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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung (UPS) und insbesondere auf eine UPS mit hohem Wirkungsgrad,
die einen glatten Übergang von
einem Nutzleistungsstrom zu einem Batteriestrom ohne Ausfall bereitstellt.
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Unterbrechungsfreie
Stromversorgungen werden in vielen elektrischen und elektronischen Systemen
verwendet, um einen Schutz gegen einen Verlust oder eine Verschlechterung
des Betriebs im Falle eines Nutzleistungsstromausfalls zu bieten.
Ein typisches UPS-System liefert einen Notstrom für das geschützte System
von einer Batteriequelle, die durch den Nutzleistungsstrom geladen
gehalten wird. Das Management der Batterieaufladung ist oft Teil des
Betriebs des UPS-Systems.
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UPS-Systeme
werden gewöhnlich
als „online" oder „offline" bezeichnet. Eine
Online-UPS enthält
gewisse Elektronikschaltungen in einem stromversorgten Zustand,
um das Vorhandensein eines Stromausfalls schneller festzustellen
und dem geschützten
System Notstrom zuzuführen.
Eine Offline-UPS liefert Strom nur an ein Minimum der Elektronikschaltung,
und bei einem Ausfall des Nutzleistungsstroms muss eine andere Elektronikschaltung mit
Strom versorgt werden, so dass das Verfahren der Übertragung
von Reservestrom umgesetzt werden kann.
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Ein
Beispiel für
ein Online-UPS-System 10 nach dem Stand der Technik ist
in 1 gezeigt. Ein Nutzleistungsstrom 11,
der in diesem Fall ein 120 V-Wechselstrom
ist, wird an einen Brückengleichrichter 12 angelegt.
Der Brückengleichrichter 12 führt eine
Gleichrichtung von Wechselstrom zu Gleichstrom durch, der an den
Eingang eines Halbbrückenumsetzers 14 angelegt
wird. Der Zweck des Halbbrückenumsetzers 14 ist
es, einen geregelten Gleichstromausgang 16 zu liefern,
der in diesem Beispiel 36 V Gleichstrom ist. Der Ausgang 16 wird
zur Batterieaufladung und zum Betreiben eines Doppelt-Vorwärts-Umsetzers 18 verwendet.
Die Batterieaufladung wird durch die Batteriemonitor- und Ladesteuerung 34 überwacht,
die den Ausgang des Halbbrückenumsetzers 14 regelt,
so dass er die ordnungsgemäße Ladespannung
und den ordnungsgemäßen Strom
an die 36 V-Batterie 38 liefert. Die Batteriemonitor- und
Ladesteuerung 34 liefert auch ein Fehlersignal durch einen
Halbbrücken-Pulsbreitenmodulator (PWM) 36,
das an den Steuereingang des Halbbrückenumsetzers 14 angelegt
wird und Teil der Rückkopplungsschleife
ist, die den Ausgang 16 regelt. Der Doppelt-Vorwärts-Umsetzer 18 wird
verwendet, um einen geregelten 60 V-Gleichstromausgang 20 bereitzustellen.
Der 60 V-Gleichstromausgang 20 wird an den Eingang eines
Vollwellen-(F/W)-Brückeninverters 22 angelegt,
der die Funktion durchführt,
den 60 V-Gleichstromausgang 20 in einen 60 V-Wechselstromausgang 24 unter
Verwendung eines Steuersignals 30 umzusetzen. Das Steuersignal 30 wird durch
den F/W-Brückeninverter-Steuerabschnitt des Vorwärts- und
F/W-Brückencontrollers 32 bereitgestellt.
Das Pulsbreiten-Steuersignal 26 wird durch den Vorwärts-Umsetzer-Controllerabschnitt
des Vorwärts-
und F/W-Brückencontrollers 32 erzeugt.
Das Eingangssignal 28 an den Vorwärts- und F/W-Brückencontroller 32 enthält eine
Spannungs- und/oder Strominformation, die von Sensoren abgeleitet
wird, die den 60 V-Gleichstromausgang 20 überwachen. Das
Signal 28 liefert eine Spannungs- und Lastinformation,
aus der der Vorwärts-
und F/W-Brückencontroller 32 das
Pulsbreiten-Steuersignal 26 erzeugt,
als Teil der Rückkopplungsschleife,
die den 60 V-Gleichstromausgang 20 regelt.
Der Vorwärts-
und F/W-Brückencontroller 32 erzeugt
auch das Steuersignal 30, welches den Betrieb des F/W-Brückeninverters 22 steuert.
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Das
Online-UPS antwortet schnell auf das Auftreten eines Nutzstromausfalls.
Dies ist dadurch ersichtlich, dass man bemerkt, dass die Batterie 38 direkt
in dem Strompfad von 36 V-Gleichstrom an dem Ausgang 16 zu
60 V-Gleichstrom an dem Ausgang 20 und zu dem endgültigen 60
V-Wechselstromausgang 24 verwendet
wird. Im Falle des Verlusts des Nutzleistungsstroms 42 gibt
es nichts umzuschalten – die
Batterie 38 ist bereits „online", was bedeutet, dass der Notstrom unmittelbar
zur Verfügung
steht und an das geschützte
System angelegt wird. Der Stromwirkungsgrad von Online-UPS-Systemen
ist vermindert, weil zwei Umsetzer, der Halbbrückenumsetzer 14 und
der Doppel-Vorwärts-Umsetzer 18,
statt eines einzigen Umsetzers verwendet werden, der mehr effizient
sein könnte.
