DE53537C - Umschaltvorrichtung zum Anschlufs einer Stromsammeibatterie an eine mit Wechselstrom betriebene Leitung - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

betriebene Leitung.

Seither war es nicht möglich, in praktisch durchführbarer Weise eine Stromsammeibatterie in einer Wechselstromanlage zu demselben Zwecke zu verwenden, wie es in Gleichstromanlagen geschieht. Durch die Anwendung der hier zu beschreibenden Schaltung gelangt man indessen zu einer Vorrichtung, welche dieses Ziel in einfacher Weise erreichen läfst.

Die blofse Umschaltung der Wechselströme genügt nämlich nicht, um die Ladung von Sammelbatterien in praktisch verwendbarer Weise zu bewirken, weil auch nach derselben die elektromotorische Kraft, welche von der Maschine herrührt, periodisch zwischen ο und ihrem Maximalwerthe schwankt, während die elektromotorische Gegenkraft der Batterie stets gleichbleibt. Um die daraus hervorgehenden Mifshelligkeiten zu vermeiden, ist in der hier zu beschreibenden Vorrichtung eine solche Schaltung zwischen der Batterie und dem Wechselstromkreise angeordnet, dafs auch die elektromotorische Gegenkraft der Batterie in gleicher Weise periodischen Schwankungen unterworfen ist, wie die inducirte elektromotorische Kraft der Wechselstrommaschine.

Dazu ist in erster Linie eine Vorrichtung erforderlich, welche in synchroner Bewegung mit dem kreisenden Anker der Wechselstrommaschine erhalten wird, so dafs er nach jeder vollen Phase des Wechselstromes die frühere Reihenfolge der Verbindungen oder Schaltungen immer wieder von neuem herstellt. Dabei ist es für den hier vorliegenden Zweck gleichgültig, ob diese synchrone Bewegung durch eine kleine synchrone Wechselstromkraftmaschine beliebiger Construction hervorgebracht oder auf mechanischem Wege, etwa durch Zahnräder, aus der Bewegung des Wechselstromankers abgeleitet wird, oder ob diese letzte Bewegung unmittelbar zur Herstellung der erforderlichen Stromschlüsse verwendet wird.

Nach diesen allgemeinen Erläuterungen soll nun die Beschreibung der auf der Zeichnung dargestellten Schaltung folgen. In der Fig. 2 bedeutet M eine Wechselstrommaschine, b c die von derselben ausgehenden Leitungsdrähte, welche etwa die Lampen L mit Strom versorgen sollen, α ist eine Sammelbatterie, welche aus einer beliebigen (von der elektromotorischen Kraft der Wechselstrommaschine abhängigen) Zahl hinter einander geschalteter Zellen besteht. Die einzelnen Zellen können von verschiedener Gröfse oder Capacität sein, und zwar wird man im allgemeinen für die nach der Mitte zu gelegenen Zellen solche von gröfserer Capacität als für die in der Nähe der Endelektroden liegenden wählen.

Zwischen die Batterie α und die Wechselstromleitung b c ist ein feststehender Stromwender d von gewöhnlicher Construction gestellt, dessen Schienen e theils mit den Endelektroden 1,9, theils mit einzelnen, zwischen den Zellen der Batterie liegenden Punkten 2,3,4... durch Drähte in leitende Verbindung gesetzt sind. Der besseren Uebersicht wegen sind in. den Figuren die Lamellen e und die mit ihnen verbundenen Batteriepunkte mit gleicher Ziffer

bezeichnet. Um ferner eine Unterscheidung gleichartig verbundener Schienen für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung des Stromlaufes herbeizuführen, sind die der einen Stromwenderhälfte angehörigen Ziffern mit Indices versehen, wie 3¹; 3¹ ist aber ebenso wie 3 mit dem gleichnamigen Batteriepunkte verbunden. ,

Die Zahl der Stromwenderschienen e kann beliebig grofs gewählt werden, sollte aber nicht weniger als 12 bis 16 betragen; in den Figuren sind 16 Schienen gewählt. Jede Schiene ist nur mit einem Batteriepunkte in leitender Verbindung, dagegen kann jeder an den Stromwender angeschlossene Punkt der Batterie mit einer, zwei oder mehr Lamellen verbunden sein. Das letztere trifft indessen nur dann zu, wenn die Umlaufszahl des Bürstenträgers f nicht mit der Zahl der vollen Phasen des Wechselstromes übereinstimmt, sondern einen runden Bruchtheil (wie '/₂, Y₃, ¹J₄ u. s. w.) derselben bildet.

Auf dem Umfange des Stromwenders schleifen zwei Bürsten h, Fig. 3, welche an einem Bürstenhalter f befestigt sind.

Fig. ι giebt eine Vorderansicht des Stromwenders mit Andeutung der von demselben nach der Batterie hinführenden Drähte, Fig. 3 eine Seitenansicht desselben mit Schnitt durch den Bürstenträger f, welcher auf der Welle g befestigt ist. Die Welle g kreist, wie schon oben gesagt, synchron mit dem Wechselstromanker. Die Verbindung der Bürsten h mit den Hauptkabeln b c der Wechselstromleitung wird durch die Schleifringe i k, Fig. 3 und 4, in bekannter Weise vermittelt.

Der Stromlauf innerhalb der Vorrichtung hängt zum Theile von der besonderen Anordnung der Bürsten h ab. Im allgemeinen wird man aus Gründen, die hier nicht in Betracht kommen, vorziehen, jede Bürste h aus zwei Hälften, h, und h_lh bestehen zu lassen, von denen die eine auf einen kleinen Voreilwinkel gegen die andere eingestellt ist.

Zunächst sei indessen bei der Beschreibung der Wirkungsweise der Vorrichtung angenommen, dafs jede Bürste eintheilig ist, und im Zusammenhange damit, dafs die Isolationssireifen zwischen den einzelnen Schienen sehr schmal sind. Die Bürsten mögen sich ferner so gegenüberstehen, dafs die Berührungspunkte zu einem Centriwinkel gehören, welcher um 1I¹Z₄ ⁰ von einem gestreckten abweicht.

Ferner sei jetzt vorausgesetzt, dafs die Wechselstrommaschine 12 Pole habe und 500 Umdrehungen in der Minute mache. Sie liefert dann einen Wechselstrom von 3000 vollen Phasen, und der Bürstenhalter f bezw. die Welle g mufs bei der in der Fig. 2 gewählten Anordnung 3000 Umdrehungen in der Minute machen.

Innerhalb jedes Umlaufs kommen dann der Reihe nach 32 verschiedene Schaltungen bezw. 32 verschiedene Stellungen der Bürsten gegen den Stromwender zu Stande. Sie sind in der nachfolgenden Zusammenstellung, in welche sich die erste Ziffer auf die Schiene bezieht, auf welcher die mit dem Hauptkabel b verbundene Bürste aufliegt und die folgende ebenso auf die mit c verbundene Bürste sich bezieht, aufgezählt:

1—9; 2¹ —9; 2¹—8; 3¹ —8; 3¹ —7

4¹ —7; 4¹ —6; 5¹ —6; 5¹ —5; 6'-5

6¹ —4; 7¹ —4; 7¹ —3; Z¹— 3; 8> —2

9 — 2; 9—i^l; 8—i¹; 8 — 2¹; 7 — 2¹

7 —3¹; 6 —3¹; 6 —4¹; 5— 4¹; 5 —5¹

4—5¹; 4— 6¹; 3 —6¹; 3 — 7^];_2 — 7¹

2 — 8¹; ι—8¹; 1—9 und so weiter von vorn an.

Nimmt man der Einfachheit wegen an, dafs die Batterie α nur aus den in Fig. 2 gezeichneten 14 Zellen besteht, und dafs die Klemmenspannung jeder Zelle 2 Volt beträgt, so ist der Spannungsunterschied der mit den zu b und c gehörigen Bürsten in Berührung stehenden Schienen in der ersten Stellung 1 — 9 gleich + 28 Volt, bei der Stellung 2¹ — 9 gleich + 26 Volt, bei der Stellung 2¹—8 gleich + 24 Volt, bei der Stellung 3¹ — 8 gleich 4- 20 Volt u. s. w., bei Stellung 5¹ — 5 gleich o, bei Stellung 6¹—5 gleich — 4 Volt, bei Stellung 6 — 4 gleich — 8 Volt u. s. w. Der Spannungsunterschied 'der durch die Bürsten an die Hauptleitung b c angelegten Punkte schwankt daher mit Berücksichtigung des Vorzeichens zwischen -f- 28 Volt und — 28 Volt hin und her. Dabei ist unter 1 die positive, unter 9 die negative Polklemme der Batterie verstanden. Es sei jetzt angenommen, dafs die Batterie weiter geladen werden soll, wobei es keinen Unterschied macht, ob gleichzeitig auch die Lampen von der Maschine mit Strom versorgt werden sollen oder ob die nach den Lampen führende Leitung unterbrochen ist.' Der Spannungsunterschied der Hauptkabel b und c mufs dann (durch die Einwirkung der Maschine) in jedem Augenblicke etwas gröfser und von gleichen Vorzeichen sein wie oben genannte Werthe.

In der ersten Stellung 1.— 9 fliefst dann der Strom von der Maschine durch Draht b und die damit verbundene Bürste zur Schiene 1, von da durch den Verbindungsdraht zur Endelektrode i, von hier durch die ganze Batterie zu 9 und durch die auf der Schiene 9 aufliegende Bürste zu c und durch c zur Maschine zurück.

