Elektrische Antriebsanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung.

Bedingt durch höhere Energiepreise und eine entsprechende Ge ^¬ setzgebung bzw. Normung rückt das Thema Energieeffizienz im Elektromaschinenbau verstärkt in den Fokus. Als besonders ef ^¬ fizientes Motordesign gewinnen sogenannte „PM Linestart Moto ^¬ ren" deswegen an Bedeutung. Es handelt sich dabei um Elektromotoren, die Permanentmagnete und einen Anlauf- bzw. Dämpfer ^¬ käfig auf dem Läufer tragen. Diese Motoren können am Netz hochlaufen und sich auf die Netzfrequenz synchronisieren. Diese Motoren können aber auch ohne Lagegeber an einem Frequenzumrichter drehzahlvariabel betrieben werden.

Drehzahlvariable Antriebsanordnungen sind zum Teil aus Pro ^¬ zesssicht nötig. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Geschwindigkeit eines Förderbands eingestellt werden soll. Zudem bieten drehzahlvariable Antriebe auch massive Energie ^¬ einsparpotenziale, wenn sie anstelle mechanischer Lösungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine drehzahlgeregelte Pumpe anstelle eines Drosselventils eingesetzt werden.

Im Bereich der Pumpen, Lüfter und Förderbänder werden heute überwiegend Asynchronmaschinen an einem Frequenzumrichter betrieben, um drehzahlveränderbare Antrieb zu realisieren.

Asynchronmaschinen weisen gegenüber permanenterregten Synchronmaschinen Prinzip bedingt höhere Verluste auf, da die elektrische Magnetisierungsleistung transformativ auf den Läufer übertragen werden muss. Der Magnetisierungsstrom einer Asynchronmaschine kann bis zu 70 % des Nennstroms betragen. Im Leistungsbereich ab 15 kW sind die Wirkungsgrade der Asynchronmaschinen und permanenterregten Synchronmaschinen jedoch nahezu vergleichbar und die höheren Kosten der Synchronma- schinen, die durch die teuren Seltenerden bedingt sind, lohnen sich nicht. Im Leistungsbereich zwischen 0,5 und 15 kW, der auch den Stückzahlschwerpunkt der Asynchronmaschinen bildet, wäre ein Ersatz der Asynchronmaschinen durch permanent- erregte Synchronmaschinen wünschenswert, wenn die Mehrkosten im Rahmen bleiben.

Der Grund für den Einsatz von Asynchronmaschinen auch im unteren Leistungsbereich liegt darin, dass die Asynchronmaschi- nen im Gegensatz zu den permanenterregten Synchronmaschinen an jedem Frequenzumrichter geberlos gefahren werden können. Dadurch entfallen die Kosten für den Geber und das Geberkabel. Zudem sinkt der Verkabelungsaufwand und Bauraum kann eingespart werden. Dagegen hat sich auf dem Markt noch kein Verfahren zur geberlosen Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen durchgesetzt. Diese Problematik kann durch die Verwendung von Synchronmaschinen mit einem Dämpferkäfig auf dem Rotor umgangen werden. Derartige Motorkonzepte laufen ohne Pendelschwingungen am Netz. Bei entsprechender Auslegung sind sie sogar in der Lage, vom Stillstand bis zur Synchronfrequenz hochzulaufen.

Aus der US 2010/0207565 AI ist eine Antriebsanordnung bekannt, bei der elektrische Maschinen nacheinander mit einem Frequenzumrichter gestartet werden. Wenn die jeweilige elektrische Maschine die gewünschte Drehzahl erreicht hat, wird der Frequenzumrichter überbrückt und die elektrische Maschine wird direkt mit dem Energieversorgungsnetz verbunden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsanordnung bereitzustellen, die auf einfache Weise flexibler an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung gemäß Patent- anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Antriebsanordung umfasst zumindest zwei elektrische Maschinen die jeweils eine Nenndrehzahl aufwei ^¬ sen, zumindest einen Frequenzumrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschinen und eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden der elektrischen Maschinen mit dem Frequenzumrichter oder einem Energieversorgungsnetz, wobei die Verbindungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die elektrischen Maschinen) gleichzeitig mit dem Frequenzumrichter elektrisch zu verbinden, und der Frequenzumrichter dazu ausgebildet ist, die gleichzeitig mit Frequenzumrichter elektrisch verbundenen elektrischen Maschinen mit einer geringeren Drehzahl als der Nenndrehzahl zu betreiben.

Die mindestens zwei elektrischen Maschinen der Antriebsanord ^¬ nung können dabei als Asynchronmaschinen, permanenterregte Synchronmaschinen oder als sogenannte PM Linestart Motoren ausgebildet sein. Mit einem Frequenzumrichter kann die Drehzahl der elektrischen Maschinen angepasst werden. Zum Betrieb mit ihrer Nenndrehzahl können die elektrischen Maschinen direkt mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt werden, d. h. die elektrischen Maschinen sind nicht mit dem Frequenzumrichter verbunden. Zum Steuern der elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Maschinen und dem Frequenzumrichter und dem Energieversorgungsnetz kann eine Verbindungseinrichtung verwendet werden, die mit einer Steuereinrichtung eine entsprechende Schalteinrichtung ansteuert. Die Schalteinrichtung kann dabei als Halbleiterschalter, elektromechanisches Schütz, Leistungsrelais oder dergleichen ausgebildet sein.

Wenn die zumindest zwei elektrischen Maschinen mit einer Drehzahl betrieben werden, die von ihrer Nenndrehzahl verschieden ist, können die zumindest zwei elektrischen Maschinen parallel an dem Frequenzumrichter betrieben werden. Insbesondere werden die zumindest zwei elektrischen Maschinen mit einer Drehzahl betrieben, die geringer als die Nenndrehzahl ist. Somit kann ein einziger Frequenzumrichter verwende werden, der eine geringere elektrische Nennleistung als die Summe der elektrischen Nennleistungen der elektrischen Ma- schinen bereitgestellt kann. Dies bedeutet eine deutliche Kosteneinsparung gegenüber einem Frequenzumrichter mit größerer elektrischer Nennleistung bzw. mehreren Frequenzumrichtern .

In einer bevorzugten Aus führungs form umfasst die Antriebsanordnung zumindest eine Versorgungseinrichtung und die Verbindungseinrichtung ist dazu ausgebildet, eine elektrische Ver ^¬ bindung zumindest einer der elektrischen Maschine wahlweise mit dem Frequenzumrichter, der Antriebseinrichtung und/oder dem Energieversorgungsnetz zu steuern. Die zumindest zwei elektrischen Maschinen können einzeln über eine Schalteinrichtung, die mit der Steuereinrichtung angesteuert wird, mit den anderen Komponenten der Antriebsanordnung elektrisch verbunden werden. Somit können je nach Betriebs- oder Anwendungsfall die Komponenten miteinander verbunden werden, mit denen ein energieeffizienter Betrieb der Antriebsanordnung möglich ist.

In einer Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungseinrichtung als weiterer Frequenzumrichter ausgebildet. Dabei können die zumindest zwei elektrischen Maschinen beide zusammen mit reduzierter Drehzahl an einem der Frequenzumrichter betrieben werden. Ebenso können die Frequenzumrichter zum Starten bzw. Hochfahren der elektrischen Maschinen genutzt werden. Dabei kann jeweils eine elektrische Maschine mit dem einem Frequenzumrichter gekoppelt sein. Des Weiteren kann auch zumindest eine der elektrischen Maschinen direkt mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sein. Somit können die elektrischen Maschinen abhängig vom momentanen Anwendungsfall effizient betrieben werden.

Bevorzugt ist mit dem Frequenzumrichter und dem weiteren Frequenzumrichter jeweils eine unterschiedliche elektrische Nennleistung bereitstellbar. Mit anderen Worten sind die Frequenzumrichter für unterschiedliche Nennleistungen ausgelegt. So kann je nach Anwendungsfall bzw. nach benötigter elektrischer Leistung der elektrischen Maschinen, der Frequenzum- richter mit der entsprechenden Nennleistung ausgewählt werden. Zum Beispiel kann ein Frequenzumrichter mit einer Nennleistung von 5 kW und ein weiterer Frequenzumrichter mit einer Nennleistung von 10 kW bereitgestellt werden. Wenn die zumindest zwei elektrischen Maschinen beim Betrieb mit redu ^¬ zierter Drehzahl in Summe eine elektrische Leistung von 4 kW benötigen, können diese an dem Frequenzumrichter, der eine Nennleistung von 5 kW aufweist, betrieben werden. Dadurch wird ein energieeffizienter Betrieb der elektrischen Maschinen ermöglicht.

In einer weiteren Aus führungs form ist die zumindest eine Versorgungseinrichtung als Sanftstarteinrichtung ausgebildet. Eine solche Sanftstarteinrichtung ermöglicht beispielsweise eine Reduzierung des Einschaltstroms der elektrischen Maschine. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Phasen ^¬ anschnittssteuerung ermöglicht werden. Je nach Nennleistung oder momentan benötigter elektrischer Leistung der elektrischen Maschinen können diese mit der Sanftstarteinrichtung oder dem Frequenzumrichter betrieben werden. Wenn in der Antriebsanordnung elektrische Maschinen unterschiedlicher Bauart, beispielsweise Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen oder PM Linestart Motoren, verwendet werden, können diese entsprechend an der Sanftstarteinrichtung oder dem Frequenzumrichter betrieben werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungseinrichtung als elektrische Speichereinrichtung ausgebildet. Die elektrische Speichereinrichtung kann in einem Zwischenkreis der Antriebsanordnung angeordnet sein. Wenn beispielsweise beim Bremsen einer der elektrischen Maschinen elektrische Energie erzeugt wird, kann diese in der elektri ^¬ schen Speichereinrichtung gespeichert werden. Dazu kann die elektrische Maschine beim Bremsen mittels der Verbindungseinrichtung mit der elektrischen Speichereinrichtung verbunden werden. Die in der elektrischen Speichereinrichtung gespeicherte Energie kann zum Hochfahren bzw. zum Betrieb zumindest einer weiteren elektrischen Maschine verwendet werden, indem die elektrische Speichereinrichtung mittels der Verbindungs ^¬ einrichtung mit dieser elektrischen Maschine verbunden wird. Auf diese Weise kann die in der Antriebseinrichtung erzeugte Energie einfach genutzt werden.

Bevorzugt weist zumindest eine der elektrischen Maschinen ei ^¬ ne separat zur Speicherung von mechanischer Energie vorgesehene Schwungmasse auf. Zumindest eine der elektrischen Ma ^¬ schinen kann als Energiespeicher nach Art eines Schwungrades verwendet werden. Als Schwungmasse eignet sich beispielsweise der Rotor der elektrischen Maschine oder eine an dem Rotor angeordnete Schwungmasse. Die elektrische Maschine kann auch mit einem separaten Schwungrad bzw. einer Schwungmasse gekop ^¬ pelt sein. Dabei kann die elektrische Maschine mittels des Frequenzumrichters zunächst auf Nenndrehzahl beschleunigt werden. Die von der elektrischen Maschine bereitgestellte bzw. gespeicherte mechanische Energie kann wiederum dazu ver ^¬ wendet werden, zumindest eine weitere elektrische Maschine zu starten .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Antriebs ^¬ anordnung umfasst das Bereitstellen von zumindest zwei elekt ^¬ rischen Maschinen, die jeweils eine Nenndrehzahl aufweisen, das Ansteuern der zwei elektrischen Maschinen mit zumindest einem Frequenzumrichter, das Verbinden der elektrischen Maschinen mit dem Frequenzumrichter oder einem Energieversorgungsnetz mit einer Verbindungseinrichtung, das gleichzeitige elektrische Verbinden der elektrischen Maschinen mit dem Frequenzumrichter durch die Verbindungseinrichtung und das Betreiben der gleichzeitig mit Frequenzumrichter elektrisch verbundenen elektrischen Maschinen mit einer geringeren Drehzahl als der Nenndrehzahl.

Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können in gleicher Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren übertra ^¬ gen werden. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die FIG eine schemati ^¬ sche Darstellung eine Antriebsanordnung. Das nachfolgend näher beschriebe Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Aus führungs form der vorliegenden Erfindung dar .

Die FIG zeigt eine Antriebseinrichtung 10 in einer schemati- sehen Darstellung. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst zumindest zwei elektrische Maschinen 12, 14, 16. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Antriebsanordnung 10 drei elektrische Maschinen 12, 14 und 16. Die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 können als Asynchronmaschine, als permanenter- regte Synchronmaschine oder als sogenannte PM Linestart Moto ^¬ ren ausgebildet sein. Dabei können die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 unterschiedliche elektrische Nennleistungen auf ^¬ weisen. Die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 können beispielsweise für Pumpen, Lüfter oder Förderbänder verwendet werden.

