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ELEKTRISCHES VERORGUNGSSYSTEM ZUR VEREINFACHUNG DER ARCHITEKTUR VON ENERGIE- UND KLIMAANLAGEN - Dokument DE69916805T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69916805T2 21.04.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001057236
Titel ELEKTRISCHES VERORGUNGSSYSTEM ZUR VEREINFACHUNG DER ARCHITEKTUR VON ENERGIE- UND KLIMAANLAGEN
Anmelder France Telecom, Paris, FR
Erfinder REVOL, Rene, F-91160 Longjumeau, FR
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69916805
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 10.02.1999
EP-Aktenzeichen 999026354
WO-Anmeldetag 10.02.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/FR99/00294
WO-Veröffentlichungsnummer 0099041821
WO-Veröffentlichungsdatum 19.08.1999
EP-Offenlegungsdatum 06.12.2000
EP date of grant 28.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.04.2005
IPC-Hauptklasse H02J 9/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein System zur unterbrechungsfreien elektrischen Versorgung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das bestimmt ist für sensible Anlagen, die von einem öffentlichen Stromnetz versorgt werden, und im Fall einer Unterbrechung oder Störung des öffentlichen Netzes eine äquivalente Spannung liefern soll.

Sie soll besonders zur Versorgung von Telekommunikations- oder Informationsanlagen oder allgemeiner jeder industriell eingesetzten Anlage dienen, welche weder eine Betriebsunterbrechung noch eine Mikro-Abschaltung verträgt.

Die gegenwärtig im Telekommunikationssektor anzutreffenden Anlagen werden im allgemeinen mit Gleichstrom mit einer Spannung von 48 Volt oder Wechselstrom mit einer Spannung von 230 Volt versorgt. Diese Wechselspannung wird vom örtlichen Elektrizitätsverteilungsnetz geliefert, das im allgemeinen in Abhängigkeit vom Typ des versorgten Systems permanent durch einen Generatorsatz (Notstromaggregat) gesichert ist.

Die Versorgungsketten weisen in klassischer Weise drei verschiedene Konversionsstufen auf:

  • – eine erste Stufe mit einer Transformatorstation Hochspannung/Niederspannung, einem Generatorsatz und einer Niederspannungs-Verteilertafel;
  • – eine zweite Stufe mit Gleichrichtern und Akkumulatorbatterien, die eine 48 Volt-Energiequelle bilden;
  • – eine dritte und zentrale Stufe mit Leistungs-Wechselrichtern, die eine Wechselspannung von 230 Volt liefern.

Die erste Stufe ist im allgemeinen im Bereich von Technikräumen (Keller, Unterboden, Nebenräume) gelegen, die entfernt sind von den Räumen der Anlagen, welche die zweite und dritte Stufe umfassen.

Die Akkumulatorbatterien wurden zuverlässiger gemacht durch die Verwendung von dichten Batterien und Informationselementen der Überwachung, welche die Ausfallmoden abfragen.

Die Architektur der Versorgungsketten der gegenwärtigen Generation muß wegen der in den Anlagen festgestellten Veränderungen entwickelt werden:

  • – ein wachsender Teil der Anlagen hat statt der 48 V Schnittstelle eine 230 V/50 Hz Versorgungsschnittstelle,
  • – die erhebliche Verringerung der von den Telekommunikationsanlagen aufgenommenen Leistung,
  • – die Eignung der Anlagen für einen Betrieb bei extremen Temperaturen ohne Beeinflussung ihrer Lebensdauer und der Servicequalität.

Diese Faktoren der Entwicklung führen dazu, Versorgungssysteme der zweiten Generation zu bevorzugen, die auf einer Architektur mit unterbrechungsfreier Stromversorgung (im folgenden USV entsprechend "ASI = Alimentations Sans Interruption") beruhen, statt auf 48 V-Quellen und Wechselrichtern.

Bekannt sind aus dem französischen Patent 2 693 052 oder dem Dokument Chigolet JC et al. Versorgungsketten der neuen Generation, deren Arbeitsprinzip eine Methode der optimierten und verteilten Energie nutzt. Diese Methode ermöglicht:

  • – die Trennung der Funktionen von Energieversorgung und Energiespeicherung in die USV vom Typ "OFF LIVE", um den Betrieb der Batterien zu optimieren und so deren Lebensdauer zu steigern,
  • – eine Verbesserung der Energieausbeute der unterbrechungsfreien Versorgungskette im Vergleich mit den gegenwärtigen technischen Lösungen,
  • – eine Verlagerung der Gestelle der Wechselstromverteilung von den Technikräumen in die Anlagenräume, was für den Anwender die Vermeidung von einschränkenden Bedingungen ermöglicht:
  • – Gewicht der Batterien im Schaltschrank,
  • – Auswirkungen von hoher Temperatur auf die Lebensdauer der Batterien, wenn die Kälteerzeugung absichtlich verringert wird, um Energie zu sparen,
  • – Risiken von Störungen durch elektromagnetische Strahlung, die mit der Nähe der USV-Anlagen zusammenhängen,
  • – Einrichtung von Hochböden zur Unterbringung von Kabeln mit großem Querschnitt, wie sie zur Verteilung von 48 V notwendig sind.

Aus dem britischen Dokument GB-A-2 184 903 ist auch eine Anlage bekannt, die unterbrechungslos sensible Anlagen versorgt und eine Stromversorgungsschnittstelle aufweist. Diese Anlage weist Batterien und eine Schnellschaltvorrichtung auf, welche automatisch das Anschalten einer Ersatzquelle besorgt, welche mittels eines Gleichrichters die Batterien geladen hält.

Das Dokument EP 0 734 113 beschreibt ein System, das die Trägheit eines Rotors ausnutzt, der in Drehung bleibt, selbst wenn die Hauptversorgung unterbrochen ist, um einen anderen Generator anzuschalten, der die elektrische Versorgung gewährleistet. Außerdem findet man in diesem Dokument das Vorhandensein eines Normal/Notstromumschalters (LCI – Load Commutated Inverter), der die Umschaltung der Netze im Fall des Versagens realisiert.

Diese technischen Lösungen der neuen Generation ermöglichen die Stromversorgung von Anlagen mit 230 V durch USV-Anlagen, die in die Technikräume verlagert sind, mit Verteilerkabeln von geringem Querschnitt, die auf Bodenbelägen oder Rostfußböden verlaufen können.

Die Nachteile der bisher bekannten Lösungen liegen einerseits hauptsächlich darin, daß man auf Notstromquellen zurückgreift, die von Dieselaggregaten angetrieben sind, deren Betriebseinschränkungen nicht vernachlässigbar sind:

  • – Umweltverschmutzung (Betriebsgeräusch, Vibrationen, Abgase),
  • – mittelmäßige Leistungen und Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen,
  • – hohe Betriebskosten (Vorheizen, Wartung ...),
und liegen andererseits in der Verwendung einer Niederspannungsschalttafel und eines Normal/Notstromumschalters (Umschalter und Shuntvorrichtung).

Außerdem erfordern die Generatoraggregate ein Anlaßsystem, das auf die Ersatzquelle (Batterie, Gleichrichter, Lader) abgestimmt ist.

Die Lösungen der gegenwärtigen Generation erfordern außerdem zugeordnete Sicherheitsvorrichtungen, welche es ermöglichen, die zugeordneten Anlagen in Betrieb zu halten (Sicherung der Klimatisierung, Wechselrichter, welche die Information gegen die Mikro-Unterbrechungen und die Störungen schützen ...).

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Behebung dieser Nachteile indem ein System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung vorgeschlagen wird, das keine Funktion der Umschaltung Normal/Notstrom zwischen dem örtlichen Stromnetz und der Ersatzquelle aufweist, wobei diese Ersatzquelle außerdem umweltfreundlich ist.

Zu diesem Zweck ist das System, das unterbrechungslos sensible Anlagen speist, die eine Schnittstelle zur Wechselstromversorgung aufweisen, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß es stromabwärts von einer Station der Hochspannungs/Niederspannungsumwandlung eine direkte Verbindung zu mindestens einer Einheit der unterbrechungslosen Stromversorgung (USV) aufweist, die Batterien in Parallelschaltung und eine Schnellumschaltvorrichtung aufweist, welche es ermöglicht, automatisch das Einschalten oder Anlassen einer Ersatzquelle (SR) im Fall des Ausfalls des örtlichen Stromnetzes gewährleistet, wobei so der stromaufwärts von der USV gelegene Umschalter Normal/Notstrom der Niederspannungsverteilung weggelassen werden kann.

Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert und durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, jedoch ohne jede Begrenzung darauf. In den Figuren:

1 ist ein Blockschaltbild einer klassischen Stromversorgungskette der ersten Generation,

2 ist ein Blockschaltbild einer Stromversorgungskette der neuen Generation mit einer Versorgung mit verteilter Speicherung ohne Unterbrechung;

3 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Versorgungskette mit einer vereinfachten Architektur zur Verbesserung der technischen und energetischen Umwelt.

In 1 ist mit HT/BT die Station der Hochspannungs/Niederspannungstransformation, mit GE das Stromerzeugungsaggregat, das im Fall des Ausfalls des örtlichen Stromnetzes die Anlage mit Strom versorgt, mit TBT N/S das Technikgestell mit außerdem der Niederspannungsschalttafel und der Umschaltvorrichtung Normal/Notstrombetrieb, mit RED BIE die Gleichrichter und Akkumulatorbatterien und mit OND die Leistungswechselrichter bezeichnet.

In 2 ist zusätzlich zur 1 mit ASI eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) mit einem schnell kommutierendem Schalter gezeigt, der es ermöglicht, von der USV die stromabwärtsliegenden Anlagen ohne Unterbrechung mit Strom zu versorgen.

In 3 sind mit SR die Ersatzquellen bezeichnet, welche das Wiederaufladen der in der ASI (USV) eingeschlossenen Akkumulatorbatterien ermöglichen, wobei letztere auch die Inbetriebnahme der Ersatzquellen gewährleisten können.

In den 1, 2 und 3 ist mit unterbrochenem Strich die Trennung zwischen den Technikräumen und dem Raum der Anlagen angegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausfürungsform des Stromversorgungssystems verbindet man stromabwärts von einer Station der Transformation HT/BT eines örtlichen elektrischen Netzes, das definitionsgemäß ungesichert ist, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung.

Der Kreis der Speicherung der Energie für eine mittlere Zeitdauer der USV wirkt zusammen mit einer universell benutzbaren Umformvorrichtung (Wechselrichter), die auf Alarm gesetzt ist und zur Aufgabe hat, ohne Unterbrechung eine Wechselspannung zu liefern, während auf das Anlaufen oder die Energielieferung von den Ersatzquellen zur USV gewartet wird.

Wenn also das örtliche Stromnetz ausfällt oder Mängel oder Unregelmäßigkeit während einiger Minuten zeigt, beobachtet man keinerlei Störung im Betrieb der sensiblen Anlagen, soweit sie Mikrounterbrechungen mit einer Dauer von weniger als 20 ms zulassen.

In klassischer Weise verfügt eine USV vom Typ "OFF-LINE" über eine Energiereserve von mittlerer Dauer und weist einen Trenntransformator zum Zweck einer großen Sicherheit von Personen und zur Realisierung einer ersten Filterung von Netzstörungen auf. Batterien, deren Spannung besonders zwischen 200 und 400 V liegt, sorgen für die Autonomie im Alarmzustand durch einen Schnellschalter, der das Umschalten zwischen dem Netz und dem Wechselrichter ermöglicht.

Stromabwärts der USV, d. h. am Ausgang des Wechselrichters sieht man die Anordnung eines Verteilerschrankes vor, an dem die Versorgungsleitungen angeschlossen sind, die man sichern will, und es sind so die Anlagen mit industrieller Nutzung angeschlossen, welche weder eine Betriebsunterbrechung noch Mikrounterbrechungen von mehr als 20 ms vertragen (Telefonanlagen, Informationsanlagen, Klimaanlagen, Notbeleuchtungsanlagen ...).

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist eine Quelle für Gleichstrom, der von einer Ersatzquelle SR kommt, mit den Batterien gekoppelt, die den Energiespeicher in der USV bilden. Diese Gleichstromquelle hält die Ladung der Batterien der USV im Fall des Ausfalls des örtlichen Stromnetzes.

Dieser sogenannte "Direkt"-Anschluß ermöglicht den Verzicht auf die Umschaltfunktion Normal/Notstrom sowie auf die Niederspannungsschalttafel TBT, die in den bekannten Lösungen des Standes der Technik vorhanden ist (erste und zweite Generation).

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung bestehen die Ersatzquellen SR besonders aus Turbogeneratoren oder Brennstoffzellen, deren Anlaufen im Fall des festgestellten Ausfalls hinsichtlich der Versorgung des örtlichen Stromnetzes durch einen von den Batterien der USV herkommenden Strom gewährleistet ist. Diese Batterien verfügen nämlich über eine hohe Leistung und das Anschalten oder Anlaufen der Ersatzquellen SR erfolgt progressiv und erfordert zum Anlaufen nur eine geringe Stromstärke.

Wenn man als Ersatzquelle einen Turbogenerator verwendet, hat der Wechselrichter vorzugsweise einen geringen Durchmesser und wird dank der Verwendung einer Turbine mit einer hohen und gleichbleibenden Umdrehungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls mit der gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit wie die Turbine angetrieben, um einen Strom mit hoher Frequenz zu liefern, der nach dem Gleichrichten und Filtern in einen Gleichstrom transformiert und geeignet ist, das Wiederaufladen der Batterien der USV mit konstanter Spannung zu gewährleisten.

Wenn man als Ersatzquelle eine Brennstoffzelle verwendet, weist diese eine gewissen Anzahl von Elementarzellen auf, die in Reihe aufgebaut sind und einen Gleichstrom mit einer hohen Spannung liefern, der direkt zum Aufladen der in der USV integrierten Batterien mit gleich bleibender Spannung verwendbar ist.

Unabhängig vom Typ der Ersatzquellen SR werden die Batterien sofort vom Wechselrichter der USV im Fall des Ausfalls des örtlichen Stromnetzes in Anspruch genommen, um so eine gesicherte Stromversorgung der mit der USV verbundenen Anlagen zu gewährleisten.

Man kann auch das Wiederaufladen der Batterien der USV mittels eines Wechselrichters besorgen, der durch einen Generatorsatz mit niedriger Geschwindigkeit angetrieben ist; jedoch erfordert diese technische Lösung Mehrkosten wegen der notwendigen Anpassung zur Erzeugung eines Gleichstroms.

Die oben beschriebene Erfindung bietet zahlreiche Vorteile hinsichtlich einerseits der Verringerung der Investitionskosten an Material (Verzicht auf die Niederspannungsschalttafel TBT, des Normal/Notstromumschalters, des Systems zum Anlaufen der Ersatzquelle, der Vorrichtung zur Sicherung der Klimatisierung, der Wechselrichter, welche das Informationsnetz schützen) und andererseits die Verbesserung der Anwendungsbedingungen, Verschwinden von Stromabschaltungen bei den Umschaltungen Normal/Notstrom, gleichbleibende Qualität der gesicherten Stromversorgung, automatischer homogener Betrieb sowohl hinsichtlich Wärme, wie Strom, Verbesserung der Zuverlässigkeit beim Anlaufen der Ersatzquellen durch eine optimierte Steuerung der in der USV integrierten Batterien. Außerdem ist die Gesamtheit dieses Stromversorgungssystems in die Nebenräume einer Anlage außerhalb der Anwendungsräume integriert, da die verteilte Spannung statt 48 V Gleichstrom nun 230 V Wechselstrom ist. Diese Maßnahme ermöglicht die Verringerung der Länge der Verbindung zwischen der USV und dem Startsystem.


Anspruch[de]
  1. Elektrisches System, welches unterbrechungslos empfindliche Anlagen versorgt, mit einer Wechselstrom-Versorgungsschnittstelle und welches eine Ersatzquelle aufweist, die mit den Batterien des Systems gekoppelt ist und einen Gleichstrom liefert, der zur Aufrechterhaltung der Ladung dieser Batterien erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß es stromabwärts von einer Station der Transformation Hochspannung/Niederspannung eine direkte Verbindung zu mindestens einer Einheit zur unterbrechungslosen Stromversorgung (USV) aufweist, welche parallel geschaltete Batterien und eine Vorrichtung zur raschen Umschaltung aufweist, welche das automatische Einschalten oder Anlaufen der Ersatzquelle (SR) im Fall des Ausfalls des örtlichen Stromnetzes gewährleistet, wodurch der stromaufwärts von der unterbrechungslosen Stromversorgung (USV) liegende Umschalter Normal/Notstrom der Verteilung mit Niederspannung weggelassen werden kann.
  2. System zur unterbrechungslosen Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzquelle (SR) aus einer Brennstoffzelle besteht, die Gleichstrom liefert.
  3. System zur unterbrechungslosen Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzquelle (SR) aus einem Turbogenerator mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit besteht, der einen Wechselstrom mit hoher Frequenz liefert, der durch Gleichrichten in einen Gleichstrom transformiert wird.
  4. System zur unterbrechungslosen Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wechselrichter der unterbrechungslosen Stromversorgung (USV) in Anspruch genommenen Batterien eine gesicherte Stromversorgung von Anlagen der Telekommunikation oder Informationsanlagen oder allgemein jeder Anlage mit industrieller Anwendung, welche weder eine Betriebsunterbrechung noch Mikrounterbrechungen zuläßt, gewährleisten.
  5. System zur unterbrechungslosen Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es integriert ist in einen Bereich der Nebenräume der damit ausgerüsteten Anlage um eine Verringerung der Länge der Verbindung zwischen der unterbrechungslosen Stromversorgung (USV) und dem Anlaufsystem zu ermöglichen.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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