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Die Erfindung betrifft eine Umschalteinheit zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb eines Haushaltsnetzes und eine Backup-Anlage für ein Haushaltsnetz mit einer solchen Umschalteinheit.
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Die ständige Verfügbarkeit elektrischer Energie zur Versorgung eines Haushalts ist selbstverständlicher Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Umso mehr ist es störend oder es droht sogar Gefahr, wenn eine solche Versorgung aufgrund eines Ausfalls des Netzes unterbrochen ist. Aus diesem Grunde gibt es sogenannte Backup-Anlagen, die in diesem Fall die Versorgung des Haushalts aus einem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie und/oder einem DC-Generator, insbesondere einem Solargenerator, sicherstellen. Beim Ausfall des Netzes muss zunächst der Haushalt von dem Netz getrennt werden, bevor ein Inselnetz beispielsweise durch einen spannungsstellenden Wechselrichter aufgebaut werden kann. Um eine vollständige Versorgung aller Lasten sicherzustellen, ist es bekannt, einen einphasigen Wechselrichter zu verwenden und die verschiedenen Phasen des Haushaltsnetzes miteinander zu verbinden.
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So zeigt das Schutzrecht
DE 10 2011 000 394 A1 eine Backup-Anlage, in der eine Steuereinrichtung bei Ausfall des Netzes mit einem ersten Relais alle Phasen des Netzes von einer Verbrauchereinrichtung trennt, mit einem zweiten Relais die Phasen der Verbrauchereinrichtung miteinander verbindet und mit einem Netzbildner ein Inselnetz aufbaut. Hierbei muss das erste Relais als Ruhestromrelais ausgebildet sein und dessen Ansteuerspule muss daher während des Netzbetriebs permanent bestromt werden, um ein Wiederverbinden der Verbrauchereinrichtung während des Inselbetriebs aufgrund eines Fehlers, der die Bestromung des ersten Relais ungewollt unterbricht, ausschließen zu können. Der Energieverbrauch eines solchen Ruhestromrelais verursacht erhebliche Zusatzkosten für eine Backup-Anlage, auch wenn diese nicht oder nahezu niemals benötigt wird.
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Entsprechend ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Umschalteinheit beziehungsweise eine Backup-Anlage aufzuzeigen, die ein einfehlersicheres Umschalten zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb eines Haushaltsnetzes ermöglicht und während des Netzbetriebs einen geringen Energieverbrauch aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Umschalteinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, sowie einer Backup-Anlage mit einer solchen Umschalteinheit. Bevorzugte Ausführungen der Backup-Anlage sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Umschalteinheit zum Wechsel zwischen einem Netzbetrieb und einem Inselbetrieb eines dreiphasigen Haushaltsnetzes umfasst ein erstes zwangsgeführtes Relais und ein zweites zwangsgeführtes Relais, die jeweils eine Ansteuerspule und eine Anzahl von Schließerkontakten und eine Anzahl von Öffnerkontakten aufweisen. Anschlüsse der Ansteuerspule des zweiten Relais sind mit Anschlüssen der Ansteuerspule des ersten Relais über einen ersten Schließerkontakt des ersten Relais parallelgeschaltet. Die Umschaltvorrichtung weist hierbei eine Eingangsseite mit Eingangsanschlüssen, die jeweils zur Verbindung mit einem der Phasenanschlüsse eines Netzanschlusses vorgesehen sind, und eine Ausgangsseite mit Ausgangsanschlüssen, die jeweils zur Verbindung mit einem Phasenanschluss eines Haushaltsanschlusses vorgesehen sind, auf, wobei ein erster Ausgangsanschluss über einen ersten Öffnerkontakt des ersten Relais mit einem ersten Eingangskontakt, über einen ersten Öffnerkontakt des zweiten Relais mit einem zweiten Ausgangskontakt und über einen zweiten Öffnerkontakt des zweiten Relais mit einem dritten Ausgangskontakt verbunden ist. Weiterhin ist der zweite Ausgangskontakt über einen ersten Öffnerkontakt mit einem zweiten Eingangskontakt und der dritte Ausgangskontakt über einen zweiten Öffnerkontakt mit einem dritten Eingangskontakt verbunden.
