DE631173C - Einrichtung fuer Wechselstromnetze zur Vermeidung einer Spannungsverminderung bei Zuschaltung einer Belastung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezweckt, in Wechselstromnetzen die bei Zuschaltung einer Belastung auftretende Spannungsverminderung zu vermeiden.

Es ist bekannt, zur Regelung gleichgerichteter Wechselströme, insbesondere des Ladestromes von Batterien mit Gleichrichtern, eine aus einer Drosselspule und einem dazu parallel liegenden Kondensator bestehende Schaltung zu verwenden. Bei der bekannten Anordnung wird der erzeugte Gleichstrom durch eine Gleichstromvormagnetisierungs-•wicklung der Wechselstromdrossel geleitet und somit ein Gleichstromfluß in dieser Spule dem Wechselstromfluß überlagert. Die bezweckte Veränderung des Stromes wird also hier durch den Gleichstrom in einer Art von Rückkopplungsschaltung erzielt.

Bei der Erfindung wird demgegenüber die Stromregelung durch die Drosselspule mit parallel geschaltetem Kondensator nur durch reine Wechselstromvorgänge in der Weise bewirkt, daß die Drosselspule und die Kapazität des Kondensators so bemessen werden, daß ein ausgeprägtes oberes Knie in der Spannungskurve der Drosselspule in möglichster Nähe der NuUinie des Gesamtstromes in der Parallelschaltung gebildet wird, daß ferner der Arbeitspunkt in die Nähe und oberhalb dieses Knies gelegt wird und daß der Spannungsabfall an der Drossel annähernd konstant bleibt.

Die Schaltung nach der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, und zwar bedeuten:

Γ einen Umspanner zur Herabsetzung der Netzspannung auf die für den Gleichrichter passende Höhe,

Or eine Drosselspule mit stark gesättigtem Eisenkern und parallel geschaltetem Kondensator, durch welche die Stromregelung bewirkt wird,

TG einen Trockengleichrichter in Grätzschaltung,

DG eine Glättungsdrosselspule,

B die zu puffernde Batterie. 4-5

In Fig. 2 stellt die mit E_D bezeichnete Kurve die Spannung an der Drossel allein in Abhängigkeit vom durchfließenden Strom dar, welche der Magnetisierungskurve entspricht. Die mit E_c bezeichnete Kurve zeigt die am Kondensator herrschende Spannung allein in Abhängigkeit des hindurchfließenden Stromes. Bei der Parallelschaltung von Kondensator und Drosselspule herrscht an beiden Elementen die gleiche Spannung, und es ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte Spannungskurve E_CD in Abhängigkeit von dem durch denKondensator und die Drosselspule fließenden Gesamtstrom.

In der Parallelschaltung heben sich die Ströme der Drosselspule und des Kondensators im Punkt k₂, dem oberen Knie der Span-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Helmut Böhm-in Berlin-Halensee.

nungskurve, nahezu auf. Dieser Punkt entspricht in Fig.-2 dem Schnittpunkt der Kurvende und E₀, woraus hervorgeht, daß bei dieser Spannung _der.Kondensatorstrom und der Drosselstrom entgegengesetzt gleich so daß also die Phasenverschiebung Null somit cos φ= ι ist. Praktisch kann jedö dieser Punkt nur annähernd erreicht werden, "da innerhalb eines gewissen Bereiches der ίο Stromkreis bekanntlich nicht stabil ist. In Fig. 3 ist daher das Kurvenstück zwischen Ji₁ und k₂ nur gestrichelt gezeichnet.

Für die Anwendung der Erfindung wird nur der fast konstante Teil oberhalb des zweiten Knies k₂ benutzt, oberhalb dessen mit zunehmendem Gesamtstrom ein immer größerer Anteil desselben durch die Drosselspule fließt. Dies zeigt Fig. 2, wo beispielsweise bei 30 Volt durch den Kondensator 1,8 Amp. fließen, während durch die Drosselspule S Amp. hindurchgehen. Infolgedessen überwiegt die induktive Wirkung der Drosselspule immer mehr und mehr die kapazitive Wirkung des Kondensators; somit nimmt die Phasenverschiebung mit zunehmendem Gesamtstrom zu und der cos φ ab. Hieraus ergibt sich die in Fig. 3 gezeichnete cos <p-Kurve. Schaltet man diese Anordnung in einen Stromkreis, der von einer Wechselstromquelle mit beispielsweise konstanter'Spannung versorgt wird, so tritt bei Zuschaltung einer Belastung eine Spannungserhöhung mit zunehmender Belastung ein, und zwar stellt in dem Vektordiagramm der Fig. 4 A-B die konstante Netzspannung dar, während E_Cd die Spannung an der Drossel-Kondensator-Parallelschaltung undE_R die Spannung am Belastungswiderstand angibt. Punkt C gilt für kleine Belastungen, Punkt C" für große Belastungen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist die Phasenverschiebung φ der Drossel-Kondensator-Parallelschaltung bei kleinen Belastungen klein und wächst bei größerer Belastung. Somit steigt als resultierende Spannung aus der Netzspannung A-B und der Spannung E_CD an der Drossel-Kondensator-Parallelschaltung die Spannung E_R an der Belastung vom Wert B-C bei kleinen Belastungen auf den Wert B-C bei großen Belastungen zugleich mit der Phasenverschiebung an. Hierbei hat die auftretende dritte Oberwelle einen gewissen Anteil an der Spannungsregelung, indem sich mit zunehmender Belastung die Kurvenform des Wechselstromes und damit auch der phasengleichen Spannung . am Widerstand bzw. Gleichrichter einer rechteckigen Gestalt nähert. Dies bewirkt eine geringe Steigerung der effektiven Strom- und Spannungswerte über die durch die Phasen- ßo Verschiebung der Grundwelle allein hervorgerufene Spannungserhöhung· hinaus.

Die Kurve der Wechselspannung an dem Stromverbraucher zeigt den in Fig. 5 gestrichelt dargestellten Verlauf, d. h. von dem Knickpunkte e aus steigt die Kurve e-f-g er- ^ lieblich an, und ihre Form hängt im übrigen ?Sxbn der Bemessung der Drossel und des Koni^:'densators ab.

Wird der Wechselstrom durch einen Gleichrichter in Gleichstrom verwandelt und einem Gleichstromverbraucher zugeführt, so entsteht die Spannungskurve, die unterhalb der gestrichelten Kurve e-f-g voll ausgezeichnet ist. Wie ersichtlich, tritt nach dem ansteigenden Teil a-b der Kurve ein allmählicher Abfall b-c ein, da im Belastungsbereich a-b in der Hauptsache die Spannungserhöhung durch die Drossel -Kondensator -Parallelschaltung zur Geltung kommt, während im Teil b-c mehr und mehr der innere Spannungsabfall des Gleichrichters überwiegt. Diese Eigenart der Kurve hat besondere Bedeutung für.die Verwendung der Schaltung nach der Erfindung zur Batterieladung. Steigt die Batteriespannung allmählich an, so wandert der Belastungspunkt auf der Spannungskurve von c nach b. Punkt b ist etwa bei 29 Volt (2, 4 V/Zelle, 12 Zellen) erreicht; alsdann fällt der Ladestrom plötzlich auf einen Kleinstwert von etwa 3°/₀ des Vollastladestromes. Der Batte- go riespannung von 29 Volt entsprechen nämlich zwei Ladestromgrößen entsprechend den Punkten δ und b'. Es stellt sich hierbei stets der kleinere Ladestrom ein; der Ladestrom geht also sprunghaft auf den Kleinstwert zurück.

Fällt jetzt die Batteriespannung infolge Entladung wieder auf den Kleinstwert von rd. 23,5 Volt, so ist der Punkt α erreicht. Dieser Spannung entsprechen ebenfalls wieder zwei Ladeströme entsprechend den Punkten a und c. Bei dieser Spannung stellt sich stets der größere Ladestrom ein, so daß also bei Herabsinken der Batteriespannung auf rd. 23,5 Volt der Ladestrom plötzlich auf seinen vollen Wert springt.· Die Einschaltung erfolgt wie durch ein Relais. Auch begrenzt die Kippdrossel den größten Ladestrom in der Weise, daß eine Zunahme der Netzspannung eine wesentlich geringere Zunahme des Ladestromes durch Überschreiten des Höchstwertes zur Folge hat.

Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, daß bei Überschreitung eines bestimmten Höchstwertes der Netzspannung die Oberwellen des Stromes in der Kippdrossel erheblich zunehmen, während bei geringeren Netzspannungen die Oberwellen im Wechselstrom nur eine zu vernachlässigende Rolle spielen. Daher wird durch eine Netzüberspannung ein rasch ansteigender Spannungsabfall infolge Umbildung der Oberwellen hervorgerufen, so

daß weitere Erhöhungen der Netzspannung keine Steigerung des Gleichstromes am Verbraucher verursachen können. Hierin liegt ein gewisser Selbstschutz. Netzspahnungs-Schwankungen sind also nicht nachteilig.

Ein besonderer Vorteil der Kippdrosselschaltung ist, daß die Spannung der Puffer-" batterie innerhalb sehr enger Grenzen gehalten werden kann, was für viele von Pufferbatterien gespeiste Geräte sehr erwünscht ist, die keine Überspannungen vertragen, ohne daß ihr einwandfreies Arbeiten gestört wird. Bisher wurde die selbstregelnde Dauerladung von Batterien mittels Gleichrichtern, insbesondere Trockengleichrichtern, in der Weise erstrebt, daß nach Erreichen einer bestimmten Batteriespannung möglichst Spannungsgleichgewicht zwischen Gleichrichter und Batterie eintritt. Dies läßt sich durch eine Verminderung des inneren Widerstandes des Trockengleichrichters erzielen. Infolge der Welligkeit des erzeugten Gleichstromes kann man jedoch ein vollkommenes Spannungsgleichgewicht niemals erreichen, weshalb der Ladestrom auf nur 10 bis 15% seines Anfangswertes zurückgeht. Dasselbe ergibt sich auch bei Verwendung einer Glättungsdrosselspule, da_ zwar die Welligkeit unterdrückt wird, der erhöhte induktive Widerstand infolge der Einschaltung der Drossel jedoch den Spannungsabfall einer solchen Anordnung erheblich vergrößert. Der verhältnismäßig hohe restliche Ladestrom ruft bei vollgeladener Batterie eine erhebliche Überspannung hervor, die mit Rücksicht auf empfindliche Stromverbraucher unerwünscht ist. Auch kehrt bei wieder einsetzender Entladung der Ladestrom allmählich zurück, so daß die Ladezeit im Verhältnis sehr hoch ist, insbesondere auch deshalb, weil man nicht wie bei der Anordnung nach der Erfindung den Nennstrom des Gleichrichters als hoch-' sten Ladestrom, sondern nur etwa die Hälfte, ausnutzen kann.

Demgegenüber lassen sich bei der Einrichtung nach der Erfindung die Spannungsgren- . zen bei der Batterieladung außerordentlich eng gestalten, da diese Schaltung eine spannungsabhängige und keine stromabhängige darstellt. Der geringe restliehe Ladestrom von ι bis 3 °/₀ verursacht keinerlei Überspannung, weshalb also nach erfolgter Aufladung die Batteriespannung auf ihrem normalen Wert verbleibt. Bei wieder einsetzender Entladung kehrt fast sofort der volle höchste Ladestrom wieder, womit die Aufladezeit bedeutend kürzer ist als bei der vorerwähnten selbstregelnden Dauerladung, bei welcher ja nur So °/₀ des Vollastladestromes ausgenutzt werden können.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die Schaltung gemäß der Erfindung bei der Ladung alkalischer Batterien aus, bei denen jeglicher ' restliche Ladestrom nach erfolgter Aufladung wegen der fehlenden Selbstentladung schäd-Hch ist. Durch geeignete Bemessung der Drossel-Kondensator-Parallelschaltung kann erreicht werden, daß der Ladestrom ganz auf Null zurückgeht.

Weiterhin kann die Bemessung der Drossel-Kondensator-Parallelschaltung so getroffen werden, daß eine fast konstante Gleichspannung erzielt wird, so daß der Gleichrichter in der Einrichtung nach der Erfindung auch als Stromquelle konstanter Gleichspannung verwendet werden kann. Die bei Gleichrichtern übliche Glättungsdrosselspule beeinflußt die auf der Wechselstromseite liegende Drossel-Kondensator-Parallelschaltung in keiner Weise nachteilig. So

Die Mittel zur Bemessung der Kippdrossel nach der Erfindung bestehen in der geeigneten Bemessung der Amperewindungszahl und der geeigneten Bemessung und Wahl. des Eisenkernes. Die Größe des Kondensators wird in bekannter Weise den zu erzielenden Stromverhältnissen angepaßt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung für Wechselstromnetze g_o zur Vermeidung einer Spannungsverminderung bei Zuschaltung einer Belastung unter Verwendung einer der Belastung vorgeschalteten Drosselspule mit Eisenkern mit parallel geschaltetem Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule, die lediglich von Wechselstrom durchflossen wird, und die Kapazität des Kondensators so bemessen werden, daß ein ausgeprägtes oberes Knie in der Spannungskurve der Drosselspule in möglichster Nähe der Nullinie des Gesamtstromes in der Parallelschaltung gebildet wird, daß der Arbeitspunkt in die Nähe und oberhalb des oberen Knies gelegt wird und daß der Spannungsabfall an der Drossel annähernd konstant bleibt.

2. Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur selbstregelnden Dauerladung von Sammlerbatterien mittels eines Gleichrichters, insbesondere Metall· trockengleichrichters, aus einer Wechselstromquelle unter Benutzung des bei kleinen Strömen geringen und bei größeren Strömen wachsenden Spannungsabfalles des Gleichrichters.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen