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Gleichrichteranlage, die insbesondere zur Batterieaufladung geeignet
ist Die Erfindung bezieht sich auf eine insbesondere zur Batterieaufladung geeignete
Gleichrichteranlage und enthält eine Gleichrichterschaltung mit einer sich bei geringeren
Belastungen wenig ändernden, bei stärkeren Belastungen eine Strombeschränkung ergebenden
Spannungsstromcharakteristik.
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Nach der Erfindung ist entweder in Reihe oder parallel mit der Ausgangsspannung
dieser Gleichrichterschaltung die Ausgangsspannung einer zweiten Gleichrichterschaltung
mit einer solchen Spannungsstromcharakteristik geschaltet, daß die resultierende
Spannungsstromcharakteristik ebenfalls einen sich nur wenig in der Spannung ändernden
und gegebenenfalls einen strombeschränkenden Teil hat, bei der sich jedoch dem erstgenannten
Teil im Bereich der niedrigen Belastungen ein Teil anschließt, der eine höhere Spannung
als der entsprechende Teil der Kennlinie der erstgenannten Gleichrichterschaltung
allein aufweist.
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Durch diese Maßnahme wird eine Formänderung der Spannungsstromcharakteristik
der erwähnten Art erzielt, die die Anwendung einer solchen Charakteristik in einem
ausgedehnteren Bereich ermöglicht. Die erhöhte Spannung im Teil der resultierenden
Charakteristik bei den niedrigeren Belastungsströmen, deren Steigerung entsprechend
der Anwendung praktisch beliebig gewählt sein kann, kann z. B. zur In- oder Außerbetriebsetzung
von Relais, zum Aufladen von Batterien, Pufferbatterien od. dgl. verwendet werden.
Ein besonderer Vorteil
besteht dabei darin, daß es entsprechend
der Reihen- oder Parallelschaltung und der Bemessung der Transformatoren viele Anwendungsmöglichkeiten
für verschiedene Fälle gibt. Dabei soll grundsätzlich zwischen der erwähnten Reihen-
und der Parallelschaltung unterschieden werden.
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Bei Reihenschaltung der beiden Transformatorschaltungen werden die
Spannungen summiert, was die genannte Spannungssteigerung im Teile der resultierenden
Spannungsstromcharakteristik bei den niedrigeren Belastungen im Prinzip bereits
bei der kleinsten Bemessung der genannten zweiten Transformatorschaltung ergibt.
Der Bereich nahezu gleichbleibender Spannung der resultierenden Charakteristik wird
durch diese Maßnahme im Vergleich zur ursprünglichen Charakteristik aber etwa um
so viel verringert, alfs der Strombereich der in Reihe geschalteten Hilf sgleichrichterschaltung
beträgt.
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Bei der Parallelschaltung werden hingegen die Ströme summiert, wodurch
die Ausgangsspannung des parallel geschalteten Hilfsgleichrichters gleich der gesteigerten
Spannung der resultierenden Charakteristik und folglich größer als die gleichbleibende
Spannung der ursprünglichen Transformatorschaltung sein soll. Die Bemessung des
zweiten Transformators wird infolgedessen grundsätzlich größer als im erstgenannten
Fall der Reihenschaltung. Andererseits wird durch die Summierung der Ströme aber
keine Beschränkung des Strombereichs gleichbleibender Spannung, sondern eine Verschiebung
desselben in Richtung der höheren Belastungsströme erzielt, was für bestimmte Anwendungen
sehr günstig ist. Durch die Summierung der Ströme kann es vorkommen, daß die strombeschränkende
Eigenschaft der Charakteristik der erstgenannten Gleichrichterschaltung, von der
ausgegangen wurde, verlorengeht, was der Fall ist, wenn die Charakteristik der zusätzlich
hinzuzuschaltenden Gleichrichterschaltung keinen strombeschränkenden Teil besitzt.
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Ein anderer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht
darin, daß, entsprechend dem Strombereich der zweiten Gleichrichterschaltung, der
Strombereich .der gesteigerten Spannung der resultierenden Charakteristik entsprechend
der Anwendung und den Verbrauchern beliebig größer oder kleiner gewählt sein kann.
Bei Verbrauchern mit einer Pufferbatterie kommt es z. B. vor, daß die Batterie bei
einer verhältnismäßig großen Basisbelastung bis zur maximalen Spannung aufgeladen
werden muß, was durch eine richtige Wahl des erwähnten Strombereichs möglich wird.
