DE202022105512U1

DE202022105512U1 - Arbeitsmaschine

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Publication number: DE202022105512U1
Application number: DE202022105512.2U
Authority: DE
Original assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2024-01-08
Anticipated expiration: 2032-09-30

Abstract

Arbeitsmaschine (1), insbesondere Kran oder Bagger, umfassend:eine Primärenergiequelle (2) zum Einspeisen von elektrischer Energie in einen Zwischenkreis (3),mehrere Gewerke (4) zum Ausführen einer jeweiligen Tätigkeit der Arbeitsmaschine (1),mehrere am Zwischenkreis (3) angeschlossene elektrische Antriebe (5), um ein jeweiliges Gewerk (4) der Arbeitsmaschine (1) zu betreiben,mehrere Haltebremsen zum Festsetzen oder Freigeben eines jeweiligen Gewerks (4), undeinen Energiespeicher (6), der mit dem Zwischenkreis (3) verbunden ist, um bei einer Betätigung eines oder mehrerer der Gewerke (4) aus dem Zwischenkreis (3) angeforderte elektrische Energie bereitzustellen und/oder in den Zwischenkreis (3) eingespeiste elektrische Energie aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dassdie Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, eine in den Zwischenkreis eingespeiste Energie mithilfe eines elektrischen Antriebs abzubauen, dessen zugehöriges Gewerk still steht oder nahezu stillsteht, insbesondere durch eine Haltebremse festgesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine, insbesondere einen Kran, ein Bohrgerät oder einen Bagger, bspw. Seilbagger. Vorteilhaft ist die Erfindung dabei eine Arbeitsmaschine, bei der nicht alle Gewerke gleichzeitig betreibbar sind und die eine elektrische Rückleistung aufweisen können.
Die Elektrifizierung von Arbeitsmaschinen hat in den letzten Jahren nicht nur aufgrund regulatorischer Vorgaben, sondern auch wegen einer erhöhten Abnehmernachfrage kontinuierlich zugelegt. So gibt es derzeit einige vollelektrische und hybride Arbeitsmaschinen, deren Gewerke, also bspw. Fahrwerk, Drehwerk oder Hebevorrichtung, mithilfe eines Elektromotors und eines zugehörigen Inverters betätigt werden.
Um hierbei einen möglichst energieeffizienten Betrieb einer hybriden oder vollelektrischen Arbeitsmaschine vorzusehen, ist der elektrische Antrieb so ausgestaltet, dass dieser auch die Fähigkeit der Rekuperation, also der Rückgewinnung von Energie aufgrund eines den Elektromotor antreibenden Arbeitsschritts, besitzt.
So ist es üblich, dass bspw. beim Heben einer Last durch einen Kran die Energie hierfür zunächst einmal für die Hebevorrichtung bereitgestellt wird, und bei einem Senkvorgang die dabei anfallende Energie mithilfe des Elektromotors rekuperiert wird. Im Optimalfall ist dann das Hinzuziehen einer Bremse, welche die beim Senken anfallende Energie in thermische Energie umwandelt, nicht mehr erforderlich, sodass ein möglichst energieeffizienter Betrieb der Arbeitsmaschine durchführbar ist.
Die beim Rekuperieren anfallende Energie wird in der Regel von einem Energiespeicher der Arbeitsmaschine aufgenommen, sodass es nicht zu einer Überlastung eines Zwischenkreises der Arbeitsmaschine kommt, und kann für einen nachfolgenden Hebevorgang wieder eingesetzt werden.
Um aber auch für den Fall gewappnet zu sein, in dem der Energiespeicher bereits vollständig gefüllt ist, werden herkömmlicherweise auch hybride und vollelektrische Arbeitsmaschinen mit Bremschopper und Bremswiderstand versehen, die elektrische Energie in Wärme wandeln können. Neben einem vollgeladenen Energiespeicher kann der Bremschopper und der Bremswiderstand auch dann zum Einsatz kommen, wenn es darum geht, Spannungsspitzen bei einer hohen Rückleistung zu kappen, die ansonsten die mit einem Zwischenkreis in Verbindung stehenden Komponenten schädigen könnten. Aber auch als Backup-Lösung für einen möglichen Ausfall des Energiespeichers, in dem dieser dann nicht mehr für die Aufnahme von bei einer Rekuperation anfallenden Energie zur Verfügung steht, werden Bremschopper und Bremswiderstand weiterhin vorgesehen.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Arbeitsmaschine vorzusehen, die in Bezug auf die Anzahl der Komponenten und einer sich hieraus ergebenden verringerten Komplexität herkömmlichen Lösungen überlegen ist.
Dies gelingt mit einer Arbeitsmaschine, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung befinden sich dabei in den abhängigen Ansprüchen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Arbeitsmaschine, insbesondere Kran, Bohrgerät oder Bagger vorgesehen, welcher eine Primärenergiequelle zum Einspeisen von elektrischer Energie in einen Zwischenkreis, mehrere Gewerke zum Ausführen einer jeweiligen Tätigkeit der Arbeitsmaschine, mehrere am Zwischenkreis angeschlossene elektrische Antriebe, um ein jeweiliges Gewerk der Arbeitsmaschine zu betreiben, mehrere Haltebremsen zum Festsetzen oder Freigeben eines jeweiligen Gewerks, und einen Energiespeicher umfasst, der mit dem Zwischenkreis verbunden ist, um bei einer Betätigung eines oder mehrerer der Gewerke aus dem Zwischenkreis angeforderte elektrische Energie bereitzustellen und/oder in den Zwischenkreis eingespeiste elektrische Energie aufzunehmen. Die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgelegt ist, eine in den Zwischenkreis eingespeiste Energie mithilfe eines elektrischen Antriebs abzubauen, dessen zugehöriges Gewerk stillsteht oder nahezu stillsteht, insbesondere durch die Haltebremse festgesetzt ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Primärenergiequelle die elektrischen Antriebe, weitere Hochvolt-Verbraucher sowie den Energiespeicher mit Energie versorgt. Die Primärenergiequelle kann zum Beispiel eine Brennstoffzelle, ein Dieselaggregat mit Gleichrichter, AC-Ladegeräte oder eine DC-Ladeschnittstelle sein.
Der Energiespeicher hat die Funktion elektrische Energie aus der Primärenergiequelle oder aus den elektrischen Antrieben zu speichern, so dass er bei Bedarf diese Energie an die elektrischen Antriebe sowie etwaige andere am Zwischenkreis gekoppelte Verbraucher abgeben kann.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der elektrische Antrieb eines Gewerks einen Inverter, insbesondere einen Vierquadranten-Inverter sowie einen Elektromotor umfasst. Optional benötigte Sensorik oder auch ein Getriebe kann ebenfalls vorhanden sein.
Ein Gewerk kann bspw. ein Hubwerk, ein Drehwerk, ein Fahrwerk oder andere Gewerke sein. Das Gewerk wird durch den elektrischen Antrieb angetrieben und beinhaltet je nach Typ Winden, Seilzüge, Rollen, etc. Beim Hubwerk kann bspw. durch ein Absenken der Last Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist werden. Dadurch steigt die Zwischenkreisspannung an. Ähnlich verhält es sich beim Abbremsen des Drehwerks, welches ebenfalls beim Bremsen Energie in den Zwischenkreis zurückspeisen kann.
Vorteilhafterweise ist dabei der Zwischenkreis als DC-Zwischenkreis ausgestaltet, führt also Gleichspannung.
Kern der Erfindung ist es, bestehende Komponenten an Bord der Arbeitsmaschine zu nutzen, um auf zusätzliche Komponenten zum Abbau von Spannungsspitzen und Rückleistung verzichten zu können. Dies wird durch eine intelligente Ansteuerung bereits vorhandener Komponenten an Bord der Maschine bewerkstelligt, in dem die von einem Energiespeicher nicht mehr aufnehmbare Wirkleistung mithilfe eines elektrischen Antriebs abgebaut wird, ohne dass dabei ein Drehmoment auf den zum Abbau von Energie genutzten elektrischen Antrieb erzeugt wird. Vorteilhaft ist dies deswegen, da bei einer entsprechend ausgestalteten Arbeitsmaschine das Vorhandensein des sowieso nur notfalls in Anspruch genommenen Bremschoppers und Bremswiderstands nicht mehr erforderlich ist, sodass diese vormals erforderlichen Bauteile bei der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine nicht mehr vorhanden sein müssen. Die Umsetzung der nicht vom Energiespeicher aufnehmbaren Energie erfolgt mithilfe eines elektrischen Antriebs, dessen Gewerk nicht betätigt wird bzw. werden darf. So ist bspw. bei vielen Arbeitsmaschinen vorgeschrieben, dass eine Rotationsbewegung nur dann ausgeführt werden darf, wenn nicht gleichzeitig eine angehängte Last gehoben oder gesenkt wird. So kann sichergestellt werden, dass es mindestens immer ein Gewerk einer Arbeitsmaschine gibt, das nicht betätigt wird, sondern in einer Halteposition verharrt. Auf genau dieses Gewerk bzw. den das Gewerk antreibenden elektrischen Antrieb wird zurückgegriffen, wenn eine Situation eintreten sollte, die das Abbauen von in den Zwischenkreis zugeführte Energie erforderlich machen sollte.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der elektrische Antrieb einen mit dem Zwischenkreis verbundenen Inverter und einen Elektromotor umfasst, vorzugsweise wobei eine Welle des Elektromotors mit einem zugehörigen Gewerk gekoppelt, insbesondere starr gekoppelt ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der mit dem Zwischenkreis verbundene Inverter, insbesondere Vierquadranten-Inverter, dazu ausgelegt ist, einen Gleichstrom im Zwischenkreis in einen Wechselstrom umzuwandeln, um den Elektromotor mit Wechselstrom zu versorgen und/oder einen durch den Elektromotor erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und in den Zwischenkreis einzuspeisen.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher im Regelfall dazu ausgelegt ist, in den Zwischenkreis eingespeiste Energie aufzunehmen und die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, dass ein Abbauen von in den Zwischenkreis eingespeister Energie mithilfe des elektrischen Antriebs, dessen zugehöriges Gewerk festgesetzt ist, nur dann erfolgt, wenn (a) der Energiespeicher vollständig geladen ist und keine weitere Energie aufnehmen kann, (b) eine Spannungsspitze in dem Zwischenkreis auftritt, die über einem zulässigen Schwellenwert, insbesondere über einem zulässigen Schwellenwert des Energiespeichers liegt, und/oder (c) der Energiespeicher defekt oder anderweitig nicht für eine Leistungsaufnahme aus dem Zwischenkreis verfügbar ist.
Der Abbau von in den Zwischenkreis eingespeisten Energie erfolgt also nur dann über einen nicht genutzten elektrischen Antrieb eines Gewerks, wenn der eigentlich dafür vorgesehene Energiespeicher nicht zur Verfügung steht. So kann dieser bspw. bereits vollständi geladen sein oder einen Defekt aufweisen, sodass dem Zwischenkreis zugeführte Energie nicht abgebaut werden kann. Führt man aber kontinuierlich Energie auf den Zwischenkreis ein, ohne diese von dort abzuziehen oder anderweitig umzusetzen, kann es dazu kommen, dass an dem Zwischenkreis angeschlossene Komponenten beschädigt werden (bspw. wegen Überspannung).
Um diesen Zustand zu vermeiden ist vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine dazu in der Lage ist, einen Elektromotor eines festgesetzten Gewerks als Leistungssenke zu verwenden. Dabei wird aber nicht etwa eine Ausgangswelle des als Leistungssenke verwendeten Elektromotors mit einem Drehmoment beaufschlagt, da dies ja dann zu einer unerwünschten Betätigung eines eigentlich festgesetzten Gewerks führen würde, sondern es wird lediglich eine Verlustleistung in dem Elektromotor erzeugt, die zu keinem Anlegen eines Drehmoments führt. Dieser Effekt wird genutzt, um den Elektromotor als Ersatz für die herkömmlicherweise als erforderlich angesehenen Elemente Bremschopper und Bremswiderstand zu verwenden. Zur Sicherheit kann die Arbeitsmaschine so ausgelegt sein, dass bei der Verwendung eines Elektromotors als Leistungssenke das zugehörige Gewerk mit seiner Haltebremse arretiert bleibt, sodass selbst dann, wenn es zu einer kleinen Abweichung in der Regelung des Elektromotors kommen sollte und ein geringes Drehmoment an der Ausgangswelle erzeugt wird, das Gewerk, dessen Elektromotor als Leistungssenke verwendet wird, nicht unerwünschter Weise bewegt wird.
Demnach kann also nach einer Fortbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass weder ein Bremschopper noch ein Bremswiderstand Teil der Arbeitsmaschine ist oder mit dieser verbunden ist. Die Erfindung ermöglicht es aber dennoch die typischerweise mit dem Bremschopper und dem Bremswiderstand umgesetzten Funktionen umzusetzen und auch eine Energie aus dem Zwischenkreis ohne Betätigung eines Gewerks abzubauen, wenn der Energiespeicher nicht dazu in der Lage sein sollte, überschüssige Energie aufzunehmen.
Vorteilhafterweise kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektromotor mindestens einer der mehreren elektrischen Antriebe eine permanenterregte Synchronmaschine ist, vorzugsweise eine solche, die dreisträngig aufgebaut ist. Alternativ oder zusätzlich dazu ist auch denkbar, dass der Elektromotor mindestens einer der mehreren elektrischen Antriebe eine Asynchronmaschine ist, vorzugsweise eine solche, die dreisträngig aufgebaut ist.
Weiter kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, einen Abbau einer am Zwischenkreis eingespeisten Energie durch mindestens einen für den Abbau von Energie gewählten elektrischen Antrieb vorzunehmen, indem an den Wicklungswiderständen des Elektromotors des mindestens einen gewählten elektrischen Antriebs eine Verlustleistung anliegt, ohne gleichzeitig dabei ein Antriebsmoment an dem Elektromotor zu erzeugen. Dies gelingt bspw. wenn man den feldschwächenden Strom des Elektromotors Id auf einem beliebigen Wert setzt und den drehmomentbildenden Strom Iq bei null belässt. Durch die Wicklungswiderstände kommt es infolgedessen zu einer Verlustleistung, ohne dass ein Moment an der Motorwelle anliegt.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Inverter von mindestens einer der mehreren elektrischen Antriebe dazu ausgelegt ist mindestens zwei Betriebszustände einzunehmen, von denen ein erster Betriebszustand ein Normalbetriebsmodus ist, in welchem der Inverter auf einen vorgegebenen Sollwert regelt oder steuert, und ein zweiter Betriebszustand ein Chopper-Modus ist, in dem der Inverter dazu ausgelegt ist, eine Spannung im Zwischenkreis zu überwachen und bei Überschreiten eines Schwellenwerts den zum Inverter gehörenden Elektromotor so anzusteuern, dass an den Wicklungswiderständen des Elektromotors eine Verlustleistung anliegt, ohne gleichzeitig dabei ein Antriebsmoment an dem Elektromotor zu erzeugen.
