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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anschluss eines energiewandelnden Endgerätes an ein elektrisches Energieversorgungsnetz und zum Austausch von Daten über das Energieversorgungsnetz, wobei ein Netzanschluss zum Anschluss an das Energieversorgungsnetz, eine Kommunikationseinheit zum Empfang und zum Senden von Daten über das Energieversorgungsnetz, eine Logikeinheit zur Steuerung des Datenaustauschs und zur Leistungssteuerung oder -regelung des energiewandelnden Endgerätes, Sensoren und eine zugeordnete Signalaufbereitung zur Überwachung des energiewandelnden Endgeräts sowie ein Leistungsteil zur Steuerung des Energieflusses zu dem energiewandelnden Endgerät vorgesehen sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines energiewandelnden Endgerätes an einem elektrischen Energieversorgungsnetz, zum Austausch von Daten über das Energieversorgungsnetz und zur Steuerung oder Regelung des energiewandelnden Endgerätes in Abhängigkeit von den ausgetauschten Daten und von Sensordaten.
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Stand der Technik
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Zur Verbesserung der Effizienz beim Einsatz elektrischer Energie werden zunehmend bei der Energieerzeugung als auch bei den Energie verbrauchenden Geräten aktive Regelungen eingesetzt. Hierzu sind in der Gebäudeleittechnik Lösungen bekannt, bei denen zentrale Steuerungen und Regelungen über proprietäre Kommunikationsstandards mit den Endgeräten kommunizieren. Über Feldbus-Strukturen werden Sensoren und Aktuatoren miteinander verdrahtet, wobei deren gegenseitige Zugehörigkeit zentral programmiert wird. Ein eigenständiges Anmelden von Geräten im Energieversorgungsnetz ist weder vorgesehen noch möglich. Die Regelalgorithmen laufen zentral ab und belasten so den Datenverkehr; für schnelle Regelungen müssen sichere, echtzeitfähige Kommunikationslösungen wie „secure Profibus” oder „Interbus” eingesetzt werden.
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In der Regel werden Baugruppen wie Frequenzumrichter, Sensoren, Phasenanschnittsteuerungen und Leistungs-Schalter sowie Kommunikations-Baugruppen separat an die zu regelnden Geräte angebaut oder an separaten Messstellen vorgesehen. Dieser Aufbau aus unterschiedlichen Komponenten schränkt eine Diagnosefähigkeit der Systeme stark ein, da kein einfach beschreibbarer Soll-Zustand bekannt ist, von dem Abweichungen einfach feststellbar wären.
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Derzeitige integrierte Lösungen, wie beispielhaft eine Motoransteuerung für bürstenlose Motore in Haushaltsgeräten, nutzen Multichip-Module des Typs FS650250 der Firma Fairchild. Hier sind jedoch weder Sensorik noch Logik vorgesehen. Das Konzept des „Internet of Things” des Massachusetts Institute of Technologies andererseits stattet jedes Endgerät mit lokaler Intelligenz aus und ermöglicht eine Selbstorganisation, beispielhaft von Hausgeräten, Sicherheitsüberwachungen und Energiequellen. Dieses Konzept setzt jedoch nach dem derzeitigen Stand eine aufwändige Elektronik am Endgerät voraus, die allgemein in der vorhandenen Bauform der Geräte nicht untergebracht werden kann.
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Erste derzeit bekannte Lösungen wie ”Digitalstrom” decken nur einen Teil der Integration ab und sind zudem auf eine Schaltleistung von etwa 60 Watt begrenzt.
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Eine Umsetzung von Konzepten mit am Ort des Energieverbrauchers oder des Energieerzeugers vorhandener „lokaler Intelligenz” würde durch kostengünstige standardisierte Lösungen mit geringer Baugröße begünstigt.
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Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist, dass die Lösungen aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sind und daher ein vergleichsweise großes Bauvolumen einnehmen und einen nicht unerheblichen Installationsaufwand erfordern.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche einen kostengünstigen und Platz sparenden Anschluss von energiewandelnden Endgeräten an ein über Powerline geführtes Datennetzwerk ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Netzanschluss, die Kommunikationseinheit, die Logikeinheit, eine Sensoreinheit mit Sensoren und der den Sensoren zugeordneten Signalaufbereitung und das Leistungsteil in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) zusammengefasst sind. Die integrierte Schaltung ermöglicht den Betrieb von energiewandelnden elektrischen Endgeräten innerhalb eines über ein Datennetzwerk verbundenen Umfeldes. Die Datenübertragung der verschiedenen Teilnehmer des Datennetzwerks erfolgt dabei über die Leitungen des Energieversorgungsnetzes, was den Installationsaufwand gegenüber dem Aufbau eines gesonderten Datennetzes deutlich reduziert. Der Datenaustausch ermöglicht die Kommunikation der Netzteilnehmer untereinander und zum Beispiel mit zentral steuernden Geräten und Energiemanagern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt dabei die Integration der Funktionen Kommunikation, Intelligenz, Leistungselektronik, Sensorik und eigenständige Regelalgorithmen in einem integrierten, als ASIC ausgeführten Modul dar. Diese integrierte Schaltung kann für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden, beispielsweise für ein schonendes Anfahren von elektromotorischen Verbrauchern, für den Betrieb von Pumpen bei gleichzeitiger Aufnahme von Temperaturdaten, bei Haushaltgeräten sowie bei weiteren industriellen und kommerziellen Geräten, die zunehmend vor Ort Intelligenz zur Energieeinsparung und zur Kommunikation, beispielsweise zur Diagnose und Instandhaltung, benötigen. Die Zusammenfassung der Funktionen in eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ermöglicht die Verbreitung der Technologie in großen Stückzahlen bei geringen Bauteile- und Installationskosten sowie bei geringst möglichem Platzbedarf in dem jeweiligen energiewandelnden Endgerät. Dadurch, dass in dem energiewandelnden Endgerät eine eigene Intelligenz vorgesehen ist, sind beispielhaft auch Konzepte für Frequenzumrichter erhöhter Schaltleistung machbar, bei denen die Nebeninduktivität der Motoren genutzt werden, da dann der erhöhte Rechen-, Regel- und Auswerteaufwand verwirklicht werden kann, ohne dass ein Datenverkehr mit einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung notwendig ist, der das gesamte System belasten würde.
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Die für den Datenaustausch und die Steuerung beziehungsweise Regelung von verschiedenen energiewandelnden Endgeräten notwendige Intelligenz kann dadurch bereitgestellt werden, dass die Logikeinheit eine Recheneinheit zumindest zur Regelung, Steuerung und Diagnose des energiewandelnden Endgeräts, zur Verarbeitung von Sensordaten, zur Verarbeitung von aus dem Energieversorgungsnetz über die Kommunikationseinheit empfangenen Vorgabe- und Steuerinformationen und zum Senden von Anmeldedaten und Statusinformationen über die Kommunikationseinheit in das Energieversorgungsnetz aufweist. Die Recheneinheit übernimmt dabei die Verarbeitung der lokalen Regelungs-, Diagnose und Steuerungsaufgaben unter Berücksichtigung der vorliegenden Sensordaten. Sie nimmt die Vorgaben und Steuerbefehle aus dem Datennetz auf und kommuniziert umgekehrt Statusinformationen, Anmeldungen, Sensordaten, Alarme beziehungsweise weitere relevante Ereignisse zu dem Energiemanagement oder anderen Netzteilnehmern.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit integrierte Sensoren zur Bestimmung von Beschleunigung, Lage, Temperatur, Strom und/oder Spannung aufweist und/oder dass die Sensoreinheit eine Schnittstelle zur Aufnahme von externen Sensordaten aufweist und dass die Sensoreinheit eine Signalaufbereitung für die von den Sensoren gelieferten Signale aufweist. Durch die Integration der Sensoren in die anwendungsspezifische integrierte Schaltung können für viele Anwendungen benötigte Sensorfunktionen kostengünstig bereitgestellt werden. Die Schnittstelle ermöglicht den Anschluss von weiteren optionalen, externen Sensoren. Die Signalaufbereitung der integrierten und der externen Sensoren kann dabei durch die integrierte Signalaufbereitung erfolgen.
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Ist es vorgesehen, dass das Leistungsteil ein Verbraucheransteuerungs-Modul, einen Ein/Aus-Schalter und/oder ein Energie-Einspeise-Modul enthält, so kann das Leistungsteil sowohl die Energiezuführung zu dem energiewandelnden Endgerät über das Verbraucheransteuerungs-Modul und den Ein/Aus-Schalter als auch optional über das Energie-Einspeise-Modul bei energieerzeugenden Endgeräten die Rückspeisesteuerung von Energie von dem energiewandelnden Endgerät in das Energieversorgungsnetz übernehmen. In dem Verbraucheransteuerungs-Modul können dabei verschiedene Ansteuerungsvarianten, beispielsweise eine Frequenzumrichtung oder eine Phasenanschnitt-Steuerung, umgesetzt sein. Dadurch kann das angeschlossene energiewandelnde Endgerät sowohl zentral über das Datennetz als auch nach lokal in der Logikeinheit ablaufenden Optimierungsregeln in seiner Leistung gesteuert werden.
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Der externe Datenaustausch mit weiteren Netzteilnehmern erfolgt über das elektrische Energieversorgungsnetz. Daher kann es vorgesehen sein, dass die Kommunikationseinheit ein Datenmodul zum Einkoppeln von Daten in und zum Auskoppeln von Daten aus dem Energieversorgungsnetz aufweist und/oder dass die Kommunikationseinheit eine Funkschnittstelle aufweist. Der Datenaustausch über das Energieversorgungsnetz kann über bekannte, für Powerline geeignete Kommunikationsstandards, beispielsweise über TCP/IP, erfolgen. Das Datenmodul trennt dazu den Kommunikationsstrom von dem Energiestrom und führt ihn dem nachfolgenden Logikmodul zu. Weiterhin nimmt das Datenmodul Informationen von dem Logikmodul auf und verteilt diese über das Energieversorgungsnetz. Die zum Beispiel optional vorgesehene Funkschnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit Aktuatoren oder Sensoren, welche nicht mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sind. Dabei übernimmt die Funkschnittstelle eine zusätzliche Gateway-Funktion. Bevorzugt werden für die Funkschnittstelle Funkstandards vorgesehen, die die Energieversorgung aus den Funkwellen selbst oder auch notwendige Lokalisierungsdienste unterstützen, die dann ebenfalls lokal ausgewertet werden können.
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Der Energiefluss von dem Energieversorgungsnetz zu dem energiewandelnden Endgerät sowie der Datenfluss zwischen den verschiedenen integrierten Modulen innerhalb der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung kann dadurch ermöglicht werden, dass der Netzanschluss und die Kommunikationseinheit sowie die Kommunikationseinheit und das Leistungsteil über Energieversorgungsleitungen verbunden sind und dass die Logikeinheit mit der Kommunikationseinheit, dem Leistungsteil und der Sensoreinheit und dass die Sensoreinheit mit dem Leistungsteil über Datenleitungen verbunden sind.
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Entsprechen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) als ein transfer-gemoldetes Modul ausgeführt ist. Diese als System-m-Package bekannte Ausführung gewährleistet in kostengünstiger Weise Kompaktheit, Robustheit gegenüber Witterungseinflüssen und mechanischen Einwirkungen, elektrische Isolierung und Abführung von Verlustwärme.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in einer zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem energiewandelnden Endgerät vorgesehenen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) von einer integrierten Kommunikationseinheit Daten aus dem über einen integrierten Netzanschluss angeschlossenen Energieversorgungsnetz ausgekoppelt und dass Daten in das Energieversorgungsnetz eingekoppelt werden, dass die über das Energieversorgungsnetz ausgetauschten Daten von einer integrierten Logikeinheit erstellt oder verarbeitet werden, dass die integrierte Logikeinheit Sensordaten von einer integrierten Sensoreinheit mit integrierten Sensoren und einer integrierten Signalaufbereitung empfängt und auswertet und dass die integrierte Logikeinheit die Verbrauchersteuerung des angeschlossenen energiewandelnden Endgeräts über ein integriertes Leistungsteil in Abhängigkeit von den über das Energieversorgungsnetz ausgetauschten Daten und den empfangenen Sensordaten steuert oder regelt. Das Verfahren ermöglicht den Betrieb von unterschiedlichen energiewandelnden Endgeräten, beispielsweise von Pumpen, Haushaltsgeräten, elektromotorischen Verbrauchern oder weiteren industriellen und kommerziellen Geräten im Rahmen eines über das Energieversorgungsnetz zusammengeführten Daten-Netzwerks (Powerline). Dabei können Steuerungs- und Regelungsaufgaben sowohl lokal an dem Endgerät vorgenommen werden oder aber über zentral steuernde Geräte oder Energiemanager durchgeführt werden. Der Datenaustausch, die Steuerung oder Regelung der Leistungszufuhr zu dem Endgerät und die Erfassung von Betriebsdaten über Sensoren erfolgt dabei in der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung und ist somit kostengünstig und in großen Stückzahlen umsetzbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine integrierte Schaltung (ASIC) in schematischer Darstellung.
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Die in 1 gezeigte integrierte Schaltung 10 (ASIC) dient dem Anschluss eines nicht dargestellten, energiewandelnden Endgerätes an ein elektrisches Energieversorgungsnetz 61 und zum Austausch von Daten über das Energieversorgungsnetz 61.
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Die integrierte Schaltung 10 beinhaltet einen Netzanschluss 11, eine Kommunikationseinheit 20, eine Logikeinheit 30, eine Sensoreinheit 40 und ein Leistungsteil 50.
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Die Kommunikationseinheit ist aus einem Datenmodul 21 und einer Funkschnittstelle 22 mit einer angeschlossenen integrierten Antenne 23 aufgebaut. Die Funkschnittstelle 22 und die angeschlossene integrierte Antenne 23 sind dabei optional vorzusehende Bauelemente.
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Die Logikeinheit 30 beinhaltet eine Recheneinheit 31 in Form eines μ-Controllers.
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In der Sensoreinheit 40 sind integrierte Sensoren 41, eine Signalaufbereitung 42 sowie eine Schnittstelle 43 zum Anschluss von nicht dargestellten externen Sensoren integriert.
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Das Leistungsteil 50 beinhaltet ein Verbraucheransteuerungs-Modul 51, einen Ein-/Ausschalter 52 sowie ein Energie-Einspeise-Modul 53. Das Energie-Einspeise-Modul 53 ist optional vorgesehen.
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Der Netzanschluss 11 ist mit dem Energieversorgungsnetz 61 verbunden. Der Anschluss kann dabei einphasig oder dreiphasig erfolgen. Ausgangsseitig ist der Netzanschluss 11 über eine Energie-/Datenverbindung 62 an das Datenmodul 21 der Kommunikationseinheit 20 angeschlossen. Sowohl das Energieversorgungsnetz 61 wie die Energie-/Datenverbindung 62 sind als Powerline-Verbindung für den Energie- und Datentransport vorgesehen.
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Die Logikeinheit 30 ist über eine erste Datenleitung 70 mit der Kommunikationseinheit 20, mit einer zweiten Datenleitung 71 mit der Sensoreinheit 40 und mit einer dritten, vierten und fünften Datenleitung 72, 73, 74 mit dem Leistungsteil 50 verbunden. Dabei verbindet die dritte Datenleitung 72 das Energie-Einspeise-Modul 53, die vierte Datenleitung 73 das Verbraucheransteuerungs-Modul 51 und die fünfte Datenleitung 74 den Ein-/Ausschalter 52 mit der Logikeinheit 30. Das Energie-Einspeise-Modul 53 und das Verbraucheransteuerungs-Modul 51 sind über eine sechste Datenleitung 75 mit der Sensoreinheit 40 verbunden. Die Sensoreinheit 40 ist über eine Signalleitung 76 mit nicht dargestellten, optionalen externen Sensoren verbunden.
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Ein nicht dargestelltes energiewandelndes Endgerät ist über einen Endgeräteanschluss 67 an den Ein-/Ausschalter 52 des Leistungsteils 50 angeschlossen. Der Energiefluss zum energiewandelnden Endgerät erfolgt innerhalb des Leistungsteils 50 über eine zweite Energieleitung 65 von dem Verbraucheransteuerungs-Modul 51 zu dem Ein-/Ausschalter 52. Ist ein energieerzeugendes Endgerät an dem Endgeräteanschluss 67 angeschlossen, erfolgt der Energiefluss über eine zweite Rückspeiseleitung 66 von dem Ein-/Ausschalter 52 zu dem Energie-Einspeisemodul 53.
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Über den Netzanschluss 11 wird elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz 61 aufgenommen oder im Fall eines energieerzeugenden Endgerätes (Generator) in das Energieversorgungsnetz 61 eingespeist. Gleichzeitig erfolgt über den Netzanschluss 11 eine bidirektionale Kommunikation über das Energieversorgungsnetz 61 über Powerline Kommunikationsstandards. Dies ermöglicht einen Datenaustausch mit steuernden zentralen Geräten oder Energiemanagern sowie mit weiteren energiewandelnden Endgeräten, die ebenfalls mit einem solchen integrierten Schaltkreis 10 zum Austausch von Daten ausgerüstet sind.
