DE69633073T2

DE69633073T2 - Vorrichtung und verfahren zur gleichmässigen verteilung einer elektrischen last in einem dreiphasen-energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE69633073T2
Application number: DE69633073T
Authority: DE
Inventors: David Yair
Original assignee: Target Hi Tech Electronics Ltd
Current assignee: Target Hi Tech Electronics Ltd
Priority date: 1995-05-22
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: BR9608829A; EP0886904B1; KR19990021876A; JP2000514279A; CZ296322B6; US5604385A; KR100431793B1; PL181465B1; HUP0002416A2; PL324043A1; NO319398B1; PT886904E; CZ369897A3; AU5843896A; ES2229273T3; TR199701407T1; NZ308811A; WO1996037940A1; NO975185D0; CN1185241A

Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung der elektrischen Last in einem elektrischen Dreiphasenstrom-Verteilungsnetz.
Gegenwärtig empfangen viele Wohnhäuser und kommerzielle Gebäuden an ihren Versorgungseingängen alle drei Phasen in einem Dreiphasenstrom-Verteilungsnetz, das von einem elektrischen Versorgungsunternehmen oder einem Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. In einer typischen Dreiphasen-Verteilungsumgebung versorgt jede Phase eine oder mehrere Abzweigschaltungen. Die Bestimmung darüber, welche Abzweigschaltung oder -schaltungen mit jeder der drei ankommenden Phasen verdrahtet wird/werden, wird für gewöhnlich zu dem Zeitpunkt gefällt, wo das Gebäude entworfen oder gebaut wird, und es ist schwierig, eine Änderung vorzunehmen, wenn das Gebäude einmal fertig ist. In einem Wohngebäude könnten z. B. verschiedene Abzweigschaltungen die Küche, das Wohnzimmer, die Schlafzimmer, usw. mit Elektrizität versorgen. In einer kommerziellen Umgebung könnten verschiedene Abzweigschaltungen die Maschinenanlagen, Büros, usw. versorgen. Ein Problem, das häufig entsteht, liegt darin, wie die vom Elektrizitätswerk an alle Abzweigschaltungen zugeführte elektrische Energie von den drei ankommenden Phasen gleichmäßig verteilt wird. Häufig wird sich mit der Zeit die Last-Topologie eines Gebäudes ändern, mitunter drastisch. Einige Abzweigschaltungen werden stärker belastet und andere weniger belastet, und zwar beispielsweise infolge der Bewegung der Maschinenanlagen auf einem Betriebsgelände oder der Zugabe oder der Bewegung von Geräten mit einer hohen Wattzahl (d. h. Kühlschrank, Elektroherd, Mikrowellenherd, usw.) in einem Haus. Solchermaßen wird sich auch die Last einer jeden der drei ankommenden Phasen in Zusammenhang mit der sich ändernden Last an den Abzweigschaltungen ändern. Ein Dreiphasennetz, das anfangs gleichmäßig ausgeglichen wurde, könnte mit der Zeit aus dem Gleichgewicht geraten.
Eine Lösung für dieses Problem liegt darin, jeder ankommenden Phase neuerlich jede Abzweigschaltung zuzuordnen, um in allen drei Phasen eine gleichmäßige Last zu erreichen, indem physikalisch jede Abzweigschaltung neu verdrahtet wird. Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass sie möglicherweise jedes mal das kostenaufwendige Neuverdrahten von elektrischen Kästen und Verteilern benötigt, wenn die drei Phasen aus dem Gleichgewicht geraten, was häufig passieren könnte. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass das Neuverdrahten für gewöhnlich eine Unterbrechung des Stroms erfordert, was ein mögliches Problem für die Kunden des Versorgungsunternehmens bewirkt. Hinzu kommt, dass diese Lösung nur einen groben Mechanismus zum Ausgleichen der Last in den drei ankommenden Phasen bereitstellt. Sie verfolgt den Stromverbrauch an jeder Phase und an der Abzweigschaltung nicht häufig. Die auftretenden stündlichen oder minütlichen Schwankungen in der elektrischen Last, die groß genug sein könnten, um in den drei ankommenden Phasen ein großes Ungleichgewicht zu bewirken, laufen ab, ohne erfasst zu werden.
"Courtois C et al: 'Compensation Statique de Reequilibrage pour L'Alimentation de la Traction Elektrique Monophasee' Revue Generale de L'Electricite, RGE. Paris, Fr, Nr. 6, 1. Juni 1992 (1992-06-01), S. 97–104, offenbart ein Dreiphasen-Lastverteilungssystem zur gleichmäßigen Verteilung einer elektrischen Last, das einen ersten, zweiten und dritten Stromsensor umfasst, die jeweils an eine erste, zweite und dritte Phase des Dreiphasen-Energieverteilungsnetzes verbunden sind, wobei der erste, zweite und dritte Stromsensor den jeweils durch die erste, zweite und dritte Phase strömenden elektrischen Strom messen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gerät zur gleichmäßigen Verteilung der elektrischen Last in allen drei Phasen eines Dreiphasen-Energieverteilungsnetzes nach Anspruch 1 be reit, das die Nachteile vorheriger Lösungen bewältigt.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Dreiphasen-Lastverteilungssystem bereitgestellt, das einen ersten, zweiten und dritten Stromsensor umfasst, die jeweils mit einer ersten, zweiten und dritten Phase eines Dreiphasen-Energieverteilungsnetzes verbunden sind, wobei der erste, zweite und dritte Sensor jeweils den Fluss des elektrischen Stroms durch die erste, zweite und dritte Phase misst; eine Mehrzahl von Schaltern umfasst, wobei jeder Schalter mit einer Mehrzahl von Abzweigschaltungen verbunden ist, wobei jeder der Mehrzahl von Schaltern jeweils die erste, zweite und dritte Phase mit einer Mehrzahl von Abzweigschaltungen verbindet; eine Mehrzahl von Stromsensoren umfasst, wobei jeder Stromsensor mit einer der Mehrzahl von Abzweigschaltungen verbunden ist, wobei die Mehrzahl von Stromsensoren den Fluss des elektrischen Stroms durch jede der Mehrzahl von Abzweigschaltungen miss; und einen Prozessor umfasst, der mit dem ersten, zweiten und dritten Stromsensor, mit der Mehrzahl von Schaltern und mit der Mehrzahl von Stromsensoren verbunden ist, wobei der Prozessor die Mehrzahl von Schaltern steuert, so dass der Fluss des elektrischen Stroms durch die erste, zweite und dritte Phase einen vorbestimmten Schwellwert nicht übersteigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird hierin lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und
2 ein Blockdiagramm eines Beispiels für Informationszwecke ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Grundsätze und der Betrieb der vorliegenden Erfindung können besser mit Bezug auf die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung verstanden werden.
Ein Blockdiagramm einer Vorrichtung 10, die die vorliegende Erfindung verkörpert, wird in 1 gezeigt. Der elektrische Dreiphasenstrom, durch Φ1, Φ2, Φ3 dargestellt, wird von einem elektrischen Stromversorgungsunternehmen zugeführt. Die Phasen Φ1, Φ2, Φ3 sind Überstrom-geschützt durch einen Versorgung-Trennschalter 14. Die Ausgabe des Versorgung-Trennschalters 14 erscheint am Versorgungseingang eines Wohnhaus oder eines kommerziellen Gebäudes. Stromsensoren 16, 18, 20 messen jeweils den durch die Phasen Φ1, Φ2, Φ3 fließenden Strom. Die Ausgabe der Stromsensoren 16, 18, 20 wird von einem Prozessor 12 überwacht. Der Prozessor 12 kann irgendeine geeigneter Rechenvorrichtung wie beispielsweise ein Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personal-Computer, usw. sein.
Jede Ausgabe der drei Phasen vom Versorgung-Trennschalter 14 wird an eine Reihe von Mehrpolschaltern 22, 24, 26, 28, 30 eingegeben. Jeder Schalter hat vier Eingabeklemmen. Drei Klemmen werden bereitgestellt, jeweils eine für jede der drei ankommenden Phasen. Zusätzlich wird eine vierte Klemme bereitgestellt, die keine Anschlussklemme (d. h. nicht verbunden mit irgendetwas) ist. Die Ausgabe der Schalter 22, 24, 26, 28, 30 wird jeweils an eine Reihe von Abzweig-Trennschaltern 32, 34, 36, 38, 40 eingegeben. Die vom Prozessor 12 ausgegebenen Steuersignale CONT1, CONT2, CONT3, CONT4, CONT5 bestimmen jeweils die Stellung der Schalter 22, 24, 26, 28, 30. Die Ausgabe der Abzweig-Trennschalter 32, 34, 36, 38, 40 geht jeweils durch eine Reihe an Stromsensoren 42, 44, 46, 48, 50 hindurch, bevor jede der fünf Abzweigschaltungen mit Strom versorgt wird. Jede der fünf Abzweigschaltungen hat eine damit verknüpfte Nullleitung N. Der von den Stromsensoren 42, 44, 46, 48, 50 gemessene Strom wird vom Prozessor 12 überwacht.
Der Betrieb der Vorrichtung 10 ist um die Mehrpolschalter 22, 24, 26, 28, 30 konzentriert. In der Anwendung der Vorrichtung 10 hat jede einzubeziehende Abzweigschaltung einen damit verknüpften Schalter, einen Abzweig-Trennschalter und einen Stromsensor. In 1 wird ein Lastausgleichsystem gezeigt, das fünf Abzweigschaltungen abdeckt. Die vorliegende Erfindung könnte jedoch leicht so hergestellt werden, um jede Anzahl von Abzweigschaltungen abzudecken, indem einfach genügend Komponenten bereitgestellt würden.
Der Prozessor 12 erfasst auf einer periodischen Grundlage die Ausgabe der Stromsensoren 16, 18, 20, die den durch jede Phase des zugeführten Dreiphasenstroms strömenden Strom messen. Der Prozessor 12 überwacht auch die Ausgabe der Stromsensoren 42, 44, 46, 48, 50, die den durch jede Abzweigschaltung strömenden Strom messen. Die Zeit zwischen der sukzessiven Erfassung der Stromsensordaten ist in der Größenordnung von Millisekunden oder in einem zweistelligen Bereich von Millisekunden und eine Funktion des die Software steuernden Prozessors 12. Die während jedes Datenerfassungszyklus erfassten Daten werden nicht sofort verworfen. Eine begrenzte Anzahl der jüngst erfassten Sätzen von Daten werden im Speicher gehalten, der entweder im oder außerhalb vom Prozessor 12 liegen kann. Der Prozessor 12 wird passend programmiert, um periodisch Daten von allen Stromsensoren zu erfassen, damit er in der Lage ist, die Last an jeder Phase des ankommenden Dreiphasenstroms und an jeder Abzweigschaltung zu verfolgen. Wenn der an jeder der Phasen gemessene Strom einen festgelegten Prozentsatz (z. B. 90%) einer oberen Stromgrenzeinstellung übersteigt, programmiert der Prozessor 12 die Schalter 22, 24, 26, 28, 30 so, dass die Gesamtlast in den drei ankommenden Phasen ungefähr gleich ist. Da die Last an jeder Abzweigschaltung bekannt ist, kann der Prozessor 12 die Abzweiglasten so neu verteilen, dass die Last an jeder Phase annähernd gleich ist. Sind die neuen Schaltereinstellungen einmal bestimmt, gibt der Prozessor 12 jeweils Schalter-Neupositionierung-Befehle über die Steuerleitungen CONT1, CONT2, CONT3, CONT4, CONT5 an die Schalter 22, 24, 26, 28, 30 aus.
Während des Betriebs der Vorrichtung 10 ist es möglich, dass sich die Last an einer einzelnen Abzweigschaltung auf einen Pegel erhöht, der den maximal erlaubten Abzweigstrom übersteigt. Als Reaktion auf diese mögliche Überstrombedingung kann der Prozessor 12 den entsprechenden Schalter der Abzweigschaltung auf seine Nicht-Verbindung-Sstellung programmieren. In dieser Stellung ist die Abzweigschaltung elektrisch von allen drei ankommenden Phasen getrennt. Zusätzlich zum durch den Prozessor 12 bereitgestellten Überlastschutz stellen die herkömmlichen Ab zweig-Trennschalter 32, 34, 36, 38, 40 für jede Abzweigschaltung auch einen Überstromschutz bereit. Die Vorrichtung 10 ist auch in der Lage, eine Funktion bereitzustellen, die die herkömmlichen Trennschalter momentan nicht bereitstellen können. Der Prozessor 12 kann passend programmiert werden, um mögliche Überlastbedingungen vorherzusagen, bevor sie auftreten, indem die Anstiegsrate im Stromverbrauch durch jede Abzweigschaltung und durch jede ankommende Phase überwacht wird. Solchermaßen können mögliche Stromunterbrechungen infolge des Überschreitens der Stromgrenzen auf einer ankommenden Phase im Voraus erkannt und vermieden werden, bevor sie auftreten.
