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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 sowie einen elektrischen Verbraucher.
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In
der Automatisierung ist eine zuverlässige Kommunikation
zwischen Steuergeräten, Sensoren und Aktoren unerlässlich.
Ein konkretes Beispiel hierfür ist die Übertragung
von Informationen zwischen einem elektrischen Verbraucher wie einem
Motor und einem mit dem Motor verbundenen Betriebsmittel wie beispielsweise
einem Umrichter. Um einen optimalen Betrieb des Motors durch den
Umrichter zu gewährleisten, müssen bestimmte Motordaten
im Umrichter bekannt sein. Eine Möglichkeit, das zu realisieren,
ist die manuelle Eingabe von Typenschilddaten durch einen Bediener.
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Zur
Verbesserung dieser Vorgehensweise ist bekannt, elektrische Antriebsmaschinen
mit einem sogenannten digitalen Typenschild zu versehen. So ist
beispielsweise in der
DE
197 30 492 A1 beschrieben, Informationen über
die Antriebsmaschine, wie beispielsweise Typinformationen oder Inbetriebnahmeinformationen,
in einer in der Antriebsmaschine angeordneten Speichereinheit abzuspeichern.
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Das
bietet den Vorteil, dass Informationen über die Antriebsmaschine
durch Auslesen der Speichereinheit automatisierbar zur Verfügung
stehen. Bei der aus der
DE
197 30 492 A1 bekannten Lösung ist vorgesehen,
dass die in die Antriebsmaschine integrierte Speichereinheit mit
einer eigenen Schnittstelle (Interface) zur Kopplung mit einer Steuer- und/oder
Regeleinheit versehen ist, wobei jedoch eine zusätzliche
Verbindung, beispielsweise über ein serielles Bussystem,
zwischen Antriebsmaschine und Steuer- oder Regeleinheit erforderlich
ist.
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Aus
der
DE 100 12 799
C2 ist ein drehzahlsteuerbarer Drehstrommotor zum Betrieb
an einem Frequenzumrichter bekannt, wobei der Motor einen Speicherbaustein
aufweist, in welchem die für den Umrichter relevanten Motordaten
abgelegt sind. Der Umrichter umfasst eine Auswerteeinheit zum Auslesen
des Speicherbausteins. Zum Herstellen einer Kommunikationsverbindung
zwischen Speicherbaustein und Motor und Datenauswerteeinheit im
Umrichter ist ebenfalls eine zusätzliche Signalleitung
erforderlich, wobei die
DE
100 12 799 C2 vorschlägt, hierzu vorhandene Resolver-Signalleitungen
zu nutzen.
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In
der
DE 102 43 563
A1 wurde dagegen vorgeschlagen, die Informationen von einer
Antriebsmaschine zu einem Betriebsmittel, beispielsweise Umrichter
oder dergleichen über eine der elektrischen Energieversorgung
dienenden Zuleitung zu übertragen. Vorteilhaft kann so
auf eine zusätzliche Datenleitung verzichtet werden. Die
Initialisierung der Datenübertragung erfolgt durch das
vorgeordnete Betriebsmittel ebenfalls über die Energieversorgungsleitungen,
wobei für die Datenübertragung ein spannungsloser
Zustand der Zuleitungen genutzt wird. Als Koppeleinheit dient eine
elektrische Spule oder eine kapazitive Kopplung zwischen den Adern.
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Eine ähnliche
Maßnahme ist aus der
DE 199 11 217 A1 bekannt, nach der die Informationen
von einem Umrichter mit einer höheren Frequenz auf eine Versorgungsleitung
aufmoduliert und zumindest einem weiteren Umrichter, Zentralrechner
oder ähnlichen Gerät übertragen werden.
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Aus
der
DE 10 2005
008 050 A1 ist weiterhin ein Verfahren zum Austausch von
Informationen zwischen einem elektrischen Verbraucher und einem zwischen
dem Verbraucher und dem elektrischen Versorgungsnetz angeordneten
Betriebsmittel bekannt, bei dem bei der Inbetriebnahme des Verbrauchers
im Verbraucher gespeicherte Daten mit einem Datenburst an das zwischen
Verbraucher und elektrischem Versorgungsnetz liegende Betriebsmittel übertragen
werden.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein Verfahren anzugeben,
das eine Übertragung von Informationen von einem elektrischen
Verbraucher an ein Betriebsmittel auch während des laufenden
Betriebs des Verbrauchers erlaubt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist, einen elektrischen Verbraucher anzugeben, der geeignet ist,
während seines Betriebs Informationen an ein Betriebsmittel zu übertragen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des elektrischen
Verbrauchers durch einen elektrischen Verbraucher mit den Merkmalen
des Anspruchs 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen ergeben sich sowohl für den elektrischen
Verbraucher als auch das Verfahren aus den Unteransprüchen.
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Bei
dem Verfahren zur Übertragung von Informationen von einem
elektrischen Verbraucher zu einem Betriebsmittel werden die Informationen
beim elektrischen Verbraucher auf elektrische Verbindungsleitungen
zum Betriebsmittel aufmoduliert. Weiterhin werden die aufmodulierten
Informationen vom Betriebsmittel detektiert und empfangen. Die Informationen
werden dabei mittels einer Pulsung einer Lastimpedanz aufmoduliert,
wobei die Lastimpedanz zwischen zwei der elektrischen Verbindungsleitungen
geschaltet wird und die Pulsung mittels wenigstens eines elektronischen
Schalters erfolgt, der die Lastimpedanz von einer der elektrischen
Verbindungsleitungen wechselweise trennt und mit ihr verbindet.
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Ein
Beispiel für den elektrischen Verbraucher ist ein Motor.
Bei den elektrischen Verbindungsleitungen zwischen dem elektrischen
Verbraucher und dem Betriebsmittel handelt es sich beispielsweise
bei einem dreiphasigen Verbraucher um die drei Phasenleitungen.
Beispiele für das Betriebsmittel sind ein Umrichter oder
Sanftanlaufgerät. Das Betriebsmittel ist zweckmäßigerweise
zwischen dem elektrischen Verbraucher und einem elektrischen Versorgungsnetz
angeordnet.
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Zwei
der Verbindungsleitungen sind erfindungsgemäß über
eine Lastimpedanz verbunden. Die Verbindung über die Lastimpedanz
kann durch den wenigstens einen elektronischen Schalter aber zumindest
zeitweise unterbrochen und wieder hergestellt werden. Über
eine Pulsung der Lastimpedanz, d. h. eine wechselweise Trennung
und Wiederherstellung der Verbindung der elektrischen Verbindungsleitungen
durch die Lastimpedanz in einer bestimmten zeitlichen Abfolge wird
der Stromfluss durch die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen
dem Betriebsmittel und dem Motor beeinflusst. Diese Variation des
Stroms wird vom Betriebsmittel detektiert, wodurch die Informationen
empfangen werden.
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Dadurch,
dass bei der erfindungsgemäßen Lösung
zwischen zwei der elektrischen Verbindungsleitungen eine Verbindung über
die Lastimpedanz eingeführt wird, wird erreicht, dass die Übertragung der
Informationen gerade dann stattfinden kann, wenn das Betriebsmittel
den elektrischen Verbraucher mit Strom versorgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Lastimpedanz
für mittels zweier elektronischer Schalter gepulst. Die
Lastimpedanz ist dabei zwischen die beiden elektronischen Schalter
geschaltet. Hierdurch wird vorteilhaft ein echtes Ausschalten der
Verbindung zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen trotz
der in den Schaltern vorhandenen Freilaufdioden ermöglicht.
Es wird somit vermieden, dass eine Spannungsmessung durchgeführt
werden muss, um festzustellen, welche Halbwelle gerade vorliegt.
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Die
elektronischen Schalter können beispielsweise n-Kanal-MOSFETs
sein.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird als Lastimpedanz ein Widerstand
verwendet. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach.
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Alternativ
zum Widerstand kann als Lastimpedanz auch ein Reihenschwingkreis
verwendet werden. Der Reihenschwingkreis kann beispielsweise aus
einer Kapazität, die in Reihe mit einer Induktivität
geschaltet ist, bestehen. Vorteil eines Reihenschwingkreises ist
es, die Verlustleistung in der pulsbaren Verbindung zwischen elektrischen
Verbindungsleitungen zu reduzieren.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn die Pulsung des Reihenschwingkreises derartig
erfolgt, dass Schaltverluste minimiert werden. Dies kann beispielsweise
geschehen, indem der Reihenschwingkreis für ein ganzzahliges
Vielfaches der durch seine Resonanzfrequenz gegebenen Schwingungsperiode angeschaltet,
d. h. mit den elektrischen Verbindungsleitungen verbunden wird.
