WO2009074207A2 - System zur berührungslosen energieübertragung und verfahren - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a system for contactless energy transmission and a method.
  • the invention is therefore the object of developing a system for contactless energy transfer, the consumer should be provided a high voltage.
  • 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 10.
  • Essential features of the invention in the system are that it is intended for non-contact energy transfer from one stationary part of the system to another part of the system, in particular movably arranged part of the system,
  • the secondary windings are connected in series with one or more capacitors in such a way that the resonance frequency of the series resonant circuit formed in this way is substantially equal to the frequency of an alternating current impressed into the primary conductor
  • the advantage here is that the secondary-side load a higher voltage is available as the peak voltage occurring at the secondary side of the series resonant circuit. For this purpose, however, no voltage Doppler circuit is necessary. In addition, no additional inductance is necessary for the realization of a boost converter. There is no rectifier downstream inductance needed, but only a rectifier downstream switch, which cooperates with the rectifier upstream series resonant circuit and its inductances and capacitances. The freewheeling current to be dissipated when the switch is opened is used to supply the smoothing capacitor and the load connected thereto. In addition, an accurate and rapid control of the output voltage U_z is made possible by means of the invention.
  • a means for detecting the voltage occurring at the smoothing capacitor is provided, wherein the means is connected to a controller which generates the control signal of the switch as a manipulated variable.
  • the drive signal is a pulse width modulated signal provided and / or the switch pulse width modulated actuated.
  • the advantage here is that a scalar manipulated variable is used and thus a very simple structured and fast-acting controller is used.
  • the pulse width modulation an unlimited increase in the voltage applied to the smoothing capacitor can be prevented.
  • the controller is fed to a desired voltage or is stored in it.
  • the advantage here is that can be regulated to an arbitrary setpoint voltage lying in the control range.
  • the pulse width modulation frequency is smaller than the frequency of the current impressed into the primary conductor.
  • the advantage here is that the switch is opened only after swinging the resonance voltage.
  • the pulse width modulation frequency is synchronized to the frequency of the current impressed into the primary conductor.
  • the secondary windings are wound around a common core and / or guided.
  • the advantage here is that a simple production and a compact design is possible.
  • the switch is an electronic semiconductor switch, in particular transistor, such as IGBT or MOSFET.
  • transistor such as IGBT or MOSFET.
  • the secondary windings and the capacitors are surrounded by a common housing.
  • the advantage here is that a compact design and effective shielding is possible.
  • Important features of the method are that it is intended to operate a system for non-contact energy transfer from a primary-side part of the system to a part of the system, in particular a movably arranged part of the system,
  • the secondary windings are connected in series with one or more capacitors in such a way that the resonant frequency of the series resonant circuit formed in this way substantially equals the frequency of an alternating current impressed into the primary conductor, wherein the voltage occurring at the series resonant circuit is supplied to a rectifier, on the output side of which a short-circuit-actuatable switch is provided,
  • switch is controlled pulse width modulated
  • the controller is either a linear controller, such as P-controller, Pl controller or PID controller, executable or non-linear controller, the transfer functions of the system considered.
  • the voltage applied to the smoothing capacitor is detected and regulated as an actual value to a desired voltage, by using the pulse width of the drive signal for the switch as the manipulated variable.
  • the pulse width modulation frequency is synchronized with the frequency of the current impressed into the primary conductor.
  • U_z Ujst Output voltage as actual value U_r Voltage at the series resonant circuit
  • an elongated primary conductor is laid, along which the secondary part is arranged movably, wherein the secondary part comprises a secondary coil, which consists of a split winding, that is, a plurality of partial windings with respective connection.
  • Each partial winding is a capacitor connected downstream to form a
  • the entire secondary-side resonant circuit is formed from a series circuit of the series resonant circuits. In this way, the peak voltage occurring at the partial windings is reduced.
  • the voltage U_r occurring at the secondary-side resonant circuit becomes a
  • Rectifier supplied to the Gleichtheses wornem output a short-circuiter S is provided, which is controlled pulse width modulated. Via a diode D, the output current of the rectifier, which is not derived by the short-circuiting device, is supplied to a smoothing capacitor C, which smoothes the voltage U_z provided to a load.
  • a freewheeling current flows through the diode D, which is provided as a freewheeling diode for this purpose, and thus flows to the load and / or the smoothing capacitor C until the resonance voltage U_r has become smaller than the voltage U_z applied to the smoothing capacitor.
  • the consumer comprises, for example, an electric drive, in particular comprising an inverter-fed electric motor.
  • the drive is providable as drive of the car.
  • the secondary-side series circuit is surrounded by a single housing.
  • Secondary coil and primary conductors are inductively coupled, in particular weak.
  • a medium-frequency current is impressed.
  • its frequency is between 10 and 100 or 200 kHz.
  • the resonant frequency of the secondary-side resonant circuit substantially coincides with the AC frequency of the impressed current. In this way, a high efficiency in energy transfer can be achieved even with weak coupling. 10
  • the controller is the detected, applied to the smoothing capacitor voltage U_z supplied as actual value U_ist and this regulated to the setpoint U_soll out by the pulse width of the drive signal for the switch S is provided as a manipulated variable.
  • the pulse width modulation frequency is preferably below the frequency of the impressed in the primary conductor current.
  • a frequency between 2 and 8 kHz is used as pulse width modulation frequency, whereby switching losses are low durable.
  • the switch S an IGBT or MOSFET is preferably used.
  • the invention can be carried out with high efficiency with maximum allowable consumer power of more than 500 watts or even more 1 kW up
  • Pulse width modulation frequency preferably above the frequency of impressed in the primary conductor 30 current or the same.
  • the pulse width modulation frequency is synchronized to the frequency of the current impressed into the primary conductor.

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Abstract

System zur berührungslosen Energieübertragung an einen Teil des Systems, insbesondere bewegbar angeordneten Teil des Systems, und Verfahren, wobei ein stationär verlegter Primärleiter vorgesehen ist, an den eine oder mehrere vom Teil umfasste Sekundärwicklungen induktiv gekoppelt vorgesehen ist, wobei die Sekundärwicklungen mit einem oder mehreren Kondensatoren derart in Reihe geschaltet sind, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Serienschwingkreises im Wesentlichen der Frequenz eines in den Primärleiter eingeprägten Wechselstromes gleichen, wobei die am Serienschwingkreis auftretende Spannung einem Gleichrichter zugeführt wird, an dessen Ausgangsseite ein als Kurzschließer betätigbarer Schalter vorgesehen ist, wobei der nicht durch den Schalter abgeführte Strom über eine Freilaufdiode einem Glättungskondensator zugeführt wird, wobei die am Glättungskondensator auftretende Spannung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.

Description

System zur berührungslosen Energieübertragung und Verfahren
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Energieübertragung und ein Verfahren.
Es ist bekannt, von einem stationären Teil eines Systems, umfassend zumindest einen langgestreckten Primärleiter, an einen bewegbaren Teil des Systems, umfassend eine Sekundärwicklung, Energie berührungslos an einen Verbraucher zu übertragen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden, wobei dem Verbraucher eine hohe Spannung zur Verfügung gestellt werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zur berührungslosen Energieübertragung von einem stationären Teil des Systems an einen anderen Teil des Systems vorgesehen ist, insbesondere bewegbar angeordneten Teil des Systems,
wobei ein stationär verlegter Primärleiter vorgesehen ist, an den eine oder mehrere vom Teil umfasste Sekundärwicklungen induktiv gekoppelt vorgesehen ist,
wobei die Sekundärwicklungen mit einem oder mehreren Kondensatoren derart in Reihe geschaltet sind, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Serienschwingkreises im Wesentlichen der Frequenz eines in den Primärleiter eingeprägten Wechselstromes gleichen,
wobei die am Serienschwingkreis auftretendes Spannung einem Gleichrichter zugeführt wird, an dessen Ausgangsseite ein als Kurzschließer betätigbarer Schalter vorgesehen ist. wobei der nicht durch den Schalter abgeführte Strom über eine Freilaufdiode einem Glättungskondensator zugeführt wird,
wobei die am Glättungskondensator auftretende Spannung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass dem sekundärseitigen Verbraucher eine höhere Spannung zur Verfügung stellbar ist als die am sekundärseitigen Serienresonanzkreis auftretende Spitzenspannung. Hierzu ist aber keine Spannungsdopplerschaltung notwendig. Außerdem ist keine zusätzliche Induktivität notwendig zur Realisierung eines Boostkonverters. Es wird keine dem Gleichrichter nachgeschaltete Induktivität benötigt, sondern nur ein dem Gleichrichter nachgeordneter Schalter, der zusammenwirkt mit dem dem Gleichrichter vorgeschalteten Serienresonanzkreis und dessen Induktivitäten und Kapazitäten. Der beim Öffnen des Schalters abzuführende Freilaufstrom wird zur Versorgung des Glättungskondensators und des mit diesem verbundenen Verbrauchers verwendet. Außerdem ist mittels der Erfindung eine genaue und schnelle Regelung der Ausgangsspannung U_z ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Mittel zur Erfassung der am Glättungskondensator auftretenden Spannung vorgesehen, wobei das Mittel mit einem Regler verbunden ist, der als Stellgröße das Ansteuersignal des Schalters erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass mit dem Regler die Ist-Spannung auf den gewünschten Sollwert hin regelbar ist. Somit sind Spannungseinbrüche bei schwankender Leistungsentnahme durch den Verbraucher ausregelbar. Dasselbe gilt für Schwankungen des Kopplungsgrades zwischen Primärleiter und Sekundärwicklung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ansteuersignal ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgesehen und/oder der Schalter pulsweitenmoduliert betätigbar. Von Vorteil ist dabei, dass eine skalare Stellgröße verwendbar ist und somit ein sehr einfach strukturierter und schnell wirksamer Regler verwendbar ist. Außerdem ist mittels der Pulsweitenmodulation ein unbegrenzter Anstieg der am Glättungskondensator anliegenden Spannung verhinderbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dem Regler eine Sollspannung zugeführt oder ist in ihm hinterlegt. Von Vorteil ist dabei, dass auf eine im Stellbereich liegende beliebige Sollspannung hinregelbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Pulsweitenmodulationsfrequenz kleiner als die Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stromes. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter erst nach Aufschwingen der Resonanzspannung geöffnet wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Pulsweitenmodulationsfrequenz synchronisiert auf die Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stromes. Von Vorteil ist dabei, dass keine unkontrollierbaren Oberschwingungen erzeugt werden. Außerdem ist stets ein Öffnen im Nullspannungsdurchgangsbereich ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sekundärwicklungen um einen gemeinsamen Kern gewickelt und/oder geführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Fertigung und ein kompakter Aufbau ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schalter ein elektronischer Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, wie IGBT oder MOSFET. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Schaltelement mit geringem Verschleiß verwendbar ist, der auch mit einer hohen Pulsweitenmodulationsfrequenz ansteuerbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sekundärwicklungen und die Kondensatoren von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben. Von Vorteil ist dabei, dass ein kompakter Aufbau und eine wirksame Abschirmung ermöglicht ist.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung von einem primärseitigen Teil des Systems an einen Teil des Systems vorgesehen ist, insbesondere bewegbar angeordneten Teil des Systems,
wobei ein stationär verlegter Primärleiter vorgesehen ist, an den eine oder mehrere vom Teil umfasste Sekundärwicklungen induktiv gekoppelt vorgesehen ist,
wobei die Sekundärwicklungen mit einem oder mehreren Kondensatoren derart in Reihe geschaltet sind, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Serienschwingkreises im Wesentlichen der Frequenz eines in den Primärleiter eingeprägten Wechselstromes gleichen, wobei die am Serienschwingkreis auftretendes Spannung einem Gleichrichter zugeführt wird, an dessen Ausgangsseite ein als Kurzschließer betätigbarer Schalter vorgesehen ist,
wobei der Schalter pulsweitenmoduliert angesteuert wird,
wobei der nicht durch den Schalter abgeführte Strom über eine Freilaufdiode einem Glättungskondensator zugeführt wird,
wobei die am Glättungskondensator auftretende Spannung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass ein sehr genaues und schnelles Einstellen der Spannung ermöglicht ist. Außerdem ist der Regler entweder als linearer Regler, wie P-Regler, Pl-Regler oder PID-Regler, ausführbar oder als nichtlinearer Regler, der Übertragungsfunktionen des Systems berücksichtigt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die am Glättungskondensator anliegende Spannung erfasst und als Istgröße auf eine Sollspannung hin geregelt, indem als Stellgröße die Pulsweite des Ansteuersignals für den Schalter verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine skalare Stellgröße verwendbar ist und somit eine einfache Regelung realisierbar ist
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Pulsweitenmodulationsfrequenz synchronisiert zu der Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stromes. Von Vorteil ist dabei, dass ein Öffnen des Schalters im Nulldurchgang oder Bereich des Nulldurchgangs der Spannung ermöglicht ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bezugszeichenliste
1 Regler C Glättungskondensator D Diode S Schalter
U_Soll Sollspannung
U_z = Ujst Ausgangsspannung als Istwert U_r Spannung am Serienschwingkreis
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 1 ist ein Sekundärteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch skizziert.
