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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel, einen Stromrichter, einen Versorger, und ein Verfahren zur sicheren Ansteuerung von parallel geschalteten Leistungsteilen eines Stromrichters.
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Leistungsteile, die beispielsweise in einem Stromrichter, wie einem Wechselrichter oder einem Umrichter, oder in einem Versorger umfasst sein können, stellen Leistung für eine Last, die insbesondere ein Motor einer Produktionsanlage, usw. sein kann, oder einen Zwischenkreis bereit.
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Je größer die Last bzw. die von ihr benötigte maximale elektrische Leistung desto größer ist das Leistungsteil auszugestalten. Hierbei gilt jedoch, dass die Kosten für das Leistungsteil umso höher sind, desto mehr elektrische Leistung das Leistungsteil bereitstellen muss, also desto größer das Leistungsteil ist. Ein solches Leistungsteil hat zudem den Nachteil, dass der Wirkungsgrad mit abnehmender Leistung an der Last sinkt. Das bedeutet, dass eine im Verhältnis hohe Verlustleistung entsteht, wenn nur eine geringe Leistung an der Last benötigt wird. Eine solche Situation liegt beispielsweise vor, wenn das Leistungsteil nur im Teillastbetrieb betrieben wird. Ein Teillastbetrieb bei einer Pressenanlage ist insbesondere, wenn eine zum Pressen eines Werkstücks vorgesehene Pressbacke nicht zum Pressen verwendet wird sondern erst zum Pressen herangefahren wird. Als Lösung dieses Problems wird bei der Anmelderin überlegt, die von der Last benötigte elektrische Leistung durch mindestens zwei parallel geschaltete Leistungsteile bereitzustellen, die je nach Lastbetrieb ein- oder ausschaltbar sind. Ein Beispiel wäre eine Parallelschaltung von Leistungsteilen zur Erhöhung der Ausgangsleistung. Beispielsweise werden, wenn eine Leistungsmenge von 1000 kW benötigt wird, vier Leistungsteile mit jeweils 250 kW parallel geschaltet.
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Problematisch hierbei ist jedoch, dass auch bei einer solchen Schaltung Sicherheitsfunktionen bei einer Maschine unter Einhaltung von aktuell gültigen Regeln und Normen gewährleistet sein müssen, wie beispielsweise der DIN EN 62061, DIN EN 61800-5-2 oder der internationalen Norm IEC 61508. Hierbei wird beispielsweise ein sicheres Abschalten der Leistungsteile (= ”Safe Torque Off”) durch Abschalten der Ansteuerung der Leistungstransistoren erzielt.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel, einen Stromrichter, einen Versorger, und ein Verfahren zur sicheren Ansteuerung von parallel geschalteten Leistungsteilen eines Stromrichters bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel, ein Stromrichter, ein Versorger, und ein Verfahren zur sicheren Ansteuerung von parallel geschalteten Leistungsteilen eines Stromrichters bereitgestellt werden, bei welchen eine Unterteilung von Leistungsteilen und eine Sicherheitstechnik für eine mit den Leistungsteilen ausgestattete Maschine oder Anlage unter Einhaltung von aktuell gültigen Regeln und Normen gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel umfasst einen als Transformator ausgeführten Übertrager zur galvanisch getrennten Einkopplung einer Versorgungsspannung in die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel, mindestens einen Koppelbaustein zur galvanisch getrennten Einkopplung und/oder Auskopplung von Ansteuersignalen für eine Leistungselektronik, und mindestens ein Trennelement zur galvanisch getrennten Ausgabe von Steuersignalen für eine Versorgungsspannung der Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik zur Ansteuerung einer Leistung bereitstellenden Einrichtung eines Leistungsteils eines Stromrichters ausgestaltet ist, welches Leistungsteil parallel zu einem anderen Leistungsteil des Stromrichters geschaltet ist, und wobei die mindestens zwei Leistungsteile jeweils einen Teil einer von der Last maximal benötigten elektrischen Leistung bereitstellen.
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Durch die Verwendung von parallelgeschalteten Leistungsteilen ist eine Leistungssteigerung des Stromrichters gegenüber dem Fall möglich, bei welchem nur ein Leistungsteil zum Bereitstellen der elektrischen Leistung für die Last Verwendung findet. Hierbei ist es auch möglich, dass einzelne Leistungsteile im Teillastbetrieb abgeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, alle oder einen Teil der Leistungsteile redundant auszubilden, um den Ausfall von einzelnen Teilen oder der gesamten Anlage zu verhindern. Dadurch können zum einen Produktionsausfälle vermieden und zum anderen bei kritischen Prozessen, wie sie beispielsweise in der Chemieindustrie vorkommen, Beschädigungen einer Anlage verhindert werden, die mit dem ausgefallenen Stromrichter verknüpft, der ein Antriebs- oder Netzwechselrichter sein kann. Durch die Vermeidung von Produktionsausfällen und Beschädigungen an der Anlage können Kosten gespart werden.
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Bei dem Stromrichter ist eine sichere Versorgung der Elektronik parallel geschalteter Leistungsteile möglich. Der Stromrichter umfasst eine integrierte Sicherheitstechnik auch bei parallelgeschalteten Leistungsteilen. Dies hat den Vorteil, dass auch zum Verhindern eines Betriebs der Last, beispielsweise ein Starten/Anlaufen eines Motors als Last, die Spannungsversorgung (Netzspannung) des Leistungsteils nicht abgeschaltet werden muss.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Stromrichter so ausgeführt ist, dass eine Bedienperson einer mit dem Stromrichter ausgestatteten Anlage nur eine Sicherheitstechnikanwahl für alle parallelgeschalteten Leistungsteile aufweist. Damit ist der Verdrahtungsaufwand für den Stromrichter und somit die Anlage sehr gering, wodurch die Kosten für die Sicherheitstechnik gering sind.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel kann die Versorgungsspannung eine Eingangs-Wechselspannung sein, wobei die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel zur Erzeugung einer in Frequenz und Amplitude unterschiedlichen Ausgangs-Wechselspannung aus der Eingangs-Wechselspannung ausgestaltet ist, oder die Versorgungsspannung kann eine Eingangs-Gleichspannung sein, wobei die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel zur Erzeugung einer Ausgangs-Gleichspannung aus der Eingangs-Wechselspannung ausgestaltet ist.
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In einer Variante hat die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel zudem Dioden zum Gleichrichten der Versorgungsspannung.
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Bei der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel ist es möglich, dass zumindest ein Trennelement ein Optokoppler oder kapazitiver Koppler oder induktiver Koppler oder eine hochohmige Verbindung ist, und/oder die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel als Steckkarte ausgeführt ist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch einen Stromrichter zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für eine Last nach Patentanspruch 5 gelöst. Der Stromrichter umfasst mindestens zwei Leistungsteile zum Bereitstellen jeweils eines Teils der von der Last maximal benötigten elektrischen Leistung, wobei die mindestens zwei Leistungsteile parallel geschaltet sind, und ein Steuerteil zur Steuerung der mindestens zwei Leistungsteile, wobei das Steuerteil zum Bereitstellen einer sicheren Versorgungsspannung für die mindestens zwei Leistungsteile ausgestaltet ist.
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Der Stromrichter erzielt die Vorteile, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel für den Stromrichter genannt sind.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Stromrichters sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem Stromrichter kann das Steuerteil aufweisen: eine Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer sicheren Versorgungsspannung für die mindestens zwei Leistungsteile, wobei die sichere Versorgungsspannung jeweils zum Anlegen an die mindestens zwei Leistungsteile vorgesehen ist, und eine Sicherheitssteuereinrichtung zur zweikanaligen Steuerung der Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung und zur Durchführung einer Diagnose der Steuerung der Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung.
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Möglicherweise weisen bei dem Stromrichter die mindestens zwei Leistungsteile jeweils auf: eine Leistung bereitstellende Einrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Leistung für die Last, und eine PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Leistung bereitstellende Einrichtung. Hierbei können die mindestens zwei Leistungsteile jeweils eine zuvor beschriebene Sicherheitstechnik-Spannungsinsel aufweisen, welche zwischen die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung und die Leistung bereitstellende Einrichtung geschaltet ist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch einen Versorger zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für einen Zwischenkreis nach Patentanspruch 9 gelöst. Der Versorger umfasst mindestens zwei Leistungsteile zum Bereitstellen jeweils eines Teils der von dem Zwischenkreis maximal benötigten elektrischen Leistung, wobei die mindestens zwei Leistungsteile parallel geschaltet sind, und ein Steuerteil zur Steuerung der mindestens zwei Leistungsteile, wobei das Steuerteil zum Bereitstellen einer sicheren Versorgungsspannung für die mindestens zwei Leistungsteile ausgestaltet ist.
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Der Versorger erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel auch für den Stromrichter genannt sind.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur sicheren Ansteuerung von parallel geschalteten Leistungsteilen eines Stromrichters nach Patentanspruch 10 gelöst. Das Verfahren hat die Schritte: galvanisch getrenntes Einkoppeln, mit einem als Transformator ausgeführten Übertrager, einer Versorgungsspannung in eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel, galvanisch getrenntes Einkoppeln und/oder Auskoppeln, mit mindestens einem Koppelbaustein, von Ansteuersignalen für eine Leistungselektronik, und galvanisch getrenntes Ausgeben, mit mindestens einem Trennelement, von Steuersignalen für eine Versorgungsspannung der Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik eine Leistung bereitstellenden Einrichtung eines Leistungsteils eines Stromrichters ansteuert, welches Leistungsteil parallel zu mindestens einem anderen Leistungsteil des Stromrichters geschaltet, und wobei die mindestens zwei Leistungsteile jeweils einen Teil einer von der Last maximal benötigten elektrischen Leistung bereitstellen.
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Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel auch für den Stromrichter genannt sind.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 ein Blockschaltbild einer Spannungsinsel des Stromrichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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3 ein Blockschaltbild eines Versorgers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Stromrichter 1, der Teil einer übergeordneten Anlage 5, wie beispielsweise einer Pressenanlage ist. Der Stromrichter 1 stellt für eine Last 7 mit Hilfe von Stromleitungen 8 elektrische Energie oder Leistung bereit.
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Der Stromrichter 1 kann beispielsweise ein Wechselrichter sein. Der Stromrichter 1 kann auch beispielsweise ein Umrichter sein. Die Last 7 kann beispielsweise eine elektrische Maschine, wie ein Motor oder Generator sein.
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In 1 weist der Stromrichter 1 ein Steuerteil 10, ein erstes Leistungsteil 20, und ein zweites Leistungsteil 30 auf. Die Leistungsteile 20, 30 sind parallel geschaltet. Die Leistungsteile 20, 30 können jeweils einen Teil der elektrischen Energie oder Leistung bereitstellen, welche von der Last 7 im Vollastbetrieb insgesamt benötigt wird. Insbesondere stellen die Leistungsteile 20, 30 jeweils die Hälfte der elektrischen Energie oder Leistung bereit, welche von der Last 7 im Vollastbetrieb insgesamt benötigt wird.
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Das Steuerteil 10 umfasst eine Sicherheitssteuereinrichtung 11 und eine Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12. Die Einrichtungen 11, 12 können jeweils als Steckkarte ausgeführt sein. Die Sicherheitssteuereinrichtung 11 steuert die Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 über eine Leitung 13 zweikanalig an und führt eine Diagnose der Ansteuerung durch. Demzufolge findet eine Überwachung der Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 durch die Sicherheitssteuereinrichtung 11 statt. Die Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 erzeugt eine sichere Versorgungsspannung USI für die Leistungsteile 20, 30. Die sichere Versorgungsspannung USI wird mit Hilfe der ersten Leitung 15 an das erste Leistungsteil und der zweiten Leitung 16 an das zweite Leistungsteil 30 angelegt. Sind in einer anderen Variante mehr als zwei parallelgeschaltete Leistungsteile 20, 30 vorhanden, kann die Versorgung der Spannungsinseln in den weiteren Leistungsteilen durch Weiterführen der Leitung 15 oder 16 zu diesen weiteren Leistungsteilen erfolgen.
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Das erste Leistungsteil 20 hat in 1 eine PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21, eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 und eine Leistung bereitstellende Einrichtung 23. Die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21 kann beispielsweise eine Logik sein, die insbesondere ein Prozessor, FPGA (FPGA = Field Programmable Gate Array = im (Anwendungs-)Feld programmierbare(Logik-)Gatter-Anordnung), usw. sein kann. Die Leistung bereitstellende Einrichtung 23 kann beispielsweise ein Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler sein, der auch DC/AC-Wandler genannt wird, und insbesondere ein Leistungstransistor ist. Die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21 erzeugt ein oder mehrere PWM-Signale (PWM = Pulsweitenmodulation) als Ansteuersignal(e) AS20 zur Ansteuerung der Leistung bereitstellenden Einrichtung 23. Die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 ist zwischen die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtungen 21 und die Leistung bereitstellende Einrichtung 23 geschaltet. Die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 gewährleistet eine sichere Abschaltung der von der PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21 erzeugten und über die Leitung 25 ausgegebenen Ansteuersignale AS20. Somit werden die von der PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21 erzeugten und über die Leitung 25 ausgegebenen Ansteuersignale AS20 nur über die Leitung 26 an die Leistung bereitstellende Einrichtung 23 ausgegeben, wenn die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 keine Abschaltung dieser Ansteuersignale AS20 bewirkt. Wird die Leistung bereitstellende Einrichtung 23 von Ansteuersignal(en) AS20der PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21 angesteuert, stellt das Leistungsteil für die Last 7 elektrische Leistung bereit. Infolgedessen kann die Last 7 entsprechend betrieben werden, beispielsweise kann ein Motor anlaufen, der bereits laufende Motor mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, usw., wenn die Last 7 ein Motor ist.
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Das zweite Leistungsteil 30 hat in 1 eine PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 31, eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 32 und eine Leistung bereitstellende Einrichtung 33. Die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 31 kann beispielsweise eine Logik sein, die insbesondere ein Prozessor, FPGA (FPGA = Field Programmable Gate Array = im (Anwendungs-)Feld programmierbare(Logik-)Gatter-Anordnung), usw. sein kann. Die Leistung bereitstellende Einrichtung 33 kann beispielsweise ein Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler sein, der auch DC/AC-Wandler genannt wird, und insbesondere ein Leistungstransistor ist. Die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 31 hat die gleiche Funktion wie die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21 und erzeugt ein oder mehrere PWM-Signale (PWM = Pulsweitenmodulation) als Ansteuersignal(e) AS30 zur Ansteuerung der Leistung bereitstellenden Einrichtung 33. Die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 32 hat die gleiche Funktion wie die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22. Und die Leistung bereitstellende Einrichtung 33 hat die gleiche Funktion wie die Leistung bereitstellenden Einrichtung 23. Daher wird für das zweite Leistungsteil 30 im Weiteren auf die vorangehende Beschreibung in Bezug auf das zweite Leistungsteil 20 verwiesen. Sind in einer anderen Variante mehr als zwei parallelgeschaltete Leistungsteile 20, 30 vorhanden, sind die weiteren parallelgeschalteten Leistungsteile nach dem gleichen Schema aufgebaut, wie zuvor in Bezug auf die Leistungsteile 20, 30 beschrieben.
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Bei einem Verfahren zur sicheren Ansteuerung von parallel geschalteten Leistungsteilen 20, 30 des Stromrichters 1 erfolgt die Anwahl der Sicherheitstechnik des Stromrichters 1 der Anlage 5 durch eine Bedienperson über das Steuerteil 10. Hierbei werden ein oder mehrere dynamisierte Anwahlsignal(e) AW in die Sicherheitssteuereinrichtung 11 eingespeist. In der Sicherheitssteuereinrichtung 11 werden die Anwahlsignal(e) AW für die interne Sicherheitstechnik dynamisiert und überwacht. Je nach Anwahlsignal(en) AW wird die Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 freigegeben oder nicht. Hierbei entscheidet die Sicherheitssteuereinrichtung 11, ob die Anwahlsignal(en) AW eine Erzeugung der sicheren Versorgungsspannung USI durch die Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 erlauben oder nicht. Dadurch wird die Erzeugung der sicheren Versorgungsspannung USI ein- oder ausgeschaltet. Somit kann aufgrund einer Anwahl der Sicherheitstechnik durch eine Bedienperson mittels der Anwahlsignal(e) AW die sichere Versorgungsspannung USI ein- oder ausgeschaltet werden.
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Wird von der Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 aufgrund von einem oder mehreren Anwahlsignal(en) eine sichere Versorgungsspannung USI erzeugt, wird die sichere Versorgungsspannung an alle parallelgeschalteten Leistungsteile 20, 30 über die erste und zweite Leitung 15, 16 angelegt oder verteilt. In den Leistungsteilen 20, 30 wird/werden mit Hilfe der PWM-Signal-Erzeugungseinrichtungen 21, 31 die Ansteuersignal(e) AS20, AS30 erzeugt, welche die Leistung bereitstellenden Einrichtung(en) 23, 33 ansteuern und somit ein Drehfeld erzeugen. Dieses Drehfeld steht über die Stromleitungen 8 an den Anschlüssen der Last 7 zur Verfügung. Hierbei sind Lastanschlüsse der Leistungsteile 20, 30 derart miteinander verbunden, dass die Phase U des ersten Leistungsteils 20 mit der Phase U des zweiten Leistungsteils 30, die Phase V des ersten Leistungsteils 20 mit der Phase V des zweiten Leistungsteils 30, und die Phase W des ersten Leistungsteils 20 mit der Phase W des zweiten Leistungsteil 30 über die Stromleitungen 8 verbunden sind. Die Lastanschlüsse der Leistungsteile 20, 30 sind über die Stromleitungen 8 an der Last 7 angeschlossen.
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Um einen Betrieb der Last 7, beispielsweise einen Start oder Anlaufen eines Motors, bei der Anwahl der Sicherheitstechnik mittels der Anwahlsignal(e) AW zu verhindern, sind die Ansteuersignal(e) AS20, AS30 mit der Leistung 25 über die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 bzw. mit der Leistung 35 über die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 32 geführt. Ist die jeweilige Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22, 32 mit Spannung versorgt, indem beispielsweise eine sichere Versorgungsspannung USI von der Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 mit Hilfe der Leitungen 15, 16 an der jeweiligen Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22, 32 anliegt, können die Ansteuersignal(e) AS20, AS30 von der jeweiligen PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21, 31 zu den Leistung bereitstellenden Einrichtung(en) 23, 33 gelangen und ein Drehfeld erzeugen. Ist jedoch die jeweilige Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22, 32 nicht versorgt, so werden die Ansteuersignal(e) AS20, AS30 blockiert und es kann kein Drehfeld entstehen. Im letzteren Fall wird ein Betrieb der Last 7, beispielsweise ein Start oder Anlaufen eines Motors, wegen der Anwahl der Sicherheitstechnik durch die Bedienperson verhindert.
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Der Stromrichter 1 umfasst also eine Anordnung aus Geräten, den Leistungsteilen 20, 30, welche geeignet sind aus einer Eingangs-Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Ausgangs-Wechselspannung zu generieren, wobei mindestens zwei solcher Geräte parallel geschaltet sind und wobei ein Steuermittel und/oder Regelmittel in Form des Steuerteils 10 zur Realisierung einer übergeordneten Steuerfunktion für die parallel geschalteten Geräte vorgesehen ist, wobei jedes Gerät, die Leistungsteile 20, 30, an eine Eingangs-Gleichspannung als auch an eine Versorgungsspannung zum Betrieb der Geräteelektronik anschließbar ist, wobei alle Geräte parallel an dieselbe Versorgungsspannung USI angebunden sind. Der Stromrichter 1 als Wechselrichter hat somit einen Gleichspannungseingang und einen Wechselspannungsausgang.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden parallelgeschalteten Leistungsteile 20, 30 gemeinsam mit der Sicherheitstechnik anwählbar. Dadurch sinkt der erforderliche Verdrahtungsaufwand für die Sicherheitstechnik der beiden parallelgeschalteten Leistungsteile 20, 30.
