BE1026994B1 - Stromversorgungsvorrichtung und Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung (100) zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (R1-RN), die folgende Merkmale aufweist: eine Schaltungseinrichtung (500, 600), die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes (IL1) ausgebildet ist, wobei die Schaltungseinrichtung (500, 600) ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert (IL1) zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert (IMAX) abzusenken, wobei die Regelungseinrichtung (202) ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert (IL1) bis zum zweiten Strombegrenzungswert (IMAX) abzusenken.

Description

Stromversorgungsvorrichtung und Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers

Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers.

Stromversorgungen haben die Aufgabe, die Versorgungsspannung an den jeweiligen Verbraucher anzupassen.

Je nach speisender Quelle ist die Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze.

So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120VAC/230VAC, einer batteriegespeisten Gleichspannung von 110VDC/220VDC oder Niederspannungen bis 1000VAC/1500VDC gespeist.

Hierzu sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit, wie Isolationsabstände oder - materialien und der Berührschutz einzuhalten.

Die Verbraucher in einem Schaltschrank, wie zum Beispiel eine Steuerung (zum Beispiel eine SPS), Sensoren und/oder Aktoren, werden von einer berührungefährlichen Sicherheits- Kleinspannung (SELV = Safety Extra Low Voltage), die kleiner als 60VDC ist, gespeist.

Dadurch müssen keine erhöhten Anforderungen an die elektrische Sicherheit in dem Verbraucher oder dessen Anschlüssen umgesetzt werden.

Üblicherweise werden industrielle Verbraucher mit einer konstanten Gleichspannung VOUT von 24VDC versorgt.

Aufgabe einer Stromversorgung ist es, die berührgefährliche Eingangsspannung Vim von der berührbaren Ausgangsspannung Vour Sicher zu trennen und eine konstante Versorgungsspannung zur Verfügung zu stellen. Nachteilig an der geringen Versorgungsspannung sind die bei gleicher Leistung P = U*I -> I2 = U1/U2 * Il umgekehrt proportional steigenden Ströme, die üblicherweise bis in den Bereich von einigen 10A, typisch bis 40A gehen können. Um die Verluste über den Versorgungsspannungsleitungen gering zu halten, sind entsprechend große Kabelquerschnitte erforderlich, wobei die Zuleitungsverluste PV gemäß der Gleichung Pv = I” * Rcu quadratisch mit dem Strom steigen.

Eine Stromversorgung wird üblicherweise mit einem bei Netzfrequenz betriebenen Transformator oder einem Schaltnetzteil realisiert. Der Transformator trennt die Eingangsspannung galvanisch von der Ausgangsspannung und setzt die Eingangsspannung mit dem Verhältnis der Windungen herunter. Die Größe des Transformators ist abhängig von der Frequenz der Wechselspannung. Entsprechend sind bei Netzfrequenz 50/60 Hz betriebene Transformatoren deutlich größer, schwerer und teurer als bei einer wesentlich höheren Frequenz (z. B. 20 kHz) getaktete Transformatoren eines Schaltnetzteils. 50Hz/60Hz-Transformatornetzteile können üblicherweise die Spannung nicht regeln, sondern sie transformieren diese mit einem festen Verhältnis und werden an die jeweilige Eingangsspannung angepasst. Auch kann ein Transformator nicht mit Gleichspannung versorgt werden.

Netzspannungsschwankungen führen zu Versorgungsspannungsschwankungen an den Verbrauchern. Insbesondere bei kleinen Leistungen ist die Ausgangsspannung eines Transformators abhängig von der Auslastung. Eine nachfolgende sekundärseitige elektronische Regelung hat den Nachteil, dass diese mit sehr großen Strömen arbeitet und daher stark verlustbehaftet ist. Aufgrund dieser Nachteile wurden primär-getaktete Stromversorgungen entwickelt. Diese erzeugen üblicherweise eine Gleichspannung von 24VDC und stellen eine Leistung bis zu wenigen kW bzw. Ströme bis 60A zu Verfügung, die durch den maximal üblichen 16mm“ Kabelquerschnitt begrenzt werden.

Aus der DE 10 2005 031 833 Al ist eine elektronische Stromversorgungsvorrichtung bekannt, die als Schaltnetzteil ausgebildet sein kann. Die bekannte Stromversorgungsvorrichtung weist eine Einrichtung zum Begrenzen des Ausgangsstroms der Stromversorgungsvorrichtung auf einen ersten vorbestimmten Wert auf. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die unter Ansprechen auf das Erfassen eines elektrischen Störfalls den Ausgangsstrom für eine vorbestimmte Zeit auf einen zweiten vorbestimmten Wert einstellt, der größer als der erste Wert ist. Zudem ist eine Begrenzungseinrichtung vorgesehen, die den Ausgangsstrom nach Ablauf der vorbestimmten Zeit sprunghaft auf den ersten vorbestimmten Wert ausgebildet ist.

Aus der WO 2015/082207 Al ist eine

Stromversorgungseinrichtung zum Begrenzen des Ausgangsstroms bekannt. Die bekannte Stromversorgungseinrichtung weist eine Strombegrenzungsschaltung auf, die einen Ausgangsstrom der Stromversorgungseinrichtung zunächst für einen Zeitraum auf einen erhöhten Maximalstrom begrenzt und danach sprunghaft auf einen regulären Maximalstrom begrenzt, wobei der Zeitraum. Für den der Ausgangsstrom auf den erhöhten Maximalstrom begrenzt ist, von der Höhe des Ausgangsstroms abhängig ist.

Mit den beiden bekannten Stromversorgungseinrichtungen gemäß der DE 10 2005 031 833 Al und der WO 2015/082207 Al können Leitungsschutzschalter schnell magnetisch ausgelöst werden.

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Anlage abgebildet, die, dargestellt als Blockschaltbilder, eine Stromversorgungsvorrichtung 100 aufweist, an deren Ausgang beispielsweise zwei elektrische Verbraucher Rl und RN parallel angeschlossen sind, die jeweils mit der Ausgangsspannung Vour der Stromversorgungsvorrichtung 100 gespeist werden.

Die Stromversorgungsvorrichtung 100 stellt einen der Bauteiledimensionierung entsprechenden Strom bereit bzw. zur Verfügung, der als Nennstrom Inox des Schaltnetzteiles angegeben wird. Wird durch Verbraucher mehr als der Nennstrom Iyom aufgenommen, begrenzt das Schaltnetzteil 100 den Ausgangstrom auf einen etwas höheren maximalen Ausgangsstrom Imax. Hierdurch werden Toleranzen in der

Strombegrenzung ausgeglichen und sichergestellt, dass der Nennstrom immer erreicht wird. Da die Bauteile des Schaltnetzteils oder die Verbindungsleitungen zu angeschlossenen Verbrauchern auf diesen maximalen Strom, 5 der im Kurzschlussfall fließen kann, auszulegen sind, liegt der maximale Ausgangsstrom Imx insbesondere bei größeren Stromversorgungen nur knapp über dem Nennstrom, und zwar vorteilhafterweise zwischen 110% und 150% des Nennstroms Inox .

Um zum Beispiel ein Starten schwerer Lasten wie Motoren zu ermöglichen, besitzen viele Stromversorgungen eine kurzzeitige Stromüberhöhung, die maximal einen Strom bis zum 2,5-fachen des Nennstromes für wenige Sekunden zur Verfügung stellen. Entsprechend den allgemeinen elektrischen Installationsvorschiften können Leitungsquerschnitte nach einer Sicherung reduziert werden. Neben Schmelzsicherungen werden insbesondere auch häufig Leitungsschutzschalter hierfür verwendet. In Fig. 2 ist die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Anlage dahingehend verändert worden, dass jedem Verbraucher Rl bis Ry eine Schutzeinrichtung F1 bis Fy vorgeschaltet ist. Wie in Fig. 2 zu sehen, sind an die Stromversorgungsvorrichtung 100 die verschiedenen Verbraucher, die durch unterschiedliche Lastwiderstände RI bis Ry gekennzeichnet angeschlossen, die mit unterschiedlichen Strömen von der Stromversorgungsvorrichtung 100 zentral versorgt werden.

Bei zumindest einem Kurzschluss einer Zuleitung zu dem jeweiligen Verbraucher oder bei einem Kurzschluss innerhalbwenigstens eines der Verbraucher werden Jedoch alle Verbraucher nicht mehr ausreichend mit Strom versorgt. Um die Anlage jedoch weiter versorgen und um Leitungsquerschnitte reduzieren zu können, werden die verschiedenen Strompfade, in denen die Verbraucher liegen, einzeln abgesichert. Ebenso kann in zumindest einigen der Verbrauchern jeweils eine eingangsseitige Sicherung geschaltet sein, die bei internen Kurzschlüssen auslösen soll.

Nachteilig hat sich jedoch dabei herausgestellt, dass die Sicherungen oder Leitungsschutzschalter bei einem geringen Überstrom nicht nur relativ langsam auslösen. Die Verbraucher können kurze Unterbrechungen der Eingangsspannung überbrücken, z.B. 20ms entsprechend EN61000-6-2 (Fachgrundnorm Störfestigkeit für industrielle Verbraucher). Hierzu besitzen Leitungsschutzschalter normalerweise zwei Auslösemechanismen: Bei hohen Überströmen eine schnelle magnetische Auslösung innerhalb von 10ms und bei geringeren Überströmen wie auch Schmelzsicherungen eine langsamere thermische Auslösung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers zur Verfügung zu stellen, die in einem elektrischen Störfall, insbesondere bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss, sowohl eine magnetisch auslösbare Schutzeinrichtung als auch eine thermisch auslösbare Schutzeinrichtung auslösen kann.

Das technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Stromversorgungvorrichtung gemäß der Erfindung, an welcher mehrere elektrische Verbraucher parallel angeschlossen sind,

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Stromversorgungsvorrichtung, wobei jedem elektrischen Verbraucher eine Schutzeinrichtung vorgeschaltet ist,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten

Stromversorgungsvorrichtung,

Fig. 4 einen beispielhaften Schaltungsaufbau der in Fig. 3 gezeigten Regelungseinrichtung mit einem Spannungsregler und einem Stromregler,

Fig.5 ein Spannungsteiler zum Bereitstellen der

Sollwerte für die in Fig. 4 gezeigten Regelungseinrichtung,

Fig. 6 eine beispielhafte Strombegrenzungskennlinie gemäß der Erfindung,

Fig. 7 eine analoge Schaltungsanordnung zur Erzeugung von

Strombegrenzungswerten beispielsweise in Abhängigkeit der in Fig. 6 gezeigten

Strombegrenzungskennlinie, und Fig. 8 eine digitale Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strombegrenzungswerten beispielsweise in Abhängigkeit der in Fig. 6 gezeigten Strombegrenzungskennlinie. Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild einen beispielhaften Aufbau der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Stromversorgungsvorrichtung 100, in der die erfindungsgemäße Strombegrenzung verwirklicht ist. Die Stromversorgungsvorrichtung 100 ist beispielsweise ein primär-getaktetes AC/DC-Schaltnetzteil, wobei die Stromversorgungsvorrichtung auch als DC- oder AC- Schaltnetzteil ausgebildet sein kann.

Das primär-getaktete Schaltnetzteil 100 kann primärseitig aus einer Eingangsgleichspannung Vin gespeist werden, die an Eingangsklemmen 101, 102 angelegt werden kann. Bei dem beispielhaften AC/DC-Schaltnetzteil 100 kann eine Eingangswechselspannung Vıyac über Eingangsklemmen 103, 104 Vınac Mit einem primärseitigen Gleichrichter D1 verbunden, wobei die Eingangsklemmen 103, 104 und der Gleichrichter D1 bei einem DC/DC-Schaltnetzteil entfallen können. Die Eingangsspannung Vim wird mit einem Kondensator C1 geglättet, der parallel an die Eingangsklemmen 101, 102 angeschlossen ist, und anschließend einem Transformator Trl zugeführt. Hierzu ist ein Anschluss einer Primärwicklung des Transformators Trl mit der Eingangsklemme 101 und der andere Anschluss der Primärwicklung des Transformators Trl über einen Leistungsschalter S1, der hochfrequent getaktet wird, mit der Eingangsklemme 102 verbunden. Der

Leistungsschalter S1 wird von einer primärseitig angeordneten Ansteuerungseinrichtung 201 angesteuert, die beispielsweise als Pulsweitenmodulator arbeitet. Die Ansteuereinrichtung 201 ist mit den Eingangsklemmen 101 du 102 verbunden. Das Steuersignal für die Ansteuerungseinrichtung 201 wird von einer sekundärseitig angeordneten Regelungseinrichtung 202 erzeugt und über eine Trennschaltung 106 auf die Primärseite des Schaltnetzteils 100 geleitet. Die Trennschaltung 106 kann ein Optokoppler OC1 sein. Die Trennschaltung 105 und der Transformator Trl sorgen somit für eine galvanische Trennung, d.h. sie trennen das Schaltnetzteil 100 somit in eine Primärseite und eine Sekundärseite, was symbolisch durch die Strichpunktlinie 105 dargestellt ist. Über die galvanische Trennung wird die Energie des Transformator Trl auf die sekundärseitige Wicklung gegeben und mit einer Diode D10 gleichgerichtet. Die vom Kondensator C10 geglättet Spannung wird als Ausgangsspannung Vour am Ausgang der Stromversorgungsvorrichtung 100 zur Verfügung gestellt.

Die Regelungseinrichtung 202 erfasst vorzugsweise die Ausgangsspannung Vour und den Ausgangsstrom Iour der Stromversorgungseinrichtung 100 und regelt im Normalbetrieb auf eine konstante Ausgangsspannung Vour.

Das Schaltnetzteil 100 kann nach bekannten Schaltungsgrundprinzipien realisiert werden, z.B. als Sperrwandler, Flusswandler, als Halbbrücken- oder Vollbrücken- oder Resonanzwandler. Ebenso kann das Schaltnetzteil 100 mehrere Schaltstufen in Reihenschaltung besitzen. Bekannt ist eine vorgeschaltete PFC-Stufe, diefür eine sinusförmige Eingangsstromaufnahme sorgt. Auch weitere Schaltungsgrundkonzepte wie 2-Transistor-Wandler oder eine Parallelschaltung der Schaltstufen als interleaved Wandler oder bei hohen Spannungen eine Reihenschaltung als Kaskade sind der Fachliteratur zu entnehmen. Fig. 3 zeigt ein galvanisch getrenntes Schaltnetz 100. Dies kann aber auch genauso ein nicht galvanisch getrenntes Schaltnetzteil sein, z.B. ein Tiefsetzer, Hochsetzer oder ein Inverswandler.

Der Leistungsschalter S1 ist unabhängig von der verwendeten Schaltertechnologie ein beliebig ein- und ausschaltbarer Halbleiterschalter und kann z.B. als MOSFET oder Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET oder SiC-FET realisiert werden. Auch kann die als Rückkoppelelement fungierende Trenneinrichtung 106 sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch als magnetischer Koppler realisiert werden. Das Ansteuerung des Leistungsschalters S1 kann z.B. hartschaltend mit Pulsweitenmodulation PWM oder bei resonanten Wandlertopologien mit Pulsfrequenzmodulation PFM erfolgen.

Ebenso kann das Schaltnetzteil 100 eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugen, wie bei einem Wechselrichter. Hierzu wird z.B. weniger ausgangsseitig geglättet und die Ausgangsspannung sinushalbwellenförmig mit 100/120Hz moduliert und anschließend mit einer sogenannten H-Brücke die Polarität gewechselt.

Die Regelung des Schaltnetzteiles 100 kann sowohl analog als auch digital erfolgen. Bei konstanter Eingangsspannung Vin erzeugt z.B. von einer vorgeschalteten Schaltstufe, kann die Erfassung der Ausgangsspannung und -strom auch primärseitig erfolgen, mit jedoch deutlich größeren Toleranzen und das Schaltnetzteil vollständig primärseitig geregelt werden. Daher wird in einigen Schaltnetzteilen die Ausgangsspannung sekundärseitig erfasst und geregelt, der Strom aber primärseitig begrenzt.

Bezuggenommen wird nunmehr auf Fig. 4, die eine beispielhafte Realisierung der Regelungseinrichtung 202 zeigt. Betrachtet man das Schaltnetzteils 100 aus regelungstechnischer Sicht der AusgangsgrôBen „Konstante Spannung“ und „Strombegrenzung“, so besteht das Schaltnetzteil 100 aus einem Leistungspfad, mit dem die Eingangsenergie auf die Ausgangsseite transformiert wird. Ausgangsseitig wird die aktuelle Ausgangsspannung Vouracr und der aktuelle Ausgangsstrom Iouracr gemessen. Diese Signale werden ggf. verstärkt an die sekundärseitige Regelungseinrichtung 202 weitergeleitet. Die sekundärseitige Regelungseinrichtung 202 weist wenigstens zwei Regler auf, nämlich einen Spannungsregler 302 und einen Stromregler 301.

Beide Regler 301 und 302 können diskret als sogenannte PI- Regler realisiert werden. Hierzu weist der beispielhafte Stromregler 301 einen Operationsverstärker ICI1l auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang ein Sollwert IOUTLIM und an dessen invertierenden Eingang ein dem aktuellen Ausgangsstrom entsprechendes Spannungssignal anliegt,

welches beispielsweise über einen Shuntwiderstand R13 abgegriffen und dann über einen Verstärker ICI2 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand RI1 an den invertierenden Eingang angelegt wird.

Der Ausgang des

Operationsverstärkers ICIl ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und RI2 und einen Kondensator CII auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt.

Der beispielhafte Spannungsregler 302 weist einen Operationsverstärker ICV1 auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang ein Sollwert

IOUTNOM und an dessen invertierenden Eingang eine der aktuellen Ausgangsspannung entsprechende Spannung anliegt, welche beispielsweise über einen an die Ausgangsklemmen der Stromversorgungsvorrichtung 100 angeschlossenen Spannungsteiler abgegriffen und dann über einen Verstärkeran den invertierenden Eingang angelegt wird.

Der Spannungsteiler kann zwei Widerstände R11 und R12 aufweisen.

Der Ausgang des Operationsverstärkers ICV1 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R6 und einen Kondensator C3 auf den invertierenden Eingangrückgekoppelt.

Die Ausgangssignale der beiden Regler 302 und 301 werden über eine Dioden Dy bzw.

D, Oder-verknüpft und ggf. über den Optokoppler OC1 auf die primärseitige

Ansteuerungseinrichtung 201 des Leistungspfades gegeben.

Durch die Oder-Verknüpfung der beiden Ausgangssignale wird erreicht, dass der Regler, der das größere Fehlersignal hat, im gezeichneten Beispiel der Operationsverstärker ICVI des Spannungsreglers 302 oder der Operationsverstärker ICIdes Stromreglers 301 mit der geringeren Ausgangsspannung die Ansteuerungseinrichtung 201 begrenzt bzw. das

Tastverhältnis reduziert. Ein Sollwert VOUTNOM für den Spannungsregler 302 und ein der Strombegrenzung dienender Sollwert IOUTLIM für den Stromregler 201 können zum Beispiel mittels eines einstellbaren Spannungsteilers vorgegeben werden. Ein geeigneter beispielhafter Spannungsteiler ist in Fig. 5 gezeigt. Der Spannungsteiler kann durch eine Reihenschaltung aus Widerständen, beispielsweise den Widerständen RV10, RV11 und einem Potentiometer RV12 und einer dazu parallelgeschalteten Reihenschaltung aus beispielsweise einem Widerstand RI10, einem Widerstand RI11 und einem Potentiometer RI12 gebildet werden. Der Sollwert VOUTNOM kann mit einem Potentiometer RV12 eingestellt werden, während die Strombegrenzung, d.h. der Sollwert IOUTLIM intern mit einem Trimmpotentiometer RI12 abgeglichen werden kann, um Toleranzen der Strommessung auszugleichen.

Ebenso ist als einfachste Möglichkeit eine feste Einstellung der Sollwerte mit festen Widerständen möglich. Auch eine Sollwertvorgabe aus Zeitgliedern oder einem Prozessor ist denkbar, um z.B. Kurzzeitstromüberhöhungen für schwere Lasten, wie z.B. für Motoren mit hohen Anlaufströmen, zu ermöglichen. Die Strombegrenzung der Regelungseinrichtung 202 und insbesondere des Stromreglers 302 wird derart modifiziert, dass zum Beispiel bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss zum Beispiel in einer Zuleitung oder einem der Verbraucher, beispielsweise der Verbraucher Rl in Fig. 2, beispielsweisedie Schutzeinrichtung Fl vorzugsweise schnell und zuverlässig magnetisch und thermisch ausgelöst werden. Die Schutzeinrichtung F1 kann ein Leitungsschutzschalter mit magnetischem und thermischem Auslösemechanismus oder eine magnetisch auslösende Sicherung und eine davon getrennte thermisch auslösende Schmelzsicherung sein. Die Regelungseinrichtung 202 ist dazu ausgebildet, kurzzeitig einen Ausgangsstrom IOUT, der deutlich über dem Nennstrom INOM liegt, bereitzustellen. Hiervon bleibt die eigentliche Regelung i.A. unverändert. Die Sollwertvorgabe IOUTLIM wird so verändert, dass der bereitgestellte Strom ILIM für eine bestimmte Zeit deutlich erhöht ist. Wird dieser über dem Nennstrom liegende Strom tatsächlich benötigt, so wird zur Verhinderung der Überlastung von Verbrauchern und Verdrahtung der maximal bereitgestellte Strom ILIM in Abhängigkeit einer geeigneten Strombegrenzungskennlinie beispielsweise nach Ablauf von bestimmten Zeiten Schritt für Schritt abgesenkt.

Eine beispielhafte Strombegrenzungskennlinie mit treppenförmigen Verlauf, die die Regelungseinrichtung 202 bzw. der Stromregler 301 zur Ausgangstrombegrenzung berücksichtigen kann, ist in Fig. 6 dargestellt. Andere Strombegrenzungskennlinien, die einen Abschnitt mit negativer Steigung, der sich über eine einstellbare Gesamtzeitdauer, zum Beispiel von tLl bis tL3, erstreckt, aufweisen, können der Regelungseinrichtung 202 bereitgestellt werden. Angemerkt ist, dass der Abschnitt mit negativer Steigung derart verläuft, dass ein erster Strombegrenzungswert IL] zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten

Strombegrenzungswert IMAX über die einstellbare Gesamtzeitdauer abgesenkt wird. Angenommen sei, dass zum Zeitpunkt t0 ein erhöhter Strombedarf durch z.B. eine Störung auftritt. Die Strombegrenzung des Stromreglers 301, d.h. der bereitgestellte Strom ILIM, ist auf einen wesentlich über dem Nennstrom INOM liegenden Wert IL1l eingestellt. Zum Zeitpunkt tLl wird der zur Verfügung gestellte Strom auf einen Wert IL2 abgesenkt. Dies wiederholt sich zumindest nach einer weiteren Zeitdauer. Zum Zeitpunkt tL2 wird der zur Verfügung gestellte Strom auf den Wert IL3 abgesenkt und zum Zeitpunkt tL3 wird der Strom weiter auf den Wert IMAX eingestellt.

Damit z.B. Leitungsschutzschalter zuverlässig schnell magnetisch ausgelöst werden können, wird z.B. die erste Strombegrenzung IL1 je nach Charakteristik auf den 5-10- fachen Nennstrom des Leitungsschutzschalters eingestellt, und zwar für eine zeitliche Dauer von ca. 5-15ms. Danach wird der bereitgestellte Strom auf den niedrigeren Stromwert IL2 begrenzt, um z.B. eine flinke Sicherung innerhalb von ca. 20ms auszulösen. In einer weiteren Stufe wird der bereitgestellte Strom auf den noch niedrigeren Stromwert IL3 begrenzt, um z.B. eine träge Sicherung auszulösen. Danach, zum Beispiel nach der Zeitdauer tL3, kann dann der Strom auf den üblichen maximalen Ausgangsstrom IMAX oder z.B. auch auf einen Strom begrenzt werden, um z.B. das Starten von schwierigen Lasten oder z.B. das schnelle Laden von (Speicher-) Kondensatoren zu unterstützen.

Die Auslösezeiten können den Datenblättern oder Normenreihen entnommen werden: Die Leitungsschutzschalter sind in der Normenreihe EN 60898, die Schmelzsicherungen in der EN60127 spezifiziert. Die Bauteile einer Stromversorgung sind üblicherweise auf den Nennausgangsstrom bei maximaler Umgebungstemperatur dauerhaft ausgelegt und können höhere Spitzenströme liefern. Hierbei spielt z.B. eine Rolle, welchen Ausgangsstrom die Stromversorgung vor dem erhöhten Strombedarf lieferte, oder bei welcher Umgebungstemperatur TA die Stromversorgung betrieben wird, oder auch wie niederohmig der jeweilige Kurzschluss ist. Bei sehr niederohmigem Kurzschluss mit einer sehr geringen Ausgangsspannung VOUT setzt die Stromversorgungsvorrichtung insbesondere auf der Primärseite eine geringere Leistung im Vergleich zu einem hochohmigerem Kurzschluss mit höherer Ausgangsspannung VOUT um. Der Widerstand im Kurzschlussfall wird maßgeblich bestimmt von den Zuleitungswiderständen. Ebenso kann die Eingangsspannung berücksichtigt werden. Insbesondere bei DC/DC-Wandlern mit niedriger Eingangsspannung kann sich bei höherer Ausgangsspannung, z.B. hochohmigem Kurzschluss, eine deutlich höhere Stromaufnahme ergeben. Diese führt aufgrund des Zuleitungswiderstandes zu einem Absinken der Eingangsspannung und in Folge zu einer noch höheren Eingangsstromaufnahme.

Der bereitgestellte Ausgangsstrom ILIM kann beeinflusstwerden durch z.B. Umgebungstemperatur TA, Bauteiletemperaturen TC, verbleibende Ausgangsspannung VOUTLIM, Historie des Ausgangsstromes IOUTHIST oder der Eingangsspannung Vin.

Die Begrenzungsgrößen können hierbei beliebig mehrfach vorkommen und durch z.B. mehrere Temperaturfühler mit unterschiedlichen Gewichtungen erfasst werden. Auch kann je nach Schaltungskonzept eine Berücksichtigung weiterer Parameter erforderlich sein. Die nachfolgenden prinzipiellen Schaltungseinrichtungen, die in den Figuren 7 und 8 beispielhaft dargestellt sind, geben eine entsprechende Ansteuerung zur Erzeugung des Stromgrenzwertes IOUTLIM, der als Sollwert an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ICI1 angelegt wird, wieder. Mit anderen Worten: Die in den Figuren 7 und 8 gezeigten Schaltungseinrichtungen 500 und 600 sind jeweils dazu ausgebildet, die beispielhaft in Fig.

6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie zu erzeugen. In dem ersten in Fig. 7 gezeigten Beispiel wird eine analoge Lösung einer Schaltungseinrichtung 500 zur Bereitstellung eines Stromgrenzwertes IOUTLIM dargestellt.

Der Maximalwert der Strombegrenzung wird mit einem Potenziometer RI12 eingestellt. Von diesem Maximalwert werden mit einem Subtrahierer IC401 einzelne verstärkte und gewichtete Sensorgrößen, die von Sensorschaltungen 400 bis 402 bereitgestellt werden, subtrahiert, wodurch der Stromgrenzwert sinkt. Die einzelnen Stromüberhöhungen werden z.B. von den Sensorschaltungen 400 bis 402generiert. Hierbei sind die Stromgrenzwerte und Zeiten wieder z.B. über Potenziometer einstellbar. In der Sensorschaltung 401 können z.B. verstärkte Temperaturmesssignale für die Umgebungstemperatur oder Bauteiletemperaturen das Ausgangssignal beeinflussen. Weitere Sensoren z.B. zur Berücksichtigung der Eingangsspannung oder der durchschnittlichen Strombelastung sind in den Sensorschaltung 400 und 402 angedeutet.

Alternativ kann die in Fig. 7 gezeigte eine Schaltungseinrichtung zur Bereitstellung eines Strombegrenzungswerts IOUTLIM anstelle eines Subtrahierers einen Addierer verwendet. Wird der normale Grenzwert der Strombegrenzung IMAX erreicht, wird der einstellbare Grenzwert für eine einstellbare Zeit erhöht. Werden wieder mehrere Sensor-Schaltungsblöcke parallelgeschaltet, können mehrere Stromgrenzwerte und Zeiten dazu eingestellt werden. Da Jedoch die diskret aufgebaute analoge Schaltungseinrichtung zur Stromgrenzwerteinstellung nach Fig. 7 sehr komplex werden kann, kann eine digitale Lösung einer Schaltungseinrichtung mit einem Mikroprozessor verwendet werden, die in Fig. 8 dargestellt und mit Bezugszeichen 600 versehen ist.

Ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller uC, der gg£. auch das Schaltnetzteil 100 regelt, erfasst die elektrischen Parameter des Schaltnetzteils 100, wie z.B. die aktuelle Ausgangsspannung VOUTACT oder den aktuellen Ausgangsstrom IOUTACT. Ebenso kann der Mikrocontroller uC Sensordaten wie z.B. die zuvor genannten Temperaturen. Für eine komfortable Eingabe der o.g. Grenzwerte wie Stromüberhöhungsgrenzen und

Zeitdauern z.B. auf einem PC oder Smartphone, kann der uC über eine beliebige Schnittstelle diese Daten entgegennehmen.

Der uC berechnet zum Beispiel die durchschnittliche

Stromauslastung und unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, Bauteiletemperaturen, Eingangsspannung sowie weiterer Größen wird eine maximale Impulsdauer für eine Stromüberhöhung berechnet.

Der Benutzer kann entsprechend dem Anlagenaufbau, wie der Verdrahtung und denjeweiligen Sicherungscharakteristiken, die Stromhöhen und Maximalzeiten vorgeben, die die beispielhaft in Fig. 6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie definieren.

Hierbei prüft zum Beispiel eine Firmware unter Berücksichtigung der angegebenen Umgebungstemperatur, dass die Stromversorgungnicht wesentlich, z.B. um maximal 10%, mehr belastet wird als die Nenndaten.

Im Betrieb der Stromversorgungsvorrichtung 100 kann der pC z.B. die Bauteiletemperaturen oder Eingangsspannungshöheüberwachen.

Dieser begrenzt rechtzeitig die Stromüberhöhungsdauer, um bei Erreichen eines Grenzwertes entsprechende niedrigere Stromimpulse abgeben zu können.

Hierbei berücksichtigt die Firmware z.B. die Wärmekapazität der Bauteile oder Charakteristik die stromabhängigen

Verluste.

Die Charakteristik der stromabhängigen Verluste ist z.B. an Dioden in erster Näherung bei konstantem Spannungsabfall linear der Strombelastung.

An Widerständen steigen die

Verluste quadratisch mit dem Strom.

Bei Induktivitäten wie

Transformatoren oder Spulen steigen die Verluste bei relativ hoher Aussteuerung mit dritter Potenz. Die Wärmekapazität steigt üblicherweise mit der Bauteilegröße, Jedoch ist hier die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr z.B.

innerhalb von Halbleitergehäusen zu berücksichtigen. Aufgrund der Komplexität sind relativ umfangreiche Daten z.B. durch Messungen oder Simulation zu ermitteln, die im Berechnungsprogramm für die Stromgrenzwerte als Gleichungen oder Tabellen hinterlegt werden können.

Ebenso kann die Firmware im Betrieb die jeweiligen Temperaturen messen und diese speichern. Die so gewonnenen Daten kann dann die Firmware selbstständig bei Berechnung der Stromgrenzwerte berücksichtigen.

Einige der Aspekte der Erfindung werden nachfolgend zusammengefasst. Es ist eine beispielhaft in Fig. 3 gezeigte Stromversorgungsvorrichtung 100 zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers R1-RN vorgesehen, die folgende Merkmale aufweisen kann: eine Einrichtung 201, 202, Trl zur Umwandlung einer Eingangsspannung Vin in eine Ausgangsspannung Vout, eine beispielhaft in Fig. 7 und 8 gezeigten Schaltungseinrichtung 500 bzw. 600, die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes Ill ausgebildet ist, und eine Regelungseinrichtung 202, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der Schaltungseinrichtung 500 oder

600 bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer t0 auf den ersten Strombegrenzungswert ILL zu begrenzen, wobei die Schaltungseinrichtung 500 oder 600 ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert IL1l zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert IMAX insbesondere während einer vorzugsweise einstellbaren Gesamtzeitdauer von t0 bis tL3 abzusenken, wobei die Regelungseinrichtung 202 ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung 500 oder 600 bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert IL1 bis zum zweiten Strombegrenzungswert IMAX insbesondere während einer vorzugsweise einstellbaren Gesamtzeitdauer von t0 bis tL3 abzusenken.

Vorteilhafterweise liegt der erste Strombegrenzungswert IL1 zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der Stromversorgungsvorrichtung 100 lieferbaren Nennstroms, wobei der zweite Strombegrenzungswert IMAX grôBer als der Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist. Zweckmäßigerweise kann die Stromversorgungsvorrichtung 100 als Schaltnetzteil und insbesondere als primär-getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet sein.

Zudem wird ein Verfahren zur geregelten Energieversorgungwenigstens eines elektrischen Verbrauchers insbesondere mit Hilfe der Stromversorgungsvorrichtung 100 zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Ausgangsstroms;

Begrenzen des Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf einen ersten Strombegrenzungswert; und anschließend Absenken des Ausgangsstroms zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu einem zweiten

Strombegrenzungswert.

Der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung 100 wird vorzugsweise unter Ansprechen auf eine treppenförmige Strombegrenzungskennlinie zeitkontinuierlich undwertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert IL1 bis zum zweiten Strombegrenzungswert IMAX während einer einstellbaren Gesamtzeitdauer (tLl bis tL3) abgesenkt.

Das heißt, die Strombegrenzungskennlinie weißt einen Abschnitt mit negativer Steigung auf, der somit eine Treppenfunktionabgebildet werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Stromversorgungsvorrichtung (100) zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers R1-RN), aufweisend eine Einrichtung (201, 202, Trl) zur Umwandlung einer Eingangsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung (Vout), eine Schaltungseinrichtung (500, 600), die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes ausgebildet ist, und eine Regelungseinrichtung (202), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf den ersten Strombegrenzungswert zu begrenzen, wobei die Schaltungseinrichtung (500, 600) ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert abzusenken, wobei die Regelungseinrichtung (202) ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zum zweiten

Strombegrenzungswert abzusenken.

2. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strombegrenzungswert zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Nennstroms liegt, und dass der zweite Strombegrenzungswert größer als der Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.

3. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsvorrichtung als Schaltnetzteil und insbesondere als primär-getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet ist.

4. Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers insbesondere mit Hilfe einer Stromversorgungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Ausgangsstroms; b) Begrenzen des Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf einen ersten Strombegrenzungswert; und c) anschließend Absenken des Ausgangsstroms zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung (100) unter Ansprechen auf eine treppenfôrmige Strombegrenzungskennlinie zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zum zweiten Strombegrenzungswert während einer einstellbaren Gesamtzeitdauer (tLl bis tL3) abgesenkt wird.