Die Schalter 22, 24, 26, 28, 30 können Relais oder Halbleiter-Schalter (d. h. Triacs, siliziumgesteuerter Gleichrichter, usw.) als ihre Kernschaltelemente verwenden. Jeder Schalter decodiert seine entsprechenden vom Prozessor 12 empfangenen Steuersignale und verbindet entweder seine Ausgabe mit einer der drei ankommenden Phasen oder trennt seine Ausgabe völlig von allen drei Phasen. Die Schalter 22, 24, 26, 28, 30 können ihre Ausgabeklemmen schnell genug auf jede ankommende Phase schalten, so dass die mit ihrer entsprechenden Abzweigschaltung verbundenen Vorrichtungen oder Ausstattungen keine nennenswerte Lücke im zugeführten Strom sehen und solchermaßen nicht ungünstig beeinflusst werden.
Der Prozessor 12 bekommt seinen Strom von Φ1 und der Nullleitung N des ankommenden Dreiphasenstroms. Der Prozessor 12 kann jedoch von jeder der drei ankommenden Phasen Energie ableiten. Die obere Stromgrenzeinstellung kann auf viele Arten, die alle in der Technik gut bekannt sind, in den Prozessor 12 eingegeben werden. Zum Beispiel könnten die oberen Stromgrenzdaten in einer ROM-Speichervorrichtung hartcodiert werden, von externen DIP-Schalter-Einstellungen zugeführt werden, von einer externen Computervorrichtung zugeführt werden usw.
Das in der 2 dargestellte und hier unten beschriebene Beispiel dient lediglich Informations- und Vergleichszwecken und ist keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 2 gezeigte Beispiel funktioniert, um die Last in jeder Phase eines Dreiphasen-Energieverteilungsnetzes gleichmäßig zu verteilen. Jede Phase Φ1, Φ2, Φ3 eines Dreiphasen-Energieverteilungsnetzes wird an eine elektrische Energie-Summierschaltung 52 eingegeben. Die Summierschaltung 52 funktioniert, um jede ankommende Phase zu empfangen und ihre Strom- und Energieabwicklungsfähigkeit zu kombinieren und anschließend eine einzige summierte Ausgabe zu bilden. Die Ausgabe von der Summierschaltung 52 ist eine einzige elektrische Wechselspannung, die eine Stromleistung hat, die etwa gleich der Summe der Stromleistungen der drei ankommenden Phasen ist.
Die Ausgabe der Summierschaltung 52 wird anschließend an einen Gleichrichter 54 eingegeben. Der Gleichrichter 54 richtet die Wechselstromausgabe der Summierschaltung 54 im Wesentlichen auf einen Gleichstrompegel gleich. Die Strom-Führungsfähigkeit des Gleichrichters 54 muss ausreichen, um die gesamten Stromerfordernisse aller kombinierten Abzweigschaltungen zu handhaben, die von der Vorrichtung 10 abgedeckt werden müssen.
Die Ausgabe des Gleichrichters 54 wird an einen Wechselstromgenerator 56 eingegeben. Der Wechselstromgenerator 56 erzeugt eine Ein-Phasen-Wechselspannung aus der Gleichspannungsausgabe durch den Gleichrichter 54. Die richtige Spannung und Frequenz (z. B. 120 V, 60 Hz für die Vereinigten Staaten) wird für den speziellen Standort erzeugt werden, worin die Vorrichtung 10 arbeiten muss.
Die Ausgabe des Wechselstromgenerators 56 wird an die von der Vorrichtung 10 abgedeckten Abzweig-Trennschalter 32, 34, 36, 38, 40 eingegeben. Die Abzweigschaltungen werden durch die Ausgabe der Abzweig-Trennschalter 32, 34, 36, 38, 40 mit Strom versorgt. Obwohl in 2 fünf Abzweigschaltungen gezeigt werden, kann jede Anzahl von Abzweigungen durch die Vorrichtung 10 abgedeckt werden, vorausgesetzt, dass die Komponenten genug Nennstrom für die kombinierte Last aller Abzweigschaltungen haben.
Die eigentliche Lastverteilung in der Vorrichtung 10 erfolgt in der Summierschaltung 52. Egal wie die Last an jeder Abzweigschaltung steigt oder sinkt, wird sie in allen drei ankommenden Phasen automatisch gleichmäßig verteilt. Wenn z. B. die Last an irgendeiner Abzweigung oder an einer Abzweiggruppe um 30% zunimmt, steigt die entsprechende Last an jeder ankom menden Phase um –10%. Da jede ankommende Phase durch eine äquivalente niederohmige Stromquelle dargestellt werden kann, die zueinander identisch sind, dann erscheint, wenn die Last an der Summierschaltung 52 um 30% steigt, dieser Anstieg in jeder der drei ankommenden Phasen gleichmäßig.
Der Vorteil dieser zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform liegt darin, dass sie weniger komplex ist; jedoch ist sie möglicherweise kostenaufwendiger, da für die Summierschaltung 52, den Gleichrichter 54 und den Wechselstromgenerator 56, die in der Lage sind, die steigenden Strompegel zu handhaben, teure Komponenten verwendet werden müssen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben wurde, wird man würdigen, dass viele Änderungen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden können.

Claims

Ein Dreiphasen-Lastverteilungssystem zur gleichmäßigen Verteilung einer elektrischen Last, die an einer Mehrzahl von Abzweigschaltungen vorhandenen ist, in einem elektrischen Dreiphasenstrom-Verteilungsnetz, wobei das Lastverteilungssystem folgendes umfasst: einen ersten (16), zweiten (18) und dritten (20) Stromsensor, die jeweils an eine erste (Φ1), zweite (Φ2) und dritte (Φ3) Phase des elektrischen Dreiphasenstrom-Verteilungsnetzes gekoppelt sind, wobei jeder Stromsensor den jeweils durch die erste (Φ1), zweite (Φ2) und dritte (Φ3) Phase strömenden elektrischen Strom misst; wobei das Lastverteilungssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass das System weiterhin folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Schaltern (22, 24, 26, 28, 30), wobei jeder der Schalter an eine der Mehrzahl von Abzweigschaltungen (1, 2, 3, 4, 5) gekoppelt ist, wobei jeder der Mehrzahl von Schaltern jede der ersten (Φ1), zweiten (Φ2) und dritten (Φ3) Phasen mit einer der Mehrzahl von Abzweigschaltungen (1, 2, 3, 4, 5) verbindet; eine Mehrzahl von Stromsensoren (42, 44, 46, 48, 50) zum Messen der durch jede der Mehrzahl von Abzweigschaltungen (1, 2, 3, 4, 5) strömenden elektrischen Ströme; wobei jeder Stromsensor mit einer einer Mehrzahl von Abzweigschaltungen (1, 2, 3, 4, 5) verbunden ist, und einen Prozessor (12) zum Steuern der Mehrzahl von Schaltern (22, 24, 26, 28, 30), so dass die durch jede der ersten (Φ1), zweiten (Φ2) und dritten (Φ3) Phasen strömenden elektrischen Ströme einen vorbestimmten Schwellwert nicht übersteigen, wobei der Prozessor (12) mit dem ersten (16), zweiten (18) und dritten (20) Stromsensor, der Mehrzahl von Schaltern (22, 24, 26, 28, 30) und der Mehrzahl von Stromsensoren (42, 44, 46, 98, 50) verbunden ist.
Das System nach Anspruch 1, worin jeder der Mehrzahl von Schaltern mindestens einen Halbleiter-Schalter einschließt.
Das System nach Anspruch 1, worin jeder der Mehrzahl von Schaltern die erste, zweite und dritte Phase von der Mehrzahl von Abzweigschaltungen elektrisch trennen kann.
Das System nach Anspruch 1, das weiterhin folgendes umfasst: mindestens einen Versorgung-Trennschalter (14), der mit dem Dreiphasenstrom-Verteilungsnetz verbunden ist, und eine Mehrzahl von Abzweig-Trennschaltern (32, 34, 36, 38, 40), wobei jeder der Abzweig-Trennschalter an eine einer Mehrzahl von Abzweigschaltungen (1, 2, 3, 4, 5) gekoppelt ist.
Das System nach Anspruch 4, worin jeder der Mehrzahl von Schaltern mindestens einen Halbleiter-Schalter einschließt.