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Zudem hat der Stromrichter 1 auch bei parallelgeschalteten Leistungsteilen 20, 30 eine integrierte Sicherheitstechnik: Um einen Betrieb der Last 7 zu verhindern, muss bei dem Stromrichter 1 die Spannungsversorgung (Netzspannung) der Leistungsteile 20, 30 nicht abgeschaltet werden.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist also die Idee umgesetzt, dass das Steuerteil 10 oder ein ”Master” Leistungsteil, also das Leistungsteil 20 oder das Leistungsteil 30 eine sicher abschaltbare Spannungsquelle hat, deren Spannung in der Form, also insbesondere Rechteck, Sinus, Impuls, Kombinationen daraus, usw., in Höhe, also Wert der Amplitude, und in der Art, also Gleichspannung, Wechselspannung, 3-phasig, 1-phasig, zunächst keine Rolle spielt. Diese Spannung wird an die Leistungsteile 20, 30 verteilt, auf denen sich eine Spannungsinsel 22 befindet, über welche die Ansteuersignale AS20, AS30 an die Treiberstufen der Leistungsteile 20, 30 weiter gegeben werden.
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In einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ist das Steuerteil 10 in das erste Leistungsteil 20 integriert. Somit kann das erste Leistungsteil 20 als Master, also als Weisungsgeber, agieren, wohingegen das zweite Leistungsteil 30 als Slave, also als Weisungsempfänger, agiert. Hier könnten auch noch weitere Leistungsteile als Slave angeschlossen sein.
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2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen möglichen Aufbau der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22, die bei dem Leistungsteil 20 des ersten Ausführungsbeispiels zum Einsatz kommen kann. Die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 kann als Steckkarte ausgeführt sein.
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Auch wenn dies in den Figuren nicht dargestellt ist, kann die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 32 auf die gleiche Weise aufgebaut sein wie die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22. Zudem kann eine Sicherheitstechnik-Spannungsinsel von Leistungsteilen, die in einem anderen Anwendungsfall gegebenenfalls vorhanden sind, auf die gleiche Weise aufgebaut sein.
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In 2 hat die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 zwei erste Dioden 221, zwei erste Widerstände 222, zwei Trennelemente 223, eine zweite Diode 224, ein zweiter Widerstand 225, eine dritte Diode 226, einen Längsregler 227, und digitale Koppelbausteine 228, 229. Die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von der ersten Leitung 15 mit der sicheren Versorgungsspannung USI der Sichere-Versorgungsspannung-Erzeugungseinrichtung 12 (1) versorgt.
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Gemäß 2 wird die zentral erzeugte, sicher abschaltbare Versorgungsspannung USI von der ersten Leitung 15 über einen Übertrager eingespeist, der als Transformator 150 ausgeführt ist. Die PWM-Signal-Erzeugungseinrichtung 21, die eine nicht sichere Quelle von IGBT-Ansteuersignalen ist, stellt Ansteuersignale AS20 für den digitalen Koppelbaustein 228 bereit, so dass die Ansteuersignale AS20 über die galvanisch getrennte Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 übertragen werden. Die Quelle 61 stellt eine nicht sichere Versorgungsspannung U für eine Treiberstufe oder Leistungselektronik 62 zur Ansteuerung der Leistung bereitstellenden Einrichtung 23 (1) bereit. Je nach Ausführung der Treiberstufe oder Leistungselektronik 62 kann es sein, das zur Einhaltung der aktuell gültigen Regeln und Normen, wie beispielsweise der DIN EN 62061, DIN EN 61800-5-2 oder der internationalen Norm IEC 61508, die Komponenten 221, 222, 223, 63, 64 entfallen können und eine Abschaltung der Ansteuersignale AS20 ausreichend ist. Alternativ ist auch umgekehrt eine Abschaltung der Versorgungsspannung der Treiberstufen oder Leistungselektronik 62 ausreichend, und es ist keine Abschaltung der Ansteuersignale über die Koppelbausteine 228, 229 erforderlich.
