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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Anlage zum Betrieb von mindestens
einem Verbrauchsmittel und mindestens einem Betriebsmittel, wobei
in die elektrische Anlage an mindestens einem Punkt elektrische
Energie einspeisbar ist und wobei ein Betriebsmittel zur Beeinflussung
von Parametern der eingespeisten Energie vorgesehen ist. Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Anlage.
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Bei
der Verteilung elektrischer Energie in einem lokal beschränkten Bereich,
beispielsweise einem Gebäude
oder einem Teil eines Gebäudes,
kommen spezielle elektrische Anlagen zum Einsatz, die elektrische
Energie an die einzelnen Verbrauchsmittel weiterleiten. Unter Verbrauchsmitteln
werden alle Vorrichtungen zusammengefasst, deren Aufgabe in einer
Umwandlung der eingespeisten elektrischen Energie in eine andere
Nutzenergie, beispielsweise Licht-, Wärme- oder Bewegungsenergie,
besteht. Diejenigen Teile der elektrischen Anlage, die elektrische
Energie an die einzelnen Verbrauchsmittel weiterleiten, werden als
Betriebsmittel bezeichnet. Zu Betriebsmitteln gehören neben
Kabeln, Leitungen oder Sicherungen auch komplexere Bauteile wie Transformatoren
bis hin zu ganzen Baugruppen und komplexen elektronischen Schaltungen
wie netzgeführten
Stromrichtern.
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In
die elektrische Anlage wird an mindestens einer definierten Stelle – dem Speisepunkt – die elektrische
Energie eingespeist. Dieser Speisepunkt ist durch eine Schutzeinrichtung,
meist eine Sicherung, abgesichert und wird häufig von einem Energiezähler des
Netzbetreibers gefolgt, der die in den angeschlossenen Verbrauchsmitteln
umgesetzte elektrische Energie zählt.
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Häufig wird
zur Reduktion der Stromkosten oder aus Gründen des Umweltschutzes versucht,
die in den Verbrauchsmitteln umgesetzte elektrische Energie zu minimieren.
Da die elektrische Arbeit sich aus dem Produkt der Spannung U, des
Stromes I, des Leistungsfaktors cos φ und der Zeit t ergibt, können hierfür vier Faktoren
herangezogen werden. Zur Beeinflussung dieser Parameter der eingespeisten Energie
wird an einem geeigneten Punkt zwischen dem Speisepunkt und den
Verbrauchsmitteln – nicht notwendiger
Weise der Speisepunkt selbst – ein
geeignetes elektrisches Betriebsmittel eingeschleift. Da das Betriebsmittel
an einer sehr zentralen Stelle der elektrischen Anlage angebracht
ist, müssen
an dieses hohe Anforderungen hinsichtlich der Verfügbarkeit
gestellt werden. Ein Ausfall des Betriebsmittels hat den Ausfall
der gesamten Anlage zur Folge. Bis zum Austausch oder der Reparatur
des Betriebsmittels steht deshalb die gesamte Anlage nicht zur Verfügung.
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Ebenso
muss bei Wartungsarbeiten an dem Betriebsmittel oder bei Installation
von neuen und/oder zusätzlichen
Betriebsmitteln die gesamte Anlage abgeschaltet werden. Zusätzlich kann
insbesondere beim Einsatz eines spannungsmindernden Betriebsmittels
eine netzseitige Absenkung der Versorgungsspannung zu kritischen
Zuständen
in den einzelnen Verbrauchsmitteln führen, die zu Ausfall, Fehlfunktion
oder gar Zerstörung
der Verbrauchsmittel führen
kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Anlage der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden,
dass beim Betrieb der Anlage eine maximale Betriebssicherheit der
angeschlossenen Verbrauchsmittel bei gleichzeitig maximaler Verfügbarkeit
gewährleistet
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach
ist die in Rede stehende Anlage dadurch gekennzeichnet, dass das
Betriebsmittel über eine
Schalteinrichtung unterbrechungsfrei in die elektrische Anlage einschleifbar
und/oder unterbrechungsfrei heraustrennbar ist und dass die Schalteinrichtung
manuell und/oder durch eine elektronische Vorrichtung betätigbar ist.
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Hinsichtlich
eines Verfahrens ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale
des Patentanspruchs 13 gelöst.
