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Dokumentenidentifikation DE102006022222A1 22.11.2007
Titel Schutzmodul für eine Anlage und Anlage
Anmelder SEW-EURODRIVE GmbH & Co. KG, 76646 Bruchsal, DE
Erfinder Wolf, Harald, 76698 Ubstadt-Weiher, DE;
Uhl, Thomas, 76646 Bruchsal, DE;
Schroeder, Detlev, 68809 Neulußheim, DE;
Schneider, Bernhard, 68794 Oberhausen-Rheinhausen, DE
DE-Anmeldedatum 11.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006022222
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/04(2006.01)A, F, I, 20060511, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02J 17/00(2006.01)A, L, I, 20060511, B, H, DE   H01H 9/42(2006.01)A, L, I, 20060511, B, H, DE   
Zusammenfassung Schutzmodul für eine Anlage und Anlage,
wobei das Schutzmodul zumindest einen Gleichrichter umfasst, der zur Ladung einer Kapazität vorgesehen ist, der ein Entladewiderstand parallel schaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Schutzmodul für eine Anlage und eine Anlage.

Es sind zum Abfangen von Spannungsspitzen Varistoren bekannt. Diese können allerdings Energie nicht elektrisch speichern und danach nicht langsam abgeben. Außerdem sprechen sie erst nach Überschreiten von kritischen Spannungswerten an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei Anlagen zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Schutzmodul nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Schutzmodul sind, dass das Schutzmodul zumindest einen Gleichrichter, der zur Ladung einer Kapazität vorgesehen ist, der ein Entladewiderstand parallel geschaltet ist, umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass das Schutzmodul einfach und kompakt aufbaubar und in einem Gehäuse unterbringbar ist. Insbesondere ist die Elektronik dabei mit wärmeleitender Vergussmasse vergießbar und die bei Überspannung auftretende Wärme über das Gehäuse abführbar. Das Schutzmodul umfasst nach außen hin beispielsweise zwei elektrische Anschlüsse.

Außerdem wird der Kondensator des Schutzmoduls auf die Spitzenspannung der anliegenden Wechselspannung aufgeladen und das Schutzmodul verbraucht nach diesem Ladevorgang nur geringe Strommengen. Falls aber die Eingangsspannung am Schutzmodul schnell ansteigt, fließt ein hoher Strom ins Schutzmodul und die zugehörige Energie wird bis zu einer entsprechenden Maximalmenge im Modul aufgenommen, gespeichert und über den Entladewiderstand als Wärme abgeführt. Für kurzfristige Spannungsüberhöhungen verhält sich das Schutzmodul wie ein kurzfristiger Kurzschluss.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul derart angeordnet, dass es parallel zu einem Schalter zur Verhinderung von Überspannungen und/oder Funkenbildung am Kontakt des Schalters vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass es nicht erst bei hohen Spannungen wirksam wird sondern schon ab geringen Spannungen bei jeder Spannungserhöhung. Im Gegensatz zu Varistoren ist also stets ein Schutz gegen Überspannungen wirksam und aktiv.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul am Ausgang einer Stromquelle vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass im Normalbetrieb geringe Spannungen auftreten und somit Überspannungen sich in ihren Werten deutlich unterscheiden von den im Normalbetrieb auftretenden Werten. Außerdem ist der wesentliche Anteil der Kapazität des Kondensators oder der Kondensatoren des Schutzmoduls nutzbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul an einem Schalter zum Kurzschließen und/oder Auftrennen eines Streckenabschnittes vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass jedem Schalter ein solches Schutzmodul zuordenbar ist und somit die Sicherheit gegen Funkenbildung und Überspannung verbessert ist.

Dabei zu beachten, dass ohne das erfindungsgemäße Schutzmodul bei einem Schalter, der einen niederfrequenten Wechselstrom von beispielhaft 50 oder 60 Hz unterbrechen soll, beim Öffnen des Schalters zwar eine Funkenbildung entstehen kann, also auch Luft ionisiert wird, durch welche der Strom weiterfließt. Aber bei Nulldurchgang des Stromwertes verlöscht auch diese Stromübertragung, weil in dem Zeitbereich des Nulldurchgangs die Stromwerte derart lange niedrig oder nicht vorhanden sind, dass ein Aufrechterhalten der Ionisierung der Luft unmöglich wird. Der Funke wird also gelöscht und somit bleibt der Stromkreis unterbrochen. Somit sind bei Schaltern für niederfrequente Ströme nur in Sonderfällen, wie explosionsgeschützte Umgebung, Schutzbeschaltungen notwednig. Jedoch wird bei der Erfidnung mittelfrequenter Wechselstrom mittels des Schalters schaltbar, beispielsweise Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz. Dabei ist die Zeit für den Nulldurchgang sehr gering. Somit ist auch die Zeit des Absinkens des Strombetrags unterhalb kritischer Werte sehr kurz und die Ionisierung der Luft bleibt aufrechterhalten. Die Funkenbildung belibt also weiterhin aktiviert und der Schalter kann den Wechselstrom nicht abschalten. Insbesondere gilt dies für sehr kleine und kompakt ausgeführte Schalter. Daher ist die Erfidnung bei solche hohen Frequenzen vorteilhaft. Denn das verwendete Schutzmodul verhindert das Auftreten hoher Spannungen beim Unterbrechen des Wechselstromes. Es wird also schon die erste Funkenstreckenbildung verhindert und das Abschalten von mittelfrequenten Wechselströmen mittels solch kleiner Schalter erst ermöglicht. Außerdem wird ein Verbrennen des Schalters verhindert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzmodul parallel zu einem Schalter, mit welchem der Strom einer Spule abschaltbar ist, vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die beim Auftrennen des Schalters entstehende Überspannung abfangbar ist.

Wichtige Merkmale der Anlage nach Anspruch 6 zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Schutzmodul sind, dass am Ausgang der den mittelfrequenten Wechselstrom in die Primärleitung einprägenden Einspeiseschaltung ein Schutzmodul vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit bei der Anlage erhöht ist, indem Überspannungen und Funkenbildungen verhinderbar sind, ohne Kenntnis des genauen einzelnen Ereignisses in der Anlage, wie Abschalten von Teilstrecken oder Einschalten von Verbrauchern und dergleichen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Schutzmodul primärseitig und/oder ein zweites Schutzmodul sekundärseitig vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass dasselbe Schutzmodul in verschiedenen Bereichen einsetzbar ist und somit die Stückzahl erhöht ist, wodurch die Kosten gering sind. Außerdem ist auch sekundärseitig ein Schalter einsetzbar und somit der Energiestrom sehr gut steuerbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anlage zur berührungslosen Energieübertragung an eine Primärleitung induktiv gekoppelte Verbraucher, wobei in die Primärleitung ein im Wesentlichen konstanter mittelfrequenter Wechselstrom eingeprägt wird, insbesondere im Wesentlichen unabhängig von der von den Verbrauchern entnommenen Leistung. Von Vorteil ist dabei, dass unabhängig von der Anzahl der Verbraucher und der entnommenen Leistung der Strom einprägbar ist und somit von der Einspeisung der Strom nur so geregelt werden muss, dass er im Wesentlichen konstant gehalten wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verbraucher einen oder mehrere Kondensatoren, der mit einer den Verbraucher versorgenden Sekundärspule derart seriell und/oder parallel beschaltet ist oder sind, dass die entsprechende Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass ein großer Luftspalt realisierbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem kurzschließbaren Streckenabschnitt ein Schutzmodul zugeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass beim Auftrennen entstehende Überspannungen verminderbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mindestens zwei Schutzmodule vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass stets gleiche Schutzmodule verwendbar sind.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1
mittelfrequente Spannungsquelle
2
Gyrator
3
erster Streckenabschnitt
4
zweiter Streckenabschnitt
5
induktiv versorgter Verbraucher
6
induktiv versorgter Verbraucher
S1
Schalter
S2
Schalter
D1, D2, D3, D4
Diode
C1
Kondensator
R1
Widerstand
SM1
Schutzmodul
SM2
Schutzmodul
SM3
Schutzmodul

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Schutzmodul gezeigt. In der 2 ist eine Anlage zur berührungslosen Energieübertragung gezeigt, wobei die Schutzmodule an verschiedenen Stellen der Anlage vorgesehen sind.

Das Schutzmodul umfasst einen Gleichrichter, beispielhaft aus den Dioden D1, D2, D3, D4 zusammengesetzt, zumindest eine Kapazität, beispielhaft als Kondensator C1, und zumindest einen Entladewiderstand R1 für das Entladen der Kapazität.

Wenn nun zwischen den Anschlüssen A1 und A2 des Schutzmoduls eine Überspannung auftritt, also eine kurzzeitig auftretende Spannungsspitze, ist zugehörige Energie aufnehmbar vom Kondensator C1. Dieser wird über einen nachfolgend über den Entladewiderstand R1 entladen. Das Schutzmodul nimmt kleine oder große Spannungsspitzen auf.

Die Anlage nach 2 umfasst eine mittelfrequente Spannungsquelle 1, die drehstromversorgbar ist, einen entsprechenden Gleichrichter und Glättungskondensator umfasst sowie eine daraus versorgbare Endstufe, die Leistungshalbleiterschalter umfasst, die von einer Steuerschaltung aus pulsweitenmodulierbar ansteuerbar und betreibbar sind zur Erzeugung mittelfrequenter Wechselspannung, die einem Gyrator 2 zugeleitet wird.

Dieser transformiert das Spannungsquellenverhalten U1 in ein Stromquellenverhalten I1. Seine Resonanzfrequenz entspricht im Wesentlichen der Mittelfrequenz.

Aus dieser Stromquelle werden Primärleiter von Streckenabschnitten versorgt, deren Leitungsinduktivitäten durch seriell angeordnete Kondensatoren derart abgestimmt werden, dass die Resonanzfrequenz des Streckenabschnittes der Mittelfrequenz im Wesentlichen entspricht.

In den Hinleitern und Rückleitern der betriebenen Streckenabschnitte fließt also ein im Wesentlichen konstanter mittelfrequenter Wechselstrom.

Die Verbraucher 5, 6 sind induktiv versorgbar. Dabei umfassen die Verbraucher (5, 6) eine Sekundärspule, die induktiv an den Primärleiter der Streckenabschnitte (3, 4) gekoppelt ist.

Außerdem ist zu dieser Spule eine Kapazität in Reihe oder parallel geschaltet, die derart dimensioniert ist, dass die entsprechende Resonanzfrequenz der Mittelfrequenz im Wesentlichen entspricht. Auf diese Weise ist ein guter Wirkungsgrad der berührungslosen Energieübertragung erreichbar, obwohl ein großer Luftspalt zwischen Primärleiter und Sekundärspule vorgesehen ist.

Das Schutzmodul ist im Primärleiterbereich vorgesehen. Dabei umfasst die Primärleitung geschlossene Schleifen, die jeweils einen Hinleiter und einen Rückleiter umfassen. In diesen fließt ein im Wesentlichen eingeprägter Wechselstrom, da der Gyrator ausgangsseitig ein Stromquellenverhalten aufweist. Ausgangsseitig besteht also am Gyrator eine Spannung, die mit zunehmender Leistungsentnahme der Verbraucher zunimmt. Auch beim Zuschalten von weiteren Teilstrecken oder Streckenabschnitten im Primärleiterbereich erhöht sich die Spannung am Gyrator. Das Schutzmodul ist nun derart zwischen Hinleiter und Rückleiter vorgesehen, dass es die zerstörerische Gefahr von auftretenden Überspannungen oder Spannungsspitzen verhindert. Hierzu nimmt das Schutzmodul in sehr kurzer Zeit entsprechend viel Energie auf und verhindert somit Überspannungen, Funkenbildung bei Schaltern und dergleichen. Solche treten insbesondere dann auf, wenn rasche Stromkommutierungen statt finden, wie beispielsweise das Abschalten, das Abschalten von Streckenabschnitten, wie Teilstrecken. Die aufgenommene Energie wird dann über den Entladewiderstand in Wärme verwandelt. Im Normalbetrieb wird bei Spannungsänderung der Kondensator des Schutzmoduls zunächst derart aufgeladen oder entsprechend entladen, bis die Kondensatorspannung im Wesentlichen dem Spitzenwert der Ausgangswechselspannung am Gyrator entspricht. Bei konstanter Leistungsentnahme der Verbraucher bleibt die Spitzenspannung konstant und somit auch die Spannung am Kondensator.

Wenn also ein Streckenabschnitt kurzgeschlossen wird, beispielsweise durch Kurzschließen des Schalters S1, fällt die entnommene Leistung ab und die Gyrator-Ausgangsspannung sinkt entsprechend ab. Nach wie vor fließt noch ein Reststrom über S2im Streckenabschnitt 4. Wenn nachfolgend der Schalter S2 aufgetrennt wird zum sicheren Abschalten aller Ströme in diesem Streckenabschnitt 4, wird die Streckeninduktivität der Primärleitung reduziert und der weiter fließende, im Wesentlichen zunächst konstante Strom, der nun nur über S1 fließt, kann zu einer kurzfristigen Erhöhung der Gyrator-Ausgangsspannung führen; die durch das Schutzmodul SM1 abgefangen wird.

Das Schutzmodul SM2 ist parallel zum Schalter S1 vorgesehen. Bei geschlossenem Schalter ist der Spannungsabfall am Schalter unwesentlich. Somit ist auch die Spannung am Kondensator des Schutzmoduls unwesentlich. Wird jedoch der Schalter S1 geöffnet, würde die Spannung am Schalter S1 gefährlich hohe Werte erreichen können, wenn das Schutzmodul nicht vorhanden wäre. Diese auftretende Überspannung wird durch das Schutzmodul SM2 aufgenommen und daher verhindert.

Außerdem ist ein solches Schutzmodul auch sekundärseitig vorsehbar. Denn zum Schutz der Sekundärspule ist bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen eine Übertemperaturabschaltung vorgesehen. Am zugehörigen Schalter S3 ist ein Schutzmodul SM3 anordenbar wiederum zur Verhinderung von Funkenbildung und Überspannungen.

Vorzugsweise ist das Schutzmodul stets parallel zu elektrischen oder elektronischen Schaltern vorgesehen. Zu den elektrischen Schaltern zählen zumindest auch Relais, Schütz und dergleichen. Zu den elektronischen Schaltern zählen zumindest auch ansteuerbare Leistungshalbleiter, wie IGBT, MOS-FET-Leistungsschalter, Transistoren, Thyristoren und dergleichen.

Die Verbraucher (5, 6) werden berührungslos über die induktive Koppelung zur Primärleitung mit Energie versorgt. Die Verbraucher umfassen beispielhaft elektrische Antriebssysteme, die mehr als 100 W benötigen. Information wird in ersten Ausführungsbeispielen durch höher als die Mittelfrequent liegende aufmodulierte Stromanteile übertragen. Als Mittelfrequenz sind Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz vorteilhaft verwendbar. Zur Informationsübertragung sind somit Frequenzen von 100 kHz und mehr verwendbar. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind Informationsübertragungen mittels parallel zur Primärleitung verlegten Leckwellenleitern oder anderen Systemen übertragbar. Zusätzlich sind auch Spurführungssysteme in den Verbrauchern anordenbar, die die Spurführung des Verbrauchers entlang der Primärleitung ausführbar machen, indem mit Sensorspulen die relative Abweichung zur Primärleitungsposition detektiert wird.


Anspruch[de]
Schutzmodul für eine Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmodul zumindest einen Gleichrichter umfasst, der zur Ladung einer Kapazität vorgesehen ist, der ein Entladewiderstand parallel geschaltet ist. Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derart angeordnet ist, dass es parallel zu einem Schalter zur Verhinderung von Überspannungen und/oder Funkenbildung vorgesehen ist. Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter zum Schalten eines mittelfrequenten Wechselstroms vorgesehen ist, insbeosndere mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz. Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität einen Wert zwischen 0,1 Milli-Farad und 10 Milli-Farad aufweist, wobei der Strom einen Effektivwert von weniger als 200 Ampere, insbeosndere mehr als 1 Ampere aufweist. Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmodul am Ausgang einer Stromquelle vorgesehen ist. Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmodul an einem Schalter zum Kurzschließen und/oder Auftrennen eines Streckenabschnittes vorgesehen ist. Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmodul parallel zu einem Schalter, mit welchem der Strom einer Spule abschaltbar ist, vorgesehen ist. Anlage zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Schutzmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang der den mittelfrequenten Wechselstrom in die Primärleitung einprägenden Einspeiseschaltung ein Schutzmodul vorgesehen ist Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Schutzmodul primärseitig und/oder ein zweites Schutzmodul sekundärseitig vorgesehen ist. Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur berührungslosen Energieübertragung an eine Primärleitung induktiv gekoppelte Verbraucher umfasst, wobei in die Primärleitung ein im Wesentlichen konstanter mittelfrequenter Wechselstrom eingeprägt wird, insbesondere im Wesentlichen unabhängig von der von den Verbrauchern entnommenen Leistung. Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher einen oder mehrere Kondensatoren umfassen, der mit einer den Verbraucher versorgenden Sekundärspule derart seriell und/oder parallel beschaltet ist oder sind, dass die entsprechende Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht. Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem kurzschließbarem Streckenabschnitt ein Schutzmodul zugeordnet ist. Anlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Schutzmodule vorgesehen sind.






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