DE1590863B2 - Selbsttaetige stromversorgungsanlage fuer gleichstromver braucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsttätige Stromversorgungsanlage für Gleichstromverbraucher mit einer Gleichspannungsquelle, welche bei Normalbetrieb den Verbraucher mit Nennspannung versorgt und gleichzeitig eine zur Pufferung und Notversorgung dienende, in zwei Gruppen aufgeteilte Batterie auflädt, wobei die Batteriegruppen je parallel zur Gleichspannungsquelle liegen und jeder Batteriegruppe je ein veränderlicher Vorwiderstand zugeordnet ist, und mit einer Umschaltvorrichtung, die bei Ausfall der Gleichspannungsquelle oder größeren Spannungsabsenkungen die beiden Batteriegruppen in Reihe schaltet, wobei die Reihenspannung beider Batteriegruppen ebenfalls etwa der Nennspannung entspricht.

Für Schalt- und Überwachungseinrichtungen von Stromversorgungsanlagen sind betriebssichere Energiequellen erforderlich. Man speist daher diese Anlagen vielfach mit Gleichstrom in Verbindung mit einer Batterie. Diese Betriebsweise wird im allgemeinen mit Pufferbetrieb bezeichnet. In derartigen Anlagen sind ein vom Netz gespeistes Ladegerät, z. B. ein Gleichrichter, und die Batterie in Parallelschaltung mit dem Verbraucher verbunden. Die Batterie glättet den vom Gleichrichter gelieferten welligen Gleichstrom, fängt Spitzenbelastungen ab und übernimmt die Stromversorgung bei Netzausfall.

Die Problematik dieser bekannten Anlagen liegt insbesondere in der Schwierigkeit, die vorgeschriebenen Spannungsgrenzen am Verbraucher einzuhalten. Diese Spannungsgrenzen sind dadurch bedingt, daß die Ladespannung der Batterie in jedem Fall höher liegt als die Nennspannung, diese Nennspannung aber auch bei länger andauernder Störung des Netzes eingehalten werden sollte.

Man ist daher gezwungen, den Versorgungsgleichrichter von vornherein auf den höchstzulässigen Spannungswert der Anlage auszuregeln und die Verbraucher bei vorhandenem Netz immer an der obersten Spannungsgrenze zu betreiben. Bei Netzausfall und dem damit verbundenen Entladen der Batterie sinkt die Klemmenspannung ab, bis sie einen untersten 'zulässigen Wert erreicht hat. Dieser liegt in vielen ' Fällen noch über der zulässigen Entladeschlußspannung der Batterie.

Die mittlere Spannungslage der Batterie liegt im flachen Teil der Batterie-Entladekurve, welcher etwa zwischen 20 und 80% der Kapazitätsentnahme auftritt. Da die Batterie bei Netzausfall aus der Dauerladung heraus betrieben wird,- liegt der flache Teil der Entladung meist bereits erheblich unter der Nennspannung. Soll der Verbraucher im Laufe der weiteren ■ Entladung nicht mit Unterspannung betrieben werden, so muß das Entladen-in vielen Fällen bereits vor dem Erreichen der Batterie-Entladeschlußspannung abgebrochen werden. -Die volle Bätteriekäpazität kann somit nicht ausgenutzt werden.

Spannungstoleranzen können innerhalb gewisser Grenzen nur dadurch vermindert werden, daß eine Überdimensionierung der Batterie erfolgt, wodurch der untere Grenzspannungswert höher liegt.

Eine weitere Möglichkeit ist die Aufteilung der Batterie in eine Stammgruppe und eine Zusatzgruppe von Zellen, die sogenannten Schaltzellen. Die Stammzellen liegen ständig parallel zum Verbraucher, die Schaltzellen werden erst bei einer bestimmten unteren Spannungsgrenze der Stromquelle selbsttätig zugeschaltet. Bei Beginn der Ladung und steigender Spannung werden die Schaltzellen wieder abgeschaltet. Mit Hilfe eines Belastungswiderstandes wird dafür gesorgt, daß die Schaltzellen gleichmäßig entladen werden; damit allein ist jedoch nicht gewährleistet, daß sie sich zu jeder Zeit im gleichen Zustand wie die Stammzellen befinden.

In der deutschen Auslegeschrift 1 137 499 ist eine selbsttätige Stromversorgungsanlage der eingangs genannten Art beschrieben, die zwei Batteriegruppen enthält. Diese liegen zur Aufladung mit dem gleichen Pol (+-Pol) über Vorwiederstände an dem geerdeten Generator und sind beide ebenfalls geerdet. Bei Überbelastung des Generators werden die Batteriegruppen über ein Schütz in Reihe geschaltet, wobei gleichzeitig die Erdung einer Batteriegruppe aufgehoben wird. Die Vorwiederstände werden über ein Relais abgeschaltet und die in Reihe geschalteten Batteriegruppen über ein weiteres Schütz parallel zum Generator geschaltet. Um die Batterien bei Uberbelastung des Generators hintereinanderzuschalten, wird ein unverhältnismäßig hoher Aufwand an Schaltern benötigt. Die verwendeten Schütze müssen daher eine große Anzahl von Kontakten besitzen, d. h., die Anlage wird teuer und störungsanfällig. Durch die Verwendung mechanischer Schaltglieder läßt sich ein kurzzeitiger Spannungsabfall nicht vermeiden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1136 764 ist weiter eine Schaltungsanordnung zum unterbrechungslosen Umschalten von Netzbetrieb auf Batteriebetrieb bekannt, die einen Zusatzgleichrichter enthält. Ein solcher Zusatzgleichrichter könnte eine zweite Batteriegruppe jedoch nur dann ersetzen, wenn die Batterie in Erhaltungsladung, also mit sehr geringem Strom geladen wird. Sobald andere Ladeverfahren benutzt werden müssen, beispielsweise wenn die Batterie stärkeren Belastungen ausgesetzt wird, muß der Gleichrichter wesentlich stärker dimensioniert werden, d. h., er wird wesentlich teurer. Daneben geht dabei die Hälfte bzw. ein großer Teil der Kapazität der Batterie verloren, so daß entweder der verbleibende Batterieteil wieder größer gewählt werden muß, oder Spitzenbelastungen können nicht mehr zuverlässig aufgefangen werden. _.

Die bekannten Anlagen weisen also eine ungünstige Batterieausnutzung, unnötigen Energieverbrauch, höhere Kosten durch. Überdimensionierung oder durch zusätzliche Zellen auf sowie eine ungünstige Spannungslage. Dazu sind teilweise recht aufwendige Schaltvorrichtungen und Kontrollvorrichtungen, z. B. zur Bestimmung des Einschaltzeitpunktes der Schaltzellen, notwendig. Die Verwendung von mechanischen Schältern bedingt zu dem einen kurzzeitigen Spannungsabfall beim Umschalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Stromversorgungsanlagen zu verbessern bzw. den Aufwand an Schaltmitteln der bekannten selbsttätigen Stromversorgungsanlagen im Hinblick auf eine höhere Betriebssicherheit zu verringern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der negative Pol der ersten Batteriegruppe über eine Diode mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle und der positive Pol über einen einstellbaren Widerstand mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle, der positive Pol der zweiten Batteriegruppe über eine zweite Diode mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle und der negative Pol der zweiten Batteriegruppe über einen zweiten einstellbaren Widerstand mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist und daß der positive Pol

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der ersten Batteriegruppe mit dem negativen Pol der die Entladung theoretisch bis zu einer Spannung

zweiten Batteriegruppe über eine elektronische Schalt- von 19,8 Volt, d. h. bis zur Entladeschlußspannung

einrichtung, die bei Netzausfall oder Überlast die von 1,1 Volt pro Zelle fortgesetzt werden könnte. Die

Batteriegruppen verbindet, zusammengeschaltet ist. Kapazität der Batterie wird also nicht vollkommen

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen 5 ausgenutzt.

selbsttätigen Stromversorgungsanlage ist nachstehend Die Kurve 2 zeigt den Spannungsverlauf bei der

an Hand der F i g. 1 näher erläutert. erfindungsgemäßen selbsttätigen Stromversorgungs-

Die F i g. 2 stellt die Spannungskennlinie dieser anlage. Die Nennspannung soll wiederum 24 Volt

Anordnung im Gegensatz zur Kennlinie einer be- betragen. Als Abweichungen sind die gleichen Werte

kannten Anordnung dar. io wie oben zulässig. Gleichrichter und Verbraucher

Die gesamte Batterie wird in zwei Gruppen 1 und 2 werden dann auf die Nennspannung von 24 Volt aufgeteilt, wobei die Gruppen gleicher oder ver- eingestellt, d. h. bei Netzbetrieb liegt immer die Nennschiedener Zellenzahl sein können. Jede Gruppe wird spannung am Verbraucher. Für die Batterie werden aus demselben Ladegerät bzw. vom Netzgleichrichter 3 im Beispiel 20 Zellen gewählt, die in zwei Gruppen unabhängig voneinander geladen, wobei die Lade- 15 zu jeweils zehn Zellen mit 1,4 Volt pro Zelle = 14 Volt methode beliebig, z. B. Normal-, Erhaltungs- oder Ladespannung geladen werden. Im Einschaltaugen-Dauerladung sein kann. Die Ladeströme in den blick (t — 0), d. h., bei Reihenschaltung der Batterie-Batteriegruppen 1 und 2 werden durch die Vor- gruppen liegt die Verbraucherspannung Un -f" 10 °/₀> widerstände 4 und 5 eingestellt, durch die Dioden 6 das entspricht einer Einsatzspannung von 1,32 Volt und 7 wird eine Entladung der Gruppen im Ruhezu- ao pro Zelle, am Verbraucher. Beim Erreichen der mittstand verhindert. Diese Rückstromsperrdioden können leren Spannungslage der Zellen von etwa 1,2 Volt pro entfallen, wenn in den Ladekreisen der Batteriegruppen Zelle liegt die gesamte Betriebsspannung bei etwa Schalter verwendet werden. 24,2 Volt, d. h. bei Un + 1 °/₀. Die mittlere Ab-

Die Gruppe 1 wird beispielsweise geladen über weichung von der Nennspannung ist also hier wesent-Widerstand 4 und Diode 6, Gruppe 2 über Wider- 25 lieh geringer als bei den meisten bekannten Stromstand 5 und Diode 7. Beide Batteriegruppen befinden Versorgungsanlagen, und die Batterie wird dementsich jedoch stets im gleichen Ladezustand. Die Wider- sprechend besser ausgenutzt.

stände 4 und 5 können durch andere Bauelemente, Im angeführten Beispiel der bekannten Schaltung die eine Stromregelung erlauben, ersetzt werden, bei- müssen auf Grund der vorgegebenen Spannungsspielsweise durch magnetisch geregelte Bauelemente, 30 grenzen 18 Zellen gewählt werden. Bei der erfindungswie Knickdrosseln u. dgl. gemäßen selbsttätigen Stromversorgungsanlage ist

Bei Netzausfall werden die beiden Gruppen in Reihe es jedoch möglich, die Zellenzahl rein vom Gesichtsgeschaltet und speisen den Verbraucher 8. Die Reihen- punkt der optimalen Batterieausnutzung zu wählen, schaltung wird bewirkt durch das mit 9 bezeichnete d. h., an Stelle der im Beispiel genannten 20 Zellen Bauteil. 35 können auch je nach den gestellten Anforderungen

Da beim Laden der Batteriegruppen nicht die hinsichtlich der Belastung 19 bis 21 Zellen verwendet

Summenspannung der Gruppen am Verbraucher liegt, werden. Je höher die Zellenzahl bei einer bestimmten

werden die Batteriegruppen so dimensioniert, daß die vorgegebenen Nennspannung gewählt werden kann,

Ladespannung einer Batteriegruppe unter der Gleich- desto niedriger werden Kosten, Kapazität und VoIu-

richternennspannung bzw. Verbraucherspannung liegt. 4° men der Batterie.

Durch das unabhängige Laden der beiden Batterie- Die Umschaltung bei Netzausfall durch das Baugruppen wird also die Gesamtspannung bei Ruhe- element 9 kann beispielsweise durch zwischen den stellung gleich oder größer sein als die Nennspannung, Schaltungspunkten 10 und 11 angebrachte Kontaktd. h., der flache Teil der Spannungskennlinie der sätze eines Netzrelais oder eines Schützes ausgelöst Batterie wird in den Bereich der gewählten Nenn- 45 werden oder, um auf mechanische Bauteile gänzlich spannung verschoben und ermöglicht so eine bessere zu verzichten, durch einen elektronischen Schalter. Ausnutzung ihrer Kapazität. Wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit derartiger

Diese Verhältnisse sind in der F i g. 2 dargestellt. elektronischer Bauelemente läßt sich eine nahezu

Dabei stellt die Kurve 1 den Verlauf der Spannung unterbrechungslose Umschaltung erreichen. Beispiels-

bei einer bisher üblichen Anlage dar. 50 weise kann ein pnp-Transistor verwendet werden,

Im Beispiel soll die Nennspannung am Verbraucher dessen Emitter am Punkt 10 und dessen Kollektor am

Un = 24 Volt betragen. Als zulässige obere Spannungs- Punkt 11 liegt, die Basis wird über einen Widerstand

grenze werden gewählt die Abweichungen +10°/₀ und eine Sperrdiode an die Eingangsspannung gelegt,

bzw. —15% (gemäß VDE 0108). Das entspricht so daß bei Ausfall der Eingangsspannung die Emittereinem oberen Spannungswert von U₁ = 26,4 Volt 55 Kollektor-Strecke des Transistors leitend wird und

und einem unteren Spannungswert von U₂ — 20,4VoIt. die Batteriegruppen in Reihe schaltet. Als Steuer-

Die Dauerladespannung der zu verwendenden Batterie spannung des Transistors kann die Netzspannung

darf also 26,4 Volt nicht überschreiten, d. h. bei einer oder die Ausgangsspannung des Gleichrichters ver-

Dauerladespannung der Einzelzelle von 1,4 bis 1,5VoIt wendet werden.

sind 18 Zellen erforderlich. Diese 18 Zellen haben im 60 Wenn die Batterie Spitzenbelastungen aufnehmen

Belastungsfall mit Nennstrom eine mittlere Span- soll, wird das Bauelement 9, z. B. ein Transistor, über

nungslage von 1,2 Volt pro Zelle. Zwischen 20 und eine im Verbraucherstromkreis angeschlossene weitere

80°/₀ Kapazitätsentnahme liegen die 18 Zellen mit Transistorstufe angesteuert, so daß es z.B. bei plötz-

einer Gesamtspannung von 22,4 bis 21,2 Volt bereits liehen Stromerhöhungen durchschaltet. In diesem Falle erheblich unter der Nennspannung von 24 Volt. Im 65 kann der Netzgleichrichter für geringe Leistungen aus-

Laufe der Entladung fällt die Batteriespannung bis gelegt werden, da kurzzeitige hohe Belastungen von der

auf die untere Spannungsgrenze von 20,4 Volt. An Batterie aufgefangen werden,

dieser Stelle ist die Entladung zu beenden, obwohl Die Vorteile der erfindungsgemäßen selbsttätigen

Stromversorgungsanlage sind die über den gesamten Entladebereich günstige Spannungslage am Verbraucher sowie die kapazitätsmäßige günstige Ausnutzung der Batterie durch die oben beschriebene freie Wahl der Zellenzahl. Die mittlere Abweichung zwischen Nennspannung und Batteriespannung ist wesentlich geringer als bei bekannten Pufferschaltungen. Weiterhin ist keine Uberdimensionierung der Batterie notwendig und aufwendige weitere Ladeeinrichtungen entfallen. Durch die gleichmäßige Ladung und Entladung der Batteriegruppen wird gleiche Lebensdauer sämtlicher Zellen erreicht.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbsttätige Stromversorgungsanlage für Gleichstromverbraucher mit einer Gleichspannungsquelle, welche bei Normalbetrieb den Verbraucher mit Nennspannung versorgt und gleichzeitig eine zur Pufferung und Notversorgung dienende, in zwei Gruppen aufgeteilte Batterie auflädt, wobei die Batteriegruppen je parallel zur Gleichspannungsquelle liegen und jeder Batteriegruppe je ein veränderlicher Vorwiderstand zugeordnet ist, und mit einer Umschaltvorrichtung, die bei Ausfall der Gleichspannungsquelle oder größeren Spannungsabsenkungen die beiden Batteriegruppen in Reihe schaltet, wobei die Reihenspannung beider Batteriegruppen ebenfalls etwa der Nennspannung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Pol der Batteriegruppe (1) über eine Diode (6) mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (3) und der positive Pol über einen einstellbaren Widerstand (4) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (3), der positive Pol der Batteriegruppe (2) über eine Diode (7) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (3) und der negative Pol der Batteriegruppe (2) über einen einstellbaren Widerstand (5) mit dem negativen Pol der Spannungsquelle (3) verbunden ist und daß der positive Pol der Batteriegruppe (1) mit dem negativen Pol der Batteriegruppe (2) über eine elektronische Schalteinrichtung (9), die bei Netzausfall oder Überlast die Batteriegruppen verbindet, zusammengeschaltet ist.

2. Selbsttätige Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (9) durch die Eingangsspannung angesteuert wird.

3. Selbsttätige Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (9) über eine im Verbraucherkreis liegende, durch die Belastung gesteuerte weitere Schaltvorrichtung angesteuert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen