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Die
Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer
Anlage.
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Induktive
Energieversorgungen von in Anlagen bewegbaren Fahrzeugen sind allgemein
bekannt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage weiterzubilden,
wobei der Umweltschutz verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren
nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Anlage sind, dass sie eine Strecke
umfasst, die aus mehreren Streckenabschnitten zusammengesetzt ist,
wobei jedem Streckenabschnitt ein jeweiliges Primärleitersystem
zugeordnet ist,
wobei mindestens ein Fahrzeug entlang der Strecke bewegbar
angeordnet ist und induktiv aus dem jeweiligen Primärleitersystem
versorgbar ist,
wobei jedem Primärleiterabschnitt eine Einspeisung zugeordnet
ist, welche in das jeweilige Primärleitersystem einen bedarfsabhängigen Strom
eingeprägt.
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Von
Vorteil ist dabei, dass in verschiedenen Streckenabschnitten verschieden
starke Ströme
einspeisbar sind. Da die ohmschen Verluste proportional sind zum
Quadrat der Effektivwerte der Ströme, ist somit Verlustenergie
reduzierbar und die Umwelt geschont. Dabei ist wichtig, dass ein
und dasselbe Fahrzeug von mindestens einem ersten zu einem weiteren
Streckenabschnitt bewegbar ist und die Primärleiter jeweils gleichartig
verlegt sind. Auch ist die Sekundärspule des Fahrzeugs auf den
größten auftretenden
Strom in einem der Primärleiter
ausgelegt. Man kann also von einer Überdimensionierung der Sekundärspule samt
nachgeordneter Elektronik sprechen, wenn man nur die Streckenabschnitte
mit abgesenktem Stromwert betrachtet.
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Die
Verbraucher des Fahrzeugs werden aus einer Spannungsquelle versorgt,
die wiederum mittels eines Strom-Spannungswandlers, insbesondere also
inverser Gyrator, aus einem Schwingkreis, umfassend Sekundärspule mit
zugeschalteter Kapazität,
versorgt ist, wobei der Schwingkreis stromquellenartiges Verhalten
aufweist. Denn das Primärleitersystem
wird aus einem Gyrator versorgt, der ein Spannungs-Stromwandler-Verhalten
aufweist und von einem eine Spannungsquelle darstellenden Wechselrichter
versorgt wird.
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Trotz
des stromquellenartigen Betreibens der Primärleitersysteme wird in den
unterschiedlichen Streckenabschnitten ein verschieden hoher Strom
eingeprägt
und trotzdem den Verbrauchern eine im Wesentlichen konstante Spannung
zur Verfügung
stellbar. Dies ist nur deshalb ermöglicht, weil erfindungsgemäß der Strom
bedarfsabhängig
geändert wird.
Nur auf diese Weise liegt genügend
induktiv ans Fahrzeug übertragene
Leistung vor, damit noch diese Leistung für die Verbraucher mit der benötigten Spannung
zur Verfügung
stellbar ist und der Strom-Spannungswandler des Fahrzeuges sozusagen
nicht zusammenbricht.
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Somit
besteht für
die Verbraucher und deren Spannungsversorgung kein Unterschied,
ob und in welchem Streckenabschnitt mit jeweiligem unterschiedlichem
Stromwert sich das Fahrzeug befindet.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Einspeisungen und/oder
die Fahrzeuge zum Datenaustausch mit einer übergeordneten Steuerung verbunden.
Von Vorteil ist dabei, dass bei Änderungen
des Bedarfs und/oder Informationen über die Position des Fahrzeuges
an die übergeordnete
Steuerung übermittelbar
sind. Auf diese Weise ist also die Bedarfsabhängige Anpassung der Stromwerte
in den jeweiligen Streckenabschnitten schnell und dynamisch ausführbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist entlang der Strecke ein Leckwellenleiter
vorgesehen, an dem eine Antenne des Fahrzeuges entlang bewegbar
ist, insbesondere zum Datenaustausch. Von Vorteil ist dabei, dass
ein ständiger
Datenaustausch während
der Fahrt des Fahrzeuges, also aus jeder Position des Fahrzeuges
heraus, ermöglicht
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung der
Position und/oder Geschwindigkeit des Fahrzeuges vorgesehen, wobei
die erfassten Werte an die übergeordnete
Steuerung übermittelbar
sind, so dass von der übergeordneten
Steuerung jeder Einspeisung Sollwerte für den zugehörigen, in das jeweilige der
Einspeisung zugeordnete Primärleitersystem
einzuprägenden
Strom übermittelbar
sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Stromwerte dem Bedarf nachführbar sind
und insbesondere in Streckenabschnitten ohne Fahrzeug vorübergehend der
Stromwert im dortigen Primärleitersystem
auf Null oder einen Minimalwert absenkbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung der
Verbrauchsleistung des Fahrzeuges vorgesehen sind, wobei die erfassten Werte
an die übergeordnete
Steuerung übermittelbar sind,
so dass von der übergeordneten
Steuerung jeder Einspeisung Sollwerte für den zugehörigen, in das jeweilige der
Einspeisung zugeordnete Primärleitersystem
einzuprägenden
Strom übermittelbar
sind. Von Vorteil ist dabei, dass bedarfsabhängig der eingeprägte Stromwert
nachführbar
ist. Dabei ist die Erfassung der Verbrauchsleistung direkt am Verbraucher,
also auf dem Fahrzeug ausführbar
und die erfassten Werte an die übergeordnete
Steuerung übermittelbar.
Alternativ ist auch die aus dem Primärleitersystem entnommene Leistung
erfassbar und der benötigte
Strom hierzu nachführbar,
wobei ein stets etwas höherer
Stromwert angestrebt wird als unbedingt benötigt, damit bei Erhöhung der
Verbrauchsleistung diese Erhöhung
bemerkbar ist und somit der Stromwert nachführbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind aus den erfassten Werten
die Sollwerte prognostizierend bestimmbar, insbesondere aus Geschwindigkeit und
Position des Fahrzeuges der Zeitpunkt des Eintretens in den nächsten Streckenabschnitt
bestimmt wird. Von Vorteil ist dabei, dass vorausschauend die Stromwerte
bedarfsabhängig
anpassbar sind.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Streckenabschnitt
ein einzuprägender Stromwert
zugeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass in besonders einfacher Weise
eine umweltschonende Reduzierung der Stromwerte erreichbar ist und
kein Nachführen
oder Regeln der Stromwerte, insbesondere kein dynamisches, notwendig
ist. Somit ist sogar eine Geschwindigkeitssteuerung der Fahrzeuge ermöglicht.
Hierzu ist sogar der Datenaustausch mit der übergeordneten Steuerung verzichtbar.
Denn die vom Fahrzeug entnehmbare Leistung ist abhängig vom
Stromwert im Primärleitersystem
und es ist somit eine Begrenzung der entnehmbaren Leistung vorgesehen.
Allerdings ist am Fahrzeug die Stabilität der die Verbraucher versorgenden
Spannung verschlechtert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung prägt die Einspeisung einen mittelfrequenten
Strom ein, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 500 kHz.
Von Vorteil ist dabei, dass Leistungen im Bereich von mehr als 500
Watt bis einige Kilowatt übertragbar
sind, insbesondere bei industriellen Anwendungen, wie FTS, Einschienenhängebahnen oder
anderen in Produktionsanlagen bekannten Systemen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Fahrzeug eine Sekundärspule auf,
die induktiv gekoppelt zum Primärleitersystem
vorgesehen ist, wobei der Sekundärspule
eine Kapazität
parallel oder in Reihe derart zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzkapazität im Wesentlichen
der Mittelfrequenz des eingespeisten Wechselstroms gleicht. Von
Vorteil ist dabei, dass auch bei Abstandsschwankungen zwischen Sekundärspule und
Primärleiter
ein hoher Wirkungsgrad bei der Energieübertragung erzielbar ist.
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Wichtige
Merkmale bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben einer Anlage
vorgesehen ist, wobei die Anlage mindestens zwei Streckenabschnitte
umfasst, denen jeweils ein Primärleitersystem
zugeordnet ist,
wobei Sollwerte für einen in die jeweiligen Primärleitersysteme
der Streckenabschnitte einzuprägenden Strom
von einer übergeordneten
Steuerung bestimmt werden, wobei der Bedarf eines aus einem der
Primärleitersysteme
versorgten Fahrzeuges berücksichtigt
wird, insbesondere prognostizierend.
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Von
Vorteil ist dabei, dass ein vorausberechnetes Eintreffen des Fahrzeuges
im nächsten
Streckenabschnitt berücksichtigbar
ist und die Stromsteuerung davon abhängig machbar ist. Vor Eintreten des
Fahrzeuges ist also ein niedriger oder verschwindender Stromwert
bereit stellbar und nach Eintreffen des Fahrzeuges ein entsprechend
dem Bedarf, also der geplanten Verbrauchsleistung angepasster Bedarf,
erhöhter
Stromwert bereit stellbar, wobei der Zeitpunkt hierzu vorher berücksichtigt
ist. Ein Hochfahren des Stromwertes mittels der Einspeisung benötigt eine
Zeitspanne, die also vorausschauend berücksichtigbar ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Einspeisung
- 2
- Einspeisung
- 3
- Einspeisung
- 4
- übergeordnete
Steuerung
- 5
- Fahrzeug
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch
dargestellt. Hierbei ist ein Fahrzeug 5 induktiv versorgbar
aus einem Primärleitersystem,
das aus drei dargestellten Abschnitten zusammengesetzt ist.
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Dabei
prägen
Einspeisungen 5 in einen jeweiligen Abschnitt des Primärleitersystems
einen mittelfrequenten Wechselstrom ein, Die Frequenz beträgt hierbei
zwischen 10 und 500 kHz. Das Primärleitersystem ist jeweils langgestreckt
ausgeführt, insbesondere
als jeweilige Leiterschleife.
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Jedes
Fahrzeug 5 umfasst eine Sekundärspule, die induktiv an das
Primärleitersystem
gekoppelt ist, solange das Fahrzeug sich im Bereich des Primärleitersystems
aufhält.
Vorzugsweise ist hierzu eine Spurführung oder eine Führung des
Fahrzeuges durch Schienen realisiert. Das Fahrzeug umfasst elektrische
Verbraucher, wie beispielsweise einen Fahrantrieb.
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Der
Sekundärspule
ist eine Kapazität
derart in Reihe oder parallel zugeschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz
im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
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Die
Einspeisungen (1, 2, 3) umfassen jeweils einen
Wechselrichter, dessen Eingangsseite eine unipolare Spannung, insbesondere
Zwischenkreisspannung, ist, die mittels Gleichrichtung aus dem Versorgungsnetz,
vorzugsweise ein Drehspannungsnetz, versorgbar ist. Der Wechselrichter
ist pulsweitenmoduliert betreibbar und stellt ausgangsseitig eine
vorzugsweise sinusförmige
Spannungsquelle dar, die einen spannungs-strom-wandelnden Vierpol speist,
insbesondere Gyrator, der ausgangsseitig somit ein stromquellenartiges
Verhalten aufweist.
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Aus
diesem Vierpol wird entweder direkt oder über einen Transformator der
als Leiterschleife ausgeführter
Primärleiterkreis
versorgt.
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Der
Vierpol, insbesondere Gyrator, weist derartige Induktivitäten und
Kapazitäten
auf, dass die zugehörige
Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
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Mittels
Steuerung der Amplitude der am Wechselrichter ausgangsseitig erzeugten
Sinusspannung ist ein Stellen der Amplitude der den jeweiligen Abschnitt
des Primärleiterkreises
versorgenden Stromquelle ermöglicht.
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Die
Einspeisung umfasst jeweils eine Steuerelektronik zur Erzeugung
der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale für den Wechselrichter. Außerdem umfasst
die Steuerelektronik Mittel zum Datenaustausch mit einer übergeordneten
Steuerung 4, insbesondere ist die Steuerung als Feldbusteilnehmer ausgeführt.
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Erfindungsgemäß wird der
eingespeiste Strom, insbesondere also dessen Amplitude und/oder
Effektivwert, in den verschiedenen Abschnitten oder zu unterschiedlichen
Zeiten unterschiedlich vorgesehen. Auf diese Weise ist eine auf den
Verbrauch optimierte Stromreduzierung und somit Reduzierung der
ohmschen Verluste erreichbar.
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Die
Datenübertragung
ist vorzugsweise derart ausgeführt,
dass Daten von der übergeordneten Steuerung
in einen längs
der Fahrstrecke verlegten Leckwellenleiter hochfrequent eingespeist
werden und vom Fahrzeug mittels eines am Fahrzeug vorgesehenen Empfängers, der
entlang dem Leckwellenleiter verfahren wird, empfangen werden. Ebenso
ist das Versenden von Daten vom Fahrzeug an die übergeordnete Steuerung in umgekehrter
Weise ermöglicht,
also von der Antenne des Fahrzeuges in den Leckwellenleiter und
von diesem zur übergeordneten Steuerung.
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Alternativ
werden die Daten über
Funkwellen innerhalb der Anlage übertragen.
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In
einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
detektiert die jeweilige Einspeisung die vom im Abschnitt sich befindenden
Fahrzeug oder von den im Abschnitt sich befindenden Fahrzeugen entnommene
Leistung. Hierzu stellt sie anfangs einen großen Strom zur Verfügung und
reduziert dann den Strom auf etwa den benötigten Wert. Vorzugsweise stellt
sie dabei einen etwas höheren
Wert an Strom ein, um eine Zunahme der entnommenen Leistung feststellbar
zu machen. Nimmt die entnommene Leistung zu, wird der Strom sukzessive
erhöht. Nimmt
die entnommene Leistung ab, wird der Strom sukzessive vermindert.
Ein Mindeststromwert wird jedoch bei Betrieb der Anlage nie unterschritten.
Die für dem
jeweiligen Streckenabschnitt zugeordneten Einspeisungen führen also
eigentätig
den Primärstrom dem
Leistungsbedarf der Verbraucher, also dem oder den induktiv versorgten
Fahrzeugen nach.
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In
einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist jedem Streckenabschnitt ein Stromwert zugeordnet und wird von
den jeweiligen Einspeisungen zur Verfügung gestellt, der dem im jeweiligen
Abschnitt vorgegebenen Bedarf entspricht. Wie in 1 dargestellt,
wird also in einem ersten Abschnittein erster Strom, insbesondere
100%, eingeprägt
und in einem zweiten und dritten Abschnitt nur ein Anteil dieses
Stromes, also 50% oder 70% dieses ersten Stromwertes. Unter Strom
wird hierbei stets der Effektivwert oder Spitzenwert des eingeprägten Wechselstroms
verstanden.
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In
einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist ein Positionserfassungssystem am Fahrzeug vorgesehen, wodurch
das Fahrzeug seine Position zumindest zu einigen Zeitpunkten oder
bei einigen Ereignissen erfassen kann. Beispielsweise ist dies ermöglicht durch
in der Anlage angeordnete Transponder, die von einem mit der Steuerelektronik des
Fahrzeuges verbundenen Lesegerät
ausgelesen werden. Alternativ ist auch ein GPS-System oder ein vergleichbares
System mit in der Anlage angeordneten Infrarot- oder Funkwellen-Sendern vorsehbar,
so dass das Fahrzeug sogar im Wesentlichen kontinuierlich seine
Position zu erfassen in der Lage ist. Über eine Datenaustauschverbindung,
beispielsweise ein WLAN- oder Infrarot-Verbindung oder eine andere elektromagnetische
Funkwellen nutzende Verbindung, wird die Position der übergeordneten
Steuerung übermittelt.
Diese gibt nun derjenigen Einspeisung, welcher der die übermittelte
Position umfassende Streckenabschnitt zugeordnet ist, einen Stromwert
vor, der einzuprägen
ist. Auf diese Weise ist abhängig
von dem jeweiligen Bedarf des Fahrzeugs ein möglichst geringer Stromwert
einprägbar. Somit
sind sogar unterschiedliche Fahrzeuge einsetzbar. Beispielsweise
transportiert ein Fahrzeug eine größere Last und/oder weist einen
größeren Antriebsmotor
und somit eine größere Antriebsleistung auf
als ein weiteres Fahrzeug. Der eingeprägte Strom wird also bedarfsabhängig reguliert.
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In
einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird vom Fahrzeug nicht nur die Position sondern auch dessen Geschwindigkeit
erfasst und übertragen.
Somit ist ein Zeitpunkt des Eintretens des Fahrzeuges in den nächsten Abschnitt
prognostizierbar, insbesondere mittels der übergeordneten Steuerung. Auf
diese Weise ist die übergeordnete Steuerung
in der Lage, der entsprechenden Einspeisung des nächsten Abschnitts
den notwendigen Stromwert rechtzeitig vorzugeben unter Berücksichtigung
von Einstellzeitspannen. Somit steht der optimierte Stromwert schon
bei Eintritt des Fahrzeugs zur Verfügung. Die Einstellzeitspannen
berücksichtigen
auch Einschwingvorgänge,
die durch die in Resonanz betriebenen Anlagenteile erheblich sein
können.
Insbesondere bedingen der auf Resonanz abgestimmte Gyrator sowie
Kapazitäten,
welche zur Abstimmung des Primärleiterkreises
auf Resonanz vorgesehen sind, solche Einstellzeitspannen.