Stromversorgung Feldbus ohne Kabel

Feldbus ohne Kabel
Feldbus ohne Kabel

Kontaktlose Energieübertragung erfährt erst durch jüngere Entwicklungen im Bereich mobiler Geräte, z.B. Ladeschalen für Mobiltelefone, sowie durch die Elektromobilität zunehmende Popularität. Versorgungen mehrerer Lasten werden jedoch noch hauptsächlich aufwendig über separate Übertrager realisiert. Das Verwenden einer einzelnen Primärseite für mehrere Lasten ist eine komplexe Aufgabe, gerade bei für den Wirkungsgrad vorteilhaftem Resonanzbetrieb.

Im industriellen Umfeld ergeben sich bisher hauptsächlich Nischenanwendungen für eine kontaktlose Energieübertragung – überall dort, wo eine kabelgebundene Versorgung die Bewegungsfreiheit des zu versorgenden Systems oder dessen Nutzungskomfort übermäßig einschränken würde [1].

Für die Versorgung einer einzelnen Last existieren mithin genügend Lösungen, welche durch Resonanzanpassung auch bei größeren Abständen hohe Wirkungsgrade erzielen können. Sollen mehrere bzw. variable Anzahlen von Abnehmern (Sekundärseiten) versorgt werden, ist ein Aufbau mit einer ebensolchen Anzahl von Primärseiten zumeist nicht lohnenswert, alleine auf Grund des finanziellen Aufwands für die benötigten technischen Komponenten. Interessanter – gerade auch im Hinblick auf größere Einsatzbereiche – ist die Verwendung einer einzelnen Primärseite für mehrere Sekundärseiten.

Im vorliegenden Beispiel soll der Verkabelungsaufwand für eine größere Anzahl von Automatisierungs-Komponenten, wie sie typischerweise innerhalb eines Schaltschranks zur Anlagensteuerung auf Hutschienen montiert sind, reduziert werden. Diese Module müssen sowohl elektrisch angebunden werden als auch miteinander kommunizieren. Im Allgemeinen erfolgt die Realisierung durch einzelne Leiter oder mehradrige Leitungssysteme, die einen relativ hohen Installations-, Prüfungs- und Wartungsaufwand bedingen, sowie durch elektromechanische Steckverbindungen, die einem nicht zu vernachlässigenden Grad an Verschleiß unterliegen.

Beide Aspekte verringern zwangsläufig die Ausfallsicherheit einer Anlage und erhöhen das Fehlerpotenzial. Auch wird die Flexibilität, die bei Erweiterungen, Änderungen oder dem Austausch defekter Komponenten benötigt wird, mit den kabelgebundenen Verteilungen nur bedingt erreicht. Ein kontaktloses Übertragungssystem kann diese Nachteile ausgleichen.

Bisher wird die Versorgung wechselnder Teilnehmerzahlen beispielsweise in Form einer Leitung mit Abgriffklemmen realisiert [2]; die besonderen geometrischen und materiellen Eigenschaften der Tragschiene erfordern jedoch ein daran angepasstes Konzept. Mittels Integration einer bidirektionalen Datenübertragung entsteht somit der genannte Contactless Power Bus (CPB), der maßgeblich dazu beitragen kann, die Anlagenverfügbarkeit zu steigern und unkomplizierte Prozessmodifikationen zu erzielen.

Mehrere sekundäre Lasten mit einer Primärseite versorgen

Der besondere Anspruch des hier vorgestellten Contactless Power Bus (CPB) erwächst aus dem Umstand, eine variable Anzahl von sekundären Lasten mit einer einzelnen Primärseite bei gleichbleibenden Übertragungsparametern und mit möglichst hohem Wirkungsgrad versorgen zu können. Das System soll dabei mit den im Automatisierungsumfeld typischen 24 V betrieben werden und diese Spannung auch für jeden Teilnehmer bereit stellen. Der Leistungsbedarf der Teilnehmer ist eher gering und im Bereich von maximal zweistelligen Wattzahlen angesiedelt. Der grundsätzliche Aufbau und die benötigten Komponenten sind in Bild 1 dargestellt.

Die für Automatisierungs-Komponenten typische Montageweise in Form von aneinander gereihten Modulen auf einer Hutschiene bietet gute Voraussetzungen für eine induktive, kontaktlose Signalübertragung, da alle Teilnehmer einen vergleichsweise geringen Abstand zur Tragschiene haben. Dieser ist noch dazu annähernd konstant, was einen stabilen Kopplungsfaktor begünstigt.

Aufgrund des offenen Aufbaus der Schiene und der in seltenen Fällen nicht vollständigen Belegung durch die Teilnehmer kann jedoch ein Streufeld entstehen. In der Konsequenz ist der Kopplungsfaktor vergleichsweise gering und je nach Belegung variabel, was die Kompensation der Streufeldanteile durch einen resonanten Betrieb erfordert, um so einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Das Übertragermodell

Üblicherweise sind die Übertrager-Parameter im Betrieb nicht variabel, bzw. beschränken sich z.B. auf Änderungen des Kopplungsfaktors je nach Abstand. Bei der Versorgung mehrerer Teilnehmer ergibt sich jedoch auch eine Änderung der Induktivitäten in Abhängigkeit von der Anzahl der vorhandenen Sekundärabnehmer [3].

Dies führt zu einer ebenfalls teilnehmerabhängigen Arbeitsresonanzfrequenz. Um einen möglichst gleichbleibend hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist eine teilnehmerabhängige Anpassung der Kompensationsbeschaltung oder der Arbeitsfrequenz erforderlich. Eine Nachführung der Resonanzfrequenz durch Anpassung der kapazitiven Beschaltung ist jedoch nur mit hohem Hardware-Aufwand umsetzbar. Abstimmbare Kondensatoren sind aus dem Bereich der Hochfrequenztechnik bekannt, benötigen aber einen manuellen Eingriff und sehr viel Platz.

Alternativ zur Variation der Beschaltung kann die Betriebsfrequenz selbst verändert werden, was grundsätzlich durch die verwendeten Mikrocontroller-basierten Wechselrichter ohne größeren Aufwand möglich ist. Die Regelung dieser Nachführung ist hingegen schwieriger, da der Wechselrichter über eine geeignete Sensorik zur Erfassung oder Ableitung der Teilnehmeranzahl verfügen muss.

Es ergibt sich außerdem ein zusätzlicher, systembedingter Nachteil: Während sich die Primärseite auf die veränderlichen Resonanzbedingungen anpassen lässt, sind die Sekundärseiten lediglich über ihre Beschaltung auf eine konstante Resonanzfrequenz festlegbar, mit einer gewissen Bandbreite als Spielraum. Daher wäre trotz Nachregelung auf der Primärseite eine Reduzierung des Gesamt-Wirkungsgrades unvermeidlich.

Die vorgeschlagene Lösung sieht ein System aus zwei gekoppelten, resonanten Übertragern vor, welche eine doppelte Kopplungsstrecke bilden. Die am Wechselrichter betriebene Primärspule koppelt das erzeugte Feld in eine resonante Induktivität mit langer Ausdehnung ein. Auf dieser Induktivität lassen sich an beliebiger Stelle Sekundärabnehmer aufsetzen. Primär- und Sekundärseiten sind dabei auf dieselbe Resonanzfrequenz abgestimmt, die Tragschienen-Induktivität hingegen variiert je nach Teilnehmeranzahl, und damit auch die Resonanzfrequenz des Backbone.

Das Übertragermodell kann wie in Bild 2 beschrieben aufgestellt werden. Zielsetzung ist eine gleichbleibende Sekundärspannung, welche weitgehend unabhängig von der Teilnehmeranzahl und der jeweiligen Last sein soll.