Auf diese Weise wird der Reihenschwingkreis in Signalstrom Nulldurchgang abgeschaltet
und die Kondensatorspannung ist bei Abschaltung wieder null.
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Es
ist vorteilhaft, im Reihenschwingkreis einen Entladewiderstand,
insbesondere einen Entladewiderstand größer als
100 kΩ, vorzusehen. Dies kann beispielsweise parallel zu
einem Kondensator des Reihenschwingkreises geschehen. Mit dem Entladewiderstand
wird ein langsam verlaufender Ladevorgang unterbunden bzw. behindert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung und Weiterbildung der
Erfindung ist der Reihenschwingkreis derartig ausgestaltet, dass
seine Resonanzfrequenz mit einer Frequenz übereinstimmt,
die durch das Betriebsmittel als Oberwelle der Spannungsversorgung
erzeugt wird. Beispiele für Betriebsmittel, die derartige
Oberwellen erzeugen, sind Umrichter und Sanftanlaufgeräte.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Lastimpedanz besonders stark
angeregt wird und durch die Resonanzüberhöhung
in Strom und Spannung sehr starke und damit einfach detektierbare
Signale sendet.
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Eine
weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch,
dass als Lastimpedanz zwei gegensinnig gekop pelte Induktivitäten
verwendet werden. Durch diese Art der Lastimpedanz kann erreicht
werden, dass durch die Übertragung der Informationen mittels
der Pulsung der Lastimpedanz nur eine geringe oder gar keine Verlustleistung anfällt.
Das liegt daran, dass die zwei gegensinnig gekoppelten Induktivitäten
erlauben, die in ihnen gespeicherte Energie wieder an die Verbindungsleitungen
und somit an den elektrischen Verbraucher abzugeben.
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Es
ist zweckmäßig, zusätzlich zu den beiden gegensinnig
gekoppelten Induktivitäten zwei erste gesteuerte Schalter
zu verwenden. Weiterhin ist es zweckmäßig, zusätzlich
zwei Dioden oder zwei weitere gesteuerte Schalter zu verwenden.
Dabei werden zwischen zwei der Verbindungsleitungen zwischen dem
Betriebsmittel und dem Verbraucher zwei parallele Verbindungen geschaffen.
Diese beinhalten jeweils eine Diode, eine der beiden gegensinnig
gekoppelten Induktivitäten sowie einen der ersten gesteuerten
Schalter. Vorteilhaft ist es, zwischen den Dioden bzw. weiteren
gesteuerten Schaltern und den Induktivitäten jeweils einen
Widerstand zur Dämpfung von Schwingungen einzuschalten.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn die Induktivitäten
eine Induktivität aufweisen, die größer, insbesondere
wesentlich größer, ist als die Induktivität
der elektrischen Verbindungsleitungen. Hierdurch wird gewährleistet,
dass ein Polaritätswechsel des Signalsstroms, der sich
durch die Pulsung ergibt, stattfinden kann.
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Die
beiden Induktivitäten werden gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft durch zwei Wicklungen
auf einem Ringkern gebildet. Dadurch ergibt sich eine gute magnetische
Kopplung. Dabei ist es vorteilhaft, bei der Bemessung des Ringkerns
neben der Höhe der Induktivität auch die magnetische
Sättigung zu beachten, beispielsweise in dem Ringkerne
mit verringertem AL-Wert (Luftspalt) verwendet werden.
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Da
die Dioden und die Schalter jeweils doppelte Netzspannung während
der Impulserzeugung sperren müssen, können bei
einem 400 V-Netz Nominalsperrspannungen von bis zu 1130 V auftreten. Um
eine solche Sperrspannung zu erhalten, wird in Ausgestaltung der
Erfindung anstelle der zwei Dioden jeweils eine Reihenschaltung
aus mehreren Dioden verwendet. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung
ergibt sich dadurch, dass eine Erzeugung eines Signalsstromes nur
zugelassen wird, wenn die Spannung zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen
kleiner als ein Schwellwert, insbesondere der halbe Maximalspannungswert,
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch,
dass die Einschaltdauer der gesteuerten Schalter in Abhängigkeit
von der Höhe der Spannung der mit der Lastimpedanz verbundenen
Verbindungsleitungen variiert wird. Dadurch ist es möglich,
eine von der dieser Spannung unabhängige Höhe
des Signalstroms zu erhalten.
