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"Gesichertes Stromversorgungssystem" Die Erfindung bezieht sich auf
ein gesichertes Stromversorgungssystem zur unterbrechungsfreien Lieferung von Wechselstrom
mit mehreren, parallel arbeitenden und miteinander synchronisiarten gleichartigen
Wechselstromerzeugern, deren Frequenz über gleiche, jedoch voneinander unabhängige
Oszillatorsysteme voreggeben wird, die über Zusatzeinrichtungen miteinander synchronisierbar
sind.
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In der Energietechnik muß bei der unterbrechungsfreien Strom-Versorgung
von emplindlichen Verbrauchern, beis-l,ieJ,sweise in Krankenhäusern, bei Wrndftrnksendern
oder bei Digitalrechnern bei Netzausfall und bei Stromschwankungen für eine dauernde
gleichmäßige Versorgung der Wechsel- oder Drehstromverbraucher gesorgt werden.
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Bei bekannten Einrichtungen werden im Pufferbe-trieb arbeitende Batterien
eingesetzt. Diese Batterien übernehmen dann bei Netz ausfall für eine begrenzte
Zeitdauer die Versorgung der Verbraucher. Selbstgeführte Stromrichter wandeln die
Gleichspannung der Batterien in eine meist dreiphasige Wechselspannung um. Zur Leistungserhöhung
bzw. aus Sicherheitsgründen sind mehrere Stromrichter parallel geschaltet. Nachgeschaltete
Siebglieder sorgen für eine klirrfalitorarme Verbraucherwechselspannung.
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Bei der redundanten Ausführung der Umrichter werden an die einzelnen
Baugruppen hohe Anforderungen in Bezug auf Frequenz und Amplitude der Ausgangswechselspannung
gestellt. Die dafür notwendigen Einrichtungen sorgen für eine Synchronisation der
Umrichterausgangsspannungen.
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Bekannt ist, einem Umrichter die Priorität zu geben und alle weiteren
Umrichter danach zu synchronisieren. Bei Ausfall übernimmt ein anderer, vorher festgelegter,
die Priorität.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren zur Synchronisation; wird eine
zwangsweise Umschaltung auf die richtige Frequenz bzw.
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Spannung dann vorgenommen, wenn mehr als die Hälfte aller parallel
geschalteten Umrichter einen bestimmten Wert erreicht haben.
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Nach der DT-OS 2 025 124 ist ein Stromversorgungssystem mit paparallel
angeordneten statischen Wechselrichtern bekannt, bei dem zur Frequenzregelung eine
Mehrzahl von gleichen, jedoch unabhängigen Oszillatorsystemen Verwendung finden.
In jedem Oszillatorsystem zugeordneten Impulsgeneratoren werden Irnpulse erzeugt,
die in einem Dedektor auf Koinzidenz untersucht werden und wobei der Dedektor dann
selbst wieder Impulse erzeugt, die eine Zurückstellung der Impulsgeneratoren erlauben.
Da nur Impulse zur Frequenzregelung verwendet werden ist de Symmetrie nicht gewShrleistet.
Eine hochwertige Spannungsregelung findet bei der DT-OS 2 025 124 allerdings nicht
statt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung großer Leistung mit Spannungs-
und Frequenzregelung zur Sicherstellung der Stromversorgung von empSindlichen Verbrauchern
zu schaffen.
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Ausgehend von einer redundanten Ausführung der Systeme und einer "2
aus j7,'-Logik sollte ein in seiner Sicherheit gesteigertes Stromversorgungssystem
gefunden werden.
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Erfindungsgemäß trird dies dadurch erreicht, daß bei der Frequenzvorgabe
jedem Wechselstromerzeuger ein Frequenzvorgabegerät zugeordnet ist, das seine Versorgungsspannung
von dem zugehörigen Wechselstromerzeuger bezeicht, daß dem Frequenzvorgabegerät
ein Ausgang derart zugeordnet ist, daß die beiden Halbperioden der Ausgangsspannung
symmetrisch sind, und daß zur Vorgabe der Amplitude der Verbraucherspannung mehr
als zwei gleichartig aufgebaute und parallel angeordnete äußere Spannungsregelsysteme
vorgesehen sind, die unabhängig voneinander arbeiten.
