DE2551312A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen versorgung mindestens eines verbrauchers mit elektrischer energie - Google Patents

Description

BE 17 260

PATENTANWÄLTE

DIETRICH UWIN5KY 1^.11.1975

H-NZ-JOACHSM HU3ER ⁸⁶⁶3

REiMtR PRiETSCH
M ö N C H E N 2 1

GOTTHAROSTR. 81 2551312

AG für industrielle Elektronik AGIE Losone

Losone bei Locarno Schweiz

Vorrichtung zur kontinuierlichen Versorgung mindestens
eines Verbrauchers mit elektrischer Energie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Versorgung mindestens eines Verbrauchers mit elektrischer
Energie aus einem Energieversorgungsnetz und aus einer parallel zum Energieversorgungsnetz und zum Verbraucher angeordneten Energiequelle, die bei Störungen des Energieversorgungsnetzes den Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.

An die Energieversorgung von komplizierten Verbrauchern, wie Datenverarbeitungssysteme, Radargeräte, Laborgeräte o.dgl.
werden heute besonders hohe Anforderungen gestellt. Die Energieversorgung dieser komplizierten Verbraucher muss zu jeder Zeit gewährleistet sein. In der Zeitschrift "SEV-Bulletin" No. 63, Heft 21, 1972, sind praktisch alle Energieversorgungsanlagen für solche komplizierten Verbraucher beschrieben. Diese Versorgungsanlagen haben zwischen dem normalen Energieversorgungsnetz und den Verbrauchern eine Notstromgruppe bzw. Dauerstrom-

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Versorgungsanlage angeordnet. Die Notstromanlagen, deren Not-Energiequelle während des normalen Betriebs nicht auf die Verbraucher arbeitet, d.h. während des normalen Betriebs im "Stillstand" steht, haben bekanntlich den besten Wirkungsgrad. Die Not- bzw. Ersatz-Energiequelle besteht entweder aus wenigstens einem Dieselmotor mit Generator oder aus wenigstens einem Wechselrichter und einer Batterie. Im normalen Betrieb gibt das normale Energie-Versorgungsnetz seine Energie auf die Verbraucher ab. Bei Störungen, die aus diesem Versorgungsnetz kommen, wie z.B. Verminderungen oder vollkommener Ausfall der Netzspannung wird der Diesel-Motor und Generator, oder der Wechselrichter gestartet und auf die Verbraucher geschaltet. Bekanntlich geht das Starten und das Umschalten von Wechselrichter, bzw. das Starten und das Umschalten von Dieselmotoren nicht genügend schnell vor sich. Dies macht sich bei den bereits genannten komplizierten Verbrauchern unangenehm bemerkbar, da diese auf zeitlich sehr kurze Spannungsschwankungen, die kürzer sind als eine Viertelperiode des Wechselstroms, ansprechen. Störungen, die als Spannungserhöhung aus dem Versorgungsnetz kommen, können durch die genannten Notstromgruppen nicht beseitigt werden

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind sogenannte Dauer-Energieanlagen konzipiert worden. Bei diesen Dauer-Energieanlagen ist zwischen dem Verbraucher und dem normalen Energie-Versorgungsnetz eine Dauer-Energiequelle angeordnet. Diese Dauer-Energiequelle erhält ihre : Energie aus dem Versorgungsnetz und gibt die Energie während des normalen Betriebs an die Verbraucher ab. Durch dieses "Zwischenschalten" von Energiequellen sind die Verbraucher vollkommen unabhängig von irgendwelchen Störungen, welche aus dem Energie-Versorgungsnetz kommen. Solche Dauer-Energieversorgungsanlagen sind ebenfalls beschrieben in der oben genannten Literaturstelle des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins "SEV-Bulletin", Jahrgang 63, Heft 21, 1972. Der grosse Nachteil dieser Dauer-Energieanlagen ist der geringe

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Wirkungsgrad, so dass die Kosten für die Energieversorgung komplizierter Verbraucher gewaltig ansteigen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Vorteile einer Dauer-Energieversorgung beizubehalten und den maximal möglichen Wirkungsgrad zu erreichen. Erfindungsgemäss wird eine Anlage konzipiert, welche die beiden sich bisher ausschliessenden Bedingungen vereinigt und somit die Nachteile der bisher bekannten Notstromgruppen und Dauer-Energieanlagen beseitigt.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Anordnung:

- eines Energieaustauschers, welcher so konstruiert ist, dass er Energie aus dem Versorgungsnetz empfängt oder Energie auf den Verbraucher abgibt;

- eines Trennorgans zum Trennen des Energieaustauschers und des Verbrauchers von dem Energie-Versorgungsnetz.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die gesamte Anlage in schematischer

Blockdarstellung,

Figuren 2, 3, 4a, & 4b einzelne Bauelemente aus der Gesamtanlage der Fig. 1,

Figur 5 ein Flussdiagramm zur Erklärung der

Wirkungsweise der Anlage der Fig. 1.

In der'Fig. 1 ist am Energie-Versorgungsnetz 1 über Leitung 13 ein Trennelement 3 angeschlossen. Vom Trennelement 3 geht die Leitung 36 zu den Verbrauchern 6. Parallel hierzu sind über Leitungen 361 und 362 der Energieaustauscher 4 und die Ersatz-Energiequelle 2 angeschlossen. Während des normalen Betriebs

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wird die Energie über das Versorgungsnetz 1, die Leitung 13, das durchgeschaltete Trennelement 3, Leitung 36 zu den Verbrauchern 6 gegeben. Die Ersatz-Energiequelle 2 ist von der Leitung 36 abgeschaltet. Die Energiequelle 2 kann entweder ein Dieselaggregat mit Generator oder statische Wechselrichter sein, welche von Akkumulatoren bzw. Batterien gespeist werden. Selbstverständlich sind während des normalen Betriebs die Batterie bzw. Akkumulatoren aufgeladen. Der Energieaustauscher 4 ist während des normalen Betriebs über die Leitung 361 mit der Leitung 36 verbunden und nimmt entweder Energie auf aus dem Versorungsnetz 1, an der Leitung 36 was durch den einen Pfeil (Leitung 361) angedeutet ist, oder gibt Energie ab auf die Verbraucher 6, was durch den anderen Pfeil angedeutet ist. Es sei angenommen, dass der Energieaustauscher 4 genügend Energie aufgenommen hat und während des normalen Betriebs in Wartestellung ist. Wie bereits erwähnt, ist das Trennelement 3 durchgeschaltet. Wenn nun Spannungsstörungen, die z.B. mehr als 10 bis 100 ,usec Dauer auftreten, so werden diese über Leitung 56 festgestellt und der Ueberwachungseinheit 5 zugeleitet. Das gleiche geschieht mit Stromschwankungen, die in der gleichen zeitlichen Grössenordnung liegen. Diese Stromschwankungen werden mit Hilfe des Strommessgeräts 7 über 57 der Ueberwachungseinheit 5 zugeleitet. Die Ueberwachungseinheit stellt in ihrer Steuerlogik fest, ob diese Aenderungen der Spannungen bzw. des Stroms einen oberen Schwellwert überschreitet oder nicht. Sollte dies der Fall sein, wird über Leitung 53 das Trennelement 3 angesteuert, welches die Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz 1 und der Leitung 36 zu den Verbräuchern 6 trennt. Gleichzeitig wird über Leitung 54 der Energieaustauscher 4 angesteuert zur Aufgabe seiner Energie über die Leitung 361 und 36 zu den Verbrauchern.6. Diese Energieabgabe geschieht nur so lange, wie die Schwankungen der Spannung bzw. des Stroms über die Leitungen 56 und 57 erfasst werden. Dies bedeutet, dass der Energieaustauscher 4 öfters nur in der Grössenordnung von mehreren .usec bis msec die Energieversorgung für die Verbraucher 6 übernimmt. Im allgemeinen kann gesagt werden, dass bei kurzzeitigen Schwankungen bzw. kurzzeitigen

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Ausfällen des Versorgungsnetzes 1 die in Fig. 1 gezeigte Anlage ohne Ersatz-Energiequelle 2 funktioniert. Jedesmal, wenn der Energieaustauscher 4 die Energieversorgung übernimmt, trennt das Trennelement 3 das Energieversorgungsnetz 1 vom Verbraucher 6 ab, so dass der Energieaustauscher 4 keine Energie in das Versorgungsnetz 1 liefern kann. Der Energieaustauscher 4 ist so konstruiert, dass er.grosse Energiemengen über Leitung 361 empfangen kann und auch grosse Energiemengen in kurzer Zeit wieder abgeben kann über die gleiche Leitung 361. Der Energieaustauscher hat daher einen sehr kleinen Energieverbrauch in seiner Wartestellung, und die Verluste, die während seiner Energieabgabezeit entstehen, sind wegen der Kürze dieser Zeit vernachlässigbar klein. Es sei nun angenommen, dass die Schwankungen der Spannung oder des Stroms während des normalen Betriebs von längerer Dauer, z.B. in der Grössenordnung von einigen Perioden bzw. Sekunden sind. Sobald die Schwankungen der Spannung bzw. des Stroms an der Ausgangsspannung der gesamten Anlage über die Leitung 56 und 5 7 der Ueberwachungseinheit 5 mitgeteilt worden sind, trennt das Trennelement 3, wie bereits beschrieben, das Energie-Versorgungsnetz 1 vom Verbraucher 6 ab. Der Energieaustauscher 4 liefert Energie auf die Verbraucher in der bereits genannten kurzen Zeit im Grössenbereich von einigen msec. Wie später noch im Zusammenhang mit der Fig. 5 näher erläutert wird, erfolgt innerhalb dieser kurzen Zeit ein Fragevorgang, ob die Störung (SpannungsSchwankungen oder Stromschwankungen) des Versorgungsnetzes 1 behoben sind oder nicht. Dies erfolgt über Leitung 51, welche der Ueberwachungseinheit die Zustände beim Versorgungsnetz 1 laufend mitteilt. Sollten die Störungen nach einem ersten Fragevorgang nicht behoben sein, gibt der Energieaustauscher 4 weiterhin seine Energie an den Verbraucher 6. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Spannungsverhältnisse und Stromverhältnisse des Verbrauchers wegen des eingeschalteten Energieaustauschers 4 optimal sind. Die Ueberwachungseinheit 5 fragt über ihre Leitung 51 ständig die wirklichen Spannungsverhältnisse und Stromverhältnisse des Versorgungsnetzes 1 ab. Sollten sich diese

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Spannungsverhältnisse nach einer bestimmten Zeit, d.h. nach einer bestimmten Anzahl von Abfragevorgängen, nicht geändert haben, so bereitet die Ueberwachungseinheit 5 über ihre Leitung 52'die Ersatz-Energiequelle 2 vor, welche die Energieversorung über die Leitung 362 und Leitung 36 der Verbraucher übernimmt. Das Trennelement 3 trennt in diesem Fall selbstverständlich noch immer die Leitung 36, die zu den Verbrauchern führt, von der Leitung 13, die die Energie aus dem Versorgungsnetz 1 liefert. Wie später noch näher ausgeführt wird, ist durch die Anlage der Fig. 1 gewährleistet, dass die Verbraucher 6 mit einer Energie versorgt werden, die optimale Spannungsverhältnisse oder optimale Stromverhältnisse aufweist. Zum Beispiel erhalten die Verbraucher sinusförmige Spannungen und Ströme, deren Verzerrungen immer in den gegebenen Toleranzen liegen. Wenn z.B. Verbraucher vorhanden sind, die nur mit trapezförmi- " gen Spannungen bzw. Strömen richtig arbeiten können, dann wird durch die Ueberwachungseinheit 5 gewährleistet, dass solche Energieversorgung vorhanden ist. Selbstverständlich wäre in diesem Fall ein Versorungsnetz 1 notwendig, welches diese trapezförmigen Spannungskurven bzw. Stromkurven liefert. Es soll hiermit nur angedeutet werden, dass die erfindungsgemässe Anlage der Figur 1 sich jedem Versorgungsnetz 1 anpassen kann.

Die Fig. 2 zeigt den Energieaustauscher 4 in seinen Einzelheiten. Ein wesentlicher Bestandteil des Energieaustauschers ist der Energiespeicher 41, der entweder aus einer grösseren Anzahl von Kondensatoren, Induktivitäten oder schnellentladbaren Batterien bzw. Akkumulatoren bestehen kann. Die Wahl wird von der zu verarbeitenden Energiemenge, d.h. Leistung der gesamten Anlage, sowie von der notwendigen Zugriffszeit, welche später noch näher erläutert wird, bestimmt. Der Energiefluss über die Leitung 36, der entweder aus dem Versorgungsnetz 1 in Richtung Energieaustauscher 4 oder aus dem Energieaustauscher in Richtung Verbraucher 6 fliessen kann, wird im Energieaustauscher 4 . durch die Energiekontrolle Abfuhr 4 2 bzw. Energiekontrolle Zufuhr

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43 gesteuert. Die Ueberwachungseinheit 5 steuert über Leitung 54 diese beiden Energiekontrollen 42, 43 und während des normalen Betriebs, wenn keine Schwankungen von Spannung und Strom über die Leitungen 56, 57, in der Ueberwachungseinheit 5 registriert werden, steuert diese Ueberwachungseinheit 5 über die Leitung 54 die Energiekontrolle Abfuhr 42, so dass der Energiespeicher 41 so lange aufgefüllt wird bis der Speicher voll ist. Es kann auch ohne weiteres der Fall eintreten, dass der Energiespeicher 41 nur zur Hälfte aufgefüllt werden soll. Dies richtet sich nach dem Typ, der Grosse und der Organisation des Energiespeichers 41. Sobald Schwankungen der Spannung und des Stroms über die Leitung 56, 57 in der Ueberwachungseinheit 5 registriert worden sind, wird die Energiekontrolle Abfuhr 42 oder die Energiekontrolle Zufuhr 43 geöffnet und gleichzeitig eventuell das Trennelement 3 betätigt zum Trennen des Versorgungsnetzes 1 von den Verbrauchern 6. Diese Steuerschritte werden von der Ueberwachungseinheit 5 durchgeführt.

In der Fig. 3 ist die Ueberwachungseinheit 5 mit ihren wesentlichen Bauteilen gezeichnet. Wie bereits mehrmals erwähnt, werden über Leitungen 56 und 57 die Schwankungen der Spannung bzw. des Stroms für die Verbraucher 6 auf die Ausgangsspannungskontrolle 502 und auf die Ausgangsstromkontrolle 503 in der Ueberwachungseinheit 5 übertragen. Die AusgangsSpannungskontrolle 502 erhält als Bezugswert der Spannung ein Signal aus dem Sollspannungsgenerator 504. Dieser Sollspannungsgenerator kann verschieden konstruiert sein. Er kann einmal so konstruiert sein wie der Funktionsgenerator 55, 56 des deutschen Bundespatentes 2 025 743, Fig. 2. Dort wird eine Sinusform aus verschiedenen kleinen Kurvenelementen zusammengesetzt. Diese zusammengesetzte Sinusform gelangt über die Leitung 505 als Sollsignal auf die Ausgangsspannungskontrolle 502 der Fig. 3. Der Sollspannungsgenerator 504 kann auch als Speicher konstruiert sein, in welchem die Abtastwerte einer Sinuskurve fest eingespeichert sind. Diese Typen von Auslesespeicher (ROM) löschen ihre Information nach einem Auslesevorgang nicht. Der Auslesevorgang geschieht

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mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Die einzelnen Abtastwerte werden in dem Sollspannungsgenerator 504 zu einer Sinuskurve zusammengesetzt, welche über Leitung 504 als Sollsignal in die Ausgangsspannungskontrolle 502 gelangt. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass bei einer anderen Auslesegeschwindigkeit die Abtastpunkte aus dem Auslesespeicher sich zu einer Sinusschwingung von anderer Frequenz zusammensetzen lassen. Der Sollspannungsgenerator 504 kann nicht nur für Sinusschwingungen, sondern auch für jede andere Wellenform, z.B. trapezförmige Schwingungen konstruiert werden. Der Sollspannungsgenerator 504 wird für die gewünschte Wellenform am Verbraucher 6 konzipiert. Das Energie-Versorgungsnetz 1 muss selbstverständlich die gleiche Wellenform haben.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Ueberwachungseinheit 5 anhand der Fig. 1, 2, 3 und 5 näher erläutert. Während des normalen Betriebs speist das Energieversorgungsnetz 1 über die Leitung 36 die Verbraucher 6. Ueber die Leitungen 56 und 57 empfängt die Ueberwachungseinheit 5 laufend Information über die Spannung und über den Strom am Ausgang der Dauerstromanlage bzw. am Eingang der Verbraucher 6. Der Sollspannungsgenerator 504 erzeugt die gewünschte Wellenform der Spannung, welche über Leitung 505 in die AusgangsSpannungskontrolle 502 gelangt. In dieser Ausgangsspannungskontrolle 502 werden die Sollspannung aus dem Generator 504 und die Istspannung über die Leitung 56 miteinander verglichen. Ueber die Leitung 512a wird die Differenz der Istspannung zu einer Sollspannung in die Steuerlogik 501 gegeben. Die Steuerlogik erhält über Leitung 512b den Istwert der Ausgangsspannung. In der Steuerlogik 501 werden die Absolutbeträge der Spannungswerte und der Aenderungen dieser Spannungswerte gebildet. Wenn nun die Differenz /Uaus/ kleiner ist als ein Schwellwert /Umax/ dann wird die Steuerlogik 501 nicht in Tätigkeit gesetzt. In die Steuerlogik 501 gelangt auch über die Leitung 57 und über die AusgangsStromkontrolle 5O3, sowie über Leitung 513, das Signal für den Stromkreis laus. In dem Flussdiagramm der Figur 5 ist dies symbolisch dargestellt.

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Wenn nun die Differenz Δ /Uaus/ grosser ist als der vorgegebene Grenzwert Δ /Umax/, dann erfolgt der Start der Steuerlogik 501. In der Steuerlogik 501 werden über logische Verknüpfungen die drei Werte der Differenz der Ausgangsspannung Δ /Uaus/, der Energie E=UI und des AusgangsStroms laus miteinander in der in Fig. 5 gezeichneten Weise verknüpft. Anhand der Ergebnisse werden über die Leitungen 52, 53, 54 Fig. 3 entweder der Energieaustauscher 4 und/oder das Trennelement 3, bzw. die Ersatz-Energiequelle 2 angesteuert.

Es sei nun angenommen, dass die Differenz Δ /Uaus/ der Differenz zwischen der Istspannung und der Sollspannung grosser sei als ein vorgegebener Schwellwert Δ /Umax/. Da es sich um absolute Beträge handelt, spielt es in diesem Fall keine Rolle, ob die Differenz zur positiven oder zu negativen Seite der Spannungshalbwellen liegt. Es sei nun der Fall angenommen, dass die Differenz Δ /Uaus/ kleiner als 0 sei, und die Energie E in positiver Richtung fliesst (d.h. definationsgemäss haben wir positiven Energiefluss vom Versorgungsnetz 1 zu den Verbrauchern 6 und negativen Energiefluss von den Verbrauchern 6 zum Netz 1) und dass der Strom I grosser als 0, d.h. positive Halbwelle ist. In den Stromkreisen518, 519, 520 werden diese Entscheidungen getroffen. Im vorliegenden angenommenen Fall wird der Stromkreis 521 angesteuert, welcher als Ergebnis festhält, dass eine Erhöhung der Energie + Δ E durch Erhöhung des Stroms um + Δ I zum Verbraucher gestartet wird. Die Steuerlogik 501 steuert über Leitungen 53, 54 das Trennelement 3 und den Energieaustauscher 4 an. Der Energieaustauscher 4 gibt aus seinem Energiespeicher 41 Fig. 2 über die Energiekontrolle Zufuhr 43 Energie über die Leitung 36 auf die Verbraucher 6 ab, während das Trennelement 3 das Versorgungsnetz abgetrennt hat. Wenn das Trennelement, wie im Zusammenhang mit den Figuren 4a und 4b noch näher beschrieben wird, aus einer Thyristor-Schaltung besteht, erfolgt die Trennung selbsttätig ohne Verwendung des Trennsignals von der Steuerlogik 501 über die Leitung 53 zum Trennelement 3. Wenn das Trennelement 3 aus anderen Schaltern besteht, muss das Signal der

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Leitung 5 3 für die Betätigung dieser Trennelemente benutzt werden. Gemäss Fig. 5 wird auch vom Stromkreis 528 über Leitung 536 ein Signal gegeben, welches den Beginn des Einschaltens des Energieaustauschers 4 über die Leitung 361 und 36 zu den Verbrauchern 6 kennzeichnet. Wenn über Leitung 56 oder 51 (Fig. 1, 3) die Steuerlogik 501 Information erhält, dass die Verringerung der Spannung sich wieder normalisiert hat, dann gibt der Stromkreis 513 ein Signal über die Leitung 515 und 516 zu den Stromkreisen 511, 514, so dass der Verbindungsaufbau der Einheiten 518, 519, 520, 529 getrennt wird und das Trennelement 3 wieder das Netz 1 durchschaltet sowie die Energiekontrolle Zufuhr 4 3 (Fig. 2) gestoppt wird. Ueber Leitung 537 gelangt auf den Stromkreis 538 ein Signal. In diesem Fall soll angenommen werden, dass die Zeit t kleiner sei als eine vorgegebene obere Zeitgrenze tmax. Sollte in einem anderen Fall die Zeit t (Energie wird aus dem Energieaustauscher 4 zum Verbraucher 6 geführt) grosser sein als dieser Grenzwert tmax, dann wird durch die Einheit 539 und über die Leitung 52 die Ersatz-Energiequelle 2 über Leitung 362 auf den Verbraucher geschaltet. Im gleichen Augenblick wird über Leitung 54 die Energiekontrolle Zufuhr 43 des Energieaustauschers (Fig. 2) abgeschaltet. Es sei nun ein weiterer Fall angenommen, in welchem das Versorgungsnetz 1 seine Energie in positiver Richtung zu den Verbrauchern 6 liefert. Hierbei ergibt sich wieder eine unzulässige Verringerung der Istspannung gegenüber der Sollspannung, ein positiver Energiefluss, wobei diese Spannungsreduzierung während der negativen Halbwelle des Stroms für z.B. mehr als 10 bis 100 .usec auftreten soll. Gemäss Fig. 5 gibt der Stromkreis 513 ein entsprechendes Signal auf den nachfolgenden Stromkreis 514, welcher die Steuerlogik 501 (Fig. 3) startet. Ueber die Leitung 517 stellt der Stromkreis 518 fest, dass die Differenz Δ/Uaus/ kleiner als 0 ist. Der Stromkreis 519 stellt fest, dass die Energie in positiver Richtung fliesst +E. Der Stromkreis 520 stellt fest, dass der Strom I kleiner als 0 ist. Die Verknüpfungsschaltung 522 spricht an und gibt auf die Einheit 530 ein entsprechendes Ausgangssignal. Diese Einheit sorgt dafür, dass eine Energieerhöhung + Δ Ε durch

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Erniedrigung des Stromes von - Δ Ι eingeleitet wird. Ferner muss das Trennelement 3 das Versorgungsnetz 1 trennen. Die Steuerlogik 501 gibt über die Leitungen 53 und 54 die entsprechenden Steuersignale zum Trennelement 3 und zum Energieaustauscher 4. Ueber die Leitung 537 wird in der Einheit 538 gefragt, wie lange der Ernergieaustauscher 4 am Verbraucher 6 angeschlossen ist. Sollte die Zeit t grosser sein als ein vorgegebener Grenzwert tmax, dann erfolgt über Einheit 538 die Einschaltung der Ersatz-Energiequelle 2.,Dies besorgt die Steuerlogik über Leitung 52. In der Fig. 5 sind sämtliche Möglichkeiten aufgeführt, welche eintreten können. Wenn z.B. die Differenz Δ /üaus/ grosser ist als ein vorgegebener Grenzwert Δ /Umax (Stromkreis 513), erfolgt der Start im Stromkreis 514. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die weitere Verknüpfung von Informationen in den Einheiten 513 bis 536. Die Verknüpfungsschaltung 523 gibt ein Ausgangssignal auf die Einheit 531, wenn die Spannungsdifferenz kleiner als 0 ist (Einheit 518), die Energie E in negativer Richtung fliesst (vom Verbraucher 6 in das Verbrauchernetz 1, Einheit 519) bei positiver Stromhalbwelle (Einheit 520) . In diesem Fall wäre es nicht günstig, eine Energieerhöhung +Δ E durch Erhöhung des Laststroms um Δ I von Seiten des Energieaustauschers 4 zu bewirken. In diesem Fall würde man das Versorgungsnetz 1 durch das Trennelement 3 vom Verbraucher 6 abtrennen. Dies geschieht meistens nur während sehr kurzer Zeit und wegen der auf der Verbraucherseite immer vorhandenen Induktivitäten, die einen solchen negativen Energiefluss auftreten lassen. Nach einigen Millisekunden ist dieser Zustand vorbei, so dass über die Steuerlogik 501 das Trennelement 3 wieder das Versorgungsnetz 1 auf den Verbraucher 6 schalten kann. Die Einheiten 524 und 532 der Fig. 5 werden praktisch im gleichen Fall wie eben beschrieben angesteuert, nur mit dem Unterschied, dass der negative Energiefluss bei negativer Stromhalbwelle stattfindet. In diesem Fall werden die gleichen Massnahmen ergriffen, wie eben im Zusammenhang mit den Einheiten 523 und 531 besprochen wurde. Die nächsten Einheiten 525, 533 der Steuerlogik 501 werden gemäss Fig. 5 an-

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gesteuert, wenn die Differenz Δ/Uaus/ grosser als O ist (Einheit 518), die Energie in positiver Richtung fliesst bei positiver Stromhalbwelle. Dieser Fall tritt auf, wenn die Ausgangsspannung (Leitung 56 plötzlich angestiegen ist gegenüber der Sollspannung aus dem Sollspannungsgenerator 504. In diesem Fall muss gemäss Einheit 533 die Energie erniedrigt werden - Δ Ε durch entsprechende Erniedrigung des Stroms um den Betrag - Δ Ausserdem muss das Trennelement 3 das Versorgungsnetz 1 ausschalten. Die nächsten Einheiten 526, 534 der Fig. 5 werden angesprochen beim gleichen Fall wie eben beschrieben, nur mit dem Unterschied dass dieser Fall innerhalb der negativen Stromhalbwelle auftritt. Die Einheiten 527 und 535 der Fig. 5 sprechen an, wenn eine Spannungserhöhung stattgefunden hat (Einheit 518), die Energie in negativer Richtung vom Verbraucher 6 in das Versorgungsnetz 1 fliesst (Einheit 519) bei positiver Stromhalbwel.le (Einheit 520) , In diesem Fall muss die Energie erniedrigt werden -Δ E durch Verringerung des Stroms um - Δ I, das Trennelement 3 darf nicht das Versorgungsnetz 1 trennen. Die nächsten Einheiten 528 und 536 der Steuerlogik 501 gemäss Fig. 5 sprechen an beim gleichen Fall wie eben beschrieben, jedoch nur mit dem Unterschied, dass dieser Fall bei negativer Stromhalbwelle eintritt.

Bei all diesen acht Fällen ist die Einheit 538 vorgesehen, welche darauf achtet, dass der Enefgieaustauscher 4 nur eine bestimmte Zeit eingeschaltet wird. Wenn die maximale Zeit tmax überschritten wird, so übernimmt die Ersatz-Energiequelle 2 die Wirkung des Energieaustauschers 4. Die Energiequelle 2 ist eine immer in Phase mit der Spannung am Verbraucher 6 startende Energiequelle. Sie wird zur Ueberbrückung längerer Störungen eingeschaltet. Gemäss Fig. 5 wurde diese Einschaltung nach einer gewissen Zeit (Einheit 538) vorgenommen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Einheit 538 nicht die Zeit zum Massstab nimmt, sondern.den Energieinhalt des Energieaustauschers 4.

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Wenn der Energieinhalt langsam zur Neige geht, kann die Einheit 538 der Figur 5 die Ersatz-Energiequelle 2 einschalten.

Während des Betriebs der Ersatz-Energiequelle 2 auf die Verbraucher 6 werden die Strom- und Spannungs-Verhältnisse über die Leitungen 56, 57 überwacht. Sollte sich eine Störung ergeben, die durch einen der Verbraucher 6 verursacht wird, so wird der Energieaustauscher 4 über Leitung 361 wieder auf die Verbraucher 6 geschaltet zur Behebung der genannten kurzzeitigen Störung.

Die Fig. 4a zeigt eine Ausführungsform des Trennelements, welches im wesentlichen aus einem Filter 32 und aus statischen Wechselstromschaltern besteht. Wenn Thyristoren als Schalter 31 verwendet werden, so ist meistens eine erzwungene Kummutierung bzw. eine Fremdsteuerung erforderlich. Diese Thyristoren können auch eine Eigensteuerung haben, wenn die Last an den Verbrauchern 6 nur beschränkt gegenüber Spannungen geschützt werden soll, oder Ueberspannungen nur selten auf dem Netz auftreten. Der Filter 32 eliminiert sämtliche Störungen, die weder durch den Energieaustauscher 4 noch durch den statischen Schalter 31 beseitigt werden könnten. Solche Störungen liegen im Bereich von 10 ,usec. Der Filter 32 besteht in seiner einfachsten Ausführung aus einem LC-Glied, dessen Dimensionierung hauptsächlich von der Geschwindigkeit des Energieaustauschers bestimmt wird.

In der Fig. 4b ist zwischen Filter 32 und dem Wechselstromschalter 31 ein Ueberspannungsbegrenzer 33 angeordnet. Dieser Ueberspannungsbegrenzer 33 enthält in der Hauptsache ein Element, welches auf Ueberspannungen anspricht, die z.B. durch Blitzschläge induziert worden sind. Spannungsabhängige Widerstände auf der Basis von Metalloxyd mit einer Ansprechzeit von einer Mikrosekunde und mehreren hundert Joules Energieaufnahme sind heute allgemein erhältlich. Bei besonders stark dimensionierten

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Energieaustauschern 4 kann der Wechselstromschalter 31 im Trennelement 3 weggelassen werden. Damit fallen die Verluste auf diesen Halbleitern fort.

Wie bereits mehrmals erwähnt worden ist, sind die Verluste des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 während des normalen Betriebs, d.h. das normale Stromversorgungsnetz 1 arbeitet auf die Verbraucher 6, sehr klein. Während dem Betrieb der Vorrichtung der Fig. 1 mit eingeschalteter: Ersatz-Energiequelle 2 erhöhen sich die Verluste um ein Mehrfaches. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die genannten, hohen Verluste bei der Erfindung nur in der Zeit auftreten können, in welcher die Ersatz-Energiequelle 2 auf die Verbraucher 6 arbeitet. Im Gegensatz hierzu entstehen diese hohen Verluste bei den bekannten Dauerstromversorungsanlagen nicht nur im Notbetrieb, d.h. bei gestörtem, normalem Stromversorgungsnetz, sondern auch im normalen Betrieb, d.h. wenn das normale Stromversorgungsnetz 1 keine Störungen aufweist. Bei diesen Verlusten handelt es sich bekanntlich um Wärme, welche durch Ventilationsanlagen bzw. Kühlanlagen abgeführt wird. Die Verlustwärme muss bei den bekannten Dauerstromversorgungsanlagen immer abgeführt werden. Die Kühlanlagen bzw. die Ventilationsanlagen werden entsprechend dem dauernden Anfall hoher Verlustwärme gross dimensioniert. Bei der Erfindung ist die Kühlanlage bzw. Ventilationsanlage wesentlich kleiner dimensioniert, da sie während des normalen Betriebs nur sehr kleine Wärmeverluste aufweist. Die im kurzzeitigen Notbetrieb (bei abgetrenntem Versorgungsnetz 1) auftretenden hohen Wärmeverluste werden entweder durch kurzzeitige Ueberlastbarkeit der vorhandenen, aber klein dimensionierten Ventilationsanlagen bzw. Kühlanlagen abgeführt oder in einen Wärmespeicher temporär gespeichert. Der Wärmespeicher, der als Speichermedium Wasser oder andere Flüssigkeiten mit hoher Wärmekapazität verwendet, speichert die hohen Wärmeverluste während des kurzzeitigen Betriebs aus der Ersatz-Energiequelle 2. Diese Wärme kann

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über längere Zeit durch die vorhandene Ventilationsanlage bzw. Kühlanlage abgeführt werden. Die Wärme kann auch auf andere Art und Weise aus dem Speicher abgeführt werden wie z.B, durch Austausch der eigentlichen Kühlflüssigkeit insbesondere des Wassers. Wegen der klein dimensionierten Kühlanlage bzw. Ventilationsanlage verringern sich die Investitionskosten der gesamten Dauerstromversorgungsanlage um ein Beträchtliches.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   .J Vorrichtung zur kontinuierlichen Versorgung mindestens eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz und aus einer parallel zum Energieversorgungsnetz und zum Verbraucher angeordneten Energiequelle, die bei Störungen des Energieversorgungsnetzes den Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt, gekennzeichnet durch die Anordnung

   - eines Energieaustauschers (4), welcher so konstruiert ist, dass er Energie aus dem Versorgungsnetz (1) empfängt oder Energie auf den Verbraucher (6) abgibt;

   - eines Trennorgans (3) zum Trennen des Energieaustauschers" (4), des Verbrauchers (6) von dem Energieversorgungsnetz (1).

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung :

   - eines Energieaustauschers (4) parallel zur .Ersatz-Energiequelle (2), welcher Energieaustauscher so konstruiert ist, dass er Energie aus dem Versorgungsnetz (1) empfängt oder Energie auf den Verbraucher (6)· abgibt;

   - eines Trennorgans (3) zum Trennen des Energieaustauschers

   (4), der Ersatz-Energiequelle (2) und des Verbrauchers (6) von dem Energieversorgungsnetz .(I)-.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieaustauscher (4) einen Energiespeicher (41), zwei Steuereinheiten (42, 43) enthält zum Steuern des Energieflusses in den Energiespeicher oder aus dem Energiespeicher.

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   4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ueberwachungsgerät (5) den Energieaustauscher (4), das Trennelement (3), die Ersatz-Energiequelle (2) steuert und folgende Bauteile enthält:

   - einen Sollspannungsgenerator (504) für den Wellenzug der Bezugspannung,

   - eine Steuerlogik (501) zur Auswertung der Spannungswerte der Istspannung, der Stromhalbwellen und der Richtung des Energieflusses.

   5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) aus einem Filter

   (32) und Wechselstromschalter (31) besteht.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) zusätzlich einen UeberSpannungsbegrenzer

   (33) enthält.

   30.9.1975
   Gp/db

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