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Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanlage für Umschaltbetrieb mit einem Haupt- und einem Zusatz-Ladegleichrichter zur Zellenladung einer Batterieanordnung in Pufferschaltung, mit mindestens einem Schaltschütz und mit einem Gleichstromumrichter als Ausgleichseinrichtung bei Netzausfall, der eingangsseitig an der Batterie liegt.
Viele elektrische Verbraucher sind nicht in der Lage, die Spannungsabsenkung während der Batterie-Entladephase, bedingt durch die Batterie-Entlade-Kennlinie, zu verkraften. Zur Stabilisierung der Batteriespannung während der Entladephase wird z. B., wie die DE-AS 2131137 zeigt, bei Hochstromanlagen oft die Zellenumschaltetechnik eingesetzt. Dabei liegt der elektrische Verbraucher im normalen Betriebsfall an einem Teil der Batterie, an dem zugleich auch ein oder mehrere Hauptgleichrichter angeordnet sind. Bei Netzausfall können Zusatzzellen in Gruppen von je zwei Zellen, denen jeweils Hilfsgleichrichter parallel liegen, zur Erzeugung einer entsprechenden Ausgangsspannung zur Batterie hinzugeschaltet werden. Diese Schaltungsanordnung hat einen sehr hohen Wirkungsgrad.
Es sind jedoch zwei Zusatzgleichrichtergruppen sowie zwei Zellenumschalteschütze mit zugehöriger Verschiebung und eine Batterie-Anzapfung erforderlich.
Die DE-AS 2456573 zeigt eine Stromversorgungsanlage für Umschaltebetrieb mit einem Hauptund einem Zusatzgleichrichter zur Zellenentladung einer Batterie, wobei der Eingang eines Gleichumrichters A parallel zur Haupt- und Zusatzbatterie geschaltet ist, während der Ausgang mit seinem einen Pol am Verbraucher und der zweite Pol über ein einfaches Schaltschütz E am negativen Pol der Zusatzteile der Batterie liegt.
Bei Ausfall der Netzspannung wird der Verbraucher über die Batterie einschliesslich der Hauptund Zusatzbatterie und in Reihe dazu über den Ausgang des Gleichumrichters A versorgt. Der Gleichumrichter A liegt dabei während der gesamten Zeit des Netzausfalls am Verbraucher und ist an der Lieferung einer zusätzlichen Spannung für den Fall, dass sich die Batterie mit der Zeit entlädt beteiligt.
Da der Gleichumrichter A immer am Verbraucher liegt, tritt auch eine dauernde zusätzliche Verlustleistung auf, die die Gesamtverlustleistung der Stromversorgungsanlage erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Verbraucherspannung in Gleichstromanlagen zu schaffen, bei der unter Beibehaltung des hohen Wirkungsgrades bei Anwendung der Zellenumschaltetechnik der Schaltungsaufbau vereinfacht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Stromversorgungsanlage gemäss der Erfindung derart ausgebildet, dass an die Hauptbatterie und die Zusatzbatterie über ein Umschalteschütz der Verbraucher angeschlossen ist, dass der Eingang des Gleichstromumrichters parallel zur Hauptbatterie geschaltet ist, dessen eine Ausgangsklemme mit dem einen Pol der Hauptbatterie und dessen andere Ausgangsklemme mit dem Umschaltekontakt des Umschalteschützes verbunden ist, dass die Schaltstrecke des Schaltschützes zwischen diesem Umschaltekontakt und dem einen Pol des Zusatzgleichrichters liegt, wobei das Schaltschütz in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Gleichstromumrichters steuerbar ist.
Durch diese Massnahmen erhält man eine Schaltungsanordnung der oben genannten Art, die gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung den Vorteil hat, dass die durch den Umrichter entstehende Verlustleistung wesentlich geringer ist. Ausserdem ersetzt dieser Umrichter eine zusätzliche Zusatzzelle, so dass mit dieser Anordnung auch ein längerer Netzausfall verkraftet werden kann.
