DE2319319C3

DE2319319C3 - Stromversorgungssystem aus parallel arbeitenden Wechselstromerzeugern

Info

Publication number: DE2319319C3
Application number: DE19732319319
Authority: DE
Inventors: Guido 6944 Hemsbach Klein; Edmund 6940 Weinheim Mueller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1973-04-17
Filing date: 1973-04-17
Publication date: 1979-12-06
Also published as: DE2319319A1; DE2319319B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der Energietechnik muß bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung von empfindlichen Verbrauehern, beispielsweise in Krankenhäusern, bei Rundfunksendern oder bei Digitalrechnern bei Netzausfall und bei Stromschwankungen für eine dauernde gleichmäßige Versorgung der Wechsel- oder Drehstromverbraucher gesorgt werden.

Bei bekannten Einrichtungen werden im Pufferbetrieb arbeitende Batterien eingesetzt Diese Batterien übernehmen dann bei Netzausfall für eine begrenzte Zeitdauer die Versorgung der Verbraucher. Selbstge-' führte Stromrichter wandeln die Gleichspannung der Batterien in eine meist dreiphasige Wechselspannung um. Zur Leistungserhöhung bzw. aus Sicherheitsgründen sind mehrere Stromrichter parallel geschaltet. Nachgeschaltete Siebglieder sorgen für eine klirrfaktorarme Verbraucherwechselspannung.

Bei der redundanten Ausführung der Umrichter werden an die einzelnen Baugruppen hohe Anforderungen in bezug auf Frequenz und Amplitude der Ausgangswechselspanriung gestellt Die dafür notwendigen Einrichtungen sorgen für eine Synchronisation der Umrichterausgangsspannungen.

Bekannt ist, einem Umrichter die Priorität zu geben und alle weiteren Umrichter danach zu synchronisieren. Bei Ausfall übernimmt ein anderer, vorher festgelegter, die Priorität.

Nach einem anderen bekannten Verfahren zur Synchronisation wird eine zwangsweise Umschaltung auf die richtige Frequenz bzw. Spannung dann vorgenommen, wenn mehr als die Hälfte aller parallel geschalteten Umrichter einen bestimmten Wert erreicht haben.

Nach der DE-OS 20 25 124 ist ein Stromversorgungssystem mit parallel angeordneten statischen Wechselrichtern bekannt, bei dem zur Frequenzregelung eine Mehrzahl von gleichen, jedoch unabhängigen Oszillatorsystemen Verwendung finden. In jedem Oszillatorsystem zugeordneten Impulsgeneratoren werden Impulse erzeugt, die in einem Detektor auf Koinzidenz untersucht werden und wobei der Detektor dann selbst wieder Impulse erzeugt, die eine Zurückstellung der Impulsgeneratoren erlauben. Da nur Impulse zur Frequenzregelung verwendet werden, ist die Symmetrie nicht gewährleistet. Eine hochwertige Spannungsregelung findet bei der DE-OS 20 25 124 allerdings nicht statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung großer Leistung mit Spannungs- und Frequenzregelung zur Sicherstellung der Stromversorgung von empfindlichen Verbrauchern zu schaffen. Ausgehend von einer iredundanten Ausführung der Systeme und einer »2 aus 3«-Logik sollte ein in seiner Sicherheit gesteigertes Stromversorgungssystem gefunden wenden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen

Merkmale gelöst

Zur Frequenzvorgabe ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die einen im Frequenzvorgabegerät befindlichen Integrator mittels elektronischem Schalter anhält Eine Anzeigevorrichtung ist vorhanden, die dieses Ereignis, wenn es über einer einstellbaren Zeit andauert, zur Anzeige bringt. Bei der Frequenzvorgabe ist ein Schalter vorgesehen, der eine Umschaltung des Integrators vornimmt, ohne daß die Integratorausgangsspannung des vorgegebenen Wert erreicht.

Bei der Vorgabe der Amplitude der Verbraucherspannung sind Regelsysteme vorgesehen, die sowohl eine eigene Sollwertvorgabeeinrichtung als auch eine eigene Istwertfassung besitzen und Verstärker zur Verarbeitung der Sollistwertdifferenz. Verstärker mit P-Verhalten sind eingesetzt, um die Einhaltung der Regelgenauigkeit zu bewirken. Je Wechselstromerzeuger ist ein Additionsglied zur Summierung der Regelsignale aller parallel arbeitender Regelsysteme vorgesehen" und der Ausgang des Additionsgliedes ist mit dem zugehörigen Wechselstromerzeuger verbunden. Ebenfalls verbunden ist der Aufgang des-Additionsgliedes mit Kompensationsgliedern, über die die Stabilität des Spannungsregelkreises einstellbar ist. Ein innerer Regelkreis ist vorgesehen, um die Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers zu regeln und ein äußerer Regelkreis ist vorgesehen, um den Sollwert des inneren Regelkreises zu beeinflussen. Innere Regelkreise sind entsprechend der Anzahl der Wechselstromerzeuger vorhanden.

Vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem ist besonders die hohe Sicherheit gegen Frequenz- und Spannungsschwankungen der einzeilnen Anlagen untereinander. Durch die Aufteilung der großen Leistung auf mehrere kleinere, parallel geschaltete Anlagen können zudem die negativen Einflüsse bei Ausfall einer Teilanlage auf das gesamte System gemindert werden. Eine Synchronisierung der verwendeten Frequenzvorgabegeräte auf die Netzfrequenz ist ebenfalls in vorteilhafter Weise möglich.

Durch den Einsatz von Bauelementen geringer Grenzfrequenz ist eine kostengünstige Herstellung der Stromversorgungsanlage möglich. Durch die Verwendung einer Halbwellen-symmetrischen Rechteckspannung zur Synchronisation der Frequenzvorgabegeräte bei der Frequenzregelung ist eine Synchronisation auch anderer Systeme sehr einfach, da eine Impulsverdoppelung möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromversorgungssysteii'iS ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. I uas Blockschaltbild des Stromversorgungssystems,

F i g. 2 das Blockschaltbild des Frequenzvorgabegerätes und

Fig. 3 die Funktionsweise der Regelkreise bei einem einzigen Wechselstromerzeuger.

Nach Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem aufgeteilt in eine Zentraleinheit I und drei parallel geschaltete Wechselrichter 2, 3, 4. Die Wechselrichter sind dreiphasig ausgeführt und geben ihre Spannung auf eine dreiphasige Sammelschiene 5. Der Übersichtlichkeit halber ist die Sammelschiene 5 nur einphasig dargestellt. Natürlich können noch weitere Wechselrichter im Verband mitarbeiten. Filter 6, 7, 8 dienen zur verzerrungsfreien Lieferung der Verbraucherwechselstri.Tie. Über interne Spannungsregler 9,10,1 il werden die Wechselrichter 2,3,4 mit den Stellgrößen für die Ausgangsspannung versorgt.

In der getrennt aufgestellten Zentraleinheit 1 sind die Baugruppen für die Frequenzregelung und die Spannungsregelung der Ausgangswechselspannungen angeordnet Frequenzvorgabegeräte 12, 13, 14 (auch Oszillatorsysteme genannt) sind entsprechend der Anzahl der angeschlossenen Wechselrichter zur Einhaltung der Ausgangswechselspannungsfrequenz vorgesehen.

ι» Die Additionsglieder 15, 16, 17 geben den internen Spannungsreglern 9,10,11 über Kompensationsglieder 45a, 456,45c einen Zusatz-Sollwert und werden jeweils von übergeordneten Spannungsreglern 18, 19, 20 versorgt Jeder dieser Regler 18, 19, 20 erhält seinen

π Ist-Wert von der Sammelschiene 5 und bildet in Abhängigkeit von der Soll-Istwert-Differenz eine Ausgangsgröße, die jeweils den Additionsgliedern 15, 16,17 zugeführt ist.

Für die Frequenzregelung der Ausgangsspannung

2» findet eine Anordnung Verwendung, die für jeden Wechselrichter einmal vorhanden s«rin muß und nach F i g. 1 mit 12,13,14 bezeichnet ist.

In Fig.2 ist die Schaltungsanordnung eines Frequenzvorgabegerätes näher erläutert, das in F i g. 1 nur

> j schematisch in dreifacher Ausführung gezeigt ist

Die Referenzspannungsquelle 21 bezieht ihre Spannung aus einer Versorgungsleitung, beispielsweise aus dem Wechselrichterhilfsnetz. Über nicht dargestellte Zenerdioden wird eine stabilisierte Referenzspannung

jn gebildet, die in bezug auf einen Erdungspunkt als + U_rcr und — U_Kf am Ausgang von 21 abnehmbar ist. Über den Schalter 22, der vom Ausgang des Frequenzvorgabegerätes betätigt wird, führt die Referenzspannung über einen weiteren Schalter 23 auf den Integrator 24. Diese

π als Miller-Integrator arbeitende Anordnung bildet aus der angelegten Spannung das Zeitintegral und gibt die als Ergebnis entstehende Spannung auf den nachfolgenden Komparator 25. Hier wird das Integrationsergebnis mit der Referenzspannung ± (^verglichen. Sind beide

■to gleich groß, so steuert der Komparator einen Schalter

26 an, der umschaltet und dies einem weiteren Komparator 27 mitteilt. Von dem Schalter 26 führt ein Synchronisierausgang 28 zu allen anderen im Verband mitlaufenden Frequenzvorgabegeräten. Ein mit 29

4) bezeichneter Synchronisiereingang führt bei allen Frequenzvorgabegeräten auf den Eingang des Komparators 27. Der Synchronisiereingang 29 ist entsprechend der Anzahl der im Verband mitlaufenden Frequenzvorgabegeräte sovielmal vorhanden.

.o In dem Komparator 27 wird das Schaltergebnis des Schalters 26 mit den Schaltern 26 der anderen Frequenzvorgabegeräte verglichen. Der Komparator

27 stellt fest, ob mindestens die Hälfte plus eins aller ,nitlaufenden Frequenzvorgabegeräte dasselbe Signal

■··. bzw. dieselbe Schaltstellung haben wie der Schalter 26. Wenn diese Information vorliegt, wird der Schalter 30 betätigt. Hinter dem Schalter 30 ist der Ausgang 31 vorgesehen, der die Frequenz für den zugehörigen Wechselrichter vorgibt. Da der Ausgang 31 mit den

w) anderen Ausgängen der mitlaufenden Frequenzvorgabegeräte parallel geschaltet ist, wird den Wechselrichtern nur eine Frequenz vo^rgegeberi ard sie müssen zwangsläufig synchron laufen.
Nach Ablauf dieses Vorganges bewirkt ein dem

hi Schalter 30 nachgcochalte'er Inverter 32 eine Umpolung der Referenzspannungsquelle 21. Dies geschieht durch Betätigen des Schalters 22.

Ausgänge der Schalter 26 und 30 sind zur

Ansteuerung einer Überwachungseinrichtung 33 vorgesehen. Diese Einrichtung besteht aus einer Logik, die die beiden Schaltstellungen von 26 und 30 vergleicht und bei einer Nichtübereinstimmung den Schalter 23 öffnet. Dies hat zur Folge, daß der Integrationsvorgang im Integrator 24 angehalten wird, d. h., der Schalter 22 wird noch nicht umgeschaltet. Ein Umschalten bzw. ein Hinziehen auf die richtige Frequenz erfolgt erst dann, wenn die Hälfte plus eins aller Frequenzvorgabegeräte dem Komparator 27 das Anziehen des Schalters 26 angezeigt haben. Ist dagegen der Integrator 24 zu langsam, so erfolgt eine zwangsweise Umschaltung des Schalters 22 auf die andere Unrund damit ein Hinziehen am Ausgang auf die richtige Frequenz.

In einer Anzeigeschaltung 34 wird das Fchlvcrhaltcn dieses im Verband mitlaufenden Frequenzvorgabegerätes signalisiert.

Anhand der F i g. 3 soll die Spannungsnachregelung für einen einzigen Wechselstromerzeuger näher erläutert werden.

Der Ist-Wert der Sammelschienenspannung wird durch die Meßglieder 35, 36, 37 ermittelt und der Regelung zugeführt. Die Sammelschiene 5 hat aus Sicherheitsgründen drei dieser Meßglieder 35, 36, 37. wobei jedoch die Anzahl der angeschalteten Wechselstromerzeuger kein Kriterium für die Anzahl der Meßglieder ist. Eine einfache Redundanz der Meßglieder bringt bei Ausfall eines Bauteiles innerhalb der Überwachungskette nicht die erforderliche Genauigkeit.

Die Meßglieder 35. 36, 37 geben ihre Signalspannung jeweils nur auf einen der drei gleichartig aufgebauten und völlig identischen übergeordneten Spannungsregler 18, 19, 20. In jedem dieser Spannungsregler ist ein Summenpunkt 38 bzw. 39 bzw. 40 angeordnet, an dem der Soll-Ist-Wert-Vergleich zwischen einem intern vorgegebenen Wert und der Signalspannung erfolgt. Die Regelabweichungen werden getrennt auf die drei Zweipunktregler 41, 42, 43 geführt, deren Ausgänge je nach Regelabweichung am positiven oder negativen Grenzpotential liegen. Diese drei im Normalfal gleichen Spannungen werden in dem Additionsglied 1! zusammengefaßt und in dem anschließenden Kompen sationsglied 45a frequenzmäßig an die Regelkreise um die Wechselstromerzeuger angepaßt.

Das Additionsglied 15, das Kompensationsglied 45ί sowie die einen internen Regelkreis bildenden Span nungsregler 9 und der Meßumformer 46 sind jeden Wechselstromerzeuger zugeordnet. Die einen über geordneten Regelkreis bildenden Meßglieder 35 bis 31 und Regelsysteme 18, 19, 20 sind dagegen nur einmal ii dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem vor handen.

Der interne Regelkreis hält die Spannung vor den Filter 6 konstant. Dazu wird in dem Meßumformer 4( die Wechsclstromerzeiigcrausgangsspannung in eini verarbeitbare Meßspannung umgeformt und auf der Summenpunkt 47 geführt. Hier wird sie mit einem interr vorgegebenen Spannungswert verglichen. In dem siel anschließenden Regelglied 48 wird dieses Ergcbni: verstärkt und auf ein nicht dargestelltes Stellglied an Wechselstromerzeuger zur Nachregelung gegeben.

Bei Belastung durch angeschlossene Verbraucher fäll die Netzspannung hinter dem Filter 6 ab und erzeug dadurch in dem Übergeordneten Regelkreis ei[ Steuersignal, das nach Durchlaufen der Meßglieder 3! bis 37. der Regelsysteme 18 bis 20 sowie de: Additionsgliedes 15 und des Kompensationsgliedes 45; ebenfalls auf dem Summenpunkt 47 geführt ist. Diese Zusatz-Sollwert bewirkt eine Beeinflussung des inter nen Sollwertes und damit eine Nachregelung des an dei Wechselstromerzeuger angeordneten Stellgliedes.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromver sorgungssystemes sind für den übergeordneten Regel kreis bei der Spannungsüberwachung Regler mi beispielsweise Pl- oder PID-Verhalten vorgeseher Entsprechend anders ausgeführte Zeitglieder müsset dann zur Kompensation zwischen Wechselstromerzeu ger und Regler vorgesehen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromversorgungssystem zur unterbrechungsfreien Lieferung von Wechselstrom mit mehreren, aus Redundanzgründen parallel zueinander arbeitenden gleichen Wechselstromerzeugern, die miteinander synchronisiert sind und deren Frequenz über vollständig gleiche, jedoch voneinander unabhängige Frequenzvorgabegeräte, die über Zusatzeinrichtungen miteinander synchronisiert werden, vorgeb- iu bar ist, dadurch gekennzeichnet,

daß bei der Frequenzvorgabe jedem Wechselstromerzeuger ein Frequenzvorgabegerät (12, 13, 14) zugeordnet ist das seine Versorgungsspannurig von dem zugehörigen Wechselstromerzeuger bezieht ■ "> daß dem Frequenzvorgabegerät (12, 13, 14) ein Ausgang (31) derart zugeordnet ist daß die beiden Halbperioden der Ausgangsspannung symmetrisch sind,

und daß zsir Vorgabe der Amplitude der Verbrauchcrspannung mehr als zwei gleichartig aufgebaute und parallel angeordnete äußere Spannungsregelsysteme vorgesehen sind, die unabhängig voneinander arbeiten.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, r> dadurch gekennzeichnet daß zur Frequenzvorgabe eine Überwachungseinrichtung (33) vorgesehen ist, die einen im Frequenzvorgabegerät befindlichen Integrator (24) mittels elektronischen Schalter (23) anhält und daß eine Anzeigevorrichtung (34) ><> vorhanden ist,die dieses Ereignis, wenn es über einer einstellbaren Zeit andauert, zur Anzeige bringt.

3. Stromversorgungssystem nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzvorgabe ein Schalter (22) vorgesehen ist, der eine H Umschaltung des Integrators (24) vornimmt, ohne daß die Integratorausgangsspannung den vorgegebenen Wert erreicht.

4. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorgabe der w Amplitude der Verbraucherspannung Regelsysteme (18, 19, 20) vorgesehen sind, die sowohl eine eigene Sollwertvorgabeeinrichtung als auch eine eigene Istwert-Erfassung (35, 36, 37) besitzen und daß Verstärker (41, 42, 43) zur Verarbeitung der 4> Soll-Ist-Wert-Differenz vorgesehen sind.

5. Stromversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß Verstärker mit P-Verhalten eingesetzt sind, die die Einhaltung der Regelgenauigkeit bewirken. v>

6. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß je Wechselstromerzeuger ein Additionsglied (15,16, 17) zur Summierung der Regelsignale aller parallel arbeitender Regelsysteme (18,19,20) vorgesehen ist ^r> > und daß der Ausgang des Additionsgliedes (15, 16, 17) mit dem zugehörigen Wechselstromerzeuger (2, 3,4) verbunden ist.

7. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche I oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, w) daß der Ausgang des Additionsgliedes (15, Hj, 17) mit Kompensationsgliedern (45a, 456, 45c) verbunden ist, über die die Stabilität des Spannungsregelkreises einstellbar ist.

8. Stromversorgungssystem nach einem der <" Ansprüche I oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Regelkreis vorgesehen isl, der die Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers (2, 3, 4) regelt, und daß ein äußerer Regelkreis den Sollwert des inneren Regelkreises beeinflußt

9. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß innere Regelkreise entsprechend der Anzahl der Wechselstromerzeuger sind.