmaschine 4 ist mittels eines Schalters 23 mit dem Netz 12 verbindbar.

Da in dem ausgeführten Beispiel die Arbeitsmaschine 1 mit einer

Drehzahl betrieben wird, die deutlich über der synchronen Drehzahl der Antriebsmaschine 4 liegt, wird die Antriebswelle 2 mit dem Sonnenrad 13 und die Antriebsmaschine 4 mittels einer Verbindungswelle 19 mit dem Hohlrad 14 verbunden. Der Differenzialantrieb 5 ist mit dem

Planetenträger 16 mit zwei oder mehreren Planetenrädern 15 verbindbar. Damit kann man auf einfache Art mit einer Planetengetriebestufe und ohne Anpassungsgetriebe eine Übersetzung zwischen Antriebsmaschine 4 und Arbeitsmaschine 1 von beispielsweise 2,5 bis 6,5 erreichen. Mit beispielsweise einem Stufenplanetensatz sind darüber hinaus noch wesentlich höhere Übersetzungsverhältnisse erreichbar. Ein

Stufenplanetensatz ist dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder 15 jeweils zwei Zahnräder aufweisen, welche miteinander drehfest verbunden sind und unterschiedliche Teilkreisdurchmesser aufweisen, wobei ein Zahnrad mit dem Sonnenrad und das zweite Zahnrad mit dem Hohlrad zusammenwirkt.

Als Arbeitsmaschine 1 ist in den Figuren 1 bis 3, 5 und 9 bis 12 beispielhaft symbolisch eine Pumpe dargestellt. Die hier und zu den folgenden Figuren beschriebenen Prinzipien sind jedoch auch bei

Antrieben für Arbeitsmaschinen, wie z.B. Kompressoren, Ventilatoren und Förderbänder, Mühlen, Brecher, etc. oder Energiegewinnungsanlagen und dergleichen anwendbar.

Eine Pumpe hat als Strömungsmaschine einen quadratischen

Drehmomentverlauf, dem beim Anfahren bautypische Losbrechmomente aus- der Lagerung der Triebstrangelemente etc. überlagert sind. Dies führt dazu, dass beim Anfahren zuerst ein Drehmoment in der Höhe von z.B. 10%-20% des Nenndrehmomentes der Arbeitsmaschine 1 zu überwinden ist. Mit steigender Drehzahl sinkt dann das erforderliche

Antriebsdrehmoment (durch Wegfall des Losbrechmomentes) und es stellt sich ein entsprechend der Arbeitsdrehzahl der Arbeitsmaschine 1 (etwa quadratisch) ansteigendes Drehmoment ein, welches bei Nenndrehzahl das Nenndrehmoment erreicht. Der beschriebene Drehmomentverlauf ist in einem Diagramm in Fig. 2a beispielhaft dargestellt.

Mit einer von der Antriebsmaschine 4 bestimmten Drehzahl des Hohlrades 14 und einer betriebsbedingt geforderten Drehzahl des Sonnenrades 13 ergibt sich zwangsläufig eine einzustellende Drehzahl bzw. ein einzustellendes Drehmoment am Planetenträger 16, welche vom

Differenzialantrieb 5 zu regeln sind.

Der Planetenträger 16 kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig mit drehfest miteinander verbundenen Komponenten ausgeführt sein. Da das Drehmoment am Planetenträger 16 hoch ist, ist es von Vorteil, z.B. eine Übersetzungsstufe 17, 18 zwischen dem Planetenträger 16 und dem Differenzialantrieb 5 zu implementieren. Dafür bietet sich z.B. eine Stirnradstufe an, wobei das Zahnrad 17 drehfest mit dem Planetenträger

16 und das Zahnrad 18 mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden ist. Alternativ kann die Übersetzungsstufe beispielsweise auch mehrstufig sein, bzw. als Zahnriemen, Kettentrieb, Planetenstufe oder als

Winkelgetriebe ausgeführt werden. Anstelle der Übersetzungsstufe 17, 18 kann auch ein gegebenenfalls in Stufen oder stufenlos verstellbares Übersetzungsgetriebe implementiert werden.

Fig. 2 zeigt einen Differenzialantrieb 5 mit einem Umrichter 6. Ebenso können mehrere Differenzialantriebe den Planetenträger 16 antreiben, womit das zu übertragende Drehmoment der Übersetzungsstufe 17, 18 auf diese Differenzialantriebe verteilt wird. Die Differenzialantriebe können dabei gleichmäßig oder auch asymmetrisch über den Umfang des Zahnrades 17 verteilt sein. Vorzugsweise - jedoch nicht

notwendigerweise - werden die Differenzialantriebe dabei von einem gemeinsamen Umrichter 6 angesteuert, wobei dann vorzugsweise ein Differenzialantrieb als sogenannter „Master" und der/die weitere (n) Differenzialantrieb ( e ) als sogenannter „Slave" fungieren. Die

Differenzialantriebe können auch von mehreren motorseitigen Gleichbzw. Wechselrichtern einzeln oder in Gruppen angesteuert werden, wobei diese mit den Differenzialantrieben verbundenen sogenannten

motorseitigen Gleich- bzw. Wechselrichter vorzugsweise einen

gemeinsamen, via Gleichstromzwischenkreis verbundenen, an das Netz 12 via Transformator 11 angeschlossenen sogenannten netzseitigen Gleichbzw. Wechselrichter haben.

Wenn das System mit mehreren Differenzialantrieben ausgestattet ist, dann wird vorzugsweise nur ein Differenzialantrieb 5 über ein

Hilfsgetriebe mit der Antriebsmaschine 4 verbunden - wie in Fig. 2 gezeigt. In diesem Fall treibt zumindest ein zweiter

Differenzialantrieb via Planetenträger 16 und Übersetzungsstufe 17, 18 das Hilfsgetriebe 20 zusätzlich zum ersten Differenzialantrieb 5 an. Damit ist nur ein Hilfsgetriebe 20 erforderlich.

Mit der Verbindungswelle 19 und in weiterer Folge mit der

Antriebsmaschine 4 bzw. dem ersten Antrieb des Differenzialsystems ist ein Hilfsgetriebe 20 verbunden. Dieses Hilfsgetriebe 20 ist mittels einer Kupplung 22 mit dem Differenzialantrieb 5 verbindbar und treibt vorzugsweise auch eine Schmierölpumpe 21 an. Die Kupplung 22 kann grundsätzlich überall zwischen Differenzialantrieb 5 und dem ersten Antrieb des Differenzialsystems positioniert sein - d.h. auch in einer anderen als der dem Differenzialantrieb 5 nächstgelegenen Stufe des Hilfsgetriebes 20. Die Kupplung 22 ist vorzugsweise als

Klauenkupplung, Zahnkupplung, Lamellenkupplung oder als Freilauf ausgeführt. Ein Freilauf (auch als Überholkupplung bezeichnet) ist dabei eine nur in eine Drehrichtung wirkende Kupplung. Er kann auch in Form einer selbstsynchronisierenden Schaltkupplung ausgeführt werden. Dies ist ein Freilauf, bei dem die Drehmomentübertragung über eine Zahnkupplung erfolgt. Die Antriebsmaschine 4 kann auch mit einer Getriebe-Zwischenstufe des Hilfsgetriebes 20 verbunden sein, wobei die Verbindung des Hilfsgetriebes 20 mit dem ersten Antrieb bestehen bleibt.

Der Differenzialantrieb 5 ist in der gezeigten Ausführung über eine Kupplung 25 trennbar mit der Übersetzungsstufe 17, 18 verbunden. Um das System anzufahren, wird der Differenzialantrieb 5 durch Schließen der Kupplung 25 mit der Übersetzungsstufe 17, 18 und durch Schließen der Kupplung 22 mit dem Hilfsgetriebe 20 verbunden. Indem anschließend der Differenzialantrieb 5 hochgefahren wird, beschleunigen somit Arbeitsmaschine 1 und die Antriebsmaschine 4 gleichzeitig. Im Falle der Ausführung der Kupplung 22 in Form eines Freilaufes überträgt dieser selbsttätig die Drehbewegung des Differenzialantriebes 5 auf das Hilfsgetriebe 20 bzw. die Antriebsmaschine 4.

Ist die Antriebsmaschine 4 als Asynchronmaschine ausgeführt, so wird diese vorzugsweise auf Betriebsdrehzahl gebracht und anschließend der Schalter 23 geschlossen und die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 verbunden. Diese zieht, wenn sie mit dem Netz 12 verbunden wird, nur kurzzeitig einen Magnetisierungsstrom. Dieser ist zwar höher als der Nennstrom der Antriebsmaschine 4, steht jedoch nur für wenige

Netzperioden an und liegt weit unter dem sich einstellenden Strom, den die Antriebsmaschine 4 ziehen würde, wenn diese unter Last ans Netz geschaltet wird. Dieser Magnetisierungsstrom kann im Bedarfsfall durch Einsatz verschiedener anerkannter technischer Methoden zusätzlich reduziert werden. Anschließend wird die Kupplung 22 geöffnet und das Differenzialsystem arbeitet im sogenannten Differenzialmodus . Ist die Kupplung 22 als Freilauf ausgeführt, so wird die Verbindung

selbsttätig gelöst, sobald die Drehzahl des treibenden Teils (Differenzialantrieb 5) kleiner als die Drehzahl des zu treibenden Teils (in Fig. 2 Hilfsgetriebe 20) wird (vergl. hierzu auch Fig. 4) . Ist die Antriebsmaschine 4 als Synchronmaschine ausgeführt, so kann diese gemäß den anerkannten Regeln der Technik mit dem Netz

synchronisiert und somit stoßfrei ans Netz geschaltet werden. Der Differenzialantrieb 5 hilft dabei, die Antriebsmaschine 4 mit dem Netz zu synchronisieren, indem dieser die Drehzahl und vorzugsweise auch den Phasenwinkel der Antriebsmaschine 4 regeln und mit dem Netz 12 synchronisieren kann.

Ist die Antriebsmaschine 4 eine Verbrennungskraftmaschine, so kann diese mit Unterstützung des Differenzialantriebes 5 gestartet werden.

Im Falle einer Betriebsstörung (z.B. Netzausfall) würden im

schlimmsten Fall sowohl die Antriebsmaschine 4 als auch die

Arbeitsmaschine 1 unkontrolliert auslaufen. Um in einem solchen Fall den im Differenzialmodus arbeitenden Differenzialantrieb 5 vor

Überdrehzahl zu schützen, kann man entweder eine Bremse 26, welche auf den zweiten Antrieb des Differenzialsystems wirkt und/oder eine Bremse 27, welche direkt auf den Differenzialantrieb 5 wirkt einsetzen. Als alternative Lösung bietet sich an, die Kupplung 25 zu öffnen und dadurch den Differenzialantrieb 5 vom restlichen Differenzialsystem zu trennen .

Ist die Kupplung 22 als Freilauf ausgeführt, so wird dessen Verbindung selbsttätig aktiviert sobald die Drehzahl des treibenden Teils

(Hilfsgetriebe 20) kleiner als die Drehzahl des zu treibenden Teils ( Differenzialantrieb 5) wird, wodurch eine Überdrehzahl des

Differenzialantriebes 5 automatisch verhindert wird.

Damit sind bei Einsatz eines Freilaufs als Kupplung 22 für die

Betriebsmodi „Anfahren" und „Differenzialbetrieb" bzw.

„Betriebsstörung" weder die Kupplung 25 noch die Bremsen 26 bzw. 27 erforderlich .

