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Anordnung zum Konstanthalten einer Verbrauchergleichspannung Für die
Gleichstromversorgung elektrischer Anlagen, die über Gleichrichter aus Wechselstromnetzen
gespeist werden, verwendet man Akkumulatorenbatterien, um bei Netzausfall den Betrieb
über längere Zeit weiter aufrechterhalten zu können. In modernen Anlagen wird dabei
so verfahren, daß das Gleichrichtergerät der Sammlerbatterie parallel geschaltet
ist und die Verbraucher aus dieser Parallelschaltung derart versorgt werden, daß
im Normalbetrieb die jeweilige Verbrauchleistung durch das Gleichrichtergerät aufgebracht
wird und die Batterie in geladenem Zustand in Bereitschaft steht und nur den nötigen
Ladungserhaltungsstrom dem Gleichrichter entnimmt.
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Nachteilig ist an dieser Anordnung, daß die für den Verbraucher zur
Verfügung stehende Spannung, abhängig vom Ladezustand der Batterie, in verhältnismäßig
weiten Grenzen schwankt. An einer in Ladungserhaltung befindlichen Bleizelle liegt
z. B. bei geladener Batterie eine Spannung von 2,2 ... 2,4 V. Bei Netzausfall,
wenn die Batterie die Verbraucher allein versorgen muß, sinkt die Zellenspannung
schnell auf 2,0 V ab. Betrachtet man 2,0 V als die Nennspannung, so betragen die
unvermeidlichen Spannungsschwankungen demnach 20°/o.
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' Bei spannungsempfindlichen Verbrauchern, wie z. B. Selbstanschlußämtern,
Verstärkerämtern, überwachungs-, Meß- und Schutzeinrichtungen in Kraftwerken und
ähnlichem, gefährden jedoch derartige Spannungsschwankungen den störungsfreien Betrieb,
und es mußte daher eine Herabsetzung der auftretenden Spannungsschwankungen gefordert
werden. Man hat nun bisher die Spannungsregelung auf verschiedene Weise versucht.
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So ist es bekannt, Gleichspannungen dadurch zu regeln, daß man zwischen
Stromquelle und Verbraucher veränderliche Widerstände schaltet. Die Höhe der geregelten,
am Verbraucher liegenden Spannung wird dabei durch die Spannung der Stromquelle
und durch den vom Verbraucherstrom im Regulierwiderstand erzeugten Spannungsabfall
bestimmt. Zur Regelung muß der Widerstandswert des Regulierwiderstandes verändert
werden, beispielsweise indem der Abgriff von Dreh- oder Schiebewiderständen verstellt
wird oder indem Teilwiderstände von Widerstandsketten durch Schalter, Relais oder
sonstige Schaltmittel kurzgeschlossen werden. Alle diese Regelungssysteme haben
den Nachteil, daß sie mechanisch bewegte Teile und Kontakte enthalten, die der Wartung
bedürfen und störungsanfällig sind; außerdem geht die Regelung in mehr oder weniger
großen Stufen vor sich, so daß unerwünschte Spannungssprünge entstehen.
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Es sind ferner Einrichtungen zur selbsttätigen, kontinuierlichen Regelung
von Gleichspannungen bekannt, die ohne Kontakte und ohne bewegte Teile arbeiten.
So ist es an sich bekannt, in der Zuleitung von der Gleichspannungsquelle zum Verbraucher
elektrische Ventile, insbesondere Halbleitergleichrichter, in Gegentakt- oder Brückenschaltung
anzuordnen und an der Wechselstromseite der Ventilschaltung eine regelbare Wechselspannung
einzuspeisen, um in den Gleichstromkreis eine zusätzliche Gleichspannung in Serie
zur Quellenspannung bzw. zur Verbraucherspannung zu legen. Dabei ist insbesondere
auch bekannt, die eingespeiste Wechselspannung mittels Transduktoren in Abhängigkeit
von der gewünschten Ausgangsspannung zu regeln.
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Diese Anordnung gestattet jedoch nur eine Aufwärtsregelung und ist
daher insbesondere bei der oben geschilderten Versorgung aus in Pufferschaltung
betriebenen Batterien nicht anwendbar. Demgegenüber wird durch die Erfindung eine
Anordnung zum Konstanthalten einer Verbrauchergleichspannung geschaffen, bei welcher
die zwischen einem Maximal-und einem Minimalwert schwankende Spannung einer Gleichspannungsquelle
auf den Sollwert herabgeregelt wird.
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Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung eine derartige Anordnung
zum Konstanthalten einer Verbrauchergleichspannung mit in der Zuleitung von der
Gleichspannungsquelle zum Verbraucher in Brückenschaltung angeordneten elektrischen
Ventilen und einer die Ventilschaltung wechselspannungsseitig beeinflussenden
Regelanordnung
in der Weise ausgebildet, daß der ohmsche Widerstand der Ventilanordnung (in Durchlaßrichtung)
zur Vernichtung des Spannungsüberschusses ausgenutzt wird und daß die zwischen einem
Maximal- und einem Minimalwert schwankende Spannung der Gleichspannungsquelle durch
Regelung des Spannungsabfalles der Ventilanordnung auf den Sollwert herabgeregelt
wird.
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Die Wirkungsweise des Reglers sei an Hand der Abbildung erläutert:
1 ist ein spannungsgeregelter Bereitschaftslader, 2 eine Akkubatterie. In die Zuleitung
von der Batterie zum Verbraucher ist nun ein Gleichrichter 3 in Gegentakt- oder
Brückenschaltung gelegt, der so dimensioniert ist, daß ein innerer Spannungsabfall
in Durchlaßrichtung mindestens gleich der Differenz zwischen der höchstmöglichen
Batteriespannung und der Verbrauchernennspannung ist.
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Auf seiner Wechselstromseite wird dieser Gleichrichter nun beispielsweise
über einen Transduktor 4 gespeist. der seinerseits aus der Differenz zwischen dem
Sollwertstrom aus dem Stromnormal 5 und dem verbraucherspannungsproportionalen Istwertstrom
über den Widerstand 6 gesteuert wird. wobei der Istwertstrom schließend und der
Sollwertstrom öffnend auf den Transduktor wirkt.
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Angenommen, es handle sich um eine 60-V-Fernsprechbatterie, die mit
2,2 V pro Zelle in Bereitschaftsbetrieb steht. Nach einem Netzausfall kann das Ladegerät
zur Erreichung möglichst schneller Wiederaufladung auf eine Zellenspannung von 2,4
V eingestellt werden. Der Gleichrichter 3 ist so dimensioniert, daß an ihm 12 V
abfallen. Während des Ladens mit 2,4 V pro Zelle liegen somit am Verbraucher 60
V. Nach Beendigung der Ladung wird nun das Ladegerät auf Bereitschaftsbetrieb umgeschaltet
und versorgt die Batterie mit einer Spannung von 2,2 V pro Zelle. Damit sinkt die
Verbraucherspannung unter den Sollwert ab, und mit ihr proportional der Istwertstrom.
Es überwiegt nunmehr Gier den Transduktor öffnende Sollwertstrom, und es wird aus
dem Transduktor dem Gleichrichter 3 eine so hohe Wechselspannung zugeführt, daß
die Ausgangsspannung des Reglers wieder ihren Sollwert erreicht.
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Der Spannungsabfall im Gleichrichter 3 ist je nach Art der verwendeten
Ventile mehr oder weniger von der Größe des den Gleichrichter durchfließenden Stromes
abhängig. Wird z. B. durch den Verbraucher nun plötzlich ein erhöhter Strom der
Batterie entnommen, so erhöht sich damit der Spannungsabfall am Gleichrichter 3,
und die Verbraucherspannung sinkt unter ihren Sollwert. Auch hier sinkt der Istwertstrom
proportional mit der Verbraucherspannung ab, der öffnende Sollwertstrom überwiegt,
und durch Erhöhung der dem Gleichrichter 3 aus dem Transduktor 4 zugeführten Wechselspannung
wird die Verbraucherspannung wiederum auf ihren Sollwert angehoben.
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Bei Absinken des Verbraucherstromes verkleinert sich der Spannungsabfall
am Gleichrichter 3, die Verbraucherspannung steigt über ihren Nennwert an, der Istwertstrom
überwiegt den Sollwertstrom und wirkt so lange schließend auf den Transduktor, bis
die Ausgangsspannung wiederum erreicht ist.
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Erfolgt ein Netzausfall, so wird durch diesen das Relais 7 spannungslos
und schließt durch den Kontakt 8 den Gleichrichter 3 kurz. Da die Batterie in ganz
kurzer Zeit auf eine Zellenspannung von 2 V absinkt, werden die Verbraucher nun
direkt aus der Batterie mit der Nennspannung von 60 V versorgt, und erst bei völlig
entladener Batterie beginnt die Spannung auf 1,9 V abzusinken.
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Bei Netzwiederkehr zieht sofort das Relais 7 an und setzt durch Öffnen
des Kontaktes 8 den Regler wieder in Betrieb.
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Die Ausführung des Reglers ist nun nicht auf die hier dargestellte
Form beschränkt. Es können an Stelle der im Beispiel gezeigten Trockengleichrichter3
auch Ventile irgendeiner anderen Art (Glühkathodenrohre, Elektronenröhren usw.)
Verwendung finden. Die Regelung der in den Gleichrichter einzuspeisenden Wechselspannung
kann an Stelle des im Beispiel erwähnten Transduktors auch durch Stelltransformatoren
oder sonstige veränderliche Spannungsquellen bewirkt werden.
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Auch ist die Verwendung des Reglers nicht nur bei Fernsprechbatterien
möglich, sondern kann z. B. auch auf Fahrzeugen Anwendung finden, wo während der
Fahrt, wie z. B. bei Eisenbahnwagen, durch einen mit der Achse gekoppelten Generator
die Beleuchtungsbatterien aufgeladen werden und zwischen dem Stillstand des Generators
und seiner höchsten Drehzahl große Schwankungen der Ladespannung auftreten, die
sich auf die Fahrzeugbeleuchtung außerordentlich unangenehm auswirken.
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Die Erfindung ist im übrigen in allen Fällen anwendbar, wo die Spannung
einer beliebigen Gleichspannungsquelle auf einen konstanten oder in gewünschter
Weise zu steuernden Sollwert herabgeregelt werden soll. Sofern eine fremde Hilfswechselspannung
nicht verfügbar ist, kann die benötigte Wechselspannung gegebenenfalls durch Umformung
aus der Gleichspannungsquelle abgeleitet werden.