DE102006006384B4

DE102006006384B4 - System zur berührungslosen Energieübertragung und Verfahren zum Steuern des Stromes

Info

Publication number: DE102006006384B4
Application number: DE102006006384.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Uhl; Bernhard Schneider; Georg Feuerstein
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2006-02-11
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2026-02-12
Also published as: DE102006006384A1

Abstract

System, umfassend einen stationären Teil und Verbraucher,wobei der stationäre Teil einen Primärleiter, also Versorgungsleitung, umfasst, der aus mindestens einem oder mehreren seriell geschalteten Streckenabschnitten zusammengesetzt ist,wobei die Verbraucher aus dem Primärleiter versorgbar sind,dadurch gekennzeichnet, dassjedem Streckenabschnitt jeweils mindestens ein Schließer (Ux) und ein Öffner (Kx) zugeordnet ist,wobei der Öffner (Kx) zum Kurzschließen des Streckenabschnittes vorgesehen ist und der Schließer (Ux) zum Auftrennen dieses jeweiligen Streckenabschnittes vorgesehen ist,wobei die Öffner (Kx) in Reihe geschaltet sind, so dass bei geöffneten Öffnern (Kx) die jeweiligen Primärleiter des jeweiligen entsprechend zu dem jeweils geöffneten Öffner (Kx) zugeordneten Streckenabschnitts in Reihe geschaltet sind,wobei der Schließer (Ux) und der Öffner (Kx) derart elektrisch zusammengeschaltet sind, dass ein einziges Signal zur Ansteuerung vorgesehen ist und dass der Schließer (Ux) zeitlich nach dem Schließen des Öffners (Kx) öffnet,wobei die Ansteuerschaltung derart aufgebaut ist, dass die dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordnete Signalspannung am Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) anliegt, so dass bei fehlender Signalspannung der Öffner (Kx) schließt und bei ausreichender Signalspannung der Öffner (Kx) öffnet,wobei das Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) mit einem weiteren Schließer-Kontakt verbunden ist, der bei Betätigung das Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) mit der Signalspannung verbindet, so dass der Öffner (Kx) zum Kurzschließen des Streckenabschnittes betätigt wird, also öffnet,wobei die Ansteuerschaltung derart aufgebaut ist, dass die dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordnete Signalspannung am Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) anliegt, so dass bei fehlender Signalspannung der Schließer (Ux) öffnet und bei ausreichender Signalspannung der Schließer (Ux) schließt,wobei das Mittel zum Ansteuern des Schließers mit einem Kontrollkontakt verbunden ist und das Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) mit einem weiteren Kontrollkontakt verbunden ist, wobei die beiden Kontrollkontakte in Reihe geschaltet sind und zur sicherheitsgerichteten Überwachung von einer elektronischen Überwachungsschaltung überwachbar sind,wobei jeweils Mittel zur Strommessung des Stromes des Öffners (Kx) vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Strommessung mit einer elektronischen Stromüberwachungsschaltung verbunden sind,wobei die elektronische Stromüberwachungsschaltung und die elektronische Überwachungsschaltung mit einem Netzschütz (K0) zum Abschalten des stationären Teils verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Energieübertragung und ein Verfahren zum Steuern des Stromes bei einem solchen System.
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.
Ebenfalls ist ein solches System zur berührungslosen Energieübertragung aus der DE 100 53 373 A1 bekannt.
Aus der JP 2000 - 103 263 A ist als nächstliegender Stand der Technik ein berührungsloses Leistungsversorgungssystem bekannt.
Aus der JP H06- 54 403 A ist ein berührungsloses Leistungsversorgungssystem für ein Fördersystem bekannt.
Aus der JP 2002 - 142 387 A ist ein berührungsloses Leistungsversorgungssystem mit Verteilerkasten bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Energie sicher zu verteilen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass das System zur berührungslosen Energieübertragung vorgesehen ist und einen stationären Teil und relativ dazu bewegbare Teile, insbesondere Fahrzeuge, umfasst,
wobei der stationäre Teil einen langgestreckten Primärleiter umfasst, der aus mindestens einem oder mehreren seriell geschalteten Streckenabschnitten zusammengesetzt ist,
wobei die bewegbaren Teile entlang der Streckenabschnitte bewegbar angeordnet sind und mit dem Primärleiter induktiv gekoppelte Mittel zur Stromversorgung des bewegbaren Teils umfassen,
wobei jedem Streckenabschnitt jeweils mindestens ein Schließer und ein Öffner zugeordnet ist,
wobei der Öffner zum Kurzschließen des Streckenabschnittes vorgesehen ist und der Schließer zum Auftrennen dieses jeweiligen Streckenabschnittes vorgesehen ist.
Statt bewegbarer Verbraucher sind auch stationäre Verbraucher umfasst. Dies können beispielsweise fest montierte Antriebe sein, deren elektronisches Leistungsversorgungsaggregat Mittel umfasst, die induktiv gekoppelt sind an den Primärleiter.
Von Vorteil ist dabei, dass der Umweltschutz erhöht ist, indem die Unfallrate durch erhöhte Sicherheit im System absenkbar ist. Denn der Strom im Streckenabschnitt ist redundant abgeschaltet. Insbesondere liegt schon beim Abschalten des Streckenabschnittes eine zweifache Sicherheit vor. Es sind also keine Restströme oder dergleichen mehr vorhanden. Die stromlosen Fahrzeuge oder Verbraucher sind mit einem Antrieb ausstattbar, der beispielsweise eine bei Stromausfall einfallende Bremse aufweist. Somit ist auch die weitere unkontrollierte Bewegung verhinderbar ist.
Weiter von Vorteil ist, dass einfache und kostengünstige Mittel, wie Schließer und Öffner verwendet werden und somit die Erfindung einfach und kostengünstig ausführbar ist. Das Aufteilen der Streckenabschnitte ist deshalb weiter vorteilig, weil einzelne Streckenabschnitte abschaltbar sind und trotzdem die gesamte Anlage weiter betreibbar ist.
Statt Fahrzeugen, die bewegbar sind, sind auch relativ zum stationären Teil nicht bewegbar, aber ebenfalls induktiv gekoppelte Verbraucher aus dem Streckenbereich versorgbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Verbraucher als relativ zum stationären Teil bewegbare Teile, insbesondere Fahrzeuge, ausgeführt. Insbesondere ist der Primärleiter langgestreckt ausgeführt ist und die Verbraucher sind entlang der Streckenabschnitte bewegbar angeordnet. Dabei umfasst vorzugsweise jeder Streckenabschnitt eine langgestreckte Leiterschleife, die zumindest einen Hinleiter und mindestens einen Rückleiter umfasst, insbesondere beide zueinander parallellaufend. Der Primärleiter wird mit einem mittelfrequenten Wechselstrom aus einer als Stromquelle arbeitenden Einspeisung, insbesondere umfassend Einspeisesteller und Anschaltmodul, beaufschlagt. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfindung bei verschiedenen Anlagen einsetzbar ist, insbesondere bei Anlagen mit stationären oder bei Anlagen mit mobilen Verbrauchern. Die Verbraucher sind dabei von der Versorgungsleitung, also Primärleiter, versorgt. Dies ist berührend, also auch galvanisch gekoppelt, ausführbar oder berührungslos, also beispielsweise mittels induktiver Koppelung. Die Versorgung der Verbraucher über induktive Koppelung ist bei stationären und auch bei mobilen Verbrauchern vorteilhaft ausführbar. Als Anlagen sind also beispielsweise Systeme vorteilig verwendbar, bei denen die Verbraucher aus einer Stromquelle versorgt werden. Vorteilige Ausführungen sind bei Bahnsystemen, wie Elektrohängebahnen, oder anderen schienengebundenen oder schienenlosen fahrerlosen Transportsystemen ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Schließer und der Öffner derart elektrisch zusammengeschaltet, dass ein einziges Signal zur Ansteuerung vorgesehen ist. Insbesondere sind der Schließer und der Öffner derart zusammengeschaltet, dass der Schließer zeitlich vor dem Öffnen des Öffners schließt, und Schließer und Öffner derart zusammengeschaltet sind, dass der Schließer zeitlich nach dem Schließen des Öffners öffnet. Von Vorteil ist dabei, dass ein einziges Signal zum Auslösen genügt und stets trotzdem physikalisch kausal die Schaltreihenfolge gesichert ist. Auch dies erhöht die Sicherheit.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeweils ein Mittel zum Ansteuern des Schließers und ein Mittel zum Ansteuern des Öffners vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass hierfür einfache und kostengünstige Mittel wie die in Schützen oder Relais bekannten Elektromagnete verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ansteuerschaltung derart aufgebaut, dass die an dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordnete Signalspannung am Mittel zum Ansteuern des Öffners anliegt, so dass bei fehlender Signalspannung der Öffner schließt und bei ausreichender Signalspannung der Öffner öffnet, wobei das Mittel zum Ansteuern des Öffners mit einem weiteren Schließer-Kontakt verbunden ist, der bei Betätigung das Mittel zum Ansteuern des Öffners mit der Signalspannung verbindet, so dass der Öffner zum Kurzschließen des Streckenabschnittes betätigt wird, also öffnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Schaltreihenfolge naturgesetzlich gesichert ist und somit auch bei Versagen von Bauteilen kein falscher Ablauf auslösbar ist.
Die Schaltreihenfolge ist vorteiligerweise derart gegeben, dass der Öffner-Kontakt zeitlich nur nach dem Schließer betätigbar ist. Außerdem werden bei Abfallen der Signalspannung die Mittel zum Ansteuern des Öffners zuerst stromlos und erst zeitlich danach die Mittel zum Ansteuern des Schließers, insbesondere durch eine Freilaufdiode, die am Mittel zum Ansteuern des Schließers vorgesehen ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Mittel zum Ansteuern des Schließers mit einem Kontrollkontakt verbunden und das Mittel zum Ansteuern des Öffners mit einem weiteren Kontrollkontakt verbunden, wobei die beiden Kontrollkontakte in Reihe geschaltet sind und zur sicherheitsgerichteten Überwachung von einer elektronischen Überwachungsschaltung überwachbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit durch eine solche unabhängige Überwachung weiter erhöhbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils Mittel zur Strommessung des Stromes des Öffners vorgesehen, die mit einer elektronischen Stromüberwachungsschaltung verbunden sind. Somit ist vorteiligerweise die elektronische Stromüberwachungsschaltung und die elektronische Überwachungsschaltung mit einem Netzschütz zum Abschalten des stationären Teils, insbesondere der Einspeisung, verbindbar. Auf diese Weise ist ein zweiter Abschaltpfad ausführbar, über den die Energieversorgung der ganzen Anlage weggenommen werden kann und somit ist die Sicherheit weiter erhöhbar. Dies reduziert die Fehlerwahrscheinlichkeit erheblich und somit erhöht dies den Umweltschutz.
Wesentliche Merkmale bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Stromes bei einem System zur berührungslosen Energieübertragung nach Anspruch 13 sind, dass es einen stationären Teil und Verbraucher umfasst,
wobei in einem oder mehreren Streckenabschnitten des stationären Teils ein Primärstrom eingespeist wird,
wobei die Verbraucher über induktive Kopplung aus dem Primärstrom versorgt werden,
wobei beim Abschalten eines Streckenabschnitts dieser zuerst kurzgeschlossen wird und zeitlich danach seine elektrische Leitung aufgetrennt wird
und beim Zuschalten des Streckenabschnittes die elektrische Leitung zuerst wieder verbunden wird und dann der Kurzschluss aufgehoben wird.
Von Vorteil ist dabei, dass die zeitliche Reihenfolge derart gewählt ist, dass keine Zerstörung von Bauteilen auftritt und die Sicherheit beim Abschalten des Streckenabschnittes der Anlage erhöht ist. Restströme sind verhindert. Insbesondere wird hierzu beim Abschalten des Streckenabschnittes dieser zuerst kurzgeschlossen und zeitlich danach seine elektrische Leitung aufgetrennt. Von Vorteil ist dabei, dass Bauteile beim Schalten geschont werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Kurzschlussstrom derart überwacht und das Schließen und Unterbrechen derart überwacht, dass bei Auftreten eines Fehlers ein Unterbrechen der Stromversorgung des stationären Teils ausgelöst wird. Von Vorteil ist dabei, dass dadurch ein zweiter unabhängiger Abschaltpfad vorsehbar ist und somit die Sicherheit erhöhbar ist und eine höhere Sicherheitskategorie erreichbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur berührungslosen Energieübertragung von einem stationären Teil auf bewegbare Teile, wie Fahrzeuge oder dergleichen. Ein Beispiel ist aus der 1 der DE 100 53 373 A1 und zugehörigen Beschreibung der DE 100 53 373 A1 bekannt. Statt beweglicher Teile sind aber auch stationär angeordnete Verbraucher, beispielsweise fest montierte Antriebe, von der Erfindung umfasst.

Die wesentlichen Komponenten sind auch bei dem erfindungsgemäßen System zur berührungslosen Energieübertragung wiederum:

- Einspeisesteller
- Gyrator
- Anpasstransformator
- Linienleiter mit Streckenkompensation
- Übertragerkopf
- Anpasssteller
- Verbraucher, wie beispielsweise ein einen Frequenzumrichter umfassenden Antrieb.

Der Einspeisesteller wandelt die aus dem Drehstromnetz aufgenommene niederfrequente Wechselspannung, beispielsweise 50 oder 60 Hz, in eine mittelfrequente Spannung mit konstanter Frequenz von vorzugsweise 25 kHz. Es sind aber auch Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz vorteilhaft verwendbar.
Der Primärleiter ist bei der vorliegenden Erfindung aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt. Jeder Abschnitt ist also wie bei der DE 100 53 373 A1 aus einer langgestreckten Leiterschleife ausgeführt, die einen langgestreckten Hinleiter und Rückleiter umfasst, wobei sich die Fahrzeuge entlang dieser Leiterschleife bewegen können. Die induktive Kopplung mit auf Resonanz abgestimmten elektronischen Bauteilen ermöglicht hohe Wirkungsgrade auch bei schwacher induktiver Kopplung des Primärleiters mit der Sekundärspule, die von dem sogenannten Übertragerkopf, der auch als Pick-Up bezeichnet wird, umfasst wird.
In der 1 ist ein beispielhaftes Übersichtsschaltbild skizziert, wobei dort das Sicherheitskonzept im Vordergrund steht und die elektrotechnische Realisierung nicht vollständig dargestellt ist. 1 zeigt also das erfindungsgemäße Konzept. Eine beispielhafte konkrete Ausführungs-Realisierung des signal- und steuerungstechnischen Teils der Realisierung ist in 2 angedeutet. In den 2a und 2b ist jeweils ein Teil der 2 zur Verbesserung der Lesbarkeit vergrößert dargestellt.
Die Netzphasen (L1, L2, L3) in 1 sind zur Versorgung über Sicherungen und den Schütz K0 mit dem Einspeisesteller TPS verbunden. Der Einspeisesteller versorgt über das Anschaltmodul TAS die Primärleiter-Strecke. Das Anschaltmodul umfasst dabei einen Gyrator und einen Anpasstransformator, in der auch aus den zitierten Druckschriften bekannten Weise.
Der Gyrator ist ein dem Einspeisesteller nachgeschalteter Reihenschwingkreis und besitzt die Resonanzfrequenz $f_{Re s} = \frac{1}{2 π \cdot \sqrt{L_{G} \cdot C_{G}}} \overset{!}{=} 25 kHz .$
Definiert man weiterhin eine Gyratorimpedanz $Z_{G} = \sqrt{\frac{L_{G}}{C_{G}},}$
so gilt folgender Zusammenhang zwischen dem Gyratorausgangsstrom I_L und der Ausgangsspannung des Einspeisestellers U_A : $I_{L} = \frac{U_{A}}{Z_{G}}$
Der resonant betriebene Schwingkreis stellt eine spannungsgesteuerte Stromquelle dar.
Der mit dem Gyrator verbundene Anpasstransformator überträgt den Strom auf die Primärleiterstrecke. In Abhängigkeit des Gyratorausgangsstroms I_L und des Linienleiterstroms I_LL ist das Übersetzungsverhältnis Ü des Anpasstransformators zu wählen.
Die vom TAS gespeiste Primärleiter-Strecke umfasst auch eine Streckenkompensation, also zur Strecke zugeordnete Kondensatoren. Sekundärseitig sind die elektronischen Schaltungen der Fahrzeuge mittels des Übertragerkopfes an den Primärleiter induktiv gekoppelt, insbesondere schwach, und somit aus dem Primärleiter versorgbar.
Der Linienleiter besteht aus einer Leiterschleife mit Hin- und Rückleiter. In das die Leiterschleife umgebende Magnetfeld wird ein sogenannter Übertragerkopf des jeweiligen Fahrzeuges geführt. Dieser Übertragerkopf aus magnetisch leitfähigem Material bildet mit dem Linienleiter einen Transformator mit der primären Windungszahl 1 und w₂ Windungen des Übertragerkopfes.
Mit zunehmender Länge der Leiterschleife erhöht sich deren Induktivität. Diese Induktivität wird durch das In-Reihe-Schalten einer als Streckenkompensation eingesetzten Kapazität ausgeglichen, so dass keine Blindleistung aufgebracht werden muss.
Die Primärleiter-Strecke ist in verschiedene seriell verbindbare Bereiche aufgeteilt, die mit Linienleiter 1, Linienleiter 2 und Linienleiter 3 gekennzeichnet sind. Unter Linienleiter ist hier jeweils ein Hinleiter und ein Rückleiter gemeint, also die jeweilige langgestreckte Leiterschleife. In der 1 ist diese durch zwei parallele Striche mit offenem Ende gekennzeichnet, wobei zwischen diesen Strichen die Beschriftung „Linienleiter 1“, etc. ausgeführt ist.
Jeder Linienleiter wird vom gleichen, durch das TAS eingeprägten Strom versorgt. Man kann also auch von einem Stromquellen-verhalten der Einspeisung mit TAS sprechen.
Die Erfindung umfasst wesentlich ein Sicherheitskonzept, welches sich auszeichnet durch eine sicherheitsgerichtete Abschaltung mit 2 Abschaltpfaden. Somit liegt eine höhere Sicherheitskategorie vor, also eine nicht-triviale.
Durch das Betätigen eines Not-Aus-Befehlsgerätes wird der jeweilige Linienleiter, beispielsweise Linienleiter 1, zunächst kurzgeschlossen und anschließend aufgetrennt, wodurch die Energieübertragung sehr sicher unterbunden ist, so dass Antriebe auf Fahrzeugen dieses Streckenabschnitts momentenlos geschaltet werden. Die Fahrzeuge können dann mit einer mechanisch einfallenden Bremse an einer unkontrollierbaren Bewegung gehindert werden. Das Kurzschließen verhindert zwar, dass größere Energiemengen von der Stromquellen-artigen Einspeisung in den Streckenabschnitt geleitet werden, jedoch könnten trotzdem kleine Stromwerte im Streckenabschnitt auftreten, die ein Versorgen von Signalspannungen der Verbraucher bewirken könnten. Denn das Kurzschließen ist nicht mit dem Ohmschen Widerstandswert Null bewirkbar, weil der Ohmsche Widerstand einer elektrischen Leitung nicht absolut zum Verschwinden gebracht werden kann. Somit fließt ein entsprechend kleiner Strom stets auch über den nicht aufgetrennten Streckenabschnitt, wenn der Kurzschluss aktiviert ist.
Diese genannten Signalspannungen könnten unter Umständen über ansteuerbare Aktoren, wie beispielsweise elektromagnetisch betätigbare Bremsen oder andere, Gefahren in der Anlage oder Maschine auslösen.
Die restlichen Linienleiter, also im Beispiel nach 1 Linienleiter 2 und Linienleiter 3, werden weiterhin durch den eingeprägten Strom versorgt, so dass die komplette Einspeiseleistung in den zugehörigen Streckenabschnitten zur Verfügung steht.
Durch das Abschalten des Streckenabschnittes ist also die ganze Anlage noch lange nicht abgeschaltet.
Sollte das Abschalten dieses Abschaltpfades misslingen, so trennt ein von Überwachungen angesteuerter Schütz den Einspeisesteller vom Netz, wodurch die Energieübertragung in allen Strecken unterbunden wird. Die Überwachungen und das durch sie realisierte Konzept sind in 1 dargestellt.
Genauere Betrachtung des ersten Abschaltpfades:

Der erste Abschaltpfad ist also mittels der Schütze KS1, KS2, KS3 realisiert. Das Abschalten erfolgt durch eine in 1 nicht gezeigte Ansteuervorrichtung.

Die Funktion des Schützes KS1, KS2, KS3 kann durch verschiedene Einflüsse beeinträchtigt sein. Beispielhaft sei das Verkleben oder Verkohlen der Kontakte genannt. Ebenso ist mit mechanischen Defekten zu rechnen.
Durch eine Messung des Kurzschlussstromes 11, 12 oder 13 in Abhängigkeit des Abschaltzustandes erfolgt nun die Überprüfung der korrekten Funktion mittels der Stromüberwachung der 1. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine erfolgreiche Strommessung den sicheren Zustand repräsentiert. Sollte die Strommessung aufgrund eines technischen Defekts nicht möglich sein, wie beispielsweise Drahtbruch, so würde, wie bei einem mechanischen Defekt des Schützes, die Abschaltung des Netzschützes aktiviert werden, der also Teil des zweiten Abschaltpfades ist.
Genauere Betrachtung des zweiten Abschaltpfades:

Der zweite Abschaltpfad, umfassend den Netzschütz K0, trennt den Einspeisesteller vom Netz und sperrt dessen Endstufe, so dass jegliche Energieübertragung augenblicklich unterbunden wird.

Zur Gewährleistung dieser Funktion ist ein Verkleben der Netzschütz-Kontakte dadurch zu verhindern, dass sie mit dem 0,6-fachen ihres Nennstroms abgesichert und die Anforderungen der EN60947-4-1 beachtet werden.
Weiterhin erfolgt mittels Auswertung von Kontrollkontakten eine Überprüfung des Schaltzustandes des Netzschützes sowohl beim Aus- als auch beim Einschalten, so dass mechanische Defekte sicher erkannt werden. Wird ein Fehler erkannt, so erfolgt ein Abschalten durch die Schütze des ersten Abschaltpfades.
Sowohl eine Fehlererkennung beim Netzschütz als auch jegliches Betätigen des zweiten Abschaltpfades wird mittels Stromstoßrelais SSR gespeichert und führt dazu, dass die Energieübertragung in allen Strecken bleibend unterbunden wird. Ein Wiedereinschalten kann nur durch ausgewiesenes Fachpersonal nach durchgeführter Fehleranalyse und Instandsetzung vorgenommen werden.
Die Fahrzeuge umfassen auch einen aus dem jeweiligen Übertragerkopf versorgten Anpasssteller. Dieser Anpasssteller wandelt den aus dem Übertragerkopf eingeprägten mittelfrequenten Strom in eine unipolare Spannung, vorzugsweise Gleichspannung. Diese Spannung kann beispielsweise zur Speisung eines herkömmlichen Frequenzumrichters oder Wechselrichters genutzt werden, um einen drehzahlverstellbaren Antrieb auf dem mobilen System zu realisieren.
Die Erfindung weist eine erhöhte Sicherheit aus. Denn es werden zwei unabhängige Kanäle zum Abschalten der Energieversorgung vorgesehen.
Anhand der 1 wird die Funktionsweise der Erfindung kurz skizziert, wobei 2 den signaltechnischen Teil der zugehörigen Sicherheitssteuerung konkreter spezifiziert:

Einzelheiten kann der Fachmann der 2 entnehmen.

Im Ausgangszustand ist der Wahlschalter „Einspeisung“ auf Stellung „Aus“, und die Not-Aus-Befehlsgeräte sind nicht betätigt. Nachdem der Betrieb „Einspeisung Ein“ ausgewählt wurde, zieht zunächst das Netzschütz K0 an, die Endstufe des Einspeisestellers wird freigegeben. Mit der „Betriebsbereit-Meldung“ des Einspeisestellers können durch die Taster „Ein Linienleiter x“ die Schütze KSx aktiviert werden, wobei x nach 1 den Streckenabschnitt 1, 2 oder 3 betrifft.
Das Verbinden des Linienleiters x und das anschließende Öffnen des Kurzschlusses führt zur Bestromung des zugehörigen Streckenabschnitts.
Dabei wird in Abhängigkeit der jeweiligen Stellung des Wahlschalters „ein / aus“ der korrekte Schaltzustand des Netzschützes K0 mittels Kontrollkontakten überprüft. Ein Fehler führt zum Auslösen des Stromstoßrelais SSR. Das lediglich manuell rücksetzbare Stromstoßrelais betätigt beide Abschaltpfade und unterbindet bleibend die Energieübertragung in allen Strecken. Überlappungen zwischen dem Schalten des Wahlschalters und des Netzschützes erfordern ein zeitverzögertes Auslösen des Stromstoßrelais. Abhängig von der Risikoanalyse der Anlage ist das Schalten des Wahlschalters in geeigneten Abständen zu wiederholen.
Wird ein NOT-Aus-Betätigungselement, das zweikanalig mit Verrastfunktion ausgeführt ist, betätigt, so fällt das zugehörige Schütz KSx ab, schließt den entsprechenden Linienleiter kurz und trennt ihn zeitlich sehr kurz danach auf. Dies entspricht einem ersten Abschaltpfad. Gleichzeitig wird das Abfallen mittels Kontrollkontakt und der sichere Abschaltzustand durch Strommessung überwacht. Nach der Rücknahme der Not-Aus-Betätigung muss die Bestromung des entsprechenden Linienleiters wiederum durch in 2 Taster „Ein Linienleiter x“ aktiviert werden. Somit ist ein Selbstanlauf nicht möglich.
Sollte nun ein Fehler des Schützes KSx auftreten, so wird zwangsläufig das Netzschütz K0 abgeschaltet und die Endstufe des Einspeisestellers gesperrt. Dies stellt einen zweiten unabhängigen Abschaltpfad dar. Weil also zwei unabhängige Abschaltpfade realisiert sind, ist eine hohe Sicherheitskategorie erreichbar und damit auch eine erhöhte Sicherheit für Menschen und Umwelt.
Der Schaltzustand von K0 entspricht dann nicht mehr der Stellung des Wahlschalters, wodurch wiederum das Stromstoßrelais aktiviert wird. Die Energieübertragung in allen Strecken ist bleibend unterbunden.
In 3 ist für das schon erwähnte brückende Schalten ein Erfindungsbeispiel dargestellt:

Beim Abschalten der Linienleiter der Streckenabschnitte wird zunächst der eingeprägte Strom kurzgeschlossen. Dazu ist der Öffner KSx vorgesehen. Dies geschieht zeitlich vor dem Auftrennen des Linienleiters mittels des Schließers KSx. Dem eingeprägten Strom wird also stets ein alternativer Pfad angeboten. Das Einschalten erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, zunächst durch Zuschalten des Linienleiters mittels des Schließers KSx. Anschließend wird der Kurzschluss aufgehoben mittels des Öffners KSx.

Im Stand der Technik und am Markt sind Leistungsschütze, wie sie hier benötigt werden, deren Öffner und Schließer ein brückendes Verhalten aufweisen, nicht bekannt und verfügbar.
Bei der Erfindung ist das brückende Schalten mit zwei handelsüblichen Leistungsschützen nachgebildet. Für das Kurzschließen ist der Öffner Kx zuständig, für das Unterbrechen des Linienleiters der Schließer Ux. Die Überwachung der Kontrollkontakte erfolgt durch Reihenschaltung der Hilfskontakte Öffner Kx und Öffner Ux.
Bei der Erfindung sind die Leistungskabel und auch die Signalleitungen EMV-gerecht verkabelt ausgeführt.
Die überwachten Fehler umfassen insbesondere auch ein

• Verkleben der Kurzschluss-Kontakte KSx (bzw. Kx),
• Verkohlen der Kurzschluss-Kontakte KSx (bzw. Kx),
• Verkleben der Trenn-Kontakte KSx (bzw. Ux),
• Verkohlen der Trenn-Kontakte KSx (bzw. Ux),
• Verkleben der Kontakte des Netzschützes K0,
• fehlerhafte Funktion der Strommessung und eine
• fehlerhafte Funktion des Stromstoßrelais.

In 4 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Mittel zur Stromerfassung ausgeführt.
Die Erfassung des Kurzschließerstroms erfolgt mittels Durchsteck-Stromwandler DG2. In Abhängigkeit des Linienleiterstroms I_LL ist die Windungszahl w₂ anzupassen. In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist primärseitig die Windungszahl 1 und sekundärseitig eine höhere Windungszahl w₂ realisiert. Hierzu ist beispielsweise die Primärleitung induktiv gekoppelt an die Sekundärwicklung. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind andere Windungszahlen verwendet.
Der Sekundärstrom wird einem Gleichrichter zugeführt, der durch die vier Dioden in der 4 symbolisiert ist. Es sind auch bekannte andere Anordnungen zum Gleichrichten verwendbar.
Aus dem gleichgerichteten Sekundärstrom wird das Signalrelais versorgt, dessen Schalten das erfolgreiche Kurzschließen des Linienleiters x des Streckenabschnittes x signalisiert. Um mögliche Restströme aufgrund eines defekten Kontakts beim Öffner KSx auszuschließen, erfolgt zusätzlich das Auftrennen des Linienleiters mittels Schließer KSx.
Wie in 5 dargestellt, liefert die zentrale Einspeisung, bestehend aus den Geräten Einspeisesteller TPS und Anschaltmodul TAS, bei der Erfindung an den Ausgangsklemmen einen eingeprägten Strom I_LL . Zur Realisierung des zweiten Abschaltpfades ist eine zentrale Sicherheitssteuerung mit dem Netzschütz K0 und dem Wahlschalter „Einspeisung Ein / Aus“ verbunden und vorgesehen.
Dezentral können ein oder mehrere sogenannte Blockmodule mit Schützen KSx installiert werden, um dort befindliche Linienleiter zu- oder abzuschalten. Das Zuschalten erfolgt mit Hilfe eines Ein-Tasters, der einschließlich einer Kontrolllampe beliebig platzierbar ist, beispielsweise im Bereich der Zentralen Sicherheitssteuerung.
Die Zentrale Sicherheitssteuerung ist durch eine Not-Aus-Kette NAKx mit sämtlichen Blockmodulen verbunden. Im Fehlerfall öffnet sich diese Kette und führt zum Auslösen des zweiten Abschaltpfades.
In den 5a und 5b ist jeweils ein Teil der 5 zur Verbesserung der Lesbarkeit vergrößert dargestellt.
Wichtig ist bei der Erfindung auch, dass der gesamte sicherheitstechnische Teil, also insbesondere 2, mit passiven Bauelementen ausgeführt ist, also im Wesentlichen mit Schützen, Dioden und als Stromwandler arbeitende Primär- und Sekundärwicklungs-Leitungen. Somit sind keine schaltenden Halbeiterbauelemente notwendig, wie Transistoren, Operationsverstärker, Mikrocontroller und dergleichen.
Bezugszeichenliste

L1, L2, L3: Netzphasen
TPS: Einspeisesteller
TAS: Anschaltmodul
SSR: Stromstoßrelais
K0: Netzschütz für Drehstromversorgungsauftrennung
11: Kurzschlussstrom für Streckenbereich 1
12: Kurzschlussstrom für Streckenbereich 2
13: Kurzschlussstrom für Streckenbereich 3
Kx: Öffner
Ux: Schließer

Claims

System, umfassend einen stationären Teil und Verbraucher, wobei der stationäre Teil einen Primärleiter, also Versorgungsleitung, umfasst, der aus mindestens einem oder mehreren seriell geschalteten Streckenabschnitten zusammengesetzt ist, wobei die Verbraucher aus dem Primärleiter versorgbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Streckenabschnitt jeweils mindestens ein Schließer (Ux) und ein Öffner (Kx) zugeordnet ist, wobei der Öffner (Kx) zum Kurzschließen des Streckenabschnittes vorgesehen ist und der Schließer (Ux) zum Auftrennen dieses jeweiligen Streckenabschnittes vorgesehen ist, wobei die Öffner (Kx) in Reihe geschaltet sind, so dass bei geöffneten Öffnern (Kx) die jeweiligen Primärleiter des jeweiligen entsprechend zu dem jeweils geöffneten Öffner (Kx) zugeordneten Streckenabschnitts in Reihe geschaltet sind, wobei der Schließer (Ux) und der Öffner (Kx) derart elektrisch zusammengeschaltet sind, dass ein einziges Signal zur Ansteuerung vorgesehen ist und dass der Schließer (Ux) zeitlich nach dem Schließen des Öffners (Kx) öffnet, wobei die Ansteuerschaltung derart aufgebaut ist, dass die dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordnete Signalspannung am Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) anliegt, so dass bei fehlender Signalspannung der Öffner (Kx) schließt und bei ausreichender Signalspannung der Öffner (Kx) öffnet, wobei das Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) mit einem weiteren Schließer-Kontakt verbunden ist, der bei Betätigung das Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) mit der Signalspannung verbindet, so dass der Öffner (Kx) zum Kurzschließen des Streckenabschnittes betätigt wird, also öffnet, wobei die Ansteuerschaltung derart aufgebaut ist, dass die dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordnete Signalspannung am Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) anliegt, so dass bei fehlender Signalspannung der Schließer (Ux) öffnet und bei ausreichender Signalspannung der Schließer (Ux) schließt, wobei das Mittel zum Ansteuern des Schließers mit einem Kontrollkontakt verbunden ist und das Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) mit einem weiteren Kontrollkontakt verbunden ist, wobei die beiden Kontrollkontakte in Reihe geschaltet sind und zur sicherheitsgerichteten Überwachung von einer elektronischen Überwachungsschaltung überwachbar sind, wobei jeweils Mittel zur Strommessung des Stromes des Öffners (Kx) vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Strommessung mit einer elektronischen Stromüberwachungsschaltung verbunden sind, wobei die elektronische Stromüberwachungsschaltung und die elektronische Überwachungsschaltung mit einem Netzschütz (K0) zum Abschalten des stationären Teils verbunden ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen mit einer Stromquelle elektrisch verbunden sind.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein System zur berührungslosen Energieübertragung an die Verbraucher ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher mit dem Primärleiter induktiv gekoppelte Mittel zu ihrer Stromversorgung umfassen.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher stationär und/oder mobil angeordnet sind.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher als relativ zum stationären Teil bewegbare Teile ausgeführt sind.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter langgestreckt ausgeführt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher entlang der Streckenabschnitte bewegbar angeordnet sind.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Streckenabschnitt eine langgestreckte Leiterschleife umfasst, die zumindest einen Hinleiter und mindestens einen Rückleiter umfasst.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter mit einem mittelfrequenten Wechselstrom beaufschlagt ist von einer Einspeisung.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Mittel zum Ansteuern des Schließers und ein Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) vorgesehen ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abfallen der Signalspannung die Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) zuerst stromlos werden und erst zeitlich danach die Mittel zum Ansteuern des Schließers.
Verfahren zum Steuern des Stromes bei einem System, umfassend einen stationären Teil und Verbraucher, nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in einem oder mehreren Streckenabschnitten des stationären Teils ein Primärstrom eingespeist wird, wobei die Verbraucher aus dem Primärstrom versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abschalten eines Streckenabschnitts dieser zuerst kurzgeschlossen wird und zeitlich danach seine elektrische Leitung aufgetrennt wird und beim Zuschalten des Streckenabschnittes die elektrische Leitung zuerst wieder verbunden wird und dann der Kurzschluss aufgehoben wird, wobei der Kurzschlussstrom (11, 12, 13) derart überwacht wird und das Schließen und Unterbrechen derart überwacht wird, dass bei Auftreten eines Fehlers ein Unterbrechen der Stromversorgung des stationären Teils ausgelöst wird.
Vorrichtung zum brückenden Schalten mit zwei Leistungsschützen für ein System nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung - zumindest die zwei Schütze und zwei Dioden umfasst oder - zumindest die zwei Schütze und einen Kondensator und eine Diode umfasst, wobei für das Kurzschließen der Öffner (Kx) vorgesehen ist und für das Unterbrechen der Schließer (Ux), wobei die Vorrichtung derart ausgeführt ist, dass bei Abfallen der Signalspannung die Mittel zum Ansteuern des Öffners (Kx) zuerst stromlos werden und somit ein Kurzschließen erfolgt, wobei dem eingeprägten Strom bei Kurzschließen ein alternativer Pfad geboten wird, und erst zeitlich danach die Mittel zum Ansteuern des Schließers stromlos werden, wobei der alternative Pfad gebildet ist mittels einer Freilaufdiode, die am Mittel zum Ansteuern des Schließers vorgesehen ist, oder durch passive Energiespeicher, wie Kondensator oder Induktivität, die am Mittel zum Ansteuern des Schließers vorgesehen sind.