Ist die Kupplung 22 als Lamellenkupplung ausgeführt, so wird diese im Falle einer Betriebsstörung vorzugsweise dann aktiviert, wenn die Drehzahldifferenz zwischen der abtreibenden Welle des Hilfsgetriebes 20 und dem Differenzialantriebe 5 ein Minimum (idealerweise bei einer Drehzahldifferenz von annähernd Null) ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann man die Bremse 26 auch dazu verwenden, den zweiten Antrieb des Differenzialsystems während des beschriebenen Anfahrvorganges zu bremsen, um ein

zeitgleiches Hochlaufen des Planetenträgers 16 zu vermeiden. Dabei bleibt die Kupplung 22 geschlossen und die Kupplung 25 geöffnet. Damit kann man die Arbeitsmaschine 1 von einer Arbeitsdrehzahl gleich Null weg betreiben. Die maximal erreichbare Antriebsleistung für die

Arbeitsmaschine 1 ist jedoch entsprechend der Leistungskapazität des Differenzialantriebes 5 begrenzt. Da jedoch der Betrieb z.B. einer Kesselwasserspeisepumpe auch Betriebsweisen mit kleiner Drehzahl (kleiner als die erreichbare Arbeitsdrehzahl im Differenzialmodus ) und kleiner Leistung bzw. auch wartungsbedingte Inbetriebnahmen umfasst, sind diese durch diese Aus führungs form realisierbar.

Ein ähnliches Ergebnis erzielt man, indem man mit einer Bremse den ersten Antrieb (im Fall von Fig. 2 beispielhaft mit einer Bremse 28 an der Antriebsmaschine 4) einbremst. Die Kupplung 25 wird in dieser Anwendung geschlossenen und die Kupplung 22 geöffnet. Damit kann man bei stillstehendem Hohlrad 14 mit dem Differenzialantrieb 5 den

Planetenträger 16 und in weiterer Folge die Arbeitsmaschine 1

antreiben. Ein weiterer Einsatzfall für eine solche Bremse 28 ist, im Falle einer Betriebsstörung die Antriebsmaschine 4 parallel zur

Arbeitsmaschine 1 zu verzögern, um damit eine Überdrehzahl am

Differenzialantrieb 5 zu verhindern.

Wie Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, können in einem Differenzialsystem der erste und zweite Antrieb und der Abtrieb alternativ mit einem Hohlrad oder einem Planetenträger oder einem Sonnenrad verbunden werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante wird der Differenzialantrieb 5 mit dem Hohlrad 14, die Antriebsmaschine 4 mit dem Planetenträger 16 und die Arbeitsmaschine 1 mit dem Sonnenrad 13 verbunden. Weitere alternative Kombinationen sind ebenfalls von der Erfindung erfasst. Die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration zeigt eine Aus führungs form, mit der man einfach und kostengünstig hohe Drehzahlen an der

Arbeitsmaschine 1 realisieren kann. Eine beispielhafte Konfiguration, in der die Arbeitsmaschine 1 mit dem Hohlrad 14, die Antriebsmaschine 4 mit der Sonnenrad 13 und der Differenzialantrieb 5 mit dem

Planetenträger 16 verbunden ist, ist eine mögliche Ausführungsvariante für Übersetzungen ins Langsame.

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialsystems für schnell laufende Antriebe. Das

Differenzialsystem ist prinzipiell gleich aufgebaut wie in Fig. 2 beschrieben. Im Gegensatz zu Fig. 2 ist die Übersetzungsstufe 29 als Kegelradgetriebestufe dargestellt. Damit ist die Drehachse des

Differenzialantriebes 5 mit einem Winkelversatz zur Drehachse von Antriebsmaschine 4 und Arbeitsmaschine 1 angeordnet. Dadurch ergibt sich, dass auch ein Hilfsgetriebe 30 als Winkelgetriebe auszuführen ist. Mit dem Winkelversatz erreicht man, dass der Achsabstand zwischen Differenzialantrieb 5 und Arbeitsmaschine 1 vergrößert wird und dadurch die Arbeitsmaschine 1 näher an das Differenzialsystem

heranrücken kann. Ebenso kann man den Differenzialantrieb 5

spiegelverkehrt in Richtung Antriebsmaschine 4 anordnen (vgl. Fig. 2 und Fig. 5) und somit die Antriebsmaschine 4 näher an das

Differenzialsystem heranrücken.

Das Hilfsgetriebe 30 ist ebenso wie das Hilfsgetriebe 20 bevorzugt so auszulegen, dass (a) die Drehrichtung von Arbeitsmaschine 1 und

Antriebsmaschine 4 entgegengesetzt ist und (b) die Antriebsmaschine 4 vorzugsweise ihre Betriebsdrehzahl erreicht, sobald der

Differenzialantrieb 5 in den Bereich seiner Leistungsgrenze kommt.

Das Hilfsgetriebe 30 ist mittels einer Kupplung 31 mit dem

Differenzialantrieb 5 verbindbar und treibt vorzugsweise auch eine Schmierölpumpe 21 an. Die Kupplung 31 kann beliebig im Pfad zwischen Differenzialantrieb 5 und Verbindungswelle 19 positioniert sein, wird jedoch, um einen Notbetrieb des Schmiersystems zu gewährleisten, vorzugsweise zwischen Schmierölpumpe 21 und Differenzialantrieb 5 angeordnet. Ist der Differenzialantrieb 5 spiegelverkehrt Richtung Antriebsmaschine 4 angeordnet, läuft das erste Zahnrad des

Hilfsgetriebes 30 beispielsweise kuppelbar auf der Verbindungswelle zwischen dem Differenzialantrieb 5 und dem zweitem Antrieb des

Differenzialsystems (vgl. Fig. 2 und 5) . Für die Ausführung und die Funktionen der Kupplung 31 gilt

grundsätzlich das Gleiche wie für die Kupplung 22. Die Kupplung 22, 31 kann darüber hinaus auch als hydrodynamische (r)

Kupplung/Drehmomentwandler mit zusätzlicher/integrierter

Arretierfunktion ausgeführt und somit auch als Notbremssystem

eingesetzt werden, indem sie geschlossen wird, sobald im

Differenzialmodus eine Betriebsstörung im Triebstrang auftritt und der Differenzialantrieb 5 vor einer Überdrehzahl zu schützen ist (vgl. entsprechende Erläuterungen zu Fig. 2) . Alternativ (oder ergänzend) kann z.B. auch eine Bremse 27, welche direkt auf den

Differenzialantrieb 5 wirkt, eingesetzt werden. Grundsätzlich ist erfindungsgemäß jedoch jede Art von Kupplung einsetzbar.