Die meisten Online-UPS-Systeme verwenden einen einzigen Inverter,
der bei einer Nutzleistungs-Wechselstromfrequenz arbeitet, statt
eines Doppel- Vorwärts-Umsetzers 18 und
eines F/W-Brückeninverters 22,
dies führt
jedoch zu einer erhöhten
Größe und einem
erhöhten
Gewicht, weil Niederfrequenz-Stromtransformatoren und Wellenformungs-Induktoren
erforderlich sind, um einen Sinus- oder Quasi-Rechteck-Ausgang bereitzustellen.
Es ist auch zu beachten, dass zwei Umsetzer mehr komplexe, elektromagnetische
Interferenz-(EMI)-Charakteristiken erzeugen als ein einziger Umsetzer.
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Bezug
nehmend auf 2 ist ein typisches nicht schaltendes
Offline-UPS-System 40 gezeigt. Wenn
ein Stromausfall auftritt, wird der ferroresonante Transformator 46 durch
den geregelten Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 52 mit
Strom versorgt, der von der Reservebatterie 48 des Systems
arbeitet. Der geregelte Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 52 ist
normalerweise in dem nicht arbeitenden Zustand, bis ein Schaltcontroller 54 ein
Problem in dem Wechselstromausgang 56 feststellt, wobei
zu diesem Zeitpunkt der geregelte Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 52 gestartet
und Strom an den ferroresonanten Transformator 46 geliefert
wird. Das Hauptproblem mit diesem Ansatz ist es, dass Zeit vergeht
oder „Ausfallzeiten" zwischen dem Verlust
der Wechselstrom-Hauptversorgung, dem Feststellen des Ausfalls und
der Inbetriebnahme des geregelten Gleichstrom-Wechselstrom-Inverters 52 auftreten.
In den meisten UPS-Systemen, die gegenwärtig in Benutzung sind, ergibt
sich daraus ein momentaner Verlust an Ausgangsleistung.
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Der
Betrieb des nicht schaltenden Offline-UPS-Systems 40 ist
wie folgt. Der Strom, der von dem Nutzleistungsstrom 42 (120
V-Wechselstrom) zur Verfügung
steht, wird durch den elektronischen Schalter 44 an den
ferroresonanten Transformator 46 weitergegeben, der einen
Wechselstromausgang 56 mit quasi rechteckiger Wellenform
erzeugt. Wenn der Nutzleistungsstrom 42 unterbrochen ist,
stellt der Schaltcontroller 54 einen Abfall in dem Wechselstromausgang 56 fest
und schaltet den elektronischen Schalter 44 ab, während der
elektronische Schalter 50 eingeschaltet und die Batterie 48 mit
dem geregelten Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 52 verbunden
wird. Bei der Durchführung
dieses Übergangs
und beim Abtasten des tatsächlichen
Abfalls in dem Wechselstromausgang 56 geht Zeit verloren,
da die Ausgangswellenform in hohem Maße von der Größe des Laststroms
abhängt,
der durch den ferromagnetischen Transformator 46 weitergegeben
wird. Daher führen
die Sensorschaltungen in dem Schaltcontroller 54 eine gewisse
Verzögerung
ein, um „sicherzustellen", dass tatsächlich ein
Stromverlust vorliegt. Mehr entwickelte Controller können auch
den Nutzleistungsstrom 42 abtasten, um die Verzögerungen
in dem Ansprechen des ferroresonanten Transformators 46 zu
umgehen; es gibt jedoch immer noch eine endliche Zeit, um den geregelten
Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 52 von einem Kaltstart online
zu bringen.
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Wenn
die Nutzleistungs-Stromversorgung 42 wieder zur Verfügung steht,
wartet der Schaltcontroller 54 während einer gewissen Zeit,
um den ferroresonanten Transformator 46 wieder zurück zu schalten,
um einen Schutz gegen unsinnige Schaltvorgänge zu bieten, bspw. eine momentane
Stromwiederherstellung, Stromspitzen usw.. Diese Zeit kann bis zu
einer oder mehreren Minuten dauern. Wenn die Umschaltung durchgeführt wird,
gehen gewöhnliche ein
Zyklus oder zwei Zyklen des Wechselstroms verloren, bis sich der
ferroresonante Transformator 46 stabilisiert.
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Vorhandene
UPS-Designansätze
für Kabelfernseh-(CATV)-Systeme
fallen typischerweise in eine von zwei Kategorien: a) ferroresonante
Stromversorgungen und b) Umschalt-Modus-Stromversorgungen. Einer
der zwei Typen, die ferroresonante Variante, ist bei weitem die
gängigste
wegen der Einfachheit des Aufbaus, sie ist jedoch im Allgemeinen nicht
in der Lage, den Ausgang beizubehalten, wenn sie von der Nutzleistungsstrom
auf Batteriestrom umschaltet, was einen Abfall in dem Ausgang verursacht,
der in der neuen Generation von CATV-Systemen nicht toleriert werden
kann, die nun entwickelt werden. Der ferroresonante Transformator
reduziert die 120 V-Wechselstrom auf den 60 V-Wechselstrom, der
für CATV-Anwendungen
benötigt
wird, ist aufgrund des Designs in der Lage, die Ausgangsspannung
gegenüber
Schwankungen der Eingangsleitungsspannung und Ausgangslast-Stromänderungen
zu regeln, und er ist einfach und kostengünstig, leidet jedoch unter
einem Verlust an Wirkungsgrad bei allen Lastströmen außer seinem maximalen Nennstrom.
Herkömmliche
UPS-CATV-Systeme beruhen auf der Erfassung des Nutzstromausfalls
und auf der Umschaltung auf einen batteriebetriebenen Inverter,
um die Wechselstromausgangsleistung zu erzeugen. Ein voller Zyklus
der Wechselstromleistung (17 ms bei 60 Hz) oder mehr kann vergehen,
bevor der Inverter online geht, während welcher Zeit der Strom
für das
CATV-System verloren geht. Dieser Verlust kann hingenommen werden,
wenn nur Fernsehübertragungen
von dem Kabel durchgeführt
werden, er wird jedoch unerträglich,
wenn digitale Daten ebenfalls übertragen
werden.
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Die
Stromversorgung mit Umschaltmodus, die dieses Problem nicht hat,
ist in der Handhabung des Stromes nicht effizient, was zu höheren Kosten beim
Nutzleistungsstrom und einem hohen Maß an Wärmeerzeugung führt. Der
Nutzleistungsstrom wird immer durch Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer
verarbeitet, selbst wenn Nutzleistungsstrom vorhanden ist, woraus
sich der geringe Wirkungsgrad ergibt. Es gibt jedoch keine Umschaltung
des Batterieumsetzers, um die Batterie online zu machen, und daher gibt
es keine Ausfallperiode. Das Online-System ist gewöhnlich nicht
in dem CATV-Gebiet
zu finden wegen seinem geringen Wirkungsgrad.
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Offline-
und Online-UPS-Systeme besitzen beide Vorteile, die sie aus unterschiedlichen
Gründen attraktiv
machen. Das herkömmliche
Online-UPS-System
stellt einen ununterbrochenen Betrieb für das geschützte System sicher, während das herkömmliche
Offline-UPS-System den Vorteil eines besseren Betriebswirkungsgrades
bietet als das Online-UPS-System. Es gibt jedoch auch Nachteile
sowohl des Online-UPS-Systems als auch des Offline-UPS-Systems.
Das herkömmliche
Online-UPS-System ist durch einen geringen Betriebswirkungsgrad
charakterisiert, da zwei statt einem Umsetzer verwendet werden müssen, um
einen kontinuierlichen Betrieb des geschützten Systems zu garantieren.
Die erforderliche Umsetzerschaltung führt auch zu einer erhöhten Größe, Gewicht
und EMI-Bedenken für
das Online-UPS-System. Das typische Offline-UPS-System ist durch
Zeitlücken
und Spitzen charakterisiert, wenn es erforderlich wird, die Reservebatterie
statt dem Nutzleistungsstrom zu verwenden, um Strom zu dem geschützten System
zuzuführen.
Zum gegenwärtigen
Zeitpunkt ist eine Vielzahl von Designansätzen erforderlich, um diese
und andere Nachteile herkömmlicher
Online- und Offline-UPS-Systeme auszugleichen. Es gibt daher einen
noch nicht befriedigten Bedarf im Stand der Technik, ein UPS-System
zu haben, das aus den Vorteilen von herkömmlichen Online- und Offline-UPS-Systemen Nutzen zieht,
während
ihre Nachteile auf ein Minimum herabgesetzt werden.
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Weitere
Informationen zum Stand der Technik sind in der
DE 15 88 133 zu finden, die eine Schaltung
offenbart, um die Ausgangsspannung eines Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzers
konstant zu halten. Insbesondere lehrt sie, dass im Normalbetrieb
die Ausgangsspannung des Gleichrichters, die den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer
von der öffentlichen
Nutzstromleitung speist, als eine Funktion der Ausgangsspannung
des Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzers in dem erforderlichen Bereich der Toleranz
gesteuert wird, und dass beim Ausfall der Netzspannung eine umgesetzte
Gleichspannung, die als eine Funktion der Ausgangsspannung des Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzers
gesteuert wird, der Batteriespannung überlagert wird, die zur Speisung
des Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzers
dient.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
wäre im
Stand der Technik vorteilhaft, ein UPS-Verfahren und eine Struktur
zu entwickeln, die die besten Merkmale von beiden herkömmlichen
Online- und Offline-UPS-Systemen enthalten, während die Nachteile, die mit
herkömmlichen
Online- und Offline-UPS-Systemen verbunden sind, und die oben diskutiert
wurden, reduziert oder eliminiert werden.
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Es
wäre des
Weiteren vorteilhaft im Stand der Technik, einen grundlegenden UPS-Designansatz
statt einer Vielzahl von Designansätzen für eine maximale Anzahl von
Anwendungsfällen
zu benutzen.
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Die
Erfindung wird durch die Merkmale in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den beigefügten
Ansprüchen
definiert.
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Daher
wird ein UPS-System erläutert,
welches eine Verminderung der Nachteile liefert, die sowohl bei
herkömmlichen
Online- als auch Offline-UPS-Systemen
vorhanden sind und oben erläutert
wurden, wobei ein einziger Designansatz verwendet wird, um die erwünschten
Betriebsziele für UPS-System
einschließlich
eines ununterbrochenen Betriebs des geschützten Systems, eines guten
Betriebswirkungsgrads und reduzierter EMI-Charakteristiken zu erreichen.
Das UPS verwendet zweifache, gleichzeitige Rückkopplungsschleifen, um die
Nutzleistungsstrom-Notstrom-Umschaltungen
zu steuern, und sie umfasst ein neuartiges Verfahren einer synchronisierten
Wechselstrom-Ausgangserzeugung, die eine Null-Strom-Umschaltung, eine
Niedrig-Strom-Wellenformung und hohe Umsetzer-Umschaltfrequenzen bereitstellt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
neuartigen Merkmale, die für
die Erfindung charakteristisch gehalten werden, werden in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung selbst sowie eine bevorzugte Art der Benutzung und
weitere Ziele und Vorteile davon werden jedoch am Besten unter Bezugnahme
auf die folgende detaillierte Beschreibung eines beispielhaften
Ausführungsbeispiels
verständlich,
wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in
denen:
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1 eine
Voll-Online-UPS-Anordnung gemäß dem Stand
der Technik ist;
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2 eine
typische, nicht schaltende Offline-UPS-Anordnung gemäß dem Stand
der Technik ist;
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3 eine
unterbrechungsfreie Online-Nutzstromversorgung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
graphische Darstellung von 60 Hz-Generatorwellenformen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist; und
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5 eine
graphische Darstellung von UPS-Regelcharakteristiken entsprechend
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung verknüpft
die besten Merkmale von herkömmlichen
Offline- und Online-UPS-Systemen in einer ausfallfreien UPS mit
hohem Wirkungsgrad. Zusammen mit Hochfrequenz-Wellenformungstechniken werden eine
Hochfrequenzumschaltung, um Größe und Gewicht
auf ein Minimum herabzusetzen, und die Vorteile der ausfallfreien
Online-UPS, ein hoher Betriebswirkungsgrad ähnlich wie bei Offline-UPS-Designs ebenfalls
bereitgestellt. Die UPS der vorliegenden Erfindung liefert einen
unterbrechungsfreien Betrieb an ein geschütztes System ohne Zeitverzögerungen oder „Ausfälle" im Betrieb bei Verlust
des Nutzleistungsstroms und mit einem Minimum an unerwünschten
EMI-Charakteristiken.
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Bezug
nehmend auf die unterbrechungsfreie Online-Stromversorgung (UPS) 60,
die in 3 gezeigt ist, kann man sehen, dass der Nutzleistungsstrom 62 durch
den Gleichrichter 63 gleichgerichtet wird, und dass der
resultierende Gleichstrom an einen Halbbrückenumsetzer 64 angelegt
wird.
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Der
Halbbrückenumsetzer 64 erzeugt
eine geregelte Gleichspannung unter Verwendung von hohen Schaltfrequenzen.
Diese hohen Frequenzen können
weit variieren von etwa 20 Kilohertz zu mehr als etwa 100 Kilohertz,
je nach der speziellen Anwendung der UPS. Dies ist durch den Schalttransformator 66 und
die Isolationsdiode und den Gleichrichter 68 gezeigt. Der
Halbbrückenumsetzer 64 versorgt unter
der Steuerung des Pulsbreitenmodulators 84 den 60 V-Gleichstrombus 70.
Der 60 V-Gleichstrombus 70 wird
dann an den F/W-(Vollwellen = Full-Wave)-Brückenumsetzer 72 angelegt,
der den Gleichstrom in einen Wechselstrom umsetzt, um einen Wechselstromausgang 74 zu
erzeugen.
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Je
nach der Verfügbarkeit
des Nutzleistungsstroms 62 werden der Halbbrückenumsetzer 64 oder der
Gegentaktumsetzer 78 verwendet, um den 60 V-Gleichstrombus 70 zu
regeln, der den F/W-Brückenumsetzer 72 speist.
Es ist jedoch zu verstehen, dass der Halbbrückenumsetzer 64 und
der Gegentaktumsetzer 78 ein beliebiger Typ von Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer mit hoher
Schaltfrequenz sein kann, der von einem gleichgerichteten Nutzleistungsstrom 62 oder
einer Batterie 76 respektive betrieben wird. Der Halbbrückenumsetzer 64 und der
Gegentaktumsetzer 78 werden gleichzeitig mit Eingangsstrom
versorgt (außer
wenn der Nutzleistungsstrom 62 verloren gegangen ist),
und die Ausgänge
des Halbbrückenumsetzers 64 und
des Gegentaktumsetzers 78 sind Dioden, die in solch einer Weise
als ODER geschaltet sind, so dass der Halbbrückenumsetzer 64 oder
der Gegentaktumsetzer 78 unabhängig voneinander die Gleichspannung
liefern können,
die an dem 60 V-Gleichstrombus 70 erforderlich
ist, so dass der F/W-Brückenumsetzer 72 den Wechselstromausgang 74 erzeugen
kann.
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Parallel
zu der Wechselstrom-Hauptstrompfad ist der batteriebetriebene Gegentaktumsetzer 78 vorgesehen,
der unter der Steuerung des Pulsbreitenmodulators 86 steht.
Der Gegentaktumsetzer 78 erzeugt eine geregelte Gleichspannung
unter Verwendung von hohen Schaltfrequenzen (bspw., jedoch nicht
beschränkt
auf, näherungsweise
20 Kilohertz oder mehr als 100 Kilohertz). Dies ist durch den Schalttransformator 80 und
die Isolationsdiode und den Gleichrichter 82 gezeigt.
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Anders
als bei der typischen Offline-UPS wird jedoch an den Gegentaktumsetzer 78 jederzeit Batteriestrom
angelegt, und er ist jederzeit in der Lage, sofort Strom an den
F/W-Brückenumsetzer 72 zuzuführen. Der Grund
dafür,
dass er dies nicht tut, wenn der Nutzleistungsstrom 62 zur
Verfügung
steht, liegt darin, dass der Fehlerverstärker 92 so ausgeführt ist,
dass er dem Halbbrückenumsetzer 64 bei der
Aufrechterhaltung des 60 V-Gleichstrombus 70 den
Vorzug gibt und den Gegentaktumsetzer 78 nur dann zur Beibehaltung
der Regelungsfunktion ansteuert, wenn der Halbbrückenumsetzer 64 den
Bedarf nicht decken kann, bspw., wenn ein Ausfall des Nutzleistungsstroms 62 stattfindet
und kein gleichgerichteter Gleichstrom an dem Ausgang des Halbbrückenumsetzers 64 zur
Verfügung
steht. Die Steuerung des Gegentaktumsetzers 78 erfolgt über einen Verstärker 88,
und die Steuerung des Halbbrückenumsetzers 64 erfolgt über einen
Verstärker 90,
die beide durch den Fehlerverstärker 92 betrieben
werden. Der Verstärker 90 hat
als Eingang eine Versatzspannung 110, die so ausgelegt
ist, dass sie den Halbbrückenumsetzer 64 „bevorzugt".
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Als
Ergebnis davon, dass der Halbbrückenumsetzer 64 und
der Gegentaktumsetzer 78 gleichzeitig mit Strom versorgt
und betriebsbereit sind, gibt es keinen Ausfall oder Abfall in dem
60 V-Wechselstromausgang 74 der UPS, wenn ein Stromausfall
an dem Nutzleistungsstrom 62 auftritt, da alles, was erforderlich
ist, damit der Gegentaktumsetzer 78 online geht, darin
besteht, dass die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 92 sich
leicht verschiebt und die Wirkung der Versatzspannung 110 überwindet.
Dies ist auch vorteilhaft insofern, dass die Batterie 76 mithelfen
kann, um Start-Stromspitzen und plötzliche Abfälle oder Ausfallübergänge in dem
Nutzleistungsstrom 62 zu überwinden und dann ebenso schnell
in den Offline-Zustand zurück
zu kehren.
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Bezug
nehmend auf 4 sei angenommen, dass der gegenwärtige Zeitpunkt
in dem UPS-Betrieb der Zeitpunkt a ist. Strom wird durch den Nutzleistungsstrom 62 zugeführt, der
Halbbrückenumsetzer 64 ist
in Betrieb und gibt Strom an den 60 V-Gleichstrombus 70 und
von dort an den Eingang des F/W-Brückenumsetzers 72 ab.
Der F/W-Brückenumsetzer 72 ist
in dem Polaritäts-Invertierungszustand
und der Wechselstromausgang 74 ist bei 60 V negativer Polarität.
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Der
120-PPS-Pulsgenerator 104 ist der tatsächliche Takt für die 60
Hz-Produktion; weil
es erforderlich ist, dieselben Arbeitsgänge an jedem Zeitpunkt der
Umschaltung der Ausgangspolarität
durchzuführen,
arbeitet der Pulsgenerator bei 120 Hz. Die R/S (Reset/Set = Rücksetz/Setz)-Verriegelungsschaltung 103 ist
ein Schalter vom Typ mit zwei Eingängen – ein Eingang schaltet die
R/S-Verriegelungsschaltung 103 EIN, und der andere Eingang schaltet
die R/S-Verriegelungsschaltung 103 AUS. Einer der zwei
Eingänge
der R/S-Verriegelungsschaltung 103 ist der Puls von dem
120-PPS-Pulsgenerator 104; der andere Eingang ist das Ausgangssignal
des Spannungsvergleichers 96. Daher wird die R/S-Verriegelungsschaltung 103 in
Wirklichkeit durch jeden Puls von dem 120 PPS-Pulsgenerator 104 eingeschaltet,
und sie wird durch das Ausgangssignal des Spannungsvergleichers 96 ausgeschaltet.
Das Ausgangssignal der R/S-Verriegelungsschaltung 103 steuert
den Betrieb eines Rampengenerators 102. Es ist zu beachten,
dass, obwohl die Verriegelungsschaltung 103 als R/S-Verriegelungsschaltung
beschrieben wurde, die auch als R/S-Flip-Flop oder R/S-Multivibrator
bekannt ist, andere Verriegelungsschaltungstypen, bspw. ein J-K-Flip-Flop,
verwendet werden können.
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Der
Spannungsvergleicher 96 überwacht den 60 V-Gleichstrombus 70.
Wenn die Spannung des 60 V-Gleichstrombusses 70 auf ein
Niveau unterhalb der Spannungsreferenz 100 abfällt, schaltet
der Ausgang des Spannungsvergleichers 96 von tief auf hoch
um. Wenn der 60 V-Gleichstrombus 70 die Übergangs-Spannungsreferenz 100 übersteigt, schaltet
der Ausgang des Spannungsvergleichers 96 auf normal zurück. Der
Ausgang des Spannungsvergleichers 96 speist sowohl die
R/S-Verriegelungsspannung 103 als
auch den 60 Hz-Rechteckwellengenerator 94.
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Der
Rampengenerator 102 vermindert den Ausgang des Referenzspannungsmodulators 106 oder „führt ihn
auf der Rampe herunter".
In der Praxis arbeiten diese beiden Einheiten zusammen, um die Referenzspannung,
die an den Eingang des Fehlerverstärkers 92 durch den
Referenzspannungsmodulator 106 angelegt wird, zu reduzieren
und sie dann auf ihren eingestellten Referenzwert von etwa 5 V Gleichspannung
anzuheben. Der Betrieb des Rampengenerators 102 und des
Referenzspannungsmodulators 106 in der Stromversorgung
kann mit einer automatischen Geschwindigkeitssteuerung an einem Automobil
verknüpft
werden, die den Wagen bei einer festen Geschwindigkeit hält, bis
das Bremspedal berührt
wird, wobei zu diesem Zeitpunkt der Wagen verzögert, und die dann den Wagen
auf die vorher eingestellte Geschwindigkeit zurückbringt, wenn der „Wiederaufnahme"-Knopf gedrückt wird.
In der UPS der vorliegenden Erfindung „setzt" der 120 PPS-Pulsgenerator 104 die
R/S-Verriegelungsschaltung 103 zu
dem Zeitpunkt „b" (analog zu dem Berühren des Bremspedals),
und der 60 V-Gleichstrombus 70 folgt der Referenzspannung
proportional nach unten in Richtung auf Null, was von der Zeit „b" zu der Zeit „c" in 4 gezeigt
ist. Wenn der 60 V-Gleichstrombus 70 einen
vorgegebenen, minimalen Wert erreicht, der durch die Übergangsspannungsreferenz 100 bestimmt
ist, erzeugt der Spannungsvergleicher 96 eine Ausgangsspannung,
die die R/S-Verriegelungsschaltung 103 an
dem Zeitpunkt „c" zurücksetzt
(abschaltet). Dies ist analog zu dem Betätigen von „Wiederaufnahme" an der Automobil-Geschwindigkeitssteuerung.
Zum gleichen Zeitpunkt schaltet der Ausgang des Spannungsvergleichers 96 den
60 Hz-Rechteckwellengenerator 94 in seine Wechselstrom-Ausgangsphase
zurück,
wodurch die Polarität
der 60 V-Ausgangswechselspannung 74 geändert wird. Zwischen
den Zeitpunkten „c" und „d" gestatten der Rampengenerator 102 und
der Referenzspannungsmodulator 106, dass der Fehlerverstärker-Referenzeingang des
Fehlerverstärkers 92 auf
seinen eingestellten Punkt von +5 V zu dem Zeitpunkt „d" ansteigt.
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Bei
dem nächsten
Halbzyklus des 120 PPS-Pulsgenerators 104 wird der vorstehende
Betrieb wiederholt, wobei dieses Mal der F/W-Brückenumsetzer 72 wiederum
eine negative Spannung erzeugt, usw. ad infinitum. Dieses Verfahren
liefert eine zyklische Nachstellung der Referenzspannung, die den
60 V-Gleichstrombus 70 setzt, in einer solchen Weise, dass
der 60 V-Gleichstrombus 70 auf
der Rampe auf Null Volt herabgeführt
wird und wiederum auf den erforderlichen Wert bei einer 120 Hz Wiederholrate
nach oben gebracht wird. Die Polaritätsumkehr in dem F/W-Brückenumsetzer 72 wird
zu dem Zeitpunkt einer minimalen oder Nullspannung durchgeführt, wie
oben beschrieben wurde, und dies hat viel geringere Umschaltverluste
und Beanspruchung in dem F/W-Brückenumsetzer 72 zur
Folge. Es resultiert auch in einer geringeren elektromagnetischen Interferenz
(EMI) und einem höheren
Umschaltwirkungsgrad, und dies stellt eine Verbesserung über die
derzeit in diesem Gebiet vorhandener Ausrüstung dar. Bei Batteriebetrieb
findet dieselbe Betriebsweise statt mit der Ausnahme, dass der 60
V-Gleichstrombus 70 durch den Gegentaktumsetzer 78 statt
den Halbbrückenumsetzer 64 gehalten
wird.
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Während der
Nutzleistungsstrom 62 vorhanden ist, wird die Regelung
des 60 V-Gleichstrombusses 70 dadurch aufrecht erhalten,
dass der 60 V-Gleichstrombus 70 durch
ein Widerstands-Teilernetzwerk abgetastet wird, das nicht gezeigt
ist, jedoch effektiv Teil des Fehlerverstärkers 92 ist, und dass
diese proportionale Spannung mit dem Ausgang des Referenzspannungsmodulators 106 verglichen
wird. Der Ausgang des Fehlerverstärkers 92 wird zu dem
Verstärker 88 und
dem Verstärker 90 geführt. Dem
Verstärker 90 wird
die Versatzspannung 110 an einem seiner Eingänge zugeführt, so
dass der Verstärker 90 bei
einer geringeren Eingangsspannung als der Verstärker 88 zu arbeiten
beginnt. Der Verstärker 90 steuert
den Pulsbreitenmodulator 84, der den Halbbrückenumsetzer 64 steuert.
Ein geringerer Abfall in dem 60 V-Gleichstrombus 70 und
daher in dem Wechselstromausgang 74 bewirkt eine große Verschiebung
in dem Ausgang des Fehlerverstärkers 92.
Dieser Abfall in der Gleichspannung, der normalerweise durch eine
Veränderung
in dem Nutzleistungsstrom 62 verursacht wird (wie in der
graphischen Darstellung 1 von 5 gezeigt
ist) vergrößert die
Breite des Pulsbreitenmodulierten Steuersignals, das an den Halbbrückenumsetzer 64 angelegt
wird, wodurch der Abfall an dem 60 V-Gleichstrombus 70 kompensiert
wird (siehe graphische Darstellungen 2 und 3 von 5).
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Obwohl
der Gegentaktumsetzer 78 und der Pulsbreitenmodulator 86 ebenfalls
durch den Ausgang des Verstärkers 88 gesteuert
sind, der mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers 92 in Beziehung steht,
ist der Versatz, der an dem Pfad des Halbbrückenumsetzers 64 angelegt
wird, derart, dass der Gegentaktumsetzer 78 davon abgehalten
wird, Strom zu liefern, wenn der Ausgang des Halbbrückenumsetzers 64 die
Regelung des 60 V-Gleichstrombusses 70 aufrecht
erhalten kann.
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Wenn
der Halbbrückenumsetzer 64 nicht
in der Lage ist, den 60 V-Gleichstrombus 70 in
den Regelgrenzen zu halten, erhöht
der Fehlerverstärker 92 seinen
Ausgang um einen ausreichenden Betrag, um die Versatzspannung 110 zu überwinden.
Dies ist in der Mitte der graphischen Darstellung von 5 gezeigt.
Der Gegentaktumsetzer 78 wird nun in dem erforderlichen
Maße angetrieben,
um den 60 V-Gleichstrombus 70 innerhalb der Regelgrenzen
zu halten, bis der Halbbrückenumsetzer 64 Strom
liefern kann. Die folgenden Bedingungen bewirken, dass ein Betrieb
des Gegentaktumsetzers 78 stattfindet: Vollständiger Verlust
an Nutzleistungsstrom 62, Spannungsabfall des Nutzleistungsstroms 62 in
einem solchen Maße,
dass der Halbbrückenumsetzer 64 die Regelung
des 60 V-Gleichstrombusses 70 nicht aufrecht erhalten kann,
Spannungsabfälle
oder Lastspitzen an dem Nutzleistungsstrom 62, plötzliche
Lastübergänge, bspw.
Einschaltspitzen, die durch Einschalten einer Last verursacht werden, wobei
die Schutzstrombeschränkung
in dem Halbbrückenumsetzer 64 seine
Fähigkeit
einschränkt,
den vollen, benötigten
Strom zu liefern, und wobei der Gegentaktumsetzer 78 angesteuert
wird, um das Aufrechterhalten der Regelung des 60 V-Gleichstrombusses 70 zu
unterstützen,
und absichtliches Abschalten des Halbbrückenumsetzers 64 (bspw.
durch eine Kontroll-Bedienungsperson
zum Testen des Systems).
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Zusammenfassend
sind sowohl der Halbbrückenumsetzer 64 als
auch der Gegentaktumsetzer 78 unter der Steuerung der gleichen
Rückkopplungsregelschleife
mit der Ausnahme, dass die Schleife zuerst versucht, den Ausgang
des Halbbrückenumsetzers 64 im
Fall einer Verminderung in dem 60 V-Gleichstrombus 70 anzuheben,
und, wenn der erforderliche Gleichstrom nicht durch den Halbbrückenumsetzer 64 geliefert
werden kann (durch Verlust der Hauptstromversorgung oder mehrwiegende Stromabfallbedingungen),
hilft die Schleife den batteriebetriebenen Gegentaktumsetzer 78 den
erforderlichen 60 V-Gleichstrombus 70 auf Niveau zu halten. Andererseits
wird der batteriebetriebene Gegentaktumsetzer 78 durch
die Schleife in den ausgeschalteten Zustand vorgespannt und verbraucht
keinen Strom von der Batterie 76. Daher wird der Übergang von
dem durch den Nutzstrom versorgten Halbbrückenumsetzer 64 zu
dem batteriebetriebenen Gegentaktumsetzer 78 durch eine
geringe Verschiebung in dem Arbeitspunkt der Regelschleife erreicht, die
auftritt, gut bevor ein erheblicher Abfall in dem 60 V-Gleichstrombus 70 auftreten
kann. Die Rückumschaltung,
wenn der Nutzleistungsstrom 62 wieder zur Verfügung steht,
ist ebenso glatt und schnell. Als Ergebnis gibt es kein Relay oder
eine andere Umschaltung, wenn zwischen dem Nutzleistungsstrom 62 und
dem Batteriestrom 76 umgeschaltet wird. Dies ist im Gegensatz
zu herkömmlichen
UPS-Systemen, die Relays oder Festkörper-Schaltvorrichtungen verwenden, die beschädigende
Umschaltübergänge und
Spitzen während Übergängen erzeugen können. Da
die gesamte Umschaltung der Umsetzer bei hohen Frequenzen durchgeführt wird,
ist die Antwort der UPS auf Last- und Leitungsveränderungen extrem
schnell. Schwere 60 Hz-Transformatoren sind nicht erforderlich.
