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Verfahren zur Ladung von elektrischen
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Akkumulatoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladung von
elektrischen Akkumulatoren, insbesondere in mehreren Ladephasen, an einem Wechselspannungsnetz,
sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es sind verschiedene Ladearten für Akkumulatoren bekannt, die durch
Kennlinien der Ladeeinrichtungen vorgegeben sind.
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Die Kennlinien legen den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung
des Ladegerätes fest. Durch die Kennlinie des Ladegerätes und das Spannungsverhalten
der Batterie während der Ladung wird der Ladeverlauf bestimmt. Akkumulatoren können
beispielsweise nach folgenden Kennlinien aufgeladen werden: a) Ladung bei konstantem
Strom (1-Kennlinie), b) Ladung bei konstanter Spannung (U-Kennlinie), c) Ladung
bei ansteigender Spannung und abfallendem Strom (W-Kennlinie).
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Bei Ladung mit konstantem Strom steigt die Batteriespannung stetig
an, bis im Akkumulator eine spürbare Gasentwicklung einsetzt, weil der zugeführte
Strom nicht mehr restlos zur chemischen Umwandlung der aktiven Masse ausgenutzt
werden kann. Die Spannung steigt bis zur Wasserstoffüberspannung an den negativen
Platten schnell an, deren Höhe von Stromstärke und Bauart sowie Alter und Temperatur
der Batterie abhängig ist. Vom Ladebeginn bis zum Beginn der Gasentwicklung wird
dem Akkumulator eine zunehmende
elektrische Leistung zugeführt.
Die Ladespannung, bei der eine spürbare Gasentwicklung einsetzt, wird auch als Gasungsspannung
bezeichnet. Die Gasungsspannung von Bleiakkumulatoren liegt im Bereich von 2,4 bis
2,45 V.
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Bei der Konstantspannungsladung wird die Spannung der Ladegeräte und
damit der Batterien so begrenzt, daß keine lebhafte Gasentwicklung auftreten kann.
Bei dieser Lademethode geht die Stromstärke zum Schluß des Ladevorganges auf einen
sehr niedrigen Wert zurück. Die Ladedauer ist jedoch wesentlich länger als beim
Laden mit Gasentwicklung.
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Die Ladung mit abfallendem Strom nach der W-Kennlinie ist mit verhältnismäßig
einfachen Mit-teln durchführbar. Der Strom fällt bei der Ladung durch das Ansteigen
der Batteriespannung von selbst auf den am Schluß zulässigen Wert ab, sofern das
Ladegerät richtig ausgelegt ist und die Netzspannung nicht schwankt. Leider ist
beides in der Praxis häufig nicht anzutreffen. Durch Überspannungen von nur 10 %
im Wechselspannungsnetz kann der Ladeschlußstrom unter Umständen auf das Doppelte
des Sollwertes ansteigen, da eine Verdoppelung der Differenz zwischen Batterie-Klemmenspannung
und netzabhängiger Ladespannung durchaus möglich ist.
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Zur Ladung elektrischer Akkumulatoren werden häufig verschiedene Ladearten
in zeitlicher Folge angewandt. So ist es beispielsweise möglich, bis zum Erreichen
der Gasungsspannung in einer als Hauptladephase bezeichneten ersten Ladephase mit
konstantem Strom (I-Kennlinie) zu laden und anschließend auf eine andere Ladeart
mit abfallendem Strom umzuschalten. Eine optimale Nutzung der Netzanschlußleistung
des Ladegerätes während der ersten Ladephase ist bei Anwendung der I-Kennlinie jedoch
nicht zu erzielen, da die Ladeleistung anfangs geringer ist und erst bei Erreichen
der Gasungsspannung gegen Ende der Hauptladephase ihren höchsten Wert erreicht.
Zudem ist zu berücksichtigen,
daß dieser höchste Wert der Ladeleistung
in üblichen Geräten auch bei einem Abfall der Netzspannung um 10 % erzielt wird,
da der Ladestrom bis zu dieser Netzunterspannung konstant bleiben soll. Eine volle
Ausnutzung der durch Stromsicherungen und anliegende Netzspannung zur Verfügung
stehenden Anschlußleistung ist somit nicht möglich. Bei Ladung nach der W-Kennlinie
wird zwar anfangs eine hohe Ladeleistung dem Skkumulator zugeführt, bei ansteigender
Klemmenspannung verringert sich jedoch die Ladeleistung kontinuierlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, zur möglichst schnellen Aufladung von
Akkumulatoren die am Wechselspannungsnetz zur Verfügung stehende Anschlußleistung
über den gesamten Zeitbereich der Hauptladephase maximal auszunutzen.
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Dabei soll das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung konstant
bleiben. Weiterhin soll die Gasung des Akkumulators während des Ladevorganges möglichst
gering gehalten werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der vom Netz abgegebene Strom
während der Hauptladephase konstant gehalten wird und daß die dem Akkumulator zugeführte
Ladeleistung dem Produkt der Netzspannung und des vom Netz abgegebenen Stromes entspricht.
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Vorzugsweise wird in einer ersten Ladephase der vom Wechselspannungsnetz
abgegebene Strom so lange konstant gehalten, bis die Ladespannung einen vorgegebenen
Wert erreicht, der oberhalb der Gasungsspannung liegt. Nach Umschaltung wird in
einer zweiten Ladephase dieser vorgegebene Spannungswert konstant gehalten, bis
der Ladestrom auf eine Größe von 60 bis 80 % des im Umschaltzeitpunkt fließenden
Ladestromes abgefallen is-t. Weiterhin wird in einer anschließenden dritten Ladephase
die Ladespannung herabgesetzt und im Bereich der Gasungsspannung konstant gehalten.
Zur Ladung von Bleiakkumulatoren wird von der ersten Ladephase in die zweite Ladephase
bei einem vorgegebenen
Spannungswert umgeschaltet, der zwischen
2,4 und 2,55 V pro Zelle liegt. In der dritten Ladephase wird eine konstante Spannung
von höchstens 2,4 V pro Zelle angelegt.
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Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens enthält einen
am Wechselstromnetz angeschlossenen Transformator, an dessen Sekundärseite ein Gleichrichter
mit Glättungsmitteln angeschlossen ist. Der Gleichrichter ist über einen steuerbaren
elektronischen Schalter mit den Klemmen des zu ladenden Akkumulators verbunden.
Der elektronische Schalter erhält Steuersignale von einem Regler, dem als Regelgröße
der von dem Transformator aufgenommene Strom als Meßsignal zugeführt wird. Der vom
Netz aufgenommene Strom wird auch als Eingangsstrom bezeichnet.
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Durch Regelung auf der Sekundärseite des Transformators bleibt das
Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung konstant. Die zwischen der Sekundärseite
des Transformators und dem Akkumulator befindliche Schaltungsanordnung wirkt als
Zwischenspeicher der vom Netz abgegebenen Energie.
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Der Regler enthält zwei weitere Eingänge, von denen ein erster mit
den Polklemmen des Akkumulators verbunden ist und ein zweiter an einen Ladestromsensor
angeschlossen ist. Als steuerbarer Schalter wird vorzugsweise ein Gleichstromsteller
eingesetzt.
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Der Gegenstand der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren 1
bis 4 näher erläutert. Figur 1 zeigt Ladekennlinien von Bleizellen bei verschiedenem
Ladezustand sowie die Kennlinie des erfindungsgemäßen Ladegerätes. Figur 2 zeigt
den zeitlichen Verlauf von Ladespannung und Ladestrom. In Figur 3 ist eine schematische
Darstellung der Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Ladegerätes dargestellt.
Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die zum Anschluß an ein Dreiphasenwechselstromnetz
vorgesehen ist.
