DE19733042A1

DE19733042A1 - Protected current supply device

Info

Publication number: DE19733042A1
Application number: DE1997133042
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Conradi
Original assignee: Peter Dr Ing Conradi
Current assignee: CONRADI, PETER, DR.-ING., 10969 BERLIN, DE
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-02-04

Abstract

The current supply device has a rectifier (2) allowing the rectified mains voltage to be used for charging a storage battery (3), providing a back-up voltage supply upon failure of the mains voltage, supplied to the load via a current converter (6), with an overload detection device (7) at its output.

Description

Die Erfindung betrifft eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (Abk. USV) zur Sicherung der Energieversorgungskontinuität gemäß Patentanspruch 1.The invention relates to an uninterruptible power supply (abbr. UPS) for securing the Energy supply continuity according to claim 1.

Typische elektronische Anlagen wie Computer und Telefonanlagen werden im allgemeinen mit elektrischer Energie aus einem Stromnetz gespeist. Die Funktion der Anlagen kann durch Fehler im Netzsystem oder beim Stromversorger gestört werden. Ein Ausgleichen solcher Störungen kann für die angeschlossenen Geräte funktionserhaltend wirken, so daß ein Computer für eine kurze Zeit weiterlaufen kann und seine eigenen Daten sichert.Typical electronic systems such as computers and telephone systems are generally electrical Energy fed from a power grid. The function of the systems can be caused by errors in the network system or in the Electricity supplier to be disrupted. The connected devices can compensate for such interference function-preserving function, so that a computer can continue to run for a short time and its own data backs up.

Für manche Verbraucher (z. B. Festplatten) ist der Einsatz einer USV auch ein Schutz vor einem Gerätedefekt, der durch unvorhergesehenes Aussetzen der Versorgungsspannungen oder durch Überspannungen eintreten kann. In dieser Patentschrift wird ein Verfahren geschützt, daß im Gegensatz zu Unterbrechungsfreien Stromversorgungen üblicher Art keine Aktivierung des Pufferbetriebes mit Umschaltzeit erfordert (Offline/Line-Interaktives Prinzip), sondern in einer kontinuierlichen Weise die Stromversorgung am Ausgang sicherstellen kann.For some consumers (e.g. hard drives), the use of a UPS is also a protection against a device defect that can occur due to unforeseen interruption of the supply voltages or overvoltages. In This patent protects a process that, unlike uninterruptible power supplies usually does not require activation of the buffer mode with switchover time (offline / line-interactive principle), but can ensure the power supply at the output in a continuous manner.

State of the art

Der Begriff USV steht für eine ganze Reihe von Funktionsprinzipien und Auslegungen. Generell sorgt eine USV- Anlage für eine ständige Belieferung von Computern, Telefonen und anderen elektronischen Geräten mit elektrischem Strom. Obwohl der Begriff USV auch die Gleichstromversorgung von Geräten mit einschließt, verstehen wir eine USV in erster Linie als einen zeitweiligen Netzersatz für typische Versorgungsnetzspannungen im Wechselspannungsbereich. USVen können generell in Stand-By-, Line-Interaktive-, Bypass- oder Online- Typen klassifiziert werden.The term UPS stands for a whole range of functional principles and designs. Generally, a UPS System for a constant supply of computers, telephones and other electronic devices electric current. Although the term UPS also includes DC power to devices, we understand a UPS primarily as a temporary replacement for typical supply voltages in the AC range. UPSs can generally be used in stand-by, line interactive, bypass or online Types are classified.

Online principle

Eine Online-USV wird oft auch als Double-Conversion-USV bezeichnet. Das eine Batterie ladende Netzteil und der Wechselrichter sind beide dauernd in Funktion. Wegen des höheren Aufwandes für die Auslegung von Netzteilen und Batterie für größere Online-USVen kommt eine Online-USV nur in Anwendungen mit höchst empfindlichen Verbrauchern zum Einsatz.An online UPS is often referred to as a double conversion UPS. The battery charger and the inverters are both in continuous operation. Because of the higher effort for the design of Power supplies and batteries for larger online UPSs, an online UPS only comes in applications with the highest sensitive consumers.

Bypass principle

Das Bypass-Prinzip findet sich insbesondere in Anlagen der Firma SIEMENS und bezieht sich auf ein entsprechendes Patent. Hier wird der Verbraucher nach dem Online-Prinzip mit Strom versorgt im Falle eines Kurzschlusses gibt die USV diesen allerdings an das speisende Netz weiter.The bypass principle is particularly found in systems from SIEMENS and refers to corresponding patent. Here the consumer is supplied with electricity according to the online principle in the event of a In the event of a short circuit, however, the UPS passes this on to the supply network.

