DE102017130880A1

DE102017130880A1 - Elektromechanisches System sowie Überlagerungsgetriebe zur Übertragung von Rotationsenergie

Info

Publication number: DE102017130880A1
Application number: DE102017130880.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Recktenwald
Original assignee: Powertrans S A; POWERTRANS SA
Current assignee: Powertrans S A; POWERTRANS SA
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-27
Also published as: JP7341158B2; EP3729617A1; JP2021508231A; WO2019122224A1; US20200403481A1

Abstract

Beschrieben werden ein elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung in einem Antriebsstrang, an den wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Maschine zur Energieumwandlung (2, 3, 4) gekoppelt sind, sowie ein Überlagerungsgetriebe (1) für ein derartiges System, das ein Planetengetriebe (7) aufweist. Das Sonnenrad (8) des Planetengetriebes (7) ist über eine erste Welle (5) zur Übertragung eines Drehmoments an die erste Maschine (2) und wenigstens ein Planetenrad (9) über eine zweite Welle (6) zur Übertragung eines Drehmoments an die zweite Maschine (3) gekoppelt.Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die dritte Maschine (4) als Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt ist und ein Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) einen Läufer der Drehstrom-Synchronmaschine (4) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches System zur insbesondere drehzahlvariablen Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung sowie ein Überlagerungsgetriebe für ein derartiges System gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Das beschriebene System verfügt über eine Mehrzahl von Maschinen zur Energiewandlung, die an einen Antriebsstrang gekoppelt sind. Die einzelnen Maschinen zur Energiewandlung können motorisch oder generatorisch betrieben werden, wobei die Drehzahlen der Antriebs- oder Abtriebswellen, an die die einzelnen Maschinen gekoppelt sind, variieren.
Generell sind Anlagen, die über unterschiedliche, mechanisch an einander gekoppelte Maschinen zur Energiewandlung, wie beispielsweise Generatoren, Verbrennungsmaschinen oder Turbomaschinen, verfügen, bekannt. Oftmals sind in solchen Anlagen Überlagerungsgetriebe vorgesehen, mit denen das von den unterschiedlichen Maschinen eingeleitete oder abgenommene Drehmoment drehzahlvariabel geregelt werden kann. In der Regel stellt ein Umlaufräder- oder Planetengetriebe das wesentliche Bauelement der verwendeten Überlagerungsgetriebe dar. Ein Planetengetriebe verfügt über ein zentral angeordnetes, mit einer Zentralwelle verbundenes, außenverzahntes Sonnenrad, wenigstens ein mit dem Sonnenrad kämmendes Planetenrad sowie ein mit dem wenigstens einen Planetenrad in Eingriff befindliches Hohlrad, gegenüber dem das wenigstens eine Planetenrad eine Relativbewegung ausführt.
In vielen Fällen werden Überlagerungsgetriebe eingesetzt, um trotz einer auf der Hauptantriebsseite variierenden Drehzahl der Hauptantriebswelle an der Hauptabtriebswelle eine zumindest annähernd gleichbleibende Drehzahl sicherzustellen. Entsprechende technische Lösungen werden beispielsweise für Windkraftanlagen benötigt, um die durch Schwankungen der Windstärke verursachten Drehzahlschwankungen des Windrotors auszugleichen und so einerseits den Antriebsstrang der Windkraftanlage vor schlagartig auftretenden Lastspitzen zu schützen und andererseits einen effektiven Betrieb des Generators zu ermöglichen.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 103 14 757 B3 einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl. Es ist ein als Planetengetriebe ausgeführtes Überlagerungsgetriebe vorgesehen, das an einen hydrodynamischen Drehmomentwandler gekoppelt ist, um die variierende Drehzahl des Rotors in eine konstante Drehzahl der Antriebswelle eines Synchrongenerators zu wandeln. Das Überlagerungsgetriebe ist in den Antriebsstrang der Windturbine zwischen Hauptgetriebe und Synchrongenerator angeordnet. Die Abtriebswelle des Windrotors ist mit den Planetenrädern, das Sonnenrad über das Pumpenrad des Drehmomentwandlers mit der Generatorwelle und das Hohlrad mit dem Turbinenrad des Drehmomentwandlers verbunden. Über gezielt verstellbare Leitschaufeln wird die Bremswirkung des Drehmomentwandlers verändert. Nachteilig an der beschriebenen technischen Lösung ist einerseits, dass Drehzahlwandler über einen vergleichsweise aufwändigen Aufbau verfügen und andererseits, dass durch den systembedingten hydraulischen Schlupf gerade im für die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage bedeutenden Teillastbereich hohe Verluste auftreten.
Im Übrigen ist aus dem Artikel „Drehzahlvariable Windkraftanlagen mit elektrisch geregeltem Überlagerungsgetriebe“ von P. Caselitz et al., Konferenzband „DEWEK ’92“, S. 171-175" der Einsatz eines elektrisch geregelten, wiederum als Planetengetriebe ausgeführten Überlagerungsgetriebes für den drehzahlvariablen Betrieb von Windkraftanlagen bekannt. Die beschriebene technische Lösung beruht darauf, die Drehzahlvariabilität, also die gezielte Veränderung des Drehzahlverhältnisses zwischen Rotor und Generator der Windenergieanlage, nicht im elektrischen sondern im mechanischen Teil der Anlage herzustellen. Hierzu wird die mit dem Hohlrad des Planetengetriebes verbundene Welle mit Hilfe einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine mit Käfigläufer bedarfsgerecht angetrieben.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen zur Drehzahlvariation in Antriebssträngen, die unterschiedliche, Rotationsenergie aufnehmende oder abgebende Maschinen zur Energiewandlung aufweisen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, das über einen vergleichsweise einfachen Aufbau verfügt, robust ist und dynamische Belastungen des Antriebsstrangs minimiert. Das System soll ferner für den vorteilhaften Einsatz in unterschiedlichen technischen Gebieten geeignet sein, insbesondere sowohl einen effektiven generatorischen als auch motorischen Betrieb ermöglichen. Weiterhin soll die Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromnetz möglichst effektiv und weitgehend ohne Einsatz aufwändiger Elektroniken und sonstiger Regelungstechnologien möglich sein.
Die vorstehende Aufgabe wird mit einem elektromechanischen System zur Übertragung von Rotationsenergie gemäß Anspruch 1 sowie einem Überlagerungsgetriebe nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung in einem Antriebsstrang mit wenigstens einer ersten, einer zweiten und einer dritten an den Antriebsstrang gekoppelten Maschine zur Energiewandlung und mit einem als Planetengetriebe ausgeführten Überlagerungsgetriebe, das mit den drei Maschinen in Wirkverbindung steht. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist über eine erste Welle zur Übertragung eines Drehmoments an die erste Maschine und wenigstens ein Planetenrad über eine zweite Welle zur Übertragung eines Drehmoments an die zweite Maschine gekoppelt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die dritte Maschine als Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt ist und ein Hohlrad des Planetengetriebes einen Läufer der Drehstrom-Synchronmaschine, die in der folgenden Beschreibung zur besseren Lesbarkeit als Synchronmaschine bezeichnet wird, bildet.
Die Synchronmaschine wird in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes motorisch oder generatorisch betrieben, sodass bedarfsgerecht ein Bremsmoment oder ein Beschleunigungsmoment in das Hohlrad des Planetengetriebes eingeleitet wird. Die geeignete Ansteuerung der Synchronmaschine erfolgt auf vorteilhafte Weise mit Hilfe einer Antriebselektronik, die auf der Grundlage der jeweiligen Betriebssituation, also insbesondere unter Berücksichtigung der Drehzahlen des Sonnenrades und/oder des wenigstens einen Planetenrades bzw. der an diese Zahnräder gekoppelten Wellen, ein Steuersignal erzeugt. Ist beispielsweise die Drehzahl der Welle auf der Hauptantriebsseite des Planetengetriebes zu gering in Bezug auf die auf der Hauptabtriebsseite erforderliche Drehzahl, so kann die Synchronmaschine ein geeignetes Beschleunigungsmoment in das Hohlrad einleiten. Ebenso ist es denkbar, dass das Hohlrad durch die Synchronmaschine in seiner Position fixiert wird oder sogar, dass das Hohlrad in umgekehrter Richtung gedreht wird. Grundsätzlich ist es denkbar, das Planetengetriebe einstufig oder mehrstufig auszuführen. Ferner kann das Planetengetriebe an ein anderes Getriebe, beispielsweise ein Hauptantriebsgetriebe einer Windkraftanlage oder ein Übersetzungsgetriebe einer Arbeits- oder Werkzeugmaschine gekoppelt sein.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Maschine als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgeführt und das drehbar gelagerte Hohlrad des Planetengetriebes steht mit den Permanentmagneten zur Erregung der Synchronmaschine in Wirkverbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei der permanentmagneterregten Synchronmaschine um eine höherpolige Synchronmaschine, die mehr als zwei, insbesondere vier Pole aufweist.
Generell ist es denkbar, dass das Hohlrad selbst den Läufer der Synchronmaschine bildet und die Permanentmagnete direkt am Hohlrad angeordnet, insbesondere befestigt sind. Vorzugsweise ist allerdings vorgesehen, dass das Hohlrad mit dem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden ist und die Permanentmagnete an dem Hohlrad und/oder dem Gehäuse angeordnet, insbesondere befestigt sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Synchronmaschine von einer Antriebselektronik zur Steuerung der in der Synchronmaschine realisierten Energieumwandlung gesteuert. Unter Energieumwandlung wird in diesem Zusammenhang vor allem die Umwandlung von elektrischer Energie in Rotationsenergie im motorischen Betrieb sowie von Rotationsenergie in elektrische Energie im generatorischen Betrieb verstanden. Auf vorteilhafte Weise ist eine Antriebselektronik vorgesehen, die derart ausgeführt ist, dass die Energieumwandlung in der Synchronmaschine zumindest zeitweise in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine umgewandelten Energie bzw. der jeweils von diesen abgegebenen oder aufgenommenen Leistung erfolgt.
Auch in Bezug auf die erste sowie die zweite Maschine zur Energieumwandlung ist es denkbar, dass die Maschinen entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Das erfindungsgemäß als Planetengetriebe ausgeführte Überlagerungsgetriebe ist dabei mit einer Hauptantriebs- und einer Hauptabtriebswelle eines Antriebsstrangs verbunden, wobei es sich bei der Hauptantriebs- bzw. der Hauptabtriebswelle jeweils entweder um die mit dem Sonnenrad verbundene Zentralwelle oder die mit dem wenigstens einen Planetenrad über den Steg verbundene Stegwelle handelt. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein Motor oder Generator über eine Antriebswelle oder im generatorischen Betrieb über eine Abtriebswelle direkt oder indirekt mit dem Sonnenrad verbunden ist. Das wenigstens eine Planetenrad oder die bevorzugt mehreren Planetenräder ist bzw. sind mit der Stegwelle verbunden, die im motorischen Betrieb direkt die Abtriebswelle bildet oder mit wenigstens einer weiteren Abtriebsstufe verbunden ist. Im generatorischen Betrieb dreht sich der Leistungsfluss um und die Stegwelle wird direkt oder indirekt angetrieben und überträgt ein Drehmoment, Rotationsenergie sowie eine Leistung auf das wenigstens eine Planetenrad.
Im Übrigen ist es besonders vorteilhaft für das Gesamtsystem, insbesondere die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad und die Minimierung elektrischer Verluste, dass die Antriebselektronik derart ausgeführt ist, dass die Synchronmaschine zumindest zeitweise im 4-Quadranten-Betrieb betrieben wird. Im Weiteren ist in einer besonderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebselektronik derart ausgeführt ist, dass in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine bereitgestellten oder abgenommenen Leistung ein Luftspaltmoment der Synchronmaschine veränderbar ist. Mit Hilfe einer entsprechend vorgesehenen Verstellvorrichtung ist es möglich den magnetischen Fluss zwischen Stator und Läufer und die Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe des Läufers der an das Hohlrad des Planetengetriebes gekoppelten Synchronmaschine gezielt zu variieren.
Auf besonders bevorzugte Weise ist das Planetengetriebe mit wenigstens einem weiteren Getriebe in einem gemeinsamen Ölraum angeordnet. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass das weitere Getriebe an das Planetengetriebe gekoppelt und zwischen dem Planetengetriebe und der ersten oder der zweiten Maschine angeordnet ist, und diese beiden Getriebe in einem gemeinsamen Ölraum, also in einem nach außen öldicht abgedichteten Gehäuse angeordnet sind. Auf diese Weise ist einerseits eine besonders platzsparende Anordnung von Planetengetriebe und wenigstens einem zusätzlichen Getriebe möglich, andererseits wird die Anzahl von im Gesamtsystem bzw. Gesamtantriebsstrang vorgesehenen Dichtflächen und damit die Anzahl von Dichtungen und Wartungspunkten minimiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste oder die zweite Maschine als eine mit einer Stromversorgung verbundene Drehstrom-Asynchronmaschine ausgeführt ist. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die erste oder die zweite Maschine an ein Stromnetz angeschlossen ist. Die hierbei vorgesehene Drehstrom-Asynchronmaschine kann sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb arbeiten. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein Drehstrom-Asynchrongenerator die von einem Windrotor bzw. einer Windturbine drehzahlvariabel abgegebene Leistung in elektrische Energie wandelt und in das angeschlossene Stromnetz einspeist. Wesentlich für den erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstrang ist hierbei, dass trotz der Drehzahlveränderungen auf der Antriebsseite, also der Seite des Antriebsstrangs, auf der sich der Windrotor befindet, sich die ausgangsseitig, und somit auf der Generatorseite, befindliche Generatorwelle mit einer zumindest annähernd konstanten Drehzahl dreht.
