DE10215236C1 - Device for the inductive transmission of electrical energy - Google Patents
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zu einem beweglichen Verbraucher mit einer gegenüber der ortsfesten Primärinduktivität beweglichen Sekundärinduktivität, der zur Erzeugung einer ersten Gleichspannung vorbestimmter Größe ein Gleichrichter und ein Schaltregler nachgeschaltet sind, ist zur Erzeugung mindestens einer weiteren Gleichspannung der Ausgang (A, B) des Schaltreglers als kapazitiver Spannungsteiler (C21, C22) ausgebildet, dessen Gesamtspannung die erste Gleichspannung U¶L¶ ist und an dessen Abgriff (E) die weitere Gleichspannung U¶L2¶ zur Verfügung steht. Der Abgriff (E) des Spannungsteilers (C21, C22) ist mit einer Anzapfung (C) der Sekundärinduktivität (L11, L12) von gleichem Teilverhältnis über eine Diode D2 verbunden, deren Anode an der Anzapfung (C) angeschlossen ist. Auf diese Weise läßt sich ohne großen Aufwand eine stabile, niedrigere Ausgangsspannung zusätzlich bereichtstellen, für deren Umsetzung in eine Niederspannung ein Gleichspannungswandler mit entsprechend geringerem Übersetzungsverhältnis ausreicht.In the case of a device for the inductive transmission of electrical energy to a movable consumer with a secondary inductance which is movable with respect to the fixed primary inductor and which is followed by a rectifier and a switching regulator to generate a first direct voltage of a predetermined size, the output (A, B ) of the switching regulator as a capacitive voltage divider (C21, C22), whose total voltage is the first DC voltage U¶L¶ and at whose tap (E) the further DC voltage U¶L2¶ is available. The tap (E) of the voltage divider (C21, C22) is connected to a tap (C) of the secondary inductance (L11, L12) of the same part ratio via a diode D2, the anode of which is connected to the tap (C). In this way, a stable, lower output voltage can additionally be provided without great effort, and a DC voltage converter with a correspondingly lower transmission ratio is sufficient for its conversion into a low voltage.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for the inductive transmission of electrical energy the preamble of claim 1.
Eine solche Vorrichtung dient der Übertragung elektrischer Energie zu einem beweglichen Verbraucher ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt. Sie umfaßt einen Primär- und einen Sekundärteil, die ähnlich dem Prinzip des Transformators elektromagnetisch gekoppelt sind. Der Primärteil besteht aus einer Einspeisungselektronik und einer entlang einer Strecke verlegten Leiterschleife. Ein oder mehrere Abnehmer und die zugehörige Abnehmerelektronik bilden die Sekundärseite. Im Gegensatz zum Transformator, bei dem Primär- und Sekundärteil möglichst eng gekoppelt sind, handelt es sich um ein lose gekoppeltes System. Möglich wird dies durch eine relativ hohe Betriebsfrequenz im Kilohertzbereich. So können auch große Luftspalte bis zu einigen Zentimetern überbrückt werden. Dabei wird die Betriebsfrequenz sekundärseitig als Resonanzfrequenz eines Parallelschwingkreises festgelegt, der durch die Parallelschaltung eines Kondensators zu der Abnehmerspule gebildet wird.Such a device serves to transmit electrical energy to a mobile device Consumers without mechanical or electrical contact. It includes a primary and a secondary part that is electromagnetically coupled similar to the principle of the transformer are. The primary part consists of feed electronics and one along a route routed conductor loop. One or more customers and the associated one Customer electronics form the secondary side. In contrast to the transformer, in which Primary and secondary part are coupled as closely as possible, it is a loose coupled system. This is made possible by a relatively high operating frequency in the Kilohertz range. This way, even large air gaps can be bridged up to a few centimeters become. The operating frequency on the secondary side is a resonance frequency Parallel resonant circuit set by the parallel connection of a capacitor to the Customer coil is formed.
Zu den Vorteilen dieser Art der Energiezuführung zählen insbesondere die Verschleiß- und Wartungsfreiheit, sowie die Berührungssicherheit und eine hohe Verfügbarkeit. Typische Anwendungen sind automatische Materialtransportsysteme in der Fertigungstechnik, aber auch Personentransportsysteme, wie Aufzüge und elektrisch angetriebene Busse.The advantages of this type of energy supply include in particular wear and tear Maintenance-free, as well as safety against contact and high availability. typical Applications are automatic material handling systems in manufacturing technology, however also passenger transportation systems such as elevators and electrically powered buses.
Eine Prinzipschaltung der Abnehmerseite ist in der WO 92/17929 A1 beschrieben und in Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Der Abnehmerinduktivität L1 und der dieser zur Bildung eines Schwingkreises parallelgeschalteten Kapazität C1 ist ein Gleichrichter 1 nachgeschaltet, an den sich ein Schaltregler an sich bekannter Art, bestehend aus einer Induktivität L2, einer Diode D1, einer Kapazität C2 und einem elektronischen Schalter S sowie einem Regler 2 anschließt. Der Regler 2 beinhaltet im wesentlichen eine Spannungsreferenz und einen Vergleicher, der über die Steuerleitung 3 den elektronischen Schalter 5 schließt, wenn die Spannung über der Kapazität C2 einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet und ihn öffnet, wenn sie einen zweiten, nur wenig unter dem ersten liegenden Wert unterschreitet, wodurch die Spannung UL über der Kapazität C2 und der parallel zu dieser an den Klemmen A und B angeschlossenen Last 4 annähernd einen vorbestimmten Sollwert einnimmt. Bei der Last 4 handelt es sich typischerweise um einen elektrischen Antrieb.A basic circuit on the consumer side is described in WO 92/17929 A1 and is shown in simplified form in FIG. 1. The consumer inductance L1 and the capacitor C1 connected in parallel to form a resonant circuit is followed by a rectifier 1 to which a switching regulator of a known type, consisting of an inductor L2, a diode D1, a capacitor C2 and an electronic switch S and a regulator, is connected 2 connects. The regulator 2 essentially contains a voltage reference and a comparator which closes the electronic switch 5 via the control line 3 when the voltage across the capacitance C2 exceeds a first predetermined value and opens it when it is a second one, just a little below the first Value falls below, whereby the voltage U L across the capacitor C2 and the load 4 connected in parallel to this to the terminals A and B assumes approximately a predetermined target value. The load 4 is typically an electric drive.
Bei vielen Anwendungen muß außer der Hauptlast 4 in Form eines elektrischen Antriebs noch eine Steuerelektronik versorgt werden, wobei sich die benötigten Spannungsniveaus beträchtlich unterscheiden. Während ein typischer Spannungswert für die Antriebsversorgung ca. 560 V beträgt, liegen die Spannungen im Bereich der Steuerelektronik um mehr als eine Größenordnung niedriger, beispielsweise bei 24 V. Ein möglicher Weg zur Bereitstellung einer zweiten, wesentlich niedrigeren Ausgangsspannung ist der Anschluß eines Gleichspannungswandlers an den Klemmen A und B parallel zur Hauptlast 4. Solche Gleichspannungswandler für das hier in Rede stehende Umsetzungsverhältnis von beispielsweise 560 V auf 24 V sind allerdings aufwendig und daher teuer.In many applications, control electronics must be supplied in addition to the main load 4 in the form of an electric drive, the required voltage levels differing considerably. While a typical voltage value for the drive supply is approximately 560 V, the voltages in the area of the control electronics are more than an order of magnitude lower, for example 24 V. One possible way of providing a second, significantly lower output voltage is to connect a DC voltage converter to the Terminals A and B parallel to main load 4 . Such DC-DC converters for the conversion ratio in question here, for example from 560 V to 24 V, are complex and therefore expensive.
Ein anderer Weg wird in der DE 100 14 954 A1, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, vorgeschlagen. Zur Gewinnung einer zweiten, wesentlich niedrigeren Gleichspannung ist auf dem Abnehmerkern eine zweite Sekundärwicklung vorgesehen, die mit einem zweiten Gleichrichter verbunden ist. Obgleich dies in besagter Schrift nicht erwähnt ist, wird dem zweiten Gleichrichter zur Stabilisierung der Spannung wohl auch ein zweiter Regler nachgeschaltet werden müssen, womit die Abnehmerelektronik effektiv auf niedrigem Spannungsniveau dupliziert wird. Die Notwendigkeit der Anbringung der zweiten Sekundärwicklung auf dem Abnehmer schränkt darüber hinaus die Entwurfsfreiheit bei der Konstruktion des Abnehmers ein.Another way is in DE 100 14 954 A1, which is the preamble of claim 1 underlying is proposed. To obtain a second, much lower one DC voltage is provided on the customer core, a second secondary winding is connected to a second rectifier. Although not in said scripture is mentioned, the second rectifier to stabilize the voltage is also likely second controller must be connected, which effectively the consumer electronics low voltage level is duplicated. The need to attach the second Secondary winding on the customer also limits the freedom of design at Construction of the customer.
Aus der US 6,005,435 A ist ein Hochspannungsgenerator zur Erzeugung einer Hochspannung im Kilovoltbereich für die Anode einer Kathodenstrahlröhre bekannt, bei dem ein ausgangsseitiges, zur Teilung der Ausgangsspannung als Regelgröße mit hoher Flankensteilheit benötigtes RC-Parallelglied durch eine Serienschaltung zweier einzelner RC- Parallelglieder gebildet wird. Hierdurch ergeben sich geringere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der verwendeten Kondensatoren sowie ein kompakterer Aufbau der Schaltung.From US 6,005,435 A is a high voltage generator for generating a high voltage known in the kilovolt range for the anode of a cathode ray tube, in which a output side, for dividing the output voltage as a controlled variable with high RC parallel element required due to the slope due to a series connection of two individual RC Parallel links is formed. This results in lower requirements for the Dielectric strength of the capacitors used and a more compact structure of the Circuit.
Die DE 38 32 442 A1 lehrt eine Stromversorgungseinrichtung für einen Reisezugwagen, bei der eine von der Zugsammelschiene abgegriffene Wechselspannung gleichgerichtet und von einem Tiefsetzsteller in eine Zwischenkreis-Gleichspannung von 600 V umgeformt wird. Aus dieser werden mittels zweier identischer Drehstrom-Wechselrichter und diesen nachgeschalteter LC-Filter 3 × 380 V-Sinuswechselspannungen erzeugt. Dabei weist der Tiefsetzsteller zwei in Serie geschaltete GTO-Thyristoren auf, die sowohl eingangsseitig, als auch ausgangsseitig über zwei jeweils gleiche, zueinander in Serie geschaltete Kapazitäten verbunden sind, deren Verbindungspunkte ihrerseits miteinander verbunden sind. Diese Schaltungskonfiguration des Tiefsetzstellers dient der Verdopplung seiner Eingangsspannungsfestigkeit.DE 38 32 442 A1 teaches a power supply device for a passenger train car, in which an AC voltage tapped from the train busbar is rectified and converted into a DC link voltage of 600 V by a step-down converter. From this, 3 × 380 V sinusoidal voltages are generated by means of two identical three-phase inverters and this downstream LC filter. The buck converter has two GTO thyristors connected in series, which are connected both on the input side and on the output side via two identical capacitors connected in series to one another, the connection points of which are in turn connected to one another. This circuit configuration of the buck converter serves to double its input voltage resistance.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen möglichst einfachen Weg aufzuzeigen, um bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung mit nur geringen Eingriffen in den Abnehmer sekundärseitig mindestens eine zweite Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen.Based on this prior art, the invention is based on the object the easiest possible way to show in a generic device with only minor interventions in the customer on the secondary side at least a second To provide output voltage.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention, this object is achieved by a device having specified features solved. Advantageous embodiments of the invention are the See subclaims.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß nur wenige zusätzliche Bauelemente benötigt werden und keine größere Änderung der Schaltungstopologie erforderlich ist, um eine weitere Ausgangsspannung zu erhalten. Der Eingriff in den Abnehmer selbst ist minimal, denn er beschränkt sich auf eine Anzapfung der Sekundärspule. Auch der Wirkungsgrad der Energieübertragung erfährt durch die Modifikation der Abnehmerelektronik keine nennenswerte Beeinträchtigung. Die für die Realisierung der Erfindung nötige Aufteilung der Kapazitäten in Serienschaltungen hat den positiven Nebeneffekt, daß über jeder einzelnen Kapazität eine geringere Spannung abfällt, was geringere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der verwendeten Kondensatoren bedeutet.A major advantage of the invention is that only a few additional components are needed and no major change in circuit topology is required to to get another output voltage. The intervention in the customer itself is minimal, because it is limited to tapping the secondary coil. The efficiency of the Energy transfer does not take place due to the modification of the consumer electronics significant impairment. The division of the necessary for the implementation of the invention Capacities in series connections has the positive side effect that over each one Capacity drops a lower voltage, making lower demands on the Dielectric strength of the capacitors used means.
Als weiteren besonderen Vorteil ermöglicht die Erfindung den Einsatz eines Gleichspannungswandlers mit einer Eingangsnennspannung von unter 300 V zur Versorgung der Steuerelektronik. Solche Gleichspannungswandler kommen in großen Stückzahlen in netzspannungsbetriebenen Geräten zum Einsatz und sind daher kostengünstig erhältlich.As a further particular advantage, the invention enables the use of a DC converter with an input voltage of less than 300 V for supply the control electronics. Such DC-DC converters come in large numbers mains operated devices and are therefore available inexpensively.
Eine besonders bevorzugte, kostengünstige und kompakte Lösung ist die Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammen mit einem zur Ansteuerung eines Antriebs dienenden Umrichter in einer gemeinsamen Baueinheit, wobei das Konzept einer solchen Zusammenfassung auch auf herkömmliche gattungsgemäße Vorrichtungen anwendbar ist.A particularly preferred, inexpensive and compact solution is the implementation of the Device according to the invention together with a for controlling a drive serving converter in a common structural unit, the concept of such Summary is also applicable to conventional generic devices.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigtExemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawings described. In these shows
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Abnehmerelektronik nach dem Stand der Technik, Fig. 1 is a schematic diagram of a pickup electronics according to the prior art,
Fig. 2 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Abnehmerelektronik mit einer zweiten Ausgangsspannung, Fig. 2 is a diagram of a pickup electronics according to the invention with a second output voltage,
Fig. 3 eine Zusammenschaltung einer erfindungsgemäßen Abnehmerelektronik mit einer Last in Form eines von einem Umrichter angesteuerten Antriebs. Fig. 3 is an interconnection of a doffing electronics according to the invention with a load in the form of a driven by an inverter drive.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zielt darauf ab, eine zweite Ausgangsspannung UL2 zur Verfügung zu stellen, die annähernd halb so groß ist wie die für die Hauptlast 4 benötigte Spannung UL, die von der Abnehmerelektronik nach wie vor in unveränderter Höhe von beispielsweise 560 V zwischen den Klemmen A und B abgegeben wird. Dementsprechend ist die Abnehmerinduktivität L1 in zwei gleich große in Serie zueinander geschaltete Induktivitäten L11 und L12 aufgeteilt, deren Summe der Induktivität L1 entspricht. Realisiert wird diese Unterteilung der Induktivität L1 durch eine Mittenanzapfung C der Wicklung ohne sonstige Änderungen an der Wicklung oder am Kern.The embodiment of the invention shown in FIG. 2 aims to provide a second output voltage U L2 , which is approximately half as large as the voltage U L required for the main load 4 , which remains unchanged from the consumer electronics of, for example, 560 V is output between terminals A and B. Accordingly, the consumer inductor L1 is divided into two equal inductors L11 and L12 connected in series with one another, the sum of which corresponds to the inductance L1. This subdivision of the inductance L1 is realized by a center tap C of the winding without any other changes to the winding or the core.
In gleicher Weise sind auch die Kapazitäten C1 und C2 jeweils in Serienschaltungen zweier gleich großer Kapazitäten C11 und C12 bzw. C21 und C22 aufgeteilt, wobei die Teilkapazitäten bekanntermaßen jeweils den doppelten Wert der Gesamtkapazität aufweisen müssen. Der Verbindungspunkt der Kapazitäten C11 und C12 ist mit der Mittenanzapfung C der Abnehmerwicklung, d. h. mit dem Verbindungspunkt der Induktivitäten L11 und L12 verbunden, d. h. diese beiden Verbindungspunkte bilden einen gemeinsamen Knotenpunkt C. Am Verhalten des Abnehmerschwingkreises bezüglich seiner äußeren, mit dem Gleichrichter 1 verbundenen Anschlüsse ändert sich durch diese Maßnahme nichts.In the same way, the capacitances C1 and C2 are each divided into series circuits of two capacitances C11 and C12 or C21 and C22 of equal size, the partial capacities, as is known, each having to have twice the value of the total capacitance. The connection point of the capacitances C11 and C12 is connected to the center tap C of the customer winding, that is to say to the connection point of the inductors L11 and L12, that is to say these two connection points form a common node C. The behavior of the customer oscillating circuit with regard to its external connections connected to the rectifier 1 this measure does not change anything.
Die dem Abnehmerschwingkreis in Fig. 2 nachgeschalteten vier Dioden D11 bis D14 bilden in an sich bekannter Weise den in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Gleichrichter 1. Dieser Teil der Schaltung erfährt keine Veränderung. Ebenso unverändert bleiben die Diode D1, der elektronische Schalter S und der Regler 2, welcher die Spannung UL über der Last 4 zwischen den Klemmen A und B abgreift und diese Spannung UL durch geeignete Betätigung des Schalters S über die Steuerleitung 3 konstant auf einem vorbestimmten Wert hält. Der Regler 2 ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nicht mehr dargestellt.The collector of the oscillation circuit in Fig. 2 downstream four diodes D11 to D14 form in per se known manner, the rectifier 1 is shown only schematically in Fig. 1. This part of the circuit does not change. Also unchanged are the diode D1, the electronic switch S and the controller 2 , which taps the voltage U L across the load 4 between the terminals A and B and this voltage U L by a suitable actuation of the switch S via the control line 3 on a constant holds predetermined value. The controller 2 is no longer shown in FIG. 2 for the sake of clarity.
Als zusätzliche Elemente sind in der Schaltung zwei gleich große, relativ hochohmige Widerstände R21 und R22 jeweils parallel zu den Kapazitäten C21 und C22 geschaltet. Ferner ist der Mittenabgriff C der sich aus L11 und L12 zusammensetzenden Abnehmerinduktivität über eine Diode D2 mit dem Verbindungspunkt D der Kapazitäten C21 und C22 sowie der Widerstände R21 und R22 verbunden, wobei die Diode so geschaltet ist, daß sie nur einen Stromfluß von C nach D, d. h. vom Abnehmerschwingkreis zu den ausgangsseitigen RC-Gliedern zuläßt.As additional elements in the circuit are two of the same size, relatively high impedance Resistors R21 and R22 each connected in parallel to the capacitors C21 and C22. Furthermore, the center tap C is composed of L11 and L12 Consumer inductance via a diode D2 with the connection point D of the capacitors C21 and C22 and the resistors R21 and R22, the diode being connected that they only have a current flow from C to D, i.e. H. from the customer oscillating circuit to the RC elements on the output side.
Die Teilspannung UL2 über der Parallelschaltung aus C22 und R22, die annähernd gleich der Teilspannung UL2 über der Parallelschaltung aus C21 und R21 ist und somit die Hälfte der über der Hauptlast 4 anliegenden Ausgangsspannung UL beträgt, wird dem Eingang eines Gleichspannungswandlers 5 zugeführt, der daraus eine Ausgangsspannung US erzeugt. Die zusätzliche Ausgangsklemme für den Anschluß des Wandlers 5 ist in Fig. 2 mit E bezeichnet. Typische Werte für die genannten Spannungen sind UL1 = UL2 = 280 V und US = 24 V.The partial voltage U L2 across the parallel circuit from C22 and R22, which is approximately equal to the partial voltage U L2 across the parallel circuit from C21 and R21 and thus is half the output voltage U L across the main load 4 , is fed to the input of a DC voltage converter 5 , which generates an output voltage U S therefrom. The additional output terminal for connecting the converter 5 is designated E in FIG. 2. Typical values for the voltages mentioned are U L1 = U L2 = 280 V and U S = 24 V.
Die Funktionsweise der Schaltung geht zunächst von der Halbierung der Gesamtausgangsspannung UL durch eine Aufteilung der ursprünglichen Ausgangskapazität C2 in zwei zueinander in Reihe geschaltete, gleich große Kapazitäten C21 und C22 aus. Es ist jedoch nicht möglich, zur Erzeugung einer zusätzlich zu UL benötigten Niederspannung US einfach einen Gleichspannungswandler mit entsprechend niedrigerer Nenneingangsspannung über einer der Kapazitäten C21 oder C22 anzuschließen, da die hierdurch verursachte Unsymmetrie der Belastung die Spannung über der betreffenden Kapazität zusammenbrechen lassen würde.The mode of operation of the circuit is initially based on halving the total output voltage U L by dividing the original output capacitance C2 into two capacitors C21 and C22 of equal size connected in series with one another. However, it is not possible to simply connect a DC-DC converter with a correspondingly lower nominal input voltage across one of the capacitors C21 or C22 to generate a low voltage U S required in addition to U L , since the resulting asymmetry of the load would cause the voltage across the relevant capacitor to collapse.
Um dies zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, auch die Abnehmerinduktivität L1 und die ihr parallelgeschaltete Abstimmkapazität C1 entsprechend in Teilinduktivitäten L11 und L12 bzw. C11 und C12 zu unterteilen, und den Knoten C, an dem die beiden dadurch entstehenden Teilschwingkreise miteinander verbunden sind, mit dem Verbindungsknoten D der beiden Ausgangskapazitäten zu verbinden. Durch diese Maßnahme kann zwar das Zusammenbrechen der Spannung über der im vorliegenden Fall zum Abgriff der Teilspannung für den zusätzlichen DC/DC-Wandler 5 vorgesehenen Kapazität C22 vermieden werden, doch ergäbe sich im geschlossenen Zustand des Schalters S für die Gleichspannung über C22 ein Kurzschluß auf dem Pfad über die Teilinduktivität L12, die Gleichrichterdiode D13, die Induktivität L2 und den Schalter S. Die Entladung des Kondensators C22 über diesen Kurzschlußpfad zu verhindern, ist die Aufgabe der zusätzlichen Diode D2.In order to avoid this, the invention also provides for the consumer inductance L1 and the tuning capacitance C1 connected in parallel to be subdivided accordingly into partial inductances L11 and L12 or C11 and C12, and the node C, at which the two partial resonant circuits thus created are connected to one another, to connect with the connection node D of the two output capacitors. Although this measure prevents the breakdown of the voltage across the capacitor C22 provided in the present case for tapping the partial voltage for the additional DC / DC converter 5 , a short circuit would result in the closed state of the switch S for the DC voltage via C22 the path via the partial inductance L12, the rectifier diode D13, the inductance L2 and the switch S. The task of the additional diode D2 is to prevent the discharge of the capacitor C22 via this short circuit path.
Allein mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen funktioniert die Schaltung bereits zufriedenstellend, d. h. es kann über C22 die Hälfte der zwischen den Klemmen A und B anliegenden Spannung zusätzlich abgegriffen und dem DC/DC-Wandler 5 zugeführt werden. Wenn jedoch aus irgendeinem Grunde die Hauptlast 4 von der Abnehmerelektronik abgetrennt wird, wäre die Konstanz der Spannung UL2 nicht mehr gewährleistet, da in diesem Fall die einzige verbleibende ohmsche Last parallel zu C22 angeschlossen wäre, während der Regler 2, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Gesamtspannung UL = UL1 + UL2 beobachtet.The circuit already works satisfactorily with the measures described above, ie half of the voltage present between terminals A and B can additionally be tapped via C22 and fed to the DC / DC converter 5 . However, if for some reason the main load 4 is disconnected from the consumer electronics, the constancy of the voltage U L2 would no longer be guaranteed, since in this case the only remaining resistive load would be connected in parallel to C22, while the regulator 2 , as in FIG. 1 is shown, the total voltage U L = U L1 + U L2 observed.
Um auch bei einer Abtrennung der Hauptlast 4 für eine stabile Teilspannung UL2 zu sorgen, sind die beiden gleich großen Widerstände R21 und R22 jeweils parallel zu den Kondensatoren C21 und C22 geschaltet, wodurch stets das Vorhandensein einer ohmschen Last zwischen den Klemmen A und B sichergestellt ist. Diese Last ist insgesamt nicht symmetrisch, wobei das Ausmaß der Unsymmetrie in erster Linie von der Höhe der an den Klemmen F und G des DC/DC-Wandlers 5 entnommenen Leistung abhängt. Dies bedeutet, daß die an diesen Klemmen entnehmbare Leistung insbesondere im Fall des Betriebes der Abnehmerelektronik ohne angeschlossene Hauptlast 4 begrenzt ist. Wie bereits eingangs erwähnt, wird die zusätzliche Spannung US aber nur zum Betrieb einer Steuerelektronik benötigt, die im Vergleich zur Hauptlast 4 nur einen geringen Leistungsbedarf hat. Die zusätzlichen Widerstände R21 und R22 können relativ hochohmig, d. h. in der Größenordnung von 10 bis 100 kΩ, dimensioniert werden.In order to ensure a stable partial voltage U L2 even when the main load 4 is disconnected, the two equally large resistors R21 and R22 are each connected in parallel to the capacitors C21 and C22, which always ensures the presence of an ohmic load between the terminals A and B. is. Overall, this load is not symmetrical, the extent of the asymmetry primarily depending on the amount of power drawn at the terminals F and G of the DC / DC converter 5 . This means that the power that can be drawn from these terminals is limited, in particular when the consumer electronics are operated without a main load 4 connected. As already mentioned at the beginning, the additional voltage U S is, however, only required to operate control electronics which have only a low power requirement in comparison to main load 4 . The additional resistors R21 and R22 can be dimensioned with relatively high impedance, ie in the order of 10 to 100 kΩ.
Obwohl das vorausgehend beschriebene Ausführungsbeispiel eine symmetrische Aufteilung des Abnehmerschwingkreises und der ausgangsseitigen RC-Glieder vorsieht, so wäre es auch möglich, ein unsymmetrisches Teilverhältnis zu wählen, um eine zusätzliche Spannung abgreifen zu können, die größer oder kleiner ist als die Hälfte der Ausgangsspannung UL. Although the exemplary embodiment described above provides a symmetrical division of the pickup resonant circuit and the output-side RC elements, it would also be possible to choose an asymmetrical part ratio in order to be able to tap an additional voltage which is greater or less than half the output voltage U L ,
Auch wäre es grundsätzlich denkbar, eine Unterteilung in mehr als nur zwei Spannungen vorzunehmen, falls mehrere verschiedene zusätzliche Spannungen benötigt würden. Solche Abwandlungen bzw. Erweiterungen stehen einem Fachmann in Kenntnis des vorstehend beschriebenen Beispiels ohne weiteres offen und sind Bestandteil der vorliegenden Erfindung.In principle, it would also be conceivable to subdivide into more than just two tensions if several different additional voltages are required. Such Modifications or extensions are known to a person skilled in the art above described example readily open and are part of the present invention.
Eine zweckmäßige Art der Zusammenschaltung der zuvor beschriebenen Abnehmerelektronik mit einer Hauptlast 4 in Form eines Asynchronmotors 6, der von einem Dreiphasenumrichter 7 angesteuert wird, zeigt Fig. 3. Die Abnehmerelektronik ist in Fig. 3 als ein Block 8 dargestellt, der alle Komponenten der anhand Fig. 2 erläuterten Schaltung bis auf die Abnehmerinduktivität L11 + L12, den Gleichspannungswandler 5, und die Hauptlast 4 enthalten soll. Die in Fig. 3 gezeigte Konfiguration mit einem von einem Umrichter 7 angesteuerten Motor 6 ist eine typische Art von Hauptlast 4, die zum Anschluß an den Klemmen A und B einer erfindungsgemäßen Abnehmerelektronik 8 vorgesehen ist. FIG. 3 shows an expedient way of interconnecting the previously described consumer electronics with a main load 4 in the form of an asynchronous motor 6 , which is controlled by a three-phase converter 7. The consumer electronics is shown in FIG. 3 as a block 8 , which uses all of the components Fig. 2 explained circuit except for the consumer inductance L11 + L12, the DC-DC converter 5 , and the main load 4 is to contain. The configuration shown in FIG. 3 with a motor 6 controlled by a converter 7 is a typical type of main load 4 , which is provided for connection to the terminals A and B of a consumer electronics 8 according to the invention.
Dabei ergibt sich das Problem, daß bei einem Generatorbetrieb des Motors 6, wie er bei einem Bremsvorgang auftritt, Leistung über den Umrichter 7 zurück in Richtung der Abnehmerelektronik 8 fließen kann. Dies würden bei einer Abnehmerelektronik nach dem Stand der Technik, wie sie Fig. 1 zeigt, zu einem Ansteigen der Spannung über der Ausgangskapazität C2 führen, was den Regler 2 dazu veranlassen würde, den Schalter S zu schließen, damit von der Abnehmerseite her kein Beitrag zu einem weiteren Anstieg der Ausgangsspannung UL geleistet wird. Der Spannungsanstieg wäre nicht störend, solange ihn der Regler 2 verkraften kann.This gives rise to the problem that when the motor 6 is in generator mode, as occurs during a braking operation, power can flow back via the converter 7 in the direction of the consumer electronics 8 . In a prior art consumer electronics system, as shown in FIG. 1, this would lead to an increase in the voltage across the output capacitance C2, which would cause the controller 2 to close the switch S, so that no contribution is made from the consumer side for a further increase in the output voltage U L. The voltage increase would not be a nuisance as long as controller 2 can handle it.
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltung, wie sie Fig. 2 zeigt, kann jedoch kein solcher Anstieg der Ausgangsspannung UL = UL1 + UL2 bei einem Generatorbetrieb des Motors 6 zugelassen werden, da er die Stabilität der Eingangsspannung UL2 des Gleichspannungswandlers 5 zunichte machen würde. Eine starke Überhöhung der Ausgangsspannung könnte sogar durch entsprechende Überhöhung der Teilspannung UL2 zu einer Beschädigung des Eingangs des Gleichspannungswandlers 5 führen.In a circuit according to the invention, as shown in FIG. 2, however, such an increase in the output voltage U L = U L1 + U L2 cannot be permitted when the motor 6 is operated as a generator, since it would destroy the stability of the input voltage U L2 of the DC-DC converter 5 , A large increase in the output voltage could even damage the input of the DC-DC converter 5 by correspondingly increasing the partial voltage U L2 .
Aus diesem Grunde ist in Fig. 3 die Zwischenschaltung einer weiteren Diode D3 zwischen der Ausgangsklemme A der Abnehmerelektronik 8 und dem Umrichter 7 sowie die Parallelschaltung einer weiteren Kapazität, die aus zwei Kondensatoren C31 und C32 in Serie zueinander besteht, parallel zum Eingang des Umrichters 7 vorgesehen. Ein Spannungsanstieg am Eingang des Umrichters 7 infolge eines Bremsbetriebes des Motors 6 führt in diesem Fall nur zu einer Aufladung der Kondensatoren C31 und C32, während ein Rückstrom zum Ausgang der Abnehmerelektronik 8, der die dortige Spannung unter Aufladung der ausgangsseitigen Kondensatoren C21 und C22 erhöhen würde, durch die Diode D3 verhindert wird. Die Kondensatoren C31 und C32 werden zur Aufnahme der aus dem Umrichter 7 zurückfließenden Energie benötigt, wobei die Aufteilung der Kapazität in zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren nicht zwingend, aber für die Realisierung mit Kondensatoren geringerer Spannungsfestigkeit zweckmäßig ist.For this reason, the interposition of a further diode D3 between the output terminal A of the consumer electronics 8 and the converter 7 and the parallel connection of a further capacitor, which consists of two capacitors C31 and C32 in series with one another, are parallel to the input of the converter 7 in FIG. 3 intended. In this case, a voltage rise at the input of the converter 7 as a result of a braking operation of the motor 6 only leads to a charging of the capacitors C31 and C32, while a reverse current to the output of the consumer electronics 8 , which would increase the voltage there when the output-side capacitors C21 and C22 were charged , is prevented by the diode D3. The capacitors C31 and C32 are required to absorb the energy flowing back from the converter 7 , the division of the capacitance into two capacitors connected in series is not essential, but is useful for implementation with capacitors of lower dielectric strength.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abnehmerelektronik 8, der Umrichter 7 und die zwischen diese geschalteten Elemente, im Beispiel der Fig. 3 die Diode D3 und die Kondensatoren C31 und C32, in einer Baueinheit zusammengefaßt werden. Dies heißt zumindest, daß sie in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Vorteilhafterweise können sie darüber hinaus auch auf einer gemeinsamen Platine angeordnet werden. Hierdurch werden gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Abnehmerelektronik 8 und der Umrichter 7 getrennte Einheiten mit jeweils eigenem Gehäuse sind, die erst durch Kabel und Stecker miteinander verbunden werden müssen, Raum, Gewicht und Bauteile eingespart und somit eine kompaktere, und kostengünstigere Lösung geschaffen.It is particularly advantageous if the consumer electronics 8 , the converter 7 and the elements connected between them, in the example in FIG. 3 the diode D3 and the capacitors C31 and C32, are combined in one structural unit. At least this means that they are housed in a common housing. In addition, they can advantageously also be arranged on a common circuit board. This saves space, weight and components compared to the prior art, in which the consumer electronics 8 and the converter 7 are separate units, each with its own housing, which first have to be connected by cables and plugs, and thus a more compact and cost-effective solution created.
Dies gilt zwar nicht nur für den Fall, daß die Abnehmerelektronik 8 den Abgriff einer zweiten Ausgangsspannung ermöglicht, sondern auch bereits für die Kombination einer herkömmlichen Abnehmerelektronik, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, mit einem zur Ansteuerung eines Antriebs 6 vorgesehenen Umrichter 7. Die Zusammenfassung besagter Systemkomponenten zu einer gemeinsamen Baueinheit erbringt gegenüber der Ausbildung als separate Baueinheiten stets eine Raum-, Gewichts- und Kostenersparnis. Ein besonderer Vorteil ergibt sich aber bei einer Abnehmerelektronik 8 gemäß Fig. 2 mit zwei Ausgangsspannungen dadurch, daß die in diesem Fall benötigten zusätzlichen Elemente D3, C31 und C32 zur Entkopplung der Abnehmerelektronik 8 vom Umrichter 7 bei Leistungsrückfluß ohne großen Aufwand in die gemeinsame Baueinheit integriert werden können.This is true not only for the case where the consumer electronics 8 enables a second output voltage to be tapped, but also for the combination of conventional consumer electronics, as shown in FIG. 1, with a converter 7 provided for controlling a drive 6 . The combination of said system components into a common structural unit always saves space, weight and costs compared to training as separate structural units. A particular advantage arises with a consumer electronics 8 according to FIG. 2 with two output voltages in that the additional elements D3, C31 and C32 required in this case for decoupling the consumer electronics 8 from the converter 7 are integrated into the common structural unit without great effort when the power flows back can be.
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