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Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung mit mehreren parallel geschalteten
Verbrauchern, insbesondere für geregelte Gleichrichtergeräte In der Hauptpatentanmeldung
St 12284 VIII b/21 c ist eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung mit mehreren
Verbrauchern, insbesondere für geregelte Gleichrichtergeräte mit mehreren parallel
geschalteten Batterien, beschrieben, bei der das Gerät sowohl abhängig vom Gesamtstrom
als auch abhängig von den einzelnen Verbraucherströmen geregelt wird. Erreicht wird
diese Regelung durch Gleichstromwandler in den einzelnen Verbraucherkreisen, die
über Stromweichen den Regelverstärker steuern. Wenn, in einem Verbraucherkreis der
Strom einen vorgegebenen Wert übersteigt, fließt über die zugeordnete Stromweiche
ein Steuerstrom an den Regelverstärker. Der Regelverstärker steuert dann eine Stehdrossel
in der Weise, daß die Speisespannung des Gleichrichters vermindert wird. Dadurch
geht der Strom entsprechend zurück.
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Mit Geräten dieser Art können z. B. vorteilhaft Akkumulatoren parallel
aufgeladen werden. Die Kapazität und der Ladezustand des einzelnen Akkumulators
spielen dabei keine Rolle, da die einzelnen Ladeströme mit Hilfe der vorgeschlagenen
Schaltungsanordnung begrenzt werden. Wird zunächst nur eine Batterie zum Laden angeschlossen
und eine zweite erst dann, wenn die erste z. B. bereits 2,4 V/Zelle (bei Bleiakkumulatoren)
erreicht hat, dann ist mit der Strombegrenzung für die zweite Batterie auch eine
Spannungsabsenkung an der ersten Batterie verbunden, durch die unter Umständen,
je nach Ladezustand, die erste Batterie zunächst keinen Ladestrom mehr bekommt oder
sogar Strom abgibt, bis ihr Ladezustand der anliegenden Spannung entspricht.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, Verbraucher unterschiedlicher Spannung
mit begrenzten Strömen zu versorgen, ohne daß Ausgleichsströme zwischen den einzelnen
Verbrauchern fließen können:. Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Schaltungsanordnung
zur Strombegrenzung mit mehreren parallel geschalteten Verbrauchern, insbesondere
für geregelte Gleichrichtergeräte mit mehreren parallel geschalteten Batterien,
bei der das Gerät sowohl abhängig vom Gesamtstrom als auch abhängig von den einzelnen
Verbraucherströmen geregelt wird, nach Patentanmeldung St 12284 VIIIb / 21 e, dadurch
erreicht, daß die Verbraucherkreise schaltungstechnisch getrennt sind, die Regelung
aber in einer gemeinsamen Zuleitung erfolgt.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist das Blockschaltbild eines gemäß der Erfindung
aufgebauten Gleichrichtergerätes, das zur Ladung von Akkumulatoren verwendet wird,
dargestellt. Vom Wechsel- oder Drehstromnetz wird über die Stelldrossel 1 und den
Hauptstromwandler 2 der Transformator 3 gespeist. Auf der Sekundärseite besitzt
dieser Transformator mehrere Wicklungen, im dargestellten Beispiel drei, an die
die Gleichrichter 4 a, 4 b, 4 c angeschlossen sind. Als Verbraucher werden von den
Gleichrichtern über die Gleichstromwandler 5 a, 5 b, 5 c die Batterien 6
a, 6 b, 6 c geladen. Die Ströme der einzelnen Verbraucherkreise können durch
die Gleichstromwandler 5a, 5b, 5 c auf den Regelverstärker 7 einwirken.
An Stelle der Gleichstromwandler können auch Wechselstromwandler vor den Gleichrichtern
angewendet werden. Die Sekundärseiten der Stromwandler sind über Wechselstromwandler
8 a, 8 b, 8 c und nicht dargestellte Gleichrichter an die Stromweichen 9
a, 9 b, 9 c angeschlossen. Die Spannungen der einzelnen Verbraucherkreise
können über die Stromweichen 10 a, 10 b, 10 c, die über nicht dargestellte
Gleichrichter auch an die Sekundärseite der Wechselstromwandler 8 a, 8 b, 8 c
angeschlossen
sind, und über die Stromweichen i1 a, 11 b,11 c auf den Regelverstärker einwirken.
Die Stromweichen 9 a, 9 b, 9 c, 11 a, 11 b, 11 c und
die dem Hauptstromwandler 2 zugeordnete Stromweiche 12 liegen im Eingangskreis des
Regelverstärkers 7.
Der Regelverstärker, vorzugsweise ein Magnetverstärker,
steuert die Stehdrossel 1.
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An Hand der Fig. 2 soll die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß
der Erfindung erläutert werden. In dieser Figur ist gestrichelt eine Grenzkennlinie
eingezeichnet, die beim Laden von Akkumulatoren überschritten werden soll. Die mit
positiver Steigung verlaufenden Geraden stellen Batteriekennlinien dar, die den
Zusammenhang zwischen Batteriespannung und Ladestrom zeigen, wobei als Parameter
die hingeladene Strommenge in Prozent der vorher entnommenen dient. Die beiden mit
W1 und W2 bezeichneten Geraden zeigen das Verhalten eines Verbraucherkreises bei
zwei verschiedenen Eingangsspannungen, das sich auf Grund des Gleichrichter-und
Transformatoredspannungsabfalls ergibt.
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Der Strom und die Spannung einer entladenen Batterie, die an ein Ladegerät
angeschlossen wird, stellt sich zunächst gemäß der mit 0% bezeichneten Kennlinie
ein. Wenn eine solche Batterie z. B. an den oberen Einzelstromkreis der Fig. I angeschlossen
wird, dann wird über den Gleichstromwandler 5a, die Stromweiche 9 a und den Regelverstärker
7 die Stelldrossel 1 so eingestellt, daß für diesen Kreis die Kennlinie W1 gilt;
der Schnittpunkt der Oo/o-Batteriekennlinie mit der Wl- Gerätekennlinie ist der
Arbeitspunkt A, dessen Werte der einzuhaltenden Grenzkennlinie entsprechen.
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Im Verlauf der Ladung steigt die Spannung an der Batterie an. Da entsprechend
der Grenzkennlinie die Batterie mit konstantem Strom geladen werden soll, muß die
Regeleinrichtung dafür sorgen, daß der Arbeitspunkt auf der Grenzkennlinie bleibt.
Dies wird dadurch erreicht, daß über den Stromwandler 5a, die Stromweiche
9 a und den Regelverstärker 7 die Stelldrossel 1 so, magnetisiert wird, daß die
Primärspannung des Transformators 3 mit der steigenden Batteriespannung entsprechend
vergrößert wird. Die Gerätekennlinie W1 wird dadurch nach oben verschoben.
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Wenn die Spannung an der Batterie auf 2,4 V/Zelle (bei Bleiakkumulatoren)
angestiegen ist, wird die weitere Ladung entsprechend der Grenzkennlinie mit dieser
konstant gehaltenen Spannung durchgeführt. Über die Stromweichen 10 a und 11 a steuert
nämlich jetzt die Verbraucherspannung den Regelverstärker 7. Die Gerätekennlinie
(bei Erreichen von 2,4 V/Zelle= W2) wird im weiteren Verlauf der Ladung wieder nach
unten verschoben.
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Zur Vereinfachung der folgenden Darstellung sei angenommen, daß der
zweite Ladekreis die gleichen Werte wie der erste besitzt, also für ihn bei bestimmter
Primärspannung am Transformator die gleiche W-Kennlinie wie für den ersten Kreis
gilt. Schaltet man an diesen zweiten Kreis eine Batterie zur Ladung an, für die
ebenfalls das in Fig. 2 dargestellte Kenulinienfeld Gültigkeit hat, so muß auch
jetzt der Anfangsladestrom entsprechend der Grenzkennlinie begrenzt werden. In die
erste Batterie sollen zu diesem Zeitpunkt gerade 80 % der vorher entnommenen Strommenge
wieder hineingeladen sein. Im ersten Ladekreis hat sich vor dem Anklemmen der zweiten
Batterie also der Arbeitspunkt B eingestellt. Nach der oben angenommenen Voraussetzung
gilt dann für den zweiten Stromkreis ebenfalls die Kennlinie W,. Beim Anschluß der
zweiten Batterie würde sich der Arbeitspunkt C einstellen. Über den Stromwandler
5b, die Stromweiche 9 b und den Regelverstärker 7 wird aber die Stelldrossel
l so eingestellt, daß sich am Transformator 3 eine Primärspannung ergibt, der die
Kennlinie W1 zugeordnet ist. Dadurch stellt sich im zweiten Kreis der Arbeitspunkt
A ein. Für den ersten Kreis gilt dann aber auch die Kennlinie W1. Da die erste Batterie
bereits zum Teil wieder aufgeladen ist und der Kennlinie 80 folgt, stellt sich im
ersten Kreis der Arbeitspunkt D ein. An der ersten Batterie liegt nun zwar eine
vermindernde Spannung, sie kann aber weiterhin einen Strom aufnehmen, wie sich aus
den Koordinaten des Arbeitspunktes D ergibt.
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Wenn die Batterien unter den beschriebenen Bedingungen parallel geschaltet
worden wären, wie es bisher beim Laden üblich war, dann könnte auch an der ersten
Batterie nach dem Zuschalten der zweiten nur die zum Arbeitspunkt A gehörende Spannung
anliegen. Der Anfangsladestrom für die zweite Batterie müßte nämlich entsprechend
der Grenzkennlinie auf den zulässigen Wert begrenzt werden. Wie der Schnittpunkt
der Kennlinie 80 mit der zum Arbeitspunkt A gehörenden, strichpunktiert gezeichneten
Spannungslinie zeigt, würde dann die erste Batterie zunächst keinen Strom aufnehmen.
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Steigt während der Ladung die Spannung an der zweiten Batterie, dann
wird durch die Regelung auf konstanten Strom die W17 Kennlinie parallel nach oben
verschoben. Wenn dadurch der Arbeitspunkt D die Grenzkennlinie erreicht, wird durch
den ersten Kreis über die Stromweiche 10 a und 11 a wieder die Regelung
auf konstante Spannung an der ersten Batterie übernommen.
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Für Batterieladegeräte wird häufig ein Ansteigen der Spannung zu kleinen
Stromstärken hin verlangt, wie es die Grenzkennlinie der Fig. 2 zeigt. Erreicht
wird dieser Anstieg durch die Wechselstromwandler 8 a, 8 b, 8 c, die über
die Stromweichen 10 a, 10 b,10 c und 11 a 11 b., 11 c in den
Regelkreis eingreifen, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert unterschreitet.
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Durch den Stromwandler 2 wird erreicht, daß der Gesamtstrom des Gerätes
nicht den zulässigen Wert übersteigt. Der Gesamtstrom wird durch den Stromwandler
2 gemessen und bewirkt über die Stromweiche 12 und den Regelverstärker 7 durch Ansteuern
der Stelldrossel l eine Absenkung der Primärspannung des Transformators.
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An eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung können, wie aus dem
beschriebenen Beispiel hervorgeht, Verbraucher unterschiedlicher Größe und Spannung
angeschlossen werden, ohne daß Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Verbrauchern
fließen. Durch die entsprechende Auslegung der Stromwandler und Stromweichen werden
die einzelnen Kreise den Verbrauchern angepaßt. Die Unterschiede der einzelnen Kreise
können aber auch wesentlich größer als in -dem beschriebenen Beispiel sein. Ein
Kreis kann z. B. für einen Verbraucher mit 6 V, ein zweiter für einen Verbraucher
mit 60 V usw. ausgelegt sein. Für die Dimensionierung der Nennleistung gilt das
gleiche.
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Bei der Anwendung der Schaltungsanordnung auf Batterieladegeräte hat
sich herausgestellt, daß je nach Zustand der einzelnen Batterien gegenüber dem Parallelladebetrieb
Ladezeitverkürzungen um 20 bis 40% erzielt werden können.
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Die Schaltungsanordnung ist jedoch nicht auf Batteriegeräte beschränkt.
Sie kann für alle Geräte verwendet werden, die mehrere Verbraucher nach bestimmten
Kennlinien versorgen sollen.