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Relaisschaltung für die Uberwachung der Ladung und Spannung gepufferter
Batterien Bei der Pufferung von Batterien wirkt sich die übermäßig große Spannungserhöhung,
die in betriebsschwachen Stunden auftreten kann, nachteilig auf den Betrieb der
von diesen Batterien gespeisten Anlagen aus. Bekanntlich arbeiten Fernmeldeanlagen
einwandfrei innerhalb eines Spannungsbereichs von ± 5 % der Nennspannung.
Bei Überschreitung dieser Spannungsgrenzen treten Betriebsunsicherheiten in der
Anlage auf, die sich z. B. in selbsttätigen Fernsprechanlagen dahin auswirken, daß
Wähler hängenbleiben, so daß Teilnehmer nicht mehr wegrufen können, oder bei Notbeleuchtungen
die Lampen frühzeitig durchbrennen usw.
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Für die Verhütung der Über- und Unterspannungen wurden schon verschiedene
Überwachungseinrichtungen geschaffen. Bei Pufferungen aus dem Wechselstromnetz wurde
mittels der Anwendung der Kippdrossel eine einfache und betriebssichere Überwachungseinrichtung
ermöglicht. Bei Pufferungen aus dem Gleichstromnetz liegen aber die Verhältnisse
nicht ganz so einfach. Ohne Pufferung aus dem Gleichstromnetz kann aber bei betriebswichtigen
Anlagen nicht ausgekommen werden, da das Gleichstromnetz oder die Notstrombatterie
immer die letzte Sicherheit in der Stromversorgung einer betriebswichtigen Fernmeldeanlage
bildet. Schon aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn sowohl für die Pufferung
aus dem Wechselstromnetz als auch aus dem Gleichstromnetz dieselbe Überwachungseinrichtung
verwendet
«-erden kann, was bei den zur Zeit vorhandenen Einrichtungen aber nicht der Fall
ist.
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Eine Ausführungsart für Gleichstromnetze wurde z. B. derart vorgesehen,
daß die Ladung nur im betriebslosen Zustand vorgenommen wurde, damit im Betriebszustand
mit der vorgeschriebenen Nennspannung ohne große Überspannungen gearbeitet werden
kann. Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß bei irgendwelchen Unregelmäßigkeiten
in der Anlage, die Netzspannung abgeschaltet bleibt und die Batterie entladen wird.
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Eine andere Art verwendet Gegenzellen im Entladestromkreis, die abhängig
von der Batteriespannung im Entladekreis ein- und ausgeschaltet werden. Die Zuschaltung
der Gegenzellen erfolgt entweder durch Kontaktspannungsmesser oder Spannungsrelais,
deren Arbeitsweise durch Eisenwasserstoffwiderstände sicherer gestaltet wird. Abgesehen
von den Zuleitungen der Zellenschalter bzw. Zellenkontakte, die vom Vorraum zum
Batterieraum geführt werden müssen, was montagemäßig etwas teuer ist, stößt die
Überwachung der Spannung durch Kontaktvoltmeter oder Relais im Bereich von j % der
Nennspannung immer auf Schwierigkeiten. Nur unter Zuhilfenahme von Spezialinstrumenten
oder Spezialrelais, die bereits bei Überspannungen von o,i Volt ansprechen, können
gute Erfolge erzielt «-erden. Aber auch dann müssen häufig noch Nachjustierungen
durchgeführt werden, um richtige Schaltungen zu erhalten. Solche Einrichtungen sind
daher nicht bloß kostspielig, sondern stellen in gewissem Sinne Zwangslösungen dar.
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Die Lage auf dem Gebiet der Spannungsüberwachungen bei Pufferungen
ist also derart, daß die Überwachungseinrichtungen bei Wechselstromnetzen günstig
sind, während diejenigen für Gleichstromnetze wegen der notwendigen Empfindlichkeit
der Spannungsüberwachungsrelais und der notwendigen zusätzlichen Relais nicht sehr
geeignet sind. Um für Gleichstrompufferungen eine einfachere und betriebssichere
Überwachungseinrichtung zu schaffen, die gleichzeitig auch für Pufferungen aus dem
Wechselstromnetz verwendet werden kann, wurde folgende Überlegung gemacht. Die Batteriespannung
steigt beim Laden nach einer bestimmten Kurve, der sogenannten Ladekurve an (Abb.
i, Kurve E.). Dabei ist vorausgesetzt, daß die Batterie bereits formiert und lediglich
zu laden ist. Die Ladungskurve steigt im ersten Augenblick rasch an, verläuft dann
waagerecht bis zu einer bestimmten Spannung, von wo sie rasch wieder ansteigt zu
einer gewissen Endspannung, die von der Ladestromstärke abhängig ist.
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Die Ladestromstärke sei J1. Sie ist durch die Netzspannung, den Vcrschaltwiderstand
Rr, und die l')atteriespannung E, gegeben (Abb. 2). Wird der Batterie noch ein Widerstand
R, (Kontrollwiderstand) vorgeschaltet, dessen Größe so bemessen ist, daß Er = R,
x J, = EZ zu einer bestimmten Zeit T, ist (Schnittpunkt A), so kann
beim Verlauf der Ladung beobachtet werden, daß die Kurve Ei --_ R, J, (Kontrollspannung)
bei konstanter Ladespannung geradlinig verläuft und bedeutend weniger ansteigt,
als die Ladekurve E.. Im Endzustand der Ladung tritt ein beträchtlicher Unterschied
auf zwischen der Ladespannung E., und der Kontrollspannung Ei = R, J,. Dieser Unterschied
E2 - Ei kann für das Ansprechen eines Ü berwachungsrelais Ja verwendet werden. Dieses
Überwachungsrelais wird um so unempfindlicher arbeiten müssen, je größer das Verhältnis
Arbeitsspannung: Fehlspannung ist. Bei einem Relais z. B., das bei einer Fehlspannung
von 6o Volt nicht ansprechen darf und bei einer Arbeitsspannung von 67 Volt ansprechen
muß, ist das Verhältnis nur 67: 6o = i,i. Ist aber die Fehlspannung sehr
klein und beträgt sie z. B. 0,3 Volt, und kann die Arbeitsspannung beispielsweise
i,o Volt erreichen, so wird das Verhältnis i,0 : 0,3 = 3,3. Die Herstellung eines
solchen Relais macht keine großen Schwierigkeiten, und das Arbeiten eines solchen
Relais ist jederzeit sichergestellt, ohne große Kosten für ein solches aufwenden
zu müssen.
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Aus der Charakteristik der beiden Kurven E, und Ei = R, x J, kann
nun ein solches Verhältnis Arbeitsspannung: Fehlspannung geschaffen werden, wenn
Ei in die Abszissenachse der Abb. i verlegt und E.. - Ei = e als resultierende Spannung
für das Ansprechen des Überwachungsrelais J, verwendet wird. Das Verlegen der Kurve
Ei = R, x J, in die Nähe der Abszissenachse erreicht man durch Herstellen eines
gewissen Spannungsverhältnisses E,: E,, auf dem parallelen Stromzweig
der Widerstände R3 und R., (Abb. 2), so daß bei gewissen Spannungsverhältnissen
ein Brückengleichgewicht am J.-Relais hergestellt werden kann. Zur Zeit T, ist am
Voltmeter des Stromkreises des Überwachungsrelais J, ein DIinimum an resultierender
Spannung E, herzustellen, indem' die Widerstände R,, R;, und R, entsprechend eingestellt
werden. Steigt nun die Batteriespannung E2 an, so steigt auch die resultierende
Spannung E, entsprechend an.
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Wiederholt entstehen bei Spannungsüberwachungseinrichtungen Schwierigkeiten
in der Überwachung des Netzes. Fällt das Netz aus, so entsteht eine höhere Spannung
E_," am j,-Relais. :Mittels dieser höheren Spannung E.," kann entweder ein besonderes
Alarmrelais N betätigt werden, oder kann ein Thermokontakt erregt werden, der wieder
einen Alarm auslöst (Abb. 2). An Stelle dieser Relais im Stromkreis des J,7 Relais
kann aber auch statt eines der Widerstände im Nebenschluß zum Ladestromkreis
ein
Relais N für diese Zwecke vorgesehen werden (Abb. 3 und q.). Der Erfindungsgedanke
ist an zwei Beispielen in den Abb. 3 und q. dargestellt, und zwar ist in Abb. 3
der Kontrollwiderstand R1, Rll gleichzeitig als Regulierwiderstand R1, Rll in den
Ladestromkreis der Batterie B und in Abb. q. der Nebenschlußwiderstand R3 und R31
in den Nebenschluß zum Ladestronj-kreis der Batterie B als Regulierwiderstand geschaltet.
Gleichzeitig zeigt die Abb. 4 wie eine solche Überwachungseinrichtung sowohl für
Gleichstrom, als auch für Wechselstrompufferungen verwendet werden kann.
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Der Aufbau der Schaltung Abb. 3 ist gemäß der obigen allgemeinen Betrachtung
folgendermaßen : In den Ladestromkreis eines Gleichstromnetzes sind die beiden Widerstände
R2, und Rvl geschaltet. Der Ladestrom führt dann über die Widerstände R1 und Rll
und den Arbeitskontakt ni zur Batterie und zurück zum Netz. Zwischen Vorschaltwiderstand
Rvl und Kontrollwiderstand R1 wird der zum Ladestromkreis parallele Stromkreis der
Widerstände R3 und R1 angeschlossen. Dabei kann der Widerstand R3 gleichzeitig zum
Netzstromüberwachungsrelais N ausgebildet werden. Vor dessen Arbeitskontakt w ist
der Stromkreis des J,- Relais für die Überwachung der Batteriespannung abgezweigt,
der zwischen den beiden Widerständen R3 und R4 endigt. Das j, -Relais besitzt die
beiden Ruhekontakte ioi und ioii, die beim Ansprechen des 1ö Relais die entsprechenden
Widerstände Rvl bzw. Rll zu schalten haben. Beim Einschalten des zusätzlichen Vorschaltwiderstandes
RQ,1 entsteht ein kleinerer Ladestrom J11, der in dem Widerstand R1 auch eine kleinere
Kontrollspannung Ei' hervorruft. Diese KontrollspannungEll ergibt aber wiederum
ein anderes Brückenverhältnis und damit eine andere resultierende Spannung E,1.
Da das Jg- Relais eine bestimmte Ansprech-und Fehlspannung besitzt, so muß sich
die neue resultierende Spannung Eol wertmäßig zwischen diesen beiden Grenzwerten
bewegen, damit das i,-Relais bei einer bestimmten kleinsten zulässigen Batteriespannung
E2 wieder rechtzeitig abfällt. Beim Umstellen des großen Ladestromes auf den kleineren
ist daher auch die resultierende Spannung E, auf Eol umzustellen, wobei E,1 gleich
oder kleiner als E, werden muß. Diese Anpassung erfolgt durch Zuschaltung des zusätzlichen
Widerstandes Rll mittels des Ruhekontaktes ioii.
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Für den Fall, daß ein starkes Absinken der Batteriespannung durch
einen Alarmwecker W, angezeigt werden soll, kann das j, -Relais als polarisiertes
Relais ausgebildet werden. Dieses polarisierte Relais spricht an, wenn die Batteriespannung
so stark unter die Kontrollspannung fällt, daß der Strom im Stromkreis des J,- Relais
in entgegengesetzter Richtung verläuft. Beim Ansprechen schaltet das T,-Relais durch
seinen Arbeitskontakt ioii, den Alarmwecker IL', ein. Außer dem Arbeitskontakt W,
der beim Ausbleiben der Netzspannung den Batteriestromkreis zu unterbrechen hat,
besitzt das :V-Relais noch den Ruhekontakt Wl zum Betätigen des Alarmweckers LITT.
IAIit der Betätigung der Alarmwecker 'Fl7l und L.1', kann natürlich in bekannter
Weise auch ein Schütz erregt werden, das die Batterie B selbsttätig von einem Netz
auf das andere umschauet..
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Mit der Darstellung der Abb. 3 ist der Erfindungsgedanke noch nicht
erschöpft. Der Reguliercaiderstand muß nicht unbedingt im Ladestromkreis liegen,
sondern kann auch im Nebenschluß zum Ladestromkreis als \ebenschlußwiderstand R3,
R31 geschaltet sein. Auch kann die Reihenfolge der Widerstände R1, R3 und R4 sowie
der Batterie B eine andere sein, oder kann die Batterie B mit ihrer Spannung E,
auch auf einen parallel geschalteten Widerstand R, arbeiten, dessen Spannungsabfall
im Zusammenwirken mit den übrigen Spannungsabfällen El, E3 und E,, die Anzugs- und
Abfallvorgänge am j, -Relais hervorrufen. In Abb. q. ist daher auch ein solcher
Fall dargestellt. Der Aufbau Abb. q. zeigt gegenüber Abb. 3 den Unterschied, daß
diesmal die Regulierwiderstände R3, R31 im Nebenschluß zum Ladestromkreis der Batterie
B sich befinden. Dabei wird der Widerstand R3 gleichzeitig vom Netzspannungsüberwachungsrelais
IV gebildet. Das j, -Relais, das sich im Abzweigestromkreis zwischen den Widerständen
R31 und Ra einerseits und dem Widerstand R1 und der Batterie B andererseits befindet,
schließt beim Anziehen mittels seines Arbeitskontaktes ioII= den Regulierwiderstand
R31 kurz und paßt damit das Brückengleichgewicht, bedingt durch den mittels Ruhekontakt
ioi,i zugeschalteten Widerstand R2,1, der verminderten LadestronlStärlie an, oder
mittels des durch 'Wechselkontakt ioi eingeschalteten 'Wechselstromkreises der Drossel
D,1 an Stelle des ausgeschalteten Stromkreises der Drossel D". Es ist damit der
Fall einer Überwachungseinrichtung für Gleich- und Wechselstrompufferungen dargestellt.
Mittels Umschalter U kann die Batterie entweder an das Gleichstromnetz über die
Vorschaltwiderstände R,, oder an die über den Transformator Tr und Gleichrichter
G gleichgerichtete Wechselspannung gelegt werden. Diese Umschaltung kann auch durch
ein Schütz erfolgen, das vom N-Relais gesteuert wird. Die einwandfreie Überwachung
der Batteriespannung ist gewährleistet, wenn die. maximalen und minimalen Ladestromstärken
bei beiden Netzstromarten jeweils dieselben sind.
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Die Arbeitsweise der Überwachungs#--inrichtung (Abb. 3) ist folgende:
An den Anschlußklemmen des j, -Relais ist bei einer Batteriespannung
von
beispielsweise 24 Volt und bei einem Ladestrom von etwa 2,4 Amp. eine Spannung von
ungefähr 0,4 Volt einzustellen durch geeignete Anpassung der Widerstände R1, R3
und R4. Durch Ladung der 24-Volt-Batterie B steigt nun die Batteriespannung E2 an.
Bei etwa 26,5 Volt Batteriespannung steigt die Spannung E, auf etwa 1,2 Volt Spannung
an. Bei dieser Spannung spricht nun das j, -Relais an, öffnet seinen Ruhekontakt
i,I und schaltet damit den Widerstand R.,1 in den Ladestromkreis ein. Der Ladestrom
geht auf etwa i,2 Amp. zurück. Mit dieser Änderung des Ladestromes wird aber durch
den Ruhekontakt zoII gleichzeitig der zweite Regulierwiderstand Rll zu dem bereits
vorhandenen Regulierwiderstand R1 geschaltet. Der Widerstand R11 ist dabei in seiner
Größe so zu wählen, daß die Spannung am J9 Relais nach der Zuschaltung des Kontrollwiderstandes
R11 etwas kleiner ist, als vor der Umschaltung, damit das J,-Relais bei kleiner
werdender Batteriespannung rechtzeitig abfällt. Die Betätigung der beiden Kontakte
io, und aoII hat gleichzeitig zu erfolgen. Bei einem Ladestrom von i,2 Amp. geht
die Batteriespannung etwas zurück und hält sich auf einem etwas niedrigeren Wert.
Wird die Batterie nun belastet, so kann die Batteriespannung weiter zurückgehen
und damit auch die Spannung an dem j, -Relais. Ist die Batteriespannung auf etwa
24,3 Volt gefallen, dann beträgt die Spannung am j, --Relais etwa o,5 Volt, bei
der das J.-Relais wieder abfällt. Die Ruhekontakte ioI und i,', schließen den Ladewiderstand
R4,1 und den Regulierwiderstand R11 wieder kurz und der Ladestrom steigt wieder
auf 2,4 Amp. an. Das Laden mit höherer Stromstärke kann wieder von neuem beginnen.
Die Spannung am J. -
Relais kann am Voltmeter auch einen negativen Ausschlag
geben, wenn die Batteriespannung unter 22,8 Volt fällt, d. h. wenn die Batteriespannung
unter die Kontrollspannung wegen irgendeiner Störung in der Anlage fällt. Ist das
j,-Relais ein polarisiertes Relais, dann wird dessen Arbeitskontakt Z,III geschlossen
und der Alarmwecker 1V2 spricht an als Zeichen, daß die Batteriespannung unvorschriftsmäßig
zu sinken droht. Dieser Fall dürfte z. B. eintreten, wenn der maximale Pufferstrom
bedeutend kleiner ist als ein dauernd fließender Entladestrom zum Verbraucher.
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Für den Fall, daß die Netzspannung ausbleibt, ist im Nebenschluß zum
Batteriestromkreis, im Stromkreis der beiden Widerstände R3 und R4 der Widerstand
R3 gleichzeitig als Relais N vorgesehen. Es ist bei der Ladung angezogen und fällt
bei Ausbleiben der Netzspannung ab. Beim Abfallen des N-Relais wird dessen Arbeitskontakt
ni geöffnet, der damit den Batteriekreis: Batterie B + -Pol, nl-Kontakt, R11, R1,
iN-Relais, R4, --Pol Batterie B und den parallelen Stromkreis: Batterie B+-Pol,
nl-Kontakt, J.-Relais, R4, --Pol Batterie B unterbricht, damit die Batterie nicht
unnötig Energie verliert. Der Ruhekontakt nll schließt sich, wenn das N-Relais abfällt,
und betätigt den Alarmwecker W1, um das Wartepersonal auf die ausgefallene Netzspannung
aufmerksam zu machen. Selbstverständlich kann außer dem Alarmwecker noch ein Schaltschütz
erregt werden, das die Umschaltung der Batterie von einem Netz auf das andere vornimmt.
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Mit der geschilderten Einrichtung ist ein Beispiel für eine Vorrichtung
dargestellt, die es ermöglicht, alle die Schwächen mit einfachen Mitteln auszumerzen,
die heutigen Puffereinrichtungen ohne und mit besonderen Überwachungseinrichtungen
anhaften. Die Art der oben dargestellten Einrichtung ist natürlich für jede Netz-
und Batteriespannung zu verwenden. Sie wurde nur der Einfachheit halber für 24 Volt
beschrieben. Der maximale und minimale Pufferstrom richtet sich nach der Kapazität
der Batterie und der Arbeitsweise derselben.
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Entsprechend liegen die Verhältnisse bei der Schaltung der Abb. 4.
Auch hier ist wieder die Spannung von etwa 0,4 Volt am Jg- Relais bei der geringsten
zulässigen Batteriespannung E, mittels der Widerstände R3 und R4 einzustellen, nachdem
schon vorher der Widerstand R1 entsprechend gewählt wurde. Die Spannung am J.-Relais
steigt wieder entsprechend der Batteriespannung E2 bis zu einer maximal zulässigen
Größe an. Das jö Relais spricht an und schaltet den Widerstand Rvl in den Ladestromkreis
mittels des Ruhekontaktes i,lll bei Gleichstrompufferung ein und bei Wechselstrompufferung
mittels Wechselkontakt i,1 die Drossel D" mit der Sekundärwicklung 0Q aus und dafür
mittels desselben Kontaktes i,1 die Drossel Dq,l mit der Sekundärwicklung PQ in
den Gleichrichterstromkreis ein. Gleichzeitig wird das ursprüngliche Brückenverhältnis
dem verminderten Ladestrom durch Kurzschließen des Widerstandes R31 durch den Arbeitskontakt
i,112 angepaßt. Dabei ist der Regulierwiderstand R3 gleichzeitig als Netzüberwachungsrelais
N ausgebildet, das abfällt, wenn die Netzspannung ausbleibt und mit seinem Arbeitskontakt
n, den Batterie- und Überwachungsstromkreis auftrennt: Batterie ---Pol, Widerstand
R1, Widerstände R3, R31, R4, Arbeitskontakt nl und -Pol Batterie sowie: Batterie
; -Pol, Jo- Relais,Widerstand R4, Arbeitskontakt ra, und --Pol Batterie.
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Gleichzeitig wird das Element Z über den Ruhekontakt nII geschlossen,
wodurch der Alarmwecker W1 ertönt. Bei zu starkem Sinken der Batteriespannung kann
das J" -Relais als polarisiertes Relais mittels seines Arbeitskontaktes i,lll einen
zweiten Alarmwecker W2 über das Element Z zum Ertönen bringen, da bei zu
geringer
Batteriespannung der Strom im Stromkreis des jö Relais seine Richtung ändert.
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So kann mit Hilfe weniger Relais und Widerstände eine Vorrichtung
geschaffen werden, die es gestattet, sowohl die Batteriespannung in mäßigen Grenzen
bei Wechselstrompufferung wie bei Gleichstrompufferung zu halten, als auch bei Ausbleiben
der Netzspannung und bei plötzlichem Absinken der Batteriespannung das Aufsichtspersonal
zu alarmieren, damit dasselbe Abhilfe schaffen kann. Mit der Betätigung der beiden
Wecker W1 und W, könnte natürlich auch ein Schaltschütz betätigt werden, das in
entsprechender Weise selbsttätig das zweite Sicherheitsnetz (Gleichstromnetz an
Stelle des Wechselstromnetzes) an die Batterie B legt.