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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum verlustarmen
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Betrieb einer Einrichtung für eine unterbrechungsfreie Wechselstromversorgung
von Verbrauchern, wobei der Verbraucherstrom aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz
bezogen wird und ein Wechselrichter als Ersatzstromquelle in Bereitschaft gehalten
wird (Normalbetrieb der Stromversorgung mit Bereitschaftsbetrieb des Wechselrichters)
und wobei im Falle einer Störung des Netzes der Verbraucherstrom aus einem elektrischen
Akkumulator (Batterie) über den Wechselrichter bezogen wird (Ersatzstromversorgung),
bei welcher Einrichtung der Wechselrichter aus einem Leistungsteil mit steuerbaren
Halbleiterventilen und Kommutierungskreisen sowie einem Steuerteil zur Erzeugung
von Zündimpulsen besteht, dem ein Spannungsregler zugeordnet ist, und die Einrichtung
ein den Wechselrichter und das Netz überwachenden Organ enthält, mit dem bei Netzstörung
ein Signal erzeugt wird.
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Bei einer bekannten Einrichtung der oben angegebenen Art, einer unterbrechungsfreien
Stromversorgungsanlage mit einem zwangskommutierten Wechselrichter (DE-AS 25 36
195) wird im Normalbetrieb der Stromversorgung, wobei sich der Wechselrichter im
Bereitschaftsbetrieb befindet, die Weitergabe der Zündsteuersignale eines ständig
mitlaufenden und mit der Netzspannung synchronisierten Steuerteils, dem ein Spannungsregler
vorgeordnet ist, an die gesteuerten Ventile des Wechselrichters gesperrt.
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Es fallen dabei elektrische Verluste nur im Steuerteil an, und überwacht
werden die erwähnte Netzspannung mittels einer Steuereinrichtung. Auf einen Startbefehl
derselben wird nach einem bestimmten Schnellstartverfahren eine phasenrichtige Aufschaltung
des Wechselrichters auf ein Versorgungsnetz mit Verbrauchern ermöglicht. Hierzu
wird die Weitergabe der Zündsteuersignale für eine sofortige Inbetriebnahme des
Wechselrichters freigegeben, eine Änderung dieser Signale muß aber eine Zeitlang
gesperrt werden, bis sich die Ströme und Spannungen des Wechselrichters stabilisiert
haben, d.h. bis der Hochlauf beendet
ist, erst dann kann der Wechselrichter
kommutiert werden.
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Eine Einrichtung, die der vorangehend beschriebenen ähnlich ist, mit
einem Wechselrichter für wechselweisen Bereitschafts-oder Lastbetrieb (Ersatzstromversorgung)
in einer Stromversorgungsanlage für einen Verbraucher ist durch DE-AS 25 32 056
bekannt. Bei dieser Einrichtung enthält die Steuerung des Wechselrichters einen
Steuersatz mit ebenfalls einem vorgeschalteten Spannungsreglerund eine Freigabestufe,
die zwischen dem Steuersatz und dem Leistungsteil des Wechselrichters angeordnet
ist, die im Bereitschaftsbetrieb auch ebenfalls die Weitergabe der Zündimpulse des
ständig arbeitenden Steuersatzes an den Leistungsteil sperrt, während zugleich der
Ausgang des Spannungsreglers durch eine Schalteinrichtung unwirksam gemacht wird.
Im Bereitschaftsbetrieb fallen Verluste nur im Steuersatz und im Spannungsregler
an.
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Der Übergang vom Bereitschafts- in den Lastbetrieb des Wechselrichters
wird durch einen Startbefehl infolge einer Störung das den Verbraucher speisenden
Netzes eingeleitet. Bei dem Startbefehl werden die Zündimpulse des Steuersatzes
für den Wechselrichter freigegeben und es wird die Schalteinrichtung zur Freigabe
der Ausgangs spannung des Spannungsreglers ungesteuert. Während des Überganges in
den Lastbetrieb wird der Wechselrichter schließlich in den Hochlauf gesteuert.
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Es ist des weiteren durch DE-AS 27 06 395 eine Einrichtung, wie eingangs
beschrieben, mit einem Wechselrichter für wechselweisen Bereitschafts- oder Lastbetrieb
bekannt, die äußerst geringe Verluste im Bereitschaftsbetrieb aufweist und deren
Wechselrichter sehr schnell auf Leistungsabgabe gesteuert werden kann. Bei dieser
Anlage läuft im Bereitschaftsbetrieb auch der Steuersatz des Wechselrichters nicht
mit, sondern es arbeitet eine Startsteuerschaltung, die einen Speicher enthält
und
die erst bei einem Startbefehl infolge einer Netzstörung den Steuersatz in Betrieb
setzt derart, daß die Spannung des Wechselrichters mit einem Parameter beginnt,
den der erwähnte Speicher im Störzeitpunkt festhält.
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Geringe Verluste fallen mithin nur in der Startsteuerscaltung an.
Wie schnell der Wechselrichter auf Leistungsabgabe gesteuert wird, hängt von der
Anlaufzeit des Steuersatzes ab, insbesondere von dem gespeicherten Parameter der
Netzspannung.
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Wird überdies ein zwangskommutierter Wechselrichter eingesteuert,
so tritt zu der Anlaufzeit des Steuersatzes eine Nachladezeit der Kommutierungskreise
entsprechend dem gespeicherten Spannungswert, bei dem die Wechselrichterspannung
beginnt.
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Offensichtlich sind bei derartigen Einrichtungen um so mehr Hilfsmittel,
wie z.B. Freigabestufen, und Maßnahmen notwendig, damit der Wechselrichter beim
Übergang vom Bereitschaftsbetrieb in den Lastbetrieb möglichst schnell auf Leistungsabgabe
gesteuert werden kann, je mehr Teile des Wechselrichters einschließlich der Steuerteile
im Bereitschaftsbetrieb des Wechselrichters außer Betrieb und somit verlustfrei
sind, jedoch nicht überwacht werden können.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, verfolgt dieses Problem
in einem neuen erweiterten Gesichtskreis und besteht in der Angabe eines Verfahrens
zum verlustarmen Betrieb einer Einrichtung der eingangs angegebenen Art, wobei im
Bereitschaftsbetrieb der Wechselrichter mit dem Wechselstromnetz zumindest im Leerlauf
und bei möglichst geringem Verlustanfall mitläuft, aber wobei die Bereitschaft des
Wechselrichters schon vor einer Netzstörung möglichst umfassend kontrolliert wird
und gesichert ist, damit dieser bei Netzstörung möglichst sicher auf volle Leistungsabgabe
gebracht werden kann.
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Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch
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gekennzeichneten Merkmale, nämlich dadurch, daß der im Normalbetrieb der Stromversorgung
in Bereitschaft gehaltene Wechselrichter (31) mit einer bezogen auf eine Nennspannung
kleinen Ausgangs spannung gesteuert wird, beim Spannungsregler (314) die Regelung
der Wechselrichter-Ausgangsspannung auf Nennspannung blockiert wird und außerdem
in den Kommutierungskreisen (312) die Nachladung der Kondensatoren auf nahezu Null
verringert wird, und dabei die wesentlichen Funktionen des Steuer- und des leistungsteils
(313, 311) des Wechselrichters einschließlich der Kommutierungskreise und die Spannung
des Netzes (N) überwacht werden, und daß beim Auftreten einer Netzstörung der Spannungsregler
durch das Signal des Überwachungsorgans (4) zur Abgabe der Ausgangsspannung freigegeben
wird und daraufhin der Spannungsregler und die Kommutierungskreise des Wechselrichters
in einen Hochlauf der Nachladung der Kondensatoren auf Nenn-Kommutierungsstrom und
Nenn-Wechselspannung gesteuert werden, so daß die Verbraucher mit Nennspannung versorgt
werden.
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Weitere Ausbildungen der Erfindung bestehen in der Steuerung von Teilvorgängen
des Betriebsverfahrens nach Anspruch 1 sowie derer Abläufen beim Spannungsregler
und in den Eommutierungskreisen des Wechselrichters, die einzeln in den Patentansprüchen
2 und 3 angegeben sind.
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Angewendet bei Einrichtungen der eingangs angegebenen Art sowie auch
bei den anschließend als Stand der Technik in Betracht gezogenen Stromversorgungsanlagen,
verschafft das erfindungsgemäße Verfahren erheblich mehr Betriebssicherheit als
wenn sich während des Bereitschaftsbetriebs lediglich der Steuersatz oder etwa nur
der Information verarbeitende Teil desselben im Mitlauf befinden, oder als wenn
überhaupt keine Teile des Wechselrichters sich im Mitlauf befinden und reiner Anlaufbetrieb
beim Übergang vom Bereitschafts- in den Lastbetrieb des Wechselrichters vorgesehen
wäre.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das im folgenden näher beschrieben wird.
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Es zeigt die Zeichnung das Blockschaltbild einer für unterbrechungsfreie
Wechselstromversorgung eines Verbrauchers eingerichtete Stromversorgungsanlage.
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Die Stromversorgungsanlage enthält einen Normalstromversorgungsteil
1, eine Verbraucherschiene 2 mit einem daran angeschlossenen Verbraucher 21 und
einen Ersatzstromversorgungsteil 3 mit einem Wechselrichter 31, bestehend aus zwei
Wechselrichtern.
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Der Stromversorgungsteil 1 ist an ein Einphasen-Wechselstromnetz N
angeschlossen, aus dem im Normalbetrieb der Stromversorgung Verbraucherstrom bezogen
wird. In der Versorgungsleitung 14 zwischen Netz und Verbraucherschiene 2 liegt
ein Schaltmittel 15. Der Ersatzstromversorgungsteil 3 ist eine Bereitschaftsanlage,
bestehend aus dem erwähnten Wechselrichter 31, einer elektrischen Batterie 32, ferner
einem Stromversorgungsgleichrichter 33 für den Wechselrichter und zum Nachladen
der Batterie. Der Gleichrichter 33 ist an einem Drehstromnetz angeschlossen. In
der Ersatzversorgungsleitung 34 zwischen Wechselrichter 31 und Verbraucherschiene
2 liegt ein Schaltmittel 35. In der Zeichnung ist das Schaltmittel 35 geöffnet,
das Schaltmittel 15 aber geschlossen dargestellt. Die Stromversorgungsanlage befindet
sich im Normalbetrieb.
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Zum Wechselrichter 31 gehören außer deren Leistungsteilen 311 sowie
den Reihendrosseln Dr, dem Transformator T und den Siebkreisen S die Kommutierungskreise
312, ein gemeinsamer Steuerteil 313 und ein Spannungsregler 314. Dem Ersatzstromversorgungsteil
3 ist ein Uberwachungsorgan 4 zugeordnet, von welchem ein Ausgang mit einem Eingang
des Spannungsreglers 314 verbunden ist. Überwacht werden mittels des Organs 4 die
Hauptfunktionen des Steuerteils, des Leistungsteils und der Kommutierungskreise
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in der Zeichnung sind diese Uberwachungen durch drei gebrochene, strichlierte Linienzüge
ü dargestellt, die einzeln mehrere Überwachungsfunktionen tragen können - außerdem
wird die Spannung uN des speisenden Wechselstromnetzes überwacht.
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Es kann eine vollständige Überwachung des Wechselrichters einschließlich
dessen Steuerteils, Leistungsteils und der Eommutierungskreise vorgesehen werden,
die auch ständig, insbesondere im Normalbetrieb der Stromversorgung des Verbrauchers
wirksam ist. Dagegen kann von der Überwachung der Ausgangsspannung des Wechselrichters
abgesehen werden.
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Im Normalbetrieb sind die Thyristoren des Wechselrichters des Satzes
3 durch Steuersignale des Steuerteils angesteuert und der Wechselrichter in der
Weise in Einsatzbereitschaft gehalten, daß die Satzausgangsspannung netzsynchron
im Mitlauf gesteuert wird. Dabei befindet sich der Wechselrichter im Leerlauf und
wird so gesteuert, daß nur eine geringe Ausgangsspannung am Transformator Tr vorhanden
ist und das Schaltmittel 35 geöffnet ist. Die im Transformator in den Längsdrosseln
Dr und den Siebkreisen S anfallenden Verluste sind durch die geringe Spannung geringer
als bei Leerlauf mit Nennspannung. Des weiteren fallen geringe Verluste im Steuerteil
313 an, und vernachlässigbar geringe Verluste im Informationsteil von 313 sowie
im Spannungsregler 314. Während der Wechselrichter sich im Leerlauf und im Bereitschaftsbetrieb
befindet, wird beim Spannungsregler die Abgabe der Ausgangsspannung, die der Signalgröße
der Regelabweichung der Satzausgangsspannungsregelung proportional ist, blockiert.
Dies wird dadurch bewirkt, daß beim Spannungsregler die Vorgabe der Sollspannung
der Spannungsregler gesperrt wird, beispielsweise mittels eines sperrenden, steuerbaren
elektronischen Schalters blockiert wird, und daß beim Auftreten einer Netzstörung
der elektronische Schalter durch ein Spannungssignal des Überwachungsorgans (4)
über eine Kippstufe entsperrt wird und Sollspannung dem Spannungsregler vorgegeben
wird.
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Während des Normalbetriebes der Stromversorgung, wobei also der Wechselrichter
sich in Bereitschaft befindet, ist ferner in den Kommutierungskreisen 312 desselben
die Nachladung der Kommutierungskondensatoren verringert und wird auf nahezu Null
gehalten, so daß der Kommutierungsstrom stark reduziert ist. Dadurch sind auch die
Verluste in den Kommutierungskreisen des Wechselrichters gering gehalten. Es wird
der Kommutierungsstrom beispielsweise mit Hilfe eines Zeitstellgliedes und eines
Stromreglers eingestellt. Beim Auftreten einer Netzstörung werden mittels des durch
das Signal des Überwachungsorgans (4) aktivierten Zeitstellgliedes die Zündzeitpunkte
der steuerbaren Halbleitergleichrichter des Wechselrichters für eine gewünschte
Nachladung der Kondensatoren des Kommutierungskreises und Hochlauf des Kommutierungsstromes
auf einen einzustellenden Nennwert vorverlegt.
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Falls nun eine Störung des den Verbraucher 21 einspeisenden Wechselstromnetzes
N, wodurch die Netzspannung uN absinkt, eintritt, so wird durch ein Signal des diese
Störung erfassenden Uberwachungsorgans 4 die Verbraucherschiene 2 mit dem Verbraucher
in bekannter Weise mit Hilfe der Schaltmittel 15 und 35 auf die in Bereitschaft
gehaltene Ersatzstromquelle 3 (Wechselrichter) umgeschaltet. Dabei wird das Schaltmittel
35 geschlossen und das Schaltmittel 15 geöffnet. Beim Auftreten der Netzstörung
wird ferner durch das Signal des Organs 4 der Spannungsregler 314 zur Abgabe seiner
Ausgangsspannung freigegeben, Daraufhin werden durch Veränderung der Phasenlage
der Steuerimpulse des Steuerteils 313 in Abhängigkeit von der dann abgegebenen Ausgangsspannung
des Spannungsreglers die Kommutierungskreise 312 des Wechselrichters auf Nenn-Kommutierungsstrom
nachgeladen und somit der Leistungsteil des Wechselrichters in einem kurzen Hochlaufvorgang
auf Abgabe der Nenn-Satzausgangsspannung, die. die Netzspannung ersetzt, eingesteuert.
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Falls während des Normalbetriebs der Verbraucherstromversorgung
(aus
dem Netz N) eine Störung in dem in Bereitschaft gehaltenen Wechselrichter, einschließlich
ir Bestandteile, z.B.
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in einem Steuerteil oder einem leistungsteil eintritt, wird dieser
Fehler sofort erkannt und gemeldet und nicht erst in der kritischen Phase bei einem
Netzausfall.
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Kehrt während der Ersatzstromversorgung des Verbrauchers aus der Batterie
32 über den Wechselrichter 31 die Netzspannung UN wieder, so wird durch ein Signal
von 4 der Verbraucher in bekannter Weise mit Hilfe der Schaltmittel 35 und 15 ebenfalls
unterbrechungsfrei auf das Wechselstromnetz zurückumgeschaltet. Durch das Signal
des Organs 4 wird in diesem Falle beim Spannungsregler die Abgabe der Ausgangsspannung
blockiert und ferner werden die Steuerimpulse des Steuerteils auf eine Phasenlage
zurückgestellt, bei der der Wechselrichter-Leistungsteil mit der Phasenlage der
Grundschwingung eingesteuert wird.
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Der Steuerteil läuft dann synchron mit der Netzspannung. Schließlich
wird in den Kommutierungskreisen die Nachladung der Kondensatoren auf nahezu Null
verringert.