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Dokumentenidentifikation DE4012307C2 16.01.1997
Titel Einrichtung zur Gleichspannungsversorgung mehrerer elektrischer Verbraucher
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Bliesner, Jürgen, Dipl.-Ing. (FH), 8551 Hemhofen, DE
DE-Anmeldedatum 17.04.1990
DE-Aktenzeichen 4012307
Offenlegungstag 24.10.1991
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.01.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.01.1997
IPC-Hauptklasse H02J 3/12
IPC-Nebenklasse H02M 7/04   H02J 1/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In elektronischen Systemen mit unterschiedlichem Ausbaugrad ergibt sich das Problem, ein einfaches und kostengünstiges Stromversorgungssystem zu realisieren. Vor allem stellt sich dieses Problem, wenn das System über einen relativ großen Bereich erweiterbar sein soll. Übliche Einrichtungen zur Gleichspannungsversorgung werden nämlich so konzipiert, daß eine zentrale Stromversorgung für den maximalen Ausbaugrad bemessen ist (ggf. Leistungsüberschuß!), oder daß jedem Verbraucher eine eigene Stromversorgung zugeordnet wird. Die Speisung dieser jedem Verbraucher jeweils zugeordneten Stromversorgungen erfolgt mit der vorhandenen Netzspannung. Diese Lösung hat gegenüber der erstgenannten zwar den Vorteil, daß die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung an den tatsächlichen Leistungsbedarf ideal angepaßt ist, jedoch ist der technische Aufwand nicht unerheblich. Dies liegt unter anderem darin, daß bei den üblichen Wechselspannungsnetzen mit 50 und 60 Hz der Aufwand für den Transformator und die Glättungsmittel relativ groß ist.

Eine zentrale Speisung mehrerer Gleichrichtergeräte wird im übrigen in der Veröffentlichung "Donati, F.: Statische unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen In: Bull. ASE/UCS 73 (1982)13, 3. Juli, S. 664 bis 666" beschrieben.

Durch Einrichtungen der eingangs genannten Art, wie diese beispielsweise aus der DE 38 13 868 A1 bekannt sind, kann durch Verwendung einer höherfrequenten Wechselspannung zwischen Netz und Gleichrichtergeräten der technische Aufwand stark reduziert werden. Der zentrale Umsetzer ist zwar dabei an die maximale Leistung des Systems anzupassen, jedoch können die eigentlichen Gleichrichtergeräte auf den jeweiligen Verbraucher zugeschnitten werden und sind aufgrund der relativ hochfrequenten Speisung technisch einfach realisierbar. Nicht unerwähnt sollte es bleiben, daß dabei auch der Platzbedarf für die einzelnen Gleichrichtergeräte relativ gering ist. Ein koordiniertes Zusammenwirken der Komponenten des Gesamtsystems, insbesondere im Störungsfall, ist dabei jedoch nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit einem möglichst geringen technischen Aufwand eine möglichst gute Anpassung der Leistungsfähigkeit der Gleichspannungsversorgung an Anlagen mit einer erweiterbaren Anzahl von Verbrauchern erreichbar ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Damit wird zum einen die Gleichspannung für alle Geräte vereinheitlicht, zum anderen ist es bei entsprechender Dimensionierung der Gleichrichtergeräte auch möglich, daß der Ausfall eines oder mehrerer Gleichrichtergeräte durch die anderen Gleichrichtergeräte kompensierbar ist. Ferner kann auf eine gesonderte Überwachung der einzelnen Gleichrichtergeräte verzichtet werden und diese Überwachung ist beispielsweise am Ort des zentralen Umsetzers möglich. Auch kann dadurch, daß entsprechend den einzuhaltenden Werten innerhalb eines vorgegebenen Bereiches durch Rückwirken auf den Umsetzer eine Spannungsregelung erfolgt, ein qualitativ sehr gutes Regelverhalten ermöglicht werden.

