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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen und stabilen
Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit induktiver oder pulsförmiger
Spannungsentnahme und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, insbesondere für, mit Frequenzumrichter
gesteuerte, Elektroantriebe.
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Zur
Spannungsversorgung von Verbrauchern mit elektrisch induktiver oder
pulsförmiger Spannungsentnahme dienen bekannte externe
Netzanschlüsse, Generatoren, Brennstoffzellen etc.. Beispielsweise
werden Verbraucher wie Gesteinsbohrmaschinen, Kettensägen
etc., die mit hochtourigen aber leistungsstarken Elektroantrieben
ausgestattet sind, durch Frequenzumrichter mit einer stabilen Zwischenkreisspannung
versorgt. Die Benutzungsorte solcher Verbraucher befinden sich häufig
in noch nicht erschlossenen oder mit instabilen externen Netzanschlüssen
oder Generatorbetrieb ausgestatteten Territorien. Die Spannungsquellen
bzw. die durch diese gelieferte Spannung unterliegen, durch unterschiedliche
Ursachen bedingt, häufigen und extremen Spannungsschwankungen
und -ausfällen, die bei bestimmten Verbrauchern, insbesondere
solchen mit induktiver oder pulsförmiger Spannungsabnahme,
wie zum Beispiel bei mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantrieben,
zu häufigen Ausfällen bis hin zu deren Zerstörung
führen, wobei deren Empfindlichkeit darauf zurückzuführen
ist, daß sie vorwiegend nur für ein bestimmtes
Spannungsfeld ausgelegt sind.
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Aus
der
DE 10 2004
035 126 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur alternativen
Spannungsversorgung einer Last aus mehreren Spannungsquellen und
ein Verfahren zum alternativen Verbinden von Versorgungsanschlüssen
mit einem gemeinsamen Lastanschluß bekannt. Bei der offenbarten Lösung
ist einerseits sichergestellt, daß ein geringer Spannungsabfall
durch Schaltmittel auftritt und anderseits gewährleistet,
daß die angeschlossene Last unterbrechungsfrei mit einer
der zur Verfügung stehenden Spannungsquellen verbunden
ist. Bei den zwei alternativ zur Verfügung stehenden Spannungsquellen
handelt es sich um zwei Spannungsquellen mit unterschiedlicher Spannungshöhe,
wobei durch einen Komparator die jeweils höhere Spannungsquelle
ermittelt und mit dem Verbraucher verbunden wird. Erst danach wird
die zweite Spannungsquelle vom Verbraucher getrennt, um den Verbraucher
unterbrechungsfrei zu versorgen. Diese Lösung setzt in jedem
Fall zwei zur Verfügung stehende alternative Spannungsquellen
voraus, was für den vorgesehenen Anwendungsfall problematisch
ist, weil in bestimmten, beispielsweise abgelegenen Gebieten, meistens
nur eine Spannungsquelle zur Verfügung steht oder zwei
zur Verfügung stehende Spannungsquellen nicht miteinander
koppelbar sind.
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Aus
der
DE 40 37 390 C1 ist
auch eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung der Steuereinrichtung
eines Wechselrichters in einem Spannungszwischenkreisumrichter bekannt.
Die Erfindung stützt sicher und puffert die Versorgungsspannung
für die Steuereinrichtung des Wechselrichters bei Netzspannungseinbrüchen
oder -ausfällen. Das Ausführungsbeispiel sieht
dazu ein dreiphasiges Netz mit im Regelfall konstanter Spannung
und konstanter Frequenz als Spannungsquelle vor. Über Kontakte
eines Schützen ist an dem Netz ein Spannungszwischenkreisumrichter
angeschlossen, der aus einem Netzstromrichter, einem durch einen
Kondensator repräsentierten Hauptzwischenkreis mit der Gleichspannung
und einem im Pulsbetrieb arbeitenden Wechselrichter gebildet ist.
Am Ausgang des Wechselrichters steht eine variable Spannung und variable
Frequenz an, die einem dreiphasigen Motor zuführbar ist.
Die Ansteuersignale für den Wechselrichter sowie die Versorgungsspannung
für dessen Steuereinrichtung werden von einem Gleichspannungswandler
bereitgestellt, der am Ausgang eines Hilfsumrichters angeordnet
ist, der einen eingangseitigen Gleichrichter sowie einen durch einen
weiteren Kondensator geprägten Hilfsspannungszwischenkreis
mit konstanter Hilfsspannung aufweist. Bei dieser Lösung
wird von nur minimalen Schwankungen oder nur kurzzeitigen Ausfällen
der Spannungsquelle ausgegangen.
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Die
DE 196 46 043 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, mit einer als Generator
oder Starter betreibbaren elektrischen Maschine, die im Generatorbetrieb
von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei die Brennkraftmaschine
auf die erforderliche Mindestdrehzahl gebracht wird. Dabei ist die
elektrische Maschine über einen Umrichter mit einem Spannungswandler
verbunden, der an die Bordnetzbatterie angeschlossen ist. Im Startfall
wird der Spannungswandler mittels eines Schaltelements überbrückt,
so daß der Starter direkt aus der Batterie versorgt wird.
Im Generatorbetrieb wird das Schaltelement geöffnet, so
daß der Generator mit gegenüber der Bordnetzspannung
erhöhter Spannung betreibbar ist und diese Spannung im Spannungswandler
auf Bordnetzspannung gewandelt wird. Auch diese Lösung
geht von zwei alternativ zuschaltbaren Spannungsquellen aus.
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Alle
bekannten Lösungen benötigen entweder mehrere
alternative Spannungsquellen, die bedarfsweise zuschaltbar sind
oder nur geringfügige Spannungsschwankungen oder kurzzeitige
Ausfälle bewältigen. Außerdem verfügen
die bisher eingesetzten Batteriespeicher in Form von Kondensatoren,
Dioden oder Akkumulatoren nur über geringe induktive Speicherkapazitäten
zur Überbrückung von Spannungsausfällen,
so daß sie nur für niedertourige Antriebe mit
durchschnittlichem Leistungsvolumen geeignet sind. In vielen Anwendungsbereichen,
beispielsweise beim Abriß alter Fabrikanlagen und Wohngebäude,
beim Aufreißen von Straßen und Autobahnen, bei
Forstarbeiten, beim Mähen großer Rasenflächen,
etc. werden deshalb Maschinen und Geräte eingesetzt, die
mit Benzin- oder Diesel betrieben werden, weil die Leistungsfähigkeit
der mit Batterie betriebenen Maschinen und Werkzeuge unzureichend
ist. Neben dem hohen umweltschädlichen CO2-Ausstoß dieser
Motoren besteht für die Umwelt eine hohe Verschmutzungsgefahr
und für die Arbeitskräfte eine die Gesundheit
schädigende Lärmbelästigung.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren
derart weiterzuentwickeln, daß es für hochleistungsfähige
und hochtourige Verbraucher, insbesondere für, mit Frequenzumrichter
gesteuerte, Elektroantriebe nutzbar ist, unabhängig von
der Art und Leistungsgröße einer Spannungsquelle
eine kontinuierlich stabile Versorgung mit einer Zwischenkreisspannung
gewährleistet, keine Umwelt schädigenden Schadstoffe
erzeugt und keine die Gesundheit schädigende Lärmbelästigung verursacht.
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Die
Aufgabe wird durch die Anwendung des, an sich bekannten Verfahrens
zur kontinuierlichen und stabilen Spannungsversorgung eines Verbrauchers
mit induktiver oder pulsförmiger Spannungsentnahme, mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Besonders
hervorzuheben ist der neue Verfahrensschritt, der Ermittlung der
Art und Leistungsgröße jeder beliebigen Spannungsquelle,
der eine grundsätzliche Unabhängigkeit des mit
Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantriebs von der Art, Leistungsfähigkeit
und Kontinuität einer beliebigen Spannungsversorgung gewährleistet.
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Der
ebenfalls neue Verfahrensschritt, kontinuierliches Laden eines bedarfsweise
dimensionierten und dauerhaft vorgeschalteten Batteriespeichers, sichert
darüber hinaus eine erhebliche Erweiterung des kapazitiven
Speichers eines beliebigen, mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantriebs
und gewährleistet mit dem dritten neuen Verfahrensschritt dessen
stabile, kontinuierliche und störungsfreie Versorgung mit
der erforderlichen Zwischenkreisspannung aus dem dauerhaft vorgeschalteten
Batteriespeicher.
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Die
mit den neuen Verfahrensschritten erreichte kontinuierliche Versorgung
des Verbrauchers mit der erforderlichen Zwischenkreisspannung, gestattet
die Anwendung des Verfahrens auch für, mit Frequenzumrichter
gesteuerte, hochleistungsfähige und hochtourige Elektroantriebe
bis zu 30 kW.
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Hervorzuheben
ist auch die Unabhängigkeit der Zwischenkreispannungsversorgung
des Frequenzumrichters von Spannungsschwankungen und -ausfällen
der jeweiligen Spannungsquelle, wodurch der Frequenzumrichter unter
anderem auch unabhängig von Netzstörungen ist
und mit dem von ihm angetriebenen Elektroantrieb selbst keine Netzstörungen
verursachen kann.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, daß es beim Einsatz einer Spannungsquelle
durch Generatorbetrieb zu erheblichen Gewichtsreduzierungen kommt,
weil mit wesentlich kleineren Generatoren und mit geringerem technischen
Leistungspotential gearbeitet werden kann.
