Elektrische Anlage mit Generator, Reservebatterie und Regeleinrichtung, insbesondere für Fahrzeuge Es ist bekannt, zum Speisen der Stromver braucher zum Beispiel in Fährzeugen Gleich strom- oder Wechselstromgeneratoren zu ver wenden, wobei letztere einen Gleichrichter erhalten.
Um die Spannungs- und :Stromgrössen der Generatoren bei den wechselnden Dreh zahlen, gegebenenfalls auch Links- und Rechtslauf, den Betriebsbedingungen anzu passen, werden Regelapparate verschiedener Bauarten verwendet, zum Beispiel Kohledrt--tek- spannungsregler, Wälzregler und dergleichen.
Es ist ferner bekannt, Stromerzeugungsanla- gen zu verwenden, die ohne bewegliche Regler arbeiten, wobei angestrebt wird, eine möglichst konstante Spannung zu erzeugen, um; im Puf ferbetrieb dem Stromnetz jeweils denjenigen Strom zuzuführen, den die Stromverbraucher, wie Glühlampen, Leuchtröhren, Ventilatoren usw., aufnehmen. Die Generatoranlage hat hierbei mehr oder weniger die Aufgabe, die Batterie in einem bestimmten Ladezustand zu erhalten, so dass also, da die Spannung des Generators konstant gehalten wird, lediglich diejenige Energie der Batterie zuzuführen ist, die ihr im Laufe der Betriebszeit entnom men wird.
Es ist dies das sogenannte Puffer verfahren.
Die bekannten Regelapparate, zum Beispiel Kohledruckspa-nnungsregler, erwirken darüber hinaus eine volle Aufladung der Batterie, um in dieser eine kräftige Reserv estromquelle zu erhalten, wenn das Fahrzeug längere Zeit stillsteht und die Batterie die Stromverbrau cher speisen muss.
Eine sehr wichtige Aufgabe bestand also für den mechanisch bewegten Regler darin, im Gleichklang zwischen erzeugter Generator spannung und der Batterieladekurv e eine Änderung des Spannungszustandes entspre chend den Ladebedingungen der Batterie zu erreichen, jedoch bei möglichst konstanter Spannung .im Verbraucherstromkreis der An lage. Es ist bekannt, dass die Batterien ihre höchste Lebensdauer erhalten, wenn die La dung der Batterien entsprechend den vorge schriebenen technischen Grössen erfolgt..
Hier durch ergeben sich folgende Bedingungen für den Idealzustand einer sicher wirkenden Stromerzeugungsanlage in Fahrzeugen: 1. Veränderliche Spannungshaltung des Generators bzw. des zwischen Generator und Batterie geschalteten Gleichrichters zum Zwecke der Anpassung an die beim Laden der Batterie wachsende Batteriespannung.
2. Eine selbsttätig wirkende: Strombegren zung, um eine LTberbeansprttchiuig des Genera- tors und eine Überladung der Batterie zu ver hindern.
3. Eine zusätzliche Einwirkung der Strom stärke in den Verbraucherstromkreisen auf die Generatorspannung, um bei grossem Ver braucherstrom eine höhere Stromerzeugung zu erwirken als bei geringerem Verbraucher strom, jedoch bei konstanter Spannung im Verbraucherstromkreis.
4. Eine Begrenzung der Spannungsrege- lung nach oben, um die Batterie im letzten Teil der Ladung nicht mit zu starkem Strom zu laden, wodurch das frühzeitige Altern der Batterieplatten verhindert wird.
Der Gegenstand der Erfindung ist nun eine elektrische Anlage mit Generator, Re servebatterie und Regeleinrichtung, Insbeson dere für Fahrzeuge, wobei der Generator mit einem Gleichstromfeld, welches über Gleich- riehter aus einem WechseIstromkreis unter Zwischenschaltung von Regeldrosselspulen, die Wicklungen für eine Gleichstromvor- magnetisierung besitzen, gespeist ist, versehen ist, und die diese vier gestellten Bedingungen ohne Anwendung eines mechanisch bewegten Reglers bewältigen kann.