Es kann aber auch als erste oder zweite Maschine eine fremderregte oder permanentmagneterregte Synchronmaschine verwendet werden. In diesem Fall muss die Generatorwelle mit der Netzfrequenz über die Anzahl der Polpaare synchron sein.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der ersten Maschine um einen Drehstrom-Asynchronmotor, der über einen Antriebsstrang mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Überlagerungsgetriebe eine Werkzeugmaschine oder eine Arbeitsmaschine, insbesondere im Bergbau, antreibt. In diesem Fall werden auf vorteilhafte Weise Laständerungen auf der Arbeitsmaschinenseite, die beispielsweise durch Änderungen der Belastungen am Werkzeug verursacht werden, gezielt über das Überlagerungsgetriebe und insbesondere das Hohlrad in die hieran gekoppelte Synchronmaschine eingeleitet. Darüber hinaus kann ein sanfter und kontrollierter Anlauf einer Arbeitsmaschine realisiert werden, indem beim Start des Asynchronmotors die in den Antriebsstrang abgegebene Leistung gesteuert über die durch die Bewegung des Hohlrades angetriebene Synchronmaschine, die dann als Generator arbeitet, in elektrische Energie gewandelt wird, welche wieder in das angeschlossene Netz abgegeben wird.
Um einen erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstrang in explosions- oder schlagwettergeschützten Bereichen einsetzen zu können, werden die einzelnen Komponenten des Systems, wie etwa Motor, Frequenzumrichter und permanenterregte Synchronmaschine explosions- oder schlagwettergeschützt ausgeführt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die erste oder die zweite Maschine als Verbrennungsmotor oder Turbomaschine, beispielsweise als Gasturbine, ausgeführt ist. Wesentlich ist jeweils, dass über die erste und/oder die zweite Maschine ein Drehmoment bzw. eine Leistung in den Antriebsstrang eingekoppelt oder vom Antriebsstrang aufgenommen wird. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, das erfindungsgemäß ausgeführte elektromechanische System mit Überlagerungsgetriebe zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung für einen Fahrzeugantriebsstrang, insbesondere den Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb, zu nutzen. In einem derartigen Fall kommt als erste Maschine ein Motor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, zum Einsatz, wobei es sich bei einem derartigen Motor generell um einen Diesel-, Benzin- oder Gasmotor- handeln kann. Ebenso ist es denkbar, eine Turbine für den Antrieb eines Fahrzeugs zu verwenden.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der Antriebsstrang eines Fahrzeugs derart konfiguriert, dass der Verbrennungsmotor oder die Turbine bevorzugt in einem energetisch optimalen Bereich läuft, während die Drehzahlverstellung der Antriebswelle des Fahrzeugs zumindest teilweise über die an das Hohlrad des Planetengetriebes gekoppelte permanenterregte Synchronmaschine erfolgt. Bei Stillstand des Fahrzeugs werden vorteilhafterweise die im Fahrzeug befindlichen elektrischen Energiespeicher durch die Synchronmaschine, deren Läufer durch das Hohlrad des Planetengetriebes oder das mit dem Hohlrad verbundene Planetengetriebegehäuse gebildet wird, aufgeladen.
Neben einem elektromechanischen System zur Übertragung von Rotationsenergie betrifft die Erfindung auch ein Überlagerungsgetriebe mit einem Planetengetriebe und mit Mitteln zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe eingeleiteten Drehmoments. Das Planetengetriebe verfügt über ein zentral angeordnetes Sonnenrad und wenigstens ein mit dem Sonnenrad in Eingriff befindliches Planetenrad, von denen das Sonnenrad mit einer ersten Welle zur Übertragung eines Drehmoments und das wenigstens eine Planetenrad mit einer zweiten Welle zur Übertragung eines Drehmoments verbunden ist. Ferner weist das Planetengetriebe ein drehbar gelagertes Hohlrad auf, in das die Mittel zur gezielten Aufteilung des in das Planetengetriebe eingeleiteten Drehmoments in Abhängigkeit eines Steuersignals, das bevorzugt aufgrund einer aktuellen Betriebssituation von einer Antriebselektronik erzeugt wird, eine Brems- oder Beschleunigungskraft einleiten. Das erfindungsgemäß ausgeführte Überlagerungsgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe eingeleiteten Drehmoments über eine Synchronmaschine verfügen, deren Läufer durch das Hohlrad oder ein mit dem Hohlrad verbundenes Bauteil gebildet wird. Vorzugsweise wird die Synchronmaschine durch Permanentmagnete erregt, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Hohlrad verbunden sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist es denkbar, dass das Hohlrad mit einem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden ist, an dem die Permanentmagnete angeordnet, insbesondere befestigt sind. Die Permanentmagnete können hierbei auf das Gehäuse des Planetengetriebes und/oder die Außenwand des Hohlrades aufgesetzt oder darin eingebettet sein.
