DE102008039593A1

DE102008039593A1 - Steuerschaltung für einen Generator, eine Generatorbaugruppe, und Verfahren zur Steuerung der Ausgangsspannung eines Generators

Info

Publication number: DE102008039593A1
Application number: DE102008039593A
Authority: DE
Inventors: Dusan Graovac; Frank Auer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20090058373A1; US7759909B2

Abstract

Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen eine Steuerschaltung für eine Erregerspule eines Generators, eine Generatorbaugruppe, ein Verfahren zum Steuern eines Stroms durch eine Erregerspule eines Generators und ein Verfahren zum Reduzieren von zu starken Schwankungen einer Ausgangsspannung eines Generators, wobei die Steuerschaltung Folgendes umfasst: ein erstes aktives Schaltmittel zum Verbinden einer ersten Klemme einer Erregerspule mit einem ersten oder mit einem zweiten Pol einer Spannungsquelle, ein zweites aktives Schaltmittel zum Verbinden einer zweiten Klemme der Erregerspule mit dem ersten oder mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle und einen Generatorregler zum Einstellen des Betriebszyklus des aktiven Schaltmittels zum schnellen Steuern des Stroms durch die Erregerspule auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Steuerschaltung für einen Generator, eine Generatorbaugruppe und Verfahren zur Steuerung der Ausgangsspannung eines Generators.
Generatoren sind in der Regel eine primäre Stromquelle in einer Vielzahl von Fahrzeugen (Kraftfahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge). Nachfolgend wird zu illustrativen Zwecken die Erfindung in Bezug auf einen Kraftfahrzeug-Stromgenerator wie zum Beispiel einem Lundell-Generator beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt und kann auf jede Art von Generator angewendet werden.
Eines der schwierigen Probleme bezüglich Generatoren, die Strom für eine Fahrzeugelektrik bereitstellen, bezieht sich auf die Instabilität der Fahrzeugelektrikspannung, insbesondere bei abrupten Schwankungen der Last des Generators. In diesem Zusammenhang können sich abrupte Schwankungen der Last des Generators auf abrupte Lastzunahmen sowie abrupte Lastabnahmen, die auch als Lastabwürfe bezeichnet werden, beziehen.
Diese Lastabwürfe erfordern in der Regel umfangreiche Maßnahmen zur Vorkehrung, um die resultierenden Schwankungen der Spannung zu bewältigen. Insbesondere führen die Lastabwürfe im Vergleich zu den Anforderungen ohne eine Berücksichtigung dieser teilweise extremen Schwankungen der Spannung zu einer Überdimensionierung der Schutzkomponenten und einer Überdimensionierung der Durchbruchspannungen aller (Halbleiter-)Komponenten, die mit der Fahrzeugelektrik verbunden sind.
Bei einer 14-V-Fahrzeugelektrik eines Kraftfahrzeugs zum Beispiel sind in der Regel Halbleiter mit einer Durchbruchspannung von 55 V bis 60 V erforderlich. Die 1 zeigt einen Überblick über die spezifizierten Spannungen und Spannungsbereiche für eine Fahrzeugelektrik. Das Diagramm in der 1 zeigt, dass die maximale Spannung U_loaddump während eines Lastabwurfs mit 45 V spezifiziert werden kann.
In Bezug auf eine herkömmliche Generatorbaugruppe wie in der 2 dargestellt wird eine Generatorbaugruppe 10 für eine Fahrzeugelektrik mit einem Feldregler 11 dargestellt. Der in der herkömmlichen Generatorbaugruppe 10 in der 2 verwendete Feldregler 11 ist auch als Einquadrant-Zerhackerschaltung oder Chopper bekannt, da ein Strom i_f über eine Erregerspule 12 (auch als Feldstrom bezeichnet) und die entsprechende Erregerspulenspannung u_f (auch als Feldspannung bezeichnet) zu einem bestimmten Zeitpunkt positiv oder gleich Null sind. Zur Vereinfachung kann der Bezug auf die Erregerspule 12 durch deren Induktivität L_f erfolgen.
Die Generatorbaugruppe 10 schließt auch einen Generator 15 (zum Beispiel einen Lundell-Generator, auch als Klauenpolgenerator bekannt) ein, der eine dreiphasige Wicklungsfeld-Synchronmaschine sein kann. Die entsprechenden drei Ausgangsklemmen des Generators 15 sind mit einem Gleichrichter 16, zum Beispiel einem dreiphasigen Avalanche-Brückengleichrichter, gekoppelt, um eine gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN für eine Fahrzeugelektrik bereitzustellen.
Bei modernen Generatorbaugruppen wird in der Regel nur die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN zwischen den Polen "+" und "–" gemessen, durch einen Signalaufbereitungsblock 21 aufbereitet und mit einem Sollwert für die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_{BN_ref} (auch als Referenzspannung bezeichnet) in einem Generatorregler 20 verglichen. Das Signalaufbereitungsmittel 21, zum Beispiel ein Filter mit entsprechender Bandbreite, stellt ein Rückführsignal U_{BN_ref} bereit, das von der Referenzspannung abgezogen wird. Das resultierende Differenzsignal wird von einem Spannungsregler 22 als Eingabe empfangen. Der Spannungsregler 22 steuert einen Pulse-Width-Modulation-(PWM-)Generator 23, der die Impulsbreite eines MOSFET-(Leistungs-)Transistors T1 über eine Treiberschaltung 24 moduliert, wobei der Transistor T1 in Reihe mit der Erregerspule 12 geschaltet ist.
Der Betriebszyklus des MOSFET-Transistors T1 wird so gesteuert, dass der Erregerspulenstrom i_f die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN auf einer gewünschten Höhe bei einer bestimmten Drehzahl des Generators 15 und Last 30 der Generatorbaugruppe 10 hält. Das heißt der Erregerspulenstrom i_f ist die betätigende Variable einer Steuerschleife zum Steuern der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung u_BN. Eine Freilaufdiode D1 stellt einen Freilaufweg für den Erregerspulenstrom i_f während der Zeiten bereit, in denen der MOSFET-Transistors T1 ausgeschaltet ist.
Der entsprechende Steuerprozess in einem herkömmlichen Generatorregler kann wie folgt charakterisiert werden: Wenn die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN niedriger ist als die Referenzspannung u_{BN_ref}, wird der Betriebszyklus der Treiberschaltung 24 für den Feldregler 11 der Erregerspule 12 verlängert. Wenn die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN höher ist als die Referenzspannung U_{BN_ref} _, wird der Betriebszyklus der Treiberschaltung 24 für die Erregerspule 12 auf Null verkürzt. Somit wird die Entmagnetisierung der Erregerspule 12 durch die Freilaufdiode D1 bewirkt.
Ferner wird in Bezug auf die 2 während eines Lastabwurfs die Generatorbaugruppe 10 abrupt von der Batterie 40 und der gesamten Last 30 oder einem Teil von dieser getrennt. Entsprechend muss der Erregerspulenstrom i_f auf einen für eine hohe Last erforderlichen hohen Wert auf einen für die geringere oder vollständig fehlende Last erforderlichen relativ niedrigen Wert oder einen Wert von sogar Null verringert werden.
Entsprechend bewirkt die im Feld der Erregerspule 12 gespeicherte Energie einen starken Einschaltstoß der Fahrzeugelektrikspannung u_BN zwischen den Klemmen "+" und "–" der Generatorbaugruppe 10 während eines Lastabwurfs 30. Wenn ein normaler Gleichrichter 16 verwendet wird, kann die Spitze der Spannungsstöße Größen erreichen, die das Mehrfache der Nenngeneratorausgangsspannung U_nom erreichen. Darüber hinaus kann die Dauer der Spannungsstöße mehrere hundert Millisekunden betragen, bevor sie unter eine maximale spezifizierte Generatorspannung U_nom _, _max abfallen.
Die Stoßspitzen-Generatorausgangsspannung kann auf akzeptable Größen begrenzt werden, indem zum Beispiel Avalanche-Brückengleichrichter für den Gleichrichter 16 verwendet werden, welche die überzählige Generatorausgangsleistung absorbieren, bis das Magnetfeld der Erregerspule 12 auf niedrigere Werte abfällt. In einer herkömmlichen Generatorbaugruppe hängt die Dauer eines Einschaltstoßes durch einen Lastabwurf im Wesentlichen von der Feldzeitkonstante ab, die aus der Verwendung des Feldreglers 11 zum Steuern des Stroms i_f durch die Erregerspule 12 resultiert. Im Falle des Beispiels in der 2 fällt der Erregerspulenstrom i_f als Ursache für das Magnetfeld der Erregerspule 12 mit natürlicher Geschwindigkeit durch die Freilaufdiode D1 ab, wenn der MOSFET-Transistor T1 ausgeschaltet wird, um die Erregerspule 12 von der Batterie 40 zum Anstoßen des Abfallens des Erregerspulenstrom i_f zu trennen.
Nicht nur erfordert die Lastabwurfenergie eine Überdimensionierung der mit dem Generator verbundenen Schutzkomponenten; da die Lastabwurfenergie durch zum Beispiel die Avalanche-Brückengleichrichter absorbiert werden muss, sind wesentlich größere Vorrichtungen oder mehrere Vorrichtungen von Gleichrichtern parallel erforderlich, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Dies trifft insbesondere auf Generatoren mit höherer Leistung zu. Somit erhöhen die oben beschriebenen Vorrichtungen erheblich Kosten, Größe und Gewicht eines Generators, was insbesondere bei Fahrzeuganwendungen höchst unerwünscht ist.
Aus diesen und anderen Gründen besteht ein Bedarf für die vorliegende Erfindung.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Schaltung und/oder Generatorbaugruppe und/oder Verfahren zur Steuerung der Ausgangsspannung eines Generators werden bereitgestellt, im Wesentlichen wie in Bezug auf wenigstens eine der Figuren dargestellt und/oder beschrieben und vollständiger in den Ansprüchen erläutert.
Weitere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen werden einbezogen, um ein weitergehendes Verstehen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in diese Schrift aufgenommen und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Grundgedanken der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und viele der angestrebten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht zu würdigen sein, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden.
Die 1 zeigt einen Überblick über die spezifizierten Spannungen und Spannungsbereiche in einer Fahrzeugelektrik;
Die 2 zeigt ein schematisches, vereinfachtes Diagramm einer herkömmlichen Generatorbaugruppe;
Die 3 zeigt ein schematisches, vereinfachtes Diagramm der Struktur einer Generatorbaugruppe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, umfassend einen Generatorregler mit Strom- und Spannungssteuerung und zwei aktiven Schaltmitteln;
Die 4 zeigt ein schematisches Diagramm der Veränderung der Spannung im Laufe der Zeit über einer und des Stroms durch eine Erregerspule, wenn die Spannung auf unipolare Weise gemäß einem ersten Schaltschema durch eine Steuerschaltung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung geändert wird;
Die 5 zeigt ein schematisches, vereinfachtes Diagramm einer Generatorbaugruppe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Die 6 zeigt ein schematisches Diagramm der Veränderung der Spannung im Laufe der Zeit über einer und des Stroms durch eine Erregerspule, wenn die Spannung auf bipolare Weise gemäß einem zweiten Schaltschema geändert wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in der zur Erläuterung bestimmte Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung verwirklicht werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder anderweitige Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht im beschränkenden Sinne aufgefasst werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert.
3 zeige eine Generatorbaugruppe 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Generatorbaugruppe 100 kann eine Steuerschaltung 310 für die Erregerspule 12 des Generators 15 umfassen, um den Strom i_f rasch durch die Erregerspule 12 auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert i_{f_ref} zu steuern.
Die Steuerschaltung 310 kann ein Generatorregler 200 und eine Feldreglerschaltung 110 umfassen. Der Generatorregler 200 kann zum Einstellen des Betriebszyklus der Zweiquadrant-Zerhackerschaltung konfiguriert werden, die als Feldreglerschaltung 110 im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet werden kann.
Die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung kann einen ersten N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 und eine erste Freilaufdiode D1 als ein erstes aktives Schaltmittel zum Verbinden der ersten Klemme 'a' der Erregerspule 12 jeweils mit dem ersten, das heißt dem Pluspol, oder mit dem zweiten, das heißt dem Minuspol, der Batterie 40 als eine Spannungsquelle mit der Nennspannung U_BAT umfassen.
Ferner kann die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung eine zweite Freilaufdiode D2 und einen zweiten N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 als ein zweites aktives Schaltmittel zum Verbinden der zweiten Klemme 'b' der Erregerspule 12 jeweils mit dem ersten, dem Pluspol, oder mit dem zweiten, dem Minuspol, der Batterie 40 umfassen.
Durch Steuerung des Betriebszyklus der zwei N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 kann die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung schnell den Erregerspulenstrom i_f auf den Erregerspulenstrom-Sollwert i_ref steuern, um die gleichgerichtete Generatorausgangsleistung u_BN auf einer erwünschten Höhe für eine bestimmte Drehzahl des Generators 15 und Last 30 der Generatorbaugruppe 100 zu halten.
Während des oben beschriebenen Steuerprozesses kann die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung in vier unterschiedliche Zustände gebracht werden. In einem ersten Zustand können beide N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 eingeschaltet werden, um die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40 und die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 zu verbinden. Im ersten Zustand wird somit die Erregerspule 12 mit einer positiven Erregerspulenspannung beaufschlagt (u_f = U_BAT).
In einem zweiten Zustand induziert das Ausschalten des N-Kanal-MOSFET-Transistors T1 nach einem ersten Zustand, während der N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 eingeschaltet bleibt, eine Spannung in der Erregerspule 12 über die Freilaufdiode D1. Diese Spannung wirkt dem abrupten Wechsel des Erregerspulenstroms i_f wegen des Ausschaltens des Stromwegs durch den N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 entgegen, so dass die Freilaufdiode D1 in Durchlassrichtung gepolt wird. Somit verbindet die leitende Freilaufdiode D1 die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 und verbindet der leitende N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 die Klemme 'b' der Erregerspule 12 ebenfalls mit dem Minuspol der Batterie 40. Im zweiten Zustand beträgt somit die Feldspannung über die Erregerspule 12 0 V (u_f = 0 V), so dass die Erregerspule 12 entmagnetisiert wird.
Ähnlich induziert in einem dritten Zustand das Ausschalten des N-Kanal-MOSFET-Transistors T2 nach einem ersten Zustand, während der N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 eingeschaltet bleibt, eine Spannung in der Erregerspule 12 über die Freilaufdiode D2. Diese Spannung wirkt dem abrupten Wechsel des Erregerspulenstroms i_f wegen des Ausschaltens des Stromwegs durch den N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 entgegen, so dass die Freilaufdiode D2 in Durchlassrichtung gepolt wird. Somit verbindet die leitende Freilaufdiode D2 die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40 und verbindet der leitende N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 die Klemme 'a' der Erregerspule 12 ebenfalls mit dem Pluspol der Batterie 40. Im dritten Zustand beträgt somit die Feldspannung über die Erregerspule 12 0 V (u_f = 0 V), so dass die Erregerspule 12 entmagnetisiert wird.
Im Gegensatz zur Einquadrant-Zerhackerschaltung, die als herkömmlicher Feldregler verwendet wird, ermöglicht hingegen die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung, die als Feldregler 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wie in 3 dargestellt verwendet wird, einen vierten Zustand. In diesem vierten Zustand induziert das gleichzeitige Ausschalten der beiden N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 nach einem ersten Zustand eine Spannung in der Erregerspule 12, die zu einer ersten resultierenden Spannung zwischen dem Minuspol der Batterie 40 und der Klemme 'a' der Erregerspule 12 und einer zweiten resultierenden Spannung zwischen der Klemme 'b' der Erregerspule 12 und dem Pluspol der Batterie 40 führt. Diese Spannungen wirken dem abrupten Wechsel des Erregerspulenstroms i_f wegen des Ausschaltens der Stromwege durch die N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 entgegen, so dass die Freilaufdioden D1 und D2 in Durchlassrichtung gepolt werden. Somit verbindet die leitende Freilaufdiode D1 die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 und verbindet die leitende Freilaufdiode D2 die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40. Im vierten Zustand wird somit die Feldspannung über die Erregerspule 12 in Bezug zum ersten Zustand umgekehrt und wird negativ (u_f = –U_BAT), so dass die Erregerspule 12 wiederum entmagnetisiert wird.
Im Gegensatz zur Einquadrant-Zerhackerschaltung hingegen, die als herkömmlicher Feldregler verwendet wird, ermöglicht diese negative Feldspannung u_f ein sehr schnelles Absenken des Erregerspulenstroms i_f. Dieser wiederum kann die in der Erregerspule 12 gespeicherte Energie sehr schnell reduzieren, so dass die vorübergehenden Überspannungen der Generatorausgangsspannung und der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung u_BN in der Fahrzeugelektrik minimiert werden können. Das heißt die Möglichkeit zum Anlegen einer negativen Feldspannung an einer Erregerspule ermöglicht deren schnellere Entmagnetisierung bei einem Lastabwurf und unterstützt dadurch das Reduzieren von vorübergehenden Überspannungen. Entsprechend unterstützt die Erfindung das Reduzieren der Durchbruchspannungen der Komponenten der Fahrzeugelektrik und die Anzahl der Schutzkomponenten durch Reduzieren der maximalen Lastabwurfspannungen. Die Erfindung führt somit zu einer erheblichen Senkung der Systemkosten für die Generatorbaugruppe eines Fahrzeugs.
Die Steuerung des Schaltens zwischen den oben genannten Zuständen der Zweiquadrant-Zerhackerschaltung zum Halten der gleichgerichteten Generatorausgangsschaltung u_BN auf einer gewünschten Höhe kann äußerst wirksam durch den Generatorregler 200 ausgeführt werden. Zu diesem Zweck kann der Generatorregler 200 mehrere Steuerstufen mit verschachtelten Steuerschleifen umfassen.
Entsprechend umfasst das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eine erste, innere Steuerschleife zum Steuern des Erregerspulenstroms i_f auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert i_{f_ref}. Ferner umfasst das Ausführungsbeispiel eine zweite, äußere Steuerschleife zum Steuern der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung u_BN auf einen gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert u_{BN_ref}.
Zum Zweck der Steuerung des Erregerspulenstroms i_f kann das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ein erstes Strommessmittel (nicht dargestellt) im Stromweg der Erregerspule 12 oder in den Verbindungswegen zur Erregerspule 12 zum Messen des Erregerspulenstroms i_f umfassen. Als erste gesteuerte Variable wird der gemessene Erregerspulenstrom i_f als Eingabe durch ein erstes Signalaufbereitungsmittel 25 zum Erzeugen eines ersten Rückführsignals empfangen.
Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erste Rückführsignal vom Erregerspulenstrom-Sollwert i_{f_ref} abgezogen. Ferner wird in Bezug zum Ausführungsbeispiel der Unterschied zwischen dem Erregerspulenstrom-Sollwert i_{f_ref} und dem ersten Rückführsignal als Eingabe von einem Stromregler 26 empfangen. Der Stromregler 26 erzeugt den Betriebszyklus für die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung in Form eines PWM-Signals als Eingabe für einen PWM-Generator 23. Der PWM-Generator 23 wiederum erzeugt die Ein- und Ausschaltsignale in Form eines Treibersteuersignals als Eingabe für eine Treiberschaltung 24. Die Treiberschaltung 24 verstärkt die Ein- und Ausschaltsignale zum Auslösen der Gates der N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2.
Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste, innere Steuerschleife, die den Erregerspulenstrom i_f so konfiguriert, dass sie eine relativ schnelle Steuerschleife mit einer relativ niedrigen ersten Zeitkonstante darstellt. Diese zusätzliche schnelle, innere verschachtelte Steuerschleife unterstützt das sehr schnelle Steuern des Erregerspulenstroms i_f auf den Erregerspulenstrom-Sollwert i_{f_ref} und unterstützt somit das Reduzieren der vorübergehenden Überspannungen der Generatorausgangsspannung u_ac und der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung u_BN in der Fahrzeugelektrik. Das Konzept einer schnellen Stromsteuerschleife ermöglicht somit geringe Schwankungen der Fahrzeugelektrikspannung und damit eine schnelle und stabile Regelung der Fahrzeugelektrikspannung auch bei starken vorübergehenden Laständerungen.
Ferner umfasst das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eine zweite, äußere Steuerschleife zum Steuern der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung u_BN auf einen gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert u_{BN_ref.} Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die zweite Steuerschleife ein Spannungsmessmittel (nicht dargestellt) umfassen, das zum Beispiel zwischen den Ausgangsklemmen "+" und "–" der Generatorbaugruppe 100 angeordnet sein kann, um die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN zu messen. Als zweite gesteuerte Variable wird die gemessene gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN als Eingabe für ein zweites Signalaufbereitungsmittel 210 zum Erzeugen einer negativen Komponente eines zweiten Rückführsignals empfangen.
Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das zweite Rückführsignal zum gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert u_{BN_ref} addiert. Ferner wird in Bezug zum Ausführungsbeispiel die Summe des gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwerts u_{BN_ref} und des zweiten Rückführsignals als Eingabe vom Spannungsregler 22 empfangen, um den Erregerspulenstrom-Sollwert i_ref zu erzeugen.
Ferner umfasst im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Steuerschleife zusätzlich ein zweites Strommessmittel (nicht dargestellt). Dieses zweite Strommessmittel kann in den Verbindungswegen der Ausgangsklemmen "+" und "–" der Generatorbaugruppe 100 zum Messen eines gleichgerichteten Generatorausgangsstroms i_BN als Vorwärtskomponente und weitere Eingabe für das zweite Signalaufbereitungsmittel 210 zum Erzeugen einer weiteren, aber positiven Komponente des zweiten Rückführsignals angeordnet sein.
Ferner umfasst gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Steuerschleife zusätzlich ein Frequenzmessmittel (nicht dargestellt). Dieses Frequenzmessmittel kann zwischen WS-Ausgangsklemmen des Generators 15 zum Messen der Frequenz f_ac der WS-Generatorausgangsspannung als Vorwärtskomponente und weitere Eingabe für das zweite Signalaufbereitungsmittel 210 zum Erzeugen einer weiteren negativen Komponente des zweiten Rückführsignals angeordnet sein. Ein Vorwärtsregeln der Frequenz f_ac der WS-Generatorausgangsspannung ermöglicht schnelles Kompensieren von Änderungen der Fahrzeugelektrikspannung durch vorübergehende Änderungen der Drehzahl des Generators 15.
Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das zweite Signalaufbereitungsmittel 210 ein Signal des Verhältnisses zwischen Änderung und Zeit df_ac/dt der Frequenz der WS-Generatorausgangsspannung als weitere negative Vorwärtskomponente des zweiten Rückführsignals erzeugen. Ein Vorwärtsregeln des Verhältnisses zwischen Änderung und Zeit df_ac/dt der Frequenz der WS-Generatorausgangsspannung ermöglicht eine noch schnellere und präzisere Kompensierung von Änderungen der Fahrzeugelektrikspannung durch vorübergehende Änderungen der Drehzahl des Generators.
Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden alle oben genannten Komponenten des zweiten Rückführsignals durch eine Summierschaltung summiert, bevor sie zum gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert u_{BN_ref} addiert werden.
Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die oben beschriebene zweite, äußere Steuerschleife, welche die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung u_BN steuert, so konfiguriert, dass sie eine relativ langsame Steuerschleife mit einer relativ hohen zweiten Zeitkonstante darstellt. Insbesondere ist die zweite (Spannungs-)Steuerschleife in der Regel langsamer als die erste (Strom-)Steuerschleife. Der entsprechend langsamere Spannungsregler 22 in der zweiten, äußeren Steuerschleife stellt den Erregerspulenstrom-Sollwert i_ref (auch als Erregerspulen-Referenzstrom bezeichnet) für den schnelleren Stromregler 26 in der verschachtelten ersten inneren Steuerschleife ein.
Die Leistung der Generatorregelung durch den Generatorregler beeinflusst direkt die Qualität und Stabilität der Fahrzeugelektrikspannung. Um die Faktoren zu analysieren, die den Steuerprozess beeinflussen können, kann die statische Gleichung für einen Fahrzeugelektrikgenerator angewendet werden:
Dabei steht die Spannung u_AC für die WS-Generatorausgangsspanunng, u_BN ist die gleichgerichtete Generatorausgangsspannung (auch als Fahrzeugelektrikspannung bezeichnet), Ψ_f ist der Magnetfluss der Erregerspule, i_f ist der Erregerspulenstrom, n ist die Anzahl der Umdrehungen des Generators pro Minute und c₁ sowie c₂ sind Motorkonstanten.
Die vorhergehende Gleichung bestätigt, dass eine erste Regelung des Erregerspulenstroms direkt oder indirekt das schnelle Steuern der Generatorausgangsspannung unterstützt.
Dies ist insbesondere beim Entmagnetisieren der Erregerspule bei einem Lastabwurf entscheidend. Wie zuvor erwähnt stellen diese Lastabwürfe eine Hauptursache für die Überdimensionierung von Halbleiterkomponenten in Fahrzeugen dar.
Ferner bestätigt die vorhergehende Gleichung ebenfalls, dass Änderungen der Anzahl n von Umdrehungen des Generators pro Minute, verursacht durch Änderungen der Anzahl von Umdrehungen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs pro Minute n, zu Änderungen der Fahrzeugelektrikspannung führen. Entsprechend unterstützt das Messen der Anzahl n der Umdrehungen des Generators pro Minute oder der Frequenz der WS-Generatorausgangsspannung (die natürlich korrelieren) das schnelle Kompensieren der Änderungen der Fahrzeugelektrikspannung.
4 zeigt ein schematisches Diagramm der Änderungen der Spannung u_f im Laufe der Zeit über einer und des Stroms i_f durch eine Erregerspule, wenn die Spannung u_f auf unipolare Weise gemäß einem ersten Schaltschema durch eine Steuerschaltung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung geändert wird.
Dieses erste Schaltschema des aktiven Schaltmittels einer Steuerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie zum Beispiel eine Zweiquadrant-Zerhackerschaltung mit zwei MOSFET-Transistoren T1 und T1 sowie zwei Freilaufdioden D1 und D2, wie etwa die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung in 3, kann wie folgt strukturiert sein:
Wie der obere Teil des Diagramms in 4 zeigt, kann beginnend von links die Zweiquadrant-Zerhackerschalter anfänglich in den ersten Zustand versetzt werden, wobei die beiden N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 eingeschaltet werden, um die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40 und die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 zu verbinden. Somit wird im anfänglichen ersten Zustand die Erregerspule 12 für eine Zeit T_r mit einer positiven Erregerspulenspannung (u_f = U_BAT) erregt, so dass der Erregerspulenstrom i_f auf einen definierten Maximalwert I_fmax ansteigt, wie im unteren Teil des Diagramms in 4 dargestellt.
Nach dem ersten Zustand kann die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung anschließend in den zweiten Zustand versetzt werden, wobei der N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 ausgeschaltet wird, während der N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 eingeschaltet bleibt, so dass die Freilaufdiode D1 in Durchlassrichtung gepolt wird. Somit verbindet die Freilaufdiode D1 die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 und verbindet der leitende N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 die Klemme 'b' der Erregerspule 12 ebenfalls mit dem Minuspol der Batterie 40. Somit beträgt im zweiten Zustand die Feldspannung über die Erregerspule 12 0 V (u_f = 0V), so dass der Erregerspulenstrom i_f auf einen definierten Minimalwert I_fmin abfällt. Entsprechend wird die Erregerspule 12 für eine entsprechende Menge entmagnetisiert.
Gemäß dem Beispiel in 4 kann nach dem oben genannten zweiten Zustand die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung anschließend wieder in den ersten Zustand versetzt werden, anschließend wieder in den zweiten Zustand usw. Das heißt das Umschalten zwischen den Zuständen wird regelmäßig mit der Periode T_sw wiederholt, so dass durchschnittlich der Erregerspulenstrom I_f einen Durchschnittswert I_f erreicht, der dem Erregerspulenstrom-Sollwert i_ref entsprechen kann.
Wie aus dem unteren Teil von 4 zu erkennen ist, kann der Durchschnittswert I_f des Erregerspulenstroms i_f einfach durch Ändern des Betriebszyklus der Schaltperiode T_sw, das heißt des Verhältnisses der Periode in der sich die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung im ersten Zustand befindet, und der Periode T_sw–DT_sw, in der sich die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung im zweiten (oder dritten) Zustand befindet, gesteuert werden. Ferner kann der Durchschnittswert I_f des Erregerspulenstroms i_f durch Ändern des definierten maximalen Wertes I_fmax und minimalen Wertes I_fmin des Erregerspulenstroms i_f gesteuert werden, die definieren können, wann ein Schaltprozess eingeleitet wird.
Bei Verwenden einer Zweiquadrant-Zerhackerschaltung kann das oben beschriebene Schaltschema insofern geändert werden, als statt des Versetzens der Zweiquadrant-Zerhackerschaltung in den zweiten Zustand zum Senken des Erregerspulenstroms die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung auch in den dritten Zustand versetzt werden kann. Dabei wird der N-Kanal-MOSFET-Transistor T2 ausgeschaltet, während der N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 eingeschaltet bleibt, so dass die Freilaufdiode D2 in Durchlassrichtung gepolt wird. Somit verbindet die Freilaufdiode D2 die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40 und verbindet der N-Kanal-MOSFET-Transistor T1 die Klemme 'a' der Erregerspule 12 ebenfalls mit dem Pluspol der Batterie 40. Im dritten Zustand beträgt somit die Feldspannung über die Erregerspule 12 0 V (u_f = 0 V).
Alternativ kann das Schaltmuster wie im oberen Teil von 4 dargestellt auch auf eine dritte Weise erzeugt werden, nämlich zum Beispiel alternativ durch Versetzen der Zweiquadrant-Zerhackerschaltung nach einem ersten Zustand in den zweiten oder dritten Zustand. Alle oben beschriebenen Schaltschemata für das aktive Schaltmittel führen zu einem unipolaren pulsweitenmodulierten (PWM-)Muster der Spannung u_f über die Erregerspule. In diesem Zusammenhang bezieht sich unipolares Schalten auf die Tatsache, dass der Erregerspulenstrom i_f und die entsprechende Erregerspulenspannung u_f die gleiche Polarität aufweisen (das heißt beide Plus) oder zu einem bestimmten Zeitpunkt gleich Null sind.
Im Gegensatz zu 4 zeigt 6 ein schematisches Diagramm der Änderung der Erregerspannung u_f im Laufe der Zeit und des Erregerspulenstroms i_f, wenn die Erregerspulenspannung u_f auf bipolare Weise gemäß einem zweiten Schaltschema geändert wird.
Dieses zweite Schaltschema des aktiven Schaltmittels einer Steuerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie zum Beispiel eine Zweiquadrant-Zerhackerschaltung mit zwei MOSFET-Transistoren T1 und T2 sowie zwei Freilaufdioden D1 und D2, wie etwa die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung in 3, kann wie folgt strukturiert sein:
Wie der obere Teil des Diagramms in 6 zeigt, kann beginnend von links die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung anfänglich in den ersten Zustand versetzt werden, wobei die beiden N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 eingeschaltet werden, um die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40 und die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 zu verbinden. Somit wird im anfänglichen ersten Zustand die Erregerspule 12 für eine Zeit T_r mit einer positiven Erregerspulenspannung (u_f = U_BAT) erregt, so dass der Erregerspulenstrom i_f auf einen definierten Maximalwert I_fmax ansteigt.
Gemäß dem Beispiel in 6 kann nach dem ersten Zustand die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung anschließend in den vierten Zustand versetzt werden, wobei beide N-Kanal-MOSFET-Transistoren T1 und T2 ausgeschaltet werden, so dass beide Freilaufdioden D1 und D2 in Durchlassrichtung gepolt werden. Somit verbindet die leitende Freilaufdiode D1 die Klemme 'a' der Erregerspule 12 mit dem Minuspol der Batterie 40 und verbindet die leitende Freilaufdiode D2 die Klemme 'b' der Erregerspule 12 mit dem Pluspol der Batterie 40. Im vierten Zustand wird somit die Feldspannung über die Erregerspule 12 im Vergleich zum ersten Zustand umgekehrt und wird negativ (u_f = –U_BAT), so dass der Erregerspulenstrom i_f auf einen definierten Minimalwert I_fmin abfällt. Entsprechend wird die Erregerspule 12 für eine entsprechende Menge entmagnetisiert.
Gemäß dem Beispiel in 6 kann nach dem oben genannten vierten Zustand die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung anschließend wieder in den ersten Zustand versetzt werden, anschließend wieder in den vierten Zustand usw. Das heißt das Umschalten zwischen den Zuständen wird regelmäßig mit der Periode T_sw wiederholt, so dass durchschnittlich der Erregerspulenstrom I_f einen Durchschnittswert I_f erreicht, der dem Erregerspulenstrom-Sollwert i_ref entsprechen kann.
Im Gegensatz zum ersten, unipolaren Schaltschema wie in 4 dargestellt führt hingegen das oben beschriebene zweite Schaltschema für das aktive Schaltmittel zu einem bipolaren pulsweitenmodulierten (PWM-) Muster der Spannung u_f über die Erregerspule. In diesem Zusammenhang bezieht sich bipolares Schalten auf die Tatsache, dass bezüglich des Erregerspulenstroms i_f die entsprechende Erregerspulenspannung u_f die Polarität während einer Schaltperiode T_sw wechselt.
Ferner und ebenfalls im Gegensatz zum ersten, unipolaren Schaltschema wie in 4 dargestellt unterstützt die negative Erregerspannung u_f beim Verwenden eines bipolaren Schaltschemas wie in 6 dargestellt das Heruntersteuern des Erregerspulenstroms i_f um einen größeren Betrag in der gleichen Zeitperiode (DT_sw), das heißt relativ schneller. Das heißt verglichen mit dem unipolaren Schaltschema wie in 4 dargestellt ermöglicht das bipolare Schaltschema, wie von der Zweiquadrant-Zerhackerschaltung ermöglicht, das schnellere Steuern des Erregerspulenstroms i_f auf einen Durchschnittswert I_f oder auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert i_ref in der gleichen Schaltperiode T_sw durch entsprechendes Ändern des Betriebszyklus.
5 zeigt ein schematisches Diagramm einer Generatorbaugruppe 101 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein alternativer Generatorregler 201 ohne eine interne Stromsteuerschleife implementiert.
Obwohl hierin bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, weiß der Fachmann, dass eine Reihe von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen statt der dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner ist den Fachleuten in diesem Gebiet bekannt, dass viele der spezifischen Merkmale, die in der vorhergehenden Beschreibung enthalten sind, in keiner Weise einschränkenden Charakter haben und eine Vielzahl von Alternativen möglich sind. Nicht-einschränkende Beispiele für beispielhafte Änderungen, die an den oben beschriebenen Generatorbaugruppen vorgenommen werden können, werden nachfolgend behandelt.
Obgleich oben beschrieben wurde, dass N-Kanal-MOSFET-Transistoren als Schaltvorrichtungen in einer Zweiquadrant-Zerhackerschaltung verwendet werden können, können auch Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs) oder andere Schaltvorrichtungen verwendet werden.
Ferner kann zum Beispiel der Transistor T1 ebenfalls als P-Kanal-MOSFET implementiert sein.
Ferner lässt der Generatorregler analoge oder digitale Implementierungen zu.
Die Strommessung des Erregerspulenstroms für die interne Stromsteuerschleife, zum Beispiel die erste, innere Stromsteuerschleife wie oben beschrieben, kann alternativ in der Erregerspule, in Komponenten des aktiven Schaltmittels wie zum Beispiel den MOSFET-Transistoren oder den Freilaufdioden oder in der Zwischenschaltung (sowohl an dem Plus- als auch an dem Minuspol) implementiert sein.
Die Strommessung des gleichgerichteten Generatorausgangsstroms für die externe Spannungssteuerschleife, zum Beispiel die zweite, äußere Spannungssteuerschleife wie oben beschrieben, kann alternativ in der Fahrzeugelektrik, an den Batteriepolen oder den WS-Ausgangsklemmen des Generators implementiert sein.
Die Spannungsmessung für die externe Spannungssteuerschleife, zum Beispiel die zweite, äußere Spannungssteuerschleife wie oben beschrieben, kann alternativ in der Fahrzeugelektrik, an den Batteriepolen oder den WS-Ausgangsklemmen des Generators implementiert sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine Frequenzmessung der Generatorausgangsspannung für den Schutz vor vorübergehenden Überspannungen nicht erforderlich ist.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass diese Anmeldung jegliche Adaptionen oder Variationen der hierin erörterten bestimmten Ausführungsbeispiele abdecken soll. Daher soll die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt sein.

Claims

Steuerschaltung für eine Erregerspule eines Generators, die umfasst: einen ersten aktiven Schaltkreis zum Verbinden einer ersten Klemme einer Erregerspule mit einem ersten oder mit einem zweiten Pol einer Spannungsquelle; einen zweiten aktiven Schaltkreis zum Verbinden einer zweiten Klemme der Erregerspule mit dem ersten oder mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle; einen Generatorregler zum Einstellen des Betriebszyklus des ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreises zum schnellen Steuern des Strom durch die Erregerspule auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder zweite aktive Schaltkreis eine Zweiquadrant-Zerhackerschaltung umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Generatorregler eine erste Steuerschleife zum Steuern des Erregerspulenstroms umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 3, wobei die erste Steuerschleife Folgendes umfasst: eine erste Strommessvorrichtung zum Messen des Erregerspulenstroms als Eingabe für eine erste Signalaufbereitungsvorrichtung zum Erzeugen eines ersten Rückführsignals zum Abziehen vom Erregerspulenstrom-Sollwert als Eingabe für einen Stromregler zum Erzeugen eines Pulsweitenmodulations-(PWM-)Steuersignals als Eingabe für einen PWM-Generator zum Erzeugen eines Treibersteuersignals als Eingabe für eine mit dem ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreis gekoppelte Treiberschaltung zum Steuern des Betriebszyklus des ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreises.
Steuerschaltung nach Anspruch 3, wobei der Generatorregler ferner eine zweite Steuerschleife zum Steuern einer gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators auf einen gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 5, wobei die zweite Steuerschleife Folgendes umfasst: eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators als Eingabe für eine zweite Signalaufbereitungsvorrichtung zum Erzeugen eines zweiten Rückführsignals zum Abziehen vom gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert als Eingabe für einen Spannungsregler zum Erzeugen des Erregerspulenstrom-Sollwerts.
Steuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die zweite Steuerschleife ferner eine zweite Strommessvorrichtung zum Messen eines gleichgerichteten Ausgangsstroms des Generators als weitere Eingabe für die zweite Signalaufbereitungsvorrichtung umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die zweite Steuerschleife ferner eine Frequenzmessvorrichtung zum Messen der Frequenz einer WS-Generatorausgangsspannung als weitere Eingabe für die zweite Signalaufbereitungsvorrichtung umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 8, wobei die zweite Signalaufbereitungsvorrichtung ferner ein Verhältnis zwischen Änderung und Zeit der Frequenz der WS-Generatorausgangsspannung als Teil des zweiten Rückführsignals erzeugt.
Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung wenigstens zwei N-Kanal-MOSFET-Transistoren umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung wenigstens zwei Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs) umfasst.
Steuerschaltung für eine Erregerspule eines Generators, die umfasst: einen ersten aktiven Schaltkreis, der zwischen einen ersten Pol einer Spannungsquelle und eine erste Klemme der Erregerspule gekoppelt werden kann; einen zweiten aktiven Schaltkreis, der zwischen einen zweiten Pol der Spannungsquelle und eine zweite Klemme der Erregerspule gekoppelt werden kann; eine erste Freilaufdiode, die zwischen den zweiten Pol der Spannungsquelle und die erste Klemme der Erregerspule gekoppelt werden kann; eine zweite Freilaufdiode, die zwischen den ersten Pol der Spannungsquelle und die zweite Klemme der Erregerspule gekoppelt werden kann; und einen mit dem ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreis gekoppelten Generatorregler, der an das Einstellen des Betriebszyklus der ersten und/oder zweiten aktiven Schaltschaltung angepasst ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, wobei der erste und/oder zweite aktive Schaltkreis wenigstens zwei N-Kanal-MOSFET-Transistoren umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, wobei der erste und/oder zweite aktive Schaltkreis wenigstens zwei Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs) umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, wobei der erste aktive Schaltkreis wenigstens einen P-Kanal-MOSFET umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, wobei der Generatorregler analoge Komponenten umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, wobei der Generatorregler digitale Komponenten umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, wobei der Generatorregler eine erste Steuerschleife zum Steuern des Erregerspulenstroms auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 18, wobei die erste Steuerschleife Folgendes umfasst: ein erstes Strommessmittel zum Messen des Erregerspulenstroms als Eingabe für ein erstes Signalaufbereitungsmittel zum Erzeugen eines ersten Rückführsignals zum Abziehen vom Erregerspulenstrom-Sollwert als Eingabe für einen Stromregler zum Erzeugen eines PWM-Steuersignals als Eingabe für einen PWM-Generator zum Erzeugen eines Treibersteuersignals als Eingabe für eine mit dem ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreis gekoppelten Treiberschaltung zum Steuern des Betriebszyklus des ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreises.
Steuerschaltung nach Anspruch 18, wobei der Generatorregler ferner eine zweite Steuerschleife zum Steuern einer gleichgerichteten Generatorausgangsspannung auf einen gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 20, wobei die zweite Steuerschleife Folgendes umfasst: ein Spannungsmessmittel zum Messen der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung als Eingabe für ein zweites Signalaufbereitungsmittel zum Erzeugen eines zweiten Rückführsignals zum Abziehen vom gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert als Eingabe für einen Spannungsregler zum Erzeugen des Erregerspulenstrom-Sollwerts.
Steuerschaltung nach Anspruch 21, wobei die zweite Steuerschleife ferner ein zweites Strommessmittel zum Messen eines gleichgerichteten Generatorausgangsstroms als weitere Eingabe für das zweite Signalaufbereitungsmittel umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 21, wobei die zweite Steuerschleife ferner ein Frequenzmessmittel zum Messen der Anzahl der Umdrehungen des Generators oder der Frequenz einer WS-Generatorausgangsspannung als weitere Eingabe für das zweite Signalaufbereitungsmittel umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 23, wobei das zweite Signalaufbereitungsmittel ferner das Verhältnis zwischen Änderung und Zeit der Frequenz der WS- Generatorausgangsspannung als Teil des zweiten Rückführsignals erzeugt.
Generatorbaugruppe, die umfasst: eine Zweiquadrant-Zerhackerschaltung zum Verbinden einer ersten und einer zweiten Klemme einer Erregerspule unabhängig mit einem ersten oder einem zweiten Pol einer Spannungsquelle; einen Generatorregler zum Einstellen des Betriebszyklus der Zweiquadrant-Zerhackerschaltung zum Steuern eines Stroms durch die Erregerspule auf einen Erregerspulenstrom-Sollwert zum Erregen eines Generators zum Erzeugen einer WS-Generatorausgangsspannung als Eingabe für einen Gleichrichter zum Erzeugen einer gleichgerichteten Generatorausgangsspannung.
Generatorbaugruppe nach Anspruch 25, wobei die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung wenigstens zwei N-Kanal-MOSFET-Transistoren und wenigstens zwei Freilaufdioden umfasst.
Generatorbaugruppe nach Anspruch 25, wobei die Zweiquadrant-Zerhackerschaltung wenigstens zwei Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs) und wenigstens zwei Freilaufdioden umfasst.
Generatorbaugruppe nach Anspruch 25, wobei der Generatorregler eine erste, innere Steuerschleife zum Steuern des Erregerspulenstroms und eine zweite, äußere Steuerschleife zum Steuern der gleichgerichteten Generatorausgangsspannung auf einen gleichgerichteten Generatorausgangsspannungs-Sollwert umfasst.
Generatorbaugruppe nach Anspruch 28, wobei die erste Steuerschleife Folgendes umfasst: ein erstes Strommessmittel zum Messen des Erregerspulenstroms als Eingabe für ein erstes Signalaufbereitungsmittel zum Erzeugen eines ersten Rückführsignals zum Abziehen vom Erregerspulenstrom-Sollwert als Eingabe für einen Stromregler zum Erzeugen eines PWM-Steuersignals als Eingabe für einen PWM-Generator zum Erzeugen eines Treibersteuersignals als Eingabe für eine mit dem ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreis gekoppelten Treiberschaltung zum Steuern des Betriebszyklus des ersten und/oder zweiten aktiven Schaltkreises.
Verfahren zum Steuern eines Stroms durch eine Erregerspule eines Generators, das folgende Schritte umfasst: Schalten einer ersten Klemme einer Erregerspule zu einem ersten oder zu einem zweiten Pol einer Spannungsquelle; Schalten einer zweiten Klemme der Erregerspule zum ersten oder zum zweiten Pol der Spannungsquelle; Steuern des Betriebszyklus des Schaltens zum Verfolgen eines Erregerspulenstrom-Sollwerts.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Schalten so ausgeführt wird, dass eine Spannung über die Erregerspule zwischen einem Ausgangsspannungswert der Spannungsquelle und Null wechselt, um ein unipolares pulsweitenmoduliertes Muster der Spannung über die Erregerspule zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Schalten so ausgeführt wird, dass eine Spannung über die Erregerspule zwischen einem Ausgangsspannungswert der Spannungsquelle und dem negativen Wert der Ausgangsspannung der Spannungsquelle wechselt, um ein bipolares pulsweitenmoduliertes Muster der Spannung über die Erregerspule zu erreichen.
Verfahren zum Reduzieren der Schwankungen einer Ausgangsspannung eines Generators durch Änderungen einer Last des Generators, das folgende Schritte umfasst: Umkehren einer Spannung über eine Erregerspule des Generators während wenigstens einer definierten Zeitperiode; Steuern der Dauer von der wenigsten einen definierten Zeitperiode zum Verfolgen eines Erregerspulenstrom-Sollwerts.