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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Versorgung einer Anzahl von zeitlich veränderlichen Lasten, die in einem
ersten Zustand der Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet sind
und in einem zweiten Zustand der Schaltungsanordnung parallel geschaltet
sind, wobei die Schaltungsanordnung steuerbare Schaltmittel zum
Umschalten zwischen den Zuständen
aufweist.
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Eine derartige Schaltungsanordnung
ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 34 23 228 C2 bekannt.
Diese Druckschrift offenbart eine Schaltungsanordnung zur Speisung
einer geraden Anzahl von Lasten veränderlichen Widerstands mit
gleichen Strömen,
wobei ein erstes Schaltmittel und ein zweites Schaltmittel das Umschalten
zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der Lasten bewirken.
Die Umschaltung zwischen den beiden Zuständen der Schaltungsanordnung,
d. h. einer Versorgung der parallelen Lasten einerseits und einer Versorgung
einer Reihenschaltung der Lasten andererseits ermöglicht es,
je nach Stromaufnahme der veränderlichen
Lasten, die Lasten mit unterschiedlichen Spannungen zu versorgen,
so dass die Stromaufnahme der Lasten in einem für die Auslegung der Schaltungsanordnung
optimalen Bereich bleibt.
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Der Nachteil ist, dass die aus der
genannten Druckschrift bekannte Schaltung lediglich für eine geradzahlige
Anzahl von Lasten geeignet ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zu Grunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so
weiterzubilden, dass eine ungerade Anzahl von Lasten versorgt werden
kann, wobei die Lasten dabei im Zustand der Parallelschaltung der Lasten
mit einer gleichgroßen
elektrischen Energie versorgt werden sollen.
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Der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur Versorgung einer ungeraden Zahl von zeitlich veränderlichen
Lasten, die in einem ersten Zustand der Schaltungsanordnung in Reihe
geschaltet sind und in einem zweiten Zustand der Schaltungsanordnung parallel
geschaltet sind, weist demnach steuerbare Schaltmittel zum Umschalten
zwischen den Zuständen
auf. Ferner weist die Schaltungsanordnung Mittel zum Gewährleisten
einer Versorgung der Lasten mit gleich großer elektrischer Energie im
zweiten Zustand der Schaltungsanordnung auf, die den Fällen ihre
Wirkung entfalten, in denen die veränderlichen Lasten sich ungleich
verändern.
Durch die Mittel zum Gewährleisten
ist dann gesichert, dass die Lasten eine gleich Leistung haben.
Dieses ist insbesondere sinnvoll, wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
benutzt wird, um damit eine elektro-chemische Anlage für Abscheidprozesse
zu betreiben. Während
des Abscheideprozesses ändern
sich die Widerstandswerte der Lasten, durch das sich abscheidende
Material (z. B. Silizium). Der Widerstand der Lasten wird dadurch
kleiner, wodurch bei einer konstanten elektrischen Leistung der
Lasten der Strom ansteigt und im Gegenzug die Spannung abnimmt.
Damit auch bei sich zeitlich sich unterschiedlich ändernden
Lasten eine Versorgung der Lasten mit gleicher elektrischer Energie
gewährleistet
ist, sind die Mittel zur Gewährleistung
vorgesehen. Die von der Schaltungsanordnung den Lasten zu Verfügung gestellte
Spannung ist außerdem
vorteilhaft steuerbar oder die Schaltungsanordnung ist an eine steuerbare
Spannungsquelle angeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann
zum Anfahren des Abscheideprozesses zunächst im zweiten Zustand d.
h. in der Parallelschaltung der Lasten betrieben werden. Dabei tritt
jedoch das Problem auf, dass die einzelnen Lasten sich unterschiedlich
zueinander verändern.
