DE19613831C1

DE19613831C1 - Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung

Info

Publication number: DE19613831C1
Application number: DE1996113831
Authority: DE
Inventors: Bruno Dipl Ing May; Martin Dipl Ing Lohmann; Walter Dipl Ing Franke
Original assignee: Aeg Stromversorgungs-Systeme 59581 Warstein De GmbH; AEG Stromversorgungs Systeme GmbH
Current assignee: AEG Power Solutions GmbH
Priority date: 1996-04-06
Filing date: 1996-04-06
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2016-04-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art ist aus der DE 34 35 432 C2 bekannt. Bei der bekannten Anlage ist eine Wechselstromlast mit dem Ausgang des Schaltnetzteils verbunden. Das Schaltnetzteil hat eine zusätzliche Wicklung, an die ein Lade gleichrichter für die Batterie angeschlossen ist. Die Frequenz des Schaltnetzteils wird bei der bekannten Anordnung durch die Nennfrequenz des Wechselstromverbrauchers festgelegt. Bei Verbrauchern mit niedrigen Frequenzen ist der Aufwand für die Transformatoren daher hoch.

Aus der DE 34 09 358 C2 ist eine unterbrechungsfreie Wechselstromversorgung bekannt, die einen Transformator mit drei Wicklungen enthält, von denen die erste über einen Schalter mit dem Wechselstromnetz verbunden ist, die zweite über eine Spannungsstabilisierungsschaltung an die Last angeschlossen ist und die dritte über einen Gleichrichter/Wechselrichterschaltung mit einer Batterie verbunden ist. Im Normalbetrieb wird die Batterie vom Netz aus gespeist. Bei Netzspannungsabfall d. h. im Notbetrieb versorgt die Batterie über die Wechselrichter schaltung und den Transformator die Last.

Aus dem Aufsatz von Clewing, Michael und Engel, Siegurt: Statisches USV-System: Wech selrichter freigepulst in "elektrische energie-technik", 31. Jahrgang 1986, Nr. 2 ist eine Anlage bekannt, bei der die dort beschriebenen Verbraucher Wechselstromverbraucher sind, die über einen Wechselrichter versorgt werden. Dem Wechselrichter ist eine Batterie vorgeschaltet, die wiederum an einen vom Stromnetz gespeisten Gleichrichter angeschlossen ist. Im bekannten Falle ist vorgesehen, daß sowohl bei bestehender Netzversorgung als auch bei einem Netzausfall die Verbraucher über denselben Stromrichter, nämlich den erwähnten Wechsel richter, gespeist werden. Der Stromrichter wird dabei vom USV-Steuergerät gesteuert.

Schließlich ist aus der DE 39 42 427 A1 eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Gleichspannungsverbrauchern bekannt, wobei die Verbraucher an ein Schaltnetzteil angeschlossen sind. Im Notbetrieb speist eine Gleichspannungsquelle über einen periodisch geschalteten Schalter Strom in eine Sekundärwicklung des Schaltgeräts ein. Von dieser Sekundärwicklung wird im Normalbetrieb über eine Gleichrichterschaltung mit Glät tungskondensator eine Last versorgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur unterbrechungsfreien Stromver sorgung wenigstens einer Last mittels Gleichspannung bereitzustellen, wobei für die Speisung der Last und die Ladung der Batterie im Normalbetrieb sowie die Entladung der Batterie im Notbetrieb kein Transformator mit drei Wicklungen mehr benötigt wird und die Frequenz für die Anordnung zur Ladung der Batterie und der Entladung nicht mehr von der Frequenz der Last abhängt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung nach Anspruch 1.

Ein Paar von zwei antiparallel verschalteten Schaltnetzteilen kann als ein bidirektionales Schaltnetzteil aufgefaßt werden, d. h. es erlaubt einen Energiefluß in zwei entgegengesetzten Richtungen, nämlich einerseits - zur Ladung und Ladungserhaltung - von der Gleichspan nungssammelschiene zur Batterie und andererseits - für den Fall eines Ausfalls der Netzver sorgung - von der Batterie zur Gleichspannungssammelschiene.

Die erfindungsgemäße Anlage hat den Vorteil, daß die Frequenzen der für die Ladung der Batterie und die Rückspeisung der Energie von der Batterie zur Last vorgesehenen Schalt netzteile auf hohe Werte eingestellt sein können, wodurch sich der konstruktive Aufwand, insbesondere für die Übertrager, vermindert.

Die Last wird im Normalbetrieb nicht mehr vom Netz unter Zwischenschaltung des Schalt netzteils gespeist. Hierdurch werden Übertragerverluste vermieden. Falls eine Wechselspan nungslast angeschlossen werden soll, kann ein an die Gegebenheiten der Last wie Span nung, Strom und Frequenz angepaßter Wechselrichter mit der Gleichspannung versorgt wer den.

Bei einem Betrieb in Laderichtung kann die Batterie - bei Nutzung einer elektronischen Rege lung - nach den Herstellerangaben optimal geladen werden. Dazu muß in der Regelungsein richtung die vom Hersteller vorgegebene Kennlinie der Batterie gespeichert sein.

Bei einer Parallelschaltung mehrerer Paare von antiparallel verschalteten Schaltnetzteilen kann die Gesamtanlage für eine größere Leistung ausgelegt werden, weil sich die Leistung auf die parallelen Schaltnetzteile aufteilen läßt. Durch die Parallelschaltung kann außerdem eine red undante Anlage aufgebaut werden.

Wenn ein Kondensator an den Anschlüssen auf beiden Seiten eines jeden Paares von antiparal lel geschalteten Schaltnetzteilen vorhanden ist, ist für jede Richtung des Energieflusses eine Glättung der Spannung am Ausgang des jeweiligen Schaltnetzteils möglich. Dabei ist es selbstverständlich gleichgültig, ob für jedes Paar zwei eigene Kondensatoren vorhanden sind oder ob alle Paare zusammen zwischen lediglich zwei einzelne Kondensatoren geschaltet sind.

Durch die konstruktive Ausgestaltung der Anlage können gleiche Bauelemente sowohl für den Ladebetrieb als auch für den Rückspeisebetrieb benutzt werden. So werden die Konden satoren, die in Laderichtung als Glättungskondensatoren dienen, im Rückspeisebetrieb als Eingangskondensator genutzt. Auch die zur Eingangsfunkentstörung dienenden Bauelemente werden - bei umgekehrtem Energiefluß - zur Funkentstörung in Ausgangsrichtung genutzt.

Eine Softstarteinrichtung gemäß Anspruch 4 verhindert bei einem Einschaltvorgang einen Stromstoß in Richtung der Batterie.

Eine Konfiguration von Master- und Slave-Einheiten gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige Stromaufteilung auf die parallelen Schaltnetzteile erreicht werden kann, ohne daß dazu ein ständiger Datenaustausch mit einer übergeordneten Einheit erforderlich wäre. Dadurch werden diese übergeordnete Einheit und das von dieser Einheit ausgehende zentrale Bussystem entlastet.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung, aus der sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Es zeigt die Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung. An eine Gleichspannungssammelschiene 1 sind verschiedene Gleichstromverbraucher angeschlossen, beispielsweise ein Wechselrichter 2 mit einem daran angeschlossenen Wechselstrommotor 3, eine Lampe 4 oder ein anderer Verbraucher 5. Bei der Gleichspannungssammelschiene 1 kann es sich um eine Zugsammelschiene handeln, an der eine Gleichspannung U_ZS von z. B. 650 V anliegt.

Zusätzlich ist an die Gleichspannungssammelschiene 1 - über zwei antiparallel verschaltete Schaltnetzteile 7 und 8 - eine aufladbare Batterie 9 geschaltet. Bei der Batterie 9 kann es sich - in an sich bekannter Weise - um eine Reihenschaltung mehrerer elektrochemischer Zellen oder um eine Reihenschaltung von mehreren kleineren Batterien handeln.

Bei ungestörtem Netz wird diese Gleichspannungssammelschiene 1 von einem am Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter 6 versorgt, im Falle eines Netzausfalls von der Batterie 9.

Zwischen die antiparallel verschalteten Schaltnetzteile 7 und 8 und die Gleichspannungssammelschiene 1 sind eine Softstarteinrichtung 10 und ein Kondensator 11 geschaltet. Der Kondensator 11 ist zwischen den beiden Anschlüssen am Eingang der beiden antiparallel verschalteten Stromrichter 7 und 8 geschaltet, er dient als Glättungskondensator, wenn die Gleichspannungssammelschiene 1 aus der Batterie 9 versorgt wird.

Wenn ein Stromfluß von der Gleichspannungssammelschiene 1 in Richtung der Batterie 9 einsetzt, begrenzt die Softstarteinrichtung 10 - zur Vermeidung eines Stromstoßes - zunächst den in den Kondensator 11 fließenden Strom.

Während dieser Zeit wirkt die Softstarteinrichtung 10 wie ein ohmscher Widerstand. Wenn die Spannung am Kondensator 11 den Wert der Spannung an der Gleichspannungssammelschiene 1 erreicht hat, wird die Strombegrenzung beendet; die Softstarteinrichtung 10 wirkt dann wie eine leitende Verbindung.

Bei einem Stromfluß zur Ladung oder Ladungserhaltung der Batterie 9 arbeitet lediglich das Schaltnetzteil 8.

Dieses Schaltnetzteil 8 weist in Energieflußrichtung einen schnellschaltenden Hochleistungstransistor 12, einen dahinter angeordneten Übertrager 13 und an der Sekundärseite des Übertragers 13 einen Gleichrichter 14 auf.

Von einer elektronischen Regelungs- und Überwachungseinheit 15 wird der Hochleistungstransistor 12 mit einer Frequenz von ca. 75 kHz geschaltet. Die dadurch gewonnenen Spannungsimpulse werden dem Übertrager 13 zugeführt. Das Wicklungsverhältnis im Übertrager 13 sorgt dafür, daß die Spannung am Ausgang des Übertragers 13 kleiner ist als am Eingang. Diese Spannung liegt am Gleichrichter 14 an.

An den beiden der Batterie 9 zugewandten Ausgängen der Antiparallelschaltung der beiden Schaltnetzteile 7 und 8 ist ein Glättungskondensator 16 geschaltet. Dieser glättet die gleichgerichtete Spannung, die der Batterie 9 zugeführt wird. Die Ladespannung der Batterie 9 kann beispielsweise einen Wert von 120 V haben.

Bei einem Ausfall des Wechselstromnetzes beginnt ein Stromfluß aus der Batterie 9 über das Schaltnetzteil 7 zur Gleichspannungssammelschiene 1.

Das Schaltnetzteil 7 weist in Energieflußrichtung einen schnellschaltenden Hochleistungstransistor 17, einen dahinter angeordneten Übertrager 19 und einen Gleichrichter 20 auf. Der Hochleistungstransistor 17 wird von einer Regelungs- und Überwachungseinrichtung 21 gesteuert. Er arbeitet bei einer Schaltfrequenz von ca. 75 kHz.

Bei dieser Richtung des Energieflusses wirkt der Kondensator 11 als Glättungskondensator der Spannung am Ausgang des Gleichrichters 20.

Mittels des Übertragers 19 wird die am Eingang liegende Spannung, deren Höhe von der Batteriespannung bestimmt wird, erhöht.

Die Regelungs- und Überwachungseinheiten 15 und 21 sind für einen Datenaustausch untereinander verbunden und erfassen beide die Spannung U_ZS an der Gleichspannungssammelschiene und die Spannung U_Batt an der Batterie 9. Sie erzeugen Impulse zur Ansteuerung des jeweiligen angeschlossenen Hochleistungstransistors 12 oder 17, der auf diese Weise die erwähnten Gleichspannungsimpulse hervorruft.

Die Regelungs- und Überwachungseinheiten 15 und 21 werden über ein Bussystem 22 mit Hilfsenergie und Befehlen zum Ein- bzw. Ausschalten der Schaltnetzteile 7 und 8 und zur Vorgabe der jeweiligen Betriebsart versorgt. Das Bussystem ist an eine Einheit 23 geführt, an die die beiden Regelungs- und Überwachungseinheiten 15 und 21 für eine Datenübertragung angeschlossen sind.

Wenn mehrere Paare von antiparallel verschalteten Schaltnetzteilen 7 und 8 parallel geschaltet sind, dann sind die Regelungs- und Überwachungseinheiten dieser parallelen Schaltnetzteile derart untereinander verbunden, daß ein Datenaustausch zwischen ihnen möglich ist. Sie können dazu ebenfalls an die Einheit 23 angeschlossen sein. Für diesen Fall lassen sich die beiden Regelungs- und Überwachungseinheiten 15 und 21 eines Paares von antiparallelen Schaltnetzteilen als Master-Einheiten konfigurieren. Die entsprechenden Regelungs- und Überwachungseinheiten der parallelen Paare von Schaltnetzteilen sind jeweils mit der zugehörigen Master-Einheit verbunden und als Slave-Einheiten konfiguriert. Damit läßt sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung auf die parallelen Schaltnetzteile erreichen, ohne daß zur Leistungsaufteilung ein Datenaustausch über das Bussystem 22 zu der daran angeschlossenen übergeordneten Einheit erforderlich wäre.