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Das Verhalten des Bleiakkumulators während der Ladung läßt sich gemäß
Figur 1 durch eine Kurvenschar von Ladekennlinien L veranschaulichen, deren Ladezustand
in Prozenten des Volladezustandes angegeben ist. Die vorher entnommene Kapazität
entspricht rund 80 % der Nennkapazität. Die mit U bezeichnete Ladespannung pro Zelle
wird dabei in Abhängigkeit vom Ladestrom dargestellt.
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Der Ladestrom I ist gemäß Figur 1 in Einheiten des fünfstündigen Entladestromes
I5h angegeben. Die Menge der hineingeladenen Ampere stunden bis zum Erreichen der
Gasungsspannung im Bereich von 2,4 bis 2,45 V hängt von der Höhe des Ladestromes
ab. Je größer der Ladestrom ist, umso weniger Amperestunden werden bis zur Gasungsspannung
von der Zelle aufgenommen.
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Kurve A zeigt die Kennlinie des erfindungsgemäßen Ladegerätes bei
einer Netzunterspannung von 10 %. In Kurve C ist die Kennlinie des Ladegerätes bei
Nennspannung des Netzes dargestellt. Die Kennlinien A und C sind in drei Teilabschnitte
gegliedert, die bes-timmten Ladephasen entsprechen. Die Teilabschnitte Al und C1
entsprechen der Ladephase 1, in der dem Akkumulator die Hauptmenge der Ladung zugeführt
wird. Diese Phase wird daher auch als Hauptladephase bezeichnet. Die Teilabschnitte
Al und C1 stellen den Teil einer Hyperbel dar, die folgender Gleichung gehorcht:
Ladeleistung = Ladestrom x Spannung.
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Die Ladeleistung entspricht somit dem Produkt von dem Eingangsstrom
und Netzspannung. Durch Vergleich der Teilabschnitte Al und C1 ist der verhältnismäßig
große Stromgewinn bei Vorliegen der Nennspannung des Netzes zu erkennen. Das zur
zweiten Ladephase vorgegebene Potential wird dabei wesentlich schneller erreicht.
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Die Teilabschnitte A2, C2 stellen die Ladekennlinie der zweiten Phase
für konstantes Potential oberhalb
der Gasungsspannung bei abfallendem
Ladestrom dar.
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Die Teilabschnitte A3 und C3 sind gleich. Sie zeigen den Verlauf des
absinkenden Ladestromes bei reduzierter Konstantspannung in der dritten Ladephase.
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Zum Vergleich ist in Kurve B eine Zweistufenladung nach dem bekannten
IU-Ladeverfahren dargestellt. Teilabschnitt B1 zeigt eine Ladung bei konstantem
Strom bis zum Erreichen der Gasungsspannung. Der Konstantstrom gemäß Teilabschnitt
B1 bleibt bis zu einer Netzunterspannung von 10 % erhalten. Teilabschnitt B2 zeigt
die Ladung bei konstanter Spannung und abfallendem Ladestrom.
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Die Abstände zwischen den Schnittpunkten der Teilabschnitte Al oder
C1 und der Konstant-Strom-Kennlinie B1 mit den Ladezustandskennlinien L zeigen den
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Stromgewinn. Der Stromgewinn führt
zu einer schnelleren Aufladung, da die vom Akkumulator aufgenommene Ladungsmenge
dem Produkt von Ladestrom und Ladezeit entspricht. Auf der 10 5'-Ladezustandskennlinie
beträgt der Stromgewinn bei Netzunterspannung entsprechend der Kennlinie Al rund
0,1 A, bei Nennspannung des Netzes gemäß Kennlinie Cl 0,25 A.
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Mit zunehmender Aufladung nimmt der Stromgewinn stetig ab. Auf der
Zustandskennlinie für 40 % beträgt der Stromgewinn gemäß Kennlinie Al 0,085 A und
gemäß Kennlinie C1 ca. 0,22 A. Bei einem Ladezustand von über 80 96 ist der Stromgewinn
gemäß Kennlinie A7 praktisch Null, bei Nennspannung nach Kennlinie C1 jedoch immer
noch ca. 0,13 A.
