DE1665835B1

DE1665835B1 - Ultraschnelle Umschaltvorrichtung fuer das Umschalten der Stromversorgung eines Gleichstromverbrauchers bei Netzausfall auf eine B0tterie

Info

Publication number: DE1665835B1
Application number: DE19661665835
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1965-12-29
Filing date: 1966-12-22
Publication date: 1970-07-16
Also published as: LU52680A1; GB1162505A; BE691642A; FR1492820A; NL6618181A; US3454781A

Description

Die Erfindung betrifft eine ultraschnelle Umschaltvorrichtung für das Umschalten der Stromversorgung eines Gleichstromverbrauchers bei Netzausfall auf eine vom Netz her aufladbare Batterie, zwischen die und den Verbraucher in einer Verbindungsleitung als steuerbarer Gleichrichter mit sehr kurzer Ansprechzeit ein Thyristor angeordnet ist, parallel zu dem ein sich bei Netzausfall schließender Kurzschlußschütz mit längerer Ansprechzeit geschaltet ist. ίο

Derartige Anlagen sind beispielsweise durch die schweizerische Patentschrift 391839 bekannt. Bei elektromagnetischen Hebezeugen muß zum Verhindern von Unfällen und Sachzerstörungen durch abstürzende Lasten bei Ausfall der Stromversorgung des elektrischen Hebemagneten aus dem Netz so rasch für eine Weiterversorgung über eine Batterie gesorgt werden, daß die Hebekraft des Magneten nicht unter die Nominalbelastbarkeit des Hebezeugs abfällt. Deshalb werden dort Thyristoren zur Schnellumschaltung eingesetzt. Selbstverständlich ist ein ähnlich schnelles Ersetzen der Stromversorgung aus dem Netz durch eine Notstromversorgung aus einer Batterie auch bei vielen anderen Anlagen von Vorteil.

Für das Umschalten des Verbrauchers auf die Notstromversorgung sind dort direkt vom Netzspannungsabfall gesteuerte elektromagnetische Impulseinrichtungen für die Ansteuerung des Thyristors vorgesehen. Sinkt dort die Netzspannung nur lang-' sam, so kann ein Impuls ausbleiben. Der Impuls, kommt außerdem nicht zustande, wenn bei der dort dargestellten Dreiphasen-Versorgung des Verbrauchers eine andere Phase ausfällt als die den Impuls erzeugende.

Es sind ferner schon Umschaltvorrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen das Umschalten über Transistoren erfolgt (deutsche Auslegeschrift 1136 764). Das Basispotential ist dort von der Netz- und der Verbraucherspannung abhängig. Parallel zu den Transistoren kann als Kurzschlußbrücke ein elektromagnetischer Schnellschalter gelegt werden, der auf Grund der Abnahme der Netzspannung anspricht. Derartige Vorrichtungen können jedoch insbesondere dann nicht verwendet werden, wenn der Verbraucher hohe Stromstärken erfordert. Der Transistor hat nämlich bis zum Ansprechen des elektromagnetischen Schnellschalters den vom Verbraucher angeforderten Strom zu führen und wird so wegen seines Innenwiderstandes thermisch stark belastet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art für relativ hohe Leistungen auf einfache Weise eine ultraschnelle Anschaltung des Verbrauchers an die Batterie auch bei langsamem Spannungsabfall oder Vorhandensein einer Netz-Unterspannung zu erreichen, ohne daß besondere Impulserzeuger benötigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode des Thyristors mit dem positiven Pol der Batterie und seine Kathode mit der positiven Anschlußklemme des Netzes verbunden ist, dessen negative Anschlußklemme am negativen Pol der Batterie liegt, und daß die Steuerelektrode des Thyristors von der Batterie her auf wählbarem, konstantem Potential gehalten ist.

Bei dieser Schaltung liegt die Steuerelektrode des Thyristors ständig auf einem konstanten Potential.

Die Kathode des Thyristors ist direkt an die dem Verbraucher vom Netz zugeführte Spannung gelegt, wodurch der Thyristor automatisch öffnet, sobald diese an der Kathode liegende Spannung unter einen bestimmten Wert fällt. Damit wird also der Thyristor direkt durch die am Verbraucher liegende Spannung gesteuert und wird immer dann augenblicklich ansprechen, wenn eine Sicherheitsschwelle der am Verbraucher liegenden Spannung unterschritten wird. Durch die Einstellbarkeit der konstanten Spannung an der Steuerelektrode, die von der am Verbraucher liegenden Momentanspannung völlig unabhängig ist, kann weiter die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung sehr einfach den Erfordernissen des jeweiligen Verbrauchers angepaßt werden.

In weiterer Ausgestaltung des Anmeldungsgegenstandes kann zwischen die Steuerelektrode des Thyristors und den Schleiferabgriff am Potentiometer eine Diode so eingeschaltet sein, daß ein Stromfluß nur, in Richtung auf die Steuerelektrode des Thyristors möglich ist. Ebenso kann zwischen die positive Netzanschlußklemme und den mit der Ka-, thode des Thyristors verbundenen Anschluß des Verbrauchers eine Diode eingeschaltet sein, die die Stromflußrichtung in Richtung auf diese Kathode festlegt. Zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des Thyristors kann eine Zenerdiode geschaltet sein. Diese Maßnahmen verhindern der Reihe nach ein Fließen des Netzstromes über das Potentiometer, ein Speisen weiterer an das Netz angeschlossener Verbraucher bei Netzausfall und. einen Durchschlagsschutz des Thyristors bei An-¹ wachsen der Spannung zwischen dessen Steuerelektrode und Kathode auf zu hohe Werte.

Erfindungsgemäß kann weiter parallel zum Thyristor und den Kurzschlußschütz überbrückend als Überspannungsschutz ein Gleichrichter mit der Umkehrkennlinie einer Zenerdiode geschaltet sein. Auf diese Weise kann ohne Behinderung der ordnungsgemäßen Funktion der Vorrichtung der Thyristor vor Umkehrüberspannungen geschützt werden.

Schließlich kann zwischen die Kathode des Thyristors und den mit der positiven Anschlußklemme des Netzes verbundenen Anschluß des Verbrauchers eine weitere Batterie geschaltet sein, deren mit der Kathode des Thyristors verbundener negativer Pol über einen Ladewiderstand an der negativen Netzanschlußklemme liegt, während ihr an der positiven Netzanschlußklemme liegender positiver Pol mit dem gleichnamigen Pol der anderen Batterie über einen Ladewiderstand verbunden ist. Die Batterie ist so in zwei Halbbatterien unterteilt, zwischen die die Umschaltvorrichtung eingeschaltet ist. Bei Ausfall des Netzes werden die beiden Halbbatterien durch die Umschaltvorriehtung hintereinander an den Verbraucher geschaltet. Ein eigenes Ladegerät ist für diese Vorrichtung nicht erforderlich, da bei funktionierendem Netz eine Ladung der Halbbatterien vom Netz aus über die Ladewiderstände erfolgen kann.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 die Schaltung einer erfindungsgemäßen Umschaltvorriehtung,

F i g. 2 die Schaltung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 3 bis 7 bei Verwendung der erfindungsge-

3 : 4

mäßen Vorrichtung erhaltene Oszillogramme des mit dem Verbraucher 1 in Reihe geschaltete Unterzeitlichen Spannungsverlaufes am Verbraucher. brecher 24 geschlossen, so ist der Verbraucherstrom-Fig.l zeigt einen Verbraucher 1 mit zwei An- kreis über seine Anschlüsse 2 und 3 mit den Netzschlüssen 2 und 3. Die Anschlüsse 2 und 3 befinden anschlußklemmen 6 und 7 verbunden und wird aus sich in Leitern 4 und 5. Von diesen ist der Leiter 4 5 dem Netz gespeist. Gleichzeitig wird über die Klemmit der positiven JSTetzanschlußklemrne 6 und der men 25 und 26 und das Ladegerät 10 die Batterie 9 LeiterS mit der negativen Netzanschlußklemme 7 geladen.

