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DE20115473U1 - Universelles Energieversorgungssystem - Google Patents

Universelles Energieversorgungssystem

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DE20115473U1
DE20115473U1 DE20115473U DE20115473U DE20115473U1 DE 20115473 U1 DE20115473 U1 DE 20115473U1 DE 20115473 U DE20115473 U DE 20115473U DE 20115473 U DE20115473 U DE 20115473U DE 20115473 U1 DE20115473 U1 DE 20115473U1
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Germany
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supply system
energy supply
converter
universal energy
electrical consumer
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DE20115473U
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English (en)
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Individual
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Publication date
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Priority to US10/489,583 priority patent/US7453170B2/en
Priority to GB0603307A priority patent/GB2420025B/en
Priority to GB0603306A priority patent/GB2420234B/en
Priority to GB0408516A priority patent/GB2398439B/en
Priority to DE10297247T priority patent/DE10297247T5/de
Priority to AU2002362327A priority patent/AU2002362327A1/en
Priority to BR0212604A priority patent/BR0212604A/pt
Publication of DE20115473U1 publication Critical patent/DE20115473U1/de
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Priority to US12/255,898 priority patent/US7683505B2/en
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Description

GKS & S MAXIMILIANSTRASSE 58 D-80538 MÜNCHEN GERMANY
Deutsches Patent- und Markenamt
Zweibrückenstr. 80297 München
RECHTSANWÄLTE LAWYERS
MÜNCHEN
DR. HELMUT EICHMANN
GERHARD BARTH
DR. ULRICH BLUMENRÖDER, LL. M.
CHRISTA NIKLAS-FALTER
DR. MAXIMILIAN KINKELDEY, LLM.
SONJA SCHÄFFLER
DR. KARSTEN BRANDT
ANJA FRANKE, LLM.
UTE STEPHANI
DR. BERND ALLEKOTTE, LL.M.
DR. ELVIRAPFRANG, LLM.
PATENTANWÄLTE 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 KUTZSCH 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
PATENTANWÄLTE
EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
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 4624 -829/il
19.09.2001
Anmelder:
KLAUS BIESTER AM MASCHSEE 2 29342 WIENHAUSEN
Universelles Energieversorgungssystem
GRÜNECKER KINKELDEY STOCKMAIR & SCHWANHaSs1SSR;!" MAXIMILIANSTR. 58 · · ·**
D-80538 MÜNCHEN !··* ····
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Universelles Energieversorgungssystem
Die Erfindung betrifft ein universelles Energieversorgungssystem für wenigstens einen elektrischen Verbraucher mit zumindest einer Wechselspannungsquelle und einem diese mit dem elektrischen Verbraucher verbindenden Kabelverbindung, wobei der Wechselspannungsquelle eine AC/DC-Wandlereinrichtung zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung zugeordnet ist, welche Gleichspannung über die Kabelverbindung an den elektrischen Verbraucher übertragbar ist.
Bei einem solchen aus der Praxis bekannten universellen Energieversorgungssystem hat sich allerdings herausgestellt, dass die Versorgung nicht immer gewährleistet ist und auch zum Teil die erzeugte Gleichspannung nicht hoch genug und nicht stabil genug ist, um insbesondere eine Versorgung mit hoher Leistung zu gewährleisten. Falls die AC/DC-Wandlereinrichtung ausfällt, ist die Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers unterbrochen. Eine Redundanz hinsichtlich der Wandlereinrichtung ist zu teuer und wird in der Praxis kaum realisiert.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass bei bekannten Energieversorgungssystemen der Wirkungsgrad relativ schlecht ist und nur in der Größenordnung von ca. 50 % liegt. Der Rest der Energie wird in diesem Fall in Wärme umgesetzt. Zur Abfuhr der Wärme müssen entsprechende Kühlsysteme eingebaut werden, die den Wartungsaufwand und die Kosten erhöhen.
Dem Anmeldungsgegenstand liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein universelles Energieversorgungssystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit geringem baulichen Aufwand und mit geringen Kosten eine Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers auch über große Entfernungen gesichert und eine entsprechende Spannungsversorgung stabilisiert ist, wobei gleichzeitig der Wirkungsgrad relativ hoch ist und eine Redundanz im System vorhanden ist.
Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die AC/DC-Wandlerejnrightpng eine Mehrzahl
von AC/DC-Wandlerbausteine aufweist, welche eingangsseitig parallel mit der Wechselspannungsquelle und ausgangsseitig seriell mit dem elektrischen Verbraucher verschaltet sind, wobei jeder Wandlerbaustein als getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet ist.
Durch die Verwendung einer Mehrzahl oder Vielzahl von AC/DC-Wandlerbaustein ist jeder einzelne Wandlerbaustein nur für die Bereitstellung eines bestimmten Anteils der ausgangsseitig benötigten Spannung verantwortlich. Sind alle Wandlerbausteine gleichartig aufgebaut, stellt jeder einzelne Wandlerbaustein beispielsweise nur den nten-Teil der erforderlichen Ausgangsspannung zur Verfügung. Fällt in diesem Zusammenhang ein Wandlerbaustein aus, reduziert sich die Ausgangsspannung nur um den n-ten-Teil. Diese Verminderung der Ausgangsspannung ist so gering, dass beispielsweise bei 10, 20, 30 oder mehr Wandlerbausteine immer noch eine ausreichende Spannungsversorgung des elektrischen Verbrauchers gewährleistet ist.
Da Leistung und Energie auf viele einzelne Wandlerbausteine verteilt bereitgestellt werden, wird eine entsprechende Verlustleistung eines jeden Wandlerbausteins nur in eine relativ geringe Wärmemenge umgesetzt. Diese ist in einfacher Weise beispielsweise durch an den Wandlerbaustein vorbeigeführte Luft abführbar. Es ist nicht erforderlich, aufwendige und gegebenenfalls wartungsintensive sowie kostspielige Kühlsysteme zu verwenden. Dies gilt insbesondere für hohe Leistungen im kW-Bereich.
Die geringe Verlustleistung bzw. der hohe Wirkungsgrad der Wandlerbausteine ergibt sich insbesondere dadurch, dass als Wandlerbausteine getaktete Schaltnetzteile verwendet werden. Diese haben gegenüber linear geregelten Netzteilen eine geringere Verlustleistung, geringeres Gewicht, geringeres Volumen, keine Geräuschentwicklung, geringeren Glättungsaufwand und einen größeren Eingangsspannungsbereich. Solche Schaltnetzteile werden vielfältig eingesetzt, wie beispielsweise bei Mikrowellenherden, Computern, elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen, Industrie- und Unterhaltungsindustrie-Elektronik, Bildschirme, Herzdefibrillatorenbrilliatoren usw. und ebenfalls bei Einrichtungen, die neben einer hohen Spannung auch eine hohe Leistung erfordern.
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Die Schaltnetzteile lassen sich in primär und sekundär getaktete Schaltnetzteile unterteilen. Zu den sekundär getakteten Schaltnetzteilen gehören beispielsweise Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller. Um allerdings eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang zu realisieren, können erfindungsgemäß primär getaktete Schaltnetzteile und insbesondere Sperrwandler als Wandlerbausteine verwendet werden. Solche Sperrwandler werden auch als Flyback-Converter bezeichnet.
Ist beispielsweise die Wechselspannungsquelle eine 380 VAC-Drehstromquelle, kann eine auf der Ausgangsseite benötigte Spannung von beispielsweise 6000 V mittels 30 Sperrwandlern als Wandlerbaustein erzeugt werden, wobei jeder Wandlerbaustein 200 V DC-Spannung erzeugt. Da die Wandlerbausteine auf der Ausgangsseite seriell geschaltet sind, ergibt sich 30 &khgr; 200 V = 6000 V Ausgangsspannung.
Da die Eingänge aller Wandlerbausteine aber parallel angeordnet sind, ist die Spannungsversorgung und damit Strom und Leistung völlig voneinander getrennt. Da jeder Sperrwandler für sich Steuer- oder regelbar ist, ist außerdem eine hochgenau und präzise Regelung der Ausgangsspannung möglich.
Selbstverständlich ist, dass auch weniger oder mehr Wandlerbausteine zur Erzeugung einer anderen Ausgangsspannung eingesetzt werden können.
Um eine entsprechende Taktung bei dem Sperrwandler in einfacher Weise durchführen zu können, weist dieser als getaktete Schalteinrichtung wenigstens einen Transistor, insbesondere Leistungs-MOSFET oder BIMOSFET oder auch einen Thyristor auf.
Um die Schalteinrichtung exakt und reproduzierbar takten zu können, kann die Schalteinrichtung zur Taktung von einer insbesondere Steuer- oder regelbaren Impulsbreitenmodulationseinrichtung angesteuert werden. Diese gibt Folgen von Pulsen ab, die in ihrer Breite und/oder Höhe und/oder Frequenz variierbar sind. Bevorzugt kann eine PuIsbreitenmodulationseinrichtung verwendet werden. Liegt insbesondere ein Endtakt-Sperrwandler vor, so ist eine Impulsbreitenmodulationseinrichtung ausreichend, während bei Gegentaktwandlem zwei Impulsbreiten-modulierte Ausgänge erforderlich sind.
Die Ansteuerung des Leistungstransistors im Sperrwandler erfolgt durch ein entsprechendes Pulssignal, dessen Tastverhältnis entsprechend zum gemessenen Istwert der Ausgangsspannung geregelt wird. Dabei wird der Istwert der Spannung vom Sollwert subtrahiert und diese Differenz über einen Regelverstärker der Impulsbreitenmodulationseinrichtung zugeführt. Hier wird die Ausgangsspannung des Regelverstärkers mit einer sägezahnförmigen Spannung verglichen, deren Frequenz die Schaltfrequenz des Sperrwandlers bestimmt. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs wird der Leistungstransistor ein- oder ausgeschaltet und auf diese Weise wird die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt. Die Einstellung kann zumindest bis zu einem solchen Wert erfolgen, der einen Sicherheitsabstand zur Durchbruchspannung eines Bauteils des Sperrwandlers, insbesondere der Schalteinrichtung einhält.
Solche Einstellung der Ausgangsspannung ist insbesondere im Falle des Ausfalls eines oder mehrerer der Wandlerbausteine von Vorteil. Fällt bei der oben angegebenen Anzahl von 30 Wandlerbausteine beispielsweise einer aus, wird die Ausgangsspannung nur um 200 V vermindert. Das System an sich ist aber weiterhin funktionsfähig und kann den elektrischen Verbraucher mit ausreichend Leistung versorgen. Außerdem besteht durch die Einstellbarkeit der Ausgangsspannung eines jeden Wandlerbausteins noch die Möglichkeit, die fehlenden 200 V über vorteilhafterweise alle übrigen Wandlerbausteine nachzuregeln. Da jeder der übrigen Wandlerbausteine nur einen minimalen Anteil der fehlenden 200 V erzeugen muss, wird die Ausgangsspannung jeweils nur um einen kleinen Betrag erhöht. Die Wandlerbausteine können dabei so ausgelegt sein, dass sie beispielsweise im Normalbetrieb bei Arbeiten aller Wandlerbausteine als Ausgangsspannung nur einen Bruchteil der von ihnen maximal erzeugbaren Ausgangsspannung abgeben. Dadurch ist der Nachregelbereich relativ groß, so dass auch mehrere Wandlerbausteine ohne Zusammenbruch des Systems ausfallen können (Redundanz).
Bevorzugt erfolgt eine Taktung des Sperrwandlerbereichs von einigen Kilohertz bis zu einigen hundert Kilohertz. Beispielsweise sind Taktbereiche von 20 kHz bis 200 kHz für solche Sperrwandler bekannt. Ist die Taktfrequenz in diesem Zusammenhang relativ hoch, wird die gesamte Breite einer entsprechenden Schwingung der umzuwandelnden Wechselspannung abgetastet und zur Umsetzung in eine entsprechende Gleichspannung umgesetzt. Störfrequenzen auf der Kabelverbindung sind ebenfalls ungefähr in
dem Bereich der Taktfrequenz, was bei einer Verwendung von 100 kHz zu bereits relativ hohen Störfrequenzen führt. Solche hohen Störfrequenzen haben in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Bauteile des Energieversorgungssystems oder auf den elektrischen Verbraucher.
Falls die Störfrequenzen in einen noch höheren Frequenzbereich verschoben werden sollen, können zumindest einige der getakteten Schaltnetzteile in ihren Taktfrequenzen zueinander phasenverschoben sein. Zwar wird für jeden der einzelnen Sperrwandler eine Eigenfrequenz beibehalten, d.h. beispielsweise eine Taktfrequenz von 100 kHz. Mit dieser Frequenz wird entsprechend Gleichstrom sekundärseitig ins Kabel eingespeist. Wird diese getaktete Einspeisung durch die Phasenverschiebung der Taktung einzelner Wandlerbausteine beispielsweise um jeweils nur einen Nano-Sekundenbruchteil zum Zeitpunkt der Einspeisung verschoben, hält man eine System-Grenzfrequenz, d.h., die Grenzfrequenz der Störung auf der Sekundärseite, von 100 kHz &khgr; &eegr;, wobei &eegr; die Anzahl der in ihren Taktfrequenzen phasenverschobenen Sperrwandler ist. Ist &eegr; beispielsweise gleich 30, ergibt sich eine System-Grenzfrequenz von 3MHz. Gleichzeitig wird die Höhe der abgegebenen Störspannung auf 1/n der Störspannung eines Einzelbausteins reduziert.
Eine solche Verschiebung der System-Grenzfrequenz ist insbesondere dann von erheblichem Vorteil, wenn gleichzeitig zur Energieversorgung eine Datenübertragung über die Kabelverbindung erfolgt. Dazu kann erfindungsgemäß eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung vorgesehen sein. Diese dient sowohl zum Einspeisen von Daten, die an beispielsweise den elektrischen Verbraucher zu übermitteln sind, als auch zum Auskoppeln von Daten, die vom elektrischen Verbraucher oder anderen Einheiten der Einrichtungen des Energieversorgungssystems erhalten werden.
Da eine entsprechende Datensignalübertragung in der Regel im Bereich von einigen kHz erfolgt, sind eventuelle Reststörungen durch die System-Grenzfrequenz weit weg von jeglicher Datenübertragungsbandbreite. Aufwendige Filterung, wie beispielsweise durch Siebelektrolytkondensatoren sind zur Glättung der Ausgangsspannung nicht notwendig und man erhält eine sichere und schnellstmögliche Datenübertragung auf einer nahezu ungestörten Kabelverbindung. ....
Um die Datenübertragung noch sicherer zu gestalten, kann eine einfache Filtereinrichtung zwischen AC/DC-Wandlereinrichtung und elektrischem Verbraucher angeordnet sein. Diese wird erfindungsgemäß allerdings nur eingesetzt, um im Bereich der Datenübertragung verbleibende Störungen auszufiltem, d.h. bis zu einigen 10 kHz, beispielsweise 50 kHz.
Um alle Einrichtungen des Energieversorgungssystems und gegebenenfalls auch den elektrischen Verbraucher über die Kabelverbindung zu überwachen, zu steuern und gegebenenfalls zu regeln, kann zumindest der Wechselspannungsquelle und/oder der AC/DC-Wandlereinrichtung und/oder der Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung wie gegebenenfalls auch dem elektrischen Verbraucher ein Controller zugeordnet sein. Durch einen solchen Controller erhält man ein intelligentes Versorgungssystem, das eine Vielzahl von Parametern steuert und/oder regelt. Ein Beispiel für die Tätigkeit des Controllers kann darin gesehen werden, dass dieser die Sperrwandler nicht nur in ihrer Ausgangsspannung regelt, sondern diese auch in ihrer Funktion überwacht. Fällt beispielsweise ein Sperrwandler aus, so kann an eine entsprechende Überwachungseinrichtung durch den Controller eine Mitteilung erfolgen, dass ein und gegebenenfalls auch welcher Sperrwandler ausgefallen oder in seiner Funktion beeinträchtigt ist. Gleichzeitig kann der Controller die übrigen Sperrwandler so regeln, dass sie den Spannungsausfall kompensieren. Auch hierüber kann eine entsprechende Mitteilung erfolgen. Durch das erfindungsgemäße System kann nach Ausfall einer Reihe von Sperrwandlem auch eine entsprechende Reparaturaufforderung durch den Controller abgegeben werden, wobei bis zum Zeitpunkt der Reparatur die volle Funktionsfähigkeit des Energieversorgungssystems gewährleistet wäre.
Der Controller kann auch weitere eventuelle Defekte im Energieversorgungssystem und gegebenenfalls auch in den von diesem versorgten elektrischen Verbrauchern feststellen. So können über die Datensignalverbindung elektrische Verbraucher gegebenenfalls ein- und ausgeschaltet, in ihrer Tätigkeit steuert oder in anderer Weise beeinflusst werden.
Um über den Controller auch gleichzeitig eine direkte Abfrage verschiedener Einrichtungen und auch des elektrischen Verbrauchers zu ermöglichen, kann durch den Controller eine Kommunikationsverbindung mit den jeweiligen Einrichtungen des Energieversorgungssystems und gegebenenfalls auch dem elektrischen Verbraucher hergestellt sein.
Bezüglich der Sperrwandler sei noch angemerkt, dass entsprechende Bausteine zu deren Regelung als integrierte Schaltungen realisiert sein können, die auch direkt im Sperrwandler enthalten sein können. Solche integrierten Schaltungen können entsprechende Einrichtungen zur Leistungsfaktorsteuerung, Unterspannungserkennung und Überstromüberwachung aufweisen. In der Pulsbreitenmodulationseinrichtung kann außerdem eine sogenannte "Soft-Start-Schaltung" vorhanden sein, die die Einschaltdauer beim Anlegen der Betriebsspannung allmählich auf den stationären Wert anwachsen lässt.
Um gegebenenfalls unterschiedliche Sperrwandler verwenden zu können und diese alle bei Ausfall von einem Sperrwandler nachregeln zu können bzw. bei sonst gleichen Sperrwandlern jeden für sich ansprechen zu können, kann jeder einzelne der Wandler bezüglich seiner Ausgangsspannung separat Steuer- oder regelbar sein. Dies erfolgt normalerweise über die Pulsbreitenmodulationseinrichtung.
Insbesondere wenn die verschiedenen Sperrwandler räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, wobei der räumliche Abstand auch nur in der Größenordnung der Dimension eines Sperrwandlers selbst sein muss, ist bereits ausreichend Platz zwischen den einzelnen Sperrwandlern vorhanden, um nur durch Luft- oder Wasserströmung eine Kühlung im Hinblick auf die Verlustwärme zu gewährleisten. Andere aufwendige Kühlsysteme sind nicht erforderlich.
Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen universellen Energieversorgungssystems, und
Fig. 2 eine Prinzipskizze für ein Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers zur
Verwendung in dem Energieversorgungssystem nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Prinzipdarstellung für ein Ausführungsbeispiel eines universelles Energieversorgungssystem 1 gemäß Erfindung. Dieses weist eine Leitung 24 auf, mit der Eingangsanschlüsse 23 von eine AC/DC-Wandlereinrichtung 5 bildenden AC/DC-Wandlerbaustein 6 parallel verbunden sind. Die Leitung 24 ist mit einer 380 V AC-Drehstromquelle 3 als Wechselspannungsquelle verbunden.
Die AC/DC-Wandlerbausteine 6 sind durch als Sperrwandler 8 ausgebildete Schaltnetzteile 7 gebildet. Diese sind primär getaktet, siehe hierzu auch Fig. 2.
Die verschiedenen Sperrwandler 8 weisen entsprechende Schaltkreise 16,17,18 zur Leistungsfaktorsteuerung, Unterspannungserkennung und entsprechend Überstromüberwachung auf. Diese Schaltkreise können Teil des Sperrwandlers oder jedem der Sperrwandler zugeordnet sein.
Es ist selbstverständlich, dass alle Sperrwandler nach Fig. 1 mit einer solchen integrierten Schaltung oder integrierten Schaltkreisen versehen sein können.
Ausgangsseitig sind die Sperrwandler 8 mit einem Ausgangsanschluss 22 seriell mit der durch ein Koaxialkabel 15 gebildeten Kabelverbindung 4 verbunden. Über ein solches Koaxialkabel kann selbst bei dünnem Querschnitt eine erhebliche Leistung und eine große Menge von Daten auch über große Entfernung im Bereich von 50, 60, 70 oder mehr km übertragen werden. Aufgrund des dünnen Querschnitts für solche Koaxialkabel 15, wobei dieser Querschnitt sich durch die Versorgung mit Gleichspannung ergibt, ist die Kabelverbindung im Vergleich zu bekannten Kabelverbindungen, über die Wechselstrom übertragen wird, erheblich preiswerter.
Das Koaxialkabel 15 weist anschließend an die AC/DC-Wandlereinrichtung 5 eine Filtereinrichtung 12 auf. Diese filtert verbleibende Störungen im Frequenzbereich bis zu einigen 10 kHz aus, die eine Datenübertragung über das Koaxialkabel 15 gegebenenfalls stören könnten.
Zwischen Filtereinrichtung 12 und dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher 2, der von dem universellen Energieversorgungssystem 1 nach Erfindung mit Gleichspannung und hoher Leistung versorgt wird, ist eine Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung 13 angeordnet. Über diese werden entsprechende Datensignale in das Koaxialkabel eingekoppelt bzw. von anderen Einrichtungen über das Koaxialkabel 15 übermittelte Datensignale ausgekoppelt. Auf diese Weise ist eine störungsfreie Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit über das Koaxialkabel erfindungsgemäß möglich. In diesem Zusammenhang ist noch zu beachten, dass durch eine Phasenverschiebung der Frequenzen der einzelnen der Sperrwandler 8 die System-Grenzfrequenz in den Bereich von MHz verschoben ist, so dass diese Grenzfrequenz weit weg von jeglicher Datenübertragungsbandbreite ist und somit eine sichere und mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Datenübertragung möglich ist.
Der elektrische Verbraucher 2 kann beispielsweise ein Aktuator sein, wobei selbstverständlich ist, dass entsprechend mehrere elektrische Verbraucher 2 über das Koaxialkabel 15 sowohl mit Leistung als auch mit Daten versorgt werden können. Ein solcher Aktuator dient beispielsweise der Steuerung von Einrichtungen entlang einer Fluidleitung. Die entsprechenden Einrichtungen bzw. Aktuatoren zu deren Betätigung sind in der Regel an schwer erreichbaren oder unwegsamen und beengten Orten angeordnet. Das Fluid kann unter hohem Druck in die oder durch die Fluidleitung strömen, so dass beispielsweise eine Einrichtung ein Notabsperrorgan ist, das bei einem Leck in der Fluidleitung ein Austreten des möglicherweise aggressiven oder umweltschädlichen Fluids in die Umgebung verhindert. Weitere Einrichtungen zur Betätigung durch die Aktuatoren sind Ventile, Drosseln, Pumpen
oder dergleichen. Die Aktuatoren benötigen in der Regel eine hohe Leistung, da das Fluid unter hohem Druck und gegebenenfalls auch mit großer Menge durch die Fluidleitung oder in diese hineinströmt. Es ist auch möglich, bereits beim Einströmen, d.h. im
Wesentlichen an der Quelle des Fluid eine entsprechende Absperrung vorzunehmen, um ein unkontrolliertes Ausströmen des Fluids in die Umgebung zu verhindern.
In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich von Vorteil, wenn entsprechende Parameter der Aktuatoren und der von ihnen gesteuerten Einrichtungen, wie Stellungen des Ventils, des Absperrorgans, Tätigkeit der Pumpen und dergleichen über die Kommunikationsverbindung abfragbar und überwachbar sind.
Die Steuerung der Kommunikationsverbindung sowie die Überwachung aller Einrichtungen erfolgt über einen Controller 14, der mit allen entsprechenden Einrichtungen und auch den elektrischen Verbrauchern 2 verbunden ist.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Sperrwandler 8 dargestellt, wie er in den AC/DC-Wandlerbausteinen 6 nach Fig. 1 Verwendung findet.
Der Sperrwandler 8 weist als Übertrager 19 eine Primär- und eine Sekundärwicklung auf. Die Primärwicklung ist an einem ihrer Enden mit dem Eingangsanschluss 23 und mit ihrem anderen Ende mit der Schalteinrichtung 9 verschaltet. Die Schalteinrichtung ist als Leistungs-MOSFET 10 ausgebildet. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Schalteinrichtung 9 als BIMOSFET oder als Leistungsthyristor auszubilden.
Die Sekundärwicklung ist über eine Diode 20 mit dem Ausgangsanschluss 22 verschaltet, wobei die entsprechenden Ausgangsanschlüsse 22 aller Sperrwandler 8 nach Fig. 1 so angeordnet sind, dass diese seriell mit dem Koaxialkabel 15 verbunden sind. Entsprechend erfolgt die Verschaltung der Eingangsanschlüsse 23 derart, dass alle Sperrwandler 8 parallel an der Leitung 24 angeschlossen sind.
Parallel zur Sekundärwicklung ist ein Kondensator 21 verschaltet. Weiterhin weist der Sperrwandler 8 zur Taktung der Schalteinrichtung 9 eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung 11 auf.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wirkt der Übertrager 19 als magnetischer Energiespeicher. Bei eingeschalteter Schalteinrichtung 9 steigt der Strom in der Primärwick-
lung an und es wird Energie im Übertrager gespeichert. Wird die Schalteinrichtung 9 geöffnet, siehe Fig. 2, wird die gespeicherte Energie auf die Sekundärwicklung des Ü-bertragers 19 und weiter an den Glättungskondensator übertragen. Über den Ausgangsanschluss 22 ist die geglättete Gleichspannung an die Kabelverbindung 4 abgebbar. Es addieren sich die von jedem der Spannungswandler 8 nach Fig. 1 abgegebenen Ausgangsspannungen zur Gesamtsystemspannung.
Die Pulsbreitenmodulationseinrichtung 11 ist bereits weiter oben beschrieben worden und sie dient insbesondere zur Einstellung der Ausgabespannung eines jeden Sperrwandlers für sich. Die maximale Ausgangsspannung ist normalerweise durch die Durchbruchspannung der Schalteinrichtung 9 bzw. des entsprechenden Leistungs-MOSFET 10 bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass in der Regel die Durchbruchspannung der Steuereinrichtung zumindest doppelt so hoch wie die Maximalversorgungsspannung ist. Das heißt, bei 380 V AC-Drehstrom beträgt die Durchschlagsspannung ungefähr 800 V.
Demgemäß besteht folglich die Möglichkeit, Leistung für einen elektrischen Verbraucher mit der dazugehörenden Spannung präzise zu regeln und mit einer Vielzahl von Sperrwandlern die Regelung durchzuführen. Durch die Phasenverschiebung der Taktung eines jeden Sperrwandlers ergibt sich außerdem eine sehr hohe System-Grenzfrequenz, die eine störungsfreie Datenübertragung über die entsprechende Kabelverbindung auch über lange Kabelstrecken und selbst bei dünnem Kabelquerschnitt mit einer hohen Geschwindigkeit ermöglicht.
Bei Ausfall eines oder mehrerer der Sperrwandler werden die übrigen Sperrwandler einfach in ihrer Ausgangsspannung nachgeregelt, so dass weiterhin eine ausreichende Spannungs- und Leistungsversorgung auf der Ausgangsseite für die entsprechenden elektrischen Verbraucher vorhanden ist.
Das erfindungsgemäße System bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber beispielsweise nur einem Sperrwandler als AC/DC-Wandlereinrichtung, der die gesamte Leistung und Spannung ausgangsseitig bereitstellen muss, wobei in der Regel nur Spannungen von bis weniger als 3000 Volt ausgangsseitig möglich sind, da die Spannungsfestigkeit
der entsprechenden Bauteile unter 3000 V Durchschlagspannung liegt. Erfindungsgemäß kann die Ausgangsspannung 3000 V, 6000 V und auch mehr betragen.

Claims (14)

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 Reihe von AC/DC-Wandlerbaustein (6) aufweist, welche eingangsseitig parallel mit der Wechselspannungsquelle (3) und ausgangsseitig seriell mit dem elektrischen Verbraucher (2) verschaltet sind, wobei jeder Wandlerbaustein (6) als getaktetes Schaltnetzteil (7) ausgebildet ist.
2. Universelles Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (7) als primär getakteter Sperrwandler (8) ausgebildet ist.
3. Universelles Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler (8) als getaktete Schalteinrichtung (9) wenigstens einen Transistor, insbesondere Leistungs-MOSFET oder BIMOSFET aufweist.
4. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) zur Taktung von einer insbesondere steuer- oder regelbaren Impulsmodulationseinrichtung insbesondere Impulsbreitenmodulationseinrichtung angesteuert ist.
5. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (7) auf jeden Wert bis zu einem Grenzwert unterhalb der Durchbruchspannung eines Bauteils des Schaltnetzteils, insbesondere der Schalteinrichtung (9), einstellbar ist.
6. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz der Schalteinrichtung (9) im Bereich von einigen Kilohertz insbesondere im Bereich von einigen Hundert Kilohertz liegt.
7. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der getakteten Schaltnetzteile (7) in ihren Taktfrequenzen zueinander phasenverschoben sind.
8. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Wechselspannungsquelle (3) und/oder der AC/DC-Wandlereinrichtung (5) und/oder einer Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung (13) ein Controller (14) zugeordnet ist.
9. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen AC/DC-Wandlereinrichtung (5) und elektrischen Verbraucher (2) eine Filtereinrichtung (12) angeordnet ist.
10. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung (13) mit der Kabelverbindung (4) zwischen insbesondere Filtereinrichtung (12) und elektrischen Verbraucher (2) verschaltet ist.
11. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Controller (14) eine Kommunikationsverbindung zwischen den jeweiligen Einrichtungen (2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13) des Energieversorgungssystems (1) hergestellt ist.
12. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die AC/DC-Wandlerbausteine eine Leistungsfaktor-Steuereinrichtung (16) und/oder eine Unterspannungserkennungseinrichtung (17) und/oder eine Überstromüberwachungseinrichtung (18) aufweisen.
13. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne AC/DC- Wandlerbaustein (6) bezüglich seiner Ausgangsspannung separat steuer- oder regelbar ist.
14. Universelles Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindung (4) wenigstens ein Koaxialkabel (15) aufweist.
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