EP4388635A1 - Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie stromversorgungen und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie stromversorgungen und verfahren zu deren betrieb

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Publication number
EP4388635A1
EP4388635A1 EP22768676.3A EP22768676A EP4388635A1 EP 4388635 A1 EP4388635 A1 EP 4388635A1 EP 22768676 A EP22768676 A EP 22768676A EP 4388635 A1 EP4388635 A1 EP 4388635A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
uninterruptible power
power supplies
energy
supply
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22768676.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Senft
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4388635A1 publication Critical patent/EP4388635A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/061—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for DC powered loads

Definitions

  • the invention relates to an arrangement comprising at least two uninterruptible power supplies according to patent claim 1 and a method for operating them according to patent claim 8 .
  • Uninterruptible power supplies are often used to ensure that the electrical system can be operated independently of faults and failures in the system's power supply network. These are sometimes also referred to as "Uninterruptable Power Supply” or “UPS systems” .
  • the uninterruptible power supply is used to provide an auxiliary power supply for the electrical system in the event of a fault or failure of the normal power supply.
  • Uninterruptible power supplies are known, for example, from EP 3 422 531 A1, WO 2018/172397 A1, EP 3 618 219 B1, EP 2 787 405 B1 and EP 2 790 291 A1.
  • power supplies are installed today for their energy supply, which are fed from a three-phase power supply network, in particular a three-phase system, and supply a direct current output voltage (e.g. 24 volt direct current) to supply the system.
  • Modern electronic power supplies are usually designed as clocked power supplies or switch mode parts (sometimes referred to as switched-mode power supplies) are formed. Such clocked power supplies or. Switched-mode power supplies are known, for example, from EP 3 544 166 A1 and EP 3 451 476 A1.
  • the power supply network Such a power supply thus provide a (basic) voltage supply that is present at an input of the uninterruptible power supply.
  • the uninterruptible power supply usually includes an input for connection to the (basic) voltage supply, an output for connection to an electrical load and at least one energy store.
  • the uninterruptible power supply is designed in such a way that, when a normal voltage is present at the input, it electrically connects both the input and the output, in order to supply the electrical load with current from the voltage supply, and also electrically connects the input with the energy store, in order to to load or to keep loaded. If the voltage at the input fails or malfunctions (e.g. falling below a threshold value), it electrically connects the energy store to the output in buffer mode in order to supply the electrical load with electricity from the energy store. In the best-case scenario, the disruption or failure is remedied within the possible buffer mode and the power supply to the load can then be maintained without or almost without interruption.
  • a normal voltage is, for example, a voltage that lies within a defined permissible range.
  • one or more electrical components can also be connected into the electrical connection between the input and the output, e.g. B. a tension or current sensor .
  • the uninterruptible power supply typically includes a base unit and the energy store for this purpose.
  • the energy store usually includes one or more accumulator modules.
  • An accumulator is a rechargeable storage device for electrical energy, typically based on an electrochemical system, which converts electrical energy into chemical (storage) energy when charging and converts it back into electrical energy when discharging.
  • Accumulator types are usually designated according to the materials used in each case. Known accumulator types are, for example, lithium-ion accumulators, lead-acid accumulators, etc.
  • a synonym for the term accumulator or battery for short is also the term rechargeable battery or battery are used.
  • the basic unit of the uninterruptible power supply comprises the input for connection to the power supply and the output for connection to the electrical load as mentioned above. Furthermore, the basic unit usually includes a switching unit, a charging and/or discharging unit and a control unit (see, for example, EP 3 618 219 B1).
  • the charging and / or discharging unit is for the targeted charging and / or discharging the battery module or. of the accumulator modules used.
  • the control unit is used to control the charging and/or discharging unit. In the event of a fault or failure of the power supply from the power supply network, the switching unit connects the at least one accumulator module to the load.
  • the uninterruptible power supply transfers electrical energy from the power supply both to the connected load and to the energy storage device, i .e . H . the energy storage is charged. If there is a fault or failure in the power supply, the energy storage device is connected to the load and starts discharging towards the load in order to maintain the electrical power supply. When the power supply returns to its normal state, electrical energy is again supplied to the load and the energy storage device. D. H . With an uninterruptible power supply, the energy store is charged during normal operation of the power supply and discharged in the event of a fault.
  • EP 2 333 930 A2 discloses an uninterruptible power supply for servers with two mutually independent power supply units which are connected in parallel to the server on the output side and each have an associated backup power supply unit.
  • the backup power supply unit includes a rechargeable battery and a boost chopper and is powered directly by mains voltage from a utility grid.
  • the backup power supply unit is connected via a line to an electrical connection between an AC/DC converter and a DC/DC converter of the respectively assigned power supply unit, d. H .
  • the battery is then connected to the server via the boost chopper and the DC/DC converter closed .
  • FIG. 5 discloses an uninterruptible power supply with a number of uninterruptible power supply units which are connected to the servers in parallel with one another.
  • the rechargeable batteries of the uninterruptible power supply units are charged from a network via an AC/DC converter and a DC/DC step-down converter and are each connected to the Surver via a DC/DC boost converter.
  • US 2016/0190865 A1 discloses a UPS system with a UPS, a battery with a plurality of battery units connected in parallel, a controller and a battery charger.
  • the battery charger is not connected to the UPS on the input side, but directly to a grid, which means that the battery units can be charged with higher electrical power than if they are charged via the UPS.
  • a UPS system with a single UPS and a single associated battery with a plurality of battery units connected in parallel to one another is thus disclosed.
  • An arrangement according to the invention comprises at least two uninterruptible power supplies, each of which
  • Each of the uninterruptible power supplies is designed in such a way that, in the presence of a normal voltage at the input, it electrically connects both the input and the output to supply the electrical load with current from the voltage supply, and also electrically connects the input to the energy storage device in order to in a charging operation to load or to keep loaded. In the event of a failure or a fault in the voltage at the input, it connects the energy store electrically to the output in buffer mode in order to supply the electrical load with electricity from the energy store.
  • the outputs of the uninterruptible power supplies are connected in parallel to one another to a common electrical load.
  • the energy stores of the uninterruptible power supplies are electrically connected to one another in buffer mode in a direct parallel circuit.
  • the buffer time i. H . the duration of the buffer operation can be increased in accordance with the sum of the storage capacities of the energy storage devices.
  • the nominal current (or the electrical nominal power) that can be supplied to the load can be increased according to the sum of the nominal currents of the uninterruptible power supplies.
  • a redundancy in the supply of the load is provided by the uninterruptible power supplies, i. H . if one of the uninterruptible power supplies fails, supply is still ensured by at least one further uninterruptible power supply.
  • the energy stores are electrically connected to one another in a direct parallel circuit according to the invention in this operating case and are thus brought to the same voltage potential. This ensures that there is no one-sided overloading of one of the uninterruptible power supplies and that it is switched off.
  • a direct parallel connection is a parallel connection on a direct or understood the shortest electrical paths between connections or poles of the energy storage.
  • the energy stores are brought to the same or almost the same voltage potential and, as a rule, no loads are connected to this electrical connection between the energy stores.
  • an "indirect" parallel connection of the energy storage devices would be, for example, a parallel connection via the common load and possibly other interconnected lossy components (e.g. voltage regulators, decoupling diodes). In the latter case, however, it would not be ensured that the energy storage devices would are located at the same or almost the same voltage potential.
  • the at least two uninterruptible power supplies are preferably of identical design. However, they can also be designed differently.
  • an uninterruptible power supply in charging mode could see the charging voltage of another uninterruptible power supply as the terminal voltage of the energy storage due to the parallel connection of the energy storage and thus stop charging because the energy storage is incorrectly recognized as fully charged.
  • the energy stores are electrically separated from one another during charging.
  • the uninterruptible power supplies each have a signaling contact for controlling both the electrical connection and the electrical isolation of the energy stores.
