Antriebseinrichtung zur Energieversorgung

hochbelasteter Elektromotoren

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zur Energieversorgung hochbelasteter Elektromotoren, mit einem den betreffenden Elektromotor über mindestens eine Leitung versorgenden Generator, der durch eine Verbren nu ngskraftmasch i ne über eine mechanische Kop lung mittels einer Wel le antreibbar ist.

Antriebseinrichtungen dieser Art sind Stand der Technik und kommen insbesondere für den Betrieb von maschinel len Einrichtungen zum Einsatz, bei denen die betreffenden Elektromotoren an ortsveränderl ichen Stel len oder in unterschiedl ichen Geländebereichen zu versorgen sind. Beispiele für bevorzugte Einsatzgebiete sind die Antriebe von Steinbrechern, Förderbandanlagen, Tunnel bohrmasch inen, Siebanlagen, Seilbahnen oder dergleichen. Wenn bei solchen Anlagen hochbelastete Elektromotoren bei Startvorgängen gegen Last anlaufen müssen, sind für die Startvorgänge sehr hohe, vom Generator zu l iefernde Ströme notwendig. Um Betriebssicherheit zu erreichen, ist man daher gezwungen, die betreffende, den Generator antreibende Verbren n u ngskraftmasch i ne so auszulegen, dass sie die Spitzenlast, die nur für kurze Zeit beim Starten entsteht, sicher abdeckt. Da diese Spitzenlast die normale, an die Verbrenn u ngskraftmasch i ne zu stel lende Leistungsanforderung um den Faktor 3 bis 5 übersteigt, resultiert eine ungünstige Überdimensionierung der Verbrennungskraftmaschine, weil bei- spielsweise für einen 1 60 kW-Elektromotor eine Ve r bre n n u n gs k raft m asc h i- ne, die 500 kW leistet, eingesetzt wird, die im Dauerbetrieb nach dem

Startvorgang dann ledigl ich im Teil lastbetrieb arbeitet. Im Hinbl ick auf diese Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die sich bei verringerten Anlagekosten durch ein günstiges und sicheres Betriebsverhalten auszeichnet. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Antriebseinrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Demgemäß bestehen wesentl iche Besonderheiten der Erfindung darin, dass die Antriebseinrichtung ein hydraul isches Hybridsystem aufweist, das zu- mindest einen Hydrospe icher und eine mit der Wel le des Generators über eine Pumpen wel le einer Verstell-Motorpumpeneinheit mechanisch kuppelbare Verbindung aufweist, mittels deren im Pumpbetrieb hydraul ische Energie im Speicher speicherbar ist, die im Motorbetrieb der Verstell- P u m pe n -M o to re i n h e i t als zusätzl iche Antriebsleistung des Generators nutz- bar ist, die als Zwei q u ad ra n ten e i n h e i t von dem Motorbetrieb in den Pumpenbetrieb und umgekehrt durch schwenk bar ist und dass der Generator ausschl ießl ich im Generatorbetrieb betrieben ist, dessen Generatorleistung auf den Wert Nul l zurückfahrbar ist. Da das Hybridsystem bei hohen Leis- tungsanforderungen, wie dies beim Starten eines gegen Last anlaufenden Elektromotors der Fal l ist, zusätzl ich zur Verb re n n u n gs k raft masc h i ne Drehmoment zur Verfügung stel len und so den Generator stützen kann, kann die V e r b re n n u n g s k ra ft m a s c h i n e entsprechend der Nennleistung des Elektromotors ausgelegt werden und braucht daher demgegenüber nicht um ein Mehrfaches überdimensioniert zu sein, um eine stabile Stromversorgung des Elektromotors sicherzustel len. Ferner sind die Verlustleistungen im Betrieb der Antriebseinrichtung gering. Ein weiterer, besonderer Vorteil des hydraulischen Hybridsystems besteht auch darin, dass es bei Bedarf als Booster aktivierbar ist, der im laufenden Betrieb auftretende Lastspitzen abfängt. Somit ist auch bei Einsatz der An- triebseinrichtung bei maschinellen Anlagen, bei denen während des Betriebs Lastspitzen auftreten können, beispielsweise bei Anlagen wie Steinbrechern oder Mühlen, eine stabile Stromversorgung des Elektromotors ohne Ü berd i mension ieru ng der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt. Insbesondere bei größeren maschinellen Anlagen mit einem Elektromotor hoher Leistung, beispielsweise im Bereich von mehr als 150 kW ist vorzugsweise ein Dieselmotor als Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.

Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist ein Hydrospeicher in Form eines hydropneumatischen Speichers vorgesehen, dessen Ölseite mit der Verstell- Pumpen-Motor-Einheit ohne Zwischenschalten weiterer Ventilbaugruppen direkt verbunden ist.

Das hydraulische Hybridsystem kann als offenes System ausgebildet sein, wobei die Saugseite der Motor-Pumpen-Einheit mit einem Hydraul iköl bevorratenden Tank verbunden ist.

Alternativ kann das hydraulische Hybridsystem als H oc hd r uc k- N ied e rd ru c k- System ausgebildet sein, wobei die Saugseite der Motor-Pumpen-Einheit mit der Ölseite eines h yd ro p n e u m a t i s c h e n N i ed e rd r u c k s pe i c h e rs ve r b u nd e n ist, der die im Motorbetrieb und im Pumpbetrieb jeweils benötigten Volumenströme sicherstellt. Als h yd r o p n e u m a t i s c h e Speicher können Blasenspeicher, Kolbenspeicher oder Membranspeicher zum Einsatz kommen. Eine besonders kompakte Bauweise ist realisierbar, wenn ein Doppel kol- benspeicher mit seiner Hochdruckseite den Energie speichernden Teil des Hybridsystems bildet und mit seiner N iederdruckse ite den Vol umenstrom für d ie Saugseite der Motor-Pumpen-Einheit zur Verfügung stel lt.

Für eine zusätzl iche U nterstützung der Saugseite der Motor-Pumpen-Einheit und zum Leckage-Ausgleich kann bei sämt l ichen Ausführungsbeispielen eine zusätzl iche Speisepumpe oder ein weiterer Hydrospeicher zur Bereitstel l ung benötigter Vol umenströme m it der Saugseite der Motor-Pumpen- Einheit verbunden sein. Für d ie Betriebssteuerung der Antriebseinrichtung kann ein an der Ölseite des jewei l igen Hochdruckspeichers angeschlossener Drucksensor ein elektrisches Drucksignal für eine Steuereinheit l iefern, m ittels deren der

Schwenkwinkel der Motor-Pumpen-Einheit steuerbar ist. Vor Ein leitung von Startvorgängen und während des laufenden Betriebs ist dadurch der Hoch- druckspeicher auf einen Ladedruck einstel lbar, bei dem sowohl für Startvorgänge als auch zum Boosten bei Lastspitzen im Betrieb aus dem Hochdruckspeicher die erforderl iche, kompensierende Energie s ei eher bar ist. Dabei kann der Steuereinheit ein die Last des Generators darstel lendes Signal zuführbar sein, das beispielsweise mittels eines Drehmomentsensors generierbar ist.

Nachstehend ist d ie Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestel lten Ausführungsbeispielen im Einzel nen erläutert. Es zeigen: F ig. 1 eine Symboldarstel l ung der Komponenten eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung und

F ig. 2 und 3 der F ig. 1 entsprechende Sy m bo I da rste 11 u n ge n eines zweiten bzw. eines dritten A u sfü h ru n gs be i s i e I es der erfindungsge- mäßen Antriebseinrichtung. In den Figuren ist ein Drehstromgenerator mit 2 bezeichnet, der über eine Leitung 4 mit einem zu versorgenden, in die Figuren nicht dargestellten hochbelasteten Elektromotor vorgesehen ist, der für den Betrieb größerer maschineller Anlagen auf eine hohe Nennleistung ausgelegt sein kann, bei- spielsweise für eine Nennleistung von mehr als 150 kW. Als Antriebsquelle für den Generator 2 ist bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors 6 vorgesehen, der einen Direktantrieb für die Welle 8 des Generators 2 liefert. Die Genera- torwelle 8 ist außerdem über eine Kupplung 10 mit der Welle 12 einer Ver- s te 11 -Motor- Pumpen-Einheit 14 kuppelbar, die als Zweiquadranteneinheit ausgebildet ist, so dass ihr Schwenkwinkel zwischen Pumpbetrieb und Motorbetrieb durch schwenk bar ist. Die Motor-Pumpen-Einheit bildet in Zusammenwirkung mit einer Speichereinrichtung für hydraulische Energie ein hydraulisches Hybridsystem, das durch Energierückgewinnung eine den Dieselmotor 6 unterstützende Antriebsleitung zur Verfügung stellen kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.1 ist das hydraulische Hybridsystem als offenes System ausgelegt, mit einem als Energiespeicher dienenden

H oc hd ru c k s pe i c he r in Form eines h yd ro p n e u m a t i s c h e n Druckspeichers 18, dessen Gasseite 20 mit einem Arbeitsgas, wie N2, vorgespannt ist und dessen Öl seite 22 über eine Druckleitung 24 mit der Motor-Pumpen-Einheit 14 verbunden ist, deren Saugseite 26 bei dem in Fig.1 gezeigten offenen System wiederum mit einem die Hydraulikflüssigkeit bevorratenden Tank 28 in Verbindung ist. Für die Betriebssteuerung durch Einstellung des Schwenk- winkels der Motor-Pumpen-Einheit 14 ist eine elektronische Steuereinheit 30 vorgesehen, die dem Stand der Technik entsprechend für den jeweiligen Einsatzfall anwendungsspezifisch programmiert ist und über einen an der Druckleitung 24 angeschlossenen Drucksensor 32 ein den Ladezustand des Speichers 18 darstellendes elektrisches Signal erhält. Als zusätzliches Steu- ersignal steht der Steuereinheit 30 ein die Last des Generators 2 darstellendes elektrisches Signal zur Verfügung, das beispielsweise durch einen der Generatorwelle 8 zugeordneten Drehmomentsensor oder abtriebsseitig generiert ist. Das bedeutet, dass die Last durch die Messung von Strom und Spannung an Pos. 4 ermittelt wird, was in jeden Frequenzumrichter integriert ist. Bei dieser Ausbildung des Hybridsystems ist die Motor-Pumpen- Einheit 1 4 durch Schwenkwinkeleinstel lung derart betreibbar, dass vor dem Einleiten eines Startvorganges, jedoch bei bereits laufendem Dieselmotor 6 die Motor-Pumpen-Einheit 14 den Hochdruckspeicher 1 8 auf den Ladezustand auflädt, bei dem die für den Startvorgang benötigte Zusatzenergie bei Motorbetrieb der Motor-Pu mpen-E i n heit 14 rückgewinnbar oder einspeisbar ist. Im laufenden Betrieb wird durch entsprechende Schwenkwinkelsteuerung der gewünschte Ladedruck beibehalten, um ein eventuel les Boosten des Antriebs zu ermögl ichen.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, dessen Funktionsweise dem Bei- spiel von Fig. 1 entspricht, wobei jedoch das Hybridsystem als geschlossenes System, wobei jedoch das Hybridsystem als Hochdruck-Niederdruck- System ausgebildet ist, wobei die Saugseite 26 der Motor-Pumpen-Einheit 1 4 mit einem N iederdruckspeicher 36 in Verbindung ist, dessen Ölseite 38 den Volumenstrom für das Arbeitsspiel des Hybridsystems zur Verfügung stel lt, wobei die Motor-Pumpen-Einheit 1 4 bei Pumpbetrieb oder Motorbetrieb in der einen oder anderen Richtung durchströmt ist.

Das in Fig. 3 dargestel lte dritte Ausführungsbeispiel ist, wie das Beispiel von Fig. 2, ebenfalls als geschlossenes System mit Leckageausgleich ausgebildet, wobei jedoch der den Hochdruckspeicher bildende Druckspeicher 1 8 der zuvor beschriebenen Beispiele durch die Hochdruckseite 34 eines Doppelkolbenspeichers 40 ersetzt ist, dessen Niederdruckseite 42 den N iederdruckspeicher 38 des Beispiels von Fig. 2 ersetzt. Wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen ist die Ölseite 22 der Hochdruckseite 34 mit der M ot o r- P u m pe n-E i n he i t 14 in Verbindung, deren Saugseite 26 mit der Ölseite 38 der N iederdruckseite 42 des D o p p e I k o I b e n s p e i c h e r s 40 in Verbin- dung ist. Während die Gasseite 20 des HochdruckteiOles 34 mit einem Arbeitsgas, wie N 2 vorgespannt ist, führt die Gasseite 1 6 des N iederdruckteils 42 den Atmosphärendruck. Die Konstantdruckquel le 50 sorgt für ein konstantes Druckniveau auf der Saugseite, z.B. 1 0 - 20 bar. Zusätzl ich ist die Saugseite 26 durch einen mit seiner Ölseite 46 daran angeschlossenen kleinen Hydrospeicher 48 unterstützt, an den auch ein Ölanschluss 50 für Befül len und Entleeren des Systems angeschlossen ist. Im Übrigen entspricht die Funktionsweise dem zuvor beschriebenen Beispiel von Fig. 2. Bei sämtl ichen Ausführungsbeispielen kann auch eine zusätzl iche Speisepumpe für den Leckageausgleich vorgesehen sein.