DE60027173T2

DE60027173T2 - Unterbrechungsfreie stromversorgungen mit möglichkeit doppelter quellen und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE60027173T2
Application number: DE60027173T
Authority: DE
Inventors: James San Diego THOMMES; W. Robert Raleigh JOHNSON; J. William Raleigh RADDI
Original assignee: Eaton Power Quality Corp
Current assignee: Eaton Power Quality Corp
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: DE60027173D1; WO2001013491A1; EP1210758A1; EP1210758B1; ATE322755T1; AU6890500A

Description

Bezug auf die Stammanmeldung
Die vorliegende Erfindung ist eine Continuation-in-part-Anmeldung der US Patentanmeldung Serial Nr. 09/374,180, eingereicht am 13. August 1999.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Leistungsvorrichtungen und Verfahren zum Betrieb derselben und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf nicht unterbrechbare bzw. unterbrechungsfreie Leistungsversorgungen (UPS's = uninterruptible power supplies) und Verfahren zum Betrieb derselben.
Hintergrund der Erfindung
Unterbrechungsfreie Leistungs- oder Stromversorgungen (UPS's) sind Leistungs- oder Stromumwandlungsvorrichtungen, die gemeinsam verwendet werden, um zuverlässig Strom oder Leistung an Computernetzwerke, Nachrichtennetzwerke, medizinische Geräte und dergleichen zu liefern. UPS's werden im großen Umfang zusammen mit Computern und ähnlichen Rechenvorrichtungen verwendet, und zwar einschließlich aber nicht beschränkt auf persönliche Computerarbeitsstationen (workstations) Minicomputer, Netzwerkserver, Diskanordnungen und Mainframe-Computer, um so sicherzustellen, dass wertvolle Daten nicht verloren gehen und dass die Vorrichtung den Betrieb fortsetzt, selbst wenn ein temporärer Verlust einer Wechselstromversorgungsquelle eines Energieversorgers auftritt. UPS's liefern typischerweise Leistung an solche elektronische Geräte und zwar von einer sekundären Quelle, wie beispielsweise einer Batterie in einem Falle wo die primäre Wechselstromquelle des Leistungsversorgers zusammenbricht (blackout) oder nicht die richtige Spannung liefert (brownout).
Konventionelle UPS's können in Kategorien klassifiziert werden. Unter Bezugnahme auf 1 sei erwähnt, dass eine typische "Off-line" UPS eine Last von einer primären Wechselstromquelle 10 dann trennt, wenn die primäre Wech selstromquelle ausfällt, oder in einem verschlechterten Maße arbeitet, was gestattet, dass die Last von einer sekundären Quelle, wie beispielsweise einer Batterie, beliefert wird. Die Wechselstromleistungsquelle 10 liegt in Serie mit einem Schalter S₁, und erzeugt eine Wechselspannung an einer Last 20, wenn der Schalter S₁ geschlossen ist. Energiespeicherung wird typischerweise in der Form eines Speicherkondensators C_S vorgesehen. Die sekundäre Leistungsquelle, hier eine Batterie B, ist mit der Last 20 über einen Niederspannungswandler bzw. Konverter bzw. Stromrichter 30 und einen Transformator T verbunden. Wenn die Wechselstromleistungsquelle 10 ausfällt, so wird der Schalter S₁ geöffnet, was bewirkt, dass die Last Leistung der Batterie B entnimmt. Der Niederspannungsumwandler 30 ist typischerweise ein Inverter bzw. Wechselrichter, der eine quasi Rechteckwellen- oder Sinuswellenspannung an einer ersten Wicklung L₁ des Transformators T erzeugt, und zwar aus einer Gleichstromspannung erzeugt durch die Batterie B. Die erste Wicklung L₁ ist mit einer zweiten Wicklung L₂ des Transformators T über die Last 20 verbunden. Wenn die Wechselstromleistungsquelle in Betrieb ist, d.h. dann wenn der Schalter S₁ geschlossen ist, kann die Batterie B, unter Verwendung des Niederspannungkonverters 30 oder einer (nicht gezeigten) Batterieladeschaltung geladen werden.
Eine Leitungsinteraktive (LIA = line interactive) UPS Topologie ist in 2 gezeigt. Hier besitzt der Transformator T eine dritte Wicklung L₃, die in Serie mit der Last 20 geschaltet werden kann, und zwar unter Verwendung der Schalter S₂, S₃ um die Last 20 angelegte Spannung zu vermindern bzw. zu "drücken" ("buck") oder zu „verstärken" ("boost"). Wie bei der Offline UPS Topologie gilt auch hier, dass dann, wenn die Wechselstromleistungsquelle 10 ausfällt, der Schalter S₁ geöffnet werden kann, um zu gestatten, dass die Last 20 von der Batterie B versorgt wird.
Wie in 3 gezeigt, weist ein typischer „Online" UPS einen Gleichrichter 40 auf, der eine Wechselspannung von einer Wechselspannungsleistungsquelle 10 empfängt, und eine Gleichspannung am Speicherkondensator C_S an einem Zwischenknoten 45 erzeugt. Ein Inverter 50 ist zwischen den Zwischenknoten 45 geschaltet, und erzeugt im Betrieb eine Wechselspannung an einer Last 20 aus der Gleichspannung. Wie gezeigt, ist eine Batterie B mit dem Zwischenknoten 45 über einen DC/DC-Konverter 60 verbunden, und zwar zur Lieferung von Hilfsleistung. Alternativ kann der DC/DC-Konverter eliminiert werden und eine Hochspannungsbatterie (nicht gezeigt) ist direkt mit dem Zwischenknoten 45 verbunden. Ein Beispiel einer Leistungsversorgungsvorrichtung mit einer Online-Topologie ist im US Patent 5,126,585, erteilt an Boys, beschrieben.
Jede dieser Topologien kann Nachteile besitzen. Beispielsweise benutzen konventionelle On-line und LIA UPS's für 50 Hz Anwendungen 60 Hz Magnetkomponenten (beispielsweise Transformatoren und Induktivitäten), die für solche Frequenzen bemessen sind und die somit groß, schwer und teuer sind. Die LIA UPS's zeigen oft Schrittspannungsänderungen, die die Leistungsfähigkeit der Last beeinflussen können. Konventionelle Off-line, LIA und On-line UPS's benutzen oft große Speicherkondensatoren, die die Tendenz besitzen, platzgreifend und teuer zu sein, um eine akzeptable Ausgangsspannung selbst bei schweren Lastbedingungen aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, dass die Verkäufer von UPS's große Lager unterhalten müssen für unterschiedliche Arten von UPS's um eine Verschiedenheit von unterschiedlichen Kundenanforderungen zu erfüllen, da die konventionellen UPS's typischerweise derart ausgelegt sind, dass sie nur in einer der oben beschriebenen Off-line LIA oder On-line Betriebsarten arbeiten.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf die obigen Ausführungen ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte unterbrechungsfreie Leistungsversorgungen (UPS's) vorzusehen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, UPS's vorzusehen, die in einer Anzahl von unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden können.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung UPS's vorzusehen, die kleinere Magnetkomponenten und Speicherkondensatoren verwenden können.
Diese Ziele, Merkmale und Vorteile können erfindungsgemäß durch UPS's gemäß dem Anspruch 1 vorgesehen werden, wobei die UPS's eine Gleichrichterschaltung aufweisen mit veränderbarer Verstärkung ("boost"), und zwar zum selektiven Koppeln eines Gleichstromquellenanschlusses mit ersten und zweiten Bussen, ferner mit einer Inverterschaltung mit variabler Verminderung (variable buck inverter circuit), die selektiv die ersten und zweiten Spannungsbusse mit einem Lastanschluss koppelt und schließlich mit einer bidirektionalen Gleichstromquellenkopplungsschaltung, die die ersten und zweiten Spannungsbusse mit einer Gleichspannungsleistungsquelle, wie beispielsweise einer Batterie, koppelt, um einen bi-direktionalen Leistungstransfer vorzusehen, und zwar zwischen der Gleichspannungsleistungsquelle und den ersten und zweiten Spannungsbussen. Vorzugsweise sieht die Gleichspannungsquellenkopplungsschaltung induktiven bi-direktionalen Leistungstransfer zwischen einem Gleichspannungsquellenanschluss vor, mit dem die Gleichspannungsquelle mit den ersten und zweiten Spannungsbussen derart verbunden werden kann, dass die Spannungen an den ersten und zweiten Spannungsbussen und eine Spannung an dem Gleichspannungsanschluss in eine im Wesentlichen festen Proportion zueinander aufrechterhalten werden. Die bi-direktionale Gleichspannungsquellenkopplungsschaltung kann die Gleichspannungsquelle einschalten, um entweder Strom, wenn erforderlich, zu empfangen (beispielsweise wenn die Gleichspannungsquelle Laden benötigt) oder um einen Strom, wenn nötig, zu liefern (beispielsweise dann, wenn der variable Verstärkungsgleichrichter nicht in der Lage ist, den gleichen Strom zu liefern, um eine nominelle Spannung am Lastanschluss aufrecht zu erhalten).