Standby principle

Das Stand-By-Prinzip bewirkt eine kleine Umschaltzeit dadurch, daß der Wechselrichter ständig bereitgehalten wird und im Falle eines Spannungseinbruchs schnell die Ersatzspannung zur Verfügung stellen kann. Die sogenannte Transfer-Zeit, also die Zeit zwischen tatsächlichem Ausfall und dem Einsatz der Ersatzquelle, liegt etwa im Bereich zwischen 2 und 10 ms.The stand-by principle results in a short changeover time in that the inverter is always ready and can quickly provide the replacement voltage in the event of a voltage dip. The the so-called transfer time, i.e. the time between the actual failure and the use of the replacement source approximately in the range between 2 and 10 ms.

Line interactive principle

Dieser Begriff faßt eine Reihe von Bezeichnungen moderner technologischer USV-Auslegungen zusammen. Hier kommt eine Mischung zwischen dem Online-Prinzip und dem Standby-Prinzip zum Tragen. In Verbindung mit einer Spannungsregelschaltung, die zunächst den Spannungseinbruch durch Regelung auffangt, wird ab einem kritischen Moment die Ersatzversorgung eingeschaltet, die nach dem Standby-Prinzip anliegt. Durch dieses Prinzip wird zusätzlich zu einem Ausgleich der Spannungsspitzen die Schonung der beteiligten Batterie optimiert.This term summarizes a number of terms used in modern technological UPS designs. Here there is a mixture between the online principle and the standby principle. Combined with a voltage control circuit, which initially absorbs the voltage drop by regulation, is from one critical moment switched on the backup supply, which is applied according to the standby principle. Because of this In addition to equalizing the voltage peaks, the principle is to protect the battery involved optimized.

Criticism of the state of the art

Es ist keine kleine allgemein verwendbare, aber von der Leistung her auf PC's und ISDN-Nebenstellenanlagen zugeschnittene USV verfügbar, die ein Minimum an Aufwand zu einer günstigen Lösung des Problems ohne Umschaltzeiten erfordert. Es ist derzeit keine USV erhältlich, die so klein ausgelegt ist, daß sie mit einem eingebauten Schucostecker und u. U. Steckdoseneinsatz für den Verbraucheranschluß versehen ist. It is not a small general-purpose one, but its performance is based on PCs and ISDN private branch exchanges tailored UPS available with a minimum of hassle for an inexpensive solution to the problem without Switching times required. There is currently no UPS available that is so small that it can be used with a built-in Schuco plug and u. U. socket insert is provided for the consumer connection.

Task

Aufbau einer räumlich kleinen USV mit kontinuierlicher Versorgung eines nachgeschalteten kleinen Verbrauchers, Verwendung einer möglichst aufwandreduzierten Ladeschaltung für handelsübliche Akkus nach dem NiCD- oder NiMH- oder anderen Prinzipien, Aufbau einer Vergleichsschaltung der gleichgerichteten Netzspannung mit der hochgesetzten Akkuschaltung. Hierbei läuft der Gleichspannungswandler im Leerlauf, solange die Netzspannung übliche Werte aufweist. Integration dieser USV in das Netzsystem auf unauffällige Weise so, daß eine Steckdose bei Netzausfall weiter Strom liefert. Weitergabe der Information über den Ausfall ohne eine zusätzliche Steuerleitung.Setup of a spatially small UPS with continuous supply to a downstream small one Consumers, use of a charging circuit for commercial batteries that is as low as possible the NiCD or NiMH or other principles, building a comparison circuit of the rectified Mains voltage with the boosted battery circuit. The DC-DC converter is idling, as long as the mains voltage has normal values. Integration of this UPS in the network system on inconspicuous In such a way that a socket continues to supply electricity in the event of a power failure. Disclosure of information about the failure without an additional control line.

solution

Die Lösung erfolgt durch kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs, wobei das Gerät hierbei so klein ausgelegt sein könnte, daß es - ausgelegt mit integriertem Schuco- oder Eurostecker und Buchseneinsatz - in eine Steckdosenleiste integriert werden könnte. Die Filterung der Eingangsspannung erfolgt durch übliche Netzfilter, Überspannungsfilter u.ä. . Die Gleichrichtung und Glättung der Wechselspannung wird durch einen üblichen Brückengleichrichter und einen Elko erreicht. Zur Vermeidung von zu hohen Eingangsströmen beim Start der USV oder der nachgeschalteten Verbraucher ist die Verwendung von Heißleitern oder ähnlich funktionierenden Bauelementen möglich. Als Akkuspannung sind 12 V vorgesehen, der Akku sollte in preisgünstiger NiCd- oder NiMH-Technik ausgelegt werden, eine Ladeschaltung, die den Akku während einer Zeit von 20-24 Std. lädt, macht das Laden des Akkus bauteilpreiswert und verlustarm, wobei eine zyklische Entladung während des Ladevorgangs zusätzlich erfolgen kann, die die Lebenszeit des Akkus verlängert. Die zyklische Entladung kann erreicht werden durch zyklische Stromentnahme des sich im Leerlauf befindlichen nachfolgend angeschalteten DC/DC-Wandlers. Der DC/DC-Wandler setzt dem Stand der Technik entsprechend die Batteriespannung hoch auf den Wert der gleichgerichteten Wechselspannung (ca. 325 V) unter Verwendung einer Zwischenkreisfrequenz von 10 - 70 KHz und Hochtransformieren der Spannung mit einem entsprechend kleinen Transformator und nachfolgender Gleichrichtung.The solution is provided by the characterizing part of the main claim, whereby the device could be designed so small that it - designed with an integrated Schuco or Euro plug and socket insert - could be integrated into a power strip. Filtering the input voltage is carried out by conventional line filters, surge filters, etc. . The rectification and smoothing of the AC voltage is achieved by a common bridge rectifier and an electrolytic capacitor. To avoid too high Input currents at the start of the UPS or the downstream consumers is the use of thermistors or similarly functioning components possible. The battery voltage is 12 V, the battery should be designed in inexpensive NiCd or NiMH technology, a charging circuit that the battery during a time of 20-24 hours, makes charging the battery inexpensive and low-loss, with one Cyclic discharge can also occur during the charging process, which extends the life of the battery extended. The cyclical discharge can be achieved by cyclically drawing the current while idling subsequently connected DC / DC converter. The DC / DC converter is state of the art accordingly the battery voltage high to the value of the rectified AC voltage (approx. 325 V) below Using an intermediate circuit frequency of 10 - 70 KHz and stepping up the voltage with a correspondingly small transformer and subsequent rectification.

Eine Potentialvergleichs- und Zusammenführschaltung der erzeugten Gleichspannung funktioniert so, daß sie bei einer Umschaltung von Netz- in Stützbetrieb evtl. einen Spannungsabfall, aber keine Unterbrechung am Ausgang bewirkt.A potential comparison and merging circuit of the generated DC voltage works so that it a switchover from mains to support operation may result in a voltage drop, but no interruption at the output causes.

Zur Wechselrichtung der zusammengeführten Gleichspannung mittels Verwendung einer Brücke von Schalttransistoren sind alternativ zwei Prinzipien vorgesehen: 1. die Verwendung von MOS-Schalttransistoren, deren Schaltzeiten so eingestellt werden können, daß der Effektivwert der abgegebenen Spannung dem der vorgeschriebenen Netzspannung entspricht, die kontinuierliche Versorgung des nachgeschalteten Verbrauchers mit dieser Spannung im Netz- und Stützmodus; 2. die Verwendung einer Brücke von schnellen Schalttransistoren, deren Schaltzeiten so eingestellt werden können, daß sich eine Pulsweitensteuerung ergibt, aus der durch Tiefpaßfilterung eine sinusförmige Spannung gewonnen werden kann.For alternating the combined DC voltage using a bridge from Switching transistors are alternatively provided for two principles: 1. the use of MOS switching transistors, whose switching times can be set so that the RMS value of the voltage supplied to that of corresponds to the prescribed mains voltage, the continuous supply of the downstream consumer with this voltage in mains and support mode; 2. the use of a bridge of rapid Switching transistors, the switching times of which can be set in such a way that pulse width control is obtained, from which a sinusoidal voltage can be obtained by low-pass filtering.

Für den Anlauf von nachgeschalteten Netzteilen ist eine Anlaufschaltung am Ausgang mit Heißleitern vorgesehen und ein Verkürzen oder Unterbinden der Durchschaltzeit der Endtransistoren, gesteuert durch eine Detektierung des Überlastfaktors.A start-up circuit with thermistors is provided at the output for starting downstream power supplies and shortening or preventing the switching time of the end transistors, controlled by a detection of the overload factor.

Als Zubehör ist Software für die nachfolgenden Geräte mit Detektiermöglichkeit der Ausgangssignale der USV vorgesehen.Software for the following devices with detection option of the output signals of the UPS is available as an accessory intended.

Claims

1. Uninterruptible power supply with input connection to an AC network, output connection of an AC consumer, characterized by the following features:

a.) rectification of the mains voltage present at the input to a voltage Uhochg 1 , intermediate storage of energy by means of accumulators,
b.) charging circuit for the battery,
c.) increasing the battery voltage by chopping the DC voltage and transforming it to a voltage Uhoch with subsequent rectification to a voltage Uhochg2,
d.) comparison circuit of Uhochg1 and Uhochg2 and merging of the voltages generated in a) and d),
e.) alternation of the direct voltage generated in e) with stabilization of the effective value of the output voltage,
f.) overload detection of the current tapped at the output,

2. UPS according to claim 1, characterized by the integration into a power strip.

3. UPS according to claim 1, characterized by an integrated circuit in the UPS, the one Detection of the operating state (mains or support operation) by observing the voltage of the Carries out the output network and suitably informs a consumer (e.g. computer) of the power failure.

4. UPS according to claim 1, characterized by an additional external module that detects the Operating state (mains or support operation) only by observing the voltage of the output network is carried out and suitably informs a consumer (e.g. computer) of the power failure.