AT413618B - Vorrichtung zur speisung eines gleichspannungsnetzes bei ausfall des energieversorgungssystems - Google Patents

Description

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AT 413 618 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speisung eines Gleichspannungsnetzes für die Versorgung von Not-Beleuchtungseinrichtungen bei Ausfall des öffentlichen Wechselspannungsnetzes wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist. 5 Im Bereich nicht-privater Gebäude ist vielfach der Einbau von Not-Beleuchtungsanlagen zwingend vorgeschrieben, damit gewährleistet ist, daß auch bei Ausfall des öffentlichen Energieversorgungsnetzes beispielsweise ein gefahrloses Verlassen des Gebäudes möglich ist. Die Not-Beleuchtungsanlage besteht dabei meist aus eigenen Notleuchten geringerer Leistung (ausgestattet beispielsweise mit Glüh- bzw. Leuchtstofflampen, vorteilhaft jedoch auch auf Leuchtdio-io denbasis oder auf Basis des Elektrolumineszenz-Effektes) welche bei Ausfall der Hauptbeleuchtung für eine festgelegte Zeit eine definierte Mindestlichtintensität garantieren.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden die Notleuchten üblicherweise entweder direkt aus in die Leuchten eingebauten wiederaufladbaren Akkus gespeist ("Einzelbatterie-Leuchten"). 15 Die Aufladung der Akkus erfolgt dabei aus dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz über eine ebenfalls in jeder Leuchte eingebaute Gleichrichter-/Lade-Elektronik wie dies beispielsweise in den Patentschriften JP 9 285019, EP 0 079 462 A2, bzw. US 4 988 889 A beschrieben ist. Nachteilig in diesem Konzept ist allerdings, daß die verwendeten Akkus in ihrer Brauchbarkeitsdauer auf typisch weniger als 3 Jahre begrenzt sind, und der Austausch der 20 Akkus einen erheblichen Wartungsaufwand nach sich zieht, weil dazu die Notleuchte meist demontiert werden muß. Als vorteilhafte Alternative wird deshalb oft das "Gruppenbatterie-Konzept" angewendet, bei welchem alle Leuchten eines Brandabschnittes an ein eigenes Not-Gleichspannungsnetz angeschlossen sind und sich keine wartungssensiblen Akkus in den Leuchten selbst befinden. Das Gleichspannungsnetz wird nach dem derzeitigen Stand der 25 Technik üblicherweise direkt aus Akkumulatoren (meist Bleibatterien) gespeist, welche im Bereitschaftsbetrieb der Not-Beleuchtungsanlage aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz über eine geregelte Gleichrichtereinheit geladen werden. Nachteilig ist wiederum, daß die verwendeten Akkumulatoren in ihrer Brauchbarkeitsdauer auf typisch 5 Jahre begrenzt sind, und somit kein vollständig wartungsfreier Betrieb der gesamten Not-Beleuchtungsanlage gegeben 30 ist. Weiters müssen die Akkumulatoren mittels periodischen Lade- bzw. Entladezyklen auf Funktionsbereitschaft getestet werden, währenddessen die Einsatzbereitschaft der Not-Beleuchtungsanlage nur eingeschränkt gegeben ist.

Die Verfügbarkeit von Kondensatoren extrem hoher Speicherenergiedichte (Doppelschicht-35 Hochenergie-Kondensatoren, je nach Hersteller auch "Super-Capacitor” bzw. "Ultra-Capacitor" genannt) eröffnet seit kurzer Zeit eine interessante Alternative zu vorstehend beschriebener Speisung des Not-Gleichspannungsnetzes über Akkumulatoren. Die Brauchbarkeitsdauer bzw. die Anzahl der möglichen Lade-/Entladezyklen dieser Kondensatoren ist im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien wesentlich höher spezifiziert, sodaß eine mit diesen Energiespeichem 40 ausgerüstete Not-Beleuchtungsanlage als praktisch wartungsfrei angesehen werden kann. Die beschriebenen Kondensatoren sind weiters üblicherweise hochstromfest, wodurch die Zeit für den vorgeschriebenen periodischen Test der Einsatzbereitschaft der Not-Beleuchtungsanlage signifikant reduziert werden kann (Hochstrom-Wiederaufladung möglich). 45 Problematisch bei der Speisung eines Not-Gleichspannungsnetzes aus Hochenergie-Kondensatoren ist allerdings, daß die Nennspannung dieser Bauelemente - im Gegensatz zu anderen Arten von Kondensatoren die für verschiedenste Spannungsniveaus hergestellt werden können - hier physikalisch bedingt äußerst niedrig bei etwa 2.5V liegt. Das Spannungsniveau des Not-Gleichspannungsnetzes ist jedoch zur Verringerung der Energieverteilungsverlus-50 te üblicherweise auf typisch 24...48V oder auch höher gelegt, was eine Serienschaltung einer entsprechenden Anzahl von Kondensatoren bedingt. Während dies bei größeren Anlagen wegen des dort ohnehin notwendigen höheren Bedarfes an gespeicherter Energie möglich wäre, wobei allerdings die Einhaltung eines gleichmäßigen Ladezustandes der einzelnen Kondensatoren problematisch ist, ist dies bei Systemen kleinerer Leistung generell nicht kosteneffizient. 55 Dies deshalb, weil die spezifischen Kosten (d.h., Kosten bezogen auf die gespeicherte Energie) 3

AT 413 618 B von Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren umso günstiger sind, je größer deren Kapazität ist. Für Not-Beleuchtungssysteme kleinerer Leistung ist es deshalb weitaus kostengünstiger, anstatt einer Serienschaltung von mehreren Kondensatoren geringeren Energieinhaltes nur einen Kondensator mit hohem Energieinhalt zu verwenden. Demgegenüber ist es bei Systemen 5 größerer Leistung welche den Einsatz von mehreren Speichekondensatoren erfordern technisch günstiger, diese nicht in Serie geschaltet zu betreiben sondern als Parallelschaltung anzuordnen, weil damit ein gleichmäßiger Ladezustand der einzelnen Speicherelemente erzwungen wird. io Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Speisung eines Gleichspannungsnetzes zur Versorgung von Not-Beleuchtungsanlagen mit höherem Spannungsniveau zu schaffen, wobei als Energiespeicher ein einzelner, bzw. eine Anzahl von parallel geschalteter Doppel-schicht-Hochenergie-Kondensatoren verwendet werden kann. 15 Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch den Unteranspruch 2 beschrieben.

Grundidee des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipes ist es, einen einzelnen Doppel-20 schicht-Hochenergie-Kondensator (bzw. die Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren) vorteilhaft durch einen - hinsichtlich der möglichen Energieübertragungsrichtung zwischen Eingang und Ausgang - bidirektionalen leistungselektronischen Wandler spannungsmäßig hochzutransformieren um einen Doppelschicht-Hochenergie-Speicherkondensator mit hoher Nennspannung zu emulieren, sodaß Gleichspannungsnetze von Not-Beleuchtungsanlagen direkt daraus ge-25 speist werden können. Die eingangsseitig dabei auftretenden, durch die geringe tatsächliche Kondensatorspannung bedingten hohen Ströme stellen bei Einsatz abschaltbarer Halbleiterventile moderner Bauart (z.B. Niederspannungs-MOSFETs) keinen gravierenden Nachteil dar.

Die Erfindung wird in Form einer insbesondere hinsichtlich Realisierungsaufwand vorteilhaften 30 Ausgestaltung anhand von Fig. 1 näher erläutert.

Fig.1: Ausführungsvariante der Grundstruktur eines Not-Beleuchtungssystems unter Anwendung des erfindungsgemäßen Systems des spannungstransformierten Doppelschicht-Hochenergie-Kondensators. 35

In Fig.1 ist ein Not-Beleuchtungssystems (1) dargestellt, bei dem eine an das öffentliche Wechselspannungsnetz (2) angeschlossene Gleichrichtereinheit (3) über ein hausinternes Not-Gleichspannungsnetz (4) die Not-Beleuchtungseinrichtungen (5) speist sowie weiters das Energiespeichersystem (6) auflädt. Bei Ausfall des Wechselspannungsnetzes (2) übernimmt das 40 Energiespeichersystem (6) die Versorgung der Not-Beleuchtungseinrichtungen (5). Das Energiespeichersystem (6) besteht aus einem einzelnen Doppelschicht-Hochenergie-Kondensator (7) (bzw. mehreren parallel geschalteten Kondensatoren) und einem - hinsichtlich der möglichen Energieübertragungsrichtung - bidirektionalen leistungselektronischen Konverter (8). Die Eingangsanschlüsse (9) des leistungselektronischen Konverters (8) sind dabei mit dem Spei-45 cherkondensator (7) verbunden, während die Ausgangsanschlüsse (10) an das Not-Gleichspannungsnetz (4) geschaltet sind, sodaß der Speicherkondensator (7) daraus geladen bzw. entladen werden kann. Eine vorteilhafte, teil-resonant arbeitende Ausführungsvariante des bidirektionalen DC/DC-Konverters (8) mit unterspannungsseitiger Vollbrückenstruktur (8a) und oberspannungsseitiger Halbbrückenschaltung (8b) besteht beispielsweise aus parallel zum so Eingang bzw. Ausgang liegenden Stützkondensatoren (11), Abblock- bzw. Umschwingkondensatoren (12) sowie abschaltbaren Halbleiterventilen (13) welche über komplementäre Steuersignale (14), (15) angesteuert werden. Die gewünschte Spannungstransformation wird durch unterschiedliche Windungszahlen der beiden Wicklungen (16), (17) des Übertragungstransformators (18) erreicht. 55

Claims (2)

1. 4 AT 413 618 B Bezüglich weiteren vorteilhaften Ausführungsvarianten ist anzumerken, daß die erfindungsgemäße Ankopplung von Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren mit niedrigem Spannungsniveau an Gleichspannungsnetze von Not-Beleuchtungsanlagen über bidirektionale leistungselektronische Konverter nicht auf die ausschließliche Speicherung von elektrischer Energie in 5 Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren beschränkt ist, sondern vorteilhaft auch durch Verwendung zusätzlicher, parallel angeordneter elektro-chemischer Energiespeicherzellen (z.B. Primär- bzw. Sekundär-Elementzellen) ergänzt bzw. durch zusätzliche, den Kondensatoren parallel geschaltete elektro-chemische Energiewandler (z.B. Brennstoffzellen) bzw. photovoltai-sche Energiewandler unterstützt werden kann. Als besonderer Vorteil für das Gesamtsystem io beispielsweise resultiert daraus, daß die Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren zur Abdeckung der in den einschlägigen Normen und Vorschriften geforderten Mindest-Notlichtzeiten dienen, währenddessen die beschriebenen zusätzlich angeordneten Speicherelemente eine darüberhinausgehende Gebäudebeleuchtung (ggf. mit verringerter Intensität) ermöglichen. Der vorgeschriebene periodische (z.B. monatliche) Test der Notbeleuchtung wird dabei ausschließ-15 lieh aus den (langlebigen) Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren abgedeckt und hat deshalb keine negativen Auswirkungen (z.B. Reduktion der Brauchbarkeitsdauer) auf die parallelgeschalteten zusätzlichen Speicherelemente. Es ist anzumerken, daß die Parallelschaltung direkt, vorteilhaft jedoch auch über Entkopplungsdioden erfolgen kann, sodaß der üblicherweise unerwünschte Energiefluß aus den Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren in die zusätzli-20 chen Speicherzellen unterbunden wird. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Speisung des Gleichspannungsnetzes (4) einer Not-Beleuchtungsanlage (1) aus Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren (7) dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleichspannungsnetz (4) und dem Hochenergie-Kondensator (7) bzw. einer Parallelschaltung mehrerer derartiger Kondensatoren ein hinsichtlich der möglichen Energieübertragungsrichtung bidirektionaler leistungselektronischer Konverter (8) zur Span-30 nungsanpassung zwischengeschaltet ist, die Eingangsklemmen (9) des Konverters (8) also mit den Anschlüssen des Hochenergiekondensators verbunden sind, während die das höhere Spannungsniveau aufweisenden Ausgangsklemmen (10) des Konverters (8) an das Gleichspannungsnetz (4) geschaltet sind, wobei im Notlicht-Betrieb ein Energiefluß von den kondensatorseitigen Eingangklemmen (9) zu den netzseitigen Ausgangsklemmen (10) 35 des bidirektionalen Konverters (8) erfolgt bzw. im Ladebetrieb ein Energiefluß in umgekehrter Richtung stattfindet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschicht-Hochenergie-Kondensatoren (7) durch eine Parallelschaltung zusätzlicher elektro-40 chemischer Energiespeicherzellen (z.B. Primär- bzw. Sekundärelemente) bzw. zusätzlicher chemisch-elektrischer Energiewandlerzellen (z.B. Brennstoffzellen) oder durch photovoltai-sche Zellen ergänzt bzw. unterstützt wird, wobei die Parallelschaltung der vorstehend erläuterten zusätzlichen Zellen entweder direkt, vorteilhaft jedoch aber auch über Entkopplungsdioden zur Unterbindung des Energieflusses aus den Doppelschicht-Hochenergie-45 Kondensatoren (7) erfolgen kann. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 50 55