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Die
Erfindung betrifft unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) zur
Speisung von Computern und anderen EDV-Geräten. Die Erfindung betrifft
insbesondere den Schaltungsaufbau eines USV-Geräts,
das unter normalen Umständen
Leistung aus einem Stromversorgungsnetz und, bei Problemen mit diesem,
aus einer Speicherbatterie über einen
Stromrichter an eine Last liefert.
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7 zeigt
den Schaltungsaufbau (Eindrahtdarstellung) eines herkömmlichen
netzgespeisten USV-Geräts. Bei
diesem wird die an WS-Eingangsanschlüsse E (WS = Wechselstrom) angelegte
Eingangsnetzspannung normalerweise über einen Umschalter 1 direkt
an WS-Ausgangsanschlüsse
A angelegt, während
eine Ladeeinrichtung 3 eine Speicherbatterie 2 auflädt, die
als Reserveleistungsquelle für
den Fall vorgesehen ist, daß Probleme
mit der Netzstromversorgung auftreten.
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Wenn
ein Problem bei der Netzstromversorgung auftritt, sei es ein Netzausfall
oder eine Abnahme oder Zunahme der Spannung, schaltet augenblicklich
der Umschalter 1 zu einem Wechselrichter 21 um, so daß nun aus
der Speicherbatterie 2 über den
Wechselrichter 21 eine Wechselspannung an die WS-Ausgangsanschlüsse A angelegt
wird, und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung gegeben ist (vgl.
Yoshimasa TAKAHASHI: "Verschiedene
Systemkonfigurationen und Hauptschaltungsverfahren von Mini-UPS-Geräten" [aus dem Japanischen übersetzter
Titel] in der Zeitschrift "OHM", erschienen bei Ohmsha
Ltd. Japan, Februar 1989, Seite 33).
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Da
bei dem herkömmlichen
USV-Gerät
im Normalfall die Last über
den Umschalter 1 direkt aus dem Netz gespeist wird, treten
folgende Probleme auf:
- (1) Da Änderungen
der Netzspannung die Last direkt beeinflussen, müssen Fehler in der Netzstromversorgung
so schnell wie möglich
erkannt werden, und es muß so
schnell wie möglich
auf den Wechselrichter 21 umgeschaltet werden. D. h., Auswirkungen
von Spannungsschwankungen der Netzspannung müssen minimiert werden.
- (2) Die Stromrichteranordnung, die sich aus der Ladeeinrichtung 3 und
dem Wechselrichter 21 zusammensetzt, umfaßt eine
Wechselstrom/Gleichstrom-Stromrichterschaltung (einen Gleichrichter) und
eine Gleichstrom/Wechselstrom-Stromrichterschaltung (einen Wechselrichter)
und besitzt außerdem
einen Gleichstromzwischenkreis. Daher ist ein Elektrolytkondensator
als Eingangsgleichspannungsquelle für den Wechselrichter erforderlich,
was die Gerätegröße erhöht und eine Berücksichtigung
der zu erwartenden Lebensdauer des Kondensators verlangt.
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Ein
USV-Gerät
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 689 22 049 T2 bekannt. Dieser Stand der
Technik besitzt zwei parallel geschaltete Halbrücken mit einem Gleichstromzwischenkreis.
Die erste Halbbrücke
dient entweder der Gleichrichtung der Eingangswechselspannung oder, unter
nur teilweiser Nutzung, einem Spannungsvervielfachen der Batteriespannung.
Beides speist den Zwischenkreiskondensator, dessen Gleichspannung die
zweite Halbbrücke
als Wechselrichter in den Ausgangswechselstrom umformt.
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Aus
der
US 5,610,805 A ist
ein USV-Gerät bekannt,
bei dem ein erster Schaltungsteil als Hochsetz-Gleichrichter den
Eingangswechselstrom gleichrichtet und eine erhöhte Gleichspannung ausgibt.
Diese wird in einem zweiten als pulsbreiten-geregelter Wechselrichter
arbeitenden Schaltungsteil in eine konstante Ausgangswechselspannung
umgesetzt. Eine Stützbatterie
ist so angeschlossen, dass sie über
eine Diode von den positiven Halbwellen des Eingangswechselstroms
geladen wird. Bei Ausfall des Eingangswechselstroms wird die Stützbatterie an
den ersten Schaltungsteil angelegt wird, dessen Betrieb nun in den
eines reinen Gleichstrom-Hochsetzstellers umgeschaltet wird.
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Aus
der
US 5,241,217 A ist
ein USV-Gerät bekannt,
dessen Aufbau dem des vorgenannten US Patents mit dem Unterschied
gleicht, dass wahlweise die Wechselstromeingangsquelle oder die
Stützbatterie
mit denselben Eingangsklemmen, nämlich
denen eines Hochsetz-Gleichrichters verbunden wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein USV-Gerät zu schaffen, bei dem bei
normaler Netzspeisung ein direkter Einfluß von Netzspannungsschwankungen
auf die Last vermieden wird, die Notwendigkeit für einen Gleichstromzwischenkreis
für die
Batteriespeisung beseitigt ist und dadurch die an die Last angelegte
Spannung stabilisiert wird, die Abmessungen des Geräts verringert
werden und die Lebensdauer erhöht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
USV-Gerät
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird
die Last bei normalem Netzbetrieb über eine Wechselspannungs-Stabilisierschaltung
unter Einsatz eines WS-Stellers aus dem Netz gespeist, während bei
einer Netzstörung
eine Speicherbatterie an den wechselstromseitigen Eingang der Wechselspannungs-Stabilisierschaltung
angeschlossen wird, um die Gleichspannung der Speicherbatterie in
eine der Last zugeführte
Wechselspannung umzusetzen.
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Bei
normalem Netzbetrieb stabilisiert also die Wechselspannungs-Stabilisierschaltung
die Netzspannung zum Erhalt der Ausgangswechselspannung, während bei
einer Netzstörung
oder betriebsbedingten Unterbrechung die Stabilisierschaltung als
Wechselrichter zur Speisung der Last mit einer Wechselspannung aus
der Speicherbatterie dient.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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2 bis 5 jeweils
ein detaillierteres Schaltbild weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung,
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6 eine
Darstellung der Eingangswechselspannung (1) und der Spannung
am Filterkondensator (2) zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele der
Erfindung und
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7 ein
Schaltbild eines herkömmlichen USV-Geräts.
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1 zeigt
schematisch als Eindraht- oder Einpoldarstellung in Blockform ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wie sie im Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
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Gemäß der Darstellung
in 1 weist ein Schalter oder Umschalter 1 einen
ersten Eingangsanschluß 1a auf,
der mit einem WS-Eingangsanschluß E verbunden ist, und einen
zweiten Eingangsanschluß 1b,
der mit dem WS-Eingangsanschluß E über eine
Ladeeinrichtung 3 (Wechselstrom/Gleichstrom-Umsetzerschaltung
oder Gleichrichterschaltung) verbunden ist. Eine Speicherbatterie 2 ist
mit der Gleichstrom-Ausgangsseite der Ladeeinrichtung 3 verbunden.
An einen Ausgangsanschluß 1c des Umschalters 1 ist
eine Wechselspannungs-Stabilisierschaltung 20 angeschlossen,
deren Ausgang mit einem WS-Ausgangsanschluß A verbunden ist. Je nach
Schalterstellung ist der Ausgangsanschluß 1c des Umschalters
entweder mit dessen Eingangsanschluß 1a oder dessen Eingangsanschluß 1b verbunden.
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Wenn
bei diesem Schaltungsaufbau die am Eingangsanschluß E anliegende
Netzwechselspannung normal ist, d. h. innerhalb eines normalen Schwankungsbereichs
liegt, wird sie über
den Umschalter 1 und die Stabilisierschaltung 20 zu
einer Ausgangswechselspannung umgesetzt. Zugleich wird die Speicherbatterie 2 über die
Ladeeinrichtung 3 geladen.
