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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Verbrauchers
vor Überspannungen.
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Aus
der
DE 197 35 624
C1 ist ein Verfahren bekannt zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer
Leistung aus einer Mittelfrequenzstromquelle mit einer Mittelfrequenz
f
M auf einen oder mehrere bewegte Verbraucher über eine Übertragungsstrecke
und aus den bewegten Verbrauchern zugeordneten Übertragerköpfen mit nachgeschaltetem Anpasssteller
zum Einstellen der von der Übertragungsstrecke
aufgenommenen Leistung, wobei die Übertragungsstrecke von der
Mittelfrequenzstromquelle mit einem während der Leistungsübertragung in
seinem Effektivwert konstanten Mittelfrequenzstrom gespeist wird.
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Der
Anpasssteller wandelt den aus dem Übertragerkopf eingeprägten mittelfrequenten
Strom in eine Gleichspannung. Wie in den
3,
7a und
7b und zugehöriger Beschreibung der
DE 197 35 624 C1 beschrieben,
wird der Schalter T
S synchron zum Verlauf
und mit der doppelten Frequenz des Eingangsstroms des Anpassstellers
betrieben. Ein erheblicher Nachteil ist jedoch, dass diese hohe
Schaltfrequenz 2 f
M hohe Schaltverluste
zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich das synchrone
Prinzip nicht mehr aufrecht erhalten lässt bei Verwendung mehrerer
asynchron arbeitender Einspeisungen zur Versorgung eines Anpassstellers.
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Aus
der
DE 40 08 927 C1 ist
ein Thyristor bekannt, der einen Spannungszwischenkreis kurzzuschließen vermag,
wenn ein kritischer Wert überschritten
wird. Von Nachteil ist dabei, dass nur kleine Spannungssteilheiten
erlaubt sind, da sonst der Thyristor selbsttätig durchschaltet.
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Aus
der
DE 198 25 801
A1 ist ein Gleichspannungszwischenkreis bekannt, der eine
Signalelektronik zur Bildung von Ansteuersignalen versorgt. Von
Nachteil ist dabei, dass keine Stromquelle mit hoher Spannungssteilheit
vorhanden ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei einem Anpassteller
zu erhöhen, insbesondere
soll bei einem Notfall oder bei ungewöhnlichen Betriebszuständen Brandgefahr
vermieden werden, indem ein Überspannungsschutz
vorgesehen wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der Schaltungsanordnung nach den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei der Schaltungsanordnung ist, dass sie
zum Schutz eines Verbrauchers vor Überspannungen vorgesehen ist,
- – wobei
die Energie aus einer Mittelfrequenzstromquelle über eine Übertragungsstrecke und mindestens
einen dem bewegten Verbraucher zugeordneten Übertragerkopf induktiv und
berührungslos übertragen
wird,
- – wobei
die Übertragungsstrecke
von der Mittelfrequenzstromquelle mit einem während der Leistungsübertragung
in seinem Effektivwert konstanten Mittelfrequenzstrom gespeist wird,
- – wobei
zwischen dem mindestens einen Übertragerkopf
und dem Verbraucher ein Anpasssteller geschaltet ist,
- – wobei
der Anpasssteller einen eingangsseitigen Gleichrichter aufweist,
dem eine Zwischenkreisdrossel, ein Leistungsschalter, eine Diode
und einen die Ausgangsspannung des Anpassstellers puffernden ausgangsseitigen
Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet sind,
- – wobei
der Zwischenkreisstrom je nach Leistungsbedarf des Verbrauchers
entweder über
die Diode dem Zwischenkreiskondensator zugeführt oder mittels des Leistungsschalters
vor der Diode abgeleitet wird,
- – wobei
parallel zum Leistungsschalter eine Reihenschaltung einer weiteren
Diode und eines Thyristors angeordnet ist,
- – wobei
die Anode des Thyristors über
einen Widerstand mit dem ausgangsseitigen Zwischenkreiskondensator
verbunden ist um zu verhindern, dass die am Leistungsschalter anliegende,
eine hohe Spannungsänderung
pro Zeiteinheit aufweisende Spannung ein Zünden des Thyristors auslöst, und
- – wobei
die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator mit einem festen oder
vorgebbaren Wert verglichen wird und bei Überschreiten dieses Wertes
der Thyristor zum Ableiten des Zwischenkreisstromes eingeschaltet
wird.
