AT513632B1 - Vorrichtungen zur Beleuchtung - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe, eine einfache und robuste Vorrichtung zur Beleuchtung zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen Dreiphasennetz (1) und Brückengleichrichter (2) eine Dreiphasendrossel (3) geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters (2) die Serienschaltung von Leuchtdioden (4) geschaltet ist. Es kann auch mittels eines Vorschaltgeräts (5) aus einem Gleich- Wechsel- oder Drehstromnetz ein dreiphasiges Netz mit typischerweise höherer Frequenz als das speisende Netz (11) und variierbarer Spannung erzeugt und an dieses Netz Serienschaltungen von Leuchtdioden (4) mit vorgeschalteten Brückengleichrichter (2) und diesen vorgeschalteten Dreiphasendrosseln (3) geschaltet sind. Der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät (5) wird als Direktumrichter oder Matrixkonverter ausgeführt und kann mit einer Fernsteuerung versehen sein.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Drehstromnetz, bestehend aus einer Serienschaltung von Leuchtdioden, einem Brückengleichrichter und einer Dreiphasendrossel.

[0002] Beleuchtung stellt ein großes Marktsegment in der heutigen Leistungselektronik dar. Ein wichtiger Bereich ist dabei die Beleuchtung öffentlicher Flächen (Straßen-, Tunnel-, Stationsbeleuchtung) und großer Hallen (Werkshallen, Garagen). Hier sind effiziente und robuste Anlagen erforderlich.

[0003] Leuchtdioden sind robust und haben einen guten Wirkungsgrad und lange Lebensdauer. Mit heutigen Leuchtdioden kann man schon etwa doppelt so hohe Lichtausbeuten erzielen als mit herkömmlichen Leuchtstoffröhren. Nahe liegend ist daher der Einsatz von Leuchtdioden für die oben genannten Anwendungsfälle.

[0004] Der Vorteil von Leuchtstoffröhren sind die sehr robusten einfachen Vorschaltgeräte, die aber zu einem induktiven Blindstrom führen. Man kann natürlich auch elektronische Vorschaltgeräte verwenden. Diese führen eine Widerstandsemulation durch und benötigen daher keinen Blindstrom. Nur der erforderliche Wirkstrom wird aus dem Netz entnommen. Es zeigt sich aber, dass elektronische Vorschaltgeräte, die für Innenbeleuchtungen entwickelt wurden, dem rauen Betrieb im Freien in Form der Straßenbeleuchtung nicht gewachsen sind. Der Umbau auf eine robuste Version ist sehr kostspielig.

[0005] Im Folgenden werden nun mehrere Konzepte vorgestellt, mit denen ein Umbau einer Beleuchtungsanlage oder eine Neuinstallation einfach bewerkstelligt werden können.

[0006] Eine ganz einfache Lösung ist dabei folgende: Mit Hilfe einer B6 Diodenbrücke wird das Dreiphasennetz gleichgerichtet und an den Gleichrichter direkt eine Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet. Um Spannungsschwankungen des Netzes nur abgeschwächt an die Leuchtdioden zu bringen und um die Spannung an den Leuchtdioden auf den erforderlichen Wert zu bringen, wird ein induktiver Vorwiderstand in Form einer Drossel (Dreiphasendrossel) vorgeschaltet. Es sei hier speziell betont, dass Dreiphasendrosseln von der Baugröße her sehr kompakt sind. Auch die klassischen Vorschaltgeräte von Leuchtstoffröhren haben eine Induktivität in Serie zu diesen, um die Differenz zwischen Bogenspannung und Netzspannung aufzunehmen. Wenn die dadurch auftretende Blindleistung stört, kann diese auf bekannte Weise durch eine Blindleistungskompensation, im einfachsten Fall durch einen Kondensator, kompensiert werden. Vorteilhaft an diesem Konzept ist neben der Einfachheit und Robustheit ein -bedingt durch die Dreiphasigkeit - konstanter Leistungsfluss aus dem Netz und eine nur mit 300 Hz gering schwankende Spannung an den Leuchtdioden.

[0007] Man kann das beschriebene Konzept auch einphasig ausführen. Man hat nun wie bei der normalen Leuchtstoffföhrenanwendung einen mit 100 Hz pulsierenden Leistungsfluss aus dem Netz und eine mit 100 Hz schwankende Spannung an den Leuchtdioden.