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Leistung kombiniert werden mit der Leistung von der Wechselspannungsquelle um so eine ergänzte Betriebsart vorzusehen, die besonders vorteilhaft sein kann, um die Batteriekapazität während „brownout" Zuständen zu verlängern. Eine Steuerschaltung kann die Gleichrichterschaltung, die Inverterschaltung und die Gleichspannungskopplungsschaltung derart steuern, dass Leistung zum Lastanschluss primär von der Wechselspannungsquelle übertragen wird, bis die Leistungsanforderung am Lastanschluss bewirkt, dass ein Strom von der Wechselspannungsquelle eine Stromgrenze erreicht. Wenn die Leistungsanforderung am Lastanschluss weiter ansteigt, so wird in zunehmendem Maße Leistung von der Gleichspannungsquelle zu dem Lastanschluss übertragen. Die Gleichrichter- und Inverterschaltungen können auch derart gesteuert werden, dass das Laden einer Batterie an dem Gleichspannungsquellenanschluss erfolgt, und zwar durch die Gleichspannungsquellenkopplungsschaltung, während gleichzeitig eine Nominalspannung am Lastanschluss aufrechterhalten wird.
Insbesondere weist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung (UPS) einen Wechselstromquellenanschluss auf, konfiguriert zur Verbindung mit einer Wechselspannungsleistungsquelle und einen Lastanschluss, konfiguriert zur Verbindung mit einer Last. Eine Gleichrichterschaltung ist in Betrieb um selektiv den Wechselstromquellenanschluss mit ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine erste Induktivität zu verbinden. Eine Inverterschaltung ist in Betrieb um selektiv den Lastanschluss mit den ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine zweite Induktivität zu koppeln. Eine bi-direktionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung ist in Betrieb um eine Gleichstromleistungsquelle mit den ersten und zweiten Spannungsbussen zu koppeln, um dazwischen einen bi-direktionalen Leistungstransfer vorzusehen. Vorzugsweise liefert die Gleichstromquellenkopplungsschaltung eine induktive Leistungsübertragung zwischen dem Gleichstromquellenanschluss (mit dem eine Gleichstromleistungsschwelle verbunden werden kann) und den ersten und zweiten Spannungsbussen derart, dass eine Spannung am Gleichstromquellenanschluss in einer im Wesentlichen festen Proportion zur ersten und zweiten Gleichspan nung aufrechterhalten wird, und zwar in entsprechenden Bussen der ersten und zweiten Spannungsbusse.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die UPS eine Steuerschaltung, die betriebsmäßig ein Gleichrichtersteuersignal und ein Invertersteuersignal erzeugt, und zwar ansprechend auf mindestens eine Lastspannung an dem Lastanschluss. Die Gleichrichterschaltung spricht auf das Gleichrichtersteuersignal an, um die Kopplung eines Wechselstromquellenanschlusses an die ersten und zweiten Spannungsbusse zu steuern. Die Inverterschaltung spricht auf das Invertersteuersignal an, um die Kopplung des Lastanschlusses an die ersten und zweiten Spannungsbusse zu steuern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Wechselstromquellenanschluss eine Phasenbus und einen Neutralbus auf, und die bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung weist eine Ausgleichsschaltung auf, und zwar gekoppelt zwischen den ersten und zweiten Spannungsbussen und im Betrieb um selektiv die ersten und zweiten Spannungsbusse mit dem Neutralbus zu koppeln, und zwar über einen Transformator ansprechend auf ein Ausgleichssteuersignal. Das Steuersignal erzeugt betriebsmäßig ein Ausgleichssteuersignal derart, dass die ersten und zweiten Gleichspannungen eingeschränkt werden, um im Wesentlichen gleiche Größen zu besitzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung spricht die Steuerschaltung auf die Spannung am Lastanschluss an, um die Gleichrichterschaltung und die Inverterschaltung derart zu steuern, dass der Strom am Gleichstromquellenanschluss sich verändert, und zwar bis zu einer Stromgrenze, um die Lastspannung auf der Nominalspannung zu erhalten. Wenn der Strom an dem Gleichstromquellenanschluss die Stromgrenze erreicht, so kann Leistung zum Lastanschluss von sowohl dem Wechselstromquellenanschluss als auch Gleichstromquellenanschluss geliefert werden, um den Lastanschluss auf der Nominalspannung zu halten. Die Steuerschaltung kann ferner im Betrieb den Strom am Wechselstromquellenanschluss begrenzen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Gleichrichterschaltung eine erste Induktivität auf, und zwar gekoppelt mit einem ersten Anschluss mit dem Phasenbus. Ein erster Schalter spricht auf ein erstes Schaltersteuersignal an, um einen zweiten Anschluss der ersten Induktivität mit dem ersten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln, und ein zweiter Schalter spricht auf ein zweites Schaltersteuersignal an, um den zweiten Anschluss der ersten Induktivität und den zweiten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln. Die Inverterschaltung weist eine zweite Induktivität auf, die einen ersten mit dem Lastbus gekoppelten Anschluss besitzt. Ein dritter Schalter spricht auf ein drittes Schaltersteuersignal an, um einen zweiten Anschluss der zweiten Induktivität mit dem ersten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln. Ein vierter Schalter spricht auf eine vierte Schaltersteuerschaltung an, um den zweiten Anschluss der zweiten Induktivität und den zweiten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln. Die Steuerschaltung ist betreibbar zur Erzeugung der ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltersteuersignale, ansprechend auf mindestens die Lastspannung an dem Lastanschluss.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung einen Transformator auf, der erste und zweite induktiv gekoppelte Wicklungen aufweist, wobei die erste Wicklung erste und zweite Endanschlüsse und einen Mittelabgriff, gekoppelt mit dem neutralen Bus, aufweist. Ein Schaltkreis ist betreibbar, um selektiv den ersten Endanschluss der ersten Wicklung mit den ersten und zweiten Spannungsbussen zu koppeln. Eine Gleichrichterschaltung koppelt den zweiten Endanschluss der ersten Wicklung mit den ersten und zweiten Spannungsbussen. Eine bi-direktionale Gleichstrom-(DC)-/Wechselstrom-(AC)-Konverterschaltung ist zwischen der zweiten Wicklung und dem Gleichstromquellenanschluss gekoppelt. Die Gleichstrom-(DC)-/Wechselstrom-(AC)-Konverter- oder Umwandlungsschaltung weist vorzugsweise einen Vollbrü ckenschaltkreis auf, der selektiv die ersten und zweiten Anschlüsse bzw. Klemmen des Gleichstromquellenanschlusses mit ersten und zweiten Abgriffen oder Anschlüssen der zweiten Wicklung des Transformators koppelt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein UPS einen Wechselstromquellenanschluss auf, und zwar konfiguriert zur Verbindung mit einer Wechselstromleistungsquelle, wobei der Wechselstromquellenanschluss einen Phasenbus und einen Neutralbus aufweist. Der Gleichstromquellenanschluss ist konfiguriert zur Verbindung mit einer Gleichstromleistungsquelle. Ein Lastanschluss ist konfiguriert zur Verbindung mit einer Last und weist einen Lastbus und den Neutralbus auf. Ein erster Schaltkreis ist betreibbar zur selektiven Kopplung des Phasenbusses mit ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine erste Induktivität. Ein zweiter Schaltkreis ist betreibbar zum selektiven Koppeln des Lastbusses mit den ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine zweite Induktivität. Ein Transformator weist erste und zweite induktiv gekoppelte Wicklungen auf, wobei die erste Wicklung ein Mittelabgriff umfasst, und zwar gekoppelt mit dem Neutralbus. Ein dritter Schaltkreis ist betreibbar zur selektiven Kopplung der ersten und zweiten Spannungsbusse mit einem ersten Endabgriff der ersten Wicklung. Eine Gleichrichterschaltung ist betreibbar zum gleichrichtenden Koppeln eines zweiten Endabgriffs der ersten Wicklung mit den ersten und zweiten Spannungsbussen. Eine Gleichstrom-(DC)-/Wechselstrom-(AC)-Konverterschaltung ist betreibbar zur selektiven Kopplung des Gleichstromquellenanschlusses mit der zweiten Wicklung.
Gemäß den Verfahrensaspekten der vorliegenden Erfindung wird Leistung selektiv zu einer Last von einer Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle übertragen. Die Wechselstromquelle ist selektiv mit den ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine erste Induktivität gekoppelt. Die Last ist selektiv mit den ersten und zweiten Spannungsbussen gekoppelt, und zwar durch eine zweite Induktivität. Die Gleichstromquelle ist mit den ersten und zweiten Spannungsbussen gekoppelt, um einen bi-direktionalen Leistungstransfer vorzusehen, und zwar zwischen der Gleichstromquelle und den ers ten und zweiten Spannungsbussen. Vorzugsweise wird die Leistung induktiv zwischen der Gleichstromquelle und den ersten und zweiten Spannungsbussen übertragen, um eine Spannung an der Gleichstromquelle in einer im Wesentlichen festen Proportion zu den ersten und zweiten Gleichspannungen an den entsprechenden ersten bzw. zweiten Spannungsbussen aufrecht zu erhalten. Die ersten und zweiten Spannungsbusse sind vorzugsweise selektiv mit einem neutralen Bus über einen Transformator gekoppelt, dass die ersten und zweiten Gleichspannungen derart eingeschränkt sind, dass sie im Wesentlichen gleiche Größen besitzen. Gemäß einem Verfahrensaspekt ist der Wechselstromquellenanschluss selektiv mit den ersten und zweiten Spannungsbussen derart gekoppelt, dass Strom an der Wechselstromquelle sich verändert, und zwar bis zu einer Grenze um die Lastspannung auf einer Nominalspannung zu halten. Wenn der Strom an dem Wechselstromquellenanschluss die Stromgrenze und die Spannung erreicht, wird Leistung zum Lastanschluss übertragen, und zwar sowohl von der Wechselstromquelle als auch von der Gleichstromquelle, um die Lastspannung auf Nominalspannung zu halten.
Verbesserte UPS's und Verfahren zum Betrieb derselben können dadurch vorgesehen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 bis 3 sind schematische Diagramme von konventionellen unterbrechungsfreien Leistungsversorgungen (UPS's).
4 bis 5 sind schematische Diagramme, welche UPS's gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung veranschaulichen.
6 ist ein schematisches Diagramm, welche eine Gleichstrom-(DC)-/Wechselstrom-(AC)-Umwandlungs- bzw. Konverterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
7 veranschaulicht exemplarische Transistorschaltmuster für die Ausführungsbeispiele gemäß den 4 und 9.
8 und 9A bis 9C sind Wellenformdiagramme, welche weitere beispielhafte Arbeitsweisen der UPS der 4 veranschaulichen.
10 ist ein schematisches Diagramm, welches eine UPS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Erfindung sei nunmehr im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert werden, und sollte nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt angesehen werden; vielmehr werden diese Ausführungsbeispiele vorgesehen, so dass die Offenbarung gründlich und vollständig ist, und so dem Fachmann den erfindungsgemäßen Bereich erläutert. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
4 ist ein schematisches Diagramm, welches eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung (UPS = uninterruptible power supply) 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die UPS 400 weist einen, eine variable Verstärkung aufweisende Gleichrichterschaltung (variable boost rectfier circuit) 410 auf, die derart konfiguriert ist, dass eine AC- bzw. Wechselstromleistungsquelle 10 mit einem AC- bzw. Wechselstromquellenanschluss 401 verbunden ist. Die eine variable Verstärkung aufweisende Gleichrichterschaltung 410 koppelt betriebsmäßig selektiv einen Phasenbus 401a des Wechselstromquellenanschlusses 401 mit ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b über eine erste Induktivität L₁, ansprechend auf erste und zweite Schaltersteuersignale SW₁, SW₂, erzeugt durch eine Steuerschaltung 440 und angelegt an erste und zweite Schalttransistoren Q₁, Q₂.
Die ersten und zweiten Spannungsbusse 402a, 402b sind mit einem neutralen Bus N gekoppelt, und zwar durch erste und zweite Kondensatoren C₁, C₂. Die UPS 400 weist ferner eine variable Verringerung besitzende Inverterschaltung (variable buck inverter circuit) 420 auf, die betriebsmäßig die ersten und zweiten Spannungsbusse 402a, 402b mit einem Lastbus 403a eines Lastanschlusses 403 koppelt, wobei mit dem Lastanschluss 403 eine Last 20 (die hier als eine Kapazität C_L und eine verallgemeinerte Impedanz Z_L aufweisend dargestellt ist) über eine zweite Induktivität L₂ verbunden ist, und zwar ansprechend auf dritte und vierte Schaltersteuersignale SW₃, SW₄, erzeugt durch die Steuerschaltung 440 und angelegt an dritte und vierte Schalttransistoren Q₃, Q₄.
Die UPS 400 weist auch eine Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430 auf, die in Betrieb einen bi-direktionalen Leistungstransfer vorsieht, und zwar zwischen den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b und einem Gleichstromquellenanschluss 431, hier mit einer Batterie 460 verbunden, dargestellt. Die Gleichstromkopplungsschaltung 430 umfasst eine Ausgleichsschaltung (balancer circuit) 432, einschließlich Schalttransistoren Q₅, Q₆, die auf fünfte und sechste Schaltersteuersignale SW₅, SW₆ ansprechen, und zwar erzeugt durch die Steuerschaltung 440. Die Ausgleichsschaltung 432 steuert betriebsmäßig die relativen Größen der ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ an den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b, und zwar basierend auf den relativen Arbeitszyklen, mit denen die fünften und sechsten Transistoren Q₅, Q₆ betrieben werden, wie dies in der oben beschriebenen US Patentanmeldung Nr. 09/374,180 beschrieben ist, die in diese Beschreibung aufgenommen ist.
Die Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430 weist auch einen Transformator T₁ auf, mit ersten und zweiten induktiv gekoppelten Wicklungen L_a, L_b. Ein Mittelabgriff der ersten Wicklung L_a ist mit dem neutralen Bus N verbunden. Ein erster Endabgriff der ersten Wicklung L_a ist mit den Schalttransistoren Q₅, Q₆ der Ausgleichsschaltung 432 gekoppelt. Ein zweiter Endabgriff der ersten Wicklung L_a ist mit einer Gleichrichterschaltung 434 verbunden, einschließlich entsprechender Dioden D1, D2, die den zweiten Endabgriff mit Entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse 402a, 402b verbinden. Eine bidirektionale Gleichstrom-/Wechselstrom- bzw. DC-/AC-Konverter- bzw. Umwandlerschaltung 436 ist zwischen Gleichstromquellenanschluss 431 und die zweite Wicklung L_b gekoppelt.
Man erkennt, dass das Ausführungsbeispiel der 4 eine beispielhafte Implementierung darstellt, und dass andere Schaltungsimplementierungen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Beispielsweise können die Schaltfunktionen der Transistoren Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ und Q₆ durch die verschiedensten Schaltvorrichtungen vorgesehen werden, und zwar einschließlich, aber nicht begrenzt auf Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FETs) Metalloxihalbleiter FETs (MOSFETs), Gateeinschaltvorrichtungen (GTOs = gate turnon devices) und dergleichen. Die Steuerschaltung 440 kann unterschiedliche Komponenten umfassen und weist vorzugsweise Komponenten auf, die geeignet sind zur Steuerung der speziellen Bauarten von Schaltvorrichtungen, die verwendet werden. Die Funktionen der Gleichrichterschaltung 434 können erreicht werden unter Verwendung eines Transistors oder anderer Schaltvorrichtungen anstelle der Dioden D₁, D₂.
5 veranschaulicht eine exemplarische Implementation der Steuerschaltung 440 der 4. Zustandseingangsgrößen einschließlich beispielsweise Repräsentationen der Spannung V_LAST (V_LOAD) am Lastanschluss 403 und Strom I_AC an dem Wechselstrom- bzw. AC-Quellenanschluss 401 werden durch einen analog-zu-digital (A/D) Konverter 442 empfangen. Beispielsweise kann die Repräsentation eines der AC-Eingangsstroms I_AC unter Verwendung einer Stromabfühlvorrichtung, wie beispielsweise einem Stromtransformator (CT = current transformer) (nicht gezeigt) erzeugt werden, und die Lastspannung V_LAST (V_LOAD) kann direkt erhalten werden, oder, was bevorzugt ist, über eine (nicht gezeigte) Pufferschaltung, die die Lastspannung V_LAST (V_LOAD) auf einen niedrigeren Pegel skaliert, der geeignet ist zur Eingabe in den A/D Konverter 442. Der A/D Konverter 442 tastet und wandelt die Zustandseingangsgrößen, um und zwar in digitale Form zur Übertragung zu einem Mikroprozes sor 444 oder einer anderen Rechenvorrichtung. Der Mikroprozessor 444 implementiert einen Steueralgorithmus, basierend auf den Zustandseingangsgrößen, produziert digitale Treiberbefehlssignale, die an die Treiberschaltung 446 angelegt werden, die die Schaltsteuersignale SW₁, SW₂, SW₃, SW₄, SW₅ und SW₆ erzeugt.
Man erkennt, dass die in 5 gezeigte Steuerschaltung 440 aus Gründen der Darstellung gezeigt ist, wobei aber verschiedene andere Implementationen verwendet werden können, die innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Beispielswiese kann die Treiberschaltung 446 irgendeine Verschiedenheit von Komponenten aufweisen, vorzugsweise von Komponenten geeignet zur Steuerung der speziellen Bauarten der Schaltvorrichtungen, die in den Gleichrichter-, Inverter- und Ausgleichsschaltungen 410, 420, 432 verwendet werden. Ferner können Funktionen der Steuerschaltung 440 in einer Anzahl von unterschiedlichen Arten innerhalb des Rahmens der Erfindung implementiert werden. Beispielsweise können die Funktionen des Mikroprozessors 444 unter Verwendung diskreter Logikschaltungen oder programmierbarer Logikschaltungen, wie beispielsweise Logikvorrichtungen (PLD's) implementiert werden, und zwar statt oder in Verbindung mit einem Mikrocontroller, einem Mikroprozessor oder einer ähnlichen Vorrichtung. Die Funktionen des A/D Wandlers bzw. Konverters 442, des Mikroprozessors 444 und der Treiberschaltung 446 können auch in einer oder mehreren Vorrichtungen kombiniert werden, wie beispielsweise einer anwenderspezifisch integrierten Schaltung (ASIC), einem Spezialzweckmikrocontroller oder einer Hybridmikroschaltung.
Weiterhin Bezug nehmend auf 4 sei bemerkt, dass die Steuerschaltung 440 vorzugsweise in Betrieb die Inverterschaltung 420 derart steuert, dass Strom von den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b zur Last 20 oder umgekehrt fließen kann, auf welche Weise die Inverterschaltung 420 als ein Vier-Quadranten-Umwandler arbeitet. Die Steuerschaltung steuert auch vorzugsweise die Gleichrichterschaltung derart, dass dieser ähnliche Vier-Quadranten-Betriebscharakeristika aufweist, mit der Ausnahme, dass vor zugsweise unterschiedliche Pulsbreitenmodulations- (PWM) Muster an die Schalttransistoren Q₁, Q₂ der Gleichrichterschaltung 410 angelegt werden, als diejenigen die an die Schalttransistoren Q₃, Q₄ der Inverterschaltung 420 angelegt werden. Die für die Inverterschaltung 420 verwendeten PWM Muster erzeugen vorzugsweise eine spannungsgesteuerte, strombegrenzte Ausgangsspannung, wo hingegen die PWM Muster, verwendet für die Gleichrichterspannung 410 vorzugsweise einen gesteuerten Strom zur und von der elektrischen Wechselstromleistungsquelle 10 vorsehen. Die Gleichrichterschaltung 410 kann derart betrieben werden, dass ein Strom erzeugt wird, der Leistungsfluss in die UPS 400 von der Wechselstromleistungsquelle 10 bewirkt, oder derart, dass ein Strom erzeugt wird, der bewirkt, dass Leistungsfluss in die Wechselstromleistungsquelle 10 von der UPS 400 erfolgt.
Die Steuerschaltung 440 steuert vorzugsweise die Ausgleichsschaltung 432 in einer Art und Weise, die die Größen der ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ an den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b auf im Wesentlichen gleiche Größe einschränkt. Dies wird erreicht durch Steuern der entsprechenden ersten und zweiten Raten (beispielsweise der Arbeitszyklen) mit der der Neutralbus N mit entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse 402a, 402b verbunden ist, und zwar durch einen Teil der ersten Wicklung L_a. Speziell für das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel werden die Schalttransistoren Q₅, Q₆ der Ausgleichsschaltung 432 vorzugsweise bei entsprechenden komplementären 50% Arbeitszyklen (duty cycles) derart betrieben, dass die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ im Wesentlichen auf gleiche Größe eingeschränkt werden.
6 zeigt eine beispielhafte DC/AC Umwandler- oder Konverterschaltung 436. Ein Speicherkondensator C_S ist an die Batterie 460 angelegt. Vier Schalttransistoren Q_a, Q_b, Q_c, Q_d sind in einer Vollbrückenkonfiguration zwischen der zweiten Transformatorwicklung L_b und der Batterie 460 geschaltet. Die Transistoren Q_a, Q_b, Q_c, Q_d werden durch Schaltsteuersignale SW_a, SW_b, SW_c, SW_d gesteuert, die auch durch die Steuerschaltung 440 der 1 erzeugt werden können. Obwohl die Schaltsteuersignale SW_a, SW_b, SW_c, SW_d basierend auf den verschiedensten Zustandseingangsgrößen erzeugt werden können, wie beispielsweise einer abgefühlten Spannung der Batterie 460 und auch basierend auf abgefühlten Spannungen und Strömen irgendwo in der UPS 400 der 4, werden die Transistoren Q_a, Q_b, Q_c, Q_d derart betrieben, dass sie eine Vier-Quadranten-Umwandlung vorsehen, was den bidirektionalen Leistungsfluss zwischen der Batterie 460 und der zweiten Transformatorwicklung L_b gestattet.
Die Transistoren Q_a, Q_b, Q_c, Q_d sind ebenfalls vorzugsweise synchron mit den Transistoren Q₅, Q₆ der Ausgleichsschaltung 432 betrieben. Insbesondere werden, wie in 7 gezeigt, die Transistoren Q_a, Q_b, Q_c, Q_d, Q₅, Q₆ vorzugsweise derart betrieben, dass die Transistoren Q_a, Q_d, Q₅ dann "ein" sind, wenn die Transistoren Q_b, Q_c, Q₆ "aus" sind, und umgekehrt. Die richtige Auswahl des Wicklungsverhältnisses des Transformators T₁ bezüglich der Spannungscharakteristika der Batterie 460 und der Spannungsumhüllenden innerhalb welcher die ersten und zweiten Spannungsbusse 402a, 402b betrieben werden, gestatten der UPS 400 derart zu arbeiten, dass der Leistungstransfer zwischen der Batterie 460 und den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b abhängig von dem Ladungszustand der Batterie 460 der Leistungsanforderung an den Lastanschluss 403 und der Spannung V_AC am Wechselstromquellenanschluss 401 betrieben wird, was im Folgenden noch im Einzelnen beschrieben werden soll.
Es ist zu bemerken, dass das Ausführungsbeispiel der 6 eine exemplarische Implementierung darstellt, und das andere Schaltungsimplementierungen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Beispielsweise können die Schaltfunktionen der Transistoren Q_a, Q_b, Q_c, Q_d durch irgendeine Anzahl von unterschiedlichen Schaltvorrichtungen vorgesehen sein, wie dies unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde, wobei zur Steuerung irgendeine Anzahl von unterschiedlichen Schaltungsimplementierungen verwendet werden können, wie beispielsweise solche, ähnlich denjenigen, die für die Schaltersteuerschaltung 440 der 5 beschrieben wurden.
8 ist ein Wellenformdiagramm, welches exemplarische Betriebszustände für die UPS 400 der 4 veranschaulicht. Für die Zwecke der Diskussion der 8 wird der Betrieb der UPS 400 der 4 im Hinblick auf die Steuerung der Funktionen der Transistorschalter Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ und Q₆ der Gleichrichter- und Inverterschaltungen 410, 420 beschrieben, und zwar insbesondere mit den Ausdrücken der Steuerung von "Arbeitszyklen" (duty cycles) bei denen die Transistoren geschaltet (moduliert) werden. Der Ausdruck "duty cycle" bzw. "Arbeitszyklus", wie er hier verwendet wird, bezieht sich allgemein auf den Zeitprozentsatz während einer Schaltzyklusperiode, wo ein Schalter in einem "geschlossenen" d.h. leitenden Zustand sich befindet. Beispielsweise ist somit ein Schalter, der in einem 50% Arbeitszyklus gehalten ist, intermittierend "ein" für die Hälfte eines Schaltzyklus, während ein Schalter, der einen 100% Arbeitszyklus annähert, beispielsweise einen 99% Arbeitszyklus, für nahezu den gesamten Schaltzyklus "ein" ist. Es ist klar, dass, wie hier beschrieben, die besprochenen Schalter auch mit einem 100% Arbeitszyklus arbeiten könnten, d.h. sie könnten über eine oder mehrere Schaltzyklen hinweg in einem "ein" Zustand gehalten werden, oder aber sie könnten mit einem 0% Arbeitszyklus betrieben werden, d.h. in einem "aus" Zustand über einen oder mehrere Schaltzyklen hinweg gehalten werden.
Man erkennt, dass diese Arbeitzyklussteuerung beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass man geeignete Steuersignale an geeignete Schaltkomponenten anlegt. Im Ausführungsbeispiel der 4 kann beispielsweise die Arbeitszyklussteuerung der Schaltungstransistoren Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ und Q₆ dadurch erreicht werden, dass die Steuerschaltung 440 entsprechende Basistreibersignale an die Schalttransistoren Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ und Q₆ anlegt. Es wird auch klar, dass eine derartige Arbeitszyklussteuerung auch unter Verwendung irgendeiner Anzahl von anderen Schaltvorrichtungen und Steuersignalerzeugungsschaltungen erreicht werden kann.
Vorzugsweise wird jeder der Schalttransistoren Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ und Q₆ der 4 mit einer Schaltfrequenz betrieben, die relativ hoch bezüglich der Frequenz der Wechselstromeingangsspannung V_AC ist, bei der die UPS 400 ar beitet. Insbesondere wird jeder der Schalttransistoren Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ und Q₆ mit einer Schaltfrequenz betrieben, die mindestens 10x höher ist als die Frequenz der Wechselstromeingangsspannung (Eingangswechselspannung) V_AC; für eine Wechselstromleitungsfrequenz von 60 Hz kann eine geeignete Schaltfrequenz 20 kHz betragen. Die Verwendung relativ hoher Schaltfrequenzen gestattet, dass die Magnetkomponenten (beispielsweise die Induktivitäten L₁, L₂, L₃) eine relativ kleine Größe besitzen. Eine Tiefpassfilterung zur Erzeugung einer geglätteten Lastspannung V_LOAD (V_LAST) kann erreicht werden durch die Kombination der Ausgangsinduktivität L₂ und der Kapazität C₁. Man erkennt, dass die Ausgangskapazität C_L durch die Last 20 vorgesehen werden kann, wie dies in 4 gezeigt ist, oder sie kann in die UPS 400 inkorporiert sein.
Vorzugsweise weisen die drei Schalttransistorpaare die ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ und die dritten und vierten Transistoren Q₃, Q₄ und die fünften und sechsten Schalter Q₅, Q₆, betrieben in einer "komplementären" Art und Weise auf. Beispielsweise ist der zweite Transistor Q₂ der 4 vorzugsweise im Allgemeinen derart betrieben, dass er "aus" ist, wenn der erste Transistor Q₁ "ein" ist, und umgekehrt. Man erkennt jedoch, das allgemein praktikable Schaltungsimplementierungen innerhalb des Rahmens der Erfindung verwendet werden können, bei denen die "komplementären" Schalter in einer annähernd oder im Wesentlichen komplementären Art und Weise betrieben werden. Beispielsweise kann ein Schalterpaar in einer "unterbrechebevor-mache" ("break before make") Art und Weise (d.h. die Unterbrechung erfolgt bevor die neue gemacht wird) betrieben werden, derart, dass einer der Schalter in dem Paar abgeschaltet wird, und zwar kurz bevor der andere Schalter des Paars eingeschaltet wird. Bei anderen Schaltungsimplementierungen kann eine geringere Überlappungsgröße der "ein" Perioden der Schalter eines komplementären Paares gestattet werden, beispielsweise eine "make before break" Betriebsart. Techniken zum Vorsehen von derartigen "make before break" und "break before make" Betriebsweisen sind dem Fachmann bekannt und werden nicht im Einzelnen diskutiert.
Bezugnehmend auf 8 in Verbindung mit 4 sei Folgendes ausgeführt: Die Gleichrichterschaltung 410 und die Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430 werden im Allgemeinen betrieben, um erste und zweite Gleichspannungen V₁, V₂ an den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b mit hinreichenden Größen zu erzeugen, die der Inverterschaltung 420 gestatten, eine nominelle Ausgangswechselspannung V_LOAD am Lastanschluss 403 zu liefern, und zwar ohne die Batterie an dem Wechselstromquellenanschluss 431 zu entladen. Leistung wird in erster Linie vorzugsweise von dem Gleichstromquellenanschluss 401 geliefert und die ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ werden derart moduliert, dass die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ aufrechterhalten werden. Eine Wechselstromausgangsgröße am Lastanschluss 403 wird erhalten durch die Wirkung der Inverterschaltung 410, welche die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ invertiert, um die Lastspannung V_LOAD (V_LAST) zu erzeugen. Wenn die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ zu hoch sind, so kann die Inverterschaltung 420 auch eine „bucking" Funktion bzw. Verringerungsfunktion vorsehen, um eine Nominalspannung an dem Lastanschluss 403 vorzusehen, und zwar durch die Wirkung der dritten und vierten Transistoren Q₃, Q₄ und der zweite Induktivität L₂.
Wenn die Wechselstromquellenspannung V_AC hinreichend hoch ist, so kann es sein, dass die Gleichrichterschaltung 410 keine Verstärkung (boost) braucht, um die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ aufrecht zu erhalten. Während eines ersten Halbzyklus 810 können die ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen arbeiten, die 100% bzw. 0% annähern.
Während eines zweiten Halbzyklus 810 werden die ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen, die 0 bzw. 100% annähern, arbeiten.
Wenn jedoch die Wechselstromquellenspannung V_AC abfällt, so können die Arbeitszyklen der ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ verändert werden, um eine geeignete Verstärkung (boost) für die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ vorzusehen. Während des ersten Halbzyklus 810 werden die ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ mit den entsprechenden komplimentären Arbeitszyklen hinreichend kleiner als 100% bzw. hinreichend größer als 0% betrieben, um eine entsprechende Verstärkung zur Aufrechterhaltung der ersten Gleichspannung V₁ und durch die Wirkung der Ausgleichsschaltung 432 der zweiten Gleichspannung V₂ vorzusehen. Während des zweiten Halbzyklus 820 werden die ersten und zweiten Transistoren Q₁, Q₂ mit den entsprechenden komplimentären Arbeitszyklen hinreichend größer als 0% bzw. hinreichend kleiner als 100% betrieben, um eine geeignete Verstärkung zur Aufrechterhaltung der zweiten Gleichspannung V₂ um durch die Wirkung der Ausgleichsschaltung 432 der ersten Gleichspannung V₁ vorzusehen.
Weiterhin unter Bezugnahme auf die 4 und 8 sei Folgendes ausgeführt: unter den Bedingungen bei denen die Batterie 460 voll geladen ist, und die an den Wechselstromquellenanschluss 401 gelieferte Leistung ausreichend ist um eine nominale Spannung am Lastanschluss 403 aufrecht zu erhalten, fließt im Wesentlichen eine Null-Netto-Leistung zwischen Batterie 460 und den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b. Die Größe des induzierten Stromes in der zweiten Wicklung L_b durch die erste Wicklung L_a durch die Ausgleichsschaltung 432 ändert sich im gesamten Zyklus der Wechselstromquellenspannung V_AC, was bewirkt, dass der Batteriestrom I_B (gezeigt in 4) fluktuiert. Wenn die interne elektromagnetische Kraft (EMK) erzeugt durch die Batterie 460 ausreicht, dass dieser Strom effektiv durch die Ströme ausgeglichen wird, die von der Batterie 460 durch die DC/AC Umwandlerschaltung 436 fließen, so ist der Durchschnittsstrom I_B.avg (I_B Durchschnitt) durch die Batterie 460 im Wesentlichen Null, was eine Null-Netto-Ladung oder Entladung der Batterie 460 zur Folge hat.
Wenn jedoch die Batterie 460 weniger als voll geladen ist, d.h. dann wenn die interne EMK der Batterie niedrig liegt, derart, dass die Batterie die Spannung V_DC an dem Gleichstromquellenanschluss nach unten zieht, so bewirkt ein negativer Nettodurchschnittsbatteriestrom I_B.avg erzeugt durch die Gleich stromquellenkopplungsschaltung 430 die Aufrechterhaltung der Spannung V_DC an dem Gleichstromquellenanschluss 431, d.h. Ladestrom fließt in die Batterie 460. Umgekehrt gilt: wenn die Leistungsanforderung an dem Lastanschluss 403 versucht die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ nach unten zu ziehen, so bewirkt die Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430 eine Aufrechterhaltung der ersten und zweiten Spannung V₁, V₂ dadurch, dass ein positiver Durchschnittsbatteriestrom I_B.avg nach unten gezogen wird, wobei Leistung von der Batterie 460 zu den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b übertragen wird. Demgemäß bewirkt die Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430 die Aufrechterhaltung der ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ (die durch die Ausgleichsschaltung 432 eingeschränkt sind um im Wesentlichen gleich zu sein) in einer im Wesentlichen festen Proportion zur Spannung V_DC am Gleichstromquellenanschluss 430 und zwar durch das Bewirken entsprechender Leistungstransfers dazwischen.
Es ist verständlich, dass die 8 aus Gründen der Veranschaulichung vorgesehen ist, und dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf irgendeiner Anzahl von Wegen, die unter Bezugnahme auf die 8 beschrieben wurden, arbeiten kann. Beispielsweise kann Folgendes gesagt sein: obwohl die 8 die Erzeugung einer Lastspannung V_LOAD mit der gleichen Frequenz wie die Gleichstromquellenspannung V_AC veranschaulicht, ist die Erfindung nicht auf einen derartigen Gleich-Frequenzbetrieb beschränkt. Da die UPS 400 die Zwischen-DC-oder-Gleichstrombusse 402a, 402b verwendet um Leistung zwischen dem AC- oder Wechselstromquellenanschluss 401 und dem Lastanschluss 403 zu transferieren, können die AC Quellenspannung V_AC und die Lastspannung V_LOAD unterschiedliche Frequenzen besitzen; beispielsweise kann die AC Quellenspannung V_AC 50 Hz sein, wohingegen die erzeugte Lastspannung V_LOAD 60 Hz haben kann, oder umgekehrt. Die Frequenz der Lastspannung V_LOAD kann beispielsweise dadurch geändert werden, dass die Arbeitsweisen der Inverterschaltung 402 verändert werden gegenüber den Arbeitsweisen wie sie oben beschrieben wurden, beispielsweise durch Modifizieren der Rate mit denen die Arbeitszyklen der dritten und vier ten Transistoren Q₃, Q₄ geändert werden können, um die gewünschte oder Sollausgangsfrequenz vorzusehen.
Die Art und Weise in der die Verstärkung (boost) und/oder Abschwächung (buck) durch die Gleichrichter- und Inverterschaltungen 410, 420 angelegt wird, kann auch variiert werden. Es kann beispielsweise erwünscht sein, die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ an den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b zu erhöhen, um eine beschleunigte Batterieladung zu erreichen. Unter solchen Bedingungen können die Arbeitszyklen der ersten, zweiten, dritten und vierten Transistoren Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ derart gesteuert werden, dass die Gleichrichterschaltung 410 die ersten und zweiten Gleichspannungen V₁, V₂ verstärkt (boost), während die Inverterschaltung 420 die Lastspannung V_LOAD zur Aufrechterhaltung einer erwünschten Nominallastspannung abschwächt (bucks), auf welche Weise gestattet wird, dass Leistung von den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b zu dem Gleichstromquellenanschluss 431 fließt, während die Nominalspannung an der Last 20 aufrechterhalten wird.
Die 9A bis 9C veranschaulichen beispielhafte Operationen oder Betriebsweisen der UPS 400 der 4 während eines „brownout" Zustandes, d.h. dann wenn die Wechselstromquellenspannung V_AC auf einen Punkt abfällt, wo die Wechselstromquelle 10 nicht mehr der Leistungsanforderung des Lastanschlusses 403 genügt. Unter Bezugnahme auf die 9A bis 9C in Verbindung mit 4 sei Folgendes bemerkt: wenn die Wechselstromquellenspannung V_AC abfällt, so versucht die Gleichrichterschaltung 410 die ersten und zweiten Spannungen V₁, V₂ an den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b zu verstärken (boost) und zwar dadurch dass ein erhöhter Strom I_AC von der AC Quelle (Wechselstromquelle) 10 gezogen wird (wie gezeigt repräsentiert I_AC eine Stromgröße für einen Wechselstrom, d.h. AC current). Eine Stromgrenze I_CL kann durch die Charakteristika der Wechselstromquelle 10 bestimmt sein, durch die Charakteristika der Komponenten der Gleichrichtschaltung 410 und/oder durch Einschränkungen, die dem Betrieb der Gleichrichterschaltung 410 durch die Steuerschaltung 440 auferlegt sind (beispiels weise kann die Steuerschaltung 440 bewirken den Strom zu begrenzen und zwar ansprechend auf das Abfühlen des Wechselstromeingangsstroms, d.h. des Eingangswechselstroms I_AC). Wenn der Strom 1_AC die Stromgrenze I_CL annähert, was die Leistung die von der Batterie 460 gezogen werden kann erhöht, d.h. ein positiver Batteriestrom I_B kann derart erzeugt werden, dass sowohl die Batterie 460 als auch die Wechselstromquelle 10 Leistung an den Lastanschluss 403 liefern. Wenn die Wechselstromeingangsspannung bzw. die Eingangswechselspannung V_AC weiterhin abnimmt, so kann der Eingangwechselstrom I_AC schließlich auf Null abfallen (nicht gezeigt), da die Wechselstromquelle 10 nicht mehr in der Lage ist, Leistung zu liefern oder die UPS 400 kann einen Wechselstromschalter (nicht gezeigt) aktivieren, um die Wechselstromquelle 10 von der Verstärkerschaltung 410 abzutrennen. Bei derartigen Abfall- oder Ausfallszuständen kann Leistung für den Lastanschluss 403 ausschließlich durch die Batterie 460 geliefert werden, derart dass die UPS 400 von einer Batterie ergänzten Betriebsart auf eine batterieleistungsversorgte Betriebsart übergeht. Nach dem Wiederaufbau der Wechselstromquellenspannung V_AC kann der Batteriestrom I_B (gezeigt in 4) reduziert werden, und kann sogar ins Negative gehen, da die UPS 400 versucht, die Energie zu ersetzen, die während der "brownout" Periode aus der Batterie 460 herausgezogen wurden.
Die oben beschriebenen Betriebsweisen können insbesondere bei der Erweiterung der Batteriekapazität vorteilhaft sein. Viele konventionelle UPS's gehen in eine „offline" Betriebsart bei „brownout" Zuständen, d.h. dann, wenn die Spannung der Wechselstromleistungsquelle (des Versorgers) unter einen nominalen Pegel abfällt, so trennt die UPS die Wechselstromleistungsquelle und beliefert die Last allein von einer Batterie, was zu einer schnellen Entladung der Batterie führen kann. Der unter Bezugnahme auf die 9A bis 9C beschriebene Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Realisierung, dass eine signifikante Leistungsmenge noch während eines "brownouts" an der Wechselstromleistungsquelle verfügbar ist, und dass diese Leistung mit der von der Batterie entnommenen Leistung kombiniert werden kann, um die Entladerate der Batterie während solchen Niederspannungszuständen zu verringern. Auf diese Weise kann eine UPS gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage sein, über längere "brownouts" Zustände hinweg betrieben zu werden, als dies bei vergleichbaren konventionellen UPS's der Fall ist, und es kann mehr Batteriekapazität gespart werden für den fortgesetzten Betrieb dann, wenn ein "brownout" von einem Totalverlust der Wechselstromleistungsquelle gefolgt ist.
Obwohl die Schaltungskonfigurationen und Betriebsweisen wie sie oben unter Bezugnahme auf die 4 bis 8 und 9A bis 9C beschrieben wurden bevorzugt sind, können andere Schaltungskonfigurationen und Betriebsweisen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Beispielsweise veranschaulicht 10 eine UPS 400' gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die gleichen Elemente der 4 und 10 sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht im Einzelnen im Hinblick auf die vorgegangene Diskussion der 4 beschrieben. Die UPS 400' unterscheidet sich von der UPS 400 der 4 insofern, als die induktive Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430 der 4 ersetzt wird durch eine direkte Gleichstromquellenkopplungsschaltung 430' hier gezeigt, wie Leiter eine Gleichstromleistungsquelle hier als Batterien 460a, 460b gezeigt, mit ersten und zweiten Spannungsbussen 402a koppeln, um einen bi-direktionalen Leistungstransfer zwischen der Gleichstromleistungsquelle 460a, 460b und den ersten und zweiten Spannungsbussen 402a, 402b vorzusehen. Die Ausgleichsschaltung 432 der 4 wird durch die Ausgleichsschaltung 432' ersetzt, bei der die fünften und sechsten Transistoren Q₅, Q₆ selektiv die ersten und zweiten Spannungsbusse 402a, 402b mit dem Neutralbus N über eine dritte Induktivität L₃ koppeln.
In den Zeichnungen und in der Beschreibung wurden typische bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart, und obwohl spezielle Ausdrücke verwendet wurden, werden sie in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne nicht zum Zwecke der Einschränkung verwendet, wobei der Rahmen der Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert ist. 22803

Claims

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (UPS= uninterruptible power supply) (400), die Folgendes aufweist: einen Wechselstromquellenanschluss (401) konfiguriert zur Verbindung mit einer Wechselstromleistungsquelle (10), wobei der Wechselstromquellenanschluss einen Phasenbus (402a) und einen neutralen Bus (N) aufweist; einen Gleichstromquellenanschluss (431) konfiguriert zur Verbindung mit einer Gleichstromsleistungsquelle (460); einen Lastanschluss (403) konfiguriert zur Verbindung mit einer Last (20); eine Gleichrichterschaltung (410), die den Wechselstromquellenanschluss selektiv mit ersten und zweiten Spannungsbussen (402a, b) durch eine erste Induktivität (L1) koppelt; eine Inverterschaltung (420), die selektiv den Lastanschluss mit den ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine zweite Induktivität (L2) koppelt; und eine bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung (430), die betriebsmäßig eine Gleichstromleistungsquelle am Gleichstromquellenausgang mit den ersten und zweiten Spannungsbussen koppelt, um eine bidirektionale Leistungsübertragung zwischen der Gleichstromleistungsquelle und den ersten und zweiten Spannungsbussen vorzusehen, wobei die bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung eine Ausgleichsschaltung (432) umfasst, und zwar gekoppelt zwischen den ersten und zweiten Spannungsbussen und betreibbar zur selektiven Kopplung der ersten und zweiten Spannungsbusse mit dem neutralen Bus durch eine Induktivität (La).
Eine USV gemäß Anspruch 1, wobei die bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung (430) den Gleichstromquellenanschluss (431) induktiv mit den ersten und zweiten Spannungsbussen (402a, b) koppelt, um eine bidirektionale Leistungsübertragung zwischen dem Gleichstromquellenanschluss und den ersten und zweiten Spannungsbussen, derart vorzusehen, dass eine Spannung an dem Gleichstromquellenanschluss in einer im Wesentlichen festen Proportion zu den ersten und zweiten Gleichspannungen an den entsprechenden ersten und zweiten Spannungsbussen aufrecht erhalten wird.
Eine USV nach Anspruch 2, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: eine Steuerschaltung (440) betreibbar zur Erzeugung eines Gleichrichtersteuersignals und eines Invertersteuersignals, und zwar ansprechend auf mindestens eine Lastspannung an dem Lastanschluss, wobei die Gleichrichterschaltung (410) auf das Gleichrichtersteuersignal anspricht, um die Kopplung des Wechselstromquellenanschlusses mit den ersten und zweiten Spannungsbussen zu steuern, und wobei die Inverterschaltung (420) auf das Invertersteuersignal anspricht, um die Kopplung des Lastanschlusses mit den ersten und zweiten Spannungsbussen zu steuern.
Eine USV nach Anspruch 3: wobei die bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung (430) einen Transformator (T1) aufweist; wobei die Ausgleichsschaltung (432) im Betrieb die ersten und zweiten Spannungsbusse mit dem neutralen Bus koppelt, und zwar durch den Transformator ansprechend auf ein Ausgleichssteuersignal; und wobei die Steuerschaltung (440) im Betrieb das Ausgleichssteuersignal derart erzeugt, dass die ersten und zweiten Gleichstromspannungen eingeschränkt sind, um im Wesentlichen die gleichen Größen zu besitzen.
Eine USV nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung (440) auf die Spannung am Lastanschluss anspricht, um die Gleichrichterschaltung (410) und die Inverterschaltung (420) derart zu steuern, dass der Strom am Wechselstromquellenanschluss sich bis zu einer Stromgrenze verändert, um die Lastspannung auf der Nominalspannung zu halten, und ferner derart, dass dann, wenn der Strom an dem Wechselstromquellenanschluss die Stromgrenze und Spannung erreicht, Leistung zu dem Lastanschluss übertragen wird, und zwar sowohl dem Wechselstromquellenanschluss als auch dem Gleichstromquellenanschluss, um den Lastanschluss auf der Nominalspannung zu halten.
Eine USV nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (440) im Betrieb den Strom an dem Wechselstromquellenanschluss begrenzt.
Eine USV nach Anspruch 3, wobei der Lastanschluss (403) einen Lastbus (403a) und den neutralen Bus (N) aufweist; wobei die Steuerschaltung (440) im Betrieb die Gleichrichterschaltung (410) und die Inverterschaltung (420) derart steuert, dass der Phasenbus mit entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse in einer im Wesentlichen komplementären Art und Weise gekoppelt ist, und zwar derart, dass der Lastbus mit einem entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse in einer im Wesentlichen komplementären Weise gekoppelt ist.
Eine USV nach Anspruch 3, wobei der Lastanschluss (403) einen Lastbus (403a) und den Neutralbus (N) aufweist, und wobei die Gleichrichterschaltung (410) folgendes aufweist: eine erste Induktivität (L1) mit einem ersten Anschluss gekoppelt mit dem Phasenbus; einen ersten Schalter (Q1) ansprechend auf ein erstes Schaltersteuersignal, um einen zweiten Anschluss mit der ersten Induktivität und dem ersten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln; und einen zweiten Schalter (Q2) ansprechend auf ein zweites Schaltersteuersignal, um einen zweiten Anschluss der ersten Induktivität und den zweiten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln; wobei die Inverterschaltung (420) folgendes aufweist: eine zweite Induktivität (L2) mit einem ersten Anschluss gekoppelt mit dem Lastbus; einen dritten Schalter (Q3) ansprechend auf ein drittes Schaltersteuersignal, um einen zweiten Anschluss der zweiten Induktivität und dem ersten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln; und einen vierten Schalter (Q4) ansprechend auf ein viertes Schaltersteuersignal, um den zweiten Anschluss der zweiten Induktivität und den zweiten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln; wobei die Steuerschaltung im Betrieb erste, zweite, dritte und vierte Schaltersteuersignale erzeugt, und zwar ansprechend auf mindestens die Lastspannung am Lastanschluss.
Eine USV nach Anspruch 8, wobei die Steuerschaltung (440) die ersten und zweiten Schalter (Q1, Q2) mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen betätigt, wobei die Steuerschaltung die dritten und vierten Schalter (Q3, Q4) mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen betreibt.
Eine USV nach Anspruch 2, wobei der Lastanschluss (403) einen Lastbus und einen neutralen Bus aufweist; und wobei die bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltung folgendes aufweist: einen Transformator (T1) mit ersten und zweiten induktiv gekoppelten Wicklungen (La, Lb), wobei die erste Wicklung erste und zweite Endabgriffe und einen Mittelabgriff, gekoppelt mit dem neutralen Bus aufweist; einen Schaltkreis (Q5, Q6), um betriebsmäßig selektiv den ersten Endabgriff der ersten Wicklung mit den ersten und zweiten Spannungsbussen zu koppeln; eine Gleichrichterschaltung (434) zum Koppeln des zweiten Endabgriffs der ersten Wicklung mit den ersten und zweiten Spannungsbussen; und eine bidirektionale Gleichstrom-/Wechselstromumwandlerschaltung (436) gekoppelt zwischen der zweiten Wicklung und dem Gleichstromquellenanschluss (431).
Eine USV nach Anspruch 10, wobei die Schaltkreise (Q5, Q6) im Betrieb, die ersten und zweiten Gleichspannungen begrenzen oder einschränken, und zwar derart, dass diese im Wesentlichen gleich sind.
Eine USV nach Anspruch 10, wobei ferner eine Steuerschaltung (440) vorgesehen ist, die im Betrieb die ersten und zweiten Steuersignale erzeugt, und wobei der Schaltkreis folgendes aufweist: einen ersten Schalter (Q5) ansprechend auf das erste Schaltersteuersignal, um den ersten Endabgriff der ersten Wicklung des Transformators und den ersten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln; einen zweiten Schalter (Q6) ansprechend auf das zweite Schaltersteuersignal, um den ersten Endabgriff der ersten Wicklung des Transformators und den zweiten Spannungsbus zu koppeln und zu entkoppeln.
Eine USV nach Anspruch 12, wobei die Steuerschaltung (440) die ersten und zweiten Schalter einschränkt oder begrenzt, und zwar zum Betrieb mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen von annähernd 50%.
Eine USV nach Anspruch 10, wobei die Gleichstrom-/Wechselstromumwandlerschaltung (436) einen Vollbrückenschaltkreis aufweist, der selektiv die ersten und zweiten Anschlüsse des Gleichstromquellenanschlusses (431) mit den ersten und zweiten Abgriffen der zweiten Wicklung des Transformators (T1) koppelt.
Eine USV nach Anspruch 10, wobei die Gleichrichterschaltung (410) eines von folgendem aufweist: erste und zweite Dioden geschaltet zwischen dem zweiten Endabgriff der ersten Wicklung des Transformators und entsprechenden Bussen der ersten und zweiten Spannungsbusse; oder siebte und achte Schalter geschaltet zwischen dem zweiten Endabgriff der ersten Wicklung des Transformators und entsprechenden Bussen der ersten und zweiten Spannungsbusse.
Eine USV nach Anspruch 1, wobei ferner ein Lastanschluss (403) konfiguriert ist zur Anschaltung einer Last, wobei der Lastanschluss einen Lastbus und den Neutralbus aufweist; wobei die Gleichrichterschaltung (410) einen ersten Schaltkreis aufweist, der selektiv den Phasenbus an die ersten und zweiten Spannungsbusse über eine erste Induktivität koppelt; wobei die Inverterschaltung (420) einen zweiten Schaltkreis aufweist, der selektiv den Lastbus mit den ersten und zweiten Spannungsbussen über eine zweite Induktivität koppelt; und wobei der bidirektionale Gleichstromquellenkopplungsschaltkreis (430) folgendes aufweist: einen Transformator mit ersten und zweiten induktiv gekoppelten Wicklungen, wobei die erste Wicklung einen mit dem neutralen Bus gekoppelten Mittelabgriff aufweist; einen dritten Schaltkreis, der selektiv die ersten und zweiten Spannungsbusse mit einem ersten Endabgriff der ersten Wicklung koppelt; eine Gleichrichterschaltung, die in gleichrichtender Weise den zweiten Endabgriff der ersten Wicklung mit den ersten und zweiten Spannungsbussen koppelt; und eine Gleichstrom-/Wechselstromumwandlerschaltung, die selektiv den Gleichstromquellenanschluss mit der zweiten Wicklung koppelt.
Eine USV nach Anspruch 16, wobei ferner die Steuerschaltung (440) vorgesehen ist, die im Betrieb die ersten und zweiten Schaltkreise steuert, und zwar ansprechend auf mindestens eine Lastspannung an dem Lastanschluss.
Eine USV nach Anspruch 17, wobei die Steuerschaltung (440) im Betrieb den dritten Schaltkreis derart steuert, dass die ersten und zweiten Gleichspannungen an entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse eingeschränkt sind, um im Wesentlichen gleiche Größen zu besitzen.
Eine USV nach Anspruch 17, wobei die Steuerschaltung (440) auf die Spannung an dem Lastanschluss (403) anspricht, um die ersten und zweiten Schaltkreise derart zu steuern, dass sich der Strom am Phasenbus hinauf bis zu einer Stromgrenze ändert, um die Lastspannung auf der Nominalspannung zu halten, und zwar derart, dass dann, wenn der Strom am Phasenbus die Stromgrenze erreicht, Leistung zu dem Lastanschluss von sowohl dem Wechselstromquellenanschluss als auch dem Gleichstromquellenanschluss übertragen wird, um den Lastanschluss auf der Nominalspannung zu halten.
Eine USV nach Anspruch 19, wobei die Steuerschaltung (440) im Betrieb den Strom auf dem Phasenbus begrenzt.
Eine USV nach Anspruch 17, wobei die Steuerschaltung (440) im Betrieb die ersten und zweiten Schaltkreise derart steuert, dass der Phasenbus mit entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse gekoppelt ist, und zwar in einer im Wesentlichen komplementären Art und Weise und ferner derart, dass der Lastbus mit entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse in einer im Wesentlichen komplementären Art und Weise gekoppelt.
Eine USV nach Anspruch 17, wobei der erste Schaltkreis folgendes aufweist: eine erste Induktivität (L1) der einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem Phasenbus gekoppelt ist, einen ersten Schalter (Q1) ansprechend auf ein erstes Schaltersteuersignal (SW1) zum Koppeln und Entkoppeln des zweiten Anschlusses der ersten Induktivität (L1) und des ersten Spannungsbusses (402a), und einen zweiten Schalter (Q2) ansprechend auf ein erstes Schaltersteuersignal (SW2) zum Koppeln und Entkoppeln des zweiten Anschlusses der ersten Induktivität und des zweiten Spannungsbusses (402b), und wobei der zweite Schaltkreis folgendes aufweist: eine zweite Induktivität (L2) mit einem ersten Anschluss gekoppelt mit dem Lastbus (403a); einen dritten Schalter (Q3) ansprechend auf ein drittes Schaltersteuersignal (SW3) zum Koppeln und Entkoppeln eines zweiten Anschlusses der zweiten Induktivität und des ersten Spannungsbusses (402a); und einen vierten Schalter (Q4) ansprechend auf ein viertes Schaltersteuersignal (SW4) zum Koppeln und Entkoppeln des zweiten Anschlusses der zweiten Induktivität und des zweiten Spannungsbusses (402b); und wobei die Steuerschaltung im Betrieb erste, zweite, dritte und vierte Schaltersteuersignale erzeugt, und zwar ansprechend auf mindestens die Lastspannung am Lastanschluss.
Eine USV nach Anspruch 22, wobei die Steuerschaltung (440) die ersten und zweiten Schalter betätigt, und zwar mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen, wobei die Steuerschaltung die dritten und vierten Schalter mit im Wesentlichen komplementären Arbeitszyklen betreibt.
Eine USV nach Anspruch 22, wobei der dritte Schaltkreis folgendes aufweist: einen fünften Schalter (Q5) ansprechend auf ein fünftes Schaltersteuersignal (SW5) zum Koppel und Entkoppeln eines ersten Endabgriffs der ersten Wicklung des Transformators und dem ersten Spannungsbus; und einen sechsten Schalter (Q6) ansprechend auf ein sechstes Schaltersteuersignal (SW6) zum Koppel und Entkoppeln des ersten Endabgriffs der ersten Wicklung des Transformators und des zweiten Spannungsbusses; und wobei der Steuerkreis bzw. die Steuerschaltung im Betrieb die fünften und sechsten Schaltersteuersignale erzeugt.
Eine USV nach Anspruch 24, wobei die Steuerschaltung (440) die fünften und sechsten Schalter einschränkt oder beschränkt, um im Wesentlichen bei komplementären Arbeitszyklen von annähernd 50% zu arbeiten.
Eine USV nach Anspruch 16, wobei die Gleichstrom-/Wechselstromumwandlerschaltung (436) einen Vollbrückenschaltkreis aufweist, der selektiv die ersten und zweiten Anschlüsse des Gleichstromquellenanschlusses mit den ersten und zweiten Abgriffen der zweiten Wicklung des Transformators koppelt.
Eine USV nach Anspruch 16, wobei die Gleichrichterschaltung eines der folgenden Elemente aufweist: erste und zweite Dioden geschaltet zwischen dem zweiten Endabgriff und der ersten Wicklung des Transformators (T1) und entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse (402a, b); oder erste und zweite Schalter geschaltet zwischen dem zweiten Endabgriff der ersten Wicklung des Transformators und entsprechenden ersten und zweiten Spannungsbussen.
Verfahren zum selektiven Übertragung von Leistung zu einer Last von einer Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: selektives Koppeln der Gleichstromquelle mit den ersten und zweiten Spannungsbussen durch eine erste Induktivität; selektives Koppeln der Last mit den ersten und zweiten Spannungsbusse durch eine zweite Induktivität; selektives Koppeln der ersten und zweiten Spannungsbusse mit einem neutralem Bus, und zwar durch eine dritte Induktivität; und bidirektionales Koppeln der Gleichstromquelle mit den ersten und zweiten Spannungsbussen zum Liefern eines bidirektionalen Leistungstransfers zwischen der Gleichstromquelle und den ersten und zweiten Spannungsbussen.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des bidirektionalen Koppelns den Schritt des induktiven Koppelns der Gleichstromquelle mit den ersten und zweiten Spannungsbussen aufweist, um einen bidirektionalen Leistungstransfer zwischen der Gleichstromquelle und den ersten und zweiten Spannungsbussen derart vorzusehen, dass eine Spannung an der Gleichstromquelle in einer im Wesentlichen festen Proportion zu ersten und zweiten Gleichstromspannungen an entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse aufrecht erhalten wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 29, wobei selektives Koppeln der ersten und zweiten Spannungsbusse an einen Neutralbus über eine dritte Induktivität den Schritt des selektiven Koppelns der ersten und zweiten Spannungsbusse an einen Neutralbus über einen Transformator derart aufweist, dass die ersten und zweiten Gleichstromspannungen eingeschränkt sind, um im Wesentlichen gleiche Größen zu haben.
Ein Verfahren nach Anspruch 30, wobei ferner die folgenden Schritte vorgesehen sind: selektives Koppeln des Wechselstromquellenanschlusses mit den ersten und zweiten Spannungsbussen, derart, dass der Strom an der Wechselstromquelle sich bis zu einer Stromgrenze verändert, um die Lastspannung auf der Nominalspannung zu halten; und wobei der Strom an der Wechselstromquelle die Stromgrenze und die Spannung erreicht, wobei Leistung zum Lastanschluss von sowohl der Gleichstromquelle als auch der Wechselstromquelle übertragen wird, um die Lastspannung auf der Nominalspannung zu halten.
Verfahren nach Anspruch 29: wobei der Schritt des selektiven Koppelns der Wechselstromquelle den Schritt des selektiven Koppelns eines Phasenbusses der Wechselstromquelle mit entsprechenden der ersten und zweiten Spannungs busse in einer im Wesentlichen komplementären Art und Weise aufweist; und wobei der Schritt des selektiven Koppelns der Last den Schritt des selektiven Koppelns der Last mit entsprechenden der ersten und zweiten Spannungsbusse aufweist, und zwar in einer im Wesentlichen komplementären Art und Weise.
Verfahren nach Anspruch 30: wobei der Schritt des selektiven Koppelns der ersten und zweiten Spannungsbusse an einen Neutralbus durch eine dritte Induktivität die folgenden Schritte aufweist: Selektives Koppeln des Neutralbusses an die ersten und zweiten Spannungsbusse über einen ersten Teil einer ersten Wicklung eines Transformators mit ersten und zweiten induktiv gekoppelten Wicklungen; und in gleichrichtender Weise Koppeln der ersten und zweiten Spannungsbusse an den Neutralbus über einen zweiten Teil der ersten Wicklung des Transformators; und wobei das bidirektionale Koppeln das selektive Koppeln erster und zweiter Anschlüsse der Gleichstromquelle mit ersten und zweiten Endabgriffen der zweiten Wicklung des Transformators aufweist.