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Notstromversorgung für wechselstromgespeiste Geräte Die Erfindung
bezieht sich auf die Notstromversorgung von Geräten, die ihre Leistung entweder
aus einem Wechselstrom- oder aus einem Gleichstromnetz erhalten. Für diesen Zweck
ist es bekannt, umlaufende Gleichstromwechselstromumformer, insbesondere Einankerumformer,
zu verwenden, die einen guten Wirkungsgrad haben und bei denen die gelieferte Wechselspannung
weitgehend unabhängig von der Belastung ist. Bei den bekannten Anordnungen werden
die Geräte im Normalbetrieb aus dem Wechselstromnetz gespeist. Bei Ausfall der Wechselspannung
wird ein Umformer angelassen, der aus einer . vorhandenen Batterie gespeist wird
und die Wechselspannung für die Geräte liefert. Diese Anordnung hat den Nachteil,
daß für das Anlassen des Umformers eine bestimmte Zeit erforderlich ist, während
der die Geräte keine Speisung erhalten. Um diese Zeit zu verkürzen, hat ntan auch
die Einankerumformer durch Wechselrichter ersetzt, die mit Gäsentladungsröhren arbeiten
und sofort nach ihrem Einschalten Wechselspannung liefern. Diese Wechselrichter
sind jedoch nicht für alle Betriebsfälle geeignet, u. a. weil die von ihnen gelieferte
Wechselspannung mit der Belastung stärker schwankt als bei Einankerumformern.
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Die Erfindung betrifft eine Notstromversorgung für wechselstromgespeiste
Geräte, insbesondere Fernmeldegeräte, die ihre Energie entweder aus einem Wechselstromnetz
oder über einen Umformer aus einem Gleichstromnetz erhalten. Die Nachteile der bekannten
Anordnungen werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein dauernd laufender
Einankerumformer vorgesehen ist, der im Normalfall aus demselben Wechselstromnetz
gespeist wird wie der Verbraucher und dabei als Motor läuft, während bei einer Störung
im Wechselstromnetz eine Umschaltung des
Umformers auf -ein vorhandenes
Gleichstromnetz erfolgt, wobei für die Zeit der Umschaltung die Wechselstromleistung
durch den kinetischen Energieinhalt des Umformers gedeckt wird und wobei Maßnahmen
zur Sicherung der richtigen Polarität auf der Gleichstromseite des Umformers getroffen
sind, z. B. Einschaltung von Gleichrichterventilen in den Erregerstromkreis, zusätzliche
Gleichstromerregung auch während der Wechselstromspeisung, Verwendung eines Umschaltrelais,
welches die Zuleitungen zum Gleichstromnetz der Polarität des Umformers entsprechend
umpolt. Soll nämlich der Umformer, wenn er vom Wechselspannungsnetz angelassen wird,
an der Gleichstromseite immer eine bestimmte Polarität liefern, so muß das Erregerfeld
immer eine bestimmte Richtung haben. Dies kann durch die angegebene Einschaltung
eines Gleichrichters in den Erregerstromkreis erreicht werden oder durch Einfügung
eines zusätzlichen Erregerstromes bzw. Erregerfeldes der erforderlichen Richtung,
die beim Anlassen den Umformer auch in die richtige Polarität bringen. Es kann aber
auch die Erregung eingeschaltet werden, wenn am Anker die richtige Polarität herrscht,
so daß das Erregerfeld die Bildung der richtigen Polarität unterstützt und gegebenenfalls
nach zwei- oder mehrmaligem Einschalten herbeiführt.
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Eine dritte Möglichkeit besteht darin, daß der Umformer sich auf eine
beliebige Polarität einstellen kann und die Zuleitungen, die zum Gleichstromnetz
führen, durch ein Umschaltrelais entsprechend umgepolt werden. Auf diese Weise wird
dafür gesorgt, daß der Einankerumformer auch bei Wechselstromspeisung auf der Gleichstromseite
immer eine solche Polarität hat, daß er jederzeit auf das Gleichstromnetz geschaltet
werden kann und andererseits, daß die Zusammenschaltung eines laufenden Umformers
mit dem Wechselspannungsnetz nicht zu Kurzschlüssen der Wechselspannung führt, wenn
die beiden Wechselspannungen aus dem Netz und aus dem Umformer in ihrer Phase stark
verschoben sind.
