(57)【要約】【課題】本発明は、主変速機の摩耗が最低限に維持される可変速駆動システムにおいて、主駆動部の始動時に可変速駆動部又は差動駆動部を制御することができ、特に、一方の可変速駆動部又は差動駆動部と他方の主駆動部との切替が、トラクションの中断なく行われることを目的とする。【解決手段】本発明は可変速駆動システムに関する。可変速駆動システムは、従動機（３）と、変速ユニット（１７）により従動機（３）に機械的に連結される又は連結可能な駆動機（１）とを備える。また、変速ユニット（１７）に機械的に連結される又は連結可能で、少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）によりそれぞれを運転することができる少なくとも２つの調整器（２．１、２．２）が設けられる。駆動機（１）に調整された及び／又は制御された速度変化を起こさせるために、駆動機（１）の少なくとも１つの電力供給網（１００、１１０）への接続が、少なくとも一時的又は恒久的に切断可能であるように、切替装置（１３０）により少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つが駆動機（１）に電気的に接続される又は接続可能である。【選択図】図１
2018521271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
従動機（３）と、
変速ユニット（１７）により前記従動機（３）に、機械的に連結される又は機械的に連結可能な駆動機（１）と、
前記変速ユニット（１７）に機械的に連結される又は機械的に連結可能で、少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうちの１つによりそれぞれ運転することができる少なくとも２つの調整器（２．１、２．２）と、を備え、
前記駆動機（１）に調整された及び／又は制御された速度変化を起こさせるために、前記駆動機（１）の少なくとも１つの電力供給網（１００、１１０）への接続が少なくとも一時的に又は恒久的に切断可能となるように、前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つが、切替装置（１３０）により前記駆動機（１）に電気的に接続される又は接続可能である、
可変速駆動システム。
【請求項２】
前記駆動機（１）に調整された及び／又は制御された速度変化を起こさせるために、前記駆動機（１）の前記少なくとも１つの電力供給網（１００、１１０）への前記接続が少なくとも一時的に又は恒久的に切断可能となるように、前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）は、前記切替装置（１３０）により前記駆動機（１）に電気的に接続される又は接続可能である、
請求項１に記載の可変速駆動システム。
【請求項３】
前記切替装置（１３０）は、前記少なくとも１つの周波数変換器（１２０）を、前記少なくとも２つの調整器（２．１、２．２）のうちの１つ（２．２）及び／又は前記駆動機（１）に電気的に接続又は切断するように構成された、及び／又は、前記駆動機（１）を、前記電力供給網（１００、１１０）のうちの少なくとも１つに電気的に接続又は切断するように構成された、少なくとも３つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３）を備える、
請求項１に記載の可変速駆動システム。
【請求項４】
前記切替装置（１３０）は、前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）を、前記少なくとも２つの調整器（２．１、２．２）それぞれに及び／又は前記駆動機（１）に電気的に接続又は切断するように構成された、及び／又は、前記駆動機（１）を、前記電力供給網（１００、１１０）のうちの少なくとも１つに電気的に接続又は切断するように構成された、少なくとも５つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５）を備える、
及び／又は、
前記切替装置（１３０）は、前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）を電気的に結合するように構成された少なくとも２つの結合要素（１３６、１３７）を備える、
請求項２に記載の可変速駆動システム。
【請求項５】
前記従動機（３）をバイパス装置により低負荷状態に設定するように設計された制御装置を備える、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変速駆動システム。
【請求項６】
前記駆動機（１）と変速ユニット（１７）との機械的連結が、クラッチ要素（１２）、特に機械的又は流体力学的クラッチ要素（１２）により分離可能である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変速駆動システム。
【請求項７】
前記少なくとも２つの調整器（２．１、２．２）と前記変速ユニット（１７）とのそれぞれの前記機械的連結は、各クラッチ要素（１１）、特に、機械的又は流体力学的クラッチ要素（１１）により分離可能である、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変速駆動システム。
【請求項８】
前記切替装置（１３０）は、変圧器（１６０）を備える、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変速駆動システム。
【請求項９】
請求項１〜８に記載の可変速駆動システムの始動及び／又は運転の方法であって、
ｉ）切替装置（１３０）を有する少なくとも３つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３）によって行うことができる、全ての電気的接続を切断する工程と、
ｉｉ）前記少なくとも３つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３）のうち関連の１つ（１３２）を切り替えることにより、少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つ（１２０）を駆動機（１）に電気的に接続する工程と、
ｉｉｉ）前記駆動機（１）の前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つ（１２０）により、前記駆動機（１）に調整された及び／又は制御された速度変化を付与する及び／又は制御する工程と、
ｉｖ）前記駆動機（１）が所定回転速度に達した後に、切替装置（１３０）を有する少なくとも３つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３）によって行うことができる、全ての電気的接続を切断する工程と、
ｖ）前記少なくとも３つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３）のうち関連の１つ（１３１）を切り替えることにより前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つ（１２０）を各調整器（２．２）に電気的に接続し、かつ、前記少なくとも３つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３）のうち関連の１つ（１３３）を切り替えることにより前記駆動機（１）を電力供給網（１１０）に電気的に接続する工程と、
を少なくとも備える方法。
【請求項１０】
請求項１〜８に記載の可変速駆動システムの始動及び／又は運転の方法であって、
ｉ）切替装置（１３０）を有する少なくとも５つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５）によって行うことができる、全ての電気的接続を切断する工程と、
ｉｉ）前記少なくとも５つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５）のうち関連のスイッチング装置（１３２）及び／又は（１３５）を切り替えることにより、少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つ（１２０）、及び／又は、前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうちの１つ（１２１）を駆動機（１）に電気的に接続する工程と、
ｉｉｉ）少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）及び／又は前記駆動機（１）の前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうちの少なくとも１つ（１２１）により、前記駆動機（１）に調整された及び／又は制御された速度変化を付与する及び／又は制御する工程と、
ｉｖ）前記駆動機（１）が所定回転速度に達した後に、切替装置（１３０）を有する少なくとも５つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５）によって行うことができる、全ての電気的接続を切断する工程と、
ｖ）前記少なくとも５つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５）のうち関連のスイッチング装置（１３１）及び／又は（１３４）を切り替えることにより前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうち少なくとも１つ（１２０）を各調整器（２．２）に、及び／又は、前記少なくとも２つの周波数変換器（１２０、１２１）のうちの１つ（１２１）を別の調整器（２．１）に電気的に接続し、かつ、前記少なくとも５つのスイッチング装置（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５）のうち関連の１つ（１３３）を切り替えることにより前記駆動機（１）を電力供給網（１１０）に電気的に接続する工程と、
を少なくとも備える方法。
【請求項１１】
前記従動機（３）の前記負荷特性は、前記始動プロセス前にバイパス装置（１４０）によって低負荷状態とされ、前記駆動機（１）の前記電力供給網（１１０）への電気的接続後に、前記バイパス装置（１４０）は、前記負荷低減を取り消して、前記初期負荷特性に戻す、
請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１２】
前記駆動機（１）と変速ユニット（１７）との機械的連結が、前記始動プロセス前に、クラッチ要素（１２）の制御により分離され、前記駆動機（１）の前記電力供給網（１１０）への電気的接続後に、前記駆動機（１）と前記変速ユニット（１７）との機械的連結が、前記クラッチ要素（１２）の制御により再接続される、
請求項１１又は１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変速駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
可変速駆動システムは、産業用途において、伝達される出力を各工程要件により適合させるために用いられている。特に、オイル及びガス産業における圧縮機駆動システム、高出力ファン、火力発電所のポンプ駆動における可変速構成として、可変速駆動システムが実施されている。
【０００３】
例えば、定速の主電動駆動部、出力としてのロータ、駆動部を出力に連結する主変速機、主変速機に連結された可変速駆動部、を有する駆動システムが特許文献１の出版物から知られている。主電動駆動部は、可変速駆動部により始動、加速することができる。可変速駆動部は周波数変換器に接続され、周波数変換器は始動の際に主駆動部に切り替えることができる。主電動駆動部が定格速度に達するとすぐに、主電動駆動部は主運転に切り替えられ、可変速駆動部は出力速度調整のため周波数変換器に切り替えられる。
【０００４】
また、特許文献２から差動システムが知られている。この差動システムは、差動段と、対応する変速段と、差動駆動部とからなる。差動段により同期発電機に連結された主変速機をロータが駆動する。差動駆動部は周波数変換器及び変圧器を介して電力供給網に接続されている。特許文献２は、また、開動作により同期発電機の電力供給網への接続を簡単に切断するスイッチを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１６９３０２号
【特許文献２】国際公開第２０１１／０００００８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２から知られる解決策には、特に、駆動部を出力に連結する主変速機が摩耗するという欠点がある。この摩耗は可変速駆動部又は差動駆動部の噛合によって起こる。また、主駆動部の始動中は可変速駆動部又は差動駆動部を制御することができず機械的に制動する又は連結する必要があるという難点がある。さらに、可変速駆動部又は差動駆動部と主駆動部との切替にトラクションの中断が伴うという欠点がある。
【０００７】
この問題を背景として、本発明は、主変速機で起きる摩耗を最小限に抑え、主駆動部の始動中に可変速駆動部又は差動駆動部を制御することができ、また特に、一方の可変速駆動部又は差動駆動部と他方の主駆動部との切替を、トラクションの中断無しに行うことができる、冒頭で述べた種類の可変速駆動システムを提供することを目的とする。本発明はさらに、このような可変速駆動システムの始動及び／又は運転の方法を提供することを目的とする。
【０００８】
これらの目的は、独立請求項１、９、１０の主題により達成され、本発明に係る解決策をさらに発展させた有利な形態は従属請求項に示される通りである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、従動機、駆動機、及び少なくとも２つの調整器を備える可変速駆動システムが提案される。駆動機は、変速ユニットにより従動機に機械的に連結されている、又は機械的に連結可能である。少なくとも２つの調整器は、変速ユニットに機械的に連結されている、又は機械的に連結可能であり、少なくとも２つの周波数変換器のうちの１つにより運転することができる。さらに、駆動機に調整された及び／又は制御された速度変化を起こさせるために、少なくとも１つの電力供給網への駆動機の接続が一時的又は恒久的に遮断され得るように、前記少なくとも２つの周波数変換器のうちの少なくとも１つが、切替装置により駆動機に電気的に接続されている又は電気的に接続可能である。
【００１０】
本発明に係る解決策の利点は、特に、主変速機で起きる摩耗が最小限に抑えられ、主駆動部の始動中に可変速駆動部又は差動駆動部を制御することができ、また特に、可変速駆動部又は差動駆動部と主駆動部との切替を、トラクションの中断無しに行うことができることにある。
【００１１】
これにより、可変速の動力伝達装置を実現することができ、また同時に、非常に広い速度制御範囲に亘って高効率を達成し、通常運転及び始動運転に既存の機械及び電気部品を最適かつ経済的に使用する、緩やかに駆動モータを始動させる始動装置を実現することができる。電力重畳を行う本可変速変速機は、好ましくは５００ｋＷから１００ＭＷまでの電力範囲での産業用途を意図し、低域及び中域の電圧範囲で、信頼性の高い変速機部品と電気部品の利用可能性が非常に高まり、使用される駆動機をエネルギー効率良く始動させることを達成する。
【００１２】
特に、本発明の解決策は、駆動機と従動機間で回転速度を大きく増大させる速度比が必要な用途において大きな利点をもたらす。さらに、従動機の速度制御を全回転速度範囲に亘って実現する必要がない場合（例えば６０〜１００％又は８０〜１００％の場合）に特に有用である。これらの条件下では本可変速駆動システムは特に有利で経済的な特性を有する。
【００１３】
特に、本発明に係る解決策の有利な実施形態においては、前記駆動機に調整された及び／又は制御された速度変化を起こさせるために、少なくとも１つの電力供給網への駆動機の接続が一時的又は恒久的に切断可能となるように、少なくとも２つの周波数変換器が切替装置により駆動機に電気的に接続される、又は電気的に接続可能であるように規定される。言い換えると、前述の従来技術から知られる解決策に対して、本発明に係る可変速駆動システムでは、例えば少なくとも２つの周波数変換器の並列接続によって、より高い定格電力を駆動機の制御用に提供することができる。さらに、本実施形態によれば、少なくとも２つの調整器を変速ユニットに対称に噛合させることができ、通常運転用の該当する摺動軸受をより簡易な構造にすることができる。少なくとも２つの可変速駆動部を介した恒久的な対称噛合は、可変速駆動システムのコスト及び利用可能性にプラスの効果をもたらす。
【００１４】
実現が簡単でありながら効果的な、請求項１に記載の実施形態をさらに発展させたものとして、切替装置が、前記少なくとも１つの周波数変換器を前記少なくとも２つの調整器のうちの１つ及び／又は前記駆動機に電気的に接続又は切断するように構成された、及び／又は、前記駆動機を前記電力供給網のうちの少なくとも１つに電気的に接続又は切断するように構成された、少なくとも３つのスイッチング装置を備える。したがって、本実施形態の場合、可変速駆動システムに切替装置を用いており、これにより一方では上述の利点を得ることができ、しかし他方で、運転機械の様々な負荷特性について、必要とされる調整出力を電動の調整器及びそれらの関連の周波数変換器との間で分配しこれを最適化することができる。少なくとも３つのスイッチング装置によって、１又は複数の電動の調整器にエネルギーを最適化して負荷を付与する可能性が回路に与えられ、これが可変速駆動システム全体の高効率化につながる。
【００１５】
実現が簡単でありながら効果的な、請求項２に記載の実施形態をさらに発展させたものとして、切替装置が、前記少なくとも２つの周波数変換器を前記少なくとも２つの各調整器及び／又は前記駆動機に電気的に接続又は切断するように構成された、及び／又は、前記駆動機を前記電力供給網のうちの少なくとも１つに電気的に接続又は切断するように構成された、少なくとも５つのスイッチング装置を備え、及び／又は、前記切替装置が、前記少なくとも２つの周波数変換器を電気的に結合するよう構成された、少なくとも２つの結合要素を備える。この発展形態によっても、上述の実施形態の利点をすべて得ることができる。さらに、複数の電動の調整器へのエネルギーを最適化した負荷の付与が、少なくとも５つのスイッチング装置によってさらに最適化される結果、可変速駆動システム全体の効率が、上述の例示的な実施形態よりもさらに向上する。切替装置は少なくとも２つの結合要素を有するため、少なくとも２つの周波数変換器の時間的制御及び／又は調整がさらに改善される。
【００１６】
しかし、これに代えて又はこれに加えて、可変速駆動システムが、前記従動機をバイパス装置により低負荷状態に設定するように構成された制御装置を備えることも想定することができる。例えば、圧縮機やポンプ用の可変速駆動システムの場合、いわゆるバイパス装置やリリーフ管を使用することができる。媒体は、圧縮機／ポンプの吸入側と圧力側とを接続するラインを介してここへ案内され、圧力側から吸入側に戻される。かかる接続は、例えば、段階制御可能な弁又は切替弁を介して行うことができる。媒体は、好ましくは熱交換器又は冷却機を介して戻される。圧縮機又はポンプの容量すなわち電力消費はこの方策によって変化させることができる。多段圧縮機では、バイパス装置を個々の段の間に設けることもできる。このために、圧縮機にいわゆるサージ防止弁を用いて、通常運転において好ましくない圧力側から吸入側への媒体逆流を防いでもよい。可変速駆動システムの始動プロセス時に、圧縮された媒体がこれらの弁により吸入側に戻される。吸入側供給ライン及び／又は圧力側出力ラインに追加の遮断弁を設けることで、例えばパイプライン内の媒体逆流が防止される。可変速駆動システムの始動プロセス時にはまた、可変速駆動システムに設けることができる制御部は、従動機に結合可能なリリーフ装置に信号を送って、圧力側と吸入側間のバイパス装置を起動することができ、媒体の逆流を防止することができる。運転機械の負荷特性をこのように低減することにより、少なくとも２つの周波数変換器を介し、少ない制御電力で駆動機を定格速度で始動させることができる。
【００１７】
また別の好ましい実施形態では、前記駆動機と前記変速ユニットとの機械的連結が、クラッチ要素、特に、機械的又は流体力学的クラッチ要素により分離可能である。これにより、駆動機の始動プロセス中に、これまでは従動機を介して駆動機に付与されていた負荷トルクが、大幅に低減される。始動プロセス中の負荷トルク低減により、特に従動機の不都合な負荷特性（回転速度に対し一定のトルク又は線形の負荷トルク）や、必要とされる出力駆動の速度制御域が非常に低い用途の場合に、電動の調整器及び少なくとも２つの周波数変換器の所定の定格制御電力を最適に設計することができる。
【００１８】
さらにまた、前記少なくとも２つの調整器と前記変速ユニットとの前記各機械的連結が、各クラッチ要素、特に、機械的又は流体力学的クラッチ要素により好適に分離可能である。上述の実施形態と同様に、ここでも、駆動機の負荷トルクを大幅に低減することができる。
【００１９】
切替装置の別の実施形態によれば、変圧器を備えるように規定される。変圧器を相互連結することで、電力供給網と少なくとも２つの周波数変換器間にこのように存在する電圧差を解消又は補償することができる。
【００２０】
冒頭で述べた種類の可変速駆動システムの好ましい始動及び／又は運転の方法は、少なくとも次の工程を含むことができる：
ｉ）切替装置を有する少なくとも３つのスイッチング装置によって行うことができる全ての電気的接続を切断する工程と、
ｉｉ）前記少なくとも３つのスイッチング装置のうち関連の１つを切り替えることにより、少なくとも２つの周波数変換器のうち少なくとも１つを駆動機に電気的に接続する工程と、
ｉｉｉ）前記駆動機の前記少なくとも２つの周波数変換器のうち少なくとも１つにより、前記駆動機に調整された及び／又は制御された速度変化を付与及び／又は誘発する工程と、
ｉｖ）前記駆動機が所定回転速度に達した後に、切替装置を有する少なくとも３つのスイッチング装置によって行うことができる全ての電気的接続を切断する工程と、
ｖ）前記少なくとも３つのスイッチング装置のうち関連の１つを切り替えることにより前記少なくとも２つの周波数変換器のうち少なくとも１つを各調整器に電気的に接続し、かつ、前記少なくとも３つのスイッチング装置のうち関連の１つを切り替えることにより前記駆動機を電力供給網に電気的に接続する工程。
【００２１】
冒頭で述べた種類の可変速駆動システムのさらなる好ましい始動及び／又は運転の方法は、少なくとも次の工程を含むことができる：
ｉ）切替装置を有する少なくとも３つのスイッチング装置によって行うことができる全ての電気的接続を切断する工程と、
ｉｉ）前記少なくとも５つのスイッチング装置のうち割り当てられた１つ及び／又は別の割り当てられた１つを切り替えることにより、少なくとも２つの周波数変換器のうち少なくとも１つ、及び／又は、前記少なくとも２つの周波数変換器のうちの他方を駆動機に電気的に接続する工程と、
ｉｉｉ）前記駆動機の少なくとも２つの周波数変換器及び／又は前記少なくとも２つの周波数変換器のうちの１つにより、前記駆動機に調整された及び／又は制御された速度変化を付与する及び／又は誘発する工程と、
ｉｖ）前記駆動機が所定回転速度に達した後に、切替装置を有する少なくとも３つのスイッチング装置によって行うことができる全ての電気的接続を切断する工程と、
ｖ）前記少なくとも３つのスイッチング装置のうち割り当てられた１つ及び／又は別の割り当てられた１つを切り替えることにより前記少なくとも２つの周波数変換器のうち少なくとも１つを各調整器に電気的に接続し、及び／又は、前記少なくとも２つの周波数変換器のうち別の１つを別の調整器に電気的に接続し、かつ、前記少なくとも３つのスイッチング装置のうち関連の１つを切り替えることにより、前記駆動機を電力供給網に電気的に接続する工程。
【００２２】
上述の２つの方法には、先に述べた可変速駆動システム及びその好ましい実施形態と同様の利点が当てはまる。
【００２３】
さらなる好ましい方法では、前記従動機の前記負荷特性は、前記始動プロセス前にバイパス装置により低負荷状態とされる。前記駆動機の前記電力供給網への電気的接続後に、前記バイパス装置は、前記負荷低減を取り消して、前記初期負荷特性に戻すことができる。運転機械の負荷特性をこのように低減することにより、少なくとも２つの周波数変換器を介し、低減された制御電力で駆動機を定格速度で始動させることができる。
【００２４】
さらなる好ましい方法によれば、前記駆動機と変速ユニットとの機械的連結が、前記始動プロセス前に、クラッチ要素の制御により分離される。前記駆動機と前記変速ユニットとのこの機械的連結は、前記駆動機の前記電力供給網への電気的接続後に、前記クラッチ要素の制御により再接続することができる。これにより、駆動機の始動プロセス中に、これまでは従動機を介して駆動機に付与されていた負荷トルクが、大幅に低減される。始動プロセス中の負荷トルク削減により、特に従動機の不都合な負荷特性（回転速度に対し一定のトルク又は線形の負荷トルク）や、必要とされる出力駆動の速度制御域が非常に低い用途の場合に、電動の調整器及び少なくとも２つの周波数変換器の所定の定格制御電力を最適に設計することができる。
【００２５】
以下、本発明に係る可変速駆動システムの２つの例示的な実施形態が、添付の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る可変速駆動システムの例示的な第１実施形態を概略的に示す図である。
【図２】２つの調整器２．１、２．２の変速ユニット１７への連結の機械的構造と、これに連結された図１の本発明に係る可変速駆動システムの例示的な第１実施形態の駆動機１及び従動機３とを示す図である。
【図３】本発明に係る可変速駆動システムの更なる例示的な第２実施形態の電気回路を示す図である。
【図４】図１の本発明に係る可変速駆動システムの第１実施形態の電気回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明を直接理解するのに不可欠な要素のみが示されている。
【００２８】
図１に示される可変速駆動システムの概略図は、好ましくは電動誘導機である駆動機１の中心に設けられた入力軸と、従動機３の中心に設けられた出力軸とを有する変速ユニット１７を示す。
【００２９】
変速ユニット１７は、好ましくは、太陽ギア７と、遊星ギア５（以下「遊星」とも称される）を有する遊星キャリア１０と、リングギア４と、を有する遊星歯車機構として実施される。したがって、入力軸（駆動側）と出力軸（従動側）との間で同軸性が実現されている。
【００３０】
２つの調整器２．１、２．２が、分岐の各変速段１８を介して変速ユニット１７に連結され、駆動力を駆動機１に供給できるようになっている。好ましくは、２つの調整器２．１、２．２は個別の可変速電動モータである。
【００３１】
入力軸及び出力軸は遊星歯車機構に対して様々な形態で接続し、様々な異なる種類の重畳ギアを形成することができる。
【００３２】
遊星歯車セットの遊星５は重畳分岐を構成するように連結することができる。以下の種類の遊星歯車ユニットが可能である：
【００３３】
【表１】
2018521271.tif 000003
【００３４】
変速装置の適した変形例は、運転機械の各要件プロファイルによって、電力重畳のためのトルク、回転速度、及び入手可能な適宜の駆動機１に鑑みて選択される。
【００３５】
２つの調整器２．１、２．２は、各制動ユニット１９によって、制動され及び／又は解放されることができる。制動ユニット１９は、図１及び図２の可変速駆動システム内に配置されている。別の実施形態として、制動ユニット１９を可変速駆動システム外に配置してもよい。さらに、個別に制御可能な調整器２．１、２．２は、各変速段１８における適宜の分離装置（クラッチ装置１１）によって、変速ユニット１７から分離することができる。
【００３６】
各制動ユニット１９により調整器２．１、２．２を制動及び／又は解放することによって、これを通常運転中に用いて、制御経路の速度を０（ゼロ）ｒｐｍとする強い制動を行うことができる。始動プロセス中に、駆動機１、調整器２．１、２．２、及び出力機３の間で質量慣性力が不都合に分布している場合に、制動ユニット１９を用いて各調整器２．１、２．２に所定の負荷を与えることができる。この結果、変速ユニット１７の入力及び出力回転数が明確に配分される。
【００３７】
通常運転では、調整器２．１、２．２は、切替装置１３０を介して、各周波数変換器１２０、１２１に電気的に接続される。調整器２．１、２．２は、通常運転中は、各周波数変換器１２０、１２１によって可変速で運転される。
【００３８】
始動プロセス及び通常運転で必要とされる制御コマンド及び調整コマンドは、制御ユニット１５０により生成される。制御ユニットは、独立した部品として実施される。但し、制御ユニットは、周波数変換器１２０、１２１の少なくとも１つの内部又は切替装置１３０の内部に一体的に配置されることもできる。制御ユニット１５０は、始動プロセス中に必要な制御コマンドを生成し、好ましくは、切替装置１３０内で実施される切替状態を読み出し、スイッチング要件及び切替状態を互いに整合させ、その時間的シーケンスを制御し又は調整する。制御ユニット１５０は、少なくとも、周波数変換器１２０、１２１、変速ユニット１７内のクラッチ装置１１、従動機３のリリーフ装置１４０、及び制動ユニット１９に対する制御アクセスを有する。
【００３９】
従動機３のリリーフ装置１４０は、従動機３の設計次第で、（圧縮機又はファンの）流入口ガイド弁として、又は（ポンプの）バイパス装置として、設計することができる。リリーフ装置１４０は、従動機３の負荷特性のより低い負荷への変更を行う。
【００４０】
駆動機１と変速ユニット１７との間に介在するクラッチ要素１２によって、電動駆動機１と、変速ユニット１７への接続部を構成するリングギア４との機械的連結を遮断することが可能となる。これにより、従来は従動機３を介して駆動機１に付与されていた負荷トルクが、駆動機１の始動プロセス中において大幅に低減される。
【００４１】
始動プロセス中に負荷トルクが低減されることにより、特に従動機３の不都合な負荷特性（回転速度に対し一定のトルク又は線形の負荷トルク）、又は必要とされる従動機３の速度制御域が非常に低い用途の場合に、電動の調整器２．１、２．２及び周波数変換器１２０、１２１の所定の定格制御電力を最適に設計することができる。本発明の可変速駆動システムによる始動プロセス中は、制動装置１９は使用されないため、任意に省略することができる。
【００４２】
図２に示される機械的構造は、駆動軸（駆動機１）の、遊星歯車機構のリングギア４への接続を示す。従動機３の出力軸は、遊星歯車機構の太陽ギア７に接続されている。遊星５は、遊星キャリア１０に装着されている。遊星キャリア１０は、２つの可変速電動モータ、すなわち調整器２．１、２．２により、２つの平歯車段６を介して駆動される。クラッチ１１は、電動の調整器２．１、２．２を、各平歯車段６から分離させるように機能する。制動装置１９により、調整器２．１、２．２の駆動軸を変速機ハウジング９に対して直接的又は間接的に、固定し又は解放することができる。
【００４３】
遊星歯車システムのギア比
【００４４】
【数１】
2018521271.tif 000004
は、遊星歯車装置の歯数、すなわち、反転点と、必要な定格出力回転速度と、駆動回転速度との選択により得られる。遊星キャリア１０と、調整器２．１、２．２のロータ速度との速度比は、標準ギア比により決定される。
【００４５】
複数の電動の調整器２．１、２．２を用いることには、電動駆動機１の始動プロセスと可変速駆動システムの通常運転とにとっていくつかの利点がある。電動の調整器２．１、２．２の平歯車段６を介した機械的噛合の対称配置により、遊星キャリア１０への力の導入が最適化され、装着のコスト効率が改善される。さらに、少なくとも２つの電動の調整器２．１、２．２を用いることで、場合によっては限定されることがある速度運転域について機能的冗長性が得られる可能性がある。
【００４６】
始動プロセス中では、追加の調整器２．１、２．２を設けることで、回転する従動機３によって付与される負荷を低減することができる運転状態が可能となる。始動プロセス中に積極的に負荷を付与することで、制動装置１９は省略することができる場合もある。
【００４７】
図３の電気回路図は、本発明に係る可変速駆動システムの例示的な第２実施形態に関する。可変速駆動システムは、電力供給網１００と、２つの周波数変換器１２０、１２１と、それらに関連の電動の調整器２．１、２．２と、を備える。電力供給網１００の電圧レベルは、電動の調整器２．１、２．２が必要とする定格電力と、調整器の台数と、可変速駆動システムが始動プロセス中に電動駆動機１において実現する必要がある始動電力と、に依存する。周波数変換器１２０、１２１及び調整器２．１、２．２の好ましい定格電圧は、４００Ｖ〜１３．８ｋＶである。また、可変速駆動システムは、切替装置１３０を介して電動駆動機１に連結されている、又は連結することができる電力供給網１１０を有する。電力供給網１１０の必要とする電圧レベルは、電動駆動機１が必要とする定格電力、及び、既存の利用可能な電圧供給源１００、１１０に依存する。電動駆動機１の好ましい定格電圧は、１ｋＶ〜５０ｋＶの中間電圧域である。２つの周波数変換器１２０、１２１は、電力供給網１００からの電圧レベル及び周波数を変化させるように機能する。第１周波数変換器１２０は、切替装置１３０に応じて、第２電動調整器２．２又は電動駆動機１の速度制御運転を可能とする。第２周波数変換器１２１は、第１電動調整器２．１の速度制御運転を可能とする。切替装置１３０は、３つのスイッチング装置１３１、１３２、１３３とこれに関連の電気ケーブル及び接続部材を備える。第１及び第３スイッチング装置１３１、１３３は、用途によって、切替装置１３０の外部に実現、設置することもできる。切替装置１３０及びその制御ユニット１５０（図３では不図示）により、個々のスイッチング装置１３１、１３２、１３３の上位での制御及び係合が確保されている。電気部品やケーブルを保護し、許容閾値を上回る又は下回る電流及び電圧からこれら構成部品を保護する要素（図示省略）を、切替装置１３０の内部に一体的に設けてもよい。
【００４８】
可変速駆動システムが２つの周波数変換器１２０、１２１を特に電気機械的な始動補助用として用い、かつ、２つの調整器１２０、１２１を用いることで、駆動機１の電気的な加速が可能となる。
【００４９】
以下、可変速駆動システムの始動及び／又は運転の第１の方法が説明される。始動プロセス前は、電動駆動機１、従動機３、及び２つの電動の調整器２．１、２．２は、０（ゼロ）ｒｐｍに近い、又は定格速度よりかなり低い速度であることが好ましい。切替装置１３０は、３つの第１スイッチング装置１３１、１３２、１３３により、加速又は始動前に、次の電気的接続を行う：
・第１スイッチング装置１３１は、第１周波数変換器１２０と第２電動調整器２．２との間の電気的接続を遮断する。
・第２スイッチング装置１３２は、第１周波数変換器１２０と電動駆動機１との間の電気的接続を遮断する。
・第３スイッチング装置１３３は、第１電力供給網１１０と電動駆動機１との間の電気的接続を遮断する。
【００５０】
電動駆動機１を加速させる場合には、切替装置１３０は、３つのスイッチング装置１３１、１３２、１３３により、次の電気的接続を行う：
・第１スイッチング装置１３１は、第１周波数変換器１２０と第２電動調整器２．２との間の電気的接続を遮断する。
・第２スイッチング装置１３２は、第１周波数変換器１２０と電動駆動機１との間を電気的に接続する。
・第３スイッチング装置１３３は、第１電力供給網１１０と電動駆動機１との間の電気的接続を遮断する。
【００５１】
第１周波数変換器１２０と電動駆動機１との間の電気的接続により、駆動機１を可変周波数及び０（ゼロ）ボルトと第１周波数変換器１２０とその電力供給網１００の定格電圧との間の可変電圧にて、可変速で運転することができる。
【００５２】
第１周波数変換器１２０の定格電力は、その定格電圧及び定格電流により規定されるが、始動プロセス中の所定期間の間は増大させることができる。この所定期間は、主に、定格電流より大きい電流による電力半導体の熱負荷により決定される。第１周波数変換器１２０の定格電力は、始動装置の各設計により決定され、好ましくは、全ての出力電力の１０−４０％である。もし、設計によって、定格電圧ＵＮＥＮＮである電動駆動機１と定格電圧ＵＶＦＤである第１周波数変換器１２０とで定格電圧が異なるものとなる場合には、電動駆動機１の始動中に生成可能な最大トルクが、速度増加とともに減少することを考慮に入れる必要がある。この場合、電動駆動機１の定格速度において得られる最大のトルクは、
【００５３】
【数２】
2018521271.tif 000005
となる。変圧器１６０により、各定格電圧を適合させることもできる。この場合には、達成可能な最大トルクに制限は無くなる。
【００５４】
本方法をさらに進める中で電動駆動機１はその速度を上げていく。第２電動調整器２．２は、能動的に起動されないが、第１電動調整器２．１によって、その第２周波数変換器１２１を介し、遊星キャリア１０に平歯車段６を介して可変回転速度を伝達することができる。変速ユニット１７を介した電動駆動機１と従動機３との機械的連結により、従動機３側でも同様に速度が上昇する。従動機３のこの速度増加率は、第１電動調整器２．１を介して増減することができる。増減率は、通常運転で出力速度の変更に用いられる機能原則に対応する。駆動機１の始動中、従動機３は、駆動機１の所定の回転速度域について、第１可変速電動の調整器２．１により、０（ゼロ）ｒｐｍに近い速度に保たれる。この方策により、回転する従動機３によって生じる負荷モーメントを低減することが可能となる。可変速駆動システム、第１電動調整器２．１、そして特に変速ユニット１７の機械的設計によって、従動機３の回転速度を低減することが可能な駆動機１の速度範囲が決定される。また、駆動機１が定格速度で運転され第１電動調整器２．１が出力速度を最大限低減させるときに従動機３に与えられる速度も決定される。本始動方法では、制動装置１９は、使用されず、省略することができるか、又は、２つの調整器２．１、２．２の駆動軸を始動プロセス中に解放する必要がある。
【００５５】
従動機３の負荷特性（例えば、放物曲線、一定、減少、又は増大）及び出力速度によって様々な負荷が付与されるが、第１周波数変換器１２０は駆動機１を介してこれら負荷を克服し、従動機３を定格回転速度まで加速させる。必要に応じてリリーフ装置１４０を起動させることにより、制御ユニット１５０によって、従動機３の負荷特性を適合させることができる。
【００５６】
第１周波数変換器１２１及びその割り当てられた第２調整器２．１による電気機械的な始動補助によって、２つの周波数変換器１２０、１２１が必要とする全体の調整電力が最適に分配されるので、負荷特性に応じて、第１周波数変換器１２０又は第２周波数変換器１２１により多くの調整電力が提供される。
【００５７】
駆動機１が定格回転速度に近い回転速度に達した後は（±５％）、駆動機１を第２電力供給網１１０に問題なく接続することができる。駆動機１の設計によっては、回転速度の差（スリップ）及び／又は駆動機１と電力供給網１１０との位相位置を考慮する必要がある。この場合には、制御ユニット１５０がこれらの関係を確認し、必要条件が満たされた場合にのみ、切替装置１３０のスイッチング装置１３１、１３２、１３３が開閉する。
【００５８】
この場合には、切替装置１３０は、３つのスイッチング装置１３１、１３２、１３３により次の電気接続を行う：
・第１スイッチング装置１３１は、第１周波数変換器１２０と第２電動調整器２．２との間の電気的接続を遮断する。
・第２スイッチング装置１３２は、第１周波数変換器１２０と電動駆動機１との間の電気的接続を遮断する。
・第３スイッチング装置１３３は、第１電力供給網１１０と電動駆動機１との間の電気的接続を遮断する。
【００５９】
第１電力供給網１００と電動駆動機１との間にさらなる直接的又は間接的接続が無いことを確認した後、切替装置１３０は、次の電気接続を行う：
・第１スイッチング装置１３１は、第１周波数変換器１２０と第２電動調整器２．２との間を電気的に接続する。
・第２スイッチング装置１３２は、第１周波数変換器１２０と電動駆動機１との間の電気的接続を遮断する。
・第３スイッチング装置１３３は、第２電力供給網１１０と電動駆動機１との間を電気的に接続する。
【００６０】
切替装置１３０のこの切替状態は、可変速駆動システムの通常運転における通常の切替状態に対応し、駆動機１を、第２電力供給網１１０の周波数と駆動機１の巻線システム構成とにより規定されるほぼ一定の速度で運転させる。通常運転中、遊星キャリア１０を固定するのに制動装置１９を用いることができ、それによりいわゆる反転点において一定速度に設定することができる。また、電動の調整器２．１、２．２の回転速度を介して従動機３の出力速度に影響を与えるために、電動の調整器２．１、２．２の駆動軸の解放に制動装置１９を用いることもできる。
【００６１】
この目的のために、制動装置１９は、制御ユニット１５０から影響を受けている。周波数変換器１２０、１２１は、それぞれ割り当てられた電動の調整器２．１、２．２を、速度を変化させて運転し、それにより可変速度を従動機３に設定するのに用いられる。
【００６２】
２つの調整器２．１、２．２のトルクと回転速度とに影響を与えることで、変速機全体のトルク−速度特性を設計することができる。トルク−速度特性は、２つの電動の調整器２．１、２．２とクラッチ装置１１とを用いることにより、電動の調整器２．１、２．２によって実施することができ、個々の調整器２．１、２．２の間での分配を柔軟に行うことができる。効率や装置全体の利用可能性を高めるため、個々の調整器２．１、２．２をそれぞれの周波数変換器１２０、１２１による制御無しに運転することができ、及び／又は、関連のクラッチ装置１１により平歯車段６から分離することができる。
【００６３】
電動の調整器２．１、２．２の部品効率向上により、定格電力に近い電力要件での運転状態において効率を高めることができる。また、関連のクラッチ装置１１により分離することで、牽引及び摩擦による損失を低減することができる。
【００６４】
調整器２．１、２．２と、それらの関連の周波数変換器１２０、１２１との間の電気接続を切替装置１３０及び割り当てられた３つのスイッチング装置１３１、１３２、１３３により遮断することで、利用可能性が増大する。これにより、電動の調整器２．１、２．２及び／又は関連の周波数変換器１２０、１２１における電気的故障による反響を抑えることができる。
【００６５】
電動の調整器２．１、２．２での例えば遮断などの機械的不具合には、関連のクラッチ装置１１により分離することで解決することができる。
【００６６】
図４は、図１に示される本発明の可変速駆動システムの例示的な第１実施形態の電気回路図を示す。電気回路は、電力供給網１００、２つの周波数変換器１２０、１２１、及びこれらの関連の電動の調整器２．１、２．２を備える。電力供給網１００の電圧レベルは、電動の調整器２．１、２．２が必要とする定格電力と、その台数と、始動時に電動駆動機１内の可変速駆動システムによって実現する必要がある始動電力と、に基づく。周波数変換器１２０、１２１及び調整器２．１、２．２の好ましい定格電圧は、４００Ｖ〜１３．８ｋＶである。さらに、可変速駆動システムは、切替装置１３０を介して電動駆動機１に連結された又は連結可能な、電力供給網１１０を備える。電力供給網１１０が必要とする電圧レベルは、電動駆動機１が必要とする定格電力と、既存の利用可能な電圧供給源１００、１１０とに依存する。電動駆動機１の好ましい定格電圧は、１ｋＶ〜５０ｋＶの中間電圧域である。２つの周波数変換器１２０、１２１は、電力供給網１００からの電圧レベル及び周波数を変化させるように機能する。第１周波数変換器１２０は、切替装置１３０に応じて、第２電動調整器２．２又は電動駆動機１の可変速運転を可能にする。第２周波数変換器１２１は、切替装置１３０に応じて、第１電動調整器２．１又は電動駆動機１の可変速運転を可能にする。切替装置１３０は、５つのスイッチング装置１３１、１３２、１３３、１３４、１３５と、２つの電気結合要素１３６、１３７と、関連の電気ケーブル及び接続部材と、を有する。第１、第３、及び第４スイッチング装置１３１、１３３、１３４は、用途によって、切替装置１３０の外部に実現、提供することもできる。個々のスイッチング装置１３１、１３２、１３３、１３４、１３５の上位での制御及び係合は、切替装置１３０及び制御ユニット１５０（図４では不図示）により確保される。電気部品及びケーブルを保護し、許容閾値を上回る又は下回る電流及び電圧からこれら構成部品を保護する要素（図面には図示されず）を、切替装置１３０の内部に一体的に設けてもよい。好ましくはインダクタンスとして実施される結合要素１３６、１３７は、２つの周波数変換器１２０、１２１を電気的に結合させる。結合要素１３６、１３７の必要性及び設計は、周波数変換器１２０、１２１の５つのスイッチング装置１３１、１３２、１３３、１３４、１３５（いわゆる電力半導体）のカテゴリ、種類及びスイッチング特性により明確に決定される。
【００６７】
始動プロセスでは、２つの電気周波数変換器１２０、１２１は、電動駆動機１を始動させるために、切替装置１３０により電気的に結合されて、並列接続で使用される。
【００６８】
切替装置１３０では、第１及び第４電気スイッチング装置１３１、１３４が同一の制御状態で起動されて、電動の調整器２．１、２．２とそれぞれの割り当てられた周波数変換器１２０、１２１との間の電気的切断又は接続を行う。第２及び第５スイッチング装置１３２、１３５が同一の制御状態で起動されて、２つの周波数変換器１２０、１２１と駆動機１との間の電気的切断又は接続（並列接続）を行う。
【００６９】
図４に示される可変速駆動システムの実施形態は、好ましくは、調整器２．１、２．２による電気機械的な負荷軽減無しに電気のみで駆動機１を始動する方が、２つ以上の電動の調整器２．１、２．２の効率及び利用可能性に関する利点が得られそうな場合に使用される。この場合、２つの周波数変換器１２０、１２１の並列接続によって、駆動機１の制御に、より高い定格電力を使用できる。さらに、本実施形態によれば、調整器を遊星ギアの対応要素に対称に噛合させることができ、通常運転時の該当する摺動軸受をより簡易な構造にすることができる。２つの可変速調整器２．１、２．２を介した恒久的な対称の噛合は、配置のコスト及び利用可能性に好ましい効果を有する。
【００７０】
本発明は、図面に示される本発明の可変速駆動システムの例示的な実施形態に限定されず、本明細書に開示の特徴点全体のまとめとして生じるものである。
【符号の説明】
【００７１】
１  駆動機
２．１  第１調整器
２．２  第２調整器
３  従動機
４  リングギア
５  遊星
６  平歯車段
７  太陽ギア
９  変速機ハウジング
１０  遊星キャリア
１１  クラッチ装置
１２  クラッチ要素
１７  変速ユニット
１８  変速段
１９  制動ユニット
１００  第１電力供給網
１１０  第２電力供給網
１２０  第１周波数変換器
１２１  第２周波数変換器
１３０  切替装置
１３１  第１スイッチング装置
１３２  第２スイッチング装置
１３３  第３スイッチング装置
１３４  第４スイッチング装置
１３５  第５スイッチング装置
１３６  第１電気的結合要素
１３７  第２電気的結合要素
１４０  リリーフ装置
１５０  制御ユニット
１６０  変圧器
【図１】
2018521271.tif 000006
【図２】
2018521271.tif 000007
【図３】
2018521271.tif 000008
【図４】
2018521271.tif 000009
【国際調査報告】
2018521271.tif 000010
2018521271.tif 000011
2018521271.tif 000012
2018521271.tif 000013