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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Stromversorgungen für elektronische Einheiten und insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten von Redundanz in einem System mit vier Anschlussleitungen zur Verwendung in Datenverarbeitungsumgebungen.
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Beschreibung des verwandten Fachgebiets
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Ein (N + 1)-redundantes Stromversorgungssystem enthält eine Anzahl N + 1 von unabhängigen Netzteilen (wie zum Beispiel Stromversorgungen), die mit den elektrischen Einheiten verbunden sind, so dass das System bei Ausfall eines Netzteils mit den verbleibenden N Netzteilen weiterhin normal funktioniert. Bei den Netzteilen kann es sich um Stromversorgungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheiten oder andere Arten von Batterienotstromversorgungen handeln. Wenn zum Beispiel N = 2 ist, weist ein (N + 1)-redundantes Stromversorgungssystem drei Netzteile auf. Diese Art von Stromversorgungsarchitektur stellt eine Redundanz mit geringsten Kosten und kleinster Größe bereit.
DE 4422991 C1 offenbart für elektrische Geräte ein aus mehreren redundanten Versorgungsnetzen ausfallsicheres Versorgungsnetz, das von einer ausgefallenen Phase bzw. von einem Nulleiter eines Versorgungsnetzes auf eine entsprechende Phase bzw. auf einen entsprechenden Nulleiter eines weiteren Versorgungsnetzes augenblicklich umgeschaltet wird.
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Zur Versorgung von Hochverfügbarkeitscomputersystemen mit elektrischer Leistung werden zwei unabhängige Quellen bzw. Einspeisungen erwartet. Das häufigste Verfahren zum Bereitstellen einer Redundanz mit zwei Anschlussleitungen für ein (N + 1)-redundantes Stromversorgungssystem besteht in der Verwendung eines Übertragungsschalters. Der Übertragungsschalter verbindet entweder die erste Einspeisung oder die zweite Einspeisung mit den elektrischen Lasten, nicht jedoch beide. In
US 2006/0208572 A1 ist ein redundantes Stromversorgungssystem mit einigen einzelnen jeweils mit einem von einigen Stromeingangseinheiten verbundenen Stromversorgungseinheiten beschrieben. Zumindest lässt sich eine Stromversorgungseinheit durch ein Lenksystemnetz mit einer der auswählbaren Stromeingangseinheiten verbinden.
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Weiterhin wird in
US 6 628 013 B2 ein mit drei Spannungsreglern und einem Stromkreis versehenes System dargestellt, wobei der erste und der zweite Spannungsregler jeweils mit einer ersten bzw. zweiten Stromleitung gekoppelt sind. Die Spannung der zumindest einer der ersten zwei Stromleitungen der ersten zwei Spannungsregler wird durch den Stromkreis kontrolliert und basierend darauf wird der dritte Spannungsregler durch den Stromkreis auswählbar gekoppelt um Strom von einer der ersten zwei Stromleitungen zu bekommen.
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Wie näher beschrieben werden wird, führt ein Ausfall einer einzelnen Einspeisung zu einem Verlust der Redundanz, wenn eine gerade Anzahl von Einspeisungen an mehrere Netzteile weitergeleitet wird. Anders ausgedrückt, wenn ursprünglich N + 1 Netzteile konfiguriert wurden, führt der Ausfall der einzelnen Einspeisung dazu, dass lediglich N Netzteile in Betrieb bleiben. In einigen Fällen lässt sich dies darauf zurückführen, dass der Gesamtbedarf an elektrischer Leistung der N + 1 Netzteile die elektrische Versorgungsleistung der verbleibenden Einspeisung überschreitet, wie wiederum näher veranschaulicht werden wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts des Vorstehenden besteht ein Bedarf für einen Mechanismus, der zwei Einspeisungen (wodurch man eine gerade Anzahl von Eingangsanschlussleitungen erhält) mit einer ungeraden Anzahl von elektrischen Lasten verbindet, während Redundanzeigenschaften im Falle eines Ausfalls einer der Eingangsanschlussleitungen aufrechterhalten werden. Entsprechend werden verschiedene Ausführungsformen bereitgestellt, die so gestaltet sind, dass sie elektrische Leistung von vier Eingangsleitungen an eine Vielzahl von in einer (N + 1)-Architektur konfigurierten Stromversorgungseinheiten verteilen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun eine Vorrichtung bereitgestellt, die so gestaltet ist, dass sie elektrische Leistung von vier Eingangsleitungen an eine Vielzahl von in einer (N + 1)-Architektur konfigurierten Stromversorgungseinheiten verteilt, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Gleichrichtereinheiten mit einem ersten und einem zweiten Anschlussende, wobei jede der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten an dem ersten Anschlussende mit einem der vier Eingangsleitungen verbunden und so gestaltet ist, dass sie in einer ersten Betriebsart von einem Relais überbrückt wird und in einer zweiten Betriebsart einen gleichgerichteten Eingangsstrom bereitstellt; und eine Vielzahl von zweiten Relais, die zwischen jedem der zweiten Anschlussenden der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten geschaltet sind, wobei die Vielzahl von zweiten Relais so gestaltet ist, dass sie in der zweiten Betriebsart geschlossen sind, um den gleichgerichteten Eingangsstrom von jeder der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten in einem einzelnen, jede der Vielzahl von Stromversorgungseinheiten verbindenden Knoten zu summieren.
