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Selbsttätige elektronische Differenzspannungsregeleinrichtung für Bereitschaftsgleichrichteranlagen
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Beim zweiten in Anwendung stehenden Verfahren werden an Stelle der Gegenzellen Zusatzzellen benützt, die als Teile der Batterie betrachtet und meist in Gruppen zusammengefasst werden, so dass sich die Batterie aus den Stammzellen und den Zusatzzellengruppen zusammensetzt. Die Zellenzahl der Stammzellen wird dabei so gross gewählt, dass während des Normalbetriebes die Batteriespannung bei einer Zellenspannung von zirka 2, 2 V mit der Verbraucherspannung übereinstimmt. Bei Netzausfall werden die Stammzellen mit sinkender Batteriespannung schrittweise um eine Zusatzzellengruppe vergrössert. Bei Schnelladung müssen nach wie vor Gegenzellen verwendet werden.
Für die Einschaltung der Zusatzzellen ist neben einer unterbrechungslos schaltenden Umschalteeinrichtung eine Relaissteuerung erforderlich, die nur mit relativ grossem Aufwand ausreichend betriebssicher arbeitet. Auch hier erleidet die Verbraucherspannung bei jedem Umschaltschritt Sprungstellen von mindestens 2 V, meistens aber mehr, da normalerweise je 3 Zellen zu einer Zusatzzellengruppe zusammengeschalte werden. Bei Wiederkehr der Netzspannung erfolgt der umgekehrte Vorgang, wobei jede der einzelnen Zusatzzellengruppen durch einen eigenen kleinen Puffergleichrichter vollgeladen werden muss. Je feiner die Unterteilung, d. h. je mehr Zusatzzellengruppen verwendet werden, desto mehr Zusatzzellengleichrichter muss die Anlage besitzen.
Das erfindungsgemässe Verfahren arbeitet im Gegensatz dazu stufenlos mit wesentlich engeren Toleranzen und vermeidet die Verwendung elektromechanischer Relais an Stellen, von denen die Betriebssicherheit der Anlage in erster Linie abhängt.
Die Wirkungsweise'ist folgende : Ein hier nicht näher beschriebener, in Fig. 1 dargestellter Bereitschaftsgleichrichter 1 hält mittels einer präzisen Regeleinrichtung die Spannung der Batterie 2 praktisch toleranzfrei konstant, so dass der Verbraucherstrom nicht von der Batterie, sondern ausschliesslich vom Bereitschaftsgleichrichter gedeckt wird. Im Normalbetrieb ist Schütz 3 abgefallen, wodurch der die Differenzspannung liefernde Ausgang des stillstehenden Generators 4 kurzgeschlossen und somit die Verbraucherspannung gleich der Batteriespannung ist. Der Generator 4 ist mit dem Motor 5 direkt gekuppelt, welcher im Bedarfsfälle über Schütz ss seine Betriebsspannung aus der Batterie erhält.
Die Regeleinrichtung 7 misst die Batteriespannung und schaltet ausserhalb eines einstellbaren Schwankungsbereïches mittels des Schützes 6 das Umformeraggregat ein, bringt Schütz 3 zum Ansprechen und regelt die Erregerwicklung des Generators derart, dass die Verbraucherspannung sowohl bei zu kleiner als auch bei zu grosser Batteriespannung konstant bleibt. Bei Übereinstimmung von Batterie- und Verbraucherspannung schaltet die Regeleinrichtung 7 das Umformeraggregat wieder ab. Die Zellenzahl der Batterie muss so gross gewählt werden, dass im Normalbetrieb eine Zellenspannung von etwa 2, V erhalten wird.
Die Arbeitsweise kann im einzelnen aus den Fig. 2 und 3 erklärt werden. Der Einfachheit halber wurden Vorwiderstände, Spannungsteiler, Motorschutzschalter, Sicherungen, Meldekontakte sowie der Trennschalter für das Umformeraggregat weggelassen. Die speisende Wechselspannung liegt an den Klemmen 1- 2, während die Pufferbatterie an die Klemmen 3 - 4 angeschlossen ist. Der Verbrauch wird von den Klemmen 7-8 abgenommen.
