DE3935564A1 - Geraet zum parallelen betreiben von nichtunterbrechbaren dreiport-leistungsversorgungseinrichtungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum parallelen Betreiben einer Vielzahl von nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen, die parallelgeschaltet und für die Leistungsversorgung einer Last eingerichtet sind.

Die Verbreitung von Computern und Mikroprozessoren hat die Bedeutung von nichtunterbrechbaren Leistungsversorgungseinrichtungen als Leistungsversorgungsquellen für derartige elektronische Geräte vergrößert. Wenn die von einer gegebenen Last benötigte Leistung so groß ist, daß die Kapazität einer nichtunterbrechbaren Leistungsversorgungseinrichtung überschritten wird, muß eine zusätzliche Menge an Leistung durch den Parallelbetrieb mehrer Leistungsversorgungseinrichtungen geliefert werden.

In den meisten Fällen besteht eine derartige nichtunberbrechbare Leistungsversorgungseinrichtung für den vorerwähnten Parallelbetrieb aus einer konventionellen nichtunterbrechbaren Leistungsquelle, die eine batteriebetriebene Wechselrichter- bzw. Inverter-Vorrichtung und eine handelsübliche Leistungsquelle aufweist, die parallelgeschaltet sind, und sie weist einige zusätzliche, parallel zur konventionellen nichtunterbrechbaren Leistungsquelle geschaltete batteriebetriebene Wechselrichtervorrichtungen auf, wie beispielsweise in der Abhandlung von Clement Fontaine mit dem Titel "On the Paralleling of UPS Systems" von 1986 auf der International Telecommunications Energy Conference berichtet wurde.

Die Verwendung von nichtunterbrechbaren Leistungsversorgungseinrichtungen (im folgenden der Kürze wegen als "UPS" bezeichnet) gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik bringt folgende Probleme mit sich.

Erstens ist es wünschenswert, daß die auf die einzelnen UPS entfallende Belastung proportional zu den Wechselrichterkapazitäten der UPS ist. Die Steuerung der proportionalen Lastverteilung ist aber nicht leicht durchzuführen. Bei den konventionellen UPS hängt die Stromabgabe von der Phase der Steuerimpulse der Wechselrichter ab und sie wächst in dem Maße, wie sich die Phasen nach vorne verschieben. Um die erwähnte Proportionalität zu erzielen, ist es erforderlich, die Ausgangsströme der parallelgeschalteten Wechselrichter zu erfassen und die Phasen der Wechselrichtersteuerimpulse gemäß den Wechselrichterkapazitäten und den erfaßten Ausgangsströmen zu steuern. Die Schaltung für eine solche Steuerung und das Verfahren zu ihrer Durchführung sind sehr verwickelt. Die Steuerung kann also nicht leicht mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit durchgeführt werden.

Zweitens wird der beim Entstehen einer Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der Wechselrichter bei Parallelbetrieb zwischen den Wechselrichtern der UPS auftretende Kreisstrom nur unter Schwierigkeiten unterdrückt. Der Kreisstrom kann möglicherweise durch Einschalten eines Strombegrenzerelementes, wie etwa einer Reaktanz in jede Wechselrichterschaltung, oder durch Erfassen des Kreisstromes und entsprechende Anpassung der Steuerzeiteinstellung (Phase) des Wechselrichters unterdrückt werden. In diesem Falle tritt jedoch das Problem auf, daß die Anzahl der zur Steuerung benötigten Schaltungselemente vergrößert wird, oder es ergibt sich das Problem, daß die Schaltung zur Anpassung der Zeiteinstellung kompliziert ist.

Drittens ergibt sich in bezug auf den bei den Wechselrichtern für die UPS im Parallelbetrieb erforderlichen Synchronbetrieb das Problem, daß einerseits die konventionellen UPS aufgrund ihrer kleinen inneren Induktivität hochgradig reagibel gesteuert werden, andererseits ein Versagen der Synchronisation zwischen den in größerer Zahl vorhandenen Wechselrichtern einen sehr starken Kreisstrom hervorruft. Um mit diesem Problem fertig zu werden, muß die Synchronisation zwischen den Wechselrichtern sehr genau und schnell gesteuert werden. Die Schaltung zur Durchführung einer solch genauen und schnellen Regelung der erwähnten Synchronisation erfordert eine fortgeschrittene Konstruktion und eine komplizierte Gestaltung und ist mit dem Nachteil hoher Kosten und geringer Zuverlässigkeit behaftet.

Wenn viertes irgendeine der UPS im Parallelbetrieb eine Störung verursacht, muß sie so schnell wie möglich aus dem Parallelbetrieb herausgenommen werden. Da die konventionelle UPS, wie oben erwähnt, nur eine kleine innere Induktivität besitzt, kann ein versehentlicher Kurzschluß möglicherweise eine übermäßige Zuwachssteigerung des Kurzschlußstromes zur Folge haben. Die Vermeidung eines solchen Störfalls erfordert die frühzeitige Erkennung des übermäßigen Kurzschlußstromes sowie ein schnelles Heraustrennen der in Gefahr befindlichen UPS aus der Parallelschaltung. Eine Schaltung, die diese Anforderungen erfüllt, ist so verwickelt, daß sie den Nachteil hoher Kosten und geringer Zuverlässigkeit zur Folge hat.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gerät für den Parallelbetrieb einer Vielzahl von nichtunterbrechbaren Leistungsversorgungseinrichtungen zu schaffen, bei dem die vorgenannten Probleme vollständig beseitigt sind, der eine leichte Lastverteilung proportional zu den Kapazitäten der einzelnen UPS (Kapazitäten der Wechselrichter und der UPS-Transformatoren) ermöglicht, ohne zu einer verwickelten Apparatur oder zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit zu kommen, das die Unterdrückung des Kreisstromes zwischen den Wechseltrichtern und eine leichte Durchführung des Synchronbetriebs der UPS ermöglicht, und das das Ausschalten eines von einer Störung betroffenen UPS aus der Parallelschaltung ohne nennenswerten Störungen gestattet.

Um das obengenannte Ziel zu erreichen, ist die Erfindung durch eine Konfiguration gekennzeichnet, bei der als UPS-Einheiten Dreiport-UPS verwendet werden, von denen jede eine handelsübliche Energieversorgungsquelle und einen Dreiport-Transformator unter Zwischenschaltung einer Induktivitätskomponente aufweist, und bei der eine Vielzahl von untereinander parallelgeschalteten UPS-Einheiten zur Versorgung der Last mit Leistung vorhanden sind.

Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät für den Parallelbetrieb einer Vielzahl von nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen, die parallel zwischen einer Wechselstrom-Eingangsversorgungsquelle und einer Ausgangsklemme angeschlossen sind, wobei jede der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen folgende Komponenten aufweist: einen Dreiwicklungstransformator mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wicklung, einen Wechselstromeingang, der über eine erste induktive Komponente mit der ersten Wicklung des Transformators verbunden ist; einen Wechselrichter, der über eine zweite induktive Komponente mit der zweiten Wicklung des Transformators verbunden ist; eine Ausgangsklemme, die durch einen parallelschaltenden Schalter mit der dritten Wicklung des Transformators verbunden ist; Wechselrichtersteuermittel zum Steuern des Wechselrichters synchron mit dem Wechselstromeingang, eine Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung zum Erfassen des Normalitäts- oder Abnormalitätszustandes des Wechselstromeinganges; und Betriebsartsteuermittel zum Steuern der Schaltvorgänge des Wechselrichters in Übereinstimmung mit dem Ausgangserkennungssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung zwischen einem Bereitschaftsmodus, bei dem der Wechselrichter keinen Ausgangsstrom erzeugt, und einem Wechselrichtermodus, bei dem ein Ausgangsstrom erzeugt wird.

Das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es weiter folgende Komponenten aufweist: mindestens ein Betriebsüberwachungsmittel zum Durchführen einer logischen Operation am Ausgangserkennungssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung jeder der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen, und zum Anlegen des Ergebnissignals der logischen Operation als Betriebsartsteuersignal an die Betriebsartsteuermittel; Mittel zum Erzeugen eines Parallel-Synchronisierungssignals zum Durchführen einer Logikoperation am Ausgangssignal der Oszillatorschaltung jeder nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen auf, die in Parallelbetrieb gebracht werden können, wobei das Ergebnissignal der logischen Operation bei Erkennen einer Anomalie am Wechselstromeingang seitens der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung als Auslöseimpuls an die Oszillatorschaltung geliefert wird; und Synchronisationsüberwachungsmittel zum Durchführen einer logischen Operation am Ausgangssignal der Oszillatorschaltung zur Steuerung des Wechselrichters jeder nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung aufweist, die in Parallelbetrieb gebracht werden können; wobei ein Parallelabschaltungssignal zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters der betreffenden nichtunterbrechbaren Leistungsversorgungseinrichtung ausgegeben wird, wenn die Unterschiede zwischen der Phase des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung einer der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen und der Phase der Ausgangssignale der Oszillatorschaltung der übrigen nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen im Parallelbetrieb das vorgeschriebene Niveau überschreiten.

Die Dreiport-UPS sind aufgrund ihrer Struktur mit in Reihe geschalteten Streuinduktivitäten versehen, die durch einen magnetischen Nebenanschluß des Dreiwicklungstransformators gebildet sind, oder aber mit einer in Serie geschalteten äußeren Drosselspule. Dementsprechend sind die von den einzelnen Dreiport-UPS geführten Lastströme, wenn eine Vielzahl solcher Dreiport-UPS parallelgeschaltet ist, umgekehrt proportional zu den in Serie geschalteten Streuinduktivitäten der Dreiport-UPS, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Wenn die Größe der Serienstreuinduktivitäten oder der äußeren Drosselspulen umgekehrt proportional zu den Ausgangskapazitäten der einzelnen Dreiport-UPS ist, ist der Laststrom naturgemäß proportional zu den Ausgangskapazitäten der einzelnen, parallel arbeitenden Dreiport-UPS aufgeteilt, ohne daß dazu irgendwelche anderen Mittel benötigt würden.

Tritt zwischen den Ausgangsspannungen der Wechselrichter einer Vielzahl von parallel arbeitenden Dreiport-UPS ein Unterschied auf, fließt ein Kreisstrom zwischen den Wechselrichtern. Der Kreisstrom wird aber am übermäßigen Anwachsen wirksam gehindert, weil die in Serie geschalteten Induktivitäten auch den Kreisstrom unterdrücken helfen.

Der Kreisstrom, der durch eine Abweichung in der Zeiteinstellung des Schaltbetriebes der Transistoren zwischen den Wechselrichtern verursacht wird, wird auf einen relativ kleinen Wert begrenzt. Die Steuerung der Synchronisation zwischen den Wechselrichtern und die Steuerung einer konstanten Ausgangsleistung jedes Wechselrichters erfordert keine sehr hohe Genauigkeit, so daß die für die Steuerung benötigte Beschaltung vereinfacht werden kann.

Wenn der von einer Störung betroffene Dreiport-UPS aus dem Parallelbetrieb herausgenommen werden muß, wird, da die in Serie geschalteten Streuinduktivitäten beispielsweise das im Falle eines Kurzschlusses auftretende Abwachsen des Kurzschlußstromes unterdrücken, die für die Erkennung des Kurzschlusses oder die Parallelausschaltung der gestörten UPS zulässige Zeit verlängert. Somit kann die Vorrichtung zum Parallelausschalten und zum Schutz der von einer Störung betroffenen UPS leicht zu niedrigen Kosten und mit hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden. Da Mittel zur Überwachung der Betriebsart vorgesehen sind, die am Erkennungsausgangssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung jedes Dreiport-UPS die logische Operation ausführen und das Ergebnis der logischen Operation als Betriebsartsteuersignal an die Betriebsartsteuermittel jedes Dreiport-UPS liefern können, und da durch anschließendes Feststellen eines Unterschiedes im Betriebsmodus zwischen dem einen und den übrigen, parallelarbeitenden Dreiport-UPS ein Parallelausschaltungssignal zum Herausnehmen des betreffenden UPS aus dem Parallelbetrieb ausgegeben wird, kann das Umschalten vom Wechselrichtermodus auf Normalbetriebsmodus, oder umgekehrt, durch eine festeingestellte Zeitvorgabe für alle, parallelarbeitenden Dreiport-UPS durchgeführt werden. Somit können die durch den Unterschied der Zeiteinstellung des Umschaltmodus hervorgerufenen Nachteile (Auftreten eines inneren Kreisstromes und instabiler Parallelbetrieb) weitgehend beseitigt werden.

Weil weiter Mittel zum Erzeugen des Parallel-Synchronisierungssignals vorgesehen sind, die die logische Operation am Ausgangssignal der Wechselrichter-Steueroszillatorschaltung jedes der Dreiport-UPS durchführen können, und da, wenn die Eingangsüberwachungsschaltung eine Anomalie beim Wechselstromausgangssignal feststellt, das Ergebnis der logischen Operation als Auslöseimpuls an die Oszillatorschaltung geliefert wird, wird der Phasenunterschied in der Leistungsabgabe der Wechselrichter der Dreiport-UPS im wesentlichen beseitigt und der zwischen den Wechselrichtern fließende Kreisstrom in einem Ausmaß unterdrückt, daß der Unterschied kleiner wird.

Wegen der vorgesehenen Synchronsisationsüberwachungsmittel, die in der Lage sind, am Ausgangssignal der Wechselrichter-Steueroszillatorschaltung jedes Dreiport-UPS die logische Operation auszuführen, und da, wenn der Unterschied zwischen der Phase des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung einer der parallel arbeitenden Dreiport-UPS und der Phase des Ausgangssignals der Wechselrichter-Steueroszillatorschaltungen der übrigen Dreiport-UPS den vorgeschriebenen Wert überschreitet, ein Parallel-Ausschaltungssignal zum Öffnen des Parallel-Ausschaltungsschalters der betreffenden nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung ausgegeben wird, kann die Dreiport-UPS, in der eine Anomalie aufgetreten ist und die eine Synchronisationsabweichung herbeigeführt hat, unmittelbar aus der Parallelschaltung herausgenommen und die andernfalls mögliche Ausbreitung der Anomalie auf das gesamte System verhindert werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 stellt eine schematische Blockschaltung zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 2 stellt eine Blockschaltung zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform einer Dreiport-Leistungsversorgungsquelle (UPS) dar;

Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform einer Betriebsmodusüberwachungsschaltung dar;

Fig. 4 stellt eine Blockschaltung zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform einer Schaltung zur Erzeugung eines Parallel-Synchronisierungssignals dar;

Fig. 5 stellt eine Blockschaltung zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform einer Synchronisationsüberwachungsschaltung dar;

Fig. 6 stellt ein Äquivalentblockschaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise dar, wenn eine parallelgeschaltete Versorgungsquelle gemäß der Erfindung vom Wechselrichtermodus auf den Normalbetriebsmodus umgeschaltet wird; und

Fig. 7 stellt eine perspektivische Ansicht dar, welche in schematischer Form die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Transformatoren zeigt.

Fig. 1 stellt eine schematische Blockschaltung zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar. Obwohl die Schaltung speziell drei Dreiport-UPS in Parallelschaltung zeigt, ist klar, daß die Anzahl der parallelzuschaltenden Dreiport-UPS willkürlich geändert werden kann.

Die Dreiport-UPS 1 bis 3 sind über eine Wechselstrom-Eingangsschiene 5, eine Wechselstrom-Ausgangsschiene 6 und eine Gleichstrom-Eingangsschiene 7 untereinander parallelgeschaltet. Die Wechselstrom-Eingangsschiene 5 ist mit einer netzseitigen Wechselstromversorgungsquelle 9 verbunden. Die Gleichstrom-Eingangsschiene 7 ist an eine Speicherbatterie 10 (im allgemeinen eine Gleichstromversorgungsquelle) angeschlossen und wird über eine Ladeeinheit 12 aus der netzseitigen Versorgungsquelle 9 geladen.

Die Wechselstrom-Ausgangsschiene 6 ist über einen Ausgangsschalter 14 mit einer Ausgangsklemme 15 verbunden. Die netzseitige Versorgungsquelle 9 ist über eine Nebenschlußleitung 17 und einen Nebenschlußschalter 18 an die Ausgangsklemme 15 angeschlossen. Die drei Dreiport-UPS 1 bis 3 sind miteinander durch einen Steuersignalbus 20 verbunden und unterliegen der Synchronisationssteuerung sowie der Betriebsmodussteuerung, wie anschließend näher beschrieben wird.

Die in Fig. 1 dargestellten Dreiport-UPS 1 bis 3 besitzen ein und dieselbe Struktur. Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer typischen Struktur einer UPS.

Der Eisenkern 22 a des Dreiport-Transformators 22 wird durch zwei magnetische Nebenschlüsse 22 d, 22 e in drei Abschnitte unterteilt. Auf diesen Abschnitten sind mehrmals eine Wechselstromeingangswicklung 22 b, eine Wechselrichtereingangswicklung 22 f und eine Ausgangswicklung 22 c aufgebracht.

Die Wechselstromeingangswicklung 22 b ist über einen Leitungsschalter 23 mit der Wechselstrom-Eingangsschiene 5, und die Wechselrichtereingangswicklung 22 f ist über einen Wechselrichterschalter 24 mit der Ausgangsklemme eines Wechselrichters 26 verbunden. Die Ausgangswicklung 22 c ist über einen parallelgeschalteten Schalter 25 an die Wechselstrom-Ausgangsschiene angeschlossen.

Wahlweise können die Schalter 23 und 25 beispielsweise durch ein Paar von Thyristoren in Antiparallelschaltung dargestellt werden. An die Ausgangsseite des Transformators 22 ist eine passende bekannte Spannungsstabilisierungseinheit 25 angeschlossen. Die Eingangsseite des Wechselrichters 26 ist über einen Stromdetektor 37 mit der Gleichstrom-Eingangsschiene 7 verbunden.

Eine Schaltung 27 zur Erzeugung eines Wechselstrom-Eingangssynchronisierungssignals erzeugt Auslöseimpulse (Rückstellsignal), die mit der netzseitigen Versorgungsquelle synchronisiert sind (insbesondere mit den Nulldurchgangspunkten). Der synchronisierte Auslöseimpuls wird über eine Wechselstromquelle des Umlegeschalters 28 an eine Oszillatorschaltung 29 übertragen und dort zum Auslösen der Schaltung benutzt.

Die Wechselrichterüberwachungsschaltung 32 vergleicht die Rechteckwelle eines Wechselrichtertreibers 31 zum Steuern des Wechselrichters 26 mit der Ausgangswelle des Wechselrichters 26 hinsichtlich der Phase und der Impulsbreite. Wenn deren Unterschied den vorgeschriebenen Wert überschreitet, stellt die Überwachungsschaltung fest, daß sich der Wechselrichter 26 in einem anomalen Zustand befindet und liefert ein Störungssignal F.

Das Störungssignal dient nicht nur zur Anzeige und/oder Warnung bezüglich der Anomalie des Wechselrichters durch einen Alarm bzw. zum Öffnen des Wechselrichterschalters 24 und/oder zum Beendigen des Wechselrichterbetriebs, sondern auch zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters 25, um die von einer Störung betroffene Dreiport-UPS aus dem Parallelbetrieb herauszunehmen.

Die Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 überwacht mit Hilfe einer herkömmlichen Methode die netzseitige Versorgungsquelle 9 (beispielsweise basierend auf der möglichen Abweichung des Spannungsniveaus vom Standardwert, vom Frequenzzyklus im Nulldurchgangspunkt, oder von der Spannungswellenform), und sie schaltet bei Erfassung der Anomalie den Umlegeschalter 28 in die entgegengesetzte Stellung um, d. h., an eine IN-Klemme, wie in der Zeichnung dargestellt.

Das Ausgabesignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 wird gleichzeitig an eine Betriebsmodus-Überwachungsschaltung 38 und an die Betriebsmodus-Überwachungsschaltungen der anderen drei parallel arbeitenden Dreiport-UPS gelegt, die nicht dargestellt sind.

Die Betriebsmodus-Überwachungsschaltung 38 ist mit den Detektorausgängen der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltungen 34 der betroffenen Dreiport-UPS und der anderen, parallel geschalteten Dreiport-UPS 2 und 3 verbunden und liefert auf der Basis des Ergebnisses der an diesen Ausgangssignalen der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltungen durchgeführten logischen Operation (die anschließend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird), ein Modussteuersignal und ein Signal zum Parallelausschalten.

Die Betriebsmodussteuerschaltung 39 steuert bei Erfassung des Modussteuersignals einen Phasenschieber 30 an und verzögert, wenn die netzseitige Versorgungsquelle oder die Wechselstromeinspeisung normal ist, die Phase der rechteckigen Wechselrichtertreiberwelle (das Ausgabesignal der Oszillatorschaltung 29), so daß eine substanzielle Annullierung des Eingangsstromes zum Wechselrichter 26 bewirkt wird (was vom Stromdetektor 37 zu erfassen ist). Demgegenüber verschiebt die Betriebsmodussteuerschaltung 39 die Phase der rechteckigen Wechselrichtertreiberwelle nach vorne, wenn die Wechselstromeinspeisung anomal ist, um sie mit der Phase des Wechselstromeingangs in normalem Betriebszustand in Übereinstimmung zu bringen, und sie öffnet gleichzeitig den Leitungsschalter 23, um die netzseitige Versorgungsquelle vom Transformator 22 abzuschalten.

Eine Schaltung 41 zur Erzeugung eines Parallel-Synchronisierungssignal empfängt die rechteckige Ausgangswelle der Oszillatorschaltungen 29 der betreffenden Dreiport-UPS und der anderen, parallelgeschalteten Dreiport-UPS 2 und 3 und liefert, auf der Basis des Ergebnisses der an den rechteckigen Ausgangssignalwellen durchgeführten logischen Operation (die anschließend näher unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wird), einen Synchronisationsauslöseimpuls an die IN-Klemme des Umlegeschalters 28.

Fig. 3 stellt eine Blockschaltung zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform der Betriebsmodus-Überwachungsschaltung 38 dar.

Das Detektorausgangssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 und die Detektorausgangssignale der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltungen der anderen, parallelgeschalteten Dreiport-UPS 2 und 3 werden paarweise jeweils an die UND-Schaltungen 51-53 geliefert.

Bei der hier behandelten Ausführungsform der Erfindung wird daher das Ausgangssignal "1" von irgendeiner der UND-Schaltungen 51-53 erzeugt, wenn die Detektorausgangssignale und zwei der drei Dreiport-UPS 1, 2 und 3 beide eine "1" darstellen, d. h., wenn die Wechselstromeinspeisungen in zwei beliebige Dreiport-UPS als normal beurteilt werden (im allgemeinen durch Anwendung der Mehrheitsentscheidungsregel), oder wenn die Wechselstromeinspeisungen in die vorgeschriebene Anzahl von "m"-Sätzen von Dreiport-UPS innerhalb der Gesamtzahl von "n"-Sätzen als normal beurteilt wird.

Umgekehrt stehen die Ausgangssignale der UND-Schaltungen 51-53 unveränderlich auf "0", wenn die Detektorausgangssignale von zwei beliebigen der drei Dreiport-UPS 1, 2 und 3 beide "0" sind (was im allgemeinen durch Anwendung der Mehrheitsentscheidungsregel festgestellt wird), oder wenn die Wechselstromeinspeisungen in die vorgeschriebene Anzahl von "p"-Sätzen von Dreiport-UPS innerhalb der Gesamtzahl von "n"-Sätzen als anomal beurteilt wird.

Die Ausgangssignale der UND-Schaltungen 51-53 werden über eine ODER-Schaltung 54 an die Betriebsmodussteuerschaltung 39 angelegt. Der entstehende Koinzidenzbetriebsmodus wird für alle Dreiport-UPS 1, 2 und 3 als Betriebsmodus im Parallelbetriebssystem benutzt.

Das Detektorausgangssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 der betreffenden Dreiport-UPS 1 wird mit den Detektorausgangssignalen der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltungen der anderen Dreiport-UPS 2 und 3 kombiniert. Die kombinierten Signale werden an die Exklusiv-ODER-Schaltungen 55 und 56 mit zwei Eingängen geliefert.

Die Exklusiv-ODER-Schaltungen 55 und 56 erzeugen kein Ausgangssignal, wenn das Detektorausgangssignal der betreffenden Dreiport-UPS 1 mit den Detektorausgangssignalen der übrigen Dreiport-UPS 2 und 3 zusammenfällt. Wenn die Detektorausgangssignale der anderen beiden Dreiport-UPS 2 und 3 zusammenfallen, während das Detektorausgangssignal der betroffenen Dreiport-UPS 1 von den anderen Detektorsignalen abweicht, erzeugt jede der beiden Exklusiv-ODER-Schaltungen 55 und 56 ein Ausgabesignal "1", so daß auch die UND-Schaltung 57 ein Ausgangssignal "1" erzeugt.

Da die Ausgangssignale der UND-Schaltung 57 und der Zeitgeberschaltung (oder Verzögerungsschaltung) 58 an die UND-Schaltung 59 geliefert werden, erzeugt die UND-Schaltung 59 ein Ausgabesignal "1", wenn der anormale Zustand der betroffenen Dreiport-UPS über die vorgeschriebene Zeit hinaus andauert. Das Ausgangssignal bildet selber ein Freigabesignal F zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters 25.

Fig. 4 stellt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform der Schaltung 41 zur Erzeugung des Parallel-Synchronisierungssignals dar.

Eine Impulserzeugungsschaltung (wie beispielsweise ein monostabiler Multivibrator) 61 erhält ein rechteckiges Ausgangssignal von der Oszillatorschaltung 29 und erzeugt einen Auslöseimpuls, der mit der Vorderflanke der entsprechenden Rechteckwelle synchronisiert ist. Andere Impulserzeugungsschaltungen 62 und 63 werden in ähnlicher Weise mit rechteckigen Ausgangssignalen von (nicht dargestellten) Oszillatorschaltungen der anderen beiden Dreiport-UPS 2 und 3 angesteuert und liefern einen Auslöseimpuls, der mit der Vorderflanke jeder der Rechteckwellen synchronisiert ist.

Die Auslöseimpulse werden paarweise an die UND-Schaltungen 63-67 angelegt. Bei der vorliegenden Ausführungsform erzeugt daher jeder der UND-Schaltungen 65-67 ein Ausgangssignal, wenn die Phasen der von den Oszillatorschaltungen und zwei beliebigen der drei Dreiport-UPS 1, 2 und 3 gelieferten Rechteckwellen miteinander zusammenfallen.

Die von den UND-Schaltungen 65-67 gelieferten Impulse werden über eine ODER-Schaltung 68 an die IN(Wechselrichter bzw. Inverter)-Klemme des Umlegeschalters 28 angelegt und dienen als Auslöseimpulse der allen, im Betrieb parallelarbeitenden Dreiport-UPS 1, 2 und 3 gemeinsamen Oszillatorschaltung 29, wobei der Betrieb im Wechselrichtermodus erfolgt.

Durch die oben beschriebene Art und Weise wird die Synchronisation zwischen den Wechselrichtern der parallelarbeitenden Dreiport-UPS 1, 2 und 3 gewährleistet.

Mit dem Schaltungsaufbau nach Fig. 4 kann eine logische Multiplikation normalerweise wegen der obenerwähnten Phasenabweichung nicht durchgeführt werden, wenn die von den Impulserzeugungsschaltungen 61-63 gelieferten Auslöseimpulse nur eine übermäßig kleine Breite besitzen (weniger als beispielsweise 6-10 µs). Gewünschtenfalls wird diese Schwierigkeit durch vorheriges Einstellen der Breite des Ausgangsimpulses der Impulserzeugungsschaltungen 61-63 auf einen geeigneten größeren Betrag korrigiert (beispielsweise 200 µs, wobei ein zusätzlicher Impulsgenerator (nicht dargestellt) mit dem Zweck angesteuert wird, als Antwort auf die Ausgangsimpulse der ODER-Schaltungen 68 Auslöseimpulse schmalerer Breite zu erzeugen und diese an die IN-Klemme des Umlegeschalters 28 anzulegen.

Fig. 5 stellt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer spezifischen Ausführungsform einer Synchronisationsüberwachungsschaltung 43 auf.

Die rechteckförmigen Ausgangssignale der Oszillatorschaltungen 29 der betroffenen Dreiport-UPS 1 und der anderen, parallelgeschalteten Dreiport-UPS 2 und 3 werden paarweise an die Exklusiv-ODER-Schaltungen 71 und 72 mit zwei Eingängen angelegt. Die Exklusiv-ODER-Schaltungen 71 und 72 erzeugen kein Ausgangssignal, und dementsprechend erzeugt auch die Synchronisationsüberwachungsschaltung 43 kein Ausgangssignal, während die Phase des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung 29 der betroffenen Dreiport-UPS 1 mit derjenigen der Ausgangssignale der Oszillatorschaltungen der anderen beiden Dreiport-UPS 2 und 3 zusammenfällt.

Wenn die Phase des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung 29 der Dreiport-UPS 1 von derjenigen der Ausgangssignale der Oszillatorschaltungen der beiden anderen Dreiport-UPS 2 und 3 abweicht, gehen die Ausgänge des Paares der Exklusiv-ODER-Schaltungen 71 und 72 auf "1", so daß die UND-Schaltung 73 das Ausgabesignal "1" erzeugt.

Die Ausgabe "1" der UND-Schaltung 73 wird, ähnlich wie im Falle der Betriebsmodusüberwachungsschaltung nach Fig. 3, an eine Zeitgeberschaltung (oder Verzögerungsschaltung) 74 angelegt, und dann werden beide Ausgaben der UND-Schaltung 73 und der Zeitgeberschaltung 74 an eine UND-Schaltung 75 angelegt.

Als Ergebnis erzeugt die UND-Schaltung 75 ein Ausgangssignal, wenn der Zustand, hinsichtlich dessen das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 29 von demjenigen der anderen Dreiport-UPS 2 und 3 abweicht, über die vorgeschriebene Zeit hinaus andauert. Das Ausgangssignal wird als ein Parallelabschaltungs- oder Freigabesignal F zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters 25 verwendet.

Allgemein kann die Exklusiv-Logik-Operation zur Überwachung der Synchronisation während des Parallelbetriebs einer Vielzahl von Dreiport-UPS in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Konzeption passend eingestellt werden. Da die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß eine Vielzahl von Dreiport-UPS gleichzeitig eine Phasenabweichung entwickelt, genügt es praktisch, die Synchronisation zwischen dem betroffenen und daher zu überwachenden Dreiport-UPS und jedem der übrigen Dreiport-UPS zu überwachen.

Im folgenden soll die Betriebsweise der bisher beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Die Inbetriebnahme der Komponenten-Dreiport-UPS 1 des Parallelbetriebssystems gemäß der Erfindung wird durch die konventionelle, weiter unten beschriebene Startfolgesteuerung herbeigeführt.

Wenn die Unterbrecher der netzseitigen Wechselstromversorgungsquelle und der Gleichstromversorgungsquelle (nicht dargestellt) an der Eingangsseite der Dreiport-UPS 1 ausgeschaltet sind, sind auch der Leitungsschalter 23, der Wechselrichterschalter 24 und der paralleleinschaltende Schalter 35 unveränderlich geöffnet und der Wechselrichter 23 ist außer Betrieb, während die Versorgungsquelle der Steuerschaltung des Dreiport-UPS 1 eingeschaltet ist. Infolgedessen wird die Oszillatorschaltung 29 durch ein internes Rückstellsignal ausgelöst und beginnt mit einer Frequenz zu schwingen, die im wesentlichen der Frequenz der netzseitigen Leistungsversorgungsquelle entspricht.

Der Wechselrichter 26 wird durch Schließen des Unterbrechers der Gleichstromversorgungsquelle an der Eingangsseite der UPS 1 in Betrieb gesetzt. Da gleichzeitig der Wechselrichterschalter 24 eingeschaltet wird, wird auch der Dreiport-Transformator 22 erregt.

Wenn der Unterbrecher der netzseitigen Versorgungsquelle an der Eingangsseite der UPS 1 geschlossen ist, wird die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung 29 auf einen Wert abgesenkt, der geringfügig kleiner als die Netzfrequenz der netzseitigen Versorgungsquelle ist. Wenn die Phase des von der Oszillatorschaltung 29 erzeugten Rechtecksignals mit derjenigen des Wechselstromeingangs übereinstimmt, wird die Oszillatorschaltung 29 durch die Nulldurchtrittssignale der Schaltung 27 zur Erzeugung des Wechselstrom-Eingangssynchronisierungssignals angesteuert und beginnt, präzise mit dem Wechselstromeingang synchronisierte Rechteckwellen zu erzeugen.

Wenn die Synchronisation des Wechselrichters 26 mit dem Eingang der netzseitigen Versorgungsquelle in der Weise wie oben beschrieben bestätigt ist, wird der Leitungsschalter 23 unter der Bedingung eingeschaltet, daß die Wechselrichterüberwachungsschaltung 32 das normale Funktionieren des Wechselrichters 26 erkannt hat.

Gleichzeitig steuert die Betriebsmodussteuerschaltung 39 den Phasenschieber 30 an, damit dieser die Phase der von der Oszillatorschaltung 29 erzeugten Rechteckwellen derart verzögert, daß der vom Wechselrichterstromdetektor 37 erfaßte Strom Null ist, so daß der Wechselrichter 26 daran gehindert wird, Laststrom zu führen. Daraufhin beginnt die Dreiport-UPS 1 ihren Betrieb im Normalmodus.

Die anderen Dreiport-UPS 2 und 3 werden in der oben beschriebenen Weise in Betrieb gesetzt und auf den normalen Betriebsmodus eingestellt. Da die zum Starten der einzelnen Dreiport-UPS erforderlichen Zeiten nicht gleich sind, erfordert das parallele Betreiben dieser Dreiport-UPS für die Inbetriebnahme die folgende besondere Startfolgesteuerung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden beispielsweise, nachdem zunächst bestätigt wurde, daß die Dreiport-UPS 1 und 2 den Normalmodusbetrieb aufgenommen haben, die entsprechenden parallelschaltenden Schalter 25 gleichzeitig geschlossen, um den Parallelbetrieb dieser beiden Dreiport-UPS 1 und 2 einzuleiten. Als nächstes wird, wenn anschließend die Dreiport-UPS 3 den Normalmodusbetrieb aufgenommen hat, der parallelschaltende Schalter 25 für die UPS 3 geschlossen, um den Parallelbetrieb der drei Dreiport-UPS 1, 2 und 3 im Normalmodusbetrieb zu vervollständigen.

Jetzt sind alle Dreiport-UPS einwandfrei synchronisiert, weil die Oszillatorschaltungen 29 aller Dreiport-UPS 1, 2 und 3 durch die mit dem Nulldurchgangssignal der einzigen netzseitigen Versorgungsquelle, die den gemeinsamen Wechselstromeingang bildet, synchronisierten Auslöseimpulse gesteuert werden.

In Fällen, in denen die Wechselrichter der drei Dreiport-UPS 1-3 im normalen Parallelbetriebsmodus, wie oben beschrieben, unveränderlich normal arbeiten und auch die netzseitige Versorgungsquelle 9, die als Wechselstromeingang dient, ebenfalls normal arbeitet, erzeugt die in Fig. 2 dargestellte Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 das Signal "1", das die Normalität des Wechselstromes anzeigt, während der Umlegeschalter 28 mit der Wechselstromklemme verbunden ist, wie dargestellt.

Die Schaltung 27 zur Erzeugung des Wechselstrom-Eingangssynchronisierungssignals erzeugt Auslöseimpulse, die mit den Nulldurchgängen der netzseitigen Versorgungsquellenspannung synchronisiert sind, und veranlaßt dementsprechend die Oszillatorschaltung 29, Rechteckwellen mit der gleichen Phase als derjenigen der Nulldurchgänge der netzseitigen Versorgungsquellenspannung zu erzeugen.

Die von den Oszillatorschaltungen der Dreiport-UPS 1, 2 und 3 erzeugten Rechteckwellen besitzen identische Phasen, weil die Oszillatorschaltungen der anderen beiden, parallelarbeitenden Dreiport-UPS 2 und 3 Rechteckwellen mit der gleichen Phase wie derjenigen der Nulldurchgänge der netzseitigen Versorgungsquellenspannung erzeugen.

Als Ergebnis erzeugen die Impulserzeugungsschaltungen 61-63 der Schaltungen 41 zur Erzeugung des Parallelsynchronisierungssignals phasenrichtige Auslöseimpulse, welche an die IN-Klemme des Umlegeschalters 28 gelegt werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich hervorgeht, sind die beiden Auslöseimpulssätze, die von der Schaltung 27 zur Erzeugung des Wechselstrom-Eingangssynchronisierungssignals und der Schaltung 41 zur Erzeugung des Parallel-Synchronisierungssignals ausgegeben werden, exakt synchronisiert und untereinander phasengleich.

Die Ausgabesignale der UND-Schaltungen 51-53 der Betriebsmodusüberwachungsschaltung 38 bleiben unverändert auf "1", weil die Ausgabesignale der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltungen 34 aller parallel arbeitender Dreiport-UPS 1, 2 und 3, d. h. die Eingabesignale in die Betriebsmodusüberwachungsschaltungen 38, alle identisch sind.

Infolgedessen ist das von der ODER-Schaltung 54 erzeugte Modussteuersignal "1", während die Modussteuerschaltung 39 den Leitungsschalter 23 schließt und gleichzeitig den Phasenschieber 30 steuert, um den Wechselrichtertreiber 31 zu veranlassen, den Wechselrichter 26 in den Wartezustand zu versetzen. Genauer gesagt, wird die Phase der von den Oszillatorschaltungen 29 erzeugten Rechteckwellen verzögert, derart, daß der Eingangsstrom des Wechselrichters 26 auf Null gehalten und der Wechselrichter daran gehindert wird, Laststrom zu führen. Eine Steuerung dieser Art ist Fachleuten bekannt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Wechselrichterschalter 24 im EIN-Zustand.

In der Zwischenzeit sind die Ausgabesignale der beiden Exklusiv-ODER-Schaltungen 55, 56 der Schaltung 38 ebenfalls "0", und auch das Ausgabesignal der Synchronisationsüberwachungsschaltung 43 ist "0". Die Folge ist, daß das Paralleleinschaltungssignal F, welches von der Betriebsmodusüberwachungsschaltung 38 und der Synchronisationsüberwachungsschaltung 43 ausgegeben wird, ebenfalls "0" ist, mit dem Ergebnis, daß der paralleleinschaltende Schalter 25 geschlossen bleibt.

Der Parallelbetrieb im Normalmodus der Dreiport-UPS 1, 2 und 3 läuft, wie oben beschrieben, ab. Während die Wechselstromeinspeisung normal verläuft, weil sich der Wechselrichter im Wartezustand befindet (der Eingangsstrom ist Null), wird praktisch der gesamte Laststrom von der netzseitigen Versorgungsquelle 9 über den Leitungsschalter 23 und den Dreiport-Transformator 22 an die Last geliefert. Weiter wird jetzt die Speicherbatterie 10 von der netzseitigen Versorgungsquelle 9 über die Ladeeinheit 12 geladen. Natürlich kann die Speicherbatterie durch eine andere geeignete Gleichstromversorgungsquelle ersetzt werden.

Wenn sich im Laufe des oben beschriebenen Parallelbetrieb im Normalmodus in der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 eine Anomalie aufbaut, erzeugen die Exklusiv-ODER-Schaltungen 55 und 56 sowie die UND-Schaltung 57 der Betriebsmodusüberwachungsschaltungen 38 jeweils die Ausgaben "1"; und wenn die Ausgaben "1" über die vorgeschriebene Zeit hinaus bestanden haben, wird das Parallelausschaltungssignal F ausgegeben. Daraufhin wird der paralleleinschaltende Schalter 25 geöffnet und die betreffende Dreiport-UPS 1 aus dem Parallelbetrieb herausgenommen.

Wenn der Wechselrichter 26 ein abweichendes Verhalten entwickelt, gibt die Wechselrichterüberwachungsschaltung 32, welche das Wechselrichtertreibersignal und das Ausgangssignal des Wechselrichters 26 vergleicht, ein Anomaliesignal aus. Daraufhin werden der Wechselrichterschalter 24 und der parallelschaltende Schalter 25 geöffnet und die Dreiport-UPS 1 aus dem Parallelbetrieb herausgenommen.

Die Effektivleistung P der Dreiport-UPS wird durch folgende Formel (1) dargestellt:

P = V 0 · V 1 sin R/ω L (1)

In der Formel bedeutet:

V 0 - die Ausgangsspannung;
V 1 - die Eingangsspannung;
R - der Phasenunterschied zwischen der Engangs- und der Ausgangsspannung;
L - die Streuinduktivität des Dreiport-Transformators; und
ω - die Winkelfrequenz.

Die Effektivleistung der Dreiport-UPS ist der Streuinduktivität umgekehrt proportional. Dadurch, daß für den Parallelbetrieb die Streuinduktivität der Dreiport-UPS umgekehrt proportional zu ihren Ausgabekapazitäten gewählt wird, kann die Last proportional zu den Wechselrichterkapazitäten der parallelarbeitenden Dreiport-UPS aufgeteilt werden, ohne daß dazu spezielle Laststeuermittel benötigt werden.

Wenn einmal die vorgenannte Beschaltung eingerichtet ist, kann der Parallelbetrieb selbst dann mit der richtigen Lastverteilung fortgesetzt werden, wenn eine der parallelarbeitenden Dreiport-UPS unter mehreren ein abweichendes Verhalten entwickelt, und zwar ohne daß spezielle Steuermittel herangezogen werden (wie beispielsweise Mittel zur Neueinstellung der Lastverteilung).

Falls die netzseitige Versorgungsquelle 9 während des Parallelbetriebs im Normalmodus versagt, gibt die Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung 34 der Dreiport-UPS 1 ein Wechselstromanomaliesignal "0" aus, mit der Folge, daß der Umlegeschalter 28 von der Wechselstromseite auf die IN-Seite umgeschaltet wird, und die Oszillatorschaltung 29 von Auslöseimpulsen der Schaltung 41 zur Erzeugung des Parallel-Synchronisierungssignals gesteuert wird.

Da die Auslöseimpulse auf der Wechselstromseite und auf der IN-Seite so eingeregelt worden sind, daß sie genau identische Phasen besitzen, wie oben beschrieben wurde, wird die Phase der von der Oszillatorschaltung 29 erzeugten Rechteckwellen nicht verändert, sondern kann ihr Gleichmaß beibehalten.

Wenn das Wechselstromanomaliesignal "0" ausgegeben wird, erzeugen die UND-Schaltungen 51-53 und die ODER-Schaltung 54 der Betriebsmodusüberwachungsschaltung 38 das Ausgangssignal "0", und die Modussteuerschaltung 39 öffnet den Leitungsschalter 23 und schaltet gleichzeitig den Wechselrichter 26 von Wartemodus auf Betriebsmodus oder Wechselrichtermodus um.

Im einzelnen wird der Phasenschieber 30 so gesteuert, daß die Phasenverschiebungen zwischen den von den Oszillatorschaltungen 29 erzeugten Rechteckwellen verschwindet. Mit anderen Worten werden die Phasen der Rechteckwellen in Übereinstimmung mit der von dem Auftreten der Anomalie bestehenden Phase der netzseitigen Versorgungsquelle 9 gebracht, wodurch der Wechselrichter 26 veranlaßt wird, einen Laststrom abzugeben, der demjenigen entspricht, welchen der Wechselstromeingang der netzseitigen Versorgungsquelle vor dem Auftreten der Anomalie geliefert hat. Eine Steuerung dieser Art ist Fachleuten bekannt.

In der Zwischenzeit bleiben die Ausgabesignale der Exklusiv-ODER-Schaltungen 55 und 56 und der UND-Schaltungen 57 und 59 der Betriebsmodus-Überwachungsschaltung 28 unverändert, so daß auch das Ausgangssignal der Synchronisationsüberwachungsschaltung 43 nicht verändert wird. Damit wird keine Maßnahme zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters 25 ausgeführt.

Wenn die Abweichung, wie oben beschrieben, in der Wechselstromeingabe auftritt, werden alle Dreiport-UPS 1-3 gleichzeitig von Wartemodus auf Wechselrichtermodus umgeschaltet, um den Zustand des Wechselrichtermodus im Parallelbetrieb herbeizuführen.

Das Umschalten auf Parallelbetrieb im Wechselrichtermodus als Reaktion auf die Anomalie in der Wechselstromeingabe wird bei allen parallelgeschalteten Dreiport-UPS im wesentlichen augenblicklich erreicht, weil die Erfassung der Anomalie in der Wechselstromeingabe früh und schnell ausgeführt wird. Es brauchen also keine Vorkehrungen bezüglich der Aufteilung der Last auf die Dreiport-UPS während des Umschaltens getroffen werden.

Wenn die Wechselstromversorgung wiederhergestellt und der Parallelbetrieb im Normalmodus wieder im Laufe des Parallelbetriebs im Wechselrichtermodus aufgenommen worden ist, besteht die Möglichkeit der Lastverteilung auf die die Gleichgewichtsbelastung verlierende Dreiport-UPS, weil die Erkennung der Wiederherstellung der Normalität der Wechselstromversorgung relativ lange Zeit benötigt, und die für die Erkennung benötigte Zeit oft zwischen den Dreiport-UPS schwankt.

Die oben erwähnte Möglichkeit soll jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben werden. Fig. 6 zeigt eine Äquivalentschaltung der parallelgeschalteten Versorgungsquelle nach Fig. 1 in dem Zeitpunkt, in dem beim Dreiport-UPS 1 der Leitungsschalter 23 eingeschaltet, aber der Wechselrichter 26 noch nicht in den Wartezustand getreten ist und die Ausgabe mit der netzseitigen Versorgungsquelle in Phase ist, während die Dreiport-UPS 2 und 3 bereits auf Normalbetriebsmodus übergegangen sind (mit den entsprechenden Wechselrichtern im Wartezustand).

Zur Vereinfachung der Erläuterung sei angenommen, daß alle Dreiport-UPS 1-3 die gleiche Kapazität besitzen und daß demgemäß die durch die magnetischen Nebenschlüsse 22 d, 22 e des Dreiport-Transformators 22 gebildeten Streuinduktivitäten auf die gleiche Größe L eingestellt sind. Unter dieser Annahme ist der innere Scheinwiderstand der Dreiport-UPS 1 halb so groß wie derjenigen der Dreiport-UPS 2 oder 3.

Da die von jeder Dreiport-UPS übernommene Last umgekehrt proportional zur Größe ihrer Streuinduktivität ist, wie oben beschrieben, muß die Dreiport-UPS 1 zweimal soviel Leistung übernehmen wie die anderen Dreiport-UPS 2 oder 3. Daraus folgt der Nachteil, daß die Lastverteilung nicht länger proportional zu den Kapazitäten der Dreiport-UPS bleibt.