Der Punkt, an dem der Notstrom zugeführt zu werden beginnt, ist
auch leicht einstellbar, da er durch eine interne Versatzspannung
gesteuert wird.
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Es
ist zu beachten, dass der Doppel-Vorwärts-Umsetzer 18 in 1 aus
dem Strompfad des Wechselstrom-Hauptversorgungsbetriebs der vorliegenden
Erfindung entfernt worden ist, so dass die Betriebsverluste dieses
Elements eliminiert sind, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad führt, der
vergleichbar zu dem der Offline-UPS-Anordnung von 2 ist.
Da nur ein Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer Strom
zu einem Zeitpunkt liefert, wird die Möglichkeit für EMI-Probleme reduziert.
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Einige
Wechselstrom-Reserve-UPS-Systeme, bspw. diejenigen für Rechner
und andere Ausrüstung,
müssen
eine Ausgangswellenform neu erzeugen, die eine Sinuswellenform nahe
wiedergibt. Die einfachsten Einheiten verwenden ein Paar von Transistorschaltern,
um die Batteriespannung an Wicklungen abwechselnder Polarität eines
Leistungstransformators bei einer Frequenz von 60 Hz anzulegen.
Ein Resonanzfilterabschnitt rundet die Rechteckwellen in eine geeignete
sinusartige Form ab. Aufwendigere Einheiten erzeugen eine Totzeit zwischen
den Schaltübergängen, was
eine „stufenartige" Wellenform ergibt,
die leichter zu filtern ist und weniger Beanspruchung auf die Schalttransistoren ausübt. Eine
Pulsbreitenmodulations-Umschaltwellenform
kann in höheren
Stromsystemen verwendet werden. Diese Erfindung kann auf sinusartige
Erfordernisse durch Ersatz des Rampengenerators 102 durch
einen halbsinusförmigen
(kosinusförmigen) Spannungsgenerator
angewendet werden, der direkt durch den 120 PPS-Pulsgenerator 104 getriggert wird.
Der Spannungsvergleicher 96 würde eliminiert, und der 60
Hz-Rechteckwellengenerator 94 würde durch den 120 PPS-Pulsgenerator 104 umgeschaltet.
Unterschiedliche Wellenformen können
auch dadurch erzeugt werden, dass die erforderliche Wellenform an
die Spannungsreferenz 108 von 3 angelegt
wird.
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Die
CATV-Anwendung erfordert keinen rein sinusförmigen Ausgang. Tatsächlich liefert
die UPS mit ferroresonantem Transformator typischerweise das, was
als „quasi
Rechteckwellen"-Ausgang
bezeichnet wird, der eine Sinuswelle darstellt, deren Spitzen abgeschnitten
oder trunkiert sind. Je näher diese
Wellenform einer wahren Rechteckwelle kommt, umso besser, da der
Strom während
der Anstiegs- und Abfallszeiten der Wellenform nicht effektiv geliefert
wird. Die Verwendung einer reinen Rechteckwelle erzeugt jedoch Harmonische
höherer
Ordnung, die EMI erzeugen. Daher erreicht die Herstellung einer
Rechteckwelle mit geformten Anstiegs- und Abfallzeiten den besten
Kompromiss. Diese Erfindung umfasst die Steuerung der Ausgangswellenform-Anstiegs-
und -Abfallzeiten durch Modulation des Gleichstromflusses in einer
einfachen Weise mit geringer Leistung.
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Leitungsfrequenzschwankungen
haben keinen Übergang
auf den Batteriebetrieb zur Folge, da die Wechselstromzeitsteuerung
der UPS durch den internen Frequenzstandard 104 beherrscht
wird. Daher ist die UPS-Technologie
mit kleinen (instabilen) Generatoren verwendbar, eine Fähigkeit,
die bei gegenwärtigen
UPS-Systemen mit Umschaltung und ferroresonantem Transformator nicht
zur Verfügung steht.
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Während die
Erfindung insbesondere gezeigt und unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beschrieben worden ist, ist für den
Durchschnittsfachmann verständlich,
dass verschiedene Änderungen
in der Form und in dem Detail darin gemacht werden können, ohne
von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen. Bspw., während
die UPS des bevorzugten Ausführungsbeispiels
ein 60 V-Wechselstrom-Ausgangssignal 74 erzeugt, ist es
vollständig
beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann,
um jedes beliebige Wechselspannungs-Ausgangssignal zu erzeugen.
Somit kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um einen
90 V-Wechselstrom zu erzeugen, der voraussichtlich von der neuen
Generation von CATV-Systemen verwendet werden soll.