-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schnellen Abbau der in der Erregerspule eines Generators gespeicherten Energie.
-
Stand der Technik
-
Beim Betrieb von Kraftfahrzeuggeneratoren entstehen bei einem Lastabwurf Überspannungen, da in der Erregerspule des Generators gespeicherte Energie über die übliche, der Erregerspule parallelgeschaltete Freilaufdiode nicht schnell genug abgebaut werden kann. Diese Überspannungen können – je länger sie bestehen – Störungen im Bordnetz verursachen, beispielsweise eine Abschaltung oder gar eine Zerstörung von dort vorgesehenen Steuergeräten.
-
Aus der
DE 199 35 260 A1 ist eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerspule eines Generators bekannt. Diese bekannte Schaltungsanordnung weist einen mit der Erregerspule in Wirkverbindung stehenden, mittels einer Taktsteuerung getaktet steuerbaren Leistungsschalter auf, der zur Steuerung der Energiespeicherung bzw. des Energieabbaus der Erregerwicklung vorgesehen ist. Des Weiteren ist zwischen der Erregerspule und dem Steuereingang des Leistungsschalters eine Zenerdiode angeordnet. Im Falle eines Lastabwurfs, d. h. eines Ausschaltens oder einem plötzlichen Ausfall eines Verbrauchers, entsteht über diese Zenerdiode am Steueranschluss des Leistungsschalters eine den Leistungsschalter aufsteuernde Steuerspannung. Folglich kann ein Entladestrom direkt von der Erregerspule über den Leistungsschalter abfließen.
-
Aus der
EP 1 675 245 A2 ist eine weitere Schaltungsanordnung zur schnellen Reduzierung des in der Erregerspule eines Generators induzierten Freilaufstromes bekannt. Bei dieser weiteren Schaltungsanordnung ist eine Induktivität über Schaltmittel an eine Spannung gelegt und von dieser wieder trennbar. Des Weiteren ist ein Freilaufkreis vorgesehen, welcher ein zwischen dem Schaltmittel und Masse liegendes Freilaufelement umfasst. Ferner weist die bekannte Schaltungsanordnung eine Freilaufschaltung auf, welche zusätzliche Mittel zur Erhöhung der Freilaufspannung enthält. Diese Erhöhung der Freilaufspannung führt zu einer schnelleren Reduzierung des in der Erregerspule induzierten Freilaufstromes.
-
Beide vorgenannten Schaltungsanordnungen ermöglichen einen schnellen Abbau der in der Erregerspule eines Generators gespeicherten Energie durch eine aus Sicht des Generators externe Zusatzbeschaltung.
-
Ferner offenbart
DE 193 773 A ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abkürzung der Erregungszeit von Magnetsystemen innerhalb einer elektrischen Maschine, wobei der zum Anschalten einer mit Selbstinduktion behafteten Spule dienende Schalter mit einem weiteren Schalter der den Stromfluss zur Bestromung der erregenden Magnetfeldwicklung reglegt, in mechanische Abhängigkeit gebracht ist.
-
US 2006/0 192 534 A1 offenbart einen Generator mit einer Feldspule und einer Steuerschaltung, die eingerichtet ist den durch die Feldspule fließenden Spulenstrom zu regeln. Wenn ein Erzeugungsbetrieb des Generators beendet ist, wird ein Schalter aktiviert, der den Stromfluss durch die Feldspule unterbricht. Ferner wird ein zweiter Schalter aktiviert durch den ein alternativer Strompfad aufweisend ein Widerstandselement geöffnet wird, wodruch der Strom in der Feldspule schneller abklingt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie zur Realisierung eines schnelleren Abbaus der in der Erregerspule eines Generators gespeicherten Energie keine externe Zusatzbeschaltung des Generators benötigt. Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in einer gestiegenen Generatordynamik, einem verbesserten Regelverhalten des Generators, einer besseren Spannungsqualität im Bordnetz, besseren Betriebseigenschaften bei batterielosem Betrieb, einer reduzierte Verlustleistung der Freilaufdiode und einer Entkopplung der Zeitkonstante der Erregerspule beim Energieaufbau bzw. Aufmagnetisieren von der Zeitkonstante beim Energieabbau bzw. dem Entmagnetisieren.
-
Zeichnung
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Die 1 zeigt eine Blockdarstellung des Erregerstromkreises einer bekannten Generatorvorrichtung. Die 2 zeigt eine Blockdarstellung des Erregerstromkreises einer mit den erfindungsgemäßen Merkmalen versehenen Generatorvorrichtung. Die 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile der Erfindung.
-
Beschreibung
-
Die 1 zeigt eine Blockdarstellung des Erregerstromkreises einer bekannten Generatorvorrichtung. Diese weist eine Gleichspannungsquelle B auf, bei der es sich um eine Batterie handelt. An derem positiven Anschluss liegt eine positive Gleichspannung an. Deren negativer Anschluss ist mit Masse M verbunden.
-
Des Weiteren ist mit dem positiven Anschluss der Gleichspannungsquelle B die Erregerspule E des Generators verbunden. Der andere Anschluss der Erregerspule E ist über einen Schalter S auf Masse M gelegt. Der Schalter S wird vom Generatorregler C angesteuert.
-
Ferner ist eine Freilaufdiode D vorgesehen, deren Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Erregerspule E und dem Schalter S und deren Kathode mit dem positiven Anschluss der Gleichspannungsquelle B verbunden ist.
-
Im Normalbetrieb steuert der Generatorregler C den Schalter S getaktet an. Während des leitenden Zustandes des Schalters S wird Energie in der Erregerspule E gespeichert. Während des nicht leitenden Zustandes des Schalters S wird im Rahmen eines Freilaufbetriebes die in der Erregerspule E gespeicherte Energie über die Freilaufdiode D abgebaut. Die zum Energieabbau notwendige Gegenspannung entspricht der Durchlassspannung der Freilaufdiode und liegt typischerweise bei 0,7 V. Entsprechend dieser geringen Gegenspannung erfolgt der Energieabbau relativ langsam. Dieses Verhalten ist zwar im Normalbetrieb erwünscht, führt im Falle eines Lastabwurfes aber dazu, dass auftretende Überspannungen im Bordnetz zu Störungen des Betriebes oder gar zu einer Zerstörung von Bauteilen führen.
-
Bei der in der
1 gezeigten Vorrichtung gilt für das Aufmagnetisieren, d. h. für das Speichern von Energie in der Erregerspule E, die folgende. Beziehung für den magnetischen Fluss:
-
Dabei ist L1 die Induktivität der Erregerspule E und R1 der Wicklungswiderstand der Erregerspule E.
-
Für das Entmagnetisieren, d. h. den Abbau von in der Erregerspule E gespeicherter Energie, gilt die folgende Beziehung für den magnetischen Fluss:
-
Dabei ist L1 wiederum die Induktivität der Erregerspule E und R1 der Wicklungswiderstand der Erregerspule E.
-
Die 2 zeigt eine Blockdarstellung des Erregerstromkreises einer mit den erfindungsgemäßen Merkmalen versehenen Generatorvorrichtung. Diese weist eine Gleichspannungsquelle B auf, bei der es sich um eine Batterie handelt. An derem positiven Anschluss liegt eine positive Gleichspannung an. Deren negativer Anschluss ist mit Masse M verbunden.
-
Des Weiteren ist mit dem positiven Anschluss der Gleichspannungswelle B die Erregerspule E des Generators verbunden. Der andere Anschluss der Erregerspule E ist über einen Schalter S auf Masse M gelegt. Der Schalter S wird vom Generatorregler C angesteuert.
-
Ferner ist bei der in der 2 gezeigten Vorrichtung eine mit der Erregerspule E magnetisch gekoppelte Entmagnetisierungsspule E' vorgesehen. Diese magnetische Kopplung zwischen der Erregerspule E und der Entmagnetisierungsspule E' ist in der 2 durch den Übertrager Ü veranschaulicht.
-
Der in der 2 obere Anschluss der Entmagnetisierungsspule E' ist mit der Anode einer Freilaufdiode D verbunden. Der in der 2 untere Anschluss der Entmagnetisierungsspule E' ist mit der Kathode der Freilaufdiode D verbunden. Folglich ist die Entmagnetisierungsspule E' über die Freilaufdiode D kurzgeschlossen.
-
Die Erregerspule E und die Entmagnetisierungsspule E' sind beide Bestandteil des Rotors des Generators. Die Windungszahl der Entmagnetisierungsspule E' stimmt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Windungszahl der Erregerspule E überein. Beide Spulen sind als Drahtspulen realisiert. Der Drahtdurchmesser der Entmagnetisierungsspule E' ist wesentlich kleiner gewählt als der Drahtdurchmesser der Erregerspule E. Aufgrund dieses dünnen Drahtdurchmessers der Entmagnetisierungsspule E' ist der Wicklungswiderstand der Entmagnetisierungsspule E' wesentlich größer als der Wicklungswiderstand der Erregerspule E.
-
Im Normalbetrieb steuert der Generatorregler C den Schalter S getaktet an. Während des leitenden Zustandes des Schalters S wird Energie in der Erregerspule E gespeichert. Während des nicht leitenden Zustandes des Schalters S wird im Rahmen eines Freilaufbetriebes die in der Erregerspule E gespeicherte Energie über den Übertrager Ü auf die Entmagnetisierungsspule E' übertragen und dann über die Freilaufdiode D abgebaut.
-
Bei der in der
2 gezeigten Vorrichtung gilt für das Aufmagnetisieren, d. h. für das Speichern von Energie in der Erregerspule. E, die folgende Beziehung für den magnetischen Fluss:
-
Dabei ist L1 die Induktivität der Erregerspule E und R1 der Wicklungswiderstand der Erregerspule E.
-
Für das Entmagnetisieren, d. h. den Abbau der in der Erregerspule E gespeicherten Energie, gilt die folgende Beziehung für den magnetischen Fluss:
-
Dabei ist L2 die Induktivität der Entmagnetisierungsspule E' und R2 der Wicklungswiderstand der Entmagnetisierungsspule E'.
-
Es gilt: τ2 << τ1
-
Aus den vorherigen Ausführungen ist ersichtlich, dass die anhand der 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen ein übereinstimmendes Aufmagnetisierungsverhalten aufweisen, dass aber die anhand der 2 beschriebene Vorrichtung eine wesentlich kleinere Entmagnetisierungs-Zeitkonstante aufweist als die anhand der 1 beschriebene Vorrichtung. Folglich ist eine Vorrichtung gemäß der 2 dazu in der Lage, die in der Erregerspule E gespeicherte Energie wesentlich schneller abzubauen als die in der 1 gezeigte Vorrichtung. Dieser schnellere Energieabbau ist in der 3 gezeigt, welche ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile der Erfindung zeigt.
-
In der 3 ist längs der Ordinate die in der Erregerspule E gespeicherte Energie En und längs der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Die Kurve K1 veranschaulicht den Energieabbau bei Verwendung der in der 1 gezeigten Vorrichtung. Die Kure K2 veranschaulicht den Energieabbau bei Verwendung der in der 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es ist ersichtlich, dass der Energieaufbau in der Erregerspule bei beiden Vorrichtungen gleich schnell erfolgt, dass aber der Energieabbau bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich schneller erfolgt als bei der in der 1 gezeigten Vorrichtung.