Damit die Lasten dennoch gleichmäßig Energie aufnehmen und
eine gleichmäßige Leistung
haben, stellen die Mittel zum Gewährleisten sicher, dass eine
ausgeglichene Energieaufnahme der Lasten erfolgt. Ist der Strom
auf ein bestimmtes Maß angestiegen,
wird die Schaltungsanordnung in den ersten Zustand geschaltet, so
dass die Lasten in Reihe betrieben werden. Hier entsteht verfahrensbedingt
ein automatischer Gleichstand der Last.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hat eine ungerade Anzahl von ausgangsseitigen Anschlüssen zum
Anschließen
der Lasten, wobei die Anzahl der Anschlüsse der der anzuschließenden Lasten
entspricht.
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Im ersten Zustand der Schaltungsanordnung kann
zwischen einem ersten Anschluss der ausgangsseitigen Anschlüsse und
einem Bezugspunkt eine erste Spannung abfallen, während zweite
Anschlüsse
bei Leerlaufbetrieb potentialfrei sind und im Lastbetrieb sich die
Spannung zwischen den ausgangsseitigen Anschlüssen entsprechend der Widerstände der
Last aufteilt. Die Lasten sind dann vorteilhaft in Serie zwischen
diesem ersten ausgangsseitigen Anschluss und dem Bezugspunkt geschaltet.
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Gemäß der Erfindung kann in dem
zweiten Zustand der Schaltungsanordnung im Leerlauf zwischen dem
ersten ausgangsseitigen Anschluss und einer ersten Hälfte der
zweiten ausgangsseitigen Anschlüsse
einerseits und dem Bezugspunkt andererseits die erste Spannung abfallen.
Gleichzeitig liegt die zweite Hälfte
der zweiten ausgangsseitigen Anschlüsse auf dem gleichen Potential
wie der Bezugspunkt. Die Lasten sind in diesem Falle zwischen dem ersten
ausgangsseitigen Anschluss bzw. der ersten Hälfte der zweiten ausgangsseitigen
Anschlüsse
einerseits und der zweiten Hälfte
der zweiten ausgangsseitigen Anschlüsse und dem Bezugspunkt andererseits
geschaltet.
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Gemäß der Erfindung können die
steuerbaren Schaltmittel erste steuerbare und zumindest ein zweites
steuerbares Schaltmittel umfassen, mit denen zwischen dem ersten
Zustand und dem zweiten Zustand der Schaltungsanordnung d. h. zwischen
einem Serienbetrieb und einem Parallelbetrieb der Lasten umgeschaltet
werden kann. Die Schaltungsanordnung kann außerdem einen letzten ausgangsseitigen
Anschluss umfassen, der auf dem Bezugspotential liegt, egal ob die
Schaltungsanordnung im ersten oder im zweiten Zustand ist.
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Die Mittel zum Gewährleisten
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
können
Spulen umfassen. Diese Spulen weisen vorteilhaft einen gemeinsamen
Kern auf, so dass die magnetische Durchflutung der Spulen gleich
ist. Die Spulen sind ferner vorteilhaft so geschaltet, dass durch
jede Spule im Durchschnitt der zweifache Laststrom fließt. Bei einer
Anordnung für
drei Lasten, sind die Spulen so verschaltet, dass im zweiten Zustand
der Schaltungsanordnung durch eine erste Spule der dreifache Laststrom,
durch eine zweite Spule der zweifache Laststrom und durch eine dritte
Spule der einfache Laststrom fließt. In jeder der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
mit mehr als drei Lasten, d. h. mit fünf, sieben oder mehr Lasten,
fließt
durch jeweils eine Spule der dreifache Laststrom durch eine andere
Spule der einfache Laststrom, während
durch die übrigen
Spulen der zweifache Laststrom fließt. Die Spulen sind ferner
so angeordnet, dass sie weder in der Zuleitung zum ersten ausgangsseitigen
Anschluss noch in der Zuleitung zum letzten ausgangsseitigen Anschluss
angeordnet sind. Im ersten Zustand der Schaltungsanordnung, d. h.
im Serienbetrieb der Lasten, fließt somit kein Strom durch die Spulen.
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Gemäß der Erfindung kann in Reihe
zu jedem ersten Schaltmittel zumindest eine der Spulen geschaltet
sein. Ein erster Anschluss der Reihenschaltung aus den ersten Schaltmitteln
und Spulen ist vorteilhaft mit der ersten Hälfte oder der zweiten Hälfte der
zweiten ausgangsseitigen Anschlüsse,
d. h. den ausgangsseitigen Anschlüssen ohne den ersten und den
letzten ausgangsseitigen Anschluss, verbunden sein.
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Ferner kann die Reihenschaltung aus
den ersten Schaltmitteln und den Spulen mit einem zweiten Anschluss
der Reihenschaltung im zweiten Zustand auf dem Bezugspotential oder
auf dem höheren
Potential der ersten Spannung liegen.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann dritte gesteuerte Schaltmittel umfassen, die zum Einstellen
der ersten Spannung dienen. Die dritten steuerbaren Schaltmittel
können
mit je einem ersten Anschluss mit je einem ersten eingangsseitigen
Anschluss aus einer Gruppe von ersten eingangsseitigen Anschlüssen der
Schaltungsanordnung verbunden sein. Die zweiten Anschlüsse einer ersten
Gruppe von dritten steuerbaren Schaltmitteln können miteinander verbunden
sein. Die zweiten Anschlüsse
einer zweiten Gruppe von dritten steuerbaren Schaltmitteln können ebenfalls
miteinander verbunden sein. Ferner ist es möglich, dass die zweiten Anschlüsse aller
dritten steuerbaren Schaltmittel im ersten Zustand über das
zumindest eine zweite steuerbare Schaltmittel miteinander verbunden
sind.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann einen zweiten eingangsseitigen Anschluss aufweisen, der auf
dem Bezugspotential liegt. Dieser zweite eingangsseitige Anschluss
kann mit dem letzten ausgangsseitigen Anschluss zusammengefasst
sein.
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Eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
kann zumindest ein Mittel zum Steuern und/oder Regeln der ersten
Schaltmittel, des zumindest einen zweiten Schaltmittels und/oder
der dritten Schaltmittel aufweisen.
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Eine vorgenannte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann zusammen mit einem Spannungswandler in einer erfindungsgemäßen Anordnung
angeordnet sein. Bei dieser Anordnung kann der Spannungswandler
eine Gruppe von ausgangsseitigen Anschlüssen haben, die bei Betrieb
des Spannungswandlers unterschiedliche Spannungen gegenüber einem
zweiten ausgangsseitigen Anschluss des Spannungswandlers aufweisen.
Dabei können
die ersten ausgangsseitigen Anschlüsse des Spannungswandlers mit
den ersten eingangsseitigen Anschlüssen der Schaltungsanordnung
verbunden sein, wobei der zweite ausgangsseitige Anschluss des Spannungswandlers
mit dem zweiten eingangsartigen Anschluss der Schaltungsanordnung
verbunden ist, und somit auf dem Bezugspotential liegt. Bei dem
Spannungswandler kann es sich im Übrigen um einen Transformator
mit Mittelanzapfungen handeln.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung
mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Darin zeigt
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1 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit drei angeschlossenen Lasten.
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Die in der 1 dargestellte Schaltungsanordnung S
ist für
die Versorgung von drei Lasten R1, R2, R3 vorgesehen,
wobei die Lasten parallel geschaltet oder in Serie geschaltet betrieben
werden können.
Die Schaltungsanordnung S selbst wird von einem Transformator T
mit elektrischer Energie versorgt.
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Der Transformator T weist primärseitige
Anschlüsse 121, 122 auf, über welche
der Transformator an ein Versorgungsnetz anschließbar ist.
