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Schaltungsanordnung für Stromversorgungsgeräte Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung für Stromversorgungsgeräte mit Gleichrichtern,
bei denen zur Speisung des Verbrauchers bei Netzausfall eine Batterie vorgesehen
ist.
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Es ist bekannt, bei Stromversorgungsanlagen für Gleichstrom eine Batterie
vorzusehen, die bei Netzausfall den Verbraucher mit Gleichstrom versorgt. Die Batterie
wird im allgemeinen parallel zum Verbraucher an den Hauptgleichrichter angeschlossen
und während des Netzbetriebes aufgeladen bzw. in geladenem Zustand gehalten. Zur
Batterieladung ist jedoch eine höhere Spannung erforderlich, die in der Regel in
der Weise erhalten wird', daß in Reihe mit dem Hauptgleichrichter ein Zusatzgleichrichter
geschaltet wird, der die erforderliche Zusatzspannung erzeugt.
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Bei Netzausfall muß dieser Zusatzgleichrichter durch ein Schaltschütz
kurzgeschlossen werden, da er die Verbindung zwischen Batterie und Verbraucher sperrt.
Dabei treten Schwierigkeiten insofern auf, als eine gewisse Zeit vergeht, bis das
Schaltschütz anspricht und die Batterie an den Verbraucher direkt anschaltet. Bei
vielen Stromversorgungsanlagen ist der dabei auftretende Spannungseinbruch nicht
tragbar. Man hat daher schon parallel zum Schaltschütz Gleichrichterplatten geschaltet,
die als Spannungsschleuse bezeichnet werden. Es wird hierbei von der sogenannten
Schleusenspannung des Sel'engleichrichters Gebrauch gemacht. Bekanntlich ist die
Kennlinie des Selengleichrichters in Durchlaßrichtung bei einer Spannung von etwa
0,5 V abgeknickt, so daß die Gleichrichterplatte bei einer Spannung unterhalb 0.5
V keinen merklichen Strom hindurchläßt und bei Überschreiten der sogenannten Schleusenspannung
der Strom stark ansteigt. Je nach der Höhe der Verbraucherspannung richtet sich
die Anzahl der Zellen der Reservebatterie und damit auch die Spannung des Zusatzgleichrichters.
Bei Bleizellen, die im allgemeinen. bei Stromversorgungseinrichtungen für Fernsprechanlagen
verwendet werden, rechnet man mit einer Spannung von 2,0 V pro Zelle zur Speisung
des Verbrauchers. Die Ladungserhaltungsspannung beträgt jedoch 2,2V pro Zelle, so
daß der Zusatzgleichrichter zur Ladungserhaltung 0,2V pro Zelle liefern muß. Werden
beispielsweise 60V am Verbraucher benötigt, so sind hierzu 30 Bleizellen erforderlich,
so daß zur Ladungserhaltung 6 V vom Zusatzgleichrichter geliefert werden müssen.
Wenn man davon ausgeht, daß jede Gleichrichterplatte eine Schleusenspannung von
0,5 V aufweist, so sind mindestens 12 Gleichrichterplatten für die Spannungsschleuse
erforderlich. Die Größe der Gleichrichterplatten muß auch für den verhältnismäßig
starken Stromstoß bemessen sein, der während des Umschaltvorganges durch den Gleichrichter
fließt, da der Gleichrichter in der Umschaltzeit von dem ganzen Verbraucherstrom
durchflossen wird.
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Nach Netzausfall liefert die Batterie den Strom für den: Verbraucher.
Bei Netzwiederkehr ist die Batterie mehr oder weniger stark entladen und muß daher
wieder auf ihre volle Spannung aufgeladen werden. Zur Volladung einer Bleibatterie
sind jedoch 2,4V pro Zelle erforderlich. Diese werden in der Weise erhalten. daß
der Zusatzgleichrichter entsprechend umschaltbar ausgeführt wird, so daß die Zusatzspannung
die Spannung auf 2,4V pro Zelle erhöht. In dem obenerwähnten Beispiel von 30 Zellen
ist also eine Zusatzspannung von 12V erforderlich, die der Zusatzgleichrichter liefern
muß. Um einen Kurzschluß des Zusatzgleichrichters durch die Spannungsschleuse zu.
vermeiden, muß diese aber für die Spannung am Zusatzgleichrichter bemessen sein.
Der als Spannungsschleuse eingesetzte Selengleichrichter muß also eine gesamte Schleusenspannung
von 12 V haben, d. h., es sind in diesem Falle 24 Gleichrichterplatten von je 0,5
V Schleusenspannung erforderlich.
