AT16740U1 - Schutzeinrichtung des Elektrogerätes vor Spannungsrückgang oder Stromausfall im Stromverteilungsnetz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (1) zum Schutz eines Elektrogerätes (10) vor Spannungsausfall oder Spannungsrückgang im Stromverteilungsnetz, die zwischen den Netzanschluss (3) und die Stromleitung (11) zum Elektrogerät (10) geschaltet ist, und eine Reserve-Stromquelle (2) beinhaltet, wobei die Anlage weiter eine elektrische Schaltungseinheit (8) mit einem Inverter (9), eine Thyristorschalteinheit (5) zur Umschaltung der Stromversorgung des Elektrogerätes (10) vom Stromverteilungsnetz an die Reserve- Stromquelle (2) und umgekehrt, eine Mess- und Auswertungseinheit (7) zur Messung des Ausfalls oder Rückgangs der Spannung und/oder des Stroms am Netzanschluss (3), und eine Steuereinheit (4), umfasst, und wobei die Reserve-Stromquelle (2) aus einer Baugruppe von Superkondensatoren (12) besteht.

Description

Beschreibung

SCHUTZEINRICHTUNG DES ELEKTROGERÄTES VOR SPANNUNGSRÜCKGANG ODER STROMAUSFALL IM STROMVERTEILUNGSNETZ

BEREICH DER TECHNIK

[0001] Die beschriebene technische Lösung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schutz des Elektrogerätes vor Stromausfall oder Spannungsrückgang im Verteilungsnetz.

AKTUELLER STAND DER TECHNIK

[0002] Die Entwicklung der Technik sowie Elektronik macht es notwendig, für Maschinen und Anlagen immer bessere, schnellere und anspruchsvollere elektronische Steuer- und Regelschaltungen zu verwenden, die imstande sind, immer flexibler auf die Befehle des Bedienungspersonals sowie auf komplizierte Bedienungsalgorithmen zu reagieren. Diese Elektronik wird Hand in Hand mit ihrer Entwicklung mehr anfällig auf Schäden infolge Schwankungen im Stromnetz in Form von Verkettung zufälliger Spannungsspitzen oder umgekehrt, wegen unzureichender Spannung. Deswegen ist es notwendig, die Stromnetzflüsse zu stabilisieren.

[0003] Im Prinzip bestehen für solche Stabilisierung zwei Alternativen. Netzstabilisierung mit elektronischen Modulen und Elementen, welche die ev. Erhöhung des Energieflusses absorbieren oder reduzieren, oder Stabilisierung der Eigenschaften der Stromversorgung am Ausgang. Diese können allerdings ohne vorhandene Reserveleistung den z.B. infolge des erhöhten Leistungsverbrauchs seitens der Endstromverbraucher verursachten Spannungsrückgang nicht eliminieren. Damit die Stromverteilungsunternehmen und zentrale Stromerzeuger auf die Spannungsrückgänge im Netz im Moment der Energiespitzen reagieren können, werden für Energiespeicherung und für unmittelbaren Einsatz zwecks Kompensierung dieses Rückganges spezielle Anlagen verwendet. In Zeiten noch ungenügend leistungsfähiger Akkumulatoren, wo für die Deckung des Bedarfs der Bau von Stromversorgungssystemen mit Tausenden von Einheiten notwendig war, wurden stattdessen Pumpenkraftwerke gebaut. Heutzutage wird für den Aufbau der Notstromversorgungsstationen schon sogar die Nutzung von alten Lithium-Autobatterien in Erwägung gezogen.

[0004] Um die Energie auch dort zu sichern, wo keine Stromleitung zur Verfügung steht, werden zentrale Stromversorgungsanlagen verschiedener Art hergestellt, die andere Energiearten in elektrische Energie umwandeln. Die meistbekannten zentralen Stromversorgungsanlagen haben einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen Dynamo, oder öfters einen Alternator. Heutzutage werden diese Stromquellen mit Reserve-Stromquellen kombiniert, welche die Energie speichern und anschliessend abgeben, wie im Dokument CZ 22997 B1 beschrieben. In diesem Dokument ist eine Schaltung für Reservebetrieb einer Stromversorgungsquelle dargestellt. Das Prinzip besteht darin, dass sich zwischen der Verbindung des zweiten Ausgangs der Netzwerkquelle mit zweitem Eingang der Stromversorgungsquelle und dem zweiten Ausgang der Akkubatterie ein Widerstandsabnehmer befindet, dessen zwei Klemmen parallel an den ersten und zweiten Eingang der Stromrückkopplung der Netzwerkquelle angeschlossen sind. Der Zweck dieses Systems besteht darin, die Ausfälle der Netzstromversorgung mit Stromlieferung aus den Reserve-Stromquellen zu ersetzen, in diesem Fall aus Akkubatterien, die gleichzeitig in Zeiten stabiler Netzstromversorgung reguliert aufgeladen werden. Dies ist der Fall direkter Speicherung der elektrischen Energie. Ein anderer Fall ist sog. indirekte Speicherung, z.B. durch Gaskompression im Tank, aus dem anschliessend das komprimierte Gas eine Gasturbine mit Generator antreibt. Zurzeit wird als ein modernes System das Prinzip der Energiegewinnung durch Rekuperation betrachtet, d.h. Nutzung der Energieverluste, die früher z.B. beim Bremsvorgang entstanden, wie im Dokument US 2003089557 beschrieben.

[0005] Eine Kombination mehrerer Reserve-Stromquellen (Backup-Stromquellen) ist z.B. im Dokument CZ 29878 behandelt, wo eine kombinierte Anlage als Energiequelle beschrieben ist, welche aus einem Generator mit Verbrennungsmotor, einem Sonnenkollektor und einer Wind-

kraftanlage mit einem Energiespeicher sowie elektronischer Steuerung der Energieprozesse und Flüsse besteht.

[0006] Allgemeines Bild eines klassischen Reservesystems (Backup System) mit Elementen der Netzwerkstromversorgung sowie des klassischen Backup-Stromspeichersystems mit elektronischer Erfassung der Netzwerkvorgänge und gesteuerter Stromversorgung ist im Dokument CZ 30903 U1 beschrieben. Dieses Bild wird hier spezifiziert als Kombination wenigstens einer Stromquelle und mindestens einer Quasi-Stromquelle dargestellt, wo die Energie akkumuliert und gespeichert wird, inklusive Kontroll- und Netzwerksteuermechanismen für Regelung der Energieflüsse.

[0007] Einen Durchbruch in längerfristiger stabiler Energiespeicherung bringen neue Lithiumoder Nickel-Cadmium-Akkubatterien mit in Grössenordnung wesentlich höherer Kapazität bei gleicher Grösse und längerer Lebensdauer, welche die alten Bleibatterien ersetzen. Nachteil der Batterien liegt in grosser Energiedichte, relativ niedriger Leistungsdichte sowie in der Empfindlichkeit gegen Netzüberspannung. Die damit zusammenhängenden Impulsströme reduzieren nämlich deutlich die Lebensdauer der Batterien. Die Nachteile der Batterien eliminieren daher schon seit Jahrzehnten bekannte Kondensatoren. Durch ihre Modernisierung wurden Super- und Ultrakondensatoren entwickelt, wie im Dokument EP 2980818 dargestellt ist. Diese Erfindung betrifft einen herkömmlichen zylindrischen Ultrakondensator und seinen Aufbau. Im Vergleich zu Akkumulatoren haben die Kondensatoren hohe Leistungsdichte, aber niedrige Energiedichte. Hauptsache ist, dass sie sowohl stabile Energie als auch Impulsenergie ohne nennenswerte Auswirkung auf ihre Lebensdauer speichern und zugleich abgeben können. Während eine Batterie für langfristige Lieferung einer stabilen und niedrigeren elektrischen Leistung vorgesehen ist, liefert ein Kondensator die Energie stossweise für in Grössenordnung nur Millisekunden bis Sekunden, allerdings mit hoher Leistungsstärke.

[0008] US 5572108 stellt Verwendung eines Superkondensators in Kombination mit einem Batteriespeicher dar. Dieses Patent behandelt ein Stromversorgungssystem wo die Eingangsleistung geringer ist, als die erforderliche Ausgangsleistung. Separates Stromversorgungssystem für Einspeisung einer veränderlichen Last verwendet eine Kondensatorbatterie zur Stromversorgung der Last während der Periode hoher Strombelastung bei gleichbleibender Lastspannung. Die Kondensatorbank wird in der Periode mit kleinerer Auswirkung vom Akkumulator nachgeladen, dessen Ausgangsleistung unter dem Wert der maximalen Belastung liegt. Der Akkumulator wird wieder aus der einzigen, zeitweise verfügbaren Stromquelle regelmässig nachgeladen. Dieses Dokument präsentiert damit Existenz einer Anlage, welche einen Batterieund Kondensatorspeicher kombiniert und effektiv die Vorteile beider dieser Stromversorgungsbanken ausnutzt, um eine optimale Ausgangsleistung bei Berücksichtigung relativ geringerer Eingangsladeleistung zu erzielen.

[0009] Ähnliche Kombination des Ultrakondensators mit der Batterie präsentiert auch das Dokument WO 2014116899. Es zeigt ein System, basierend auf der Energiespeicherung in Batterien in Kombination mit Ultrakondensatoren. Das System kombiniert vorteilhaft die Charakteristik eines Ultrakondensators (hohe Leistungsdichte, aber relativ niedrige Energiedichte) mit der Batterie (hohe Energiedichte mit relativ niedriger Leistungsdichte). Damit kann man hohe Last des Batteriesystems reduzieren und seine Lebensdauer deutlich verlängern. Das System basiert auf der Fuzzy-Logik und wird durch ein funktionsstarkes Steuersystem mit Stromregelung und Umschaltung gesteuert. Dokument US 2018166892 zeigt ein Hybrid-System, welches den Steueralgorithmus derart modifiziert, dass der Superkondensator nicht nur eine Impulsleistung erzeugt, sondern kann jetzt ebenfalls die Impulsleistung aus der Rekuperation absorbieren. Gleichzeitig sorgt er für Aufrechterhaltung eines konstanten Stroms der Akkubatterie so, dass die kommende Impulsleistung die Akkubatterie nicht belastet und ihre Lebensdauer nicht verkürzt. Die absorbierte Energie wird im Kondensator gespeichert und der Steueralgorithmus funktioniert dann über einen DC/DC Wandler, um die Batterie mit der Energie aus dem Kondensator nachzuladen und dadurch die Batterieleistung zu optimieren. Falls die Last die Energie dem Hybrid-System so zuführt, dass sich der Wert in die Batterie fliessenden Stroms im optimalen Betriebsbereich bewegt, ist eine Nachladung der Batterie aus dieser Stromquelle möglich.

Dieses Hybrid-System sorgt für Aufrechterhaltung des Batteriestroms im effektivsten Wertbereich sowohl bei Entladung als auch bei Aufladung (Entlade- und Ladestrom können unterschiedliche Werte haben) gerade dank dem Superkondensator, der die Impulsenergie reguliert (absorbiert), die sonst die wieder aufladbare Batterie überlasten würde, was im Laufe der Zeit zur Verkürzung der Lebensdauer der Batterie und/oder zur Verringerung der effektiven Kapazität führen könnte.

[0010] Alle bisherigen Methoden basieren vor allem auf direkter Kombination der Nutzung der Netzwerkenergie und eines Kondensators als Absorbers der Netzschwankungen und Quelle hoher Leistung in Kombination mit Batterien für langfristige Speicherung der gewonnenen Energie mit der Möglichkeit eines stabilen Inversbetriebs, d.h. nicht nur Energieaufnahme sondern auch Energieabgabe. Alles wird mit einer leistungsstarken Steuer-, Erfassungs- und Auswertungselektronik kontrolliert und gesteuert.

PRINZIP DER TECHNISCHEN LÖSUNG

[0011] Die oben genannten Mängel beseitigt eine Anlage, die zum Schutz eines Elektrogerätes vor Spannungsausfall oder Spannungsrückgang im Stromverteilungsnetz entworfen wurde.

[0012] Diese Anlage für den Schutz eines Elektrogerätes vor dem Spannungsausfall oder Spannungsrückgang im Stromverteilungsnetz wird in die Stromleitung installiert die vom Netzanschluss am Stromverteilungsnetz zum Elektrogerät führt. Die Anlage hat eine ReserveStromquelle, ausgerüstet mit einer elektrischen Schaltungseinheit mit Inverter, zwecks Steuerung der Energieflüsse vom zentralen Stromnetz in die Reserve-Stromquelle und umgekehrt zur Steuerung dieser Energie für ein Elektrogerät im Falle eines Spannungsrückgangs oder Ausfalls des zentralen Stromversorgungsnetzes, oder auch bei Schwankungen der Stromversorgung. Die Anlage ist weiterhin mit einer Thyristorschalteinheit zur Umschaltung der Stromversorgung des Elektrogerätes aus dem Stromverteilungsnetz auf die Reserve-Stromquelle und umgekehrt ausgerüstet. Zum Bestandteil der Anlage gehört ebenfalls eine Mess- und Auswertungseinheit. Sie erfasst und auswertet die im Netz laufenden Prozesse und liefert Informationen der Steuereinheit, die den Betrieb der ganzen Anlage steuert. Wichtigster Teil der Anlage ist die Reserve-Stromquelle, die aus einer Baugruppe der Superkondensatoren zur Speicherung der elektrischen Energie besteht, die nicht in Kombination mit anderem Typ der ReserveStromquelle vorkommt. In bevorzugter Ausführungsform hat die Anlage nicht den Zweck langfristig und ununterbrochen Strom zu liefern, sondern nur Energie zur Deckung kurzzeitiger Spannungsrückgänge und Spannungsausfälle im Stromversorgungssystem zu kompensieren.

[0013] In bevorzugter Ausführungsform ist der Ausgang der Mess- und Auswertungseinheit an den Eingang der Steuereinheit angeschlossen. Ausgang der Auswertungseinheit ist in dieser bevorzugten Ausführungsform mit dem Eingang der Thyristorschalteinheit, elektrischer Schaltungseinheit, Inverter und Reserve-Stromquelle verbunden.

[0014] In anderer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Schaltungseinheit der Anlage zum Schutzeines Elektrogerätes vor Spannungsausfall oder Spannungsrückgang in die Stromleitung vom Netzanschluss zum Elektrogerät parallel mit der Thyristorschalteinheit geschaltet.

[0015] Weitere bevorzugte Ausführung der Anlage zum Schutz des Elektrogerätes vor dem Ausfall oder Rückgang der Spannung im Stromverteilungsnetz hat einen parallel mit der Thyristorschalteinheit installierten mechanischen Bypass.

[0016] In der nächsten bevorzugten Ausführungsform bilden die Superkondensatoren eine Baugruppe, die ein mobiles Stromquellenmodul bildet.

[0017] Übertragung der Signale zwischen den Elementen der Anlage findet elektrisch über ein Kabel statt.

[0018] Hauptziel der Anlage ist die Eliminierung der Spannungsrückgänge im Stromverteilungsnetz und fehlende Leistung dem Endverbraucher in Form von Impulslieferungen hoher Leistung für Millisekunden bis Sekunden zu sichern. Darin besteht der Hauptvorteil der Anlage.

KOMMENTAR ZU DEN ZEICHNUNGEN [0019] Die technische Lösung wird näher anhand der folgenden Zeichnung erklärt:

[0020] Abb. 1 schematische Schaltung einzelner Elemente der Anlage in das Stromversorgungsnetz mit Darstellung der Energie- und Informationsflüsse.

BEISPIELE DER REALISIERTEN TECHNISCHEN LÖSUNG

[0021] Die im Abb. 1 dargestellte Anlage 1 zum Schutz eines Elektrogerätes vor dem Spannungsausfall oder Spannungsrückgang im Stromverteilungsnetz, ist im Stromversorgungsnetz zwischen den Stromanschluss 3 aus dem Stromverteilungsnetz und die Versorgungsleitung 11 dieser Energie zum Elektrogerät 10 nur in solchen Fällen eingeschaltet, wenn es notwendig ist, die Endstromverbraucher vor der Spannungsschwankung im Stromverteilungsnetz zu schützen. Für den richtigen Betrieb der Schaltung ist es unerlässlich, dass die Funktion der Anlage 1 aufgrund genau gemessener Netzwerte und deren Schwankung gesteuert wird, inklusive der Umschaltfunktion zwischen dem Betriebsmodus der direkten Stromversorgung aus dem Netz sowie indirekten aus der Reserve-Stromquelle.

[0022] Zur Notversorgung des Elektrogerätes 10 ist die Anlage 1 zum Schutz des Elektrogerätes vor Ausfall oder Rückgang der Spannung im Stromverteilungsnetz mit der ReserveStromquelle 2 ausgestattet. Diese Reserve-Stromquelle 2 hat die Aufgabe, kurzfristig hohe Impulsleistung zu liefern und damit kurzzeitige, nicht länger als Millisekunden bis Sekunden dauernde Spannungsausfälle oder Spannungsrückgänge im Stromverteilungsnetz zu eliminieren. Daher besteht die Anlage aus Ultrakondensatoren mit geeigneten Leistungseigenschaften, die als mobiler Stromquellemodul konzipiert sind. Folgende Nachladung dieser ReserveStromquelle 2 ist in Perioden stabiler Stromlieferungen aus dem Stromversorgungsnetz gesichert. Zur Steuerung der Ladung- und Entladungsintervallen steht eine elektrische Schaltungseinheit 8 mit dem Inverter 9 zur Verfügung, wobei beide ähnlich wie die Reserve-Stromquelle 2 von der Steuereinheit 4 gesteuert sind. Diese Steuerung erfolgt über eine Kabelverbindung, welche die Übertragung der Steuersignale aus der Steuereinheit 4 in elektrische Schaltungseinheit 8, Inverter 9, Thyristorschalteinheit 5 und Reserve-Stromquelle 2 vermittelt.

[0023] Der Inverter 9 hat die Aufgabe, die Eingangs- sowie Ausgangsparameter der elektrischen Energie im Einklang mit dem Bedarf des Elektrogerätes 10 und der Reserve-Stromquelle 2 so zu modulieren, damit sich die Werte der Ausgangsspannung, Leistung und Stroms nur im vorgegebenen Bereich bewegen.

[0024] Mit Informationen über die im Stromverteilungsnetz laufenden Prozesse versorgt die Steuereinheit 4 die Mess- und Auswertungseinheit 7. Diese Mess- und Auswertungseinheit 7 erfasst anhand Sensoren charakteristische Merkmale der elektrischen Energie und ihre Schwankungen am Netzanschluss aus dem Stromverteilungsnetz 3, sorgt für deren Auswertung und schickt entsprechende Informationssignale über eine Kabelleitung an den Eingang der Steuereinheit 4.

[0025] In Fällen, wo die charakteristischen Merkmale der elektrischen Energie im Stromverteilungsnetz stabil sind, ist die Anlage 1 zum Schutz des Elektrogerätes vor Ausfall oder Rückgang der Spannung im Stromverteilungsnetz mit einer Thyristorschalteinheit 5 ausgerüstet. Sie sorgt für direkten Stromfluss durch die Anlage 1 zum Elektrogerät 10 ohne die Notwendigkeit irgendwie einzugreifen. Parallel ist die Thyristorschalteinheit 5 mit einem mechanischen Bypass 6 überbrückt. Das ermöglicht die Anlage 1 elektrisch umzugehen und die Stromversorgung auch dann zu ermöglichen, wenn an der Anlage 1 Wartungsarbeiten laufen, oder wenn an der Anlage 1 eine Betriebsstörung auftaucht.

[0026] Die elektrische Energie aus dem Stromverteilungsnetz fliesst über den Stromanschluss 3 in dem sich die Mess- und Auswertungseinheit 7 befindet, welche die Merkmale und Schwankungen des zufliessenden Stroms erfasst. Diese Werte werden von der Mess- und Auswertungseinheit 7 anschliessend verarbeitet und das Ergebnis wird in die Steuereinheit 4 geschickt. Sie generiert und sendet dann entsprechende Befehle für weitere Funktion der Thyristorschalt-

einheit 5, der elektrischen Schaltungseinheit 8, des Inverters 9, und der Reserve-Stromquelle 2.

