WO2002015375A1 - Energieversorgungseinheit zur übertragung von hilfsenergie für eine elektrische anordnung - Google Patents

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WO2002015375A1
WO2002015375A1 PCT/EP2001/006325 EP0106325W WO0215375A1 WO 2002015375 A1 WO2002015375 A1 WO 2002015375A1 EP 0106325 W EP0106325 W EP 0106325W WO 0215375 A1 WO0215375 A1 WO 0215375A1
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supply unit
coil
power supply
carrier plates
energy
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PCT/EP2001/006325
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Roland Jakob
David Rudniski
Günter Junge
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Alstom SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
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    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistors, capacitors or inductors
    • H05K1/165—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistors, capacitors or inductors incorporating printed inductors

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Power supply unit for the transmission of auxiliary energy for an electrical arrangement, in particular for a control circuit in a medium or high voltage system.
  • the energy supply unit has a primary coil, which is at least indirectly connected to an energy source, a secondary coil, which is at least indirectly connected to the control circuit, and an insulation path formed between the primary coil and the secondary coil, via which the transmission of the auxiliary energy by means of a magnetic Alternating field takes place.
  • a multilevel circuit allows one modular construction of a converter.
  • Each of the modules comprises at least two semiconductor power switches and at least one capacitor arranged between the power switches.
  • the special feature of the multilevel circuit is that the capacitors are not all at the same potential, but can be related to different potentials (so-called "floating capacitors").
  • An intermediate circuit voltage is passed on to several floating capacitors in such a way that the
  • Voltage stress of a semiconductor circuit breaker results as the difference between the voltages of two capacitors.
  • Converter circuits with series-connected semiconductor circuit breakers - which provide auxiliary power for a control circuit for controlling the various circuit breakers at different, high potentials.
  • a high potential energy supply must also be ensured for other auxiliary devices, such as measuring circuits.
  • Various power supply units are known from the prior art for the power supply of power converters.
  • a single voltage supply is known in which the energy transmission and electrical isolation for the individual semiconductor circuit breakers are carried out by means of conventional, prefabricated pulse transmitters with a ferrite core, the windings of the transmitters being insulated from one another by means of casting compound.
  • These known energy supply units are correspondingly expensive.
  • energy supply units with a common voltage supply via a medium frequency (MF) ring line are known.
  • the MF ring line is fed by a centrally arranged MF converter with medium-frequency alternating current in the range of a few 10 kHz.
  • the MF loop consists of an insulated high-voltage (HV) cable that runs in the converter, which leads to a relatively high leakage inductance.
  • HV high-voltage
  • the energy is decoupled from the semiconductor circuit breaker drivers located at different electrical potentials with the aid of ferrite cores which enclose the HV cable.
  • the electrical isolation must either completely take over the insulation of the HV cable, which then has to meet high requirements with regard to glow voltage resistance (e.g. Teflon cable), or the air gap between the cable jacket and ferrite core must be sufficiently large to Avoid overturns to the core material.
  • the present invention is based on the object of designing and developing a power supply unit of the type mentioned at the outset in such a way that it generates a low leakage inductance and a large coupling inductance and has a simple and inexpensive structure.
  • the invention proposes, starting from the energy supply unit of the type mentioned at the outset, that the energy supply unit has a first carrier plate; a primary coil designed as a flat coil on the first carrier plate; a second carrier plate; and a secondary coil designed as a flat coil on the second carrier plate has, the insulation path being designed as an air gap formed between the primary coil and the secondary coil.
  • the energy supply unit according to the invention air is used as an insulation medium.
  • the energy supply unit therefore has an extremely high partial discharge resistance.
  • a partial discharge test as a component test as part of the production of the energy supply unit is not necessary.
  • the insulation section can be made visible, so that hidden defects are hardly possible.
  • the power supply unit according to the invention has a simple structure and can be scaled in a particularly simple manner for different insulation and power requirements.
  • the carrier plates consist of any insulation material, preferably plastic.
  • the primary coil and the secondary coil can be applied to the carrier plates in any manner. It is particularly contemplated that the flat coils are applied to the carrier plates by a lithographic or thin-film process known per se from microelectronics. The length of the air gap between the coils is designed so that a predefinable insulation voltage is achieved.
  • the power supply unit according to the invention is particularly suitable for use in converters (in inverters or in rectifiers) of medium-voltage or high-voltage systems in which the auxiliary energy for a control circuit for controlling semiconductor power switches at different, high potentials must be made available.
  • the energy supply unit can also be used in any other electrical arrangement, in particular where a high potential energy supply is required, such as in measuring circuits.
  • the energy supply unit When supplying a control circuit for semiconductor circuit breakers in a converter of a medium or high-voltage system with auxiliary energy, it can be advantageous to arrange the energy supply unit between a circuit breaker and a component of the converter that is at ground potential (cabinet wall, chassis, etc.) in such a way that the primary side of the power supply unit is located close to the ground part and the secondary side close to the circuit breaker. It is conceivable to attach the primary side to the component at ground potential and the secondary side to the semiconductor circuit breaker.
  • the auxiliary energy be designed as a DC voltage, an oscillator circuit being arranged between the energy source and the primary coil, which generates an AC voltage for supplying the primary coil from an input DC voltage of the energy source, and between the secondary coil and a circuit for rectifying the output voltage is arranged in the control circuit.
  • a DC voltage transformer is therefore proposed, which is implemented in the form of two carrier plates.
  • the DC voltage transformer transfers the energy in the form of a magnetic alternating field via the air gap from the primary coil integrated on the primary-side carrier plate to the secondary coil integrated in the secondary-side carrier plate.
  • the DC input voltage can be suppressed relatively easily against high-frequency (HF) interference by conventional interference suppression measures, for example a low working volume of the coils.
  • HF high-frequency
  • the circuit for rectification advantageously stabilizes and / or smoothes the output voltage.
  • the AC voltage has an at least approximately sinusoidal curve.
  • the oscillator circuit preferably has a capacitor for compensating reactive power. As a result, the reactive power that may be required can be compensated for directly by the capacitor in the oscillator circuit, so that a direct current with a low harmonic content can be drawn from the direct voltage supply.
  • the carrier plates are advantageously arranged relative to one another such that the center point of the primary coil is arranged opposite the center point of the secondary coil. It is conceivable, for example, that the two carrier plates are arranged pivoted relative to one another from a position exactly opposite one another in the form of a spatula by an imaginary line of connection through the two center points.
  • the oscillator circuit on the first carrier plate and the circuit for rectification on the second carrier plate are then arranged at a particularly large distance from one another. This measure can make a decisive contribution to the interference suppression of the energy supply unit according to the invention.
  • the primary coil and the secondary coil be spirally on the Carrier plates are formed. Coils designed in this way have a particularly low overall height and can be manufactured particularly inexpensively. In addition, several intermeshing coils can be formed on the carrier plate without any problems, particularly on the secondary side.
  • At least one insulating plate be arranged in the air gap between the carrier plates.
  • air is still used as the insulation medium.
  • the at least one insulating plate takes up only a small space between the carrier plates and thus only a small part of the tension between the carrier plates. So there are only small requirements with regard to the insulating plate
  • Partial discharge resistance Without the insulating plate, the length of the air gap between the two coils corresponds to the width of the air gap. Due to the insulating plate arranged between the carrier plates, the air gap between the coils can be significantly extended while the distance between the carrier plates remains the same.
  • the at least one insulating plate consists of any insulation material, for example plastic.
  • An insulating plate which has a larger area than the carrier plates is advantageously arranged in the air gap between the carrier plates, the edges of the insulating plate projecting laterally beyond the edges of the carrier plates. In this way, the air gap between the coils can be extended again.
  • the length of the air gap can be varied almost arbitrarily by the choice of the dimensions of the insulating plate.
  • the Carrier plates are arranged equidistant from one another at least in the area of the primary coil or the secondary coil.
  • Spacers are advantageously arranged between the carrier plates or between the carrier plates and the at least one insulating plate.
  • the spacers allow the distance between the carrier plates and thus between the coils to be kept at a constant value.
  • the carrier plates or the at least one insulating plate are preferably attached to the spacers. The stability of the energy supply unit according to the invention can thereby be significantly increased.
  • Three spacers are preferably provided between the carrier plates or between the carrier plates and the at least one insulating plate.
  • the spacers arranged between the first carrier plate and the at least one insulating plate and the spacers arranged between the second carrier plate and the at least one insulating plate are attached to the at least one insulating plate offset from one another .
  • the air gap and the creepage distances can therefore be dimensioned precisely and adapted to the given requirements.
  • a further coil designed as a flat coil on the first carrier plate is arranged in the region of the alternating magnetic field and is connected to a control unit.
  • the further coil can be in the area of the primary coil, for example in the primary coil engaging, arranged.
  • the control unit is designed, for example, as an evaluation unit that evaluates a voltage induced in the further coil during correct operation of the energy supply unit, or as a control lamp, in particular as a luminescence diode (LED), that correctly indicates that the energy supply unit is operating Alternating field shows.
  • FIG. 1 shows a power supply unit according to the invention in accordance with a preferred exemplary embodiment in a perspective view
  • FIG. 2 shows a block diagram of the power supply unit according to the invention from FIG. 1.
  • an energy supply unit according to the invention is designated in its entirety by reference number 1.
  • the energy supply unit 1 serves for the transmission of auxiliary energy for a control circuit 2 (so-called gate drive, GD; cf. FIG. 2) in a converter of a medium or high voltage system.
  • the control circuit 2 is used to control semiconductor power switches 3 of the converter.
  • the converter is preferably designed in a multilevel circuit.
  • the Control circuit 2 provides the circuit breakers 3 with different, high potentials.
  • the circuit breakers 3 are designed, for example, as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • the energy supply unit 1 has a first carrier plate 4 with a primary coil 5 formed thereon as a flat coil.