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Das
Betriebsmittel detektiert die übertragenen Informationen
und empfängt diese durch eine Überwachung der
Spannung zwischen zweckmäßigerweise zwei der elektrischen
Verbindungsleitungen an seinem Ausgang. Alternativ kann das Betriebsmittel
die Informationen auch mittels der Spannung am Ausgang eines Betriebsmittel-Ausgangsfilters
detektieren und empfangen, wobei der Betriebsmittel-Ausgangsfilter
beispielsweise ein Umrichterausgangsfilter sein kann. Alternativ
ist es auch möglich, dass das Betriebsmittel die Informationen
anhand des Stroms durch einen Kondensator des Betriebsmittel-Ausgangsfilters
detektiert.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung überträgt
der elektrische Verbraucher Verbraucherkenndaten, die in einem Chip
im elektrischen Verbraucher gespeichert sind, im Zuge seiner Inbetriebnahme
an das Betriebsmittel. Alternativ oder zusätzlich überträgt
der elektrische Verbraucher die Betriebsdaten während seines
Betriebs an das Betriebsmittel. Beispiele für solche Betriebsdaten
sind die Temperatur des elektrischen Verbrauchers und Schwingungen
im elektrischen Verbraucher.
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Die
elektronischen Schalter, die zur Pulsung der Lastimpedanz verwendet
werden, werden vorteilhafterweise unter Verwendung eines Opto- oder
Magnetkopplers gesteuert.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass zur Modulierung
der Informationen eine Amplitudenmodulation verwendet wird. Dabei kann
beispielsweise eine „0" übertragen werden, indem
die Pulsung der Lastimpedanz ausgeschaltet ist. Eine „1"
wird übertragen, indem die Pulsung eingeschaltet wird.
Es ist dabei zweckmäßig, eine Codierung zu wählen,
die nach einer festlegbaren Anzahl von zu übertragenden
Einsen wieder eine zu übertragende Null folgen lässt,
um es dem Betriebsmittel zu erlauben, die Synchronisation zum Signalstrom
zu behalten.
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Eine
alternative Möglichkeit besteht darin, eine Frequenzmodulation
oder Frequenzumtastung zu benutzen zur Übertragung der
Information. Dabei verändert ein zu übertragendes
Bit das Tastverhältnis zwischen eingeschalteter Pulsung
zu ausgeschalteter Pulsung.
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Der
erfindungsgemäße elektrische Verbraucher ist ausgestaltet
zur Übertragung von Informationen an ein zweckmäßigerweise
zwischen dem elektrischen Verbraucher und einem elektrischen Versorgungsnetz
angeordnetes Betriebsmittel. Dabei sind elektrische Verbindungsleitungen
zum Betriebsmittel an den elektrischen Verbraucher anschließbar.
Weiterhin weist der elektrische Verbraucher eine Lastimpedanz auf.
Diese ist zweckmäßigerweise zwischen zwei der
elektrischen Verbindungsleitungen geschaltet. Die Lastimpedanz ist
mittels wenigstens eines elektronischen Schalters, mittels dessen
die Lastimpedanz von einer der elektrischen Verbindungsleitungen
trennbar und verbindbar ist, pulsbar. Schließlich ist der
elektrische Verbraucher derart ausgestaltet, dass die Informationen
mit tels einer Pulsung der Lastimpedanz auf die Verbindungsleitungen
zum Betriebsmittel aufmodulierbar sind.
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Ein
Beispiel für einen solchen elektrischen Verbraucher ist
ein Motor. Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise mit einem
Betriebsmittel verbunden sein und derart ausgestaltet sein, dass
Informationen vom elektrischen Verbraucher an das Betriebsmittel übertragbar
sind. Das Betriebsmittel ist beispielsweise ein Umrichter.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Dabei zeigen
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1 schematisch
eine Anordnung aus einem Umrichter und einem Motor mit einer Lastimpedanz;
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2 ein
Schaltbild für einen Umrichter mit Möglichkeiten
zur Detektion von übertragenen Informationen;
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3 ein
Schaltbild für eine Lastimpedanz mit zwei elektronischen
Schaltern;
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4 ein
Schaltbild für einen Reihenschwingkreis als Lastimpedanz;
und
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5 ein
Schaltbild für zwei gegensinnig gekoppelte Induktivitäten
als Lastimpedanz.
