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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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Die
Doppelumwandlungstopologie war die letzten 30 Jahre lang der Standard
für die
unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) für Hochleistungstopologien.
Die Doppelumwandlung stellt die höchste Isolierung der kritischen
Belastung von den Unregelmäßigkeiten,
die auf den elektrischen Versorgungsleitungen vorhanden sind, bereit.
Einige Nachteile der Doppelumwandlungstopologie sind, dass die Eingangsgleichrichter
dazu neigen, Ströme
bei schlechten Leistungsfaktoren zu ziehen und auch dazu neigen,
harmonische Komponenten einzubringen, und die Leistung über den
Belastungsbereich hinweg unbeständig
ist. Filter verbessern die Leistung von Doppelumwandlungssystemen,
bringen sie aber nicht in Ordnung.
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In
der letzten Zeit wurde eine andere Topologie zur Verwendung als
eine für
kritische Belastungen geeignete Hochleistungstopologie vorgestellt. Die
geräteinteraktive
Topologie ist tatsächlich
ansprechend, da sie dem Gerät
die ideale Belastung bereitstellt, indem sie Strom bei nahe dem
Leistungsfaktor der Einheit und bei einer niedrigen harmonischen
Verzerrung über
ihren Belastungsbereich hinweg zieht. Zusätzlich zeigen geräteinteraktive
Topologien für
bestimmte Belastungsarten größere Wirkungsgrade
als die klassischen Doppelumwandlungstopologien. Die Kehrseite ist,
daß geräteinteraktive
Topologien die kritische Belastung nicht ebenso gut vor Versorgungsleitungsunregelmäßigkeiten schützen. Neben
anderen Mängeln
werden bestimmte Arten von Versorgungsfehlern durch das geräteinteraktive
System hindurchgehen und die kritische Belastung stören. Das
gelegentliche Hindurchgehen von Versorgungsleitungsfehlern bei dieser
Topologie wird dadurch verursacht, dass der Eingangskopplungsschalter
unfähig
ist, auf eine Weise zu unterbrechen, die rasch genug ist. Gewöhnliche
antiparallel geschaltete Thyristoren werden aufgrund ihrer Eigenschaften,
die sie für
diese Anwendung sehr gut geeignet machen, häufig für diesen Zweck verwendet. Unglücklicherweise
ist ein Nachteil von Thyristoren, dass sie den ausgeschalteten oder
sperrenden Zustand nicht erreichen können, ohne dass der angelegte
Strom einen Wert von "Null" erreicht.
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Die
europäische
Patentschrift Nr. 514 171 offenbart eine typische leitungsinteraktive
UPS des Stands der Technik. Die UPS beinhaltet einen Ruheschalter,
um die Belastung vom Wechselstromkraftnetz zu trennen. Bei der Feststellung
eines Leitungsstromausfalls wird der Ruheschalter rasch ausgeschaltet
und der Inverter eingeschaltet, um die Belastung mit Strom zu versorgen.
Der Ruheschalter kann mit gatekommutierten Schaltern oder mit selbstkommutierten
Schaltern verwendet werden. Die Offenbarung des Dokuments
EP 514 171 schlägt vor,
dass der Inverter im Fall einer Verwendung von selbstkommutierten
Schaltern, z.B. gesteuerten Siliziumgleichrichtern ("SCRs"), d.h., Thyristoren,
im Ruheschalter gesteuert werden kann, um den Ruheschalter gewaltsam
zu kommutieren. Das im Dokument
EP
514 171 offenbarte System ist jedoch nur auf Fehler anwendbar,
bei denen die Eingangsspannung zum System abnimmt. Somit verursacht
das Vorhandensein jedweder Inverterspannung ein ausreichendes Sperrvorspannen
der SCRs, um den Schalter zu kommutieren. Im Gegensatz dazu ist
die vorliegende Erfindung auf Fehler anwendbar, die ein Ansteigen
in der Eingangsspannung verursachen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Systemausgangswellenformstörungen,
die aufgrund von Eingangsversorgungsleitungsstörungen auftreten, zu bessern.
Das Hindurchgehen von Störungen,
die durch den normalen Betrieb des geräteinteraktiven Leistungsumwandlers
nicht ausreichend abgeschwächt
werden können,
kann nur durch schnelle Unterbrechung des Eingangskopplungsschaltmittels
angehalten werden.
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Es
werden zwei Techniken offenbart, die dies vollbringen. Die erste
Technik ist zur Verwendung mit Schaltern geeignet, die erfordern,
dass der Strom zur Kommutierung "Null" erreicht, wie zum
Beispiel Thyristoren – gesteuerte
Siliziumgleichrichter (SCRs). Diese Technik betreibt einen oder
beide Inverter in einer solchen Weise, dass der Leitungsstrom in
einem Zeitraum, in dem die Netzausgangsstörung von geringer Bedeutung
ist, den Wert von "Null" erreicht. Die zweite
Technik verwendet einen Schalter, der selbstkommutiert werden kann,
oder verwendet einen nicht selbstkommutierenden Schalter mit Hilfskommutierungskreiselementen.
Es sind auch mehrere Variationen eines Spannungsklemmungssystems
offenbart, das benötigt
wird, um mit der Energie fertig zu werden, die während der Kommutierung durch
die Signalstromkreisinduktivitäten
freigesetzt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein höheres Blockdiagramm
einer typischen Offline-UPS.
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2 ist ein höheres Blockdiagramm
einer typischen leitungsinteraktiven UPS.
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3 ist ein höheres Blockdiagramm
einer typischen Online-Doppelumwandlungs-UPS.
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4 ist ein höheres Blockdiagramm
einer Delta-Umwandlungs-UPS.
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5 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlungs-UPS, die einen natürlich kommutierten
schnellen Versorgungsunterbrechungsschalter nach der vorliegenden
Erfindung einsetzt.
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6 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlungs-UPS, die einen selbstkommutierten schnellen
Versorgungsunterbrechungsschalter und eine alternative Ventilbeschaltung
nach der vorliegenden Erfindung einsetzt.
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7 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlungs-UPS, die einen selbstkommutierten
schnellen Versorgungsunterbrechungsschalter und eine andere alternative Ventilbeschaltung
nach der vorliegenden Erfindung einsetzt.
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8 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlung-UPS, die den Anschluss
eines Strom- oder Spannungssensors veranschaulicht, der bei der
Steuerung der schnellen Versorgungsunterbrechung verwendet wird.
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9 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlungs-UPS, die einen selbstkommutierten
schnellen Versorgungsunterbrechungsschalter und eine andere alternative Ventilbeschaltung
nach der vorliegenden Erfindung einsetzt.
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10 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlungs-UPS, die einen selbstkommutierten
schnellen Versorgungsunterbrechungsschalter und eine andere alternative Ventilbeschaltung
nach der vorliegenden Erfindung einsetzt.
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11 ist ein einphasiges Schaltbild
einer leitungsinteraktiven Delta-Umwandlungs-UPS, die einen selbstkommutierten
schnellen Versorgungsunterbrechungsschalter und eine andere alternative Ventilbeschaltung
nach der vorliegenden Erfindung einsetzt.
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BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Aufgabe einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (UPS) ist, eine
kritische Belastung vor allen Stromstörungen zu schützen, die
am Versorgungsstromnetz vorhanden sind. Die UPS erzielt dieses Ergebnis
durch Bereitstellen einer stetigen fortlaufenden Stromversorgung.
Allgemein finden sich mehrere Arten von Störungen, einschließlich von Übergangszuständen, Durchhängern, Spannungsstößen, Spannungsabfällen, Spannungsausfällen und
Fehlern.
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Versorgungsfehler
sind Kurzschlüsse,
die auftreten, wenn eine Phasenleitung versehentlich an eine neutrale
(oder Erdungsleitung) oder eine unterschiedliche Phasenleitung angeschlossen
wird. Fehlerzustände
können überall in
einem Stromnetz auftreten und können
durch selbsttätige
Unfälle,
Blitze, innerbetriebliche Vorgänge
oder Vorgänge
in benachbarten oder entfernten Anlagen verursacht werden.
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Im
Fall von Phasen-Nulleiter-Fehlern werden sich die Phasen- und die
Nullspannung dicht zueinander hin bewegen. Dies wird für einen
begrenzten Zeitraum andauern und dann durch eine stromaufwärts gelegene Überstromschutzvorrichtung
beendet werden, die zumindest die gestörte Phase öffnet. Aufgrund der massiven
Energiekonzentration am Fehler kann sich der Fehler vor irgendeiner
schützenden
Handlung selbst unterbrechen. Es sollte bemerkt werden, dass, was
auch immer passiert, alle stromabwärts befindlichen Belastungen
angeschlossen bleiben. Folglich verbleibt die UPS-Speisungsleitung während des
Fehlers in einem Niedrigimpedanzzustand und erscheint sie als ein
Kurzschluss. Leerlaufhochimpedanzversorgungsausfälle sind ungewöhnlich.
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Im
Fall von Leiter-Leiter-Fehlern verursacht ein kurzgeschlossener
Zustand, dass sich beide Phasenspannungen zueinander hin bewegen
und sich als eine verhalten. Dies zeigt eine offensichtliche Phasenverschiebung
und ein Mitteln der Spannung. Wie vorher kann sich der Fehler selbst
beseitigen. Wenn sich stromaufwärts
des Fehlers ein Unterbrecher befindet, könnten sich aufgrund eines Überschlagens
im Unterbrecher alle drei Phasen öffnen, wahrscheinlich in einer
unberechenbaren Weise. Wenn sich stromaufwärts des Fehlers Sicherungen befinden,
bestehen andere Möglichkeiten.
Die kurzgeschlossenen Phasen können
sich beide öffnen, oder
eine der beiden Phasen kann sich öffnen.
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Die
einfachste Art einer UPS ist die in 1 gezeigte
Offline-Topologie. Unter normalen Betriebsbedingungen verläuft die
Wechselstromleistung vom Gerät
vom Eingang 101 geradewegs durch die UPS zur kritischen
Belastung, die an den Ausgang 107 angeschossen ist. Eine
Ladevorrichtung 102 oder ein "Vierquadrantenstromrichter" wandelt die Wechselstromleistung
vom Eingang 101 in eine Gleichstromleistung zum Laden einer
Batterie 103 um. Ein Inverter 104 wandelt die
Gleichstromleistung von der Batterie in eine Wechselstromleistung
um, die die kritische Belastung stützt, wenn das Gerät versagt.
Normalerweise ist der Inverter 104 im Bereitschaftsmodus
tätig und
hält er
die Batterie 103 geladen. Wenn der Versorgungsstrom aus
dem Toleranzbereich gerät,
speist der Inverter 104 die Belastung, indem er Energie
von der Batterie 103 zieht.
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Die
Offline-Topologie wird als "Einzelumwandlung" bezeichnet, da der
Strom nur ein Mal umgewandelt wird. Wenn die normale Stromquelle
verfügbar
ist, wird eine kleine Strommenge von Wechselstrom in Gleichstrom
umgewandelt, um die Batterieladung zu bewahren. Wenn die Eingangswechselstromleistung
außerhalb
des Toleranzbereiches gerät,
wandelt die UPS die Gleichstrombatterieleistung in Wechselstrom
um, um die Belastung zu stützen. Während des Übergangs
vom normalen Strom zum Batteriestrom gibt es eine Ausgangsspannungsstörung, wenn
der Ausgangsinverter aus dem Leerlauf dazu übergeht, 100 % der angeschlossenen
Belastung zu tragen.
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Eine
Einzelumwandlungs-UPS ist billig und beim normalen Betrieb wirksam.
Sie ist für
die Verwendung daheim oder zum Speisen von einzelnen Computerarbeitsstationen,
an denen nichtkritische Anwendungen laufen, die nur einen Netzausfallsschutz
benötigen,
ideal. Einzelumwandlungs-UPS-Produkte weisen manchmal Überspannungsbegrenzungsschaltungen
und/oder "Ausgleichs-
und Verstärkungs"schaltungen auf,
um eine hohe oder niedrige Eingangsspannung auszugleichen, stellen
jedoch im Übrigen
keine bedeutende Eingangsstromanpassung bereit.
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Der.
nächste
Schritt aufwärts
ist die in 2 gezeigte
leitungsinteraktive Topologie. Die leitungsinteraktive Topologie
ist der Offline-Topologie ähnlich, beinhaltet
jedoch einen Transformator oder Induktor 202, der zwischen
der Versorgungsstromquelle und der Belastung in Reihe angeschlossen
ist. Dieser Induktor ermöglicht,
dass der UPS-ter 203 mit dem ankommenden Strom "wechselwirkt" und eine Stromanpassung
für die
kritische Belastung bereitstellt. Typischerweise sind die Vierquandranteninverter,
die bei der leitungsinteraktiven UPS verwendet werden, Konstantspannungsvorrichtungen.
Sie passen sich durch Verändern
ihres Ausgangsphasenwinkels an sich verschiebende Belastungen an.
Da der Phasenwinkel ohne eine mögliche
Störung
der kritischen Belastung nicht rasch verschoben werden kann, wird der
Unterschied im Strom, der benötigt
wird, um die Störung
auszugleichen, aus der Batterie 204 gezogen. Die sich ergebenden
häufigen
Zugriffe auf die Batterie verkürzen
die Batterielebensdauer. Eine andere Beschränkung von tungsinteraktiven
Produkten ist, dass sie die kritische Belastung nicht völlig von der
Eingangsleitung isolieren können,
ohne mit Batteriestrom tätig
zu sein. Kleine Frequenzstörungen und
Stromqualitätsstörungen werden
direkt zur kritischen Belastung weitergeführt. Ohne elektrische Isolierung
verläuft
auch Gleichtaktrauschen geradewegs durch die UPS zur kritischen
Belastung.
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Die
beste UPS-Topologie ist die in 3 gezeigte
echte Online- oder Doppelumwandlungs-UPS. Ein Eingang 301 ist
an einen Gleichrichter 302 angeschlossen, der die ankommende
Wechselstromleistung zu einer Gleichstromleistung gleichrichtet,
um einen internen Gleichstrombus 308 der UPS zu stützen. Ein
Ausgangsinverter 304 nimmt die Gleichstromleistung vom
Gleichstrombus 3J8 und erzeugt eine Wechselstromleistung,
um die an einen Ausgang 307 angeschlossene kritische Belastung
zu stützen.
Eine Batterie 303 ist an den Gleichstrombus 308 angeschlossen
und wird während
des normalen Betriebs schwebend geladen. Wenn sich der Eingangsstrom
außerhalb
der Toleranzgrenzen befindet, stellt die Batterie 303 Strom
bereit, um den Inverter 304 und die kritische Belastung
zu stützen.
Einige Vorteile dieser Konfiguration beinhalten die Belastungsisolierung,
die Ausgangsspannungsstabilität, die
Ausgangsspannungs- und Frequenzunabhängigkeit, die Fähigkeit
für gesonderte
Eingänge
für die normale
und die Überbrückungsquelle,
die Verhinderung von Rückführungen
und eine reife und wohlverstandene Technologie.
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Die
herkömmliche
Doppelumwandlungs-Online-UPS ist gestaltet, um ungeachtet jedweder
Art von Versorgungsleitungsfehler oder einer anderen Versorgungsleitungsstörung tätig zu sein.
Diese Tätigkeit
ergibt sich, da der Eingangsgleichrichter 302 die ankommende
Versorgungsspannung zerhackt und sie in eine Gleichstromspannung
für die
Batterie 303 verwandelt. Innerhalb gewisser Grenzen kann die
Batterie kleinere Störungen
der Energieversorgung hinnehmen.
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Die
durch den Gleichrichter 302 oder die Batterie 303 erzeugte
stetige Gleichstromspannung wird verwendet, um den Ausgangsinverter 304 zu
speisen. Der Inverter erzeugt eine völlig neue Wellenform für die kritische
Belastung, die an den Ausgang 307 angeschlossen ist. Bei
der Doppelumwandlungs-Online-UPS weist die Ausgangswellenform der
kritischen Belastung keine notwendige Beziehung zur ankommenden Versorgungswellenform
auf. Folglich bleibt die Ausgangswellenform von Versorgungswellenformstörungen unabhängig.
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Die
Zwischen-Gleichstromverbindung zwischen dem Eingangsgleichrichter
und dem Ausgangsinverter (d.h., der Gleichstrombus 308)
stellt eine Filterung und eine kurzfristige Energiespeicherung bereit.
Eine Batterieverbindung an diesem Punkt stellt eine längerfristige
Energiespeicherung bereit, wodurch der UPS ermöglicht wird, bedeutendere Versorgungsstromstörungen zu überstehen. Folglich
weisen ankommende Leitungsstörungen (anders
als langfristige Spannungsausfälle)
keine Wirkung auf die kritische Belastung auf. Eingangsfehler sind
kein Problem für
Doppelumwandlungs-UPS-Produkte.
Der Eingangsgleichrichter 302 gestattet nur einen Stromfluss
in eine Richtung, so dass ein Eingangsleitungsfehler nur veranlasst,
dass die Einheit mit Batteriestrom tätig ist.
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Eine
Art der leitungsinteraktiven UPS ist die in 4 veranschaulichte Delta-Umwandlungs-UPS. Die
Delta-Umwandlungs-UPS ist eine leitungsinteraktive UPS im klassischen
Sinn, was bedeutet, dass der Reihentransformator 403 und
der Ausgangsinverter mit der ankommenden Versorgungsspannung wechselwirken,
um die Ausgangsspannung zu verändern.
Diese Topologie weist einen kleinen Eingangausgleichs/verstärkungsinverter 404 auf,
der die Eingangsspannung abändert.
Dieser kleine Inverter 404 wird als ein Reiheninverter
bezeichnet, da er theoretisch nur den Unterschied (das Delta) zwischen der
tatsächlichen
Eingangswellenform und der "diealen" Ausgangswellenform
verarbeitet. Der Reiheninverter ist an den Gleichstrombus 409 angeschlossen und
benutzt diesen als eine Leitung zum Austausch von Strom mit dem
Ausgangs(haupt)inverter 406. Da der Reiheninverter nur
den Stromunterschied in beiden Richtungen verarbeitet, ist er typischerweise
nur für
einen kleinen Anteil, z.B. 20 %, des bemessenen UPS-Ausgangs ausgelegt.
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Im
normalen Modus (was eine Nenneingangswellenform und eine lineare
Belastung an der UPS bedeutet) ist der Versorgungsunterbrechungsruheschalter 402 geschlossen.
Der Versorgungsstrom wird daher direkt zum Ausgang 408 geführt.
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Wenn
die Eingangsspannung vorhanden ist, sich jedoch nicht bei ihrem
Nennwert befindet, legt der Reiheninverter 404 eine Spannung
an den Ausgleichs/Verstärkungstransformator 403 an,
um etwas zur Eingangsspannung hinzuzufügen oder davon wegzunehmen. Ähnlich manchen
elektronischen Spannungsreglern schafft dies eine geregelte Ausgangsspannung.
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Wenn
der Eingangsstrom aus den Toleranzgrenzen gelangt, wird der Hauptinverter 406 den
vollen Ausgangsstrom liefern. Der Versorgungsunterbrechungsruheschalter 402 wird
ausgeschaltet, um ein Rückführen zu
verhindern. Stromausfälle,
die den Hauptinverter 406 aktivieren werden, beinhalten
ein Gelangen der Eingangsspannung außerhalb des Regelbereichs des
Reiheninverters 404 und Abweichungen der Eingangsstromquellenfrequenz
oder des Phasenwinkels.
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Das
Bereitstellen einer belastungsharmonischen Strom- und Leistungsfaktorkorrektur
erfordert, dass der Hauptinverter 406 tätig ist, um die benötigten Ausgleichsströme, sowohl
harmonische Ströme als
auch grundfrequenzreaktive Ströme
anzulegen. Der Reiheninverter 404 ist tätig, um die Spannung zu korrigieren.
Die Funktion des Inverters beim normalen Betrieb ist, die Ausgangsspannung
zu stabilisieren und einen reaktive oder harmonischen Strom zu liefern,
falls dies durch die Belastung benötigt wird. Die Amplitude und
die Phase des Hauptinverters 406 können gesteuert werden, um den
gewünschten
Ladungszustand der Batterie zu bewahren und dadurch den Stromfluss
zum oder vom Reiheninverter auszugleichen.
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Wie
die Offline-UPS kann die leitungsinteraktive UPS wirksam sein, da
sie die gesamte kritische Belastung nur während Stromstörungen stützt. Verglichen
mit der Offline-UPS zahlt die leitungsinteraktive UPS für den Reiheninduktor
(oder -transformator) 403 und für Verluste, die mit deren Stromanpassungsfunktionen
verbunden sind, eine kleine Wirkungseinbuße.
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Leitungsinteraktive
und Offline-UPS-Produkte sind notorisch für Eingangsfehler anfällig, was
der Grund dafür
ist, dass sie am Eingang typischerweise einen Versorgungsunterbrechungsruheschalter
und schnell durchbrennende Sicherungen aufweisen, wodurch versucht
wird, ein Rückführen von
Strom vom Gleichstrombus zur Versorgung zu verhindern. Bei einer
geräteinteraktiven
UPS wird die Versorgungswellenform als die Grundlage zum Aufbau
der Ausgangswellenform verwendet. Die geräteinteraktive UPS nimmt an
der Rohversorgungswellenform Abänderungen
vor, um diese Versorgungswellenform als eine Ausgangswellenform
für die
kritische Belastung passender zu machen. Zum Beispiel wird bei einer
zu geringen ankommenden Spannung hinzugefügt, um die Ausgangsspannung
auf den richtigen Pegel zu heben. In gleicher Weise wird ankommende
Spannung, die zu hoch ist, verringert. Harmonische Komponenten werden
vom Eingang gezogen, um am Ausgang eine reinere Sinuswelle zu bieten.
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Beim
ersten Anschein scheint dieses Verfahren ein hochleistungsfähiges versorgungsfreundliches
Mittel bereitzustellen, um einer kritischen Belastung eine Wellenform
von guter Qualität
zu bieten. Es ist jedoch sehr wichtig, die Beschränkungen
dieses Systems zu erkennen. Da die ausgegebene kritische Buswellenform
aus der Versorgungssinuswelle aufgebaut ist, ist ohne einen Batteriebetrieb
eine Frequenzunabhängigkeit
unmöglich.
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Eine
Analyse einer typischen geräteinteraktiven
UPS-Gestaltung veranschaulicht, dass Versorgungswellenformkorrekturen bis
hin zu 20 % der Eingangsspannung vorgenommen werden können. Die in
einem derartigen System eingesetzte Grenze ist willkürlich und
wird typischerweise unter Bedachtnahme auf die Kosten gewählt. Bei
Störungen,
die über
die 20-%-Grenze
hinausgehen, muss die UPS den Versorgungseingang unterbrechen und
mit Batteriestrom laufen. Unter bestimmten Versorgungsbedingungen
führt dies
zu wiederholten Zugriffen auf die Batterie, die die Batterielebensdauer
verkürzen. Um
das Problem zu verschlimmern, kann die UPS die Versorgung unter
manchen Versorgungsbedingungen nicht unterbrechen, um die kritische
Belastung vor der Störung
zu schützen.
Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Lösung dieses zweiten Problems
ab.
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Eine
geräteinteraktive
UPS muss sofort und richtig auf Versorgungsfehler und andere Störungen ansprechen,
wenn die kritische Belastung einen Ausgangsstrom von guter Qualität erhalten
soll. Das Steuersystem muss die Störung feststellen und analysieren,
die passende Antwort bestimmen und die Versorgungswellenform korrigieren,
und all das in ausreichender Zeit, um die Versorgungsleitungsstörung davon
abzuhalten, die kritische Belastung zu stören. Viele Versorgungsstörungen treten
sehr rasch auf, was strenge Gestaltungsanforderungen an die Leistung
der Steuerung und des Inverters stellt.
