DE3736324A1 - Schaltungsanordnung zur energieeinsparung durch induktive netzspannungsabsenkung fuer nieder- und hochdruckentladungslampen sowie quecksilberdampflampen - Google Patents

Description

Nach dem Stand der Technik gibt es Schaltungen, die zur elektrischen Energieeinsparung eingesetzt werden.

So werden im Lichtbereich elektronische Vorschaltgeräte für Niederdruckentladungslampen die fast bei gleicher Lichtausbeute weniger Energie aufnehmen eingesetzt. Weiter­ gehend werden in diesem Lichtbereich Phasenanschnittsteuerungen zur Stromreduzierung und somit energiesparend, eingesetzt.

Da elektronische Vorschaltgeräte und weitergehende Steuerungen für Leuchtstofflampen im Verhältnis zur Energieeinsparung teuer sind und dadurch eine Amortisation nach den wirtschaft­ lichen Normen und schwer zu erreichen ist als mit den neuen vorgegebenen Schaltungsanordnungen.

Mit der nachfolgend beschriebenen Erfindung wird ein Schaltungs­ system aufgezeichnet, mit dem für den Bereich zum Betreiben von Niederdruck- und Hochdruckentladungslampen durch Absenkung der Versorgungsspannung eine Energieeinsparung ergibt, die den wirtschaftlichen Normen der Amortisation, Rechnung tragen.

Die Neuheit der Erfindung ist eine Systemschaltung wo in einer Versorgungsleitung, z. B. Null oder Phase ein Modul geschaltet wird, die nach dem Zünden der Lampen die Netz­ spannung herunterschaltet.

Das Herunterschalten der Netzspannung erfolgt über eine in Reihe geschaltete Induktivität in einer Versorgungs­ leitung der zur Lampe bzw. Lampeneinheit führt.

Diese Induktivität ist mit einer Wicklung versehen, wobei die Induktivität im Kernmaterial nicht als Drossel mit Luftspalt sondern als Trafokern ausgelegt ist. Durch diese Technik wird für Niederdruck- und Hochdruckentladungslampen eine energiesparende Netzspannungsabsenkung durch geringe Trafoleistung von 500 W (7-8 × 58 W Leuchtstofflampen) die Leistung auf 400 W zu verringern nur eine Trafokerngröße von M 55 für die Induktivität benötigt.

Die Philosophie dieser Systemschaltung ist es, daß Nieder- und Hochdruckentladungslampen, sowie Quecksilberlampen mit Vorschaltgeräten betrieben werden müssen. Diese Vorschalt­ geräte sind auf der Lampenleistung angepaßten Induktivität nach dem Drossel-Prinzip mit Luftspalt (konventionelles Vorschaltgerät) ausgeführt. Diese Drosseln müssen mit der Lampe zwei Funktionen ausüben und zwar erstens ein sicheres Zünden der Lampe zu gewährleisten, sowie zweitens den Strom für die Lampe zu begrenzen.

Da nach dem Zünden der Lampe der Betrieb der Lampe auch mit einer Drossel = Vorschaltgerät, erreicht wird könnte diese den Strom in der Brennphase weiter heruntersetzten, dies führt jedoch zu einer größeren Verlustleistung an der Drossel. Die herabsetzende Versorgungsspannung in der Schaltungsanord­ nung nach dem Zünden der Lampen wird über eine Drossel ohne Luftspalt erreicht. Durch Herabsetzen der Versorgungs­ spannung um ca. 12 V geht die Energieaufnahme einer 58 W Leuchtstofflampe um ca. 10 W zurück, wobei die Lichtaus­ beute nur geringfügig zurückgeht.

Bei Schwankungen der Netzspannung verhält sich die In­ duktivität automatisch im Sparverhalten, d. h. wenn sich die Netzspannung erhöht = Überspannung, wird die Netz­ spannung auf den Lampen größer heruntergesetzt.

Umgekehrt wird bei Unterspannung die Herstellung der Netz­ spannung zu den Lampen verkleinert.

Die Funktion der Systemschaltung ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1, 4 und 5 sind die Netzleitungen wo die Netzversorgungs­ spannung die Leuchtstofflampe 7 über Vorschaltgerät 6 (Drossel) geschaltet ist und mit Starter 52 die Lampe zündet. In der Netzleitung 5 ist das Wechselspannungsreduziermodul geschaltet.

Über die Strominduktivität 2 wird in die Wicklung 3 eine Spannung induziert, mit der die Steuerung vorgenommen wird. Die Induktivität mit der Wicklung 2 und 3 bildet eine separate Kerneinheit als eigenen Stromtrafo.

Die Spannungsreduzierungsinduktivität 1 ist über das Schalt­ glied 8 überbrückt und außer Betrieb. Mit Beschalten einer Netzspannung auf 4 und 5 wird die Lampe 7 über Wicklung 2, Schaltglied 8 und Vorschaltgerät 6 mit voller Netzspannung mit Starter 52 gezündet.

Schon während der Startversorgung wird in Wicklung 3 eine Wechselspannung induziert, die über Gleichrichter 9 gleich­ gerichtet und Kondensator 10 geglättet wird. Mit der R-C Kombination, Widerstand 12 und Kondenator 13 wird eine Verzögerungszeit eingestellt, die die Basis 18 des Doppeltran­ sistors (Darlington) aktiviert und den Transistor 14 durch­ schaltet.

Mit dem Durchschalten des Transistors 14 wird das Relais 15 eingeschaltet. Indem das Relais 15 schaltet, wird das Schaltglied 8 in Stellung 17 geschaltet und somit ist die Überbrückung der Wicklung 1 aufgehoben und die Leistungs­ absenkung über die Spannung ist erfolgt. In einer Leistungs­ absenkung über eine Spannungsreduzierungsinduktivität können Lampen unterschiedlicher Leistungsgrößen angeordnet sein. Wie in Fig. 1 als Verbraucherlampe 7 dargestellt, können als Verbraucher beliebig viele Lampe mit gleicher oder unterschiedlicher Leistungsgröße sein.

Die Spannungsreduzierungsinduktivität muß für entsprechende Leistungsbereiche angepaßt werden, wobei die Toleranz der Anpassung sehr groß sein kann, denn festzulegende Bereiche können in der Kombination über die Abgriffe 47 und 48 ge­ koppelt, mit den Abgriffen 45 und 46 auf, vor Ort, basierende Leistungsbereiche eingestellt werden.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, wo die Spannungsreduzierungsdrossel 38 mit einem zusätzlichen Ab­ griff 22 versehen ist. Das Überbrückungsschaltglied 20 ist als Triac dargestellt. Während des Zündvorganges der Lampen ist das Schaltglied 20 durchgeschaltet. Nach dem Zünden wird der vorhandene Spannungspegel im Fühlerglied 18 und 19 ermittelt und schaltet bei vorgegebener Netzspannung das Schaltglied 20 aus und somit die Spannungsreduzierdrossel 1 ein.

Wird eine festzusetzende Netzspannung unterschritten, die in Spannungsfühler 18 und 19 gemessen wird, schaltet je nach Spannungspegel, das Abgriffschaltglied 21 oder das Überbrückungs­ schaltglied 20 ein.

Als Beispiel, die Versorgungsspannung ist anstelle 220 V auf 210 V abgesenkt, so entsteht über dem Stromtrafo 2 und 3 am Spannungsfühler 18 und 19 auch eine geringere Spannung, die dann entsprechend über 19 das Schaltglied 21 eingeschaltet und somit die Spannungsreduzierung z. B. von 12 V auf 5 V schaltet. Die Spannungen an den Spannungsfühlern 18 und 19 werden sowohl von der anliegenden Netzspannung und von der geschalteten Lampenleistung beeinflußt.

Um die Spannung an den Spannungsfühlern 18 und 19 zu stabili­ sieren, ist ein regelbarer Vorlastwiderstand 49 eingesetzt, mit dem man vor Ort die Pegel abgleichen kann.

Während des Zündvorganges wird in Wicklung 3 eine größere Spannung induziert als beim Brennbetrieb der Lampe. Damit durch die überhöhte Zündspannung das Zeitglied R 12 und C 13 sich nicht verändert, wird über die Zehnerdiode 42 die Span­ nung nach oben begrenzt. Der Vorlastwiderstand 11 und Reihen­ widerstand 41 sind als verstellbare Widerstände (Potentiometer) ausgelegt.

Durch diese Anordnung kann man vor Ort die Umschaltzeit vom Zünden der Lampe auf Sparreduzierung in Verbindung mit der Verbraucherlast einjustieren.

Wie in Fig. 1, 43, 44 und 45 dargestellt, kann die Verbraucher­ last entsprechend den vorgesehenen Abgriffen beschaltet werden, da mit erhöhter Verbraucherlast eine höhere Spannungsreduzierung erzeugt wird. Gleichzeitig sollte der Stromtrafo über die Ab­ griffe Fig. 1, 46, 47 und 48 entsprechend der Verbraucherlast eingestellt werden.

Durch diese Abgriffe wird ein variables Modul geschaffen, daß z. B. von 400 W bis 1000 W beschaltet werden kann, wobei die Auslegung des Moduls vom Kernmaterial und Reduzierwicklung der größten angegebenen Verbraucherlast entsprechen muß.

Da die Spannungsabsenkung nicht durch Phasenanschnittsteuerung erfolgt und auch nach den einschlägigen Vorschriften, wie VDE usw. keine besonderen Maßnahmen die sich wirtschaftlich auf das Produkt auf wirken, erforderlich wird, wird ein gutes Preis - Leistungsverhältnis erreicht.

Um eine Spannungsreduzierung direkt bezogen auf der anliegenden Netzspannung zu erhalten, ist wie in Fig. 3 dargestellt, der Spannungsfühler 23 in den Punkten 27 und 28 an die Sekunden­ spannung des Trafo 76 geschaltet. Bezogen auf die anliegende Netzspannung 55 und 56 wird entsprechend dem Übertragungsverhält­ nis, eine Wechselspannung über 27 und 28 zum Pegelfühler 23 ge­ geben.

Während des Ablaufens der beliebig eingestellten Zündzeit, wo das Schaltglied 28 der Position wie 28 dargestellt bleibt, werden die Lampen gezündet. Nach Ablauf der Zündzeit wird im Pegelfühler 23 die Höhe der Netzspannung abgefragt und entsprechend der Höhe der Netzspannung zugeordnete Schaltglied geschaltet.

Die Zuordnung der Schaltglieder:

• a) das Schaltglied 28 zu Schaltstufe 26 und Transistor 58
• b) Schaltglied 29 zu Schaltstufe 25 und Transistor 60
• c) Schaltglied 30 zu Schaltstufe 24 und Transistor 62

Die Zuordnung der Spannungspegel zu den entsprechenden Schalt­ gliedern, ist in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt. In Fig. 4 sind auf der Nullinie 63 Spannungsamplituden unterschiedlicher Größe dargestellt. So soll als Beispiel die Linie 64 = 200 V, die Linie 65 = 210 V, die Linie 66 = 215 V und 67 = 221 V betragen.

Im Pegelfühler 23 sind diese Amplituden den Schaltgliedern wie folgt zugeordnet.

Wird die Amplitude 68 im Pegelfühler 23 gemessen, = Span­ nung unter 200 V wird kein Schaltglied aktiviert und die Lampen werden direkt betrieben, da die Versorgungsspannung bereits 20 V Unterspannung beträgt.

Wird der Pegel 70 größer als 210 V gemessen, schaltet der Pegelfühler 23 die Ausgänge 57 und 53 und somit die Schalt­ glieder von 28 in 73 und von 29 in 75.

In dieser Schaltstellung ist der Abgriff 77 eingeschaltet und bedampft die Versorgungsspannung zu den Lampen nur um acht V.

Wird der Pegel 71 im Pegelfühler gemessen, werden die Aus­ gänge 57 und 61 aktiviert und schaltet die Schaltglieder von 28 in 73 und 30 in 74. In dieser Schaltstellung ist der Ab­ griff 78 eingeschaltet und bedämpft die Versorgungsspannung zu den Lampen um 12 V.

Wird der Spannungspegel 72 im Pegelfühler 23 gemessen, wird nur der Ausgang 57 aktiviert und das Schaltglied von 28 in 73 geschaltet. Somit wird die Versorgungsspannung zu den Lampen um 16 V bedämpft.

Es können den Anforderungen entsprechend, beliebig viele Ab­ griffe und in der Spannungsbedämpfung beliebiger Größe gewählt werden.

Der Pegelfühler kann als Komperatorschaltung oder sonstige IC- Schaltung je nach dem Stand der Technik gewählt werden. Die Schaltglieder 28, 29 und 30 können auch extern gesteuert werden, z. B. von Lichtmessern die entsprechend der vorge­ gebenen Helligkeit den Pegel schalten.

Die Abstufungen sollten jedoch so groß sein, daß nicht bei jeder kleinen Spannungsschwankung sofort eine Umschaltung der Reduzierleistung erfolgt.

Weitergehend wird die Umschaltung der Reduzierglieder im Spannungsfühler 23 zeitlich verzögert, so daß auch kurz­ zeitig auftretenden Spannungsschwankungen gemessen werden aber wenn diese nicht über eine vorgegebene Zeit konstant bleiben die Schaltglieder nicht aktiviert. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Schaltungsanordnung ist von der Installation her einfach nachzurüsten, da man unabhängig der Einzellampen­ leistung das Modul für eine vorgegebene Leistungsgröße aus­ gelegt in Reihe einer Netzleistung schaltet, z. B. in Reihe des Einschalters eines Lichtbandes.

Weitergehend kann eine entsprechende Umschaltung über Zeit­ uhr oder manuell erfolgen. So kann z. B. bei einer Straßen­ beleuchtung mit Leuchtstofflampen oder Quecksilberdampf­ lampen eine Reduzierungsinduktivität nach einer festgelegten Zeit oder über Rundsteuerimpuls aktiviert werden.

Durch diese Technik entfällt jegliche Uminstallation in den Lampen und es können unterschiedliche Lampenleistungen und Lampenarten über das gleiche Modul betrieben werden.

Über Fühlereingang 40 kann die abgesenkte Spannung abhängig von der Verbraucherlast kontrolliert werden und entgegen des Netzspannungspegels auf einen entsprechenden Abgriff zurück­ geschaltet werden, um eine konstante Lichtleistung zu erhalten.

In der Schaltungsanordnung Fig. 3 muß ein weiterer Anschluß auf das dazugehörige Gegenpotential gelegt werden, um den aktuellen Netzspannungspegel abzugreifen.

Durch Einschalten der Netzspannungsreduzierinduktivität wird der Leistungsfaktor verbessert und die einzelnen Vorschalt­ geräte 6 die jeder Lampe zugeordnet sind, erhält eine geringe­ re Erwärmungstemperatur.

Da man mit einem Modul zusammengefaßte Lampenleistungen schalten kann, ist eine gute wirtschaftliche Amortisation gegeben. Die Technik kann für alle Entladungslampen mit Starter und Quecksilberdampflampen eingesetzt werden.

Die Schaltungsanordnungen können auch als Einzelmodul für eine Lampe, kombiniert mit den konventionellen Vorschalt­ geräten = Drosseln als eine Einheit gefertigt werden.

Daraus resultierend könnten konventionelle Vorschaltgeräte mit entsprechender Leistungsabsenkung hergestellt werden.

Claims (14)

1. Die Neuheit der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in Reihen einer Versorgungsleistung zu einer oder beliebig viele Niederdruck- und Hochdruckentladungslampen, sowie Quecksilber­ dampflampen Fig. 1; (7), Fig. 2; (34) und (36), Fig. 3; (35, 36) und (37) geschaltete Induktivitätswicklung, Fig. 1; (1), Fig. 2; (38), Fig. 3; (39) mit Kern ohne Luftspalt, die die Netzwechselspannung nach dem Zünden der Lampen auf einen beliebig vorgegebenen Spannungspegel absenkt, wobei die Verlustleistung auf den der Lampen zugeordneten Vorschaltgeräte vermindert wird und den Leistungsfaktor erhöht.

2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung Fig. 1 und Fig. 2 nur in einem Versorgungspfad einer Netzleitung geschaltet wird, ohne dazugehörendes Gegenpotential.

3. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Netzspannung nach dem Zünden der Lampen eingeschaltet wird.

4. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Stromtrafo Fig. 1; (2) und (3), die Steuerung der Ansenkung mit Zeitglied geschaltet wird.

5. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzier­ drossel beliebige Reduzierbegriffe Fig. 1; (43, 44) und (45) die kommensurabel zur Stromwicklung 2, mit den Abgriffen (46, 47) und (48) sind.

6. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt­ gliedreduzierabgriffe Fig. 2; (21) und (22) vom Spannungspegel­ fühler (18) und (19), sowie Fig. 3; die Schaltreduzierabgriffe (77, 78) und (79) vom Pegelfühler (23) geschaltet werden.

7. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt­ glieder Relaiskontakte, Triac oder sonstige Halbleiterschalt­ glieder sind.

8. Weitergehend zu Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Reduzierschaltung in Stufen bezogen auf die anliegende Netzspannung Fig. 3 und Fig. 4 selbst regelt.

9. Weitergehend zu Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Mehrzahl von Abgriffen auf die Reduzierinduktivi­ tät der Spannungspegel auf die Verbraucher fast konstant gehalten wird.

10. Weitergehend zu Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbraucher, der sich aus unterschiedlichen Lampenarten wie Kombinationen von Niederdruck, Hochdruck und Quecksilberdampf­ lampen ergibt, betrieben werden kann.

11. Weitergehend zu Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß über den Ist-Spannungsfühler Fig. 3; (40) die Reduzierung der Spannung am Verbraucher vorgenommen wird, unabhängig von der betriebenen Verbraucherlast.

12. Weitergehend zu Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Ort durch die Potentiometer (11) und (49) die Verbraucherlast und Umschaltzeit einstellbar ist.

13. Weitergehend zu Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial für die Reduzierinduktivität aus Trafokern­ blechen, oder gesintertes (Ferrite) sind.

14. Weitergehend zu Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierwicklung Fig. 1; Fig. 2; (38) und Fig. 3; (39) in Reihe einer Versorgungsleitung zum Verbraucher geschaltet ist.