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Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines
Verbrauchers (Ausscheidung aus P 24 48 427.3-34 vom 10.10.1974) Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines
Verbrauchers mit vorgeschalteten Sicherungen, dem ein Filter vorgeschaltet ist,
dessen Filtereingang über gesteuerte Schaltmittel im Normalbetrieb mit einem speisenden
Netz bzw. im Störungsfall der Netzspannung mit einem Ersatzstromaggregat verbunden
ist, das eine Ersatzstromquelle und einen Wechselrichter enthält, wobei eine Steuereinbchtung
die Spannung des speisenden Netzes überwacht und die Schaltmittel und den Wechselrichter
steuert.
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Bei einer bekannten derartigen Schaltungsanordnung (DT-PS 957 494)
ist nachteilig, daß bei einem Verbraucher mit vorgeschalteten Sicherungen bei einem
Defekt im Verbraucher der Anstieg des Kurzschlußstromes vom Filter so stark gedämpft
werden kann, daß die Sicherungen nicht oder zumindest nicht schnell genug ansprechen.
Im defekten Verbraucher können dadurch Folgeschäden auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei einem Defekt ein ordnungsgemäßes
Auslösen der dem Verbraucher vorgeschalteten Sicherungen gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelost durch eine gesteuerte Schalteinrichtung
zwischen dem Ausgang des Filters und dem Verbraucher, sowie eine weitere gesteuerte
Schalteinrichtung zwischen dem speisenden Netz und dem Verbraucher, wobei eine weitere
Steuereinrichtung zur Steuerung der Schalteinrichtungen eingangsseitig mit Spannungsmeßfühlern
für die Verbraucherspannung
und die Netzspannung verbunden ist
und bei einer unzulässigen Abweichung der Verbraucherspannung und gleichzeitiger
ordnungsgemäßer Netzspannung die Schalteinrichtung zwischen dem Ausgang des Filters
und dem Verbraucher in Sperrung und die Schalteinrichtung zwischen dem speisenden
Netz und dem Verbraucher stromdurchlässig steuert.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird ein Defekt im Verbraucher
durch einen Einbruch der Verbraucherspannung bei gleichzeitig unverändert anstehender
ordnungsgemäßer Netzspannung erkannt. Der Verbraucher wird sofort vom Filter getrennt
und unmittelbar auf das speisende Netz geschaltet. Jetzt kann sich ein Kurzschlußstrom
mit sehr steilem Stromanstieg ausbilden, der die dem defekten Verbraucher vorgeschalteten
Sicherungen zum Auslösen bringt und damit den defekten Verbraucher abschaltet. Dies
ist insbesondere auch dann von Bedeutung, wenn mehrere Verbraucher jeweils über
vorgeschaltete Sicherungen an einer Sicheren Stromschiene" angeschlossen sind, die
über ein Filter im Normalbetrieb mit dem speisenden Netz und im Notstrombetrieb
mit dem Wechselrichter verbunden ist. Wenn die dem defekten Verbraucher vorgeschalteten
Sicherungen nicht schnell genug auslösen, kann dies einem länger andauernden Einbruch
der Schienenspannung der Stromschiene zur Folge haben, der bereits Schäden in den
übrigen Verbrauchern hervorrufen kann, insbesondere Störungen im Programmablauf
von Datenverarbeitungsanlagen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist den weiteren Vorteil
auf, daß bei einem Defekt im Filter eine weitere Energieversorgung des Verbrauchers
dadurch möglich ist, daß der Verbraucher unter Umgehung des defekten Filters unmittelbar
auf das speisende Netz geschaltet wird. Damit kann eine unterbrechungsfreie Energieversorgung
des Verbrauchers erfolgen, sofern bis zur Beseitigung des Defektes im Filter keine
Netzstörung auftritt,
die zu-einer unzulässigen Abweichung der Verbraucherspannung
führt. Wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die weitere Steuereinrichtung
eingangsseitig mit einem Spannungsmeßfühler für die Spannung am Ausgang des Filters
verbunden ist, so kann bei einem Defekt im Filter eine Rückschaltung auf den Betrieb
über das Filter verhindert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau
einer erfindungsgemäßen unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage, Fig. 2 ein
Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung zur Steuerung der unterbrechungsfreien
Stromversorgungsanlage nach Fig. 1.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten unterbrechungsfreien Stromversorgungseinrichtung
ist eine Anzahl von Verbrauchern 1a, Ib, lc über vorgeschaltete Sicherungen 32a,
32b, 32c an eine "Sichere Stromschiene" 28 angeschlossen. Die Stromschiene 28 ist
über ein Filter 2 und einen im Normalbetrieb geschlossenen Netzschalter 3 mtt einem
Speisenden Netz 9 verbunden. Niederfrequente und hochfrequente Störungen in der
Netzspannung werden vom Filter 2 gedämpft und können die Verbraucher 7a bis 1c nicht
störend beeinflussen. Das Netz 9 wird von einem Meßfühler 10 überwacht, der di6e
Amplitude und/oder die Frequenz der Netzspannung erfaßt. Die Signale des Meßfühlers
10 sind einer Steuereinrichtung ; zugeführt, die bei einer unzulässigen Abweichung
der Netzspannung und/oder der Netzfrequenz vom Nennwert einen Umschaltvorgang auf
den Notstrombetrieb einleitet.
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Zunächst wird der Netzschalter 3 in Sperrung gesteuert und der Wechselrichter
6 wird über seine Steuereinheit 7 gestartet. Der Wechselrichter 6 bezieht seine
Energie aus einer Ersatz stromquelle 8. Sobald der Wechselrichter 6 die erforderliche
Ausgangsspannung phasenrichtig erzeugt, wird der Wechselrichterschalter 4
durchlässig
gesteuert. Der Verbraucher 1 wird Jetzt aus Aer Er; ; satzstromquelle 8 über den
Wechselrichter 6, den durchlässig gesteuerten Wechselrichterschalter 4 und das Filter
2 mit Energie versorgt. Das Filter 2 siebt die Ausgangsspannung des Wechselrichters
6, um dem Verbraucher eine Spannung mit geringem Oberwellengehalt zur Verfügung
zu stellen. Während des Umschaltvorganges liefert das Filter 2, das entsprechende
energiespeichernde Elemente, wie Kondensatoren und/oder Drosselspulen enthält, Energie
an den Verbraucher. Bei geeigneter Dimensionierung der Elemente desFilters- gegebenenfalls
unter Einbezug energiespeichernder Elemente im Verbraucher selbst, beispielsweise
Impedanzen - läßt sich die Versorgung des Verbrauchers so gewährleisten, daß für
ihn zulässige Abweichungen nicht Uberschritten werden, obwohl beim Umschaltvorgang
eine kurzzeitige Unterbrechung am Filtereingang auftritt.
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Bei der dargestellten unterbrechungsfreien Stromversorgungseinrichtung
ist das Filter 2 der Stromschiene 28 und damit den Verbrauchern la - ic stets vorgeschalttt.
Im Normalbetrieb dämpft es die nieder- und hochfrequenten Verzerrungen der Netzspannung.
Beim Umschaltvorgang vom Normalbetrieb zum Notstrombetrieb und zurück zum Normalbetrieb
wirkt das Filter als kurzzeitiger Energiespeicher. Beim Notstrombetrieb über den
Wechselrichter siebt es dessen Ausgangsspannung. Da sich diese Forderungen nicht
wiedersprechen, ist eine geeignete Dimensionierung der Elemente des Filters möglich.
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Die Ersatzstromquelle 8 ist mit dem Symbol einer Batterie dargestellt.
Als Ersatz stromquellen können jedoch nicht nur Batterien oder Akkumulatoren dienen,
sondern beispielsweise auch Kondensatoren, Brennstoffzellen oder Schwungräder und
Dieselmotoren mit gekuppelten Generatoren. Es ist auch möglich, ein anderes Netz
als Ersatzstromquelle einzusetzen, beispielsweise ein Gleichstromnetz oder ein Netz
mit anderer Frequenz, beispielsweise ein Bahnstromnetz.
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Der Wechseirichterschalter 4 ist vorteilhaft als schnellschließender
Schalter ausgebildet, beispielsweise als mechanischer Schalter oder Schütz oder
als Halbleiterschalter mit Thyristören, Triacs oder Ignitrons. Es sind auch Kombinationen
von verschiedenen Schalteinrichtungen in Reihen- oder Parallelschaltung möglich.
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Bei üblichen Wechselrichtern sind bei nicht gezündeten Ventilen in
einem durch die Rückarbeitsdioden bestimmten Spannungsbereich keine Rückströme möglich.
In diesem Fall kann ein gesonderter Wechselrichterschalter entfallen. Der echselrichter
ist dann ständig mit dem Filtereingang verbunden. Die gesteuerten Wechselrichterventile
erfüllen die Schaltfunktion des Wechselrichterschalters. Ein eigener Wechselrichterschalter
ist für Wartungsarbeiten zweckmäßig.
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Der Netzschalter 3 ist zweckmäßigerweise als schnell öffnender Schalter
ausgeführt. Es können mechanische Schnellschalter oder Schütze verwendet werden,
gegebenenfalls mit besonderen Auslösemechanismen. Möglich sind auch Halbleiterschalter
mit natürlicher Kommutierung ode mit Zwangskommutierung, die mit Thyristoren, Turn-off-Thyristoren,
Triacs, Ignitrons oder Entladungsventilen bestückt sein können. Kombinationen von
verschiedenen Schalteinrichtungen in Reihen- oder Parallelschaltung sind ebenfalls
geeignet.
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Für eine derartige unterbrechungsfreie Stromversorgungseinrichtung
sind rasch startbare Wechselrichter geeignet. Besonders vorteilhaft sind Wechselrichter,
die sofort, phasenrichtig und mit vollem Laststrom gestartet werden können.
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Die Steuereinrichtung 5 kann auch so ausgestaltet sein, daß sie nach
eine aufgrund einer Störung der Netzspannung erfolgten Umschaltung vom Netzbetrieb
auf den Wechselrichterbetrieb die
Netzspannung weiterhin überwacht
und bei einer Wiederkehr einer ordnungsgemäßen Netzspannung eine Rückschaltung vom
Wechselrichterbetrieb auf Netzbetrieb durchführt.
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Um bei einer möglichen zeitlichen Uberlappung bei der Betätigung
der Schalter 3 und 4 den Ausgleichstrom zwischen dem Netz 9 und dem Wechselrichter
6 zu begrenzen, sind in Fig. 1 Drosselspulen 11 und 12 zwischen dem Schalter 3 bzw.
4 und dem Eingang des Filters 2 angeordnet. Zur Begrenzung eines derartigen Ausgleichstromes
können auch andere Bauelemente Verwendung finden, wie beispielsweise Wirkwiderstände,
nichtlineare Halbleiterwiderstände, Drosselspulen mit sättigbarem Kern, gesteuerte
Halbleiterventile oder Gasentladungsventile. Weiterhin ist es möglich, Netzimpedanzen,
Leitungswiderstände und Streuimpedanzen von vorgeschalteten Transformatoren zur
Begrenzung eines Ausgleichsstromes ganz oder teilweise heranzuziehen und gegebenenfalls
entsprechend zu dimensionieren.
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Damit bei der dargestellten Stromversorgungseinrichtung auch bei
einem Defekt im Filter 2 oder in einem der Verbraucher la, Ib, 1c eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung sichergestellt ist, überwacht eine weitere Steuereinrichtung 26
mit einem Meßfühler 27 die Spannung der Stromschiene 28 und damit die Eingangsspannung
für die Verbraucher. Ein weiterer Meßfühler 29 für die Netzspannung ist ebenfalls
mit der Steuereinrichtung 26 verbunden. Bei einer für die Verbraucher unzulässigen
Abweichung der Spannung an der Stromschiene 28 und bei gleichzeitig ordnungsgemäß
anstehender Netzspannung steuert die weitere Steuereinrichtung 26 einen Schalter
30 zwischen dem Filter und der Stromschiene 28 in Sperrung und schließt die Stromschiene
28 über einen weiteren Schalter 31 unmittelbar an das Netz 9 an. Gleschzeitig wird
über die Steuereinrichtung 5 der Netzschalter 3 in Sperrung gesteuert.
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Die Rückschaltung auf den Betrieb über das- Filter 2 geht in einer
Reihe von aufeinanderfolgenden Schritten vor sich, um einen Stromstoß auf das Filter
und damit einen Spannungseinbruch an der Schiene 28 zu vermeiden.
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Bei der Versorgung der Stromschiene 28 unmittelbar aus dem Netz 9
ist lediglich der Schalter 31 durchlässig, die weiteren Schalter 3, 4 und 30 sind
gesperrt. Der Wechselrichter 6 ist nicht in Betrieb. In einem ersU n Schritt wird
der Wechselrichter 7 angefahren und der Wechselrichterschalter 4 durchlässig gesteuert.
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Der Wechselrichter 6 wird so gesteuert, daß die Spannung über dem
Schalter 30 im Filterausgang zu Null wird. Jetzt wird der Schalter 30 im Filterausgang
durchlässig gesteuert und gleichzeitig wird der Wechselrichter 6 durch eine Lastregelung
so geregelt, daß die volle Verbraucherleistung vom Wechselrichter 6 über das Filter
2 geliefert wird. Sobald der Strom über den Schalter 31 zu Null oder zumindest so
klein geworden ist, daß beim Öffnen dieses Schalters kein unzulässiger Stromstoß
auf das Filter erfolgt ,wird der Schalter 31 in Sperrung gesteuert und gleichzeitig
der Wechselrichter 6 auf Spannungsregelung umgeschaltet bzw. seine Lastregelung
außer Eingriff gebracht. Die Stromschiene 28 wird durch Schließen des Netzschalters
3 und Sperren des Wechselrichterschalters 4 auf das Netz 9 geschaltet.
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Der Wechselrichter 6 wird abgeschaltet und die Ersatz stromquelle
8 gegebenenfalls nachgeladen.
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Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer derartigen Steuereinrichtung
26. Eingangsseitig sind der Meßfühler 29 für die Netzspannung, der Meßfühler 27
für die Schienenspannung und ein weiterer Meßfühler 34 für die Spannung am Ausgang
des Filters 2 angeschlossen. Die Signale dieser Meßfühler beaufschlagen Überwachungsstufen
35, 36, 37, die als Grenzwertmelder dargestellt sind und logische Signale erzeugen.
Die Überwachungastufen 35, 36, 37 erzeugen Jeweils ein logisches L-Signal, wenn
die überwachten
Spannungen innerhalb ihrer Toleranzen liegen, dagegen
ein logisches O-Signal, wenn die überwachten Spannungen unzulässige Abweichungen
zeigen.
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Bei ordnungsgemäß anstehender Netzspannung und ordnungsgemäß anstehender
Schienenspannung erzeugen somit die Uberwachungsstufen 35 und 36 logische L-Signale.
Das Signal der Uberwachungsstufe 36 wird im Umkehrglied 39 invertiert. An den Eingängen
eines UND-Gliedes 38 stehen daher ein logisches L-Signal von der Uberwachungsstufe
35 und ein logisches O-Signal vom Umkehrglied 39 an. Das UND-Glied 38 ist gesperrt.
Der Schalter 30 ist von seinem Ansteuerglied 45 durchlässig und der Schalter 31
von seinem Ansteuerglied 46 gesperrt gesteuert.
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Bei einer für die Verbraucher unzulässigen Abweichung der Schienenspannung
aufgrund eines Defektes und gleichzeitig ordnungsgemäß anstehender Netzspannung
etehen an beiden Eingängen des UND-Gliedes 38 logische L-Signale an. Das Ausgangssignal
des UND-Gliedes 38 wechselt auf L-Signal und setzt ein Flip-Flop 41.
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Der Wechsel von O-Signal auf L-Signal am Ausgang des Flip-Flops 41
erzeugt in einer nachgeschalteten monostabilen Kippstufe 43 einen Steuerimpuls für
die Ansteuerglieder 45 und 46. Das Ansteuerglied 45 steuert den Schalter 30 in Sperrung
und das Ansteuerglied 46 steuert den Schalter 31 durchlässig. Die Stromschiene 28
ist jetzt unter Umgehung des Filters 2 unmittelbar auf das speisende Netz geschaltet.
Es kann sich ein steiler Stromanstieg ausbilden, der eine der Sicherungen 32a bis
32c oder 33 zum Ansprechen bringt.
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Nachdem eine der Sicherungen angesprochen hat und den gestörten Verbraucher
bzw. das Filter vom Netz getrennt hat, kehrt die Schienenspannung auf ihren Sollwert
zurück und die Uberwachungsstufe 36 erzeugt wieder ein logisches l-Signal. Wenn
kein Defekt im Filter vorliegt, gibt die Überwachungsstufe 37 für die
Spannung
im Filterausgang ein logisches L-Signal ab. Ein weiteres UND-Glied 40 wird von den
beiden L-Signalen an seinen Eingängen durchgesteuert und setzt ein Flip-Flop 42.
Der Wechsel von O-Signal auf L-Signal am Ausgang des Flip-Flops 42 erzeugt in einer
nachgeschalteten monostabilen Kippstufe 44 einen Steuerimpuls für die Ansteuerglieder
47 und 48 sowie für die Steuereinheit 7 des Wechselrichters. Dieser Steuerimpuls
der monostabilen Kippstufe 44 start über das Ansteuerglied 47 den Schalter 4 durchlässig.
Außerdem wird der Wechselrichter durch Einwirkung auf seine Steuereinheit 7 gestartet
bzw. auf Spannungsabgabe gesteuert.
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Ein dem Flip-Flop 42 nachgeschaltetes Zeitglied 49 mit Ansprechverzögerung
erzeugt einen verzögerten Impuls, der den Wechselrichter über dessen Steuereinheit
7 zur Leistungsabgabe veranlaßt. Außerdem ist das Ausgangssignal des Zeitgliedes
49 dem Ansteuerglied 45 zugeführt, das daraufhin den Schalter 30 durchlässig steuert.
Da das Filter über den Schalter 4 vom Wechselrichter bereits weitgehend aufgeladen
ist, entsteht beim Schließen des Schalters 30 kein unzulässiger Stromstoß. -Nach
einer weiteren Verzögerung durch ein Zeitglied 50 wird der Schalter 31 über sein
Ansteuerglied 46 gesperrt gesteuert, gesteuert der Schalter 3 wird über sein Ansteuerglied
47 durchlässig, der Schalter 4 wird über sein Ansteuerglied 48 gesperrt und der
Wechselrichter wird stillgesetzt oder auf Leerlaufbetrieb gesteuert. Ein von einem
Zeitglied 51 verzögerter Impuls setzt dikbeiden Flip-Flops 41 und 42 in ihre Ausgangslage
zurück.
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3 Patentansprüche 2 Figuren