DE3117689C2

DE3117689C2 - Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern

Info

Publication number: DE3117689C2
Application number: DE3117689A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Higa Tokyo Miyazawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-05-07
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1983-12-15
Also published as: US4340823A; JPS56157228A; GB2078452A; JPS5920261B2; DE3117689A1; GB2078452B

Abstract

Anordnungen zur Stromversorgung, die einen zeitweiligen Ausfall der Versorgungsspannung überbrücken, bestehen aus einer Gleichrichterschaltung, die einen ersten Wechselstrom in einen ersten Ausgangsgleichstrom umwandelt, aus einer Batterie, die einen zweiten Gleichstrom erzeugt, aus einer gesteuerten Gleichrichterschaltung, die einen zweiten Wechselstrom in einen gesteuerten Gleichstrom umwandelt, und aus einer Schaltvorrichtung, welcher der Batteriestrom aufgeschaltet wird und die einen zweiten Ausgangsgleichstrom erzeugt, sobald der erste Wechselstrom ausfällt. Eine solche Stromversorgung soll derart ausgebildet werden, daß sie sich durch eine einfache, wenige Bauteile aufweisende und wirtschaftliche Konstruktion auszeichnet. Dazu wird vorgeschlagen, die Ausgangsanschlüsse der Gleichrichterschaltung zu den Ausgangsanschlüssen der gesteuerten Gleichrichterschaltung und zu der Batterie in Reihe zu schalten, so daß der erste Ausgangsgleichstrom und der gesteuerte Gleichstrom addiert und der Batterie zum Aufladen zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern mit einer wechselstromgespeisten Gleichrichteranordnung, deren Ausgangs-Gleichstrom die Versorgung der Verbraucher bewirkt, mit einer zweiten gesteuerten Gieichrichteranordnung und mit einer vom Versorgungsnetz nachladbaren Batterie, sowie mit einer Schaltvorrichtung, welche im Falle des Ausfalles des Versorgungsnetzes den Batteriestrom zur Versorgung freigibt Derartige Anordnungen werden verbreitet für solche Verbraucher eingesetzt bei denen ein auch nur kurzzeitiger Stromausfall, wie er zwischen dem Ausfall des Versorgungsnetzes und dem Anlassen eines Notstromaggregates auftritt, untragbar ist

Grundsätzlich sind derartige Anordnungen ab Seite 900 des Electrical Engineering Handbook, Japan, 10. April 1978, und in der Siemens Review XL (1973, Seite 366) beschrieben und anhand der F ij. 1 und 2 veranschaulicht So wird die bekannte, in F i g. 1 dargestellte Anordnung 50.A aus einem durch das Generatorsymbol 1 dargestellten Versorgungsnetz gespeist und über einen Transformator 2 sowie einen Gleichrichter 3 wird sm Gleichstrom gewonnen, der durch eine Drossel 4 und einen Kondensator 5 geglättet einem Wechselrichter 6 zugeführt wird, dessen Ausgang nochmals eine Drossel 7 und ein Kondensator 8 nachgeordnet sind. Zur durchgehenden Versorgung auch im Falle eines Netzausfalles ist eine Batterie -9 vorgesehen, die durch eine Ladeschaltung 60/4 stets auf voller Kapazität gehalten wird: Ausgehend von einem Anschluß 10 wird über einen Transformator 11 ein mit Thyristoren ausgestattetes Ladegerät 12 gespeist dessen Ladestrom durch eine Drossel 13 geglättet wird. Eine zweckmäßig mit einem Thyristor ausgestattete Schaltvorrichtung 14 schaltet im Falle eines Stromausfalles die Batterie 9 an den Ausgang des Gleichrichters 3, so daß der Wechselrichter nunmehr von der Batterie gespeist wird.

Zur Aufrechterhaltung der Ladung der Batterie 9 ist hier die selbstständige und mit voller Ladeleistung auszulegende Ladeschaltung 60Λ vorgesehen, die einen relativ hohen Aufwand bedingt, so daß die Anordnung nach F i g. 1 wirtschaftlich nur gerechtfertigt ist, wenn sie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern hoher Leistung auszulegen ist.

Zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern geringerer Leistung wird verbreitet eine Anordnung nach Abbildung (96a des Electrical Engineering Handbook vorgesehen, derer» Blockschaltbild in Fig.2 dargestellt ist. Diese Anordnung 50ß wird wiederum von einem mit dem Generatorsymbol 1 bezeichneten Versorgungsnetz gespeist, und über den Transformator 21 wird ein Thyristoren aufweisender Gleichrichter 22 beschrieben, der sowohl das Nachladen der Batterie 9 als auch die Versorgung des Wechselrichters 6 bewirkt Auch hier sind sowohl dem Gleichrichter 22 als auch dem Wechselrichter 6 Drosseln 23 bzw. 7 und Kondensatoren 24 bzw. 8 nachgeordnet Der Gleichrichter 22 betrieben, der sowohl das Nachladen Steueranordnung auf, welche durch Einstellen der Zündphase des Thyristors, die vom Gleichrichter abgegebene Spannung bzw. dessen Strom zu regeln vermag, so daß, je nach dem Ladezustand der Batterie 9, diese mit konstanter Spannung oder mit konstantem Strom aufladbar ist Da die Batterie 9 gemäß F i g. 2 zur Pufferung direkt an den Gleichstromkreis geschaltet ist, ergibt sich gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 eine erhebliche Einsparung, da die gesonderte Ladeschaltung 60/1 der Fig. I entfällt und auch auf die Schaltvorrichtung 14 verziehtet werden kann: allerdings ergibt sich eine oft unerwünschte Abhängigkeit zwischen der- Lade- und der dem Verbraucher zugeführten Spannung.

Andererseits ist es erforderlich, zur Erhaltung der Kapazität scwie des Ladezustandes der Batterie diese in Abständen von bspw. einigen Monaten mit einer sogenannten Ausglcichsspannung aufzuladen, die ge-

genflber der üblichen, bei der Pufferung anliegenden Spannung um 10 bis 15% erhöht ist. Der Transformator 21 und der Gleichrichter ,22 sind daher so auszulegen, daß, bspw. durch Verschiebung des Phasenwinkels der Zündung der Thyristoren des Gleichrichters 22, die Ausgangsspannung von der üblichen Pufferspannung auf die Ausgleichsspannung erhöht werden kann. Hierfür ist aber auch erforderlich, den Transformator 21 so auszulegen, daß er sowohl bei der üblichen Pufferspannung als auch bei der höheren Ausgleichs- to spannung und den durch dliese bedingten unterschiedlichen Zündphasen die !Nennleistung zu bewirken vermag. Die unterschiedlichen Zündphasen wirken sich darüber hinaus auf die Welligkeit der Ausgangsspannung des Gleichrichters aus, so daß auch sowohl die Drossel 23 als auch der Kondensator 24 aufwendiger auszulegen sind Damit zeichnet sich zwar die Anordnung nach Fig.2 gegenüber der nach Fig. 1 dadurch aus, daß eine geringere Anzahl von Komponenten vorzusehen ist, die verbleibenden Komponenten jedoch bedingen einen erhöhten Aufwand, da bspw. bei den Siebrnitteln eine Drossel, mit erhöhter In'iaktivitat einzusetzen ist, die im allgemeinen auch einen erhöhten Gleichstromwiderstand darstellt, und ein Kondensator höherer Kapazität vorzusehen ist Der für die Nennleistung auszulegende Gleichrichter 22 ist regelbar auszubilden und hat innerhalb eines weiten Zündphasenbereiches die Nenn- sowie die Ladeleistung aufzubringen.