  • the signaling contacts can then be connected to a relay which is switched into an electrical connection between the energy stores. Both the electrical connection and the electrical isolation of the energy stores can be effected in a simple manner via the relay.
  • the signaling contacts preferably energize the relay in such a way that it closes in buffer mode and thus electrically connects the energy stores of the uninterruptible power supplies to one another, and that it opens in charging mode and thus electrically separates the energy stores of the uninterruptible power supplies from one another.
  • the arrangement can also be designed in such a way that both the electrical connection and the electrical separation of the energy storage devices can be controlled by the voltage at the inputs of the uninterruptible power supplies.
  • a relay can then be connected to the inputs of the uninterruptible power supplies, for example, which relay is switched into an electrical connection between the energy stores. Both the electrical connection and the electrical isolation of the energy stores can then be effected in a simple manner via the relay.
  • the input then preferably energizes the relay in such a way that it closes in buffer operation and thus electrically connects the energy stores of the uninterruptible power supplies to one another, and that it opens in charging operation and thus electrically separates the energy stores of the uninterruptible power supplies from one another.
  • the energy stores are also electrically connected to one another during charging, with one of the uninterruptible power supplies controlling the charging of the energy stores by the respective other(s) uninterruptible power supply(s).
  • the uninterruptible power supplies could communicate with one another in such a way that they implement master-slave operation.
  • One of the uninterruptible power supplies could act as a master and specify an end-of-charge voltage and the other uninterruptible power supply or the other uninterruptible power supplies would then only act as a slave, supplying an additional charging current by remote control.
  • a method according to the invention relates to the operation of an arrangement comprising at least two uninterruptible power supplies, each of which has an input for connection to a voltage supply and an output for connection with an electrical load and at least one energy store.
  • Each of the uninterruptible power supplies electrically connects both the input to the output in the presence of a normal voltage at the input, in order to supply the electrical load with current from the voltage supply, and in a charging mode, the input to the energy store in order to supply the energy store with current from to charge the power supply or to keep loaded.
  • the energy storage device In the event of a failure or a fault in the voltage at the input, it electrically connects the energy storage device to the output in buffer operation in order to supply the electrical load with electricity from the energy storage device.
  • the outputs of the uninterruptible power supplies are connected in parallel to one another to a common electrical load.
  • the energy stores of the uninterruptible power supplies are electrically connected to one another in buffer mode in a direct parallel circuit.
  • the energy stores are electrically separated from one another during charging.
  • the uninterruptible power supplies control both the electrical connection and the electrical disconnection of the energy stores via a respective signaling contact.
  • the signaling contacts can control a relay which is switched into an electrical connection between the energy stores.
  • the relay can then be energized by the signaling contacts in such a way that it closes in the buffer mode and thus electrically connects the energy stores of the uninterruptible power supplies to one another, and that it is in the charging mode opens and thus electrically separates the energy stores of the uninterruptible power supplies from one another.
  • both the electrical connection and the electrical separation of the energy stores can be controlled by the voltage at the inputs of the uninterruptible power supplies.
  • the voltage then advantageously controls a relay which is switched into an electrical connection between the energy stores.
  • the relay is then advantageously energized via the input in such a way that it closes in buffer mode and thus electrically connects the energy stores of the uninterruptible power supplies to one another, and that it opens in charging mode and thus electrically separates the energy stores of the uninterruptible power supplies from one another .
  • the energy storage can also be electrically connected to one another during charging, with one of the uninterruptible power supplies controlling the charging of the energy storage through the respective other (n) uninterruptible power supply(s).
  • FIG. 3 shows the arrangement of FIG. 1, with the energy storage devices also being electrically connected to one another in a direct parallel circuit
  • FIG. 4 shows the arrangement of FIG. 3 with a control of both the electrical connection and the electrical separation of the energy stores by signaling contacts of the uninterruptible power supplies
  • FIG. 5 shows the arrangement of FIG. 3 with a control of both the electrical connection and the electrical separation of the energy stores by the voltages at the inputs of the uninterruptible power supplies, and
  • FIG. 6 shows the arrangement of FIG. 3 with a master-slave operation of the uninterruptible power supply when charging the energy store.
  • the load 20 is, for example, automation components (e.g. controllers, input/output modules, communication components, HMI devices, industrial PCs, sensors, actuators) of a plant in the process industry, the discrete manufacturing industry or building technology.
  • automation components e.g. controllers, input/output modules, communication components, HMI devices, industrial PCs, sensors, actuators
  • the energy or Power is supplied to the load 20 by an arrangement 10 comprising two uninterruptible power supplies 2, each of which has a basic unit 3 with an input 4 with connections 4a, 4b for connection to a voltage supply 5, an output 6 with connections 6a, 6b for connection to the electrical load 20 and at least one energy store 8 include.
  • the uninterruptible power supplies 2 are preferably of identical design. But they can also be designed differently, d. H . that constructive and also functional deviations occur and only the basic functionalities are the same.
  • the voltage supply 5 of the uninterruptible power supplies 2 can be provided directly by an energy supply network 11 .
  • the power supply 5 is zers 9 or by an electronic power supply in the form of a switching network. provided by a switched-mode power supply (sometimes referred to as a switched-mode power supply).
  • a switching power supply 9 is fed from the three-phase power supply network 11, which is designed in particular as a three-phase network, and provides a direct current output voltage U (e.g. 24 volts direct current at a nominal current of 40 A) at its output for supplying a load.
  • Switched-mode power supplies of this type are known, for example, from EP 3 544 166 A1 and EP 3 451 476 A1.
  • each of the uninterruptible power supplies 2 is therefore preceded by such a switched-mode power supply 9, with all switched-mode power supplies 9 being connected on the input side to the three-phase power supply network 11 and being fed from it.
  • the power supply network 11 or. a switching power supply 9 thus provides the voltage U which is present at the input 4 of the uninterruptible power supply 2 .
  • the uninterruptible power supply 2 is designed in such a way that it is operated in a "normal mode" when the voltage U at the input 4 is in a normal range (i.e. in a defined permissible range).
  • the input is 4 is electrically connected to the output 6 in order to supply the electrical load 20 with current from the voltage supply 5.
  • the input 4 is electrically connected to the energy store 8 in order to charge the energy store 8 with current from the voltage supply 5 or .to keep loaded .at a failure or a disturbance of the voltage U, d . H . if the voltage U is outside the defined permissible range, the uninterruptible power supply 2 electrically connects the energy store 8 to the output 6 in buffer operation in order to supply the electrical load 20 with power from the energy store 8 at least for a certain time.
  • the energy storage 8 usually includes one or more battery modules or not shown. batteries .
  • the basic unit 3 can include, for example, a switching unit 31, a charging and/or discharging unit 32 (here a combined charging/discharging unit) and a control unit 33 (see e.g. EP 3 618 219 B1). .
  • the switching unit 31 electrically connects the input 4 to the output 6 .
  • the load 20 connected to the output 6 is thus supplied with power or electrical energy from the switching power supply 9 supplied.
  • the switching unit 31 connects the input 4 to the energy store 8 via the charging/discharging unit 32 . As a result, the energy storage device 8 is charged or kept loaded.
  • the switching unit 31 separates the energy store 8 from the output 6 or from the load 20 connected to it.
  • the charging/discharging unit 32 is used for the targeted charging and discharging of the energy store 8, for example as a function of its temperature and other parameters, and includes a charging controller 32a and a discharging controller 32b.
  • the charge controller 32a is used to regulate the voltage U at the input 4 to a desired value at the terminals 8a, 8b of the energy store 8 (e.g. for targeted charging of the energy store as a function of a charging characteristic).
  • the discharge controller 32b is used for targeted discharging of the energy store 8 and for controlling the output voltage of the energy store 8 to a NEN desired value at the output 6 of the uninterruptible power supply 2.
  • only one loading unit or only one unloading unit can be present.
  • the switching unit 31 usually separates the output 6 from the input 4 or from the switching power supply 9 (but it is also possible that the output 6 and the input 4 remain electrically connected to each other). For this purpose, the switching unit 31 connects the energy store 8 to the output 6 or the load connected to it. The energy store 8 is discharged via the output 6 and, in a buffer operation, supplies a load connected to it with electrical power or electricity via the output 6 . electrical energy .
  • the supply of the load can thus be maintained for a certain time (the so-called "buffer time"), which depends on the amount of electrical energy stored in the energy store 8, even in the event of a fault or failure of the voltage U.
  • buffer time the so-called "buffer time”
  • the disruption or failure of the voltage U is remedied within the buffer time and the power supply to the load could thus be maintained without interruption.
  • the control unit 33 serves to control the charging/discharging unit 32 and the switching unit 31 .
  • the control unit 33 monitors the voltages and currents at the input 4 , at the output 6 and at the energy store 8 for permissible values via sensors (not shown) and provides for a safety sab circuit, for example, when impermissible values are reached.
  • the base unit 3 and the energy store 8 can be installed separately from one another.
  • the base unit 3 is located, for example, in a housing which z. B. is mounted in a control cabinet on a DIN rail.
  • the associated energy Storage tank 8 is placed on the bottom of the control cabinet or in another place because of the lower temperature level.
  • the energy store 8 can also include a monitoring unit 34 that monitors the operating parameters of the energy store 8 (e.g. battery temperature, battery voltage, etc.) and characteristic parameters (e.g. end-of-charge voltage, maximum charging current, temperature dependency of the end-of-charge voltage, end-of-discharge voltage, battery type, battery size, etc .) detects and saves.
  • a monitoring unit 34 that monitors the operating parameters of the energy store 8 (e.g. battery temperature, battery voltage, etc.) and characteristic parameters (e.g. end-of-charge voltage, maximum charging current, temperature dependency of the end-of-charge voltage, end-of-discharge voltage, battery type, battery size, etc .) detects and saves.
  • the uninterruptible power supplies 2 with their upstream switch-mode power supplies 9 are connected parallel to one another to the (common) electrical load 20 via their respective outputs 6 and a downstream diode unit 12 .
  • the rated current that can be fed to the load 20 can be increased according to the sum of the rated currents of the two switched-mode power supplies 9 (here, for example, from 40 A to 80 A).
  • the buffer time i.e. the duration of the buffer operation, can be increased in accordance with the sum of the storage capacities of the energy stores 8.
  • the buffer time can be doubled if the energy stores 8 are identical (i.e. energy stores 8 each with the same storage capacity).
  • redundancy is also provided in the supply of the load 20 by the uninterruptible power supplies 2, i.e. if one of the uninterruptible power supplies 2 fails, supply from the other uninterruptible power supply 2 is still ensured.
  • the energy stores 8 are electrically connected to one another in a direct parallel circuit by means of two bridge arms 15, 16 and thus brought to the same voltage potential in this operating case, as shown in FIG.
  • a bridge arm 15 connects the connections 8a of the energy stores 8 to a positive potential
  • a bridge arm 16 connects the connections 8b of the energy stores 8 to a negative potential.
  • an uninterruptible power supply 2 could then see the charging voltage of the other uninterruptible power supply 2 as the terminal voltage of the energy storage device 8 during charging due to the parallel connection of the energy storage device 8 and thus end the charging process because incorrect as the energy storage 8 are recognized as fully charged.
  • resp. are - as shown in FIG 4 - the energy storage 8 electrically isolated from each other during charging.
  • the uninterruptible power supplies 2 each have a signaling contact 17 for controlling both the electrical connection and the electrical disconnection of the energy stores 8 .
  • the signaling contacts 17 are connected to the control circuit of a relay 18 which is connected to the bridge branch 15 . Both the electrical connection and the electrical isolation of the energy stores 8 can then be effected in a simple manner via the relay 18 .
  • the control circuit of the relay 18 is connected on the one side via the signaling contacts 17 and in each case a line 19 to the connection 4a with positive potential and on the other side to the connection 4b with negative potential.
  • the base unit 3 In charging mode, the base unit 3 connects the signaling contact 17 to the line 19 and consequently to the connection 4a.
  • the signaling contact 17 then energizes the control circuit of the relay 18 in such a way that it opens and thus electrically separates the energy stores 8 from one another.
  • the base unit 3 In the buffer mode, the base unit 3 separates the signaling contact 17 from the line 19 and consequently from the connection 4a.
  • the control circuit of the relay is then no longer energized, so that it closes and thus electrically connects the energy stores 8 to one another.
  • both the electrical connection and the electrical isolation of the energy stores 8 can alternatively be controlled by the voltage U at the inputs 4 of the uninterruptible power supplies 2 .
  • each uninterruptible power supply 2 or their input 4 is a separate bridge branch 15a for this purpose or . 15b, each with a relay 18a or 18b present, which connects the terminals 8a of the energy store 8 to positive potential.
  • the terminals 4a, 4b of each of the uninterruptible power supplies 2 supply the control circuit with one of the relays 18a and 18a respectively. 18b with electric current.
  • the respective inputs 4 or the upstream switching power supplies 9 the control circuits of the respective relays 18a and 18a respectively. 18 in such a way that they open and thus electrically separate the energy stores 8 from one another.
  • the control circuits of the relays 18a and 18a respectively. 18 is not, or at least not sufficiently, energized in such a way that the relays 18a, 18b close and thus electrically connect the energy stores 8 to one another in a parallel circuit.
  • the energy stores 8 are also electrically connected to one another during charging, with one of the uninterruptible power supplies 2 controlling the charging of the energy stores 8 by the other uninterruptible power supply 2 .
  • the uninterruptible power supplies 2 are in communication with one another via a communication connection 40 in such a way that they implement master-slave operation.
  • One of the uninterruptible power supplies 2 then acts as a master and specifies an end-of-charge voltage for the energy store 8 and the other uninterruptible power supply 2 acts as a slave, which remotely supplies an additional charging current based on these specifications.
  • the master can then, for example, also use a temperature sensor for detection the temperature of the energy storage device 8 and for specifying a temperature-dependent end-of-charge voltage.
  • the arrangement 10 can also include more than two uninterruptible power supplies 2 connected in parallel to the load 20 .
  • One or each of the uninterruptible power supplies 2 can also include more than one energy store. The concepts shown in FIG. 3 to 6 for the interconnection of the energy store 8 can then also be used in a corresponding manner for such an arrangement.

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Stand-By Power Supply Arrangements (AREA)

Abstract

Eine erfindungsgemäße Anordnung (10) umfasst zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (2), die jeweils einen Eingang (4) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung (5), einen Ausgang (6) zur Verbindung mit einer elektrischen Last (20) und zumindest einen Energiespeicher (8) umfassen. Jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) ist derart ausgebildet, dass sie bei Vorhandensein einer normalen Spannung (U) am Eingang (4) sowohl den Eingang (4) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu versorgen, als auch den Eingang (4) mit dem Energiespeicher (8) elektrisch verbindet, um in einem Ladebetrieb den Energiespeicher (8) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu laden bzw. geladen zu halten. Bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung (U) am Eingang (4) verbindet sie in einem Pufferbetrieb elektrisch den Energiespeicher (8) mit dem Ausgang (6), um die elektrische Last (20) mit Strom aus dem Energiespeicher (8) zu versorgen. Die Ausgänge (6) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) sind dabei parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last (20) angeschlossen, wobei die Energiespeicher (8) im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Hierdurch kann die Zeit für den Pufferbetrieb und somit die Ausfallsicherheit der Last (20) erhöht werden.

Description

Beschreibung
Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betri f ft eine Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß Patentanspruch 8 .
In vielen technischen Bereichen wie zum Beispiel in der industriellen Automatisierungstechnik oder der Gebäudetechnik ist eine absolut zuverlässige Stromversorgung eine notwendige Voraussetzung für den reibungslosen Betrieb einer elektrischen Anlage .
