DE2827443C2

DE2827443C2 - Gesicherte Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE2827443C2
Application number: DE2827443A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. 8551 Hausen Mourick; Eberhard Ing.(Grad.) 8500 Nuernberg Muenchow; Juergen Dipl.-Ing. 8521 Langensendelbach Strop
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-06-22
Filing date: 1978-06-22
Publication date: 1982-08-26
Also published as: JPS555097A; CH649179A5; IT7923612A0; US4281376A; AT371958B; DE2827443B1; GB2023950A; GB2023950B; SE7905436L; IT1121415B; BE877153A; CA1152154A; ATA434579A; FR2429511B1; FR2429511A1

Description

a) Die Leistungselektronik ist nur einmal vorgesehen,

b) die Informationselektronik ist redundant ausgeführt und enthält wenigstens zwei vollständige Steuereinrichtungen, von denen jeweils eine Steuereinrichtung als führende Steuereinrichtung die Leistungselektronik steuert und die andere Steuereinrichtung parallel in einem Bereitschaftsbetrieb arbeitet,

c) den Steuereinrichtungen ist eine Überwachungs-

einrichtung zugeordnet, die bei einer Störung in der führenden Steuereinrichtung die Ansteuerung der Leistungseiektronik auf eine ungestörte Steuereinrichtung umschaltet.

Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung beruht auf der Erkenntnis, daß die Informationselektronik zur Steuerung eines Stromrichters eine um Größenordnungen höhere Anzahl von Bauelementen und Verbindungsstellen aufweist als die Leistungselektronm des ic Stromrichters. Bei Sicherheitsüberlegungen kann die Fehlerwanrscheinlichkeit der Leistungselektronik gegenüber der Fehlerwahrscheinlichkeit der informationsverarbeitenden Elektronik vernachlässigt werden. Bei der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung ist |-, daher die extrem störsichere Leistungselektronik nur einmal vorgesehen, während die demgegenüber störanfälligere Informationselektronik redundant ausgeführt ist und aus wenigstens zwei vollständigen und parallel arbeitenden Steuereinrichtungen besteht. Eine Überwachungseinrichtung überwacht das ordnungsgemäße Arbeiten der Steuereinrichtungen. Bei einem Fehler in der führenden Steuereinrichtung wird die Ansteuerung der Leistungselektronik auf die ungestörte Steuereinrichtung umgeschaltet Ein Fehler in der Steuereinrich- 2> tung, die im Bereitschaftsbetrieb arbeitet, wird vorzugsweise gemeldet.

Eine erfindungsgemäde Stromrichteranordnung hat einen geringen Raumbedarf, da die voluminöse Leistungselektronik nur einmal vorhanden ist und nur für die vorgesehene Nennleistung ausgelegt ist. Die Anlagekosten bleiben daher gering. Durch die hchere Auslastung des Stromrichters wird der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung verbessert. Es sind keine Maßnahmen zur Gewährleistung eines einwandfreien Parallelbetriebs mehrerer Stromrichter erforderlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Version eines Ausführungsbeispiels der Erfindung für einen Wechselrichter,

F i g. 2 die Schaltung eines Leistungs-Wechselrichters,

Fig.3 wesentliche Signalverläufe für den Wechselrichter der F i g. 2,

F i g. 4 ein Modell eines Wechselrichters nach F i g. 2,

Fig.5 ein Ausführungsbeispiel einer Erfindung für einen gesteuerten Gleichrichter,

■ ■ F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen gesteuerten Halbleiter-Leistungsschalter,

F i g. 7A und 7B ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Version der Erfindung für einen Wechselrichter,

Fig.8 ein Ausführungsbeispiel einer Steuersatz-Überwachung,

F i g. 9 den Einsatz einer erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung in einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage,

Fig. 10 eine Prinzipdarstellung einer zentralen Überwachungseinrichtung in der Stromversorgungsanlage der F i g. 9.

F i g. 1 zeigt schematisch einen dreiphasigen Verbraucher 1, der aus einer Stromquelle 2 über einen Stromrichter 3 gespeist wird. Der Stromrichter 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wechselrichter. Die Stromquelle 2 kann insbesondere eine Batterie, ein Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis oder ein Gleichstromnetz sein. Die gesteuerten Halbleiterventile des Stromrichters 3 können entweder von einer ersten Steuereinrichtung 10 oder von einer zweiten Steuereinrichtung 20 mit Zündimpulsen gesteuert werden. Der Stromrichter 3 mit den nicht näher dargestellten Zündimpulsübertragern und Zündimpulsverstärkern bildet einen Leistungsteil im Sinne drr voi liegenden Erfindung.

Die erste Steuereinrichtung 10 enthält einen ersten Steuersatz 11, sowie einen Phasenregler 12 mit Proportionalverhalten und einen Betragsregler 13 mit Proportional-Integral-Verhalten. Der Steuersatz 11 erzeugt Zündimpulse nach Maßgabe der an seinem Phasensteuereingang 14 und an seinem Betragssteuereingang 15 zugeführten Steuerspannungen.

In gleicher Weise enthält die zweite Steuereinrichtung 20 einen Steuersatz 21, dessen Phasensteuereingang 24 ein Phasenregler 22 und dessen Betragssteuerei agang 25 ein Betragsregler 23 vorgeschaltet ist Die Steuereinrichtungen 10 bzw. 20 bilden jeweils eine Informationselektronik im Sinne der vorliegenden Erfindung.

Die mit den Zündsteuersignalen belegten Sieuerausgänge der S'euersätze 11 bzw. 21 sind über eine geeignet ausgestaltete Umschalteinrichtung 9 mit den Zündsteuereingängen des Stromrichters 3 verbunden. Zur einfacheren Erläuterung der Ausführungsbeispiele werden lediglich die Hauptventile des Stromrichters 3 betrachtet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß analoge Maßnahmen getroffen werden können, wenn die Stromrichterschaltung noch weitere gesteuerte Ventile enthält, insbesondere Löschventile. Die Zeichnung zeigt die Stellung der Umschalteinrichtung 9 im ungestörten Betrieb. Der Stromrichter 3 wird im ungestörten Betrieb von der ersten Steuereinrichtung 10 mit Zündimpulsen aus dem ersten Steuersatz 11 nach Maßgabe des ersten Phasenreglers 12 und des ersten Betragsreglers H gesteuert.

Die Sollwertüingänge 17 und 27 der Phasenregler 12 und 22 und die Sollwerteingänge 19 und 29 der Betragsregler 13 und 23 sind mit den entsprechenden Ausgängen eines gesicherten Sollwertgebers 7 verbunden. Der Istwerteingang 16 des Phasenreglers 12 ist mit einer Frequenzmeßeinrichtung 6 verbunden, die an eine Wandleranordnung 4 angeschlossen ist. Der Sollwerteingang 17 des Phasenreglers 12 ist mit dem vom Sollwertgeber 7 erzeugten Frequenzsollwert beaufschlagt. Bei Frequenzabweichungen wird die sich zwischen dem Frequenzsollwert und dem Frequenzistwert ergebende Phasendifferenz von einem Abtastglied erfaßt und in einem Halteglied gespeichert, dessen verstärkte Ausgangsspannung dem Phasensteuereingang 14 des Steuersatzes 11 zugeführt wird. Der Istwerteingang 18 des Betragsreglers 13 ist mit einer Betragsmeßeinrichtung 5 für den Spannungsbetrag verbunden, die ebenfalls an die Wandleranordnung 4 angeschlossenen ist. Der Sollwerteingang 19 des Betragsreglers 13 ist mit dem entsprechenden Ausgang des gesicherten Sollwertgebers 7 verbunden.

Der Istwerteingang 26 des Phasenreglers 22 in der Steuereinrichtung 20 ist über eine Umschalteinrichtung 30 mit einem Modell 8 verbundsn, das den Stromrichter 3 mit Mitteln der Informationselektronik nachbildet. Der Aufbau des Modells 8 wird später noch eingehend anhand der F i g. 2 bis 4 erläutert. Der Sollwerteingang 27 des Phasenreglers 22 ist wiederum mit dem entsprechenden Ausgang des gesicherten Sollwertgebers 7 verbunden. Der Istwerteingang 28 des Betragsreglers 23 ist über eine Umschalteinrichtung 31 mit dem Modell 8 verbunden. Der Sollwerteingang 29

des Betragsreglers 23 ist mit dem entsprechenden Ausgang des gesicherten Sollwertgebers 7 verbunden. Die Umschalteinrichtungen 30 und 31 sind derart beschaltet, daß sie im ungestörten Zustand der Steuereinrichtung 10 die Istwerteingänge 26 bzw. 28 des ^r> Phasenreglers 22 bzw. des Betragsreglers 23 mit dem Modell 8 und bei einem von einer Überwachungseinrichtung 32 erzeugten Umschaltbefehl mit der Frequenzmeßeinrichtung 6 bzw. der Betragsmeßeinrichtung 5 verbinden.

Die Überwachungseinrichtung 32 dient zur Überwachung der Ausgangsspannung des Stromrichters 3. Hierzu sind für jede Phase der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 Nulldurchgangserfassungen 33, 34, 35 vorgesehen, von denen lediglich die Nulldurchgangserfassung 33 im einzelnen dargestellt ist. Weiterhin ist eine erste Sollwert/Istwert-Vergleichseinrichtung mit den Elementen 36 bis 39 und eine zweite Sollwert/Istwert-Vergleichseinrichtung mit den Elementen 41 bis 44 vorgesehen.

Die Nulldurchgangserfassung 33 enthält einen Nulldurchgangsdetektor 47, der bei jedem Nulldurchgang der Ausgangsspannung der überwachten Phase des Stromrichters 3 einen kurzen Impuls auf eine Zeitstufe 48 mit Abfallverzögerung gibt. Die Abfallverzögerung der Zeitstufe 48 beträgt eine halbe Periode der Ausgangswechselspannung des Stromrichters 3. Die Zeitstufe 48, die bei jedem Nulldurchgang angestoßen wird, kippt im ungestörten Zustand der Ausgangsspannung nicht zurück, da der nächste Nulldurchgangsimpuls jeweils kurz vor Ablauf der Abfallverzögerung eintrifft. Die Zeitstufe 48 kippt nur dann zurück, wenn ein Spannungsnulldurchgang nicht rechtzeitig erfolgt. Das Rückkippen der Zeitstufe 48 wird von einer Invertierstufe 49 in ein aktives Signal umgesetzt und einem ODER-Gatter 40 zugeführt. Die weiteren Nulldurchgangserfassungen 34 und 35 sind in gleicher Weise aufgebaut. Ihre Ausgänge sind ebenfalls auf die Eingänge des ODER-Gatters 40 geschaltet.

Die erste Sollwert/lstwert-Vergleichseinrichtung 36 bis 39 überwacht den Betrag der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 im Hinblick auf den vorgegebenen Sollwert. Sie enthält ein Differenzglied 36, dem als Istwert der von der Betragsmeßeinrichtung 5 erfaßte Istwert der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 und als Sollwert der Betragssollwert vom gesicherten Sollwertgeber 7 zugeführt wird. Die Differenz zwischen Sollwert und Istwert des Spannungsbetrags wird von einem Grenzwertmelder 37 überwacht. Wenn vorgegebene Toleranzgrenzen überschritten werden, erzeugt der Grenzwertmelder 37 ein aktives Signal welches dem ersten Eingang eines UND-Gatters 39 unmittelbar und dem zweiten Eingang des UND-Gatters 39 über ein Zeitglied 38 mit Ansprechverzögerung zugeführt wird. Bei einer unzulässig großen Abweichung zwischen Sollwert und Istwert des Spannungsbetrages, die länger andauert als die Ansprechverzögerung des Zeitgliedes 38, wird das UND-Gatter 39 durchgesteuert und ein aktives Signal an den unteren Eingang des ODER-Gatters 40 gegeben. Das ODER-Gatter 40 gibt somit ein aktives Signal weiter, wenn entweder eine der Nulldurchgangserfassungen 33, 34, 35 oder die erste Sollwert/Istwert-Vergleichseinrichtung 36 bis 39 anspricht. Das aktive Ausgangssignal des ODER-Gatters 40 wird in der strichliert angedeuteten Weise dazu verwendet, um eine Anzeige 45 anzusteuern und um die Umschalteinrichtungen 9,10 und 31 umzusteuern.

Die dargestellte Schaltungsanordnung hat somit folgende Arbeitsweise:

Die erste Steuereinrichtung 10 mit dem Steuersatz 11, dem Phasenregler 12 und dem Betragsregler 13 steuert zunächst den Stromrichter 3. Die zweite Steuereinrichtung 20 mit dem Steuersatz 21, dem Frequenzregler 22 und dem Betragsregler 23 arbeitet in einem parallelen Bereitschaftsbetrieb. Die Zündimpulse des Steuersatzes 21 werden jedoch nicht auf den Stromrichter 3, sondern auf das Modell 8 durchgeschaltet. Die Ausgangsspannung des Stromrichters 3 wird bezüglich ihrer regelmäßigen Nulldurchgänge und bezüglich etwaiger unzulässiger Abweichungen des Istwertes des Spannungsbetrags vom vorgegebenen Sollwert überwacht. Sobald eine dieser Überwachungen eine unzulässige Störung in der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 erfaßt, wird angenommen, daß ein Defekt in der Steuereinrichtung 10 aufgetreten ist, Die Ansteuerung des Stromrichters 3 wird dann sofort auf die zweite Steuereinrichtung 20 umgeschaltet. Außerdem wird die Störung an der Anzeige 45 angezeigt. Die Umschaltung der Ansteuerung des Stromrichters erfolgt über die Umschalteinrichtung 9 hinsichtlich der Zündimpulse sowie über die Umschalteinrichtungen 30 und 31 bezüglich des Frequenzistwertes und des Betragsistwertes der Ausgangsspannung des Stromrichters 3. Der Stromrichter 3 wird nach der Umschaltung von der zweiten Steuereinrichtung 20 weitergesteuert. Ein unzulässiger Spannungseinbruch am Verbraucher 1 entsteht dabei nicht. Die Verbraucherspeisung ist praktisch unterbrechungsfrei.

Es kann auch der Fall eintreten, daß ein Defekt in der zweiten Steuereinrichtung 20 auftritt, die im Bereitschaftsbetrieb arbeitet. Eine derartige Störung in der Steuereinrichtung 20 muß sofort erkannt und gemeldet werden, da sie die Betriebssicherheit des Stromrichters 3 beeinträchtigt, wenn eine zusätzliche Störung in der ersten Steuereinrichtung 10 auftritt Zur Überwachung der zweiten Steuereinrichtung 20 ist eine zweite Sollwert/lstwert-Vergleichseinrichtung 41 bis 44 vorgesehen, die ein Vergleichsglied 41 enthält, dem als Istwert der vom Modell 8 gebildete künstliche Spannungsistwert und als Sollwert der Spannungsbetrags-Soüwert vom gesicherten Sollwertgeber 7 zugeführt sind. Abweichungen des künstlichen Spannungsbetrages vom Sollwert werden von einem Grenzwertmelder 42 überwacht, dessen Ausgangssignal unmittelbar auf den ersten Eingang eines UND-Gatters 44 und über ein Zeitglied 43 mit Ansprechverzögerung auf den zweiten Eingang des UND-Gatters 44 gegeben wird. Bei einer unzulässigen Abweichung des Spannungsbetrags-Sollwertes von dem vom Modell erzeugten künstlichen Spannungsbetrags-Istwert wird auf einen Fehler in der Steuereinrichtung 20 oder im Modell 8 geschlossen. Das aktive Ausgangssignal des UND-Gatters 44 steuert eine entsprechende Störungsanzeige 46 an. Die gestörte zweite Steuereinrichtung 20 oder das gestörte Modell 8 müssen jetzt unverzüglich überprüft und instand gesetzt werden.

Die Fig.2, 3 und 4 erläutern an einem Beispiel den Aufbau einer elektronischen Nachbildung eines Stromrichters. Fig.2 zeigt die Schaltung eines Leistungs-Stromrichters. Fig.3 veranschaulicht den Verlauf der Steuerimpulse und der Phasenspannungen des Leistungsstromrichters der F i g. 2. F i g. 4 zeigt den Aufbau einer elektronischen Nachbildung des in Fig.2 dargestellten Leistungs-Stromrichters.

Fig.2 zeigt als Stromrichter einen zwölrpulsigen Wechselrichter 50 in einer vereinfachten Darstellung

mit zünd- und löschbaren Ventilen in zwei Brückenschaltungen mit je drei Brückensträngen. Es werden im folgenden nur die zwölf Hauplventile n\ bis η 12 betrachtet. Eine Erläuterung der Löschventile ist bei dieser vereinfachten Betrachtung entbehrlich. Die ■> Hauptventile η 1 bis η 12 werden von einer schematisch dargestellten Steuereinrichtung 51 mit Zündimpulsen angesteuert. Die Mittelpunkte a bis /"der Brückenstränge sind mit den Primärwicklungen einer Transformatoranordnung 52 verbunden. Die Spannungen an den κι Mittelpunkten a bis /werden mit U₁, bis Urbezeichnet. Die Transformatoranordnung 52 ist aus Teiltransformatoren in Stern-Dreieck-Schaltung und in Stern-Z-Schaltung aufgebaut, deren Wicklungen in der dargestellten Weise miteinander verschaltet sind. Die Übersetzungs-Verhältnisse der einzelnen Teiltransformatoren sind mit ü bzw. ö/[/3 angegeben. In den Sekundärwicklungen der Teillransformaioren werden Sekundärspannungen Uu, U\2, Um und Un, U22. U-n induziert. An den Ausgängen 53, 54, 55 der Transformatoranordnung 52 erscheinen Rechteckspannungen t/53, L/54, L/55. Diese Rechteckspannungen werden über Tiefpaßfilter 56, 57, 58 geführt. Die Tiefpaßfilter formen die Rechteckspannungen in die sinusförmigen Phasenspannungen Ur. U_s, Ur um. Die sinusförmigen Phasenspannungen stellen die Speisespannung für den Verbraucher dar.

Fig.3 zeigt für die linke Brückenschaltung des Wechselrichters 50 das über einer Periode der Wechselspannung aufgetragene Impulsmuster der Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile η 1 bis π 6. Die Zündimpulse für die Hauptventile η 7 bis η 12 der rechten B-ückenschaltung sind demgegenüber um 30° el versetzt. Fig.3 zeigt weiterhin den Verlauf der Sekundärspannungen Uu, Uu. Un und i/21, L/22, L/23. Die rechteckförmigen Phasenspannungen L/53, t/54, i/55 an den Ausgängen der Transformatoranordnung 52 lassen sich auf diese Weise ohne weiteres aus den Sekundärspannungen ermitteln. Beispielsweise gilt für die Rechteckspannung L/55 am Ausgang 55:

U₅₅ =([/„- V₁)U+ (14-

40

45

Aus der obigen Gleichung läßt sich unmittelbar die in Fig.4 dargestellte Modellschaltung angeben, die aus den Zündsteuerimpulsen der Steuereinrichtung 51 nachgebildete Phasenspannungen und eine nachgebildete Summenspannung als künstlichen Spannungsbetrags-Istwert erzeugt Zur Erzeugung der nachgebildeten Phasenspannungen U_Rn, U_Sn und U_Tn sind die Schaltungsanordnungen 60R, 605 und 60 Γ vorgesehen, von denen lediglich die Schaltung 60 T im einzelnen dargestellt ist Die Schaltung 60Tzur Nachbildung der Phasenspannung Urn enthält einen ersten Addierverstärker 61, dessen invertierender Eingang über einen ersten Eingangswiderstand mit dem Widerstandswert R mit der Zündsteuerleitung für das Ventil π 1, sowie über einen zweiten Eingangswiderstand mit dem Wider- to standswert -== mit der Zündsteuerleitung für das Ventil π 9, sowie über einen dritten Eingangswiderstand mit dem Widerstandswert —= mit der Zündsteuerleitung für

(3

das Ventil π 7 verbunden ist Der invertierende Eingang eines zweiten Addierverstärkers 62 ist über einen Eingangswiderstand mit dem Widerstandswert R mit der Zündsteuerleitung für das Ventil /2 5 und über einen weiteren Eingangswiderstand mit dem Widerstands-

wert Yj mit der Zündsteuerleitung für das Ventil nil verbunden. Die Ausgangsspannung des Addierverstärkers 61 und die invertierte Aüsgangsspannung des Addierverstärkers 62 werden in einem dritten Addierverstärker 63 zusammengefaßt. Die Ausgangsspannung des dritten Addierverstärkers 63 stellt eine nachgebildete Rechteckspannung L/55,, dar. Die nachgebildete Rechteckspannung U_55n wird einer Filternachbildung zugeführt, die zwei hintereinander geschaltete Integratoren 161 und 162 und einem Invertierverstärker 163 aufweist. Der Integrator 161 bildet die Längsinduktivität eines Tiefpaßfilters nach. Der Integrator 162 bildet die Querkapazität eines Tiefpaßfilters nach. Die invertierte Ausgangsspannung des zweiten Integrators 162 wird auf den Eingang des ersten Integrators 161 rückgekoppelt. Am Ausgang der Filternachbildung erscheint eine nachgebildete sinusförmige Phasenspannung Um-

Die weiteren Schaltungsanordnungen 60/? und 60 S sind in ähnlicher Weise aufgebaut und erzeugen nachgebildete sinusförmige Phasenspannung Ur„ und Usn- Die ein Drehstromsystem bildenden nachgebildeten Phasenspannungen L/r» Usn und Um werden zur Betragsbildung jeweils über eine Gleichrichterschaltung 64/?, 64Sund 64 Tgeführt und in einem Addierverstärker 65 addiert. Die Ausgangsspannung des Addierverstärkers 65 wird in einem Multiplizierer 71 mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert, vorzugsweise mit einem Meßwert für die Spannung der Stromquelle 2, die von einem Spannungsmeßwandler 59 erfaßt wird. Die Ausgangsspannung des Multiplizierers 71 stellt einen nachgebildeten Spannungsbetrag | U_n \ dar. Der nachgebildete Spannungsbetrag | U_n | kann jedoch noch nicht unmittelbar als künstlicher Betrags-Istwert verwendet werden. Es muß vielmehr noch dafür gesorgt werden, daß die Betragsregelkreise 13 und 23 in den beiden Steuereinrichtungen 10 und 20 nicht auseinanderlaufen. Hierzu ist ein Nachführregler 66 vorgesehen, dessen invertierender Eingang mit einem Differenzverstärker 67 verbunden ist. Der Differenzverstärker 67 bildet die Differenz aus dem nachgebildeten Spannungsbetrag I LZ_n I und dem gemessenen Spannungsbetrag I U\ von der Spannungsmeßeinrichtung 5. Die Ausgangsspannung des Nachführregelers 66 wird die Umschalteinrichtung 31 auf den Istwerteingang 28 des Spannungsbetragsreglers 23 in der zweiten Steuereinrichtung 2 gegeben. Bei Abweichungen des nachgebildeten Spannungsbetrags vom gemessenen Spannungsbetrag wird die Ausgangsspannung des Betragsreglers 23 derart beeinflußt daß die Abweichung auf NuIi ausgeregelt wird. Auf diese Weise ist ein ständiger Gleichlauf der Spannungsregler 13 und 23 in den Steuereinrichtungen 10 und 20 gewährleistet

Die nachgebildeten Phasenspannungen Ur„, Us_n und Um werden weiterhin einer Frequenzmeßeinrichtung 68 zugeführt die in bekannter Weise aufgebaut sein kann. Die Frequenzmeßeinrichtung 68 liefert einen nachgebildeten Frequenzwert fn, der in einem Differenzglied 69 mit dem gemessenen Frequenzwert /verglichen wird. Die Ausgangsspannung des Differenzgliedes 69 steuert einen weiteren Nachführregler 70 aus, dessen Ausgangsspannung über die Umschalteinrichtung 30 dem Istwertemgang 26 des Phasenreglers 22 in der Steuereinrichtung 20 zugeführt wird.

Bei Abweichungen des nachgebildeten Frequenzwertes vom gemessenen Frequenzwert wird die dem

Istwerteingang 26 des Phasenreglers 22 zugeführte Spannung derart beeinflußt, daß die Abweichung auf Null ausgeregelt wird.

Durch die Nachführung des Betragsreglers 23 und des .Phasenreglers 22 in der zweiten Steuereinrichtung 20 ist r> ein ständiger Gleichlauf der entsprechenden Regeleinrichtungen und damit auch der Steuersätze 11 und 21 gewährleistet, die somit überstimmende Zündimpulsmuster erzeugen. Hierdurch ist eine Umschaltung von der ersten Steuereinrichtung 10 auf die zweite Steuereinrichtung 20 jederzeit möglich, ohne daß eine Unterbrechung oder ein Phasensprung der Verbraucherspannung auftritt.

F i g. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen gesteuerten Gleichrichter 72, der aus einem Dreipha- is sennelz 85 einen Gleichstrom verbraucher 86 speist. Die Halbleiterventile des gesteuerten Gleichrichters 72 werden über eine Umschalteinrichtung 78 entweder von einem ersten Steuersatz 73 oder von einem zweiten Steuersatz 75 mit Zündimpulsen gesteuert. Dem ersten Steuersatz 73 ist eine erste Regeleinrichtung 74 und dem zweiten Steuersatz 75 eine zweite Regeleinrichtung 76 vorgeschaltet. Die Regeleinrichtungen können als Spannungsregeleinrichtungen oder als Stromregeleinrichtungen oder als kombinierte Spannungs- und Stromregeleinrichtungen ausgebildet sein. Für die nachfolgende Beschreibung wird angenommen, daß die Regeleinrichtungen 74 und 76 als Spannungsregeleinrichtungen ausgebildet sind. Der Regeleinrichtung 74 wird ein Spannungsistwert von einem Meßwandler 87 ! und ein Spannungssollwert von einem Sollwertgeber 82

^: zugeführt. Als Sollwertgeber 82 kann eine Einstellvorrichtung oder insbesondere eine übergeordnete Regel-" einrichtung vorgesehen sein. Der zweiten Regeleinrichtung 76 wird der Sollwert ebenfalls vom Sollwertgeber' 82 und der Istwert über eine Umschalteinrichtung 79 von einem Modell 77 zugeführt Das Modell 77 ist wiederum eine elektronische Nachbildung des gesteuerten Gleichrichters 72. Das Modell 77 bildet nachgebildete Istwerte für die zweite Regeleinrichtung 76 und für deren Überwachung.

Zur Überwachung der ersten Informationselektronik mit dem ersten Steuersatz 72 und der ersten Regeleinrichtung 74 ist eine erste Überwachungseinrichtung 80 vorgesehen, die als Sollwert/Istwert-Vergleichseinrichtung ausgebildet ist Bei einer unzulässij gen Abweichung zwischen Sollwert und Istwert der

j Ausgangsspannung des gesteuerten Gleichrichters 72

wird eine Störungsmeldung an der Störungsanzeige 81 angezeigt. Gleichzeitig werden die Umschalteinrichtungen 78 und 79 umgesteuert. Die Ansteuerung des _ gesteuerten Gleichrichters 72 erfolgt nunmehr über die

zweite Inform^tionselektronik mit dem zweiten Steuersatz 75 und der zweiten Regeleinrichtung 76.

Zur ständigen Überwachung der zweiten Informationselektronik 75,76 ist eine zweite Überwachungseinrichtung 83 vorgesehen, die ständig den Sollwert vom Sollwertgeber 82 mit dem nachgebildeten Istwert vom Modell 77 vergleicht Bei einer unzulässigen Abweichung wird eine Störungsmeldung an einer Anzeige 84 angezeigt Die entsprechende Störung ist entweder im zweiten Steuersatz 75, in der zweiten Regeleinrichtung 76 oder im Modell 77 aufgetreten. Diese Störung muß nunmehr unverzüglich beseitigt werden.

F i g. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Halbleiterschalter 88, der beispielsweise als Halbleiterschalter mit Zwangskommutierung ausgebildet sein kann. Der Halbleiterschalter 88 wird über eine Umschalteinrichtung 89 entweder von einer ersten Steuerung 90 oder von einer zweiten Steuerung 91 nach Maßgabe von Steuerbefehlen gesteuert, die von einer übergeordneten Steuereinrichtung 92 gebildet werden. Der ersten Steuerung 90 ist eine erste Überwachung 93 und der zweiten Steuerung 91 ist eine zweite Überwachung 94 zugeordnet. Zur Überwachung eines derartigen Schalters gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann der Strom durch den Schalter oder — wie im dargestellten Beispiel — die Spannung über dem Schalter erfaßt werden. In beiden Fällen läßt sich aus entsprechenden Meßwerten erkennen, ob der Schalter eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Der Überwachung 93 werden ebenfalls die Steuerbefehle aus der übergeordneten Steuereinrichtung 92 zugeführt. Die Überwachung 93 ermittelt hieraus, ob sich der Schalter 88 nach Maßgabe der Steuerbefehle im stromdurchlässigen oder stromsperrenden Zustand befinden muß und vergleicht dies mit der Rückmeldung. Stimmt der Sollzustand des Schalters nicht mit seinem Istzustand überein, so wird eine Störung gemeldet. Gleichzeitig werden die Umschalteinrichtungen 89 und 95 umgesteuert. Die Ansteuerung des Schalters 88 erfolgt jetzt über die zweite Steuerung 91 nach Maßgabe der gleichen Steuerbefehle. Der Überwachung 94, die der Steuerung 91 zugeordnet ist, wird jetzt über den Schalter 95 der Istzustand des Schalters 88 gemeldet.

Die F i g. 7A und 7B zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Stromrichter mit einer redundant ausgeführten Informationselektronik. In F i g. 7A ist eine Nachführung der Spannungsbetragsregelung und in Fig. 7B eine Nachführung der Phasenregelung der jeweiligen Steuereinrichtungen dargestellt. Die getrennte Darstellung der beiden Regelfunktionen ermöglicht eine einfache Erläuterung der Zusammenhänge. Gleiche und gleichwirkende Bauelemente aus den F i g. 1 bis 6 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

F i g. 7A zeigt den Wechselrichter 3, der den Verbraucher 1 aus der Stromquelle 2 speist. Die gesteuerten Halbleiterventile des Wechselrichters 3 werden über die Umschalteinrichtung 9 entweder vom ersten Steuersatz 11 oder vom zweiten Steuersatz 21 gesteuert Dem Steuersatz 11 ist wiederum ein Phasenregler 12 (siehe F i g. 7B) und ein Betragsregler 13 vorgeschaltet während dem Steuersatz 21 ein Phasenregler 22 (siehe F i g. 7B) und ein Betragsregler 23 vorgeschaltet sind. Die Steuersätze mit den jeweiligen Regeleinrichtungen bilden wiederum eine Informationselektronik im Sinne der Erfindung. Zur Überwachung dieser Informationselektronik ist eine Überwachungseinrichtung 100 vorgesehen, deren Aufbau und Funktion zunächst anhand von Fig.8 beschrieben wird.

Fig.8 zeigt die Überwachungseinrichtung 100 im Zusammenwirken mit den beiden Steuersätzen 11 und 21. Die Ausgänge der Steuersätze 11 und 21, die jeweils mit den Zündimpulsen für das gleiche Ventil des Stromrichters belegt sind, werden jeweils auf die Eingänge eines der Exklusiv-ODER-Gatter 114 bis 119 geschaltet Ein derartiges Exklusiv-ODER-Gatter führt am Ausgang nur dann ein logisches I-Signal, wenn ein Eingang ein 0-Signal und der andere Eingang ein 1-Signal führt Bei Gleichheit der Eingangssignale führt ein Exklusiv-ODER-Gatter am Ausgang ein 0-SignaL Die Ausgänge der 6 Exklusiv-ODER-Gatter 114 bis 119 werden in einem normalen ODER-Gatter 120 disjunktiv

miteinander verknüpft. Dem ODER-Gatter 120 ist ein UND-Gatter 122 nachgeschaltet, dessen einer Eingang unmittelbar mit dem Ausgang des ODER-Gatters 120 und dessen zweiter Eingang über ein Verzögerungsglied

121 mit dem Ausgang des ODER-Gatters 120 -, verbunden ist.

Solange die Zündimpulse der beiden Steuersätze 11 und 21 ein übereinstimmendes Impulsraster bilden, stehen an beiden Eingängen der Exklusiv-ODER-Gatter 114 bis 119 jeweils gleichzeitig entweder 1-Signale oder O-Signale an. Die Ausgänge der Exklusiv-ODER-Gatter 114 bis 119 führen O-Signale. Weichen dagegen zwei an sich gleichzeitig auftretende Zündimpulse in ihrem zeitlichen Auftreten voneinander ab — sei es dadurch, daß ein Impuls des Steuersatzes 11 länger oder kurzer π ist als der entsprechende Impuls des Steuersatzes 21, ganz ausfällt oder zeitlich verschoben ist — so erscheint am Ausgang des betreffenden Exklusiv-ODER-Gatters ein 1-Signal, welches über das ODER-Gatter 120 das Verzögerungsglied 121 anstößt. Ist die zeitliche >» Abweichung der Zündimpulse kleiner als die Ansprechverzögerung des Verzögerungsghedes 121, so erscheint kein Störungssignal am Ausgang des UND-Gliedes 122. Obersteigt dagegen die zeitliche Abweichung der Zündsteuersignale die Ansprechverzögerung des Verzögerungsgliedes 121, so wird am Ausgang des UND-Gatters 122 ein aktives Signal abgegeben. Dieses kann gegebenenfalls noch gespeichert werden.

