DE3813868C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine unterbrechungsfreie Stromver­ sorgungsanlage mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

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.

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus DE-27 01 892 A 1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik ist die erste Wicklung des Transformators über eine Drossel an das Wech­ selstromnetz angeschlossen, und der Stromrichter zwischen der zweiten Transformatorwicklung und der Last ist ein ein­ facher Brückengleichrichter, das heißt die Last wird mit Gleichstrom gespeist. Im normalen Betrieb, wenn also die Last aus dem Wechselstromnetz gespeist wird, arbeitet der Transformator mit der Netzfrequenz. Dem Gleich/Wechselrich­ ter fällt in diesem Betriebszustand die Aufgabe zu, die Ausgangsspannung der Stromversorgungsanlage zu regeln und die Batterie aus dem Wechselstromnetz zu puffern. Fällt das Wechselstromnetz aus oder ist es nicht mehr in der Lage, die erforderliche Ausgangsspannung der Stromversorgungs­ anlage aufrecht zu erhalten, wird zusätzlich Energie aus der Batterie über den Gleich/Wechselrichter entnommen. Die Frequenz der dabei von dem Gleich/Wechselrichter abgegebe­ nen Wechselspannung ist soviel höher als die Netzfrequenz, daß die Drossel in der Verbindung zwischen dem Netz und der ersten Wicklung des Transformators eine so hohe Impedanz aufweist, daß eine Rückspeisung von Energie in das Wech­ selstromnetz verhindert wird. Da bei diesem Stand der Technik der Transformator im Normalfall mit Netzfrequenz betrieben wird, muß er entsprechend groß sein, was der Hauptgrund dafür ist, daß eine solche unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage nicht mit der gewünschten geringen Größe und dem geringen Gewicht ausgebildet werden kann.

Andere Schaltungsanordnungen von unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen sind aus des DE 31 17 689 C2 be­ kannt. Wie bei unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen allgemein üblich, erfolgt auch dort die Speisung des Ver­ brauchers entweder aus dem Wechselstromnetz, oder, wenn dieses ausfällt, aus einer Batterie. Zur Isolierung erfolgt dabei der Anschluß an das Wechselstromnetz über einen Transformator. Auch in diesem Fall wird der Transformator zwangsläufig mit Netzfrequenz betrieben, so daß bezüglich Größe und Gewicht dieselben Probleme wie bei dem erstge­ nannten Stand der Technik auftreten.

Aus der DE 30 33 034 C3 ist eine unterbrechungsfreie Strom­ versorgungsanlage bekannt, bei der ein Wechselstromverbrau­ cher über einen elektronischen Schalter direkt an das Wech­ selstromnetz angeschlossen ist. Außerdem ist an den Ver­ braucher ein je nach Betriebszustand entweder als Gleich­ richter oder als Wechselrichter arbeitender Stromrichter angeschlossen, dessen Gleichstromseite mit einer Batterie verbunden ist. Am wechselstromseitigen Ausgang dieses Stromrichters befindet sich ein Filter, das die Ausgangs­ spannung glätten soll. Im Wechselrichterbetrieb arbeitet dieser Stromrichter mit einer Frequenz, die höher als die Netzfrequenz ist, was die Verwendung relativ kleiner Bau­ elemente im Filter erlaubt, aber voraussetzt, daß diese hö­ here Frequenz für den Wechselstromverbraucher verträglich ist. Diese bekannte Stromversorgungsanlage ist deshalb nicht universell einsetzbar.

Aus der DE 23 25 872 C2 ist eine Notstromversorgung für ein Beleuchtungssystem mit wenigstens zwei in Reihe geschalte­ ten Entladungslampen bekannt. Die Entladungslampen sind in üblicher Weise über eine Vorschalteinrichtung an das Wech­ selstromnetz angeschlossen. Außerdem sind sie an den Wech­ selspannungsausgang eines Wechselrichters angeschlossen, der in Betrieb geht, wenn die Netzspannung unter einen vor­ gegebenen Wert abfällt. Dem Wechselrichter, mit dessen Gleichstromeingang die Batterie verbunden ist, ist ein Transformator vorgeschaltet. Die Primärwicklung des Trans­ formators ist mit der Netzstromquelle verbunden. Eine erste Sekundärwicklung des Transformators speist einen Brücken­ gleichrichter, dessen Ausgangsspannung das Ein/Ausschalt­ kriterium für den Wechselrichter darstellt. Solange diese Ausgangsspannung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, ist der Wechselrichter ausgeschaltet. Eine zweite Sekundärwicklung dieses mit Netzfrequenz betriebenen Transformators puffert über eine Einweggleichrichtung die Batterie. Der Wechselrichter selbst arbeitet mit einer höheren Frequenz als der Netzfrequenz und enthält seiner­ seits einen Transformator mit drei Wicklungen.

Ausgehend von einer unterbrechungsfreien Stromversorgungs­ anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung dahingehend zu er­ zielen, daß der Transformator mit geringerer Größe und ge­ ringerem Gewicht ausgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine unterbre­ chungsfreie Stromversorgungsanlage mit den im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen ge­ löst.

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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand des in der Fig. 1 dargestellten Schaltbildes näher er­ läutert.

Bei der Schaltungsanordung nach Fig. 1 ist ein erster Um­ richter 20 an das Wechselstromnetz 2 angeschlossen. Der er­ ste Umrichter 20 enthält einen Diodengleichrichter 21 und einen Transistorwechselrichter 23. Der Diodengleichrichter 21 wandelt den Netzfrequenz aufweisenden Wechselstrom vom Wechselstromnetz 2 in einen Gleichstrom um. Ein Glättungs­ kondensator 22 dient dazu, den überlagerten Wechselanteil in diesem Gleichstrom zu verringern. Der Transistorwechsel­ richter 23 wandelt diesen geglätteten Gleichstrom in einen Wechselstrom beliebiger Spannung und Frequenz um. Die Fre­ quenz dieses Wechselstroms vom Transistorwechselrichter 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 Glättungskondensa­ tor 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 der Transformator mit Wechselstrom hoher Frequenz gespeist wird, wodurch bei gleicher Leistung seine Abmessungen er­ heblich reduziert werden können. Dies trägt dazu bei, daß die Anlage insgesamt mit geringeren Kosten klein und leicht ausgebildet werden kann. Durch die Verwendung von Dioden­ gleichrichtern in der Eingangsseite der Umrichter wird die Ausgangsgleichspannung höher als die von Thyristorgleich­ richtern, da keine Phasensteuerung erfolgt. Aus demselben Grund ergibt sich im Vergleich zu Thyristorgleichrichtern auch ein besserer Leistungsfaktor und eine vereinfachte Steuerschaltung.

Claims (2)

1. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage mit

• - Eingangsanschlüssen zum Anschluß an das Wechsel­ stromnetz,
• - Ausgangsanschlüssen zum Anschließen einer Last (60),
• - einer Batterie (10), und
• - einen Transformator (30), der drei gegeneinander iso­ lierte Wicklungen aufweist, von denen eine erste mit den Eingangsanschlüssen verbunden ist, eine zweite über einen Stromrichter (40) mit den Ausgangsanschlüssen verbunden ist und die dritte über einen Gleich/Wechselrichter (50), der einen Wechselstrom in einen Gleichstrom oder einen Gleich­ strom in einen Wechselstrom umwandelt und dessen Betriebs­ frequenz im Wechselrichterbetrieb höher als die Netzfre­ quenz ist, mit der Batterie (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - zwischen die Eingangsanschlüsse und die erste Wick­ lung des Transformators (30) ein erster Umrichter (20) ge­ schaltet ist, der einen Wechselstrom vorgegebener Spannung und einer Frequenz abgibt, die höher als die Netzfrequenz ist, und
• - der zwischen die zweite Wicklung des Transformators (30) und die Ausgangsanschlüsse geschaltete Stromrichter ein zweiter Umrichter (40) ist, der einen Wechselstrom bei beliebiger Spannung und Frequenz abgibt.

2. Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichter (20, 40) an ihrer Eingangsseite je mit einem mit Dioden bestückten Gleichrichter (21, 41) versehen sind.