Da weiter der Spannungsstabilisator 351 der Dreiport-UPS 1 nachteiligerweise eine übermäßig vergrößerte Belastung aufweist, unterstützen die Spannungsstabilisatoren 352 und 353 der anderen Dreiport-UPS 2 und 3 den unter hoher Belastung stehenden Spannungsstabilisator 351 und induzieren dementsprechend einen Blindstrom zwischen den Dreiport-UPS 1, 2 und 3. Der Blindstrom verursacht nicht nur Verluste in den parallelgeschalteten Leistungsversorgungsvorrichtungen, sondern gefährdet auch die Stabilität des Systems. Die Betriebsmodusüberwachungsschaltung 38 der vorliegenden Erfindung dient dazu, die oben beschriebenen nachteiligen Phänomene auszuschließen. Genauer gesagt, geben die UND-Schaltungen 51-53 und die ODER-Schaltung 54 der Betriebsmodus-Überwachungsschaltung 38 ein Modussteuersignal aus, wenn die vorgeschriebene Zahl der parallel arbeitenden Dreiport-UPS vom Wechselrichtermodus auf Normalbetriebsmodus umgeschaltet werden. Es werden also alle parallel arbeitenden Dreiport-UPS gleichzeitig mit der gleichen Zeiteinstellung auf den Normalmodus umgeschaltet. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurden die Dreiport-Transformatoren 22 als Transformatoren mit magnetischen Nebenschlüssen beschrieben, die die so gebildete Streuinduktivität als Gleichstrominduktivität benutzen. Wahlweise können die Dreiport-Transformatoren 22 auch mit äußeren Drosselspulen versehen werden.

Die Betriebsmodusüberwachungsschaltungen 38 und die Schaltungen 41 zur Erzeugung des Parallel-Synchronisierungssignals wurden als Schaltungen beschrieben, von denen mehrere in den einzelnen Dreiport-UPS installiert sind. Wahlweise kann eine einzelne Betriebsmodus-Überwachungsschaltung und eine einzelne Schaltung zur Erzeugung des Parallel-Synchronisierungssignals vorgesehen werden, die von allen parallel arbeitenden Dreiport-UPS gemeinsam benutzt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird der Magnetkern des Transformators 22 als ein Magnetkern beschrieben, der durch ein Paar von magnetischen Nebenschlüssen 22 d, 22 e in drei Abschnitte unterteilt ist, wobei die Ausgangswicklung 22 c auf dem mittleren Abschnitt angebracht ist. Wenn die Ausgangswicklung auf einem Endabschnitt angebracht wird, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 45 56 802 des Anmelders der vorliegenden Erfindung offenbart ist, kann die Steuerung des Wechsels von Normalbetriebsmodus auf Wechselrichtermodus der Dreiport-UPS einfach und genau durchgeführt werden.

Bei den vorausgehenden Ausführungsformen wurden unabhängige Transformatoren für jede der drei Wechselstromphasen beschrieben. Wahlweise können die Magnetkerne aber auch in Gestalt eines dreieckigen Prismas (oder in Delta-Form) ausgeführt werden, wie in der Patentbeschreibung der US-Patentanmeldung, Serial No. 2 13 257 des Anmelders der vorliegenden Erfindung offenbart ist.

Insbesondere sind die drei Transformatoren für drei Phasen im wesentlichen entlang der Kanten eines dreieckigen Prismas angeordnet, und zwar in der Weise, daß die rechteckigen magnetischen Kerne zweier beliebiger benachbarter Transformatoren parallel zueinander unter Bildung dreier paariger Schenkel angeordnet sind. Dann wird eine gemeinsame Wicklung auf die dreipaarigen Schenken aufgebracht.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform, die von den Zeichnungen der US-Patentanmeldung, Serial No. 2 13 257 übernommen wurde, sind drei Transformatoren TS 1 bis TS 3 jeweils aus einem rechteckigen, rahmenförmigen Eisenkern (oder einem magnetisch durchlässigen Kern) aufgebaut, der ein entsprechendes Paar von magnetischen Nebenschlüssen MS 11 und MS 12, MS 21 und MS 22, oder MS 31 und MS 32 aufweist (die teilweise in der Zeichnung nicht sichtbar sind), die drei Wicklungsabschnitte oder Fenster bilden.

Die Transformatoren sind annähernd in Gestalt der drei Seitenflächen eines dreieckigen Prismas angeordnet, wobei die benachbarten Schenkel von zwei oder drei Transformatoren nebeneinanderstehen, wie in Fig. 7 dargestellt. Auf den benachbarten Schenkelpaaren jedes der drei Paare benachbarter Schenkel sind gemeinsame Wicklungen aufgebracht. Da die Eisenkerne jeweils durch Paare von magnetischen Nebenschlüssen in drei Wicklungsabschnitte unterteilt sind, wie oben beschrieben, sind die Wicklungen aus einer einzelnen Wicklung für jedes Paar benachbarter Wicklungsabschnitte jedes benachbarten Magnetkernpaares gebildet.

In der Mitte der benachbarten Magnetkernpaare ist ein Satz Ausgangswicklungen 91, 92 und 93 in den entsprechenden Sekundärwicklungsabschnitten angebracht. Zwei Sätze von Eingangswicklungen 101-103 und 81-83 sind jeweils in den entsprechenden ersten und dritten Wicklungsabschnitten im oberen und unteren Teil der benachbarten Magnetkernpaare angeordnet.

Durch die in der beschriebenen Weise angebrachten gemeinsamen Wicklungen kann eine einzelne Wicklung äquivalent für zwei Wicklungen arbeiten. Bei einem solchen Aufbau kann daher die Anzahl der Wicklungen auf die Hälfte verringert werden, was nötig ist, wenn die Wicklungen jeweils einzeln auf jedem der Transformatoren angebracht werden. Weiter können Phasenverschiebungen zwischen den Ausgangsspannungen verringert werden, die auftreten, wenn die Versorgungsquelle oder/und die Last aus dem Gleichgewicht geraten.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ergeben sich durch die Erfindung folgende Wirkungen.

• (1) Durch vorheriges Einstellen der Streuinduktivitäten (innere Induktivitäten) der Dreiport-UPS in der Weise, daß sie umgekehrt proportional zu den Leistungsabgabekapazitäten der Dreiport-UPS sind, kann die Aufteilung des Laststromes proportional zu den Ausgangsleistungskapazitäten der normalerweise parallel arbeitenden Dreiport-UPS erfolgen, ohne daß dazu spezielle Steuermittel benötigt werden.
• (2) Während des Betriebs im Wechselrichtermodus kann jede Verschiebung der Synchronisation zwischen den Wechselrichtern oder jeder Phasenunterschied zwischen den Ausgangsspannungen im wesentlichen zum Verschwinden gebracht werden, wobei der Kreisstrom auf ein Minimum herabgedrückt wird, weil die Phasen der Auslöseimpulse der Oszillatorschaltung bei allen Dreiport-UPS durch die Schaltung zur Erzeugung des Parallel-Synchronisierungssignals phasengleich gehalten werden kann.
• (3) Das Umschalten zwischen Normalbetriebsmodus und Wechselrichtermodus kann für alle Dreiport-UPS gleichzeitig durchgeführt werden, und zwar auf der Basis einer zweckmäßigen vorgeschriebenen Logikoperation (z. B. der Mehrheitsentscheidungsregel) oder der Koinzidenz bezüglich eines festgestellten Pegels), welche aufgrund der Modusunterscheidungssignale der Dreiport-UPS durchgeführt wird. Somit werden das Ungleichgewicht der Lastverteilung, das Auftreten von Kreisströmen, die Systeminstabilität, etc. aufgrund fehlender Koinzidenz der Zeitsteuerung beim Schalten vermieden.
• (4) Beim Parallelabschalten einer bestimmten, von einer Störung betroffenen Dreiport-UPS aus dem Parallelbetrieb kann, da die Anstiegsrate des Kurzschlußstromes im Falle beispielsweise eines Kurzschlusses durch die obenerwähnte Streuinduktivität (innere Induktivität) unterdrückt wird, die für die Erfassung des Kurzschlusses oder für das Parallelausschalten der gestörten UPS zulässige Zeitdauer verlängert und die Struktur der Erfassungs- und Schutzmittel im Interesse niedriger Kosten und hoher Zuverlässigkeit des Systems vereinfacht werden.

Claims (18)

1. Gerät für den Parallelbetrieb einer Vielzahl von nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen (1-3), der parallel zwischen einer Wechselstrom(AC)-Eingangsversorgungsquelle (9) und einer Ausgangsklemme (6) angeschlossen ist, wobei jede der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen folgende Komponenten aufweist: einen Dreiwicklungstransformator (22) mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wicklung (22 b, 22 f und 22); einen Wechselstromeingang (5) der über eine erste induktive Komponente mit der ersten Wicklung (22 b) des Transformators verbunden ist; einen Wechselrichter (26), der über eine zweite induktive Komponente mit der zweiten Wicklung (22 f) des Transformator verbunden ist; eine Ausgangsklemme (6), die durch einen parallelschaltenden Schalter (25) mit der dritten Wicklung (22 c) des Transformators verbunden ist; Wechselrichtersteuermittel (31) zum Steuern des Wechselrichters (26) synchron mit dem Wechselstromeingang; eine Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung (34) zum Erfassen des Normalitäts- oder Abnormalitätszustandes des Wechselstromeinganges; und Betriebsartsteuermittel (39) zum Steuern der Schaltvorgänge des Wechselrichters in Übereinstimmung mit dem Ausgangserkennungssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung (34) zwischen einem Bereitschaftsmodus, bei dem der Wechselrichter keinen Ausgangsstrom erzeugt, und einem Wechselrichtermodus, bei dem ein Ausgangsstrom erzeugt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter folgende Komponenten aufweist:

• - Betriebsmodusüberwachungsmittel (38) zum Durchführen einer logischen Operation am Ausgangserkennungssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung (34) jeder der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen (1-3) und zum Anlegen des Ergebnissignals der logischen Operation als Betriebsartsteuersignal an die Betriebsartsteuermittel (39).

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichtertreibermittel eine Oszillatorschaltung (29), welche durch das Nulldurchgangspunktsignal der Wechselstrom-Eingangsspannungswellenform ausgelöst wird, einen Phasenschieber (30) zur Durchführung einer Phasenverschiebung der von der Oszillatorschaltung gelieferten Ausgangswellenform, und einen Wechselrichtertreiber (31) aufweist, der den Wechselrichter mit dem Ausgangssignal des Phasenschiebers steuert:

• - wobei die nichtunterbrechbare Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung weiter Mittel (41) zur Erzeugung eines Parallel-Synchronisierungssignals zur Durchführung einer Logikoperation am Ausgangssignal der Oszillatorschaltung (29) jeder der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen durchführt, die in Parallelbetrieb gebracht werden können, wobei bei Erkennen einer Anomalie in der Wechselstromeingangsleistung durch die Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung (34) das Ergebnis der logischen Operation als Auslöseimpuls an die Oszillatorschaltung geliefert wird.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichtertreibermittel eine Oszillatorschaltung (29), welche durch das Nulldurchgangspunktsignal der Wechselstrom-Eingangsspannungswellenform ausgelöst wird, einen Phasenschieber (30) zur Durchführung einer Phasenverschiebung der von der Oszillatorschaltung gelieferten Ausgangswellenform, und einen Wechselrichtertreiber (31) aufweist, der den Wechselrichter mit dem Ausgangssignal des Phasenschiebers steuert;

• - wobei die nichtunterbrechbare Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung weiter Synchronisationsüberwachungsmittel (43) zur Durchführung einer Logikoperation am Ausgangssignal der Oszillatorschaltung (29) jeder der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen aufweist, die in Parallelbetrieb gebracht werden können,
• - und die, wenn die Unterschiede zwischen der Phase des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung einer der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen und den Phasen der Ausgangssignale der Oszillatorschaltungen der übrigen nichtunterbrechbaren, parallelarbeitenden Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen den vorgeschriebenen Wert überschreiten, ein Parallelausschaltungssignal zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters (25) der betreffenden nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung ausgeben.

5. Gerät nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter Betriebsmodusüberwachungsmittel (38) zum Durchführen einer Logikoperation am Ausgangserfassungssignal der Wechselstrom-Eingangsleistungsüberwachungsschaltung (34) jedes der parallel arbeitenden, nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen aufweist, wobei die Mittel das Ergebnis der logischen Operation als Modussteuersignal an die Betriebsmodussteuermittel (39) liefern.

6. Gerät nach den Ansprüchen 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter Synchronisationsüberwachungsmittel (43) zum Durchführen einer logischen Operation am Ausgangssignal der Oszillatorschaltung zur Steuerung des Wechselrichters in jeder der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen aufweist, die in Parallelbetrieb gebracht werden können, und die, wenn die Unterschiede zwischen der Phase des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung einer der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen und den Phasen der Ausgangssignale der Oszillatorschaltungen der übrigen nichtunterbrechbaren, parallelarbeitenden Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen den vorgeschriebenen Wert überschreiten, ein Parallelausschaltungssignal zum Öffnen des parallelschaltenden Schalters (25) der betreffenden nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung ausgeben.

7. Gerät nach den Ansprüchen 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmodusüberwachungsmittel (38) in jeder der nichtunterbrechbaren, parallelzuschaltenden Dreiport-Versorgungsquellen angeordnet sind.

8. Gerät nach den Ansprüchen 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziges Betriebsmodusüberwachungsmittel (38) gemeinsam für die nichtunterbrechbaren, parallelzuschaltenden Dreiportversorgungsquellen vorhanden ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (41) zur Erzeugung des Parallelsynchronisierungssignals in jeder der nichtunterbrechbaren, parallelzuschaltenden Dreiportversorgungsquellen angebracht ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziges Mittel (41) zur Erzeugung eines Parallelsynchronisierungssignals gemeinsam für die nichtunterbrechbaren, parallelzuschaltenden Versorgungsquellen vorhanden ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Synchronisationsüberwachungsmittel (43) in den nichtunterbrechbaren, parallelzuschaltenden Dreiport-Versorgungsquellen angeordnet ist.

12. Gerät nach den Ansprüchen 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmodusüberwachungsmittel (38) eine logische Operation am Erfassungsausgangssignal der Wechselstrom-Einspeiseüberwachungsschaltung (34) jeder nichtunterbrechbaren Dreiport-Versorgungsquelle ausführt, und daß sie, wenn sich das Erfassungsausgangssignal der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltung (34) einer der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen von den Erfassungsausgangssignalen der Wechselstrom-Eingangsüberwachungsschaltungen der übrigen nichtunterbrechbaren, parallelarbeitenden Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen unterscheidet, die Ergebnisse der logischen Operation als ein Parallelauschaltungssignal für die betreffende einzelne nichtunterbrechbare Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung ausgibt.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ersten und zweiten induktiven magnetischen Komponenten eine Streuinduktivität ist, die durch die am magnetisch durchlässigen Kern (22 a) des Dreiwicklungstransformators (22) gebildeten magnetischen Nebenschlüsse (22 d, 22 e) erzeugt wird.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ersten und zweiten induktiven Komponenten eine Drosselspule ist, die in Reihe mit der entsprechenden Eingangswicklung des Dreiwicklungstransformators (22) geschaltet ist.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der ersten und zweiten induktiven Komponente jeder der nichtunterbrechbaren Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtungen so eingestellt sind, daß sie umgekehrt proportional zu den entsprechenden Ausgangsleistungskapazitäten sind.

16. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch durchlässige Kern (22) des Dreiwicklungstransformators mit Hilfe zweier magnetischer Nebenschlüsse (22 d, 22 e) in drei Abschnitte, bestehend aus einem mittleren und zwei endseitigen Abschnitten, unterteilt ist, wobei die dritte Wicklung (22 c) auf einem Endabschnitt und die erste und die zweite Wicklung (22 b und 22 f) auf den übrigen beiden Abschnitten aufgebracht ist.

17. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgangsklemme ein Spannungsstabilisator (35) angeschlossen ist.

18. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtunterbrechbare Dreiport-Leistungsversorgungseinrichtung in Dreiphasenschaltung ausgeführt ist und die drei Transformatoren (TS 1-TS 3) im wesentlichen entlang der Kanten eines dreieckigen Prismas angeordnet sind, in der Weise, daß die rechteckigen, magnetisch durchlässigen Kerne zweier beliebiger benachbarter Transformatoren parallel zueinander angeordnet sind und dreipaarige Schenkel bilden, und daß eine gemeinsame Wicklung (81-83, 91-93 und 101-103) auf jedem der paarigen Schenkel angebracht ist.