Für eine optimale Leistungsübertragung erweist es sich als günstig, daß die höherfrequente Wechselspannung als Rechteckspannung ausgebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine übliche zentrale Gleichspannungsversorgung,

Fig. 2 eine übliche dezentrale Gleichspannungsversorgung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur erfindungsgemäßen Gleichspannungsversorgung,

Fig. 4 ein Gleichrichtergerät und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Speiseeinheit für das System.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist das Prinzip einer zentralen Gleichspannungsversorgung für eine Anlage geschildert. Dabei ist eine zentrale Stromversorgungseinrichtung SV1 eingangsseitig an ein Wechselspannungsnetz, beispielsweise das übliche 50-Hz-Netz geschaltet und von der Stromversorgungseinrichtung SV1 wird ausgangsseitig eine Gleichspannung, z. B. 5 V, generiert, die über Leitungen die einzelnen Verbraucher V1, V2, V3 der Anlage A mit Gleichstrom versorgt. Bei dieser Einrichtung ist die Stromversorgungseinrichtung SV1 von ihrem Leistungsvermögen her an den maximalen Ausbaugrad der Anlage A, d. h. an das Vorhandensein von 1 bis n Verbrauchern V1 bis V3, anzupassen. Dazu müssen entweder verschieden leistungsstarke Typen von Stromversorgungseinrichtungen für das System zur Verfügung gestellt werden oder aber die Stromversorgungseinrichtung ist an die Maximalleistung der Anlage anzupassen, wenn man vermeiden will, daß mit jedem Wechsel des Ausbaugrades ein Wechsel der Stromversorgungseinrichtung vorzunehmen ist.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist ein übliches System gezeigt, bei dem jedem einzelnen Verbraucher einer Anlage, in diesem Fall Verbrauchern V4 bis V7 jeweils eine eigene Stromversorgungseinrichtung, in diesem Fall SV2 bis SV5, zuzuordnen ist. Damit wird zwar sichergestellt, daß die Gesamtleistung der Stromversorgungseinrichtungen nicht unnötig groß gewählt wird, jedoch ist der konstruktive Aufwand, wie bereits eingangs geschildert, relativ groß.

In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist in Form eines Blockschaltbildes die vorliegender Erfindung dargestellt. Dabei wird mit Hilfe einer als Umsetzer wirkender Speiseeinheit SE, auf deren Einzelheiten im folgenden noch eingegangen wird, aus dem üblichen 50- oder 60-Hz-Netz eine gegenüber dieser Frequenz hochfrequente Wechselspannung erzeugt und auf ein Leitungssystem, bestehend aus Leitungen L1 und L2, gegeben. Die Leitungen L1 und L2 sind dabei busförmig durch die Anlage geführt und führen an die Eingänge von Stromversorgungseinrichtungen SV6, SV7 und SV8 von Verbrauchern V8, V9 und V10. Die Stromversorgungseinrichtungen SV6 bis SV8 generieren die jeweils erforderliche Gleichspannung für die zugeordneten Verbraucher V8 bis V10, wobei der Leistungsfluß durch Pfeile dargestellt ist.

Die jeweilige Ausgangsgleichspannung der Versorgungseinrichtungen SV6, SV7 und SV8 und bedarfsweise weiterer Versorgungseinrichtungen weiterer Verbraucher werden an ebenfalls busförmig durch die Anlage geführte Leitungen L3 und L4 geschaltet, so daß ein Spannungsausgleich zwischen den Verbrauchern V8 bis V10 erfolgt. Im Ausführungsbeispiel steht dabei an den Leitungen L3 und L4 eine Spannung von +5 V bzw. 0 V an. Diese Gleichspannung wird aber nicht nur für die einzelnen Verbraucher V8 bis V10 durch die Schaltung geschleift, sondern diese Gleichspannung wird auch an die Speiseeinheit SE rückgeführt. Auf den Vorteil dieser Maßnahmen wird im weiteren noch eingegangen.

In der Darstellung gemäß Fig. 4 ist eine Stromversorgungseinrichtung, beispielsweise die Stromversorgungseinrichtung SV6, etwas eingehender dargestellt. Dabei ist an die Leitungen L1 und L2 ein Transformator T geschaltet, der aus der hochfrequenten speisenden Wechselspannung (beispielsweise im kHz-Bereich), die beispielsweise eine Spannung von 110 bzw. 220 V aufweisen möge, damit die Stromführung auf den Leitungen L1 und L2 auf relativ niedrigerem Niveau bleibt, eine der Ausgangsgleichsspannung angepaßte Wechselspannung niedrigerer Spannung bildet.

Die Gleichrichtung kann dabei als Vollweggleichrichtung erfolgen, indem die Sekundärseite des Transformators T eine Mittelanzapfung aufweist, an der die Gleichspannung 0 V ansteht und indem die beiden anderen Anschlüsse der Sekundärwicklung jeweils an die Anode einer ersten Diode D1 bzw. einer zweiten Diode D2 führen, deren Kathoden an eine übliche Siebschaltung geleitet sind, die aus einem ersten Kondensator K1, einer Drossel DR und einem zweiten Kondensator K2 besteht. Die am Ausgang des zweiten Kondensators K2 anstehende Gleichspannung führt dann an die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Verbraucher sowie an die Leitungen L3 und L4, die als Busleitungen durch die gesamte Anlage geführt sind. Durch die Wahl der Frequenz der speisenden Wechselspannung, die an den Leitungen L1 und L2 ansteht, ist es zum einen möglich, einen technisch unkomplizierten Transformator T zu verwenden, zum andern kann die Kapazität der Kondensatoren K1 und K2 und die Induktivität der Drossel DR relativ niedrig gewählt werden, wobei dennoch ein gutes Glättungsverhalten des Siebgliedes erreicht wird.

In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist das Prinzip einer Speiseeinheit SE dargestellt. Eingangsseitig wird die Speiseeinheit SE mit Netzfrequenz gespeist und über einen Wandler W wird diese Netzfrequenz in eine gegenüber dieser relativ hohe Frequenz umgesetzt. Die Wellenform des Ausgangssignals kann dabei sowohl sinusförmig wie auch rechteckförmig gewählt sein. Die Ausgangswechselspannung des Wandlers W gelangt an die Leitung L1 und L2.

Die von den einzelnen Stromversorgungseinrichtungen SV6 bis SV8 generierte Gleichspannung wird über die Leitungen L3 und L4 einem Umsetzer U rückgemeldet, der beispielsweise entsprechend vorgegebenen Schwellwerten, die das Verlassen des Betriebsbereiches anzeigen, ein Anzeigegerät AG zum Signalisieren von Störungen betreibt, der aber auch innerhalb des vorgegebenen Betriebsbereiches eine Regelung für den Wandler W ausübt, indem nämlich dann, wenn die Gleichspannung auf den Leitungen L3 und L4 zu niedrig wird, die Amplitude der Ausgangsspannung des Wandlers W erhöht wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung zur Gleichspannungsversorgung mehrerer elektrischer Verbraucher aus einem Wechselspannungsnetz, wobei jedem Verbraucher ein die jeweils zugeführte Wechselspannung in die erforderliche Gleichspannung wandelndes Gleichrichtergerät zuzuordnen ist, wobei von einem zentralen Umsetzer eine gegenüber der Netzfrequenz höherfrequente Wechselspannung generiert und an die Gleichrichtergeräte leitbar ist, dadurch gekennzeichnet daß die Ausgänge der Gleichrichtergeräte (SV6 bis SV8) über Ausgleichsleitungen (L3, L4) zueinander parallelgeschaltet sind, daß die an den Ausgleichsleitungen (L3, L4) anstehende Spannung auf das Einhalten vorgegebener Werte überwachbar ist und daß entsprechend der einzuhaltenden Werte innerhalb eines vorgebbaren Bereiches durch Rückwirken auf den Umsetzer (SE) eine Spannungsregelung erfolgt.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die höherfrequente Wechselspannung als Rechteckspannung ausgebildet ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselspannungsnetz ein Netz mit einer Frequenz von 50 bis 60 Hz vorgesehen ist.






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