Akkumulatorenschaltungssysteme [1]

Akkumulatorenschaltungssysteme zeigen die Art und Weise, wie die Einschaltung von Akkumulatorenbatterien in elektrische Anlagen für Beleuchtung und Kraftübertragung erfolgt.

Da die Batteriespannung bei der Entladung sinkt und bei der Ladung ansteigt (vgl. Akkumulatoren für Elektrizität), muß dafür gesorgt werden, daß sie im ersten Falle auf den Betrag der Betriebsspannung der betreffenden Anlage erhöht, im zweiten aber herabgemindert wird. Dies erfolgt am einfachsten durch Zu- resp. Abschalten einer Anzahl nicht unmittelbar mit der Batterie verbundener Zellen, der »Schaltzellen«, mittels eines »Zellenschalters«. Die Zahl der letzteren richtet sich nach der Betriebsspannung der Anlage (z.B. 65, 110, 220 Volt) und wird wie folgt gefunden, wenn z die für die betreffende Betriebsspannung erforderliche Gesamtzellenzahl, z₁ die Anzahl der Schaltzellen, s die Maximalladespannung (2,75 Volt), s₁ die Maximalentladespannung (1,83 Volt) jeder Zelle und v die Betriebsspannung in Volt bedeutet. Es ist z = v/s₁ und z₁ = (z ∙ s – v)/s. Für 65 Volt Betriebsspannung ergibt sich beispielsweise für die aufzustellende Batterie eine Zellenzahl von

Zellen, wovon

Schaltzellen sind. Treibt man die Ladung nicht bis zum heftigen Kochen (Ueberladung; vgl. Akkumulatoren für Elektrizität), sondern begnügt sich mit 2,5 Volt pro Zelle, so sind entsprechend weniger, z.B.[116] für eine Batterie von 36 Elementen nur 10 Schaltzellen nötig. Diese Zahlen gelten jedoch nur für den Fall, daß während des Ladens gleichzeitig Strom zum Brennen von Lampen u.s.w. abgegeben wird. Ist dies nicht erforderlich, so kommt die Abschaltung von Zellen nur bei der Entladung in Betracht, und es genügen dann z₁ = (36 ∙ 1,95 – 65)/1,95 = ~3 Schaltzellen. Um das Ab- und Zuschalten schnell und sicher ausführen zu können, bedient man sich eines sogenannten Zellenschalters. Auf dem einen Ende der Batterie sind die Verbindungsleisten je zweier Schaltzellen (Fig. 1) zu den im Kreise angeordneten Kontaktklötzen a, b, c, d u.s.w. geführt, während ein um den Mittelpunkt M drehbarer Hebel F mit seinem Ende o auf den Kontakten gleitet. Die zu regulierende Lichtleitung L, L₁ ist mit dem andern Ende der Batterie und mit dem Hebel F bei M verbunden. Befindet sich letzterer auf dem Kontakte a, so ist die ganze Batterie eingeschaltet, steht er auf b, so arbeitet die Zelle 1, auf c die Zelle 2 nicht mehr mit. Während seines Fortschreitens von einem Kontakt zum andern, also z.B. von α nach b, darf der Hebel jedoch niemals die Leitung unterbrechen, weil sonst die Lampen zwischen L und L₁ keinen Strom mehr erhielten. Er müßte also so breit sein, daß er den Kontakt b schon berührte, während er a noch nicht verlassen hat. Hierdurch würde aber die Zelle 1 vorübergehend kurzgeschlossen und dabei durch die Leitung l, l₁ die Kontaktstücke a, b und durch das letztere beiden verbindende Gleitstück o einen Strom von solcher Stärke senden, daß das Element sowohl wie auch die betreffenden Stromleiter und Kontakte zerstört werden könnten. Um dies zu vermeiden trägt der Hebel F außer dem Gleitstück o noch ein zweites o₁, das jedoch mittels des Hartgummistückes n von ihm isoliert ist; zwischen o und o₁ befindet sich ein Hilfswiderstand w₁. Wird nun der Hebel F behufs Abschaltens einer Zelle gedreht, so gelangt zunächst der Hilfskontakt o₁ auf das Stück b, während der Hauptkontakt o das Stück a noch nicht ganz verlassen hat. Dabei ist (Fig. 2) der Stromkreis der ersten Zelle 1 über l, a, o, w_1, o_1, b und l₁ zwar geschlossen, die Stromstärke kann aber keine gefährliche Höhe erreichen, weil der Widerstand w₁ dazwischen liegt. – Die Kontakte können auch in gerader Linie statt in Kreisform angeordnet werden und das Gleitstück o hat dann die Gestalt eines durch eine Schraube bewegten Schlittens. Abbildungen und Beschreibungen verschiedener Konstruktionen findet man in [1], [2].

Die Fig. 3 zeigt das Schaltungsschema bei der Anwendung einer Batterie mit Einfachzellenschalter, unter Einfügung der zur Kontrolle und Schaltung üblichen Apparate. Den Strom liefert eine Nebenschlußdynamo D; die Batterie ist parallel zur Maschine geschaltet, d.h. die gleichnamigen Pole liegen an derselben Leitung. Die Betriebsspannung soll konstant auf 65 Volt gehalten werden, daher sind 36 Akkumulatorenzellen hintereinander geschaltet. Die Verbindungen sind so angelegt, daß Batterie und Maschine sowohl im Einzel- als auch im Parallelbetrieb Strom in die Leitung senden können. Zum Laden der Batterie läßt sich die Spannung der Dynamo entsprechend steigern (bis 36 ∙ 2,75 = ~100 Volt). In der Figur ist der Ladebetrieb dargestellt; während desselben brennen einige Lampen mit zusammen 10 Ampère Stromstärke. Der Verlauf des Maschinenstroms ist folgender: Er gelangt von der Dynamo D zum Ampèremeter A₁ und verzweigt sich dann bei F, indem ein Teil (50 Ampere) zur Ladung der Batterie verbraucht wird, während der Rest (10 Ampère) die Lampen bei L speist. Bevor der Strom in die Batterie eintritt, passiert er einen Ausschalter S₁, das Ampèremeter A₂, das somit lediglich den Batterieladestrom (50 Ampère) anzeigt, ferner den Stromrichtungszeiger Str. und eine Bleisicherung B. Der Strom passiert hierauf sämtliche Zellen, zuletzt die Schaltzellen 10 bis 1 und gelangt dann durch den Umschalter U und den selbsttätigen Ausschalter S zur Maschine zurück. Der aus der Leitung L in die Lampen eingetretene Strom geht über L₁ M f und dann durch die Schaltzellen 5 bis 1 ebenfalls durch den Umschalter U zur Maschine. – Der [117] Umschalter U dient dazu, die Dynamomaschine entweder mit dem Ende der Batterie bei x oder mit dem Ende der Lichtleitung bei y zu verbinden. Die erste Stellung dient nur zur Ladung; die zweite für Parallelbetrieb (s. weiter unten) und auch dann, wenn die Maschine unter gänzlicher Abschaltung der Batterie allein den Strom gibt. Die Kontakte x und y müssen so weit auseinanderstehen, daß der Hebel des Umschalters sie nicht gleichzeitig berühren und in Verbindung bringen kann, sonst würden die letzten Zellen auf dem Wege y, M, f, 5, 1, x kurzgeschlossen werden. – Der automatische Ausschalter S ist ein sogenannter Minimal- oder Nullausschalter, d.h. er unterbricht den Strom dann, wenn die Stromstärke ungefähr auf Null heruntergegangen ist. Er dient dazu, die Maschine gegen das Zurückschlagen des Stromes aus der Batterie zu schützen. Vor der Maschine liegen noch zwei Bleisicherungen, die abschmelzen, wenn die Dynamo einen zu Harken Strom gibt oder beim Zurückschlagen des Batteriestromes der Automat S nicht funktionieren sollte. Das Voltmeter V₁ zeigt die Maschinenspannung (75 Volt), V₂ die Spannung in der Lichtleitung (65 Volt) an. – Aus derselben Figur ist ferner die Anwendung des Zellenschalters zu ersehen. Bei der Ladung steigt die Spannung jeder Zelle schnell auf 2,1 Volt, wodurch für die Batterie von 36 Zellen eine Gesamtspannung von 2,1 ∙ 36 = ~75 Volt entsteht, und auf diese Spannung muß die Nebenschlußdynamo D durch Regulieren des Widerstandes R ebenfalls gebracht werden. Sollen nun während des Ladens Lampen in der Lichtleitung LL₁ mit 65 Volt und beispielsweise 10 Ampère brennen, was zur Erleuchtung dunkler Maschinen-, Akkumulatorenräume u. dergl. meistens auch am Tage nötig ist, so müssen bei Beginn des Ladens (für welchen Zeitpunkt die entsprechenden Angaben in die Fig. 3 eingetragen sind) 5 Zellen mit 5 ∙ 2,1 = ~10 Volt durch den Zellenschalter von der Lichtleitung abgeschaltet werden. Da letztere mit der Maschine nicht in direkter Verbindung fleht, weil der Umschalter U nicht den Kontakt y berührt, so bekommt sie lediglich einen Strom, dessen Spannung durch die 31 übriggebliebenen Zellen bedingt ist (31 ∙ 2,1 = ~65 Volt) und der über F, L, L₁, M, H, f, 5, 1, x, U verläuft. Der Hebel F steht also zunächst auf dem Kontakt f und wird erst, wenn die Spannung bei fortschreitender Ladung höher aufsteigt, auf g, h u.s.w. gestellt, um weitere Zellen abzuschalten und die Spannung in der Lichtleitung vorschriftsmäßig auf 65 Volt zu halten, da andernfalls die Lampen schlecht funktionieren würden.

Sobald das Laden beendet ist, kann sofort zum Parallelbetrieb übergegangen werden, indem man zunächst die Nebenschlußmaschine D so weit zurückreguliert, daß der automatische Ausschalter S herausfällt und die Dynamo D von Leitung und Batterie abschaltet. Von da ab liefert die letztere allein den Strombedarf, der deshalb zu dieser Zeit innerhalb der Grenzen der Leistungsfähigkeit der Batterie zu halten ist, bis die Dynamo nach ihrer Abschaltung durch Nachregulieren die Spannung der Lichtleitung erreicht hat. In diesem Moment wird der Umschalter U von x nach y gestellt und dann der Automat S angedrückt, worauf von jetzt ab Maschine und Batterie in Parallelbetrieb arbeiten.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, liegt beim Ladebetrieb der Hebel des Umschalters U am Ende der Batterie bei x, und es fließt daher der Ladestrom stets durch sämtliche Zellen. Die letzten Elemente (1, 2 und 3) haben sich jedoch nicht in demselben Maße wie die übrigen an der Stromlieferung beteiligt, weil sie erst später hinzugeschaltet wurden, als die fortschreitende Entladung eine nachträgliche Erhöhung der Spannung bedingte. Ihre Wiederaufladung wird deshalb früher beendet sein als die der andern, und zwar um so eher, je näher sie sich dem Ende der Batterie bei x befinden und je weniger Strom sie abgegeben haben. Das Weiterladen derselben bedeutet dann nur eine mit lebhaftem Kochen verbundene Ueberladung, die diese letzten Zellen schädigt (durch Losreißen von aktiver Masse) und bei größeren Elementen auch einen erheblichen Verlust an elektrischer Energie verursacht. Diesen Uebelstand vermeidet man dadurch, daß die letzten Zellen auch von der Ladeleitung abschaltbar eingerichtet werden, welcher Zweck durch Hinzufügung eines zweiten Zellenschalters erreicht wird. Die ganze Kombination führt dann den Namen Doppelzellenschalter, und die Fig. 4 zeigt das Schaltungsschema für die Parallelschaltung mit Akkumulatorenbetrieb und Doppelzellenschalter.

Die Verbindungsstellen der Zellen 1, 2, 3 u.s.w. sind nicht nur, wie früher bei Fig. 3, auf der einen Seite zu Kontaktknöpfen a bis k geführt, sondern auch auf der andern. Auf dieser zweiten Kontaktreihe gleitet der im Punkte M₁ drehbare Schalthebel H₁, und der Kontaktknopf x des Umschalters U ist nicht mehr mit dem Ende der Batterie, sondern mit dem Hebel H₁ bei M₁ verbunden, so daß jetzt die Schaltzellen nach Belieben auch von der Ladeleitung abgetrennt werden können. Die Fig. 4 ist wieder für den beginnenden Ladebetrieb gedacht, und zwar ist angenommen, daß die Zellen 1 und 2 bei der vorhergegangenen Entladung nicht zur Verwendung gelangt sind, so daß sie bei Beginn der Neuladung noch ihre volle Wirksamkeit[118] besitzen. Sie werden deshalb durch Stellen des Hebels H₁ auf den Kontaktknopf c außer Betrieb gesetzt, und die zu ladende Batterie besteht nur noch aus 34 Zellen mit 34 ∙ 2,1 = ~71 Volt Ladespannung, so daß die Dynamomaschine statt der früheren bei Verwendung eines Einfachzellenschalters (vgl. Fig. 3) erforderlichen Spannung von 75 Volt jetzt nur diese geringere von 71 Volt zu geben braucht. Die übrigen Annahmen stimmen mit denen der Fig. 3 überein.

Die Dynamomaschine muß bei diesen Schaltungen eine Steigerung ihrer Betriebsspannung um ca. ¹/₃ zulassen, außerdem ist die Zahl der während des Ladebetriebes brennenden Lampen eine sehr beschränkte. Diese Nachteile vermeidet man bei Anwendung der Akkumulatorenschaltung mit Zusatzdynamo. Bei dieser Schaltung wird in die Ladeleitung (z.B. zwischen M₁ und x in Fig. 4) eine zweite Dynamomaschine so eingefügt, daß sie sich in Hintereinanderschaltung (Serienschaltung) mit der Hauptmaschine von normaler Betriebsspannung befindet und somit die zum Laden der Batterie nötige Zusatzspannung liefert. Die Klemmenspannung dieser Zusatzdynamo muß beispielsweise für eine Betriebsspannung von 65 Volt, also für eine Batterie von 36 Elementen zwischen 10 und 35 Volt regulierbar sein, um die am Schlusse der Ladung eventuell auftretende Maximalspannung von 100 Volt zusammen mit der Betriebsmaschine geben zu können. Ihre Stromstärke ist selbstverständlich gleich der Ladestromstärke der Batterie.

Die Anwendung einer Zusatzdynamo ist überall dort am Platze, wo die Spannung der Betriebsdynamo nicht erhöht werden kann oder aus ökonomischen Gründen nicht erhöht werden soll. Ein weiterer Vorteil ist der, daß die Ladung der Akkumulatorenbatterie ohne jede Beeinträchtigung des sonstigen Betriebes stattfinden kann, weil die Hauptbetriebsmaschine ohne Spannungserhöhung arbeitet und während des Ladens beliebig viel Strom in das Leitungsnetz liefert. – Der Antrieb der Zusatzmaschine wird am einfachsten von einer vorhandenen Transmission aus, oder wenn dies nicht angängig, durch einen direkt mit ihr gekuppelten Elektromotor bewirkt, der an die Hauptleitung angeschlossen ist.

Die Fig. 5 zeigt das Schaltungsschema für eine Zweileiteranlage mit Zusatzdynamo und Doppelzellenschalter. D ist die Nebenschlußdynamo, deren Spannung für den Lichtbetrieb in der Leitung LL₁ gerade zureicht. Die Spannungserhöhung zum Laden der Batterie liefert die Zusatzdynamo ZD, die mit der Dynamo D in Serie geschaltet und mit dem Ladeschalter H₁ in M₁ verbunden ist. Der Nebenschluß der Zusatzmaschine wird am besten direkt von den Hauptleitungen, also z.B. bei N und M₁ abgezweigt. Der Ausschalter S₁ unterbricht den Stromkreis der Batterie, der automatische Ausschalter S₃ den der Zusatzmaschine, und S₂ den der Hauptmaschine. Das Voltmeter V₁ zeigt mit Hilfe des Voltmeterumschalters v entweder die Spannung der Maschine D allein oder die Gesamtspannung (Ladespannung) beider Dynamos. Hinter dem Entladeschalter F liegt zur besseren Kontrolle der Stromverhältnisse noch ein weiterer Stromrichtungsanzeiger Str.₂. Die angegebene Schaltung läßt nun je nach der Stellung der Ausschalter S₁, S₂ und S₃ folgende Betriebsarten zu: Ist Hebel S₁ und S₃ geschlossen, S₂ geöffnet, so findet nur Ladebetrieb statt, es kann jedoch mit Hilfe des Entladeschalters F eine beschränkte Anzahl von Lampen in der Lichtleitung LL₁ mitbrennen. – Sind sämtliche drei Hebel S₁ S₂ und S₃ geschlossen, so ist ebenfalls Ladebetrieb vorhanden, gleichzeitig können aber beliebig viel Lampen unter Umgehung der Batterie von der Hauptmaschine D aus über S₂, J, K, L₁ Strom erhalten. – Ist der Ausschalterhebel S₃ geöffnet, während S₁, und S₂ geschlossen sind, so findet Parallelbetrieb von Batterie und Maschine statt. Und wenn schließlich S₂ und S₃ offen, S₁ geschlossen ist, gibt die Batterie nach Abstellung der Maschine allein den Strom.

Soll eine bereits vorhandene elektrische Anlage mit reinem Maschinenbetrieb nachträglich auf die einfachste und billigste Weise durch Zufügung einer Akkumulatorenbatterie erweitert werden und zwar ohne Beschaffung neuer Maschinen, so kommt ein drittes Schaltungssystem, die Akkumulatorenschaltung mit Reihenschalter (Ladung der Batterie in zwei Reihen) zur Anwendung. Näheres hierüber in [2]. Um bei der Regulierung mittels Zellenschalters größere Sicherheit und Schnelligkeit zu erreichen, richtet man sie vielfach automatisch ein. Beim Steigen oder Sinken der Spannung setzt sich unter Vermittlung eines Kontaktvoltmeters ein kleiner Elektromotor rechts resp. links herum in Bewegung und treibt dabei den Hebel des Zellenschalters behufs Ab- oder Zuschaltens von Zellen weiter. Ist hierdurch die normale Betriebsspannung wiederhergestellt, kommen Kontaktvoltmeter und Motor sofort zur Ruhe. Beschreibungen solcher automatischen Zellenschalter findet man in [2].

Literatur: [1] Heim, Die Einrichtung der elektrischen Beleuchtungsanlagen, Leipzig 1903. – [2] Holzt, Schule des Elektrotechnikers, Bd. 3, Leipzig 1903.

Holzt.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.