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Schaltungsanordnung zur Speisung von Gleichstromverbrauchern, insbesondere dazu geeignet, bei allen Betriebsverhältnissen konstante
Spannung sicherzustellen
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indem eine vollständige Entladung und darauffolgende schnelle und vollständige Aufladung während des Netzausfalles bzw. nach der Netzwiederherstellung möglich gemacht wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit im wesentlichen die Schaffung einer Schaltungsanordnung zur Speisung von Gleichstromverbrauchern, insbesondere dazu geeignet, bei allen Betriebsverhältnissen i konstante Spannung sicherzustellen, welche mindestens einen vom Netz gespeisten Hauptgleichrichter enthält, der zwischen einem ersten und einem zweiten Pol eingeschaltet ist. An diesen ersten und zweiten Pol ist wenigstens auch eine Akkumulatoren-Batterie angeschlossen. Die vom Hauptgleichrichter abgegebene Spannung wird selbsttätig auf einen Wert geregelt, der zwischen den Spannungswerten bei Aufladungsschluss bzw. Entladungsschluss der Batterie liegt.
Der Hauptgleichrichter speist mindestens einen Gleichstrom-Umformer mit veränderbarer Ausgangs- spannung, der wiederum mindestens einen Spannungserhöher-Gleichrichter speist, welcher zwischen dem genannten zweiten Pol und einem dritten Pol eingeschaltet ist. Die vom Gleichstrom-Umformer abge- gebene Spannung wird automatisch auf einen solchen Wert geregelt, dass die Summe der zwischen dem genannten ersten und zweiten Pol und zwischen diesem und dem dritten Pol bestehenden Spannungen auf dem Benutzungswert konstant bleibt. Die vom Gleichstrom-Umformer abgegebene Spannung wird selbst- tätig auf einen Wert geregelt, der die Summe der zwischen dem ersten und dem zweiten Pol und zwischen diesem und dem dritten Pol bestehenden Spannungen auf dem Benutzungswert konstant macht.
Die Anzahl der Batterie-Elemente ist so bemessen, dass die Spannung bei Aufladungsschluss möglichst gleich und nicht grösser als die Benutzungsspannung ist.
Der Spannungserhöher-Gleichrichter ist so bemessen, dass er bei der kleinsten Spannung bei Entladungsschluss der Batterie noch eine solche Spannung abgibt, dass die Benutzungsspannung unverändert bleibt.
Die Zeichnungen zeigen, als nicht einschränkendes Beispiel, eine praktische Ausführung der Erfindung : Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Speiseeinrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 2 zeigt den zeitabhängigen Verlauf der Spannungen beim Ändern der Speisungsverhältnisse und in dem Fall, dass die Akkumulatoren-Batterien aus Pb sind. Fig. 3 zeigt den zeitabhängigen Verlauf der Spannungen während einer Formierungsladung einer der Batterien.
Die im Blockschaltbild dargestellte Einrichtung enthält die Hauptgleichrichter 10 und 11, die zueinander parallelgeschaltet sind und vom Netz 12 gespeist werden.
Die Gleichrichter 10 und 11 sind zwischen einem ersten Pol A und einem zweiten Pol B geschaltet, an denen über die beiden Schalter 13 und 14 auch die Akkumulatoren-Batterien 22 und 23 angeschlossen sind.
In Reihe mit den beiden Hauptgleichrichtern 10 und 11 ist ein Hilfsgleichrichter 15 angeordnet, der vom Netz gespeist wird und zwischen dem zweiten Pol B und dem vierten Pol D eingeschaltet ist.
An den Hauptgleichrichtern 10 und 11 sind zwei besondere Gleichstrom-Umformer 17 und 18 mitver- änderbarer Spannung angeschaltet, welche wiederum an den zwischen genanntem zweiten Pol Bund dew dritten Pol C eingeschalteten Spannungserhöher-Gleichrichter 19 und 20 angeschlossen sind.
Zwischen dem zweiten Pol B und dem dritten Pol C ist die Ventil-Diode 21 eingeschaltet.
Der Verbraucher, der im Schaltbild nicht dargestellt ist, ist zwischen den Polen A und C geschaltet und wird daher durch dieHauptgleichrichter 10 und 11 oder durch die inReihe mit denSpannungserhöherGleichrichtern 19 und 20 geschalteten Batterien 22 und 23 gespeist.
Die Hauptgleichrichter 10,11 werden aus dem Netz 12 gespeist und geben die vom Verbraucher benötigte Leistung, diejenige zur Aufladung und zur Aufrechterhaltung der Ladung der Batterien sowie die Leistung zum Verlustausgleich in den übrigen Teilen der Anlage ab. Die Gleichstromumformer 17,18 erhalten ihre Energie aus dem Netz 12, über die Hauptgleichrichter 10,11 bzw. aus den Batterien 22,23, falls das Netz ausfällt und sie speisen wiederum die Spannungserhöher-Gleichrichter 19, 20. mit einer stufenlos zwischen einem nullnaheliegenden Wert und einem maximalen Wert veränderbarer Spannung, welche selbsttätig so geregelt wird, dass die Ausgangsspannung Vu, d. h. die Summe der Spannungen Vb und Vs zwischen dem ersten Pol A und dem zweiten Pol B bzw. zwischen dem zweiten Pol B und dem dritten Pol C, konstant gemacht wird.
Die Ventil-Diode 21, durch welche der abgegebene Strom zum Ver-
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Batteriespannung wird, falls Sicherungen oder andere zu den Spannungserhöher-Gleichrichtern 19,20 gehörende Unterbrechungsorgane ansprechen.
Eine Relaiskombination, die im Schaltbild nicht dargestellt ist, hat die Aufgabe, die nicht im Betrieb befindlichen Spannungserhöher-Gleichrichter und Gleichstrom-Umformer einzuschalten, falls diejenigen, die im Betrieb sind, ausfallen.
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Bei den Batterien 22,23 ist die Anzahl der Elemente so bemessen, dass die Spannung bei Aufladung- schluss gleich oder ein wenig kleiner als die Verbraucher-Nennspannung ist. Die Spannungserhöher-
Gleichrichter 19,20 sind so bemessen, dass deren maximale Spannung, addiert zu der Batterienspannung bei Entladungsschluss, immer noch gleich der Verbraucher-Nennspannung ist.
Bei diesem Einrichtungsbeispiel sind Pb-Batterien vorgesehen. Die Spannung bei Aufladungsschluss kann 2,4 V/EI betragen und die Spannung bei Entladungsschluss 1, 76 V/EI, wobei die Elementanzahl n = Vu/2, 4 ist und die maximale Spannungserhöher-Spannung Vsmax = 0, 262 Vu ist.
Die von den Hauptgleichrichtern 10,11 abgegebene Spannung wird selbsttätig auf einen Wert ge- regelt, der zur Durchführung eines bestimmten Programms von Aufladung und Aufrechterhaltung der Batteriekapazität ausreicht, wobei sie stets innerhalb des Bereiches zwischen dem Wert bei Aufladungs- schluss und dem Wert bei Entladungsschluss der Batterie liegt.
In Fig. 2 ist beispielsweise ein Aufladungsprogramm gezeigt, das für Pb-Batterien geeignet ist. Mit
Batterien und bei vorhandener Netzenergie haben die Spannungen in der Anlage beim Zeitpunkt a die in
Fig. 2 angegebenen Werte.
Von diesem Zeitpunkt an bis zu einem Netzausfall geben die Hauptgleichrichter 10,11 eine Spannung
Vb ab, die 2, 23 V/EI beträgt und die ausreicht, die Ladung der Batterien aufrecht zuhalten. Die
Spannungserhöher-Gleichrichter 19,20 geben eine Spannung ab, die 0, 17 V/EI beträgt. Die Summe Vb + Vs ist 2, 4 V/EI.
Bei Netzausfall, d. h. bei Zeitpunkt b, hört die Spannungsabgabe aus den Hauptgleichrichtern 10,11 auf und die Batteriespannung Vb fängt an zu sinken längs einer normalen Entladungskurve. Gleichzeitig steigt die von dem Gleichstrom-Umformer 17,18 abgegebene Spannung an und deshalb auch diejenige aus den Spannungserhöher-Gleichrichtern 19 und 20, so dass die Spannung Vu konstant gehalten wird.
Bei Netzwiederherstellung, d. h. in c, fangen die Hauptgleichrichter 10,11 an, die Batterien mit konstantem Strom aufzuladen über die Zeitdauer vom Zeitpunkt c, an dem das Netz wiederhergestellt wird, bis zum Zeitpunkt d, an dem der Spannungswert von 2,4 V/EI erreicht wird. Sie setzen dann die
Batterieaufladung fort mit einer konstanten Spannung zwischen den Zeitpunkten d und e bis zur Wieder- herstellung der vollen Batteriekapazität. Gleich darauf sinkt die von den Hauptgleichrichtern 10,11 ab- gegebene Spannung von 2,4 V/EI auf 2, 23 V/El und die Verhältnisse entsprechen wieder dem Zeitpunkt a. Die Formierungsladung einer der Batterien kann dadurch ausgeführt werden, dass die zu ladende Batterie mittels Schalters 13 oder 14 vom Pol B abgeschaltet und an Pol D angeschlossen wird und dass der Hilfs- gleichrichter 15 eingeschaltet wird.
In Fig. 3 ist ein möglicher, zeitabhängiger Verlauf der Spannungen vom Zeitpunkt g, an dem die Formierungsladung anfängt, zum Zeitpunkt h, an dem der Hilfsgleichrichter
15 abgeschaltet wird, bis zum Zeitpunkt i, an dem die geladene Batterie wieder an Pol B angeschaltet werden kann, dargestellt.
Die Mittel zum Aufbau der Gleichstrom-Umformer 17 und 18, der Spannungserhöher-Gleichrichter
19,20 und der Hauptgleichrichter 10,11, welche gemäss obiger Beschreibung arbeiten, sind bekannt.
Die Umformer 17,18 können beispielsweise vom Rechteckwellen-Typ sein, aufgebaut mit steuer- baren Dioden oder mit Leistungstransistoren. Die Veränderung der abgegebenen Wechselspannung zwischen einem nullnaheliegenden Wert und einem maximalen Wert kann mit magnetischen Verstärkern oder auch mit Dioden,-steuerbar durch Phasenverschiebung des Durchlassbeginns, erzielt werden. Die Spannungs- erhöher-Gleichrichter können z. B. mit Selengleichrichtern aufgebaut sein. Durch zweckmässige Wert-
Bemessung der von den Umformern abgegebenen Spannung wird der Versorgungstransformator des Gleich- richters erspart.
Die Spannungsregelung auf einen konstanten Wert kann mit in der Regeltechnik bekannten Bau- elementen erzielt werden ; so beispielsweise mit magnetischen oder transistorisierten Verstärkern oder auch mit einer Kombination der beiden Verstärker-Typen und mit magnetischen Spannungsbezügen oder auch mit Zenerdioden-verstärkern.
Die Hauptgleichrichter können beispielsweise mit Selen- oder Si1íziumgleichrichterelementen aufgebaut werden und mit magnetischen Verstärkern zur Spannungsveränderung, oder noch mit steuerbaren Dioden. Der Regelkreis zur Erzielung des Aufladungsprogramms kann mit magnetischen oder transistorisierten Verstärkern aufgebaut werden oder auch mit einer Kombination der beiden Verstärker-Typen.
Ein Relais üblicher Ausführung oder ein statisches Halbleiter-Relais oder noch ein mit magnetischen Verstärkern aufgebautes Relais kann dazu dienen, den Messkreis des Regelringes vom Wert 2,23 V/EI auf 2, 4 V/EI (bei Pb-Batterie) umzuschalten, wenn der von der Batterie aufgenommene Strom einen be-
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Ein mit Gleichrichter-Diodenaufgebauter Kreis kann die Konstantspannung-Regelung in eine Konstant- strom-Regelung umstellen, sobald der von jedem. Hauptgleichrichter 10,11 abgegebene Strom seinen
Normalwert erreicht oder diesen wenig überschreitet.
Geeignete Glättungsfilter, die am Hauptgleichrichter-Ausgang, am Eingang der Gleichstrom-Um- former 17,18 und am Ausgang der Spannungserhöher-Gleichrichter 19,20 oder auch nur am Ausgang zum Verbraucher angeordnet sind, können die restliche Welligkeit innerhalb vom Verbraucher selbst zu- gelassener Werte halten ;
Die ganze Anlage kann mit bekannten Mitteln leicht aufgebaut werden, so dass sich die im Schau- bild von Fig. 2 bei a bis e dargestellten Arbeitsvorgänge automatisch abwickeln. Die Arbeitsvorgänge für die Formierungsladung (von g bis i) können von Hand durchgeführt werden.
Es kann beispielsweise vorge- sehen werden, dass die Hauptgleichrichter 10,11, die Gleichstrom-Umformer 17,18 und Spannungser- höher-Gleichrichter 19,20 in Abhängigkeit von der durch den Verbraucher aufgenommenen Belastung automatisch ein und ausgeschaltet werden, um die ganze Anlage bei guten Wirkungsgrad-Verhältnissen arbeiten zu lassen und Überlastung zu vermeiden.
Um die Einrichtungs-Eigenschaften vollständig auszunutzen, ist es notwendig, dass die Regelgeschwindigkeit der von den Gleichstrom-Umformern abgegebenen Spannung die höchstmögliche ist und dass die Einschaltung der Umformer unmittelbar erfolgen kann, d. h. ohne Warte-oder Anlasszeiten od. dgl.
Natürlich kann die Ausführung der erfindungsgemässen Einrichtung Abänderungen aufweisen gegenüber obigem Ausführungsbeispiel, ohne den Erfindungs-Umfang zu verlassen. So können beispielsweise die Hauptgleichrichter, die Gleichstrom-Umformer, die Spannungserhöher-Gleichrichter, die Batterien, die Akkumulatoren, die Hilfsgleichrichter mehrfach vorhanden sein und die Anzahl der Spannungserhöher-
Gleichrichter kann sich von der Anzahl der Hauptgleichrichter unterscheiden.
Die im Schaltbild angegebene Polung kann nach Bedarf geändert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Speisung von Gleichstromverbrauchern, insbesondere dazu geeignet, bei allen Betriebsverhältnissen konstante Spannung sicherzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen aus dem Netz gespeisten und zwischen einem ersten (A) und einem zweiten Pol (B) eingeschalteten Hauptgleichrichter (10, 11) enthält, wobei die von diesem Gleichrichter (10,11) abgegebene Spannung zwischen einem Aufladungsschluss-Wert und einem Entladungsschluss-Wert automatisch regelbar ist, und dass am genannten ersten (A) und zweiten Pol (B) mindestens eine Akkumulatoren-Batterie (22, 23) angeschlossen ist und der Hauptgleichrichter (10,11) mindestens einen Gleichstrom-Umformer (17,18) speist, zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mit veränderbarer Ausgangsspannung,
welcher Umformer (17,18) wiederum mindestens einen zwischen dem zweiten Pol (B) und einem dritten Pol (C) eingeschalteten Spannungserhöher-Gleichrichter (19,20) speist, wobei die vom Gleichstrom-Umformer (17,18) abgegebene Spannung automatisch auf einen solchen Wert geregelt wird, dass die Summe der zwischen dem ersten (A) und zweiten Pol (B) und zwischen diesem und dem dritten Pol (C) bestehenden Spannungen auf dem Benutzungswert konstant bleibt, wobei ferner der Spannungserhöher-Gleichrichter (19,20) so bemessen ist, dass er mit der kleinsten Entladungsschlussspannung der Batterie eine solche Spannung abgibt, dass die Benutzungsspannung unverändert gehalten wird und wobei die Anzahl der Batterie-Elemente so bemessen ist, dass die Spannung bei Aufladungsschluss möglich gleich und nicht grösser als die Benutzungsspannung ist.