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Die
Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren.
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Aus
der
DE 198 16 762
A1 ist ein Verfahren zur Positionierung und Führung bekannt.
Dabei ist gemäß
1 die
vertikale Sensorspule über
der horizontalen Sensorspule angeordnet. Außerdem muss zwischen den Sensorspulen
(
9,
10) und der Sekundärspule
2 zur Energieübertragung
ein großer
Abstand eingehalten werden.
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In
der
DE 198 16 762
A1 wird vorgeschlagen an Verzweigungsstellen oder Kreuzungen
Primärströme mit verschiedenen
Frequenzen zu verwenden (Spalte 5, Zeile 25) und die Messeinrichtung
entsprechend frequenzselektiv auszulegen. Dies führt in der Praxis zu entscheidenden
Nachteilen. Eine berührungslose
Energieübertragung
mit Primärströmen verschiedener
Frequenzen erweist sich als sehr aufwendig. Neben mehreren verschiedenen
Stromquellen, wird eine variable Kapazität zur Kompensation des Übertragerkopfes
am Fahrzeug benötigt.
Diese muss im laufenden Betrieb bei jedem Wechsel zu einem Primärleiter-Streckenabschnitt
mit anderer Frequenz neu abgeglichen werden, wobei dabei die Energieversorgung
nicht unterbrochen werden soll. Zur Unterscheidung der Spuren muss
die Messeinrichtung auf die jeweilige Frequenz eingestellt werden und
in der Lage sein andere auszufiltern
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System möglichst
kompakt weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zur berührungslosen
Energieübertragung
vorgesehen ist,
umfassend einen langgestreckten Primärleiter
und mindestens ein über
eine Sekundärspule
versorgbares Fahrzeug, wobei die Sekundärspule induktiv gekoppelt ist
mit dem Primärleiter,
umfassend
eine Messeinrichtung mit Sensorspulen zur Detektion von in Fahrtrichtung
gesehen seitlicher Positionsänderung
des Fahrzeuges gegenüber
dem Primärleiter
wobei
das
Gehäuse
der Messeinrichtung auf seiner zum Primärleiter zugewandten Seite nichtmetallisch
und auf anderen Seiten metallisch ausgeführt ist.
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Von
Vorteil ist dabei, dass am Fahrzeug die Messeinrichtung nur geringen
Abstand von der Sekundärspule
aufweisen muss. Es ist sogar ermöglicht,
die Messeinrichtung direkt neben der Sekundärspule, zu der selbstverständlich auch
deren Ferritkern zählt,
anzuordnen. Somit ist das Fahrzeug kompakt aufbaubar. Denn die metallische
Gehäusewand schirmt
das störende
Magnetfeld der Sekundärspule genügend stark
ab. Trotzdem ist die Messeinrichtung in hoher Schutzart fertigbar,
da auf der den Primärleitern
zugewandten Seite Kunststoff als weiteres Gehäuseteil verwendbar ist und
dieser dicht verbindbar ist.
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Die
Sekundärspule
ist in einem sogenannten Übertragerkopf
integriert ausgeführt
und von dessen Gehäuse
geschützt.
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Als
Sensorspulen sind Hallsensoren verwendbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Messeinrichtung eine
elektronische Schaltung, welche derart ausgeführt ist, dass mittels der mit
den Sensorspulen erfassten Messwerte Informationen für eine Lenkeinrichtung
bestimmbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass Daten für die Lenkeinrichtung direkt
bestimmt werden und nicht erst zu einem Rechner oder weiteren Vorrichtungen übermittelt werden
müssen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Informationen via Bussystem
an die Lenkeinrichtung übertragbar.
Von Vorteil ist dabei, dass die Lenkeinrichtung aus bussystemkompatiblen
Einheiten aufbaubar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bussystem ein Feldbus-System,
insbesondere CAN, Interbus, Profibus. Von Vorteil ist dabei, dass
bekannte Einheiten verwendbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Lenkeinrichtung Umrichter,
insbesondere zur Versorgung von Elektromotoren. Von Vorteil ist dabei,
dass die Lenkeinrichtung mit buskompatiblen Umrichtern realisierbar
ist, die beispielsweise jeweils eine Solldrehzahl übermittelt
bekommen, wobei die Solldrehzahl dem Lenkwinkel entspricht. Die
Umrichter sind dabei derart in elektrische Antriebe integrierbar,
dass die von den Umrichtern versorgbaren Elektromotoren jeweils
ein Rad antreiben, wobei die Achsen der beiden angetriebenen Räder parallel
im Wesentlichen anordenbar sind. Somit sind für die Lenkeinrichtung keine
weiteren elektronischen Geräte
erforderlich sondern es müssen
nur die Umrichter über das
Bussystem mit der Messeinrichtung elektrisch verkabelt und verbunden
werden. Insbesondere übermittelt
die Lenkeinrichtung eine Solldrehzahldifferenz oder zwei Solldrehzahlen
an die beiden Umrichter der Lenkeinrichtung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Solldrehzahldifferenz
dem Lenkwinkel im Wesentlichen proportional. Von Vorteil ist dabei,
dass die Regelung besonders einfach ausführbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht der Abstand zwischen
zumindest zwei der Sensorspulen dem Abstand der Primärleiter,
insbesondere Hinleiter und Rückleiter.
Von Vorteil ist dabei, dass die Empfindlichkeit der Messung und
somit die Genauigkeit der Positionsbestimmung, also Bestimmung der
seitlichen Abweichungen, erhöht
ist.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind zumindest zwei der
Sensorspulen dort angeordnet, wo die vertikalen Magnetfeldkomponenten Null
oder im Wesentlichen Null sind, wenn das Fahrzeug in Sollposition
ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Messung an der Sollposition
keinen Offset aufweist und somit keine Kalibrierung notwendig ist.
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Wichtige
Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems zur berührungslosen
Energieübertragung
sind, dass es einen langgestreckten Primärleiter und mindestens ein über eine
Sekundärspule
versorgbares Fahrzeug, wobei die Sekundärspule induktiv gekoppelt ist
mit dem Primärleiter
umfasst, umfassend eine Messeinrichtung mit Sensorspulen zur Detektion
von in Fahrtrichtung gesehen seitlicher Positionsänderung
des Fahrzeuges gegenüber
dem Primärleiter,
wobei die Fahrspur unabhängig
von der Frequenz des Primärleiterstromes
erkannt wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Gehäuseteil,
insbesondere metallisch und mit U-förmigem Querschnitt
- 2
- Bodenplatte,
insbesondere aus Kunststoff
- 3
- Fahrtrichtung
- 4
- Steckverbinder
- 20
- horizontale
Sensorspule
- 21
- vertikale
Sensorspule
- 22
- Leiterplatte
- L1
- Hinleiter
- L2
- Rückleiter
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Bei der Erfindung
handelt es sich um ein System zur berührungslosen Energieübertragung,
bei dem in einer Anlage ein langgestreckter Primärleiter verlegt ist und ein
mit Lenkvorrichtung ausgestattetes Fahrzeug mittels einer Sekundärspule versorgbar
ist, die mit dem Primärleiter
induktiv gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Fahrzeug also nicht
schienengebunden. Das Fahrzeug umfasst einen Antrieb und eine Lenkeinrichtung,
mit der es ermöglicht
ist, eine seitliche Sollposition einzuhalten. Somit ist das Fahrzeug
entlang dem Primärleiter
bewegbar ohne großen
seitlichen Abweichungen. Denn durch die vorhandene Sensorik werden
seitliche Abweichungen erfasst und die Lenkeinrichtung mit derartigen
Informationen versorgt, dass ein Gegenlenken zum Ausgleichen der Abweichungen
ausführbar
ist. Vorzugsweise ist der Antrieb in der Lenkeinrichtung integriert
ausgeführt.
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In
den Primärleiter
wird von einer Einspeisevorrichtung ein mittelfrequenter Wechselstrom
mit einer Frequenz zwischen 1 und 100 kHz, vorzugsweise 15 bis 30
kHz eingespeist. Der Wechselstrom wird dadurch möglichst konstant gehalten,
dass die Einspeisevorrichtung ein Stromquellenverhalten aufweist.
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Das
Fahrzeug weist eine Lenkeinrichtung auf, die abhängig von den Signalen von Sensorspulen
bedienbar ist.
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Die
Sensorspulen sind derart angeordnet, dass die relative Position
zu dem Primärleiter
oder die relative Änderung
der Position zum Primärleiter bestimmbar
ist.
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in Schrägansicht
gezeichnet. Dabei ist das Gehäuseteil 1 metallisch
und vom Steckverbinder 4 aus gesehen mit U-förmigem Querschnitt ausgeführt. Die
Bodenplatte 2 ist aus nicht-metallischem Material, insbesondere
Kunststoff, ausgeführt.
Die Fahrtrichtung ist mit Pfeil und Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
Mittels des Gehäuseteils 1 ist
die Messeinrichtung unterhalb des Fahrzeuges montierbar.
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In
Fahrtrichtung vor und hinter der Messeinrichtung sind Sekundärspulen
mit geringem Abstand, insbesondere direkt an die Messeinrichtung
angrenzend, anordenbar. Denn wegen des metallischen Gehäuseteils 1 ist
eine sehr gute Abschirmung der magnetischen Störfelder, welche von den Sekundärspulen
bewirkt sind, ausführbar.
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Vorzugsweise
beträgt
die Wanddicke des Gehäuseteils 1 mehr
als 2 mm. Als besonders vorteilhaft hat sich die Wanddicke von 3
mm erwiesen. Dabei soll das Gehäuseteil 1 idealerweise
eine möglichst
hohe Leitfähigkeit
aufweisen. Es darf keine ferro-magnetischen Eigenschaften haben.
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Der
Steckverbinder 4 ist seitlich angebracht und ist auch zum
Anschließen
eines Feldbusses vorsehbar.
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Innerhalb
des Gehäuses
ist die Messeinrichtung derart ausgeführt, dass nicht nur die Sensorspulen
angeordnet sind, sondern auch eine elektronische Schaltung, die
derart ausgeführt
ist, dass eine Auswertung der Sensorspulensignale vorsehbar ist.
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Dabei
erzeugt die Schaltung Steuer-Informationen zur Ansteuerung der Lenkvorrichtung
des Fahrzeuges, wobei diese Informationen über den Steckverbinder mittels
Feldbus an andere Feldbus-Geräte,
wie beispielsweise die Lenkeinrichtung, übermittelt werden.
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Die
Lenkeinrichtung umfasst dabei elektrische Antriebe, welche die Fahrräder des
Fahrzeuges antreiben. Vorzugsweise umfassen die Antriebe hierzu
feldbusfähige
Umrichter zur Versorgung von Elektromotoren der Antriebe. Vorzugsweise
werden zwei von vier Rädern
angetrieben. Dabei erhalten die Umrichter, welche die Elektromotoren
versorgen, welche zum Antreiben mit den beiden angetriebenen Räder verbunden
sind, Solldrehzahlen von der Messeinrichtung. Bei gleich großen Solldrehzahlen
fährt das Fahrzeug
im Wesentlichen geradeaus. Wenn nun die Messeinrichtung eine seitliche
Abweichung relativ gemessen zu den Primärleitern detektiert, werden die
beiden Solldrehzahlen entsprechend unterschiedlich gestellt, also
eine Solldrehzahldifferenz vorgegeben. Auf diese Weise wird ermöglicht,
dass das Fahrzeug dem Verlauf der Primärleiter folgt.
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Vorzugsweise
sind die Sensorspulen in Paaren angeordnet, wobei die beiden Spulen
des jeweiligen Paares zueinander senkrecht angeordnet sind.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
sind die Spulen auf einer Leiterplatte angeordnet und mit Lötverbindung
mit Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden. Vorzugsweise sind sie mit
SMD Technik elektrisch verbunden. Die Verwendung von SMD Technik
ermöglicht,
die mechanischen Toleranzen der im Folgenden erläuterten Spulenpositionen klein
genug zu halten, um einen gerätespezifischen
Feinabgleich zu vermeiden.
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Die
Wärme der
Elektronik ist gut über
das Gehäuseteil 1 an
die Umgebung abführbar,
da es metallisch ausgeführt
ist.
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2 zeigt
den Hinleiter L1 und den Rückleiter
L2 der Primärleiterschleife.
Dabei sind die Primärleiter
voneinander mit einem Abstand a, also 140 mm, beabstandet.
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Im
Fahrzeug sind die horizontal ausgerichteten Sensorspulen 20 in
einer Genauigkeit von 1 mm mit ihrem geometrischen Schwerpunkt genauso
weit voneinander beabstandet, also mit dem Abstand a.
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Auf
derselben Leiterplatte ist in Fahrtrichtung, also Normalenrichtung
der Zeichnungsebene der 2, vor oder hinter derjeweiligen
horizontal ausgerichteten Senorspulen 20 eine vertikal
ausgerichtete Sensorspule 21 vorgesehen.
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Die
Sensorspulen (20, 21) sind auf einer Leiterplatte 22 im
Inneren der Messeinrichtung nach 1 ausgerichtet
und verbunden.
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Es
werden vorteiligerweise drei Sensorspulenpaare verwendet, von denen
zwei den Primärleitern
zugeordnet sind. Sollposition des Fahrzeuges ist also, dass die
beiden Spulenpaare vertikal genau über den Primärleitern
L1 und L2 angeordnet sind. Ein weiteres Sensorspulenpaar ist in
der Mitte zwischen den beiden erstgenannten Sensorspulenpaaren angeordnet.
Somit ist die Abweichung des Fahrzeuges sehr genau und einfach detektierbar,
insbesondere horizontale Abweichungen, aber auch vertikale Abweichungen.
Die Horizontalrichtung ist dabei als Verbindungsrichtung der beiden
Primärleiter
L1 und L2 definiert.
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Da
die beiden erstgenannten, also äußeren Sensorspulenpaare
mit ihrer Sollposition genau in der Mitte des linear verlaufenden
Bereiches der vertikalen Magnetfeldkomponente angeordnet sind, ist eine
besonders steile Kennlinie erreichbar und somit eine hohe Empfindlichkeit.
Dabei ist diejenige Kennlinie zu verstehen, die die Induktionsspannung
der vertikal angeordneten Spule gegenüber der Horizontalabweichung
des Fahrzeuges von der Sollposition darstellt.
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Das
in der Mitte zwischen den beiden Primärleitern angeordnete Spulenpaar
misst in seiner Sollposition genau im Nulldurchgang der horizontalen
Magnetfeldkomponente. Dies bietet den Vorteil, dass bei der Messung
im mittleren System prinzipiell kein Offset auftreten kann, der
später
abgeglichen werden muss. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Kennlinie
der Induktionsspannung in der horizontal angeordneten Spule gegenüber der
Horizontalabweichung hier ihren steilsten Verlauf hat. Da diese
Position zugleich die Mitte des linear verlaufenden Bereiches darstellt,
wird auch hier bei Spurabweichungen in beide Richtungen eine sehr
gute Empfindlichkeit erreicht.
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Die
Horizontalrichtung ist dabei als Verbindungsrichtung der beiden
Primärleiter
L1 und L2 definiert.
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Im
Unterschied zu 2 weisen bei dem Ausführungsbeispiel
nach 3 die beiden äußeren Sensorspulen
einen größeren Abstand
auf als der Abstand a. Insbesondere ist dabei die Anordnung derart
ausgeführt,
dass diese Spulen dort angeordnet sind, wo der die vertikalen Magnetfeldkomponenten
Null oder im Wesentlichen Null sind. Dies bietet den Vorteil, dass
wie zuvor für
das mittlere Sensorspulenpaar erläutert kein Offset bei der Messung
in Sollposition auftritt und somit ein Abgleich entfällt.
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Somit
ist eine sehr genaue Positionsbestimmung ausführbar.
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Bei
den 2 und 3 sind die Abstände und
Dimensionierungen aus den Abbildungen selbst ersichtlich.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
sind andere Dimmensionierungen vorteilhaft.
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Eine
gegenüber
dem Stand der Technik viel einfachere Auswahl der Fahrspur kann
durch geeignete Verwendung der drei oben erläuterten Spulenpaare realisiert
werden. 4–9 verdeutlichen das
Fahren an Weichen und über
Störstellen
bei gleichbleibender Primärstromfrequenz.
Jede dieser Figuren zeigt die Position der Messeinrichtung zu drei Zeitpunkten,
wobei t0 < t1 < t2 gilt. Der Pfeil zeigt die Fahrrichtung
an. Die drei Kreise symbolisieren die drei Sensorspulenpaare. Die
Primärleiter
sind entlang den Fahrspuren verlegt. Im Fahrbetrieb wird immer nur
ein Sensorspulenpaar zur Messung der Fahrspur ausgewertet. Von einem
Fahrzeug-Leitrechner kann eine Umschaltung des verwendeten Sensorspulenpaares
veranlasst werden. Der schwarz ausgefüllte Kreis symbolisiert jeweils
das zur Messung verwendete Sensorspulenpaar.
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6 und 7 zeigen
Unterbrechungen des Primärleiters
aufgrund von Anschlussstellen für die
Stromquellen bzw. für
die Kompensation der Primärleiterinduktivität. In 8 ist
eine Stossstelle von zwei unabhängigen
Primärleiter-Streckenabschnitte dargestellt
und 9 verdeutlicht das Fahren über Kreuzungen hinweg. Hierbei
ist von entscheidender Bedeutung, dass die Kreuzung der beiden Linienleiter
rechtwinklig ausgeführt
wird, weil dann das Magnetfeld des kreuzenden Primärleiterpaares
orthogonal zur horizontal verlaufenden Sensorspule des hier verwendeten
mittleren Sensorspulenpaares verläuft und somit von dieser nicht
erfasst wird.
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Ein
vorteilhafter Aufbau der Messwertaufbereitung verwendet eine Synchrongleichrichtung
zur Messung der Spurabweichung von der Sollposition. 10 zeigt
das Blockschaltbild einer solchen Synchrongleichrichtung für die Spurmessung
mit einem der äusseren
Sensorspulenpaare.
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Die
induzierte Wechselspannung U_V in der vertikalen Sensorspule dient
dabei als Eingangssignal, die induzierte Wechselspannung U_H in
der horizontalen Sensorspule als Steuersignal des Synchrongleichrichters.
Am Ausgang der Synchrongleichrichtung ergibt sich eine vorzeichenbehaftete Gleichspannung.
Ihr Betrag entspricht dem arithmetischen Mittelwert der gleichgerichteten
Spannung U_V und ist somit ein Maß für den Betrag der Spurabeichung.
Ihr Vorzeichen gibt die Richtung der Spurabweichung an.
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Zur
Spurmessung anhand des mittleren Sensorspulenpaares dient abweichend
von den äusseren
Systemen, die Induktionsspannung der horizontalen Sensorspule als
Eingangssignal und die Induktionsspannung der vertikalen Sensorspule
als Steuersignal. Dies ergibt sich aus dem Verlauf der entsprechenden
Kennlinien, wie oben beschrieben.
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Entscheidender
Vorteil ist neben dem einfachen Aufbau, dass diese Schaltung unabhängig von der
Frequenz des Primärstromes
arbeitet und somit universell einsetzbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Messeinrichtung bildet diese
in jedem der drei Messsysteme zusätzlich den Betrag der jeweiligen
Steuerspannung und leitet diesen an die integrierte Rechnereinheit.
Dies ermöglicht
in der Rechnereinheit eine Division der Eingangspannung des Synchrongleichrichters
durch den Betrag der Steuerspannung durchzuführen. Die hierdurch generierte
neue Kennlinie bietet wesentliche Vorteile gegenüber einer direkten Verwendung
des Ausgangssignales der Synchrongleichrichtung.
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Diese
Vorteile sind eine Linearisierung der Kennlinie im Randbereich der äusseren
Messsysteme, eine Unabhängigkeit
der Kennlinie von der Schwankungen der Messhöhe in einem bestimmten Bereich
bei Messung anhand des mittleren Messsystems sowie die Unabhängigkeit
der gebildeten Kennlinie vom Effektivwert des Primärleiterstromes
bei allen drei Messsystemen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung mit Rechnereinheit
wertet die Ausgangssignale der Messwertaufbereitung derart aus, dass
eine automatische Umschaltung des verwendeten Messsystems an Störstellen
erfolgt.
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Vorzugsweise
werden möglicherweise
vorhandene Kennlinienoffsets der verschiedenen Messsysteme in der
Rechnereinheit der Auswerteeinrichtung abgelegt. Diese können somit
programmtechnisch angepasst werden. Ein umständlicher, manueller Abgleich
mit Hilfe von Potentiometern wird somit vermeidbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Rechnereinheit führt diese
durch anfängliche
einmalige Messung beim Einschalten oder auf Wunsch einen automatischen
Feinabgleich aller drei Systemoffsets durch, sofern diese existieren.