So kann vorgesehen sein, dass nach einem Einschalten des Inverters dieser sich im Normalbetriebsmodus befindet. Durch eine externe oder interne Freigabe kann der Inverter dann in den Chopper-Modus wechseln, wobei eine solche Freigabe zum Beispiel dann erfolgen kann, wenn die Bremse eines Gewerks geschlossen ist und/oder das Gewerk für Bewegungen gesperrt ist. In einem solchen Zustand steht der elektrische Antrieb bzw. der dabei vorgesehene Elektromotor auch als Leistungssenke zur Verfügung.
Ferner kann die Arbeitsmaschine so ausgelegt sein, dass der Betrieb der Arbeitsmaschine nur unter der Maßgabe erfolgen kann, dass mindestens immer einer der elektrischen Antriebe der mehreren Gewerke in einem Ruhezustand ist, sodass der zugehörige Inverter sich in den Chopper-Modus befindet. Dadurch kann also sichergestellt werden, dass auch bei einem unvorhergesehenen Einspeisen von Energie in den Zwischenkreis diese zuverlässig abgebaut werden kann. Es kann also nicht der Fall auftreten, dass sämtliche Gewerke aufgrund einer Benutzereingabe oder anderer Vorgaben arbeiten und nicht mindestens ein Elektromotor eines Gewerks für ein Abbauen von Energie zur Verfügung steht.
Weiter kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Inverter zum Ansteuern des Elektromotors den d-Strom, also den feldschwächenden Strom, des Motors steuert oder regelt, um an den Wicklungswiderständen des Elektromotors eine Verlustleistung hervorzurufen, ohne dabei gleichzeitig ein Antriebsmoment zu erzeugen.
Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, dass ein Inverter eines der mehreren elektrischen Antriebe nur dann in den Chopper-Modus eintreten kann, sofern das zum Inverter zugehörigen Gewerk durch die entsprechende Haltebremse festgesetzt und/oder für eine Bewegung gesperrt ist.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das mindestens eine Gewerk ein Hubwerk, ein Fahrwerk oder ein Drehwerk ist.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Arbeitsmaschine eine vollelektrische oder eine hybride Arbeitsmaschine ist, insbesondere ein Raupenkran, ein Seilbagger oder ein Bohrgerät.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1: einen schematischen Grundaufbau einer vollelektrischen Arbeitsmaschine, und
2: ein mögliches Zustandsdiagramm eines Inverters von einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine,
3: ein Diagramm zur Erläuterung der Verlustaufnahme mittels eines Elektromotors, und
4: ein Diagramm zur Darstellung der Verteilung des Gesamtverlusts des Elektromotors auf die verschiedenen Wicklungsstränge des Elektromotors in Abhängigkeit des Rotorwinkels.

1 zeigt einen schematischen Grundaufbau einer Arbeitsmaschine 1.
Dargestellt ist eine vollelektrische Arbeitsmaschine 1, bei der die Gewerke 4, welche die Arbeit der Maschine 1 verrichten, durch elektrische Antriebe 5 angetrieben sind. Die Arbeitsmaschine 1 umfasst dabei mehrere elektrische Antriebe 5, welche jeweils einen Inverter 7 und einen Elektromotor 8 aufweisen. Die elektrischen Antriebe 5 sind mechanisch, über die Welle des Elektromotors 8, mit dem jeweiligen zugehörigen Gewerk 4 gekoppelt. Jedes der Gewerke 4 verfügt dabei über eine Haltebremse 9, die ein Gewerk 4 freigeben oder festsetzen kann. Die jeweiligen Inverter 7 der elektrischen Antriebe 5 sind elektrisch mit einem Zwischenkreis 3, vorzugsweise einem DC-Zwischenkreis verbunden.
Optional befinden sich dabei am Zwischenkreis 3 weitere Hochvolt-Verbraucher 12, wie zum Beispiel Hochvolt-Heizer, DC/DC-Wandler, Kompressoren oder dergleichen.
Die Arbeitsmaschine 1 umfasst darüber hinaus einen Energiespeicher 6, der auch als Zyklenspeicher bezeichnet werden kann, der ebenfalls an dem Zwischenkreis 3 angeschlossen ist. Der Energiespeicher 6 ist sowohl eine Quelle als auch eine Senke für elektrische Energie während des Arbeitsprozesses der Arbeitsmaschine 1. Darüber hinaus besitzt die Arbeitsmaschine 1 auch eine Primärenergiequelle 2, bei der es sich bspw. um ein Generatorset (auch: Genset) und/oder ein Ladegerät handelt. Die Primärenergiequelle 2 versorgt die Arbeitsmaschine 1 mit elektrischer Energie.
Die elektrischen Antriebe 5 sind dabei so ausgelegt, dass sie elektrische Energie bei einem Bremsvorgang des zugehörigen Gewerks zurückspeisen. Dies ist bspw. beim Absenken einer Last an einem als Hubwerk ausgestalteten Gewerk 4 der Fall, bei dem die kinetische Energie eines Absenkens über einen generatorischen Betrieb des Elektromotors 8 in elektrische Energie gewandelt wird. Der mit dem Elektromotor 8 in Verbindung stehende Inverter 7 sorgt dann dafür, dass die rekuperierte elektrische Energie in den Zwischenkreis 3 eingespeist wird. Die dabei in den Zwischenkreis 3 zurückgespeiste elektrische Energie wird im Normalbetrieb von dem Energiespeicher 6 aufgenommen, der hierbei als Energiesenke arbeitet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Zwischenkreis 3 nicht mit zu viel Energie belastet wird, was die an dem Zwischenkreis 3 gekoppelten Bauteile beschädigen könnte. Darüber kann es für das Betreiben der elektrischen Antriebe 5 erforderlich sein, an dem DC-Eingang (welcher mit dem Zwischenkreis verbunden ist) eines jeweiligen Inverters 7 eine minimale Spannung anzulegen, um das Wandeln der Energie von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt durchführen zu können.
Zudem ist an dem Zwischenkreis 3 auch ein Bremschopper 10 sowie ein zum Bremschopper 10 nachgelagerter Bremswiderstand 11 vorgesehen, die dazu in der Lage sind eine auf dem Zwischenkreis 3 befindliche Energie aufzunehmen und in thermische Energie umzusetzen. Dadurch kann bspw. dem Fall vorgebeugt werden, dass der mit dem Zwischenkreis 3 gekoppelte Energiespeicher 6 vollgeladen ist und nicht mehr weiter Energie von dem Zwischenkreis 3 aufnehmen kann. In einem solchen Fall wird dann mithilfe des Bremschoppers 10 und dem Bremswiderstand 11 Energie von dem Zwischenkreis 3 entnommen. Diese über den Bremswiderstand 11 vernichtete Energie steht zwar dann nicht mehr für einen zukünftigen Energiebedarf zur Verfügung, die Energieentnahme von dem Zwischenkreis 3 war aber dennoch erforderlich, um eine Überlastungssituation des Zwischenkreises 3 zu verhindern. Wird bspw. übermäßig viel Energie über einen rekuperativen Betrieb eines Gewerks 4 in den Zwischenkreis 3 eingespeist oder erfolgt eine (ungewollte) Einspeisung von Spannungsspitzen, ist es vorteilhafter die nicht verarbeitbare Energie im Zwischenkreis 3 zu vernichten, bevor die mit dem Zwischenkreis 3 gekoppelten Bauteile hierdurch Schaden nehmen.
Bei richtiger Auslegung und Betriebsstrategie der Maschine 1 tritt ein Einsatz von Bremschopper 10 und Bremswiderstand 11 nur in Ausnahmefällen auf. Trotzdem werden die beiden Komponenten in Arbeitsmaschinen nach dem Stand der Technik verbaut, da eine Beschädigung der Komponenten am Zwischenkreis 3 durch unsachgemäße Verwendung der Maschine 1 oder nicht bedachten Anwendungsfällen nicht sicher ausgeschlossen werden kann.
Beide Komponenten 10, 11 sind jedoch in der Anschaffung teuer und sind sehr gering ausgelastet. Zudem beanspruchen die beiden Komponenten 10, 11 Bauraum sowie einen elektrischen Anschluss und Kühlung, wodurch ebenfalls Kosten und ein komplexeres Gesamtsystem entsteht.
Bei einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine 1 kann die Funktion des Bremschoppers 10 und des Bremswiderstandes 11 ohne die Notwendigkeit dieser Bauteile mittels eines der elektrischen Antriebe 5 eines Gewerks 4 übernommen werden, welches gerade nicht betätigt wird. Es ist also möglich auf dem Bremschopper 10 und den zugehörigen Bremswiderstand 11 zu verzichten und bereits an Bord der Arbeitsmaschine 1 befindliche Komponenten zu verwenden.
So gibt es in der Regel auf einer elektrischen oder hybriden Arbeitsmaschine 1 mehrere elektrische Antriebe 5 und Gewerke 4. Nicht alle Gewerke 4 sind immer gleichzeitig in Betrieb. Ist ein Gewerk 4 nicht in Betrieb, so dreht sich der Elektromotor 5 nicht und die Bremse 9 ist geschlossen. Für den weiteren Verlauf soll exemplarisch ein mögliches Szenario aufgezeigt werden, wobei dem Fachmann aber klar ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses exemplarisch betrachtete Szenario beschränkt ist.
Die Annahme ist, dass der Elektromotor 5 mit dem Heben oder Senken einer Last beschäftigt ist. Das Fahrwerk eines Krans ist dabei nicht in Betrieb, da mit einer Last am Haken nicht verfahren werden darf. Der Betrieb des Fahrwerks wird folgendermaßen gesperrt und die Komponenten sind nicht in Betrieb.
In einer solchen Situation kann der elektrische Antrieb 5 des Gewerks 4 Fahrwerks und der zugehörige Inverter 7 als (zusätzliche) Leistungssenke verwendet werden, da die beiden Komponenten 5, 7 für den eigentlichen Betrieb der Maschine nicht benötigt werden. Es ist also möglich mit einem nicht genutzten Gewerk 4 der Antriebsmaschine 1 Leistung aus dem Zwischenkreis 3 zu entnehmen, ohne dass dabei das Gewerk 4, das die Leistung von dem Zwischenkreis 3 entnimmt, betätigt wird.
Wie die anderen elektrischen Antriebe 5 auch, ist das Antriebssystem des Fahrwerks aus Inverter 7 und Elektromotor 5 aufgebaut. Die dabei vorteilhafter Weise verwendete permanenterregte Synchronmaschine (auch PMSM) ist bspw. dreisträngig aufgebaut. Das nachfolgende Beispiel wurde anhand einer PMSM dargelegt, da sich hieran das Erzeugen der Blindleistung gut zeigen lässt. Dem Fachmann ist aber klar, dass auch eine Asynchronmaschine in Frage kommt. Der Inverter 7 beaufschlagt die drei Stränge mit Sinusgrößen. Durch die Park- und Clarktransformation werden die Sinusgrößen in ein gemeinsames Koordinatensystem übertragen. Im stationären Betrieb sind alle sinusförmigen Größen als Gleichgrößern darstellbar. Auf die Herleitung sei auf einschlägige Literatur verwiesen, die dem Fachmann geläufig ist.
Das Drehmoment M einer permanenterregten Synchronmaschine kann dabei wie nachfolgend dargestellt bestimmt werden. $M = \frac{m}{2} p (I_{q} ψ_{P M} + I_{d} I_{q} (L_{d} - L_{q}))$
Das Drehmoment berechnet sich mit der Spulenanzahl m, der Polpaarzahl p, dem Drehmomentbildenden Storm Iq, dem feldschwächenden Strom Id, dem verketteten magnetischen Fluss ψPM sowie den Induktivitäten Ld und Lq. Es ist ersichtlich, dass bei Iq = 0 das abgebende Drehmoment des Motors gleich Null ist. Id kann dann beliebig eingestellt werden. Durch die Wicklungswiderstände kommt es in Folge zu einer Verlustleistung, ohne dass ein Moment an der Motorwelle anliegt.
Dies lässt sich mit den beiden nachstehenden Formeln zeigen. $u_{d} = R_{s} i_{d} + L_{d} \frac{d i_{d}}{d t} - ω L_{q} i_{q}$
$u_{q} = R_{s} i_{q} + L_{q} \frac{d i_{q}}{d t} + ω (L_{d} i_{d} + ψ_{P M})$
Hierbei lässt sich erkennen, dass eine Spannung über den Strangwiderstand Rs abfällt. Da die Geschwindigkeit ω = 0 und der Drehmomentbildende Strom iq = 0 sind, ist µq ebenfalls null. Dadurch lässt sich die gesamte Verlustleistung im stationären Zustand wie nachfolgend dargestellt berechnen. $P = \frac{3}{2} R_{s} i_{d}^{2}$
Die Leistung ist davon abhängig, wie groß der Strom über die Wicklungen des Motors werden darf (kurzzeitig).
Am Motor 8 kann also eine Verlustleistung anliegen, ohne dass sich dieser dreht und ein Moment an der Welle anliegt. Dieser Effekt soll genutzt werden, um den Motor 8 als Ersatz für den Bremswiderstand 11 und den Inverter 7 als Ersatz für den Bremschopper 10 einzusetzen. Bei Einsatz von mehreren elektrischen Antrieben 5 kann die mögliche maximale Verlustleistung erhöht werden. Zusätzlich bleibt die Bremse 9 eines jeweiligen Antriebs 5 geschlossen. Dadurch kommt es auch dann nicht zu einer Bewegung des Antriebs 5, wenn es zu einer kleinen Abweichung in der Regelung kommt.
Wie 2 zeigt, kann bei einer möglichen Umsetzung dieses Ansatzes, der Inverter in mindestens zwei Betriebszustände versetzt werden.
Hierbei erfolgt ein Wechsel des Modus des Inverters 7 zwischen einem Normalbetriebsmodus S2 und einem Chopper-Modus S3. In einem Normalbetriebsmodus regelt oder steuert der Inverter 7 auf einen vorgegebenen Sollwert. Dieser Sollwert kann z. B. eine Solldrehzahl oder ein Sollmoment für den Motor 5 darstellen. Im Chopper-Modus überwacht der Inverter 7 die Spannung am DC-Zwischenkreis 3. Übersteigt die Spannung am DC-Zwischenkreis 3 einen einstellbaren Schwellenwert, so beginnt der Inverter 7 den d-Strom des Motors 5 zu steuern bzw. zu regeln.
Nach dem Einschalten S1 des Inverters 7 befindet sich dieser im Normalbetriebsmodus S2. Durch eine externe oder interne Freigabe wechselt der Inverter 7 in den Chopper-Modus S3. Eine solche Freigabe kann z. B. dann erfolgen, wenn die Bremse 9 eines Gewerks 4 geschlossen ist und/oder das Gewerk 4 für Bewegungen gesperrt ist. Aus jedem der beiden Betriebsmodi heraus kann der Inverter 7 ausgeschaltet werden (S4).
Zur Abschätzung der Größenordnungen der erzielbaren Verlustleistungen wird ein die Erfindung nicht einschränkendes Beispiel beschrieben. Hierfür wird eine beispielhafte permanenterregte Synchronmaschine herangezogen, deren relevante, elektrische Eigenschaften in der nachfolgenden Tabelle 1 dargelegt sind. Tabelle 1: relevante elektrische Eigenschaften der permanenterregten Synchronmaschine

Strangwiderstand Rstr 20 mΩ

Stranginduktivität Lstr 0.2475 mH

Maximalstrom Ip (20s) 528 ARMS

Nennstrom In 238 ARMS
Die maximale Verlustleistung kann bei Ip = 528A dissipiert werden. Dies entspricht einem id von √2 I_P = 746.7 A und damit nach Gl. (4) einer Verlustleistung von $P = \frac{3}{2} 20 m Ω 746.7 A \approx 16,73 kW .$
Die Leistung im Dauerbetrieb errechnet sich analog mit In = 238A. Mit diesem Strom ist eine Leistungsaufnahme von $P = 3 \cdot 20 m Ω \cdot 238 A^{2} \approx 3.4 kW .$
als Senke möglich.
Aufgrund durchgeführter Versuche kann abgeschätzt werden, dass der maximale Strom für eine Sekunde ca. um den Faktor zehn höher liegt als der maximale Strom für 20 Sekunden. Dadurch ergibt sich eine theoretische Leistung von ca. 170 kW.
Zur Bestimmung des transienten Verhaltens müssen die Daten des Inverters 7 mitberücksichtigt werden. Beispielhaft kann man davon ausgehen, dass die Synchronmaschine mit einem Inverter betrieben wird, der nachfolgende in Tab. 2 aufgeführte Kennzahlen besitzt. Tab. 2: Kennzahlen des Inverters

IGBT-Spannungsfall ΔU_IGBT 2.5 V

Schaltfrequenz f_SW 8000 Hz

Totzeit T_d 1.6 µs
Bei einer Zwischenkreisspannung U_ZK von 800V ergibt sich eine maximale Strangspannung von ${\overset{⌢}{U}}_{s t r} = \frac{U_{Z K} - 2 Δ U_{I G B T} - 2 T_{d} f_{s w} U_{Z K}}{\sqrt{3}} \approx 447.2 V .$
Zur Ausnutzung der maximalen Zwischenkreisspannung können zur Stromregelung PI-Regler mit der Übertragungsfunktion $G_{c t r l} = 4 (1 + \frac{1}{1.5 m s} \frac{1}{s})$
eingesetzt werden.
In 3 ist der Verlauf der Leistung und d-Spannung bei einem Sollwertsprung auf Ip = 528A dargestellt. Der Sprung wird zum Zeitpunkt t = 1 ms angelegt. Werden die Ausgangskapazitäten und die Totzeit vernachlässigt, erreicht der Regler sofort seine Aussteuergrenze von 447.27 und der Stromanstieg wird nur noch durch die Stranginduktivität limitiert. Nach einer Einstellzeit von ca. 1.5 ms ist der stationäre Endwert erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wirkt der Motor als rein ohm'sche Leistungssenke und dissipiert die eingestellte Verlustleistung von ~16.73 kW.
Die Gesamtverluste des Motors sind immer konstant. Abhängig von der Rotorposition teilen sich die Verluste aber unterschiedlich auf die Motorwicklungen auf. Die Grenzfälle sind in 4 dargestellt.
Ist der Rotorwinkel ein Vielfaches von 60°, dann entstehen 2/3 der gesamten Verlustleistung an einem der drei Strangwiderstände. Da die Rotorposition durch die Bremse fixiert ist, muss der Strang für diese Verluste ausgelegt sein.
Befindet sich der Rotorwinkel an 30°(1+2k) mit k = (0...6) dann ist einer der drei Stränge stromlos und die gesamte Verlustleistung wird von den anderen zwei Strängen generiert. Dabei teilen sich die Verluste gleichmäßig auf die beiden Stränge auf.
Man erkennt, dass es also erforderlich ist, die einzelnen Stränge so auszulegen, dass sie schlimmstenfalls zwei Drittel der gesamten Verlustleistung verarbeiten können.
Es bleibt festzuhalten, dass es die vorliegende Erfindung ermöglicht, den Betrieb der Arbeitsmaschine ohne zusätzliche Komponenten zum Abbau von Spannungsspitzen (Bremschopper und Bremswiderstand) durchzuführen. Dies kann bspw. durch eine Anpassung der Maschinen- und Invertersoftware bewerkstelligt werden, ohne dass eine physische Änderung an der Maschine notwendig ist.

Claims

Arbeitsmaschine (1), insbesondere Kran oder Bagger, umfassend: eine Primärenergiequelle (2) zum Einspeisen von elektrischer Energie in einen Zwischenkreis (3), mehrere Gewerke (4) zum Ausführen einer jeweiligen Tätigkeit der Arbeitsmaschine (1), mehrere am Zwischenkreis (3) angeschlossene elektrische Antriebe (5), um ein jeweiliges Gewerk (4) der Arbeitsmaschine (1) zu betreiben, mehrere Haltebremsen zum Festsetzen oder Freigeben eines jeweiligen Gewerks (4), und einen Energiespeicher (6), der mit dem Zwischenkreis (3) verbunden ist, um bei einer Betätigung eines oder mehrerer der Gewerke (4) aus dem Zwischenkreis (3) angeforderte elektrische Energie bereitzustellen und/oder in den Zwischenkreis (3) eingespeiste elektrische Energie aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, eine in den Zwischenkreis eingespeiste Energie mithilfe eines elektrischen Antriebs abzubauen, dessen zugehöriges Gewerk still steht oder nahezu stillsteht, insbesondere durch eine Haltebremse festgesetzt ist.
Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei der elektrische Antrieb (5) einen mit dem Zwischenkreis (3) verbundenen Inverter (7) und einen Elektromotor (8) umfasst, vorzugsweise wobei eine Welle des Elektromotors (8) mit einem zugehörigen Gewerk (4) gekoppelt, insbesondere starr gekoppelt ist.
Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 2, wobei der mit dem Zwischenkreis (3) verbundene Inverter (7), insbesondere 4-Quadranten-Inverter, dazu ausgelegt ist, einen Gleichstrom im Zwischenkreis (3) in einen Wechselstrom umzuwandeln, um den Elektromotor (8) mit Wechselstrom zu versorgen und/oder einen durch den Elektromotor (8) erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und in den Zwischenkreis (3) einzuspeisen.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher im Regelfall dazu ausgelegt ist, in den Zwischenkreis eingespeiste Energie aufzunehmen und die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, dass ein Abbauen von in den Zwischenkreis eingespeisten Energie mithilfe des elektrischen Antriebs, dessen zugehöriges Gewerk stillsteht oder durch die Haltebremse festgesetzt ist, nur dann erfolgt, wenn (a) der Energiespeicher vollständig geladen ist und keine weitere Energie aufnehmen kann, (b) eine Spannungsspitze in dem Zwischenkreis auftritt, die über einem zulässigen Schwellenwert, insbesondere über einem zulässigen Schwellenwert des Energiespeichers liegt, und/oder (c) der Energiespeicher defekt oder anderweitig nicht für eine Leistungsaufnahme aus dem Zwischenkreis verfügbar ist.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weder ein Bremschopper noch ein Bremswiderstand Teil der Arbeitsmaschine oder mit dieser verbunden ist.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-5, wobei der Elektromotor mindestens einer der mehreren elektrischen Antriebe eine permanenterregte Synchronmaschine ist, vorzugsweise eine solche, die dreisträngig aufgebaut ist, und/oder der Elektromotor mindestens einer der mehreren elektrischen Antriebe eine Asynchronmaschine ist, vorzugsweise eine solche, die dreisträngig aufgebaut ist.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-6, wobei die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, einen Abbau einer am Zwischenkreis eingespeisten Energie durch mindestens einen für den Abbau von Energie gewählten elektrischen Antrieb vorzunehmen, indem an den Wicklungswiderständen des Elektromotors des mindestens einen gewählten elektrischen Antriebs eine Verlustleistung anliegt, ohne gleichzeitig dabei ein Antriebsmoment an dem Elektromotor zu erzeugen.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Inverter von mindestens einer der mehreren elektrischen Antriebe dazu ausgelegt ist mindestens zwei Betriebszustände einzunehmen, von denen ein erster Betriebszustand ein Normalbetriebsmodus ist, in welchem der Inverter auf einen vorgegebenen Sollwert regelt oder steuert, und ein zweiter Betriebszustand ein Chopper-Modus ist, in dem der Inverter dazu ausgelegt ist, eine Spannung im Zwischenkreis zu überwachen und bei Überschreiten eines Schwellenwerts den zum Inverter gehörenden Elektromotor so anzusteuern, dass an den Wicklungswiderständen des Elektromotors eine Verlustleistung anliegt, ohne gleichzeitig dabei ein Antriebsmoment an dem Elektromotor zu erzeugen.
Arbeitsmaschine (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 8, wobei der Inverter zum Ansteuern des Elektromotors den d-Strom, also den feldschwächenden Strom, des Motors steuert oder regelt, um an den Wicklungswiderständen des Elektromotors eine Verlustleistung hervorzurufen, ohne dabei gleichzeitig ein Antriebsmoment zu erzeugen.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei die Arbeitsmaschine dazu ausgelegt ist, dass ein Inverter eines der mehreren elektrischen Antriebe nur dann in den Chopper-Modus eintreten kann, sofern das zum Inverter zugehörigen Gewerk stillsteht, insbesondere durch eine entsprechende Haltebremse festgesetzt und/oder für eine Bewegung gesperrt ist.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Gewerk (4) ein Hubwerk, ein Fahrwerk, ein Einziehwerk, der Generator, ein Drehwerk oder ein anderer elektrischer Antrieb auf der Maschine ist.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsmaschine eine vollelektrische oder eine hybride Arbeitsmaschine ist, insbesondere ein Raupenkran, ein Seilbagger oder ein Bohrgerät.