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Das
Aufbauschema gemäß 1 gibt eine Übersicht über
einen beispielhaften erfindungsgemäßen Aufbau
mit einem Motor M und einem Umrichter U. Der Umrichter U speist über
drei Verbindungsleitungen L1 ... 3 den Motor M mit Drehstrom. Zur
Datenübertragung vom Motor M zum Umrichter U sind zwischen
der ersten und zweiten Verbindungsleitung L1, 2 zusätzliche
elektronische Bauteile vorgesehen. In einer elektrischen Verbindung
des ersten und zweiten Verbindungsleiters L1, 2 sind hierzu in Reihe ein
erster elektronischer Schalter ES1, eine Lastimpedanz LI und ein
zweiter elektronischer Schalter ES2 angeordnet. Die einzelnen elektronischen
Bauteile sind hier in 1 nur als grundlegende Bauteile Schalter
und Widerstand angedeutet. Für den tatsächlichen
Aufbau des ersten und zweiten elektronischen Schalters ES1, 2 und
der Lastimpedanz LI sind mehrere Möglichkeiten denkbar,
wobei konkrete Ausführungsbeispiele anhand der 3 bis 5 gezeigt
werden. Da die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsleiter
L1, 2 mit den elektronischen Schaltern ES1, 2 und der Lastimpedanz
LI der Datenübertragung vom Motor M zum Umrichter U dienen,
müssen die elektronischen Schalter ES1, 2 vom Motor M aus
steuerbar sein. Sie sind daher bevorzugt nahe des Motors M angeordnet
und können als Teil des Motors M realisiert sein, beispielsweise im
Klemmkasten des Motors M.
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Das
Aufbauschema gemäß der 1 geht von
drei Verbindungsleitungen L1 ... 3 zwischen dem Motor M und dem
Umrichter U aus. Der Motor M ist also ein Drehstrom-Motor. Die Erfindung
ist jedoch auch auf einphasige Motoren oder andere elektrische Verbraucher
anwendbar.
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Basis
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Datenübertragung
vom Motor M zum Umrichter U ist die in 1 angedeutete
pulsbare Verbindung zwischen zwei der Verbindungsleiter L1, 2 zwischen Motor
M und Umrichter U. Je nach konkreter Ausgestaltung der Lastimpedanz
LI und der elektronischen Schalter ES1, 2 sorgt diese pulsbare Verbindung
beispielsweise für den Verbrauch von Energie und/oder für
eine Veränderung des Stromflusses in den Verbindungsleitungen
L1, 2. Die Änderung des Stromflusses ist im Umrichter U
detektierbar. Aus der Veränderung des Stromflusses kann
im Umrichter U auf die Daten geschlossen werden, die vom Motor M
gesendet wurden.
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Das
Schema für eine elektronische Verschaltung des Umrichters
U gemäß 2 gibt mehrere Möglichkeiten
an, Veränderungen im Stromfluss über die Verbindungsleitungen
L1, 2 zu detektieren. Dabei ist zu beachten, dass es zwar prinzipiell
möglich ist, mehrere der Möglichkeiten gleichzeitig
zu verwenden wie in 2 angedeutet. Zweckmäßig
aber ist es, nur eine dieser Möglichkeiten zu verwenden.
