DE2734844C3

DE2734844C3 - Einrichtung zur gesicherten Versorgung von Verbrauchern mit konstanter Wechselspannung

Info

Publication number: DE2734844C3
Application number: DE2734844A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. 8551 Hausen Mourick; Eberhard Ing.(Grad.) 8500 Nuernberg Muenchow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-02
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1980-10-23
Also published as: DE2734844A1; DE2734844B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur gesicherten Versorgung von Verbrauchern mit konstanter Wechselspannung, bei der eine sichere Schiene einerseits über eine erste Schalteinrichtung und einen Wechselspannungssteller mit einem Transformator und mit einem Wechselspannungsnetz und andererseits über eine zweite Schalteinrichtung mit einem Ersatzstromaggregat verbunden ist, wobei eine die Netzspannung überwachende Steuereinrichtung die Schalteinrichtungen und das Ersatzstromaggregat derart steuert, daß die sichere Schiene über die erste Schalteinrichtung und den Wechselspannungssteller mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist, wenn die Netzspannung in den vorgegebenen Toleranzgrenzen liegt bzw. daß bei gestörter Netzspannung die sichere Schiene über die zweite Schalteinrichtung mit dem auf Leistungsabgabe gesteuerten Ersatzstromaggregat verbunden ist.

Bei einem Versorgungsnetz mit relativ seltenen Störungen kann man für empfindliche Verbraucher, insbesondere für Datenverarbeitungsanlagen oder medizinische Geräte, mit Vorteil eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage einsetzen, bei der die Verbraucher im Normalbetrieb aus dem Versorgungsnetz gespeist werden. Bei Störungen des Versorgungsnetzes wird auf ein Ersatzstromaggregat umgeschaltet, beispielsweise auf einen statischen Wechselrichter, der aus einer Batterie gespeist wird. Bei einer solchen Anlage entstehen im Normalbetrieb keine nennenswerten Verluste, da keine Energieumformung stattfindet. Nur bei Netzstörungen fallen die Verluste des Ersatzstromaggregats an.
Auch bei Netzen, bei denen ein vollständiger Spannungsausfall relativ selten ist, muß jedoch häufig mit größeren Spannungsschwankungen innerhalb zulässiger Toleranzen gerechnet werden, beispielsweise zwischen 200 V und 240 V bei 220 V Niederspannungsnetzen. Derartige Netzspannungsschwankungen kön- nen langfristig auftreten, beispielsweise zwischen Tag und Nacht, oder stoßweise auftreten, beispielsweise durch Laständerungen und Schaltvorgänge. Es ist bekannt, eine Netzkonditionierung vorzusehen, um bei derartigen Netzspannungsschwankungen innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen einen Verbraucher mit konstanter Wechselspannung versorgen zu können, ohne das Ersatzstromaggregat in Betrieb zu nehmen (DE-AS 24 48 427). Bei der bekannten Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Verbrauchers mit konstanter Wechselspannung ist die sichere Schiene über einen als gesteuertes Schaltmittel bzw. als Spannungssteller wirkenden Halbleitersteller und einen Transformator mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Netzspannungsschwankungen werden

jo vom spannungsgeregelten Halbleitersteller sehr schnell ausgeregelt. Nachteilig ist die Verzerrung der Kurvenform der Netzspannung und der Verbraucherspannung durch die Anschnittsteuerung des Halbleiterstellers, die nur mit Hilfe von aufwendigen Filtern wieder ausgesiebt

Γ) werden kann. Bei einem Defekt im Halbleitersteller oder in seiner Steuerung ist die Verbraucherspeisung nicht mehr gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zur gesicherten Versorgung von Verbrauchern mit konstanter Wechselspannung zu schaffen, die einfacher aufgebaut ist und bei der keine Verzerrungen der Spannung auftreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Wechselspannungssteller ein transformatorischer Spannungskonstanthalter mit motorischem Antrieb und mit einer Regeleinrichtung vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung die sichere Schiene über das Filter und die zweite Schalteinrichtung mit dem auf Leistungsabgabe gesteuerten Ersatzstromaggregat ver-

bindet, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Netzspannung größer ist als die Stellgeschwindigkeit des transformatorischen Spannungskonstanthalters.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird anstelle der Kombination eines Transformators mit einem Halbleitersteller ein transformatorischer Spannungskonstanthalter verwendet, wie er beispielsweise von der Siemens AG angeboten wird und beschrieben ist im Katalog Tl »Transformatoren bis 50 kVA, Stelltransformatoren, Spannungs-Konstanthalter«, Februar 1973,

bo Seite 4/15 bis 4/17 oder wie er beschrieben ist in dem Fachbuch von Gerhard Seifert, »Stelltransformatoren«, 1971, S. 22-213 und S. 319-328.