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Das Kommunikationsmodul 20 übernimmt die Kommunikationsaufbereitung über Powerline Kommunikationsstandards, beispielsweise für das für Internet-Anwendungen vorgesehene TCP-IP-Protokoll. Das in dem Kommunikationsmodul 20 enthaltene Datenmodul 21 trennt den Kommunikationsstrom von dem Datenstrom und führt ihn der nachfolgenden Logikeinheit 30 zu beziehungsweise nimmt Informationen von der Logikeinheit 30 auf und verteilt diese über das Energieversorgungsnetz 61. Die Funkschnittstelle 22 ist eine optionale Ergänzung, um beispielsweise mit weiteren verteilten Aktuatoren und Sensoren kommunizieren zu können, die nicht mit dem Energieversorgungsnetz 61 verbunden sind. Sie nimmt so die Funktion eines zusätzlichen Gateways war. Eine bevorzugte Art der Funkschnittstelle 22 sind Funkstandards, die die Energieversorgung aus den Funkwellen selbst sowie notwendige Lokalisierungsdienste unterstützen, die dann lokal ausgewertet werden können.
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Die Logikeinheit 30 mit der integrierten Recheneinheit 31 übernimmt die Verarbeitung der lokalen Regelungs-, Diagnose und Steuerungsaufgaben. Sie nimmt die Vorgaben und Steuerungen aus dem Energieversorgungsnetz 61 auf und kommuniziertumgekehrt Statusinformationen, Anmeldungen, Sensordaten, Alarme und sonstige Ereignisse über die Kommunikationseinheit 20, den Netzanschluss 11 und das Energieversorgungsnetz 61 zu dem Energiemanagement oder anderen Mehrwertdiensten beziehungsweise anderen Netzteilnehmern.
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Die Sensoreinheit 40 bedient die Logikeinheit 30 mit Messdaten der eingebetteten, integrierten Sensoren 41 und bietet optional eine Schnittstelle 43 für externe Sensoren, die zum Beispiel in dem energiewandelnden Endgerät vorgesehen sind. Die Signale der integrierten Sensoren 41 sowie der externen Sensoren werden in der Signalaufbereitung 42 aufbereitet.
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Das Leistungsteil 50 ermöglicht in der dargestellten Ausführungsform den Anschluss eines energieverbrauchenden Endgerätes sowie den Anschluss eines energieerzeugenden Endgerätes. Durch das Verbraucheransteuerungs-Modul 51 wird das angeschlossene energiewandelnde Endgerät in seiner Leistung gesteuert. Dabei können neben einer einfachen Ein- und Ausschaltefunktion weitere Ansteuerungsfunktionen, beispielsweise eine Phasenanschnitts- oder Phasenabschnittssteuerung vorgesehen sein. Ist als energiewandelndes Endgerät ein energieerzeugendes Endgerät angeschlossen, so übernimmt das Energie-Einspeise-Modul 53 die Rückspeisung der Energie in das Energieversorgungsnetz 61. Dabei kann in dem Energie-Einspeise-Modul 53 in Abhängigkeit von den Leistungsgrenzen die Umrichtung von kleinen Energiemengen erfolgen. Das Leistungsteil 50 ermöglicht so beispielsweise den Anschluss von Photovoltaik-Modulen als energiewandelnde Endgeräte an das Energieversorgungsnetz 61. Der Ein-/Ausschalter 52 sichert das An- und Abschalten des Energiestroms sowohl im Leistungsfall wie auch im Energie-Erzeugungsmodus.
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Die Funktionsblöcke Netzanschluss 11, Kommunikationseinheit 20, Logikeinheit 30, Sensoreinheit 40 und Leistungsteil 50 sind mit der zugehörigen Verschaltungstechnik in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 10 (ASIC) zusammengefasst. Dazu kann in einer besonderen Ausführungsform die integrierte Schaltung 10 in ein kompaktes, transfer-gemoldetes Modul (System-m-Package) verpackt sein, welches in kostengünstiger Weise Kompaktheit, Robustheit gegenüber Witterungseinflüssen und mechanischen Einwirkungen, elektrische Isolierung und Abführung von Verlustwärme gewährleistet. Die Zusammenfassung der genannten Funktionen in einem integrierten Bauteil ermöglicht die kostengünstige Realisierung der Funktionen in großen Stückzahlen. Die integrierte Schaltung 10 kann so für den Anschluss verschiedenster energiewandelnder Endgeräte an ein Energieversorgungsnetz 61 und ein über das Energieversorgungsnetz 61 realisiertes Datennetzwerk vorgesehen werden.