Ein aktives Ausgangssignal des UND-Gatters 122 tritt somit dann auf, wenn die Zündimpulsraster der beiden Steuersätze 11 und 21 wenigstens bezüglich eines Zündimpulses voneinander abweichen. Hieraus kann auf eine Störung in einer der beiden Steuereinrichtungen geschlossen werden. Es ist jedoch noch offen, ob die erste oder zweite Steuereinrichtung gestört ist. Um dies festzustellen, wird die Ausgangsspannung des Stromrichters überwacht. Hierzu ist eine Spannungsüberwachungseinrichtung 123 vorgesehen, die an die Meßwandleranordnung 4 angeschlossen ist. Als Spannungsüberwachungseinrichtung 123 kann entweder eine Sollwert/Istwert-Vergleichseinrichtung vorgesehen sein, wie sie in F i g. 1 dargestellt und beschrieben ist. Es kann jedoch auch eine Spannungsüberwachungseinrichtung von der Art vorgesehen sein, wie sie in der DE-PS 23 48 415 oder der DE-OS 26 37 397 oder der DE-OS ■27 18 591 beschrieben ist. Die Spannungsüberwachungs-■einrichtung 123 ist mit einem UND-Gatter 124 und mit dem invertierenden Eingang eines weiteren UND-Gatters 125 verbunden. Die zweiten Eingänge der UND-Gatter 124 und 125 sind mit dem Ausgang des UND-Gatters 122 verbunden. Wenn das UND-Gatter

122 ausgangsseitig ein aktives Störungssignal führt und gleichzeitig auch die Spannungsüberwachungseinrichtung 123 ein aktives Störungssignal erzeugt, so wird das UND-Gatter 124 durchgesteuert. Sein aktives Ausgangssignal bedeutet, daß die erste Steuereinrichtung mit dem Steuersatz 11, dem Phacenregler 12 und dem Betragsregler 13 gestört ist. Das aktive Ausgangssignal des UND-Gatters 124 wird in der strichliert angedeuteten Weise dazu benutzt, um ein Relais 126 umzusteuern, dessen Schaltkontakte die Schalteinrichtungen 109,112, 105, 106 und die Umschalteinrichtung 109 darstellen. Diese Art der Darstellung dient lediglich dem Verständnis. In der schaltungstechnischen Realisierung wird man elektronische Schalter verwenden. Die Störung wird außerdem mit der Störungsanzeige 45 angezeigt Wenn dagegen zwar das UND-Gatter 122 ein aktives Störungssignal führt, nicht jedoch die Spannungsüberwachungseinrichtung 123, so liegt ein Fehler in der zweiten Steuereinrichtung mit dem Steuersatz 21, dem Phasenregler 22 und dem Betragsregler 23 vor. Eine derartige Störung wird mit der Anzeige 46 angezeigt. Der defekte Teil der zweiten Steuereinrichtung muß nunmehr unverzüglich instand gesetzt werden.

Eine Überwachung auf Übereinstimmung der Impulsraster der Zündimpulse der beiden Steuersätze 11 und 21 ist in der beschriebenen Weise nur dann möglich, wenn die Impulsmuster im ungestörten Zustand tatsächlich übereinstimmen. Dies setzt jedoch voraus, daß beiden Steuersätzen gleiche Steuerspannungen sowohl am Betragssteuereingang als auch am Frequenzsteuereingang zugeführt werden. Da jeweils eine der beiden Steuereinrichtungen nicht auf den Stromrichter durchgeschaltet ist, sind die Regelkreise dieser Steuereinrichtung nicht geschlossen und ein Gleichlauf beider Steuereinrichtungen nicht ohne weiteres möglich. Ein Gleichlauf der beiden Steuereinrichtungen kann beispielsweise durch Verwendung eines elektronischen Modells des Stromrichters erzwungen werden, das mit den Zündimpulsen einer Steuereinrichtung beaufschlagt ist und nachgebildete Istwerte für die betreffenden Regelkreise liefert. Dieser Weg wurde im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aufgezeigt. Die Fig. 7A und 7B zeigen einen anderen Weg, dessen Vorteil darin besteht, daß keine der beiden Steuereinrichtungen gegenüber der anderen bevorzugt wird. Ein elektronisches Modell eines Stromrichters wird ebenfalls nicht benötigt. Diese Möglichkeit der Überwachung und Nachführung der Regelungen ist unabhängig von der verwendeten Stromrichterschaltung und kann somit bei beliebigen Stromrichtern eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei einer Störung in der einen Steuereinrichtung auf die ungestörte zweite Steuereinrichtung umgeschaltet werden kann, die auch nach Beseitigung eier Störung den Stromrichter weiter steuert, wobei die zunächst gestörte Steuereinrichtung nach ihrer Instandsetzung in Reserve bleibt, bis eine Störung in der zweiten Steuereinrichtung auftritt.

Fig. 7A zeigt den Betragsregler 23 mit seinem vorgeschalteten Vergleichsglied 23a, dem ein vorgegebener Sollwert für den Spannungsbetrag, der Istwert des Spannungsbetrages und über eine Schalteinrichtung 106 das Ausgangssignal eines Nachführreglers 104 geführt ist. Der Ausgang des Betragsreglers 23 ist mit dem Betragssteuereingang 25 des Steuersatzes 21 verbunden. Die Beschallung des Phasensteuereinganges 24 ist in F i g. 7B dargestellt.

Der Nachführregler 104 ist eingangsseitig mit einem Differenzglied 103 verbunden, das mit dem Betragssteuereingang 15 des Steuersatzes 11 und mit dem Betragssteuereingang 25 des Steuersatzes 21 verbunden ist Wenn zwischen den Steuerspannungen an den Betragssteuereingängen 15 und 25 der beiden Steuersätze 11 und 21 unterschiedliche Steuerspannungen anstehen, so wird die im Differenzglied 103 gebildete Differenz dieser Steuerspannungen über den Nachführregler 104 als Korrektursigna] auf den Betragsregler 23 aufgeschaltet sofern der Schalter 106 geschlossen ist. In der Zeichnung wird der Stromrichter 3 vom Steuersatz 21 gesteuert d.h. der Steuersatz 21 mit seinen vorgeschalteten Regeleinrichtungen ist die führende Steuereinrichtung. In diesem Falle darf kein Korrektursignal auf den Betragsregler 23 gageben werden. Der Schalter 106 ist daher geöffnet

In analoger Weise ist das DifferenzgHed 13a nri

Eingang des Betragsreglers 13 des Steuersatzes 11 mit dem Sollwert des Spannungshetrages, dem entsprechenden Istwert und einem Korrektursignal beaufschlagt das über ein?n Schalter 105 geführt ist. Das Korrektursignal wird von einem Korrekturregler 102 gebildet, dem eingangsseitig ein Differenzglied 101 vorgeschaltet ist, das wiederum mit dem Betragssteuereiiigang 15 des Steuersatzes 11 und mit dem Betragssteuereingang 25 des Steuersatzes 21 verbunden ist Beim Auftreten einer Differenz zwischen den beiden Betragssteuerspannungen bildet der Nachführregler 102 ein Korrektursignal, das über den Schalter 105 den Betragsregler 13 derart beeinflußt, daß sein Ausgangssignal mit dem des führenden Betragsreglers 23 übereinstimmt.

F i g. 7B zeigt die Nachführung der Phasenregler. Der Phasensteuereingang 24 des Steuersatzes 21 ist mit einem Phasenregler 22 verbunden, dessen vorgeschaltetes Differenzglied mit 22a bezeichnet ist. Dem Differenzglied 22a wird der Phasensollwert vom Sollwertgeber, der Phasenistwert und eine Korrekturspannung von einem Nachführregler 111 über einen Schalter 112 zugeführt. Dem Nachführregler 111 ist ein Differenzglied 110 vorgeschaltet, das mit den Phasensteuereingängen 14 und 24 der Steuersätze 11 und 21 verbunden ist.

In gleicher Weise ist der Phasensteuereingang 14 des Steuersatzes 11 mit einem Phasenregler 12 verbunden, dessen Differenzglied mit 12a bezeichnet ist. Dem Differenzglied 12a werden der Phasensollwert, der Phasenistwert und über einen Schalter 109 das Ausgangssignal eines weiteren Nachführreglers 108 zugeführt. Dem Nachführregler 108 ist ein Differenzglied 107 vorgeschaltet, dessen Eingänge wiederum mit den Phasensteuereingängen 14 und 24 der beiden Steuersätze 11 und 21 verbunden sind.

Für den Nachführregler 111 stellt die Phasensteuerspannung des Steuersatzes 21 den Istwert und die Phasensteuerspannung des Steuersatzes 11 den Sollwert dar. Für den Nachführregler 108 stellt die Phasensteuerspannung des Steuersatzes 21 den Sollwert und die Phasensteuerspannung des Steuersatzes 11 den Istwert dar. Bei Abweichungen der Phasensteuerspannungen der beiden Steuersätze 11 und 21 werden die Nachführregler 108 und 111 ausgesteuert. Die Ausgangsspannung des Nachführreglers 111 wird über den geöffneten Schalter 112 gesperrt, da der Steuersatz 21 den Stromrichter 3 steuert. Die Ausgangsspannung des Nachführreglers 108 beeinflußt den Phasenregler 12 derart, daß seine Ausgangsspannung mit der de-i führenden Phasenreglers 22 übereinstimmt.

Die Erfindung wird bevorzugt bei unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen eingesetzt. F i g. 9 zeigt schematisch den Aufbau einer derartigen Anlage:

An ein Dreiphasennetz 130 ist über einen Netztransformator ein gesteuerter Gleichrichter 131 angeschlossen. Der gesteuerte Gleichrichter .31 wird über eine Umschalteinrichtung 132 von einer erfindungsgemäß aufgebauten redundanten Gleichrichter-Steuereinrichtung 133 mit Zündimpulsen gesteuert. Der redundanten Gleichrichter-Steuereinrichtung 133 ist eine Überwachungseinrichtung 134 zugeordnet, die die Umschalteinrichtung 132 umsteuert, sobald ein Fehler in einer der beiden Informationselekixoniken der redundanten Gleichrichter-Steuereinrichtung 133 auftritt. Der Aufbau der redundanten Gleichrichter-Steuereinrichtung

133 und der zugeordneten Überwachungseinrichtung

134 kann beispielsweise in der in Fig.5 dargestellten

Art ausgeführt sein oder in der Weise, die in den F i g. 7A, 7B und 8 dargestellt ist.

Die Ausgangsspannung des gesteuerten Gleichrichters 131 wird über ein Siebglied einer Batterie 135 als Ladespannung zugeführt. An die Batterie 135 ist über ein Eingangssiebglied ein Wechselrichter 136 mit gesteuerten Halbleiterventilen angeschlossen. Der Wechselrichter 136 wird über eine Umschalteinrichtung 137 von einer erfindungsgemäß aufgebauten redundanten Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 mit Zündimpulsen gesteuert Der redundanten Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 ist eine Überwachungseinrichtung 139 zugeordnet, die im folgenden als »Steuersatz-Überwachung« bezeichnet wird. Die Steuersatz-Überwachung 139 gibt bei einer Störung in einer der beiden ■ Informationselektroniken der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 ein Slörungssignal an eine zentrale Überwachungseinrichtung 150.

Der Wechselrichter 136 speist über einen Wechse!- richtertransformator und ein Wechselrichterfilter sowie einen Schalter 142 eine Sichere Schiene 143, an der nicht näher dargestellte Verbraucher angeschlossen sind. Der Schalter 142 kann als mechanischer Schalter oder — wie dargestellt — als Halbleiter-Leistungsschalter ausgebil-

2^r, det sein. Die Versorgung der Sicheren Schiene 143 erfolgt im ungestörten Betrieb aus dem dreiphasigen Versorgungsnetz 130 über den Gleichrichter 131. die Batterie 135, den Wechselrichter 136 und den stromdurchlässig gesteuerten Schalter 142. Bei einer Störung oder einem Ausfall des dreiphasigen Versorgungsnetzes 130 läuft die Versorgung der Sicheren Schiene 143 ohne Unterbrechung durch Energieentnahme aus der Batterie 135 weiter. Bei der in F i g. 6 dargestellten unterbrechungsfreien Stromversorgungs-

j5 anlage arbeiten der Gleichrichter 131 und der Wechselrichter 136 im Dauerbetrieb. Der Vorteil einer derartigen Anlage besteht neben der völlig unterbrechungsfreien Speisung der Sicheren Schiene auch darin, daß bei einer Störung oder einem Ausfall des Versorgungsnetzes 130 keine Schaltvorgänge notwendig sind.

Bei Störungen in der redundanten Gleichrichter-Steuereinrichtung 133 oder der redundanten Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 erfolgt in der erfindungsgemäßen Weise eine Umschaltung in den jeweiligen Steuereinrichtungen. Um aber auch bei einer Störung im Leistungsteil des Wechselrichters 136 eine weitere Energieversorgung der Sicheren Schiene 143 zu ermöglichen, ist die Sichere Schiene 143 über einen

so weiteren Schalter 146 mit dem dreiphasigen Versorgungsnetz 130 verbunden. Der weitere Schalter 146 kann ebenso wie der Schalter 142 als mechanischer Schalter oder als Halbleiter-Leistungsschalter ausgebildet sein. Der Schalter 146 befindet sich normalerweise im stromsperrenden Zustand. Bei einer Störung im Leistungsteil des Wechselrichters 136 wird der Schalter 142 stromsperrend und der Schaller 146 stromdurchlässig gesteuert. Die Versorgung der Sicheren Schiene 143 erfolgt nunmehr unmittelbar aus dem dreiphasigen

bo Versorgungsnetz 130. Unter der Voraussetzung, daß nicht gleichzeitig eine Störung im Leistungsteil des Wechselrichters 136 und eine Störung im Versorgungsnetz 130 auftritt, ist die Verfügbarkeit der Sicheren Schiene 143 weiter gesichert.

b5 Zur Überwachung der gesamten Anlage und zur Steuerung der Umschalteinrichtung 137 und der Schalter 142 und 146 ist die zentrale Überwachungseinrichtung 150 vorgesehen. Diese ist — wie bereits

ausgeführt — mit der Sieuersatz-Überwachungseinrichtung 139 für die redundante Steuereinrichtung 138 des Wechselrichters 136 verbunden. Weiterhin ist die zentrale Überwachungseinrichtung 150 mit einer Wechselrichter-Überwjchuiig 141 verbunden, der als Eingangssignale beispielsweise die von einer Spannungsmeßwandleranoninung 140 abgegriffenen Ausgangsspannungen des Wechselrichters 136 zugeführt sind. Die Wechselrichter-Überwachung 141 erzeugt ein Störungssignal, wenn die Ausgangsspannung des Wech- ι ο selrichters einen vorgegebenen Toleranzbereich verläßt. Die zentrale Überwachungseinrichtung 150 ist weiterhin mit einer Schienenspannungs-Überwachung 145 verbunden, der als Eingangssignal beispielsweise die von einer Spann.irgsmeßwandleranordnung 144 abgegriffenen Phasens:ia nnungen der Sicheren Schiene zugeführt sind, also die Verbraucherspannung. Die Schienenspannungs-Ütierwachung 145 erzeugt ein Störungssignal, wenn die Schienenspannung einen vorgegebenen Toleranzbere ich verläßt Schließlich ist die zentrale Überwachungiieinrichtung 150 noch mit einer Netzspannungs-Überw ichung 148 verbunden, der ais Eingangssignale die an einer Spannungswandleranordnung 147 abgegriffenen P hasenspannungen des dreiphasigen Versorgungsnet ms 130 zugeführt sind. Die Netzspannungsüberwa ?hung 148 erzeugt ein Störungssignal, wenn die Net; spannung einen vorgegebenen Toleranzbereich verlaß:.

Die Steuersatz-Übe-wachung 139 ist in der erfindungsgemäßen Weise .umgebildet. Die Wechselrichter-Überwachung 141, d e Schienenspannungs-Überwachung 145 und die Ncüispannungs-Überwachung 148 können in bekannter Weise ausgeführt sein und beispielsweise Absolut wertüberwachungen und NuIldurchgangsüberwachungen enthalten, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind. Die ze itrale Überwachungseinrichtung

150 steuert außerdem Anzeigen 159 und 160. Die Anzeige 159 wird angesteuert, wenn die gerade führende Informationselektronik in der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 gestört ist. Die Anzeige 160 wird angesteuert, wenn die im Bereitschaftsbetrieb mitlaufende InformationselektiOnik in der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 gestört ist.

F i g. 10 zeigt schem.ilisch den Aufbau der zentralen Überwachungseinrichtung 150. Eingangsseitig sind die Wechselrichter-Überwachung 141, die Netzspannungs-Überwachung 148, die Steuersatz-Überwachung 139 und die Schienenspan uings-Überwachung 145 angeschlossen. Die genannten Überwachungen erzeugen Nullsipnale als Störutigssignale. Die Störungssignale werden gespeichert und in logischen Verknüpfungsgliedern zu Stellsignalen ve rknüpft.

Der invertierende Eingang eines NAND-Gatters 156 ist mit der Schiene ispannungs-Überwachung 145 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des NAND-Gatters 156 ist mit einuni UND-Gatter 152 verbunden, dessen einer Eingang nMt dem Ausgang eines Speichers

151 und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang eines Speichers 157 verbunden ist. Im ungestörten Zustand sind die Speicher 151 und 157 gelöscht. Am nichtinvertierenden Eingang deü MAND-Gatters 156 steht ein 0-Signal und am invertierenden Eingang ein 1-Signal an. Am Ausgang des NAND-Gatters 156 erscheint ein 1-Signal. Sobald von dar Schienenspannungs-Überwachung 145 ein 0-Signal ills Störungssignal erscheint, wird das NAND-Gatter 136 durchgesteuert, so daß ein 0-Signal an seinem Ausgang erscheint. Dieses 0-Signal stellt einen Umschalibefehl zur Umschaltung der Informationsebenen in der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 dar. Der Umschaltbefehl löscht den Speicher 157, dessen Ausgang mit einer Kippstufe 158 verbunden ist. Der Speicher 157 dient zur Verhinderung von unzulässigen Umschaltungen. Das Ausgangssignal der Kippstufe 158 steuert die Umschalteinrichtung 137 für "die Zündimpulse des Wechselrichters sowie die weiteren Umschalteinrichtungen in der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 sowie die Anzeige 159. Der Zustand der Kippstufe 158 bestimmt somit, weiche der beiden Informationsebenen der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 den Wechselrichter steuert

Das Ausgangssignal des Speichers 157 dient weiterhin als Sperrsignal für das UND-Gatter 152, so daß nach einer Umschaltung der Informationsebenen nur noch eine Umschaltung auf den unmittelbaren Netzbetrieb möglich ist.

Es wird nunmehr wiederum vom ungestörten Zustand ausgegangen. Alle Speicher sind gesetzt Am Eingang des UND-Gatters 152 steht ein 0-Signal vom Speicher 157 und ein 0-Signal vom Speicher 151 an. Das UND-Gatter 152 führt ausgangsseitig ein 0-Signal. Am oberen invertierenden Eingang eines weiteren UND-Gatters 153 steht somit ein 0-Signal vom UND-Gatter 152, am unieren invertierenden Eingang ein 1-Signal von der Schienenspannungs-Überwachung 145 und am mittleren, nichtinvertierenden Eingang ein 1-Signal von der Netzspannungs-Überwachung 148 an. Der Ausgang des UND-Gatters 143 führt im ungestörten Zustand somit ein 0-Signal. Bei einer Störungsmeldung von der Wechselrichter-Überwachung 141 wird der Speicher 151 gelöscht, und das UND-Gatter 152 wird durchgesteuert. Am oberen invertierenden Eingang des UND-Gatters 153 erscheint ein 1-Signal. Ebenfalls erscheint am unteren invertierenden Eingang des UND-Gatters 153 ein 1-Signal von der Schienenspannungs-Überwachung 145. Wenn also sowohl von der Wechselrichter-Überwachung 141 als auch von der Schienenspannungs-Überwachung 145 Fehlersignale gemeldet werden, wird das UND-Gatter 153 durchgesteuert und führt ausgangsseitig ein 1-Signal. Dieses 1 -Signal wird als Umschaltbefehl vom Wechselrichterbetrieb auf direkte Netzeinspeisung aufgefaßt und dient zur Steuerung der Schalteinrichtungen 142 und 146. Ein solcher Umschaltbefehl kommt jedoch nur dann zustande, wenn die Netzspannungsüberwachung nicht ebenfalls ein Störungssignal führt. Hierdurch wird eine Umschaltung auf ein gestörtes Netz verhindert.

Es wird wiederum vom ungestörten Zusta id ausgegangen. Die Speicher 151 und 154 sind gesetzt. Die mit den Eingängen eines weiteren UND-Gatters 155 verbundenen Ausgänge führen jeweils 0-Signale. Das UND-Gatter 155 führt ausgangsseitig ein 1-Signal. Bei einer Störungsmeldung von der Steuersatz-Überwachung 139 wird der Speicher 154 gelöscht. Das UND-Gatter 155 führt ausgangsseitig ein 0-Signal als Fehlermeldung für die mitlaufende Informationsebene in der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 155 steuert die entsprechende Anzeige 160 an. Das UND-Gatter 155 wird jedoch nicht durchgesteuert, wenn gleichzeitig ein Fehlersignal von der Wechselrichter-Überwachung 141 kommt. In diesem Falle liegt keine Störung der mitlaufenden Informationselektronik, sondern eine Störung der führenden Informationselektronik vor, die zu einer Umschaltung der Informationsebenen führt.

Wenn nach einem Störungsfall die Störung beseitigt ist, so kann über einen Handschalter 149 ein Setzsignal

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auf die Speicher 151, 154 und 157 gegeben werden, so daß deren Ausgänge wiederum O-Signale führen.

Die dargestellte Verknüpfungsschaltung verwirklicht folgende Überwachungskriterien:

Wenn ausschließlich eine Störung der Spannung der Sicheren Schiene gemeldet wird, so wird auf einen Kurzschluß auf der Sicheren Schiene bzw. bei einem der angeschlossenen Verbraucher geschlossen. Bei diesem Störungsfall erfolgen keinerlei Umschaltungen. Wird eine Störung bei der Ausgangsspannung des Wechsel- m richters und eine Störung bei der Spannung auf der Sicheren Schiene gemeldet, so wird auf einen Defekt in der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 geschlossen. Jetzt erfolgt eine Umschaltung der Steuerung des Wechselrichters von der führenden Informationselek- π tronik auf die parallel mitlaufende Informationselektronik durch Betätigung der Umschilteinrichtung 137. Sofern nach der Umschaltung der Steuerung des Wechselrichters noch immer Störungssignale von der Schienenspannungs-Überwachung und der Wechselrichter-Oberwachung kommen, wird auf eine Störung im Leistungsteil des Wechselrichters geschlossen. Jetzt erfolgt eine Umschaltung der Speisung der Sicheren Schiene von der Wechselrichterspeisung auf eine direkte Einspeisung aus dem Versorgungsnetz durch 2> Umsteuerung der Schalter 142 und1146.

Wenn lediglich die Steuersatz-Überwachung 139 ein Störungssignal anzeigt, gleichzeitig aber kein Störungssignal von der Wechselrichter-Überwachung 141 kommt, so wird auf eine Störung in der mitlaufenden Informationsebene der Wechselrichter-Steuereinrichtung 138 geschlossen. Diese Störung wird lediglich angezeigt.