Sie ist dadurch ge kennzeichnet, dass die Regeldrosselspulen mit tels ihrer Gleichstromwicklungen automatisch derart vormagnetisiert werden, dass das Ge- neratorfeld und dadurch die Generatorspan- nung so geregelt werden, dass bei den verän derlichen Grössen der Spannungen des Ge- nerators und der Batterie sowie des Genera torstromes, des Ladestromes und des Ver braucherstromes eine Überbelastung des Gene- rators vermieden wird,
die Batterie höchstens mit einem ihrem Ladezustand entsprechenden Strom geladen wird, und die Verbraucher spannung annähernd konstant gehalten wird.
Hierbei ist zu beachten, dass die. Genera toren an Fahrzeugen im Links- und Rechts lauf bei verschiedenen Drehzahlen arbeiten. Üblicherweise schwanken die Drehzahlen des Generators im Ladebetrieb im Verhältnis 1 : 5, beispielsweise zwischen 400 Umdrehungen beim Einschalten der Batterieladung und 2000 Umdrehungen bei Höchstgeschwindigkeit der Fahrzeuge.
Es sind bei der Regelschaltung der Anlage gemäss dieser Erfindung Mittel vorgesehen, die gestatten, im Verbraucher netz eine möglichst konstante Spannung zu halten, um beim Stillstand des Fahrzeuges sowie auch während der Fahrt, eine gleiche Spannungshöhe für Glühlampen- und Leucht- röhrenbetrieb zu erwirken.
Die Leuchtröhren können entweder unmittelbar aus der Batterie gespeist werden, oder es können für Wechsel stromröhren kleine VG echselrichter oder Um former verwendet werden, um aus dem Bat teriegleich strom einen Wechselstrom zu er zeugen.
Ausführungsbeispiele der Anlage sind in den Fig. 1 bis 6 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. In Fig. 1 bedeutet. 1 einen Gleich stromgenerator mit Plusleitung Z und Mi nusleitung 3. Der Generator besitzt zwei oder mehrere Anzapfungen am Anker zur Er zeugung eines durch Sehleifringe -1 abzulei tenden Wechselstromes, der den Regelkreis und über einen kleinen Gleichriehter 8 das Feld des Generators speist.
Dieser Regelkreis besteht aus der Regeldrosselspule 5, dem Streutransformator 6, der Vorschaltdrossel- spule 7, dem Feldgleichrichter 8, der in Graetzschaltung dargestellt ist, und der Feld wicklung 9, die sich auf dem Generator 1 befindet. Alle weehselstromführenden Bauteile sind für eine Frequenzändertmg von etwa 1:5 entsprechend dem oben angegebenen Drehzahlverhältnis eingerichtet. Die Drossel spulen bestehen aus einem Eisenkern und ent sprechenden Spulenwicklungen; sie besitzen zudem einen verstellbaren Luftspalt, um die Drosselwirkungen den Betriebsbedingungen gut anpassen zu können.
Da die Periodenzahl der Drehzahländerung entsprechend stark schwankt (etwa 1 :<B>5,) ,</B> empfiehlt es sich, den Eisenkern aus einem Spezialeisen herzustel len, um einen möglichst scharfen Knick der Magnetisierungskurve zu erhalten, wie dies in Fig.2 dargestellt ist..
Der Kurventeil 10 zeigt- die anstei gende Linie der Magnetflussdichte bei zuneh mender Magnetisierung, deren Maximum im Knickpunkt 11 erreicht- ist. Von diesem Wert an ist praktisch ein weiteres Ansteigen wegen Sättigung des Eisenkerns nicht mehr möglich, wie die Gerade 10a zeigt. zeigt die Spannungshöhe und B die Kraftliniendichte.
Die Regeldrossel 5 besitzt fünf verschie dene Wicklungen, deren gegenseitige Wirkun gen die Grundlage für die Erfüllung der in der Einleitung genannten vier Ideal-Bedin- gungen bilden.
Die Wicklung 12 ist als veränderliche Drosselspule in den Wechselstromkreis ge schaltet. (Die Veränderbarkeit wird in später erläuterter Weise durch Vormagnetisierung des Drosselspulenkerns erzielt.) Sie bildet mit dem Streutransformator 6 und der Drossel spule 7 diejenigen Bauelemente der Strom erzeugungsanlage, die den Betriebsbedingun- gen entsprechend zum Regeln der Stromstärke in der Feldwicklung 9 dienen. Die Drossel spulen haben einen niederen Spannungsabfall bei einer geringen Drehzahl des Generators und einen etwa fünffach höheren Spannungs abfall entsprechend der fünffach höheren Drehzahl und Periodenzahl.
Somit bewirken die beiden in Reihe geschalteten Drosselspulen 5 und 7, im praktisch wesentlichen Betriebs gebiet der Anlage eine Schwächung der Feld wicklung 9 bei zunehmender Drehzahl des Generators, wie es bei bekannten Anordnun gen der Kohledruckspannungsregler durch den elektromechanisch veränderlichen Kohle säulenwiderstand ermöglicht. Feldwicklung 9, Gleichrichter 8, Transformator 6 sowie Dros selspulen 5 und 7 sind so bemessen und ju- stiert, dass eine dem jeweiligen Stromver brauch entsprechende Feldstromänderung er folgt.
Da Strom- und Spannungsgrössen jedoch während des Betriebes beträchtlichen Ände rungen unterliegen, müssen regulierende Ein flüsse in die Regelkreise eingeführt werden. Hierzu werden auf der Regeldrosselspule 5 mehrere Gleichstromwicklungen benutzt, um durch Änderung der Magnetisierung der Eisenkerne eine Änderung der Spulenspan- nungen zu erwirken, und somit eine Regelung der Feldstromstärke. Die selbsttätige Rege lung in diesem neuen System ist. auf das re gelnde Prinzip einer veränderlichen Gleich stromvormagnetisierung von Drosselkreisen gestützt.
Die Wicklung 13 ist zwischen zwei Span nungspole Plus und Minus der Batterie 19 geschaltet unter Verwendung eines Regel widerstandes '20 zwecks Einstellung der Strom stärke. Der durch Wicklung 13 fliessende Gleichstrom gibt der Riegeldrossel '5 eine grundsätzliche Gleichstromv ormagnetisierwig, die den Spannungswert der Wechselstrom wieklung 12 : in einem vorbestimmten Verhält nis herabsetzt. Diese Betriebsgrösse kann durch Widerstand 2i0 verstellt. werden.
Die Wicklung 1-1 führt den Gleichstrom der Feldstromspule 9, der auch eine Wick lung der Vorschaltdrosselspule 7 durchfliesst. Diesen Vormagnetisierungsstrom kann man je nach Grösse und Art. der Anlage im gleichen oder entgegengesetzten Sinne wie die durch -N%'icklung 13 bewirkte Magnetisieri-mg verlau fen lassen. -Mit dieser Wicklung wird die Änderung der Stromgrösse und somit der Ma gnetisierungsgrösse ausgenutzt., die sich durch die Schwächung der Feldstromstärke bei zu nehmender Drehzahl ergibt.
Diese -Wirkung gilt. sinngemäss auch für die Drosselspule 7. Eine Ausnutzung des veränderlichen Feld stromes zum Regeln dient der Angleichung der allgemein veränderlichen Grössen des Genera- tors und der im Feldkreis angeordneten Bau teile, wie zum Beispiel der Magnetisierungs- verlauf der Generatoren, der Eisenkerne u. a.. bei wechselnden Drehzahlen, Frequenzen und Spannungen.
Die Wicklung 15 führt einen vom Batte riestromkreis durch Nebenwiderstand 17 abge zweigten Gleichstrom, der beim -Überschreiten des zulässigen Batteriestromes eine Vermin derung der Gleichstromvormagnetisierung, die durch die Wicklungen 13 und 14 erzeugt wird, bewirkt. Dies wiederum bewirkt einen Anstieg des Spannungsabfalles an der Wick lung 12, so dass eine geringere Wechselspan nung an den Gleichrichter 8 angelegt wird, was wiederum eine Verminderung des Stromes in der Feldwicklung 9 im Gefolge hat. Die Kraftlinien sind also, wie die Pfeile andeuten, entgegengesetzt zur bestehenden Magnetisie- rung gerichtet.
Die Wicklung 16 bewirkt in gleicher Weise eine Beeinflussung der Gleichstromvormagne- tisierung der Regeldrosselspule 5 bei zuneh mender Stromstärke des Verbraucherstrom kreises 21 in der Weise, dass zur Erzeugung eines grösseren Maschinenstromes eine Ver minderung der Drosselwirkung der Wicklung 12 erfolgt.. Das heisst der Kraftfluss ist, wie der Pfeil andeutet, demjenigen der Wick lung 15 entgegengesetzt.
Zusammengefasst sei nochmals die Bedeu tung der Regeldrosselspule herausgestellt: 1. Die Wicklung 12 bewirkt gemeinsam mit der Drosselspule 7 eine Verminderung der Feldstromstärke in Wicklung 9 bei zunehmen der Drehzahl der Maschine 1, da die Drossel wirkung mit zunehmender Frequenz ansteigt.
2. Die Gleichstromwicklung 13 bewirkt eine dauernde Gleichstromvormagnetisierung zur Begrenzung der Drosselwirkung der W ieklung 12.
3. Die Wicklung 1#I bewirkt eine vom Feldstrom abhängige veränderliche Gleieh- stromvormagnetisierung, die derjenigen der Wicklung 13 je nach den Erfordernissen der Anlage gleich- oder entgegengerichtet sein kann.
4. Die Wicklung 15 bewirkt zur Begren zung des Ladestromes und Maschinenstromes eine Verstärkung der Gleichstromvormagneti- sierung bei zunehmendem Batteriestrom.
5. Die Wicklung 16 bewirkt eine Vermin derung der Vormagnetisierung zum Zwecke der Spannungserhöhung bei steigendem Ver braucherstrom.
Die Wicklungen 15 und 16 wirken dem nach gegeneinander, wobei Wicklung 15 den Generatorstrom begrenzen soll, auch wenn Wicklung 16 mehr Strom für den Verbrau- eher anfordert, denn diese Mehranforderung an Strom soll bis zur Maximalbelastung des Generators eine stärkere Ladung erwirken, da die Batterie voll gehalten werden muss. Alle Regelwiderstände 20 haben die Aufgabe, eine Justierung der Anlage bei der Inbetriebnahme zu ermöglichen, je nach Art des Generators, der Batterie und der Verbrauchsgrösse. Nach der Justierung werden die Widerstände fest gesetzt.
Die hiermit, beschriebenen verschiedenen Wechselwirkungen der fünf Wicklungen ge statten ohne Verwendung von bewegten Bau elementen einen vollautomatischen Betrieb, wie er dem Wechsel der Betriebsbedingungen entspricht. Hierbei kommt dem Streutrans formator 6 noch eine besondere Bedeutung zu, denn es sind Massnahmen notwendig, den Ladestrom beim Erreichen eines bestimmten Spannungswertes der Batterie, der mit 2,4 Volt pro Zelle einer Bleibatterie angenom men werde, also bei vollgeladener Batterie im wesentlichen zu Null zu machen.
In Fig.3 zeigt C den Spannungsverlauf einer Batterieladung im Verhältnis zum Strom D und der Ladezeit Z. .Nach dem Erreichen der Gasungsgrenze von 2,4 Volt soll der Lade strom stärker abfallen. Für andere Batterie arten besteht ein ähnlicher Kurvenverlauf. U m das Absinken des Ladestromes zu erwir ken, muss der Spannungsanstieg, wie er durch die Regeldrosselspule 5 gegeben ist, beim kri tischen Punkt (2,4 Volt pro Zelle) aufhören, wobei der Spannungsverbrauch im Lade widerstand 17 zu berücksichtigen ist.
Wird angenommen, die Spannung im Verbraucher kreis 21 betrage 24 bis 26 Volt, so muss der Vorsehaltwiderstand 17 so hoch bemessen sein, da.ss der Generator eine genügend hohe Span nung erzeugt, damit die Batterie 19 über den Ladewiderstand 17 entsprechend den Kurven nach Fig. 3 voll geladen werden kann. Wird weiter angenommen, eine Batterie von 12 Zel len sei beim Erreichen von 2,75 Volt Zellen spannung voll aufgeladen, so ist beim Strom wert Null das Maximum der Spannung 12 X 2,75 = 33 Volt.
Unter Beachtung des Spannungsverlustes des Ladewiderstandes 17 sind demnach Regel drosselspule 5, Streutransformator 6 und Dros selspule 7 so zu bemessen, dass die Feld stärke 8 keine höhere Spannung am Genera tor zulässt als 33 Volt. Die Differenz zwischen 2,4 und 2,75 Volt Zellenspannung trägt der Ladewiderstand 17. Diese Wirkung der Spannungshöehst- begrenzung wird durch den Streutransforma tor 6 erreicht., der in Fig. 6 besonders darge stellt ist. Die Primärwicklung 37 treibt Kraft linien durch die Schenkel 38 und weiter durch das Querjoch 39.
Bis zur Sättigungsgrenze des Querjoches 39 erfolgt eine normale Trans formation z -isehen Primär- und Sekundär wicklungen 37 und 40. Nach erfolgter Sätti gung des Querjoches 39, das zweckmässig aus einem Eisen einer hohen Permeabilität be steht, treten die die Schenkel 38 durchsetzen den und das Sättigungsmass übersteigenden Kraftlinien durch den Luftspalt. 41 als Streu fluss aus, so dass trotz Spannungserhöhung in Wicklung 37 in der Wicklung 40 eine weitere Spannungserhöhung unterbunden wird.
Diese Grenze wird als Massstab für den Knick punkt des Stromes und der Spannung nach Fig.3 angenommen.
Die Bemessung der Drosselspulen 5 und 7 erfolgt. in der Weise, dass im Transformator 6 bei allen Frequenzen, also bei allen Generator drehzahlen, eine gleich hohe Spannung erzeugt wird, um die Spannung im betriebsmässigen Drehzahlbereich für beide Drehrichtungen auf gleicher Höhe zu halten. Eine präzisere Einstellung der Spannungsbegrenzung ist. ge geben durch die Ausbildung der Drosselspule 7 mit, sinngemäss gleichen Vormagnetisierungs- wicklungen 13 und 16, wie sie der Regelspule 5 zugeordnet sind; damit werden die betrieb lich bedingten Gleichstrombeeinflussungen in beiden Drosselspulen aufgewogen.
Der Streutransformator 6 bildet somit in Verbindung mit den Drosselspulen 5 und 7 den Regelmechanismus für die Anlage, die hier für eine Fahrzeugbeleuchtung beschrie ben ist. Das Regelprinzip kann sinngemäss auch für jede Stromerzeugungsanlage ver wendet werden, die einen Gleichklang zwi schen Stromverbrauch und Feldänderung am Generator bedingen.
L m bei entladener Batterie- eine Erregung des Generators zu ermöglichen, können perma nente Magnete 26 vorgesehen sein.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungs- beispiel dargestellt. Dasselbe besitzt einen Drehstromgenerator 22 in Verbindung mit einem Hauptstromgleichrichter 2,3. Der Feld regelkreis ist. in dieser Anordnung dreiphasig ausgeführt, und die Vorschaltwiderstände 17 und 18 sind im Gegensatz zu Fig.1 in Reihe geschaltet.
Im übrigen entsprechen die,Gleieh- stromwieklungen denjenigen der Fig.1. Die Wirkung der verschiedenen -'##@Ticklungen un tereinander ist. die gleiche, wie in Fig. 1 dar gestellt und vorstehend beschrieben.
Für die Ingangsetzung der Stromerzeuger ist eine Selbsterregiulg der Dynamomaschine zweckmässig, um die erzeugte Spannung ohne Fremdeinfluss der Batteriespannung anzu passen. Zur Unterstützung der Erregung beim Anfahren kann eine von der Batterie gespeiste Wicklung auf dem Generator angeordnet wer den. Diese ist in den Zeichnungen fortgelas sen. Da aber im Standbetrieb die- Batterie 19 völlig entladen sein kann, dürfte die Selbst erregung der Generatoren Schwierigkeiten be reiten.
Auch hier können zweckmässig perma nente Magnete vorgesehen sein, um den not wendigen Restmagnetismus jederzeit. zu ga rantieren.
In Fig. 5 ist eine Zusatzeinrichtung zur Schaltung nach Fig. 4 gezeigt, die für die Speisung von Entladungslampen mit Wechsel strom anwendbar ist. Diese besteht aus einem Motorgenerator 29 und 30, der ein regelbares Feld (31) besitzt, das mit Hilfe eines elektro mechanisch betätigten Reglers, zum Beispiel eines Kohledruckspannungsreglers 32, die Spannung im Lampenkreis 3<B>3</B>, der über den Transformator 34 gespeist wird, kon stant hält.
Doch kann auch hier der mecha nische Regler vermieden werden, zum Beispiel dadurch, dass in den Primärstromkreis des Transformators 34 eine Drosselspule. 3@5 ge schaltet ist, der zwei Gleichstromwicklungen 2=1 und 25 zugeordnet. sind. Die Wicklung 24 wird ziun Beispiel vom Vorwiderstand 17 in Fig.4 abgezweigt, so dass eine Vormagneti- sierung ähnlich der Wicklung 1<B>5</B> in Fig. 1 entsteht.. Die Wicklung 25 wird zweckmässig vom Vorwiderstand 18 in Fig. 4 abgezweigt.
Beide Wicklungen subtrahieren sich in ihren Wirkungen auf die Vormagnetisierung der- art, dass bei Generator- und Batteriebetrieb eine grössere. Drosselwirkung an Spule 35 entsteht als bei Batteriebetrieb allein, in wel chem letzten Falle der Einfluss der Wick- hmg 25 allein die Drosselwirkung vermin dert.
Die beschriebenen Apparate, Maschinen und Einrichtungen müssen aufeinander so ab gestimmt sein, dass die Batteriespannung und Batterieströme sich sinngemäss und entspre chend ihrer technischen Grössen einander ein fügen. Um diese Grössen im Betrieb justie ren zu können, sind jeweils entsprechende Regelwiderstände oder für die Drosselspulen Luftspalte vorgesehen.
Um Rückströme aus der Batterie bei Stillstand der Fahrzeuge zu vermeiden, wer den bekannte R.ückstromschalter 42 und für das Betätigen der Verbraucherstromkreise entsprechende Ausschalter 43 vorgesehen.
Bei grösseren Anlagen kann die Wechsel stromregelleistung einer kleineren Wechsel stromerregermaschine entnommen werden, die dem Hauptgenerator in bekannter Weise zu geordnet sein kann.
Die beschriebenen Anordnungen und Ein richtungen können für stationäre oder beweg liche Anlagen verwendet werden; sie sind zu dem für grössere und kleinere Ausrüstungen ausführbar.