专利摘要:

公开号:WO1987002838A1
申请号:PCT/CH1986/000148
申请日:1986-10-27
公开日:1987-05-07
发明作者:Reinhard Joho
申请人:Reinhard Joho;
IPC主号:H02J9-00
专利说明:
[0001] Einrichtung zur Bereitstellung einer unterbruchsfreien Stromversorgung
[0002] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bereitstellung einer unterbruchsfreien Stromversorgung, welche zwischen das Netz und die Verbraucher geschaltet wird. Unter Netzen werden im folgenden nur Wechselspannungsnetze verstanden. In zunehmendem Masse werden Geräte und Anlagen am Netz betrieben, von denen ein fehlerfreies und zuverlässiges Funktionieren im Dauerbetrieb gefordert wird, z.B. elektronische Ueberwachungsanlagen, Computer etc. Eine dazu nötige Voraussetzung ist die ungestörte und unterbruchsfreie Stromversorgung aus dem Netz. Einrichtungen, welche eine absolut unterbruchsfreie Stromversorgung gewährleisten sind bekannt und weisen praktisch immer einen dauernd zwischen Netz und Verbraucher eingeschalteten akkuimilatorgestützten Gleichspannungszwischenkreis auf. Nachteil dieser Einrichtungen ist ihr permanent anliegender schlechter Gesamtwirkungsgrad und der getaktete Ausgangskreis mit Transformator und/oder Filterkreis, der keine breitbandig niederimpedante und damit spannungsmässig starre Anspeisung der Verbraucher gewährleistet.
[0003] Aus den PCT/CH 86/00005 und PCT/CH 86/00114 sind Einrichtungen bekannt, welche parallel zum Netz geschaltet werden, dieses im Sinne einer transienten Stabilisierung über gesteuerte Halbleiter aus aufgeladenen Kondensatorbatterien niederimpedant stützen und bei ungestörtem Netz dieses leistungsmässig praktisch nicht belasten. Bei Totalausfall von grossen Netzen oder bei Kurzschlüssen auf der eigenen Netzzuleitung können solche Einrichtungen aber die mitangeschlossenen Verbraucher nicht speisen, da ihre Stromzeit-Charakteristik unterhalb der Abschmelzcharakteristik der vorgelagerten Netzsicherung bleiben muss. Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber diesem Stand eine Einrichtung zu schaffen, die folgende Vorteile vereint;
[0004] - Absolut unterbruchsfreie Stromversorgung der angeschlossenen Verbraucher - Sehr guter Gtesamtwirkungsgrad im ungestörten Netzbetrieb
[0005] - Kleine Quellenimpedanz für angeschlossene Verbraucher in jedem Betriebsfall
[0006] - Schutz der angeschlossenen Verbraucher vor transienten Netzstörungen in jedem Betriebsfall Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichnete Einrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0007] Die Erfindung besteht darin, dass das Netz von der Parallelschaltung der Verbraucher mit der bekannten niederimpedanten Stabilisierungseinrichtung über einen superflinken elektronischen Ueberstromschutz getrennt werden kann. Wenn die Netzspannung bei Netzstörungen das Durchlassband der Stabilisierungseinrichtung durchbricht, treten Ausgleichsströme auf, welche die Spannung an der niederimpedanten Stäbilisierungseinrichtung praktisch nicht beeinflussen und welche den Ueberstromschutz zum Ansprechen bringen. Nach Ablauf einer vorgebbaren Minimalzeit von autonomem Betrieb der Stabilisierungseinrichtung mit den Verbrauchern wird automatisch wieder auf das Netz synchronisiert, sobald die Netzbedingungen dies gestatten. Die im Netzbetrieb wählbare Ansprech- Bandweite der Stabilisierungseinrichtung wird für die Dauer der Autonomiezeit automatisch auf einen kleinen Restbetrag zurückgenommen. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 enthält eine Schaltungsanordnung für die erfindungsgemässe Einrichtung. Fig. 2 verdeutlicht die prinzipielle Wirkungsweise der Einrichtung.
[0008] Die Einrichtung besteht aus einer Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 und ist unterteilt in den Stabilisierungsteil 1 und den Verbindungsteil 2 zum Netz G. Die zu schützenden Verbraucher liegen am Anschluss L. Der Stabilisierungsteil 1 besteht aus den aus CH 01097/85, PCT/CH
[0009] 86/00005 und PCT/CH 86/00114 bekannten Elementen und ist im folgenden nur summarisch dargelegt. Ein über ein Synchronisierglied 3 zum Netz synchronisiertes Idealspannungsabbild, das im Generator 4 erzeugt wird und mit dem spannungsgesteuerten Verstärker 5 dem Grundschwingungsanteil der Netzspannung mithilfe des Gleichrichter/ Komparators 6 und dem Tiefpassglied 7 nachgerührt wird, wird im Differenzverstärker 8 mit der Netzspannung verglichen. Diese wird im Gleichspannungsstellglied 9 mit positiver bzw. negativer Vorspannung beaufschlagt, entsprechend der Ansprech- Bandweite, innerhalb derer die vom Differenzverstärker 8 angesteuerten n-Kanal-Querfeldtransistoren 10 bzw. 11 noch nicht ansprechen. Die Speisung dieser Transistoren erfolgt über den Kurzzeitenergiespeicher in Form der Kondensatoren 12, 13 und den unterbruchslos zuschaltbaren Langzeitenergiespeicher in Form der Kondensatoren 14, 15. Alle Kondensatoren werden über Dioden 16 und den Transformator 17 aus dem Netz gespiesen.
[0010] Mit dem Verbindungsteil 2 wird im wesentlichen der Netzanschluss G über das superflinke Unterbrechungsglied 18 mit dem Stabilisierungsteil 1 und dem Verbraucheranschluss L verbunden. Bei Auftreten von Netzspannungsstörungen, welche die Ansprechschwellen des Durchlassbandes des Stabilisierungsteils 1 überschreiten, fliessen Ausgleichsströme zwischen Netz und Stabilisierungsteil 1. Diese werden praktisch ausschliesslich durch Spannungsabweichung und Netzimpedanz bestimmt und können ein Mehrfaches des normalen Verbraucherstromes betragen. Dank dem niederimpedanten und damit spannungsmässig starren Verhalten des Stabilisierungsteils 1 wird die Verbraucherspannung vom Ausgleichsstrom nur sehr schwach beeinflusst. Mit einem Shunt 19 im Stabilisierungsteil 1 wird dieser Ausgleichsstrom erfasst, im Verbindungsteil 2 mit einem Maximalstromwächter 20 als Momentanwert detektiert, dieser wiederum stösst den Eingang der monostabilen Kippschaltung 21 an. Deren Kippsignal gelangt auf das ODER- Gatter 22, welches über einen Optokoppler 23 das superflinke Unterbrechungsglied 18 anstösst. Der Kern des Unterbrechungsglieds besteht vorzugsweise aus zwei in Serie-Opposition geschalteten n-Kanal- Querfeldtransistoren 18a, 18b mit parallelgeschalteten Gitteranschlüssen. Die Ansprechschwelle des Maximalstromwächters 20 wird so gewählt, dass einerseits die dem Netzanschluss G vorgelagerte konventionelle Netzsicherung noch nicht anspricht, andrerseits der zulässige transiente Strom über die Transistoren 10, 11 möglichst ausgeschöpft wird, vorzugsweise liegt sie zwischen halbem bis 20-fachem Nennstromwert der Netzsicherung.
[0011] Die minimale Autonomiezeit von Stabilisierungsteil 1 und Verbraucher wird durch die Kippzeitkonstante der monostabilen Kippschaltung 21 bestimmt. Die Speisung der Verbraucher wird Währenddessen vom Stabilisierungsteil 1 absolut unterbruchslos aufrechterhalten. Ein Grenzwertüberwachungsglied 24 für die Netzspannung steuert über ein Verzögerungsglied 25 das ODER- Gatter 22 mit an. Nur wenn beim Zurückkippen der Kippschaltung 21 auch die Freigabe des Grenzwertüberwachungsgliedes 24 vorliegt, wird das Unterbrechungsglied 18 wieder geschlossen. Bei langsam verlaufenden Netzspannungsabweichungen, d.h. solchen mit Zeitkonstanten grösser als die des Tiefpassgliedes 7, erfolgt die Trennung vom Netz über den Grenzwertwächter 24 allein.
