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Anordnung für Gleichrichter Bei Gleichrichtern für verschiedene Zwecke
ist es erwünscht, die durch den inneren Widerstand des Gleichrichtertransformators,
durch die Zuleitungen und den inneren Widerstand des Gleichrichters hervorgerufenen
Spannungsabfälle ganz oder teilweise auszugleichen bzw. die Stromspannungskennlinie
bei Batterieladung so zu verändern, daß der Strom bei Ansteigen der Batteriegegenspannüng
stark zurückgeht oder auch ein plötzlicher Kippvorgang eintritt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung, mit deren Hilfe es möglich
ist, die Stromspannungskurve den oben angegebenen Anforderungen anzupassen.
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Gemäß der Erfindung wird die Induktivität einer im Gleichstromkreis
eines auf eine Batterie oder einen Kondensator arbeitenden Gleichrichters liegenden
Drosselspule derart vom Strom abhängig gemacht, daß oberhalb eines gewissen Stromwertes
der Ladestrom wieder pulsierend, d. h. zeitweilig gleich Null wird oder daß die
Pulsationen verstärkt werden. Unter pulsierendem Ladestrom ist also ein Ladestrom
zu verstehen, der aus einer Reihe nicht zusammenhängender Stromstöße gleicher Richtung
besteht. Je nach der Abhängigkeit der Induktivität der Drosselspule vom Strom kann
man erreichen, daß der Spannungsabfall, hervorgerufen durch die Widerstände der
Zu-Leitungen, des Transformators und gegebenenfalls des Gleichrichters, teilweise
oder vollständig aufgehoben wird oder daß der Strom bei Erreichen einer bestimmten
Gegenspannung plötzlich sprunghaft seinen Wert verkleinert, um bei Sinken der Gegenspannung
unter einen bestimmten Wert wieder sprunghaft größer zu werden.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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In Fig. Z wird eine Batterie 4. über vier Trockengleichrichter 2,
z. B. Kupferoxydgleichrichter, in Graetzscher Schaltung gespeist. Die Graetzsche
Schaltung liegt über dem Transformator z am Wechselstromnetz. In Serie mit der Batterie
liegt eine Drosselspule 3.
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Die Wirkungsweise der Anordnung soll an Hand der Fig. 2 erläutert
werden, in welcher die Stromspannungskennlinie eines Trockengleichrichters in Einphasengraetzschaltung
dargestellt ist, und zwar zeigt die Gerade zz die Verhältnisse bei Betrieb ohne
Glättungsdrossel, die Kurve 12 mit einer zwischengeschalteten Glättungsdrossel hoher
Induktivität, während die Kurven 13, 14, 15 die Stromspannungscharakteristiken mit
Drosselspulen immer kleinerer Induktivität darstellen. Die Drosselspulen mit den
Charakteristiken 12, 13, 14 bzw. 15 sind nicht gesättigt, bzw. die auftretenden
Sättigungserscheinungen
sind gering. Vom Strom Null an ist der
Ladestrom pulsierend, d.li. zeitweilig Null, bis der Knick der Charakteristiken
erreicht ist. Nach Überschreiten des Knickes besteht ch:i Ladestrom aus einem Gleichstrom
mit esi@ t überlagerten Wechselstrom, dessen Amkleiner ist als der Mittelwert des
Gleichstrar@r-, Alle diese mit den üblichen Drosselspulen erzielbaren Kennlinien
zeigen eir:en starken Abfall der Batteriespannung mit wachsendem Strom. Durch eine
erfindungsgemäße Drosselspule kann man diesen Abfall verringern bzw. gänzlich aufheben:
Bemißt man beispielsweise die Drosselspule so, daß von ungefähr zoll;`, des Nennstromes
ab der Ladestrom wieder pulsierend wird, so kann man erreichen, daß die Kenzllinie
bei 30°/, des Stromes die Kurve 13, bei 6o°/, die Kurve 14 und bei ioo°;'a Nennstrom
die Kennlinie 15 schneidet. Die so erhaltene Kennlinie ist mit 16 bezeichnet, welche
nach Überschreiten von iöo°/, Ladestrom ungefähr der Kennlinie 15 folgt, da sich
eine stärkere Sättigung nicht mehr auswirken kann. Bei kleinen Ladeströmen folgt
sie der Kurve 12, da bei kleinen Ladeströmen die Drossel ungesättigt ist. Vom Stromwert
Null anfangend bis zum Knick der Kennlinie 12 ist also der Ladestrom pulsierend,
d. h. zeitweilig gleich Null. Hierauf besteht er aus einem Gleichstrom mit einem
überlagerten Wechselstrom, dessen Amplitude kleiner als der Mittel-wert des Gleichstromes
ist; sobald die Kurve 16 von der Kurve 12 abweicht, wird der Ladestrom wieder pulsierend.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich, erreicht man durch die erfindungsgemäße Bemessung
der Drosselspule eine Kennlinie, bei welcher der Spannungsabfall im Gleichrichter,
in den V or schaltwiderständen und in dem Gleichrichtertransformator im Bereich
von 5 bis ioo°/, des Nennstromes praktisch aufgehoben ist. Um zu vermeiden, daß
bei sehr geringen Strömen die Spannung an der Batterie wieder ansteigt, wird der
Gleichrichter so bemessen, daß der bei ungefähr 2,1 bis 2,2 Volt erforderliche Konservierungsstrom
der Batterie größer ist als der vom Gleichrichter gelieferte Strom. Wird die Drosselspule
so gewählt, daß die Induktivität nicht so stärk mit wachsendem Strom abnimmt, so
bekommt man einen nur teilweisen Ausgleich des Spannungsabfalles. Will man eine
höhere Ladespannung erreichen, so kann man beispielsweise die Drosselspule so bemessen,
daß man eine Kennlinie 18 erhält. Vom Strom Null anfangend ist der Ladestrom im
steilen Teil der Kennlinie pulsierend; sobald die Kurve 18 von der Kurve 12 abweicht,
werden die Pülsationen verstärkt: Es ist aber auch möglich, die Drosselspule so
auszuführen, däß die Verminderung der Spannung bei wachsendem Strom stärker erfolgt
als bei der- Kurve 16. Beispielsweise kann man durch besondere Bemessung und Wähl
entsp:echender Blechsorten die Drosselspülen so ausführen, däß eine Sättigung beispielsweise
k'erst bei 45°,!o des Nennstromes beginnt; dann er rascher den Höchstwert erreicht
als bei der Kurve 16. Es ergibt sich dann die mit 17 bezeichnete Kennlinie. Diese
Kennlinie besitzt eire Einsattelung; was bei der Ladung einen Batterie einen -Kippvorgang
zur Folge hat, der unter bestimmten Ve:hältnissen erwünscht ist. So kann man z.
B. erreichen, daß bei Ladung einer Notbeleuchtungsbatterie nach Erreichen einer
oberen Spannungsgrenze der Strom auf einen ganz geringen Bruchteil zurü"kgeht und
erst dann wieder auf einen hohen `'fiert überspringt, wenn eine untere Spannungsgrenze
unterschritten wird. Ist beispielsweise bei der Kennlinie 17 die Gegenspannung kleiner
als 2 Volt, so wird die Batterie sehr stark geladen: Bei Erreichen einer Spannung
von etwas über 2 Volt je Zelle springt dann der Strom plötzlich auf ungefähr®io°j',
des Ladestromes zurück. Sinkt jedoch die Spannung der Batterie auf ungefähr i,9
Volt je Zelle, so vergrößert sich der Ladestrom wieder sp-unghaft auf ioo°",. Durch
geeignete Bemessung kann man beliebige Spannungswerte einstellen, bei denen ein
Umkippen des Stromes erfolgt.
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Bei der Aufladurg von Telefonbatterien ist häufig eine Glättung des
Ladestromes mit Rücksicht auf sonst hörbare Störgeräusche notwendig. Da die nach
der Erfindung angeordnete Drosselspule 3 gerade bei großen Stromstärken keine glättende
Wirkung mehr ausübt, ist es zweckmäßig, eine Anordnung nach Fig.3 zu verwenden,
bei der der Gleichrichter über eine Drosselspule 3, gemäß der Erfindung zunächst
auf einem Kondensator 5, arbeitet, an welche die Batterie über eine weitere Glättungsdrosselspule
6 angeschlossen wird.
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Um zu verhindern, daß bei Blechen geringer Koerzitivkraft durch den
bei bestimmten Gleichrichtern auftretenden Rückstrom derselben die Remanenz aufgehoben
wird, kann man der Drosselspule noch eine Vormagnetisierungswicklung geben, welche
im gleichen Sinne wie der Gleichstrom vormagnetisierend auf die Drosselspule wirkt
und welche von einem Strom gespeist wird, der bei hohen Ladeströmen groß, bei kleinen
Ladeströmen klein ist. Diesen Gleichstrom für die Vormagnetisierung kann man irr
verschiedener Weise erhalten: Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt die Fig. 4.. Soweit
die Teile mit denen der Fig. i übereinstimmen, sind die- i selben Bezugzeichen gewählt.
Bei der Anordnung nach Fig. q besitzt die Drosselspule 3 eine Hilfswicklung 7 und
eine Vormagnetisierungswicklung 8: Die Hilfswicklung 7 ist einpolig mit der Hauptwicklung
6 der Drosselspule verbunden. Es tritt dann zwischen ihrem anderen Pol und dem anderen
Pol der Hauptwicklung
bei enger Kopplung dieser Wicklungen eine
Gleichspannung auf, die bei hohem Ladestrom groß, bei niedrigem Ladestrom klein
ist und dem Ohmschen Spannungsabfall des Ladestromes an der Drosselspule (Wicklung
6) entspricht. Zwischen dem Endpunkt dieser Wickhlng und dem Ende der Hauptwicklung
6 liegt ein Kondensator g. An diesen zur Glättung dienenden Kondensator ist über
eine Glättungsdrosselspule xo die Gleichstromwicklung 8 angeschlossen. Die Gleichstromwicklung
wirkt in demselben Sinne vormagnetisierend wie der Ladestrom. Die Vormagnetisierung
wird so gewählt, daß bei sehr geringen Strömen sich die Wirkungen des Rückstromes
und der Vormagnetisierungswicklung aufheben.
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In Fig.5 ist die Magnetisierungscharakteristik der Drosselspule dargestellt.
Bei den maximal auftretenden Stromstärken arbeitet die Drosselspule ungefähr zwischen
den Punkten A-B; der horizontale Abstand der Punkte A-B ist dem Scheitelwert des
Ladestromes proportional, während der senkrechte Abstand proportional der an der
Drosselspule auftretenden Wechselspannung ist. Die Vormagnetisierung ist dabei so
gewählt, daß. der Punkt A rechts von der Ordinatenachse liegt. Bei kleinen Strömen,
z. B. bei ungefähr 511/, des Ladestromes, arbeitet die Drosselspule zwischen den
Punkten C und D, wobei der Punkt C ungefähr in die Ordinatenachse fällt. Bei diesen
kleinen Strömen ist die Wechselspannung an der Drosselspule gleich dem senkrechten
Abstand der Punkte C-D, sie ist also größer als die Wechselspannung bei ioo°/o des
Ladestromes.
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Bei Blechen mit hoher Koerzitivkraft kann es vorkommen, daß der Rückstrom
unter Umständen nicht ausreicht, um bei kleinen Ladestromstärken wieder eine erhöhte
Wechselspannung an der Drosselspule zu erhalten. Dann kann man der Drosselspule
eine zusätzliche Vormagnetisierung geben, die im gleichen Sinne wie der Rückstrom
wirkt und welche bei hohen Ladeströmen klein, bei kleinen Ladeströmen groß ist.
Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Spannung des Gleichrichters auf die
Gleichstromwicklung einwirken lassen, vorzugsweise über Widerstände mit negativem
Temperaturkoeffizienten. Durch geeignete Wahl der Abhängigkeit zwischen der Vormagnetisierung
und dem Ladestrom kann man sogar auch noch Spannungsänderungen ausgleichen, die
bei Änderung der Netzwechselspannung hervorgerufen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Vormagnetisierung verwendet
wird, die dem Ladestrom entgegengesetzt gerichtet ist, zeigt die Fig. 6, in der
die der Fig. = entsprechenden Teile die gleichen Bezugzeichen besitzen. Die Drosselspule
3 besitzt außer der Wicklung 6 eine Vormagnetisierungswicklung 2o, die über einen
Widerstand 21 mit negativem Temperaturkoeffizienten an einem Kondensator 23 liegt,
der über eine kleine Drossel22 an einem der vier Gleichrichter der Graetzschen Schaltung
liegt. Der Wicklungssinn der Wicklung 2o ist dabei so gewählt, daß die durch diese
Wicklung erzeugte Vormagnetisierung der durch den Ladestrom hervorgerufenen Vormagnetisierung
entgegenwirkt. Durch die Drosselspule 22 und den Kondensator 23 wird erreicht, daß
auf die Reihenschaltung von Widerstand 21 und Wicklung 2o der Mittelwert der an
dem einen Gleichrichterelement liegenden Spannung, also die Differenz aus der Spannung
in der Sperrichtung und der Spannung in der Durchlaßrichtung, zur Wirkung kommt.
Will man nur die Sperrspannung zur Wirkung bringen, so kann statt der Drossel 22
ein kleiner Gleichrichter verwendet werden, der nur für einen von der Sperrspannung
erzeugten Strom durchlässig ist. Der Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten
verstärkt die Abhängigkeit der Vormagnetisierung vom Ladestrom.
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In Fig. 7 ist die Magnetisierungscharakteristik der Drosselspule dargestellt.
Bei zoo°/o des Nennstromes arbeitet die Drosselspule zwischen den Punkten A-B; Punkt
A liegt etwas links von der Ordinatenachse. Die Induktivität der Drosselspule
ist dann sehr gering. Die an der Drosselspule auftretende Wechselspannung ist dem
senkrechten Abstand der Punkte A-B proportional. Bei kleinen Strömen arbeitet die
Drosselspule zwischen den Punkten C-D ; Punkt C liegt links der Ordinatenachse
und unterhalb der Abszissenachse. Die hier auftretende Wechselspannung an der Drosselspule
ist bedeutend größer als die `Wechselspannung bei großen Strömen, wie ohne weiteres
aus der Figur zu ersehen ist. Die Verlegung des Arbeitspunktes von A nach C rührt
davon her, daß bei geringem Ladestrom die Vormagnetisierung stärker in Erscheinung
tritt. Bei Stromstärken, die zwischen der minimalen und maximalen Ladestromstärke
liegen, werden Zwischenpunkte zwischen A und B sowohl bei der Anordnung nach Fig.
5 als nach Fig. 7 erreicht werden.
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In Fig. 8 sind die Charakteristiken z2 und 12' einer ungesättigten
Drosselspule sehr hoher Induktivität bei der niedrigsten und höchsten Netzspannung
aufgetragen. Durch geeignete Wahl der Abhängigkeit der Vormagnetisierung der Drosselspule
bei der Anordnung nach Fig. 6 vom Ladestrom durch entsprechende Wahl der Größe des
Widerstandes mit negativem Temperaturkoeffizienten kann man nun erreichen, daß man
bei der niedrigen Netzspannung eine Kurve 3o, bei der höchsten eine Kurve 30' erhält.
Wie das Diagramm in Fig. 8 zeigt, findet jeweils bei der gleichen Batteriespannung
ein Kippvorgang des Ladestromes statt; allerdings ist die Lade-Stromstärke nicht
dieselbe. Dies stört aber in
den meisten Fällen nicht. Man könnte
auch die Kurven so legen, daß unabhängig von der Größe der Netzspannung in weitem
Bereich die Batteriespannung annähernd konstant bleibt: Die Erfindung ist nicht
auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise könnte man
auch die bei den Anordnungen nach Fig. 4 und 6 erläuterten Maßnahmen miteinander
vereinigen, um je nach dem gewünschten Zweck den erforderlichen Zusammenhang zwischen
Strom und Spannung zu erzielen.
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Die Anordnung ist auch nicht beschränkt auf Trockengleichrichter,
sondern kann auch beispielsweise bei Metalldampfgleichrichtern Anwendung finden.