DE202013000778U1 - Energieeffiziente Endstufe für schnelltaktende Magnetventile - Google Patents

Abstract

Energieeffiziente Leistungsendstufe zur Ansteuerung der Spule 1 eines schnelltaktenden Magnetventils, – bestehend aus einem von einer Ansteuerschaltung 3 gespeisten Halbleiterschalter 2, – bestehend aus einem Schaltungsteil 4 für die Versteilung des Stromanstiegs mit einem Kondensator und einer Hochspannungsquelle (ähnlich wie bei einer Thyristorzündung), – bestehend aus einem Schaltungsteil 5 zur Erhaltung des Impulsrückens mit einer Kleinspannungsquelle, – bestehend aus einem Schaltungsteil 6 zur Absorption der in der Induktivität der Spule gespeicherten Energie beim Öffnen des Halbleiterschalters.

Description

• Energieeffiziente Leistungsendstufe zur Ansteuerung der Spule von schnelltaktenden Magnetventilen.
• In der Vergangenheit erfolgte die Energieversorgung weitgehend zentral, das heißt, die Energie wurde überwiegend in Großkraftwerken erzeugt und Energieverteilungsnetze im Hinblick auf eine zentrale Energieeinspeisung hin ausgelegt. In jüngerer Zeit werden an die Energieverteilungsnetze vermehrt dezentrale Energieerzeugungseinrichtungen insbesondere zur Nutzung regenerativer Energiequellen angeschlossen, zum Beispiel Windenergie- oder Photovoltaikanlagen. Da diese Energieerzeugungseinrichtungen häufig nicht in der Hand der Betreiber des Energieverteilungsnetzes liegen, kann durch die Netzbetreiber nicht beeinflusst werden, zu welchen Zeitpunkten und in welcher Menge Energie in das Energieverteilungsnetz eingespeist wird. Hierdurch kann eine Situation eintreten, in welcher die Kapazitäten der Leitungen des Energieverteilungsnetzes nicht mehr an die tatsächliche Energiesituation angepasst sind. Der forcierte Einsatz dezentraler Energieerzeugung erfordert neue Strategien zur Steuerung von Energieerzeugung und -verbrauch sowie größere Kapazitäten zur Zwischenspeicherung von Energie.
• Eine Möglichkeit zur Abschwächung dieses Problems kann darin gesehen werden, bei dezentralen Energieerzeugern Einrichtungen zur temporären Speicherung zur Verfügung stehender, aber momentan vor Ort nicht verbrauchbarer elektrischer Energie vorzusehen. Derartige Energiespeicher finden bisher jedoch in Windkraft- oder Photovoltaikanlagen von kleiner bis mittlerer Größe, das heißt mit Spitzenleistungen von 5 kW bis zu einigen 100 kW, kaum Anwendung. Ein Grund ist der hohe Aufwand, mit welchem ein derartiger elektrischer Energiespeicher bisher verbunden ist.
• Beispielsweise würde für eine Photovoltaikanlage mit einer Spitzenleistung von 5 kW, wie sie in privaten Haushalten üblich ist, ein elektrischer Energiespeicher mit einer Kapazität von 20 bis 30 kWh genügen. Die Anlage mit zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkumulatoren in dieser Größe zu versehen, würde den Aufwand für die Anlageninstallation gegenüber dem Aufwand für die reine Energieerzeugung nahezu verdoppeln. Hinzu käme, dass die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bei jeweils vollständiger Entladung auf ca. 700 Ladezyklen begrenzt ist. Weiterhin ginge von Akkumulatoren dieses Typs nach dem heutigen Stand der Technik bei Fehlbehandlung ein nicht unwesentliches Brandrisiko aus.
• Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung elektrischer Energiespeicher stellen Druckluftspeicher dar, die bisher jedoch hauptsächlich als größere Anlagen, so genannte Druckluftspeicherkraftwerke, realisiert wurden. Das Prinzip derartiger Druckluftspeicherkraftwerke ist beispielsweise in der freien Enzyklopädie Wikipedia auf der Internet-Seite de.wikipedia.org/wiki/druckluftspeicherkraftwerk beschrieben. Druckluftspeicherkraftwerke sind Speicherkraftwerke, in denen Druckluft als Medium für die Energiespeicherung verwendet wird. Sie dienen zur Netzregelung wie beispielsweise zur Bereitstellung von Regelleistung: Wenn mehr Strom produziert als verbraucht wird, wird mit der überschüssigen Energie Luft unter Druck in einen Speicher gepumpt; bei Strombedarf wird mit der Druckluft in einer Turbine Strom produziert.
• Ein Druckluftspeicher für kleinere Anlagen, z. B. wie in DE 20 2012 010 190.0 dargestellt, umfasst einen Kompressor mit Elektromotor, Behälter für Druckluft und einen Druckluftmotor mit gekoppeltem Generator. Erst der Einsatz, eines Druckluftmotors anstelle der Turbine ermöglicht es, den Druckluftspeicher in dezentralen Energieversorgungseinrichtungen insbesondere in Windkraft- oder Photovoltaikanlagen kleiner bis mittlerer Größe zur Anwendung zu bringen.
• Aus DE 20 2012 007 415.6 ist ein Gerät zur energieeffizienten Ansteuerung von Gasexpansionsmotoren bekannt, das ein oder mehrere Ansteuersignale für handelsübliche schnelltaktende Magnetventile liefert (zu letzteren siehe z. B. Fischer, Stephan; Heil, Wolfgang; Klinksiek, Dirk, Müller, Jasmin; ”Magnetventiltechnik”, Süddeutscher Verlag onpact GmbH, München 2011). Damit diese bei den erforderlichen Schaltfrequenzen von z. B. 50 Hz (3000 U/min des Motors) schnell genug Öffnen und Schließen ist eine entsprechender Leistungsendstufe erforderlich.
• Aus DE 10 2011 078 879 A1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung von schnell taktenden Magnetventilen für Verbrennungsmotoren bekannt, bei der jedoch die Energieeffizienz nicht im Fokus steht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsendstufe zu schaffen, die es ermöglicht, Stromimpulse durch die Standard-Industriespule der Magnetventile mit Anstiegs- und Abfallzeiten um 1 Millisekunde bei hoher Energieeffizienz zu erzeugen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der Anwendung einer Kondensatorentladung für die Versteilung der Stromimpulse, die in einem geringen Verbrauch von elektrischer Energie resultiert.
• Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Leistungsendstufe aus einem flankenversteilenden Schaltungsteil 4, der im wesentlichen aus einem von einer Hochspannungsquelle aufgeladenen Kondensator ähnlich wie bei einer Thyristorzündung besteht, aus einem Schaltungsteil zur Impulsrückenerhaltung 5 mit einer Kleinspannungsquelle und einem Schaltungsteil zur Versteilung des Impulsabfalls mit einem Halbleiterventil und einem Schaltungsteil mit Absorber 6 für die in der Induktivität gespeicherte Energie.
• Eine mögliche Dimensionierung könnte folgende beispielhafte Daten erreichen:
• • Magnetventil mit Standard-Industriespule 24 V, 0,77 A, Spulenwiderstand 30 Ohm, Spuleninduktivität 230 mH.
• • Stromanstiegs- und abfallzeit ca. 1 Millisekunde.
• • Erforderliche Spannung für die Flankenversteilung: 390 V.
• • Spannung für den Impulsrücken: 24 V.
• • Erforderliche Leistung für die Flankenversteilung bei 50 Hz: 34 W pro Ventil. Davon wird nur etwa 1/4 in der Spule umgesetzt.
• • Erforderliche Leistung für den Impulsrücken: 9 W pro Ventil.
• • Erforderliche Aufnahmeleistung des Absorbers: 6,8 W pro Ventil.
• Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
• In der Figur ist ein Blockschaltbild der Leistungsendstufe dargestellt. Die Spule des Magnetventils 1 wird nach dem von der Ansteuerschaltung 3 veranlassten Schließen des Halbleiterschalters 2 mit Strömen sowohl aus dem Schaltungsteil zur Flankenversteilung, als auch aus dem Schaltungsteil für die Erhaltung des Impulsrückens 5 gespeist. Bei einem ebenfalls von der Ansteuerschaltung 3 veranlassten öffnen des Halbleiterschalters 2 wird die in der Spule gespeicherte induktive Energie von dem Schaltungsteil mit Absorber 6 aufgenommen.
• Bezugszeichenliste

1

Spule Magnetventil

2

Halbleiterschalter

3

Ansteuerschaltung für 2

4

Schaltungsteil zur Flankenversteilung

5

Schaltungsteil zur Erhaltung des Impulsrückens

6

Schaltungsteil mit Absorber für die in 1 gespeicherte induktive Energie

• 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 202012010190 [0005]
• DE 202012007415 [0006]
• DE 102011078879 A1 [0007]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• de.wikipedia.org/wiki/druckluftspeicherkraftwerk [0004]

Claims (1)

1. Energieeffiziente Leistungsendstufe zur Ansteuerung der Spule 1 eines schnelltaktenden Magnetventils, – bestehend aus einem von einer Ansteuerschaltung 3 gespeisten Halbleiterschalter 2, – bestehend aus einem Schaltungsteil 4 für die Versteilung des Stromanstiegs mit einem Kondensator und einer Hochspannungsquelle (ähnlich wie bei einer Thyristorzündung), – bestehend aus einem Schaltungsteil 5 zur Erhaltung des Impulsrückens mit einer Kleinspannungsquelle, – bestehend aus einem Schaltungsteil 6 zur Absorption der in der Induktivität der Spule gespeicherten Energie beim Öffnen des Halbleiterschalters.

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