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Betrachtet man die vorliegende Erfindung aus einem anderen Gesichtspunkt, wird ein Stromverteilungsschalter bereitgestellt, der vier Eingangsleitungen mit mindestens drei in einer (N + 1)-Architektur konfigurierten Stromversorgungseinheiten verbindet und Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Dioden; eine Vielzahl von ersten und zweiten parallel geschalteten Schaltern, wobei jeder der zweiten Schalter mit einer der Vielzahl von Dioden verbunden ist, wobei die Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern so gestaltet ist, dass sie jede der Vielzahl von Dioden in einer ersten Betriebsart überbrücken, wenn jeder der Vielzahl von ersten Schaltern geschlossen ist, und in einer zweiten Betriebsart einen gleichgerichteten Strom bereitstellen, wenn jeder der Vielzahl von zweiten Schaltern geschlossen ist; und eine Vielzahl von mit jeder der Vielzahl von Dioden verbundenen dritten Schaltern, wobei die Vielzahl von dritten Schaltern so gestaltet ist, dass sie den gleichgerichteten Strom von jedem der Vielzahl von zweiten Schaltern in einem gemeinsamen, unter jeder der mindestens drei Stromversorgungseinheiten gemeinsam genutzten Knoten summieren, wenn sie in Übereinstimmung mit der zweiten Betriebsart geschlossen sind.
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Der Schalter kann ferner einen vierten und einen fünften Schalter enthalten, die zwischen zwei Eingangsleitungen der vier Eingangsleitungen und einen der Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern geschaltet ist, wobei der vierte und der fünfte Schalter so gestaltet sind, dass sie wechselseitig eine der beiden Eingangsleitungen mit dem einen der Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern verbinden.
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Der Schalter kann ferner eine mit dem vierten und fünften Schalter verbundene Steuereinheit enthalten, wobei die Steuereinheit so gestaltet ist, dass sie einen Ausfall einer der beiden Eingangsleitungen erkennt und den vierten und fünften Schalter betätigt, um eine nicht ausgefallene der beiden Eingangsleitungen mit dem einen der Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern zu verbinden. Der Schalter kann ferner eine Steuereinheit enthalten, die mit jedem der Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern und jedem der Vielzahl von dritten Schaltern verbunden ist, wobei die Steuereinheit so gestaltet ist, dass sie eine Leitungsqualität der vier Eingangsleitungen überwacht und die Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern und die Vielzahl von dritten Schaltern gemäß der Leitungsqualität zwischen der ersten und zweiten Betriebsart umschaltet. Der Schalter kann ferner eine Abzweigstromkreis-Schutzeinheit enthalten, die zwischen die mindestens drei Stromversorgungseinheiten und jeden der Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern geschaltet ist, um einen Schutz für den Abzweigstromkreis bereitzustellen.
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Betrachtet man die vorliegende Erfindung aus noch einem anderen Gesichtspunkt, wird ein Verfahren zum Herstellen eines Stromverteilungsschalters bereitgestellt, der vier Eingangsleitungen mit mindestens drei in einer (N + 1)-Architektur konfigurierten Stromversorgungseinheiten verbindet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von Dioden; Bereitstellen einer Vielzahl von ersten und zweiten parallel geschalteten Schaltern, wobei jeder der zweiten Schalter mit einer der Vielzahl von Dioden verbunden ist, wobei die Vielzahl von ersten und zweiten Schaltern so gestaltet ist, dass sie jede der Vielzahl von Dioden in einer ersten Betriebsart überbrücken, wenn jeder der Vielzahl von ersten Schaltern geschlossen ist, und in einer zweiten Betriebsart einen gleichgerichteten Strom bereitstellen, wenn jeder der Vielzahl von zweiten Schaltern geschlossen ist; und Bereitstellen einer Vielzahl von mit jeder der Vielzahl von Dioden verbundenen dritten Schaltern, wobei die Vielzahl von dritten Schaltern so gestaltet ist, dass sie den gleichgerichteten Strom von jedem der Vielzahl von zweiten Schaltern in einem gemeinsamen, unter jeder der mindestens drei Stromversorgungseinheiten gemeinsam genutzten Knoten summieren, wenn sie in Übereinstimmung mit der zweiten Betriebsart geschlossen sind.
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In einer derartigen Ausführungsform weist jede der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten lediglich beispielhaft ein erstes und ein zweites Anschlussende auf, wobei jede der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten an dem ersten Anschlussende mit einer der vier Eingangsleitungen verbunden und so gestaltet ist, dass sie in einer ersten Betriebsart von einem ersten Relais überbrückt wird und in einer zweiten Betriebsart einen gleichgerichteten Eingangsstrom bereitstellt. Eine Vielzahl von zweiten Relais ist zwischen jedem der zweiten Anschlussenden der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten geschaltet. Die Vielzahl von zweiten Relais ist so gestaltet, dass sie in der zweiten Betriebsart geschlossen sind, um den gleichgerichteten Eingangsstrom von jeder der Vielzahl von Gleichrichtereinheiten in einem einzelnen, jede der Vielzahl von Stromversorgungseinheiten verbindenden Knoten zu summieren.
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Es werden zusätzliche Vorrichtungen und Verfahren von Herstellungsausführungsformen dargelegt, die zugehörige Vorteile bereitstellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit die Vorteile der Erfindung ohne Weiteres verstanden werden, wird eine ausführlichere Beschreibung der oben kurz beschriebenen Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen angeführt, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden. Unter dem Verständnis, dass diese Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung abbilden und deshalb nicht als deren Umfang einschränkend anzusehen sind, wird die Erfindung durch die Verwendung der beigefügten Zeichnungen mit zusätzlicher Genauigkeit und Ausführlichkeit erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Leistungsübertragungs-Einzelschalters;
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2 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung eines zusätzlichen herkömmlichen Leistungsübertragungs-Einzelschalters;
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3 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung von vier herkömmlichen beispielhaften Eingangsanschlussleitungen mit einer sich nicht in Betrieb befindlichen Einspeisung;
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4 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung einer weiteren Abbildung der zuerst in 3 abgebildeten Veranschaulichung, wobei ein Verlust der (N + 1)-Redundanz gezeigt wird;
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5 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Umsetzung mit sechs Anschlussleitungen zur Aufrechterhaltung einer (N + 1)-Redundanz;
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6 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung eines Ausfalls eines beispielhaften Netzteils, der zu einem Verlust der (N + 1)-Redundanz führt;
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7 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung zum Verteilen von elektrischer Leistung zwischen einer geraden Anzahl von Eingangsanschlussleitungen an ein (N + 1)-redundantes Stromversorgungssystem, wobei eine erste Betriebsart dargestellt wird;
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8 ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung der zuerst in 7 gezeigten beispielhaften Vorrichtung, wobei eine zweite Betriebsart dargestellt wird;
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9 eine grafische Darstellung einer beispielhaften Stromkreissimulation einer in 8 abgebildeten Konfiguration, in der zwei Anschlussleitungen drei Lasten mit elektrischer Leistung versorgen, während eine (N + 1)-Redundanz aufrechterhalten wird; und
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10 eine zusätzliche grafische Darstellung der beispielhaften Stromkreissimulation von zwei Anschlussleitungen, die drei Lasten mit elektrischer Leistung versorgen, während eine (N + 1)-Redundanz aufrechterhalten wird, wobei Abweichungen der Eingangsspannung abgebildet werden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zur Versorgung von Hochverfügbarkeitscomputersystemen mit elektrischer Leistung werden zwei unabhängige Quellen bzw. Einspeisungen elektrischer Leistung erwartet. Wenn irgendeine der elektrischen Leistungsquellen ausfällt, sollte das System noch immer die volle Redundanz beibehalten, d.h., dass an alle der N + 1 Netzteile elektrische Leistung geliefert wird. Wenn N + 1 ungerade ist, wird ein automatischer Übertragungsschalter verwendet. Die Grundform dieses Konzepts ist im Folgenden in 1 gezeigt, die ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung 10 eines herkömmlichen Leistungsübertragungs-Einzelschalters 16 zeigt. Der Leistungsübertragungsschalter 16 ermöglicht es, dass eine der beiden Einspeisungen 12 bzw. 14 (A oder B) über die Abzweigstromkreis-Schutzeinheiten 22, 24 bzw. 26 mit den Netzteilen 28, 30 bzw. 32 verbunden werden können.
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Der gezeigte Leistungsübertragungsschalter 16 verwendet zwei Relais 18 und 20, die wechselseitig geöffnet und geschlossen werden, um elektrische Leistung von einer der beiden Einspeisungen 12 bzw. 14 bereitzustellen. Die Relais 18 und 20 blockieren sich üblicherweise gegenseitig, um eine gleichzeitige Verbindung beider Einspeisungen 12 und 14 mit den Netzteilen 28, 30 bzw. 32 zu verhindern.
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Damit die Netzteile 28, 30 und 32 im Falle eines Ausfalls des Netzstroms von einer der Einspeisungen 12 bzw. 14 voll funktionsfähig bleiben, müssen beide der Einspeisungen 12 bzw. 14 die volle Nennleistung des Systems liefern können. In einem Beispiel sind Einschubspeichereinheiten in den USA üblicherweise mit 60-A-Einspeisungen verbunden. In einem drei gleiche Lasten enthaltenden (N + 1)-Stromversorgungssystem kann jede Last nicht mehr als 20 A pro Last benötigen.
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In einigen Ausführungen sind möglicherweise jedoch lediglich Dienste mit 30 A verfügbar. In diesen Fällen wird eine Lösung mit vier Eingangsleitungen angeboten. Wenden wir uns nun im Folgenden 2 zu, in der ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung 34 eines herkömmlichen Leistungsübertragungs-Einzelschalters 44 in einer Ausführung mit einer Einspeisung mit vier Eingangsleitungen abgebildet ist. Die als Leitungen 36, 38, 40 bzw. 42 abgebildeten Einspeisungen A (A1 und A2) und B (B1 und B2) liefern über die Abzweigstromkreis-Schutzeinheiten 50, 52 und 54 an die Netzteile 56, 58 bzw. 60 redundant Strom.
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Der Leistungsübertragungsschalter 44 enthält zwei Relais 46 und 48, die wie gezeigt mit den Eingangsleitungen 38 bzw. 40 verbunden sind. Wiederum blockieren sich die beiden Relais 46 und 48 hier üblicherweise gegenseitig, um eine gleichzeitige Verbindung beider Eingangsleitungen 38 bzw. 40 mit dem Netzteil 58 zu verhindern, und entweder das Relais 46 oder das Relais 48 ist zu jeder beliebigen Zeit in der Lage, das Netzteil 58 mit der elektrischen Eingangsleistung zu versorgen.
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Wenden wir uns nun im Folgenden den 3 und 4 zu, in denen ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung 62 von vier herkömmlichen beispielhaften Eingangsanschlussleitungen mit einer sich nicht in Betrieb befindlichen Einspeisung abgebildet ist (3), und ein Blockschaltbild/eine schematische Darstellung 70 einer weiteren Abbildung von vier Eingangsleitungen veranschaulicht wird, wobei ein Verlust der (N + 1)-Redundanz gezeigt wird. Die 3 und 4 enthalten die vorher in 2 abgebildeten beispielhaften Komponenten wie die Eingangsleitungen 36, 38, 40 und 42, den Abzweigstromkreisschutz 50, 52 und 54 und die Netzteile 56, 58 und 60.
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Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, führt bei Verwendung einer Lösung mit vier Eingangsleitungen ein Ausfall einer einzelnen Einspeisung (entweder A1 und A2 oder B1 und B2) zu einem Verlust der Redundanz mit lediglich N sich in Betrieb befindlichen Netzteilen. Unter Bezugnahme zunächst auf 3 liefert jedes Netzteil 56, 58 bzw. 60 einen Nennstrom von 20 A. Wenn jede Eingangsleitung 40 bzw. 42 der Einspeisung B außer Betrieb genommen wird, müssen die Netzteile 58 und 60 die von der Eingangsleitung 38 gelieferte elektrische Leistung gemeinsam nutzen. Wie in 4 weiter veranschaulicht ist, führt diese Situation zu einer Unterversorgung der Netzteile 58 und 60 mit elektrischer Leistung, und das Netzteil 58 muss entsprechend wie durch den Pfeil 72 gezeigt außer Betrieb genommen werden.
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Unter Bezugnahme als Nächstes auf 5 wird eine einfache Lösung 74 für dieses Problem wie gezeigt durch die Verwendung von sechs Eingangsanschlussleitungen 76, 78, 80, 82, 84 bzw. 86 veranschaulicht, wobei jede redundante Einspeisung (A und B) unter Verwendung der Relais 76 über die Abzweigstromkreis-Schutzeinheiten 50, 52 und 54 wechselseitig mit den Netzteilen 56, 58 bzw. 60 verbunden wird. Die Relais 76 enthalten die Schalter 78 und 80, 82 und 84 sowie 86 und 88, um das redundante Bereitstellen von elektrischer Leistung an die Netzteile 56, 58 bzw. 60 zu erreichen, sollte eine der Einspeisungen (wiederum A oder B) möglicherweise außer Betrieb genommen werden. Die abgebildete Ausführung stellt eine Lösung für das vorher erwähnte Problem bereit, wobei jedoch eine große Anzahl von Eingangsanschlussleitungen von einem Benutzer gegebenenfalls nicht erwünscht und eine Lösung mit vier Eingangsanschlussleitungen eher wünschenswert ist.
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Das Aufrechterhalten der Redundanz in einer Ausführung mit vier Eingangsleitungen (wobei nach einem Ausfall einer Einspeisung lediglich zwei Eingangsleitungen verbleiben) stellt eine Herausforderung dar. Eine Anschlussleitung bietet mehr elektrische Leistung als für eine Last benötigt, aber nicht genügend für 2 Lasten (zum Beispiel sind von einer Anschlussleitung lediglich 30 A verfügbar, wenn für zwei Netzteile 40 A benötigt werden). Die vorher in 4 gezeigte bekannte Lösung trennt einfach ein Netzteil ab, wenn eine Einspeisung ausfällt.
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Unter Bezugnahme auf 6 ist wiederum die vorher in 2 gezeigte Konfiguration gezeigt, um ein Szenario 90 aufzuzeigen, in dem ein Ausfall eines Netzteils (z.B. des Netzteils 56) und nicht ein Ausfall von elektrischer Eingangsleistung zu einem Verlust der Redundanz führt. Wiederum sind hier die der Einspeisung A (A1 und A2) entsprechenden Eingangsleitungen 36 bzw. 38 sowie die der Einspeisung B (B1 und B2) entsprechenden Eingangsleitungen 40 bzw. 42 gezeigt.
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Das Netzteil 56 ist über den Abzweigstromkreisschutz 50 mit der Eingangsleitung 36 verbunden gezeigt, während das Netzteil 58 mit dem Leistungsübertragungsschalter 44 (der wie vorher beschrieben die Relais 46 und 48 enthält) verbunden gezeigt ist. Der Leistungsübertragungsschalter 44 ist in der Lage, über den Abzweigstromkreisschutz 52 eine der beiden Eingangsleitungen 38 bzw. 40 mit dem Netzteil 58 zu verbinden. Schließlich ist das Netzteil 60 über den Abzweigstromkreisschutz 54 direkt mit der Eingangsleitung 42 verbunden.
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Unter normalen Betriebsbedingungen stellen wie die in den 2 und 6 abgebildeten Lösungen eine geeignete Verteilung elektrischer Leistung bereit. Bei Ausfall einer Einspeisung (in der abgebildeten Ausführungsform wiederum A1 und A2 oder B1 und B2) geht auch die Redundanz der Stromversorgung verloren. In diesem Zustand geht die (N + 1)-Redundanz verloren, und ein Ausfall eines einzelnen Netzteils beeinträchtigt das System, wie in der abgebildeten Ausführungsform gezeigt ist, in der die Einspeisung B1 und B2 ausfällt (wodurch der Ausfall des Netzteils 60 verursacht wird) und das Netzteil 56 außer Betrieb ist.
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Um den Bedarf nach einem Mechanismus anzugehen, der zwei Einspeisungen (wodurch man eine gerade Anzahl von Eingangsanschlussleitungen hat) mit einer ungeraden Anzahl von elektrischen Lasten verbindet, während Redundanzeigenschaften im Falle eines Ausfalls einer der Eingangsanschlussleitungen aufrechterhalten werden, beschreiben die folgenden veranschaulichten Ausführungsformen Leistungsübertragungseinheiten (wie einen automatischen Übertragungsschalter oder eine ATS-Einheit), die im Falle eines Ausfalls einer einzelnen Einspeisung Wechselstrom kombinieren und die elektrischen Komponenten (wie die vorher erwähnten Einschubspeichereinheiten) mit voller Redundanz mit elektrischer Leistung versorgen. Gemäß diesem Mechanismus werden die beiden verbleibenden Wechselstromquellen (wie die vorher beschriebenen Quellen mit 30 A) zu einer einzelnen Quelle zusammengeschlossen (d.h. 60 A unter Verwendung des vorliegenden Beispiels), um die Netzteile (wie z.B. drei 20-A-Netzteile) mit elektrischer Leistung zu versorgen.
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Die folgenden veranschaulichenden Ausführungsformen stellen einen Mechanismus zum Verteilen von elektrischer Leistung von jeder Eingangsanschlussleitung (wie z.B. eine Ausführungsform mit vier Eingangsanschlussleitungen) an alle Netzteile unter Aufrechterhaltung der Redundanz, selbst wenn eine Stromeinspeisung ausfällt, bereit. Gemäß diesem Mechanismus wird der Wechselstrom auf den verbleibenden Eingangsstromleitungen gleichgerichtet, in einem gemeinsamen Knoten summiert und an alle der Ausgangslasten neu verteilt, wie näher beschrieben werden wird. Auf diese Weise wird die elektrische Gesamtleistung von sämtlichen Eingangsanschlussleitungen an sämtliche Ausgangslasten verteilt. Unter Verwendung des vorhergehenden Beispiels können zwei Anschlussleitungen mit einer Nennleistung von 30 A die 60 A liefern, die zum Speisen von drei jeweils 20 A benötigenden Netzteilen benötigt werden. Diese Funktionalität ist in der wie in 2 abgebildeten bisher bekannten Lösung nicht erreichbar. In dieser Ausführungsform können die Wechselströme zum Beispiel nicht direkt kombiniert werden.
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Wenden wir uns nun 7 zu, in der ein beispielhafter Leistungsübertragungsmechanismus 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet ist, der das Verteilen von elektrischer Leistung von vier Eingangsanschlussleitungen an ein (N + 1)-redundantes Stromversorgungssystem ermöglicht, wobei N eine gerade Zahl ist. Eine Konfiguration von Übertragungsschaltern und Gleichrichtern verbindet drei beliebige der vier Anschlussleitungen bzw. zwei von vier Anschlussleitungen mit den N + 1 elektrischen Lasten. Gegenwärtig wird der Fall gezeigt, in dem N = 2 ist und sämtliche Eingangsanschlussleitungen eingeschaltet sind. In der Standard-Wechselstrom-Betriebsart werden die Gleichrichter durch die Relais überbrückt. In dieser Betriebsart wird der höchste Wirkungsgrad bereitgestellt, wie wiederum gezeigt ist.
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Einspeisung A (A1 und A2) wird durch die Eingangsleitungen 102 und 104 dargestellt. Einspeisung B (B1 und B2) wird durch die Eingangsleitungen 106 und 108 dargestellt. Die Relais 116, 128 und 140 sind wie gezeigt in der Lage, die elektrische Eingangsleistung von den Eingangsleitungen 102, 104, 106 und 108 durch die Knoten 124, 136 bzw. 148 bereitzustellen, um entweder die Gleichrichtereinheiten 122, 134 und 146 zu überbrücken oder denselben Gleichrichtereinheiten 122, 134 und 146 elektrische Leistung bereitzustellen, was in jedem Fall an den Knoten 126, 138 bzw. 150 ersichtlich ist.
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Wie weiter gezeigt ist, enthalten die Relais 116, 128 und 140 ferner zwei parallel geschaltete Schalter wie die Schalter 118 und 120, 130 und 132 bzw. 142 und 144. Ein Fachmann wird verstehen, dass die Relais 116, 128 und 140 sowie die Schalter 118 bis 144 eine Vielfalt von Schaltern, Relais, Schützen, Thyristoren und andere Schalteinheiten enthalten können. Gleichermaßen können die Gleichrichtereinheiten 122, 134 und 146 Dioden und ähnliche Gleichrichtereinheiten enthalten. In der abgebildeten Ausführungsform können die Relais 116, 128 und 140 in der Standard-Wechselstrom-Betriebsart betrieben werden, wobei die Gleichrichtereinheiten 122, 134 und 146 durch die geschlossenen Schalter 118, 130 bzw. 142 überbrückt werden.
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Die gezeigten Relais 152 enthalten die zwischen jeden der Knoten 126, 138 und 150 in Reihe geschalteten Schalter 154 und 156. Auf diese Weise sind die Relais 152 (Schalter 154 bzw. 156) in der Lage, zu einem gemeinsam genutzten (shared) bzw. gemeinsamen (common) Knoten zwischen den Abzweigstromkreis-Schutzeinheiten 158, 160 und 162 und den Netzteilen 164, 166 bzw. 168 zu werden, wenn sie geschlossen sind.
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Ein Fachmann wird davon ausgehen, dass die Abzweigstromkreis-Schutzeinheiten 158, 160 und 162 für eine bestimmte Ausführung variieren können. Die Abzweigstromkreis-Schutzeinheiten 158, 160 und 162 können zum Beispiel Sicherungen, Schmelzelemente, Durchschmelzverbindungen, Trennschalter und ähnliches enthalten, wie ein Fachmann erwarten wird.
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Ein weiteres Relais 110 ist mit zwei parallel geschalteten Schaltern 112 und 114 gezeigt. Der Schalter 112 ist in der Lage, dem Knoten 136 und letztendlich dem Netzteil 166 elektrische Leistung von dem Leitungseingang 104 bereitzustellen, wenn er geschlossen ist. Gleichermaßen ist der Schalter 114 in der Lage, dem Knoten 136 und letztendlich dem Netzteil 166 elektrische Leistung von dem Leitungseingang 106 bereitzustellen, wenn er geschlossen ist. In jedem Fall werden die Schalter 112 und 114, 118 und 120, 130 und 132 bzw. 142 und 144 wechselseitig betätigt, so dass eine, nicht jedoch beide, der entsprechenden die Schalter parallel schaltenden Leitungen zu jeder beliebigen Zeit aktiv ist.
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Eine Steuereinheit 101 ist mit den Relais 110, 116, 128 bzw. 140 und dadurch mit jeder der Schalterstrukturen 112 und 114, 118 und 120, 130 und 132, 142 und 144 bzw. 154 und 156 verbunden. Ein Fachmann würde davon ausgehen, dass die Steuereinheit 101 so gestaltet sein kann, dass sie zum Beispiel auf den Eingangsleitungen 102, 104, 106, bzw. 108 die Eingangsleitungsspannung- und/oder -stromwerte überwacht (z.B. um die Leitungsqualität zu überwachen) und die Relais und Schalterstrukturen betätigt, um die effizienteste Leistungsübertragung an die Stromversorgungseinheiten 164, 166 bzw. 168 bereitzustellen. Die Steuereinheit 101 kann den oben beschriebenen Schalterstrukturen bei Erkennen einer Stromunterbrechung auf einer oder mehrerer der Eingangsleitungen 102, 104, 106 bzw. 108 und/oder eines Ausfalls einer der Stromversorgungseinheiten 164, 166 bzw. 168 ein Steuersignal bereitstellen. Ein Fachmann wird erwarten, dass die vorher beschriebenen Relais und Schaltereinheiten elektronisch steuerbare Einheiten wie Transistoreinheiten (z.B. einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)) enthalten können.
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Wenden wir uns nun 8 zu, in welcher der zuerst in 7 abgebildete beispielhafte Leistungsübertragungsmechanismus jetzt in der Konfiguration 170 gezeigt ist, wobei nun eine zweite Betriebsart (Betriebsart mit gleichgerichtetem Wechselstrom) aktiviert ist. In der Betriebsart mit gleichgerichtetem Wechselstrom werden die Gleichrichter 122, 134 und 146 durch die Relais 116, 128 bzw. 140 in den Stromkreis geschaltet. Die Relais 152 (d.h. die Schalter 154 und 156) sind ebenfalls geschlossen und bilden einen Knoten, der den gleichgerichteten Eingangsstrom wie gezeigt verbindet (d.h. einen gemeinsam genutzten Knoten). Wenn die Steuereinheit 101 zum Beispiel den Ausfall einer Einspeisung erkennt, werden die Relais 116, 128 und 140 wie veranschaulicht von der Wechselstrombetriebsart in die gleichgerichtete Betriebsart überführt. Ferner schaltet das Relais 110 (d.h. die Schalter 112 und 114) um, wenn die Steuereinheit 101 erkennt, dass eine der Anschlussleitungen 104 bzw. 106 außer Betrieb ist. In diesem Fall wird die zweite Betriebsart mit gleichgerichtetem Wechselstrom jedoch nicht benötigt.
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Bei Betrieb mit einer einzelnen Einspeisung wird die gesamte elektrische Systemleistung von den verbleibenden zwei Anschlussleitungen gemeinsam genutzt. Betrachtet man die abgebildete Ausführungsform, wird bei Außerbetriebnahme der Einspeisung B (Eingangsleitungen 106 und 108) die gesamte elektrische Systemleistung folglich von den verbleibenden Anschlussleitungen 102 und 104 der Einspeisung A gemeinsam genutzt. Jede Anschlussleitung sollte die Hälfte der elektrischen Systemleistung liefern. Sämtliche Netzteile empfangen elektrische Leistung, und die Redundanz wird aufrechterhalten. Wenn wie in obigem Beispiel in jeder Anschlussleitung ein Nennstrom von 30 A fließt, können zwei Anschlussleitungen die zum Versorgen von drei Lasten mit 20 A benötigten 60 A liefern. In der Praxis beträgt die Summe von 3 Lasten voraussichtlich erheblich weniger als 60 A, während die Summe von 2 Lasten noch immer erheblich größer als 30 A sein wird.
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Als praktische Umsetzung sei angemerkt, dass die Art der Leitungen aus derselben Einspeisung dahingehend eingeschränkt ist, dass sie phasengleich sein und eine weitgehend identische Amplitude haben müssen. In der Praxis ist es nicht schwierig, die Anforderung bezüglich Phasengleichheit zu erfüllen, wenn elektrische Leistung aus demselben Verteilerblock bezogen wird. Wenn am Block 3 Phasen verfügbar sind, ist bei der Auswahl einer gemeinsamen Phase für ein vorgegebenes Gestell Vorsicht walten zu lassen. In einer Ausführungsform kann im Hinblick auf praktische und sicherheitstechnische Überlegungen eine Beschränkungsbetriebsart realisiert werden, um eine Konfiguration in eine N-Betriebsart zurückzubringen, wenn eine einzelne Anschlussleitung aus irgendeinem Grund ihren Nennstrom (z.B. 30 A) überschreitet.
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Wenden wir uns nun 9 zu, in der eine grafische Darstellung einer beispielhaften Stromkreissimulation einer in 8 abgebildeten Konfiguration veranschaulicht wird, in der die Einspeisung B (Eingangsleitungen 106 und 108) außer Betrieb genommen und die verbleibenden Anschlussleitungen 102 und 104 von Einspeisung A dazu verwendet werden, die drei Netzteile 164, 166 und 168 mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die grafische Darstellung 172 zeigt zwei Eingangsspannungen 174 (die sich im Wesentlichen überlagern), wobei beide ungefähr phasengleich sind und ungefähr dieselbe Höhe aufweisen. Die grafische Darstellung 176 zeigt zwei Eingangsströme 180 (die sich wiederum überlagern). Der quadratische Mittelwert (RMS, root mean square) des Stroms 178 beider Eingangsströme 180 ist ungefähr gleich und liegt wie gezeigt bei etwa 23 A. Die grafische Darstellung 182 zeigt drei Ausgangsspannungen 184 (wiederum mit ungefähr gleicher Phase und von gleicher Höhe) sowie drei Ausgangsströme 186 (hier wiederum mit ungefähr gleicher Phase und von gleicher Höhe).
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10 zeigt im Folgenden eine zusätzliche grafische Darstellung der beispielhaften Stromkreissimulation von zwei Anschlussleitungen, die drei Lasten mit elektrischer Leistung versorgen, während eine (N + 1)-Redundanz aufrechterhalten wird, wobei Abweichungen der Eingangsspannung abgebildet werden. Die grafische Darstellung 188 veranschaulicht wiederum zwei Eingangsspannungen 190, wobei beide wie vorher in 9 abgebildet ungefähr phasengleich gezeigt sind. Die Höhe der beiden Eingangsspannungen 190 unterscheidet sich um ungefähr 2,5 V.
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Die grafische Darstellung 192 veranschaulicht zwei Eingangsströme 198 und 200 sowie entsprechende RMS-Ströme 196 und 194 mit Stärken von ungefähr 16 A bzw. 30 A. Die große Ungleichheit des Eingangsstroms wird durch Unterschiede der Spitzenspannung verursacht. Der Unterschied von 2,5 V bei der Eingangsspannung kann durch Faktoren wie unterschiedliche Längen der Verteilungsleitung verursacht werden. Folglich wird ein Fachmann verstehen, dass derartige Faktoren während jeder beliebigen Umsetzung berücksichtigt werden sollten, um derartige Abweichungen so weit wie möglich zu verringern.
