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Die
Erfindung betrifft ein Schutzmodul für eine Anlage und eine Anlage.
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Es
sind zum Abfangen von Spannungsspitzen Varistoren bekannt. Diese
können
allerdings Energie nicht elektrisch speichern und danach nicht langsam
abgeben. Außerdem
sprechen sie erst nach Überschreiten
von kritischen Spannungswerten an.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei Anlagen
zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem Schutzmodul nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei dem Schutzmodul sind, dass das Schutzmodul
zumindest einen Gleichrichter, der zur Ladung einer Kapazität vorgesehen
ist, der ein Entladewiderstand parallel geschaltet ist, umfasst.
Von Vorteil ist dabei, dass das Schutzmodul einfach und kompakt
aufbaubar und in einem Gehäuse
unterbringbar ist. Insbesondere ist die Elektronik dabei mit wärmeleitender Vergussmasse
vergießbar
und die bei Überspannung
auftretende Wärme über das
Gehäuse
abführbar.
Das Schutzmodul umfasst nach außen
hin beispielsweise zwei elektrische Anschlüsse.
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Außerdem wird
der Kondensator des Schutzmoduls auf die Spitzenspannung der anliegenden
Wechselspannung aufgeladen und das Schutzmodul verbraucht nach diesem
Ladevorgang nur geringe Strommengen. Falls aber die Eingangsspannung
am Schutzmodul schnell ansteigt, fließt ein hoher Strom ins Schutzmodul
und die zugehörige
Energie wird bis zu einer entsprechenden Maximalmenge im Modul aufgenommen,
gespeichert und über den
Entladewiderstand als Wärme
abgeführt.
Für kurzfristige
Spannungsüberhöhungen verhält sich das
Schutzmodul wie ein kurzfristiger Kurzschluss.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul derart angeordnet,
dass es parallel zu einem Schalter zur Verhinderung von Überspannungen
und/oder Funkenbildung am Kontakt des Schalters vorgesehen ist.
Von Vorteil ist dabei, dass es nicht erst bei hohen Spannungen wirksam
wird sondern schon ab geringen Spannungen bei jeder Spannungserhöhung. Im
Gegensatz zu Varistoren ist also stets ein Schutz gegen Überspannungen
wirksam und aktiv.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul am Ausgang
einer Stromquelle vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass im Normalbetrieb geringe
Spannungen auftreten und somit Überspannungen
sich in ihren Werten deutlich unterscheiden von den im Normalbetrieb
auftretenden Werten. Außerdem
ist der wesentliche Anteil der Kapazität des Kondensators oder der
Kondensatoren des Schutzmoduls nutzbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul an einem Schalter
zum Kurzschließen und/oder
Auftrennen eines Streckenabschnittes vorgesehen ist. Von Vorteil
ist dabei, dass jedem Schalter ein solches Schutzmodul zuordenbar
ist und somit die Sicherheit gegen Funkenbildung und Überspannung
verbessert ist.
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Dabei
zu beachten, dass ohne das erfindungsgemäße Schutzmodul bei einem Schalter,
der einen niederfrequenten Wechselstrom von beispielhaft 50 oder
60 Hz unterbrechen soll, beim Öffnen des
Schalters zwar eine Funkenbildung entstehen kann, also auch Luft
ionisiert wird, durch welche der Strom weiterfließt. Aber
bei Nulldurchgang des Stromwertes verlöscht auch diese Stromübertragung,
weil in dem Zeitbereich des Nulldurchgangs die Stromwerte derart
lange niedrig oder nicht vorhanden sind, dass ein Aufrechterhalten
der Ionisierung der Luft unmöglich
wird. Der Funke wird also gelöscht und
somit bleibt der Stromkreis unterbrochen. Somit sind bei Schaltern
für niederfrequente
Ströme
nur in Sonderfällen,
wie explosionsgeschützte
Umgebung, Schutzbeschaltungen notwednig. Jedoch wird bei der Erfidnung
mittelfrequenter Wechselstrom mittels des Schalters schaltbar, beispielsweise
Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz. Dabei ist die Zeit für den Nulldurchgang
sehr gering. Somit ist auch die Zeit des Absinkens des Strombetrags
unterhalb kritischer Werte sehr kurz und die Ionisierung der Luft
bleibt aufrechterhalten. Die Funkenbildung belibt also weiterhin
aktiviert und der Schalter kann den Wechselstrom nicht abschalten.
Insbesondere gilt dies für sehr
kleine und kompakt ausgeführte
Schalter. Daher ist die Erfidnung bei solche hohen Frequenzen vorteilhaft.
Denn das verwendete Schutzmodul verhindert das Auftreten hoher Spannungen
beim Unterbrechen des Wechselstromes. Es wird also schon die erste
Funkenstreckenbildung verhindert und das Abschalten von mittelfrequenten
Wechselströmen mittels
solch kleiner Schalter erst ermöglicht.
Außerdem wird
ein Verbrennen des Schalters verhindert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul parallel zu
einem Schalter, mit welchem der Strom einer Spule abschaltbar ist,
vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die beim Auftrennen des Schalters
entstehende Überspannung
abfangbar ist.
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Wichtige
Merkmale der Anlage nach Anspruch 6 zur berührungslosen Energieübertragung mit
einem Schutzmodul sind, dass am Ausgang der den mittelfrequenten
Wechselstrom in die Primärleitung
einprägenden
Einspeiseschaltung ein Schutzmodul vorgesehen ist. Von Vorteil ist
dabei, dass die Sicherheit bei der Anlage erhöht ist, indem Überspannungen
und Funkenbildungen verhinderbar sind, ohne Kenntnis des genauen
einzelnen Ereignisses in der Anlage, wie Abschalten von Teilstrecken oder
Einschalten von Verbrauchern und dergleichen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Schutzmodul primärseitig
und/oder ein zweites Schutzmodul sekundärseitig vorgesehen. Von Vorteil
ist dabei, dass dasselbe Schutzmodul in verschiedenen Bereichen
einsetzbar ist und somit die Stückzahl
erhöht
ist, wodurch die Kosten gering sind. Außerdem ist auch sekundärseitig
ein Schalter einsetzbar und somit der Energiestrom sehr gut steuerbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anlage zur berührungslosen
Energieübertragung
an eine Primärleitung
induktiv gekoppelte Verbraucher, wobei in die Primärleitung
ein im Wesentlichen konstanter mittelfrequenter Wechselstrom eingeprägt wird,
insbesondere im Wesentlichen unabhängig von der von den Verbrauchern
entnommenen Leistung. Von Vorteil ist dabei, dass unabhängig von
der Anzahl der Verbraucher und der entnommenen Leistung der Strom
einprägbar
ist und somit von der Einspeisung der Strom nur so geregelt werden muss,
dass er im Wesentlichen konstant gehalten wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verbraucher einen
oder mehrere Kondensatoren, der mit einer den Verbraucher versorgenden Sekundärspule derart
seriell und/oder parallel beschaltet ist oder sind, dass die entsprechende
Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
Von Vorteil ist dabei, dass ein großer Luftspalt realisierbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem kurzschließbaren Streckenabschnitt
ein Schutzmodul zugeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass beim Auftrennen
entstehende Überspannungen
verminderbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mindestens zwei Schutzmodule
vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass stets gleiche Schutzmodule verwendbar
sind.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- mittelfrequente
Spannungsquelle
- 2
- Gyrator
- 3
- erster
Streckenabschnitt
- 4
- zweiter
Streckenabschnitt
- 5
- induktiv
versorgter Verbraucher
- 6
- induktiv
versorgter Verbraucher
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
- D1,
D2, D3, D4
- Diode
- C1
- Kondensator
- R1
- Widerstand
- SM1
- Schutzmodul
- SM2
- Schutzmodul
- SM3
- Schutzmodul
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist
ein erfindungsgemäßes Schutzmodul gezeigt.
In der 2 ist eine Anlage zur berührungslosen Energieübertragung
gezeigt, wobei die Schutzmodule an verschiedenen Stellen der Anlage
vorgesehen sind.
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Das
Schutzmodul umfasst einen Gleichrichter, beispielhaft aus den Dioden
D1, D2, D3, D4 zusammengesetzt, zumindest eine Kapazität, beispielhaft
als Kondensator C1, und zumindest einen Entladewiderstand R1 für das Entladen
der Kapazität.
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Wenn
nun zwischen den Anschlüssen
A1 und A2 des Schutzmoduls eine Überspannung
auftritt, also eine kurzzeitig auftretende Spannungsspitze, ist
zugehörige
Energie aufnehmbar vom Kondensator C1. Dieser wird über einen
nachfolgend über den
Entladewiderstand R1 entladen. Das Schutzmodul nimmt kleine oder
große
Spannungsspitzen auf.
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Die
Anlage nach 2 umfasst eine mittelfrequente
Spannungsquelle 1, die drehstromversorgbar ist, einen entsprechenden
Gleichrichter und Glättungskondensator
umfasst sowie eine daraus versorgbare Endstufe, die Leistungshalbleiterschalter umfasst,
die von einer Steuerschaltung aus pulsweitenmodulierbar ansteuerbar
und betreibbar sind zur Erzeugung mittelfrequenter Wechselspannung,
die einem Gyrator 2 zugeleitet wird.
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Dieser
transformiert das Spannungsquellenverhalten U1 in ein Stromquellenverhalten
I1. Seine Resonanzfrequenz entspricht im Wesentlichen der Mittelfrequenz.
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Aus
dieser Stromquelle werden Primärleiter von
Streckenabschnitten versorgt, deren Leitungsinduktivitäten durch
seriell angeordnete Kondensatoren derart abgestimmt werden, dass
die Resonanzfrequenz des Streckenabschnittes der Mittelfrequenz im
Wesentlichen entspricht.
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In
den Hinleitern und Rückleitern
der betriebenen Streckenabschnitte fließt also ein im Wesentlichen
konstanter mittelfrequenter Wechselstrom.
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Die
Verbraucher 5, 6 sind induktiv versorgbar. Dabei
umfassen die Verbraucher (5, 6) eine Sekundärspule,
die induktiv an den Primärleiter
der Streckenabschnitte (3, 4) gekoppelt ist.
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Außerdem ist
zu dieser Spule eine Kapazität in
Reihe oder parallel geschaltet, die derart dimensioniert ist, dass
die entsprechende Resonanzfrequenz der Mittelfrequenz im Wesentlichen
entspricht. Auf diese Weise ist ein guter Wirkungsgrad der berührungslosen
Energieübertragung
erreichbar, obwohl ein großer
Luftspalt zwischen Primärleiter
und Sekundärspule
vorgesehen ist.
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Das
Schutzmodul ist im Primärleiterbereich vorgesehen.
Dabei umfasst die Primärleitung
geschlossene Schleifen, die jeweils einen Hinleiter und einen Rückleiter
umfassen. In diesen fließt
ein im Wesentlichen eingeprägter
Wechselstrom, da der Gyrator ausgangsseitig ein Stromquellenverhalten aufweist.
Ausgangsseitig besteht also am Gyrator eine Spannung, die mit zunehmender
Leistungsentnahme der Verbraucher zunimmt. Auch beim Zuschalten
von weiteren Teilstrecken oder Streckenabschnitten im Primärleiterbereich
erhöht
sich die Spannung am Gyrator. Das Schutzmodul ist nun derart zwischen
Hinleiter und Rückleiter
vorgesehen, dass es die zerstörerische
Gefahr von auftretenden Überspannungen
oder Spannungsspitzen verhindert. Hierzu nimmt das Schutzmodul in
sehr kurzer Zeit entsprechend viel Energie auf und verhindert somit Überspannungen,
Funkenbildung bei Schaltern und dergleichen. Solche treten insbesondere
dann auf, wenn rasche Stromkommutierungen statt finden, wie beispielsweise
das Abschalten, das Abschalten von Streckenabschnitten, wie Teilstrecken.
Die aufgenommene Energie wird dann über den Entladewiderstand in
Wärme verwandelt.
Im Normalbetrieb wird bei Spannungsänderung der Kondensator des Schutzmoduls
zunächst
derart aufgeladen oder entsprechend entladen, bis die Kondensatorspannung im
Wesentlichen dem Spitzenwert der Ausgangswechselspannung am Gyrator
entspricht. Bei konstanter Leistungsentnahme der Verbraucher bleibt die
Spitzenspannung konstant und somit auch die Spannung am Kondensator.
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Wenn
also ein Streckenabschnitt kurzgeschlossen wird, beispielsweise
durch Kurzschließen des
Schalters S1, fällt
die entnommene Leistung ab und die Gyrator-Ausgangsspannung sinkt
entsprechend ab. Nach wie vor fließt noch ein Reststrom über S2im
Streckenabschnitt 4. Wenn nachfolgend der Schalter S2 aufgetrennt
wird zum sicheren Abschalten aller Ströme in diesem Streckenabschnitt 4, wird
die Streckeninduktivität
der Primärleitung
reduziert und der weiter fließende,
im Wesentlichen zunächst
konstante Strom, der nun nur über
S1 fließt, kann
zu einer kurzfristigen Erhöhung
der Gyrator-Ausgangsspannung führen;
die durch das Schutzmodul SM1 abgefangen wird.
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Das
Schutzmodul SM2 ist parallel zum Schalter S1 vorgesehen. Bei geschlossenem
Schalter ist der Spannungsabfall am Schalter unwesentlich. Somit
ist auch die Spannung am Kondensator des Schutzmoduls unwesentlich.
Wird jedoch der Schalter S1 geöffnet,
würde die
Spannung am Schalter S1 gefährlich
hohe Werte erreichen können,
wenn das Schutzmodul nicht vorhanden wäre. Diese auftretende Überspannung
wird durch das Schutzmodul SM2 aufgenommen und daher verhindert.
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Außerdem ist
ein solches Schutzmodul auch sekundärseitig vorsehbar. Denn zum
Schutz der Sekundärspule
ist bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
eine Übertemperaturabschaltung
vorgesehen. Am zugehörigen
Schalter S3 ist ein Schutzmodul SM3 anordenbar wiederum zur Verhinderung
von Funkenbildung und Überspannungen.
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Vorzugsweise
ist das Schutzmodul stets parallel zu elektrischen oder elektronischen
Schaltern vorgesehen. Zu den elektrischen Schaltern zählen zumindest
auch Relais, Schütz
und dergleichen. Zu den elektronischen Schaltern zählen zumindest
auch ansteuerbare Leistungshalbleiter, wie IGBT, MOS-FET-Leistungsschalter,
Transistoren, Thyristoren und dergleichen.
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Die
Verbraucher (5, 6) werden berührungslos über die induktive Koppelung
zur Primärleitung mit
Energie versorgt. Die Verbraucher umfassen beispielhaft elektrische
Antriebssysteme, die mehr als 100 W benötigen. Information wird in
ersten Ausführungsbeispielen
durch höher
als die Mittelfrequent liegende aufmodulierte Stromanteile übertragen.
Als Mittelfrequenz sind Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz vorteilhaft
verwendbar. Zur Informationsübertragung
sind somit Frequenzen von 100 kHz und mehr verwendbar. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
sind Informationsübertragungen
mittels parallel zur Primärleitung
verlegten Leckwellenleitern oder anderen Systemen übertragbar.
Zusätzlich
sind auch Spurführungssysteme
in den Verbrauchern anordenbar, die die Spurführung des Verbrauchers entlang der
Primärleitung
ausführbar
machen, indem mit Sensorspulen die relative Abweichung zur Primärleitungsposition
detektiert wird.