-
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage.
-
Es ist allgemein bekannt, dass elektrische Leistung bei Transformatoren induktiv übertragen wird.
-
Aus der
DE 10 2006 022 223 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Anlage zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt, wobei ein Anteil der Sekundärinduktivität kurzschließbar ist.
-
-
Aus der WO 2020 / 002 240 A1 ist ein System zum induktiven Laden bekannt.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit bei Anlagen zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anlage zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anlage zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung von einem Primärleitersystem der Anlage an eine Sekundärwicklung eines relativ zum Primärleitersystem bewegbaren Mobilteils der Anlage sind, dass der Sekundärwicklung Kapazitäten zugeschaltet sind zur Bildung eines Schwingkreises,
wobei das Mobilteil einen steuerbaren Schalter aufweist, mittels dessen der Schwingkreis verstimmbar und/oder mittels dessen zumindest ein Teilbereich des Schwingkreises kurzschließbar ist.
-
Von Vorteil ist dabei, dass die induktive Übertragung nach Detektion eines Risikos, insbesondere nach Überschreiten eines Schwellwertes, insbesondere an einer Spannung eines Stroms oder einer Temperatur, beendbar ist.
-
Somit ist die Betriebssicherheit verbesserbar. Da beim Verstimmen des Schwingkreises nur der übersetzte Strom durch die Kurzschlussverbindung fließt, ist keine Überlastung der Kurzschlussverbindung zu erwarten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kapazitäten mit der Sekundärwicklung in Reihe geschaltet, insbesondere bilden also eine Reihenschaltung,
wobei aus der Reihenschaltung ein AC/DC-Wandler versorgt ist, insbesondere wobei die Reihenschaltung am wechselspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers angeordnet ist und/oder anliegt,
wobei aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers ein Verbraucher speisbar ist, insbesondere dem ein Glättungskondensator parallel zugeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad auch bei schwacher induktiver Kopplung zwischen Primärleitersystem und Sekundärwicklung erreichbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Teilbereich eine Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung und einer ersten Kapazität auf,
wobei der Schwingkreis als Reihenschaltung aus einer zweiten Kapazität und dem Teilbereich besteht. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter beim Schalten, insbesondere Kurzschließen oder Öffnen weniger belastet ist, da am Teilbereich eine geringere Stromstärke oder Spannungsstärke auftritt.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Teilbereich durch ein Verbindungselement festlegbar oder festgelegt. Von Vorteil ist dabei, dass abhängig von der jeweiligen Anlage ein jeweils unterschiedlicher Teilbereich kurzschließbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungselement eine variabel bestückbare Brücke, ein Umschalter oder eine auf einer Leiterplatte bestückte Brücke. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache kostengünstige Realisierung einer flexibel auswählbaren Verbindung erreichbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dem steuerbaren Schalter von einer Ansteuerung des Mobilteils ein Ansteuersignal zugeleitet,
wobei die Ansteuerung mit einem oder mehreren Sensoren verbunden ist,
insbesondere wobei das Ansteuersignal von der Ansteuerung abhängig von den von dem oder den Sensoren erfassten Werten physikalischer Größen des Mobilteils erzeugt wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Übertragung elektrischer Leistung abhängig vom detektierten Zustand abschaltbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der oder einer der Sensoren den Wert der Temperatur der Sekundärwicklung erfasst und/oder am Mobilteil geeignet angeordnet, insbesondere als Infrarot-Temperatursensor ausgeführt ist zur berührungslosen Erfassung der Temperatur der Sekundärwicklung. Von Vorteil ist dabei, dass bei Übertemperatur ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist. Insbesondere ist die Brandgefahr verringerbar.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der oder einer der Sensoren den Wert der Temperatur des AC/DC-Wandlers, insbesondere Gleichrichters oder steuerbaren Gleichrichters, Sekundärwicklung erfasst und/oder am Mobilteil geeignet angeordnet,
insbesondere als Infrarot-Temperatursensor ausgeführt ist zur berührungslosen Erfassung der Temperatur des AC/DC-Wandlers. Von Vorteil ist dabei, dass bei Übertemperatur ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist. Insbesondere ist die Brandgefahr verringerbar.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfasst der oder einer der Sensoren den Wert der am gleichspannungsseitigen oder wechselspannnungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers, insbesondere Gleichrichters oder steuerbaren Gleichrichters, anliegenden Spannung und/oder ist am Mobilteil geeignet angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei Überspannung ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist. Insbesondere ist der Spannungsdurchschlag und somit Brandgefahr verringerbar.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der oder einer der Sensoren den Wert des durch die Sekundärwicklung fließenden Stroms erfasst und/oder am Mobilteil geeignet angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei Überstrom ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist. Insbesondere ist die Brandgefahr verringerbar.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfasst der oder einer der Sensoren den Wert des am gleichstromseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers ein- oder austretenden Stroms und/oder ist am Mobilteil geeignet angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei Überstrom ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist. Insbesondere ist die Brandgefahr verringerbar.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ansteuerung ein Vergleichsmittel auf, welches die von dem oder den Sensoren erfassten Werte der jeweiligen physikalischen Größe oder Größen des Mobilteils mit einem jeweiligen Schwellwert vergleicht,
wobei die Ansteuerung das Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter abhängig vom Ausgangssignal des Vergleichsmittels und/oder abhängig vom Ergebnis des Vergleichs, erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist. Insbesondere ist die Brandgefahr verringerbar.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung überwacht die Ansteuerung die von dem oder den Sensoren erfassten Werte der jeweiligen physikalischen Größe oder Größen des Mobilteils auf Überschreiten eines unzulässigen Maßes an Abweichung von einem Sollwert,
wobei die Ansteuerung das Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter abhängig vom Ausgangssignal der Überwachung und/oder abhängig vom Ergebnis der Überwachung erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass bei Überschreiten eines zulässigen Maßes an Abweichung ein Abschalten der Übertragung elektrischer Leistung ermöglicht ist und somit die Betriebssicherheit erhöhbar ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ansteuerung derart geeignet ausgeführt, dass eine Überwachung auf ein unzulässig hohes Maß an Abweichung von einem funktionalen Zusammenhang, insbesondere von einer Proportionalität, der von zwei der Sensoren erfassten Werte ausgeführt wird, insbesondere von der Ansteuerung ausgeführt wird
und die Ansteuerung das Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter abhängig vom Ergebnis der Überwachung erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass ein abnormaler Betriebszustand sofort erkennbar ist und durch Abschalten der Leistungsübertragung Schaden vermeidbar ist, insbesondere ist die Brandgefahr reduziert und somit die Betriebssicherheit erhöht ist.
-
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage sind, dass elektrische Leistung von einem Primärleitersystem der Anlage an eine Sekundärwicklung eines relativ zum Primärleitersystem bewegbaren Mobilteils der Anlage übertragen wird,
wobei der Sekundärwicklung Kapazitäten zugeschaltet sind zur Bildung eines Schwingkreises, aus dem ein Gleichrichter gespeist wird, dessen Ausgangsspannung einem Verbraucher bereitgestellt wird,
wobei Werte physikalischer Größen des Mobilteils erfasst und auf ein unzulässig hohes Maß an Abweichung von einem funktionalen Zusammenhang, insbesondere von einer Proportionalität, überwacht werden,
wobei abhängig vom Ergebnis der Überwachung der Schwingkreis verstimmt wird oder zumindest ein Teilbereich des Schwingkreises kurzgeschlossen wird.
-
Von Vorteil ist dabei, dass ein abnormaler Betriebszustand sofort erkennbar ist und durch Abschalten der Leistungsübertragung Schaden vermeidbar ist, insbesondere ist die Brandgefahr reduziert und somit die Betriebssicherheit erhöht ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste der physikalischen Größen des Mobilteils die Temperatur des Schwingkreises und eine zweite der physikalischen Größen des Mobilteils die Temperatur des Gleichrichters,
wobei zur Überwachung auf ein unzulässig hohes Maß an Abweichung von dem funktionalen Zusammenhang der Quotient aus den erfassten Werten der beiden physikalischen Größen gebildet wird und auf ein unzulässig hohes Maß an Abweichung von einem Sollwert überwacht wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Brandgefahr vermeidbar ist, die aus einem abnormalen Betriebszustand resultiert.
-
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.
-
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist der Sekundärteil einer Anlage zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung dargestellt.
- In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Anlage dargestellt, wobei ein Triac als steuerbarer Schalter 2 verwendet wird.
- In der 3 ist die spezielle Verbindungstechnik für den Triac schematisch dargestellt.
-
Wie in der 1 dargestellt, weist die Anlage ein Primärleitersystem auf, das vorzugsweise einen langgestreckt in der Anlage verlegten Linienleiter aufweist. Ein entlang dem Primärleitersystem bewegbar angeordnetes Mobilteil weist eine Sekundärwicklung 1 auf, die an das Primärleitersystem induktiv gekoppelt vorgesehen ist.
-
Das Primärleitersystem ist mit einem Wechselstrom beaufschlagt, wobei die Frequenz des Wechselstroms vorzugsweise eine Mittelfrequenz ist. Insbesondere wird als Frequenz des Wechselstroms eine Frequenz zwischen 10 kHz und 1 MHz verwendet.
-
Wie in der 1 gezeigt, sind der Sekundärwicklung 1 im Resonanzbetrieb Kapazitäten (6, 7), insbesondere eine erste Kapazität 6 und eine zweite Kapazität 7, in Reihe zugeschaltet, wobei diese so dimensioniert sind, dass der aus den Kapazitäten (6, 7) und der Sekundärwicklung 1 gebildete Schwingkreis eine Resonanzfrequenz aufweist, die der Frequenz des in das Primärleitersystem eingeprägten Wechselstroms gleicht. Somit ist auch bei nur schwacher induktiver Kopplung des Primärleiterkreises an die Sekundärwicklung 1 ein hoher Wirkungsgrad bei der Übertragung erreichbar.
-
Aus dem Schwingkreis wird ein Gleichrichter 4, der vorzugsweise gesteuert ausgeführt ist, gespeist, dessen Ausgangsspannung einen Verbraucher 8 und einen dazu parallel angeordneten Glättungskondensator 9 speist.
-
Die Ausgangsspannung wird von einem Sensor erfasst und auf Überschreiten eines ersten Schwellwertes von einer mit dem Sensor verbundenen elektronischen Steuerung überwacht, die auch als Ansteuerung 5 für einen steuerbaren Schalter 2, insbesondere steuerbaren Halbleiterschalter, fungiert.
-
Der steuerbare Schalter 2 bewirkt im geschlossenen Zustand eine Verstimmung des Schwingkreises, indem ein Teil des Schwingkreises überbrückt wird.
-
Weicher Teil überbrückt wird, ist durch ein Verbindungselement 3, insbesondere durch eine variabel bestückbare Brücke, durch einen Umschalter oder durch eine auf einer Leiterplatte bestückbare Brücke, festlegbar. Beispielsweise ist in einer ersten Ausführung des Verbindungselements 3 ein Kurzschluss der Sekundärwicklung selbst erreicht. In einer anderen Ausführung des Verbindungselements 3 ist ein Teil des Schwingkreises kurzgeschlossen, welcher die Sekundärwicklung 1 und eine erste Kapazität 6 enthält, wobei eine zweite Kapazität 7 des Schwingkreises nicht zu diesem kurzgeschlossenen Teil gehört. In einer dritten Ausführung wird der gesamte Schwingkreis kurzgeschlossen, also der Eingang des Gleichrichters 4.