Zur weiteren Verringerung der Leerlaufverluste ist es vorteilhaft, die Stromversorgungsanlage so auszubilden, dass zur Umschaltung des Verbrauchers innerhalb des zulässigen Spannungstoleranzbereiches die Strom-Spannungs-Betriebskennlinie des Gleichstromumrichters im unteren, zum Anlauf dienenden Bereich festgelegt ist.
Durch diese Massnahmen erhält man eine Stromversorgungsanlage der oben genannten Art, bei der nur noch ein Zusatzgleichrichter benötigt wird, der in der Leistung zwar doppelt so gross jedoch in den Kosten nicht zwei Zusatzgleichrichtern entspricht. Zusätzlich wird ein Gleichumrichter benötigt. Demgegenüber wird aber ein Zusatzgleichrichter, eine zusätzliche Batterie-An- sapfung mit Verschienung und ein zweiter Umschalteschütz eingespart.
An Hand der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sowie dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung, bei der die elektrischen Verbraucher
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im normalen Betriebsfall an der 28. Zelle der Batterie liegen. Dabei speist gleichzeitig einer oder mehrere Hauptgleichrichter ebenso an dieser Stelle ein. Bei einer Pufferspannung von 2,25 V/Zelle ergibt sich eine Verbraucherspannung von 63 V. Zur Erzielung einer entsprechenden Ausgangs- spannung bei Netzausfall sind vier Zusatzzellen in Gruppen von je zwei Zellen vorhanden.
Sinkt die Spannung bei Netzausfall an der 28. Zelle auf 60 V ab, so werden die Verbraucher auf die 30. Zelle hochgeschaltet. Es ergibt sich ein Verbrauch von etwa 64 V.
Sinkt die Spannung auf der 30. Zelle auf etwa 60 V ab, wird auf die 32. Zelle umgeschaltet, und es ergibt sich erneut eine Verbraucherspannung von etwa 64 V. Bei einer unteren zulässigen
Verbraucherspannung von etwa 58 V ist mit dieser Schaltungsanordnung eine Entladung der Batterie auf 1,8 V/Zelle möglich. Bei Netzwiederkehr wird die Zellenspannung durch die Haupt- und Zusatzgleichrichter auf die Ruhespannung von etwa 2 V angehoben. Damit liegt die Spannung an der 30. Zelle über 60 V, womit eine Umschaltung von der 32. Zelle auf die 30. Zelle erfolgt. Der Verbrauch liegt damit an der 30. Zelle. Damit müssen die Hauptgleichrichter und der Zusatzgleichrichter --ZGrl-- den Verbrauch und die Aufladung der Batterie bringen, d. h., der Zusatzgleich- richter --ZGr1-- muss gleich gross wie der Hauptgleichrichter ausgelegt sein.
Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung nach der Erfindung.
Parallel zu den Zellen der Hauptbatterie-l-liegt der Hauptgleichrichter --HGr--. Parallel zu den Zellen der Zusatzbatterie --2-- liegt der Zusatzgleichrichter. Gleichzeitig ist der Eingang des Gleichstromumrichters --3-- parallel zur Hauptbatterie-l-geschaltet. Die eine Ausgangsklemme des Gleichstromumrichters --3-- ist mit dem positiven Pol der Hauptbatterie-l-verbunden, während die andere Klemme des Gleichstromumrichters --3-- an den Umschaltekontakt des Umschalte- schützes-Cl-geführt ist.
Der nicht mit der Hauptbatterie verbundene Pol der Zusatzbatterie --. 2-- ist ausserdem über das elektromagnetische Schaltschütz --C2-- ebenfalls mit dem Umschaltekontakt des Umschalte- schützes-Cl-verbunden.
Das Schaltschütz-Cl-wird von einer Spannungsüberwachungsschaltung-Ul-gesteuert, die anspricht, wenn die Spannung am Verbraucher einen bestimmten vorgegebenen Wert unterschreitet. Parallel zum Ausgang des Gleichstromumrichters --3-- liegt eine zweite Überwachungsschaltung --U2--, die das Schaltschütz --C2-- ebenfalls bei Unterschreitung einer bestimmten vorgegebenen Spannung betätigt.
