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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Übertragung
von Energie durch induktive Energieübertragung von stromführenden
Leitern, wobei die Energiemenge, welche zu dem Energieempfänger übertragen
wird, durch entkoppeln des Empfängers
von den stromführenden
Leitern kontrolliert wird.
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HINTERGRUND
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Induktive
Energieübertragung
basiert auf Wechselstrom, welcher von Leitern induktiv ausgekoppelt und
in einem Energieempfänger
durch induktive Übertragung
von diesen Leitern empfangen wird. Der Energieempfang kann durch
Feldkonzentratoren gesteigert und/oder durch Abstimmen des Energieempfängers auf die
Frequenz des Stroms erhöht
werden.
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Diese
Beschreibung bezieht sich auf Systeme, in welchen der Empfänger eine
Schaltung enthält,
die mit oder nahe bei der Frequenz des Stromes in den Leitern in
Resonanz ist. Bekannte Schaltungen für induktive Energieübertragung
können
eine erhebliche Blindleistung erzeugen, wenn die Abstimmung der
abgestimmten Schaltkreis verschlechtert wird, um den Energiefluss
zu reduzieren.
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DAS PROBLEM
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Das
Problem eines ungewollten Blindleistungsflusses kann nahezu vollständig durch
die Benutzung von sogenannten Entkopplungscontrollern überwunden
werden, jedoch ist die den Konstrukteuren zur Verfügung stehende
Auswahl sehr gering. Derartige Controller funktionieren, indem sie
den abgestimmten Schaltkreis von der Last abschalten, also indem
sie die Last von der die induktive Energie empfangenden Schaltung abkoppeln.
Das Abkoppeln kann mit einer geringeren Rate als die Stromfrequenz
erfolgen, oder mit einer höheren
Rate als die Stromfrequenz. In beiden Fällen wird die durchschnittliche
Energie, die der Energiequelle entnommen wird, reduziert. Das Verhältnis zwischen
der gekoppelten Zeit und der entkoppelten Zeit kann variieren, so
dass der Controller effektiv so wirkt, dass er die Last teilweise
variabel entkoppelt.
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Wenn
eine parallele Schaltungstopologie für den induktiven Energieempfänger benutzt
wird, ist der Strom bei Maximallast fest und Erhöhungen der Energie für kurze
vorübergehende
Situationen kann nur durch eine Erhöhung der Ausgangsspannung erreicht
werden. Da die meisten Komponenten spannungsempfindlich sind, ist
dies inakzeptabel. Im umgekehrten Fall, wenn die energieempfangende
Schaltung eine seriell abgestimmte Schaltung ist, weist sie eine
feste maximale Ausgangsspannung auf, erlaubt aber Energieerhöhungen durch
vorübergehende
Stromspitzen. In diesem Fall kann die durchschnittliche Ausgangsspannung
durch das Tastverhältnis
festgelegt werden, wobei dann ein vorübergehender, bedarfsgerechter
Anstieg der Stromstärke erlaubt
werden kann. Derartige vorübergehende
Spitzen korrespondieren jedoch mit hohen Spannungen über die
Aufnahmespule und den Abstimmkondensator und können daher inakzeptabel sein.
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STAND DER TECHNIK
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Induktive
Energieübertragung
ist bekannt, so zum Beispiel: US-Patent 4 914 539 von Turner et
al. beschreibt ein induktives Energieübertragungssystem, um Flugzeugsitze
mit Energie zu versorgen. Die Beschreibung beschreibt einen Resonanzenergieempfänger, welcher
durch Überbrücken der
Resonatorschaltung während
eines Teils des positiven Arbeitszykluses synchron geregelt wird.
Diese Schaltung ist so konstruiert, dass die Überbrückung der Resonatorschaltung
für deutlich
weniger als ein Viertel eines Arbeitszykluses pro Arbeitszyklus
den Blindwiderstand der Schaltung verändert. Die Veränderung
des Blindwiderstands der Schaltung verschiebt die Resonanz der Schaltung
und reduziert daher auch die verfügbare Ausgangsleistung. Dennoch
besteht noch ein erheblicher Blindleistungsfluss zwischen den Schienenleitern
und dem Empfänger
und es sollte erwähnt
werden, dass somit keine Entkopplung vom Ausgang vorliegt.