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Der Spannungsabfall der einzelnen hintereinandergeschalteten Selengleichrichterplatten
addiert sich jedoch, und bei Bemessung des: Gleichrichters für Vollaufladung der
Batterie, d. h. für 2,4 V pro Zelle, würde bei Netzausfall ein so hoher Spannungsabfall
am Schleusengleichrichter auftreten, daß die dabei eintretende Spannungsabsenkung
für viele Fälle nicht mehr tragbar wäre. Es ist deshalb zusätzlich erforderlieh,
daß
der als Spannungsschleuse verwendete Selengleichrichter bei Vollaufladung der Batterie
für die höhere Spannung des Zusatzgleichrichters umgeschaltet wird und bei beendeter
Aufladung wieder auf die Plattenzahl verringert wird, die der Zusatzspannung bei
Ladungserhaltung mit 2,2 V pro Zelle entspricht.
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Diese Nachteile sollen durch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
vermieden werden. Zur unterbrechungsfreien Umschaltung bei Stromversorgungsanlagen
mit Gleichrichtergeräten, Reservebatterie und Zusatzgleichrichter zur Aufladung
bzw. Ladungserhaltung der Batterie wird gemäß der Erfindung parallel zum Schaltschütz,
das den Zusatzgleichrichter bei Netzausfall kurzschließt, ein Steuerbarer Siliziumgleichrichter
geschaltet, dessen Steuerelektrode bei Netzausfall einen Spannungsimpuls erhält,
so daß der Siliziumgleichrichter in den leitenden Zustand umgeschaltet wird.
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Diese Schaltungsanordnung hat gegenüber der Verwendung von Selengleichrichtern
als Spannungsschleuse mehrere Vorteile. Die handelsüblichen steuerbaren Siliziumgleichrichter
sperren höhere Spannungen, als zur Aufladung einer beispielsweise 30zelligen Bleibatterie
für den Zusatzgleichrichter erforderlich sind, so daß nur ein einziger steuerbarer
Siliziumgleichrichter erforderlich ist. Es ist auch bei Umschaltung von Aufladung
auf Ladungserhaltung und umgekehrt kein Abschalten oder Zuschalten von Gleichrichterelementen
erforderlich. Außerdem ist der Spannungsabfall am Siliziumgleichrichter wesentlich
geringer als an einem Selengleichrichter für den gleichen Zweck. Der Spannungsabfall
an einem schaltbaren Siliziumgleichrichter liegt in der Größenordnung von 1,5 V,
so däß bei Netzausfall bei Verwendung einer 30zelligen Bleibatterie die Verbraucherspannung
64,5 V beträgt, da im Normalbetrieb die Batterie auf einer Ladungserhaltungsspannung
von 2,2V pro Zelle gehalten wird, die Batterie also eine Spannung von 66 V hat.
Der Spannungseinbruch während des Umschaltvorganges durch den Spannungsabfall des
Siliziumgleichrichters ist daher sehr gering. Im Vergleich hierzu ist der Spannungsabfall
bei einem Selengleichrichter, der parallel zum Schaltschütz zum Kurzschließen des
Zusatzgleichrichters liegt, wesentlich größer. Die Verbraucherspannung beträgt in
diesem Falle bei Verwendung einer 30zelligen Batterie beispielsweise nur 56 V.
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Es entfallen auch alle beweglichen Teile, die zur Umschaltung eines
Selengleichrichters bei übergang von Ladungserhaltung zu Aufladung und umgekehrt
erforderlich sind.
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Der Wegfall einer Umschaltung beim steuerbaren Siliziumgleichrichter
während des Ladevorganges hat auch noch den weiteren Vorteil, daß der Zusatzgleichrichter
geregelt ausgeführt werden kann, daß also der Zusatzgleichrichter bei Erreichung
einer gewissen Spannung an der Batterie automatisch von Volladung auf Ladungserhaltung
übergeht. Dies ist bei Verwendung eines Selengleichrichters als Spannungsschleuse
nicht ohne weiteres möglich, da gleichzeitig eine Umschaltung des Gleichrichters
erforderlich wäre.
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Steuerbare Siliziumgleichrichter eignen sich auch für eine Schaltungsanordnung,
bei der bis zu 115 Bleizellen als Reservebatterie verwendet werden können,
wobei ein einziger Siliziumgleichrichter als Spannungsschleuse ausreicht, während
bei Selengleichrichtern als Spannungsschleuse entsprechend viele Gleichrichterplatten
in Reihe geschaltet werden müssen, so daß nicht nur der Aufwand an Gleichrichterplatten
ziemlieh hoch ist, sondern auch der Spannungsabfall verhältnismäßig groß ist.