In der in 2 gegebenen beispielhaften Verschaltung
wird der Umrichter U von einem elektrischen Versorgungsnetz gespeist,
das Gleichspannung zur Verfügung stellt. Der Umrichter
U setzt diese Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom um,
der über drei elektrische Verbindungsleitungen L1 ... 3
einen in 2 nicht dargestellten elektrischen
Verbraucher wie den Motor M aus 1 versorgt. 2 zeigt
weiterhin drei Möglichkeiten für Messpositionen UL,
UF, ICF, die die Detektion von Veränderungen im Stromfluss
in den Verbindungsleitungen L1, 2 ermöglichen. Die erste
Messmöglichkeit UL besteht in einer Spannungsmessung zwischen
den ersten zwei Verbindungsleitungen L1, 2. Die Messung gemäß der ersten
Messmöglichkeit UL findet dabei direkt am Ausgang des Umrichters
U statt. Die zweite Messmöglichkeit UF besteht ebenfalls
in einer Spannungsmessung zwischen der ersten und zweiten Verbindungsleitung
L1, 2. Im Gegensatz zur ersten Messmöglichkeit findet hier
die Messung jedoch beim Ausgang eines Umrichter-Ausgangsfilters
UAF statt. 2 gibt hierbei eine beispielhafte
Ausführungsform für einen solchen Umrichter-Ausgangsfilters
UAF an. Der Umrichter U kann, muss jedoch keinen solchen Umrichter-Ausgangsfilter
UAF aufweisen. Ist ein Umrichter-Ausgangsfilter UAF vorhanden, kann
als dritte Messmöglichkeit ICF auch der Strom durch einen
Kondensator des Umrichter-Ausgangsfilters UAF gemessen werden.
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Im
gegebenen Beispiel wurden immer die ersten beiden elektrischen Verbindungsleitungen
L1, 2 verwendet. Diese Wahl ist aber willkürlich und es können
beliebige zwei Verbindungsleitungen L1 ... 3 gewählt werden.
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Die 3 bis 5 geben
nun drei konkrete Ausführungsbeispiele für die
Verbindung zwischen zwei Verbindungsleitungen L1, 2, mittels derer
die Daten vom Motor M zum Umrichter U übertragen werden.
In 3 werden der erste und zweite Verbindungsleiter
L1, 2 verbunden durch eine Serienschaltung eines ersten MOSFETs
M1, eines Modulationswiderstandes RM und eines zweiten MOSFETs M2.
Das Gate der beiden MOSFETs M1, 2 ist verbunden mit einer Pulsquelle
PS. Die Pulsquelle PS ist dabei vom Motor steuerbar, so dass die
gesamte Verbindungsleitung, bestehend aus den beiden MOSFETs M1,
2 und dem Modulationswiderstand RM pulsbar ist. Bevorzugt wird das
Ansteuersignal zwischen den Source-Anschlüssen der beiden
MOSFETs M1, 2 mit Hilfe eines Opto- oder Magnetkopplers übertragen.
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Beispielhaft
wird als Modulationswiderstand hier ein Widerstand von 1 Ω verwendet.
Weiterhin wird beispielhaft eine Modulationsfrequenz für
die Pulsung der Verbindung von 10 kHz verwendet, wobei diese Frequenz
der Impedanzmodulation zweckmäßig von der Pulsfrequenz
des Umrichters U und deren Vielfachen verschieden ist, um eine sichere Detektion
am Umrichter U zu ermöglichen.
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Durch
die Überlagerung der Frequenz der Pulsung mit der Frequenz
des Motorbetriebs, beispielsweise 50 Hz, entstehen hierbei zwei
etwa gleichgroße Spannungsamplituden bei in diesem Beispiel
9,95 kHz und 10,05 kHz. Diese heben sich deutlich von der hier beispielhaft
angenommenen Pulsfrequenz des Umrichters U von 16 kHz ab.
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Die
Verwendung eines Modulationswiderstands RM hat den Nachteil, zu
einer gewissen verlorengehenden elektrischen Leistung zu führen.
Diesem Nachteil kann mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 begegnet
wird. Dabei ist anstelle des Modulationswiderstands RM ein Reihenschwingkreis vorgesehen.
Der Reihenschwingkreis besteht aus einem Modulationskondensator
CM, der in Serie mit einer Modulationsinduktivität LM geschaltet
ist. Um einen langsam verlaufenden Ladevorgang zu unterbinden oder
zu behindern, ist bevorzugt parallel zum Modulationskondensator
CM noch ein Entladewiderstand RE vorgesehen. Der Entladewiderstand
RE ist dabei besonders vorteilhaft größer als
100 kQ.
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Um
bei dem in 4 gezeigten Reihenschwingkreis
Schaltverluste zu vermeiden, muss die Pulsung derartig erfolgen,
dass der Reihenschwingkreis für ein ganzzahliges Vielfaches
der durch seine Resonanzfrequenz gegebenen Schwingungsperiode eingeschaltet
wird. Dadurch wird erreicht, dass der Reihenschwingkreis im Signalstrom-Nulldurchgang abgeschaltet
ist und die Kondensation bei Abschaltung wieder null ist. Mit Signalstrom
ist dabei die Stromvariation gemeint, die dem Strom in den Verbindungsleitungen
L1 ... 3 durch die erfindungsgemäße Verbindung
hinzugefügt wird.
