DE1690027B1 - Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien gleichstrom versorgung eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Gleichstromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere der elektrischen Nachrichtenübertragungs- und Meßtechnik, enthaltend einen Netzgleichrichter zur Stromversorgung des Verbrauchers aus einem Wechselstromnetz und wenigstens eine weitere, dem Verbraucher parallelgeschaltete netzunabhängige Stromquelle, die bei Netzausfall selbsttätig die Stromversorgung des Verbrauchers übernimmt.
• Die Zuverlässigkeit und die Spannungskonstanz der öffentlichen Starkstromnetze sind für die für Nachrichtenübertragungs- und Meßeinrichtungen erforderliche Betriebssicherheit oft nicht ausreichend. Eine weit verbreitete Einrichtung zur betriebssicheren, d. h. unterbrechungsfreien Stromversorgung von z. B. elektrischen Übertragungseinrichtungen besteht darin, daß im normalen Betrieb dem öffentlichen Netz Wechselstromenergie entnommen, durch Gleichrichtergeräte in Gleichstromenergie umgeformt und gegebenenfalls nach Stabilisierung den Gleichstromverbrauchern zugeführt wird. Wechselstromverbraucher werden unter Zwischenschalten eines Umformers; z. B. eines Wechselrichters, ebenfalls von den Gleichrichtergeräten gespeist. Den Gleichstromverbrauchern ist eine Speicherbatterie über einen elektronischen und/oder mechanischen Schalter parallel geschaltet, die im Normalbetrieb an der Energielieferung nicht teilnimmt und ausschließlich als Euergiespeicher für die Zeit eines Netzausfalls bestimmt ist. In diesem Fall übernimmt der Energiespeicher selbsttätig die Stromversorgung des -Verbrauchers: Derartige Anlagen bedürfen einer sorgfältigen Pflege und erfordern oft einen erheblichen zusätzlichen Aufwand. Zum Beispiel ist es notwendig, die Batterien nach einem Netzausfall wieder zu laden, um dadurch den vollen Füllungsgrad zu erhalten.
• Da Batterien aus wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig groß gewählt werden können, ist die Speicherkapazität bei längerem Netzausfall oft nicht ausreichend. In wichtigen Anlagen ist daher zusätzlich ein Notstromaggregat zur Energielieferung vorgesehen, das z. B. aus einem Verbrennungsmotor mit einem Wechselstromgenerator besteht. Auf eine Speicherbatterie kann hier jedoch auch nicht verzichtet werden, da mindestens die Anlauf- und Umschaltzeit des Notstromaggregats überbrückt werden muß. Aber auch aus anderen Gründen wird auf eine Speicherbatterie oft nicht verzichtet werden können (z. B- Ausfall des Gleichrichtergerätes). Die Verwendung z. B. von Dieselaggregaten bringt nicht nur einen weiteren erheblichen Mehraufwand, sondern neue Unsicherheiten bei Netzausfall.
• Es wurde auch bereits auf die Verwendungsmöglichkeiten von Brennstoffelementen, z. B: für den Betrieb von Notstromanlagen, hingewiesen, ohne jedoch schaltungstechnische Maßnahmen für eine wirtschaftliche Verwendung anzugeben.
• Gemäß der Erfindung wird der wirtschaftliche Einsatz einer Brennstoffzellenbatterie # als unabhängige Stromquelle bei der eingangs erwähnten Schaltungsanordnung dadurch erreicht, daß deren Energie nach Fortfall einer an die Brennstoffzellenbatterie mit der des Netzgleichrichters entsprechenden Polung angeschalteten, von der Netzspannung abgeleiteten Sperrspannung unverzögert freigebbar ist.
• Da die Sperrspannung aus der Netzspannung abgeleitet wird, verschwindet bei Ausfall der Netzspannung gleichzeitig die Sperrspannung, und die Energieversorgung- aus den Brennstoffzellen ist-freigegeben. Die galvanische Verbindung zwischen der Ersatzstromquelle und dem Verbraucher wird bei Netzausfall in an sich bekannter Weise durch eine überwachungseinrichtung hergestellt. Um die Umschaltzeit bei Anwendung mechanischer Schaltkontakte (Schaltschütz) zu überbrücken, ist dem Verbraucher ein Speicherkondensator parallel geschaltet. Auch dieser relativ kleine Energiespeicher kann entfallen, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung statt eines Schaltschützes in an sich bekannter Weise ein schnell schaltender Thyristor zur Anschaltung der Ersatzstromquelle benutzt wird, weil dann die in dem Siebkondensator des Gleichrichtergerätes gespeicherte Energie zur Überbrückung der Schaltlücke ausreicht.
• Durch eine derartige Ausbildung der Stromversorgungsanlagen ist es möglich, umfangreiche Speicherbatterien mit zugehörigen Ladeeinrichtungen und aufwendige Notstromaggregate (Netzersatzanlagen) durch relativ wartungsfreie Brennstoffzellen zu ersetzen.
• Ausführungsbeispiel der Erfindung werden an Hand der F i g. 1 bis 4 näher beschrieben.
• F i g. 1 zeigt eine Stromversorgungsanlage, bestehend aus einem Leistungsgleichrichter GL 1, der aus einem Wechselstromnetz betrieben wird, einem Speicherkondensator C, einer Primärenergiequelle, beispielsweise einer mit gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzellenbatterie BZ, einer Überwachungseinrichtung ü und einem Schalter S. Der ebenfalls am Netz liegende Hilfsgleichrichter Gl 2 ist gleichstromseitig den Brennstoffzellen BZ parallel geschaltet. Im normalen Betrieb werden die Verbraucher über den Gleichrichter Gl 1 ge- speist. Die in diesem Zustand vom Hilfsgleichrichter Gl2 gelieferte Spannung liegt als Sperrspannung an der Brennstoffzellenbatterie und ist von solcher Größe; daß der Gaseigenverbrauch der Brennstoffzellen in diesem Zustand nahezu gleich Null wird. Die Überwachungseinrichtung Ü" steuert bei Netzausfall einen mechanischen Schalter S (Schaltschütz) und schaltet die Brennstoffzellenbatterie an den Verbraucher. Die im Kondensator C gespeicherte Energie verhindert einen unzulässigen Spannungseinbruch während des Schaltvorgangs des Schalters S.
• Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 unterscheidet sich von dem nach F i g.. 1 durch Fortfall eines besonderen Speicherkondensators C und durch Anwendung eines elektronischen Schalters, z. B. eines Thyristors T; der durch seine extrem kurze Schaltzeit einen störenden Spannungsrückgang während des Umschaltens von Netzbetrieb auf Netzersatzbetrieb vermeidet. Bei Netzausfall wird der Thyristor durch einen von der Überwachungseinrichtung II gelieferten Impuls gezündet, su daß die Brennstoffzellenbatterie die Stromlieferung infolge der sehr kurzen Schaltzeit auch dann unterbrechungslos übernehmen kann, wenn kein besonderer Energiespeicher vorhanden ist. Nachdem der Thyristor T gezündet hat, wird der der Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors T parallelliegende Schalter S geschlossen. Bei Wiederkehr der Netzspannung wird der Schalter S geöffnet und dadurch die Brennstoffzellenbatterie BZ abgeschaltet, weil der Thyristor durch Schließen des Schalters S wieder gelöscht wurde und sich daher im gesperrten Zustand befindet. In F i g: 3 ist ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Brennstoffzellenbatterie BZ liegt hier dem Verbraucher bzw. dem Ausgang des Gleichrichtergerätes G! 1 ständig parallel. Gegenüber den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 2 entfallen hier daher die Überwachungseinrichtung und der Schalter (Thyristor) sowie das zweite Gleichrichtergerät zur Erzeugung einer Sperrspannung. In dieser Schaltung übernimmt die Ausgangsspannung des Gleichrichtergerätes Cl 1 die Funktion der Sperrspannung für die Brennstöffzellenbatterie. Die Leerlaufspannung der Brennstoffzellenbatterie muß dann so bemessen sein, daß sie gerade unterhalb der Gleichrichterspannung liegt.
• Ein gegenüber der Schaltung nach F i g. 3 erweitertes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 4 angegeben. Die Anwendung dieser Schaltung ist immer dann vorteilhaft, wenn der Verbraucher nach Ausfall der Netzspannung nicht mit verringerter Speisespannung aus der Brennstoffzellenbatterie weiter versorgt werden kann, weil z. B. der bei Belastung der Brennstoffzellenbatterie auftretende Spannungsabfall nicht ausgeregelt werden kann. In der Schaltung nach F i g. 4 liegt nur ein Teil a einer Brennstoffzellen-Batterie BZ mit größerer Ausgangsspannung als der im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 dem Verbraucher V ständig parallel. Der Teil b der Brennstofffzellenbatterie wird beim Netzausfall mittels des von der Überwachungsschaltung fl gesteuerten Schalters S 1, der ein Thyristor sein kann, in Reihe mit dem Teil a an den Verbraucher geschaltet. Teil h der Brennstoffzellenbatterie ist so bemessen. daß er den bei Belastung der Brennstoffzellen am Teil a entstehenden Spannungsabfall kompensiert. Um den Eigenverbrauch in Teil b der Brennstoffzellenbatterie zu vermeiden, ist dieser an eine Sperrspannung geschaltet, die im Gleichrichtergerät Gl2 erzeugt wird. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Teils b der Brennstoffzellenbatterie nach deren Anschaltung an den Verbraucher ist in die Leitung zur Anzapfung der Brennstoffzellenbatterie eine dementsprechend gepolte Diode eingeschaltet.
• An Stelle von mit gasförmigem Sauerstoff und Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen können auch nach anderem Prinzip arbeitende Brennstoffzellen treten.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Gleichstromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere der elektrischen Nachrichtenübertragungs- und Meßtechnik; enthaltend einen Netzgleichrichter zur Stromversorgung des Verbrauchers aus einem Wechselstromnetz und wenigstens eine weitere, dem Verbraucher parallelgeschaltete netzunabhängige Stromquelle, die bei Netzausfall selbsttätig die Stromversorgung des Verbrauchers übernimmt, dadurch gekennzeichnet, daß als unabhängige Stromquelle eine Brennstoffzellenbatterie vorgesehen ist; deren Energie nach Fortfall einer an die Brennstöffzellenbatterie mit der des Netzgleichrichters entsprechenden Polung angeschalteten, von der Netzspannung abgeleiteten Sperrspannung unverzögert freigebbar ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung so bemessen ist, daß der Eigenverbrauch der betriebsbereiten Brennstoffzellen nahezu gleich Null ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß die Energielieferung während der Schaltzeit bei der Anschaltung der Brennstoffzellen an den Verbraucher aus Speicherkondensatoren erfolgt.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschaltuns der Brennstoffzellen an den Verbraucher mittels Thyristoren erfolgt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen-Batterie mit einer Leerlaufspannung, die kleiner als die Gleichrichterspannung ist, ständig dem Verbraucher parallel liegt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der- vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenbatterie z. B. durch eine Anzapfung unterteilt ist und daß ein Teil (der Brennstoffzellenbatterie); deren Leerlaufspannung kleiner ist als die Gleichrichterspannung, dem Verbraucher ständig parallel liegt und daß ferner der andere Teil der Brennstoffzellenbatterie nach Netzausfall in Reihe mit dem ersten Teil an den Verbraucher angeschaltet ist.