DE3118909C2 - Unterbrechungsfreie Stromversorgung für Gleichstromverbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für wenigstens einen von einer ein- oder mehrphasigen Netzwechselspannung gespeisten Gleichstromverbraucher, insbesondere für Rechenanlagen, mit einem Netzversorgungsteil, bestehend aus einem Netzgleichrichter mit Filter und einem daran anschließenden DC/DC-Tiefsetzwandler mit einem Regelglied und einem potentialfreien Übertrager, dessen Ausgangsspannung über einen Spannungsfühler durch eine auf dessen Eingang wirkende Regelschaltung stabilisiert wird, und mit einem Unterbrechungsversorgungsteil, bestehend aus einem Netzladegerät mit eingebautem Regelglied und einem daran angeschlossenen Energiespeicher. Eine solche Notstromversorgung mit batteriegepufferten Gleichspannungsausgängen, Typ EPS, ist einem Katalog der Fa. LMI, Herford zu entnehmen.

Als Tiefsetzwandler werden Gleichspannungswandler bezeichnet welche die Eingangsgleichspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung umwandeln; als Hochsetzwandler solche, welche sie in eine höhere

ίο Ausgangsgleichspannung umwandeln.

Besonders wichtige elektrische Gleichspannungsverbraucher, z. B. Rechenanlagen, die über das Netz versorgt werden, müssen auch bei Netzspannungsausfällen oder Netzunterspannungen mit elektrischem Strom versorgt werden, um so die Betriebssicherheit zu erhöhen, die Ausfallzeiten zu senken oder Verluste an Zeit und Geld zu vermeiden. Zwar sind Netzausfälle im Stunden- oder Minutenbereich relativ selten, doch treten jährlich etwa 100—200 Spannungszusammenbrü-

ehe von einigen 100 ms auf, die bei EDV-, Prozeß- oder sonstigen Rechenanlagen zum Systemausfall führen können.

Flüchtige Halbleiterspeicher verlieren dadurch ihre Information, so daß etwa Meß-, Steuer-, Regel- oder einfache Kommunikationsprozesse unterbrochen werden, was die unterschiedlichsten negativen Folgen haben kann. Nach Wiederkehr der Netzspannung müssen je nach Anlagen- und Speicherbeschaffenheit Teile des Arbeitsprogramms mit entsprechendem

Aufwand an Hard- und Software neugeladen und gestartet werden, was z. B. bei Programmübertragungen über serielle Schnittstellen relativ langsam geht und in Anlagen, die etwa bei einer zeitkritischen Prozeßsteuerung oder im Kundenverkehr einer Filiale

eingesetzt werden, nicht zugelassen werden kann.

Bei einem vielseitig einsetzbaren Rechnerverbundsystem, das modular erweitbar aufgebaut ist können sehr verschiedene Ausbaustufen mit stark unterschiedlichem Leistungsverbrauch entstehen, so daß besondere Anfor-

*o derungen an die Stromversorgung »md besonders an die unterbrechungsfreie Stromversorgung gestellt werden müssen.

Die meisten ersatzstromberechtigten Verbraucher in solchen Anlagen, die am 220 V- oder 380 V-Wechsel-

*5 spannungsnetz liegen, werden über eine Gerätekombination aus Ladegerät, elektrochemischem Speicher und Wechselrichter mit einer in Spannung, Leistung und Frequenz angepaßten Wechselspannung versorgt. Die beiden Betriebsarten sind der Parallelbetrieb und der

so Zuschaltbetrieb.

Beim Zuschaltbetrieb wird erst nach einer kurzen Schaltverzögerungszeit auf die unterbrechungsfreie Stromversorgung umgeschaltet, was zu einem Spannungseinbruch führt so daß diese Betriebsart nur bei

spannungsunempfindlichen Verbrauchern angewendet werden kann. Beim Parallelbetrieb wird die gesamte Leistung über ein Ladegerät auf die Batterie, also die »Sichere Schiene«, übertragen, von wo ein Wechselrichter den Verbraucher mit der unterbrechungsfreien Wechselspannung versorgt. Der Vorteil dieser Betriebsart besteht darin, daß bei Netzausfall kein kurzzeitiger Spannungseinbruch am Verbraucher erfolgt und vor der Netzrückschaltung keine Synchronisation zwischen Unterbrechungsversorgungsteil und Netz notwendig ist.

Der Nachteil liegt aber in dem schaltungsbedingten schlechten Wirkungsgrad, da das Produkt von Ladegerätwirkungsgrad und Wechselrichterwirkungsgrad den Gesamtwirkungsgrad ergibt.

Bei Gleichstromverbrauchern mit relativ großem zulässigen SpannungsMeranzband kann eine Lösung eingesetzt werden, bei der (z. B, VARTA Konzeption 7 00 73 797) mit Hilfe von Gegenzellen die Ausgangsspannung bei Netzbetrieb so weit reduziert wird, daß bei Netzausfall durch das Überbrücken der »Gegenzellen« ein größeres Spannungstoleranzband nicht verlassen wird. Mit einem linearen Spannungsregler kann auf Kosten einer höheren Verlustleistung während des Netzbetriebes die Ausgangsspannung exakt auf den niedrigsten Entladespannungswert ausgeregelt werden. Die Verlustleistung Pvc = Ua ■ Ic an den Gegenzellen wird aber um so größer, je größer die Spannungsdifferenz zwischen Ladeendspannung und Entladespannung der Batterie ist

Eine verlustleistungsärmere Möglichkeit für die Spannungsanpassung bietet die Batterieunterteilung bzw. Batterieanzapfung, jedoch verbunden mit unsymmetrischer Belastung, einem größeren Wartungsaufwand und erschwertem Ladevorgang der Batterie.

Bei der Versorgung von Rechenanlagen müssen enge Spannungstoleranzen eingehalten werden, so daß die obigen Lösungen nicht direkt zur Rechnerversorgung geeignet sind. Werden mehrere Ausgangsgle-chspannungen benötigt, so sind entsprechend viele unabhängige, eventuell potentialfreie Langsspannungsregier oder DC/DC-Wandler erforderlich. Beim Einsatz von Längsspannungsreglern steht dem Vorteil der Einfachheit und schnellen Spannungsausregelung bei Belastungsstößen eine größere Verlustleistung gegenüber.

Bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen größerer Leistung wird meistens das relativ niedrige Batteriespannungsniveau von 24 V gewählt Es wird aus Sicherheits- und Preisgründen so nieder gewählt, jedoch werden die Ströme auf der Ebene der sicheren Schiene sehr hoch, und beim Parallelbetrieb über die gesamte Betriebszeit also während Netzbetrieb und Netzausfallzeit entstehen in den Leitungen, Steckverbindungen, Gleichrichterdioden und Transistoren oder Thyristoren größere Verlustleistungen. An den Transistoren und Dioden, die in getakteten Spannungswandlern eingesetzt werden, entstehen bei gleichem Schaltverhalten und höherem Strom aufgrund des Induktionsgesetzes Um ~ di/dt höhere Schaltspannungsspitzen in den Leitungen und somit entsprechende Störungen. Auch die Verkabelung und Verbindungstechnik wird bei hohen Strömen bezüglich Material und Platzbedarf aufwendiger.

Zur galvanischen Trennung von Netzpotential gegenüber Batteriepotential und zur Spannungsanpassung so wird meist ein 50 Hz-Transformator eingesetzt, der relativ großvolumig und schwer ist, so daß eine Modularisierbarkeit, also auch eine spätere Erweiterbarkeit der Anlage, schwer möglich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu schaffen, bei welcher das Netzversorgungsteil für eine Anpassung an sich ändernden Leistungsbedarf modular aufgebaut und das Unterbrechungsversorgungsteil bei Bedarf einfach zuschaltbar sein soll, welches die verschiedenen Ein- und Ausschaltreihenfolgen der einzelnen Ausgangsspannungen sowie deren Prioritäten im Netzunterbreehungsfall berücksichtigt und welches bei möglichst gutem Wirkungsgrad und geringem Wartungsaufwand an Größe und Gewicht möglichst klein j5 gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein DC/DC-Hocbsetzwandler (15) vorgesehen ist.

der dem Energiespeicher (14) des Unterbrechungsversorgungsteils (B) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des DC/DC-Tiefsetzwandlers (3) des Netzversorgungsteils (A) verbunden ist und der von einem an seinem Ausgang angeordneten Netzausfallsensor (16) steuerbar ist, daß für jede weitere, benötigte Ausgangsspannung eine weitere Sekundärwicklung (5a) des Übertragers (5) mit Gleichrichter (6a, b) und einem abschaltbaren Längsspannungsregler (Ba) vorgesehen ist daß bei mehreren von dieser Ausgangsspannung gespeisten Verbrauchern jeweils Verbraucher mit gleicher Versorgungspriorität und mit gleicher Ein-/ Ausschaltreihenfolge an einen von mehreren abschaltbaren Längsspannungsreglern (8a, b) angeschlossen werden, wobei mehrere dieser abschaltbaren Längsspannungsregler von derselben vorgeregelten Spannung am Kondensator (7a) versorgt werden und daß das Unterbrechungsversorgungsteil über eine Steckverbindung (17) an das Netzversorgungsteil anschließbar ist

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung eines theoretischen Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

In der Zeichnung ist der schematisck.2 Schaltplan eines Ausführungsbeispiels dargestellt Danach setzt sich die unterbrechungsfreie Stromversorgung aas den beiden Teilen A und B zusammen.

Teil A entspricht einem kompletten Netzversorgungsteil mit mehreren Gleichspannungsausgängen und wird am einphasigen oder mehrphasigen Wechselspannungsnetz betrieben. Die Wechselspannung des Netzes wird gleichgerichtet und über ein Filter an eine primär getaktete Wandlerkombination gelegt, die die Spannungs- und Leistungsanpassung von Eingangsspannung (U\ ± 15%) und Ausgangsbelastung sowie die potentialfreie Leistungsverteilung auf die einzelnen Ausgangszweige übernimmt Im einzelnen arbeitet die Stromversorgung wie folgt:

Der im Brückengleichrichter 1 gleichgerichtete Strom wird über das Filter 2 einer als DC/DC-Tisfsetzwandler 3 arbeitenden Stromquelle zugeführt, welcne die zu übertragende Leistung ausregelt Der Regelkreis wird durch den galvanisch entkoppelten Spannungssensor 10 und die Rückführung auf das Regelglied 3d geschlossen. Dem Regelglied wird ein Durchflußübertrager 5 iiachgeschaltet, der als Stromwandler arbeitet und über eine Transistor-Vollbrücke 4 auf der Primärseite angesteuert wird. Die Transistoren der Vollbrücke arbeiten im überlappenden Betrieb, also bei einer relativen Einschaltdauer τ > 50%, die aber wegen des begrenzten Stromes unkritisch ist Als Ansteuerfrequenz des Tiefsetzwandlers 3 wird die doppelte Frequenz der Transistorvollbrücke 4 gewählt so daß die beiden Wandler synchronisiert sind und die Kommutierung bei minimalem Strom erfolgt Die Leistungsausregelung ,'.rfolgt über pulsbreitenmodulierte Ansteuerung des Schalttransistors 3a, wobei die Frequenz je nach Anwendungsfall und Art der Leistungsbauieile zwischen 4OkHz und 20OkHz liegt Die Baugröße, das Volumen und das Gewicht der magnetischen Leistungsumsetzer werden dadurch wesentlich reduziert

Die Ausgangsspannungen des Durchflußübertragers werden durch die Dioden 63 bis 6tf gleichgerichtet und können ohne Füteraufwand direkt an die Kondensatoren 7a und Tb gelegt werden. Ein Hauptstrom führt über ein zusätzliches Filter 7c, d und 9b auf den Ausgang, dessen Sp^nung vom Spannungssensor 10 erfaßt und über den Tiefsetzwandler 3 ausgeregclt wird. Die

anderen Ausgangsspannungen des Durchflußübertragers 5, 5a werden mitstabilisiert und liegen nur geringfügig über den Spannungen am Ausgang der Stromversorgung, so daß an Jen Längsspannungsreglern 8a und 86 nur geringe Verlustleitungen anfallen.

Werden für verschiedene Verbraucher unterschiedliche Spannungen benötigt, so ist für jede dieser Spannungen eine weitere Sekundärwicklung mit Gleichrichter und ggf. Längsspannungsregler erforderlich. Liegen mehrere Verbraucher an derselben Ausgangsspannung und sollen diese einer bestimmten Einschalt- bzw. Ausschaltreihenfolge zugeordnet sein, so ist für jeden dieser Verbraucher ein abschaltbarer Längsspannungsregler 8a. b vorzusehen. Die bestimmte Einschalt- bzw. Ausschaltreihenfolge der Verbraucher beim Ein- bzw. Ausschalten des Neizversorgungsteils wird durch das Regelglied 3c/des DC/DC-Tiefsetzwandlers über die Schaltleitungen 3ebestimmt.

Teil B, vom Netzversorgungsteil — Teil A — durch eine unterbrochene Linie getrennt, bildet das Unterbrec(vjng3vc"crg*jfig5iei! und besteht irr! '.vesent!ich?n aus einem Ladegerät 11, 12 und 13, einem elektrochemischen Speicher 14, einem DC/DC-Hochsetzwandler 15 und der Überwachungselektronik 16 mit Netzausfallerkennung. Block 12 enthält die Steuerung des Ladeverfahrens, und, falls notwendig, eine Batterieausgleichslademöglichkeit mit manueller oder automatischer Kapazitätsmeßeinrichtung. Die einzelnen Komponenten sind in F i g. I dargestellt und arbeiten wie folgt:

Der Eingangstransformator lla gewährleistet die galvanische Abtrennung von Netzpotential und Batteriepotential, so daß Batteriewartungsarbeiten auch an Anlagen vorgenommen werden können, die in Betrieb sind und an Netzspannung liegen. Die entsprechend dem Batteriepotential relativ niedere Ausgangsspannung wird durch die verlustarme Mittelpunktschaltung über die Gleichrichterdioden 116 und lic und den Filterkondensator lic/ an den Eingang eines Tiefsetzwandlers 13 gelegt. Dieser potentialverbundene, getaktete Tiefsetzwandler besteht im wesentlichen aus dem Leistungsschalttransistor 13a. der Freilaufdiode 136, der Speicherdrossel 13c und der Ansteuerschaltung 13c/. Die verschiedenen Steuer- und Testfunktionen von Teil B, wie Ladespannungsüberwachung, Steuerung des Ladeverfahrens, manuelle oder automatische Batterieausgleichsspannung und Kapazitätsmeßeinrichtung befinden sich im Block IZ auf den hier jedoch nicht näher eingegangen wird. Der elektrochemische Speicher 14 bildet die sichere Spannungsschiene für den angeschlossenen DC/DC-Hochsetzwandler 15 mit den Leistungsschalttransistoren 15a, 156, dem Durchflußübertrager 15c und Brückengleichrichter 15c/. der Speicherdrossel 15e und der Anst.uerschaltung 15/! An der Ausgangsspannung des Durchflußübertragers 15c befindet sich der Netzausfall-Spannungssensor 16. Teil ßist an Teil A über eine Steckverbindung 17 anschaltbar. In diesem Fall wird bei aktivem Teil A die Spannung am Filter 2 erfaßt und bei Netzausfall oder zu großem Spannungseinbruch e:n potentialfreies Notstromsignal abgeleitet Dieses Signal wirkt so auf die Ansteuerschaitung 15/ein, daß der DC/DC-Hochsetzwandler 15 angesteuert wird und durch die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung der Leistungstransistoren 15a und 156 die Energieübertragung von Teil B auf Teil A so erfolgt, daß die Spannung am Filter 2 nie unter das Spannungsminimum absinkt, das zur Leistungsversorgung der Verbraucher notwendig ist
Im Falle der Versorgung der Verbraucher durch das Unterbrechungsversorgungsteil B kann eine andere Priorität der Verbraucher eintreten, z. B. Abschalten nicht unbedingt benötigter Verbraucher. Dieser Vorgang wird in nicht näher ausgeführter Weise vom -, Regelglied 12 über Schaltleitungen 12a, die ebenfalls über die Steckverbindung 17 laufen, und über die Schaltlcitungcn3e durchgeführt.

Durch das Zusammenfügen der Teile A und B entsteht eine unterbrechungsfreie Stromversorgung,

ίο wobei Teil A eine auch selbständig arbeitende Stromversorgung darstfillt. die zur netzpotentialfreien Leistungsübertragung und Leistungsverzweigung eine Wandlerkombination aus Stromquelle und überlappend arbeitendem Dun hflußwandler enthält, so daß auch bei

π zusätzlichen potentialfreien Ausgangsspanniingen nur zusätzliche Sekundärwicklungen des Übertragers erforderlich sind. Der Aufwand an Filter- und Übertragerelementen wird durch die dargestellte Wandlerkombination und hohe Übertragerfrequenz sehr gering und die

in Ausgangsspannung glatt. In Verbindung mit der Leistungs^andlung auf hohem Snannungsniveau und entsprechend geringem Strom und wenig Verlustleistung in den Leitungen, Steckverbindungen, Gleichrichterdioden und Schalttransistoren lassen sich Über-

2i tragermodule beispielsweise im Europakartenformat aufbauen, die gut für einen modularen Aufbau der unterbrechungsfreien Stromversorgung geeignet sind.

Das Konzept mit schaltbaren Längsspannungsreglern

an der. Ausgängen hat mehrere Vorteile und kann je

jo nach A iwendungsfall und Ausbaustufe verschiedene Zusatzfunktionen erfüllen:

— Die Ausgangsspannung wird bei Belastungsschwankungen besonders rasch und ohne Span-

J3 nungsspitzen ausgeregelt, wobei die Verlustleistung aufgrund der Vorstabilisierung der Reglereinspannung durch die Wandlerkombination gering bleibt.

— Bei größeren Ausgangsströmen können mehrere Längsspannungsregler parallelgeschaltet werden, da sie mit einem Überstromschutz ausgestattet sind.

— Die Längsspannungsregler können als Schalter eingesetzt werden, um eine besondere Einschaltreihenfolge einzuhalten, oder im Notstrombetrieb nicht ersatzstromberechtigte Verbraucher von der Stromversorgung abzutrennen. Es sind keine zusätzlichen Wandler für den Stand By-Betrieb notwendig oder es können Entkoppelnetzwerke mit Dioden oder Abschaltrelais entfallen.

Das Konzept mit einem direkt geregelten Spannungsausgang ist dann besonders verlustleistungsarm, ^venn dieser den größten der verschiedenen Ausgangsströme führt Werden alle Spannungen über Längsspannungsregler ausgeregelt, werden besonders vorteilhaft sämtliche vorstabilisierten Spannungen erfaßt und auf die jeweils am weitesten abgesunkene vorstabilisierte Spannung ausgeregelt Aufgrund der Stromwandlerei-

λ genschaft fließt die Leistung bevorzugt an den Ausgang mit erhöhter Stromabnahme.

Als elektrochemische Speicher können auch Batterien mit größerem Spannungshub (alkalische Systeme) eingesetzt werden.

ιϊ Die Leistung des Ladegeräts kann für einen Bruchteil der Stromversorgungsleistung ausgelegt werden, da es meist ausreicht, wenn der elektrochemische Speicher in 10 bis 12 Stunden wieder aufgeladen wird. Außerdem ist

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die Verlustleistung von Teil B bei Net/betrieb und lang anhaltenden Störungen nicht ausreicht, kann vom aufgeladener Batterie vernachlässigbar, so daß der Block 12 ein Signal (durch einen Pfeil angedeutet) /.. B. Gesamtwirkungsgrad von Teil A und B besonders gut zum Anschalten eines Notstrom-Dk'selaggregates abist und die Betriebskosten gering bleiben, gegeben werden.
Für den Fall, daß die Leistung des Ladegerätes bei ι

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   U Unterbrechungsfreie Stromversorgung für wenigstens einen von einer ein- oder mehrphasigen Netzwechselspannung gespeisten Gleichstromverbraucher, insbesondere für Rechenanlagen, mit einem Netzversorgungsteil, bestehend aus einem Netzgleichrichter mit Filter und einem daran anschließenden DC/DC-Tiefsetzwandler mit einem Regelglied und einem potentialfreien Übertrager, dessen Ausgangsspannung Ober einen Spannungsfühler durch eine auf dessen Eingang wirkende Regelschaltung stabilisiert wird, und mit einem Unterbrechungsversorgungsteil, bestehend aus einem Netzladegerät mit eingebautem Regelglied und einem daran angeschlossenen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß ein DC/DC-Hochsetzwandler (15) vorgesehen ist, der dem Energiespeicher (14) des Unterbrechungsversorgungsteils (B) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des DCADC-Tiefsetzwandlers (3) des Netzversorgungsteils (A) verbunden ist und der von einem an seinem Ausgang angeordneten Netzausfallsensor (16) steuerbar ist, daß für jede weitere, benötigte Ausgangsspannung eine weitere Sekundärwicklung (Sandes Übertragers (5) mit Gleichrichter (6a, b)und einem abschaltbaren Längsspannungsregler (8a^ vorgesehen ist, daß bei mehreren von dieser Ausgangsspannung gespeisten Verbrauchern jeweils Verbraucher mit gleicher Versorgungspriorität und mit gleicher Ein-/Ausschaltreihenfolge an einen von mehreren abschaltbaren Längsspannungsreglera (8a, b) angeschlossen werden, wobei mehrere dieser abachaltbarerr Längsspannungsregler von derselben vorgeiegelten Spannung am Kondensator (7a) versorgt werden und daß Jas Unterbrechungsversorgungsteil über eine Steckverbindung (17) an das Netzversorgungsteil anschließbar ist
2. 2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und/oder Ausschalten der Verbraucher beim Ein- und/oder Ausschalten des Netzversorgungsteils durch An- und/oder Abschalten der Längsspannungsregler (8a, Sb) über das Regelglied (3d) des DC/DC-Tiefsetzwandlers (3) erfolgt
3. 3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Prioritätenverteilung für die Verbraucher im Falle eines Neizausfalles durch An- und/oder Abschalten der Längsspannungsregler (8a, Sb) über das Regelglied (12) im Netzladegerät des b'nterbrechungsversorgungsteils erfolgt