DE638271C - Anordnung zur Speisung von Verbrauchern mit gleichgerichtetem Wechselstrom unter Verwendung einer Pufferbatterie - Google Patents

Description

Bei der Speisung von Verbrauchern mit gleichgerichtetem Wechselstrom werden häufig Pufferbatterien verwendet, die bei starker Belastung Leistung abgeben und in den Zei-S ten niedriger Belastung durch den Gleichrichter aufgeladen werden, mit dem sie ständig verbunden sind. Um die Ladestromstärke dem Ladezustand der Pufferbatterie anzupassen, ist es bekannt, eine Kippladung

to anzuwenden, d. h. eine Ladung, bei der die Batterie bis auf eine bestimmte Zellenspannung, z. B. 2,6 V bei Bleizellen bzw. 1,6 V bei Eisen-Nickel-Zellen, aufgeladen wird, wobei bei Erreichung dieser Spannung der Ladestrom plötzlich auf einen sehr geringen Wert springt. Die Batterie besitzt im unbelasteten Zustand dann eine Spannung von etwa 2,2 bzw. 1,4 V je Zelle. Sinkt bei Stromentnahme die Batteriespannung unter einen bestimmten Wert, z. B. 2 bzw. 1,2 V pro Zelle, so springt der Ladestrom wieder auf einen sehr hohen Wert, wodurch die Batterie wieder aufgeladen wird.. Man hat auch bei Anwendung von Pufferbatterien durch bestimmte Bemessung des Gleichrichterwiderstandes eine selbstregelnde Dauerladung ohne Kippen erreicht, d. h. eine Ladung, bei der bei der niedrigsten Zellenspannung von ungefähr 2 bzw. 1,2 V ein großer Ladestrom geliefert wird, während bei Erreichung einer oberen Spannungsgrenze von 2,4 bzw. i,5 V der Ladestrom auf einen so kleinen Wert zurückgeht, daß er gerade die Verluste der Batterie deckt.

Gemäß der Erfindung wird die Pufferbatterie nicht nur von einem Gleichrichter (bzw. einer Gleichrichteranordnung), sondern von zwei Gleichrichtern (bzw. zwei Gleichrichteranordnungen) gespeist, von denen der eine so bemessen ist, daß er hei der unteren Zellenspannung der Batterie, die man noch zulassen will, also z. B. 2,0 bzw. 1,2 V, ungefähr den maximalen von den Verbrauchern geforderten Strom liefert, und der eine solche Charakteristik besitzt, daß er die Batterie nur bis zu einer Spannung aufladen kann, die niedriger als die Gasungsspannung der Batterie ist, während der andere Gleichrichter so bemessen ist, daß er im normalen Betrieb höchstens einen kleinen Zusatzstrom liefert, jedoch eine Schnellaufladung der Batterie bewirkt, wenn die Entladespannung unter den obenerwähnten Wert sinkt, wobei die Batterie dann bis zu einer Spannung aufgeladen wird, bei der sie voll geladen ist. Bei Erreichen dieser Spannung springt der Strom dann sprunghaft auf einen kleinen Betrag oder auf Null. Eine solche Anordnung

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

Bipl.-Ing. Wilhelm Kafka in Berlin-Siemensstadt.

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bietet den Vorteil, daß unnötige Verluste vermieden werden und trotzdem auch bei wiederholt auftretenden Netzstörungen, also Wegfall der Wechselspannung, die Betriebssicherheit der Anordnung gewährleistet ist, ohne daß man noch zusätzlich von Hand einzugreifen braucht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Mit 3 ist der Transformator bezeichnet, dessen Primärwicklung an das Wechselstromnetz angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung die beiden Gleichrichteranordnungen 1 und speist, welche im Ausführungsbeispiel aus je vier Gleichrichtern in Graetzscher Schaltung, z. B. Trockengleichrichtern wie Kupfer-, Kupferoxyd- Gleichrichtern, besteht. Die Gleichrichter speisen die Pufferbatterie 4, an welche Verbraucher angeschlossen sind, die in der Figur nicht gezeichnet sind. Der Gleichrichter 1 besitzt eine derartige Ladecharakteristik, daß er ungefähr den Maximalwert des Verbraucherstromes liefern kann, ohne daß die Batterie bei Leerlauf auf eine Spannung aufgeladen wird, bei welcher die Batterie gast. Der Gleichrichter 2 besitzt eine Kipp charakteristik, und zwar derart, daß er im normalen Betrieb nur einen geringen Ström liefert, jedoch bei Unterschreiten einer unteren Spannungsgrenze der Batterie einen sehr großen Strom in die Batterie schickt, wodurch diese schnell bis zu einer Spannung aufgeladen wird, bei der sie voll geladen ist, worauf dann der Strom wieder auf einen kleinen Wert sprunghaft · zurückgeht. Diese Kippcharakteristik wird im Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß in Serie mit dem Gleichrichter 2 in an sich bekannter Weise eine gesättigte Drosselspule 5 liegt, zu der parallel ein Kondensator 6 geschaltet ist, der im Ausführungsbeispiel an eine besondere Sekundärwicklung der Drosselspule 5 angeschlossen ist. Wie diese gesättigte Drosselspule 5 und der Kondensator 6 zu bemessen sind, damit ein Kippvorgang auftritt, ist an sich bekannt.

Am besten läßt sich wohl die Wirkungsweise der Anordnung an Hand der Fig. 1 erläutern, in welcher die Ladekennlinien der beiden Gleichrichter dargestellt sind, d. h. die vom Gleichrichter gelieferte Spannung in Abhängigkeit vom Strom. Die Ladekennlinie des Gleichrichters 1 ist mit α bezeichnet. Der maximal im normalen Betrieb auftre-55- tende Verbraucherstrom sei Z₁. -Die Ladekennlinie des Gleichrichters 1 liegt derartig, daß der Strom J₁ vom Gleichrichter 1 gedeckt wird bei einer Spannung, die der gewünschten -Entladespannung der Batterie entspricht, also 2,0 bei Bleizellen bzw. 1,2 bei Eisen-Nickel-Zellen. Durch entsprechende Bemessung des Gleichrichterwiderstandes wird erreicht, daß bei Leerlauf die obere Spannung, bis zu welcher die Batterie durch den Gleichrichter ι aufgeladen Avird, niedriger ist als die Spannung, bei welcher die Batterie gast. In Fig. ι beträgt die Spannung, bis zu welcher die Batterie aufgeladen werden kann, 2,3 bzw. 1,4 V. Mit b ist die Ladekennlinie der Gleichrichteranordnung2 bezeichnet, d.h. die Gleichspannung, wie sie durch den inneren Widerstand des Gleichrichters, den Widerstand der gesättigten Vorschaltdrosselspule 5 mit Parallelkondensator, den inneren Widerstand des Transformators 3 und den Widerstand der Zuleitungen gegeben ist. Wäre die Gleichrichteranordnung 2 allein vorhanden, so würde bei Unterschreiten der Spannung von 2,0 bzw. 1,2 V der Strom sprunghaft auf den Wert J₂ ansteigen, worauf dann die Batterie bis zu einer Spannung, bei der sie voll geladen ist, also von 2,6 bzw. 1,6 V je Zelle, aufgeladen wird. Der Strom wird dann sprunghaft kiemer, und die Batteriespannung sinkt wieder so weit ab, bis der von der Gleichrichteranordnung gelieferte Strom den Verluststrom der Batterie deckt. Die. Summe . aus den beiden Ladekennlinien ist in Fig. 1 mit c bezeichnet.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:

Im normalen Betrieb, wenn also der Maximalstrom des Verbrauchers kleiner als J₁ ist, liefert der Gleichrichter 1 nahezu den gesamten Strom. Die Batteriespannung hält sich je nach der Größe des Belastungsstromes auf einem Wert, der zwischen 2,3 und 2,0 bzw. 1,4 und 1,2 V schwankt. Fällt nun plötzlich die Netzspannung weg und ist die Batterie längere Zeit beansprucht, so sinkt ioo ihre Spannung· unter 2,0 bzw. 1,2 V, und bei Wiederkehr der Netzspannung erfolgt ein Kippen des Ladestromes auf den Wert /₃. Hierdurch wird dann die Batterie wieder schnell aufgeladen, und bei Erreichen ihrer oberen Spannungsgrenze geht der Strotrt sprunghaft auf einen kleinen Wert zurück, wie in der Figur durch den Pfeil angedeutet ist. Ist bei der Schnellaufladung der Batterie ein Verbraucher angeschlossen, so geht ein na Teil des von den beiden Gleichrichtern gelieferten Stromes in den Verbraucher, der andere dient zur Aufladung der Batterie.

Die Anordnung bietet, wie bereits früher rwähnt, den Vorteil, daß auch bei wiederholt auftretenden Netzstörungen die Batterie immer wieder voll geladen wird, ohne daß unnötige Verluste in Kauf zu nehmen sind. Sie eignet sich daher insbesondere für bedienungslose Unterstationen, bei denen dauernd Verbraucher gespeist werden bzw. häufig kurzzeitig Strom entnommen wird.

Im jAuifiihrungsbeispiel war angenommen, daß der Gleichrichter ι eine Ladecharakteiistik besitzt, bei der bei steigender Batteriespannung der Strom stetig zurückgeht. Man kann aber auch der Gleichrichteranordnung ι eine Kippcharakteristik geben, indem man ihr z. B. eine Drosselspule vorschaltet, die vom Ladestrom des Gleichrichters * ι vormagnetisiert wird. Die Kippcharakteristik:

to wird dann so gewählt, daß der Gleichrichter bei der unteren Entladespannung der Batterie nahezu den Maximalwert des Verbraucherstromes liefert und daß bei einer Spannung, die unterhalb der Spannung liegt, bei welcher die Batterie gast, der Strom sprunghaft verkleinert wird.

Um eine Kippcharakteristik der Gleichrichteranordnung 2 zu erzielen, ist im Ausführungsbeispiel eine gesättigte Drosselspule mit Parallelkondensator vorgesehen worden. Man kann aber auch andere Anordnungen dazu verwenden. Beispielsweise könnte man eine gesättigte Drosselspule in Reihe mit einem Kondensator in die Zuführungsleitung vom Transformator 1 zum Gleichrichter 2 legen, oder man könnte auch beispielsweise in die Zuführungsleitung einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten 'schalten, bei dem in einem gewissen Bereich die Spannung bei steigendem Strom fällt. Man kann auch andere Anordnungen, z. B. Drosselspulen verwenden, die in bestimmter Weise vormagnetisiert werden. Um bei derartigen Einrichtungen, bei denen vormagnetisierte Drosselspulen oder thermonegative Widerstände für das Kippen verwendet werden, bei Wiederkehr der Netzspannung mit Sicherheit ein Kippen auf den großen Ladestrom des Gleichrichters 2 zu erhalten, kann man im Stromkreis des Gleichrichters 1 eine Vorrichtung vorsehen, die den Ladestrom des Gleichrichters 1 bei Wiederkehr der Netzspannung nur nach einer Zeitverzögerung von einigen Sekunden oder allmählich anwachsen läßt. Dazu eignet sich beispielsweise ein Relais oder ein thermonegativer Widerstand.

Wenn die Netzspannung stark schwankt, kann es erwünscht sein, Vorrichtungen vorzusehen, welche den Einfluß von Netzspannungsschwankungen aufheben. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise an das Wechselstromnetz die in Reihe geschalteten Primärwicklungen zweier Transformatoren anschließen, deren Sekundärwicklungen gegeneinandergeschaltet sind und die den Gleichrichtern zugeführte Wechselspannung liefern. Der eine Transformator wird gesättigt und die von dem zweiten Transformator gelieferte Spannung wird so gewählt, daß sie den Spannungsanstieg, welchen infolge der Neigung der Sättigungscharakteristik die Sekundär spannung des ersten Transformators aufweist, aufhebt. Zweckmäßigerw^reise schaltet man parallel zum gesättigten Transformator noch einen Kondensator. Man kann aber auch andere Anordnungen verwenden, um eine veränderliche Spannung in eine konstante Spannung umzuformen. Auch kann man, um Änderungen der Netzspannung auszugleichen, die Spannungsstromcharakteristik der Drosselspule 5 mit dem Parallelkondensator verändern, indem man beispielsweise in Reihe mit dem Kondensator die Sekundärwicklung eines Transformators schaltet, dessen Primärwicklung in Reihe mit einer gesättigten Drosselspule an die Netzspannung angeschlossen ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur Speisung von Verbrauchern mit gleichgerichtetem Wechselstrom unter Verwendung einer Pufferbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gleichrichter (Gleichrichteranordnungen) die Batterie speisen, von denen der eine den maximalen Verbraucherstrom mit einer solchen Charakteristik liefert, daß die Gasungsspannung der Batterie auch beim minimalen Stromverbrauch nicht erreicht wird, während der andere Gleichrichter im normalen Betrieb höchstens einen kleinen Zusatzstrom liefert, jedoch bei Sinken der Batteriespannung unterhalb eines bestimmten Wertes eine Schn'ellaufladung der Batterie bewirkt, welche bei Erreichen einer oberen Spannung, die großer ist als die vom anderen Gleichrichter erreichbare Spannung, iod durch ein Kippen des Stromes auf Null oder einen kleinen Wert beendet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen