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Elektrische Systeme weisen eine Ausfallrate auf, die sich überlinear mit der Temperatur und mit der elektrischen Belastung, denen die enthaltenen Bauelemente ausgesetzt sind, erhöht. Häufig ist insbesondere ein Netzteil oder ein anderer Teil der Stromversorgung der elektrisch am stärksten belastete Teil des Systems. Netzteile beinhalten meist Bauelemente, die eine hohe Fehlerrate und eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren und Optokoppler. Typischerweise steigt die Ausfallrate mit der Anzahl der eingesetzten Bauelemente. Ein Defekt im Netzteil führt häufig zum Ausfall des Systems.
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Bei Servern und anderen Geräten der Informationstechnologie werden deshalb so genannte redundante Stromversorgungen eingesetzt. Hierbei werden beispielsweise zwei redundante Stromversorgungen sekundärseitig parallel geschaltet. Hierdurch lässt sich die Ausfallrate reduzieren, da beispielsweise an einem Niederspannungsnetz liegende Teile mit besonders hoher Spannungsbelastung vollständig redundant ausgeführt sind.
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Aus der
WO 2008/025490 A2 ist eine Schaltungsanordnung zur redundanten Stromversorgung einer nachgeschalteten Last bekannt. Dabei ist zumindest ein erster Strompfad mit einem ersten Schaltelement vorgesehen, an dem eingangsseitig eine erste Spannung anliegt. Ein zweiter Strompfad umfasst ein zweites Schaltelement, an dem eingangsseitig eine zweite Eingangsspannung anliegt. Weiter ist zumindest eine erste, mit dem ersten Strompfad verbundene Steuereinrichtung zur Steuerung des ersten Schaltelements vorgesehen. Außerdem ist zumindest eine zweite, mit dem zweiten Strompfad verbundene Steuereinrichtung zur Steuerung des zweiten Schaltelements angeordnet. An einem gemeinsamen Ausgangsanschluss des ersten und des zweiten Strompfads wird eine Lastversorgungsspannung ausgegeben. In einem normalen Betriebszustand hält die erste Steuereinrichtung das erste Schaltelement in einem Durchlasszustand und die zweite Steuereinrichtung das zweite Schaltelement in einem Durchlasszustand. In einem abnormalen Betriebszustand schaltet, in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften des ersten Strompfads oder des zweiten Strompfads, diejenige der Steuereinrichtungen, die sich in dem Strompfad mit schlechteren elektrischen Eigenschaften befindet, das Schaltelement in diesem Strompfad in einen Sperrzustand.
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Aus der
DE 198 51 261 A1 ist eine redundante Stromversorgung für eine Datenverarbeitungseinrichtung bekannt, bei der gleichartige Stromversorgungseinrichtungen ausgangsseitig über ein Diodennetzwerk parallel geschaltet sind, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung ausgangsseitig an das Diodennetzwerk angeschlossen ist. Jede Stromversorgungseinrichtung umfasst separate Mittel zur Erkennung einer bevorstehenden Leistungsunterbrechung durch Beobachtung der netzseitigen Primär-Versorgungsspannung. Jeder Stromversorgungseinrichtung sind separate Mittel zur Beobachtung der Ausgangsspannung zugeordnet. Es ist ein Filter vorgesehen, an das alle Mittel zur Erkennung einer bevorstehenden Leistungsunterbrechung und alle Mittel zur Beobachtung der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinrichtungen angeschlossen sind. Die Datenverarbeitungseinrichtung weist einen Unterbrechungssignaleingang auf, der derart an das Filter angeschlossen ist, dass der Unterbrechungssignaleingang in Abhängigkeit von den erkannten Stati bevorstehender Leistungsunterbrechung und den erkannten Stati der Abweichungen der Ausgangsspannung aller Stromversorgungseinrichtungen gegenüber dem Nennwert der Betriebsspannung der Datenverarbeitungseinrichtung aktivierbar ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrische Netzanordnung zur redundanten Stromversorgung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Netzanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst eine elektrische Netzanordnung zur Stromversorgung mindestens ein Netzteil und mindestens einen oder mehrere, insbesondere redundanten Verbraucher, wobei das Netzteil einen Wechselrichter umfasst, der einen Wechselspannungs-Zwischenkreis versorgt, wobei dem oder jedem Verbraucher mindestens zwei Gleichrichter und/oder zwei erste Transformatoren zugeordnet sind, die jeweils an dem Wechselspannungs-Zwischenkreis angeschlossen sind.
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Durch einen solchen einfachen Aufbau der elektrischen Netzanordnung mit nur einem einzigen Netzteil, Zwischenkreis und Wechselrichter kann eine Vielzahl von funktionalen Isolationen mittels der Transformatoren für die angeschlossenen Verbraucher realisiert werden.
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Eine Weiterbildung der elektrischen Netzanordnung zur Stromversorgung, insbesondere zur redundanten Stromversorgung umfasst mindestens zwei Netzteile und mindestens einen oder mehrere, insbesondere redundante Verbraucher. Unter einer redundanten Stromversorgung für einen oder mehrere, insbesondere redundante elektrische Verbraucher soll eine solche Stromversorgung verstanden werden, die über mindestens zwei verschiedene Strompfade oder Zwischenkreise mit elektrischer Energie verfügt und darüber den oder die Verbraucher versorgt, so dass bei Ausfall einer der Strompfade über den anderen Strompfad der oder die Verbraucher weiterhin mit Strom versorgbar sind. Jedes der Netzteile umfasst mindestens einen Wechselrichter, der jeweils einen Wechselspannungs-Zwischenkreis (auch AC-Zwischenkreis genannt) versorgt. Jedem Verbraucher sind mindestens zwei Gleichrichter und/oder erste Transformatoren zugeordnet, die jeweils an einem der Wechselspannungs-Zwischenkreise angeschlossen sind.
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Durch den Einsatz redundanter Wechselspannungs-Zwischenkreise anstatt der üblichen Gleichspannungs-Zwischenkreise (auch DC-Zwischenkreise genannt) kann die Kopplung des Netzteils an die Zwischenkreise mittels Transformatoren bzw. Übertrager anstelle von Dioden, Transistoren und anderer Halbleiter erfolgen.
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Bei einer Vielzahl von, insbesondere redundanten Verbrauchern wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, dass bei Kurzschluss oder einem anderen Versagen in einem Verbraucher, der an einen der Zwischenkreise angeschlossen ist, die anderen Verbraucher von dem Versagen nicht betroffen sind.
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Durch die Verwendung redundanter AC-Zwischenkreise steigt die Zuverlässigkeit der Stromversorgung, da die Ausfallwahrscheinlichkeit von Transformatoren/Übertragern bei einem Bruchteil der Ausfallwahrscheinlichkeit von Halbleitern oder Relais/Schützen liegt.
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Je nach Dimensionierung einer Isolation des ersten Transformators können verschiedene Verbraucher voneinander potenzial-getrennt aufgebaut werden.
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Verschiedene Verbraucher mit unterschiedlicher Versorgungsspannung können durch entsprechende Dimensionierung der Windungsverhältnisse des jeweils zugeordneten ersten Transformators gemeinsam am selben AC-Zwischenkreis betrieben werden. Abhängig von einer Topologie der Wechselrichter kann ein Laststrom auf die zwei oder mehr redundanten AC-Zwischenkreise aufgeteilt werden.
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Gegenüber Stromversorgungen mit DC-Zwischenkreisen reduziert sich die Anzahl der benötigten Bauelemente bei mehreren, durch die zugeordneten ersten Transformatoren galvanisch getrennten Verbrauchern erheblich, da eine erneute Wechselrichtung zur Übertragung von Leistung über eine Isolation mit anschließender Gleichrichtung unterbleiben kann.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Netzanordnung umfasst mindestens zwei Netzteile und mindestens einen oder mehrere, insbesondere redundante Verbraucher. Eines der Netzteile versorgt mindestens einen Wechselspannungs-Zwischenkreis mittels jeweils eines Wechselrichters. Ein anderes der Netzteile versorgt mindestens einen Gleichspannungs-Zwischenkreis mit einer Gleichspannung. Dem oder mindestens einem der redundanten Verbraucher ist ein Gleichrichter und/oder erster Transformator zugeordnet, der an einem der Wechselspannungs-Zwischenkreise angeschlossen ist. Zusätzlich ist dieser oder sind diese redundanten Verbraucher zur redundanten Stromversorgung mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis verbunden. Vorzugsweise wird dabei der DC-Zwischenkreis im Verbraucher hinter Transformation und Gleichrichtung des AC-Zwischenkreises gekoppelt. Obwohl mit dieser Ausführungsform der Erfindung durch die fehlende galvanische Entkopplung zwischen dem DC-Zwischenkreis und dem Verbraucher eine Fehlerausbreitung wahrscheinlicher ist als mit der vorgenannten Ausführungsform mit zwei oder mehr AC-Zwischenkreisen, kann die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls jedoch durch den Einsatz der zwei unterschiedlichen Technologien (AC-Zwischenkreis und DC-Zwischenkreis) reduziert werden.
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Die Verwendung des Gleichspannungs-Zwischenkreises kann auch mit der erstgenannten Ausführungsform kombiniert werden.
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Dem Wechselrichter im Netzteil kann jeweils ein zweiter Transformator nachgeschaltet sein, um im AC-Zwischenkreis eine bestimmte Spannung zu erhalten.
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Der erste und/oder zweite Transformator können bzw. kann jeweils als Übertrager ausgebildet sein. Als Übertrager werden häufig solche Transformatoren bezeichnet, die nicht primär der Energie- oder Leistungsübertragung, sondern der Übertragung von Signalen dienen. Die Leistungsübertragung kann jedoch als Sekundäreffekt genutzt werden.
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Da die Verbraucher zu ihrer Versorgung gewöhnlich eine Gleichspannung benötigen, ist zur Kopplung zwischen dem ersten Transformator und dem oder den redundanten Verbraucher vorzugsweise ein Gleichrichter oder mindestens eine Diode oder mindestens ein Transistor vorgesehen.
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Eine Zwischenkreisspannung des Wechselspannungs-Zwischenkreises kann geregelt sein, insbesondere so, dass durch die nachfolgende Übertragung und Gleichrichtung in den Verbraucher bereits eine hinreichend genaue Spannung erzeugt werden kann. Ein zusätzlicher Spannungsregler kann in diesem Fall im Verbraucher entfallen, wodurch Kosten reduziert werden.
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In elektrischen Anordnungen sind häufig Isolationen zwischen Bereichen mit berührgefährlichen Spannungen und Bereichen mit nicht berührgefährlichen Spannungen erforderlich. Diese Isolation kann in den zweiten Transformatoren im Netzteil und den ersten Transformatoren im Verbraucher so verteilt sein, dass in Summe der Aufwand für die geforderte Isolation minimiert wird. Beispielsweise wird eine doppelte Isolation im zweiten Transformator zwischen einem Eingangskreis mit berührgefährlicher Spannung (beispielsweise Niederspannung) und dem AC-Zwischenkreis mit nicht berührgefährlicher Spannung vorgesehen, während im ersten Transformator zwischen dem AC-Zwischenkreis und dem Verbraucher nur eine funktionale Isolation vorgesehen ist oder alternativ gänzlich auf die Isolation in den ersten Transformatoren oder im Fall des DC-Zwischenkreises gänzlich auf den Transformator verzichtet wird. Auf diese Weise können die Anforderungen an die Transformatoren im Verbraucher und damit die Kosten reduziert werden.
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Dem ersten Transformator können eine Sicherung und/oder ein Strombegrenzungselement nachgeschaltet sein, die beim Ausfall des Verbrauchers (Kurzschluss, Überlast) eine Rückwirkung auf den Zwischenkreis verhindern oder minimieren. Hierdurch wird die Verfügbarkeit der Verbraucher im System erhöht, da es auch möglich wird, defekte Verbraucher im Betrieb zu ersetzen, ohne dass die Gesamtanordnung abgeschaltet werden muss. Zudem bewirkt der Ausfall eines Verbrauchers nicht den Ausfall der Gesamtanordnung, so dass eine last- und netzseitige Redundanz erzielt werden kann.
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Das Strombegrenzungselement kann als ein Kaltleiter (PTC) oder als eine Stromsenke (current sink) ausgebildet sein. Bei der Stromsenke kann es sich beispielsweise um einen selbst leitenden Transistor, insbesondere eine FET handeln, der sperrt, wenn der Strom einen Maximalstrom übersteigt.
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Ein typischer Anwendungsfall der elektrischen Netzanordnung ist der Einsatz von redundanten AC-Zwischenkreisen in so genannten PoE-Feedern mit mehreren PoE-Ports (PoE – Power over Ethernet). Power over Ethernet ist ein Verfahren, bei dem netzwerkfähige Geräte über ein Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden. Sie benötigen daher kein weiteres Kabel zur Stromversorgung. Das Ethernet-Kabel stellt einen Teil des Wechselstrom-Zwischenkreises dar.
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Bei PoE-Versorgung wird häufig netzseitig eine redundante Versorgung mit sicherer Trennung gefordert. Die PoE-Ports müssen in Gruppen oder einzeln voneinander durch eine funktionale Isolation (1500 V) voneinander und von einer Switch-Logik getrennt sein. Die Versorgungsspannungen der PoE-Ports sind mit großen Toleranzen spezifiziert (+/–10%), wodurch keine eigene Regelung erforderlich ist, wenn der Zwischenkreis (AC-Zwischenkreis) bereits geregelt ist. Die Lastaufteilung zwischen den redundanten Wechselrichtern ist beliebig, jedoch muss im Fehlerfall eines Wechselrichters der andere die gesamte Last versorgen können.
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In einer weiteren Ausführungsform kann außer dem redundanten Verbraucher mindestens ein nichtredundanter Verbraucher vorgesehen sein, der ohne Transformator direkt über einen Gleichrichter bzw. Dioden oder Transistoren mit dem Wechselspannungs-Zwischenkreis verbunden ist. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn der nicht über Transformatoren gekoppelte Verbraucher im System nicht redundant vorhanden ist, so dass ohne diesen das System nicht lauffähig wäre. In diesem Sonderfall führt eine Ausbreitung des Fehlers vom nichtredundanten Verbraucher auf beide Zwischenkreise nicht zu einer Reduzierung der Gesamtausfallwahrscheinlichkeit.
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Beim typischen Anwendungsfall PoE-Feeder kann beispielsweise der Logikteil mit der Switch und oder Routerfunktion ohne Redundanz ausgeführt sein.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine elektrische Netzanordnung zur redundanten Stromversorgung mit zwei Netzteilen, zwei AC-Zwischenkreisen und drei Verbrauchern, und
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2 einen Teil einer elektrische Netzanordnung zur redundanten Stromversorgung mit einem AC-Zwischenkreis, einem DC-Zwischenkreis und einem Verbraucher.
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Einander entsprechende Teile sind in beiden Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine elektrische Netzanordnung 1 zur redundanten Stromversorgung mit zwei Netzteilen 2.1, 2.2, zwei AC-Zwischenkreisen 3.1, 3.2 und drei redundanten Verbrauchern 4.1, 4.2, 4.3 gezeigt. Unter redundanten Verbrauchern 4.1 bis 4.3 werden solche elektrischen Verbraucher verstanden, die mindestens zweifach oder mehrfach identisch und funktional gleich sind. Je nach Ausstattung der zugrunde liegenden technischen Anlage können anstelle von redundanten elektrischen Verbrauchern 4.1 bis 4.3 auch einfache und somit nicht redundante, elektrische Verbraucher vorgesehen sein, die mit der redundanten Stromversorgung verbunden sind.
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Jedes der Netzteile 2.1, 2.2 umfasst einen Wechselrichter 5.1, 5.2 und einen zweiten Transformator 6.1, 6.2, der jeweils einen Wechselspannungs-Zwischenkreis 3.1, 3.2 (auch AC-Zwischenkreis genannt) versorgt. Jedem der Verbraucher 4.1 bis 4.3 sind zwei Gleichrichter 7.1, 7.1' 7.2, 7.2', 7.3, 7.3' und erste Transformatoren 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' zugeordnet, die jeweils an einem der Wechselspannungs-Zwischenkreise 3.1, 3.2 angeschlossen sind.
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In einer einfachen alternativen und nicht näher dargestellten Anordnung kann einer der Netzteile 2.1 oder 2.2 und somit der zugehörige Zwischenkreis 3.1 bzw. 3.2 entfallen. Hierdurch können mit nur einem einzigen Wechselrichter 5.1 oder 5.2 eine doppelte Isolation im zweiten Transformator 6.1 bzw. 6.2 und eine Vielzahl funktionaler Isolationen mittels erster Transformatoren 8.1 bis 8.3 realisiert werden. Hierdurch wird die Stromversorgungsanordnung wesentlich kostengünstiger. Zudem ist aufgrund der reduzierten Anzahl von Bauteilen eine bessere Ausfallrate als bei einer Stromversorgungsanordnung mit DC-Zwischenkreis erzielbar.
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Dem ersten Transformator 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' ist jeweils eine Sicherung 9.1, 9.1', 9.2, 9.2', 9.3, 9.3' nachgeschaltet.
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Der erste Transformator 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' und/oder der zweite Transformator 6.1, 6.2 können jeweils als Übertrager ausgebildet sein.
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Der Gleichrichter 7.1, 7.1' 7.2, 7.2', 7.3, 7.3' kann mindestens eine Diode oder mindestens einen Transistor umfassen.
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Eine Zwischenkreisspannung des Wechselspannungs-Zwischenkreises 3.1, 3.2 kann geregelt sein, insbesondere so, dass durch die nachfolgende Übertragung und Gleichrichtung in den Verbrauchern 4.1 bis 4.3 bereits eine hinreichend genaue Spannung erzeugt werden kann. Hierzu können in den Netzteilen 2.1, 2.2 angeordnete Gleichrichter 10.1, 10.2 und Scheitelwertdetektoren 11.1, 11.2 vorgesehen sein, die auf den Wechselrichter 5.1, 5.2 rückgekoppelt sind, so dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters 5.1, 5.2 und damit die Zwischenkreisspannung geregelt wird.
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Eine erforderliche Isolation kann auf die zweiten Transformatoren 6.1, 6.2 und die ersten Transformatoren 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' so verteilt sein, dass in Summe der Aufwand für die geforderte Isolation minimiert wird. Beispielsweise wird eine doppelte Isolation im zweiten Transformator 6.1, 6.2 zwischen einem Eingangskreis mit berührgefährlicher Spannung (beispielsweise Niederspannung) und dem AC-Zwischenkreis 3.1, 3.2 mit nicht berührgefährlicher Spannung vorgesehen, während im ersten Transformator zwischen dem AC-Zwischenkreis 3.1, 3.2 und dem eigentlichen Verbraucher 4.1, 4.2 nur eine funktionale Isolation vorgesehen ist oder alternativ gänzlich auf die Isolation in den ersten Transformatoren 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' verzichtet wird.
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Dem ersten Transformator 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' kann statt der Sicherung 9.1, 9.1', 9.2, 9.2', 9.3, 9.3' oder zusätzlich ein Strombegrenzungselement nachgeschaltet sein. Das Strombegrenzungselement kann als ein Kaltleiter (PTC) oder als eine Stromsenke (current sink) ausgebildet sein.
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Die elektrische Netzanordnung 1 kann in so genannten PoE-Feedern mit mehreren PoE-Ports (PoE – Power over Ethernet) eingesetzt werden. Hierbei stellt ein Kanal des PoE-Feeders einen Verbraucher 4.1 bis 4.3 dar, oder ein Ethernet-Kabel einen Teil des Wechselstrom-Zwischenkreises 3.1, 3.2.
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In einer weiteren Ausführungsform kann außer dem redundanten Verbraucher 4.1, 4.2, 4.3 mindestens ein nicht redundanter Verbraucher vorgesehen sein (nicht gezeigt), der ohne Transformator 8.1, 8.1', 8.2, 8.2', 8.3, 8.3' direkt über den Gleichrichter 7.1, 7.1' 7.2, 7.2', 7.3, 7.3' bzw. Dioden oder Transistoren mit dem Wechselspannungs-Zwischenkreis verbunden ist.
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Die gezeigte Anzahl von Netzteilen 2.1, 2.2, AC-Zwischenkreisen 3.1, 3.2 und Verbrauchern 4.1 bis 4.3 ist exemplarisch gewählt. Es können mehr als zwei Netzteilen 2.1, 2.2 und AC-Zwischenkreise 3.1, 3.2 und mindestens ein redundanter Verbraucher 4.1 bis 4.3 vorgesehen sein.
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Ein Teil einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Netzanordnung 1 ist in 2 dargestellt. Dabei sind statt zweier AC-Zwischenkreise 3.1, 3.2 ein AC-Zwischenkreis 3.1 und ein DC-Zwischenkreis 12 vorgesehen, die jeweils von einem nicht dargestellten Netzteil versorgt werden. Dem redundanten Verbraucher 4.1 ist ein Gleichrichter 7.1 und ein erster Transformator 8.1 zugeordnet, der an dem Wechselspannungs-Zwischenkreis 3.1 angeschlossen ist. Zusätzlich ist der redundante Verbraucher 4.1 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 12 verbunden. Der DC-Zwischenkreis 12 wird dabei im Verbraucher 4.1 hinter Transformation und Gleichrichtung des AC-Zwischenkreises 3.1 gekoppelt. Statt des Gleichrichters 7.1 des AC-Zwischenkreises kann ein Gleichspannungsregler 13 vorgesehen sein.
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Die Verwendung des Gleichspannungs-Zwischenkreises 12 kann auch mit der in 1 gezeigten Ausführungsform kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/025490 A2 [0003]
- DE 19851261 A1 [0004]
