AT513632A1

AT513632A1 - Vorrichtungen zur Beleuchtung

Info

Publication number: AT513632A1
Application number: ATA1235/2012A
Authority: AT
Inventors: Johann Dipl Ing Dr Ertl; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser; Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-06-15
Also published as: AT513632B1

Abstract

Die Aufgabe, eine einfache und robuste Vorrichtung zur Beleuchtung zu realisieren wirderfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen Dreiphasennetz undBrückengleichrichter eine Dreiphasendrossel geschaltet ist und an die Gleichstromseite desBrückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet ist, oder dasszwischen Einphasennetz und Brückengleichrichter eine Drossel geschaltet ist und an dieGleichstromseite des Brückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltetist, oder dass das Vorschaltgerät aus einem Gleich- Wechsel- oder Drehstromnetz ein einoderdreiphasiges Netz mit typischerweise höherer Frequenz als das speisende Netz undvariierbarer Spannung erzeugt und an dieses Netz Serienschaltungen von Leuchtdioden mitvorgeschaltetem Brückengleichrichter und diesem vorgeschalteten Blindwiderstand geschaltetsind. Weiters kann für die letzte Variante gelten: dass die den Brückengleichrichternvorgeschalteten Blindwiderstände lauter Spulen oder abwechselnd Spulen oderKondensatoren sind, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät mit einerPotentialtrennung versehen ist, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät alsDirektumrichter oder Matrixkonverter ausgeführt ist und dass der Umrichter im zentralenVorschaltgerät mit Fernsteuerung versehen ist.

Description

Vorrichtungen zur Beleuchtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Drehstromnetz, bestehend aus einer Serienschaltungen von Leuchtdioden, einem Brückengleichrichter und einer Dreiphasendrossel oder eine Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Wechselnetz bestehend aus einer Serienschaltungen von Leuchtdioden, einem Brückengleichrichter und einer Drossel oder eine Vorrichtung zur Beleuchtung, bestehend aus einem zentralen Vorschaltgerät mit einem Umrichter, Blindwiderständen, Serienschaltungen von Leuchtdioden und Brückengleichrichtem.

Beleuchtung stellt ein großes Marksegment in der heutigen Leistungselektronik dar. Ein wichtiger Bereich ist dabei die Beleuchtung öffentlicher Flächen (Straßen-, Tunnel-, Stationsbeleuchtung) und großer Hallen (Werkshallen, Garagen). Hier sind effiziente und robuste Anlagen erforderlich.

Leuchtdioden sind robust und haben einen guten Wirkungsgrad und lange Lebensdauer. Mit heutigen Leuchtdioden kann man schon etwa doppelt so hohe Lichtausbeuten erzielen als mit herkömmlichen Leuchtstoffröhren. Nahe liegend ist daher der Einsatz von Leuchtdioden für die oben genannten Anwendungsfälle.

Der Vorteil von Leuchtstoffröhren sind die sehr robusten einfachen Vorschaltgeräte, die aber zu einem induktiven Blindstrom führen. Man kann natürlich auch elektronische Vorschaltgeräte verwenden. Diese führen eine Widerstandsemulation durch und benötigen daher keinen Blindstrom. Nur der erforderliche Wirkstrom wird aus dem Netz entnommen. Es zeigt sich aber, dass elektronische Vorschaltgeräte, die für Innenbeleuchtungen entwickelt wurden, dem rauen Betrieb im Freien in Form der Straßenbeleuchtung nicht gewachsen sind. Der Umbau auf eine robuste Version ist sehr kostspielig.

Im Folgenden werden nun mehrere Konzepte vorgestellt, mit denen ein Umbau einer Beleuchtungsanlage oder eine Neuinstallation einfach bewerkstelligt werden kann.

