CN103168418B - 减少由被内燃机驱动的发电机的旋转不均匀性引起的电压纹波的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于减少由内燃机的旋转不均匀性引起的、由内燃机驱动的发电机的输出电压的纹波的方法，该发电机具有定子绕组、转子绕组、被分配给转子绕组的用于调节发电机的输出电压的场调节器和带有可操控的开关元件的连接在下游的变流器，其中为了减少电压纹波通过相对应地操控变流器的开关元件而在定子侧调节发电机的输出电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于减少由内燃机的旋转不均匀性引起的、由内燃机驱动的发电机的输出电压的纹波的方法。
背景技术
作为发电机，在汽车中通常采用带有电激励的爪极发电机。通过转子绕组的电流用作用于调节所希望的输出电压或所要求的转矩的调节量，并且由所分配的场调节器预先给定。这样的调节是必需的，因为否则会由于非常不同的电动机转速而由发电机提供强烈波动的电压值，这些电压值必要时会损坏下级的电气设备。
因为转子绕组通常具有＞150ms的时间常数，所以快速的调节过程是不可能的。然而，这尤其是在低转速的情况下、尤其是在空转转速的范围中导致电压纹波，因为这里发电机的输出功率非常强烈地与转速有关。如果转速由于旋转不均匀性而在该范围中非常快地波动，则场调节器可由于转子场的转子时间常数而不够快地对所述波动作出反应，使得发生发电机输出电压的不希望的纹波。该效应在除了转子绕组之外还拥有用于漏磁补偿的永磁体的发电机的情况下还被增强，因为此处功率特性曲线具有还更陡的斜率。
在EP 0 847 485 B1中公开了一种用于衰减由于内燃机的旋转不均匀性引起的转矩波动的方法，其中发电机以电动机方式被使用，以便补偿转矩波动。但是，由此还增强了电压纹波。
因而，值得希望的是给出如下可能性，减少由内燃机驱动的发电机的输出电压的纹波。
发明内容
本发明的公开
按照本发明，建议了一种具有权利要求1的特征的用于减少由内燃机驱动的发电机的输出电压的、由内燃机的旋转不均匀性引起的纹波的方法。有利的扩展方案是从属权利要求以及随后的描述的主题。
本发明的优点
本发明可特别有利地在如下发电机中被采用：所述发电机的输出电压通过具有可操控的（ansteuerbar）开关元件的变流器被整流。这种变流器可以作为同步整流器、作为升压变换器、作为降压变换器、作为脉冲逆变器等等运行。这里，提供了针对通过相对应地操控开关元件的定子侧调节的特别简单的可能性，由此换向角并且由此输出直流电压也被影响。
带有可操控的开关元件的变流器在汽车中增强地在发电机中被采用。一方面，所述变流器提供了在效率方面的优点，而另一方面，所述变流器也实现了发电机作为电动机的运行，以便例如起动内燃机或者在牵引（Vortrieb）时辅助内燃机。带有相对应的变流器的发电机例如在DE 100 27 859 A1中被公开。
在带有变流器的发电机（例如带有脉冲逆变器的起动器发电机）中，电流大小在定子侧可通过有针对性地操控开关元件或整流元件、通常是晶体管来调节。因为定子绕组具有比转子绕组明显小的时间常数，所以该类型调节特别适合衰减所描述的电压波动。在车辆车载电网中的调节电压波动被最小化。
本发明基本上基于采用所谓的电空转系统的措施，在该空转系统中在电机的发电机运行时在换向角的近空转范围中被控制为使得发电机电流在转速最大值中被减小并且在转速最小值中被提高。这导致较小的电流纹波，并且因此也导致较小的电压纹波。针对调节的合适的输入量是发电机转速和发电机电压以及励磁场的位置。
当电压纹波超过可预先给定的阈值、例如100mV，发电机交流电压的频率处于可预先给定的范围、例如从25Hz至200Hz的范围中并且发电机转速处于可预先给定的范围、例如1000-1800U/min的范围中时，优选地采用该调节。当发电机转速超过可预先给定的阈值、例如2000U/min时，适宜地结束该调节。此后又以常规的方式通过场调节器在转子侧进行调节，其中变流器接着通常作为同步整流器运行。在采用根据本发明的调节时，换向角通过相对应地操控开关元件被改变，直至电压纹波是最小的或在可接受的阈之下。通过改变换向角，电流的在变流器内部的部分被短路，使得在输出上的纹波减小。
根据本发明的计算单元、例如汽车的控制设备尤其是以程序技术被设立用于执行根据本发明的方法。
本发明的其它优点和扩展方案由说明书和附图得到。
可以理解，前述的和随后还要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合、而且也可以以其它组合或者单独地被使用，而不离开本发明的范畴。
附图说明
本发明依据附图中的实施例示意性地被示出并且在下文参照附图被详细描述。
图1示出了具有带有可操控的开关元件的变流器的发电机的实施形式，如本发明可基于其那样。
图2示出了按照本发明构造的用于执行本发明的控制装置的实施形式。
图3a示出了在按照现有技术的调节的情况下的电流、电压和转速变化曲线。
图3b示出了在按照本发明的实施形式的调节的情况下的电流、电压和转速变化曲线。
具体实施方式
在图1中以电路图的方式示出了电机，如本发明可基于其那样，并且整体用100标明。电机具有发电机组件10和变流器组件20。变流器组件在电机的发电机运行时通常作为整流器运行。
发电机组件10仅仅示意性地以星形错接的定子绕组11和与二极管并联的励磁绕组或转子绕组12的形式被示出。转子绕组通过功率开关13时钟控制地被切换，其中该功率开关13与变流器组件20的端子24连接。功率开关13的操控按照场调节器15来进行，其中功率开关13与和转子绕组12并联的二极管一样通常被集成在场调节器的专用集成电路（ASIC）中。
在本申请的范畴中，示出了三相发电机。然而，原则上，本发明也可以在更少或更多相的发电机、例如五相发电机中被采用。
变流器组件20这里被实施为B6-电路并且具有开关元件21，所述开关元件21例如可被实施为MOSFET 21。MOSFET 21例如通过母线（Stromschienen）与发电机的相应的定子绕组11连接。此外，MOSFET 与端子24、24＇连接并且在相对应的操控的情况下提供汽车的车载电网30的直流电流。开关元件21的操控通过操控装置25经由操控通道26来进行，出于清楚的原因没有对操控通道全部地配备有附图标记。操控装置25通过相通道27分别获得各个定子绕组的相电压。为了提供这些相电压，可以设置其它装置，但是其出于清楚的原因没有示出这些其它装置。
操控装置25在（同步）整流运行时进行对通过相通道27提供的相电压的分析并且从其确定各个MOSFET 21的相应的接通和关断时刻。经由操控通道26的控制对MOSFET 21的栅极端子发生作用。
公知的场调节器、如在本实施形式的范畴中设置的场调节器15具有所谓的夹紧V型端子19，该夹紧V型端子19与发电机的定子绕组的相连接。夹紧V信号或相输入信号的频率在调节器15中被分析，并且根据该信号的特征量用于激活或者去活调节器运行，而且最后用于经由操控线路14操控功率开关13。相信号输入19的相信号可以如所示的那样也通过操控装置25来引导。
在电动机起动时，带有场绕组12的发电机转子开始旋转，并且在定子绕组11中感应出电压。相电压例如按照频率由操控装置25检测并且被用于导出和/或确定针对各个MOSFET 21的操控信号。
本发明的特别优选的实施形式现在参照图1和2更详细地被描述，其中在图2中示出操控装置25，该操控装置25被设立用于执行本发明的特别优选的实施形式。发电机电压UG的时间变化曲线、发电机组件10的瞬时转速nG以及发电机组件的焊缝转角 作为输入信号被交付给操控装置25。位置传感器在此确定励磁场的相位。如果电机以发电机方式会用二极管来运行，则所述二极管在自然的换向时刻（二极管电流的过零点）换向。但是，在采用开关元件、例如功率半导体的情况下，该换向时刻可以偏移，也即功率半导体保持更长或更短地被导通。
基于本发明，现在操控装置25确定相对应的操控信号，以便操控用于减小输出电压纹波的开关元件21。为此，换向角（以及由此在磁极电压和定子电压之间的相位）被改变为使得发电机电流在转速最大值被减少并且在转速最小值被提高。
按照本发明的优选的实施形式，在小转速的情况下通过相对应地操控开关元件21改变换向角，直到电压纹波是最小的或在可接受的阈之下。
发电机电压的定子侧的调节优选地仅仅在空转转速附近的小转速范围中、例如从1000U/min至1800U/min的范围中被执行。如果发电机转速nG超过可预先给定的阈值、例如2000U/min，则又以常规的方式经由场调节器15通过预先给定流过转子绕组12的电流来调节发电机电压。
在图3a中，关于时间示出电流变化曲线、电压变化曲线和转速变化曲线，如其在按照现有技术操控电机100时按照图1被得到的那样。在此，发电机转速nG的时间变化曲线在曲线图301中被示出，在曲线图302中示出经整流的输出电压UBatt的时间变化曲线，如其在端子24和24＇上被得到的那样，以及在曲线图303中示出了相关的输出电流IBatt的时间变化曲线。清楚的是，由于旋转不均匀性既得到输出电压UBatt的明显纹波又得到输出电流IBatt的明显纹波。
与此相比，在图3b中示出了输出电压UBatt和输出电流IBatt的时间变化曲线，所述输出电压UBatt和输出电流IBatt在根据本发明操控按照图1的电机100的情况下被得到。输出电流IBatt的时间变化曲线在曲线图403中示出，而输出电压UBatt的时间变化曲线在曲线图402中示出。按照图3b的发电机转速nG的时间变化曲线对应于按照图3a的时间变化曲线301。清楚的是，由于开关元件的优选的操控既可实现输出电压UBatt的纹波的明显减少又可实现输出电流IBatt的纹波的明显减少。
Claims (9)
1.一种用于减少由内燃机驱动的发电机（10）的输出电压（UBatt）的、由内燃机的旋转不均匀性引起的纹波的方法，该发电机（10）具有定子绕组（11）、转子绕组（12）、被分配给转子绕组（12）的用于在转子侧调节发电机（10）的输出电压的场调节器（15）和带有可操控的开关元件（21）的变流器（20），其中所述变流器（20）连接在所述定子绕组（11）的下游，其特征在于，变流器（20）作为整流器运行，其中为了减少电压纹波通过相对应地以改变换向角的方式操控变流器（20）的开关元件（21）进行发电机的输出电压（UBatt）的在定子侧的调节，使得发电机电流在转速最大值中被减小并且在转速最小值中被提高，其中所述转速最大值和所述转速最小值涉及发电机转速的纹波。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在发电机转速（nG）在第一阈值之下的情况下进行发电机（10）的输出电压（UBatt）的在定子侧的调节。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，第一阈值根据内燃机的空转转速被预先给定。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在发电机转速（nG）在第二阈值之上的情况下，通过调整流过转子绕组（12）的电流来进行发电机（10）的输出电压的在转子侧的调节。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，第二阈值根据第一阈值被预先给定。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其中，只有当输出电压（UBatt）的纹波超过可预先给定的第三阈值时，才执行调节。
7.一种能量供给单元（100），其具有发电机（10），所述发电机（10）具有定子绕组（11）、转子绕组（12）和被分配给转子绕组（12）的用于在转子侧调节发电机的输出电压的场调节器（15）以及带有可操控的开关元件（21）的变流器（20），其中所述变流器（20）连接在所述定子绕组（11）的下游，其特征在于，所述能量供给单元（100）还包括用于在定子侧调节发电机的输出电压的装置（25），该用于在定子侧调节发电机的输出电压的装置（25）被设立用于通过相对应地以改变换向角的方式操控变流器（20）的开关元件（21）来调节输出电压，使得发电机电流在转速最大值中被减小并且在转速最小值中被提高，其中所述转速最大值和所述转速最小值涉及发电机转速的纹波。
8.根据权利要求7所述的能量供给单元（100），其中，用于调节输出电压的装置（25）被构造为计算单元，该计算单元被设立用于执行根据权利要求1至6之一所述的方法。
9.根据权利要求7或8所述的能量供给单元（100），其中，所述能量供给单元（100）是用于汽车的能量供给单元。
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