Bei einem derartigen transformatorischen Spannungskonstanthalter beträgt die Regelabweichung der

ir, Ausgangsspannung ± 1% bei Laständerungen zwischen Nennleistung und Leerlauf. Allerdings ist die durch den motorischen Antrieb bedingte Stellgeschwindigkeit relativ gering und liegt etwa bei 1 Sekunde für den

gesamten Stellbereich. Die vorliegende Erfindung sieht nun vor, daß der transformatorische Spannungskonstanthalter nur solange zur Ausregelung von Netzspannungsschwankungen eingesetzt wird, solange er diesen folgen kann, d. h. solange die Stellgeschwindigkeit des s motorischen Antriebs größer ist als die Änderungsgeschwindigkeit der Netzspannung, ßei sprunghaften Änderungen der Netzspannung, denen der motorische Antrieb nicht mehr ohne Verzögerung folgen kann, wird auf eine Schienenspeisung aus dem Ersatzsiromaggregat umgeschaltet Das Ersatzstromaggregat übernimmt sofort die Verbraucherleistung und hält durch seine interne Spannungsregelung die Verbraucherspannung auf dem vorgegebenen Wert Als Ersatzstromaggregate sind rotierende Umformer mit einer Schnellerregungs- π einrichtung oder statische Wechselrichter geeignet, die in der Bereitschaftsstellung entweder im Leerlaufbetrieb arbeiten oder die für einen phasenrichtigen Schnellstart geeignet sind. Derartige Wechselrichter sind beispielsweise beschrieben in den deutschen Auslegeschriften 24 46 299, 24 47 951, 24 62 323, 24 46 335, 24 46 390, 24 46 389, 24 50 127. Die sichere Schiene wird solange aus dem Ersatzstromaggregat versorgt, bis der transformatorische Spannungskonstanthalter die Netzspannungsschwankung ausgeregelt hat. Man wird vorzugsweise die Rückschaltung auf die Netzspeisung jedoch erst nach Ablauf einer gewissen Zeit vornehmen, wenn sich die Netzspannung auf einem neuen Wert innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen stabilisiert hat. Zur Vermeidung von Spannungs-Sprüngen bei der Rückschaltung auf die Netzspeisung ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Regeleinrichtung des transformatorischen Spannungskonstanthalters als Spannungsistwert die Spannung der sicheren Schiene bei Netzspeisung bzw. bei Speisung aus dem Ersatz- j-, Stromaggregat die um eine verbraucherstromabhängige Zusatzspannung korrigierte Ausgangsspannung des transformatorischen Spannungskonstanthalters zugeführt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der ₄₍₎ Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage,

Fig. 2 u. 3 Schaltbilder von transformatorischen _4i Spannungskonstanthaltcrn.

Die Figur zeigt eine Stromversorgungsanlage mit einem Versorgungsnetz 1 und einer sicheren Schiene 2, an die nicht dargestellte Verbraucher angeschlossen sind, die mit konstanter Wechselspannung unterbre- r₎₀ chungsfrei gespeist werden sollen. Im Normalbetrieb wird die sichere Schiene 2 aus dem Versorgungsnetz 1 über einen transformatorischen Spannungskonstanthalter 7, den geschlossenen Schaltkontakt einer ersten Schalteinrichtung Il und ein Filter 6 gespeist. Als Ersatzstromaggregat ist ein Wechselrichter 5 vorgesehen, der eingangsseitig an eine Batterie 4 angeschlossen ist. Die Batterie 4 wird von einem Netzgleichrichter 3 aufgeladen, der wiederum an das Versorgungsnetz 1 angeschlossen ist. Bei einer Störung des Versorgungs- _h0 netzes 1 wird der Wechselrichter 5 auf Leistungsabgabe gebracht. Der SchaltkontaiU der ersten Schalteinrichtung 11 wird geöffnet. Der Schaltkontakt einer zweiten Schalteinrichtung 12 wird geschlossen. Die Versorgung der sicheren Schiene 2 erfolgt jetzt im Notbetrieb aus _h-, der Batterie 4 über den Wechselfilter 5, den geschlossenen Schalter 12 und das Filter 6.

Der transformatorische Spannungskonstanthalter 7 enthält einen Stellmotor Ai, der von einer Regeleinrichtung 8 gesteuert wird. Der Regeleinrichtung 8 wird eingangsseitig ein Spannungssollwert, beispielsweise 220 V, von einer Einstellvorrichtung 10 und ein Spannungsistwert zugeführt Im Normalbetrieb, d. h. bei Netzspeisung, wird die Spannung der sicheren Schiene als Spannungsistwert verwendet Im Notbetrieb, d. h.bei Speisung aus dem Ersatzstromaggregat wird die Ausgangsspannung des transformatorischen Spannungskonstanthalters und eine Zusalzspannung als Istwert verwendet Bei der Umschaltung vom Normalbetrieb auf den Notstrombetrieb wird eine Umschaltung des Spannungsistwertes vorgenommen, die schematisch durch einen Umschalter 13 dargestellt ist.

Die in der Zeichnung dargestellten Stellungen der Schaltkontakte der Schalteinrichtungen entsprechen dem Normalbetrieb. Die Spannung der sicheren Schiene 2 wird von einem Spannungsmeßwandler 14 erfaßt und über den Umschalter 13, eine Gleichrichterschaltung 18 und ein Glättungsglied 19 dem Istwerteingang der Regeleinrichtung 8 zugeführt. Bei einer Umschaltung auf den Notstrombetrieb wird die Ausgangsspannung des transformatorischen Spannungskonstanthalters 7 von einem Spannungsmeßwandler 16 erfaßt und einem Differenzglied 9 zugeführt. Das Differenzglied 9 enthält einen Operationsverstärker, dessen invertierender Eingang mit einem Strommeßwandler 27 für den Filtereingangsstrom beschaltet ist Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem Spannungsmeßwandler 16 verbunden, der die Ausgangsspannung des transformatorischen Spannungskonstanthalters 7 erfaßt. Am Ausgang des Operationsverstärkers erscheint ein korrigierter Spannungsistwert, der im Notbetrieb der Regeleinrichtung 8 des transformatorischen Spannungskonstanthalters 7 zugeführt wird. Durch den Vergleich des korrigierten Spannungsistwertes mit dem vorgegebenen Sollwert wird der transformatorische Spannungskonstanthalter so gesteuert, daß bei einer Rückschaltung auf die Netzeinspeisung die Spannung auf der sicheren Schiene den gleichen Wert beibehält, wie bei der vorangegangenen Wechselrichterspeisung.

Zur Steuerung der Stromversorgungsanlage ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen, die eingangsseitig mit einem Spannungsmeßwandler 15 für die Netzspannung, dem Spannungsmeßwandler 14 für die Schienenspannung und einem Strommeßwandler 17 für den Verbraucherstrom verbunden ist. Die vom Spannungsmeßwandler 15 erfaßte Netzspannung wird einem Grenzwertmelder 22 zugeführt, der beispielsweise anspricht, wenn die Netzspannungsabweichung mehr als 10% des Nennwertes beträgt. Die vom Spannungsmeßwandler 14 erfaßte Spannung der sicheren Schiene wird einem weiteren Grenzwertmelder 25 zugeführt, der beispielsweise bei Abweichungen der Schienenspannungen von 1% anspricht. Die Ausgangssignale der Grenzwertmelder 22 und 25 werden in einem NOR-Gatter 23 miteinander verknüpft Dem NOR-Gatter ist ein weiteres NOR-Gatter 24 nachgeschaltet, dessen zweiter Eingang mit einem Grenzwertmelder 26 verbunden ist, der den vom Strommeßwandler 17 erfaßten Verbraucherstrom überwacht. Die Verbraucherstromüberwachung spricht beispielsweise beim l,5fachen Nennstrom an. Sie ist vorgesehen, damit bei Schweranlauf eines angeschlossenen Verbrauchers oder bei einem Kurzschluß auf der sicheren Schiene nicht auf Wechselrichterbetrieb umgeschaltet wird.

Wenn die Netzspannungsüberwachung 22 anspricht,

wird der Wechselrichter 5 auf Leistungsabgabe gesteuert und die Schalteinrichtungen 11,12,13 werden umgesteuert. Wenn die Netzspannungsüberwachung 22 nicht anspricht, wenn aber die Schienenspannungsüberwachung 25 anspricht, so bedeutet dies, daß die Schienenspannung vom vorgegebenen Wert abweicht, obwohl die Netzspannung noch in den vorgegebenen Toleranzgrenzen liegt. Der transforrnatorische Spannungskonstanthalter 7 ist somit nicht in der Lage, die Schienenspannung schnell genug nachzuregeln. Es wird daher ebenfalls auf Notstrombetrieb umgeschaltet und der Wechselrichters auf Leistungsabgabe gebracht und die Schalteinrichtungen 11, 12, 13 umgesteuert. Die Versorgung der sicheren Schiene 2 über den Wechselrichter 5 erfolgt mindestens solange, bis der transformatorische Spannungskonstanthalter 7 die Netzspannungsänderung ausgeregelt hat. Danach kann auf eine erneute Netzeinspeisung umgeschaltet werden. Die hierzu erforderlichen Steuereinrichtungen sind nicht dargestellt.

Die Spannungsüberwachungseinrichtungen 22 und 25 können vorzugsweise so aufgebaut sein, wie in der DE-PS 23 48 415 oder den deutschen Patentanmeldungen P 26 37 397.7 oder P 27 14 191.9 beschrieben ist.

F i g. 2 zeigt einen transformatorischen Spannungskonstanthalter mit einem Windungsstelltransformator (Gerhard Seifen »Stelltransformatoren«, 1971, Seite 22 bis 160) für eine einphasige Wechselspannung in einer schematischen Darstellung. Bei einem Windungsstelltransformator wird der Eingangsspannung transformatorisch eine verstellbare Spannung zu- bzw. abgesetzt, die durch einen Stromabnehmer 28 eines Stelltransformators 29 abgenommen wird, der beispielsweise als Ring-Stelltransformator ausgeführt ist. Die Verstellung des Stromabnehmers 28 erfolgt durch einen Motorantrieb M, der von der als Zweipunktregelung ausgebildeten Regeleinrichtung 8 gesteuert wird. Die Regeleinrichtung 8 führt einen Vergleich zwischen einem Sollwert von der Einstellvorrichtung 10 und einem Istwert des sekundären Netzes durch. Wenn keine galvanische Trennung zwischen dem Wechselspannungsnetz 1 und der sicheren Schiene 2 erforderlich ist, kann der Stelltransformator 29 — wie dargestellt — als Spartransformator ausgeführt sein. Damit nicht der gesamte Ausgangsstrom über den Stromabnehmer 28 geht, ist ein Zusatztransformator 30 vorgesehen. Bei der gezeigten Schaltung fließt über den Stromabnehmer 28 auch bei voller Ausnutzung des Stellbereichs nur ein Teil des Ausgangsstromes. Die Regeleinrichtung 8 enthält ein Steuerrelais, das bei vorbestimmten Abweichungen der Ausgangsspannung anspricht und den Motorantrieb M einschaltet, der den Stelltransformator mit konstanter Geschwindigkeit verstellt, bis der vorgegebene Sollwert erreicht ist und das Relais wieder abfällt.
^ri Eine andere Ausführungsform von transformatorischen Spannungskonstanthaltern arbeitet mit Induktionsstelltransformatoren, bei denen die Verkettung des Magnetflusses mit den Wicklungen durch Längsverschiebung einer Wicklung verändert wird (Gerhard

K) Seifen »Stelltransformatoren«, 1971, Seite 163 bis 214). F i g. 3 zeigt in einer Schnittdarstellung das Prinzip eines Induktions-Stelltransformators mit längsverschiebbarer Wicklung. Der von einem Antriebsmotor Λ-ί in Abhängigkeit von einer Regeleinrichtung 8 ver-

!■> schiebbare Mittelschenkel 31 eines Mantelkern-Transformators trägt eine in eine Nut eingebettete Sekundärwicklung 32. Das Joch 33 nimmt die Primärwicklung 34 auf. Wenn der Mittelschenkel 31 so weit nach unter verschoben ist, daß die Wicklungen 32 und 34 konzentrisch ineinander und auf gleicher Höhe liegen so erhält man die größte Verkettung des Flusses Φ und damit die maximale Ausgangsspannung. In der dargestellten Lage des Mittelschenkels 31 durchsetzt der FIuG Φ nur einen Teil der Sekundärwicklung 32. Die

.'■> Ausgangsspannung ist daher kleiner. Die kleinste Ausgangsspannung erhält man, wenn der Mittelschenkel 31 so weit nach oben verschoben wird, daß sich die Sekundärwicklung 32 völlig außerhalb des Weges des Magnetflusses Φ befindet.

i» Die vorliegende Erfindung ist nicht nur für Wechselspannungsnetze, sondern insbesondere auch für Drehspannungsnetze geeignet. Hierfür werden transformatorische Spannungskonstanthalter mit Dreiphasenanschluß benötigt. Bei einer symmetrischen Dreiphasen-

i) belastung können Dreiphasen-Stelltransformatoren mit Motorantrieb angewendet werden, die von Dreipunktreglern gesteuert werden. Bei unsymmetrischer Dreiphasenbelastung werden drei Einphasen^:Stelltransformatoren mit je einem Motorantrieb angeordnet, die

4i) über drei getrennt arbeitende Zweipunktregler angesteuert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur gesicherten Versorgung von Verbrauchern mit konstanter Wechselspannung treten keine Verzerrungen der

i'-> Spannung und keine Phasenverschiebungen auf. Bei einem Defekt in der Steuereinrichtung des transformatorischen Spannungskonstanthalters bleibt die Verbraucherspeisung weiterhin bestehen, wenngleich dann eine konstante Verbraucherspannung nicht mehr

V) gewährleistet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunnen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur gesicherten Versorgung von Verbrauchern mit konstanter Wechselspannung, bei der eine sichere Schiene (2) einerseits über eine erste Schalteinrichtung (11) und einen Wechselspannungssteller mit einem Transformator (7) mit einem Wechselspannungsnetz (1) und andererseits über eine zweite Schalteinrichtung (12) mit einem Ersatzstromaggregat (4,5) verbunden ist, wobei eine die Netzspannung überwachende Steuereinrichtung (20) die Schalteinrichtungen (11, 12) und das Ersatzstromaggregat (4, 5) derart steuert, daß die sichere Schiene (2) über die erste Schalteinrichtung

(11) und den Wechselspannungssteller mit dem Wechselspannungsnetz (1) verbunden ist, wenn die Netzspannung in den vorgegebenen Toleranzgrenzen liegt bzw. daß bei gestörter Netzspannung die sichere Schiene (2) über die zweite Schalteinrichtung

(12) mit dem auf Leistungsabgabe gesteuerten Ersatzstromaggregat (4, 5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselspannungssteller ein transformatorischer Spannungskonstanthalter (7) mit motorischem Antrieb (M) und mit einer Regeleinrichtung (8) vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung (20) die sichere Schiene (2) über die zweite Schalteinrichtung (12) mit dem auf Leistungsabgabe gesteuerten Ersatzstromaggregat (4,5) verbindet, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Netzspannung größer ist als die Stellgeschwindigkeit des transformatorischen Spannungskonstanthalters.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinrichtung (8) des transformatorischen Spannungskonstanthalters (7) als Spannur.gsistwert die Spannung der sicheren Schiene (2) bei Netzspeisung bzw. bei Speisung aus dem Ersatzstromaggregat (4,5) die um eine verbraucherstromabhängige Zusatzspannung korrigierte Ausgangsspannung des transformatorischen Spannungskonstanthalters (7) zugeführt ist.