DE19947285A1 - Vorrichtung zur Steuerung der elektrischen Spannung an einem Verbraucher - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Steuerung der Spannung an einem Verbraucher (7) beschrieben. Die Vorrichtung enthält einen Spartransformator, dessen Wicklung (3) einen eingangsseitig an die Phase (L) einer Netzspannung und ausgangsseitig an einen Pol des Verbrauchers (7) angeschlossenen Reihenabschnitt (4) und einen mit diesem an einer ersten Anzapfung (6) verbundenen, ausgangsseitig an einen anderen Pol des Verbrauchers (7) anschließbaren Parallelabschnitt (5) und Schaltglieder (10 bis 12) zur Auswahl unterschiedlicher Spannungen an den beiden Polen des Verbrauchers (7) enthält. Die Wicklung (3) ist durchgehend ausgebildet, und der Parallelabschnitt (5) ist mit wenigstens einer zweiten Anzapfung (8, 9) versehen. Ein Ausgang des Parallelabschnitts (5) und die zweite Anzapfung (8, 9) sind über je eines der Schaltglieder (10 bis 12) mit dem Nulleiter (N) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aufgrund von Energieeinsparungsmaßnahmen und zur Erhöhung der Lebensdauer von Verbrauchern, z. B. von Beleuchtungsanlagen, ist bei diesen häufig ein Betrieb mit abgesenkter Spannung vorteilhaft. Besonders im Hinblick auf das europäische Breit­ spannungsnetz können zulässige Versorgungsspannungen auftreten, die weit über der Nennbetriebsspannung z. B. von Leuchten liegen und damit deren Lebensdauer beträchtlich verkürzen, wenn nicht die tatsächlich am Verbraucher anliegende Spannung mit Hilfe derartiger Vorrichtungen in einem entsprechenden Umfang reduziert wird.

Aus diesen und anderen Gründen sind bereits Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Gattung bekannt (DE 195 41 341 A1), die Spartransformatoren mit Wicklungen enthalten, die neben einem Reihenabschnitt eine Vielzahl von Parallelabschnitten aufweisen, wobei jeweils erste Schaltglieder in die Stromwege dieser Parallelabschnitte und zweite Schalt­ glieder zwischen die Ein- und Ausgänge dieser Parallelabschnitte geschaltet sind. Dadurch ist es möglich, die Verbraucherspannung stufenweise zu verändern. Allerdings ist dazu eine Vielzahl von Schaltgliedern erforderlich, was eine Steuervorrichtung mit entsprechend vielen Steuerausgängen voraussetzt und bei automatischen Steuer- und Regelvorgängen sehr aufwendig ist.

Ein weiteres Problem der bekannten Vorrichtung steht darin, daß es der Reihenabschnitt unmöglich macht, den Verbraucher mit der vollen Netzspannung zu betreiben. Daher ist es beim Abfall der Netzspannung auf einen vorgegebenen tiefen Wert erforderlich, den Reihenabschnitt mit Hilfe von weiteren, im Verbraucherkreis liegenden Schaltgliedern unwirksam zu machen. Da die Umschaltungen dieser Schaltglieder im Verbraucherkreis erfolgen, müssen groß dimensionierte und teuere Schaltglieder vorgesehen werden. Außerdem erhöhen die zusätzlichen Schaltglieder den Steuerungsaufwand noch weiter.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Zahl der Schaltglieder und damit die Zahl der Steuerausgänge einer zugehörigen Steuer- oder Regeleinrichtung wesentlich reduziert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichneten Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß für jede Spannungsstufe nur ein einziges Schaltglied erforderlich ist. Außerdem wird für das Unwirksammachen des Reihenabschnitts zwar ein weiteres Schaltglied, aber kein zusätzlicher Steuerausgang benötigt, da die Funktion dieses weiteren Schaltglieds durch eine logische Verknüpfung der Funktionen der übrigen Schaltglieder festgelegt werden kann. Schließlich kann auch das weitere Schaltglied dem Parallelabschnitt zugeordnet werden, so daß zur Realisierung der vollen Netzspannung am Verbraucher kein in dessen Stromkreis liegendes Schaltglied erforderlich ist.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem in der beiliegenden Zeichnung grob schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 1 der Anschluß für die Phase L und mit dem Bezugszeichen 2 der Anschluß für den Nulleiter N darstellt. Mit dem Bezugszeichen 3 ist eine einen Spannungstransformator bildende durchgehende Wicklung dargestellt, die einen sogenannten Reihenabschnitt und einen sogenannten Parallelabschnitt 5 aufweist, die am Verbindungspunkt eine Anzapfung 6 aufweisen. Dabei ist der Anschluß 1 mit dem Eingang des Reihenabschnitts 4 (bzw. Spartransformators) und der Anschluß 2 mit dem Ausgang des Parallelabschnitts 5 der Wicklung 3 des Spartransformators verbunden. Außerdem ist der eine Pol eines Verbrauchers 7, z. B. eine Leuchtstofflampe, mit der Anzapfung 6 und ein anderer Pol des Verbrauchs 7 mit dem Anschluß 2 verbunden. Beim Einschalten der Netzwechselspannung an den Anschlüssen 1 und 2 liegt daher eine der Lage der Anzapfung 6 entsprechende Spannung am Verbraucher 7.

Damit der Verbraucher 7 auch an unterschiedliche, insbesondere solche Spannungen gelegt werden kann, die kleiner als die Spannung an der Anzapfung 6 sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die durchgehende Wicklung 3 im Bereich des Parallelabschnitts 5 mit wenigstens einer weiteren, vorzugsweise mit mehreren weiteren Anzapfungen 8 und 9 zu versehen. Außerdem wird der Ausgang der Wicklung 3 über ein erstes Schaltglied 10, die Anzapfung 8 über ein zweites Schaltglied 11 und die Anzapfung 9 über ein drittes Schaltglied 12 mit dem Nulleiter N bzw. dem Anschluß 2 bzw. dem anderen Pol des Verbrauchers 7 verbunden.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist derart, daß zunächst z. B. das Schaltglied 10 geschlossen ist, während sich die Schaltglieder 11 und 12 in geöffneten Zuständen befinden. Es liegt dann eine der Lage der Anzapfung 6 in der Wicklung 3 entsprechende Spannung am Verbraucher 7. Ist es danach (z. B. nach der Zündung der Leuchtstofflampe) aus irgendwelchen Gründen erwünscht, die Spannung am Verbraucher 7 weiter zu reduzieren, kann das Schaltglied 10 in einen geöffneten Zustand und eines der Schaltglieder 11, 12 in den geschlossenen Zustand gesteuert werden. Die am Verbraucher 7 erhaltene Spannung hängt dann von der Lage der jeweiligen Anzapfung 8 bzw. 9 in­ nerhalb des Parallelabschnitts 5 ab. Dabei erfolgen die Umschaltungen vorzugsweise so, daß die Spannung am Verbraucher 7 zu keinem Zeitpunkt unterbrochen wird. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß die Schalterglieder 10 bis 12 im Bereich der Nulldurchgänge geschaltet werden, wodurch ein gleichzeitiges oder leicht überlappendes Schalten ohne Unterbrechung des Magnetisierungsstroms in der Wicklung 3 ermöglicht wird. Dies ist auch deshalb von Vorteil, weil eine Unterbrechung des Magnetisierungs­ stroms enorme Induktionsspitzen und somit EMV-Probleme verursacht. Als Schaltglieder können somit z. B. entsprechend gesteuerte Relais oder Halbleiterbauelemente verwendet werden.

Die Steuerung bzw. Regelung der Spannung in den durch die Schaltglieder 10 bis 12 ermöglichten Stufen erfolgt vorzugsweise mit einem Mikrocontroller, der so viele Steuerausgänge aufweist, wie Schaltglieder 10 bis 12 vorhanden sind. Alternativ können speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) vorgesehen werden, wobei die Spannung am Verbraucher 7 bei Bedarf unabhängig von der momentan zur Verfügung stehenden Netzspannung mit einer den vorhandenen Spannungsstufen entsprechenden Genauigkeit auf einen vorgewählten Sollwert geregelt werden kann. Mit dieser Steuerung ist es weiterhin möglich, das Steuer- und Regelverhalten der Vorrichtung frei programmierbar zu gestalten und die Funktion von weiteren Größen wie Uhrzeit, Helligkeit, Soll- und Istspannung sowie Bedarf abhängig zu machen.

Ist es erforderlich, den Verbraucher 7 zu irgendeinem Zeitpunkt voll an die ggf. abgefalle­ ne Netzspannung zu legen, wird erfindungsgemäß ein weiteres Schaltglied 14 vorgesehen, das z. B. zwischen die Anzapfungen 9 und den Ausgang der Wicklung 3 bzw. des Parallelabschnitts 5 und eine der Anzapfungen 8 oder 9 gelegt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß beim Schließen des weiteren Schaltglieds 14 und beim gleichzeitigen Öffnen aller übrigen Schaltglieder 10 bis 12 der zugehörige Teil des Sekundärabschnitts 5 (wenigstens eine Windung) kurzgeschlossen und dadurch der induktive Spannungsabfall am Reihenabschnitt 4 unwirksam gemacht wird. Es liegt dann eine Spannung am Ver­ braucher 7, die bis auf den geringen Spannungsabfall, der durch den ohmschen Wider­ stand des Reihenabschnitts 4 bedingt ist, der momentan vorhandenen Netzspannung entspricht. Dabei muß für die Anzahl der kurzgeschlossenen Windungen ein Optimum gefunden werden, was einerseits von der Strombelastbarkeit des Schaltgliedes 14 und andererseits von der Spannungsfestigkeit dieses Schaltgliedes 14 begrenzt wird. Günstig erweist sich, eine große Anzahl von Windungen kurzzuschließen, da dies einen geringen Kurzschlußstrom und eine nahezu vollständige Kompensation des induktiven Anteils des Reihenabschnitts 4 bewirkt.

Die Erfindung bringt neben dem Vorteil, daß nur eine geringe Anzahl an Schaltgliedern vorhanden sein muß, den weiteren Vorteil mit sich, daß keinerlei Schaltglieder im Verbraucherkreis benötigt werden. Weiter benötigt die Steuer- oder Regeleinrichtung zur Steuerung des weiteren Schaltglieds 14 keinen zusätzlichen Steuerausgang. Es ist vielmehr möglich, die drei den Schaltgliedern 10 bis 12 zugeordneten Steuerausgänge logisch so zu verknüpfen, daß das weitere Schaltglied 14 automatisch geöffnet ist, wenn wenigstens eines der Schaltglieder 10 bis 12 geschlossen ist, bzw. einen geschlossenen Zustand annimmt, wenn alle übrigen Schaltglieder 10 bis 12 geöffnet sind. Diese Verknüpfung kann software- oder hardwaremäßig erfolgen. Hardwaremäßig ist eine solche Verknüpfung unter Anwendung von Relaisbaustein als Schaltglieder 10 bis 12 möglich, die je einen Öffner und Schließer aufweisen, wobei z. B. die Schließer zur Realisierung der Funktio­ nen der Schaltglieder 10 bis 12 verwendet werden, während die Öffner in Serie geschaltet werden und das weitere Schaltglied 14 bilden. Geht dann einer der Schließer in den Schließzustand über, öffnet sich automatisch der das weitere Schaltglied 14 enthaltende Strompfad. Andererseits ist dieser Strompfad nur dann geschlossen, wenn alle drei Schließer wieder in den geöffneten Zustand übergegangen sind. Schließlich bringt die erfindungsgemaße Vorrichtung den Vorteil mit sich, daß der Spartransformator nicht mit zusätzlichen, zu einem Schaltkasten od. dgl. führenden Anschlußklemmen versehen werden muß, mit denen zusätzliche Schaltglieder verbunden werden, so daß sich ins­ gesamt ein vereinfachter Aufbau der gesamten Vorrichtung ergibt.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. Dies gilt insbesondere für die Zahl der zu verschiedenen Spannungen am Verbraucher 7 führenden Schaltstufen bzw. Anzapfungen, die Art der verwendeten Schaltglieder und/oder die Art des Verbrauchers. Weiter könnte das Schaltglied zwischen andere Anzapfungen, z. B. die Anzapfungen 6 und 8, oder auch zwischen eine der Anzapfungen und den Ausgang des Parallelabschnitts 5 gelegt werden. Außerdem versteht sich, daß der Spartransformator einen nicht dargestellten Eisenkern, insbesondere einen geschlossenen Eisenkern aufweisen kann und die verschiedenen Merkmale in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Spannung an einem Verbraucher (7) mit einem Spar­ transformator, dessen Wicklung (3) einen eingangseitig an die Phase (L) einer Netz­ spannung und ausgangsseitig an einen Pol des Verbrauchers (7) angeschlossenen Reihen­ abschnitt (4) und einen mit diesem an einer ersten Anzapfung (6) verbundenen, ausgangs­ seitig an einen anderen Pol des Verbrauchers (7) anschließbaren Parallelabschnitt (5) aufweist, und mit Schaltgliedern (10 bis 12) zur Auswahl unterschiedlicher Spannungen an den beiden Polen des Verbrauchers (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (3) durchgehend ausgebildet und der Parallelabschnitt (5) mit wenigstens einer zweiten Anzapfung (8, 9) versehen ist und daß wenigstens ein Ausgang des Parallelabschnitts (5) und die zweite Anzapfung (8, 9) oder zwei zweite Anzapfungen (8, 9) über je eines der Schaltglieder (10 bis 12) mit dem Nulleiter (N) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unwirksammachen des induktiven Spannungsabfalls am Reihenabschnitt (4) ein weiteres zum Kurzschließen wenigstens einer Windung des Parallelabschnitts (5) bestimmtes Schaltglied (14) vor­ gesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (10 bis 12) so in einem Schaltkreis angeordnet sind, daß das weitere Schaltglied (14) automatisch geöffnet ist, wenn sich wenigstens eines der übrigen Schaltglieder (10 bis 12) in der Schließstellung befindet, und sich bei Anordnung der übrigen Schaltglieder (10 bis 12) in der Offenstellung automatisch in einer Schließstellung befindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (10 bis 14) aus kontakt- und unterbrechungsfrei schaltenden Halbleiterbauelementen bestehen.