DE19836364A1

DE19836364A1 - Verfahren und Vorrichtung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung

Info

Publication number: DE19836364A1
Application number: DE1998136364
Authority: DE
Inventors: Yu-Ming Chang; Fang-Yi Lu
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JPH11113191A; US6115268A; TW344161B; DE19836364C2; JP3191097B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromver sorgungsvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung.

Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) findet heut zutage mehr und mehr Anwendung, speziell in einem System, bei dem eine stabile Stromversorgung benötigt wird, z. B. einem Computer, bei dem ein Task nicht unterbrochen werden darf. Zum Beispiel muß bei einem Computer, bei dem eine nicht-unterbrechungsfreie Stromversorgung verwendet wird, der unterbrochene Task, der gerade angelaufen ist, neu aus geführt werden. Wenn ein großer Task davon betroffen ist, der gerade halb abgearbeitet worden ist, wird niemand die Bedeutung der UPS bezweifeln.

Ein UPS-System nach dem Stand der Technik arbeitet wie folgt. Bei einer gewöhnlichen Stromquelle hat man Gleich strom- und Wechselstromausgänge von einem Wechselstrom/ Gleichstrom-Wandler, und die Stromquelle lädt über eine Aufladevorrichtung eine Leistungsspeichervorrichtung auf. Wenn daher die Stromquelle unterbrochen wird, entlädt sich die Leistungsspeichervorrichtung, um ihrerseits Gleich strom- und Wechselstromausgänge über eine Gleichstrom/ Gleichstrom-Wandlervorrichtung und einen Gleichstrom/Wech selstrom-Wandler bereitzustellen.

Ein solches UPS-System hat einige Nachteile. Zuerst wird eine Ladevorrichtung zum Aufladen von der Leistungsspei chervorrichtung benötigt. Die Ladevorrichtung verursacht jedoch die Kosten einer elektrischen Wandlervorrichtung und enthält mehrere Umschaltkreise, die viele Harmonische beim Betrieb erzeugen und sich negativ auf die Qualität der Stromquelle auswirken, z. B. den Leistungsfaktor (was da durch behoben werden könnte, daß ein Leistungs faktor-Kompensator eingeführt wird, der jedoch sehr teuer ist).

Je größer die Kapazität der UPS ist, desto größer muß die Aufladevorrichtung sein, was die Kosten nur um so weiter in die Höhe treibt. Zusätzlich gibt es insofern ein Sicher heitsproblem, als keine galvanische Trennung zwischen Ein gangs- und Ausgangsanschlüssen existiert.

Man versucht daher, den Einbau der Ladevorrichtung zu ver meiden, um die obigen Probleme zu umgehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung ohne Aufladevor richtung zu schaffen.

Des weiteren ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung zu schaffen, bei der die Leistungsspeichervorrichtung in einem sicheren Spannungsbereich (weniger als 60 V) betrieben wird, so daß eine hohe Geschwindigkeit bezüglich einer On line-Veränderung mit zweistufigem Aufladen erzielt wird, d. h. einer ersten Stufe, bei der mit konstantem Strom auf geladen wird, und einer zweiten Stufe, bei der mit konstan ter Spannung aufgeladen wird.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Pfad zwischen der Stromversorgung und der Leistungs speichervorrichtung über die Gleichstrom/Gleich strom-Wandlervorrichtung statt über die Ladevorrichtung einge richtet werden kann. Speziell in der Vergangenheit wurde die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung zur Verwen dung während des Entladens der Leistungsspeichervorrichtung gedacht. Bei normalen Bedingungen liegt jedoch das Aus gangsende des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers bereits auf einem Potential, das für die Verwendung durch den Gleich strom/Wechselstrom-Wandler gedacht ist. Wenn daher das Po tential am Ausgangsende für die Leistungsspeichervorrich tung verwendet werden kann, so kann eine Aufladevorrichtung damit eingespart werden.

Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren für eine unterbre chungsfreie Stromversorgung mit einer Betriebsstromquelle, einer Leistungsspeichervorrichtung und einer Gleich strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung angegeben, das die Schritte umfaßt:

(a) Erzeugen der unterbrechungsfreien Stromzufuhr durch die Betriebsstromquelle, wenn ein Eingangssignal von der Betriebsstromquelle größer als ein erster vorgegebener Wert ist;
(b) Veranlassen der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung, das Eingangssignal zum Erzeugen eines Aus gangssignals zu empfangen, um die Leistungsspeichervor richtung aufzuladen, wenn ein Parameter der Leistungs speichervorrichtung kleiner als ein zweiter vorgegebe ner Wert ist;
(c) Variieren des Eingangssignals in Abhängigkeit von dem Parameter der Leistungsspeichervorrichtung und
(d) Veranlassen der Leistungsspeichervorrichtung, die un terbrechungsfreie Stromzufuhr bereitzustellen, wenn das Eingangssignal kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.

Gewiß kann bei Schritt (a) die unterbrechungsfreie Leistung durch die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung be reitgestellt werden. Das Eingangssignal kann ein Wechsel stromsignal sein.

Vorzugsweise wird vor dem Schritt (a) ein Schritt (a1) aus geführt, bei dem das Eingangswechselstromsignal in ein Gleichstromsignal gewandelt wird.

Ein Parameter der Leistungsspeichervorrichtung kann eine dazugehörige elektrische Spannung sein. In Schritt (b) kann die Leistungsspeichervorrichtung durch ein zweistufiges Verfahren aufgeladen werden.

Vorzugsweise umfaßt das zweistufige Verfahren die Schritte
(b1) Anlegen eines Konstantstromsignals als Ausgangssignal, wenn die Spannung der Leistungsspeichervorrichtung kleiner als ein dritter vorgegebener Wert ist, und
(b2) Anlegen eines Konstantspannungssignals als Ausgangs signal, wenn die Spannung der Leistungsspeichervor richtung zwischen dem zweiten vorgegebenen Wert und dritten vorgegebenen Wert liegt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ei ne Vorrichtung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einer Betriebsstromquelle, die umfaßt:
eine Leistungsspeichervorrichtung zum Speichern eines elek trischen Signals zu einem ersten Zeitpunkt und zum Ausgeben des elektrischen Signals zu einem zweiten Zeitpunkt;
eine Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung, die elek trisch mit der Betriebsstromquelle verbunden ist zum Wan deln eines Wechselspannungssignals von der Betriebs stromquelle in ein Gleichspannungssignal;
eine Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung, die elek trisch mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung und der Leistungsspeichervorrichtung gekoppelt ist zum Emp fangen des Gleichspannungssignals, zum Erzeugen der unter brechungsfreien Stromzufuhr und zum Abspeichern des elek trischen Signals in der Leistungsspeichervorrichtung in Ab hängigkeit von einer Spannung zu dem ersten Zeitpunkt und zum Empfangen des ausgegebenen elektrischen Signals und zum Erzeugen der unterbrechungsfreien Stromzufuhr zu dem zwei ten Zeitpunkt und
eine Steuervorrichtung, die elektrisch mit der Leistungs speichervorrichtung verbunden ist, die mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung zum Steuern der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung verbunden ist, um das elektrische Signal in der Leistungsspeichervorrich tung zu speichern, und zum Veranlassen der Wechselstrom/ Gleichstrom-Wandlervorrichtung, das Gleichspannungssignal in Abhängigkeit von der Spannung der Leistungsspeichervor richtung zu variieren.

Des weiteren kann die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung außerdem umfassen:
eine Leistungsfaktorsteuerung, die mit der Steuervorrich tung gekoppelt ist, zum Empfangen eines Rückkopplungssi gnals, das durch die Steuervorrichtung erzeugt wurde, und zum Erzeugen eines Treibersignals, und
einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler, der elektrisch mit der Betriebsstromquelle und der Leistungsfaktorsteuerung verbunden ist, zum Empfangen des Wechselspannungssignals und zum Erzeugen und Regulieren des Gleichspannungssignals in Abhängigkeit von dem Treibersignal.

Außerdem kann die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrich tung umfassen:
einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der elektrisch mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung und der Leistungsspeichervorrichtung verbunden ist, zum Umwandeln entweder des Gleichspannungssignals oder des elektrischen Signals in eine unterbrechungsfreie Stromzufuhr und zum Aufladen der Leistungsspeichervorrichtung, und
eine Pulsbreitenmodulationssteuerung, die elektrisch mit dem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gekoppelt ist, zum Treiben des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers.

Als Alternative kann der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler außerdem umfassen:
einen Transformator mit einer ersten Wicklung, einer zwei ten Wicklung und einer dritten Wicklung, die miteinander verbunden sind;
einem ersten Umschaltkreis, der elektrisch mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung und der ersten Wick lung verbunden ist, zum Wandeln des Gleichspannungssignals ein erstes Signal, das an die erste Wicklung zu dem er sten Zeitpunkt übertragen wird;
einen zweiten Umschaltkreis, der elektrisch mit der Lei stungsspeichervorrichtung und der zweiten Wicklung verbun den ist, zum Empfangen eines zweiten Signals, das durch die zweite Wicklung in Abhängigkeit von dem ersten Signal er zeugt wird, und zum Umwandeln des zweiten Signals in das elektrische Signal zum Aufladen der Leistungsspeichervor richtung zu dem ersten Zeitpunkt und zum Empfangen des elektrischen Signals von der Leistungsspeichervorrichtung und zum Erzeugen eines dritten Signals an die zweite Wick lung zu dem zweiten Zeitpunkt; und
einen Gleichrichterschaltkreis, der elektrisch mit der dritten Wicklung verbunden ist, zum Umwandeln entweder des ersten Signals oder des dritten Signals in die unterbre chungsfreie Stromzufuhr.

Außerdem kann der Umschaltkreis vier Transistoren und vier Dioden umfassen.

Als Alternative kann die Wicklung eine zentral abgegriffene Wicklung sein, und der Umschaltkreis kann zwei Transistoren und zwei Dioden enthalten.