Die in Fig. 3 dargestellte Kupplung 34 dient in erster Linie wie auch die Kupplungen 32 und 33 zur Verbindung von Arbeitsmaschine 1,

Antriebsmaschine 4 und Differenzialantrieb 5 mit dem Getriebeteil des Differenzialsystems . Wird der Einsatz einer einfachen und

kostengünstigen Kupplung 31 bevorzugt, so kann die Kupplung 34, wie schon zu Fig. 2 beschrieben, im Betrieb lösbar (evtl. auch mit einer automatischen Öffnung bei Überdrehzahl) ausgeführt werden, um den Differenzialantrieb 5 im Falle beispielsweise einer Betriebsstörung vom zweiten Antrieb des Differenzialsystems zu trennen. Damit ist grundsätzlich auch die Bremse 27 nicht mehr erforderlich. Alternativ kann man wie bereits ausgeführt, anstelle der Kupplung 31 einen

Freilauf einsetzen, welcher bei einer Betriebsstörung eine

Überdrehzahl am Differenzialantrieb 5 verhindert. Dies wird dadurch möglich, dass im Fehlerfall im Differenzialmodus (Betriebsmodus II) die Drehzahlen der Arbeitsmaschine 1 und der Antriebsmaschine 4 immer in Richtung „niedrigste Arbeitsdrehzahl" gehen und damit die

erforderliche Freilaufrichtung entsprechend definiert ist.

Das Anfahren und der Betrieb des Differenzialsystems bis zu dessen Nennbetriebspunkt finden in drei Phasen statt, wie mit Bezug auf Fig. 3 erläutert wird. Diese drei Phasen sind:

Phase 1: Der Differenzialantrieb 5 ist mit dem zweiten Antrieb des Differenzialsystems verbunden und wird zusätzlich durch Schließen der Kupplung 31 mittels Hilfsgetriebe 30 zusätzlich mit dem ersten Antrieb (inkl. Verbindungswelle 19 und Antriebsmaschine 4) des

Differenzialsystems verbunden (im Falle eines Freilaufes aktiviert sich dieser selbsttätig) . Anschließend wird der Differenzialantrieb 5 beschleunigt und die Arbeitsmaschine 1 beginnt zu arbeiten. Abhängig von der Drehmomentkennlinie der Arbeitsmaschine 1 (zuzüglich einer allfällig mit dem Triebstrang verbundenen sogenannten Booster-Pumpe 69) und der Leistung des Differenzialantriebes 5 ist in diesem

Betriebsmodus I vorzugsweise eine stufenlos regelbare Arbeitsdrehzahl von Null bis beispielsweise ca. 40%-50% der Arbeits-Nenndrehzahl der Arbeitsmaschine 1 realisierbar. Unter Triebstrang versteht man dabei den gesamten Antriebsstrang zwischen Antriebswelle 2 und

Antriebsmaschine 4. Die Antriebsmaschine 4 bleibt in diesem

Betriebsmodus I vom Netz getrennt.

Die Übersetzungsverhältnisse der in diesem Fall wirksamen Getriebe 3, 29 und 30 werden so gewählt, dass die Antriebsmaschine 4 ihre

Betriebsdrehzahl erreicht, sobald der Differenzialantrieb 5 in den Bereich seiner Leistungsgrenze kommt. D.h. der Differenzialantrieb 5 wird so ausgelegt, dass er (a) die inhärenten Losbrechmomente eines Triebstranges überwinden kann und (b) im Betriebsmodus I eine

Arbeitsdrehzahl erreicht, welche im Bereich einer möglichst niedrigen, im Differenzialmodus (Betriebsmodus II) erreichbaren Arbeitsdrehzahl liegt. Vorzugsweise erlaubt man unter anderem zugunsten einer

Regelhysterese für die Umschaltung zwischen Betriebsmodus I und II eine mehr oder weniger große Überlappung der Arbeitsdrehzahlbereiche der Betriebsmodi I und II.

Will man den Differenzialantrieb 5 leistungsmäßig so klein wie möglich auslegen, kann man auch eine Arbeitsdrehzahl-Lücke zwischen

Betriebsmodus I und II vorsehen. Dabei muss man jedoch beim Umschalten zwischen Betriebsmodus I und II Drehmoment- und Drehzahlsprünge in Kauf nehmen, welche man vorzugsweise regelungstechnisch oder auch mit Dämpfern und/oder Kupplungen und/oder hydrodynamischen

Drehmomentwandlern mit zusätzlicher/integrierter Arretierfunktion - z.B. als Kupplung 31 - ausgleichen kann. Ist eine Arbeitsdrehzahl- Lücke zwischen Betriebsmodus I und Betriebsmodus II vorhanden, so kann der Differenzialantrieb 5, wie oben beschrieben, die Antriebsmaschine 4 nicht bis zu deren Betriebsdrehzahl beschleunigen. Die

Antriebsmaschine 4 wird dann mit einer Drehzahl kleiner als deren Synchrondrehzahl ans Netz 12 geschaltet, was zu entsprechenden Strom- und Drehmomentstößen führt. Diese sind jedoch geringer, als wenn die Antriebsmaschine 4 mit einer Drehzahl gleich Null ans Netz 12

geschaltet wird. Der Differenzialantrieb 5 wird dabei, während die Antriebsmaschine ans Netz 12 geschaltet wird, vom Hilfsgetriebe getrennt (im Falle eines Freilaufes deaktiviert sich dieser

selbsttätig) und "generiert" ein Reaktionsmoment am zweiten Antrieb des Differenzialsystems .

Der Differenzialantrieb 5 arbeitet jedenfalls in dieser ersten Phase (Betriebsmodus I) motorisch - d.h. er bezieht Energie vom Netz.

Phase 2: Sobald die Antriebsmaschine 4 ihre Betriebsdrehzahl erreicht, wird sie, wie schon zu Fig. 2 beschrieben, mit dem Netz 12

synchronisiert und der Schalter 23 geschlossen.

Da der Differenzialantrieb 5 im unteren Arbeitsdrehzahlbereich des Betriebsmodus II generatorisch arbeitet - d.h. er liefert Energie ins Netz, wird im nächsten Schritt das Drehmoment des

Differenzialantriebes 5 von dem für den Betriebsmodus I erforderlichen motorischen in den für den Betriebsmodus II zunächst erforderlichen generatorischen Betrieb geregelt. Dadurch wird die Antriebsmaschine 4 kontinuierlich stärker belastet, bis das Differenzialsystem

vorzugsweise in den unteren Bereich des Arbeitsdrehzahlbereiches des Betriebsmodus II kommt.

Um die Systembelastungen möglichst gering zu halten, erfolgt der

Übergang vom motorischen in den generatorischen Betrieb des

Differenzialantriebes vorzugsweise gedämpft, d.h. nicht schlagartig.

Phase 3: Sobald das Differenzialsystem den zu Phase 2 beschriebenen Betriebspunkt im unteren Arbeitsdrehzahlbereich des Betriebsmodus II erreicht hat, wird der Differenzialantrieb 5 vom ersten Antrieb des Differenzialsystems getrennt, indem entweder die Kupplung 31 geöffnet wird, oder sich im Falle eines Freilaufes die Verbindung selbsttätig löst (deaktiviert) , sobald die Drehzahl des Differenzialantriebes kleiner wird. Das System arbeitet nun im Betriebsmodus II (= Differenzialmodus ) , womit in dieser dritten Phase für die

Arbeitsmaschine 1 ein maximales Drehmoment bei maximaler

Antriebsdrehzahl realisiert werden kann.

Um das Differenzialsystem von Betriebsmodus II auf Betriebsmodus I umzuschalten - z.B. um die Arbeitsmaschine 1 abzuschalten oder für eine geringere Fördermenge -, empfiehlt sich vorzugsweise folgender Ablauf:

Zuerst wird der untere Bereich des Arbeitsdrehzahlbereiches des

Betriebsmodus II angesteuert. Nach vorzugsweiser Synchronisation der beiden Kupplungshälften (mittels Drehzahlregelung des

Differenzialantriebes 5) , wird die Kupplung 31 geschlossen (sofern nicht als Freilauf ausgeführt) . Als nächster Schritt wird das

Drehmoment des Differenzialantriebes 5 von dem für den Betriebsmodus II erforderlichen generatorischen in den für den Betriebsmodus I erforderlichen motorischen Betrieb geregelt. Dadurch wird die

Antriebsmaschine 4 kontinuierlich entlastet, bis diese kein Drehmoment mehr liefert. Indem der Schalter 23 anschließend geöffnet wird, kann die Antriebsmaschine 4 stoßfrei vom Netz 12 getrennt werden. Im Falle der Ausführung der Kupplung 22, 31 als Freilauf, aktiviert sich dieser dabei selbsttätig. Das Differenzialsystem arbeitet nun im

Betriebsmodus I und kann damit bis zur Arbeitsdrehzahl gleich Null betrieben werden.

Fig. 4 zeigt auf einer dimensionslosen Zeitachse den Verlauf von Drehmoment und Drehzahl der Arbeitsmaschine 1, der Antriebsmaschine 4, des Differenzialantriebs 5 und der Kupplung 22, 31 während der zu Fig. 3 beschriebenen Phasen.

Phase 1: Zum Zeitpunkt TO steht das komplette Differenzialsystem.

Sobald sich der Differenzialantrieb 5 zu drehen beginnt, beschleunigen auch die Arbeitsmaschine 1 und die Antriebsmaschine 4, bis letztere ihre Betriebsdrehzahl erreicht - in Fig. 4 mit Tl gekennzeichnet.

Zwischen den Zeitmarkierungen TO und Tl arbeitet das

Differenzialsystem im Betriebsmodus I. Phase 2: Im nächsten Schritt wird die bis zu diesem Zeitpunkt ohne Last arbeitende Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 synchronisiert und zum Zeitpunkt T2 der Schalter 23 geschlossen.

Daraufhin wird im folgenden Schritt (zwischen T2 und T3) das

Drehmoment des Differenzialantriebes 5 vom motorischen in den

generatorischen Betrieb geregelt (das Drehmoment des

Differenzialantriebes 5 wechselt die Richtung) . Dadurch wird die Antriebsmaschine 4 kontinuierlich stärker belastet (das Drehmoment der Antriebsmaschine 4 steigt) , bis das Differenzialsystem vorzugsweise einen der unteren Arbeitspunkte des Arbeitsdrehzahlbereiches des Betriebsmodus II erreicht. Durch die dadurch entstehende neue

Lastverteilung im Differenzialsystem wird das ursprünglich über die Kupplung 22, 31 fließende Drehmoment gegen Null geregelt und die Kupplung 22, 31 wird geöffnet, bzw. deaktiviert sich dabei selbsttätig im Falle eines Freilaufes. Zum Zeitpunkt T4 ist damit die Phase 2 abgeschlossen .

Die Drehzahlen für die An- und Abtriebe des Differenzialsystems bleiben in Phase 2 vorzugsweise im Wesentlichen konstant, können jedoch aufgrund von betriebsbedingten Anforderungen an die

Arbeitsmaschine 1 bzw. an den Synchronisationsvorgang der

Antriebsmaschine 4 auch variieren. Diesbezüglich ist eine Überlappung der Arbeitsdrehzahlen der Betriebsmodi I und II von Vorteil, da man dadurch allfällige zwischen den Zeitpunkten Tl und T2 auftretende Drehzahlschwankungen ausregeln und damit die Antriebsmaschine 4 stoßfrei mit dem Netz 12 verbinden kann.

Phase 3: Das Differenzialsystem arbeitet nun zwischen den Zeitpunkten T4 und T6 im Betriebsmodus II (= Differenzialmodus ) . Dabei zeigt der Bereich zwischen T4 und T5 einen Teillastbereich, in dem die

Systemleistung variabel geregelt wird, bis diese zwischen T5 und T6 beispielhaft bei Nennleistung mit konstantem Nenn-Drehmoment und konstanter Nenn-Drehzahl verharrt (in Fig. 4 daher als konstante Linie dargestellt) . Im Bereich zwischen T4 und T5 wechselt der

Differenzialantrieb 5 vom generatorischen in den motorischen Betrieb, was in seiner Drehzahl (Drehzahl „Differenzialantrieb") sichtbar wird. Ein Betrieb des Di fferenzialsystems im Betriebsmodus II mit höherer Drehzahl als Nenndrehzahl ist grundsätzlich möglich, wobei der

Differenzialantrieb 5 dann im Feldschwächebereich zu betreiben ist. Dabei ist dessen Drehmoment entsprechend den bekannten Regeln der Technik nur eingeschränkt verfügbar.

Die Drehzahl der Antriebsmaschine 4 (Drehzahl „Antriebsmaschine") bleibt im Betriebsmodus II im Falle einer Drehstrommaschine im

Wesentlichen konstant.

Wird die Kupplung 22 bzw. 31 als Freilauf ausgeführt, so vollzieht sich die Aktivierung/Deaktivierung der Kupplung 22, 31 selbsttätig, womit ein fließender Übergang zwischen den beschriebenen

Phasen/Betriebsmodi möglich wird.

Die zeitlichen Relationen der Zeitachse in Fig. 4 sind individuell gestaltbar und richten sich nach den Auslegungskriterien des

Differenzialsystems bzw. den betrieblichen Anforderungen.

Das beschriebene Betriebskonzept gilt analog auch für einen

generatorischen Betrieb einer z.B. Energiegewinnungsanlage.

Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems bei einer

Energiegewinnungsanlage ist die Arbeitsmaschine 1 z.B. eine

Windkraftanlage oder eine Wasserturbine und die Antriebsmaschine 4 eine elektrische Maschine, die im Wesentlichen im generatorischen Betrieb arbeitet. Demzufolge dreht sich der Leistungs fluss im gesamten Antriebsstrang im Vergleich zu den Darstellungen in den Fig. 1 bis 12 bzw. deren Beschreibung um. Das betrifft u.a. auch die hier in Fig. 4 beschriebene Regelung der Drehmomentrichtung des Differenzialantriebes 5 zwischen T2 und T3.

Wird das Differenzialsystem für eine sogenannte Pumpturbine

(Arbeitsmaschine arbeitet zeitweise als Turbine und zeitweise als Pumpe) verwendet, kann mit dem erfindungsgemäßen System sowohl ein generatorischer (Turbine) als auch ein motorischer (Pumpe) Betrieb realisiert werden, wobei stufenlos von einer Betriebsart in die andere umgeschaltet werden kann. Der Übergang von einer Betriebsart (Turbine) in die andere (Pumpe) erfolgt dabei vorzugsweise zum Zeitpunkt TO. Grundsätzlich ist das hier beschriebene Konzept auch gemäß den in den Fig. 2 bis 12 beschriebenen Funktionen und Ausführungsvarianten erweiterbar .

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines

Differenzialsystems für vorzugsweise langsam laufende Antriebe. Das Prinzip leitet sich aus den Erläuterungen zu Fig. 1, 2 und 3 ab und kann auch für schnell laufende Antriebe eingesetzt werden. Der wesentliche Unterschied zum Konzept gemäß Fig. 2 und 3 ist, dass der Differenzialantrieb 5 mit dem Sonnenrad 9 als zweitem Antrieb des Differenzialsystems (anstelle des Planetenträgers 16 in Fig. 2 und 3) und die Arbeitsmaschine 1 mit dem Planetenträger 7 (anstelle des Sonnenrades 13 in Fig. 2 und 3) verbunden wird.

Mittels einer Kupplung 22 ist der Differenzialantrieb 5 mit dem

Hilfsgetriebe 20 verbindbar und treibt vorzugsweise auch eine

Schmierölpumpe 21 an. Die Kupplung 22 kann beliebig im Pfad zwischen Differenzialantrieb 5 und Verbindungswelle 19 positioniert sein, wird jedoch, um einen Notbetrieb des Schmiersystems zu gewährleisten, vorzugsweise zwischen Schmierölpumpe 21 und Differenzialantrieb 5 angeordnet .

Fig. 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein Differenzialantrieb 5 mit dem zweiten Antrieb und dem Abtrieb eines Differenzialsystems verbindbar ist. In dieser Ausführungsform ist der Differenzialantrieb 5 einerseits mit dem zweiten Antrieb des

Differenzialsystems verbunden und andererseits mittels einer Kupplung 22 und über ein Hilfsgetriebe 61 mit dem Abtrieb des

Differenzialsystems bzw. der Antriebswelle 2 verbindbar. Grundsätzlich gilt Gleiches wie schon zu Fig. 2 bis 5 beschrieben, nur dass der Differenzialantrieb 5 sowohl die Antriebswelle 2 als auch die

Antriebsmaschine 4 über den Planetenträger 7 und das Hohlrad 8 antreibt. Eine Anpassungsgetriebestufe 60 ist in Fig. 6 zur

Optimierung des Drehzahlregelbereiches des Differenzialantriebes 5 vorgesehen .

Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein Differenzialantrieb 5 eines Differenzialsystems mit dem zweiten

Antrieb verbunden und mit dem Abtrieb verbindbar ist. Im Gegensatz zur Aus führungs form gemäß Fig. 6 ist hier der zweite Antrieb mit einem Hohlrad 63, der erste Antrieb mit einem Planetenträger 64 und der Abtrieb mit einem Sonnenrad 65 verbunden. Demzufolge regelt der

Differenzialantrieb 5 über eine Übersetzungsstufe 66 und das

außenverzahnte Hohlrad 63 die Drehzahl der Antriebswelle 2. Zum

Anfahren ist der Differenzialantrieb 5 mittels Kupplung 31 und einem Hilfsgetriebe 62 mit dem Abtrieb des Differenzialsystems verbindbar. Für betriebsnotwendige Bremsvorgänge ist eine Bremse 67 vorgesehen (in der gezeigten Ausführungsform symbolisch als Scheibenbremse

dargestellt) , welche im Bereich der Abtriebswelle der Antriebsmaschine 4 positioniert ist, wobei die Bremsbacken mit der Antriebsmaschine 4 und die Bremsscheibe vorzugsweise mit der Kupplung 33 verbunden sind. Ist die Kupplung 33 mit einem Überlastschutz (z.B.

Drehmomentbegrenzer) ausgeführt, so ist vorzugsweise darauf zu achten, dass dieser Überlastschutz nicht im Hauptlastpfad des Bremsmomentes liegt, um nicht damit ein maximal übertragbares Bremsmoment zu begrenzen. Der Hauptlastpfad ist dabei jener Pfad, über den der

Großteil des Bremsmomentes der Bremse 67 fließt. Ein wesentlicher Vorteil für die beschriebene Positionierung der Bremse 67 an der Antriebsmaschine 4 ist, dass damit die Lagerung des ersten Antriebs des Differenzialsystems frei von allfällig wirkenden Querkräften (aufgrund ungleichförmig angreifender Bremskräfte) bleibt.

Fig. 8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der ein Differenzialantrieb 5 eines Differenzialsystems via außenverzahntem Hohlrad 63 mit dem zweiten Antrieb verbunden und mit dem ersten

Antrieb via Kupplung 22 und Hilfsgetriebe 68 verbindbar ist.

Die Ausführungsformen gemäß Fig. 6, 7 und 8 bieten sich insbesondere für den Einsatz bei Energiegewinnungsanlagen wie z.B. Windkraftanlagen als Arbeitsmaschine 1 an . Im diesem Falle ist die Antriebsmaschine 4 eine elektrische Maschine, die im Wesentlichen im generatorischen Betrieb arbeitet. Demzufolge dreht sich der Leistungsfluss im gesamten Antriebsstrang um (vergl. hierzu auch die Erläuterungen zu Fig. 4) . Das Differenzialsystem ist dabei vorzugsweise ein Teil eines

sogenannten Hauptgetriebes, wobei die Antriebswelle 2 dabei in den meisten Fällen mit weiteren Getriebestufen dieses Hauptgetriebes verbunden ist, um eine für die Arbeitsmaschine erforderliche niedrige Drehzahl bei entsprechend hohem Drehmoment zu erreichen.

Fig. 9 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in welcher der Abtrieb mit dem ersten Antrieb eines Differenzialsystems

verbindbar ist. In dieser Darstellung ist einerseits der

Differenzialantrieb 5 mit dem zweiten Antrieb verbunden und

andererseits der Abtrieb des Differenzialsystems bzw. beispielsweise die Antriebswelle 2 über ein Hilfsgetriebe 70 mittels Kupplung 31 mit dem ersten Antrieb des Differenzialsystems bzw. in weiterer Folge die Antriebsmaschine 4 verbindbar. Grundsätzlich gilt Gleiches wie schon zu Fig. 2 bis 8 beschrieben, nur dass der Differenzialantrieb 5 im Betriebsmodus I die Antriebsmaschine 4 über den Abtrieb des

Differenzialsystems bzw. in der gezeigten Ausführungsvariante über die Antriebswelle 2 zusätzlich antreibt.

Fig. 10 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der der Differenzialantrieb 5 über den zweiten Antrieb, ein

Übersetzungsgetriebe 41 und ein Hilfsgetriebe 42 mit dem ersten

Antrieb des Differenzialsystems verbindbar ist.

Fig. 11 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des

Differenzialsystems mit einem sogenannten Plusgetriebe (auch als Umlaufrädergetriebe bezeichnet) . Dabei ist die Antriebswelle 19 des ersten Antriebs des Differenzialsystems mit einem ersten Sonnenrad 44 und die Arbeitsmaschine 1 mit einem zweiten Sonnenrad 45 verbunden. Ein Planetenträger 46 ist mit zwei oder mehreren Stufenplaneten 47, 48 ausgestattet. Stufenplaneten sind dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder jeweils zwei Zahnräder 47,48 aufweisen, welche

miteinander drehfest verbunden sind und unterschiedliche

Teilkreisdurchmesser aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wirkt das Zahnrad 48 mit dem Sonnenrad 44 und das

Zahnrad 47 mit dem Sonnenrad 45 zusammen. Der Differenzialantrieb 5 treibt den Planetenträger 46 drehzahlvariabel an. Zur Realisierung des Betriebsmodus I ist der Planetenträger 46 über eine Übersetzungsstufe 49 und ein Hilfsgetriebe 50 mit dem ersten Antrieb des

Differenzialsystems bzw. der Antriebsmaschine 4 verbindbar. Die Drehrichtungen der Antriebsmaschine 4 und der Arbeitsmaschine 1 sind hier gleich und die Übersetzungsstufe 49 dreht in Kombination mit dem Hilfsgetriebe 50 die Drehrichtung gegenüber dem Planetenträger 46 um. Die gezeigte Ausführungsform eines Differenzialsystems in Form eines Plusgetriebes erlaubt kleine Übersetzungsverhältnisse zwischen der Antriebsmaschine 4 und der Arbeitsmaschine 1 und ist aufgrund des Fehlens von Hohlrädern auch kostengünstig herzustellen.

