Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Wandlung einer Eingangs-Spannung in eine Ausgangs-Gleichspannung, umfassend eine erste Abschalteinheit, welche ausgestaltet ist, bei Erreichen oder Überschreiten einer ersten Spannungsschwelle durch die Ausgleichs-Gleichspannung eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandler zu erwirken, um die Ausgangs-Gleichspannung zu reduzieren. Weiters betrifft die gegenständliche Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer Ausgangs-Gleichspannung eines Spannungswandlers, wobei eine erste Spannungsschwelle vorgesehen ist und wobei bei Überschreiten oder Erreichen der ersten Spannungsschwelle durch die Ausgangs-Gleichspannung eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers erfolgt, um die Ausgangs-Gleichspannung zu reduzieren.

In elektrischen Systemen wie beispielsweise Langstatorlinearmotoren oder Planarmotoren werden Aktoren durch einen Spannungswandler mit einer Ausgangs-Gleichspannung versorgt. Die Ausgangs-Gleichspannung wird hierzu unter Verwendung eines entsprechenden Spannungswandlers aus einer (üblicherweise höheren) Eingangsspannung gewandelt. Wird eine Eingangs-Gleichspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung gewandelt, so ist ein Gleichspannungswandler als Spannungswandler vorgesehen. Wird eine Eingangs-Wechselspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung gewandelt, so ist ein Gleichrichter als Spannungswandler vorgesehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Gleichrichter erst eine Netz-Wechselspannung in eine Nieder-Gleichspannung umwandelt und weiters eine Umwandlung der Nieder-Gleichspannung in eine Klein-Gleichspannung über eine Wandlerstufe des Gleichrichters oder einen separat ausgeführten Gleichspannungswandler erfolgt.

Die Ausgangs-Gleichspannung liegt in einem bestimmten Spannungsbereich, z.B. einem Kleinspannungsbereich und/oder einem Niederspannungsbereich. Der jeweilige Spannungsbereich weist ein oberes Spannungslimit auf, welches von der Ausgangs- Gleichspannung nicht überschritten werden darf. Um die Effizienz von Spannungswandlern, welche eine Ausgangs-Gleichspannung zur Verfügung stellen, zu erhöhen, können Stromwärmeverluste minimiert werden. Dies kann erfolgen, indem die Ausgangs- Gleichspannung möglichst nahe an einem oberen Spannungslimit des zugehörigen Spannungsbereichs liegt. Um dennoch sicherzustellen, dass die Ausgangs-Gleichspannung das Spannungslimit nicht überschreitet, ist es erforderlich die Ausgangs-Gleichspannung mit hoher Präzision zu überwachen. Hierzu kann eine Schutzschaltung zur Überwachung einer Spannungsschwelle vorgesehen sein, wobei die Spannungsschwelle im Bereich des Spannungslimits des Spannungsbereichs liegt. Bei einer Überschreitung der Spannungsschwelle wird sichergestellt, dass zumindest ein Teil des Spannungswandlers abgeschaltet wird, um die Ausgangs-Gleichspannung zu reduzieren und damit die Überschreitung der Spannungsschwelle möglichst kurz zu halten. Damit erfolgt jedoch auch bei kurzzeitigen Überschreitungen, wie sie bei dynamischen Laständerungen auftreten, eine Abschaltung - obwohl eine derartige kurzzeitige Überschreitung nicht als kritisch einzustufen ist.

Es ist eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung einen verbesserten Überspannungsschutz eines Spannungswandlers anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem eine zweite Abschalteinheit vorgesehen ist, welche ausgestaltet ist, zu überprüfen ob ein Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung eine Mittelwertschwelle erreicht oder überschreitet und bei einem Erreichen oder einer Überschreitung der Mittelwertschwelle eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers zu erwirken, um die Ausgangs-Gleichspannung zu reduzieren.

Weiters wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, wobei geprüft wird, ob ein Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung eine Mittelwertschwelle erreicht oder überschreitet, und wobei bei einem Erreichen oder einem Überschreiten der Mittelwertschwelle eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers erfolgt, um die Ausgangs- Gleichspannung zu reduzieren.

Als Mittelwert wird vorzugsweise ein quadratischer Mittelwert (auch RMS-Mittelwert genannt) betrachtet. Es kann als Mittelwert auch beispielsweise ein arithmetischer Mittelwert betrachtet werden kann.

Durch die zusätzliche Überwachung des Mittelwerts der Ausgangs-Gleichspannung kann die erste Spannungsschwelle möglichst knapp unter dem oberen Spannungslimit vorgesehen sein, womit Stromwärmeverluste des Spannungswandlers minimiert und die Effizienz des Spannungswandlers gesteigert werden. Bei kurz auftretenden Spitzen der Ausgangs- Gleichspannung wird der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung nur geringfügig erhöht und die Mittelwertschwelle nicht überschritten. Damit erfolgt bei kurz auftretenden Spitzen der Ausgangs-Gleichspannung keine Abschaltung, sofern die erste Spannungsschwelle nicht überschritten wird. Somit können auch dynamische Lasten durch die Ausgangs- Gleichspannung versorgt werden. Die Mittelwertschwelle ist vorzugsweise kleiner der ersten Spannungsschwelle.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn bei Erreichen oder Überschreitung der ersten Spannungsschwelle und/oder bei Erreichen oder Überschreitung der Mittelwertschwelle Leistungsschalter des Spannungswandlers deaktiviert werden, beispielsweise, indem direkt in eine Gate-Ansteuerung der Leistungsschalter eingegriffen wird. Es kann auch ein anderer Teil des Spannungswandlers oder der gesamte Spannungswandler abgeschaltet werden; wichtig ist, dass durch diese Abschaltung die Ausgangs-Gleichspannung absinkt.