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Eine
weitere Möglichkeit, die Verlustleistung, die bei einem
Modulationswiderstand RM anfällt zu reduzieren, besteht
in der Verwendung von gekoppelten Induktivitäten gemäß 5.
In dem schematischen Aufbau gemäß 5 ist
die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsleiter
L1, 2 durch zwei parallele Verbindungen realisiert. Die erste der
beiden Verbindungen weist dabei in Serie eine erste Diode D1 auf,
eine erste gekoppelte Induktivität KL1, einen ersten Koppelwiderstand
KR1 sowie einen ersten MOSFET M1 auf. Die erste Diode ist dabei
so in die Serie geschaltet, dass die erste Koppelinduktivität
KL1 in Durchlassrichtung von der Diode D1 liegt. Die zweite Verbindung
weist dabei ausgehend vom ersten Verbindungsleiter L1 einen zweiten
MOSFET M2, eine zweite Koppelinduktivität KL2, einen zweiten
Koppelwiderstand KR2 und eine zweite Diode D2 auf. Die zweite Diode
D2 ist dabei so angeordnet, dass der zweite Koppelwiderstand KR2
in Durchlassrichtung angeordnet ist.
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Für
die Funktionsweise dieser Schaltung aus gekoppelten Induktivitäten
wird nun angenommen, dass die Spannung zwischen der zweiten Verbindungsleitung
L2 und der ersten Verbindungsleitung L1 positiv ist. In diesem Fall
kann der erste MOSFET M1 die gesamte Zeit angesteuert werden. Die
Erzeugung eines Signalstroms beginnt mit dem Einschalten des ersten
MOSFETs M1. Hierdurch wird in der ersten Koppelinduktivität
KL1 ein Signalstrom erzeugt, der in etwa rampenförmig ansteigt.
Hierdurch wird in der gegensinnig angekoppelten zweiten Koppelinduktivität
KL2 eine Spannung induziert, die in etwa der Spannung zwischen den
beiden elektrischen Verbindungsleitungen L1, 2 entspricht. Dabei muss
die Diode das Doppelte dieser Spannung sperren können.
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Nachdem
der Signalstrom durch die erste Koppelinduktivität KL1
eine bestimmte Höhe erreicht hat, wird der erste MOSFET
M1 ausgeschaltet. Dadurch kommutiert der Signalstrom auf die zweite Koppelinduktivität
KL2 und fließt entgegen der treibenden Spannung zwischen
den elektrischen Verbindungsleitungen L2, 1 über die zweite
Diode D2 und den zweiten MOSFET M2 zurück ins Netz, d.
h. mit dem Abschalten des ersten MOSFET M1 wird die Richtung des
Signalstroms umgepolt. Durch die Spannung zwischen den elektrischen
Verbindungsleitungen L2, 1 wird der Signalstrom reduziert und er verlischt
im Nulldurchgang. Während dieses Abschnittes fällt
am ersten MOSFET M1 die doppelte Netzspannung ab, d. h. auch die
beiden MOSFETs M1, M2 müssen während der Pulserzeugung
die doppelte Netzspannung sperren können.
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Bei
negativer Spannung zwischen den Verbindungsleitungen L2, 1 kehrt
sich das Funktionsprinzip entsprechend um, d. h. der erste MOSFET
M1 bleibt die gesamte Zeit eingeschaltet und die Erzeugung eines
Signalsstroms wird durch den zweiten MOSFET M2 initiiert. Das Umschalten
des Betriebsregimes beim Polaritätswechsel der Spannung
zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen L2, 1 sollte mit
entsprechendem Sicherheitsabstand versehen werden. Die Koppelwiderstände
KR1, 2 dienen der Bedämpfung von Schwingungen, die durch
die Sperrkapazitäten der Dioden D1, 2 und der Koppelinduktivitäten
KL1, 2 angeregt werden.
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Der
Signalstrom weist damit insgesamt einen doppelt-dreieckförmigen
Verlauf mit einem Polaritätswechsel in der Mitte auf.
