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Regeleinrichtung für Gleichrichter, die eine Sammelschiene speisen,
deren Spannung durch die Rückwirkung der Stromverbraucher zeitweilig überhöht werden
kann Beim Betrieb von Gleichstrommotoren, die durch Gleichrichter mit einer selbsttätig
auf einen konstanten Wert geregelten Gleichspannung betrieben werden, macht sich
häufig die Eigenschaft der Gleichrichter nachteilig bemerkbar, nur in einer Richtung
Strom führen zu können. Steigt z. B. bei einer plötzlichen Entlastung der Motoren
deren Spannung über den konstant zu haltenden Sollwert an, so ist der Spannungsregler
bestrebt, diese Spannung, die auch gleichzeitig am Gleichrichter liegt und im folgenden
als Sammelschienenspannung bezeichnet werden soll, wieder auf den normalen Wert
herabzusetzen, indem er bei üblicher Weise gittergesteuerten Gleichrichtern deren
Steuerimpulse zeitlich nach rückwärts verschiebt. Diese Maßnahme bleibt aber zunächst
ohne Einfluß auf die Sammelschienenspannung, da diese ja allein durch die Motoren
bestimmt ist und erst mit deren Drehzahl langsam abfällt. Der Spannungsregler verschiebt
daher die Steuerimpulse bis an die untere Grenze des Regelbereiches, gegebenenfalls
also bis in eine Aussteuerung im äußersten Wechselrichterbereich. Erst wenn nach
entsprechendem Abfall der Motordrehzahl die Sammelschienenspannung den Sollwert
unterschreitet, beginnt der Regler die Impulse wieder im Sinne einer Spannungserhöhung
zu verschieben.
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Wegen der notwendigen Dämpfung dauert es jedoch einige Zeit, bis die
Aussteuerung des Gleichrichters wieder einen Wert erreicht hat, der dem Sollwert
der Sammelschienenspannung entspricht. Inzwischen ist die Drehzahl der Motoren weiter
abgefallen und dadurch die Sammelschienenspannung unter ihren Sollwert gesunken.
In dem Augenblick, in dem die absinkende Sammelschienenspannung und die steigende
Gleichrichterspannung einander gleich werden, erhalten die Motoren einen unter Umständen
recht heftigen Stromstoß. Sie können dadurch so stark beschleunigt werden, daß die
Sammelschienenspannung wieder über den Sollwert ansteigt, so daß das Spiel von neuem
beginnt.
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Besonders nachteilig wird diese Erscheinung, wenn die angeschlossenen
Motoren mit einer Drehzahlregelung ausgerüstet sind, die auf die Felderregung der
Motoren einwirkt. Durch solche Regelung wird bei steigender Drehzahl der Motoren
das Feld verstärkt und damit die Sammelschienenspannung in noch stärkerem Maße erhöht,
und umgekehrt. Die erwähnte Erscheinung kann dadurch zu einem ständigen Pendeln
der Regler führen.
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Es ist bereits bekannt, zur Bekämpfung dieser Erscheinung die Regelungs-
bzw. Aussteuerungsmöglichkeit des Gleichrichters auf einen engen Bereich zu begrenzen,
so daß nur Änderungen der Gleichrichterspannung in der Nähe des Sollwertes der Sammelschienenspannung
möglich sind. Dadurch wird erreicht, daß in den beschriebenen Fällen die Gleichrichterspannung
sehr schnell wieder den Sollwert der Sammelschienenspännung erreicht, so daß die
erwähnten Pendelungen vermieden werden. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß
die Einstellung des Sollwertes der Sammelschienenspannung nicht in einfacher Weise
in einen größeren Bereich geändert werden kann, was z. B. erforderlich ist beim
Anlassen der Motoren.
