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Einrichtung zur gleichmäßigen Stromverteilung bei parallelgeschalteten
Gleichrichtergeräten Bei Stromversorgungsanlagen mit stark wechselnder Belastung
werden oft zwei oder mehrere Netzgleichrichter je nach Leistungsbedarf parallelgeschaltet.
Hierdurch wird einerseits ein besserer Gesamtwirkungsgrad erreicht, zum an deren
steht bei Ausfall eines Gerätes ein weiteres Gerät zur Verfügung, das sofort die
Last übernimmt. Eine Parallelschaltung von Gleichrichtergeräten ist ebenfalls üblich,
wenn ein vorhandener Gleichrichter durch Erhöhen der Verbraucherlast nicht mehr
ausreicht, so daß nachträglich ein weiterer oder mehrere weitere Gleichrichter herangezogen
werden müssen.
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Sobald derartige Zusatzgleichrichter parallelgeschaltet sind, ist
es wünschenswert, daß sich die Last auf alle diese eingeschalteten Gleichrichter
absolut gleichmäßig verteilt. Geschieht die Parallelschaltung ohne weitere Hilfsmittel,
dann wird eine gleichmäßige Lastverteilung nicht garantiert, weil immer das Gerät
mit der im Absolutwert höchsten Spannung und dem geringsten Innenwiderstand die
Last übernimmt. Diese Lastübernahme währt so lange, bis die Ausgangsspannung des
betreffenden Gleichrichters beim Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes durch
die zusätzliche Störgrößenaufschaltung
der Stromregelung abgesenkt
wird, so daß ein anderer Gleichrichter in seiner Ausgangsspannung höher liegt und
die restliche Last übernimmt.
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Ein bekanntes Verfahren, um auch bei Teillasten eine gleichmäßige
Lastverteilung zu erreichen, besteht in einer Spannungsregelung mittels einer sogenannten
W-Kennlinie.
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Gemäß einer solchen Kennlinie sinkt in dem Moment, in dem einer-der
parallelgeschalteten Gleichrichter mehr Strom übernimmt, seine Ausgangsspannung
geringfügig ab, so daß ein anderer Gleichrichter in der Ausgangs spannung höher
liegt und mehr Last übernimmt. Hiermit-ist zwar in gewissen Bereichen eine einigermaßen
gleichmäßige Lastaufteilung möglich, jedoch ist dieses Verfahren für geregelte Gleichrichter,
die bei voller Lastunabhängigkeit eine hohe Konstanz der Ausgangsspannung garantieren
sollen, nicht anwendbar.
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Es ist auch möglich, zum Zwecke einer gleichmäßigen Lastaufteilung
alle parallelgeschalteten Gleichrichter von einem gemeinsamen Impulssteuergert anzusteuern.
Die einzelnen Gleichrichter enthalten dann lediglich noch in dividuelle Impulsverstärker.
Dadurch ist zwar gewährleistet, daß jeder der Gleichrichter mit dem gleichen Zündwinkel
angesteuert wird, jedoch werden Unterschiede in den-inneren Widerständen und in
den Durchlaßkennlinien der verwendeten Halbleiter-Gleichrichterelemente nicht angeglichen.
Dieser Nachteil macht sich besonders dann bemerkbar, wenn zu einem Gerät, welches
durch eine längere Betriebsdauer bereits seine Nennbetriebstemperatur erreicht hat,
ein weiteres noch kaltes Gerät hinzugeschaltet wird. Während der Anlaufszeit dieses
kalten Gerätes ändert sich laufend der Sollwert in seiner Regelung, so daß sich
in Abhängigkeit von der Sollwertänderung eine sich ändernde Lastverteilung ergibt.
Außerdem lassen sieh hierbei nicht Gleichrichter verschiedener Nennstromstärken
parallelschalten, da in solchen Gerä ten schon
bei den Netztransformatoren
nicht vernachlässigbare Differenzen in den Innenwiderständen vorhanden sind, Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur gleichmäßigen Stromverteilung
bei parallelgeschalteten Gleichrichtergeräten zu schaffen, welche die erwähnten
Nachteile nicht aufweist und es zudem ermöglicht, Gleichrichter verschiedener hennstromstärken
parallelzuschalten. Zu diesem Zwecke enthält erfindungsgemäß jedes Gerät einen Laststromfihler,
dessen laststromproportionale Ausgansspannung seim Uberscireiten eines Sollwertes
einen zugehörigen Regelverstärker mit einer den Laststrom rückregelnden Störgröße
beaufschlagt, wobei der Laststromfehler eines gerätes die Sollwerte für die anderen
geräte vorgibt. In erfinderischer Weiterbildung kann jedes der parallel liegenden
Gleirichtergeräte einen Umscnalter besitzen, der in einer ersten Stellung dem zugehörigen
aerät eine -2enerdiode als Sollwertgeöer anschaltet und in einer zweiten Stellung
den Laststromfühler eines anderen gerätes als Sollwertgeber in das zugehörige gerät
einscnaltet.
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m einzelne der parallelgeschalteten Gleichrichtergeräte je nach Bedarf
zu- oder abzuschalten, liegt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine im Laststromfü;.-1er
mindestens eines der Gleichrichtergeräte abbeeriffene laststromproportionale Signalspannung
am Eingang einer zugehörigen Überwachungsschaltung, die ein weiteres -3leichrichtergerät
paralleischaltet, wenn die Signal spannung einen vorgewählten Höchstwert überschreitet,
und die das weitere Gleichrichtergerät wieder abschaltet, wenn die Signalsuannun
einen Mindestwert unterschreitet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch zwei netzgespeiste parallelgeschaltete Gleichrichter;
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines einzelnen Gleichrichters mit Laststromfühler und Stromstörgrößenaufschaltung;
Fig. 3 veranschaulicht die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur gleichmäßigen Lastverteilung
auf zwei Gleichrichter; Fig. 4 zeigt die Anordnung der tberwachungsschaltung.
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In der Fig. 1 sind zwei Gleichrichter G I und G II dargestellt, die
wechselstromseitig parallel an eine Dreiphasen-Netzleitung R, S, X angeschlossen
sind. Die Gleichstromausgänge der beiden Gleichrichter sind parallel an die Sammelleitung
P, N angeschlossen. Jeder der beiden Gleichrichter soll eine Regelschaltung enthalten,
in welcher der Laststrom als Störgröße aufgeschaltet ist. Die Messung des Laststroms
und seine Aufschaltung erfolgt bei allen Gleichrichtern auf ähnliche Weise und ist
in der Fig. 2 veranschaulicht. Mit den Wandlern 6, 7 und 8 wird der Laststrom gefiihlt,
wobei die Sekundärwicklungen 9, 10 und 11 der Wandler eine Gleichrichteranordnung
12 speisen. Der durch die Wandler 6, 7 und 8 fließende Strom verursacht am Ladekondensator
13 des Gleichrichters 12 eine Spannung, die somit dem Laststrom des Gleichrichters
proportional ist. Parallel zum Ladekondensator 13 liegt ein Spannungsteiler aus
den Widerständen 14 und 15. Die zwischen dem Abgriff 16 des Widerstandes 15 und
dem Minuspol des Gleichrichters 12 abgreifbare Spannung steuert gegen eine Zenerdiode
17 den Transistor 18 an. Dieser Transistor 18 greift in einen Regelverstärker 19
derart ein, daß dieser über einen ImpulsverBtarker
20 die steuerbaren
Halbleiter 21 des Gleichrichters in rückregelndem Sinne beeinflußt. Abgriff und
Zenerspannung der Zenerdiode 17 sind so gewählt, daß die zwischen dem Abgriff 16
des Widerstandes 15 und dem minuspol der Gleichrichteranordnung 12 abfallende Spannung
zur Ansteuerung des Transistors 18 nicht mehr ausreicht, wenn der durch die Wandler
fließende Laststrom geringer ist als der Nennstrom des Gleichrichtergerätes. In
diesem Fall wird der Transistor 18 allein von der Spannung am Widerstand 22 des
Spannungsteilers 22 und 23 angesteuert. Diese Spannung ist direkt proportional der
Ausgangsspannung des Gleichrichtergeräts, so daß im genannten Fall die Wirkung des
Regelverstärkers 19 nur von dieser Ausgangsspannung beeinflußt wird.
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Um zu verhindern, daß die von der Ausgangsspannung des Gleichrichtergerätes
abhängige Signalspannung am Widerstand 22 und die vom Laststrom abhängige Signalspannung
zwischen dem Minuspol der Gleichrichteranordnung 12 und dem Abgriff 16 sich gegenseitig
beeinflussen, werden die beiden Signale über die Dioden 24 und 25 entkoppelt.
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Die anhand der-Fig, 2 beschriebene Regelschaltung wird erfindungsgemäß
durch eine Abwandlung ersetzt, die aus der Fig. 3 ersichtlich ist. In dieser Zeichnung
sind zwei Schaltungen 26 und 27 dargestellt, die zwei verschiedenen Gleichrichtergeräten
G I und G II zugeordnet sind. Hierbei gehört die linke Schaltung 26 zu demjenigen
Gerät, welches die Stromaufteilung für alle anderen Gleichrichtergeräte festlegt
und im folgenden als Führungsgleichrichter bezeichnet wird. Die rechte Schaltung
27 gehört zu einem Gleichrichter, dessen Strombelastung vom Führungsgleichrichter
G I vorgegeben wird, und der weiterhin als Folgegleichrichter bezeichnet ist.
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Zunächst sei die linke schaltung 26 betrachtet. Parallel zu dem Spannungsteiler,
der aus den Widerständen 14
und 15 gebildet wird, liegt ein weiterer
Spamlungateiler, bestehend aus den Widerständen 28 und 29. Aus diesem Spannungsteiler
28, 29 wird eine zusätzliche Signalspannung gewonnen, die ebenfalls dem Laststrom
des Führungsgleichrichters G I proportional ist. Die Schaltung 26 steuert den Regelverstärker
19 gegen die Zenerdiode 17 an, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 2 bereits geschildert
wurde. Der Folgegleichriohter G II, von dem beliebig viele vorgesehen werden können,
wird durch die rechte Schaltung 27 geregelt, In dieser Schaltung wird der zugehörige
Regelverstärker 19' nicht gegen eine Zenerdiode als Sollspannungsgeber angesteuert,
sondern gegen die Signalapannung, die am zusätzlichen Spannungsteiler 28, 29 der
Schaltung 26 des Führungsgleichrichters G I gewonnen wird. Diese Signalspannung
wird am Abgriff 30 des Widerstandes 29 so eingestellt, daß sie bei Nennstrom des
Führungsgleichrichters der Spannung der Zenerdiode 17 entspricht.
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Bei einem Teilstrom im Führungsgleichrichter G 1 ist die Signalspannung
zwischen dem minuspol der Gleichrichteranordnung 12 und dem abgriff 30 des Widerstandes
29 (Schaltung 26) in proportionaler Weise geringer als bei Vollast. Diese geringere
Signalspannung wird für den Folgegleichrichter G II in der Schaltung 27 anstelle
der Zenerdiode 17' als Sollapannung eingeschaltet.
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Die in der Schaltung 27 des Bolgegleichriohters G II vorhandene,
dem Laststrom dieses Folgegleichrichters proportionale Signalspannung zwischen dem
minuspol der Gleichrichteranordnung 12' und dem Abgriff 16' des Widerstandes 15'
wird am Transistor 18' mit der Signalspannung aus der Schaltung 26 des Führungsgleichrichters
verglichen. Weichen die beiden Signalspannungen voneinnnder ab, dann wird über den
Transistor 18 der Regelverstärker 19' angesteuert, der das Stellglied des Gleichrichtergerätes
G II in rückregeLmdem
Sinne beeinflußt, bis die beiden erwähnten
Signalspannungen einander gleich sind. Da beide Signalspannungen den Lastströmen
der zugehörigen Gleichrichtergeräte proportional sind, ergibt sich eine absolut
gleiehmäßige Laststromaufteilung.
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In der beschriebenen Anordnung können beliebig viele Gleichrichter,
die mit der Schaltung 27 auagestattet sind, als Folgegleichrichter parallelgeschaltet
werden. Ausserdem lassen sich Gleichrichter verschiedener Stromstärken parallelschalten,
wobei die Laststromaufteilung sich immer so ergeben wird, daß jeder Gleichrichter
mit einem gleichen Prozentsatz seines Nennstroms betrieben wird.
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In weiterer Ausgestaltung kann Jeder Gleichrichter mit einem Umschalter
31 und 32 ausgerüstet werden. Mit diesem Umschalter kant edee beliebige der parallelgeschalteten
Gleichrichtergeräte als Führungegleichrichter bestimmt werden. Zu diesem Zweck ist
bei jedem Gleichrichter in der zugehörigen Regeischaltung 26 -bzw. 27 der zusätzliche
Spannungsteiler aus den Widerständen 28 und 29 fest eingebaut.
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In der Fig. 9 ist der Umschalter 31 in die Stellung wPuhrend" gebracht,
während der Umschalter 32 in der Stellung "Folgend" steht. Durch einfaches Umschalten
aller Schalter in Stellung Führend" werden alle Gleichrichter zu vollkommen selbständigen
Geräten ohne gegenseitige Beeinflussung über die Bauteile der Stromverteilungsregelung.
Die Spannungsteiler 28 und 29 der verschiedenen Geräte sind über die Dioden 33 gegeneinander
verriegelt.
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Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist
in Fig. 4 dargestellt. In Äbhängigkeit von der Spannung am ladekondensator 13, die
ein Maß für den fließenden Iaststrom ist, wird eine Spannungsüberwachung 34 angesteuert.
Diese
Übelwachungaschaltung setzt, wenn ein vorgegebener Wert überschritten wird, automatisch
ein weiteres Gleichrichtergerät zu den bereits in Betrieb befindlichen parallel.
Beim Absinken der Spannung am Ladekondensator 13 wird eines der parallelgeschalteten
Geräte abgeschaltet. Dadurch ergibt sich eine vollautomatische Stromversorgungsanlage
mit automatischer Zu- und Abschaltung von Gleichrichtern, je nach Leistungsbedarf.