DE102021210940A1

DE102021210940A1 - Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102021210940A1
Application number: DE102021210940.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Senft
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-03-30
Also published as: WO2023052000A1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Anordnung (10) umfasst zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (2), die jeweils einen Eingang (4) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung (5), einen Ausgang (6) zur Verbindung mit einer elektrischen Last (20) und zumindest einen Energiespeicher (8) umfassen. Jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) ist derart ausgebildet, dass sie bei Vorhandensein einer normalen Spannung (U) am Eingang (4) sowohl den Eingang (4) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu versorgen, als auch den Eingang (4) mit dem Energiespeicher (8) elektrisch verbindet, um in einem Ladebetrieb den Energiespeicher (8) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu laden bzw. geladen zu halten. Bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung (U) am Eingang (4) verbindet sie in einem Pufferbetrieb elektrisch den Energiespeicher (8) mit dem Ausgang (6), um die elektrische Last (20) mit Strom aus dem Energiespeicher (8) zu versorgen. Die Ausgänge (6) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) sind dabei parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last (20) angeschlossen, wobei die Energiespeicher (8) im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Hierdurch kann die Zeit für den Pufferbetrieb und somit die Ausfallsicherheit der Last (20) erhöht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß Patentanspruch 8.
In vielen technischen Bereichen wie zum Beispiel in der industriellen Automatisierungstechnik oder der Gebäudetechnik ist eine absolut zuverlässige Stromversorgung eine notwendige Voraussetzung für den reibungslosen Betrieb einer elektrischen Anlage.
Um einen Betrieb der elektrischen Anlage unabhängig von Störungen und Ausfällen im Energieversorgungsnetz der Anlage sicherzustellen, werden häufig unterbrechungsfreie Stromversorgungen (kurz: USV) eingesetzt. Diese werden manchmal auch als „Uninterruptable Power Supply“ bzw. „UPS-Systeme“ bezeichnet. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung dient dazu, bei einer Störung oder einem Ausfall der normalen Energieversorgung eine hilfsweise Energieversorgung für die elektrische Anlage bereitzustellen.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind beispielsweise aus der EP 3 422 531 A1 , der WO 2018/172397 A1 , der EP 3 618 219 B1 , der EP 2 787 405 B1 und der EP 2 790 291 A1 bekannt.
Bei vielen Anlagen der industriellen Automatisierungstechnik oder der Gebäudetechnik werden heute zu deren Energieversorgung Stromversorgungen installiert, welche aus einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem Drehstromnetz, gespeist werden, und eine Gleichstrom-Ausgangsspannung (z.B. 24 Volt Gleichspannung) zur Versorgung der Anlage liefern. Moderne elektronische Stromversorgungen sind dabei üblicherweise als getaktete Stromversorgungen bzw. Schaltnetzteile (manchmal auch als Schaltnetzgeräte bezeichnet) ausgebildet. Derartige getaktete Stromversorgungen bzw. Schaltnetzteile sind beispielsweise aus der EP 3 544 166 A1 und der EP 3 451 476 A1 bekannt.
Das Energieversorgungsnetz bzw. eine derartige Stromversorgung stellen somit eine (Grund-) Spannungsversorgung bereit, die an einem Eingang der unterbrechungsfreien Stromversorgung anliegt.
Die unterbrechungsfreie Stromversorgung umfasst üblicherweise einen Eingang zur Verbindung mit der (Grund-) Spannungsversorgung, einen Ausgang zur Verbindung mit einer elektrischen Last und zumindest einen Energiespeicher.
Die unterbrechungsfreie Stromversorgung ist dabei derart ausgebildet, dass sie bei Vorhandensein einer normalen Spannung am Eingang sowohl den Eingang mit dem Ausgang elektrisch verbindet, um die elektrische Last mit Strom aus der Spannungsversorgung zu versorgen, als auch den Eingang mit dem Energiespeicher elektrisch verbindet, um den Energiespeicher in einem Ladebetrieb mit Strom aus der Spannungsversorgung zu laden bzw. geladen zu halten. Bei einem Ausfall oder einer Störung (z.B. einem Unterschreiten eines Schwellwertes) der Spannung am Eingang verbindet sie in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher elektrisch mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus dem Energiespeicher zu versorgen. Im besten Fall ist die Störung oder der Ausfall innerhalb des möglichen Pufferbetriebes wieder behoben und die Stromversorgung der Last konnte dann unterbrechungsfrei oder nahezu unterbrechungsfrei aufrechterhalten werden.
Eine normale Spannung ist hierbei beispielsweise eine Spannung, die in einem definierten zulässigen Bereich liegt.
In die elektrische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang können dabei auch ein oder mehrere elektrische Komponenten geschaltet sind, wie z.B. ein Spannungs- oder Stromsensor. In die elektrische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Energiespeicher können ebenfalls ein oder mehrere elektrische Komponenten geschaltet sind, wie z.B. ein Laderegler zum gezielten Laden des Energiespeichers mit der an dem Eingang anliegenden Spannung (z.B. mit einer Ladekennlinie in Abhängigkeit von der Spannung und Temperatur des Energiespeichers). Auch in die elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher und dem Ausgang können ein oder mehrere elektrische Komponenten geschaltet sind, wie z.B. ein Entladeregler zum gezielten Entladen des Energiespeichers und zum Anpassen der Ausgangsspannung des Energiespeichers auf einen am Ausgang gewünschten Wert.
Wie beispielsweise in der EP 3 618 219 B1 offenbart ist, umfasst die unterbrechungsfreie Stromversorgung hierzu typischerweise eine Grundeinheit sowie den Energiespeicher.
Der Energiespeicher umfasst dabei üblicherweise ein oder mehrere Akkumulatormodule. Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie, typischerweise auf Basis eines elektrochemischen Systems, durch welches beim Aufladen elektrische Energie in chemische (Speicher-)Energie umgewandelt und beim Entladen wieder in elektrische Energie zurückgewandelt wird. Akkumulatortypen werden üblicherweise nach den jeweils verwendeten Materialien bezeichnet. Bekannte Akkumulatortypen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Blei-Akkumulatoren, etc. Synonym kann für den Begriff Akkumulator oder kurz Akku auch der Begriff wiederaufladbare Batterie bzw. Batterie verwendet werden.
Die Grundeinheit der unterbrechungsfreien Stromversorgung umfasst den Eingang zur Verbindung mit der Spannungsversorgung und den Ausgang zur Verbindung mit der elektrischen Last wie vorstehend erwähnt. Weiterhin umfasst die Grundeinheit üblicherweise eine Umschalteinheit, eine Lade- und/oder Entladeeinheit sowie eine Steuereinheit (siehe beispielsweise EP 3 618 219 B1 ). Die Lade- und/oder Entladeeinheit wird für das gezielte Laden und/oder Entladen des Akkumulatormoduls bzw. der Akkumulatormodule eingesetzt. Die Steuereinheit dient der Ansteuerung der Lade- und/oder Entladeeinheit. Die Umschalteinheit verbindet bei einer Störung oder bei Ausfall der Spannungsversorgung aus dem Energieversorgungsnetz das zumindest eine Akkumulatormodul mit der Last.
Ohne Störungen oder Ausfälle in der Spannungsversorgung (d.h. im Energieversorgungsnetz oder der daran angeschlossenen Stromversorgung) wird von der unterbrechungsfreien Stromversorgung elektrische Energie aus der Spannungsversorgung sowohl an die angeschlossene Last als auch an den Energiespeicher weitergeleitet, d.h. der Energiespeicher wird aufgeladen. Wenn eine Störung oder ein Ausfall in der Spannungsversorgung auftritt, wird der Energiespeicher mit der Last verbunden und beginnt sich zur Last hin zu entladen, um die elektrische Energieversorgung aufrecht zu erhalten. Wenn die Spannungsversorgung wieder in ihren Normalzustand zurückkehrt, werden wiederum die Last und der Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. D.h. bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgung wird während des Normalbetriebs der Spannungsversorgung der Energiespeicher geladen und im Störfall entladen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, die Ausfallsicherheit der Last gegen Störungen und Ausfällen im Energieversorgungsnetz oder einer daran angeschlossenen Stromversorgung weiter zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß Patentanspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen, die jeweils

- einen Eingang zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung,
- einen Ausgang zur Verbindung mit einer elektrischen Last und
- zumindest einen Energiespeicher umfassen.

Jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen ist derart ausgebildet, dass sie bei Vorhandensein einer normalen Spannung am Eingang sowohl den Eingang mit dem Ausgang elektrisch verbindet, um die elektrische Last mit Strom aus der Spannungsversorgung zu versorgen, als auch den Eingang mit dem Energiespeicher elektrisch verbindet, um in einem Ladebetrieb den Energiespeicher mit Strom aus der Spannungsversorgung zu laden bzw. geladen zu halten. Bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung am Eingang verbindet sie in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher elektrisch mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus dem Energiespeicher zu versorgen.
Erfindungsgemäß sind die Ausgänge der unterbrechungsfreien Stromversorgungen parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last angeschlossen. Die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen sind dabei im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden.
Durch die parallele Versorgung der Last aus zumindest zwei unterbrechungsfreien Stromversorgungen kann zum einen die Pufferzeit, d.h. die Zeitdauer des Pufferbetriebes, entsprechend der Summe der Speicherkapazitäten der Energiespeicher vergrößert werden. Weiterhin kann der Nennstrom (bzw. die elektrische Nennleistung), der der Last zuführbar ist, entsprechend der Summe der Nennströme der unterbrechungsfreien Stromversorgungen vergrößert werden. Zum anderen wird eine Redundanz in der Versorgung der Last durch die unterbrechungsfreien Stromversorgungen bereitgestellt, d.h. bei Ausfall einer der unterbrechungsfreien Stromversorgungen ist noch eine Versorgung durch zumindest eine weitere unterbrechungsfreie Stromversorgung sichergestellt.
Allerdings würde die Parallelschaltung der unterbrechungsfreien Stromversorgungen im Pufferbetrieb zu dem Problem führen, dass sich unterschiedliche Ausgangsspannungen an den Energiespeichern und somit an den Ausgängen der unterbrechungsfreien Stromversorgungen einstellen. Gründe hierfür können beispielsweise unterschiedliche Ladezustände der Energiespeicher und Verschiebungen der Ausgangsspannungen der Energiespeicher aufgrund unterschiedlicher Alterungsprozesse der Energiespeicher sein. Selbst wenn zu Beginn des Pufferbetriebes die Ausgangsspannungen der Energiespeicher gleich sind, können sie während des Entladevorganges voneinander abweichen. Diese Effekte können dazu führen, dass die unterbrechungsfreie Stromversorgung mit der höheren Ausgangsspannung einen deutlich größeren Teil der elektrischen Leistung für die Versorgung der Last übernehmen muss und deshalb wegen Überlastung abschaltet. Um unterschiedliche Ausgangsspannungen der Energiespeicher im Pufferbetrieb zu vermeiden, werden erfindungsgemäß in diesem Betriebsfall die Energiespeicher elektrisch in einer direkten Parallelschaltung miteinander verbunden und somit auf gleiches Spannungspotenzial gebracht. Hierdurch wird sichergestellt, dass es zu keiner einseitigen Überlastung einer der unterbrechungsfreien Stromversorgungen bis hin zu deren Abschalten kommt.
Unter einer direkten Parallelschaltung wird hierbei eine Parallelschaltung auf direktem bzw. kürzestem elektrischen Wege zwischen Anschlüssen oder Polen der Energiespeicher verstanden. Die Energiespeicher werden hierzu auf ein gleiches oder nahezu gleiches Spannungspotenzial gebracht und es sind in der Regel keine Verbraucher in diese elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet. Im Gegensatz hierzu wäre eine „indirekte“ Parallelschaltung der Energiespeicher beispielsweise eine Parallelschaltung über die gemeinsame Last und ggf. weitere zwischengeschaltete verlustbehaftete Komponenten (z.B. Spannungsregler, Entkopplungsdioden). Es wäre in letzterem Fall dann aber nicht sichergestellt, dass sich die Energiespeicher auf einem gleichem oder nahezu gleichem Spannungspotenzial befinden.
Die zumindest zwei unterbrechungsfreien Stromversorgungen sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Sie können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein.
Im Ergebnis kann durch die Erhöhung der Pufferzeit und das Einbringen von Redundanz die Ausfallsicherheit für den Betrieb der Last gegen Störungen und Ausfällen des Energieversorgungsnetzes oder einer daran angeschlossenen Stromversorgung erhöht werden.
Allerdings könnte eine unterbrechungsfreie Stromversorgung im Ladebetrieb aufgrund der Parallelschaltung der Energiespeicher die Ladespannung einer anderen unterbrechungsfreien Stromversorgung als Klemmenspannung der Energiespeicher sehen und damit das Laden beenden, weil fälschlicherweise die Energiespeicher als vollgeladen erkannt werden. Um dies zu vermeiden, sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Energiespeicher im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt.
Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung weisen die unterbrechungsfreien Stromversorgungen jeweils einen Meldekontakt zum Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher auf.
Die Meldekontakte können dann an ein Relais angeschlossen sein, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist. Über das Relais kann in einfacher Art und Weise sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher erfolgen.
Vorzugsweise bestromen die Meldekontakte das Relais derart, dass es im Pufferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet, und dass es im Ladebetrieb öffnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Anordnung auch derart ausgebildet sein, dass sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher durch die Spannung an den Eingängen der unterbrechungsfreien Stromversorgungen steuerbar ist.
An die Eingänge der unterbrechungsfreien Stromversorgungen kann dann beispielsweise jeweils ein Relais angeschlossen sein, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist. Über das Relais kann dann in einfacher Art und Weise sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher erfolgen.
Vorzugsweise bestromt der Eingang das Relais dann derart, dass es im Pufferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet, und dass es im Ladebetrieb öffnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die Energiespeicher auch im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen das Laden der Energiespeicher durch die jeweils andere(n) unterbrechungsfreie(n) Stromversorgung(en) steuert. Beispielsweise könnten die unterbrechungsfreien Stromversorgungen hierzu derart miteinander in Kommunikation stehen, dass sie einen Master-Slave-Betrieb realisieren. Eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen könnte als Master agieren und eine Ladeschlussspannung vorgeben und die andere unterbrechungsfreie Stromversorgung bzw. die anderen unterbrechungsfreien Stromversorgungen würden dann nur als Slave agieren, der ferngesteuert einen zusätzlichen Ladestrom liefert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bezieht sich auf den Betrieb einer Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen, die jeweils einen Eingang zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung, einen Ausgang zur Verbindung mit einer elektrischen Last und zumindest einen Energiespeicher umfassen.
Jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen verbindet elektrisch bei Vorhandensein einer normalen Spannung am Eingang sowohl den Eingang mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus der Spannungsversorgung zu versorgen, als auch in einem Ladebetrieb den Eingang mit dem Energiespeicher, um den Energiespeicher mit Strom aus der Spannungsversorgung zu laden bzw. geladen zu halten. Bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung am Eingang verbindet sie elektrisch in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus dem Energiespeicher zu versorgen.
Erfindungsgemäß werden die Ausgänge der unterbrechungsfreien Stromversorgungen parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last angeschlossen. Die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen sind dabei im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Energiespeicher im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung steuern die unterbrechungsfreien Stromversorgungen über jeweils einen Meldekontakt sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher.
Die Meldekontakte können hierzu ein Relais steuern, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist.
Das Relais kann dann von den Meldekontakten derart bestromt werden, dass es im Pufferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet, und dass es im Ladebetrieb öffnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt.
Alternativ oder zusätzlich kann sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher durch die Spannung an den Eingängen der unterbrechungsfreien Stromversorgungen gesteuert werden.
Die Spannung steuert dann von Vorteil ein Relais, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist.
Das Relais wird dann von Vorteil über den Eingang derart bestromt, dass es im Pufferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet, und dass es im Ladebetrieb öffnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungsfreien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt.
Alternativ können die Energiespeicher auch im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden sein, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen das Laden der Energiespeicher durch die jeweils andere(n) unterbrechungsfreie(n) Stromversorgung(en) steuert.
Die für die erfindungsgemäße Anordnung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen genannten Wirkungen und Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Dabei sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1 eine Anordnung, umfassend zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen, die parallel zueinander an eine Last angeschlossen sind,
2 ein Beispiel für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung,
3 die Anordnung von 1, wobei zusätzlich die Energiespeicher in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind,
4 die Anordnung von 3 mit einem Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher durch Meldekontakte der unterbrechungsfreien Stromversorgungen,
5 die Anordnung von 3 mit einem Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher durch die Spannungen an den Eingängen der unterbrechungsfreien Stromversorgungen, und
6 die Anordnung von 3 mit einem Master-Slave Betrieb der unterbrechungsfreien Stromversorgungen beim Laden der Energiespeicher.

1 zeigt ein Energieversorgungssystem 1 für eine elektrische Last 20. Bei der Last 20 handelt es sich beispielsweise um Automatisierungskomponenten (z.B. Steuerungen, Ein-/Ausgabemodule, Kommunikationskomponenten, HMI-Geräte, Industrie-PCs, Sensoren, Aktoren) einer Anlage der Prozessindustrie, der diskreten Fertigungsindustrie oder der Gebäudetechnik.
Die Energie- bzw. Stromversorgung der Last 20 erfolgt durch eine Anordnung 10 umfassend zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen 2, die jeweils eine Grundeinheit 3 mit einem Eingang 4 mit Anschlüssen 4a, 4b zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung 5, einen Ausgang 6 mit Anschlüssen 6a, 6b zur Verbindung mit der elektrischen Last 20 und zumindest einen Energiespeicher 8 umfassen. Die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Sie können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein, d.h. dass konstruktive und auch funktionelle Abweichungen vorkommen und nur die Grundfunktionalitäten gleich sind.
Die Spannungsversorgung 5 der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 kann direkt durch ein Energieversorgungsnetz 11 bereitgestellt werden. Üblicherweise wird die Spannungsversorgung 5 aber durch eine elektronische Stromversorgung in Form eines Schaltnetzteiles 9 bzw. einer getakteten Stromversorgung (manchmal auch als Schaltnetzgerät bezeichnet) bereitgestellt. Ein derartiges Schaltnetzteil 9 wird aus dem dreiphasigen Energieversorgungsnetz 11, das insbesondere als Drehstromnetz ausgebildet ist, gespeist und stellt an seinem Ausgang eine Gleichstrom-Ausgangsspannung U (z.B. 24 Volt Gleichspannung bei einem Nennstrom von 40 A) zur Versorgung einer Last bereit. Derartige Schaltnetzteile sind beispielsweise aus der EP 3 544 166 A1 und der EP 3 451 476 A1 bekannt.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist deshalb jeder der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 ein derartiges Schaltnetzteil 9 vorgeschaltet, wobei sämtliche Schaltnetzteile 9 eingangsseitig an das dreiphasige Energieversorgungsnetz 11 angeschlossen sind und daraus gespeist werden.
Das Energieversorgungsnetz 11 bzw. ein Schaltnetzteil 9 stellt somit die Spannung U bereit, die an dem Eingang 4 der unterbrechungsfreien Stromversorgung 2 anliegt.
Die unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 ist dabei derart ausgebildet, dass sie in einem „Normalbetrieb“ betrieben wird, wenn die Spannung U am Eingang 4 in einem normalen Bereich (d.h. in einem definierten zulässigen Bereich) liegt. In diesem Normalbetrieb ist der Eingang 4 mit dem Ausgang 6 elektrisch verbunden, um die elektrische Last 20 mit Strom aus der Spannungsversorgung 5 zu versorgen. Außerdem ist der Eingang 4 mit dem Energiespeicher 8 elektrisch verbunden, um den Energiespeicher 8 in einem Ladebetrieb mit Strom aus der Spannungsversorgung 5 zu laden bzw. geladen zu halten. Bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung U, d.h. wenn die Spannung U außerhalb des definierten zulässigen Bereiches liegt, verbindet die unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher 8 elektrisch mit dem Ausgang 6, um die elektrische Last 20 zumindest für eine gewisse Zeit mit Strom aus dem Energiespeicher 8 zu versorgen.
Der Energiespeicher 8 umfasst dabei üblicherweise ein oder mehrere nicht näher dargestellte Akkumulatormodule bzw. Batterien.
Wie in 2 gezeigt ist, kann die Grundeinheit 3 beispielsweise eine Umschalteinheit 31, eine Lade- und/oder Entladeeinheit 32 (hier eine kombinierte Lade-/Entladeeinheit) sowie eine Steuereinheit 33 umfassen (siehe z.B. EP 3 618 219 B1 ).
Im Normalbetrieb verbindet die Umschalteinheit 31 elektrisch den Eingang 4 mit dem Ausgang 6. Die am Ausgang 6 angeschlossene Last 20 wird somit mit Strom bzw. elektrischer Energie aus dem Schaltnetzteil 9 versorgt.
Weiterhin verbindet die Umschalteinheit 31 den Eingang 4 über die Lade-/Entladeeinheit 32 mit dem Energiespeicher 8. Hierdurch wird der Energiespeicher 8 in einem Ladebetrieb mit Strom aus dem Schaltnetzteil 9 geladen bzw. geladen gehalten. Die Umschalteinheit 31 trennt hierbei den Energiespeicher 8 von dem Ausgang 6 bzw. von der daran angeschlossenen Last 20.
Die Lade-/Entladeeinheit 32 dient zum gezielten Laden und Entladen des Energiespeichers 8, zum Beispiel in Abhängigkeit von dessen Temperatur und anderer Parameter und umfasst einen Laderegler 32a und einen Entladeregler 32b. Der Laderegler 32a dient zur Regelung der Spannung U am Eingang 4 auf einen gewünschten Wert an den Anschlüssen 8a, 8b des Energiespeichers 8 (z.B. zum gezielten Laden des Energiespeichers in Abhängigkeit von einer Ladekennlinie). Der Entladeregler 32b dient zum gezielten Entladen des Energiespeichers 8 und zur Regelung der Ausgangsspannung des Energiespeichers 8 auf einen gewünschten Wert am Ausgang 6 der unterbrechungsfreien Stromversorgung 2. Optional kann auch nur eine Ladeeinheit oder nur eine Entladeeinheit vorhanden sein.
Wenn eine Störung oder ein Ausfall der Spannung U auftritt, d.h. wenn die Spannung U außerhalb des definierten zulässigen Bereiches liegt, trennt die Umschalteinheit 31 üblicherweise den Ausgang 6 von dem Eingang 4 bzw. von dem Schaltnetzteil 9 (es ist aber auch möglich, dass der Ausgang 6 und der Eingang 4 weiterhin elektrisch miteinander verbunden bleiben). Die Umschalteinheit 31 verbindet dafür den Energiespeicher 8 mit dem Ausgang 6 bzw. der daran angeschlossenen Last. Der Energiespeicher 8 entlädt sich über den Ausgang 6 und versorgt in einem Pufferbetrieb über den Ausgang 6 eine daran angeschlossene Last mit elektrischem Strom bzw. elektrischer Energie. Die Versorgung der Last kann somit auch bei einer Störung oder einem Ausfall der Spannung U für eine bestimmte Zeit (die sogenannte „Pufferzeit“), die von der in dem Energiespeicher 8 gespeicherten Menge an elektrischer Energie abhängt, weiter aufrechterhalten werden. Im besten Fall ist die Störung oder der Ausfall der Spannung U innerhalb der Pufferzeit wieder behoben und die Stromversorgung der Last konnte somit unterbrechungsfrei aufrechterhalten werden.
Die Steuereinheit 33 dient der Ansteuerung der Lade-/Entladeeinheit 32 sowie der Umschalteinheit 31. Die Steuereinheit 33 überwacht hierzu über nicht näher dargestellte Sensoren die Spannungen und Ströme am Eingang 4, am Ausgang 6 sowie am Energiespeicher 8 auf zulässige Werte und sorgt beispielsweise bei Erreichen unzulässiger Werte für eine Sicherheitsabschaltung.
Bei einer industriellen Anwendung können die Grundeinheit 3 und der Energiespeicher 8 räumlich getrennt voneinander installiert sein. Die Grundeinheit 3 befindet sich beispielsweise in einem Gehäuse, welches z.B. in einem Schaltschrank auf einer Hutschiene montiert ist. Der zugehörige Energiespeicher 8 ist wegen des niedrigeren Temperaturniveaus am Boden des Schaltschranks oder einer anderen Stelle angebracht.
Der Energiespeicher 8 kann auch eine Überwachungseinheit 34 umfassen, die die Betriebsparameter des Energiespeichers 8 (z.B. Akku-Temperatur, Akku-Spannung, etc.) sowie charakteristische Parameter (z.B. Ladeschlussspannung, maximaler Ladestrom, Temperatorabhängigkeit der Ladeschlussspannung, Entladeschlussspannung, Akkumulatortyp, Akkumulatorgröße, etc.) feststellt und speichert.
Wie in 1 gezeigt ist, sind die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 mit ihren jeweils vorgeschalteten Schaltnetzteilen 9 über ihre jeweiligen Ausgänge 6 und jeweils eine nachgeschaltete Diodeneinheit 12 parallel zueinander an die (gemeinsame) elektrische Last 20 angeschlossen. Durch die parallele Versorgung der Last 20 aus den zwei unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 kann zum einen der Nennstrom, der der Last 20 zuführbar ist, entsprechend der Summe der Nennströme der beiden Schaltnetzteile 9 vergrößert werden (hier beispielsweise von 40 A auf 80 A). Insbesondere kann aber die Pufferzeit, d.h. die Zeitdauer des Pufferbetriebes, entsprechend der Summe der Speicherkapazitäten der Energiespeicher 8 vergrößert werden. Beispielsweise kann die Pufferzeit im Fall, dass es sich um identische Energiespeicher 8 (d.h. Energiespeicher 8 mit jeweils gleicher Speicherkapazität) handelt, auf das Doppelte vergrößert werden.
Zum anderen wird auch eine Redundanz in der Versorgung der Last 20 durch die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 bereitgestellt, d.h. bei Ausfall einer der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 ist noch eine Versorgung durch die andere unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 sichergestellt.
Allerdings würde die Parallelschaltung der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 im Pufferbetrieb zu dem Problem führen, dass sich unterschiedliche Ausgangsspannungen an den Energiespeichern 8 und somit an den Ausgängen 6 der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 einstellen. Gründe hierfür können beispielsweise unterschiedliche Ladezustände der Energiespeicher 8 und Verschiebungen der Ausgangsspannungen der Energiespeicher 8 aufgrund unterschiedlicher Alterungsprozesse der Energiespeicher 8 sein. Selbst wenn zu Beginn des Pufferbetriebes die Ausgangsspannungen der Energiespeicher 8 gleich sind, können sie während des Entladevorganges voneinander abweichen. Diese Effekte können dazu führen, dass die unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 mit der höheren Ausgangsspannung einen deutlich größeren Teil der elektrischen Leistung für die Versorgung der Last 20 übernehmen muss und dann wegen Überlastung abschaltet. Um unterschiedliche Ausgangsspannungen der Energiespeicher 8 im Pufferbetrieb zu vermeiden, werden erfindungsgemäß in diesem Betriebsfall - wie in 3 dargestellt - die Energiespeicher 8 mittels zweier Brückenzweige 15, 16 elektrisch in einer direkten Parallelschaltung miteinander verbunden und somit auf gleiches Spannungspotenzial gebracht. Dabei verbindet ein Brückenzweig 15 die Anschlüsse 8a der Energiespeicher 8 mit positivem Potenzial und ein Brückenzweig 16 die Anschlüsse 8b der Energiespeicher 8 mit negativem Potenzial. Hierdurch wird sichergestellt, dass es zu keiner einseitigen Überlastung einer der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 bis hin zu deren Abschalten kommt. Im Grunde entsteht durch diese Maßnahme aus zwei getrennten Energiespeichern 8 ein einziger, doppelt so großer Energiespeicher.
Durch die Parallelschaltung der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 und der zugehörigen Energiespeicher 8 kann somit die Ausfallsicherheit gegen Störungen und Ausfällen im Energieversorgungsnetz 11 bzw. den Schaltnetzteilen 9 weiter erhöht werden.
Allerdings könnte eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 dann im Ladebetrieb aufgrund der Parallelschaltung der Energiespeicher 8 die Ladespannung der anderen unterbrechungsfreien Stromversorgung 2 als Klemmenspannung der Energiespeicher 8 sehen und damit das Laden beenden, weil fälschlicherweise die Energiespeicher 8 als vollgeladen erkannt werden. Um dies zu vermeiden, sind bzw. werden - wie in 4 dargestellt - die Energiespeicher 8 im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt.
Hierzu weisen die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 jeweils einen Meldekontakt 17 zum Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher 8 auf.
Die Meldekontakte 17 sind an den Steuerstromkreis eines Relais 18 angeschlossen, das in den Brückenzweig 15 geschaltet ist. Über das Relais 18 kann dann in einfacher Art und Weise sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher 8 erfolgen.
Der Steuerstromkreis des Relais 18 ist auf der einen Seite über die Meldekontakte 17 und jeweils eine Leitung 19 mit dem Anschluss 4a mit positivem Potenzial und auf der anderen Seite mit dem Anschluss 4b mit negativem Potenzial verbunden.
Im Ladebetrieb verbindet die Grundeinheit 3 den Meldekontakt 17 mit der Leitung 19 und folglich dem Anschluss 4a. Der Meldekontakt 17 bestromt dann den Steuerstromkreis des Relais 18 derart, dass es öffnet und somit die Energiespeicher 8 elektrisch voneinander trennt. Im Pufferbetrieb trennt die Grundeinheit 3 den Meldekontakt 17 von der Leitung 19 und folglich von dem Anschluss 4a. Der Steuerstromkreis des Relais wird dann nicht mehr bestromt, so dass es schließt und somit die Energiespeicher 8 elektrisch miteinander verbindet.
Wie in 5 dargestellt, kann alternativ sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher 8 durch die Spannung U an den Eingängen 4 der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 gesteuert werden.
Für jede unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 bzw. deren Eingang 4 ist hierzu jeweils ein eigener Brückenzweig 15a bzw. 15b mit jeweils einem Relais 18a bzw. 18b vorhanden, der die Anschlüsse 8a der Energiespeicher 8 mit positivem Potenzial verbindet.
Die Anschlüsse 4a, 4b jeder der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 versorgen dabei den Steuerstromkreis jeweils eines der Relais 18a bzw. 18b mit elektrischem Strom.
Wenn die Spannungen U in einem normalen Bereich liegen und sich die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 im Ladebetrieb befinden, bestromen die jeweilige Eingänge 4 bzw. die vorgeschalteten Schaltnetzteile 9 die Steuerstromkreise der jeweiligen Relais 18a bzw. 18 derart, dass diese öffnen und somit die Energiespeicher 8 elektrisch voneinander trennen.
Wenn die Spannungen U bei einer Störung oder einem Ausfall außerhalb des normalen Bereiches liegen und sich die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 im Pufferbetrieb befinden, werden die Steuerstromkreise der Relais 18a bzw. 18 nicht oder zumindest nicht derart ausreichend bestromt, dass die Relais 18a, 18b schließen und somit die Energiespeicher 8 elektrisch in einer Parallelschaltung miteinander verbinden.
Gemäß einer in 6 gezeigten alternativen Ausgestaltung sind die Energiespeicher 8 auch im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 das Laden der Energiespeicher 8 durch die andere unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 steuert. Die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 stehen hierzu über eine Kommunikationsverbindung 40 derart miteinander in Kommunikation, dass sie einen Master-Slave-Betrieb realisieren. Eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 agiert dann als Master und gibt eine Ladeschlussspannung für die Energiespeicher 8 vor und die andere unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 agiert als Slave, der ferngesteuert auf Basis dieser Vorgaben einen zusätzlichen Ladestrom liefert. Der Master kann dann beispielsweise auch einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Energiespeicher 8 und zur Vorgabe einer temperaturabhängigen Ladeschlussspannung umfassen.
In den Ausführungsbeispielen wurde nur eine Anordnung 10 gezeigt, die zwei parallel an die Last 20 angeschlossene unterbrechungsfreie Stromversorgungen 2 umfasst. Die Anordnung 10 kann aber auch mehr als zwei parallel an die Last 20 angeschlossene unterbrechungsfreie Stromversorgungen 2 umfassen. Eine oder jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 kann auch mehr als einen Energiespeicher umfassen. Die in 3 bis 6 gezeigten Konzepte für die Verschaltung der Energiespeicher 8 sind dann in entsprechender Weise auch für eine derartige Anordnung anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3422531 A1 [0004]
WO 2018172397 A1 [0004]
EP 3618219 B1 [0004, 0011, 0013, 0053]
EP 2787405 B1 [0004]
EP 2790291 A1 [0004]
EP 3544166 A1 [0005, 0048]
EP 3451476 A1 [0005, 0048]

Claims

Anordnung (10) umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (2), die jeweils - einen Eingang (4) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung (5), - einen Ausgang (6) zur Verbindung mit einer elektrischen Last (20) und - zumindest einen Energiespeicher (8) umfassen, wobei jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) derart ausgebildet ist, dass sie - bei Vorhandensein einer normalen Spannung (U) am Eingang (4) sowohl den Eingang (4) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu versorgen, als auch den Eingang (4) mit dem Energiespeicher (8) elektrisch verbindet, um in einem Ladebetrieb den Energiespeicher (8) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu laden bzw. geladen zu halten, und - bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung (U) am Eingang (4) in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher (8) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus dem Energiespeicher (8) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (6) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last (20) angeschlossen sind, wobei die Energiespeicher (8) im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt sind.
Anordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) jeweils einen Meldekontakt (17) zum Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher (8) aufweisen.
Anordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldekontakte (17) an ein Relais (18) angeschlossen sind, das in eine elektrische Verbindung (15) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher (8) durch die Spannung (U) an den Eingängen (4) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) steuerbar ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Eingänge (4) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) jeweils ein Relais (18a bzw. 18b) angeschlossen ist, das in eine elektrische Verbindung (15a bzw. 15b) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden sind, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) das Laden der Energiespeicher (8) durch die jeweils andere(n) unterbrechungsfreie(n) Stromversorgung(en) (2) steuert.
Verfahren zum Betreiben einer Anordnung (2) umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (2), die jeweils - einen Eingang (4) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung (5), - einen Ausgang (6) zur Verbindung mit einer elektrischen Last (20) und - zumindest einen Energiespeicher (8) umfassen, wobei jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) - bei Vorhandensein einer normalen Spannung (U) am Eingang (4) sowohl den Eingang (4) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu versorgen, als auch den Eingang (4) mit dem Energiespeicher (8) elektrisch verbindet, um den Energiespeicher (8) in einem Ladebetrieb mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu laden bzw. geladen zu halten, und - bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung (U) am Eingang (4) in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher (8) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus dem Energiespeicher (8) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (6) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last (20) angeschlossen sind, wobei die Energiespeicher (8) im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) über jeweils einen Meldekontakt (17) sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher (8) steuern.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldekontakte (17) ein Relais (18) steuern, das in eine elektrische Verbindung (15) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher (8) durch die Spannung (U) an den Eingängen (4) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) ein Relais (18a, 18b) steuert, das in eine elektrische Verbindung (15a, 15b) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden sind, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) das Laden der Energiespeicher (8) durch die jeweils andere(n) unterbrechungsfreie(n) Stromversorgung(en) steuert.