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Es ist weiter bekannt, nicht die Sammelschienen-Spannung, sondern
die Spannung eines leer laufenden oder konstant belasteten Hilfsgleichrichters (Phantomgleichrichter)
als Regelgröße zu verwenden, der stets in gleichem Maße ausgesteuert ist wie der
Hauptgleichrichter. Bei einer solchen Anordnung kann zwar die erwähnte Erscheinung,
die man als »Freilaufeffekt« bezeichnen kann, nicht auftreten, es besteht aber der
Nachteil, daß nur Schwankungen der Netzspannung ausgeregelt werden, während Änderungen
der Sammelschienenspannung, die durch Belastungsänderungen bedingt sind, unberücksichtigt
bleiben.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, mittels entsprechender Schaltvorrichtungen
die Spannung eines solchen Hilfsgleichrichters nur dann und so lange als Istwert
für die Spannungsregelung zur Wirksamkeit zu bringen, wie die Sammelschienenspannung
um einen bestimmten Betrag über ihren Sollwert
liegt, und dabei
die Spannung so zu regeln, daß sie wenig unter dem Sollwert der Sammelschienenspannung
liegt.
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Durch eine solche Anordnung können die in Rede stehenden Pendelerscheinungen
gut vermieden werden, unter der Voraussetzung, daß diejenige Spannung, bei der die
Hilfsgleichrichterspannung als Regelungsistwert zur Wirkung kommt, nur sehr wenig
über dem Sollwert der Sammelschienenspannung liegt. Die Einhaltung dieser Bedingung
bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, da die erforderlichen Meßorgane durch
Temperaturänderungen, Alterungserscheinungen und andere Einwirkungen beeinflußt
werden können. Es kommt daher leicht vor, daß die Spannungsregelung in Abhängigkeit
von der Hilfsgleichrichterspannung nicht oder nicht nur bei den vorgesehenen Betriebszuständen
durchgeführt wird. Weitere Schwierigkeiten entstehen bei dieser Regelung, wenn zur
Speisung der Sammelschiene mehrere Gleichrichter in Parallelschaltung dienen, da
dann eine gleichmäßige Verteilung des Belastungsstromes auf diese Gleichrichter
nicht sichergestellt ist.
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Die Erfindung sieht bei einer Regeleinrichtung für einen eine Sammelschiene
speisenden Gleichrichter, bei welcher der Unterschied zwischen der als Istwert dienenden
Sammelschienenspannung und einer vorgegebenen Sollwertspannung der Eingangsseite
einer Verstärkereinrichtung zugeleitet werden, deren Ausgangsspannung auf die Aussteuerung
des Gleichrichters einwirkt, zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ein anderes Regelprinzip
vor. Nach der Erfindung ist die Verstärkereinrichtung so eingerichtet, daß sie nur
bei Überwiegen der Sollwertspannung gegenüber der Istwertspannung eine durch Verstärkung
der Regelabweichung gebildete Ausgangsspannung liefert, die unabhängig von der Größe
des Überschusses der Istwertspannung ist oder zu Null wird, wenn dieser Überschuß
einen vorbestimmten, vorzugsweise einstellbaren Betrag überschreitet, und daß die
Ausgangsspannung der Verstärkereinrichtung als Sollwert einer Stromregelung für
den Gleichrichter dient, so daß sich bei Erhöhung der Sammelschienenspannung durch
Rückwirkung angeschlossener Stromverbraucher eine Gleichrichterspannung einstellt,
bei welcher der Gleichrichter einen sehr kleinen Strom an den oder die Verbraucher
liefert.
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Die Verstärkereinrichtung nach der Erfindung kann so eingerichtet
sein, daß beim Überwiegen der Sammelschienenspannung über ihren Sollwert die Ausgangsspannung
der Verstärkereinrichtung verschwindet, wenn die Sammelschienenspannung ihren Sollwert
um einen vorbestimmten, vorzugsweise wählbaren Höchstwert überschreitet.
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Dadurch wird vermieden, daß bei vollständiger Abschaltung aller Stromverbraucher
die Sammelschienenspannung allzu hoch ansteigt.
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Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Anordnung so zu treffen, daß
die kleine Ausgangsspannung der Verstärkereinrichtung auch bei einem beliebig großen
Überschuß der Sammelschienenspannung über den Sollwert bestehen bleibt.
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Zunächst soll das Prinzip der Regelanordnung an Hand der Fig. 1 und
2 näher erläutert werden, in denen die zuletzt genannte Variante der Verstärkereinrichtung
vorausgesetzt ist.
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In den Darstellungen bedeutet 1 eine Sammelschiene, die über einen
Gleichrichter 2 nebst Transformator 3 gespeist wird. Bei 4 sind ein oder mehrere
Stromverbraucher, beispielsweise Gleichstrommotoren mit Drehzahlregelung, angeschlossen.
An einem Widerstand S liegt die Spannung der Sammelschiene oder ein Teil derselben.
Der Spannung an diesem Widerstand entgegengeschaltet ist die Spannung an einem Widerstand
6, die als Sollwert der Sammelschienenspannung dient. Der Unterschied beider Spannungen
bildet die Eingangsspannung einer Verstärkereinrichtung 7. Diese Verstärkereinrichtung,
der ein Belastungswiderstand 8 zugeordnet sein kann, liefert eine Ausgangsspannung
U2, die in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U1 etwa nach der Kennlinie der
Fig. 2 verläuft.
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Mit 9 ist ein im Gleichstromkreis liegender Gleichstromwandler bezeichnet,
an dessen Belastungswiderstand 10 eine vom Gleichrichterstrom abhängige Spannung
entsteht. In der Anordnung ist ferner ein Regler 11 vorgesehen, der über einen Steuerimpulserzeuger
12 die Spannnung des Gleichrichters in. Abhängigkeit von der Spannung am Widerstand
10 als Istwert und der Spannung am Widerstand 8 als Sollwert regelt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ergibt sich wie folgt: Ist der Gleichrichter
bzw. die Sammelschiene durch die angeschlossenen Motoren belastet, so stellt sich
am Regler 11 dann ein Gleichgewicht zwischen Soll-und Istwert ein, wenn die Ausgangsspannung
der Verstärkereinrichtung 7 dem durch die Belastung gegebenen Strom entspricht,
d. h. wenn die Eingangsspannung der Verstärkereinrichtung, nämlich die Differenz
zwischen Soll- und Istwert der Sammelschienenspannung, einen entsprechenden Wert
hat. Da der Istwert der Stromregelung im wesentlichen durch die jeweilige Belastung
bestimmt ist, so ergibt sich in bezug auf diese Regelung die eigenartige Arbeitsweise,
daß der Sollwert vom Istwert vorgeschrieben wird und daß die Spannung, die diesen
Stromsollwert als Abweichung von ihrem eigenen Sollwert bestimmt, dementsprechend
eingeregelt wird.
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Bei normalen Belastungsströmen liegt die entsprechende Ausgangsspannung
der Verstärkereinrichtung 7 auf der Strecke b - c der Fig. 2. Dementsprechend stellt
sich unter dem Einfluß der Regelung eine Sammelschienenspannung ein, die um einen
um so kleineren Betrag unter ihrem Sollwert liegt, je mehr sich der Stromsollwert
bzw. die Ausgangsspannung der Verstärkereinrichtung dem Punkt b nähert, und die
um so mehr unterhalb der Sammelschienenspannung liegt, je mehr sich dieser Arbeitspunkt
dem Punkt c nähert.
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Aus dem Zusammenwirken von Strom- und Spannungsregelung ergibt sich
also in dem betrachteten Arbeitsbereich eine proportionale Regelung der Sammelschienenspannung.
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Durch entsprechende Wahl des Verstärkungsfaktors der Verstärkereinrichtung
7 kann dabei eine zweckmäßige Proportionalität, beispielsweise von einigen Prozenten,
erzielt werden.
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Wird nun der an die Sammelschiene angeschlossene Gleichstrommotor
plötzlich entlastet und steigt dabei seine Spannung z. B. unter der Einwirkung seiner
Drehzahlregelung über den Sollwert der Sammelschienenspannung an, so wird trotzdem
dem Stromregler 11 noch ein dem Abstand der Strecke a-b von der Abzissenachse (Fig.
2) entsprechender, sehr kleiner Sollwert vorgegeben. Der Regler 11 sucht also einen
entsprechend kleinen Belastungsstrom
einzuregeln und erhöht dazu
die Spannung des Gleichrichters ebenfalls über den Sollwert der Sammelschienenspannung,
und zwar so weit, daß der Motor diesen kleinen Strom aufnimmt, wobei nur die höchste
erreichbare Spannung des Gleichrichters eine Grenze setzt.
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Da dieser Strom wie gesagt sehr klein, d. h. wesentlich kleiner ist
als der Leerlaufstrom des Motors, so fällt die Drehzahl des Motors und damit seine
Spannung trotzdem ab. Entsprechend verringert sich auch die Gleichrichter- bzw.
Sammelschienenspannung, bis diese wieder ihren Sollwert erreicht.
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Damit findet aber ein Übergang auf den Abschnitt b-c der Regelkennlinie
nach Fig.2 statt. In diesem Bereich stellt die Regeleinrichtung wieder eine Aussteuerung
des Gleichrichters her, bei welcher dem Motor ein dieser Spannung und dem Betriebszustand
des Motors entsprechender Strom geliefert wird. Der Übergang in diesem Abschnitt
der Regelung erfolgt dabei vollkommen stoßfrei. Ein solcher stoßfreier Übergang
in eine dem Belastungsstrom entsprechende Regelung ergibt sich auch dann, wenn bei
starker Überhöhung der Sammelschienenspannung über ihren Sollwert die Ausgangsspannung
der Verstärkereinrichtung zu Null wird. Eine etwas andere Wirkungsweise entsteht
dabei nur dadurch, daß die Gleichrichterspannung nicht wesentlich über den Sollwert
der Sammelschienenspannung ansteigt, sondern gewissermaßen in einer Auffangstellung
stehenbleibt, die entweder gleich dem Sollwert der Sammelschienenspannung ist oder
etwas darüber liegt.
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In jedem Fall werden die eingangs erwähnten, durch eine Spannungsüberhöhung
an der Sammelschiene bedingten Schwierigkeiten vollständig vermieden.
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Die Ausgangsspannung eines Verstärkers kann in. Abhängigkeit von einer
Zunahme der Eingangsspannung nur bis zu einem bestimmten Höchstwert ansteigen, der
auch bei einer noch so großen Zunahme der Eingangsspannung nicht überschritten wird.
In der Fig. 2 ist dies der gestrichelt gezeichnete Bereich c-d der Kennlinie der
Verstärkeranordnung.
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Wählt man nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung den Höchstwert
der Ausgangsspannung der Verstärkereinrichtung 7 so, daß er für den Regler 11 einer
Sollwertvorgabe entspricht, bei der dieser Regler den Nennstrom bzw. den höchstzulässigen
Belastungsstrom des Gleichrichters einregelt, so wirkt die Regelanordnung gleichzeitig
als Strombegrenzung und macht dadurch besondere, der Strombegrenzung dienende Vorrichtungen
bekannter Art überflüssig.
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Die beschriebene Arbeitsweise der Verstärkereinrichtung 7 kann in
mannigfacher Weise erzielt werden. Beispielsweise kann in den Ausgangskreis eine
konstante Gleichspannungsquelle der erforderlichen Größe eingeschaltet werden. Bei
einem mehrstufigen Verstärker kann die Gleichspannung auch in einer Zwischenstufe
zur Wirkung gebracht werden. Sie kann auch als Spannungsabfall an einem Widerstand
gewonnen werden, dessen Strom durch eine Elektronenröhre gesteuert wird. Dabei kann
die Gitterspannung der Röhre von der Sollwert-Istwert-Differenz der Sammelschienenspannung
so abhängig gemacht werden, daß die Röhre gesperrt wird und dadurch die Ausgangsspannung
zu Null wird, wenn die Sammelschienenspannung ihren Sollwert um einen vorbestimmten,
größeren oder kleineren Betrag übersteigt. Andere Verstärkereinrichtungen ähnlicher
Art sind möglich, wobei jede Art von Verstärkern verwendbar ist. 'besonderem beschriebene
Regelanordnung kann mit besonderem Vorteil dann angewendet werden, wenn. mehrere
Gleichrichter in Parallelschaltung eine Sammelschiene speisen. In. diesem Falle
wird erfindungsgemäß jeder Stromrichter -mit einer Stromregelung entsprechend den
Positionen 9, 10, 11 und 12 der Fig. 1 ausgerüstet. Allen diesen Regelungen
wird dabei die Ausgangsspannung der gemeinsamen Verstärkeranordnung 7 als Sollwert
zugeleitet, wie in Fig. 1 bei 13 angedeutet ist. Die Stromregler stellen
dadurch unabhängig voneinander, d. h. jeder für sich, einen diesem Sollwert entsprechenden
Strom ein. Damit ist eine gleichmäßige Verteilung des Belastungsstromes auf alle
Gleichrichter bei allen Betriebszuständen sichergestellt, ohne daß dabei die sonst
erforderlichen Vorrichtungen bekannter Art zur Erzielung einer solchen Belastungsverteilung
benötigt werden.
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Damit die beschriebene Regelanordnung bei Überhöhung der Sammelschienenspannung
in der vorgeschriebenen Weise arbeiten kann, muß - wie gesagt - der sich dabei einstellende
Gleichrichterstrom sehr klein sein. Bei Parallelbetrieb mehrerer Gleichrichter und
bei mehreren an die Sammelschiene angeschlossenen Motoren muß gegebenenfalls die
Summe der sich bei Spannungsüberhöhung einstellenden Ströme aller Gleichrichter
wesentlich kleiner sein als der Leerlaufstrom eines Motors. Dies bedingt, daß die
Regelanordnung auch im Bereich solcher sehr kleinen Ströme sehr genau arbeiten muß,
d. h. daß die unvermeidlichen Fehler der einzelnen Elemente nicht nur prozentual,
sondern auch absolut sehr klein sein müssen. Die an sich schwierige Erfüllung dieser
Bedingung kann wesentlich erleichtert werden, wenn nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung der Istwert der Stromregelung als Spannungsabfall am Belastungswiderstand
einer Gleichstromwandleranordnung gewonnen wird, die bei Änderungen des Gleichstromes
im Bereich kleiner Ströme eine wesentlich größere Änderung des Spannungsabfalles
am Belastungswiderstand liefert als im Bereich größerer Ströme. Ein Beispiel für
die Kennlinie einer solchen Gleichstromwandleranordnung zeigt die Fig. 3, in der
der Primärstrom 11 als Abszisse und der Sekundärstrom bzw. eine diesem proportionale,
am Belastungswiderstand abgegriffene Spannung E2 als Ordinate dargestellt ist.
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Dabei ist es aber nicht erforderlich, daß die Kenn knie vom steil
ansteigenden, in den flacher verlaufenden Teil durch einen Knick übergeht. Der Übergang
kann ebensogut auch allmählich erfolgen.
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Eine Kennlinie der dargestellten Art kann beispielsweise in der Weise
verwirklicht werden, daß die Gleichstromwandleranordnung zwei ruhende Gleich-Stromwandler
an sich bekannter Art, bestehend aus je zwei mit dem Gleichstromkreis verketteten
Magnetkernen mit in Reihe mit einem Belastungswiderstand und gegensinnig miteinander
in Reihe geschalteten, durch eine Wechselstromquelle gespeisten Wechselstromwicklungen,
enthält, von denen der eine durch entsprechende Bemessung der Magnetkerne, der Sekundärwicklungen
des Belastungswiderstandes und der speisenden Wechselstromquelle in Abhängigkeit
vcm primären Gleichstrom am Belastungswiderstand eine wesentlich steiler ansteigende
und wesentlich
früher ihren Höchstwert erreichende Spannung liefert
als der andere, und daß die Spannungen an den beiden Belastungswiderständen gleichgerichtet
und in Reihe geschaltet sind.
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Die Fig.4 zeigt beispielsweise eine Gleichstromwandleranordnung dieser
Art. Die Sekundärwicklungen 21, 22 bzw. 23, 24 je zweier beispielsweise
auf die als Primärwicklung dienende Stromschiene 20 aufgeschobene Magnetkerne sind
in Reihe mit je einem BeIastungswiderstand 25 bzw. 26 und miteinander gegensinnig
in Reihe geschaltet. Sie liegen an je einer Wechselspannungsquelle 27 bzw. 28. Bei
diesen an sich bekannten Gleichstromwandlem-ist der durch die Widerstände 25 bzw.
