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Stromversorgungsanlage mit einem Gleichstromerzeuger und einer Reservebatterie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromver- sorgungsanlage mit einem Gleichstromerzeuger, welcher einerseits mit einem variablen Verbraucher zwecks Speisung desselben, und anderseits mit einer als Reserve für den Gleichstromerzeuger dienenden Batterie zwecks Ladung und Pufferung derselben verbunden und so geregelt ist, dass er unabhängig vom Verbraucherstrom an den Verbraucherklemmen dauernd eine praktisch konstante Spannung erzeugt.
Es ist bekannt, zur Speisung von Gleichstromverbrauchern Stromversorgungsanlagen mit einem Gleichstromerzeuger, z. B. einem netzgespeisten Gleichrichter, zu verwenden, zu dem eine Reservebatterie parallel geschaltet ist, welche bei Ausfall des Gleichstromerzeugers, also z. B. bei Netzunterbruch, die Speisung des Verbrauchers übernimmt. Sofern die Batterie im normalen Betrieb dauernd betriebsbereit, das heisst praktisch voll geladen sein soll, muss bekanntlich die an der Batterie liegende, vom Gleichstromerzeuger gelieferte Spannung mindestens zeitweise grösser sein als die am Verbraucher liegende Spannung.
Zur Erreichung dieses Zustandes sind Verfahren bekannt, bei denen die beim Arbeiten des Gleichstromerzeugers vorhandene Differenz zwischen Batteriespannung und Verbraucherspannung durch den Spannungsabfall an einer vom Verbraucherstrom durchflossenen Widerstandseinrichtung erzeugt wird, welche in Reihe zum Verbraucher liegt und beim Ausfall des Gleichstromerzeugers kurzgeschlossen wird. Dabei wird die konstante Verbraucherspannung dadurch erzielt, dass die direkt an der Batterie liegende Klemmenspannung des Gleichstromerzeugers konstant gehalten wird und die genannte Widerstandsvorrichtung unabhängig vom jeweiligen Verbraucherstrom einen praktisch konstanten Spannungsabfall der gewünschten Grösse erzeugt.
Bei extremen Stromwerten kann der Spannungsabfall an der ge- nannten Widerstandsvorrichtung zu stark vom Sollwert abweichen, so dass man auch schon Schaltungen vorgeschlagen hat, bei denen sich die Widerstandsvorrichtung stufenweise regeln lässt, um die Differenz zwischen Batteriespannung und Verbraucherspannung dem jeweiligen Betriebszustand anzupassen. Eine derartige Regelung bedeutet aber einen Mehraufwand, der die Schaltung kompliziert und verteuert.
Weiter wurde schon vorgeschlagen, die erwähnte Differenzspannung durch einen zusätzlichen Gleichrichter zu erzeugen. In diesem Fall liegt wiederum die auf konstanten Wert geregelte Klemmenspannung des Hauptgleichrichters einerseits an der Batterie und anderseits über dem zusätzlichen Gleichrichter am Verbraucher. Die konstante Verbraucherspannung kommt dadurch zustande, dass auch die Klemmenspannung des zusätzlichen Gleichrichters geregelt ist.
Wie man erkennt, liegt bei den vorstehend erwähnten bekannten Schaltungen die konstant gehaltene Klemmenspannung des Gleichstromerzeugers direkt an der Batterie, aber nur indirekt an dem mit konstanter Spannung zu speisenden Verbraucher.
Es sind weitere Schaltungen bekannt, bei denen die konstant gehaltene Klemmenspannung des Gleichstromerzeugers nun direkt am Verbraucher liegt. Bei diesen Schaltungen wird ein zusätzlicher Gleichrichter benötigt, um die gegenüber der Verbraucherspannung erhöhte Spannung zu erzeugen, welche für die Speisung der Batterie erforderlich ist. Die beiden Gleichrichter sind dabei selbstverständlich in Serie geschaltet, und ihr Verbindungspunkt ist mit einer Anzapfung der Batterie verbunden. Bei einer Schaltung dieser Art speist der Hauptgleichrichter den Verbraucher und in Serieschaltung mit einem zusätzlichen Gleichrichter die Batterie.
Bei einer anderen Schaltung dieser Art speist jeder Gleichrichter für sich den entsprechenden Batterieteil, und der Hauptgleich-
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richter zudem noch den Verbraucher. In allen Fällen sind beide Gleichrichter geregelt. Die Benötigung von zwei Gleichrichtern und einer zusätzlichen Batterieleitung, die gewöhnlich noch mit Sperrventilen versehen ist, stellt einen ins Gewicht fallenden Mehraufwand dar.
Zur Vermeidung der vorstehend erwähnten Nachteile ist nun bereits eine Stromversorgungsanlage vorgeschlagen worden, bei welcher mindestens die zwischen Gleichstromerzeuger und Verbraucher bestehende Verbindung einen Widerstand enthält, dessen Wert so bemessen ist, dass die Summe der durch den Verbraucherstrom am genannten Widerstand erzeugten Spannung und die Verbraucherspannung mindestens zeitweise einen Wert aufweist, der zur Ladungserhaltung der Batterie genügt, wenn diese aufgeladen ist, und wobei ferner die am Verbraucher herrschende Spannung als Steuerspannung für die Spannungsregelung des Gleichstromerzeugers dient.
Die zuletzt erwähnte Lösung hat aber den folgenden Nachteil: Im genannten Widerstand entsteht ein Verlust, der selbstverständlich nicht erwünscht ist und daher möglichst klein sein sollte. Dieser Verlust ist um so grösser, je stärker der Gleichstromerzeuger durch den Verbraucher belastet ist. Dieser Umstand ist vor allem bei der Maximalbelastung des Gleichstromerzeugers von Bedeutung. Ausserdem wird der Gleichstromerzeuger auch noch durch den Batterieladestrom belastet, der um so grösser ist, je grösser der Verbraucherstrom ist. Ferner ist es mit einem nur für den maximalen Verbraucherstrom dimensionierten Gleichstromerzeuger nicht möglich, auch noch die Batterie vollständig aufzuladen.
Der Zweck der Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile möglichst weitgehend zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe Stromversorgungsanlage, bei welcher die am Verbraucher herrschende Spannung als Steuerspannung für die Spannungsregelung des Gleichstromerzeugers dient, zeichnet sich dadurch aus, dass die zwischen Gleichstromerzeuger und Verbraucher bestehende Verbindung ein Widerstandselement enthält, dessen Stromspannungscharakteristik einen Bereich aufweist, in welchem bei zunehmendem Strom die Spannung abnimmt, und welches so bemessen ist, dass die Summe der durch den Verbraucherstrom am genannten Element erzeugten Spannung und der Verbraucherspannung mindestens zeitweise einen solchen Wert aufweist, dass an der Batterie eine Spannung zur Wirkung kommt, welche zur Ladung und Ladungserhaltung der Batterie genügt.
Ein Beispiel für ein Widerstandselement der genannten Art ist der Thermistor.
Man erkennt, dass bei Verwendung eines solchen Widerstandselementes die Spannung an der Batterie am grössten ist, wenn der Verbraucherstrom klein ist. Die Batterie nimmt somit in erster Linie nur dann einen nennenswerten Ladestrom auf, wenn der Gleichstromerzeuger durch den Verbraucher schwach belastet ist. Der Verlust im Thermistor ist kleiner als beim Widerstand. Somit kann bei einer erfindungsgemässen Stromversorgungsanlage bei gleicher Verbraucherleistung und gleicher Batteriekapazität der gleiche Betriebsbereitschaftsgrad mit einem schwächer dimensionierten Gleichstromerzeuger erreicht werden als bei bisher vorgeschlagenen Anlagen.
Zudem ist es nun möglich, die Batterie aus dem Gleichstromerzeuger aufzuladen, ohne die Gefahr einer überlastung des Gleichstromerzeugers in Kauf nehmen zu müssen, da die Ladung der Batterie durch Verwendung eines Thermistors automatisch dann am grössten wird, wenn der Gleichstromerzeuger durch den Verbraucher nur schwach belastet ist. Durch zweckmässige Dimensionierung des genannten Widerstandselementes kann anderseits die Batterie zur Deckung von Spitzen des Verbraucherstromes herangezogen werden.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Schema dieses Ausführungsbeispieles und die Fig.2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1.
Die in der Fig. 1 dargestellte Stromversorgungs- anlage weist einen Gleichstromerzeuger 1 auf, der aus einer Wechselstromquelle 2 gespeist wird. Es kann sich dabei um einen netzgespeisten Gleichrichter handeln. Der Gleichstromerzeuger 1 ist über ein Widerstandselement 3 mit dem zu speisenden Verbraucher 4 verbunden, welcher beispielsweise aus einer Tele- phonzentrale besteht. Das Widerstandselement 3 besteht aus einem Thermistor, das heisst, der durch den Durchgangsstrom im Element an den Klemmen des Elementes erzeugte Spannungsabfall nimmt mit zunehmendem Strom ab.
Die Anlage nach Fig. 1 weist ferner eine Batterie 5 auf, die bei Ausfall des Gleichstromerzeugers 1 als Stromversorgungsreserve dient. Der Gleichstromerzeuger 1 ist über einen Widerstand 6 mit der Batterie 5 verbunden. Der Thermistor 3 und der Widerstand 6 liegen von der Batterie 5 aus gesehen unter sich und mit dem Verbraucher 4 in Serie und werden bei Ausfall des Gleichstromerzeugers 1 beide zusammen automatisch durch den Schalter 7 überbrückt, so dass in diesem Fall die Batterie 5 direkt mit dem Verbraucher 4 verbunden ist. Der Widerstand 6 ist durch ein Gleichrichterventil 8 überbrückt, welches so gepolt ist, dass es für von der Batterie 5 zum Verbraucher 4 fliessenden Stromdurchlässig ist.
Schliesslich weist der Gleichstromerzeuger 1 einen Spannungsregler 9 auf, der von der an den Klemmen des Verbrauchers 4 vorhandenen Spannung gesteuert wird, wie dies aus der Fig. 1 ersichtlich ist. Die vom Gleichstromerzeuger abgegebene Spannung wird stets so geregelt, dass bei variabler Belastung und unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls am Thermistor 3 die auf den Verbraucher entfallende Teilspannung praktisch konstant bleibt.
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Die Wirkungsweise der Anlage nach Fig. 1 wird nachstehend anhand der Fig. 2 noch näher erläutert.
In der Fig. 2 zeigt die Kurve 10 den zeitlichen Verlauf des Verbraucherstromes J, und zwar ist als Beispiel der Verlauf des Verbraucherstromes einer Tele- phonzentrale über einen Zeitraum von 24 Stunden angenommen worden. Die Kurve 11 stellt nun die (vom Gleichstromerzeuger 1 gelieferte) Spannung U an der Batterie 5 der Schaltung nach Fig. 1 dar. Man erkennt, dass wegen des Thermistors 3 bei Zunahme des Verbraucherstromes J die Spannung U abnimmt.
Man hat lediglich durch geeignete Dimen- sionierung des Thermistors 3 in Fig. 1 dafür zu sorgen, dass mindestens während der betriebsarmen Stunden (im Beispiel etwa von 22 bis 8 Uhr) die Spannung den gewünschten für die Ladung und Ladungserhaltung nötigen Wert aufweist. Anderseits ist der Thermistor 3 so zu bemessen, dass die Batterie während der Hauptbelastungszeit keinen Ladestrom aufnimmt und zweckmässigerweise auch so, dass bei den Spitzen des Verbraucherstromes die Batterie Strom an den Verbraucher abgibt, also zur Deckung der Belastungsspitzen herangezogen wird.
Die periodische oder gelegentliche Belastung und die entsprechende Wiederaufladung der Batterie ist nach neueren Erkenntnissen für die Erhaltung der Batteriekapazität und die Verhinderung der Verhärtung der Batterieplatten bedeutend günstiger als die Aufrechterhaltung eines dauernd geladenen Zustandes der Batterie.
In der Schaltung nach Fig. 1 ist noch die Funktion der Elemente 6 und 8 zu erwähnen. Der Widerstand 6 dient einmal als Begrenzer für den Ladestrom der Batterie, damit bei vollständig entladener Batterie der Anfangsladestrom nicht grösser als der maximale Nennstrom des Gleichstromerzeugers werden kann, wenn der Gleichstromerzeuger nicht selbst einen Strombegrenzer aufweist. Dadurch wird erreicht, dass die Spannung am Verbraucher auch bei weitgehend entladener Batterie rasch auf den Sollwert nachgeregelt werden kann. Das Gleichrichterventil 8 dient zur Überbrückung des Widerstandes 6, wenn die Batterie 5 zur Lieferung von Strom an den Verbraucher 4 herangezogen wird, ohne dass ein Ausfall des Gleichstromerzeugers vorliegt.
Die Hauptfunktion des Ventils 8 besteht jedoch in der unterbruchlosen Umschaltung von Netzbetrieb auf Batteriebetrieb, indem der Verbraucherstrom während der Schaltzeit des Kurzschlussschalters 7 über dieses Ventil fliesst.
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Power supply system with a direct current generator and a reserve battery The present invention relates to a power supply system with a direct current generator, which is connected on the one hand to a variable consumer for the purpose of supplying it and on the other hand to a battery serving as a reserve for the direct current generator for charging and buffering the same and is thus regulated that it continuously generates a practically constant voltage at the consumer terminals, regardless of the consumer current.
It is known to feed DC consumers power supply systems with a DC generator, for. B. a mains-fed rectifier to which a reserve battery is connected in parallel, which in the event of failure of the DC generator, so z. B. in the event of a power failure, the supply of the consumer takes over. If the battery is to be permanently operational during normal operation, that is to say practically fully charged, it is known that the voltage on the battery supplied by the DC generator must be at least temporarily greater than the voltage on the consumer.
To achieve this state, methods are known in which the difference between battery voltage and consumer voltage when the DC generator is working is generated by the voltage drop across a resistor device through which the consumer current flows, which is in series with the consumer and is short-circuited if the DC generator fails. The constant consumer voltage is achieved in that the terminal voltage of the direct current generator, which is directly on the battery, is kept constant and the said resistance device generates a practically constant voltage drop of the desired magnitude regardless of the respective consumer current.
In the case of extreme current values, the voltage drop across the resistor device mentioned can deviate too much from the nominal value, so that circuits have already been proposed in which the resistor device can be regulated in stages in order to adapt the difference between battery voltage and load voltage to the respective operating state. Such a regulation, however, means additional expenditure, which complicates and increases the cost of the circuit.
It has also been proposed to generate the aforementioned differential voltage by an additional rectifier. In this case, the terminal voltage of the main rectifier, which is regulated to a constant value, is again applied to the battery on the one hand and to the consumer via the additional rectifier on the other. The constant consumer voltage comes about because the terminal voltage of the additional rectifier is also regulated.
As can be seen, in the above-mentioned known circuits, the terminal voltage of the direct current generator, which is kept constant, is directly on the battery, but only indirectly on the consumer to be fed with constant voltage.
Further circuits are known in which the terminal voltage of the direct current generator, which is kept constant, is now directly on the consumer. With these circuits, an additional rectifier is required in order to generate the voltage, which is higher than the consumer voltage, which is required to supply the battery. The two rectifiers are of course connected in series and their connection point is connected to a tap on the battery. In a circuit of this type, the main rectifier feeds the consumer and, in series connection with an additional rectifier, the battery.
In another circuit of this type, each rectifier feeds the corresponding battery part, and the main rectifier
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judge also still the consumer. Both rectifiers are regulated in all cases. The need for two rectifiers and an additional battery line, which is usually also provided with shut-off valves, represents significant additional work.
To avoid the disadvantages mentioned above, a power supply system has now been proposed in which at least the connection existing between the DC generator and the consumer contains a resistor whose value is such that the sum of the voltage generated by the consumer current at the said resistor and the consumer voltage at least temporarily has a value which is sufficient to maintain the charge of the battery when it is charged, and wherein the voltage prevailing at the consumer also serves as a control voltage for the voltage regulation of the direct current generator.
The last-mentioned solution, however, has the following disadvantage: a loss occurs in the resistance mentioned, which is of course not desired and should therefore be as small as possible. This loss is all the greater, the more the DC generator is loaded by the consumer. This fact is of particular importance with the maximum load of the direct current generator. In addition, the direct current generator is also loaded by the battery charging current, which is greater, the greater the consumer current. Furthermore, with a direct current generator dimensioned only for the maximum consumer current, it is not possible to fully charge the battery.
The purpose of the invention is to avoid these disadvantages as far as possible.
The power supply system according to the invention, in which the voltage prevailing at the consumer is used as the control voltage for the voltage regulation of the direct current generator, is characterized in that the connection existing between the direct current generator and the consumer contains a resistance element, the voltage characteristic of which has a range in which the voltage increases as the current increases decreases, and which is dimensioned so that the sum of the voltage generated by the consumer current at the said element and the consumer voltage at least temporarily has such a value that a voltage is applied to the battery that is sufficient to charge and maintain the charge of the battery.
An example of a resistance element of the type mentioned is the thermistor.
It can be seen that when using such a resistor element, the voltage on the battery is greatest when the consumer current is low. The battery thus primarily only takes up a significant charging current when the direct current generator is lightly loaded by the consumer. The loss in the thermistor is smaller than in the resistor. Thus, with a power supply system according to the invention, with the same consumer power and the same battery capacity, the same degree of operational readiness can be achieved with a weaker dimensioned DC generator than with systems previously proposed.
In addition, it is now possible to charge the battery from the DC generator without having to accept the risk of overloading the DC generator, since the battery is automatically charged at its highest when the DC generator is only lightly loaded by the consumer is. On the other hand, through appropriate dimensioning of the mentioned resistance element, the battery can be used to cover peaks in the consumer current.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
FIG. 1 of the drawing shows a diagram of this exemplary embodiment and FIG. 2 shows a diagram for explaining the mode of operation of the circuit according to FIG. 1.
The power supply system shown in FIG. 1 has a direct current generator 1 which is fed from an alternating current source 2. It can be a mains-fed rectifier. The direct current generator 1 is connected via a resistance element 3 to the consumer 4 to be fed, which consists for example of a telephone switchboard. The resistance element 3 consists of a thermistor, that is, the voltage drop generated by the through current in the element at the terminals of the element decreases with increasing current.
The system according to FIG. 1 also has a battery 5 which serves as a power supply reserve if the DC generator 1 fails. The direct current generator 1 is connected to the battery 5 via a resistor 6. The thermistor 3 and the resistor 6 are seen from the battery 5 under each other and with the consumer 4 in series and are both automatically bridged together by the switch 7 if the DC generator 1 fails, so that in this case the battery 5 directly with the Consumer 4 is connected. The resistor 6 is bridged by a rectifier valve 8, which is polarized in such a way that it is permeable to the current flowing from the battery 5 to the consumer 4.
Finally, the direct current generator 1 has a voltage regulator 9, which is controlled by the voltage present at the terminals of the consumer 4, as can be seen from FIG. The voltage emitted by the direct current generator is always regulated in such a way that, with variable load and taking into account the voltage drop at the thermistor 3, the partial voltage applied to the consumer remains practically constant.
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The mode of operation of the system according to FIG. 1 is explained in more detail below with reference to FIG.
In FIG. 2, curve 10 shows the course of the consumer current J over time, specifically the course of the consumer current of a telephone exchange over a period of 24 hours has been assumed as an example. The curve 11 now represents the voltage U (supplied by the direct current generator 1) at the battery 5 of the circuit according to FIG. 1. It can be seen that, because of the thermistor 3, the voltage U decreases when the consumer current J increases.
One only has to ensure by suitable dimensioning of the thermistor 3 in FIG. 1 that the voltage has the desired value required for charging and charge retention at least during the low-operating hours (in the example from about 10 p.m. to 8 a.m.). On the other hand, the thermistor 3 is to be dimensioned in such a way that the battery does not take up any charging current during the main load time and expediently also so that the battery delivers current to the load at the peak of the load, i.e. is used to cover the load peaks.
The periodic or occasional loading and the corresponding recharging of the battery is, according to more recent findings, significantly more beneficial for maintaining the battery capacity and preventing hardening of the battery plates than maintaining a permanently charged state of the battery.
In the circuit according to FIG. 1, the function of elements 6 and 8 should also be mentioned. The resistor 6 serves as a limiter for the charging current of the battery, so that when the battery is completely discharged, the initial charging current cannot be greater than the maximum rated current of the direct current generator if the direct current generator does not have a current limiter itself. This ensures that the voltage at the consumer can be quickly readjusted to the setpoint even when the battery is largely discharged. The rectifier valve 8 serves to bypass the resistor 6 when the battery 5 is used to supply power to the consumer 4 without the DC generator failing.
The main function of the valve 8, however, is to switch from mains operation to battery operation without interruption, in that the consumer current flows through this valve during the switching time of the short-circuit switch 7.