DE2462122B2 - Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien stromversorgung eines verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Wechselstrom-Verbrauchers mit vorgeschalteten Sicherungen, dem ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Filtereingang über gesteuerte Schaltmittei im Normalbetrieb mit einem speisenden Wechselspannungsnetz bzw. im Störungsfall der Netzspannung mit einem Ersatzstromaggregat verbunden ist, das eine Ersatzstromquelle und einen Wechselrichter enthält, wobei eine Steuereinrichtung die Spannung des speisenden Netzes überwacht und die Schaltmittel und den Wechselrichter steuert.

Bei einer bekannten derartigen Schaltungsanordnung (DT-PS 9 57 494) ist nachteilig, daß bei einem Verbraucher mit vorgeschalteten Sicherungen bei einem Defekt im Verbraucher der Anstieg des iCurzschlußstromes vom Kilter so stark gedämpft werden kann, daß die Sicherungen nicht oder zumindest nicht schnell genug ansprechen. Im defekten Verbraucher können dadurch Folgeschäden auftreten.

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.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine gesteuerte Schalteinrichtung zwischen dem Ausgang des Filters und dem Verbraucher sowie eine weitere gesteuerte Schalteinrichtung zwischen dem speisenden Netz und dem Verbraucher, ferner durch eine weitere Steuereinrichtung zur Steuerung der Schalteinrichtungen, welche 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.

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 einen 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.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist den weiten Vorteil auf, daß bei einem Defekt im Filter eine weitere Energieversorgung des Verb.auchers 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 Spannunjy am Ausgang des Filters verbunden ist, so kann bei einem Defekt im Filter eine Rückschaltung auf den Betrieb über das Filter verhindert werden.

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,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung zur Steuerung der unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage nach F i g. 1.

Bei der in F i g. 1 dargestellten unterbrechung^freien Stromversorgungseinrichtung ist eine Anzahl von Verbrauchern la, \b. Ic 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 mit einem speisenden Netz 9 verbunden. Niederfrequente und hochfrequente Störungen in der Netzspannung werden vom Filter 2 gedämpft und können die Verbraucher la bis Ic nicht störend beeinflussen. Das Netz 9 wird von einem Meßfühler 10 überwacht, der die Amplitude und/oder die Frequenz der Netzspannung erfaßt. Die Signale des Meßfühlers JO sind einer Steuereinrichtung 5 zugeführt, die bei einer unzulässigen Abweichung der Netzspannung und/oder der Netzfrequenz vom Nennwert einen Umschaltvorgang auf den Notstrombetrieb einleitet. 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 Ersatzstromquelle 8. Sobald der Wechselrichter 6 die erforderliche Ausgangsspannung phasenrichtig erzeugt, wird der Wechselrichterschalter 4 durchlässig gesteuert. Der Verbraucher 1 wird jetzt aus der Ersatzstromquelle 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 Verfugung 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 des Filters — gegebenenfalls unter Einbezug energiespeichernder Elemente im Verbraucher selbst, beispielsweise Impedanzen — läßt sich die Versorgung des Verbrauchers so gewährleisten, daß für ihn zulässige Abweichungen nicht überschritten werden, obwohl beim Umschaltvorgang eine kurzzeitige Unterbrechung am Filtereingang auftritt

Bei der dargestellten unterbrechungsfreien Stromversorgungseinrichtung ist das Filter 2 der Stromschiene 28 und damit den Verbrauchern la bis Ic stets vorgeschaltet !m Normalbetrieb dämpft es die nieder- und hochfrequenten Verzerrungen der Netzspannung. Beim Umschaltvorgang vom Normalbctrieb zum Notstrombetrieb und zurück zum Normalbetrieb wirkt das Filter als kurzzeitiger Energiespeicher. Beim Notstrombetrieb

ίο über den Wechselrichter siebt es dessen Ausgangsspannung. Da sich diese Forderungen nicht widersprechen, ist eine geeignete Dimensionierung der Elemente des Filters möglich.

Die Ersatzstromquelle 8 ist mit dem Symbol einer Batterie dargestellt Als Ersatzstromquellen 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.

Der Wechselrichterschalter 4 ist vorteilhaft als schnellschließender Schalter ausgebildet, beispielsweise als mechanischer Schalter oder Schütz oder als Halbleiterschalter mit Thyristoren, Triacs oder Ignitrons. Es sind auch Kombinationen von verschiedenen Schalteinrichtungen in Reihen- oder Parallelschaltung möglich.

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 Wechselrichter ist dann ständig mit dem Filtereingang verbunden. Die gesteuerten Wechselrichterventile erfüllen die Schaltfunktion des Wechselrichterschalters. Ein eigener Wechseirichterschalter ist für Wartungsarbeiten zweckmäßig.
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 oder mit Zwangskommutierung, die mit Thyristoren, Turn-off-Thyristoren, Triacs, lgnitrons oder Entladungsventilen bestückt sein können. Kombinationen von verschiedenen Schalteinrichtungen in Reihen- oder Parallelschaltung sind ebenfalls geeignet. Für eine derartige unterbrechungsfreie Stromversorgungseinrichtung sind rasch startbare Wechselrichter geeignet. Besonders vorteilhaft sind Wechselrichter, die sofort, phasenrichtig und mit vollem Laststrom gestartet werden können.

Die Steuereinrichtung 5 kann auch so ausgestaltet sein, daß sie nach einer aufgrund einer Ströung 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.

Um bei einer möglichen zeitlichen Überlappung 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 Wirkwiderstän-

de, 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.

Damit bei der dargestellten Stromversorgungseinrichtung auch bei einem Defekt im Filter 2 oder in einem der Verbraucher la, 16, Ic 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. Gleichzeitig wird über die Steuereinrichtung 5 der Netzschalter 3 in Sperrung gesteuert.

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.

Bei der Versorgung der Stromschiene 28 unmittelbar aus dem Netz 9 ist !ediglich der Schalter 31 durchlässig, die weiteren Schalter 3, 4 und 30 sind gesperrt. Der Wechselrichter 6 ist nicht in Betrieb. In einem ersten Schritt wird der Wechselrichter 7 angefahren und der Wechselrichterschalter 4 durchlässig gesteuert. 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. Der Wechselrichter 6 wird abgeschaltet und die Ersatzstromquelle 8 gegebenenfalls nachgeladen.

F i g. 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 Überwachungsstufen 35, 36, 37 erzeugen jeweils ein L-Signal, wenn die überwachten Spannungen innerhalb ihrer Toleranzen liegen, dagegen ein O-Signal, wenn die überwachten Spannungen unzulässige Abweichungen zeigen.

Bei ordnungsgemäß anstehender Netzspannung und ordnungsgemäß anstehender Schienenspannung erzeugen somit die Überwachungsstufen 35 und 36 L-Signale. Das Signal der Überwachungsstufe 36 wird im Umkehrglied 39 invertiert. An den Eingängen eines UND-Gliedes 38 stehen daher ein L-Signal von der Überwachungsstufe 35 und ein 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.

Bei einer für die Verbraucher unzulässigen Abweichung der Schienenspannung aufgrund eines Defektes und gleichzeitig ordnungsgemäß anstehender Netzspannung stehen an beiden Eingängen des UND-Gliedes 38 L-Signale an. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 38 wechselt auf L-Signal und setzt ein Flip-Flop 41. 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 Fillers 2 unmittelbar auf das speisende Netz geschaltet. Es kann sich ein steiler Stromanstieg ausbilden, der eine der Sicherungen 32a bis 32coder 33 zum Ansprechen bringt.

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 Überwachungsstufe 36 erzeugt wieder ein L-Signal. Wenn kein Defekt im Filter vorliegt, gibt die Überwachungsstufe 37 für die Spannung im Filterausgang ein 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 monostabiler: Kippstufe 44 steuert über das Ansteuerglied 47 den Schalter 4 durchlässig. Außerdem wird der Wechselrichter durch Einwirkung auf seine Steuereinheit 7 gestartet bzw. auf Spannungsabgabe gesteuert.

