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Die vorliegende Erfindung betrifft einen stationären Teil eines induktiven Energieübertragungssystems, mit einer m-phasigen Energieübertragungsstrecke mit m ∈ N und N = {1, 2, 3, ....}, und einem Einspeisemodul, wobei die Energieübertragungsstrecke einen Anfang und ein Ende aufweist und sich der mindestens eine Leiter für eine Phase vom Anfang bis zum Ende der Übertragungsstrecke erstreckt, und jeder Leiter zwei Anschlussenden aufweist.
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Gattungsgemäße induktive Energieübertragungssysteme sind bekannt, wobei die Energieeinspeisung lediglich über eine Seite, dem Anfang der Energieübertragungsstrecke, eingespeist wird. Die parallel geführten Leiter pro Phase sind am Ende der Energieübertragungsstrecke, wie in 1a dargestellt, kurzgeschlossen. Die Energieübertragungsstrecke ist auf eine bestimmte maximale Übertragungsleistung ausgelegt, wobei je nach Auslegung und Vorschriften eine maximale Spannung von z.B. 1.000 V nicht überschritten werden darf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingespeiste Leistung bei einer auf eine bestimmte maximale Übertragungsleistung ausgelegten induktiven Energieübertragungsstrecke zu erhöhen, insbesondere zu verdoppeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen stationären Teil des induktiven Energieübertragungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Energieeinspeisung nicht nur von der einen Seite her erfolgt, sondern von zwei Seiten her. In der Regel ist eine Reihenschaltung von Stromquellen nicht gestattet bzw. technisch möglich, da eine gerechte Verteilung der Quellenspannungen nicht eingehalten werden kann. Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass eine magnetische oder galvanische Kopplung der Quellen vorgesehen ist.
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Das Einspeisemodul für das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem weist ein Transformatorsystem auf, welches mindestens zwei Ausgangswicklungen und mindestens eine Quelle, insbesondere in Form einer Stromquelle, je Phase aufweist. Dabei können die mindestens zwei Ausgangswicklungen auf getrennte Transformatoren aufgeteilt oder auf einem Transformatorkern aufgewickelt sein. Es ist zudem möglich, dass mehrere getrennte Transformatoren vorgesehen sind, welche jeweils mindestens eine Ausgangswicklung aufweisen. An die Ausgangswicklungen sind die Anschlussenden der Leiter der Übertragungsstrecke unmittelbar oder über die Zuführleitungen, Kompensationseinrichtungen, insbesondere in Form von Kondensatoren, angeschlossen und bilden zusammen mit diesen einen geschlossenen Serienschwingkreis je Phase.
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Zur Verringerung der Streufelder und der Verlustleistung kann als Zuführleitung auch ein Koaxialkabel oder einen verdrillte Leiter vorgesehen werden.
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Im einfachsten Falle besteht das erfindungsgemäße induktive Energieübertragungssystem aus einem Transformator mit einer Primärwicklung, an die eine Stromquelle angeschlossen ist und zwei Ausgangswicklungen, welche um den gleichen Transformatorkern wie die Primärwicklung gewickelt ist. Jeder Pol der Ausgangswicklungen ist direkt, oder sofern dies notwendig ist, über einen Kompensationskondensator mit einem Leiterende der beiden je Phase entlang der Übertragungsstrecke verlegten Leiter verbunden, wobei die Pole der ersten Ausgangswicklung mit den Leiterenden des Anfangs der Übertragungsstrecke und die Pole der zweiten Ausgangswicklung mit den Leiterenden des Endes der Übertragungsstrecke direkt der über Zwischenschaltung mindestens eines Kompensationskondensators verbunden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass noch zusätzliche Zuführleitungen, insbesondere in Form von Koaxialkabeln oder verdrillten Leitern, zwischengeschaltet sind.
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Anstatt der vorbeschriebenen magnetischen Kopplung kann auch eine Kopplung über Ausgleichswicklungen erfolgen, wobei dann mindestens zwei getrennte Transformatoren vorgesehen sind, welche neben ihren Ausgangswicklungen noch zusätzlich jeweils mindestens eine Ausgleichswicklung aufweisen, die um den gleichen Transformatorkern wie die Ausgangswicklungen und Primärwicklungen des jeweiligen Transformators gewickelt sind. Die Ausgleichswicklungen einer Phase werden erfindungsgemäß zur Kopplung zueinander parallel geschaltet, wodurch eine gerechte Leistungsaufteilung auf die Stromquellen einer Phase erfolgt.
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Das Transformatorsystem, bestehend aus mindestens einem Transformatorkern, welcher erfindungsgemäß eine Anzahl von Ausgangswicklungen je Phase aufweist.
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Das Transformatorsystem kann zudem mindestens zwei Transformatoren mit jeweils einer oder mehreren Primärwicklungen aufweisen, wobei die Transformatoren entweder magnetisch über einen gemeinsamen Transformatorkern und/oder galvanisch mittels Ausgleichswicklungen miteinander gekoppelt sind.
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So kann z.B. zur Erhöhung der Übertragungsleistung sowohl der Eingang als auch der Ausgang der Übertragungsstrecke mittels zweier identischer Transformatorsysteme gespeist sein. Die Transformatorsysteme weisen dabei jeweils zwei Transformatoren auf, die jeweils eine Primärwicklung eine Ausgangswicklung und eine Ausgleichswicklung aufweisen. An jede Primärwicklung ist dabei eine Stromquelle angeschlossen. Die beiden Ausgangswicklungen sind in Reihe geschaltet, wobei die beiden freien Pole der Reihenschaltung der Ausgangswicklungen, sofern notwendig, über Kompensationskondensatoren an die Leiterenden des Anfangs der Übertragungsstrecke angeschlossen sind. Das andere, dem Ende der Übertragungsstrecke zugeordnete Transformatorsystem ist mit seinen freien Polen der Reihenschaltung der Ausgangswicklungen direkt oder über Kompensationskondensatoren oder Zuführleitungen mit den Enden der Leiter der Übertragungsstrecke verbunden. Zusätzlich sind die Ausgleichswicklungen der beiden Transformatorsysteme alle zueinander parallel geschaltet.
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Die zuvor beschriebenen Übertragungsstrecken und Einspeisemodule bzw. Transformatorsysteme können selbstverständlich auch unmittelbar für mehrphasige Übertragungsstrecken genutzt werden, wobei dann für jede Phase ein entsprechendes Einspeisemodul und Leiter für die Übertragungsstrecke verwendet werden müssen.
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Es ist jedoch auch möglich ein mehrphasiges Übertragungssystem bereitzustellen, bei dem lediglich ein Leiter pro Phase entlang der Übertragungsstrecke verlegt werden muss. Diese drei Leiter für die drei Phasen müssen dabei parallel zueinander verlegt sein, wobei die Verlegung der drei zueinander parallelen Leiter nicht nur geradlinig sondern prinzipiell in beliebigen Bahnen, so auch kreisförmig oder mäanderförmigen Bahnen, verlegt sein.
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Ein dreiphasiges induktives Übertragungssystem kann z.B. vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass je Phase ein Transformator vorgesehen ist. Jeder Transformator weist dabei eine Primärwicklung und eine Ausgangswicklung mit Mittenanschluss auf. An die Primärwicklung ist die Stromquelle für die jeweilige Phase angeschlossen. Für jede Phase ist lediglich ein Phasenleiter vorgesehen, welcher entlang der Übertragungsstrecke verläuft. Die drei Phasenleiter sind dabei parallel zueinander anzuordnen, können zusammen jedoch prinzipiell in beliebigen Bahnen verlegt werden. An die beiden äußeren Anschlüsse bzw. Pole der Ausgangswicklung eines Transformators sind die Leiterenden des jeweils zugehörigen Phasenleiters angeschlossen, wobei eventuell noch Kompensationskondensatoren und Zuführleitungen zwischengeschaltet sein können. Alle Mittenanschlüsse der Ausgangswicklungen sind zur Symmetrierung der Quellen miteinander galvanisch zu verbinden.
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Wichtig bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist, dass die Ausgangswicklungen einer Phase zusammen mit dem bzw. den Leitern der betreffenden Phase der Energieübertragungsstrecke sowie eventueller Kompensationseinrichtungen, insbesondere in Form mindestens eines Kondensators, und Zuführleitungen einen geschlossenen elektrischen Reihenschwingkreis bilden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a: Darstellung zweier induktiver Energieübertragungssysteme, wobei jedes Energieübertragungssystem die Leistung P auf seine mobilen Verbraucher übertragen kann;
- 1b u. 1c: Darstellung der beiden induktiven Energieübertragungssysteme aus 1, wobei deren Primärleiter miteinander elektrisch verbunden sind und sich hierdurch eine Reihenschaltung der beiden Stromquellen ergibt;
- 1d: erste erfindungsgemäße Ausführung eines beidseitigen Einspeisemoduls für eine induktive Energieübertragungsstrecke mit Trafosystemen, die miteinander verbundene Ausgleichswicklungen zur Symmetrierung der Quellenspannungen aufweisen;
- 2a u. 2b: weitere mögliche Ausführungen von erfindungsgemäßen Einspeisemodulen und Übertragungsstrecken;
- 3a-3c: Herleitung einer weiterer möglicher Ausführungsformen aus der in 3a dargestellten Ausführungsform, wobei die 3b eine Ausführungsform mit nur einem am Ende der Übertragungsstrecke kurzgeschlossenen Leiter, welcher den Hin- und Rückleiter bildet, zeigt und die 3c eine Ausführungsform mit einer Übertragungsstrecke zeigt, bei der die beiden parallel zur Übertragungsstrecke verlaufenden Leiter einen Vierpol bilden;
- 4: Einspeisemodul mit vier Quellen;
- 5: Ausführungsform mit einer verdrillten Zuführleitung;
- 6: Ausführungsform mit einer U-förmig verlegten Übertragungsstrecke;
- 7: Ausführungsform mit einer rechteckig verlegten Übertragungsstrecke;
- 8: Darstellung eines 3-phasigen induktiven Energieübertragungssystems mit einem erfindungsgemäßen Einspeisemodul.
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Die 1a zeigt eine Darstellung zweier induktiver Energieübertragungssysteme EL1 und EL2 , wobei jedes Energieübertragungssystem die Leistung P auf seine mobilen Verbraucher V1 und V2 übertragen kann. Die Primärleiterschleife des ersten Energieübertragungssystems EL1 besteht aus einem Hinleiter LH und einem Rückleiter LR , welche im Punkt K kurzgeschlossen sind. Die Primärleiterschleife ist eine Induktivität und bildet zusammen mit den Kompensationskondensatoren einen Schwingkreis. Üblicherweise liegt die Resonanzfrequenz bei induktiven Energieübertragungssystemen im 50-150 kHz-Bereich. Aufgrund des Kurzschlusses im Punkt P beträgt die Spannung in diesem Punkt 0V. Die maximal zulässige Spannung bei derartigen Energieübertragungsstrecken ist häufig, z.B. auf 1.000V, begrenzt und setzt sich aus der Wirk- und Blindspannung zusammen. Die Energieübertragungsstrecke wird von einer Stromquelle Q1 über den Transformator T1 , welcher eine Primärwicklung PRI und eine Sekundärwicklung SEC aufweist, gespeist. Das zweite (rechte) Energieübertragungssystem EL2 ist identisch aufgebaut.
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Würde man, wie in den 1b und 1c dargestellt, die beiden Energieübertragungssysteme EL1 und EL2 aus 1a im Punkt K miteinander verbinden, was aufgrund der dort vorliegenden Spannung von 0V aufgrund des dort vorliegenden Kurzschlusses theoretisch möglich wäre, so würde man die beiden Stromquellen Q1 und Q2 in Reihe schalten. Es würde ein induktives Energieübertragungssystem entstehen, welches von beiden Seiten der Strecke her gespeist wäre und theoretisch eine Leistung von 2*P auf einen Verbraucher übertagen werden könnte, ohne dass die maximal zulässige Spannung von z.B. 1.000V überschritten würde. Unter Einspeisung von zwei Seiten wird hierbei verstanden, dass die entlang der Energieübertragungsstrecke Ü verlegten Leiter L1 und L2 einen Anfang ELA und ein Ende ELE aufweisen, von denen aus Energie in die Leiter gespeist wird. Die Reihenschaltung von zwei Stromquellen ist jedoch nicht zulässig, da die Quellenspannungen nicht gleich wären und sich somit eine ungleiche Leistungsaufteilung einstellen würde.