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Die
Veröffentlichungsschrift
WO 01/71882 beschreibt eine Resonatorschaltung, in welcher ein synchroner
Schalter eine parallele Resonatorschaltung während der vorderen halben Zyklen
der Energiekurven überbrückt. Diese
Schaltung kann gefährliche
Bedingungen hervorrufen, wenn der Schalter oder die Last in einem
offenen Zustand ausfällt.
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US-Patent
5 293 308 beschreibt eine Resonatorschaltung, bei welcher ein Energiefluss
von den Schienenleitern zum Empfänger
im Wesentlichen vollständig
abgekoppelt werden kann. Hier überbrückt ein asynchroner
Schalter entweder eine parallele Resonatorschaltung oder öffnet wenigstens
einen Teil einer seriellen Resonatorschaltung bei eine beliebigen
benötigten
Schaltfrequenz. In jedem Fall kann die Energie, die zur Resonatorschaltung übertragen
wird, auf nahezu Null reduziert werden. Durch eine Veränderung
des Tastverhältnisses
des Schalters kann jede benötigte
Ausgangsleistung bis hin zum vorhandenen Maximum zur Verfügung gestellt
werden. Im Zustand minimaler Energieübertragung tritt im Wesentlichen
kein unerwünschter
Blindleistungsfluss auf.
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GEGENSTAND
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Methode zum schaltbaren Abkoppeln
eines Resonanzempfängers
für induktive
Energieübertragung
zur Verfügung
zu stellen, so dass die übertragene
Energie geregelt werden kann, um einen sehr großen Bereich von Kopplungszuständen abzudecken,
wobei die Limitierungen an die maximale Spannung oder den maximalen
Strom verringert werden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Ausfallmodi der Kontrollschaltung
zu kennen, um Schutzeinrichtungen einbauen zu können, so dass die Schaltung
bei einem Schalterfehler oder einem Empfängerlastfehler sicher ausfällt. Schließlich ist
es eine weitere Aufgabe der Erfindung, der Öffentlichkeit eine brauchbare
Alternative zur Verfügung
zu stellen.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
einer Hinsicht bezieht sich die Erfindung auf einen umschaltbaren
Schaltkreis, um induktiv Energie von einer Wechselstromquelle zu
empfangen, wobei der Schaltkreis im Wesentlichen mit der Frequenz
des empfangenen Stromes in Resonanz ist, er aber durch Auslösen eines
Schalters von der Stromquelle entkoppelt werden kann, wobei der
Schalter zyklisch mit einer Frequenz schaltet, welche von der Frequenz
der Stromquelle verschieden ist, und in welchem die theoretische
verlustfreie Ausgangsspannung und der theoretische verlustfreie
Ausgangsstrom eine Funktionen des Zeitanteils ist, während dem
der Schalter eingeschaltet ist, dividiert durch den Zeitanteil,
während
dem der Schalter ausgeschaltet ist.
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Bevorzugt
stellt entweder die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom eine
umgekehrte Funktion des eingeschalteten Zeitanteils dividiert durch
den ausgeschalteten Zeitanteil dar.
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Bevorzugt
kann das beobachtete Q des Schaltkreises während des Betriebes durch eine
entsprechende Auswahl des eingeschalteten Zeitanteils auf Null reduziert
werden.
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Bevorzugt
weist der schaltbare Schaltkreis einen Zweiwegegleichrichter und
eine Einwegschaltkomponente auf.
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Bevorzugt
weist der Schaltkreis eine Aufnahmespule auf, welche induktiv mit
der Stromquelle gekoppelt ist und wobei eine serielle Resonatorschaltung
für die
Aufnahmespule benutzt wird.
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Bevorzugt
weist der Schaltkreis eine Aufnahmespule auf, welche induktiv mit
der Stromquelle gekoppelt ist und wobei eine parallele Resonatorschaltung
für die
Aufnahmespule benutzt wird.
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Bevorzugt
weist der schaltbare Schaltkreis eine Tief-Hochsetz-Konfiguration (buck-boost
configuration) auf der Ausgangsseite der Schaltung auf.
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Bevorzugt
ist der Schalter ein seriell angeordneter Schalter.
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Bevorzugt
benutzt der Schalter eine "Cuk"-Konfiguration auf
der Ausgangsseite des Schaltkreises.
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Bevorzugt
ist der Schalter ein parallel angeordneter Schalter.
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Bevorzugt
wird der Schalter kontinuierlich mit einer Frequenz geschaltet,
welche höher
ist als die Frequenz der Stromquelle und unabhängig von der Frequenz der Stromquelle
ist und eine variable Ein-Ausschaltzeit zur Regulierung der Ausgangsspannung
oder des -stroms aufweist.
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Alternativ
ist der Schalter kontinuierlich mit einer Frequenz geschaltet, welche
niedriger ist als die Frequenz der Stromquelle und eine variable
Ein-Ausschaltzeit zur Regulierung der Ausgangsspannung und des -stromes
aufweist.
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Bevorzugt
kann dabei die Ausgangsspannung höher oder niedriger als die
in der Aufnahmespule induzierte Spannung sein.
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Bevorzugt
ist der Fehlermodus bei einem Ausfall einer einzigen Komponente
identifizierbar und der Schaltkreis wird im Falle eines solchen
Ausfalls nicht zerstört.
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Bevorzugt
ist der maximale Strom im Schaltkreis durch eine in Serie geschaltete
Drosselspule limitiert.
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In
einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zur Steuerung eines schaltbaren Schaltkreises zum induktiven Empfangen
von Energie von einer Wechselstromquelle, wobei der empfangende Schaltkreis
im Wesentlichen resonant mit der Arbeitsfrequenz der Stromquelle
ist und der Schalter zyklisch arbeitet, um den Empfangsschaltkreis
im Wesentlichen von der Stromquelle abzukoppeln und der Schalter
zyklisch geschlossen wird, bei einer Frequenz, die unabhängig von
der Frequenz der Stromquelle ist, und der theoretische verlustfreie
Ausgangsstrom und die theoretische verlustfreie Ausgangsspannung
Funktionen der Zeit pro Zyklus darstellen, in welcher der Schalter
eingestaltet ist, dividiert durch die Zeit pro Zyklus, in welcher der
Schalter ausgeschaltet ist, wobei die Zeit des Arbeitszyklusses,
in welcher der Schalter ausgeschaltet ist, eingestellt wird, um
entweder den benötigten
Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung beizubehalten.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aspekte der Erfindung, welche in jeder Hinsicht als
neu angesehen werden, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung,
welche an Beispielen vorgenommen wird. Unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Ausschnittszeichnungen weist ein möglicher Empfängerschaltkreis
entweder 1 oder 2 als Resonanzteil
des gesamten Empfängers
auf, und eine beliebige der 3, 4, 5 oder 6 als
Steuerungseinrichtung. Auf diese Weise sind acht verschiedene Empfänger, wie
in Tabelle 1 aufgeführt, möglich. Die
Figuren zeigen:
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1 zeigt
einen parallelen Resonanzempfänger
ohne Steuerung;
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2 zeigt
einen seriellen Resonanzempfänger
ohne Steuerung;
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3 zeigt
eine Steuerungsschaltung in Hochsetz-Konfiguration;
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4 zeigt
eine Steuerungsschaltung in Tiefsetz-Konfiguration;
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5 zeigt
eine Steuerungsschaltung in Tief-Hochsetz-Konfiguration;
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6 zeigt
eine Steuerungsschaltung in sogenannter Cuk-Konfiguration.
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Die
acht möglichen
Empfänger
werden aus Paaren der oben beschriebenen Figuren zusammengestellt.
Die erste Figur bezieht sich auf den Resonanzeingang des Empfängers und
die zweite Figur bezieht sich auf die Art der Steuerungseinrichtung;
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1+3 stellen
einen Schaltkreis für
eine Empfängerentkoppelung
gemäß dem Stand
der Technik dar;
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1+4 stellen
einen Schaltkreis für
einen theoretischen Empfänger
dar, welcher nicht entkoppeln kann;
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1+5 stellen
einen neuen Schaltkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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1+6 stellen
einen neuen Schaltkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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2+3 stellen
einen Schaltkreis für
einen möglichen
Empfänger
dar, welcher nicht entkoppeln kann;
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2+4 zeigen
einen Schaltkreis eines bekannten Empfängerentkopplungsschalters;
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2+5 stellen
einen neuen Schaltkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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2+6 stellen
einen neuen Schaltkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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1 zeigt
den Eingang zu einer Empfängerschaltung,
welche eine parallele Resonatorschaltung von Induktivität 12 und
Kondensator 13 benutzt und Energie von der Quelle 11 bezieht,
deren Ausgang bei 14 zweiwege-gleichgerichtet ist.
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2 zeigt
den Eingang zu einer Empfängerschaltung,
welche eine serielle abstimmbare Resonatorschaltung von Induktivität 22 und
Kondensator 23 benutzt mit einem Zweiwegegleichrichter 24.
Gleichrichter 24 ist durch den Glättungskondensator 25 überbrückt.
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Wenn 3 mit
der Ausgangsseite von 1 verbunden wird, entsteht eine
bekannte Empfängerschaltung,
deren Ausgang des Zweiweggleichrichters 14 über die
Verstärkerinduktivität 31 an
eine Lastschaltung bestehend aus dem Widerstand 35 und
dem Glättungskondensator 34 über den
Gleichrichter 33 angeschaltet ist. Ein asynchroner Schalter 32 kann
die Ladung überbrücken, wobei
er den Empfänger
im Wesentlichen vollständig
von der Energiequelle entkoppelt. In diesem Zustand erhält der Schaltkreis
sehr wenig Energie von der Quelle.
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Wenn 4 an
den Ausgang von 1 angeschlossen wird, entsteht
ein paralleler Resonanzempfänger
mit einem Tiefsetz-Controller,
bei dem ein Entkoppeln nicht praktikabel ist.
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Wenn 5 an
den Ausgang von 1 angeschlossen wird, entsteht
ein paralleler Resonanzempfänger
mit einer Tief-Hochsetz-Steuerschaltung.
Hier wird der Ausgang vom Gleichrichter 14 an die Lastschaltung 54 und 55 über die
Tief-Hochsetz-Spule 52 und
den asynchronen Schalter 51 und den Gleichrichter 53 angeschaltet.
Der Schalter 51 sorgt im geschlossenen Zustand für eine Entkopplung.
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Wenn 6 an
den Ausgang von 1 angeschlossen wird, entsteht
ein paralleler Resonanzempfänger
mit einer Cuk-Steuerschaltung.
Hier wird der Ausgang des Gleichrichters 14 über den
Cuk-Induktor 61, den asynchronen Schalter 62,
den Kondensator 63 und den Gleichrichter 64 an
die Lastschaltung 65, 66 und 67 angeschaltet.
Schalter 62 sorgt in geschlossenem Zustand für eine Entkopplung.
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Wenn 3 an
den Ausgang von 2 angeschlossen wird, wird der
Gleichspannungsausgang der seriellen abstimmbaren Resonatorschaltung über den
Glättungskondensator 25 über die
Verstärkungsspule 31 an
eine Lastschaltung bestehend aus Widerstande 35 und Glättungskondensator 34 über Gleichrichter 33 angeschaltet.
Vorausgesetzt, der asynchrone Schalter 33 wird mit einer
Frequenz deutlich oberhalb der Frequenz der Stromquelle geschaltet,
wird er den Energiefluss zur Last regeln, so dass, wenn der Schalter 33 ein ist,
keine Energie zur Last geleitet wird und umgekehrt. Wenn dieser
Schalter aus ist, wird sich die Ausgangsspannung dieser Schaltung
schließlich
einstellen, aber der Energiefluss kann nicht kontrolliert werden.
Diese Schaltung kann nicht von der Stromquelle abgekoppelt werden.
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Wenn 4 mit
dem Ausgang von 2 verbunden wird, wird eine
bekannte Empfängerschaltung hergestellt,
deren Ausgang des Zweiwegegleichrichters 24 und des Gleichstromglättungskondensator 25 über die
Tiefsetz-Spule 43 und den Gleichrichter 42 an
die Lastschaltung, allgemein bestehend aus Kondensator 44 und
Widerstand 45, angeschaltet. Der asynchrone Schalter 41 ändert dabei
die Energieübertragung.
Wenn Schalter 41 geöffnet
ist, wird keine Energie zur Last übertragen und umgekehrt. Der
Gleichrichter 42 ermöglicht einen
kontinuierlichen Stromfluss in der Tiefsetz-Spule 43, wenn
der Schalter 41 geöffnet
ist. Darüber
hinaus wird, wenn der Schalter 41 geöffnet ist, der Empfänger im
Wesentlichen vollständig
von der Stromquelle entkoppelt. In einem solchen Zustand wird die
Schaltung sehr wenig Energie von der Quelle empfangen.
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Wenn 5 an
den Ausgang von 2 angeschlossen wird, entsteht
ein serieller Resonanzempfängern
mit einer Tief-Hochsetz-Steuerschaltung.
Schalter 51 versorgt den Lastschaltkreis, welcher den Kondensator 54 und
den Widerstand 55 aufweist, über die Tief-Hochsetz-Spule 52 und
den Gleichrichter 53. Das Öffnen des Schalters verhindert
einen Stromfluß zur
Resonatorschaltung und verursacht so eine Entkopplung, während es
auch Stromfluß auf
der Sekundärseite
zur Last verhindert.
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Wenn 6 an
den Ausgang von 2 angeschlossen wird, entsteht
ein serieller Resonanzempfängern
mit einer Cuk-Steuerschaltung.
Eine Sekundärspule 61 versorgt
eine Lastschaltung, welche die Spule 65, den Kondensator 66 und
den Widerstand 67 aufweist, über den asynchronen Schalter 62,
den Cuk-Kondensator 63 und den Gleichrichter 64.
Die Betätigung
des Schalters dient zum Herstellen der Entkopplung.
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Die
Leistung all dieser Schaltungen kann durch ihre theoretischen Ausgangsspannungen
und ihres theoretischen Aussgangsstromes verglichen werden, und
eine vollständige
Liste der Ergebnisse ist in Tabelle 1 dargestellt. Dabei steht I
für den
Schienenstrom, M ist die wechselseitige Induktivtät zwischen
der Schiene und der Empfangsspule, L ist die Induktivität der Empfangsspule,
D ist der Bruchteil der Zeit, die der Schalter in jedem Schaltkreis
(d.h. 32, 41, 51, 62) eingeschaltet
ist, ω ist
die Schienenfrequenz, Vo ist die Ausgangsspannung
und Io ist der Ausgangsstrom. Die einzige
Steuervariable ist D, wobei die theoretische maximale Ausgangsleistung
mit der Wahl des Q der Schaltung (dem Qualitätsfaktor der Empfangsspule)
variiert. An dieser Stelle wird eine neue Beobachtung eingeführt, das
beobachtete Q (welches dadurch definiert, was ein Beobachter während des
Betriebs des Schaltkreises tatsächlich
sehen würde),
welches eine Maßeinheit
für die durchschnittliche
Resonanz in der Resonatorschaltung unter bestimmten Betriebsbedingungen
darstellt, ist aufgeführt
in Tabelle 1. Wenn das beobachtete Q auf im Wesentlichen Null reduziert
werden kann durch Veränderung
von D, kann der Schaltkreis im Wesentlichen vollständig entkoppelt
werden. Das bedeutet, dass alle Schaltkreise außer denen, die durch Benutzung
der 1+4 und 2+3 entstehen,
können
im Wesentlichen vollständig
entkoppelt werden.
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TEILWEISE STEUERBARE ENTKOPPLUNGSSCHALTUNGEN
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Der
Steuerschaltkreis 3 in Verbindung mit der Serienschaltung 2 kann
nicht vollständig
entkoppelt werden, das heißt,
wenn der Schalter geöffnet
ist, wird immer noch Leistung an den Ausgang übertragen, wobei diese Schaltung
jedoch den Vorteil hat, dass der serielle Kondensator innerhalb
einer kurzen Zeit geladen wird, wodurch ein weiterer Ausgang verhindert
wird und so der Ausgang effektiv entkoppelt ist. Er ist also verwendbar,
um bei Frequenzen, welche unterhalb der Versorgungsfrequenz liegen,
sicher umzuschalten, obwohl eine Funktion bei Schaltfrequenzen über der
Versorgungsfrequenz möglich
ist.
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STEUERBARE
ENTKOPPLUNGSSCHALTUNGEN
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Die
Steuerschaltungen in 5 und 6 können im
Wesentlichen vollständig
entkoppelt werden mit entweder einer seriellen oder parallelen abgestimmbaren
Resonatorschaltung, wodurch sie in der Anwendung bei induktiven
Schaltkreisen einzigartig sind. Diese Ergebnisse sind vollkommen
unerwartet. So sieht zum Beispiel eine Tief-Hochsetz-Schaltung,
wie in 5 ähnlich
aus wie die Konfiguration aus 4 für einen
seriellen Resonanzeingang gemäss 2 und
man würde
erwarten, dass diese mit einer seriellen abgestimmbaren Schaltung
funktioniert, man würde
jedoch nicht erwarten, dass diese mit einer parallelen Resonatorschaltung gemäss 1 funktioniert,
sie tut es aber. Diese neuen Schaltungen gemäss 5 und 6 müssen mit schnellen
Schaltsteuerungen betrieben werden, während die bekannten Empfänger aus 1+3 und 2+4 sowohl
mit schnellen als auch mit langsamen Schaltern gesteuert werden
können.
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Bei
der normalen Funktion einer parallelen abgestimmbaren Schaltung
(1+3) ist der Ausgangsstrom fest
und die Eingangsspannung kann in direkter Proportionalität zu dem
maximal möglichen
Q der abgestimmten Schaltung erhöht
werden. Ebenso ist bei der Schaltung aus 2+4 die
maximale Ausgangsspannung nominell fixiert, aber der Strom kann
in Abhängigkeit
vom möglichen
Q der Resonatorschaltung erhöht
werden. In der Praxis jedoch sind diese Ideale nur schwer zu erreichen,
da die gegenseitige Induktivität
zwischen der Aufnahmespule und den stromführenden Leitern sich von Zeit
zu Zeit verändern,
so dass bei 1+3 der Ausgangsstrom
höher sein
muss als der unter schlechtesten Bedingungen jemals benötigte Strom,
und entsprechend für
die Ausgangsspannung in den 2+4.
In der Praxis arbeiten solche Schaltungen also immer unter nicht
idealen Bedingungen.
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Im
seriellen Resonanzmodus kann die Ausgangsspannung bei der Schaltung
in den 5&6 bevorzugt
oberhalb oder unterhalb der Spannung, welche in der Aufnahmespule
induziert wird, eingestellt sein, während der Leistungsfluss vom
Strom und dem beobachteten Q des Empfängers abhängt. Auf dies Art können große Schwankungen
bei M ausgeglichen werden. Dies ist ein einzigartiges Merkmal, welches
einen großen
Bereich von Betriebsbedingungen ermöglicht. Gleichfalls kann im
parallelen Resonanzmodus der Ausgangsstrom von den beiden 5 und 6 bevorzugt
oberhalb oder unterhalb eines nominellen Einstellpunktes innerhalb
des Resonanzempfängers
eingestellt werden, um einen konstanten Ausgangsstrom unabhängig von
großen
Schwankungen von M zu ermöglichen,
wie es beispielsweise für
das Laden von Batterien mit einem konstanten Strom notwendig ist.
Hier ist der Energiefluss abhängig
von der Spannung und dem beobachteten Q des Empfängers. Diese besonderen Vorteile
können
am Besten durch Beispiele, wie sie im Folgenden dargestellt sind,
beschrieben werden.
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Tabelle
2: Empfänger
ausgelegt für
900W Leistung und 300VDC Ausgang
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Tabelle
3: Empfänger
ausgelegt für
900W Leistung und 300VDC Ausgang mit M=70%
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Tabelle
4: Empfänger
ausgelegt für
900W Leistung und 300VDC Ausgang mit M=50%
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In
Tabelle 2 werden die aus dem Stand der Technik bekannten Empfänger der 1+3und 2+4 mit
zwei neuen Ausführungen
eines der neuen Empfänger
(2+5) verglichen, um die nützlichen
Eigenschaften dieses neuen Empfängers
darzustellen. Bei jedem der Empfänger
wird unterstellt, er ist für
eine erwartete Ausgangsleistung von 900 W bei 300 V Gleichstrom
und für
ein gestaltetes Q von 7,5 ausgelegt ist.
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Bei
normalem Betrieb werden die nominell zugeführte Spannung, der Kurzschlussstorm
und das operative D für
jeden Empfänger
gezeigt. Die Tabelle zeigt, dass in dem Fall, in welchem die Steuerung
der Ausgangsspannung gewünscht
ist, bei dem bekannten Empfänger
aus 1+3 die Leistung limitiert ist,
während
Empfänger
mit seriell abgestimmten Resonatoreingängen nur durch das in der Praxis
beobachtete Q beschränkt
sind. Beobachtete Qs von von 1 bis 10 sind typische Werte, die in
der Praxis verwendet werden könnten.
Werte für
Q von bis zu 20 können
in einigen Fällen
möglich
sein, und während
es unwahrscheinlich ist, dass größere Werte
verwendet werden, da es unwahrscheinlich ist, dass die Komponenten
genau genug sind, werden sie jedoch durch die Einführung zusätzicher
Bestandteile, durch welche das System in einem abgestimmten Zustand
gehalten wird ermöglicht.
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Tabelle
3 und 4 zeigen die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit
des Empfängers
und dessen Spannung, wenn die gegenseitige Kopplung zwischen dem
Empfänger
und den stromführenden
Leitern reduziert wird (wie es passieren könnte, wenn der Empfänger mechanisch
nicht mit den stromführenden
Leiter ausgerichtet ist). Beachtenswerterweise ist nur der neue
Empfänger
aus 2+5 (oder 2+6)
theoretisch in der Lage, sowohl die notwendige Ausgangsspannung
als auch die notwendige Leistung unter den gezeigten Bedingungen
zu liefern, obwohl in der Praxis die Leistung möglicherweise durch den praktischen Wert
für Q limitiert
wird. Die Kombination aus 1+3 wird,
wenn man M reduziert, erheblich in der Leistung beschränkt, während die 2+4 nicht
in der Lage sind, die notwendige Ausgangsspannung zu liefern.
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TECHNISCHE
VORTEILE DER SCHALTUNGEN
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Der
herkömmlicherweise
für induktive
Energieübertragung
benutzte Empfänger
ist der aus den 1+3 und, wie
in der Tabelle gezeigt wird, wird für ein beobachtetes Q von 7,5
die Konstruktionsvoraussetzungen erfüllt, jedoch unter normalen
Umständen,
bei denen die Last spannungsempfindlich ist und eine Überspannung
in jeder Form unmöglich
ist können
kurzfristige Überlastungen
nicht erfüllt
werden. Darüber
hinaus wird, wenn der Empfänger
nicht mehr mit den stromführenden
Leitern ausgerichtet ist, so dass die gegenseitige Induktivität um 30
% reduziert wird (Tabelle 3), die maximale Ausgangsleistung um 30
% reduziert.
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Bekannt
ist, dass bei Verwendung der 2+4 diese
Vorgaben verbessert werden können.
In diesem Fall kann die reguläre
Last erfüllt
werden. Ein Energieanstieg von 50 % kann ausgeglichen werden, indem man
das beobachtete Q ansteigen läßt, aber
das Problem der Nichtausrichtung kann nicht kompensiert werden während gleichzeitig
die notwendige Ausgangsspannung aufrecht erhalten werdne. Der Spannungsanstieg
und das reduzierte M verursachen beide sehr hohe Spannungen in den
Resonanzkomponenten.
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Mit
den neueren Schaltungen aus 5 und 6 kann
das selbe Empfängerdesign
wie für 2+4 verwendet
werden. In diesem Fall kann der Anstieg erfüllt werden, der reduzierte
Wert von M kann erfüllt
werden, aber die Resonanzspannungen sind wiederum sehr hoch. Die
Werte des beobachteten Q sind in diesem Fall identisch mit denen
aus den 2+4.
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Bevorzugt
wird also mit der neuen Erfindung ein vollkommen anderes Empfängerdesign
verwendet (wie in den Tabellen 2, 3 udn 4 dargestellt). In diesem
Fall wurde das Design so ausgewählt,
dass es dasselbe Tastverhältnis
wie in 2+4 von 0,75 aufweist. Wie gezeigt,
ist sowohl der nominelle Kurzschlusstrom als auch die induktive
Spannung dieses Empfängers
deutlich verschieden. Dieser Empfänger verträgt einen Stromanstieg von 150
% und einen Abfall von M durch mangelnde Ausrichtung um 30 %, ohne
dabei übermäßig hohe
Spannungen in den Resonanzkomponenten zu verursachen. In allen Fällen sind
die Resonanzspannungen (entsprechend ωMIQ) kleiner als 1 kV. Diese
Zahl ist zu vergleichen mit den 2+4,
wo die Resonanzspannung von etwa 4 kV benötigt wird, um einen Anstieg
in der Leistungsabgabe von 150 % zu erreichen.
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In
dem letzten oben gezeigten Beispiel ist der Gleichspannungsausgang
der 2+5 sehr viel höher als
die induzierte Spannung in der Empfängerspule. Unter anderen Bedingungen
ist es jedoch einfach zu erreichen, dass eine sehr hohe Resonanzspannung
eine sehr niedrige Ausgangsspannung erzielt, so dass der Schalter
niedrige Ströme
schalten kann.
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Die
oben gezeigten Vorteile der 2+5 zeigen
sich auch bei den 2+6. Zum Laden
von Batterien können
die Schaltungen der 1+5 und 1+6 verwendet
werden, sie stellen einen gesteuerten Ausgangsstrom mit den gleichen
Vorteilen gegenüber
bekannten Empfängern
der 1+3 und 2+4 zur
Verfügung,
wie oben bereits für
einen gewünschten
Spannungsgesteuerten Ausgang gezeigt.
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ABWANDLUNGEN
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Ein
ideales Verfahren zu Steuerung aller Schaltungen für induktive
Leistungsübertragung
ist das Entkoppeln, wobei, unabhängig
vom Zustand der Last über
einen Bereich vom Kurzschluß bis
zum offenen Stromkreis, der Schalter immer geschaltete werden kann,
um den Empfängerschaltkreis
zu entkoppeln, so daß keine Leistung
von den stromführenden
Leitern zur Empfangsspule übertragen
wird. Unter der Voraussetzung, daß der Schalter weiter funktioniert
wird dieser ideale Zustand immer erreicht. Jedoch kann bei Schaltungen,
bei welchen eine Entkopplung nicht möglich ist, und/oder Schaltungen,
bei welchen der Schalter defekt ist, ein Schutz erreicht werden,
indem eine sättigbare
Induktivität über die
Aufnahmespule oder ihren Abstimmkondensator geschalten wird. Wenn
potentiell gefährliche
Resonanz auftritt verringert die sättigbare Induktivität die Abstimmung
der Empfangsspule und reduziert den realen Leistungsfluß von den
Stromführenden
Leitern. Eine Entkopplung wird nicht erreicht, da ein wesentlicher
Fluß von
Blindleistung immer noch erfolgt, jedoch wird das Risiko von Explosionen
oder Feuer erheblich reduziert.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Die
Erfindung ist industriell anwendbar beim elektrischen Antrieb von
mobilen Fahrzeugen, beim Versorgen von Geräten, welche von der Stromquelle
durch irgendeine benötigte
Isolation getrennt sind und bei der Kontrolle der Energie, die dem
getrennten Gerät
zugeführt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Energie,
welche von einem Wechselstromschaltkreis in einer Spur entnommen
und durch einen Resonanzschaltkreis (65, 66) empfangen
wird, welcher wenigstens teilweise durch einen Schalter (62)
asynchron zu der Frequenz der Stromversorgung entkoppelt wird. Die
Ein- und Ausschaltezeit wird gesteuert, um hierdurch die Ausgangsleistung
zu regeln, wobei entweder die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom
eine Funktion des Zeitanteils in ausgeschaltetem Zustand dividiert
durch den Zeitanteil in eingeschaltetem Zustand ist.