Als weitere Beispiele kann der Umschaltkreis zwei Transi storen, zwei Dioden und zwei Kapazitäten oder zwei Transi storen und vier Dioden oder einen Transistor und eine Diode enthalten.

Die Steuervorrichtung kann eine erste Steuerung umfassen, die mit der Leistungsspeichervorrichtung und mit der Wech selstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung verbunden ist, zum Messen eines Stroms des elektrischen Signals, der in die Leistungsspeichervorrichtung fließt, und zum Aussenden ei nes ersten Steuersignals an die Wechselstrom/Gleich strom-Wandlervorrichtung zum Absenken des Gleichspannungssignals, wenn der Strom größer als ein vorgegebener Wert ist, und eine zweite Steuerung, die elektrisch mit der Leistungs speichervorrichtung verbunden ist und mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung verbunden ist, zum Messen der Spannung der Leistungsspeichervorrichtung und zum Aussenden eines zweiten Steuersignals an die Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung, um die Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung zu veranlassen, das Gleichspannungssignal zu regulieren.

Außerdem kann die Vorrichtung einen Gleichstrom/Wech selstrom-Wandler umfassen, der elektrisch mit der Gleich strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung verbunden ist, zum Um wandeln des unterbrechungsfreien Gleichstroms in einen Wechselstrom.

Die Leistungsspeichervorrichtung kann eine wiederaufladbare Batterie sein.

Die vorliegende Erfindung ergibt sich aus der folgenden Be schreibung, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 einen Schaltplan zeigt, aus dem hervorgeht, wie das UPS-System nach Fig. 1 aufgeladen wird;

Fig. 3 einen Zeitverlauf für die Umschaltoperation eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers eines UPS-Systems nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten bevor zugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wand lers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5A-5D jeweils vier Ladezustände eines Gleichstrom/ Gleichstrom-Wandlers nach Fig. 4 zeigen;

Fig. 6A-6D jeweils vier Entladezustände eines Gleich strom/Gleichstrom-Wandlers nach Fig. 4 zeigen;

Fig. 7 einen Schaltplan einer zweiten bevorzugten Ausfüh rungsform eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm einer dritten bevor zugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wand lers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9 ein schematisches Blockdiagramm einer vierten bevor zugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wand lers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm einer fünften be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 11 ein schematisches Blockdiagramm einer sechsten be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 12 ein schematisches Blockdiagramm einer siebten be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm einer achten bevor zugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 ein schematisches Blockdiagramm einer neunten be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 15 ein schematisches Blockdiagramm einer zehnten be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 16 ein schematisches Blockdiagramm einer elften bevor zugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 17 ein schematisches Blockdiagramm einer zwölften be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung für die unter brechungsfreie Stromversorgung gezeigt, die eine Leistungs speichervorrichtung 3 zum Speichern eines elektrischen Si gnals zu einem ersten Zeitpunkt und zum Ausgeben des elek trischen Signals zu einem zweiten Zeitpunkt, eine Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1, die mit einer Be triebsstromquelle zum Umwandeln eines Wechselstromsignals von der Betriebsstromquelle in ein Gleichstromsignal ver bunden ist, eine Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4, die mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 und der Leistungsspeichervorrichtung 3 zum Empfangen des Gleichstromsignals und zum Erzeugen der unterbrechungsfrei en Stromzufuhr und zum Speichern des elektrischen Signals in der Leistungsspeichervorrichtung 3 in Abhängigkeit von einer Spannung zu einem ersten Zeitpunkt und zum Empfangen des ausgegebenen elektrischen Signals und zum Erzeugen der unterbrechungsfreien Stromzufuhr in dem zweiten Zeitpunkt verbunden ist, einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler 2, der mit der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4 zum Umwandeln der unterbrechungsfreien Stromzufuhr von Gleichstrom in Wechselstrom verbunden ist, eine Steuervor richtung 7, die mit der Leistungsspeichervorrichtung 3 elektrisch verbunden ist und gekoppelt ist mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 zum Steuern der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4, um das elek trische Signal in der Leistungsspeichervorrichtung 3 zu speichern, und um die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung 1 zu veranlassen, das Gleichstromsignal in Abhän gigkeit von der Spannung der Leistungsspeichervorrichtung 3 einzustellen, und einen Schalter 9 umfaßt, der elektrisch mit dem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler 2 im Normalbetrieb (dargestellt durch die durchgezogene Linie) und mit der Be triebsstromquelle bei Fehlfunktion des vorliegenden UPS-Systems (dargestellt durch die gestrichelte Linie) verbun den ist.

In Fig. 2 ist ein Verfahren zur unterbrechungsfreien Strom versorgung mittels Leistungsspeichervorrichtung 3 und Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4 gemäß der vor liegenden Erfindung gezeigt, das die Schritte umfaßt:

(a) Erzeugen der unterbrechungsfreien Stromzufuhr (z. B. durch die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4), wenn ein Eingangssignal von der Betriebsstromquelle größer als ein erster vorgegebener Wert ist;
(b) Veranlassen der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung 4, das Eingangssignal (Spannung V₂) zum Erzeu gen eines Ausgangssignals zu empfangen, um die Lei stungsspeichervorrichtung 3 aufzuladen, wenn ein Para meter der Leistungsspeichervorrichtung 3 kleiner als zweiter vorgegebener Wert ist;
(c) Regulieren des Wechselstrom/Gleichstrom-Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Parameter der Leistungsspei chervorrichtung 3 und
(d) Veranlassen der Leistungsspeichervorrichtung 3, die un terbrechungsfreie Stromzufuhr bereitzustellen, wenn das Eingangssignal kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.

Vor Schritt (a) kann selbstverständlich das Eingangssignal aus dem Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal umge wandelt werden. Der Parameter der Leistungsspeichervorrich tung 3 kann eine dazugehörige elektrische Spannung sein. In einer speziellen Ausführungsform wird die Leistungsspei chervorrichtung 3 aufgeladen durch
(b1) Anlegen eines Konstantstromsignals als Ausgangssignal, wenn die Spannung der Leistungsspeichervorrichtung 3 kleiner als eine da zugehörige schwimmende Spannung ist, und
(b2) Anlegen eines Konstantspannungssignals als Ausgangs signal, wenn die Spannung der Leistungsspeichervor richtung 3 höher zu werden beginnt als die Kante der dazugehörigen schwimmenden Spannung.

Das Aufladen der Leistungsspeichervorrichtung 3 auf die schwimmende Spannung verlängert die Dauer, über die sie zur Verfügung steht.

Speziell empfängt das vorliegende UPS-System eine Wechsel spannung V_ac und gibt eine Gleichspannung V_dc aus. Die Lei stungsspeichervorrichtung 3 sichert die Bereitstellung von Gleichspannung V_dc, wenn die Wechselspannung V_ac unterbrochen wird. Die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 er zeugt am Eingang eine Wechselspannung V_ac und erzeugt am Ausgang die Übergangsgleichspannung V₂, die durch die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4 gewandelt wird, die die Leistungsspeichervorrichtung oder wiederauf ladbare Batterie 3 mit einem Potentialabfall auf die Gleichspannung V_c aufladen wird. Die Steuervorrichtung 7 re guliert die Leistungsfaktorsteuerspannung, d. h. die Ein gangsspannung V₂ für die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung 4 je nach dem Potential der Leistungsspeichervor richtung 3. Die Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 umfaßt eine Leistungsfaktorsteuerung 11, die verbunden ist mit der Steuervorrichtung 7, zum Empfangen eines Rück kopplungssignals, das durch die Steuervorrichtung 7 erzeugt wurde, und zum Erzeugen eines Ansteuersignals 13, sowie ei nen Leistungsfaktorkorrektur-Wechselstrom/Gleichstrom-Wand ler 12, der elektrisch mit der Betriebsstromquelle V_ac und der Leistungsfaktorsteuerung 11 verbunden ist zum Empfangen des Wechselspannungssignals und zum Erzeugen und Regulieren des Gleichspannungssignals V₂ in Abhängigkeit von dem An steuersignal 13.

Die Steuervorrichtung 7 umfaßt eine erste Stromrückkopp lungssteuerung 71, die mit der Leistungsspeichervorrichtung 3 und mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 zum Messen eines Stroms des elektrischen Signals, der in die Leistungsspeichervorrichtung 3 fließt, und zum Aussen den eines ersten Steuersignals an die Wechsel strom/Gleich strom-Wandlervorrichtung 1 zum Absenken des Gleichspan nungssignals V₂ verschaltet ist, wenn der Strom größer als ein spezieller Wert ist, und eine zweite Schwimmspannungs steuerung 72, die mit der Leistungsspeichervorrichtung 3 verbunden ist und mit der Wechsel strom/Gleichstrom-Wand lervorrichtung 1 zum Messen der Spannung der Leistungsspei chervorrichtung 3 und zum Absenden eines zweiten Steuersi gnals an die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 verbunden ist, um die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung 1 dazu zu veranlassen, das Gleichspannungssignal V₂ zu regulieren. Wenn insbesondere der Strom der Batterie 3 zu groß ist, so daß das Spannungssignal V_Ib, das den Strom der Batterie 3 anzeigt und erhalten wird durch den Strom transformator CT und gewandelt wird durch die Gleichrichter 713, 714, 715 und 716, größer ist als die Referenzspannung V_Ib(ref), die den vorgegebenen Strom darstellt, so steigt das Spannungsrückkopplungssignal an die Leistungsfaktorsteue rung 11, um das Schaltverhältnis des Ausgangstreibersignals 13 schmäler zu machen, was seinerseits dazu führt, daß die Übergangsgleichspannung V₂, die ausgegeben wird von dem Lei stungsfaktorkorrektur-Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 12, dann ihrerseits den Ladestrom der Batterie 3 auf einen vor gegebenen Pegel herabsetzt. Dieser gegebene konstante Strom ist bestimmt durch die stromabhängige Referenzspannung V_Ib(ref), so daß sich ein erster Konstantstromladezustand er gibt. Wenn der Strom von Batterie 3 niedriger als der gege bene Wert ist, wird der Phototransistor OPT1 abgeschaltet.

Soweit die zweite Konstantspannungsladestufe betroffen ist, so wird sie hauptsächlich durch die Schwimmspannungssteue rung 72 gesteuert. Wenn das Potential der Batterie 3 größer als V_b(max) ist, so wird der Phototransistor eingeschaltet, um das Schaltverhältnis des Ausgangsantriebssignals 13 der Leistungsfaktorsteuerung 11 schmäler zu machen, um die Übergangsgleichspannung V₂ von dem Leistungsfaktorkorrektur- Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 12 zu senken, was dazu führt, daß die Batterie 3 bei einer konstanten Schwimmspan nung aufgeladen werden kann. Da das Potential der Batterie 3 durch die Schwimmspannungssteuerung 72 gesteuert wird, kann die maximale Spannung der Batterie 3 auf ein sicheres Potential gelegt werden. Unter Berücksichtigung der Ge schwindigkeit von einer Online-Veränderung, wird vorge schlagen, daß die Sicherheitsspannung niedriger als 60 V ist, damit der Anwender nicht durch hohe elektrische Lei stung bei der Verschiebung verletzt wird.

Wenn man sich außerhalb des Ladezyklus befindet, so hat die Rückkopplung des Widerstandes R1 die Funktion, die Über gangsgleichspannung V₂ zu stabilisieren. Wenn das Potential der Übergangsgleichspannung V₂ kleiner als der gegebene Wert V_ref ist, wird eine Leistungsfaktorsteuerung 11 durch die Pulsbreitenmodulationstechnik das Schaltverhältnis des An triebssignals 13 verbreitern, um die Ausgangsübergangs gleichspannung V₂ des Leistungsfaktorkorrektur-Wechsel strom/Gleichstrom-Wandlers 12 anzuheben. Wenn im Gegensatz dazu das Potential der Übergangsgleichspannung V₂ höher als der vorgegebene Wert V_ref ist, so wird die Leistungsfaktor steuerung 11 die Breite des Schaltverhältnisses des Trei bersignals 13 kürzen, um die Ausgangsübergangsgleichspan nung V₂ des Leistungsfaktorkorrektur-Wechselstrom/Gleich strom-Wandlers 12 zu reduzieren.

Die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 4 umfaßt ei nen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 42, der elektrisch mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 und der Leistungsspeichervorrichtung 3 zum Umwandeln entweder des Gleichspannungssignals oder des elektrischen Signals in die unterbrechungsfreie Leistung, und eine aufladende Lei stungsspeichervorrichtung und eine Pulsbreitenmodulations steuerung 41, z. B. UC3525 oder ein integrierter Schaltkreis mit ähnlicher Funktion, die elektrisch mit dem Gleich strom/Gleichstrom-Wandler 42 zum Treiben des Gleich strom/Gleichstrom-Wandlers 42 verbunden sind.

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm der Umschaltoperation der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung des vorliegenden UPS-Systems oder der Operation der Pulsbreitenmodulations steuerung 41.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Schaltplan einer ersten be vorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers 42 eines UPS-Systems gemäß der vorliegenden Erfin dung, die einen Transformator T_r mit drei miteinander ver bundenen Wicklungen W1, W2, W3 mit jeweils N_p, N_b, N_s Win dungen, einen ersten Umschaltkreis 423, der elektrisch mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung 1 und der ersten Wicklung W1 zum Umwandeln der Übergangsgleichspan nung V₂ in eine Wechselspannung, die über die erste Wicklung W1 übertragen werden soll, wenn das Potential der ersten Wicklung W1 größer als das Ergebnis des Potentials der zweiten Wicklung W2 multipliziert mit dem Quotienten oder Wicklungsverhältnis a = N_p/N_b ist und zum Gleichrichten der Wechselspannung von der ersten Wicklung W1 in eine Gleich spannung zum Übertragen in die Übergangsgleichspannung V₂, wenn das Potential der ersten Wicklung W1 kleiner als das Ergebnis des Potentials der zweiten Wicklung W2 multipli ziert mit dem Quotienten a ist, verbunden ist, einen zwei ten Umschaltkreis 424, der elektrisch mit der Leistungs speichervorrichtung 3 und der zweiten Wicklung W2 zum Gleichrichten der Wechselspannung der zweiten Wicklung W2 eine Gleichspannung zum Laden der Leistungsspeichervor richtung 3, wenn das Potential der ersten Wicklung W1 grö ßer als das Ergebnis des Potentials der zweiten Wicklung W2 multipliziert mit dem Quotienten a ist, und zum Umwandeln der Gleichspannungsquelle der Batterie 3 in eine Wechsels pannungsquelle zum Übermitteln an die zweite Wicklung W2, wenn das Potential der ersten Wicklung W1 kleiner als das Ergebnis des Potentials der zweiten Wicklung W2 multipli ziert mit dem Quotienten a ist, verbunden ist, wobei ein Gleichrichterschaltkreis 421 elektrisch mit der dritten Wicklung W3 zum Bereitstellen der Gleichspannung V_dc verbun den ist, umfaßt.

In Fig. 3 ist die Puls-PWM der Basistakt des Treibersignals für Transistorschalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 und S8, wobei die Transistorschalter S1, S2, S5 und S6 simultan ein- und ausgeschaltet werden, während die Transistorschal ter S3, S4, S7 und S8 simultan aus oder an sind. Unter der Steuerung eines solchen Treibersignals arbeitet der Gleich strom/Gleichstrom-Wandler 42 wie folgt.

Wie in Fig. 5A gezeigt, sind während der Periode t₁ alle Transistorschalter S1, S2, S5 und S6 eingeschaltet. Die Eingangsleistung sorgt für die Versorgung des Transforma tors T_r, der Gleichrichtervorrichtung 421 und des Ausgangs filterschaltkreises 422 mit Leistung bis zum Ausgangsende und für das Laden der Batterie 3 über den Transformator T_r und die Dioden S5 (D₅) & S6 (D₆).

Wie in Fig. 5B gezeigt, sind während der Periode t₂ alle Transistorschalter S1, S2, S5 und S6 ausgeschaltet. Zu Be ginn leitet die Induktivität L vollständig zur Ausgangs gleichrichtervorrichtung 421, so daß ein Kurzschluß mit dem Transformator T_r besteht, so daß die ursprüngliche Leckin duktivität der ersten Wicklung W1 Leistung durch die Dioden und D4 zurück zu der Eingangsspannung V₂ überträgt und die Leckinduktivität der zweiten Wicklung W2 Leistung durch die Dioden D5 und D6 zurück zur Batterie 3 führt.

Wie in Fig. 5C gezeigt, sind während der Periode t₃ die Transistorschalter S3, S4, S7 und S8 simultan eingeschal tet. Die Eingangsleistung versorgt den Transformator T_r, die Gleichrichtervorrichtung 421 und den Ausgangsfilterschalt kreis 422 bis zum Ausgangsende mit Leistung und lädt die Batterie 3 über den Transformator T_r und die Dioden D7 und auf.

Wie in Fig. 5D gezeigt, sind während der Periode t₄ die Transistorschalter S3, S4, S7 und S8 simultan ausgeschal tet. Zu Beginn leitet die Induktivität L vollständig zur Gleichrichtervorrichtung 421, so daß ein Kurzschluß mit dem Transformator T_r besteht, so daß die ursprüngliche Indukti vität der ersten Wicklung W1 Leistung durch die Dioden D1 und D2 zurück zu der Eingangsspannung V₂ führt und die Leck induktivität der zweiten Wicklung W2 Leistung durch die Di oden D7 und D8 zurück zur Batterie 3 führt.

Ein Entladevorgang findet statt, wenn die Eingangsspannung V₂ niedriger als das Ergebnis (N_p/N_b)V_B der Batteriespannung V_B multipliziert mit dem Wicklungsverhältnis N_p/N_B ist, was dann geschieht, wenn es eine nicht-unterbrechungsfreie Be triebsstromquelle ist.

Wie in Fig. 6A gezeigt, sind während der Periode t₁ alle Transistorschalter S1, S2, S5 und S6 eingeschaltet, aber die Ausgangsleistung wird bereitgestellt durch die Batterie 3, da die Spannung (N_p/N_b)V_B größer als die Spannung V₂ ist, so daß die Ausgangsspannung V_dc nicht betroffen ist durch die unterbrochene Leistung, wodurch es möglich wird, daß der Ausgang des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers 2 keine Unterbrechung erfährt.

Wie in Fig. 6B gezeigt, sind während der Periode t₂ alle Transistorschalter S₁, S₂, S₅ und S₆ ausgeschaltet. Zu Beginn wird die Induktivität L vollständig an die Gleichrichter vorrichtung 421 leiten, so daß ein Kurzschluß mit der drit ten Wicklung W3 des Transformators T_r besteht, so daß die ursprüngliche Leckinduktivität der ersten Wicklung W1 Lei stung durch die Dioden D1 und D2 zurück zu der Eingangska pazität C führt und die Leckinduktivität der zweiten Wick lung W2 Leistung durch die Dioden D7 und D8 zurück zur Bat terie 3 führt.

Wie in Fig. 6C gezeigt, sind während der Periode t₃ alle Transistorschalter S3, S4, S7 und S8 noch eingeschaltet, aber die Ausgangsleistung wird durch die Batterie 3 bereit gestellt, weil die Spannung (N_p/N_b)V_B größer als die Span nung V₂ ist, so daß die Ausgangsspannung V_dc nicht betroffen wird durch die unterbrochene Leistung, wodurch es möglich wird, daß der Ausgang des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers 2 keine Unterbrechung erfährt.

Wie in Fig. 6D gezeigt, sind während der Periode t₄ alle Transistorschalter S3, S4, S7 und S8 ausgeschaltet. Zu Be ginn wird die Induktivität L vollständig an die Gleichrich tervorrichtung 421 weiterleiten, so daß sich ein Kurzschluß mit der dritten Wicklung W3 des Transformators T_r ergibt, so daß die ursprüngliche Leckinduktivität der ersten Wicklung W1 Leistung durch die Dioden D3 und D4 zur eingangsseitigen Kapazität C führt und die Leckinduktivität der zweiten Wicklung W2 Leistung durch die Dioden D5 und D6 zurück zur Batterie 3 führt.

Die Fig. 7 bis 17 zeigen elf weitere bevorzugte Ausfüh rungsformen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 42, die alle zusammen mit der ersten bevorzugten Ausführungsform in die fünf folgenden Klassen eingeteilt werden können, die nach Bedarf eingesetzt werden können als erster Umschalt kreis 423 und/oder zweiter Umschaltkreis 424, ohne daß sie im einzelnen hier beschrieben werden.

Klasse 1:
Der Umschaltkreis enthält vier Transistoren und vier Dioden. Zum Beispiel sind dies die ersten Schaltkreise 423 in Fig. 4, 7 und 8 und die zweiten Schaltkreise 424 Fig. 4, 9 und 12.

Klasse 2:
Der Umschaltkreis umfaßt zwei Transistoren und zwei Dioden, und die Wicklung ist eine zentral abgegriffene Wicklung. Zum Beispiel sind dies die ersten Schaltkreise 423 in Fig. 9, 10 und 11 und die zweiten Schaltkreise 424 in Fig. 8, 11 und 14.

Klasse 3:
Der Umschaltkreis umfaßt zwei Transistoren, zwei Dioden und zwei Kondensatoren. Zum Beispiel sind dies die ersten Schaltkreise 423 in Fig. 12, 13 und 14 und die zweiten Schaltkreise 424 in Fig. 7, 10 und 13.

Klasse 4:
Der Umschaltkreis umfaßt zwei Transistoren und vier Dioden.

Zum Beispiel sind dies die ersten Schaltkreise 423 in Fig. 15 und 16 und die zweiten Schaltkreise 424 in Fig. 15 und 17.

Klasse 5:
Der Umschaltkreis umfaßt einen Transistor und ei ne Diode. Zum Beispiel sind dies der erste Schaltkreis 423 Fig. 17 und der zweite Schaltkreis 424 in Fig. 16.

Claims

1. Verfahren zur unterbrechungsfreien Stromversorgung mit einer Betriebsstromquelle, einer Leistungsspeichervor richtung (3) und einer Gleichstrom/Gleichstrom-Wand lervorrichtung (4), gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) Erzeugen der unterbrechungsfreien Stromzufuhr durch die Betriebsstromquelle, wenn ein Eingangssignal von der Betriebsstromquelle größer als ein erster vorgegebener Wert ist;
(b) Veranlassen der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung (4), das Eingangssignal zum Erzeugen eines Ausgangssignals zu empfangen, um die Leistungsspei chervorrichtung (3) aufzuladen, wenn ein Parameter der Leistungsspeichervorrichtung (3) kleiner als ein zweiter vorgegebener Wert ist;
(c) Variieren des Eingangssignals in Abhängigkeit von Parameter der Leistungsspeichervorrichtung (3) und
(d) Veranlassen der Leistungsspeichervorrichtung (3), die unterbrechungsfreie Stromzufuhr bereitzustel len, wenn das Eingangssignal kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterbrechungsfreie Stromzufuhr bereitgestellt wird durch die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (4) in Schritt (a).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Eingangssignal ein Wechselspannungssignal ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem einen Schritt (a1) zum Umwandeln des Eingangswechselspannungssignals in ein Gleichspan nungssignal (V₂) vor dem Schritt a umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Parameter der Leistungsspeicher vorrichtung (3) eine elektrische Spannung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsspeichervorrichtung (3) in einem zweistu figen Verfahren in Schritt b aufgeladen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweistufige Verfahren außerdem die Schritte umfaßt:

(b1) Anlegen eines Konstantstromsignals als Ausgangs signal, wenn die Spannung der Leistungsspeicher vorrichtung (3) kleiner als ein dritter vorgegebe ner Wert ist, und
(b2) Anlegen eines Konstantspannungssignals als Aus gangssignal, wenn die Spannung der Leistungsspei chervorrichtung (3) zwischen dem zweiten vorgege benen Wert und dem dritten vorgegebenen Wert liegt.

8. Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung mit einer Betriebsstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:
eine Leistungsspeichervorrichtung (3) zum Speichern ei nes elektrischen Signals zu einem ersten Zeitpunkt und zum Ausgeben des elektrischen Signals zu einem zweiten Zeitpunkt;
eine Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (1), die elektrisch mit der Betriebsstromquelle verbunden ist zum Wandeln eines Wechselspannungssignals von der Betriebsstromquelle in ein Gleichspannungssignal (V₂);
eine Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (4), die elektrisch mit der Wechselstrom/Gleich strom-Wandlervorrichtung (1) und der Leistungsspeichervor richtung (3) gekoppelt ist zum Empfangen des Gleich spannungssignals (V₂), zum Erzeugen der unterbrechungs freien Stromzufuhr und zum Abspeichern des elektrischen Signals in der Leistungsspeichervorrichtung (3) in Ab hängigkeit von einer Spannung zu dem ersten Zeitpunkt und zum Empfangen des ausgegebenen elektrischen Signals und zum Erzeugen der unterbrechungsfreien Stromzufuhr zu dem zweiten Zeitpunkt und
eine Steuervorrichtung (7), die elektrisch mit der Lei stungsspeichervorrichtung (3) verbunden ist, die mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (1) zum Steuern der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (4) verbunden ist, um das elektrische Signal in der Leistungsspeichervorrichtung (3) zu speichern, und zum Veranlassen der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung (1), das Gleichspannungssignal (V₂) in Abhän gigkeit von der Spannung der Leistungsspeichervorrich tung (3) zu variieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (1) außerdem umfaßt:
eine Leistungsfaktorsteuerung (11), die mit der Steuer vorrichtung (7) gekoppelt ist, zum Empfangen eines Rückkopplungssignals, das durch die Steuervorrichtung (7) erzeugt wurde, und zum Erzeugen eines Treibersi gnals (13), und
einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (12), der elek trisch mit der Betriebsstromquelle und der Leistungs faktorsteuerung verbunden ist, zum Empfangen des Wech selspannungssignals und zum Erzeugen und Regulieren des Gleichspannungssignals (V₂) in Abhängigkeit von dem Treibersignal (13).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung (4) außerdem umfaßt:
einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (42), der elek trisch mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrich tung (1) und der Leistungsspeichervorrichtung (3) ver bunden ist, zum Umwandeln entweder des Gleichspannungs signals (V₂) oder des elektrischen Signals in eine un terbrechungsfreie Stromzufuhr und zum Aufladen der Lei stungsspeichervorrichtung (3), und
eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (41), die elek trisch mit dem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (42) ge koppelt ist, zum Treiben des Gleichstrom/Gleich strom-Wandlers (42).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (42) außerdem umfaßt:
einen Transformator (T_r) mit einer ersten Wicklung (W1), einer zweiten Wicklung (W2) und einer dritten Wicklung (W3), die miteinander verbunden sind;
einem ersten Umschaltkreis (423), der elektrisch mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (1) und der ersten Wicklung (W1) verbunden ist, zum Wandeln des Gleichspannungssignals (V₂) in ein erstes Signal, das an die erste Wicklung (W1) zu dem ersten Zeitpunkt über tragen wird;
einen zweiten Umschaltkreis (424), der elektrisch mit der Leistungsspeichervorrichtung (3) und der zweiten Wicklung (W2) verbunden ist, zum Empfangen eines zwei ten Signals, das durch die zweite Wicklung (W2) in Ab hängigkeit von dem ersten Signal erzeugt wird, und zum Umwandeln des zweiten Signals in das elektrische Signal zum Aufladen der Leistungsspeichervorrichtung (3) zu dem ersten Zeitpunkt und zum Empfangen des elektrischen Signals von der Leistungsspeichervorrichtung (3) und zum Erzeugen eines dritten Signals an die zweite Wick lung (W2) zu dem zweiten Zeitpunkt; und
einen Gleichrichterschaltkreis (421), der elektrisch mit der dritten Wicklung (W3) verbunden ist, zum Umwan deln entweder des ersten Signals oder des dritten Si gnals in die unterbrechungsfreie Stromzufuhr.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (7) außerdem umfaßt:
eine erste Steuerung (71), die mit der Leistungsspei chervorrichtung (3) und mit der Wechselstrom/Gleich strom-Wandlervorrichtung (1) verbunden ist, zum Messen eines Stroms des elektrischen Signals, der in die Lei stungsspeichervorrichtung (3) fließt, und zum Aussenden eines ersten Steuersignals an die Wechsel strom/Gleich strom-Wandlervorrichtung (1) zum Absenken des Gleich spannungssignals, wenn der Strom größer als ein vorge gebener Wert ist, und
eine zweite Steuerung (72), die elektrisch mit der Lei stungsspeichervorrichtung (3) verbunden ist und mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrichtung (1) verbun den ist, zum Messen der Spannung der Leistungsspeicher vorrichtung (3) und zum Aussenden eines zweiten Steuer signals an die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervorrich tung (1), um die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlervor richtung (1) zu veranlassen, das Gleichspannungssignal (V₂) zu regulieren.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler (2) umfaßt, der elek trisch mit der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlervorrich tung (4) verbunden ist, zum Umwandeln der unterbre chungsfreien Gleichstromversorgung in eine Wechsel stromversorgung.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsspeichervorrichtung (3) eine wiederaufladbare Batterie ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (423, 424) vier Transistoren (S1, S2, S3, S4; S5, S6, S7, S8) und vier Dioden (D1, D2, D3, D4; D5, D6, D7, D8) umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (W1, W2, W3) eine zentral abgegriffene Wicklung ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (423, 424) zwei Transistoren und zwei Dioden umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (423, 424) zwei Transistoren, zwei Dioden und zwei Kapazitäten (C1, C2; C3, C4) um faßt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (423, 424) zwei Transistoren und vier Dioden umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (423, 424) einen Transistor und eine Diode umfaßt.