DE102009009214A1

DE102009009214A1 - Anlage und Verfahren zum Betreiben einer Anlage

Info

Publication number: DE102009009214A1
Application number: DE102009009214A
Authority: DE
Inventors: Dieter Stenkamp; Detlef Kuhn
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: DE102009009214B4

Abstract

Anlage und Verfahren zum Betreiben einer Anlage, umfassend eine Strecke, 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 Primärleitsystem versorgbar ist, wobei jedem Primärleiterabschnitt eine Einspeisung zugeordnet ist, welche in das jeweilige Primärleitsystem einen bedarfsabhängigen Strom eingeprägt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage.
Induktive Energieversorgungen von in Anlagen bewegbaren Fahrzeugen sind allgemein bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage weiterzubilden, wobei der Umweltschutz verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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.
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.
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.
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.
Somit besteht für die Verbraucher und deren Spannungsversorgung kein Unterschied, ob und in welchem Streckenabschnitt mit jeweiligem unterschiedlichem Stromwert sich das Fahrzeug befindet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Einspeisung
2: Einspeisung
3: Einspeisung
4: übergeordnete Steuerung
5: Fahrzeug

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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.
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.
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.
Der Sekundärspule ist eine Kapazität derart in Reihe oder parallel zugeschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
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.
Aus diesem Vierpol wird entweder direkt oder über einen Transformator der als Leiterschleife ausgeführter Primärleiterkreis versorgt.
Der Vierpol, insbesondere Gyrator, weist derartige Induktivitäten und Kapazitäten auf, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
Mittels Steuerung der Amplitude der am Wechselrichter ausgangsseitig erzeugten Sinusspannung ist ein Stellen der Amplitude der den jeweiligen Abschnitt des Primärleiterkreises versorgenden Stromquelle ermöglicht.
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.
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.
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.
Alternativ werden die Daten über Funkwellen innerhalb der Anlage übertragen.
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.
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.
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.
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.

Claims

Anlage, umfassend eine Strecke, 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, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Primärleiterabschnitt eine Einspeisung zugeordnet ist, welche in das jeweilige Primärleitersystem einen bedarfsabhängigen Strom eingeprägt.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisungen und/oder die Fahrzeuge zum Datenaustausch mit einer übergeordneten Steuerung verbunden sind.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Strecke ein Leckwellenleiter vorgesehen ist, an dem eine Antenne des Fahrzeuges entlang bewegbar ist, insbesondere zum Datenaustausch.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung der Position und/oder Geschwindigkeit 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.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den erfassten Werten die Sollwerte prognostizierend bestimmbar sind, insbesondere aus Geschwindigkeit und Position des Fahrzeuges der Zeitpunkt des Eintretens in den nächsten Streckenabschnitt bestimmt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Streckenabschnitt ein einzuprägender Stromwert zugeordnet ist.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung einen mittelfrequenten Strom einprägt, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 500 kHz.
Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Sekundärspule aufweist, 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.
Verfahren zum Betreiben einer Anlage, insbesondere nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anlage mindestens zwei Streckenabschnitte umfasst, denen jeweils ein Primärleitersystem zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass 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.