verbunden. Solange die Netzspannung, also die Spannungs-

Über das Netz wird der Verbraucherkreis 8 nor- differenz zwischen den Netzanschlußklemmen 6 malerweise versorgt. Bei Netzausfall tritt an seine io und 7, einen durch die Stellung des Schleiferabgriffs Stelle die Batterie 9, deren Nominalspannung gleich 14 am Potentiometer 13 gewählten unteren Spander Netzspannung ist. Die Batterie ist ebenfalls zwi- nungsgrenzwert nicht unterschreitet, bleibt der Spanschen die Leiter 4 und 5 geschaltet. Sie kann über nungsunterschied zwischen der Steuerelektrodenein zu ihr parallel liegendes Ladegerät 10 vom Netz spannung und der Kathodenspannung am Thyristor her geladen werden. 15 negativ und der Thyristor selbst somit gesperrt. Die

Zwischen die Leiter 4 und 5 bzw. zwischen den Batterie hat deshalb nur die durch den hochohmigen positiven Pol Il und den negativen Pol 12 der Bat- Potentiometerwiderstand fließende sehr geringe terie ist ein hochohmiges Potentiometer 13 geschal- Stromstärke zu liefern.

tet. Der Schleiferabgriff 14 dieses Potentiometers ist Sinkt die Netzspannung unter den vorgewählten

mit der Steuerelektrode P eines Thyristors 15 ver- 20 Minimalwert ab, so wird der Spannungsunterschied bunden. Dieser kann gegebenenfalls durch einen zu zwischen der Steuerelektrodenspannung und der ihm technisch äquivalenten anderen steuerbaren Kathodenspannung am Thyristor 15 positiv, der Gleichrichter ersetzt werden. An der Steuerelek- Thyristor wird innerhalb von wenigen MikrosekuntrodeP des Thyristors 15 liegt so ein wählbarer ' den leitend und die Batterie 9 damit an den VerBruchteil der Klemmenspannung der Batterie 9. Die 25 braucherstromkreis 8 angeschlossen. Anode A des Thyristors 15 ist mit dem positiven Gleichzeitig spricht das Relais 21 auf den Span-

Pol 11 der= Batterie 9 verbunden, während die Ka- nungsabfall an und schließt einige 10 ms später den thode C des Thyristors 15 mit dem mit der positiven Kurzschlußschütz 22, womit der Thyristor 15 kurz-Netzanschlußklemme 6 verbundenen Anschluß 2 des geschlossen wird. Der vom Thyristor 15 geführte Verbrauchers 1 verbunden ist. '" 30 Strom fällt damit ab, und der Thyristor sperrt von

Zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des neuem, während die Batterie 9 über den Kurzsehluß-Thyristors 15 ist weiter eine Zenerdiode 16 geschal- schütz 22 weiter den Verbraucher speist, tet, während zwischen die Steuerelektrode P und den Liegt an den Netzanschlußklemmen 6 und 7 nach

SchleiferabgrifE 14 des Potentiometers 13 eine Diode Behebung der Störung wieder die normale Netz-17 geschaltet ist, die einen Stromfluß über den 35 spannung, so wird über das Relais 21 der Kontakt Sehleiferabgriff 14 in das Potentiometer 13 ver- des Kurzschlußschützes 22 wieder unterbrochen. Der hindert. Thyristor bleibt dabei nicht leitend, da seine Ka-

Eine weitere Diode 18 ist zum Festlegen der thode C jetzt wieder ein höheres Potential aufweist Stromfiußrichtung in Richtung auf die Kathode C als seine Steuerelektrode P. Der Gleichrichter 23 des Thyristors 15 zwischen den mit dieser verbünde- Φ schützt dabei den Thyristor 15 vor Überspannungen, nen Anschluß 2 des Verbrauchers 1 und die positive F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung

Netzanschlußklemme 6 geschaltet Zwischen der bei der die Batterie in zwei Halbbatterien unterteilt Diode 18^: und der positiven Netzanschlußklemme 6 ist. Der Batterie 9 der Ausführungsform von F i g. 1 ist am Leiter 4 im Punkt 19 und zwischen dem An- entspricht hier die Halbbatterie 90, während die Schluß 3 des Verbrauchers 1 und der negativen Netz- 45 andere Halbbatterie 91 zwischen die Kathode des anschlußklemme 7 am Leiter 5 in einem Punkt 20 Thyristors und den mit der positiven Ansehlußdie Steuerwicklung eines Relais 21 angeschlossen, klemme 6 des; Netzes verbundenen Anschluß 2 des das einen Schnellschalter darstellt, der bei Netz- Verbrauchers 1 geschaltet ist. Die Halbbatterien Spannungsabfall in einigen 10 ms einen Kurzschluß- 90 und 91 werden über Ladewiderstände 28 und 29 schütz 22 schließt, der dann den Thyristor 15 im 5° direkt von den Netzanschlußklemmen 6 und 7 her Leiter 4 kurzschließt. geladen. Dafür sind die Ladewiderstände jeweils

Parallel zum Thyristor 15 und den Kurzschluß- zwischen den einen Pol der Hilfsbatterie und den schütz 22. überbrückend ist als Überbrückungsschutz nicht mit dem anderen Pol der Hilfsbatterie Verbundes Thyristors ein Gleichrichter 23 geschaltet. Dafür denen der beiden Leiter 4 oder 5 geschaltet. Ein kann ein mit· annähernd der Umkehrkennlinie einer 55 Ladegerät 30 ist bei dieser Ausführungsform nicht Zenerdiode arbeitender Gleichrichter der unter dem mehr erforderlich.

Namen »Klip-sel« bekannten Bauart verwendet Ist die Spannung zwischen dem positiven PoIIl

werden. .. und dem negativen Pol 12 der Batterie 9 geringer

Zwischen die Anschlüsse 2 und 3 ist in Reihe mit als die normale Netzspannung zwischen den Netzdem Verbraucher 1 ein Unterbrecher 24 geschaltet. 60 anschlußklemmen 6 und 7, so könnte auf den Kurz-Das Ladegerät IG kann über Klemmen 25 und 26 schlußschütz 22 verziehtet werden. Der Thyristor 15 beispielsweise an die gleiche Hauptstromquelle an- würde dann nämlich bei der erfindungsgemäßen geschlossen werden, wie die Netzanschlußklemmen 6 Schaltung automatisch in dem Moment gesperrt, in und 7. dem die Netzspannung über die Batteriespannung

Mit der Batterie 9 in Reihe ist eine Sicherung 27 6g ansteigt. Diese Bedingung läßt sieh dann leicht erangeordnet, die bei Kurzschluß im Verbraucher- reichen, wenn die Nominalspannung der Batterie Stromkreis 8 anspricht. beim Speisen des Verbraucherkreises 8, also beim

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Ist der Entladen, rasch abfällt. Die Batterie 9 muß dazu

lediglich mit genügend kleiner Kapazität gewählt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet aber durch die Verwendung eines Kurzschlußschützen 22 eine zusätzliche Sicherheit.

Die Art der Kontaktgabe der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung ist den Fig. 3 bis 7 zu entnehmen.

In Fig.3 ist in Abhängigkeit von der Zeit die Spannung am Verbraucher aufgetragen. Die normale Netzspannung betrug 220 Volt. Die Schalt- ία spannung für den Thyristor 15 wurde mit Hilfe der Einstellung des Schleiferabgriffs 14 am Potentiometer 13 mit 170 Volt gewählt. Die in Fig. 3 gezeigte Kurve weist zunächst Schwankungen um den Mittelwert von 220 Volt auf, die durch die Gleichrichtung des Stromes entstehen. Im Augenblick des Ausfalls des Netzes sinkt die Spannung steil bis auf etwa 170 Volt ab und steigt dann innerhalb weniger Mikrosekunden unter Wirkung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung wieder auf 220 Von an.

In Fig. 4 ist der für den Umschaltvorgang interessanteTeil der Kurve von F i g. 3 mit gespreizter Zeitskala nochmals dargestellt.

Fig.5 zeigt das Wiedereinsetzen des normalen Netzbetriebes nach einem Netzäusfall. Man erkennt, daß bei Wiedereinsetzen der Spannungsversorgung über das Netz keinerlei Stromstoß auftritt.

Die in den F i g. 3 bis 5 zu erkennenden Spannungsschwankungen um den Mittelwert von 220 Volt sind eine Folge der verschiedenen Stromwechsel, die sich bei Gleichrichtung eines Drehstroms ergeben. Der gleichgerichtete Drehstrom wird jeweils an die Netzanschlußklemmen 6 und 7 gegeben.

F i g. 6 und 7 zeigen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung als Schutzvorrichtung auch dann verwendet werden kann, wenn nur eine einzige Phase des gleichgerichteten Drehstroms ausfällt. In Fig. 6 ist zunächst die an den Netzanschlußklemmen 6 und 7 liegende Spannung für den Fall gezeigt, daß eine Phase des Drehstroms ausgefallen ist. Man erkennt die großen Spannungsschwankungen. Die Spannung fällt sogar nahezu auf Null, was bei einer Vielzahl von Verbrauchern, beispielsweise bei elektromagnetischen Hebezeugen, unter keinen Umständen zugelassen werden kann. Die Kurve C₁ von Fig. 6 ist in Fig. 7 nochmals gestrichelt angegeben. Die dort gezeigte Kurve C₂ zeigt die bei Verwendung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung tatsächlich an den Anschlüssen 2 und 3 des Verbrauchers! liegende Spannung. Man erkennt, daß bei Spannungsabfall auf die voreingestellte Minimalspannung von 170 Volt der Thyristor 15 augenblicklich die Verbindung zwischen Batterie 9 und Verbraucher 1 herstellt. Diese Verbindung bleibt aufrecht, bis beim nächsten Stromwechsel die Spannung am Netz die Spannung der Batterie 9 wieder übersteigt, wodurch der Thyristor augenblicklich nicht leitend wird. Im nächsten Zyklus beginnt das Gleiche von

neuem. _, . „ ,

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschnelle Umschaltvorrichtung für das Umschalten der Stromversorgung eines Gleichstromverbrauchers bei Netzausfall auf eine vom Netz her aufladbare Batterie, zwischen die und den Verbraucher in einer Verbindungsleitung als steuerbarer Gleichrichter mit sehr kurzer Ansprechzeit ein Thyristor angeordnet ist, parallel zu dem ein sich bei Netzausfall schließender Kurzschlußschütz mit längerer Ansprechzeit geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (A) des Thyristors (15) mit dem positiven Pol (11) der Batterie (9, 90) und seine Kathode (C) mit der positiven Anschlußklemme ■ (6) des Netzes verbunden ist, dessen negative Anschlußklemme (7) am negativen Pol (12) der Batterie (9, 90) liegt, und daß die Steuerelektrode (P) des Thyristors (15) von der Batterie her auf wählbarem, konstantem Potential gehalten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (P) des Thyristors (15) mit dem Schleiferabgriff (14) eines Potentiometers (13) verbunden ist, dessen Endklemmen je mit einem Pol (11 bzw. 12) der Batterie (9,90) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlegen der Stromflußrichtung in Richtung auf die Steuerelektrode (P) des Thyristors (15) zwischen diese und den Schleiferabgriff (14) des Potentiometers (13) eine Diode (17) geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlegen der Stromflußrichtung in Richtung auf die Kathode (C) des Thyristors (15) zwischen den mit diesem verbundenen Anschluß (2) des Verbrauchers (1) und die positive Netzanschlußklemme (6) eine Diode (18) geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1" bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kathode (C) und Steuerelektrode (P) des Thyristors (15) eine Zenerdiode (16) geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Thyristor (15) und den Kurzschlußschütz (22) überbrückend als Überspannungsschutz ein Gleichrichter (23) mit der Umkehrkennlinie einer Zenerdiode geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kathode (C) des Thyristors und den mit der positiven Anschlußklemme (6) des Netzes verbundenen Anschluß (2) des Verbrauchers (1) eine weitere Batterie (91) geschaltet ist, deren mit der Kathode (C) des Thyristors (15) verbundener negativer Pol über einen Ladewiderstand (29) an der negativen Netzanschlußklemme (7) liegt, während ihr an der positiven Netzanschlußklemme (6) liegender positiver Pol mit dem gleichnamigen Pol der anderen Batterie (90) über einen Ladewiderstand (28) verbunden ist (F i g. 2).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der bzw. den Batterien (90,91) eine Sicherung (27) geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen