WO2020152340A1 - Stromversorgungsvorrichtung und verfahren zur geregelten energieversorgung wenigstens eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Stromversorgungsvorrichtung und verfahren zur geregelten energieversorgung wenigstens eines elektrischen verbrauchers Download PDF

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WO2020152340A1
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WO
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power supply
supply device
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current limit
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PCT/EP2020/051782
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Nicola HERBST
Jochen Zeuch
Bruno Muth
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers

Definitions

  • the invention relates to a power supply device and a method for the regulated energy supply of at least one electrical consumer.
  • An industrial control cabinet is usually powered by a dangerous voltage of 120VAC / 230VAC, a battery
  • a control cabinet such as a controller (for example a PLC), sensors and / or
  • SELV Safety Extra Low Voltage
  • the task of a power supply is the dangerous one Separate input voltage V IN from the touchable output voltage V OU T safely and a constant
  • the line losses PV In order to keep the losses over the supply voltage lines low, correspondingly large cable cross sections are required, with the line losses PV according to the equation
  • a power supply is usually with a transformer operated at mains frequency or a
  • the transformer galvanically separates the input voltage from the output voltage and reduces the input voltage with the ratio of the turns.
  • the size of the transformer depends on the frequency of the AC voltage. Accordingly, at
  • Mains frequency 50/60 Hz operated transformers are significantly larger, heavier and more expensive than with a much higher frequency (e.g. 20 kHz) clocked transformers of a switching power supply.
  • 50Hz / 60Hz transformer power supplies can usually not regulate the voltage, but transform it with a fixed ratio and are assigned to the respective
  • Power supply device known, which can be designed as a switching power supply.
  • Power supply device has a device for limiting the output current of the
  • Power supply device to a first predetermined value. Furthermore, a device is provided which, in response to the detection of an electrical fault, sets the output current for a predetermined time to a second predetermined value which is greater than the first value. In addition, a limiting device is provided, which the output current after the
  • predetermined time is suddenly formed to the first predetermined value.
  • WO 2015/082207 A1 is a
  • Power supply device has one
  • circuit breakers can be triggered magnetically quickly.
  • Time of several seconds can be reduced.
  • Fig. 1 an exemplary system is shown, which, shown as block diagrams, one
  • Power supply device 100 at the output of which, for example, two electrical consumers RI and RN are connected in parallel, each with the
  • Output voltage V 0UT of the power supply device 100 are fed.
  • the power supply device 100 is one of the
  • Component dimensioning corresponding current ready or available which is specified as the nominal current I N0M of the switching power supply. Will be more than that by consumers
  • the maximum output current I MAX is only slightly above the nominal current, and advantageously between 110% and 150% of the nominal current INOM
  • Short-term current increase which provide a maximum of a current up to 2.5 times the nominal current for a few seconds.
  • FIG. 2 the exemplary system shown in FIG. 1 has been modified in such a way that a protective device Fl to F N is connected upstream of each consumer RI to R N. As seen in FIG. 2, the power supply device 100 is different
  • Power supply device 100 are supplied centrally.
  • an input-side fuse can be connected in at least some of the consumers, which should trigger in the event of internal short circuits.
  • the invention has for its object a
  • output short circuit can trigger both a magnetically triggered protective device and a thermally triggered protective device.
  • FIG. 1 shows an exemplary power supply device
  • Fig. 3 is a block diagram of that shown in FIG. 1
  • FIG. 4 shows an exemplary circuit structure of the one in FIG.
  • Fig. 5 a voltage divider for providing the
  • Fig. 6 shows an exemplary current limiting characteristic according to the invention
  • Fig. 7 shows an analog circuit arrangement for generating
  • Fig. 8 shows a digital circuit arrangement for generating current limiting values, for example in FIG.
  • the power supply device 100 is, for example, a primary clocked AC / DC switching power supply, the
  • Power supply device can also be designed as a DC or AC switching power supply.
  • the primary-clocked switching power supply 100 can be fed on the primary side from a DC input voltage V IN, which can be applied to input terminals 101, 102 and measured by a voltmeter (not shown) for further use.
  • V IN DC input voltage
  • an input AC voltage V INAC can be connected via input terminals 103, 104 V INAC to a primary side
  • Rectifier Dl can be connected, wherein the input terminals 103, 104 and the rectifier Dl can be omitted in a DC / DC switching power supply.
  • the input voltage V IN is smoothed with a capacitor CI, which is connected in parallel to the input terminals 101, 102, and
  • one connection of a primary winding of the transformer Tri to the input terminal 101 and the other connection of the primary winding of the transformer Tri is via one
  • Circuit breaker Sl which is clocked at high frequency, connected to the input terminal 102. Furthermore, a
  • Temperature sensor 150 can be provided, which can measure the temperature of the transformer Tri.
  • the circuit breaker S1 is arranged on the primary side
  • Control device 201 controlled which works for example as a pulse width modulator.
  • the control device 201 is connected to the input terminals 101 and 102.
  • the control signal for the control device 201 is provided by a control device 202 arranged on the secondary side generated and via a separation circuit 106 to the
  • Isolation circuit 106 may be an optocoupler OC1.
  • Isolation circuit 105 and transformer Tri thus provide galvanic isolation, i.e. they separate that
  • Switched-mode power supply 100 in one primary side and one
  • the diode D10 is preferably a
  • the voltage smoothed by the capacitor CIO is made available as output voltage V 0U T at the output of the power supply device 100.
  • the control device 202 preferably detects the
  • Power supply device 100 and regulates to a constant output voltage V 0U T in normal operation. It should already be mentioned at this point that the control device 202 can be designed to determine the average current load of the output current I 0U T from the detected
  • Current measuring device 142 which can be electrically connected to the control device 202, can be measured.
  • the control device 202 preferably has one
  • Control and / or evaluation device for example the microcontroller shown in FIG. 8, with which the
  • Current measuring device 142 can be connected.
  • the output voltage V 0U T can be measured with a voltage measuring device 141, which can be electrically connected to the control device 202.
  • the microcontroller shown in FIG. 8 can preferably also be connected to the voltage measuring device 141
  • Voltage measuring device 140 which can also be connected to the microcontroller shown in FIG. 8, can be provided, which measures the input voltage V IN .
  • the switching power supply 100 can according to known
  • Switching power supply 100 have several switching stages in series connection.
  • An upstream PFC stage is known which ensures a sinusoidal input current consumption.
  • Other basic circuit concepts such as 2-transistor converters or a parallel connection of the switching stages as
  • Fig. 3 shows a galvanically isolated switching power supply 100.
  • this can also be a non-galvanically isolated switching power supply, e.g. a step-down converter, step-up converter or an inverse converter.
  • the circuit breaker S1 is a semiconductor switch that can be switched on and off regardless of the switch technology used and can e.g. as a MOSFET or
  • Bipolar transistor or IGBT or GAN-FET or SiC-FET can be realized.
  • the separating device 106 functioning as a feedback element can also act as the actual one Optocouplers as well as magnetic couplers can be realized.
  • the circuit breaker S1 can be activated, for example, hard switching with PWM pulse width modulation or
  • the switching power supply 100 can be sinusoidal
  • the switching power supply 100 can be controlled both analog and digital. With constant input voltage V IN , the detection of the output voltage and the
  • FIG. 4 shows in particular an exemplary implementation of the control device 202. If the switched-mode power supply 100 is viewed from a control point of view of the output variables “constant voltage” and “current limitation”, this exists
  • Voltage measuring device 141 or current measuring device 142 measured. These signals are optionally forwarded to the secondary control device 202 in an amplified manner.
  • the secondary control device 202 has
  • At least two regulators namely a voltage regulator 302 and a current regulator 301.
  • Both controllers 301 and 302 can be implemented discretely as so-called PI controllers.
  • the exemplary current controller 301 has an operational amplifier ICH, at whose non-inverting input a setpoint IOUTLIM is present and at its inverting input a voltage signal corresponding to the current output current is applied, which is tapped, for example, via a shunt resistor R13 and then via an amplifier ICI2 and one to it Series connected resistor RI1 to the
  • the exemplary voltage regulator 302 has an operational amplifier ICV1, at whose non-inverting input a setpoint IOUTNOM is present and at its inverting input a voltage corresponding to the current output voltage is present, which voltage is connected, for example, to the output terminals of the power supply device 100
  • the voltage divider is tapped and then applied to the inverting input via an amplifier.
  • Voltage divider can have two resistors R11 and R12
  • the output of the operational amplifier ICV1 is connected in series from a resistor R6 and a capacitor C3 to the inverting input
  • the output signals of the two controllers 302 and 301 are linked via a diode D vi or Du OR and, if necessary, via the optocoupler OC1 to the primary side
  • the OR combination of the two output signals ensures that the controller that has the larger error signal, in the example shown, the operational amplifier ICV1 of the voltage regulator 302 or the operational amplifier ICH of the current controller 301 with the lower output voltage limits the control device 201 or that
  • a setpoint VOUTNOM for the voltage regulator 302 and a setpoint IOUTLIM serving for the current limitation for the current regulator 201 can, for example, by means of a
  • adjustable voltage divider can be specified.
  • a suitable exemplary voltage divider is shown in FIG. 5.
  • the voltage divider can be replaced by a
  • a resistor RI10 a resistor Rill and a potentiometer RI12 can be formed.
  • the setpoint VOUTNOM can be set with a potentiometer RV12, while the current limitation, i.e. the setpoint IOUTLIM internally with a trim potentiometer RI12
  • the voltage regulator shown in FIG. 5 can be part of the control device 202.
  • Setpoints can be set with fixed resistors. Also a setpoint specification from timers or one
  • the current limitation of the control device 202 and in particular of the current controller 302 is modified such that, for example, in the event of a short-circuit on the output side, for example in a supply line or in one of the consumers, for example the consumer RI in FIG. 2, for example the protective device Fl is preferably fast and
  • the protective device Fl can be a line circuit breaker with a magnetic and thermal release mechanism or a magnetic release fuse and a separate thermal release fuse.
  • Control device 202 is designed to briefly provide an output current IOUT that is clearly above the nominal current INOM. Of this, the actual regulation generally remains. unchanged.
  • the setpoint specification IOUTLIM is changed so that the current ILIM provided is significantly increased for a certain time. If this current, which is above the nominal current, is actually required, it is used to prevent overloading of consumers and
  • the power supply device can be flexible the ambient temperature and / or the current input voltage and / or component temperatures and / or the average current load react to
  • Step-like course which the control device 202 or the current controller 301 can take into account for limiting the output current, is shown in FIG. 6.
  • Other current limiting characteristics that have a section with a negative slope that can be adjusted
  • the total duration for example from tLl to tL3, may have the control device 202
  • a first current limit value IL1 is continuous in time and value or continuous in time and is discreet in value up to a second current limit value IMAX above the adjustable one
  • the power supply device 100 can have an interface 160, via which a first Current limit value for the current IL1 and second
  • Current limiting values IL1, 112, IL3, which act as setpoints for the current regulator 301, can also be set, for example, via potentiometers or resistors, as is shown by way of example in FIGS. 5 and 7.
  • the times tLl, tL2 and tL3, at which the setpoints are lowered, can be optionally through
  • the power supply device 100 can output the current corresponding to that shown by way of example in FIG. 6
  • the first current limit IL1 is set to 5-10 times the rated current of the circuit breaker, for a period of approx. 5-15ms. After that, the electricity provided is reduced to the lower
  • Current value IL2 limited, for example to trigger a quick fuse within approx. 20ms.
  • the current provided is limited to the even lower current value IL3, for example to trigger a slow fuse.
  • the current can then reach the usual maximum Output current IMAX or, for example, can also be limited to a current, for example to support the starting of difficult loads or the rapid charging of (storage) capacitors.
  • the trigger times can be found in the data sheets or
  • the series of standards are specified: The miniature circuit breakers are specified in the EN 60898 series, the fuses in EN60127.
  • the components of a power supply are usually permanently designed for the nominal output current at maximum ambient temperature and can handle higher peak currents
  • Output voltage VOUT converts the power supply device, in particular on the primary side, to a lower power compared to a higher-impedance short circuit with a higher output voltage VOUT.
  • the resistance in the event of a short circuit is largely determined by the lead resistance.
  • the input voltage can also be taken into account. Especially with DC / DC converters with lower
  • Input voltage can change with higher output voltage, e.g. high impedance short circuit, a significantly higher one
  • the provided output current ILIM can be influenced by e.g. ambient temperature TA,
  • the limit values can occur multiple times and by e.g. several temperature sensors 150 to 152 with different weightings are detected. Depending on the circuit concept, it may also be necessary to take additional parameters into account.
  • the following basic circuit devices which are shown by way of example in FIGS. 7 and 8, represent a corresponding control for generating the current limit value IOUTLIM, which is applied as a setpoint to the non-inverting input of the operational amplifier ICH.
  • IOUTLIM current limit value
  • FIGS. 7 and 8 circuit devices 500 and 600 are each designed to generate the current limiting characteristic shown by way of example in FIG. 6. It should also be noted that the circuit devices 500 and 600 are implemented in the power supply device and can be part of the control device 202 or the controller 301.
  • the current limit values and times are again e.g. adjustable via potentiometer.
  • Sensor circuit 401 can e.g. reinforced
  • Component temperatures influence the output signal.
  • Input voltage or the average current load are indicated in the sensor circuits 400 and 402.
  • Circuit device for providing a
  • Circuit device 500 for setting the current limit value can become very complex, a digital solution of a circuit device with a microprocessor can optionally or additionally be used, which is shown in FIG. 8 and is provided with reference number 600.
  • a microprocessor or microcontroller m ⁇ 3 which may also regulate the switching power supply 100, detects the electrical parameters of the switching power supply 100, such as the current output voltage VOUTACT or the current output current IOUTACT, which are measured, for example, by the voltage measuring device 141 or by the current measuring device 142.
  • the microcontroller can also process pC sensor data such as the aforementioned temperatures of the environment and / or components of the
  • the power supply device 100 Take into account the power supply device 100, which are measured, for example, by means of the temperature sensors 150 to 152.
  • the fixed limit values such as current surge limits and time periods e.g. via a PC or a smartphone, the
  • Power supply device 100 or the PC have any interface, for example the interface 160.
  • the pC of the circuit device 600 can be designed to determine, for example, the average current utilization in response to the detected output current I 0UT Z U and taking into account the
  • Ambient temperature and / or component temperatures and / or the input voltage and / or the determined average current load and further variables each have a maximum pulse duration t Li , t L2, t L3 for one
  • the microcontroller can be designed to fully calculate the current limiting characteristic curve, which is shown by way of example in FIG. 6.
  • the user can alternatively according to the
  • Plant structure such as the wiring and the respective
  • Pulse durations can be specified via the interface 160.
  • the microcontroller generates the current limiting characteristic shown in FIG. 6 in response to the
  • microcontroller can, for example, execute firmware and under
  • the pC of the circuit device 600 or a separate control and / or evaluation device can e.g. monitor the component temperatures and / or the input voltage level and / or the ambient temperature and / or the average current load and limit the duration of the current surge in good time so that when a limit value is reached the
  • Power supply device 100 can deliver correspondingly lower current pulses.
  • Firmware eg the thermal capacity of the components or a characteristic of the current-dependent losses.
  • the current limiting values for example the discrete setpoints I Li , I L2 , I L 3 and I MAX, the associated time periods, which together define the current limiting characteristic, continuously during the operation of the
  • a critical operating state is recognized, for example, when the currently measured
  • Component temperature exceed a critical value, which is for example from the microcontroller
  • Circuit device 600 or a separate control and / or evaluation device can be determined.
  • the critical values are, for example, maximum values for ambient temperatures, component temperatures, the
  • Average current load can be stored in a memory of the power supply device 100, which can be accessed, for example, by the microcontroller of the circuit device 600 or a separate control and / or evaluation device.
  • the characteristic of the current-dependent losses is linear to the current load in a first approximation with a constant voltage drop.
  • the resistances rise Losses squared with the current.
  • inductors such as transformers or coils, the losses increase at a relatively high level with third power.
  • Heat capacity usually increases with the size of the component, but here the speed of heat dissipation is e.g. to be taken into account within semiconductor packages.
  • microcontroller can execute the
  • Firmware during operation measures the respective temperatures, for example the temperatures of the components Tri and D10 and the environment and save them.
  • the data obtained in this way can then be firmware or
  • Microcontroller independently when calculating the
  • Circuit device 500 or 600 which is designed to provide a first current limiting value 111, and
  • control device 202 which is designed to limit the output current that can be supplied by the power supply device to the first current limit value IL1 for a period of time tL1 as a function of the first current limit value provided by the circuit device 500 or 600,
  • the power supply device 100 is configured to detect the ambient temperature and / or the input voltage Vin and / or the temperature of at least one component TRI, D10 of the power supply device and / or the average current load of the
  • circuit device 500 or 600 is further configured to change the first current limiting value IL1 continuously and value-continuously or time-continuously and
  • Control device 202 is further configured, in response to the current limiting values provided by the circuit device 500 or 600, the output current provided by the power supply device continuously or value continuously or time continuously and value-discretely depending on the ambient temperature and / or the input voltage (Vin) and / or Temperature of at least one component Tri, D10
  • circuit device 500 or 600 can be part of the control device 202.
  • the ambient temperature can be continuously or too discrete by a temperature sensor 152, for example
  • Points of time are measured while, for example, the temperature of the transformer Tri by a
  • Temperature sensor 150 and / or the temperature of diode D10 by a temperature sensor 151 for example
  • the temperature of the other electrical and / or electronic components or components of the power supply device can also be determined accordingly and taken into account. Furthermore, in the
  • Power supply device for measuring the input voltage and a device for determining the average
  • a voltage proportional to the output current can be measured, for example by means of a shunt resistor R13
  • microcontroller for example the
  • the output current IOUT can also be detected using a current measuring device 142 shown in FIG. 3 and for example the
  • Microcontroller of the circuit device 600 are transferred, which, among other things, from the current measured values.
  • Output voltage can be from one shown in FIG.
  • Microcontrollers of the circuit device 600 are transferred for further use.
  • the Input voltage VIN is measured by a voltage measuring device 140 and transferred to the microcontroller of the circuit device 600. All these measured values can also be a separate control and / or evaluation device
  • Power supply device 100 are supplied, for example, the operating state of the
  • the first current limiting value IL1 is advantageously between 5 times and 10 times the value of the
  • Power supply device 100 available nominal current, wherein the second current limit value IMAX is greater than the nominal current and less than twice the nominal current.
  • the circuit device 500, 600 is preferably designed to provide the first current limiting value for 5 to 15 ms. Thanks to these dimensions, for example, a circuit breaker can be safely triggered magnetically.
  • the power supply device 100 can expediently be designed as a switched-mode power supply and in particular as a primary-clocked switched-mode power supply.
  • Circuit device 500, 600 is designed to continuously and value-continuously or value-continuously and discreetly up to the second current limit value during an adjustable the first current limit value
  • the total duration can be specified, for example, via the interface 160.
  • Circuit device 500, 600 to be designed, depending on an application and / or depending on the ambient temperature and / or the input voltage Vin and / or the temperature of at least one component Tri, D10 of the power supply device and / or
  • An application is, for example, by several parameters that can be stored in the power supply device
  • Power supply device the circuit device 500, 600 can be configured to the first
  • circuit device 500, 600 also being able to be designed as a function of the
  • Power supply device the first current limit value and determine the length of time during which the first current limiting value is to be provided and the amount of each step-by-step reduced current limiting value and the respective time duration during which the step-by-step reduced current limiting value is to be provided.
  • Power supply device have a device RI12, 160, via which the first and second
  • the circuit device 500, 600 can be designed to continuously and discretely value the first current limit value in several steps up to the second current limit value as a function of the set current limit values and the set time periods or pulse durations that correspond to the respective
  • the device can be a potentiometer for setting the current limit values, while the time periods can be set using appropriate time elements.
  • a corresponding potentiometer RI12 is shown in Fig.
  • an interface 160 can also be provided, via which defined values for the
  • Circuit device 500, 600 generates in dependence on the entered current limiting values and the time periods or pulse durations which are assigned to the respective current limiting values. Is from the
  • control device 202 Detected operating state, the control device 202 is provided with the current limiting characteristic curve
  • Circuit device 500, 600 depending on the
  • a method for the regulated energy supply of at least one electrical consumer is made available, in particular with the aid of the power supply device 100, the method comprising the following steps: providing an output current;
  • the first current limiting value is preferably between 5 times and 10 times the value of the
  • the output current is the
  • Power supply device 100 limited to the first current limit value for a period of 5 to 15 ms.
  • the output current of the power supply device 100 is preferably made responsive to a staircase
  • adjustable total time (tLl to tL3) is reduced. This means that the current limiting characteristic has a section with a negative slope, which can therefore be used to represent a staircase function.
  • Power supply device connectable computer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung (100) zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers R1-RN, die dazu ausgebildet ist, die Umgebungstemperatur und/oder die Eingangsspannung (Vin) und/oder die Temperatur wenigstens eines Bauteils (TR1, D10) der Stromversorgungsvorrichtung und/oder die durchschnittliche Strombelastung der Stromversorgungsvorrichtung zu ermitteln. Sie weist eine Schaltungseinrichtung (500, 600) auf, die dazu ausgebildet ist, einen ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils (Tr1, D10) der Stromversorgungseinrichtung und/oder der durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert abzusenken. Eine Regelungseinrichtung (201, 202) ist dazu ausgebildet, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert (IL1) bis zum zweiten Strombegrenzungswert (IMAX) abzusenken.

Description

Stromversorgungsvorrichtung und Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen
Verbrauchers
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers.
Stromversorgungen haben die Aufgabe, die
Versorgungsspannung an den jeweiligen Verbraucher
anzupassen. Je nach speisender Quelle ist die
Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze. So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120VAC/230VAC, einer batteriegespeisten
Gleichspannung von 11 OVDC/220VDC oder Niederspannungen bis 1000VAC/1500VDC gespeist. Hierzu sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit, wie Isolationsabstände oder - materialien und der Berührschutz einzuhalten. Die
Verbraucher in einem Schaltschrank, wie zum Beispiel eine Steuerung (zum Beispiel eine SPS), Sensoren und/oder
Aktoren, werden von einer berührungefährlichen Sicherheits- Kleinspannung (SELV = Safety Extra Low Voltage) , die kleiner als 60VDC ist, gespeist. Dadurch müssen keine erhöhten Anforderungen an die elektrische Sicherheit in dem Verbraucher oder dessen Anschlüssen umgesetzt werden.
Üblicherweise werden industrielle Verbraucher mit einer konstanten Gleichspannung VOUT von 24VDC versorgt.
Aufgabe einer Stromversorgung ist es, die berührgefährliche Eingangsspannung VIN von der berührbaren Ausgangsspannung VOUT sicher zu trennen und eine konstante
Versorgungsspannung zur Verfügung zu stellen. Nachteilig an der geringen Versorgungsspannung sind die bei gleicher Leistung P = U*I -> 12 = U1/U2 * II umgekehrt proportional steigenden Ströme, die üblicherweise bis in den Bereich von einigen 10A, typisch bis 40A gehen können. Um die Verluste über den Versorgungsspannungsleitungen gering zu halten, sind entsprechend große Kabelquerschnitte erforderlich, wobei die Zuleitungsverluste PV gemäß der Gleichung
Pv = I2 * Reu quadratisch mit dem Strom steigen.
Eine Stromversorgung wird üblicherweise mit einem bei Netzfrequenz betriebenen Transformator oder einem
Schaltnetzteil realisiert. Der Transformator trennt die Eingangsspannung galvanisch von der Ausgangsspannung und setzt die Eingangsspannung mit dem Verhältnis der Windungen herunter. Die Größe des Transformators ist abhängig von der Frequenz der Wechselspannung. Entsprechend sind bei
Netzfrequenz 50/60 Hz betriebene Transformatoren deutlich größer, schwerer und teurer als bei einer wesentlich höheren Frequenz (z. B. 20 kHz) getaktete Transformatoren eines Schaltnetzteils.
50Hz/ 60Hz-Transformatornetzteile können üblicherweise die Spannung nicht regeln, sondern sie transformieren diese mit einem festen Verhältnis und werden an die jeweilige
Eingangsspannung angepasst. Auch kann ein Transformator nicht mit Gleichspannung versorgt werden.
Netzspannungsschwankungen führen zu
Versorgungsspannungsschwankungen an den Verbrauchern.
Insbesondere bei kleinen Leistungen ist die
Ausgangsspannung eines Transformators abhängig von der Auslastung. Eine nachfolgende sekundärseitige elektronische Regelung hat den Nachteil, dass diese mit sehr großen
Strömen arbeitet und daher stark verlustbehaftet ist.
Aufgrund dieser Nachteile wurden primär-getaktete
Stromversorgungen entwickelt. Diese erzeugen üblicherweise eine Gleichspannung von 24VDC und stellen eine Leistung bis zu wenigen kW bzw. Ströme bis 60A zu Verfügung, die durch den maximal üblichen 16mm2 Kabelquerschnitt begrenzt werden .
Aus der DE 10 2005 031 833 Al ist eine elektronische
Stromversorgungsvorrichtung bekannt, die als Schaltnetzteil ausgebildet sein kann. Die bekannte
Stromversorgungsvorrichtung weist eine Einrichtung zum Begrenzen des Ausgangsstroms der
Stromversorgungsvorrichtung auf einen ersten vorbestimmten Wert auf. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die unter Ansprechen auf das Erfassen eines elektrischen Störfalls den Ausgangsstrom für eine vorbestimmte Zeit auf einen zweiten vorbestimmten Wert einstellt, der größer als der erste Wert ist. Zudem ist eine Begrenzungseinrichtung vorgesehen, die den Ausgangsstrom nach Ablauf der
vorbestimmten Zeit sprunghaft auf den ersten vorbestimmten Wert ausgebildet ist.
Aus der WO 2015/082207 Al ist eine
Stromversorgungseinrichtung zum Begrenzen des
Ausgangsstroms bekannt. Die bekannte
Stromversorgungseinrichtung weist eine
Strombegrenzungsschaltung auf, die einen Ausgangsstrom der Stromversorgungseinrichtung zunächst für einen Zeitraum auf einen erhöhten Maximalstrom begrenzt und danach sprunghaft auf einen regulären Maximalström begrenzt, wobei der
Zeitraum. Für den der Ausgangsstrom auf den erhöhten
Maximalstrom begrenzt ist, von der Höhe des Ausgangsstroms abhängig ist.
Mit den beiden bekannten Stromversorgungseinrichtungen gemäß der DE 10 2005 031 833 Al und der WO 2015/082207 Al können Leitungsschutzschalter schnell magnetisch ausgelöst werden .
Aus der EP 1 971 021 A2 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Schaltnetzteils bekannt, dessen
Ausgangsstrom bei Bedarf auf den dreifachen Nennstrom erhöht und anschließend stufenförmig während einer
Zeitdauer von mehreren Sekunden abgesenkt werden kann.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Anlage abgebildet, die, dargestellt als Blockschaltbilder, eine
Stromversorgungsvorrichtung 100 aufweist, an deren Ausgang beispielsweise zwei elektrische Verbraucher RI und RN parallel angeschlossen sind, die jeweils mit der
Ausgangsspannung V0UT der Stromversorgungsvorrichtung 100 gespeist werden.
Die Stromversorgungsvorrichtung 100 stellt einen der
Bauteiledimensionierung entsprechenden Strom bereit bzw. zur Verfügung, der als Nennstrom IN0M des Schaltnetzteiles angegeben wird. Wird durch Verbraucher mehr als der
Nennstrom IN0M aufgenommen, begrenzt das Schaltnetzteil 100 den Ausgangstrom auf einen etwas höheren maximalen
Ausgangsstrom IMAX· Hierdurch werden Toleranzen in der Strombegrenzung ausgeglichen und sichergestellt, dass der Nennstrom immer erreicht wird. Da die Bauteile des Schaltnetzteils oder die Verbindungsleitungen zu
angeschlossenen Verbrauchern auf diesen maximalen Strom, der im Kurzschlussfall fließen kann, auszulegen sind, liegt der maximale Ausgangsstrom IMAX insbesondere bei größeren Stromversorgungen nur knapp über dem Nennstrom, und zwar vorteilhafterweise zwischen 110% und 150% des Nennstroms INOM ·
Um zum Beispiel ein Starten schwerer Lasten wie Motoren zu ermöglichen, besitzen viele Stromversorgungen eine
kurzzeitige Stromüberhöhung, die maximal einen Strom bis zum 2,5-fachen des Nennstromes für wenige Sekunden zur Verfügung stellen.
Entsprechend den allgemeinen elektrischen
Installationsvorschiften können Leitungsquerschnitte nach einer Sicherung reduziert werden. Neben Schmelzsicherungen werden insbesondere auch häufig Leitungsschutzschalter hierfür verwendet. In Fig. 2 ist die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Anlage dahingehend verändert worden, dass jedem Verbraucher RI bis RN eine Schutzeinrichtung Fl bis FN vorgeschaltet ist. Wie in Fig. 2 zu sehen, sind an die Stromversorgungsvorrichtung 100 die verschiedenen
Verbraucher, die durch unterschiedliche Lastwiderstände RI bis RN gekennzeichnet angeschlossen, die mit
unterschiedlichen Strömen von der
Stromversorgungsvorrichtung 100 zentral versorgt werden.
Bei zumindest einem Kurzschluss einer Zuleitung zu dem jeweiligen Verbraucher oder bei einem Kurzschluss innerhalb wenigstens eines der Verbraucher werden jedoch alle
Verbraucher nicht mehr ausreichend mit Strom versorgt. Um die Anlage jedoch weiter versorgen und um
Leitungsquerschnitte reduzieren zu können, werden die verschiedenen Strompfade, in denen die Verbraucher liegen, einzeln abgesichert. Ebenso kann in zumindest einigen der Verbrauchern jeweils eine eingangsseitige Sicherung geschaltet sein, die bei internen Kurzschlüssen auslösen soll .
Nachteilig hat sich jedoch dabei herausgestellt, dass die Sicherungen oder Leitungsschutzschalter bei einem geringen Überstrom nicht nur relativ langsam auslösen. Die
Verbraucher können kurze Unterbrechungen der
Eingangsspannung überbrücken, z.B. 20ms entsprechend
EN61000-6-2 (Fachgrundnorm Störfestigkeit für industrielle Verbraucher) . Hierzu besitzen Leitungsschutzschalter normalerweise zwei Auslösemechanismen: Bei hohen
Überströmen eine schnelle magnetische Auslösung innerhalb von 10ms und bei geringeren Überströmen wie auch
Schmelzsicherungen eine langsamere thermische Auslösung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Stromversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur
geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers zur Verfügung zu stellen, die in einem elektrischen Störfall, insbesondere bei einem
ausgangsseitigen Kurzschluss, sowohl eine magnetisch auslösbare Schutzeinrichtung als auch eine thermisch auslösbare Schutzeinrichtung auslösen kann.
Das technische Problem wird durch die Merkmale des
Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche . Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine beispielhafte Stromversorgungvorrichtung
gemäß der Erfindung, an welcher mehrere
elektrische Verbraucher parallel angeschlossen sind,
Fig . 2 die in Fig. 1 gezeigte
Stromversorgungsvorrichtung, wobei jedem elektrischen Verbraucher eine Schutzeinrichtung vorgeschaltet ist,
Fig . 3 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten
StromversorgungsVorrichtung,
Fig. 4 einen beispielhaften Schaltungsaufbau der in Fig.
3 gezeigten Regelungseinrichtung mit einem Spannungsregler und einem Stromregler,
Fig . 5 ein Spannungsteiler zum Bereitstellen der
Sollwerte für die in Fig. 4 gezeigten
Regelungseinrichtung,
Fig . 6 eine beispielhafte Strombegrenzungskennlinie gemäß der Erfindung,
Fig . 7 eine analoge Schaltungsanordnung zur Erzeugung von
Strombegrenzungswerten beispielsweise in Abhängigkeit der in Fig. 6 gezeigten
Strombegrenzungskennlinie, und
Fig . 8 eine digitale Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strombegrenzungswerten beispielsweise in
Abhängigkeit der in Fig. 6 gezeigten
Strombegrenzungskennlinie .
Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild einen beispielhaften
Aufbau der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Stromversorgungsvorrichtung 100, in der die
erfindungsgemäße Strombegrenzung verwirklicht ist. Die Stromversorgungsvorrichtung 100 ist beispielsweise ein primär-getaktetes AC/DC-Schaltnetzteil , wobei die
Stromversorgungsvorrichtung auch als DC- oder AC- Schaltnetzteil ausgebildet sein kann.
Das primär-getaktete Schaltnetzteil 100 kann primärseitig aus einer Eingangsgleichspannung VIN gespeist werden, die an Eingangsklemmen 101, 102 angelegt und von einem nicht dargestellten Spannungsmesser zur weiteren Verwendung gemessen werden kann. Bei dem beispielhaften AC/DC- Schaltnetzteil 100 kann eine Eingangswechselspannung VINAC über Eingangsklemmen 103, 104 VINAC mit einem primärseitigen
Gleichrichter Dl verbunden sein, wobei die Eingangsklemmen 103, 104 und der Gleichrichter Dl bei einem DC/DC- Schaltnetzteil entfallen können. Die Eingangsspannung VIN wird mit einem Kondensator CI geglättet, der parallel an die Eingangsklemmen 101, 102 angeschlossen ist, und
anschließend einem Transformator Tri zugeführt. Hierzu ist ein Anschluss einer Primärwicklung des Transformators Tri mit der Eingangsklemme 101 und der andere Anschluss der Primärwicklung des Transformators Tri über einen
Leistungsschalter Sl, der hochfrequent getaktet wird, mit der Eingangsklemme 102 verbunden. Ferner kann ein
Temperatursensor 150 vorgesehen sein, der die Temperatur der Transformators Tri messen kann. Der Leistungsschalter Sl wird von einer primärseitig angeordneten
Ansteuerungseinrichtung 201 angesteuert, die beispielsweise als Pulsweitenmodulator arbeitet. Die Ansteuereinrichtung 201 ist mit den Eingangsklemmen 101 du 102 verbunden. Das Steuersignal für die Ansteuerungseinrichtung 201 wird von einer sekundärseitig angeordneten Regelungseinrichtung 202 erzeugt und über eine Trennschaltung 106 auf die
Primärseite des Schaltnetzteils 100 geleitet. Die
Trennschaltung 106 kann ein Optokoppler OC1 sein. Die
Trennschaltung 105 und der Transformator Tri sorgen somit für eine galvanische Trennung, d.h. sie trennen das
Schaltnetzteil 100 somit in eine Primärseite und eine
Sekundärseite, was symbolisch durch die Strichpunktlinie 105 dargestellt ist. Über die galvanische Trennung wird die Energie des Transformator Tri auf die sekundärseitige
Wicklung gegeben und mit einer Diode D10 gleichgerichtet. Wenn gewünscht, kann ein Temperatursensor 151 zur Messung der Temperatur der Diode D10 in der
Stromversorgungsvorrichtung 100 implementiert sein. Bei der Diode D10 handelt es sich vorzugsweise um eine
sekundärseitige Gleichrichterdiode. Die vom Kondensator CIO geglättet Spannung wird als Ausgangsspannung V0UT am Ausgang der Stromversorgungsvorrichtung 100 zur Verfügung gestellt.
Die Regelungseinrichtung 202 erfasst vorzugsweise die
Ausgangsspannung V0UT und den Ausgangsstrom I0UT der
Stromversorgungseinrichtung 100 und regelt im Normalbetrieb auf eine konstante Ausgangsspannung V0UT· Bereits an dieser Stelle sei erwähnt, dass die Regelungseinrichtung 202 dazu ausgebildet sein kann, aus dem erfassten Ausgangsstrom I0UT die durchschnittliche Strombelastung der
Stromversorgungsvorrichtung 100 zu ermitteln.
Beispielsweise kann der Ausgangsstrom I0UT mit einem
Strommessgerät 142, welches mit der Regelungseinrichtung 202 elektrisch verbunden sein kann, gemessen werden.
Vorzugsweise weist die Regelungseinrichtung 202 eine
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung, zum Beispiel den in Fig. 8 gezeigten Mikrocontroller auf, mit dem das
Strommessgerät 142 verbunden sein kann. In ähnlicher Weise kann die Ausgangsspannung V0UT mit einem Spannungsmessgerät 141, welches mit der Regelungseinrichtung 202 elektrisch verbunden sein kann, gemessen werden. Vorzugsweise kann zum Beispiel den in Fig. 8 gezeigten Mikrocontroller auch mit dem Spannungsmessgerät 141. Ferner kann ein weiteres
Spannungsmessgerät 140, welches ebenfalls mit dem in Fig. 8 gezeigten Mikrocontroller verbunden sein kann, vorgesehen sein, welches die Eingangsspannung VIN misst.
Das Schaltnetzteil 100 kann nach bekannten
Schaltungsgrundprinzipien realisiert werden, z.B. als
Sperrwandler, Flusswandler, als Halbbrücken- oder
Vollbrücken- oder Resonanzwandler. Ebenso kann das
Schaltnetzteil 100 mehrere Schaltstufen in Reihenschaltung besitzen. Bekannt ist eine vorgeschaltete PFC-Stufe, die für eine sinusförmige Eingangsstromaufnahme sorgt. Auch weitere Schaltungsgrundkonzepte wie 2-Transistor-Wandler oder eine Parallelschaltung der Schaltstufen als
interleaved Wandler oder bei hohen Spannungen eine
Reihenschaltung als Kaskade sind der Fachliteratur zu entnehmen .
Fig. 3 zeigt ein galvanisch getrenntes Schaltnetz 100. Dies kann aber auch genauso ein nicht galvanisch getrenntes Schaltnetzteil sein, z.B. ein Tiefsetzer, Hochsetzer oder ein Inverswandler.
Der Leistungsschalter S1 ist unabhängig von der verwendeten Schaltertechnologie ein beliebig ein- und ausschaltbarer Halbleiterschalter und kann z.B. als MOSFET oder
Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET oder SiC-FET realisiert werden. Auch kann die als Rückkoppelelement fungierende Trenneinrichtung 106 sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch als magnetischer Koppler realisiert werden. Das Ansteuerung des Leistungsschalters S1 kann z.B. hartschaltend mit Pulsweitenmodulation PWM oder bei
resonanten Wandlertopologien mit Pulsfrequenzmodulation PEM erfolgen .
Ebenso kann das Schaltnetzteil 100 eine sinusförmige
Ausgangsspannung erzeugen, wie bei einem Wechselrichter. Hierzu wird z.B. weniger ausgangsseitig geglättet und die Ausgangsspannung sinushalbwellenförmig mit 100/120Hz moduliert und anschließend mit einer sogenannten H-Brücke die Polarität gewechselt.
Die Regelung des Schaltnetzteiles 100 kann sowohl analog als auch digital erfolgen. Bei konstanter Eingangsspannung VIN kann die Erfassung der Ausgangsspannung und des
Ausgangsstroms auch primärseitig erfolgen, mit jedoch deutlich größeren Toleranzen. Das Schaltnetzteil kann vollständig primärseitig geregelt werden. Daher wird in einigen Schaltnetzteilen die Ausgangsspannung
sekundärseitig erfasst und geregelt, der Strom aber
primärseitig begrenzt.
Bezuggenommen wird nunmehr auf Fig. 4, die insbesondere eine beispielhafte Realisierung der Regelungseinrichtung 202 zeigt. Betrachtet man das Schaltnetzteils 100 aus regelungstechnischer Sicht der Ausgangsgrößen „Konstante Spannung" und „Strombegrenzung", so besteht das
Schaltnetzteil 100 aus einem Leistungspfad, mit dem die Eingangsenergie auf die Ausgangsseite transformiert wird. Ausgangsseitig wird die aktuelle Ausgangsspannung VQUTACT und der aktuelle Ausgangsstrom IQUTACT zum Beispiel mittels des
Spannungsmessgeräts 141 bzw. des Strommessgeräts 142 gemessen. Diese Signale werden ggf. verstärkt an die sekundärseitige Regelungseinrichtung 202 weitergeleitet.
Die sekundärseitige Regelungseinrichtung 202 weist
wenigstens zwei Regler auf, nämlich einen Spannungsregler 302 und einen Stromregler 301.
Beide Regler 301 und 302 können diskret als sogenannte PI- Regler realisiert werden. Hierzu weist der beispielhafte Stromregler 301 einen Operationsverstärker ICH auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang ein Sollwert IOUTLIM und an dessen invertierenden Eingang ein dem aktuellen Ausgangsstrom entsprechendes Spannungssignal anliegt, welches beispielsweise über einen Shuntwiderstand R13 abgegriffen und dann über einen Verstärker ICI2 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand RI1 an den
invertierenden Eingang angelegt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers ICI1 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und RI2 und einen Kondensator CI1 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der beispielhafte Spannungsregler 302 weist einen Operationsverstärker ICV1 auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang ein Sollwert IOUTNOM und an dessen invertierenden Eingang eine der aktuellen Ausgangsspannung entsprechende Spannung anliegt, welche beispielsweise über einen an die Ausgangsklemmen der Stromversorgungsvorrichtung 100 angeschlossenen
Spannungsteiler abgegriffen und dann über einen Verstärker an den invertierenden Eingang angelegt wird. Der
Spannungsteiler kann zwei Widerstände R11 und R12
aufweisen. Der Ausgang des Operationsverstärkers ICV1 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R6 und einen Kondensator C3 auf den invertierenden Eingang
rückgekoppelt . Die Ausgangssignale der beiden Regler 302 und 301 werden über eine Dioden Dvi bzw. Du Oder-verknüpft und ggf. über den Optokoppler OC1 auf die primärseitige
Ansteuerungseinrichtung 201 des Leistungspfades gegeben. Durch die Oder-Verknüpfung der beiden Ausgangssignale wird erreicht, dass der Regler, der das größere Fehlersignal hat, im gezeichneten Beispiel der Operationsverstärker ICV1 des Spannungsreglers 302 oder der Operationsverstärker ICH des Stromreglers 301 mit der geringeren Ausgangsspannung die Ansteuerungseinrichtung 201 begrenzt bzw. das
Tastverhältnis reduziert.
Ein Sollwert VOUTNOM für den Spannungsregler 302 und ein der Strombegrenzung dienender Sollwert IOUTLIM für den Stromregler 201 können zum Beispiel mittels eines
einstellbaren Spannungsteilers vorgegeben werden. Ein geeigneter beispielhafter Spannungsteiler ist in Fig. 5 gezeigt. Der Spannungsteiler kann durch eine
Reihenschaltung aus Widerständen, beispielsweise den
Widerständen RV10, RV11 und einem Potentiometer RV12 und einer dazu parallelgeschalteten Reihenschaltung aus
beispielsweise einem Widerstand RI10, einem Widerstand Rill und einem Potentiometer RI12 gebildet werden. Der Sollwert VOUTNOM kann mit einem Potentiometer RV12 eingestellt werden, während die Strombegrenzung, d.h. der Sollwert IOUTLIM intern mit einem Trimmpotentiometer RI12
abgeglichen werden kann, um Toleranzen der Strommessung auszugleichen. Angemerkt sei, dass der in Fig. 5 gezeigte Spannungsregler Bestandteil der Regelungseinrichtung 202 sein kann.
Ebenso ist als einfachste Möglichkeit eine feste
Einstellung der Sollwerte mit festen Widerständen möglich. Auch eine Sollwertvorgabe aus Zeitgliedern oder einem
Prozessor ist denkbar, um z.B. Kurzzeitstromüberhöhungen für schwere Lasten, wie z.B. für Motoren mit hohen
Anlaufströmen, zu ermöglichen.
Die Strombegrenzung der Regelungseinrichtung 202 und insbesondere des Stromreglers 302 wird derart modifiziert, dass zum Beispiel bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss zum Beispiel in einer Zuleitung oder einem der Verbraucher, beispielsweise der Verbraucher RI in Fig. 2, beispielsweise die Schutzeinrichtung Fl vorzugsweise schnell und
zuverlässig magnetisch und thermisch ausgelöst werden. Die Schutzeinrichtung Fl kann ein Leitungsschutzschalter mit magnetischem und thermischem Auslösemechanismus oder eine magnetisch auslösende Sicherung und eine davon getrennte thermisch auslösende Schmelzsicherung sein. Die
Regelungseinrichtung 202 ist dazu ausgebildet, kurzzeitig einen Ausgangsstrom IOUT, der deutlich über dem Nennstrom INOM liegt, bereitzustellen. Hiervon bleibt die eigentliche Regelung i.A. unverändert. Die Sollwertvorgabe IOUTLIM wird so verändert, dass der bereitgestellte Strom ILIM für eine bestimmte Zeit deutlich erhöht ist. Wird dieser über dem Nennstrom liegende Strom tatsächlich benötigt, so wird zur Verhinderung der Überlastung von Verbrauchern und
Verdrahtung der maximal bereitgestellte Strom ILIM in
Abhängigkeit einer geeigneten Strombegrenzungskennlinie beispielsweise nach Ablauf von bestimmten Zeiten Schritt für Schritt in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der
Stromversorgungseinrichtung und/oder der durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung abgesenkt. Hierdurch kann die Stromversorgungsvorrichtung flexible auf die Umgebungstemperatur und/oder die aktuelle Eingangsspannung und/oder Bauteiltemperaturen und/oder die durchschnittliche Strombelastung reagieren, um
Beschädigungen der Stromversorgungsvorrichtung und
angeschlossener Verbraucher zu verhindern.
Eine beispielhafte Strombegrenzungskennlinie mit
treppenförmigem Verlauf, die die Regelungseinrichtung 202 bzw. der Stromregler 301 zur Ausgangstrombegrenzung berücksichtigen kann, ist in Fig. 6 dargestellt. Andere Strombegrenzungskennlinien, die einen Abschnitt mit negativer Steigung, der sich über eine einstellbare
GesamtZeitdauer, zum Beispiel von tLl bis tL3, erstreckt, aufweisen, können der Regelungseinrichtung 202
bereitgestellt werden. Angemerkt ist, dass der Abschnitt mit negativer Steigung derart verläuft, dass ein erster Strombegrenzungswert IL1 zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert IMAX über die einstellbare
GesamtZeitdauer abgesenkt wird.
Angenommen sei, dass zum Zeitpunkt tO ein erhöhter
Strombedarf durch z.B. eine Störung auftritt. Die
Strombegrenzung des Stromreglers 301, d.h. der
bereitgestellte Strom ILIM, ist auf einen wesentlich über dem Nennstrom INOM liegenden Wert IL1 eingestellt. Zum Zeitpunkt tLl wird der zur Verfügung gestellte Strom auf einen Wert IL2 abgesenkt. Dies wiederholt sich zumindest nach einer weiteren Zeitdauer. Zum Zeitpunkt tL2 wird der zur Verfügung gestellte Strom auf den Wert IL3 abgesenkt und zum Zeitpunkt tL3 wird der Strom weiter auf den Wert IMAX eingestellt. Die Stromversorgungseinrichtung 100 kann eine Schnittstelle 160 aufweisen, über die ein erster Strombegrenzungswert für den Strom IL1 und zweite
Strombegrenzungswert für den Strom IMAY sowie mehrere diskrete unterschiedliche Strombegrenzungswerte für die beispielhaften Ströme IL2 und IL3, die zwischen dem ersten und zweiten Strombegrenzungswerten liegen, und mehrere Zeitdauern tLl, tL2 und tL3 die jeweils die zeitliche Dauer des ersten und zweiten Strombegrenzungswertes und der mehreren diskreten unterschiedlichen Strombegrenzungswerte definieren, extern eingebbar sind. Die diskreten
Strombegrenzungswerte IL1, 112, IL3, die als Sollwerte für den Stromregler 301 fungieren, können zum Beispiel auch über Potentiometer oder Widerstände fest eingestellt werden, wie dies beispielhaft in den Figuren 5 und 7 gezeigt ist. Die Zeitpunkte tLl, tL2 und tL3, zu denen die Sollwerte abgesenkt werden, können optional durch
entsprechende Zeitglieder (nicht dargestellt) fest
eingestellt werden. Unter Ansprechen auf diese Parameter kann die Stromversorgungsvorrichtung 100 den Ausgangsstrom entsprechend der in Fig. 6 beispielhaft gezeigten
Strombegrenzungskennlinie absenken .
Damit z.B. Leitungsschutzschalter zuverlässig schnell magnetisch ausgelöst werden können, wird z.B. die erste Strombegrenzung IL1 je nach Charakteristik auf den 5-10- fachen Nennstrom des Leitungsschutzschalters eingestellt, und zwar für eine zeitliche Dauer von ca. 5-15ms. Danach wird der bereitgestellte Strom auf den niedrigeren
Stromwert IL2 begrenzt, um z.B. eine flinke Sicherung innerhalb von ca. 20ms auszulösen. In einer weiteren Stufe wird der bereitgestellte Strom auf den noch niedrigeren Stromwert IL3 begrenzt, um z.B. eine träge Sicherung auszulösen. Danach, zum Beispiel nach der Zeitdauer tL3, kann dann der Strom auf den üblichen maximalen Ausgangsstrom IMAX oder z.B. auch auf einen Strom begrenzt werden, um z.B. das Starten von schwierigen Lasten oder z.B. das schnelle Laden von (Speicher-) Kondensatoren zu unterstützen .
Die Auslösezeiten können den Datenblättern oder
Normenreihen entnommen werden: Die Leitungsschutzschalter sind in der Normenreihe EN 60898, die Schmelzsicherungen in der EN60127 spezifiziert.
Die Bauteile einer Stromversorgung sind üblicherweise auf den Nennausgangsstrom bei maximaler Umgebungstemperatur dauerhaft ausgelegt und können höhere Spitzenströme
liefern. Hierbei spielt z.B. eine Rolle, welchen
Ausgangsstrom die Stromversorgung vor dem erhöhten
Strombedarf lieferte, oder bei welcher Umgebungstemperatur TA die Stromversorgung betrieben wird, oder auch wie niederohmig der jeweilige Kurzschluss ist. Bei sehr
niederohmigem Kurzschluss mit einer sehr geringen
Ausgangsspannung VOUT setzt die Stromversorgungsvorrichtung insbesondere auf der Primärseite eine geringere Leistung im Vergleich zu einem hochohmigerem Kurzschluss mit höherer Ausgangsspannung VOUT um. Der Widerstand im Kurzschlussfall wird maßgeblich bestimmt von den Zuleitungswiderständen.
Ebenso kann die Eingangsspannung berücksichtigt werden. Insbesondere bei DC/DC-Wandlern mit niedriger
Eingangsspannung kann sich bei höherer Ausgangsspannung, z.B. hochohmigem Kurzschluss, eine deutlich höhere
Stromaufnahme ergeben. Diese führt aufgrund des
Zuleitungswiderstandes zu einem Absinken der
Eingangsspannung und in Folge zu einer noch höheren
Eingangsstromaufnahme . Der bereitgestellte Ausgangsstrom ILIM kann beeinflusst werden durch z.B. Umgebungstemperatur TA,
Bauteiletemperaturen TC, verbleibende Ausgangsspannung VOUTLIM, Historie des Ausgangsstromes IOUTHIST, die
insbesondere durch die durchschnittliche Strombelastung der Stromversorgungsvorrichtung gegeben ist, oder der
Eingangsspannung VIN.
Die Begrenzungsgrößen können hierbei beliebig mehrfach Vorkommen und durch z.B. mehrere Temperaturfühler 150 bis 152 mit unterschiedlichen Gewichtungen erfasst werden. Auch kann je nach Schaltungskonzept eine Berücksichtigung weiterer Parameter erforderlich sein.
Die nachfolgenden prinzipiellen Schaltungseinrichtungen, die in den Figuren 7 und 8 beispielhaft dargestellt sind, geben eine entsprechende Ansteuerung zur Erzeugung des Stromgrenzwertes IOUTLIM, der als Sollwert an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ICH angelegt wird, wieder. Mit anderen Worten: Die in den
Figuren 7 und 8 gezeigten Schaltungseinrichtungen 500 und 600 sind jeweils dazu ausgebildet, die beispielhaft in Fig. 6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie zu erzeugen. Angemerkt sei noch, dass die Schaltungseinrichtungen 500 und 600 in der Stromversorgungsvorrichtung implementiert sind und Bestandteil der Regelungseinrichtung 202 oder des Reglers 301 sein können.
In dem ersten in Fig. 7 gezeigten Beispiel wird eine analoge Lösung einer Schaltungseinrichtung 500 zur
Bereitstellung eines Stromgrenzwertes IOUTLIM dargestellt. Der Maximalwert der Strombegrenzung wird mit einem Potenziometer RI12 eingestellt. Von diesem Maximalwert werden mit einem Subtrahierer IC401 einzelne verstärkte und gewichtete Sensorgrößen, die von Sensorschaltungen 400 bis 402 bereitgestellt werden, subtrahiert, wodurch der
Stromgrenzwert sinkt. Die einzelnen Stromüberhöhungen werden z.B. von den Sensorschaltungen 400 bis 402
generiert. Hierbei sind die Stromgrenzwerte und Zeiten wieder z.B. über Potenziometer einstellbar. In der
Sensorschaltung 401 können z.B. verstärkte
Temperaturmesssignale für die vom Temperatursensor 152 gemessene Umgebungstemperatur oder die vom
Temperartursensor 150 und/oder 151 gemessene
Bauteiletemperaturen das Ausgangssignal beeinflussen.
Weitere Sensoren z.B. zur Berücksichtigung der
Eingangsspannung oder der durchschnittlichen Strombelastung sind in den Sensorschaltung 400 und 402 angedeutet.
Alternativ kann die in Fig. 7 gezeigte eine
Schaltungseinrichtung zur Bereitstellung eines
Strombegrenzungswerts IOUTLIM anstelle eines Subtrahierers einen Addierer verwenden. Wird der normale Grenzwert der Strombegrenzung IMAX erreicht, wird der einstellbare
Grenzwert für eine einstellbare Zeit erhöht. Werden wieder mehrere Sensor-Schaltungsblöcke parallelgeschaltet, können mehrere Stromgrenzwerte und Zeiten dazu eingestellt werden, wie dies durch die Eingangssignale des Schaltungsblocks 400 angedeutet ist.
Da jedoch die diskret aufgebaute analoge
Schaltungseinrichtung 500 zur Stromgrenzwerteinstellung sehr komplex werden kann, kann eine digitale Lösung einer Schaltungseinrichtung mit einem Mikroprozessor optional oder zusätzlich verwendet werden, die in Fig. 8 dargestellt und mit Bezugszeichen 600 versehen ist.
Ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller m<3, der ggf. auch das Schaltnetzteil 100 regelt, erfasst die elektrischen Parameter des Schaltnetzteils 100, wie z.B. die aktuelle Ausgangsspannung VOUTACT oder den aktuellen Ausgangsstrom IOUTACT, die beispielsweise vom Spannungsmessgerät 141 bzw. vom Strommessgerät 142 gemessen werden. Ebenso kann der Mikrocontroller pC Sensordaten wie z.B. die zuvor genannten Temperaturen der Umgebung und/oder Bauteile der
Stromversorgungsvorrichtung 100 berücksichtigen, die beispielsweise mittels der Temperatursensoren 150 bis 152 gemessen werden. Für eine komfortable Eingabe der fester Grenzwerte wie Stromüberhöhungsgrenzen und Zeitdauern z.B. über einen PC oder ein Smartphone, kann die
Stromversorgungsvorrichtung 100 bzw. der pC über eine beliebige Schnittstelle, zum Beispiel die Schnittstelle 160 verfügen .
Der pC der Schaltungseinrichtung 600 kann dazu ausgebildet sein, zum Beispiel die durchschnittliche Stromauslastung unter Ansprechen auf den erfassten Ausgangsstrom I0UT ZU ermitteln und unter Berücksichtigung der
Umgebungstemperatur und/oder von Bauteiletemperaturen und/oder der Eingangsspannung und/oder der ermittelten durchschnittlichen Stromauslastung sowie weiterer Größen jeweils eine maximale Impulsdauer tLi, tL2, tL3 für eine
Stromüberhöhung bzw. für jeden Strombegrenzungswert ILi,
IL2, IL3 berechnen, wobei auch die Strombegrenzungswerte ILi, IL2, IL3 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
und/oder von Bauteiletemperaturen und/oder der
Eingangsspannung und/oder der ermittelten
durchschnittlichen Stromauslastung sowie weiterer Größen vom Mikrocontroller berechnet werden können. Mit anderen Worten: Der Mikrocontroller kann dazu ausgebildet sein, die Strombegrenzungskennlinie, die beispielhaft in Fig. 6 gezeigt ist, vollständig zu berechnen.
Der Benutzer kann alternativ entsprechend dem
Anlagenaufbau, wie der Verdrahtung und den jeweiligen
Sicherungscharakteristiken, die beispielhaft in Fig. 6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie definieren, indem
Stromhöhen bzw. Strombegrenzungswerte und deren
Maximalzeiten, d.h. Impulsdauern, beispielsweise über die Schnittstelle 160 vorgeben werden. In diesem Fall erzeugt der Mikrocontroller die beispielsweise in Fig. 6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie unter Ansprechen auf die
vorgegebenen Werte. Hierbei kann der Mikrocontroller zum Beispiel unter Ausführung einer Firmware und unter
Berücksichtigung der angegebenen Umgebungstemperatur prüfen, dass die Stromversorgungsvorrichtung nicht
wesentlich, z.B. maximal 10%, mehr belastet wird als die Nenndaten .
Im Betrieb der Stromversorgungsvorrichtung 100 kann der pC der Schaltungseinrichtung 600 oder eine separate Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung z.B. die Bauteiletemperaturen und/oder Eingangsspannungshöhe und/oder Umgebungstemperatur und/oder durchschnittliche Strombelastung überwachen und rechtzeitig die Stromüberhöhungsdauer begrenzen, so dass bei Erreichen eines Grenzwertes die
Stromversorgungsvorrichtung 100 entsprechend niedrigere Stromimpulse abgeben kann. Hierbei berücksichtigt die
Firmware z.B. die Wärmekapazität der Bauteile oder eine Charakteristik der stromabhängigen Verluste. In der Praxis werden die Strombegrenzungswerte, z.B. die diskreten Sollwerte ILi, IL2, IL3 und IMAX die dazugehörenden Zeitdauern, die zusammen die Strombegrenzungskennlinie definieren, fortlaufend während des Betriebs der
Stromversorgungsvorrichtung 100 gemessen. Für den Fall, dass zusätzlich feste Sollwerte für die
Strombegrenzungswerte und deren Impulsdauern eingestellt bzw. eingegeben worden sind, werden die fest eingestellten Sollwerte von der Regelungseinrichtung 202 bzw. vom
Stromregler 301 berücksichtigt, solange zum Beispiel der Mikrocontroller der Schaltungseinrichtung 600 keinen kritischen Betriebszustand erkannt hat. In diesem Fall würde der Mikrocontroller die berechnete
Strombegrenzungskennlinie berücksichtigen, um
Beschädigungen insbesondere der Stromversorgungsvorrichtung 100 zu verhindern. Ein kritischer Betriebszustand wird zum Beispiel erkannt, wenn die aktuell gemessene
Umgebungstemperatur oder eine aktuell gemessene
Bauteiletemperatur einen kritischen Wert übersteigen, was beispielsweise vom Mikrocontroller der
Schaltungseinrichtung 600 oder einer separaten Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung festgestellt werden kann. Die kritischen Werte, das sind beispielsweise Maximalwerte für Umgebungstemperaturen, Bauteiletemperaturen, die
durchschnittliche Strombelastung, können in einem Speicher der Stromversorgungsvorrichtung 100, auf den zum Beispiel der Mikrocontroller der Schaltungseinrichtung 600 oder eine separate Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zugreifen kann, gespeichert werden.
Die Charakteristik der stromabhängigen Verluste ist z.B. an Dioden in erster Näherung bei konstantem Spannungsabfall linear der Strombelastung. An Widerständen steigen die Verluste quadratisch mit dem Strom. Bei Induktivitäten wie Transformatoren oder Spulen steigen die Verluste bei relativ hoher Aussteuerung mit dritter Potenz. Die
Wärmekapazität steigt üblicherweise mit der Bauteilegröße, jedoch ist hier die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr z.B. innerhalb von Halbleitergehäusen zu berücksichtigen.
Aufgrund der Komplexität sind relativ umfangreiche Daten z.B. durch Messungen oder Simulation zu ermitteln, die im Berechnungsprogramm für die Stromgrenzwerte als Gleichungen oder Tabellen hinterlegt werden können.
Ebenso kann der Mikrocontroller unter Ausführung der
Firmware im Betrieb die jeweiligen Temperaturen, das sind beispielsweise die Temperaturen der Bauteile Tri und D10 sowie der Umgebung messen und diese speichern. Die so gewonnenen Daten kann dann die Firmware bzw. der
Mikrocontroller selbstständig bei Berechnung der
Strombegrenzungswerte und/oder der dazugehörenden
Impulsdauern berücksichtigen.
Einige der Aspekte der Erfindung werden nachfolgend zusammengefasst .
Es ist eine beispielhaft in Fig. 3 gezeigte
Stromversorgungsvorrichtung 100 zur geregelten
Energieversorgung wenigstens eines elektrischen
Verbrauchers Rl-RN vorgesehen, die folgende Merkmale aufweisen kann:
eine Einrichtung Tri zur Umwandlung einer Eingangsspannung
Vin in eine Ausgangsspannung Vout,
eine beispielhaft in Fig. 7 und 8 gezeigte
Schaltungseinrichtung 500 bzw. 600, die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes 111 ausgebildet ist, und
eine Regelungseinrichtung 202, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der Schaltungseinrichtung 500 oder 600 bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer tLl auf den ersten Strombegrenzungswert IL1 zu begrenzen,
wobei die Stromversorgungsvorrichtung 100 dazu ausgebildet ist, die Umgebungstemperatur und/oder die Eingangsspannung Vin und/oder die Temperatur wenigstens eines Bauteils TRI, D10 der Stromversorgungsvorrichtung zu erfassen und/oder die durchschnittliche Strombelastung der
Stromversorgungsvorrichtung zu ermitteln,
wobei die Schaltungseinrichtung 500 oder 600 ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert IL1 zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und
wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert IMAX insbesondere während einer vorzugsweise einstellbaren
GesamtZeitdauer von tLi bis tL3 abzusenken, wobei die
Regelungseinrichtung 202 ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung 500 oder 600 bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der
Stromversorgungseinrichtung und/oder der durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung vom ersten Strombegrenzungswert IL1 bis zum zweiten
Strombegrenzungswert IMAX abzusenken, beispielsweise während einer GesamtZeitdauer von tLi bis tL3 abzusenken. Angemerkt sei, dass die Schaltungseinrichtung 500 oder 600 Bestandteil der Regelungseinrichtung 202 sein kann.
Die Umgebungstemperatur kann durch einen Temperatursensor 152 beispielsweise kontinuierlich oder zu diskreten
Zeitpunkten gemessen werden, während beispielsweise die Temperatur des Transformators Tri durch einen
Temperatursensor 150 und/oder die Temperatur der Diode D10 durch einen Temperatursensor 151 beispielsweise
kontinuierlich oder zu diskreten Zeitpunkten gemessen werden kann. Auch die Temperatur der übrigen elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente bzw. Bauteile der Stromversorgungsvorrichtung können entsprechend ermittelt und mitberücksichtigt werden. Ferner kann in der
Stromversorgungsvorrichtung ein Spannungsmesser (nicht dargestellt) zum Messen der Eingangsspannung und eine Einrichtung zum Ermitteln der durchschnittlichen
Strombelastung vorgesehen sein. Hierzu kann beispielsweise mittels eines Shuntwiderstands R13 eine dem Ausgangsstrom proportionale Spannung gemessen werden, wobei
beispielsweise ein Mikrocontroller, zum Beispiel der
Mikrocontroller der Schaltungseinrichtung 600, in
Abhängigkeit von der gemessenen Spannung die
durchschnittliche Strombelastung ermittelt. Alternativ kann der Ausgangsstrom IOUT auch mit einem in Fig. 3 gezeigten Strommessgerät 142 erfasst und beispielsweise dem
Mikrocontroller der Schaltungseinrichtung 600 übergeben werden, der aus den Strommesswerten u.a. eine
durchschnittliche Strombelastung ermitteln kann. Die
Ausgangsspannung kann von einem in Fig. 3 gezeigten
Spannungsmessgerät 141 gemessen und ebenfalls dem
Mikrocontroller der Schaltungseinrichtung 600 zur weiteren Verwendung übergeben werden. Zudem kann die Eingangsspannung VIN von einem Spannungsmessgerät 140 gemessen und dem Mikrocontroller der Schaltungseinrichtung 600 übergeben werden. All diese Messwerte können auch einer separaten Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung der
Stromversorgungsvorrichtung 100 zugeführt werden, um beispielsweise den Betriebszustand der
Stromversorgungsvorrichtung überwachen und, sofern
erforderlich, eine Strombegrenzung des Ausgangsstroms beispielsweise gemäß der in Fig. 6 gezeigten
Strombegrenzungskennlinie durchzuführen .
Vorteilhafterweise liegt der erste Strombegrenzungswert IL1 zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der
Stromversorgungsvorrichtung 100 lieferbaren Nennstroms, wobei der zweite Strombegrenzungswert IMAX größer als der Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.
Vorzugsweise ist die Schaltungseinrichtung 500, 600 dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert für 5 bis 15 ms bereitzustellen. Dank dieser Dimensionierungen kann beispielsweise ein Leitungsschutzschalter sicher magnetisch ausgelöst werden.
Zweckmäßigerweise kann die Stromversorgungsvorrichtung 100 als Schaltnetzteil und insbesondere als primär-getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die
Schaltungseinrichtung 500, 600 dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert während einer einstellbaren
GesamtZeitdauer abzusenken. Die Gesamtdauer kann beispielsweise über die Schnittstelle 160 vorgegeben werden .
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die
Schaltungseinrichtung 500, 600 dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von einer Anwendung und/oder in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung Vin und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung der
Stromversorgungseinrichtung eine GesamtZeitdauer zu
ermitteln und den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert während der
ermittelten GesamtZeitdauer abzusenken.
Eine Anwendung wird beispielsweise durch mehrere in der Stromversorgungsvorrichtung speicherbare Parameter
festgelegt, die zum Beispiel einen bestimmten Motor, der an die Stromversorgungsvorrichtung 100 anschließbar ist, definieren .
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der
Stromversorgungsvorrichtung kann die Schaltungseinrichtung 500, 600 dazu ausgebildet sein, den ersten
Strombegrenzungswert zeitkontinuierlich und wertdiskret in mehreren Schritten bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert abzusenken, wobei die Schaltungseinrichtung 500, 600 ferner dazu ausgebildet sein kann, in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung Vin und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung der
Stromversorgungseinrichtung den ersten Strombegrenzungswert und die zeitliche Dauer, während der der erste Strombegrenzungswert bereitgestellt werden soll, und die Höhe jedes schrittweise abgesenkten Strombegrenzungswerts sowie die jeweilige zeitliche Dauer, während der der schrittweise abgesenkte Strombegrenzungswert bereitgestellt werden soll, zu ermitteln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die
Stromversorgungseinrichtung eine Einrichtung RI12, 160 aufweisen, über die der erste und zweite
Strombegrenzungswert, mehrere diskrete unterschiedliche Strombegrenzungswerte, die zwischen dem ersten und zweiten Strombegrenzungswerten liegen, und mehrere Zeitdauern, die jeweils die zeitliche Dauer des ersten und zweiten
Strombegrenzungswertes und der mehreren diskreten
unterschiedlichen Strombegrenzungswerte definieren, auf definierte Werte einstellbar sind, wobei
die Schaltungseinrichtung 500, 600 dazu ausgebildet sein kann, den ersten Strombegrenzungswert zeitkontinuierlich und wertdiskret in mehreren Schritten bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert in Abhängigkeit von den eingestellten Strombegrenzungswerten und den eingestellten Zeitdauern bzw. Impulsdauern, die den jeweiligen
Strombegrenzungswerten zugeordnet sind, abzusenken. Bei der Einrichtung kann es sich um Potentiometer zur Einstellung der Strombegrenzungswerte handeln, während die Zeitdauern über entsprechende Zeitglieder einstellbar sind. Ein entsprechendes Potentiometer RI12 ist zum Beispiel in Fig.
5 gezeigt. Alternativ kann auch eine Schnittstelle 160 vorgesehen sein, über die definierte Werte für die
Strombegrenzungswerte und Zeitdauern einstellbar sind, indem sie beispielsweise dem Mikrocontroller der in Fig. 8 gezeigten Schaltungseinrichtung 600 übergeben werden. Zweckmäßigerweise sorgt die Stromversorgungsvorrichtung 100 bzw. die Schaltungseinrichtung 500, 660 in diesem Fall dafür, dass von der Regelungseinrichtung 202 die
Strombegrenzungskennlinie bereitgestellt wird, die die Schaltungseinrichtung 500, 600 in Abhängigkeit von den eingegebenen Strombegrenzungswerten und den Zeitdauern bzw. Impulsdauern, die den jeweiligen Strombegrenzungswerten zugeordnet sind, erzeugt. Wird von der
Stromversorgungsvorrichtung jedoch ein kritischer
Betriebszustand erkannt, wird der Regelungseinrichtung 202 die Strombegrenzungskennlinie bereitgestellt, die die
Schaltungseinrichtung 500, 600 in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung Vin und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung ermittelt.
Zudem wird ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers insbesondere mit Hilfe der Stromversorgungsvorrichtung 100 zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Ausgangsstroms;
Begrenzen des Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf einen ersten Strombegrenzungswert ILi; und
anschließend Absenken des Ausgangsstroms zeit- und
wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu einem zweiten
Strombegrenzungswert IMAX in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung Vin und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung .
Vorzugsweise liegt der erste Strombegrenzungswert zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der
Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Nennstroms, und der zweite Strombegrenzungswert ist größer als der
Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.
Beispielsweise wird der Ausgangsstrom der
Stromversorgungsvorrichtung 100 für eine Zeitdauer von 5 bis 15ms auf dem ersten Strombegrenzungswert begrenzt.
Der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung 100 wird vorzugsweise unter Ansprechen auf eine treppenförmige
Strombegrenzungskennlinie zeitkontinuierlich und
wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert IL1 bis zum zweiten Strombegrenzungswert IMAX während einer
einstellbaren GesamtZeitdauer (tLl bis tL3) abgesenkt. Das heißt, die Strombegrenzungskennlinie weißt einen Abschnitt mit negativer Steigung auf, der somit eine Treppenfunktion abgebildet werden kann.
In vorteilhafter Weise kann in Abhängigkeit von einer
Anwendung und/oder in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung Vin und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils Tri, D10 der Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung der
Stromversorgungseinrichtung eine GesamtZeitdauer ermittelt werden, wobei der Ausgangsstrom zeit- und
wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert während der ermittelten
GesamtZeitdauer abgesenkt wird.
Alternativ können der erste und zweite
Strombegrenzungswert, mehrere diskrete unterschiedliche
Strombegrenzungswerte, die zwischen dem ersten und zweiten Strombegrenzungswerten liegen, und mehrere Zeitdauern, die jeweils die zeitliche Dauer des ersten und zweiten
Strombegrenzungswertes und der mehreren diskreten
unterschiedlichen Strombegrenzungswerte definieren, fest eingestellt, d.h. vorzugsweise von einer Bedienperson beispielsweise mittels eines an die
Stromversorgungsvorrichtung anschließbaren Rechners
eingegeben und in der Stromversorgungsvorrichtung
gespeichert werden, wobei der Ausgangsstrom
zeitkontinuierlich und wertdiskret in mehreren Schritten bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert in Abhängigkeit von den eingegebenen Strombegrenzungswerten und den Zeitdauern, die den jeweiligen Strombegrenzungswerten zugeordnet sind, abgesenkt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungsvorrichtung (100) zur geregelten
Energieversorgung wenigstens eines elektrischen
Verbrauchers (Rl-RN) , aufweisend
eine Einrichtung (Tri) zur Umwandlung einer
Eingangsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung
(Vout) ,
eine Schaltungseinrichtung (500, 600), die zum
Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes ausgebildet ist, und
eine Regelungseinrichtung (202), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der
Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der
Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf den ersten Strombegrenzungswert zu begrenzen,
wobei die Stromversorgungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, die Umgebungstemperatur und/oder die
Eingangsspannung (Vin) und/oder die Temperatur
wenigstens eines Bauteils (TRI, D10) der
Stromversorgungsvorrichtung und/oder die
durchschnittliche Strombelastung der
Stromversorgungsvorrichtung zu ermitteln,
wobei die Schaltungseinrichtung (500, 600) ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines
Bauteils (Tri, D10) der Stromversorgungseinrichtung und/oder der durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert abzusenken, wobei die
Regelungseinrichtung (201, 202) ferner dazu
ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten
Strombegrenzungswerte den von der
StromversorgungsVorrichtung bereitgestellten
Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten
Strombegrenzungswert bis zum zweiten
Strombegrenzungswert abzusenken.
2. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Strombegrenzungswert zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der
Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Nennstroms liegt, und dass
der zweite Strombegrenzungswert größer als der
Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.
3. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungseinrichtung (500, 600) dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert für 5 bis 15 ms bereitzustellen.
4. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungseinrichtung (500, 600) dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert während einer einstellbaren GesamtZeitdauer
abzusenken .
5. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungseinrichtung (500, 600) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Anwendung und/oder in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur
wenigstens eines Bauteils (Tri, D10) der
Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung der
Stromversorgungseinrichtung eine GesamtZeitdauer zu ermitteln und den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert während der ermittelten GesamtZeitdauer abzusenken.
6. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungseinrichtung (500, 600) dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert
zeitkontinuierlich und wertdiskret in mehreren
Schritten bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert abzusenken, wobei die Schaltungseinrichtung (500, 600) ferner dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines
Bauteils (Tri, D10) der Stromversorgungseinrichtung und/oder der durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung den ersten Strombegrenzungswert und die zeitliche Dauer, während der der erste Strombegrenzungswert bereitgestellt werden soll, und die Höhe jedes schrittweise
abgesenkten Strombegrenzungswerts sowie die jeweilige zeitliche Dauer, während der der schrittweise
abgesenkte Strombegrenzungswert bereitgestellt werden soll, zu ermitteln.
7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromversorgungseinrichtung eine Einrichtung
(RI12, 160) aufweist, über die der erste und zweite Strombegrenzungswert, mehrere diskrete
unterschiedliche Strombegrenzungswerte, die zwischen dem ersten und zweiten Strombegrenzungswerten liegen, und mehrere Zeitdauern, die jeweils die zeitliche Dauer des ersten und zweiten Strombegrenzungswertes und der mehreren diskreten unterschiedlichen
Strombegrenzungswerte definieren, auf definierte Werte einstellbar sind, und dass
die Schaltungseinrichtung (500, 600) dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert
zeitkontinuierlich und wertdiskret in mehreren
Schritten bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert in Abhängigkeit von den eingestellten
Strombegrenzungswerten und den eingestellten
Zeitdauern, die den jeweiligen Strombegrenzungswerten zugeordnet sind, abzusenken.
8. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsvorrichtung als Schaltnetzteil und insbesondere als primär-getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet ist.
9. Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers insbesondere mit Hilfe einer Stromversorgungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren folgende
Schritte aufweist:
a) Bereitstellen eines Ausgangsstroms;
b) Begrenzen des Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf einen ersten Strombegrenzungswert; und
c) anschließend Absenken des Ausgangsstroms zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und
wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines
Bauteils (Tri, D10) der Stromversorgungseinrichtung und/oder der durchschnittlichen Strombelastung der Stromversorgungseinrichtung .
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste
Strombegrenzungswert zwischen dem 5-fachen und 10- fachen Wert des von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Nennstroms liegt, und
der zweite Strombegrenzungswert größer als der
Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt b) der Ausgangsstrom für eine Zeitdauer von 5 bis 15ms auf dem ersten Strombegrenzungswert begrenzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung (100) unter Ansprechen auf eine treppenförmige
Strombegrenzungskennlinie zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zum zweiten Strombegrenzungswert während einer
einstellbaren GesamtZeitdauer (tLl bis tL3) abgesenkt wird .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Abhängigkeit von einer Anwendung und/oder in
Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder der Eingangsspannung (Vin) und/oder der Temperatur wenigstens eines Bauteils (Tri, D10) der
Stromversorgungseinrichtung und/oder der
durchschnittlichen Strombelastung der
Stromversorgungseinrichtung eine GesamtZeitdauer ermittelt wird, und dass der Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und
wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu dem zweiten Strombegrenzungswert während der ermittelten GesamtZeitdauer abgesenkt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und zweite Strombegrenzungswert, mehrere diskrete unterschiedliche Strombegrenzungswerte, die zwischen dem ersten und zweiten Strombegrenzungswerten liegen, und mehrere Zeitdauern, die jeweils die zeitliche Dauer des ersten und zweiten
Strombegrenzungswertes und der mehreren diskreten unterschiedlichen Strombegrenzungswerte definieren, fest eingestellt und in der
Stromversorgungsvorrichtung gespeichert werden, und dass
der Ausgangsstrom zeitkontinuierlich und wertdiskret in mehreren Schritten bis zu dem zweiten
Strombegrenzungswert in Abhängigkeit von den
eingegebenen Strombegrenzungswerten und den
Zeitdauern, die den jeweiligen Strombegrenzungswerten zugeordnet sind, abgesenkt wird.
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