DE2743957A1

DE2743957A1 - Umschaltvorrichtung fuer notstromversorgungen

Info

Publication number: DE2743957A1
Application number: DE19772743957
Authority: DE
Inventors: Robert W Johnson
Original assignee: ESB Inc
Current assignee: ESB Inc
Priority date: 1976-10-01
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1978-04-06
Also published as: CA1090883A; GB1577559A; JPS5343847A; BR7705726A; US4087697A; JPS6238937B2

Description

Be rohrο!bung

Die Erfindung bezieht sich auf Steueranordnungen für elektrische Stroüiquellen, insbesondere auf eine Steueranordnung zum Umschalten von einer auf eine andere Stromquelle innerhalb extrem kurzer Zeit.

Viele elektrische und elektronische Geräte müssen auch bei einora Ausfall des normalen Netzes mit elektrischem Strom versorgt v/erden. Aus diesem Grunde wurde eine Anzahl von Notstrom-Versorgungen vorgeschlagen, die bei einem Ausfall des Hauptnetzes die notwendige elektrische Energie liefern. Die zur Zeit bekannten Notstromversorgungen fallen in zwei Kategorien.

Bei den zur ernten Kategorie gehörenden NotStromversorgungen, die als "ununterbrechbar" bezeichnet werden können, wird die Last direkt durch die Notntromquelle gespeist, die beispielsweise aus einem aus einer Batterie gespeisten Wechselrichter bestehen kann. Das Hauptnetz lädt die Batterie dauernd durch einen primären (ersten) Gleichrichter, der die Energie zur Speisung der Last zum Wechselrichter liefert. Wenn das Hauptnetz ausfällt, fliesst der Strom aus der Batterie weiter zum Wechselrichter, so daß die Leistungsversorgung der Last nicht unterbrochen wird. Freilich entlädt sich nach einer gewissen Zeit die Batterie, da sie von aussen nicht mehr aufgeladen wird. Die nicht unterbrechbare Notstromversorgung arbeitet zwar zufriedenstellend, sie ist aber für viele Anwendungsfälle unwirtschaftlich, v/eil das primäre Gleichrichtersystem so groß ausgelegt werden muss, daß es unter allen Umständen die von der Last benötigte Energie liefert. Darüber hinaus muss es extrem zuverlässig und dauerhaft ausgeführt sein, da die Notstromversorgung dauernd arbeiten muss und selbst zur Fehlerquelle werden kann, wenn sie nicht ausreichend dauerhaft ist.

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Bei der zweiten,billigeren Art von Notatromversorgungen ist die Batterie bis zum Ausfall der Hauptstromversorgung nicht eingeschaltet. Dabei ist üblicherweise ein kleines Ladesystem vorgesehen, mit dem die Batterie in aufgeladenem Zustand gehalten wird. In die Hauptstromversorgung ist ein Fühler, ein Relais oder dergleichen eingeschaltet, so daß bei einem Ausfall derselben der Reserve-Weclmelrichter unmittelbar eingeschaltet wird. Diese Anordnung ist zwar vergleichv/eise wirtschaftlich und zweckmässig, der notwendige Umεehaltvorgang führt aber zu einer Unterbrechung des Energieflusnes, was für manche Lastarten von äussercter Bedeutung ist.

Mit der steigenden Benutzung von elektronischen Rechnern und anderen Datenverarbeituugsgerätcn, die elektrisch gespeiste Speicher oder Register zur Speicherung von Daten aufweisen, ist es äusnerst wichtig, eine dauernde Spannungsversorgung zu gewährleisten. Von besonderem Interesse sind auch Eeleuchtungssysteme mit hochintensiven Entladungslampen. I-ainpen dieser Art enthalten im allgemeinen einen mit Quecksilber- oder Natriumdampf oder Dampf von einem oder mehreren Hetallhaliden gefüllten Mantel. Diese Dämpfe ionisieren bei einem Stromfluss und erzeugen eine Beleuchtung. Derartige Lampen werden wegen der Eigenschaften ihres Lichts und wegen der hohen Lichtausbeute und ihrer damit verbundenen Wirtschaftlichkeit in immer stärkerem Masse verwendet, und zwar meist innerhalb von Räumen und insbesondere in kommerziellen Gebäuden, wo meist eine Notstromversorgung vorgeschrieben ist, um auch bei einem Netzausfall die dauernde Beleuchtung zu gewährleisten.

Entladungslampen dieser Art haben trotz ihrer vielen Vorteile den Nachteil, daß sie nach dem Abschalten zunächst etwa 15 bis 20 Minuten abkühlen müssen oder zum Einschalten eine ungewöhnlich hohe Spannung erforderlich ist. Die erforderliche Spannung macht es praktisch unmöglich, Notstromquellen bereit"

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zustellen, die die notwendige Spannung liefern. Erschwerend kommt hinzu, daß Entladungslampen je nach dem Lampentyp und der Dampfart .innerhalb von etwa 4 ms nach dem Netzausfall verlöschen. DIo Löschzeit von Entladungslampen ist weit geringer als dl.« Ansprechzeit der üblicherweise zur Umschaltung von einer äusRoren Spannungsquelle auf eine Notstromversorgung benutzten Schalteinrichtungen. Es wäre daher höchst wünschenswert, ein schnelles Uraschaltsystem bereitzustellen, bei der der Leistungsfluss zu einer Last praktisch kontinuierlich aufrechterhalten wird, um so nachteilige Einflüsse auf die Last zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungs-Umschaltanordnunf; zu schaffen, die wesentlich schneller arbeitet als jede bisher bekannte Anordnung, so daß der Leistungsfluss bei einem Ausfall der Hauptspannungsquelle praktisch ohne Unterbrechung auf die lokale Notstromversorgung umgeschaltet wird und sogar Hochdruck-Entladungclampen weiter betrieben werden können.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist in der Schaltung der Hauptspannungcversorgung ein Festkörperventil vorgesehen, dessen Stromfluss mittels einer entsprechenden Einrichtung erfasst wird. Leitungcfühleinrichtungen liefern eine Anzeige der Phasenspannung und der Frequenz der Leitung bzw. des Netzes und steuern eine Zeitsteuerstufe, die Signale zu einer Steuereinrichtung liefern. Ferner ist eine Bezugseinrichtung vorgesehen, die eine Bezugsspannung synchron zur Netzspannung liefert und so eine Vergleichsbasis bietet, so daß bei einem Absinken der Netzspannung oder plötzlichen Änderungen gegenüber dem Bezugspegel ein Umschaltsignal zum Einschalten der Notstromversorgung erzeugt wird.

Signale von der Zeitsteuereinrichtung gestatten, daß die Notstromversorgung synchron zu der zuvor erfassten Netzspannung

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eingeschaltet wird. Der dom elektronischen Ventil zugeordnete Stromfljhler erzeugt ein' Signal, dar: die Gegenwart und Richtung des Stroms durch das Ventil anzeigt. Die Polarität, mit der die Notstromversorgung zunächst eingeschaltet wird, wird in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflur.ses durch das Ventil gesteuert, so daß die Notstromversorgung unvorzüglich eine Spannung abgibt, die dem Stromflu.^r. durch das Ventil entgegengesetzt ist. Nach der Kommutierung dor; Ventils wird der Betrieb der Notstromversorgung einzig durch die Synchronsteuereinrichtung bestimmt, die bis zum Wiedereinschalten der Netzspannung in Betrieb bleibt.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bex'orzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuer- oder Umschaltanordnung und

Fig. 2 in einem schematischen Schaltbild eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung.

Eine im wesentlichen ununterbrochen mit elektrischer Spannung zu versorgende Last 10 ist über eine Wechselstrom-Steuereinrichtung 12 mit einer Spannungsquclle 14, beispielsweise dem öffentlichen Netz verbunden. An die Leitungen der Spannungsquelle ist ein Netzfühler 16 angeschlossen, dessen die Netzspannung darstellendes Ausgangssignal einer Hauptsteuereinrichtung 18 zugeführt wird. Dieser wird ferner ein Signal von einem Stromdetektor 20 zugeführt, das die Richtung des Stromflusses durch die Wechselstrom-Steuereinrichtung anzeigt, die ein gesteuertes elektronisches Festkörperventil enthalten kann. Die Hauptsteuereinrichtung führt der Wechselstrom-Steuereinrichtung ein Befehlssignal zu, durch das das Festkörperventil zur Last 10 durchgeschaltet wird.

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Eine Noti>tromvoryor°ung 22, die durch dis Hauptsteuereinrichtuiig 18 gesteuert wird, wird aus einer Batterie 2k gespeist. Mit der Hauptsteuoreinrichlung 18 sind äussere Befehlsgeber 26 verbunden, no daß die Ilnuptr, teuere inr ichtung 18 durch nicht von dem Netzfühler odor Stromdotektor gelieferte Signale gesteuert werden kann. Beispielsweise kann ein einfacher Ein-Aus-Schalter vorgesehen sein, durch den die Notstromfunktion manuell abgeschaltet wird.

V/ie bei batteriegespeisten riotstromvcrr.orgungen üblich, ist eine Lade- und Alarm&chaltimg 28 mit der NotStromversorgung 22 und dor Batterie 24 verbunden. Dies© dient dazu, die Batterie 2k ständig im voll aufgeladenen Zustand zu halten und mittels eines Alarmgoräts 30 zu warnen, falls sich der Zustand der Batterie verschlechtert. Die Schaltung 28 kann weiter zur Steuerung oder Begrenzung des Stroms von oder zur Batterie 2k dienen. Als äussere Befohlsgeber 26, Alarm 30 und Lade- und Alarmschaltung 28 können üblicherweise bei Notstromversorgungen verwendete Geräte benutzt v/erden. Eine Erläuterung der Einzelheiton dieser Geräte erübrigt sich daher.

Was die Y/echselstrom-Steuereinrichtung 12 betrifft, so ist es bei manchen Netzausfallarten notwendig, die Last vom Netz zu trennen bevor dio Notstromversorgung eingeschaltet werden kann. Ein solcher Fall tritt dann ein, wenn das Netz ausfällt und viele andere Belastungen an dasselbe angeschlossen sind. In einem solchen Fall erscheint das Netz als Kurzschluss der Last 10, so daß es unmöglich ist, eine ausreichende Leistung aus der Notstromversorgung zu liefern. Ähnlich ist es bei einer Spannungsabsenkung notwendig, die Last vom Netz zu trennen, so daß die Speisespannung erhöht werden kann.

Normalerweise ist die Last und/oder die Notstromversorgung über einen Transformator mit dem äusseren Netz verbunden. Mit einem elektronischen Ventil, beispielsweise einem Triac oder

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gesteuerten SiIiciumgleichrichtern, die in Reihe mit der vom Netz gespeisten Transformatorwicklung geschaltet sind, kann die Last am schnellsten vom Motz getrennt werden. Derartige elektronische Fectkörperschalter haben aber einen Haltestrom, d.h., daß das Ventil leitend bleibt, bis der Stromfluss durch dasselbe auf einen bestimmten niedrigen Wert absinkt, bei dem das Ventil kommutiert oder abschaltet. Dieser Vorgang tritt auch dann auf, wenn da3 Steuersignal beendet ist. Bei einem Netzausfall kann sich daher der Magnetisicrungsstrom des Koppcltransforinators so auswirken, daß der Strom in der Netzschaltung weiterfliesst, so daß das Festkörperventil nicht ausschalten kann, obwohl keine Energie mehr aus dom Netz geliofert wird.Theoretisch ist es möglich, eine betriebsfähige Kommutiorschaltung für das Ventil auf bekannte Art auszubilden. Als Beispiel sei hingewiesen auf das SCR Manual, 5. Auflage (1972), Auburn, New York, herausgegeben von der General Electric Company.

Unter normalen Umständen wird die Energie von einer entfernten Wechselstromquelle 14 über das Netz und die Wechselstrom-Steuereinrichtung 12 der Last 10 zugeführt. Die Houptsteuereinrichtung 18 liefert ein Befehlssignal zur Steuereinrichtung 12. Enthält diese beispielsweise ein Triac oder zwei antiparallel geschaltete gesteuerte Gleichrichter, so kann ein dauerndes Befehlssignal zugeführt werden, so daß die elektronischen Ventile auf die periodischen Schwankungen der Netzspannung ansprechen und der Wechselstrom fliessen kann. Der Netzfühler 16 liefert eine Anzeige der Netzspannung zur Hauptsteuereinrichtung 18. Diese Information wird von der Hauptsteuereinrichtung als Steuer- oder Synchronisationssignal zur Anzeige der gewünschten Phase benutzt, wenn die Notstromversorgung 22 eingeschaltet werden soll. Der Stromdetektor 20 liefert die Information zur Hauptsteuereinrichtung 18, die die augenblickliche Richtung und die relative Grosse des Stromes durch das Festkörperventil der Wechsel-Steuereinrichtung 12 berücksichtigt.

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Die L&de-· und Alarmgubooinrichtung 20 übe j v^rao!:t weiterhin den Zmstand der Batterie 2'f und .gov.abrloist·.:"!., daß dio batterie in voll aufgeladenem Zustand bleibt.

Heim Auftreten eines Fehlers im JJetz 14 wird vom I\iet;::i'ühler 16 dor Haupt steuereinrichtung 18 ein AnzeigtiK.i.gnnl hierüber zugeführt. Γ-ofc-rn cor Notzft'hlor 1C die IIt:t7..">pf>nriun^ darstellt, kann die lI.Muptr.tuuoroim-icntung 18 auf eino fyprinnunc.vrtbßtmkr.rt.r· reafiieron, wenn sich dio Notzcpannun/'; bcträcJrtlich unter den Normulv/crt von.iindr'rt hat. Jüntnprecht-nd roaßiert die Ilaupt- «teuci'eJ.nrichtimR 1Π auf dau vollständige Aur>bleibon oder ein Absinken der Sponnung oder auf eine merklicJio Pha«env©r-Gchiebun,'·; dor Notzsponnun/;;. Die Hauyitf.teucroJnrichtiinfi; 18 unterbricht dann da« Steuer::ißnal zur Wechnolntrom-SteuereinrichtunR 1?. imd schaltet die Hotstroniver-KorRunf; ?.?. ein. Zoißt der StromdeteUtor 20, daß ein über den minimalen Halte-Dtrom hinaushebender Strom durch das Fectkörperventil der Wech.selntrom-rJteuertdnrJ.cbtunR 12 fliesst, f'.o erhält diese Information Vorrang liber die Synchronisation und die liotßtromvercorgung 22 v^ird mit einer Polarität erregt, so daß in der WechsolKtrom-SteuereJnrichtung eine Spannung entsteht, die dem iitroi^flues im Festkörper/entil entgegengesetzt ist. Hierdurch wird daü Ventil schnell gelöscht oder koramutiert, go daß die Notstromversorgung 22 und die Last 10 unverzögert vom Netz getrennt v/erden. Die Kommutierung des Ventils wird durch don Sti ornflihler 20 erfasst, worauf die Hauptsteuoreinrichtung 1ö die Notstromversorgung synchron zur Zufuhr der durch den Notzfühler 16 am Netz erfassten Spannung arbeiten lässt.

Der vorstehend beschriebene Vorgang läuft extrem schnell ab, normalen/eise innerhalb von einer Zeit von v/eniger als h ms , so daß der Energiefluss zur Last 10 praktisch nicht unterbrochen wird. Falls unter Umständen die zur Kommutierung der

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Von Li! ο flor ViV.-rUK-'elßtrorn-Steiiore.inr.ichtung 1? notwendige Polori tr'i wit dor normalen Polarität der; Netzes überoin-- «t.iinrvi;, wird Oiu Notstro.MVCirsorguü,'·; 2? in der richtigen PolarJ l"-x ei»;,".*-schaltet und braucht nach dor Kommuti erung de.· η \::n' ils nicut un!erbrochen zu v,· erden. J'O.ü'l.ß dJe anfängt .· ob ··■: Po.!.: j itat, die,· zu ν KoiiVniiit.L«:/unf; notv.'ondi/; ist, nich'l*. ) :i t der Pb'-. nc der, zuvor er.f'c· .'·,". b^n .Spr:ru>un_cn:cKirn.'.\'lf! übcre:i)ititir.imi., .».et die yic Konvnvitlf.-ru:·!,^ und Synchroni«i dor Nr>t,·.·"l.rorivOi•.-"{irf.unp orXcn^dorliche Zeit j;o kurz, d;iß keine iiiirvkl.Lc))O Untei-bi'tcbun^ der Mp?'.nriuni.;?.;:'.ui'uhr zur 10 eintritt.

Fig. <7 /Λ-'igt «;in Kchoin;vt.i::ehc£; Sc)) Π tb.ild einer bevorzugten Aus.fi'bi-uri^f.rconi <\ov er.r.i nduni;;;^ciri'.Gon DinncJinltvori-icbtun^. Ein TrrjiusiOrrr-itor 3P- vorbindet e.ino l«\t>t 10 mit dein Uusüeren Netz und der IvVlr.tror.ivernor^unr:· 22, dio liier zwei gesteuerte .Silicivi-i^lc.'ichriebtor· 35 und 3A ontJKÜt. Γ).1 ο Battei'ie ?M v/ird niittel;·, ei.nei¹ lüde- und ATnrro^c'bofiCbr!j.lung ~yj iibnr-v/acht und ständig aui'{j'?;i'.!den, v,'j.c nnbond Kit;· 1 ^vmd der entsprechenden t; ?ü beccliricben.

Ein aIb Trine j>6 auacebildtter FeGtl.oipr.rr.c))alter dient zur Verb.InO.ung einer nJclit gezeigten Wechselr.pannunf;.^r;cjuo]Xe mit einer V/jcklun/f dv.s Tranoformators 32. Dor Triac trr;nnt den Transformator \uid damit die Ln.ηt 10 und den V/ecliiiolrichter 22 vom Ilotz. Der in F.Lfi. 2 als Ariüapfunfj β oz el ^₁ te J Jet ^iUhI er 16 ißt mit dem Ncitü verbunden und lieloi-t ein die Netzr.pannur·:; sov/ie deren Fhano und Frequenz, v/iedorfjobendes Signal. Der Stromdetektor 20 ist mit dem Triac 36 gekoppelt ^nd erzeugt ein die Richtung und relative Grosso des Triaostroms anzeigendes Signal. Der Detektor 20 enthält gomäss der Schaltung der Fig. 2 z\;ei nntiparallel goechaltoto Dioden 37 und 3«, deren Spannungsabfall überwacht v/ird. Andere geeignete Schaltungen zur StroiTiUberv/achung können ebenfalls verwendet \rarOm.

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D.1c Notzfühlc· inrichtung ist in.it einem Lhilldurcl^angdetci'. tor Λθ verbunden, dor eine fltounroinr ichtun/.;; nnt.lio.lt, die c:-ia-;:r phar;onf-itarre/) Schaltung-Ί2 ein Steuere.) gjial zuführt, die daraufhin ihrorseits ein zur Nr.'t.ziq-.nrnnmg periodisches !iit'.mü. erzeugt. Dft jVulldurohgangdfiteLtoreri :-.\ir Steuerung und Trir.goru¹.',': verschiedener elektronischer Elemente verwendet warden, «.>rilbri./-;t eich oinu genauere Bof.chroibun,''; dar, Γ){;tehtor« hO. E.-5 ];ann Jodor peoißnctc* Detol. tor verwendet worOon, .insbor.ondere ο in Detektor, der einen Zug von Rochteckiinnulen abgibt, deren Stirnflotikcn mit den Nulldurcbßiin^en der vom Net^fühler 16 überwachten Notzlcitiuiß zußaiMiiionfallen.

Die No.chfuhrfce.schwlrjdiftko.lt der phnceji^l.orren Schaltung h'rl ict. derart und ihr Bereich so begrenzt, daß sie keine weüunt.lichon Ändoryti^on der Phase dta· Not^üpannunß r.-rxosßt. Unter normalen Umntänden (jibt die phar.enßt.arro Scha] lung ein ■dorarti/jeft Sif.nril ob, daß da.^r; einem Fha.'K-.nkomparator h7 zugeführtc Signal i-.ynehton zur- Notiicpaiwjiinn ifit. B-j.L deiii ^e^.eißtün /luriführunr'.nbciirfiiol v/.lid ein Aui;₍'-;i-inc;£:-Bcxuf;rüißna'l mit 1POO Ik: eineiü Zähler hk zugeführt, der die lüinßangiii'rr'jiii.-nr, vm den Faktor 10 teilt. Dan /;eteilte füf.nnl v.'ii'd dann einem bi.si fibilen ?.i?hlür ^l\6 ζυ^ο-fUhrt, der tiein Einßan^PGignal um den Faktor 2 teilt und es dom Phasenkomparator h'7 zuführt:. Phayen.vtarre Schaltungen sind bekannt: eine genaue ltoschroibung ertibiigt sich darher. Schaltungen dieser Art können aus einzelnen Bauteilen oder aus vielen im Handel erhältlichen integrierten Schaltungen aufgebaut v/erden. Beispielsweise eignet »ich der Typ CD ΑθΊ6 der Firma RCA.

Der bistabile Zähler Λ6 kann ein normales Flip-Flop mit zv/oi einander entgegengesetzten Ausgängen Q und ö. bestehen.

Der bistabile Zähler UG erzeugt also ein Kippcignal, das seinen Zustand zweimal ^g Zyklus der Netzspannung ündert. Der Zähler A4, der bui einem erfolgreioh erprobten Gerät aus der integrierten RCA-Schaltung CD A017 bestand, enthält eine Reihe

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l!) erregter Ausgänge, cllo c.iii.r Suprr i c;r;;chalt\uig 48 zugeführt werden. Diese en j thai t c.i. <'■.·. Grupy" in geeigntp Weise bewerteter Widers tand;.^-.p:O.de zur /'-usgiibr- eines Gigmv mit einem vorbestimmten Wert für jede /lüblung o'ler ,jeder; Ausgangssignal do ο Zi.iliJ.ora 44. Auf dic.:,<:r V/oJ; ·.: \.^r:i rd eine stufenförmig»; Annäherung an eine Öinu·. .ulJe erzeugt, die einem Eingang einer hier als normal er KoWy)OrT. tor gezeigten Vergleich .^einrichtung DO zugeführt v/jrd.

Dor Komparator 50 Kombiniert das von ('.er yumni:/i\'>cbalt\uig 48 digital erzeugte Bezug.';cj.gnal l.iit dem die Detzs v/iedergobendcn Signal des Net^lüh] oitj 16. Soil.ango die Hat?.-spannung dnc Bezug«.·?.ignol üborr.teigt, f:;ibt i\i:v liou'jtarator kein Ausgangs.signa.L ab. FiQIi; jedoch d;'.o Nct/rn-iuDiung au» oder sinkt r.io unter Oon Wort On η BeyAir.r.r.icnalr,, ::>a führt der Komparator 50 dom Setzeingang S ο in er rin Klip-l^;<lop ^vjZ enthaltenden Steuereinrichtung ein Uin:;chaltfjignr.<:( vx\.

Damit das System auf plötzliche Änderungen der J."t.-t:*,'.it)annm]ß ansprechen kann, wird das die Netzspannung wiedergebende Signal weiter einer Differenzierstufc 57 zugefUbrl.. Die Differenzieretufo, die in manchen AnwondungsfäJlon mit dem Komparator 50 als Einheit ausgebildet sein kann,spricht auf eine plötzliche Änderung der Netzspannung an und gibt ein Umschaltsigncl an den Setzeingang S des Flip-Flops. 52. Die Differenzierstufo 57 hat vorzugsweise Schwel'! envorhalten, so daß bei den normalen periodischen Schwankungen der Netzspannung kein Umschaltsignal abgegeben wird.

Dem Takteingang CLK des Flip-Flops 52 werden die vom Nulldurchgangsdetektor 40 erzeugten Impulse zugeführt. Eine Verzögerungsßtufe 54, die eine normale RC-Schaltung enthalten kann, ist zwischen den Setzeingong und den D-Eingang dos Flip-Flops 5? geschaltet, so daß das Flip-Flop nicht unmittelbar

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nach der Beendigung der, Umschaltsignair; in seinen ursprünglichen Zustand zurückschalten kann. Hierdurch v/erden unstabile Schwingungen der Notstromversorgung beim Ansprechen auf wiederholte Netzstörungen verhindert.

Wie der Zähler 46 erzeugt das Flip-Flop 52 zwei einander entgegengesetzte Ausgangsignale Q und ti. Eines dieser Signale, hier das Signal "S, wird mittels einer Steuerschaltung 56 weiter verarbeitet und hier als dauerndes Steuersignal für den Triac 36 verwendet. Für die Funktion der Anordnung ist keine besondere Steuerschaltung notwendig. Beispielsweise kann eine Steuerschaltimg verwendet v/erden, wie sie im SCR-Manual, 5. Auflage der General Electric Company beschrieben ist.

Das entgegengesetzte Signal Q, das nur bei Gegenwart eines Umschaltsignals vom Komparator 50 auftritt, wird vom Flip-Flop 52 einem UND-Gatter 58 und einer Kommutierstufe zugeführt, die UND-Gatter 62 und 63 enthält und ein Einschaltsignal erzeugt, das die gesteuerten Gleichrichter 33 und 3^ des Wechselrichters 22 speist.Das andere Eingangssignal zum UND-Gatter 58 wird von einem zweiten UND-Gatter 60 zugeführt. Wie sich aus dem Schaltbild ergibt, ist das UTiD-Gatter 60 mit invertierenden Eingängen versehen; es erzeugt entsprechend ein Signal 1 entsprechend dem Signal Q, wenn an seinen Eingängen keine Einschaltsignale anliegen. Dies entspricht dem Zustand, daß der Stromdetektor 20 keinen den Haltestrom übersteigenden Strom erfasst.

Der eine Ausgang des Stromdetektors 20 ist mit einem der invertierenden Eingänge des UND-Gatters 60 und mit dem Eingang eines weiteren UND-Gatters 62 einer Kommutierstufe verbunden, und zwar über eine Leitung +T^, die bei Gegenwart eines positiven Triacstroms oberhalb des Haltestroms ein Signal führt. Der andere invertierende Eingang des UND-Gatters 60 und ein Eingang eines weiteren UND-Gatters 63 der Kommutierstufe sind über eine Leitung -Τ, an einen zweiten Ausgang des Stromdetektors 20

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angeschlossen. Die Leitung -T. führt ein Signal , wenn eier Triacstrora negativ und gröaser als dor Haltestrom ist.

Das Einschaltsignal vom UND-Gatter 58 wird einem weiteren Teil der Synchronisierstufc ^geführt., dor zwei UND-Gatter 64 und 65 enthält. Die verbleibenden Eingänge dor UND-Gatter 64 und 65 sind an die Ausgänge Q bzw. Q des bistabilen Zählers 46 angeschlossen. Auf. diese Weise kippen bei Erregung durch ein Aucgangssignal vom UilD-Gatter 58 die Synchronisiereinrichtungen synchron zur zuvor erfassten Netzspannung.

