DE112012004063T5

DE112012004063T5 - Stromversorgungseinheit und Steuerverfahren dafür

Info

Publication number: DE112012004063T5
Application number: DE112012004063.5T
Authority: DE
Inventors: IBM Japan Ltd. Miwa Yohichi; IBM Japan Ltd. Saitoh Manabu; IBM Japan Ltd. Izumisawa Naotoku
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Lenovo Enterprise Solutions Singapore Pte Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: US20130085623A1; GB2508780B; WO2013046894A1; GB2508780A; DE112012004063B4; JPWO2013046894A1; JP5997700B2; GB201405733D0

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Stromversorgungseinheit 100 bereit. Zu der Stromversorgungseinheit gehören: mindestens zwei oder mehr Netzgeräte 10 bis 12, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jedem Gerät einer der Gleichrichter 15 bis 17 gehört, um einen Gleichstrom von einer Gleichstromquelle oder einen Wechselstrom von einer Wechselstromquelle in eine GS-Nennleistung umzuwandeln, ein Erfassungsmittel 20 für das Erfassen einer Laststromrate von jedem der Netzgeräte, und ein Steuermittel 30. Das Steuermittel steuert den Betrieb der Netzgeräte, um die Gesamtmenge der Leistungsaufnahme pro Netzgerät zu verringern, die auf der Grundlage der GS-Nennleistung der Netzgeräte und des Wirkungsgrads jedes der Netzgeräte berechnet wurde, und die der Laststromrate entspricht. Folglich kann die Leistungsaufnahme der Stromversorgungseinheit gemäß dem Lastzustand und dem Wirkungsgrad der Netzgeräte angemessener verringert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinheit und ein Steuerverfahren dafür, und insbesondere auf die Betriebssteuerung von mindestens zwei oder mehr Netzgeräten, die jeweils einen Gleichstrom (GS) oder einen Wechselstrom (WS) in eine vorbestimmte GS-Nennleistung (rated DC power) umwandeln.
Stand der Technik
Die Stromversorgung für einen Server oder ähnliche Einheiten verwendet eine redundante Stromversorgungskonfiguration, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Die redundante Stromversorgungskonfiguration bedeutet hier eine Konfiguration, zu der mindestens zwei Netzgeräte gehören, welche die gleiche Nennleistung (W) haben und in der Lage sind, abhängig von der Situation zwischen einem Betrieb mit einer redundanten Stromversorgungskonfiguration (zwei oder mehr Netzgeräte) und einem Betrieb mit einem Netzgerät umzuschalten. Jedes Netzgerät wandelt Wechselstrom von einer Wechselstromquelle in eine vorbestimmte GS-Nennleistung.
Selbst wenn zum Beispiel eine Stromversorgungseinheit verwendet wird, die einen Wirkungsgrad von ungefähr 90% aufweist, was allgemein als hocheffizient empfunden wird, werden 10% der Leistung von der Stromversorgungseinheit selbst in Anspruch genommen, und verursachen einen Leistungsverlust. Dies führt zu einem Leistungsverlust von 10% für die Leistungsaufnahme des Servers, was einer sehr großen Leistungsmenge in einem ganzen Rechenzentrum entspricht, zu dem mehrere Server gehören.
Daher ist es zum Beispiel wünschenswert die Leistungsaufnahme der Stromversorgungseinheit (Netzgerät) selbst so weit wie möglich zu verringern, mit dem Ziel eine niedrigere Leistungsaufnahme im ganzen Rechenzentrum anzustreben.
Die Offenlegung der Japanischen Patentanmeldung 2010-158098 offenbart ein Netzgerät, das mit mehreren Stromversorgungsmodulen ausgestattet ist. Bei diesem Netzgerät wird der Ausgangsstrom für jedes aktive Stromversorgungsmodul geprüft, um eine Einschaltsteuerung für die mehreren Stromversorgungsmodule auf der Grundlage von Wirkungsgradinformationen für jedes Stromversorgungsmodul in Bezug auf den Ausgangsstrom auszuführen, sodass der Wirkungsgrad für jedes Stromversorgungsmodul in einen voreingestellten Bereich fällt.
Die Offenlegung der Japanisch Patentanmeldung Nr. 2009-195079 offenbart ein Gleichstromversorgungssystem, das mit einem Gleichrichter ausgestattet wird, zu dem zwei oder mehr Gleichrichtergeräte gehören. In diesem System wird der augenblicklich erfasste gesamte Ausgangsstrom mit den Daten der Wirkungsgradkurve von jedem der zwei oder mehr Gleichrichtergeräte verglichen, um über die Anzahl der zu betreibenden Gleichrichtergeräte zu entscheiden.
Literaturangaben zum Stand der Technik
Patentdokumente
Patentdokument 1

Offenlegung der Japanisch Patentanmeldung Nr. 2010-158098

Patentdokument 2

Offenlegung der Japanisch Patentanmeldung Nr. 2009-195079

Kurzdarstellung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden
In dem in dem Patentdokument 1 offenbarten Netzgerät kann ein System (Last), der einen elektrischen Strom erhält, abgeschaltet werden, wenn eines der integrierten Stromversorgungsmodule ausgefallen ist. In anderen Worten ist die Redundanz der Stromversorgung (redundante Stromversorgungskonfiguration) nicht sichergestellt.
In dem in dem Patentdokument 2 offenbarten GS-Stromversorgungssystem wird die optimale Anzahl von betriebenen Geräten auf der Grundlage des Wirkungsgrads und der Stromparameter entschieden, aber es wird nicht berücksichtigt, welches Netzgerät abgeschaltet wird. Das System ist so ausgelegt, dass immer das gleiche Netzgerät abgeschaltet wird und die anderen weiterhin eingeschaltet bleiben. Auf diese Weise sind die eingeschalteten Netzgeräte festgelegt, und dies beeinträchtigt die Zuverlässigkeit der Netzgeräte (Schädigung der Bauteile durch Wärmeerzeugung und ähnliche Effekte), wodurch die Zuverlässigkeit als eine redundante Stromversorgungskonfiguration verringert wird.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Leistungsaufnahme einer Stromversorgungseinheit (Netzgerät) selbst zu verringern, ohne die Redundanz und Zuverlässigkeit in einer redundanten Stromversorgungskonfiguration zu beeinträchtigen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die vorliegende Erfindung stellt eine Stromversorgungseinheit bereit. Zu der Stromversorgung gehören: mindestens zwei oder mehr Netzgeräte, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jedem ein Gleichrichter für das Wandeln eines Gleichstroms von einer Gleichstromquelle oder eines Wechselstroms von einer Wechselstromquelle in eine vorbestimmte GS-Nennleistung gehört; ein Erfassungsmittel für das Erfassen einer Laststromrate von jedem der Netzgeräte; und ein Steuermittel für das Steuern des Betriebs der Netzgeräte, um die Gesamtmenge der Leistungsaufnahme für jedes Netzgerät zu verringern, die auf der Grundlage der GS-Nennleistung und des Wirkungsgrads von jedem der Netzgeräte entsprechend der Laststromrate berechnet wird.
Da der Betrieb der Netzgeräte gesteuert wird, um die Gesamtmenge der Leistungsaufnahme für jedes Netzgerät zu verringern, die auf der Grundlage der GS-Nennleistung und des Wirkungsgrads von jedem der Netzgeräte entsprechend der Laststromrate berechnet wird, kann die Leistungsaufnahme gemäß der vorliegenden Erfindung in angemessener Weise gemäß der Laststromrate und dem Wirkungsgrad der Netzgeräte verringert werden.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gehört zu der Stromversorgungseinheit außerdem ein Speichermittel für das Speichern einer Zuordnung, welche die Beziehung zwischen der Laststromrate und einem Differenzwert zwischen den Leistungsaufnahmen darstellt, die den Laststromraten bei Betrieb eines Netzgerätes und bei dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten entsprechen, wobei das Steuermittel aus der Zuordnung eine Bezugslaststromrate als einen Bezug für das Umschalten zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten gemäß einem Vergleichsergebnis zwischen der erfassten Laststromrate und der Bezugslaststromrate einstellt.
Gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann auf der Grundlage der erfassten Laststromrate schnell ein Betriebszustand (ein Gerät oder zwei oder mehr Geräte) mit einer geringeren Leistungsaufnahme gewählt werden.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Bezugslaststromrate eine erste Bezugslaststromrate und eine zweite Bezugslaststromrate auf, die größer ist als die erste Bezugslaststromrate. Wenn die erfasste Laststromrate während des Betriebs eines Netzgerätes größer als die zweite Bezugslaststromrate wird, wählt das Steuermittel den parallelen Betrieb von zwei oder mehr Geräten, oder sie wählt den Betrieb mit einem Gerät, wenn die erfasste Laststromrate während des parallelen Betriebs von zwei oder mehr Netzgeräten kleiner als die erste Bezugslaststromrate wird.
Da die Bezugslaststromrate für das Umschalten zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung einen vorbestimmten Bereich (eine Differenz zwischen dem ersten und der zweiten) aufweist, kann die Ablaufsteuerung des Umschaltens eine vorbestimmte Verzögerung aufweisen, selbst dann, wenn die Laststromrate sich mehrmals innerhalb kurzer Zeit ändert, d. h. es können Hystereseeigenschaften bereitgestellt werden, wodurch die Entwicklung von Problemen auf der Lastseite aufgrund einer instabilen Stromversorgung vermieden wird.
Wenn der Betrieb mit einem Gerät ausgeführt wird, führt das Steuermittel bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung den Betrieb jedes Gerätes aus, während zwischen zwei ausgewählten Netzgeräten in einer vorbestimmten Ablaufsteuerung umgeschaltet wird.
Da gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung der Betrieb jedes Gerätes ausgeführt wird, während zwischen zwei ausgewählten Netzgeräten in einer vorbestimmten Ablaufsteuerung umgeschaltet wird, kann die nachteilige Auswirkung des kontinuierlichen Betriebs nur eines spezifischen Netzgerätes über einen längeren Zeitraum, bei dem die Bauteile aufgrund der Wärmeerzeugung beschädigt und infolgedessen die Lebensdauer des Netzgerätes verkürzt werden, verringert werden.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung gehört zu der Stromversorgungseinheit außerdem entweder eines oder beide aus einer Gruppe bestehend aus einem Ladegerät, das an einer Ausgangsstufe der mindestens zwei oder mehr Netzgeräte bereitgestellt wird, und einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (Uninterruptible Power Supply, UPS), die parallel zu den mindestens zwei oder mehr Netzgeräten bereitgestellt wird.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Stromversorgung stabil erfolgen, selbst zum Zeitpunkt des Umschaltens auf ein zu betreibendes Netzgerät oder beim Auftreten eines plötzlichen Ereignisses. Dies kann die Redundanz und die Zuverlässigkeit des Netzgerätes weiter verbessern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration einer Stromversorgungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel der Beziehung zwischen einer Laststromrate und dem Wirkungsgrad eines Netzgerätes zeigt;
3 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Laststromrate und einer Leistungsaufnahmedifferenz zeigt;
4 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Laststromrate und dem Wirkungsgrad eines Netzgerätes zeigt;
5 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Laststromrate und einer Leistungsaufnahmedifferenz zeigt; und
6 ist ein Ablaufplan, der einen Steuerungsablauf einer Stromversorgungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführungsform der Erfindung
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration einer Stromversorgungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Zu einer Stromversorgungseinheit 100 gehören die Netzgeräte 10, 11 und 12, ein Erfassungsmittel 20, ein Steuermittel 30, ein Speichermittel 35, ein Ladegerät 40 und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) 41. Das Speichermittel 35 kann in das Steuermittel 30 integriert sein. Das Ladegerät 40 und die unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) 41 sind keine unverzichtbaren Elemente, aber, wenn möglich, ist es besser, beide bereitzustellen. Das Steuermittel 30 kann Daten mit einem Host wie zum Beispiel einem Server austauschen. Als eine Last in 1 kann jedes System, jede Vorrichtung oder jede Einheit einschließlich des Servers verwendet werden.
Die Netzgeräte 10, 11 und 12 werden parallel zueinander geschaltet, wobei zu jedem einer der Gleichrichter 15, 16 und 17 gehört, um einen Wechselstrom von einer Wechselstromquelle 5 in eine vorbestimmte GS-Nennleistung umzuwandeln. Die Wechselstromquelle 5 liefert einen handelsüblichen Wechselstrom (Spannung) mit zum Beispiel 100 V, 115 V oder 230 V. Die vorbestimmte GS-Nennleistung weist einen Gleichstrom mit einer beliebigen für die Last erforderlichen Spannung wie zum Beispiel 12 V oder 15 V auf. Der Gleichstrom von einer Gleichstromquelle kann anstelle des Wechselstroms von der Wechselstromquelle 5 verwendet werden. In anderen Worten kann die vorliegende Erfindung in der gleichen Weise auf einen Fall angewandt werden, in dem der Eingangsstrom ein Gleichstrom ist. Des Weiteren werden in 1 drei Netzgeräte 10, 11 und 12 gezeigt, aber die Anzahl der Netzgeräte ist nicht auf drei beschränkt, solange sie mindestens zwei oder mehr beträgt. Grundsätzlich liefern mindestens zwei Netzgeräte die gleiche vorbestimmte GS-Nennleistung und sie sind so konfiguriert, dass, wenn ein Netzgerät ausfällt, das andere die Versorgung mit der gleichen GS-Nennleistung fortsetzen (sicherstellen) kann. Bei dieser Anwendung wird die Stromversorgungskonfiguration, die diese Redundanz aufweist, auch eine redundante Stromversorgungskonfiguration genannt. In dem Beispiel der 1 können zwei beliebige (z. B. 10 und 12) oder alle drei aus den drei Netzgeräten 10, 11 und 12 als die redundante Stromversorgungskonfiguration ausgewählt werden.
Das Erfassungsmittel 20 erfasst die Laststromrate von jedem der Netzgeräte 10, 11 und 12. In 1 ist das Erfassungsmittel 20 mit einer Ausgangsleitung 22 der Netzgeräte verbunden, aber es kann stattdessen so konfiguriert sein, dass es direkt mit einer Ausgangsstufe innerhalb jedes Netzgerätes verbunden wird. Die Laststromrate α bedeutet hier das Verhältnis des Laststroms I zu dem maximalen Wert des Nennlaststroms Im der Stromversorgungseinheit (α = I/lm). Insbesondere erfasst das Erfassungsmittel 20 den Strom über die Ausgangsleitung 22 oder den Ausgangsstrom der Netzgeräte und dividiert den Stromwert durch den maximalen Wert des Nennlaststroms Im, um die Laststromrate α zu berechnen. Das Erfassungsmittel 20 kann als eine Art von Strommessgerät dienen, um nur den Stromwert zu erfassen, sodass das Steuermittel 30 die Laststromrate α berechnen wird.
Das Steuermittel 30 steuert den Betrieb der Netzgeräte, um die Gesamtmenge der Leistungsaufnahme pro Netzgerät zu verringern, die auf der Grundlage der GS-Nennleistung der Netzgeräte und des Wirkungsgrads aller Netzgeräte berechnet wurde, und die der Laststrom rate entspricht. Der Wirkungsgrad β eines Netzgerätes bedeutet hier das Verhältnis der Ausgangsleistung Po zur Eingangsleistung Pi des Netzgerätes (β = Po/Pi). Je höher der Wirkungsgrad β ist, desto geringer ist die Leistungsaufnahme des Netzgerätes selbst. Die Leistungsaufnahme P aller Netzgeräte wird mithilfe der folgenden Gleichung (1) berechnet: P = Pc·α/(n·β) (1), wobei Pc die GS-Nennleistung bezeichnet, α eine Laststromrate ist, n die Anzahl der Netzgeräte ist und β der Wirkungsgrad aller Netzgeräte ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die obige Gleichung (1) eine wirksame Gleichung ist, wenn das Erfassungsmittel 20 den Stromwert der Ausgangsleitung 22 berechnet, um die Laststromrate α zu berechnen. Wenn das Erfassungsmittel 20 direkt mit der Ausgangsstufe aller Netzgeräte verbunden wird, werden die Berechnungen ausgeführt, indem der Wert n = 1 (fester Wert) verwendet wird.
2 und 4 zeigen Beispiele von Beziehungen zwischen der Laststromrate und dem Wirkungsgrad eines Netzgerätes. 2 zeigt den Wirkungsgrad eines Netzgerätes, wenn bei einem Wechselspannungseingang von 115 V die GS-Nennleistung 675 W beträgt. 4 zeigt den Wirkungsgrad eines Netzgerätes, wenn bei einem Wechselspannungseingang von 115 V die GS-Nennleistung 2500 W beträgt. In beiden Figuren zeigt die Kurve A den Wirkungsgrad, wenn ein Netzgerät betrieben wird, und die Kurve B zeigt den Wirkungsgrad, wenn zwei Netzgeräte betrieben werden.
Ab der Grenze von 50% der Laststromrate wendet sich in 2 der Wirkungsgrad (A) in dem Fall eines Betriebs mit einem Gerät zu einer Abnahme und der Wirkungsgrad (B) pro Gerät wendet sich in dem Fall eines Betriebs mit zwei Geräten zu einer Zunahme. Danach tauschen die beiden Wirkungsgrade in der Nähe von 75% der Laststromrate die Positionen. In dem Fall eines Betriebs mit einem Gerät wendet sich in 4 ab der Grenze von 50% der Laststromrate der Wirkungsgrad (A) zu einer Abnahme, während der Wirkungsgrad (B) pro Gerät in dem Fall eines Betriebs mit zwei Geräten mit zunehmender Laststromrate monoton zunimmt. Wie in dem Fall der 2 tauschen in dem Fall der 4 die beiden Wirkungsgrade in der Nähe von 75% der Laststromrate die Positionen. Auf diese Weise hat bei einer Betrachtung des Wirkungsgrads eines Netzgerätes je nach dem Lastzustand entweder die Konfiguration (der Betrieb) mit einem Netzgerät einen besseren Wirkungsgrad oder die redundante Stromversorgungskonfiguration (Betrieb mit zwei Geräten) hat einen besseren Wirkungsgrad.
Das Speichermittel 35 speichert eine Zuordnung, welche die Beziehung zwischen der Laststromrate und einem Differenzwert zwischen den Leistungsaufnahmen darstellt, die den Laststromraten bei dem Betrieb eines Netzgerätes und bei dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten entsprechen. 3 und 5 zeigen Beispiele von Beziehungen zwischen der Laststromrate und einer Leistungsaufnahmedifferenz. 3 entspricht 2, die einer Zuordnung für Netzgeräte mit einem Wechselspannungseingang von 115 V und einer GS-Nennleistung von 675 W entspricht. 5 entspricht 4, die einer Zuordnung für Netzgeräte mit einem Wechselspannungseingang von 115 V und einer GS-Nennleistung von 2500 W entspricht. Sowohl in 3 als auch in 5 zeigt die Leistungsaufnahmedifferenz auf der vertikalen Achse einen Differenzwert (P1 – P2) zwischen der Leistungsaufnahme P1, wenn ein Netzgerät betrieben wird, und der Leistungsaufnahme P2, wenn zwei Netzgeräte betrieben werden. Die Leistungsaufnahme wird mithilfe der obigen Gleichung (1) berechnet.
Aus der in 3 oder 5 gezeigten Zuordnung stellt das Steuermittel 30 eine Bezugslaststromrate als einen Bezug für das Umschalten zwischen einem Betrieb einem Netzgerät und einem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten ein, um gemäß dem Ergebnis des Vergleichs zwischen der erfassten Laststromrate und der Bezugslaststromrate zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten umzuschalten. Insbesondere wird dies wie folgt ausgeführt:
In 3 kehrt sich der Differenzwert (P1 – P2) in der Nähe von 68% der Laststromrate um. In anderen Worten wird der Differenzwert (P1 – P2) bei 68% oder weniger der Laststromrate negativ (Gebiet 1) und dies bedeutet, dass die Leistungsaufnahme P1, wenn ein Netzgerät betrieben wird, kleiner ist als die Leistungsaufnahme P2, wenn zwei Netzgeräte betrieben werden. Auf der anderen Seite wird der Differenzwert (P1 – P2) bei 68% oder mehr der Laststromrate positiv (Gebiet 2) und dies bedeutet, dass die Leistungsaufnahme P1 größer ist als die Leistungsaufnahme P2, d. h. P2 wird kleiner. Daher stellt das Steuermittel 30 68% der Laststromrate als die Bezugslaststromrate ein, um bei der Bezugslaststromrate von 68% oder weniger ein Netzgerät zu betreiben oder um bei der Bezugslaststromrate von 68% oder mehr die redundante Stromversorgungskonfiguration (zwei Geräte) zu betreiben, wodurch eine Verringerung der Leistungsaufnahme ermöglicht wird.
Wenn zum Beispiel die Zuordnung in 5 genommen wird, kehrt sich der Differenzwert (P1 – P2) in der Nähe von 65% der Laststromrate um. In anderen Worten wird der Differenzwert (P1 – P2) bei 65% oder weniger der Laststrom rate negativ (Gebiet 1) und dies bedeutet, dass die Leistungsaufnahme P1, wenn ein Netzgerät betrieben wird, kleiner ist als die Leistungsaufnahme P2, wenn zwei Netzgeräte betrieben werden. Auf der anderen Seite wird der Differenzwert (P1 – P2) bei 65% oder mehr der Laststromrate positiv (Gebiet 2) und dies bedeutet, dass die Leistungsaufnahme P1 größer ist als die Leistungsaufnahme P2, d. h. P2 wird kleiner. Daher stellt das Steuermittel 30 65% der Laststromrate als die Bezugslaststromrate ein, um bei der Bezugslaststromrate von 65% oder weniger ein Netzgerät zu betreiben oder um bei der Bezugslaststromrate von 68% oder mehr die redundante Stromversorgungskonfiguration (zwei Geräte) zu betreiben, wodurch eine Verringerung der Leistungsaufnahme ermöglicht wird.
Eine erste Bezugslaststromrate und eine zweite Bezugslaststromrate, die größer als die erste Bezugslaststromrate ist, können als Bezugslaststromrate eingestellt werden. Wenn man zum Beispiel den Fall in 3 nimmt, wird die erste Bezugslaststromrate auf 65% eingestellt und die zweite Bezugslaststromrate wird auf 71% eingestellt. In diesem Fall wählt das Steuermittel 30, während des Betriebs eines Netzgerätes, wenn die erfasste Laststromrate größer wird als die zweite Bezugslaststromrate (71%), den parallelen Betrieb von zwei Geräten. Auf der anderen Seite wählt das Steuermittel 30, während des parallelen Betriebs von zwei Geräten, wenn die erfasste Laststromrate kleiner wird als die erste Bezugslaststromrate (65%), den Betrieb mit einem Gerät.
Auf diese Weise kann das Bereitstellen eines vorbestimmten Bereiches (z. B. eine Differenz von 6% zwischen der ersten Bezugslaststromrate von 65% und der zweiten Bezugslaststromrate von 71%) für die Bezugslaststromrate (z. B. 68%) für ein Umschalten zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten die Ablaufsteuerung des Umschaltens verzögern, selbst wenn die Laststromrate mehrmals innerhalb eines kurzen Zeitraums variiert, d. h., es werden Hystereseeigenschaften bereitgestellt, wodurch die Entwicklung von Problemen auf der Lastseite aufgrund einer instabilen Stromversorgung vermieden wird.
Wenn der Betrieb mit einem Gerät ausgeführt wird, kann das Steuermittel 30 auch den Betrieb aller Geräte steuern, während zwischen zwei ausgewählten Netzgeräten in einer vorbestimmten Ablaufsteuerung umgeschaltet wird. In der in 1 gezeigten Stromversorgungseinheit kann das Steuermittel 30 zum Beispiel einen Betrieb ausführen, während alternativ zwischen den ausgewählten Netzgeräten 10 und 12 oder 11 und 12 umgeschaltet wird oder während zwischen den drei Geräten abwechselnd in vorbestimmten Ablaufsteuerungen umgeschaltet wird. Dies kann zu einer Verringerung der nachteiligen Auswirkungen des kontinuierlichen Betriebs von nur einem Netzgerät über einen längeren Zeitraum führen, wobei Teile durch Wärmeerzeugung beschädigt werden und infolgedessen die Lebensdauer des Netzgerätes verkürzt wird. In einer Situation, in der es schwierig ist zwischen den Betrieben umzuschalten oder, wenn ein beliebiges Gerät aus mehreren Netzgeräten auswählbar ist, kann ein Netzgerät mit einer minimalen Leistungsaufnahme betrieben werden.
Das Ladegerät 40, das in der Ausgangsstufe 22 der Netzgeräte in 1 bereitgestellt wird, oder die unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) 41, die parallel zu den Netzgeräten bereitgestellt wird, werden bereitgestellt, um im Zeitraum während des Umschaltens auf ein zu betreibendes Netzgerät oder beim Auftreten eines plötzlichen Ereignisses eine stabile Stromversorgung zu liefern. Dies kann die Redundanz des Netzgerätes weiter verbessern. Zu dem Ladegerät 40 gehören ein Kondensator, eine Batterie und ähnliche Elemente. Zusätzlich zu der Verwendung des Ladegeräts (Kondensator und ähnliche Elemente) nur in der Ausgangsstufe 22 der Netzgeräte kann ein Ladegerät (Kondensator und ähnliche Elemente) auch in einem Standby-Netzgerät (AUX-Stromversorgungsausgang) oder einem ähnlichen Gerät verwendet werden, das normalerweise für ein Netzgerät bereitgestellt wird, sodass die Stromversorgung oder ein Schaltkreis der Netzgeräte, die oder der in der Konfiguration mit nur einem (abzuschaltenden) Netzgerät bereitsteht, abgeschaltet wird, wodurch eine geringere Leistungsaufnahme erreicht wird.
Als Nächstes wird in 6 ein grundlegender Steuerungsablauf der Stromversorgungseinheit der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Steuerungsablauf in 6 wird von der Stromversorgungseinheit und hauptsächlich von dem Steuermittel 30 aus 1 ausgeführt.
In Schritt S11 wird eine Zuordnung vorbereitet, wobei die Zuordnung eine Beziehung zwischen der Laststromrate aller Netzgeräte und einem Differenzwert zwischen den Leistungsaufnahmen darstellt, die den Laststromraten bei dem Betrieb eines Netzgerätes und bei dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten entsprechen. Diese Zuordnung entspricht derjenigen, die oben in Bezug auf 3 und 5 beschrieben wurde. In Schritt 12 wird aus der Zuordnung eine Bezugslaststromrate αt als ein Bezugswert für das Umschalten zwischen dem Betrieb einem Netzgerät und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten eingestellt. Das Einstellen dieser Bezugslaststromrate αt erfolgt, wie es oben ausführlich beschrieben wurde. Wie oben erwähnt, können die erste und die zweite Bezugslaststromrate als Bezugslaststromrate αt eingestellt werden.
In Schritt 13 wird die Laststromrate α eines Netzgerätes erfasst. Die Einzelheiten der Erfassung dieser Laststromrate α werden oben beschrieben. In Schritt 14 wird bestimmt, ob die erfasste Laststromrate α kleiner ist als die Bezugslaststromrate αt. Insbesondere wird zum Beispiel bestimmt, ob die Laststromrate α kleiner ist als die oben erwähnte Bezugslaststromrate von 68% (65%) in 3 (5). Wenn diese Bestimmung JA ergibt, wird in Schritt S15 der Betrieb eines Netzgerätes gewählt. Wie oben erwähnt, erfolgt dies, da die Leistungsaufnahme verringert werden kann. Wenn diese Bestimmung NEIN ergibt, wird in Schritt S16 der Betrieb (die redundante Konfiguration) mit zwei Netzgeräten gewählt. Dies erfolgt, da auch hier die Leistungsaufnahme verringert werden kann. Wie oben erwähnt, kann in Schritt 14 eine Größenbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugslaststromrate bestimmt werden.
In Schritt S17 wird bestimmt, ob ein vorbestimmter Zeitraum abgelaufen ist, seit dem der Betrieb eines Netzgerätes gewählt wurde. Wenn diese Bestimmung JA ergibt, wird das zu betreibende Netzgerät in Schritt S18 auf das andere oder ein anderes ausgewähltes Gerät umgeschaltet. Wie oben erwähnt, erfolgt dies, um durch Wärmeerzeugung verursachte Schäden an den Bauteilen und infolgedessen eine Verkürzung der Lebensdauer des Netzgerätes zu verringern. Danach wird in Schritt S19 bestimmt, ob die Stromversorgung durch die Stromversorgungseinheit unterbrochen werden soll. Die Prozedur kehrt zu Schritt S14 zurück und die Schritte S14 bis S18 werden wiederholt, ausgenommen, wenn diese Bestimmung NEIN ergibt.
Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die vorangehende Ausführungsform beschreibt größtenteils die Fälle des Betriebs eines Netzgerätes und des Betriebs der redundanten Konfiguration (zwei Geräte), aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Es bedarf keiner Erwähnung, dass die vorliegende Erfindung auf eine redundante Konfiguration von drei oder mehr Geräten anwendbar ist. Außerdem können anstatt des Ableitens der Leistungsaufnahme P eines Netzgerätes aus der Gleichung (1) die Spannung und der Strom in einem Wechselstromeingangsteil und einem Gleichstromausgangsteil der Stromversorgungseinheit 10 gemessen werden, um die aktuelle Leistung P mithilfe der gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms zu berechnen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen ausgeführt werden kann, zu denen zahlreiche Verbesserungen, Variationen und Veränderungen aufgrund der Kenntnisse von Fachleuten hinzugefügt werden, ohne vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

10, 11, 12: Netzgerät
15, 16, 17: Gleichrichter
20: Erfassungsmittel für das Erfassen einer Laststromrate
30: Steuermittel
35: Speichermittel
40: Ladegerät
41: Unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS)
100: Stromversorgungseinheit

Claims

Stromversorgungseinheit, die aufweist: mindestens zwei oder mehr Netzgeräte, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jedem ein Gleichrichter für das Umwandeln eines Gleichstroms von einer Gleichstromquelle oder eines Wechselstroms von einer Wechselstromquelle in eine vorbestimmte GS-Nennleistung gehört; ein Erfassungsmittel für ein Erfassen einer Laststromrate von jedem der Netzgeräte; und ein Steuermittel für ein Steuern des Betriebs der Netzgeräte, um eine Gesamtmenge einer Leistungsaufnahme pro Netzgerät zu verringern, die auf der Grundlage der GS-Nennleistung und eines Wirkungsgrads von jedem der Netzgeräte berechnet wurde, und die der Laststromrate entspricht.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: ein Speichermittel für ein Speichern einer Zuordnung, welche eine Beziehung zwischen der Laststromrate und einem Differenzwert zwischen den Leistungsaufnahmen darstellt, die den Laststromraten bei dem Betrieb eines Netzgerätes und bei dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten entsprechen, wobei das Steuermittel aus der Zuordnung eine Bezugslaststromrate als einen Bezug für das Umschalten zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten einstellt, um gemäß einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der erfassten Laststromrate und der Bezugslaststromrate zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten umzuschalten.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel den Betrieb eines Netzgerätes wählt, wenn die erfasste Laststromrate kleiner ist als die Bezugslaststromrate, oder wobei, wenn diese größer ist, das Steuermittel den parallelen Betrieb von zwei oder mehr Geräten wählt.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 2, wobei die Bezugslaststromrate eine erste Bezugslaststromrate und eine zweite Bezugslaststromrate aufweist, die größer als die erste Bezugslaststromrate ist, und wobei das Steuermittel den parallelen Betrieb von zwei oder mehr Geräten wählt, wenn die erfasste Laststromrate während des Betriebs eines Netzgerätes größer als die zweite Bezugslaststromrate wird, oder den Betrieb mit einem Gerät wählt, wenn die erfasste Laststromrate während des parallelen Betriebs von zwei oder mehr Netzgeräten kleiner als die erste Bezugslaststromrate wird.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei, wenn der Betrieb mit einem Gerät ausgeführt wird, das Steuermittel den Betrieb aller Geräte ausführt, während in einer vorbestimmten Ablaufsteuerung zwischen zwei ausgewählten Netzgeräten umgeschaltet wird.
Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Steuermittel ein Netzgerät mit einer minimalen Leistungsaufnahme pro Netzgerät betreibt, wenn der Betrieb mit einem Gerät ausgeführt wird.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die außerdem entweder eines oder beide aus einem Ladegerät, das an einer Ausgangsstufe der mindestens zwei oder mehr Netzgeräte bereitgestellt wird, und einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (UPS) aufweist, die parallel zu den mindestens zwei oder mehr Netzgeräten bereitgestellt wird.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Leistungsaufnahme P pro Netzgerät mithilfe der folgenden Gleichung berechnet wird: P = Pc·α/(n·β), wobei Pc die GS-Nennleistung bezeichnet, α eine Laststromrate ist, n die Anzahl der Netzgeräte ist und β der Wirkungsgrad aller Netzgeräte ist.
Steuerverfahren für eine Stromversorgungseinheit, zu der mindestens zwei oder mehr Netzgeräte gehören, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jedem Gerät ein Gleichrichter für das Umwandeln eines Gleichstroms von einer Gleichstromquelle oder eines Wechselstroms von einer Wechselstromquelle in eine vorbestimmte GS-Nennleistung gehört; wobei das Verfahren aufweist: einen Schritt eines Vorbereitens einer Zuordnung, die eine Beziehung zwischen einer Laststromrate von jedem der Netzgeräte und einem Differenzwert zwischen den Leistungsaufnahmen darstellt, die den Laststromraten bei dem Betrieb eines Netzgerätes und bei dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten entsprechen; einen Schritt eines Einstellens einer Bezugslaststromrate aus der Zuordnung als ein Bezugswert für das Umschalten zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten; einen Schritt eines Erfassens der Laststromrate des Netzgerätes; einen Schritt eines Vergleichens der erfassten Laststromrate mit der Bezugslaststromrate; und einen Schritt eines Umschaltens zwischen dem Betrieb eines Netzgerätes und dem parallelen Betrieb von zwei oder mehr Netzgeräten.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Bezugslaststromrate eine erste Bezugslaststromrate und eine zweite Bezugslaststromrate aufweist, die größer als die erste Bezugslaststromrate ist, und der Schritt des Umschaltens zwischen den Betrieben ein Wählen des parallelen Betriebs von zwei oder mehr Geräten, wenn die erfasste Laststromrate während des Betriebs eines Netzgerätes größer als die zweite Bezugslaststromrate wird, oder ein Wählen des Betriebs mit einem Gerät aufweist, wenn die erfasste Laststromrate während des parallelen Betriebs von zwei oder mehr Netzgeräten kleiner als die erste Bezugslaststromrate wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, das außerdem, wenn der Betrieb mit einem Gerät ausgeführt wird, einen Schritt eines Ausführens des Betriebs aller Geräte aufweist, während in einer vorbestimmten Ablaufsteuerung zwischen zwei ausgewählten Netzgeräten umgeschaltet wird.