CN107438930B - 用于连接到交流电网上的电流分配系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于连接到交流电网(4)上的电流分配系统(1)，电流分配系统具有用于无中断的供电的USV电源(2)，USV电源具有电网侧的输入端(EAC)并且具有至少一个输出端(AAC)，在输出端上连接有或者能连接有一定数量的在并联的负载电路(Lm)中的负载(10)，其中，在该负载电路或者每个负载电路(Lm)中接有保护器(GSm)，保护器具有机电的、尤其是热磁的触发器(12)并且具有分析和触发单元(17)，分析和触发单元依据电子过载和/或短路特性曲线(KE、KUE、KK)以及根据USV电源(2)的输出电压(UAC、U实际)来触发触发器(12)。

Description

用于连接到交流电网上的电流分配系统
技术领域
本发明涉及一种用于连接到交流电网上的电流分配系统，电流分配系统具有用于无中断的供电的电源，电源具有电网侧的输入端并且具有至少一个输出端，在输出端上连接有或者能连接有一定数量的在并联的负载电路中的负载。
背景技术
随后也被称作USV电源的用于无中断的供电的设备或者装置(无中断电源Uninterruptible Power Supply，UPS)在电网运行时由所连接(公共的)交流电网(AC电网)支持。连接到USV电源上的负载要么在整流器运行时持久地通过功率电子转换器要么在通常只有短时间的旁路运行的情况下由交流电网直接供电。通过在电网侧的AC-DC转换器(整流器)下游并且在输出侧或负载侧在DC-AC转换器(逆变器)上游的直流中间电路来进行整流器运行，缓冲电池组或者缓冲蓄电池接到直流中间电路中。
如果存在公共的交流电网的中断，那么USV电源变换到电池组运行，并且紧接着在有限的时间段内由整合的缓冲电池组(缓冲蓄电池)来供电。由于整合到USV电源中的部件的电特性，能在USV电源的电池组运行中提取的功率以及借此也包括流动的最大电流都受到限制。在最大几分钟的分级的时间段上，从USV电源得到相应地分级的过电流，过电流通常也可以大于所连接的负载或所连接的设备的额定电流的100％。在电设备(负载)中，如果用额定电压给设备(负载)供电并且输出其额定功率，那么额定电流理解为所容纳的电流强度。
在此，在较短的时间段内比在较长的时间段内允许更高的过电流。根据标准，在这种USV电源的数据页中说明了在时间上受限制的最大电流(最大负载)，通过最大电流，USV电源的输出电压维持在根据DIN EN 62040-3(第5.3.4项)的极限之内。常见的是在几秒到几分钟的时间段内的为额定电流的150％到200％的最大电流。然而，借此只能在短时间内从USV电源得到更高的电流，例如以便接通负载或设备。
此外，在这种USV电源的情况下说明了特定的最大短路电流。该最大短路电流通常在几毫秒内为额定电流的200％到300％。如果在USV电源的电池组运行下出现在输出侧连接到USV电源上的负载支路或者负载电路之内的短路，那么短路电流受USV电源的输出功率限制。该短路电流常常不足以触发传统的保护开关、尤其是根据磁原理的机电线路保护开关、即例如热磁保护开关。因此，USV电源的功率极限会被超过并且因此输出电压会中断。然而，借此也会中断对其他没有错误的负载支路或负载电路的供电，其方式是USV电源为了自我保护而关断并且在此切断其输出电压。USV电源不能提供对仅一个有错误的负载支路或者负载电路的选择性的切断。
接通负载常常已经足以超过USV电源的功率极限。因而，电源自动地转接到电网运行(旁路运行)。接通电流于是由交流电网支持并且可以具有比在整流器运行中可以实现的值更高的值。现在，USV电源的输出电压维持，其中，电流仅通过上游的熔断器或者负载支路侧的保护装置来限制，保护装置在超过各自的特性曲线时会相应地触发。
如果连接到USV电源上的负载(设备)的保护装置通过具有所谓的B或C特性(IEC60898)的线路保护开关来实现，那么保护装置通常会遵循针对房屋和工业运行中的线路保护的常见的安装规定。然而，因为只有当USV电源的短路电流足够触发线路保护开关时才可以在电池组运行中进行对这种线路保护开关的磁触发，所以实际上必须强制性地实现USV电源的过大尺寸，利用过大尺寸可以提供对于触发线路保护开关所需的短路电流，而USV电源不会为了自我保护而在达到相应的电流值之前关断或者切断其输出电压。
发明内容
因而，本发明所基于的任务是说明一种开头所提到的类型的电流分配系统，电流分配系统保证了在过载和/或短路情况下选择性地触发在输出侧在用于无中断的供电的电源(USV电源)下游的保护开关，而为此不使用在功率适当的情况下过大尺寸的USV电源。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的电流分配系统来解决。有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。
为此，设置用于连接到交流电网上的电流分配系统包括用于无中断的供电的电源(USV电源)，电源具有电网侧的输入端和至少一个输出端，在输出端上连接有或者能连接有一定数量的在并联的负载电路中的负载。在该负载电路或者每个负载电路中接有保护器，其具有机电的、优选热磁的触发器并且具有分析和触发单元。整合到保护器中的或者以电子模块的形式配属于该保护器的、优选地电子的分析和触发单元操纵保护器或依据以电子过载和/或短路特性曲线的形式的与电流有关的触发特性并且根据USV电源的输出电压来触发其触发器。保护器或其触发器适当地具有带有B或C特性的线路和/或设备保护开关的热磁特性。根据IEC 60898，诸如在机器或者灯组中，B特性理解为标准线路保护，而C特性理解为用于更高的接通电流的线路保护。
在优选的设计方案中，USV电源的在电源侧在保护器中所检测到的输出电压以及在USV电源的电源侧的输出端与保护器的负载输出端之间的触发路径中所检测到的电流被输送给分析和触发单元。优选地，如果所检测到的电流超过预先给定的电流值并且USV电源的所检测到的输出电压低于预先给定的电压值，那么分析和触发单元触发保护器。
在电网故障时，USV电源常规地转接到电池组运行，从而使得现在不再可能进行旁路运行。如果在电池组运行下需要比可以由于USV电源的短时间的过载引起的电流更高的电流，那么USV电源还可以在短时间内提供有限的短路电流。然而，在这种情况下不再保证USV电源的输出电压保留在安全运行的极限之内。因此，另外的耗电器也许在低电压上存在并且得到切断。如果有高电流、例如由于在各自的负载电路中的所连接的负载的短路引起的高电流继续流动，那么USV电源也会由于持续的过载而被切断。
本发明以如下认识为出发点：通过机电的、优选热磁的保护器(尤其是线路保护开关)与电流和电压评估装置的组合可以避免用于产生必要的短路电流或相应的电流值的USV电源的过大尺寸，其方式是不仅经过保护器的当前的负载电路(实际电流)而且还有USV电源的输出电压都被检测和评估，电源侧的输出电压与在所连接的负载上的电压(实际电压)同义。
因为USV电源根据标准、尤其是根据所属的USV数据页包含关于最大电流和短路电流以及关于电压获得的质量的说明，所以用户因此能直接接触的值可以输入到保护器的优选电子的分析和触发单元中。最大电流的因此对于USV电源来说特定的值用于利用与特定值的输入有关的特性曲线匹配所检测到的实际电流。最大负载或者最大电流特性曲线适当地构建为使得其时间-电流值对小于或等于在电池组运行下的USV电源的测量值。
如果被调整的特性曲线被流过保护器、也就是说流过其触发路径的电流超过，那么只有当电流分配系统的USV电源的所检测到的输出电压也低于电压极限或电压极限值时，才触发相关的负载电路(负载支路)中的保护器。这种又在DIN EN 62040-3(第5.3.4项)中限定的电压极限对于分别使用的USV电源来说作为用于最大负载的电压极限值优选地同样输送给优选地机电保护器的分析和触发单元。
因此，在每次超过作为程序输入的特性曲线、尤其是电流特性曲线时区分USV电源是否处于电网运行下或电池组运行下。在此，在电网运行中可允许更高的电流(短路电流)，而不触发保护器并且因此不将相应的负载电路分开。根据标准，在足够的时间内将有错误的负载支路分开，从而始终保证对电流分配系统的另外的有错误的负载支路的电压供应。
本发明以如下考虑为出发点：在各自的负载电路中使用仅传统的或标准的线路保护开关时，实际上不能建立对于保护负载来说精确的保护功能。尤其是对于具有高接通电流的负载来说，使用典型的线路保护开关可设想地是不适合的，这是因为甚至当使用这种具有C特性的线路保护开关时，在线路保护开关中在额定电流与磁触发电流之间的差异也并不匹配于负载的电流形廓。
在有利的设计方案中，除了USV电源的最大电流之外，也可以输入所连接的负载或所连接的设备的额定电流(额定负载)。依据到保护器的分析和触发单元的输入形成过载特性曲线，过载特性曲线的时间-电流值对小于USV电源的时间-电流值对，然而大于在标准运行下的所连接的负载或所连接的设备的时间-电流值对。过载和最大负载的特性曲线在共同的点或特性曲线区域内相遇。在超过得到的特性曲线时，于是立即由分析和触发单元开始对保护器进行触发，其中，与电子触发无关地，保护器的线路保护的特性始终保持不变。
如果USV电源通过其包括所连接的缓冲蓄电池(缓冲电池组)在内的整合的整流器来运行，那么其有效功率受到限制。具有整合的分析和触发单元的保护器包含线路保护开关、也就是说尤其是热磁触发器，而且附加地拥有作为评估和触发电子装置的电子结构组件，其探测USV电源的过载情况并且相应地操控、即在一定程度上远程控制线路保护开关、也就是说热磁触发器。通过将两个电流参数，即用于确定设备或线路保护特性曲线的方位的电流值(电流极限值)和用于确定设备或线路保护特性曲线相对于USV过载特性曲线的方位的电流值(电流极限值)输入到保护器的分析和触发单元中，可以产生电子特性曲线。
USV电源的过载探测的基础优选是以软件技术方式实现的算法，算法基本上进行对过电流情况的监控。只有当也还维持USV电源的输出电压时，才容许在短路区域内超过电子特性曲线。如果不仅过电流超过在电池组运行中的USV电源的最大电流，而且USV电源的输出电压也不再相应于按规定的运行，那么触发保护开关。
如果USV电源还由交流电网供电，那么可以通过旁路得到用于接通的更高的电流。在这种情况下，保护器将不会触发，这是因为触发情况按照算法没有出现。在短路情况下，保护器的整合的机电的触发器可以正常地进行触发。
相反地，如果交变电网发生故障，那么在这种情况下由于负载的接通或者由于在相应的负载电路中的短路而有电流流过，电流达到USV电源的过载极限。这对USV电源的输出电压有影响，从而因此存在根据算法的触发情况并且通过保护开关进行分开(触发)。
也可以在所选择的时间区间之内计算负载电流的有效值，并且按如下地检查电流的有效值是否超过过载特性曲线。如果负载电流超过其中一个区间的特性曲线，那么就触发保护开关。
附图说明
随后，本发明的实施例依据附图详细阐述。其中：
图1示意性地示出了连接到交流电网上的电流分配系统，电流分配系统具有大量借助于USV电源无中断地供电的负载电路，负载电路分别具有用于保护以防过载和短路的机电保护开关，
图2示意性地示出了保护开关，保护开关具有热磁触发器以及具有分析和触发单元(电子装置)并且具有电流和电压测量装置，
图3示意性地示出了用于确定触发情况的实施到分析和触发单元中的算法，和
图4示出了在USV电源的电池组运行的情况下的保护开关的电子和B特性的特性曲线走向。
彼此相应的部分在所有附图中都配备有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地示出了电流分配系统1，电流分配系统具有随后被称作USV电源2的无中断的供电装置，USV电源或供电装置通过交变电压输入端EAC和在该实施例中前置于交变电压输入端的熔断器3连接到交流电网(L、N、PE)4上。USV电源2具有整流器路径2a和旁路路径2b。例如以开关接触器或者开关电子装置的形式的转接装置5能够实现在整流器路径2a与旁路路径2b之间的转接以及它们到USV电源2的负载侧的交变电压输出端AAC上的接入。
USV电源2的整流器路径2a基本上通过电网侧的AC-DC转换器(整流器)6和接在AC-DC转换器下游的直流中间电路7以及又接在直流中间电路下游的DC-AC转换器(逆变器)8来形成。电池组或蓄电池9接到直流中间电路7中。USV电源2的整流器运行通过用SB表示的箭头来表现，而USV电源2的也被称作自动运行的电池组运行利用以AB表示的箭头来表现。
一定数量的负载电路Lm(其中m＝1，2，...，n)彼此并联地连接到USV电源2的交变电压输出端AAC上。在该实施例中，机电保护器GSm(m＝1，2，...，n)、尤其是具有B特性的热磁线路保护开关接到每个负载电路Lm中。在该或每个负载电路Lm中都有负载10，负载通过电流分配系统1的相应的输出端Am引导到各自的保护器GSm上。负载10例如表示由电流分配系统1供应的设备。
图2示出了各自的机电保护器GSm的结构或功能部件。在与交变电压输出端AAC连接的LINE输入端EL和保护器GSm的引导到电流分配系统1的负载输出端An上的或者形成负载输出端的输出端AL之间的触发路径11中接有热磁触发器12和由热磁触发器通过开关锁13操纵的开关触点14、15。开关锁13例如也可以借助于按键或者切换杆16从外部手动地被操纵，即例如被接通或者被触发(接通/关断)。触发器12、开关锁13和开关触点14、15在一定程度上形成保护器GSm的机电的线路或设备保护开关。
保护设备GSm具有随后被称作开关电子装置或者简单地被称作电子装置的电子分析和触发单元17，电子分析和触发单元整合到保护器GSm中，或者作为电子模块(例如也在单独的模块壳体内)配属于保护器。流过保护器GSm的触发路径11的并且由电流传感器18所测量的负载电流IL作为实际电流I实际被输送给电子装置17。优选地无接触地并且尤其是感应地进行电流测量。此外，USV电源2的在保护器GSm的输入端EL与另一输入端EN之间借助于电压测量装置19来检测的输出电压UAC作为实际电压U实际被输送给电子装置17。
借助于以AC-DC转换器(整流器)的形式的电源20来给电子装置17提供电压供应，AC-DC转换器在交变电压侧连接到输入端EL和EN上以及在直流电压侧与电子装置17连接。此外，通过相应的参数输入，经由输入端E1和E2将视负载或设备而定的并且说明其额定负载的参数PN和表征USV电源2的最大负载的参数Pmax输送给电子装置17。也可以直接将电流参数IA或IB输入到电子装置17中。
由参数PN的输入得到的或者直接输入的电流值IA确定了在图4中示出的电子过载特性曲线KUE或保护器GSm的相应的特性曲线区域的方位，而视电源而定的参数Pmax或IB的输入确定了短路特性曲线KK或相应的用于USV电源2的USV保护的特性曲线区域的方位。特性曲线区域KUE和KK形成在图4中示出的电子特性曲线KE或保护器GSm的相应的特性曲线区域。适当地，依据用于USV电源2的关于短路电流的数据页，借助于参数Pmax或IB进行预先设定。
在该实施例中，电子装置17将显示信号SA提供给保护开关的输出端ALED，用于操控例如显示灯(LED)或者诸如此类的装置。
图3与图4中的图表相关联地阐明了保护器GSm的按软件方式实施到电子装置17中的触发算法。图4在右侧的半图中以时间-电流图表示出了实际电流I实际的对于负载10的接通特性曲线来说典型的变化过程。在对于USV电源2来说典型的视电源而定的具有额定和过载区域KKSU(N)或KKSU(UE)的额定和过载特性曲线KUSV与实际电流I实际的变化过程之间，电子装置17的电子特性曲线KK作为短路区域，而电子装置17的电子特性曲线KUE作为过载区域分别以虚线阐明。具有其热过载触发区域At以及其磁短路触发区域Am的特性曲线区域KB阐明了作为线路和/或设备保护的保护器GSm的触发器12的B触发特性。利用IS来表示的特性曲线表示在USV电源2上游的熔断器3的熔断电流。用于过载的电子特性曲线KUE与保护器GSm的分析和触发单元17的表示USV电源2在短路情况下的最大负载Pmax、IB的电子特性曲线KK在用KKUE表示的点或者特性曲线区域或过渡区域中相遇。
一方面，随着在图3中阐明的算法的检查周期的开始(启动)，在电子装置17中或者借助于电子装置，依据所实施的算法将所检测到的实际电流I实际与说明USV保护特性曲线KUSV的方位或用于短路区域的电子特性曲线KK的电流参数IB进行比较。此外，可以将USV电源2的所检测到的输出电压UAC的实际电压U实际的时间曲线与从用于USV电源2的最大负载的参数Pmax推导出的电压值UMIN进行比较(UMIN＝Pmax/IB)。UMIN也可以从用于无中断的供电的标准DIN EN 62040-3和/或USV电源2的数据页得知。
如果在图4中阐明的时间区间Δt对于最大的持续时间来说Δt≥tmax(例如tmax＝1ms)期间，所检测到的实际电流I实际超过通过电流参数或电流值IB预先给定的特性曲线区域KK、KUSV并且在这种情况下，所检测到的实际电压U实际并且进而USV电源2的输出电压UAC低于预先给定的电压或最小值UMIN，那么由于基于通过电子装置17或由电子装置引起的相应的初始化而直接或间接经由开关锁13相应地触发(关断)触发器12，通过相应地断开开关触点14、15触发保护器GSm。否则断定用u表示的不重要的运行。
图4在左侧的半图中阐明了输出电压UAC的所检测到的实际值U实际的电压-时间曲线，作为USV电源2在电池组运行AB下的特性曲线走向。在整流器运行SB中或在可选地转接到USV电源2的旁路路径2b上时，在时间区间Δt期间内不要期望USV电源2的输出电压UAC的电压骤降并且因此不要期望实际电压U实际低于最小值或阈值UMIN。在时间区间Δt内没有电压骤降的情况下所说明的值U/U目标＝100％表示在整流器运行或者旁路运行时的相应的特性曲线。
本发明并不局限于在上文所描述的实施例。更确切地说，本发明的其他变型方案也可以由本领域技术人员从中推导出来，而不脱离本发明的主题。此外尤其地，所有结合实施例描述的单个特征也能以其他方式彼此组合，而不脱离本发明的主题。因此，电流分配系统1的所连接的负载电路的数目例如也可以为一(1)。
附图标记列表
1 电流分配系统
2 电源/USV
2a 旁路
2b 整流器
3 熔断器
4 交流电网
5 换接开关/开关接触器
6 AC/DC转换器
7 直流中间电路
8 DC/AC转换器
9 电池组蓄电池
10 设备/负载
11 触发路径
12 热磁触发器
13 开关锁
14 开关触点
15 开关触点
16 按键/切换杆
17 触发/评估单元/电子装置
18 电流传感器
19 测量装置
20 电源
AB 电池组运行
AAC 交变电压输出端
ALED 输出端
An 负载输出端
Am 短路触发区域
At 过载触发区域
EL LINE输入端
EN N输入端
E1 额定负载输入端
E2 最大负载输入端
GSm 保护器
IA 额定负载电流值/参数
IB 最大负载电流值/参数
IL 负载电流
I实际 实际电流
IS 熔断电流特性曲线
KUSV USV特性曲线
KB 特性曲线区域
KE 电子特性曲线/区域
KK 短路特性曲线/区域
KUE 过载特性曲线/区域
KKUE 过渡区域/点
Lm 负载电路
UMIN 电压值/最小值
U实际 实际电压
UAC 输出电压
SB 整流器运行
SA 显示信号
PN 额定负载参数
Pmax 最大负载参数

Claims (10)

1.一种用于连接到交流电网上的电流分配系统，所述电流分配系统具有
-用于无中断的供电的USV电源，所述USV电源具有电网侧的输入端并且具有至少一个输出端，在所述输出端上能连接有若干在并联的负载电路中的负载，
其特征在于，
-在所述负载电路或者每个负载电路中接有保护器，所述保护器具有机电的触发器并且具有分析和触发单元，所述分析和触发单元依据电子过载特性曲线和/或短路特性曲线以及根据所述USV电源的输出电压来操纵所述触发器并且触发所述保护器，
-所述保护器具有用于将表示所述USV电源的最大负载的参数输入到所述分析和触发单元中的输入端，其中，表示所述USV电源的最大负载的参数用于利用所述USV电源的与所述参数有关的过载特性曲线来匹配所检测到的实际电流，和/或
-所述保护器具有用于将表示所连接的负载的额定负载的参数输入到所述分析和触发单元中的输入端。
2.根据权利要求1所述的电流分配系统，
其特征在于具有热磁的触发器。
3.根据权利要求1所述的电流分配系统，
其特征在于，
所述USV电源的在电源侧检测到的输出电压以及在电源侧的输出端与所述保护器的负载输出端之间的触发路径中检测到的电流被输送给所述分析和触发单元。
4.根据权利要求3所述的电流分配系统，
其特征在于，
所述USV电源的输出电压在保护器中检测到。
5.根据权利要求3或4所述的电流分配系统，
其特征在于，
如果所检测到的电流超过预先给定的电流值并且所述USV电源的所检测到的输出电压低于预先给定的电压值，那么所述分析和触发单元触发所述保护器。
6.根据权利要求1所述的电流分配系统，
其特征在于，
所述分析和触发单元依据所输入的表示所述USV电源的最大负载的参数和/或所输入的表示所连接的负载的额定负载的参数形成过载区域或短路区域的电子特性曲线，其时间-电流值对小于所述USV电源的过载特性曲线的时间-电流值对，然而大于在标准或额定负载运行下的所连接的负载或所连接的设备的时间-电流值对。
7.根据权利要求1所述的电流分配系统，
其特征在于，
只有当所检测到的实际电流超过所述USV电源的过载特性曲线的情况下，所述USV电源的所检测到的输出电压低于电压极限值时，才触发相关的负载电路中的保护器。
8.根据权利要求1所述的电流分配系统，
其特征在于，
用于过载的电子特性曲线与所述保护器的分析和触发单元的表示在短路情况下的USV电源的最大负载的电子特性曲线在特性曲线区域中相遇。
9.根据权利要求8所述的电流分配系统，
其特征在于，
在超过用于过载的电子特性曲线和/或在短路情况下的电子特性曲线时，由所述分析和触发单元开始对所述保护器进行触发。
10.根据权利要求1所述的电流分配系统，
其特征在于，
所述分析和触发单元的电子特性曲线表示在所述USV电源的整流器运行下的最大可能的负载电流，其中，所述USV电源的输出电压不低于限定的电压极限值。
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