DE2541598A1

DE2541598A1 - Elektrische stromversorgungsschaltung mit zwei energiequellen

Info

Publication number: DE2541598A1
Application number: DE19752541598
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: HASE ALFRED MAX
Current assignee: HASE ALFRED MAX
Priority date: 1974-10-02
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1976-08-26
Also published as: DE2541598B2; JPS5692442U; JPS5162344A; DE2541598C3; ATA744975A; AT346430B; CH598710A5; GB1521506A; CA1005896A

Description

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ALFRED MAX HASE, TORONTO, ONTARIO (KANADA)

Elektrische Stromversorgungsschaltung mit zwei

Energiequellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Stromversorgungsschaltung mit zwei Energiequellen, von denen eine erste aus dem Wechselstromnetz gespeist und eine zweite ein netzsynchron arbeitender Inverter ist, wobei letzterer normalerweise eine Wechselstromlast speist, mit einer Einrichtung zur ununterbrochenen Versorgung der Last durch Umschaltung von der zweiten auf die erste Energiequelle und zur Abschaltung der zweiten Energiequelle nach Aufschal-

16.9.1975

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tung auf die erste Energiequelle.

Es gibt Stromversorgungsschaltungen für sehr empfindliche Lasten, wie etwa Computer, Telemetriestationen oder Telefonstationen, bei denen eine hohe Qualität der gelieferten elektrischen Energie gefordert wird. Daher sind solche Schaltungen oftmals Inverter, deren Ausgang konstant gehalten werden kann. Ein solcher Inverter wird beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 210 373 des Anmelders beschrieben. Der Inverter liefert Wechselstrom mit großer Konstanz sowohl bezüglich der Spannung als auch der Kurvenform und arbeitet netzsynchron. Normalerweise wird ein solcher Inverter aus dem Wechselstromnetz gespeist, beispielsweise aus einem Gleichrichter. Eine Ersatzbatterie sorgt dafür, daß zu jedem Zeitpunkt, also auch bei Auftreten eines Fehlers im Wechselstromnetz die notwendige Energie an den Inverter geliefert werden kann. Jedenfalls ist der Ausgang des Inverters von dem Wechselstromnetz abgetrennt und kann eine Ausgangsspannung hoher Konstanz liefern. Manchmal hat man sich auch ferroresonanter Kreise in Verbindung mit Energiespeichern bedient, um die erforderliche Regelung aßt Ausgang der Schaltung zu erhalten. Eine ferroresonante Spannungsregelschaltung wird beispielsweise in dem US-Patent 3 824 449 des Anmelders beschrieben.

Für den Fall, daß infolge des Auftretens irgendeines Fehlers im Inverter dieser keine Energie mehr liefern kann,

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sollte sichergestellt werden, daß die Last an eine zweite Energiequelle geschaltet werden kann, normalerweise wird das das Wechselstromnetz sein, wobei keine Unterbrechung des Energieflusses zur Last sich ereignen darf. Es wurde schon vorgeschlagen, Halbleiterschalter zu verwenden, die sehr schnell arbeiten und die in Reihe mit jedem der Inverter und mit dem Wechselstromnetz liegen können, wobei der eine Schalter öffnet und der andere Schalter schließt, dies könnte ohne Unterbrechung des Energieflusses geschehen. Solche Halbleiterschalter unterbrechen den Leistungsfluß, wenn sie offen sind, so daß zu jeder Zeit die Last jeweils nur aus einer Stromquelle versorgt wird.

Der Gebrauch solcher Halbleiterschalter jedoch kann ernste Probleme in dem gesamten elektrischen System hervorrufen und auch Auswirkungen auf die Personen haben, die an dem Wechselstromnetz arbeiten, dies wird aber weiter unten noch erläutert werden.

Zunächst können zwar die Halbleiterschalter den Energiefluß unterbrechen, sie bilden aber keine Spannungsunterbrechung und solche Schalter haben dann Widerstands- und damit Leistungsverluste sowie Kapazitätsverluste. Wenn also in dem Wechselstromnetz ein Fehler auftritt und das Netz abgetrennt wird, dann ist es dennoch über den Halbleiter-

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schalter mit dem Inverter bzw. der Stromversorgungseinheit spannungsmaßig verbunden, und jede Person, die sich dem Leitungsnetz nähert und glaubt, es sei spannungslos kann verletzt oder getötet werden allein durch Berührung der Leitung, in die die Inverterspannung über den Halbleiterschalter zurückgespeist wird. Daher birgt die Verwendung von Halbleiterschaltern einen großen Unsicherheitsfaktor in sich, da die am elektrischen Netz arbeitenden Personen ständig bedroht sind.

Ein weiterer großer Nachteil ist, daß die Halbleiterschalter, die in einem Zweileitungssystem verwendet werden, bei Ausfall eines einzigen Halbleiterschalters oder bei einem Fehler in der Zündschaltung des Halbleiterschalters zu einer Parallelschaltung der beiden Spannungsquellen mit Gleichstromquellen führen, und normalerweise ist keinerlei Schutzschaltung oder automatische Isolation vorgesehen. Eine solche Schaltung ist dann natürlich unvereinbar mit allen Sicherheitsregeln auf diesem Gebiet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Stromversorgungsschaltung zu schaffen, mit der es möglich ist, eine vollkommene Leistungs- und Spannungsisolation der einen Energiequelle von der anderen zu erreichen. Gleichzeitig soll auch sichergestellt werden, daß bei einem Fehler in der Schaltung ein unterbrechungsloses

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Umschalten von einer Energiequelle auf die andere möglich ist, wobei selbst dann eine vollkommene Trennung der beiden Systeme erhalten bleiben soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster betätigbarer, in Normalstellung offener Schalter zwischen der ersten Energiequelle und der Last liegt, ein zweiter betMtigbarer, in Normalstellung geschlossener Schalter zwischen der zweiten Energiequelle und der Last liegt, wobei beide Schalter in Offenstellung sowohl spannungs- als auch strommäßig eine Abtrennung der Last herbeiführen, daß ferner zur Feststellung von Fehlern in der zweiten Energiequelle ein Fehlerdetektor vorgesehen ist, der auf den ersten Schalter wirkt, so daß dieser schließt, sobald in der zweiten Energiequelle ein Fehler auftritt, und außerdem auf den zweiten Schalter einwirkt, so daß dieser bei einem Fehler in der zweiten Energiequelle öffnet, sowie daß ferner ein ferroresonanter Kreis mit einem Energiespeicher zwischen die zweite Energiequelle und die Last gelegt ist, so daß sie selbst nach dem Auftreten eines Fehlers wenigstens für die Dauer der Schaltzeit des zweiten Schalters an die Last gelegt ist, wobei die erste Schaltperiode kürzer als die zweite gewählt, und damit der erste Schalter geschlossen ist, bevor der zweite öffnet, und die Kapazität des EnergieSpeichers so bemessen ist, daß der Energiebedarf der Last während des Feststeilens

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eines Fehlers und der Umschaltzeit gedeckt werden kann.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß alle Sicherheitsvorschriften erfüllt werden können und dabei die Last zu jedem Zeitpunkt mit Energie versorgt werden kann, selbst wenn in einer Energiequelle ein Fehler auftreten sollte. Durch vollständige Trennung der beiden Systeme untereinander, können keine gegenseitigen Beeinflussungen durch vagabundierende Ströme auftreten. Dabei können sowohl Schaltschütze, also elektromechanische Schalter, als auch Halbleiterschalter Verwendung finden.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels einer Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Stromlauf eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einem Prinzipaufbau,

Fig. 2 eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1, jedoch in etwas abgewandelter Form.

Die beiden in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele sind als Einphasen-Blockschaltbild für elektrische Stromversorgungssysteme gezeichnet und zeigen im Prinzip die Einzelelemente, welche in Zusammenhang mit der Erfindung wichtig sind. Die einzelnen Elemente sind jedoch an

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sich bekannt? deshalb, und weil sie beliebige elektrische bzw. physikalische Werte und Eigenschaften aufweisen können sind sie lediglich als Blocksymbole dargestellt.

Eine elektrische Stromversorgung 10 (Fig. 1) ist mit zwei Stromquellen ausgestattet, und zwar mit einer ersten Stromquelle als Wechselstromquelle 12, die beispielsweise ihre Energie aus dem Wechselstromnetz bezieht: eine zweite Stromquelle wird von einem Inverter 14 gebildet, dessen Ausgangsspannung bzw. Ausgangsstrom synchron zu der Phasenlage des Netzes und damit der Wechselstromquelle 12 liegt. Dies wird durch eine Synchronisierleitung 16 erreicht, die an einem Schalter 18 liegt, dessen anderer Anschluß an dem Wechselstromnetz angeschlossen ist: die Synchronisierleitung 16 verbindet also das Wechselstromnetz über den Schalter 18 mit einem Oszillator 17 und einem Gleichstrom-Chopper 19 (der lediglich symbolisch dargestellt ist) sowie mit einem Inverter 14 verbunden ist (ein Schalter dient als Bypaß, mit dem die Stromversorgung 10 erforderlichenfalls ausgeschaltet wird, wenn der Inverter 14 nicht arbeitet).

Der Ausgang der Stromversorgung 10 ist über einen Anschluß 22 und über einen als Bypaß wirkenden Schalter 24 auf eine entsprechende Last geschaltet. Der Inverter 14 wird normalerweise über einen Gleichrichter 28 aus der Wechsel-

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stromquelle 12 gespeist. Eine Ersatzbatterie 26 wird von dem Gleichrichter 28 ständig in geladenem Zustand gehalten. Die elektrische Schaltung im Inneren des Inverters 14, der Ersatzbatterie 26 und des Gleichrichters 28 muß nicht beschrieben werden, da diese Elemente an sich bekannt sind.

Zweck der erfindungsgemäßen Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 ist es, eine Wechselstromlast, beispielsweise einen Computer, über den Anschluß 22 mit der Stromversorgung 10 zu verbinden, so daß der Inverter 14 mit der Last in Verbindung steht. Die Last befindet sich dabei in Synchronismus mit der Stromversorgung 10. Ferner ist der Inverter 14 von der Wechselstromquelle 12 über den Gleichrichter 28 entkoppelt.

Mit der Erfindung ist daher ein Regelsystem geschaffen, das eine ununterbrochene Stromversorgung für die Last selbst dann ermöglicht, wenn in dem Inverter 14 ein Fehler auftreten sollte? die Fehlereliminierung wird dadurch sichergestellt, daß die Last direkt an die Wechselstromquelle 12 und damit an das Wechselstromnetz angeschlossen, und gleichzeitig der Inverter 14 von der Wechselstromquelle 12 getrennt wird, sofern er vorher an diese angeschlossen war.

Zu diesem Zweck ist zunächst ein erster regelbarer und normalerweise offener mechanischer Schalter 30 vorgesehen, der

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an die Wechselstromquelle 12 sowie an die Last angeschlossen istj ein zweiter regelbarer und normalerweise geschlossener Schalter 32 ist dafür vorgesehen, den Inverter 14 mit der Last zu verbinden.

Ein Fehlerdetektor 34 ist an dem Inverter 14 über eine Leitung 36 angeschlossen, auf diese Weise wird jeder im Inverter 14 auftretende Fehler festgestellt, solange der Inverter mit der Last verbunden ist. Jeder im Inverter 14 auftretende Fehler - 90% der Fehler treten im Umsetzerteil des Inverters auf - würde zur Folge haben, daß der Inverter die an die Last gegebene Energie nur fehlerhaft liefern könnte. Deshalb ist das erfindungsgemäße Regelsystem so gestaltet, daß die Last schnellstmöglich mittels des Schalters 30 unmittelbar auf die Wechselstromquelle 12 geschaltet wirdτ hierbei wird auch der Schalter 32 geöffnet, um den Inverter 14 von der Last zu trennen. Der Fehlerdetektor 34 ist so gestaltet, daß bei Auftreten eines Fehlers im Inverter 14 nahezu ohne Zeitverzögerung entsprechende Signale über Leitungen 38 und 40 an die beiden Schalter 30 und 32 gegeben werden. Bei einer Netzfrequenz von 60 Hz reagiert der Fehlerdetektor innerhalb von 2 ms oder noch schneller.

Die Schaltgeschwindigkeit des Schalters 30 ist so gewählt, daß sie höher als diejenige des anderen Schalters 32 ist,

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so daß der Schalter 30 bereits geschlossen ist, bevor der Schalter 32 öffnet. Hierdurch ist eine unterbrechungslose Umschaltung durch die beiden Schalter 30 und 32 sichergestellt. Bei einer angenommenen Netzfrequenz von 60 Hz beträgt die Schaltzeit des Schalters 30 8-10 ms, was etwa 0,5 Periode entspricht? dabei ist die Schaltzeit des Schalters 32 etwa 16-50 ms, was etwa 1-3 Perioden entspricht, normalerweise arbeitet man mit 20-30 ms.

Ein ferroresonanter Kreis 42 ist mit einem Energiespeicher 44 versehen - alle ferroresonanten Kreise weisen Energiespeicher in Form eines oder mehrerer Kondensatoren auf und bildet den Ausgang des Inverters 14. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der ferroresonante Kreis direkt mit dem Gleichstrom-Chopper 19 verbunden, wie dies oben schon erwähnt wurde. Ein ferroresonanter Kreis 42 in Form eines Spannungsreglers kann jedoch auch zwischen den Schalter 32 und die Last gelegt werden, wie dies beispielsweise Fig. 2 zeigt. Auf jeden Fall weist der Energiespeicher 44 zumindest eine ausreichende Ladekapazität auf, damit er die Energieanforderungen der Last während der Schaltdauer des Schalters 30 sowie während derjenigen Zeit erfüllen kann, die der Fehlerdetektor 34 braucht, um an den Schalter 30 sein entsprechendes Signal zu liefern, nachdem ein Fehler im Inverter 14 festgestellt wurde (dabei ist klar, daß natürlich jeder Fehler im Inverter 14 auch

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den Zusammenbruch des Ausganges des Choppers zur Folge hat). Die unterbrechungslose Umschaltung der beiden Schalter 30 und 32 in Verbindung mit der phasenrichtigen Energieversorgung durch den Energiespeicher 44 im ferroresonanten Kreis 42 sichert der Last eine ununterbrochene Energiezuführung, die von dem Inverter 14 auf die Wechselstromquelle 12 übergeht; obwohl es möglich sein kann, daß ein geringfügiger Spannungssprung auftritt, merkt die Last dennoch grundsätzlich keine Änderung der Stromversorgung. Da aber die Anforderungen an die Spannung und Kurvenform der Last sehr kritisch zu beurteilen sind, werden natürlich entsprechende Signale oder andere Informationen dem Wartungspersonal zugeleitet, um auftretende Fehler im Inverter 14 festzustellen und zu beheben sowie, um die Last so schnell wie möglich wieder auf den Inverter zurückzuschalten. Hierfür ist eine Wiederaufschaltung des Inverters 14 auf die Wechselstromquelle 12 notwendig; hierzu wird der Inverter über den Schalter 32 wieder angeschlossen, bevor der Schalter 30 geöffnet wird, was beispielsweise durch manuelle Betätigung geschieht.

Wenn der Schalter 30 offen ist, dann kann keine Spannung von dem Inverter 14 zurück in das Netz gelangen, obwohl die Wechselstromquelle 12 mit der Stromversorgung 10 in Verbindung steht. Da der Schalter 30 als mechanischer Schalter ausgeführt ist und deshalb eine tatsächliche Luftstrecke aufweist, besteht spannungsmäßige Isolation der

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Stromquelle, wodurch eine parallele Aufschaltung von Stromquellen nicht möglich ist.

Der Schalter 30 ist normalerweise ein steuerbarer Kontakt, der aber ebensogut als Relais oder als schnellschaltender, motorgetriebener Schalter aufgebaut sein kann; dies ist insbesondere dann notwendig, wenn er durch ein vom Fehlerdetektor 34 abgegebenes Signal zum Schalten veranlaßt werden soll, wobei seine Schaltdauer kurzer ist als diejenige des Schalters 32. Auf gleiche Weise kann der Schalter 32 ein steuerbarer Kontakt sein, oder er kann als spannungsabhängiger Schalter in dem Inverter 14 vorhanden sein. Jeder der beiden Schalter 30 und 32 kann auch als Halbleiter aufgebaut sein, in diesem Fall würde es allerdings notwendig sein, die Schalter isoliert zu betreiben, um sicherstellen zu können, daß sowohl Spannungs- als auch Stromunterbrechung an jedem der beiden Schalter möglich ist, wenn der Schalter geöffnet ist.

Bei dem Stromlauf gemäß Fig. 2 ist der ferroresonante Kreis 42 an die Lastseite des Schalters 32 angeschlossen, so daß der Energiespeicher 44 unabhängig von der jeweiligen Schaltstellung des Schalters 32 auf die Last aufgeschaltet ist. In diesem Fall wird ein gleichzeitiges Schalten der beiden Schalter 30 und 32 erreicht, und diese beiden Schalter können Schaltschütze oder andere schnellschaltende Schalter

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sein, die räumlich bzw. physikalisch als Einheit aufgebaut sein können.

Die verschiedenen Schaltkreise, wie bexspxelsweise der Oszillator 17, der Gleichstrom-Chopper 19, die Ersatzbatterie 26 und der Gleichrichter 28 können zu ihrem eigenen Schutz im Inneren Abschalteinrichtungen aufweisen, diese sind aber nicht in den Zeichnungen dargestellt.

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Claims

Patentansprüche

1. \ Elektrische Stromversorgungsschaltung mit zwei Energiequellen, von denen eine erste aus dem Wechselstromnetz gespeist und eine zweite ein netzsynchron arbeitender Inverter ist, wobei letzterer normalerweise eine Wechselstromlast speist, mit einer Einrichtung zur ununterbrochenen Versorgung der Last durch Umschaltung von der zweiten auf die erste Energiequelle und zur Abschaltung der zweiten Energiequelle nach Aufschaltung auf die erste Energiequelle, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster betätigbarer, in Normalstellung offener Schalter (30) zwischen der ersten Energiequelle und der Last liegt, ein zweiter betätigbarer, in Normalstellung geschlossener Schalter (32) zwischen der zweiten Energiequelle und der Last liegt, wobei beide Schalter (30, 32) in Offenstellung sowohl spannungs- als auch strommäßig eine Abtrennung der Last herbeiführen, daß ferner zur Feststellung von Fehlern in der zweiten Energiequelle ein Fehlerdetektor (34) vorgesehen ist, der auf den ersten Schalter (30) wirkt, so daß dieser schließt, sobald in der zweiten Energiequelle ein Fehler auftritt, und außerdem auf den zweiten Schalter (32) einwirkt, so daß dieser bei einem Fehler in der zweiten Energiequelle öffnet, sowie

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daß ferner ein ferroresonanter Kreis (42) mit einem Energiespeicher (44) zwischen die zweite Energiequelle und die Last gelegt ist, so daß sie selbst nach dem Auftreten eines Fehlers wenigstens für die Dauer der Schaltzeit des zweiten Schalters an die Last gelegt ist, wobei die erste Schaltperiode kürzer als die zweite gewählt, und damit der erste Schalter (30) geschlossen ist, bevor der zweite öffnet, und die Kapazität des Energiespeichers (44) so bemessen ist, daß der Energiebedarf der Last während des Feststeilens eines Fehlers und der Umschaltzeit gedeckt werden kann.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Energiespeicher (44) zwischen dem zweiten Schalter (32) und der Last liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Energiespeicher (44) am Ausgang der zweiten Energiequelle liegt und die Verbindung zur Last herstellt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schalter (30) ein Schaltschütz ist.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schalter (30) als

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schnellschaltender Motorschalter ausgeführt ist.

6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Schalter (32) ein Schaltschütz ist.

7. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Schalter (32) ein spannungsabhängiger Schalter im Inverter (14) ist.

8. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schalter (30) und der zweite Schalter (32) Halbleiter sind, die so aufgebaut sind, daß eine spannungsmäßige als auch eine strommäßige Trennung möglich ist, wenn die Schalter geöffnet sind.

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