Bei Netzausfall (Schaltzustand n) öffnet der Spannungswächter 8 wegen des Rückgangs der Batteriespannung auf die untere Grenze der Normalspannung einen der beiden zwischen den Klemmen 2-7 in Serie geschalteten Kontakte, so dass das Gleichspannungsrelais 15, welches bisher über den Gleichrichter 13 und einen im Startgerät 9 befindlichen und an dessen Klemmen 5 - 6 liegenden geschlossenen Kontakt gespeist wurde, nach einer Zeit von etwa 2 Sekunden (Schaltzustand III), die durch den parallelliegenden Abfallverzögerungskondensator 14 verursacht wird, abfällt. Dadurch werden die beiden Ruhekontakte des Relais geschlossen. Der Ruhekontakt rz bringt das Schütz 17 zum Ansprechen, welches über-das Start- gerät 9 den Motor 21 des Umformeraggrega1 ; es in Betrieb setzt.
Das Startgerät gewährleistet einen zweistufigen Start des Umformers mittels des Anlasswiderstandes 12, der nach etwa 4 Sekunden von einem im Startgerät befindlichen Kontakt kurzgeschlossen wird. Schütz 19, welches die Differenzspannung kurzschliesst, ist wegen Relais 20 noch abgefallen, da der Generator 22 zum Zeitpunkt des Startes noch keinen Strom abgibt. Im Laufe des Startvorganges spricht Relais 20, welches durch eine Kurzschlusswindung abfallverzögert ist, infolge des nun fliessenden Generatorstromes an und bringt mit seinem Arbeitskontakt Schütz 19 zum Ansprechen, welches sich mittels eines Selbsthaltekontaktes in angezogener Stellung hält, so dass der Differenzspannungskreis geöffnet ist (Schaltzustand IV).
Der Nebenschlussschnellregler 10, der die Verbraucherspannung misst, regelt durch seine an den Klemmen 5 - 6 auftretende Ausgangsspannung
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zuheben. Bei Überspannung, wie noch gezeigt werden wird, tritt eine starke Erhöhung des Gegenfeldes ein, wodurch sich die Differenzspannung umpolt. Relais 18, dessen Spule von der Netzspannung gespeist
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wird, ist in den Schaltzuständen II-IV abgefallen, so dass der Nebenschlussschnellregler seine Betriebs- wechselspannung aus der Hilfswicklung u-v des Motors 21 erhält.
Der Schaltzustand I unterscheidet sich vom Schaltzustand II dadurch, dass bei I wohl die Netzspannung vorhanden, aber die Batteriespannung z. B. durch fehlerhaftes Arbeiten des Bereitschaftsgleichrichters abgesunken ist. Die Auswirkungen für das Umformeraggregat sind jedoch die gleichen wie bei II, da lediglich das Relais 18 in angezogener Stellung verbleibt und somit der Nebenschlussregler aus dem Netz gespeist wird.
Da die Unterspannung durch einen Netzausfall erfolgt war, tritt bei Netzwiederkehr der Schaltzustand V ein. Relais 18 spricht an und schaltet die Stromversorgung des Nebenschlussreglers auf das
Netz um. Steigt, nun durch die Ladung die Batteriespannung auf den Wert der unteren Grenze der Normalspannung, so ändert sich dadurch noch nichts. Erst wenn die Normalspannung fast ganz erreicht ist, schliesst der Spannungswächter seine Klemmen 2-7 kurz und bringt dadurch Relais 15 zum Ansprechen, welches den normalen Betriebszustand durch Abschalten des Umformers wieder herstellt.
Bei Batterieüberspannung, Schaltzustand VIII, treten für den Start des Umformeraggregates, Schalt- zustände IX und X, dieselben Ursachen und Zeiten auf wie bei Netzausfall bzw. Batterieunterspannung.
Für den Generator hingegen tritt insofern eine Änderung ein, als das Hilfsfeld I'-K'durch Kurzschliessen der Klemmen 5-6 des Spannungswächters durch einen darin befindlichen Kontakt wegen der dadurch erfolgten Überbrückung des Vorwiderstandes 11 voll eingeschaltet wird.
Das Hilfsfeld I'-K'wirkt dem vom Nebenschlussregler gesteuerten Feld 1-K entgegen. Mit stei- gender Batterieüberspannung wird daher I - K durch die regelnde Wirkung des Nebenschlussreglers immer kleiner werden, bis es bei der höchsten Batterieüberspannung (2, 7 V pro Zelle) ganz verschwindet und . daher nur mehr das Hilfsfeld I'-K* alleine wirksam ist.
Nach Behebung der Überspannungsursache'geht die Batteriespannung langsam auf die obere Grenze der Normalspannung zurück, worauf der Spannungswächter knapp vor dem Erreichen der Normalspannung das Hilfsfeld vermindert und den normalen Betriebszustand einleitet.
Die Arbeitsweise des elektronischen Spannungswächters geht aus Fig. 4 hervor. Die zu überwachende Batteriespannung wird den Klemmen 3 - 4 zugeleitet, wobei die zwischen der Klemme 3 und den
Schleifern der Potentiometer 39 und 42 entstehenden'batteriespannungsproportionalen Spannungen mit einem Teil der aus der Stabilisierungsröhre 31 gewonnenen Vergleichsspannung verglichen und die daraus gebildeten Differenzspannungen an je ein Gitter der Doppeltriode 32 geführt werden. Mit den beiden Anoden dieser Röhre sind die Steuergitter der beiden Kleinthyratrons 33 und 34 verbunden. Die Thyratrons, die im gezündeten Zustand als Einweggleichrichter arbeiten, besitzen je zwei Schaltzustände und sind je nach ihrer Gittervorspannung entweder gesperrt oder stromführend.
Die in den Anodenkreisen liegenden Relais 25 und 26 sind daher in Abhängigkeit von der Gitterspannung entweder abgefallen oder angezogen.
Zur Einstellung der unteren Grenze der Normalspannung dient das Potentiometer 39. Die Einstellung der oberen Grenze wird mit dem Potentiometer 42 vorgenommen. Die Regelwiderstände 40 und 43, die von den Arbeitskontakten al der Relais im angezogenen Zustand überbrückt werden, dienen zur Einstellung des erforderlichen Halteverhältnisses für jedes Relais. Die Einstellung der Halteverhältnisse muss so erfolgen, dass die Rückschaltung in den Normalzustand erst knapp vor Erreichung der Normalspannung erfolgt.
Während des Normalbetriebes ist Relais 25 angezogen und Relais 26 abgefallen, so dass die Klemmen 2-7 verbunden sind, während sie in allen andern Betriebszuständen offen sind. Der Arbeitskontakt a2 des Relais 26, welches bei Überspannung anspricht, verbindet in diesem Betriebszustand die Klemmen 5 - 6, die zur Erhöhung der Gegenerregung bei Batterieüberspannung dienen.
Mit Hilfe des Potentiometers 36 kann in einmaliger Einstellung der Einfluss von Netzspannungsschwankungen auf die Schaltwerte der Relais 25 und 26 eliminiert werden. Bei ganz oben stehendem Schleifer verschieben sich die Schaltwerte mit steigender Netzspannung infolge einer geringfügigen Erhöhung der Brennspannung der Stabilisierungsröhre 31 nach oben, während bei Netzunterspannung das Gegenteil eintritt. Wird jedoch der Schleifer in die untere Stellung gebracht, so tritt bei steigender Netzspannung, vom Gitter der Röhre 32/I aus betrachtet, eine scheinbare Vergrösserung der Batteriespannung, hervorgerufen durch eine Verkleinerung der Vergleichsspannung, ein, wodurch sich die Schaltwerte nach unten verschieben.
Zwischen diesen beiden Grenzstellungen des Schleifers gibt es eine ganz bestimmte, bei der sich die Schwankungen der Netzspannung nicht mehr auf die Schaltwerte auswirken.
Die Schaltung des elektronischen Startgerätes ist aus Fig. 5 ersichtlich. Bei Beginn des Startvorganges, d. h. beim Auftreten der Batteriespannung an den Klemmen 1, 2 (durch Ansprechen des Schützes 17 in Fig. 2), spricht Relais 50 unverzögert an, während das Relais 45 noch abgefallen ist, so dass zwischen
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den Klemmen 1, 3 noch keine Verbindung besteht. Dadurch erhält der Motor 21, Fig. 2, die Batteriespannung über den Anlasswiderstand 12 zugeführt und läuft langsam an. Inzwischen wird der Kondensator 51 in Fig. 5 über die Widerstände 44 und 47 langsam aufgeladen. Seine Spannung liegt am Gitter der Relaisröhre 48 und bringt diese zum Zünden, sobald seine Spannung gross genug geworden ist.
Relais 45 spricht dadurch an und verbindet mit seinem Arbeitskontakt as die Klemmen 1, 3, so dass das Umformeraggregat nun die gesamte Batteriespannung erhält und voll anläuft. Ein weiterer A : bsitskontakt a schliesst die Relaisröhre kurz, die deshalb nur während der Ansprechzeit des Relais 45 gezündet bleibt, während ein dritter Arbeitskontakt al den Kondensator 51 über das Ventil 46 entladet. Mit dem Ansprechen von Relais 45 hat sich auch der Ruhekontakt 45r geöffnet, wodurch der Elektrolytkondensator 52 über die Spule des Relais 50 aufgeladen wird und sich deshalb das Relais noch etwa 3 Sekunden in angezogener Stellung halten kann. Nach Ablauf dieser Zeit fällt Relais 50 ab.
Die Abfallverzögerung von Relais 50 verhindert, dass die Öffnung seines Ruhekontaktes r ein vorzeitiges Ansprechen des Relais 15 in Fig. 2 bewirkt und damit ein vorzeitiges Abschalten des Umformeraggregates, wie es z. B. bei Beginn einer Überspannung eintreten kann, besonders dann, we'nn der Bereitschaftsgleichrichter auf Schnelladung geschaltet ist und die Batteriespannung durch den Einschaltstoss des Umformeraggregates kurzzeitig absinkt.
Bei unverzögertem Relais 50 würde sich das Aggregat ununterbrochen aus-und einschalten.
Der elektronische Nebenschlussregler ist in Fig. 6 dargestellt und ist in der österr. Patentschrift Nr. 185896 "Elektronisches Schnellregelgerät" beschrieben,. Den Klemmen 3,4 wird die Verbraucherspannung zugeführt, von der am Potentiometer 67 ein entsprechender Teil abgenommen und dem Gitter der Röhre 62 zugeleitet wird. Die Stabilisierungsröhre 61 liefert eine konstante Spannung, von der ein aus dem Spannungsteiler 59, 63 gebildeter Teil als Vergleichsspannung (Sollwert) dient. Der positive Pol der Vergleichsspannung ist mit der Klemme3 verbunden, so dass dem Gitter der Röhre 62 die Differenz aus Vergleichsspannung und konstant zu haltender Spannung zugeführt wird. Die Anode der als Gleichspannungsverstärker geschalteten Röhre 62 macht die Potentialverschiebungen des Gitters gegenphasig und verstärkt mit.
Mit dieser Anode sind die Kathoden der Thyratrons 55 und 56 verbunden, deren Steuergitter von der am Potential der Klemme 3 liegenden Gittersteuereinrichtung 66 gesteuert werden. Die Gittersteuereinrichtung erzeugt für jedes Thyratron phasenrichtige Sägezahnspannungen, deren nahezu lineare Anstiegsflanken für den Eintritt der jeweiligen Zündzeitpunkte im Rahmen einer Vertikalsteuerung herangezogen werden. Je kleiner die Verbraucherspannung ist, desto grösser wird die Ausgangsspannung des Regelgerätes, die an den Klemmen 5,6 abgenommen und dem Hauptfeld I-K des Generators zugeleitet wird. Die Regelung ist stetig und, da die zur Bestreichung des ganzen Aussteuerbereiches notwendige Anodenspannungsänderung klein ist, auch sehr steil. So genügt z.
B. eine Verbraucherspannungsschwankung um 0, 2 V, um eine Änderung der Ausgangsspannung um lOO'%o hervorzurufen.
Zu den Anwendungsmöglichkeiten zählen insbesondere alle stationären Batterien für Kraftwerke, Umspannwerke, Gleichrichterwerke usw., aber auch Stromversorgungsanlagen für Telegraphie- und Fern- sprechzentralen bzw.-ämter nach durchgeführter Glättung der Differenzspannung.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel wendet für die Steuerung, den Start und die Regelung des Umformaggregates ausschliesslich elektronische Hilfsmittel wegen der dadurch erzielbaren grösstmöglichen Schalt-und Regelgenauigkeit an.
Darüber hinaus ist es jedoch ohne weiteres möglich, an Stelle der elektronischen Geräte auch magnetische oder mechanische Steuer- und Regeleinrichtungen zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
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dass die positive oder negative Differenzspannung aus der geforderten Verbraucherspannung und der vorhandenen Batteriespannung, die im Normalbetrieb durch die Batteriespannungskonstanthaltung des Bereitschaftsgleichrichters (1) den Wert Null erreicht und daher mittels eines Schützes (3) kurzgeschlossen ist, im Bedarfsfalle aus einem von einem Motor (5) angetriebenen Generator (4) gebildet wird, wobei ein in der Regeleinrichtung (7) enthaltener Spannungswächter die Batteriespannung überwacht und damit das Einschaltschütz (6) steuert, so dass z.
B. bei Batterieunterspannung der Motor (5) zunächst zu laufen beginnt und das Schütz (3) anspriclit, worauf ein in der Regeleinrichtung (7) enthaltener selbsttätiger Nebenschlussregler die Verbraucherspannung misst und diese durch eine stufenlose Regelung der Erregerwicklung des Generators (4) auf den Sollwert bringt, wobei aber bei Batterieüberspannung durch eine vom Spannungs- wächter veranlasste Umpolung des Erregerfeldes die Differenzspannung umgepolt wird, so dass die.
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