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Die
Erfindung betrifft ein universelles Energieversorgungssystem für wenigstens
einen elektrischen Verbraucher mit zumindest einer Wechselspannungsquelle
und einem diese mit dem elektrischen Verbraucher verbindenden Kabelverbindung, wobei
der Wechselspannungsquelle eine AC/DC-Wandlereinrichtung zur Umwandlung
der Wechselspannung in Gleichspannung zugeordnet ist, welche Gleichspannung über die
Kabelverbindung an den elektrischen Verbraucher übertragbar ist.
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Bei
einem solchen aus der Praxis bekannten universellen Energieversorgungssystem
hat sich allerdings herausgestellt, dass die Versorgung nicht immer
gewährleistet
ist und auch zum Teil die erzeugte Gleichspannung nicht hoch genug
und nicht stabil genug ist, um insbesondere eine Versorgung mit
hoher Leistung zu gewährleisten.
Falls die AC/DC-Wandlereinrichtung ausfällt, ist die Energieversorgung
des elektrischen Verbrauchers unterbrochen. Eine Redundanz hinsichtlich
der Wandlereinrichtung ist zu teuer und wird in der Praxis kaum
realisiert.
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Weiterhin
hat sich herausgestellt, dass bei bekannten Energieversorgungssystemen
der Wirkungsgrad relativ schlecht ist und nur in der Größenordnung
von ca. 50 % liegt. Der Rest der Energie wird in diesem Fall in
Wärme umgesetzt.
Zur Abfuhr der Wärme
müssen
entsprechende Kühlsysteme
eingebaut werden, die den Wartungsaufwand und die Kosten erhöhen.
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Dem
Anmeldungsgegenstand liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein universelles
Energieversorgungssystem der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass mit geringem baulichen Aufwand und mit geringen
Kosten eine Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers auch über große Entfernungen
gesichert und eine entsprechende Spannungsversorgung stabilisiert
ist, wobei gleichzeitig der Wirkungsgrad relativ hoch ist und eine
Redundanz im System vorhanden ist.
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Diese
Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die AC/DC-Wandlereinrichtung
eine Mehrzahl von AC/DC-Wandlerbausteine aufweist, welche eingangsseitig
parallel mit der Wechselspannungsquelle und ausgangsseitig seriell
mit dem elektrischen Verbraucher verschaltet sind, wobei jeder Wandlerbaustein
als getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet ist.
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Durch
die Verwendung einer Mehrzahl oder Vielzahl von AC/DC-Wandlerbaustein
ist jeder einzelne Wandlerbaustein nur für die Bereitstellung eines bestimmten
Anteils der ausgangsseitig benötigten Spannung
verantwortlich. Sind alle Wandlerbausteine gleichartig aufgebaut,
stellt jeder einzelne Wandlerbaustein beispielsweise nur den nten-Teil
der erforderlichen Ausgangsspannung zur Verfügung. Fällt in diesem Zusammenhang
ein Wandlerbaustein aus, reduziert sich die Ausgangsspannung nur
um den n-ten-Teil. Diese Verminderung der Ausgangsspannung ist so
gering, dass beispielsweise bei 10, 20, 30 oder mehr Wandlerbausteine
immer noch eine ausreichende Spannungsversorgung des elektrischen Verbrauchers
gewährleistet
ist.
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Da
Leistung und Energie auf viele einzelne Wandlerbausteine verteilt
bereitgestellt werden, wird eine entsprechende Verlustleistung eines
jeden Wandlerbausteins nur in eine relativ geringe Wärmemenge
umgesetzt. Diese ist in einfacher Weise beispielsweise durch an
den Wandlerbaustein vorbeigeführte
Luft abführbar.
Es ist nicht erforderlich, aufwendige und gegebenenfalls wartungsintensive
sowie kostspielige Kühlsysteme
zu verwenden. Dies gilt insbesondere für hohe Leistungen im kW-Bereich.
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Die
geringe Verlustleistung bzw. der hohe Wirkungsgrad der Wandlerbausteine
ergibt sich insbesondere dadurch, dass als Wandlerbausteine getaktete
Schaltnetzteile verwendet werden. Diese haben gegenüber linear
geregelten Netzteilen eine geringere Verlustleistung, geringeres
Gewicht, geringeres Volumen, keine Geräuschentwicklung, geringeren
Glättungsaufwand
und einen größeren Eingangsspannungsbereich.
Solche Schaltnetzteile werden vielfältig eingesetzt, wie beispielsweise
bei Mikrowellenherden, Computern, elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen,
Industrie- und Unterhaltungsindustrie-Elektronik, Bildschirme, Herzdefibrillatorenbrilliatoren
usw. und ebenfalls bei Einrichtungen, die neben einer hohen Spannung
auch eine hohe Leistung erfordern.
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Die
Schaltnetzteile lassen sich in primär und sekundär getaktete
Schaltnetzteile unterteilen. Zu den sekundär getakteten Schaltnetzteilen
gehören beispielsweise
Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller. Um allerdings eine galvanische
Trennung zwischen Eingang und Ausgang zu realisieren, können erfindungsgemäß primär getaktete
Schaltnetzteile und insbesondere Sperrwandler als Wandlerbausteine verwendet
werden. Solche Sperrwandler werden auch als Flyback-Converter bezeichnet.
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Ist
beispielsweise die Wechselspannungsquelle eine 380 VAC-Drehstromquelle,
kann eine auf der Ausgangsseite benötigte Spannung von beispielsweise
6000 V mittels 30 Sperrwandlern als Wandlerbaustein erzeugt werden,
wobei jeder Wandlerbaustein 200 V DC-Spannung erzeugt. Da die Wandlerbausteine
auf der Ausgangsseite seriell geschaltet sind, ergibt sich 30 × 200 V
= 6000 V Ausgangsspannung.
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Da
die Eingänge
aller Wandlerbausteine aber parallel angeordnet sind, ist die Spannungsversorgung
und damit Strom und Leistung völlig
voneinander getrennt. Da jeder Sperrwandler für sich steuer- oder regelbar
ist, ist außerdem
eine hochgenau und präzise
Regelung der Ausgangsspannung möglich.
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Selbstverständlich ist,
dass auch weniger oder mehr Wandlerbausteine zur Erzeugung einer anderen
Ausgangsspannung eingesetzt werden können.
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Um
eine entsprechende Taktung bei dem Sperrwandler in einfacher Weise
durchführen
zu können,
weist dieser als getaktete Schalteinrichtung wenigstens einen Transistor,
insbesondere Leistungs-MOSFET oder BIMOSFET oder auch einen Thyristor
auf.
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Um
die Schalteinrichtung exakt und reproduzierbar takten zu können, kann
die Schalteinrichtung zur Taktung von einer insbesondere steuer-
oder regelbaren Impulsbreitenmodulationseinrichtung angesteuert
werden. Diese gibt Folgen von Pulsen ab, die in ihrer Breite und/oder
Höhe und/oder
Frequenz variierbar sind. Bevorzugt kann eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung
verwendet werden. Liegt insbesondere ein Endtakt-Sperrwandler vor, so ist eine Impulsbreitenmodulationseinrichtung
ausreichend, während
bei Gegentaktwandlern zwei Impulsbreiten-modulierte Ausgänge erforderlich
sind.
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Die
Ansteuerung des Leistungstransistors im Sperrwandler erfolgt durch
ein entsprechendes Pulssignal, dessen Tastverhältnis entsprechend zum gemessenen
Istwert der Ausgangsspannung geregelt wird. Dabei wird der Istwert
der Spannung vom Sollwert subtrahiert und diese Differenz über einen
Regelverstärker
der Impulsbreitenmodulationseinrichtung zugeführt. Hier wird die Ausgangsspannung
des Regelverstärkers
mit einer sägezahnförmigen Spannung
verglichen, deren Frequenz die Schaltfrequenz des Sperrwandlers
bestimmt. In Abhängigkeit
vom Ergebnis des Vergleichs wird der Leistungstransistor ein- oder
ausgeschaltet und auf diese Weise wird die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt.
Die Einstellung kann zumindest bis zu einem solchen Wert erfolgen,
der einen Sicherheitsabstand zur Durchbruchspannung eines Bauteils
des Sperrwandlers, insbesondere der Schalteinrichtung einhält.
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Solche
Einstellung der Ausgangsspannung ist insbesondere im Falle des Ausfalls
eines oder mehrerer der Wandlerbausteine von Vorteil. Fällt bei der
oben angegebenen Anzahl von 30 Wandlerbausteine beispielsweise einer
aus, wird die Ausgangsspannung nur um 200 V vermindert. Das System
an sich ist aber weiterhin funktionsfähig und kann den elektrischen
Verbraucher mit ausreichend Leistung versorgen. Außerdem besteht
durch die Einstellbarkeit der Ausgangsspannung eines jeden Wandlerbausteins
noch die Möglichkeit,
die fehlenden 200 V über
vorteilhafterweise alle übrigen
Wandlerbausteine nachzuregeln. Da jeder der übrigen Wandlerbausteine nur
einen minimalen Anteil der fehlenden 200 V erzeugen muss, wird die
Ausgangsspannung jeweils nur um einen kleinen Betrag erhöht. Die
Wandlerbausteine können
dabei so ausgelegt sein, dass sie beispielsweise im Normalbetrieb
bei Arbeiten aller Wandlerbausteine als Ausgangsspannung nur einen Bruchteil
der von ihnen maximal erzeugbaren Ausgangsspannung abgeben. Dadurch
ist der Nachregelbereich relativ groß, so dass auch mehrere Wandlerbausteine
ohne Zusammenbruch des Systems ausfallen können (Redundanz).
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Bevorzugt
erfolgt eine Taktung des Sperrwandlerbereichs von einigen Kilohertz
bis zu einigen hundert Kilohertz. Beispielsweise sind Taktbereiche von
20 kHz bis 200 kHz für
solche Sperrwandler bekannt. Ist die Taktfrequenz in diesem Zusammenhang
relativ hoch, wird die gesamte Breite einer entsprechenden Schwingung
der umzuwandelnden Wechselspannung abgetastet und zur Umsetzung
in eine entsprechende Gleichspannung umgesetzt. Störfrequenzen
auf der Kabelverbindung sind ebenfalls ungefähr in dem Bereich der Taktfrequenz,
was bei einer Verwendung von 100 kHz zu bereits relativ hohen Störfrequenzen
führt.
Solche hohen Störfrequenzen
haben in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Bauteile des
Energieversorgungssystems oder auf den elektrischen Verbraucher.
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Falls
die Störfrequenzen
in einen noch höheren
Frequenzbereich verschoben werden sollen, können zumindest einige der getakteten
Schaltnetzteile in ihren Taktfrequenzen zueinander phasenverschoben
sein. Zwar wird für
jeden der einzelnen Sperrwandler eine Eigenfrequenz beibehalten,
d.h. beispielsweise eine Taktfrequenz von 100 kHz. Mit dieser Frequenz
wird entsprechend Gleichstrom sekundärseitig ins Kabel eingespeist.
Wird diese getaktete Einspeisung durch die Phasenverschiebung der Taktung
einzelner Wandlerbausteine beispielsweise um jeweils nur einen Nano-Sekundenbruchteil
zum Zeitpunkt der Einspeisung verschoben, hält man eine System-Grenzfrequenz,
d.h., die Grenzfrequenz der Störung
auf der Sekundärseite,
von 100 kHz × n,
wobei n die Anzahl der in ihren Taktfrequenzen phasenverschobenen
Sperrwandler ist. Ist n beispielsweise gleich 30, ergibt sich eine
System-Grenzfrequenz von 3 MHz. Gleichzeitig wird die Höhe der abgegebenen
Störspannung
auf 1/n der Störspannung
eines Einzelbausteins reduziert.
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Eine
solche Verschiebung der System-Grenzfrequenz ist insbesondere dann
von erheblichem Vorteil, wenn gleichzeitig zur Energieversorgung
eine Datenübertragung über die
Kabelverbindung erfolgt. Dazu kann erfindungsgemäß eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung
vorgesehen sein. Diese dient sowohl zum Einspeisen von Daten, die
an beispielsweise den elektrischen Verbraucher zu übermitteln
sind, als auch zum Auskoppeln von Daten, die vom elektrischen Verbraucher
oder anderen Einheiten der Einrichtungen des Energieversorgungssystems
erhalten werden.
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Da
eine entsprechende Datensignalübertragung
in der Regel im Bereich von einigen 10 kHz erfolgt, sind eventuelle
Reststörungen
durch die System-Grenzfrequenz weit weg von jeglicher Datenübertragungsbandbreite.
Aufwendige Filterung, wie beispielsweise durch Siebelektrolytkondensatoren sind
zur Glättung
der Ausgangsspannung nicht notwendig und man erhält eine sichere und schnellstmögliche Datenübertragung
auf einer nahezu ungestörten
Kabelverbindung.
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Um
die Datenübertragung
noch sicherer zu gestalten, kann eine einfache Filtereinrichtung
zwischen AC/DC-Wandlereinrichtung und elektrischem Verbraucher angeordnet
sein. Diese wird erfindungsgemäß allerdings
nur eingesetzt, um im Bereich der Datenübertragung verbleibende Störungen auszufiltern,
d.h. bis zu einigen 10 kHz, beispielsweise 50 kHz.
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Um
alle Einrichtungen des Energieversorgungssystems und gegebenenfalls
auch den elektrischen Verbraucher über die Kabelverbindung zu überwachen,
zu steuern und gegebenenfalls zu regeln, kann zumindest der Wechselspannungsquelle und/oder
der AC/DC-Wandlereinrichtung und/oder der Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung
wie gegebenenfalls auch dem elektrischen Verbraucher ein Controller
zugeordnet sein. Durch einen solchen Controller erhält man ein
intelligentes Versorgungssystem, das eine Vielzahl von Parametern
steuert und/oder regelt. Ein Beispiel für die Tätigkeit des Controllers kann
darin gesehen werden, dass dieser die Sperrwandler nicht nur in
ihrer Ausgangsspannung regelt, sondern diese auch in ihrer Funktion überwacht.
Fällt beispielsweise
ein Sperrwandler aus, so kann an eine entsprechende Überwachungseinrichtung
durch den Controller eine Mitteilung erfolgen, dass ein und gegebenenfalls
auch welcher Sperrwandler ausgefallen oder in seiner Funktion beeinträchtigt ist.
Gleichzeitig kann der Controller die übrigen Sperrwandler so regeln,
dass sie den Spannungsausfall kompensieren. Auch hierüber kann
eine entsprechende Mitteilung erfolgen. Durch das erfindungsgemäße System
kann nach Ausfall einer Reihe von Sperrwandlern auch eine entsprechende
Reparaturaufforderung durch den Controller abgegeben werden, wobei
bis zum Zeitpunkt der Reparatur die volle Funktionsfähigkeit
des Energieversorgungssystems gewährleistet wäre.
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Der
Controller kann auch weitere eventuelle Defekte im Energieversorgungssystem
und gegebenenfalls auch in den von diesem versorgten elektrischen
Verbrauchern feststellen. So können über die Datensignalverbindung
elektrische Verbraucher gegebenenfalls ein- und ausgeschaltet, in
ihrer Tätigkeit
steuert oder in anderer Weise beeinflusst werden.
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Um über den
Controller auch gleichzeitig eine direkte Abfrage verschiedener
Einrichtungen und auch des elektrischen Verbrauchers zu ermöglichen,
kann durch den Controller eine Kommunikationsverbindung mit den
jeweiligen Einrichtungen des Energieversorgungssystems und gegebenenfalls auch
dem elektrischen Verbraucher hergestellt sein.
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Bezüglich der
Sperrwandler sei noch angemerkt, dass entsprechende Bausteine zu
deren Regelung als integrierte Schaltungen realisiert sein können, die
auch direkt im Sperrwandler enthalten sein können. Solche integrierten Schaltungen
können
entsprechende Einrichtungen zur Leistungsfaktorsteuerung, Unterspannungserkennung
und Überstromüberwachung
aufweisen. In der Pulsbreitenmodulationseinrichtung kann außerdem eine
sogenannte "Soft-Start-Schaltung" vorhanden sein,
die die Einschaltdauer beim Anlegen der Betriebsspannung allmählich auf
den stationären
Wert anwachsen lässt.
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Um
gegebenenfalls unterschiedliche Sperrwandler verwenden zu können und
diese alle bei Ausfall von einem Sperrwandler nachregeln zu können bzw.
bei sonst gleichen Sperrwandlern jeden für sich ansprechen zu können, kann
jeder einzelne der Wandler bezüglich
seiner Ausgangsspannung separat steuer- oder regelbar sein. Dies
erfolgt normalerweise über
die Pulsbreitenmodulationseinrichtung.
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Insbesondere
wenn die verschiedenen Sperrwandler räumlich getrennt voneinander
angeordnet sind, wobei der räumliche
Abstand auch nur in der Größenordnung
der Dimension eines Sperrwandlers selbst sein muss, ist bereits
ausreichend Platz zwischen den einzelnen Sperrwandlern vorhanden,
um nur durch Luft- oder Wasserströmung eine Kühlung im Hinblick auf die Verlustwärme zu gewährleisten.
Andere aufwendige Kühlsysteme
sind nicht erforderlich.
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Im
Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen universellen
Energieversorgungssystems, und
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2 eine Prinzipskizze für ein Ausführungsbeispiel
eines Sperrwandlers zur Verwendung in dem Energieversorgungssystem
nach 1.
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1 zeigt eine vereinfachte
Prinzipdarstellung für
ein Ausführungsbeispiel
eines universelles Energieversorgungssystem 1 gemäß Erfindung.
Dieses weist eine Leitung 24 auf, mit der Eingangsanschlüsse 23 von
eine AC/DC-Wandlereinrichtung 5 bildenden AC/DC-Wandlerbaustein 6 parallel
verbunden sind. Die Leitung 24 ist mit einer 380 V AC-Drehstromquelle 3 als
Wechselspannungsquelle verbunden.
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Die
AC/DC-Wandlerbausteine 6 sind durch als Sperrwandler 8 ausgebildete
Schaltnetzteile 7 gebildet. Diese sind primär getaktet,
siehe hierzu auch 2.
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Die
verschiedenen Sperrwandler 8 weisen entsprechende Schaltkreise 16, 17, 18 zur
Leistungsfaktorsteuerung, Unterspannungserkennung und entsprechend Überstromüberwachung
auf. Diese Schaltkreise können
Teil des Sperrwandlers oder jedem der Sperrwandler zugeordnet sein.
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Es
ist selbstverständlich,
dass alle Sperrwandler nach 1 mit
einer solchen integrierten Schaltung oder integrierten Schaltkreisen
versehen sein können.
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Ausgangsseitig
sind die Sperrwandler 8 mit einem Ausgangsanschluss 22 seriell
mit der durch ein Koaxialkabel 15 gebildeten Kabelverbindung 4 verbunden. Über ein
solches Koaxialkabel kann selbst bei dünnem Querschnitt eine erhebliche
Leistung und eine große
Menge von Daten auch über große Entfernung
im Bereich von 50, 60, 70 oder mehr km übertragen werden. Aufgrund
des dünnen Querschnitts
für solche
Koaxialkabel 15, wobei dieser Querschnitt sich durch die
Versorgung mit Gleichspannung ergibt, ist die Kabelverbindung im
Vergleich zu bekannten Kabelverbindungen, über die Wechselstrom übertragen
wird, erheblich preiswerter.
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Das
Koaxialkabel 15 weist anschließend an die AC/DC-Wandlereinrichtung 5 eine
Filtereinrichtung 12 auf. Diese filtert verbleibende Störungen im Frequenzbereich
bis zu einigen 10 kHz aus, die eine Datenübertragung über das Koaxialkabel 15 gegebenenfalls
stören
könnten.
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Zwischen
Filtereinrichtung 12 und dem wenigstens einen elektrischen
Verbraucher 2, der von dem universellen Energieversorgungssystem 1 nach Erfindung
mit Gleichspannung und hoher Leistung versorgt wird, ist eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung 13 angeordnet. Über diese
werden entsprechende Datensignale in das Koaxialkabel 15 eingekoppelt
bzw. von anderen Einrichtungen über
das Koaxialkabel 15 übermittelte
Datensignale ausgekoppelt. Auf diese Weise ist eine störungsfreie
Datenübertragung
mit hoher Geschwindigkeit über
das Koaxialkabel erfindungsgemäß möglich. In
diesem Zusammenhang ist noch zu beachten, dass durch eine Phasenverschiebung
der Frequenzen der einzelnen der Sperrwandler 8 die System-Grenzfrequenz
in den Bereich von MHz verschoben ist, so dass diese Grenzfrequenz
weit weg von jeglicher Datenübertragungsbandbreite
ist und somit eine sichere und mit hoher Geschwindigkeit erfolgende
Datenübertragung möglich ist.
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Der
elektrische Verbraucher 2 kann beispielsweise ein Aktuator
sein, wobei selbstverständlich
ist, dass entsprechend mehrere elektrische Verbraucher 2 über das
Koaxialkabel 15 sowohl mit Leistung als auch mit Daten
versorgt werden können.
Ein solcher Aktuator dient beispielsweise der Steuerung von Einrichtungen
entlang einer Fluidleitung. Die entsprechenden Einrichtungen bzw.
Aktuatoren zu deren Betätigung
sind in der Regel an schwer erreichbaren oder unwegsamen und beengten
Orten angeordnet. Das Fluid kann unter hohem Druck in die oder durch
die Fluidleitung strömen,
so dass beispielsweise eine Einrichtung ein Notabsperrorgan ist,
das bei einem Leck in der Fluidleitung ein Austreten des möglicherweise
aggressiven oder umweltschädlichen
Fluids in die Umgebung verhindert. Weitere Einrichtungen zur Betätigung durch
die Aktuatoren sind Ventile, Drosseln, Pumpen oder dergleichen.
Die Aktuatoren benötigen
in der Regel eine hohe Leistung, da das Fluid unter hohem Druck
und gegebenenfalls auch mit großer
Menge durch die Fluidleitung oder in diese hineinströmt. Es ist
auch möglich,
bereits beim Einströmen,
d.h. im Wesentlichen an der Quelle des Fluid eine entsprechende
Absperrung vorzunehmen, um ein unkontrolliertes Ausströmen des
Fluids in die Umgebung zu verhindern.
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In
diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich von Vorteil, wenn entsprechende
Parameter der Aktuatoren und der von ihnen gesteuerten Einrichtungen,
wie Stellungen des Ventils, des Absperrorgans, Tätigkeit der Pumpen und dergleichen über die
Kommunikationsverbindung abfragbar und überwachbar sind.
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Die
Steuerung der Kommunikationsverbindung sowie die Überwachung
aller Einrichtungen erfolgt über
einen Controller 14, der mit allen entsprechenden Einrichtungen
und auch den elektrischen Verbrauchern 2 verbunden ist.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel
für einen Sperrwandler 8 dargestellt,
wie er in den AC/DC-Wandlerbausteinen 6 nach 1 Verwendung findet.
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Der
Sperrwandler 8 weist als Übertrager 19 eine
Primär-
und eine Sekundärwicklung
auf. Die Primärwicklung
ist an einem ihrer Enden mit dem Eingangsanschluss 23 und
mit ihrem anderen Ende mit der Schalteinrichtung 9 verschaltet.
Die Schalteinrichtung 9 ist als Leistungs-MOSFET 10 ausgebildet. Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
die Schalteinrichtung 9 als BIMOSFET oder als Leistungsthyristor auszubilden.
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Die
Sekundärwicklung
ist über
eine Diode 20 mit dem Ausgangsanschluss 22 verschaltet,
wobei die entsprechenden Ausgangsanschlüsse 22 aller Sperrwandler 8 nach 1 so angeordnet sind, dass diese
seriell mit dem Koaxialkabel 15 verbunden sind. Entsprechend
erfolgt die Verschaltung der Eingangsanschlüsse 23 derart, dass
alle Sperrwandler 8 parallel an der Leitung 24 angeschlossen
sind.
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Parallel
zur Sekundärwicklung
ist ein Kondensator 21 verschaltet. Weiterhin weist der
Sperrwandler 8 zur Taktung der Schalteinrichtung 9 eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung 11 auf.
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Bei
der in 2 dargestellten
Schaltung wirkt der Übertrager 19 als
magnetischer Energiespeicher. Bei eingeschalteter Schalteinrichtung 9 steigt
der Strom in der Primärwick lung
an und es wird Energie im Übertrager
gespeichert. Wird die Schalteinrichtung 9 geöffnet, siehe 2, wird die gespeicherte
Energie auf die Sekundärwicklung
des Übertragers 19 und
weiter an den Glättungskondensator übertragen. Über den
Ausgangsanschluss 22 ist die geglättete Gleichspannung an die
Kabelverbindung 4 abgebbar. Es addieren sich die von jedem
der Spannungswandler 8 nach 1 abgegebenen
Ausgangsspannungen zur Gesamtsystemspannung.
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Die
Pulsbreitenmodulationseinrichtung 11 ist bereits weiter
oben beschrieben worden und sie dient insbesondere zur Einstellung
der Ausgabespannung eines jeden Sperrwandlers für sich. Die maximale Ausgangsspannung
ist normalerweise durch die Durchbruchspannung der Schalteinrichtung 9 bzw. des
entsprechenden Leistungs-MOSFET 10 bestimmt.
Dabei ist zu beachten, dass in der Regel die Durchbruchspannung
der Steuereinrichtung zumindest doppelt so hoch wie die Maximalversorgungsspannung
ist. Das heißt,
bei 380 V AC-Drehstrom beträgt
die Durchschlagsspannung ungefähr
800 V.
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Demgemäß besteht
folglich die Möglichkeit, Leistung
für einen
elektrischen Verbraucher mit der dazugehörenden Spannung präzise zu
regeln und mit einer Vielzahl von Sperrwandlern die Regelung durchzuführen. Durch
die Phasenverschiebung der Taktung eines jeden Sperrwandlers ergibt
sich außerdem
eine sehr hohe System-Grenzfrequenz, die eine störungsfreie Datenübertragung über die
entsprechende Kabelverbindung auch über lange Kabelstrecken und
selbst bei dünnem
Kabelquerschnitt mit einer hohen Geschwindigkeit ermöglicht.
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Bei
Ausfall eines oder mehrerer der Sperrwandler werden die übrigen Sperrwandler
einfach in ihrer Ausgangsspannung nachgeregelt, so dass weiterhin
eine ausreichende Spannungs- und Leistungsversorgung auf der Ausgangsseite
für die
entsprechenden elektrischen Verbraucher vorhanden ist.
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Das
erfindungsgemäße System
bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber beispielsweise nur einem
Sperrwandler als AC/DC-Wandlereinrichtung, der die gesamte Leistung
und Spannung ausgangsseitig bereitstellen muss, wobei in der Regel
nur Spannungen von bis weniger als 3000 Volt ausgangsseitig möglich sind,
da die Spannungsfestigkeit der entsprechenden Bauteile unter 3000
V Durchschlagspannung liegt. Erfindungsgemäß kann die Ausgangsspannung
3000 V, 6000 V und auch mehr betragen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
universelles Energieversorgungssystem für wenigstens einen elektrischen
Verbraucher weist zumindest eine Wechselspannungsquelle und eine diese
mit dem elektrischen Verbraucher verbindende Kabelverbindung auf.
Der Wechselspannungsquelle ist eine AC/DC-Wandlereinrichtung zur
Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung zugeordnet. Die
Gleichspannung wird über
die Kabelverbindung an den elektrischen Verbraucher übertragen.
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Um
ein solches universelles Energieversorgungssystem dahingehend zu
verbessern, dass bei geringem baulichen Aufwand und mit geringen
Kosten eine Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers auch über große Entfernung
gesichert und eine entsprechende Spannungsversorgung stabilisiert
ist, wobei gleichzeitig der Wirkungsgrad relativ hoch ist und eine
Redundanz im System vorhanden ist, weist die AC/DC-Wandlereinrichtung
eine Reihe von AC/DC-Wandlerbausteine auf, welche eingangsseitig
parallel mit der Wechselspannungsquelle und ausgangsseitig seriell
mit dem elektrischen Verbraucher verschaltet sind, wobei jeder Wandlerbaustein als
getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet ist.