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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum selektiven Auslösen einer nicht unterbrechbaren Leistungsversorgung
(UPS = uniterruptable power supply), um offline zu gehen, d.h. eine
bestehende Verbindung zu unterbrechen, während jede "gute" UPS,
die in einer redundanten Art und Weise geschaltet ist, online bleibt,
d.h. ihre Verbindung beibehält.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Technik,
bei der ein "Auslöse"-Signal für redundante
AC-Leistungssysteme erzeugt werden, und zwar vollständig basierend
auf der digitalisierten Leistungsausgabe der UPS ohne eine Zwischeneinheitsignalgebung
bzw. -signalisierung.
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Ausgangspunkt
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US 4,745,512 bezieht sich
auf das Vorsehen eines Fernschutzes von drei Phasenelektrizitätsversorgungsverteilungstransformatoren
und beschreibt ferner Eigenschaften, die in den jeweiligen Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche
der vorliegenden Anmeldung genannt sind.
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Das
Verbinden von zwei oder mehreren nicht unterbrechbaren Leistungsversorgungen
(UPS's) in einer
parallelen redundanten Art und Weise ist eine notwendige Anforderung,
wo immer höhere
und höhere
Leistungsverfügbarkeit
erforderlich ist. Damit eine UPS in der Lage ist, in einer redundanten
Art und Weise mit anderen UPS zu arbeiten muss, sie jedoch ein robustes "selektives Auslöse"-Regime besitzen.
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Wie
hier verwendet, bezieht sich der Begriff "selektive Auslösung" auf den Hardwaresatz und assoziierte
Softwarealgorithmen, die bewirkt, dass eine ausgefallene UPS offline
geht, während
die "guten" parallelen redundanten
Einheiten) online bleiben. Wie der Fachmann erkennen kann, ist die
Redundanzkapazität
eines Systems nur so gut wie ihr "selektives Auslöse"-Regime.
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Es
gibt zwei Grundarten von UPS-Ausfällen in einem parallelen redundanten
System: solche, die keine Störung
an einem kritischen Ausgangsbus bewirken, der mit der Last verbunden
ist, und solche, die eine bewirken. Die erste Art des Ausfalls ist
trivial, da es keine Störung
an dem kritischen Bus gibt; die gute Einheit sieht nicht das Auftreten
des Ausfalls und verbleibt einfach online und führt ihren Job durch. Die ausgefallene
Einheit ist einfach offline in Folge ihres Ausfalls. Die zweite
Art des Ausfalls ist jedoch problematischer, da alle Einheiten diesen
Fehler sehen, aber alle guten Einheiten online bleiben müssen. Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit der selektiven Auslösung
für die
zweite Art des Ausfalls, wo sie notwendig ist, die ausgefallenen
Einheiten von den "guten" Einheiten zu unterscheiden.
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Wenn
eine UPS in einer Art und Weise ausfällt, dass der kritische Bus
gestört
wird, dann sourced oder senkt sie mehr Strom als durch die andere(n)
Einheit(en) absorbiert oder geliefert werden kann/können, die
online ist/sind. Somit sehen alle Einheiten die kritische Busstörung und
alle Einheiten sehen den übermäßigen Strom.
Damit eine selektive Auslösung
in diesem Fall arbeitet, müssen
gute Einheiten online bleiben und nur die schlechte Einheit muss
offline gehen. Wenn stattdessen eine gute Einheit offline geht,
ist jeglicher Vorteil der Redundanz für diese Art des Ausfalls verloren.
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Wie
in 1 dargestellt ist, verwenden parallele redundante
Leistungsversorgungssysteme des Standes der Technik Zwischeneinheitssignalgebung, um
eine selektive Auslösung
zu ermöglichen.
Wie in 1 dargestellt ist, ist eine Vielzahl von nicht
unterbrechbaren Leistungssystemen (UPS) 1, die auf eine Dreiphasen-AC-Eingangsspannung
ansprechen, in einer parallelen Redundanzkapazitätskonfiguration geschaltet,
um eine konstante AC-Ausgangsspannung an eine Last 2 vorzusehen.
Jede UPS 1 ist mit einer DC-Spannungsquelle (Batterie) 3 in
einer herkömmlichen
Art und Weise versehen, um eine konstante Leistung vorzusehen in
dem Fall eines AC-Leistungsausfalls. Wie dargestellt ist, sind Lastverteilungskreise
bzw. -schaltungen 4 mit jeder UPS 1 assoziiert,
um eine Zwischeneinheitssignalgebung zu ermöglichen und eine selektive
Auslösung
unter Verwendung entweder eines "Differenz
vom Durchschnitt" Echtzeitstromsignals
auf einem "Differenz vom
Durchschnitt" Bus
oder einem Synchronisierungssignal, das auf einem Synchronisierungssignalbus
vorgesehen wird.
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Wenn
im Allgemeinen ein Fehler detektiert wird, wird der geeignete Halbleiter
oder mechanische Schalter oder das Relay 5 umgelegt, um
das fehlerhafte UPS 1 aus dem Leistungskreis zu nehmen,
um dadurch eine konstante AC-Ausgangsspannung
an der Last 2 beizubehalten.
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Die
Verwendung einer "Differenz
von Durchschnitt" Lastverteilung
oder einer gemeinsamen Synchronisierungssignallastverteilung ist übliche Praxis. In
dem Fall einer "Differenz
von Durchschnitt" Lastverteilung
wird beispielsweise ein Echtzeitstromsignal als ein Zwischeneinheitssignal
unter dem parallelen redundanten UPS verwendet. Unglücklicherweise
ist die Verwendung einer solchen Zwischeneinheitssignalgebung anfällig für eine Unterbrechung und
muss daher selbst redundant sein, um ein robustes selektives Auslöseregime
vorzusehen. Da Systeme des Standes der Technik eine Zwischeneinheitsignalgebung
für selektive
Auslösung
verwenden, sollte es dort ein redundantes selektives Auslöseschema geben,
sodass die Zwischeneinheitsignalgebung selbst nicht ein einzelner
Ausfallpunkt für
das ansonsten redundante System wird.
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Eine
weitere übliche
Praxis im Stand der Technik ist das vektorielle Addieren des "Differenz vom Durchschnitt" Echtzeitstromsignals
zu dem eigenen Spannungssignal des UPS, um ein vorgespanntes Spannungssignal
zu erzeugen. Diese Vektoraddition wird in einer solchen Art und
Weise durchgeführt, dass
die "vorgespannte" Spannungsverzerrung
an der ausgefallenen Einheit im Vergleich zu der nicht vorgespannten
Spannung akzentuiert wird, während dasselbe
Signal an der/den guten Einheit(en) weniger stark ist. Dieses Verfahren
erfordert jedoch sowohl einen Signalvergleich als auch eine logische Verarbeitung,
um die schlussendliche Entscheidung zu treffen, ob eine Einheit "gut" oder "schlecht" ist. Während dieses
Verfahren üblicherweise
adäquat ist,
kann das Ansprechverhalten langsam sein, in Folge der Schwäche der
Differenz. Ferner muss sich das Verfahren auch auf extern abgeleitete
Information verlassen, wie beispielsweise das "Differenz vom Durchschnitt" Signal. Solche zusätzliche
Signalisierung und die zusätzlichen
internen Schaltungen, die durch den Stand der Technik paralleler
redundanter Energiesysteme erforderlich ist zum Identifizieren einer
fehlerhaften Einheit, hatten einen nachteiligen Effekt hinsichtlich
der Verlässlichkeit.
Eine verlässlichere
Technik zum Identifizieren und "selektiven
Auslösen" einer fehlerhaften
Einheit ist daher zweckmäßig bzw.
erforderlich.
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Die Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung löst
die zuvor genannten Probleme im Stand der Technik durch Vorsehen
eines parallelen redundanten Energie- bzw. Stromversorgungssystems,
das keine Signalisierung zwischen den Einheiten verwendet. Stattdessen
wird alle Information, die notwendig ist für ein robustes selektives Auslöseregime,
aus Signalen abgeleitet, die jedes Stromsystem schon besitzt. Insbesondere
erzeugt die Erfindung eine Auslösefunktion
durch Multiplizieren einer derzeitigen Differenz der Spannung (verglichen
mit dem vorhergehenden Zyklus) mit der derzeitigen Differenz des
Stroms (auch verglichen mit dem vorhergehenden Zyklus), die durch
das Stromsystem ausgegeben werden. Eine solche Technik ist ähnlich zum
Multiplizieren einer "Differenz vom
Durchschnitt" Spannung
durch einen Differenz von Durchschnittsstrom. Eine solche Technik
ist auch ähnlich
zu einer Vektoradditionstechnik des Standes der Technik mit der
Ausnahme, dass sowohl die Spannung als auch der Strom eine "Differenz vom Durchschnitt" darstellen und die
Werte multipliziert statt addiert werden. Wie sich jedoch aus der
folgenden Beschreibung ergibt, erlauben diese Unterschiede die Erzeugung
einer sicheren, schnellen Anzeige dahingehend, ob eine bestimmte
Stromversorgungseinheit "gut" oder "schlecht" ist. Kurz gesagt,
bestimmt die Auslösefunktion
selbst eine "schlechte" Einheit und benötigt daher
keine andere logische Verarbeitung. Infolge dessen ist keine zusätzliche
selektive Auslöseschaltung
erforderlich, welche einen nachteiligen Effekt hinsichtlich der
Verlässlichkeit
mit sich bringt. Ferner gibt es bei einem Mehrphasensystem (wie
zum Beispiel einer Splitphase oder einem Dreiphasensystem) eine
natürliche
Redundanz hinsichtlich der Signalverarbeitung selbst, wodurch die zuvor
genannten "Einzelpunkt" Ausfälle in den
Signalisierungssystemen zwischen Einheiten des Standes der Technik
vermieden werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein einzelnes Stromsystem,
das Wechselstrom bzw. AC-Leistung an eine Last anlegt oder auf ein
paralleles redundantes Stromsystem, bei dem eine Vielzahl von parallel
geschalteten Stromsystemen Wechselstrom an eine Last vorsehen. In
jedem Fall führt
das Stromsystem eine Selbstüberwachung
seines Stromausgangs vor und trennt sich selbst von der Last beim
Detektieren eines Fehlers. Eine solche Trennung wird erreicht durch
Senden eines Auslösesignals
an Trennmittel wie beispielsweise einen Schalter oder ein Relay
der Stromverbindung, welche das Stromsystem mit der Last verbindet.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist jedes Stromsystem, das alleine oder in paralleler
redundanter Art und Weise mit einem oder mehreren zusätzlichen
Stromsystemen arbeitet, Mittel auf zum Erzeugen einer Wechselstrom-(AC)-Ausgangsspannung,
Mittel zum Abtasten der AC-Ausgangsspannung zum Vorsehen von AC-Stromproben
bzw. -abtastungen und AC-Spannungsproben bzw. -abtastungen, Mittel
zum Speichern wenigstens eines Zyklus der AC-Stromproben und der
AC-Spannungsproben,
Mittel zum Bestimmen eines Stromtransient als eine Differenz zwischen
einer AC-Stromprobe aus den Abtastmitteln und eine AC-Stromprobe, die an
einem entsprechenden Punkt eines vorhergehenden AC- Stromzyklus genommen
wurde, der in den Speichermitteln gespeichert wurde, und zum Bestimmen
eines Spannungstransient als eine Differenz zwischen einer AC-Spannungsprobe
aus den Abtastmitteln und einer AC-Spannungsprobe an einem entsprechenden Punkt
eines vorhergehenden AC-Spannungszyklus, der
in den Speichermitteln gespeichert wurde, und Mittel zum Erzeugen
eines Auslösesignals,
wenn das Stromtransient und das Spannungstransient sich beide hinsichtlich
ihres Wertes um vorbestimmte Größen erhöhen oder
verringern. Die gespeicherten AC-Spannungs- und -Stomproben können Proben aus
dem direkt vorhergehenden AC-Ausgangsleistungszyklus
sein oder gemittelte AC-Stromproben und AC-Spannungsproben für entsprechende Punkte vorhergehender
Zyklen der AC-Stromproben
und AC-Spannungsproben. Die Auslösesignalerzeugungsmittel
multiplizieren das Stromtransient mit dem Spannungstransient und
erzeugen das Auslösesignal,
wenn das Multiplikationsprodukt des Stromtransient und des Spannungstransient
positiv ist, da ein positives Ergebnis einen Fehler bzw. Ausfall
des Stromsystems anzeigt. Wenn andererseits das Multiplikationsprodukt
des Stromtransient und des Spannungstransient negativ ist, wird
kein Auslösesignal erzeugt,
da ein negatives Ergebnis einen ordnungsgemäßen Betrieb des Stromsystems
anzeigt.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel des
Stromsystems weist jedes Stromsystem Folgendes auf: Mittel zum Erzeugen
einer AC-Ausgangsspannung,
Mittel zum Berechnen eines gleichgerichteten Summenmittels aus der
AC-Ausgangsspannung und einer Strom- bzw. Leistungssumme von Ausgangsphasen
der AC-Ausgangsspannung, einen ersten Filter mit einer relativ kurzen
Zeitkonstante zum Filtern des gleichgerichteten Summenmittels und
der Leistungssumme, einen zweiten Filter mit einer relativ langen
Zeitkonstante zum Filtern des gleichgerichteten Summenmittels und
der Leistungssumme, Mittel zum Bestimmen eines Leistungs- bzw. Stromtransient
als eine Differenz einer gefilterten Leistungssumme, die jeweils
durch die ersten und zweiten Filter ausgegeben wird und zum Bestimmen eines
Spannungtransient als eine Differenz zwischen einem gefilterten
gleichgerichteten Summenmittel, das jeweils durch die ersten und
zweiten Filter ausgegeben wird, und Mittel zum Erzeugen des Auslösesignals
wenn das Leistungstransient und das Spannungstransient sich beide
hinsichtlich ihres Werts um vorbestimmte Größen erhöhen oder verringern. Wie bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
multipliziert die Signalerzeugungsmittel das Leistungstransient
mit dem Spannungstransient und erzeugen das Auslösesignal, wenn das Multiplikationsprodukt
des Leistungstransient und des Spannungstransient positiv ist.
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Der
Umfang der Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Erzeugen eines
Auslesesignals zum Trennen eines ausgefallenen Stromsystems von
einer Last an die das Stromsystem Wechselstrom bzw. AC-Leistung
vorsieht. Gemäß eines
bevorzugten Betriebsverfahren wird das Auslösesignal erzeugt durch Durchführen der
folgenden Schritte:
Abtasten einer AC-Ausgangsspannung von
dem Stromsystem zum Vorsehen von AC-Stromproben bzw. -abtastungen
und AC-Spannnungsproben bzw. -abtastungen;
Speichern wenigstens
eines Zyklus der AC-Stromproben und der AC-Spannungsproben;
Bestimmen eines
Stromtransient als eine Differenz zwischen einer derzeitigen AC-Stromprobe
und einer zuvor gespeicherten AC-Stromprobe, die an einem entsprechenden
Punkt eines vorhergehenden AC-Stromzyklus genommen wurde; Bestimmen
eines Spannungstransient als eine Differenz zwischen einer derzeitigen
AC-Spannungsprobe und einer zuvor gespeicherten AC-Spannungsprobe, die
an einem entsprechenden Punkt eines vorhergehenden AC-Spannungszyklus
genommen wurde; und
Erzeugen des Auslösesignals, wenn das Stromtransient
und das Spannungstransient sich beide in ihrem Wert um vorbestimmte
Größen erhöhen oder
verringern.
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Vorzugsweise
weist der Auslösesignalerzeugungsschritt
die folgenden Schritte auf: Multiplizieren des Stromtransient mit
dem Spannungstransient und Erzeugen des Auslösesignals, wenn das Multiplikationsprodukt
des Stromtransient und des Spannungstransient positiv ist. Es wird
kein Auslösesignal
erzeugt, wenn das Multiplikationsprodukt negativ ist.
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Ein
alternatives Verfahren gemäß der Erfindung
zum Erzeugen eines Auslösesignals
zum Trennen eines ausgefallenen Stromsystems von einer Last, an
die das Stromsystem Wechselstrom bzw. AC-Leistung liefert, weist
die folgenden Schritte auf:
Berechnen eines gleichgerichteten
Summenmittels einer AC-Ausgangsspannung,
die durch das Stromsystem vorgesehen wird;
Berechnen einer
Leistungssumme von Ausgangsphasen der AC-Ausgangsspannung, die durch das Stromsystem
vorgesehen wird;
Filtern des gleichgerichteten Summenmittels
und der Leistungssumme unter Verwendung eines ersten Filters mit
einer relativ kurzen Zeitkonstante;
Filtern des gleichgerichteten
Summenmittels und der Leistungssumme unter Verwendung eines zweiten Filters
mit einer relativ langen Zeitkonstante;
Bestimmen eines Leistungstransient
als eine Differenz zwischen einer gefilterten Leistungssumme, die jeweils
durch die ersten und zweiten Filter ausgegeben wird;
Bestimmen
eines Spannungstransient als eine Differenz zwischen einem gefilterten
gleichgerichteten Summenmittel, dass jeweils durch die ersten und zweiten
Filter ausgegeben wird; und
Erzeugen des Auslösesignals,
wenn das Leistungstransient und das Spannungstransient sich beide
hinsichtlich ihres Werts um vorbestimmte Größen erhöhen oder verringern.
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Wie
bei dem ersten Verfahren weist der Auslösesignalerzeugungsschritt vorzugsweise
die Schritte des Multiplizierens des Leistungstransienten mit dem
Spannungstransienten und das Erzeugen des Auslösesignals dann auf, wenn das
Multiplikationsprodukt des Leistungstransient und des Spannungstransient
positiv ist.
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Bei
jedem Ausführungsbeispiel
führt das Stromsystem
eine Selbstüberwachung
durch und sieht eine "selektive
Auslösung" vor, wenn es feststellt,
dass seine eigene Performance einen Fehler anzeigt. Da die Performance
des Stromsystems mit seiner eigenen Performance in der Vergangenheit verglichen
wird anstatt mit der anderer Stromsysteme ist eine selektive Auslösung möglich ohne
eine Signalisierung zwischen Einheiten, wie es beim Stand der Technik
erforderlich ist. Die hier beschriebene Technik ist auf Mehrphasen,
Einphasen und Splittphasen-AC-Stromsysteme anwendbar.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
obigen und weiteren Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden noch aus der folgenden detaillierten Beschreibung der derzeitig
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen noch verdeutlicht und
lassen sich hierdurch leichter erschließen, in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
bekannte parallele redundante Konfiguration von nicht unterbrechbaren
Stromversorgungen, bei denen synchrone und/oder Differenz vom Durchschnitt
Lastteilsignale zwischen den Stromversorgungen über geteilte Busse kommuniziert
werden;
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2 eine
parallele redundante Konfiguration von nicht unterbrechbaren Stromversorgungen gemäß der Erfindung,
bei der keine Kommunikation zwischen den Einheiten für eine selektive
Auslösung erforderlich
ist;
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3 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
nicht unterbrechbaren Stromsystems 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ein
Flussdiagramm des Betriebs eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
des Mikrocontrollers 26 des nicht unterbrechbaren Stromsystems 10 gemäß 3;
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5A bis 5D eine
Darstellung eines selektiven Auslösebeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei 5D darstellt, wie eine "gute" und ausgefallene
UPS unterschieden werden können
unter Verwendung der Techniken der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
Flussdiagramm des Betriebs eines alternativen Ausführungsbeispiels
des Mikrocontrollers 26 des nicht unterbrechbaren Stromsystems 10 gemäß 3.
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Detaillierte
Beschreibung der derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme
auf die 2 bis 6 beschrieben.
Der Fachmann wird erkennen, dass die hier gegebene Beschreibung
nur für
Beispielzwecke dient und nicht den Umfang der Erfindung einschränken soll.
Während
die Erfindung in Verbindung mit nicht unterbrechbaren Leistungs-
bzw. Stromsystemen (UPS) beschrieben wird, können die Techniken der vorliegenden
Erfindung zum Beispiel auch auf andere Arten von Stromsystemen angewendet
werden. Obwohl die Erfindung ferner in Verbindung mit einem Dreiphasen-AC-Stromsystem
beschrieben ist, können
die Techniken der vorliegenden Erfindung auch für ein Gleichstrom (DC) oder
ein Einphasen- oder Splitphasen-AC-Stromsystem verwendet werden.
Demgemäß ist der
Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch den Umfang der anhängenden
Ansprüche
zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung ist entworfen zur Verwendung mit einem nicht
unterbrechbaren Stromsystem (UPS), das durch einen Mikroprozessor
oder Mikrocontroller gesteuert wird. Demgemäß besitzt die Steuerhardware
die Fähigkeit,
analoge Eingangssignale zu digitalisieren zur Durchführung mathematischer
Manipulationen und Vergleiche unter Verwendung der digitalen Daten,
und zum Vorsehen von Steuerausgangssignalen basierend auf diesen
Manipulationen und Vergleichen. Ein Fachmann für das Schreiben von eingebetteten
Codes für
einen Mikrocomputer oder Mikrocontroller, der mit digitalen Signalverarbeitungs-(DSP
= digital signal processing)-Techniken familiär ist, sollte keine Schwierigkeiten
haben beim Implementieren der nachfolgend beschriebenen Erfindung.
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Obwohl
der Fachmann erkennen wird, dass die vorliegende Erfindung auf die
Verwendung mit Wechselstrom-(AC)-Vorrichtungen zielt, wird die Erfindung
in Verbindung mit Gleichstrom-(DC)-Vorrichtungen beschrieben, da
die Beschreibung hinsichtlich einer DC-Vorrichtung leichter zu verstehen
ist. Sobald die Beschreibung hinsichtlich einer DC-Vorrichtung verstanden
wird, ergibt sich der AC-Betrieb, wenn die AC-Implementierung einfach
als eine sich rasch verändernde
DC-Implementierung angesehen wird. In der tatsächlichen Praxis erfolgt die
durchgeführte
Aktion in einem kurzen (Subzyklus) Zeitrahmen, in dem die DC-Beschreibung
recht gut passt.
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Eine
normale Stromquelle muss gelegentlich übermäßigen Strom als einen normalen
Teil ihrer Funktion liefern. Ein solcher übermäßiger Strom kann bewirkt werden
durch eine plötzlich
auftretende Anforderung oder eine Startanforderung einer stromabwärts liegenden
Last oder er kann auftreten in Folge eines Kurzschlusses, der bald
durch eine Sicherung oder einen Schaltungsunterbrecher aufgelöst wird.
Ein solcher transienter Anstieg des Stroms ist im Allgemeinen gekoppelt
mit einer transienten Verringerung der Spannung in Folge der Versorgungsimpedanz.
Demgemäß fällt während des
normalen Betriebs ein transienter Anstieg des Stroms mit einer transientem
Verringerung der Spannung zusammen. Wie in größerer Einzelheit nachfolgend
beschrieben wird, kann die Tatsache, dass das Multiplikationsprodukt
eines Transientanstiegs des Stroms und der Transientverringerung
der Spannung für
eine normale Stromquelle negativ ist, verwendet werden zum selektiven
Auslösen
fehlerhafter Stromquellen.
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In
dem Fall von zwei Stromquellen, die parallel zur selben Last geschaltet
sind, kann andererseits, wenn eine Stromquelle ausfällt, bewirkt
werden, dass die andere Stromquelle übermäßigen Strom liefert, und zwar
in der gerade beschriebenen Art und Weise. Jedoch kann die ausgefallene
Stromquelle in einer solchen Art und Weise ausfallen, das sie versucht
die Spannung zu erhöhen
statt einen übermäßigen Strom
von der guten Einheit anzufordern. Wenn die gute Einheit diesen
Transientanstieg der Spannung sieht, wird ihr Strom reduziert oder
sogar umgekehrt. Wenn somit der Transientanstieg der Spannung mit
der Transientverringerung des Stroms multipliziert wird, wäre das Ergebnis
wiederum negativ. Wie zuvor erzeugt die Multiplikation der Spannungs-
und Stromtransienten ein negatives Ergebnis für eine gute Stromversorgung
während
des normalen Betriebs.
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Wenn
nun angenommen wird, dass eine schlechte Stromversorgung parallel
mit einer guten Stromversorgung geschaltet ist, dann wird ein unterschiedliches
Ergebnis für
die schlechte Stromversorgung erhalten. Wenn die schlechte Stromversorgung in
einer solchen Art und Weise ausfällt,
das sie eine übermäßige Last
darstellt, dann wird sich ihr Strom verringern oder zurückgeführt werden,
während
sie die Spannung herunterzieht. Wenn diese transiente Verringerung
des Stroms mit der Transientverringerung der Spannung multipliziert
wird, wäre
das Ergebnis positiv. Wenn nun andererseits der Fehler ein solcher
ist, dass die schlechte Stromversorgung versucht eine übermäßige Spannung
zu liefern, dann würde
sie auch einen größeren Teil
der Last annehmen und ihr Strom würde sich erhöhen. Wenn
in diesem Fall der Transientanstieg der Spannung mit dem Tansientanstieg
des Stroms multipliziert wird, wäre das
Ergebnis wiederum positiv.
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Diese
Transientmultiplikation, die gerade beschrieben wurde, erzeugt deutlich
ein differenzierendes "Auslöse"-Signal, das verwendet
werden kann, um eine ausgefallene UPS offline zu schalten. Darüber hinaus
wird dieses "Auslöse"-Signal niemals eine gute UPS dazu bringen,
offline zu schalten ansprechend auf eine harsche normale oder abnormale
Stimulation.
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2 illustriert
eine parallele redundante Konfiguration von nicht unterbrechbaren
Stromversorgungen gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie in 2 dargestellt ist, sind keine
Kommunikationen zwischen den Einheiten notwendig für eine selektive Auslösung. Stattdessen überwacht
jede UPS 10 ihren eigenen Leistungsausgang und sieht ein
selektives Auslösesignal
an einen Solid State oder mechanischen Schalter oder ein Relay 5 vor,
wenn das Multiplikationsprodukt des Transientstroms und der Transientspannung
positiv ist. Die Technik zum Erzeugen dieses selektiven Auslösesignals
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 noch
näher erläutert.
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3 illustriert
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines nicht unterbrechbaren Leistungssystems 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei keine Signalgebung zwischen den Einheiten notwendig
ist zum Vorsehen einer selektiven Auslösefunktion. Wie dargestellt
ist, wird eine Dreiphasen AC-Eingangsspannung an einen AC/DC-Wandler 20 vorgesehen,
wo sie in eine DC-Eingangsspannung umgewandelt wird. Alternativ
kann in dem Fall eines AC-Stromausfalls die DC-Eingangsspannung
direkt durch die Batterie 3 vorgesehen werden. Die DC-Eingangsspannung
wird dann in eine Dreiphasen-AC-Ausgangsspannung umgewandelt durch
IGBT-Inverter 22. Die Dreiphasen-AC-Ausgangsspannung wird
dann an die Last 2 geliefert über eine Ausgangsstromverbindung,
die einen geschlossenen Schalter oder einen Relay 5 umfasst.
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Die
selektive Auslösetechnik
der vorliegenden Erfindung wird implementiert durch Vorsehen eines
Stromtransformators 24, der mit dem Ausgangsanschluss des
IGBT-Inverters 22 verbunden ist, um den AC-Ausgangsstrom zu
detektieren, der von dem IGBT-Inverter 22 zu der Last 2 strömt. Der
detektierte AC-Strom und die AC-Spannungssignale werden dann an
jeweilige A/D-Wandlerkanäle
eines 16-Bit-Mikrocontrollers 26 vorgesehen. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
digitalisiert der Mikrocontroller 26 die AC-Ausgangsströme (Ia, Ib, Ic)
und Spannungen (Va, Vb,
Vc) mit einer 3 kHz-Rate. Für eine 60
Hz UPS 10 ergibt dies 50 Abtastungen bzw. Proben pro Zyklus.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung führt
der Mikrocontroller 26 eine fortlaufende bildliche Aufzeichnung
von jedem letzten Zyklus des AC-Ausgangsstromsignals. In dem Fall
einer 3 kHz Abtastrate, werden zum Beispiel wenigstens die letzten
50 Proben aufgezeichnet und vorzugsweise mehr in einem Wellenformspeicher 28 des
Mikrocontrollers 26 gespeichert. Dieses gespeicherte Abbild kann
eine durchschnittliche Aufzeichnung der letzten Wellenformen sein
unter Verwendung üblicher DSP-Techniken an jedem
Punkt des Zyklus oder sie kann nur den letzten Zyklus des AC-Ausgangsstromsignals
darstellen. Somit wird jedes Mal, wenn das AC-Strom oder Spannungssignal
digitalisiert wird, es in dem Wellenformspeicher 28 gespeichert.
Dann wird jedes empfangene digitalisierte AC-Strom oder -Spannungssignal
von dem digitalisierten AC-Strom oder
-Spannungssignal, das vor genau einem Zyklus genommen wurde, subtrahiert,
um einen Wellenformtransientwert zu erhalten. Wie zuvor bemerkt,
kann, wenn ein Spannungstransient und ein Stromtransient derselben
Phase miteinander multipliziert werden, ein selektives "Auslöse"-Signal erhalten werden. Bei der bevorzugten
Implementierung wird das Multiplikationsproduktsignal etwas weiter
verarbeitet durch Addieren der Dreiphasen miteinander, Dividieren
der Summe durch das UPS-Powerrating (zum Normalisieren des Ergebnisses
auf 1) und durch Filtern des normalisierten Ergebnisses mit einem
einfachen IIR-Filter, der in der Software des Mikrocontrollers implementiert
ist und nachfolgend beschrieben wird. Somit würde ein IGBT-Inverter 22 der
bei voller Spannung und mit halber Last läuft, eine Spannung von 1,0
und einen Strom von 0,5 besitzen. Diese normalisierten Signale werden
verarbeitet zum Vorsehen der selektiven Auslösefunktion basierend auf der Ausgangsspannung,
dem -strom und der -frequenz.
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Das
selektive Auslösesignal
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung idealerweise nur dann erzeugt, wenn eine Ausgangsspannungsstörung selbst bewirkt
ist. Ob die Störung
selbst bewirkt ist, wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
durch den Mikrocontroller 26 festgestellt, indem er dem
Flussdiagramm gemäß 4 folgt.
Vorzugsweise wird das Flussdiagramm gemäß 4 in der
Firmware des Mikrocontrollers 26 implementiert, obwohl
der Fachmann erkennen kann, dass das Flussdiagramm gemäß 4 in
Software oder spezieller Hardware implementiert werden kann. Wie
in 4 gezeigt ist, startet der Mikrocontroller 26 die
selektive Auslöseroutine
im Schritt 30 beim Empfang von Strom- und Spannungsproben
von A/D-Kanälen.
Die zuletzt empfangenen Strom- und Spannungsproben werden im Wellenformspeicher 28 im
Schritt 32 gespeichert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden laufende Aufzeichnungen der letzten 128 Proben jeder der
Strom- und Spannungsablesungen vorgehalten, was bei einer 3 kHz Abtastrate
mehr als zwei vollständige
Zyklen einer 60 Hz Sinuswelle repräsentiert. Im Allgemeinen arbeitet
der Wellenformspeicher 28 als ein FIFO-Speicher. Basierend
auf der Abtastrate wird die Periode der Strom und Spannungswellenformen
als eine Anzahl von Proben berechnet. Wie zuvor bemerkt, würde eine
60 Hz Welle, die mit einer 3 kHz Rate abgetastet wird, eine Periode
von 50 Proben bzw. Abtastungen besitzen. Dann wird im Schritt 34 eine "Delta-Spannung" (ΔV) und ein "Deltastrom" (ΔI) erzeugt
aus den empfangenen Spannungs- und Stromproben durch Subtrahieren
der entsprechenden Probe von einer Probe, die genau eine Periode
vorher genommen wurde. Zum Beispiel ist ΔVa =
Van – Van-50; ΔIa = Ian – Ian-50; usw., wobei Van die empfange
Spannungsprobe bzw. -abtastung ist, Van-50 die
Spannungsprobe ist, die genau eine Periode früher genommen wurde, Ian die empfangene Stromprobe und Ian-50 die Stromprobe ist, die genau eine Periode
früher
genommen wurde. Die Werte für die
anderen Signalphasen werden in ähnlicher
Weise berechnet. Im Schritt 36 wird ein "Delta-Leistungsmittel" Wert (ΔPav) berechnet durch Multiplizieren und Addieren
der im Schritt 34 berechneten Werte. Das heisst: ΔPav = ΔVa·ΔIa + ΔVb·ΔIb + ΔVc·ΔIc
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Dann
wird im Schritt 38 ΔPav vorzugsweise akkumuliert, normalisiert
und gefiltert mit einem einfachen IIR-Filter zum Erzeugen eines
variablen "TRIP" (einem variablen
Auslösesignal).
Zum Beispiel kann TRIP definiert werden als: TRIPn = (3·TRIPn-1 + ΔPav)/4wobei TRIPn-1 der
TRIP-Wert der vorhergehenden Probe ist. Wenn im Schritt 40 festgestellt
wird, dass der "TRIP"-Wert eine vorbestimmte
normalisierte Größe erreicht,
wie beispielsweise +0,1, dann geht die Steuerung zum Schritt 42 über, um
ein Auslösesignal
zu erzeugen. Ansonsten kehrt das System zum Schritt 32 zurück, um den
nächsten
Satz an Proben zu verarbeiten. Wenn der Wert TRIP größer als
+0,1 ist, dann wird im Schritt 42 sofort ein "Einheit auslösen"-Signal ausgegeben,
sodass die UPS 10 offline genommen werden kann, bevor eine
weitere Verschlechterung des kritischen Ausgangsbusses auftritt.
Das System tritt dann im Schritt 44 aus. Der Fachmann wird
erkennen, dass wenn im Schritt 40 festgestellt wird, dass
der "TRIP"-Wert kleiner als –0,1 ist,
dann bekannt ist, dass die Störung
durch eine andere UPS bewirkt wird, die parallel zu der derzeitigen
UPS geschaltet ist. Die derzeitige UPS wird somit online gehalten
und die "gute" Anzeige wird verwendet
zum temporären
Desensibilisieren der "Auslöse"-Funkton der "guten" UPS. Die Steuerung kehrt
zum Schritt 32 zurück,
um den nächsten
Satz von Strom- und Spannungsproben zu erwarten. Natürlich kann
der Schwellenwert je nach Wunsch höher oder niedriger eingestellt
werden.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass ein robustes selektives Auslösregime
einen Alarm abgeben muss, ansprechend auf seine eigene Unfähigkeit seine
bezweckte Funktion durchzuführen.
Da die hier beschriebenen Verfahren nicht tatsähclich die Leistungs- bzw.
Stromerzeugung steuern, würde
ihr Ausfall keinen Ausfall der kritischen Mission bewirken. Wenn
jedoch ein nachträglicher
Fehler den kritischen Ausgangsbus stören würde, dann würde ein echter Verlust der
Mission bzw. des Auftrags auftreten. Glücklicherweise wird eine Detektierung
des Funktionsverlustes leicht durch die vorliegende Erfindung erreicht,
wie nachfolgend beschrieben wird.
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Eine
UPS überwacht
Leistung bzw. Strom typischerweise an mehr als an einem Knotenpunkt. Zum
Beispiel kann die UPS 10 sowohl die Leistung kennen, die
in den IGBT-Inverter 22 hineingeht und die aus ihm herausgeht.
Die Beziehung dieser zwei Ablesungen ist aufgrund des Aufbaus bekannt.
Wenn die Ausgangsleistungsabtastung (Spannung und Strom) verwendet
werden zum Implementieren dieses "Auslöse"-Regimes, dann würde ein
Signalverlust das Regime inoperabel machen. Durch einen einfachen
Vergleich der Leistung, die an diesem Knotenpunkt bestimmt wird
mit anderen Werten, wie beispielsweise der DC-Verbindungsleistung,
die in den IGBT-Inverter 22 hineingeht,
dann könnte
eine Differenz, die größer ist
als der erwartete Effizienzverlust, verwendet werden, um einen Alarm
zu signalisieren.
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Erhebliche
Daten zum Illustrieren des Betriebs der vorliegenden Erfindung wurden
gesammelt unter Verwendung von Fehlereinführtechniken. Die 5A bis 5D illustrieren
vier jeweilige Plots eines solchen Beispiels, wobei ein simulierter
Fehler in den Eingang einer UPS eingeführt wurde. Zur Vereinfachung
zeigen die Plots nur eine einzelne Phase statt alle drei. Die Grunddaten
für diese
Plots kommen von der digitalisierten Aufzeichnung von jeder der
zwei UPS, die mit ihren Ausgängen
parallel geschaltet waren. Jede UPS führt eine laufende Aufzeichnung
ihrer Ausgangsspannungs- und Stromwellenformen, wie oben beschrieben.
Unterschiedliche "Fehler" wurden dann in eine
der UPS eingeführt
und die Aufzeichnung der digitalisierten Wellenformen wurde gesichert.
Die 5A und 5B illustrieren die
gesicherten Spannungs- und Stromaufzeichnungen der fehlerhaften
bzw. nicht fehlerhaften ("guten") UPS. Wie erwartet
ist ihre Aufzeichnung der Spannung dieselbe, da sie beide dieselbe
Busspannung digitalisieren. Da sie ferner den Strom in einem parallelen
redundanten System teilen, sind ihre Stromaufzeichnungen auch dieselben
bis zum Punkt des Fehlers. Der Datenpunkt der mit "V" in 5A bezeichnet
ist, repräsentiert
einen beliebigen Punkt der digitalisierten Spannungswellenform.
Der Punkt "V*" repräsentiert
einen entsprechenden Punkt genau einen Zyklus früher. Ein "ΔV"-Signal wird erzeugt
durch Subtrahieren von "V*" von "V" wie oben beschrieben. Dies wird für jeden
Datenpunkt durchgeführt.
Ein "ΔI"-Signal wird in einer ähnlichen
Art und Weise erzeugt.
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5C zeigt
die Werte von "ΔV" und "ΔI", die wie oben beschrieben für die fehlerhafte
UPS erzeugt wurden. Es gibt natürlich
keine Notwendigkeit, eine Aufzeichnung dieser Signale zu sichern. ΔV (durchgezogene
Linie) und ΔI
(gestrichelte Linie) werden miteinander multipliziert und mit einem
einfachen IIR-Filter akkumuliert, um dem Ergebnis eine Zeitkonstante
von ungefähr
1,3 Millisekunden zu geben. Die Notwendigkeit für und die Zeitkonstante des Filters
sind etwas beliebig gewählt
und sind hier nur beispielhaft gezeigt.
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5D zeigt
die "TRIP"-Signale, die durch die
fehlerhafte (durchgezogene Linie) und die gute (gestrichelte Linie)
UPS erzeugt wurden.
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Diese "TRIP"-Signale wurden wie
oben beschrieben erzeugt. Die unterscheidbare Differenz zwischen
dem Signal von der fehlerhaften UPS und der guten UPS verdeutlicht,
dass die hier beschriebene Technik eine starke bzw. sichere selektive
Auslösefunktion
vorsieht.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die digitalisierten Spannungs- und Stromsignale, die an den Mikrocontroller 26 geliefert
werden, in einer Art verarbeitet werden, die mehr einer analogen
Signalverarbeitung entspricht. Der Fachmann wird erkennen, dass
die nachfolgende Beschreibung etwas unterschiedlich arbeitet, aber
noch immer ein Signal erzeugt, dass verwendet werden kann zum Auslösen oder
um eine gute Einheit davon abzuhalten, die Situation fehleinzuschätzen und
fehlerhaft auszulösen.
Eine solche Ausführungsform
kann in analoger Hardware unter Verwendung von Widerständen, Kondensatoren, Operationsverstärkern, bzw.
Verstärkern
und analogen Multiplizierern implementiert werden. Das Verfahren
kann auch DSP-Techniken verwenden, die einfache One-Tap-IIR-Filter verwenden,
um zeitkonstante Filter zu simulieren.
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6 illustriert
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, die auch durch den Mikrocontroller 26 in
Firmware, Software und/oder Hardware implementiert sein kann. Wie
dargestellt ist, tritt der Mikrocontroller 26 in die alternative
selektive Auslöseroutine
im Schritt 50 ein und erzeugt dann ein gleichgerichtetes
Summenmittel der kritischen Ausgangsspannung (ΣVav)
und eine Leistungssumme der Ausgangsphase(n) (ΣP) im Schritt 52. Sowohl
die "Mittel"-Spannung als auch
die Leistung werden separat gefiltert mit einem Kurzzeitfilter (zum
Beispiel 1,5 Millisekunden) im Schritt 54 und einem Langzeitfilter (beispielsweise
80 Millisekunden) im Schritt 56, um gefilterte Werte ΣVavs und ΣPs aus dem Kurzzeitfilter 54 und
gefilterte Werte ΣVavl und ΣPl aus dem Langzeitfilter 56 zu erhalten.
Der Ausgang des Langzeitfilters repräsentiert eine "historische" Aufzeichnung der Leistungs-
und Spannungswerte. Transientsignale dieser zwei Werte (ΔV und ΔP) können erzeugt
werden durch Subtrahieren des Langzeitfilterausgangs von dem Kurzzeitfilterausgang
im Schritt 58, um dadurch einen Differenzierer zu bilden.
Wie zuvor werden diese zwei Transienten dann im Schritt 60 mulipliziert
und eine Filterung kann dem Ergebnis hinzuaddiert werden, um eine "TRIP"-Variable im Schritt 62 zu ergeben.
Die Auslösebestimmung
bzw. -feststellung in den Schritten 64 und 66 wird
dann in derselben Art und Weise durchgeführt wie in den Schritten 40 und 42 des
Ausführungsbeispiels
gemäß 4 bevor
die Routine im Schritt 68 aussteigt. Wenn wie zuvor beschrieben
die zwei Transienten in entgegen gesetzten Richtungen verlaufen
(eine positiv und die anderen negativ) dann ist das Produkt negativ
und eine Anzeige für
eine gute Einheit. Wenn in gleicher Weise beide in dieselbe Richtung
verlaufen, dann ist das Produkt positiv und eine Anzeige einer ausgefallenen
Einheit.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass die alternative Ausführungsform
leichter zu implementieren ist, wenn DSP-Techniken verwendet werden,
da keine Aufzeichnung der Wellenform erfolgen muss.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
somit die Einschränkungen
des Standes der Technik durch Vorsehen einer selektiven Auslösefunktion
ohne das Erfordernis von Signalübertragungen
oder -kommunikationen zwischen redundanten AC-Stromsystemen, die
parallel geschaltet sind, für
selektive Auslösezwecke
oder das Erfordernis extern erzeugte Information. Stattdessen erzeugt
die Erfindung ein selektives "Auslöse"-Signal ausschließlich aus
der digitalisierten Information, die das AC-Leistungssystem schon
besitzt (nämlich
AC-Ausgangsspannung und -Strom). Dies eliminiert potenzielle Verlässlichkeitsprobleme
und eine Hauptquelle von Installationsfehlern.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch Redundanz in dem selektiven Auslöseregime
vor, da wann immer mehr als eine Phase des Mehrphasensystems überwacht
wird, redundante selektive Auslösesignale unabhängig voneinander
erzeugt werden können. Die
vorliegende Erfindung kann auch in Schaltungen implementiert werden,
die schon in einer UPS vorhanden sind. Da die Schaltung für andere
Zwecke verwendet wird, gibt es eine inhärente Überprüfung hinsichtlich ihrer Funktionalität. Darüber hinaus
verwendet die vorliegende Erfindung Signale, die für normale
UPS-Funktionen nicht erforderlich sind, um dadurch Ausgleichsmittel
vorzusehen. Ferner "maskieren" die selektiven Auslösemerkmale
keine "Funktionsverlust"-Signale. Vielmehr bewirkt ein Verlust der
selektiven Auslösemerkmale
keinen Funktionsverlust. Kurz gefasst sieht die vorliegende Erfindung ein "selektives" Auslöseverfahren
vor, das auf sich selbst zurückschaut,
um auf eine Durchschnittsänderung
zuzugreifen, und führt
eine laufende Aufzeichnung seiner eigenen Performance statt sich
selbst mit anderen Einheiten zu vergleichen, um dadurch eine selektive
Auslösung
ohne Notwendigkeit für eine
Signalisierung-Zwischeneinheiten zu erfordern.
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Drahtlose
selektive Auslösung
gekoppelt mit den drahtlosen Lastteiltechniken, die in der Anmeldung
mit dem Titel "Independent
Load Sharing of AC Power Systems Connected in Parallel" eingereicht durch
den Anmelder der vorliegenden Anmeldung am selben Tag mit der vorliegenden
Anmeldung, ermöglicht
eine neue Klasse von Anwendungen, wo es eine Notwendigkeit gibt,
den Ausgang von AC-Stromquellen parallel zu schalten. Solche Anwendungen
können
folgendes umfassen: automatische Rekonfiguration eines Stromquellenarrays, Selbstanhängung von
Stromquellen in einer Solarfarm, oder automatisches "Hot Tie" für kostengünstige UPS
mit niedriger Leistung.
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Obwohl
beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung im Detail zuvor beschrieben wurden, wird der Fachmann
leicht erkennen, dass viele zusätzliche
Modifikationen in dem beispielhaften Ausführungsformen möglich sind
ohne grundsätzlich
von der neuen Lehre und den Vorteilen der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung Mittel umfassen zum
Detektieren eines Ausfalls der selektiven Auslösemerkmale bzw. -eigenschaften.
Dies kann durchgeführt
werden durch Verwendung derselben Signalakquisitionstechnik zum
Berechnen der wahren Leistung und vergleichen der wahren Leistung
mit der Leistung, die durch andere Mittel gemessen wird. Zusätzlich kann
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit herkömmlichen Techniken
verwendet werden, welche die mathematische Erzeugung eines "Hochgeschwindigkeits-", "Subzyklus-"-Signals erfordern,
dass verwendet werden kann zum Unterscheiden guter von schlechten Einheiten
in einem parallelen redundanten UPS-System.
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Demgemäß sollen
all solche Modifikationen in dem Umfang der Erfindung umfasst sein,
der durch die folgenden Ansprüche
definiert wird.