DE102007011004A1

DE102007011004A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen und stabilen Spannungsversorgung eines elektrischen Verbrauchers

Info

Publication number: DE102007011004A1
Application number: DE200710011004
Authority: DE
Inventors: Bernhardt Brehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-11

Abstract

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. Es war Aufgabe das bekannte Verfahren derart weiterzuentwicklen, daß es für hochleistungsfähige und hochtourige Verbraucher, insbesondere für mit Frequenzumrichter gesteuerte Elektroantriebe nutzbar ist, keine Umwelt schädigende Schadstoffe erzeugt und keine die Gesundheit schädigende Lärmbelästigung verursacht, gekennzeichnet durch die neuen Verfahrensschritte, Ermittlung der Art und Leistungsgröße jeder beliebigen Spannungsquelle, kontinuierliches Laden eines dauerhaft zwischen geschalteten Batteriespeichers mit einer, für einen mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantrieb, erforderlichen Zwischenkreisspannung und kontinuierliche sowie stabile Spannungsversorgung des mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantriebs mit der erforderlichen Zwischenkreisspannung aus dem Batteriespeicher sowie durch Anwendung des erweiterten Verfahrens für mit Frequenzumrichter gesteuerte, hochleistungsfähige und hochtourige Elektroantriebe bis zu 30 kW.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004035126 A1 [0003]
- DE 4037390 C1 [0004]
- DE 19646043 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen und stabilen Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit induktiver oder pulsförmiger Spannungsentnahme, bei der ein Vergleich der zur Verfügung stehenden Leistungsgröße einer Spannungsquelle mit der erforderlichen Leistungsgröße der Spannungsversorgung für den Verbraucher und die Umwandlung der zur Verfügung stehenden Art der Spannungsquelle und deren Leistungsgröße in die erforderliche Art der Spannungsquelle und deren Leistungsgröße erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das bekannte Verfahren erweitert ist durch die Verfahrensschritte – Ermittlung der Art und Leistungsgröße jeder beliebigen Spannungsquelle, – kontinuierliches Laden eines dauerhaft zwischen geschalteten Batteriespeichers mit einer, für einen mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantrieb, erforderlichen Zwischenkreisspannung und – kontinuierliche sowie stabile Spannungsversorgung des mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantriebs mit der erforderlichen Zwischenkreisspannung aus dem Batteriespeicher und daß das an sich bekannte und erweiterte Verfahren für, mit Frequenzumrichter gesteuerte, hochleistungsfähige und hochtourige Elektroantriebe bis zu 30 kW anwendbar ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beliebige Spannungsquelle und der mobile oder stationäre, mit Frequenzumrichter gesteuerte Elektroantrieb durch eine Schaltanordnung, mit dem dauerhaft vorgeschalteten Batteriespeicher verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung ein Analysengerät, mindestens einen Komparator und einen Spannungswandler aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysengerät und der Komparator ein elektronischer Regelkreis mit mindestens einem Mikroprozessor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle mit dem, mit Frequenzumrichter gesteuerten Elektroantrieb derart verbunden ist, daß eine begrenzte Speicherkapazität der kapazitiven Speicherelemente des Elektroantriebs um eine definierbare Speicherkapazität des transportablen dauerhaft vorgeschalteten Batteriespeichers erweiterbar ist.