  • the primary coil 5 is connected via an oscillator circuit 6 to an energy source 7 designed as a direct voltage source U__d.
  • the oscillator circuit 6 generates an AC voltage for supplying the primary coil 5 from a DC input voltage U_d of the energy source 7.
  • the AC voltage has an at least approximately sinusoidal profile.
  • the energy supply unit 1 has a second carrier plate 8 with a secondary coil 9 formed thereon as a flat coil.
  • the secondary coil 9 is connected to the control circuit 2 via a circuit 10 for rectifying the output voltage U_v.
  • the circuit 10 for rectifying the output voltage U_v also stabilizes and / or smoothes the output voltage U_v.
  • the secondary side 8 9 is connected to the control circuit 2 via a circuit 10 for rectifying the output voltage U_v.
  • the circuit 10 for rectifying the output voltage U_v also stabilizes and / or smoothes the output voltage U_v
  • An air gap 11 is formed between the primary coil 5 and the secondary coil 9.
  • the air gap 11 corresponds to the distance between the two coils 5, 9 to one another. In the air gap
  • an insulating plate 12 is arranged, through which an air gap 13 between the coils 5, 9 can be significantly extended while the width of the air gap 11 remains the same.
  • the insulating plate 12 has a larger area than that Carrier plates 4, 8, the edges of the insulating plate 12 projecting laterally beyond the edges of the carrier plates 4, 8. In this way, the air gap 13 between the coils 5, 9 can be extended again.
  • the air gap 13 is designed such that a predeterminable insulation voltage is achieved.
  • the insulating plate 12 consists of any insulation material, preferably plastic.
  • the auxiliary energy for the control circuit 2 is transmitted via the air gap 11 by means of an alternating magnetic field.
  • the carrier plates 4, 8 consist of any insulation material, preferably plastic.
  • the coils 5, 9 are formed spirally.
  • the primary coil 5 and the secondary coil 9 are applied to the carrier plates 4, 8 in any desired manner, preferably according to a lithographic or thin-film method known per se from microelectronics for the production of printed circuit boards.
  • the carrier plates 4, 8 are arranged equidistant from one another.
  • a center point 16 of the primary coil 5 is arranged opposite a center point 17 of the secondary coil 9. It is conceivable, for example, that the two carrier plates 4, 8 are pivoted relative to one another by 180 ° about an imaginary connecting line 18 through the two center points 16, 17 from the mirror image position which is exactly opposite in FIG. 1. The distance between the oscillator circuit 6 and the circuit 10 for rectification would then be particularly large, which would lead to interference suppression in the energy supply unit 1.
  • the primary side 4, 5, 6 of the energy supply unit 1 is attached to a component (cabinet wall, chassis, etc.) of the converter which is at ground potential, and the secondary side 8, 9, 10 is attached to the semiconductor circuit breaker 2. Because both that the component located at ground potential and the circuit breaker 2 usually have a precisely defined position in the converter, the primary side 4, 5, 6 and the secondary side 8, 9, 10 are thus also precisely positioned and the air gap 11 has a precisely defined width.
  • the 'air gap 11 may be separated by spacers 14, 15 are securely and reliably set in the precisely defined width.
  • Three spacers 14 are arranged between the first carrier plate 4 and the insulating plate 12 and attached to the plates 4, 12.
  • Three further spacers 15 are arranged between the second carrier plate 8 and the insulating plate 12 and attached to the plates 8, 12.
  • the spacers 14 are fastened to the insulating plate 12 offset from the spacers 15.
  • a further coil 19 designed as a flat coil is arranged on the first carrier plate 4 in the region of the alternating magnetic field.
  • the further coil 19 extends around the primary coil 5.
  • the further coil 19 is connected directly to a control unit designed as a luminescence diode (LED) 20.
  • the LED 20 indicates the presence of a correct alternating field during the operation of the energy supply unit 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinheit (1) zur Übertragung von Hilfsenergie für eine elektrische Anordnung, insbesondere für eine Steuerschaltung (2) in einer Mittel- oder Hochspannungsanlage. Die Energieversorgungseinheit (1) weist eine Primärspule (5), die zumindest mittelbar mit einer Energiequelle (7) in Verbindung steht, eine Sekundärspule (9), die zumindest mittelbar mit der Steuerschaltung (2) in Verbindung steht, und eine zwischen der Primärspule (5) und der Sekundärspule (9) ausgebildete Isolationsstrecke, über die die Übertragung der Hilfsenergie mittels eines magnetischen Wechselfeldes erfolgt, auf. Damit die Energieversorgungseinheit (1) einen einfachen und kostengünstigen Aufbau hat und eine geringe Streuinduktivität und eine grosse Kopplungsinduktivität erzeugt, wird vorgeschlagen, dass die Energieversorgungseinheit (1) eine erste Trägerplatte (4); eine auf der ersten Trägerplatte (4) als Flachspule ausgebildete Primärspule (5); eine zweite Trägerplatte (8); und eine auf der zweiten Trägerplatte (8) als Flachspule ausgebildete Sekundärspule (9) aufweist, wobei die Isolationsstrecke als ein zwischen der Primärspule (5) und der Sekundärspule (9) ausgebildeter Luftspalt (11) ausgebildet ist.

Description

Titel: Energieversorgungseinheit zur Übertragung von Hilfsenergie für eine elektrische Anordnung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Energieversorgungseinheit zur Übertragung von Hilfsenergie für eine elektrische Anordnung, insbesondere für eine Steuerschaltung in einer Mittel- oder Hochspannungsanlage. Die Energieversorgungseinheit weist eine Primärspule, die zumindest mittelbar mit einer Energiequelle in Verbindung steht, eine Sekundärspule, die zumindest mittelbar mit der Steuerschaltung in Verbindung steht, und eine zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ausgebildete Isolationsstrecke auf, über die die Übertragung der Hilfsenergie mittels eines magnetischen Wechselfeldes erfolgt.
Aus dem Stand der Technik sind in Multilevelschaltung aufgebaute Stromrichter für den Einsatz in Mittel- und Hochspannungsanlagen bekannt (vgl. US 5,737,201 und EP 0 944 163 AI) . Eine Multilevelschaltung erlaubt einen modularen Aufbau eines Stromrichters. Jedes der Module umfasst mindestens zwei Halbleiter-Leistungsschalter und mindestens einen zwischen den Leistungsschaltern angeordneten Kondensator. Die Besonderheit der Multilevelschaltung besteht darin, dass die Kondensatoren nicht alle auf demselben Potential liegen, sondern auf verschiedene Potentiale bezogen werden können (sog. "floating capacitors") . Eine ZwischenkreisSpannung wird derart an mehrere "floating capacitors" weitergegeben, dass sich die
Spannungsbeanspruchung eines Halbleiter-Leistungsschalters als Differenz der Spannungen zweier Kondensatoren ergibt.
Bei in Multilevelschaltung aufgebauten Stromrichtern muss eine Energieversorgungseinheit - wie bei
Stromrichterschaltungen mit in Reihe geschalteten Halbleiter- Leistungsschaltern - die Hilfsenergie für eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der verschiedenen Leistungsschalter auf unterschiedlichen, hohen Potentialen zur Verfügung stellen. Auch bei anderen Hilfseinrichtungen, wie bspw. Messkreisen, muss eine Energieversorgung auf hohem Potential sichergestellt werden.
Für die Energieversorgung von Stromrichtern sind aus dem Stand der Technik verschiedene Energieversorgungseinheiten bekannt. So ist bspw. eine Einzel-Spannungsversorgung bekannt, bei der die Energieübertragung und eine Potentialtrennung für die einzelnen Halbleiter- Leistungsschalter durch herkömmliche, vorgefertigte Impulsübertrager mit Ferritkern erfolgt, wobei die Wicklungen der Übertrager mittels Vergussmasse gegeneinander isoliert sind. Allerdings ist es technisch sehr aufwendig, solche Energieversorgungseinheiten für derart hohe Isolationsspannungen zu fertigen, wie sie bei Steuerschaltungen für Mittel- und Hochspannungsanlagen auftreten. Dem entsprechend teuer sind diese bekannten Energieversorgungseinheite . Des weiteren sind Energieversorgungseinheiten mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung über eine Mittelfrequenz (MF) -Ringleitung bekannt. Die MF-Ringleitung wird von einem zentral angeordneten MF-Konverter mit mittelfrequentem Wechselstrom im Bereich von einigen 10 kHz gespeist. Die MF- Ringleitung besteht aus einem isolierten Hochvolt (HV) -Kabel, das in dem Stromrichter verläuft, was zu einer relativ hohen Streuinduktivität führt. Die Energieauskopplung zu den auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen befindlichen Halbleiter-Leistungsschalter-Treibern wird mit Hilfe von Ferritkernen vorgenommen, die das HV-Kabel umfassen. Die Potentialtrennung muss dabei entweder die Isolation des HV- Kabels vollständig übernehmen, an die dann entsprechend hohe Anforderungen bzgl. Glimmspannungsfestigkeit zu stellen sind (z. B. Teflon-Kabel), oder der Luftabstand zwischen Kabelmantel und Ferritkern muss ausreichend groß bemessen werden, um Überschläge zum Kernmaterial sicher zu vermeiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Energieversorgungseinheit der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass sie eine geringe Streuinduktivität und eine große Kopplungsinduktivität erzeugt und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Energieversorgungseinheit der eingangs genannten Art vor, dass die Energieversorgungseinheit eine erste Trägerplatte; eine auf der ersten Trägerplatte als Flachspule ausgebildete Primärspule; eine zweite Trägerplatte; und eine auf der zweiten Trägerplatte als Flachspule ausgebildete Sekundärspule aufweist, wobei die Isolationsstrecke als ein zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ausgebildeter Luftspalt ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit wird Luft als Isolationsmedium genutzt. Dadurch ist eine Alterung der Isolation durch Teilentladungen im Isolationsmaterial nicht möglich. Die Energieversorungseinheit weist also eine extrem hohe Teilentladungsfestigkeit auf. Eine Teilentladungsprüfung als Bauteilprüfung im Rahmen der Fertigung der Einergieversorgungseinheit ist nicht erforderlich. Zudem kann die Isolationsstrecke sichtbar gestaltet werden, so dass verdeckte Mängel kaum möglich sind. Schließlich weist die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit einen einfachen Aufbau auf und ist auf besonders einfache Weise für unterschiedliche Isolations- und Leistungsanforderungen skalierbar.
Die Trägerplatten bestehen aus einem beliebigen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Primärspule und die Sekundärspule können auf beliebige Weise auf die Trägerplatten aufgebracht sein. Es ist insbesondere daran gedacht, dass die Flachspulen nach einem an sich aus der Mikroelektronik bekannten lithographischen oder Dünnschicht-Verfahren auf die Trägerplatten aufgebracht werden. Die Länge der Luftstrecke zwischen den Spulen ist so ausgelegt, dass eine vorgebbare Isolationsspannung erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit eignet sich insbesondere für den Einsatz in Stromrichtern (in Wechselrichtern oder in Gleichrichtern) von Mittel- oder Hochspannungsanlagen, bei denen die Hilfsenergie für eine Steuerschaltung zur Ansteuerung von Halbleiter- Leistungsschaltern auf unterschiedlichen, hohen Potentialen zur Verfügung gestellt werden muss. Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit kann jedoch auch in beliebigen anderen elektrischen Anordnungen eingesetzt werden, insbesondere dort wo eine Energieversorgung auf hohem Potential gefordert ist, wie bspw. in Messkreisen.
Bei einer Versorgung einer Steuerschaltung für Halbleiter- Leistungsschalter in einem Stromrichter einer Mittel- oder Hochspannungsanlage mit Hilfsenergie kann es vorteilhaft sein, die Energieversorgungseinheit so zwischen einem Leistungsschalter und einem auf Massepotential liegenden Bauteil (Schrankwand, Chassis, etc.) des Stromrichters anzuordnen, dass sich die Primärseite der Energieversorgungseinheit nah an dem Masseteil und die Sekundärseite nah an dem Leistungsschalter befindet. Es ist denkbar, die Primärseite an dem auf Massepotential liegenden Bauteil und die Sekundärseite an dem Halbleiter- Leistungsschalter zu befestigen.
Selbstverständlich können auf der Sekundärseite der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit - wie das auch bei herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Übertragern der Fall ist - auch mehrere Sekundärspulen angeordnet sein, so dass mit einem geringen Mehraufwand mehrere Spannungen erzeugt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Hilfsenergie als eine Gleichspannung ausgebildet ist, wobei zwischen der Energiequelle und der Primärspule eine Oszillatorschaltung angeordnet ist, die aus einer Eingangsgleichspannung der Energiequelle eine Wechselspannung zur Speisung der Primärspule erzeugt, und zwischen der Sekundärspule und der Steuerschaltung eine Schaltung zur Gleichrichtung der AusgangsSpannung angeordnet ist . Gemäß dieser Weiterbildung wird also ein Gleichspannungsübertrager vorgeschlagen, der in Form von zwei Trägerplatten realisiert ist. Der Gleichspannungsübertrager überträgt die Energie in Form eines magnetischen Wechselfeldes über den Luftspalt von der auf der primärseitigen Trägerplatte integrierten Primärspule auf die in der sekundärseitigen Trägerplatte integrierte Sekundärspule. Die Eingangsgleichspannung kann durch herkömmliche Entstörmaßnahmen, bspw. geringes Arbeitsvolumen der Spulen, relativ leicht gegen hochfrequente (HF) -Störungen entstört werden.
Vorteilhafterweise stabilisiert und/oder glättet die Schaltung zur Gleichrichtung die AusgangsSpannung. Idealerweise weist die Wechselspannung einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf auf. Die Oszillatorschaltung weist vorzugsweise einen Kondensator zur Kompensation von Blindleistung auf. Dadurch kann gegebenenfalls erforderliche Blindleistung durch den Kondensator unmittelbar in der Oszillatorschaltung kompensiert werden, so dass ein Gleichstrom mit einem geringen Oberwellenanteil aus der Gleichspannungsversorgung entnommen werden kann.
Vorteilhafterweise sind die Trägerplatten derart relativ zueinander angeordnet, dass der Mittelpunkt der Primärspule gegenüber dem Mittelpunkt der Sekundärspule angeordnet ist . Es ist bspw. denkbar, dass die beiden Trägerplatten aus einer speigelbildlich genau gegenüberliegenden Stellung um 180° um eine immaginäre Verbindungslinie durch die beiden Mittelpunkte relativ zueinander verschwenkt angeordnet sind. Die Oszillatorschaltung auf der ersten Trägerplatte und die Schaltung zur Gleichrichtung auf der zweiten Trägerplatte sind dann in einem besonders großen Abstand zueinander angeordnet. Diese Maßnahme kann entscheidend zur Entstörung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit beitragen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Primärspule und die Sekundärspule spiralförmig auf den Trägerplatten ausgebildet sind. Derart ausgebildete Spulen weisen eine besonders geringe Bauhöhe auf und können besonders kostengünstig gefertigt werden. Außerdem können - insbesondere auf der Sekundärseite - problemlos auch mehrere ineinandergreifende Spulen auf der Trägerplatte ausgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in dem Luftspalt zwischen den Trägerplatten mindestens eine Isolierplatte angeordnet ist . Bei dieser Ausführungsform dient nach wie vor Luft als Isolationsmedium. Die mindestens eine Isolierplatte nimmt nur einen geringen Raum zwischen den Trägerplatten in Anspruch und somit auch nur einen geringen Teil der Spannung zwischen den Trägerplatten auf. An die Isolierplatte werden also nur geringe Anforderungen hinsichtlich der
Teilentladungsfestigkeit gestellt. Ohne die Isolierplatte entspricht die Länge der Luftstrecke zwischen den beiden Spulen der Breite des Luftspalts . Durch die zwischen den Trägerplatten angeordnete Isolierplatte kann die Luftstrecke zwischen den Spulen bei gleichbleibendem Abstand zwischen den Trägerplatten deutlich verlängert werden. Die mindestens eine Isolierplatte besteht aus einem beliebigen Isolationsmaterial, bspw. aus Kunststoff.
Vorteilhafterweise ist in dem Luftspalt zwischen den Trägerplatten eine Isolierplatte angeordnet, die eine größere Fläche als die Trägerplatten aufweist, wobei die Ränder der Isolierplatte die Ränder der Trägerplatten seitlich überragen. Auf diese Weise kann die Luftstrecke zwischen den Spulen noch einmal verlängert werden. Durch die Wahl der Abmessungen der Isolierplatte kann die Länge der Luftstrecke nahezu beliebig variiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Trägerplatten zumindest im Bereich der Primärspule bzw. der Sekundärspule äquidistant zueinander angeordnet sind.
Vorteilhafterweise sind zwischen den Trägerplatten bzw. zwischen den Trägerplatten und der mindestens einen Isolierplatte Abstandshalter angeordnet. Durch die Abstandshalter kann der Abstand zwischen den Trägerplatten und damit zwischen den Spulen auf einem konstanten Wert gehalten werden. Die Trägerplatten bzw. die mindestens eine Isolierplatte sind vorzugsweise an den Abstandshaltern befestigt . Dadurch kann die Stabiltät der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit deutlich erhöht werden.
Vorzugsweise sind zwischen den Trägerplatten bzw. zwischen den Trägerplatten und der mindestens einen Isolierplatte jeweils drei Abstandshalter vorgesehen. Durch die drei Abstandshalter kann die Lage der Trägerplatten relativ zueinander bzw. die Lage der Isolierplatte relativ zu den Trägerplatten sicher, genau und eindeutig festgelegt werden.
Um zu vermeiden, dass sich über die Abstandshalter Kriechstrecken ausbilden, wird vorgeschlagen, dass die zwischen der ersten Trägerplatte und der mindestens einen Isolierplatte angeordneten Abstandshalter und die zwischen der zweiten Trägerplatte und der mindestens einen Isolierplatte angeordneten Abstandshalter versetzt zueinander an der mindestens einen Isolierplatte befestigt sind. Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit kann also die Luftstrecke und können die Kriechstrecken genau dimensioniert und an die gegebenen Anforderungen angepasst werden.
Schließlich wird vorgeschlagen, dass eine auf der ersten Trägerplatte als Flachspule ausgebildete weitere Spule im Bereich des magnetischen Wechselfeldes angeordnet ist, die an eine Kontrolleinheit angeschlossen ist. Die weitere Spule kann im Bereich der Primärspule, bspw. in die Primärspule eingreifend, angeordnet sein. Die Kontrolleinheit ist bspw. als eine Auswerteeinheit, die eine während eines ordnungsgemäßen Betriebs der Energieversorgungseinheit in der weiteren Spule induzierte Spannung auswertet, oder als eine Kontrollleuchte, insbesondere als eine Lumineszenzdiode (LED) , ausgebildet, die während des Betriebs der Energieversorgungseinheit das ordnungsgemäße Anliegen eines Wechselfeldes anzeigt.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht; und
Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit aus Fig. 1.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Energieversorgungseinheit 1 dient zur Übertragung von Hilfsenergie für eine Steuerschaltung 2 (sog. Gate Drive, GD; vgl. Fig. 2) in einem Stromrichter einer Mittel- oder Hochspannungsanlage. Die Steuerschaltung 2 dient zur Ansteuerung von Halbleiter- Leistungsschaltern 3 des Stromrichters. Der Stromrichter ist vorzugsweise in Multilevelschaltung ausgebildet. Die Steuerschaltung 2 stellt den Leistungsschaltern 3 unterschiedliche, hohe Potentiale zur Verfügung. Die Leistungsschalter 3 sind bspw. als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) ausgebildet.
Die Energieversorgungseinheit 1 weist eine erste Trägerplatte 4 mit einer darauf als Flachspule ausgebildeten Primärspule 5 auf. Die Primärspule 5 steht über eine Oszillatorschaltung 6 mit einer als Gleichspannungsquelle U__d ausgebildeten Energiequelle 7 in Verbindung. Die Oszillatorschaltung 6 erzeugt aus einer Eingangsgleichspannung U_d der Energiequelle 7 eine Wechselspannung zur Speisung der Primärspule 5. Die Wechselspannung weist einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf auf. Außerdem weist die Energieversorgungseinheit 1 eine zweite Trägerplatte 8 mit einer darauf als Flachspule ausgebildeten Sekundärspule 9 auf. Die Sekundärspule 9 steht über eine Schaltung 10 zur Gleichrichtung der AusgangsSpannung U_v mit der Steuerschaltung 2 in Verbindung. Die Schaltung 10 zur Gleichrichtung der AusgangsSpannung U_v führt außerdem eine Stabilisierung und/oder Glättung der Ausgangsspannung U_v durch. Selbstverständlich können auf der Sekundärseite 8, 9,
10 der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1 - wie das auch bei herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Übertragern der Fall ist - auch mehrere Sekundärspulen 9 angeordnet sein, so dass mit einem geringen Mehraufwand mehrere Ausgang Spannungen U_v erzeugt werden können.
Zwischen der Primärspule 5 und der Sekundärspule 9 ist ein Luftspalt 11 ausgebildet. Der Luftspalt 11 entspricht dem Abstand der beiden Spulen 5, 9 zueinander. In dem Luftspalt
11 ist eine Isolierplatte 12 angeordnet, durch die eine Luftstrecke 13 zwischen den Spulen 5, 9 bei gleichbleibender Breite des Luftspalts 11 deutlich verlängert werden kann. Die Isolierplatte 12 weist eine größere Fläche als die Trägerplatten 4, 8 auf, wobei die Ränder der Isolierplatte 12 die Ränder der Trägerplatten 4, 8 seitlich überragen. Auf diese Weise kann die Luftstrecke 13 zwischen den Spulen 5, 9 noch einmal verlängert werden. Die Luftstrecke 13 ist so ausgelegt, dass eine vorgebbare Isolatiσnsspannung erreicht wird. Die Isolierplatte 12 besteht aus einem beliebigen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Hilfsenergie für die Steuerschaltung 2 wird mittels eines magnetischen Wechselfeldes über den Luftspalt 11 übertragen.
Die Trägerplatten 4, 8 bestehen aus einem beliebigen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Spulen 5, 9 sind spiralförmig ausgebildet. Die Primärspule 5 und die Sekundärspule 9 sind auf beliebige Weise, vorzugsweise nach einem an sich aus der Mikroelektronik bekannten lithographischen oder Dünnschicht-Verfahren zur Fertigung von Leiterplatten, auf die Trägerplatten 4, 8 aufgebracht.
Die Trägerplatten 4, 8 sind äquidistant zueinander angeordnet. Ein Mittelpunkt 16 der Primärspule 5 ist gegenüber einem Mittelpunkt 17 der Sekundärspule 9 angeordnet. Es ist bspw. denkbar, dass die beiden Trägerplatten 4, 8 aus der in Fig. 1 dargestellten spiegelbildlich genau gegenüberliegenden Stellung um 180° um eine immaginäre Verbindungslinie 18 durch die beiden Mittelpunkte 16, 17 relativ zueinander verschwenkt werden. Der Abstand zwischen der Oszillatorschaltung 6 und der Schaltung 10 zur Gleichrichtung wäre dann besonders groß, was zu einer Entstörung der Energieversorgungseinheit 1 führen würde .
Es ist denkbar, dass die Primärseite 4, 5, 6 der Energieversorgungseinheit 1 an einem auf Massepotential liegenden Bauteil (Schrankwand, Chassis, etc.) des Stromrichters und die Sekundärseite 8, 9, 10 an dem Halbleiter-Leistungsschalter 2 befestigt ist. Da sowohl das auf Massepotential liegende Bauteil als auch der Leistungsschalter 2 üblicherweise eine genau definierte Position in dem Stromrichter haben, ist damit auch die Primärseite 4, 5, 6 und die Sekundärseite 8, 9, 10 genau positioniert und der Luftspalt 11 hat eine genau definierte Breite .
Alternativ oder zusätzlich kann der 'Luftspalt 11 durch Abstandshalter 14, 15 sicher und zuverlässig in der genau definierten Breite festgelegt werden. Drei Abstandshalter 14 sind zwischen der ersten Trägerplatte 4 und der Isolierplatte 12 angeordnet und an den Platten 4, 12 befestigt. Drei weitere Abstandshalter 15 sind zwischen der zweiten Trägerplatte 8 und der Isolierplatte 12 angeordnet und an den Platten 8, 12 befestigt. Um zu vermeiden, dass sich über die Abstandshalter 14, 15 Kriechstrecken ausbilden, sind die Abstandshalter 14 versetzt zu den Abstandshaltern 15 an der Isolierplatte 12 befestigt.
