DE3878945T2 - Vorrichtung zur speisung elektrischer energie fuer ein kabel und seine anwendung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speisung eines insbesondere zur Stromversorgung von Zäunen bestimmten Kabels oder eines äquivalenten elektrischen Leiters mit elektrischer Energie.
• Aus der Druckschrift FR-A-1 582 799 ist die Verwendung einer solchen Vorrichtung, umfassend einen Transformator, der mit einer mit einem Stromerzeuger verbundenen Primärwicklung und mit einer Sekundärwicklung, mit der ein Ende des Kabels verbunden ist, versehen ist; einen Schalter; und einen ersten Stromgleichrichter wie eine Diode, die in Flußrichtung in bezug auf den von der Sekundärseite des Transformators zum Kabel fließenden Strom leitend angeordnet ist, wobei dieser erste Cleichrichter in Reihe zwischen der Sekundärseite des Transformators und besagtem Ende des Kabels geschaltet ist, bekannt.
• Die Druckschrift FR-A-1 280 381 zeigt die Verwendung einer ntladeeinrichtung, die parallel zu den Anschlüssen eines Stromgleichrichters (Diode) angeordnet ist, um von vornherein einen erhöhten Schutz des Gleichrichters gegen Überspannungsstöße zu erhalten.
• Es bleibt indessen als Tatsache, daß sich, wenn bei solchen Vorrichtungen ein längerer Kurzschluß eintritt (beispielsweise durch Herabfallen von Geäst auf das Leiterkabel hervorgerufen), die Funktion dieser Vorrichtung ändert, weil der Impedanzabfall eine verhältnismäßig schnelle Entladung des Generators hervorruft. Nach kurzer Zeit führt das Kabel keinen Strom mehr. In Anbetracht der praktischen Verwendungsbedingungen hat es sich im übrigen erwiesen, daß die Bauteile unter den Speisungsschwankungen, die mitunter schwerwiegend und plötzlich sind, leiden. Ihre Zuverlässigkeit ist somit teilweise verbesserungswürdig.
• Die Erfindung zielt insbesondere darauf, diese Mängel abzustellen.
• Zu diesem Zweck schlägt sie deshalb vor, die vorrichtung nach der Druckschrift FR-A-1 582 799 zu verbessern, indem man ihr hinzufügt:
• - einen ersten Entlader, der an den Anschlußklemmen des Schalters angeordnet ist, der ein statischer Unterbrecher ist, der einerseits mit einer Anschlußklemme der Primärwicklung und andererseits mit einer Anschlußklemme des Stromerzeugers verbunden ist,
• - einen zweiten Entlader, der parallel zu den Anschlußklemmen des ersten Gleichrichters geschaltet ist, um ihn durch Begrenzen der Entladung des Stromerzeugers im Kurzschlußfall gegen Überspannungen zu schützen,
• - und einen zweiten Stromgleichrichter wie eine Diode, die in Gegenrichtung in bezug auf den Strom leitend vorgesehen ist, wobei dieser zweite Gleichrichter parallel zu den Anschlußklemmen des ersten Entladers geschaltet ist.
• Vorzugsweise wird, wenn das Leiterkabel Teil eines Elektrozaunes ist, der statische Schalter durch einen der Spannung des Stromerzeugers unterworfenen Taktgeber gesteuert und die Klemmenspannung der Primärwicklung des Transformators im wesentlichen gleich der Differenz der Spannungen sein, die an den Klemmen des Stromerzeugers und des Schalters anliegen.
• Auf diese Weise erhält man eine Vorrichtung, deren Stromerzeuger sich nicht ungewünscht entlädt und dessen Betriebsfähigkeit besonders sicher ist, und zwar zu einem in jeder Beziehung wettbewerbsfähigen Herstellungspreis.
• Es wird im folgenden eine detailliertere Beschreibung der Erfindung gegeben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen
• Fig. 1 die Vorrichtung nach der Erfindung mittels eines Schaltplanes zeigt,
• Fig. 2 ein Teil-Schaltbild wiedergibt, das beispielhaft den Betrieb der Vorrichtung zeigt, und zwar dann, wenn die Sekundärwicklung des Transformators nicht geladen ist,
• Fig. 3a, 3b und 3c drei erläuternde Diagramme für den Betrieb der Vorrichtung entsprechend Fig. 2 zeigen. Im einzelnen zeigt Fig. 3a den Zustand des statischen Schalters in Abhängigkeit von der Zeit (T), Fig. 3b die Stromstärke (I) auf der Primärseite des Transformators in Abhängigkeit von der Zeit (T), Fig. 3c die Spannung (V) über den Klemmen des Schalters in Abhängigkeit von der Zeit (T), und
