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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Es ist allgemein bekannt, dass in energietechnischen Anlagen Komponenten angesteuert und mit Energie versorgt werden müssen. Hierbei muss sichergestellt sein, dass Systemkomponenten gegen ein Hochspannungspotential isoliert sind, weshalb ein galvanisch getrennter Aufbau notwendig wird.
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Diese Komponenten können z.B. Schaltelemente, Elektronik-Baugruppen oder Messstellen sein, welche gegen das Erdpotenzial isoliert werden müssen. Die Energieübertragung erfolgt dabei vor allem drahtlos, beispielsweise über die so genannte „Radio Frequency Identification (RFID)“ Technologie oder über Lichtwellenleiter.
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Die empfangene Leistung liegt dabei deutlich unter einem Watt, zumeist im 100mW-Bereich. Dies liegt daran, dass die hierfür genutzten diodenbasierten Gleichrichter bzgl. Strom- und Spannungsspitzen sowie Entwärmung Limitierungen aufweisen. Aus diesem Grund ist lediglich die Versorgung eines Verbrauchers mit geringer Leistungsaufnahme möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die die Nachteile der vorgenannten Lösungen überwinden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung mit Spannungen im Hochvoltbereich ist derart ausgestaltet, dass die Energieübertragung durch einen dielektrischen Wellenleiter erfolgt. Hierdurch wird erreicht, dass die empfangene Leistung, also die für Verbraucher vorgesehene Leistung deutlich höher, nämlich bis zu 10 Watt oder höher, ist, als es der Stand der Technik ermöglicht.
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Der erfindungsgemäße Einsatz des dielektrischen Wellenleiters bietet auch die Möglichkeit, mehrere Verbraucher derart zu versorgen, dass die Leistung auf sie aufgeteilt wird. Hierzu wird vorzugsweise der dielektrische Wellenleiter derart ausgestaltet, dass er mit mindestens einer ersten Gleichrichtereinrichtung und mindestens einer zweiten Gleichrichtereinrichtung eine funktionale Verbindung derart aufweist, dass die erste Gleichrichtereinrichtung eingangsseitig zu einer entlang der Länge des Wellenleiters verorteten ersten Auskoppelstelle entlang der Länge des dielektrischen Wellenleiters eine leitende Verbindung aufweist und die zweite Gleichrichtereinrichtung eingangsseitig zu einer entlang der Länge des Wellenleiters verorteten zweiten Auskoppelstelle eine leitende Verbindung aufweist und zum Signaleingang des Wellenleiters sowie zueinander einen Abstand aufweisen. Hiermit wird also als weiterer Freiheitsgrad ein Auskoppeln der übertragenen Leistung bereits vor dem Ende des dielektrischen Wellenleiters realisiert, wobei die zweite Auskoppelstelle oder eine etwaige weitere Auskoppelstelle mit Gleichrichtereinrichtung am Ende angeordnet sein kann. Durch die unterschiedlichen Abstände wird dabei die Aufteilung der Leistung erzeugt, die dann über die Gleichrichtereinrichtung an den jeweiligen Verbraucher weitergegeben wird.
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Will man eine 1:n Leistungsteilung realisieren, wobei n die Anzahl der Verbraucher/Auskoppelstellen ist, ist es daher von Vorteil, wenn die Anordnung derart weitergebildet ist, dass die Ausgestaltung der Auskopplung der ersten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der ersten Auskoppelstelle zum Signaleingang des Wellenleiters und die Ausgestaltung der Auskopplung der ersten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der ersten Auskoppelstelle zum Signaleingang des Wellenleiters derart zueinander variiert ausgestaltet sind, dass der Wert einer an der ersten und zweiten Auskoppelstelle entnommenen Leistung gleich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen erhält man, wenn bei einer Weiterbildung, bei der die funktionale Verbindung als am Abstand verortete zur Auskopplung von Leistung ausgestaltete Löcher, Schlitze und/oder an der Auskoppelstelle angebrachte Leiterstrukturen ausgebildet sind. Diese Ausbildungen sind insbesondere für die genannte Variation der Auskopplung besonders geeignet.
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Durch eine Weiterbildung derart, dass am dielektrischen Wellenleiter mindestens eine elektrisch isolierende Abschirmungseinrichtung angeordnet ist, wird die so genannte Kriechstrecke, also der Weg von in der Regel von Umwelteinflüssen verursachten, insbesondere auf der Oberfläche des Dielektrikums verlaufenden, elektrischen Strömen, verlängert und hierdurch der Verlust minimiert.
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Beispielsweise, um die Dimension der Anordnung klein zu halten, kann die Weiterbildung, derart, dass die isolierende Abschirmungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass dessen Dielektrizitätskonstante kleiner ist als das Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Wellenleiters und unmittelbar am Wellenleiter angebracht ist, vorteilhaft eingesetzt werden. Die geringe Dielektrizitätskonstante gewährleistet dabei, dass die direkt angebrachte Abschirmungseinrichtung die Eigenschaften des dielektrischen Wellenleiters nicht, zumindest nicht störend, beeinflusst.
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Alternativ kann es von Vorteil sein, die Erfindung derart weiterzubilden, dass die isolierende Abschirmungseinrichtung derart angeordnet ist, dass zwischen dem dielektrischen Wellenleiter und der Abschirmungseinrichtung ein Raum erzeugender Abstand besteht. Dies wird insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Dielektrizitätskonstante der Abschirmungseinrichtung größer oder gleich der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Wellenleiters ist.
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Alternativ oder ergänzend ist es von Vorteil, die Erfindung derart weiterzubilden, dass dieser Raum mit insbesondere einem festen, flüssigen oder gasförmigen Isolationsmedium, insbesondere mit einer Dielektrizitätskonstante, die niedriger als die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Wellenleiters ist, gefüllt ist, da in der Regel Raum vorhanden sein wird und eine entsprechende Füllung in der Regel vorteilhaft eingesetzt werden kann. Beispielsweise, weil sie ebenso wie die anderen Weiterbildungen zusätzliche Freiheitsgrade zur Einstellung eines optimalen Verhaltens der Übertragung liefert.
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Vorzugsweise ist der Wellenleiter aus mindestens einem als eckigem und/oder rundem, stabförmigen Körper ausgebildet. Dies ist beispielsweise von Vorteil, da es gut erforscht und somit gut hinsichtlich optimaler Funktion, insbesondere Übertragungswerte, modellierbar ist.
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Um beispielsweise neben der Übertragung der Energie bzw. Zurverfügungstellung elektrischer Leistung auch Datenübertragung, wie beispielsweise Übertragung von Timinginformationen, zu realisieren, ist es von Vorteil, die Weiterbildung vorzusehen, bei der die Anordnung derart ausgestaltet ist, dass an einem Ende des dielektrischen Wellenleiters ein so genannter, insbesondere als Koaxialkabel oder Mikrostreifenleiter ausgestalteter, Wellenleiterübergang funktional verbunden ist.
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Damit die Übertragung mit hoher Frequenz erfolgen und seine erfindungsgemäße Wirkung, insbesondere im Hochvoltbereich, entfalten kann, wird es von Vorteil sein, die Erfindung dahingehend weiterzubilden, dass der dielektrische Wellenleiter aus Materialien, insbesondere Aluminiumoxid oder Teflon, mit einer Dielektrizitätskonstante > 1 gebildet ist. Durch diese Weiterbildung wird schließlich auch sichergestellt, dass die Effizienz der Energieübertragung weiter erhöht wird, da Abstrahlung, also ungewollter Leistungsverlust reduziert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur galvanisch getrennten Energieübertragung mit Spannungen im Hochvoltbereich wird die Energie über einen dielektrischen Wellenleiter übertragen. Das erfindungsgemäße Verfahren legt durch seine Merkmale die Grundlage zur Entfaltung der Vorteile durch die erfindungsgemäße Anordnung und deren Weiterbildungen.
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Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die
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1 als Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Ausgestaltungen des dielektrischen Wellenleiters,
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2 eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem bevorzugten Einsatzgebiet,
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3 als Ausführungsbeispiele zwei Varianten für eine Auskoppelanordnung gemäß Weiterbildungen der Erfindung,
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4 als Ausführungsbeispiel zwei Varianten der Verlängerung der Kriechstrecke gemäß Weiterbildungen der Erfindung.
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In 1 sind zwei der möglichen Ausgestaltungen des dielektrischen Leiters dargestellt. Eine erste Ausführungsvariante CYLINDRICAL und eine zweite Ausführungsvariante RECTANGULAR sind beides stabförmig in die Länge gezogene massive Körper, wobei die erste Ausführungsvariante CYLINDRICAL einen runden Querschnitt aufweist, während die zweite Ausführungsvariante einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die gezeigten stabförmigen massiven Körper CYLINDRICAL und RECTANGULAR können dabei auch durch Aneinanderreihen zu einem längeren Gesamtkonstrukt gebildet werden.
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In der 2 ist eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zu sehen, welche auch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.
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Zu erkennen ist eine Energieübertragungsanordnung in einem Hochspannungs-(Hochvolt-, HV-)System, welche ausgehend von einem Hochfrequenzsignalgenerator HF_SIGNAL_GENERATOR über einen Hochfrequenzverstärker HF_VERSTÄRKER unter Nutzung eines dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER die galvanische Trennung und Übertragung der Energie zu einer Gleichrichtereinrichtung GLEICHRICHTER derart bereitstellt, dass die per Wellenleiter übertragene Energie einer Gleichrichtung unterworfen wird, so dass die der Gleichrichtereinrichtung entnehmbare gleichgerichtete, also als Gleichspannung vorliegende, Spannung einem an einer Hochspannungsleitung (HV Leitung) anliegenden Endgerät ENDGERÄT verfügbar ist.
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Um die Effizienz der elektronischen Bauteile möglichst hoch zu halten und aufgrund von regulatorischen Bedingungen bzgl. des Abstrahlverhaltens kann das dargestellte Ausführungsbeispiel derart weitergebildet sein, dass sich die Frequenzen des Hochfrequenzsignals im Rahmen des ISM-Bandes 2,45 GHz und 5,8 GHz befinden. Ferner ist es von Vorteil, wenn man zur effizienten Energieübertragung ein Material mit einem niedrigen tan δ in einem solchen Rahmen der Übertragungsfrequenz verwendet.
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Um den Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER möglichst kompakt zu halten und die Abstrahlung zu minimieren, ist die Dielektrizitätskonstante εr möglichst hoch gewählt. Beispielmaterialien, mit denen diese erfindungsgemäße Weiterbildung erreicht wird, sind Aluminiumoxid oder Teflon.
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Bei dem gezeigten Beispiel wird deutlich, dass es durch die Erfindung möglich wird, anstelle durch mehrere unabhängige Lichtwellenleiter, durch einen Wellenleiter Energie zu übertragen. Dabei birgt der im Ausführungsbeispiel gezeigte dielektrische Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER die Eigenschaft, nicht nur einen Verbraucher ENDGERÄT zu versorgen, sondern mehrere, da erfindungsgemäß vor dem Ende des Leiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER bereits Leistung ausgekoppelt und einem weiteren Verbraucher zugeführt werden kann.
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Zusätzlich birgt diese Anordnung die Eigenschaft, dass sich nicht nur eine zum Schalten benötigte Energie übertragen werden kann, sondern auch Daten wie beispielsweise Zeitinformation, da hierfür die hochfrequenten elektrischen Signale der HF-Quelle HF_SIGNAL_GENERATOR genutzt werden kann.
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Dies ist eben möglich, da der dargestellte dielektrische Wellenleiter erfindungsgemäß eingesetzt wird, in dem er elektromagnetische Wellen hoher Frequenz im mm-Wellen oder Mikrowellenbereich in einem runden oder eckigen (vgl. 1) stabförmig ausgeführten Material mit einer Dielektrizitätskonstante > 1 führt.
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Damit dieser Stab über die elektromagnetische Welle gleichzeitig sowohl Energie als auch ein Kommunikationssignal, z.B. das Timing-Signal, übertragen kann, wird der Stab über einen sog. Wellenleiterübergang WELLENLEITEREINKOPPLUNG, beispielsweise über ein Koaxialkabel, auch Mikrostreifenleitung oder ähnliche diese Funktion zur Verfügung stellenden Einrichtungen, an den Frequenzgenerator (Signalquelle) HF_SIGNAL_GENERATOR mit geeignet gewählter und modulierbarer Ausgangsleistung des Frequenzgenerators HF_SIGNAL_GENERATOR angeschlossen.
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In 3 sind an einem Auszug der vorhergehenden Darstellung dargestellte erfindungsgemäße Weiterbildungen zu sehen, die sich als ein weiterer Vorteil des dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER ergeben und darin liegen, dass der dielektrische Wellenleiter DIELEKTRISCHER WELLENREITER seine Leitereigenschaft technisch nicht nur zwischen seinen zwei Endpunkten ausspielen kann, sondern sich auch mit ihm eine 1:n Übertragung mit nur einem einzigen Leiter durchführen lässt.
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Dies kann so ausgeführt sein, dass das Signal aus dem Wellenleiter über Löcher, wie sie der dielektrische Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER auf der rechten Seite aufweist, oder Schlitze, wie sie der dielektrische Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER auf der linken Seite der Figur aufweist, entnommen und über eine Gleichrichtereinrichtung GLEICHRICHTER zu dem jeweiligen Verbraucher zugeführt wird oder im einfachsten Fall ganz ohne das Material des Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER zu strukturieren, in Verbindung mit metallischen Leiterstrukturen, ausgekoppelt werden kann.
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Diese, an verschiedenen Punkten auf dem dielektrischen Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER verorteten Auskopplungen für die Feldenergie können auf unterschiedlichem elektrischem Potential liegen und sind aufgrund der Isolationseigenschaften des dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER (gleich-)spannungsmäßig voneinander entkoppelt. Die dabei auftretenden Potentialdifferenzen können prinzipbedingt sehr groß sein und durch konstruktive Maßnahmen auch unter Anwendungsbedingungen erreicht werden.
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Durch das Vorhandensein mehrerer Auskoppelstellen entlang des Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER sinkt die im Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER transportierte Energie entsprechend der ausgekoppelten Leistung ab. Hierfür sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, die von der Welleneinspeisung (in der 3 mit den Pfeilen gekennzeichnet) her betrachtet erste Auskopplung schwächer als die später folgenden auszuführen (durch die kleinere Dimension der des Schlitzes bzw. der Öffnung dargestellt), um damit beispielsweise zu realisieren, dass an allen Auskoppelstellen die entnommene Leistung den gleichen Wert aufweist, wenn dies gewünscht ist. Beispielsweise könnte also pro Auskoppelstelle 1 Watt (W) bei einer Signalleistung von insgesamt 3 W entnommen werden, damit muss die erste Auskopplung, beispielsweise im Verhältnis der Dimension zueinander 1/3, die zweite 1/2 und die dritte 1 betragen.
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Diese Möglichkeit ist bei Wellenleiterübergängen und Auskopplungen gemäß der Erfindung im Allgemeinen gegeben und kann zusammen mit der Möglichkeit mehrerer Auskopplungen als wesentlicher Vorteil der dargestellten Ausführungsform angesehen werden.
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In 4 sind schließlich Ausgestaltungen dargestellt, die die Erfindung derart weiterbilden, dass sie die so genannte Kriechstrecke zwischen HV-Potential und GND-Potential (vgl. 2) verlängern.
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Hierzu gibt es beispielsweise die Möglichkeit, den Wellenleiter mit Schirmen zu versehen. D.h. beispielsweise durch einen Isolator zu ummanteln. Diese Variante ist in der 4 auf der linken Seite zu erkennen. Diese Beschirmung HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR kann, falls das εr des Isolators HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR klein gegenüber dem des Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER ist und somit die Eigenschaften nicht beeinflusst werden, direkt am Wellenleiter DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER (nicht dargestellt) angebracht sein. Wenn sich der Schirm HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR wie dargestellt in einem gewissen Abstand befindet. Da der Rohrdurchmesser größer ist als der Durchmesser des Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER, kann in diesem durch den Abstand erzeugten Raum allgemein ein festes, flüssiges oder gasförmiges Isolationsmedium einbracht werden und zwar derartig, dass die Eigenschaften des Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER, die elektromagnetische Welle im Dielektrikum zu führen, nicht beeinträchtigt wird, sondern vielmehr die Übertragung sogar noch optimiert wird.
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Die in der 4 auf der rechten Seite angedeutete Meanderstruktur des dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER verlängert den Weg der Kriechstrecke durch Formgebung des Wellenleiters DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER und kann daher auch ohne Isolator HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR auskommen.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst vielmehr alle durch die Ansprüche umfassten Ausführungsformen, welche für die Energieübertragung in Hochvoltsystemen (HV-Umfeld) statt einer optischen Faser einen dielektrischen Wellenleiter verwenden und u.a. die vorteilhaften Wirkungen entfaltet,
- – dass eine oder mehr Auskoppelstellen des dielektrischen Wellenleiters zur gleichzeitigen Entnahme von Information (z.B. Timing-Signale) an unterschiedlichen Stellen und gleicher oder unterschiedlicher Leistungen auf verschiedenen Potentialen möglich sind, sowie weitere Verbesserungen dieses Ansatzes der Verwendung des dielektrischen Wellenleiters zur Informations- und/oder Leistungsübertragung im HV-Umfeld aufgrund Beschirmung und/oder Meanderstruktur erreicht werden, genutzt werden, dass Mikrowellenleistung im Bereich einiger Watt zu erzeugen ist und dies mit geringen Hardwarekosten, was ebenso für die Übertragung der Leistung mit dem dielektrischen Leiter gilt,
- – ferner den Vorteil aufweist, dass Toleranzanforderungen bei der Montage entsprechender Komponenten entspannt sind und zudem die Stückelung eines dielektrischen Wellenleiters aus Einzelstäben kürzerer Länge einfach möglich ist und keine anspruchsvollen Fügetoleranzen erfordert,
- – dass die Wellenleiter zudem kostengünstig ist, wenn sie durch Kunststoffspritzguss oder Extrusion hergestellt werden. Falls sie aus Keramik, z.B. Aluminiumoxid, gefertigt sind, kann der Wellenleiter gleichzeitig zum Entwärmen von Schaltungsteilen eingesetzt werden, sowie
- – ferner gegeben ist, dass Redundanzkonzepte sehr einfach realisiert werden, wenn beispielsweise quellenseitig bei Bedarf zwei oder mehr n Hochfrequenzquellen gleichzeitig auf dem Wellenleiter arbeiten und/oder auskoppelseitig bei Bedarf auch zwei oder mehr unabhängige Koppler realisiert werden, die alle die geforderte Betriebsleistung und das Timingsignal unabhängig voneinander aus dem Wellenleiter entnehmen.