In der Anlage ist ein langgestreckter Primärleiter verlegt, entlang dessen der Sekundärteil bewegbar angeordnet ist, wobei der Sekundärteil eine Sekundärspule umfasst, die aus einer geteilten Wicklung, also mehreren Teilwicklungen mit jeweiligem Anschluss besteht.
Jeder Teilwicklung ist ein Kondensator nachgeschaltet zur Bildung eines
Serienschwingkreises. Der gesamte sekundärseitige Schwingkreis ist aus einer Serienschaltung der Serienschwingkreise gebildet. Auf diese Weise ist die an den Teilwicklungen auftretende Spitzenspannung reduziert.
Die am sekundärseitigen Serienschwingkreis auftretende Spannung U_r wird einem
Gleichrichter zugeführt, an dessen gleichspannungsseitigem Ausgang ein Kurzschließer S vorgesehen ist, der pulsweitenmoduliert ansteuerbar ist. Über eine Diode D wird der nicht durch den Kurzschließer abgeleitete Ausgangsstrom des Gleichrichters einem Glättungskondensator C zugeführt, der die einem Verbraucher zur Verfügung gestellte Spannung U_z glättet.
Bei geschlossenem Schalter S wird der Reihenresonanzkreis, also Serienschwingkreis, über den Gleichrichter kurzgeschlossen und schwingt auf. Dadurch wird im Resonanzkreis Energie in den den Teilwicklungen zugeordneten Induktivitäten und den jeweils in Reihe geschalteten Kondensatoren Energie gespeichert.
Wird der Schalter geöffnet, so fließt ein Freilaufstrom über die Diode D, die als Freilaufdiode hierzu vorgesehen ist und fließt somit dem Verbraucher und/oder dem Glättungskondensator C zu, bis die Resonanzspannung U_r kleiner als die am Glättungskondensator anliegende Spannung U_z geworden ist.
Der Verbraucher umfasst beispielsweise einen elektrischen Antrieb, insbesondere umfassend einen umrichtergespeisten Elektromotor. Der Antrieb ist als Antrieb des Wagens vorsehbar. Die sekundärseitige Serienschaltung ist von einem einzigen Gehäuse umgeben.
Sekundärspule und Primärleiter sind induktiv gekoppelt, insbesondere schwach. In den 5 Primärleiter wird ein mittelfrequenter Strom eingeprägt. Vorzugsweise beträgt dessen Frequenz zwischen 10 und 100 oder 200 kHz. Die Resonanzfrequenz des sekundärseitigen Serienschwingkreises stimmt im Wesentlichen mit der Wechselspannungsfrequenz des eingeprägten Stromes überein. Auf diese Weise ist auch bei schwacher Kopplung ein hoher Wirkungsgrad bei der Energieübertragung erreichbar. 10
Dem Regler wird die erfasste, am Glättungskondensator anliegende Spannung U_z als Istwert U_ist zugeführt und diese auf den Sollwert U_soll hin geregelt, indem die Pulsweite des Ansteuersignals für den Schalter S als Stellgröße vorgesehen ist.
15 Bei erreichter Sollspannung wird also der Schalter S nur sehr kurzzeitig oder gar nicht geöffnet.
Die Pulsweitenmodulationsfrequenz liegt vorzugsweise unterhalb der Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stroms.
20
Vorzugsweise wird als Pulsweitenmodulationsfrequenz eine Frequenz zwischen 2 und 8 kHz verwendet, wodurch Schaltverluste gering haltbar sind. Als Schalter S wird vorzugsweise ein IGBT oder MOSFET verwendet. Die Erfindung ist mit hohem Wirkungsgrad ausführbar bei maximal zulässigen Verbraucherleistungen von mehr als 500 Watt oder sogar mehr 1 kW bis
25 10kW. Aber auch bei größeren Leistungen ist sie vorteilhaft mit hohem Wirkungsgrad einsetzbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen liegt die
Pulsweitenmodulationsfrequenz vorzugsweise oberhalb der Frequenz des in den Primärleiter 30 eingeprägten Stroms oder gleicht derselben.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Pulsweitenmodulationsfrequenz synchronisiert auf die Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stroms.

Claims

Patentansprüche:
1. System zur berührungslosen Energieübertragung von einem ersten Bereich des Systems an einen anderen Teil des Systems, insbesondere bewegbar angeordneten Teil des Systems,
wobei ein stationär verlegter Primärleiter vorgesehen ist, an den eine oder mehrere vom anderen Teil umfasste Sekundärwicklungen induktiv gekoppelt vorgesehen ist,
wobei die Sekundärwicklungen mit einem oder mehreren Kondensatoren derart in Reihe geschaltet sind, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Serienschwingkreises im Wesentlichen der Frequenz eines in den Primärleiter eingeprägten Wechselstromes gleichen,
wobei die am Serienschwingkreis auftretende Spannung einem Gleichrichter zugeführt wird, an dessen Ausgangsseite betätigbarer Schalter, insbesondere ein als gleichrichterausgangsseitig betätigbarer Kurzschließer, vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der nicht durch den Schalter abgeführte Strom über eine Freilaufdiode einem Glättungskondensator zugeführt wird,
wobei die am Glättungskondensator auftretende Spannung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
2. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Erfassung der am Glättungskondensator auftretenden Spannung vorgesehen sind, wobei das Mittel mit einem Regler verbunden ist, der als Stellgröße das Ansteuersignal des Schalters erzeugt.
3. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgesehen ist und/oder der Schalter pulsweitenmoduliert betätigbar ist.
4. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regler eine Sollspannung zugeführt wird oder in ihm hinterlegt ist.
5. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulationsfrequenz kleiner ist als die Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stromes.
6. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulationsfrequenz synchronisiert ist auf die Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stromes.
7. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklungen um einen gemeinsamen Kern gewickelt und/oder geführt sind.
8. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein elektronischer Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, ist, wie IGBT oder MOSFET.
9. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklungen und die Kondensatoren von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind.
10. Verfahren zum Betrieben eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung an einen Teil des Systems, insbesondere bewegbar angeordneten Teil des Systems,
wobei ein stationär verlegter Primärleiter vorgesehen ist, an den eine oder mehrere vom Teil umfasste Sekundärwicklungen induktiv gekoppelt vorgesehen ist,
wobei die Sekundärwicklungen mit einem oder mehreren Kondensatoren derart in Reihe geschaltet sind, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Serienschwingkreises im Wesentlichen der Frequenz eines in den Primärleiter eingeprägten Wechselstromes gleichen,
wobei die am Serienschwingkreis auftretendes Spannung einem Gleichrichter zugeführt wird, an dessen Ausgangsseite ein als Kurzschließer betätigbarer Schalter vorgesehen ist.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schalter pulsweitenmoduliert angesteuert wird,
wobei der nicht durch den Schalter abgeführte Strom über eine Freilaufdiode einem Glättungskondensator zugeführt wird,
wobei die am Glättungskondensator auftretende Spannung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Glättungskondensator anliegende Spannung erfasst wird und als Istgröße auf eine Sollspannung hin geregelt wird, indem als Stellgröße die Pulsweite des Ansteuersignals für den Schalter verwendet wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulationsfrequenz synchronisiert zu der Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Stromes wird.
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