-
Anordnung zur Vermeidung von unzulässigen Spannungs-
-
einbrüchen bei Lastaufschaltung auf Wechselrichter Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Vermeidung von unzulässigen Spannungseinbrüchen bei Lastaufschaltung
auf Wechselrichter mit nachgeschaltetem Filter.
-
In USV-Anlagen werden statische Wechselrichter zur unterbrechungslosen
Stromversorgung des Verbrauches aus einer Gleichstromquelle eingesetzt. Diese Wechselrichter
erzeugen als Grundspannung keine sinusförmige Spannung.
-
Zur Erzeugung der sinusförmigen Spannung werden Tiefpaß- oder Bandpaßfilter
verwendet.
-
Der Nachteil dieser Filterschaltungen ist jedoch, daß bei Belastungsstößen
die Energienachlieferung über das Filter aus der Gleichstromquelle nicht verzögerungslos
möglich ist. Bei konstanter Eingangsspannung ergibt sich zunächst ein Spannungseinbruch
über mehrere Halbwellen und erst danach stellt sich ein statischer Wert ein.
-
Dieser Spannungseinbruch ist regelungstechnisch nicht zu eliminieren.
Der statische Spannungseinbruch kann durch die Regelung jedoch ausgeglichen werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Anordnungen zu schaffen,
durch die Spannungseinbrüche bei Lastaufschaltung auf Wechselrichter mit nachgeschaltetem
Filter verringert oder vermieden werden.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Anordnung gemäß der Erfindung derart
ausgebildet, daß der Verbraucherstrom einem Stromwandler zugeführt ist, der einem
ersten Gleichrichter nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines ersten
Differenziergliedes verbunden ist, daß das erste Differenzierglied einem zweiten
Gleichrichter und diesem ein zweites Differenzierglied nachgeschaltet ist, dessen
Ausgang mit dem Eingang einer mit einer einstellbaren Ansprechschwelle versehenen
Auswerteschaltung verbunden ist, der auf einen Umschalter einwirkt.
-
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Umschaltung des Verbrauchers
auf das Netz bereits während der Lastzunahme innerhalb der Halbwelle erfolgt. Dadurch
erhält man lediglich einen geringfügigen kaum merkbaren Spannungseinbruch für einen
Bruchteil einer Halbwelle der die zulässigen Toleranzen nicht überschreitet. Diese
Schaltung eignet sich besonders bei nicht im voraus bekannten Laständerungen.
-
Wenn die Rückschaltung vom Netz auf den Wechselrichter im voraus bekannt
ist, kann dem Wechselrichterausgang zunächst eine Ersatzlast die der momentanen
Belastung entspricht, angeschaltet werden und erst danach wird die endgültige Umschaltung
vorgenommen.
-
Da die Ersatzlast möglichst gut an die bekannte Belastung angepaßt
werden kann, läßt sich auch mit dieser einfachen Maßnahme ein gutes Ergebnis erzielen.
-
Die Anordnung nach der Erfindung kann auch so ausgebildet sein, daß
mittels einer Zähleinrichtung die Umschaltungen innerhalb eines Zeitintervalls gespeichert
werden und bei Überschreiten einer vorgegebenen Umschaltezahl die Rückschaltung
vom
Netz auf den Wechselrichter blockiert wird.
-
Dadurch wird ein dauerndes Rückschalten vom Netz auf einen gestörten
Wechselrichter vermieden, was zur Erhöhung der Betriebssicherheit einer USV-Anlage
führt.
-
Anhand der Ausführungsbeispiele und Diagramme nach den Figuren 1 bis
9 wird die Erfindung näher erläutert.
-
Es zeigen Figur 1 einen bekannten Wechselrichter mit nachgeschaltetem
Filter, Figur 2 ein Diagramm der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms von USV-Anlagen
bei Umschaltung vom Netz auf Wechselrichter ohne die erfinderischen Maßnahmen, Figur
3 ein Blockdiagramm für die Ersatzlastaufschaltung, Figur 4 ein Zeitdiagramm für
die Ersatzlastaufschaltung, Figur 5 ein Stromspannungsdiagramm bei Rückschaltung
vom Netz auf Wechselrichter bei Ersatzlastaufschaltung, Figur 6 eine Schaltung für
eine Verbraucherstromüberwachung, Figur 7 ein Stromspannungsdiagramm bei Verwendung
einer Anordnung nach Figur 6, Figur 8 ein Zeitdiagramm bei Verwendung einer Anordnung
nach Figur 6, Figur 9 ein Zeitdiagramm für die Umschaltebegrenzung vom Netz auf
Wechselrichter.
-
In Figur 1 ist ein herkömmlicher Wechselrichter 10 mit einem nachgeschalteten
Filter 15 zur Erzeugung einer sinusförmigen Ausgangsspannung gezeigt. Diese Wechselrichter
werden bei unterbrechungslosen Stromversorgungen verwendet und ihre Ausgänge sind
über eine Umschalteeinrichtung parallel zum Netz geschaltet, so daß der Verbrauch
wahlweise
zwischen Netz und Wechselrichter umgeschaltet werden
kann, wobei im Normalbetrieb der Verbrauch vom Wechsel richter gespeist wird und
erst wenn im Wechselrichter Störungen auftreten, erfolgt die Umschaltung auf das
Netz. Nachteilig ist bei derartigen Wechselrichtern mit nachgeschalteten Filtern,
daß bei Belastungsstößen die Energienachlieferung über das Filter aus der Gleichstromquelle
nicht verzögerungslos möglich ist. Bei konstanter Eingan gsspannung ergibt sich
zunächst ein Spannungseinbruch über mehrere Halbwellen und erst danach stellt sich
ein statischer Wert ein.
-
Dieser Spannungseinbruch ist in dem Diagramm nach Figur 2 deutlich
erkennbar. Dabei stellt der obere Kurvenzug die Ausgangsspannung UA an der unterbrechungslosen
Stromversorgung dar, während der Kurvenzug darunter den Ausgangsstrom bzw. den Verbraucherstrom
IA zeigt. Man erkennt deutlich, daß beim Anschalten der Last ein erheblicher Spannungseinbruch
erfolgt, der erst nach zwei Perioden wieder voll ausgeglichen ist.
-
Figur 3 zeigt eine netzgestützte USV-Anlage. Dabei wird das Netz über
einen elektronischen Schalter 11 direkt an den Verbraucher V herangeführt, während
im Parallelzweig der Wechselrichter 10 sowohl von der Batterie 9 als auch der gleichgerichteten
Netzspannung mit dem Gleichrichter 8 angesteuert wird. Der Wechselrichter ist ebenfalls
wieder über einen zweiten elektronischen Schalter 12 mit dem Verbraucher verbindbar.
Je nachdem, ob der Wechselrichter oder das Netz direkt den Verbraucher speisen sollen,
wird einer der beiden elektronischen Schalter 11 oder 12 durchgeschaltet bzw. gesperrt.
-
Wenn die Rückschaltung vom Netz auf den Wechselrichter im voraus bekannt
ist, so kann zur Umgehung des Spannungseinbruches
der Wechselrichterausgangsspannung
zunächst die Ersatzlast 14 über den dritten elektronischen Schalter 13 an den Wechselrichter
angeschaltet werden. Anschließend wird diese Ersatzlast ab- und die Verbraucherlast
zugeschaltet. Dadurch ergibt sich bei Aufschaltung des Verbrauches auf den Wechselrichter
lediglich eine Laständerung zwischen Verbraucherlast und Ersatzlast. Durch Wahl
der Ersatzlast kann die Laständerung so begrenzt werden, daß die Wechselrichterausgangsspannung
innerhalb der zulässigen Grenzen für die Verbraucherspannung bleibt.
-
Figur 4 zeigt das Zeitdiagramm für die Anschaltung der Ersatzlast
an den Wechselrichter. In der obersten Zeile ist der zeitliche Verlauf von Wechselrichterbetrieb
zu Netzbetrieb gezeigt. Bis zum Zeitpunkt A wird der Verbraucher vom Netz gespeist.
Im Zeitpunkt A erfolgt der Schaltbefehl für die Anschaltung der Ersatzlast an den
Wechselrichter. Im Zeitpunkt B erfolgt der Schaltbefehl für die Umschaltung von
Netzbetrieb auf Wechselrichterbetrieb. In der darunter liegenden Zeile ist der Schaltverlauf
für den elektronischen Schalter 13 der die Ersatzlast 14 an den Wechselrichter 10
anschaltet, gezeigt. Beim Schaltbefehl A wird der Schalter 13 eingeschaltet, der
bis zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet war.
-
Im Zeitpunkt B wird der Schalter wieder ausgeschaltet.
-
Der Schaltverlauf für den elektronischen Schalter 11 für Netzbetrieb
ist in der dritten Zeile dargestellt.
-
Bis zum Zeitpunkt B ist der elektronische Schalter 11 durchgeschaltet
und wird erst ab diesem Zeitpunkt gesperrt. Umgekehrt ist es beim elektronischen
Schalter 12. Dieser Schalter ist zunächst ausgeschaltet und erhält erst beim Zeitpunkt
B einen Einschaltbefehl.
-
In der letzten Zeile sind dann die Betriebsarten dargestellt. Bis
zum Zeitpunkt B wird der Verbraucher vom Netz gespeist, anschließend vom Wechselrichter
und im
Anschluß daran ist eine neue Umschaltephase angedeutet, in
der der Verbraucher wieder vom Netz gespeist wird.
-
Der Erfolg der Anschaltung der Ersatzlast in Bezug auf den Spannungseinbruch
ist in dem Stromspannungsdiagramm nach Figur 5 gezeigt. In der ersten Zeile ist
die Wechselrichv terspannung dargestellt, in der zweiten Zeile der Wechselrichter
bzw. Verbraucherstrom, in der dritten Zeile die Ersatzlast, in der Zeile 4 die Ausgangsspannung
der USV-Anlage und in der fünften Zeile die Ausgangsspannung des Ausgangsstromes.
Bei Anschalten der Ersatzlast an den Wechselrichter erfolgt dort der übliche Spannungseinbruch,
der jedoch wie in Zeile vier zu ersehen ist, keinen Einfluß auf die USV-Ausgangsspannung
hat. Erst beim Abschalten der Ersatzlast und dem Umschalten des Verbrauchers auf
den Wechselrichter drückt ein geringfügiger Spannungseinbruch während einer Halbwelle
auf, der jedoch in den zulässigen Grenzen bleibt. Es handelt sich dabei um die Halbwelle
unmittelbar nach Anschalten des Verbrauchers an den Wechselrichter.
-
Der Ausgangsstrom ist vor und nach dem Umschaltevorgang konstant.
-
Bei plötzlichen Laständerungen, die im voraus nicht bekannt sind,
läßt sich eine Anordnung wie mit Ersatzlast sie in Figur 3 gezeigt wurde, nicht
verwenden. Zur Umgehung des Spannungseinbruches bei Lastzuschaltung im Wechselrichterbetrieb
kann bei USV-Anlagen in den meisten Fällen das öffentliche Netz zur Stützung herangezogen
werden. Es ist hierzu eine unverzögerte schnelle Verbraucherstromüberwachung notwendig,
die in Figur 6 im einzelnen dargestellt ist.
-
Der Verbraucherstrom IV wird über den Stromwandler 1 gemessen und
an einem ersten Gleichrichter 2 gleichgerichtet. Die Stromhalbwellen werden dann
einem ersten Differenzierglied 3 zugeführt, nachdem wiederum eine Gleichrichtung
in
einem zweiten Gleichrichter 4 erfolgt. Eine weitere Differenzierung erfolgt im Differenzierglied
5.
-
Durch die zweimalige Differenzierung der Stromhalbwellen wird nur
die Lastzunahme während der Änderung erfaßt. Die der Lastzunahme proportionale Spannung,
die am Kondensator 2 der Auswerteschaltung 6 ansteht, betätigt dann die Umschaltung
7. Dadurch erfolgt die Umschaltung des Verbrauchers auf das Netz bereits während
der Lastzunahme innerhalb der Halbwelle.
-
Das Ergebnis ist im Stromspannungsdiagramm nach Figur 7 gezeigt. In
der ersten Zeile ist wieder die USV-Ausgangsspannung dargestellt, in der zweiten
Zeile der USV-Ausgangsstrom in den drei weiteren aufeinanderfolgenden Zeilen ist
jeweils der Laststrom bei unterschiedlichen Meßpunkten dargestellt und die unterste
Zeile zeigt den Netzrückschaltbefehl. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist
der Spannungseinbruch innerhalb einer Halbwelle äußerst gering und bleibt weit unterhalb
der zulässigen Grenzen.
-
Die Ansprechschwelle für die Stromzunahmeerfassung ist einstellbar.
Diese Schaltung greift auch unverzögert bei Uberlastungsstößen und Kurzschlüssen
am Verbrauch in die elektronische Umschaltung ein. Durch Einführung dieser schnellen
Stromüberwachung kann durch Netzstützung der Spannungseinbruch bedingt durch das
Wechselrichtefilter ebenfalls umgangen werden.
-
Bei USV-Anlagen ist es üblich, das öffentliche Netz als passive Redundanz
heranzuziehen. Der Verbrauch wird dabei normal über den Wechselrichter und Gleichrichter
vom öffentlichen Netz gespeist. Eine direkte Umschaltung des Verbrauchers auf das
öffentliche Netz wird durch mehrere Kriterien ausgelöst, wie zum Beispiel Störung
im Wechselrichter oder Laststößen wie sie vorhergehend bereits beschrieben
wurden.
Die Rückschaltung vom Netz auf den Wechselrichter erfolgt dabei automatisch, wenn
die Wechgselrichterausgangsspannung die entsprechenden Toleranzen einhält. Es ist
nun durchaus möglich, daß diese Bedingungen vom Wechselrichter nur ohne aufgeschaltete
Last eingehalten werden. Dadurch erfolgt zwar eine kurze Rückschaltung des Verbrauches
auf den Wechselrichter.
-
Es wird jedoch sofort wieder auf das Umgehungsnetz zurückgeschaltet.
Damit sich dieser Vorgang nicht in unbegrenzter Zahl wiederholen kann, sieht die
Erfindung eine Zählschaltung vor. Diese Zählschaltung speichert die Umschaltungen
innerhalb einer bestimmten Zeit. Wird eine vorgegebene Umschaltezahl überschritten,
so bleibt der Verbrauch fest auf dem Umgehungsnetz.
-
Figur 8 zeigt den Funktionsablauf der Umschaltebegrenzungseinrichtung.
In der ersten Zeile sind wieder die Befehle dargestellt, in der zweiten Zeile die
Freigabe für die Zähischaltung der Umschaltungen, in der dritten Zeile die Netzanschaltezählungen
und in der vierten Zeile die Sperre für die Umschaltungen. Mit dem Umschaltebefehl
auf den Wechselrichter zum Zeitpunkt 1 wird eine Zähischaltung auf bestimmte Zeit
freigegeben. Innerhalb dieser Freigabezeit werden die Umschaltungen auf das Netz
das heißt die Umschaltung Wechselrichter auf das Netz gezählt. Die Freigabezeit
für die Zähleinrichtung wird mit jeder Umschaltung auf den Wechselrichter zurückgesetzt
und beginnt neu zu laufen. Zählbeginn wird damit zum Zeitpunkt 1, 3 und 5 neu ausgelöst.
Rückschaltungen auf das Netz liegen zum Zeitpunkt 2 und 4 an. Beim gezeichneten
Beispiel werden zwei Rückschaltungen auf das Netzinnerhalb der Freigabezeit zugelassen.
Bei der zweiten Rückschaltung zum Zeitpunkt 4 tritt eine Halteschaltung in Funktion,
wodurch der Verbrauch dauernd am Netz angeschaltet bleibt. Eine Rückschaltung auf
den Wechselichter ist nur nach Bestätigung einer Quittiertaste möglich.
-
3 Patentansprüche 9 Figuren