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BPatG Beschluss vom 17.11.2008 – 19 W (pat) 47/05
19. Senat
BUNDESPATENTGERICHT
_______________
(Aktenzeichen)
Verkündet am
17. November 2008
…
B E S C H L U S S
In der Beschwerdesache
betreffend die Patentanmeldung 101 43 279.8-32
…
hat der 19. Senat (Technischer Beschwerdesenat) des Bundespatentgerichts auf
die mündliche Verhandlung vom 17. November 2008 unter Mitwirkung des Vorsitzenden Richters Dipl.-Ing. Bertl und der Richter Gutermuth, Dr.-Ing Kaminski und
Dr.-Ing. Scholz
beschlossen: 08.05
Auf die Beschwerde der Anmelderin wird der Beschluss der Prüfungsstelle für Klasse H 02 M des Deutschen Patent- und Markenamts vom 16. Juni 2005 aufgehoben und das nachgesuchte Patent mit folgenden Unterlagen erteilt:
Patentansprüche 1 bis 3 wie in der Verhandlung überreicht,
Beschreibung Seiten 1 bis 12 wie in der Verhandlung überreicht,
Zeichnungen wie Offenlegungsschrift.
G r ü n d e
I.
Das Deutsche Patent- und Markenamt - Prüfungsstelle für Klasse H 02 M - hat die
am 4. September 2001 eingereichte Anmeldung durch Beschluss vom
16. Juni 2005 aus den Gründen des Bescheids vom 15. Juli 2004 zurückgewiesen, nachdem in einer Anhörung keine Einigung über patentfähige Ansprüche erzielt werden konnte und die Anmelderin sich darauf nicht mehr geäußert hat.
Gegen diesen Beschluss richtet sich die Beschwerde der Anmelderin. Die Anmelderin überreicht in der Verhandlung neue Patentansprüche 1 bis 3 und eine geänderte Beschreibung und beantragte, das Patent mit diesen Unterlagen zu erteilen,
zu denen die offengelegten Figuren gehören.
Wegen weiterer Einzelheiten wird auf den Akteninhalt verwiesen.
II.
Die Beschwerde ist zulässig und hat mit dem geänderten Patentbegehren Erfolg.
1. Gegenstand und Aufgabe des Patents, Fachmann
Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter für einen Energiefluss von einem
Dreiphasennetz zu einem Verbraucher, für mittlere und hohe Ausgangsspannungen, mit variablen Ausgangsgrößen der Frequenz, des Stromes und der Spannung.
Die Beschreibung gibt dazu an, die Anwendung von Dreiphasen-Mittelspannungsmotoren bis zu 13,8 kV sei bekanntermaßen mittels hochsperrender Halbleiter oder durch Kaskadierung, beispielsweise Reihenschaltung von Umrichterzellen, möglich. Dabei seien Netzrückwirkungen sowie Motorspannungen und -
ströme zu beachten. Netzrückwirkungen hätten Einfluss auf die Netzspannung
und müssten möglichst vermieden werden (vgl. Beschreibung S. 1 Abs. 3).
Der Erfindung liege die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter für einen
Energiefluss von einem Dreiphasennetz zu einem Verbraucher, für mittlere und
hohe Ausgangsspannungen, mit variablen Ausgangsgrößen der Frequenz, des
Stromes und der Spannung, zu schaffen, wobei die Netzströme mit symmetrischer
Belastung aller Netzphasen mindestens annähernd sinusförmig sind, annähernd
sinusförmige Lastströme mit den variablen Ausgangsgrößen erzeugt werden, die
Spannungsänderung pro Zeiteinheit dv/dt am Ausgang relativ klein ist, um Isolationsprobleme zu vermeiden, und handelsübliche Leistungshalbleiterbauelemente
mit einem hohen Wirkungsgrad Verwendung finden können (gültige Beschreibung
S. 5, Abs. 3).
Dazu schlägt die Anmeldung die folgende nach Merkmalen aufgegliederten Vorrichtung nach Anspruch 1 vor (Änderungen gegenüber den ursprünglichen Unterlagen unterstrichen):
1. Frequenzumrichter (10) für einen Energiefluss von einem Dreiphasennetz (50) zu einem Verbraucher (12),
a)
für mittlere und hohe Ausgangsspannungen, mit variablen Ausgangsgrößen der Frequenz, des Stromes und der
Spannung,
b)
gespeist
aus
Sekundärwicklungen (14)
eines
Transformators (16),
c) mit mehreren Zellen (20, 21) pro Phase des Verbrauchers (12),
d)
wobei jede identische Zelle (20, 21)
d1) eine aus den drei Phasen des Transformators (16) gespeiste Dioden- Eingangsgleichrichterschaltung (22) in
Dreiphasen Brückengleichrichtertopologie,
d2) ein aktives Oberschwingungsfilter (24),
d3) eine Zwischenkreiskapazität (26)
d4) und einen ausgangsseitigen Dreipunkt-Wechselrichter (28) mit NPC-Dioden (46) aufweist,
e)
wobei das aktive Oberschwingungsfilter (24)
e1) mindestens zwei Eingangsdrosseln (32),
e2) mindestens zwei in Reihe geschaltete steuerbare Schalter (34)
e3) und mindestens zwei Dioden (36) zur sinusförmigen
Netzstromaufnahme und zur Erzeugung einer steuerbaren Zwischenkreisspannung für die Zwischenkreiskapazität (26),
f)
und die Zwischenkreiskapazität (26) zwei in Reihe geschaltete Kondensatorengruppen (38) aufweist,
g)
und ein Nulleiter (40) der Sternschaltung der Sekundärwicklungen (14) des Transformators (16)
g1) mit dem Mittelpunkt (42) der in Reihe geschalteten
steuerbaren Schalter (34),
g2) dem Mittelpunkt (43) der
in Reihe geschalteten
Kondensatorengruppen (38)
g3) und den NPC-Dioden (46) des Dreipunktwechselrichters (28) verbunden ist.
Als Fachmann ist hier einen Diplomingenieur (Univ.) der Fachrichtung Elektrotechnik mit Berufserfahrung in der Entwicklung von Umrichterschaltungen insbesondere im Mittel- und Hochspannungsbereich anzusehen.
2. Auslegung der Ansprüche
Die in den Ansprüchen definierte Schaltungstopologie ist nach Überzeugung des
Senats weitgehend klar. Nur die folgenden Punkte bedürfen der Auslegung:
Die Angabe „für mittlere und hohe Ausgangspannungen“ in Merkmal a) versteht
der Fachmann als Spannungen im Kilovoltbereich. Für den Fachmann ist dabei
selbstverständlich, dass der Umrichter nur für eine bestimmte Nennspannung
ausgelegt ist, und nicht für mittlere und hohe Spannungen gleichzeitig.
Die NPC-Dioden in Merkmal d4) und g3) sind in der Beschreibung Seite 8,
Zeile 2, 3 als neutral point clamped diode / Diode der Mittelanzapfung erläutert,
wobei dem Fachmann klar ist, dass mit „Mittelanzapfung“ der Mittelpunkt nach
Merkmal g2) und g3) gemeint ist.
Der Nulleiter (40) der Sternschaltung der Sekundärwicklungen nach Merkmal g) ist
- wie in der Drehstromtechnik üblich - ein mit dem Sternpunkt der Sekundärwicklungen verbundener Leiter.
3. Offenbarung der Ansprüche
Die Patentansprüche 1 bis 3 sind ursprünglich offenbart.
Die Formulierung „mehrere Zellen“ in Merkmal c) ist eine Einschränkung der ursprünglichen Formulierung „mindestens eine Zelle“. Die „Dreiphasen Brückengleichrichtertopologie“ in Merkmal d1) ergibt sich unmittelbar aus der Figur 1 in
Verbindung mit Seite 7, Zeile 4 bis 8 der ursprünglichen Unterlagen.
4. Neuheit
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist neu.
Die US 5 625 545, zeigt in Figur 1 einen Umrichter für Mittelspannungsmotoren
(Sp. 1, Z. 8, 9) in Zellenbauweise, wobei die Zellen nach Figur 4 jeweils einen
Zwischenkreisumrichter mit dreiphasigem Diodengleichrichter 51, 52 und Transistorwechselrichter 56 bis 63 aufweisen. In jeder Motorphase sind mehrere Zellen 12 bis 20 in Reihe geschaltet. Sie werden aus jeweils separaten Sekundärwicklungen 3 bis 11 eines Transformators 2 gespeist.
Damit ist aus dieser Druckschrift bekannt ein:
Frequenzumrichter für einen Energiefluss von einem Dreiphasennetz (Sp., Z 7) zu einem Verbraucher 21,
a)
für mittlere Ausgangsspannungen (Sp. 1, Z. 8, 9), mit
variablen Ausgangsgrößen der Frequenz, des Stromes
und der Spannung,
b)
gespeist aus Sekundärwicklungen 3-11 eines Transformators 2,
c)
mit mehreren Zellen 12-20 pro Phase des Verbrauchers,
d)
wobei jede identische Zelle
d1)
eine aus den drei Phasen des Transformators gespeiste
Dioden-
Eingangsgleichrichterschaltung
(Fig. 4, 51, 52) in Dreiphasen-Brückengleichrichtertopologie,
d3)
eine Zwischenkreiskapazität 53
d4teilw) und einen ausgangsseitigen Wechselrichter 56-59 mit
Dioden 60-63 aufweist,
f)
und die Zwischenkreiskapazität 53 zwei in Reihe geschaltete Kondensatorengruppen 53a, b aufweist.
Im Unterschied zum Gegenstand des Anspruchs 1 ist dort kein aktives Oberschwingungsfilter nach Merkmal d2) und e) bis e3) kein Dreipunktwechselrichter
mit NPC-Dioden nach Merkmal d4) und kein mit den Schaltungsmittelpunkten und
dem Sternpunkt verbundener Nulleiter nach Merkmal g bis g3) vorgesehen.
Die DE 198 32 226 A1, beschreibt eine Weiterentwicklung (Sp. 1, Z. 13 bis 20)
des Umrichters nach US 5 625 545 mit einem gepulsteten Transistorstromrichter T1 bis T6 für Vierquadrantenbetrieb und sinusförmige Netzstromaufnahme
(Sp. 4, Z. 2 bis 13) statt des Diodengleichrichters in der US 5 625 545. Er nimmt
die Funktion eines aktiven Oberwellenfilters nach Merkmal d2) mit steuerbaren
Schaltern T1 bis T6 und Dioden D1 bis D6 nach Merkmal e2) und e3) wahr.
Im Unterschied zum Gegenstand des Anspruchs 1 ist dort kein Diodengleichrichter
nach Merkmal d1) kein Dreipunktwechselrichter nach Merkmal d4) und kein Nulleiter nach Merkmal g) bis g3) vorgesehen.
In der DE 43 05 768 A1 ist ein Netzanschlussgerät für getaktete Umrichter beschrieben (Zusammenfassung, Anspruch 1, 7). Einem Diodengleichrichter 1 ist
eine Hochsetzstellerschaltung nachgeschaltet, die den Strom sinusförmig und
proportional zur Netzspannung führt und so als aktives Filter wirkt (Sp. 1, Z. 16
bis 21, Z. 31 bis 35, Sp. 3, Z. 18 bis 25, Sp. 4, Z. 10 bis 25). Mit den Worten des
Anspruchs 1 ist daraus bekannt ein:
Frequenzumrichter (Gleichrichter 5 und nachgeschalteter Umrichter nach Anspruch 7) für einen Energiefluss von einem Dreiphasennetz u, v, w zu einem Verbraucher (liest der Fachmann im
Anspruch 7 mit dem Umrichter mit),
ateilw) mit variablen Ausgangsgrößen der Frequenz, des Stromes und der Spannung,
dteilw) wobei der Umrichter
d1teilw) eine aus den drei Phasen (des Netzes) u, v, w gespeiste Dioden-Eingangsgleichrichterschaltung 5
in
Dreiphasen-Brückengleichrichtertopologie,
d2)
ein aktives Oberschwingungsfilter 5’, 6, 11, 7, 8,
d3)
eine Zwischenkreiskapazität 9, 10
d4teilw) und einen ausgangsseitigen Wechselrichter
(Anspruch 7, Umrichter) aufweist,
e)
wobei das aktive Oberschwingungsfilter
e1) mindestens zwei Eingangsdrosseln 5’, 6,
e2) mindestens zwei
in Reihe geschaltete steuerbare
Schalter 11
e3)
und mindestens zwei Dioden 7, 8 zur sinusförmigen
Netzstromaufnahme und zur Erzeugung einer steuerbaren Zwischenkreisspannung für die Zwischenkreiskapazität 9, 10 (Sp. 4, Z. 22-25),
f)
und die Zwischenkreiskapazität zwei in Reihe geschaltete Kondensatorengruppen 9, 10 aufweist,
gteilw) und ein Nulleiter N
g1) mit dem Mittelpunkt der in Reihe geschalteten steuerbaren Schalter 11,
g2)
und dem Mittelpunkt der in Reihe geschalteten Kondensatorengruppen 9, 10 verbunden ist.
Im Unterschied zum Gegenstand des Anspruchs 1 ist das kein Umrichter für mittlere und hohe Ausgangsspannungen mit mehreren Zellen und einem Dreipunktwechselrichter.
Ein Dreipunktwechselrichter als solcher ist in dem Vortragsmanuskript R. Sommer
et. al.: „Medium Voltage Drive System…“ in IEEE 2000, Birmingham, (nach IEEE
Onlinekatalog veröffentlicht 2000 im Band 2000/63 „PWM Medium Voltage
Drives“) beschrieben, jedoch nicht in Zellenbauweise und ohne aktives Filter.
Die weiteren in den ursprünglichen Unterlagen genannten Schriften wurden weder
im Prüfungsverfahren noch in der Verhandlung vor dem Senat aufgegriffen. Sie
bringen auch keine neuen Gesichtspunkte. Auf sie wird deshalb nicht eingegangen.
5. Erfinderische Tätigkeit
Der Gegenstand des Anspruchs 1 beruht auch auf einer erfinderischen Tätigkeit.
Bei der Entwicklung von Stromrichterschaltungen für Mittel- oder Hochspannung
sind die in der Aufgabenstellung genannten Forderungen nach sinusförmigen Eingangs- und Ausgangsströmen, begrenzten Spannungsänderungen am Ausgang
und Verwendung handelsüblicher Leistungsbauelemente Grundforderungen, die
der Fachmann stets zu beachten hat. In der US 5 625 545 ist auf die Bedeutung
sinusförmiger Netzströme mehrfach hingewiesen (Sp. 1, Z. 15 bis 19, Sp. 2, Z. 23
bis 26, Sp. 6, Z. 33 bis 35, Fig. 10 mit Sp. 10, Z. 3 bis 16). Dort wird das Problem
durch die phasenversetzte Verschaltung der Sekundärwicklungen gelöst. Der
Fachmann erkennt aber in Figur 10, dass der Strom zwar im Oberwellengehalt
verbessert, jedoch keineswegs oberwellenfrei und nicht in Phase mit der Spannung ist. Damit besteht auch weiterhin die Forderung nach Verringerung des
Oberwellengehalts und Phasenversatzes.
Aus der DE 43 05 768 A1 erhält er hierzu den Hinweis, dass mit einem dem Diodengleichrichter nachgeschalteten aktiven Oberschwingungsfilter der Oberwellengehalt des Netzstroms verbessert werden kann, wobei praktisch keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auftritt und der Stromrichter wie ein
ohmscher Verbraucher wirkt (Sp. 1, Z. 31 bis 35). Der Senat sieht es damit als nahegelegt an, ein solches aktives Oberschwingungsfilter auch in den Zellen des aus
der US 5 625 545 bekannten Umrichters einzusetzen. Die Anmelderin weist zwar
zu Recht darauf hin, dass eine solche Schaltung bei Umrichtern in Zellenstruktur
bisher nicht eingesetzt wurde. Der Senat sieht aber keine Umstände, die den
Fachmann daran hindern könnten. Vielmehr wird in der DE 43 05 768 A1 ausdrücklich darauf hingewiesen dass dieses aktive Oberschwingungsfilter für Umrichter, wie sie auch in den Zellen der Umrichters nach US 5 625 545 verwendet
werden, geeignet ist (Anspruch 7).
Dem Fachmann ist auch bekannt, dass Dreipunktwechselrichter wie sie im Vortragsmanuskript R. Sommer a. a. O. beschrieben sind, für Mittel- und Hochspannungsanwendungen geeignet sind. Dem Fachmann fehlt jedoch ein Anlass für ihren Einsatz in Umrichtern mit Zellenstruktur. Ihre Vorzüge, nämlich eine höhere
Ausgangsspannung durch Reihenschaltung von Standardschaltern und die Verbesserung der Spannungskurve durch mehrere Spannungsniveaus, sind nämlich
bei Umrichtern in Zellenstruktur bereits vorhanden.
Würde der Fachmann die Zweipunktwechselrichter
in den Zellen der
US 5 625 545 durch Dreipunktwechselrichter ersetzen, so könnte zwar die Ausgangspannung und die Anzahl der Spannungsniveaus in etwa verdoppelt werden,
jedoch erkauft durch den Einsatz doppelt so vieler Schalter (Schalttransistoren).
Den gleichen Effekt erreicht der Fachmann aber - dem Hinweis in Spalte 3,
Zeile 12, 13 der US 5 625 545 folgend - einfacher durch Verdoppelung der Zellenzahl.
Der Erfinder hat nun erkannt, dass er durch den Einsatz von Dreipunktwechselrichtern - bezogen auf gleiche Ausgangsspannungen - zwar auf der Wechselrichterseite keine wesentlichen Vorteile erzielt, jedoch die Zahl der Transformator-Sekundärwicklungen und Gleichrichterbrücken halbieren kann. Das ist jedenfalls bei
den Sekundärwicklungen trotz der dann notwendigen Auslegung für die doppelte
Spannung ein Vorzug, der sich nach Überzeugung des Senats nur in der Rückschau offenbart, und damit für eine erfinderische Tätigkeit spricht.
Auch die Verbindung des Nulleiters mit dem Transformator-Sternpunkt, dem Mittelpunkt des aktiven Oberschwingungsfilters und den NPC-Dioden nach Merkmal g) bis g3) ist eine Maßnahme, die höchstens in der Rückschau - bei einer im
Stand der Technik nicht nachgewiesenen Umrichterzelle mit einem aktiven Oberschwingungsfilter nach der DE 43 05 768 A1 und einem Dreipunktwechselrichter
in jeweils zum Nulleiter symmetrischen Aufbau, sowie Sekundärwicklungen in
Sternschaltung - als naheliegend erscheint.
Ausgehend von dem Umrichter nach der DE 198 32 226 A1 ist der Einsatz eines
Dreipunktwechselrichters und der Nulleiterverbindungen genauso wenig nahegelegt. Es kann damit dahingestellt bleiben, ob es naheliegt, den gepulsten Gleichrichter in der DE 198 32 226 A1 durch einen Diodengleichrichter mit nachgeschaltetem aktiven Oberschwingungsfilter nach DE 43 05 768 A1 zu ersetzen.
Um zum Umrichter nach Anspruch 1 zu kommen, bedurfte es somit erfinderischer
Überlegungen.
6. Der Umrichter nach Anspruch 1 ist somit patentfähig.
Damit ist auch der Umrichter nach Anspruch 2 und 3 patentfähig.
Bertl
Gutermuth
Dr. Kaminski
Dr. Scholz
Pr