DE29707769U1

DE29707769U1 - Schaltungsanordnung zum Einstellen einer Wechselstromverbraucherspannung

Info

Publication number: DE29707769U1
Application number: DE29707769U
Authority: DE
Original assignee: ENDLESS ENERGY GmbH
Current assignee: ENDLESS ENERGY GmbH
Priority date: 1997-04-29
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2007-04-30

Description

HEINZ DIMMERLJNG .:::·: :*·:· · '^PATENTANWALT

29.04.1997
END9702DEU

ENDLESS ENERGY GMBH
&iacgr;&ogr; Moorenplatz 7
40225 Düsseldorf

Schaltungsanordnung zum Einstellen einer Wechselstrom-Verbraucherspannung

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

Eine derartige Schaltungsanordnung wird beispielsweise beim Betrieb von Leuchtmitteln jeglicher Art, insbesondere beim Betrieb von Leuchtstoffröhren, Natrium- und Quecksilberdampflampen und anderen lonenröhren zum Einsparen von Energie verwendet. Zum Zünden von Leuchtstoffröhren bzw. Zünden und Einbrennen von Natrium- und Quecksilberdampflampen oder anderer lonisationslampen 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 Spannung verringert sich zwar die abgegebene Lichtmenge, dies kann jedoch ohne besondere Nachteile hingenommen werden, da der maximale Wirkungsgrad von lonisationslampen unterhalb der angegebenen Nennspannung liegt und somit die Ab-

Senkung des Lichtstromes nicht proportional zur Verringerung der an der Lampe anliegenden Betriebsspannung ist. Die durch die Verringerung der Betriebsspannung eingesparte Energie ist jedoch erheblich und kann beispielsweise bei Leuchtstoffröhren bis zu 30% betragen.

Für die Absenkung der Betriebsspannung werden Transformatoren mit Abgriffen unterschiedlicher Spannungen in Sparschaltung mit getrennten Wicklungen eingesetzt. Die Transformatoren sind als Spannungsquellen mit veränderbarer Spannungshöhe parallel zum Verbraucher geschaltet. Nach dem Einschalten und Zünden &iacgr;&ogr; der Lampen wird auf einen anderen Spannungsabgriff am Transformator umgeschaltet, 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 Umschalten eine Schaltpause entsteht, wodurch die Lampe erlischt und wieder gezündert werden muß. Um dies zu vermeiden, kann die Umschaltung überlappend erfolgen, wodurch während der Schaltphase Windungen des Transformators kurzgeschlossen sind. Dies kann zu einem hohem Strom in den kurzgeschlossenen Windungen führen, was eine Beschädigung des Transformators nach sich ziehen kann.

Diese Nachteile werden durch eine in der DE 3823024 A1 beschriebenen Schaltungsanordnung umgangen. Bei der bekannten Schaltungsanordnung, welche einen in Sternschaltung betriebenen Transformator voraussetzt, wird während der Umschaltung des Spannungsabgriffs die entsprechende Wicklung vom Sternpunkt des Transformators getrennt. Hierdurch ist es möglich, die Umschaltung überlappend vorzunehmen. Ist die entsprechende Wicklung während der Überiappungsphase 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 vereinfachte Weise geschehen kann.

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

Gemäß der Erfindung ist der Verbraucher in Reihe mit der ersten Wicklung geschaltet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Möglichkeit geschaffen, in den Laststromkreis mitteis transformatorischer Kopplung einzugreifen. Die am Verbraucher 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 &ldquor;Längstransformator¹¹ in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Ober diesen Transformator wird mittels Induktion und Trafoprinzip eine veränderbare Spannung von der Versorgungsspannung abgezogen beziehungsweise addiert, je nach Wickeisinn beziehungsweise Phasenlage. Die Höhe der Minderung der Betriebsspannung ist vom Übersetzungsverhältnis beziehungsweise einem gegebenenfalls gewählten Abgriff abhängig. Der Längstransformator muß nicht unbedingt als klassischer Transformator ausgebildet sein. Es kann sich auch um eine andere geeignete Spannungsquelle, welche in Reihe schaltbar ist, wie beispielsweise einen Transduktor, handeln.

In vorteilhafter Weise wird an die zweite Wicklung eine &ldquor;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 sehen Gesetz die am Verbraucher anliegende Verbraucherspannung beeinflußt. Ist die in er-

sten Wicklung induzierte Spannung gegenübe der Versorgungsspannung um 180 Grad phasenverschoben, wird die induzierte Spannung von der Versorgungsspannung subtrahiert, wodurch sich die Verbraucherspannung reduziert.

!n besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung so ausgebildet, daß die Steuerspannung einstellbar ist. Hierdurch kann die Verbraucherspannung 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 Einstellen der Steuerspannung ist in vorteilhafter Weise ein erstes Steuerelement vorgesehen. Das Steuerelement kann beispielsweise ein mechanischer Schalter wie ein Relaiskontakt sein. Es könnte aber auch ein elektronischer Schalter sein, wie beispielsweise ein Thyristor, ein Triac oder eine geschaltete Brücke mit und ohne Taktung zur Erzeugung einer Spannungshüllkurve der Netzfrequenz und Verstellung der Spannungshöhe.

In weiter vorteilhafter Weise kann die Steuerspannung durch die Versorgungsspannung 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 Steuerspannung 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 reduziert 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 induziert wird.

In besonders vorteilhafter Weise ist ein zweites Steuerlement vorgesehen, mitteis welchem die zweite Wicklung wenigstens teilweise kurzschiießbar 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 Spannungsüberhöhungen 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 Steuerelement nicht rechtzeitig geöffnet wird. Um dies sicher zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die zweite Wicklung nicht vollständig kurzzuschließen, sondern nur einen Teil der Wicklung. Hierzu wird das zweite Steuerelement mit einer Anzapfung, welche 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 Nuildurchgang 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 Versorgungsspannung unterhalb eines vorbestimmten Wertes, nachdem die Verbraucherspannung bereits reduziert wurde, kann die Reduzierung wieder rückgängig gemacht werden. Hierdurch wird verhindert, daß, wenn es sich bei den Verbrauchern 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 Schaitlücke unterbre-

chungsfrei fließen. Die Art der Belastung ist völlig frei. Es können Mischlasten jeder Art angeschlossen werden. Bei dem rein transformatorischen Prinzip entstehen keine Art von Oberwellen, Netzrückwirkungen oder Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Wenngleich die erfindungsgemäße Schaitungsanordnung 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-Ausfuhrungen anzuwenden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben &iacgr;&ogr; 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 einseitig mit einer Phase L1, einer Versorgungs-Wechselspannung Uv verbunden, wodurch die erste Wicklung 1 an die Versorgungs-Wechselspannung Uv angeschlossen 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 Nuilpotential N der Versorgungs-Wechselspannung Uv verbunden. Hierdurch ist die Lampe 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 Versorgungsspannung 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 verbunden. Die andere Seite des Kontaktes 5 ist mit dem Nullpotential N der Versorgungsspannung Uv verbunden.

Die Steuerwicklung des Relais 9 ist mit einem Ausgang einer Steuerung 6 verbunden. Überwachungseingänge der Steuerung 6 sind mit der Phase L1 und dem Nullpotential 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 unvermindert an der Lampe 3 an. Das heißt, die Lastspannung Ul entspricht annähernd

&iacgr;&ogr; der Versorgungsspannung Uv. Durch den Stromfluß durch die erste Wicklung 1 wird in der zweiten Wicklung 2 ein Strom induziert, der mit dem Übersetzungsverhältnis der Wicklungen 1 und 2 proportional steigt beziehungsweise fällt. Die in der zweiten Wicklung 2 erzeugte Spannung wird jedoch durch den zweiten Kontakt 5 kurzgeschlossen. Dadurch entstehen keine Überspannungen und der Transformator verhält sich wie ein Stromwandler. Der Spannungsabfali an der ersten Wicklung 1 ist vernachlässigbar klein und entspricht nur dem ohmschen Innenwiderstand der Wicklung 1 mal dem Laststrom. An der Lampe 3 liegt annähernd die volle Versorgungsspannung Uv. Eine durch den durch die erste Wicklung 1 hindurchfließenden Laststrom 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 Windungsverhältnis zueinander auf. Das Windungsverhäitnis ist so gewählt, daß der durch die zweite Wicklung 2 fließende Strom in der ersten Wicklung 1 eine Spannung induziert, um welche die Versorgungsspannung Uv reduziert werden soll. Da

die Phasenlage der induzierten Spannung so gewähit 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 vorbestimmten Wert fällt, deaktiviert sie das Relais 9 wieder, wodurch die volle Versorgungsspannung Uv an der Lampe 3 anliegt. Die Steuerung 6 kann jedoch auch noch einen weiteren Eingang aufweisen, mittels der der Umschaltvorgang manuell gesteuert werden kann.

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

Claims

HEINZ DIMMERLING . :: : *: : "&Ggr; ' ü* PATENTANWALT 29.04.1997 END9702DEU ENDLESS ENERGY GMBH Moorenplatz 7 &iacgr;&ogr; 40225 Düsseldorf Schaltungsanordnung zum Einstellen einer Wechselstromverbraucherspannung Schutzansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen einer an einen Wechselstromverbraucher (3), insbesondere einer Lampe anliegenden Spannung (Ul), mit einer ersten Wicklung (1), an welcher eine Versorgungs-Wechseispannung (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.

• •tr-·«· ·« »

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 Windungsverhältnis zueinander aufweisen.

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