Die Erfindung kann auch bei gesicherten Stromversorgungsanlagen eingesetzt werden, die im ungestörten Normalbetrieb unmittelbar aus dem Versorgungsnetz gespeist werden und die bei einer Störung der Netzspannung auf eine Versorgung über einen Stromrichter umgeschaltet werden. Dei Stromrichter kann dabei in der Bereitschaftsstellung im Leerlaufbetrieb arbeiten, wobei die Ventile der Leistungselektronik von einer redundant ausgeführten Steuerelektronik mit Zündimpulsen angesteuert werden. Es ist auch möglich, einen Stromrichter einzusetzen, bei dem in der Bereitschaftsstellung zwar bereits die Steuerelektronik arbeitet, die Weitergabe der Zündimpulse an die Ventile jedoch gesperrt wird. Erst bei einem Startbefehl werden die Zündimpulse freigegeben und die Leistungselektronik gestartet In diesem Falle können insbesondere zwei elektronische Modelle der Leistungselektronik eingesetzt werden, da die Regelkreise der der beiden Steuereinrichtungen über die stillgesetzte Leistungselektronik nicht geschlossen sind. Die beiden Steuereinrichtungen und die beiden Modelle werden miteinander im Gleichlauf gehalten. Es ist weiterhin vorteilhaft, die erforderlichen Schnellstarteinrichtungen in die informationsverarbeitende Elektronik einzubeziehen und zweifach auszuführen.

Bei der praktischen Realisierung der Erfindung ist die richtige Schnittstelle zwischen der informationsverarbeitenden Elektronik und der Leistungselektronik von Bedeutung. Diese Schnittstelle kann beispielsweise unmittelbar hinter die Steuersätze gelegt werden, wobei die Zündimpalsverstärker und -übertrager zur Leistungselektronü' gerechnet werden. Die Schnittstelle kann aber auch so gelegt werden, daß die Zündimpulsverstärker zur informationsverarbeitenden Elektronik und die Zündimpulsübertrager zur Leistungselektronik gerechnet werden Maßgebend für die Wahl der richtigen Schnittstelle ist die Fehlerwahrscheinlichkeit der betreffenden Bauteile. Die Bauteile mit sehr geringer Fehlerwahrscheinlichkeit werden der Leistungselektronik zugerechnet und nur einmal ausgeführt, während die Bauteile mit demgegenüber höherer Fehlerwahrscheinlichkeit der informationsverarbeitenden Elektronik zugerechnet und wenigstens zweifach ausgeführt und parallel betrieben werden.

Ebenfalls von Bedeutung ist die gesicherte Vorgabe der Sollwerte, da Fehler bei der Sollwertvorgabe von den Überwachungseinrichtungen nicht erkannt werden. Für eine gesicherte Sollwertvorgabe können beispielsweise die Geber, wie Potentiometer oder Regeleinrichtungen, dreifach vorgesehen und ihre Signale über eine Auswahlschaltung geführt werden.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gesicherte Stromrichteranordnung bestehend aus einer Leistungselektronik mit steuerbaren Ventilen und einer informationsverarbeitenden Elektronik zur Ansteuerung der Ventile der Leistungselektronik, gekennzeichnet dureil folgende Merkmale:

a) Die Leistungselektronik (3) ist nur einmal vorgesehen,

b) die informationsverarbeitende Elektronik ist redundant ausgeführt und enthält wenigstens zwei vollständige Steuereinrichtungen (10, 20), von denen jeweils eine Steuereinrichtung als führende Steuereinrichtung die Leistungselektronik steuert und die andere Steuereinrichtung parallel in einem Bereitschaftsbetrieb arbeitet,

c) den Steuereinrichtungen ist eine Überwachungseinrichtung (32 bis 49) zugeordnet, die bei einer Störung in der führenden Steuereinrichtung die Ansteuerung der Leistungselektronik auf eine ungestörte Steuereinrichtung umschaltet.

IO

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2. Gesicherte Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Steuereinrichtung (10) als führende Steuereinrichtung die steuerbaren Ventile der Leistungselektronik (3) mit Zündimpulsen ansteuert, während die Zündimpulse der parallel im Bereitschaftsbetrieb arbeitenden weiteren Steuereinrichtung (20) auf ein elektronisches Modell (8) der Leistungselektronik geschaltet sind, das mit der Leistungselektronik (3) im Gleichlauf gehalten wird, und daß die Überwachungseinrichtung (32 bis 49) die führende Steuereinrichtung (10) hinsichtlich der gemessenen Istwerte der Leistungselektronik (3) überwacht und im Störungsfall die Ansteuerung der Leistungselektronik (3) auf eine ungestörte Siebeinrichtung umschaltet, sowie die im Bereitschaftsbetrieb arbeitende weitere Steuereinrichtung (20) hinsichtlich künstlicher Istwerte vom Modell (8) überwacht und einen Störungsfall meldet.

3. Gesicherte Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuereinrichtungen (10, 20) durch Nachführregler (102, 104, 108, 111) derart im Gleichlauf gehalten werden, daß die Regelkreise (12, 13) der im Bereitschaftsbetrieb arbeitenden Steuereinrichtung (10) den Regelkreisen (22, 23) der führenden Steuereinrichtung (20) nachgeführt werden, und daß eine Überwachungseinrichtung (100) vorgesehen ist, die die Zündimpulse der beiden Steuereinrichtungen (10,20) miteinander vergleicht und bei Nichtübereinstimmung der Impulsraster ein Störungssignal erzeugt, das bei einer gleichzeitigen unzulässigen Abweichung der vorgegebenen Sollwerte von den gemessenen Istwerten der Leistungselektronik (3) die Ansteuerung der Leistungselektronik (3) von der führenden Steuereinrichtung (20) auf die weitere Steuereinrichtung (10) umschaltet bzw. bei hinreichender Übereinstimmung von Sollwerten und Istwerten der Leistungselektronik (3) eine Störung in der im Bereitschaftsbetrieb arbeitenden Steuereinricht jng (10) meldet.

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55 Die Erfindung bezieht sich auf eine gesicherte Stromrichteranordnung, bestehend aus einer Leistungselektronik mit steuerbaren Ventilen und einer informationsverarbeitenden Elektronik zur Ansteuerung der Ventile.

Derartige Stromrichteranordnungen, beispielsweise Gleichrichter, Gleichstromsteller, Wechselrichter, Wechselstromsteller und Halbleiterschalter sind insbesondere mit Thyristoren oder Transistoren bestückt Die Verwendung von derartigen Halbleiter-Bauelementen der Leistungselektronik gewährleistet bei derartigen Stromrichtern eine hohe Betriebssicherheit Die hohe Betriebssicherheit von Thyristor-Wechselrichtern hat dazu geführt, daß bei gesicherten Stromversorgungsanlagen anstelle der bisher üblichen rotierenden Umformer zunehmend statische Stromrichter eingesetzt werden. Für Verbraucher mit noch höheren Anforderungen an die Betriebssicherheit werden gesicherte Stromversorgungsanlagen für eine total unterbrechungsfreie Speisung gebaut, bei denen mehrere statische Stromrichter im Parallelbetrieb arbeiten. Mehrere derartige Anlagenkonzepte sind beschrieben in der Zeitschrift »Energie und Technik«, 1971, Seiten 61 bis 64.

Beim Parallelbetrieb mehrerer Wechselrichter mit zentralem Steuergerät werden die ausgangsseitig parallel geschalteten Wechselrichter von einem gemeinsamen Steuergerät gesteuert. Diese Technik bietet nur wenig Sicherheit gegen einen Totalausfall.

Beim Parallelbetrieb mit zentralem Synchronisieroszillator werden mehrere vollständige Wechselrichter von einem zentralen Oszillator synchronisiert. Die Sicherheit gegen einen Totalausfall ist hier bereits sehr groß, da lediglich der Ausfall des zentralen Oszillators zu einem Totalausfall führen kann.

Eine noch höhere Sicherheit gegen einen Totalausfall bietet der redundante Teillast-Parallelbetrieb, bei dem keine zentralen Einrichtungen vorgesehen sind, bei denen eine Störung einen Totalausfall zur Folge haben kann. In dieser Technik beeinflussen sich mehrere völlig selbständige Wechselrichter begrenzt gegenseitig. Sie arbeiten normalerweise im Teillastbetrieb. Durch Überwachungsorgane wird bei einer Störung das gestörte Gerät ermittelt und abgetrennt. Die im Parallelbetrieb weiterarbeitenden Geräte übernehmen die gesamte Verbraucherlast.

Bei bekannten Stromrichteranordnungen mit mehreren parallel arbeitenden Stromrichtern sind die hohen Anlagenkosten nachteilig. Zusätzlich entstehen laufend hohe Verluste, weil die einzelnen Stromrichter im ungestörten Betrieb nur im Teillastbereich arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gesicherte Stromrichteranordnung für eine unterbrechungsfreie Verbraucherspeisung zu schaffen, die sich durch geringe Anlagenkosten und geringe laufende Verluste auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst: