EP3178128B1 - Anordnung zur galvanisch getrennten energieübertragung - Google Patents

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EP3178128B1
EP3178128B1 EP15760127.9A EP15760127A EP3178128B1 EP 3178128 B1 EP3178128 B1 EP 3178128B1 EP 15760127 A EP15760127 A EP 15760127A EP 3178128 B1 EP3178128 B1 EP 3178128B1
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EP
European Patent Office
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waveguide
dielectric
decoupling
dielectric waveguide
arrangement
Prior art date
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Active
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EP15760127.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3178128A1 (de
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Dominik ERGIN
Dennie Lange
Sebastian MARTIUS
Benjamin Sewiolo
Andreas Ziroff
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/16—Dielectric waveguides, i.e. without a longitudinal conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for electrically isolated energy transmission according to claim 1.
  • These components can e.g. Switching elements, electronic modules or measuring points, which must be isolated from the earth potential.
  • the energy transmission takes place primarily wirelessly, for example via the so-called “Radio Frequency Identification (RFID)” technology or via optical fibers.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • the received power is well below one watt, mostly in the 100mW range. This is because the diode-based rectifiers used for this have limitations with regard to current and voltage peaks and heat dissipation. For this reason, it is only possible to supply a consumer with low power consumption.
  • the GB 2185860 A a dielectric waveguide, to which a stub is connected with a probe which projects into the dielectric waveguide and to which a rectifier diode is attached.
  • the US 2012/0133306 A1 discloses a waveguide for an accelerator with a dielectric wall and the like US 3746424 discloses an optical dielectric waveguide connected to an electrical sensor on a high voltage line.
  • the object of the invention is to provide an arrangement which overcomes the disadvantages of the aforementioned solutions.
  • the arrangement according to the invention for the galvanically separated energy transmission with voltages in the high-voltage range is designed in such a way that the energy transmission takes place through a dielectric waveguide. This ensures that the power received, that is to say the power intended for consumers, is significantly higher, namely up to 10 watts or higher, than is possible in the prior art.
  • the dielectric waveguide is preferably configured in such a way that it has a functional connection with at least one first rectifier device and at least one second rectifier device such that the first rectifier device has a conductive along the length of the dielectric waveguide on the input side to a first coupling point located along the length of the waveguide Has connection and the second rectifier device on the input side to a located along the length of the waveguide coupling point has a conductive connection and have a distance to the signal input of the waveguide and to each other.
  • the transmitted power is decoupled before the end of the dielectric waveguide, the second decoupling point or any further decoupling point with rectifier device being able to be arranged at the end.
  • the division of the power is generated by the different distances, which is then passed on to the respective consumer via the rectifier device.
  • n is the number of consumers / decoupling points
  • the arrangement is developed such that the configuration of the decoupling of the first decoupling point and / or the distance of the first decoupling point from the signal input of the waveguide and the configuration of the coupling-out of the first coupling-out point and / or the distance between the first coupling-out point and the signal input of the waveguide are designed such that the value of a power drawn at the first and second coupling-out point is the same.
  • At least one electrically insulating shielding device is arranged on the dielectric waveguide extends the so-called creepage distance, i.e. the path of electrical currents which are usually caused by environmental influences, in particular on the surface of the dielectric, and thereby the loss minimized.
  • the insulating shielding device is configured in such a way that its dielectric constant is smaller than the dielectric constant of the dielectric waveguide and is attached directly to the waveguide.
  • the low dielectric constant ensures that the directly attached shielding device does not, at least not disturb, the properties of the dielectric waveguide.
  • the invention may be advantageous to develop the invention in such a way that the insulating shielding device is arranged in such a way that a space-generating element is created between the dielectric waveguide and the shielding device Distance exists.
  • the dielectric constant of the shielding device is greater than or equal to the dielectric constant of the dielectric waveguide.
  • this space is filled with in particular a solid, liquid or gaseous insulation medium, in particular with a dielectric constant that is lower than the dielectric constant of the dielectric waveguide, since space is generally available will be and a corresponding filling can usually be used advantageously.
  • a solid, liquid or gaseous insulation medium in particular with a dielectric constant that is lower than the dielectric constant of the dielectric waveguide
  • the waveguide is preferably formed from at least one as an angular and / or round, rod-shaped body. This is advantageous, for example, because it is well researched and can therefore be modeled with regard to optimal function, in particular transmission values.
  • the arrangement is designed such that at one end of the dielectric waveguide mentioned, in particular designed as a coaxial cable or microstrip, waveguide transition is functionally connected.
  • the transmission can take place at high frequency and its effect according to the invention can develop, particularly in the high-voltage range, it will be advantageous to further develop the invention in such a way that the dielectric waveguide is formed from materials, in particular aluminum oxide or Teflon, with a dielectric constant> 1.
  • the efficiency of the energy transmission is increased further, since radiation, that is to say unwanted power loss, is reduced.
  • a first embodiment variant CYLINDRICAL and a second embodiment variant RECTANGULAR are both solid bodies which are elongated in the form of a rod, the first embodiment variant CYLINDRICAL having a round cross section, while the second embodiment variant has a rectangular cross section.
  • the rod-shaped solid bodies shown are CYLINDRICAL and RECTANGULAR can also be formed by stringing together to form a longer overall construct.
  • HV high-voltage
  • the exemplary embodiment shown can be developed in such a way that the frequencies of the high-frequency signal are within the ISM band 2.45 GHz and 5.8 GHz. It is also advantageous to use a material with a low tan ⁇ in such a frame of the transmission frequency for efficient energy transmission.
  • the dielectric constant ⁇ r is chosen as high as possible.
  • Example materials with which this development according to the invention is achieved are aluminum oxide or Teflon.
  • the dielectric waveguide DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER shown in the exemplary embodiment has the property of not only supplying one consumer TERMINAL DEVICE, but several, since according to the invention power can be coupled out before the end of the DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER conductor and fed to another consumer.
  • this arrangement has the property that not only an energy required for switching can be transmitted, but also data such as time information, since the high-frequency electrical signals of the HF source HF_SIGNAL_GENERATOR can be used for this.
  • the dielectric waveguide shown is used according to the invention by emitting high-frequency electromagnetic waves in the mm-waves or microwave range in a round or square (cf. Figure 1 ) rod-shaped material with a dielectric constant> 1 leads.
  • this rod uses the electromagnetic wave at the same time both energy and a communication signal, e.g. the timing signal can be transmitted, the rod is transmitted to the frequency generator (signal source) HF_SIGNAL_GENERATOR with a suitably selected and modulated output power of the frequency generator HF_SIGNAL_GENER via a so-called waveguide transition, such as a coaxial cable, also microstrip line or similar devices that provide this function connected.
  • a so-called waveguide transition such as a coaxial cable, also microstrip line or similar devices that provide this function connected.
  • a rectifier device RECTIFIER is supplied to the respective consumer or, in the simplest case, without structuring the material of the waveguide DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER, in connection with metallic conductor structures, can be coupled out.
  • the energy transported in the waveguide DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER decreases in accordance with the decoupled power.
  • the first decoupling is considered weaker than the subsequent ones (represented by the smaller dimension of the slot or the opening), in order to realize, for example, that the extracted one at all decoupling points Performance has the same value if desired.
  • 1 watt (W) could be extracted per decoupling point with a total signal power of 3 W, so that the first decoupling must be 1/3, the second 1/2 and the third 1, for example in relation to the dimension.
  • the possibility of providing the waveguide with shields that is, to be encased, for example, by an insulator.
  • This variant is in the Figure 4 recognizable on the left. If the ⁇ r of the insulator HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR is small compared to that of the waveguide DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER and thus the properties are not affected, this HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR shield can be attached directly to the DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER waveguide (not shown). When the HIGH VOLTAGE ISOLATOR screen is at a certain distance as shown.
  • a solid, liquid or gaseous insulation medium can generally be introduced in this space created by the distance, and in such a way that the properties of the DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER waveguide do not lead the electromagnetic wave in the dielectric is affected, but rather the transmission is even optimized.
  • the in the Figure 4 The meander structure of the dielectric waveguide DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER indicated on the right extends the path of the creepage distance by shaping the waveguide DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER and can therefore also do without the HIGH VOLTAGE ISOLATOR.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß Anspruch 1.
  • 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.
  • Diese Komponenten können z.B. Schaltelemente, ElektronikBaugruppen 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.
  • 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.