• Fig. 4 ist ein Teilschaltbild, in dem die Sekundärwicklung des Transformators und die Impedanz im Kabelverlauf des Zaunes berücksichtigt sind.
• Die meisten Vorrichtungen, die zur Speisung elektrischer Energie in ein Kabel 10 wie einen Zaun verwendet werden, umfassen insbesondere einen Stromerzeuger, beispielsweise eine Batterie 3, und einen Spannungstransformator 2, der eine Primärseite 12 und eine Sekundärseite 22 aufweist. Dies ist der Fall bei einer Vorrichtung nach der Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.
• Indessen ist gewöhnlich bei den bekannten Vorrichtungen das mit Strom zu versorgende Kabel 10 direkt mit einem seiner Enden an die Ausgangsklemme der Sekundärseite 22 angeschlossen. In diesem Fall ist keinerlei Schutz gewährleistet, um im Fall eines Kurzschlusses, der zu einem längeren Leitungsimpedanzabfall entlang des Kabels führt, ein schnelles Entladen der Batterie 3 zu verhindern. Wie schon erwähnt, kommen solche Kurzschlüsse häufig vor. Sie können beispielsweise durch Herabfallen von Geäst auf das Kabel hervorgerufen werden, wodurch das Kabel mit der Erde kurzgeschlossen wird.
• Indem man die Anordnung einer elektronischen Komponente nach Art eines Stromgleichrichters, beispielsweise einer Diode 14, in Reihe mit der Sekundärseite 22 des Transformators vorsieht, kann dieses Problem gelöst werden.
• Wie in Fig. 1 dargestellt, kann diese Diode 14 zwischen dem Ausgang 22a der Sekundärseite und dem Verbindungsende 10a des mit Strom zu versorgenden Kabels angeordnet werden. Die Diode wird in der angegebenen Richtung des Stromes leitend angeordnet, der hier von der Sekundärseite des Transformators zum Kabel fließt. Die Pfeile 13a und 13b geben die vereinbarte Flußrichtung des Stromes an.
• Bei einer solchen Anwendung in der Stromversorgung von Zäunen sind im allgemeinen die Spannungen, mit denen das Kabel direkt beaufschlagt wird, sehr hoch. Theoretisch ist die Sperrichtungsspannung, mit der die Diode 14 beaufschlagt werden kann, auf einen Wert U x N2/N1 (U: Klemmenspannung des Generators 3, N2/N1: Verhältnis Sekundär-/Primärseite des Transformators 2) beschränkt.
• Indessen liegt dieser begrenzte Wert recht häufig unter den Sperrspannungen, die momentan erzeugt werden. Deshalb sieht die Erfindung vor, eine Entladeeinrichtung 24 parallel zu den Klemmen der Diode 14 anzuordnen, um diese zu schützen und jede Beschädigung zu vermeiden, wie hoch auch immer der Wert der direkten Sperrspannungen sein mag.
• Es sei bemerkt, daß die Diode 14 und der Entlader 24 vollständig zu einer einheitlichen elektronischen Komponente wie sie als Gesamtheit 4 bezeichnet ist, integriert sind, die gewerblich einsetzbar ist.
• Der praktische Zweck einer solchen Komponente ist klar erkennbar. Indem man sie einfach auf einem bestehenden Stromversorgungsgerät anordnet, kann man nämlich mit der Komponente 4, die sich im wesentlichen wie eine Diode in der vorgegebenen Stromrichtung und wie ein Entlader im umgekehrten Sinn verhält, bei relativ geringen Kosten und jeglicher Sicherheit jedwede ungewollte Entladung des Generators 3 vermeiden, egal, welcher Art die elektrischen Störungen, die plötzlich eintreten könnten, auch sind.
• Die damit für bekannte Vorrichtungen erzielbare Verbesserung ist bemerkenswert.
• Indes sen sind diese bestehenden Vorrichtungen manchmal nur in geringem Maße betriebssicher, insbesondere im Falle der längeren Verwendung in ungünstigem Gelände und unter schwierigen meteorologischen Bedingungen.
• Deshalb schlägt die Erfindung gleichermaßen, wie in Fig. 1 dargestellt, eine neue Vorrichtung zur Speisung mit elektrischer Energie vor, die besonders zur Stromversorgung von Zäunen bestimmt ist. Wohlverstanden integriert diese Vorrichtung die Komponente 4, die dargestellt wird. Sie umfaßt zugleich außer dem Transformator 2 mit dem Luftspalt 32, der Selbstinduktanz 12 und der bei 11 mit der Erde verbundenen Sekundärspule 22 ein Elektronikgehäuse 5, das unter der Spannung des Generators 3 steht, und einen statischen Schalter 6. Wie dargestellt, unterliegt die Primärseite 12 des Transformators dem Spannungsunterschied, der an den Klemmen des Generators 3 und des Schalters 6 besteht.
• Das Elektronikgehäuse 5 besteht aus einem Taktgeber, der den Schalter 6 steuert. Die Dauer der Steuerimpulse kann beispielsweise in der Größenordnung von einigen Zehner Millisekunden, wobei das Intervall zwischen zwei Impulsen in der Größenordnung von 1 bis 1,5 Sekunden liegen kann.
• Der Schalter 6 umfaßt, wie dargestellt, zwei Transistoren, einen vom Typ "NPN" 16, den anderen vom Typ "MOS" 26.
• An den Klemmen des Schalters 6 ist parallel eine Komponente 7, vergleichbar der vorgenannten Komponente 4, angeordnet. So umfaßt die Komponente 7 einen Entlader 27 mit, parallel zu seinen Klemmen geschaltet, vorzugsweise einer Diode 17. Die Diode 17 ist in bezug auf den Strom in Sperr- bzw. Umkehrrichtung leitend angeordnet. Die Komponente 7 schützt den statischen Schalter 6 vor jedweder überspannung, wie dies nachfolgend im Detail erkennbar wird.
• Der Schutz gegen mögliche Überspannungen des Transistors 26 wird, immer mit dem Ziel, jegliche ungewollte Beschädigung der Komponenten zu vermeiden und die Betriebssicherheit der Vorrichtung zu gewährleisten, durch eine Komponente 8 sichergestellt, die die gleiche Art wie die gezeigte 7 ist. Die an den Klemmen des Transistors 26 angeordnete Komponente 8 umfaßt also einen Entlader 18, mit einer Diode 28 parallel zu seinen Klemmen.
• Es ist indessen zu bemerken, daß bei den Komponenten 7 und 8 das Entladeelement wesentlich und unerläßlich ist, da die Diode nur als Sicherheitsmaßnahme und zur Verbesserung der Betriebssicherheit der Komponente wirksam wird.
• Bei 9 ist eine Betriebsanzeigeeinrichtung gezeigt, die man an den Klemmen des Schalters 6 derart anbringen kann, daß die Bedienungsperson prüfen kann, ob sich die Vorrichtung 1 im Spannungszustand befindet oder nicht.
• Die Anzeigeeinrichtung 9 umfaßt in Serienschaltung zwei Widerstände 19, 29 und eine Vorrichtung 39 zur Sichtbarmachung, beispielsweise eine "Neon"-Lampe.
• Gemäß der vorgesehenen Verwendung der Vorrichtung sind, wenn die angelegten Spannungen höher sind, die Widerstände 19 und 29 vorzugsweise Widerstände des Typs für hohe Spannungen.
• Nachdem der Umfang der grundlegenden Komponenten, die Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt, angegeben worden ist, soll nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 4 deren Betriebsweise wiedergegeben werden.
• Es soll zunächst einmal unter Bezugnahme auf Fig. 2, 3a, 3b und 3c davon ausgegangen werden, daß die Sekundärseite des Transformators nicht beaufschlagt ist, d. h. daß sie in irgendeiner Weise getrennt ist. Der Schaltkreis wird dann durch die Primärseite 12 geschlossen.
• Wenn in diesem Falle unter Steuerung durch den Taktgeber 5 der Schalter 6 zur Zeit T = 0 (Fig. 3a) schließt, wird die Speisespannung U an den Klemmen des Generators 3 an die Klemmen der Selbstinduktanz "L", mit 12 bezeichnet, angelegt, und ein Strom I, der in Richtung des Pfeiles 13b fließt, tritt in dieser Selbstinduktionsspule gemäß der Gleichung
• I = 1/L x U x t
• auf.
• Der Strom I steigt bis zum Wert Im (Fig. 3b) an.
• Wenn zum Zeitpunkt t1 der statische Schalter 6 öffnet (Fig. 3a), immer bei Steuerung durch den Taktgeber 5, wird der Strom I durch den Entlader 27 geschlossen und bringt an dessen Klemmen die Spannung auf den Wert Vt (Fig. 3c). Die Spannung an den Klemmen des Schalters 6 ist damit auf einen Wert begrenzt, der ohne Beschädigung aufgenommen werden kann.
• Die Spannung über den Klemmen der Induktanz 12 kehrt sich dann um und wird Vt - U. Der Strom I nimmt gemäß der Gleichung
• I = Im - 1/L (Vt - U) x (t - t1)
• ab. In der Praxis regelt man diese Stromstärke, indem man die Dauer des Geschlossenhaltens des Schalters 6 anpaßt.
• Es sei nunmehr die Beaufschlagung der Sekundärseite des Transformators 2 betrachtet, indem der Schaltkreis mittels einer Impedanz "Z", in Fig. 4 mit 10b bezeichnet, wieder geschlossen wird, wobei diese Impedanz die Leitungsimpedanz des Kabels 10, das mit Strom zu versorgen ist, darstellt.
• Die Ströme I&sub1; und I&sub2;, die in Abwesenheit der Komponente 4 in der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklung des Transformators fließen, sind hinsichtlich Stärke und Richtung voneinander abhängig. Die Richtung des Stromes I&sub1; (durch den Pfeil 13b dargestellt) wird als direkte bzw. unmittelbare Richtung angesehen, während die Richtung des Stromes I&sub2; umgekehrt ist (Pfeil 13d).
• Die Beziehung ihrer Abhängigkeit ist N&sub2;I&sub2; = -N&sub1;I&sub1; + N&sub1;I. (I: Strom allein in der Selbstinduktanz 12; N&sub1; und N&sub2;: Primär- bzw. Sekundärseite des Transformators).
• Die Spannung Vz an den K1emmen der Impedanz 10b ist dann gleich
• Vz = N2/N1 x U
• Wenn diese Impedanz "unendlich" ist, d.h. wenn sie stark erhöht ist, ist man in den vorstehend beschriebenen Fall der Fig. 2 versetzt.
• Indessen kann bei Abwesenheit der Komponente 4, und zwar insbesondere der Diode 14, wenn die Leitungsimpedanz 10b - als Folge eines beispielsweise durch den Herabfall eines Zweiges auf das Kabel hervorgerufenen Kurzschlusses - abzunehmen und einen endlichen Wert anzunehmen beginnt, der Strom in der Selbstinduktanz 12 bei Schließen des Schalters 6 in beträchtlichem Maße anwachsen.
• Der Kurzschluß der Sekundärseite wird auf die Primärseite zurückgeführt.
• Was die durch die Selbstinduktanz 12 gespeicherte und vom Generator 3 abgegebene elektrische Energie anbelangt, so ist diese immer gleich bei 1/2xLxI². Mit anderen Worten wird in Abwesenheit der Diode 14 und im Falle eines Kurzschlusses die im Generator vorhandene Energie vergeudet und nicht in der Selbstinduktanz 12 gespeichert. Diese Energie kann also nicht an den Generator 3 zurückgeführt werden.
• Es ist damit verständlich, daß sich im Falle eines längeren Kurzschlusses die Batterie 3 mehr oder weniger schnell entladen wird.
• Wohlverstanden wird dieser Funktionsmangel vermieden, wenn man für eine Anordnung der Diode 14 Sorge getragen hat. Während des Zeitintervalls, in dem der statische Schalter 6 geschlossen ist, wird nämlich der Strom I&sub2; (Pfeil 13d) durch die Diode 14 gesperrt. Wenn sich dagegen der Schalter 6 öffnet, wird dieselbe Diode leitend, und der Strom kann normal in dem mit Strom zu beaufschlagenden Zaun fließen.
• Bei der betrachteten Verwendung im Zusammenhang mit der Strombeaufschlagung von Zäunen, ist die Anwendung einer Diode hoher Spannung empfehlenswert.
• Bei einer solchen Anwendungsform kann man heutzutage bis zu ungefähr 10 kV an der Sekundärseite entwickeln. In der Praxis können solche "Vorwärts"(Direkt)-Spannungen momentane Umkehrspannungen der gleichen Größenordnung erzeugen. Allerdings sind Hochspannungsdioden teuer und anfällig.
• Deshalb wird die Verwendung eines Entladers empfohlen, und zwar parallel zu den Klemmen der Diode. Im wiedergegebenen Anwendungsbeispiel kann der Entlader geeignet sein, ungefähr 400 bis 500 V mit einer Momentanleistung von ungefähr 15 - 20 kW zu sperren, wobei er durch dieselbe die Komponente in ihrer Gesamtheit praktisch unzerstörbar durch Überspannung macht.
• Derzeit liegt die Reaktionszeit bekannter Entlader in der Größenordnung von 10&supmin;¹² Sekunden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur elektrischen Speisung mindestens eines Kabels (10) oder eines äquivalenten elektrischen Leiters, umfassend einen Transformator (2), der mit einer mit einem Stromerzeuger (3) verbundenen Primärwicklung (12) und mit einer Sekundärwicklung (22), mit der ein Ende (10a) des Kabels verbunden ist, versehen ist; einen Schalter (6); und einen ersten Stromgleichrichter (14) wie eine Diode, die in Flußrichtung in bezug auf den von der Sekundärseite des Transformators zum Kabel fließenden Strom leitend angeordnet ist, wobei dieser erste Gleichrichter (14) in Reihe zwischen der Sekundärseite (22) des Transformators und besagtem Ende (10a) des Kabels geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin umfaßt