[0012] Die Zeitverzögerung Δton des Verzögerungsgliedes 25, die zum Oeffnen des Unterbrechungsgliedes 18 führt muss kleiner als die Kippzeitkonstante der Kippschaltung 21 sein, damit kein versehentliches Rückschalten auf ein gestörtes Netz erfolgen kann. Vorzugsweise betragen die Zeitverzögerung Δton eine bis vier Netzspannungsperioden und die Kippzeitkonstante der Kippschaltung 21 zwei bis zehn Netzspannungsperioden. Die Zeitverzögerung Δtoff, die zum Schliessen des Unterbrechungsgliedes 18 führt, dient zur Deckung des Zeitbedarfs der Wiedersynchronisierung des Stabilisierungsteils 1 mit dem Netz und zwar amplituden- und phasenwinkelmässig. Sie beträgt zwischen einer und 100 Netzspannungsperioden und wird vorzugsweise automatisch so geregelt, dass sie mit zunehmender Unterbrechungszeit des Netzes anwächst. Im autonomen Betrieb des Stabilisierungsteils 1, d.h. beim Kippen der Kippschaltung 21 oder beim Ansprechen der Grenzwertglieder 24, 26 werden über die ODER-Gatter 27, 28 und die Betätigungsglieder 29 bzw. 30 die Schalter 31 bzw. 32 betätigt. Mit dem Schalter 31 wird das amplitudenregulierende Tiefpassglied 7 von automatischer Nachführung der Spannung an die aktuelle Netzspannung auf Annäherung an die Nominalnetzspannung umgeschaltet. Diese wird über das Spannungsreferenzelement 33 vertreten, die Regelzeitkonstante des Tiefpasses 7 kann für diesen Fall viel grösser gewählt werden als bei automatischer Nachführung. Mit dem Schalter 32 wird das Synchronisierglied 3 von der Netzsynchronisation getrennt, das Synchronisierglied ist so gebaut, dass bei autonomem Betrieb die Frequenz des Generators 4 mit ähnlich grösser Zeitkonstante wie beim Tiefpass 7 sich der Nominalfrequenz nähert. Der Minimalspannungswächter 26 spricht erst bei kleinster Netzspannung an und ermöglicht selbst bei ungenügender Spannungsamplitude noch eine Ausnützung der Netz- Synchronisation. Vom Ausgang des ODER- Gatters 22 wird über ein Betätigungsglied 34 bei Autonomiebetrieb Einfluss auf das Gleichspannungsstellglied 9 genommen, wobei die positive und negative Ansprechschwelle des Stabilisierungsteils 1 auf kleine Restbeträge zurückgenommen werden, damit am Verbraucheranschluss L in den Spannungsnulldurchgängen stetiger Spannungsverlauf gewährleistet ist. Das Betätigungsglied 34 steuert auch die aus dem CH- Patentgesuch 1097/85 bekannte Umschaltung von den Kondensatoren 12, 13 des Kurzzeitenergiespeichers auf höher aufgeladene Kondensatoren 14, 15 des Langzeitenergiespeichers mithilfe der Schalter 35, 36.
[0013] Eine niederinduktive Drosselspule 37 hilft, bei steilen eingeprägten Störspannungsflanken die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgleichsstroms zu begrenzen, der Ueberspannungsableiter 38 schützt vor Ueberspannungen bei Oeffnen des Unterbrechungsglieds 18. Die ganze Elektronik von Stabilisierungsteil 1 und Verbindungsteil 2 ist selber mit einer unterbruchsfreien Speisung versehen.
[0014] In Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Einrichtung verdeutlicht.
[0015] In einem ersten Zeitabschnitt bis t1 wird der Betrieb mit vorhandener Netzspannung dargestellt. Die Verbraucherspannung 39 ist in diesem Betriebszustand wegen geschlossenem Unterbrechungsglied 18 identisch mit der Netzspannung. Eingezeichnet sind auch die positive und negative Ansprechschwelle 40 und 41 des Stabilisierungsteils 1. Eine einzelne Spannunesspitze 42 wird in der bekannten Weise auf den Restwert 43 begrenzt. Bei sehr starken Einzelstörungen kann der Maximalstromwächter 20 zusätzlich eine Trennung vom Netz veranlassen, die Trennzeit ist dann gleich der Kippzeitkonstante der Kippschaltung 21.
[0016] Im Zeitpunkt t1 fällt die Netzspannung 44 aus, der anfallende Rückspeisestrom aus dem Stabilisierungsteil 1 führt zum Oeffnen des Unterbrechungsgliedes 18 und die Stromversorgung wird über den Stabilisierungsteil 1 weitergeführt, wobei die Ansprechschwellen automatisch auf verschwindend geringen Betrag zurückgenommen werden um die Verbraucherspannung 45 zu formen. In der Autonomiephase von Stabilisierungsteil 1 und Verbraucher wird bis zur Rückkehr der Netzspannung sowohl die Frequenz des Generators 4 als auch die Amplitude der Spannung über das Tiefpassglied 7 mit sehr grossen Zeitkonstanten auf Nominalwert ange glichen.
[0017] Im Zeitpunkt t2 kehrt die Netzspannung 46 wieder zurück. Die Zeitspanne zwischen t2 und t3 wird zur Synchronisierung und Amplitudenangleichung der Verbraucherspannung 47 an die Netzspannung 46 ausgenützt. Mit einer Verzögerung von Δtoff zum Zeitpunkt t2 wird im Zeitpunkt t3 das Netz durch Schliessen des Unterbrechungsgliedes 18 zugeschaltet. Die Verbraucherspannung 39 a ist wieder identisch mit der Netzspannung. Gleichzeitig werden die Ansprechschwellen 40a, 41a des Stabilisierungsteils 1 wiederhergestellt. Zum Schutze des Netzanschlusses G gegen Berührung bei versehentlicher Trennung vom Netz,d.h.durch Ziehen eines Steckers, und zur sofortigen Verkleinerung der Ansprech- Bandweite für den so entstehenden Autonomiebetrieb kann zwischen den Netzanschluss G und den Verbindungsteil 2 ein empfindlicher Netzstromwächter geschaltet werden, dessen Ausgang mit dem Eingang der monostabilen Kippschaltung 21 verbunden ist. Bei Ausfall des minimal benötigten Eigenbedarfstromes der Einrichtung wird automatisch auf Netzunterbrechung diagnostiziert. Der Netzstromwächter gibt bei Unterschreiten dieses minimal benötigten Eigenbedarfstromes ein Signal, was ein Oeffnen des Unterbrechungsgliedes 18 und damit ein Spannungsfreiwerden des Netzanschlusses G sowie eine Verkleinerung der Ansprech-Bandweite bewirkt.
[0018] Zum Schutze vor langdauernden Netzausfällen kann die Einrichtung wahlweise wie folgt ergänzt werden:
[0019] - Anstelle der Kondensatoren 14, 15 des Langzeitenergiespeiehers treten Akkumulatorenbatterien, die vom Netz her in Bereitschafts- Schwebeladung gehalten werden. Bei Netzausfall übernehmen diese auch die Speisung der gesamten Elektronik der Einrichtung.
[0020] - Der Verbraucheranschluss L wird nach Eintritt eines Netzausfalles von einem fossilen Notstromaggregat angespiesen, das nach erfolgter Synchronisation und Amplitudenregelung zugeschaltet wird. Dieses übernimmt auch die Ansteuerung von Synchronisation und Amplitudenregulierung im Stabilisierungsteil 1 sowie die Speisung des Transformators 17 und der ganzen Elektronik der Einrichtung. Im Zeitpunkt der Netzrückkehr wird das Aggregat von der Einriehtung getrennt. Die erfindungsgemässe Einrichtung vereint alle in der Einleitung geforderten Vorteile. Sie kommt bevorzugt als Schutz von unter- brechungs- und transientengefährdeten Verbrauchern wie Computer, Ueberwachungs- und Prozessregelungsanlagen oder medizinischen Geräten zur Anwendung.
权利要求:
ClaimsPatentansprüche
1. Einrichtung zur Bereitstellung einer unterbruchsfreien Stromversorgung, welche zwischen das Netz (G) und den Verbraucher (L) geschaltet wird, bestehend aus einer Parallelschaltung der zu schützenden Verbraucher mit einem aus den PCT/CH 86/00005 und PCT/CH 86/ 00114 bekannten Stabilisierungsteil (1) und einem Verbindungsteil (2) zum Netz, dadurch gekennzeichnet, dass ein Shunt (19) den Strom des Stabilisierungsteils (1) erfasst, im Verbindungsteil (2) ein Maximalstromw ächter (20) den Momentanwert dieses Stromes überwacht und im Ueberschreitungsfall die monostabile Kippschaltung (21) anstösst, welche ihrerseits über den einen Eingang eines ODER- Gatters (22) ein superflinkes Unterbrechungsglied (18) zum Trennen der Verbindung zwischen Netz und Verbrauchern bzw. Stabilisierungsteil (1) zwingt solange der Gatterausgang aktiviert ist, dass ein Grenzwertüberwachungsglied (24) die Netzspannung überwacht und bei Grenzwert- überschreitung über ein Verzögerungsglied(25) auf den andern Eingang des ODER- Gatters (22) wirkt, und dass über den Ausgang des ODER- Gatters (22) im Gleichspannungsstellglied (9) des Stabilisierungs- teils (1) die Ansprech- Bandweite während der Trennung vom Netz auf einen kleinen Betrag zurückgestellt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ansprechen der monostabilen Kippschaltung (21) oder des Netzspannungsgrenzwertwächters (24) im Eingang des Tiefpassgliedes (7) des Stabilisierungsteils (1) von Netzspannungsnachf ührung umgeschaltet wird auf Annähern an die Nominalnetzspannung mit grosser Zeitkonstante und dass bei Ansprechen der monostabilen Kippschaltung (21) oder des Minimalspannungswächters (26) das Synchronisierglied (3) vom Netz getrennt wird und die Frequenz am Generator (4) mit grosser Zeitkonstante auf Nominalnetzfrequenz zustrebt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem CH- Patentgesuch 01097/85 bekannte Umschaltung von den Kondensatoren (12, 13) des Kurzzeitenergiespeichers auf Kondensatoren (14, 15) des Langzeitenergiespeichers erfolgt, wobei der Schalter (35, 36) bei aktiviertem Ausgang des ODER- Gatters (22) automatisch geschlossen wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Kondensatoren (14, 15) im Langzeitenergiespeicher Akkumulatorenbatterien angeordnet sind, die aus dem Netz in Bereitschafts- Schwebeladung gehalten werden, und die bei Netzausfall auch die Speisung der gesamten Elektronik der Einrichtung übernehmen.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprechschwelle des Maximalstromwächters (20) so gelegt wird, dass sie zwischen halbem bis 20-fachem Nennstromwert der vorgelagerten Netzsicherung beträgt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kippzeitkonstante der Kippschaltung (21) zwei bis zehn Netzspannungsperioden beträgt.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung im Verzögerungsglied (25), die zum Oeffnen des Unterbrechungsgliedes (18) führt, kleiner ist als die Kippzeitkonstante der Kippschaltung (21) und vorzugsweise eine bis vier Netzspannungsperioden beträgt, und dass die Zeitverzögerung, die zum Schliessen des Unterbrechungsgliedes (18) führt zwischen einer und 100 Netzspannungsperioden beträgt und vorzugsweise automatisch so geregelt wird, dass sie mit zunehmender Unterbruchszeit des Netzes anwächst.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des minimal benötigten Eigenbedarfstromes der Einrichtung ein zwischen Netzanschluss (G) und Verbindungsteil (2) liegender Netzstromwächter anspricht und den Eingang der monostabilen Kippschaltung (21) anstösst.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucheranschluss (L) nach Eintritt eines Stromausfalles von einem nach Synchronisation zuschaltbaren fossilen Notstromaggregat angespiesen wird, wobei im Stabilisierungsteil (1) die Steuerung von Synchronisation und Amplitudenregulierung sowie die Speisung des Transformators (17) und der ganzen Elektronik der Einrichtung vom Aggregat übernommen wird und dass das Aggregat im Zeitpunkt der Netzrückkehr abgetrennt wird.
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同族专利:
公开号 | 公开日
CH675798A5|1990-10-31|
EP0243414A1|1987-11-04|
引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
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1987-05-07| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
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优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
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