DE2708882C2 - Stromversorgung für elektronische Energiezähler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen, die den Verbrauch bzw. die Lieferung elektrischer oder anderer Energiequellen, z. B. Wärmeenergien, registrieren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, schaltende Netzteile, die mit hohen Frequenzen arbeiten und eine Regelschaltung, die Schwankungen der Eingangsspannungen und der Belastungen innerhalb vorgegebener Grenzen regeln, als Stromversorgungen zu verwenden (US-PS 35 96 172). Derartige Konstanthalter erfordern einen leistungsfähigen Wechselspannungsregler hoher Belastbarkeit auf der Verbraucherseite, wozu die volle Netzspannung notwendig ist. Schutzanordnungen gegen Überspannungen und Störspitzen für derartige hochleistungsfähige Wechselstromregler sind nicht unbedingt erforderlich, während solche für elektronisch gesteuerte Energiezähler notwendig sind.

Bei elektronischen Geräten, die z. B. in Ferrariszähler eingebaut werden, tritt das Problem auf, daß beim

so Absinken der Netzspannung die Stromversorgung für die Elektronik versagt, während der Ferrariszähler weitermißt. Aus diesem Grund werden die elektronischen Einrichtungen beim Unterschreiten einer bestimmten Spannungsgrenze abgeschaltet. Dies kann jedoch zu Differenzen zwischen der mechanischen Zähleranzeige des Ferrariswerkes und der elektronischen Anzeige beispielsweise eines Maximumwerkes führen. Für elektonische Energiezähler ist eine solche Differenz ausgeschaltet, da eine gemeinsame Stromversorgung von Energiezähler und Zusatzeinrichtung vorgesehen wird.

Dabei sind die Stromversorgung elektronischer Energiezähler verschiedene Kriterien zu berücksichtigen, deren Erfüllung auch in Hinsicht der Verwendung

b5 von Zusatzeinrichtungen, wie z. B. Maximumwerke, zu verlangen ist. So muß eine gesicherte Stromversorgung so lange gewährleistet sein, wie eine Phase des Energieversorgungsnetzes in Betrieb ist. Weiterhin ist

eine Unempfindlichkeit der Stromversorgung gegen Überspannungen, eine extreme Zuverlässigkeit und hohe Lebensdauer, eine einwandfreie Funktion bei großen Schwankungen der Netzspannung sowie eine Ausgangsspannung zu fordern und das 50-Hz-Streufeld und die Eigenerwärmung des Zä&ers dürfen die Stromversorgung nicht beeinflussen.

Außerdem soll die Stromversorgung ein Schaltsignal abgeben, bevor die Regelung aufgrund von Netzspannungszusammenbrüchen aussetzt. Das heißt die Speisespannungen dürfen nicht schwanken, sondern sie müssen entweder ihre Nennwerte einhalten oder abgeschaltet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen zu schaffen, die von einem bestimmten Prozentsatz der Netzspannung an aufwärts, z. B. 50%, eine geregelte Speisespannung für die Elektronik liefern. Als Lösung bieten sich sogenannte schaltende Netzteile an, die als Vorteil das Entfallen von Streufeldern und das Entfallen des Netztransformators bieten. Dabei ergeben sich als weitere Aufgabe der Erfindung: Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der schaltenden Netzteile für deren Einsatz in elektronischen Energiezählern aufzuzeigen.

Diese Aufgaben sind durch die Erfindung gelöst, wie sie in den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche dargestellt sind. Sie werden nachfolgend anhand der Zeichnung, die aus drei Figuren besteht, näher erläutert. Dabei zeigt die

F i g. 1 die Schaltungsanordnung der dreiphasigen Anschaltung mit Verhinderung des Übergreifens von Überspannungen und Störungen auf die Stromversorgung, die

Fig. 2 die einphasige Anschaltung der Stromversorgung mit Vollwellengleichrichtung sowie die unterschiedlichen Spannungsverläufe (F i g. 2a. 2b) am Eingang der schaltenden Netzteile mit und ohne vorgeschalteten Kondensatoren und die

F i g. 3 die dreiphasige Anschaltung der Stromversorgung elektronischer Energiezähler mit geringem Stromverbrauch.

