DE4236340C2 - Anordnung zur induktiven Übertragung von Energie - Google Patents
Anordnung zur induktiven Übertragung von EnergieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induktiven Übertragung von
Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (IEEE Transactions
on Power Electronics, Vol. 4 (1989), S. 348-354).
Elektrische Energie ist nach dem Induktionsprinzip über Luftspalte
berührungsfrei übertragbar. Für das Überwinden größerer Spaltweiten sind
Mindestwerte der Frequenz und des Querschnitts des magnetischen
Wechselfeldes erforderlich, damit der dieses Feld erzeugende
Magnetisierungsstrom in der Größenordnung des zu übertragenden
Wirkstromes bleibt.
Der Vorteil, eine elektrische Leistung bei hoher Frequenz in einem
kleinen Volumen übertragen zu können, gilt auch für das elektrische Feld
der Kondensatoren. Durch die Wahl geeigneter weichmagnetischer und
dielektrischer Werkstoffe wird außerdem erreicht, daß die auf die
übertragene Leistung bezogenen Verluste der Bauelemente zurückgehen, d.
h. die Wirkungsgrade ansteigen. So wie Spannungswandlungen bei der
Energieübertragung über große Entfernungen den Materialaufwand, den
Spannungsabfall und die Energieverluste der Leitungen reduzieren,
ermöglicht die Mittelfrequenz-Energieübertragung erhebliche Einsparungen
an Volumen, Gewicht und Verlusten bei allen elektromagnetischen
Bauelementen und Kondensatoren.
Die Vorteile der Mittelfrequenz-Energieübertragung werden in vielen
Anwendungen bedeutsam, wenn die Frequenz von 50 Hz oder 400 Hz in den
Frequenzbereich über 20 kHz gelegt wird.
Für diesen Frequenzbereich sprechen folgende Gründe:
- - Geräuschprobleme entfallen.
- - Frequenzen bis 100 kHz sind mit den verfügbaren Halbleiterbauelementen auch noch bei Leistungen über 10 kW mit vertretbarem Aufwand zu erzeugen.
- - Die Funkschutzbestimmungen können in diesem Bereich leichter eingehalten werden.
Die induktive Energieübertragung bei Mittelfrequenz eröffnet vielfältige
neue Möglichkeiten und bietet gegenüber der leitungsgebundenen
Energieübertragung folgende allgemeine Vorteile:
- - kein Verschleißen von Kabeln durch Knicken, Verdrehen oder Nachschleppen,
- - größere Beweglichkeit, erweiterter Aktionsbereich,
- - Leichtgängigkeit bei austauschbaren Modulen, weil Kontaktkräfte entfallen,
- - Vermeiden von Lichtbögen und Abrieb an Kontakten oder Schleifbahnen von Stromabnehmern,
- - in explosionsgefährdeter Umgebung wie im Bergbau einsetzbar,
- - Potentialtrennung, Schutz vor Berührungsspannung, hohe Isolationsfestigkeit des Spaltes.
Einsatzmöglichkeiten für berührungslose Energieübertragung ergeben sich
insbesondere für entlang eines Stators bewegbare Verbraucher wie
Magnetbahnen, Transportwagen oder Roboter.
Bereits bekannt ist eine Anordnung zur berührungsfreien Leistungsübertragung
auf verschiebbare und leicht austauschbare Sitzgruppen von
Passagierflugzeugen (IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 4
(1989), S. 348-354). Dabei sind primärseitig Leiterschleifen in den
Boden eingelassen, über denen mit den Sitzgruppen verbundene und mit
diesen verschiebbare Sekundärwicklungen so angeordnet sind, daß eine
möglichst gute magnetische Kopplung zwischen primärseitigen
Leiterschleifen und Sekundärwicklungen besteht. Die gute Kopplung wird
hierbei durch u-förmige weichmagnetische Kerne der Sekundärwicklungen,
welche die mittleren Leiter der im Boden verlegten Leiterschleifen sowie
die darunterliegende weichmagnetische Schiene umfassen, erreicht.
Mit der über die Sekundärwicklungen auf die Sitzgruppen übertragenen
Leistung werden "Entertainment Sets" in den Rückenlehnen der Sitze, die
u. a. ein kleines Fernsehgerät für jeden Passagier enthalten, gespeist.
Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß sie nur zur Übertragung von
kleinen Leistungen geeignet ist, weil von den Streufeldern der
Anordnung in andere Leitungen, die in der Nähe und parallel zu den
primären Statorschleifen verlaufen, Störungen induziert werden.
Geringere Streufelder treten auf, wenn statt der Leiterschleifen mit an
allen Stellen der Schleifen in die gleiche Richtung weisenden Federn
nebeneinanderliegende Spulen mit abwechselnd entgegengesetzten
Feldrichtungen verwendet werden. Derartige Anordnungen sind nachfolgend
in Anlehnung an die Terminologie der Wicklungen von Wechsel- und
Drehstrommaschinen als Anordnungen mit wechselnden Polen oder kurz als
Wechselpole bezeichnet. Der ruhende Stator einer Anordnung zur
berührungslosen Energieübertragung auf linear bewegbare Verbraucher
besteht danach aus längs des Weges der Verbraucher nebeneinanderliegenden
Spulen gleicher Breite, nachfolgend als Polteilung bezeichnet,
welche elektromagnetische Felder einer höheren Frequenz mit wechselnder
Feldrichtung erzeugen.
Jeder bewegbare Verbraucher, d. h. jede Sekundäranordnung, besitzt nun
eine beschränkte Anzahl von nebeneinanderliegenden Spulen, die mit den
Primärspulen des Stators magnetisch gekoppelt sind, so daß nach dem
Induktionsprinzip Energie von den Primärspulen des Stators auf die
Sekundärspulen der bewegbaren Verbraucher übertragen wird.
