DE3246930A1

DE3246930A1 - Umschaltung eines verbrauchers von einem elektrischen netz auf ein stromversorgungsaggregat

Info

Publication number: DE3246930A1
Application number: DE19823246930
Authority: DE
Inventors: Michael 4793 Büren Gleitsmann; Manfred 4788 Warstein Possienke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-12-15
Filing date: 1982-12-15
Publication date: 1984-06-20
Also published as: DE3246930C2

Description

Umschaltung eines Verbrauchers von einem elektrischen
Netz auf ein Stromversorgungsaggregat Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Umschalten eines Verbrauchers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie. auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine dementsprechend ausgebildete Schaltungsanordnung sind durch die DE-AS 17 65 270 bekannt.
Ein unterbrechungsfreies Umschalten eines Verbrauchers von einem elektrischen Netz auf ein Stromversorgungsaggregat oder umgekehrt wird insbesondere bei unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen gefordert. Ein Blockschaltbild für ein Beispiel einer solchen unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage ist in Fig. 1 gezeigt. Ein mit Wechselspannung zu versorgender Verbraucher 4 wird durch Schließen eines ersten Schaltelements S1 an ein elektrisches (Wechselspannungs-) Netz gelegt. Kann das Netz 3 aus irgendwelchen Gründen keine Energie für den Verbraucher 4 zur Verfügung stellen, wird dieser durch Schließen eines zweiten Schaltelements S2 an ein Stromversorgungsaggregat geige. Dieses bestebt aus einem Energiespeicher (Batterie 20) sowie einem als Wechselrichter arbeitenden Stromrichter 1, der die von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung in die vom Verbraucher 4 benötigte Wechselspannung umformt. Der Energiespeicher 20 wird zu Zeiten, in denen das Netz Energie liefern kann über einen Gleichrichter 21 geladen.
Um eine unterbrechungsfreie Versorgung des Verbrauchers 4 beim Umschalten vom Netz 3 auf das Stromversorgungsaggregat oder umgekehrt sicherzustellen, ist es nötig, zur unterbrechungsfreien Umschaltung die beiden Schaltelemente für eine bestimmte Zeit gemeinsam geschlossen zu halten.
Während bei der Umschaltung des Verbrauchers vom Stromversorgungsaggregat auf das stabile Netz in der Regel keine Probleme auftreten, ergeben sich bei der Umschaltung des Verbrauchers vom Netz auf das Stromversorgungsaggregat Probleme durch Spannungseinbrüche beim Stromrichter 1 bzw.
durch ein Überschwingen von Strom und Spannung.
Um die Spannungs einbrüche und -überhöhungen bei der Umschaltung zu vermeiden, sind in der Praxis für die beiden Schaltelemente feste längere Überlappungszeiten vorgesehen sowie Überschaltwiderstände und Überschaltdrosseln in den Stromrichterkreis eingeschaltet worden. Trotz des verhältnismäßig großen Aufwands hat es sich gezeigt, daß die ohnehin nur schlecht einstell- und prüfbaren Maßnahmen lediglich für einen bestimmten Betriebszustand zufriedenstellend sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verringerung des Aufwands an Bauelementen eine unterbrechungs- und stoßfreie Umschaltung des Verbrauchers vom Netz auf das Stromversorgungsaggregat anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für das eingangs angegebene Verfahren durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Infolge der Erhöhung der vorgegebenen Führungsgröße für den Stromrichter und des Trägermachens seines Spannungsreglers wird vorteilhafterweise erreicht, daß der Stromrichter langsam aber stetig Laststrom übernimmt und im-Umschaltaugenblick (d.h. beim Öffnen des zweiten Schaltelements) keine Spannungseinbrüche und -überhöhungen auftreten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. Dadurch, daß die Überlappungszeit der beiden Schaltelemente stromabhängig bestimmt wird, ist auf jeden Fall sichergestellt, daß die Abtrennung des Verbrauchers vom Netz nicht vorzeitig erfolgt.
Vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 und 5 gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Umschalteinrichtung nach der Erfindung, Fig. 3 Spannungs- und Stromverläufe sowie Schaltstellungen der beiden Schaltelemente beim einer Umschaltung bisher bekannter Art und Fig. 4 Strom- und Spannungsverläufe sowie die Stellungen der Schaltelemente beim Verfahren nach der Erfindung.
Wie schon zu Fig. 1 beschrieben, wird gemäß Fig. 2 der Verbraucher 4 bei dem geschlossenen Schaltelement Sl aus dem elektrischen Netz 3, das ein- oder auch dreiphasig sein kann, gespeist. Der Verbraucher 4 kann aber ebenso durch Schließen des Schaltelements S2 an das Stromversorgungsaggregat, von dem in Fig. 2 nur der als Wechselrichter arbeitende Stromrichter 1 mit seinem Leistungsteil 22 und seinem Steuergerät 2 gezeigt ist, angeschlossen sein. Zur unterbrechungsfreien Stromversorgung des Verbrauchers 4 muß sichergestellt sein, daß dieser an eine der beiden Energiequellen angeschlossen ist und daß bei Ausfall der ihn versorgenden Quelle eine unterbrechungsfreie Umschaltung über die beiden Schaltelemente S1 und S2 erfolgt.
Bei einer Speisung des Verbrauchers 4 aus dem Stromversorgungsaggregat über den Stromrichter 1 (d.h. Schaltelement S2 geschlossen, Schaltelement S1 geöffnet) übernimmt das Steuergerät 2 die Steuerung des aus (nicht gezeigten) Stromrichterventilen aufgebauten Leistungsteils 22 im Wechselrichterbetrieb. Zu diesem Zweck weist das Steuergerät 2 einen Spannungsregler 12 auf. Einer Istwert-Aufbereitung 19 im Spannungsregler 12 wird die Ausgangsspannung des Leistungsteils 22 als Regelgröße zugeführt. Die Führungsgröße für die Spannungsregelung stellt ein Geber 17 zur Verfügung. Der Ausgang des Gebers 17 und der Ausgang der Istwert-Aufbereitung 19 sind zum Sollwert-Istwert-Vergleich an einen Punkt 18 gelegt, von dem die Regelabweichung einem Regelverstärker 15 zugeführt ist. Der Regelverstärker 15 gibt sein Ausgangssignal an einen Steuersatz 14, der die Steuerimpulse für die Stromrichterventile im Leistungsteil 22 bereitstellt. Die Taktsignale für den Steuersatz 14 werden von einem ebenfalls von der Ausgangsspannung des Leistungsteils 22 gespeisten Oszillator 13 vorgegeben. Der Spannungsregler 12 weist ferner eine Strombegrenzung 16 auf, die-eingangsseitig an einen ersten, primärseitig von dem Strom durch den Stromrichter durchflossenen Stromwandler 9 angeschlossen ist. Die Strombegrenzung 16 wirkt auf den Regelverstärker 15 derart, daß eine Spannungsverstellung beim Leistungsteil 22 nur soweit vorgenommen wird, daß ein Maximalstrom durch den Stromrichter-nicht überschritten wird.
Liegt der Betriebsfall vor, daß der Verbraucher 4 mit seiner Sammelschiene 11 bei geschlossenem Schaltelement S1 (und geöffnetem Schaltelement S2) am elektrischen Netz 3 liegt und soll eine unterbrechungsfreie Umschaltung des Verbrauchers 4 auf das Stromversorgungsaggregat (Stromrichter 1) erfolgen, ist es erwünscht, daß bei überlappendem Schließen des Schaltelements S2 und Öffnen des Schaltelements S1 keine Spannungseinbrüche bzw. -überhöhungen am Stromrichter 1 auftreten. Erfindungsgemäß werden die Schaltelemente S1 und 52 sowie der Stromrichter 1 derart gesteuert bzw. geregelt, daß die gewünschte unterbrechungsfreie und stoßfreie Umschaltung des Verbrauchers 4 vom Netz 3 auf den Stromrichter 1 sichergestellt ist. Die Spannungsabweichung der Netzspannung vom Nennwert und der Innenwiderstand des Netzes ist hierbei bedeutungslos.
Vor der Umschaltung des Verbrauchers 4 vom Netz 3 auf den Stromrichter 1 wird letzterer durch einen Frequenz- und Phasenregler 5, der den Oszillator 13 entsprechend beeinflußt, mit dem Netz synchronisiert. Mit Hilfe eines Reglers 6 erfolgt eine Angleichung der Stromrichterausgangsspannung an die Netzspannung. Sodann wird das zweite Schaltelement S2 -geschlossen, während das erste Schaltelement S1 ebenfalls noch geschlossen bleibt. Während der Umschaltung, d.h. also während der Zeit, in der beide Schaltelemente S 1 und S2 geschlossen sind, erfolgt eine Anhebung der Führungsgröße des Spannungsreglers 12.
Ebenfalls wird während dieser Überlappungsphase der Schaltzeit der Schaltelemente S1 und S2 der Spannungsregler 12 träger gemacht, was zur Folge hat, daß der Stromrichter 1 langsam aber stetig Laststrom übernimmt.
Die Erhöhung der Führungsgröße für den Spannungsregler und sein Trägermachen erfolgen durch Einschalten zusätzlicher Widerstände beim Geber 17 für die Führungsgröße bzw. in die Rückführung des Regelverstärkers 15. Für das Einschalten dieser Widerstände für die gesamte Zeit, in der die Schaltelemente S1 und S2 geschlossen sind, sorgt ein UND-Glied, das eingangsseitig mit den be-iden Schaltelementen S1 und S2 in Verbindung steht. Durch einen Komparator 7 wird festg-estellt, wann der Stromrichter 1 den gesamten Strom für den Verbraucher 4 übernommen hat, so daß dann letzterer vom Netz 3 durch Öffnen des ersten Schaltelements S1 getrennt werden kann. Die Eingänge des Komparators 7 sind zu diesem Zweck mit den Sekundärseiten sowohl des ersten, primärseitig vom Strom durch den Stromrichter 1 durchflossenen Stromwandlers9 als auch eines zweiten, primärseitig vom Strom durch den Verbraucher 4 durchflossenen Stromwandlers 10 verbunden. Bei Gleichheit der beiden Ströme gibt der Komparator 7 ein Öffnungssignal an das erste Schaltelement S1 zwischen Verbraucher und Netz- ab.
Durch Öffnen des Schaltelements 51 bei Stromgleichheit wird die Umschal-tung beendet. Die Anhebung der Führungsgröße des Spannungsreglers 12 wird zurückgenommen und der Regler nimmt wieder sein ursprüngliches, der Stromrichterdynamik entsprechendes Zeitverhalten ein.
Infolge des Stromvergleichs über den Komparator 7 ist die Überlappungszeit für die geschlossenen Schaltelemente S1 und S2 stromabhängig und damit zeitlich so variabel, daß stets sichergestellt ist, daß der Stromrichter 1 auch tatsächlich den gesamten Strom für den Verbraucher 4 liefert.
Dieses wird auch durch Vergleich der Ströme und Spannungen deutlich, die in Fig. 3 für den Stand der Technik und Fig. 4 für das Verfahren nach der Erfindung gegenübergestellt sind.
Man erkennt, daß der Netzstrom i3 beim Einschalten des zweiten Schaltelements S2 abzunehmen beginnt, während der Strom i1 durch den Stromrichter 1 langsam zu fließen anfängt. Während beim Stand der Technik (Fig. 3) der Strom i4 und die Verbraucherspannung u4 beim Öffnen des ersten Schaltelements S1 nach einer fest eingestellten Zeit ein deutliches Überschwingen zeigen, ist dieses beim Verfahren nach der Erfindung (Fig. 4) ausgeschlossen, weil das erste Schaltelement S1 erst dann geöffnet wird, wenn die Ströme i1 und i4 gleich groß sind, d.h. der Netz Strom i3 Null geworden ist.
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Claims

Umschaltung eines Verbrauchers von einem elektrischen Netz auf ein Stromversorgungsaggregat Patentansprüche 1 i Verfahren zum unterbrechungsfreien Umschalten eines Verbrauchers von. einem elektrischen Netz auf ein Stromversorgungsaggregat, das einen Energiespeicher und einen über einen Steuersatz gesteuerten Stromrichter aufweist, wobei zunächst der Stromrichter über einen Frequenz-und Phasenregler und dem von einem Spannungsregler beaufschlagten Steuersatz mit dem Netz synchronisiert und im Gleichlauf gehalten wird und worauf ein erstes Schaltelement zwischen dem Netz und dem Verbraucher erst geöffnet wird, nachdem ein zweites Schaltelement zwischen dem Verbraucher und dem Stromversorgungsaggregat bereits eine Zeit lang geschlossen worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeit, in der der Verbraucher über die beiden geschlossenen Schaltelemente sowohl durch das Netz als auch durch das Stromversorgungsaggregat gespeist wird, der Spannungsregler des Stromrichters träger gemacht und die ihm vorgegebene Führungsgröße erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß festgestellt wird, wann der Stromrichter den gesamten Strom für den Verbraucher übernommen hat, um dann durch Öffnen des ersten Schaltelements den Verbraucher.vom Netz zu trennen.
3. Verfahren nach.Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung, wann der Stromrichter den gesamten Strom übernommen hat, durch einen Vergleich zwischen dem Strom durch den Stromrichter und dem Strom durch den Verbraucher getroffen wird.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach.einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Schaltelemente (S1, S2) mit dem Eingang eines UND-Gliedes (8) verbunden ist, das ausgangsseitig mit einem Geber (17) für die Führungsgröße und einem Regelverstärker (15) des Spannungsreglers (12) des Stromrichters (1) derart in Verbindung steht, daß nur bei geschlossenen beiden Schaltelementen (S1, S2) die Führungsgröße im Geber (17) erhöht und der Regelverstärker (15) träger gemacht ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4 zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl ein erster, primärseitig vom Strom durch den Stromrichter (1) durchflos-sener Stromwandler (9) als auch ein zweiter, primärseitig vom Strom durch den Verbraucher (4) durchflossener Stromwandler (10) sekundärseitig mit den Eingängen eines Komparators (7) verbunden sind, der bei Gleichheit der beiden Ströme ein Öffnungssignal an das Schaltelement (S1) zwischen Verbraucher (4) und Netz (3) abgibt.