DE3813868A1 - Unterbrechungsfreie stromversorgungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine unterbrechungsfreie Stromver­ sorgungsanlage und insbesondere eine solche, bei der eine Last aus einer Wechselstromquelle nach Umwandlung des Wech­ selstroms dieser Wechselstromquelle in einen Wechselstrom gewünschter Spannung und Frequenz gespeist wird und bei Un­ terbrechung der Energielieferung von der Wechselstromquelle aus einer Stützbatterie gespeist wird.

Elektronische Anlagen wie Computer und Büroautomatisie­ rungsgeräte etc. werden im allgemeinen mit elektrischer Energie aus einem kommerziellen Netz gespeist. Diese elek­ tronischen Anlagen sind empfindlich gegenüber Spannungs­ und Frequenzänderungen ihrer Stromversorgung und reagieren insbesondere mit Funktionsstörungen selbst bei kurzzeitigen Stromunterbrechungen oder großen Spannungseinbrüchen. Zur Vermeidung von Schäden durch solche Unterbrechungen sieht man zum Betrieb derartiger elektronischer Anlagen daher eine Wechselstromspeisung mittels einer unterbrechungs­ freien Stromversorgungsanlage vor.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Hauptteiles einer her­ kömmlichen Ausführungsform einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage, wie sie im anglo-amerikanischen Sprachbereich mit "Floating Charge System" bezeichnet wird. Gemäß Fig. 2 wird aus einem kommerziellen Wechselstromnetz über einen auch zur Isolation des Hauptschaltungsteils vorgesehenen Transformator 3 ein Thyristorgleichrichter 4 gespeist. Der von diesem Thyristorgleichrichter 4 gelie­ ferte Gleichstrom gelangt über eine Glättungsdrossel 6 an einen Transistorwechselrichter 8 und eine Stützbatterie 10, um diese zu laden.

Der Transistorwechselrichter 8 wandelt den Eingangsgleich­ strom in einen Wechselstrom gewünschter Spannung und Fre­ quenz um und liefert in Form dieses Wechselstroms elektri­ sche Energie an eine Last 60. Tritt eine Unterbrechung der elektrischen Energielieferung aufgrund eines Fehlers im Wechselstromnetz 2 auf, wird dem Transistorwechselrichter 8 Gleichstrom von der Batterie 10 geliefert, die mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden ist, der die Gleich­ stromseite des Thyristorgleichrichters 4 mit der Gleich­ stromseite des Transistorwechselrichters 8 verbindet. Auf diese Weise wird verhindert, daß auch der Wechselstrom zur Last 60 unterbrochen wird.

Bei dem herkömmlichen Beispiel eines "Floating Charge" Sys­ tems, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wird elektrische Gleichstromenergie aus dem Wechselstromnetz an den Gleich­ stromzwischenkreis über einen Gleichrichter 4 geliefert, der eine Spannungs- und Stromregelfunktion aufweist, wie der eingangsseitige Thyristorgleichrichter 4, damit über den Gleichstromzwischenkreis gleichzeitig Gleichstrom an den Transistorwechselrichter 8 geliefert werden kann und außerdem die Stützbatterie 10 gepuffert werden kann. Damit sich hierbei Spannungsänderungen des Wechselstromnetzes 2 nicht in Änderungen der Spannung im Gleichstromzwischen­ kreis niederschlagen, muß die Spannung im Gleichstromzwi­ schenkreis niedriger gewählt werden als die Spannung, die sich durch Vollweggleichrichtung der Eingangswechselspan­ nung des Thyristorgleichrichters 4 ergeben würde. Der Tran­ sistorwechselrichter 8 muß deshalb für niedrige Spannung und großen Strom dimensioniert sein.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild des Hauptteiles einer herkömm­ lichen unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage mit einer Batterieladeeinheit. Gemäß Fig. 3 wird über einen Transformator 3, der auch zur Isolierung der Hauptschaltung dient, elektrische Energie aus einem kommerziellen Wechsel­ stromnetz 2 in einen Diodengleichrichter 5 eingespeist. Der von dem Diodengleichrichter 5 gelieferte Gleichstrom wird nach Glättung mittels einen Glättungskondensators 7 dem Transistorwechselrichter 8 zugeführt, der einen Wechsel­ strom geeigneter Spannung und Frequenz erzeugt und damit die Last 60 speist.

An den Gleichstromzwischenkreis ist eine Reihenschaltung mit einer Batterie 10 und einem Thyristorschalter 15 ange­ schlossen. Wenn eine Unterbrechung in der Stromversorgung vom Netz 2 festgestellt wird, wird der Thyristorschalter 15 sofort von einer nicht gezeigten Steuerschaltung leitend geschaltet, so daß Gleichstrom von der Batterie 10 an den Transistorwechselrichter 8 geliefert wird. Die Last 60 kann daher trotz Unterbrechung im Netz 2 unterbrechungsfrei wei­ terarbeiten.

Ein Ladetransformator 11 und ein Ladegleichrichter 12 sind an die Sekundärseite des Transformators 3 angeschlossen. Nach Glättung des vom Ladegleichrichter 12 gelieferten Gleichstroms mit Hilfe eines Glättungskondensators 13 wird mit Hilfe eines Zerhackers 14 ein Gleichstrom mit einer zum Laden der Batterie 10 geeigneten Spannung erhalten. Mit Hilfe dieses Zerhackers 14 wird die Batterie 10 ständig in einem vollgeladenen Zustand gehalten, um so für eine uner­ wartet eintretende Unterbrechung im Netz 2 gerüstet zu sein.

Die Schaltungsanordnung des bekannten "Floating Charge" Systems gemäß Fig. 2 ist einfach, jedoch muß der Transitor­ wechselrichter 8 für niedrige Spannung und hohen Strom aus­ gelegt sein. Unter normalen Betriebsbedingungen (das heißt, wenn Wechselstrom vom Netz 2 geliefert wird) ist der Wir­ kungsgrad des Transistorwechselrichters 8 relativ niedrig. Da ferner jeder Thyristor des Thyristorgleichrichters 4 zum Zwecke der Kompensation von Spannungsänderungen im Wechsel­ stromnetz 2 phasengesteuert ist, ergibt sich ein niedriger Eingangsleistungsfaktor. Da ferner das Wechselstromnetz 2 und die Batterie 10 gewöhnlich voneinander elektrisch iso­ liert sein sollen, ist in der Netzzuleitung der isolierende Transformator 3 vorgesehen. Dieser Transformator 3 wird mit der Netzfrequenz betrieben, was der Hauptgrund dafür ist, daß die unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage nicht mit geringer Größe und geringem Gewicht ausgebildet werden kann. Wie sich zeigt, bestehen eine Reihe von Nachteilen.

Bei der herkömmlichen Anordnung mit einer Ladeeinrichtung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, besteht der Nachteil, daß die unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage ein schlechtes Übergangsverhalten aufweist, etwa weil der Thyristorschalter 15 mit Verzögerung anspricht, wenn die Stromversorgung aufgrund einer Unterbrechung im Wechsel­ stromnetz auf die Batterie 10 umschaltet, daß im Zeitpunkt des Umschaltens ein Stromstoß auftritt und dieser eine plötzliche Änderung der Gleichspannung verursacht. Wie der herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 2 wird ein Transformator 3 zur Isolierung verwendet, der mit Netzfrequenz arbeitet, was auch hier den Hauptgrund dafür darstellt, daß die un­ terbrechungsfreie Stromversorgungsanlage nicht mit geringer Größe und geringem Gewicht ausgebildet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage zu schaffen, die einen höheren Wir­ kungsgrad und einen höheren Eingangsleistungsfaktor bei normalem Betrieb mit Wechselstrom von einem kommerziellen Netz aufweist und die ferner mit geringer Größe und gerin­ gem Gewicht ausgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine unterbre­ chungsfreie Stromversorgungsanlage gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Mit dieser Lösung können der Eingangsleistungsfaktor und der Wirkungsgrad verbessert werden sowie die Anlage klein und mit geringem Gewicht ausgebildet werden, wenn im ein­ gangsseitigen Umrichter der unterbrechungsfreien Stromver­ sorgungsanlage ein Diodengleichrichter verwendet wird und der Trenntransformator bei hoher Frequenz betrieben wird. Es sind zwei je eingangsseitig mit einem Diodengleichrich­ ter versehene Umrichter zur Lieferung eines Wechselstroms gewünschter Spannung und Frequenz sowie ein entweder als Gleichrichter oder als Wechselrichter arbeitender Strom­ richter mit einer jeweiligen von drei Wicklungen eines Trenntransformators verbunden. Mit der Gleichstromseite des Gleich-Wechselrichters ist eine Stützbatterie verbunden. Wenn der Trenntransformator unter dieser Voraussetzung mit der höchst möglichen Frequenz betrieben wird, erreicht man die erforderliche Isolierung, die Verbesserung von Wir­ kungsgrad und Eingangsleistungsfaktor und kann darüber­ hinaus die Schaltung mit geringer Größe und geringem Ge­ wicht aufbauen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild des Hauptteiles einer Aus­ führungsform der Erfindung,

Fig. 2 das Schaltbild des Hauptteils einer ersten herkömmlichen unterbrechungsfreien Stromver­ sorgungsanlage, und

Fig. 3 das Schaltbild des Hauptteils einer zweiten herkömmlichen unterbrechungsfreien Stromver­ sorgungsanlage.

Bei der Schaltungsanordung nach Fig. 1 ist ein erster Um­ richter 20 an ein kommerzielles Wechselstromnetz 2 an­ geschlossen. Der erste Umrichter 20 enthält einen Dioden­ gleichrichter 21 und einen Transistorwechselrichter 23. Der Diodengleichrichter 21 wandelt den Netzfrequenz aufweisen­ den Wechselstrom vom Wechselstromnetz 2 in einen Gleich­ strom um. Ein Glättungskondensator 22 dient dazu, den über­ lagerten Wechselanteil in diesem Gleichstrom zu verringern. Der Transistorwechselrichter 23 wandelt diesen geglätteten Gleichstrom in einen Wechselstrom beliebiger Spannung und Frequenz um. Die Frequenz dieses Wechselstroms vom Transis­ torwechselrichter 23 liegt möglichst hoch.

Der hohe Frequenz aufweisende Wechselstrom, der vom ersten Umrichter 20 abgegeben wird, wird an eine Eingangswicklung eines mit drei Wicklungen versehenen Transformators 30 ge­ liefert. Der Transformator 30 seinerseits transformiert auf eine gewünschte Spannung und liefert von seiner Ausgangs­ wicklung einen Wechselstrom hoher Frequenz. Dabei ist die Ausgangswicklung des Transformators 30 gegenüber dem Wech­ selstromnetz 2 isoliert. An die Ausgangswicklung des Trans­ formators 30 ist ein zweiter Umrichter 40 angeschlossen, der einen Diodengleichrichter 41, einen Glättungskon­ densator 42 und einen Transistorwechselrichter 43 enthält. Der Transistorwechselrichter 43 wird geeignet gesteuert, so daß er an eine Last 60 Wechselstromenergie gewünschter Spannung und Frequenz liefert.

An die dritte Wicklung des Transformators 30 ist die Wech­ selstromseite eines Stromrichters 50 angeschlossen, dessen Gleichstromseite mit einer Batterie 10 verbunden ist, die bei Unterbrechung der Stromversorgung vom Wechselstromnetz 2 die Stromversorgung übernimmt. Der Stromrichter 50 kann sowohl im Gleichrichterbetrieb als auch im Wechselrichter­ betrieb arbeiten.

Wenn elektrische Energie im normalen Betriebszustand vom Wechselstromnetz 2 geliefert wird, speist der erste Umrich­ ter 20 Wechselstromenergie hoher Frequenz über den Trans­ formator 30 in den zweiten Umrichter 40. Die Last 60 wird von dem zweiten Umrichter 40 mit Wechselstromenergie ver­ sorgt, während die Batterie 10 von Wechselstromenergie aus dem Wechselstromnetz 2 geladen wird, und zwar über den er­ sten Umrichter 20, den Transformator 30 und den in diesem Fall als Gleichrichter arbeitenden Stromrichter 50.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ist mit einer nicht gezeigten Schaltung versehen, die eine Unterbrechung der Energielieferung vom Wechselstromnetz 2 feststellt, sowie mit einer ebenfalls nicht gezeigten Schaltung, die die Gleichrichterbetriebsweise oder die Wechselrichterbe­ triebsweise des Stromrichters 50 einstellt. Wenn eine Un­ terbrechung der Stromversorgung aus dem Wechselstromnetz 2 festgestellt wird, während die Last 60 aus dem Wechsel­ stromnetz 2 in oben beschriebener Weise versorgt wird, be­ ginnt der Stromrichter 50 unmittelbar als Wechselrichter zu arbeiten und liefert von der Batterie 10 elektrische Ener­ gie über den Transformator 30 und den zweiten Umrichter 40 an die Last 60, so daß für die Last 60 keine Unterbrechung der Energiezufuhr entsteht.

Die Frequenz des Wechselstroms, den der Stromrichter 50 im Wechselrichterbetrieb an den Transformator 30 liefert, hat einen ähnlich hohen Wert wie die Frequenz des vom ersten Umrichter 20 ausgegebenen Wechselstroms und liegt bei eini­ gen kHz bis zu einigen 10 kHz. Diese Frequenz ist sehr viel höher als die Netzfrequenz (50 Hz bis 60 Hz), so daß Abmes­ sungen und Gewicht des Transformators 30 bei gleichzeitiger Verringerung seiner Kosten sehr gering gehalten werden kön­ nen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind alle drei Teile, nämlich das Wechselstromnetz 2, die Last 60 und die Batterie 10 gegeneinander isoliert, wofür der Transformator 30 mit drei gesonderten Wicklungen versehen ist, nämlich einer Eingangswicklung, einer Ausgangswicklung und einer dritten Wicklung. Wenn eine Isolierung beispielsweise zwi­ schen dem Wechselstromnetz 2 und der Last 60 nicht erfor­ derlich ist, sondern nur eine Isolierung der Batterie er­ wünscht ist, können Eingang und Ausgang des Transformators als Spartransformator ausgebildet sein, der eine zusätzli­ che gesonderte Wicklung für den Stromrichter 50 aufweist. Auch ein solcher Transformator kann bei hoher Frequenz be­ trieben werden.

Mit den beschriebenen Maßnahmen läßt sich eine unterbre­ chungsfreie Stromversorgungsanlage schaffen, bei der ein auch zur Isolation dienender Transformator mit Wechselstrom möglichst hoher Frequenz gespeist wird. Mit Hilfe des Transformators können die drei Teile, nämlich kommerzielles Wechselstromnetz, Last und Stützbatterie voneinander iso­ liert werden und zugleich die Abmessungen des Trenntrans­ formators erheblich reduziert werden. Dies trägt dazu bei, daß die Anlage insgesamt mit geringen Kosten klein und leicht ausgebildet werden kann. Durch Verwendung von Dio­ dengleichrichtern in der Eingangsseite der Umrichter wird die Ausgangsgleichspannung höher als die von Thyristor­ gleichrichtern, da keine Phasensteuerung erfolgt. Es erge­ ben sich also eine Reihe von Vorteilen, wie der, daß der Energiefaktor des Wechselstroms verbessert wird, daß der Wirkungsgrad der Umrichter ebenfalls verbessert wird, daß die Steuerschaltung vereinfacht wird und eine Kostenredu­ zierung erlaubt, etc.

Claims (3)

1. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage mit einem ersten an eine Wechselstromenergiequelle angeschlos­ senen Umrichter (20), der einen Wechselstrom vorgegebener Spannung und Frequenz abgibt, mit einem Transformator (30) und mit einer Batterie (10),
dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Umrichter (40) vorhanden ist, der mit einem Wechselstrom gespeist wird und einen Wechselstrom bei beliebiger Spannung und Frequenz abgibt,
daß ein Gleich/Wechselrichter (50) vorhanden ist, der einen Wechselstrom in einen Gleichstrom oder einen Gleich­ strom in einen Wechselstrom umwandelt,
daß der Transformator (30) eine Eingangswicklung, eine Ausgangswicklung und eine von Eingangswicklung und Ausgangswicklung isolierte dritte Wicklung aufweist, von denen die Eingangswicklung mit der Wechselstromausgangs­ seite des ersten Umrichters (20) verbunden ist, die Aus­ gangswicklung mit der Wechselstromeingangsseite des zweiten Umrichters (40) verbunden ist und die dritte Wicklung mit der Wechselstromseite des Gleich/Wechselrichters (50) ver­ bunden ist, und
daß die Batterie (10) mit der Gleichstromseite des Gleich/Wechselrichters (50) verbunden ist.

2. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Umrichter (20, 40) an seiner Ein­ gangsseite mit einem mit Dioden bestückten Gleichrichter versehen ist.

3. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (30) mit möglichst hoher Frequenz be­ trieben wird.