DE19543249A1 - Vorrichtung zur Leistungsregelung von Gasentladungslampen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Leistungsregelung von Gasentladungslampen mit einem Transformator.

Eine Straßenbeleuchtungsanlage wird während der abendlichen Hauptverkehrszeit im allgemeinen mit voller Lichtstärke, also mit Netzspannung betrieben, und in der verkehrsruhigen Nachtzeit mit reduzierter Spannung. Bei Gasentladungslampen muß das Umschalten von der Netzspannung auf die reduzierte Spannung und umgekehrt unterbrechungslos erfolgen, sonst fällt die Lampe aus.

Nach dem Stand der Technik werden dazu stufenlos regelbare Transformatoren verwendet, z. B. ein Spartransformator, der einen Eisenkern mit nur einer Wicklung aufweist, die eingangsseitig mit der Phase des Netzes und dem Nulleiter und ausgangsseitig mit einem Abgriff der Transformatorwicklung und dem Nulleiter verbunden ist. Die abzunehmende Spannung wird durch Abgriff der Leitung, welche zur Phase des Verbrauchers führt, an einer Windung der Wicklung erhalten. Das Verhältnis der abzunehmenden Spannung zur Nennspannung entspricht dabei dem Verhältnis der Zahl der Windungen, die sich zwischen der Ausgangsseite der Wicklung und der abgegriffenen Windung befinden, zu der Gesamtzahl der Windung der Wicklung. Die gesamte Wicklung bildet also die Primärwicklung, während der Wicklungsabschnitt zwischen dem Abgriff und dem Nulleiter die Sekundärwicklung des Spartrafos bildet. Der Wicklungsabschnitt der Primärwicklung zwischen der Phase des Netzes und dem Abgriff wird auch als Lastabschnitt bezeichnet.

Um den Transformator regelbar auszubilden, ist es bekannt, für die Wicklung blanke Drähte zu verwenden, und für den Abgriff einen Abnehmer, der entlang der Wicklung über die blanken Drähte gleitet. Da der gesamte Laststrom über den Abnehmer fließt, muß er entsprechend aufwendig ausgebildet werden. Außerdem ist ein Motor zur Verschiebung des Abnehmers notwendig, und der Abnehmer wird durch den Gleitkontakt der Wicklung abgenutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten Transformator zur Leistungsregelung von Gasentladungslampen bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Wenn die Gasentladungslampen mit voller Lichtstärke, also mit Netzspannung betrieben werden, ist das erste Schaltglied der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschlossen und das zweite Schaltglied offen. Wenn die Helligkeit reduziert, also ein dem Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechender Spannungsabfall erfolgen soll, muß das erste Schaltglied geöffnet und das zweite Schaltglied geschlossen werden. Dazu ist eine bestimmte Umschaltzeit notwendig. Die beiden Schaltglieder werden vorzugsweise durch einen Schütz mit Schließer und Öffner gebildet. Bei einem Schütz als Schaltglied beträgt die Umschaltzeit einige Millisekunden. Um einen Ausfall der Lampe zu verhindern, wird deshalb erfindungsgemäß zuerst das erste Schaltglied geöffnet. Damit geht der Lastabschnitt des Transformators, also der Abschnitt über den der Laststrom fließt, in eine Drossel über. Auf diese Weise wird ein Ausfall der Lampe während des Umschaltvorgangs verhindert. Dann wird das zweite Schaltglied geschlossen, wodurch sich ein dem Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechender Spannungsabfall einstellt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines Spartransformators nach einer Ausführungsform;

Fig. 2 die Schaltung eines Transformators nach einer ersten Ausführungsform;

Fig. 3 die Schaltung eines Spartransformators nach einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 4 die Schaltung eines Transformators nach einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 besteht der Spartransformator aus einem geschlossenen Eisenkern 1 mit einer Wicklung 2. Die gesamte Wicklung 2 bildet die Primärwicklung des Spartransformators, der Abschnitt 4 der Wicklung 2 zwischen der Phase L des Netzes und dem Abgriff 3 der Leitung 5 zur Gasentladungslampe 6 stellt den Lastabschnitt dar, über den der Laststrom IL zur Lampe 6 fließt. Der Wicklungsabschnitt 7 zwischen dem Abgriff 3 und dem Nulleiter N bildet die Sekundärwicklung des Spartransformators, über den der Magnetisierungsstrom IM fließt.

Die Phase L des Netzes ist über eine Bypass-Leitung 8 mit der Leitung 5 verbunden. Die Bypass-Leitung 8 weist ein erstes Schaltglied 9 auf, so daß sie bei geschlossenem Schaltglied 9 den Lastabschnitt 4 überbrückt. Der Ausgang der Sekundärwicklung 7 ist mit dem Nulleiter N über eine Leitung 10 verbunden, die ein zweites Schaltglied 11 aufweist.

Die beiden Schaltglieder 9 und 11 werden durch einen Schütz, also einen fernbetätigten elektromagnetischen Schalter gebildet, genauer gesagt durch den Schließer bzw. Öffner ein und desselben Schützes.

Die Nennspannung ist mit U1 bezeichnet, und die Lastspannung mit U2. Wenn das Schaltglied 9 geöffnet und das Schaltglied 11 geschlossen ist, also bei unbetätigtem Schütz, wird die Lampe 6 mit der durch den Transformator reduzierten Spannung U2 < U1 betrieben. Zum Umschalten der Lastspannung U2 auf die Nennspannung U1 wird der Schütz betätigt. Die Schaltglieder 9, 11, also der Schließer und der Öffner des Schützes werden dabei so gesteuert, daß das Schaltglied 11 geöffnet wird, bevor das Schaltglied 9 geschlossen wird. Damit wirkt der Lastabschnitt 4 während der Umschaltzeit des Schützes kurzzeitig, d. h. beispielsweise 5 bis 50 Millisekunden, als Drossel. Zwar führt die Drossel zu einem Spannungsabfall. Dieser ist jedoch gering, so daß die Lampe 6 während des Umschaltvorgangs mit einer ausreichenden Spannung U2 versorgt wird. Danach schließt das Schaltglied 9, wodurch der Lastabschnitt 4 bzw. die Drossel überbrückt und damit die Lampe 6 mit der Nennspannung U1 betrieben wird, also U2 = U1 ist.

Wenn von der Nennspannung U1 auf eine reduzierte Spannung U2 geschaltet werden soll, wird der Schütz betätigt, so daß das Schaltglied 9 geöffnet wird, wodurch der Lastabschnitt 4 eine Drossel bildet. Danach schließt der Schütz das Schaltglied 11. Damit ist ein unterbrechungsloses Schalten von U2 = U1 nach U2 < U1 und umgekehrt möglich.

Wenn die Nennspannung z. B. 220 V ist, kann die reduzierte Spannung z. B. 180 V sein. In jedem Fall ist darauf zu achten, daß die reduzierte Spannung U2 größer ist als die zum Betrieb der Gasentladungslampe 6 erforderliche Mindestspannung, vorzugsweise 5 V bis 10 V größer als die Mindestspannung, um Schwankungen der Nennspannung zu berücksichtigen.

Bei U2 = U1 ist also der Lastabschnitt 4 des Transformators überbrückt und die Primärwicklung 2 bzw. der Steuerabschnitt 7 außer Betrieb gesetzt. Beim Umschalten auf die reduzierte Spannung U2 < U1 und von der reduzierten Spannung auf die Spannung U2 = U1 werden die beiden Schaltglieder 9, 11 also jeweils so gesteuert, daß der Lastabschnitt 4 eine der Gasentladungslampe 6 vorgeschaltete Drossel bildet.