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Damit die Quellenspannungen gleich auf die beiden Stromquellen Q1 und Q2 verteilt wird, schlägt die Erfindung in einer ersten Variante vor, die beiden Transformatoren T1 und T2 miteinander zur Symmetrierung der Quellenspannungen zu koppeln. Der in 1c gezeigte Aufbau wird hierzu um die Ausgleichswicklungen S2 ergänzt, wie dies in 1d dargestellt ist. Die Ausgleichswicklungen S2 werden dabei mittels der Leiter LA1 und LA2 parallelgeschaltet, so dass über die Ausgleichswicklungen S2 eine gerechte Spannungsaufteilung auf die Stromquellen Q1 und Q2 erfolgt. Durch die vorteilhafte Symmetrierung der Quellenspannungen kann somit die erfindungsgemäße Energieübertragungssystem von zwei Seiten aus mit jeweils der Leistung P gespeist werden, wodurch bei Einhaltung der vorher für ein Energieübertragungssystem bestehenden maximalen Spannung die doppelte Leistung über die gleich ausgelegte Übertragungsstrecke auf den Verbraucher V übertragen werden kann. War z.B. das induktive Energieübertragungssystem EL1 auf 22 kW ausgelegt, so kann bei gleicher Auslegung der Strecke nunmehr eine Leistung von 44 kW übertragen werden.
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Die Ausgleichswicklungen S2 sind dabei wie die Wicklungen PRI und S1 , um den gleichen Transformatorkern gewickelt. Die Sekundärwicklungen S1 entsprechen dabei den Sekundärwicklungen SEC der in den 1a bis 1c dargestellten Energieübertragungssysteme.
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Zur Symmetrierung der Quellenspannungen der Stromquellen Q1 und Q2 müssen jedoch nicht zwingend die in 1d gezeigten Ausgleichswicklungen S2 vorgesehen werden. Es ist vielmehr auch möglich, die Transformatoren T1 und T2 magnetisch miteinander zu koppeln. Eine derartige magnetische Kopplung ist beispielhaft in 2a dargestellt. Die Primärwicklungen PRI1 und PRI2 , sowie die Sekundärwicklungen S1 der Transformatoren T1 und T2 sind zur magnetischen Kopplung auf einen gemeinsamen Kern TK gewickelt. Auch durch diese Maßnahme lässt sich vorteilhaft eine Symmetrierung der Quellenspannungen der Stromquellen Q1 und Q2 erzielen. Der in 1d rechts gezeichnete Transformator T2 wird hierzu über einen Koaxialleiter CO an die rechten Kompensationskondensatoren C an das Ende ELE der Leiter L1 und L2 angeschlossen.
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Eine Weiterentwicklung des in 2a dargestellten Energieübertragungssystems ist in 2b gezeigt. Die beiden Primärwicklungen PRI1 und PRI2 können zu einer gemeinsamen Wicklung PRI zusammengefasst werden wobei anstatt der zwei Stromquellen mit der jeweiligen Leistung P eine einzige Quelle mit der Leistung 2*P verwendet wird, wodurch die gleiche Leistung in die Energieübertragungsstrecke EL gespeist wird. Der in 2a gezeigte Koaxialleiter CO kann durch normale Leiter ersetzt werden, wodurch somit auch eine länger Übertragungsstrecke bis zum Punkt ELE ' möglich wird.
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Die 3a entspricht der 2a und soll nur zeigen, dass ausgehend von diesem Aufbau auch die in den 3b und 3c dargestellten Ausführungsformen herleitbar sind.
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Die in 3b dargestellte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Transformatoren T1 und T2 nicht magnetisch, sondern galvanisch über die Ausgleichswicklungen S2 miteinander gekoppelt sind, damit die Spannungen gerecht auf die Stromquellen Q1 und Q2 aufgeteilt werden. Die eigentliche Übertragungsstrecke ist gegenüber der in 3a gezeigter Ausführungsform unverändert.
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Die in 3c gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3b gezeigten dadurch, dass die Einspeisung lediglich über die Seite ELA erfolgt. Die Leiter L1 und L2 sind, wie bei dem in 1a gezeigten induktiven Energieübertragungssystem EL1 im Punkt K kurzgeschlossen, so dass der Leiter L1 quasi den Hinleiter und der Leiter L2 den Rückleiter der Primärleiterschleife bilden. Dies ist möglich, da die Ausgangswicklungen S1 der beiden Transformatoren T1 und T2 mittels der Verbindung LS in Reihe geschaltet sind. Die Kopplung der beiden Transformatoren T1 und T2 erfolgt dabei über die beiden parallelgeschalteten Ausgleichswicklungen S2 . Die Kopplung könnte auch dadurch erfolgen, in dem auf die Ausgleichswicklungen S2 verzichtet wird und die eine magnetische Kopplung vorgesehen wird, bei der die Wicklungen PRI und S1 der beiden Transformatoren T1 und T2 auf einen gemeinsamen Wicklungskern - wie es in 3a dargestellt ist - gewickelt sind.
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Die 4 zeigt ein weiteres mögliches Einspeisemodul mit vier Quellen Q1 -Q4 und vier Transformatoren T1 -T4 , wobei jeder Transformator eine Ausgangswicklung S1 und eine Ausgleichswicklung S2 aufweist. Die Ausgangswicklungen S2 aller Transformatoren sind zueinander parallel geschaltet. Die Quellen Q1 und Q2 , speisen über die Ausgangswicklungen S1 der Transformatoren T1 und T2 die Eingangsseite ELA der Energieübertragungsstrecke EL, wobei deren Ausgangswicklungen S1 mittels des Leiters LS in Reihe geschaltet sind, wodurch eine Leistung von 2 * 11 kW von der Seite ELA in die Übertragungsstrecke eingespeist wird. Die Quellen Q3 und Q4 speisen über die Ausgangswicklungen S1 der Transformatoren T3 und T4 die Ausgangsseite ELE der Energieübertragungsstrecke, wobei zwischen dem Einspeisepunkt ELE und den Kompensationskondensatoren noch ein Koaxialkabel angeordnet ist, um eine Strecke möglichst verlustfrei zu überbrücken, auf der keine induktive Energieübertragung erfolgen soll. Insgesamt kann somit die Leistung aller vier Quellen Q1 -Q4 von 4*11 kW auf den Verbraucher V übertragen werden.
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Die 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform mit einer verdrillten Zuführleitung, welche an der Stelle einer möglichen Koaxialleitung, wie sie in 4 dargestellt und erläutert ist, angeordnet ist. In dem Bereich, wo die Leiter L1 und L2 verdrillt sind, kann keine Energie induktiv übertragen werden.
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Die 6 und 7 zeigen weitere alternative Ausgestaltungen des Primärsystems, wobei in Figur eine U-förmig verlegte Übertragungsstrecke und in 7 eine rechteckig verlegte Übertragungsstrecke dargestellt ist. Im Prinzip können die Leiter L1 und L2 in beliebigen Kurvenbahnen verlegt werden, sofern die Leiter stets parallel zueinander verlegt sind.
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Die 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform für ein 3-phasiges induktives Energieübertragungssystem mit einem erfindungsgemäßen Einspeisemodul, welches aus den drei Quellen PU , PV , PW für die Phasen u, v, w, den drei Transformatoren TU , TV , TW mit jeweils einer Primärwicklung PRI und zwei Ausgangswicklungen SEC besteht. Die Ausgangswicklungen SEC eines Transformators TU , TV , TW sind jeweils in Reihe geschaltet, wobei an die freien Pole der Wicklungen SEC des Transformators Tu die Kompensationskondensatoren C an diese die Leiterenden des Leiters L1 angeschlossen sind. An die Ausgangswicklungen des Transformators TV sind die Kompensationskondensatoren C für den Phasenleiter L2 angeschlossen. Analog ist der Phasenleiter L3 mit den Wicklungen SEC des Transformators TW verbunden. Damit eine Symmetrie eingehalten wird, sind die Verbindungspunkte der Ausgangswicklungen SEC aller Transformatoren TU , TV , TW ebenfalls miteinander elektrisch verbunden. Der Verbraucher V kann in Pfeilrichtung entlang der Übertragungsstrecke Ü bewegt werden.
