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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgungseinheit zur unterbrechungsfreien Versorgung einer Last mit Gleichstrom, wobei die Gleichstromversorgungseinheit umfasst
- – einen Eingang für eine Eingangsspannung,
- – einen Ausgang für eine Ausgangsgleichspannung, aus dem eine an den Ausgang angeschlossene Last einen Laststrom beziehen kann,
- – einen Energiespeicher, der über den Eingang mit einem Ladestrom, insbesondere aus dem Eingang mittels eines Ladereglers, geladen werden und im Pufferbetrieb eine Ersatz-Ausgangsgleichspannung zur Verfügung stellen kann,
- – eine Regeleinheit, mit welcher der Ladestrom des Energiespeichers geregelt wird. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur unterbrechungsfreien Gleichstromversorgung.
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Die Eingangsspannung kann sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung sein. Im Normalbetrieb stellt die Gleichstromversorgungseinheit die Ausgangsgleichspannung durch Wandlung einer Eingangsgleichspannung oder durch Gleichrichtung einer Eingangswechselspannung zur Verfügung. Wenn keine oder keine ausreichend hohe Eingangsspannung zur Verfügung steht, wechselt die Gleichstromversorgungseinheit in den Pufferbetrieb, während dessen die Ausgangsgleichspannung vom Energiespeicher, wie einem Akkumulator, einer Batterie, oder einem Kondensator, zur Verfügung gestellt wird.
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Stand der Technik
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Eine unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit versorgt eine am Ausgang angeschlossene Last auch während eines Einbruchs der Versorgungsspannung, die hier auch als Eingangsspannung bezeichnet wird. Neben der Last ist auch ein Energiespeicher, wie ein Akkumulator, der unterbrechungsfreien Stromversorgungseinheit an die Eingangsspannung angeschlossen. Dieser Energiespeicher wird während des Normalbetriebs geladen und bei einem Einbruch der Versorgungsspannung als Energielieferant verwendet. Durch das Laden des Energiespeichers ist der Eingangsstrom der Stromversorgungseinheit die Summe aus dem Ladestrom und dem Laststrom. Dies kann dazu führen, dass die Stromversorgungseinheit für die Dauer des Ladens überlastet wird. Dadurch bricht die Eingangsspannung der Stromversorgungseinheit ein. In weiterer Folge führt dies zu einer Fehlfunktion, da die Stromversorgungseinheit zwischen Pufferbetrieb und Normalbetrieb hin und her wechselt.
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Indem die speisende Spannungsquelle für den maximal auftretenden Strom ausgelegt wird, kann gewährleistet werden, dass der Energiespeicher auch bei Volllast geladen werden kann. Die speisende Spannungsquelle muss also überdimensioniert werden, was oft nicht wünschenswert ist.
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Die
DE 10 2013 104 380 A1 schlägt alternativ eine Ladestromreduktion auf Basis der gemessenen Eingangsspannung vor. Dabei wird je eine Schwelle ober- und unterhalb der eingestellten Eingangsspannung festgelegt. Sinkt beim Laden des Energiespeichers die Eingangsspannung unter die untere Schwelle, so wird der Ladestrom in Abhängigkeit von der Differenz zwischen gemessener Eingangsspannung und unterer Schwelle reduziert. Steigt die Eingangsspannung über die obere Schwelle, durch Reduktion des Ladestroms oder des Laststroms, wird der Ladestrom erhöht. Auch hier kann es zu einer unerwünschten laufenden Änderung des Ladestroms kommen.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Gleichstromversorgungseinheit anzugeben, bei welcher die Reduktion des Ladestroms ohne laufende direkte Messung der Eingangsspannung bewirkt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gleichstromversorgungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, nämlich durch eine Gleichstromversorgungseinheit zur unterbrechungsfreien Versorgung einer Last mit Gleichstrom, wobei die Gleichstromversorgungseinheit umfasst
- – einen Eingang für eine Eingangsspannung,
- – einen Ausgang für eine Ausgangsgleichspannung, aus dem eine an den Ausgang angeschlossene Last einen Laststrom beziehen kann,
- – einen Energiespeicher, der über den Eingang mit einem Ladestrom geladen werden und im Pufferbetrieb eine Ersatz-Ausgangsgleichspannung zur Verfügung stellen kann,
- – eine Regeleinheit, mit welcher der Ladestrom des Energiespeichers geregelt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Regeleinheit so ausgebildet ist, dass der Ladestrom des Energiespeichers reduziert wird, wenn ein Kriterium für das Beenden des Pufferbetriebs innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne erfüllt ist. Dies ist gleichbedeutend mit der Tatsache, dass der Ladestrom des Energiespeichers reduziert wird, wenn der Pufferbetrieb eine vorgegebene Zeitspanne unterschreitet.
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Das Kriterium für das Beenden des Pufferbetriebs ist in der Regel das Ansteigen der Eingangsspannung nach Umschalten auf Pufferbetrieb auf einen vorgegebenen Mindestwert der Eingangsspannung.
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Die unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit erkennt anhand der Dauer des Pufferbetriebs eine Überlastung der speisenden Quelle und reduziert folglich den Ladestrom.
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Denn wenn die Eingangsspannung beim Einschalten des Ladestromes einbricht, wechselt die Gleichstromversorgungseinheit in den Pufferbetrieb und versorgt die Last mit Hilfe des angeschlossenen Energiespeichers. Während des Pufferbetriebs wird der Energiespeicher nicht geladen und die Last vom Energiespeicher versorgt, daher reduziert sich der Eingangsstrom auf 0A. Diese Reduktion führt dazu, dass die Eingangsspannung wieder ansteigt und die Gleichstromversorgungseinheit beendet den Pufferbetrieb. Ein solcher kurzzeitiger Pufferbetrieb ist ein Indikator dafür, dass der Ladestrom den Einbruch der Eingangsspannung verursacht. Die Gleichstromversorgungseinheit verwendet diesen Indikator, um den Ladestrom zu reduzieren.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ladestrom des Energiespeichers erst reduziert wird, wenn eine vorgegebene Dauer des Pufferbetriebs verstrichen ist. So könnte etwa der Benutzer der Gleichstromversorgungseinheit einstellen, dass ein Pufferbetrieb immer eine bestimmte Dauer haben muss, z.B. mindestens 2 Minuten. In diesem Fall würde die Regeleinheit den Pufferbetrieb erst nach dieser Dauer, also eben nach 2 Minuten, beenden und auch den Ladestrom erst nach dieser Dauer reduzieren, auch wenn sich die Eingangsspannung bereits früher, also z.B. 500ms nach Beginn des Pufferbetriebs, wieder erholt hat und damit bereits früher auf Normalbetrieb bzw. Ladebetrieb mit reduziertem Ladestrom umgeschaltet werden könnte.
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Eine besonders einfache Art der Regelung sieht vor, dass der Ladestrom des Energiespeichers halbiert wird, wenn das Kriterium für das Beenden des Pufferbetriebs innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne erfüllt ist.
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Wenn nach einer Reduktion des Ladestroms erneut ein solcher kurzzeitiger Pufferbetrieb eintritt, wird der – schon zuvor reduzierte – Ladestrom noch weiter reduziert. Eine solche typische minimale Pufferzeit kann im Bereich von einigen 100ms bis zu mehreren Minuten vorgegeben werden. Es kann also vorgesehen sein, dass der Ladestrom des Energiespeichers weiter reduziert wird, wenn die Gleichstromversorgungseinheit erneut in den Pufferbetrieb geht und das Kriterium für das Beenden des Pufferbetriebs innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne erfüllt ist, also dieser Pufferbetrieb wieder die vorgegebene Zeitspanne unterschreitet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ladestrom erneut halbiert wird.
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Wenn nach einmaligem Auftreten des kurzzeitigen Pufferbetriebs der Ladestrom reduziert worden ist und dann ein zweites Mal ein kurzzeitiger Pufferbetrieb auftritt, wird der Ladestrom also nochmals reduziert. Sollte danach nochmals ein kurzzeitiger Pufferbetrieb auftreten, wird der Ladestrom nochmals reduziert, und so weiter, bis kein kurzzeitiger Pufferbetrieb mehr auftritt. Mit diesem reduzierten Ladestrom wird weiter geladen. Nach einer definierten Zeit oder Reduktion des Laststromes kann versucht werden den Ladestrom wieder zu erhöhen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur unterbrechungsfreien Gleichstromversorgung einer Last bedient sich einer Gleichstromversorgungseinheit mit Energiespeicher, wobei
- – an einem Eingang der Gleichstromversorgungseinheit eine Eingangsspannung anliegt,
- – an einem Ausgang der Gleichstromversorgungseinheit eine Ausgangsgleichspannung anliegt, sodass eine an den Ausgang angeschlossene Last einen Laststrom bezieht,
- – ein Energiespeicher im Normalbetrieb über den Eingang mit einem Ladestrom geladen wird und im Pufferbetrieb eine Ersatz-Ausgangsgleichspannung zur Verfügung stellt,
- – eine Regeleinheit den Ladestrom des Energiespeichers regelt. Dabei ist vorgesehen, dass der Ladestrom des Energiespeichers reduziert wird, wenn ein Kriterium für das Beenden des Pufferbetriebs innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne erfüllt ist, wenn also der Pufferbetrieb eine vorgegebene Zeitspanne unterschreitet.
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Wie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gleichstromversorgungseinheit erläutert, kann der Ladestrom des Energiespeichers halbiert werden, wenn der Pufferbetrieb eine vorgegebene Zeitspanne unterschreitet. Ebenso kann der Ladestrom des Energiespeichers weiter reduziert, z.B. nochmals halbiert, werden, wenn die Gleichstromversorgungseinheit erneut in den Pufferbetrieb geht und dieser wieder die vorgegebene Zeitspanne unterschreitet.
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Wenn es aufgrund einer Reduktion des Ladestromes möglich ist, die angeschlossene Last mit der speisenden Quelle zu versorgen, kann im Zuge der Reduktion des Ladestromes ein Rückschluss auf die Leistungsfähigkeit der speisenden Quelle gezogen werden, welche die Eingangsspannung zur Verfügung stellt. Insofern kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass aus dem Maß der Reduktion des Ladestroms, die für ein Ende eines kurzzeitigen Pufferbetriebs notwendig ist, ein Maß für die Leistungsfähigkeit der speisenden Quelle bestimmt wird, welche die Eingangsspannung zur Verfügung stellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass aus dem Spannungseinbruch der Eingangsspannung, die durch die Last entsteht, im Vergleich zum Leerlauf der Gleichstromversorgungseinheit, also wenn sich keine Last am Ausgang befindet, die Art der speisenden Quelle bestimmt wird. Dabei darf an der speisenden Quelle keine andere Last hängen, deren Strombedarf unbekannt ist. Als speisende Quellen werden von einem Hersteller in der Regel Stromversorgungen in verschiedenen Ausführungen mit jeweils bekannten Eigenschaften, wie mit einem Nennstrom in bestimmten Abstufungen, angeboten. Aus dem Unterschied der Eingangsspannung der Gleichstromversorgungseinheit mit und ohne Last kann auf die konkrete Stromversorgung, also speisende Quelle, nämlich auf deren Nennstrom, geschlossen werden. Die Messung der Eingangsspannung muss hier nicht ständig, sondern jeweils nur einmalig, im Leerlauf und nach Anschluss der Last, erfolgen. Die angeschlossene Last muss dabei so hoch sein, dass eine messbare Spannungsdifferenz entsteht.
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Aufgrund des bekannten Nennstroms der speisenden Quelle kann dann der Ladestrom so an den Laststrom angepasst werden, dass der Nennstrom der speisenden Quelle nicht überschritten wird.
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Wenn durch das Zuschalten des Ladestromes die Ausgangsspannung der speisenden Quelle (welche die Eingangsspannung für die Gleichstromversorgungseinheit darstellt) unter die Puffer-Umschaltschwelle sinkt, ist klar, dass der Ladestrom zu hoch für die speisende Quelle ist. Bricht im Betrieb die Eingangsspannung der unterbrechungsfreien Stromversorgungseinheit ein, so wird der Ladestrom völlig abgeschaltet. Bricht beim Zuschalten der Last auf die speisende Quelle die Eingangsspannung der unterbrechungsfreien Stromversorgungseinheit nicht wieder ein, ist klar, dass die speisende Quelle zumindest die Last versorgen kann. Der Ladestrom wird dann in kleinen Schritten von 0A weg erhöht. Kommt es ab einem bestimmten Ladestrom wieder zu einer Überlastung der speisenden Quelle so wird der Ladestrom um einen vorgegebenen Wert oder einen vorgegebenen Prozentsatz reduziert, damit die speisende Quelle nicht in der Leistungsgrenze betrieben wird.
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Grundsätzlich gilt, dass bei einer Reduktion des Laststromes der Ladestrom um die Differenz des Laststromes automatisch angehoben werden kann, die Regeleinheit der Gleichstromversorgungseinheit also entsprechend ausgebildet sein kann.
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Bei allen Ausführungsformen werden vorzugsweise die ermittelten Werte des reduzierten Ladestroms abgespeichert und dienen nach dem Wiedereinschalten der Gleichstromversorgungseinheit (bzw. der Anlage, deren Bestandteil die Gleichstromversorgungseinheit ist) als Vorgabewert für den Ladestrom. Bei einer neuerlichen Überlastung wird das Verfahren erneut durchgeführt, denn die Konfiguration der speisenden Quelle könnte sich in der Zwischenzeit geändert haben.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann der Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator, optimal und schnellstmöglich aufgeladen werden, unter Berücksichtigung der speisenden Quelle. Dadurch ist eine Überdimensionierung der speisenden Quelle nicht mehr notwendig. Weiters benötigt die erfindungsgemäße Methode keine zusätzliche laufende Messung für die Beurteilung der Versorgungsspannung der Gleichstromversorgungseinheit.
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Die Regeleinheit der Gleichstromversorgungseinheit wird meist physisch ein Teil der Gleichstromversorgungseinheit sein, sie könnte jedoch auch von der der Gleichstromversorgungseinheit getrennt und mittels Datenverbindung mit dieser verbunden sein. Die Regeleinheit kann etwa einen Rechner umfassen, in welchem mindestens die vorgegebene Zeitspanne für den unerwünscht kurzen Pufferbetrieb hinterlegt ist. Zusätzlich können dort auch die Werte des Ladestroms über die Zeit abgespeichert sein. Dieser Rechner kann in der Gleichstromversorgungseinheit integriert sein, er kann aber auch entfernt von der Gleichstromversorgungseinheit aufgestellt und nur mittels Datenverbindung mit der Gleichstromversorgungseinheit verbunden sein. Der Rechner kann auch weitere Steuerungs- und Regelungsaufgaben für die Gleichstromversorgungseinheit ausführen bzw. auch ein bestehender Rechner kann die zusätzlichen erfindungsgemäßen Aufgaben übernehmen.
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Da die Arbeit der Regeleinheit in der Regel durch einen Rechner ausgeführt werden wird, betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher eines Rechners der Regeleinheit der Gleichstromversorgungseinheit ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm vom Rechner ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise ein Datenträger sein, auf welchem ein entsprechendes Computerprogramm gespeichert ist, oder es kann ein Signal oder Datenstrom sein, der über eine Datenverbindung in den Prozessor des Rechners der Regeleinheit geladen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013104380 A1 [0005]