In Fig. 2 ist ein Normaltrafo mit einer Primärwicklung 12 und einer Sekundärwicklung 13 auf einem geschlossenen Eisenkern 1 dargestellt.

Die Sekundärwicklung 13 bildet den Lastabschnitt des Transformators, also den Abschnitt, über den der Laststrom IL über die Leitung 14 zur Lampe 6 fließt. Die Sekundärwicklung 13 ist mit einer Bypass-Leitung 8 mit einem ersten Schaltglied 9 überbrückbar.

Die Primärwicklung 12 ist eingangsseitig mit der Phase L des Netzes über eine Leitung 15 verbunden, in der das zweite Schaltglied 11 angeordnet ist. Die Ausgangsseite der Primärwicklung 12 ist über eine Leitung 16 mit dem Nulleiter N verbunden.

Wenn die Lampe 5 mit einer reduzierten Spannung U2 < U1 betrieben wird, ist das Schaltglied 9 geöffnet und das Schaltglied 11 geschlossen. Zum Umschalten auf eine Spannung U2 = U1 wird das Schaltglied 11, also der Öffner des Schützes zuerst geöffnet, bevor das Schaltglied 9, also der Schließer des Schützes, geschlossen wird. Während dieser Umschaltzeit von wenigen Millisekunden geht die Sekundärwicklung 13 in Drosselbetrieb über, wodurch eine ausreichende Spannung zum Betrieb der Lampe 6 sichergestellt wird. Danach schließt das Schaltglied 9, wodurch die Lampe 6 mit der Nennspannung U1 betrieben wird, also U2 = U1 ist.

Wenn die Lastspannung U2 auf eine reduzierte Spannung U2 < U1 geschaltet werden soll, wird das Schaltglied 9 zuerst geöffnet, damit die Sekundärwicklung 13 als Drossel wirkt, worauf das Schaltglied 11 geschlossen wird.

Das heißt bei U2 = U1 ist die Sekundärwicklung 13, also der Lastabschnitt des Transformators überbrückt, während die Primärwicklung 12 außer Betrieb gesetzt ist. Beim Umschalten auf die reduzierte Spannung U2 < U1 und von der reduzierten Spannung auf U2 = U1 werden die beiden Schaltglieder 9, 10 somit jeweils so gesteuert, daß die Sekundärwicklung 13 eine der Gasentladungslampe 6 vorgeschaltete Drossel bildet.

In Fig. 3 ist ein Spartransformator dargestellt, mit dem die Lastspannung U2 feinstufig geregelt werden kann. Die Sekundärwicklung 7 nach Fig. 1 ist dabei durch einen Steuerabschnitt 17 ersetzt.

Der Steuerabschnitt 17 ist aus einem ersten Teil 18 und einem zweiten Teil 19 gebildet. Die Windungen des zweiten Teils 19 schließen sich an die Windungen des Lastabschnitts 4 an. Die Windungen des ersten Teils 18 des Steuerabschnittes 17 bestehen aus mehreren Einzelabschnitten I bis IV.

Jeder Einzelabschnitt I bis IV weist in seinem Stromweg ein erstes Schaltglied 24 bis 27 auf. Ferner ist ein Schaltglied 28 bis 31 zwischen der Eingangsseite E und der Ausgangsseite A jedes Einzelabschnittes I bis IV vorgesehen. Von der Eingangsseite E jedes Einzelabschnittes I bis IV führt eine Leitung 32 bis 35 zu den Windungen des betreffenden Einzelabschnittes I bis IV, wobei in den Leitungen 32 bis 35 das erste Schaltglied 24 bis 27 angeordnet ist. Eine weitere Leitung 36 bis 39 führt von den Windungen des jeweiligen Einzelabschnittes I bis IV zu der Ausgangsseite A desselben.

Die Eingangsseite E des ersten Einzelabschnittes I ist über eine Leitung 40 mit der Ausgangsseite des zweiten Teils 19 des Steuerabschnittes 4 verbunden, während die Ausgangsseite A des vom zweiten Teil 19 abgewandten Einzelabschnitts IV über eine Leitung 41 mit dem Nulleiter N verbunden ist. Zwischen den Leitungen 32 und 36, 33 und 37, 34 und 38 sowie 35 und 39 jedes Einzelabschnittes I bis IV befinden sich die Schaltglieder 28 bis 31.

Jeder Einzelabschnitt I bis IV weist eine unterschiedliche Anzahl von Windungen auf. Z. B. kann der Einzelabschnitt I zehn, der Einzelabschnitt II zwanzig, der Einzelabschnitt III vierzig und der Einzelabschnitt IV achzig Windungen aufweisen.

Damit kann die Zahl der Windungen NM des Steuerabschnittes 17, die mit dem Nulleiter verbunden sind entsprechend der abzunehmenden Spannung U2 geändert werden. Die Windungszahl NM des Steuerabschnittes besteht dabei aus der unveränderbaren Windungszahl NM konst. des zweiten Teils 19 und der veränderbaren Windungszahl NM v der Einzelabschnitte I bis IV, die mit dem Nulleiter N verbunden sind.

Das heißt, wenn beispielsweise die Windungszahl NM des Steuerabschnittes 17 aus der Windungszahl NM konst. des zweiten Teils 19 und den zehn Windungen des Einzelabschnittes I zusammensetzen soll, wird das Schaltglied 24 des Einzelabschnitts I geschlossen und das Schaltglied 28 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A des Einzelabschnittes I geöffnet, während die Schaltglieder 25, 26, 27 der übrigen Einzelabschnitte II bis IV geöffnet und die Schaltglieder 29 bis 31 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A der Einzelabschnitte II bis IV geschlossen werden.

Wenn beispielsweise die Windungszahl NM des Steuerabschnittes 17 NM konst. plus siebzig Windungen betragen soll, werden die Schaltglieder 24, 25, 26 der Einzelabschnitte I bis III geschlossen und die Schaltglieder 28, 29, 30 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A der Einzelabschnitte I bis III geöffnet, während das Schaltglied 27 des Einzelabschnittes IV geöffnet und das Schaltglied 31 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A des Einzelabschnittes IV geschlossen wird.

Es ist ersichtlich, daß sich mit den Einzelabschnitten I bis IV gemäß Fig. 3 die Anzahl der zugeschalteten Windungen in sechzehn Schritten von je zehn Windungen von null bis achzig ändern läßt. Dabei entspricht jeder Schritt einer bestimmten Änderung der Größe der abzunehmenden Spannung.

Wenn die Nennspannung U1 beispielsweise 220 V beträgt, die abzunehmende Spannung U2 bei allen zugeschalteten vier Einzelabschnitten I bis IV z. B. 210 V und die abzunehmende Spannung U2 bei allen abgeschalteten vier Einzelabschnitten I bis IV, also nur mit den Windungen des zweiten Teils 19 des Steuerabschnittes 17 z. B. 170 V beträgt, kann die Spannung U2 also zwischen 170 V und 210 V in sechzehn Stufen geändert werden.

Die Änderung der Spannung bei den einzelnen Stufen ist allerdings nicht gleich groß. Das heißt, es besteht keine Linearität zwischen der zugeschalteten Windungszahl und der Änderung der Größe der abzunehmenden Spannung U2.

Die Abhängigkeit zwischen der zugeschalteten Windungszahl NR und der abzunehmenden Spannung U2 ergibt sich aus folgender Formel

worin NL die Windungszahl des Lastabschnittes 4, U1 die Nennspannung und NF die unveränderbare Windungszahl des zweiten Teils 19 des Steuerabschnittes 17 bedeuten.

Aufgrund der Formel (I) wurde errechnet, daß sich beispielsweise mit sechs Einzelabschnitten I bis VI die abzunehmende Spannung U2 bei einer Nennspannung von 220 V von 120 V bis 205 V annähernd in 5 V-Schritten linear ändern läßt, wenn zwei Windungen im Einzelabschnitt I, fünf Windungen im Einzelabschnitt II, elf Windungen im Einzelabschnitt III, vierundzwanzig Windungen im Einzelabschnitt IV und vierundfünfzig bzw. einhundertdrei Windungen im Einzelabschnitt V bzw. VI vorgesehen sind. Bei Beleuchtungsanlagen ist jedoch eine lineare Zu- und Abnahme von U2 häufig nicht erforderlich, mitunter sogar unerwünscht.

Die gesamte wirksame Wicklung, d. h. der Lastabschnitt 4, der zweite Teil 19 des Steuerabschnitts 17 mit der unveränderlichen Windungszahl NF sowie die zugeschalteten Windungen NR des ersten Teils 18 des Steuerabschnitts 17 bilden die Primärwicklung des Spartrafos, während der zweite Teil 19 und die zugeschalteten Windungen NR des ersten Teils 18 die Sekundärwicklung bilden. Es ist ersichtlich, daß damit bei dem Spartrafo die Primär- und Sekundärwicklung verändert werden kann, je nachdem welche Einzelabschnitt I bis IV zusammengeschaltet und mit dem Nulleiter N verbunden sind.

Der Trafo kann auch drei-phasig ausgeführt werden.

Wenn gemäß Fig. 3 das erste Schaltglied 24 bis 27 und das zweite Schaltglied 28 bis 31 der Einzelabschnitt T bis IV gleichzeitig geschlossen werden, ist der betreffende Einzelabschnitt I bis IV kurzgeschlossen, so daß er zerstört werden kann. Als Schaltglieder 24 bis 31 können Schütze, also fernbetätigte elektromagnetische Schalter verwendet werden, die preiswert sind und Millionen von Umschaltungen standhalten.

Bei Verwendung von Schützen als Schaltglieder 24 bis 31 ist eine kurze Unterbrechung des Magnetisierungsstromes IM jedoch unvermeidbar. Während der Umschaltzeit, also dieser kurzen Unterbrechung von beispielsweise wenigen Millisekunden wirkt der Lastabschnitt 4 als Drossel für die Lampe 6. Dadurch wird an die Lampe 6 während der Umschaltzeit eine Spannung angelegt, die der Nennspannung U1 minus der Lastspannung UL entspricht. Das heißt, wenn beispielsweise die Nennspannung 220 V beträgt und die Lastspannung 5 V, und damit wird beim Schalten mit einem Schütz an die Lampe 6 eine Spannung von 215 V angelegt. Dabei kann ein kurzes Zucken des Lichtes auftreten.

Die beiden Schaltglieder 24 und 28, 25 und 29, 26 und 30 sowie 27 und 31 jedes Einzelabschnittes I bis IV sollen also möglichst einerseits gleichzeitig schalten, damit das Zucken wegfällt, andererseits dürfen sie nicht gleichzeitig geschlossen sein, weil sonst ein Kurzschluß auftritt.

Der Kurzschlußstrom benötigt allerdings eine bestimmte Zeit von z. B. zwei bis zehn Millisekunden, bis er sich voll aufbaut. Wenn daher Schaltglieder 24 bis 31 verwendet werden, die eine sehr kurze Umschaltzeit besitzen, beispielsweise eine Umschaltzeit, die die Hälfte oder weniger der Aufbauzeit für den Kurzschlußstrom beträgt, ist die Gefahr, daß ein Kurzschluß zu einer Beschädigung des betreffenden Einzelabschnittes I bis IV führt, wesentlich reduziert.