In allen Figuren tragen gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen.

Für die Stromversorgung elektronischer Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen werden schaltende Netzteile verwendet.

Schaltende Netzteile weisen jedoch nicht die hohe Zuverlässigkeit der üblichen einfachen Stromversorgungen mit einem Netztransformator, einem deich- >n richter, einem Kondensator sowie einem Längsregler auf, weil sie zahlreiche hoch beanspruchte kritische Bauteile enthalten.

Die kritischen Bauteile bei schaltenden Netzteilen sind der Hochspannungs-Schalttransrstor und die Siebkondensatoren für die üblicherweise verwendeten hohen Arbeitsfrequenzen. Transistoren für hohe Spannungen sind erheblich leichter zerstörbar, insbesondere durch den sogenannten Sekundärdurchbruch; über ihre Langzeitzuverlässigkeit und Brauchbarkeitsdauer ist t>o wenig bekannt. Aus diesem Grund ist vorgesehen, nicht mit der vollen gleichgerichteten Netzspannung, sondern nur mit einem Bruchteil davon zu arbeiten, um die Spannungsbeanspruchung des Schalttransistors zu verringern.

Um gleichzeitig das Eindringen von Überspannungen und Störungen in die Stromversorgung zu verhindern, werden Vorwiderständc /?V'(Fig. 1) sowie hinter dem Vorwiderstand bzw. den Vorwiderstanden beidseitig spannungsbegrenzende Schaltmittel ßund Kondensatoren CP vorgesehen. Hierauf folgt die Gleichrichterdiode bzw. -dioden D und der Ladekondensator CL An den Ladekondensatoren CL tritt nur eine Spannung auf, deren Höhe von der Wahl der spannungsbegrenzenden Schaltmittel B abhängt. Überspannungen und Störspitzen werden durch die Vorwiderstände RV und die Schaltmittel B bzw. die Kondensatoren CP in Wärme umgesetzt und wirken sich praktisch nicht auf die Gleichspannung an den Ladekondensatoren CL aus.

Das schaltende Netzteil Nselbst ist so ausgeführt daß die Speicherdrossel bzw. der Speichertransformator stets auf einen konstanten, eingangsspannungsunabhängigen Energiebetrag aufgeladen wird. Auf diese Weise läßt sich ein sehr großer Netzspannungsbereich überstreichen.

Als Kondensatoren werden üblicherweise sowohl hinter dem Netzgleichrichter als auch am Ausgang des schaltenden Netzteiles ,V Elektrolytkondensatoren verwendet Obgleich bestimmte Bauarten solcher Kondensatoren für eine lange Lebensdauer ausgelegt sind, nimmt die Lebensdauer bei hohen Temperaturen sehr steil ab, wobei nicht nur hohe Umgebungstemperaturen, sondern auch die Eigenerwärmung infolge der Arbeitsfrequenzen eine Rolle spielen. Es ist deshalb vorteilhaft in elektronischen Energiezählern auf Elektrolytkondensatoren zu verzichten.

Dies wird dadurch erreicht, daß das schaltende Netzteil Λ/bzw. ein Sinusgenerator mit einer so hohen Frequenz arbeitet, daß bei Verwendung einer geeigneten Regelschaltung, vorzugsweise einer Sampling-Regelung, auch schnelle Änderungen der Eingangsspannung und/oder der Last(en) bis auf vorgegebene Restfehler ausgeregelt werden können. Zuverlässige, wirtschaftliche und platzsparende Keramikkondensatoren sorgen für eine ausreichende Pufferung oberhalb der Grenzfrequenz der Regelschaltung. Auf der Eingangsseite des schaltenden Netzteils N bzw. des Sinusgenerators genügt ein Wickelkondensator ohne Elektrolyt, da er nur noch die kurze Zeitspanne zu überbrücken braucht in der die vorzugsweise vollwellengleichgerichtete Netzspannung zu Beginn und Ende jeder (Halb-)Periode in ihrem Augenblickswert unter die untere Eingangsspannungsgrenze des schaltenden Netzteils N sinkt. Im übrigen hat die halbsinusförmige oder trapezähnlich begrenzte schwankende Eingangsspannung keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung(en) des schaltenden Netzteils bzw. des Sinusgenerators.

Die Stromversorgung gemäß der Erfindung verfügt über keinen nennenswerten Energiespeicher, so daß Spannungseinbrüche auf die Ausgangsspannung(en) durchschlagen können, wenn sie so tief und langdauernd sind, daß die Eingangsspannung für das schaltende Netzteil N für eine längere als die vorgesehene Zeit unter dessen Eingangsspannungsuntergrenze absinkt. Aus diesem Grunde ist ein eingangsseitig ein größerer Kondensator notwendig.

Falls die elektronischen Energiezähler selbst und/ oder ihre Zusatzeinrichtungen nichtflüchtige Speicher enthalten, in die bei Netzausfall vor dem Zusammenbrechen der Speisespannungen noch Daten übertragen werden müssen, so ist es auch aus diesem Grunde erforderlich, den Kondensator auf der Eingangsseite größer zu wählen, als es von den Eigenschaften der erfindungsgemäßen schnellen Regelung her erforderlich wäre. Sofern sich aufgrund eines notwendigen hohen Kapazitätswerts aus Platz- und wirtschaftlichen

Gründen ein Elektrolytkondensator nicht vermeiden läßt, wird vorteilhaft der Hochfrequenzstrom des schaltenden Netzteils N von ihm ferngehalten und von einem zweiten hierfür bestimmten Kondensator übernommen.

In F i g. 2 ist eine einphasige Versorgung mit Vollwellengleichrichtung gezeichnet, wobei ohne die Kondensatoren CL und Cdie Spannung am Eingang des schaltenden Netzteils das Aussehen von F i g. 2a hätte. Fig.2b zeigt, wie durch Einfügen entweder nur des Kondensators C oder, bei zusätzlich benötigter Speichereinwirkung, noch des Ladekondensators CL der Augenblickswert der Eingangsspannung stets oberhalb der für sicheren Betrieb des schaltenden Netzteils N erforderlichen Spannung Umin. Zum Fernhalten der Hochfrequenzströme vom Ladekondensator CL dient ein Widerstand R oder eine Induktivität L. Falls das beliebig spannungsbegrenzende Schaltmittel B unterhalb des Scheitelwerts der Netzspannung anspricht, so werden die Sinuskuppen entsprechend abgeflacht (gestrichelt in F i g. 2a, 2b gezeichnet).

Schaltende Netzteile arbeiten üblicherweise mit Rechteckspannung oder mit sägezahnförmiger Aufladung einer Drossel oder eines Transformators auf eine bestimmte Energie mit anschließender impulsförmiger Entladung. Diese Betriebsarten stellen nicht nur große Anforderungen an die Bauteile, sondern sie erzeugen auch starke Störungen, die sowohl im gleichen Gerät befindliche Schaltungsteile wie auch andere Geräte beeinflussen können. Erfindungsgemäß wird daher weiter vorgeschlagen, mit sinusförmigen Signalen zu arbeiten, vorzugsweise durch Abstimmen des Transformators. Gleichzeitig vereinfacht sich dadurch die Steuerschaltung für das Netzteil erheblich.

In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführung einer Stromversorgung für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen gezeigt, die sich besonders für Geräte mit kleinem Stromverbrauch eignet. Die Netzspannung bzw. die Spannungen der drei Phasen wird bzw. werden über Vorwiderstände R und Kondensatoren C, Gleichrichtern D für die positive(n) Halbwelle(n) sowie Gleichrichtern G für die negative(n) Halbwelle(n) zugeführt. An einer Zener-Diode ZD I und einem Ladekondensator Ci entsteht eine begrenzte positive Spannung, die von einem Spannungsregler SR1 in eine erste Speisespannung LJB1 für die Versorgung des Geräts umgeformt wird. Entsprechendes gilt für die negative Seite, an deren Ausgang eine zweite Versorgungsspannung UB 2 zur Verfügung steht. Vorzugsweise sind die beiden entnommenen Betriebsströme annähernd gleich, da sonst eine der beiden Zener-Dioden ZDl, ZD 2 unnötig belastet würde. Kondensatoren CP leiten hochfrequente Störimpulse unter Umgehung der Stromversorgung direkt an das Netz zurück.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen, die den Verbrauch bzw. die Lieferung elektrischer oder anderer Energiequellen, z. B. Wärmeenergien, registrieren, unter Verwendung schaltender Netzteile bzw. Sinusgeneratoren, die mit sehr hoher Frequenz arbeiten und eine Regelschaltung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelschaltung eine Sampling-Regelung verwendet wird, durch die alle Schwankungen der Eingangsspannung und/oder der Lasten innerhalb vorgegebener Fehlergrenzen ausregeibar sind, wobei auf der Ausgangsseite der schaltenden Netzteile (N) Kondensatoren kleiner zum Puffern impulsartiger Belastungen ausreichender Kapazität und auf der Eingwgsseite lediglich ein Kondensator kleiner Kapazität mit genügender Speicherwirkung, um ein Absinken der Eingangsspannurig unter die für einen sicheren Betrieb notwendige Grenze zu verhindern, vorgesehen sind.

2. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überbrückung von Netzeinbrüchen und/oder zur Sicherstellung für eine vorgegebene Zeit bei Netzausfällen ein zusätzlicher Ladekondensator (CL in F i g. 2) am Eingang vorgesehen ist und daß durch Schaltmittel (R bzw. L in F i g. 2) dafür gesorgt wird, daß der Ladekondensator (CL) nicht von dem Hochfrequenzstrom des schaltenden Netzteiles oder Sinusgenerator beansprucht wird und statt dessen ein zweiter Kondensator (C in Fig.2; hierfür bestimmt ist.

3. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem schnell regelnden schaltenden Netzteil (N) bzw. Sinusgenerator mit kleinen Pufferkondensator ein Vollwellenrichtleiter vorgeschaltet ist (F i g. 2).

4. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vollwellenrichtleiter eine symmetrisehe Schutzschaltung (Rv, B, Cp, F i g. 2) vorgeschaltet ist, die ein beidseitig spannungsbegrenzendes Schaltmittel (Bm F i g. 2) enthält.

5. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ein- oder mehrphasigen Netzversorgung in jede Netzzuleitung Widerstände (Rv in Fig. 1) gelegt werden, denen beidseitig spannungsbegrenzende Schaltmittel (B in Fig. 1) sowie Kondensatoren (CP in Fig. 1) gegen die Rückleitung zum Netz (Mp) nachgeschaltet sind und daß von jeder Phase ein Richtleiter (D in Fig. ΐ) auf einen gemeinsamen Ladekohdensator (CL in F i g. 1) wirkt, dessen Eingangsspannung dem schaltenden Netzteil (N) oder Sinusgenerator zugeführt wird.

6. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzspannung der beidseitig spannungsbegrenzenden Schaltmittel (B) unterhalb des Scheitelwertes der Netzspannung liegt, so daß an dem Ladekondensator (CL) nur ein Bruchteil der

Gleichspannung auftritt, die sich bei Fehlen der beidseitig spannungsbegrenzenden Schaltmittel (B) einstellen würde.

7. Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ein- oder mehrphasigen Netzversorgüng in jede Netzzuleitung ein Vorwiderstand (RV in Fig.3) geschaltet ist und nachfolgend Kondensatoren (CP in Fig.3) gegen die Rückleitung zum Netz (Mp) geschaltet sind, daß Kondensatoren (C in Fig.3) in Reihe mit jeweils einem Richtleiter für die positive (D in Fi g. 3) und einem Richtleiter für die negative (G in F i g. 3) Halbwelle geschaltet sind, daß alle Richtleiter für die positive Halbwelle auf eine Zener-Diode (ZD 1 in F i g. 3) und einen Ladekondensator (CL 1 in F i g. 3) arbeiten, daß alle Richtleiter für die negative Halbwelle auf entsprechend anders gepolte Schaltmittcl (ZD 2 bzw. CL2 in Fig.3) arbeiten und daß Spannungsregler (SR 1 bzw. SR2 in Fig.3) die so erhaltenen Gleichspannungen in eine positive und eine negative Versorgungsspannung (UBi bzw. UB2 in Fig.3) umformen.