Hiernach ist ein Verfahren vorzugsweise zum Betreiben der erfindungsgemäßen Anlage
dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter einer Schalteinrichtung
zum Einschleifen bzw. Heraustrennen des Betriebsmittels derart betätigt werden,
dass das Einschleifen bzw. Heraustrennen unterbrechungsfrei erfolgt,
und dass der Schaltvorgang manuell und/oder durch eine elektronische
Vorrichtung ausgelöst
wird.
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In
erfindungsgemäßer Weise
ist erkannt worden, dass die Verfügbarkeit und die Handhabbarkeit entscheidend
verbessert werden kann, wenn Betriebsmittel unterbrechungsfrei in
die elektrische Anlage einschleifbar und/oder unterbrechungsfrei aus der
elektrischen Anlage heraustrennbar sind. Damit muss lediglich bei
dem Einbau der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
die gesamte Anlage abgeschaltet werden, während bei Wartungsarbeiten, dem
Austausch, Installation oder Nachinstallation Betriebsmittel im
laufenden Betrieb in die Anlage eingeschleift oder aus dieser herausgetrennt
werden können.
Insbesondere lassen sich dabei erfindungsgemäß bereits installierte Betriebsmittel
ohne Abschalten der gesamten Anlage spannungsfrei schalten. Die
Schalteinrichtung selbst kann erfindungsgemäß manuell und/oder durch eine
elektronische Vorrichtung betätigbar
ausgestaltet sein. Ein manuelles Auslösen wird insbesondere bei Wartungs-
und/oder Installationsarbeiten benötigt, ein Auslösen durch eine
elektronische Vorrichtung ist in automatisierten Anlagen sinnvoll.
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In
einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kommt die erfindungsgemäße Anlage bei
der Energieverteilung in einem Gebäude oder Teilen eines Gebäudes als
Energiesparanlage zum Einsatz. Dabei können in vorteilhafter Weise
Betriebsmittel eingeschleift werden, die das Spannungsniveau U,
die Stromstärke
I und/oder die Phasenbeziehung φ zwischen
Strom und Spannung beeinflussen.
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Für die Beeinflussung
des Spannungsniveaus können
alle aus der Praxis bekannten Vorrichtungen – analoge oder digitale – Anwendung
finden. So wäre
beispielsweise der Einsatz eines Spartransformators oder eines Stromrichters
denkbar. Betriebsmittel zur Anpassung der Stromstärke ließen sich
beispielsweise durch Generatoren in Form einer Photovoltaikanlage
oder eines Blockheizkraftwerks realisieren. Zur Beeinflussung der
Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung könnten beispielsweise Phasenschieber
eingesetzt werden. Insbesondere beim Betrieb sehr vieler induktiver
oder kapazitiver Verbrauchsmittel können dadurch Kosten reduziert
werden, da das Generieren von großen Blindleistungen häufig gesondert
in Rechnung gestellt wird.
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Hinsichtlich
eines besonders universellen Einsatzes der erfindungsgemäßen Anlage
lassen sich mit den eingeschleiften Betriebsmitteln neben der Beeinflussung
von Parametern der eingespeisten elektrischen Energie zusätzlich noch
weitere Funktionen realisieren. So können weitere Schutzvorrichtungen
beispielsweise in Form eines Überspannungsschutzes
vorgesehen sein. Daneben lassen sich auf einfache Weise Datenerfassungsgeräte oder -verarbeitungsgeräte einschleifen,
mit denen beispielsweise die Qualität der in die Anlage eingespeisten
Energie verfolgt werden kann. Ebenso lassen sich auf diese Weise
Datenübertragungseinheiten beispielsweise
zur Power-Line-Communication oder zu Steuerungs- und Automatisierungszwecken
integrieren.
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Vorteilhafter
Weise ist das Betriebsmittel nahe dem Speisepunkt der elektrischen
Energie oder zumindest an einem anderen zentralen Punkt der elektrischen
Anlage angeordnet. Damit lässt
sich eine möglichst
große
Reichweite der Beeinflussung durch das Betriebsmittel erreichen.
Hinsichtlich eines besonders universellen Einsatzes lässt sich
zu dem installierten Betriebsmittel ein oder mehrere weitere Betriebsmittel
in Serie schalten. Ebenso könnten
weitere Betriebsmittel parallel zu dem installierten Betriebsmittel
angebracht werden. Bei der erfindungsgemäßen Anlage kann die gesamte
Gruppe von Betriebsmitteln mittels der Schalteinrichtung eingeschleift
bzw. herausgetrennt werden.
