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Die Erfindung betrifft eine Tür mit einem elektrischen Antriebssystem sowie eine Stromversorgungseinrichtung für eine derartige Tür.
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Elektromotorisch angetriebene Türsysteme sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Diese umfassen in der Regel eingangsseitig einen Netztransformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter zur Transformation der netzseitigen Wechselspannung in eine Gleichspannung geeigneter Höhe zur Versorgung eines ausgangsseitig Türsteuergeräts mit Endstufe, welches zwei oder drei Halbbrücken umfasst. Mit Hilfe des Türsteuergeräts wird ein Elektromotor angetrieben, mit dem sich die Tür öffnen und schließen lässt.
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Beispielhaft zeigt 4 einen Antrieb für eine elektrische Tür gemäß dem Stand der Technik. Das eingangsseitige Netzteil umfasst einen 50 Hz Netztrafo 14 und einen nachgeschalteten Diodenbrückengleichrichter. Zur Glättung der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters ist ein Zwischenkreiskondensator 1 vorgesehen. Zwei Halbbrücken umfassend jeweils zwei MOSFETs 15 dienen dazu, einen Elektromotor 6 zu betrieben. Bevorzugt werden 2 Halbbrücken zum Betrieb von Gleichstrommotoren und 3 Halbbrücken zum Betrieb von Wechselstrom- und EC-Motoren eingesetzt.
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Bei allen elektromotorisch angetriebenen Türsystemen treten im Betriebszustand der Bremsrampen, d. h. in dem Moment, in dem die Tür eine negative Beschleunigung erfährt, elektrische Spannungen an den Klemmen des eingesetzten Motors 6 auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Elektromotor in diesem Betriebszustand im Generatorbetrieb arbeitet. Auch dann, wenn eine Türbewegung von außen, beispielsweise mechanisch erzeugt wird, arbeitet der Motor im Generatorbetrieb und erzeugt die besagten induzierten Spannungen an seinen Klemmen. Diese auch als Gegen-EMK bezeichnete Wechselspannung wird über die in den MOSFETs integrierten Freilaufdioden gleichgerichtet und in den Zwischenkreis des Antriebssystems eingespeist. Um zu verhindern, dass die über dem Zwischenkondensator 1 anliegende Spannung zulässige Höchstwerte überschreitet, wird diese mit Hilfe einer Spannungsmesseinrichtung 3 gemessen, um bedarfsabhängig einen Brems-Chopper 2 zu aktivieren. Sobald die Zwischenkreisspannung einen zulässigen Wert überschreitet, wird ein zum Zwischenkreiskondensator 1 paralleler Bremswiderstand 9 zugeschaltet, um die generatorisch eingespeiste überschüssige Energie in Wärme zu umwandeln.
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Die induzierte Gegen-EMK kann insbesondere bei gewaltsamen Einwirkungen von außen kritische Werte annehmen, so dass eine nicht unbedeutende Energiemenge in den Zwischenkreis eingespeist wird. Dies ist beispielsweise häufig der Fall, wenn Personen gewaltsam versuchen, eine elektrisch angetriebene Tür händisch zu öffnen oder zu schließen. Um zuverlässig die Zerstörung der Komponenten des Antriebssystems auch in solche Situationen zu verhindern, ist der Brems-Chopper ausreichend zu dimensionieren.
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Die Druckschrift
DE 195 00 844 B4 offenbart eine Tür mit einem elektrischen Antriebssystem, welches einen Elektromotor zum Schließen der Tür, ein eingangsseitiges Netzteil und ein ausgangsseitiges Türsteuergerät zur Stromversorgung des Elektromotors aufweist. Bei einem derartigen „Türschließantrieb” erfolgt der Öffnungsvorgang von Hand und lediglich der Schließvorgang motorisch. Dabei ist der Elektromotor beim manuellen Aufdrücken der Tür stromlos bzw. gegebenenfalls nur zur Öffnungsdämpfung als Bremse zugeschaltet, sobald beim Öffnen eine vorbestimmte maximale Öffnungsgeschwindigkeit erreicht wird. Die elektrische Versorgung des Elektromotors erfolgt dabei über das Netzteil oder alternativ über eine elektrische Batterie, um ein selbsttätiges Schließen der Tür auch bei einem Ausfall der Stromversorgung sicherzustellen.
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Bei einer durch die
DE 197 26 021 A1 offenbarten Tür mit einem Türschließantrieb ist ein Energiespeicher vorhanden, der bei einem manuellen Öffnen der Tür durch einen als Generator betriebenen Elektromotor, der zum Antrieb der Tür dient, aufgeladen wird und dessen gespeicherte elektrische Energie sodann zum selbsttätigen Schließen der Tür mittels des Elektromotors entladen wird. Der Elektromotor wird in diesem Fall ausschließlich mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher betrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes und kostengünstiges elektromotorisch angetriebenes Türsystem verfügbar zu machen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Tür mit einem elektrischen Antriebssystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Das elektrische Antriebssystem dieser Tür umfasst
- – einen Elektromotor zum Antrieb der Tür, wobei sich die Tür von dem Elektromotor öffnen und schließen lässt,
- – ein eingangsseitiges Netzteil,
- – ein ausgangseitiges Türsteuergerät zur Stromversorgung des Elektromotors,
- – einen mit dem Netzteil eingangsseitig und dem Türsteuergerät ausgangsseitig verbundenen Zwischenkreis mit einem Energiespeicher,
wobei der Energiespeicher über das Türsteuergerät von dem Elektromotor ladbar ist, wenn der Elektromotor generatorisch arbeitet, und wobei der Energiespeicher derart dimensioniert ist, dass er die für einen Beschleunigungsvorgang der Tür benötigte Energie speichern kann.
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Ferner wird die Aufgabe durch eine Stromversorgungseinrichtung für eine elektrisch angetriebene Tür mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Diese Stromversorgungseinrichtung umfasst
- – ein eingangsseitiges Netzteil
- – ein ausgangsseitiges Türsteuergerät zur Stromversorgung eines zum Antrieb der Tür zum öffnen und Schließen der Tür vorgesehenen Elektromotors,
- – einen mit dem Netzteil eingangsseitig und den Türsteuergerät ausgangsseitig verbundenen Zwischenkreis mit einem Energiespeicher,
wobei der Energiespeicher über das Türsteuergerät von dem Elektromotor ladbar ist, wenn der Elektromotor generatorisch arbeitet, und wobei der Energiespeicher einen Doppelschichtkondensator aufweist.
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Vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Unter einer Tür im Sinne der Erfindung ist jede elektromotorisch angetriebene Tür in einem beliebigen Einsatzgebiet zu verstehen. Beispielsweise kann es sich um eine Aufzugstür handeln, eine Fahrzeugstür, insbesondere eine Zugtür, Türen in Kaufhäusern, Krankenhäusern, sonstigen öffentlichen Gebäuden, elektromotorisch angetriebene Kofferraumklappen eines PKW's oder Nutzfahrzeugs, elektromotorisch angetriebene Tore, beispielsweise von Fabrikhallen, etc.
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Sowohl beim öffnen als auch beim Schließen einer derartigen Tür befindet sich der eingesetzte Elektromotor einstweilen im generatorischen Betriebszustand. Dies ist beispielsweise während einer Bremsrampe der Fall, während der die Tür eine negative Beschleunigung erfährt. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Energieeffizienz eines elektromotorischen Türantriebssystems dadurch erheblich steigern lässt, dass diese Gegen-EMK nicht, wie im Stand der Technik üblich, mit Hilfe eines Brems-Choppers in thermische Energie umgewandelt wird, sondern zumindest größtenteils in einem Energiespeicher gespeichert wird, und so für einen anschließenden Beschleunigungsvorgang vorgehalten werden kann. Dies steigert nicht nur den Wirkungsgrad eines solchen Antriebssystems sondern reduziert auch in erheblichem Maße die Kosten für das benötigte Netzteil. Denn dadurch, dass der Energiespeicher derart dimensioniert ist, dass er die für einen Beschleunigungsvorgang der Tür benötigte Energie speichern kann, muss dieser Energieanteil nunmehr nicht mehr aus dem Netzteil zur Verfügung gestellt werden. Dies ermöglicht es, deutlich geringer dimensionierte Netzteile zu verwenden.
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Denn in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann nun das eingangsseitige Netzteil hinsichtlich seiner Ausgangsleistung derart dimensioniert werden, dass es die für den Beschleunigungsvorgang der Tür notwendige Energie nicht bereitstellen kann. Beispielsweise ist es möglich, bei einem elektrischen Antriebssystem für Kaufhaustüren das Netzteil durch ein gewöhnliches PC-Netzteil zu realisieren und so gegenüber vorbekannten Antriebssystemen erhebliche Kosten zu sparen.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiespeicher als Doppelschichtkondensator ausgebildet, wobei der Begriff Doppelschichtkondensator im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch für eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrere Doppelschichtkondensatoren steht. Ein solcher Doppelschichtkondensator, der auch als Superkondensator bezeichnet wird, hat die größte Energiedichte aller Kondensatoren. Somit ist er in der Lage, mit geringem Bauraum eine hohe Kapazität zur Verfügung zu stellen.
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Da im Zwischenkreis des Antriebssystems in der Regel eine Spannung von ca. 40 V anliegt, ist eine Reihenschaltung mehrerer Doppelschichtkondensatoren im Allgemeinen vorzusehen. Um die Spannung über den in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren zu symmetrieren, kann in vorteilhafter Weise eine geeignete Beschaltung vorgesehen werden.
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Prinzipiell kann der Doppelschichtkondensator auch die Aufgabe der Spannungsglättung im Zwischenkreis übernehmen. Vorteilhafterweise ist jedoch, insbesondere zur Filterung hoher Frequenzen, ein Hochfrequenzkondensator im Zwischenkreis angeordnet.
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Zum Schutz des Energiespeichers vor Überspannung ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei Verwendung eines Doppelschichtkondensators als Energiespeicher, eine Schutzschaltung im Zwischenkreis vorgesehen.
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Diese umfasst in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung einen Brems-Chopper mit einem Bremswiderstand zum Abbau überschüssiger Energie im Zwischenkreis. Im Vergleich zum Stand der Technik ist dieser Brems-Chopper jedoch nur für den Fehlerfall vorgesehen, bei dem die Kapazität des Energiespeichers nicht zur Aufnahme der generatorisch erzeugten Energie ausreicht. Der Brems-Chopper ist also nicht für den Normalbetrieb vorgesehen, sondern nur für außergewöhnlich hohe generatorisch erzeugte Energien.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich ferner dadurch aus, dass das elektrische Antriebssystem umfasst
- – Mittel zur Detektion eines Netzausfalls und
- – eine Steuereinrichtung zur Generation von Steuerbefehlen für das ausgangsseitige Türsteuergerät und zum Empfang eines den Netzausfall indizierenden Signals,
wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Notöffnung der Tür mittels des Türsteuergerätes und der im Energiespeicher zwischengespeicherten Energie zu bewirken.
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Auf diese Art und Weise ist es möglich, auch bei einem Stromausfall noch eine Notöffnung der Tür zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise bei Türen sinnvoll sein, die sich in Fluchtwegen befinden und im Notfall stets geöffnet sein müssen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine Tür mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 ein Antriebssystem für eine elektrische Tür gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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3 ein Antriebssystem für eine elektrische Tür gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
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4 ein Antriebssystem für eine elektrische Tür gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt ein Antriebssystem für eine elektrische Tür 19 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die hier schematisch dargestellte Tür 19 ist als Schiebetür ausgebildet und wird von einem rotatorisch arbeitenden Elektromotor 13 mittels eines Zahnriemens 18 und einer Umlenkrolle 20 angetrieben. Alternativ kann die translatorische Bewegung der Tür 19 auch mit Hilfe eines Linearmotors realisiert werden, so dass die Notwendigkeit einer Transformation der rotatorischen Bewegung des Motors in eine translatorische Bewegung mit Hilfe des Zahnriemens 18 und der Umlenkrolle 20 entfällt.
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Auch für den rotatorischen Antriebsmotor 13 sind verschiedenste Realisierungsformen denkbar. So kann es sich beispielsweise um einen Drehstrom-, einen Wechselstrom- oder einen Gleichstrommotor handeln. Permanenterregte Maschinen kommen ebenso wie elektrisch erregte Maschinen oder Reluktanzmaschinen in Frage.
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Der Elektromotor 13 wird über ein Steuergerät 12 mit elektrischer Energie versorgt, um ein vorgegebenes Bewegungsprofil abzufahren. Das Steuergerät 12 wird seinerseits von einem Netzteil 7 versorgt. Das Netzteil 7 wandelt die netzseitig anliegende Wechselspannung von 230 V in eine Gleichspannung von 24 V um, die es dem Türsteuergerät 12 als Versorgungsspannung zur Verfügung stellt. Selbstverständlich sind auch andere Ein-. und Ausgangsspannungen des Netzteils 7 denkbar und von der Erfindung umfasst.
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Mit dem Bezugszeichen 4 schematisch dargestellt ist ein Energiespeicher bezeichnet, in den vom Motor 13 rekuperativ während eines Bremsvorgangs erzeugte Energie über das Türsteuergerät 12 eingespeist wird. Diese im Energiespeicher 4 gespeicherte Energie kann bei einem Beschleunigungsvorgang der Tür 19 zur Verfügung gestellt werden, wodurch das Netzteil 7 erheblich entlastet wird. Die Leistungsspitzen, die beim Beschleunigen der Tür mit ihrer unter Umständen sehr großen Masse anfallen, werden nicht mehr – wie im Stand der Technik üblich – über das Versorgungsnetz und damit über das Netzteil 7 gedeckt, sondern über die im Energiespeicher 4 zwischengepufferte elektrische Energie, die durch rekuperatives Abbremsen der Tür erzeugt wurde.
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Prinzipiell sind für den Energiespeicher 4 verschiedene Formen der Realisierung denkbar. So kann die Energie beispielsweise mechanisch in Form einer rotierenden trägen Masse gespeichert werden. Alternativ kommen chemische, elektrochemische, induktive oder kapazitive Energiespeicher in Betracht.
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Eine besonders wirtschaftliche und kompakte Realisierungsmöglichkeit ergibt sich jedoch durch die Verwendung von Doppelschichtkondensatoren für den Energiespeicher 4. Diese zeichnen sich durch eine sehr hohe Kapazität und eine vergleichsweise hohe Zyklenfähigkeit aus.
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Das dargestellte Antriebssystem verfügt darüber hinaus über Mittel zur Detektion eines Netzausfalls 10. Diese können beispielsweise durch einen Spannungsmesser realisiert werden. Wird ein Netzausfall festgestellt, so wird ein entsprechendes Signal an eine Steuerungseinrichtung 11 gesendet, welche zur Ansteuerung des Türsteuergeräts 12 vorgesehen ist. Bei einem Netzausfall veranlasst die Steuereinrichtung 11 das Türsteuergerät 12, den Motor 13 mit Hilfe der in den Doppelschichtkondensatoren 4 gespeicherten Energie derart anzusteuern, dass dieser die Tür 19 öffnet.
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2 zeigt ein Antriebssystem für eine elektrische Tür gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hier wird ein Wechselstrommotor als Elektromotor 6 eingesetzt, der über einen Wechselrichter MOSFETs 15 aus einem Gleichspannungszwischenkreis versorgt wird. Mit derselben Schaltung kann auch ein Gleichstrommotor betrieben werden. Anstelle der MOSFETs 15 können auch IGBTs oder Bipolartransistoren mit Freilaufdiode eingesetzt werden, wobei selbstverständlich auch weitere Halbleiterschalter denkbar sind.
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Im Zwischenkreis befinden sich in Reihe geschaltete Doppelschichtkondensatoren 4, die hier symbolisch durch nur einen Kondensator dargestellt sind. Arbeitet der Elektromotor 6 generatorisch 6 so speist er bei geschlossenem Schalter den Doppelschichtkondensators 4 über die in den MOSFETs 15 integrierten Freilaufdioden mit elektrischer Energie. Während eines solchen generatorischen Betriebszustands, der sich beispielsweise beim Abbremsen der Tür einstellt, wird demnach der Doppelschichtkondensator 4 aufgeladen.
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Der im Zweig des Doppelschichtkondensators 4 vorhandene Schalter stellt eine Schutzschaltung dar, die den Doppelschichtkondensator 4 im Falle einer von dem Spannungsmesser 3 detektierten Überspannung vom Zwischenkreis trennt, um diesen zu schützen.
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Wenn nun die Tür beschleunigt werden soll und somit sehr viel Energie zum Antrieb des Motors 6 benötigt wird, wird hierzu die im Doppelschichtkondensator 4 zwischengespeicherte Energie über die zwei Halbbrücken zur Verfügung gestellt. Das aus Diodengleichrichter und Netztransformator bestehende Eingangsnetzteil muss somit diese Leistungsspitzen selbst nicht abdecken und kann daher deutlich kleiner dimensioniert werden, als dies im Stand der Technik erforderlich wäre.
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Parallel zum Doppelschichtkondensator 4 befindet sich ein Glättungskondensator 5, der zur Glättung hochfrequenter Schaltrippel in der Zwischenkreisspannung vorgesehen ist.
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3 zeigt ein Antriebssystem für eine elektrische Tür gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Auch hier ist eingangsseitig eine Gleichrichterschaltung 7 für das Netzteil vorgesehen und ausgangsseitig eine Wechselrichterschaltung 8 für das Türsteuergerät, die einen mit Wechselstrom betriebenen Elektromotor 6 speist.
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Im Zwischenkreis befindet sich als Energiespeicher wiederum eine Reihenschaltung aus Doppelschichtkondensatoren 4. Parallel zu diesen Doppelschichtkondensatoren 4 ist nunmehr ein Brems-Chopper mit einem Bremswiderstand 9 vorgesehen. In Reihe zu den Doppelschichtkondensatoren und zum Bremswiderstand 9 befindet sich jeweils ein Schalter, wobei der Schalter in Reihe zu den Doppelschichtkondensatoren 4 geschlossen ist, während der Schalter in Reihe zum Bremswiderstand 9 geöffnet ist bzw. umgekehrt. Wenn mit Hilfe der Spannungsmesseinrichtung 3 eine Überspannung im Zwischenkreis festgestellt wird, wird mit Hilfe eines Sicherheitsschaltgerätes 20 der über den Doppelschichtkondensatoren 4 liegende Schalter geöffnet und gleichzeitig der über dem Bremswiderstand liegende Schalter 9 geschlossen, so dass die überschüssige Energie im Zwischenkreis im Bremswiderstand 9 in thermische Energie umgewandelt werden kann und somit die Zwischenkreisspannung abgebaut werden kann. Der Brems-Chopper ist in diesem Fall jedoch nur für außergewöhnliche Betriebszustände vorgesehen, bei denen mehr Energie in den Zwischenkreis eingespeist wird, als im Normalbetrieb zu erwarten ist.
