DE3415943A1

DE3415943A1 - Stromversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE3415943A1
Application number: DE19843415943
Authority: DE
Inventors: Jan Petter Trondheim Mikalsen; Ingar Kolbotn Narvhus
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1984-04-28
Publication date: 1984-11-08
Also published as: NO152719B; US4598352A; FI841728A; SE8402323L; NO831540L; SE8402323D0; FI841728A0; NO152719C

Description

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Stromversorgungseinri chtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Umrichteran-Lagen (auch Wechselrichter eingeschlossen), insbesondere Anlagen, die mindestens zwei, zwischen einer Stromversorgungsleitung und einer StromverbraucherLeitung oder Last parallel angeordnete Umrichter enthalten. Jeder Umrichter gibt eine Spannung an die StromverbraucherLeitung ab, die in einem schmalen, vorgegebenen Spannungsbereich liegt, und enthält einen Regelkreis, der für eine stabilisierte Ausgangsspannung sorgt. Solche Stromversorgungseinrichtungen sind bekannt.

Aus der US PS 4 276 590 ist eine modular aufgebaute Stromversorgungsanlage bekannt. Jedes Modul enthält einen Wechselrichter und einen Sensor, den der von diesem Modul stammenden durch einen gemeinsamen Lastwiderstand fliessenden Strom mißt. Außerdem ist eine Schaltung vorhanden, die die Differenz zwischen dem von dem einen Modul gelieferten Strom und dem Mittelwert der von den anderen Modulen gelieferten Ströme mißt. Diese Differenz wird zur Einstellung der Pulsweite des Wechselrichters benutzt um die A u s gangs leistungen der Module gleichzumachen.

Diese Stromversorgungsanlage ist für nur zwei Module ausgelegt, jedoch können weitere, identische Module parallel geschaltet werden. Dabei entstehen aber Probleme durch wechselseitig zwischen den einzelnen Modulen fließende Ströme, und die Schaltungen zur gleichmäßigen Verteilung der Ausgangsleistung werden sehr kompliziert und teuer. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Ausgangsstrom eingestellt

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wird, obwohl eigentlich eine konstante Ausgangsspannung gewünscht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromversorgungsanlage anzugeben, die aus mehreren paraIleLgeschaIteten Umrichtern besteht, und die problemlos durch weitere Umrichter erweitert oder verkleinert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die. im Anspruch 1 angegebenen Mittel. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

°ie erfindungsgemäße Stromversorgungsanlage besitzt folgende Vorteile:

- die Anlage ist sehr flexibel;

- an jeden Umrichter ist außer der StromversorgungsLeitung und der StromVerbraucherleitung nur noch eine weitere Leitung anzuschließen, nämlich eine AusgLeichsLei~ tung (die eine MasseLeitung einschließt);

- weitere Umrichter können der Anlage hinzugefügt werden, ohne irgendwelche andere Änderungen vorzunehmen;

- die zulässigen Maximalströme der einzelnen Umrichter können verschieden sein;

- alle Umrichter sind gleich stark ausgelastet. Daher wird eine überlastung eines Umrichters vermieden, und die Ausfa LLwahrscheiη Iichkeit ist bei aLlen Umrichtern gleich groß;

- bei Ausfall eines Umrichters kann dieser abgeklemmt und repariert werden, ohne die gesamte Anlage zu stören. Die Last wird automatisch gleichmäßig auf die übrigen Umrichter verteilt.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels

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näher erläutert.

Fig.1 zeigt ein BLockdiagramm eines Umrichters und dessen Anschlüsse

Fig.2 zeigt detailliert einen Teil des Umrichters nach Fig.1.

Der Umrichter 4 nach Fig.1 ist zwischen einer Stromversorgungsleitung 1 und einer Stromverbraucher Ieitung 2 angeordnet. Er entnimmt der StromversorgungsLeitung 1 elektrische Leistung, die er umformt und die über die Stromverbraucher Leitung 2 einer in Fig.1 nicht dargestellten Last zugeführt wird. Es können beliebig viele Umrichter 4 parallel geschaltet werden,wobei jeder Umrichter lediglich an die Stromverbraucher- und StromversorgungsL eitung und an eine AusgLeichsLeitung 3 anzuschließen ist (vgl. Fig.1), und unabhängig von den übrigen arbeitet.

Der Umrichter 4 besteht im wesentlichen aus einem Leistungsteil 5 und einem Regler 6. Der Leistungsteil 5 enthält einen Umformer 8,der direkt aus der Stromversorgungsleitung 1 Wechselstrom entnimmt und über einen Detektor 10 der StromverbraucherLeitung 2 Gleichstrom zuführt.

Außerdem ist eine Schaltung 7 an die Stromversorgungsleitung 1 angeschlossen, die eine stabilisierte Referenzspannung V , und eine Spannung I._TM erzeugt, die dem maximal zulässigen Strom durch den Umformer 8 entspricht.

5 Der Umformer 8 wird vom Regler 6 durch ein RegelsignaL eines Modulators 9 eingestellt, der beispielsweise ein Pulsweitenmodulator (PWM) ist und das Tastverhältnis des Umformers (8) einstellt.