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Alternativ
könnten
auch mehrere Schalteinrichtungen in Serie geschaltet werden. Die
Gruppe von Schalteinrichtungen könnte
direkt als Serienschaltung in die Versorgungsleitung eingebaut oder ähnlich dem
Betriebsmittel über
eine zusätzliche Schalteinrichtung
eingeschleift und kaskadiert betrieben werden. Entsprechend wäre eine
Parallelschaltung von Schalteinrichtungen denkbar. Mit mehreren Schalteinrichtungen
ließen
sich redundante Betriebsmittel installieren, die bei Ausfall eines
Betriebsmittels schnell und automatisch zugeschaltet werden könnten. Alternativ
oder zusätzlich
könnten
an verschiedenen Schalteinrichtungen unterschiedliche Betriebsmittel
vorgesehen sein, die auf ausgewählte Betriebssituationen
abgestimmt sind. Das Auswählen
der einzelnen Betriebsmittel könnte
nach vorgegebenen Regeln durch die elektronische Vorrichtung vorgenommen
werde.
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In
Abhängigkeit
von den jeweiligen Anforderungen könnte die Schalteinrichtung
aus mechanischen Schaltern, aus elektronischen Schaltern, aus Relais
oder einer Kombination daraus aufgebaut sein. So kann ein mechanischer
Schalter zur manuellen Betätigung
der Schalteinrichtung Verwendung finden, während elektronische Schalter
oder Relais bei einer elektronischen Betätigung der Schalteinrichtung
einsetzbar sind.
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Hinsichtlich
einer möglichst
optimalen Steuerung des zeitlichen Ablaufs der Schaltvorgänge in der Schalteinrichtung
könnte
eine Schaltautomatik vorgesehen sein. Damit ließe sich das Einschleifen und Heraustrennen
der Betriebsmittel wesentlich vereinfachen. Nach dem Auslösen – manuell
oder elektronisch – übernimmt
die Schaltautomatik die Ansteuerung der einzelnen Schalter und steuert
optimal den Übergang
von einem Betriebszustand in einen anderen.
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Hinsichtlich
einer Maximierung der Betriebssicherheit könnte die elektronische Vorrichtung
eine Überwachungseinheit
umfassen. Dadurch ließen sich
verschiedene Parameter der eingespeisten Energie und/oder innerhalb
der Anlage auftretende Größen messen
und beobachten. Auf diese Weise kann schnell und automatisch auf
kritische Zustände,
beispielsweise eine zu niedrige Eingangsspannung, zu hohe, das Betriebsmittel
gefährdende
Ströme, Übertemperatur
in dem Betriebsmittel oder unzulässige Betriebszustände reagiert
werden. Dafür
sind der Überwachungseinheit
in vorteilhafter Weise entsprechende Sensoren zur Detektion der
Parameter zugeordnet.
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Die Überwachungseinheit
kann analog, digital oder als Kombination von analogen und digitalen Schaltungsteilen
ausgeführt
sein. Besonders vorteilhaft und flexibel lassen sich die Überwachungsfunktionen
durch den Einsatz eines Mikrocontrollers oder eines anderen Digitalrechners
realisieren. Insbesondere kann damit besonders einfach auf den Einsatz neuer
Betriebsmittel durch ein Anpassen der Programme reagiert werden.
Damit ist eine optimale Abbildung der Anlage in der Überwachungseinheit
möglich.
Zusätzlich
lassen sich bei einer digitalen Überwachungseinheit
auftretende Störungen
protokollieren und somit eventuell drohende Ausfälle des Betriebsmittels erkennen.
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Beim
Einschleifen eines Betriebsmittels in die erfindungsgemäße elektrische
Anlage wird das Betriebsmittel vorteilhafter Weise zunächst mittels Schalter
derart an die Versorgungsleitung angekoppelt, dass sich parallel
zu dem Betriebsmittel ein Leiterabschnitt befindet. Dadurch wird
das Betriebsmittel auf das entsprechende Spannungsniveau gehoben,
ist aber in Folge des Kurzschlusses noch nicht aktiv. Zum Aktivieren
wird mittels eines Schalters der Leiterabschnitt aufgetrennt, wodurch
das Betriebsmittel unterbrechungsfrei in die elektrische Anlage eingekoppelt
wird.
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Das
Heraustrennen des Betriebsmittels ist in umgekehrter Reihenfolge
durchführbar.
Dazu wird zuerst der kurzschließende
Leiterabschnitt durch Schließen
des Schalters hergestellt und danach das Betriebsmittel durch Öffnen von
Schaltern an dessen Anschlüsse
spannungsfrei geschaltet.
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Durch
den Einsatz eines kurzschließenden Leiterabschnitts
müssen
insbesondere beim Einschleifen und Heraustrennen von spannungsmindernden
Betriebsmitteln weitere Vorkehrungen getroffen werden. Handelt es
sich bei dem Betriebsmittel um einen Spartransformator, so würde das
Schließen
des Schalters in dem parallelen Leiterabschnitt zu einem Kurzschluss
des Transformators und möglicherweise
zu dessen Zerstörung
führen.
Zur Vermeidung dieses Kurzschlusses muss zuerst die Verbindung zwischen
Primär-
und Sekundärseite
des Transformators getrennt werden, wodurch die transformatorische
und spannungsmindernde Wirkung aufgehoben wird. Danach kann der
Schalter in dem parallelen Leiterabschnitt ohne Kurzschluss des Spartransformators
geschlossen werden.
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Wird
die Spannungsminderung durch elektronische Betriebsmittel, beispielsweise
eine Phasenan- oder Phasenabschnittssteuerung, realisiert, muss
gegebenenfalls mit Leistungssperrdioden sichergestellt werden, dass
keine Kopplungen innerhalb der Außenleiter auftreten können.
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Wird
durch die Überwachungseinheit
eine Messgröße detektiert,
die außerhalb
eines zulässigen
Bereiches liegt, könnte
durch die Überwachungseinheit
ein Schaltimpuls generiert werden, durch den das Betriebsmittel
automatisch deaktiviert oder herausgetrennt wird. Dadurch kann sichergestellt
werden, dass die angeschlossenen Verbrauchsmittel sowie das Betriebsmittel
selbst nicht beschädigt
werden oder kritische Zustände
erreichen.
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Dabei
könnte
ein temporär
oder dauerhaft auftretendes Über-
oder Unterschreiten des zulässigen
Bereichs vorliegen. Zu der ersten Gruppe wäre beispielsweise kurzzeitige Überbelastung
durch zu viele oder ein defektes Verbrauchsmittel, eine netzseitige
Absenkung der Versorgungsspannung oder eine zu hohe Temperatur in
dem Betriebsmittel zu rechnen. Dauerhaft auftretende Störungen lägen bei Überbelastung
des Betriebsmittels infolge eines dauerhaften Anstiegs der Zahl
der Verbrauchsmittel oder bei einem Defekt des Betriebsmittels selbst
vor.
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Eine
Deaktivierung des Betriebsmittels könnte darin bestehen, dass der
Schalter in dem parallel liegenden Leiterabschnitt geschlossen wird.
Diese Vorgehensweise wäre
insbesondere bei temporär auftretenden
Störungen
sinnvoll. Zum anderen könnte
das Betriebsmittel, beispielsweise bei einem Defekt des Betriebsmittels,
vollständig
aus der Anlage herausgetrennt werden.
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Liegen
die gemessenen Kenngrößen wieder in
einem vordefinierten Bereich, so kann je nach Art der vorliegenden
Störung
durch die Überwachungseinheit
erneut ein Schaltimpuls generiert werden, mit dem das Betriebsmittel
automatisch wieder aktiviert wird. Dazu würde der Schalter in dem parallelen
Leiterabschnitt wieder geöffnet
oder das Betriebsmittel in üblicher
Weise wieder eingeschleift werden.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch
1 nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit
der Erläuterung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In
der Zeichnung zeigen
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1 in
einer schematischen Ansicht den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage
und
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2 in
einer schematischen Ansicht den Aufbau eines in der erfindungsgemäßen Anlage
eingesetzten Spartransformators.
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1 zeigt
schematisch den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen
Anlage 1 zum Betrieb von mindestens einem Verbrauchsmittel 2 und
mindestens einem Betriebsmittel 3. Die elektrische Anlage 1 wird
an dem Speisepunkt 4 mit elektrischer Energie versorgt,
die zu dem Verbrauchsmittel 2 transportiert werden soll.
In die elektrische Anlage 1 wird das Betriebsmittel 5 eingeschleift.
Dazu wird beispielsweise ein Spartransformator zur Absenkung des
Spannungsniveaus verwendet.
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Die
Schalteinrichtung 6, mit der das Betriebsmittel 5 erfindungsgemäß unterbrechungsfrei
eingeschleift und herausgetrennt werden kann, ist aus verschiedenen
Schaltern aufgebaut. Mit den beiden Schaltern 7 und 8 kann
das Betriebsmittel 5 an die Versorgungsleitung angekoppelt
werden. Die beiden Schalter 9 und 10 werden jeweils
zum Öffnen
und Schließen
der parallelen Leiterabschnitte 17 und 18 eingesetzt.
Dabei ist der Schalter 10 bei einer manuellen Betätigung vorgesehen,
während
der Schalter 9 durch die Überwachungseinheit 11 gesteuert
wird. Ist ein Schaltereignis ausgelöst worden, übernimmt eine hier nicht eingezeichnete
Schaltautomatik das Betätigen
der einzelnen Schalter. Die Funktion der Schaltautomatik könnte auch
durch die Überwachungseinheit 11 übernommen
werden.
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Wird
nun durch die Überwachungseinheit 11 ein
zu hoher Strom IV gemessen, der den maximal zulässigen Stromwert
IB durch das Betriebsmittel 5 überschreitet,
so wird das Betriebsmittel 5 deaktiviert. Dies geschieht
dadurch, dass der Schalter 9 geschlossen wird. Die anderen
Schalter bleiben unverändert.
So bleiben die Schalter 7 und 8 geschlossen und
Schalter 10 geöffnet.
Sinkt der Strom IV unter den maximal zulässigen Stromwert,
so wird der Schalter 9 wieder automatisch geöffnet.
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Sinkt
die Versorgungsspannung UV unter einen zulässigen Grenzwert
UB, so wird ein spannungsminderndes Betriebsmittel 5 deaktiviert.
Dazu wird wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel der Schalter 9 geschlossen,
während
die anderen Schalter 7, 8 und 10 ihre
Stellungen beibehalten. So sind die Schalter 7 und 8 nach
wie vor geschlossen, Schalter 10 geöffnet. Auch hier kann, nachdem
die Spannung UV wieder einen Wert in dem
zulässigen Bereich
annimmt, durch Öffnen
des Schalters 9 das Betriebsmittel 5 wieder aktiviert
werden.
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Bei
einer manuellen Betätigung
wird zuerst der Schalter 10 geschlossen und danach die
beiden Schalter 7 und 8 geöffnet. Sofern Schalter 9 geschlossen
ist, wird auch dieser geöffnet.
Damit ist das Betriebsmittel 5 spannungsfrei geschaltet
und kann Wartungsarbeiten unterzogen oder ausgetauscht werden.
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1 verdeutlicht,
dass lediglich die Schalteinrichtung 6 in die Versorgungsleitung
zwischen Speisepunkt 4 und dem Betriebsmittel 3 bzw.
dem Verbrauchsmittel 2 geschaltet werden muss. Das Betriebsmittel 5 wird
unterbrechungsfrei eingeschleift, die Überwachungseinheit 11 besitzt
lediglich Steuerleitungen zu den Schaltern der Schalteinrichtung 6 und
Verbindungen zu den hier nicht eingezeichneten Sensoren. Die Überwachungseinheit 11 kann
also vollkommen modular angebaut werden.
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2 zeigt
einen dreiphasigen Spartransformator mit drei primärseitigen
Wicklungen und drei sekundärseitigen
Wicklungen. Die Primär-
und Sekundärseite
sind untereinander durch die Schalter 15, 16 und 17 verbunden.
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Soll
der Spartransformator als Betriebsmittel in der erfindungsgemäßen Anlage
eingesetzt werden, so müssen
beim Heraustrennen des Spartransformators 12 aus der elektrischen
Anlage 1 zuerst die Schalter 15, 16 und 17 gleichzeitig
geöffnet
werden, wodurch die transformatorische Wirkung aufgehoben wird.
Erst danach kann der Schalter 9 oder 10 in den parallelen
Leiterabschnitten 11 oder 12 ohne Kurzschluss
des Transformators geschlossen werden. Die Ablaufsteuerung der Schaltereignisse übernimmt wieder
eine Schaltlogik.
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Schließlich sei
angemerkt, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele
die beanspruchte Lehre lediglich erläutern, diese jedoch nicht auf
die Ausführungsbeispiele
einschränken.