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Zur Frequenzvorgabe ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die
einen im Frequenzvorgabegerät befindlichen Integrator mittels elektronischem Schalter
enhlt. eine Anzeigevorrichtung ist vorhanden, die dieses Ereignis, @enn es iiber
einer einstellbaren Zeit andauert, zur Anzeige bringt. Bei der Frequenzvorgabe ist
ein Schalter vorgesehen, der eine Umschaltung des Integrators vornimmt, olLne daß
die e Int egratoreus gangs spannung den vorgegebenen Wert erreicht.
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Bei der Vorgabe der Amplitude der Verbraucherspannung sind Regelsysteme
vorgesehen, die sowohl eine eigene Sollwertvorgabeeinrichtung als auch eine eigene
Istwerterfassung besitzen und Verstärker zur Verarbeitung der Sollistwertdifferenz.
Verstärker mit P-Verhalten sind eingesetzt, um die Einhaltung der Regelgenauigkeit
zu bewirken. Je Tijechs elstromerz euger ist ein Additionsglied zur Summierung der
Regel signale aller parallel arbeitender Regel systeme vorgesehen und der Ausgang
des Additionsgliedes ist mit dem zugehörigen Wechselstromerzeuger verbunden. Ebenfalls
verbunden ist der Ausgang des Additionsgliedes mit Kompensationsgl£-'dern, über
die die Stabilität des Spannungsregelkreises einstellbar ist. Ein innerer Regelkreis
ist vorgesehen, um die Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers zu regeln und
ein äußerer Regelkreis ist vorgesehen, um den Sollwert des inneren Regelkreises
zu beeinflußen. Innere Regelkreise
sind entsprechend der Anzahl
der Wechselstromerzeuger vorhanden.
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Vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem ist
besonders die hohe Sicherheit gegen Frequenz- und Spannungsschwankungen der einzelnen
Anlagen untereinander. Durch die aufteilung der großen Leistuns auf mehrere kleinere,
parallel geschaltete Anlagen können zudem die negativen Einflüsse bei Ausfall einer
Teilanlage auf das gesamte System gemindert werden. Eine Synchronisierung der venjendeten
Frequenzvorgabegeräte auf die Netzfrequenz is-t ebenfalls in vorteilhafter Weise
möglich.
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Durch den Einsatz von Bauelementen geringer Grenzfrequenz ist eine
kostengünstige Herstellung der Stromversorgungsanlage möglich. Durch die Verwendung
einer Halbvellen--s mmetrischen Rechtsckspannung zur Synchronisation der Frequenzvorgabegeräte
bei der Frequenzregelung ist eine Synchronisation auch anderer Systeme sehr einfach,
da eine Impulsverdoppelung möglich ist.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems
ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des Stromversorgungssystems, Fig.
2 zeigt das Blockschaltbild des Frequenzvorgabegerätes und Fig. 3 zeigt die Funktionsweise
der Regelkreise bei einem einzigen Wechselstromerzeuger.
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Nach Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem aufgeteilt
in eine Zentraleinheit 1 und drei parallel geschaltete Wechselrichter 2,3,4. Die
Wechselrichter sind dreiphasig ausgeführt und geben ihre Spannung auf eine dreiphasige
Sarnmelschiene 5. Der Übersichtlichkeit halber ist die Sammelschiene 5 nur einphasig
dargestellt. Natürlich können noch weitere Wechselrichter im Verband mitarbeiten.
Filter 6,7,8 dienen zur verzerrungsfreien
Lieferung der Verbraucherwechselströme.
Über interne Spannungsregler 9, 10, 11 werden die Wechselrichter 2, 3, 4 mit den
Stellgrößen für die Ausgangsspannung versorgt.
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In der getrennt aufgestellten Zentraleinheit 1 sind die Baugruppen
für die Frequenzregelung und die Spannungsregelung der Ausgangswechselspannungen
angeordnet. Frequenzvorgabegeräte 12, 13,14, oder auch Aszillatorsysteme genannt,
sind entsprechend der Anzahl der angeschlossenen Wechselrichter zur Einhaltung der
Ausgangswechselspannungsfrequenz vorgesehen.
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Die Summationspunkte 15, 16, 17 geban den internen Spannungsreglern
9,10,11 über Kompensationsglieder 45a, 45b, 45c einen Zusatz-Sollwert und werden
jeweils von übergeordnete Spannungsreglern 18, 19, 20 versorgt. Jeder dieser Regler
18, 19, 20 erhält seinen Ist-Wert von der Sammelschiene 5 und bildet in /bhängigkeit
von der Soll-Istwert-Differenz eine Ausgangsgröße, die je weils den Summationspunkten
15,16,17 zugeführt ist.
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Für die Frequenzregelung der Ausgangsspannung findet eine Anordnung
Verwendung, die für jeden Wechselrichter einmal vorhanden sein muß und nach Fig.1
mit 12,13,14 bezeichnet ist In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung eines Frequenzvorgabegerätes
näher erläutert, das in Fig.1 in dreifacher Ausführung gezeigt ist.
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Die Referenzspannungsquelle 21 bezieht ihre Spannung aus einer Versorgungsleitung,
beispielsweise aus dem Wechselrichterhilfsnetz. Über nicht dargestellte Zenerdioden
wird eine stabilisierte Referenzspannung gebildet, die in Bezug auf einen Erdungspunkt
als +Uref und Uref am Ausgang von 21 abnehmbar ist.
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über den Schalter 22, der vom Ausgang des Frequenzvorgabegerätes betätigt
wird, führt die Referenzspannung über einen weiteren Schalter 23 auf den Integrator
24. Diese als Miller-Integrator arbeitende Anordnung bildet aus der angelegten Spanung
das
Zeitintegral und gibt die als Ergebnis entstehende Spannung auf den nachfolgenden
Komparator 25. Hier wird das Integrationsergebnis mit der Referenzspannung # Uref
verglichen. Sind beide gleich groß, so steuert der Komparator einen Schalter 26
an, der ufnschaltet und dies einem weiteren Komparator 27 mitteilt. Von dein Schalt
er 26 führt ein Synchronisierausgang 28 zu allen anderen im Verband rni-tlaufenden
Frequenzvorgabegeräten.
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Ein mit 29 bezeichnster Synchronisiereingang führt bei allen Frequenzvorgabegeräten
auf den Eingang des Komparators 27. Der Synehromisiereingang 29 ist entsprechend
der Anzahl der im Verband mitlaufenden Frequenzvorgabegeräte vorhanden.
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In dem Komparator 27 wird das Schaltergebnis des Schalters 26 mit
den Schaltern 26 der anderen Frequenzvorgabegeräte vergliehen. Der Komparator stellt
fest, ob mindestens die Hälfte plus eins aller miLlaufenden Frequenzvorgabegeräte
dasselbe Signal bzw. dieselbe Schaltstellung haben wie der Schalter 26. Wenn diese
Information vorliegt, wird der Schalter 30 betätigt. Hin-ter ,dem Schalter 30 ist
der Ausgang 31 vorgesehen, der die Frequenz für den zugehörigen Wechselrichter vorgibt.
Da der Ausgang 31 mit den anderen Ausgängen der mitlaufenden Frequenzvorgabegeräte
parallel geschaltet ist, wird den Wechselrichtern nur eine Frequenz vorgegeben und
sie müssen zwangsläufig synchron laufen.
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Nach Ablauf dieses Vorganges bewirkt ein dem Schalter 30 nachgeschalteter
Inverter 32 eine Umpolung der Referenzspannungsquelle 21. Dies geschieht durch Betätigen
des Schalters 22.
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Ausgänge der Schalter 26 und 30 sind zur Ansteuerung einer Überwachungseinrichtung
33 vorgesehen. Diese Einrichtung besteht aus einer Logik, die die beiden Schaltstellungen
von 26 und 30 vergleicht und bei einer Nichtübereinstimmung den Schalter 23 öffnet.
Dies hat zur Folge, daß der Integrationsvorgang im Integrator 24 angehalten wird,
d.h., der Schalter 22 wird noch
nicht umgeschaltet. Ein Umschalten
bzw. ein einziehen auf die richtige Frequenz orfolgt erst dann, venn die Hälfte
plus eine aller Frequenzvorgabegeräte den Komparator 27 das Anziehen des Schalters
26 angezeigt haben. Ist dagegen der Integrator 24 zu langsam, so erfolgt eine zwangsweise
Umschaltung des Schalter 22 auS die andere Uref und damit ein Hinziehen am Ausgang
auf die richtige Frequenz.
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In einer Anzeigeschaltung 34 wird das Fehlverhal-ten dieses im Verband
mitlauf enden Frequenzvorgabegerätes signalisiert.
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Anhand der Fig. 3 soll die Spannungsnachregelung für einen einzeigen
Wechselstromerzeuger näher erläutert; werden.
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Der Ist-Wert der Sammelschienenspannung wird durch die Meßglisder
35, 36, 37 ermittelt und der Regelung zugeführt. Die Sammelschiene 5 hat aus Sicherheitsgründen
drei dieser Meßglieder 35, 36, 37, wobei jedoch die Anzahl der angeschalteten Wechselstromerzeuger
kein Kriterium für die Anzahl der Meßglieder ist.
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Eine einfache Redundanz der Meßglieder bringt bei Ausfall eines Bauteiles
innerhalb der Überwachungskette nicht die erforderliche Genauigkeit.
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Die Meßglider 35, 36, 37 geben ihre Signalspannung jeweils nur auf
ienen der drei gleichartig aufgebauten und völlig identischen übergeordnete Spannungsregler
18,19,20. In jedem dieser Spannungsregler ist ein Summenpunkt 38 bzw. 39 bzw. 40
angeordnet, -an dem der Soll-Ist-Wert-Vergleich zwischen einem intern vorgegebenen
Wert und der Signalspannung erfolgt. Die Regelabweichungen werden getrennt auf die
drei Zweipunktregler 41,42,43 geführt, deren Ausgänge je nach Regelabweichung am
positiven oder negativen Grenzpotential liegen. Diese drei im Normalfall gleichen
Spannungen werden in dem Additionsglied 15 zusammengefaßt und in dem anschließenden
Kompensationsglied 45a frequenzmäßig
an die Regelkreise und die
Wochselstromerzeuger angepaßt.
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Das Addltionsglied 15, das Zeitglied 45a, sowie die einen internen
Regelkreis bildenden Spannungsregler 9 und der Meßumformer 46 sind Jedem Wechselstromerzeuger
zugeordnet. Die einen übergeordneten Regelkreis bildenden Glieder 35 bis 43 sind
dagegen nur einmal in dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem vorhanden.
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Der interne Regelkreis hält die Spannung vor dem Filter 6 konstant.
Dazu wird in dem Meßumformer 46 die Wechselstromerzeugerausgangsspannung in eine
verarbeitbare Meßspannung umgeformt und auf den Summenpunkt 47 gefühtr. Hier wird
sie mit einem intern voreg-ebenen Spannungsa.rert verglichen. In dem sich anschließenden
Regelglied 48 wird dieses Ergebnis verstärkt und auf ein nicht dargestelltes Stellglied
am Wechselstromerzeuger zur Nachregelung gegeben.
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Bei Belastung durch angeschlossene Verbraucher fällt die Netzspannung
hinter dem Filter 6 ab und erzeugt dadurch in dem übergeordne-ten Regelkreis ein
Steuersignal, das nach Durchlaufen der Baupruppen 35 bis 45 ebenfalls auf dem Summenpunkt
47 geführt ist. Dieser Zusatz-Sollwert bewirkt eine Beeinflussung des internen Sollwertes
und damit eine Nachregelung des an den Wechselstromerzeuger angeordneten Stellgliedes.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromvers orgungs syst ems
sind für den übergeordne-ten Regelkreis bei der Spannungsüberwachung Regler mit
beispielsweise Pl- oder PID-Verhalten vorgesehen. Entsprechend anders ausgeführte
Zeitglieder müssen dann zur Kompensation zwischen Wechselstromerzeuger und Regler
vorgesehen werden.