借助分成两部分的传输线路为耗电器提供电能的装置的制作方法

专利名称：借助分成两部分的传输线路为耗电器提供电能的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种为耗电器电位分离地提供电能的装置。
背景技术：
通常由一个电压源或电流源通过简单的电导线以供电电压或供电电流的形式为耗电器提供电能。
有时需要与耗电器电位分离(＝电流分离)的能量提供，而没有耗电器和电源之间的电阻连接。如果耗电器被设置在一个与能源差别极大的电位上，或者要满足对电磁兼容性(EMV)非常高的要求，则通过简单的电气馈入线的供电至少是困难的。这种应用的例子有，在公共供电设备中的电流和电压测量，以及在并行进行的核自旋断层造影检查期间对患者的EKG(心电图)、呼吸或者脉搏测量。
公知的是这样一个装置，其中，将例如激光二极管或发光二极管(LED)的光源的光传输至一个光电转换器并在那里转换成电能。最后进行对耗电器的供电。为了光传输，光源和光电转换器通过光波导体或者也通过一种自由辐射装置在光学上相互连接。这样一种电位分离的、光学上运行的用于电气传感器的供电系统，例如在“Sensors and Actuators A”(传感器和执行器A)25至27册(1991)，475至480页中有描述。激光二极管的光通过光波导体传输至一个光元件阵列，并由该阵列为传感器转换成电能。传感器的测量数据同样光学地通过一个光波导体传输。但是，由于采用了专门的部件，特别是功率强大的激光、光元件阵列和光学插塞连接，这种供电系统与不菲的造价相联系。
此外，公知的是这样一个装置，其中，从待供电的电气传感器的直接周围环境中获得电能，例如从高压电网中感应地或者从太阳光中光电地获得。但是，如果高压电网停止运行或者太阳不出现，则在这种用于供电的装置中出现不希望的副作用。从高压电网中提取电能的一种装置在DE2546694A1中有描述。
另外一种为耗电器电位分离地提供电能的装置由DE 4442677A1公开。这里，一个无线电发射器以无线电波的形式向无线电接收器发射能量，该接收器为耗电器将无线电波转换成电能。如果耗电器是一个传感器，则也可以将传感器的测量数据通过无线电传输。因此，利用该装置可以进行电流隔离的、无导线的能量和数据传输。但是，法律上关于无线电传输的规定限制了该装置的应用可能性。
另外一种用于为尤其处于高压电位的耗电器电位分离地供电的措施在于，从高频电能为一个耐高压的电容器供电或者为一个必要时为了电压测量本来就有的电容性分压器供电。这里，电容器或者电容性分压器克服了电位差。不利的可能是形成不确定的阻抗比。在电容器或者电容性分压器起到对于高频能量的去线作用的同时，回线实际上在很大程度上关于现有高压明线的导体对地电容或/和关于相邻邻的运行装置是不确定的。因此，为了能够保证功能，要求相对高的馈电频率，例如＞10 MHz。但是，这样该装置整体上表现为发射天线，这导致一方面通过辐射而发生不希望的能量损失，另一方面与已经提到的法律上关于无线电传输的规定发生冲突。
在由DE 910925公开的、用于调节对气体或蒸汽放电间隙的操纵的装置中，借助于电容性部件传输高频信号。其中，为向前方向设置一个第一电容性分支，而为向后方向设置一个第二电容性分支。但是，该高频信号不是用作供电，而是用作控制一个设置在高压电位上的点火电路。
在DE 2911476 A1中描述了，将由DE 910925公开的传输线路扩展为一个用于为处于高电位上的耗电器供电的装置。这里，传输线路由一个用纵向电容和横向扼流圈建立的对称滤波链构成。将该横向扼流圈引入到装置中的实际原因是，为了免除高频产生器提供无用功率和为了平衡在相邻邻电容之间的绝缘差。但是，由于所需单个元件的众多该装置在实现上昂贵。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种为耗电器提供电能的装置，该装置保证尽可能简单的供电，并且同时不导致与法律上关于无线电传输的规定相冲突。
按照本发明的装置至少包括