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Durch die Ausführung des ersten und zweiten Relais als zwangsgeführte Relais kann zum einen sichergestellt werden, dass eine Zusammenschaltung der Phasen des Haushaltsnetzes und eine Verbindung des Haushaltsnetzes mit dem externen Netz sich gegenseitig ausschließen. Dies hat den Grund, dass bei einem zwangsgeführten Relais die Schaltkontakte mechanisch starr miteinander verbunden sind und sich nur gemeinsam bewegen lassen, wodurch bauartbedingt auch bei verschweißten oder korrodierten Kontakten ausgeschlossen ist, dass gleichzeitig ein Öffnerkontakt und ein Schließerkontakt des Relais geschlossen sind.
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Als Folge ist es zulässig, die Relais während des Netzbetriebs nicht bestromen zu müssen, die Verbindung der Phasen des Haushaltsnetzes mit dem externen Netz also über Öffnerkontakte auszuführen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Backup-Anlage die vorstehend beschriebene Umschalteinheit und einen Netzanschluss mit Phasenanschlüssen, die jeweils mit einem der Eingangsanschlüsse der Umschalteinheit verbunden sind, wobei der Netzanschluss ein Netzüberwachungssignal bereitstellt, das die Verfügbarkeit eines angeschlossenen Netzes anzeigt. Weiterhin umfasst die Backup-Anlage einen Haushaltsanschluss mit Phasenanschlüssen, die jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Umschalteinheit verbunden sind. Ein einphasiger Wechselrichter mit einer Steuerung ist mit seinem AC-Ausgang über ein Trennrelais mit dem ersten Ausgangsanschluss der Umschalteinheit verbunden. Hierbei ist die Steuerung zum Empfang des Netzüberwachungssignals eingerichtet und mit Anschlüssen der Ansteuerspule des ersten Relais verbunden und dazu eingerichtet, die Ansteuerspule anzusteuern, wenn das Netzüberwachungssignal einen Ausfall des Netzes anzeigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerung mit einem zweiten Schließerkontakt des ersten Relais verbunden, um ein Umschalten des ersten Relais zu überwachen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Wechselrichter nur bei einem erfolgreichen Schaltvorgang des ersten Relais aktiviert wird. Ein Ausfall des ersten Relais wird dadurch erkannt und eine Fehlfunktion der Backup-Anlage vermieden. Es sei an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass bei einem Ausfall des ersten Relais das zweite Relais erst gar nicht schaltet, da dessen Ansteuerspule über einen Schließerkontakt - der bei Ausfall des ersten Relais nicht schließt - mit der Ansteuerspule des ersten Relais verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Steuerung dazu eingerichtet, die Ansteuerspule des ersten Relais mit einer ersten Zeitverzögerung anzusteuern, nachdem das Netzüberwachungssignal einen Ausfall des Netzes angezeigt hat, und die Ansteuerung der Ansteuerspule des ersten Relais mit einer zweiten Zeitverzögerung beenden, nachdem das Netzüberwachungssignal eine Wiederkehr des Netzes angezeigt hat. Hierdurch führte ein kurzzeitiger Netzausfall, beispielsweise über eine oder wenige Sekunden, nicht zu einer unerwünschten Aktivierung der Backup-Anlage und eine nur kurzzeitige Wiederkehr des Netzes entsprechend auch nicht zu einer unerwünschten Deaktivierung.
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Bevorzugt ist die Steuerung weiterhin dazu eingerichtet ist, erst mit einer dritten Zeitverzögerung nach Ansteuerung der Ansteuerspule des ersten Relais nach Wegfall des Netzes ein Schließen des Trennrelais, also die Erzeugung eines Inselnetzes im Haushalt durch den Wechselrichter, zu bewirken. Hierdurch wird ein kontrolliertes Erzeugen eines Inselnetzes im Haushalt unterstützt, da durch die dritte Zeitverzögerung ein Abbau verbleibender Spannungen im Haushaltsnetz ermöglicht wird.
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Bei Wiederkehr des Netzes ist die Steuerung vorteilhafterweise dazu eingerichtet ist, vor dem Beenden der Ansteuerung der Ansteuerspule des ersten Relais, also vor einem Wiederverbinden der Phasen des Haushaltsnetzes mit den Phasen des externen Netzes zunächst das Trennrelais zu öffnen und damit die Bildung des Inselnetzes zu beenden. Die erfolgreiche Trennung des Wechselrichters vom Haushaltsnetz kann durch den Wechselrichter selbstverständlich auch überwacht und zu einer Vorbedingung für das Wiederverbinden der Phasen des Haushaltsnetzes mit den Phasen des externen Netzes gemacht werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen
- 1 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Umschalteinheit innerhalb einer Backup-Anlage für ein Haushaltsnetz, und
- 2 ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Umschaltung zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb eines Haushaltsnetzes zeigen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung einer Backup-Anlage 10, die Phasenanschlüsse R, S, T eines dreiphasigen Energieversorgungsnetzes mit Phasenanschlüssen L1, L2, L3 eines Haushaltsnetzes schaltbar verbindet. Die Phasenanschlüsse R, S, T werden in einem Netzanschluss 4 bereitgestellt. Der Netzanschluss 4 enthält weiterhin eine Netzüberwachungseinheit, die den Zustand des Energieversorgungsnetzes mittels eines Netzüberwachungssignal 6 anzeigt. Diese Funktion kann beispielsweise durch einen Energiezähler mit erfüllt werden, kann aber auch durch eine eigene Überwachungsschaltung realisiert werden. Die Verbraucher des Haushalts sind wiederum über einen Haushaltsanschluss 5 auf die einzelnen Phasenanschlüsse L1, L2, L3 des Haushaltsnetzes verteilt.
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Im Netzbetrieb werden die Phasenanschlüsse R, S, T des dreiphasigen Energieversorgungsnetzes jeweils mit einer der Haushaltsphasen L1, L2, L3 über ein erstes Relais R1 und ein zweites Relais R2 über Öffnerkontakte R1.2, R2.2, R2.3 elektrisch verbunden, so dass im Netzbetrieb keine Ansteuerung der Ansteuerspulen A1, A2 der beiden Relais R1, R2 erforderlich ist und somit keine entsprechende Verlustleistung entsteht.
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Zur Ansteuerung des ersten Relais R1 sind die Anschlüsse der ersten Ansteuerspule A1 mit einem Signalausgang einer Steuerung 3 eines spannungsstellenden Wechselrichters 2 verbunden. Die Ansteuerspule A2 des zweiten Relais R2 ist über einen ersten Schließerkontakt R1.1 des ersten Relais R1 mit der Ansteuerspule A1 des ersten Relais R1 parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann der Schaltzustand des ersten Relais R1 und des zweiten Relais R2 durch die Steuerung 3 des Wechselrichters 2 gemeinsam bestimmt werden, wobei das zweiten Relais R2 nur dann angesteuert wird, wenn das erste Relais R1 korrekt schaltet.
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Das zweite Relais R2 ist so verschaltet, dass es im Ruhezustand zwei der Phasenanschlüsse S, T des Energieversorgungsnetzes mit zugeordneten Phasenanschlüssen L2, L3 des Haushaltsnetzes verbindet und im angesteuerten Zustand die zugeordneten Phasenanschlüssen L2, L3 des Haushaltsnetzes mit dem verbleibenden Phasenanschluss L1 des Haushaltsnetzes verbindet. Hierzu sind zwei Öffnerkontakte R2.2, R2.3 einseitig jeweils mit einem der Phasenanschlüsse S, T des Energieversorgungsnetzes und anderseitig mit den zugeordneten Phasenanschlüssen L2, L3 des Haushaltsnetzes verbunden. Weiterhin sind die Phasenanschlüssen L2, L3 des Haushaltsnetzes jeweils mit einem Schließerkontakt R2.1, R2.4e mit dem verbleibenden Phasenanschluss L1 des Haushaltsnetzes verbunden. Durch die Ausführung des zweiten Relais R2 als zwangsgeführtes Relais ist es ausgeschlossen, dass einer der Öffnerkontakte R2.2, R2.3 und gleichzeitig einer der Schließerkontakte R2.1, R2.4 geschlossen ist.
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Der spannungsstellende Wechselrichter 2 ist über ein Trennrelais 7 ebenfalls mit dem Phasenanschluss L1 des Haushaltsnetzes verbunden. Dies ermöglicht dem Wechselrichter 2 über seine Steuerung 3, bei Empfang eines Netzüberwachungssignals 6, das einen Netzausfall signalisiert, über den Signalausgang der Steuerung 3 ein Ansteuern der Umschalteinheit 1 auszulösen, um ein Trennen des Haushaltsnetzes von dem Energieversorgungsnetz und ein Zusammenschalten aller Phasen des Haushaltsnetzes zu einer gemeinsamen Phase zu bewirken. Anschließend kann der Wechselrichter 2 ein einphasiges Inselnetz, bevorzugt zunächst bei geöffnetem Trennrelais 7, bilden und dieses nach Schließen des Trennrelais 7 zur Versorgung der Verbraucher des Haushaltsnetzes aufrechterhalten.
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Das erste Relais R1 weist einen optionalen Schließerkontakt R1.4 auf, der mit einem Signaleingang der Steuerung 3 verbunden ist, und über den die Steuerung 3 den Schaltzustand des ersten Relais R1 verifizieren kann. Auf diese Weise kann die korrekte Schaltfunktion des ersten Relais R1 überwacht werden. Dieser optionale Relaiskontakt kann auch als Öffnerkontakt ausgeführt sein und ebenso anstatt im ersten Relais R1 auch im zweiten Relais R2 angeordnet sein.
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In der 1 ist im ersten Relais R1 ein ungenutzter Öffnerkontakt R1.3 gezeigt, der aber nicht zwingend erforderlich ist, sondern lediglich die Tatsache demonstriert, dass die beiden Relais R1, R2 baugleich ausgeführt sein können, was häufig aus Kostengründen von Vorteil ist. Selbstverständlich sind aber auch unterschiedliche Relaisausführungen, auch mit mehr oder weniger ungenutzten Kontakten, denkbar.
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In 2 ist ein Flussdiagramm für eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines Haushaltsnetzes gezeigt. In einem Ausgangszustand ist das Haushaltsnetz über die Umschalteinheit mit dem externen Netz verbunden. In diesem Zustand sind das erste Relais R1 und das zweite Relais R2 im Ruhezustand, also stromlos, sodass die Verbindung der einzelnen Phasen über die geschlossenen Öffnerkontakte der Relais erfolgt. In einem ersten Schritt S0 wird ein Ausfall des externen Netzes erkannt. Dies kann beispielsweise durch einen in den Netzanschluss integrierten Stromzähler oder durch andere bekannte Überwachungsvorrichtungen erfolgen. Der Ausfall des Netzes wird über ein Netzüberwachungssignal an die Steuerung des Wechselrichters übertragen. Die Erkennung des Ausfalls des externen Netzes kann alternativ aber auch direkt durch den Wechselrichter, beispielsweise durch eine Überwachung der Netzspannung und/oder Netzfrequenz an einem Anschlusspunkt des Wechselrichters, durchgeführt werden, wodurch sich eine Übertragung eines Netzüberwachungssignals erübrigt.
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In einem zweiten Schritt S2 wird zunächst eine vorgegebene erste Wartezeit gewartet, bevor in einem dritten Schritt S3 eine Ansteuerung der Umschalteinheit durch die Steuerung des Wechselrichters erfolgt, wodurch die Relais der Umschalteinheit vom Ruhezustand in den aktivierten Zustand wechseln. Diese Wartezeit dient dem Zweck, bei einem kurzzeitigen Netzausfall nicht direkt auf eine Notstromversorgung umzuschalten und vermeidet damit unnötige Schaltvorgänge der Umschalteinheit. Daher kann hier eine Wartezeit zwischen 10 Sekunden und mehreren Minuten gewählt werden, beispielsweise eine, zwei oder drei Minuten.
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In einem vierten Schritt S4 wird durch den Wechselrichter zunächst bei geöffnetem Trennrelais eine netzkonforme Wechselspannung gebildet, die bevorzugt auch synchron zur Phase des externen Netzes vor dem Ausfall erzeugt werden kann, und es wird eine zweite vorgegebene Wartezeit abgewartet, bevor in einem fünften Schritt S5 das Trennrelais geschlossen wird, wodurch der Wechselrichter die Versorgung des Haushaltsnetzes übernimmt, solange der Netzausfall andauert. Eine Wartezeit im Bereich einiger Sekunden, beispielsweise 5 Sekunden oder 10 Sekunden, ist hierbei ausreichend, damit eventuelle Restspannungen auf den Phasen des Haushalts abgebaut werden und Geräte sicher in einen abgeschalteten Zustand versetzt sind.
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Der Schritt S6 umfasst ein Warten darauf, dass das Netz wiederkehrt, so dass das Verfahren bis zu diesem Zeitpunkt im sechsten Schritt S6 verbleibt (Ast mit Minuszeichen an Schritt S6, falls das Netz noch nicht zurückgekehrt ist) und das Haushaltsnetz durch den Wechselrichter aufrechterhalten wird.
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Wenn ein wiederkehrendes Netz durch das Netzüberwachungssignal erkannt wird (Ast mit Pluszeichen an Schritt S6), wird in einem siebten Schritt S7 zunächst eine dritte Wartezeit abgewartet für den Fall, dass das Netz nur kurzzeitig zurückkehrt und dann gleich wieder ausfällt. In diesem Fall ist es besser, das Haushaltsnetz durchgehend durch den Wechselrichter zu versorgen. Erst nach Ablauf der dritten Wartezeit wird anschließend in einem achten Schritt S8 das Trennrelais des Wechselrichters geöffnet, wodurch die Versorgung des Haushaltsnetzes durch den Wechselrichter beendet wird. Die dritte Wartezeit kann im Minutenbereich liegen, beispielsweise 2 Minuten, 5 Minuten oder 10 Minuten. Anschließend wird in einem neunten Schritt S9 eine vierte Wartezeit gewartet, damit die Verbraucher des Haushaltsnetz in einen definierten Ruhezustand übergehen können, aus dem sie fehlerfrei wieder versorgt werden können.
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In einem abschließenden zehnten Schritt S10 wird die Ansteuerung der Relais der Umschalteinheit beendet, sodass diese in den Ruhezustand zurückkehren. Hierdurch wird die Zusammenschaltung der Phasen des Haushaltsnetzes aufgehoben, bevor eine erneute Verbindung der einzelnen Phase von externem Netz und Haushaltsnetz erfolgt. Ab diesem Moment werden die Verbraucher des Haushaltsnetzes wieder über das externe Netz versorgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umschalteinheit
- 2
- Insel-Wechselrichter
- 3
- Steuerung
- 4
- Netzanschluss
- 5
- Haushaltsanschluss
- 6
- Netzüberwachungssignal
- 7
- Trennrelais
- 10
- Backup-Anlage
- S1 - S10
- Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2011 000 394 A1 [0003]