Schließlich ist auf der ersten Trägerplatte 4 eine als Flachspule ausgebildete weitere Spule 19 im Bereich des magnetischen Wechselfeldes angeordnet. Die weitere Spule 19 verläuft außen um die Primärspule 5 herum. Die weitere Spule 19 ist unmittelbar an eine als Lumineszenzdiode (LED) 20 ausgebildete Kontrolleinheit angeschlossen. Die LED 20 zeigt während des Betriebs der Energieversorgungseinheit 1 das Anliegen eines ordnungsgemäßen Wechselfeldes an.

Claims

Patentansprüche
Energieversorgungseinheit (1) zur Übertragung von Hilfsenergie für eine elektrische Anordnung, insbesondere für eine SteuerSchaltung (2) in einer Mittel- oder Hochspannungsanlage, wobei die Energieversorgungseinheit (1) eine Primärspule (5) , die zumindest mittelbar mit einer Energiequelle (7) in Verbindung steht, eine Sekundärspule (9) , die zumindest mittelbar mit der Steuerschaltung (2) in Verbindung steht, und eine zwischen der Primärspule (5) und der Sekundärspule (9) ausgebildete Isolationsstrecke, über die die Übertragung der Hilfsenergie mittels eines magnetischen Wechselfeldes erfolgt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (1) eine erste Trägerplatte (4) ; eine auf der ersten Trägerplatte (4) als Flachspule ausgebildete Primärspule (5) ; eine zweite Trägerplatte (8) ; und eine auf der zweiten Trägerplatte (8) als Flachspule ausgebildete Sekundärspule (9) aufweist, wobei die Isolationsstrecke als ein zwischen der Primärspule (5) und der Sekundärspule (9) ausgebildeter Luftspalt (11) ausgebildet ist.
Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsenergie als eine Gleichspannung (U_v) ausgebildet ist, wobei zwischen der Energiequelle (7) und der Primärspule (5) eine Oszillatorschaltung (6) angeordnet ist, die aus einer Eingangsgleichspannung (U_d) der Energiequelle (7) eine WechselSpannung zur Speisung der Primärspule (5) erzeugt, und zwischen der Sekundärspule (9) und der Steuerschaltung (2) eine Schaltung (10) zur Gleichrichtung der AusgangsSpannung (U_v) angeordnet ist .
3. Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) zur Gleichrichtung die AusgangsSpannung (U_v) stabilisiert und/oder glättet .
4. Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf aufweist.
5. Energieversorgungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorschaltung (6) einen Kondensator zur Kompensation von Blindleistung aufweist.
6. Energieversorgungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten
(4, 8) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass der Mittelpunkt (16) der Primärspule (5) gegenüber dem Mittelpunkt (17) der Sekundärspule (9) angeordnet ist.
7. Energieversorgungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (5) und die Sekundärspule (9) spiralförmig auf den Trägerplatten (4, 8) ausgebildet sind.
8. Energieversorgungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftspalt
(11) zwischen den Trägerplatten (4, 8) mindestens eine Isolierplatte (12) angeordnet ist.
9. Energieversorgungseinheit (l) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftspalt (11) zwischen den Trägerplatten (4, 8) eine Isolierplatte (12) angeordnet ist, die eine größere Fläche als die Trägerplatten (4, 8) aufweist, wobei die Ränder der Isolierplatte (12) die Ränder der Trägerplatten (4, 8) seitlich überragen.
10. Energieversorgungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten (4, 8) zumindest im Bereich der Primärspule (5) bzw. der Sekundärspule (9) äquidistant zueinander angeordnet sind.
11. Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerplatten (4, 8) bzw. zwischen den Trägerplatten (4, 8) und der mindestens einen Isolierplatte (12) Abstandshalter (14, 15) angeordnet sind.
12. Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten (4, 8) bzw. die mindestens eine Isolierplatte (12) an den Abstandshaltern (14, 15) befestigt sind.
13. Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerplatten (4, 8) bzw. zwischen den Trägerplatten (4, 8) und der mindestens einen Isolierplatte (12) jeweils drei Abstandshalter (14, 15) vorgesehen sind.
14. Energieversorgungseinheit (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der ersten Trägerplatte (4) und der mindestens einen Isolierplatte (12) angeordneten Abstandshalter (14) und die zwischen der zweiten Trägerplatte (8) und der mindestens einen Isolierplatte (12) angeordneten Abstandshalter (15) versetzt zueinander an der mindestens einen Isolierplatte (12) befestigt sind.
5. Energieversorgungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf der ersten Trägerplatte (4) als Flachspule ausgebildete weitere Spule (19) im Bereich des magnetischen Wechselfeldes angeordnet ist, die an eine Kontrolleinheit (20) angeschlossen ist.
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