DE20211741U1

DE20211741U1 - Aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsausgabe

Info

Publication number: DE20211741U1
Application number: DE20211741U
Authority: DE
Original assignee: Digi Power Manufacturing Inc
Current assignee: Digipower Manufacturing Inc Tw
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2012-07-31
Also published as: US6744648B2; JP3091973U; US20040022079A1

Description

Aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsausgabe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsausgabe gemäß Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Fig. 1 stellt einen Stromkreis einer herkömmlichen interaktiven unterbrechungsfreien Stromversorgung mit Aufwärts- und Abwärtstransformator dar. Diese herkömmliche aktive unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) wird auch Einfach-Umwandlungs-USV genannt, die im Vergleich zu einer Online-USV weniger Bauelemente anwendet, sodass die Zuverlässigkeit und die Effizienz zwar höher sind, aber die Eingangsspannung keinen Leistungsfaktorausgleich hat. Ist ein nichtlinearer Verbraucher an diese USV angeschlossen, wird der Standard der Oberschwingungsstrom-Vorschrift (wie beispielsweise IEClOOO-3-2) nicht erfüllt. Außerdem werden 0 eine stufenweise schwankende Spannung der unterbrechungsfreien Stromversorgung und eine ungenaue Spannungsregelung verursacht. Fig. 2 stellt einen Stromkreis einer herkömmlichen interaktiven unterbrechungsfreien Stromversorgung gemäß der US 5,334,877 dar, durch die der Leistungsfaktorausgleich erreichbar ist. Aber ist deren Ausgangsspannung auch nicht präzise regulierbar.

Von daher ist es Aufgabe der Erfindung, die oben erwähnten Mängel zu beseitigen und ein aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsabgabe zu schaffen, das nicht nur die Gesamtverzerrung des eingegebenen Stroms und die Regelung der Ausgangsspannung, sondern auch den Oberschwingungsstrom verbessert, wodurch der Eingangsstrom verringert ist und elektromagnetische Bauelemente verkleinert sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsausgabe zu schaffen, durch das die stufenweise schwankende Spannung der unterbrechungsfreien Stromversorgung und die ungenaue Spannungsregelung bei Spannungseinstellung herkömmlicher Geräte auszuschließen sind.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsausgabe, das eine Blindleistungskompensationsschaltung, einen Inverter mit zwei Ausgängen, eine Ersatzbatterie und einen Steuerkreis aufweist. Die Blindleistungskompensationsschaltung ist an die Wechselstrom (WS)-Netzversorgung angeschlossen, um einen Gesamtverzerrungs-Strom aufzunehmen, der über einen ersten Ausgang des Inverters und weiterhin über einen zweiten Ausgang des Inverters in den Verbraucher geleitet 0 wird. Die Stärke der aus der WS-Netzversorgung in die Blindleistungskompensationsschaltung eingegebenen Stroms ist derart gesteuert, dass die von der WS-Netzversorgung eingegebene Leistung mit der benötigten Nutzarbeit identisch ist. Der zweite Ausgang des Inverters ist an den 5 USV-Ausgang angeschlossen. Der erste Ausgang des Inverters ist vom Steuerkreis derart gesteuert, dass dessen Spannung höher ist als die von der WS-Netzversorgung eingegebene Spannung, damit die Blindleistungskompensationsschaltung in Betriebsart der Aufwärtsspannung arbeitet und einen 0 Nichtimpuls-Strom aus der WS-Netzversorgung aufnimmt. Der Inverter ist vom Steuerkreis gesteuert und stellt damit eine Festspannungsquelle her, die mit der von der Blindleistungskompensationsschaltung erzeugten Stromquelle parallel geschaltet ist, um dem Verbraucher die Leistung zu liefern. Ist der Verbraucher widerstandsfähig oder linear, wird der vom Verbraucher benötigte Strom vollständig von

der Blindleistungskompensationsschaltung versorgt, während kein Strom den Inverter durchfließt. Ist der Verbraucher nichtlinear, wird ein Gesamtverzerrungs-Strom genommen, der nach der Verarbeitung der
Blindleistungskompensationsschaltung den Inverter durchfließt, wobei der Inverter selbst niedrigohmig ist, sodass der Strom geringfügig verzerrt ist und somit eine stabil regelbare Ausgangsspannung produziert.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nehmen; es zeigen:

Fig. 1 einen Stromkreis eines herkömmlichen interaktiven unterbrechungsfreien Stromversorgung mit Aufwärts- und Abwärtstransformator;

Fig. 2 einen Stromkreis einer herkömmlichen interaktiven 0 unterbrechungsfreien Stromversorgung der US

5,334,877;

	Fig.	3	ein Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung;
25	Fig.	4	eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
			Inverters;
	Fig.	5	eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
			Blindleistungskompensationsschaltung;
30
	Fig.	5a	eine Ausführungsform eines Wechselschalters der
			erfindungsgemäßen
			Blindleistungskompensationsschaltung; und
35	Fig.	6	eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
			Inverters. 3
			• · ··· · · t · · · ··· · ···

Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung weist auf: eine Blindleistungskompensationsschaltung 110, einen Inverter 120, eine Wechselstrom (WS)-Netzversorgung 10, eine Gleichstrom (GS)-Ersatzbatterie 20 und einen Steuerkreis 130. Die Blindleistungskompensationsschaltung 110 nimmt aus der WS-Netzversorgung 10 einen Strom, dessen Größe und Wellenform gesteuert sind und der von der Blindleistungskompensationsschaltung 110 auf einen ersten Ausgang 122 des Inverters 120 übertragen ist. Der zweite Ausgang 123 des Inverters 120 ist an einen Verbraucher angeschlossen. Die Stromenergie der GS-Ersatzbatterie 2 0 wird von dem Inverter 12 0 in zwei präzise gesteuerte Stromenergien umgewandelt. Die Spannung des ersten Ausgangs 122 des Inverters 120 ist derart größer als die Netzspannung, dass die Blindleistungskompensationsschaltung 110 in Betriebsart der steigenden Spannung arbeitet und aus der WS-Netzversorgung 10 einen Nichtimpuls-Strom nimmt.

0 Zwischen den beiden Ausgängen 122, 123 kann dieser Strom in Doppelrichtung fließen. Außerdem empfängt die Blindleistungskompensationsschaltung 110 ein erstes Steuersignal 131 des Steuerkreises 130, damit der von der Blindleistungskompensationsschaltung 110 in den Inverter 5 12 0 eingegebene Strom zu Gesamtverzerrungsstrom gesteuert

wird. Dadurch ist die gesteuerte Stromstärke mit der benötigten Stromstärke identisch. Überdies stellt der Inverter 120 mittels eines zweiten Steuersignals 132 zwei präzise geregelte Spannungen her.
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Fig. 4 stellt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inverters dar. Der Inverter 220 ist als Hochfrequenzverbindungsinverter (HF-Verbindungsinverter) ausgebildet. Diese Technik kann auf eine Dissertation unter 5 dem Titel "A comparison of high frequency link schemes for interfacing a DC source to a utility grid" aus "IEEE IAS

• I ·

Annual Meeting by R. L. Steigewald and R. E. Tokins" zurückgeführt werden. Der Inverter 22 0 enthält vier Schalter 221, 222, 223, 224, durch die der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird, der weiterhin an eine Primärspule 225 des Hochfrequenzverbindungsinverters 2201 angeschlossen ist. Der erste Wechselschalter 230 ist an eine erste Sekundärspule 22 6 des Hochfrequenzverbindungsinverters 2201 angeschlossen, während der zweite Wechselschalter 231 an eine zweite Sekundärspule 227 des Hochfrequenzverbindungsinverters 2201 angeschlossen ist. Nachdem die anderen Enden des ersten Wechselschalters 230 und des zweiten Wechselschalters miteinander verbunden sind, sind sie weiterhin über einen Wellenfilter an den zweiten Ausgang 123 angeschlossen. Der Wellenfilter umfasst eine Induktivität 235 und eine Kapazität 23 6. Der obige ist ein herkömmlicher HF-Verbindungsinverter. Der erfindungsgemäße HF-Verbindungsinverter ist zusätzlich mit zwei Sekundärspulen 228, 229, zwei Wechselschaltern 232, 233 und einem Wellenfilter versehen, wobei der Wellenfilter eine Induktivität 234 und eine Kapazität 237 aufweist. Die Methode zur Herstellung von Steuersignalen ist in zahlreichen Dokumenten, wie beispielsweise unter dem Titel "Bilateral DC to AC Converter Employing a High Frequency Link" in "1985, IEEE/IAS Annual Meeting Recode, PP. 1156-1162", zu finden.

Fig. 5 stellt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Blindleistungskompensationsschaltung dar. Diese Blindleistungskompensationsschaltung 110 weist eine Induktivität 112 auf, die an einem Ende 112a mit einer Stromleitungs-Sammelschiene 101 der WS-Netzversorgung verbunden ist, während die Induktivität 112 am anderen Ende 112b über einen ersten Wechselschalter 113 mit einer neutralen Sammelschiene 102 der WS-Netzversorgung 10 verbunden ist. Außerdem ist das andere Ende 112b der

Induktivität 112 über einen zweiten Wechselschalter 114 mit dem Ausgang der Blindleistungskompensationsschaltung 110· verbunden. Befinden sich der Induktivitätsstrom und die Ausgangsspannung in der positiven Halbperiode, wird der zweite Wechselschalter 114 derart gesteuert, dass der Leitungsstrom von der Induktivität 112 bis zum Ausgang der Blindleistungskompensationsschaltung 110 fließt. Befinden sich der Induktivitätsstrom und die Ausgangsspannung in der negativen Halbperiode, wird der zweite Wechselschalter 114 derart gesteuert, dass der Leitungsstrom vom Ausgang 115 der
Blindleistungskompensationsschaltung 110 bis zur Induktivität 112 fließt. Manche herkömmliche Steuergeräte der Blindleistungskompensationsschaltung 110, wie beispielsweise Unitrode 3854, ST L4981, usw., oder andere Digitalsteuerungsmethoden sind einsetzbar.

Fig. 5a stellt eine Ausführungsform eines Wechselschalters der erfindungsgemäßen Blindleistungskompensationsschaltung dar. Dieser Wechselschalter 114 verbindet die Emitter E zweier IGBT Transistoren C,G,E, die beide innen mit einer Diode versehen sind, sodass der Leitungsstrom bei diesem Wechselschalter 114 einen der IGBT-Transistoren schaltet.

5 Fig. 6 stellt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inverters dar. Dieser Inverter 320 enthält vier Schalter 321, 322, 323, 324 und einen Transformator 3201. Der Transformator 3201 hat eine Primärspule 325, eine erste Sekundärspule 326 und eine zweite Sekundärspule 327. Die vier Schalter 321, 322, 323, 324 dienen dazu, den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der über den Transformator 3201 mit dem ersten und zweiten Ausgängen des Inverters 320 gekoppelt sind. Die Polarität der ersten Sekundärspule 326 und der zweiten Sekundärspule 327 ist derart angeordnet, dass die erste Ausgabe 122 des Inverters 320 in gewissem Maße höher ist

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als die zweite Ausgabe 123. Der Inverter 320 kann in Spannungs- oder Strombetriebsart gesteuert werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Insbesondere wird der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche festgelegt.
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Claims

1. Aktives Ersatznetzgerät zum Ausgleich des Leistungsfaktors und zur Einstellung der Leistungsausgabe, das aufweist:
eine Blindleistungskompensationsschaltung (110), die aus Wechselstrom (WS)-Netzversorgung (10) einen Strom aufnimmt, dessen Größe und Wellenform gesteuert sind;
eine WS-Netzversorgung (10);
einen Inverter (120), der in Verbindung mit der WS- Netzversorgung (10) steht und zwei Ausgänge (122, 123) aufweist, wobei der eine den aus der Blindleistungskompensationsschaltung (110) genommenen Strom empfängt, während der andere an einen Verbraucher (30) angeschlossen ist; und
einen Steuerkreis (130), der dazu dient, die Steuersignale zur Blindleistungskompensationsschaltung (110) oder zum Inverter (120) zu leiten, um den von der Blindleistungskompensationsschaltung (110) in den Inverter (120) eingegebenen Strom oder den Inverter (120) zu steuern, damit eine präzise regelbare Spannung erhältlich ist.

2. Ersatznetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom von dem Inverter (120) in präzise gesteuerte Stromenergie umgewandelt ist, die in die Blindleistungskompensationsschaltung (110) geleitet ist, wobei die Spannung des den Inverter (120) und die Blindleistungskompensationsschaltung (110) verbindenden Ausgangs (122) derart größer ist als die Wechselspannung, dass die Blindleistungskompensationsschaltung (110) in Betriebsart der steigenden Spannung arbeitet und aus dem Wechselstrom (10) einen Nichtimpuls-Strom nimmt.

3. Ersatznetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Blindleistungskompensationsschaltung (110) in den Inverter (120) eingegebene Strom mittels Steuerkreis (130) als Gesamtverzerrungsstrom steuerbar ist, und dass die gesteuerte Stromstärke mit der benötigten Stromstärke identisch ist, und dass der Inverter (120) mittels Steuersignale des Steuerkreises den Gleichstrom umwandelt, um präzise gesteuerte Spannungen herzustellen.

4. Ersatznetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsstrom von der Induktivität (112) bis zum Ausgang (115) der Blindleistungskompensationsschaltung (110) fließt, wenn sich der Induktivitätsstrom und die Ausgangsspannung der Blindleistungskompensationsschaltung (110) in der positiven Halbperiode befinden.

5. Ersatznetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsstrom vom Ausgang (115) der Blindleistungskompensationsschaltung (110) bis zur Induktivität (112) fließt, wenn sich der Induktivitätsstrom und die Ausgangsspannung der Blindleistungskompensationsschaltung (110) in der negativen Halbperiode befinden.

6. Ersatznetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Inverters (320) in Spannungs- oder Strombetriebsart durchzuführen ist.