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Anordnungen dieser Art sind vor allem für Fernmeldegeräte wichtig,
weil zufällig gerade während der Umschaltzeit ein Impuls o. dgl. ausgesandt werden
soll, der unterdrückt würde, wenn nicht dafür gesorgt wäre, daß auch während der
Umschaltung die Energielieferung nicht aussetzt und dabei .die Einhaltung der richtigen
Polarität gewährleistet ist.
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Für die Zusammenschaltung der Wechselspannung des Netzes mit der Wechselspannung
des Umformers gibt es ebenfalls gemäß der Erfindung verschiedene Möglichkeiten.
Man kann durch Vergleich der beiden Wechselspannungen, gegebenenfalls über Wandler,
ein Relais betätigen, das nur dann anspricht, wenn die beiden Spannungen gerade
in Phase sind, und schaltet dann schnell zusammen. Eine andere Möglichkeit ist die,
daß man den Umformer zunächst vom Gleichstromnetz abschaltet und zwischen der Wechselstromseite
des Umformers und dem Wechselstromnetz Begrenzungswiderstände einschaltet und erst
nach Einschalten dieser Widerstände den Umformer an das Wechselstromnetz anschließt.
Dadurch wird er vom Wechselstromnetz aus weiter betrieben. Nach Abschalten vom Gleichstromnetz
bis zur Umschaltung auf das Wechselstromnetz läuft der Umformer als selbsterregter
Generator und hält die Speisung .durch seine Schwungenergie aufrecht. Die Vorwiderstände
zwischen Umformer und Wechselstromnetz «erden nach der Umschaltung auf das Wechselstromnetz
wieder kurzgeschlossen. Sie müssen so dimensioniert sein, daß die Spannung am Verbraucher
während -der Umschaltzeit nicht zu sehr absinkt. Die Umschaltung selbst muß so schnell
vor sich gehen, daß der Verbraucher während dieser Zeit nicht ausfällt. Für die
Umschaltung genügen z.B. Zeiten von ioo bis Zoo Millisekunden. In manchen Fällen
wird es zweckmäßig sein, am Verbraucher Verzögerungsmittel vorzusehen, um einen
Ausfall des Verbrauchers während dieser kurzzeitigen Spannungsabsenkung zu verhindern.
Im übrigen soll der Gegenstand der Erfindung durch einige Ausführungsbeispiele erläutert
werden, die in der Zeichnung dargestellt sind.
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Abb. i zeigt eine Dauerstromversorgung, bei der die richtige Polarität
des Umformers -auf der Gleichstromseite durch ein Erregerfeld der entsprechenden
Richtung sichergestellt wird und bei der die Zusammenschaltung der Wechselspannungen
nach Vergleich ihrer Phasen erfolgt. Die Abb. 2 zeigt eine andere Schaltungsmöglichkeit
für das Vergleichsrelais und für die Erregerwicklung. Abb. 3 schließlich zeigt eine
Anordnung, bei .der die richtige Polarität auf der Gleichstromseite dadurch erreicht
wird, daß die Erregerwicklung .dann eingeschaltet wird, wenn die richtige Polarität
am Umformer vorhanden ist. In Abb. d. ist eine Schaltungsanordnung dargestellt,
bei der die Zusammenschaltung des Umformers mit dem Gleichstromnetz durch Umpolung
der Umformerzuleitungen erreicht wird, während in dieWechselstromzuleitungen während
der Umschaltungen auf Wechselstromspeisung kurzzeitig Widerstände eingeschaltet
werden.
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In Abb. i soll der Wechselstromverbraucher h ständig gespeist sein,
wobei er entweder ummittelbar die Wechselspannung Z'".
aus dem Netz
r, s, t erhält oder von der Gleichspannung Us über den Umformer ZT gespeist wird.
Der Umformer U läuft ständig mit und erhält ebenfalls einmal die Energie von U",
und das andere Mal von Ug. Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Angenommen,
der Umformer ist in Betrieb und die Speisung des Verbrauchers erfolgt unmittelbar
aus dem Wechselstromnetz. In diesem Falle sind die Kontakte phl und p12 der beiden
Überwachungsrelais für die Spannung Plal und Ph, angezogen, womit auch das Relais
ZA betätigt ist. Sein Kontakt zü bringt das Relais K zum Ansprechen, das mit seinem
Kontakt k das Umschaltrelais D betätigt. Über dessen Kontakte d111 bis dv
ist die Wechselspannung eingeschaltet, während über die Kontakte d' und d11 die
Gleichspannung abgeschaltet ist. Bei Ausfall der Wechselspannung fallen Phl, Ph2,
ZA, K
und D ab, so daß der Umformer an Gleichspannung gelegt wird Lind von
dort aus den Verbraucher speist. Bei Wiederkehr der Wechselspannung sprechen die
Relais PTal und P12 wieder an und schalten das Relais ZA ein. Dieses schließt mit
seinen Kontakten zd und -d' die Stromkreise für die beiden gegen.einandergeschalteten
Wicklungen des Relais K. Die Wicklung II des Relais liegt an der Gleichspannung,
während die Wicklung I in Reihe mit den beiden Spannungswandlern Trl und Tr2 liegt,
deren Sekundärwicklungen gegeneinandergeschaltet sind. Durch den Gleichrichter G14
wird die an den Punkten i und 'z auftretende Wechselspannung der Spannungswandler
gleichgerichtet und der Wicklung I zugeführt. Wenn die Netzwechselspannung und die
vom Umformer gelieferte Wechselspannung in Phase sind, heben sich die von Trl und
TY2 geliefertem Spannungen auf, so daß KI stromlos wird und das Relais K über die
Wicklung 1I anspricht. K bringt das Umschaltrelais D zum Anzug, das die Abschaltung
der Gleichspannung und die Anschaltung des Umformers an die Wechselspannung vornimmt.
Nach der Umschaltung müssen Mittel vorgesehen werden, damit auf der Gleichstromseite
des Umformers dieselbe Polarität erhalten bleibt. Zu diesem Zweck muß der Erregerstrom
bzw. das Erregerfeld eine bestimmte Richtung habens Der Erregerwicklung Eist daher
der Gleichrichter Gll vorgeschaltet, durch den die kichtung des Erregerstromes festgelegt
wird. Diese Wirkung kann noch verstärkt werden durch die Schaffung eines zusätzlichen
Erregerfeldes mit der Wicklung El, die über den Gleichrichter G12 und, die Beruhigungsdrossel
Dr gespeist wird. Da diese Einrichtungen nur während des Anlassens gebraucht werden,
können sie nach dem Anlassen, wenn sich die richtige Polarität eingestellt hat,
wieder abgeschaltet werden. Hierzu dient das Relais Sy, das über den Gleichrichter
Gls nur anspricht, wenn die richtige Polarität vorhanden ist und über den Kontakt
syl den Gleichrichter Gll kurzschließt und über den Kontakt sy" den Gleichrichter
G12 abschaltet.
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Das Ansprechen des Relais K wird in der Schaltung nach Abb. i verhindert,
wenn keime Phasengleichheit besteht, indem zwei entgegengesetzt geschaltete Wicklungen
vorgesehen sind. Zwei andere Möglichkeiten für die Schaltung des Relais K sind in
den Abb. z und 3 dargestellt. Nach Abb. z wird einer Wicklung des Relais K die Gleichspannung
über den Kontakt zä und die Differenzspannung der beiden Spannungswandler über den
Gleichrichter G14 und den Kontakt zci' zugeführt. Beiden Kreisen ist der
Widerstand R1 gemeinsam, an dem die an den Punkten i und z auftretende Differenzspannung
wirksam wird und der Gleichspannung entgegenwirkt, während bei Fortfall der Differenzspannung
das Relais K anspricht. Um zu verhindern, daß beim Überwiegen: der Differenzspannung
das Relais K durch einen Strom entgegengesetzter Richtung zum Ansprechen gebracht
wird, ist der Gleichrichter Gl, vorgesehen, der die Differenzspannung sperrt. Dadurch
ist es möglich, die Empfindlichkeit des Relais 71 unabhängig von der Differenzspannung
groß zu machen, so daß es schnell anspricht und die Umschaltung herbeiführt.
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Eine andere Schaltung ist in Abb.3 dargestellt. Das Anlassen des Umformers
U von der Wechselstromseite aus geschieht durch Einschalten des Motorschutzschalters
117S. Dadurch sprechen die Relais PW und hl an. T, schaltet mit seinem Kontakt v,
das Relais T12 und das Anlaßrelais U2 ein. U3 trennt mit den Kontakten u3 bis 1t3"'
den Kurzschluß der Widerstände R1 bis R3 auf und schaltet mit ugiv das Relais U1
ein. U1 hält sich über seinem Kontakt u1v und schaltet mit seinem Kontakt u1V1 das
Relais hl ab, das seinerseits wieder U3 abschaltet. Mit den Kontakten icl1 bis 2t1111
wird die Wechselspannung eingeschaltet und gleichzeitig mit den Kontakten ulvii
und itlviii die Gleichspannung abgeschaltet. Nach Abfall des Verzögerungsrelais
V, fällt U3 ab und schließt die Anlaßwiderstände R1 bis R3 wieder kurz. Während
dieser Zeit war auch der Widerstand RS durch den Kontakt v2 kurzgeschlossen, so
daß das Relais PW empfindlich eingestellt war. Dadurch wird vermieden, daß bei einem
Absinken der Wechselspannung durch die stärkere Belastung beim Anlassen des Umformers
das PW-Relais abfällt und den Umformer wieder abschaltet.
Während
der Umschaltung muß wieder die richtige Polarität auf der Gleichstromseite sichergestellt
werden. Wenn die Spannung mit der richtigen Polarität vorhanden ist, spricht das
Relais An. über den Gleichrichter G13 an und: schaltet mit seinem Kontakt an' die
Erregerwicklung E ein, so daß die Erregerwicklung das Einstellen des Ankers auf
diese Polarität unterstützt und der Anker nach ein- oder mehrmaligem Ansprechen
von An sich auf diese Polarität einstellt.
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Der Umformer U kann auch vom Gleichstromnetz aus angelassen werden.
Durch Einschaltung der Gleichspannung U, sprechen die Relais PG, und
U7 an. Dadurch wird die Gleichspannung über den Kontakt it; an den Umformer gelegt,
das Relais Aiz spricht an und schaltet die Erregerwicklung E ein. Nach Erreichen
einer bestimmten Spannung spricht das Relais PG. an und schließt den
Anlaßwiderstand R, kurz. U speist auf der Wechselstromseite den Verbraucher I7.
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Wenn der Umformer in Betrieb ist und die Netzspannung um einen bestimmten
Betrag sinkt bzw. einen bestimmten Betrag überschreitet, fällt das Prüfrelais PW
ab. Dabei genügt zur Überwachung des Drehstromes im allgemeinen das eine Überwachungsrelais
zwischen-zwei Phasen; bei sehr genauer Überwachung können auch zwischen die anderen
Phasen Prüfrelais eingeschaltet werden. Bei Abfall von Plh fällt das Relais Ui ab
und schaltet mit seinen Kontakten ulvii und itiviii den. Umformer auf das Gleichstromnetz,
während mit den Kontakten: u1I bis it1III die Wechselspannung abgeschaltet wird.
Das Zeitrelais Ti- und das Relais S werden durch den Kontakt pwIl eingeschaltet,
und über den Kontakt tr spricht das Relais Z an, das mit N", Ty und S wieder abschaltet.
Der Kontakt tr bleibt eine bestimmte Zeit, z. B. eine oder mehrere Minuten, geschlossen,
und mach dieser Zeit schaltet er wieder das Relais Z ab, wodurch geprüft wird, ob
die Wechselspannung wieder vorhanden ist. Diese Verzögerungszeit ist vorteilhaft,
um zu vermeiden, daß bei einer nur kurzzeitigen Wiederkehr der N,#rechselspannung
auf das Wechselstromnetz und kurz danach wieder auf das Gleichstromnetz geschaltet
werden muß.
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Wenn nach Ablauf von Tr die Wechselspannung wieder vorhanden ist,
sprechen die Relais PLh und h1 wieder an. Durch das Relais U1 wird der Umformer
vom Gleichstromnetz abgeschaltet und nach Einschalten der Widerstände R1 bis R3
auf das Wechselstromnetz umgeschaltet. Die Widerstände R1 bis R3 müssen so bemessen
sein, daß auch bei falscher Phasenlage der Umformerwechselspannung beim Umschalten
kein Kurzschluß auftritt, so daß weder das Wechselstromnetz noch der Umformer zu
stark belastet werden. Nach Umschaltung auf Wechselstromspeisung bewirkt das Relais
Aii, wie bereits oben beschrieben, daß auch die Polarität auf der Gleichstromseite
richtig wiederhergestellt wird. Während des Umschalten.s wird die Wechselspannung
für den Verbraucher l' durch die kinetische Energie des umlaufenden Umformers erzeugt.
Durch richtige Dimensionierung der Widerstände R1 bis R3, die für die Spannungsabsenkung
maßgebend sind, und durch Wahl entsprechender Umschaltzeiten der Relais U1 und U3
muß jeweils erreicht «-erden, daß die kurzzeitige Spannungsabsenkung keine Betriebsunterbrechung
beim Verbraucher h herbeiführt.
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In sehr seltenen Fällen kann es.vorkommen. daß das Wechselstromnetz
kurz nach dein Umschalten sofort wieder ausfällt, bevor noch die richtige Polarität
auf der Gleichstromseite des Umformers hergestellt ist. In diesem Falle ist das
Relais An abgefallen, so daß 1"3 angezogen ist und Wicklung I von U, abgeschaltet
wird. Dadurch wird am Kontakt it; die Zusammenschaltung mit dem Gleichstromnetz
verhindert. U, spricht erst an, wenn das Prüfrelais PG, abgefallen ist, d. h. wenn
beim Auslaufen des Umformers die Gleichspannung auf einen kleinen Wert, beispielsweise
auf 15 °/o, abgesunken ist, so daß der Umformer vom Gleichstromnetz aus selbsttätig
neu angelassen wird. Dann wird U, über die Wicklung 1I durch den Kontakt pg2" eingeschaltet,
so daß die Verbindung zum Gleichstromnetz hergestellt ist. Für diesen Betriebsfall
ist auch eine andere Lösung möglich, bei der, ähnlich wie in der weiter unten beschriebenen
Abb. 4. dargestellt, die Leitung zwischen Gleichstromnetz und Umformer so umgepolt
wird, daß eine Unterbrechung der Wechselspannung nicht notwendig ist, da bei jeder
Polarität des Umformers die Zusammenschaltung mit dem Gleichstromnetz erfolgen kann.
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In dem Fall, daß das Gleichstromnetz ausfällt, wird auch dann auf
das Wechselstromnetz zurückgeschaltet, wenn die Wechselspannung nicht in den vorgE@schriebenen
Toleranzen liegt. Da das Relais PG, dann abgefallen ist, spricht hl über
den Kontakt pg.' an, und die Empfindlichkeit von P11" wird erheblich heraufgesetzt,
inden der Vorwiderstand R,, durch pgi' kurzgeschlossen wird.
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Fällt das Drehstromnetz infolge eines Kurzschlusses aus, so kann.
durch die Rückspeisung des laufenden Umformers in das letz der 1llotorschutzschalter
JIS auslösen. Dieser schaltet sich selbsttätig über den Kontakt ti,lv wieder ein,
wenn die Wechselspannung 1"", wieder vorhanden ist.
In Abb. d. ist
ein Ausschnitt aus Abb. 3 dargestellt, bei dem jedoch die richtige Polarität auf
der Gleichstromseite des Umformers dadurch sichergestellt wird, daß ein Umschaltrelais
U5 bei nicht übereinstimmender Polarität über einen Gleichrichter anspricht und
mit seinen Kontakten u5' und u5" die Zuleitung zum Umformer .umpolt. In diesem Falle
spricht das Anlaßrelais Aia beim Lauf des Umformers sofort an und schaltet über
den Kontakt an' die Erregerwicklung E unabhängig von der sich einstellenden Polarität
ein. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen der Abb. 3.