26 fließende Wechselstrom innerhalb gewisser Grenzen dem in der Stromschiene 20
fließenden Gleichstrom proportional. Im Bereich sehr kleiner Ströme ergeben sich
dadurch Abweichungen von der Proportionalität, daß auch beim Gleichstromwert Null
die Wicklungen der Magnetkerne einen kleinen Strom, nämlich den Magnetisierungsstrom,
aufnehmen. Nach obenhin ist die Proportionalität dadurch begrenzt, daß der sekundäre
Wechselstrom einen durch die Spannung der speisenden Stromquelle und den Ohmwert
des Belastungswiderstandes bestimmten Betrag nicht übersteigen kann. Durch diese
Begrenzung des Sekundärstromes ist eine Überlastung der Wicklungen auch durch sehr
große primäre Gleichströme nicht möglich.
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Durch entsprechende Einstellung der speisenden Wechselspannung und
durch dieWahl des Belastungswiderstandes kann die obere Grenze des Wechselstromes
bei jedem Wandler beliebig festgelegt werden.
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Durch die Windungszahl der Wicklungen und die Größe der Magnetkerne
wird das übersetzungsverhältnis der Wandler bestimmt. Durch geeignete Wahl dieser
technischen Daten läßt sich erreichen, daß der Sekundärstrom des einen Gleichstromwandlers
bereits bei einem Bruchteil des primären Nenngleichstromes, beispielsweise bei 3
oder 5 % desselben, seinen Höchstwert erreicht. Wird der eine Gleichstromwandler
in dieser Weise bemessen, während der andere einen Sekundärstrom liefert, der bis
zu dem höchsten betriebsmäßig vorkommenden Gleichstrom diesem proportional ist,
und werden die an den Belastungswiderständen 25 bzw. 26 oder Teilen davon abgegriffenen
Spannungen in Gleichrichteranordnungen 29 und 30 gleichgerichtet und in Reihe geschaltet,
so ergibt sich bei 31 eine Ausgangsspannung, die etwa der Kennlinie der Fig.
3 entspricht.
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Am Ausgang der Gleichstromwandleranordnung kann ein gestrichelt gezeichneter
Belastungswiderstand 32 liegen.
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Wenn die Regelanordnung nach der Erfindung auch in erster Linie für
Gleichrichter bestimmt ist, die über eine Sammelschiene einen oder mehrere Gleichstrommotoren
speisen, so läßt sie sich doch auch auf anderen Gebieten mit Vorteil anwenden.
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Ein solches Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Regelung eines
Gleichrichters bei der Ladung einer Akkumulatorenbatterie. Eine solche Ladung findet
bekanntlich üblicherweise in drei Stufen statt. Dabei wird während der ersten Ladestufe
der Ladestrom auf einem vorbestimmten Wert konstant gehalten. Beim Ansteigen der
Batteriespannung auf eine bestimmte Höhe (beispielsweise 2,4 Volt je Zelle bei Bleiakkumulatoren)
sinkt dann während der zweiten Ladestufe der Ladestrom langsam ab, während die Spannung
auf diesem Wert ganz oder nahezu konstant gehalten wird. Schließlich wird nach einem
weiteren Anstieg der Batteriespannung in der dritten Ladestufe ein vorbestimmter
kleiner Nachladestrom konstant gehalten, während die Batteriespannung noch langsam
weiter ansteigt.
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Eine solche Ladung kann in allen drei Stufen mit einer einzigen Regelanordnung
nach der Erfindung durchgeführt werden. Der Sollwert der Gleichrichter-bzw. Sammelschienenspannung
wird dabei gleich der in der zweiten Ladestufe konstant zu haltenden Spannung gewählt.
Wird die entladene Batterie an den Gleichrichter angeschlossen, so liegt ihre Spannung
zunächst unter diesem Sollwert. Die Regelanordnung stellt daher den durch die entsprechend
bemessene Strombegrenzungswirkung bestimmten Ladestrom ein. Hat die Batteriespannung
während der ersten Ladestufe den erwähnten Sollwert erreicht, so geht die Stromregelung
in eine Spannungsregelung der zweiten Stufe über, bei der die Spannung auf diesem
Sollwert stehenbleibt bzw. geringfügig ansteigt.
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Steigt am Ende der zweiten Ladeperiode die Batteriespannung über den
eingestellten Sollwert an, so stellt die Regelanordnung ihrer Eigenart entsprechend
einen kleinen Strom ein, der ohne weiteres so bemessen werden kann, daß er dem vorgeschriebenen
Nachladestrom in der dritten Ladestufe entspricht.