Bei der zweiten Stellung 2¹ — 9 fliefst ebenso der Strom von der Maschine durch b zur Schiene 2¹, von da zum Batteriepunkte 2, durch alle zwischen 2 und 9 liegenden Zellen

zu 9 und durch die Bürste zu c, von da zur Maschine zurück.

Bei der sechsten Stellung 4¹ — 7 fliefst der Strom von der Maschine durch b zur Schiene 4¹, von da zum Batteriepunkte 4, durch den zwischen 4 und 7 liegenden Theil der Batterie, vom Batteriepunkte 7 zur Schiene 7 und durch die Bürste und den Draht c zur Maschine zurück. Die nicht zwischen 4 und 7 liegenden Theile der Batterie sind währenddessen stromlos.

In der neunten Stellung 5¹— 5 kommt kein Strom in der Batterie zu Stande; beim Aufstellen des Bürstenträgers mufs dafür Sorge getragen werden, dafs diese Stellung gleichzeitig mit jener Ankerstellung eintritt, bei welcher die Stromumkehr in der Hauptleitung erfolgt.

Bei der zehnten Stellung 6¹—5 geht der Strom von der Maschine durch Draht c nach Schiene 5, von da nach dem Batteriepunkte 5, durch die zwischen 5 und 6 liegenden Zellen nach Schiene 6¹, durch die Bürste nach b und zur Maschine zurück.

Bei der fünfundzwanzigsten Stellung 5 — 5¹ kommt kein Strom zu Stande; während derselben wechselt die Stromrichtung in der Maschine abermals.

Bei der achtundzwanzigsten Stellung 3— 6¹ fliefst der Strom von der Maschine durch b zur Schiene 3 und von da zum Batteriepunkte 3, durch den zwischen 3 und 6 liegenden Batterietheil, vom Batteriepunkte 6 zur Schiene 6¹, von da durch die Bürste und den Draht c zur Maschine zurück.

Bei jeder Stellung fliefst also der Strom in der Batterie in demselben Sinne, im allgemeinen fliefst er aber jedes Mal nur durch einen Theil der Batterie, während der übrige Theil stromlos bleibt.

Ein wenig geändert wird der hier beschriebene Stromlauf durch den Umstand, dafs die Breite der Isolationsstreifen mit Rücksicht auf die Funkenbildung u. s. w. nicht zu gering sein darf und durch die dadurch bedingte Herstellung jeder Bürste aus zwei um einen geringen Winkel gegen einander verstellten Hälften h_f und h//, Fig. 3. Indessen wird hierdurch nur eine etwas andere Vertheilung des Siromlaufes während des Ueberganges von einer Schiene zur benachbarten hervorgerufen. Während der kurzen Uebergangszeit aus der ersten Lage ι — 9 in die zweite 2^l — 9 zum Beispiel vermindert sich allmälig die Stromstärke in dem nach dem Batteriepunkte 1 führenden Drahte, während in dem nach dem Nachbarpunkte 2 führenden Drahte ein allmälig anwachsender Strom entsteht. Solche Stromverzweigungen zwischen den Drähten, welche von zwei benachbarten Schienen ausgehen, finden bei jedem derartigen Uebergange statt, sind indessen nur von nebensächlicher Bedeutung und bedürfen hier keiner ausführlicheren Beschreibung, da ihr Verlauf im Einzelnen in erster Linie durch die Bürstenanordnung und nicht durch die hier zu beschreibende Schaltung bewirkt wird.

Nach dieser ausführlichen Erörterung des Stromlaufes während des Ladens der Batterie genügt es wohl zu sagen, dafs die Stromrichtung sich in jeder einzelnen Lage gegenüber dem vorigen Falle umkehrt, wenn die elektromotorische Kraft der Wechselstrommaschine nachläfst oder aufhört. Die Batterie entladet sich dann und speist die Hauptleitung entweder allein oder gemeinsam mit der Maschine, so nämlich, dafs von dem durch die Lampen gehenden Strome ein Zweig aus der Maschine und ein anderer Zweig aus der Batterie stammt. Im ersten Falle kann die Maschine ganz ausgeschaltet werden, wenn nur dafür Sorge getragen wird, 'dafs die Umdrehung des Bürstenträgers fortgesetzt wird. Die Stromlinie in der Hauptleitung stimmt dann nahezu mit derjenigen der Wechselstrommaschine bei normalem Gange überein und der Strom kann zu den gleichen Zwecken (z. B. zur Speisung von Stromumwandlern) verwendet werden, wie der Maschinenstrom.

Wenn schliefslich in jedem Augenblicke der Spannungsunterschied der Anschlufsstellen der Bürsten an die Hauptkabel gleich derjenigen der in demselben Augenblicke angeschlossenen Batteriepunkte ist, findet weder Entladung noch Ladung der Batterie statt. Allerdings werden auch in diesem Falle wegen der nicht für jeden einzelnen Zeitpunkt zu erwartenden völligen Gleichheit beider Spannungsunterschiede geringe Ladungs- und Entladungsströme innerhalb jeder der genannten 32 Lagen in rascher Folge auftreten, die aber durch geeignete Wahl der Anschlufsstellen 2, 3, 4 ... der Batterie und durch eine dem besonderen Falle angepafste Auswahl der Gröfsen der einzelnen Batteriezellen auf ein unschädliches Mafs herabgedrückt werden können.

Die Auswahl dieser Anschlufsstellen und der für die Batteriezellen zu wählenden Gröfsen hängt von den besonderen Eigenschaften, insbesondere von der Klemmenspannungslinie der Wechselstrommaschine ab. Sie wechselt von Fall zu Fall und ist für jeden Fall durch Versuche festzustellen. Wenn eine bestimmte Wechselstrommaschine eine stark unsym metrische Klemmenspannungslinie ergeben sollte, steht auch nichts im Wege, die Schienen 2¹, 3¹^¹. . . mit Batteriepunkten zu verbinden, die etwas gegen die Anschlufsstellen der Schienen 2, 3, 4 ... verschoben sind. Irgend eine grundsätzliche Aenderung im Stromlaufe und in der Wirkungsweise der Vorrichtung gegenüber der oben beschriebenen wird dadurch nicht veranlafst.

Zur näheren Erläuterung des Falles, dafs jeder an den Stromwender angeschlossene Punkt der Batterie mit mehr als zwei Schienen verbunden ist, dient Fig. 5. Dem Wesen nach stimmt dieser Fall in seinem Verhalten zum vorigen vollständig mit der Stromwenderanordnung bei vielpoligen Gleichstrommaschinen überein. Wie dort befindet sich auch hier ein mehrmaliger Umlauf der Schienenreihe eines einfachen Stromwenders auf dem Umfange, so dafs die gleichbezeichneten Schienen unter sich in metallischer Verbindung stehen. Fig. 5 zeigt im besonderen einen Stromwender mit verdoppelter Schienenzahl gegenüber Fig. 1 und 2; die einzelnen Schienen desselben sind wie früher mit den durch gleiche Zahlen bezeichneten Batteriepunkten verbunden zu denken. Die Bürsten stehen hier nahezu rechtwinklig zu einander. Der Stromlauf entspricht genau dem früher beschriebenen, es ändert sich hier nur die Geschwindigkeit, mit welcher der Bürstenhalter umlaufen mufs. Unter Zugrundelegung des oben gewählten Beispiels müfste derselbe 1500 Umdrehungen in der Minute machen.

Der Vollständigkeit wegen sei noch erwähnt, dafs auch nichts im Wege steht, die Bürsten unmittelbar mit dem kreisenden Anker der Wechselstrommaschine zu verbinden, in welchem Falle der Stromwender z. B. für 12 Pole der Maschine die Schienenreihe der Fig. 1 in sechsmaliger Wiederholung zeigt, während die Bürsten um einen Winkel von nahezu 30⁰ von einander abstehen.

Ebenso können mehrere Wechselstrommaschinen mit derselben Batterie nach Art der Fig. 2 verbunden werden, und zwar entweder so, dafs für alle ein gemeinsamer Stromwender oder für jede ein besonderer Stromwender angewendet wird.

In allen diesen Fällen handelt es sich indessen nur um eine mehrmalige Anwendung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltung. Abgesehen von der Umlaufsgeschwindigkeit des Bürstenträgers wird dadurch nicht das Geringste an der Wirkungsweise der Vorrichtung und an dem Stromlaufe geändert.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Eine Umschaltvorrichtung zum Anschlufs einer Stromsammeibatterie an einen von einer Wechselstrommaschine gespeisten Hauptstromkreis, welche Vorrichtung einerseits das Laden der Batterie durch die nach der Sinuslinie (oder einer verwandten Curve) verlaufenden Wechselströme, andererseits die Abgabe solcher Wechselströme seitens der Batterie in die Hauptleitung gestattet, bestehend aus einem Stromwender (d), dessen Leitungsschienen mit den End- und Verbindungsklemmen der aus hinter einander geschalteten Zellen bestehenden Batterie (a) derart verbunden sind, dafs dem Steigen und Sinken des Stromes entsprechend mehr oder weniger Zellen durch die die Stromschienen umkreisenden Bürsten in den Hauptstromkreis und zugleich so geschaltet werden, dafs die Maschinenströme trotz ihrer wechselnden Richtung die Zellen stets in gleicher Richtung durchlaufen.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.