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Die im folgenden benutzten Symbole 1,1 ,, etc. bezeichnen Spannungen, die den entsprechenden Strömen zugeordnet sind.

Dem Regler 6 werden vom Leistungsteil 5 direkt oder indirekt vier Signale zugeführt:

- die Spannung I ist an einen Schwellwertschalter 20 angelegt;

- die Referenzspannung V , wird einer Schaltung 17 zugeführt;

~ der Stromdetektor 10 liefert ein Signal I' , das dem der St romverbraucherLeitung 2 zugeführten Strom I. entspricht, an eine Schaltung 21, die mit dem Schwellwertschalter 20, einer Schaltung 15 und dem Eingang einer Schaltung 11 verbunden ist (Punkt 12); - die Spannung V. der Stromverbraucherleitung 2. Sie wird beispielsweise über eine Spannungsteilerscha Itung 18 als Signal V' der Schaltung 17 zugeführt.

Zusätzlich wird ein Signal I , benötigt, das der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung I_D der Ausgleichsleitung 3 und einer Spannung I" entspricht, die in der Schaltung 21 aus dem Signal I' gewonnen wird. Das Signal I , tritt am Ausgang der Schaltung 15 auf. Aus ihm wird durch eine Schaltung 16 ein Signal I' , abgeleitet und der Schaltung 17 zugeführt.

Der Schaltung 17 ist ein Operationsverstärker 14 nachgeschaltet, an dessen Eingang eine Spannung V_TN auftritt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 14 und des Schwellwertschalters 20 ist mit einem Verstärker 19 verbunden, der den Modulator 9 ansteuert.

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Der Ausgang der Schaltung 11 (Punkt 13) ist mit der Ausgleichs Leitung 3 und der Schaltung 15 verbunden. Diese Schaltung 11 ist das für die gleichmäßige Stromverteilung zwischen allen Umrichtern entscheidende Bauteil. Deshalb ist es wichtig, daß in allen Umrichtern im wesentlichen identische Schaltungen 11 verwendet werden. Jede Schaltung 11 kann durch einen Präzisionsoperationsverstärker realisiert sein, der durch eine Standarddiode D1 rückgekoppelt ist < Fi g.2).

An der Schaltung 11 tritt in Vorwärtsrichtung praktisch keine, in Rückwärtsrichtung dagegen eine beträchtliche Spannungsdifferenz auf. Dadurch fließt solange ein Strom durch die Schaltung 11, bis die AusgI eichs I eitung 3 auf eine Spannung "aufgeladen" ist, die der Spannung am Punkt 12 entspricht. Mit anderen Worten: Nur der Umrichter, der die größte Spannung I" am Punkt 12 aufweist, kann einen Strom in die AusgL eichsL eitung 3 schicken. In diesem Umrichter besteht dann keine Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 12 und 13, d.h. I , = 0. Da V , und auch V₁' kon-

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stant sein soLlen, bleibt auch V _w unverändert.

In allen anderen Umrichtern ist deren entsprechende Spannung I" kleiner als I_D. Durch die Spannung I , = I₀-I₁ L D r e τ D L

wird deshalb die Spannung V geändert, und dadurch der Umformer 8 solange eingestellt, bis die Spannung I_pef ^zu Nu LI wi rd.

Die Schaltung 21 multipliziert die Spannung Ij' mit einem konstanten Faktor, der von dem maximal zulässigen Strom abhängt, der für den Umformer 8 erlaubt ist. Das Ausgangssignal I" ist bei allen Umrichtern dasselbe, wenn der Ladestrom I bei allen Umrichtern denselben Prozentsatz

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gemessen am jeweils erlaubten MaximaLstrom, ausmacht. Dadurch wird erreicht, daß in der erfindungsgemäßen Stromversorgungsana Lge Umrichter mit unterschiedlichen Maximalströmen parallel geschaltet werden können, und daß dabei alle Umrichter gleich stark ausgelastet sind. Ein Ausführungsbeispiel der Schaltung 21 ist in Fig.2 enthalten. An den Eingängen eines Operationsverstärkers ist je ein Widerstand R2 oder R4 angeschlossen. Der Ausgang ist über eine Parallelschaltung eines Widerstandes R1 und eines Kondensators mit dem invertierenden Eingang verbunden. Eine Parallelschaltung eines Widerstandes R3 und eines Kondensators verbindet den nicht invertierenden Eingang mit dem Massepotential. Durch richtige Wahl der Widerstände R1 bis R4 ergibt sich der jeweils gewünschte Multiplikationsfaktor.

Ein Beispiel der Schwellwertschaltung 20 ist in Fig.2 dargestellt. Die Spannung I" liegt am invertierenden und die Spannung I. am nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers, dessen Ausgang durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, und dessen Ausgang über eine Diode D2 mit dem Eingang des Verstärkers 19 verbunden ist. Falls Ij'•> I, _TM gilt, ist die Ausgangsspannung I des Operationsverstärkers negativ , und begrenzt daher

das Regelsignal am Eingang des Verstärkers 19. Im anderen Fall hat die positive Ausgangsspannung wegen der Diode D2 keinen Einfluß auf das Regelsignal.

Fig.2 zeigt einen Ausschnitt der Schaltung des Umrichters 4 aus Fig.1 in einer Ausführungsform, die hauptsächlich aus Operationsverstärkern und Widerständen besteht. In den Fällen, in denen die Operationsverstärker symmetrisch

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beschältet sind, ist es wichtig, daß die Widerstände genau zueinander passen. Das gilt insbesondere für den Operationsverstärker 16.

Die Schaltung nach Fig.1 bezieht sich auf eine Gleichrichteranlage. In gleicher Weise können auch alle anderen Arten von Umrichteranlagen betrieben werden, bei denen es gewünscht wird, daß mehrere Einheiten parallel nebeneinander arbe i ten.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anlage, bei der die Spannung geregelt wird. Soll der Strom geregelt werden, so müssen lediglich die Signale V' und I" vertauscht werden, d.h. das Signal V' wird an den Schwellwertschalter 20 und das Signal I." an die Schaltung 17 angelegt.

Es können in gleicher Weise auch statt Konstantspannungsquellen, die einen variablen Strom liefern, Konstant st romquellen verwendet werden, wenn beispielsweise für Anwendungen bei der Elektrolyse der Strom überwacht werden soll.

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Claims

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
COROPORATION, NEW YORK

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Patentansprüche

Stromversorgungseinrichtung, die zwei oder mehrere Umrichter (4) enthält, die zwischen einer Stromversorgungs-Leitung (1) und einer StromverbraucherLeitung (2), an die ein Verbraucher mit variabLem Leistungsbedarf angeschlossen ist, angeordnet sind, bei der jeder Umrichter (4) einen Regler (6) enthält, der die in diesem Umrichter umgeformte und zum Verbraucher übertragene Leistung regelt, und bei der die gesamte Leistung auf alle in Betrieb befindliche Umrichter (4) verteilt ist, dadurch gekenn-ζ e i c h η e t, daß die Umrichter (4) vom Prinzip her gleich sind, daß jeder Umrichter (4) ein Signal (I") erzeugt, das eine eindeutiqe, insbesondere proportionale Funktion des Stromes (I. ) oder der Spannung (V ) ist, den oder die dieser Umrichter in die StromverbraucherLeitung

(2) einspeist, daß aLle Regler (6) mit einer Ausgleichs-Leitung (3) verbunden sind, und daß die Spannung (I_D) auf der AusgLeichsLeitung (3) durch den Umrichter (4) bestimmt ist, der das größte SignaL (I") erzeugt.
2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umrichter (4) einen Umformer (8) enthält, daß das Signal (I") aus einem SignaL (I.') durch MuLtiplikation mit eine»i konstanten Faktor entsteht, der von dem für den jeweiligen Umformer (8) maximal zulässigen Strom oder Spannung abhängt, und daß das Signal (I₁") in al-Len Umrichtern (4) denselben Wert hat, wenn die Belastung

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der Umformer (8), gemessen in Prozenten von der jeweils maxi in al zulässigen, gleich groß ist.
3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß alle Regler (6) je eine Schaltung (11) enthalten, die sich wie eine ideale Diode verhält, und über die sie mit der Ausgleichsleitung (3) verbunden sind.
4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umrichter

(4) eine Schaltung (15, 16) enthält, die die Differenzspannung (I ,) zwischen der Spannung (I_R) und der Spannung (I") erzeugt, und daß jeder Umrichter (4) diese Differenzspannung (I ,.) verwendet, um ein Regelsignal (v..) abzuleiten, mit dem der an die Stromverbraucherleitung (2) abgegebene Strom (Spannung) geregelt wird.
5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die dazu verwendet wird, einen Verbraucher mit variablem Leistungsbedarf mit einer konstanten Spannung oder Strom zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (I ,) mit einer Spannung (V.'), die von der an die StromversorgungsLeitung (2) abgegebenen Spannung (V.) oder Strom (I.) abgeleitet ist, und einer Referenzspannung (V _f) kombiniert wird, um das Regelsignal (V₁ ) zu erzeugen, daß das Regelsignal (^v _{T w}) nach dessen V e r Stärkung durch einen Verstärker (14) mit einem Signal (I y) kombiniert wird, das aus dem Signal (I") und einer spannung (I „) abgeleitet ist, wobei die Spannung (I _IlV() ein Maß für den Maximalstrom oder die Maximalspannung ist, den oder die der jeweilige Umrichter verarbeiten kann, und daß das aus ⁽V) und (I) entstandene Signal, durch

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einen Verstärker (19) verstärkt,einen Modulator (9) ansteuert, der die Ausgangsleistung des Umformers (8) einstellt,
6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung

(11) einen Operationsverstärker (11') enthält, der durch eine Diode (D1) rückgekoppelt ist.
7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator

(9) ein Pulsweitenmodulator ist, der die Ausgangsleistung des Umformers (8) durch 'Änderung des Tastverhältnisses einstellt.