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Da
die Versorgungswellenform in Echtzeit korrigiert werden muss, müssen der
Eingangs- und der Ausgangsinverter und der Rest des Stromübertragungssystems
in der leitungsinteraktiven UPS eine viel höhere Leistung als ihre Gegenstücke in einer
Doppelumwandlungs-Online-UPS zeigen. Die in geräteinteraktiven Systemen eingesetzten
Steuersysteme müssen
Hochgeschwindigkeitsentscheidungen treffen, die von den herkömmlichen
Online-UPS-Steuerungen nicht benötigt
werden. Aufgrund der technologischen Beschränkungen werden Störungen,
die durch Online-Systeme leicht und an sich blockiert würden, in
manchen Fällen
geradewegs durch geräteinterakti ve
Systeme hindurchgehen und die kritische Belastung stören. Versuche, den
Durchgang zu verringern, erhöhen
die Komplexität
von geräteinteraktiven
Systemen und können
tatsächlich
die gesamte erwartete Verlässlichkeit
verringern.
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Die
Fähigkeit
bestimmter Versorgungsfehler, sich durch die geräteinteraktive UPS zur kritischen Belastung
auszubreiten, ist ein Ergebnis ihrer Topologie. Damit der Ausgang
der geräteinteraktiven
UPS während
deutlicher Versorgungsstörungen
ungestört bleibt,
muss die Versorgung unterbrochen werden und die kritische Belastung über den
Inverterbetrieb durch die Batterie versorgt werden. Die beschränkte Fähigkeit,
die Versorgung während
Fehlern zu unterbrechen, ist eine grundlegende Schwäche der
geräteinteraktiven
UPS-Gestaltungen des Stands der Technik.
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Die
wie in 2 veranschaulichte
leitungsinteraktive UPS des Stands der Technik weist eine Versorgungsunterbrechung 205 auf,
die nicht selbstkommutiert ist, und sie stellt nicht sicher, dass
der Inverter 203 im Fall eines Fehlers rasch vom Eingang 201 getrennt
wird. Bestimmte Arten von Fehlern, insbesondere zweipolige Kurzschlüsse, können am
Ausgang 207 angeschlossen verursachen, dass die Invertersicherungen
durchbrennen. Dies macht die kritische Belastung unvermeidlich stromlos,
da die Einheit keine gesonderte Umgehungsleitung aufweist, zu der sie übergehen
kann. Unter anderen Umständen könnten die
Eingangssicherungen durchbrennen, wodurch die UPS gezwungen wird,
auf den Batteriestrom umzuschalten, bevor schließlich die kritische Belastung
fallen gelassen wird.
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Obwohl
die Ausbreitung bestimmter Versorgungsfehler und Übergangszustände für geräteinteraktive
UPS-Gestaltungen des Stands der Technik typisch ist, ist eine Lösung möglich. Anstelle
des gewöhnlichen
Versorgungsunterbrechungsschalters kann eine schnelle Versorgungsunterbrechung
verwendet werden. Die schnelle Versorgungsunterbrechung ist ein
Festkörperruheschalter,
der den fehlerhaften Eingang schnell von der UPS und der kritischen
Belastung trennt. Die schnelle Versorgungsunterbrechung kann natürlich kommutiert
oder selbstkommutiert ein. Eine natürlich kommutierte Versorgungsunterbrechung
kann aus Thyristoren, z.B. gesteuerten Siliziumgleichrichtern ("SCRs") aufgebaut sein,
die antiparallel angeschlossen sind. Ein selbstkommutierter Versorgungsunterbrecher
kann aus Transistoren wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem
Gate ("IGBTs") oder Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren
("MOSFETs") oder anderen gatekommutierten
Schaltvorrichtungen aufgebaut sein. Eine schnelle Versorgungsunterbrechung
kann auch aus selbstkommutierten Thyristoren aufgebaut sein. Wenn
eine selbstkommutierte schnelle Versorgungsunterbrechung verwendet
wird, wird eine zusätzliche Klemmschaltungsanordnung
benötigt.
Beschreibungen beider Ausführungsformen
folgen nachstehend.
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Ein
vereinfachtes Schaltbild einer geräteinteraktiven UPS, die eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einsetzt, ist in 5 veranschaulicht. Die veranschaulichte
Schaltung ist ein Einphasenkreis, doch die Erfindung und die Grundsätze, die nachstehend
beschrieben sind, sind ebenso auf einen Drehstromkreis anwendbar.
An einem Eingang 501 wird Wechselstromleistung erhalten.
Die zu speisende kritische Belastung ist an einem Ausgang 515 an
die UPS angeschlossen.
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Während des
normalen Betriebs verläuft
die Wechselstromleistung durch eine natürlich kommutierte schnelle
Versorgungsunterbrechung 502. Die schnelle Versorgungsunterbrechung
besteht aus zwei gesteuerten Siliziumgleichrichtern ("SCRs") 502a und 502b,
die antiparallel angeschlossen sind. In einem Drehstromsystem würde jede
Phase der schnellen Versorgungsunterbrechung ein Paar von antiparallel
angeschlossenen SCRs umfassen. Die SCRs sind gattergesteuert, um
zu gestatten, dass Strom vom Eingang 501 zu einem Tiefpassfilter 503 verläuft, der
dazu dient, eine gewisse Anpassung der ankommenden Spannung bereitzustellen.
Der Tiefpassfilter 503 ist ein Filter zweiter Ordnung,
der aus einem Induktor 504 und einem Kondensator 505 besteht.
Andere Filtergestaltungen, die Durchschnittsfachleuten wohlbekannt
sind, können
ebenfalls verwendet werden.
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Wechselstromleistung,
die zur kritischen Belastung geliefert werden soll, verläuft dann
durch eine Wicklung eines Transformators 506, der in Reihe
mit einem UPS-Bus 56 verbunden ist. Der Zweck des Transformators 506 wird
nachstehend ausführlicher besprochen
werden. Der Strom für
die kritische Belastung verläuft
dann über
einen Kondensator 514, der als ein Filterkondensator dient,
um kleine Hochfrequenzkomponenten an der Ausgangswellenform zu verringern
und auch dazu dient, die Auswirkungen von Belastungsübergangszuständen auf
die Ausgangsspannung auf ein Mindestmaß zu verringern, zur kritischen
Belastung.
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Die
zweite Wicklung des Transformators 506 ist an einen Inverter 507 angeschlossen,
der als ein "Reiheninverter" bezeichnet wird.
Der Reiheninverter 507 besteht aus Schaltvorrichtungen 507a und 507b, die
typischerweise Leistungstransistoren sind. In einen Drehstromsystem
würden
sechs Schaltvorrichtungen, zwei pro Phase, verwendet werden. Ein Zweck
des Reiheninverters 507 ist, jedweden Unterschied zwischen
der gewünschten
Spannung am UPS-Ausgang 515 und der am Eingang 501 gelieferten
Spannung auszugleichen. Der Inverter 507 steuert durch
ein Ziehen von Strom, der sinusförmig
ist und mit der Eingangsspannung phasengleich ist, vom Eingang 501 auch
den Eingangsleistungsfaktor der UPS. Der Inverter 507 wird
zusammen mit einem Inverter 511 auch verwendet, um die
Ladung einer Batterie 508 zu bewahren. Die allgemeinen
Grundsätze,
die mit der Gestaltung derartiger Inverter und ihrer Steuerungen
in Zusammenhang stehen, sind Durchschnittsfachleuten wohlbekannt.
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Die
durch den Reiheninverter 507 erzeugte Spannung wird zwischen
einer positiven Gleichstromspannungsschiene 509a und einer
negativen Gleichstromspannungsschiene 509b, die als der Gleichstrombus
für das
UPS-System dienen, angelegt. Eine Batteriekette 508, die
Batterien 508a und 508b umfasst, ist zwischen
diesen Gleichstromspannungsschienen angeschlossen, wie dies auch
Kondensatoren 510a und 510b sind, die dazu dienen, Spannungsübergangszustände am Gleichstrombus auf
ein Mindestmaß zu
verringern. Der Ausgangsinverter 511 zieht abhängig von
der Betriebsart auch Strom vom Gleichstrombus oder liefert Strom
zum Gleichstrombus.
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Der
Inverter 511 ist der Hauptausgangsinverter, und ist gestaltet,
um der am Ausgang 515 angeschlossenen kritischen Belastung
den vollen Ausgangsstrom bereitzustellen. Der Ausgangsinverter 511 umfasst
zwei Schaltvorrichtungen, die als Leistungstransistoren 511a und 511b veranschaulicht sind.
In einem Drehstromsystem würde
eine Gesamtanzahl von sechs Leistungsschaltvorrichtungen, zwei für jede Phase,
verwendet werden. Der Inverter 511 hält die Ausgangsspannung stabil
und geregelt, ob das System nun mit Wechselstromleistung vom Eingang 501 oder
mit Gleichstromleistung von der Batterie 508 läuft. Wenn
die am Eingang 501 gelieferte Wechselstromleistung innerhalb
der passenden Toleranzwerte für
die kritische Belastung liegt, ist der Inverter 511 unbelastet.
Der Inverter 511 wird betrieben, um eine annehmbare Spannung
zu erzeugen, und legt durch einen Induktor 512, der dazu
dient, den zum Ausgang gelieferten Strom zu glätten, Strom und/oder Korrekturstrom
an den UPS-System-Bus
an. Die Gestaltung derartiger Inverter und ihrer Steuerungen ist
Fachleuten wohlbekannt.
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Wenn
die Eingangsleitungen versagen, wird es nötig, die UPS von den Eingangsleitungen
zu trennen, um zu verhindern, dass Strom, der durch den Inverter 511 erzeugt
wird, durch den UPS-Eingang 501 zur fehlerhaften Versorgung
rückgeführt wird.
Dies ist nötig,
um Folgendes zu verhindern: (1) das Sicherheitsrisiko, das sich
durch Bestromen der fehlerhaften Eingangsleitungen bieten würde, (2)
die Störung der
kritischen Belastung, die durch einen Anschluss an die fehlerhaften
Leitungen verursacht wird, und (3) Beschädigungen oder Zerstörungen von
verschiedenen UPS-Bestandteilen einschließlich von Sicherungen (nicht
gezeigt), die im Ausgangsinverter 511 beinhaltet sind.
Wenn der Versorgungsunterbrechungsschalter 502 natürlich kommutiert
ist, z.B. durch SCRs aufgebaut ist, verursacht der Spannungszusammenbruch
am Eingang 501, der mit vielen Arten von Fehlern verbunden
ist, in Kombination mit der Spannung, die durch den Ausgangsinverter 511 erzeugt
wird, auf natürliche
Weise ein Kommutieren der Schaltvorrichtungen 502a und 502b.
Dies ist der Fall, da die Spannung am UPS-Bus in ihrer Größe größer als
jene an der fehlerhaften Eingangsleitung sein wird, wodurch der
Strom durch den SCR auf "Null" getrieben wird.
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Bei
bestimmten Arten von Fehlern kann die Spannung am Eingang
501 jedoch
wie oben beschrieben in der Größe zunehmen,
wodurch die natürliche
Kommutierung der SCRs
502 verhindert wird, da die Versorgungsspannung
den Leitungsstrom vielmehr zu einer Zunahme in der Größe als zu einem
Erreichen von "Null" zwingt. Wenn die
Größe dieses
Fehlers innerhalb des Korrekturbereichs des Reiheninverters
507 liegt,
ist es dem Reiheninverter möglich,
die Störung
an einem Erreichen des Systemausgangsbusses zu hindern. Der Korrekturbereich des
Reiheninverters wird durch die Gestaltung, hauptsächlich aufgrund
von wirtschaftlichen und Wirksamkeitsüberlegungen, beschränkt. Daher
können
bei den meisten Anwendungen Eingangsfehler, die Übergangszustände außerhalb
des Korrekturbereichs des Reiheninverters verursachen, erwartet werden.
Um die Auswirkung dieses Übergangszustands
auf ein Mindestmaß zu
verringern, verwendet die vorliegende Erfindung einen oder beide
Inverter
507 und
511, um den Versorgungsunterbrecherschalter
gewaltsam zu kommutieren. Ohne die Fähigkeit, den Eingangsschalter
rasch zu öffnen,
ist der Rei heninverter für
Ausgangsfehler anfällig;
das heißt, ein
Ausgangskurzschluss wird verursachen, dass die Eingangsleitungsspannung über den
Reiheninverter eingeprägt
wird. Diese Spannung kann größer als
der Nennwert des Reiheninverters sein und Schäden daran verursachen. Ein
Verfahren des Kommutierens von Ruheschalterthyristoren unter Verwendung
eines Inverters in einer UPS ist in der US-Patentschrift Nr.
4,782,241 offenbart.
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Ein
Verfahren des Kommutierens der Versorgungsunterbrechung ist, nur
den Hauptinverter 411 zu verwenden. Wenn ein Fehler festgestellt
wird, der verursacht, dass sich die Spannung am Eingang 501 so
verändert,
dass der Leitungsstrom in der Größe zunehmen
wird, befiehlt die Hauptinvertersteuerung, dass der Hauptinverter
in einen Zustand schaltet, der eine Spannung anlegt, die verursacht,
dass sich der Inverterstrom dem Belastungsstrom annähert. Wenn der
Inverterstrom dem Belastungsstrom gleich ist, wird der Leitungsstrom
auf "Null" gezwungen worden sein
und die Kommutierung erreicht worden sein. In der Praxis ist es
für die
Steuerung nur nötig,
Kenntnis von der Richtung des Leitungsstroms zu haben und den Inverterschalter
zu wählen,
der die gleiche Spannungspolarität
wie die Leitungsstrompolarität
bereitstellt. Obwohl der am Ausgang 515 erfahrene, sich ergebende
Spannungsübergangszustand
etwas extrem ist, ist die erforderliche kurze Dauer von einer solchen
Art, dass die Belastung nicht gestört wird. Der Inverter sollte
auch keine Überstrombeanspruchung
erfahren. Typische SCRs, die für
Ruheschalteranwendungen verwendet werden, werden kommutieren und
fähig sein,
die angelegte Spannung in wenigen Hundertstel von Mikrosekunden
zu blockieren.
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Die
Störung
der kritischen Belastung kann auch nur unter Verwendung des Reiheninverters 507 auf
ein Mindestmaß verringert
werden. Die beschränkten
Nennwerte des Reiheninverters 507 erfordern jedoch, dass
der Fehler früh
festgestellt wird, bevor sich die Spannung am Eingang 501 außerhalb des
Bereichs befindet, in dem der Reiheninverter eine ausreichende Kapazität aufweist,
um die Eingangs-SCRs gewaltsam zu kommutieren. Eine andere Alternative,
um die Störung
der kritischen Belastung auf ein Mindestmaß zu verringern, ist, den Reiheninverter
bei seiner Höchstkapazität zu verwenden und
die zusätzliche
Energie, die benötigt
wird, um den Stromfluss durch die SCRs auf "Null" zu
bringen, unter Verwendung des Hauptinverters zu bilden. Da der Reiheninverter
auch verwendet wird, um den Stromfluss auf "Null" zu
bringen, werden die Anforderungen an den Hauptinverter verringert,
wodurch die durch die kritische Belastung erfahrene Ausgangsspannungsverzerrung
verringert wird und wahrscheinlich eine schnellere Kommutierung
bereitgestellt wird.
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Die
schnelle Versorgungsunterbrechung kann auch unter Verwendung von
gatekommutierten Schaltvorrichtungen wie etwa Leistungstransistoren aufgebaut
sein. Diese alternative Ausführungsform ist
in 6 veranschaulicht.
Eine gatekommutierte Schaltvorrichtung unterscheidet sich von einer
natürlich
kommutierten Schaltvorrichtung darin, dass die Vorrichtung einfach
durch Beseitigen des Torimpulses abgeschaltet werden kann. Fachleute
erkennen, dass ein gatekommutierter Schalter auch durch Verwendung
von SCRs, die eine gewaltsame Kommutierung einsetzen, hergestellt
werden kann.
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Da
ein gatekommutierter Schalter geöffnet werden
kann, wenn Strom durch die Vorrichtung fließt, ist es gewöhnlich nötig, irgendeine
Art von Klemmschaltung zum Schalter hinzuzufügen, um seine Zerstörung durch
das Unterbrechen des Stroms zu verhindern. Wenn die Äquivalentinduktanz,
die durch die Schaltvorrichtungen erfahren wird, jedoch ausreichend
gering ist, können
die Schaltvorrichtungen den Strom sicher ohne Beschädigung unterbrechen
und wird keine Klemmschaltung benötigt.
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Eine
mögliche
Klemmschaltung ist in 6 gezeigt
und umfasst vier Dioden 601, 602, 603 und 604.
Die Dioden 601 und 602 sind zwischen dem Eingang
der schnellen Versorgungsunterbrechung und dem Gleichstrombus angeschlossen.
Die Dioden 603 und 604 sind zwischen dem Ausgang
des schnellen Versorgungsunterbrechungsschalters und dem Gleichstrombus
angeschlossen. Die Dioden sind so angeordnet, dass ein Spannungsausschlag,
der größer als
entweder die positive oder die negative Gleichstrombusspannung an
beiden Seiten der schnellen Versorgungsunterbrechung ist, an die Gleichstrombusspannung
geklemmt wird. Die Überschussenergie
von einem derartigen Spannungsausschlag wird durch die Batterie 508 und
die Gleichstrombuskondensatoren 510a und 510b aufgenommen
werden.
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Eine
alternative Klemmschaltung ist in 7 gezeigt.
Die Klemmschaltung umfasst vier Dioden 701, 702, 703 und 704 und
einen Kondensator 705. Der Grundsatz des Betriebs ist dem
oben beschriebenen ähnlich.
Die Dioden 701 und 702 schließen die Eingangsseite des Versorgungsunterbrechungsschalters
an den Kondensator 705 an, und die Dioden 703 und 704 schließen die
Ausgangsseite des Versorgungsunterbrechungsschalters an den Kondensator 705 an.
Während
des normalen Betriebs wird sich der Kondensator 705 zur
Spitzenwechselstromspannung, die am Eingang 501 geliefert
wird, aufladen. Wenn an einer Seite des Eingangsruheschalters eine
größere Spannung
eingeprägt
wird, wie es durch die Unterbrechung des Belastungsstroms durch
den Versorgungsunterbrechungsschalter gezeigt würde, beginnt die passende Diode
zu leiten und wird die mit dem Spannungsausschlag verbundene Überschussenergie
durch den Kondensator 705 aufgenommen.
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Eine
andere mögliche
Klemme für
einen selbstkommutierten schnellen Versorgungsunterbrecher ist in 9 veranschaulicht. Die Klemmschaltung
umfasst vier Dioden 901 bis 904 und einen Kondensator 905.
Die Anode der Diode 901 ist mit der Eingangsseite eines
schnellen Versorgungsunterbrechers 906 gekoppelt, und die
Kathode ist mit einer ersten Klemme des Kondensators 905 gekoppelt.
In der gleichen Weise ist die Kathode der Diode 903 mit der
Eingangsseite des schnellen Versorgungsunterbrechers 906 gekoppelt,
während
die Anode mit einer zweiten Klemme des Kondensators 905 gekoppelt
ist . Die Kathode der Diode 902 ist mit der ersten Klemme
des Kondensators 905 gekoppelt, und ihre Anode ist mit
der Erdung gekoppelt, während
die Anode der Diode 904 mit der zweiten Klemme des Kondensators 905 gekoppelt
ist und ihre Kathode mit der Erdung gekoppelt ist. Beim Betrieb
wird ein Übergangszustandsspannungsausschlag
an der Eingangsseite des schnellen Versorgungsunterbrechers 906 ein Leiten
der Diode 901 (für
positive Spannungsausschläge)
oder der Diode 902 (für
negative Spannungsausschläge)
verursachen, wodurch gestattet wird, dass der Kondensator 905 die
Energie des Übergangszustandsspannungsausschlags
aufnimmt, während Überschussenergie
durch die Diode 904 (für
positive Spannungsausschläge)
oder die Diode 902 (für
negative Spannungsausschläge)
zur Erdung abgeleitet wird.
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Eine
andere Klemmschaltung zur Verwendung mit einem selbstkommutierten
schnellen Versorgungsunterbrechungsschalter ist in 10 veranschaulicht. Die Klemmschaltung
ist an die Eingangsseite eines schnellen Versorgungsunterbrechers 1001 angeschlossen
und umfasst Dioden 1002 und 1003 und Kondensatoren 1004 und 1005.
Die Anode der Diode 1002 ist mit der Eingangsseite des
schnellen Versorgungsunterbrechers 1001 gekoppelt, und ihre
Kathode ist mit einer ersten Klemme des Kondensators 1004 gekoppelt.
In der gleichen Weise ist die Kathode der Diode 1003 mit
der Eingangsseite des schnellen Versorgungsunterbrechers 1001 gekoppelt,
und ihre Anode ist mit einer zweiten Klemme des Kondensators 1005 gekoppelt.
Die zweite Klemme des Kondensators 1004 und die erste Klemme des
Kondensators 1005 sind miteinander gekoppelt und mit der
Erdung gekoppelt. Im Fall eines Übergangszustandsspannungsausschlags,
der mit der induktiven Reaktanz des Stromleitungskreises verbunden
ist und durch Kommutierung des schnellen Versorgungsunterbrechers
verursacht wird, wird die Diode 1002 (für positive Spannungsausschläge) oder
die Diode 1003 (für
negative Spannungsausschläge)
leiten, wodurch gestattet wird, dass der Kondensator 1004 bzw.
der Kondensator 1005 die mit dem Übergangszustandsspannungsausschlag verbundene
Energie aufnimmt.
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Schließlich ist
eine andere Klemmschaltung zur Verwendung mit einem selbstkommutierten schnellen
Versorgungsunterbrecher in 11 veranschaulicht.
Die Klemmschaltung umfasst zwei Spannungsbegrenzungsdioden 1101 und 1102,
die an die Eingangsseite eines schnellen Versorgungsunterbrechers 1103 angeschlossen
sind. Die Kathode der Spannungsbegrenzungsdiode 1101 ist
mit dem Eingang des schnellen Versorgungsunterbrechers 1103 gekoppelt,
während
die Anode mit der Anode der Spannungsbegrenzungsdiode 1102 gekoppelt
ist. Die Kathode der Spannungsbegrenzungsdiode 1101 ist
mit der Erdung gekoppelt, wodurch gestattet wird, dass entweder
positive oder negative Übergangszustandsspannungsausschläge zur Erdung
abgeleitet werden.
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Die
Spannungsbegrenzungsdioden 1101 und 1102 könnten durch
jede beliebige andere Zweirichtungs-Übergangsspannungsunterdrückungsvorrichtung
wie zum Beispiel Varistoren einschließlich von Metalloxid-Varistoren,
antiparallel geschaltete Transorbs, Breakdown-Dioden (Shockley-Dioden,
bidirektionale Triggerdioden), Kohlewiderstandssäulen, Gasentladungsvorrichtungen
usw. ersetzt werden.
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Um
die Kommutierung des Ruheschalters zu erzwingen oder zu unterstützen, ist
es nötig,
die Richtung des Stroms zu kennen, der durch den Ruheschalter fließt. Eine
Weise des Bestimmens der Stromrichtung ist, einen Stromsensor zu
ver wenden, der ein Analogsignal erzeugt. Der Anschluss eines derartigen
Sensors 801 ist in 8 veranschaulicht. Alternativ
kann die Richtung des Stroms durch Beobachten der Spannung über den
Ruheschalter bestimmt werden. Der Anschluss des benötigten Spannungssensors 802 ist
ebenfalls in 8 veranschaulicht.
Die Spannungssensortechnik wird bevorzugt, da sie Abweichungsfehlern
gegenüber
weniger empfindlich ist.
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Einem
Durchschnittsfachmann werden zusätzliche
Abänderungen
und Anpassungen der vorliegenden Erfindung offensichtlich sein,
und es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch die hierin offenbarten
besonderen veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt werden
soll. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle jene abgeänderten Formen
einschließt,
die in den Umfang der nachfolgenden Ansprüche fallen.