Das erfindungsgemäß ausgeführte elektromechanische System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung sowie ein für die Realisierung eines drehzahlvariabel zu betreibenden Antriebsstrang geeignete Überlagerungsgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass das Hohlrad und/oder das Gehäuse des Planetengetriebes den Läufer einer Synchronmaschine bilden. Bevorzugt handelt es sich um eine permanenterregte Synchronmaschine, wobei die Permanentmagnete am Hohlrad und/oder am mit dem Hohlrad verbundenen Gehäuse des Planetengetriebes angeordnet, insbesondere befestigt sind. Durch eine geeignete Ansteuerung der Synchronmaschine in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wie etwa Drehzahl einer Hauptantriebs- oder Hauptabtriebswelle des Planetengetriebes, werden in Abhängigkeit unterschiedlicher Lastfälle durch die Synchronmaschine Leistungen in den Antriebsstrang eingeleitet oder entnommen. Sofern die Synchronmaschine Leistung aus dem Antriebsstrang aufnimmt, wird elektrische Energie erzeugt und in das angeschlossene Stromnetz eingespeist.
Während des Betriebs eines Antriebsstrangs mit einem Überlagerungsgetriebe gemäß der Erfindung ist es somit möglich, dass sich die Leistung des Hauptantriebsstrangs und der Synchronmaschine addieren oder subtrahieren. Im Fall der Subtraktion wird ein Teil der durch den Hauptantriebsstrang übertragenen Leistung oder des Drehmoments von der Synchronmaschine aufgenommen und abgeführt, wobei aufgrund des Einsatzes einer geeigneten Antriebselektronik eine stufenlose Regelung und somit eine stufenlose Drehzahlverstellung ab der Drehzahl „0“ in motorische und generatorische Richtung möglich ist. Dabei wird nur ein Teil der Leistung über die Antriebselektronik geführt, was zu entsprechenden Einsparungen in der Elektronik führt.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: Antriebsstrang einer Windenergieanlage sowie
2: Antriebsstrang einer Arbeitsmaschine.

1 zeigt ein erfindungsgemäß ausgeführtes elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung, das als Antriebsstrang einer Windenergieanlage verwendet wird. Insbesondere ist das System zur drehzahlvariablen Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung ausgebildet. Die erste und zweite Maschine zur Energieumwandlung 2, 3 sind in diesem Fall ein Asynchrongenerator 2 sowie ein Windrotor 3, die beide über den Hauptantriebsstrang mit einander verbunden sind. Der Windrotor 3 der Windkraftanlage ist über eine Rotorabtriebswelle 14, ein Hauptgetriebe 12 und ein damit in Reihe geschaltetes, als Planetengetriebe 7 ausgeführtes Überlagerungsgetriebe 1 mit dem Asynchrongenerator 2 verbunden. Der Asynchrongenerator 2 ist mit dem Stromnetz verbunden und wandelt die durch den Windrotor 3 in den Antriebsstrang eingeleitete Leistung in elektrische Energie um. Wesentlich hierbei ist, dass sich der Windrotor 3 und damit die Rotorabtriebswelle 14 mit variierender Drehzahl dreht, während die Drehzahl der Generatorwelle zumindest nahezu konstant ist.
Es kann anstellte des Asynchrongenerators 2 auch ein Synchrongenerator verwendet werden. In diesem Fall muss die Generatorwelle mit der Netzfrequenz über die Anzahl der Polpaare synchron sein.
Das Sonnenrad 8 des Planetengetriebes 7 ist mit der Antriebswelle 5 des Asynchrongenerators 2 verbunden. Außerdem sind die das Sonnenrad 8 umlaufenden Planetenräder 9 über den Steg, die hiermit verbundene Stegwelle 6 und über das Hauptgetriebe 12 zumindest mittelbar mit der Rotorabtriebswelle 14 und dem Rotor 3 der Windkraftanlage verbunden. Die Planetenräder 9 bewegen ferner das Hohlrad 10 des Planetengetriebes 7 oder werden vom Hohlrad 10 angetrieben. Das Hohlrad 10 ist wiederum mit dem Gehäuse 15 des Planetengetriebes 7 verbunden, wobei Hohlrad 10 und Gehäuse 15 drehbar gelagert sind.
Am Gehäuse 15 des Planentengetriebes 7 sowie der Außenwand des Hohlrades 10 sind Permanentmagnete 11 derart befestigt, dass das Hohlrad 10 mit dem Gehäuse 15 den Läufer einer höherpoligen permanenterregten Synchronmaschine bilden, die eine dritte an den Antriebsstrang gekoppelte Maschine zur Energiewandlung 4 darstellt. Die Synchronmaschine 4 wird durch eine Antriebselektronik 13 mit Frequenzumrichter 16 gesteuert und derart in Abhängigkeit der Betriebssituation betrieben, dass bedarfsgerecht Leistung von der Synchronmaschine 4 auf das Hohlrad 10 übertragen oder vom Hohlrad 10 aufgenommen wird. Auf diese Weise ist es möglich, mit Hilfe der Synchronmaschine 4 je nach Bedarf ein Bremsmoment oder ein Beschleunigungsmoment in das Hohlrad 10 und damit in den mit dem Planetengetriebe 7 verbundenen Antriebsstrang einzuleiten.
Bei geringen Windgeschwindigkeiten und somit geringen Leistungen wird der Asynchrongenerator 2 blockiert. Die vom Windrotor 3 erzeugte Leistung wird in diesem Fall über die Rotorabtriebswelle 14, das Hauptgetriebe 12, die Stegwelle 6, die Planetenräder 9 und das Hohlrad 10 in die Synchronmaschine 4 eingeleitet, sodass diese als Generator betrieben und die erzeugte elektrische Energie über die Antriebselektronik 13 direkt in das angeschlossene Stromnetz eingespeist wird. Sobald die Drehzahl des Windrotors 3 annähernd die Nenndrehzahl der Generatorwelle 5 des Asynchrongenerators 2 erreicht hat, wird dessen Bremse gelöst und durch die permanenterregte Synchronmaschine 4 eine Zusatzdrehung an der Generatorwelle erzeugt, bis Phasenwinkel und Drehfrequenz den Werten, die im angeschlossenen Netz vorhanden sind, entsprechen und der Generator 2 direkt auf das Netz geschaltet werden kann.
Sobald der Asynchrongenerator 2 auf das Stromnetz geschaltet wurde, wird die permanenterregte Synchronmaschine 4 derart betrieben, dass diese lediglich das Gehäuse 15 und das damit verbundene Hohlrad 10 des Planetengetriebes 7 festhält. In diesem Betriebszustand gibt die permanenterregte Synchronmaschine 4 weder Leistung in das angeschlossene Stromnetz ab noch nimmt sie in nennenswertem Maß Leistung aus dem Stromnetz auf. Dies führt dazu, dass über einen weiten Bereich die Leistung des Antriebsstrangs mit Hilfe des mit konstanter Drehzahl arbeitenden Asynchrongenerators 2 bei gleichzeitig sinusförmigem Spannungs- und Stromverlauf in das angeschlossene Stromnetz eingespeist werden kann. Es ist aber auch möglich, die permanenterregte Synchronmaschine in diesem Drehzahlbereich der Anlage komplett stillzusetzen, wenn das Hohlrad 10 über eine geeignete Bremseinrichtung gehalten wird.
Bei weiterer Steigerung der Drehgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Windrotors 3, beispielsweise aufgrund von Windböen, wird die hierdurch zusätzlich im Antriebsstrang bereitgestellte Leistung durch die Drehung des als Läufer der Synchronmaschine 4 ausgeführten Hohlrades 10 in elektrische Energie umgewandelt, die über die Antriebselektronik 13 in das angeschlossene Netz eingespeist wird. Im Weiteren können stärkere Windböen durch eine Verstellung des Luftspaltmoments der in 1 gezeigten permanenterregten Synchronmaschine 4 zusätzlich ausgeglichen werden.
Ein besonderer Vorteil des anhand des Antriebsstrangs einer Windkraftanlage gezeigten elektromechanischen Systems mit Überlagerungsgetriebe 1 besteht darin, dass Windböen zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Läufers der Synchronmaschine 4 und damit zu einer erhöhten Stromproduktion führen, ohne dass das Gesamtsystem mechanisch überlastet wird. Das erläuterte Systemverhalten ähnelt somit dem von Windkraftanlagen, die an doppelgespeiste Asynchrongeneratoren angeschlossen sind, vermeidet allerdings deren Nachteile, wie etwa die Verwendung verschleißbehafteter Kohlebürsten sowie die mangelnde Stützung des angeschlossenen Stromnetzes.
In 2 ist der Einsatz eines erfindungsgemäß ausgeführten elektromechanischen Systems mit Überlagerungsgetriebe 1 zur Übertragung von Drehmoment, Rotationsenergie und Leistung in einem Antriebsstrang einer Arbeitsmaschine, wie sie bspw. im Bergbau eingesetzt wird, gezeigt. Insbesondere ist das System zur drehzahlvariablen Übertragung von Drehmoment, Rotationsenergie und Leistung ausgebildet. Der Antriebsstrang gemäß 2 verfügt über einen die erste Maschine zur Energieumwandlung 2 bildenden Asynchronmotor, der direkt an das Stromnetz angeschlossen ist sowie die Arbeitsmaschine, die gemäß dieser Ausführungsform die zweite an den Hauptantriebsstrang gekoppelte Maschine zur Energieumwandlung 3 darstellt. Sofern ein entsprechender Antriebsstrang im Bergbau oder in sonstigen explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt wird, sind sämtliche Anlagenteile, insbesondere die verwendeten Elektromotoren und Generatoren explosionsgeschützt bzw. schlagwettergeschützt auszuführen.
Im Vergleich zu dem im Zusammenhang mit 1 erläuterten Antriebsstrang werden bis auf den Windrotor gleiche oder zumindest ähnliche Komponenten verwendet, wobei der Leistungsfluss im Antriebsstrang allerdings in umgekehrter Richtung verläuft, nämlich vom Asynchronmotor 2 über die Motorabtriebswelle 5, das als Planetengetriebe 7 ausgeführte Überlagerungsgetriebe 1, die Stegwelle 6, eine zusätzliche Getriebestufe 12 und die Antriebswelle 17 der Arbeitsmaschine 3 bis zur Arbeitsmaschine 3. Vorteilhaft an der dargestellten Ausführungsform ist, dass die als Motor arbeitende Asynchronmaschine 2 direkt ans Stromnetz angeschaltet werden kann. Während die Asynchronmaschine 2 an das Netz geschaltet wird, wird gleichzeitig im Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine, die die dritte an den Antriebsstrang gekoppelte Maschine zur Energieumwandlung 4 darstellt, durch die Antriebselektronik 13 ein geringes Gegenmoment aufgebaut, sodass das als Läufer der Synchronmaschine 4 ausgeführte Hohlrad 10 gedreht wird und die von der Asynchronmaschine 2 in den Antriebsstrang eingeleitete Leistung zum großen Teil über die Synchronmaschine 4 und über deren Antriebselektronik 13 in Form von elektrischer Energie in das angeschlossene Stromnetz eingespeist wird. Hierbei wird insbesondere zu Beginn der Startphase die vom Asynchronmotor 2 abgegebene Leistung nahezu vollständig über die Synchronmaschine 4 wieder ins Stromnetz eingespeist. Durch einen weichen Aufbau des Gegenmomentes in der Synchronmaschine 4 werden impulsartige Überlastungen des Antriebsstrangs fast vollständig vermieden.