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 da; Ausgangssignal des Zeitgliedes 49 dem Ansteuergliec 45 zugeführt, das daraufhin den Schalter 30 durchlässig steuert. Da das Filter über den Schalter 4 vorr Wechselrichter bereits weitgehend aufgeladen ist entsteht beim Schließen des Schalters 30 keir unzulässiger Stromstoß. Nach einer weiteren Verzöge rung durch ein Zeitglied 50 wird der Schalter 31 übei sein Ansteuerglied 46 gesperrt gesteuert, der Schalter; wird über sein Ansteuerglied 47 durchlässig gesteuen der Schalter 4 wird über sein Anst.euerglied 48 gesperr und der Wechselrichter wird stillgesetzt oder au Leerlaufbetrieb gesteuert Ein von einem Zeitglied 5 verzögerter Impuls setzt die beiden Flip-Flops 41 und 4; in ihre Ausgangslage zurück.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Wechselstrom-Verbrauchers mit vorgeschalteten Sicherungen, dem ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Filtereingang über gesteuerte Schaltmittel im Normalbetrieb mit einem speisenden Wechselspannungsnetz bzw. im Störungsfall der Netzspannung mit einem Ersatzstromaggregat verbunden ist, daß eine Ersatzstromqueüe und einen Wechselrichter enthält, wobei eine Steuereinrichtung die Spannung des speisenden Netzes überwacht und die Schaltmittel und den Wechselrichter steuert, gekennzeichnet durch eine gesteuerte Schalteinrichtung (30) zwischen dem Ausgang des Filters (2) und dem Verbraucher (la, Xb, Xc) sowie eine weitere gesteuerte Scholleinrichtung (31) zwischen dem speisenden Netz (9) und dem Verbraucher (la bis Ic), ferner durch eine weitere Steuereinrichtung (26) zur Steuerung der Schalteinrichtungen (30, 31). welche eingangsseitig mit Spannungsmeßfühlern (27,29) für die Verbraucherspannung und die Netzspannung verbunden ist und bei einer unzulässigen Abweichung der Verbraucherspannung und gleichzeitiger ordnungsgemäßer Netzspannung die Schalteinrichtung (30) zwischen dem Ausgang des Filters (2) und dem Verbraucher (la, Xb, Xc) in Sperrung und die Schalteinrichtung (31) zwischen dem speisenden Netz (9) und dem Verbraucher (la, 16, Ic) stromdurchlässig steuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Steuereinrichtung (26) eingangsseitig zusätzlich mit einem Spannungsmeßfühler (34) für die Spannung im Ausgang des Filters (2) verbunden ist.

3. Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Es wird ständig die Spannung des speisenden Netzes (9) und die Verbraucherspannung überwacht

b) bei einer unzulässigen Abweichung der Verbraucherspannung bei gleichzeitiger ordnungsgemäßer Netzspannung werden die gesteuerten Schaltmittel (3) zwischen dem speisenden Netz (9) und dem Filter (2) in Sperrung gesteuert und es wird über die Schalteinrichtung (30) das Filter (2) vom Verbraucher (la, Xb. Ic, 28) getrennt und der Verbraucher wird unmittelbar auf das speisende Netz (9) geschaltet,

c) wenn die Verbraucherspannung nach dem Auslösen von Sicherungen wieder auf ihren Nennwert zurückgekehrt ist, wird der Wechselrichter (6) gestartet und so gesteuert, daß die Spannung über der Schalteinrichtung (3(1) zwischen dem Filter (2) und dem Verbraucher (U Ib, Ic, 28) zu Null wird,

d) die Schalteinrichtung (30) zwischen dem Filter (2) und dem Verbraucher (la, 16, Ic, 28) wird durchlässig gesteuert und der Wechselrichter (6) wird durch eine Lastregelung auf die Aufgabe der vollen Verbraucherleiütung g€-steuert,

e) wenn der Strom über der Schalteinrichtung (31) zwischen dem speisenden Netz (9) und dem Verbraucher (la, Xb, Ic, 28) einen vorgegebenen Wert unterschreitet bzw. zu Null wird, wird diese Schalteinrichtung (31) in Sperrung gesteuert und der Wechselrichter (6) wird abgeschaltet,

f) das Filter (2) wird über die Schaltmittel (3) auf das speisende Netz (9) geschaltet