-
Bei allen genannten Ausführungen des Verbindungselements 3 wird also der Schwingkreis derart verstimmt oder kurzgeschlossen, dass am Eingang des Gleichrichters 4 praktisch keine Spannung zur Verfügung steht, selbst wenn an der Sekundärwicklung 1 eine Spannung induziert wird.
-
Im geöffneten Zustand des Schalters 2 bleibt der Schwingkreis unverstimmt, so dass die volle vom Schwingkreis erzeugte Spannung am Eingang des Gleichrichters 4 anliegt.
-
Bei Überschreiten des ersten Schwellwertes wird der Schalter 2 geschlossen und somit das Verbindungselement 3 derart wirksam, dass am Eingang des Gleichrichters 4 keine Spannung zur Verfügung gestellt wird. Bei Unterschreiten des ersten Schwellwertes wird der Schalter 2 geöffnet und somit die volle vom Schwingkreis erzeugbare Spannung am Eingang des Gleichrichters 4 zur Verfügung gestellt.
-
Statt des Sensors zur Erfassung der Ausgangsspannung oder zusätzlich ist auch ein Sensor zur Erfassung der Temperatur des Gleichrichters 4 und/oder des Schwingkreises 1 vorsehbar. Somit ist auch bei Überschreiten eines jeweiligen weiteren Schwellwertes der Schalter 2 schließbar und somit eine Schutzwirkung für die Anordnung erreichbar. Denn bei Übertemperatur tritt Brandgefahr ein.
-
Statt der genannten Sensoren oder zusätzlich zu einem dieser Sensoren oder zu diesen Sensoren ist ein Sensor zur Erfassung eines Stroms, insbesondere des Stroms der Sekundärwicklung 1 oder des Ausgangsstroms am Gleichrichter 4, auf Überschreiten eines dritten Schwellwerts vorsehbar. Somit wird bei Überschreiten eines Stromschwellwerts der Schalter 2 geschlossen.
In denjenigen Ausführungsbeispielen, in welchen mehrere Sensoren vorhanden sind, wird der Schalter 2 schon bei Überschreiten eines einzigen von allen Schwellwerten geschlossen. Geöffnet wird der Schalter 2 also nur dann, wenn keiner der Schwellwerte überschritten ist.
-
Als Verbraucher 8 ist zumindest auch ein Energiespeicher des Mobilteils vorsehbar, aus welchem der Antrieb des Mobilteils versorgt wird. Vorzugsweise ist der Energiespeicher ein Kondensator, insbesondere ein Ultracap.
-
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird eine Hysterese um den jeweiligen Schwellwert herum vorgesehen.
-
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird ein Sensor zur Erfassung der Temperatur der Sekundärwicklung und ein Sensor zur Erfassung der Temperatur des Gleichrichters 4 vorgesehen. Dabei wird überwacht, ob die beiden erfassten Temperaturen in einer vorhergesehenen Weise sich verändern oder nicht.
-
Beispielsweise wird in einer ersten Ausführung bei einer unzulässig großen Abweichung von der Proportionalität der beiden Temperaturen der Schalter 2 derart angesteuert, dass der Schalter schließt. Ansonsten bleibt der Schalter 2 geöffnet, insbesondere, wenn nicht der von einem oder mehreren anderen Sensoren erfasste Wert einer jeweiligen physikalischen Größe einen jeweiligen Schwellwert überschreitet. Zur Berechnung ist in einfacher Weise der Quotient aus den beiden erfassten Temperaturen bildbar, wobei der Quotient dann auf ein unzulässig großes Maß an betragsmäßiger Abweichung zu einem Sollwert überwacht wird. Mathematisch gleichwertig ist auch die Überwachung auf Unterschreiten und Überschreiten entsprechender Schwellwerte.
-
Statt der Proportionalität ist auch ein anderer funktionaler Zusammenhang verwendbar und eine entsprechende Abweichung überwachbar.
-
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird ebenfalls die Abweichung von einem funktionalen Zusammenhang, insbesondere die Abweichung von der Proportionalität, der von zwei der Sensoren erfassten Werte überwacht und abhängig vom Ergebnis der Überwachung, insbesondere also bei Überschreiten eines unzulässig hohen Maßes an betragsmäßiger Abweichung von einem Sollwert, wird der Schalter 2 geschlossen.
-
Wie in 2 gezeigt, ist der steuerbare Schalter als Triac ausführbar, der galvanisch getrennt von der Ansteuerung 5 über einen Optokoppler ansteuerbar ist.
-
Der TRIAC wird durch einen Steuerstrom in den Steueranschluss gezündet und leitet in beide Richtungen gleichermaßen. Bei Wegfall des Steuersignals würde der TRIAC im nächsten Stromnulldurchgang erlöschen, wenn er niederfrequent, insbesondere mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60Hz betrieben werden würde.
-
Da er aber erfindungsgemäß mit einer mittelfrequenten Wechselstrom betrieben wird, insbesondere mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz zwischen 10 kHz und 1 Mhz, insbesondere zwischen 20kHz und 100 kHz, leitet der Triac nach dem Zünden so lange, bis der Effektivwert des Wechselstroms zu Null wird. Denn die Frequenz des Wechselstroms ist derart hoch, dass das Bauteil in den Stromnulldurchgängen nicht in den sperrenden Zustand gelangen kann. Der leitende Zustand des Bauteils hört somit erst auf, wenn die Sekundärwicklung 1 nicht mehr von dem Primärleitersystem der Anlage magnetisch durchflutet wird.
-
Wie in 3 gezeigt, wird der als Triac ausgeführte steuerbare Schalter 2 als SMD-Bauteil auf einer Leiterplatte angeordnet. Diese Leiterplatte weist einen Metallträger 30, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, auf, wobei auf dem Metallträger 30 eine Isolationsschicht 31 zur elektrischen Isolation angeordnet ist.
-
Auf der Isolationsschicht 31, insbesondere also auf der von dem Metallträger 30 abgewandten Seite der Isolationsschicht 31, sind Leiterbahnabschnitte (32, 33) angeordnet, welche zur elektrischen Kontaktierung und zum Halten des Triac dienen.
-
Ein Anschlussblech34 des Triac 35 ist mit einem der Leiterbahnabschnitte (32, 33) lötverbunden und eine metallische Außenfläche des Triac 35 liegt an einem anderen Leiterbahnabschnitt (32, 33) an und ist mit diesem lötverbunden.
-
Die Isolationsschicht ist elektrisch isolierend, aber sehr gut wärmeleitende ausgeführt. Somit wird die Verlustwärme des Triac über die Leiterbahnabschnitte (32, 33) sowie Isolationsschicht 31 und den Metallträger 30 effizient aufgespreizt. Somit ist der Triac auch Stromstärken von mehr als 10 Ampere, insbesondere von mehr als 30 oder gar 100 Ampere, aussetzbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sekundärwicklung
- 2
- steuerbarer Schalter, insbesondere steuerbarer Halbleiterschalter
- 3
- Verbindungselement, insbesondere variabel bestückbare Brücke, Umschalter oder auf einer Leiterplatte bestückbare Brücke
- 4
- Gleichrichter, insbesondere gesteuerter Gleichrichter
- 5
- Ansteuerung
- 6
- erste Kapazität
- 7
- zweite Kapazität
- 8
- Verbraucher
- 9
- Glättungskondensator
- 30
- Metallträger, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer
- 31
- Isolationsschicht
- 32
- Leiterbahnabschnitt
- 33
- Leiterbahnabschnitt
- 34
- Anschlussblech
- 35
- Triac, insbesondere als SMD-Bauteil ausgeführter Triac
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006022223 A1 [0003]
- DE 102013215785 A1 [0004]
