Hydraulisch/Elektrischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen hydraulisch/elektrischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Wandler werden beispielsweise bei Wellengeneratoren eingesetzt, wie sie in der US 6,300,689 B1 beschrieben sind. Der bekannte Wellengenerator hat einen Hydrozylinder, der mit einer Boje in Wirkverbindung steht, so dass der Hydrozylinder durch den Wellengang und die entsprechende Bewegung der Boje betätigt und Druckmittel in einen Hydraulikkreis gefördert wird. Dem Hydrozylinder ist ein hydraulischer Gleichrichter zugeordnet, so dass unabhängig von der Ausfahr- oder Einfahrbewegung des Hydrozylinders Druckmittel in den Hydraulikkreis gefördert wird, um einen dem hydraulischen Gleichrichter nachgeschalteten Hydrospeicher aufzuladen und einen Konstantmotor anzutreiben. Die Abtriebswelle dieses Konstantmotors ist mit einem Generator verbunden, so dass die hydraulische Energie im vorbeschriebenen Hydraulikkreis in elektrische Energie umgewandelt wird. Da der Wellengang sowohl hinsichtlich der Wellenhöhe als auch der Frequenz stark variiert, muss eine aufwendige elektronische Schaltung zur Vergleichmäßigung der Generator-Ausgangsspannung vorgesehen werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hydraulisch/elektrischen Wandler zu schaffen, bei dem auch bei starken Schwankungen auf der Hydraulikseite eine vergleichmäßigte Ausgangsspannung am Generator erhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch einen hydraulisch/elektrischen Wandler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist der Wandler mit einer von einer Naturkraft, beispielsweise Wellengang angetriebenen Pumpe ausgeführt, über die ein Hydrospeicher aufladbar und ein Hydromotor antreibbar ist, der seinerseits einen Generator zur Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie antreibt. Erfindungsgemäß ist der Hydromotor an ein Drucknetz angeschlossen und drehzahlgeregelt, so dass der Generator durch Verstellen des Schwenkwinkels in Abhängigkeit von den

hydraulikseitigen Schwankungen in weitem Umfang mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben werden kann.

Derartige Systeme mit einem an einem Drucknetz betriebenen drehzahlgeregelten Verstellmotor werden auch als Sekundärregelung bezeichnet. Bei diesen Systemen wird die Drehzahl des Verstellmotors so geregelt, dass sie unabhängig vom jeweiligen Lastdruck bei dem im Drucknetz anliegenden Netzdruck erreicht wird. Dieser ist im Wesentlichen vom Ladezustand des Hydrospeichers abhängig. Dabei muss das Schluckvolumen des Hydromotors so lange verändert werden bis ein Gleichgewicht des Motordrehmoments mit der Last (Generator) besteht und gleichzeitig die Solldrehzahl erreicht ist.

Bei der Sekundärregelung handelt es sich dementsprechend um eine Druckkopplung mit Stromreaktion im Gegensatz zu konventionellen Antriebssystemen, bei denen eine Stromkopplung mit Druckreaktion besteht.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Drehzahlregelung elektrohydraulisch durchgeführt wird, wobei der Schwenkwinkel des Hydromotors über einen Stellzylinder verstellt wird.

Im Druckmittelströmungspfad zwischen der Pumpe und dem Hydromotor ist vorzugsweise ein hydraulischer Gleichrichter angeordnet, so dass der Hydromotor unabhängig von der Betätigungsrichtung der Pumpe mit Druckmittel versorgbar ist.

Dieser hydraulische Gleichrichter ist vorzugsweise als Wegeventil ausgeführt, das in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Pumpe umschaltbar ist.

Dieses Wegeventil ist vorzugsweise mit einer Sperrstellung ausgeführt, in der die Druckmittelverbindung zwischen Pumpe und Hydromotor unterbrochen ist.

Bei dem Regelkreis zur Ansteuerung des Hydromotors ist der Drehzahlregelung eine Lageregelung eines Stellglieds des Hydromotors unterlagert.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Drucknetz des Hydromotors auch ein Niederdruckspeicher angeordnet, so dass Kavitationen vermieden werden können.

Das Drucknetz mit dem Hydromotor und der Pumpe ist vorzugsweise als geschlossener Kreislauf ausgeführt.

Um Lekageverluste auszugleichen und das Druckmittel im Drucknetz auszutauschen, kann der Wandler mit einer Speisespüleinheit ausgeführt sein.

Die Pumpe ist vorzugsweise als ein vom Wellengang betätigter Hydrozylinder ausgeführt.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen hydraulisch/elektrischen Wandlers (Wellengenerator) und

Figur 2 eine Speisespüleinheit des Wandlers aus Figur 1.

Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Schaltschema besteht das dargestellte Ausführungsbeispiel eines hydraulisch/elektrischen Wandlers im Wesentlichen aus einer Pumpe 2, einem hydraulischen Gleichrichter 4, einem in einem Drucknetz 6 angeordneten drehzahlgeregelten Verstellmotor 8, einem von diesem angetriebenen Generator 10 und einem Regelkreis 12 zur Drehzahlregelung des Hydromotors 8.

Die Pumpe 2 ist als Gleichgangzylinder 14 ausgeführt, dessen Kolben vom Wellengang betätigbar ist. Für diese Betätigung sind unterschiedliche Modelle bekannt. So ist beispielsweise bei dem eingangs beschriebenen Wandler gemäß der US 6,300,689 B1 eine Boje mit dem Kolben eines Hydrozylinders verbunden, so dass die durch den Wellengang verursachte Auf- und Abbewegung der Boje in einen Kolbenhub umgesetzt wird. Ein derartiges System kann auch bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet werden, um den Kolben 16 des Gleichgangzylinders 14 zu betätigen. Die beiden vom Kolben 16 begrenzten Ringräume des Gleichgangzylinders 14 sind über zwei Druckleitungen 18, 20 mit dem hydraulischen Gleichrichter 4 verbunden. Dieser ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein 4/3-Wegeventil 22 ausgeführt, das durch eine Federanordnung in seine dargestellte Sperrposition vorgespannt ist, in der die

Druckmittelverbindung zwischen der Pumpe 2 und dem Hydromotor 8 unterbrochen ist. Die beiden Ausgangsanschlüsse des Wegeventils 22 sind an das Drucknetz 6 angeschlossen. Dieses Drucknetz 6 besteht im Wesentlichen aus einem Hochdruckzweig 24 und einem Niederdruckzweig 26, die mit dem Hochdruckanschluss bzw. dem Niederdruckanschluss des Hydromotors 8 verbunden sind. Im Hochdruckzweig 24 ist ein Hochdruckspeicher 28 und im Niederdruckzweig 26 ein Niederdruckspeicher 30 vorgesehen, über die der Druck im Drucknetz 6 etwa konstant gehalten werden kann und das Auftreten von Kavitationen verhindert wird.

Die Verstellung des Wegeventils 22 erfolgt über Schaltmagnete, wobei durch Umschalten in die mit (a) gekennzeichnete Schaltposition die Druckleitung 18 mit dem Hochdruckzweig 24 und die Niederdruckleitung 20 mit dem Niederdruckzweig 26 verbunden ist. Beim Umschalten in die mit (b) gekennzeichnete Schaltposition ist dann entsprechend die Druckleitung 18 mit dem Niederdruckzweig 26 und die Druckleitung 20 mit dem Hochdruckzweig 24 verbunden.

Das Umschalten des Wegeventils 22 erfolgt in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Kolbens 16. Die Kolbenbewegung wird mittels eines Wegaufnehmers 32 erfasst und über eine Steuereinheit die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens ermittelt. Das Umschalten des Wegeventils 22 erfolgt dann jeweils im oberen und unteren Totpunkt. Dieser kann sehr einfach über den Wegaufnehmer und die daraus berechnete Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens erfasst werden, da dieser im Totpunkt die Geschwindigkeit 0 hat. Das Umschalten des Wegeventils 22 erfolgt dann jeweils derart, dass der sich verkleinernde Druckraum mit dem Hochdruckzweig 24 und der sich vergrößernde Druckraum mit dem Niederdruckzweig 26 verbunden ist.

Das dem verstellbaren Hydromotor 8 zugeordnete Drucknetz 6 ist als geschlossener Hydraulikkreis ausgeführt. Um Lekageverluste auszugleichen und eine übermäßige Erwärmung des Druckmittels zu vermeiden, kann dieses über eine Speisespüleinheit 35 mit Druckmittel aus einem Tank ausgetauscht werden. Der Generator 10 wird vom Hydromotor 8 über eine Welle 34 angetrieben, so dass die hydraulische Energie in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz 36 eingespeist wird. Die Einstellung des Schwenkwinkels des Hydromotors 8 und dessen Drehzahlregelung erfolgt über eine Sekundärregelung, wobei in Figur 1 die wesentlichen Bauelemente dieses elektronischen Regelkreises 12 dargestellt sind. Die Drehzahl n _ac t des Generators 10 bzw. des Hydromotors 8 wird mit der von einer Steuereinheit 38 vorgegebenen Solldrehzahl n _COm verglichen und in einen Drehzahlregler 40

eingebracht, der beispielsweise ein PID-übertragungsverhalten aufweisen kann. Das dem Sollwert des Schwenkwinkels entsprechende Ausgangssignal des Drehzahlreglers 40 wird über einen Schwenkwinkelaufnehmer 42 erfasst und mit dem Schwenkwinkel-Istwert verglichen und die resultierende Spannungsdifferenz in den Schwenkwinkelregler 44 eingebracht. Das Ausgangssignal des Schwenkwinkelreglers 44 liefert dann die Regelspannung für einen Regelverstärker eines Servoventils 46, über den dann der Torquemotor des Servoventils 46 angesteuert wird, um den Schwenkwinkel über einen Stellzylinder 48 zu verstellen. Dieser ist ebenfalls als Gleichgangzylinder ausgeführt, wobei dessen Ringräume über das Servoventil 46 mit einer Druckmittelquelle 49 oder dem Tank T verbindbar ist.

Hinsichtlich weiterer Einzelheiten und Vorteile derartiger Sekundärregelungen sei auf die vorhandene Fachliteratur, beispielsweise den Hydrauliktrainer Band 6, „Hydrostatische Antriebe mit Sekundärregelung", Vereinigte Fachverlage Mainz, 2. Auflage 1995 verwiesen.

Figur 2 zeigt die dem Drucknetz 6 zugeordnete Speisespüleinheit 35 im Detail. Da der Grundaufbau derartiger Speisespüleinheiten beispielsweise aus der DE 10 2005 051 324 A1 bekannt ist, werden im Folgenden nur die wesentlichen Bauelemente der Einheit beschrieben.

Gemäß Figur 1 ist die Speisespüleinheit 35 mit einer Hochdruckleitung 50 an den Hochdruckzweig 24 und mit einer Niederdruckleitung 52 an den Niederdruckzweig 26 angeschlossen. Die Speisespüleinheit 35 hat eine Speisepumpe 54, die als Konstantpumpe ausgeführt ist und deren Ausgang mit einer Speiseleitung 56 verbunden ist. Der Druck in der Speiseleitung 56 kann über ein Pumpendruckbegrenzungsventil 58 auf einen Maximaldruck begrenzt werden. In der Speiseleitung 56 ist ein Druckreduzierventil 58 zum Einstellen eines Speisedrucks angeordnet. Stromabwärts des Druckreduzierventils 58 mündet die Speiseleitung 56 in eine Hochdruckzweigleitung 60 und eine Niederdruckzweigleitung 62 ein, in denen jeweils ein in Richtung zur Speisepumpe 54 sperrendes Rückschlagventil 64 bzw. 66 angeordnet ist. Die Hochdruckzweigleitung 60 mündet in die Hochdruckleitung 50 und die Niederdruckzweigleitung 62 in die Niederdruckleitung 52 ein. Die Hochdruckleitung 50 und die Niederdruckleitung 52 sind über zwei Druckbegrenzungsleitungen 68, 70 miteinander verbunden, wobei in der Druckbegrenzungsleitung 68 ein in Richtung zur Niederdruckseite öffnendes HD-

Druckbegrenzungsventil 72 und in der Druckbegrenzungsleitung 70 ein in Richtung zur Hochdruckseite öffnendes ND-Druckbegrenzungsventil 74 vorgesehen ist.

Parallel zu den beiden Druckbegrenzungsleitungen 68, 70 verläuft eine Düsenleitung 76, in der zwei zueinander beabstandete Düsen 78, 80 angeordnet sind, zwischen denen ein Tankkanal 81 zum Tank T hin abzweigt. über diese Düsen 78,80 kann jeweils eine geringe Menge Druckmittel aus dem Hochdruckzweig 24 und dem Niederdruckzweig 26 zum Tank T hin abströmen, so dass eine Erwärmung des Druckmittels im Drucknetz 6 verhindert wird.

Die Speisespüleinheit 35 hat des Weiteren noch ein Spülventil 82, das mit seinen beiden Eingangsanschlüssen an die Hochdruckleitung 50 und die Niederdruckleitung 52 angeschlossen ist. Das Spülventil 82 ist als 3/3-Wegeventil ausgeführt, wobei der Ausgangsanschluss über eine Spülleitung 84 mit dem Tank T verbunden ist. In der Spülleitung 84 sind ein Druckbegrenzungsventil 86 und eine Düse 88 angeordnet, wobei letztere zwischen dem Druckbegrenzungsventil 86 und dem Spülventil 82 vorgesehen ist. Das Umschalten des Spülventils 82 erfolgt in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckleitung 50 und der Niederdruckleitung 52. Die darin anliegenden Drücke sind an die Steuerseiten des Spülventils 82 geführt. Dabei wirkt der Druck in der Hochdruckleitung 50 in Richtung der mit (b) gekennzeichneten Schaltposition und der Druck in der Niederdruckleitung 52 in Richtung der mit (a) gekennzeichneten Schaltposition. Da üblicher Weise der Druck in der Hochdruckleitung 50 höher als in der Niederdruckleitung 52 ist, wird das Spülventil 82 in seine Schaltposition (b) verstellt, wobei dann die Spülleitung 84 mit der Niederdruckleitung 52 verbunden ist, so dass das Druckmittel in diesem Bereich über die Düse 88 und das Druckbegrenzungsventil 86 zum Tank T abströmen kann. Beim Absinken des Drucks in der Hochdruckleitung 50 unterhalb des Drucks in der Niederdruckleitung 52 wird das Spülventil 82 in seine mit (b) gekennzeichnete Position verschoben, in der dann entsprechend das Druckmittel in der Hochdruckleitung 50 und im Hochdruckzweig 24 zum Tank T abströmen kann. Dabei wird dann entsprechend der zum Tank abströmenden Druckmittelvolumenströme über die Speisepumpe 54 Druckmittel in den Hochdruckzweig 24 und den Niederdruckzweig 26 eingespeist. Die Drücke am Ausgang der Speisepumpe 54, stromabwärts des Druckreduzierventils 58, in den Leitungen 50, 52 und die Druckdifferenz über der Düse 88 werden jeweils über mit den Kreissymbolen gekennzeichnete Druckaufnehmer 90 erfasst und zur Steuereinheit 38 des Systems gemeldet.

Mit der vorbeschriebenen Lösung wird der Schwenkwinkel des Hydromotors 8 immer so verstellt, dass der Generator 10 mit der gleichen Drehzahl (beispielsweise 1500 Umderehungen/Min.) umläuft. In dem Fall, in dem die Drehzahl des Generators 10 abzufallen beginnt, wird der Schwenkwinkel kurzfristig vergrößert, um das Schluckvolumen zu erhöhen. Bei Erreichen der gewünschten Drehzahl wird dann der Schwenkwinkel wieder zurück geschwenkt.

In dem Fall, in dem der von der Pumpe 14 bereitgestellte Druck absinkt, kann dies über den Schwenkwinkel ausgeglichen werden, indem der Hydromotor 8 auf ein größeres Schluckvolumen eingestellt wird.

Offenbart ist ein hydraulisch/elektrischer Wandler mit einer von einer Naturkraft angetriebenen Pumpe, über die ein Hydrospeicher aufgeladen und ein Hydromotor angetrieben wird. Letzterer treibt einen Generator zur Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie an. Erfindungsgemäß wird die Drehzahl des Hydromotors über eine Sekundärregelung eingestellt.