DE19718127A1 - Schaltungsanordnung zum Einstellen einer Wechselstromverbraucherspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Einstellen einer an einen Wechselstromverbraucher, insbesondere einer Lampe anliegenden Spannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer ersten Wicklung, an welcher eine Ver­ sorgungs-Wechselspannung anliegt, und einer mit der ersten Wicklung transforma­ torisch gekoppelten zweiten Wicklung.

Eine derartige Schaltungsanordnung wird beispielsweise beim Betrieb von Leucht­ mitteln jeglicher Art, insbesondere beim Betrieb von Leuchtstoffröhren, Natrium- und Quecksilberdampflampen und anderen Ionenröhren zum Einsparen von Energie verwendet. Zum Zünden von Leuchtstoffröhren bzw. Zünden und Einbrennen von Natrium- und Quecksilberdampflampen oder anderer Ionisationslampen wird eine bestimmte Spannung, wie beispielsweise 230 Volt Wechselspannung benötigt. Nach der Anlaufphase genügt für den weiteren Betrieb der Lampen eine geringere Spannung, die in ihrer Höhe unterschiedlich sein kann. Durch die geringere Span­ nung verringert sich zwar die abgegebene Lichtmenge, dies kann jedoch ohne be­ sondere Nachteile hingenommen werden, da der maximale Wirkungsgrad von Ioni­ sationslampen unterhalb der angegebenen Nennspannung liegt und somit die Ab­ senkung des Lichtstromes nicht proportional zur Verringerung der an der Lampe an­ liegenden Betriebsspannung ist. Die durch die Verringerung der Betriebsspannung eingesparte Energie ist jedoch erheblich und kann beispielsweise bei Leuchtstoffröh­ ren bis zu 30% betragen.

Für die Absenkung der Betriebsspannung werden Transformatoren mit Abgriffen unterschiedlicher Spannungen in Sparschaltung mit getrennten Wicklungen einge­ setzt. Die Transformatoren sind als Spannungsquellen mit veränderbarer Span­ nungshöhe parallel zum Verbraucher geschaltet. Nach dem Einschalten und Zünden der Lampen wird auf einen anderen Spannungsabgriff am Transformator umge­ schaltet, so daß die gewünschte Spannung an der Lampe ansteht.

Nachteilig an dieser Schaltung ist der relativ hohe Aufwand, mit der die Umschaltung vorgenommen werden muß. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß beim Um­ schalten eine Schaltpause entsteht, wodurch die Lampe erlischt und wieder gezün­ det werden muß. Um dies zu vermeiden, kann die Umschaltung überlappend erfol­ gen, wodurch während der Schaltphase Windungen des Transformators kurzge­ schlossen sind. Dies kann zu einem hohem Strom in den kurzgeschlossenen Win­ dungen führen, was eine Beschädigung des Transformators nach sich ziehen kann.

Diese Nachteile werden durch eine in der DE 38 23 024 A1 beschriebenen Schal­ tungsanordnung umgangen. Bei der bekannten Schaltungsanordnung, weiche einen in Sternschaltung betriebenen Transformator voraussetzt, wird während der Um­ schaltung des Spannungsabgriffs die entsprechende Wicklung vom Sternpunkt des Transformators getrennt. Hierdurch ist es möglich, die Umschaltung überlappend vorzunehmen. Ist die entsprechende Wicklung während der Oberlappungsphase vom Sternpunkt getrennt, erfolgt während der Überlappungsphase zwischen den Abgriffen keine Spannungsinduktion, welche zu einem hohen Stromfluß führen könnte.

Nachteilig bei allen bekannten Schaltungsanordnungen ist, daß die Schaltglieder im Laststromkreis liegen und zusätzliche Schaltglieder benötigt werden. Dies wirkt sich ungünstig auf die Baugröße der Vorrichtung sowie die Herstellungskosten aus.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart auszubilden, daß die Einstellung der Verbraucher-Betriebsspannung auf verein­ fachte Weise geschehen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Gemäß der Erfindung ist der Verbraucher in Reihe mit der ersten Wicklung ge­ schaltet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Möglichkeit geschaffen, in den Laststromkreis mittels transformatorischer Kopplung einzugreifen. Die am Verbrau­ cher anliegende Spannung kann somit beispielsweise auf unterschiedliche Werte eingestellt werden, ohne daß hierdurch im Laststromkreis liegende Schalter betätigt werden müssen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein sogenannter "Längstransformator" in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Ober diesen Trans­ formator wird mittels Induktion und Trafoprinzip eine veränderbare Spannung von der Versorgungsspannung abgezogen beziehungsweise addiert, je nach Wickelsinn beziehungsweise Phasenlage. Die Höhe der Minderung der Betriebsspannung ist vom Übersetzungsverhältnis beziehungsweise einem gegebenenfalls gewählten Ab­ griff abhängig. Der Längstransformator muß nicht unbedingt als klassischer Trans­ formator ausgebildet sein. Es kann sich auch um eine andere geeignete Span­ nungsquelle, weiche in Reihe schaltbar ist, wie beispielsweise einen Transduktor, handeln.

In vorteilhafter Weise wird an die zweite Wicklung eine "Steuer-Wechselspannung" angelegt, wie dies bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist. Durch die an der zweiten Wicklung angelegte Steuerspannung wird in der ersten Wicklung eine Spannung induziert, welche entsprechend dem Kirchhoff'schen Ge­ setz die am Verbraucher anliegende Verbraucherspannung beeinflußt. Ist die in er­ sten Wicklung induzierte Spannung gegenüber der Versorgungsspannung um 180 Grad phasenverschoben, wird die induzierte Spannung von der Versorgungsspan­ nung subtrahiert, wodurch sich die Verbraucherspannung reduziert.

In besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung so ausgebildet, daß die Steuerspannung einstellbar ist. Hierdurch kann die Verbrau­ cherspannung ebenfalls eingestellt werden. Da im Stromkreis der zweiten Wicklung ein deutlich geringerer Strom fließt als im Laststromkreis der ersten Wicklung, läßt sich die Steuerspannung mittels relativ einfacher Elemente einstellen. Zum Einstel­ len der Steuerspannung ist in vorteilhafter Weise ein erstes Steuerelement vorgese­ hen. Das Steuerelement kann beispielsweise ein mechanischer Schalter wie ein Relaiskontakt sein. Es könnte aber auch ein elektronischer Schalter sein, wie bei­ spielsweise ein Thyristor, ein Triac oder eine geschaltete Brücke mit und ohne Tak­ tung zur Erzeugung einer Spannungshüllkurve der Netzfrequenz und Verstellung der Spannungshöhe.

In weiter vorteilhafter Weise kann die Steuerspannung durch die Versorgungsspan­ nung gebildet werden. Bei einem vorbestimmten Windungsverhältnis der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung zueinander läßt sich die Verbraucherspannung um einen vorbestimmten Wert reduzieren. Hierzu wird durch Schließen des ersten Steuerelements die Versorgungsspannung an die zweite Wicklung die Steuerspan­ nung angelegt, wodurch in ihr ein Strom fließt, welcher in der ersten Wicklung eine Spannung induziert. Bei entsprechender Phasenlage subtrahiert sich die induzierte Spannung von der Versorgungsspannung, wodurch die Verbraucherspannung redu­ ziert ist. Soll die Verbraucherspannung nicht reduziert werden, wird die an der zweiten Wicklung anliegende Steuerspannung abgeschaltet, wodurch in der zweiten Wicklung kein Strom fließt und somit in der ersten Wicklung keine Spannung indu­ ziert wird.

In besonders vorteilhafter Weise ist ein zweites Steuerelement vorgesehen, mittels welchem die zweite Wicklung wenigstens teilweise kurzschließbar ist. Das erste Steuerelement schaltet gegenüber dem zweiten Steuerelement verzögert. Durch das zweite Steuerelement, welches in gleicher Weise wie das erste Steuerelement aus­ gebildet sein kann, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß in der zweiten Wicklung während der Zeit, während der das erste Steuerelement geöffnet ist, keine Span­ nungsüberhöhungen auftreten. Durch die kurzgeschlossene zweite Wicklung wird im wesentlichen das Prinzip eines Stromwandlers angewendet.

Um eine Spannungsüberhöhung sicher zu unterbinden, wäre es zweckmäßig, die zweite Wicklung vollständig kurzzuschließen. Hierdurch bestünde jedoch die Gefahr, daß beim Anlegen der Steuerspannung an die zweite Wicklung, d. h. beim Schließen des ersten Steuerelements kurzzeitig ein Kurzschluß auftritt, wenn das zweite Steue­ relement nicht rechtzeitig geöffnet wird. Um dies sicher zu vermeiden, ist es zweck­ mäßig, die zweite Wicklung nicht vollständig kurzzuschließen, sondern nur einen Teil der Wicklung. Hierzu wird das zweite Steuerelement mit einer Anzapfung, wel­ che beispielsweise in der Mitte der zweiten Wicklung erfolgt, verbunden.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, mittels welcher der Nulldurchgang der Steuerspannung feststellbar ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Umschaltung der an der zweiten Wicklung anliegenden Steuerspannung im Nulldurchgang der Steuerspannung erfolgen. Dies wirkt sich besonders günstig auf den Verschleiß mechanischer Schalter aus.

Die Steuerung kann des weiteren auch so ausgebildet sein, daß sie die Höhe der Versorgungsspannung überwacht. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise eine Reduzierung der Verbraucherspannung unterdrückt werden, wenn die Höhe der Versorgungsspannung unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Sinkt die Ver­ sorgungsspannung unterhalb eines vorbestimmten Wertes, nachdem die Verbrau­ cherspannung bereits reduziert wurde, kann die Reduzierung wieder rückgängig gemacht werden. Hierdurch wird verhindert, daß, wenn es sich bei den Verbrau­ chern um Lampen handelt, die Lampen flackern oder erlöschen.

Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der zur Reduzierung einer Verbraucherspannung erforderliche schaltungstechnische Aufwand sehr gering, da die Schaltelemente vom großen Laststrom entlastet und nur mit dem geringeren Steuerstrom belastet werden. Der Laststrom kann dabei ohne Schaltlücke unterbre­ chungsfrei fließen. Die Art der Belastung ist völlig frei. Es können Mischlasten jeder Art angeschlossen werden. Bei dem rein transformatorischen Prinzip entstehen kei­ ne Art von Oberwellen, Netzrückwirkungen oder Probleme hinsichtlich der elektro­ magnetischen Verträglichkeit. Wenngleich die erfindungsgemäße Schaltungsanord­ nung auch anhand eines einphasigen Netzes beschrieben worden ist, läßt sie sich jedoch in gleicher Weise in dreiphasigen Netzen einsetzen. Es sind dann lediglich Geräte in 3-Phasen-Ausführungen anzuwenden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Wie der Figur zu entnehmen ist, ist eine erste Wicklung 1 eines Transformators ein­ seitig mit einer Phase L1, einer Versorgungs-Wechselspannung Uv verbunden, wo­ durch die erste Wicklung 1 an die Versorgungs-Wechselspannung Uv angeschlos­ sen ist. Das andere Ende der ersten Wicklung 1 ist mit einem ersten Eingang L1' einer Lampe 3 verbunden. Ein zweiter Eingang N' der Lampe 3 ist mit dem Nullpo­ tential N der Versorgungs-Wechselspannung Uv verbunden. Hierdurch ist die Lam­ pe 3 mit der ersten Wicklung 1 in Reihe geschaltet.

Eine zweite Wicklung 2 des Transformators, welche über einen Eisenkern 7 mit der ersten Wicklung 1 gekoppelt ist, ist einseitig mit dem Nullpotential N der Versor­ gungsspannung Uv verbunden. Das andere Ende der zweiten Wicklung 2 ist über einen ersten als Schließer arbeitenden Kontakt 4 eines Relais 9 mit der Phase L1 der Versorgungsspannung Uv verbunden. Ein zweiter Kontakt 5, welcher als Öffner geschaltet ist, ist einseitig mit einer Mittenanzapfung der zweiten Wicklung 2 ver­ bunden. Die andere Seite des Kontaktes 5 ist mit dem Nullpotential N der Versor­ gungsspannung Uv verbunden.

Die Steuerwicklung des Relais ist mit einem Ausgang einer Steuerung 6 verbun­ den. Überwachungseingänge der Steuerung 6 sind mit der Phase L1 und dem Null­ potential N der Versorgungsspannung Uv verbunden.

In Ruhestellung des Relais 9 ist der erste Kontakt 4 geöffnet und der zweite Kontakt 5 geschlossen. Die zweite Wicklung 2 ist daher von der Versorgungsspannung Uv getrennt. Da an der zweiten Wicklung 2 keine Spannung anliegt, wird in der ersten Wicklung 1 keine Spannung induziert. Die Verbraucherspannung Uv liegt daher un­ vermindert an der Lampe 3 an. Das heißt, die Lastspannung Ul entspricht annähernd der Versorgungsspannung Uv. Durch den Stromfluß durch die erste Wicklung 1 wird in der zweiten Wicklung 2 ein Strom induziert, der mit dem Obersetzungsverhältnis der Wicklungen 1 und 2 proportional steigt beziehungsweise fällt. Die in der zweiten Wicklung 2 erzeugte Spannung wird jedoch durch den zweiten Kontakt 5 kurzge­ schlossen. Dadurch entstehen keine Oberspannungen und der Transformator verhält sich wie ein Stromwandler. Der Spannungsabfall an der ersten Wicklung 1 ist ver­ nachlässigbar klein und entspricht nur dem ohmschen Innenwiderstand der Wick­ lung 1 mal dem Laststrom. An der Lampe 3 liegt annähernd die volle Versorgungs­ spannung Uv. Eine durch den durch die erste Wicklung 1 hindurchfließenden Last­ strom in der Wicklung 2 induzierte Spannung wird somit durch den geschlossen zweiten Kontakt 5 kurzgeschlossen, so daß der Transformator als Stromwandler wirkt.

Nach einer vorbestimmten Zeit nachdem die Steuerung 6 festgestellt hat, daß eine Versorgungsspannung Uv anliegt, aktiviert die Steuerung 6 das Relais 9. Hierdurch wird der erste Kontakt 4 geschlossen und der zweite Kontakt 5 geöffnet. Der erste Kontakt 4 schaltet gegenüber dem zweiten Kontakt 5 um etwa 10 ms verzögert. Durch das Schließen des ersten Kontaktes 4 liegt die Versorgungsspannung Uv vollständig an der zweiten Wicklung 2.

Die erste Wicklung 1 und die zweite Wicklung 2 weisen ein vorbestimmtes Win­ dungsverhältnis zueinander auf. Das Windungsverhältnis ist so gewählt, daß der durch die zweite Wicklung 2 fließende Strom in der ersten Wicklung 1 eine Span­ nung induziert, um welche die Versorgungsspannung Uv reduziert werden soll. Da die Phasenlage der induzierten Spannung so gewählt wird, daß sie gegenüber der Versorgungsspannung Uv um 180 Grad phasenverschoben ist, entspricht die an der Lampe 3 anliegende Spannung Ul nur noch dem Wert der Versorgungsspannung Uv minus der an der ersten Wicklung 1 induzierten Spannung.

Stellt die Steuerung 6 fest, daß die Versorgungsspannung Uv unter einen vorbe­ stimmten Wert fällt, deaktiviert sie das Relais 9 wieder, wodurch die volle Versor­ gungsspannung Uv an der Lampe 3 anliegt. Die Steuerung 6 kann jedoch auch noch einen weiteren Eingang aufweisen, mittels der der Umschaltvorgang manuell ge­ steuert werden kann.

Die erste Wicklung 1 weist eine Anzapfung auf, welche mit einem Ausgang L1 II' verbunden ist, an dem eine geringere Verbraucherspannung abgenommen werden kann. Die geringere Verbraucherspannung wird beim Aktivieren des Relais 9 in glei­ cher Weise verringert wie die an der Lampe 3 anliegende Spannung Ul.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen einer an einen Wechselstromverbraucher (3), insbesondere einer Lampe anliegenden Spannung (Ul), mit einer ersten Wick­ lung (1), an welcher eine Versorgungs-Wechselspannung (Uv) anliegt, und einer mit der ersten Wicklung (1) transformatorisch gekoppelten zweiten Wicklung (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (3) in Reihe mit der ersten Wicklung (1) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der zweiten Wicklung (2) eine Steuer-Wechselspannung (Us) angelegt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (Us) einstellbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (Us) durch die Versorgungsspannung (Uv) gebildet ist und die erste Wicklung (1) und die zweite Wicklung (2) ein vorbestimmtes Windungsver­ hältnis zueinander aufweisen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Steuerelement (4) vorgesehen ist, mittels welchem die Steuerspan­ nung (Us) einstellbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Steuerelement (5) vorgesehen ist, mittels welchem die zweite Wicklung (2) wenigstens teilweise kurzschließbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (6) vorgesehen ist, mittels welcher der Nulldurchgang der Steuerspannung (Us) feststellbar ist.