Hierbei besteht allerdings das Problem, daß bei der Bewegung der
Sekundärspulen über den Wechselpolen Stellungen erreicht werden, bei
denen keine magnetische Kopplung zwischen dem Primär- und dem
Sekundärsystem besteht. Darüber hinaus besteht das Problem, daß bei einer
Reihenschaltung der Primärspulen des Stators in den Spulen der von
keinen Sekundärspulen bedeckten Statorabschnitte ein großer induktiver
Spannungsabfall auftritt, der die Energieübertragung erschwert.
Der Nachteil eines großen induktiven Spannungsabfalls ist bei der in der
Zeitschrift ELEKTRIE, 34 (1980), H. 7, S. 339-341, beschriebenen
induktiven Energieübertragung durch die Reihenschaltung von
Kompensationskondensatoren mit den Übertragungsleitungen der ruhenden
Primärseite sowie der bewegten Sekundäranordnung vermieden.
Die Reihenschaltung aller Übertragungsleitungen der Primärseite bewirkt,
daß bei dem Betrieb mehrerer bewegter Sekundäranordnungen an einem
gemeinsamen Primärteil die Sekundärsysteme, wie im Bild 2, ELEKTRIE, 34
(1980), S. 339, gezeigt wird, elektrisch in Reihe geschaltet sind, so daß
die Sekundärsysteme ihre Stromaufnahme nicht unabhängig voneinander
einstellen können. Diese nachteilige elektrische Reihenschaltung aller
Sekundärsysteme ist auch bei dem in den IEEE-Transactions on Power
Electronics, Vol. 4, 1989, S. 349 ff., beschriebenen Übertragungssystem,
wie Fig. 5 auf S. 350 zeigt, gegeben.
Bei der in der Zeitschrift ELEKTRIE beschriebenen Leiteranordnung des
Primärteils mit parallelen, in 400 mm Abstand verlegten Leitungen für
das Übertragen von Leistungen zum Betreiben von Grubenlokomotiven sind
die Streufelder und die in benachbarten Leitungen induzierten Störungen
noch um Größenordnungen stärker als bei dem Übertragungssystem zum
Speisen von "Entertainment Sets".
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur
induktiven Übertragung von Energie auf einen oder mehrere bewegbare
Verbraucher anzugeben, bei der die Strom- und Leistungsaufnahme jedes
Verbrauchers unabhängig von den anderen Verbrauchern einstellbar ist und
die eine hohe Übertragungsleistung bei geringen Störfeldern ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
enthalten.
Die Erfindung beruht auf der Idee, bei einer primärseitig aus einem
Stator mit Statorspulen und sekundärseitig aus einem oder mehreren
induktiv an den Stator gekoppelten Verbrauchern bestehenden
Energieübertragungsanordnung Gruppen von mehreren in Reihe geschalteten
Statorspulen und strombegrenzenden Kondensatoren parallel an eine
Mittelfrequenzsammelleitung anzuschließen.
Dabei sind die Gruppen so zu bemessen, daß ein Kondensator in jeder
nicht an einen Verbraucher gekoppelten Gruppe den größten komplexen
Widerstand bildet und damit strombegrenzend wirkt. Am Ort eines
Verbrauchers schließen sich die magnetischen Kreise von Stator und
Verbraucher und erhöhen die induktiven Widerstände der Spulengruppen.
Diese kommen daher mit den Kondensatoren in Resonanz. Das ist die
wesentliche Voraussetzung für den Energietransport.
Die Leistungsstellung wirkt für jeden Verbraucher individuell über einen
Wechselrichter auf der Sekundärseite des Übertragungssystems. Da sich
beim Stellen im wesentlichen nur der Energieinhalt in dem vom jeweiligen
Sekundärsystem bedeckten Statorabschnitt ändert, ist durch das
sekundärseitige Stellen eine gute Stelldynamik realisierbar.
Leerlaufende, d. h. nicht bedeckte Spulengruppen belasten die
Sammelleitung und den speisenden Primärwechselrichter nicht, da die
nicht bedeckten Spulengruppen nur einen geringen induktiven Widerstand
haben und die Kondensatoren den Leerlaufstrom I₀ begrenzen.
Diese mit keinem Leistungsumsatz verbundenen kapazitiven Blindströme
werden durch die entgegengesetzt gerichteten induktiven Blindströme IB
der Induktivitäten LB kompensiert.
Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe von Zeichnungen genauer
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslosen Energieübertragung;
Fig. 2 einen Abschnitt eines Stators mit den primärseitigen Spulen
und einem bewegbaren Sekundärsystem sowie den räumlichen
Verlauf der magnetischen Flußdichte und der sekundärseitig
induzierten Spannungen;
Fig. 3 Ausführungsbeispiele von Wechselrichtern, die an die Sekundärsysteme
angeschlossen sind und das Einstellen des
Leistungsflusses zwischen dem Stator und dem Sekundärsystem
nach Größe und Richtung ermöglichen;
Fig. 4 Ersatzschaltbilder und Zeigerdiagramme für das Zusammenwirken
eines Reihenkondensators mit einer Spulengruppe ohne sekundären
Wechselrichter;
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild mit Zeigerdiagramm für die Anordnung gem.
Fig. 1;
Fig. 6 Zeigerdiagramme der Ströme und Spannungen des Resonanzübertragers
nach Fig. 5 bei einer etwas von den idealen Resonanzverhältnissen
abweichenden Dimensionierung;
Fig. 7 den zeitlichen Verlauf von Strömen und Spannungen des Resonanzübertragers
in Fig. 5 bei einer sekundärseitiges Konstantstromverhalten
bewirkenden Dimensionierung und
Fig. 8 eine Kombination eines berührungslosen Übertragungssystems mit
einem Linearantrieb.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung zur
berührungslosen Energieübertragung auf mehrere Verbraucher. Hierbei
bezeichnet 1 eine Mittelfrequenzsammelleitung, an der Gruppen 2a, 2b, 2c
von mehreren Wechselpole bildenden und in Reihe geschalteten Spulen mit
strombegrenzenden Kondensatoren C parallel angeschlossen sind.