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Wird bei einem Verfahren zur sicheren Ansteuerung von parallel geschalteten Leistungsteilen 20, 30 des Stromrichters 1 von der ersten Leitung 15 über den Transformator 150 die sichere Versorgungsspannung USI in die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 eingespeist, wird die Wechselspannung des Transformators 150 über die Dioden 221, 224 gleichgerichtet. Mit den gleichgerichteten Spannungspfaden mit den Widerständen 222, 225 werden die Trennelemente 223, die in 2 als Optokoppler ausgeführt sind und zur Abschaltung der Versorgung der Leistungselektronik 62 dienen, und das Netzteil bzw. der Längsregler 227 für die digitalen Koppelbausteine 228, 229 mit Spannung versorgt. Zumindest eines der Trennelemente 223 kann jedoch auch ein kapazitiver Koppler oder ein induktiver Koppler oder eine hochohmige Verbindung oder hochohmige Trennstelle sein.
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Wie aus 2 ersichtlich, wird bei dem Verfahren die nicht sichere Versorgungsspannung U der Quelle 61 über die Trennelemente 223 und Transistoren 64, 65 mit Hilfe von Steuersignalen S abgeschaltet, sobald die sichere Versorgungsspannung USI von der ersten Leitung 15 über den Transformator 150 nicht mehr eingespeist wird. Über die nicht sichere Versorgungsspannung U der Quelle 61 wird sowohl die Leistungselektronik 62 selbst als auch über einen Widerstand 65 ein Netzteil 66 zur Versorgung der Sekundärseite der digitalen Koppelbausteine 228, 229 versorgt. Somit sind alle Pfade für eine Übertragung der Ansteuersignale AS20 nicht mehr versorgt, sobald die zentrale, sichere Versorgungsspannung USI an der ersten Leitung 15 abgeschaltet wird. Somit kann die Leistungselektronik 62 und damit die Leistung bereitstellende Einrichtung 23 (1).nicht mehr angesteuert werden, auch wenn weiterhin vom nicht sicheren Bereich, welcher die Elemente 21 und 61 bis 66 umfasst, Ansteuersignale AS20 ausgegeben werden.
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Somit hat der Stromrichter 1 auch bei parallelgeschalteten Leistungsteilen 20, 30 eine integrierte Sicherheitstechnik: Durch die beschriebene Sicherheitstechnikanwahl für alle parallelgeschalteten Leistungsteile 20, 30 gemeinsam, ist der Verdrahtungsaufwand für den Stromrichter 1 und somit die Anlage 5 sehr gering.
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Somit ist mit dem Stromrichter 1 ein Schaltungsteil zur Bereitstellung von Ansteuersignalen AS20 für die Leistungselektronik in Form des Leistung bereitstellenden Einrichtungen 23 eines Gerätes (des Leistungsteils 20) gezeigt, welches geeignet ist, aus einer Eingangs-Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Ausgangs-Wechselspannung zu generieren. Der Stromrichter 1 umfasst ein erstes Mittel in Form des Steuerteils 10 zur galvanisch getrennten Einkopplung einer Versorgungsspannung, ein zweites Mittel in Form der Koppelbausteine 228, 229 zur galvanisch getrennten Einkopplung und Auskopplung von Ansteuersignalen für die Leistungselektronik und ein drittes Mittel in Form der Trennelemente 223 zur galvanisch getrennten Ausgabe von Steuersignalen für die Versorgungsspannung der Leistungselektronik 62.
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Bei der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 handelt es sich um ein galvanisch isoliertes Schaltungsteil. Dies hat den Vorteil, dass ein Kurzschluss eines externen Signals für die Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 keinen Stromkreis schließt. Dadurch bleibt die auf der Sicherheitstechnik-Spannungsinsel 22 implementierte Schaltungsfunktion auch bei einem Kurzschluss erhalten.
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3 zeigt einen Versorger 2 für eine übergeordnete Anlage 5 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Ein Versorger 2 ist im Grunde auch ein Stromrichter. Der Versorger 2 ist ein Stromumrichter, welcher aus einem Netz seine Leistung bezieht und in Form einer Gleichspannung und eines Gleichstroms einem Zwischenkreis 9 zur Verfügung stellt. Der Versorger 2 ist ein Stromrichter, der als rückspeisefähiger Netzwechselrichter eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu dient der Stromrichter 1 des ersten Ausführungsbeispiels und seiner Modifikation zum Antrieb einer Last 7, insbesondere eines Motors. Wie der Stromrichter 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat auch der Versorger 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel mehrere Leistungsteile 20, 30.
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In 3 stellt der Versorger 2 für den Zwischenkreis 9 mit Hilfe von Stromleitungen 8 elektrische Energie oder Leistung bereit. Hierbei sind die Leistungsteile 20, 30 jeweils als Leistungstransistoren ausgeführt. Der Versorger 2 ist auf die gleiche Weise aufgebaut, wie in 1 gezeigt. Daher wird im Weiteren auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 5, des Stromrichters 1, des Versorgers 2, der Leistungsteile 20, 30 und des von ihnen ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Die Leistungsteile 20, 30 können als Antriebspaket oder als Versorgerpaket oder auf eine andere Art und Weise verschaltet sein.
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Die Anzahl der parallel geschalteten Leistungsteile 20, 30 ist je nach Bedarf beliebig wählbar. Es können also mehr als zwei parallel geschaltete Leistungsteile 20, 30 vorhanden sein. Es kann/können auch zusätzlich zu den Leistungsteilen 20, 30 ein oder mehrere Leistungsteil(e) bereitgestellt werden, welche(s) redundant zu mindestens einem der Leistungsteile 20, 30 ausgeführt ist und im Fehlerfall mindestens eines der Leistungsteile 20, 30 ersetzen können.
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Die Leistungsteile 20, 30 können jeweils die gleiche Leistungsmenge, beispielsweise 250, kW, usw. bereitstellen. Es ist jedoch auch denkbar, dass ein Leistungsteil der Leistungsteile 20, 30 eine andere Leistungsmenge bereitstellt als die anderen der Leistungsteile 20, 30. Ist mehr als ein zusätzliches Leistungsteil als redundantes Leistungsteil vorhanden, können ein oder mehrere zusätzliche Leistungsteile auch mehr als ein Leistungsteil der Leistungsteile 20, 30 ersetzen.
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Die Last 7 muss keine 3-phasige bzw. mit Drehstrom betriebene Last sein. Die Last 7 kann auch nur eine 1-phasige bzw. mit Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) betriebene Last sein. Ähnliches gilt für den Zwischenkreis 9.
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Der Stromrichter 1 oder der Versorger 2 kann zusätzlich oder alternativ zu einer Pressenanlage bei einer anderen Anlage 5, wie beispielsweise einer Fertigungsanlage für Gegenstände, wie beispielsweise Fahrzeuge, Möbel, usw. zum Einsatz kommen. Zudem ist es denkbar, dass die Anlage 5 ein Walzwerk zum Walzen von Blechen und/oder eine Spritzgussanlage und/oder eine Druckanlage für insbesondere Zeitungen ist. Es sind jedoch auch andere Anwendungsmöglichkeiten für den Stromrichter 1 oder den Versorger 2 bei einer Anlage 5 möglich, die beispielsweise eine Krananlage, eine Pumpenanlage, ein Rührwerk, eine Lüftungsanlage, welche z. B. für eine Tunnelbelüftung zum Einsatz kommt, ein Kraftwerk, wie z. B. ein Wind- und/oder Wasserkraftwerk sein kann. Die hier angesprochenen Beispiele geben nur einen kleinen Einsatzbereich der Erfindung wieder. Selbstverständlich gibt es noch weitere Anwendungsbeispiele, die hier nicht aufgeführt sind, bei welchen die Erfindung jedoch ebenfalls einsetzbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 62061 [0004]
- DIN EN 61800-5-2 [0004]
- Norm IEC 61508 [0004]
- DIN EN 62061 [0046]
- DIN EN 61800-5-2 [0046]
- Norm IEC 61508 [0046]
