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Umformereinrichtung zum Anschluß an Gleichstromnetze Die Erfindung
bezieht sich auf Umformereinrichtungen, welche dazu dienen, Gleichstrom in Wechselstrom
bzw. Gleichstrom einer gegebenen Spannung in solchen anderer Spannung umzuformen.
Derartige Einrichtungen sind beispielsweise erforderlich, wenn ein Wechselstromempfänger
an ein Gleichstromnetz angeschlossen oder eine Klingeleinrichtung oder eine ähnliche
Signaleinrichtung aus einer Akkumulatorenbatterie gespeist werden soll, die selbsttätig
über einen Wechselrichter aus einem Gleichstromnetz aufgeladen wird. Es ist bekannt,
in solchen Fällen den Gleichstrom durch einen Pendelwechselrichter in Wechselstrom
umzuformen und den Wechselstrom mit der gewünschten Spannung aus dem Transformator
zu entnehmen. Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art muß der Wechselrichter
durch Betätigung eines Schalters von Hand aus- oder eingeschaltet werden, während
der an ihn angeschlossene Stromverbraucher dauernd eingeschaltet bleibt; dies zwingt
dazu, den Wechselrichter an gut zugänglicher Stelle aufzustellen, wodurch die Aufstellung
der ganzen Anlage oft erheblich erschwert und der Gesamteindruck stark beeinträchtigt
wird.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Umformereinrichtung zum Anschluß
von Wechselstromverbrauchern an Gleichstromnetze, bei welcher die Schaltung unmittelbar
am Stromverbraucher bzw. an dessen Arbeitsstromkreis vorgenommen und der Wechselrichter
selbsttätig vom Verbraucher aus zu- bzw. abgeschaltet wird. Erfindungsgemäß ist
zu
diesem Zweck in den Sekundärstromkreis des Transformators ein
Relais eingeschaltet, durch welches beim Schließen dieses Stromkreises, also heim
Anlegen der Last, der Primärstromkreis selbsttätig geschlossen wird. Dabei kann
nie Anordnung so getroffen werden, daß der zur Betätigung des Relais dienende Strom
dem Primärstromkreis entnommen wird, oder dieser Strom kann auch einer Hilfsbatterie,
und zwar sowohl einer besonders hierfür bestimmten Batterie als auch einer zu anderen
Zwecken bereits vorhandenen Batterie, entnommen werden. In beiden Fällen werden
die Arbeitswicklung und der magnetische Kreis des Relais so bemessen, daß .dieses
erst zum Ansprechen gebracht wird, wenn der Sekundärstromkreis durch Anlegen der
Belastung geschlossen wird. Das Relais kann zu diesem Zweck auch mit geeigneten
weiteren Bauelementen entsprechend zusammengeschaltet sein.
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Die Bedienung dieser Anlagen gestaltet sich außerordentlich einfach,
weil in jedem Fall nur die Kontakteinrichtung zu betätigen ist, welche auch sonst
zur Einschaltung des Stromverbrauches dient, also beispielsweise der Schaltknopf
eines Rundfunkempfängers oder der Druckknopf einer Klingelleitung od. dgl. Dabei
lassen sich, wenn es zweckmäßig erscheint, Primärseite; d. h. Gleichstromnetz, und
Sekundärseite, d. h. Arbeitsstromkreis, galvanisch vollständig voneinander trennen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den von dem Umformer entnommenen Wechselstrom
mit Hilfe geeigneter Einrichtungen, wie Trockengleichrichter, mechanischer Gleichrichter
nach Art von Pendelgleichrichtern usw., wieder in Gleichstrom bestimmter Spannung
umzuwandeln und dadurch beispielsweise Fernsprechanlagen aus :dem Netz zu betreiben.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann je nach den besonderen Erfordernissen
des Einzelfalles mit zahlreichen verschiedenen Schaltungen und zusätzlichen Hilfsvorrichtungen
praktisch verwirklicht werden. Eine Anzahl der wichtigsten Ausgestaltungs- und .-Nnwendungsformen
ist nachstehend an Hand der Zeichnung kurz beschrieben.
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In sämtlichen Figuren sind mit i und 2 die zum positiven bzw. negativen
Pol einer Gleichstromquelle führenden Leitungen bezeichnet, mit 3 der Anker, mit
.4 der Pendel, mit 5, 6 und 7 die Kontakte eines Pendelwechselrichters, mit $ die
Primär- und mit- 9 die Sekundärwicklung des zugehörigen Transformators; io ist der
Kern des den Hauptstromkreis einschaltenden Relais, I1 der im Sekundärstromkreis
liegende Schalter, durch welchen die Last, beispielsweise ein Rundfunkempfänger
12, angelegt werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i besteht das Relais aus dem
Kern io und einer in zwei symmetrische Hälften 13" und 13b unterteilten Wicklung,
von welchen die erstere in der Zuleitung zum Verbraucher 12, die andere in der Rückleitung
liegt. Neben dein zum Einschalten des Primärstromkreises :dienenden Schaltkontaktpaar
14 ist dem Relais ein weiteres Kontaktpaar 15 zugeordnet, durch welches der S.ekundärarbeitsstromkreis
der Umformereinrichtung im Ruhezustand unterbrochen wird. Sekundär- und Primärstromkreis
sind durch einen Ohmschen Widerstand 16 und durch eine Glimmlampe 17 voneinander
getrennt. Selbstverständlich ist auch eine beliebige andere Kombination von Ohmschen
Widerständen, induktiven Widerständen, Glimmlampen zur ,einpoligen oder .doppelpoligen
Trennung der beiden Stromkreise möglich.
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Wird der im Arbeitsstromkreis liegende Unterbrecher i i, also beispielsweise
der normale Schaltknopf eines Rundfunkempfängers, geschlossen; so fließt Strom aus
dem Netz 1, 2 durch die Wicklungen 13a, 13b, wodurch der Kern io magnetisch wird
und dadurch die Kontaktpaare 14 und 15 geschlossen werden, so daß nunmehr der Gleichstrom
durch den Wechselrichter strömt und hier umgeformt wird, was zur Folge hat, daß
Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz und Spannung aus der Sekundärwicklung
9 des Transformators entnommen werden kann, welcher den Verbraucher 12 speist.
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Fig.2 zeigt eine Anordnung, welche in allen wesentlichen Teilen mit
jener nach Fig. i übereinstimmt, mit dem Unterschied, daß hier die Stromzuleitung
etwas anders geführt und der Sekundärstromkreis von dem Primärstromkreis statt durch
eine Glimmlampe durch einen weiteren in diese Leitung gelegten Ohmschen Widerstand
18 getrennt ist.
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Eine ähnliche Gesamtanordnung zeigt auch FinG. 3. Die im Sekundärstromkreis
liegende Relaiswicklung i9 ist aber hier von einer niederohmigen, zusätzlichen Haltewicklung
2o überbrückt, die von einem besonderen Kontaktpaar 21 geschaltet wird. Der Arbeitsstrom
geht hier nur zum Teil durch die Relaisspule i9, zum Teil durch die Zusatzwicklung
20.
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Bei der Anordnung nach Fig.4 wird der über den Verbraucher 12 und
die Relaisspule 19 fließende Einschaltstrom durch den Entladestromstoß eines vom
Primärstromkreis aufgeladenen Kondensators 22 verstärkt; bei der Anordnung nach
Fig. 5 dient zur Verstärkung des Einschaltstromes der Ladestromstoß eines vom Primärstromkreis
gespeisten Kondensators 23, der durch einen Widerstand 24 überbrückt und dadurch
nach dem Abschalten der Sekundärlast sofort wieder entladen wird.
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Den bisher beschriebenen. Ausführungsformen haftet der Mangel an,
daß die Relaisspule im Arbeitsstromkreis liegt, .der Arbeitsstrom also durch diese
Spule fließen muß. Die Spule soll deshalb einerseits möglichst wenige dicke Windungen
enthalten, damit der Arbeitsstrom möglichst wenig geschwächt wird, andererseits
möglichst viele dünne Windungen enthalten. Die Dimensionierung der Spule macht daher
unter Umständen erhebliche Schwierigkeiten. Bei der Anordnung nach :der Fi.g.3 ist
diesem Mangel durch Anordnung der Zusatzwicklung einigermaßen abgeholfen. Vollständig
können die dadurch bedingten Schwierigkeiten vermieden werden, wenn die Relaisspule
außerhalb des Sekundärarbeitskreises
angeordnet wird. Ein Beispiel
für eine derartige Anordnung zeigt Fig. 6. Die Relaiswicklung 25 liegt hier außerhalb
des durch die Transformatorwicklung 9, den Unterbrecher i i, den Wechselstromverbraucher
12 und den Kondensator 26 gebenden Arbeitsstromkreises, der von dem Primärstromkreis
weiterhin durch den induktiven Widerstand 27 getrennt ist. Bei dieser Anordnung
kann fast die ganze zur Verfügung stehende Spannung ungeschwächt in .der Relaisspule
ausgenutzt, also für den Einschaltvorgang nutzbar gemacht werden. Dabei wird -durch
.den Kondensator 26 verhindert, daß bei offenem Schalter i i Gleichstrom aus dem
Netz über :die Relaisspule 25 durch die Sekundärwicklung 9 fließen kann.
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In Fällen, in welchen am Stromverbraucher nur niedrige Spannungen
erforderlich sind, beispielsweise bei Klingelanlagen u. dgl. würde der Kondensator
26 nach Fi,g. 6 zu groß werden. In diesen Fällen empfiehlt sich daher eine Anordnung
nach Fig.7, bei welcher außer dem zum Einschalten des Primärstromkreises dienenden
Relais 10, 25 ein zweites Relais 28 angeordnet ist, dessen Wicklung von einer auf
dem Transformator 8, 9 der Umformereinrichtung angeordneten Hillfswicklung 29 gespeist
wird. Durch dieses Relais wird der Arbeitsstromkreis erst dann eingeschaltet, wenn
der Umformer bereits angelaufen ist. Das an der Hilfswicklung liegende zusätzliche
Relais 218 ist durch einen Kondensator 30 gegen Gleichstrom abgeriegelt,
der aber in diesem Fall viel kleiner bemessen werden kann als der Kondensator 26
nach Fig. 6.
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Eine .Anordnung mit außerhalb des Sekundärstromkreises liegendem Relais
10, 25 zeigt Fig. B. Auch diese Anordnung ist in manchen Fällen verwendbar;
sie verzichtet vollständig auf den Kondensator und benötigt nur ein Schaltkontaktpaar
14, baut sich daher einfach und billig, verzichtet aber auf einige Vorteile der
vorhergehend beschriebenen Schaltungen.
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Liegen im Sekundärstromkreis Stromverbraucher mit geringer Spannung,
wie Klingelanlagen od. dgl., so empfiehlt es sich, die der Sekundärseite beim Einschalten
zugeführte Gleichspannung durch einen -Spannungsteiler herabzusetzen. Eine Anordnung
dieser Art ist in Fig.9 gezeigt. Hier strömt beim Einschalten durch die Sekundärwicklung
9 des Transformators und den Stromverbraucher nicht Gleichstrom voller Spannung,
sondern nur ein Strom, der bei 32 entnommen wird und dessen Spannung durch die Widerstände
33 und 34 bestimmt ist. Nach dem Einschaltvorgang kann der Teil des Spannungsteilers,
an welchem die Spannung abgegriffen wird, durch einen Schalter 35 überbrückt werden.
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Eine vollständige galvanische- Trennung der Sekundärseite von der
Primärseite kann dann erreicht werden, wenn der Einschaltstromkreis einer zusätzlichen
Anlaßbatterie entnommen wird.
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Das Einschaltrelais wird in diesem Falle nicht vom Primärstrom, sondern
von der Batterie gespeist. Diese Einrichtungen eignen sich besonders für Fälle,
bei welchen jede leitende Verbindung zwischen Primär- und Sekundärstromkreis aus
Sicherheitsgründen vermieden werden muß; also beispielsweise für Klingeladlagen,
Fernsprechanlagen und ähnliche 'Einrichtungen. Einige Ausführungsbeispiele für Anordnungen
dieser Art sind nachstehend an Hand der Fig. io bis 13 beschrieben.
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Bei der Einrichtung nach Fig. io, bei welcher als Stromverbraucher
gleichfalls beispielsweise eine Klingelleitung 31 angenommen ist, liegt im Sekundärstromkreis
die Batterie 36, deren Stromkreis beim Schließen des Schalters i i über die Wicklungen
40 und 41 des Schaltrelais geschlossen wird, so daßdessen Kern io magnetisch wird
und den Primärstromkreis über das Schaltkontaktpaar 14 schließt. Nach dem Anlaufen
der Umformereinrichtung wird die Batterie 36 durch ein von der Sekundärseite 9 des
Umformertransformators gespeistes Relais 37 abgeschaltet, indem durch dieses .der
Schaltler 38 umgelegt wird. Das Relais 10, 40 ist mit einer zweiten Wicklung 41
ausgestattet, durch welche der Arbeitsstrom nach dem Abschalten hindurchgeführt
und ein Abfallen des !Einschaltrelais verhindert wird. Wird der Strom durch Öffnen
des Schalters i i unterbrochen, so wird zunächst das Relais 10, 14 stromlos,
der Wechselschalter wird abgeschaltet, auf der Sekundärseite keine Spannung mehr
induziert, worauf der Schalter 38 durch eine Feder 39 in. seine Ausgangslage zurückgelegt
wird.
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Fig. i i zeigt eine Anordnung; bei welcher der Stromverbraucher 44,
beispielsweise eine Telefonanlage, mit Gleichstrom betrieben wird. Zu diesem Zweck
ist auf der Sekundärseite ein Pendelgleichrichter 42 vorgesehen, gegebenenfalls
auch mehrere, der auch mit dem Wechselrichter unmittelbar gekoppelt sein kann und
so in den Stromkreis eingeschaltet ist, daß die Anlaßbatterie 36 nach Anlaufen des
Umformers wieder aufgeladen oder zum mindesten der Ent'ladestrom abgeriegelt wird;
gleichzeitig dient dieser Gleichrichter dazu, im ausgeschaltxeten Zustand der ganzen
Einrichtung einen Rückstrom aus der Anlaßbatterie 36 über ,die Sekundärwicklung
9 zu verhindern. Die Sekundärwicklung 9 wird hierbei zweckmäßig so bemessen, d@aß
die hinter dem Gleichrichter 42 zur Verfügung stehende Gleichspannung mindestens
gleich der Batteriespannung oder höher als diese ist. Durch einen veränderlichen
Widerstand 43 kann die Ladestromstärke auf das gewünschte Maß herabgesetzt werden.
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Bei der Anordnung nach Fig. 12, bei welcher gleichfalls Gleichstrom
als Arbeitsstrom für dien Stromverbraucher 44 benötigt wird, ist in den Sekundärstromkreis
an '',Stelle eines Pendelgleichrichters ein Trockengleichrichter 45 gelegt. Beim
Anschließen der Sekundärlast 44 durch den Schalter i i werden durch das von
der Batterie gespeiste Relais io über dessen Schaltkontakte 46 und 47 sowohl der
Primärstromkreis als auch der Sekundärarbeit sstromkreis geschlossen. Durch den
zweiten Schalter 47 wird :der im Ruhezustand
durch den Trockengleichrichter
in entgegengesetzter Richtung fließende Reststrom ausgeschaltet. Das Relais besitzt
vorteilhaft zwei Wicklungen 48 und 49, von welchen die erste im Hilfsstromkreis
der Batterie, die andere im Sekundärarbeitsstromkreis liegt. Die Wicklung 49 besitzt
nur wenige starke Windungen, die Wicklung 48 dagegen zahlreche dünne Windungen.
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Wenn der Schalter i i geschlossen wird, wird zunächst der Batterie
36 ein Strom entnommen, der über die Wicklung 48 fließt und dadurch die Kontakte
46, 47 schließt. Der Wechselrichter läuft nunmehr an, und auf der Sekundärseite
entsteht eine Wechselspannung, die durch ,den Gleichrichter 45 gleichgerichtet wird.
Der dadurch entstehende Gleichstrom fließt durch die Spule 49 zum Verbraucher 44,
gleichzeitig aber auch durch die Spule 48 und lädt die Batterie 36 auf. Da der durch
die Wicklung 49 fließende Strom wesentlich stärker ist als der Zweigstrom, der zur
Batterie fließt, bleibt das Relais 10, 47, 46 in Tätigkeit. Erst wenn der Schaler
i i geöffnet und der durch den Verbraucher fließende Arbeitsstrom unterbrochen wird
mnd nur noch der Zweigstrom durch .die Batterie fließt, wird der Kern io ummagnetisiert,
und das Relais fällt ab. Fig. i3 zeigt eine ähnliche Anordnung m.itGleichstromverbraucher44,
bei welcher auf -der Sekundärseite zwei Trockengleichrichter 50 und 51 vorgesehen
sind. Von diesen liegt der Gleichrichter 50 im Batterie- und Anlaßstromkreis,
während der Gleichrichter 51 zum Gleichrichten, des Arbeitsstromes dient. Beim Schließen
des Schalters i i wird der Batterie 36 ein kurzer Stromstoß entnommen, der über
das Relais io und den Stromverbraucher i i fließt. (Dadurch wird über das Relais
der Primärstromkreis geschlossen, so daß die Umformereinrichtung anläuft. Durch
den von der Sekundärwicklung g über den Gleichrichter 50 gehenden Strom wird
die Batterie wieder aufgeladen. Der zweite Gleichrichter 51 kann an eine etwas niedrigere
Spannung gelegt werden und speist den Stromverbraucher. In diesem Fall fließt durch
die Spule des Relais io ein schwacher Reststrom, durch welchen der Schalter des
Primärstromkreises geschlossen gehalten wird, solange der Schalter i i geschlossen
ist. Die niedrige Arbeitsspannung kann hierbei entweder, wie in Fig. 13 gezeigt
ist, durch Anzapfen der Sekundärwicklung 9 oder auch durch eine besondere zweite
Wickiumg erzielt werten.
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Im Schaltbild in Fig. 14 ist dargestellt, wie sich die Schaltung gestaltet,
wenn der Stromverbraucher 44 mit Wechselstrom an Stelle von Gleichstrom betrieben
wird. Die Bezeichnungen stimmen sinngemäß mit jenen der vorhergehenden Figuren überein.
An Stelle des Gleichrichters 51 nach Fig. 13 tritt hier ein Umschalter 66.
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Bei der Anordnung nach Fig. 14 ist an -Stelle einer Anlaßbatterie
ein vom Netz: über einen Spannungsteiler gespeister Niedervoltkondensator 52 in
den Sekundärstromkreis eingeschaltet. Im übrigen stimmt diese .Anordnung in allen
wesentlichen Teilen mit jener mach Fig. io überein. Beim Schließen des Schalters
i i entsteht ein Entladestromstoß des Kondensators, durch welchen das Relais io
im Sinne einer Einschaltung des Primärstromkreises betätigt wird. Will man auch
in diesem Fall die Sekundäranlage vollständig berüh:rungssicher gestalten, so kann
man die Widerstände so bemessen, daß beim Berühren der Zuleitungsdrähte zwischen
Verbraucher und Erde ein Strom von nicht mehr als o,8 mA fließen kann.
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Fig. 15 zeigt eine Einrichtung, welche ähnlich aufgebaut ist wie jene
nach Fig. io, bei welcher aber mit Rücksicht auf die Art des Stromverbrauchers,
beispielsweise einer Klingelanlage 31, Primär- und Sekundärseite galvanisch voll-'
ständig voneinander getrennt sind. Dies ist hier dadurch erreicht, daß zum Einschalten
des Primärstromkreises ,eine an das Gleichstromnetz angeschlossene -Einrichtung
benutzt wird, welche eine Gleichspannung von weniger als 42 V liefert, und zwar
nach dem Ausführungsbeispiel der Zeichnung ein an sich bekannter Kippschwingungskreis,
der aus einem Kondensator 53, einer Glimm-Lampe 54 und einem entsprechend bemessenen
hochohmigen Widerstand 55 besteht. Durch diesen Schwingungskreis wird in der Sekundärwicklung
57 des Transformators 56, 57 dauernd .ein schwacher Strom erzeugt, der infolge Einschaltung
des Gleichrichters 58 nur in einer Richtung fließt und das außerhalb des Sekundärstromkreises
li.egen:de'Einschaltrelais 10, 25 betätigt. Im übrigen ist die 'Gesamtanordnung
hier ähnlich jener mach Fig. 7.
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Bei der (Anordnung nach Fi;g. 16 wird der Einschaltstrom durch eine
an das Gleichstromnetz angeschlossene wechselstromerzeugende Einrichtung geliefert,
die wieder aus einem Kondensator 53, einer Glimmlampe 54 und einem Widerstand 55
besteht. Hier wird der beim Schließen des Schalters i i in der Sekundärwicklung
57 des Transformators erzeugte Wechselstrom unmittellyar zur Betätigung des Schaltrelais
io nutzbar gemacht. Im übrigen erfolgt hier die galvanische Trennung der Sekundär-
und Primärseite mit ähnlichen Mitteln wie bei der Einrichtung nach Fig. io.
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Fig. 17 schließlich zeigt eine Einrichtung, bei welcher die Bauteile
im Sekundärkreis nach IArt einer sBTückenschaltung zusammengebaut sind. Die Sekundärwicklung
9 des Umformers und die Eingangswicklung 58 des Stromverbrauchers sind hier mit
Ohrnschen Widerständen 59, 6o und einem induktiven Widerstand 61 nach Art einer
Wheatstoneschen Brückenschaltung zusammengebaut, wobei :die Eingangswicklung des
Stromverbrauchers und die Sekundärwicklung des Umformers einen gemeinsamen Stromzweig
der Brücke darstellen und die Relaisspule 62 in der Meßdiagonale der Brücke liegt.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Beim Schließen des Schalters i i fließt
der Strom, vom Minuspol kommend, einerseits über den Widerstand 5,9, andererseits
über den Widerstand, 6o und die Relaisspule 62 durch die Wi:cklang
58
des Stromverbrauchers, wodurch der Kern io des Relais magnetisch wird und die Kontakte
63, 64 und 65 geschlossen werden. Dadurch läuft der Wechselrichter an, und die Stromverteilung
erfolgt nach dem Gesetz der Wheatstoneschen Brücke. Da der Widerstand 61 genau so
groß bemessen ist wie der Widerstand der Sekundärwicklung 8, wird beim ,Zuschalten
der Wicklung 58 des Stromverbrauchers der Widerstand des linken Bmückenzweiges kleiner
als jener des rechten Brückenzweiges; es fließt also durch den linken Brückenzweig
ein stärkerer Strom als durch den .rechten, wodurch bewirkt wird, daß durch die
Relaisspule 62 der Strom immer noch in gleicher Richtung fließt wie beim Einschaltvorgang.
Wird der Schalter i i geöffnet, dann sind die Ströme in beiden (Brückenzweigen genau
gleich groß, und der Strom in der Spule 62 wird o, die Brücke wird also stromlos,
und das Relais öffnet sich. Es ist aber auch möglich, dem rechten Brückenzweig einen
etwas kleineren Widerstand zu geben als der Sekundärwicklung des Transformators
und das in der Meßdiagonale liegende Relais als polarisiertes Relais auszubilden.
Dadurch wird erreicht, daß der Strom mach dem Abschalten in umgekehrter Richtung
fließt, so daß das Relais mit Sicherheit abgerissen wird.