-一个用于产生供电信号的产生器，-一个包括两个分离的分支的传输线路，其中，-第一分支构造成用于沿产生器至耗电器的方向传输供电信号，而第二分支构造成用于沿从耗电器至产生器的方向传输供电信号，-两个分支分别这样连接在产生器和耗电器上，使得对于供电信号形成一个闭合的回路，-两个分支包括用于电位分离元件，和-借助于供电信号可以为耗电器提供最大为100mW的电功率。
这里，本发明基于这样的认知，即，利用借助于两个分离的分支实现的传输线路可以在供电信号前向和后向方向上实现确定的阻抗比。这样，供电回路不再通过不确定的空中路线闭合，而是通过为供电信号确定的作为回线的分支。两个分支特别是完全相互分离地构成，即，除了在产生器和耗电器的位置之外，两个分支之间不存在导电连接。
由于确定的阻抗比和低的耗电器功率，供电信号特别可以具有相对低的供电频率，例如≤1 MHz。供电信号的传输在两个分支中是通过导线连接的，特别是电气地实现的。由此，供电信号的无线电辐射进一步下降，使得不牵扯到法律上关于无线电传输的规定。
由于低的传输损耗，特别是在传输线路上没有不希望的供电能量辐射，以及由于低的耗电器功率，可以采用相对功率低地构成的、并由此具有价格优势的供电信号产生器。
此外还注意到，在没有基本上的功能损失的条件下，可以将在由DE2911476A1中公开的装置中使用的横向扼流圈省略。如果通过供电信号为耗电器仅仅送入一个低的功率，例如最高为100mW，则情况正是如此。在该功率范围内供电信号产生器自身可以提供分支在必要时所需的充电功率。这里，特殊的防护措施如同对产生器的特殊参数选择一样，同样是不很重要的。总之，通过省略横向扼流圈和产生器的低功率构成，得到一种非常简单和价格有利的装置，用于为耗电器电位分离地提供能量。
如果在产生器和耗电器之间存在一个电位差，则可以特别具有优点地采用该装置。这样，电位分离地提供能量的作用特别有利。特别是当产生器处于地电位，而耗电器处于一个较高的电位，例如几十kV的电位时。
此外，两个分支优选地相互紧凑地相邻设置。由此，降低了对装置空间的要求。此外，两个分支在空间上紧凑相邻避免了不希望的供电能量辐射。这两个分别确定为前向和后向方向的分支的作用类似于双线导体装置，其中形成了对辐射关系的交互补偿。特别是将两个分支放置在一个绝缘体中，由此可以减少对于两个分支电压绝缘的费用。它们至少可以采用一个共同的绝缘体机壳。
优选地，装置的传输线路除了用于提供能量外，还可以用于其它目的，例如用于电压测量。这样，可以将该用于提供能量的装置集成在一个现有的运行装置中，由此可以进一步限制用于该装置的费用。特别是，传输线路也可以用于采集耗电器位置和地之间的电压。
在另一种实施方式中，作为电位分离元件的分支分别包含至少一个电抗。这里，特别优选的是一个可以很好地用于所希望的电位分离的电容。特别是每个分支也可以包含一个标准化或者系列化的部件，例如以绕制的电容器条形式的部件。由此，给出一种特别价格上划得来的实现。但是作为电抗也可以采用电感。
如果供电信号的供电频率在约1kHz和1MHz之间，则特别有利。在该频率范围内可以良好地抑制供电能量的辐射。此外，提到的下限离公共供电能量的设备中采用的电网频率(DC或50Hz或60Hz)足够远，以及离其用于测量和分析目的必要时重要的谐波足够远，因此可以排除影响。
还有一种用由直流信号构成的供电信号运行的装置。这里，从一开始就排除了辐射。在该装置中电位差优选地借助于在分支中设置的电感克服。
为其提供电能的耗电器例如可以是测量设备，特别是电流测量设备。这样，传输线路除了传输供电信号外，还可以用来特别是电气传输由测量设备确定的测量信号。为此设定的测量信号频率优选地与供电频率不同，以便避免影响。但是，原则上也可以为测量信号频率设定与供电频率相同的频率范围。通过将不同的功能集成在传输线路中可以实现费用的节省。
原则上也可以，将由作为测量设备构成的耗电器确定的测量信息通过附加的传输线路进行传输。这样，用于供电信号传输和用于测量信号传输的传输线路相互分离地构成。它们也可以采用不同的传输原理，例如电气或者光学的传输。由此，实现了供电信号和测量信号之间特别良好的分离。


现在，对照附图对本发明优选的、但决不是用于起限制作用的实施方式作进一步的说明。为了说明附图没有按比例绘制，而将一些特征示意地表示出来。其中，图1示出了集成在电容性电压变换器中的、用于电位分离地供电的装置，图2示出了用于为具有光学测量信号传输的测量设备电位分离地供电的装置，图3示出了用于为具有电气测量信号传输的测量设备电位分离地供电的装置，图4示出了另一用于为具有光学测量信号传输的测量设备电位分离地供电的装置。
在图1至4中对应的部分用同样的附图标记表示。
具体实施例方式
在图1中示出了一个用于为耗电器20电位分离地供电的装置100。耗电器20与高压导体10相邻地设置，并因此处于高电位，即至少数十kV的电位。
耗电器20通过借助于传输线路40传输的供电信号S1引入能量E。为了保证电位分离，在图1的例子中，传输线路40具有两个传输电容C2和C3，在其上分别降有一个电位差ΔU，该电位差构成高压导体10的导体对地电压的主要成分。
供电信号S1由一个实际处于测量电位的发生器30例如以100 kHz的频率产生。该供电信号S1馈入包含在传输电容C2中的传输线路40的第一分支41中，并传输至耗电器20。在耗电器20中从供电信号S1，以没有详细示出但公知的方式提取能量E，并提供给耗电器20，以运行特别是现有的电子部件。这里，完全可以将从供电信号S1中提取的能量E，首先临时存储在一个例如电容器形式的储电器中。
在第一个公知的装置中，在后向方向，在耗电器20和产生器30之间通过一个阻抗值相对不确定的空中线路构成，与之不同的是，装置100的传输线路40具有一个第二分支42。后者包括第二传输电容C3，其优选地具有与第一传输电容C2一样的电容值。在经过耗电器20之后，供电信号S1在第二分支42中被回送到产生器。因此，该第二传输电容C3在反向传输中也提供了一个大概确定的阻抗值。由此，得到一具有确定阻抗关系的电流回路。由此，可以以在1kHz和1MHz范围内相对低的供电频率，以及较低的供电功率工作。因此在实现装置100时降低了所需的费用。
与另一个包含滤波链形式传输线路的公知装置不同，在装置100中传输线路40的两个分支41和42是完全分离地构成的。这意味着，除了与产生器30和耗电器20的连接外，两个分支41和42之间不存在导电连接。它们在这个范围内相互电气绝缘。特别与公知的滤波链不同的是，没有设置作为连接元件的横向扼流圈。已知的是，如果供电信号S1具有相对低的供电功率，则这种明显简单的结构优选地是可能的。在这种情况下，产生器30本身可以为传输电容C2和C3提供充电功率。借助于装置100按特别简单和低廉的方式可以为耗电器20提供直至100mW的功率。这对于运行许多目前常见的电子电路是足够的。
为了避免不希望的供电能量流失，设置了多个阻流电感L1至L5。它们的大小是这样确定的，即，其在供电频率下是阻值极高的并在理想情况下构成断路。阻流电感L1和L3阻止供电信号S1通过大地流失，而阻流电感L4和L5则阻止供电信号S1通过高压导体10的流失。阻流电感L2迫使供电信号S1在耗电器20中。为了说明在图1中通过实线箭头示出了供电信号S1的信号路径。
在需要时也可以用过电压防护放电器和/或衰减电阻来补充阻流电感L1至L5。
在高压导体10的电网频率(DC或50Hz或60Hz)下阻流电感L1至L5不形成断路，而是实际形成短路。在该频率下其至少具有非常低的阻抗值。即，两个分支41和42在该电网频率下并联，而不是象在供电频率下为串联。因此，在电网频率下并联连接的传输电容C2和C3也作为电容性电压变换器的高压电容使用。这样，在一个额外设置的低电压电容C1上可以提取关于高压导体10的导体对地电压的电压测量信号UM。装置100满足了双重功能，即为耗电器20供电和进行电压测量。装置100的一种特别简单和由此而优选的实现，是通过在市场上可以得到的电压变换器中进行集成获得的。此外，如果传输电容C2和C3作为标准化或者系列化的部件，例如由一种绕制的电容器条制成，则对于造价来说是有利的。
按照传输电容C2和C3的不同构造形式，其也可以具有一个串联电感。这在例如提到的绕制的电容器条中是这样。此时有利的是，将原则上在1kHz和1MHz范围内可以自由选择的供电频率，恰好设置在由串联电感和传输电容C2或C3的电容值构成的串联共振频率上。这样，两个分支41和42对于供电信号S1具有特别低的阻抗。
两个分支41和42之间的电压差值是非常低的(例如几十V)，使得可以没问题地相互绝缘。因此，它们可以特别紧地相邻放置，并例如放置在一个共同的绝缘体80中。这是一个非常节省的解决方案。此外，通过分支41和42紧凑的空间设置实现了，完全抑制本来由于低的供电频率已经大大减小的供电能量辐射。