Die zweite Abschalteinheit kann integraler Bestandteil des Spannungswandlers, vorzugsweise integraler Bestandteil der ersten Abschalteinheit, sein.

Die erste Spannungsschwelle liegt vorzugsweise unter einem ersten Spannungslimit. Es ist vorgesehen, dass nach einer Abschaltung des zumindest Teils des Spannungswandlers die Ausgangs-Gleichspannung binnen einer Mikrosekunde oder schneller reduziert wird. Nach einem Erreichen oder einer Überschreitung der ersten Spannungsschwelle wird ein Abschaltsignal ausgelöst, womit zumindest ein Teil des Spannungswandlers abgeschaltet wird. Zwischen dem Auslösen des Signals und dem tatsächlichen Abschalten kann jedoch eine Abschaltverzögerung auftreten. Durch die Abschaltverzögerung kann die Situation eintreten, dass die Ausgangs-Gleichspannung selbst nach einem Auslösen des Abschaltsignals in einem gewissen Ausmaß über die Spannungsschwelle ansteigt, bevor sie schlussendlich absinkt. Daher kann durch die Festlegung der ersten Spannungsschwelle unter dem Spannungslimit sichergestellt werden, dass selbst bei Auftreten einer Abschaltverzögerung das erste Spannungslimit selbst nicht überschritten wird. Bei einem ersten Spannungslimit von 70,2 V kann beispielsweise eine erste Spannungsschwelle im Bereich von 60 bis 70 V, vorzugsweise 60 bis 65 V, vorgesehen sein.

Die Mittelwertschwelle liegt vorzugsweise unter einem Mittelwertlimit (wobei das Mittelwertlimit unter dem ersten Spannungslimit liegt). Es muss sichergestellt werden, dass der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung das Mittelwertlimit nicht erreicht oder überschreitet. Bei einem Mittelwertlimit von 60 V kann beispielsweise eine Mittelwertschwelle von 59,25 V vorgesehen sein.

Bei der Festlegung des ersten Spannungslimits und/oder der Mittelwertschwelle können auch Bauteiltoleranzen, Messfehler etc. berücksichtigt werden.

Erreicht oder überschreitet der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung die Mittelwertschwelle, so erfolgt eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers.

Es kann eine zweite Spannungsschwelle, kleiner der ersten Spannungsschwelle vorgesehen sein. Wird zu einem ersten Zeitpunkt ein Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle durch die Ausgangs-Gleichspannung detektiert, so wird bei Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle durch die Ausgangs-Gleichspannung zu einem zweiten Zeitpunkt nach Ablauf eines Intervalls ab dem ersten Zeitpunkt auf ein Erreichen oder eine Überschreitung der Mittelwertschwelle durch den Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung geschlossen. Die zweite Abschalteinheit kann ausgestaltet sein, um einen ersten Zeitpunkt eines Erreichens oder Überschreitens einer zweiten Spannungsschwelle, kleiner der ersten Spannungsschwelle, durch die Ausgangs-Gleichspannung zu detektieren und zu einem zweiten Zeitpunkt nach Ablauf eines vorgegebenen Intervalls ab dem ersten Zeitpunkt ein Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle durch die Ausgangs- Gleichspannung zu überprüfen und bei einem Erreichen oder einer Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle sowohl zum ersten Zeitpunkt, als auch zum zweiten Zeitpunkt, darauf zu schließen, dass der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung die Mittelwertschwelle erreicht oder überschreitet.

Als erster und zweiter Zeitpunkt können hierbei jeweils diskrete Abtastzeitpunkte verwendet werden, an denen die Ausgangs-Gleichspannung durch eine, beispielsweise im oder am Spannungswandler vorgesehene, Spannungsmesseinheit zeitdiskret abgetastet und zeitdiskret gemessen wird. Es ist zu diesem Zweck aber auch eine Verwendung von eigenen, abseits von bereits gegebenen Abtastzeitpunkten liegenden Zeitpunkten möglich, an denen die Ausgangs-Gleichspannung eigens für den Vergleich mit der zweiten Spannungsschwelle gemessen wird.

Eine Verwendung von diskreten Abtastzeitpunkten der Ausgangs-Gleichspannung als erster und zweiter Zeitpunkt ist überdies besonders vorteilhaft, wenn die Ausgangs- Gleichspannung bereits mit einer Grundabtastrate zeitdiskret abgetastet vorliegt, beispielsweise auf Grund einer Messung durch eine oben erwähnte Spannungsmesseinheit. Diese Grundabtastrate zur grundlegenden Messung der Ausgangs-Gleichspannung kann beispielsweise im Bereich von 100kHz oder im MHz-Bereich liegen, wobei der erste und zweite Abtastzeitpunkt vorzugsweise keine durch die Grundabtastrate festgelegten, benachbarten Grundabtastzeitpunkte darstellen, sondern beispielsweise 0,01 bis 100 ms voneinander entfernt sind, oder vorzugsweise 0,1 bis 100 ms voneinander entfernt sind, oder besonders vorzugsweise 1 bis 100ms voneinander entfernt sind. Vorzugsweise ist die Distanz zwischen dem ersten Abtastzeitpunkt und dem zweiten Abtastzeitpunkt dabei fest vorgegeben.

Auch unabhängig von einer etwaigen Abtastung können der erste und der zweite Zeitpunkt 0,01 bis 100 ms voneinander entfernt sein, oder vorzugsweise 0,1 bis 100 ms voneinander entfernt sein, oder besonders vorzugsweise 1 bis 100ms voneinander entfernt sein. Vorzugsweise ist die Distanz zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt fest vorgegeben.

In diesem Sinn kann die zweite Abschalteinheit ausgestaltet sein, darauf zu schließen, ob ein, vorzugsweise quadratischer, Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung eine Mittelwertschwelle erreicht oder überschreitet, wobei die Mittelwertschwelle kleiner der ersten Spannungsschwelle ist, und bei einem Schluss auf ein Erreichen oder bei einem Schluss auf eine Überschreitung der Mittelwertschwelle eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers zu erwirken, um die Ausgangs-Gleichspannung zu reduzieren.

Der Schluss vom Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle sowohl zum ersten Zeitpunkt, als auch zum zweiten Zeitpunkt auf ein Erreichen oder ein Überschreiten der Mittelwertschwelle durch den Mittelwert stellt in der Praxis eine ausreichende Näherung dar. In vielen praktischen Fällen kann der Vergleich der Ausgangs-Gleichspannung mit einer zweiten Spannungsschwelle zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt überdies ein konservativeres Abschaltkriterium darstellen als der vorgestellte Vergleich eines Mittelwertes mit einer Mittelwertschwelle. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt beispielsweise nicht weiter voneinander entfernt sind als 100ms.

Ein weiterer Aspekt, der dazu beitragen kann, dass durch den Vergleich der Ausgangs- Gleichspannung mit einer zweiten Spannungsschwelle zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt ein sicheres und konservatives Kriterium für eine Abschaltung realisiert wird, ist die Höhe der zweiten Spannungsschwelle. Wird die zweite Spannungsschwelle ausreichend tief unter die Mittelwertschwelle gelegt, kann bei einer geeigneten Wahl des Abstandes zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt in der Praxis davon ausgegangen werden, dass der Schluss vom Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle sowohl zum ersten Zeitpunkt, als auch zum zweiten Zeitpunkt auf ein Erreichen oder ein Überschreiten der Mittelwertschwelle durch den Mittelwert zu keinen fehlerhaften Nichtabschaltungen führt. Im Gegenteil wird so teilweise auch in Fällen abgeschaltet, in denen der Mittelwert die Mittelwertschwelle tatsächlich nicht erreicht oder überschreitet.

Ein Beispiel für eine ausreichend tiefe Wahl der zweiten Spannungsschwelle ist die Wahl von 59,25 V für die zweite Spannungsschwelle bei einer Mittelwertschwelle von 60 V, bevorzugt kann für die zweite Spannungsschwelle in diesem Fall aber auch 58 V gewählt werden, höchst bevorzugt auch 57 V. Grundsätzlich weiß der Fachmann auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik wie die Spannungsschwellen und die Zeitpunkte zu deren Vergleich mit der Ausgangs-Gleichspannung in einer bestimmten Situation am besten zu wählen sind.

Das Intervall beginnt bei einem Erreichen oder einer Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle mit dem ersten Zeitpunkt und endet zum zweiten Zeitpunkt. Dies ist eine besonders kostengünstige Möglichkeit zur Überwachung des Mittelwerts der Ausgangs- Gleichspannung. Da, nachdem zum ersten Zeitpunkt die zweite Spannungsschwelle erreicht oder überschritten wurde, zu einem zweiten Zeitpunkt abermals ein Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle geprüft wird und nur in bei einem abermaligen Erreichen oder Überschreiten eine Abschaltung erfolgt, kann gewährleistet werden, dass ein/eine kurzfristige/s Erreichen/Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle zum ersten Zeitpunkt, z.B. aufgrund einer dynamischen Laständerung, nicht sofort eine Abschaltung erfolgt. Die Abschaltung erfolgt erst, wenn auch nach Ablauf des Intervalls (d.h. zum zweiten Zeitpunkt) ein Erreichen oder eine Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle erfolgt. Erfolgt zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Erreichen oder eine Überschreitung der ersten Spannungsschwelle, so erfolgt jedoch immer eine Abschaltung.

Es kann auch erst zum ersten Zeitpunkt ein Erreichen oder eine Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle und zum zweiten Zeitpunkt nach Ablauf des vorgegebenen Intervalls ein Erreichen oder eine Überschreitung einer anderen, der zweiten Spannungsschwelle verschiedenen, Spannungsschwelle geprüft werden. Vorzugsweise wird jedoch sowohl zu Beginn des Intervalls (d.h. zum ersten Zeitpunkt), als auch am Ende des Intervalls (d.h. zum zweiten Zweitpunkt) ein Erreichen oder eine Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle geprüft.

Wird nach Ablauf des vorgegebenen Intervalls ein Erreichen oder eine Überschreitung einer anderen, der zweiten Spannungsschwelle verschiedenen Spannungsschwelle geprüft, kann die zweite Abschalteinheit ausgestaltet sein, einen ersten Zeitpunkt eines Erreichens oder Überschreitens einer zweiten Spannungsschwelle, kleiner der ersten Spannungsschwelle, durch die Ausgangs-Gleichspannung zu detektieren und zu einem zweiten Zeitpunkt nach Ablauf eines vorgegebenen Intervalls ab dem ersten Zeitpunkt ein Erreichen oder Überschreiten einer dritten Spannungsschwelle kleiner der zweiten Spannungsschwelle durch die Ausgangs-Gleichspannung zu überprüfen und bei einem Erreichen oder einer Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle sowohl zum ersten Zeitpunkt, als auch zum zweiten Zeitpunkt, darauf zu schließen, dass der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung die Mittelwertschwelle erreicht oder überschreitet.

Bei einer Mittelwertschwelle von 60 V kann die zweite Spannungsschwelle zu 59,25 V und die dritte Spannungsschwelle zu 58.25 V gewählt werden, oder die zweite Spannungsschwelle kann zu 58 V und die dritte Spannungsschwelle zu 57 V gewählt werden, oder die zweite Spannungsschwelle kann zu 57 V und die dritte Spannungsschwelle zu 55 V gewählt werden. Grundsätzlich weiß der Fachmann auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik jedoch, wie die Spannungsschwellen und die Zeitpunkte für einen Vergleich mit der Ausgangs-Gleichspannung in einer bestimmten Situation am besten zu wählen sind.

Natürlich kann nach dem Ende eines Intervalls ein weiteres Intervall mit einem ersten und zweiten Zeitpunkt vorgesehen sein, wobei analog eine Prüfung auf Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsquelle erfolgen kann, um auf ein Erreichen oder eine Überschreitung der Mittelwertschwelle durch den Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung zu schließen.

Vorzugsweise wird der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung kontinuierlich berechnet. Entsprechend kann die zweite Abschalteinheit ausgestaltet sein, kontinuierlich einen Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung zu bilden und zu überprüfen, ob der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung eine vorgegebene Mittelwertschwelle erreicht oder überschreitet Die kontinuierliche Berechnung kann zusätzlich oder statt der Prüfung eines Erreichen oder Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle zum ersten und zweiten Zeitpunkt erfolgen. Vorzugsweise wird der Mittelwert kontinuierlich über ein vorgegebenes Mittelwertintervall berechnet.

Gibt eine Spannungsmesseinheit des Spannungswandlers für die Ausgangs- Gleichspannung einen falschen Spannungswert aus, z.B. einen Spannungsmesswert von 0 V, so führt dies zu einer Erhöhung der Ausgangs-Gleichspannung (wobei weiterhin ein falscher Spannungsmesswert, z.B. 0 V angezeigt wird) womit die Ausgangs-Gleichspannung in Folge die erste Ausgangsschwelle und/oder der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung die Mittelwerteschwelle erreicht oder überschreitet. Nutzen allerdings die erste und/oder zweite Abschalteinheit zur Bestimmung der Ausgangs-Gleichspannung/und oder des Mittelwerts der Ausgangs-Gleichspannung ebenso die (falschen) Spannungsmesswerte der Spannungsmesseinheit, die dem Spannungswandler zugehörig ist, so wird dieses Erreichen oder diese Überschreitung von der ersten und/oder zweiten Abschalteinheit nicht erkannt.

Ein unplausibler Spannungswert kann jedoch durch eine Plausibilitätsprüfung der erhaltenen Spannungsmesswerte der Ausgangs-Gleichspannung erkannt werden. Werden jedoch, z.B. aufgrund eines Defekts in der Spannungsmesseinheit des Spannungswandlers, wie einem Teilbruch eines Widerstands, Spannungsmesswerte derart verfälscht, dass zwar falsche, jedoch plausible Ausgangs-Gleichspannungen (d.h. Ausgangs-Gleichspannungen, die grundsätzlich möglich sind) auftreten, so kann dieser fehlerhafte Spannungsmesswert durch eine Plausibilitätsprüfung natürlich nicht erkannt werden.

Vorzugsweise ist daher eine der ersten Abschalteinheit zugehörige erste Spannungsmesseinheit zur Ermittlung der Ausgangs-Gleichspannung unabhängig von einer dem Spannungswandler zugehörigen Spannungsmesseinheit zur Ermittlung der Ausgangs- Gleichspannung ausgeführt und/oder eine der zweiten Abschalteinheit zugehörige zweite Spannungsmesseinheit zur Ermittlung der Ausgangs-Gleichspannung unabhängig von einer dem Spannungswandler zugehörigen Spannungsmesseinheit zur Ermittlung der Ausgangs- Gleichspannung ausgeführt. Damit wird verhindert, dass bei einem Auftreten eines Einzelfehlers in der Spannungsmesseinheit des Spannungswandlers auch für die erste und/oder zweite Spannungsmesseinheit ein unzulässiger Spannungsmesswert der Ausgangs-Gleichspannung generiert wird. Besonders vorteilhaft ist es natürlich, wenn die erste und zweite Abschalteinheit nicht nur vom Spannungswandler, sondern auch voneinander unabhängig ausgeführt sind, beispielsweise jeweils eine unabhängige Spannungsmesseinheit aufweisen. Es kann auch die gesamte erste und/oder zweite Abschalteinheit unabhängig vom Spannungswandler ausgeführt sein, wobei „unabhängig“ natürlich die Prüfung des Erreichens oder der Überschreitungen der Spannungsschwellen und Mittelwertschwellen betrifft; bei der Abschaltung des zumindest Teils des Spannungswandlers muss natürlich in geeigneter Weise in die Funktion des Spannungswandlers eingegriffen werden, um die Ausgangs-Gleichspannung zu reduzieren.

Vorzugsweise ist die erste und/oder zweite Abschalteinheit jeweils zweifehlersicher ausgestaltet. So kann jeweils ein erster Schaltungsteil und ein weiterer Schaltungsteil vorgesehen ist, welcher unabhängig vom ersten Schaltungsteil ausgeführt ist. Damit kann eine gleichzeitige Beeinflussung der Schaltungsteile durch einen Einzelfehler ausgeschlossen werden. Beispielsweise können erster und weiterer Schaltungsteil redundant ausgeführt sein.

Vorzugsweise ist der Spannungswandler derart ausgelegt, dass als Ausgangs- Gleichspannung eine Kleinspannung bis zu einem Spannungslimit von 60 V ausgegeben wird.

Vorzugsweise stellt der Spannungswandler einen Gleichrichter zum Wandeln einer Eingangs-Wechselspannung in die Ausgangs-Gleichspannung oder einen Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Eingangs-Gleichspannung in die Ausgangs- Gleichspannung dar.

Weiters kann ein Langstatorlinearmotor oder Planarmotor vorgesehen sein, welcher eine Anzahl an Aktoren und einen erfindungsgemäßen Spannungswandler zur Spannungsversorgung der Anzahl Aktoren durch die Ausgangs-Gleichspannung umfasst.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig.1 einen Spannungswandler mit einer ersten und zweiten Abschalteinheit,

Fig.2 unabhängige Spannungsmesseinheiten einer ersten und zweiten Abschalteinheit,

Fig.3a eine Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle zu einem ersten Zeitpunkt, Fig.3b eine Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle zu einem ersten und zweiten Zeitpunkt,

Fig.4 eine Überschreitung einer Mittelwertschwelle durch einen Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung,

Fig. 1a stellt einen Spannungswandler 2 dar, welcher an einem Ausgang eine Ausgangs- Gleichspannung Ua ausgibt. Weiters ist eine Spannungsmesseinheit VO vorgesehen, welches die Ausgangs-Gleichspannung Ua am Ausgang des Spannungswandlers 2 ermittelt. Der Spannungswandler 2 umfasst einen Spannungsregler 21 , welcher die Ausgangs- Gleichspannung Ua entsprechend einer vorgegebenen Sollspannung Usoll regelt. Hierzu wird der Spannungsregler von der Spannungsmesseinheit VO des Spannungswandlers 2 mit dem Spannungswert der Ausgangs-Gleichspannung Ua versorgt. Der Spannungswert der Ausgangs-Gleichspannung Ua kann zeitkontinuierlich aufgenommen werden oder auch zeitdiskret abgetastet werden. Der Spannungsregler 21 generiert Steuersignale S, welche eine Leistungseinheit 20 des Spannungsreglers 21 vorgegeben werden, um die Ausgangs- Gleichspannung Ua entsprechend der Sollspannung Usoll zu regeln. Als Spannungswandler 2 kann ein Gleichrichter vorgesehen sein, welcher an eine an einem Eingang anliegende Eingangs-Wechselspannung ue in die Ausgangs-Gleichspannung Ua wandelt, oder ein Gleichspannungswandler vorgesehen sein, weicher eine an einem Eingang anliegende Eingangs-Gleichspannung Ue in die Ausgangs-Gleichspannung Ua wandelt. Es kann am Spannungswandler 2 auch erst eine Wandlung der Eingangs-Wechselspannung ue in eine Zwischen-Gleichspannung erfolgen, wobei die Zwischen-Gleichspannung von einerweiteren Stufe des Spannungswandlers 2 oder auch von einem separat ausgeführten Gleichspannungswandler in die Ausgangs-Gleichspannung Ua gewandelt wird.

Die Spannungsmesseinheit VO kann zur Bestimmung der Ausgangs-Gleichspannung Ua die Ausgangs-Gleichspannung Ua mit einer Grundabtastrate zu Grundabtastzeitpunkten zeitdiskret abtasten, wobei die Grundabtastrate bevorzugt im Bereich von 100kHz liegen kann.

Die Leistungseinheit 20 umfasst üblicherweise eine Anzahl Leistungsschalter, welche entsprechend der Steuersignale S angesteuert werden. Da die Funktionsweise von Spannungswandlern 2 grundlegend bekannt ist, wird an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen.

Es kann eine Anzahl Aktoren mit dem Ausgang des Spannungswandlers 2 verbunden sein, wobei, die Anzahl Aktoren mit der Ausgangs-Gleichspannung Ua versorgt werden. Der Spannungswandler 2 kann beispielsweise Aktoren eines Langstatorlinearmotors oder Planarmotors mit der Ausgangs-Gleichspannung versorgen. Der Spannungswandler 2 umfasst eine erste Abschalteinheit 11 , welche ausgestaltet ist, bei Erreichen oder Überschreiten einer ersten Spannungsschwelle Ux1 durch die Ausgleichs- Gleichspannung Ua eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandler 2 zu erwirken, um die Ausgangs-Gleichspannung Ua zu reduzieren. Es wird somit sichergestellt, dass die Ausgangs-Gleichspannung Ua die erste Spannungsschwelle Ux1 nicht oder nur kurzfristig erreicht oder überschreitet.

Weiters umfasst der Spannungswandler 2 eine zweite Abschalteinheit 12, welche ausgestaltet ist, zu überprüfen ob ein Mittelwert Uam der Ausgangs-Gleichspannung Ua eine Mittelwertschwelle Uxm erreicht oder überschreitet und bei einem Erreichen oder einer Überschreitung der Mittelwertschwelle Uxa eine Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers 2 zu erwirken, um die Ausgangs-Gleichspannung Ua zu reduzieren. Die zweite Abschalteinheit 12 ist hier als integraler Bestandteil des Spannungswandlers 2 dargestellt, kann aber auch separat ausgeführt sein.

Die erste und/oder zweite Abschalteinheit 11, 12 können mikroprozessorbasierte Hardware umfassen, beispielsweise einen Computer oder Digitalen Signalprozessor (DSP), auf welchem entsprechende Software zur Durchführen der jeweiligen Funktion ausgeführt wird. Die erste und/oder zweite Abschalteinheit 11, 12 können auch eine integrierte Schaltung umfassen, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA), auch mit einem Mikroprozessor. Die erste und/oder zweite Abschalteinheit 11, 12 können aber auch einen analogen Schaltkreis oder analogen Computer umfassen. Auch Mischformen sind denkbar. Ebenso ist es möglich, dass verschiedene Funktionen auf derselben Hardware implementiert sind

Eine mögliche Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers 2, sowohl durch die erste Abschalteinheit 11, als auch durch die zweite Abschalteinheit 12 erfolgt durch Abschaltsignale A1, A2, die auf die Leistungseinheit 20 einwirken. Es können beispielsweise durch entsprechende Abschaltsignale A1, A2 Leistungsschalter der Leistungseinheit 20 deaktiviert werden.

Vorzugsweise ist eine der ersten Abschalteinheit 11 zugehörige erste Spannungsmesseinheit V1 vorgesehen, welche unabhängig von der dem Spannungswandler 2 zugehörigen Spannungsmesseinheit V0 ausgeführt ist. Damit ist es für die erste Abschalteinheit 11 möglich den Wert der Ausgangs-Gleichspannung Ua zu ermitteln, auch wenn die dem Spannungswandler 2 zugehörige Spannungsmesseinheit V0 einen falschen Wert der Ausgangs-Gleichspannung Ua ermittelt.

Vorzugsweise ist eine der zweiten Abschalteinheit 12 zugehörige zweite Spannungsmesseinheit V2 vorgesehen, welche unabhängig von der dem Spannungswandler 2 zugehörigen Spannungsmesseinheit V0 ausgeführt ist. Damit ist es für die zweite Abschalteinheit 12 möglich den Wert der Ausgangs-Gleichspannung Ua zu ermitteln, auch wenn die dem Spannungswandler 2 zugehörige Spannungsmesseinheit VO einen falschen Wert der Ausgangs-Gleichspannung Ua ermittelt.

Sind eine erste und zweite Spannungsmesseinheit V1, V2 vorgesehen, die unabhängig von einer dem Spannungswandler 2 zugehörigen Spannungsmesseinheit VO ausgeführt sind, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste und zweite Spannungsmesseinheit V1, V2 auch unabhängig voneinander ausgeführt sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Es kann alternativ auch nur eine erste Spannungsmesseinheit V1 vorgesehen sein, welche sowohl der ersten Abschalteinheit 11 , als auch der zweiten Abschalteinheit 12 den Wert der Ausgangs- Gleichspannung Ua zur Verfügung stellt.

Vorzugsweise wird geprüft, ob zu einem ersten Zeitpunkt tO ein Erreichen oder Überschreiten einer zweiten Spannungsschwelle Ux2, kleiner der ersten Spannungsschwelle Ux1 , durch die Ausgangs-Gleichspannung Ua detektiert wird. Erreicht oder überschreitet die Ausgangs-Gleichspannung Ua die zweite Spannungsschwelle Ux2 auch zu einem zweiten Zeitpunkt t1 nach Ablauf eines vorgegebenen Intervalls T1 ab dem ersten Zeitpunkt tO, wie in Fig. 1b schematisch angedeutet, so wird auf eine Überschreitung des Mittelwerts Uam der Ausgangsspannung Ua geschlossen. Vorzugsweise entspricht die zweite Spannungsschwelle Ux2 der Mittelwertschwelle Uxm.

Damit erfolgt bei einer kurzzeitigen Überschreitung der zweiten Spannungsschwelle Ux2 (z.B. aufgrund dynamischer Laständerungen und entsprechender kurzfristig erhöhter Ausgangs-Gleichspannung Ua) zum ersten Zeitpunkt tO (am Beginn des Intervalls T1) keine Abschaltung - sofern die erste Spannungsschwelle Ux1 nicht überschritten wird.

In Fig. 3a ist eine beispielhafte Ausgangs-Gleichspannung Ua dargestellt, wobei die Ausgangs-Gleichspannung Ua zwar die zweite Spannungsschwelle Ux2 zum ersten Zeitpunkt tO erreicht und überschreitet, jedoch die zweite Spannungsschwelle Ux2 zum zweiten Zeitpunkt t1 , nach Ablauf des Intervalls T 1 , nicht (mehr) erreicht oder überschreitet. Somit erfolgt keine Abschaltung des zumindest Teils des Spannungswandlers 2. Die Ausgangs-Gleichspannung Ua erreicht oder überschreitet hier auch niemals die erste Spannungsschwelle Ux1 , womit auch aus diesbezüglich keine Abschaltung erfolgt.

Ist die Ausgangs-Gleichspannung Ua zum zweiten Zeitpunkt t1 , nach Ablauf des Intervalls T1 größer/gleich der zweiten Spannungsschwelle, Ux2, so erfolgt aus diesem Grund eine Abschaltung des zumindest Teils des Spannungswandlers 2. Ein derartiger beispielhafter Verlauf der Ausgangs-Gleichspannung Ua ist in Fig. 3b dargestellt.

Zur Wahl des ersten Zeitpunktes tO und des zweiten Zeitpunktes t1 können in einer vorteilhaften Weise Abtastzeitpunkte verwendet werden, an denen die Ausgangs- Gleichspannung zeitdiskret abgetastet und zeitdiskret gemessen wird, beispielsweise durch die Spannungsmesseinheit VO. Zur Wahl der Abtastzeitpunkte wiederum können die Grundabtastzeitpunkte herangezogen werden, welche durch die Grundabtastrate der Spannungsmesseinheit VO festgelegt werden. Der erste Zeitpunkt tO und der zweite Zeitpunkt t1 sind dabei durch ein zeitliches Intervall zu trennen, wobei dieses zeitliche Intervall beispielsweise eine Länge von 0,01 bis 100 ms, oder vorzugsweise eine Länge von 0,1 bis 100 ms, oder besonders vorzugsweise eine Länge von 1 bis 100 ms aufweist. Bevorzugt ist dabei die Distanz zwischen dem ersten Zeitpunkt tO und dem zweiten Zeitpunkt t1 fest vorgegeben.

Obwohl in Fig. 3a und Fig. 3b zum ersten Zeitpunkt tO und zum zweiten Zeitpunkt t1 jeweils die Verwendung der gleichen zweiten Schwelle Ux2 dargestellt ist, kann alternativerweise zum ersten Zeitpunkt tO die zweite Schwelle Ux2 und zum Zeitpunkt t1 anstatt der zweiten Schwelle Ux2 eine dritte Schwelle Ux3 herangezogen werden (nicht dargestellt). In einer bevorzugten Weise liegt die dritte Schwelle Ux3 dabei unter der zweiten Schwelle Ux2. Es ist jedoch ebenso denkbar, eine über der zweiten Schwelle Ux2 liegende, dritte Schwelle Ux3 zu wählen.

Es kann der Mittelwert Uam der Ausgangs-Gleichspannung Ua in einer Berechnungseinheit, welche vorzugsweise integraler Bestandteil der zweiten Abschalteinheit ist, kontinuierlich berechnet und ein Erreichen oder eine Überschreitung einer Mittelwertschwelle Uxm überprüft werden. Ein derartiger Verlauf des Mittelwerts Uam ist in Fig. 4 dargestellt, wobei ebenso die Ausgangs-Gleichspannung Ua punktiert eingezeichnet ist. Der Mittelwert Uam erreicht an der mit x markierten Stelle die Mittelwertschwelle Uxm, womit eine Abschaltung des zumindest T eils des Spannungswandlers 2 erfolgt was eine Reduzierung der der Ausgangs-Gleichspannung Ua bewirkt, wie an der abflachenden zugehörigen Kurve ersichtlich ist. Wäre der ermittelte Mittelwert Uam geringer als die Mittelwertschwelle Uxm, so würde der zumindest Teil des Spannungswandlers 2 nicht abgeschaltet werden (außer die Ausgangs-Gleichspannung Ua erreicht oder überschreitet die erste Spannungsschwelle Ux1).

Es soll in Folge eine mögliche Bestimmung eines ersten Spannungslimits und eines Mittelwertlimits, beispielhaft beschrieben werden.

Ist am Spannungswandler 2 vorgesehen, dass die Ausgangs-Gleichspannung Ua im Bereich der Kleinspannung (extra low voltage) liegt und weiters einen Überspannungsschutz aufweist, so ist der Spannungswandler 2 ein PELV-System (protective extra low voltage) genannt. Ein PELV-System muss die Normen DIN EN 61800-5-1 VDE 0160-105-1:2018-09 und DIN EN 60204-1 VDE 0113-1:2019-06 erfüllen. Die No rm EN61800-5-1 fordert unter dem Punkt 3.21 einen elektrischen Stromkreis mit folgenden Eigenschaften: Die Spannung erreicht oder überschreitet sowohl bei einer einzelnen Fehlerbedingung als auch bei Normalbedingungen die ELV nicht dauerhaft;

- Schutztrennung von anderen Stromkreisen als PELV oder SELV;

Erdungseinrichtungen für den PELV-Stromkreis, seine berührbaren leitfähigen Teile oder beides

In Kapitel 4.3.1.1 „Verwendung der maßgeblichen Spannungsklassen (DVC)“ ist folgendes ausgeführt: Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag sind von der Klassifizierung der Stromkreise nach maßgeblichen Spannungen nach Tabelle 3 abhängig, die die Grenzwerte der Arbeitsspannung innerhalb des Stromkreises mit der DVC in Beziehung setzt. Die DVC gibt damit den erforderlichen Mindestschutzgrad für den Stromkreis an.

Die zugehörige Tabelle 3 ist im darauffolgenden Kapitel 4.3.1.2 „Grenzwerte der DVC“ dargelegt und zeigt für die Spannungsklasse DVC A eine Ausgangs-Gleichspannung mit einem Mittelwert von maximal 60V.

Entsprechend Kapitel 4.3.1.4.3 sind mit Verweis auf Tabelle 3 folgende Bedingungen definiert: Der arithmetische Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung darf maximal die Mittelwertobergrenze von 60 V betragen und der periodische Scheitelwert maximal die 1,17- fache Mittelwertobergrenze betragen, d.h. 60 V * 1,17 = 70,2 V.

Um maximale Effizienz des Spannungswandlers 2 zu erzielen, ist es gewünscht, die Ausgangs-Gleichspannung Ua so hoch wie möglich zu halten. Somit wird als erstes Spannungslimit der periodische Scheitelwert, welcher einen transienten Maximalwert darstellt, gewählt, d.h. bei 70,2 V. Es wird eine erste Spannungsschwelle Ux1 festgelegt, deren Wert vorteilhafterweise unter dem ersten Spannungslimit festgelegt ist, beispielsweise 63 V. Erreicht oder überschreitet die Ausgangs-Gleichspannung Ua diese erste Spannungsschwelle Ux1, so erfolgt eine sofortige Abschaltung zumindest eines Teils des Spannungswandlers 2, um die Ausgangs-Gleichspannung Ua zu reduzieren.

Da für eine Einordnung als Kleinspannungs-System (DVCA) für die Ausgangs- Gleichspannung Ua ebenso ein maximaler Mittelwert (RMS) von 60V angegeben ist, wird das zweite Spannungslimit die Ausgangs-Gleichspannung Ua entsprechend des maximalen Mittelwerts gewählt, d.h. bei 60 V. Der Wert der Mittelwertschwelle Uam und/oder der zweiten Spannungsschwelle Ux2 ist vorzugsweise unter dem zweiten Spannungslimit festgelegt, z.B. bei 59,25 V. Die zweite Spannungsschwelle Ux2 kann aber auch dem zweiten Spannungslimit entsprechen.

Es wird über ein vorgegebenes Mittelwertintervall tm ein Mittelwert Uam der Ausgangs- Gleichspannung Ua gebildet und geprüft ob der Mittelwert Uam über einer Mittelwertschwelle Uxm liegt. Ist dem der Fall, so ist die Zusatzbedingung Z erfüllt und es erfolgt eine Abschaltung.

Erreicht oder überschreitet die Ausgangs-Gleichspannung Ua die erste Spannungsschwelle Ux1 nicht und erreicht oder überschreitet der Mittelwert der Ausgangs-Gleichspannung Ua die Mittelwertschwelle Ux2 nicht so fällt der Spannungswandler 2 in die DVCA-Klasse.

Der Mittelwert Uam kann wie oben ausgeführt, kontinuierlich berechnet und mit der Mittelwertschwelle Uxm verglichen werden und/oder auf ein Erreichen oder eine Überschreitung des Mittelwertes Uam der Ausgangs-Gleichspannung Ua geschlossen werden, wenn die Ausgangs-Gleichspannung Ua zu einem ersten Zeitpunkt tO und nach einem Intervall T1 zu einem zweiten Zeitpunkt t1 eine zweite Spannungsschwelle Ua2 (die vorzugsweise der Mittelwertschwelle Uxm entspricht) erreicht oder überschreitet.