Eine solche Vorrichtung dient der Übertragung elektrischer Energie zu einem beweglichen Verbraucher ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt. Sie umfaßt einen Primär-und einen Sekundärteil, die ähnlich dem Prinzip des Transformators elektromagnetisch gekoppelt sind. Der Primärteil besteht aus einer Einspeisungselektronik und einer entlang einer Strecke verlegten Leiterschleife. Ein oder mehrere Abnehmer und die zugehörige Abnehmerelektronik bilden die Sekundärseite. Im Gegensatz zum Transformator, bei dem Primär-und Sekundärteil möglichst eng gekoppelt sind, handelt es sich um ein lose gekoppeltes System. Möglich wird dies durch eine relativ hohe Betriebsfrequenz im Kilohertzbereich. So können auch große Luftspalte bis zu einigen Zentimetern überbrückt werden. Dabei wird die Betriebsfrequenz sekundärseitig als Resonanzfrequenz eines Parallelschwingkreises festgelegt, der durch die Parallelschaltung eines Kondensators zu der Abnehmerspule gebildet wird.

Zu den Vorteilen dieser Art der Energiezuführung zählen insbesondere die Verschleiß-und Wartungsfreiheit, sowie die Berührungssicherheit und eine hohe Verfügbarkeit. Typische Anwendungen sind automatische Materialtransportsysteme in der Fertigungstechnik, aber auch Personentransportsysteme, wie Aufzüge und elektrisch angetriebene Busse.

Eine Prinzipschaltung der Abnehmerseite ist in der WO 92/17929 beschrieben und in Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Der Abnehmerinduktivität Ll und der dieser zur Bildung eines Schwingkreises parallelgeschalteten Kapazität Cl ist ein Gleichrichter 1 nachgeschaltet, an den sich ein Schaltregler an sich bekannter Art, bestehend aus einer Induktivität L2, einer Diode D1, einer Kapazität C2 und einem elektronischen Schalter S sowie einem Regler 2 anschließt. Der Regler 2 beinhaltet im wesentlichen eine Spannungsreferenz und einen Vergleicher, der über die Steuerleitung 3 den elektronischen Schalter S schließt, wenn die Spannung über der Kapazität C2 einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet und ihn öffnet, wenn sie einen zweiten, nur wenig unter dem ersten liegenden Wert unterschreitet, wodurch die Spannung UL über der Kapazität C2 und der parallel zu dieser an den Klemmen A und B angeschlossenen Last 4 annähernd einen vorbestimmten Sollwert einnimmt. Bei der Last 4 handelt es sich typischerweise um einen elektrischen Antrieb.

Bei vielen Anwendungen muß außer der Hauptlast 4 in Form eines elektrischen Antriebs noch eine Steuerelektronik versorgt werden, wobei sich die benötigten Spannungsniveaus beträchtlich unterscheiden. Während ein typischer Spannungswert für die Antriebsversorgung ca. 560 V beträgt, liegen die Spannungen im Bereich der Steuerelektronik um mehr als eine Größenordnung niedriger, beispielsweise bei 24 V. Ein möglicher Weg zur Bereitstellung einer zweiten, wesentlich niedrigeren Ausgangsspannung ist der Anschluß eines Gleichspannungswandlers an den Klemmen A und B parallel zur Hauptlast 4. Solche Gleichspannungswandler für das hier in Rede stehende Umsetzungsverhältnis von beispielsweise 560 V auf 24 V sind allerdings aufwendig und daher teuer.

Ein anderer Weg wird in der DE 100 14 954 Al, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, vorgeschlagen. Zur Gewinnung einer zweiten, wesentlich niedrigeren Gleichspannung ist auf dem Abnehmerkern eine zweite Sekundärwicklung vorgesehen, die mit einem zweiten Gleichrichter verbunden ist. Obgleich dies in besagter Schrift nicht erwähnt ist, wird dem zweiten Gleichrichter zur Stabilisierung der Spannung wohl auch ein zweiter Regler nachgeschaltet werden müssen, womit die Abnehmerelektronik effektiv auf niedrigem Spannungsniveau dupliziert wird. Die Notwendigkeit der Anbringung der zweiten Sekundärwicklung auf dem Abnehmer schränkt darüber hinaus die Entwurfsfreiheit bei der Konstruktion des Abnehmers ein.

Aus der US 6,005, 435 ist ein Hochspannungsgenerator zur Erzeugung einer Hochspannung im Kilovoltbereich für die Anode einer Kathodenstrahlröhre bekannt, bei dem ein ausgangsseitiges, zur Teilung der Ausgangsspannung als Regelgröße mit hoher Flankensteilheit benötigtes RC-Parallelglied durch eine Serienschaltung zweier einzelner RC- Parallelglieder gebildet wird. Hierdurch ergeben sich geringere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der verwendeten Kondensatoren sowie ein kompakterer Aufbau der Schaltung.

Die DE 38 32 442 AI lehrt eine Stromversorgungseinrichtung für einen Reisezugwagen, bei der eine von der Zugsammelschiene abgegriffene Wechselspannung gleichgerichtet und von einem Tiefsetzsteller in eine Zwischenkreis-Gleichspannung von 600 V umgeformt wird. Aus dieser werden mittels zweier identischer Drehstrom-Wechselrichter und diesen nachgeschalteter LC-Filter 3x380V-Sinuswechselspannungen erzeugt. Dabei weist der Tiefsetzsteller zwei in Serie geschaltete GTO-Thyristoren auf, die sowohl eingangsseitig, als auch ausgangsseitig über zwei jeweils gleiche, zueinander in Serie geschaltete Kapazitäten verbunden sind, deren Verbindungspunkte ihrerseits miteinander verbunden sind. Diese Schaltungskonfiguration des Tiefsetzstellers dient der Verdopplung seiner Eingangsspannungsfestigkeit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen möglichst einfachen Weg aufzuzeigen, um bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung mit nur geringen Eingriffen in den Abnehmer sekundärseitig mindestens eine zweite Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß nur wenige zusätzliche Bauelemente benötigt werden und keine größere Änderung der Schaltungstopologie erforderlich ist, um eine weitere Ausgangsspannung zu erhalten. Der Eingriff in den Abnehmer selbst ist minimal, denn er beschränkt sich auf eine Anzapfung der Sekundärspule. Auch der Wirkungsgrad der Energieübertragung erfährt durch die Modifikation der Abnehmerelektronik keine nennenswerte Beeinträchtigung. Die für die Realisierung der Erfindung nötige Aufteilung der Kapazitäten in Serienschaltungen hat den positiven Nebeneffekt, daß über jeder einzelnen Kapazität eine geringere Spannung abfällt, was geringere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der verwendeten Kondensatoren bedeutet.

Als weiteren besonderen Vorteil ermöglicht die Erfindung den Einsatz eines Gleichspannungswandlers mit einer Eingangsnennspannung von unter 300 V zur Versorgung der Steuerelektronik. Solche Gleichspannungswandler kommen in großen Stückzahlen in netzspannungsbetriebenen Geräten zum Einsatz und sind daher kostengünstig erhältlich.

Eine besonders bevorzugte, kostengünstige und kompakte Lösung ist die Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammen mit einem zur Ansteuerung eines Antriebs dienenden Umrichter in einer gemeinsamen Baueinheit, wobei das Konzept einer solchen Zusammenfassung auch auf herkömmliche gattungsgemäße Vorrichtungen anwendbar ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Abnehmerelektronik nach dem Stand der Technik, Fig. 2 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Abnehmerelektronik mit einer zweiten Ausgangsspannung, Fig. 3 eine Zusammenschaltung einer erfindungsgemäßen Abnehmerelektronik mit einer Last in Form eines von einem Umrichter angesteuerten Antriebs.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zielt darauf ab, eine zweite Ausgangsspannung UL2 zur Verfügung zu stellen, die annähernd halb so groß ist wie die für die Hauptlast 4 benötigte Spannung UL, die von der Abnehmerelektronik nach wie vor in unveränderter Höhe von beispielsweise 560 V zwischen den Klemmen A und B abgegeben wird. Dementsprechend ist die Abnehmerinduktivität L1 in zwei gleich große in Serie zueinander geschaltete Induktivitäten L 11 und L 12 aufgeteilt, deren Summe der Induktivität Ll entspricht. Realisiert wird diese Unterteilung der Induktivität L1 durch eine Mittenanzapfung C der Wicklung ohne sonstige Änderungen an der Wicklung oder am Kern.

In gleicher Weise sind auch die Kapazitäten Cl und C2 jeweils in Serienschaltungen zweier gleich großer Kapazitäten Cll und C12 bzw. C21 und C22 aufgeteilt, wobei die Teilkapazitäten bekanntermaßen jeweils den doppelten Wert der Gesamtkapazität aufweisen müssen. Der Verbindungspunkt der Kapazitäten Cl l und C12 ist mit der Mittenanzapfung C der Abnehmerwicklung, d. h. mit dem Verbindungspunkt der Induktivitäten Lll und L12 verbunden, d. h. diese beiden Verbindungspunkte bilden einen gemeinsamen Knotenpunkt C.

Am Verhalten des Abnehmerschwingkreises bezüglich seiner äußeren, mit dem Gleichrichter 1 verbundenen Anschlüsse ändert sich durch diese Maßnahme nichts.

Die dem Abnehmerschwingkreis in Fig. 2 nachgeschalteten vier Dioden Dl 11 bis D 14 bilden in an sich bekannter Weise den in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Gleichrichter 1. Dieser Teil der Schaltung erfährt keine Veränderung. Ebenso unverändert bleiben die Diode D1, der elektronische Schalter S und der Regler 2, welcher die Spannung UL über der Last 4 zwischen den Klemmen A und B abgreift und diese Spannung UL durch geeignete Betätigung des Schalters S über die Steuerleitung 3 konstant auf einem vorbestimmten Wert hält. Der Regler 2 ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nicht mehr dargestellt.

Als zusätzliche Elemente sind in der Schaltung zwei gleich große, relativ hochohmige Widerstände R21 und R22 jeweils parallel zu den Kapazitäten C21 und C22 geschaltet.

Ferner ist der Mittenabgriff C der sich aus Lll und L12 zusammensetzenden Abnehmerinduktivität über eine Diode D2 mit dem Verbindungspunkt D der Kapazitäten C21 und C22 sowie der Widerstände R21 und R22 verbunden, wobei die Diode so geschaltet ist, daß sie nur einen Stromfluß von C nach D, d. h. vom Abnehmerschwingkreis zu den ausgangsseitigen RC-Gliedern zuläßt.

Die Teilspannung UL2 über der Parallelschaltung aus C22 und R22, die annähernd gleich der Teilspannung UL2 über der Parallelschaltung aus C21 und R21 ist und somit die Hälfte der über der Hauptlast 4 anliegenden Ausgangsspannung UL beträgt, wird dem Eingang eines Gleichspannungswandlers 5 zugeführt, der daraus eine Ausgangsspannung Us erzeugt. Die zusätzliche Ausgangsklemme für den Anschluß des Wandlers 5 ist in Fig. 2 mit E bezeichnet.

Typische Werte für die genannten Spannungen sind ULI = UL2 = 280 V und Us = 24 V.

Die Funktionsweise der Schaltung geht zunächst von der Halbierung der Gesamtausgangsspannung UL durch eine Aufteilung der ursprünglichen Ausgangskapazität C2 in zwei zueinander in Reihe geschaltete, gleich große Kapazitäten C21 und C22 aus. Es ist jedoch nicht möglich, zur Erzeugung einer zusätzlich zu UL benötigten Niederspannung Us einfach einen Gleichspannungswandler mit entsprechend niedrigerer Nenneingangsspannung über einer der Kapazitäten C21 oder C22 anzuschließen, da die hierdurch verursachte Unsymmetrie der Belastung die Spannung über der betreffenden Kapazität zusammenbrechen lassen würde.

Um dies zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, auch die Abnehmerinduktivität L1 und die ihr parallelgeschaltete Abstimmkapazität Cl entsprechend in Teilinduktivitäten Lll und L12 bzw. Cl l und C12 zu unterteilen, und den Knoten C, an dem die beiden dadurch entstehenden Teilschwingkreise miteinander verbunden sind, mit dem Verbindungsknoten D der beiden Ausgangskapazitäten zu verbinden. Durch diese Maßnahme kann zwar das Zusammenbrechen der Spannung über der im vorliegenden Fall zum Abgriff der Teilspannung für den zusätzlichen DC/DC-Wandler 5 vorgesehenen Kapazität C22 vermieden werden, doch ergäbe sich im geschlossenen Zustand des Schalters S für die Gleichspannung über C22 ein Kurzschluß auf dem Pfad über die Teilinduktivität L12, die Gleichrichterdiode D 13, die Induktivität L2 und den Schalter S. Die Entladung des Kondensators C22 über diesen Kurzschlußpfad zu verhindern, ist die Aufgabe der zusätzlichen Diode D2.

Allein mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen funktioniert die Schaltung bereits zufriedenstellend, d. h. es kann über C22 eine die Hälfte der zwischen den Klemmen A und B anliegenden Spannung zusätzlich abgegriffen und einem DC/DC-Wandler 5 zugeführt werden. Wenn jedoch aus irgendeinem Grunde die Hauptlast 4 von der Abnehmerelektronik abgetrennt wird, wäre die Konstanz der Spannung UL2 nicht mehr gewährleistet, da in diesem Fall die einzige verbleibende ohmsche Last parallel zu C22 angeschlossen wäre, während der Regler 2, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Gesamtspannung UL = ULI + UL2 beobachtet.

Um auch bei einer Abtrennung der Hauptlast 4 für eine stabile Teilspannung UL2 zu sorgen, sind die beiden gleich großen Widerstände R21 und R22 jeweils parallel zu den Kondensatoren C21 und C22 geschaltet, wodurch stets das Vorhandensein einer ohmschen Last zwischen den Klemmen A und B sichergestellt ist. Diese Last ist insgesamt nicht symmetrisch, wobei das Ausmaß der Unsymmetrie in erster Linie von der Höhe der an den Klemmen F und G des DC/DC-Wandlers 5 entnommenen Leistung abhängt. Dies bedeutet, daß die an diesen Klemmen entnehmbare Leistung insbesondere im Fall des Betriebes der Abnehmerelektronik ohne angeschlossene Hauptlast 4 begrenzt ist. Wie bereits eingangs erwähnt, wird die zusätzliche Spannung Us aber nur zum Betrieb einer Steuerelektronik benötigt, die im Vergleich zur Hauptlast 4 nur einen geringen Leistungsbedarf hat. Die zusätzlichen Widerstände R21 und R22 können relativ hochohmig, d. h. in der Größenordnung von 10 bis 100 kQ, dimensioniert werden.

Obwohl das vorausgehend beschriebene Ausführungsbeispiel eine symmetrische Aufteilung des Abnehmerschwingkreises und der ausgangsseitigen RC-Glieder vorsieht, so wäre es auch möglich, ein unsymmetrisches Teilverhältnis zu wählen, um eine zusätzliche Spannung abgreifen zu können, die größer oder kleiner ist als die Hälfte der Ausgangsspannung UL.

Auch wäre es grundsätzlich denkbar, eine Unterteilung in mehr als nur zwei Spannungen vorzunehmen, falls mehrere verschiedene zusätzliche Spannungen benötigt würden. Solche Abwandlungen bzw. Erweiterungen stehen einem Fachmann in Kenntnis des vorstehend beschriebenen Beispiels ohne weiteres offen und sind Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Eine zweckmäßige Art der Zusammenschaltung der zuvor beschriebenen Abnehmerelektronik mit einer Hauptlast 4 in Form eines Asynchronmotors 6, der von einem Dreiphasenumrichter 7 angesteuert wird, zeigt Fig. 3. Die Abnehmerelektronik ist in Fig. 3 als ein Block 8 dargestellt, der alle Komponenten der anhand Fig. 2 erläuterten Schaltung bis auf die Abnehmerinduktivität L11+L12, den Gleichspannungswandler 5, und die Hauptlast 4 enthalten soll. Die in Fig. 3 gezeigte Konfiguration mit einem von einem Umrichter 7 angesteuerten Motor 6 ist eine typische Art von Hauptlast 4, die zum Anschluß an den Klemmen A und B einer erfindungsgemäßen Abnehmerelektronik 8 vorgesehen ist.

Dabei ergibt sich das Problem, daß bei einem Generatorbetrieb des Motors 6, wie er bei einem Bremsvorgang auftritt, Leistung über den Umrichter 7 zurück in Richtung der Abnehmerelektronik 8 fließen kann. Dies würden bei einer Abnehmerelektronik nach dem Stand der Technik, wie sie Fig. 1 zeigt, zu einem Ansteigen der Spannung über der Ausgangskapazität C2 führen, was den Regler 2 dazu veranlassen würde, den Schalter S zu schließen, damit von der Abnehmerseite her kein Beitrag zu einem weiteren Anstieg der Ausgangsspannung UL geleistet wird. Der Spannungsanstieg wäre nicht störend, solange ihn der Regler 2 verkraften kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltung, wie sie Fig. 2 zeigt, kann jedoch kein solcher Anstieg der Ausgangsspannung UL=ULI+UL2 bei einem Generatorbetrieb des Motors 6 zugelassen werden, da er die Stabilität der Eingangsspannung UL2 des Gleichspannungswandlers 5 zunichte machen würde. Eine starke Überhöhung der Ausgangsspannung könnte sogar durch entsprechende Überhöhung der Teilspannung UL2 zu einer Beschädigung des Eingangs des Gleichspannungswandlers 5 führen.

Aus diesem Grunde ist in Fig. 3 die Zwischenschaltung einer weiteren Diode D3 zwischen der Ausgangsklemme A der Abnehmerelektronik 8 und dem Umrichter 7 sowie die Parallelschaltung einer weiteren Kapazität, die aus zwei Kondensatoren C31 und C32 in Serie zueinander besteht, parallel zum Eingang des Umrichters 7 vorgesehen. Ein Spannungsanstieg am Eingang des Umrichters 7 infolge eines Bremsbetriebes des Motors 6 führt in diesem Fall nur zu einer Aufladung der Kondensatoren C31 und C32, während ein Rückstrom zum Ausgang der Abnehmerelektronik 8, der die dortige Spannung unter Aufladung der ausgangsseitigen Kondensatoren C21 und C22 erhöhen würde, durch die Diode D3 verhindert wird. Die Kondensatoren C31 und C32 werden zur Aufnahme der aus dem Umrichter 7 zurückfließenden Energie benötigt, wobei die Aufteilung der Kapazität in zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren nicht zwingend, aber für die Realisierung mit Kondensatoren geringerer Spannungsfestigkeit zweckmäßig ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abnehmerelektronik 8, der Umrichter 7 und die zwischen diese geschalteten Elemente, im Beispiel der Fig. 3 die Diode D3 und die Kondensatoren C31 und C32, in einer Baueinheit zusammengefaßt werden. Dies heißt zumindest, daß sie in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Vorteilhafterweise können sie darüber hinaus auch auf einer gemeinsamen Platine angeordnet werden. Hierdurch werden gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Abnehmerelektronik 8 und der Umrichter 7 getrennte Einheiten mit jeweils eigenem Gehäuse sind, die erst durch Kabel und Stecker miteinander verbunden werden müssen, Raum, Gewicht und Bauteile eingespart und somit eine kompaktere, und kostengünstigere Lösung geschaffen.

Dies gilt zwar nicht nur für den Fall, daß die Abnehmerelektronik 8 den Abgriff einer zweiten Ausgangsspannung ermöglicht, sondern auch bereits für die Kombination einer herkömmlichen Abnehmerelektronik, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, mit einem zur Ansteuerung eines Antriebs 6 vorgesehenen Umrichter 7. Die Zusammenfassung besagter Systemkomponenten zu einer gemeinsamen Baueinheit erbringt gegenüber der Ausbildung als separate Baueinheiten stets eine Raum-, Gewichts-und Kostenersparnis. Ein besonderer Vorteil ergibt sich aber bei einer Abnehmerelektronik 8 gemäß Fig. 2 mit zwei Ausgangsspannungen dadurch, daß die in diesem Fall benötigten zusätzlichen Elemente D3, C31 und C32 zur Entkopplung der Abnehmerelektronik 8 vom Umrichter 7 bei Leistungsrückfluß ohne großen Aufwand in die gemeinsame Baueinheit integriert werden können.