Die Ausgänge der UND-Gatter 62 und 64 sind an ein ODER-Cattor 66 angeschlossen, so daß Jeweils ein Ausgangssignal einer gemeinsamen Steuerschaltung 70 zugeführt v/erden kann, die den gesteuerten Siliciumgleichrichter 34 durchncholtet. Ähnlich sind die Ausgänge der UND-Gatter 63 und 65 an ein ODER-Gatter 60 angeschlossen, dac über eine Steuerschaltung 72 den gesteuerten Siliciumgleichrichter 33 steuert. Entsprechend enthalten die UND-Gatter 64 und 65 Synchronisiereinrichtungen, die auf Signale von der Steuerschaltung ansprechen, so daß der Wechselrichter 22 synchron zur zuvor angelegten Netzspannung arbeitet. Die UND-Gatter 62 und umfassenden Kommutiereinrichtimgen, die auf den Stromdetoktor 20 ansprechen, so daß die Synchronisiereinrichtung momentan überlaufen wird und jeweils der zur Kommutierung des Triacs 36 notwendige gesteuerte Siliciumgleichrichter 33 bzw. 34 gezündet wird.

Im folgenden wird die Arbeitsv/eise der Schaltung der Fig. näher beschrieben.

Zunächst sei angenommen, daß die hier als Entladungslampe gezeigte Last 10 durch die an der linken Wicklung des Transformators 32 anliegenden Netzspannung gespeist wird.

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Das Flip-Flop 52 erzeugt ein dauerndes Steuersignal Q, durch das der Triac 36 eingeschaltet wird, so daß ein Strom durch die Primärwicklung dci; Transformators 32 fliesst und die Last gespeist wird. Der Netzfühler 16 erzeugt ein der Netzspannung entsprechendes Signal,das dein Mulldurchgangsdetektor 40 und dem Krjmparator 50 zugeführt wird. Die phasenstarre Schaltung 42 gibt ein hochfrequentes Ausgangssignal ab, derart, daß das dem Phasenkomparator 4? zugeführte Signal synchron zur Netzspannung ist. Sie bildet zusammen mit dem Zähler 44 und der Summierschaltung 48 eine Bezugseinrichtung, die eine Bezugs-Stufenspannung zum Komparator 50 liefert. Solange das die Netzspannung wiedergebende Signal oberhalb des Bezugüwertes liegt und keine plötzlichen Spannungsänderungen eintreten, wird durch den Komparator 50 kein Umschaltsignal erzeugt, so daß das Flip-Flop 52 dauernd ein "hohes" Ausgangssignal δΤ liefert, durch das der Triac 36 durchgeschaltet wird.

Gleichzeitig erzeugt zweimal Je Zyklus der Stromdetektor 20 ein den Stromfluss durch den Triac 36 anzeigendes Signal. Je nach der Richtung des Triacstroms (die Richtungen "positiv" und "negativ" können willkürlich gewählt werden) werden den UND-Gattern 62 bzw. 63 Durchschaltsignale zugeführt. Diese die Gegenv/art eines den Haltestrom übersteigenden Stroms anzeigenden Signale werden ebenfalls einem der invertierenden Eingänge des UND-Gatters 60 zugeführt. Auf diese Weise gibt das UND-Gatter 60 eine logische "0" ab, die verhindert, daß das UND-Gatter 58 ein Einschaltsignal erzeugt, durch das der Wechselrichter 22 getriggert werden kann.

Falls die Netzspannung abnimmt oder völlig zusammenbricht, läuft die phasenstarre Schaltung 42 mit der Frequenz, auf die sie eingestellt wurde, weiter, die von der Summierschaltung 48 erzeugte Bezugsspannung übersteigt jedoch die vom Netzfühler 16 gelieferte Spannung. In diesem Fall gibt der Komparator 50 ein Umschaltsignal zum Setzanschluss S des Flip-Flops 52, so daß dieses umschaltet.

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In einer bevorzugten Ausführung sforin spricht das System auch auf Phasenverschiebungen der Netzspannung an, wobei die Phase der Signale des Nulldurchgangd&tektors 40 mit der des bistabilen Elements 46 vom Phasenkomparator hl verglichen wird. Bei Vorliegen eines unzulässigen Unterschiedes, wird vom Phasenkomparator 47 ein Umschaltsignnl abgegeben, durch das der Zustand des Flip-Flops 52 geändert wird. Auf dieser V/eise wird das Steuersignal ü von der Triac-Steuercc-haltung abgeschaltet, so daß das Netz von der Lastschaltung elektrisch getrennt werden kann.

Wäre es nicht notwendig, die Last praktisch dauernd zu speisen, so brauchte der vorstehend beschriebene Vorgang lediglich darin zu bestehen, daß die Last 10 vom äueseren Netz getrennt wird. Da sich die Polarität der Wechselspannung ändert, wird durch die sich ergebende Rückvorspannung auf das Festkörperventil das Ventil schliesslich kommutiert und die Leitung geöffnet. Hierzu ist jedoch eine Verzögerung von fast einer Halbwelle oder etwa 8 ms erforderlich. Weiter kann im vorliegenden Fall der von der induktiven Last und/oder dem Koppeltransformator gezogene nacheilende Strom die zur Kommutierung erforderliche Zeit unter manchen Netzfehlerbedingungen beträchtlich verlängern, weil der Magnetisierungsstrom für eine beträchtliche Zeit nach dem Umschalten der Quellenspannung weiter durch das Festkörperventil fliesst. Bei einem System mit einer Leistung von 5000 W kann der Magnetisierungsstrom des Transformators bis zu 2 A betragen. In einem solchen Fall ist die Zeit, bis der Magnetisierungsstrom unter den Haltestromwert absinkt beträchtlich grosser als 8 ms. Es ist daher notwendig, eine Einrichtung zur Kommutierung des Festkörperventils vorzusehen, um die Last und die Notstromversorgung von der fehlerhaften Speiseleitung zu trennen. Aus diesem Grunde ist die Kommutiereinrichtung mit den UND-Gattern 62 und 63 und den ODER-Gattern 66 und 68 vorgesehen.

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Die die Gegenwart eines den Hal te.strom des Triacs 36 übersteigenden Stroms anzeigenden Signale des Stromdetektors 20 verhindern, daß das UND-Gatter 5Q ein Durchschaltsignal erzeugt, obwohl am Ausgong Q des Flip-Flops 52 ein Digitalsignal "1" vorliegt. Zur gleichen Zeit wird das Digitalsignal "1" am Ausgang Q des Flip-Flops 52 den Eingängen der UND-Gatter 62 und 63 zugeführt und dient, so als Einschaltsignal, so daß je nach der Richtung des erfassten Stroms durch den Triac 36 das ODER-Gatter 66 oder das ODER-Gatter 68 ein Digitalsignal "1" empfangen kann. Fliesst durch den Triac 36 beispielsweise ein als positiv festgelegter Strom , so wird das UND-Gatter 62 eingeschaltet und über die Leitung +T₁ ein Digitalsignal "1" durch das ODER-Gatter 66 der Steuerschaltung 70 zugeführt, wodurch der gesteuerte Gleichrichter 3^ eingeschaltet wird. Dieser ist so gepolt, daß in die Primärwicklung des Transformators 32 eine Spannung induziert wird, die dem im Triac erfassten positiven Strom entgegengesetzt ist und die Einrichtung kommutiert. Auf diese Weise dient der gesteuerte Siliciumgleichrichter 34 zur induktiven Kopplung einer Kommutierspannung in die Quellenspannung bei Erfassung eines Stromes, der grosser als der Haltewert ist.

Durch das gleiche Zeichen wird, falls der erfasste, im Triac fliessende Strom negativ ist, ein Signal -T, vom Stromdetektor 20 erzeugt. Wie zuvor dient dieses zum Sperren der Synchronisiersignale dadurch, daß ein Durchschalten des UND-Gatters 58 verhindert wird. Das Signal -T^ wird dem kommutierenden UND-Gatter 63 (das durch den Zustand des Flip-Flops 52 durchgeschaltet ist) zugeführt und weiter über das ODER-Gatter 68 zur Steuerschaltung 72. Hierdurch wird der dem Gleichrichter 34 entgegengeschaltete steuerbare Gleichrichter 33 angesteuert. Der vom Wechselrichter 22 fliessende Strom induziert dann eine Spannung in die mit der Spannungsquelle verbundene Primärwicklung des Transformators 32, die dem zuvor

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erfassten, nach nogativ gehenden Triacstrom entgegengesetzt ist. In der vorstehend bosehr:!.ebenen Weise konmutiert der Viechseirichter ?2 ansprechend auf einen Strom im Festkörperventil.

Wenn das Ventil 36 vollständig koi>;r.iutiert ist, ist der Transformator 3? vom Musteren Not:: getrennt. Da der Strom auf Null oder zumindest unter den IL-iltestrom abgefallen ist, werden auch vom Stromdetektor 20 keine Signale mehr abgegeben und von don UND-Gattern 62 und 63 keine Ausgangssignale mehr erzeugt. Durch das Ausbleiben der Signale vom Stromdetektor 20 wird das UND-Gatter 60 gesperrt und kehrt auf ein hohes Ausgangssignal zurück, v/odurch zusammen mit dem hohen Ausgangssignal des Flip-Flops 52 das UND-Gatter 58 ein Durchschaltsignal zu don synchronisierenden UND-Gattern 64 und 65 liefert. Das Ausgangssignal beginnt dann entsprechend dem bistabilen Zähler 46 zu kippen , wodurch die steuerbaren Siliciumgleichrichter 33 und 34 abwechselnd gezündet v/erden. Wegen des weiterhin erzeugten schwingenden Ausgangssignals der phasenstarren Schaltung 42 werden die steuerbaren Gleichrichter weiterhin synchron zur zuvor erfassten Netzspannung umgeschaltet.

Wenn darauf eine in der richtigen Phase liegende Quellenspannung erscheint, kehrt der Komparator 50 in seinen ursprünglichen Zustand zurück, so daß dem Flip-Flop 52 kein Umschaltsignal mehr zugeführt wird. Nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeit, die durch die die Verzögerungsschaltung bildenden Bauteile bestimmt v/ird, führt die Steuereinrichtung dem Triac 36 bei einem Nulldurchgang der Netzspannung wieder das Steuersignal zu und dem Wechselrichter 22 werden keine Steuersignale mehr zugeführt. Dies wird durch eine Umkehr des Zustandes des Flip-Flops 52 bewirkt, so daß das Signal Q hoch und das Signal Q niedrig ist. Auf diese Weise wird dem Triac 36 wiederum ein dauerndes Steuersignal zugeführt, während gleichzeitig das UND-Gatter 58

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kein Durchschaltsignal erzeugt, so daß das kippende Ausgangssignal des bistabilen Zählers 46 den Steuerschaltungen 70 und 72 nicht länger zugeführt wird. Schliesslich werden, da das Signal Q des Flip-Flops 52 auf einen niedrigen Zustand zurückgekehrt ist, die UND-Gatter 62 und 63 gesperrt und die die Gegenwart eines Triacstroms anzeigenden Signale den Steuerschaltungen der steuerbaren Siliciumgleichrichter nicht langer zugeführt.

Durch die Erfindung wird also eine Schaltung zum schnellen Umschalten eines äusseren Netzes auf eine Notstromversorgung» beispielsweise einen Wechselrichter geschaffen, bei der nicht gewartet zu werden braucht, bis der Netζstrom unter einen Haltestrom abgesunken ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Ventil in der Netzspeisung unverzögert abgeschaltet und das Netz von der Last und von der Notstromversorgung getrennt.Gleichzeitig wird gewährleistet, daß die Notstromversorgung synchron zur ausgofallenden Netzspannung eingeschaltet wird.

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Leerseite

Claims

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Ti:i.l".f.RAMME AtJf(OM* RCPAT MÜNCHEN

29. SEP. 1977

ESB INCORPORATED DA-KI805 (M-631)

^schaltvorrichtung für Not Stromversorgungen

Patentansprüche

.^ Umschaltvorrichtung zum Umschalten einer Last von einer Wechselspannungsquolle mit einem elektronischen Ventil mit vorbestimmtem Haltestrom auf eine aus einem Wechselrichter bestehende Notstromversorgung, gekennzeichnet durch eine mit dom Netz verbundene Netzfühleinrichtuug (16) zur Erzeugung eines die Netzspannung anzeigenden Signals, durch eine mit der Netzfühleinrichtung verbundene Zeitsteuereinrichtung (Ao) zur Erzeugung eines die Phase des Netzes anzeigenden Signals, durch eine mit der Netzfühleinrichtunc verbundene Vergleichseinrichtung, der das die Netzspannung

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wiedergebende Signal zugeführt wird und die ein Umschaltsignal erzeugt, wenn die Netzspannung unter einen vorbestimmten Wert fällt, durch einen mit dor Last (10) verbindbaren Wechselrichter (22) zur Zuführung von Strom zur Last, und durch eine mit der Vergleicheinrichtung und der Zeitsteuereinrichtung verbundene Steuereinrichtung (70, 71), die auf das Umschaltsignal anspricht und den Wechselrichter selektiv einschaltet, so daß dieser in Phase zu der zuvor erfassten Netzspannung arbeitet.
2. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen den Strom im elektrischen Ventil (36) erfassenden Stromdetektor (20) zur Erzeugung eines Signals, das die Richtung den Stromflusses durch das Ventil anzeigt, und durch eine auf dio Anzeige ansprechende Kommutierungseinrichtunp, zur Sperre der Steuereinrichtung (70, 72) und zum Einschalten des Wechselrichters (22) in Phase zur Erzeugung einos Ausgangssignals der richtigen Polarität, so daß in der Notzspannungsquelle ein Strom erzeugt wird, der dem durch das Ventil fliessenden Strom entgegengesetzt ist.
3. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (50) eine Einrichtung zur Abgabe eines Umschaltsignals auf eine Änderung der Quellenspannung enthält, die bei einer Frequenz auftritt, die die normale Frequenz der Wechselspannungsquelle wesentlich überschreitet,

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4. Umschaltvorrichtung nach Ancpr-uch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuereinrichtung einen Nulldurchgangsdetektor (40) enthält.
5. Umschal tvorrrichtung nach Anspruch 2., gekennzeichnet durch eine Einrichtung (42.) zur Erzeugung eines Bezugssignals und zur Zufuhr dos Bezugss.ignals zur Vergleichseinrichtung (50) zur Bereitstellung einer vorbestimmten Spannung zum Vergleich mit dem die Quellen- oder Netzspannung anzeigenden Signal.
6. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal eine zyklische Spannung ist, deren Frequenz gleich der der Netzspannung ist.
7. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Bezugssignc.ls eine phasenstarre Schaltung(42), eine mit dieser verbundene Zähleinrichtung (44) zur Abgabe von der Anzahl der Zyklen der phasenstarren Schaltung wiedergebenden Ausgangssignalen und eine Summiereinrichtung (48) zur Erzeugung einer zyklischen Stufenspannung enthält, die einem sinusförmigen Verlauf angenähert ist.
8. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Bezugssignals eine Einrichtung zur Abgabe von Steuerimpulsen enthält, die synchron sind zu dem die Netzspannung wieder-

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gebenden Signal, so daß der Wechselrichter synchron zur Netzspannung arbeitet.
9. Umschaltvorrlchturig nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignsln einen mit dem Nulldurchgangsdetektor (40) und der pho.i;enstarren.Schaltung (42) verbundenen Phasenkomparator (47) enthält, der ein Phasen-Fehlersignal abgibt, wenn die Signale vom Nulldurchgangsdetektor und der phasen starren Schaltung um einen vorbestimmten Betrag phasenverschoben sind.
10. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (47) eine Einrichtung zur Abgabe eines Urnschaltsignals ansprechend auf eine Änderung der Quellenspannung enthält, die bei einer die Normalfrequenz der Netzspannung wesentlich überschreitenden Frequenz auftritt.
11. Umschaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zeitverzögerungseinrichtung, die an die Vergleichseinrichtung (50) angeschlossen ist und eine Abschaltung des Wechselrichters (22) für eine vorbestiramte Zeit verhindert, nachdem die Wechselspannung auf einen Wert oberhalb des vorbestimmten Wertes zurückgekehrt ist.

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12. Uinschaltvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Sperre der SyM.chronii3iofcinricht.urjp; während dor erfasste Strom don Halteetrom übersteigt.
13. Umüchöltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit der phasenstarren Schaltung (42) verbundene bistabile Einrichtung (46) zur Abgabt? eines Signals synchron zur Zufuhr der erfassten Quellenspannung zur Erzeugung einer; synchronen Steuersignals für den Wechselrichter (22)

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