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Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Netzteil und mindestens einem Puffermodul mit einem elektrischen Energiespeicher, wobei das Netzteil in einem gemeinsamen Gehäuse einen eingangsseitigen Gleichrichter, einen eingangsseitigen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator und einen ausgangsseitigen Gleichspannungswandler aufweist. Das Puffermodul ist in einem externen Gehäuse angeordnet und elektrisch mit dem Netzteil verbunden und dient einer Pufferung einer Ausgangsspannung des Netzteils.
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Netzteile der beschriebenen Art, auch als Schaltnetzteile bezeichnet, werden vielfältig zum Betrieb von gleichspannungsversorgten Geräten an einem Wechselstromnetz eingesetzt. Insbesondere in einem industriellen Einsatz ist dabei häufig gefordert, zumindest kurze Unterbrechungen der Netzspannung auffangen („abpuffern“) zu können, so dass angeschlossene Geräte von dieser kurzfristigen Netzunterbrechung in ihrem Betrieb nicht beeinträchtigt sind. Aus Kostengründen und um den Bauraum und das Gewicht eines Netzteils nicht zu groß werden zu lassen, sind interne Energiespeicher im Netzteil üblicherweise nur in einer Größe vorgesehen, die Pufferzeiten im Bereich von einigen Millisekunden bis einigen zehn Millisekunden erlaubt.
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Um die Pufferzeiten bei Bedarf zu erhöhen, ist es bekannt, externe Puffermodule ausgangsseitig dem Netzteil parallel zu schalten, die z.B. Kondensatoren oder wiederaufladbare Batterien als Energiespeicher aufweisen. Um mit unterschiedlichen Netzteilen und unterschiedlichen Ausgangsspannungen eingesetzt werden zu können oder auch mit Netzteilen mit einstellbaren Ausgangsspannungen, weisen derartige Puffermodule in der Regel eigenen Gleichstromwandler auf. Zudem wird bei Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher im Puffermodul in jedem Fall ein Gleichspannungswandler benötigt, um die sich mit abnehmender Ladung ändernde Spannung des Kondensators an die konstant zu haltende Gleichspannung am Ausgang des Netzteils anzupassen. Der Aufbau der Puffermodule ist dadurch elektrisch wie im Hinblick auf die Kosten aufwendig.
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Von der Firma Siemens ist unter der Produktbezeichnung „SITOP PSU8600“ ein Netzteilsystem bekannt, bei dem ein Grundgerät - das eigentliche Netzteil - mit externen Modulen gekoppelt werden kann, die eine Pufferzeit bei einem Netzausfall erhöhen. Das Netzteil ist dabei insgesamt dreistufig aufgebaut und umfasst einen eingangsseitigen Gleichrichter (erste Wandlerstufe), einen eingangsseitigen Zwischenkreis und zwei hintereinander geschaltete Gleichspannungswandler (zweite und dritte Wandlerstufe), wobei die beiden Gleichspannungswandler über einen weiteren Zwischenkreis gekoppelt sind. Die externen Module können Kondensatoren oder Batterien enthalten, die dem ausgangsseitigen weiteren Zwischenkreis des Netzteils parallel geschaltet werden. Vorteilhaft kann so ein Netzteil je nach Anwendungsfall um eine gewünschte Pufferkapazität ergänzt werden, wobei der zweite, ausgangsseitige Gleichspannungswandler vorteilhaft genutzt wird, um auch bei sich mit Entladung ändernder Spannung des Puffermoduls am Ausgang des Netzteils eine konstante Gleichspannung bereit zu stellen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung aus einem Netzteil und mindestens einem Puffermodul mit einem Energiespeicher bereitzustellen, bei dem das Puffermodul auch ohne einen zusätzlichen Gleichspannungswandler zur Bereitstellung einer konstanten Ausgangsspannung eingesetzt werden kann und das auch in Verbindung mit einem Netzteil eingesetzt werden kann, das nicht über einen dreistufigen Aufbau mit zwei Gleichspannungswandlern verfügt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass das Puffermodul mit dem eingangsseitigen Zwischenkreis des Netzteils gekoppelt ist und im Betrieb mit einer Zwischenkreisspannung des eingangsseitigen Zwischenkreises des Netzteils beaufschlagt ist.
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Anders als aus dem Stand der Technik bekannt, wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Puffermodul nicht ausgangsseitig oder an dem weiteren, ausgangsseitigen Zwischenkreis mit dem Netzteil gekoppelt, sondern mit dem eingangsseitigen Zwischenkreis des Netzteils elektrisch verbunden. Entsprechend operiert das Puffermodul mit der eingangsseitigen Zwischenkreisspannung, die i.W. unabhängig von der Ausgangsspannung des Netzteils ist. Die eingangsseitige Zwischenkreisspannung wird in der Regel nur durch die Netzspannung, die Anzahl der verwendeten Netzphasen (einphasig gegenüber dreiphasig gespeistem Netzteil) bestimmt, sowie ein ggf. vorhandener Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC - Power Factor Correction). Innerhalb eines Landes oder einer Region ist die Netzspannung konstant, so dass viele unterschiedliche Typen von Netzteilen unabhängig von ihrer Ausgangsspannung vergleichbare Zwischenkreisspannungen aufweisen, auf die der Energiespeicher in seiner Spannungsfestigkeit dann abgestimmt sein kann.
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Bei der in Europa üblichen Netzspannung von 230 Volt (V) liegt die eingangsseitige Zwischenkreisspannung nach der Gleichrichtung der Netzspannung bei etwa 325 V (bei Netzteilen mit Leistungsfaktorkorrekturfilter etwas höher). Es hat sich gezeigt, dass Kondensatoren, insbesondere Elektrolyt-Kondensatoren, die für diesen Spannungsbereich geeignet sind, d.h. Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von etwa 380-450 V, ein besonders geringes energiespezifisches Volumen aufweisen, d.h. eine besonders hohe maximale Energiedichte haben. Bei gegebenem Volumen der Pufferspeicher kann so eine längere Pufferzeit erreicht werden als bei Verwendung von Kondensatoren mit einer geringeren Spannungsfestigkeit, die parallel zu dem ausgangsseitigen Zwischenkreis oder der Ausgangsspannung geschaltet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung ist der Energiespeicher des mindestens einen Puffermoduls mindestens ein Kondensator und/oder mindestens eine wiederaufladbare Batterie. Kondensatoren lassen sich schnell auf- und entladen und sind wartungsarm. Sie sind insbesondere als kurzzeitige Pufferspeicher geeignet. Wiederaufladbare Batterien können wegen ihrer hohen Kapazität auch zur Pufferung längerer Netzausfälle dienen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung umfasst eine Verbindung zwischen dem Netzteil und dem mindestens einen Puffermodul einen Energiebus. Vorteilhaft weist das mindestens eine Puffermodul eine Schalteinheit auf, über die der Energiespeicher mit dem Energiebus verbunden ist, wodurch die Verbindung zwischen Netzteil und Energiespeicher kontrolliert werden kann. Dazu kann die Schalteinheit mindestens ein Halbleiter-Schaltorgan aufweisen, um den Energiespeicher mit dem Energiebus zu koppeln oder von diesem zu trennen. Weiter bevorzugt sind dabei unterschiedliche Strompfade zum Laden und Entladen des Energiespeichers vorgesehen.
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Durch entsprechende Ansteuerung des Schaltorgans kann z.B. eine Ladespannung für den Energiespeicher auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt werden. Zudem können Stromspitzen unterbunden werden, die andernfalls z.B. entstehen könnten, wenn ein Puffermodul mit einem Netzteil im Betrieb verbunden wird. Es können auch Rippelströme verringert werden, was sich positiv auf eine Lebensdauer des Energiespeicher auswirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anordnung zwischen dem Netzteil und dem mindestens einen Puffermodul einen Daten- und/oder Signalbus. Bevorzugt weist das mindestens eine Puffermodul eine Steuereinheit auf, die mit dem Daten- und/oder Signalbus gekoppelt ist und die Schalteinheit ansteuert. Über den Daten- und/oder Signalbus können Informationen zwischen dem Netzteil und dem mindestens einen Puffermodul ausgetauscht werden, über die die Nutzung des mindestens einen Puffermoduls optimiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, mindestens ein Halbleiter-Schaltorgan der Schalteinheit in einem Pulsweiten-Modulationsverfahren anzusteuern. Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers zu regeln. Auf diese Weise können z.B. die zuvor genannten Begrenzungen von Ladespannung und/oder Ladestrom für den Energiespeicher umgesetzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, Informationen über das mindestens eine Puffermodul über den Daten- und/oder Signalbus an das Netzteil und/oder eine übergeordnete Steuerung zu übertragen. Die übertragenen Informationen können z.B. Statusinformationen über den Zustand (Betriebszustand, Alterungszustand usw.) des Energiespeichers und/oder der Schalteinheit sein. Das Netzteil kann die Nutzung des Puffermoduls dann vorteilhaft an dessen Zustand anpassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung weist das mindestens eine Puffermodul Möglichkeiten zum Anschluss eines weiteren Puffermoduls auf. Dadurch können Puffermodule verkettet werden und die Pufferkapazität einfach durch Hinzufügen weiterer Puffermodule erhöht werden. Durch die Verkettung wird dazu am Netzteil selbst nur eine Anschlussmöglichkeit für ein Puffermodul benötigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung aus einem Netzteil und zwei Puffermodulen;
- 2 ein detaillierteres schematisches Blockschaltbild eines der Puffermodule gemäß 1; und
- 3 ein schematisches Schaltbild einer Schalteinheit des Puffermoduls gemäß 2.
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In 1 ist ein Blockschaltbild eines Netzteils 1 mit hier beispielhaft zwei angeschlossenen Puffermodulen 10 dargestellt.
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Das Netzteil 1 weist einen Wechselspannungseingang 2 auf, mit dem es im Betrieb an ein Wechselspannungsstromversorgungsnetz angeschlossen werden kann. Der Wechselspannungseingang 2 kann einphasig sein, also zwei Leiter aufweisen oder auch dreiphasig und entsprechend drei Leiter und ggf. einen Nullleiter umfassen.
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Im Netzteil 1 wird die Wechselspannung des Wechselspannungseingangs 2 einem Gleichrichter 3 zugeführt, auch AC/DC-Wandler (AC - Alternating Current; DC - Direct Current) genannt. Der Gleichrichter 3 kann rein passiv ausgebildet sein und lediglich eine Diodenanordnung aufweisen. Üblicherweise weist der Gleichrichter 3 aktiv angesteuerte Schaltelemente auf, um Verzerrungsblindleistungen und damit störende Oberschwingungen im Netz zu reduzieren. Dieses ist als Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC-Power Factor Correction) bekannt.
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Am Ausgang des Gleichrichters 3 ist ein Zwischenkreis 4 angeordnet, der im Wesentlichen einen oder mehrere parallel geschaltete Zwischenkreiskondensatoren umfasst. Dem Zwischenkreis 4 nachgeschaltet ist ein Gleichspannungswandler 5, auch „DC/DC-Wandler“ genannt, der die Zwischenkreisspannung in eine Gleichspannung der gewünschten Höhe wandelt, die an einem Ausgang 6 des Netzteils 1 zur Versorgung von Verbrauchern bereitgestellt wird. Mit dem Gleichrichter 3 (AC/DC-Wandler) und dem Gleichspannungswandler 5 (DC/DC-Wandler) weist das Netzteil 1 somit einen zweistufigen Aufbau auf.
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Die Höhe der Zwischenkreisspannung ist bei Verwendung eines passiv ausgebildeten Gleichrichters von der Netzspannung abhängig und beträgt beispielsweise bei einem einphasigen Netzteil, das mit 230 V Wechselspannung gespeist wird, etwa 325 V. In der Regel sind Netzteile für niedrigere Ausgangsspannungen am Gleichspannungsausgang 6 ausgelegt, so dass als Gleichspannungswandler 5 eine ggf. galvanisch trennende Topologie mit tiefsetzstellender Wirkung, im einfachsten Fall ein Tiefsetzsteller, eingesetzt wird. Ein solcher Tiefsetzsteller belastet seinen Eingang mit einem gepulsten Eingangsstrom. Um diesen gepulsten Strom unabhängig von der aktuellen Phasenlage der zugeführten Netzspannung am Wechselspannungseingang 2 bereitstellen zu können, dient der Zwischenkreis 4 mit seinen Zwischenkreiskondensatoren.
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Die Komponenten des Netzteils 1, insbesondere der Gleichspannungswandler 5 und die PFC-Stufe des Gleichrichters 3, werden von einer Netzteilsteuerung 7 angesteuert und kontrolliert.
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Neben dem Wechselspannungseingang 2 und dem Gleichspannungsausgang 6 ist ein Energiebus 8 und optional auch ein Daten- und/oder Signalbus 9 aus dem Gehäuse des Netzteils 1 herausgeführt, an denen ein erstes der Puffermodule 10 angeschlossen ist. Wie durch das Kondensatorsymbol am Puffermodul 10 angedeutet ist, weist das Puffermodul 10 einen Energiespeicher auf, der über den Energiebus 8 an den Zwischenkreis 4 angeschlossen ist. Beispielsweise kann der Energiespeicher des Puffermoduls 10 ein Kondensator sein oder eine Anordnung mehrerer Kondensatoren, die über den Energiebus 8 parallel zu dem Kondensator des Zwischenkreises 4 angeschlossen sind. Der Energiebus 8 ist in dem Fall durch zwei Leitungen mit entsprechender Stromtragfähigkeit gebildet.
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Bevorzugt sind Steckverbinder am Netzteil 1 und/oder am Puffermodul 10 ausgebildet, so dass der Energiebus 8 und der Daten- und/oder Signalbus 9 auf einfache Weise verbunden bzw. getrennt werden können. Insbesondere beim Energiebus 8 ist dabei aufgrund der hohen anliegenden Spannungen eine entsprechende Spannungsfestigkeit der Isolierungen und auch ein Berührschutz vorgesehen. Der Daten- und/oder Signalbus 9 kann verwendet werden, um das Puffermodul 10 bzw. seine Verbindung mit dem Netzteil 1 zu steuern, wie im Zusammenhang mit 2 nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Als eine besondere Bauform von Steckverbindern können auch sogenannte Querverbinder eingesetzt werden, insbesondere wenn Netzteil 1 und Puffermodul 10 als Geräte ausgebildet sind, die nebeneinander auf eine Tragschiene aufrastbar sind. Die Querverbinder werden dann in Form von Steckelementen brückend in entsprechend benachbarte Einstecköffnungen in die Gehäuse von Netzteil 1 und Puffermodul 10 eingesteckt. Auch dabei ist eine entsprechende Spannungsfestigkeit der Isolierungen und auch ein Berührschutz vorgesehen.
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Wie beim Beispiel der 1 gezeigt, kann vorgesehen sein, dass der Energiebus 8 und der Daten- und/oder Signalbus 9 von dem ersten Puffermodul 10 weitergereicht werden, beispielsweise ebenfalls in Form von Steckverbindern, wie sie sich auch am Netzteil 1 finden, so dass eines oder mehrere weitere Puffermodule 10 hintereinander verkettet nach Bedarf angeschlossen werden können. Beispielhaft ist in 1 ein durchgehender Daten- und/oder Signalbus 9 gezeigt. Es ist jedoch auch denkbar, dass jeweils eine Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen benachbarten Geräten bei dem Daten- und/oder Signalbus 9 umgesetzt ist.
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Sowohl das Netzteil 1 als auch die Puffermodule 10 können in Gehäusen angeordnet sein, die für das Aufrasten auf eine Tragschiene ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich können Montagemittel für eine Direktmontage z. B. auf einer Montageplatte vorgesehen sein.
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In 2 ist ein möglicher Aufbau eines der Puffermodule 10 gemäß 1 detaillierter dargestellt. Es umfasst einen bereits angesprochenen Energiespeicher 11, beispielsweise einen oder mehrere Kondensatoren, insbesondere Elektrolytkondensatoren. In weiteren Ausgestaltungen können als Energiespeicher alternativ oder zusätzlich auch wiederaufladbare Batterien und/oder sogenannte hochkapazitive „Super-Caps“ oder „Gold-Caps“ eingesetzt werden. Der Energiespeicher 11 ist über eine Schalteinheit 12 mit dem Energiebus 8 verbunden. Die Schalteinheit 12 kann beispielsweise Halbleiterschalter oder auch ein Relais umfassen, um den Energiespeicher 11 selektiv und gesteuert mit dem Energiebus 8 zu verbinden. Ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinheit 12 ist in 3 gezeigt und wird weiter unten näher erläutert. Zur Steuerung ist eine Steuereinheit 13 vorgesehen, die Steuersignale oder Steuerdaten von dem Daten- und/oder Signalbus 9 erhält. Weiter können Parameter von dem Netzteil 1 bzw. dessen Netzteilsteuerung 7 sowie ggf. einer übergeordneten Steuerung Parameter an das oder die Puffermodul(e) 10 übertragen werden, um dessen bzw. deren Betriebsverhalten einzustellen. Alternativ oder zusätzlich können Informationen zum Steuern des Puffermoduls von einem Spannungszustand des Energiebusses 8 abgeleitet werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Statusinformationen, beispielsweise über den Zustand (Betriebszustand, Umgebungsparameter, z.B. Temperatur, Alterungszustand, usw.) des Energiespeichers 11 und/oder der Schalteinheit 12, an das Netzteil 1 bzw. dessen Netzteilsteuerung 7 sowie ggf. zusätzlich an eine übergeordnete Steuerung übermittelt werden.
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Über die Schalteinheit 12 kann der Energiespeicher 11 beispielsweise vom Energiebus 8 abgekoppelt werden, wenn keine Verbindung zu einem Netzteil 1 besteht. Dadurch wird verhindert, dass eine u. U. hohe Betriebsspannung des Energiespeichers 11 auf dem Energiebus 8 liegt, während dessen Anschlüsse offenliegen, da sie nicht mit dem Netzteil 1 verbunden sind. Weiter wird so verhindert, dass beim Verbinden des Puffermoduls 10 mit dem Netzteil 1 unmittelbar hohe Ausgleichsströme zwischen dem Zwischenkreis 4 und dem Energiespeicher 11 fließen, falls diese auf unterschiedliche Spannungen aufgeladen sind. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Verbindung erst dann erfolgt, wenn der Zwischenkreis 4 und der Energiespeicher 11 beide im Wesentlichen eine gleiche Spannung aufweisen, beispielsweise beide entladen sind.
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Insbesondere wenn die Schalteinheit 12 einen Halbleiterschalter als Schaltorgan aufweist, kann auch vorgesehen sein, einen Lade- oder Entladestrom des Energiespeichers 11, insbesondere nach dem Anschließen des Puffermoduls 10 an das Netzteil 1, zu regeln und insbesondere so zu reduzieren, dass keine zu großen Lade- oder Entladeströme fließen. Die maximale Höhe eines Lade- oder Entladestroms stellt beispielsweise einen Parameter dar, der von dem Netzteil 1 bzw. dessen Netzteilsteuerung 7 oder einer übergeordneten Steuerung das oder die Puffermodul(e) 10 übertragen werden kann.
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Die Kontrolle der Lade- bzw. Entladeströme kann beispielsweise durch eine entsprechende Pulsweitenmodulation des Schaltorgans der Schalteinheit 12 erfolgen. Die Schalteinheit 12 kann in einer weiteren Ausgestaltung auch mit einer Entlademöglichkeit für den Energiespeicher 11 versehen sein, beispielsweise um diesen vor einem Abtrennen aus Sicherheitsgründen zu entladen.
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Weiter kann das Schaltmodul 12 vorteilhaft genutzt werden, um den Energiespeicher 11 ggf. nur dann zuzuschalten, wenn das Netzteil 1 einen entsprechenden Bedarf signalisiert. Die Anzahl von Lade- und Entladezyklen sowie eine Rippelstrombelastung des Energiespeichers 11 kann so verringert werden, wodurch seine Lebensdauer steigt.
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Die genannten Funktionen können von der Steuereinheit 13 ggf. in Kommunikation mit der Netzteilsteuerung 7 angesteuert werden. Zudem können Überwachungsfunktionalitäten in der Steuereinheit 13 umgesetzt sein, beispielsweise um den Ladezustand, beispielsweise die Ladespannung des Energiespeichers 11 zu ermitteln und am Puffermodul 10 durch eine entsprechende Signalisierungseinheit wiederzugeben und/oder über den Daten- und/oder Signalbus 9 an das Netzteil 1 zu übermitteln. Weiter kann das Steuergerät 13 mit einer Betriebszeit- oder Ladezykluserfassung für den Energiespeicher 11 versehen sein, da diese Informationen Auskunft über einen Alterungszustand des Energiespeichers 11 geben, was im Hinblick auf eine Betriebszuverlässigkeit und/oder vorausschauende Wartung (predictive maintenance) sinnvoll ist. Auch ist eine messtechnische Ermittlung des Alterungszustandes auf diese Weise möglich.
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Die Ankopplung des Energiespeichers 11 an den Zwischenkreis 4 hat den Vorteil, dass eine sinkende Spannung des Energiespeichers 11 beim Entladen nicht durch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler ausgeglichen werden muss, sondern gewissermaßen inhärent durch den DC/DC-Wandler 5 des Netzteils 1 ausgeglichen wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass über den Gleichspannungswandler 5 vom Ausgang 6 zurückfließende Energie, die beispielsweise dann auftreten kann, wenn Motoren in einem generatorischen Betriebszustand an das Netzteil 1 angeschlossen sind und der Gleichspannungswandler 5 des Netzteils 1 bidirektional arbeiten kann, von dem Energiespeicher 11 aufgenommen werden kann und wird nicht in Wärmeenergie umgewandelt werden muss. Dieses setzt eine entsprechende Spannungsfestigkeit des Zwischenkreises voraus, die über der nominellen Zwischenkreisspannung liegt.
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3 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Schalteinheit 12 zusammen mit einem Energiespeicher 11, wie sie beispielsweise in dem in 2 dargestellten Puffermodul 10 eingesetzt werden können.
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Die Schalteinheit 10 wird über Anschlüsse 121 mit dem Energiebus 8 verbunden. Bei dem gezeigten Beispiel ist der Energiespeicher 11 als Kondensator ausgeführt und wird nachfolgend auch als Kondensator 11 bezeichnet.
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Eine Besonderheit der in 3 gezeigten Schalteinheit 12 liegt in zwei unterschiedlichen Strompfaden zwischen dem Kondensator 11 und dem Energiebus 8, wobei ein erster Strompfad zum definierten Laden des Kondensators 11 und ein zweiter Strompfad zum definierten Entladen des Kondensators 11 ausgebildet ist.
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Der erste Pfad umfasst eine Reihenschaltung aus einer Diode 122, einem Halbleiter-Schaltorgan 123 und einer Spule 124. Zudem ist eine Freilaufdiode 125 parallel zur Reihenschaltung aus Spule 124 und Kondensator 11 angeordnet. Es ist auf diese Weise ein steuerbarer Abwärtswandler gebildet, wenn das Halbleiter-Schaltorgan 123 getaktet angesteuert wird. Als Halbleiter-Schaltorgan 123 kann beispielsweise ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet werden.
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Durch entsprechende Ansteuerung des Halbleiter-Schaltorgans 123 kann eine Ladespannung für den Kondensator 11 auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt werden. Zudem können Stromspitzen unterbunden werden, die andernfalls z.B. entstehen könnten, wenn ein Puffermodul 10 mit einem Netzteil 1 im Betrieb verbunden wird. Mithilfe des Abwärtswandlers können auch Rippelströme verringert werden, was eine Lebensdauer des Kondensators 11 erhöht. Da eine Ladung des Kondensators 11 gesteuert mit vergleichsweise geringen Strömen erfolgen kann, brauchen die genannten Bauteile des ersten Pfads nicht für eine hohe Leistung ausgelegt sein, was sie kostengünstig macht.
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In dem zweiten, der Entladung dienenden Strompfad sind ebenfalls ein Halbleiter-Schaltorgan 126 und eine Diode 127 angeordnet. Das Halbleiter-Schaltorgan 126 kann beispielsweise wiederum ein MOSFET oder ein IGBT sein. Vorteilhaft ist das Halbleiter-Schaltorgan 126 für einen höheren zu übertragenden Strom ausgelegt sein, um einen gegebenenfalls benötigten hohen Strom des Netzteils 1 im Pufferfall bereitstellen zu können.
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Das Halbleiter-Schaltorgan 126 ermöglicht eine definierte Freigabe der im Kondensator 11 gespeicherten Energie. Die Stromrichtungen in dem Ladepfad bzw. dem Entladepfad werden durch die beiden Dioden 122 und 127 definiert. Die Diode 122 verhindert ein ungewolltes Entladen, wenn die Spannung, auf die der Kondensator 11 aufgeladen ist, größer ist als die an den Anschlüssen 121 anliegende Spannung. Die Diode 127 verhindert umgekehrt ein ungewolltes oder unkontrolliertes Aufladen des Kondensators 11. Ein weiterer Vorteil der getrennten Lade- bzw. Entladepfade ist es, dass eine Rückübertragung der Energie aus dem Kondensator 11 nicht über die Spule 124 erfolgen muss, was gegebenenfalls zu Überschwingungen führen könnte und für die Spule 124 einen geringen Innenwiderstand und damit einen größeren Drahtquerschnitt fordern würde.
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Alternativ zur Verwendung eines steuerbaren Abwärtswandlers könnte auch ein Linearregler eingesetzt werden, um ein Aufladen des Kondensators 11 auf eine definierte Spannung zu beschränken. Vorteilhaft daran ist, dass geringere elektromagnetische Verunreinigungen auftreten, weil kein getaktetes Halbleiter-Schaltorgan vorhanden ist. Nachteilig ist eine erhöhte Verlustleistung in dem Linearregler.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Netzteil
- 2
- Wechselspannungseingang
- 3
- Gleichrichter (AC/DC-Wandler)
- 4
- Zwischenkreis
- 5
- Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler)
- 6
- Gleichspannungsausgang
- 7
- Netzteilsteuerung
- 8
- Energiebus
- 9
- Daten- und/oder Signalbus
- 10
- Puffermodul
- 11
- Energiespeicher (Kondensator)
- 12
- Schalteinheit
- 121
- Anschluss
- 122
- Diode
- 123
- Halbleiter-Schaltorgan
- 124
- Spule
- 125
- Diode
- 126
- Halbleiter-Schaltorgan
- 127
- Diode
- 13
- Steuereinheit