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Einrichtung zum Laden einer Akkumulatorenbatterie Die Erfindung bezieht
sich auf eine Einrichtung zum Laden einer Akkumulatorenbatterie aus einem Wechselstromnetz
über eine Brücken-Gleichrichteranordnung mit mindestens zwei gesteuerten Gleichrichtern
mit einem Regler, der die Phasenlage der den gesteuerten Gleichrichtern zugeführten
Zündspannungen in Abhängigkeit von der Batteriespannung und vom Ladestrom beeinflußt.
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Eine solche Einrichtung ist z. B. bekannt aus der Zeitschrift »Neues
aus der Technik«, vom 1. 7.1963, auf Seite2. Doch enthält diese Veröffentlichung
keine Angabe des verwendeten Reglers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der genannten
Art so zu gestalten, daß mit einem besonders kleinen Aufwand an Schaltungselementen
eine große Regelgenauigkeit mit einer kleinen Zeitkonstante erzielt wird.
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Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Gleichspannung,
die zusammen mit einer gegenüber der Netzspannung phasenverschobenen Wechselspannung
die Steuerspannung der gesteuerten Gleichrichter bildet, über eine weitere Gleichrichteranordnung
und eine Sekundärwicklung eines Transformators dadurch einer Zweipunktreglung unterworfen
ist, daß der Transformator in Abhängigkeit von zwei weiteren gesteuerten Gleichrichtern,
die jeweils beim Erreichen von Grenzwerten der Batteriespannung und des Ladestromes
geöffnet werden, über eine dritte Gleichrichteranordnung und eine weitere Sekundärwicklung
kurzgeschlossen wird.
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Es ist z. B. aus der »Elektrotechnischen Zeitschrift«, Ausgabe B,
vom 9. 7. 1962, auf den S. 371 und 372 sowie aus der Zeitschrift »Der Elektromeister«,
1962, S. 1514, bekannt, daß steuerbare Siliziumzellen dadurch gesteuert werden,
daß innerhalb jeder Halbwelle der Zündpunkt durch Verlagerung der Zündspannung verschoben
wird. Das kann z. B. als sogenannte »Vertikalsteuerung« durch Verändern einer Gleichspannung
geschehen, welcher eine gegenüber der Arbeitsspannung phasenverschobene Steuerspannung
überlagert ist.
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Bei einer Einrichtung nach der Erfindung werden zur Bildung der Steuerspannungen
für die gesteuerten Gleichrichter zweckmäßig Spannungswerte, die den Ist-Werten
der Batteriespannung und des Ladestromes entsprechen, mit der Sperrspannung ein
und derselben Zenerdiode verglichen.
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Vorzugsweise wird eine Einrichtung nach der Erfindung so ausgeführt,
daß zur Überlagerung der Wechselspannung und der Gleichspannung, welche zusammen
die Steuerspannung bilden, eine Brücke mit zwei einander gegenüberliegenden ohmschen
Widerständen und zwei induktiven Widerständen einerseits an die Steuerelektroden
der gesteuerten Gleichrichter und, andererseits an eine eine Wechselstromquelle
bildende Wicklung eines Spannungswandlers angeschlossen ist und daß zwischen der
Mitte dieser Wicklung und den Kathoden der gesteuerten Gleichrichter die Gleichspannung
liegt.
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Um zu erreichen, daß Temperaturänderungen, denen die gesteuerten Gleichrichter
des zwischen das Netz und die Batterie geschalteten Gleichrichters unterworfen sind,
weitgehend ohne Einfluß auf die Regelung der Ladeeinrichtung bleiben, wird zweckmäßig
zwischen die Kathoden der gesteuerten Gleichrichter und den Minuspol der Gleichstromquelle,
welche die, einen Teil der Steuerspannung bildende Gleichspannung liefert, eine
Zenerdiode geschaltet, die beim Erreichen der vorher bestimmten Batteriespannung
und/oder des vorher bestimmten Ladestromes plötzlich einen Steuerstrom durchläßt.
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In die Zuleitungen zu dem Transformator kann zur Strombegrenzung bei
Kurzschluß eine Drossel oder ein ohmscher Widerstand geschaltet sein.
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Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 ein Schaltbild für eine ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes bildende Batterieladeeinrichtung, während F i g. 2 und
3 Schaubilder zur Erläuterung des Regelvorganges sind.
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Aus einem Wechselstromnetz 1 wird über einen Transformator 2 eine
Gleichrichteranordnung 3 gespeist, die aus zwei Dioden 4, deren Anoden mit
dem Minuspol der Batterie 6 verbunden sind, und aus zwei gesteuerten Gleichrichtern
5 besteht, deren Kathoden mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden sind.
An
die Sekundärwicklung des Transformators 2 ist ein Steuertransformator angeschlossen,
dessen Sekundärwicklung 8 durch Leitungen 9, 10 mit zwei einander gegenüberliegenden
Ecken einer aus vier Widerständen bestehenden Brücke verbunden ist. Zwei mit 11
bezeichnete Widerstände, die in der Brücke einander gegenüberliegen, sind ohmsche
Widerstände, während die anderen Widerstände 12 Drosseln sind. Von den beiden anderen
Ecken der Brücke führen Leitungen 13, 14 zu den Steuerelektroden der gesteuerten
Gleichrichter 5. An die Sekundärwicklung des Transformators 2 ist über eine Strombegrenzungsdrossel
15 oder über einen ohmschen Widerstand ein weiterer Transformator mit zwei Sekundärwicklungen
16, 17 angeschlossen. Die Sekundärwicklung 16 speist eine Gleichrichteranordnung
18, an die gleichstromseitig ein Widerstand 19 und parallel zu diesem ein Glättungskondensator
20 angeschlossen sind. Von dem Pluspol der Gleichrichteranordnung 18 fährt eine
Leitung 21 zur Mitte der Sekundärwicklung B. Die Kathoden der gesteuerten Gleichrichter
5 sind über einen gemeinsamen Abstimmwiderstand 22 mit einem Schiebekontakt 23 des
ein Potentiometer bildenden Widerstandes 19 verbunden. Zwischen den Abstimmwiderstand
22 und den Schiebekontakt 23 ist eine Zenerdiode 24 geschaltet.
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An die Sekundärwicklung 17 ist eine Gleichrichteranordnung 25 angeschlossen,
an deren Gleichstromkreis parallel zueinander zwei gesteuerte Gleichrichter 26,
27 liegen, deren Widerstände sich beim Erreichen von vorher bestimmten Werten der
Batteriespannung bzw. des Ladestromes plötzlich von einem großen Wert bis auf Null
vermindern. Zu diesem Zweck liegen in einer Zweigleitung 28 parallel zu der Batterie
6 ein ohmscher Widerstand 29 und in Reihe mit diesem eine Zenerdiode 30, und zwar
diese in einer solchen Anordnung, daß ihre Anode mit dem Minuspol der Batterie 6
verbunden ist. Von einem Punkt 31 zwischen der Kathode dieser Zenerdiode und dem
Widerstand 29 ist eine Leitung 32 zu den Kathoden der gesteuerten
Gleichrichter 26, 27 geführt. In einer weiteren Zweigleitung 33 parallel zu der
Batterie 6 sind zwei ohmsche Widerstände 34, 35 hintereinandergeschaltet. Von einem
Punkt 36 zwischen den beiden Widerständen ist eine Leitung 37 zu der Steuerelektrode
des gesteuerten Gleichrichters 26 geführt. In einer Wechselstromzuleitung zu der
Gleichrichteranordnung 3 liegt ein Stromwandler 38. An diesen ist eine Gleichrichteranordnung
39 angeschlossen, in deren Gleichstromkreis 40 zwei Widerstände
41, 43
hintereinandergeschaltet sind. Dasjenige Ende des Widerstandes 43,
das von dem Widerstand 41 abgewandt ist, ist mit dem Minuspol der Batterie 6 verbunden.
Von einem Punkt 42 zwischen den Widerständen 41, 43 ist eine Leitung 44 zu der Steuerelektrode
des gesteuerten Gleichrichters 27 geführt.
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In den Schaubildern der F i g. 2 und 3 ist in den oberen Hälften über
der Zeit t der Verlauf der Wechselspannung U zwischen der Anode und der Kathode
eines der gesteuerten Gleichrichter 5 dargestellt. Darunter ist ebenfalls über der
Zeit t die Kurve der Steuerspannung Ust zwischen der Steuerelektrode und der Kathode
desselben gesteuerten Gleichrichters gezeichnet. Diese Steuerspannung setzt sich
zusammen aus einer Gleichspannung U= und einer Wechselspannung Ucv. Die Gleichspannung
U= ist proportional dem Spannungsabfall an dem Widerstand 19 der von dem Schiebekontakt
23 abgegriffen wird. Durch den Glättungskondensator 20 werden die Oberwellen
der Gleichspannung abgefangen, so daß die Gleichspannung oberwellenfrei wird. Die
Wechselspannung UN wird der Sekundärwicklung 8 des Steuertransformators entnommen.
Die Brücke 11, 12 bewirkt eine Phasenverschiebung derart, daß die Wechselspannung
Uc" gegenüber der Netzspannung und damit gegenüber der Spannung U um eine Viertelperiode
nacheilt.
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Proportional zu der Steuerspannung Ust ist ein Steuerstrom, der von
der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters zu deren Kathode fließt. Wenn
dieser Steuerstrom einen kritischen Wert übersteigt, wird der gesteuerte Gleichrichter
aufgesteuert, d. h., sein Widerstand wird annähernd zu Null. Wenn der Steuerstrom
hingegen den kritischen Wert unterschreitet, wird, sobald die Spannung U zu Null
geworden ist, der gesteuerte Gleichrichter 5 geschlossen, d. h., er hat einen nahezu
unendlich großen Widerstand.
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In F i g. 2 und 3 ist die dem kritischen Steuerstrom entsprechende
kritische Steuerspannung mit Uk bezeichnet.
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Nach F i g. 2 ist ein bestimmter Wert der Gleichspannung U= angenommen,
dem ein solcher Verlauf der Steuerspannung Ust entspricht, daß diese die Linie der
kritischen Steuerspannung Uk in einem Punkt P1 schneidet, der sich in der Nähe des
Endes der ersten positiven Halbperiode der Spannung U befindet. Während bis zu diesem
Zeitpunkt der gesteuerte Gleichrichter 5 geschlossen war, wird er nunmehr plötzlich
geöffnet. Infolgedessen läßt der gesteuerte Gleichrichter 5 von diesem Zeitpunkt
ab bis zum Ende der positiven Halbperiode einen Strom nach Maßgabe des Verlaufes
der Spannung U durch. In der anschließenden negativen Halbperiode kann wegen der
Sperrwirkung kein Strom durch den gesteuerten Gleichrichter 5 fließen. Das ist erst
wieder im Zeitpunkt P2 möglich, in dem gegen Ende der zweiten positiven Halbperiode
die Steuerspannung Ust die kritische Spannung Uk wieder übersteigt. In F i g. 2
sind die Bereiche der Periode, während deren die gesteuerten Gleichrichter 5 geöffnet
sind, durch Schraffur gekennzeichnet. Es fließt also während dieser verhältnismäßig
kurzen Zeitabschnitte ein Ladestrom durch die Gleichrichteranordnung 3, wohingegen
während der übrigen Zeit kein Ladestrom fließt.
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F i g. 3 veranschaulicht die entsprechenden Verhältnisse, wenn. die
Gleichspannung U= größer ist als im Fall der F i g. 2. Dann schneidet die Kurve
der Steuerspannung Ust die Linie der kritischen Steuerspannung Uk, bereits in einem
früheren Zeitpunkt P3 und danach in einem entsprechenden Zeitpunkt P4 der zweiten
positiven Halbperiode. Es sind daher die gesteuerten Gleichrichter 5 in diesem Fall
während eines entsprechend größeren, in F i g. 3 durch Schraffur hervorgehobenen
Zeitraumes geöffnet, so daß während dieser Zeit ein Ladestrom fließt.
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Man hat es sonach in der Hand, mittels einer derartigen »Phasen-Anschnitteinrichtung«
durch Veränderung der einen Teil der Steuerspannung bildenden Gleichspannung die
Höhe des Ladestromes zu regeln. Dies wird mit der dargestellten Schaltung zu einer
selbsttätigen Regelung der Batterie-Ladeeinrichtung in Abhängigkeit von der Batteriespannung
und dem Ladestrom ausgenutzt. Die Regeleinrichtung ist nämlich so abgestimmt, daß
bei einer bestimmten
Einstellung des Schiebekontakts 23 der normale
Ladestrom fließt, solange die Batteriespannung einen vorher bestimmten Wert nicht
überschreitet. Dabei ist der Spannungsabfall an dem Widerstand 35 und der Spannungsabfall
an dem Widerstand 43 kleiner als die Sperrspannung der Zenerdiode 30. Infolgedessen
sind die Widerstände der gesteuerten Gleichrichter 26, 27 sehr groß, so daß die
Sekundärwicklung 17 praktisch keinen Strom abgibt und demgemäß die Sekundärwicklung
16 über die Gleichrichteranordnung 18 einen normalen, durch den Widerstand 19 fließenden
Strom liefert, der durch den abgegriffenen Spannungsabfall eine dem normalen Ladestrom
entsprechende Gleichspannung U= ergibt. Wenn sich der Ladezustand der Batterie seinem
durch die Kapazität bestimmten Endwert nähert und demgemäß die Batteriespannung
einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Spannungsabfall an dem Widerstand
35 entsprechend größer als die Sperrspannung an der Zenerdiode 30. Infolgedessen
wird der gesteuerte Gleichrichter 26 geöffnet, was einem Kurzschluß des von der
Sekundärwicklung 17 ausgehenden Stromkreises gleichkommt, wobei die Drossel
15 strombegrenzend wirkt. Der Kurzschluß bewirkt ein Absinken des durch den
Widerstand 19 fließenden Stromes, wobei der Kondensator 20 verzögernd wirkt. Das
Absinken der Gleichspannung U= hat zur Folge, daß die aus F i g. 2 und 3 ersichtliche
Kurve der Steuerspannung Ust parallel nach unten verschoben wird. Damit wandern
die Schnittpunkte dieser Kurve mit der waagerechten Linie der kritischen Spannung
Uk beispielsweise von den Punkten P., und P4 in F i g. 3 nach rechts hin, so daß
innerhalb der positiven Halbperioden der Spannung U die Zeitabschnitte, in denen
die gesteuerten Gleichrichter 5 geöffnet sind, abnehmen. Diese Zeitabschnitte können
sogar zu Null werden, wenn die Maximumwerte der Kurven U" tiefer liegen als die
waagerechte Linie Uk, so daß zeitweise überhaupt kein Ladestrom fließt.
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Sobald infolge des Absinkens des Ladestromes die Batteriespannung
wieder abnimmt, schnellt der Widerstand des gesteuerten Gleichrichters 26 auf seinen
hohen Ausgangswert zurück, so daß dem Abnehmen der Gleichspannung U = entgegengewirkt
wird. Diese Gleichspannung wird sonach einer Impulssteuerung unterworfen, die bewirkt,
daß sich die Gleichspannung U= auf einen gegenüber dem normalen Ladebetrieb verminderten
Wert einstellt. Der entsprechend herabgesetzte Wert der Steuerspannung Ust hat zur
Folge, daß nur während entsprechend kleiner Bruchteile der positiven Halbperioden
der Spannung U durch die Gleichrichteranordnung 5 Strom hindurchgelassen wird und
daß sich ein entsprechender Mittelwert des Ladestromes einstellt, der gegen Ende
der Ladung dem Ladeerhaltungsstrom der Batterie entspricht.
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Eine entsprechende Regelung tritt ein, wenn der Ladestrom einen vorher
bestimmten Wert überschreitet. Denn dann überwiegt der Spannungsabfall an dem Widerstand
43 die Sperrspannung der Zenerdiode 30, wodurch der Widerstand des gesteuerten Gleichrichters
27 zu Null wird. Das hat einen Kurzschluß in dem Stromkreis der Sekundärwicklung
17 und eine dementsprechende Herabregelung der Gleichspannung U= und der
Steuerspannung Ust zur Folge.
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Wenn sich während des Betriebes die gesteuerten Gleichrichter 5 der
Gleichrichteranordnung 3 erwärmen, ändert sich deren Charakteristik, so daß die
Regelung unter Umständen gestört wird. Zur Ausschaltung dieses unerwünschten Temperatureinflusses
dient die Zenerdiode 24 in der dargestellten Schaltung, in der ihre Kathode den
Kathoden der gesteuerten Gleichrichter 5 zugewandt ist. Solange die Gleichspannung
zwischen der Kathode und der Anode dieser Zenerdiode nicht den Sperrwert überschreitet,
läßt die Zenerdiode nur einen verschwindend kleinen Strom zu, so daß auch durch
die gesteuerten Gleichrichter 5 von deren Steuerelektroden zu den Kathoden nur ein
entsprechend kleiner, unterhalb des kritischen Wertes liegender Strom fließt. Das
gilt, wenn beim überschreiten der vorher bestimmten Werte der Batteriespannung bzw.
des Ladestromes die Gleichspannung U= in der oben beschriebenen Weise herabgesetzt
wird. Wenn dann infolge der Wiederherstellung der normalen Werte der Batteriespannung
und des Ladestromes die Gleichspannung U= wieder steigt, wird die Sperrspannung
der Zenerdiode 24 überschritten, so daß diese plötzlich einen großen Strom durchläßt.
Infolgedessen überschreitet augenblicklich der zwischen den Steuerelektroden und
den Kathoden durch die gesteuerten Gleichrichter 5 fließende Strom den kritischen
Wert, so daß die gesteuerten Gleichrichter geöffnet werden und der normale Ladestrom
wieder eingesteuert wird. Wesentlich ist es, daß in diesem Fall infolge des plötzlichen
Anstieges des durch die gesteuerten Gleichrichter 5 fließenden Stromes eine durch
Temperatureinflüsse bedingte Verlagerung des kritischen Wertes des Steuerstromes
bzw. der kritischen Steuerspannung Uk nach oben oder unten praktisch ohne Einfluß
auf die Regelung bleibt.