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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Generatoranordnung mit einem Generatorregler, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Generatoranordnung sowie eine Recheneinheit, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Eine Generatoranordnung für Kraftfahrzeugbordnetze kann eine fremderregte, elektrische Maschine mit einer Erregerwicklung (Läuferwicklung) und einer Ständerwicklung, einen der Ständerwicklung nachgeschalteten Gleichrichter und einen Generatorregler ("Feldregler") aufweisen, der die von der elektrischen Maschine erzeugte Spannung mittels des Stroms durch die Läuferwicklung regelt. Solche Generatoranordnungen kommen in unterschiedlicher Ausprägung in Kraftfahrzeugbordnetzen zum Einsatz. Wenngleich die vorliegende Erfindung auf derartige Kraftfahrzeugbordnetze Bezug nimmt, ist ein Einsatz der vorliegenden Erfindung auch bei Luft- und/oder Wasserfahrzeugen möglich.
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Bei bekannten Generatoranordnungen, beispielsweise Klauenpolgeneratoren, ist die Erregerwicklung an zumindest einem Anschluss über einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit einem Spannungspol verbunden. Der Halbleiterschalter kann durch eine Ansteuereinheit getaktet angesteuert werden, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation, so dass sich ein Strom durch die Erregerwicklung gezielt einstellen lässt. Dies ermöglicht eine Einstellung der Ausgangsspannung der Generatoranordnung, die durch einen entsprechenden Generatorregler überwacht werden kann.
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Probleme ergeben sich dann, wenn es aufgrund einer Fehlfunktion des Generators zu Überspannungen kommt. Unter einer "Überspannung" wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Spannung verstanden, die oberhalb eines Werts liegt, der durch ein entsprechendes Kraftfahrzeugbordnetz bzw. seine Komponenten sicher verkraftet werden kann. Bei Überspannungen kommt es ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen zu einer Beschädigung der in dem Bordnetz angeschlossenen Verbraucher.
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Im Regelfall besteht ein Kraftfahrzeugbordnetz aus mindestens einem Generator, mindestens einer Batterie und einer Vielzahl elektrischer Verbraucher. Mit steigendem Verbreitungsgrad sicherheitsrelevanter elektrischer Systeme im Fahrzeug, beispielsweise dem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) und dergleichen, kommt dem Schutz des Bordnetzes eine steigende Bedeutung zu. Besonders wichtig ist dabei der Schutz des Bordnetzes vor Überspannung, wie erläutert. Dieser Schutz wird in gewissen Grenzen durch den Einsatz von Zenerdioden im Gleichrichter aktueller Generatoren gewährleistet.
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Aus der
DE 10 2008 043 402 A1 ist zur Reduktion einer Überspannung eine Aufschaltung zusätzlicher Lasten bekannt. Sie zeigt ein Verfahren zur Überwachung der Ansteuerung des Halbleiterschalters der Erregerwicklung. Jedoch ist bei der dort gezeigten Anordnung beim Ausfall dieses Halbleiterschalters mit einem Kurzschluss ein Abschalten des Erregerstroms nicht möglich. In der Folge kann der Generator durch überschüssige Leistungsabgabe ins Bordnetz eine Überspannung hervorrufen.
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Die
EP 0 377 853 A1 zeigt eine Kurzschlusseinrichtung, die im Überspannungsfall die Erregerspannung kurzschließen soll. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine Hilfsgleichrichtereinheit, die bei heute üblichen Generatoren nicht vorhanden ist. Darüberhinaus tritt hier der Nachteil auf, dass die Schutzschaltung den kompletten Kurzschlussstrom dauerhaft tragen muss und damit kosten- und bauraumintensiv ist.
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Die vorliegende Erfindung will damit das Auftreten von Überspannungen in Bordnetzen in Folge einer Fehlfunktion eines Generators sicher verhindern. Insbesondere soll dies mit einer kleinbauenden und kostengünstig zu implementierenden Schutzschaltung erreicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Anmeldung eine Generatoranordnung mit einem Generatorregler, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Generatoranordnung, eine entsprechende Recheneinheit sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht von einer Generatoranordnung mit einem Generatorregler mit einer Ansteuereinheit und einer Erregerwicklung aus. Die Erregerwicklung ist an einem ersten Anschluss über einen ersten, durch die Ansteuereinheit ansteuerbaren Halbleiterschalter mit einem ersten Spannungspol und über einen zweiten, durch die Ansteuereinheit ansteuerbaren Halbleiterschalter mit einem zweiten Spannungspol verbindbar. An einem zweiten Anschluss ist die Erregerwicklung mit dem zweiten Spannungspol verbunden.
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Teil der Generatoranordnung ist ferner ein Gleichrichter, der dafür eingerichtet ist, aus einem Wechselstrom, der durch den Generator bereitgestellt wird, beispielsweise einem dreiphasigen Drehstrom, einen Gleichstrom zu erzeugen, der zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes erforderlich ist. Eine derartige Generatoranordnung ist unten unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert.
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Die Erfindung schlägt nun vor, die Ansteuereinheit derart auszubilden, dass sie in einem Fehlerfall, in dem die Erregerspule dauerhaft mit dem ersten Spannungspol verbunden ist, den ersten Spannungspol durch Ansteuern des zweiten Halbleiterschalters mit dem zweiten Spannungspol verbindet, so dass sich ein Stromfluss durch die Erregerspule verringert.
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Wie zuvor erläutert, wird im Rahmen der Erfindung unter einem "Halbleiterschalter" jedes ansteuerbare Schaltelement verstanden, das zum Schalten entsprechender Ströme in einer Generatoranordnung eingerichtet ist. In besonderer Weise eignen sich die eingangs erwähnten MOSFET, aber auch bipolare Transistoren oder bipolare Transistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT).
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Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung als "erster Spannungspol" bezeichnete Spannungspol ist typischerweise der positive Batteriepol (üblicherweise auch als B+ bezeichnet), der "zweite Spannungspol" ist typischerweise der Masseanschluss. In Fahrzeugen, in denen die Karosserie auf Masse, ein Versorgungsanschluss einer Batterie hingegen auf einem negativen Potential liegt, kann der "erste Spannungspol" auch ein negativer Spannungsanschluss sein. In jedem Fall ergibt sich bei einer direkten Verbindung des ersten Spannungspols mit dem zweiten Spannungspol ein Kurzschluss, der zu einem entsprechend hohen Stromfluss durch den Generatorregler führt.
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Eine vorteilhafte Generatoranordnung weist einen Generatorregler auf, der einen Trennkontakt umfasst, der derart ausgebildet ist, dass er aufgrund der Verbindung des ersten Spannungspols mit dem zweiten Spannungspol in dem Fehlerfall eine Trennung der Erregerwicklung von dem ersten Spannungspol bewirkt. Ein derartiger Trennkontakt kann beispielsweise als Schmelzleiter ausgebildet sein, insbesondere als sogenannter Bondkontakt, über den die Generatoranordnung mit einem entsprechenden Spannungspol verbunden ist. Ein derartiger Bondkontakt ist erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass er den im Normalbetrieb maximal möglichen Strom sicher tragen kann. Kommt es aufgrund einer defektbedingten Verbindung des ersten Spannungspols mit dem zweiten Spannungspol durch den Generatorregler, der zu einem höheren Stromfluss führt, schmilzt dieser Schmelzkontakt ab. Der Schmelzkontakt übernimmt damit eine Sicherungsfunktion.
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Ein Fehlerfall, der erfindungsgemäß durch die Ansteuerung des zweiten Halbleiterschalters bewältigt wird, kann beispielsweise ein sogenanntes "Durchlegieren" des ersten Halbleiterschalters sein. In einem solchen Fall erweist sich ein derartiger Halbleiterschalter als nicht mehr ansteuerbar. Er verbindet in diesem Fall den ersten Spannungspol dauerhaft mit der Erregerwicklung.
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Ein besonderer Vorteil ist, mindestens zwei voneinander unabhängige Möglichkeiten zur Abschaltung des Erregerstroms zur Verfügung zu haben, wobei vorzugsweise auf bereits vorhandene Bauteile zurückgegriffen wird. Der Zusatzaufwand gegenüber dem Stand der Technik beschränkt sich auf die entsprechende Ausbildung einer geeigneten Steuerschaltung und unter Umständen auf die entsprechende Dimensionierung des erwähnten Trennkontakts.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen verhindern damit sicher das Auftreten von Überspannungen im Bordnetz in Folge einer Fehlfunktion des Generators, beispielsweise einem Durchlegieren eines Halbleiterschalters. Dies wird erfindungsgemäß mit einer Schalteinrichtung gelöst, die bereits im Regler vorhanden ist und/oder für einen geringen Strom ausgelegt werden kann und daher kostengünstig herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ergibt sich damit eine Erhöhung der Betriebssicherheit. Gegenüber den eingangs erwähnten Verfahren des Standes der Technik ergibt sich eine sehr viel einfachere und unaufwändigere Schutzbeschaltung. Die Baugröße der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Generatoranordnung erhöht sich durch die Schutzschaltung nur unwesentlich, was einen erheblichen Vorteil bietet, da die Baugröße des Generators und des Reglers im Fahrzeug herkömmlicherweise Begrenzungen unterliegt. Die Erfindung ermöglicht ferner, Kosten für andere Maßnahmen wie Redundanz der vorhandenen Halbleiterschalter und/oder Sensoren einzusparen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Generatorregler, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Generatoranordnung mit einem Bordnetz in schematischer Teildarstellung.
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2 zeigt einen Generatorregler mit einer Erregerwicklung in schematischer Darstellung.
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3 veranschaulicht einen Fehlerfall bei dem Generatorregler mit der Erregerwicklung aus 2.
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4 veranschaulicht Maßnahmen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an dem Generatorregler mit der Erregerwicklung aus der 2.
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5 veranschaulicht Maßnahmen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an dem Generatorregler mit der Erregerwicklung aus der 2.
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6 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
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In 1 ist eine Generatoranordnung 10 in einem Bordnetz 100, das nur teilweise und stark schematisiert veranschaulicht ist, dargestellt. Die Generatoranordnung 10 umfasst den eigentlichen Generator 20 und dessen Erregerwicklung 2. Der Generator 20 kann in üblicher Weise, beispielsweise als Klauenpolgenerator, ausgebildet sein. Der Generator 20 kann über Leitungen u, v und w einen entsprechenden Ausgangsstrom, beispielsweise einen dreiphasigen Drehstrom, bereitstellen. Über die Leitungen u, v und w ist der Generator mit einem Gleichrichter 3 verbunden, der dafür eingerichtet ist, beispielsweise durch aktive Ansteuerung entsprechender Schaltelemente, aus dem dreiphasigen Drehstrom einen entsprechenden Gleichstrom bereitzustellen.
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Der Gleichstrom liegt zwischen einem ersten Spannungspol B+ und einem zweiten Spannungspol GND an. Wie erwähnt, kann es sich bei dem ersten Spannungspol B+ beispielsweise um einen positiven Batteriepol, bei dem zweiten Spannungspol GND um Masse handeln.
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In das nur teilweise dargestellte Bordnetz 100 ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie 4 und eine Last 5 eingebunden. Der Generator 20 kann vom Fahrzeug, in dem das entsprechende Bordnetz 100 ausgebildet ist, z.B. über einen Riemen vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. Die Generatoranordnung 10 umfasst einen Generatorregler 1, an den über Leitungen c und d die Erregerwicklung 2 angebunden ist. Der Aufbau des Generatorreglers 1 mit seiner Erregerwicklung 2 wird in der nachfolgenden 2 näher veranschaulicht. Der Generatorregler 1 kann über eine Kommunikationsleitung e mit weiteren Steuergeräten verbunden sein. Der Generatorregler 1 überwacht insbesondere über eine Leitung a, ob eine Spannung, gemessen an dem ersten Spannungspol B+, innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. Eine entsprechende Auswertung bzw. Überwachung kann beispielsweise zeitabhängig oder abgeleitet von einer Anstiegsgeschwindigkeit der entsprechenden Spannung erfolgen. Über weitere Leitungen f und b ist der Generatorregler 1 mit einer oder mehreren der Phasenleitungen u, v, w und/oder mit dem zweiten Spannungspol GND verbunden.
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In 2 ist der Generatorregler 1 mit der zugehörigen Erregerwicklung 2 im Detail dargestellt. 2 zeigt einen Normalbetrieb. Der Generatorregler 1 umfasst eine Ansteuereinrichtung 11, die über die bereits erwähnten Leitungen e und f mit weiteren Steuergeräten und/oder mit einem Phasenanschluss u, v oder w verbunden ist. Die Erregerwicklung 2 ist, wie bereits dargestellt, über Leitungen c und d angebunden. Der Generatorregler weist aktive Schaltelemente in Form von Halbleiterschaltern 12 und 13 auf; diese können über parallel geschaltete sogenannte Freilaufdioden (ohne Bezeichnung) verfügen. Über entsprechende Ansteuerleitungen h und g sind die aktiven Schaltelemente 12 und 13 durch die Ansteuereinheit 11 ansteuerbar.
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Über die Leitung a ist der erste Halbleiterschalter 12 mit dem ersten Spannungspol B+ verbunden. Über die Leitung b ist der zweite Halbleiterschalter 13 mit dem zweiten Spannungspol GND verbunden. Ist in einem Normalbetrieb, d. h., wenn keine unzulässig hohe Spannung durch den Generatorregler 1 an dem ersten Spannungspol B+ erkannt wurde, verhält sich der Regler wie folgt:
Wenn der Erregerstrom durch die Erregerwicklung 2 erhöht werden soll, wird der erste Halbleiterschalter 12 eingeschaltet, insbesondere getaktet, der Strom durch die Erregerwicklung 2 steigt damit an. Dies ist in der 2 durch einen fett dargestellten, gestrichelten Pfeil N veranschaulicht. Sollte der Erregerstrom reduziert werden, wird statt des ersten Halbleiterschalters 12 der zweite Halbleiterschalter 13 geöffnet. Hierdurch ist die Erregerwicklung 2 kurzgeschlossen, der Erregerstrom "läuft sich frei", wie im Detail in 5 veranschaulicht. Hierzu wird der zweite Halbleiterschalter 13 bzw. dessen Freilaufdiode verwendet.
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Ein Trennkontakt 14 ist vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass er bei übermäßigem Stromfluss abschmilzt. Dies kann dann der Fall sein, wenn aufgrund einer Fehlfunktion des ersten Halbleiterschalters 12 ein dauerhafter Kontakt zwischen dem ersten Anschluss c der Erregerwicklung 2 und dem ersten Spannungspol B+ besteht. Dieser Fall ist in der 3 dargestellt. Wie ersichtlich kommt es in diesem Fall zu einem permanenten Stromfluss F durch die Erregerwicklung, die ohne weitere Maßnahmen zu Überspannungen im angeschlossenen Bordnetz führen würde. Dem wird dadurch begegnet, dass in einem solchen Fehlerfall, in dem der erste Halbleiterschalter 12 nicht mehr ausgeschaltet werden kann, auch der zweite Halbleiterschalter 13 leitend geschaltet wird. Diese Situation ist in 4 dargestellt. In diesem Fall kommt es aufgrund der direkten leitenden Verbindung zwischen dem ersten Spannungspol B+ und dem zweiten Spannungspol GND zu einem Kurzschlussstrom S. Dieser Stromfluss ist so hoch, dass er jedenfalls einen Schwellwert überschreitet, der zu einer Trennung der Erregerwicklung 2 von dem ersten Spannungspol B+ über den Trennkontakt 14 führt. Dieser schmilzt ab ("brennt durch"). Wird also nicht bereits in der in 3 dargestellten Stromflusssituation ein Durchschmelzen des Schmelzkontakts 14 bewirkt, erfolgt dies jedenfalls in dem Zustand der 4. In diesem Fall fließt aufgrund der dort vorhandenen induktiven Widerstände nur ein relativ geringer Stromfluss S' durch die Erregerwicklung 2. Bereits dieser geringere Stromfluss S' führt zu einem Abbau der Überspannung auch ohne Trennkontakt.
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Nach dem Durchbrennen des Trennkontakts 14, dargestellt in 5, besteht damit kein direkter Kontakt mehr zwischen der Erregerwicklung 2 und dem ersten Spannungsanschluss B+. Die Erregerwicklung 2 ist jedoch kurzgeschlossen, da sie über den Halbleiterschalter 13 bzw. die entsprechende Freilaufdiode und die entsprechenden mit dem zweiten Spannungspol verbundenen Anschlüsse kurzgeschlossen ist. Hierdurch kommt es, mit einem Pfeil X veranschaulicht, zu einem "Freilaufen" des Erregerstroms. Diese Situation entspricht, wie zuvor erläutert, jener, die auch in herkömmlichen Schaltungen dadurch erreicht wird, dass der Halbleiterschalter 2 geöffnet und der Halbleiterschalter 13 geschlossen wird.
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Die 6 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans. Das Verfahren ist insgesamt mit 200 bezeichnet. In einem Schritt 210 werden dabei, beispielsweise in Form entsprechender Zyklen 211, jeweils Spannungswerte am ersten Spannungspol B+, d.h. Ausgangsspannungen der Generatoranordnung, ausgelesen. In einem Normalbetriebsmodus, d. h. wenn kein Fehler vorliegt, geht das Verfahren nicht über den Schritt 210 hinaus. Wird jedoch ein entsprechender Fehler erkannt, wie zuvor erläutert, beispielsweise beim fehlerhaften Einschalten des Halbleiterschalters 12, setzt sich das Verfahren mit einem Schritt 220 fort. In diesem Schritt wird ein Signal 221 ausgegeben, das bewirkt, dass der zweite Halbleiterschalter 13 eingeschaltet wird. Hierdurch erhöht sich der Strom durch den Trennkontakt 14, weil dieser mit der Summe aus dem induktiven Strom durch die Erregerwicklung 2 und durch den zweiten Halbleiterschalter 13 belastet wird. Hierdurch kann der Trennkontakt 14 zum Durchschmelzen gebracht werden. Ist dies der Fall, wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren 200 der Zustand herbeigeführt, der in 5 gezeigt ist. Dieser Schritt ist mit 230 bezeichnet.
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In Varianten kann das erfindungsgemäße Verfahren 200 auch umfassen, den Halbleiterschalter 13 nur dann anzusteuern, wenn nicht bereits schon der durch die Erregerwicklung fließende, erhöhte Strom zum Unterbrechen des Trennkontakts 14 geführt hat. So kann in einer weiteren Variante eine entsprechende Generatoranordnung auch so dimensioniert werden, dass bereits bei einer aufgetretenen Überspannung der Trennkontakt unterbrochen wird, weil sich in einem solchen Fall bei einem kurzgeschlossenen Halbleiterschalter 12 ein deutlich höherer Strom ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043402 A1 [0006]
- EP 0377853 A1 [0007]