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Wenn
eine Netzstörung
auftritt, beispielsweise eine betriebsbedingte Netzunterbrechung
oder ein Abfall oder Anstieg der Netzspannung, wird der Umschalter 1 zur
Verbindung seines Ausgangsanschlusses 1c mit seinem Eingangsanschluß 1b umgeschaltet
und die Stabilisierschaltung 20 zugleich zur Ausgabe einer
Wechselspannung in einen Wechselrichterbetrieb versetzt. Bei dem
Umschalter 1 kann es sich um einen mechanischen Umschalter
oder aber auch um einen Halbleiterschalter handeln.
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Während bei
diesem Ausführungsbeispiel die
Ladeeinrichtung 3 zwischen dem Eingangsanschluß E und
der Speicherbatterie 2 liegt, könnte er alternativ zwischen
der Speicherbatterie 2 und der Eingangs- oder Ausgangsseite
der Stabilisierschaltung 20 liegen.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wie sie im Anspruch 3 charakterisiert ist. Dieses
Ausführungsbeispiel
verwendet einen WS-Steller 20A als die in 1 gezeigte
Stabilisierschaltung 20.
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Der
WS-Steller 20A enthält
eine Parallelschaltung von drei sogenannten Halbbrücken, die sich
jeweils aus einer Reihenschaltung zweier Schaltglieder zusammensetzen.
Jedes Schaltglied besteht aus der Antiparallelschaltung eines Halbleiterschaltelementes
(MOSFET) und einer Diode. Eine erste Halbbrücke enthält die Schaltelemente 5 und 6 und
die Dioden 11 und 12, eine zweite Halbbrücke enthält die Schaltelemente 7 und 8 und
die Dioden 13 und 14, und eine dritte Halbbrücke enthält die Schaltelemente 9 und 10 und
die Dioden 15 und 16. Wie schon angegeben, sind
die drei Halbbrücken
gemäß Darstellung
parallel geschaltet, und zu dieser Parallelschaltung ist ein Filterkondensator 17 parallel
geschaltet.
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Ein
Ende einer WS-Drossel 4 ist mit dem Mittelpunkt der ersten
Halbbrücke
verbunden, während das
andere Ende dieser WS-Drossel mit einem (E1) der beiden WS-Eingangsanschlüsse E1,
E2 verbunden ist, und zwar über
den Eingangsanschluß 1a und den
Ausgangsanschluß 1c des
Umschalters 1. Der andere WS-Eingangsanschluß E2 sowie
ein Eingangsanschluß eines
WS-Ausgangsfilters 18 sind
an den Mittelpunkt der zweiten Halbbrücke angeschlossen. Der andere
Eingangsanschluß des
Ausgangsfilters 18 ist mit dem Mittelpunkt der dritten
Halbbrücke verbunden.
Das Ausgangsfilter 18 setzt sich aus einer Drossel 18a und
einem Kondensator 18b zusammen.
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Die
Speicherbatterie 2 ist zwischen den anderen Eingangsanschluß 1b des
Umschalters 1 und einen der die drei Halbbrücken untereinander
verbindenden Verbindungspunkte geschaltet. Eine Ladeeinrichtung 3 ist
zwischen die Speicherbatterie 2 (deren mit dem Umschalter 1 verbundenen
Pol) und den anderen gemeinsamen Verbindungspunkt der drei Halbbrücken geschaltet.
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Wenn
bei diesem Schaltungsaufbau die Netzwechselspannung (6)
(1) unter einen ersten vorbestimmten Wert sinkt, werden
die Schaltelemente 7 bis 10 der zweiten und der
dritten Halbbrücke
mit der Netzfrequenz ein- und ausgeschaltet, während die Schaltelemente 5 und 6 der
ersten Halbbrücke mit
einer höheren
Frequenz ein- und ausgeschaltet werden. Daraufhin entsteht über dem
Filterkondensator 17 ein einphasiger, doppelweggleichgerichteter Spannungsverlauf
mit einer größeren Amplitude
als der der Netzspannung, wie in 6 (2)
gezeigt. Wenn die Schaltelemente 7 bis 10 im Nulldurchgang dieses
doppelweggleichgerichteten Spannungsverlaufes ein- bzw. ausgeschaltet
werden, ergibt sich an den Ausgangsanschlüssen A1, A2 eine sinusförmige Wechselspannung.
Das Ausgangsfilter 18 dient dabei zur Beseitigung einer
höherfrequenten
Welligkeit.
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Wenn
die Netzspannung einen zweiten vorbestimmten Wert, der größer ist
als der erste, übersteigt,
werden die Schaltelemente 5 bis 8 der ersten und
der zweiten Halbbrücke
mit der Netzfrequenz ein- und ausgeschaltet, während die Schaltelemente 9 und 10 der
dritten Halbbrücke
mit einer höheren Frequenz
ein- und ausgeschaltet werden. Am Filterkondensator 17 entsteht
dann ein einphasiger, doppelweggleichgerichteter Spannungsverlauf
mit einer Amplitude nahezu gleich derjenigen der eingegebenen Netzspannung.
An der Ausgangsseite des Ausgangsfilters 18 ergibt sich
eine sinusförmige
Wechselspannung mit kleinerer Amplitude als die der eingegebenen
Netzspannung. Solange die Netzstromversorgung normal ist, setzt
die Ladeeinrichtung 3 die Wechselspannung in eine Gleichspannung
um und lädt
die Speicherbatterie 2.
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Ungeachtet
von Schwankungen der Netzspannung ist das beschriebene Ausführungsbeispiel in
der Lage, an den Ausgangsanschlüssen
A eine stabilisierte sinusförmige
Wechselspannung abzugeben, d. h. Netzspannungsschwankungen werden durch
die Stabilisierschaltung kompensiert. Der erste und der zweite vorbestimmte
Wert sind nach Maßgabe
des normalen Schwankungsbereichs der Netzspannung festgelegt.
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Wenn
die Netzspannung unter einen dritten vorbestimmten Wert sinkt oder
das Netz ausfällt, oder
wenn die Netzspannung über
einen vierten vorbestimmten Wert ansteigt, wird der Umschalter 1 zur Speicherbatterie 2 hin
umgeschaltet und dafür
gesorgt, daß die
Schaltelemente 7 bis 10 der zweiten und der dritten
Halbbrücke
mit einer der normalen Netzfrequenz entsprechenden Frequenz ein-
und ausgeschaltet werden, während
die Schaltelemente 5 und 6 der ersten Halbbrücke mit
einer höheren
Frequenz ein- und ausgeschaltet werden. Am Filterkondensator 17 stellt
sich dann ein Spannungsverlauf ein, der dem in 6 gezeigten
entspricht, und an die Ausgangsanschlüsse A1, A2 wird über das
Ausgangsfilter 18 eine sinusförmige Wechselspannung geliefert.
Der WS-Steller 20A arbeitet nun als Wechselrichter, um
eine Unterbrechung der Stromversorgung zu verhindern. Es versteht
sich, das der dritte vorbestimmte Wert kleiner als der erste vorbestimmte Wert
ist und der vierte vorbestimmte Wert größer als der zweite vorbestimmte
Wert ist. Wenn im Einzelfall mit einem Anstieg der Netzwechselspannung über den
vierten vorbestimmten Wert nicht gerechnet zu werden braucht, braucht
ein Umschalten auf die Batterie für diesen Fall natürlich auch
nicht realisiert zu werden.
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Es
bedarf keiner besonderen Erwähnung, daß auch bei
diesem Ausführungsbeispiel
der Umschalter 1 ein mechanischer Umschalter oder auch ein
Halbleiterschalter sein kann. Außerdem kann die Ladeeinrichtung 3 zwischen
der Speicherbatterie 2 und dem WS-Eingangs- oder -Ausgangsanschluß angeordnet
werden.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wie es im Anspruch 2 charakterisiert ist. Dieses
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von demjenigen nach 2 darin,
daß das
Ausgangsfilter 18 nicht vorgesehen ist.
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Wenn
bei diesem Schaltungsaufbau die Netzspannung unter einen vorbestimmten
Wert absinkt, werden die Schaltelemente 7 bis 10 der
zweiten und der dritten Halbbrücke
mit der Netzfrequenz ein- und ausgeschaltet, während die Schaltelemente 5 und 6 der
ersten Halbbrücke
mit einer höheren
Frequenz ein- und ausgeschaltet werden, um wie bei 2 die
Ausgangswechselspannung gemäß Darstellung
in 6 zu erhöhen.
Dieser Aufbau ist allerdings nicht in der Lage, die Ausgangswechselspannung
gegenüber
der Eingangsnetzspannung zu verringern, wenn letztere einen bestimmten
Wert übersteigt.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wie es im Anspruch 4 charakterisiert ist. Dieses
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem nach 3 darin,
daß ein
Filterkondensator 19 im WS-Ausgangskreis, d. h. zwischen
den Ausgangsanschlüssen
A1 und A2 vorgesehen ist und der Filterkondensator 17 in
dem hier mit 20B bezeichneten WS-Steller entfallen ist.
Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist die gleiche wie die derjenigen
von 3, die durch die Schaltelemente 7 bis 10 fließenden Ströme weisen
hier jedoch eine höhere
Welligkeit auf.
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5 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung gemäß Anspruch
3. Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem in 2 bezüglich des
Anschlusses der Speicherbatterie 2 und der Ladeeinrichtung 3.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der negative Pol der Speicherbatterie 2 mit einem Ende
des Filterkondensators 17 (ein Ende der Parallelschaltung
der drei Halbbrücken)
verbunden, während
der positive Pol über
die Ladeeinrichtung 3 mit dem anderen Ende des Filterkondensators 17 (dem
anderen Ende der Parallelschaltung der Halbbrücken) verbunden ist. Bei dem
Ausführungsbeispiel
nach 5 ist dagegen der positive Pol der Speicherbatterie 2 mit
einem Ende des Filterkondensators 17 verbunden, während der
negative Pol der Speicherbatterie über die Ladeeinrichtung 3 mit
dem anderen Ende des Filterkondensators 17 verbunden ist.
Die Arbeitsweise der Schaltung insgesamt ist die gleiche wie die
beim Ausführungsbeispiel
von 2.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 3 und 4 können hinsichtlich des Anschlusses
der Speicherbatterie 2 und der Ladeeinrichtung 3 in
gleicher Weise modifiziert werden.
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Wie
voranstehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
normalerweise eine Wechselspannungs-Stabilisierschaltung bestehend aus
einem Wechselstromsteller zur Stabilisierung einer Eingangswechselspannung
verwendet, um eine Ausgangswechselspannung zur Speisung eines Geräts zu erzeugen.
Auf diese Weise wird an eine Last ungeachtet von Speisespannungsschwankungen oder
Netzspannungsschwankungen eine stabile Wechselspannung angelegt.
Wenn die Speisespannung extrem hoch wird oder eine Netzunterbrechung auftritt,
arbeitet die Stabilisierschaltung als Wechselrichter zur Ausgabe
einer stabilen Wechselspannung.
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Dies
beseitigt die Notwendigkeit der häufigen Umschaltung des Umschalters
auf die Speicherbatterie und verringert die Häufigkeit, mit der die Speicherbatterie
aufgeladen wird, wodurch ein stabiler Betrieb ermöglicht wird.
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Die
Stabilisierschaltung kann als WS-Steller ausgebildet werden, der
keinen Gleichstromzwischenkreis erfordert, so daß die Notwendigkeit von Schaltungselementen
mit begrenzter Lebensdauer, wie etwa einem Elektrolytkondensator,
entfällt.
Somit lassen sich nicht nur die Abmessungen des USV-Geräts senken,
sondern auch die Lebensdauer erhöhen.