DE102022004254A1

DE102022004254A1 - System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung und Verfahren zum Betreiben eines Systems zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung

Info

Publication number: DE102022004254A1
Application number: DE102022004254.1A
Authority: DE
Inventors: Leobald Podbielski; Harald Wolf; Björn Egger
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-06-01
Also published as: WO2023094253A1; CN118216059A; EP4441878A1

Abstract

System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung,wobei das System ein Mobilteil, einen Wechselrichter und einen Gyrator aufweist sowie eine Reihenschaltung aus einem Primärleiter und einer ersten Kapazität,wobei der Wechselrichter den Gyrator speist,wobei der Gyrator die Reihenschaltung speist,wobei das Mobilteil eine Sekundärwicklung aufweist,wobei der Sekundärwicklung eine zweite Kapazität parallel und/oder in Reihe zugeschaltet ist,wobei ein erstes Mittel zur Erfassung des Spitzenwerts der zeitlichen Ableitung des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes mit einer Signalelektronik des Wechselrichters verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung und Verfahren zum Betreiben eines Systems zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung.
Aus der DE 10 2018 005 576 A1 ist ein System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung an ein Mobilteil bekannt. Dabei wird über eine induktive Kopplung von einem Primärleiter an die Sekundärwicklung elektrische Leistung übertragen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System weiterzubilden, wobei Überspannungen vermieden werden sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung sind, dass das System ein Mobilteil, einen Wechselrichter und einen Gyrator aufweist sowie eine Reihenschaltung aus einem Primärleiter und einer ersten Kapazität,
wobei der Wechselrichter den Gyrator speist, insbesondere dem Gyrator eine Wechselspannung zur Verfügung stellt,
wobei der Gyrator die Reihenschaltung speist, insbesondere wobei der wechselspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters mit dem eingangsseitigen Anschluss des Gyrators verbunden ist und der ausgangsseitige Anschluss des Gyrators die Reihenschaltung speist,
insbesondere wobei der Gyrator einen Wechselstrom in die Reihenschaltung einprägt,
wobei das Mobilteil eine Sekundärwicklung aufweist, insbesondere welche induktiv mit dem Primärleiter gekoppelt ist oder koppelbar ist,
wobei der Sekundärwicklung eine zweite Kapazität parallel und/oder in Reihe zugeschaltet ist, insbesondere so, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht,
wobei das System ein erstes Mittel aufweist, welches mit einer Signalelektronik des Wechselrichters verbunden ist und geeignet ausgebildet ist, für eine jeweilige Periode des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes jeweils das Maximum, also den als Scheitelwert auftretenden Spitzenwert, der zeitlichen Ableitung des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes zu erfassen,
und/oder wobei ein erstes Mittel zur Erfassung des Spitzenwerts, insbesondere des in einer jeweiligen Periode des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes auftretenden Spitzenwerts, der zeitlichen Ableitung des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes mit einer Signalelektronik des Wechselrichters verbunden ist.
Es wird also der zeitliche Verlauf der zeitlichen Ableitung des Stromes ausgewertet, indem für jede Periode der jeweilige Scheitelwert bestimmt wird und als zu dieser jeweiligen Periode gehörig abgespeichert wird. Somit entsteht also eine Liste, in welcher jeder Periode der jeweilige Scheitelwert zugeordnet ist. Durch diese Auswertung des zeitlichen Verlaufs der ersten Ableitung des Stromes wird ein Wert pro Periode zugeordnet.
Von Vorteil ist dabei, dass primärseitig der Wert einer Zustandsgröße, welche naturgesetzlich proportional zur sekundärseitig einem Verbraucher bereit gestellten Spannung ist, erfasst werden kann und somit keine Datenübertragung von Werten von der Sekundärseite zur Primärseite notwendig ist. Daher sind Maßnahmen zur Reduzierung der Spannung primärseitig ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Primärleiter langgestreckt am Boden einer Anlage des Systems verlegten Primärleiter auf und das Mobilteil ist entlang dem Primärleiter verfahrbar. Von Vorteil ist dabei, dass eine induktive Versorgung des Mobilteils ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Kapazität Cs einen vernachlässigbaren und/oder verschwindenden Kapazitätswert, insbesondere also null Farad, auf, insbesondere wobei die Reihenschaltung im Wesentlichen nur aus dem Primärleiter besteht. Von Vorteil ist dabei, dass bei kurzen Primärleitern keine oder nur eine sehr geringe Kapazität notwendig ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gleicht die Resonanzfrequenz des aus dem Primärleiter und der ersten Kapazität gebildeten Schwingkreises, insbesondere zur vollständigen Kompensierung der Induktivität des Primärleiters der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung. Von Vorteil ist dabei eine einfache Herstellung.
Bei einer dazu alternativen und verbesserten Ausgestaltung ist die erste Kapazität Cs derart gewählt, dass $\frac{1}{2 π f (2 π f \cdot L s - 2 π f \cdot L g + \frac{P \cdot tan (α_m a x)}{I^{2}})} < C s < \frac{1}{2 π f (2 π f \cdot L s - 2 π f \cdot L g + \frac{P \cdot tan (α_m i n)}{I^{2}})}$
gilt,

