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Regelungseinrichtung für ein Stromversorgungssystem mit
Speicherbatterie
Es ist an sich bekannt, für die Stromversorgung von Fahrzeugen parallel arbeitende Lichtmaschinen zu verwenden. So ist insbesondere aus der österr. Patentschrift Nr. 145451 eine selbsttätige Regeleinrich- tung für zwei parallel auf eine gemeinsame Batterie arbeitende spannungsregelnde Lichtmaschinen bekannt. Bei dieser Anlage sind beide Lichtmaschinen ständig gleichzeitig im Betrieb und ihre Strombzw. Leistungsabgabe wird mit Hilfe von Zitterreglern mit je einer Ausgleichswicklung geregelt, die durch den Spannungsabfall in den Hauptstromleitungen der beiden Lichtmaschinen beeinflusst wird. Nach einer Weiterbildung dieser selbsttätigen Regeleinrichtung gemäss der österr.
Patentschrift Nr. 148935 wird die Ausgleichswicklung des jeweiligen Zitterreglers selbsttätig unwirksam gemacht, sobald eine Lichtmaschine nicht arbeitet. Dadurch wird verhütet, dass die allein laufende Lichtmaschine ihre Leistung unter dem Einfluss der Ausgleichswicklung vermindert. Eine solche Einrichtung ermöglicht es, beide Lichtmaschinen ohne weiteres sowohl einzeln wie auch zusammen betreiben zu können. In vorteilhafter Weise wird hiebei der Stromkreis der Ausgleichswicklung durch einen elektromagnetischen Schalter unterbrochen, dessen Wicklung zwischen zwei gleichpoligen Klemmen der beiden Lichtmaschinen liegt.
Ferner ist unter anderem aus der deutschen Patentschrift Nr. 689251 eine Einrichtung zum Regeln von parallel arbeitenden und ausschliesslich über das Netz elektrisch miteinander verbundenen Gleichstromerzeugern bekannt, deren Spannung unabhängig von Drehzahl- und Belastungsschwankungen über den gesamten Arbeitsbereich gleich gehalten wird. Diese Regeleinrichtung arbeitet derart, dass die im Arbeitsbereich vom Belastungsstrom unabhängige Maschinenspannung beim Auftreten von Rückstrom ansteigt und bei Überlast absinkt. Bei der Einrichtung nach der letztgenannten Patentschrift wird die beabsichtigte Kennlinie mit Hilfe eines polarisierten Stromreglers erzielt, der den Spannungsregler jeder Maschine so beeinflusst, dass er beim Auftreten von Rückstrom durch periodische Vergrösserung des scheinbaren Widerstandes der Spannungsreglerspule die Maschinenspannung erhöht.
Bei Überlast hingegen wird durch periodische Verkleinerung des scheinbaren Widerstandes der Spannungsreglerspule die Maschinenspannung erniedrigt. Eine Verbesserung und Vereinfachung einer solchen Einrichtung ist in der deutschen Patentschrift Nr. 735203 beschrieben. Hiebei ist ausser einem Spannungsregler zusätzlich eine Stromregelvorrichtung vorgesehen, die beim Auftreten von Rück-und von Überstrom den Spannungsregler unwirksam macht und die Spannung derart beeinflusst, dass diese bei Rückstrom ansteigt, bei Überstrom hingegen absinkt.
Die Energieversorgung von elektrischen Fahrzeugbeleuchtungsanlagen erfolgt nun im allgemeinen durch eine Fahrzeuglichtmaschine in Verbindung mit einer Batterie, die von der Lichtmaschine aufgeladen wird. Die Batterie dient hiebei als Energiespeicher, der bei Stillstand oder Ausfall der Lichtmaschine zur vorübergehenden Stromversorgung der Beleuchtungsanlage herangezogen werden kann. Es ist daher erwünscht, die Batterie in schonender Weise durch einen gleichmässigen Aufladevorgang bzw. Nachladevorgang in einem solchen Ladezustand zu halten, dass im Bedarfsfall eine ausreichende Energiereserve zur Verfügung steht.
Untersuchungen haben nun bekanntlich ergeben, dass in Abhängigkeit von der Batterietype zwischen dem aufzuwendenden Ladestrom der Batterie und der Batteriespannung im
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wesentlichen ein linearer Zusammenhang besteht, in der Weise, dass jeder mögliche Ladezustand der Batterie im Bereich vom entladenen bis zum vollgeladenen Zustand jeweils durch eine im Batterielade- strom- Batteriespannungsdiagramm annähernd gerade Kennlinie, somit durch eine Parallelkurvenschar gekennzeichnet ist.