- einen ersten Entlader (27), der an den Anschlußklemmen des Schalters (6) angeordnet ist, der ein statischer Unterbrecher ist, der einerseits mit einer Anschlußklemme der Primärwicklung (l2) und andererseits mit einer Anschlußklemme des Stromerzeugers (3) verbunden ist,

- einen zweiten Entlader (24), der parallel zu den Anschlußklemmen des ersten Gleichrichters (14) geschaltet ist, um ihn durch Begrenzen der Entladung des Stromerzeugers (3) im Kurzschlußfall gegen Überspannungen zu schützen,

- und einen zweiten Stromgleichrichter (17) wie eine Diode, die in Gegenrichtung in bezug auf den Strom leitend vorgesehen ist, wobei dieser zweite Gleichrichter parallel zu den Anschlußklemmen des ersten Entladers (27) geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (10) oder der äquivalente elektrische Leiter Teil eines Elektrozaunes sind und der Schalter (6) durch einen von der Spannung des Stromerzeugers (3) abhängigen Taktgeber (5) gesteuert wird, wobei die Klemmenspannung der Primärwicklung (12) des Transformators (2) im wesentlichen gleich der Differenz der Spannungen ist, die an den Klemmen des Stromerzeugers (3) und des Schalters (6) auftreten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der statische unterbrecher (6)

- einen Transistor (16) des NPN-Typs und

- einen Transistor (26) des MOS-Typs

umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen dritten Entlader (18) umfaßt, der parallel zu den Klemmen des MOS-Typ-Transistors (26) geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Diode (28) umfaßt, die parallel zu den Klemmen des dritten Entladers (18) geschaltet ist, wobei die Diode (28) in bezug auf den Strom in umgekehrter Richtung leitend vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie, parallel zu den Anschlußklemmen des statischen Schalters (6), eine Betriebsanzeigeeinrichtung (9) aufweist, die in Reihenanordnung

- wenigstens einen Widerstand (19, 29) und

- wenigstens ein Sichtbarmachungsmittel (39), zum Beispiel eine Glühlampe,

umfaßt.