- wobei f die Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung ist,
- wobei Ls die Induktivität des Primärleiters ist,
- wobei Lg eine Induktivität des Gyrators ist, insbesondere wobei der Gyrator eine Reihenschaltung aus der Induktivität Lg und einer Kapazität Cg aufweist und die Eingangsspannung des Gyrators an dieser Reihenschaltung anliegt und die Ausgangsspannung an der Kapazität Cg anliegt,
- wobei P eine vorgegebene Leistung, insbesondere Nennleistung, ist,
- wobei I ein vorgegebener Strom, insbesondere Nennstrom, ist,
- wobei α_min ein erster Winkelwert ist
- wobei α_max ein zweiter Winkelwert ist,

insbesondere wobei der erste Winkelwert betragsmäßig kleiner als der zweite Winkelwert ist, insbesondere wobei der erste Winkelwert einen Wert zwischen 0° und 40°, insbesondere zwischen 10° und 30°, aufweist und der wobei der zweite Winkelwert einen Wert zwischen 0° und 40°, insbesondere zwischen 10° und 30°, aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Induktivität des Primärleiters nicht vollständig kompensiert ist und daher ein verbleibender Rest an Induktivität der Induktivität des Gyrators angleichbar ist, so dass ein verbesserter Wirkungsgrad und eine erhöhte Effizienz ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Wechselrichter eine Parallelschaltung von zwei Serienschaltungen auf, wobei jede der Serienschaltungen jeweils zwei Halbleiterschalter aufweist,
wobei die Signalelektronik Ansteuersignale für die Halbleiterschalter erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass die Ansteuersignale abhängig von den erfassten Spitzenwerten der zeitlichen Ableitung des Stromes ausführbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweites Mittel zur Erfassung der Spitzenwerte des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes mit der Signalelektronik des
Wechselrichters verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass primärseitig der Wert einer Zustandsgröße erfassbar ist, welche einer sekundärseitigen Zustandsgröße, insbesondere Ausgangsspannung, proportional ist. Somit sind Maßnahmen zur Begrenzung ohne direkte Erfassung einleitbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das erste Mittel eine Induktivität L1 auf, wobei die an der Induktivität abfallende Spannung über eine erste transformatorische Kopplung einem ersten Gleichrichter zugeführt wird, dessen gleichgerichtete Spannung eine Parallelschaltung aus einem ersten Kondensator und einem Widerstand speist und von einem Spannungserfassungsmittel der Signalelektronik erfasst wird, insbesondere wobei die Induktivität L1 vom eingeprägten Strom durchflossen wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfassung des Spitzenwertes einfach ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität L1 eine Leiterbahn einer Leiterplatte, wobei eine Leiterschleife derart neben der Leiterbahn angeordnet ist, dass die Leiterschleife induktiv an die Leiterbahn gekoppelt ist,
wobei die Leiterschleife den ersten Gleichrichter speist. Von Vorteil ist dabei, dass die Herstellung der Induktivität und der Leiterschleife durch Layout der Leiterplatte und somit bei Massenfertigung kostengünstig ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das zweite Mittel einen Shunt-Widerstand auf, wobei die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung über eine zweite transformatorische Kopplung einem zweiten Gleichrichter zugeführt wird, dessen gleichgerichtete Spannung eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand speist und von einem zweiten Spannungserfassungsmittel der Signalelektronik erfasst wird, insbesondere wobei der Shuntwiderstand vom eingeprägten Strom durchflossen wird. Von Vorteil ist dabei, dass zusätzlich auch der Strom erfassbar ist und auf einen Stromsollwert hin regelbar ist.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung weist das zweite Mittel eine zweite transformatorische Kopplung auf, durch deren primärseitige Wicklung der eingeprägte Strom fließt,
wobei der Shunt-Widerstand der sekundärseitigen Wicklung parallel zugeschaltet ist und die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung einem zweiten Gleichrichter zugeführt wird, dessen gleichgerichtete Spannung eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand speist und von einem zweiten Spannungserfassungsmittel der Signalelektronik erfasst wird. Von Vorteil ist dabei, dass der Shunt-Widerstand auch sekundärseitig anordenbar ist und somit nicht direkt vom Strom durchfließbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Spannungserfassungsmittel, das die Spannung am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters erfasst, mit der Signalelektronik verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Signalelektronik mit einem insbesondere integrierten Analog-Digital-Wandler ausstattbar ist, der eine kostengünstige Erfassung der Spannung ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signalelektronik derart geeignet ausgeführt, dass die von der Signalelektronik erzeugten Ansteuersignale ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung das Tastverhältnis derart gestellt wird, dass der vom ersten Mittel erfasste Spitzenwert auf einen Sollwert hingeregelt wird. Von Vorteil ist dabei, dass Überspannungen vermeidbar sind, welche die Last, den Glättungskondensator oder Halbleiter des Gleichrichters gefährden können.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signalelektronik derart geeignet ausgeführt, dass die von der Signalelektronik erzeugten Ansteuersignale ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung das Tastverhältnis derart gestellt wird, dass

- der vom zweiten Mittel erfasste Spitzenwert des Stromes auf einen Stromsollwert hingeregelt wird solange ein vorgegebener Schwellwert durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes nicht überschritten wird
- und ansonsten, also solange der vorgegebene Schwellwerts durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes überschritten wird, der erfasste Spitzenwert der ersten zeitlichen Ableitung des Stromes auf den Schwellwert hin geregelt wird.

Von Vorteil ist dabei, dass Überspannungen vermeidbar sind, welche die Last, den Glättungskondensator oder Halbleiter des Gleichrichters gefährden können.
Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Signalelektronik derart geeignet ausgeführt, dass die von der Signalelektronik erzeugten Ansteuersignale ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung das Tastverhältnis derart gestellt wird, dass

- der vom zweiten Mittel erfasste Spitzenwert des Stromes auf einen Stromsollwert hingeregelt wird solange ein vorgegebener Schwellwert durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes nicht überschritten wird
- und ansonsten, also, wenn der vorgegebene Schwellwerts durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes überschritten wird, der Wechselrichter abgeschaltet wird.

Von Vorteil ist dabei, dass Überspannungen vermeidbar sind, welche die Last, den Glättungskondensator oder Halbleiter des Gleichrichters gefährden können.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Gyrator eine Induktivität und eine Kapazität auf, die derart dimensioniert sind, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht. Von Vorteil ist dabei, dass das spannungsquellenartige Verhalten der am wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung in ein stromquellenartiges Verhalten des den Primärleiter speisenden Ausgangs des Gyrators umgewandelt wird. Somit wird ein Strom mit betragsmäßig konstantem Effektivwert dem Primärleiter zur Verfügung gestellt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Frequenz des eingeprägten Stroms zwischen 10 kHz und 1 MHz. Von Vorteil ist dabei, dass eine Mittelfrequenz verwendbar ist und somit eine hohe Effizienz erreichbar ist.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung sind, dass von einer Stromquelle in einen Primärleiter ein Strom, insbesondere ein mittelfrequenter Strom, eingeprägt wird,
insbesondere wobei die Resonanzfrequenz des aus dem Primärleiter und einer ersten Kapazität gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht,
wobei eine Sekundärwicklung eines relativ zum Primärleiter verfahrbar und/oder bewegbar angeordneten Mobilteils induktiv an den Primärleiter gekoppelt wird oder ist,
wobei der Sekundärwicklung eine zweite Kapazität parallel und/oder in Reihe zugeschaltet ist, insbesondere so, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht,

- wobei für eine jeweilige Periode der Wechselspannung jeweils das Maximum, also der als Scheitelwert auftretende Spitzenwert, der zeitlichen Ableitung des von der Stromquelle in den Primärleiter eingespeisten Stromes, insbesondere eingeprägten Stromes, insbesondere primärseitig, erfasst wird und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird,
- und/oder wobei ein Spitzenwert einer zeitlichen Ableitung des von der Stromquelle in den Primärleiter eingespeisten Stromes, insbesondere eingeprägten Stromes, insbesondere primärseitig, erfasst wird und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird,

- die Stromquelle abgeschaltet wird oder
- der Ausgangsstrom der Stromquelle derart reduziert wird, dass der Schwellwert unterschritten wird.

Von Vorteil ist dabei, dass primärseitig der Wert einer Größe erfasst wird, welche proportional zur sekundärseitig vorhandenen Ausgangsspannung ist. Somit ist eine sekundärseitige Überspannung durch eine primärseitige Erfassung vermeidbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Stromquelle einen von einem Wechselrichter versorgten Gyrator auf,
wobei bei Überschreiten des Schwellwertes das Tastverhältnis, insbesondere der Aussteuerungsgrad, der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Spannung insbesondere unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung derart gestellt wird, dass der Ausgangsstrom der Stromquelle auf einen Stromsollwert hingeregelt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Überspannung vermieden wird.
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 ein System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung mittels schematischem Schaltplan dargestellt.
In der 2 ist eine von einem primärseitig angeordneten Wechselrichter 1 bereit gestellte Spannung U1 ausgangsseitig dargestellt und ein primärseitiger Strom I sowie eine sekundärseitige Spannung U2, insbesondere induzierte Spannung.
In der 3 ist eine zusätzliche Stromerfassung im System gemäß 1 gezeigt.

Wie in den Figuren dargestellt, weist das System einen Wechselrichter 1 auf, welcher an seinem wechselspannungsseitigen Anschluss eine Spannung U1 einem Gyrator 2 zur Verfügung stellt. Die Spannung U1 ist eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die einen Wert zwischen 10 kHz und 1 MHz aufweist.
Wie in 2 dargestellt, kann der Wechselrichter 1 verschiedene Aussteuerungsgrade, insbesondere Tastverhältnisse, erzeugen. Im Fall der fein gepunkteten Linie ist der Aussteuerungsgrad maximal, also die Wechselspannung eine reine Rechteckspannung. Im Fall der gestrichelten Linie sind die positiven und negativen Rechtecke mittels einer jeweiligen zeitlichen Lücke voneinander beabstandet und somit ein geringerer Aussteuerungsgrad vorhanden. Noch größere solcher Lücken sind bei den durchgezogenen Linien vorhanden.
Der Wechselrichter wird von einer Gleichspannung, insbesondere Zwischenkreisspannung, gespeist, wobei die Gleichspannung nicht stabilisiert ist. Daher wird die Gleichspannung erfasst und der erfasste Wert der Gleichspannung der Signalelektronik 31 zugeführt, welche den Aussteuerungsgrad davon abhängig derart stellt, dass die Spannungszeitfläche der jeweiligen Rechtecke einen Wert erreicht, der als Stellwert eines Reglers verwendet wird, dem der primärseitig erfasst Strom I als Istwert zugeführt wird und der den Stellwert derart stellt, dass der Istwert auf einen vorgegebenen Sollwert hinregelt.
Der Gyrator 2 ist als Vierpol ausgeführt und weist eine Reihenschaltung aus einer Induktivität Lg und einer Kapazität Cg auf, wobei die am Vierpol eingangsseitig vom Wechselrichter 1 zugeführte Wechselspannung an der Reihenschaltung anliegt. Die an der Kapazität Cg anliegende Spannung wird dem Ausgang des Vierpols zugeführt, wobei - wie in 3 näher dargestellt - einerseits die zeitliche Ableitung des Stroms I ausgangsseitig am Gyrator erfasst wird und andererseits der Strom I selbst erfasst wird.
Zur Erfassung der zeitlichen Ableitung ist eine Induktivität L1 vorgesehen, durch die der Strom I fließt. Die an der Induktivität L1 abfallende Spannung wird von einer transformatorischen Kopplung T1, insbesondere ein Transformator, galvanisch getrennt erfasst. Da die an der Induktivität L1 abfallende Spannung proportional zur zeitlichen Ableitung ist, ist die sekundärseitig an der transformatorischen Kopplung T1 abfallende Spannung proportional zur zeitlichen Ableitung des Stromes I. Die so erhaltene sekundärseitige Messspannung wir dem Gleichrichter 30 zugeführt, dem ausgangsseitig ein Kondensator parallel zugeschaltet ist und zum Kondensator parallel ein Widerstand, wobei die am Kondensator abfallende Spannung von der Signalelektronik 31 erfasst wird. Auf diese Weise ist der Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes I erfasst. Die Zeitkonstante der Entladung des Kondensators über den Wiederstand ist vorzugsweise größer als das Zehnfache der Periodendauer der Grundschwingung des Stromes I.
Eine beispielhafte konkrete Ausführung dieser Erfassung ist auf einer Leiterplatte dadurch ausführbar, dass eine als Leiterbahn ausgeführte Leiterschleife derart nahe an einer den Strom I führenden Leiterbahn der Leiterplatte anordenbar ist, dass die die Leiterbahn umfassenden Magnetfeldlinien zumindest teilweise die von der Leiterschleife umfasste Fläche durchfluten.
Die Erfassung des Stromes I selbst erfolgt in ähnlicher Weise wobei allerdings statt der Induktivität ein Shunt-Widerstand R2 vorzugsweise sekundärseitig eingesetzt ist. Beispielshaft ist hierzu also eine als Leiterbahn ausgeführte zweite Leiterschleife derart nahe an der den Strom I führenden Leiterbahn der Leiterplatte anordenbar ist, so dass die die Leiterbahn umfassenden Magnetfeldlinien zumindest teilweise die von der zweiten Leiterschleife umfasste Fläche durchfluten, wobei die Leiterschleife den Shunt-Widerstand R2 speist. Die am Shunt-Widerstand R2 abfallende Spannung wird erfasst, mittels eines zweiten Gleichrichters 32 gleichgerichtet und die Ausgangsspannung des zweiten Gleichrichters 32 einem weiteren Kondensator zugeführt, welchem ein zu ihm parallel geschalteter weiterer Widerstand zugeordnet ist und der Signalelektronik 31 zugeführt. Die Zeitkonstante der Entladung des weiteren Kondensators über den weiteren Widerstand ist kleiner als die zeitkonstante der Entladung des dem ersten Gleichrichter 30 parallel zugeschalteten Kondensators mittels des ihm parallel zugeschalteten Widerstands.
Die Kapazität Cg und die Induktivität Lg sind auf Resonanz zur Frequenz der vom Wechselrichter 1 zur Verfügung gestellten Spannung U1 abgestimmt. Dadurch wird das spannungsquellenartige Verhalten des wechselspannungsseitigen Anschlusses, also des Ausgangs des Wechselrichters 1, in ein stromquellenartiges Verhalten an der Ausgangsseite des Gyrators umgewandelt. Der Primärleiter ist somit von einer insbesondere nicht-idealen Stromquelle versorgt.
Die Ausgangsspannung des Gyrators speist einen langgestreckt in einer Anlage, insbesondere am Boden einer Anlage, verlegten Primärleiter, insbesondere Linienleiter 3. Die Induktivität des Primärleiters ist mit Bezugszeichen Ls gekennzeichnet. Zur Kompensation ist eine Kapazität Cs dem Primärleiter in Reihe zugeschaltet. Hierfür ist die Kapazität Cs derart dimensioniert, dass die Resonanzfrequenz des aus der Kapazität Cs und der Induktivität Ls des Primärleiters gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter 1 zur Verfügung gestellten Spannung U1 gleicht.
Ein in der Anlage verfahrbares Mobilteil weist vorzugsweise an seiner Unterseite eine Sekundärwicklung Lk auf, die induktiv an den Primärleiter gekoppelt ist. Somit ist elektrische Leistung ans Mobilteil induktiv übertragbar. In 1 ist die induktive Kopplung als idealer Transformator dargestellt, dessen sekundärseitige Induktivität mit Lk gekennzeichnet ist.
Eine Kapazität Ck ist der Induktivität Lk in Reihe oder parallel zugeschaltet, so dass die Resonanzfrequenz des aus der Kapazität Ck und der Induktivität Lk gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter 1 zur Verfügung gestellten Spannung U1 gleicht.
Die vom Schwingkreis zur Verfügung gestellte Spannung wird einem Gleichrichter 5 zugeführt, dem ein Glättungskondensator Ca nachgeschaltet ist, so dass eine Last RL mit einem geglätteten unipolaren Strom, insbesondere Gleichstrom, versorgbar ist.
Wenn nun die Last RL einen sehr großen, insbesondere unendlich großen, Widerstand oder eine sehr große, insbesondere unendlich große Impedanz aufweist und/oder der Aussteuerungsgrad sehr groß ist und/oder der Primärleiter sehr kurz ist, ist der primärseitige Strom nicht rein sinusförmig, sondern weist zumindest eine Harmonische auf, beispielsweise ist dann die dritte oder fünfte Harmonische sehr ausgeprägt.
Da die sekundärseitige Spannung der zeitlichen Ableitung folgt, entsteht eine Überspannung, so dass der Glättungskondensator auf eine entsprechend hohe Spannung aufgeladen wird, welche auch die Last RL und die Dioden des Gleichrichters belastet.
Gefährlich hohe Spannungen werden erfindungsgemäß dadurch verhindert, dass bei Überschreiten eines Schwellwerts der Wechselrichter 1 und somit der primärseitige Strom abgeschaltet wird oder der Aussteuerungsgrad verringert wird, insbesondere bis die Spannungen im zulässigen Bereich sind.
Um solche Überspannungen zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die zeitliche Ableitung des primärseitigen Stroms I erfasst, indem die an der vom primärseitigen Strom I durchflossenen Induktivität L1 abfallende Spannung mittels der transformatorischen Kopplung T1, insbesondere mittels eines Transformators, erfasst, erfasst wird, wie in 3 dargestellt ist.
Der Vorteil ist dabei, dass die Erfassung primärseitig ausgeführt wird und der erfasste Wert somit proportional zur in der sekundärseitigen Induktivität Lk induzierten Spannung U2 ist.
Es müssen also keine sekundärseitig erfassten Werte auf einem Datenübertragungskanal zur Primärseite übertragen werden.
Die transformatorische Kopplung T1 weist eine Sekundärwicklung auf, wobei die an dieser Sekundärwicklung erzeugte Spannung einem ersten Gleichrichter 30 zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung einem Kondensator zugeführt wird, dem ein Entladewiderstand parallel zugeschaltet ist. Die am Kondensator anliegende Spannung wird von einer Signalelektronik 31 erfasst und davon abhängig werden die Ansteuersignale für die steuerbaren Halbleiterschalter des Wechselrichters 1 bestimmt.
Auf diese Weise ist bei primärseitig zu hohen Spitzenstromwerten der Effektivwert der Ausgangsspannung des Wechselrichters 1 reduzierbar, indem der Aussteuerungsgrad verringert wird, wodurch auch die Harmonischen reduziert werden. Vorzugsweise wird abhängig von den primärseitig bestimmten Stromspitzenwerten, insbesondere Stromamplitudenwerten, mittels einer Regelvorrichtung der Aussteuerungsgrad der Ausgangsspannung des Wechselrichters 1 derart gestellt, dass die Stromspitzenwerte auf einen vorgegebenen Stromsollwert hin geregelt werden.
Die primärseitige Induktivität L1 der transformatorischen Kopplung T ist derart klein, dass die Abstimmung des Gyrators auf Resonanz, also Frequenzangleichung zur Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters 1 nicht gestört wird.
Der Entladewiderstand ist derart dimensioniert, dass die Zeitkonstante der Entladung des Kondensators am Ausgang des Gleichrichters 30 größer ist als das N-fache der Periodendauer der Ausgangsspannung des Wechselrichters 1, wobei N einen Wert zwischen Eins, insbesondere Zwei, und Zehn aufweist. Auf diese Weise folgt die Spitzenwerterfassung schnell genug den Änderungen.
Erfindungsgemäß wird also eine primärseitige Erfassung einer Zustandsgröße ausgeführt, welche eine sekundärseitige Zustandsgröße bestimmt. Somit ist eine Datenübertragung vom Mobilteil zur Signalelektronik 31 oder zu einem mit der Signalelektronik 31 zum Datenaustausch verbundenen Elektrogerät nicht notwendig.
Der Effektivwert des primärseitigen Stroms beträgt vorzugsweise zwischen 10 Ampere und 100 Ampere. Die Frequenz der Grundschwingung des primärseitigen Stroms weist einen Wert zwischen 10 Khz und 1 MHz auf. Die sekundärseitige Windung der ersten transformatorischen Kopplung T1 umschließt beispielhaft eine Fläche zwischen 1 und 10 cm^2.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird der primärseitig erfasste Strom zeitlich abgeleitet und dessen Spitzenwert erfasst, so dass die auf diese Weise erfasste Zustandsgröße der sekundärseitig erfassten Zustandsgröße
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Induktivität L1 nicht primärseitig, sondern sekundärseitig der transformatorischen Kopplung T1 angeordnet.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Shunt-Widerstand R2 nicht sekundärseitig, sondern primärseitig der zweiten transformatorischen Kopplung T2 angeordnet.
Bei weiter verbesserten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die erste Kapazität Cs derart gewählt, dass $\frac{1}{2 π f (2 π f \cdot L s - 2 π f \cdot L g + \frac{P \cdot tan (α_m a x)}{I^{2}})} < C s < \frac{1}{2 π f (2 π f \cdot L s - 2 π f \cdot L g + \frac{P \cdot tan (α_m i n)}{I^{2}})}$
gilt,

Von Vorteil ist dabei, dass die Induktivität des Primärleiters nicht vollständig kompensiert ist und somit die verbleibende effektive Induktivität des Primärleiters der Induktivität des Gyrators angleichbar ist, so dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad und/oder eine möglichst niedrige Verlustleistung bei dem System erreichbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Wechselrichter
2: Gyrator
3: Linienleiter mit Kompensation
4: Übertragerkopf, insbesondere Pickup
5: Gleichrichter
30: Gleichrichter
31: Signalelektronik
32: Gleichrichter
Lg: Induktivität des Gyrators
L1: Messinduktivität
R2: sekundärseitig angeordneter Shunt-Widerstand
Cg: Kapazität des Gyrators
Cs: Kapazität zur Kompensation der Leitungsinduktivität Ls
Ls: Induktivität, insbesondere Leitungsinduktivität, des Primärleiters
Lk: Induktivität des Übertragerkopfs 4
Ck: Kapazität
Ca: Glättungskondensator
RL: Last
T1: transformatorische Kopplung zur Erfassung der zeitlichen Ableitung des Stroms
T2: transformatorische Kopplung zur Erfassung des Stroms
I: primärseitiger Strom
U1: Ausgangsspannung des Wechselrichters 1
U2: sekundärseitige Spannung, insbesondere in der Induktivität Lk induzierte Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018005576 A1 [0002]

Claims

System zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung, wobei das System ein Mobilteil, einen Wechselrichter und einen Gyrator aufweist sowie eine Reihenschaltung aus einem Primärleiter und einer ersten Kapazität, wobei der Wechselrichter den Gyrator speist, insbesondere dem Gyrator eine Wechselspannung zur Verfügung stellt, wobei der Gyrator die Reihenschaltung speist, insbesondere wobei der wechselspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters mit dem eingangsseitigen Anschluss des Gyrators verbunden ist und der ausgangsseitige Anschluss des Gyrators die Reihenschaltung speist, insbesondere wobei der Gyrator einen Wechselstrom in die Reihenschaltung einprägt, wobei das Mobilteil eine Sekundärwicklung aufweist, insbesondere welche induktiv mit dem Primärleiter gekoppelt ist oder koppelbar ist, wobei der Sekundärwicklung eine zweite Kapazität parallel und/oder in Reihe zugeschaltet ist, insbesondere so, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein erstes Mittel aufweist, welches mit einer Signalelektronik des Wechselrichters verbunden ist und geeignet ausgebildet ist, für eine jeweilige Periode des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes jeweils das Maximum, also den als Scheitelwert auftretenden Spitzenwert, der zeitlichen Ableitung des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes zu erfassen, und/oder dass ein erstes Mittel zur Erfassung des Spitzenwerts, insbesondere des in einer jeweiligen Periode des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes auftretenden Spitzenwerts, der zeitlichen Ableitung des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes mit einer Signalelektronik des Wechselrichters verbunden ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter langgestreckt am Boden einer Anlage des Systems verlegten Primärleiter, aufweist und das Mobilteil entlang dem Primärleiter verfahrbar ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kapazität Cs einen vernachlässigbaren und/oder verschwindenden Kapazitätswert, insbesondere also null Farad, aufweist, insbesondere wobei die Reihenschaltung im Wesentlichen nur aus dem Primärleiter besteht.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des aus dem Primärleiter und der ersten Kapazität gebildeten Schwingkreises, insbesondere zur vollständigen Kompensierung der Induktivität des Primärleiters der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht, oder dass die erste Kapazität Cs derart gewählt ist, dass, insbesondere zur unvollständigen Kompensierung der Induktivität des Primärleiters, $\frac{1}{2 π f (2 π f \cdot L s - 2 π f \cdot L g + \frac{P \cdot tan (α_m a x)}{I^{2}})} < C s < \frac{1}{2 π f (2 π f \cdot L s - 2 π f \cdot L g + \frac{P \cdot tan (α_m i n)}{I^{2}})}$
gilt, - wobei f die Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung ist, - wobei Ls die Induktivität des Primärleiters ist, - wobei Lg eine Induktivität des Gyrators ist, insbesondere wobei der Gyrator eine Reihenschaltung aus der Induktivität Lg und einer Kapazität Cg aufweist und die Eingangsspannung des Gyrators an dieser Reihenschaltung anliegt und die Ausgangsspannung an der Kapazität Cg anliegt, - wobei P eine vorgegebene Leistung, insbesondere Nennleistung, ist, - wobei I ein vorgegebener Strom, insbesondere Nennstrom, ist, - wobei α_min ein erster Winkelwert ist - wobei α_max ein zweiter Winkelwert ist, insbesondere wobei der erste Winkelwert betragsmäßig kleiner als der zweite Winkelwert ist, insbesondere wobei der erste Winkelwert einen Wert zwischen 0° und 40°, insbesondere zwischen 10° und 30°, aufweist und der wobei der zweite Winkelwert einen Wert zwischen 0° und 40°, insbesondere zwischen 10° und 30°, aufweist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine Parallelschaltung von zwei Serienschaltungen aufweist, wobei jede der Serienschaltungen jeweils zwei Halbleiterschalter aufweist, wobei die Signalelektronik Ansteuersignale für die Halbleiterschalter erzeugt.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Mittel zur Erfassung der Spitzenwerte des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes mit der Signalelektronik des Wechselrichters verbunden ist, und/oder dass das erste Mittel eine Induktivität L1 aufweist, wobei die an der Induktivität abfallende Spannung über eine erste transformatorische Kopplung einem ersten Gleichrichter zugeführt wird, dessen gleichgerichtete Spannung eine Parallelschaltung aus einem ersten Kondensator und einem Widerstand speist und von einem Spannungserfassungsmittel der Signalelektronik erfasst wird, insbesondere wobei die Induktivität L1 vom eingeprägten Strom durchflossen wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität L1 eine Leiterbahn einer Leiterplatte ist, wobei eine Leiterschleife derart neben der Leiterbahn angeordnet ist, dass die Leiterschleife induktiv an die Leiterbahn gekoppelt ist, wobei die Leiterschleife den ersten Gleichrichter speist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel einen Shunt-Widerstand aufweist, wobei die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung über eine zweite transformatorische Kopplung einem zweiten Gleichrichter zugeführt wird, dessen gleichgerichtete Spannung eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand speist und von einem zweiten Spannungserfassungsmittel der Signalelektronik erfasst wird, insbesondere wobei der Shuntwiderstand vom eingeprägten Strom durchflossen wird, oder dass das zweite Mittel eine zweite transformatorische Kopplung aufweist, durch deren primärseitige Wicklung der eingeprägte Strom fließt, wobei der Shunt-Widerstand der sekundärseitigen Wicklung parallel zugeschaltet ist und die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung einem zweiten Gleichrichter zugeführt wird, dessen gleichgerichtete Spannung eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand speist und von einem zweiten Spannungserfassungsmittel der Signalelektronik erfasst wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungserfassungsmittel, das die Spannung am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters erfasst, mit der Signalelektronik verbunden ist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektronik derart geeignet ausgeführt ist, dass die von der Signalelektronik erzeugten Ansteuersignale ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung das Tastverhältnis derart gestellt wird, dass der vom ersten Mittel erfasste Spitzenwert auf einen Sollwert hingeregelt wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektronik derart geeignet ausgeführt ist, dass die von der Signalelektronik erzeugten Ansteuersignale ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung das Tastverhältnis derart gestellt wird, dass - der vom zweiten Mittel erfasste Spitzenwert des Stromes auf einen Stromsollwert hingeregelt wird solange ein vorgegebener Schwellwert durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes nicht überschritten wird - und ansonsten, also solange der vorgegebene Schwellwerts durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes überschritten wird, der erfasste Spitzenwert der ersten zeitlichen Ableitung des Stromes auf den Schwellwert hin geregelt wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektronik derart geeignet ausgeführt ist, dass die von der Signalelektronik erzeugten Ansteuersignale ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung das Tastverhältnis derart gestellt wird, dass - der vom zweiten Mittel erfasste Spitzenwert des Stromes auf einen Stromsollwert hingeregelt wird solange ein vorgegebener Schwellwert durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes nicht überschritten wird - und ansonsten, also, wenn der vorgegebene Schwellwerts durch den vom ersten Mittel erfassten Spitzenwert der zeitlichen Ableitung des Stromes überschritten wird, der Wechselrichter abgeschaltet wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gyrator eine Induktivität und eine Kapazität aufweist, die derart dimensioniert sind, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht, und/oder dass die Frequenz des eingeprägten Stroms zwischen 10kHz und 1 MHz beträgt.
Verfahren zum Betreiben eines Systems zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung, insbesondere Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei von einer Stromquelle in einen Primärleiter ein Strom, insbesondere ein mittelfrequenter Strom, eingeprägt wird, insbesondere wobei die Resonanzfrequenz des aus dem Primärleiter und einer ersten Kapazität gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht, wobei eine Sekundärwicklung eines relativ zum Primärleiter verfahrbar und/oder bewegbar angeordneten Mobilteils induktiv an den Primärleiter gekoppelt wird oder ist, wobei der Sekundärwicklung eine zweite Kapazität parallel und/oder in Reihe zugeschaltet ist, insbesondere so, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Wechselspannung gleicht, dadurch gekennzeichnet, dass für eine jeweilige Periode des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes jeweils das Maximum, also der als Scheitelwert auftretende Spitzenwert, der zeitlichen Ableitung des vom Gyrator in die Reihenschaltung eingeprägten Stromes erfasst wird, und/oder dass ein Spitzenwert einer zeitlichen Ableitung des von der Stromquelle in den Primärleiter eingespeisten Stromes, insbesondere eingeprägten Stromes, insbesondere primärseitig, erfasst wird und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes, insbesondere also wenn der Spitzenwert den Schwellwert überschreitet, - die Stromquelle abgeschaltet wird oder - der Ausgangsstrom der Stromquelle derart reduziert wird, dass der Schwellwert unterschritten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle einen von einem Wechselrichter versorgten Gyrator aufweist, wobei bei Überschreiten des Schwellwertes das Tastverhältnis, insbesondere der Aussteuerungsgrad, der vom Wechselrichter dem Gyrator zur Verfügung gestellten Spannung insbesondere unter Berücksichtigung der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung derart gestellt wird, dass der Ausgangsstrom der Stromquelle auf einen Stromsollwert hingeregelt wird.