Fig. 12 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des

Differenzialsystems in Form eines Plusgetriebes. Grundsätzlich leitet sich dessen Funktion aus den Ausführungen zu Fig. 11 ab. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch das Hilfsgetriebe 52 mit dem

Übersetzungsgetriebe 51 verbindbar. In einer weiteren

erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Differenzialantrieb 5 direkt mit der Welle 55 verbunden.

Wie die Fig. 2 bis 12 beispielhaft zeigen, gibt es eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Möglichkeiten, die Funktion des erfindungsgemäßen Anfahrens zu realisieren. Grundsätzlich geht es immer um eine

Überbrückung des Differenzialsystems , z.B. mittels eines

Hilfsgetriebes 20, 30, 42, 50, 52, 53, 61, 62, 68, 70, sodass die Antriebsmaschine 4 ihre Betriebsdrehzahl erreicht, sobald die

Arbeitsmaschine 1 etwa eine untere Arbeitsdrehzahl im Betriebsmodus II erreicht. Eine mehr oder weniger große Überlappung der

Arbeitsdrehzahlbereiche der Betriebsmodi I und II oder eine

Arbeitsdrehzahl-Lücke kann jedoch, wie erläutert, vorhanden sein.

Erfindungsgemäß werden aber bei allen Ausführungsformen die

Antriebsmaschine 4 und Arbeitsmaschine 1 mittels Differenzialantrieb 5 parallel hochgefahren.

Fig. 13 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialsystems für eine Energiegewinnungsanlage. Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems bei einer

Energiegewinnungsanlage ist die Antriebsmaschine 42 eine elektrische Maschine, die im Wesentlichen im generatorischen Betrieb arbeitet - vorzugsweise eine fremderregte Mittelspannungs-Synchronmaschine .

(siehe auch Erläuterungen zu Fig. 4 und 8) . Die Arbeitsmaschine 38 (z.B. der Rotor einer Windkraftanlage) treibt dabei über das Hauptgetriebe 39 den Planetenträger einer

Differenzialstufe 40 an. Die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 12 beschriebene Antriebsmaschine wird somit im Arbeitsbetriebsbereich als Generator 42 betrieben. Ein über den Umrichter 6 und den Transformator 11 an das Netz 12 angeschlossener Differenzialantrieb 5 ist mittels der Welle 35 (welche koaxial in einer Rotor-Hohlwelle 43 des

Generators 42 geführt wird) mit dem zweiten Antrieb des

Differenzialgetriebes 40 verbunden. Der Differenzialantrieb 5 ist mittels eines Hilfsgetriebes 53 und der Kupplung 54 mit der Rotorwelle 43 der Antriebsmaschine 42 verbindbar, wobei der Planetenträger des Hilfsgetriebes 53 drehfest mit dem Gehäuse des Generators 42 verbunden bzw. in dieses integriert ist. Für die Ausführung der Kupplung 54 gilt grundsätzlich gleiches wie für die Kupplung 22, 31. Das schematisch als Planetenstufe dargestellte Hilfsgetriebe 53 kann auch durch eine/mehrere Stirnrad- oder Kegelradstufe (n) ersetzt werden. Dies gilt insbesondere, wenn gemäß AT 511 720 A das Differenzialsystem mit mehreren, über eine Stirnradstufe verbundene, Differenzialantriebe ausgeführt ist. Grundsätzlich ist jedoch jede Art von Getriebe bzw. Riemenantriebe und dergleichen einsetzbar.

Anstelle des Differenzialantriebes 5 kann ein hydrostatisches

Stellgetriebe eingesetzt werden. Dabei werden der Differenzialantrieb 5 und der Umrichter 6 durch eine zwei - oder mehrteilige

hydrostatische Pumpe/Motor-Kombination ersetzt, welche mit einer Druckleitung verbunden und vorzugsweise im Durchflussvolumen

verstellbar sind. Damit sind wie im Falle eines drehzahlvariablen elektrischen Differenzialantriebes die Drehzahlen regelbar. Dabei ist ein Teil der Pumpen/Motor-Kombination vorzugsweise mit der

Antriebswelle 2, und/oder mittels eines elektrischen Antriebs

zumindest zeitweise mit dem Netz 12 verbunden, und/oder wird ein Teil der Pumpen/Motor-Kombination durch eine sonstige Antriebseinheit zeitweise angetrieben.

Diese Ausführungsvariante ist analog auch bei Einsatz eines

hydrodynamischen Drehmomentwandlers als Differenzialantrieb anwendbar. Das erfindungsgemäße System kann auch dazu verwendet werden, die Antriebsmaschine 4 bzw. den Generator 42 im sogenannten

Phasenschiebebetrieb zu betreiben. D.h., dass die Antriebsmaschine entweder als Motor 4 bzw. als Generator 42 Blindstrom in das bzw. aus dem Netz 12 liefern bzw. beziehen kann, ohne dass die

Arbeitsmaschine 1 betrieben wird. Dabei wird die Antriebsmaschine 4 bzw. 42 vorzugsweise mittels Differenzialantrieb 5 bloß mit dem Netz 12 synchronisiert und verbunden und anschließend der

Differenzialantrieb 5 vorzugsweise durch Öffnen der Kupplung 22, 31, 54 von der Antriebsmaschine 4, 42 getrennt, ohne die weiteren Schritte des beschriebenen Anfahrprozesses auszuführen. Dies erfolgt erst, wenn die Arbeitsmaschine 1 den Betrieb aufzunehmen hat.