Die preiswerteren handelsüblichen Schütze sind also ohne weiteres einsetzbar, wenn die erwähnten Spannungsspitzen beim Umschalten in Kauf genommen werden, die sich durch ein kurzes Zucken des Lichts der Lampe 6 äußern. Die preiswerteren Schütze sind allerdings dann nicht mehr einsetzbar, wenn die Schalter 24 und 28, 25 und 29, 26 und 30 sowie 27 und 31 der Einzelabschnitte I bis IV gleichzeitig betätigt werden, auch dann nicht, wenn die Umschaltzeit der Schütze kürzer ist als die Aufbauzeit des Kurzschlußstromes.

Um dem abzuhelfen, können entweder größer dimensionierte Schütze verwendet werden oder es können in dem Stromweg der Einzelabschnitte I bis IV an beliebiger Stelle, beispielsweise in den Leitungen 36 bis 39 ein Widerstand oder eine Drossel angeordnet werden, die für den Einzelabschnitt I in Fig. 3 durch den Widerstand 43 in der Leitung 36 gezeigt ist. Durch den Widerstand bzw. die Drossel wird der Kurzschlußstrom für kurze Zeit entsprechend begrenzt. Ferner kann durch eine nicht dargestellte Sicherung in Serie mit der Drossel 43 ein Trafobrand bei Fehlschaltungen verhindert werden.

Bei dem Normaltrafo nach Fig. 4 ist die Primärwicklung 12 in gleicher Weise aus Einzelabschnitten I bis IV aufgebaut, wie der erste Teil 18 des Steuerabschnitts 17 des Spartrafos nach Fig. 3. Demgemäß werden in Fig. 4 auch die gleichen Bezugsziffern für die Schaltglieder 24 bis 31, die Leitungen 32 bis 39 und den Widerstand 43 verwendet. Das Schaltglied 11 ist in der Leitung 16 angeordnet, welche den Ausgang des Einzelabschnittes IV mit dem Nulleiter N verbindet.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Leistungsregelung von Gasentladungslampen mit einem Transformator, gekennzeichnet durch ein erstes Schaltglied (9) mit dem der Lastabschnitt (4, 13) des Transformators überbrückbar ist und ein zweites Schaltglied (11) mit dem die Primärwicklung (2, 12) des Transformators außer Betrieb setzbar ist, wobei beim Umschalten zur Änderung der Spannung (U2) an der Gasentladungslampe (6) die beiden Schaltglieder (9, 11) so gesteuert sind, daß der Lastabschnitt (4, 13) eine Drossel bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltglieder (9, 11) durch einen Schütz mit Öffner und Schließer gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und/oder Sekundärwicklung (2, 12; 17, 13) zumindest teilweise aus Einzelabschnitten (I bis IV) besteht, die in einer der Spannung (U2) an der Gasentladungslampe (6) entsprechenden Kombination zusammenschaltbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einzelabschnitt (I bis IV) vorgesehen ist, der in seinem Stromweg ein erstes Schaltglied (24 bis 27) und zwischen seinem Eingang (E) und seinem Ausgang (A) ein weiteres Schaltglied (28 bis 31) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einzelabschnitt (I bis IV) einen Widerstand, eine Drossel (43) und/oder eine Sicherung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Spartransformator ausgebildet ist, dessen Transformatorwicklung einen eingangsseitig an die Phase (L) des Netzes und ausgangsseitig an die Phase der Gasentladungslampe (6) angeschlossenen Lastabschnitt (4) und einen ausgangsseitig mit dem Nulleiter (N) verbundenen Steuerabschnitt (17) aufweist, der zumindest teilweise aus den Einzelabschnitten (I bis IV) besteht, die in einer der Spannung (U2) an der Gasentladungslampe (6) entsprechenden Kombination mit dem Nulleiter (N) verbindbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt (17) aus einem ersten Teil (18) und einem zweiten Teil (19) zwischen dem ersten Teil (18) und dem Lastabschnitt (4) besteht, wobei die Zahl der mit dem Nulleiter (N) verbundenen Windungen des zweiten Teils (19) unveränderbar und die Zahl der mit dem Nulleiter (N) veränderbaren Windungen des ersten Teils (18) veränderbar ist.