DE3786366T2

DE3786366T2 - Netzabschalter mit Batteriereserve.

Info

Publication number: DE3786366T2
Application number: DE87303204T
Authority: DE
Inventors: Wing Keung Eng; Robert Edward Schroeder
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-04-17
Filing date: 1987-04-13
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2007-04-14
Also published as: JPS62296728A; EP0243061A3; US4745299A; EP0243061B1; CA1314932C; EP0243061A2; DE3786366D1

Description

Die Erfindung betrifft Stromversorgungen vom Schaltnetzteiltyp.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen hatten bisher generell entweder eine serielle oder eine parallele Architektur. Bei einer Architektur mit seriellem Format sind ein Gleichrichter, eine Batterie und ein Inverter mit der Wechselstromnetzleitung in Serie geschaltet, wobei die Batterie "schwimmt" bzw. floated, wenn das Wechselstromeingangsignal zu dem Gleichrichter zufriedenstellen ist. Diese Anordnung ist im allgemeinen befriedigend, ist aber ineffizient, da der Gesamtwirkungsgrad nicht höher als das Produkt der Wirkungsgrade der in Reihe verbundenen Bestandteile ist. Zusätzlich kann der Ausfall einer der in Serie verbundenen Komponenten den Ausfall des gesamten Netzteils bewirken. Die Architektur mit parallelem Format vermeidet einige der Nachteile der Architektur seriellen Formates, da die zwei Energiequellen vollständig unabhängig voneinander sind. Während der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit verbessert sind, ist die Steueranordnung für das Umsetzen der Belastung von der einen Energiequelle zu der anderen komplizierter; insbesondere in solchen Anwendungen, in denen der Transfer der Belastung einschwingvorgangfrei und transparent für die Belastung sein muß. Die Steueranordnung muß Synchronität und eine definierte Phasenbeziehung zwischen den zwei leistungsverarbeitenden Strecken aufrechterhalten. Obwohl diese parallelen Architekturanordnungen bei relativ hohen Leistungspegeln kostengünstig herstellbar sind, sind die hinzugefügten Steuerschaltungen und komplizierten Transformator- Konstruktionsanforderungen hinderlich für deren weitläufige Verwendung bei relativ niedrigen Leistungspegeln.
Die US-A-4564767 beschreibt eine unterbrechungsfreie Stromversrogung mit einem ersten Primäreingang, der durch eine gleichgerichtete Wechselstromnetzspannung unter Strom gesetzt wird und einem zweiten Reserveeingang, der durch eine Batteriespannung unter Strom gesetzt wird. Der zu dem zweiten Eingang gehörende leistungsmodulierende Schalter arbeitet nur dann als Leistungsschalter, wenn die Wechselstromnetzspannung ausgefallen ist. Separate Schaltungen werden benötigt, um einen Ausfall des Primäreingangs abzufühlen, und um den Leistungsschalter zu veranlassen, die Reservebatteriespannung zu verarbeiten.
Die vorliegende Erfindung strebt die Bereitstellung einer vereinfachten Steueranordnung für Anordnungen paralleler Architekturen an.
Gemäß der Erfindung wird eine Stromversorgung vom Schaltnetzteiltyp wie in Anspruch 1 beansprucht zur Verfügung gestellt.
Die jeweiligen Wicklungswindungen der Primärwicklung, der Sekundär- und der Hilfswicklung können derart ausgewählt werden, daß die Ausgangsspannungsregelung für die primäre und sekundäre Spannungsquelle über im wesentlichen verschiedene Eingangsspannungsbereiche, die einen kleinen gemeinsamen Überlappungsbereich enthalten, wirksam ist. Normalerweise wird die geregelte Ausgangsspannung einzig von der primären Wechselspannungsquelle abgeleitet. Falls diese Netzspannung in ihrer Größe erniedrigt ist, gleitet die Regelungssteuerung in den Überlappungsbereich, in dem sowohl die primäre als auch die sekundäre Spannungsquelle zu der Ausgangsleistung beitragen. Sollte die primäre Leistungsquelle vollständig ausfallen, wird die Ausgangsleistung einzig von der sekundären Spannungsquelle zugeführt.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein Blockschema einer erfindungsgemäßen Stromversorgung ist,
Fig. 2 idealisierte Schalt-Signalformen der Stromversorgung aus Fig. 1 darstellt,
Fig. 3 einen Graphen der Betriebsspannungsbereiche der Stromversrogung aus Fig. 1 darstellt und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Leistungsübertragungsstrecke der Stromversorgung aus Fig. 1 ist.
Ein Netzabschalter, bzw. eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, der/die konstruktionsgemäß von einer Wechselstromnetz-Versorgungsspannung unter Strom gesetzt wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Diese/r enthält Einrichtungen für das Zuführen von Leistung aus einer oder beiden von zwei unabhängigen Leistungsquellen zu einer Last am Ausgangsanschluß 10. Die eine kommerzielle Wechselstromleitung darstellende Quelle 1 ist an eine Gleichrichterfilterschaltung 11 gekoppelt. Die Schaltung 11 ist an eine Diode 2 gekoppelt, die sekundäre oder Reserveleistungsquelle 12 ist beispielsweise als Batterie dargestellt und ist an die Wicklung 22 durch eine Diode 3 gekoppelt, die rückwärts gerichteten Leistungsfluß in die Batterie 12 verhindert. Der Leistungsfluß von entweder der Wechselstromquelle 1 oder der Quelle 12 besteht durch den Leistungstransformator 20 zu einem oder mehreren Ausgängen, wie dem Anschluß 10. Der Leistungsfluß aus der primären Wechselstromquelle 1 ist durch einen Leistungsschalter 13 an eine Primärwicklung 21 gekoppelt, wobei der Leistungsfluß aus der sekundären Quelle 12 durch einen Leistungsschalter 14 an eine Hilfswicklung 22 gekoppelt ist. Die Spannungsregulierung am Ausgang 10 ist durch eine Pulsweitensteuerung (PWM) 30 gesteuert. Die Ausgangsspannung wird am Ausgangsanschluß 10 abgefühlt und ein durch eine Signalform 101 in Fig. 2 dargestelltes Impulssteuersignal ist über einen Primär-zu- Sekundär-Trennkoppler 31 an die logische Schaltung 32 gekoppelt. Der Koppler 31 kann aus einem optischen Koppler, einem Impulstransformator oder einem beliebigen anderen Übertragungsmedium bestehen, das in der Lage ist, die Isolierung gegenüber Masse aufrecht zu erhalten. Das Impulssteuersignal wird durch die logische Schaltung 32 verwendet, um Zeitsteuersignale dem Basistreiber 33 zur Steuerung des Tastverhältnis des Leistungsschalters 13, wie durch die Signalform 103 in Fig. 2 dargestellt ist, zu liefern. Der Leistungsschalter 13 kann einen bipolaren Leistungstransistor oder einen FET-Leistungstransistor enthalten, ist aber nicht notwendig auf diese Bauteile beschränkt. Die Spannungsimpulssignalform 103, die zur Steuerung des Treibers des Leistungsschalters 13 verwendet wird, hat eine variable Impulsbreite. Diese Impulsbreite ist durch die PWM-Steuerung 30 gesteuert, um die Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß 10 zu regeln.
Das Ausgangssignal der PWM-Steuerung 30 wird ebenfalls an den Basistreiber 34 angelegt, um ein Tastverhältnis des Leistungsschalters 14 (entweder ein Bipolar- oder ein Feldeffekttransistor, oder ähnliches), der die Reservespannungsquelle 12 an die Hilfswicklung 22 koppelt, zu steuern. Das Tastverhältnis des Leistungsschalters 14 ist durch die Signalform 102 in Fig. 2 dargestellt.
Die verschiedenen Tastverhältnisse der Signal formen 102 und 103 sind dargestellt, um typische Arbeitszyklen mit denen die Wechselspannungsquelle 1 und die Gleichspannungsquelle 12 normalerweise dem Ausgang Leistung zuführen, beispielhaft zu zeigen. Beide Leistungsschalter 13 und 14 werden simultan mit einem gemeinsamen Tastverhältnis angesteuert und in einem bestimmten Bereich, wie durch die Signalform 101 zwischen den Flanken 8 und 9 dargestellt, koppeln beide Schalter Leistung zu dem Ausgang. Auf der linken Seite der Flanke 8 koppelt nur der Schalter 13 Leistung zu dem Ausgang und auf der rechten Seite der Flanke 9 koppelt nur der Leistungsschalter 14 Leistung zu dem Ausgang.
Während die zwei Leistungsschalter 13 und 14 mit den gleichen Tastverhältnissen betrieben werden, wird die resultierende Ausgangsspannung 10, wenn sie von dem primären Wechselstromeingang 1 und der sekundären Quelle 12 erhalten wird, von verschiedenen Spannungsquellen mit verschiedenen Ausgangsspannungsbereichen abgeleitet, für die die Linien 301 und 302 die Spannungspegelgrenzen des gleichgerichteten Betriebs-Eingangsgleichspannungsbereiches darstellen, der durch die primäre Wechselspannungsquelle 1 über den Gleichrichter 11 zugeführt wird, und die Linien 303 und 304 Grenzen eines Betriebs-Eingangsspannungsbereiches, der durch die sekundäre Quelle 12 zugeführt wird, darstellen. Wie gezeigt sind die Spannungsbereiche verschieden mit Ausnahme eines kleinen Überlappens zwischen den Linien 302 und 303. Die Linie 305 stellt einen Alarmpegel dar, bei welchem ein Alarm, der niedrige Wechselstromnetzspannung anzeigt, gemeldet wird, falls die Spannung unter diesen Pegel abfällt. Da die Leistungsschalter 13 und 14 mit identischen Tastverhältnissen arbeiten, werden die verschiedenen Spannungsbereiche durch Steuerung der Quellenspannungspegel und durch verschiedene Transformationsverhältnisse zwischen Primärwicklung 21 und Sekundärwicklung 23 und zwischen der Hilfswicklung 22 und der Sekundärwicklung 23 erreicht. Somit ist unter normalen Betriebsbedingungen, bei welchen das Ausgangssignal aus der Wechselstromnetzspannung zugeführt wird, die Ausgangsspannung durch die Gleichung definiert:
wobei:
VO die Ausgangsspannung ist,
VP die gleichgerichtete Wechselstromnetzspannung ist,
das Verhältnis der Sekundär- zu den Primärwindungen ist,
D das Tastverhältnis ist, mit welchem die Leistungsschalter 13 und 14 betrieben werden. In der beispielhaften Ausführungsform eines Vorwärtskonverters ist dieser Wert normalerweise kleiner als 1/2. Jedoch kann die Erfindung in anderen Konvertertypen, wie z.B. Rücklauf- oder Flyback-Konvertern verkörpert sein.
Unter Notbedingungen, bei welchen das Wechselstromnetz abgesunken oder ausgefallen ist, wird die Ausgangsspannung durch die Gleichung definiert:
wobei:
VO und D
wie vorstehend definiert sind,
VB die Reservespannung ist, und
das Verhältnis der Sekundär- zu den Hilfswindungen ist,
Es ist aus dem vorstehenden offensichtlich zu erkennen, daß bei einem gegebenen Tastverhältnis, falls primäre und sekundäre Spannungsquelle identisch sind, die Ausgangsspannung von dem Windungsverhältnis in der gekoppelten Transformatorleistungsstrecke von der Quelle zum Ausgang abhängig ist. Das Windungsverhältnis N&sub2;&sub3; / N&sub2;&sub1; in der primären Leistungsstrecke ist so ausgewählt, daß die Steuerung 30 über einen wesentlich höheren Eingangsspannungsbereich regelt als diejenige für die Reserveleistungsstrecke. Ein Abfall der Wechselstromnetzspannung veranlaßt zuerst die Steuerung 30, das Tastverhältnis beider Leistungsschalter zu erhöhen, um die geregelte Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten. Falls die Wechselstromnetzspannung weiter abfällt, wird die Ausgangsspannung teilweise durch Leistung aus der Reservespannungsquelle in dem Überlappungsbereich zwischen den Linien 302 und 303 in Fig. 3 aufrecht erhalten, und wenn die Wechselstromnetzspannung unter einen Schwellenwertpegel abfällt, wie durch Linie 302 korrespondierend zu einem kritischen Tastverhältnis D dargestellt, wird die Ausgangsspannung allein durch die Reservespannungsquelle in den durch die Spannungspegel 304 bis 303 definierten Bereichen aufrecht erhalten. Es ist leicht zu ersehen, daß durch Steuerung der relativen Transformationsverhältnisse der nominellen Wechselstromnetzspannung und der ausgewählten Batteriespannung eine unterbrechungsfreie Stromversorgung realisiert werden kann, die ein gemeinsames Regelungssteuersystem zum Steuern sowohl der primären als auch der Reserveleistung verwendet.
Ein Leitungsabschalter, der als Konverter vom Vorwärtstyp arbeitet und Batteriereserveleistung zur Verfügung stellt, ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Primäre, aus der Wechselstromnetzquelle zugeführte Leistung wird an Eingangsanschlüsse 401 und 402 gekoppelt und wird gleichgerichtet und gefiltert durch die Gleichrichter/Filterschaltung 404. Eine Verbindung mit der Primärwicklung 405 des Transformators 406 wird periodisch durch den leistungsschaltenden Transistor 403 vervollständigt. Das gleichgerichtete Gleich-Ausgangssignal auf den Leitungen 411 und 412 wird aus der Sekundärwicklung 407 abgeleitet und durch eine Diode 408 gleichgerichtet. Die Diode 409 stellt eine Rücklaufstrecke für die Ausgangsfilterdrossel 410 zur Verfügung. Die Ausgangsspannung wird über den Filterkondensator 413 durch einen Pulsbreitensteuerer 430 abgefühlt, von dem Steuersignale über den Koppler 431 an eine logische Schaltung 423 übertragen werden, welche wiederum die zeitliche Steuerung einer Treiberschaltung 433 steuert, um das Tastverhältnis des leistungsschaltenden Transistors 403 zu steuern, um die Ausgangsspannung über den Filterkondensator 413 zu regeln.
Eine Batterie 451 wird als Reserveenergiequelle verwendet und ist an eine Hilfswicklung 415 des Leistungstransformators 406 durch einen in einer Darlington- Schaltung angeschlossenen Leistungsschalter 453 (oder Leistungs-FET) gekoppelt, dessen Schalten durch den Basistreibertransistor 455 gesteuert ist, der wiederum auf ein Ausgangssignal der PWM-Steuerung 430 anspricht. Das Tastverhältnis des Leistungsschalters 453 ist synchron mit und im wesentlichen identisch zu dem Tastverhältnis des Leistungsschalters 403.
Obwohl die Leistungsschalter 403 und 453 in Übereinstimmung geschaltet werden, wird dem Ausgang innerhalb eines der verschiedenen Regelbereiche, die durch die relativen Windungsverhältnisse der Wicklungen 405 und 415 in Bezug zur Sekundärwicklung 407 erzeugt werden, Leistung zugeführt.
Die durch die Batterie 451 zugeführte Reserveenergie ist strombegrenzt. Ein Stromtransformator 456 wird verwendet, um die von der Batterie 451 zu dem Transistorschalter 453 fließenden Spitzenentladungsströme abzufühlen. Dieses Stromsignal wird durch eine Diode 457 und ein Filter 458 gleichgegerichtet, um ein Gleichsteuersignal zu erhalten. Dieses Steuersignal wird an die PWM-Steuerung 430 über Leitungen 461 und 462 gekoppelt und wird durch die Steuerung 430 verwendet, um einen Überlastschutz zur Verfügung zu stellen.

Claims

1. Schaltnetzteil mit einem Leistungstransformator (20) mit einer Primärwicklung (21), einer Sekundärwicklung (23) und einer Hilfswicklung (22) und mit einem ersten Transformationsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung und einem zweiten Transformationsverhältnis zwischen der Hilfswicklung und der Sekundärwicklung, mit einer ersten Eingangseinrichtung (11, 13) für das Akzeptieren einer primären Energiequelle, einer zweiten Eingangseinrichtung (3, 14) für das Akzeptieren einer zweiten Energiequelle (12) und einer Ausgangseinrichtung (10) für das Koppeln von Energie aus der Sekundärwicklung zu einer Last, wobei die erste Eingangseinrichtung einen ersten Leistungsschalter (13) für kontinuierliches periodisches Verbinden der primären Engergiequelle mit der Primärwicklung enthält dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Eingangseinrichtung einen zweiten Leistungsschalter (14) zum kontinuierlichen periodischen Verbinden der sekundären Energiequelle mit der Hilfswicklung enthält und eine Regelungs-Steuereinrichtung (30), die in Antwort auf die Größe eines in der Ausgangseinrichtung durch das Netzteil erzeugten Signals kontinuierlich und simultan den ersten und den zweiten Leistungsschalter mit einem gemeinsamen Tastverhältnis ansteuert, enthält, wobei im Betrieb der Ausgangseinrichtung durch den ersten und zweiten Leistungsschalter Leistungssignale durch das erste und zweite Transformationsverhältnis innerhalb eines ersten und zweiten Eingangsspannungsbereiches gesteuert kontinuierlich zugeführt sind, so daß der Ausgangseinrichtung von der primären Energiequelle innerhalb des ersten Eingangsspannungsbereiches automatisch Energie zugeführt ist und der Ausgangseinrichtung von der zweiten Energiequelle innerhalb des zweiten Eingangsspannungsbereiches automatisch Energie zugeführt ist, wenn die primäre Energiequelle unter ihren erwünschten Betriebsgrenzwerten ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 mit einer Batterie (Fig. 4, 451) als zweiter Energiequelle und einer Überwachungsschaltung mit einem Abfühltransformator (456) für das Abfühlen eines Entladestromes aus der Batterie.