[0027] Sind die Parameter des Stromverteilungsnetzes stabil und im gewünschten Bereich, bleibt die Thyristorschalteinheit 5 durchgehend offen und die Energie aus dem Stromverteilungsnetz fliesst direkt zum Elektrogerät 10. Gleichzeitig öffnet die elektrische Schalteinheit 8 den Stromkreis für den Energiefluss über den Inverter 9 zur Reserve-Stromquelle 2, welche in dieser Phase nachgeladen wird.

[0028] Sind aber die Parameter der Energie aus dem Stromverteilungsnetz nicht stabil und überschreiten die vorgegebenen Grenzwerte, wird der Stromkreis durch die Thyristorschalteinheit 5 unterbrochen. Die elektrische Energie fliesst dann nicht direkt zum Elektrogerät 10, sondern die elektrische Schaltungseinheit 8 öffnet und der Strom kann jetzt von der ReserveStromquelle 2 über den Inverter 9 zum Elektrogerät 10 fliessen. Das Elektrogerät wird somit aus der Reserve-Stromquelle 2 eingespeist. Die Reserve-Stromquelle 2 ist in diesem Fall imstande, den Strom für Millisekunden bis einige Sekunden zu liefern. Diese Zyklen sind während der ganzen Lebensdauer der Anlage 1 wiederholbar.

VERWENDBARKEIT IN DER INDUSTRIE

[0029] Die Anlage zum Schutz eines Elektrogerätes vor Spannungsausfall oder Spannungsrückgang im Stromverteilungsnetz findet Verwendung vor allem in grösseren Industriebetrieben mit Maschinen, deren Ausfall oder Beschädigung durch Spannungsschwankungen eine grossen Schaden am Maschinenkomplex verursacht und die Produktionskapazität beeinträchtigt.

ÜBERSICHT VON IN DEN ZEICHNUNGEN VERWENDETEN REFERENZZEICHEN

1 Anlage zum Schutz des Elektrogerätes

2 Reserve-Stromquelle

3 Stromanschluss aus dem Stromverteilungsnetz 4 Steuereinheit

5 Thyristorschalteinheit

6 Mechanischer Bypass

7 Mess- und Auswertungseinheit 8 Elektrische Schaltungseinheit

9 Inverter

10 Elektrogerät

11 Versorgungsleitung zum Elektrogerät

Claims (5)

Ansprüche

1. Anlage (1) zum Schutz eines Elektrogerätes (10) vor Spannungsausfall oder Spannungsrückgang im Stromverteilungsnetz, die zwischen den Netzanschluss (3) und die Stromleitung (11) zum Elektrogerät (10) geschaltet ist, und eine Reserve-Stromquelle (2) beinhaltet, wobei die Anlage weiter - eine elektrische Schaltungseinheit (8) mit einem Inverter (9),

- eine Thyristorschalteinheit (5) zur Umschaltung der Stromversorgung des Elektrogerätes (10) vom Stromverteilungsnetz an die Reserve-Stromquelle (2) und umgekehrt,

- eine Mess- und Auswertungseinheit (7) zur Messung des Ausfalls oder Rückgangs der Spannung und/oder des Stroms am Netzanschluss (3),

- und eine Steuereinheit (4), umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass die Reserve-Stromquelle (2) aus einer Baugruppe von

Superkondensatoren (12) besteht.

2. Anlage nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der Ausgang der Mess- und Auswertungseinheit (7) mit dem Eingang der Steuereinheit (4) verbunden ist, - und dass der Ausgang der Steuereinheit (4) an den Eingang der Thyristorschalteinheit (5), die elektrische Schaltungseinheit (8), den Inverter (9) sowie die Reserve-Stromquelle (2) angeschlossen ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungseinheit (8) zwischen den Netzanschluss (3) und die Stromleitung (11) zum Elektrogerät (10) parallel mit der Thyristorschalteinheit (5) geschaltet ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) weiterhin einen mechanischen Bypass (6) umfasst, der parallel mit der Thyristorschalteinheit (5) verbunden ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe von Superkondensatoren in einem mobilen Quellenmodul untergebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen