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Unterbrechungsfreie Stromversorgung für Wechselstromnetze mit Wechselrichtern
Für viele Geräte der Nachrichtentechnik, die für Netzanschluß ausgelegt sind, besteht
die Notwendigkeit, auch bei Ausfall des Speisenetzes ununterbrochenen Betrieb aufrechtzuerhalten,
um ein Zusammenbrechen der Nachrichtenverbindung zu verhindern.
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Es entspricht dem heutigen Stand der Technik, hierfür Umformer zu
verwenden, die aus einer Batterie gespeist werden und Gleichspannung in die gewünschte
Wechselspannung umformen. Um bei Ausfall der Netzspannung die pausenlose Stromversorgung
sicherzustellen, sah die bisherige Technik keinen anderen Weg, als die Schwungenergie
der Umformer auszunutzen, um die Umschaltung von Netzspeisung auf Batteriespeisung
vorzunehmen. Das erfordert dauernd umlaufende Maschinen als Umformer, schwere Fundamente,
dauernde Verluste. In vielen Fällen sind auch die von-den Maschinen erzeugten Geräusche
störend. Gittergesteuerte Gleichrichter, die als Gleich- oder Wechselrichter arbeiten,
sind auch bereits bekanntgeworden. Besonders in unbemannten Verstärkerämtern sind
solche relativ empfindliche Anordnungen nicht brauchbar.
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Die vorliegende Erfindung geht einen anderen Weg, der gegenüber den
bisher bekanntgewordenen Vorschlägen erhebliche Vorteile aufweist. 'Statt der großen
umlaufenden Schwungmassen bei
Motorumformern wird gerade ein keines
GD2 angestrebt, und statt eines dauernd umlaufenden Aggregats wird ein Umformungsgerät
verwendet, das erst bei Netzausfall anläuft, also eine Einrichtung, die bei Normalbetrieb
nicht und erst im Störungsfalle in Funktion tritt. Hierzu dient ein Zerhacker oder
Wechselrichter, wobei das physikalische Prinzip, das dem Umformungsgerät zugrunde
liegt, für die vorliegenden Erfindungsgedanken unerheblich ist. Da für die gedachten
Anwendungen meist Leistungen verlangt werden, die von mechanischen Zerhackern mit
schwingender Zunge nicht mehr bewältigt werden können, ist die Verwendung eines
Flüssigkeitsstrahlwechselrichters besonders vorteilhaft.
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Es wurde vorgeschlagen, einen Flüssigkeitsstrahlwechselrichter zu
verwenden, der bei Netzausfall das Netz aus einer Gleichstromquelle speist. Dieser
Wechselrichter ist ständig an die Gleichstromquelle angeschlossen, und lediglich
sein Motor wird bei Netzausfall angelassen. Dadurch ergaben sich sehr kurze Anlaufzeiten.
Diese Anordnung hatte jedoch bei Netzwiederkehr den Nachteil, daß beim Stillsetzen
des Motors Wechselrichter und Netz gegeneinander arbeiteten und sehr hohe Magnetisierungsströme
auftraten.
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Die Erfindung geht dahin, Mittel anzugeben, um die Anlaufzeit des
bei Normalbetrieb vorhandenen Gerätes möglichst klein zu halten und ferner die zwischen.
Netzausfall und Auftreten der Ersatzspannung liegende Zeit durch besondere Mittel
zu überbrücken. Es wird vorgeschlagen, daß die Umschaltung von Netz- auf Notstrombetrieb
laststromseitig und die Anlassung des Wechselrichterantriebsorgans bei Netzausfall
nahezu gleichzeitig anläuft, und die Pause zwischen Netzausfall und Wechselrichterspeisung
durch einen an sich bekannten, auf Nennfrequenz abgestimmten Parallelresonanzkreis
mit vorzugsweise großem Kondensator überbrückt wird.
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Die Zeichnung beschreibt an einemAnwendungsbeispiel näher den Erfindungsgedanken.
Die bei Normalbetrieb vorhandene Netzspannung wird durch den Generator i dargestellt.
Die bei Notbetrieb wirksame Spannungsquelle ist die Batterie 2. Auf der Abgabeseite
sind Verbraucher 3 und 3o dargestellt. Der Verbraucher 3 ist ein Gleichstromverbraucher,
der über eine Siebkette und einen Transformator 5 an die unterbrechungsfreie Stromversorgung
angeschlossen ist. Der Verbraucher 30 ist ein Wechselstromverbraucher, der
über den Transformator 6 an die Stromversorgung angeschlossen ist. Die Verbraucher
unterliegen keinen einschränkenden Bedingungen und können Heizstromkreise, einzelne
Geräte, aber auch komplette Verstärker oder Sender sein. Die Siebkette q. ist für
den Gleichstromverbraucher ausgelegt und nicht weiter Gegenstand der Erfindung.
Ein Umschaltschütz 7, dessen Spule beispielsweise über den Gleichrichter 8 erregt
wird, wird von dem Spannungswächter 9 gesteuert. Der Spannungswächter 9 liegt an
der Netzspannung. Die dargestellte Steuerung des Umschaltschützes, das ebensogut
auch durch zwei getrennte Schütze ersetzt werden kann, gilt nur beispielsweise.
Hier sind schaltungsmäßig beliebige Variationen möglich, ohne daß der Erfindungsgegenstand
berührt wird.
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Der Zerhacker oder Wechselrichter io arbeitet mit dem Transformator
i i zusammen, der mit seiner Sekundärwicklung die Verbraucher speist. Bei Verwendung
eines Flüssigkeitsstrahlwechselrichters erfolgt dessen Antrieb durch den Motor 12,
dessen Drehzahl mit Hilfe des mit der Feldwicklung 13 in Reihe liegenden Widerstandes
14. verändert werden kann. Wird ein Zerhacker mit schwingender Zunge verwendet,
so tritt an die Stelle des Motors i2 die Erregerspule des Zerhackers. Ebensogut
kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mit Röhren arbeitender Wechselrichter
verwendet werden. An die Stelle des Motors 1a oder der Erregerspule tritt dann der
Zündmechanismus der Röhren.
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Bei Ausfall des Speisenetzes fällt der Netzwächter 9 ab, wobei durch
Schließen des Kontakts 15 das Antriebsorgan 12 des Wechselrichters in Gang gesetzt
wird. Außerdem wird durch Kontakt 16 der Spulenstrom des Umschaltschützes 7 unterbrochen,
das ohnehin durch den Netzausfall stromlos geworden ist. Das Schütz fällt ab, öffnet
die Kontakte 17 des Speisenetzes und schließt die Kontakte 18 der Batteriezuleitung.
Hierdurch erhält der Wechselrichter Spannung, und die Energielieferung kann beginnen.
Erfindungsgemäß wird der Anlauf des Wechselrichtermotors nicht von der Stellung
des Umschaltschützes abhängig gemacht, um zu vermeiden, daß die Umschaltzeit des
Schützes und die Anlaufzeit des Motors sich addieren. Der Spannungswächter 9 ist
meist eir Relais mit sehr kurzer Abfallzeit, während die Abfallzeit des Schützes
und die Anlaufzeit des Motors größer und in gleicher Größenordnung sind. Da erfindungsgemäß
beide Vorgänge - das Umschalten des Schützes 7 und das Anlaufen des Motors 12 -
gleichzeitig eingeleitet werden, entsteht die denkbar kürzeste Pause, während welcher
die Energielieferung aus Netz oder Batterie aussetzt.
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Es entsteht jedoch eine Pause, die man mit bekannten Mitteln - kleine
Eigenzeit des Schützes und kleine Anlaufzeit des Wechselrichterantriebes - tunlichst
klein macht. Zu diesen Mitteln kann auch gehören, das Feld des Motors vorzuerregen
oder einen Permanentmagnet zu verwenden, um zu vermeiden, daß beim Anlauf das Erregerfeld
erst aufgebaut werden muß.
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Die vorliegende Erfindung sieht nun weiter eine Überbrückung dieser
Pause vor, daß während der unvermeidlichen Umschaltpause der Energieinhalt eines
Schwingungskreises für die Versorgung der Verbraucher ausgenutzt wird. Dieser Schwingungskreis
besteht aus der Drosselspule i9 und dem Kondensator 2o und ist auf die Nennfrequenz
abgestimmt. Er soll im immer spannungsführenden Teil liegen. Wegen der Resonanzabstimmung
stellt der Kreis für den normalen Netzbetrieb keine zusätzliche
Belastung
dar. Es fließen nur die Verluste, die man mit bekannten Mitteln klein halten kann.
Nach Ausfall des Netzes schwingt der Parallelresonanzkreis mit Netzfrequenz weiter
und kann nach Maßgabe seines Energieinhaltes den Verbraucher weiter versorgen, wobei
die Spannung natürlich langsam abklingt. Versuche haben ergeben, daß ohne großen
Aufwand die an sich kleine Umschaltpause praktisch vollkommen überbrückt werden
kann.
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Bei vielen Wechselrichterschaltungen bedeutet der Schwingungskreis
nicht etwa einen zusätzlichen Aufwand, sondern ist ein Bestandteil der ohnehin notwendigen
Siebketten. Um den Energieinhalt möglichst groß zu machen, soll der Kondensator
möglichst groß gewählt werden. Die Induktiv ität ist dann entsprechend abzustimmen.
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Bei Wiederkehr des Speisenetzes zieht der Spannungswächter g an, das
Schütz 7 erhält Spannung, während Kontakt 15 den Motorstromkreis unterbricht. Wiederum
entsteht durch die Umschaltzeit des Schützes eine kurze, wenn auch kleine Pause,
während welcher der Batteriestrom unterbrochen und der Netzstrom noch nicht eingeschaltet
ist. Es wird angestrebt, dem Antriebstnotor ein möglichst kleines GD2 zu geben.
Die an sich kleine Schwungmasse des Motor: reicht jedoch aus, um zur Überbrückung
der Umschaltpause beim Rückschalten nutzbar gemacht werden zu können. Hierzu dient
noch der Kondensator 21, der bei Batteriebetrieb geladen wurde und beim Öffnen der
Schutzkontakte 18 noch geladen ist. Ein verhältnismäßig kleiner Kondensator 21 reicht
aus, um in Verbindung mit dem bei Netzwiederkehr auslaufenden Motor während der
Umschaltzeit des Schützes die Verbraucher weiter zu speisen. Sofern gleichstromseitig
eine Siebkette -erforderlich ist, kann dieser Kondensator Bestandteil dieser Siebkette
sein.
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per Kondensator 2o erfüllt aber noch eine weitere Aufgabe. Er dient
auch zur Verbesserung des Leistungsfaktors, was sowohl bei Netzbetrieb als auch
bei Notbetrieb vorteilhaft, ja notwendig ist. Dadurch, daß erfindungsgemäß der Kondensator
immer im spannungsführenden Teil des Netzes liegt, erfüllt er praktisch drei Aufgaben:
Erstens dient er in der Wechselrichtersiebkette zur Verbesserung der Kurvenform
der Spannung. Zweitens überbrückt er die Pause zwischen Netz-und Notbetrieb und
drittens dient er zur Verbesserung des Leistungsfaktors.
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Mit 22 ist ein Drehregler vorgesehen, der ebenfalls im immer spannungsführenden
Teil des Netzes liegt. Dieser Reglertyp ist deshalb hier mit besonderem Vorteil
anzuwenden, da er nicht den Leistungsfaktor verschlechtert, was im Zusammenhang
mit dem Wechselrichter bei Notbetrieb ungünstig wäre. Die Erfindung findet außer
bei Anordnungen der Nachrichtentechnik auch im Eisenbahnsignalwesen oder zur Stromlieferung
in Krankenhäusern u. a. Anwendung.