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Auch
wird das in einigen Schritten bekannte Verfahren durch die gewählte
Schaltungsanordnung mit mindestens einem Komparator, einem Spannungsumwandler
und einem dauerhaft dem Frequenzumrichter vorgeschalteten, erforderlich
dimensionierten Batterieblock realisierbar und kann für
Kettensägen aller Art, Trennschleifer, handgeführte Elektrowerkzeuge
und selbstverständlich auch für stationäre
Motoren angewendet werden.
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Das
an sich bekannte, durch erfindungsgemäße Verfahrensschritte
erweiterte Verfahren und die dazu vorzugsweise gewählte
Schaltungsanordnung gewährleisten, daß der Frequenzumrichter
und die von diesen versorgten Elektroantriebe nicht, durch Spannungsschwankungen
und -unterbrechungen bedingt, ausfallen oder zerstört werden,
keine erheblichen Arbeitsausfall- und Reparaturzeiten verursachen
und daß durch den Einsatz des Verfahrens für hochleistungsfähige,
schnelldrehende Elektroantriebe zusätzlicher Material-
und Kostenaufwand vermieden wird.
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Schließlich
gestattet das erweiterte Verfahren, daß mit Benzin und
Diesel angetriebene Maschinen aus dem Verkehr gezogen werden können.
Damit leistet die neue Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens
für, mit Frequenzumrichter gesteuerte, hochleistungsfähige
und hochtourige Elektroantriebe bis zu 30kW einen großen
Beitrag zur Reduzierung der Umweltverschmutzung und der Gesundheitsschädigung
der Menschen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben werden. Es wird davon ausgegangen, daß eine
beliebige Spannungsquelle zum Beispiel in Form eines externen Netzanschlusses
eines Generators oder einer Brennstoffzelle mit Wechselspannungen
von beispielsweise 230V einphasig oder 230V, 400V, 460V dreiphasig
oder anderen Größen zur Verfügung steht.
Eine der zur Verfügung stehenden Spannungsquellen wird
mit einer Schaltanordnung verbunden, die ein Analysengerät,
mindestens einen Komparator und einen Spannungswandler aufweist
und über einen dauerhaft vorgeschalteteten Batteriespeicher vorzugsweise
mit einem, mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantrieb, verbunden
ist. Das Analysengerät und der Komparator bestehen beispielsweise
aus einem elektronischem Regelkreis mit mindestens einem Mikroprozessor
zur Analyse der Art und Leistungsgröße der Spannungsquelle
und zur Steuerung des Spannungswandlers. Die Schaltungsanordnung
ist mit einem dauerhaft vorgeschalteten Batteriespeicher, der vorzugsweise
aus Motorradbatterien bestehen kann, verbunden, der wiederum mit
dem, mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantrieb verbunden
ist. Die angeschlossene Spannungsquelle, beispielsweise ein externer
Netzanschluß, wird in der Schaltungsanordnung durch das
Analysengerät nach Art und Größe ermittelt,
die ermittelten Werte werden an den Komparator weitergegeben, mit
dem, für den Frequenzumrichter des Elektroantriebs erforderlichen
Wert verglichen und an den Spannungswandler zur und Leistungsgröße
weitergeleitet. Vom Spannungswandler wird der dauerhaft vorgeschaltete
Batteriespeicher kontinuierlich mit der erforderlichen Zwischenkreisspannung
aufgeladen und gibt diese stabile Zwischenkreisspannung kontinuierlich an
den Frequenzumrichter des Elektroantriebs weiter. Schwankungen oder
Ausfälle der Netzspannung werden von der Schaltungsanordnung
abgefangen, wodurch der Frequenmzumrichter des Elektroantriebs,
ausschließlich und kontinuierlich von dem Batteriespeicher
mit der erforderlichen kontinuierlichen Zwischenkreisspannung versorgt
wird. Der erforderlich dimensionierte Batteriespeicher erweitert
die begrenzte Speicherkapazität der kapazitiven Speicherelemente
des mit des Frequenzumrichters gesteuerten Elektroantriebs, wodurch
keine, durch die externe Netzspannung bedingten, Unterbrechungen
oder Schwankungen der Zwischenkreisspannung im Frequenzumrichter
auftreten können, die dessen Defekt oder Zerstörung
und Ersatz oder Reparatur zur Folge haben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004035126
A1 [0003]
- - DE 4037390 C1 [0004]
- - DE 19646043 A1 [0005]