在图2中示出了另一个装置200，其同样用于为耗电器20电位分离地供电。在图2中的例子里，耗电器20是用于采集在高压导体10中流动的电流I的测量设备。该测量设备20包含一个测量分流器21和一个测量头电路22，在该电路中为电流I确定测量信号S2。该测量信号S2被光学地传送到一个处于地电位的接收和处理单元70。为此，例如按光波导体连接的形式设置了一个光学传输线路50。测量头电路22按与图1相关联的方式通过供电信号S1得到能量E。在传输线路50中的光学传输类似于在传输线路40中的传输电容C2和C3，起到一种电位分离的作用，从而装置200总的也是电位分离地构成的。因此，其良好地适于在高压技术中的应用。
在另一个在图2中没有示出的实施方式中，一个同样设置的光学传输线路不是如图2中的例子用于将测量信号从高压电位传输到地电位，而是按相反的方向(即从地电位到高压电位)传输光学能量信号。该光学能量提供系统是作为对传输线路40的补充设置的。其特别起到冗余的作用，或者如果在耗电器20中有特别高的能量需求时，例如在接通期间，起到同样是电位分离的支持能量提供的作用。在能量需求低时，可以将该附加的光学能量提供系统转换到待机模式，由此使该光学能量提供系统的部件的寿命明显更长。该附加光学能量提供路径可以与所有在图1至4中示出的装置100至400进行组合。
在图3中示出的另一个装置300中，耗电器20是作为电流测量设备实现的，其通过供电信号S1相位分离地得到能量E。与装置200不同，对在测量头电路22中产生的测量信号S2的传输不是光学地实现，而是通过也是为供电信号S1所使用的、因此本来就现有的传输线路40电气地实现。
包含电流信息的测量信号S2在第二产生器31中作为高频信号产生，并被提供给传输线路40和传输至接收和分析单元60，该第二产生器3 1处于高压电位并是电流测量设备的组成部分。测量信号S2具有与可以从中选择供电频率的相同频率范围的测量信号频率，即在1kHz和1MHz之间。但是，为了避免相互影响，测量频率和供电频率具有不同的频率值。在图3的例子中供电频率处在10kHz，而测量信号频率处在100kHz。
一个附加的、与产生器30及接收和分析单元60并行连接的阻流电感L6具有与阻流电感L2相似的作用。其保证测量信号S2实际到达接收和分析单元60，以便在那里被处理。为了说明，在图3中通过虚线箭头示出了测量信号S2的信号路径。
装置200和300可以类似于装置100与一个电容性电压测量装置进行组合，以得到组合的电流和电压测量装置。此外，也可以将传输线路40和50分别放置在一个在图2和3中没有示出的绝缘体80中。
装置100，200和300适合于在高压导体10的DC或AC电网频率下的应用。
在图4示出的另一个为AC电网频率确定的、用于电位分离提供能量的装置中，将在装置100，200和300中为了记录电位差ΔU所设置的传输电容C2和C3通过传输电感L20和L40以及L10和L30替代。在该例子中，供电信号S1是一个直流信号，并借助一个实际上设置在地电位的DC产生器32产生。传输电感L10至L40对于DC供电信号S1呈现为短路。此外，它们是这样确定大小的，即其在电网频率(＝50Hz或60Hz)下对于记录高压电位取得适当的阻抗值。
类似于装置100，200和300，装置400也具有用于避免不希望的供电能量流失的元件。但是，由于这里出现的DC供电信号S1，它们不是电感而是电容性地在阻流电容C10至C50的结构中实现。它们对于DC供电信号S1表现为断路，而在电网频率下表现为低阻抗，从而呈现出与在装置100，200和300中的阻流电感L1至L5类似的作用。通过采用直流信号作为供电信号S1从一开始就避免了不希望的供电能量辐射。
对于记录电位差ΔU或对于传输DC供电信号S1，在两个分支42和41中分别只设置一个传输电感，例如L10和L20，基本上足够了。另外两个传输电感L30和L40与串联连接的传输电阻R10至R40同样是额外设置的，目的是也可以利用装置400对高压导体10进行电压测量。这样，在两个分支41和42上分别构成一个电阻-电感分压器，其中，分别有一个中间分线43以及44与测量头电路22连接。传输电阻R10至R40一方面起到衰减可能出现的和不希望的共振，另一方面在高压导体10上待采集的测量量的频率较低时进行频率补偿。但是，它们同样可以被去除。
因此，在测量头电路22中除了借助测量分流器21确定关于电流I的测量信息外，还确定关于高压导体10的导体对地电压测量信息。光学传输的测量信号S2包含了关于两种采集量的信息。
权利要求
1.一种为耗电器(20)电位分离地提供电能(E)的装置，其至少包括-一个用于产生供电信号(S1)的产生器(30，31，32)，-一个包括两个分离的分支(41，42)的传输线路(40)，其中，-第一分支(41)构造成用于沿从产生器(30，31，32)至耗电器(20)的方向传输供电信号(S1)，而第二分支(42)构造成用于沿从耗电器(20)至产生器(30，31，32)的方向传输供电信号(S1)，-两个分支(41，42)分别这样连接在产生器(30，31，32)和耗电器(20)上，使得对于供电信号(S1)形成一个闭合的回路，-两个分支(41，42)包括用于电位分离元件(C2，C3，L10，L20，L30，L40)，和-借助于供电信号(S1)可以为耗电器(20)提供最大为100mW的电功率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述耗电器(20)和产生器(30，31，32)设置在不同的电位上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述两个分支(41，42)相互紧凑地相邻设置。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，将所述两个分支(41，42)并排放置在一个绝缘体(80)中。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述传输线路(40)构造成用于电压测量，特别是用于采集所述耗电器(20)位置和地之间的电压。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述分支(41，42)作为电位分离元件分别包含至少一个电抗(C2，C3，L10，L20，L30，L40)，特别是分别包含至少一个电容(C2，C3)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述供电信号(S1)的供电频率在1kHz和1MHz之间。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述供电信号(S1)作为直流信号构成。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述耗电器(20)构成为测量设备(20)，而所述传输线路(40)构成为用于传输由该测量设备确定的测量信号(S2)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述耗电器(20)构成为测量设备(20)，而设置另一个附加的、特别是光学的传输线路(50)，用于传输由该测量设备(20)确定的测量信号(S2)。
全文摘要
本发明涉及一种为耗电器(20)电位分离地提供电能(E)的装置，其包括一个用于产生供电信号(S1)的产生器(30，31，32)和一个包括两个分离的分支(41，42)的传输线路(40)。第一分支(41)构造成用于沿从产生器(30，31，32)至耗电器(20)的方向传输供电信号(S1)，而第二分支(42)构造成用于沿从耗电器(20)至产生器(30，31，32)的方向传输供电信号(S1)，从而对于供电信号(S1)形成一个闭合回路。两个分支(41，42)包括用于电位分离的元件(C2，C3)。通过供电信号(S1)可以为耗电器(20)提供最大为100mW的电功率。
文档编号H02J17/00GK1511366SQ03800326
公开日2004年7月7日 申请日期2003年3月14日 优先权日2002年3月27日
发明者西格弗里德·伯克尔, 斯蒂芬·海恩, 海恩, 西格弗里德 伯克尔 申请人:西门子公司