WO2008031491A1 - System und verfahren zur berührungslosen energieübertragung - Google Patents

System und verfahren zur berührungslosen energieübertragung Download PDF

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WO2008031491A1
WO2008031491A1 PCT/EP2007/007427 EP2007007427W WO2008031491A1 WO 2008031491 A1 WO2008031491 A1 WO 2008031491A1 EP 2007007427 W EP2007007427 W EP 2007007427W WO 2008031491 A1 WO2008031491 A1 WO 2008031491A1
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current
primary conductor
throttle
voltage
frequency
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PCT/EP2007/007427
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Leobald Podbielski
Martin Habermaas
Günter Becker
Josef Schmidt
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Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00—Fixed inductances not covered by group H01F17/00

Definitions

  • the invention relates to a system and a method.
  • the invention is therefore based on the object to increase the safety of investments.
  • the object is achieved in the system according to the features specified in claim 1 and in the method according to the features indicated in claim 16.
  • Important features of the invention in the system are that it is intended for non-contact energy transmission, wherein a medium-frequency current is fed into a primary conductor system, from which consumer can be supplied by means of respectively associated, inductively coupled to the primary conductor system secondary coils,
  • a current-compensated choke is provided in the primary conductor system.
  • the advantage here is that a limitation occurring fault currents by means of the throttle in a cost effective manner and in particular in an automatic manner is executable. Because the throttle is a passive component and has the safety-increasing feature by their presence. If the throttle fails, the entire energy transmission system will fail because the throttle is provided in the primary conductor system. In particular, the throttle is advantageously provided in series with the forward conductor and return conductor. Thus, here is a protection available.
  • the primary conductor system is tuned to the center frequency, if no fault current component in the current-compensated throttle is effective.
  • the advantage here is that the system is tuned to resonance with the center frequency. Thus, a weak coupling to the secondary coils of the consumer is sufficient are also tuned to resonance, and there is a small energy loss when transmitting the energy achievable.
  • the current-compensated choke comprises a first winding, which is traversed by the forward conductor of the primary conductor system, and a second winding, which is traversed by the return conductor of the primary conductor system.
  • the inductance of the inductor windings is higher than the track inductance of the primary conductor system, in particular more than ten times or more than 20 times higher, in particular more than 100 times higher.
  • the advantage here is that the fault current is limited to a safe value. Persons are thus automatically protected.
  • the primary conductor system is designed as an elongated current loop, in particular wherein a first part of the loop is designed as a forward conductor and the remaining part as a return conductor, in particular wherein the forward conductor and the return conductor are laid essentially parallel.
  • rail systems such as monorails, stacker cranes or the like, or driverless transport systems can be supplied with buried primary conductor system.
  • the center frequency is more than 10 kHz.
  • the advantage here is that large outputs in the kilowatt range are transferable and the throttle is dimensioned such that the protection of persons in the fault current case is guaranteed on the one hand, but on the other hand, the consumers are essentially still undisturbed operable.
  • the inductance of the choke which becomes effective in the event of fault current is more than 10 milli-Henry or even more than 25 milli-Henry. From The advantage here is that at the middle frequency used a sufficiently high impedance is present.
  • the throttle are connected directly to the path inductances, in particular by means of such dimensioned capacitances that the associated resonant frequency substantially corresponds to the center frequency.
  • the throttle is supplied from a transformer which is supplied from an alternating voltage-powered gyrator.
  • the advantage here is that the voltage source behavior is transformable into a power source behavior.
  • the gyrator is tuned to the middle frequency.
  • Voltage source supplied in particular from a mains-powered frequency converter.
  • the advantage here is that industry standard components are used.
  • an auxiliary winding is provided on the throttle, in particular for the detection of occurring in the primary conductor system fault current to the auxiliary winding induced voltage.
  • the voltage occurring at the auxiliary winding or its rectified value is monitored for exceeding a critical value.
  • the advantage here is that simple and inexpensive components, such as comparator or the like, can be used.
  • a shutdown of the system can be effected when it is exceeded, in particular by supplying the voltage occurring at the auxiliary winding to the control electronics of the frequency converter.
  • the advantage here is that an increase in security takes place in a simple manner.
  • the throttle is designed as a toroidal core, on which the two windings and the auxiliary winding are provided. The advantage here is that the current compensation of the throttle, so the disappearance of the essential magnetic field in the core, is almost ideally feasible.
  • the throttle is provided with the auxiliary winding as a summation current transformer.
  • the advantage here is that the sum of the Hinleiterstroms and the return conductor current can be easily represented as a resulting magnetic field, which is providable for the induction of voltage in the auxiliary winding. When the equality of the forward current and the return current, the magnetic field disappears.
  • Important features of the method are that it is provided for limiting and / or detecting a fault current in a system for contactless energy transmission, whereby error currents which occur by means of limiting means provided in the primary conductor system, in particular by means of a current-compensated choke, are limited, in particular to harmless values.
  • the advantage here is that on the one hand the safety of persons is increased and on the other hand, the downtime of the system is reduced. Because consumers can continue to be supplied undisturbed, because only a small harmless proportion of electricity of a few milliamperes is lost over the person.
  • a double fault such as a first isolation fault on the return conductor and a second isolation fault on the return conductor, could a person reroute fault current within the primary conductor system current components that could assume dangerously high levels.
  • the forward and return conductors can be laid without insulation and the plant is still safe to operate, so without danger to humans or animals when touching the system.
  • the security thus corresponds to the security that would be present in isolation of the primary conductor system.
  • the fault current is detected, in particular when a critical value is exceeded.
  • the advantage here is that a simple monitoring of the critical value is executable.
  • FIG. 1 shows the primary side of the system with the devices according to the invention.
  • the inverter provides a medium-frequency AC voltage, which is fed into the circuit group TAS.
  • This circuit group includes a gyrator with matching transformer.
  • the gyrator with its capacitance and inductance is dimensioned such that the associated resonant frequency corresponds to the fed center frequency.
  • the voltage source behavior of the inverter is converted into a current source-like behavior, whereby a substantially predeterminable current is fed into the matching transformer whose secondary side feeds the primary lines of the non-contact energy transmission system.
  • the inductance of the usually elongated executed primary conductors are symbolized in FIG.
  • the inductance of the forward conductor is denoted by L_1 and that of the return conductor by L_2.
  • capacitances with the value C_1 corresponding to the value are provided so that the associated resonant frequency also corresponds to the center frequency in the primary conductor region.
  • a secondary part Arranged along the primary conductor is a secondary part which is arranged in a generally movable manner and which comprises a secondary coil which is inductively coupled to the primary conductor, and likewise a secondary coil which is tuned to the secondary coil as the resonant frequency
  • Condenser is connected, from which then the consumer is supplied.
  • the consumer however, a circuit group is vorschaltbar with inverse behavior to the gyrator, whereby the voltage constancy can be improved.
  • the named circuit group can be executed as a corresponding quadrupole.
  • a current-compensated inductor L_K is also provided, which comprises an auxiliary winding L_H.
  • the forward conductor is thus guided through a first winding, the return conductor through a second.
  • the throttle is designed such that the two magnetic fields generated by the windings cancel each other at least substantially.
  • the auxiliary winding can be provided on a coil core common to the two windings, in particular in the region described in which the two magnetic fields generated cancel each other out, at least substantially.
  • This AC voltage is used to detect the fault. In this case, the exceeding of a critical voltage value is detected. Upon detection of the inadmissible voltage of the feeding inverter FU is turned off.
  • FIG. 1 shows that the AC voltage to be detected is rectified to a DC voltage U_F as an output voltage. Thus, only one DC voltage value has to be detected, since additionally a smoothing can be provided.
  • inverter FU is advantageously a mains voltage available frequency converter used.
  • the inductor has a very high inductance of more than 10 mH, in particular more than 20 mH. Special protection is achieved by throttling more than 26 mH.
  • the primary side flowing current in two circuits is conceivable.
  • a first is the equal-current component, which flows in the forward conductor and flows back through the return conductor.
  • the choke is current-compensated to think.
  • the high inductance of the choke does not work here.
  • the inductances only affect the line inductances.
  • a high primary current of, for example, 10 or 60 amps continues to flow.
  • the inductively coupled consumers can be supplied undisturbed.
  • a second part of the current, the fault current component, is that which flows over the person or object towards ground and flows over the first winding of the choke in the outgoing towards the person.
  • the inductance of the throttle is effective.
  • this inductance at the applied center frequency is associated with a very high impedance value which is much higher than the impedance value of a person.
  • only a small current flows through the person and it is protected by means of the effective for this proportion of current inductance of the first winding of the throttle.
  • the line inductances L_1 + L_2 are in the range of 10 .mu.H to 500 .mu.H in systems whose primary conductor system is between a few 10 and the order of magnitude of 1000 meters in length, and are thus substantially smaller than the high inductance of the inductor.

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Abstract

System zur berührungslosen Energieübertragung, wobei ein mittelfrequenter Strom in ein Primärleitersystem eingespeist ist, aus welchem Verbraucher mittels jeweils zugeordneter, an das Primärleitersystem induktiv gekoppelter Sekundärspulen versorgbar sind, wobei eine stromkompensierte Drossel im Primärleitersystem vorgesehen ist, insbesondere zur Begrenzung auftretender Fehlerströme.

Description

SYSTEM UND VERFAHREN ZtTR BERÜHRUNGSLOSEN ENERGIEÜBERTRAGUNG
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren.
Aus der DE 103 29 776 A1 und dem darin zitierten Stand der Technik ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei Anlagen zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zur berührungslosen Energieübertragung vorgesehen ist, wobei ein mittelfrequenter Strom in ein Primärleitersystem eingespeist ist, aus welchem Verbraucher mittels jeweils zugeordneter, an das Primärleitersystem induktiv gekoppelter Sekundärspulen versorgbar sind,
wobei eine stromkompensierte Drossel im Primärleitersystem vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Begrenzung auftretender Fehlerströme mittels der Drossel in kostengünstiger Weise und insbesondere in automatischer Weise ausführbar ist. Denn die Drossel ist ein passives Bauelement und hat die Sicherheitserhöhende Eigenschaft durch ihr Vorhandensein. Falls die Drossel versagt, versagt auch das gesamte Energieübertragungssystem, weil die Drossel im Primärleitersystem vorgesehen ist. Insbesondere ist die Drossel vorteiligerweise in Serie mit dem Hinleiter und Rückleiter vorgesehen. Somit ist auch hier ein Schutz vorhanden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Primärleitersystem auf die Mittelfrequenz abgestimmt, wenn kein Fehlerstromanteil in der stromkompensierten Drossel wirksam ist. Von Vorteil ist dabei, dass das System auf Resonanz mit der Mittelfrequenz abgestimmt ist. Somit genügt eine schwache Kopplung zu den Sekundärspulen der Verbraucher, die ebenfalls auf Resonanz abgestimmt sind, und es ist ein geringer Energieverlust beim Übertragen der Energie erreichbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die stromkompensierte Drossel eine erste Wicklung, die vom Hinleiter des Primärleitersystems durchflössen wird, und eine zweite Wicklung, die vom Rückleiter des Primärleitersystems durchflössen wird. Von Vorteil ist dabei, dass die beiden Ströme genau gleich große sind, solange kein Fehlerstrom auftritt. Somit ist das Magnetfeld im Spulenkern der Drossel verschwindend, insbesondere bei Verwendung eines Ringkerns, auf den die zum Hinleiter und Rückleiter gehörenden Wicklungen, aufgebracht sind. Im diesem Fall beeinflusst die Drossel die Abstimmung des Primärleiterkreises auf Resonanz mit der Mittelfrequenz nicht oder nur unwesentlich. Tritt jedoch ein Fehlerstrom auf, wird die Drossel aufmagnetisiert und für den auftretenden Fehlerstromanteil wird die Induktivität der Drossel wirksam. Außerdem ist mit einer Hilfswicklung dann eine überwachbare Induktionsspannung verwendbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität der Drosselwicklungen höher als die Streckeninduktivität des Primärleitersystems, insbesondere mehr als zehnmal oder mehr als 20mal höher, insbesondere mehr als 100 mal höher. Von Vorteil ist dabei, dass der Fehlerstrom auf einen sicheren Wert begrenzt wird. Personen sind also automatisch geschützt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Primärleitersystem als langgestreckte Stromschleife ausgeführt, insbesondere wobei ein erster Teil der Schleife als Hinleiter und der restliche Teil als Rückleiter ausgeführt ist, insbesondere wobei Hinleiter und Rückleiter im Wesentlichen parallel verlegt sind. Von Vorteil ist dabei, dass Schienensysteme, wie Einschienenhängebahnen, Regalbediengeräte oder dergleichen, oder fahrerlose Transportsysteme mit bodenverlegtem Primärleitersystem versorgbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Mittelfrequenz mehr als 1OkHz. Von Vorteil ist dabei, dass große Leistungen im Kilowatt Bereich übertragbar sind und die Drossel derart dimensionierbar ist, dass der Personenschutz im Fehlerstromfall einerseits gewährleistet ist, aber andererseits die Verbraucher im Wesentlichen ungestört weiter betreibbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die bei Fehlerstrom wirksam werdende Induktivität der Drossel mehr als 10 Milli-Henry oder sogar mehr als 25 Milli-Henry. Von Vorteil ist dabei, dass bei der verwendeten Mittelfrequenz eine genügend hohe Impedanz vorhanden ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Drossel direkt mit den Streckeninduktivitäten verbunden, insbesondere mittels derartig dimensionierten Kapazitäten, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass das Primärleitersystem auf Resonanz abgestimmt ist und somit ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drossel aus einem Transformator versorgt, der aus einem wechselspannungsgespeisten Gyrator versorgt ist. Von Vorteil ist dabei, dass das spannungsquellenverhalten in ein stromquellenverhalten transformierbar ist. Dabei ist der Gyrator auf die Mittelfrequenz abgestimmt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gyrator aus einer mittelfrequenten
Spannungsquelle versorgt, insbesondere aus einem netzversorgten Frequenzumrichter. Von Vorteil ist dabei, dass industrieübliche Komponenten verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Hilfswicklung an der Drossel vorgesehen, insbesondere zur Detektion von durch im Primärleitersystem auftretendem Fehlerstrom an der Hilfswicklung induzierter Spannung. Von Vorteil ist dabei, dass ein dem Fehlerstrom entsprechendes Signal bestimmbar ist, das sogar galvanisch getrennt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die an der Hilfswicklung auftretende Spannung oder deren gleichgerichteter Wert überwacht auf Überschreiten eines kritischen Wertes. Von Vorteil ist dabei, dass einfache und kostengünstige Komponenten, wie Komparator oder dergleichen, verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist bei Überschreiten ein Abschalten des Systems bewirkbar, insbesondere mittels Zuführung der an der Hilfswicklung auftretende Spannung an die Steuerelektronik des Frequenzumrichters. Von Vorteil ist dabei, dass eine Erhöhung der Sicherheit in einfacher Weise erfolgt. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drossel als Ringkern ausgeführt, auf der die zwei Wicklungen und die Hilfswicklung vorgesehen sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Stromkompensation der Drossel, also das Verschwinden des wesentlichen Magnetfeldes im Kern, fast ideal realisierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drossel mit der Hilfswicklung als Summenstromwandler vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Summe des Hinleiterstroms und des Rückleiterstroms in einfacher Weise abbildbar ist als resultierendes Magnetfeld, das zur Induktion von Spannung in der Hilfswicklung vorsehbar ist. Bei betragsmäßiger Gleichheit des Hinleiterstroms und des Rückleiterstroms verschwindet das Magnetfeld.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren ist, dass es zur Begrenzung und/oder Erkennung eines Fehlerstroms bei einem System zur berührungslosen Energieübertragung vorgesehen ist, wobei mittels im Primärleitersystem vorgesehenen Begrenzungsmitteln, insbesondere mittels einer stromkompensierten Drossel, auftretende Fehlerströme begrenzt werden, insbesondere auf ungefährliche Werte,
und die Verbraucher ungestört weiter versorgt werden. Von Vorteil ist dabei, dass einerseits die Sicherheit der Personen erhöht ist und andererseits die Ausfallzeit der Anlage verringert ist. Denn die Verbraucher können ungestört weiter versorgt werden, weil nur ein kleiner ungefährlicher Stromanteil von wenigen Milliampere über die Person verloren geht.
Nur wenn beispielsweise ein doppelter Fehler auftritt, wie beispielsweise ein erster Isolationsfehler am Hinleiter und ein zweiter Isolationsfehler am Rückleiter, dann könnte eine Person Fehlerstrom innerhalb des Primärleitersystems Stromanteile umleiten, die gefährlich hohe Werte annehmen könnte.
Wesentlich ist aber bei der Erfindung, dass die Hinleiter und Rückleiter ohne Isolierung verlegbar sind und die Anlage trotzdem sicher betreibbar ist, also ohne Gefahr für Mensch oder Tier beim Berühren der Anlage.
Die Sicherheit entspricht also derjenigen Sicherheit, die bei Isolierung des Primärleitersystems vorhanden wäre. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Fehlerstrom erkannt, insbesondere bei Überschreiten eines kritischen Wertes. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Überwachung des kritischen Wertes ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird auf Überschreiten eines kritischen Spannungswertes überwacht und bei Überschreiten wird ein Abschalten einer mittelfrequenten Spannungsquelle ausgelöst. Von Vorteil ist dabei, dass zusätzlich die Sicherheit noch weiter erhöhbar ist, indem die Anlage abgeschaltet wird und der Isolationsfehler behoben wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
L_H Hilfswicklung L_K stromkompensierte Drossel
FU Wechselrichter
TAS Gyrator mit Anpasstransformator
C1 Kapazität
L1 Streckeninduktivität L2 Streckeninduktivität
Z_e Erdimpedanz
Z_K Körperimpedanz
P1 Erdungspotential
P2 Fußpotential der Person U_F Ausgangsspannung
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 1 ist die Primärseite des Systems mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen gezeigt.
Der Wechselrichter stellt eine mittelfrequente Wechselspannung zur Verfügung, die in die Schaltungsgruppe TAS eingespeist wird. Diese Schaltungsgruppe umfasst einen Gyrator mit Anpasstransformator. Dabei ist der Gyrator mit seiner Kapazität und Induktivität derart bemessen, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der eingespeisten Mittelfrequenz entspricht.
Somit wird das Spannungsquellen-Verhalten des Wechselrichters in ein stromquellenartiges Verhalten umgewandelt, wodurch ein im Wesentlichen vorgebbarer Strom in den Anpasstransformator einspeisbar ist, dessen Sekundärseite die Primärleitungen des berührungslosen Energieübertragungssystems speist.
Die Induktivität der meist langgestreckt ausgeführten Primärleiter sind in Figur 1 symbolisiert. Dabei ist mit L_1 die Induktivität des Hinleiters bezeichnet und mit L_2 die des Rückleiters. Entlang der Strecke sind Kapazitäten mit dem Wert C_1 entsprechendem Wert so vorgesehen, dass auch im Primärleiterbereich die zugehörige Resonanzfrequenz der Mittelfrequenz entspricht.
Entlang dem Primärleiter ist ein meist bewegbar angeordneter Sekundärteil angeordnet, der eine induktiv mit dem Primärleiter gekoppelte Sekundärspule umfasst, wobei ebenfalls ein mit der Sekundärspule auf die Mittelfrequenz als Resonanzfrequenz abgestimmter
Kondensator verbunden ist, aus dem dann der Verbraucher versorgbar ist. Dem Verbraucher ist jedoch eine Schaltungsgruppe mit zum Gyrator inversem Verhalten vorschaltbar, wodurch die Spannungskonstanz verbesserbar ist. Die genannte Schaltungsgruppe ist als entsprechender Vierpol ausführbar.
Als Mittelfrequenz sind Werte zwischen 10 und 100 kHz vorteilhaft verwendbar, insbesondere bei Übertragung von Leistungen von mehreren Hundert Watt bis einigen Kilowatt. Im Primärleitersystem ist auch eine stromkompensierte Drossel L_K vorgesehen, die eine Hilfswicklung L_H umfasst. Der Hinleiter ist also durch eine erste Wicklung geführt, der Rückleiter durch eine zweite. Die Drossel ist dabei derart ausgeführt, dass die beiden von den Wicklungen erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig zumindest im Wesentlichen aufheben. Die Hilfswicklung ist auf einem den beiden Wicklungen gemeinsamen Spulenkern vorsehbar, insbesondere in demjenigen beschriebenen Bereich, in welchem die beiden erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig zumindest im Wesentlichen aufheben.
Findet nun bei einem Isolationsfehler ein Berühren durch eine Person oder einen Gegenstand statt, wird ein Stromanteil aus dem Primärleitersystem über die
Körperimpedanz Z_K an das Fußpotential P2 der Person oder des Gegenstandes und von dort über die Erdimpedanz Z_e bis zum Erdungspotential P1 der Vorrichtung abfließen.
Entsprechend tritt ein Unterschied in den Stromwerten der beiden Wicklungen der Drossel auf und das nicht mehr kompensierte Magnetfeld induziert in der Hilfswicklung eine
Spannung. Diese Wechselspannung wird zur Detektion des Fehlers verwendet. Dabei wird das Überschreiten eines kritischen Spannungswertes detektiert. Bei Detektion der unzulässigen Spannung wird der einspeisende Wechselrichter FU abgeschaltet.
In Figur 1 ist gezeigt, dass die zu detektierende Wechselspannung zu einer Gleichspannung U_F als Ausgangsspannung gleichgerichtet wird. Somit muss nur ein Gleichspannungswert detektiert werden, da auch zusätzlich eine Glättung vorsehbar ist.
Als Wechselrichter FU ist vorteilhafterweise ein netzspannungsversorgbarer Frequenzumrichter verwendbar.
Wesentlich bei der Erfindung ist, dass die Drossel eine sehr hohe Induktivität aufweist von mehr als 10 mH, insbesondere mehr als 20 mH. Besonderen Schutz bewirken Drosseln von mehr als 26 mH.
Bei der Erfindung muss beachtet werden, dass der primärseitig fließende Strom in zwei Stromkreisen vorstellbar ist. Ein erster ist der gleichgetaktete Stromanteil, welcher im Hinleiter fließt und über den Rückleiter zurückfließt. Für diesen Stromanteil ist die Drossel stromkompensiert zu denken. Somit wirkt hier die hohe Induktivität der Drossel nicht. Es wirken als Induktivitäten nur die Streckeninduktivitäten. Somit fließt auch im Fehlerfall ein hoher Primärstrom von beispielsweise 10 oder 60 Ampere weiter. Die induktiv gekoppelten Verbraucher sind ungestört versorgbar.
Ein zweiter Stromanteil, der Fehlerstromanteil, ist derjenige, welcher über die Person oder den Gegenstand gegen Erde abfließt und über die erste Wicklung der Drossel im Hinleiter auf die Person zufließt. Für diesen wird die Induktivität der Drossel wirksam. Bei den genannten Werten ist dieser Induktivität bei der angewandten Mittelfrequenz ein sehr hoher Impedanzwert zugeordnet, der viel höher ist als der Impedanzwert einer Person. Somit fließt nur ein kleiner Strom durch die Person und sie ist mittels der für diesen Stromanteil wirksam werdenden Induktivität der ersten Wicklung der Drossel geschützt.
Somit ist zwar ein Abschalten der Quelle im Fehlerfall mittels Detektion der Ausgangsspannung U_F und deren Vergleich mit einem kritischen Wert ermöglicht, jedoch ist schon durch die Drossel eine Begrenzung des Fehlerstromanteils und somit ein Schutz der Person erreicht.
Die Streckeninduktivitäten L_1 + L_2 liegen im Bereich 10μH bis 500 μH bei Anlagen, deren Primärleitersystem zwischen einigen 10 und größenordnungsmäßig 1000 Meter Länge aufweist und sind somit wesentlich kleiner als die hohe Induktivität der Drossel.

Claims

Patentansprüche:
1. System zur berührungslosen Energieübertragung,
wobei ein mittelfrequenter Strom in ein Primärleitersystem eingespeist ist, aus welchem Verbraucher mittels jeweils zugeordneter, an das Primärleitersystem induktiv gekoppelter Sekundärspulen versorgbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine stromkompensierte Drossel im Primärleitersystem vorgesehen ist, insbesondere zur Begrenzung auftretender Fehlerströme.
2. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärleitersystem auf die Mittelfrequenz abgestimmt ist, wenn kein Fehlerstromanteil in der stromkompensierten Drossel wirksam ist.
3. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromkompensierte Drossel eine erste Wicklung umfasst, die vom Hinleiter des Primärleitersystems durchflössen wird, und eine zweite Wicklung umfasst, die vom Rückleiter des Primärleitersystems durchflössen wird.
4. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Drosselwicklungen höher ist als die Streckeninduktivität des Primärleitersystems, insbesondere mehr als zehnmal oder mehr als 20mal höher, insbesondere mehr als 100 mal höher.
5. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärleitersystem als langgestreckte Stromschleife ausgeführt ist, insbesondere wobei ein erster Teil der Schleife als Hinleiter und der restliche Teil als Rückleiter ausgeführt ist, insbesondere wobei Hinleiter und Rückleiter im Wesentlichen parallel verlegt sind.
6. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelfrequenz mehr als 1OkHz beträgt.
7. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Fehlerstrom wirksam werdende Induktivität der Drossel mehr als 10 Milli-Henry oder sogar mehr als 25 Milli-Henry beträgt.
8. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel direkt mit den Streckeninduktivitäten verbunden sind, insbesondere mittels derartig dimensionierten Kapazitäten, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
9. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel aus einem Transformator versorgt ist, der aus einem wechselspannungsgespeisten Gyrator versorgt ist.
10. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gyrator aus einer mittelfrequenten Spannungsquelle versorgt ist, insbesondere aus einem netzversorgten Frequenzumrichter.
11. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfswicklung an der Drossel vorgesehen ist, insbesondere zur Detektion von durch im Primärleitersystem auftretendem Fehlerstrom an der Hilfswicklung induzierter Spannung.
12. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Hilfswicklung auftretende Spannung oder deren gleichgerichteter Wert überwacht wird auf Überschreiten eines kritischen Wertes.
13. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten ein Abschalten des Systems bewirkbar ist, insbesondere mittels Zuführung der an der Hilfswicklung auftretende Spannung an die Steuerelektronik des Frequenzumrichters.
14. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
5 die Drossel als Ringkern ausgeführt ist, auf der die zwei Wicklungen und die Hilfswicklung vorgesehen sind.
15. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
10 die Drossel mit der Hilfswicklung als Summenstromwandler vorgesehen ist.
16. Verfahren zur Begrenzung und/oder Erkennung eines Fehlerstroms bei einem System zur berührungslosen Energieübertragung, 15 dadurch gekennzeichnet, dass
mittels im Primärleitersystem vorgesehenen Begrenzungsmitteln, insbesondere mittels einer stromkompensierten Drossel, auftretende Fehlerströme begrenzt werden, insbesondere auf 20 ungefährliche Werte,
und die Verbraucher ungestört weiter versorgt werden.
25 17. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerstrom erkannt wird, insbesondere bei Überschreiten eines kritischen Wertes.
18. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 30 dadurch gekennzeichnet, dass auf Überschreiten eines kritischen Spannungswertes überwacht wird und bei Überschreiten ein Abschalten einer mittelfrequenten Spannungsquelle ausgelöst wird.
PCT/EP2007/007427 2006-09-14 2007-08-23 System und verfahren zur berührungslosen energieübertragung WO2008031491A1 (de)

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