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Schließlich wird bei Verwendung eines steuerbaren Siliziumgleichrichters
gemäß der Erfindung auch Volumen und Gewicht eingespart.
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Der steuerbare Siliziumgleichrichter zündet na, vier Mikrosekunden,
so daß eine praktisch unterbrechungslose Umschaltung von Netz- auf Batteriebetrieb
gewährleistet ist.
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Der zum Umschalten des steuerbaren Siliziumgleichrichters erforderliche
Spannungsimpuls kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Vorteilhaft wird er
durch Entladung eines Kondensators erzeugt, der während des Netzbetriebs dauernd
an Spannung liegt.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Die in der Abbildung dargestellte Schaltungsanordnung besteht
aus einem Hauptgleichrichter 1, der normalerweise den Verbraucher 2 speist. Parallel
zum Hauptgleichrichter und zum Verbraucher liegt die Batterie 3, die so bemessen
ist, daß der Verbraueher bei Netzausfall die erforderliche Spannung erhält. Bei
Verwendung von Bleizellen wird die Batterie so bemessen, daß man: von einer Spannung
von 2 V pro Zelle ausgeht. Zur Aufladung der Batterie 3 sowie zur Ladungserhaltung
ist in Reihe mit dem Hauptgleichrichter 1 der Zusatzgleichrichter 4 an die Batterie
3 angeschlossen. Zur Ladungserhaltung liefert der Zusatzgleichrichter eine Spannung,
die so bemessen ist, daß die Batterie 2,2V pro Zelle erhält. Zur Aufladung der Batterie
wird der Zusatzgleichrichter auf eine höhere Spannung umgeschaltet, so daß die Batterie
2,4 V pro Zelle erhält.
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Im Augenblick des Netzausfalls kann die Batterie nicht sofort die
Versorgung des Verbrauchers übernehmen, weil der Zusatzgleichrichter den Batteriestrom
sperrt. Deshalb wird der Zusatzgleichrichter durch ein Schütz 11 kurzgeschlossen.
Die Schaltzeit für das Kurzschlußschütz beträgt im allgemeinen etwa 100 Millisekunden,
so daß bis zum Schließen des Kurzschlußschützes die Spannung am Verbraucher auf
Null zurückgeht. Zur Vermeidung dieses Spannungseinbruchs hat man parallel zum Kurzschlußschütz
einen Selengleichrichter geschaltet, der jedoch die oben beschriebenen Nachteile
aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird nun parallel zum Kurzschlußschütz 11 ein
steuerbarer Siliziumgleichrichter 5 geschaltet, der durch einen Impuls in den gut
leitenden Zustand umgeschaltet wird. Dieser Impuls wird von einem Kondensator 7
geliefert. Zwischen die Steuerelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 5
und den Kondensator 7 ist der Impulstransformator 6 geschaltet. Der Kondensator
7 wird bei Netzbetrieb über den Hilfstransformator 10 und den Hilfsgleichrichter
9 in geladenem Zustand gehalten. Mittels des verändeilichen Ladewiderstandes 8 kann
die Aufladung des Kondensators beeinflußt werden. Im Augenblick des Netzausfalls
entlädt sich der Kondensator 7 über den Impulstransformator 6. Auf der Sekundärseite
des Impulstransformators 6 wird eine Spannung erzeugt, die zum Umschalten des steuerbaren
Siliziumgleichrichters 5 in den leitenden Zustand dient. Die Sekundärseite des Impulstransformators
ist an die Steuerelektrode des Siliziumgleichrichters und den positiven Pol des
Siliziumgleichrichters 5
angeschlossen.
Zum Umschalten des
steuerbaren Siliziumgleichri chters 5 in den leitenden Zustand ist ein Zündimpuls
,ron etwa vier Mikrosekunden erforderlich. Der Impulstransformator 6 und der Kondensator
7 müssen so bemessen sein, daß sie die erforderliche Leistung zum Umschalten des
Siliziumgleichrichters 5 in den leitenden Zustand abgeben. Nachdem der schaltbare
Siliziumgleichrichter durch den Impuls in den leitenden Zustand umgeschaltet wurde,
fließt der Strom von, der Batterie zum Verbraucher über den Siliziumgleichrichter
bis dieser durch das Kurzschlußschütz 11 überbrückt wird. Danach ist die Batterie
direkt an den Verbraucher angeschlossen.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann in allen Fällen angewendet
werden, wo es auf die unterbrechungsfreie Umschaltung einer Gleichspannung ankommt
und wo bisher zur Vermeidung eines Spannungseinbruchs Spannungsschleusen in Form
von Selengleichrichtern verwendet wurden.