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Bevorzugt
sind die Induktivitäten deutlich größer
als die Zuleitungsinduktivitäten. Hierdurch wird ein Polaritätswechsel
des Signalstroms gewährleistet. Bei einem beispielhaften
Induktivitätsbelag von ca. 350 nH/m und einer maximalen
Zulei tungslänge der Verbindungsleitungen L1, 2 von 50 m
ergibt dies eine Zuleitungsinduktivität von 17,5 μH.
Daher sollte die Induktivität der Koppelinduktivitäten
KL1, 2 mindestens 100 μH betragen. Beispielsweise kann für
die Koppelinduktivitäten KL1, 2 eine Induktivität von
400 μH gewählt werden.
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Die
beiden Koppelinduktivitäten KL1, 2 können in einer
vorteilhaften Ausgestaltung durch zwei Wicklungen auf einem Ringkern
gebildet werden. Dadurch ergibt sich eine gute magnetische Kopplung. Bei
der Bemessung des Ringkerns ist neben der Höhe der Induktivität
auch die magnetische Sättigung zu beachten. Vorteilhaft
sind hierbei Ringkerne mit verringertem AL-Wert (Luftspalt).
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Die
Dioden D1, 2 und die MOSFETs M1, 2 müssen während
der Impulserzeugung jeweils doppelte Netzspannung sperren können.
Bei einem 400 V-Netz bedeutet das, dass Nominalsperrspannungen von
bis zu 1130 V auftreten können. Überspannungen
können diesen Wert noch deutlich erhöhen. Um diese
Sperrspannung zu erhalten, sind in einer ersten Alternative anstelle
jeweils einer der Dioden D1, 2 mehrere Dioden in Reihe geschaltet.
Als zweite Alternative wird die Erzeugung eines Signalstroms nur dann
zugelassen, wenn die Spannung zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen
L2, 1 kleiner als der halbe Maximalwert dieser Spannung ist. Diese zweite
Alternative führt dazu, dass potentiell ein Drittel der
Dauer einer Sinuswelle für die Datenübertragung
zur Verfügung steht. Die Dauer der Sinuswelle variiert
bei Umrichterbetrieb entsprechend der gewünschten Motordrehzahl.
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In
einer dritten Alternative besteht auch die Möglichkeit,
eine von der Spannung zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen
L2, 1 unabhängige Höhe des Signalstroms zu erhalten.
Dabei wird die Einschaltdauer der MOSFETs M1, 2 von der Höhe
dieser Spannung abhängig gemacht. Das bedeutet, dass bei
kleiner Spannung zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen
L2, 1 die MOSFETs M1, 2 länger eingeschaltet bleiben.
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In
den genannten Ausführungsbeispielen kann die eigentliche
Datenübertragung, die durch eine Pulsung der jeweiligen
Lastimpedanz LI erfolgt, mittels verschiedener Methoden erfolgen.
Beispiele hierfür sind:
- – Amplitudenmodulation
(Pulsung ausgeschaltet = „0", Pulsung eingeschaltet = „1").
Hierbei kann vorteilhafterweise durch Codierung gewährleistet sein,
dass nach einer gewissen Anzahl von „1" wieder eine „0"
folgt, um eine Synchronisation zu behalten;
- – Längencodierung: Ein zu übertragendes
Bild verändert das Tastverhältnis zwischen eingeschalteter
Pulsung zu ausgeschalteter Pulsung;
- – bei einzelnen der genannten Ausführungsbeispiele
für die pulsbare Verbindung kann die Lastmodulation durch
beispielsweise den seitlichen Abstand zwischen zwei Impulsen variiert
werden. Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, die
maximale Höhe des Signalstroms, die abhängig ist
von der Einschaltdauer der Spannung zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen
L2, 1 sowie der Induktivität der Koppelinduktivität KL1,
2 zu variieren. Hierdurch kann die Intensität der Modulation
beeinflusst werden.
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Bei
Verwendung der gekoppelten Induktivitäten erfolgt die Datenübertragung
durch eine Variation des Abstands zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalstromimpulsen.
Das bedeutet, dass Frequenz und Tastung verwendet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19730492
A1 [0003, 0004]
- - DE 10012799 C2 [0005, 0005]
- - DE 10243563 A1 [0006]
- - DE 19911217 A1 [0007]
- - DE 102005008050 A1 [0008]