Eine ganz einfache Lösung ist dabei folgende: Mit Hilfe einer B6 Diodenbrücke wird das Dreiphasennetz gleichgerichtet und an den Gleichrichter direkt eine Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet. Um Spannungsschwankungen des Netzes nur abgeschwächt an die Leuchtdioden zu bringen und um die Spannung an den Leuchtdioden auf den erforderlichen Wert zu bringen, wird ein induktiver Vorwiderstand in Form einer Drossel (Dreiphasendrossel) vorgeschaltet. Es sei hier speziell betont, dass Dreiphasendrosseln von der Baugröße her sehr kompakt sind. Auch die klassischen Vorschaltgeräte von P102/fh/20121122 2/11 1

Leuchtstoffröhren haben eine Induktivität in Serie zu diesen um die Differenz zwischen Bogenspannung und Netzspannung aufzunehmen. Wenn die dadurch auftretende Blindleistung stört, kann diese auf bekannte Weise durch eine Blindleistungskompensation, im einfachsten Fall durch einen Kondensator, kompensiert werden. Vorteilhaft an diesem Konzept ist neben der Einfachheit und Robustheit ein - bedingt durch die Dreiphasigkeit -konstanter Leistungsfluss aus dem Netz und eine nur mit 300 Hz gering schwankende Spannung an den Leuchtdioden.

Man kann das beschriebene Konzept auch einphasig ausfiihren. Dies hat den direkten Vorteil, dass man die herkömmliche Verdrahtung der Leuchten nicht verändern muss, durch geschickte Wahl der Anzahl der in Serie geschalteten Leuchtdioden kann man auch die vorhandene Drossel verwenden. Sinnvoll ist dann die Anordnung der Serienschaltung der Leuchtdioden auf einem länglichen Träger gleicher Länge einer Leuchtstoffröhre, an dessen Enden die üblichen Schnappverschlüsse montiert sind. Natürlich muss dann noch die zweipulsige Diodenbrücke B2 eingefügt werden. Man hat nun wie bei der normalen Leuchtstoffröhrenanwendung einen mit 100 Hz pulsierenden Leistungsfluss aus dem Netz und eine mit 100 Hz schwankende Spannung an den Leuchtdioden.

Eine weitere Variante ist die folgende: mehrere Lampen werden durch ein gemeinsames Vorschaltgerät versorgt. Dieses ist z.B. bei einer Straßenbeleuchtung im Steuerkasten für die Lampenstränge untergebracht, ist daher nicht direkt in der Lampe, die doch stark den Umwelt- und Wetterverhältnissen ausgesetzt montiert ist. Um eine einfache Umrüstung zu ermöglichen kann man, wie oben beschrieben, eine zweiadrige Versorgung verwenden. Um die erforderlichen Induktivitäten klein zu halten, kann man nun mit einer höheren Frequenz aber verringerten Spannung speisen. Das Sammelvorschaltgerät erzeugt also aus dem Netz eine Wechselspannung höherer Frequenz und geringerer Amplitude. Zusätzlich arbeitet das Vorschaltgerät gleichzeitig als Leistungsfaktorkorrektur und entzieht dem Netz einen sinusförmigen Strom, der in Phase zum Netz ist. Solche Umformer sind Stand der Technik und leicht für die geforderte Anwendung anzupassen. Als Konverter ist hier auch ein Matrixkonverter, der den Vorteil hat, dass keine Speicherkondensatoren erforderlich sind, möglich. Die Speicherkondensatoren sind ja bekanntlich die Bauteile, die am raschesten altem und schließlich Ausfälle produzieren. Matrixkonverter wurden in den letzten Jahren sorgfältig erforscht. Sie sind bidirektionale Konverter und funktionieren dann problemlos, solange das speisende Netz vorhanden ist. Fällt des Netz jedoch aus und muss der Konverter ins Netz speisen, z.B. beim Bremsbetrieb einer Asynchronmaschine, so sind recht aufwendige Vorkehrungen zu treffen um die Energie äbzubauen und den Bremsvorgang ordentlich P102/fh/20121122 3/11 2 durchzuführen. Diese zusätzliche Beschaltung verringert natürlich die Vorteile des Matrixkonverters. Im Fall der Beleuchtungssteuerung ist aber Rückspeisung nicht erforderlich und die Vorteile des Matrixkonverters können wirklich genutzt werden.

Die Vorteile der Speisung der Lampen mit Wechselstrom oder Drehstrom wie hier dargestellt sind zusätzlich folgende: • Durch die vorgeschalteten Drosseln erfolgt eine einfache Symmetrierung der einzelnen Serienschaltungen der Leuchtdioden. Würde man Gleichstrom verwenden müsste die Symmetrierung über Widerstände (zusätzliche Verluste) oder durch eine zusätzliche Elektronik mit Stromquellencharakteristik erfolgen. Das geht auf Kosten der Zuverlässigkeit, weil weitere elektronische Baugruppen erforderlich sind. • Weiters sind DC Kreise schwerer abschaltbar, weil es keinen natürlichen Stromnulldurchgang gibt. Man benötigt für DC aufwändigere Schaltgeräte als für AC.

Wenn aus Sicherheitsgründen eine Potentialtrennung gewünscht wird, kann dies leicht durch einen, dem zentralen Vorschaltgerät vorgeschalteten oder in ihm integrierten Transformator geschehen. Wird die Potentialtrennung im Vorschaltgerät durchgeführt, so kann das bei höherer Frequenz als der Netzfrequenz geschehen und so ein kompakter Aufbau erzielt werden. Durch das zentrale Vorschaltgerät kann auch leicht gedimmt werden. Fernsteuerung ist ebenfalls leicht über eine Datenschnittstelle möglich. Als Datenkanal bietet sich natürlich gleich das vorhandene Versorgungsnetz an.

Man kann auch statt des induktiven Blindwiderstands einen Kondensator vor den Gleichrichter schalten. Kombiniert man mm Serienschaltungen von LEDs, die mit einem Kondensator als kapazitivem Blindwiderstand arbeiten mit solchen, die einen induktiven Vorwiderstand verwenden, so kann man auf einfache Weise die Blindleistung kompensieren. Es ist aber anzumerken, dass Spulen eine größere Zuverlässigkeit haben als Kondensatoren. Werden die Serienschaltungen der Leuchtdioden direkt am öffentlichen Netz betrieben, so sind Spulen natürlich besser, da sie Störspannung die am Netz auftreten aufnehmen, ein Kondensator gibt sie im gegenständlichen Schaltzusammenhang an die Last weiter.

Prinzipiell sind in der praktischen Anwendung Maßnahmen zur Überspannungsbegrenzung notwendig. Dies kann z.B. durch Varistoren auf der Netzseite oder Spannungsbegrenzerdioden auf der Gleichstromseite erfolgen.

Die Erfindung wird nun noch an Hand der Zeichnungen besprochen. Fig.l zeigt die dreiphasige und Fig. 2 die einphasige Vorrichtung zur Beleuchtung. Die Figuren Fig. 3 bis P102/fh/20121122 4/11 3

Fig. 5 zeigt die Erweiterung mit zentralem Vorschaltgerät, durch das auch Dimmung und eventuelle Potentialtrennung erreicht wird.

Figur 1 zeigt das Netz mit den drei Phasen (Li, L2, L3), die Dreiphasendrossel (L3P), den Bö-Brückengleichrichter und die Serienschaltung der Leuchtdioden (LDi, LD2,..LDn) und deren Verschaltung.

Figur 2 zeigt das Netz mit der Phase (Li) und dem neutralen Leiter (N), die Drossel (L), den B2-Brückengleichrichter, bestehend aus den Dioden (Di, D2, D3, D4) und die Serienschaltung der Leuchtdioden (LDi, LD2, ..., LDn) und deren Verschaltung. Als Netzphase ist beispielhaft die erste Phase (Li) gezeichnet.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen das zentrale Vorschaltgerät in Form eines AG/AC Wandlers (AC/AC) beispielhaft an einem Dreiphasennetz mit den drei Phasen (Li, L2, L3) betrieben. Natürlich kann auch aus einem Einphasennetz ein Ein- oder Dreiphasennetz erzeugt werden. In diesen Wandler kann eine Potentialtrennung eingebaut sein. Ebenfalls kann die Steuerung über eine Schnittstelle ferngesteuert werden. Fig. 3 zeigt nun, dass an der Ausgangsseite des AC/AC Wandlers n Lasten (L-l bis L-N), bestehend aus Schaltungen entsprechend Fig. 1, geschaltet sind. Fig 4 zeigt, dass an der Ausgangsseite des AC/AC Wandlers n Lasten (L-l bis L-N), bestehend aus Schaltungen entsprechend Fig. 2, geschaltet sind. Fig. 5 soll zeigen, dass es auch sinnvoll sein kann, abwechselnd Kondensatoren als vorgeschaltete Blindwiderstände zu verwenden. Der Umrichter (AC/AC) braucht dann bei geeigneter Dimensionierung fast keinen Blindstrom zu liefern.

Die Aufgabe, eine einfache und robuste Vorrichtung zur Beleuchtung zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen Dreiphasennetz und Brückengleichrichter eine Dreiphasendrossel geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet ist, oder dass zwischen Einphasennetz und Brückengleichrichter eine Drossel geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet ist, oder dass das Vorschaltgerät aus einem Gleich- Wechsel- oder Drehstromnetz ein ein-oder dreiphasiges Netz mit typischerweise höherer Frequenz als das speisende Netz und variierbarer Spannung erzeugt und an dieses Netz Serienschaltungen von Leuchtdioden mit vorgeschaltetem Brückengleichrichter und diesem vorgeschalteten Blindwiderstand geschaltet sind. Weiters kann für die letzte Variante gelten: dass die den Brückengleichrichtem vorgeschalteten Blindwiderstände lauter Spulen oder abwechselnd Spulen oder Kondensatoren sind, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät mit einer P102/fh/20121122 5/11 4

Potentialtrennung versehen ist, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät als Direktumrichter oder Matrixkonverter ausgefuhrt ist und dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät mit Fernsteuerung versehen ist. P102/fh/20121122 6/11 5

Claims

Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Drehstromnetz, bestehend aus einer Serienschaltungen von Leuchtdioden, einem Brückengleichrichter und einer Dreiphasendrossel dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Netz und Brückengleichrichter die Dreiphasendrossel geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet ist.
2. Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Wechselnetz bestehend aus einer Serienschaltungen von Leuchtdioden, einem Brückengleichrichter und einer Drossel dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Netz und Brückengleichrichter die Drossel geschaltet ist und an die Gleichstromseite des Brückengleichrichters die Serienschaltung von Leuchtdioden geschaltet ist.
3. Vorrichtung zur Beleuchtung, bestehend aus einem zentralen Vorschaltgerät mit einem Umrichter, Blindwiderständen, Serienschaltungen von Leuchtdioden und Brückengleichrichtem dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgerät aus einem Gleich- Wechsel- oder Drehstromnetz ein ein- oder dreiphasiges Netz mit typischerweise höherer Frequenz als das speisende Netz und variierbarer Spannung erzeugt und an dieses Netz Serienschaltungen von Leuchtdioden mit vorgeschaltetem Brückengleichrichter und diesem vorgeschalteten Blindwiderstand geschaltet sind.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die den Brückengleichrichtem vorgeschalteten Blindwiderstände lauter Spulen oder abwechselnd Spulen oder Kondensatoren sind.
5. Vorrichtung gemäß Ansprach 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät mit einer Potentialtrennung versehen ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät als Direktumrichter oder Matrixkonverter ausgeführt ist.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter im zentralen Vorschaltgerät mit Fernsteuerung versehen ist. P102/fh/20121122 7/11 6