  • Im Stand der Technik offenbart die GB 2185860 A einen dielektrischen Wellenleiter, an den eine Stichleitung mit einer Sonde, die in den dielektrischen Wellenleiter hineinragt und an die eine Gleichrichterdiode angebracht ist, angeschlossen ist. Die US 2012/0133306 A1 offenbart einen Wellenleiter für einen Beschleuniger mit einer dielektrischen Wand und die US 3746424 offenbart einen optischen dielektrischen Wellenleiter, der an einen elektrischen Sensor an einer Hochspannungsleitung angeschlossen ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, die die Nachteile der vorgenannten Lösungen überwinden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die
    • Figur 1
    als Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Ausgestaltungen des dielektrischen Wellenleiters,
    Figur 2
    eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem bevorzugten Einsatzgebiet,
    Figur 3
    als Ausführungsbeispiele zwei Varianten für eine Auskoppelanordnung gemäß Weiterbildungen der Erfindung,
    Figur 4
    als Ausführungsbeispiel zwei Varianten der Verlängerung der Kriechstrecke gemäß Weiterbildungen der Erfindung.
  • In Figur 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.
  • In der Figur 2 ist eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zu sehen, welche auch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. Figur 1) stabförmig ausgeführten Material mit einer Dielektrizitätskonstante > 1 führt.
  • 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.
  • In Figur 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Figur 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.
  • 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.
  • In Figur 4 sind schließlich Ausgestaltungen dargestellt, die die Erfindung derart weiterbilden, dass sie die so genannte Kriechstrecke zwischen HV-Potential und GND-Potential (vgl. Figur 2) verlängern.
  • 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 Figur 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.
  • Die in der Figur 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Anordnung zur galvanisch getrennten Energieübertragung mit Spannungen im Hochvoltbereich, einen dielektrischen Wellenleiter mit einem Signaleingang, einer ersten Auskoppelstelle und einer zweiten Auskoppelstelle umfassend, derart ausgestaltet, dass die Energieübertragung durch den dielektrischen Wellenleiter erfolgt, wobei die Ausgestaltung der Auskopplung der ersten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der ersten Auskoppelstelle zum Signaleingang des Wellenleiters und die Ausgestaltung der Auskopplung der zweiten Auskoppelstelle und/oder der Abstand der zweiten Auskoppelstelle zum Signaleingang des Wellenleiters derart zueinander variiert ausgestaltet ist, dass der Wert einer an der ersten und zweiten Ankoppelstelle entnommenen Leistung gleich ist, wobei die Anordnung außerdem mindestens eine erste Gleichrichtereinrichtung und mindestens eine zweite Gleichrichtereinrichtung umfasst, und wobei der dielektrische Wellenleiter mit der mindestens einen ersten Gleichrichtereinrichtung und der mindestens einen zweiten Gleichrichtereinrichtung eine funktionale Verbindung derart aufweist, dass die erste Gleichrichtereinrichtung eingangsseitig zu der entlang der Länge des Wellenleiters verorteten ersten Auskoppelstelle entlang der Länge des dielektrischen Wellenleiters eine leitende Verbindung aufweist und die zweite Gleichrichtereinrichtung eingangsseitig zu der entlang der Länge des Wellenleiters verorteten zweiten Auskoppelstelle eine leitende Verbindung aufweist und zum Signaleingang des Wellenleiters sowie zueinander einen Abstand aufweisen, und wobei die funktionale Verbindung als am Abstand verortete zur Auskopplung von Leistung ausgestaltete Löcher, Schlitze und/oder an der Auskoppelstelle angebrachte Leiterstrukturen ausgebildet sind.
  2. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am dielektrischen Wellenleiter mindestens eine elektrisch isolierende Abschirmungseinrichtung angeordnet ist.
  3. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Abschirmungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass deren Dielektrizitätskonstante kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Wellenleiters und unmittelbar am Wellenleiter angebracht ist.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Abschirmungseinrichtung derart angeordnet ist, dass zwischen dem dielektrischen Wellenleiter und der Abschirmung Raum erzeugender Abstand besteht.
  5. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, 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.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter aus mindestens einem als, insbesondere eckigem und/oder rundem, stabförmigen Körper ausgebildet ist.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des dielektrischen Wellenleiters ein so genannter, insbesondere als Koaxialkabel oder Mikrostreifenleiter ausgestalteter, Wellenleiterübergang funktional verbunden ist.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenleiter aus Materialien, insbesondere Aluminiumoxid oder Teflon, mit einer Dielektrizitätskonstante > 1 gebildet ist.
EP15760127.9A 2014-09-08 2015-08-31 Anordnung zur galvanisch getrennten energieübertragung Active EP3178128B1 (de)

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