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Jedoch führt die Summe der erzielbaren Stromgewinne insgesant zu einer
schnelleren Aufladung des Akkumulators.
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Die Zeitersparnis ist anhand der Figur 2 zu erkennen.
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Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Ladestrom IA und Ladespannung
UA bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter der Annahme einer Netzunterspannung
von 10 Yo gemäß Kurve A der Figur 1. Die Kurven sind in drei Teilabschnitte gegliedert,
welche folgende Zeitbereiche
umfassen: der Zeitbereich von 0 bis
tA1 entspricht der ersten Ladephase. Er umfaßt den Teilabschnitt der Ladespannungskennlinie
UA1 sowie den Abschnitt der Ladestromkennlinie IA1.
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Der Zeitbereich von tA1 bis tA2 entspricht der zweiten Ladephase.
Er umfaßt die Teilabschnitte UA2 der Ladespannung sowie IA2 des Ladestromverlaufes.
Der über den Zeitpunkt tA2 hinausgehende Bereich gehört zur dritten Ladephase. Er
umfaßt die Teilabschnitte IJA3 der Ladespannung sowie 1A3 des Ladestromes. Die Kurven
enthalten zudem bestimmte Narkierungspunkte mit Angabe des Ladezustandes in Prozent.
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Zum Vergleich sind die Werte von Ladespannung UB und Ladestrom IB
bei Anwendung der bekannten IU-Zweistufenladung gemäß Kennlinie B aus Figur 1 dargestellt.
Im Zeitbereich von 0 bis tBl wird eine I-Ladung durchgeführt, d.h., bis zum Erreichen
des Zeitpunktes tB1 wird mit konstantem Strom 131 geladen. Der entsprechende Abschnitt
der Ladespannungskurve ist mit U31 bezeichnet. Nach Erreichen des Umschaltzeitpunktes
tB1 wird mit konstanter Spannung UB2 bei abfallendem Strom IB2 geladen.
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Nach Teilkurve IA1 hat der Ladestrom bei Ladungsbeginn seinen höchsten
Wert. Er fällt mit zunahmender Klemmenspannung UAi kontinuierlich ab. Zum Vergleich
zeigt die Kennlinie IB1 einen Konstantstromverlauf bei ansteigender Klemmenspannung
UB1. Nach dem bekannten IU-Ladeverfahren gemäß Teilkennlinien UB1, IB1 wird die
dem Akkumulator zugeführte Leistung in der ers-ten Ladephase kontinuierlich erhöht.
Die maximale Anschlußleistung ist durch das Produkt von Konstantstrom und Klemmenspannung
bei Erreichen der Gasungsspannung im Umschaltzeitpunkt tB1 gegeben. Zu Beginn der
Konstantstromladung gemäß Kurve UB1 ist jedoch dem Akkumulator nur ungefähr 80 Vo
dieser Leistung zuführbar. Im Gegensatz hierzu steht die bei Gasentwicklung dem
Akkumulator zugeführte Ladeleistung
nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gemäß den Kennlinien UA1, IA1 bereits vom Ladebeginn bis zur Gasentwicklung
zur Verfügung. So wird beispielsweise bei einer Netzunterspannung von 10 C/o eine
8%o-ige Aufladung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach 2,9 Stunden erreicht
(Kennlinie UA1), während bei dem bekannten Verfahren gemäß Kennlinie UB1 hierzu
3,2 Stunden benötigt werden. Es ist somit möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch volle Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Netzanschlußleistung eine kürzere
Ladezeit zu erzielen.
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Nach Erreichen der Gasungsspannung wird diese überschritten, bis ein
vorgegebener Wert erreicht wird, der bis zu 10 ° über der Gasungsspannung liegt.
Nach Erreichen dieses vorgegebenen Wertes wird das Ladegerät auf Konstantspannungsladung
umgeschaltet. Die Konstantspannung UA2 liegt auf dem im Zeitpunkt tB1 erreichten
vorgegebenen tllert. Im Umschaltzeitpunkt tBi ist der Akkumulator auf rund 86 C/o
seiner Kapazität geladen, während der nach dem IU-Verfahren geladene Akkumulator
erst 80 O/o seiner Kapazität enthält.
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Während der Konstantspannungsladung gemäß Teilabschnitt UA2 fällt
der Ladestrom IA2 von ca. 19 A auf rund 15 A ab. Während der Konstantspannungsladung
wird mit Hilfe eines Lades-tromsensors der Umschaltzeitpunkt tA2 ermittelt. Sobald
der Strom auf einen vorgegebenen Wert zwischen 60 und 80 O/o des im Umschaltzeitpunkt
tA1 fließenden Ladestromes zurückgefallen ist, wird auf die dritte Ladephase umgeschaltet.
Im Umschaltzeitpunkt tA2 ist der Akkumulator zu rund 92 % vollgeladen.
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In der dritten Ladephase wird gemäß Kennlinienabschnitt UA3 auf einem
reduzierten konstanten Potential weitergeladen. Gemäß Teilkennlinie UA3 wird die
Ladespannung auf einen Wert von beispielsweise 2,4 V pro Zelle herabgesetzt,
der
der Konstantspannungsladung gemäß Abschnitt UB2 der bekannten IU-Kennlinie entspricht.
Die Gasentwicklung wird auf diese Weise erheblich reduziert. So werden die Wasserverluste
gering gehalten und die Lebensdauer des Akkumulators wird nicht beeinträchtigt.
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Figur 3 zeigt die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Über einen Stromsensor 2 ist
das Wechselspannungsnetz 1 mit Transformator 3 verbunden. An Transformator 3 ist
ein Gleichrichter 4 angeschlossen, der über einen steuerbaren elektronischen Schalter
5 und einen Ladestromsensor 6 mit den Polklemmen des Akkumulators 7 verbunden ist.
Zur Steuerung des elektronischen Schalters 5 dient Regler 8, der drei Eingänge besitzt.
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Ein erster Eingang 81 ist mit dem Stromsensor 2 verbunden, ein zweiter
Eingang 82 ist an die Klemmen des Akkumulators 7 angeschlossen, und ein dritter
Eingang 83 ist mit dem Ladestromsensor 6 verbunden. Der Ausgang 87 des Reglers 8
ist an den Steuereingang 50 des elektronischen Schalters 5 angeschlossen.
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Der Ladevorgang läuft in drei aufeinanderfolgenden Phasen ab, die
jeweils über den Regler kontrolliert werden.
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In der ersten Ladephase wird mit Hilfe des Stromsensors 2 der dem
Netztransformator 3 zugeführte Strom konstant gehalten. Der Leistungsfaktor (cosT)
der Schaltungsanordnung ist konstant. Die dem Akkumulator in der ersten Ladephase
zugeführte Ladeleistung entspricht dabei unter Vernachlässigung der verhältnismäßig
geringen Verlustleistung der Schaltungsanordnung dem Produkt von Netzspannung und
Eingangsstrom des Transformators 3. Bei konsanfter Netzspannung ist somit die dem
Akkumulator in der ersten Ladephase als Hauptladephase zugeführte Ladeleistung konstant.
Während der ersten Ladephase steigt die Spannung an den Klemmen des Akkumulators
7 kontinuierlich an, bis ein Wert erreicht wird, der oberhalb der Gasungsspannung
liegt. Über Eingang 82 kontrolliert der
Regler die Klemmenspannung
und schaltet bei Erreichen dieses Wertes auf die zweite Ladephase um. Der bisher
über Stromsensor 2 und Reglereingang 81 geführte Regelkreis wird aufgetrennt und
als neue Regelgröße dient die über Eingang 82 zugeführte Klemmenspannung des Akkumulators
7. Während dieser zweiten Ladephase fällt der Ladestrom kontinuierlich ab. Die Größe
des Ladestromes wird mit Hilfe des Ladestromsensors 6 gemessen und dem Regler über
Eingang 83 zugeführt. Erreicht der Ladestrom einen Wert zwischen 60 und 80 % des
bei Umschaltung von der ersten Ladephase in die zweite Ladephase fließenden Stromes,
schaltet Regler 8 auf die dritte Ladephase um.
