DE10034775A1

DE10034775A1 - Vorrichtung zum Schutz gegen die durch Wechselstromgeneratoren erzeugten Überspannungen

Info

Publication number: DE10034775A1
Application number: DE2000134775
Authority: DE
Inventors: Marcel Vogelsberger; Arnaud Pirson
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2001-03-29
Also published as: FR2797116A1; FR2797116B1

Abstract

Vorrichtung zum Schutz gegen die Überspannungen am Ausgang eines Wechselstromgenerators, umfassend eine Schaltungsanordnung mit einer oder mehreren Zener-Dioden, die am Ausgang eines Wechselstromgenerators angebracht werden und dessen Ausgangsspannung begrenzen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Erfassung des Auftretens eines in wenigstens einer Zener-Diode fließenden Begrenzungsstroms sowie Mittel umfaßt, die mit den Erfassungsmitteln verbunden sind und die die Erregung des Wechselstromgenerators bei der Erfassung eines solchen Stroms verringern oder aufheben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Schutz gegen die in Wechselstromgeneratoren erzeugten Überspannungen.

In der großen Mehrzahl der Fälle werden Wechselstromgeneratoren durch Regelkreise gesteuert, die Regler enthalten und die eine Stabilisierung ihrer Ausgangsspannung ermöglichen.

Aufgrund der Ansprechzeiten der Regler oder der Regelkreise können jedoch Überspannungen während der Übergangsphasen auftreten.

Im allgemeinen wird eine durch einen Wechselstromgenerator gespeiste elektrische Schaltung gegen derartige Überspannungen durch eine am Ausgang des Generators angeordnete Schaltung mit leistungsbegrenzenden Dioden in der Ausführung als Zener-Dioden geschützt.

Diese Gestaltung ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht.

In Fig. 1 sind schematisch ein Generator G, ein Regler R, der den besagten Generator G regelt, und eine mit der Ausgangsklemme des Generators verbundene Vorrichtung D mit Amplitudenbegrenzerdioden dargestellt.

Die Steuerung "S" am Eingang des Reglers regelt den Wert der Spannung Vs am Ausgang des Generators. Wenn eine abrupte Spannungsänderung auftritt, beispielsweise aufgrund einer Änderung der Parameter am Eingang des Reglers, einer Änderung der Antriebsgeschwindigkeit oder einer Änderung des Verbrauchers, an den der ausgangsseitige Strom des Generators abgegeben wird, reagiert das Regelungssystem mit einer Verzögerung.

Während dieser Verzögerung wirkt die Spannungsbegrenzervorrichtung durch Energieaufnahme, um die Spannung auf einer akzeptablen Höhe zu halten (Fig. 2).

Die dadurch aufgenommene Energie ist hauptsächlich von der Ansprechzeit der Steuerung und von der Zeitkonstante der Erregerwicklung des Generators abhängig.

Eine derartige Schaltungsanordnung führt zu zufriedenstellenden Ergebnissen, wenn es sich um eine Überspannung mit kurzer Dauer handelt (einige Dutzend Mikrosekunden). Aber sobald die Dauer der Überspannung länger ausfällt, erreicht die in der Spannungsbegrenzervorrichtung abgegebene Leistung dann destruktive Werte.

Um eine Zerstörung der Spannungsbegrenzervorrichtung zu verhindern, muß sie überdimensioniert werden, was entsprechende Mehrkosten zur Folge hat und zu Platzbedarfsproblemen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden.

Dazu schlägt sie eine Vorrichtung zum Schutz gegen die Überspannungen am Ausgang eines Wechselstromgenerators vor, umfassend eine Schaltungsanordnung mit einer oder mehreren Zener- Dioden, die am Ausgang eines Wechselstromgenerators angebracht werden und dessen Ausgangsspannung begrenzen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Erfassung des Auftretens eines in wenigstens einer Zener-Diode fließenden Begrenzungsstroms sowie Mittel umfaßt, die mit den Erfassungsmitteln verbunden sind und die die Erregung des Wechselstromgenerators bei der Erfassung eines solchen Stroms verringern oder aufheben.

Die vorgeschlagene Erfindung vervollständigt daher vorteilhafterweise die vorhandenen Spannungsbegrenzervorrichtungen, wobei sie die Überspannungszeit auf niedrige Werte begrenzt.

Dank der Kombination der beiden Mittel fällt die Überspannungszeit sehr kurz aus.

Im einzelnen wird eine Überspannung und somit ein Stromanstieg in wenigstens einer Zener-Diode erfaßt.

Die Erfindung wird vorteilhafterweise durch die verschiedenen nachstehenden Merkmale, einzeln oder in allen ihren technisch möglichen Kombinationen, ergänzt:

- Die Erfassungsmittel umfassen einen Optokoppler, der die Leistungsschaltung am Ausgang des Wechselstromgenerators und dessen Erregerschaltung elektrisch isoliert.
- Die Erfassungsmittel sind mit dem Eingang des Reglers oder mit einem Anschluß in dessen Innern verbunden, um die Erregung zu verringern oder aufzuheben, die durch den besagten Regler erzeugt werden kann, wenn ein Begrenzungsstrom erfaßt wird.
- Die Mittel, um die Erregung des Wechselstromgenerators zu verringern oder aufzuheben, umfassen mit der Erregerwicklung des Wechselstromgenerators parallel oder in Reihe geschaltete Mittel.
- Die besagten Mittel umfassen Mittel, um die Zeitkonstante der Erregerwicklung des Wechselstromgenerators zu ändern, wenn ein Begrenzungsstrom erfaßt wird.
- Die besagten Mittel umfassen Mittel, um die Spannung an den Klemmen der Erregerwicklung zu ändern, wenn ein Begrenzungsstrom erfaßt wird.
- Die Erfassungsmittel sind in Form eines Moduls ausgeführt, das mit einer Begrenzervorrichtung in Reihe geschaltet werden kann.
- Das besagte Modul umfaßt wenigstens eine Diode, die mit der Begrenzerschaltung in Reihe geschaltet werden kann, und Schaltmittel, die einen oder einen anderen Zustand annehmen, je nachdem, ob ein Begrenzungsstrom in der oder den besagten Dioden fließt.
- Das besagte Modul umfaßt wenigstens eine Zener-Begrenzerdiode, die mit der Begrenzerschaltung in Reihe geschaltet werden kann, und Schaltmittel, die einen oder einen anderen Zustand annehmen, je nachdem, ob ein Begrenzungsstrom in der besagten Zener-Diode fließt.

Außerdem schlägt die Erfindung eine Einheit vor, die einen Wechselstromgenerator und eine Vorrichtung zum Schutz gegen die Überspannungen an dessen Ausgang umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Vorrichtung eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur zu Veranschaulichungszwecken und hat keine einschränkende Wirkung. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu lesen. Darin zeigen im einzelnen

Fig. 1, wie bereits dargelegt, eine schematische Darstellung einer Generatorschaltung gemäß einer möglichen Ausführungsart der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Überspannung am Ausgang des Generators, die durch die Begrenzervorrichtung der Schaltungsanordnung von Fig. 1 begrenzt wird;

Fig. 3 eine Generatorschaltung mit einer Vorrichtung zum Schutz gegen Überspannungen gemäß einer möglichen Ausführungsart der Erfindung;

Fig. 4 ein ähnliches Diagramm wie Fig. 1 zur Veranschaulichung der Spannungsbegrenzung, die durch die Schutzvorrichtung der Schaltungsanordnung von Fig. 3 herbeigeführt wird;

die Fig. 5 bis 7 verschiedene mögliche Ausführungsvarianten für die Schaltungsanordnung von Fig. 3;

die Fig. 8 bis 10 schematische Darstellungen von verschiedenen möglichen Varianten für die Erfassung des Begrenzungsstroms.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt wie die Anordnung von Fig. 1 einen Generator G, einen Regler R sowie eine Begrenzervorrichtung D mit Zener-Dioden.

Außerdem umfaßt sie eine Vorrichtung DI, die das Vorhandensein eines durch die Zener-Dioden D fließenden Begrenzungsstroms erfassen kann und die im Verhältnis zum Regler R oder zum Generator G so geschaltet ist, daß sie die Erregung des Generators unterbrechen oder verringern kann, wenn ein solcher Strom erfaßt wird.

Wie in Fig. 4 veranschaulicht, fällt die Dauer der Überspannungen - und damit die Dauer der Spannungsbegrenzung - kurz aus.

Dabei wird ein Stromanstieg in wenigstens einer Zener-Diode erfaßt.

Die Fig. 5 und folgende veranschaulichen detaillierte Ausführungsarten.

In der in Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsart wirkt die Stromerfassungsvorrichtung auf die Steuerung des Reglers R ein.

Die Begrenzervorrichtung D umfaßt mehrere Zener-Dioden mit den Bezugsnummern Z1, Z2 und Z3, die zwischen der Plusklemme und der Minusklemme des Wechselstromgenerators G in Reihe geschaltet sind, wobei sie von der Minusklemme zur Plusklemme leitend sind.

Die Stromerfassungsvorrichtung umfaßt einen Optokoppler, der eine emittierende Photodiode D1 und einen Phototransistor T1 enthält, der gegenüber der besagten Photodiode D1 angeordnet ist.

Im einzelnen ist der Phototransistor T1 zwischen der Masse und dem Steuereingang des Reglers geschaltet.

Die Photodiode D1 ist ihrerseits in Reihe mit einem Widerstand R1 zwischen den Anschlüssen der Zener-Diode Z1 geschaltet. Sie ist von der Kathode der Zener-Diode zu ihrer Anode leitend.

Zwischen den Anschlüssen der Diode Z1 ist ein Widerstand R2 geschaltet, während ein Widerstand R3 zwischen dem Eingang des Reglers R und einem Anschluß an eine Speisespannung +Vcc geschaltet ist.

Wenn die Spannung am Ausgang des Wechselstromgenerators G den Begrenzungswert erreicht, fließt ein Begrenzungsstrom Ic durch die Diode Z1, und die Diode D1 wird emittierend.

Das dabei durch die besagte Diode D1 erzeugte Licht schließt dann den Transistor T1, der den Eingang des Reglers R an die Masse anschließt.

Der besagte Regler regelt dann einen Nullerregerstrom für den Generator G.

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsart, in der die Stromerfassung die Unterbrechung der Erregung des Wechselstromgenerators G direkt steuert.

In der in dieser Figur veranschaulichten Ausführungsart umfaßt die Stromerfassungsvorrichtung wie in Fig. 5 einen Optokoppler, der eine Photodiode D1 und einen Phototransistor T1 enthält, wobei die Photodiode D1 in Reihe mit dem Widerstand R1 an den Anschlüssen einer Zener-Diode Z1 geschaltet ist.

Der Phototransistor T1 ist dort zwischen der Masse und der Kathode einer Diode D2 geschaltet, durch die er mit der Steuerelektrode eines MOSFET-Transistors T2 verbunden ist.

Dieser Transistor T2 ist seinerseits mit einer Diode D3 an den Anschlüssen der Erregerwicklung Be des Wechselstromgenerators G zwischen der Masse und einer Speiseklemme mit einer positiven Spannung des Reglers R in Reihe geschaltet.

Die Steuerelektrode des Transistors T2 ist außerdem durch einen Widerstand R4 mit dem Ende der Erregerwicklung Be verbunden, die mit der Plusspeiseklemme des Reglers R verbunden ist.

Die Diode D2 ist von der Steuerelektrode des Transistors T2 zum Transistor T1 leitend. Ihre Kathode ist mit dem besagten Transistor T1 sowie mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, deren Anode mit dem Eingang S des Reglers R verbunden ist.

Darüber hinaus ist ein Widerstand R6 zwischen den Anschlüssen des Transistors T2 geschaltet.

Wenn ein Begrenzungsstrom in den Zener-Dioden Z1 bis Z4 auftritt und der Phototransistor T1 schließt, wird die Steuerelektrode des Transistors T2 an die Masse angeschlossen, so daß der Transistor T2 sperrt und der Erregerstrom der Erregerwicklung Be durch Änderung ihrer Zeitkonstante (L/R) abgeschaltet wird.

In der in Fig. 7 veranschaulichten Ausführungsart ist der Transistor T1 zwischen der Masse und der Steuerelektrode eines MOSFET- Transistors T2 geschaltet, der im übrigen durch einen Widerstand R4 mit einem Anschluß an eine positive Speisespannung am Ausgang des Reglers R verbunden ist, wobei die Erregerwicklung Be des Wechselstromgenerators G am Ausgang des Reglers R zwischen der Masse und diesem Anschluß geschaltet ist.

Der Transistor T2 ist an den Anschlüssen einer Zener-Diode Z5 geschaltet, deren Kathode mit dem Ende der Erregerwicklung Be verbunden ist, das dem vorgenannten Anschluß an die positive Speisespannung gegenüberliegt, und deren Anode mit der Masse verbunden ist.

Eine Diode D3 ist an den Anschlüssen des Reglers R geschaltet, wobei sie von der Masse zum Plusanschluß des besagten Reglers R leitend ist.

Beim Normalbetrieb, das heißt, wenn kein Begrenzungsstrom in den Zener-Dioden Z1 bis Z4 fließt, ist der Transistor T1 gesperrt (d. h. geöffnet), so daß der Transistor T2 geschlossen ist. Die Stromversorgung der Erregerwicklung Be ist dann von dem am Eingang des Reglers eingespeisten Signal S abhängig.

Wenn die Begrenzungsspannung in den Dioden Z1 bis Z4 erreicht ist, schließt der Transistor T1, und der Transistor T2 sperrt. Die Erregung der Wicklung Be wird dann durch die Zener-Spannung der Diode Z5 verhindert oder zumindest begrenzt.

Bei der Stromerfassungsschaltung D1 sind natürlich auch andere Ausführungsarten als die vorstehend beschriebenen möglich.

So kann insbesondere, wie in Fig. 8 veranschaulicht, die Vorrichtung D1 aus einem Modul bestehen, das mit jeder beliebigen Begrenzervorrichtung in Reihe geschaltet werden kann. Ein solches Modul umfaßt beispielsweise einerseits eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden (Dioden d1 und d2 in Fig. 8), die den Begrenzungsstrom mit einer niedrigen Spannung leiten (hier in einer Größenordnung von 2 * 0,7 V), und andererseits einen Optokoppler D1, T1, der an den Anschlüssen dieser Dioden d1, d2 mit einem Widerstand R in Reihe geschaltet ist.

Bei Nichtvorliegen eines Begrenzungsstroms fließt ein Strom in der Diode D1 des Optokopplers, und der Transistor T1 wird geschlossen.

Wenn ein Begrenzungsstrom auftritt, fließt er durch die Dioden d1 und d2, und der Phototransistor T1 sperrt.

Es ist zu beachten, daß die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 8 beschriebenen Schaltungsanordnungen mit Optokoppler den Vorteil aufweisen, daß sie eine galvanische Isolierung zwischen der Leistungsschaltung am Ausgang des Wechselstromgenerators und dessen Steuerschaltung ermöglichen.

Wenn keine Isolierung zwischen der Leistungsschaltung und der Erregerschaltung erforderlich ist, kann die Erfassung des Begrenzungsstroms durch eine Schaltungsanordnung mit Transistor T und Teilerbrücke erfolgen.

Das wird in den Fig. 9 und 10 im Fall von Modulen veranschaulicht, die mit einer vorhandenen Begrenzervorrichtung in Reihe geschaltet werden können.

In Fig. 9 wird die Steuerelektrode des Transistors T durch die Klemmenspannung der Dioden d1 und d2 gesteuert, die den Begrenzungsstrom mit einer niedrigen Spannung leiten.

In Fig. 10 wird sie durch die Klemmenspannung einer Zener- Begrenzerdiode Z6 gesteuert.

Erfindungsgemäß sind daher Mittel vorgesehen, um das Auftreten eines Begrenzungsstroms zu erfassen, der in wenigstens einer Zener- Diode fließt, in Kombination mit Mitteln, die mit diesen Erfassungsmitteln verbunden sind und die Erregung des Läufers des Wechselstromgenerators verringern oder aufheben, wenn ein solcher Strom erfaßt wird.

Die Erfassungsmittel wirken entweder auf die Steuerung des Reglers, um die Ansprechzeit der Steuerung aufzuheben, oder direkt im Innern des Reglers, um die Zeitkonstante der mit dem Regler verbundenen Erregerwicklung zu verringern.

[Text in den Figuren] Fig. 2 und 4

V_écrétage

: V_{Begrenzungsspannung}

V_régulée

: V_{Regelspannung}

Claims

1. Vorrichtung zum Schutz gegen die Überspannungen am Ausgang eines Wechselstromgenerators, umfassend eine Schaltungsanordnung mit einer oder mehreren Zener-Dioden, die am Ausgang eines Wechselstromgenerators angebracht werden und dessen Ausgangsspannung begrenzen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Erfassung des Auftretens eines in wenigstens einer Zener-Diode fließenden Begrenzungsstroms sowie Mittel umfaßt, die mit den Erfassungsmitteln verbunden sind und die die Erregung des Wechselstromgenerators bei der Erfassung eines solchen Stroms verringern oder aufheben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel einen Optokoppler umfassen, der die Leistungsschaltung am Ausgang des Wechselstromgenerators und dessen Erregerschaltung elektrisch isoliert.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel mit dem Eingang des Reglers oder mit einem Anschluß in dessen Innern verbunden sind, um die Erregung zu verringern oder aufzuheben, die durch den besagten Regler erzeugt werden kann, wenn ein Begrenzungsstrom erfaßt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, um die Erregung des Wechselstromgenerators zu verringern oder aufzuheben, mit der Erregerwicklung des Wechselstromgenerators parallel oder in Reihe geschaltete Mittel umfassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Mittel Mittel umfassen, um die Zeitkonstante der Erregerwicklung des Wechselstromgenerators zu ändern, wenn ein Begrenzungsstrom erfaßt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Mittel Mittel umfassen, um die Spannung an den Klemmen der Erregerwicklung zu ändern, wenn ein Begrenzungsstrom erfaßt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel in Form eines Moduls ausgeführt sind, das mit einer Begrenzervorrichtung in Reihe geschaltet werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Modul wenigstens eine Diode, die mit der Begrenzerschaltung in Reihe geschaltet werden kann, und Schaltmittel umfaßt, die einen oder einen anderen Zustand annehmen, je nachdem, ob ein Begrenzungsstrom in der oder den besagten Dioden fließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Modul wenigstens eine Zener-Begrenzerdiode, die mit der Begrenzerschaltung in Reihe geschaltet werden kann, und Schaltmittel umfaßt, die einen oder einen anderen Zustand annehmen, je nachdem, ob ein Begrenzungsstrom in der besagten Zener-Diode fließt.

10. Einheit, die einen Wechselstromgenerator und eine Vorrichtung zum Schutz gegen die Überspannungen an dessen Ausgang umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Vorrichtung eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.