DE1095924B

DE1095924B - Control device for alternators with highly variable drive speed, especially for three-phase alternators

Info

Publication number: DE1095924B
Application number: DES44076A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Georg Sichling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-05-25
Filing date: 1955-05-25
Publication date: 1960-12-29

Description

Regeleinrichtung für Wechselstromgeneratoren mit stark veränderlicher Antriebsdrehzahl, insbesondere für Drehstromlichtmaschinen Zur Stromerzeugung in Bordnetzen von Fahrzeugen werden in steigendem Maße Synchrongeneratoren verwendet, die leichter als die üblichen Gleichstromlichtmaschinen sind und wegen des Fortfalls von Kollektoren auch wartungsloser sind, da die an ihre Stelle tretenden Gleichrichtersätze in Vollwegschaltung aus kontaktlosen ruhenden Teilen bestehen und ferner die Aufgabe der Lade- und Rückstromschalter mit übernehmen können.Control device for alternators with highly variable Drive speed, especially for three-phase alternators To generate electricity in On-board networks of vehicles are increasingly used synchronous generators, which are lighter than the usual DC alternators and because of the elimination of collectors are also less maintenance, since the rectifier sets that take their place consist in full path circuit of contactless stationary parts and also the task the charging and reverse current switch can take over.

Die bekannten Gleichstromlichtmaschinen arbeiten entweder mit kontaktbehafteten Schaltungsmitteln oder mit kontaktlosen Anordnungen, wobei sie entweder zwei gesonderte Wicklungen mit gesonderten Kollektoren oder eine gesonderte Erregermaschine haben. Es ist bei derartigen Generatoren bekannt, eine Generatorerregerwicklung oder die Erregermaschine über eine Brückenschaltung zu erregen, die aus ohmschen und spannungsabhängigen Widerständen besteht. Es wird dabei die Brückendiagonalspannung zur Erregung benutzt, die in ihrer Polarität und Größe von der Größe der an die Brücke angelegten Gleichspannung abhängt. Zur Regelung von Gleich- und Drehstromlichtmaschinen ist ferner die Verwendung von Kohledruckreglern bekannt, die im Erregerstromkreis in Reihe mit Gleichrichtern oder im Stromkreis von Erregermaschinen liegen.The known DC alternators work either with contact Circuit means or with contactless arrangements, with either two separate Have windings with separate collectors or a separate exciter. It is known in such generators, a generator excitation winding or the Excitation machine to excite via a bridge circuit, which consists of ohmic and voltage-dependent Resistance exists. The bridge diagonal voltage is used for excitation, the polarity and size of the size of the DC voltage applied to the bridge depends. It is also used to regulate DC and three-phase alternators known from carbon pressure regulators that are in series with rectifiers in the excitation circuit or in the circuit of exciters.

Ferner sind zur Regelung von Drehstromgeneratoren zum Laden von Akkubatterien Magnetverstärker in Verbindung mit Gleichrichtern bekanntgeworden, und es ist schließlich bekannt, Röhren zur Regelung der Erregung solcher Maschinen zu verwenden.They are also used to regulate three-phase generators for charging rechargeable batteries Magnetic amplifiers became known in connection with rectifiers, and finally it is known to use tubes to regulate the excitation of such machines.

Alle diese bekannten Anordnungen arbeiten mit einer stetigen Regelung, bei der der Erregerstrom stufenlos so eingestellt wird, daß die gewünschte Ausgangsspannung erreicht wird.All these known arrangements work with a continuous regulation, in which the excitation current is continuously adjusted so that the desired output voltage is achieved.

Diese Regelungsart ist die naheliegendste. Bei Verwendung von steuerbaren Halbleiterwiderständen, insbesondere Transistoren, ergeben sich aber insofern Schwierigkeiten, als hierbei die im Halbleiterkörper auftretende Verlustleistung die Verwendung überdimensionierter Halbleiterkörper notwendig macht, da die Halbleiterkörper in bezug auf die zumutbare Verlustleistung so groß bemessen sein müßten, daß diese der durchschnittlichen Erregerleistung entsprechen würde.This type of regulation is the most obvious. When using controllable However, semiconductor resistors, especially transistors, result in difficulties than the power loss occurring in the semiconductor body, the use of oversized ones Makes semiconductor body necessary, as the semiconductor body with respect to the reasonable Power loss would have to be dimensioned so large that this corresponds to the average excitation power would correspond.

Der Betrieb von Halbleitern auf diese Weise für den genannten Zweck verbietet sich daher aus wirtschaftlichen Gründen.The operation of semiconductors in this way for the stated purpose is therefore prohibited for economic reasons.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Erregerstrom eines Wechsel- oder Drehstromgenerators in Abhängigkeit von der Generatorspannung unter Fortfall der genannten Nachteile zu steuern.The invention is based on the object, the excitation current of a AC or three-phase generator depending on the generator voltage below Control of the elimination of the disadvantages mentioned.

Nach der Erfindung läßt sich das Problem auf zwei t'ter@Chiedlichen Wegen besonders vorteilhaft lösen, und zwar entweder dadurch, daß ein im Erregerstromkreis liegender steuerbarer Halbleiterwiderstand, insbesondere ein Schalttransistor. von der Querspannung einer Halbleiterbrücke gesteuert wird, an deren andere Diagonalpunkte ein Teilbetrag der Generatorwechselspannung gelegt ist; oder dadurch, daß an den Steuerkreis eines im Erregerkreis liegenden steuerbaren Halbleiterwiderstandes, insbesondere eines Schalttransistors, eine von einem Gleichrichter abgenommene Halbwellen-Öffriungsvorspannung gelegt ist, der die Generatorspannung oder eine dieser proportionale Spannung in entgegengesetzter Richtung überlagert ist.According to the invention, the problem can be broken down into two different ways Because of particularly advantageous solve, either by having one in the excitation circuit lying controllable semiconductor resistor, in particular a switching transistor. from the transverse voltage of a semiconductor bridge is controlled at the other diagonal points a partial amount of the alternator voltage is applied; or by the fact that the Control circuit of a controllable semiconductor resistor located in the excitation circuit, in particular a switching transistor, a half-wave opening bias voltage taken from a rectifier which is the generator voltage or a voltage proportional to it in opposite direction is superimposed.

Somit gelingt es, auch mit verhältnismäßig kleinen steuerbaren Halbleitern unverhältnismäßig große Steuerleistungen zu schalten und dadurch den steuerbaren Halbleitern Eintritt in die Regeltechnik bei Lichtmaschinen oder anderen Generatoren stark schwankender Drehzahl der genannten Art zu verschaffen und die an sich bekannten Vorteile solcher Halbleiterkörper zur Geltung zu bringen.It is thus possible even with relatively small controllable semiconductors to switch disproportionately large tax payments and thereby the controllable Semiconductors Entry into the control technology of alternators or other generators to provide strongly fluctuating speed of the type mentioned and the known per se To bring out the advantages of such semiconductor bodies.

Eine Regeleinrichtung gemäß der Erfindung beansprucht sehr wenig Raum. Sie arbeitet ohne mechanische Kontakte und besitzt hohe Lebensdauer. Es ist auf einfache Weise möglich, eine Knickkennlinie für die Regelung zu erzielen, d. h., daß bis zum höchstzulässigen Belastungsstrom die Spannung annähernd konstant bleibt, um dann sehr rasch abzufallen. Dies wird dadurch erreicht, daß die aus dem Strom gewonnene Regelgröße über einen Schwellwertgleichrichter an die Steuerelektrode des Halbleiters gelegt wird, so daß die Stromregelung erst von einem bestimmten Strom an, dann aber sehr kräftig einsetzt.A control device according to the invention takes up very little space. It works without mechanical contacts and has a long service life. It is open a simple way of achieving a kink characteristic for the regulation, d. H., that the voltage remains approximately constant up to the maximum permissible load current, only to fall off very quickly. This is achieved by removing the stream won Controlled variable via a threshold rectifier to the Control electrode of the semiconductor is placed, so that the current control only from one certain current, but then starts very vigorously.

Einzelheiten der Erfindung- ergeben sich aus der Zeichnung, in der ein schematisches Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Der von den Ständerwicklungen 2, 2' und 2" der Lichtmaschine gelieferte Drehstrom wird von Ventilen 14 in- Vollweggleichrichterschaltung auf bekannte Weise in Gleichstrom zur Ladung der Batterie 15 und zur Versorgung weiterer nicht dargestellter Verbraucher umgeformt. Die Läuferwicklung 1 zur Erregung ist an zwei Schleifringe 3, 3' angeschlossen, auf denen Bürsten 4, 4' schleifen. An eine der drei - Ständerwicklungen oder einen besonderen Transformator ist der Erregerkreis gekoppelt, in dem noch die Wicklung 6 und der als Regelgleichrichter wirkende Transistor 5, im Ausführungsbeispiel vom Typ.p-n-p, liegen. Die Erregung erfolgt also mit Halbwelleüstrom, und auch die Regelung arbeitet nur in einer H$lbwelle einer Phase.Details of the invention emerge from the drawing in which a schematic embodiment is shown. The one from the stator windings 2, 2 'and 2 "of the alternator supplied three-phase current is supplied by valves 14 in a full-wave rectifier circuit in a known manner in direct current for charging the battery 15 and for supplying it further not shown consumer reshaped. The rotor winding 1 for excitation is connected to two slip rings 3, 3 ', on which brushes 4, 4' slide. To one of the three stator windings or a special transformer is the Coupled excitation circuit, in which still the winding 6 and as a control rectifier Acting transistor 5, in the exemplary embodiment of the type p-n-p, lie. The excitement thus takes place with half-wave current, and the control only works in one half-wave a phase.

Eine weitere Wicklung 7 speist eine Brücke 8, die aus zwei linearen Widerständen 10, 10' und zwei nichtlinearen Widerständen 9, 9' besteht und die spannungsabhängige Regelgröße erzeugt. Erhöhung der Brückenspeisespannung bewirkt eine starke Abnahme der Brückenquerspannung; welche den Steuerstrom des Transistors liefert. Derartige Regelbrücken sind an sich für Gleichstrom bekannt.Another winding 7 feeds a bridge 8, which consists of two linear Resistors 10, 10 'and two non-linear resistors 9, 9' and the voltage-dependent one Controlled variable generated. An increase in the bridge supply voltage causes a strong decrease the bridge transverse stress; which supplies the control current of the transistor. Such Control bridges are known per se for direct current.

Mit steigender Brückenspeisespannung nimmt bei diesen Gleichstrombrücken zunächst die Querspannung zu, erreicht einen Maximalwert und sinkt dann ab, bis die nichtlinearen Widerstände die Größe erreicht haben, mit der sie die Brückenabgleichbedingung erfüllen. Eine weitere Erhöhung der Brückenspeisespannung bewirkt eine Umkehrung der Polarität der Querspannung. Man kann z. B. den Arbeitspunkt, d. h. die Grundspeisespannung der Brücke so groß wählen, daß die Abgleichbedingung erfüllt ist, so daß bei steigender Speisespannung die Querspannung negativer, bei sinkender Speisespannung positiver wird.With increasing bridge supply voltage, the DC bridges decrease first the transverse voltage increases, reaches a maximum value and then decreases until the non-linear resistances have reached the size with which they meet the bridge compensation condition fulfill. A further increase in the bridge supply voltage causes a reversal the polarity of the transverse voltage. You can z. B. the working point, d. H. the basic supply voltage Select the bridge so large that the adjustment condition is fulfilled, so that with increasing Supply voltage the transverse voltage is more negative, with decreasing supply voltage more positive will.

Im vorliegenden Halbwellenbetrieb ist die Funktion der Regelbrücke etwas verschieden. In jeder Halbwelle wird die Regelkennlinie der Brücke voll durchlaufen, vom Anstieg der Querspannung über das Maximum und den Brückenabgleich bis zur umgekehrten Polarität der Querspannung. Bei geringen Lichtmaschinenspannungen und entsprechend kleinen Speisespannungen ist der Transistor über die ganze Halbwelle geöffnet. Steigt jedoch die Amplitude der Speisespannung, so wird in jeder Halbwelle der Abgleichzustand der Brücke überschritten und die Polarität der Querspannung umgekehrt, so daß der Transistor im Verlauf der Halbwelle zunächst geöffnet, dann geschlossen und dann wieder geöffnet ist. Die Schließungsdauer nimmt mit steigender Amplitude der Speisespannung zu, der Mittelwert des Transistorstromes ab. In Reihe mit den nichtlinearen Widerständen 9, 9' liegen noch Ventile 9", 9"', welche die Brücke für die zweite Halbwelle einer Phase gänzlich sperren. Unter Umständen können diese Ventile auch gleichzeitig als nichtlineare Widerstände dienen.In the present half-wave operation, the function of the control bridge is somewhat different. The control characteristic of the bridge is fully run through in each half-wave, from the rise in the transverse voltage to the maximum and the bridge adjustment to the reverse polarity of the transverse voltage. At low alternator voltages and correspondingly low supply voltages, the transistor is open over the entire half-wave. However, if the amplitude of the supply voltage increases, the balance state of the bridge is exceeded in each half-wave and the polarity of the transverse voltage is reversed, so that the transistor is first opened, then closed and then opened again during the half-wave. The closing time increases with increasing amplitude of the supply voltage, the mean value of the transistor current decreases. In series with the non-linear resistors 9, 9 'there are also valves 9 ", 9"' which completely block the bridge for the second half-wave of a phase. Under certain circumstances, these valves can also serve as non-linear resistors at the same time.

In der Regelspannungsphase liegt ferner ein Stromwandler mit der Primärwicklung 11, dessen Sekundärwicklung 12 über den Schwellwertgleichrichtersatz 13 am Widerstand 16 eine im Sperrsinn wirkende Vorspannung für den Transistor erzeugt, sobald der Phasenstrom einen bestimmten Wert überschreitet. Während die Spannungsregelung kontinuierlich wirkt, beginnt die Stromregelung also erst von einem Grenzwert an. Beide Regeleinrichtungen setzen bei Erhöhung der Spannung bzw. des Stromes den Transistorstrom und damit den Erregerstrom so herab, daß sich die obengenannte Knickkennlinie ergibt. Es bereitet keine Schwierigkeit, die erforderliche Abstimmung der Kennlinien, und zwar insbesondere der Erreger-, Transistor- und Brückenkennlinie vorzunehmen.In the control voltage phase there is also a current transformer with the primary winding 11, the secondary winding 12 of which via the threshold value rectifier set 13 at the resistor 16 generates a reverse bias for the transistor as soon as the Phase current exceeds a certain value. While the voltage regulation is continuous acts, the current control therefore only starts from a limit value. Both control devices set the transistor current when the voltage or the current increases, and thus the excitation current so that the above-mentioned buckling curve results. It prepares no difficulty, the necessary coordination of the characteristics, in particular the exciter, transistor and bridge characteristics.

Eine andere Möglichkeit der Spannungsregelung ist in Fig.2 schematisch gezeigt, in der die Bezugszeichen von Fig. 1 verwendet wurden. Die Wicklung 7 ist in zwei Wicklungen 7' und 7" aufgeteilt, von denen die Wicklung 7' gegensinnig, die Wicklung 7" gleichsinnig bezüglich der Wicklung 6 geschaltet sind. Über den Gleichrichter 18 und den Widerstand 17 fließt Strom in jeder Halbwelle, in der auch der Transistor durchlässig ist. Der Gleichrichter 18 soll hierbei so stark ausgesteuert werden, daß der Spannungsabfall an ihm über den größten Teil der Halbwelle praktisch konstant ist (Begrenzerschaltung). Dieser Spannungsabfall dient als Öffnungsvorspannung für den Transistor 5 und soll so groß sein, daß der Transistor voll durchlässig ist. In der Zuleitung für die Öffnungsvorspannung zur Steuerelektrode des Transistors liegt noch die den Wicklungen 6 und 7" gegensinnige Wicklung 7', die eine Spannung umgekehrter Polarität erzeugt. Diese Spannung ist der Lichtmaschinenspannung proportional. Die Summe von Spannungsabfall am Gleichrichter 18 und Spannung der Wicklung 7' wird in jeder Halbwelle zunächst Öffnung, dann Sperrung und schließlich erneute Öffnung des Transistors bewirken, wobei die Übergänge von Öffnungs- zu Sperrzustand und umgekehrt so schnell vor sich gehen sollen, daß der Transistor nur als Schalter arbeitet. Je höher die Lichtmaschinenspannung, desto schneller wird die Spannung der Wicklung T, deren Amplitude und Anstiegssteilheit mit der Lichtmaschinenspannung und -frequenz wächst, die über fast die gesamte Halbwelle konstante Spannung am Gleichrichter 18 auf Null reduzieren, so daß die Sperrzeit des Transistors in jeder Halbwelle mit der Lichtmaschinenspannung zunimmt. Damit wird wieder eine Steuerung der Erregung im Sinne einer Konstanthaltung der Spannung erzielt. Eine zusätzliche Stromregelung ist auch hier durchführbar, wie in Fig.2 gezeigt.Another possibility of voltage regulation is shown schematically in FIG. 2, in which the reference symbols from FIG. 1 have been used. The winding 7 is divided into two windings 7 ′ and 7 ″, of which the winding 7 ′ is connected in opposite directions and the winding 7 ″ is connected in the same direction with respect to the winding 6. Current flows through the rectifier 18 and the resistor 17 in every half-cycle in which the transistor is also permeable. The rectifier 18 should be controlled so strongly that the voltage drop across it is practically constant over the greater part of the half-wave (limiter circuit). This voltage drop serves as an opening bias voltage for the transistor 5 and should be so large that the transistor is fully permeable. In the supply line for the opening bias voltage to the control electrode of the transistor there is also the winding 7 'opposite to windings 6 and 7 ", which generates a voltage of opposite polarity. This voltage is proportional to the alternator voltage. The sum of the voltage drop at the rectifier 18 and the voltage of the winding 7 In each half-cycle, the transistor will first open, then block and finally open again, whereby the transitions from opening to blocking state and vice versa should take place so quickly that the transistor only works as a switch. The higher the alternator voltage, the faster the voltage of the winding T, the amplitude and steepness of which increases with the alternator voltage and frequency, reduce the constant voltage at the rectifier 18 over almost the entire half-cycle to zero, so that the blocking time of the transistor increases in each half-cycle with the alternator voltage again a control of the E excitation achieved in the sense of keeping the voltage constant. An additional current regulation can also be carried out here, as shown in FIG.

Die Regelung muß nicht auf Halbwellen beschränkt sein. Es ist ohne weiteres möglich, den Erregerstrom und/oder die Regelgrößen nicht aus einer, sondern aus allen drei Phasen zu gewinnen und gleichzurichten. Der Transistor 5 kann in diesem Fall auch parallel zur Erregerwicklung 1 und diese Parallelschaltung über einen Vorwiderstand an die Erregergleichspannung gelegt werden, so daß der Transistor als steuerbarer Nebenschlußwiderstand wirkt. Die Regelbrücke 8 ist dann unter Umständen entbehrlich, da bei steigender Spannung der Strom durch den Transistor ebenfalls steigen muß, um den Erregerstrom zu senken. Bei der erwähnten getrennten Gleichrichtung kann statt des Transistors auch ein anderer steuerbarer Halbleiter ohne Gleichrichterwirkung Verwendung finden, z. B. ein magnetfeldabhängiger Widerstand, der von zwei Kerndrosseln gesteuert wird, die je ein spannungs- bzw. stromabhängiges Magnetfeld erzeugen. Ferner ist es möglich, der Stromregelung nicht den Belastungsstrom der Lichtmaschine, sondern den Ladestrom der Batterie zugrunde zu legen, z. B. mittels einer Drossel als induktivem Widerstand im Spannungsregelkreis, die vom Ladestrom vormagnetisiert wird. Die Zahl der Ausführungsmöglichkeiten ist nur durch den Rahmen der Erfindung beschränkt, welcher allgemein die Verwendung von Transistoren und anderen steuerbaren Halbleitern für die Regelung von Wechselstromerzeugern mit stark schwankender Antriebsdrehzahl umfaßt. Es ist denkbar, nicht die Erregung zu steuern, sondern drei der Gleichrichterventile 14 durch Transistoren zu ersetzen und eine gesteuerte Gleichrichtung des Drehstromes vorzunehmen. Diese Art der Regelung ist dann vorteilhaft, wenn die Spannung der gesamten elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeuges höher gewählt wird als heute üblich. Von Spannungen von etwa 60 V aufwärts ist der Transistor als Regelgleichrichter geeignet.The regulation does not have to be limited to half waves. It is without further possible, the excitation current and / or the controlled variables not from one, but to win and rectify from all three phases. The transistor 5 can in in this case also parallel to the excitation winding 1 and this parallel connection via a series resistor can be applied to the DC excitation voltage, so that the transistor acts as a controllable shunt resistor. The control bridge 8 is then under certain circumstances dispensable, as the current through the transistor also increases when the voltage rises must increase in order to lower the excitation current. With the mentioned separate rectification Instead of the transistor, another controllable semiconductor without a rectifier effect can also be used Find use, e.g. B. a magnetic field-dependent resistor, that of two core chokes is controlled, which each generate a voltage or current-dependent magnetic field. It is also possible to not use the current control to reduce the load current of the alternator, but to use the charging current of the battery as a basis, e.g. B. by means of a throttle as an inductive resistor in the voltage control loop, the from the charging current is pre-magnetized. The number of possible designs is only limited by the framework of the invention, which generally includes the use of transistors and other controllable semiconductors for the regulation of alternators with strong includes fluctuating drive speed. It is conceivable not to control the arousal but to replace three of the rectifier valves 14 with transistors and one make controlled rectification of the three-phase current. This type of scheme is advantageous when the voltage of the entire electrical system of a motor vehicle is chosen higher than usual today. From voltages of around 60 V upwards is the Transistor suitable as a regulating rectifier.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Regulation of the excitation current of an alternating current generator as a function of the generator voltage, characterized in that a controllable semiconductor resistor (5), in particular a switching transistor, located in the excitation circuit, is controlled by the transverse voltage of a semiconductor bridge (8) at the other diagonal points a partial amount (7) of the alternator alternating voltage is placed.

2. Regulation the excitation current of an alternating current generator as a function of the generator voltage, characterized in that a controllable one located in the excitation circuit is connected to the control circuit Semiconductor resistor, in particular a switching transistor (5), one of a Rectifier (18) removed half-wave opening bias is placed, which the Generator voltage or a voltage proportional to this in the opposite direction is superimposed.

3. Regulation according to claim 1, characterized in that the semiconductor bridge of two linear (10) and two in series with rectifiers (9 ", 9" ') non-linear resistors (9, 9 ').

4. Regulation according to claim 1 or 2, characterized in that a threshold rectifier dependent on the generator current (13) from a certain current value onwards a controlled variable fed to the control circuit to control the semiconductor resistance in the sense of limiting the excitation current generated.

5. Regulation according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the controllable semiconductor resistor for rectifying the from Alternating current derived excitation current is also used.

6. Regulation after a or more of the preceding claims, characterized in that the excitation circuit together with its control units via voltage and current transformers to at least one Phase of the alternator is connected.

7. Regulation according to claim 1 or 2, characterized in that a control device dependent on the battery charging current is provided which generates a control variable for influencing the semiconductor resistance in the sense of a charging current limitation. Considered publications: German Patent Nos. 621 439, 432 805, 650 811, 737 428, 755 653; Austrian Patent No. 173 123; U.S. Patent Nos. 2,594,730, 2,421,645; British Patent No. 608 673.