Die Parallelschaltung der Schaltnetzteile dient einerseits einer gleichmäßigen Leistungsaufteilung (zur Entlastung der Schaltnetzteile) und zum andern zur Schaffung eines redundanten Systems, das auch bei Ausfall eines einzelnen Schaltnetzteils 7 oder 8 weiterhin eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen kann.

Claims

1. Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, enthaltend

- eine aufladbare Batterie (9),
- eine Ladeeinrichtung (8) zur Ladung oder Ladungserhaltung der Batterie (9) aus einem Stromnetz (1),
- eine Notversorgungseinrichtung (7) zur Speisung einer an die Anlage angeschlossenen Last (2-5) aus der Batterie (9),
- eine elektronische Steuerung (15, 21, 23) für die Anlage,

wobei

- die Last (2-5) bei störungsfreiem Betrieb aus dem Stromnetz (1) versorgt wird und
- nur bei einem Netzausfall aus der Batterie (9),

wobei

- die Ladeeinrichtung (8) und die Notversorgungseinrichtung (7) Schaltnetzteile sind, und

wobei das die Ladeeinrichtung (8) bildende Schaltnetzteil in Richtung des Energieflusses

- ein von der elektronischen Steuerung (15, 23) gesteuertes Stromrichterventil (12),
- einen dahinter geschalteten Übertrager (13) und
- einen dahinter angeordneten Gleichrichter (14) enthält,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die Last ist an eine das Stromnetz (1) repräsentierende Gleichspannungssammelschiene (1) angeschlossen,
- die Schaltnetzteile (7, 8) sind antiparallel zwischen die Batterie (9) und die Gleichspannungssammelschiene (1) geschaltet,

wobei das die Notversorgungsumrichtung (7) bildende Schaltnetzteil in Richtung des Energieflusses ebenfalls

- ein von der elektronischen Steuerung (21, 23) gesteuertes Stromrichterventil (17),
- einen dahinter geschalteten Übertrager (19) und
- einen dahinter angeordneten Gleichrichter (20) enthält.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres Paar aus antiparallel verbundenen Schaltnetzteilen zwischen Gleichspannungssammelschiene (1) und Batterie (9) geschaltet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anschlüsse am Eingang und zwischen die Anschlüsse am Ausgang des oder jeden Paares aus antiparallel verbundenen Schaltnetzteilen ein Kondensator (11, 16) geschaltet ist.

4. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- zwischen der Gleichspannungssammelschiene (1) und dem mit ihr verbundenen Kondensator (11) ist eine Softstarteinrichtung (10) geschaltet,
- bei beginnendem Stromfluß zur Ladung oder Ladungserhaltung begrenzt diese Softstarteinrichtung (10) solange die Stromstärke,
- bis die Spannung an dem Kondensator (10) den Wert der Spannung an der Gleichspannungssammelschiene (I) erreicht hat.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- beide steuerbaren Stromrichterventile jeden Paares von antiparallel verschalteten Schaltnetzteilen (7, 8) sind jeweils mit einer die elektronische Steuerung bildenden Einrichtung (15, 21) zum Steuern oder Regeln verbunden,
- jede dieser Einrichtungen (15, 21) erfaßt die Batteriespannung (U_batt) und die Spannung (U_ZS) an der Gleichspannungssammelschiene (1),
- jede dieser Einrichtungen (15, 21) steuert das jeweils ihr zugeordnete Stromrichterventil an.

6. Anlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die Einrichtung (15, 21) des oder jeden Paares von antiparallel verschalteten Schaltnetzteilen (7, 8) erhalten von einem gemeinsamen Bussystem (22) Informationen zum Einschalten oder Ausschalten und/oder Steuern der angeschlossenen Stromrichterventile,
- für den Fall mehrerer Paare von Schaltnetzteilen (7, 8) sind die zu einem vorgebbaren Paar gehörigen Einrichtungen (15, 21) zum Steuern oder Regeln als Master-Einheit konfiguriert und die Einrichtungen der anderen Paare als Slave-Einheiten,
- die Master-Einheiten und die Slave-Einheiten sind für einen Datenaustausch untereinander verbunden.

7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterventile mit einer Schaltfrequenz von ca. 75 kHz arbeiten.