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Die Erfindung betrifft eine mobile Generatorvorrichtung zur Erzeugung einer Gleichspannung für ein gleichstromgespeistes Arbeitsgerät mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie eine entsprechende Schutzeinrichtung hierfür.
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Unter gleichstromgespeisten Arbeitsgeräten sind beispielsweise an Baggern anbringbare Magnetplatten oder auch mobile Schweißeinrichtungen zu verstehen.
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Solche Generatorvorrichtungen werden in erster Linie auf Materialumschlagmaschinen auf Schrottplätzen oder auf Abbruchmaschinen zum Recycling von Stahl zwischen Betonteilen eingesetzt, wo magnetische Gegenstände mithilfe der eingangs genannten Magnetplatten am Ausleger eines Baggers oder eines Krans bewegt werden. Auch sind andere Maschinen wie Radlager, Gabelstapler, Fahrkräne für solchen Einsatz möglich.
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Der Einsatz solcher Magnetanlagen erfolgt in sehr rauen und der Witterung ausgesetzten Umgebungen. Auch wird in der Praxis wenig Rücksicht auf den mechanischen Verschleiß bzw. auf die Beschädigungen der Generatorvorrichtung sowie deren Verkabelung zur Magnetplatte und die Magnetplatte selbst genommen. Die Generatorvorrichtung sitzt üblicherweise relativ gut geschützt im oder um den Motorbereich der Baumaschine. Die Verkabelung wird mit handelsüblichen mehradrigen Leitungen von der Generatorvorrichtung zur Magnetplatte über den Arm des Baggers, über ein Wendelkabel vom Gabelstapler zur Magnetplatte oder sonstigen Leitungen realisiert, die mehr oder weniger vor mechanischer Zerstörung geschützt sind. Der elektrische Anschluss der Magnetplatte ist meist eine 2-, 3- oder 5-polige Anschlussdose. Diese sitzt in der Regel in Nähe der Magnetplatte. Die Magnetplatte wird hart eingesetzt. An unübersichtlichen Stellen wie z. B. im Schiffs- oder Lkw-Container oder in Ladebuchten kann die Magnetplatte nicht immer vorsichtig auf das zu verladende Material aufgesetzt werden. Harte Schläge und Stöße sind an der Tagesordnung. Teilweise wird sie beim Containerbeladen auch zum Materialverdichten missbraucht. Schäden durch den harten Einsatz an Kabel, Anschlussdose oder der Magnetplatte treten häufig auf.
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Elektronisch gesteuerte Generatorvorrichtungen sind in der Regel kurzschluss- und lastunterbrechungsfest. Wird die Leitung im Betrieb vollständig abgerissen, entsteht bedingt durch die Induktivität der Magnetplatte eine sehr hohe Spannung, die über einen Lichtbogen am abgerissenen Kabel solange gezündet bleibt, bis die Energie der Magnetplatte im Lichtbogen unterhalb dessen Zündspannung abgebaut ist.
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Die elektronische Steuereinheit der Generatorvorrichtung registriert in der Regel dies durch den fehlenden Ausgangsstrom und kann auf die Unterbrechung durch Abschalten der Vorrichtung reagieren. Gegen Überspannung am Gleichspannungsausgang bzw. auf dessen stromführenden Ausgangsleitungen der elektronisch gesteuerten Generatorvorrichtung sind diese in der Regel geschützt, da die Leitungen im Normalbetrieb die induktive Spannung der Magnetplatte ohnehin abbauen müssen.
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Tritt ein Kurzschluss auf, werden also die Ausgangsleitungen z. B. durch ein gequetschtes Kabel kurz geschlossen, wird dies in der Regel in der elektronisch gesteuerten Generatorvorrichtung durch eine Strommessung erkannt. Auch in diesem Fall schaltet die Elektronik ab.
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Zum besseren Verständnis der Problematik des Standes der Technik soll im Folgenden noch eine kurze Erklärung zum Generator-Netz auf Baumaschinen gegeben werden.
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Auf Baumaschinen wird in der Regel bei Generatorvorrichtungen die Schutztrennung verwendet, d. h. die Strom führenden Leiter sind isoliert zu Erde/Schutzleiter (PE) aufgebaut. Nur diese Netzart lässt den Einsatz eines Isolationswächters zu, der eine schlechte Isolation zu Erde/PE erkennen kann.
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Durch die Trennung von Strom führenden Leitern und Erde/PE kann zwischen diesen Potentialen eine unzulässig hohe Spannung auftreten. Ist dies der Fall, so kann ein Überschlag der Spannung an nicht definierten Komponenten der Generatorvorrichtung stattfinden. Dieser Überschlag zerstört in der Regel die Elektronik oder Teile davon.
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In folgenden Beispielsfällen kann eine unzulässig hohe Spannung am Generatorsystem entstehen, wobei dann auch ein in das System integrierter Isolationswächter keinen oder nur begrenzten Schutz bieten kann:
- – Die Leitung zur Magnetplatte wird nur teilweise abgerissen und das abgerissene Kabel der Magnetplatte kommt in Verbindung mit dem Chassis von Magnetplatte, Baggerarm oder auf Erde.
- – Die Anschlussdose zur Magnetplatte wird mechanisch zerstört oder hat einen Wasserschaden in Verbindung mit einer Unterbrechung von nur einer Leitung.
- – Die Magnetplatte hat einen internen Erdschluss in Verbindung mit einer Unterbrechung von nur einer Leitung.
- – Die Magnetplatte hat eine schlechte Isolation zur Erde/PE in Verbindung mit einer Unterbrechung von nur einer Leitung.
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Die vorstehend erwähnte Schutzwirkung eines Isolationswächters ist der Vollständigkeit halber anhand zweier Fehlerfälle wie folgt zu erläutern:
Erster Fehlerfall ist z. B. eine schlechte Isolation oder Erdschluss zur Erde/PE.
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Zweiter Fehlerfall ist eine Unterbrechung einer Leitung von der elektronisch gesteuerten Generatorvorrichtung zur Magnetplatte.
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Sollte in der elektronisch gesteuerten Generatorvorrichtung ein dafür geeigneter Isolationswächter eingesetzt sein, so bietet dieser nur begrenzt eine Schutzwirkung. Er würde nur schützen, wenn im ersten Fehlerfall (Isolationswert < 23 kOhm) die elektronisch gesteuerte Generatorvorrichtung sofort abgeschaltet wird und eine Wiedereinschaltsperre der elektronisch gesteuerten Generatorvorrichtung gesetzt wird. Der Isolationswächter schützt nicht, wenn der erste Fehlerfall oberhalb der Schwelle von typischerweise 23 kOhm liegt.
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Es besteht auch kein signifikanter Schutz, wenn der zweite Fehlerfall auftritt, ohne die elektronisch gesteuerte Generatorvorrichtung abzuschalten oder der zweite Fehlerfall zeitnah zum ersten Fehlerfall auftritt.
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US 2005/0094345 A1 offenbart eine Schutzeinrichtung in Form einer Trennfunkenstrecke zwischen den beiden Zuleitungen einer Induktionseinrichtung in Form einer Magnetspule auf einem Bagger. Diese Schutzeinrichtung dient zur Absicherung bei Versagen einer Zuleitung aufgrund der harschen Umgebungsbedingungen bei solchen Baumaschinen.
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US 2009/0160590 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Hebemagneten, der über einen Wechselspannungsgenerator mit nachgeschalteten Gleichrichterbrücken versorgt wird.
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Aus der
DE 10 2007 015 933 A1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung für den Einsatz in Gleichstromnetzen bekannt, bei der wiederum ein Ableitpfad mit einer Funkenstrecke vorgesehen ist.
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Die
DE 28 51 537 A1 zeigt eine Schutzeinrichtung beispielsweise für Sender großer Leistung mit Funkenstrecke und Schutzwiderstand, bei der über einen optischen Sensor die Funkenstrecke abgetastet und deren Ansprechen zur schnellen Abschaltung der Stromzufuhr erfasst wird.
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Aus der
US 4 605 981 A ist eine Schutzeinrichtung gegen Überspannung im industriellen und häuslichen Umfeld bekannt, bei der eine Trennfunkenstrecke zwischen zwei stromführenden Leitern geschaltet ist. Dieser ist eine Indikatorvorrichtung zur Registrierung des Ansprechens der Trennfunkenstrecke zugeordnet, wobei mit der Indikatorvorrichtung eine Abschalteinrichtung für den Fehlerfall gekoppelt ist, die in Abhängigkeit der Ansprechhäufigkeit der Trennfunkenstrecke ein Wiedereinschalten unterbindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektronisch gesteuerte Generatorvorrichtung und entsprechend deren Umfeld, wie Personen und Sachgegenstände, bei den eingangs geschilderten Fehlerfällen in verbessertem Maße zu schützen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Schutzeinrichtung bei solchen mobilen Generatorvorrichtungen gelöst, die zwischen den stromführenden Leitern und einem Schutzpotential, also insbesondere Erde oder PE angeordnet ist. Diese Schutzeinrichtung weist eine im Fehlerfall ansprechende Trennfunkenstrecke mit einer definierten Ansprechspannung zur Erdung der stromführenden Leiter auf.
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Durch diese Erdung werden die in der Beschreibungseinleitung geschilderten Fehlerfälle wirkungsvoll gehandhabt und das gesamte System in einen definierten, sicheren Zustand übergeführt.
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Gemäß der Erfindung kann die Problematik der Überbelastung der Trennfunkenstrecke bei einem ein- oder mehrmaligen, vor allem kurzzeitig hintereinander auftretenden Ansprechen durch eine Indikatorvorrichtung zur Registrierung des Ansprechens der Trennfunkenstrecke gelöst werden. Damit wird dem System ein Parameter beispielsweise in Form eines von der Indikatorvorrichtung in die Steuereinheit einspeisbaren Signals zur Verfügung gestellt, auf dessen Basis etwa die Generatorvorrichtung oder deren Gleichspannungsausgang durch eine mit der Indikatorvorrichtung gekoppelte Abschalteinrichtung erzwungenermaßen abgeschaltet wird. Die Trennfunkenstrecke bleibt nach dem Abschalten bis zum Unterschreiten ihrer Zündspannung zum Abbau der magnetischen Energie im System leitend.
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Erfindungsgemäß steuert die Abschalteinrichtung ferner auch ein Wiedereinschalten der Generatorvorrichtung in Abhängigkeit der Ansprechhäufigkeit und/oder Ansprechrate der Trennfunkenstrecke. Damit wird verhindert, dass bei einem mehrmaligen Auftreten eines Fehlerfalles mit Ansprechen der Trennfunkenstrecke innerhalb einer kurzen Zeit letztere überlastet wird. Insoweit kann die Steuereinheit dazu veranlasst werden, eine definierte Zeit zu warten, bis die Generatorvorrichtung mit der Trennfunkenstrecke wieder einsatzfähig gemacht wird. Die zeitliche Triggerung kann dabei durch die Indikatorvorrichtung realisiert werden.
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Vorzugsweise ist die definierte Ansprechspannung der Trennfunkenstrecke so ausgelegt, dass auch bei ihrem mehrfachen Ansprechen die Schutzeinrichtung intakt bleibt. Feste Werte hierzu sind nicht anzugeben, da dies von den maximalen Auslegungsspannungen der für elektronisch gesteuerte Generatorvorrichtungen verwendeten elektronischen Halbleiter-Bauelemente abhängt. Maximale Spannungen liegen beispielsweise bei ca. 600 V, 1200 V, oder 1600 V. Auch liegt die maximalé Isolationsspannung zwischen den Halbleiter-Bauelementen und Erde/PE, wie sie durch die Kühlelemente der Halbleiter gebildet ist, bei ca. 2500 V maximal. Im Fehlerfall muss dann die Trennfunkenstrecke die maximal auftretende Spannung zwischen Erde/PE und den Halbleiter-Bauelementen begrenzen, um einen Defekt der Halbleiter wegen Überschlag oder Überspannung zu verhindern. Bevorzugtermaßen ist die Trennfunkenstrecke ferner so auszulegen, dass auch bei ihrem mehrfachen Ansprechen die Schutzeinrichtung intakt bleibt. Auch hier sind keine konstruktiven Einzelheiten im entsprechenden Anspruch festzulegen, da die Auslegung so gewählt sein muss, dass auch bei den größten handelsüblichen Magnetplatten in allen Betriebssituationen aufgrund der im Fehlerfall auftretenden Funkenstrecke und der damit verbundenen thermischen Belastung die beteiligten Komponenten nicht zerstört werden. Auch ein mehrfaches Ansprechen in kurzer Zeit ist zur Vermeidung einer Überlastung der Trennfunkenstrecke in die Auslegungskriterien einzubeziehen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Schutzeinrichtung für eine mobile Generatorvorrichtung als solche mit den vorstehend bereits erörterten Komponenten einer Trennfunkenstrecke, Indikatorvorrichtung und Abschalteinrichtung. Zur Vermeidung von Wiederholungen kann auf die entsprechenden Ausführungen oben verwiesen werden.
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Vorzugsweise ist eine solche Schutzeinrichtung nicht nur als Sicherheitssystem bei neuen Generatorvorrichtungen einzubauen, sondern an bestehende Generatorvorrichtungen nachzurüsten.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm einer Generatorvorrichtung und
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2 eine alternative Ausführungsform der in der Generatorvorrichtung gem. 1 verwendeten Gleichrichtereinheit.
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Die in 1 gezeigte mobile Generatorvorrichtung, wie sie beispielsweise auf einem Bagger zum Einsatz kommt, weist als Hauptkomponente einen Wechselspannungs-(AC-)Generator 1 und eine davon gespeiste Gleichrichtereinheit 2 auf, die mit einer entsprechenden Steuereinheit 3 gekoppelt ist. Der AC-Generator 1 wird mechanisch von der Verbrennungsmaschine des Baggers angetrieben. Über drei Verbindungsleitungen 4.1, 4.2, 4.3 wird die dreiphasige Wechselspannung auf die Diodenstrecken 5.1, 5.2, 5.3 der Gleichrichtereinheit 2 phasengetrennt gespeist. Letztere sind mit dem Gleichspannungsausgang 6 der Gleichrichtereinheit 2 verbunden, der einen positiven Anschlusspol 7 und einen negativen Anschlusspol 8 aufweist. Die Anschlusspole 7, 8 sind jeweils über stromführende Leiter 9, 10 mit dem entsprechenden Arbeitsgerät, wie einer im gezeigten Fall an einem Baggerarm (nicht dargestellt) befestigten Magnetplatte 11 verbunden.
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Ein in 1 strichpunktiert angedeuteter Erdanschluss bzw. Schutzleiter 12 ist mit den Gehäusen des Wechselspannungsgenerators 1, der Steuereinheit 3 und der Magnetplatte 11 verbunden und an das Chassis 13 der Baumaschine angekoppelt.
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Eine als Ganzes mit 14 bezeichnete Schutzeinrichtung erfüllt die in der obigen Beschreibung umfassend erläuterten Schutzfunktionen für die verschiedenen Fehlerfälle, die beispielsweise durch einen unkontrollierten Abriss einer der Anschlussleiter 9, 10 der Magnetplatte 11 auftreten können. Diese Schutzeinrichtung 14 weist als zentralen Baustein eine gasgefüllte Trennfunkenstrecke 15 auf, die einerseits über zwei parallel verzweigte Anschlussleitungen 16, 17 an den Anschlussleitern 9, 10 zwischen dem Gleichspannungsausgang 6 und der Magnetplatte 11 angekoppelt sind. Andererseits ist die Trennfunkenstrecke 15 über eine Erdungsleitung 18 mit dem Schutzleiter 12 elektrisch verbunden. Bei Auftreten einer über der definierten Ansprechspannung UT liegenden Spannung aufgrund eines oben geschilderten Fehlerfalles an einem der beiden Leiter 9, 10 zündet die Trennfunkenstrecke 15 und sorgt für einen definierten Abbau dieser gefährlichen Spannung gegen die Erdungsleitung 18. Die maximal auftretende Spannung zwischen der das Schutzpotential darstellenden Erdungsleitung 18 und den elektronischen Bauelementen der Steuereinheit 3 mit ihrer Gleichrichtereinheit 2 ist so auf einen Bauelement-verträglichen Wert begrenzt. Die Auslegung der Ansprechspannung UT der Trennfunkenstrecke 15 ist ferner so zu wählen, dass auch bei ihrem mehrfachen Ansprechen die Trennfunkenstrecke 15 intakt bleibt.
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Um ein solches Ansprechen der Trennfunkenstrecke 15 zu erfassen und zu registrieren, ist der Trennfunkenstrecke 15 eine Indikatorvorrichtung 19 zugeordnet. Ein geeigneter Detektor 20 an der Trennfunkenstrecke 15 kann dabei auf unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien beruhen:
- – Es kann ein den Funkenstreckenstrom messender Stromwandler vorgesehen sein.
- – Eine indirekte Detektoranordnung kann die Änderungsrate der Spannung zwischen dem Schutzpotential, also der Erdungsleitung 18, und den Bauelementen der Steuereinheit 3 mit Hilfe eines Spannungsdetektors messen.
- – Da bei Ansprechen der Trennfunkenstrecke 15 in hohem Maße Wärme entsteht, kann deren Ansprechen über die Temperaturänderung der Trennfunkenstrecke 15 detektiert werden.
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Den drei vorgenannten Messprinzipien ist gemeinsam, dass für die entsprechenden Parameter ein Schwellenwert in der Indikatorvorrichtung 19 festgelegt ist, dessen Überschreiten als Ansprechen der Trennfunkenstrecke 15 erkannt, wonach ein entsprechendes Signal erzeugt wird. Auf dieser Basis können die gewünschten Auswertungen vorgenommen und Aktionen ausgelöst werden. So kann die Indikatorvorrichtung 19 über eine Signalleitung 21 mit der Steuereinheit 3 verbunden sein. Über diese Signalleitung 21 kann der Steuereinheit 3 eine Protokollinformation über beispielsweise die Ansprechhäufigkeit – also Zahl der Ansprechereignisse pro Zeiteinheit- bzw. Ansprechrate – also Geschwindigkeit des überwachten Parameters wie beispielsweise der Änderungsgeschwindigkeit der Spannung zwischen der Erdungsleitung 18 und den Bauelementen der Steuer- oder Gleichrichtereinheit 3, 2. Entsprechend der Parametrierung der Steuereinheit kann diese dann dafür sorgen, dass der Gleichspannungsausgang 6 nicht mehr oder zumindest mit einer gewissen Zeitverzögerung eingeschaltet wird.
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Schließlich ist noch eine gesonderte Abschalteinrichtung 22 in Form eines Relais 23 mit Schaltkontakt 24 in der Anschlussleitung 16 zwischen Trennfunkenstrecke 15 und Leiter 9 des Gleichspannungsausgangs 6 vorgesehen.
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Das Relais wird von der Indikatorvorrichtung 19 angesteuert, womit der Gleichspannungsausgang 6 selektiv abschaltbar ist.
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Die Schutzeinrichtung 14, wie sie in 1 dargestellt ist, kann als Nachrüst-Einheit an eine bestehende Generatorvorrichtung mit AC-Generator 1, Gleichrichter- und Steuereinheit 2, 3 und Gleichspannungsausgang 6 angekoppelt werden.
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In 2 ist eine Steuereinheit 3 mit einer von der Gleichrichtereinheit 2 gem. 1 in ihrem Aufbau abweichenden Gleichrichtereinheit 2' dargestellt. Letztere ist als sog. „H-Brücke” aufgebaut. Dazu sind die Diodenstrecken 5.1, 5.2, 5.3 über eine H-Schaltung von Leistungstransistoren 25.1, 25.2, 25.3, 25.4 mit dem Gleichspannungsausgang 6 gekoppelt.