Durch ein in beschriebener Weise definiertes, die Diagrammebene schlicht überdeckendes Kennlinienfeld ist demnach für eine bestimmte Batterietype der Zusammenhang zwischen dem Batterieladestrom und der Batteriespannung in Abhängigkeit vom jeweiligen Ladezustand der Batterie eindeutig festgelegt, so dass ein bestimmter Ladezustand der Batterie durch wenigstens ein Strom-Spannungswertepaar bestimmt ist.
Die erwünscht günstigen Betriebsverhältnisse für eine Speicherbatterie sind nun bekanntlich dann gegeben, wenn der Ladezustand der Batterie bei geringer Gasentwicklung bzw. Wasserverbrauch sowie kleinen konstanten Nachladeströmen möglichst gleichbleibend auf einem erfahrensgemäss etwa 90% betragenden Anteil der vollen bzw. 100going entnehmbaren Batteriekapazität gehalten wird.
Eine den beschriebenen Zusammenhang zwischen Batterieladestrom und Spannung bei einem bestimmten Ladezustand auswertende Regelungseinrichtung, z. B. für Fahrzeugbeleuchtungsanlagen, ist nun in der österr. Patentschrift Nr. 240986 erläutert. Bei dieser Einrichtung sind die vorhin genannten günstigen Betriebsverhältnisse für die Speicherbatterie gewährleistet. Der vorteilhafte Effekt ist hiebei durch eine Regeleinrichtung für das Stromversorgungssystem erreicht, das aus einer Gleichspannungsquelle und einer parallel geschalteten Speicherbatterie mit fester Zellenzahl besteht.
Bei dieser Regeleinrichtung ist im wesentlichen eine Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsregelung mittels einer den Ladezustand der Batterie überwachenden Steuerschaltung vorgesehen, indem einerseits ein Regler zur Regelung des Generatorstromes auf einen konstanten Wert bis zur Erreichung eines optimalen Ladezustandes der Batterie vorhanden ist, wobei sich ein von der jeweiligen Verbraucherbelastung abhängiger Ladestrom einstellt, während anderseits ein weiterer Regler zur Regelung der Generatorspannung auf einen zum Pufferbetrieb bzw.
zum Bereitschaftsbetrieb von Generator und Batterie herabgesetzten Wert (Bereitschaftswert) Verwendung findet, wobei schliesslich eine sowohl von der Batteriespannung als auch vom Ladestrom abhängige Steuerschaltung vorgesehen ist, die zur Umschaltung zwischen der Regelung auf konstanten Generatorstrom und der Regelung der Generatorspannung auf den Bereitschaftswert bei Ansteigen der Batteriespannung auf einen von der jeweiligen Ladestromstärke bei einem bestimmten Ladezustand abhängigen Wert (Grenzspannung) dient, in der Weise, dass die Grenzspannung der jeweiligen Ladestromstärke zumindest angenähert in gleicher Weise zugeordnet ist, wie die Batteriespannung der Ladestromstärke bei optimalem Ladezustand.
Bei dem letztgenannten Stromversorgungssystem wird insbesondere der Erregerstrom des die Verbraucher bzw. die Pufferbatterie speisenden Generators entweder mittels eines Stromreglers oder mittels eines Spannungsreglers beeinflusst. Der Stromregler dient hiebei zur Regelung des Generatorlaststromes auf einen festgelegten maximalen Wert, während mittels des Spannungsreglers die Generatorspannung auf einen konstanten Wert regelbar ist. Nach der österr. Patentschrift Nr. 240986 erfolgt nun die Umschaltung von Strom auf Spannungsregelung in einem bestimmten Zeitpunkt noch bestehender Stromregelung, wobei die Klemmenspannung der Batterie jenen Wert besitzt, der dem vorhandenen Ladezustand nach Massgabe der gegebenen Zustandskennlinie z.
B. für 90% igue Aufladung bei jenem Strom entspricht, der nach Abzug des eben anfallenden Verbraucherstromes vom konstant gehaltenen Generatorstrom für die Ladung übrigbleibt. Bei Stillstand des Speisegenerators wird dieser durch einen Rückstromschalter von der Puffer- bzw. Speicherbatterie getrennt, die nun die Speisung der Verbraucher übernimmt. Unterschreitet hiebei die Batteriespannung einen bestimmten Mindestwert, so wird der Generator so geregelt, dass er einen möglichst grossen Strom liefert, dessen Maximalwert in den Stromregler eingegeben ist. Dieser Stromwert ist nun so bemessen, dass ausser dem maximalen Verbraucherstrom ein noch hinreichender Ladestrom für die Speicherbatterie zur Verfügung steht.
Im Zug der fortschreitenden Aufladung der Speicherbatterie erhöht sich nun die an ihr liegende Spannung, bis ein Spannungswert erreicht ist, der in vorhin beschriebener Weise etwa jenem Ladezustand entspricht, der insbesondere durch die 90loige Aufladung bzw. die entsprechende Ladezustandskennlinie gekennzeichnet ist. Nach Erreichung des erwünschten 90%igen Ladezustandes der Batterie wird wieder von Stromregelung auf Spannungsregelung umgeschaltet, wobei die Umschaltung insbesondere nach der die 90% igue Aufladung der Batterie charakterisierenden Kennlinie des Kennlinienfeldes erfolgt.
Die insbesondere zu einem Regelgerät zusammengefasste Regeleinrichtung kann trotz voneinander abweichender Betriebsarten von Umformern und Zuglichtgeneratoren für die Regelung beider Maschinenarten verwendet werden.
Aus der österr. Patentschrift Nr. 231014 ist nun eine kontaktlose Ausführung einer Regelschaltung
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bzw. eines Regelgerätes zur Feldregelung von Gleichstromgeneratoren in Fahrzeugen bekannt, bei der ein Strom-bzw. Spannungsregler vorgesehen ist, durch den die Generatorerregung nach einem be- stimmten Programm so beeinflusst wird, dass der Gleichstromgenerator einen konstanten Strom oder eine konstante Spannung liefert oder sonst irgend eine funktionale Beziehung zwischen Generatorstrom und
Generatorspannung hergestellt wird.
Um nun eine bei einem relativ geringen Kostenaufwand erhöht sicher funktionierende Fahrzeugbe- leuchtungsanlage zu schaffen, die unter grösstmöglicher Sicherheit die Versorgung der Beleuchtung- körper und eventueller Nebenverbraucher bzw. das Aufladen der Speicher- bzw. Pufferbatterie gewähr- leistet, wurde unter Zugrundelegung des vorbeschriebenen Standes der Technik die nachstehend erläu- terte erfindungsgemässe Energieversorgungsanlage geschaffen, die nach einer bevorzugten Ausführung aus wenigstens zwei gleich- oder verschiedenartigen Gleichspannungsquellen besteht, die die Fahrzeugbeleuchtungskörper und etwaige Hilfsbetriebe und/oder wenigstens eine aus einer oder mehreren parallel geschalteten Gruppen gebildete Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt.
Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Regelungseinrichtung für ein Stromversorgungssystem mit Speicherbatterie, insbesondere Fahrzeugbeleuchtungsanlage, mit einer Regelung auf begrenzten Speisestrom bis zum Erreichen eines optimalen Ladezustandes der Batterie und einer Regelung der Speisespannung auf einen Bereitschaftswert, wobei zur Umschaltung zwischen der Regelung auf begrenzten Speisestrom und der Regelung auf den Bereitschaftswert eine vom Batterie-Ladestrom und von der Batteriespannung abhängige Steuerschaltung vorgesehen ist, mit der Besonderheit, dass zur Erzeugung des Speisestromes mindestens zwei einander parallel geschaltete, mit je einem strom- bzw.
spannungsbegrenzenden Regelgerät versehene Stromerzeuger dienen, und dass die Regelgeräte aller Stromerzeuger an eine gemeinsame, die Umschaltung von Strom- auf Spannungsregelung und umgekehrt bei allen Regelgeräten auslösende Steuereinheit angeschlossen sind.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung ist im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel auf eine aus einer einzigen Speicherbatterie, einem aus der Zugheizleitung mit 200 V und 16 2/3 Hz gespeisten und in seiner Drehzahl nur durch die Netzschwankungen beeinträchtigten Fahrzeuggleichstromumformer und einer insbesondere von einer Fahrzeug- bzw. Waggon-Achse angetriebenen Zuglichtmaschine veränderlicher Drehzahl bestehenden Stromversorgungsanlage angewendet.
Der Erfindungsgegenstand ist selbstverständlich nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Speicherbatterie kann von einer oder mehreren parallel geschalteten Gruppen alkalischer Fahrzeugbatterien gebildet sein. Die Zahl der Spannungs- bzw. Stromerzeuger ist ebenfalls nicht nur auf zwei gleich-oder verschiedenartige Stromerzeuger beschränkt.
Theoretisch kann eine beliebige Anzahl von jeweils mit einem Regelgerät ausgestatteten rotierenden oder nicht umlaufenden bzw. statischen Stromerzeugern für die Speisung der Verbraucher bzw. für die Aufladung der Speicherbatterie vorgesehen sein, wobei jeder Stromerzeuger mit je einem im wesentlichen aus einem Spannungsregler, einem Stromregler und einer Rückstromsperre bestehenden elektronischen Regelgerät ausgestattet ist, wobei die Regelgeräte von einer elektronischen bzw. volltransistorisierten Steuereinheit gesteuert sind, die die Umschaltung von Strom- auf Spannungsregelung in Abhängigkeit vom jeweiligen Batterieladestrom nach einer gewünschten Kennlinie des Baterieladestrom-Batteriespannungs-Kennlinienfeldes vornimmt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ermöglicht es somit, z. B. bei Eisenbahnwaggons oder Reisezugwaggons oder bei Strassenbahntriebfahrzeugen für die Versorgung der Beleuchtung die Heizleitung zu benutzen, sobald die Waggonvorheizanlage eingeschaltet ist, ober über die E-Lok die Heizspannung zur Verfügung steht, wobei ausserdem die Batterie z. B. über einen Umformer geladen werden kann. Anderseits gestattet es die Einrichtung insbesondere bei dampfbetriebenen Strecken, die Verbraucher aus der Zuglichtmaschine zu versorgen und ferner mittels der Stromerzeuger die Speicherbatterie geregelt aufzuladen oder nachzuladen. Vor allem ist in erfindungsgemässer Weise der Parallelbetrieb von Zuglichtmaschine und Umformer ermöglicht, wobei im Ladebetrieb bzw. im Nachladebetrieb beide Spannungserzeuger auf eine vorgesehene Speicherbatterie arbeiten.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung ermöglicht es demnach, bei einem wohlabgewogenen Mass von Aufwand und Effekt eine zuverlässige, sowohl im Alternativ- als auch im Parallelbetrieb von wenigstens zwei Gleichspannungserzeugern und einer Speicherbatterie gespeiste Stromversorgungsanlage einzurichten und dadurch zwei getrennte Anlagen höherer Gesamtleistung durch eine kostensparende Anlage geringerer Leistung zu ersetzen.
Die erfindungsgemässe insbesondere kontaktlos ausgeführte, transistorisierte Regeleinrichtung ist in ihrer Wirkung unter anderem so einstellbar, dass auch der Fahrplan des Fahrzeuges z. B. durch den alternativen Betrieb zwischen Umformer und Zuglichtmaschine oder durch den Parallelbetrieb von Umformer
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und Zuglichtmaschine berücksichtigt wird. Die Ladung der Speicherbatterie erfolgt hiebei praktisch mit dem Nennstrom der Stromerzeuger abzüglich dem Strombedarf der eingeschalteten Verbraucher, so dass jeweils ein möglichst schnelles Aufladen der Batterie sichergestellt ist.
Die Batterie ist nun bei der Auf- ladung mit einem Strom bestimmter Grösse beispielsweise als zu 90% geladen zu bezeichnen, wenn je- weils jener Batteriespannungswert erreicht ist, der durch die den 90% gen Ladezustand charakterisierende
Batterieladekennlinie der jeweiligen Ladestromgrösse zugeordnet ist. Sind nun beispielsweise beide
Stromerzeuger, nämlich die Zuglichtmaschine und der Umformer, unter Last im Betrieb, wird ein Teil des Stromes in die Last und der Reststrom in die Batterie eingespeist. Ist jedoch nur ein Stromerzeuger in Funktion, steht in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom insbesondere der Beleuchtungskörper für die
Batterieladung nur ein kleinerer Batterieladestrom zur Verfügung.
Die starke Veränderung der Ladeströme wird nun von der Steuereinheit der Stromversorgungsanlage in der Weise berücksichtigt, dass der der jeweiligen Ladestromstärke zugeordnete Spannungswert, der sogenannte obere Umschaltpunkt, stets z. B. der 90% gen Batterieladekennlinie angepasst ist.
Das dem jeweiligen Stromerzeuger wie der Zuglichtmaschine oder dem Umformer zugeordnete Regelgerät ist neben der einstellbaren Spannungsregelung mit einer einstellbaren Strombegrenzung ausgestattet, die dem Nennstrom des Stromerzeugers entspricht. Der Summenwert der Strombegrenzungen der Zuglichtmaschine und des Umformers entspricht insbesondere dem maximalen Ladestrom der Batterie oder Batteriegruppen, wobei die zum Überlastschutz des jeweiligen Stromerzeugers vorgesehene Strombegrenzung während der Ladephase in Funktion ist. Wie bereits erwähnt, ist hiebei im Lastkreis jedes Regelgerätes eine Sperrzelle bzw. ein Sperrgleichrichter (Rückstromschalter) vorgesehen, die eine Rückspeisung von der Batterie oder von andern Stromerzeugern verhindert.
Bei beispielsweise zu 90% geladener Batterie bzw. bei Erreichen eines der jeweiligen Ladestromstärke vorzugsweise durch die 90% igue Ladekennlinie zugeordneten sogenannten oberen Umschaltpunktes werden durch die elektronische Steuereinheit die Regelgeräte von Stromregelung auf Spannungsregelung bzw. vom Ladebetrieb auf Nachladebetrieb umgeschaltet. Die beiden je im Regelgerät der Zuglichtmaschine und des Umformers angeordneten Spannungsregler besitzen gleiche Einstellung, so dass im Nachladebetrieb bzw. im Konstantspannungsbetrieb die Stromverteilung zwischen den beiden Stromerzeugern freilaufend innerhalb der Strombegrenzung erfolgt, wobei die Maschinenspannung auf den Wert der Ladungserhaltungsspannung zurückgenommen und der momentane Verbraucherstrom um den Ladungserhaltungsstrom vermehrt ist.
Die Umschaltung von Ladebetrieb auf den Nachladebetrieb bzw. von Strom - auf Spannungsregelung erfolgt demnach bei einem bestimmten Umschaltpunkt, der in Betracht gezogenen Kennlinie bzw. bei einem bestimmten Spannungswert, gemessen an der Batterie. Gemäss der Erfindung ist jedoch nicht nur die Grösse der Batteriespannung für die Umschaltung bestimmend, sondern wird in erfindungsgemässer Weise zusätzlich auch noch die Batteriestromänderung zur Entscheidung über die Umschaltung von Stromregelung auf Spannungsregelung herangezogen. Zur zusätzlichen Wirksammachung des Stromeinflusses wird daher ausführungsgemäss der in die Batterie fliessende Strom gemessen bzw. die Batteriestromänderung von der Steuereinheit erfasst und auf diese Weise der jeweilige obere Umschaltpunkt von Strom- auf Spannungsregelung stets einer bestimmten Batterieladekennlinie angepasst.
Die erfindungsgemässe Steuereinheit wirkt durch kontinuierliche Beeinflussung seitens der Batteriestromänderung linear aufkompoundierend in der Weise, dass zwei beliebige von der Steuereinheit angesteuerte und im Batteriekennlinienfeld liegende Punkte stets durch eine Gerade mit positiver Steigung verbindbar sind. Da nun die Batterieladekennlinien wenigstens abschnittweise jeweils durch eine positiv geneigte Gerade darstellbar sind, kann daher eine sehr günstige Anpassung insbesondere an die 100% igue Ladekennlinie erreicht werden, indem vermittels der durch die Steuereinheit erreichten Linearaufkompoundierung die Batterieaufladung nach einer vorzugsweise nahe der 100% igen Ladekennlinie gelegenen praktisch geraden Kennlinie der oberen Umschaltpunkte erfolgt.
Unterschreitet nun die Batteriespannung bei z. B. wegen Revision oder nicht im Betrieb befindlichen und somit abgeschalteten Stromerzeugern durch eine lang andauernde Belastung oder Stossbelastung einen bestimmten Wert, der einem sogenannten unteren Umschaltpunkt entspricht, wobei im Zuge der Entladephase der Batterie die linearaufkompoundierende Wirkung der Steuereinheit aufgehoben ist, so gibt die Steuereinheit das Ladeprogramm im Rahmen der vorgegebenen Strombegrenzung für jedes der beiden einzeln der Zuglichtmaschine und dem Umformer zugeordneten Regelgeräte wieder frei, indem die Steuereinheit von Spannungsregelung wieder auf Stromregelung umgeschaltet wird.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung für eine Stromversorgungsanlage ist beispielsweise an Hand eines in den Fig. l - 3 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert, u. zw. ist in Fig. 1 ein für eine be-
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stimmte Speicherbatteriegruppe kennzeichnendes Ladestrom- Spannungsdiagramm abgebildet, während Fig. 2 den blockschaltmässigen Aufbau einer erfindungsgemässen Stromversorgungsanlage insbesondere für den Bahnbetrieb zeigt und aus Fig. 3 ein Übersichtsschaltbild einer ausfUhrungsgemässen Steuereinheit entnommen werden kann.
Fig. 1 zeigt nun die für die Erklärung der Funktion der Regeleinrichtung wesentlichen Kennlinien des Ladekennlinienfeldes einer bei Schienenfahrzeugen üblichen 24 V-Batteriegruppe, wobei auf die positive Abszissenachse die Ladestromstärke in Ampere und auf die positive Ordinatenachse die Batteriespannung in Volt aufgetragen ist. Im oberen Teil des Kennlinienfeldes sind insbesondere die den zijgen und den 90% igen Ladezustand der Batterie kennzeichnenden Kennlinien strichpunktiert gezeichnet.
Zwischen diesen Kennlinien verläuft die von der erfindungsgemässen Steuereinheit nachgebildete und mit Kennlinie der oberen Umschaltkontakte bezeichnete praktisch gerade obere Umschaltkennlinie der Steuereinheit, wobei die letztgenannte Kennlinie die Gesamtheit aller Umschaltpunkte für die Umschaltung von Stromregelung auf Spannungsregelung bzw. von Ladebetrieb auf Nachladebetrieb enthält.
Der untere Umschaltpunkt hingegen ist bei Entladung der Batterie eine vorbestimmte bzw. einstellbare untere Schranke, bei der die Regeleinrichtung von Spannungsregelung auf Stromregelung umgeschaltet wird.
Nachdem nun die Batterieladekennlinie des im Batterieladestrom-Batteriespannungsdiagramm definierten Batteriekennlinienfeldes wenigstens in den betrachteten Regelbereichen praktisch durch Linearfunktionen, insbesondere durch mit der positiven Diagrammabszissenachse angenähert gleiche positive spitze Neigungswinkel einschliessende benachbarte Gerade beschreibbar ist, werden die beiden in Betracht gezogenen Batteriekennlinien mit grosser Annäherung durch die gerade obere Umschalt-Kennlinie gleicher Steigung approximiert, wobei die Umschaltkennlinie für den vom jeweiligen Ladestrom abhängigen oberen Umschaltpunkt weitgehendst an die lOOoige Ladekennlinie angepasst ist und letztere daher in erwünschter Weise durch die insbesondere linearaufkompoundierende Steuereinheit mit hinreichender Annäherung nachgebildet wird.
Im Batteriekennlinienfeld ist ferner die insbesondere unter Berücksichtigung der Batterietype, der Batteriegrösse und der Stromerzeuger einstellbare bzw. vorbestimmbare, zur Abszissenachse parallele und mit Nachladung bezeichnete Regelungskennlinie für den Nachladebetrieb eingetragen, wobei die erwünschte konstante Nachladespannung an den Regelgeräten z. B. mittels eines Potentiometers vorwählbar ist, so dass im Gegensatz zur Aufladung, bei der mit einem relativ grossen Strom aufgeladen wird, die Nachladung mit einem relativ kleinen gleichbleibenden Strom erfolgt.
Die Regelung der Batterienachladung ist hiebei so ausgelegt, dass die Batterie einerseits in lampenschonender Weise bei minimalem Wasserverbrauch nicht im Bereich der grössten Zellenspannung betrieben wird und anderseits eine die Batterielebensdauer verkürzende zu geringe Batterieaufladung vermieden ist.
In der Fig. 1 sind ferner die den im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Stromerzeugern entsprechenden Ladestromanteile strichliert eingezeichnet. Die in beschriebener Weise von einem von der Zugheizleitung gespeisten Umformer und von einer durch eine Waggonachse angetriebenen Zuglichtmaschine gelieferten Ladestromanteile JU und J werden hiebei maximal in einer solchen Grösse geliefert, die das jeweils der Stromquelle zugeordnete Regelgerät je nach Einstellung seines Stromreglers zulässt. Ausführungsgemäss sind hiebei die beiden Strombegrenzungen, die jeweils dem Nennstrom des zugeordneten Stromerzeugers entsprechen, so einstellt, dass der auf diese Weise geregelte Summenstrom dem maximalen Ladestrom der Batterie oder Batteriegruppe entspricht.
Bei längerer Entladung oder Stossentladung der Batterie wird durch die Steuereinheit wegen Unterschreitung der mit unterer Umschaltpunkt bezeichneten Kennlinie das Ladeprogramm wieder freigegeben, indem jeweils der Spannungsregler des dem Umformer bzw. der Zuglichtmaschine zugeordneten Regelgerätes so ausgesteuert wird, dass die einzelnen Regelgeräte bzw. der dem jeweiligen Regelgerät zugeordnete Stromerzeuger auf den Stromregler des Regelgerätes arbeitet. Bei fehlender Last wird demnach die Batterie entsprechend dem aus der Fig. l im Diagramm ersichtlichen konstantbleibenden Summenstrom JLl aufgeladen, bis der der Summenstromstärke entsprechende obere Umschaltpunkt z. B. o. Ul der Ladungskennlinie erreicht bzw. die Batterie aufgeladen ist.
Dieser aus dem Diagramm ersichtliche, vom Umformer und der Zuglichtmaschine gelieferte Summenstrom, ist bei vorhandener Last um den Verbraucherstrom Jv vermindert, so dass sich für die Batterieaufladung ein aus dem Summenstrom und dem Verbraucherstrom resultierender Ladestrom JL2 ergibt und daher, wie in Fig. 1 beispielsweise punktiert angedeutet, die Batterie mit einem entsprechend kleineren Ladestrom z. B. bis zum Erreichen des Umschaltpunktes o. U2 aufgeladen wird. Bei Erreichen der auf der Umschaltkennlinie gelegenen Umschaltpunkte bzw. Spannungswerte o. U, o.
Ug,..., o. Un'... werden durch die Steuereinheit die Regelgeräte der
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Stromerzeuger von Stromregelung auf Spannungsregelung umgeschaltet bzw. das dem Umformer und das der Zuglichtmaschine zugeordnete Regelgerät jeweils auf seinen Spannungsregler umgesteuert.
Während der Ladephase ist nun zum Schutz jedes Stromerzeugers je eine einstellbare Strombegrenzung z. B. in Form eines Shuntes oder eines Gleichstromwandlers wirksam, die auf den Nennstrom des Stromerzeugers eingestellt ist, während im Nachladebetrieb die Lastverteilung zwischen den Stromerzeugern freilaufend innerhalb der eingestellten Strombegrenzungen erfolgt.
In Abweichung vom beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die geregelte Stromversorgung auch mittels mehr als zwei Stromerzeugern erfolgen. Selbstverständlich ist die Regelung der Stromversorgungsanlage nicht nur bei Parallelbetrieb von Umformer und Zuglichtmaschine, sondern auch bei Einzelbzw. alternativer Versorgung der Anlage durch den Umformer bzw. die Zuglichtmaschine wirksam.
Selbst bei Betrieb der Stromversorgungsanlage ohne Batterie ist es möglich, die jeweils mit einem im wesentlichen aus einem Spannungsregler, einem Stromregler und einer Sperrzelle bestehenden Regelgerät versehenen und in Betrieb befindlichen Stromerzeuger sowie die erfindungsgemässe Steuereinheit dem jeweiligen Lastanfall so anzupassen, dass der einwandfreie Betrieb der Beleuchtung und eventueller Nebenverbraucher sichergestellt ist.
Fig. 2 zeigt den blockschaltmässigen Aufbau eines Stromversorgungssystems mit einer erfindungsgemässen Regelungseinrichtung, das aus einem von der Zugheizleitung gespeisten Umformer und einer von der Waggonachse angetriebenen Zuglichtmaschine, einer Speicherbatteriegruppe und den Verbrauchen sowie der Regelungseinrichtung des Stromversorgungssystems besteht. Die beiden Stromerzeuger sind hiebei zur alternativen oder gemeinsamen Versorgung der Verbraucher bzw. Ladung der Speicherbatteriegruppe vorgesehen, wobei im Zuge der beschriebenen Regelungseinrichtung die erfindungsgemässe Umschaltung von Strom- auf Spannungsregelung in Abhängigkeit vom Batterieladestrom in der Weise erfolgt, dass insbesondere ein optimal günstig batterieladungserhaltendes Verhältnis von Ladezeit zu Entladezeit erreicht wird.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Anlage ist vorzugsweise für Triebfahrzeuge der Eisenbahn sowie der Strassenbahn, ferner für Reisezugwaggons anwendbar, bei denen ansonst infolge besonderer Bedingungen eine grössere installierte Leistung erforderlich wäre.
Im Schaltbild ist nun die Gleichstrommaschine des Umformers mit 1, deren Nebenschlusswicklung mit 2, die Maschinenstromsicherung mit 3, die Erregerstromsicherung der Gleichstrommaschine 1 mit 4, die Zuglichtmaschine mit 5, ihre Nebenschlusswicklung mit 6, die zugehörende Maschinenstromsicherung mit 7, die Erregerstromsicherung der Zuglichtmaschine mit 8, die Speicherbatteriegruppe mit 9, die Batteriesicherung mit 10, die Messkreissicherung mit 11, das dem Umformer 1 zugeordnete Regelgerät mit 12, der im Regelgerät 12 angeordnete Sperrgleichrichter für den Umformergleichstrom mit 13, das der Zuglichtmaschine zugeordnete Regelgerät mit 14, der im Regelgerät 14 angeordnete Sperrgleichrichter für den Zuglichtmaschinengleichstrom mit 15, die Verbraucher samt Sicherungen und Schalter mit 16,
die Steuereinheit mit 17 und der Gleichstrom-Gegentaktwandler mit 18 bezeichnet. Die gemeinsame Minusschiene ist mit N benannt, während die entsprechenden Stromversorgungsleitungen für die Regelgeräte 12 und 14 sowie für die Steuereinheit 17 mit Minus gekennzeichnet sind. Das plusseitig gesteuerte Ende der Nebenschlusswicklung der Gleichstrommaschine 1 des Umformers und der Zuglichtmaschine 5 ist an den zugehörigen Regelgeräten 12 und 14 jeweils mit F benannt. Die von den Regelgeräten 12 und 14 zur Steuereinheit 17 führenden Verbindungen S2 - S2A und S2 - S2B sind für die Stromversorgung der Steuereinheit bestimmt.
Der plusseitige Ausgang der Gleichstrommaschine 1 ist zur Plusklemme des Regelgerätes 12 geführt, während der plusseitige Ausgang der Zuglichtmaschine 5 mit der Plusklemme des Regelgerätes 14 verbunden ist. Über die Klemmen L der Regelgeräte 12 und 14 ist die gemeinsame Plusschiene angespeist. Die in den Regelgeräten 12 und 14 befindlichen Sperrgleichrichter 13 und 15 sind zwischen die Plusklemme und die Klemme L geschaltet. Die Plussammelschiene ist einerseits zu den Verbrauchern 16 und anderseits über die Klemme L der elektronischen Steuereinheit 17 durch den Gleichstromgegentaktwandler 18 über die Klemme B und die Batteriesicherung 10 zur Batteriegruppe 9 geführt. Von der Batteriesicherung 10 wird die Messleitung abgegriffen. Diese führt über die Messleitungssicherung 11 zur Klemme M der elektronischen Steuereinheit 17.
Die Regelgeräte 12 und 14 werden von der elektronischen Steuereinheit 17 über die die Klemmen S1 verbindende Umschaltleitung von Stromregelung auf Spannungsregelung umgeschaltet.
In Fig. 3 ist das Übersichtsschaltbild der erfindungsgemässen Steuereinheit 17 dargestellt. Hiebei ist der Gleichstromgegentaktwandler mit 18 benannt. Dieser besteht im wesentlichen aus vier
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Ringkernen 1\, R, Rg, R., von denen jeder mit einer zugehörigen Steuerwicklung St1bzw. Srz bzw. St3 bzw. St bewickelt ist. Die Ringkerne R1 und R sind ausserdem mit einer gemeinsamen Vormagnetisierungswicklung V versehen. Die Ringkerne Rg und R4 sind analog mit einer gemeinsamen Vormagnetisierungswicklung V ausgestattet. Die Ringkerne R1 - R4 sind hiebei von der Lastwicklung L gemeinsam umfasst.
Die dem Gleichstromgegentaktwandler 18 zugeordneten Gleichrichterbrücken sind mit 19, der zugehörige Justierwiderstand mit 20, die elektronische Umschaltstufe mit 21 und der den Gleichstromgegentaktwandler 18 speisende Wechselrichter mit 22 bezeichnet. Der dem Wechselrichter 22 zugeordnete Transformator 22'ist mit den Primär-
EMI7.1
Skzeichnet. Die Klemmen Minus, L, B, S, Sgg, Sl und M sind mit den gleichbezeichneten Klemmen der Pos. 17 der Fig. 2 identisch. Der vom Batterieladestrom durchflossene Gleichstromgegentaktwandler 18 ist in Verbindung mit den Gleichrichterbrücken 19 für die an die Umschaltstufe 21 gerichtete Übertragung einer aus der momentanen Batterieladestromstarke sich ergebenden Information vorgesehen, durch die die Umschaltstufe 21 beim Batterieladebetrieb entsprechend kompoundiert wird.
Die Regelgeräte 12 unp 14 werden demzufolge im Ladebetrieb entsprechend dem der momentanen Batterieladestromstärke zugeordneten oberen Umschaltpunkt von Stromregelung auf Spannungsregelung umgeschaltet, wogegen bei Pufferbetrieb bzw. Batterieentladung die Kompoundierung der Umschaltstufe 21 unwirksam ist, so dass die Rückschaltung von Spannungsregelung auf Stromregelung nach Unterschreitung einer einstellbaren unteren Grenzspannung bzw. eines unteren Umschaltpunktes erfolgt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelungseinrichtung für ein Stromversorgungssystem mit Speicherbatterie, insbesondere Fahrzeugbeleuchtungsanlage, mit einer Regelung auf begrenzten Speisestrom bis zum Erreichen eines optimalen Ladezustandes der Batterie und einer Regelung der Speisespannung auf einen Bereitschaftswert, wobei zur Umschaltung zwischen der Regelung auf begrenzten Speisestrom und der Regelung auf den Bereitschaftswert eine vom Batterie-Ladestrom und von der Batteriespannung abhängige Steuerschaltung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Speisestromes mindestens zwei einander parallel geschaltete, mit je einem strom- bzw.
spannungsbegrenzenden Regelgerät versehene Stromerzeuger dienen, und dass die Regelgeräte aller Stromerzeuger an eine gemeinsame, die Umschaltung von Strom-auf Spannungsregelung und umgekehrt bei allen Regelgeräten auslösende Steuereinheit angeschlossen sind.