Die Anmeldung geht daher von der Aufgabe aus, eine Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der sowohl der Herstellungsaufwand gegenüber dem bekannter Anordnungen gesenkt als auch der Wirkungsgrad verbessert wird, indem insbe- »5 sondere die im Interesse der Aufrechterhaltung der Kapazität und des Ladezustandes der Batterie aufzubringenden, zu steuernden bzw. zu regelnden Leistungen abgesenkt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem bei der Anordnung nach der vorgegebenen Gattung die Ausgänge der Gleichrichteranordnung und der gesteuerten Gleichrichteranordnung in Serie geschaltet mit der Batterie verbunden sind, so daß zur Ladung der Batterie die Summe ihrer Spannungen wirksam ist. Hierdurch wird 4; erreicht, daß die wesentliche der Anordnung zugeführte Leistung über einen üblichen Transformator und Gleichrichter zugeführt wird, ohne daß deren Regeibarkeit erforderlich ist, so daß relativ einfache, kompakte Ausführungen gewählt wvden können. Den Ariforde- ϊ< > rungen der Ladung der Batterie wird genügt, indem der Ladestrom nur mit einer zusätzlichen Spannung zur Verfügung gestellt wird, so daß die hierfür vorgesehene gesteuerte Gleichrichteranordnung mit geringer Leistung ausführbar ist und damit sowohl der Gesamtauf- y> wand relativ gering als auch der Wirkungsgrad hoch sind, da die aufzubringende geregelte Leistung nur einen Bruchteil der gesamten Nennleistung ausmacht.

Die Erfindung weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. e>o

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrau- f>5 ehern herkömmlicher Art,

F i g. 2 in gleicher Darstellung eine abgewandelte bekannte Ausführung.

F i g. 3 das Blockschaltbild einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anordnung, und

F i g. 4 schematisch die Schaltung der Thyristoren der gesteuerten Gleichrichteranordnung der F i g. 3.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern ist anhand der Fig.3 erläutert. Auch hjer ist das Versorgungsnetz durch ein Generatorsymbol 1 dargestellt und einem Transformator 2 aufgeschaltet, der einen Gleichrichter 3 speist. Die vom GIeichrichter3 abgegebene Gleichspannung wird zur Glättung über eine Drossel 4 geführt und mit einem Kondensator 5 belastet und derart gefiltert dem Wechselrichter 6 zugeführt Die von diesem zu den Verbrauchern geführte Wechselspannung wird nochmals zur Dämpfung von Oberwellen durch eine Drossel 7 und einen Kondensator 8 geglättet

Zur Aufrechterhaltung der Kapazität und des Ladezustandes der Batterie 9 ist eine strichpunktiert eingerahmte Ladeschaltung 6OC vorgesehen, die einen von einem Versorgungsanschluß 31 gespeisten Transformator 32 aufweist, dem eine gesteuerte Gleichrichteranordnung 33 nachgeordnet ist Die Anordnung der Thyristoren eines solchen gesteuerten Gleichrichters als dreiphasiger Thyristor-Brückengleichrichter 33Λ ist schematisch in F i g. 4 gezeigt Der aus den Thyristoren 331 bis 336 aufgebaute dreiphasige Thyristor-Brückengleichrichter kann als netzgeführter Stromrichter betrieben werden, wobei e^;ne Spannungsbzw. Stromregelung oder -steuerung sowie gegebenenfalls die Bestimmung der Polarität der abgegebenen Spannung durch Steuerung des Phasenwinkels des Zündeinsatzes der Thyristoren 331 bis 336 bewirkbar ist Die von der Gleichrichteranordnung 3, von der gesteuerten Gleichrichteranordnung 33 und von der Batterie 9 bewirkten Spannungen sind in der Fi g. 3 als Pfeile El bis £3 angedeutet Die Ausgänge der Gleichrichteranordnung 3, der gesteuerten Gleichrichteranordnung 33 und die Anschlußklemmen der Batterie 9 sind hierbei so über eine weitere Drossel 34 in Reihe geschaltet, daß die Summe der Ausgangsspannungen der beiden Gleichrichteranordnungen an der Batterie liegt. Der Batterie vorgeordnet ist ein Thyristorschalter 14, der während des normalen Betriebes nicht leitet; eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuervorrichtung jedoch bewirkt im Falle des Ausfalles des versorgenden Netzes die Zündung des Thyristors 14, so daß die Batterie 9 in diesem Falle an den Wechselrichter 6 geschaltet wird.

Der Transformator 2 und die Gleichrichteranordnung 3 sind so ausgelegt, daß die am Ausgange der Gleichrichteranordnung anstehende Spannung E\ Gleichstromverbrauchern direkt bzw. Wechselstromverbrauchern über den Wechselrichter 6 zuführbar ist. Zweckmäßig wird hierbei eine Batterie 9 »;ingeseiz;, deren im Pufferbetrieb auftretende Klemmenspannung E3 die Spannung £1 überschreitet, so daß im Falle eines Netzausfalles die dem Wechselrichter 6 zugeführte Spannung praktisch nicht abfällt. Der gesteuerte Gleichrichter ist hierbei so ausgelegt, und seine Thyristoren werden derart gesteuert, daß eine Gleichspannung in gleicher Richtung wie die des Gieichrichters 3 entsteht. Durch den Serienbetrieb der Gleichrichteranordnung 3 und der gesteuerten Gleichrichteranordnung 33 liegt da'>er die Summe der Spannungen beider Gleichrichteranordnungen an den Klemmen der Batterie 9 an, und durch einen in der Fig. 3 ebenfalls nicht dargestellten Regelkreis wird der Zündcinsat/ der

Thyristoren der steuerbaren Glcichrichtcranordming 33 derart geregelt, daß /um ständigen Nachladen der Batterie 9 eine Spannung zur Verfügung steht, die deren Klemmenspannung £"3 entspricht und einen ausreichenden Ladestrom sichert. Es hat sich jedoch bewahrt, eine solche Regelvorrichtung umschaltbar auszubilden. so daß die Anfangsaufladung einer frisch eingesetzten Batterie, nach Ticfentladungen erforderliche Aufladungen sowie Ausgleichsaufladungen mit erhöhter Spannung durchgeführt werden oder besser, um Überlastungen der Batterie auszuschließen, durch eine Stromregelung mit hohem für die Batterie noch zugelassenen Strom bewirkt werden. Damit wird während des Netzbetriebes von der Gleichrichteranordnung 3 nicht nur die von den Verbrauchern, bspw. dem Wechselrichter 6, benötigte Leistung geliefert, sondern gleichzeitig auch noch der wesentliche Ladestrom der Batterie 9 bewirkt. Die durch die vorgesehene Steuer- und Kegeimög'lichfceiten aufwendigere Gieichrichieraiiutunung 33 dagegen ist nur für eine wesentlich geringere Leistung auszulegen, deren Maximalwert sich aus dem nach Tiefentladungen und für Ausgleichsaufladungen vorgesehenen Strom und der hierbei auftretenden Differenz zwischen der Klemmenspannung der Batterie 9 und der Ausgangssp»nnung der Gleichrichteranordnung 3 ergibt.

Üblicherweise schwankt die Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung 3. teilweise bedingt durch Spannungsschwankungen des speisenden Versorgungsnetzes, um ±10% ihres Nennwertes, während die Klemmenspannung der Batterie 9 zwischen der Ausgleichsladespannung und der bei Tiefentladung sich ergebenden Spannung um ±20% schwanken kann. Damit aber sind die Elemente der Ladungsanordnung 60Cmaximal nur für 30% jener Leistung auszulegen, für welche die Elemente des Ladegerätes 60/4 der Fig. 1 auszulegen waren, !.".folge der höheren Induktivität des Transformators 32 ist es auch möglich, auf die Drossel 34 zu verzichten, insbesondere wenn die Streuinduktivität des Transformators 32 geringfügig erhöht wird.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, daß die Ausgangsspannung Ei der Gleichrichteranordnung 3 höher gewählt wird als die Klemmenspannung £3 der Batterie 9. Auch hier werden die Gleichrichteranordnung 3 und die gesteuerte Gleichrichteranordnung 33 miteinander und mit der Batterie 9 in Serie geschaltet und die Summe der Spannungen L I und 1:2 der Gleichrichter anordnungen der Klemmenspannung E3 der Batterie 9 angepaßt, indem in der steuerbaren Gleichrichteranordnung ii eine der der Glcichrichteranordnung 3 entgegengerichtete Spannung bewirkt wird, so daß die Summe einen positiven und einen negativen Summanden enthält und die Spannung der Gleichrichteranordnung 3 auf die Klemmenspannung der Batterie reduziert

ίο wird. Dies kann durch Verschieben des Phasenwinkcls des Zündeinsatzes der Thyristoren bewirkt werden, so daß im Bedarfsfalle, bspw. während der Ausgleichsladung, mit einer 90" unterschreitenden Phasenschiebung der Zündspannung und damit positiver Gleichspannung

ι-, gearbeitet wird, während, bspw. während der normalen Ladung, die Zündspannung der Thyristoren um mehr als 90° verschoben wird und damit eine negative Spannung der Gleichrichtcranordnung bewirkt wird, so daß die Spannungen der beiden G!cichrich:cr;::'.ordnüRgen

:o entgegengerichtet sind und die der gesteuerten Glcichrichteranordnung 33 von der der Gleichrichtcranordnung 3 abzuzieiien ist.

Beim Ausbleiben der Netzspannung fallt die von der Gleichrichteranordnung 3 herrührende Gleichspannung

r, aus, und gleichzeitig wird, wie bereits beschrieben, der Transistorschalter 14 leitend, so daß die Batterie 9 nunmehr parallel zum Ausgang der Gleichrichteranordnung 3 liegt und deren Funktion übernimmt. Im Bedarfsfalle kann gleichzeitig die steuerbare Gleich-

in richteranordnung 33 abgeschaltet werden. Weiterhin ist es möglich, die Batterie 9 erst hinter der Drossel 4 und damit parallel zum Kondensator 5 anzuschalten. Auch die gesteuerte und zu regelnde Gleichrichteranordnung 3 ist nicht auf die mit Fig.4 wiedergegebene

η dreiphasige Thyristor-Gleichrichterbrückenschaltung

33/t beschränkt: es können insbesondere auch andere netzgeiührte Stromrichter eingesetzt sein, bspw. eine

einphasige Thyristor-Gleichrichterbrückenschaltung.

Es kann auch auf den gesonderten Versorgungsanschluß 31 verzichtet und auch der Transformator 32 an das durch ein Generatorsymbol 1 angedeutete Versorgungsnetz geschaltet werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, zur Versorgung von Gleichstrom Verbrauchern auf den Wechselrichter 6 zu verzichten und die > Verbraucher direkt dem Kondensator 5 nachzuordnen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Verbrauchern mit einer wechselstromgespeisten Gleichrichtenuiordnung, deren Ausgangs-Gleichstrom die Versorgung der Verbraucher bewirkt, mit einer zweiten gesteuerten Gleichrichteranordnung und mit einer vom Versorgungsnetz nachladbaren Batterie, sowie mit einer Schaltvorrichtung, weiche im Falle des Ausfalles des Versorgungsnetzes den Batteriestrom zur Versorgung freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Gleichrichteranordnung (3) und der gesteuerten Gleichrichteranordnung (33) in Serie geschaltet mit der Batterie (9) verbunden sind, _ti so daß zur Ladung der Batterie die Summe ihrer Spannungen wirksam ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung (3) mindestens eine Diode aufweist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gesteuerte Gieichrichteranordnung (33) ein netzgeführter, mindestens einen Thyristor aufweisender Stromrichter vorgesehen ist, der durch Änderungen des Zündzeitpunkt des Thyristors bezüglich der abzugebenden Spannung, des Stromes und/oder deren Polarität Steuer- bzw. regelbar ist

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter aus einer sechspulsigen Drehstrom-Brijckengleichrichterschaltung besteht

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siromrict^er als eine einphasige Brückengleichrichtersrhaltung ausgeführt ist.

6. Anordnung nach einem ο·τ Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (14) einen Schalt-Thyristor aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichteranordnung (3) eine Glättungsschaltung nachgeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsschaltung eine in Reihe mit einem Glättungskondensator (5) geschaltete Glättungsdrossel (4) aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungskondensator (5) zum Ausgang der gesteuerten Gleichrichteranordnung (33) und der Batterie in Reihe geschaltet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche ! bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnung eine Wechselrichterschaltung (6) nachgeordnet ist, welche den von ihr bewirkten unterbrechungsfreien Gleichstrom in einen zur Speisung der Verbraucher vorgesehenen Wechselstrom umformt.