Die Funktionsweise der Schaltung ist wie folgt.
Im normalen Betriebsfall wird die Hauptbatterie-l-mit dem Hauptgleichrichter --HGr-- gepuffert und der Verbrauch direkt über das Umschalteschütz --C1-- gespeist. Der Zusatzgleichrichter --ZGr-- bringt unabhängig die Ladung und Ladungserhaltung für die Zusatzzellen der Batterie. Der Gleichstromumrichter --3-- läuft im Leerlauf mit.
Bei Netzausfall sinkt die Spannung an der Hauptbatterie-l-relativ schnell ab. Es erfolgt kurzfristige Umschaltung des Verbrauchers über das Umschalteschütz --C1-- auf den Ausgang des Gleichstromumrichters. Dieser setzt nun so viel Spannung zu, dass die Verbraucherspannung innerhalb der zulässigen Spannungstoleranz liegt. Dieser Gleichstromumrichter --3-- ist in der Lage, maximal so viel Spannung abzugeben, dass eine Umschaltung auf die Gesamtbatterie über das Schalt-
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--C2-- möglichder Zusatzbatterie entspricht, gefahren werden, aber auch mit stetig steigender Spannung, so dass der Verbrauch stufenlos von der Hauptbatterie-l-auf die Gesamtbatterie hochgefahren wird.
Der Wirkungsgrad der Stromversorgungsanlage während der Entladephase wird nur unbedeutend verschlechtert, da dieser Gleichstromumrichter nur kurzzeitig in Betrieb ist. Die Leerlaufverluste bei Normalbetrieb werden vom Hauptgleichrichter --HGr-- abgedeckt. Bei entsprechender Auslegung der Hauptbatterie und zulässigen Spannungs-Toleranzbereich vom Verbrauch kann der Gleichstrom- umrichter --3-- im Anlaufbetrieb betrieben werden, wodurch die Leerlaufverluste ganz entfallen.
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The invention relates to a power supply system for switching operation with a main and an additional charging rectifier for cell charging of a battery arrangement in a buffer circuit, with at least one contactor and with a DC converter as compensation device in the event of a power failure, which is on the input side of the battery.
Many electrical consumers are unable to cope with the voltage drop during the battery discharge phase due to the battery discharge characteristic. To stabilize the battery voltage during the discharge phase z. B., as DE-AS 2131137 shows, often used the cell switching technology in high-current systems. In normal operation, the electrical consumer is located on a part of the battery on which one or more main rectifiers are also arranged. In the event of a power failure, additional cells in groups of two cells, each with auxiliary rectifiers in parallel, can be connected to the battery to generate a corresponding output voltage. This circuit arrangement has a very high efficiency.
However, two additional rectifier groups as well as two cell changeover contactors with associated displacement and a battery tap are required.
DE-AS 2456573 shows a power supply system for switching operation with a main and an additional rectifier for cell discharge of a battery, the input of a rectifier A being connected in parallel with the main and auxiliary battery, while the output with one pole at the consumer and the second pole via simple contactor E is on the negative pole of the additional parts of the battery.
If the mains voltage fails, the consumer is supplied by the battery including the main and auxiliary battery and in series by the output of the rectifier A. The rectifier A is connected to the consumer for the entire time of the power failure and is involved in the supply of an additional voltage in the event that the battery discharges over time.
Since the rectifier A is always connected to the consumer, there is also a permanent additional power loss, which increases the total power loss of the power supply system.
The object of the invention is to provide a circuit arrangement for stabilizing the consumer voltage in DC systems, in which the circuit structure is simplified while maintaining the high efficiency when using the cell switching technology.
To solve this problem, the power supply system according to the invention is designed in such a way that the consumer is connected to the main battery and the additional battery via a switchover contactor, that the input of the DC converter is connected in parallel to the main battery, the one output terminal of which has one pole of the main battery and the other Another output terminal is connected to the changeover contact of the changeover contactor, so that the switching distance of the contactor lies between this changeover contact and one pole of the additional rectifier, the contactor being controllable as a function of the output voltage of the direct current converter.
These measures result in a circuit arrangement of the type mentioned above, which has the advantage over the known circuit arrangement that the power loss generated by the converter is significantly lower. In addition, this converter replaces an additional additional cell, so that this arrangement can also cope with a longer power failure.
To further reduce the no-load losses, it is advantageous to design the power supply system in such a way that the current-voltage operating characteristic curve of the direct-current converter is defined in the lower area for starting up in order to switch over the consumer within the permissible voltage tolerance range.
These measures result in a power supply system of the type mentioned above, in which only one additional rectifier is required, which is twice as large in performance but does not correspond to two additional rectifiers in terms of cost. A rectifier is also required. In contrast, an additional rectifier, an additional battery tapping with busbars and a second changeover contactor are saved.
The invention is explained in more detail with the aid of the known circuit arrangement according to FIG. 1 and the exemplary embodiment according to FIG. 2.
Fig. 1 shows a conventional circuit arrangement in which the electrical consumers
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are in normal operation on the 28th cell of the battery. One or more main rectifiers also feed in at this point. With a buffer voltage of 2.25 V / cell, there is a consumer voltage of 63 V. To achieve a corresponding output voltage in the event of a power failure, there are four additional cells in groups of two cells each.
If the voltage in the 28th cell drops to 60 V during a power failure, the consumers are switched up to the 30th cell. The consumption is about 64 V.
If the voltage on the 30th cell drops to about 60 V, the system switches to the 32nd cell and there is again a consumer voltage of about 64 V. With a lower permissible one
With this circuit arrangement, consumer voltage of approximately 58 V can discharge the battery to 1.8 V / cell. When the power returns, the cell voltage is raised to about 2 V by the main and additional rectifiers. The voltage on the 30th cell is therefore above 60 V, which means that the 32nd cell switches to the 30th cell. The consumption is therefore on the 30th cell. So the main rectifier and the additional rectifier --ZGrl-- must bring the consumption and the charging of the battery, i. that is, the additional rectifier --ZGr1-- must be of the same size as the main rectifier.
Fig. 2 shows the circuit arrangement according to the invention.
The main rectifier --HGr-- is parallel to the cells of the main battery-l-. The auxiliary rectifier lies parallel to the cells of the auxiliary battery --2--. At the same time, the input of the DC converter --3-- is connected in parallel to the main battery. One output terminal of the DC converter --3-- is connected to the positive pole of the main battery-l-, while the other terminal of the DC converter --3-- is connected to the changeover contact of the changeover contactor-Cl-.
The pole of the auxiliary battery not connected to the main battery -. 2-- is also connected to the changeover contact of the changeover contactor-Cl-via the electromagnetic contactor --C2--.
The contactor-Cl-is controlled by a voltage monitoring circuit Ul, which responds when the voltage at the consumer falls below a certain predetermined value. Parallel to the output of the DC converter --3-- is a second monitoring circuit --U2--, which also actuates the contactor --C2-- when the voltage falls below a certain specified value.
The circuit works as follows.
In normal operation, the main battery-l-is buffered with the main rectifier --HGr-- and the consumption is fed directly via the changeover contactor --C1--. The additional rectifier --ZGr-- independently brings the charge and charge maintenance for the additional cells of the battery. The DC converter --3-- runs at idle.
In the event of a power failure, the voltage on the main battery drops relatively quickly. The consumer switches over briefly via the changeover contactor --C1-- to the output of the DC converter. This now adds so much voltage that the consumer voltage is within the permissible voltage tolerance. This DC converter --3-- is able to supply a maximum of enough voltage to switch over to the entire battery via the switching
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--C2-- corresponds to the additional battery, be driven, but also with a steadily increasing voltage, so that the consumption is gradually increased from the main battery-l-to the entire battery.
The efficiency of the power supply system during the discharge phase is only slightly deteriorated, since this DC converter is only in operation for a short time. The no-load losses during normal operation are covered by the main rectifier --HGr--. If the main battery is designed accordingly and the permissible voltage tolerance range for consumption is met, the DC converter --3-- can be operated in start-up mode, which eliminates no-load losses.