Des Weiteren umfasst die Antriebsanordnung 10 einen Frequenzumrichter 18. Der Frequenzumrichter 18 ist mit einem Energieversorgungsnetz 20 gekoppelt. Zwischen das Energieversor- gungsnetz 20 und den Frequenzumrichter 18 ist ein Schütz 22 geschaltet. Der Frequenzumrichter 18 ist dazu ausgebildet, die Frequenz und/oder die Amplitude der elektrischen Spannung, die von dem Energieversorgungsnetz 20 bereitgestellt wird, anzupassen.

Jede der elektrischen Maschinen 12, 14, 16 ist elektrisch mit einer Schalteinrichtung 24 verbunden, die drei Schaltstellungen aufweist. Die Schalteinrichtungen 24 können jeweils mit einer Steuereinrichtung 26 einzeln angesteuert werden. Die Schalteinrichtungen 24 bilden zusammen mit der Steuereinrichtung 26 eine Verbindungseinrichtung 30. In der obersten Stellung der Schalteinrichtungen 24 sind die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 jeweils mit dem Frequenzumrichter 18 elekt- risch verbunden. In der untersten Schaltstellung sind die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 mit einem elektrischen Leitungselement 28 verbunden, das wiederum mit dem Energieversorgungsnetz 20 verbunden ist. In der mittleren Schaltstel- lung der Schalteinrichtungen 24 sind die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 weder mit dem Frequenzumrichter 18 noch mit dem Energieversorgungsnetz 20 verbunden. In der mittleren Schaltstellung können die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 komplett abgeschaltet werden.

Die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 können mit der Steuereinrichtung 26 einzeln ausgeschaltet werden. Ebenso können die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 einzeln am Frequenzumrichter 18 hochgeschleppt werden. Des Weiteren können die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 einzeln mit dem Energieversorgungsnetz 20 verbunden werden.

Die Verbindungseinrichtung 30 kann zusätzlich einen entsprechenden Sensor aufweisen, mit dem die Drehzahl der elektri- sehen Maschinen erfasst werden kann. Sollen die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 mit einer Drehzahl betrieben werden, die geringer ist als ihre Nenndrehzahl, können die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 parallel an dem Frequenzumrichter 18 betrieben werden. Diese Betriebsart der Antriebsanordnung 10 eignet sich insbesondere dann, wenn die elektrische Leistung, die von den elektrischen Maschinen 12, 14, 16 benötigt wird, deutlich mit deren Drehzahl sinkt. Dies ist beispielsweise bei Pumpen der Fall. Bei diesen Antrieben steigt das Drehmo ^¬ ment in etwa quadratisch mit der Drehzahl. Die benötigte elektrische Leistung steigt typischerweise kubisch mit der Drehzahl. Wenn beispielsweise vier elektrische Maschinen 12, 14, 16 mit einer elektrischen Nennleistung von jeweils 2 kW mit dem Energieversorgungsnetz 20 betrieben werden, benötigen diese eine Gesamtleistung von 8 kW. Wenn die Drehzahl der elektrischen Maschinen 12, 14, 16 jeweils auf 80 % reduziert wird, benötigen die elektrischen Maschinen 12, 14, 16 im Summe eine elektrische Leistung von (0,8) ³ *8 kW = 4,1 kW. Für diesen Betriebsmodus würde demnach ein Frequenzumrichter 18 ausreichen, der in etwa die halbe elektrische Nennleistung bereitstellen kann.

Die Antriebsanordnung 10 kann auch zumindest eine weitere Versorgungseinrichtung (hier nicht dargestellt) umfassen. Di Versorgungseinrichtung kann ein weiterer Frequenzumrichter, eine Sanftstarteinrichtung oder eine elektrische Energiespei chereinrichtung sein. So kann je nach Anwendungsfall zumindest eine der elektrischen Maschinen 12, 14, 16 mit dem Frequenzumrichter 18, der weiteren Versorgungseinrichtung und/oder dem Energieversorgungsnetz 20 elektrisch verbunden werden .

Bezugs zeichenliste

10 Antriebsanordnung

12, 14, 16 Elektrische Maschine

18 Frequenzumrichter

20 Energieversorungsnetz

22 Schütz

24 Schalteinrichtung

26 Steuereinrichtung

28 Leitungselement

30 Verbindungseinrichtung