DE197760C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Spannung in elektrischen Anlagen und besteht in einer besonderen Art der Parallelschaltung von Akkumulatorenbatterien.

Diese neue Kombination bekannter Elemente bedeutet einen wichtigen Fortschritt gegenüber früher gebräuchlichen Anordnungen und durch sie wird folgendes erreicht:
ίο i. eine Selbstregelung der Spannung in elektrischen Netzen für Beleuchtung, Beförderung und insbesondere für Eisenbahnbeleuchtung;

2. eine konstante Nutzspannung trotz der Spannungs- und Stromschwankungen der elektrischen Kraftquelle.

Was ganz besonders die Eisenbahnbeleuchtung angeht, so ist es bekannt, daß für eine im wesentlichen aus einer beliebigen, von einer Fahrzeugachse oder sonstwie angetriebenen Dynamomaschine, einer oder mehrerer Akkumulatorenbatterien und einem Nutzstrom bestehende Anlage eine große Schwierigkeit in der Erhaltung einer konstanten Spanas nung an den Lampenklemmen liegt, gleichgültig, von welcher Intensität der Lade- oder Entladestrom der Batterie ist, oder welches'die Schwankungen der elektromotorischen Kraft oder Gegenkraft sind, je nachdem die Batterien sich im Zustande der Ladung, Ruhe oder Entladung befinden.

Diese Schwierigkeit wird in den heute bekannten Systemen durch im allgemeinen ver-, wickelte, mechanische magnetische oder elektrische Mittel umgangen, welche dem verfolgten Zweck mit um so geringerer Genauigkeit erreichen lassen, je weniger direkt sie von dem spezifischen Zustande der Batterie in jedem Augenblicke abhängen.

Die Untersuchung dieses Problems und die Verlegung der zu bekämpfenden Wirkung in die Batterie selbst führten zur Aufstellung des nachfolgend beschriebenen Systems.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigt in Fig. ι die Kurve A, B, C, D, E den Verlauf der Spannung eines Akkumulators bei einem gewissen Entladestrome, wobei die elektromotorische Kraft in Volt als Ordinaten Und die Zeit in Stunden als Abszissen aufgetragen sind.

In Fig. 2 zeigt A, B, F, G, H, I die Ladekurve desselben Akkumulators bei demselben Strome.

In Fig. 3 sind die Kurven nach Fig. 1 und 2 bei Zugrundelegung desselben Maß-Stabes so übereinandergelegt, daß der Teil H, I der Lade- mit den Teilen C, D der Entladekurve zusammenfällt, so daß die Strecke C, D, H, I ein beiden Kurven A, B, C, D, E und A, B, F, G, H, I gemeinsamer Teil ist.

In Fig. 4 bezeichnet 1 den Generatorstromkreis. 2 sind die Gebrauchsapparate. 3 ist eine aus η Elelementen zusammengesetzte Akkumulatorenbatterie, 4 eine solche aus (n — x) Elementen zusammengesetzte und 5 bezeichnet einen dreipoligen Unterbrecher, der die drei gezeichneten Kontakte miteinander verbindet, wenn die Anordnung im Betriebe ist.

In Fig. 5 haben ι und 2 dieselbe Bedeutung wie in Fig. 4, 6 ist eine aus η Elementen, 7 eine aus η + χ Elementen zusammengesetzte, mit der Batterie 6 parallel geschaltete Akkumulatorenbatterie. .7' sind die χ Elemente der Batterie 7, und 8 ist ein Unterbrecher.

In Fig. 6 haben 1, 2 und 8 dieselbe Bedeutung wie in Fig. 5, und 6 ist eine aus η -f- χ Elementen zusammengesetzte Batterie, 6' sind die χ Elemente der Batterie 6, und 7 ist eine aus η Elementen zusammengesetzte Batterie, die mit der Batterie 6 parallel geschaltet ist.

Bei Betrachtung der Entlade- bzw. der Ladekurven eines Akkumulators fallen hauptsächlich zwei interessante Phasen ins Auge, während welcher die elektromotorische oder gegenelektromotorischen Kräfte sich nicht merkbar verändern. Diese Phasen entsprechen im wesentlichen dem Beginn der Entlade- und dem Beginn der Uberladeperiode.

In Fig. ι stellt beispielsweise der horizontale Teil C, D der Entladekurve die konstante Phase dar, der hier eine Spannung von 1,96 Volt entspricht. In Fig. 2 wird diese konstante Phase von der wagerechten Strecke H, I der Ladekurve gebildet, der hier eine Spannung von 2,7g Volt entspricht. Mit Berücksichtigung dieser Eigentümlichkeiten sind zwei Akkumulatorenbatterien von ungleicher Elementzahl parallel geschaltet, deren an den Verbindungsklemmen herrschende Compoundspannung C, D, H, I der Spannung des Nutz-Stromkreises entspricht. Die Batterien 3 und 4 bestehen aus einer verschiedenen Anzahl von Elementen, und zwar hat die Batterie 3 n, die Batterie 4 (n — x) Elemente.

Diese Zahlen η und η — χ der beiden parallel zu schaltenden Teilbatterien werden z. B. so gewählt, daß die erste (n) mit der Voltzahl beim Entladungsbeginn und die zweite (n — x) mit der Voltzahl beim Uberladungsbeginn multipliziert an den gemeinsamen Verbindungsklemmen der beiden Batterien die gewünschte Summenspannung oder Gesamtspannung ergeben. Dann ergibt sich das Resultat, daß, wie groß also auch die von dem Generatorstrome 1 gelieferte Energie und die von den Nutzapparaten 2 verbrauchte Energie ist, die resultierende Energie immer ohne erhebliche Änderung der Spannung an den gemeinsamen Klemmen im Akkumulatorensystem aufgespeichert oder ihm entnommen werden wird.

Diese Spannungsänderung wird in der Tat im Falle der Ladung durch den Generatorstrom durch die Anfangsüberladespannung der (n — x) Elemente und im Falle der Entladung in den Nutzstromkreis durch die Anfangsentladespannung der η Elemente begrenzt.

Zur Erläuterung des Vorstehenden möge ein Zahlenbeispiel durchgerechnet werden, wobei angenommen sei, daß die Batterie 3 aus (n) IO Elementen mit einer Entladespannung von je 1,96 Volt bestehen. Es möge nun die Zahl (x) der Elemente mit der Uberladespannung von 2,79 Volt, aus denen die Batterie 4 bestehen muß, berechnet werden. ·

Die Nutzspannung (Fig. 1, C, D) ergibt sich zu ίο »1,96 Volt = 19,60 Volt (Fig. 3, C, D, H, I), man kann also die Gleichung aufstellen (10 ■—· x) · 2,79 = 19,60, woraus

sich 10 — x= '— = rund 7 ergibt.

2)79

Wenn also die Batterie 3 beispielsweise IO Elemente erhält, muß die Batterie 4 sieben besitzen, und die Klemmspannung der beiden Batterien wird während der ganzen der Kurve C, D, H, I entsprechenden Periode konstant bleiben.

Gesetzt den Fall, daß der Erzeugerstromkreis ι keinen Strom liefere, so wird sich die Batterie 3 nach der Spannungskurve C, D, E entladen, und zwar gleichzeitig sowohl über den Nutzstromkreis als auch über die Batterie 4, die auch jetzt sich im Zustande der Überladung nach der Kurve H, I befinden wird.

Liefert andererseits der Erzeugerstromkreis Strom, so wird ein Teil desselben zu den Gebrauchsapparaten 2 unter der Compoundspannung und der andere natürlich zur Batterie 4 fließen, die zufolge ihres Spannungsverhältnisses zur Batterie 3 die Ladung auf- nimmt. Es ist nun in der Praxis festgestellt worden, daß die in Fig. 4 im Prinzip dargestellte Schaltung" den Nachteil bietet, daß gerade die Batterie, die die geringere Zahl Elemente enthält, fortwährend sich im Lade- .100 zustande befindet. Überdies können bei dieser Schaltung die Batterien nur während einer verhältnismäßig kurzen Phase ihrer Entladung bzw. Überladung benutzt werden. Dies hat zu der in den Fig. 5 und 6 als Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltung geführt. Diese Schaltung umfaßt zwei aus einer gewissen Anzahl (n) Elementen bestehende Batterien 6 und 7, die unter Zwischenfügung einer gewissen Zahl χ (7' bzw. 6') Elemente parallel geschaltet sind, welch letztere' dadurch jeweilig mit einer der Batterien in Reihe und mit der andern in Gegenschaltung liegen. Es mag hier bemerkt werden, daß die Stromzuführung aus dem Erzeugerkreise 1 nicht an demselben Punkte (K) stattfindet, wie die Ableitung für den Nutzstromkreis 2, die an den Punkten £ (Fig. 5) bzw. M (Fig. 6) erfolgt.

Es folgt daraus, daß die Spannung des Generatorstromkreises der Überladespannung der kleineren Batterie entspricht und durch gegengeschaltete Zellen der größeren Batterie

so weit.herabgesetzt wird, daß die für die Stromverbraucher nötige Größe der Spannung erzielt wird und diese mit der Spannung zu Beginn der Entladung der Stammzellen der größeren Batterien übereinstimmt, so daß jedenfalls die Spannung an den Verbrauchskörpern als annähernd konstant betrachtet werden kann.

Die Fig. 5 und 6 unterscheiden sich voneinander nur darin, daß sie zeigen, daß die Rolle . der Batterien 6 und 7 in bezug auf Stromzuführung und Stromentnahme vertauscht werden kann. Man könnte überdies von einer Figur zur andern übergehen durch passende !Commutation, die bei ein- und derselben Batterie eine Vertauschung der beiden Zusatzbatterien 6' und 7' gestattete, wobei man die einzelne Batterie mit dem Namen . Wechselbatterie bezeichnen könnte.

Es möge auch hier ein Zahlenbeispiel angeführt werden. Jede der Batterien 6 und 7 bestehe aus einer gewissen Zahl (n) Elementen, z. B. 8, während die Zusatzbatterien 6' und 7' aus x, d. h. beispielsweise zwei Elementen bestehen möge.

Im Falle der Fig. 5 werden die beiden an den Punkten / und K parallel geschalteten Batterien, wenn der Generatorstromkreis 1 keinen Strom liefert, das Bestreben haben, sich in Gleichgewicht zu setzen, und die η Elemente der Batterie 7 werden ihren.Strom in den Nutzstromkreis 2 unter einer Spannung von 8 · 1,96 Volt = 15,68 Volt liefern, während sie ihre Spannung zu der der 2 Elemente 7' hinzufügen, um diejenigen der η Elemente der Batterie 6 auf (8 + 2) · 1,96 = 19,60 Volt zu erhöhen.

Wenn andererseits der Generatorstromkreis 1 Strom liefert, teilt sich der letztere bei K in zwei Teile, von denen der eine in den Nutzstromkreis 2 abfließt, wobei seine Spannung beim Durchströmen der Elemente 7' herabgesetzt wird, während der andere Teil nach der Batterie 6 fließt, in die er .selbsttätig in um so größerer Menge eintritt, je weiter diese Batterie von dem Zustande des Endes der Ladung entfernt ist.

Es möge nun der äußerste Fall betrachtet werden, wo die 8 Elemente der Batterie 6 vollkommen geladen sind. In diesem Falle erreicht die Spannung zwischen den Punkten I und K ihren Grenzwert, nämlich 8 · 2,79 = 22,32 Volt. Da aber beim Durchfließen der Elemente 7' infolge der Gegenspannung eine Herabsetzung der Spannung eintritt, und da man für die Praxis annehmen kann, daß diese Elemente 7' stets überladen sind, wird die Spannung zwischen den Punkten / und L auf 22,32 — (2 · 2,79) = 16,74 Volt zurückgeführt.

Die maximalen Schwankungen.der Spannung zwischen den Punkten / und L liegen also zwischen 15,68 und 16,74 Volt, während die Batterie 6 geladen wird und die Batterie 7 in Betrieb ist. Dieser Unterschied, der unfähr 6 Prozent beträgt, ist für die Änderungen der Batteriespannungen praktisch für manche Betriebe durchaus zulässig.

Es mag noch darauf hingewiesen werden, daß man, um eine mehr oder weniger genaue Regelung zu erzielen, die Art und die Kapazität der Elektroden der χ Elemente in bezug auf die η Elemente verändern kann. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die χ Elemente eine nennenswerte Kapazität überhaupt nicht besitzen, derart, daß bei einer plötzlichen Änderung der Spannung und sogar bei einer Umkehr von einem partiell wirkenden elektrischen Ventil sowohl für die Ströme in dem einen als auch für die im entgegengesetzten Sinne gesprochen werden kann.

Dieses Regelungssystem ist sowohl z. B. für unabhängige, den Strom auf den Fahrzeugen selbst erzeugende als auch für im Nebenschluß oder in Serien in einem Zuge angeordnete von einer gemeinsamen Stromquelle gespeiste Anlagen anwendbar.

Gerade im letzteren Falle, in dem mehrere, beispielsweise in verschiedenen Wagen eines Zuges angeordnete Batterien parallel arbeiten, kann man von dem Regelungssystem vorteilhaft in der Weise Gebrauch machen, daß man die Batterien zum Teil mit n, zum andern Teile mit (n — x) Elementen versieht. Es wird dann das System, beispielsweise bei Abkupplung der Wagen, stets einwandsfrei arbeiten, wenn auch nur je eine einzige Batterie der einen Gattung vorhanden ist, während alle andern mitarbeitenden Batterien der jeweilig andern Gattung angehören. Dieses läßt sich naturgemäß auf allgemeine (nicht Zugbeleuchtungs-) Anlagen übertragen. Auch bei Pufferbatterien, die bekanntlich mit stark veränderlicher Spannung arbeiten, kann die beanspruche Einrichtung mit Vorteil so zur Anwendung kommen, daß die ursprüngliche Batterie z. B. durch zwei Teilbatterien von verschiedenen Elementenzahlen ersetzt wird.

' Es sei noch bemerkt, daß die (n — x) EIemente, welche die an Elementenzahl schwächere Batterie 4 (Fig. 1) bilden, sogar in gewissen Fällen einfach wie Voltameter aus Bleielektroden oder aus irgendwelchen Polarisationselektroden ohne erhebliche Kapazität bestehen könnten, um den Zweck dieser Batterie zu erfüllen.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   I. Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Spannung in elektrischen An-

   lagen, dadurch gekennzeichnet, daß Akkumulatorenbatterien mit einer ungleichen Zahl von Elementen parallel zwischen die vom Generator kommenden Leitungen geschaltet sind, deren Elementenzahl so bestimmt ist, daß das Produkt aus Elementenzahl der kleineren Batterie und höchster Ladespannung pro Zelle annähernd gleich dem Produkt aus Elementenzahl der größeren Batterie und Anfangsentladespannung pro Zelle und auch gleich der normalen Generatorspannung ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die größere der Batterien ganz aus Elementen mit Elektroden gewöhnlicher Kapazität oder nur zum Teil aus solchen besteht, und daß in letzterem Falle die andern Elemente polarisationsfähige Elektroden ohne erhebliche Kapazität besitzen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere der Batterien aus Elementen mit beliebigen polarisationsfähigen Elektroden ohne erhebliche Kapazität besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.