Die Sekundärseite
des Transformators T weist äußere Anzapfungen
und Mittelanzapfungen auf, wobei die Mittelanzapfungen zu ersten
ausgangsseitigen Anschlüssen 101, 102, 103 des
Transformators geführt sind
und auch eine der äußeren Anzapfungen
zu einem ersten ausgangsseitigen Anschluss 104 geführt ist.
Die andere äußere Anzapfung
ist zu einem zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 geführt. Der zweite
ausgangsseitige Anschluss 111 des Transformators T liegt
auf einem Bezugspotential, d. h. auf dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung
S. Die ersten ausgangsseitigen Anschlüsse des Transformators T liegen
dagegen auf einem höheren
Potential, so dass zwischen den ersten ausgangsseitigen Anschlüssen einerseits
und dem zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 andererseits
eine Spannung abfällt.
Die zwischen dem ersten ausgangsseitigen Anschluss 101 und
dem zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 abfallende Spannung kann
dabei beispielsweise 200 Volt, die Spannung zwischen dem ersten
ausgangsseitigen Anschluss 102 und dem zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 beispielsweise
300 Volt, die Spannung zwischen dem ersten ausgangsseitigen Anschluss 103 und dem
zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 beispielsweise 550
Volt und die Spannung zwischen dem ersten ausgangsseitigen Anschluss 104 und dem
zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 beispielsweise 1000
Volt betragen. Die Eingangsspannung des Transformators T ist beliebig
und üblicherweise
an ein vorhandenes Mittelspannungsnetz angepasst.
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Die Schaltungsanordnung S weist erste
eingangsseitige Anschlüsse 81, 82, 83, 84 auf.
Diese ersten eingangsseitigen Anschlüsse 81, 82, 83, 84 sind
mit den ersten ausgangsseitigen Anschlüssen 101, 102, 103, 104 des
Transformators T verbunden, so dass die an diesen ausgangsseitigen
Anschlüssen
des Transformators T gegenüber
dem zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 des Transformators T
abfallenden Spannungen der ersten ausgangsseitigen Anschlüsse 101, 102, 103, 104 anliegen. Über einen
Anschluss 2, 9 ist die Schaltungsanordnung S im Übrigen auch
mit dem zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 des Transformators
T verbunden, so dass an der Schaltungsanordnung S auch das Bezugspotential,
d. h. das Nullpotential abgreifbar ist. Von den ersten eingangsseitigen
Anschlüssen 81, 82, 83, 84 sind
Leitungen über
Stromwandler und Sicherungen zu im folgenden als dritte steuerbare Schaltmittel
bezeichnete Schaltmittel 51, 52, 53, 54 führt. Diese
dritten steuerbaren Schaltmittel 51, 52, 53, 54 sind
steuerbar. Bei den dritten steuerbaren Schaltmitteln 51, 52, 53, 54 kann
es sich wie in der 1 dargestellt,
um Triacs handeln. Die zweiten Anschlüsse einer ersten Gruppe 52, 53, 54 von
dritten steuerbaren Schaltmitteln 51, 52, 53, 54 sind
miteinander verbunden und liegen somit auf gleichem Potential. Der
zweite Anschluss des verbleibenden dritten steuerbaren Schaltmittels 51 ist über ein
zweites steuerbares Schaltmittel 4 mit den zweiten Anschlüssen der
ersten Gruppe 52, 53, 54 der dritten steuerbaren
Schaltmittel verbunden. Der zweite Anschluss des verbleibenden dritten
steuerbaren Schaltmittels 51 ist im Übrigen auch unmittelbar mit einem
ersten ausgangsseitigen Anschluss 11 der Schaltungsanordnung
S verbunden.
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Neben dem ersten ausgangsseitigen
Anschluss 11 weist die Schaltungsanordnung S auch zweite
ausgangsseitige Anschlüsse 12, 13 auf.
Eine erste Hälfte
dieser zweiten ausgangsseitigen Anschlüsse 12, 13 nämlich der
ausgangsseitige Anschluss 13 ist zum Einen über eine
Spule 71 und ein erstes steuerbares Schaltmittel 31 mit
den zweiten Anschlüssen
der ersten Gruppe 52, 53, 54 der dritten steuerbaren
Schaltmittel 52, 53, 54 verbunden und andererseits über eine
Spule 73 und ein erstes Schaltmittel 33 mit dem
zweiten Anschluss des dritten Schaltmittel 51 und dem ersten
ausgangsseitigen Anschluss 11 verbunden. Die zweite Hälfte der
zweiten ausgangsseitigen Anschlüsse 12, 13,
nämlich
der ausgangsseitige Anschluss 12 ist dagegen über eine Spule 72 und
ein erstes Schaltmittel 33 mit dem Anschluss 2, 9,
d. h. mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden.
Die ersten Schaltmittel 31, 32, 33 sind
steuerbare Schaltmittel, die gleichzeitig geschlossen oder geöffnet werden.
Die ersten Schaltmittel 31, 32, 33 werden
ferner so angesteuert, dass sie immer dann geöffnet sind, wenn das zweite Schaltmittel 4 geschlossen
ist und umgekehrt.
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Die Spulen 71, 72, 73 sitzen
auf einem gemeinsamen Kern, so dass sie eine gleiche magnetische
Durchflutung haben. Die in der Zeichnung rechts dargestellten Spulen 72, 73 weisen
dabei einen zum Wicklungssinn der links dargestellten Spule 71 entgegengesetzten
Wicklungssinn auf. Die Spulen 71, 72, 73 bilden
die Mittel zum Gewährleisten
einer Versorgung der Lasten mit gleichgroßer elektrischer Energie im
zweiten Zustand der Schaltungsanordnung. In diesem zweiten Zustand
der Schaltungsanordnung, der nachfolgend auch als Parallelbetrieb der
Lasten R1, R2, R3 bezeichnet wird, sind
die ersten Schaltmittel 31, 32, 33 so
angesteuert, dass sie geschlossen sind, während das zweite Schaltmittel 4 so
angesteuert ist, dass es geöffnet
ist.
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Im ersten Zustand der Schaltungsanordnung,
der nachfolgend auch als Serienbetrieb der Lasten R1, R2, R3 bezeichnet
wird, ist dagegen das zweite Schaltmittel 4 so angesteuert,
dass es geschlossen ist, während
die ersten Schaltmittel 31, 32, 33 geöffnet sind.
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Im zweiten Zustand der Schaltungsanordnung,
d. h. im Parallelbetrieb werden die dritten Schaltmittel 51, 52, 53, 54 so
angesteuert, dass ausschließlich
eine Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung über die
dritten Schaltmittel 52, 53, 54 der ersten
Gruppe der dritten Schaltmittel 51, 52, 53, 54 erfolgt.
In dem Parallelbetrieb der Schaltungsanordnung fließt dann
ein Strom über
das in der 1 links dargestellte
erste Schaltmittel 31 und die links dargestellte Spule 71,
der einen Betrag hat, der dem dreifachen Betrag eines der Lastströme IL1, IL2, IL3 entspricht, die durch die Last R1, R2, R3 fließen, wobei
die Lastströme
IL1, IL2, IL3 gleichgroß sind. Hinter der Spule 71 teilt
sich der gesamte durch die Spule 71 fließende Strom
auf.
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Ein erster Anteil, nämlich der
Laststrom IL3 fließt über die in der Fig. rechts
dargestellte Spule 73, dass in der Fig. rechts dargestellte
Schaltmittel 33, den ersten ausgangsseitigen Anschluss 11 in
die Last R3, die an dem ersten Anschluss 11 angeschlossen
ist. Von der Last R3 fließt der Laststrom IL3 dann über den
zweiten Anschluss 12 in die in der 1 in der Mitte dargestellte Spule 72 und
das in der 1 in der
Mitte dargestellte erste steuerbare Schaltmittel 32 zu
dem auf dem Bezugspotential liegenden Anschluss 2, 9 der
Schaltungsanordnung S und von dort aus in den zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 an
der Sekundärseite
des Transformators T.
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Ein zweiter Anteil des durch die
in der 1 links dargestellte
Spule 71 fließenden
Stroms, nämlich
der Laststrom IL2, fließt über den zweiten Anschluss 13 in
die Last R2. Von dort aus fließt der Laststrom IL2,
zusammen mit dem Laststrom IL3 durch den in
der 1 in der Mitte dargestellte
Spule 72 und über
das in der 1 in der
Mitte dargestellte erste steuerbare Schaltmittel 32 zum
Anschluss 2,9 der Schaltungsanordnung.
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Ein dritter und letzter Anteil des
durch die in der 1 links
dargestellten Spule 71 fließenden Gesamtstroms fließt über den
Anschluss 13 in die Last R1. Es handelt sich dabei
um den Laststrom IL1, der von der Last R1 unmittelbar
zum zweiten ausgangsseitigen Anschluss 111 an der Sekundärseite des Transformators
T fließt.
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Durch eine aus dem Stand der Technik
im Grunde bekannte Ansteuerung der ersten Gruppe 51, 52, 53, 54 der
dritten Schaltmittel 51, 52, 53, 54 kann
die zwischen den zweiten Anschlüssen
der dritten Schaltungsmittel dieser Gruppe und dem Bezugspotential
der Schaltungsanordnung abfallende Spannung eingestellt werden.
Dadurch kann gewährleistet
werden, dass die sich verändernden
Lasten kontinuierlich mit der gleichen elektrischen Energie versorgt
werden und die Lasten R1, R2, R3 eine gleichmäßige Leistung
haben. Ändert
sich nun während
des Parallelbetriebes eine der Lasten R1, R2, R3 anders
als die anderen, kommt es zu einem Ungleichgewicht in der Stromaufteilung.
Das heißt
die Lastströme
IL1, IL2, IL3 sind nicht mehr betragsmäßig gleich.
Dadurch verändert
sich die magnetische Durchflutung, was zu einem Spannungsabfall über die
im ausgeglichenen Zustand spannungsfreien Spulen 71, 72, 73 führt. Dieser
Spannungsabfall an den Spulen 71, 72, 73 führt zu einem Ausgleichsvorgang,
der sicherstellt, dass die Lasten R1, R2, R3 wieder
mit einer gleichen elektrischen Energie versorgt werden.
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Theoretisch wäre es auch denkbar gewesen, die
dritte Spule 73 anstelle in der Verbindung zwischen dem
zweiten ausgangsseitigen Anschluss 13 und dem ersten ausgangsseitigen
Anschluss 11 unmittelbar in der Zuleitung zu dem ersten
ausgangsseitigen Anschluss 11 einzusetzen. Dieses hätte jedoch
dazu geführt,
dass im Falle des Serienbetriebs der Schaltungsanordnung der Gesamtstrom über diese
Spule geführt
werden muss. Es ist daher, um dies zu vermeiden, der vergleichsweise
komplizierte Strompfad für
den Laststrom IL3 gewählt worden.
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Im Serienbetrieb können die
Lasten R1, R2, R3 im Übrigen, wenn das zweite steuerbare
Schaltmittel 4 geschlossen ist, mit Spannung aus allen
der eingangsseitigen Anschlüsse 81, 82, 83, 84 versorgt werden,
je nach dem welches, der dritten Schaltmittel 51, 52, 53, 54 angesteuert
ist. Auch im Serienbetrieb ist durch eine entsprechende Phasenanschnittssteuerung
eine beliebige Einstellung der zwischen dem ausgangsseitigen Anschluss 11 und
dem Anschluss 2,9 anliegenden Spannung möglich.