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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärwicklung an eine Sekundärwicklung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung.
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Es ist allgemein bekannt, dass Energie induktiv über einen Transformator übertragbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur induktiven Energieübertragung weiterzubilden, wobei eine Last optimal zu versorgen ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärwicklung an eine Sekundärwicklung sind, dass eine Kapazität in Reihe geschaltet ist mit einer Sekundärspule, der eine steuerbare Induktivität parallel zugeschaltet ist,
wobei die an der so gebildeten Reihenschaltung anliegende Spannung dem wechselspannungsseitigen Anschluss eines Gleichrichters zugeführt wird, aus dessen gleichspannungsseitigem Anschluss insbesondere über einen zwischengeordneten Vierpol eine Last versorgt ist,
wobei die Anordnung ein Mittel zur Erfassung der an der Last anliegenden Spannung aufweist,
wobei der vom Mittel erfasste Spannungswert der Reglereinheit als Istwert zugeführt wird, wobei die Reglereinheit den Istwert auf einen Sollwert hin regelt, indem sie der steuerbaren Induktivität einen Steuerstrom zuführt,
insbesondere wobei die Reihenschaltung aus der Kapazität und der aus Sekundärspule und steuerbarer Induktivität gebildeten Parallelschaltung besteht.
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Von Vorteil ist dabei, dass der Last eine optimale Versorgung, insbesondere eine vorgegebene Sollspannung oder eine vorgegebene Leistung bereit stellbar ist. Somit ist die Last, insbesondere bei rein Ohm'scher Ausführung, mit derjenigen Spannung versorgbar, welche durch den Sollwert vorgegeben ist. Der Sollwert ist auch auf Null setzbar, wenn beispielsweise die Last ein Energiespeicher ist, welcher voll beladen ist und somit kein weiteres Beladen notwendig ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Last eine Ohm'sche Last ist und/oder weist einen Energiespeicher, wie Akkumulator und/oder Batterie, auf. Von Vorteil ist dabei, dass Energie speicherbar ist und somit das Mobilteil nach Beladung des Energiespeichers autark verfahrbar ist auf der Verfahrfläche der Anlage.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Reglereinheit ein MPP-Regler oder ein VPP-Regler,
insbesondere wobei die Reglereinheit die erfasste Spannung auf einen maximalen Wert hin regelt,
insbesondere wobei der maximale Wert auf einen Arbeitsbereich begrenzt ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches Regelverfahren anwendbar ist, um die optimale Resonanzfrequenz und somit auch Güte einzustellen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Primärwicklung von einer Stromquelle mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz beaufschlagt,
insbesondere wobei der Primärwicklung eine derartige Kapazität in Reihe zugeschaltet ist, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz des Wechselstroms entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass eine Stromquelle, also Wechselstromquelle, verwendbar ist. Somit ist auch an der Sekundärwicklung ein stromquellenartiges Verhalten vorhanden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sekundärwicklung samt Gleichrichter und Reglereinheit auf einem Mobilteil angeordnet, welches auf einem Boden verfahrbar ist, an welchem die Primärwicklung angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Mobilteil an einer Position optimaler Kopplung beladbar ist mit Energie und nach dem Beladen verfahrbar ist auf der Verfahrfläche. Alternativ ist das Mobilteil auch als Schienenfahrzeug ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Vierpol zwischen seinen beiden eingangsseitigen Anschlüssen eine Kapazität auf und der Vierpol weist zwischen seinen beiden ausgangsseitigen Anschlüssen eine weitere Kapazität auf,
insbesondere zwischen einem der beiden eingangsseitigen Anschlüsse und einem der beiden ausgangsseitigen Anschlüsse eine Induktivität aufweist,
wobei die Induktivität, die Kapazität und die weitere Kapazität derart dimensioniert sind, dass der Vierpol auf die Frequenz des in die Primärwicklung eingeprägten Wechselstromes abgestimmt ist, insbesondere resonant abgestimmt ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein spannungsquellenartiges Verhalten des Schwingkreises mittels des Vierpols an dessen Ausgangsseite, also zur Last hin, in ein stromquellenartiges Verhalten wandelbar ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anordnung sind, dass die Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärwicklung an eine Sekundärwicklung vorgesehen ist,
eine Kapazität zu einer Parallelschaltung, welche die Sekundärspule und eine steuerbare Induktivität aufweist, in Reihe geschaltet ist,
wobei die an der so gebildeten Reihenschaltung anliegende Spannung einem Gleichrichter zugeführt wird, aus welchem, insbesondere über einen zwischengeordneten Vierpol, eine Last versorgt wird,
wobei die an der Last anliegende Spannung erfasst wird,
wobei der steuerbaren Induktivität ein derartiger Steuerstrom zugeführt wird, dass der erfasste Spannungswert als Istwert auf einen Sollwert hingeregelt wird,
insbesondere wobei die Parallelschaltung aus der Sekundärspule und der steuerbaren Induktivität besteht und/oder gebildet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches Regelverfahren verwendbar ist, um eine optimale Spannung einer Last zur Verfügung zu stellen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Hinregeln ein MPP-Regelverfahren ausgeführt oder ein VPP-Regelverfahren. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches Regelverfahren verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Primärwicklung mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz beaufschlagt,
insbesondere wobei der Primärwicklung eine derartige Kapazität in Reihe zugeschaltet ist, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz des Wechselstroms entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass ein Abstimmen des auf Resonanz in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist das induktive Beladen eines auf einer Verfahrfläche, insbesondere Boden, einer Anlage bewegbaren Mobilteils 2 dargestellt.
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Für das Beladen befindet sich das Mobilteil 2 in einer relativ zu einer stationär am Boden angeordneten Primärwicklung, welche die Induktivität L_1k und in 1 die idealisiert dargestellte Primärseite des Transformators, also Übertragers, T umfasst, Position optimaler induktiver Kopplung.
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Zur Primärwicklung ist eine Kapazität C1 in Reihe geschaltet, wobei die so gebildete Reihenschaltung aus einer Stromquelle mit einem Wechselstrom I_AC beaufschlagt wird. Die Resonanzfrequenz des aus der Primärwicklung und der Kapazität C1 gebildeten Schwingkreises gleicht der Frequenz des eingeprägten Wechselstroms I_AC.
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Die Sekundärwicklung ist vorzugsweise an der Unterseite des Mobilteils 2 angeordnet, also auf der der Primärwicklung zugewandten Seite des Mobilteils 2.
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Die Anlage weist also eine Verfahrfläche auf, auf der ein Mobilteil 2 bewegbar ist. An seiner Unterseite weist das Mobilteil 2 eine Sekundärwicklung 5 auf. An der Verfahrfläche ist eine Primärwicklung angeordnet.
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Sobald das Mobilteil 2 eine Position optimaler induktiver Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung erreicht hat, wird Energie induktiv übertragen und ein Speicher des Mobilteils 2 wird aufgeladen.
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Hierzu ist der Sekundärwicklung, welche die Sekundärseite des Übertragers T und die Induktivität L_22 aufweist, eine steuerbare Induktivität L_var parallel zugeschaltet und die so gebildete Parallelschaltung in Reihe mit einer Kapazität C_res geschaltet.
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Die an dieser Reihenschaltung, insbesondere also an der Reihenschaltung aus Kapazität C_res und Parallelschaltung aus Induktivität L_22 mit steuerbarer Induktivität Lvar, anliegenden Spannung wird mittels eines Brückengleichrichters (D1, D2, D3, D4) gleichgerichtet, wobei am gleichspannungsseitigen Anschluss des Brückengleichrichters ein Vierpol angeschlossen ist, welcher ausgangsseitig ein Stromquellenartiges Verhalten aufweist.
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Der Vierpol weist eingangsseitig, also an seinem mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Brückengleichrichters verbundenen Anschluss, eine Kapazität C auf und ausgangsseitig, also an seinem mit der zu versorgenden Last R verbundenen Anschluss eine Kapazität C2, welche vorzugsweise gleichgroß ist wie die eingangsseitige Kapazität des Vierpols. Zwischen einem der beiden eingangsseitigen Pole und einem der beiden ausgangsseitigen Pole des Vierpols ist eine Induktivität L3 angeordnet. Die Induktivität L3 und die Kapazitäten C und C2 sind derart dimensioniert, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz des primärseitig in die Primärwicklung eingeprägten Wechselstroms entspricht. Somit wandelt der Vierpol das eingangsseitig spannungsabhängige Verhalten in ein ausgangsseitig stromquellenartiges Verhalten und wirkt besonders gut glättend.
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Die aus dem Vierpol versorgte Last R ist vorzugsweise eine rein ohmsche Last.
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Mittels eines von der Reglereinheit 3 gelieferten Steuerstroms wird Induktivität auf einen derartigen Wert gesteuert, dass die Resonanzfrequenz des aus der Kapazität C_res und den aus Induktivität der Sekundärwicklung und der steuerbaren Induktivität gebildeten Reihenschwingkreises der Frequenz des primärseitig eingeprägten Stromes I_AC der Stromquelle entspricht, wenn die der Last zur Verfügung gestellte, erfasste Spannung U_ist einen Sollwert U_Soll unterschreitet.
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Die Reglereinheit 3 steuert also die steuerbare Induktivität L_var abhängig von dem zeitlichen Verlauf der Differenz zwischen dem erfassten Istwert der der Last R zur Verfügung gestellten Spannung und dem Sollwert U_Soll.
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Die Reglereinheit 3 ist vorzugsweise als MPP-Regler ausgeführt, also als Maximum-Power-Point-Regler, oder als Maximum-Voltage-Point-Regler. Denn wenn die Last R eine im Wesentlichen Ohm'sche last ist, ist das Hinregeln des Steuerstroms auf den Zustand mit maximaler Spannung an der Last R gleichbedeutend mit dem Hinregeln des Steuerstroms auf den Zustand mit maximaler Leistung der Last R.
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Der Steuerstrom ist vorzugsweise als Gleichstrom ausgeführt und durchströmt eine Wicklung, deren Magnetfeld den Spulenkern einer weiteren Wicklung der steuerbaren Induktivität L_var zumindest teilweise sättigt.
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Nach dem Starten wird bei vorhandener Regeldifferenz, also Differenz zwischen Sollwert U_Soll und Istwert U_ist, der Steuerstrom so lange vorzugsweise schrittweise erhöht, bis die Regeldifferenz verschwindet oder ihr Vorzeichen ändert. Bei Vorzeichenänderung wird die Schrittrichtung für das Erhöhen ebenfalls invertiert. Somit bewegt sich der Steuerstrom immer auf denjenigen Punkt hin, bei welchem die Sollspannung möglichst erreicht wird.
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Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird statt des Brückengleichrichters ein anderer Gleichrichter verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- stationärer Teil
- 2
- mobiler Teil
- 3
- Reglereinheit
- C
- Kapazität
- C1
- Kapazität
- C2
- Kapazität
- Cres
- Kapazität
- D1
- Diode
- D2
- Diode
- D3
- Diode
- D4
- Diode
- L1k
- primärseitige Induktivität
- L22
- Sekundärwicklung
- Lvar
- steuerbare Induktivität
- L3
- Drossel
- R
- Lastwiderstand
- T
- Transformator
- U_ist
- Istspannung
- U_Soll
- Sollspannung
- IAC
- Wechselstrom, geliefert von der Stromquelle