Um einen Betrieb der elektrischen Anlage unabhängig von Störungen und Aus fällen im Energieversorgungsnetz der Anlage sicherzustellen, werden häufig unterbrechungs freie Stromversorgungen ( kurz : USV) eingesetzt . Diese werden manchmal auch als „Uninterruptable Power Supply" bzw . „UPS-Systeme" bezeichnet . Die unterbrechungs freie Stromversorgung dient dazu, bei einer Störung oder einem Aus fall der normalen Energieversorgung eine hil fsweise Energieversorgung für die elektrische Anlage bereitzustellen .
Unterbrechungs freie Stromversorgungen sind beispielsweise aus der EP 3 422 531 Al , der WO 2018 / 172397 Al , der EP 3 618 219 Bl , der EP 2 787 405 Bl und der EP 2 790 291 Al bekannt .
Bei vielen Anlagen der industriellen Automatisierungstechnik oder der Gebäudetechnik werden heute zu deren Energieversorgung Stromversorgungen installiert , welche aus einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz , insbesondere einem Drehstromnetz , gespeist werden, und eine Gleichstrom-Ausgangsspannung ( z . B . 24 Volt Gleichspannung) zur Versorgung der Anlage liefern . Moderne elektronische Stromversorgungen sind dabei üblicherweise als getaktete Stromversorgungen bzw . Schaltnetz- teile (manchmal auch als Schaltnetzgeräte bezeichnet ) ausgebildet . Derartige getaktete Stromversorgungen bzw . Schaltnetzteile sind beispielsweise aus der EP 3 544 166 Al und der EP 3 451 476 Al bekannt .
Das Energieversorgungsnetz bzw . eine derartige Stromversorgung stellen somit eine ( Grund- ) Spannungsversorgung bereit , die an einem Eingang der unterbrechungs freien Stromversorgung anliegt .
Die unterbrechungs freie Stromversorgung umfasst üblicherweise einen Eingang zur Verbindung mit der ( Grund- ) Spannungsversorgung, einen Ausgang zur Verbindung mit einer elektrischen Last und zumindest einen Energiespeicher .
Die unterbrechungs freie Stromversorgung ist dabei derart ausgebildet , dass sie bei Vorhandensein einer normalen Spannung am Eingang sowohl den Eingang mit dem Ausgang elektrisch verbindet , um die elektrische Last mit Strom aus der Spannungsversorgung zu versorgen, als auch den Eingang mit dem Energiespeicher elektrisch verbindet , um den Energiespeicher in einem Ladebetrieb mit Strom aus der Spannungsversorgung zu laden bzw . geladen zu halten . Bei einem Aus fall oder einer Störung ( z . B . einem Unterschreiten eines Schwellwertes ) der Spannung am Eingang verbindet sie in einem Puf ferbetrieb den Energiespeicher elektrisch mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus dem Energiespeicher zu versorgen . Im besten Fall ist die Störung oder der Aus fall innerhalb des möglichen Puf ferbetriebes wieder behoben und die Stromversorgung der Last konnte dann unterbrechungs frei oder nahezu unterbrechungs frei aufrechterhalten werden .
Eine normale Spannung ist hierbei beispielsweise eine Spannung, die in einem definierten zulässigen Bereich liegt .
In die elektrische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang können dabei auch ein oder mehrere elektrische Komponenten geschaltet sein, wie z . B . ein Spannungs- oder Stromsensor . In die elektrische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Energiespeicher können ebenfalls ein oder mehrere elektrische Komponenten geschaltet sind, wie z . B . ein Laderegler zum gezielten Laden des Energiespeichers mit der an dem Eingang anliegenden Spannung ( z . B . mit einer Ladekennlinie in Abhängigkeit von der Spannung und Temperatur des Energiespeichers ) . Auch in die elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher und dem Ausgang können ein oder mehrere elektrische Komponenten geschaltet sind, wie z . B . ein Entladeregler zum gezielten Entladen des Energiespeichers und zum Anpassen der Ausgangsspannung des Energiespeichers auf einen am Ausgang gewünschten Wert .
Wie beispielsweise in der EP 3 618 219 Bl of fenbart ist , umfasst die unterbrechungs freie Stromversorgung hierzu typischerweise eine Grundeinheit sowie den Energiespeicher .
Der Energiespeicher umfasst dabei üblicherweise ein oder mehrere Akkumulatormodule . Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie , typischerweise auf Basis eines elektrochemischen Systems , durch welches beim Aufladen elektrische Energie in chemische ( Speicher- ) Energie umgewandelt und beim Entladen wieder in elektrische Energie zurückgewandelt wird . Akkumulatortypen werden üblicherweise nach den j eweils verwendeten Materialien bezeichnet . Bekannte Akkumulatortypen sind beispielsweise Lithium- Ionen-Akkumu- latoren, Blei-Akkumulatoren, etc . Synonym kann für den Begri f f Akkumulator oder kurz Akku auch der Begri f f wiederaufladbare Batterie bzw . Batterie verwendet werden .
Die Grundeinheit der unterbrechungs freien Stromversorgung umfasst den Eingang zur Verbindung mit der Spannungsversorgung und den Ausgang zur Verbindung mit der elektrischen Last wie vorstehend erwähnt . Weiterhin umfasst die Grundeinheit üblicherweise eine Umschalteinheit , eine Lade- und/oder Entladeeinheit sowie eine Steuereinheit ( siehe beispielsweise EP 3 618 219 Bl ) . Die Lade- und/oder Entladeeinheit wird für das gezielte Laden und/oder Entladen des Akkumulatormoduls bzw . der Akkumulatormodule eingesetzt . Die Steuereinheit dient der Ansteuerung der Lade- und/oder Entladeeinheit . Die Umschalteinheit verbindet bei einer Störung oder bei Aus fall der Spannungsversorgung aus dem Energieversorgungsnetz das zumindest eine Akkumulatormodul mit der Last .
Ohne Störungen oder Aus fälle in der Spannungsversorgung ( d . h . im Energieversorgungsnetz oder der daran angeschlossenen Stromversorgung) wird von der unterbrechungs freien Stromversorgung elektrische Energie aus der Spannungsversorgung sowohl an die angeschlossene Last als auch an den Energiespeicher weitergeleitet , d . h . der Energiespeicher wird aufgeladen . Wenn eine Störung oder ein Aus fall in der Spannungsversorgung auftritt , wird der Energiespeicher mit der Last verbunden und beginnt sich zur Last hin zu entladen, um die elektrische Energieversorgung aufrecht zu erhalten . Wenn die Spannungsversorgung wieder in ihren Normal zustand zurückkehrt , werden wiederum die Last und der Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt . D . h . bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgung wird während des Normalbetriebs der Spannungsversorgung der Energiespeicher geladen und im Störfall entladen .
Die EP 2 333 930 A2 of fenbart in FIG 1 eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für Server mit zwei voneinander unabhängige Stromversorgungseinheiten, die ausgangsseitig parallel an die Server angeschlossen sind und j eweils eine zugeordneten Backup-Stromversorgungseinheit umfassen . Die Backup- Stromversorgungseinheit umfasst eine wiederaufladbare Batterie und einen Boost-Chopper und wird direkt mit Netzspannung aus einem Stromversorgungsnetz versorgt . Die Backup-Stromversorgungseinheit ist dabei über eine Leitung an eine elektrische Verbindung zwischen einem AC/DC-Converter und einem DC/DC-Converter der j eweils zugeordneten Stromversorgungseinheit angeschlossen, d . h . die Batterie ist dann über den Boost-Chopper und den DC/DC-Converter an die Server ange- schlossen . In FIG 5 ist eine unterbrechungs freie Stromversorgung mit mehreren unterbrechungs freien Stromversorgungseinheiten of fenbart , die parallel zueinander an die Server angeschlossen sind . Die wiederaufladbaren Batterien der unterbrechungs freien Stromversorgungseinheiten werden dabei über einen AC/DC Converter und einen DC/DC Step-Down Converter aus einem Netz geladen und sind über j eweils einen DC/DC Boost Converter an die Surver angeschlossen .
Die US 2016/ 0190865 Al of fenbart in FIG 2 ein UPS-System mit einer UPS , einer Batterie mit mehreren zueinander parallel geschalteten Batterieeinheiten, einem Controller und einem Batterieladegerät . Das Batterieladegerät ist eingangsseitig nicht an die UPS , sondern direkt an ein Netz angeschlossen, wodurch die Batterieeinheiten mit höherer elektrischer Leistung geladen werden können, als wenn sie über die UPS geladen werden . Es ist somit ein UPS-System mit einer einzigen UPS und einer einzigen zugehörigen Batterie mit mehreren zueinander parallel an eine Last angeschlossenen Batterieeinheiten of fenbart .
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, die Aus fallsicherheit der Last gegen Störungen und Aus fällen im Energieversorgungsnetz oder einer daran angeschlossenen Stromversorgung weiter zu erhöhen .
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß Patentanspruch 8 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind j eweils Gegenstand der Unteransprüche .
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst zumindest zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen, die j eweils
- einen Eingang zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung, - einen Ausgang zur Verbindung mit einer elektrischen Last und
- zumindest einen Energiespeicher umfassen .
Jede der unterbrechungs freien Stromversorgungen ist derart ausgebildet , dass sie bei Vorhandensein einer normalen Spannung am Eingang sowohl den Eingang mit dem Ausgang elektrisch verbindet , um die elektrische Last mit Strom aus der Spannungsversorgung zu versorgen, als auch den Eingang mit dem Energiespeicher elektrisch verbindet , um in einem Ladebetrieb den Energiespeicher mit Strom aus der Spannungsversorgung zu laden bzw . geladen zu halten . Bei einem Aus fall oder einer Störung der Spannung am Eingang verbindet sie in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher elektrisch mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus dem Energiespeicher zu versorgen .
Erfindungsgemäß sind die Ausgänge der unterbrechungs freien Stromversorgungen parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last angeschlossen . Die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen sind dabei im Puf ferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden .
Durch die parallele Versorgung der Last aus zumindest zwei unterbrechungs freien Stromversorgungen kann zum einen die Puf ferzeit , d . h . die Zeitdauer des Puf ferbetriebes , entsprechend der Summe der Speicherkapazitäten der Energiespeicher vergrößert werden . Weiterhin kann der Nennstrom (bzw . die elektrische Nennleistung) , der der Last zuführbar ist , entsprechend der Summe der Nennströme der unterbrechungs freien Stromversorgungen vergrößert werden . Zum anderen wird eine Redundanz in der Versorgung der Last durch die unterbrechungs freien Stromversorgungen bereitgestellt , d . h . bei Ausfall einer der unterbrechungs freien Stromversorgungen ist noch eine Versorgung durch zumindest eine weitere unterbrechungs freie Stromversorgung sichergestellt . Allerdings würde die Parallelschaltung der unterbrechungsfreien Stromversorgungen im Puf ferbetrieb zu dem Problem führen, dass sich unterschiedliche Ausgangsspannungen an den Energiespeichern und somit an den Ausgängen der unterbrechungs freien Stromversorgungen einstellen . Gründe hierfür können beispielsweise unterschiedliche Ladezustände der Energiespeicher und Verschiebungen der Ausgangsspannungen der Energiespeicher aufgrund unterschiedlicher Alterungsprozesse der Energiespeicher sein . Selbst wenn zu Beginn des Puf ferbetriebes die Ausgangsspannungen der Energiespeicher gleich sind, können sie während des Entladevorganges voneinander abweichen . Diese Ef fekte können dazu führen, dass die unterbrechungs freie Stromversorgung mit der höheren Ausgangsspannung einen deutlich größeren Teil der elektrischen Leistung für die Versorgung der Last übernehmen muss und deshalb wegen Überlastung abschaltet . Um unterschiedliche Ausgangsspannungen der Energiespeicher im Puf ferbetrieb zu vermeiden, werden erfindungsgemäß in diesem Betriebs fall die Energiespeicher elektrisch in einer direkten Parallelschaltung miteinander verbunden und somit auf gleiches Spannungspotenzial gebracht . Hierdurch wird sichergestellt , dass es zu keiner einseitigen Überlastung einer der unterbrechungs freien Stromversorgungen bis hin zu deren Abschalten kommt .
Unter einer direkten Parallelschaltung wird hierbei eine Parallelschaltung auf direktem bzw . kürzestem elektrischen Wege zwischen Anschlüssen oder Polen der Energiespeicher verstanden . Die Energiespeicher werden hierzu auf ein gleiches oder nahezu gleiches Spannungspotenzial gebracht und es sind in der Regel keine Verbraucher in diese elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet . Im Gegensatz hierzu wäre eine „indirekte" Parallelschaltung der Energiespeicher beispielsweise eine Parallelschaltung über die gemeinsame Last und ggf . weitere zwischengeschaltete verlustbehaftete Komponenten ( z . B . Spannungsregler, Entkopplungsdioden) . Es wäre in letzterem Fall dann aber nicht sichergestellt , dass sich die Energiespeicher auf einem gleichem oder nahezu gleichem Spannungspotenzial befinden . Die zumindest zwei unterbrechungs freien Stromversorgungen sind vorzugsweise identisch ausgebildet . Sie können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein .
Im Ergebnis kann durch die Erhöhung der Puf ferzeit und das Einbringen von Redundanz die Aus fallsicherheit für den Betrieb der Last gegen Störungen und Aus fällen des Energieversorgungsnetzes oder einer daran angeschlossenen Stromversorgung erhöht werden .
Allerdings könnte eine unterbrechungs freie Stromversorgung im Ladebetrieb aufgrund der Parallelschaltung der Energiespeicher die Ladespannung einer anderen unterbrechungs freien Stromversorgung als Klemmenspannung der Energiespeicher sehen und damit das Laden beenden, weil fälschlicherweise die Energiespeicher als vollgeladen erkannt werden . Um dies zu vermeiden, sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Energiespeicher im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt .
Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung weisen die unterbrechungs freien Stromversorgungen j eweils einen Meldekontakt zum Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher auf .
Die Meldekontakte können dann an ein Relais angeschlossen sein, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist . Uber das Relais kann in einfacher Art und Weise sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher erfolgen .
Vorzugsweise bestromen die Meldekontakte das Relais derart , dass es im Puf ferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet , und dass es im Ladebetrieb öf fnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt . Alternativ oder zusätzlich kann die Anordnung auch derart ausgebildet sein, dass sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher durch die Spannung an den Eingängen der unterbrechungs freien Stromversorgungen steuerbar ist .
An die Eingänge der unterbrechungs freien Stromversorgungen kann dann beispielsweise j eweils ein Relais angeschlossen sein, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist . Über das Relais kann dann in einfacher Art und Weise sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher erfolgen .
Vorzugsweise bestromt der Eingang das Relais dann derart , dass es im Puf ferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet , und dass es im Ladebetrieb öf fnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt .
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die Energiespeicher auch im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden, wobei eine der unterbrechungs freien Stromversorgungen das Laden der Energiespeicher durch die j eweils andere (n) unterbrechungs freie (n) Stromversorgung ( en) steuert . Beispielsweise könnten die unterbrechungs freien Stromversorgungen hierzu derart miteinander in Kommunikation stehen, dass sie einen Master-Slave-Betrieb realisieren . Eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen könnte als Master agieren und eine Ladeschlussspannung vorgeben und die andere unterbrechungsfreie Stromversorgung bzw . die anderen unterbrechungs freien Stromversorgungen würden dann nur als Slave agieren, der ferngesteuert einen zusätzlichen Ladestrom liefert .
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bezieht sich auf den Betrieb einer Anordnung umfassend zumindest zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen, die j eweils einen Eingang zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung, einen Ausgang zur Verbindung mit einer elektrischen Last und zumindest einen Energiespeicher umfassen .
Jede der unterbrechungs freien Stromversorgungen verbindet elektrisch bei Vorhandensein einer normalen Spannung am Eingang sowohl den Eingang mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus der Spannungsversorgung zu versorgen, als auch in einem Ladebetrieb den Eingang mit dem Energiespeicher, um den Energiespeicher mit Strom aus der Spannungsversorgung zu laden bzw . geladen zu halten . Bei einem Aus fall oder einer Störung der Spannung am Eingang verbindet sie elektrisch in einem Puf ferbetrieb den Energiespeicher mit dem Ausgang, um die elektrische Last mit Strom aus dem Energiespeicher zu versorgen .
Erfindungsgemäß werden die Ausgänge der unterbrechungs freien Stromversorgungen parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last angeschlossen . Die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen sind dabei im Puf ferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Energiespeicher im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung steuern die unterbrechungs freien Stromversorgungen über j eweils einen Meldekontakt sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher .
Die Meldekontakte können hierzu ein Relais steuern, das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist .
Das Relais kann dann von den Meldekontakten derart bestromt werden, dass es im Puf ferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet , und dass es im Ladebetrieb öf fnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt .
Alternativ oder zusätzlich kann sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher durch die Spannung an den Eingängen der unterbrechungs freien Stromversorgungen gesteuert werden .
Die Spannung steuert dann von Vorteil ein Relais , das in eine elektrische Verbindung zwischen den Energiespeichern geschaltet ist .
Das Relais wird dann von Vorteil über den Eingang derart be- stromt , dass es im Puf ferbetrieb schließt und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch miteinander verbindet , und dass es im Ladebetrieb öf fnet und somit die Energiespeicher der unterbrechungs freien Stromversorgungen elektrisch voneinander trennt .
Alternativ können die Energiespeicher auch im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden sein, wobei eine der unterbrechungs freien Stromversorgungen das Laden der Energiespeicher durch die j eweils andere (n) unterbrechungs f reie (n) Stromversorgung ( en) steuert .
Die für die erfindungsgemäße Anordnung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen genannten Wirkungen und Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen .
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Aus führungsbeispielen in den Figuren näher erläutert . Dabei sind einander entsprechende Teile mit j eweils gleichen Bezugs zeichen versehen . Es zeigen : FIG 1 eine Anordnung, umfassend zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen, die parallel zueinander an eine Last angeschlossen sind,
FIG 2 ein Beispiel für eine unterbrechungs freie Stromversorgung,
FIG 3 die Anordnung von FIG 1 , wobei zusätzlich die Energiespeicher in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind,
FIG 4 die Anordnung von FIG 3 mit einem Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher durch Meldekontakte der unterbrechungs freien Stromversorgungen,
FIG 5 die Anordnung von FIG 3 mit einem Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher durch die Spannungen an den Eingängen der unterbrechungs freien Stromversorgungen, und
FIG 6 die Anordnung von FIG 3 mit einem Master-Slave Betrieb der unterbrechungs freien Stromversorgungen beim Laden der Energiespeicher .
FIG 1 zeigt ein Energieversorgungssystem 1 für eine elektrische Last 20 . Bei der Last 20 handelt es sich beispielsweise um Automatisierungskomponenten ( z . B . Steuerungen, Ein-/Aus- gabemodule , Kommunikationskomponenten, HMI-Geräte , IndustriePCs , Sensoren, Aktoren) einer Anlage der Prozessindustrie , der diskreten Fertigungsindustrie oder der Gebäudetechnik .
Die Energie- bzw . Stromversorgung der Last 20 erfolgt durch eine Anordnung 10 umfassend zwei unterbrechungs freie Stromversorgungen 2 , die j eweils eine Grundeinheit 3 mit einem Eingang 4 mit Anschlüssen 4a, 4b zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung 5 , einen Ausgang 6 mit Anschlüssen 6a, 6b zur Verbindung mit der elektrischen Last 20 und zumindest einen Energiespeicher 8 umfassen . Die unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 sind vorzugsweise identisch ausgebildet . Sie können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein, d . h . dass konstruktive und auch funktionelle Abweichungen vorkommen und nur die Grundfunktionalitäten gleich sind .
Die Spannungsversorgung 5 der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 kann direkt durch ein Energieversorgungsnetz 11 bereitgestellt werden . Üblicherweise wird die Spannungsversorgung 5 aber durch eine elektronische Stromversorgung in Form eines Schaltnet zteiles 9 bzw . einer getakteten Stromversorgung (manchmal auch als Schaltnetzgerät bezeichnet ) be- reitgestellt . Ein derartiges Schaltnetzteil 9 wird aus dem dreiphasigen Energieversorgungsnetz 11 , das insbesondere als Drehstromnetz ausgebildet ist , gespeist und stellt an seinem Ausgang eine Gleichstrom-Ausgangsspannung U ( z . B . 24 Volt Gleichspannung bei einem Nennstrom von 40 A) zur Versorgung einer Last bereit . Derartige Schaltnetzteile sind beispielsweise aus der EP 3 544 166 Al und der EP 3 451 476 Al bekannt .
In dem Aus führungsbeispiel gemäß FIG 1 ist deshalb j eder der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 ein derartiges Schaltnetzteil 9 vorgeschaltet , wobei sämtliche Schaltnetzteile 9 eingangsseitig an das dreiphasige Energieversorgungsnetz 11 angeschlossen sind und daraus gespeist werden .
Das Energieversorgungsnetz 11 bzw . ein Schaltnetzteil 9 stellt somit die Spannung U bereit , die an dem Eingang 4 der unterbrechungs freien Stromversorgung 2 anliegt .
Die unterbrechungs freie Stromversorgung 2 ist dabei derart ausgebildet , dass sie in einem „Normalbetrieb" betrieben wird, wenn die Spannung U am Eingang 4 in einem normalen Bereich ( d . h . in einem definierten zulässigen Bereich) liegt . In diesem Normalbetrieb ist der Eingang 4 mit dem Ausgang 6 elektrisch verbunden, um die elektrische Last 20 mit Strom aus der Spannungsversorgung 5 zu versorgen . Außerdem ist der Eingang 4 mit dem Energiespeicher 8 elektrisch verbunden, um den Energiespeicher 8 in einem Ladebetrieb mit Strom aus der Spannungsversorgung 5 zu laden bzw . geladen zu halten . Bei einem Aus fall oder einer Störung der Spannung U, d . h . wenn die Spannung U außerhalb des definierten zulässigen Bereiches liegt , verbindet die unterbrechungs freie Stromversorgung 2 in einem Puf ferbetrieb den Energiespeicher 8 elektrisch mit dem Ausgang 6 , um die elektrische Last 20 zumindest für eine gewisse Zeit mit Strom aus dem Energiespeicher 8 zu versorgen .
Der Energiespeicher 8 umfasst dabei üblicherweise ein oder mehrere nicht näher dargestellte Akkumulatormodule bzw . Batterien .
Wie in FIG 2 gezeigt ist , kann die Grundeinheit 3 beispielsweise eine Umschalteinheit 31 , eine Lade- und/oder Entladeeinheit 32 (hier eine kombinierte Lade-/Entladeeinheit ) sowie eine Steuereinheit 33 umfassen ( siehe z . B . EP 3 618 219 Bl ) .
Im Normalbetrieb verbindet die Umschalteinheit 31 elektrisch den Eingang 4 mit dem Ausgang 6 . Die am Ausgang 6 angeschlossene Last 20 wird somit mit Strom bzw . elektrischer Energie aus dem Schaltnetzteil 9 versorgt .
Weiterhin verbindet die Umschalteinheit 31 den Eingang 4 über die Lade-/Entladeeinheit 32 mit dem Energiespeicher 8 . Hierdurch wird der Energiespeicher 8 in einem Ladebetrieb mit Strom aus dem Schaltnetzteil 9 geladen bzw . geladen gehalten . Die Umschalteinheit 31 trennt hierbei den Energiespeicher 8 von dem Ausgang 6 bzw . von der daran angeschlossenen Last 20 .
Die Lade-/Entladeeinheit 32 dient zum gezielten Laden und Entladen des Energiespeichers 8 , zum Beispiel in Abhängigkeit von dessen Temperatur und anderer Parameter und umfasst einen Laderegler 32a und einen Entladeregler 32b . Der Laderegler 32a dient zur Regelung der Spannung U am Eingang 4 auf einen gewünschten Wert an den Anschlüssen 8a, 8b des Energiespeichers 8 ( z . B . zum gezielten Laden des Energiespeichers in Abhängigkeit von einer Ladekennlinie ) . Der Entladeregler 32b dient zum gezielten Entladen des Energiespeichers 8 und zur Regelung der Ausgangsspannung des Energiespeichers 8 auf ei- nen gewünschten Wert am Ausgang 6 der unterbrechungs freien Stromversorgung 2 . Optional kann auch nur eine Ladeeinheit oder nur eine Entladeeinheit vorhanden sein .
Wenn eine Störung oder ein Aus fall der Spannung U auftritt , d . h . wenn die Spannung U außerhalb des definierten zulässigen Bereiches liegt , trennt die Umschalteinheit 31 üblicherweise den Ausgang 6 von dem Eingang 4 bzw . von dem Schaltnetzteil 9 ( es ist aber auch möglich, dass der Ausgang 6 und der Eingang 4 weiterhin elektrisch miteinander verbunden bleiben) . Die Umschalteinheit 31 verbindet dafür den Energiespeicher 8 mit dem Ausgang 6 bzw . der daran angeschlossenen Last . Der Energiespeicher 8 entlädt sich über den Ausgang 6 und versorgt in einem Puf ferbetrieb über den Ausgang 6 eine daran angeschlossene Last mit elektrischem Strom bzw . elektrischer Energie . Die Versorgung der Last kann somit auch bei einer Störung oder einem Aus fall der Spannung U für eine bestimmte Zeit (die sogenannte „Puf ferzeit" ) , die von der in dem Energiespeicher 8 gespeicherten Menge an elektrischer Energie abhängt , weiter aufrechterhalten werden . Im besten Fall ist die Störung oder der Aus fall der Spannung U innerhalb der Puf ferzeit wieder behoben und die Stromversorgung der Last konnte somit unterbrechungs frei aufrechterhalten werden .
Die Steuereinheit 33 dient der Ansteuerung der Lade-/Ent- ladeeinheit 32 sowie der Umschalteinheit 31 . Die Steuereinheit 33 überwacht hierzu über nicht näher dargestellte Sensoren die Spannungen und Ströme am Eingang 4 , am Ausgang 6 sowie am Energiespeicher 8 auf zulässige Werte und sorgt beispielsweise bei Erreichen unzulässiger Werte für eine Sicherheit sab Schaltung .
Bei einer industriellen Anwendung können die Grundeinheit 3 und der Energiespeicher 8 räumlich getrennt voneinander installiert sein . Die Grundeinheit 3 befindet sich beispielsweise in einem Gehäuse , welches z . B . in einem Schaltschrank auf einer Hutschiene montiert ist . Der zugehörige Energie- Speicher 8 ist wegen des niedrigeren Temperaturniveaus am Boden des Schaltschranks oder einer anderen Stelle angebracht.
Der Energiespeicher 8 kann auch eine Überwachungseinheit 34 umfassen, die die Betriebsparameter des Energiespeichers 8 (z.B. Akku-Temperatur, Akku-Spannung, etc.) sowie charakteristische Parameter (z.B. Ladeschlussspannung, maximaler Ladestrom, Temperatorabhängigkeit der Ladeschlussspannung, Entladeschlussspannung, Akkumulatortyp, Akkumulatorgröße, etc.) feststellt und speichert.
Wie in FIG 1 gezeigt ist, sind die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 mit ihren jeweils vorgeschalteten Schaltnetzteilen 9 über ihre jeweiligen Ausgänge 6 und jeweils eine nachgeschaltete Diodeneinheit 12 parallel zueinander an die (gemeinsame) elektrische Last 20 angeschlossen. Durch die parallele Versorgung der Last 20 aus den zwei unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 kann zum einen der Nennstrom, der der Last 20 zuführbar ist, entsprechend der Summe der Nennströme der beiden Schaltnetzteile 9 vergrößert werden (hier beispielsweise von 40 A auf 80 A) . Insbesondere kann aber die Pufferzeit, d.h. die Zeitdauer des Pufferbetriebes, entsprechend der Summe der Speicherkapazitäten der Energiespeicher 8 vergrößert werden. Beispielsweise kann die Pufferzeit im Fall, dass es sich um identische Energiespeicher 8 (d.h. Energiespeicher 8 mit jeweils gleicher Speicherkapazität) handelt, auf das Doppelte vergrößert werden.
Zum anderen wird auch eine Redundanz in der Versorgung der Last 20 durch die unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 bereitgestellt, d.h. bei Ausfall einer der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 ist noch eine Versorgung durch die andere unterbrechungsfreie Stromversorgung 2 sichergestellt.
Allerdings würde die Parallelschaltung der unterbrechungsfreien Stromversorgungen 2 im Pufferbetrieb zu dem Problem führen, dass sich unterschiedliche Ausgangsspannungen an den Energiespeichern 8 und somit an den Ausgängen 6 der unterbre- chungs freien Stromversorgungen 2 einstellen . Gründe hierfür können beispielsweise unterschiedliche Ladezustände der Energiespeicher 8 und Verschiebungen der Ausgangsspannungen der Energiespeicher 8 aufgrund unterschiedlicher Alterungsprozesse der Energiespeicher 8 sein . Selbst wenn zu Beginn des Pufferbetriebes die Ausgangsspannungen der Energiespeicher 8 gleich sind, können sie während des Entladevorganges voneinander abweichen . Diese Ef fekte können dazu führen, dass die unterbrechungs freie Stromversorgung 2 mit der höheren Ausgangsspannung einen deutlich größeren Teil der elektrischen Leistung für die Versorgung der Last 20 übernehmen muss und dann wegen Überlastung abschaltet . Um unterschiedliche Ausgangsspannungen der Energiespeicher 8 im Puf ferbetrieb zu vermeiden, werden erfindungsgemäß in diesem Betriebs fall - wie in FIG 3 dargestellt - die Energiespeicher 8 mittels zweier Brückenzweige 15 , 16 elektrisch in einer direkten Parallelschaltung miteinander verbunden und somit auf gleiches Spannungspotenzial gebracht . Dabei verbindet ein Brückenzweig 15 die Anschlüsse 8a der Energiespeicher 8 mit positivem Potenzial und ein Brückenzweig 16 die Anschlüsse 8b der Energiespeicher 8 mit negativem Potenzial . Hierdurch wird sichergestellt , dass es zu keiner einseitigen Überlastung einer der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 bis hin zu deren Abschalten kommt . Im Grunde entsteht durch diese Maßnahme aus zwei getrennten Energiespeichern 8 ein einziger, doppelt so großer Energiespeicher .
Durch die Parallelschaltung der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 und der zugehörigen Energiespeicher 8 kann somit die Aus fallsicherheit gegen Störungen und Aus fällen im Energieversorgungsnetz 11 bzw . den Schaltnetzteilen 9 weiter erhöht werden .
Allerdings könnte eine unterbrechungs freie Stromversorgung 2 dann im Ladebetrieb aufgrund der Parallelschaltung der Energiespeicher 8 die Ladespannung der anderen unterbrechungsfreien Stromversorgung 2 als Klemmenspannung der Energiespeicher 8 sehen und damit das Laden beenden, weil f älschlicher- weise die Energiespeicher 8 als vollgeladen erkannt werden . Um dies zu vermeiden, sind bzw . werden - wie in FIG 4 dargestellt - die Energiespeicher 8 im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt .
Hierzu weisen die unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 j eweils einen Meldekontakt 17 zum Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher 8 auf .
Die Meldekontakte 17 sind an den Steuerstromkreis eines Relais 18 angeschlossen, das in den Brückenzweig 15 geschaltet ist . Uber das Relais 18 kann dann in einfacher Art und Weise sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher 8 erfolgen .
Der Steuerstromkreis des Relais 18 ist auf der einen Seite über die Meldekontakte 17 und j eweils eine Leitung 19 mit dem Anschluss 4a mit positivem Potenzial und auf der anderen Seite mit dem Anschluss 4b mit negativem Potenzial verbunden .
Im Ladebetrieb verbindet die Grundeinheit 3 den Meldekontakt 17 mit der Leitung 19 und folglich dem Anschluss 4a . Der Meldekontakt 17 bestromt dann den Steuerstromkreis des Relais 18 derart , dass es öf fnet und somit die Energiespeicher 8 elektrisch voneinander trennt . Im Puf ferbetrieb trennt die Grundeinheit 3 den Meldekontakt 17 von der Leitung 19 und folglich von dem Anschluss 4a . Der Steuerstromkreis des Relais wird dann nicht mehr bestromt , so dass es schließt und somit die Energiespeicher 8 elektrisch miteinander verbindet .
Wie in FIG 5 dargestellt , kann alternativ sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher 8 durch die Spannung U an den Eingängen 4 der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 gesteuert werden .
Für j ede unterbrechungs freie Stromversorgung 2 bzw . deren Eingang 4 ist hierzu j eweils ein eigener Brückenzweig 15a bzw . 15b mit j eweils einem Relais 18a bzw . 18b vorhanden, der die Anschlüsse 8a der Energiespeicher 8 mit positivem Potenzial verbindet .
Die Anschlüsse 4a, 4b j eder der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 versorgen dabei den Steuerstromkreis j eweils eines der Relais 18a bzw . 18b mit elektrischem Strom .
Wenn die Spannungen U in einem normalen Bereich liegen und sich die unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 im Ladebetrieb befinden, bestromen die j eweilige Eingänge 4 bzw . die vorgeschalteten Schaltnetzteile 9 die Steuerstromkreise der j eweiligen Relais 18a bzw . 18 derart , dass diese öf fnen und somit die Energiespeicher 8 elektrisch voneinander trennen .
Wenn die Spannungen U bei einer Störung oder einem Aus fall außerhalb des normalen Bereiches liegen und sich die unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 im Puf ferbetrieb befinden, werden die Steuerstromkreise der Relais 18a bzw . 18 nicht oder zumindest nicht derart ausreichend bestromt , dass die Relais 18a, 18b schließen und somit die Energiespeicher 8 elektrisch in einer Parallelschaltung miteinander verbinden .
Gemäß einer in FIG 6 gezeigten alternativen Ausgestaltung sind die Energiespeicher 8 auch im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden, wobei eine der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 das Laden der Energiespeicher 8 durch die andere unterbrechungs freie Stromversorgung 2 steuert . Die unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 stehen hierzu über eine Kommunikationsverbindung 40 derart miteinander in Kommunikation, dass sie einen Master-Slave-Betrieb realisieren . Eine der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 agiert dann als Master und gibt eine Ladeschlussspannung für die Energiespeicher 8 vor und die andere unterbrechungs freie Stromversorgung 2 agiert als Slave , der ferngesteuert auf Basis dieser Vorgaben einen zusätzlichen Ladestrom liefert . Der Master kann dann beispielsweise auch einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Energiespeicher 8 und zur Vorgabe einer temperaturabhängigen Ladeschlussspannung umfassen .
In den Aus führungsbeispielen wurde nur eine Anordnung 10 ge- zeigt , die zwei parallel an die Last 20 angeschlossene unterbrechungs freie Stromversorgungen 2 umfasst . Die Anordnung 10 kann aber auch mehr als zwei parallel an die Last 20 angeschlossene unterbrechungs freie Stromversorgungen 2 umfassen . Eine oder j ede der unterbrechungs freien Stromversorgungen 2 kann auch mehr als einen Energiespeicher umfassen . Die in FIG 3 bis 6 gezeigten Konzepte für die Verschaltung der Energiespeicher 8 sind dann in entsprechender Weise auch für eine derartige Anordnung anwendbar .

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (10) umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (2) , die jeweils
- einen Eingang (4) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung ( 5 ) ,
- einen Ausgang (6) zur Verbindung mit einer elektrischen Last (20) und
- zumindest einen Energiespeicher (8) umfassen, wobei jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) derart ausgebildet ist, dass sie
- bei Vorhandensein einer normalen Spannung (U) am Eingang
(4) sowohl den Eingang (4) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu versorgen, als auch den Eingang (4) mit dem Energiespeicher (8) elektrisch verbindet, um in einem Ladebetrieb den Energiespeicher (8) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu laden bzw. geladen zu halten, und
- bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung (U) am Eingang (4) in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher (8) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus dem Energiespeicher (8) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (6) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last (20) angeschlossen sind, wobei die Energiespeicher (8) im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt sind.
3. Anordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) jeweils einen Meldekontakt (17) zum Steuern sowohl der elektrischen Verbindung als auch der elektrischen Trennung der Energiespeicher (8) aufweisen.
4. Anordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldekontakte (17) an ein Relais (18) angeschlossen sind, das in eine elektrische Verbindung (15) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
5. Anordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher (8) durch die Spannung (U) an den Eingängen (4) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) steuerbar ist.
6. Anordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Eingänge (4) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) jeweils ein Relais (18a bzw. 18b) angeschlossen ist, das in eine elektrische Verbindung (15a bzw. 15b) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
7. Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden sind, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) das Laden der Energiespeicher (8) durch die jeweils andere (n) unterbrechungsf reie (n) Stromversorgung (en) (2) steuert.
8. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung (2) umfassend zumindest zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (2) , die j eweils
- einen Eingang (4) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung ( 5 ) ,
- einen Ausgang (6) zur Verbindung mit einer elektrischen Last (20) und
- zumindest einen Energiespeicher (8) umfassen, wobei jede der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2)
- bei Vorhandensein einer normalen Spannung (U) am Eingang
(4) sowohl den Eingang (4) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu versorgen, als auch den Eingang (4) mit dem Energiespeicher (8) elektrisch verbindet, um den Energiespeicher (8) in einem Ladebetrieb mit Strom aus der Spannungsversorgung (5) zu laden bzw. geladen zu halten, und
- bei einem Ausfall oder einer Störung der Spannung (U) am Eingang (4) in einem Pufferbetrieb den Energiespeicher (8) mit dem Ausgang (6) elektrisch verbindet, um die elektrische Last (20) mit Strom aus dem Energiespeicher (8) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (6) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) parallel zueinander an eine gemeinsame elektrische Last (20) angeschlossen sind, wobei die Energiespeicher (8) im Pufferbetrieb in einer direkten Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch voneinander getrennt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) über jeweils einen Meldekontakt (17) sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher (8) steuern .
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldekontakte (17) ein Relais (18) steuern, das in eine elektrische Verbindung (15) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die elektrische Verbindung als auch die elektrische Trennung der Energiespeicher (8) durch die Spannung (U) an den Eingängen (4) der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) gesteuert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) ein Relais (18a, 18b) steuert, das in eine elektrische Verbindung (15a, 15b) zwischen den Energiespeichern (8) geschaltet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (8) im Ladebetrieb elektrisch miteinander verbunden sind, wobei eine der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (2) das Laden der Energiespeicher (8) durch die je- weils andere (n) unterbrechungsf reie (n) Stromversorgung ( en) steuert .
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