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In dieser Ladephase wird die Ladespannung herabgesetzt und mit Hilfe
des Reglers 8 im Bereich der Gasungsspannung konstant gehalten.
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In Figur 4 ist eine vorzugsweise verwendete Schaltungsanordnung zum
Betrieb an einem Dreiphasenwechselspannungsnetz dargestellt. An die Netzklemmen
U,V,W des Wechselspannungsanschlusses 1 sind die Primärwicklungen 31, 32, 33 des
Transformators 3 angeschlossen. Zwischen Netzklemme W und Primärwicklung 33 ist
ein Shunt-Widerstand 21 als Stromsensor vorgesehen. Dieser Shunt-Widerstand dient
entsprechend dem aus Figur 3 bekannten Stromsensor 2 zur Regelung des dem Transformator
zugeführten Stromes.
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Die Sekundärwicklungen des Transformators 3 sind in Stern-Dreieck-Wicklungen
geschaltet. An die Sekundärwicklungen ist ein 12-pulsiger Gleichrichter 4 angeschlossen,
der als Glättungsmittel eine Induktivität 41 sowie einen Kondensator 42 enthält.
Durch Einsatz der Stern-Dreieck-Schaltung mit dem angeschlossenen 12-pulsigen Gleichrichter
ist es möglich, mit verhältnismäßig wenig Glättungsmitteln auszukommen.
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Der Gleichrichter 4 ist mit einem elektronischen Schalter 5 verbunden,
der einen Gleichspannungssteller mit den
Thyristoren 51 und 52
enthält. Die Steuergitter der Thyristoren sind mit den Ausgängen 87', 87" des Reglers
8 verbunden. Die Kathoden der Thyristoren 51, 52 sind über Drosselspule 55 an den
Ausgang des Gleichrichters 4 angeschlossen. Die Anode von Thyristor 51 ist über
Induktivität 56 und den als Ladestromsensor 6 dienenden Shunt-Widerstand mit der
negativen Klemme 71 des Akkumulators 7 verbunden. Die Anode von Thyristor 52 ist
über Widerstand 57 mit der direkt am Gleichrichterausgang angeschlossenen positiven
Klemme 72 des Akkumulators 7 verbundes Zwischen den Anoden der Thyristoren 5t- und
52 ist ein Kondensator 59 geschaltet. Diode 58 dien-t als Freilaufdiode des durch
die Drossel 56 geführten Ladestromes. Zur Glättung der Ladespannung ist Kondensator
53 vorgesehen. Die eigentlichen Steuersignale werden dem elektronischen Schalter
5 über die Ausgänge 87', 87" des Reglers 8 zugeführt.
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Regler 8 ist über seine Eingänge 81', 81 " an den als Leistungssensor
dienenden Shunt-Widerstand 21 angeschlossen. Zur Kontrolle der Akkumulatorenspannung
ist der Regler über Eingang 82' der-negativen Klemme 71 des Akkumulators sowie über
Eingang 82" mit der positiven Klemme 72 des Akkumulators verbunden. Eingang 83 dient
zur Messung des vom Ladestrom am Ladestromsensor 6 erzeugten Spannungsabfalls. Hierdurch
ist eine Kontrolle der Stärke des Ladestromes in der zweiten Ladephase möglich.
Die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung entspricht der in Figur 3 dargestellten
Schaltungsanordnung.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung is-t die Ausnutzung der maximal
möglichen Netzanschlußleistung in einem Bereich von 80 bis 90 % der eingeladenen
Kapazität. Die Ladedauer wird durch erhöhte Stromzufuhr während der ersten und der
zweiten Ladephase erheblich verringert.
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Nachteile durch Sulfatisierung sind infolge der verhältnismäßig kurzen
Ladephase 2 nicht zu erwarten. +tventansprüche -