DE102005061568B4

DE102005061568B4 - Übertragungsanordnung für den Austausch von Informationsdaten zwischen einem elektrischen Verbraucher und einem vorgeordneten Umrichter

Info

Publication number: DE102005061568B4
Application number: DE102005061568A
Authority: DE
Inventors: Hubert Schierling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005061568A1; US7825533B2; US20080309158A1; WO2007073978A1; EP1964277A1

Abstract

Übertragungsanordnung für den Austausch von Informationsdaten zwischen einem elektrischen Verbraucher (1), an dem sich ein Sender (2) befindet, und einem Umrichter (3), an dem sich ein Empfänger (4) befindet, über ein Versorgungskabel (5), das mit einem Sinusfilter (6), umfassend Längsdrosseln (7) und Filterkondensatoren (8), geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in den Stromkreis, der vom Sender (2), einem Phasenleiter des Versorgungskabels (5) und dem Empfänger (4) gebildet wird, empfängerseitig ein induktives Bauelement (9) eingefügt ist, dessen Kern bereits bei einem wesentlich unter dem Nennstrom des elektrichen Verbrauchers (1) liegenden Strom in die Sättigung geht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsanordnung für den Austausch von Informationsdaten zwischen einem elektrischen Verbraucher, an dem sich ein Sender befindet, und einem Umrichter, an dem sich ein Empfänger befindet, über ein Versorgungskabel, das mit einem Sinusfilter, bestehend aus Längsdrosseln und Filterkondensatoren, beschaltet ist. Die Verbraucher können insbesondere elektrische Antriebsmaschinen, aber auch andere drei- oder einphasige Verbraucher, wie Magnetventile, Schalter etc., sein.
Für einen Umrichter kann die Kenntnis von Daten der nachgeordneten Verbraucher sehr wichtig sein. Es werden deshalb Mittel zum Austausch von Informationsdaten zwischen einem elektrischen Verbraucher und einem, zwischen dem Verbraucher und dem elektrischen Versorgungsnetz angeordneten, Betriebsmittel eingesetzt, die der automatischen Erkennung von Verbraucherdaten, zum Beispiel von Typenschilddaten einer elektrischen Antriebsmaschine, dienen.
Der Verbraucher enthält eine Verbrauchererkennungseinheit, die mindestens ein solches digitales Typenschild umfasst, das in einem elektronisch lesbaren Speichermittel gespeichert ist. Sie ist über Koppelimpedanzen an die Versorgungsleitungen zwischen Verbraucher und Umrichter angekoppelt, über die die Daten von einem Sender in der Verbrauchererkennungseinheit nach Initialisierung durch den Umrichter mittels einer über der Netzfrequenz liegenden Trägerfrequenz auf die Spannung der Versorgungsleitungen, das heißt, auf zwei Phasenleiter des Versorgungskabels, aufmoduliert werden.
So ist beispielsweise in der DE 197 30 492 A1 beschrieben, Informationen über die Antriebsmaschine, wie beispielsweise Typinformationen oder Inbetriebnahmeinformationen, in einer in der Antriebsmaschine angeordneten Speichereinheit abzuspeichern. Das bietet den Vorteil, dass Informationen über die Antriebsmaschine durch Auslesen der Speichereinheit automatisierbar zur Verfügung stehen.
In der DE 102 43 563 A1 wurde vorgeschlagen, die Informationen von einer Antriebsmaschine zu einem Steuergerät (Umrichter) oder dergleichen über eine der elektrischen Energieversorgung dienende Zuleitung zu übertragen. Vorteilhaft kann so auf eine zusätzliche Datenleitung verzichtet werden. Die Initialisierung der Datenübertragung erfolgt durch das vorgeordnete Steuergerät, ebenfalls über die Energieversorgungsleitungen, wobei für die Datenübertragung insbesondere ein spannungsloser Zustand der Zuleitungen genutzt wird. Als Koppeleinheit dient eine elektrische Spule oder eine kapazitive Kopplung zwischen den Kabeladern.
Eine ähnliche Maßnahme ist aus der DE 199 11 217 A1 bekannt, nach der die Informationen von einem Umrichter mit einer höheren Frequenz auf eine Versorgungsleitung aufmoduliert und zu mindestens einem weiteren Umrichter, Zentralrechner oder ähnlichen Gerät, übertragen werden.
Aus der DE 742 845 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Steuerimpulsen in Wechselstromverteilungsnetzen bekannt, bei der zur Erzeugung eines Steuerimpulses eine Sättigungsdrossel zeitweise in das Versorgungsnetz geschaltet wird.
Aus der CH 320 538 ist weiterhin bekannt, dass die aus der DE 742 845 bekannte Vorrichtung verbessert werden kann, indem die Sättigungsdrossel mit einem Kondensator in Reihe geschaltet wird.
Die Anordnungen arbeiten mit einem spannungseinprägenden Frequenzumrichter. Spannungseinprägende Frequenzumrichter werden insbesondere zur spannungs- und frequenzgesteuerten Stromversorgung von Drehfeldmaschinen eingesetzt. Sie arbeiten mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis und einem gesteuerten Wechselrichter, der mit Leistungshalbleiterschaltern ausgerüstet ist. Als Leistungshalbleiterschalter werden Leistungs-FETs oder IGBTs eingesetzt, die sehr schnell zu schalten vermögen. Das hat zwar den Vorteil sehr geringer Schaltverluste, bringt aber wegen der hohen dU/dt-Belastung der angeschlossenen Kabel zwischen Wechselrichter und Drehfeldmaschine auch Probleme für die Isolationsmaterialien mit sich und führt gegebenenfalls auch zu elektromagnetischer Beeinflussung benachbarter Signalkabel und Einrichtungen.
Es ist deshalb z. B. aus der DE 196 11 418 C1 bekannt, zur Beherrschung dieser Probleme sogenannte Sinusfilter einzusetzen. In der einfachsten Ausführungsform besteht ein Sinusfilter aus einer dreiphasigen Längsdrossel und einem Kapazitätsnetzwerk zwischen Wechselrichter und Drehfeldmaschine. Der Filter bewirkt eine sinusförmige Spannung zwischen den drei Leitern, bewirkt aber bezüglich einer Datenübertragung zwischen Drehfeldmaschine und Umrichter auch quasi einen Kurzschluss, so dass am Umrichter keine Daten mehr empfangen werden können.
Möglichkeiten zur Beherrschung dieses Problems wären:

– Wegschalten des Kondensators bei der Inbetriebnahme durch einen Schalter,
– Vorsehen eines Dämpfungswiderstandes und Auswerten der Spannung an diesem Dämpfungswiderstand oder
– Messen des Stroms in der Motorleitung oder im Kondensatorzweig.

Im erstgenannten Fall ist nicht nur ein zusätzlicher Schalter, sondern auch noch eine entsprechende Steuerelektronik für den Schalter vorzusehen. Bei den beiden letztgenannten Alternativen werden die Messsignale so klein, dass sie praktisch nicht auswertbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Übertragungsanordnung für den eingangs beschriebenen Informationsaustausch anzugeben, die einfach ist und einen stabilen Datenverkehr ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach ist mindestens in den Stromkreis, der vom Sender, einem Phasenleiter des Versorgungskabels und dem Empfänger gebildet wird, empfängerseitig ein induktives Bauelement eingefügt, dessen Kern bereits bei einem wesentlich unter dem Nennstrom des Verbrauchers liegenden Strom in die Sättigung geht.
Mit der erfindungsgemäßen Übertragungsanordnung ist

– ein Datenempfang auch bei gefilterten Antrieben möglich,
– erfolgt keine Beeinträchtigung der Filterwirkung,
– ist die Höhe des Empfangssignals unabhängig von den Filterimpedanzen, d. h. unabhängig von der Geräteleistung und
– erfolgt eine Begrenzung der Spannung an der Messeinrichtung im Normalbetrieb.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 das Prinzip einer Übertragungsanordnung zwischen einem Motor und einem vorgeordneten Umrichter,
2 die Anordnung eines Sinusfilters am Motorkabel,
3 das Einfügen von induktiven Bauelementen in den Sender-Empfänger-Kreis nach der Erfindung,
4 eine zweite Variante der Erfindung,
5 eine dritte Variante der Erfindung,
6 eine vierte Variante der Erfindung und
7 die Ausführung des induktiven Bauelements als Übertrager.
1 zeigt eine Strecke für die Datenübertragung zwischen einem Motor 1 mit einem Sender 2 und einem Umrichter 3 mit einem Empfänger 4 über ein Motorkabel 5. Bei gesperrtem Umrichter 3 speist der Sender 2 am Motor 1 Signale in das Motorkabel 5 ein, die im Empfänger 4 ausgewertet werden. Die Frequenz der Übertragung liegt bei ca. 30 kHz. Die empfangenen Signale sind sehr klein (mV-Bereich).
Ist der Umrichter 3 mit einem Sinus-Ausgangsfilter 6 ausgerüstet, bestehend aus Längsinduktivitäten 7 und einem Kapazitätsnetzwerk aus Filterkondensatoren 8, so schließt der Filterkondensator 8 der Kabelader, an der Sender 2 und Empfänger 4 liegen, die Signale kurz (2). Eine Auswertung der Signale ist dann nicht möglich.
Fügt man in mindestens zwei der drei Kondensatorzweige induktive Bauelemente 9 ein (3), so kann der Spannungsabfall an diesen induktiven Bauelementen 9 gemessen werden. Im Normalbetrieb würden die Impedanzen der induktiven Bauelemente 9 allerdings stören, weil sie die Filterwirkung aufheben oder zumindest stark beeinträchtigen würden. Dieser Effekt tritt nicht auf, werden die induktiven Bauelemente 9 durch solche realisiert, die bereits bei sehr kleinen Strömen in die Sättigung gehen. Solche Induktivitäten werden beispielsweise durch Spulen mit einem Ferritkern erzielt. Der Ferritkern kann beispielsweise als Ringkern ausgebildet sein, durch den ein Leiter mindestens einmal hindurchgefädelt wird. Wegen der hohen Permeabilität des Ferritkerns geht dieser bereits bei sehr kleinem Strom in die Sättigung. Bei gesperrtem Umrichter 3 ist der Strom dagegen nahezu Null, und die Induktivität der induktiven Bauelemente 9 ist voll wirksam.
Die 3 bis 6 zeigen Ausführungsformen für die Übertragungsanordnung.
In der Variante nach 3 ist zu den Filterkondensatoren 8, die mit dem Phasenleiter verbunden sind, an dem auch der Empfänger 4 liegt, jeweils ein induktives Bauelement 9 in Reihe geschaltet.
In der Variante nach 4 sind zu den beiden Filterkondensatoren 8 ebenfalls induktive Bauelemente 9 in Reihe geschaltet. Die Eingangsspannung des Empfängers 4 wird jedoch direkt von dem induktiven Bauelement 9 abgenommen, das in dem Stromkreis Sender 2, erster Phasenleiter des Motorkabels 5, Filterkondensator 8, zweiter Phasenleiter des Motorkabels 5 liegt.
Nach der Variante gemäß 5 sind die beiden betroffenen Filterkondensatoren 8 zusammengeschaltet und über ein induktives Bauelement 9 an den gemeinsamen zweiten Phasenleiter geführt.
6 zeigt eine Variante, bei der das induktive Bauelement 9 direkt in eine Phase des Motorkabels 5 geschaltet ist.
Bei den Varianten nach den 4 bis 6 treten auch im Normalbetrieb nur kleine Spannungen an der Messeinrichtung auf. Man erspart sich so das Abtrennen der Sende- und Empfangseinrichtung durch ein Relais.
Die Varianten nach den 5 und 6 benötigen nur ein einziges induktives Bauelement 9. Nach der Variante in 6 fließt der Laststrom direkt durch das induktive Bauelement 9. Die Wirkung des Filterkondensators 8 ist im Normalbetrieb kaum beeinträchtigt.
Ergänzt man einen Ringkern mit einer Sekundärwicklung zu einem Übertrager 10 und schließt an diesen den Empfänger 4 an, so erhält man darüber hinaus ein potenzialfreies Signal (7). Über die Anzahl der Windungen lässt sich die Signalspannung erhöhen. Im Normalbetrieb kann ein, hier nicht gezeigter, Kurzschließer im Empfänger 4 die Sekundärseite kurzschließen. Dann reduziert sich die Impedanz des Übertragers 10. Ansonsten möglicherweise auftretende kurze Spannungsspitzen im Normalbetrieb werden verhindert. Die Schaltleistung des Kurzschließers ist sehr niedrig, da der Übertrager 10 nur eine geringe Leistung übertragen kann.

Claims

Übertragungsanordnung für den Austausch von Informationsdaten zwischen einem elektrischen Verbraucher (1), an dem sich ein Sender (2) befindet, und einem Umrichter (3), an dem sich ein Empfänger (4) befindet, über ein Versorgungskabel (5), das mit einem Sinusfilter (6), umfassend Längsdrosseln (7) und Filterkondensatoren (8), geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in den Stromkreis, der vom Sender (2), einem Phasenleiter des Versorgungskabels (5) und dem Empfänger (4) gebildet wird, empfängerseitig ein induktives Bauelement (9) eingefügt ist, dessen Kern bereits bei einem wesentlich unter dem Nennstrom des elektrichen Verbrauchers (1) liegenden Strom in die Sättigung geht.
Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere induktive Bauelemente (9) zu den Filterkondensatoren (8) in Reihe geschaltet sind, die mit dem Empfänger (4) gemeinsam an einer Phasenleitung des Versorgungskabels (5) liegen.
Übertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgriff der Empfangsspannung des Empfängers (4) über dem bzw. über einem der induktiven Bauelementen (9) erfolgt.
Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine induktive Bauelement (9) eine Spule ist.
Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine induktive Bauelement (9) ein Übertrager (10) ist.
Übertragungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des mindestens einen induktiven Bauelements (9) ein Ferritkern ist.
Übertragungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des mindestens einen induktiven Bauelements (9) als Ringkern ausgebildet ist.
Übertragungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine induktive Bauelement (9) zwischen den Filterkondensatoren (8) und einem Phasenleiter des Versorgungskabels (5) geschaltet ist, an dem auch der Sender (2) angeschlossen ist.
Übertragungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkondensator (8) einer weiteren Phasenleitung, der ebenfalls an dem Phasenleiter des Versorgungskabels (5), an dem auch der Sender (2) angeschlossen ist, zu führen ist, an dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Filterkondensator (8) und dem mindestens einen induktiven Bauelement (9) geschaltet ist.
Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine induktive Bauelement (9) in eine Phase des Versorgungskabels (5) geschaltet ist.