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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
und insbesondere ein Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
mit einer Lade-Entlade-Schaltung zum Laden und Entladen einer Batterie über eine
Gleichstromleitung.
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Informationsverarbeitungseinrichtungen
wie Server, Router und Speicher sind extern mit unterbrechungsfreien
Stromversorgungssystemen (USV's) verbunden,
um unerwartete Ausfalle des kommerziellen Wechselstromnetzes aufzufangen
und Schäden
wie Datenverluste durch den Stromausfall zu vermeiden. Es gibt eine
USV für
die Regalmontage, die in ein Regal mit einer Breite von etwa 480
mm für Informationsverarbeitungseinrichtungen
eingebaut werden kann, das 19-Zoll-Rack genannt wird. Dieses Regal
hat Abmessungen, wie sie zum Beispiel im "Smart-UPS"-Katalog von APC Japan, Ltd. beschrieben
sind. Diese USV ist eine Wechselstrom-Reserve-Stromversorgung mit
einer aufladbaren Batterie, die einer Last über einen Inverter Wechselstrom
zuführen
kann und die zum Aufladen mit einem Wandler versehen ist.
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Die
japanische Patent-Offenlegungsschrift
JP-A-2000-197347 beschreibt
eine Gleichstrom-Reserve-Stromversorgung für die Verwendung bei einem
System, bei dem einer Last von einem Wechselstromversorgungssystem über einen
Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler und einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
ein Gleichstrom zugeführt
wird. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, die Gleichstrom-Reserve-Stromversorgung
mit der Gleichstrom-Zwischenleitung zwischen den beiden Wandlern
zu verbinden, um den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern und das
Volumen und die Kosten zu verringern.
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Die
vergossenen Bleibatterien, die allgemein bei USV's als wiederaufladbare Batterien verwendet werden,
sind zwar relativ billig, haben jedoch ein großes Volumen und sind schwierig
an Informationsverarbeitungseinrichtungen und dergleichen unterzubringen.
Um die Zuverlässigkeit
der Informationsverarbeitungseinrichtung sicherzustellen, ist eine
doppelt bis dreifache Redundanz der Reserve-Stromversorgung erforderlich,
so daß die
Größe der USV
zunimmt und die Frage der Anbringung immer wichtiger wird.
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Da
eine vergossene Bleibatterie Blei enthält, ist sie mit dem Problem
eines ungünstigen
Einflusses auf die Umwelt verbunden, wenn sie als bleihaltiger Abfall
weggeworfen wird.
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Die
US-A1-2001033502 beschreibt
eine USV, bei der in einem Rack eine Anzahl von parallel verbundenen
Wechselstrom-Stromversorgungen und eine Anzahl von Batteriepacks
zur Bereitstellung von Reserveenergie für die Wechselstrom-Stromversorgungen
angeordnet sind.
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Die
US-A1-20010043051 beschreibt
ein Batteriepack mit horizontal angeordneten zylindrischen Batteriezellen.
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Die
DE-A1-4237835 beschreibt
eine USV, die für
die Verwendung in einem 19-Zoll-Rack
vorgesehen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein kompaktes Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
zu schaffen. Insbesondere soll ein kompaktes Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
mit einer Kapazität
von 1 bis 1,4 kVA und einer Höhe
von 45 mm oder weniger geschaffen werden, das in einem 19-Zoll-Rack
mit einer Größe von einer
Einheit (1U) untergebracht werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem geschaffen,
das eine Batterie, eine Lade-Entlade-Schaltung zum Laden und Entladen der
elektrischen Energie zwischen der Batterie und einer Gleichstromleitung
und eine Steuerschaltung zum Steuern der Lade-Entlade-Schaltung umfaßt, wobei
die Batterie eine Anzahl von Batteriezellen umfaßt und die zylindrischen Abschnitte der
Batteriezellen in einer in etwa horizontalen Ebene liegen. Vorzugsweise
werden als Batteriezellen wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid-(NiMH)-Batteriezellen mit
hoher Energiedichte verwendet.
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Mit
diesem Aufbau wird ein dünnes
Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem geschaffen, das eine
Anzahl von Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen der Größe Sub-C
mit etwa 43 mm Höhe
und etwa 22,5 mm Durchmesser enthält.
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Insbesondere
werden, um eine Nenn-Ausgangsleistung von 700 W oder mehr pro Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
zu erreichen, 40 oder mehr Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen und
keine vergossenen Bleibatteriezellen verwendet, die ein Dünnermachen
des Systems verhindern. Zwei dieser Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme
können
in einem Raum untergebracht werden, der einer Einheit (1U) eines
19-Zoll-Racks entspricht.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenigstens zwei Sätze von
Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen
parallel zu verbinden.
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Wenn
drei Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme in dem Raum untergebracht
werden, der einer Einheit (1U) eines 19-Zoll-Racks entspricht, kann
pro System durch die Verwendung von 20 oder mehr Sub-C-Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen
eine Nenn-Ausgangsleistung von 400 W und mehr erreicht werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Spannung auf der Gleichstromleitung, d.h.
am Verbindungspunkt mit der Lade-Entlade-Schaltung, auf 51 bis 55
V eingestellt, wenn die Spannung an der vollständig geladenen Batterie 48
V oder mehr beträgt.
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Die
Nenn-Ausgangsleistung wird für
6 Minuten oder länger
sichergestellt, um eine Last während eines
Stromausfalls durch die Verwendung von Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen abzusichern,
wenn die Temperatur der Batterie 10°C oder mehr beträgt, der
Innenwiderstand der Batterie höchstens
das Doppelte des Anfangswerts ist und sich die Batterie im vollständig geladenen
Zustand befindet.
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Weitere
Aufgabe, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Racks, in dem Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung untergebracht sind.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der ersten Ausführungsform.
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3 ist
eine Aufsicht auf das Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
der ersten Ausführungsform.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Batterie (eines Batteriepacks)
des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems der ersten Ausführungsform.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht der Verbindung des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der ersten Ausführungsform
mit einer Informationsverarbeitungseinrichtung, gesehen von der
Rückseite
des Racks.
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6 ist
eine Blockdarstellung der Verbindung des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der ersten Ausführungsform
mit einer Informationsverarbeitungseinrichtung.
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7A, 7B und 7C sind
Blockdarstellungen für
die Betriebszustände
des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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8 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der maximalen
Versorgungsleistung des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der ersten Ausführungsform
und der Sicherungszeit mit der Anzahl von Batteriezellen als Parameter.
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9 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Höhe der USV
der ersten Ausführungsform
und deren Ausgangsleistung im Vergleich mit herkömmlichen USV's.
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10 ist
eine perspektivische Ansicht des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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11 ist
eine Aufsicht auf das Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
der zweiten Ausführungsform.
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12 ist
eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Batterie (eines Batteriepacks)
des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems der zweiten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 ist
eine perspektivische Ansicht der Anordnung eines Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
(einer USV) gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung mit Informationsverarbeitungseinrichtungen in einem
19-Zoll-Rack. In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 41 das 19-Zoll-Rack,
in dem in einer Höhe,
die der Höhe
von 6 Fächern × zwei Einheiten
= 12 Einheiten entspricht, Informationsverarbeitungsein richtungen 26 untergebracht
sind. Im untersten Fach, das 1 Einheit entspricht, sind zwei Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme
untergebracht. Wie in der 1 zu sehen
ist, sind die beiden Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme
auf kleinem Raum untergebracht. An der Vorderseite des Racks bezeichnet
das Bezugszeichen 3 den Winkel zur Befestigung am Rack,
das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine LED, das Bezugszeichen 12 bezeichnet
eine Lüftungsöffnung und
das Bezugszeichen 19 einen Handgriff.
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Die 2 ist
eine perspektivische Ansicht des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der ersten Ausführungsform.
Wie gezeigt, hat das Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem 1 eine
solche Größe, daß in einem
Chassis 2 zwei Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme nebeneinander
angeordnet werden können,
wobei jedes System unabhängig
vom anderen herausgezogen werden kann. Die Breite L des Reserve-Stromversorgungssystems 1 beträgt etwa
225 mm, die Höhe
H1 beträgt
44 mm oder weniger und die Tiefe D 600 mm oder weniger. Die Höhe H2 des
Chassis beträgt
eine Einheit (1U), d.h. etwa 44,45 mm, damit das Chassis in einem
19-Zoll-Rack untergebracht werden kann. Der Winkel 3 zur
Befestigung am Rack ist auf der rechten und der linken Seite des
Chassis 2 angebracht. An der Vorderseite des Reserve-Stromversorgungssystems 1 sind
LEDs 4, Luftöffnungen 12 und
ein Handgriff 19 vorgesehen, wie es oben angegeben ist.
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Die 3 ist
eine Aufsicht auf das Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem 1 bei
abgenommenen Deckel. In der 3 sind ähnliche
Elemente wie in den 1 und 2 mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der 3 liegen
zwei Batteriepacks 5 in der Tiefenrichtung nebeneinander. Vor
diesen Batteriepacks 5 sind Leiterplatten für eine Lade-Entlade-Schaltung 6 mit
einer Spule 8, Elektrolytkondensatoren 9 und einem
Kühlkörper 11 und
für eine
Steuerschaltung 7 mit einem Mikrocomputer 10 angeordnet.
An der Rückseite
sind ein Lüfter 13,
Anschlüsse 20 und 21 und
ein Schalter 22 vorgesehen.
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Die 4 ist
eine perspektivische Ansicht der Anordnung von Batteriezellen in
dem Batteriepack 5 für
das Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem. In der 4 sind
sieben Batteriezellen durch leitende Elemente 18 in einer
Reihenschaltung verbunden und in der Ansicht der 4 in
horizontaler Richtung angeordnet, und in vertikaler Richtung sind
vier Sätze
von solchen Reihenschaltungen angeordnet. Zwischen benachbarten
Batteriezellensätzen
befinden sich isolierende Zwischenlagen 14. Auf diese Weise
sind insgesamt achtundzwanzig Batteriezellen zwischen einer positiven
Elektrode 16 und einer negativen Elektrode 17 in
Reihenschaltung verbunden. Jede Batteriezelle 15 ist eine
Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle (NiMH-Batteriezelle) der Größe Sub-C
mit etwa 43 mm Höhe
und etwa 22,5 mm Durchmesser. Die Größe des Batteriepacks beträgt etwa
160 mm in horizontaler Richtung, etwa 180 mm in vertikaler Richtung
und etwa 25 mm in Dickenrichtung. Der Batteriepack 5 wird
im Reserve-Stromversorgungssystem so angeordnet, daß die Dickenrichtung
der Höhenrichtung
des Reserve-Stromversorgungssystems entspricht, d.h. daß der zylindrische Abschnitt
jeder Batteriezelle 15 auf einer in etwa flachen Ebene
liegt. Auf diese Weise wird ein Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem
mit einer Höhe
von 1U geschaffen.
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Die 5 ist
eine perspektivische Ansicht der Verbindungen zwischen den Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystemen
der ersten Ausführungsform
und einer Informationsverarbeitungseinrichtung, gesehen von der
Rückseite
des Racks. In der 5 sind ähnliche Elemente wie in den 1 bis 3 mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. An der Rückseite der Informationsverarbeitungseinrichtung 26 sind
zwei Stromversorgungen 25 für die Einrichtung angebracht.
An der Rückseite
der Einrichtungs-Stromversorgung 25 befindet sich ein Wechselstromstecker 27 und
ein Schalter 28 sowie ein Anschluß 29, ein Handgriff 30 und
ein Lüfter 31. Zusätzlich zu
diesen Komponenten sind an der Rückseite
der Informationsverarbeitungseinrichtung 26 zwei Anschlüsse 33 vorgesehen.
Im Chassis 2 befinden sich zwei Reserve-Stromversorgungssysteme. Das
Chassis 2 und die Informationsverarbeitungseinrichtung 26 sind
im gleichen 19-Zoll-Rack untergebracht. Die Einrichtungs-Stromversorgungen 25 und die
Reserve-Stromversorgungssysteme 1 sind an den Anschlüssen 29 über Gleichstrom/Signalleitungen 24 und
Verbindungselemente 21 miteinander verbunden. Die Informationsverarbeitungseinrichtung 26 und
die Reserve-Stromversorgungssysteme 1 sind an den Anschlüssen 33 über Signalleitungen 23 und
Verbindungselemente 20 miteinander verbunden.
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Vor
allem während
einer Entladung wird in den Reserve-Stromversorgungssystemen 1 Wärme erzeugt.
In einem solchen Fall bewirken die Steuerschaltungen 7,
daß sich
die Lüfter 13 drehen
und Luft von den vorderen Lüftungsöffnungen 12 über die
Lade-Entlade-Schaltungen 6 und
die Batteriepacks zu den Lüftern 13 strömt, um das
Reserve-Stromversorgungssystem 1 zu
kühlen.
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Die 6 ist
eine Blockdarstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den
in den 1 bis 5 gezeigten Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystemen 1 der
ersten Ausführungsform
und einer Informationsverarbeitungseinrichtung 26. In der 6 sind ähnliche
Elemente wie in den 1 bis 5 mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der interne Batteriepack 5 des
Reserve-Stromversorgungssystems 1 ist mit der Lade-Entlade-Schaltung 6 verbunden
und gibt Strom und ein Signal an die Steuerschaltung 7 für die Lade-Entlade-Schaltung 6 ab.
Der Ausgangsanschluß der
Lade-Entlade-Schaltung 6 ist mit dem Verbindungselement 21 verbunden.
Die Steuerschaltung 7 ist mit den Verbindungselementen 20 und 21 verbunden.
Wie mit Bezug zu der 5 beschrieben, sind in die Informationsverarbeitungseinrichtung 26 zwei
Einrichtungs-Stromversorgungen 25 eingebaut. Jede der Einrichtungs-Stromversorgungen 25 weist
einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 und einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35 auf.
Einer Last 39 wird über
den Wechselstromstecker 27, den Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 und
den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35 von einer Wechselstromquelle 32 elektrische
Energie zugeführt.
Die beiden Einrichtungs-Stromversorgungen 25 haben den
gleichen Aufbau, und ihre Ausgänge sind
parallel an der Last 39 angeschlossen. Die Last 39 umfaßt eine
Steuerschaltung 36, ein Plattenlaufwerk 37 und
einen Speicher 38. Der Verbindungspunkt zwischen dem Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 und
dem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35 in
der Einrichtungs-Stromversorgung 25 ist mit dem Anschluß 29 verbunden.
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Vom
Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler wird ein Signal für eine gute
Stromversorgung zum Anschluß 29 geführt. Der
Anschluß 29 ist über die Gleichstrom/Signalleitung 24 mit
dem Verbindungselement 21 des Reserve-Stromversorgungssystems 1 verbunden.
Die Steuerschaltung 36 in der Last 39 ist über die
Signalleitung 23 mit dem Anschluß 33 und dem Verbindungselement 20 des
Reserve-Stromversorgungssystems 1 verbunden.
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Die
Steuerschaltung 7 überwacht
ständig den
Zustand des Batteriepacks, um den Ladestrom der Lade-Entlade-Schaltung
zu steuern. Wenn der Batteriepack 5 den vollständig geladenen
Zustand erreicht, beendet die Steuerschaltung 7 den Betrieb der
Lade-Entlade-Schaltung 6.
Die beiden Reserve-Stromversorgungssysteme 1 haben den
gleichen Aufbau, und der Zustand der Batteriepacks 5 wird
zur Steuerung der Aufladung unabhängig überwacht. Durch das Beenden
des Betriebs der Lade-Entlade-Schaltung 6 im vollständig geladenen
Zustand wird die sogenannte Tröpfelladung
verhindert und die Lebensdauer der Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen verlängert.
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Es
wird nun die Ladung von Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen 15 mit
28 Zellen × zwei
parallelen Sätzen
= 56 Zellen betrachtet. Die Nennspannung einer Zelle beträgt 1,2 V,
die Spannung steigt im vollständig
geladenen Zustand auf 1,6 V. Die Spannung am Batteriepack 5 mit
28 Zellen beträgt
daher 44,8 V. Wenn die Einstellspannung an der Gleichstrom-Zwischenleitung 29,
d.h. die Einstellspannung am Ausgangsanschluß 21 des Reserve-Stromversorgungssystems 1,
auf rund 48 V eingestellt wird, ist es unmöglich, die Klemmenspannung
von 44,8 V des Batteriepacks 5 zu erhalten, da durch den
Steuerfehler von ±10%
des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34 und den Spannungsabfall
in der Schaltung entsprechende Änderungen
in der Gleichstrom-Ausgangsspannung verursacht werden. Bei der Ausführungsform
der Erfindung wird daher der Mittenwert (vorgesehene Wert) der Spannung
an der Gleichstrom-Zwischenleitung 29 mit einem gewissen
Spielraum auf 54 V eingestellt, so daß die Ladungsspannung auch
bei solchen Änderungen
und mit dem Spannungsabfall zuverlässig erhalten wird. Es ergibt sich
allgemein kein praktisches Problem, wenn der Mittenwert auf 51 bis
55 V eingestellt wird.
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Die 7A, 7B und 7C sind
vereinfachte Blockdarstellungen für die Betriebszustände des
Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems der Ausführungsform.
In der 7 sind ähnliche Bauteile wie in den 1 bis 6 mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie bereits bei der 6 beschrieben,
kann, obwohl zwei Garnituren von kommerziellen Wechselstromquellen 32 verwendet
werden, auch immer die gleiche Wechselstromquelle verwendet werden.
Eine der beiden Wechselstromquellen kann ein elektrischer Generator
oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung großer Kapazität sein.
Wenn sich beide kommerziellen Stromquellen 32 im normalen
Zustand befinden, befindet sich das Reserve-Stromversorgungssystem 1 im
Ladezustand oder im Standbyzustand.
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Die 7A ist
eine Blockdarstellung des Betriebs im Ladezustand. Es gibt zwei
Wege für
die elektrische Energie. Der erste Weg ist der Weg zum Zuführen der
elektrischen Energie von der kommerziellen Wechselstromquelle 32 zu
der Last 39 über den
Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 und den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35.
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Der
zweite Weg für
die elektrische Energie ist der Weg zum Aufladen des Batteriepacks 5 vom Ausgangspunkt
des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34 über die
Lade-Entlade-Schaltung 6 des
Reserve-Stromversorgungssystems 1. Vorzugsweise beträgt die Spannung
am Ausgangspunkt des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34 etwa
48 V Gleichstrom (oder, wie oben angegeben, 51 bis 55 V). Es kann
zwar auch eine niedrigere Spannung von 12 V oder 24 V verwendet
werden, die im Vergleich zu der Energiekapazität der Last klein ist, dann
steigt jedoch der Strom entsprechend an, so daß die Gleichstrom/Signalleitung 24 dann
entsprechend dick sein muß.
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Die
Spannung am Ausgangspunkt kann auf 380 V Gleichstrom eingestellt
werden, der Ausgangsspannung einer Phasenfaktorschaltung (PFC) in
einem allgemeinen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler. In diesem Fall
wird es jedoch im Vergleich zu den genannten 48 V (oder den oben
genannten 51 bis 55 V) schwieriger, das Reserve-Stromversorgungssystem
und die Gleichstrom/Signalleitung 24 zu isolieren.
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Die 7B ist
eine Blockdarstellung der Wege der elektrischen Energie bei einer
Funktion zum Begrenzen von Bedarfsspitzen bei der Ausführungsform.
Diese Begrenzungsfunktion stellt eine Steuermöglichkeit zum Zuführen von
elektrischer Energie auch vom Reserve-Stromversorgungssystem 1 zusätzlich zu
der vom Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 zugeführten Energie
dar, wenn durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35 ein Laststrom über einem
vorgegebenen Wert fließt, während die
kommerzielle Wechselstromquelle 32 normal arbeitet. Diese
Steuermöglichkeit
wird von der Lade-Entlade-Schaltung 6 und
der Steuerschaltung 7 bereitgestellt. Es ist damit möglich, den
Ausgangsstrom des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34 auf
einem bestimmten Wert oder darunter zu halten. Der Benutzer hat
den Vorteil, daß die
Nennleistung des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers kleiner sein
kann, daß der
von der kommerziellen Wechselstromquelle 32 zugeführte Strom
kleiner ist, daß ein
Leistungsausgleich erfolgt und daß die bezogene elektrische
Leistung geringer ist.
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Die 7C zeigt
den Weg der elektrischen Energie bei einem Stromausfall. Bei der
vorliegenden Ausführungsform
beginnt der Entladevorgang, wenn sich das Signal für eine gute
Stromversorgung vom Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 ändert. Es
ist damit möglich,
die Stromversorgung für
die Last in Reaktion nicht nur auf einen Stromausfall, sondern auch
bei einem Ausfall des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers auf die
gleiche Weise zu sichern. Dadurch wird die Zuverlässigkeit
des Systems erhöht.
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Es
wird nun der Vorgang bei einem Ausfall der kommerziellen Wechselstromquelle 32 beschrieben.
Bei einem Ausfall der kommerziellen Wechselstromquelle 32 nimmt
die Ausgangsspannung des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34 ab.
Gleichzeitig ändert
sich das Signal für
eine gute Stromversorgung vom Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler auf
ein Signal für
einen unnormalen Zustand. Diese Änderung
erfolgt auch bei einem Ausfall des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34.
Die Änderung
im Signal für
eine gute Stromversorgung wird elektrisch über den Anschluß 29,
die Gleichstrom/Signalleitung 24 und das Verbindungselement 21 zu
der Steuerschaltung 7 des Reserve-Stromversorgungs systems 1 gesendet.
Bei Erhalt dieser Änderung
im Signal für eine
gute Stromversorgung beginnt das Reserve-Stromversorgungssystem 1 mit
dem Entladevorgang der Lade-Entlade-Schaltung 6.
Der Gleichstrom des Batteriepacks 5 wird durch einen Verstärkerwandler
vom Zerhackertyp in der Lade-Entlade-Schaltung 6 in die
vorgegebenen 48 V (oder die oben angegebenen 51 bis 55 V) umgewandelt
und die umgewandelte Spannung an den Ausgangspunkt des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 34 gelegt. Der
Verstärkerwandler
vom Zerhackertyp besteht aus einer bekannten Schaltung aus der Spule 8,
einem Halbleiterelement wie einem Leistungs-MOSFET, der am Kühlkörper 11 angebracht
ist, und dem Elektrolytkondensator 9.
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Wie
mit Bezug zu der 4 beschrieben wurde, bestehen
die Batteriepacks 5 der Ausführungsform aus zwei parallel
geschalteten Reihenschaltungen von jeweils achtundzwanzig Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen.
Auch wenn sich die Spannung an den Batteriepacks 5 von
Zeit zu Zeit ändert, beträgt deren
Nennspannung 33,6V (1,2 V/Zelle). Es gibt zwar Stromwandlerschaltungen
zum Erzeugen von stabilen 48 V (oder wie oben angegeben 51 bis 55
V) am Batteriepack, am einfachsten ist jedoch der genannte Verstärkerwandler
vom Zerhackertyp.
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Die 8 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der maximalen
Zuführleistung des
Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems und der Batterie und
der Sicherungszeit, wobei die Anzahl der Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen
als Parameter verwendet wird. Diese Graphik wurde bei Verwendung
von Nickel-Metallhydrid-(NiMH)-Batteriezellen
der Größe Sub-C
unter den harten Bedingungen eines Wirkungsgrads der Lade-Entlade-Schaltung
von 90%, einer Zellenverschlechterung mit einem Innenwiderstand
vom Doppelten des Anfangswerts und einer niedrigen Temperatur von
10°C erhalten.
Wie sich aus der Graphik ergibt, sind, um ein Reserve-Stromversorgungssystem
zu erhalten, das bei einer Ausgangsleistung von 700 W eine Sicherung
für 6 Minuten
ergibt, zwischen 40 und 50 Batteriezellen erforderlich. Die Graphik
der 8 zeigt die Ausgangsleistung unter den oben angegebenen
schlechten Bedingungen. Bei Batteriezellen im Anfangszustand reichen
40 Zellen für
eine Sicherung für
6 Minuten bei einer Ausgangsleistung von 700 W aus. Bei einer Anwendung,
die eine zuverlässige
Sicherung für
6 Minuten mit einer Ausgangsleistung von 700 W unter den schlechten
Bedingungen erfordert, sollten 45 oder mehr Batteriezellen verwendet
werden.
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Aus
der 8 ist auch ersichtlich, daß für eine Sicherung für 6 Minuten
bei einer Ausgangsleistung von 400 W oder für 5 Minuten bei einer Ausgangsleistung
von 500 W 20 bis 30 Zellen erforderlich sein (durch gestrichelte
Linien angezeigt). Aus den gleichen Gründen wie oben ist es erforderlich,
20 Zellen oder mehr zu verwenden, vorzugsweise etwa 28 Zellen.
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Die 8 zeigt
auch die Sicherungskapazität
des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems mit 28 Zellen × zwei Parallelschaltungen
= 56 Zellen der Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen 15 der ersten
Ausführungsform.
Unter den gleichen harten Bedingungen, das heißt einem Wirkungsgrad der Lade-Entlade-Schaltung 6 von
90%, ei ner Zellenverschlechterung mit einem Innenwiderstand vom
Doppelten des Anfangswerts und einer niedrigen Temperatur von 10°C ergibt
sich eine maximale Sicherung von etwa 1000 W × 3 min oder kürzer, etwa
920 W × 5
min (gestrichelt gezeigt), etwa 880 W × etwa 6 min oder etwa 880
W × etwa
6 min entsprechend etwa 790 W × 6
min, wenn der Wirkungsgrad des Stromversorgungssystems berücksichtigt
wird. Diese Ausgangskapazität
reicht aus, die einer allgemeinen 1kVA-Wechselstrom-USV mit einer
Sicherung von 670 bis 700 W × 6
min im Anfangszustand zu übertreffen,
und sie ist kompatibel mit der Spezifikation, daß eine 1,2-kVA-USV mit Wechselstromausgang
im Anfangszustand 840W × 6
min sichern kann. Das Reserve-Stromversorgungssystem der ersten
Ausführungsform
hat eine Sicherungskapazität,
die im allgemeinen der einer 1,2 kVA-USV mit Wechselstromausgang
gleichwertig ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Reserve-Stromversorgungssystem 1 kann
der Wirkungsgrad des Reserve-Stromversorgungssystems 1 dadurch
gegenüber
einer USV mit Wechselstromausgang erhöht werden, daß der Wirkungsgrad
des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers keine Rolle spielt, da der
Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler beim
Sichern keine Leistung zuführt.
Mit anderen Worten ist bei einem Reserve-Stromversorgungssystem mit der gleichen
Kapazität
wie bei einer USV mit Wechselstromausgang die Sicherungszeit um
den Wert erhöht,
der dem Wirkungsgrad des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers entspricht.
Wenn der Wirkungsgrad des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 90%
beträgt
und die Sicherungszeit einer USV mit Wechselstromausgang 6 min,
dann beträgt
die Sicherungszeit eines Reserve-Stromversorgungssystems mit der
gleichen Kapazität
6 min/0,9 = 6,6 min.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
kann das Umschalten bei einem Stromausfall auf eine Ausgangsspannung
von 48 V (oder wie oben angegeben 51 bis 55 V) innerhalb von einigen
Hundert μs erfolgen.
Das Eingangssignal am Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35 ändert sich dadurch nicht stark,
so daß der
Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 35 unabhängig vom
Stromausfall weiterarbeitet. Die Last 39 kann ihren Betrieb
stabil weiterführen.
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Wenn
der Stromausfall in relativ kurzer Zeit behoben ist und die kommerzielle
Wechselstromquelle 32 wieder Strom liefert, ändert sich
das Signal für
eine gute Stromversorgung vom Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 34 vom
unnormalen Zustand zum normalen Zustand. Diese Signaländerung wird
von der Steuerschaltung 7 erfaßt und die Entladung gestoppt.
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Die
Steuerschaltung 7 überwacht
ständig
die Restkapazität
(SOC) des Batteriepacks. Die Restkapazität kann hauptsächlich durch
die kumulative Addition des Ladestroms und des Entladestroms zu
und vom Batteriepack 5 abgeschätzt werden. Wenn die Restkapazität des Batteriepacks 5 aufgrund
eines langen Stromausfalls abnimmt, gibt die Steuerschaltung 7 ein
Abschaltsignal an die Steuerschaltung 36 aus, die wiederum
einen Abschaltvorgang einleitet. Dieser Vorgang dient zum Beispiel
dazu, den Inhalt des Speichers 38 auf der Festplatte 37 zu
sichern.
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Nach
dem Abschaltvorgang sendet die Steuerschaltung 36 ein USV-Abschaltsignal
zu der Steuerschaltung 7, die dann das Entladen des Batteriepacks
stoppt.
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Es
wird nun der Vorgang beschrieben, der ausgeführt wird, wenn das Reserve-Stromversorgungssystem 1 ausfällt. Wenn
das Reserve-Stromversorgungssystem 1 ausfallt, stoppt die
Steuerschaltung 7 den Betrieb der Lade-Entlade-Schaltung 6 und
gibt an den LEDs 4 ein Alarmsignal aus. Dieser Alarm kann,
auch wenn es nicht dargestellt ist, auch an einem Summer ausgelöst werden,
der in das Reserve-Stromversorgungssystem 1 eingebaut ist.
Ein Ausfall des Reserve-Stromversorgungssystems 1 kann
auch der Steuerschaltung 36 mitgeteilt werden, um den Benutzer
von der Systemseite davon in Kenntnis zu setzen. Nachdem der Benutzer
auf diese Weise von dem Ausfall des Reserve-Stromversorgungssystems 1 Kenntnis
erhalten hat, kann er das Reserve-Stromversorgungssystem 1 durch
ein neues ersetzen. Beim Ersetzen des Reserve-Stromversorgungssystems 1 wird
der Schalter 22 an der Rückseite auf Aus geschaltet,
und die Leitungen werden abgezogen, um das System mit dem Handgriff 19 herauszuziehen.
Dann wird wie in den 1 und 2 gezeigt
ein normales Reserve-Stromversorgungssystem 1 eingesetzt,
und die Leitungen und dergleichen werden mit den Anschlüssen verbunden,
um danach den Schalter wie in der 4 gezeigt
wieder auf Ein zu schalten. Es braucht in diesem Fall der Betrieb
der Informationsverarbeitungseinrichtung nicht angehalten zu werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
kann, wie in der 6 gezeigt, das Reserve-Stromversorgungssystem 1 herausgenommen und
eingesetzt werden, während
die Last weiter in Betrieb ist, da die Reserve-Stromversorgungssysteme 1 parallel
mit dem Weg von der kommerziellen Wechselstromquelle 32 zu
der Last 36 angeschlossen sind.
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Die 9 zeigt
graphisch die Größe des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der ersten Ausführungsform
im Vergleich mit den Größen von
kommerziell erhältlichen
USV's mit Wechselstromausgang
für die
Rackmontage. Die Graphik zeigt die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung W
des Reserve-Stromversorgungssystems mit der Höhe der USV. In der 9 ist
mit weißen
Kreisen die Höhe
von USV's mit Wechselstromausgang
für die
Rackmontage dargestellt, die im allgemeinen bei etwa 44 mm (1U),
etwa 88 mm (2U) und so weiter liegt, da die Höhenteilung von 19-Zoll-Racks
etwa 44,45 mm (1U) beträgt.
Eine USV mit Wechselstromausgang mit der kleinsten Höhe von 1U
gibt es nur für die
relativ geringe Ausgangsleistung von 400 W oder weniger, da sich
das Volumen des Transformators, des Inverters und der vergossenen
Bleibatterie nicht beliebig verkleinern läßt. Die USV's mit Wechselstromausgang für die Rackmontage
mit 1 bis 1,4 kVA (entsprechend etwa 700 bis 1000 W), die in großen Stückzahlen
hergestellt werden, haben eine Höhe von
2U bis 3U. Die Informationsverarbeitungseinrichtungen werden jedoch
von Jahr zu Jahr dünner,
und ihre Packungsdichte wird immer größer. Vor kurzem wurden Server
der Größe 1U vorgestellt,
so daß ein erheblicher
Bedarf an einer erhöhten
Packungsdichte für
das ganze Rack besteht.
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Wie
in der 9 mit dem schwarzen Kreis (a) gezeigt, können bei
der ersten Ausführungsform zwei
USV mit Gleichstromausgang für
die Rackmontage von 1 bis 1,4 kVA (entsprechend etwa 700 bis 1000
W), die in großen
Mengen hergestellt werden, in einem Raum der Höhe 1U untergebracht werden.
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Anhand
der 10 bis 12 wird
nun ein Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Die 10 ist
eine perspektivische Ansicht des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Der Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie in
der 2, so daß nur
die davon abweichenden Punkte beschrieben werden. Bei dem in der 10 gezeigten
Beispiel können
drei Reserve-Stromversorgungssysteme in einem Chassis 2 untergebracht
werden. Die Höhe
H2 des Chassis 2 ist 1U, genau wie bei der 1.
Die Höhe
H1 des Reserve-Stromversorgungssystems 1 beträgt 44 mm
oder weniger, genau wie bei der 1. Die Breite
L2 des Reserve-Stromversorgungssystems 1 beträgt 150 mm
oder weniger.
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Die 11 ist
eine Aufsicht auf den inneren Aufbau des Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystems 1 der
zweiten Ausführungsform.
Auch wenn die Größen der
Lade-Entlade-Schaltung 6 und der Steuerschaltung 7 die
gleichen sind wie in der 3, ist L2 schmal, 150 mm oder
weniger, so daß die
Steuerschaltung 7, die Lade-Entlade-Schaltung 6 und der Batteriepack 5 von
der Vorderseite weg in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
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Die 12 ist
eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus des Batteriepacks 5.
Der Batteriepack 5 besteht aus dreißig Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen
der Größe Sub-C,
die in einer Reihenschaltung verbunden sind, ohne daß es eine
Parallelschaltung von Batteriepacks 5 gibt. In einer Reihe
sind fünf
Batteriezellen angeordnet, und in vertikaler Richtung sind mit einer
Isolierfolie 14 zwischen benachbarten Batteriezellenreihen
sechs Batteriereihen aufeinandergestapelt. An den gegenüberliegenden
Enden des Zellenarrays sind eine positive Elektrode 16 und
eine negative Elektrode 17 angeordnet. Die Größe dieses
Batteriepacks beträgt
in der vertikalen Richtung etwa 270 mm, in der Breitenrichtung etwa
115 mm und in der Dickenrichtung etwa 25 mm. Dieser Batteriepack
kann in einem Raum der Größe untergebracht
werden, der in der 11 gezeigt ist.
