DE1590863C - Selbsttätige Stromversorgungsanlage fur Gleichstromverbraucher - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine selbsttätige Stromver- schaltet. Mit Hilfe eines Belastungswiderstandes wird

sorgungsanlage für Gleichstromverbraucher mit einer dafür gesorgt, daß die Schaltzellen gleichmäßig ent-

Gleichspannungsquelle, welche bei Normalbetrieb laden werden; damit allein ist jedoch nicht gewähr-

den Verbraucher mit Nennspannung versorgt und leistet, daß sie sich zu jeder Zeit im gleichen Zustand

gleichzeitig eine zur Pufferung und Notversorgung 5 wie die Stammzellen befinden.

dienende, in zwei Gruppen aufgeteilte Batterie auf- In der deutschen Auslegeschrift 1 137 499 ist eine lädt, wobei die Batteriegruppen je parallel zur Gleich- selbsttätige Stromversorgungsanlage der eingangs gespannungsquelle liegen und jeder Batteriegruppe je nannten Art beschrieben, die zwei Batteriegruppen ein veränderlicher Vorwiderstand zugeordnet ist, und enthält. Diese liegen zur Aufladung mit dem gleichen mit einer Umschaltvorrichtung, die bei Ausfall der io Pol (+-Pol) über Vorwiederstände an dem geerdeten Gleichspannungsquelle oder größeren Spannungsab- Generator, und sind beide ebenfalls geerdet. Bei Senkungen die beiden Batteriegruppen in Reihe Überbelastung des Generators werden die Batterieschaltet, wobei die Reihenspännung beider Batterie- gruppen über ein Schütz in Reihe geschaltet, wobei gruppen ebenfalls etwa der Nennspannung entspricht. gleichzeitig die Erdung einer Batteriegruppe aufge-

Für Schalt- und Überwachungseinrichtungen von 15 hoben wird. Die Vorwiederstände werden über ein Stromversorgungsanlagen sind betriebssichere Ener- Relais abgeschaltet und die in Reihe geschalteten· giequellen erforderlich. Man speist daher diese An- Batteriegruppen über ein weiteres Schütz parallel lagen vielfach mit Gleichstrom in Verbindung mit zum Generator geschaltet. Um die Batterien bei Übereiner Batterie. Diese Betriebsweise wird im allgemeinen belastung des Generators hintereinanderzuschalten, mit Pufferbetrieb bezeichnet. In derartigen Anlagen 20 wird ein unverhältnismäßig hoher Aufwand an sind ein vom Netz gespeistes Ladegerät, z. B. ein Schaltern benötigt. Die verwendeten Schütze müssen Gleichrichter, und die Batterie in Parallelschaltung daher eine große Anzahl von Kontakten besitzen, d. h., mit dem Verbraucher verbunden. Die Batterie glättet die Anlage wird teuer und störungsanfällig. Durch die den vom Gleichrichter gelieferten welligen Gleich- Verwendung mechanischer Schaltglieder läßt sich ein strom, fängt Spitzenbelastungen ab und übernimmt die as kurzzeitiger Spannungsabfall nicht vermeiden.
Stromversorgung bei Netzausfall. Aus der deutschen Auslegeschrift 1136 764 ist

Die Problematik dieser bekannten Anlagen liegt weiter eine Schaltungsanordnung zum unterbrechungs-

insbesondere in der Schwierigkeit, die vorgeschriebe- losen Umschalten von Netzbetrieb auf Batteriebetrieb

nen Spannungsgrenzen am Verbraucher einzuhalten. bekannt, die einen Zusatzgleichrichter enthält. Ein

Diese Spannungsgrenzen sind dadurch bedingt, daß 30 solcher Zusatzgleichrichter könnte eine zweite Batterie-

die Ladespannung der Batterie in jedem Fall höher gruppe jedoch nur dann ersetzen, wenn die Batterie in

liegt als die Nennspannung, diese Nennspannung Erhaltungsladung, also mit sehr geringem Strom ge-

aber auch bei länger andauernder Störung des Netzes laden wird. Sobald andere Ladeverfahren benutzt

eingehalten werden sollte. werden müssen, beispielsweise wenn die Batterie

Man ist daher gezwungen, den Versorgungsgleich- 35 stärkeren Belastungen ausgesetzt wird, muß der richter von vornherein auf den höchstzulässigen Gleichrichter wesentlich stärker dimensioniert werden, Spannungswert der Anlage auszuregeln und die Ver- d. h., er wird wesentlich teurer. Daneben geht dabei die braucher bei vorhandenem Netz immer an der ober- Hälfte bzw. ein großer Teil der Kapazität der Batterie ■ sten Spannungsgrenze zu betreiben. Bei Netzausfall verloren, so daß entweder der verbleibende Batterie- und dem damit verbundenen Entladen der Batterie 40 teil wieder größer gewählt werden muß, oder Spitzensinkt die Klemmenspannung ab, bis sie einen untersten belastungen können nicht mehr zuverlässig aufgezulässigen Wert erreicht hat. Dieser liegt in vielen fangen werden.

Fällen noch über der zulässigen Entladeschluß- Die bekannten Anlagen weisen also eine ungünstige

spannung der Batterie. Batterieausnutzung, unnötigen Energieverbrauch,

Die mittlere Spannungslage der Batterie liegt im 45 höhere Kosten durch Uberdimensionierung oder flachen Teil der Batterie-Entladekurve, welcher etwa durch zusätzliche Zellen auf sowie eine ungünstige zwischen 20 und 80°/₀ der Kapazitätsentnahme auf- Spannungslage. Dazu sind teilweise recht aufwendige tritt. Da die Batterie bei Netzausfaü aus der Dauer- Schaltvorrichtungen und Kontrollvorrichtungen, z. B. ladung heraus betrieben wird, liegt der flache Teil der zur Bestimmung des Einschaltzeitpunktes der Schalt-Entladung meist bereits erheblich unter der Nenn- 50 zellen, notwendig. Die Verwendung von mechanischen spannung. Soll der Verbraucher im Laufe der weiteren Schaltern bedingt zu dem einen kurzzeitigen Span-Entladung nicht mit Unterspannung betrieben werden, nungsabfall beim Umschalten.

so muß das Entladen in vielen Fällen bereits vor dem Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die be-

Erreichen der Batterie-Entladeschlußspannung abge- kannten Stromversorgungsanlagen zu verbessern bzw.

brochen werden. Die volle Batteriekapazität kann 55 den Aufwand an Schaltmitteln der bekannten selbst-

somit nicht ausgenutzt werden. tätigen Stromversorgungsanlagen im Hinblick auf

Spannungstoleranzen können innerhalb gewisser eine höhere Betriebssicherheit zu verringern.

Grenzen nur dadurch vermindert werden, daß eine Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der nega-

Uberdimensionierung der Batterie erfolgt, wodurch tive Pol der ersten Batteriegruppe über eine Diode

der untere Grenzspannungswert höher liegt. 60 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle

Eine weitere Möglichkeit ist die Aufteilung der und der positive Pol über einen einstellbaren Wider-Batterie in eine Stammgruppe und eine Zusatzgruppe stand mit dem positiven Pol der Gleichspannungsvon Zellen, die sogenannten Schaltzellen. Die Stamm- quelle, der positive Pol der zweiten Batteriegruppe zellen liegen ständig parallel zum Verbraucher, die über eine zweite Diode mit dem positiven Pol der Schaltzellen werden erst bei einer bestimmten unteren 65 Gleichspannungsquelle und der negative Pol der Spannungsgrenze der Stromquelle selbsttätig züge- zweiten Batteriegruppe über einen zweiten einstellschaltet. Bei Beginn der Ladung und steigender baren Widerstand mit dem negativen Pol der Span-Spannung werden die Schaltzellen wieder abge- nungsquelle 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 (i = 0), d. h., bei Reihenschaltung der Batterie-Batteriegruppen 1 und 2 werden durch die Vor- gruppen liegt die Verbraucherspannung Un + 10 %, 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- 20 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 U_n + 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. 40 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 Schallgeschwindigkeit 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. 5° 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°/o (gemäß VDE 0108). Das entspricht so daß bei Ausfall der Eingangsspannung die Emitter-

einem 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 1,5 Volt 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 Überdimensionierung 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 (S) 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