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Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird als zweite Gleichrichterschaltung
eine Schaltung mit einer derart abfallenden Spannungsstromcharakteristik verwendet,
daß wenigstens der Übergang des Teils gleichbleibender Spannung nach einem Teil
gesteigerter Spannung der resultierenden Charakteristik steil verläuft.
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Erstens wird hierdurch ein stark diskontinuierlicher Übergang zwischen
den beiden Strom-Bereichen erhalten, wodurch eine schärfere Trennung zwischen den
beiden Bereichen entsteht. Der steile Übergang hat ferner bereits bei einer geringen
Stromänderung eine verhältnismäßig große Spannungsänderung zur Folge, was z. B.
zur In-oder Außerbetriebsetzung von gas- oder dampfgefüllten Entladungsröhren, mechanischen
Relais od. dgl. günstig sein kann. Ein dritter, auch sehr wichtiger Vorzug eines
solchen Überganges besteht darin, daß bei Netzspannungsschwankungen sich der Strombereich
dieses Teils der Charakteristik in dem Maße wie .diese steiler verläuft, weniger
ändert, wodurch auch der Strombereich des Teils gleichbleibender Spannung bei Netzspannungsänderungen
möglichst gleichbleibt. In der Figurbeschreibung wird dies noch näher erläutert.
Insbesondere wenn der übrige Teil der Charakteristik die Forderung erfüllt, daß
bei Netzspannungsschwankungen nur geringe Spannungsänderungen in der Charakteristik
auftreten sollen, was durch eine geeignete Wahl der Transformatorschaltung, von
der ursprünglich ausgegangen wurde, erzielbar ist, wird eine hohen Anforderungen
entsprechende Gesamtcharakteristik erhalten.
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Wie hieraus folgt, kann die zweite Gleichrichterschaltung aus einer
normal üblichen, aber auch aus einer besonderen Gleichrichterschaltung bestehen,
und zwar entsprechend den an die resultierende Charakteristik zu stellenden Anforderungen.
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An Hand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele wird das
erfindungsgemäße Prinzip näher erläutert.
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In Fig. z ist die mit r bezeichnete gestrichelte Linie eine Spannungsstromcharakteeristik
einer bereits vorgeschlagenen Gleichrichterschaltung mit einem sich bei geringeren
Belastungen wenig spannungsändernden, bei stärkeren Belastungen eine Strombeschränkung
liefernden Teil. Spannung und Strom sind, ebenso wie in den folgenden Figuren, mit
E und I angedeutet. Die Spannungsstromcharakteristik eines gewöhnlichen Gleichrichters
ist durch die gestrichelteLinie a dargestellt.
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Wenn die Gleichspannungen der beiden Gleichrichter gemäß der Erfindung
in Reihe geschaltet werden, so wird gemäß der ausgezogenen Linie eine resultierende
Spannungsstromcharakteristik 3. erhalten, die ebenfalls einen strombeschränkenden
Tei14 und einen sich nur wenig in der Spannung ändernden Teil 5: hat. Es schließt
sich aber an den letztgenannten Teil im Bereich der niedrigeren Belastungen ein
Teil 6 an, der eine höhere Spannung als der entsprechende Teil 7 der Charakteristik
r der erstgenannten Gleichrichterschaltung allein aufweist.
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Wie aus der Figur hervorgeht, ist der Bereich gleichbleibender Spannung
der Charakteristik z um den Teil ? verkleinert und mithin bis auf einen Bereich
8 herabgesetzt worden, so daß diese Schaltung auf diejenigen Anwendungen beschränkt
ist, bei denen dies unbedenklich ist. Außerdem kann beim Entwurf der Wahl der Charakteristik
r und der maximal zu liefernden Stromstärke Rechnung getragen werden. Die Spannungssteigerung
6 über
den Strombereich a kann, wie bereits eingangs erwähnt, zum
Ein- oder Ausschalten von Entladungsröhren, mechanischen Relais, Sicherungs-oder
Alarmeinrichtungen od. dgl. benutzt werden.
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Bei der Aufladung von Batterien, bei denen der aufgenommene Strom
des Gleichrichters nicht unterhalb einer bestimmten Basisbelastung absinkt, kann
die Spannungssteigerung für ein gutes Durchladen der Batterie verwendet werden,
was in der Zeichnung aus der Spannung an der Basisbelastung a ersichtlich ist.
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Durch eine andere Wahl der Charakteristik 2 kann sowohl der Betrag
der Spannungssteigerung, als auch deren Strombereich an die gestellten Anforderungen
angepaßt werden.
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Aus der Figur ist außerdem ersichtlich, daß die die Charakteristik
2 ergebende Gleichrichterschaltung verhältnismäßig beträchtlich kleiner als jene
bemessen ist, die die Charakteristik i ergibt, was einen besonderen Vorteil der
Reihenschaltung bildet.
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In Fig. 2 ist der Fall einer Parallelschaltung behandelt. Die Charakteristik
der Transformatorschaltung, von der ausgegangen wird, ist wieder durch eine mit
i bezeichnete gestrichelte Linie dargestellt, während eine zweite Gleichrichterschaltung
eine Charakteristik 9 hat. Infolge der Parallelschaltung entsteht eine resultierende
Charakteristik io entsprechend der ausgezogenen Linie ebenfalls mit einem strombeschränkenden
Teil i i und einem sich nur wenig in der Spannung ändernden Teil 12. An diesen Teil
schließt sich im Bereich der niedrigeren Belastungen ein Teil 13! mit -einer höheren
Spannung an als die des entsprechenden Teils i der Charakteristik der erstgenannten
Gleichrichterschaltung allein.
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Aus der Figur geht hervor, daß sich der Teil gleichbleibender Spannung
der ursprünglichen Charakteristik i nach einem höher liegenden Strombereich 14 verschoben
hat. Auch hier kann durch Änderung der Charakteristiken i und 9 eine resultierende
Charakteristik erhalten werden, die dem Verbraucher soweit wie möglich angepaßt
ist-.
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Es wird einleuchten, daß, wenn eine der beiden Gleichrichterschaltungen
eine Charakteristik ohne einen strombeschränkenden Teil hat, auch die resultierende
Charakteristik diese Eigenschaft haben wird. Dies kann unter Umständen erwünscht
sein.
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Die resultierenden Charakteristiken 3 und io aus den Fig. i und 2
sind, was ihre grundsätzliche Form anbetrifft, besonders zur Aufladung einer Pufferbatterie,
z. B. in selbsttätigen Telephonzentralen, geeignet, wo es vorkommen kann, daß die
Batterie bei einer gewissen Minimumbasisbelastung bis zu einer angemessenen Spannung
aufgeladen werden muß. Der Strom bei der Minimumbelastung muß dabei etwas kleiner
als derjenige beim Übergang zwischen dem sich wenig in der Spannung ändernden Teil
und dem Teil erhöhter Spannung sein.
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Die Charakteristik io nach Fig. 2 eignet sich im allgemeinen besonders
in denjenigen Fällen. in welchen der Belastungsstrom einen gleichbleibenden und
einen sich ändernden Teil besitzt, während die Spannung gleichbleiben soll. Der
gleichbleibende Stromteil ist dabei von der dem Teil 13 entsprechenden Größenordnung,
während sich der veränderliche Teil bis zur Krümmung zwischen den Teilen i i und
12 erstreckt. Der Vorzug dieser Schaltung besteht darin, daß die aus zwei Transformatorschaltungen
mit den Charakteristiken i und 9 bestehende Anlage billiger ist als eine einzige
Anlage mit einer Charakteristik nach dem Prinzip der Kurve i, aber mit einem Strombereich
gleich dem der Charakteristik io.
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In den Fig. i und 2 hat der Teil der resultierenden Charakteristik
mit gesteigerter Spannung nur eine geringe Steilheit. Bei Speisespannungsänderungen
des Netzes wird somit auch dieser von einem gewöhnlichen Gleichrichter stammende
Teil Änderungen unterliegen, was in den beiden Figuren durch eine strichpunktierte
Linie veranschaulicht ist. Sowohl in Fig. i als auch in Fig. 2 werden die Teile
gleichbleibender Spannung infolge der Netzspannungsänderungen um einen Teil 15 herabgesetzt.
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Um diesen Nachteil zu beheben, wird nach einem weiteren Kennzeichen
der Erfindung als zweiter Gleichrichter ein an sich bekannter Gleichrichter mit
einer derart abfallenden Spannungsstromcharakteristik verwendet, daß wenigstens
der übergang von dem Teil gleichbleibender Spannung nach dem Teil gesteigerter Spannung
steil verläuft. In Fig.3 ist dies für die Reihenschaltung und in Fig.q. für Parallelschaltung
dargestellt. Bei Netzspannungsänderungen werden die Änderungen des Strombereiches
bei gleichbleibender Spannung auf diese Weise bis auf ein Minimum herabgesetzt.
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Die in den Fig.3 und q; mit 16 bezeichneten Charakteristiken sind
auf an sich bereits vorgeschlagene Art und Weise mittels einer Gleichrichterschaltung
nach Fig. 5 durch eine bestimmte Bemessung des Kondensators 17 und des gesättigten
Transformators r8, die den Gleichrichter i9 und die Belastung 2o speisen, erzielbar.
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In den Fig. 6 und 7 ist Reihen- bzw. Parallelschaltung von Gleichrichterschaltungen
verwendet mit aus an sich ebenfalls bereits vorgeschlagenen Gleichrichterschaltungen
nach Fig.8 stammenden Charakteristiken.
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Entsprechende Teile sind in dieser Figur mit den gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 5. bezeichnet. In Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators
i8 ist aber noch die Sekundärwicklung eines kleinen gewöhnlichen Transformators
21 aufgenommen, die zusammen die Grätzschaltung 22 speisen.
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Aus den Kennlinien nach den Fig. 6 und 7 ist ersichtlich, daß die
resultierenden Charakteristiken 23 und 24 wieder einen Teil erhöhter Spannung, einen
Teil gleichbleibender normaler Spannung und einen strombeschränkenden Teil haben.
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Der erstgenannte Teil besitzt außerdem ebenfalls einen Teil mit einer
sich wenig ändernden Spannung und einen steilen Übergang nach ,dem folgenden Teil
der Charakteristik. Weiter weisen diese
Kennlinien als Einzelheit
die in Wirklichkeit meist nicht geschlossenen Schleifen 25 und 26 aurf, die ein
Spannungsmaximum bilden und sich besonders bei Batterieaufladung als geeignet erwiesen
haben. Übrigens trifft dasjenige, was bereits bei der Erläuterung der Fig. 3 und
4: erwähnt wurde, ebenfalls auf die Kennlinien nach den Fig. 6 und 7 zu.
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Schließlich ist in den Fig. 9 und i:oi eine Reihenschaltung bzw. eine
Parallelschaltung dargestellt. wobei in der letztgenannten Figur ausschließlich
die Schaltung nach Fig.8 verwendet wurde. Bei Anwendung .der Schaltung nach Fig.
C als zweite Gleichrichterschaltung, entweder in Reihe oder parallel, kann der Strombereich
a des zugesetzten Spannungswulstes, z. B. in den Fig. 6 und -/, durch Änderungen
der Kapazität 17 aus Fig. 8 oder durch eine Speisespannungsänderung, z. B. mittels
einer mit Anzapfungen versehenen Drossel geändert werden. Auf diese i#Veis-e ist
eine günstige Einstellung des erwähnten Strombereiches durch Regelung der Kapazität
oder der Speisespannung erzielbar.
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In Fig.9 ist als erste Gleichrichterschaltung ebenfalls diejenige
nach Fig.8 verwendet, während als Hilfsgleichrichterschaltung eine bekannte Schaltung
mit nach Grätz angeschlossenen Gleichrichtern 27 und mit einer zur Erzielung einer
steil abfallenden Kennlinie, z. B. nach Fig. 3' oder .4i, verwendeten vormagnetisierten
Drossel 2& dient. In dieser Figur ist eine Pufferbatterie 29 als Belastung angedeutet.
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Bei der Reihenschaltung der Gleichrichterschaltungen können sich noch
einige besondere Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Tatsache ergeben, daß der
Belastungsstrom auch die klein bemessene zweite Gleichrichterschaltung durchfließt.
Wenn für letztere z. B. eine Grätzschaitung (27 in Fig. 9) verwendet wird, so wird
bei einem hohen Belastungsstrom jeder der 'Nebenschlußzweige mit zwei in Reihe liegenden.
Gleichrichtern von der Hälfte dieses Stromes durchflossen, was bei Verwendung von
Trockengleichrichtern, die im Zusammenhang mit an den Spannungs- und Strombereich
des Spannungswulstes zu stellenden Anforderungen im allgemeinen zu verwenden sind,
einen unerwünschten Spannungsverlust ergibt. In Fig.6 ist dieser Spannungsverlust
durch die unterhalb der N ullinie verlaufende gestrichelte Linie 3a als eine Verlängerung
der Kennlinie Sri angedeutet. In der resultierenden Kennlinie kommt dies durch die
gestrichelte Linie 32 zum Ausdruck, die einen steileren Verlauf als der Teil a3
hat, wodurch den zu stellenden Anforderungen an eine hinreichende Spannungskonstantheit
in diesem Bereich nicht entsprochen werden könnte. Es könnte diesem Übelstand dadurch
abgeholfen werden, daß die Plus- und Minusklemmen der Grätzschaltung 27 bei größeren
Belastungsströmen z. B. mittels eines stromabhängigen Relais kurzgeschlossen werden,
so daß der Strom nicht über die Gleichrichter zu fließen braucht. In vielen Fällen
wird die Verwendung von Schaltern oder Relais aber einen 'Nachteil darstellen. In
diesem Fall schafft die Erfindung eine andere Lösung, bei der keine Schalter oder
Relais benutzt werden, nämlich durch Verwendung einer doppelphasigen Gleichrichterschaltung
als in Reihe angeordnete Hilfsgleichrichter. In Fig. i i ist dies im Prinzip veranschaulicht.
Der Hilfsspeisetransformator ist mit 33, dessen Mittelanzapfung mit 3,4 und die
Gleichrichter mit 3,,5 bezeichnet. Bei einer hohen Strombelastung teilt sich der
Strom gemäß den Pfeilen in die beiden Nebenschlußzweige, wobei in jedem Zweig statt
zwei nur ein Gleichrichter durchflossen und der Spannungsverlust bis auf einen zulässigen
Wert herabgesetzt wird. Hierdurch ist diese Aufgabe gelöst.
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Es ergibt sich dann aber eine andere Aufgabe, die bei Anwendung einer
Grätzschaltung 27 nach Fig.9 keine Rolle spielt. Im letztgenannten Fall durchfließt
der große Belastungsstrom nämlich nur die Gleichrichter und nicht die Sekundärwicklung
des Transformators. Bei Verwendung des doppelphasigen Hilfsgleichrichters wird die
Sekundärwicklung hingegen mit diesen stärkeren Belastungsströmen belastet. Diese
Sekundärwicklung soll deshalb aus Draht verhältnismäßig großer Dicke gewickelt werden.
Weil der Transformator weiter nur für eine geringe Leistung bemessen und z. B. bei
der Schaltung nach Fig. 9 als hochgesättigter Transformator ausgebildet wird, während
der schlechte Formfaktor des Stromes bei dieser Mittelpunktschaltung doch bereits
viel Kupfer erfordert, hat es sich in der Praxis gezeigt, daß die Wicklung nicht
innerhalb des dazu verfügbaren Raumes im magnetischen Kreis untergebracht werden
kann.
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In diesem Fall wird eine Abwandlung dieser Schaltung verwendet, die
in Fig. 12 dargestellt ist und statt der Hilf sgleichrichterschaltung 33, 34# 3;5
an die erste Gleichrichterschaltung 22 angeschlossen wird. Der Primärteil und die
Sekundärwicklungen der Transformatoren i.& und 21 können dabei z. B. auf die
gleiche Art und Weise wie bei der Hilfsgleichrichterschaltung in Fig.9 ausgebildet
sein. Die zwei doppelphasiggeschaltetenGleichrichter 35 sind aber nicht unmittelbar
an die Sekundärwicklungen, sondern durch Vermittlung eines z. B. als Autotransformator
ausgebildeten Zwischentransformators 36 mit Mittelanzapfung 3(4 angeschlossen. Dieser
Transformator kann dann unbedenklich mit einer für den erforderlichen Drahtdurchmesser
hinreichenden Öffnung ausgestattet werden. Dieser Transformator kann übrigens auch
als ein gewöhnlicher Transformator mit getrennten Wicklungen ausgebildet sein, wie
in Fig. 13, dargestellt ist. In diesem Fall wird der Speisetransformator vorzugsweise
in .Sparschaltung ausgebildet, wie mit 37 angedeutet ist. Diese Schaltung entspricht
im Wesen derjenigen nach Fig. i2.