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Der
Betrieb des Reserve-Stromversorgungssystems 1 der zweiten
Ausführungsform
ist der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Die Kapazität pro Reserve-Stromversorgungssystem
ist bei der ersten und der zweiten Ausführungsform verschieden. Dieser
Punkt wird anhand der 8 erläutert. Der Batteriepack 5 enthält dreißig Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen
der Größe Sub-C.
Unter den Bedingungen eines Wirkungsgrads der Lade-Entlade-Schaltung 6 von
90%, einer Zellenverschlechterung mit einem Innenwiderstand vom
Doppelten des Anfangswerts und einer tiefen Temperatur von 10°C können die
folgenden maximalen Sicherungs-Ausgangsleistungen erhalten werden.
Wie sich aus der Graphik ergibt, beträgt die maximale Sicherungs-Ausgangsleistung
etwa 550 W × 3
min oder weniger, oder etwa 480 W × etwa 6 min, was etwa 430
W × 6
min entspricht, wenn der Wirkungsgrad des Stromversorgungssystems
berücksichtigt
wird. Diese Ausgangskapazität übersteigt
die Ausgangsleistung einer 500 VA-(350 W)-USV mit Wechselstromausgang
und ist mit der Anfangsleistung einer 700 VA-(490 W)-USV mit Wechselstromausgang kompatibel.
Das Reserve-Stromversorgungssystem 1 der zweiten Ausführungsform
kann die Kapazität
sichern, die als Anfangswert einer 700 VA-USV mit Wechselstromausgang
garantiert wird.
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Wie
durch den schwarzen Kreis (b) in der 9 dargestellt,
können
drei Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssysteme 1 der
zweiten Ausführungsform
mit einer Sicherungsleistung von 430 W × 6 min in einem Raum untergebracht
werden, der einer Höheneinheit
(1U) eines 19-Zoll-Racks entspricht.
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Jede
der dreißig
Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen 15 weist in der Nähe des voll
geladenen Zustands eine Spannung von 1,6 V auf. Die Spannung an
den Anschlüssen
des Batteriepacks 5 beträgt daher 30 × 1,6 V
= 48 Volt. In diesem Fall sollte die Einstellspannung an der Gleichstrom-Zwischenleitung 29,
d.h. die Einstellspannung am Ausgangsanschluß 21 des Reserve-Stromversorgungssystems 1,
auf eine Spannung eingestellt werden, die zumindest um den Wert
höher ist,
der dem Spannungsabfall in der Schaltung entspricht. Auch bei der
zweiten Ausführungsform
wird die Spannung an der Gleichstrom-Zwischenleitung 29 auf 54 V
eingestellt, so daß die
Ladungsspannung auch bei Regeländerungen
am Wechseistrom/Gleichstrom-Wandler 34 und mit dem Spannungsabfall
in der Schaltung mit etwas Spielraum erhalten wird.
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Die
Funktionen des Ladens, Entladens und der Spitzenbegrenzung laufen
bei dem Reserve-Stromversorgungssystem dieser Ausführungsform
genau so ab wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen wird
durch das Ersetzen einer USV mit Wechselstromausgang für die Rackmontage
durch das Reserve-Stromversorgungssystem der Ausführungsformen
eine Sicherungsfunktion mit der gleichen Kapazität mit einem dünneren Gerät der Größe 1U verwirklicht.
Es wird dadurch möglich,
die Anzahl der Lastsysteme, wie Systeme, Informationsverarbeitungseinrichtungen
und Server zu erhöhen.
Die Kapazität
des Lastsystems kann erhöht
werden, so daß die
Packungsdichte des Racks zunimmt.
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Auch
bei den obigen Ausführungsformen kann
bei der Wartung und beim Ersetzen der wiederaufladbaren Batteriezellen
und anderer Komponenten des Reserve-Stromversorgungssystems jedes einzelne
Reserve-Stromversorgungssystem durch Anschließen und Trennen an den Anschlüssen und Leitungen
auf der Rückseite
während
des laufenden Betriebs ausgetauscht werden. Das Ersetzen kann erfolgen,
während
die Last weiter in Betrieb ist und nicht abgeschaltet wird.
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Mit
der Spitzenbegrenzungsfunktion des Reserve-Stromversorgungssystems
ist es möglich,
einen Ausgleich der Eingangsleistung zu erhalten und die abgenommene
elektrische Energie, die Nennleistung des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers
und die Kosten zu verringern.
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Durch
die Verwendung nicht von vergossenen Bleibatterien, sondern von
Nickel-Metallhydrid-Batterien
wird die Belastung der Umwelt verringert, da kein Blei mehr weggeworfen
wird, und es kann ein sicheres System geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß wird ein
Gleichstrom-Reserve-Stromversorgungssystem geschaffen, das dünn ist und
das leicht in einem Rack mit Systemen, Informationsverarbeitungseinrichtungen,
Servern und dergleichen untergebracht werden kann.
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Durch
die Verwendung nicht von vergossenen Bleibatterien, sondern von
Nickel-Metallhydrid-Batterien
wird die Belastung der Umwelt verringert, da kein Blei mehr weggeworfen
wird, und es kann ein sicheres System geschaffen werden.