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DE20115471U1 - Universelles Energieversorgungssystem - Google Patents

Universelles Energieversorgungssystem

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Publication number
DE20115471U1
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DE
Germany
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supply system
energy supply
converter
universal energy
universal
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DE20115471U
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English (en)
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Individual
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Publication date
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Priority to AU2002350450A priority patent/AU2002350450A1/en
Priority to GB0603268A priority patent/GB2420233B/en
Priority to GB0603309A priority patent/GB2420026B/en
Priority to BRPI0212663-0A priority patent/BRPI0212663B1/pt
Priority to US10/489,573 priority patent/US8106536B2/en
Priority to DE10297235T priority patent/DE10297235T5/de
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Description

GKS & S MAXIMILIANSTRASSE 58 D-80538 MÜNCHEN GERMANY
Deutsches Patent- und Markenamt
Zweibrückenstr. 12 80297 München
RECHTSANWÄLTE LAWYERS
MÜNCHEN
DR. HELMUT EICHMANN
GERHARD BARTH
DR. ULRICH BLUMENRÖDER, LL.M.
CHRISTA NIKLAS-FALTER
DR. MAXIMILIAN KINKELDEY, LL.M.
SONJA SCHÄFFLER
DR. KARSTEN BRANDT
ANJA FRANKE, LL.M.
UTE STEPHANI
DR. BERND ALLEKOTTE, LL.M.
DR. ELVIRAPFRANG, LLM.
PATENTANWÄLTE PATENTANWÄLTE
EUROPEAN PATENT ATTORNEYS EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
MÜNCHEN
DR. HERMANN KINKELDEY PETER H. JAKOB WOLFHARD MEISTER HANS HILGERS DR. HENNING MEYER-PLATH ANNELIE EHNOLD THOMAS SCHUSTER DR. KLARA GOLDBACH MARTIN AUFENANGER GOTTFRIED KLITZSCH DR. HEIKE VOGELSANG-WENKE REINHARD KNAUER DIETMAR KUHL DR. FRANZ-JOSEF ZIMMER BETTINA K. REICHELT DR. ANTON K. PFAU DR. UDO WEIGELT RAINER BERTRAM JENS KOCH, M. S. (U of PA) M. S.
BERND ROTHAEMEL DR. DANIELA KINKELDEY DR. MARIA ROSARIO VEGA LASO THOMAS W. LAUBENTHAL
BERLIN
PROF. DR. MANFRED BÖNING
DR. PATRICK ERK, M.S. (MIT)*
•PATENTANWALT
KÖLN
DR. MARTIN DROPMANN
CHEMNITZ MANFRED SCHNEIDER
OF COUNSEL PATENTANWÄLTE
AUGUST GRÜNECKER DR. GUNTER BEZOLD DR. WALTER LANGHOFF
DR. WILFRIED STOCKMAIR (-1996)
IHR ZEICHEN/YOUR REF.
UNSER ZEICHEN / OUR REF.
DATUM / DATE
G 4612 -829/il
19.09.2001
Anmelder:
KLAUS BIESTER AM MASCHSEE 2 29342 WIENHAUSEN
Universelles Energieversorgungssystem
GRÜNECKER KINKELDEY
STOCKMAIR & SCHWANH^JSSfi?.. MAXIMILIANSTR. 58 ItJ
D-80538 MÜNCHEN
GERMANY
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Universelles Energieversorgungssystem BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein universelles Energieversorgungssystem für wenigstens einen elektrischen Verbraucher. Das Energieversorgungssystem weist zumindest eine Wechselspannungsquelle und eine diese mit dem elektrischen Verbraucher verbindende Kabelverbindung auf. Der Wechselspannungsquelle ist eine AC/DC-Wandlereinrichtung zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung zugeordnet. Die auf diese Weise erzeugte Gleichspannung ist über die Kabelverbindung an den elektrischen Verbraucher übertragbar.
Bei elektrischen Verbrauchern, die eine hohe Spannung und eine hohe Leistung benötigen, hat sich bei einem solchen universellen Energieversorgungssystem herausgestellt, dass Schwierigkeiten bei der Erzeugung und der Stabilisierung der Spannung auftreten. Weiterhin ist bei Ausfall der AC/DC-Wandlereinrichtung keine Versorgung des elektrischen Verbrauchers mehr möglich, da in der Regel auf Redundanz hinsichtlich der Wandlereinrichtung aus Kostengründen verzichtet wird.
Weiterhin ist bei einer solchen AC/DC-Wandlereinrichtung auf einem relativ begrenzten Raum aufgrund von Verlusten der Wandlereinrichtung bei der Umsetzung der Wechselspannung in Gleichspannung mit einem erheblichen Wärmeaufkommen zu rechnen. Diese Wärme muss abgeführt werden, um eine Beschädigung der Wandlereinrichtung oder anderer ihm benachbarter Bauteile des Energieversorgungssystems zu verhindern. Die Wärme kann beispielsweise durch aktive Kühlsysteme abgeleitet werden, was allerdings mit zusätzlichem Bauaufwand und Kosten verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein universelles Energieversorgungssystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine hohe und stabile Spannung auch bei hohem Leistungsbedarf in sicherer und kostengünstiger Weise und ohne zusätzliche Bauteile für beispielsweise Wärmeabfuhr möglich ist.
Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die AC/DC-Wandlereinrichtung eine Reihe von AC/DC-Wandlerbausteine aufweist, welche eingangsseitig parallel mit der Wechselspannungsquelle und ausgangsseitig seriell mit dem elektrischen Verbraucher verschaltet sind.
Durch diese Verschaltung der AC/DC-Wandlerbausteine dient jeder dieser Bausteine nur zur Erzeugung eines bestimmten Spannuangsanteils auf der Verbraucher- beziehungsweise Ausgangsseite der AC/DC-Wandlereinrichtung. Sollen auf der Ausgangsseite beispielsweise 6000 V Gleichspannung erzeugt werden, so kann diese Gleichspannung beispielsweise durch 20 Wandlerbausteine mit jeweils einer Ausgangsspannung von 300 V erzeugt werden. Ebenso ist es möglich 30, 40 oder 50 Wandlerbausteine vorzusehen, von denen jeder einen entsprechenden Bruchteil derauf der Ausgangsseite benötigten Gleichspannung bereitstellt.
Im einfachsten Fall sind die Wandlerbausteine alle gleichartig aufgebaut, so dass bei &eegr; Wandlerbausteinen jeder einen &eegr;-ten Bruchteil der benötigten Ausgangsspannung aus der auf der Eingangsseite anliegenden Wechselspannung erzeugt.
Solche Wandlerbausteine sind im Gegensatz zu nur einer AC/DC-Wandlereinrichtung zur Erzeugung von beispielsweise 6000 V einfach handhabbar und einfach zu warten. Die Verlustwärme pro Wandlerbaustein ist hierbei in der Regel so gering, dass keine separaten Kühleinrichtungen notwendig sind. Sind die Wandlerbausteine relativ nahe beieinander angeordnet, so ist auch bei hoher Leistung nur eine einfache Kühleinrichtung notwendig, durch die beispielsweise Kühlluft über die Wandlerbausteine geführt wird. Die Kosten zur Kühlung dieser AC/DC-Wandlereinrichtung sind im Vergleich zu bekannten Wandlereinrichtungen allerdings erheblich reduziert.
Fällt einer der Wandlerbausteine aus, reduziert sich die Ausgangsspannung nur um den &eegr;-ten Teil, so dass auch die verbleibenden n-1 Wandlerbausteine weiterhin ausreichend Spannung für den elektrischen Verbraucher bereitstellen. Erst beim Ausfall einer Reihe von Wandlerbausteinen kann es sich als notwendig erweisen, diese zumindest teilweise auszutauschen. Auf jeden Fall ist bei Ausfall eines oder mehrerer der Wandlerbausteine
noch immer eine ausreichende Versorgung des elektrischen Verbrauchers zu dessen Betrieb gesichert (Redundanz).
Eine einfache und sichere Wechselspannungsquelle kann darin gesehen werden, wenn diese als 380 V Drehstromquelle ausgebildet ist.
Ein eingangs angesprochener Wandlerbaustein kann beispielsweise durch einen linear geregelten Wandlerbaustein gebildet sein. Allerdings haben solche einen relativ geringen Wirkungsgrad, der meist nur 25 bis 50% beträgt. Bei hohen Leistungen im Bereich von Kilowatt ist daher die Verlustleistung in der Regel mindestens so groß, wie die abgegebene Leistung. Dadurch entsteht nicht nur ein großer Energieverlust, sondern auch selbst bei einer Vielzahl von Wandlerbausteinen ein entsprechendes Kühlungsproblem.
Die Verlustleistung der Wandlerbausteine lässt sich in einfacher Weise dadurch vermindern, dass diese als Schaltnetzteile ausgebildet sein können. Ein solches Schaltnetzteil weist einen Schalter auf, das beispielsweise entsprechend zur Netzspannung mit 50 Hz eine Netzverbindung und -trennung des Wandlerbausteins verursacht.
Die Verluste lassen sich weiter vermindern, wenn das Schaltnetzteil unabhängig von der Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz getaktet wird. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine höherfrequente Taktung.
Verschiedene Realisierungen eines solchen getakteten Schaltnetzteils sind bekannt. Eine erste Unterteilung kann in sekundär- und primär getaktete Schaltnetzteile erfolgen. Bei beiden Grundformen besteht die Möglichkeit, dass in einen Speicherkondensator des Schaltnetzteils stetig ein Strom fließt oder aber nur zu bestimmten Zeiten abfließt, so dass von einem Durchflusswandler oder einem Sperrwandler gesprochen wird. Um ein kompaktes und sicheres Bauteil zu erhalten, kann beispielsweise das Schaltnetzteil gemäß Erfindung als Sperrwandler ausgebildet sein. Bevorzugt kann dieser primär getaktet sein, um eine galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite zu erhalten, und ein Eintakt- oder Gegentakt-Wandler sein. Die Eintakt-Wandler zeichnen sich in diesem Zusammenhang dadurch aus, dass er in der Regel nur einen Leistungsschalter als getaktete Schalteinrichtung benötigen. Dieser kann beispielsweise als Leistungs-MOSFET oder BIMOSFET ausgebildet sein. Ebenso können insbesondere
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bei großen Leistungen im Kilowattbereich auch Thyristoren als getaktete Schalteinrichtungen verwendet werden.
Die angesprochenen Schaltnetzteile haben insbesondere bei größeren Leistungen eine Reihe von Vorteilen, wie geringere Verlustleistung, geringeres Gewicht, geringeres Volumen, keine Geräuschentwicklung, geringerer Glättungsaufwand und größerer Eingangsspannungsbereich. Schaltnetzteile und insbesondere auch Sperrwandler werden in verschiedensten Einsatzgebieten verwendet, wie beispielsweise für Mikrowellenherde, Computer, elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen, Industrie- und Unterhaltungselektronik, Bildschirme, Hertzdefibrillatoren und dergleichen. Auch in Einsatzgebieten, wo eine hohe Leistung auf der Ausgangsseite benötigt wird, sind Sperrwandler in ihrem Element.
Um die Schalteinrichtung des Sperrwandlers beziehungsweise des Schaltnetzteils entsprechend anzusteuern, kann eine insbesondere Steuer- oder regelbare Pulsbreitenmodulationseinrichtung vorgesehen sein. Diese kann eine Reihe von Pulsen erzeugen, die in ihrer Breite und/oder Höhe und/oder Frequenz variirebar sind. Eine vielfach eingesetzte Pulsmodulationseinrichtung ist eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung. Diese erzeugt ein entsprechendes pulsbreitenmoduliertes Signal dessen Tastverhältnis entsprechend einem gemessenen Ist-Wert der Ausgangsspannung geregelt werden kann. Der gemessene Ist-Wert der Ausgangsspannung kann beispielsweise vom Soll-Wert subtrahiert werden und diese Differenz über einen Regelverstärker der Pulsbreitenmodulationseinrichtung zugeführt werden. In dieser kann die Ausgangsspannung des Regelverstärkers ist einer sägezahnförmigen Spannung verglichen werden, deren Frequenz die Schaltfrequenz beziehungsweise Taktung des Schaltnetzteils bestimmt. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird dann der Leistungstransistor entsprechend ein- oder ausgeschaltet. Damit kann eine gewünschte Ausgangsspannung eingestellt werden.
Vorteilhafterweise wird die maximale Ausgangsspannung des Schaltnetzteils so gewählt, dass sie höchstens gleich einem Grenzwert unterhalb der Durchbruchsspannung eines entsprechenden Bauteils des Schaltnetzteils, insbesondere der Schalteinrichtung ist, so dass ein Sicherheitsabstand zur Durchbruchsspannung eingehalten wird.
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Wie bereits oben angemerkt, gehört der Sperrwandler zu den primär getakteten Wandlern, das heißt, er besitzt eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang.
Ein Vorteil kann in diesem Zusammenhang sein, wenn der Sperrwandler mehrere, voneinander galvanisch getrennte, geregelte Ausgangsspannungen bereitstellt.
Um eine ausreichend schnelle Taktung der Schalteinrichtung und in diesem Zusammenhang relativ geringe Verlustleistungen des Sperrwandlers zu ermöglichen, kann die Taktfrequenz der Schalteinrichtung im Kilohertz- und insbesondere im Hundertkilohertz-Bereich liegen. So sind beispielsweise Sperrwandler bekannt, die im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz getaktet werden. Geringere und höhere Taktfrequenzen sind allerdings ebenfalls möglich.
Um insbesondere bei hohen Leistungen keine separate Kühlung für die Wandlerbausteine zu benötigen, können diese räumlich beabstandet voneinander angeordnet sein. Der räumliche Abstand ist dabei allerdings so gering, dass er in der Regel nur ungefähr den Abmessungen eines Wandlerbausteins entspricht.
Um die von der AC/DC-Wandlereinrichtung erzeugte Gleichspannung gegebenenfalls weiter zu glätten, kann zwischen AC/DC-Wandlereinrichtung und dem elektrischen Verbraucher eine Filtereinrichtung angeordnet sein.
Bei bestimmten elektrischen Verbrauchern kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn neben einer Spannungsversorgung ebenfalls eine Signalverbindung vorhanden ist. Um in diesem Zusammenhang nicht eine zusätzliche Kabelverbindung zum elektrischen Verbraucher zu benötigen, kann eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung mit der Kabelverbindung zwischen insbesondere Filtereinrichtung und elektrischem Verbraucher verschaltet sein. Über diese Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung sind einerseits entsprechende Datensignale in die Datenverbindung einkoppelbar, um beispielsweise den elektrischen Verbraucher zu steuern oder mit Informationen zu versorgen. In umgekehrter Richtung sind vom elektrischen Verbraucher erhaltene Daten aus der Kabelverbindung auskoppelbar und beispielsweise zur Überwachung des elektrischen Verbrauchers mittels entsprechender Einrichtungen, wie Computer oder dergleichen, verwendbar.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Datenübertragung aufgrund der ausgangsseitigen Gleichspannung störungsfreier und mit höherer Geschwindigkeit erfolgen kann, als bei einer Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit Wechselspannung.
Um die verschiedenen Einrichtungen des erfindungsgemäßen Leistungsversorgungssystems besser überwachen, steuern oder gegebenenfalls regeln zu können, kann zumindest der Wechselspannungsquelle und/oder der AC/DC-Wandlereinrichtung und/oder der Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung ein Controller zugeordnet sein. Dieser Controller kann beispielsweise auch feststellen, ob einer der als Sperrwandler ausgebildeten Wandlerbausteine ausgefallen ist. Wird ein solcher Ausfall festgestellt, können die übrigen Sperrwandler so angesteuert werden, dass sie den Ausfall des einen Sperrwandlers kompensieren, indem sie beispielsweise jeder für sich eine geringfügig höhere Ausgangsspannung abgeben.
Der Controller kann in diesem Zusammenhang auch die Pulsweitenmodulationseinrichtung steuern.
Neben der reinen Überwachung durch den Controller besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass durch diesen eine Kommunikationsverbindung zwischen den jeweiligen Einrichtungen des Energieversorgungssystems herstellbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die verschiedenen Einrichtungen relativ weit voneinander an und/oder unzugänglichen Orten angeordnet sind. Durch die Kommunikationsverbindung ist eine entsprechende körperliche Überprüfung oder Wartung auf seltene Fälle oder Fälle des Austausches beschränkt.
Um die Kabelverbindung auch bei hohen zu übertragenden Leistungen und bei gleichzeitiger Übertragung von Spannung und Daten mit geringem Querschnitt und dadurch gerade bei großen Entfernungen mit verminderten Kosten herstellen zu können, kann die Kabelverbindung wenigstens ein Koaxialkabel aufweisen. Da eine Gleichspannung über das Koaxialkabel übertragen wird, ergeben sich nur Leiterverluste und nicht zusätzlich Dämpfungsverluste, wie bei der Übertragung von Wechselspannung.
Im Zusammenhang mit den Wandlerbausteinen und insbesondere den Sperrwandlern als solchen Bausteinen ist weiterhin zu beachten, dass diese jeder für sich in ihrer Ausgangsspannung Steuer- oder regelbar sind. Die Eingänge der Wandlerbausteine sind bei jedem parallel angeordnet, so dass die Spannungsversorgung und damit Strom und Leistung völlig voneinander getrennt sind. Unabhängig von der Ausgangsspannung kann somit auch die Gesamtleistung des Systems entsprechend angepasst werden. Leistung und Ausgangsspannung sind somit völlig frei wählbar. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Wandlerbausteinen ergibt sich weiterhin eine hochgenaue und präzise Regelung sowohl von Ausgangsspannung als auch Leistung, da ja jeder Wandlerbaustein unabhängig von den anderen nur seinen Bereich regelt.
Fällt einer der Wandlerbausteine aus, ist die Leistungsversorgung weiterhin gewährleistet (Redundanz), da die anderen Wandlerbausteine entsprechend angesteuert werden, um den Spannungsausfall des einen ausgefallenen Wandlerbausteins auf der Ausgangsseite zu kompensieren. Der entsprechende Nachregelbereich eines jeden der noch arbeitenden Wandlerbausteine ist dabei minimal, da bereits relativ geringe Spannungserhöhungen auf der Ausgangsseite der Vielzahl von Wandlerbausteine einen erheblich größeren Anstieg der Gesamtausgangsspannung ergeben.
Für jeden Wandlerbaustein und insbesondere für Sperrwandler ist es möglich, dass auf zusätzliche Bauteile verzichtet wird und diese beispielsweise als integrierte Schaltungen ausgebildet sind, die neben dem eigentlichen Sperrwandler weitere Elemente enthalten, wie beispielsweise eine Leistungsfaktorsteuereinrichtung, eine Unterspannungserkennungseinrichtung, eine Überstromüberwachungseinrichtung, einen sogenannten „Softstart" und dergleichen.
Es sei nochmals angemerkt, dass aufgrund der ausgangsseitigen Gleichspannung zum elektrischen Verbraucher insbesondere bei einem Koaxialkabel als Kabelverbindung dünne Leistungsquerschnitte möglich sind, die erhebliche Einsparungen bei den Kabelverbindungskosten ermöglichen. Gerade bei Entfernungen zum elektrischen Verbraucher im Kilometerbereich und bei Entfernung von 50 Kilometern und mehr sind dies erhebliche Einsparungen, wobei trotzdem über das Koaxialkabel gleichzeitig auch eine Datenübertragung möglich ist.
Zur Glättung der ausgangsseitigen Gleichspannung sind keine teuren Kondensatoren mehr notwendig, wie beispielsweise Siebelektrolytkondensatoren. Außerdem kann die Leistungsfaktorkorrektur direkt im Sperrwandler erfolgen, wobei eine entsprechende Einrichtung zu dieser Korrektur in dem Sperrwandler beziehungsweise auf dessen integrierter Schaltung enthalten sein kann. Durch die hohe Taktfrequenz des Sperrwandlers ist gleichzeitig sichergestellt, dass die eingangsseitige Wechselspannung über die gesamte Breite abgetastet wird, wodurch sich eine hohe Effizienz ergibt.
Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine prinzipielle Darstellung eines Ausführungsbeispiels des universellen Energieversorgungssystems, und
Figur 2 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines als Wandlerbaustein verwendeten primärseitig getakteten Sperrwandlers.
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen universellen Energieversorgungssystems 1. Dieses weist eine 380 V AC Drehstromwechselspannungsquelle 3 auf. Die Wechselspannung ist über eine Leitung 24 an eine AC/DC-Wandlereinrichtung 5 übertragbar. Diese ist aus einer Vielzahl von AC/DC-Wandlerbausteinen 6 zusammengesetzt, die mit entsprechenden Eingangsanschlüssen 23 parallel mit der Leitung 24 verschaltet sind.
Die AC/DC-Wandlerbausteine 6 sind durch ein Schaltnetzteil 7 und insbesondere einen primär getakteten Sperrwandler 8 als Schaltnetzteil 7 gebildet.
Ausgangsseitig sind die verschiedenen Wandlerbausteine 6 mit einem entsprechenden Ausgangsanschluss 22 seriell miteinander verschaltet und mit einem Koaxialkabel 15 als Kabelverbindung 4 verbunden. Über die Kabelverbindung 4 erfolgt eine Versorgung eines elektrischen Verbrauchers 2 mit entsprechender elektrischer Leitung. Weiterhin ist
zwischen AC/DC-Wandlereinrichtung 5 und dem elektrischen Verbraucher 2 eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung 13 mit der Kabelverbindung 4 verschaltet. Über diese erfolgt ein Einspeisen entsprechender Datensignale beziehungsweise ein Auskoppeln von dem elektrischen Verbraucher 2 oder ihm zugeordneten Einrichtungen erhaltener Datensignale. Die Übertragung der Datensignale erfolgt ebenfalls über die als Koaxialkabel 15 ausgebildete Kabelverbindung 4.
In Figur 1 ist nur ein elektrischer Verbraucher 2 dargestellt. Es werden in der Regel eine Vielzahl elektrischer Verbraucher über die Kabelverbindung 4 von dem universellen E-nergieversorgungssystem 1 gemäß Erfindung mit entsprechender elektrischer Leistung und auch Daten versorgt. Solche elektrischen Verbraucher sind beispielsweise Aktuatoren an weit entfernten und/oder schwer zugänglichen Stellen. Die Aktuatoren steuern beispielsweise Einrichtungen von Fluidleitungen, wie Ventile, Absperrorgane, Drosseln, Pumpen oder dergleichen, so dass die Strömung des Fluids in die und entlang der FIuidleitung gesteuert, in Notfällen wie Lecks, Leitungsbruch oder dergleichen abgesperrt und auch Parameter des Fluids, der Fluidströmung oder der entsprechenden Einrichtungen überwacht und gesteuert werden. Das Fluid wird in der Regel unter hohem Druck von einer entsprechenden Fluidquelle in die Leitungen eingespeist und entlang dieser beispielsweise vom Meeresgrund an die Meeresoberfläche geführt. Da ein solches Fluid in der Regel aggressive oder umweltschädliche Bestandteile enthält, ist eine durch das erfindungsgemäße universelle Energieversorgungssystem 1 mögliche Energieversorgung und Fernsteuerung sehr von Vorteil.
Die Fernsteuerung der entsprechenden Aktuatoren kann in diesem Zusammenhang über die mittels der Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung 13 hergestellte Kommunikationsverbindung erfolgen.
Alle Einrichtungen des universellen Energieversorgungssystems 1 einschließlich gegebenenfalls des elektrischen Verbrauchers 2 sind durch einen Controller 14 steuer- und/oder regelbar. Außerdem kann eine entsprechende Überwachung von Parametern der verschiedenen Einrichtungen erfolgen. In Figur 1 ist der Controller 14 über gestrichelt dargestellte Verbindungen mit den verschiedenen Einrichtungen zu deren Steuerung, Regelung und/oder Überwachung verbunden.
Die Schaltnetzteile 7 beziehungsweise Sperrwandler 8 können als integrierte Schaltungen ausgeführt sein. Diese enthalten direkt entsprechende weitere Einrichtungen, wie Leistungsfaktorsteuereinrichtung 16, Unterspannungserkenneinrichtung 17oderÜberstromüberwachungseinrichtung 18. Diese weiteren Einrichtungen sind in Figur 1 nur zur Vereinfachung bei einem Sperrwandler 8 dargestellt, sind allerdings in der Regel Bestandteil aller Sperrwandler.
In Figur 2 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel für einen Sperrwandler 8 als Schaltnetzteil 7 dargestellt. Der Sperrwandler 8 umfasst einen Übertrager 19 aus mit Eingangsanschluss 23 verschalteter Primärwicklung und mit Ausgangsanschluss 22 verschalteter Sekundärwicklung. Beide sind magnetisch gut miteinander gekoppelt. Der Übertragerwirkt als magnetischer Energiespeicher. Ist eine Schalteinrichtung 9 in Form eines Leistungstransistors 10 geschlossen, steigt der Strom in der Primärwicklung an und es wird Energie im Übertrager gespeichert. Wird die Schalteinrichtung 9 geöffnet, wird die gespeicherte Energie auf Seiten der Sekundärwicklung an einen Glättungskondensator 21 über eine Diode 20 abgegeben. Die Einspeisung der gespeicherten Energie erfolgt als Gleichspannung über den Ausgangsanschluss 22. Die entsprechenden Sperrwandler sind mit ihren Ausgangsanschlüssen 22 seriell mit der Kabelverbindung 4, siehe Figur 1, verschaltet.
Zur Ansteuerung beziehungsweise zur Taktung der Schalteinrichtung 9 beziehungsweise des Leistungstransistors 10 ist eine Pulsbreitmodulationseinrichtung 11 im Sperrwandler 8 vorgesehen. Diese erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes Signal, dessen Tastverhältnis entsprechend dem gemessenen Ist-Wert der Ausgangsspannung geregelt wird. Dazu wird der am Ausgang des Sperrwandlers gemessene Ist-Wert der Spannung vom entsprechenden Soll-Wert subtrahiert und diese Differenz über einen Regelverstärker des Sperrwandlers der Pulsbreitenmodulationseinrichtung 11 zugeführt. Hier wird die Ausgangsspannung des Regelverstärkers mit einer sägezahnförmigen Spannung verglichen, deren Frequenz die Taktfrequenz des Sperrwandlers bestimmt. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird die Schalteinrichtung 9 ein- oder ausgeschaltet und damit die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt.
Für die Regelung des Sperrwandlers gibt es integrierte Schaltungen, die jedem der Sperrwandler 8 nach Figur 1 zugeordnet oder in diesem enthalten sein können. Diese
integrierten Schaltungen enthalten auch die zum Betrieb des Sperrwandlers erforderlichen Schutzschaltungen, wie zum Beispiel Unterspannungserkennung, Überstromüberwachung, Soft-Start und dergleichen.

Claims (19)

1. Universelles Energieversorgungssystem (1) für wenigstens einen elektrischen Verbraucher (2) mit zumindest einer Wechselspannungsquelle (3) und einer diese mit dem elektrischen Verbraucher (2) verbindenden Kabelverbindung (4), wobei der Wechselspannungsquelle (3) eine AC/DC-Wandlereinrichtung (5) zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung zugeordnet ist, welche Gleichspannung über die Kabelverbindung (4) an den elektrischen Verbraucher (2) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die AC/DC-Wandlereinrichtung (5) eine Mehrzahl von AC/DC-Wandlerbausteinen (6) aufweist, welche eingangsseitig parallel mit der Wechselspannungsquelle (3) und ausgangsseitig seriell mit dem elektrischen Verbraucher (2) verschaltet sind.
2. Universelles Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (3) eine 380 V-Drehstromquelle ist.
3. Universelles Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC-Wandlerbaustein (6) als Schaltnetzteil (7) ausgebildet ist.
4. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (7) insbesondere primär getaktet ist.
5. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (7) als Sperrwandler (8) ausgebildet ist.
6. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler (8) als getaktete Schalteinrichtung (9) wenigstens einen Transistor, insbesondere Leistungs-MOSFET oder BIMOSFET aufweist.
7. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) zur Taktung von einer insbesondere steuer- oder regelbaren Pulsmodulationseinrichtung (11), insbesondere Pulsbreitenmodulationseinrichtung angesteuert ist.
8. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (7) auf jeden Wert bis zu einem Grenzwert unterhalb der Durchbruchsspannung eines Bauteils des Schaltnetzteils (7), insbesondere der Schalteinrichtung (9) einstellbar ist.
9. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler (8) zur Abgabe mehrerer galvanisch getrennter, geregelter Ausgangsspannungen ausgebildet ist.
10. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz der Schalteinrichtung (9) im Kilohertzbereich und insbesondere im Hundertkilohertzbereich liegt.
11. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die AC/DC-Wandlerbausteine (6) räumlich beabstandet zueinander angeordnet sind.
12. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen AC/DC-Wandereinrichtung (5) und elektrischem Verbraucher (2) eine Filtereinrichtung (12) angeordnet ist.
13. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung (13) mit der Kabelverbindung (4) zwischen insbesondere Filtereinrichtung (12) und elektrischem Verbraucher (2) verschaltet ist.
14. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Wechselspannungsquelle (3) und/oder der AC/DC- Wandlereinrichtung (5) und/oder der Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung (13) ein Controller (14) zugeordnet ist.
15. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Controller (14) eine Kommunikationsverbindung zwischen jeweiligen Einrichtungen (3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 2) des Energieversorgungssystems (1) herstellbar ist.
16. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindung (4) wenigstens ein Koaxialkabel (15) aufweist.
17. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne AC/DC-Wandlerbaustein (6) bezüglich seiner Ausgangsspannung separat steuer- oder regelbar ist.
18. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC-Wandlerbaustein (6) eine Leistungsfaktorsteuereinrichtung (16) aufweist.
19. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC-Wandlerbaustein (6) eine Unterspannungserkennungs- und/oder Überstromüberwachungseinrichtung aufweist.
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