BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bereitstellung einer stabilisierten und unterbruchsfreien Stromversorgung, welche zwischen Netz und Verbraucher geschaltet ist.
In zunehmendem Masse werden Geräte und Anlagen am Netz betrieben, von denen ein fehlerfreies und zuverlässiges Funktionieren im Dauerbetrieb gefordert wird, z.B. elektronische Überwachungsanlagen, Computer etc. Eine dazu nötige Voraussetzung ist die ungestörte und unterbruchsfreie Stromversorgung aus dem Netz.
Bekannt ist die Stabilisierung der Verbraucherspannung über eine Schaltung, in der ein Kondensator einen Gleichspannungszwischenkreis stützt und ein nachgeschalteter transistorisierter Längsregler die Zwischenkreisgleichspannung auf die Verbraucherspannung reduziert. Nachteil dieser Schaltung ist ihr schlechter Wirkungsgrad im normalen Betrieb bei ungestörtem Netz, weil der Gleichspannungszwischenkreis spannungsmässig beträchtlich über dem Maximalwert der erzeugten Spannung liegen muss, damit bei Kurzunterbrechung des Netzes in dem Kondensator genügend Speicherenergie zur Überbrückung zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber diesem Stand eine Einrichtung zu schaffen, die guten Wirkungsgrad im normalen Betrieb aufweist und bei Netzunterbruch die angeschlossenen Verbraucher absolut ungestört ausreichend lang weiterspeist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Der Kern der Erfindung liegt in einer aus dem Netz gespiesenen Schaltung, bestehend aus einem Gleichspannungskreis, der auf einen transistorisierten Längsregler verbunden ist. Im normalen Netzbetrieb speist der Gleichspannungskreis von einem Kurzzeitenergiespeicher über eine Diode auf den Längsregler und zwar mit einer Speisespannung, die zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades der Schaltung rrsXwenig höher liegt, als es die Funktionstüchtigkeit des Längsreglers erfordert. Im Falle eines Netzausfalles wird ein auf höhere Spannung aufgeladener Langzeitenergiespeicher über einen automatisch ansprechenden Schalter und z.B. eine weitere Diode sofort auf den Eingang des Längsreglers zugeschaltet, wobei der Kurzzeitenergiespeicher durch seine Diode, wegen nun umgekehrtem Spannungsgefälle über dieser, abgekoppelt wird.
Je schneller der Schalter nach Netzausfall zugeschaltet wird, umso kleiner kann der Kurzzeitenergiespeicher dimensioniert werden oder umso knapper kann seine Speisespannung gehalten werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Einrichtung besteht aus einer Schaltungsanordnung gemäss der Zeichnung und ist unterteilt in einen Leistungselektronikteil 1 und einen Ansteuer- und Überwachungsteil 2. Der Netzanschluss 3 ist durch den Polleiter P und den Neutralleiter N, der Ausgang 4 an die zu schützenden Verbraucher durch P1 und N1 gekennzeichnet.
Beim Einschalten des Schalters 5 gelangt die Netzspannung in den Leistungselektronikteil 1. Über den Transformator 6 und die Brückengleichrichter 7 und 8 werden zwei Gleichspannungszwischenkreise 9 und 10 angespiesen, die im wesentlichen je aus einem Kurzzeitenergiespeicher und einem Langzeitenergiespeicher bestehen. Die Kurzzeitenergiespeicher sind in Form der Kondensatoren 11 bzw. 12 mit gleicher Kapazität C1 über Drosselspulen 13 bzw. 14 auf den gleichgerichteten Mittelwert der Transformatorspannung aufgeladen, die Langzeitenergiespeicher in Form der hochkapazitiven Kondensatoren 15 bzw. 16 mit gleicher Kapazität C2 über ladestrombegrenzende Widerstände 17 bzw. 18 auf den Scheitelwert der Transformatorspannung aufgeladen.
Die beiden Gleichspannungszwischenkreise sind über die Dioden 19, 20 und 21, 22 auf die Anoden der in Gegentakt arbeitenden n-Kanal-Querfeldtransistoren 23 und 24 geschaltet, die Kathoden dieser als Längsregler wirkenden Transistoren speisen im wesentlichen in den Verbraucheranschluss 4.
Nach Zuschaltung auf das Netz werden die Gitteranschlüsse 25 und 26 der Transistoren durch die Unterbrechungsglieder 27 und 28 auf Nullaussteuerung gehalten, bis über ein Zeitverzöge rungsglied 29 und die Diode 30 die Relais 31 und 32 öffnen.
Das Verzögerungsglied unterdrückt damit die Einschwingvorgänge der Transistor-Ansteuerelektronik.
Im Sinusgenerator 33 wird ein Signal mit quarzstabilisierter Netznennfrequenz erzeugt, in einem Verstärker 34 amplitudenstabilisiert und auf den Transformator 35 gegeben, so, dass an den beiden Sekundärwicklungen 36 und 37 die Nenn-Netzspannung induziert wird. Mit 180 Phasenverschiebung gegeneinander gelangen die Signale von den Sekundärwicklungen 36 und 37 über die Unterbrechungsglieder 27 und 28 auf die Gitteranschlüsse 25 und 26. Mit den mit Gleichspannung beaufschlagten Potentiometern 38 und 39 kann die Übernahmeverzerrung im Nulldurchgang der erzeugten Wechselspannung entsprechend der Eingangskennlinie der Transistoren 23, 24 optimiert werden. Die Zenerdioden 40 und 41 schützen die Gitteranschlüsse vor Überspannungen.
Wenn die Netzspannung unter einen vorgegebenen Wert fällt, schaltet der Minimalspannungssensor 42 die Schalter 42a und 42b ein, wobei die hochaufgeladenen Kondensatoren 15 und 16 über die Dioden 20 und 22 die Speisung unterbruchslos übernehmen, über die Dioden 19 und 21 werden dabei automatisch die Kondensatoren 11 und 12 von der Stromlieferung befreit. Bei dieser Umschaltung der Zwischenkreiseinspeisung wird die Sinusspannung am Verbraucheranschluss 4 in keiner Weise gestört. Die Zuschaltung der Schalter 42a, 42b muss dabei erfolgen, bevor die Gleichspannung im Zwischenkreis die Grösse des Scheitelwertes der erzeugten Wechselspannung erreicht. Die Dioden 20, 22 sind Schutzdioden, die verhindern, dass in Einschaltphasen der Einrichtung die Kondensatoren 15, 16 durch eventuell kurzzeitig geschlossene Schalter 42a, 42b stromstark durch die Kondensatoren 11, 12 geladen werden.
Der Minimalspannungssensor kann auch so angeordnet werden, dass er die Spannung im Zwischenkreis überwacht.
Im Interesse eines guten Wirkungsgrades der Schaltung im normalen Betriebsfall bei ungestörtem Netz soll die Zwischenkreisspannung Udcl möglicht klein gehalten werden, sie muss aber, damit die Kondensatoren 11 und 12 ihre kurzzeitige Stützfunktion wahrnehmen können, etwas über dem Scheitelwert der erzeugten Wechselspannung liegen. Der erreichbare Wirkungs grad Tl des Transistorkreises ist bestimmt durch die Beziehung
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mit Ug: Effektivwert der erzeugten Wechselspannung cos p: Leistungsfaktor am Verbraucheranschluss
Der erreichbare Wert bewegt sich je nach cos sp zwischen 50 und 75(wo.
Das lieferbare Stromzeitintegral bei Netzunterbruch richtet sich im wesentlichen nach der Kapazität C2 und Ladespannung UdC2 der Kondensatoren 15 und 16 und beträgt
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Ein Minimalspannungsschutz 43 über den Verbraucheranschlussklemmen überwacht den positiven Scheitelwert der erzeugten Wechselspannung und speist über eine zweite Diode 44 die Relais 31 und 32 so, dass im Falle bleibenden Netzausfalles die Ausgangspannung an die Verbraucher abgeschaltet wird, wenn die Zwischenkreisspannung unter den Scheitelwert der erzeugten Wechselspannung fällt. Ein Relais 45 sorgt dafür, dass bei Netzkurzunterbrechungen das Zeitverzögerungsglied 29 überbrückt bleibt und die Einrichtung sofort wieder aus dem Netz weitergespiesen wird.
Mit einer trägen Synchronisiervorrichtung 46 kann die Ausgangsspannung der Einrichtung bei Bedarf zur Netzspannung 3 in Phasendeckung gebracht werden. Alle Glieder des Ansteuerund Überwachungsteils 2 sind durch Kondensatoren in ihrer eigenen Stromversorgung bei Netzausfall stabilisiert.
Die Aufladung der Kondensatoren 15, 16 der Langzeitenergiespeicher kann auch über eine separate Quelle erfolgen, die in keiner festen Spannungsbeziehung zur Spannung der Kondensatoren 11, 12 der Kurzzeitenergiespeicher steht, die maximale Ladespannung wird durch die zulässige transiente Verlustleistung in den Transistoren 23, 24 bei Netzausfall begrenzt.
Die Funktion der Schalter 42a, 42b kann durch Relais, aber auch durch Schalttransistoren mit Ansteuerung über Optokopp ler übernommen werden.
Die Kondensatoren der Langzeitenergiespeicher können auch aus einem einfachen Permanentmagnet- Schwungradgenerator mit zwischengeschaltetem Gleichrichter gestützt werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann als festinstalliertes oder mobiles absolut wartungsfreies Gerät zum Einsatz gelangen in allen Fällen, in denen eine niederimpedante, stabilisierte und unterbruchsfreie Stromversorgung benötigt wird, z.B. zur Speisung von elektronischen Überwachungs- und Prozessregelungsanlagen, von Compuern oder von medizinischen Geräten.
Anstelle der erwähnten Stützung der Versorgung bei Kurzunterbrechung der öffentlichen Stromversorgung kann die Einrichtung auch die Stützung bis zum Zuschalten eines fossilen Notstromaggregats oder einer batteriegespiesenen Wechselrichteranlage übernehmen. Der Kern der Erfindung kann auch für eine reine Gleichstromversorgung mit auf konstante Gleichspannung regulierenden Längsregelungstransistoren Anwendung finden.
DESCRIPTION
The invention relates to a device for providing a stabilized and uninterruptible power supply, which is connected between the network and the consumer.
To an increasing extent, devices and systems are operated on the network, from which an error-free and reliable functioning in continuous operation is required, e.g. electronic monitoring systems, computers etc. A necessary prerequisite for this is the undisturbed and uninterrupted power supply from the network.
It is known to stabilize the consumer voltage via a circuit in which a capacitor supports a DC voltage intermediate circuit and a downstream transistorized series regulator reduces the DC link voltage to the consumer voltage. The disadvantage of this circuit is its poor efficiency in normal operation with an undisturbed network, because the DC link voltage must be considerably higher than the maximum value of the generated voltage, so that if the network is briefly interrupted, sufficient storage energy is available in the capacitor for bridging.
The object of the invention is to provide, compared to this state, a device which has good efficiency in normal operation and, in the event of a mains interruption, continues to supply the connected consumers with sufficient undisturbed power for a sufficiently long time.
This object is achieved by the device characterized in claim 1. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the dependent claims.
The essence of the invention lies in a circuit fed from the network, consisting of a DC voltage circuit which is connected to a transistorized series regulator. In normal mains operation, the DC voltage circuit feeds from the short-term energy storage via a diode to the series regulator and with a supply voltage that is slightly higher than the functional reliability of the series regulator to achieve maximum circuit efficiency. In the event of a power failure, a long-term energy storage device charged to a higher voltage is activated via an automatically activated switch and e.g. another diode immediately connected to the input of the series regulator, the short-term energy storage unit being decoupled by its diode, due to the reversed voltage drop across it.
The faster the switch is switched on after a power failure, the smaller the short-term energy storage can be, or the scarcer its supply voltage can be maintained.
The invention is explained in more detail below on the basis of the description and an exemplary embodiment.
The device consists of a circuit arrangement according to the drawing and is divided into a power electronics part 1 and a control and monitoring part 2. The mains connection 3 is identified by the pole conductor P and the neutral conductor N, the output 4 to the consumers to be protected by P1 and N1 .
When the switch 5 is switched on, the mains voltage reaches the power electronics part 1. Two DC voltage intermediate circuits 9 and 10 are fed via the transformer 6 and the bridge rectifiers 7 and 8, each of which essentially consists of a short-term energy store and a long-term energy store. The short-term energy storage devices in the form of capacitors 11 and 12 with the same capacitance C1 are charged to the rectified average value of the transformer voltage via choke coils 13 and 14, the long-term energy storage devices in the form of high-capacitance capacitors 15 and 16 with the same capacitance C2 via charging current-limiting resistors 17 and 18 charged to the peak value of the transformer voltage.
The two DC voltage intermediate circuits are connected via diodes 19, 20 and 21, 22 to the anodes of the n-channel transverse field transistors 23 and 24 operating in push-pull mode, the cathodes of these transistors acting as series regulators feed essentially into the consumer connection 4.
After connection to the network, the grid connections 25 and 26 of the transistors are held by the interruption elements 27 and 28 at zero modulation until a time delay element 29 and the diode 30 open the relays 31 and 32.
The delay element thus suppresses the transients of the transistor control electronics.
A signal with a quartz-stabilized nominal network frequency is generated in the sine generator 33, amplitude-stabilized in an amplifier 34 and applied to the transformer 35 such that the nominal mains voltage is induced on the two secondary windings 36 and 37. With a 180 phase shift relative to one another, the signals from the secondary windings 36 and 37 pass via the interruption elements 27 and 28 to the grid connections 25 and 26. With the potentiometers 38 and 39 acted upon by DC voltage, the transfer distortion in the zero crossing of the generated AC voltage can be adjusted according to the input characteristic of the transistors 23, 24 can be optimized. The Zener diodes 40 and 41 protect the grid connections from overvoltages.
If the mains voltage falls below a predetermined value, the minimum voltage sensor 42 switches on the switches 42a and 42b, the highly charged capacitors 15 and 16 taking over the supply without interruption via the diodes 20 and 22, the capacitors 11 automatically becoming via the diodes 19 and 21 and 12 exempt from electricity delivery. With this switching of the DC link supply, the sinusoidal voltage at the consumer connection 4 is in no way disturbed. The switches 42a, 42b must be switched on before the DC voltage in the intermediate circuit reaches the size of the peak value of the AC voltage generated. The diodes 20, 22 are protective diodes which prevent the capacitors 15, 16 from being charged by the capacitors 11, 12 by switches 42a, 42b, which may be briefly closed, in the switch-on phases of the device.
The minimum voltage sensor can also be arranged so that it monitors the voltage in the intermediate circuit.
In the interest of a good efficiency of the circuit in normal operation with an undisturbed network, the intermediate circuit voltage Udcl should be kept as small as possible, but it must be slightly above the peak value of the generated AC voltage so that the capacitors 11 and 12 can perform their short-term support function. The achievable efficiency Tl of the transistor circuit is determined by the relationship
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with Ug: effective value of the generated AC voltage cos p: power factor at the consumer connection
The achievable value varies between 50 and 75 (where.
The available current-time integral in the event of a network interruption depends essentially on the capacitance C2 and charging voltage UdC2 of the capacitors 15 and 16 and is
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A minimum voltage protection 43 above the consumer connection terminals monitors the positive peak value of the alternating voltage generated and feeds the relays 31 and 32 via a second diode 44 so that in the event of a permanent mains failure, the output voltage to the consumers is switched off when the intermediate circuit voltage falls below the peak value of the alternating voltage generated . A relay 45 ensures that the time delay element 29 remains bridged in the event of short interruptions in the network and the device is immediately fed back from the network.
With a slow synchronizing device 46, the output voltage of the device can be brought into phase coverage with the mains voltage 3 if required. All elements of the control and monitoring part 2 are stabilized by capacitors in their own power supply in the event of a power failure.
The capacitors 15, 16 of the long-term energy storage devices can also be charged via a separate source, which has no fixed voltage relation to the voltage of the capacitors 11, 12 of the short-term energy storage devices; the maximum charging voltage is determined by the permissible transient power loss in the transistors 23, 24 in the event of a power failure limited.
The function of the switches 42a, 42b can be taken over by relays, but also by switching transistors with control via optocouplers.
The capacitors of the long-term energy storage can also be supported by a simple permanent magnet flywheel generator with an interposed rectifier.
The device according to the invention can be used as a permanently installed or mobile, absolutely maintenance-free device in all cases in which a low-impedance, stabilized and uninterruptible power supply is required, e.g. for supplying electronic monitoring and process control systems, computers or medical devices.
Instead of the aforementioned support of the supply in the event of a brief interruption in the public power supply, the facility can also provide support until a fossil emergency power generator or a battery-powered inverter system is switched on. The essence of the invention can also be used for a pure direct current supply with series regulating transistors which regulate to constant direct voltage.