[0008] Eine weitere Variante ist die folgende: mehrere Lampen werden durch ein gemeinsames Vorschaltgerät versorgt. Dieses ist z.B. bei einer Straßenbeleuchtung im Steuerkasten für die Lampenstränge untergebracht, ist daher nicht direkt in der Lampe, die doch stark den Umwelt-und Wetterverhältnissen ausgesetzt ist, montiert. Um die erforderlichen Induktivitäten klein zu halten, kann man nun mit einer höheren Frequenz aber verringerten Spannung speisen. Das Sammelvorschaltgerät erzeugt also aus dem Netz eine Wechselspannung höherer Frequenz und geringerer Amplitude. Zusätzlich arbeitet das Vorschaltgerät gleichzeitig als Leistungsfaktorkorrektur und entzieht dem Netz einen sinusförmigen Strom, der in Phase zum Netz ist. Solche Umformer sind Stand der Technik und leicht für die geforderte Anwendung anzupassen. Als Konverter ist hier auch ein Matrixkonverfer, der den Vorteil hat, dass keine Speicherkondensatoren erforderlich sind, möglich. Die Speicherkondensatoren sind ja bekanntlich die Bauteile, die am raschesten altem und schließlich Ausfälle produzieren. Matrixkonverter wurden in den letzten Jahren sorgfältig erforscht. Sie sind bidirektionale Konverter und funktionieren dann problemlos, solange das speisende Netz vorhanden ist. Fällt des Netz jedoch aus und muss der Konverter ins Netz speisen, z.B. beim Bremsbetrieb einer Asynchronmaschine, so sind recht aufwendige Vorkehrungen zu treffen um die Energie abzubauen und den Bremsvorgang ordentlich durchzuführen. Diese zusätzliche Beschaltung verringert natürlich die Vorteile des Matrixkonverters. Im Fall der Beleuchtungssteuerung ist aber Rückspeisung nicht erforderlich und die Vorteile des Matrixkonverters können wirklich genutzt werden.

[0009] Die Vorteile der Speisung der Lampen mit Drehstrom wie hier dargestellt sind zusätzlich folgende: [0010] · Durch die vorgeschalteten Drosseln erfolgt eine einfache Symmetrierung der einzel nen Serienschaltungen der Leuchtdioden. Würde man Gleichstrom verwenden, müsste die Symmetrierung über Widerstände (zusätzliche Verluste) oder durch eine zusätzliche Elektronik mit Stromquellencharakteristik erfolgen. Das geht auf Kosten der Zuverlässigkeit, weil weitere elektronische Baugruppen erforderlich sind.

[0011] · Weiters sind DC Kreise schwerer abschaltbar, weil es keinen natürlichen Stromnull durchgang gibt. Man benötigt für DC aufwändigere Schaltgeräte als für AC.

[0012] Wenn aus Sicherheitsgründen eine Potentialtrennung gewünscht wird, kann dies leicht durch einen, dem zentralen Vorschaltgerät vorgeschalteten oder in ihm integrierten Transformator geschehen. Wird die Potentialtrennung im Vorschaltgerät durchgeführt, so kann das bei höherer Frequenz als der Netzfrequenz geschehen und so ein kompakter Aufbau erzielt werden. Durch das zentrale Vorschaltgerät kann auch leicht gedimmt werden. Fernsteuerung ist ebenfalls leicht über eine Datenschnittstelle möglich. Als Datenkanal bietet sich natürlich gleich das vorhandene Versorgungsnetz an.

[0013] Man kann auch statt des induktiven Blindwiderstands einen Kondensator vor den Gleichrichter schalten. Kombiniert man nun Serienschaltungen von LEDs, die mit einem Kondensator als kapazitivem Blindwiderstand arbeiten mit solchen, die einen induktiven Vorwiderstand verwenden, so kann man auf einfache Weise die Blindleistung kompensieren. Es ist aber anzumerken, dass Spulen eine größere Zuverlässigkeit haben als Kondensatoren. Werden die Serienschaltungen der Leuchtdioden direkt am öffentlichen Netz betrieben, so sind Spulen natürlich besser, da sie Störspannung die am Netz auftreten aufnehmen, ein Kondensator gibt sie im gegenständlichen Schaltzusammenhang an die Last weiter.

[0014] Prinzipiell sind in der praktischen Anwendung Maßnahmen zur Überspannungsbegrenzung notwendig. Dies kann z.B. durch Varistoren auf der Netzseite oder Spannungsbegrenzerdioden auf der Gleichstromseite erfolgen.

[0015] Zur gegenständlichen Erfindung existiert eine umfangreiche Patentliteratur, die nun besprochen und gegenüber der eine Abgrenzung vorgenommen werden soll.

[0016] EP 2291060 A2 (YANG T.H.) zeigt Vorrichtungen, mit denen Leuchtmittel aus dem Einoder Mehrphasennetz versorgt werden. Dabei werden Spulen und Kondensatoren vorgeschaltet. Zur Ümwandlung in Gleichstrom, wie es bei lichtemittierenden Dioden erforderlich ist, werden Dioden verwendet. Der wesentliche Unterschied zur gegenständlichen Erfindung ist, dass beim Dreiphasennetz als Strombegrenzer nicht unabhängige Spulen verwendet werden, sondern magnetisch miteinander verkoppelte Spulen. Dadurch reduziert sich die Baugröße des induktiven Bauteils im Vergleich zu getrennten Spulen.

[0017] FR 2915844 A3 zeigt einphasige Systeme, bei denen vor einer B2 Brücke induktive Bauteile (Spule, Trafo) zur Reduzierung der Spannung an den Leuchtdioden (die in Serie oder in Serien-Parallelschaltung angeordnet sind) die am Gleichspannungsausgang der Brückenschaltung angeschlossen sind, geschaltet sind. Mehrphasigkeit wird dabei nicht verwendet.

[0018] US 2012/0242239 A1 (LYNK LABS, INC.) zeigt die Möglichkeit, ein höherfrequentes einphasiges Netz mit konstanter Frequenz zu erzeugen. Damit ist es möglich, eine Potentialtrennung durch einen Transformator zu erzielen und die Spannung zu stellen. Als Blindwiderstände sind vor den Serienschaltungen der Leuchtdioden Kondensatoren angeordnet. Mehr- phasigkeit ist dabei nicht vorgesehen.

[0019] WO 2005/120134 A1 (KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N. V.) zeigt wechselspannungsversorgte Leuchtdioden, denen entweder Spulen oder Kondensatoren vorgeschaltet sind. Auch hier wird nur ein Einphasennetz verwendet.

[0020] EP 2280581 A2 (FSP TECHNOLOGY INC.) zeigt eine rein passive Anordnung zur Ansteuerung von Serienschaltungen von Leuchtdioden. Als Blindwiderstände werden Kapazitäten verwendet. Auch hier ist Mehrphasigkeit kein Thema.

[0021] WO 03/056878 A1 (KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N. V.) zeigt einen Resonanzkonverter, der mit einer Halbbrücke angesteuert wird. Die Dimmbarkeit ist über die Taktfrequenz der Halbbrücke gegeben. Die verwendeten Blindwiderstände dienen hier zur Festlegung der Resonanzfrequenz.

[0022] Bei allen obigen Dokumenten wird auch kein Matrixkonverter zur Erzeugung des Dreiphasensystems verwendet.

[0023] Die Erfindung wird nun noch an Hand der Zeichnungen besprochen. Fig. 1 zeigt die dreiphasige und Fig. 2 zeigt die Erweiterung mit zentralem Vorschaltgerät, durch das auch Dimmung und eventuelle Potentialtrennung erreicht wird.

[0024] Figur 1 zeigt das Netz mit den drei Phasen (L1; L2, L3), die Dreiphasendrossel (L3P), den B6- Brückengleichrichter und die Serienschaltung der Leuchtdioden (LD1; LD2, ..., LDn) und deren Verschaltung.

[0025] Die Figur Fig. 2 zeigt das zentrale Vorschaltgerät in Form eines AC/AC Wandlers (AC/AC) beispielhaft an einem Dreiphasennetz mit den drei Phasen (L1; L2, L3) betrieben. Natürlich kann auch aus einem Einphasennetz ein Ein- oder Dreiphasennetz erzeugt werden. In diesen Wandler kann eine Potentialtrennung eingebaut sein. Ebenfalls kann die Steuerung über eine Schnittstelle ferngesteuert werden. An der Ausgangsseite des AC/AC Wandlers sind n Lasten (L-1 bis L-N), bestehend aus Schaltungen entsprechend Fig. 1, geschaltet.

[0026] Die Aufgabe, eine einfache und robuste Vorrichtung zur Beleuchtung zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen Dreiphasennetz und Brückengleichrichter eine Dreiphasendrossel geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet ist.

[0027] Aus einem Gleich- Wechsel- oder Drehstromnetz wird mittels eines Umrichters ein dreiphasiges Netz mit typischerweise höherer Frequenz als das speisende Netz und variierbarer Spannung erzeugt.

[0028] Der Umrichter ist als Direktumrichter oder Matrixkonverter ausgeführt und kann mit einer Fernsteuerung versehen sein.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Drehstromnetz (1), bestehend aus einer Serienschaltungen von Leuchtdioden (4), einem Brückengleichrichter (2) und einer Dreiphasendrossel (3) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Netz (1) und Brückengleichrichter (2) die Dreiphasendrossel (3) geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters (2) die Serienschaltung von Leuchtdioden (4) geschaltet ist.
2. 2. Vorrichtung zur Beleuchtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gleich- Wechsel- oder Drehstromnetz mittels eines Umrichters (5) ein dreiphasiges Netz mit typischerweise höherer Frequenz als das speisende Netz (11) und variierbarer Spannung erzeugt wird.
3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (5) als Direktumrichter oder Matrixkonverter ausgeführt ist.
4. 4. Vorrichtung gemäß Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (5) mit Fernsteuerung versehen ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen