DE69401497T2 - Notstromaggregat - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Notstromaggregat, wie es in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wiedergegeben ist.
• Derartige Notstromaggregate werden zwischen einer elektrischen Einrichtung und einer Wechselspannungsquelle zwischengeschaltet. Derzeit sind viele elektrische Einrichtungen im Gebrauch, die bei einem Netzausfall nicht mehr funktionsfähig sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um solche, die im Inneren Programme ausführen, wie beispielsweise Computer. Diese sind gegenüber Netzausfällen empfindlich, da hierbei Fehler in den Daten oder eine fehlerhafte Ausführung des Programmes verursacht werden kann. Die Notstromaggregate stellen eine stabile Spannungsversorgung während des Netzausfalles für eine Zeitdauer von mehreren Stunden sicher.
• Es ist beispielsweise aus dem US-Patent 4,366,390 bekannt, eine Batterie zu verwenden, welche während des normalen Betriebes aufgeladen und während des Notstrombetriebes entladen wird und welche eine kontinuierliche Spannungsversorgung zu der oder den angeschlossenen elektrischen Einrichtungen aufrechterhält, bis die Netzspannung wieder aufgebaut worden ist. Die Batterie ist mit den Netzanschlüssen über einen Leistungsumformer verbunden, der als Ladegleichrichter (Ladeeinrichtung) während des normalen Betriebes und als Wechserichter (umgekehrter Ladegleichrichter bzw. Inverter) (Wechselspannungs-/Gleichspanungskonverter) während des Notstrombetriebes arbeitet. Der Umformer bzw. Leistungsumformer stabilisiert darüber hinaus die Spannung an dem Ausgang des Notstromaggregatsystems, wodurch Schwankungen im Netz beseitigt werden. Das Notstromenergiesystem gemäß diesem Prinzip ist mit einer großen Drosselspule an der Eingangsseite verbunden, welche die Unterschiede zwischen dem schwankenden Eingang und dem stabilisierten Ausgang ohne Verluste absorbiert. Obwohl die Spannungsstabilisierung ohne Verluste erfolgt, verursacht die Drosselspule einen Anstieg in einem Leistungsfaktor, der sich mit der Last und der Netzspannung ändert, da die Drosselspule induktiv ist. Der in der Beschreibung des besagten US- Patents offenbarte Aufbau kann als ein Parallel-Umformer bzw. Parallel-Leistungsumformer bezeichnet werden, da ein pasives Reihenbauteil in Form der Drosselspule mit einem aktiven Parallelbauteil in der Form des Regelwechselrichters zusammenwirkt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem aus dem US-Patent 4,366,390 bekannten Notstromaggregat verbessertes Aggregat zu schaffen, bei dem der Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert ist und bei dem die Nachteile eines Veränderungsverlust-/Verbindungsfaktor beseitigt sind.
• Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Notstromaggregat gelöst, welches durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist. Die Drosselspule des Standes der Technik ist hier durch einen Wechselstromregler ersetzt, der mit der Batteriespannung zusammenwirkt und durch die Batteriespannung gesteuert wird. Der Strom durch den Wechselstromregler wird in Abhängigkeit des Bedarfs an Watt- bzw. Wirkleistung am Ausgang gesteuert.
• Bekannte UPS-Systeme (uninterruptable power supply-Systeme, ununterbrech bare Energieversorgungssysteme), die einen Ladegleichrichter aufweisen, welcher in Reihe mit einem Wechserichter geschaltet ist, wobei eine Batterie zwischen diesen angeodnet ist, besitzen üblicherweise einen Gesamtwirkungsgrad von 85 % für ein 5 kVA-UPS-System. Ein dem US-Patent 4,366,390 entsprechendes UPS-System besitzt normalerweise einen Gesamtwirkungsgrad von 91 %. Demgegenüber kann ein 5 kVA-UPS-System gemäß der Erfindung einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 96 % aufweisen.
• Der Wechselstromregler ist in Reihe mit der Wechselspannungsquelle/dem Wechselspannungsnetz geschaltet und wird so gesteuert, daß er einen annähernd idealen Stromgenerator bildet, was bedeutet, daß die Wechselspannung über dem Ausgang der Spannung über der Last folgt, während der abgegebene Strom sinusförmig ist und einen Kurvenverlauf aufweist, welcher identisch mit dem Kurvenverlauf der Netzspannung ist. Dies wird dadurch ermöglicht, daß der Wechselstromregler so gesteuert wird, daß er Strom nur in Phase mit dem Netz erhalten kann, wodurch sich der Strom aus dem Regler in Phase mit der Netzspannung befindet. Der Wechselstromregler zieht hierbei Wirkleistung aus dem Netz. Da er keine wesentlichen passiven, induktiven Komponenten aufweist, führt er ebenso die Wirkleistung dem Wechserichter und der Last zu.
• Die Funktion des Wechselrichters bei normalem Betrieb besteht darin, die Ausgangsspannung, d.h. die Spannung über der Last, zu stabilisieren und Blind- oder Oberwellenleistung zuzuführen, wenn dies von der Last erfordert wird. Computereinrichtungen erfordern häufig einen sinusförmigen Strom, dem harmonische Komponenten überlagert werden, oder der gegenüber der Spannung phasenverschoben ist.
• Der Wechserichter ist daher so gekoppelt, daß er ein annähernd idealen Spannungsgenerator bildet, so daß er die gewünschte Sinusspannung über der Last aufrechterhalten kann und darüber hinaus eine Stromverteilung zuführen kann, der der durch den Wechselstromregler zugeführte sinusförmige Strom überlagert wird. Die Batterie dient zusammen mit dem Wechserichter als eine Art Puffer zwischen dem Wechselstromregler und der Last, wobei der Wechserichter die Unterschiede in der Leistung zwischen der Wirkleistung, die durch den Wechselstromregler zugeführt wird, und der an der Last angelegten Leistung ausgleicht. Der Wechselrichter erhält die notwendige Leistung aus der angeschlosenen, aufladbaren Batterie. Die Notwendigkeit für das Zuführen von Wirkleistung aus dem Netz, um die Last zu versorgen, um Verluste in dem Wechserichter abzudecken und um die Batterie, falls nötig, aufzuladen, wird durch Überwachung des Zustandes der Batterie erkannt. Eine unzureichende Energieversorgung aus dem Netz kann durch Messen der Batteriespannung erfaßt werden, da dies Batterieenergie abziehen wird, wodurch ein Spannungsabfall stattfindet.
• Es ist zu bemerken, daß sich bei der Erfindung, wie es im Anspruch 1 wiedergegeben ist, das System im Gleichgewicht hinsichtlich der Leistung befindet, da das Netz ausschließlich Wirkleistung zuführt und der verbleibende Teil der Leistung, der durch die Last verbraucht wird, durch den Wechserichter zugeführt wird. Der verbleibende Teil des Leistungsverbrauchs wird als Blindleistung oder Oberwellenleistung zugeführt und von der Batterie erhalten, die gleichmäßig durch Verringerung oder Zunahme der aus dem Netz zugeführten Wirkleistung geladen bleibt.
• Es kann festgehalten werden, daß die Funktion des Notstromsystems als eine normale Bereitschaftsquelle dahingehend ausgeweitet worden ist, daß das System darüber hinaus eine wichtige Funktion während des Betriebes besitzt, nämlich sicherzustellen, daß die Last in Form der elektrischen Einrichtung am Ausgang des Notstromsystems nur Wirkleistung aus dem Netz entnimmt und dadurch einen Anschlußfaktor aufweist, der nahe bei 1 liegt oder gleich list.
• Die Unteransprüche erläutern nützliche Einzelheiten bei einem Notstromsystem gemäß der Erfindung. Anspruch 2 enthält eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der der Wechselstromregler zwei parallel Strompfade aufweist, die sich während der positiven und der negativen Halbperioden der am Eingang des Aggregats anliegenden Wechselspannung im Leit- bzw. Nicht-Leitmodus befinden. Wenn der Strom in dem Strompfad gesteuert wird, wie es in Anspruch 3 erläutert ist, kann die Verwendung von induktiven Bestandteilen praktischerweise vermieden werden. Die dann noch immer verwendeten induktiven Komponenten weisen eine solche Größe auf, daß sie praktisch nicht den Anschlußfaktor des Notstromsystems beeinflussen. Anspruch 4 beinhaltet, wie der Impulsgenerator ein Impulssignal und die Parameter erzeugt, welche für das Bereitstellen dieser Signale notwendig sind. Für Steuerzwecke kann der Strom durch den Wechsestromreg eier vorteilhafterweise erfaßt werden, wie es in Anspruch 5 dargelegt ist.
• Anspruch 6 beinhaltet, wie die Ausgangsspannung des Systems auf einem stabilen Pegel gehalten wird, während die Ansprüche 7 und 8 die Bauteile enthalten, die der Strompfad des Wechselstromreglers vorteilhafterweise aufweist.
• Die Erfindung wird nachstehend näher in Verbindung mit einem bevorzugten Ausfiihrungsbeispiel und unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren erläutert. Hierbei ist:
• Figur 1 und 2 Darstellungen, die die Prinzipien bekannter Notstromsysteme wiedergeben;
• Figur 3 eine entsprechende Darstellung, die das Prinzip eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Notstromsystems gemäß der Erfindung zeigt;
• Figur 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Steuerteus für ein Notstromsystem gemäß der Erfindung;
• Figur 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leistungsumformers bzw. Umformers für ein Notstromsystem;
• Figuren 6 bis 8 bevorzugte Ausführungsbeispiele für den in Figur 5 gezeigten Leistungsumformer; und
• Figuren 9 und 10 ein Äquivalenzdiagramm für das Notstromsystem gemäß der Erfindung und für den durch das System jeweils fließenden Strom.
• Die Figuren 1 und 2 zeigen den Aufbau zweier bekannter UPS-Systeme, welche beide einen Verbraucher oder eine Last Z mit einer stabilisierten Spannung versorgen. Beide Systeme sind mit einem Wechselspannungsgenerator 10 verbunden, welcher beispielsweise ein Netzanschluß sein kann.
• Das in Figur 1 gezeigte System arbeitet als ein Reihenleistungsumformer bzw. als ein Reihenumformer, wobei das System einen Ladegleichrichter 11 enthält, der normalerweise Thyristor-gesteuert ist, um stabile Harmonische zu erzeugen, die dem Netz zurückgeführt werden, sofern nicht an dem Netzanschluß eine geeignete Filterung stattfindet. Der Ladegleichrichter 11 wandelt eine Wechselspannung, die über den Eingang zugeführt wird, zu einer im wesentlichen konstanten Ausgangsspannung um, wodurch sichergestellt ist, daß eine Batterie 12 vollständig aufgeladen wird. Diese Gleichspannung wird einem Wechserichter 13 zugeführt, welcher die Gleichspannung in eine Wechselspannung umformt, die der Last Z zugeführt wird. Dieser Aufbau schließt zwei individuell gesteuerte Umformer ein, welche in Reihe arbeiten. Demzufolge muß jeder der Konverter die volle Ausgangsleistung umformen, was zu einem geringen Wirkungsgrad führt.
• Figur 2 zeigt ein weiteres bekanntes UPS-System, welches ausführlich in dem US- Patent 4,366,390 erläutert ist, und bei dem eine Wechselspannungsquelle 10 mit einer Last Z verbunden ist. Das Notstromsystem weist einen Leistungsumformer bzw. Umformer 14 auf, welcher als ein Ladegleichrichter während des normalen Betriebes arbeitet, um die Batterie 12 aufzuladen, und welcher als ein Wechserichter während des Notstrombetriebes arbeitet, um die Batteriespannung in eine Wechselspannung umzuformen, die dem Verbraucher Z zugeführt wird. Das Notstromsystem besitzt eine Drosselspule 15, welche die Unterschiede zwischen der stabilisierten Ausgangsspannung, die der Last Z zugeführt wird, und den Netzspannungsschwankungen absorbiert, die von der Spannungsquelle 10 herrühren. Die Drosselspule absorbiert diesen Unterschied ohne Verluste, erhöht jedoch einen Verbindungsleistungsfaktor, welcher eine Funktion des Winkels zwischen der abgegebenen Spannung und dem Strom ist. Dieser Leistungsfaktor sollte so nah wie möglich an dem der Spannungsquelle liegen, wodurch es notwendig ist, daß sich Strom und Spannung in Phase befinden. Jedoch ist dies bei einem so großen induktiven Bestandteil, wie der Drosselspule 15 nicht möglich. Darüber hinaus weist das Notstromsystem einen Schalter 16 auf, welcher im normalen Betrieb geschlossen ist, und welcher im Falle eines Netzausfalls geöffnet wird, so daß die Batterie 12 nicht das Netz speisen kann.
• Figur 3 zeigt das grundsätzliche Prinzip des Aufbaus eines Notstromsystems gemäß der Erfindung. Wie daraus hervorgeht, enthält das System eine Batterie 12, welche mit einer Wechselspannung aufgeladen wird, die durch einen Stromumformer 15 gleichgerichtet wird, der als ein Ladegleichrichter während des normaler Betriebes dient. Während des Notstrombetriebes arbeitet der Leistungsumformer 14 als ein Wechsel richter, wobei die Batteriespannung aus der Batterie 12 in eine Wechselspannung umgeformt wird, die der Last Z zugeführt wird. Anstelle der Drosselspule 15 bei dem in Figur 2 gezeigten Aufbau weist das erfindungsgemäße Notstromsystem einen Wechselstromregler 20 auf, welcher den Strom aus der Spannungsquelle 10 in Erwiderung des Bedarfs für Wirkleistung am Ausgang des Notstromsystems steuert. Dies wird nachstehend im Detail in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungsfiguren erläutert.
• Figur 6 zeigt eine Transistorschaltung, die dem Fachmann bekannt ist und die einen Teil des Wechselstromreglers bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Notstromsystems gemäß der Erfindung enthält. Eine positive Eingangsspannung V&sub6;, EIN die dem Kollektoreingang des Transistors T&sub6; zugeführt wird, wird an der Schaltung angelegt. Der Basiseingang des Transistors T&sub6; wird durch ein periodisches Signal gesteuert, welches ein variables Tastverhältnis bzw. einen variablen Arbeitszyklus aufweist, d.h., daß der Teil der Periode des Signals, bei dem ein von 0 unterschiedlicher Signalpegel, auftritt, verändert werden kann. Eine Diode D&sub6;, welche in eine Richtung von 0 zu dem Emitter des Transistors durchlässig ist, ist zwischen dem Emittereingang des Transistors und 0 eingeschaltet. Eine Induktivität L&sub6; ist zwischen dem Emitter des Transistors und einem Ausgangsanschluß der Transistorschaltung eingeschaltet. Ein Signal, welches das Eingangsignal als Umhüllung aufweist und welches eine Frequenz entsprechend der Frequenz des periodischen Signals, das an der Basis des Transistors angelegt wird, besitzt, erscheint an dem Emitter des Transistors. Weiterhin ist zwischen den Ausgangsanschlüssen der Transistorschaltung ein großer Glättungskondensator C&sub6; geschaltet, Ilber den eine Spannung V&sub6;, AUS vorhanden ist, die eine Größe besitzt, die durch V&sub6;, EIN multipliziert mit dem Tastverhältnis D bestimmt wird. Da das Tastverhältnis zwischen 0 und 1 liegen wird, schafft eine derartige Transistorschaltung eine impulsgesteuerte Verstärkung mit einem Verstärkungsgrad zwischen 0 und 1. Die Ausgangsspannung V&sub6;, AUS, kann auch wie folgt ausgedrückt werden:
• V&sub6;, AUS = V&sub6;, EIN D.
• Figur 7 zeigt in ähnlicher Weise eine weitere Transistorkopplung, bei der am Eingang eine positive Eingangsspannung V&sub7;, EIN anzulegen ist, die dem Kollektor eines Transistors T&sub7; über eine Induktivität L&sub7; zugeführt wird. Der Transistor T&sub7; wird durch ein periodisches Signal gesteuert, welches ein variables Tastverhältnis D aufweist, das an der Basiselektrode angelegt wird. Die Emitterelektrode des Transistors T&sub7; ist mit 0 verbunden. Eine Diode D&sub7; ist zwischen dem Kollektor des Transistors T&sub7; und einem Ausgangsanschluß der Transistorschaltung eingeschaltet und ist in Richtung auf diesen Anschluß durchlässig. Ein großer Glättungskondensator C&sub7; ist über dem Ausgang angeordnet, sodaß die Ausgangsspannung V&sub7;, AUS durch die Eingangsspannung V&sub7;, EIN ausgedrückt werden kann, die durch 1 weniger dem Tastverhältnis D geteilt ist. Da das Tastverhältnis D zwischen 0 und 1 liegen wird, ist es möglich, eine Verstärkung größer als 1 für den Verstärker zu erhalten, so daß die Ausgangsspannung wie folgt ausgedrückt werden kann:
• V&sub7;, AUS = V&sub7; EIN/(1-D).
• In Figur 8 sind die in den Figuren 6 und 7 gezeigten Transistorkopplungen verbunden, um eine integrale Schaltung zu bilden. Die Eingangsspannung V&sub8;, EIN entspricht der Eingangsspannung V&sub6;, EIN Wenn die die Transistoren T&sub6; und T&sub7; steuernden periodischen Signale identisch sind und sich in Phase befinden, ist es nicht notwendig, die Signale bis zu dem Ausgang der Schaltung zu glätten, da die Transistoren T&sub6; und T&sub7; gleichzeitig leitend werden. Demzufolge kann auf die Kapazität C&sub6; verzichtet werden und die Induktivitäten L&sub6; und L&sub7; zu einer integralen Induktivität L&sub8; zusammengefaßt werden. Die Spannung V&sub6; AUS entspricht der Spannung V&sub7;, EIN, so daß die in Figur 8 gezeigte Schaltung in der Lage ist, eine Ausgangsspannung V&sub8;, AUS zuzuführen, die durch die Eingangsspannung V&sub8;, EIN und dem Tastverhältnis D ausgedrückt werden kann und wie folgt lautet:
• V&sub8; AUS = V&sub8;, EIN D/(1-D).
• Es ist jedoch häufig notwendig, die beiden Transistorkopplungen einzeln zu steuern, so daß eine Stufe nur die Eingangsspannung an den Ausgang in der Weise überträgt, daß der Pegel des Steuersignals entweder hoch (Figur 6) oder niedrig (Figur 7) ist und daß die zweite Stufe impulsgesteuert ist. Wenn die Eingangsspannung V&sub8;, EIN zu verstärken ist, wird die Steuerspannung an dem Transistor T&sub6; hochgesetzt. Der Transistor T&sub7; wird impulsmoduliert gesteuert, um die gewünschte Spannung zu liefern. Wenn umgekehrt die Eingangsspannung V&sub8;. EIN vermindert werden soll, wird die Steuerspannung an dem Transistor T&sub7; herabgesetzt und der Transistor T&sub6; impulsmoduliert gesteuert, um die zugeführte Spannung zu verringern. Auf die Kapazität zwischen den beiden Transistorstufen kann verzichtet werden, da ein Transistor nur die Eingangsspannung zu seinem Ausgang überträgt. Wenn mit unterschiedlichen Steuersignalen an beiden Transistoren gearbeitet wird, kann die Ausgangsspannung V&sub8;, AUS durch das Tastverhältnis DT&sub6; und D&sub1;&sub7; der Steuersignale wie folgt ausgedrückt werden:
• V&sub8;, AUS = V&sub6;, EIN DT6/(1-DT7),
• wobei im normalen Betrieb das Tastverhältnis DT6 1 oder das Tastverhältnis DT7 0 ist, da eines der betreffenden Steuersignale entweder hoch oder niedrig ist.
• Figur 4 zeigt das Steuerprinzip für einen Wechselspannungsregler, welcher in Verbindung mit Figur 5 näher gezeigt ist. Es ist zu bemerken, daß die Steuerung des Leistungsumformerteils 14 (Figur 3) nur in Umrissen gezeigt ist, da er in seinen wesentlichen Bestandteilen in dem dem Anmelder der vorliegenden Erfindung ebenfalls gehörenden US-Patent 4,366,390 erläutert ist.
• Figur 4 zeigt eine Synchronisationseinheit 25, welche mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist und welche zwei Sinusgeneratoren 26, 31 steuert, die synchron und in Phase mit der Wechselspannungsquelle gehalten werden, und dessen Amplituden durch die zugeführte Gleichspannung gesteuert werden kann. Die Spannung aus dem Sinusgenerator 26 wird an dem positiven Eingang eines Fehlerverstärkers 24 angelegt, dessen negativer Eingang mit einem Leistungstransformator 21 verbunden ist, der in Reihe mit dem Eingangsanschluß des Notstromsystems angeordnet ist. Der Leistungstransformator 21 wird durch einen Widerstand 22 belastet, um eine Spannung an dem negativen Eingang des Fehlerverstärkers 24 zu erzeugen, wobei die Spannung proportional dem Strom an dem Eingangsanschluß des Notstromsystems ist. Das Signal aus dem Fehlerverstärker 24 wird an einen Modulator 23 angelegt, welcher die Modulationssignale an den Transistoren 62, 65, 72, 75, die in Figur 5 gezeigt sind, erzeugt. Diese Transistoren werden so moduliert, daß sie zu jeder Zeit die kleinstmögliche Abweichung oder keine Abweichung zwischen den beiden an dem Eingang des Fehlerverstärkers 24 angelegten Signalen aufrechterhalten. Wenn der momentane Wert des gemessenen Eingangsstroms eine geringe Amplitude als der gewünschte Wert aus dem Sinusgenerator 26 aufweist, wird das Tastverhältnis der Steuersignale in eine Richtung geändert, die die Verstärkung in dem Wechselstromleistungsregler 20 erhöht, was den Eingangsstrom an dem System steigert. Wenn dementsprechend der gemessene Eingangsstrom eine höhere Amplitude als der gewünschte Wert aus dem Sinusgenerator 26 aufweist, wird das Tastverhältnis der Steuersignale in eine Richtung geändert, die die Verstärkung in dem Wechselstromleistungsregler 20 verringert, was zu einer Reduzierung des Eingangsstromes führt. Diese Regelung stellt sicher, daß der Eingangsstrom immer proportional dem Signal aus dem Sinusgenerator hinsichtlich Amplitude als auch Wellenform ist, so daß der Eingangsstrom an dem System immer sinusförmig ist und sich in Phase mit der Eingangsspannung befindet. Dies stellt weiterhin sicher, daß das Notstromsystem einen Anschlußfaktor von 1 aufrechterhalten kann, unabhängig davon, was an der Lastseite geschieht, da der Leistungsumformer 14 Phasenverschiebungen, sofern welche vorhanden sind, zwischen Strom und Spannung an dem Ausgang des Notstromsystems kompensiert, wenn die Last eine Blindlast ist.
• Um die Amplitude an dem Sinusgenerator 26 und dabei die Leistungsaufnahme durch das Notstromsystem aus der Spannungsquelle (das Netz) zu steuern, wird der Ladezustand der Batterie überwacht. Diese Überwachung wird durch einen Fehlerverstärker 28 ausgeführt, welcher einen Meßwert proportional der Batteriespannung an seinem negativen Eingang und an seinem positiven Eingang einen konstanten Bezugswert VREF erhält, durch den die gewünschte Ladespannung an der Batterie 12 bestimmt wird. Der Fehlerverstärker 28 steuert die Amplitude an dem Sinusgenerator 26 in der Weise, daß die geringstmögliche Abweichung, oder keine Abweichung, zwischen den beiden an dem Eingang des Fehlerverstärkers 28 angelegten Signale erhalten wird. Wenn die Batteriespannung geringer als der gewünschte Referenzwert ist, wird die Spannung an dem Sinusgenerator 26 erhöht, was bedeutet, daß der Strom und dadurch die Leistung, die vom Netz empfangen wird, gesteigert wird.
• Die Spannung VAUS an dem Ausgang des Notstromsystems und dadurch die durch die Last aufgenommene Leistung werden konstant gehalten, so daß die aus dem Netz durch den Wechseistromregler 20 entnommene höhere Leistung über den Stromumformer 14 nur der Batterie 12 zugeführt werden kann, was die Batterie 12 auflädt, wodurch eine höhere Batteriespannung vorhanden ist. Auf diese Weise befindet sich das gesamte Notstromsystem hinsichtlich der Leistung konstant im Gleichgewicht, so daß eine konstante Ladespannung in der Batterie 12 aufrechterhalten wird, unabhängig davon, ob sich die Eingangsspannung oder die Last ändert.
• Die in Figur 4 gezeigten, übrigen Schaltungen dienen dazu, die Wechselspannung aus dem Leistungsumformer 14 unabhängig von Änderungen in der Batteriespannung und der Last zu halten. Dies ist als Stand der Technik anzusehen, wie er beispielsweise in den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Notstromsystemen verwendet wird. Die hierfür vorgesehene Steuerung braucht daher nachstehend nur kurz erläutert werden. Das Signal aus dem Sinusgenerator 31 wird mit der tatsächlichen Ausgangsspannung VAUS des Systems in einem Fehlerverstärker 30 verglichen. Das Signal aus dem Fehlerverstärker 30 steuert die Transistoren des Leistungsformers 14 über einen Modulator 34, um den kleinstmöglichen Unterschied, oder keinen Unterschied, zwischen den beiden Signalen an dem Eingang des Fehlerverstärkers 30 zu erzeugen. Um eine höhere Spannungsstabilität zu erzeugen, wird die Durchschnittsspannung der Systemausgangsspannung VAUS mit einer Durchschnittsspannungsmeßschaltung 32 gemessen. Die Amplitude des Sinusgenerators 31 wird mittels eines Fehlerverstärkers 33 nach oben oder unten verändert, wodurch der Durchschnittswert der Systemausgangsspannung VAUS bei einem Wert konstant gehalten wird, der durch einen Referenzwert VREF bestimmt ist, welcher an dem positiven Eingang des Fehlerverstärkers 33 angelegt wird. Die Modulationssignale aus dem Regler 20 sowie aus dem Wechsel-/Gleichstrom- Umformer 14 weisen eine Frequenz auf, die typischerweise zwischen dem 100- bis 1000-fachen größer als die Frequenz der Wechselspannung ist, die an dem Eingang des Notstromsystems anliegt.
• Figur 5 zeigt schematisch den Aufbau des Notstromsystems der Erfindung, wobei die Steuereinheiten aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt sind, so daß nur die Leistungsübertragungsbestandteile des Systems gezeigt sind. Der Wechselspannungsregler 20 ist hier im Detail wiedergegeben und es ist zu erkennen, daß er als ein Boost/Buck-Umformer aufgebaut ist. Der Wechselspannungsregler 20 weist zwei Stromzweige auf, welche jeweils in der positiven und der negativen Halbperiode der über dem Eingang angelegten Wechselspannung leitend sind.
• Der erste der Stromzweige beinhaltet eine Diode 60, welche in der positiven Halbperiode der angelegten Wechselspannung durchlässig ist. Hinter der Diode 60 ist ein spannungsgesteuerter Transistor 62 des IGBT-Typs (insulated gate bipolar transistor; isolierter bipolarer Gate-Transistor) parallel mit einer Rückkopplungs-Rückwegdiode 63 verbunden ist. Der Transistor 62 wird durch ein periodisches Signal gesteuert, daß an seiner Gate-Elektrode angelegt ist, wobei dieses Signal durch den in Figur 4 gezeigte Modulator 23 erzeugt wird. Das Tastverhältnis dieses Signals kann gesteuert werden, was in Verbindung mit Figur 4 erläutert wird. Der Emitterausgang des Transistors 62 ist über eine Diode 63 mit der negativen Elektrode der Batterie 12 verbunden. Eine Induktivität 64 ist in gleicher Weise mit dem Knotenpunkt zwischen dem Transistor 62 und der Diode 63 verbunden. Es ist erkennbar, daß der Transistor 62, die Diode 63 und die Induktivität 64 eine Transistorkonfiguration bilden, welche im wesentlichen der in Verbindung mit Figur 6 beschriebenen Konfiguration entspricht.
• Weiterhin ist die Induktivität 64 mit einem weiteren Knotenpunkt verbunden, zwischen dem und 0 eine Diode 67 in Reihe mit einem Transistor 65 angeordnet ist, der dem Transistor 62 entspricht und in der gleichen Weise gesteuert ist. Die Diode 67 und der Transistor 65 sind so angeordnet, daß ein Strom von dem Knotenpunkt zwischen Induktivität 64 und Diode 67 Richtung 0 fließen kann. Der Knotenpunkt zwischen der Diode 67 und der Induktivität 64 ist darüber hinaus mit einem Ausgangsanschluß des Notstromsystems über eine Diode 66 verbunden, welche so polarisiert ist, daß ein Strom in Richtung des Ausgangs fließen kann. Die Diode 67 schützt den Transistor 65 gegen entgegengesetzt gerichten Strom und schafft in ihrem Durchlaßzustand bzw. zwischen dem Transistor 65 einen Spannungsabfall zwischen dem Knotenpunkt zwischen dem Transistor 65 und dem Knotenpunkt zwischen der Diode 67 und der Induktivität 64.
• Die Induktivität 64 bildet in Verbindung mit dem Transistor 65, der Diode 66 und einem Glättungskondensator 80, der zwischen den Ausgangsanschlüssen des Notstromsystems angeordnet ist, eine Transistorkopplung, die einer der in Figur 7 gezeigten entspricht. Diese Bestandteile bilden in Verbindung mit dem Transistor 62 und der Diode 63 einen Transistoraufbau, der einem der in Figur 8 gezeigten entspricht. In gleicher Weise ist ein weiterer Zweig des Wechselspannungsreglers 20 in einer vollständig ähnlichen Weise zu dem ersten Zweig aufgebaut, wobei alle Einwegbauteile umgedreht sind, so daß dieser Zweig in der negativen Halbperiode der angelegten Wechselspannung leitend ist. Daher enthält der Zweig eine Diode 70, die mit einem Transistor 72 verbunden ist, welcher dem Transistor 62 entspricht und welcher parallel mit einer Rückkopplungsdiode 78 verbunden ist. Der andere Knotenpunkt zwischen der Diode 78 und dem Transistor 72 ist mit der positiven Elektrode der Batterie 12 über eine Diode 73 und mit einer Induktivität 74 verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Notstromsystems über eine Diode 76 und mit 0 über einen Transistor 75 sowie einer Diode 77 verbunden ist. Der Transistor 75 entspricht im wesentlichen den Transistoren 65, 62 und 72. Alle Transistoren werden durch individuelle Steuersignale - sowohl Rechtecksignale als auch Hoch/Niedrig-Spannungen (EIN/AUS) - gesteuert.
• Wenn eine positive Halbperiode des Eingangssignals erfaßt wird bzw. vorhanden ist, werden die Strompfade 60 bis 68 leitend. Wenn die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, muß die Spannung verringert werden und entsprechend der Erläuterung in Verbindung mit Figur 8 wird der Transistor 65 ein Steuersignal empfangen, welches niedrig ist oder aus ist, so daß es sich im Umkehrmodus befindet. Der Transistor 62 empfängt das Impulsbreitenmodulationssignal und verringert die Spannung in Erwiderung dieses Signals.
• Wenn Figur 5 mit Figur 8 verglichen wird, ist zu erkennen, daß die Dioden 63 und 73 in Figur 5 anstelle mit 0, wie bei Figur 8 der Fall ist, mit dem negativen bzw. positiven Anschluß an der Batterie 12 verbunden sind. Wenn die Dioden 63, 73 mit 0 verbunden wären, würde dies einen unerwünschten Strompfad bilden, welcher die Ausgangsspannung des Systems mit 0 über die Dioden 63, 66 und die Induktivität 64 in der negativen Halbperiode kurzschließen würde. Dementsprechend würde bei den positiven Halbperioden das System mit 0 über die Dioden 73, 76 und die Induktivität 74 kurzgeschlossen werden. Um dies zu verhindern, ist die Tatsache, daß die beiden Transistoren 91, 94 bei dem Stromumformer 14 immer in gleicher Phasenopposition zu der Ausgangsfrequenz des Notstromsystems gesteuert werden, zu berücksichtigen, so daß in der positiven Halbperiode der Spannung der Transistor 94 immer leitend und der Transistor 91 immer unterbrochen ist, wobei dies umgekehrt in der negativen Halbperiode gilt. Dies stellt sicher, daß die Diode 63 einen Leistungsstrom über den Transistor 94 während der positiven Halbperiode nach 0 aufweist, in der die Diode verwendet werden muß. Bei der negativen Halbperiode kann der Stromweg über die Diode 63 nicht leitend werden, da das Potential an dem negativen Anschluß der Batterie gering ist (eher negativ) als die Momentanwerte der Spannung, welche an dem Ausgang des Systems vorhanden sind. In ähnlicher Weise gilt dies für die Diode 73, die einen Strompfad nach 0 über den Transistor 91 während der negativen Halbperiode aufweist, wogegen sie sich im Umkehrmodus infolge der Spannung der Batterie während der postiven Halbperiode befindet.
• Die Transistoren 92, 93 werden durch impulsbreitenmodulierte Rechteckspannungen, die eine hohe Frequenz aufweisen, gesteuert, so daß die Spannung in dem Knotenpunkt zwischen den beiden Transistoren 92, 93 die gewünschte Sinusspannung an dem Ausgang des Systems bildet, wobei die Kapazität 80 zusammen mit einer Induktivität 95 einen Tiefpaßfilter bilden. Die Dioden 80, 84 stellen sicher, daß unabhängig von der Tatsache, welcher der vier Transistoren 91 bis 94 leitend oder unterbrochen ist, immer ein Strom pfad von der Induktivität 95 über die Batterie 12 zu der Kapazität 80 besteht. Ein in der Induktivität 95 fließender Strom kann daher nicht die Transistoren 91 bis 94 dahingehend beeinflußen, die Fehlerpolaritäten zu zerstören. Die Funktion der Dioden 81 bis 84 und der Transistoren 91 bis 94 können als generellen Stand der Technik, der aus Stromumformern bekannt ist, angesehen werden, die in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 gezeigt sind. Die Steuerung der Transistoren 91 bis 94 ist die gleiche unabängig von der Tatsache, ob das System sich im normalen Betrieb oder im Notstrombetrieb befindet, wo der gesamte Wechselspannungsregler 20 tot ist.
• Das Steuerprinzip des Leistungsumformers ist im wesentlichen in dem dem gleichen Anmelder der vorliegenden Beschreibung gehörenden US-Patent 4,366,390 erläutert.
• Figur 5 ist in Umrissen beschrieben worden, da es beispielsweise dem Fachmann klar ist, daß die gezeigen Dioden mit einem paralleln Entkopplungskondensator versehen sind. Es ist darüber hinaus für den Fachmann klar, wie die gesteuerten Signale mit den Basiseingängen an den Transistoren gekoppelt sind.
• Aus Figur 9 geht hervor, wie der Wechserichter 14 mit der Batterie 12 verbunden ist, über der eine Batteriespannung VB vorhanden ist. Der Wechserichter 14 empfängt den Batteriestrom IB aus der Batterie 12 und versorgt eine Stromverteilung IVR an der Last Z. Der Wechserichter 14 hält über der Last Z eine vorbestimmte Wechselspannung VL aufrecht. Der Stromregler wird in Figur 9 als ein steuerbarer Stromgenerator 20 gekennzeichnet, der in Reihe mit der Wechselspannungsquelle 10 parallel zu dem Wechserichter 14 verbunden ist. Der variable Stromgenerator führt einen Strom IR zu, welcher sinusförmig ist, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Die Spannung VL über der Last Z ist in ähnlicher Weise als sinusförmig in Figur 10 gezeigt. Figur 10 gibt wieder, daß der Laststrom IL im wesentlichen sinusförmig ist, jedoch ihm eine höhere harmonische Schwingung überlagert worden ist. Die Leistung aus den höheren harmonischen Schwingungen wird durch den Wechserichter 14 geschaffen. Dieser kann daher einen Strom IVR entsprechend dem in Figur 10 gezeigten zuführen. Es ist erkennbar, daß der Strom IL über der Last Z im wesentlichen sich in Phase mit der Lastspannung VL befindet, so daß in diesem Fall die Last Z im wesentlichen mit Widerstand behaftet ist. Wenn jedoch die Last Z teilweise induktiv ist, würde der Laststrom IL mit Bezug auf die Lastspannung VL phasenverschoben. Dies würde nicht die Wellenform des Generatorstromes IR ändern, jedoch würde dies den Wechserichterstrom IR veranlassen, eine Sinusform anzunehmen, die gegenüber dem Strom IR phasenverschoben sein würde, so daß die Summe der Ströme IVR und IR den für die Last notwendigen Strom IL bereitstellen würden.

Claims (8)

1. Notstromaggregat zum Einschalten zwischen einer Wechselspannungsquelle (10) am Eingang und einer Last (Z) am Ausgang, wobei das Notstromaggregat eine stabile Spannung am Ausgang sogar dann sicherstellt, wenn die von der Wechselspannungsquelle (1 0) stammende Wechselspannung unregelmäßig oder kurzzeitig unterbrochen ist und wobei das Notstromaggregat einen Wechselstrom-/Gleichstrom-Umformer (14) aufweist, der zwischen den Ausgangsanschüssen des Notstromaggregats geschaltet ist, der an eine aufladbare Batterie (12) angeschlossen ist und der als Ladegichrichter für die Batterie (12) im normalen Betrieb sowie als Wechsestromrichter im Notstrombetrieb dient, wobei die Batteriespannung am Ausgang des Notstromaggregats in eine Wechselspannung umgewandelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstromregler (20), der zwischen dem Eingang sowie dem Ausgang angeordnet und als ein steuerbarer Stromgenerator ausgebildet ist, an seinem Ausgang einen Wechselstrom abgibt, welcher sich in Phase mit der aus der Wechselspannungsquelle (10) stammenden Spannung befindet, daß der Wechselspannungs-/Gleichspannungs- Umformer (14) eine vorbestimmte Wechselspannung (VAUS) zwischen den Ausgangsanschüssen des Notstromaggregats aufrechterhält, wobei die hierfür notwendige Energie von der Batterie (12) zugeführt wird, wobei das Aggregat weiterhin ein Vergleichsmittel (28) aufweist, welches den Batteriezustand erfaßt sowie mit einer voreingestellten Referenzspannung (VREF) vergleicht und ein Signal in Erwiderung hierauf ausgibt, und daß die Stärke des durch den Regler (20) zugeführten Stroms in Erwiderung auf das durch das Vergleichsmittel (28) erzeugte Signal gesteuert wird.

2. Notstromaggregat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsestromregler (20) zwei parallele Strompfade (60-68, 70-78) aufweist, die sich während der positiven und der negativen Halbperioden der am Eingang des Aggregats anliegenden Wechselspannung im Leit- bzw. Nichtleitmodus befinden.

3. Notstromaggregat nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der in den Strompfaden (60-68, 70-78) befindliche Strom durch ein periodisches Rechtecksignal impulsgesteuert ist, und daß das Aggregat weiterhin einen Impusgenerator (23-26) aufweist, der ein Rechtecksignal erzeugt, dessen Dauer (D) in Erwiderung auf das durch das Vergleichsmittel (28) erzeugte Signal gesteuert wird.

4. Notstromaggregat nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (23-26) einen Sinusgenerator (26) aufweist, der mit der Wechselspannungsquelle (10) durch eine Synchronisationseinheit (25) synchronisiert und mittels dem durch das Vergleichsmittel (28) erzeugten Signal gesteuert wird, und daß ein Fehlerverstärker (24), der von einem Modulator (23) gefolgt wird, das periodische Rechtecksignal in Erwiderung auf einen Vergleich zwischen dem durch den Sinusgenerator (26) erzeugten Signal und einem Referenzwechselspannungssignal erzeugt.

5. Notstromaggregat nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzwechselspannungssignal, welches in dem Fehlerverstärker (24) verwendet wird, ein Maß für den von der Wechselspannungsquelle (10) empfangenen Strom ist, wobei das Maß durch einen Stromtransformator (21) bereitgestellt wird, welcher einen Lastwiderstand (22) aufweist, der an dem Eingangsanschluß des Aggregats angeschlossen ist.

6. Notstromaggregat nach einem der Ansprüche 3 bis 5,

gekennzeichnet durch Erfassungsmittel (32-33) zum Erfassen von Abweichungen in der Ausgangsspannung des Aggregats gegenüber einer Referenzspannung (VREF) und durch Kompensationsmittel (30, 31, 34) zum Kompensieren der Abweichungen mittels Änderung der periodischen Rechtecksignale - in Erwiderung auf die tatsächliche Ausgangsspannung-, die den Wechselstrom-/Gleichstrom-Umformer (14) so steuern, daß er eine konstante Ausgangsspannung aufrechterhält

7. Notstromaggregat nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Strompfad (60-68) einen Transistor (62), dessen Emitter mit der negativen Elektrode der Batterie (12) über eine Diode (63) verbunden ist, welche leitend in Richtung des Emitters geschaltet ist, eine Induktivität (64), deren einer Anschluß mit dem Emitter des Transistors (62) und deren anderer Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Notstromaggregats über eine Diode (66) verbunden ist, welche in Richtung zu dem Ausgang leitend geschaltet ist, und einen Transistor (65) aufweist, der mit der Erde verbunden ist.

8. Notstromaggregat nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der andere Strompfad (70-78) einen Transistor (72), dessen Kollektor mit der positiven Elektrode der Batterie (12) über eine Diode (73) verbunden ist, die in Richtung der Batterieelektrode leitend geschaltet ist, eine Induktivität (74), deren einer Anschluß mit dem Kolektor des Transistors (72) und deren anderer Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Notstromaggregats über eine Diode (76) verbunden ist, die in Richtung der Induktivität (74) leitend geschaltet ist, und einen Transistor (75) aufweist, der mit der Erde verbunden ist.