-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Quellentransfer-Umschaltsysteme und
insbesondere eine Hochgeschwindigkeits-Steueranordnung und Hochgeschwindigkeitsschalter
zum Steuern der Übergabe einer
Last von einer Quelle an eine andere Quelle mit der geringstmöglichen Übergabeverzögerung.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Quellentransfersysteme
für elektrische
Energieverteilsysteme bieten die Energieversorgung einer Last, indem
sie die Versorgung der Last von einer ersten Quelle auf eine zweite
unabhängige
Quelle übertragen,
falls in der ersten Quelle unerwünschte Merkmale
festgestellt werden. In einer Bauart von Quellentransfersystemen
werden relativ langsame Steuersysteme und mechanische Schalter verwendet,
die zwischen etwa zehn und einigen hundert Zyklen der Quellenfrequenz
benötigen,
um die Last zwischen zwei Quellen zu übertragen. Diese Systeme sind
so aufgebaut, dass sie im "Break-before-make-Betrieb" laufen, d. h., dass
der Strom von einer Quelle zur Last unterbrochen wird, bevor die zweite
Quelle verbunden wird. Eine andere Art von Quellentransfersystem,
die in den US-Patenten 5,070,252 und 3,936,782 erläutert ist,
wird im "Make-before-break-Modus" betrieben, um eine
Last zwischen zwei Quellen zu übertragen,
indem die Quellen kurzzeitig parallel geschaltet werden, wenn die
Quelle jeweils einspeisefähig
ist.
-
In
einer andere Art von Quellentransfersystem, die als "FasTran 25" bezeichnet wird,
werden Hochgeschwindigkeits-Vakuumschalter eingesetzt, die elektromagnetisch
betätigt
werden. Für
das System "FasTran
25" wird angegeben,
dass es die Übertragung
in ungefähr
24 Millisekunden bewältigt.
Es ist beschrieben in der Veröffentlichung
DB770-512, August
1998, erhältlich
von der Joslyn Hi-Voltage Corp. in Cleveland, Ohio.
-
In
noch einer anderen Art von Quellentransfersystem werden üblicherweise
Festkörperschalter verwendet,
die man auch als statische Transferschalter charakterisieren kann.
Die Steueranordnungen tasten die Spannungskurven für jede Quelle
ab, um festzustellen, wann eine Übertragung
zwischen Quellen erforderlich ist, d. h., sie erfassen Ausfälle und
kurzzeitige Unterbrechungen sowie Spannungseinbrüche und Überspannungen abhängig davon,
ob die Quelle, die die Last speist, vorbestimmte Pegel unter- oder überschreitet.
Siehe hierzu beispielsweise die US-Patente 5,808,378 und 5,644,175.
-
Weitere
Beispiele für
herkömmliche
Umschaltsysteme sind
EP0771059 ,
US-5,070,252, US-5,770,897
und "High-speed
transfer systems in flue gas desulphuration plants", Brown-Boveri Review,
vol. 74, no. 6, Juni 1987, Baden, Switzerland.
EP0771059 bewirkt den Übergang
mit einer herkömmlichen
offenen Übertragung
mit einer Verzögerungszeit.
Dagegen wird in der Brown-Boveri Review ein Spannungsvergleich zum
Ausführen
eines Kurzzeit-Übergangs
verwendet.
-
Diese
Anordnungen können
nützlich
sein und im Allgemeinen für
die beabsichtigten Zwecke zufrieden stellen. Transfersysteme herkömmlicher Art
erfordern jedoch teuere Festkörperschalter
oder fügen
Verzögerungszeiten
beim Übergang
ein.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es
ist daher die Hauptaufgabe der Erfindung, ein Quellentransfer-Umschaltsystem
bereitzustellen, in dem eine Hochgeschwindigkeitsanordnung und Hochgeschwindigkeitsschalter
dazu verwendet werden, die Übertragung
einer Last von einer Quelle zu einer anderen mit geringstmöglichen Übertragungsverzögerungen
zu steuern.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Quellentransfer-Umschaltsystem
bereitzustellen, das keinerlei beabsichtigte Verzögerung einführt, nachdem
eine Übertragungsentscheidung
getroffen ist und bevor die Last durch das Öffnen eines Schalters und das
Schließen
eines zweiten Schalters von einer Quelle zur anderen übertragen
wird.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Quellentransfer-Umschaltsystem
bereitzustellen, das einen Transfer zwischen Quellen über einen "offenen" Übergang im Modus Break-before-make
bewirkt, falls ernsthafte Störungen
einer ersten Kategorie erkannt werden, und das einen Transfer über einen "geschlossenen" Übergang bewirkt, der einen Make-before-break-Zustand
mit sich bringen kann, falls weniger gravierende Störungen einer
zweiten Kategorie erkannt werden.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Quellentransfersystem der Bauart
bereitgestellt, bei der ein gemeinsamer Lastanschluss von einer
von zwei Quellen gespeist wird, wobei das System umfasst:
zwei
Schalter, wobei jeder der beiden Schalter einen offenen und einen
geschlossenen Betriebszustand hat und so geschaltet ist, dass der
gemeinsame Lastanschluss über
eine entsprechende Quelle der zwei Quellen gespeist wird; und
eine
Steuervorrichtung, die die beiden Schalter betätigt, indem sie auf vorbestimmte
Transferbedingungen anspricht und das Öffnen eines ersten der beiden
Schalter und das Schließen
des zweiten Schalters vornimmt, ohne dass irgendeine beabsichtigte Verzögerung nach
dem Erkennen einer Transferbedingung eingeführt wird, so dass ein Pa rallelbetrieb der
beiden Quellen vorkommen kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuervorrichtung den Transfer zwischen den beiden Quellen steuert, indem
sie zuerst einen der Schalter öffnet
und anschließend
den zweiten Schalter schließt,
wenn ernsthafte Störungen
erkannt werden, beispielsweise sehr tiefe Spannungseinbrüche, und
dass sie den Transfer zwischen den beiden Quellen über das
Betätigen
der Schalter ohne eine beabsichtigte Verzögerung steuert, wenn weniger
gravierende Störungen
erkannt werden, beispielsweise geringe oder moderate Spannungseinbrüche.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Transfer einer
Last in einem Quellentransfersystem der Bauart bereitgestellt, bei
der ein gemeinsamer Lastanschluss von einer von zwei Quellen gespeist
wird, wobei das System umfasst:
zwei Schalter, wobei jeder
der beiden Schalter einen offenen und einen geschlossenen Betriebszustand hat
und so geschaltet ist, dass der gemeinsame Lastanschluss über eine
entsprechende Quelle der zwei Quellen gespeist wird; und
eine
Steuervorrichtung, die die beiden Schalter betätigt, indem sie auf vorbestimmte
Transferbedingungen anspricht und das Öffnen eines ersten der beiden
Schalter und das Schließen
des zweiten Schalters vornimmt, ohne dass irgendeine Verzögerung nach
dem Erkennen einer Transferbedingung eingeführt wird, so dass ein beabsichtigter
Parallelbetrieb der beiden Quellen vorkommen kann, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren die Schritte umfasst:
das Steuern des Transfers
zwischen den beiden Quellen, indem zuerst einer der beiden Schalter
geöffnet
wird und anschließend
der andere Schalter geschlossen wird, wenn ernsthafte Störungen erkannt werden,
beispielsweise sehr tiefe Spannungseinbrüche, und das Steuern des Transfers
zwischen den beiden Quellen über
das Betätigen
der Schalter ohne eine beabsichtigte Verzögerung, wenn weniger gravierende
Störungen
erkannt werden, beispielsweise geringe oder moderate Spannungseinbrüche.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
Man
versteht die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als auch
ihrer Wirkungsweise gemeinsam mit weiteren Aufgaben und Vorteilen
am besten anhand der Beschreibung zusammen mit der beiliegenden
Zeichnung.
-
Es
zeigt:
-
1 eine
Blockdiagrammdarstellung eines Quellentransfer-Umschaltsystems gemäß der Erfindung;
und
-
2 eine
Blockdiagrammdarstellung einer weiteren üblichen Schaltungsanordnung,
für die
sich das Quellentransfer-Umschaltsystem der Erfindung eignet.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Ein
Quellentransfer-Umschaltsystem 10 (im Weiteren mit System 10 bezeichnet),
siehe 1, enthält
eine Controllerstufe 12 und Schalter 20, 22 (in 1 mit
S1 bzw. S2 bezeichnet). Das System 10 versorgt eine Last
bei 14 mit einem Wechselstrom, der entweder aus einer ersten
Wechselstromquelle 16 oder einer zweiten Wechselstromquelle 18 stammt.
Die erste Wechselstromquelle 16 und die zweite Wechselstromquelle 18 und
die Last bei 14, die in einem elektrischen Energieverteilungssystem bereitgestellt
sind, sind in der Regel mehrphasige Schaltungen, die in 1 durch
eine Skizze mit einfachen Linien dargestellt sind. Das System 10 steuert über die
Controllerstufe 12 entweder den Schalter 20, S1
so, dass die Last bei 14 über die erste Quelle 16 gespeist
wird, oder so, dass der Schalter 22, S2 die Last bei 14 über die
zweite Quelle 18 speist. In einem erläuternden Beispiel sind die
Schalter 20, 22 Vakuumunterbrecher. Man kann die
Controllerstufe 12 auch als Transferkontrollanordnung bezeichnen.
-
Die
Controllerstufe 12 tastet die Spannungskurven einer jeden
Quelle 16, 18 ab, beispielsweise über zugeordnete
Fühleingänge bei 24, 26,
um festzustellen, wann eine Übertragung
zwischen den Quellen erwünscht
ist, d. h. um Ausfälle
und kurzzeitige Unterbrechungen ebenso festzustellen wie Spannungseinbrüche und Überspannungen,
und zwar abhängig
davon, ob die die Last speisende Quelle voreingestellte Pegel über- oder
unterschreitet. Die Controllerstufe 12 liefert geeignete
Schalterbetätigungssignale
bei 28, 30, die jeweils den Betrieb eines jeden
Schalters S1 und S2 kontrollieren, damit der Transfer mit geringstmöglichen
Verzögerungen erfolgt.
Es sei beispielsweise angenommen, dass die Controllerstufe 12 über Signale
an 28 S1 geschlossen hat, damit die Last bei 14 versorgt
wird. Stellt die Controllerstufe 12 über den Fühleingang 24 fest, dass
die Spannung der ersten Quelle bei 16 unerwünschte Eigenschaften
zeigt, so öffnet
die Controllerstufe 12 über
die Steuersignale bei 28, 30 S1, und sie schließt S2, damit
die Versorgung der Last bei 14 von der ersten Quelle bei 16 auf
die zweite Quelle bei 18 übergeht. Der Begriff "zuzuschaltend" wird hier so gebraucht,
dass er den Schalter bezeichnet, der geschlossen wird, damit die
Last von der zugehörigen Quelle
gespeist wird (z. B. der zweiten Quelle bei 18 und S2 im
erläuternden
Beispiel). Der Begriff "abzuschaltend" wird so gebraucht,
dass er den Schalter bezeichnet, der geöffnet wird, um den Strom von
der zugehörigen
Quelle zu unterbrechen (z. B. der ersten Quelle bei 16 und
S1 im erläuternden
Beispiel).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
und gemäß wichtiger
Aspekte der Erfindung öffnet
die Controllerstufe 12 nach erfolgter Transferentscheidung
den geschlossenen Schalter und schließt den geöffneten Schalter ohne irgendeine
beabsichtigte Verzögerung.
Dabei kann der zuzuschaltende Schalter geschlossen werden, bevor
der Strom durch den abzuschaltenden Schalter unterbrochen wird,
wodurch die Quellen 16 und 18 kurzzeitig parallel
geschaltet sind. Da jedoch die Schalterbetätigungszeiten sehr kurz sind,
beispielsweise weniger als 1–2 Zyklen
der Quellen-Wechselfrequenz (z. B. 50–60 Hz), stellt dies kein Problem
dar, da das übergeordnete
Kontrollverfahren in der Regel die Quellen unverbunden hält und unerwünscht kreisende
Ströme beseitigt.
Für Ausführungsformen,
in denen eine kurzzeitige Parallelschaltung auftreten kann, sind
die Schalter S1 und S2 Fehlerunterbrecher und besitzen Fehlerunterbrechungsfähigkeiten.
-
Das
Verbinden der beiden Quellen ist nicht immer vorteilhaft, falls
der Einbruch sehr tief ist, d. h. nahe an einer verschwindenden
Spannung. Durch die Auswirkung der zuzuschaltenden Quelle ist das kurzzeitige
Parallelschalten hinnehmbar, um minimale Übergangsverzögerungen
zu erhalten, da die Gesamtgeschwindigkeit, mit der das System in
den fehlerfreien Zustand zurückkehrt,
so erwünscht
ist, wie es durch die Parameter und Richtlinien von ITIC (früher: CBEMA)
definiert ist. Zudem ist für
kleine oder mittlere Einbrüche
das Verbinden der beiden Quellen tatsächlich vorteilhaft, da der
Einbruch auf der abzuschaltenden Quelle von der zuzuschaltenden
Quelle sofort in einem gewissen Grad aufgefüllt wird. Ist beispielsweise
die Quellenimpedanz der zuzuschaltenden Quelle ungefähr gleich
der Impedanz zwischen dem System 10 und dem Fehler auf
der abzuschaltenden Quelle, so wird der Einbruch während der
Periode, in der die Quellen miteinander verbunden sind, ungefähr um die
Hälfte
verringert. In der Tat verhält sich
dann das System 10 ähnlich
wie Systeme, die für
den Betrieb mit den beiden normalerweise verbundenen Quellen zugelassen
sind. Damit kann das Gesamttransferprofil des Systems 10 das
System in weniger als 1–2
Zyklen der Quellen-Wechselfrequenz (z. B. 50–60 Hz) in den fehlerfreien
Betrieb zurückführen.
-
In
einer anderen Ausführungsform,
in der der abzuschaltende Schalter zum Öffnen betätigt wird bevor der zuzuschaltende
Schalter zum Schließen ausgelöst wird,
so dass der Strom im abzuschaltenden Schalter unterbrochen wird,
bevor der zuzuschaltende Schalter geschlossen wird, beträgt die Gesamttransferzeit
in der Regel immer noch weniger als vier Zyklen.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform nimmt
das System 10 die Übertragung
zwischen Quellen über
einen "offenen" Übergang im Modus Break-before-make
vor, falls ernsthafte Störungen
einer ersten Kategorie erkannt werden, und es nimmt die Übertragung über einen "geschlossenen" Übergang vor, der Make-before-break-Zustände mit
sich bringen kann, falls weniger gravierende Störungen einer zweiten Kategorie
erkannt werden.
-
Es
werden nun weitere Schaltungsanordnungen betrachtet, für die sich
die Erfindung eignet. Hierzu wird zusätzlich 2 betrachtet.
Ein Controller 112 eines Quellentransfer-Umschaltsystems 110 steuert
drei Schalter S1, 120, S2, 122 und S3 121 über entsprechende
Steuersignalpfade 128, 130 und 132. Die
besondere erklärende
Schaltungsanordnung in 2 implementiert ein Primärwahlsystem mit
getrennten Schienen, das dazu verwendet wird, die Last im Normalbetrieb
zu trennen. Im Einzelnen beliefert im Normalbetrieb eine erste Quelle 16 eine erste
Lastschaltung 114 über
S1, und eine zweite Quelle 18 speist eine zweite Lastschaltung 116 über S2.
S3 ist normalerweise geöffnet
und wirkt als Schienenverbindungsschalter. Somit stellt jede Quelle 16, 18 eine
bevorzugte Quelle für
ihre zugehörige Lastschaltung 114, 116 dar,
und sie stellt eine alternative Quelle für die jeweils andere Lastschaltung 116, 114 dar.
Geht eine der Quellen 16, 18 verloren oder zeigt
unerwünschte
Merkmale, so öffnet
der Controller 112 gemäß den diversen
oben beschriebenen Steuerungsausführungsformen einen der Schalter
S1, S2 und schließt
den Schalter S3, damit die Lastschaltungen 114, 116 aus
einer der Quellen bei 16 oder 18 gespeist werden.
Geht beispielsweise die Quelle 16 verloren, so wird S1, 120 geöffnet und
S3, 121, der Schienenverbindungsschalter, wird geschlossen,
damit die Lastschaltung 114 gespeist wird. Dabei bleibt
S2, 122 geschlossen und speist weiterhin die Lastschaltung 116.
-
Es
sind verschiedene Ausführungsformen der
Erfindung erläutert
und beschrieben. Für
Fachleute sind jedoch verschiedene Änderungen und Abwandlungen
offenkundig. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle
diese Änderungen
und Abwandlungen abdecken, so dass sie in den Bereich der Erfindung
fallen.