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Von
Vorteil ist dabei, dass im Notfall der Überspannungsschutz aktiv wird.
Beispielsweise ist ein solcher Notfall bei Ausfall der Niederspannungsversorgung
für die
Ansteuerung des Schalters gegeben oder bei einem Reglerdefekt oder
dergleichen. Dabei steigt die Spannung am Zwischenkreiskondensator
an und kann gefährliche
Werte erreichen. Auch bei einer Überlastung
der gesamten Anlage und/oder wenn der Anpassteller unterversorgt
ist, kann dies unter Umständen
geschehen. In diesen Fällen
wird dann vorteiligerweise der Zwischenkreisstrom abgeleitet und
ein weiteres Ansteigen der Spannung am Zwischenkreiskondensator
verhindert.
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Weiterer
Vorteil ist, dass der Überspannungsschutz
verschleißfrei
ausführbar
ist und keine mechanischen Teile, wie Relais oder dergleichen eingesetzt
werden müssen.
Insbesondere ist Funkenbildung verhindert und der Betrieb in explosionsgefährdeten
Bereichen ermöglicht.
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Bei
Notfällen,
die nicht durch Versagen oder Zerstörungen verursacht sind, ist
sogar nach Reset des Anpassstellers oder nach Ausschalten der Anlage
und/oder Beseitigen der Ursache eine Wiederverwendung des Anpasstellers
vorteilhaft ausführbar.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der elektronische Leistungsschalter ein Thyristor, der nach
Zünden
erst bei Verschwinden des durch ihn abgeleiteten Stromes gesperrt
wird. Von Vorteil ist dabei, dass er kostengünstig ist und nach Zünden keine
weitere Ansteuerung notwendig ist.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Signalelektronik
zur Erzeugung des Ansteuersignals für den elektronischen Leistungsschalter
aus der Spannung am Zwischenkreiskondensator versorgt. Von Vorteil
ist dabei, dass keine spezielle Spannungsversorgung, wie Notstrom-Batterie
oder dergleichen, notwendig ist.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Signalelektronik
zur Erzeugung des Ansteuersignals für den elektronischen Leistungsschalter
eine Mitkopplung. Von Vorteil ist dabei, dass nach Überschreiten
der kritischen Spannung der Überspannungsschutz
aktiviert ist und sich selbst stabilisiert.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der jeweilige
Schalter derart geschaltet, dass die Schaltfrequenz 1/T kleiner
ist als die zweifache Mittelfrequenz, also 1/T < 2fM. Von Vorteil
ist dabei, dass die Schaltverluste geringer sind als bei Verfahren,
die eine Schaltfrequenz von 2fM voraussetzen
und dass nicht nur synchron, sondern auch mehrere asynchron arbeitende
Einspeisungen zur Versorgung eines Anpassstellers einsetzbar sind. Außerdem ist
der Stromfluss mittels eines einzigen Schalters steuerbar.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Schaltfrequenz
1/T als Wert zwischen 0,5 fM und 1,5 fM gewählt.
Von Vorteil ist dabei, dass bei möglichst geringen Schaltverlusten
eine Zwischenkreisdrossel mit möglichst
kleiner Baugröße einsetzbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Schalten
des Schalters periodisch mit einer Frequenz 1/T und asynchron zu einer
oder mehreren mittelfrequenten Einspeisungen derart ausgeführt, dass
kein konstanter Phasenbezug zu den Strömen einer oder mehrerer Einspeisungen
vorhanden ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Verfahren robust
ausführbar
ist und Mittel zur Synchronisation einsparbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Zwischenkreisdrossel
derart ausgelegt, dass der Zwischenkreisstrom im Betrieb nicht lückt. Von
Vorteil ist dabei, dass trotz der obengenannten niedrigen Schaltfrequenz
ein kontinuierlicher Leistungsfluss gewährleistet ist.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Frequenzen
der mittelfrequenten Einspeisungen Abweichungen um fM auf. Von
Vorteil ist dabei, dass die Einspeisungen nicht zueinander synchronisiert
werden müssen.
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Wichtig
ist bei der Schaltungsanordnung auch, dass die Mittel zur Ansteuerung
des jeweiligen Schalters keine Mittel zur Synchronisation auf die mittelfrequenten
Einspeisungen umfassen. Von Vorteil ist dabei, dass die Ansteuerung
einfach, kostengünstig
und insbesondere robust gegen Störeinflüsse bei
asynchron arbeitenden Einspeisungen ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
entspricht die Anodenspannung des Thyristors dem Maximum aus Spannung
am Zwischenkreiskondensator und Spannung am Schalter. Von Vorteil
ist dabei, dass keine gefährlich
hohen Spannungsänderungen
pro Zeit am Thyristor auftreten.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Anode des Thyristors über
eine Diode mit mindestens einer Zwischenkreisdrossel verbunden und
ist die Anode des Thyristors über
einen Widerstand mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Von
Vorteil ist dabei, dass die Diode den Bereich des von der Zwischenkreisdrossel
gleichgerichteten Stromes und den Bereich der Verbraucherspannung entkoppelt.
Somit ist vorteiligerweise der Thyristor im sperrenden Zustand mit
einer Spannung ohne gefährlich
hohe Spannungsänderungen
pro Zeit versorgt und im leitenden Zustand ist der Zwischenkreisstrom
mittels der genannten Diode über
den Thyristor ableitbar.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Mittel
zur Ansteuerung des jeweiligen Schalters einen Modulator mit zeitlich
linear verlaufenden An- und Abstiegsflanken, wobei der Betrag der
Steigung der An- und Abstiegsflanken unterschiedlich wählbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass insbesondere ein einfach und kostengünstig zu
generierendes sägezahnförmiges Modulatorsignal
verwendbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform weist ein Anpasssteller
mehrere Einspeisungen auf, die jeweils einen Gleichrichter speisen,
deren Ausgangsströme
jeweils über
eine Zwischenkreisdrossel zusammengeführt werden und dass ein Schalter
derart nachgeschaltet ist, dass der Zwischenkreisstrom je nach Leistungsbedarf
des an dem Anpasssteller angeschlossenen Verbrauchers entweder einem
die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers
puffernden Zwischenkreiskondensator zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator
abgeleitet wird. Von Vorteil ist dabei, dass nicht nur synchron,
sondern auch asynchron arbeitenden Einspeisungen einsetzbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Ausgangsspannungen zweier
oder mehrerer Anpasssteller über
Dioden parallelgeschaltet zur Versorgung eines Verbrauchers. Von
Vorteil ist dabei, dass die zur Verfügung stellbare Leistung beliebig
erhöhbar
ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Anode des Thyristors über
eine Diode mit mindestens einer Zwischenkreisdrossel verbunden. Von
Vorteil ist dabei, dass somit eine Entkoppelung des Wechselanteils,
insbesondere des hochfrequenten Spannungsanteils, erreichbar ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Anode des Thyristors über
einen Widerstand mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Von
Vorteil ist dabei, dass die Spannungsänderung pro Zeit dU/dt unter
einen derart kritischen Wert begrenzbar ist, dass kein Zünden des
Thyristors infolge solch kritisch hoher Spannungsänderungen
pro Zeit dU/dt ausgelöst
wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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1 zeigt
ein beispielhaftes Prinzipschaltbild zur berührungslosen Energieübertragung
mit einem Anpasssteller 6.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Prinzipschaltbild des Anpassstellers mit Thyristor
zum Schutz vor Überspannungen.
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3 zeigt
für ein
Ausführungsbeispiel
ein Prinzipschaltbild der Regelung und Ansteuerung des Anpassstellers.
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4 zeigt
die Generierung des zugehörigen
Thyristor-Ansteuersignals.
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5 zeigt
einen erfindungsgemäßen beispielhaften
Schaltplan des gesamten Überspannungsschutzes.
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1 zeigt
ein erstes beispielhaftes Prinzipschaltbild zur berührungslosen
Energieübertragung mit
einem Anpasssteller 6. Es umfasst einen stationären und
einen beweglichen Teil.
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Der
stationäre
Teil umfasst einen Einspeisesteller 1, einen Gyrator 2,
einen Anpasstransformator 3 und eine Übertragungsstrecke 4.
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Der
Einspeisesteller 1 wandelt die aus dem Drehstromnetz (L1,
L2, L3) aufgenommene niederfrequente Wechselspannung in eine mittelfrequente Spannung
UA mit konstanter Mittelfrequenz fM, die beispielhaft 25kHz beträgt. Ein
dem Einspeisesteller 1 nachgeschalteter, resonant betriebener
Reihenschwingkreis, der sogenannte Gyrator 2, stellt eine spannungsgesteuerte
Stromquelle IA dar. Die Gyrator-Kapazität CG und die Gyrator-Induktivität LG werden entsprechend der Mittelfrequenz
fM und der Nennleistung des Einspeisestellers 1 ausgelegt.
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Die
Stromquelle IA speist einen Anpasstransformator 3,
dessen Übersetzungsverhältnis Ü derart ausgelegt
ist, dass in der Übertragungsstrecke 4 ein in
seinem Effektivwert konstanter Mittelfrequenzstrom IÜ fließt, unabhängig von
der Nennleistung des Einspeisestellers 1.
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Der
bewegliche Teil umfasst einen Übertragerkopf 5 mit
Kompensationskondensator, einen Anpasssteller 6 und einen
Verbraucher 7. Die Übertragungsstrecke 4 weist
einen langgestreckten Leiter auf, an den Spulenwicklungen des Übertragerkopfes 5 derart
induktiv gekoppelt sind, dass eine Energieübertragung an das bewegliche
Teil stattfindet. Dabei weist der Übertragerkopf 5 eine
Windungszahl w2 auf, wodurch die Stromstärke einer
Einspeisung am Anpasssteller 6 bestimmt ist.
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Der
Anpasssteller 6 wandelt den aus dem Übertragerkopf 5 eingeprägten mittelfrequenten Strom
in eine Gleichspannung U=. Diese Spannung wird
in einem Ausführungsbeispiel
zur Speisung eines herkömmlichen
Frequenzumrichters als Verbraucher 7 verwendet, um einen
drehzahlverstellbaren Antrieb auf dem beweglichen Teil zu realisieren.
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Der
von der Übertragungsstrecke 4 auf
den Übertragerkopf 5 übertragene
Strom stellt eine Einspeisung 21 dar. Dieser Strom wird
entsprechend der 2 in einem Gleichrichter 22 des
Anpassstellers 6 gleichgerichtet, mit einer Zwischenkreisdrossel 23 geglättet und
je nach Leistungsbedarf des an dem Anpasssteller 6 angeschlossenen
Verbrauchers 7 mittels eines Schalters 25 entweder
dem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers 6 puffernden Zwischenkreiskondensator 27 zugeführt oder
vor diesem Zwischenkreiskondensator 27 abgeleitet.
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In
der 2 ist außerdem
als elektronischer Leistungsschalter ein Thyristor Thy gezeigt,
mit dem der über
die Diode V3 den mit der Zwischenkreisdrossel 23 geglätteten Strom
im Falle einer am Verbraucher 7 auftretenden, unerlaubt
hohen Ausgangsspannung U=, also einer Überspannung,
durchleitbar ist. Die Generierung des zugehörigen Ansteuersignals ThyEin des Thyristors Thy ist in 4 skizziert. Dabei
wird die Ausgangsspannung U= mit einem maximal
erlaubten Spannungswert UMax verglichen.
Bei Überschreiten
dieses maximal erlaubten Spannungswerts UMax wird
dann der Thyristor Thy gezündet.
Erst wenn der durch den Thyristor abgeleitete Strom verschwindet
oder kleiner als der Haltestrom wird, sperrt der Thyristor Thy wieder.
Dies ist beispielsweise dadurch bewirkbar, dass der Schalter (S,
V1) geschlossen wird.
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In
der 2 ist außerdem
ein Widerstand R1 gezeigt, der die Schwankungen der am Thyristor
Thy anliegenden Spannung beseitigt oder zumindest stark vermindert,
insbesondere den Hochfrequenzanteil der am Thyristor Thy anliegenden
Spannung stark bedämpft.
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Bei
Notfällen,
wie beispielsweise einer Überlastung
des Einspeisestellers, einer Unterversorgung des Anpassstellers,
einem Kurzschluss in der Niederspannungsversorgung der Signalelektronik
des Anpassstellers, die zum Erzeugen der Ansteuersignale für den Schalter
(S, V1) dient, oder bei Ausfall eines wesentlichen Teiles in dieser
Signalelektronik, kann die Spannung am Zwischenkreiskondensator gefährlich hohe
Werte erreichen und zu Zerstörungen
führen.
Der erfindungsgemäße Überspannungsschutz
verhindert solche Zerstörungen.
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3 zeigt
für ein
Ausführungsbeispiel
ein Prinzipschaltbild der Regelung und Ansteuerung des Schalters 25 des
Anpassstellers. Dabei sind nichtlineare Glieder doppelt und lineare
Glieder einfach umrahmt.
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Der
lineare Teil umfasst die Komponenten P-Spannungsregler der Verstärkung KU, Lastaufschaltung mit einer Verzögerungszeitkonstanten
T3 und Dämpfungsglied,
umfassend Verzögerungsglied mit
Zeitkonstante T2 und Proportionalglied der
Verstärkung
KD.
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Der
nichtlineare Teil umfasst einen Modulator und ein Zweipunktglied,
das ein Einschaltsignal Sein für den Schalter 25 generiert.
Die Eingangsgröße des Zweipunktglieds
wird aus der Differenz eines sägezahnförmigen Modulatorsignals
ISZ und einem Steuersignal ISt gebildet.
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Die
Amplitude des sägezahnförmigen Modulatorsignals
ist bestimmt durch das geglättete
Signal IZV des Zwischenkreisstromes. Die
Frequenz 1/T des Modulatorsignals wird asynchron zur Frequenz fM der Einspeisung 21 vorgegeben.
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Das
Steuersignal ISt besteht aus der Summe der
Ausgangssignale des P-Spannungsreglers, der Lastaufschaltung und
des Dämpfungsglieds.
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Das
Ausgangssignal des P-Spannungsreglers ergibt sich durch die mittels
eines Proportionalglieds gewichtete Differenz zwischen Sollspannung Usoll und Ausgangsspannung U= des
Anpassstellers.
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Zur
Bildung des Ausgangssignals der Lastaufschaltung wird der Ausgangsstrom
I= des Anpassstellers einem Verzögerungsglied
mit Verzögerungszeit
T3 zugeleitet.
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Das
Ausgangssignal des Dämpfungsglieds ergibt
sich durch die mittels eines Proportionalglieds gewichtete Differenz
von Zwischenkreisstrom IZ und geglättetem Signal
IZV des Zwischenkreisstromes. Die Verstärkung des
Proportionalglieds beträgt
KD.
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Dabei
gewährleistet
die Regelung und Ansteuerung folgende vorteilhafte Funktionen:
Der
Spannungsregler ist als einfacher P-Regler ausgeführt, da
die Lastaufschaltung vorsteuernd das Einschaltsignal Sein des
Schalters 25 vorgibt, wodurch der Spannungsregler weitgehend
entlastet ist.
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Das
Dämpfungsglied
bedämpft
Eigenschwingungen des Zwischenkreisstromes IZ in
der aus induktivem Übertragerkopf 5 mit
Kompensationskondensator, Gleichrichter 22 und Zwischenkreisdrossel 23 bestehenden
schwingungsfähigen
Anordnung.
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In
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird statt des sägezahnförmigen Modulatorsignals
ISZ ein periodisches Modulatorsignal mit
zeitlich linear verlaufenden An- und Abstiegsflanken verwendet,
wobei der Betrag der Steigung der An- und Abstiegsflanken unterschiedlich
wählbar ist.
Bei gleichem Betrag der Steigung der beiden Flanken ergibt sich
ein dreieckförmiger
Verlauf.
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Im
Gegensatz zur
DE 197
35 624 C1 ist also nicht nur ein solches dreieckförmiges Modulatorsignal
verwendbar, sondern insbesondere das in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
eingesetzte, einfach zu generierende, sägezahnförmige Modulatorsignal.
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Bei
den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
werden Amplitude und Periodendauer T jeweils wie beim beschriebenen
sägezahnförmigen Modulatorsignal
gewählt.
Dabei wird die Periodendauer T als fester Wert aus einem 10%-breiten
Toleranzband um 1/fM herum gewählt. Somit
ist das Schalten des Schalters 25 asynchron zum Verlauf des
Stromes der Einspeisung 21. Es liegt kein fester Phasenbezug
vor.
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Die
Schaltverluste des elektronisch ausgeführten Schalters 25 sind
im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz 1/T. Aufgrund
der großen
verwendeten Periodendauer T ergeben sich also stark reduzierte Schaltverluste.
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Die
Dimensionierung der Zwischenkreisdrossel ist bestimmt durch die
Verwendung der großen
Periodendauer T, dem asynchronen Betrieb und der Forderung, dass
der Zwischenkreisstrom im Betrieb nicht lückt, um einen kontinuierlichen
Leistungsfluss zu gewährleisten.
Von Vorteil ist bei diesem 10%-breiten Toleranzband, dass bei möglichst
geringen Schaltverlusten die Zwischenkreisdrossel eine möglichst
kleine Baugröße aufweist.
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Bei
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist als Periodendauer T auch ein Wert aus einem 50%-breiten Toleranzband
um 1/fM verwendbar.
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In
der 5 ist als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ein Schaltplan
des gesamten Überspannungsschutzes
mit Generierung des Ansteuersignals gezeigt.
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Im
Normalbetrieb ist der Überspannungsschutz
nicht aktiv, da die Spannung am Zwischenkreiskondensator keinen
kritischen Wert erreicht. Wenn jedoch im Notfall die Niederspannungsversorgung
für die
Ansteuerung des elektronischen Schalters V1 ausfällt oder fehlerhaft arbeitet,
beispielsweise bei einem Reglerdefekt oder dergleichen, steigt die
Spannung am Zwischenkreiskondensator und kann gefährliche
Werte erreichen. Auch bei einer Überlastung der
gesamten Anlage und/oder wenn der Anpassteller unterversorgt ist,
kann dies unter Umständen
geschehen. In diesen Fällen
wird der Überspannungsschutz
aktiv.
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Aus
der durch den Zwischenkreiskondensator C6 geglätteten Spannung wird über den
Vorwiderstand R9 und die Zenerdiode V8 eine Spannungsversorgung
für die
im Folgenden beschriebene Signalelektronik des Überspannungsschutzes gebildet.
Dabei glättet
der Kondensator C5 die an der Zenerdiode V8 anliegende Spannung.
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Der
aus den Widerständen
R7 und R8 gebildete Spannungsteiler erzeugt aus der Zwischenkreis spannung
eine Signalspannung, die einen von der Signalelektronik ausgewerteten
Messwert für
die Zwischenkreisspannung darstellt und durch den Kondensator C4
gefiltert und/oder geglättet
wird.
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Diese
Signalspannung wird einerseits von der, aus der Diode V7 und dem
Widerstand R6 gebildeten Mitkopplung beeinflusst und dient andererseits als
Eingang für
den Shuntregler N1.
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Im
Wesentlichen schaltet der Shuntregler N1 ab Erreichen eines kritischen
Spannungswerts. Der Ausgang des Shuntreglers N1 wird von einem Spannungs-Pegelumsetzer,
der aus dem Transistor V6 und den Widerständen R4 und R5 gebildet ist,
invertiert, dient als Mitkopplung (V7, R6), die die Spannung am
Kondensator C4, also am Eingang des Shuntreglers N1, erhöht und somit
den aktivierten Zustand des Überspannungsschutzes
stabilisiert, und wird dem Gate eines Feldeffekttransistors V5 zugeführt. Dieser
Feldeffekttransistor V5 bildet eine Vorstufe zur Ansteuerung des
Thyristors V4. Die Gleich- und Wechselspannungsanteile der Spannung
am Gate des Feldeffekttransistors V5 werden vom Widerstand R3 und
dem Kondensator C1 auf näherungsweise
Null gebracht.
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Der
Widerstand R1 stabilisiert die an der Anode des Thyristors V4 anliegende
Spannung auf das Niveau der am Zwischenkreiskondensator C6 anliegenden
geglätteten
Spannung. Somit werden keine unzulässig hohen Spannungsänderungen
pro Zeit dU/dt erreicht, die den Thyristor V4 zünden oder beschädigen könnten.
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Der
Widerstand R2 senkt die Spannung am Gate derart ab, dass der Thyristor
V4 gesperrt gehalten wird, solange der Feldeffekttransistor V5 gesperrt bleibt.
Wird der Feldeffekttransistor V5 leitend, wird auch der Thyristor
V4 gezündet
und leitet dann den Zwischenkreisstrom über die Diode V3 ab. Der Thyristor
V4 geht erst nach Unterschreiten des Haltestromes oder Verschwinden
des durch ihn geleiteten Stromes wieder in den sperrenden Zustand.
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Die
Kondensatoren C2 und C3 dienen wiederum der Entstörung.
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Zusammenfassend
arbeitet der Überspannungsschutz
also derart, dass nach Überschreiten
einer kritischen Spannung am Zwischenkreiskondensator C6 der Thyristor
V4 gezündet
wird. Erst nach Absinken der Zwischenkreisspannung unter den maximal
erlaubten Spannungswert UMax und nach Unterschreiten
des Haltestromes oder Verschwinden des durch den Thyristor fließenden Stromes
kann der Thyristor V4 wieder sperren.
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Dieses
Unterschreiten des Haltestromes oder Verschwinden des Stromes kann
beispielsweise dadurch geschehen, dass der Schalter V1 durchgeschaltet
wird oder dadurch, dass der Anpasssteller stromlos wird.
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Bei
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist statt des Feldeffekttransistors V5 ein IGBT, ein Bipolartransistor
oder ein entsprechender elektronischer Schalter einsetzbar. Außerdem sind
alle Teile und Komponenten durch andere Komponenten ersetzbar, die
ein äquivalentes,
entsprechendes Verhalten aufweisen. Insbesondere muss die Durchlassspannung
am Schalter V1 bei Deaktivierung des Überspannungsschutzes kleiner
sein als die Summe der Durchlassspannungen von der Diode V3 und
des Thyristors V4 bei Unterschreiten des Haltestromes des Thyristors
V4.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
sind auch zwei oder mehr Einspeisungen verwendbar. Dabei werden
die eingespeisten Ströme
jeweils in einem Gleichrichter gleichgerichtet, mit jeweils einer
Zwischenkreisdrossel geglättet
und zusammengeführt.
Je nach Leistungsbedarf des an dem Anpasssteller angeschlossenen
Verbrauchers wird der Zwischenkreisstrom IZ mittels
eines einzigen Schalters entweder dem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers puffernden Zwischenkreiskondensator
zugeführt
oder vor diesem Zwischenkreiskondensator abgeleitet.
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Auf
diese Weise sind nicht nur zwei synchron arbeitende, sondern auch
zwei asynchron arbeitende Einspeisungen zur Versorgung des Anpassstellers einsetzbar.
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Die Übertragerköpfe entnehmen
also bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel Energie aus
derselben Strecke. In diesem Fall arbeiten die Einspeisungen synchron.
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Die Übertragerköpfe entnehmen
bei einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel Energie
aus zwei verschiedenen Strecken. Dabei wird jede Strecke von einem
Einspeisesteller versorgt, wobei die Frequenzen der Mittelfrequenzstromquelle
der jeweiligen Einspeisesteller zumindest kleine Abweichungen aufweisen.
Die Einspeisungen arbeiten asynchron. Dieser Betrieb wird durch
die Glättung
des jeweiligen gleichgerichteten Stromes der entsprechenden Einspeisung
mittels jeweils einer Zwischenkreisdrossel vor der Zusammenführung der
Ströme
ermöglicht.
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In
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
entnehmen die Übertragerköpfe Energie
aus mehreren verschiedenen Strecken. Dabei wird wiederum jede Strecke
von einem Einspeisesteller versorgt, wobei die Frequenzen der Mittelfrequenzstromquelle
der jeweiligen Einspeisesteller wieder kleine Abweichungen aufweisen.
Die Einspeisungen arbeiten asynchron. Dieser Betrieb wird wiederum
nur durch die Glättung
des jeweiligen gleichgerichteten Stromes der entsprechenden Einspeisung
mittels jeweils einer Zwischenkreisdrossel vor der Zusammenführung der
Ströme
ermöglicht.
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Die
gezeigten und beschriebenen Schaltbilder und Regelungen sind nur
als Prinzipschaltbilder zu verstehen. Dem Fachmann ist die Auslegung
und Abänderung
zur praktischen Realisierung der Erfindung geläufig.
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Bei
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
weicht die Mittelfrequenz vom beispielhaft genannten Wert von 25
kHz ab. Auch Mittelfrequenzen im Bereich von 10 kHz bis 50 kHz sind technisch
ausführbar.
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- 1
- Einspeisesteller
(ESS)
- 2
- Gyrator
- 3
- Anpasstransformator
- 4
- Übertragungsstrecke
- 5
- Übertragerkopf
mit Kompensationskondensator
- 6
- Anpasssteller
(APS)
- 7
- Verbraucher
- 21
- Einspeisung
- 22
- Gleichrichter
- 23
- Zwischenkreisdrossel
- 25,
S, V1
- Schalter
- C6,
27
- Zwischenkreiskondensator
- I=
- Ausgangsstrom
des Anpassstellers
- IZ
- Zwischenkreisstrom
- IZV
- geglättetes Signal
des Zwischenkreisstromes
- ISZ
- sägezahnförmiges Modulatorsignal
- IST
- Steuersignal
- IA
- Stromquelle,
Ausgangsstrom des Gyrators
- IÜ
- Strom
in der Übertragungsstrecke
- Usoll
- Sollspannung
- U=
- Ausgangsspannung
des Anpassstellers
- UA
- Ausgangsspannung
des Einspeisesteller
- CG
- Gyrator-Kapazität
- LG
- Gyrator-Induktivität
- Ü
- Übersetzungsverhältnis des
Anpasstransformators
- w2
- Windungszahl
des Übertragerkopfes
- fM
- Mittelfrequenz
- KD
- Verstärkung des
Dämpfungsglieds
- KU
- Verstärkung des
Spannungsreglers
- T2
- Zeitkonstante
des Dämpfungsglieds
- T3
- Verzögerungszeitkonstante
der Lastaufschaltung
- Sein
- Einschaltsignal
für Schalter
- R1,
R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9
- Widerstand
- C1,
C2, C3, C4, C5
- Kondensator
- V2,
V3, V7
- Diode
- V4
- Thyristor
- V5
- Feldeffekttransistor
- V6
- Transistor
- V8
- Zenerdiode
- N1
- Shuntregler