Die Spulengruppen 2a und 2c sind jeweils induktiv an die bewegbaren Verbraucher
3a bzw. 3b angekoppelt; die betreffenden primärseitigen Spulen
sind von den sekundärseitigen Spulen bedeckt. Beim Verbraucher 3a ist
eine zweisträngige Ausführung der Sekundärwicklung verwendet; auf den
entsprechenden Wechselrichter wird im Zusammenhang mit Fig. 3 näher
eingegangen. Am Ausgang des Wechselrichters steht die Gleichspannung
UB2 zur Verfügung. Der Primärwechselrichter 4 erzeugt aus der Betriebsspannung
UB1 die Wechselspannung U W und damit die Spannung U₁ der
Mittelfrequenzsammelleitung 1. Das Übertragungsverhalten der Anordnung
nach Fig. 1 wird im Zusammenhang mit den Fig. 4 bis 7 genauer
beschrieben.
Die Mittelfrequenz-Sammelleitung kann aus dünnen geschichteten Kupferbändern
bestehen, wobei sich Hin- und Rückleiter in aufeinanderfolgenden
Schichten abwechseln. Die Banddicke ist dabei etwas kleiner
als die Eindringtiefe des Stromes, die bei 25 kHz in Kupfer 0,4 mm
beträgt. Die Dicke des Kupferbandes und die Dicke der zwischen Hin- und
Rückleitern liegenden Isolierfolie können so gewählt werden, daß der
ohmsche und induktive Leitungswiderstand etwa gleich groß sind.
Die zu übertragende Stromstärke und der zulässige Spannungsabfall
bestimmen die Breite und die Zahl der Bänder. Eine derartige Leitung hat
einen sehr kleinen Induktivitätsbelag L′, der reziprok zur Breite und
Anzahl der Bänder abnimmt, und einen proportional mit der Anzahl und
Breite der Bänder ansteigenden Kapazitätsbelag C′. Der Wellenwiderstand
einer Leitung für etwa 20 A beträgt nur wenige Ohm. Nimmt man an, daß
die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit auf der Sammelleitung durch die
Dielektrizitätskonstante der isolierenden Schichten auf minimal
cW≈10⁵ km/s reduziert ist, so beträgt die Wellenlänge auf der Leitung
bei 25 kHz: λW≈4 km. Bis zu Leitungslängen von etwa λW/10≈0,4 km
können die Spulengruppen eines Stators bei 25 kHz über eine Leitung mit
niedriger Impedanz und definiertem Bezugspotential weitgehend
reflexionsfrei untereinander und mit den Wechselrichtern verbunden
werden.
Die Leitungskapazitäten sind unproblematisch, weil sie zu bereits
vorhandenen Kondensatoren CP eines Systems, beispielsweise von
Parallelschwingkreisen, parallel liegen. Derartige Schaltprinzipien sind
bei der Übertragung von Mittelfrequenzleistung wegen des weitgehend
oberschwingungsfreien Spannungsverlaufes und der niedrigen Reaktanzen
gegenüber höherfrequenten Störungen von Vorteil.
Fig. 2 veranschaulicht den räumlichen Verlauf der magnetischen
Flußdichte B in einem von einem Sekundärsystem bedeckten Abschnitt des
Stators und der sekundärseitig induzierten Spannungen. Bei dem in Fig. 2
gezeigten Übertrager liegen die Wicklungen der Spulen auf dünnen
Ferritjochen 5, 6. Bei kleineren Spaltweiten ist es vorteilhaft, die
Wicklungen wie bei elektrischen Maschinen in Nuten zu betten. Da
benachbarte Spulen entgegengesetzt vom Strom durchflossen werden, heben
sich die magnetischen Feldkomponenten in einem größeren Abstand vom
unbedeckten Teil des Stators auf. Im Spalt 7 zwischen Stator und
Sekundärsystem hat die magnetische Flußdichte einen trapezförmigen
Verlauf. Sie induziert in den sekundärseitigen Wicklungen W1, W2, die
aus Reihenschaltungen symmetrisch versetzter Spulen bestehen,
mittelfrequente Spannungen U₁ (a) und U₂ (a), die von der Verschiebung a
zwischen Stator und Sekundärsystem abhängig sind. Die in Fig. 2 dick und
gestrichelt ausgezogenen Funktionen U₁ (a) und U₂ (a) sind die Hüllkurven
der Scheitelwerte der mittelfrequenten Spannungen U₁ (a) und U₂ (a).
In Analogie zu den Wicklungen elektrischer Maschinen reichen zwei oder
drei symmetrisch versetzte sekundäre Wicklungsstränge aus, damit in
jeder beliebigen Stellung des Sekundärsystems die gleichen
Übertragungsbedingungen vorliegen. Ein Stromrichter, im einfachsten Fall
ein Brückengleichrichter, wählt dann stets den Strang mit der höchsten
Induktionsspannung, d. h. mit der besten Kopplung zum Primärsystem für
die Leistungsübertragung aus und richtet dessen Strangstrom gleich.
Bei einem Übertragungssystem gem. Fig. 2 werden durch die Leiteranordnung
wechselnde Pole entlang des Stators erreicht. Die jedem Pol bzw.
den Windungen eines Pols zuzuordnenden magnetischen Leitwerte sind der
magnetische Hauptleitwert λh der je Strang und Pol gekoppelten
Windungen von Primär- und Sekundärwicklung; die jedem λh
zuzuordnenden primär- und sekundärseitigen Streuleitwerte λE, und der
magnetische Leitwert λ₀, des nur mit den Primärwindungen verketteten
magnetischen Kreises eines von keinem Sekundärsystem bedeckten
Statorpols.
Der magnetische Leitwert λ₀ der unbedeckten Pole ist größer als der
Streuleitwert λE, aber kleiner als der Hauptleitwert λh eines von
einem Sekundärsystem bedeckten Pols. Mit λ₀<λh gilt auch, daß die
Induktivität L₀ der vom Sekundärsystem nicht bedeckten Spulen oder
Spulengruppen kleiner als die Gegeninduktivität M der unter dem
Sekundärsystem liegenden Spulen ist. Der parallele Betrieb von bedeckten
und nicht bedeckten Spulen oder Spulengruppen in einer gemeinsamen
Mittelfrequenzsammelleitung ist daher nur möglich, wenn der in Fig. 1 zu
den Spulengruppen in Reihe geschaltete Kondensator C den Leerlaufstrom
I₀ einer unbedeckten Spulengruppe annähernd auf den Wert des Stromes IL
begrenzt, den eine Spulengruppe beim Übertragen der Nennleistung auf das
Sekundärsystem aufnimmt. Zur Kompensation des kapazitiven
Leerlaufstromes I₀ ist zu jeder Reihenschaltung aus Spulengruppe und
Kondensator eine Induktivität LB parallel geschaltet.
In Fig. 3 sind für zwei- bzw. dreisträngige Ausführungen der Sekundärwicklung
Beispiele von mehrsträngigen Resonanzwechselrichtern auf der
Sekundärseite des Übertragungssystems dargestellt.
Hierbei bilden die mit den Sekundärwicklungen in Reihe geschalteten
Kondensatoren C₂ und 2 C₂/2, wie bei dem Resonanzübertrager in Fig. 5
gezeigt, mit den sekundärseitigen Streuinduktivitäten L₂
Reihenresonanzkreise.
Bei zwei Wicklungssträngen ist mit dem Anschluß eines Wechselrichters in
Halbbrückenschaltung an jeden Wicklungsstrang der minimale Aufwand
realisiert. In einer Stellung des Sekundärsystems mit maximaler Kopplung
zwischen der Statorwicklung und einem sekundären Wicklungsstrang erfolgt
die Leistungsübertragung nur über diesen sekundären Wicklungsstrang und
den zugeordneten Resonanzwechselrichter. Ist die Kopplung von der
Statorwicklung zu beiden Sekundärsträngen gleich groß, wird die Leistung
über beide Stränge und Wechselrichter parallel übertragen. Für eine
dreisträngige Wicklung ist die Brückenschaltung mit drei Zweigen
vorgesehen.
In der Stellung der maximalen Kopplung zwischen der Statorwicklung und
zwei in Reihe geschalteten Strängen der dreisträngigen Sekundärwicklung
erfolgt die Energieübertragung über diese beiden Sekundärstränge und
einen aus zwei Zweigen gebildeten Wechselrichter in Brückenschaltung.
Nach einer Verschiebung des Sekundärsystems um ein Sechstel τp (τp=
Polteilung) ist die Kopplung der Statorwicklung zu zwei sekundären
Wicklungssträngen gleich und im dritten Strang maximal. Die beiden
gleichberechtigten Stränge werden in dieser Stellung über die
zugehörigen Brückenzweige untereinander parallel und mit dem dritten
Wicklungsstrang und Brückenzweig in Reihe geschaltet betrieben. Sowohl
beim zweisträngigen als auch beim dreisträngigen Sekundärsystem ist die
Stellung mit gleicher Kopplung zwischen Statorwicklung und zwei Strängen
der Sekundärwicklung die Mitte eines Bereichs, in dem sich zwei
Wicklungsstränge und Wechselrichterzweige in der Stromführung ablösen.
Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung
genauer erklärt. Hierbei wird von folgenden Überlegungen ausgegangen:
- - Bei allen vom Sekundärsystem nicht bedeckten Spulengruppen bildet der in Reihe geschaltete Kondensator die dominierende Reaktanz im Stromkreis und begrenzt die Stromaufnahme.
- - An einem vom Sekundärsystem bedeckten Statorabschnitt stimmen die Beträge der Reaktanzen einer Spulengruppe und des in Reihe geschalteten Kondensators annähernd überein. Diese Resonanz ist die Voraussetzung für den Energietransport auf das Sekundärsystem.
- - Die Resonanzerhöhung und die übertragene Leistung sind nicht von einer zufälligen Belastung auf der Sekundärseite abhängig, sondern werden von den sekundärseitigen Wechselrichtern eingestellt.
Das prinzipielle Zusammenwirken des Reihenkondensators C mit einer
Spulengruppe wird anhand der Ersatzschaltungen und Zeigerdiagramme der
Fig. 4 betrachtet. Im linken Bildteil von Fig. 4 wurde angenommen, daß
die Stator-Spulengruppe an eine mit einem Widerstand R belastete
Sekundärwicklung gekoppelt ist und dabei Nennlast mit gleichen Beträgen
von Laststrom I₂ und Magnetisierungsstrom Iµ auftritt.
Die Reaktanz des Eingangskondensators berechnet sich aus der
Ersatzschaltung der unbedeckten Spulengruppe in der Mitte der Fig. 4,
deren Stromaufnahme |I₀| kleiner als der bei Nennlast aufgenommene
Strom IL bleiben soll.
Die Ersatzschaltung und das Zeigerdiagramm rechts in Fig. 4 zeigen den
Betriebszustand einer Statorspulengruppe in Resonanznähe ohne Belastung
und sekundärseitigen Wechselrichter. Mit dem Wechselrichter werden in
der Nähe des Resonanzpunktes des primärseitigen Reihenschwingkreises die
anhand der Fig. 5 bis 7 beschriebenen günstigen Bedingungen für das
Übertragen und Einstellen der Leistung erreicht.
Zur Darstellung der prinzipiellen Beziehungen zwischen den Spannungen
und Strömen des in Fig. 1 gezeigten Übertragungssystems mit parallelen
Spulengruppen im Stator wird dieses durch die Ersatzschaltung in Fig. 5
ersetzt. Sie ist in vier Funktionseinheiten Primärwechselrichter,
Übertragungsstrecke, Resonanzübertrager und sekundärer Wechselrichter
gegliedert.
Das Zeigerdiagramm in Fig. 5 veranschaulicht die Größenverhältnisse
und Phasenbeziehungen der Spannungen und Ströme vom Ausgang des
Primärwechselrichters bis zum Eingang des Resonanzübertragers.
Der Primärwechselrichter speist die zu übertragende Leistung in die
Übertragungsstrecke ein oder liefert von dem Sekundärsystem abgegebene
Leistung an die Spannungsquelle UB1 zurück. In dem Beispiel ist der
Streckenwechselrichter über den aus der Induktivität LW und der
Kapazität CW gebildeten Reihenschwingkreis an die Übertragungsstrecke
gekoppelt. Da diese einen bei konstanter Spannung U₁ betriebenen
Parallelschwingkreis darstellt, sind auch Parallelschwingkreis-
Wechselrichter für die Speisung der Übertragungsstrecke geeignet.
Die Prinzipschaltbilder zeigen aus Gründen der Vereinfachung
Wechselrichter, die an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
Für die praktische Realisierung der Übertragungssysteme sind vor allem
Direktumrichter von Bedeutung. Sie ermöglichen die bidirektionale
Leistungsübertragung zwischen der Mittelfrequenzsammelleitung und einem
Niederfrequenznetz ohne Gleichspannungs- oder Gleichstrom-
Zwischenkreis.
Im Ersatzschaltbild der Übertragungsstrecke sind alle an die MF-
Sammelleitung der Fig. 1 angeschlossenen Induktivitäten und Kapazitäten
des vom Sekundärsystem unbedeckten Stators zusammengefaßt. Die
Reihenschaltung aus der Induktivität LOS und der Kapazität CS
repräsentiert (n-m) unbedeckte Spulengruppen mit der Induktivität L₀
und der in Reihe geschalteten Kapazität C. Die Induktivität LBS
entspricht der Parallelschaltung aller zur Kompensation der kapazitiven
Leerlaufströme I₀ eingesetzten Blindstromdrosseln LS. Ersatzkapazität
CS und Ersatzinduktivität LBS sind die dominierenden Energiespeicher
bei einem längeren Übertragungsstator mit parallelen Spulengruppen und
geben der Übertragungsstrecke das Verhalten eines
Parallelschwingkreises.
Damit sprunghafte, durch das Schalten der Leistungshalbleiter
verursachte Spannungsänderungen nicht über die MF-Sammelleitung
übertragen werden, sind zu dieser in Fig. 1 und im Ersatzschaltbild Fig. 5
der Kondensator CP parallel geschaltet.
Das Ersatzschaltbild des Resonanzübertragers entspricht in seiner
Funktion einem aus m Statorspulengruppen und der bewegten
Sekundärwicklung gebildeten Transformator mit primär- und sekundärseitig
zu den Wicklungen in Reihe geschalteten Kondensatoren.
Diese Ersatzschaltung mit einem sekundären Wicklungsstrang gilt für die
Läuferstellungen mit maximaler Sekundärspannung exakt. Da die Maxima der
Sekundärspannungen nur τP/4 bei zweisträngiger und τP/6 bei
dreisträngiger Wicklung auseinanderliegen, wird bezüglich des
grundsätzlichen Systemverhaltens kein wesentlicher Fehler von der
Betrachtung nur eines Wicklungsstrangs erwartet.
In der einsträngigen Ersatzschaltung ist das Ersetzen der in Fig. 3
gezeigten Wechselrichter-Schaltprinzipien durch eine Brückenschaltung
für das Verstehen von Vorteil.
Bei konstanter Spannung U₁ der Übertragungsstrecke bestimmt der
sekundärseitige Wechselrichter, wie weiter unten gezeigt wird, Amplitude
und Phasenwinkel ϕ₁ des Stromes I₁ am Eingang des Resonanzübertragers.
Zu diesem Strom sind die über die ganze Übertragungsstrecke
aufsummierten kapazitiven Blindströme IOS, IP und der aufsummierte
induktive Blindstrom IBS addiert. Der resultierende Gesamtstrom IW ist
der Ausgangsstrom des Primärwechselrichters. Der große, zur Spannung U₁
gestrichelte senkrechte Zeiger veranschaulicht die Summe der Blindströme
der Übertragungsstrecke. Im realen System treten die Summenblindströme
wegen der abschnittsweise, in Fig. 1 für jede Spulengruppe, ausgeführten
Kompensation nicht auf.
Wegen der Konstanz der Spannung U₁ auf der Übertragungsstrecke ist auch
deren Energieinhalt konstant und von der zu übertragenden Leistung
unabhängig. Die Kompensationsdrosseln LB und der zur Ankopplung der
Übertragungsstrecke an den Primärwechselrichter dienende Reihenschwingkreis
aus der Induktivität LW und der Kapazität CW sind so
ausgelegt, daß der Primärwechselrichter bei der maximal übertragenen
Leistung annähernd ohmsch belastet ist.
Nachfolgend werden die Abhängigkeit der zu übertragenden Leistung von
den Induktivitäten M, Lσ 1, Lσ 2 und den Kapazitäten C₁ nd C₂ des
Ersatzschaltbildes des Resonanzübertragers in Fig. 5 und das Einstellen
dieser Leistung durch den Wechselrichter auf dem bewegten Sekundärsystem
beschrieben.
In dem dargestellten Beispiel kompensiert die Induktivität LW
überschüssige kapazitive Blindleistung des Resonanzübertragers, der
Übertragungsstrecke und der Kapazität CW. Das Zeigerdiagramm in Fig. 5
geht von einem angenommenen Eingangsstrom I₁ des verstärkt
hervorgehobenen Resonanzübertragers aus. Bei konstanter Frequenz f und
Spannung U₁ der Übertragungsstrecke sind die Ströme I₁, I₂ und Iµ des
Resonanzübertragers durch dessen Auslegung und die sekundärseitige
Spannung U₂ bestimmt. Dabei ist im wesentlichen nur die Grundschwingung
dieser Größen von Bedeutung.
Ein vorteilhaftes Betriebsverhalten des Resonanzübertragers wird mit
einer Dimensionierung erreicht, bei der zwischen der Eingangskapazität
C₁ und der Eingangsinduktivität Ls 1+M des Resonanzübertragers
annähernd Resonanz besteht, d. h. bei der Betriebsfrequenz der
berührungslosen Übertrageranordnung ist 1/ωC ungefähr gleich
(Lσ1+M). In diesen Beziehungen ist ω die Kreisfrequenz der
Betriebsfrequenz. Mit Hilfe der Rechnung mit komplexen Größen läßt sich
nachweisen, daß bei einer derartigen Auslegung der Strom I₂, der
zwischen dem Resonanzübertrager und dem sekundärseitigen Wechselrichter
fließt, annähernd unabhängig von der Spannung U₂ bzw. der
Gleichspannung UB2 des Sekundärwechselrichters ist. Der
Resonanzübertrager hat sekundärseitig annähernd Kontaktstromverhalten,
d. h., der komplexe Stromzeiger I₂ hat bei konstanter Spannung U₁ der
Übertragungsstrecke einen annähernd konstanten Betrag und eine annähernd
konstante Phasenlage zur Spannung U₁.
Es ist außerdem vorteilhaft, den Kondensator C₂ des Resonanzübertragers
so zu bemessen, daß dieser in Resonanz mit der sekundärseitigen
Induktivität Lσ 2 ist, d. h. die Bedingung 1/ωC₂=Lσ 2 besteht.
Dadurch wird die Hauptfeldspannung Uh des Übertragers vom Strom I₂
unabhängig und ist stets gleich der Grundschwingung U21 der
Wechselrichterspannung U₂. Anstelle der Hauptfeldspannung treibt nun die
Spannung am Kondensator C₂ den Strom über die Induktivität Lσ 2. Das
führt zu kleineren Abmessungen des Resonanzübertragers.
Das Einstellen der zu übertragenden Leistung nach Betrag und Richtung
erfolgt, wie anhand der Zeigerdiagramme in Fig. 6 gezeigt wird, durch
Einstellen des Phasenwinkels β, im folgenden Steuerwinkel genannt,
zwischen der Resonanzübertrager-Eingangsspannung U₁ und der
Grundschwingung U21 der Wechselrichterspannung U₂ bzw. dem Phasenwinkel
ϕ₂ zwischen der Spannung U21 und dem annähernd konstanten Strom I₂. Der
Phasenwinkel zwischen der Spannung U21 und dem Strom I2 des
Wechselrichters ist bekanntlich durch die Steuerung seiner
elektronischen Schalter S1-S4 einstellbar.
Das Diagramm a in Fig. 6 zeigt den Nennbetrieb der Leistungsübertragung,
d. h. den Zustand bei sekundärseitigem Gleichrichterbetrieb,
bei dem die steuerbaren Schalter S1-S4 nicht gesteuert werden, d. h.
stets geöffnet sind. Den Reaktanzverhältnissen entsprechend stellt sich
dabei ein Nennsteuerwinkel βN=81° zwischen Primärspannung U₁ und der
Grundschwingung U21 der Sekundärspannung ein. Der Eingangsstrom I₁ hat,
durch die Reaktanz des Eingangskondensators bedingt, eine kapazitive
Komponente.
Werden während der Stromführung eines Diodenpaares D1, D4 oder D2, D3
die dazu parallelen steuerbaren Halbleiterschalter S1, S4 oder S2, S3
des sekundärseitigen Wechselrichters von Fig. 5 geschlossen und nach dem
Richtungswechsel des Stromes verzögert geöffnet, so verschiebt sich die
Winkellage der Wechselrichterspannung U₂ bzw. U21 entsprechend der
Abschaltverzögerung nacheilend gegenüber der Ausgangswinkellage im
Gleichrichterbetrieb. Dabei nimmt der Steuerwinkel β ab, und der
Betriebszustand des Wechselrichters geht von dem Gleichrichterbetrieb in
den Wechselrichterbetrieb mit zunächst ohmsch-induktiver und dann, wie
im Diagramm e dargestellt, rein ohmscher Last über.
Die induktive Lastkomponente des Wechselrichters in den Diagrammen b bis
d wird durch die Magnetisierungsblindleistung des Resonanzübertragers
verursacht. Im Gleichrichterbetrieb liefert der Eingangsreihenkondensator
die gesamte Magnetisierungsblindleistung. Das Dreieck der Ströme im
Diagramm b zeigt, daß bei dem Steuerwinkel β=40° der sekundärseitige
Wechselrichter bereits einen erheblichen Teil der Magnetisierungsblindleistung
übernimmt. Bei dem Steuerwinkel β=0° wird keine Leistung
übertragen.
Die Magnetisierungsblindleistung kommt, wie Diagramm c zeigt, zum
überwiegenden Teil von dem sekundärseitigen Wechselrichter. Dadurch wird
die im rechten Teil der Fig. 4 dargestellte, bei unbelastetem Übertrager
kritische Resonanz der Eingangsinduktivität Lσ 1+M mit der in Reihe
geschalteten Kapazität C bzw. C₁ vermieden. Der Eingangsstrom I₁ und
damit auch die Spannung an dem Kondensator C₁ haben im Diagramm c der
Fig. 6 sogar ein Minimum.
Im Bereich negativer Steuerwinkel ist der Energiefluß, wie die Winkel
zwischen den Zeigerpaaren U21, I₂ und U₁, I₁ des Diagramms d zeigen, von
der Sekundär- zur Primärseite gerichtet. Die Magnetisierungsblindleistung
wird nun wieder zunehmend bis zum Steuerwinkel β=-81° im
Diagramm e von dem Eingangsreihenkondensator C₁ geliefert.
In den Diagrammen der Fig. 6 ändert der sekundärseitige Stromzeiger I₂
seine Länge und seine Winkellage zum Bezugszeiger U₁ geringfügig, weil
die Resonanzbedingung nur näherungsweise erfüllt ist.
Wird die Resonanzbedingung exakt eingehalten, bleiben Länge und
Winkellage von I₂ konstant. Für diese Betriebsbedingung zeigen die
Diagramme in Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der Spannungen und Ströme
sowie die Stromführungsbereiche der Halbleiter D1 bis D4 und S1 bis S4
der Fig. 5.
Im Diagramm a sind die Primärspannung U₁ und der um 90° nacheilende
Sekundärstrom I₂ dargestellt.
Bei abgeschalteten Halbleiterschaltern S1 bis S4 liegt reiner
Gleichrichterbetrieb entsprechend Diagramm b vor. Es zeigt die
rechteckförmige Spannung U₂, deren Grundschwingung U21=Uh den
Magnetisierungsstrom Iµ und den Primärstrom I₁=Iµ-I₂. Der
Steuerwinkel beträgt in diesem Nennzustand βN=90°.
Im Diagramm c werden die Halbleiterschalter entsprechend dem Winkel
β=0 angesteuert. Der Magnetisierungsstrom Iµ ist phasengleich mit dem
Sekundärstrom I₂. Das bedeutet, daß der sekundärseitige Wechselrichter
die Magnetisierungblindleistung des Resonanzübertragers liefert und eine
kleine, dem Differenzstrom I₁ entsprechende Blindleistung in die
Übertragungsstrecke einspeist.
Der durch die Ansteuerung der Halbleiter S1 bis S4 erzwungene und zum
Gleichrichterbetrieb gegenphasige Verlauf der Spannung U₂ im Diagramm d
der Fig. 7 kennzeichnet den Wechselrichterbetrieb mit ohmscher Last und
Leistungsübertragung auf die Primärseite.
Das Diagramm e gilt für einen Gleichrichter-Pulsbetrieb mit einem von
der sekundärseitigen Gleichspannung UB2 abweichenden arithmetischen
Mittelwert einer Halbperiode der Spannung U₂. Die Grundschwingung der
Ausgangsspannung des sekundärseitigen Wechselrichters kann durch den
Pulsbetrieb unabhängig von der Gleichspannung UB2 des Wechselrichters
eingestellt werden.
Zum Pulsen wird beispielsweise in der ersten Halbperiode während der
Stromführung der Dioden D2 und D3 der Schalter S2 geschlossen, so daß
bei der Richtungsumkehr des Stromes I₂ über diesen Schalter und die
Diode D4 ein Freilaufkreis mit U₂=0 entsteht, bis der Schalter S2
abschaltet und die Diode D1 den Strom übernimmt.
Der Winkel ϕ₂ entspricht nach den Fig. 6 und 7 dem zeitlichen
Abstand der Nulldurchgänge des Wechselrichterstromes I₂ und der
Wechselrichterspannung U21, wobei die Nulldurchgänge der Spannung U₂
durch das Schalten der Leistungshalbleiter S11, S31, S12 und S32 gegeben
sind.
Die Kombination eines Resonanzübertragers mit annähernd konstantem
Sekundärstrom und einem sekundärseitigen Wechselrichter ist ein
vielseitig verwendbares Stellglied. Es prägt einem Verbraucher mit
variabler Gegenspannung UB2, die auch größer als die treibende Spannung
U₁ sein kann, einen einstellbaren Strom ein, ohne daß die Gegenspannung
eine nennenswerte Rückwirkung auf die eingestellte Stromstärke hat.
Außerdem besteht die Möglichkeit, von einer kleineren Sekundärspannung
UB2 gegen eine größere Primärspannung U₁ Energie in den Stator
zurückzuspeisen.
Ein derartiges Verhalten ist bei Antriebsstellgliedern erwünscht. Der
sekundärseitige Wechselrichter kann die Zwischenkreisspannung an die EMK
einer Dreh- oder Wanderfeldmaschine anpassen, so daß der dann wesentlich
einfachere Antriebsumrichter nur noch die Strangströme fortschaltet.
Bremsenergie wird in den Stator des Übertragungssystems und von dort in
das Netz zurückgespeist.
Die parallele Speisung von Spulen oder Spulengruppen eines Übertragungsstators
über eine Mittelfrequenz-Sammelleitung mit konstanter Spannung
und das Einstellen der Leistung auf der Sekundärseite des Übertragungssystems
sind die Voraussetzungen für die unabhängige Energieübertragung
auf mehrere bewegte Sekundärsysteme über denselben Stator. Dabei können
auch mehrere Teilstatoren über dieselbe Sammelleitung gespeist werden.
Linear bewegte Systeme können von Linearmotoren angetrieben werden. Bei
konventionellen Langstatormotoren speist ein Umrichter die
Antriebsleistung in die Statorwicklung. Dieser aktive Stator erzeugt ein
magnetisches Wanderfeld und in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld des
bewegten Systems die Schubkraft. Eine induktive Energieübertragung gemäß
Anspruch 1 ermöglicht es, wie in Fig. 9 dargestellt, mehrere bewegte
Systeme mit eigenen Linearmotoren und Antriebsumrichtern auszurüsten und
voneinander unabhängig über einen gemeinsamen passiven Stator
anzutreiben. Hierbei bestimmt das Motorprinzip den Aufbau des Stators.
Bei einem linearen asynchronen Motor kann er beispielsweise als
Kurzschlußstator mit in Nuten gegossenen kurzgeschlossenen Windungen aus
Aluminium ausgeführt werden. Eine solche Kombination eines
berührungslosen Mittelfrequenzübertragungssystems mit Linearantrieben
bringt neben der Mehrfachausnutzung des Übertrager- und des
Antriebsstators erhebliche Einsparungen an Wicklungskupfer und geringere
Verluste.
Ein 25-kHz-Übertragerstator benötigt nur einen Bruchteil des für einen
leistungsfähigen Antriebsstator mit Wanderfeldwicklung erforderlichen
Materials. Dieser Unterschied wird um so größer, je langsamer die
Geschwindigkeit des bewegten Systems ist, weil der Mittelfrequenzübertragerstator
für die Leistung, der aktive Antriebsstator für die
Schubkraft auszulegen ist. In Verbindung mit einem berührungslosen
Übertragungssystem hat die material- und verlustintensive
Wanderfeldwicklung nur die Länge des bewegten Systems.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslosen induktiven Energieübertragung
hat gegenüber den bekannten Anordnungen noch den weiteren
Vorteil, daß nur in den Spulen, die an der Leistungsübertragung auf ein
Sekundärsystem beteiligt sind, der hohe Primärstrom I₁ fließt, während
die von keinem Sekundärsystem bedeckten Statorspulen nur den kleineren
Leerlaufstrom I₀ führen.
Die auf die Längeneinheit bezogene übertragbare Leistung eines Stators
ist im wesentlichen durch die Auslegung der Polanordnung und
Spulengruppe gegeben. Bei unterschiedlichem Leistungsbedarf auf den
Sekundärsystemen sollte daher die Länge der Statorbedeckung annähernd
proportional zu der zu übertragenden Leistung sein.
Der Querschnitt der MF-Sammelleitung muß für die zu übertragende
Gesamtleistung ausgelegt werden. Die Sammelleitung benötigt daher bei
einseitiger Speisung des Stators oft mehr Kupfer als die eigentliche
Statorwicklung. Bei einer beidseitigen Speisung der Sammelleitung durch
zwei Wechselrichter halbieren sich der Querschnitt der Sammelleitung
und die Verluste auf dieser Leitung.
Für die gleichmäßige Leistungsverteilung auf beide Streckenwechselrichter
sowie ein schnelles und weitgehend einschwingungsfreies Stellen
der Leistung ist eine Informationsübertragung zwischen den Sekundärsystemen
und den Wechselrichtern der Übertragungsstrecke von Vorteil.
Hierbei melden die Sekundärsysteme beabsichtigte Leistungsänderungen an
die den Wechselrichtern zugeordnete Leistungssteuerung. Diese ermittelt
aus der Kenntnis des dynamischen Systemverhaltens die Führungsfunktionen
für die Einstellung der Streckenwechselrichter sowie der
sekundärseitigen Wechselrichter und sendet an diese die entsprechenden
Steuersignale. Über dieselbe Daten-Sammelleitung werden auch die
Bewegungsinformationen der Sekundärsysteme, wie z. B. die
Ortskoordinaten, übertragen.
Claims (15)
1. Anordnung zur induktiven Übertragung von Energie im Bereich
mittlerer Frequenzen von einer auf einem Stator angeordneten
Primärspule auf einen mit wenigstens einer Sekundärspule
ausgestatteten bewegbaren Verbraucher,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärspule aus in Gruppen von in Reihe geschalteter Spulen
(2a, 2b, 2c) besteht, daß pro Gruppe ein Kondensator (C) in Reihe
geschaltet ist, daß die Gruppen jeweils parallel an eine
Mittelfrequenzsammelleitung (1) angeschlossen sind, und daß die
Impedanzen jeder Spulengruppe und des Kondensators (C) so bemessen
sind, daß bei induktiver Kopplung einer Gruppe an einen der
bewegbaren Verbraucher (3a, 3b) die Resonanzbedingung für diese
Gruppe zumindest annähernd erfüllt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Sekundärspulengruppen (3a, 3b, 3c) vorgesehen sind, die
in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungsaufnahme jedes Verbrauchers über einen
verbraucherseitigen Wechselrichter erfolgt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärwicklungen mit in Reihe geschalteten Kondensatoren
(C2, 2 C2/2) mit den sekundärseitigen Streuinduktivitäten (L₂)
Reihenresonanzkreise bilden.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärwicklung zweisträngig ausgeführt ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärwicklung dreisträngig ausgeführt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem Wicklungsstrang auf der Sekundärseite ein Anschluß
eines mehrsträngigen Resonanzwechselrichters vorgesehen ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Strang des Resonanzwechselrichters in Halbbrückenschaltung
realisiert ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sammelleitung (1) aus mehreren Schichten eines leitfähigen
Materials besteht.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungen der Spulen auf der Primär- und/oder auf der
Sekundärseite in Nuten angeordnet sind.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Kompensation des kapazitiven Leerlaufstroms (I₀) zu jeder
Reihenschaltung aus Spulengruppe und Kondensator (C) eine
Induktivität (LB) parallel geschaltet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß an beiden Enden der Sammelleitung (1) Primärwechselrichter
vorgesehen sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine berührungslose Informationsübertragung zwischen dem
ruhenden System und dem bewegbaren Verbraucher vorgesehen ist,
welches beabsichtigte Leistungsänderungen an die den Wechselrichtern
zugeordnete Leistungssteuerung meldet.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bewegbaren Verbraucher ihre Ortskoordinate an das ruhende
System übertragen.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungsstränge (W1, W2) auf den bewegbaren Verbrauchern
zur Einstellung des Leistungsflusses zwischen dem Stator und den
bewegbaren Verbrauchern an Wechselrichter mit abschaltbaren
Leistungshalbleitern (S1-S4, S11-S32) und Gleichrichterdioden
(D1-D4, D11-D32) angeschlossen sind und das Einstellen der
übertragenen Leistung durch Ändern des Phasenwinkels (ϕ₂) zwischen
dem auf die sekundären Wicklungsstränge und die angeschlossenen
Wechselrichter übertragenen Strom (I₂) und der von den
Wechselrichtern erzeugten Spannung (U₂) erfolgt.
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