Nachdem die Asynchronmaschine 2 und die über das Überlagerungsgetriebe 1 sowie über ein Übersetzungsgetriebe 12 mit dieser verbundene Arbeitsmaschine 3 die Betriebsdrehzahl erreicht haben, sich der Antriebsstrang somit im quasistationären Betrieb befindet, kann durch die Einstellung eines definierten Drehmomentes in der Synchronmaschine 4 mit dem Überlagerungsgetriebe 1 die Wirkung einer Überlastkupplung erreicht werden. Eine Überlastsituation, beispielsweise durch eine Blockade der Arbeitsmaschine 3, würde eine Beschleunigung des Rotors der Synchronmaschine 4 bewirken und die im Antriebsstrang befindliche, von der Asynchronmaschine 2 erzeugte Zusatzleistung direkt wieder ins Netz speisen, ohne dass die sonstigen Komponenten des Antriebsstrangs mechanisch überlastet werden. Da nur ein Teil der Leistung über die Antriebselektronik 13 geführt wird, kann diese entsprechend der Leistung angepasst und vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Überlagerungsgetriebe
2: erste Maschine: Motor/Generator
3: zweite Maschine: Motor/Generator
4: dritte Maschine: Drehstrom-Synchronmaschine
5: erste Welle: Antriebs- oder Abtriebswelle
6: zweite Welle: Antriebs- oder Abtriebswelle
7: Planetengetriebe
8: Sonnenrad
9: Planetenrad
10: Hohlrad
11: Permanentmagnete
12: weitere Getriebestufen
13: Antriebselektronik
14: Rotorabtriebswelle
15: Gehäuse des Planetengetriebes
16: Frequenzumrichter
17: Antriebswelle der Arbeitsmaschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10314757 B3 [0004]

Claims

Elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung in einem Antriebsstrang mit wenigstens einer ersten, einer zweiten und einer dritten an den Antriebsstrang gekoppelten Maschine zur Energiewandlung (2, 3, 4) und mit einem Überlagerungsgetriebe (1), das ein Planetengetriebe (7) aufweist, dessen Sonnenrad (8) über eine erste Welle (5) zur Übertragung eines Drehmoments an die erste Maschine (2) gekoppelt ist und dessen wenigstens eines Planetenrad (9) über eine zweite Welle (6) zur Übertragung eines Drehmoments an die zweite Maschine (3) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Maschine (4) als Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt ist und ein Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) einen Läufer der Drehstrom-Synchronmaschine (4) bildet.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (4) als permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt ist und das Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) mit den Permanentmagneten (11) zur Erregung der Drehstrom-Synchronmaschine (4) in Wirkverbindung steht.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (10) mit einem Gehäuse (15) des Planetengetriebes (7) verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlrad (10) und/oder am Gehäuse (15) des Planetengetriebes (7) Permanentmagnete (11) zur Erregung der Drehstrom-Synchronmaschine angeordnet, insbesondere befestigt, sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (4) an eine Antriebselektronik (13) zur Steuerung der Energieumwandlung gekoppelt ist und die Antriebselektronik (13) derart ausgeführt ist, dass die Energieumwandlung in der Drehstrom-Synchronmaschine (4) in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine (2, 3) umgewandelten Energie erfolgt.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselektronik (13) derart ausgeführt ist, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (4) zumindest zeitweise im 4-Quadranten-Betrieb betrieben wird.
System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselektronik (13) derart ausgeführt ist, dass in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine (2, 3) umgewandelten Energie ein Luftspaltmoment der Drehstrom-Synchronmaschine (4) zumindest zeitweise verändert wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Planetengetriebe (7) und der ersten und/oder der zweiten Maschine (2, 3) wenigstens ein weiteres Getriebe (12) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (7) mit wenigstens einem weiteren Getriebe (12) in einem gemeinsamen Ölraum angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Maschine (2, 3) als eine mit einer Stromversorgung verbundene Drehstrom-Asynchronmaschine ausgeführt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Maschine (2, 3) als Verbrennungsmotor, Turbomaschine, Windrotor oder als Windturbine ausgeführt ist.
Überlagerungsgetriebe (1) mit einem Planetengetriebe (7) und mit Mitteln zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe (7) eingeleiteten Drehmoments, wobei das Planetengetriebe (7) über ein zentral angeordnetes Sonnenrad (8) und wenigstens ein mit dem Sonnenrad (8) in Eingriff befindlichem Planetenrad (9) verfügt und das Sonnenrad (8) mit einer ersten Welle (5) zur Übertragung eines Drehmoments und das wenigstens eine Planetenrad (9) mit einer zweiten Welle (6) zur Übertragung eines Drehmoments verbunden ist und wobei ein Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) drehbar gelagert ist und die Mittel zur gezielten Aufteilung des in das Planetengetriebe (7) eingeleiteten Drehmoments in Abhängigkeit eines Steuersignals, das aufgrund einer aktuellen Betriebssituation von einer Antriebselektronik (13) erzeugt wird, ein Brem- oder Beschleunigungsmoment in das Hohlrad (10) einleitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe (7) eingeleiteten Drehmoments über eine Drehstrom-Synchronmaschine (4) verfügen, deren Läufer durch das Hohlrad (10) oder ein mit dem Hohlrad (10) verbundenes Bauteil gebildet wird.
Überlagerungsgetriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (4) durch Permanentmagnete (11) erregt wird, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Hohlrad (10) verbunden sind.
Überlagerungsgetriebe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (10) mit einem Gehäuse (15) des Planetengetriebes (7) verbunden ist, an dem die Permanentmagnete (11) angeordnet sind.