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Einrichtung zur Regelung von Generatoren Die Spannungsregelung von
Generatoren mit veränderlicher Antriebsdrehzahl, beispielsweise von Lichtmaschinen
in Fahrzeugen, die vom Antriebsmotor oder den Achsen des Fahrzeuges unmittelbar,
über Getriebe- oder über Keilriemen angetrieben werden, erfolgt im allgemeinen mittels
elektromagnetischer Schnellregler mit bewegten Kontakten, durch welche der Erregerfeldstrom
der Maschinen durch kurzzeitige Unterbrechung in Abhängigkeit von der Maschinenspannung
und vom Maschinenstrom gesteuert wird.
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Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen der Kontaktregler durch einen
Regler mit Transistoren und Dioden ersetzt ist, also kontaktlos ausgeführt ist.
Die Durchlässigkeit der Transistoren wird hierbei in Abhängigkeit von der Lichtmaschinenspannung
bzw. vom Lichtmaschinenstrom gesteuert und damit der Erregerstrom des Generators
kurzzeitig ein- und ausgeschaltet.
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Bei den bekannten Spannungsreglern mit elektromagnetisch betätigten
Kontakten oder mit kontaktloser Schaltung durch Transistoren .werden die Bauteile
des Spannungsreglers im allgemeinen in einem besonderen Reglergehäuse angeordnet,
in welchem außer den Regelelementen auch der Rückstromschalter zur Verhinderung
einer Entladung von an die Lichtmaschine angeschlossenen Batterien angeordnet ist.
Das Reglergehäuse kann räumlich getrennt von der Lichtmaschine im Fahrzeug angeordnet
oder auch an die Lichtmaschine angebaut sein. Zur Verkleinerung des Aufwandes für
das Spannungsregelgerät ist auch schon der Vorschlag gemacht, den elektromagnetischen
Rückstromschalter durch einen Gleichrichter zu ersetzen, der in Richtung des Ladestromes
durchlässig ist, jedoch den Entladestrom der Batterie in Richtung des Generators
sperrt. Es ist ferner bekannt, diese Sperrzelle in die Lichtmaschine selbst einzubauen,
so daß im Reglergehäuse nur noch die Regelelemente angeordnet sind.
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Die Regelcharakteristik der Generatorspannung wird allgemein entweder
als Neigungskennlinie oder als Knickkennlinie vorgesehen. Die Regelung mit geneigter
Kennlinie kann bei den Kontaktreglern mit einem einzigen Regelelement, einem Spannungsrelais,
erzielt werden. das von einer Spannungsspule und von einer Stromspule beeinflußt
wird. Für die Regelung mit Knickkennlinie werden im allgemeinen zwei Regelrelais
eingebaut, nämlich ein Spannungsrelais, welches die Maschinenspannung bis zum Höchststrom
konstant hält, und ein Stromrelais, welches bei Erreichen des höchst zulässigen
Stromes derart wirksam wird, daß die Maschinenspannung steil heruntergeregelt und
dadurch der Generator vor Überlastung geschützt wird.
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Es sind auch Regler für die Spannungsregelung mit geknickterKennlinie
vorgeschlagen worden, bei denen das zusätzliche Stromrelais durch Verwendung eines
Spezialgleichrichters mit definierter Schwellspannung eingespart wird. Der in Serie
mit einer Zusatzwicklung des Spannungsrelais geschaltete Gleichrichter wird durchlässig,
wenn der Spannungsabfall in der parallel zur Gleichrichter und Zusatzwicklung liegenden
Leitung vom Generator zum Regler bei dem Höchststrom des Generators die Schwellspannung
des Gleichrichters überschreitet.
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Diese Lösung erfordert jedoch eine zusätzliche Steuerleitung vom Generator
zum Regler und eine genaue Abstimmung des Leitungswiderstandes zwischen Generator
und Regler.
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Es sind auch Einrichtungen zur Regelung von Generatoren auf konstante
und/oder maximale Ströme oder Spannungen bekanntgeworden, bei denen im Erregerkreis
ein magnetfeldabhängiger Widerstand eingeschaltet ist, dessen Widerstandswerte durch
die Änderung eines von Kenngrößen des Generators Qesteuerten Magnetfeldes beeinflußt
sind. Solche Regeleinrichtungen sind gegenüber anderen Regeleinrichtungen wesentlich
einfacher aufgebaut, da sie einfachere Regelelemente benutzen. so daß der notwendige
Raumbedarf und die Zahl der notwendigen Leitungsverbindungen zwischen Regler und
Generator herabgesetzt sind. Solche Regeleinrichtungen können sich vom Raum- und
Gewichtsbedarf her besonders für die Verwendung in Fahrzeugen eignen. Bei den
bekannten
Regeleinrichtungen der letztgenannten Art besteht jedoch der Nachteil, daß sie die
insbesondere bei Generatorbetrieb auf Fahrzeugen wichtige Knickkennlinie nicht zu
steuern gestatten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil bei Regeleinrichtungen
der vorgenannten Art auf einfache Weise zu beseitigen. Die Lösung der gestellten
Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß der Widerstand des Magnetkreises
durch den Einsatz magnetisch steuerbarer, vorzugsweise beweglicher Teile, wie Anker
u. dgl. stetig und/oder sprunghaft veränderbar gemacht ist. Besonders vorteilhaft
ist es hierbei, einen Klappankermagneten zu verwenden, dessen Ankerträger einer
Rückstellkraft bei Überschreiten einer vorgegebenen Steuergröße angezogen wird.
Die Einstellung des Magneten kann durch eine an ihm angeordnete Vormagnetisierungswicklung
erfolgen, die aus einer Konstantspannungsquelle, z. B. einer Batterie, über einen
Vorwiderstand gespeist wird. An Stelle der beweglichen Teile zur Steuerung des Widerstandes
im Magnetkreis können auch elektrische Mittel, z. B. Wicklungen, vorgesehen sein,
die bestimmte Teile des Magnetkreises in den Sättigungszustand bringen.
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An Hand der Zeichnungen seien Ausführungsbeispiele für eine Einrichtung
gemäß der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt in Prinzipdarstellung einen Generator 1, der durch
irgendeine Kraftmaschine, z. B. den Motor eines Fahrzeuges, angetrieben, auf die
Klemmen eines Netzes oder einer Batterie speist. Die Erregung des Generators 1 erfolgt
durch die Nebenschlußerregerwicklung 2, in deren Stromkreis ein magnetfeldabhängiger
Widerstand 3 mit der Innenelektrode 4 und der Außenelektrode 5 eingeschaltet ist.
Der magnetfeldabhängige Widerstand 3 wird durch das Feld der Wicklung 6 beeinflußt.
Das Feld dieser Wicklung 6 ist durch die eingezeichneten Pfeile, die den Widerstand
3 durchsetzen, angedeutet. Es sei angenommen, daß die Wicklung 2 von einem Strom
durchflossen ist, der der Generatorspannung proportional ist. Soll die Generatorspannung
auf konstanten Wert geregelt werden, so muß die Erregung durch die Nebenschlußwicklung
2 bei Drehzahlsteigerung des Primärantriebes geschwächt und bei wachsender Belastung
des Generators verstärkt werden. Steigt die Spannung am Generator auf Grund einer
Drehzahlsteigerung oder einer Entlastung durch Verbraucher. so wird der Stromfluß
durch die Wicklung 6 und damit auch das den Widerstand 3 durchsetzende Feld gesteigert.
Eine größere Feldstärke im Widerstand 3 ergibt eine Erhöhung des Widerstandswertes
und damit eine entsprechende Herabsetzung des in der Wicklung 2 bei gleicher Speisespannung
fließenden Stromes. Wird durch eine erhöhte Belastung des Generators die Generatorspannung
bei gleicher Antriebsdrehzahl abgesenkt, so ergibt sich eine Herabsetzung der Feldliniendichte
im Widerstand 3 und damit auch eine entsprechende Herabsetzung des Widerstandswertes
des Widerstandes 3. Durch die Herabsetzung des Wertes des Widerstandes 3 wird der
Gesamtwiderstand des Erregerkreises herabgesetzt, damit also der Erregerstrom erhöht
und somit auch die Leistung des Generators.
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Es ist, ersichtlich, daß durch den Einsatz des magnetfeldabhängigen
Widerstandes nicht nur die bekannten kontaktgebenden Realeranordnungen,durch die
abwechselnd ein Regelwiderstand in den Arbeits-Stromkreis der Erregerwicklung zu-
bzw. abgeschaltet wird, ersetzt werden können, sondern daß vielmehr eine völlig
kontaktlose, stetige Regelung möglich ist, ohne daß z. B. durch den Einsatz großer
Widerstandselemente bei großem Regelbereich ein verstärkter Kontaktabbrand oder
ähnliche Abnutzungserscheinungen auftreten. Darüber hinaus arbeitet ein solches
Regelverfahren praktisch trägheitslos, so daß es jeder Belastungs- oder Spannungsänderung
in geeigneter Weise zu folgen vermag. Durch den Fortfall der Kontaktunterbrechungen
arbeitet ein nach der Erfindung aufgebauter Regler ohne jede Funkstörung, so daß
sich entsprechende Entstöreinrichtungen erübrigen.
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Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Magneten 7, in
dessen Magnetkreis ein magnetfeldabhängiger Widerstand 3 mit der Innenelektrode
4 und der Außenelektrode 5 eingebracht ist. Der Magnet 7 besteht aus' einem Magnetkern
8 mit der aufgebrachten Wicklung 9, einem Rückschlußkörper 10 und einem beweglichen
Anker 11, der durch Federglieder 12 oder ähnliche Elemente gelagert ist. Durch den
Einsatz eines Magneten kann selbstverständlich die Feldliniendichte im Bereich des
Widerstandes 3 sehr stark vergrößert werden. Durch die Verwendung eines beweglichen
Ankers 11 ergibt sich die Möglichkeit, den Widerstand des Magnetkreises und damit
auch den Ohmwert des Widerstandes 3 sprunghaft zu ändern. Durch entsprechende Abstimmung
des Ankerlagers läßt sich auch die Regelfrequenz einer solchen Einrichtung an die
Bedürfnisse der Praxis anpassen.
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Selbstverständlich läßt sich an Stelle eines Klappankers auch ein
entgegen der Kraft eines Rückstellelementes, z. B. einer Feder, verschiebliches
Magnetjoch einsetzen, durch das in Abhängigkeit vom Stromfluß in der Wicklung 9
oder eines zusätzlichen Steuergliedes der Widerstand des Magneten stetig oder sprunghaft
veränderbar ist.
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Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Einrichtung
mit Spannungs- und Stromregelelement zur Verwirklichung einer Knickkennlinie nach
der Erfindung. Gleiche Teile sind entsprechend den Fig. 1 und 2 mit gleichen Ziffern
bezeichnet.
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Die auf Spannungsänderungen im Generator ansprechende Wicklung 9 ist
mit einem Gleichrichter 13 beschaltet, der als Schwellwertgleichrichter ausgebildet
ist. Hierdurch wird erreicht, daß ein unter dem vorgegebenen Schwellwert liegender
Spannungsanstieg am Generator keinen Einfluß auf den Widerstandswert des Erregerkreises
auszuüben vermag. Selbstverständlich kann an Stelle eines Schwellwertgleichrichters
auch eine Zenerdiode oder ein anderes geeignetes spannungsabhängiges Element Verwendung
finden.
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Der Magnet 8 ist mit einer weiteren Wicklung 14 versehen, die in Abhängigkeit
vom Generatorstrom gesteuert wird. Hierfür ist ein Hilfskreis vorgesehen, der sich
von der Klemme des Generators über einen Schwellwertgleichrichter 15, die Wicklung
14 des Magneten und einen Widerstand 16 gegen den durch die Masse dargestellten
Minuspol schließt. Parallel zur Serienschaltung des Gleichrichters 15 mit der Wicklung
14 ist der magnetfeldabhängige Widerstand 17 mit seinen Elektroden 18 und 19 geschaltet.
Der magnetfeldabhängige Widerstand 17 wird von einer Stromwicklung 20 beeinflußt,
die im Hauptstromkreis des Generators 1. liegt. Ein Magnetjoch 21 bildet
einen Rückschlußmagnetkreis für das Feld der Wicklung 20.
In den
Hauptstromkreis des Generators 1 ist ferner als Rückstromschalter ein Gleichrichter
22 eingeschaltet.
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Die Wirkungsweise der kombinierten Spannungsstromregeleinrichtung
ergibt sich wie folgt: In Abhängigkeit von der Änderung der Generatorspannung wird
über die Wicklung 9 das dem Widerstand 3 beaufschlagende Feld im Luftspalt des Magneten
8 geändert. Ergänzend hierzu arbeitet die Stromregeleinrichtung über die Wicklung
14 (vgl. Fig. 4). Fließt in der Generatorhauptstromleitung ein Strom, so wird der
Widerstand 17 von Magnetfeldlinien durchsetzt und damit der Wert dieses Widerstandes
17 mit dem vorgeschalteten Widerstand 16 auf eine bestimmte Größe eingestellt. Hierdurch
ergibt sich am Widerstand 17 ein Spannungsabfall, der an der Serienschaltung der
Wicklung 14 und des Gleichrichters 15 anliegt. überschreitet durch entsprechenden
Stromanstieg in der Generatorhauptleitung der Widerstand 17 einen vorgegebenen Wert,
dann wird der Schwellwertgleichrichter 15 leitend und damit die Wicklung 14 mit
einem entsprechenden Strom beaufschlagt. Die Wicklung 14 ist auf den Magneten 8
gleichsinnig zur Wicklung 9 aufgebracht. Mit anderen Worten heißt das, d'aß bei
überschreiten eines vorgegebenen Generatorstromes das Feld im Magneten verstärkt,
der Wert des Widerstandes 3 also heraufgesetzt und damit das Generatorerregerfeld
geschwächt wird.
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Es ist ersichtlich, daß mit der in Fig.3 dargestellten Einrichtung
eine kontaktlos arbeitende Regelung für Generatoren aufgebaut ist, die an alle Forderungen
der Praxis angepaßt werden kann.
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Durch geeignete Anordnung der Elemente kann die Zahl der notwendigen
Verbindungsleitungen zwischen Generator und Regler herabgesetzt werden. Werden z.
B. neben dem Magneten auch die Gleichrichterelemente 13 und 15 sowie der Widerstand
16 dem Regler zugeordnet, während der Widerstand 17 mit dem Magnetjoch 21 und dem
Gleichrichter 22 dem Generator bzw. dem Generatorklemmkasten zugeordnet werden,
so kommt man mit drei einfachen Steuerverbindungsleitungen aus. Um dies zu veranschaulichen,
sind die Verbindungsklemmen 23 in die Zeichnung eingetragen.
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Selbstverständlich kann man den durch den Hauptstrom des Generators
zu steuernden magnetfeldabhängigen Widerstand auch unmittelbar in den Generator,
z. B. in die Wicklungsköpfe so einbauen, daß ein dem Generatorstrom proportionales
Magnetfeld den Widerstand durchsetzt. Auch die Verbindungsleitung zwischen Kommutator
und Klemmenkasten kann zum Aufbau eines den Widerstand 17 steuernden Feldes herangezogen
werden.
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Werden Widerstände oder Widerstandsänderungen im Erregerkreis des
Generators oder im stromgesteuerten Kreis des Reglers notwendig, die durch ein einzelnes
Element nicht oder nur schwer erreichbar sind, so werden gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung Parallel- oder Reihenschaltungen von magnetfeldabhängigen Widerständen
vorgeschlagen.
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Bei Spannungsregeleinrichtungen mit Neigungskennlinien kann die Wicklung
14 auf dem Magneten sowie der Gleichrichter 15 und der Widerstand 16 entfallen.
Der Widerstand 17 wird zusätzlich zum Widerstand 3 des Spannungsregelelementes,
der Erregerwicklung 2 des Generators 1 vorgeschaltet. Bei zunehmender Belastung
des Generators 1 wird infolge des wachsenden Ohmwertes des Widerstandes 17 der Erregerstrom
herabgesetzt. Damit wird eine Erniedrigung der Regelspannung im Sinne der gewünschten
Neigungskennlinie herbeigeführt. Die Neigung der Kennlinie selbst kann durch Wahl
oder Dimensionierung des Widerstandes 17 variiert werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Stromregelelement 17,
21, den Gleichrichter 15 und den Widerstand 16 fortfallen zu lassen. Die Wicklung
14 auf dem Magneten 9 wird in dem Fall mit dem Hauptstrom beaufschlagt.
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Bei Generatoren mit konstanter Antriebsdrehzahl, beispielsweise Lichtmaschinen
an Dieselmotoren, kann der den Erregerwicklungsstrom steuernde Widerstand 3 unmittelbar
im Generator so angeordnet werden, daß er vom Fluß der Erregerwicklung durchsetzt
wird.
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Als magnetfeldabhängige Widerstandselemente werden vorteilhaft Halbleiterelemente
mit einer hohen Trägerbeweglichkeit, vorzugsweise solche auf der Basis der AIIBv-Verbindungen,
wie Indiumarsenid eingesetzt.