DE1166901B

DE1166901B - Arrangement for the speed-dependent limitation of the excitation current of electrical generators

Info

Publication number: DE1166901B
Application number: DES77275A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-12-23
Filing date: 1961-12-23
Publication date: 1964-04-02

Description

Anordnung zur drehzahlabhängigen Begrenzung des Erregerstromes elektrischer Generatoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsanlage mit einem geregelten Generator, insbesondere auf solche Anlagen, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden. Zu diesem Zweck wählt man meist selbsterregte Generatoren (Nebenschlußgeneratoren), also solche, bei denen die Erregerleistung vom Generator geliefert wird. Als Generator kann dabei eine Gleich- oder eine Wechselstrommaschine verwendet werden. Die Spannung eines solchen Generators wird meist durch Änderung des Erregerstromes geregelt. Hierzu kann man die Erregerwicklung über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors an die Klemmen des Generators bzw. die Klemmen des dem Generator nachgeschalteten Gleichrichters anschließen und den Transistor mittels einer Steuerspannung periodisch ein- und ausschalten. Das Tastverhältnis, d. h. also das Verhältnis der Stromflußzeit zur Periodendauer ist dabei abhängig von der Abweichung der Generatorspannung von einem Sollwert. Es handelt sich also um einen sogenannten Zweipunktregler. Der Transistor, der in Reihe mit der Erregerwicklung liegt, muß so beschaffen sein, daß er auch bei Vollast und der dabei vorkommenden niedrigsten Drehzahl den Erregerstrom führen kann. Die Erregerwicklung ist so zu dimensionieren, daß auch bei der höchsten Betriebstemperatur der Wicklung - also deren größtem Widerstand - und bei Sollspannung des Generators noch dieser maximale Erregerstrom durch die Wicklung fließen kann. Bei einer solchen Dimensionierung muß man aber Schutzeinrichtungen vorsehen, durch die eine überlastung des Transistors vermieden wird, zumal insbesondere während des Anlaufvorganges und bei sehr tiefen Temperaturen der Erregerwicklung der Erregerstrom vorübergehend Werte annehmen kann, die wesentlich höher liegen als für die Erregung erforderlich.Arrangement for the speed-dependent limitation of the electrical excitation current Generators The invention relates to a power supply system with a regulated generator, especially on systems such as those used in vehicles will. For this purpose, one usually chooses self-excited generators (shunt generators), i.e. those in which the excitation power is supplied by the generator. As a generator A direct current or an alternating current machine can be used. The voltage such a generator is usually regulated by changing the excitation current. To do this, you can use the excitation winding via the emitter-collector path of a transistor to the terminals of the generator or the terminals of the generator connected downstream Connect the rectifier and the transistor periodically by means of a control voltage to switch on and off. The duty cycle, d. H. thus the ratio of the current flow time the period depends on the deviation of the generator voltage from a setpoint. It is therefore a so-called two-point controller. The transistor which is in series with the excitation winding must be such that it also lead the excitation current at full load and the lowest speed that occurs can. The field winding is to be dimensioned so that even at the highest operating temperature the winding - i.e. its greatest resistance - and at the nominal voltage of the generator this maximum excitation current can still flow through the winding. With such a Dimensioning one must provide protective devices through which an overload of the transistor is avoided, especially during the start-up process and at very low temperatures of the excitation winding, the excitation current temporarily Can assume values that are significantly higher than necessary for arousal.

Zur Veranschaulichung der Verhälnisse wird auf F i g. 1 verwiesen. Dort ist zunächst die Abhängigkeit der Leerlaufspannung U, des Generators von dem Erregerstrom 1F bei verschiedenen Drehzahlen aufgetragen. Aus der Schar der gleichartig verlaufenden Kurven ist zu erkennen, daß die Generatorspannung bei konstantem Erregerstrom mit der Drehzahl steigt. Nun ist aber andererseits bei Nebenschlußgeneratoren der Erregerstrom von der Generatorspannung und dem Widerstand der Erregerwicklung abhängig. Zur Erläuterung sind in F i g. 1 noch die Widerstandsgeraden R1, R2, R3 eingezeichnet. R1 entspricht beispielsweise dem Widerstandsverlauf der Erregerwicklung bei sehr tiefen Temperaturen, R2 dem Widerstandsverlauf der Erregerwicklung bei mittleren Temperaturen. Der Widerstandsgeraden R3 entspricht ein noch größerer Widerstandswert bzw. bei der gleichen Spannung ein kleinerer Stromwert. Dieser Stromwert kann beispielsweise durch Verkleinerung des Tastverhältnisses des Schalttransistors erreicht werden. Einer Verkleinerung des Tastverhältnisses entspricht somit scheinbar eine Vergrößerung des Widerstandes der Erregerwicklung. In das Diagramm ist außerdem noch der Sollwert der Generatorspannung eingetragen. Aus den Kennlinien erkennt man nun, daß sich diese Sollspannung bei mittleren Temperaturen (Widerstandsgerade R2) bei einem Erregerstrom 1E 2 und einer Drehzahl n2 einstellt. Steigt die Drehzahl an, dann wird der wirksame Widerstand im Erregerkreis beispielsweise auf den Wert R3 erhöht, und zwar durch Verändern des Tastverhältnisses der dem Schalttransistor zugeführten Steuerspannung. Eine überlastung des Transistors bei Drehzahlen die größer als n2 sind, ist also in keinem Betriebsfall möglich, wenn 1_P2 der maximal erforderliche Erregerstrom ist.To illustrate the situation, reference is made to FIG. 1 referenced. There, the dependency of the open circuit voltage U, of the generator on the excitation current 1F at different speeds is plotted. From the group of similarly running curves it can be seen that the generator voltage increases with the speed when the excitation current is constant. On the other hand, in shunt generators, the excitation current is dependent on the generator voltage and the resistance of the excitation winding. For explanation are in F i g. 1 shows the resistance lines R1, R2, R3. R1 corresponds, for example, to the resistance curve of the field winding at very low temperatures, R2 to the resistance curve of the field winding at medium temperatures. The resistance straight line R3 corresponds to an even greater resistance value or, at the same voltage, a smaller current value. This current value can be achieved, for example, by reducing the duty cycle of the switching transistor. A reduction in the pulse duty factor thus apparently corresponds to an increase in the resistance of the excitation winding. The nominal value of the generator voltage is also entered in the diagram. From the characteristics it can now be seen that this nominal voltage is set at medium temperatures (resistance line R2) with an excitation current 1E 2 and a speed n2. If the speed increases, the effective resistance in the exciter circuit is increased, for example, to the value R3, specifically by changing the pulse duty factor of the control voltage supplied to the switching transistor. Overloading the transistor at speeds greater than n2 is therefore not possible in any operating case if 1_P2 is the maximum required excitation current.

Anders liegen die Verhältnisse, solange die Generatorspannung z. B. während der Auferregung noch unterhalb des Sollwertes liegt. In diesem Betriebsbereich ist der Transistor ständig voll durchgesteuert. Solange nun der Widerstand der Erregerwicklung einen normalen Betriebswert hat (R.) ist der Transistor nicht gefährdet, da ja dann der Erregerstrom von Null ausgehend nur auf den maximalen Wert l,.., ansteigen kann.The situation is different as long as the generator voltage z. B. is still below the setpoint during the excitement. In this operating area the transistor is always fully controlled. As long as the resistance of the field winding a has normal operating value (R.) the transistor is not endangered, because then the Excitation current starting from zero can only increase to the maximum value l, ...

Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, können sich jedoch bei sehr tiefen Temperaturen der Erregerwicklung, deren Widerstandswert dann z. B. durch die Gerade R, wiedergegeben wird, vorübergehend Ströme einstellen, die wesentlich größer sind als der Stromwert, für den der Schalttransistor im Erregerstromkreis ausgelegt ist. Während also bei mittleren Temperaturen (R.) die Sollspannung erst bei einer Drehzahl n2 erreicht wird, stellt sie sich bei tiefen Temperaturen schon bei niedrigeren Drehzahlen (n1) ein. Daher fließt ein Erregerstrom IF 1, der weit größer als der zulässige Strom ist.As can be seen from the diagram, however, at very low temperatures of the excitation winding, whose resistance value then z. B. is reproduced by the straight line R, temporarily set currents that are much greater than the current value for which the switching transistor in the excitation circuit is designed. While at medium temperatures (R.) the nominal voltage is only reached at a speed n2, at low temperatures it is already reached at lower speeds (n1). Therefore, an excitation current IF 1 flows which is far greater than the permissible current.

Um eine solche Überlastung des Schalttransistors während des Anlaufvorganges zu vermeiden, hatte man bereits vorgeschlagen, den Spannungsregler des Generators durch eine erregerstromabhängige Spannung so zu steuern, daß der Transistor gesperrt wird, sobald der Erregerstrom den maximal zulässigen Grenzwert überschreiten möchte. Nach der Erfindung wird eine Lösung der erwähnten Schwierigkeiten dadurch erreicht, daß der Zweipunktregler drehzahlabhängig ein- und ausgeschaltet wird. Hierzu empfiehlt es sich, die Speisespannung dem Regler über einen Schalttransistor zuzuführen und diesen drehzahlabhängig durchzusteuern. Dieser Transistor wird dabei vorzugsweise so angeordnet, daß er nicht den hohen Erregerstrom zu führen braucht.To such an overload of the switching transistor during the start-up process To avoid it, it had already been suggested to use the voltage regulator of the generator controlled by an exciter current-dependent voltage so that the transistor is blocked as soon as the excitation current wants to exceed the maximum permissible limit value. According to the invention, a solution to the difficulties mentioned is achieved by that the two-position controller is switched on and off depending on the speed. Recommended for this it is to feed the supply voltage to the controller via a switching transistor and to control this depending on the speed. This transistor is preferred arranged so that it does not need to carry the high excitation current.

Als Maß für die Drehzahl des Generators könnte z. B. die Remanenzspannung herangezogen werden. Da diese aber häufig zu klein ist, und außerdem auch kein verläßliches Maß für die Drehzahl ist, wird die Drehzahl z. B. zweckmäßig mit Hilfe einer Tachometermaschine erfaßt. Bei Wechselspannungsgeneratoren kann man gegebenenfalls auch die Frequenz der Remanenzspannung messen und den Transistor einschalten, wenn diese Frequenz einen Grenzwert überschreitet.As a measure of the speed of the generator could, for. B. the remanence voltage can be used. But since this is often too small, and also not a reliable one Measure for the speed, the speed is z. B. useful with the help of a tachometer machine recorded. In the case of alternating voltage generators, the frequency can also be used, if necessary measure the remanent voltage and turn on the transistor when this frequency exceeds a limit value.

Es ist bereits eine Stromversorgungsanlage für Fahrzeuge mit einer geregelten Lichtmaschine bekanntgeworden, die insofern gewisse Ähnlichkeit mit der Erfindung besitzt, als auch dort gewisse Schaltvorgänge drehzahlabhängig durchgeführt werden. Zum Beispiel wird dort die Fahrzeugbatterie mit Hilfe eines Zentrifugalkontaktes erst dann an die Lichtmaschine geschaltet, wenn diese einen Ladestrom liefern kann. Außerdem wird mit Hilfe eines weiteren Zentrifugalkontaktes bei sehr hoben Drehzahlen eine zusätzliche Hilfserregerwicklung eingeschaltet, um auch in diesem Drehzahlbereich eine zufriedenstellende Regelung zu ermöglichen, die selbst mit Hilfe eines mit einem Relais arbeitenden Zweipunktreglers durchgeführt wird. Diese Vorschläge haben jedoch offensichtlich mit dem vorstehend erläuterten, der Erfindung zugrunde liegenden Problem keine Berührungspunkte.It is already a power supply system for vehicles with a Regulated alternator became known, which in this respect has a certain similarity with the Invention possesses, as also carried out there certain switching operations as a function of the speed will. For example, the vehicle battery is there with the help of a centrifugal contact only switched to the alternator when it can deliver a charging current. In addition, a further centrifugal contact is used at very high speeds an additional auxiliary excitation winding is switched on in order also in this speed range a satisfactory scheme to enable yourself with the help of one with a relay working two-point controller is carried out. Have these suggestions however, obviously with that explained above, on which the invention is based Problem no points of contact.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt. Mit 1 ist ein dreiphasiger Wechselstromgenerator bezeichnet, dessen Ausgangsspannung über einen Gleichrichter 3 in Brückenschaltung den Klemmen P und N zugeführt wird. An diese Klemmen ist die Erregerwicklung 6 über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 5 und der Zweipunktregler 4 über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 7 angeschlossen. Die Ausgangsspannung des Reglers 4 wird der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 5 zugeführt. Mit dem Generator 1 ist eine Tachometermaschine 2 mechanisch gekuppelt, deren Klemmen über eine Zenerdiode 8 an die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 7 angeschlossen sind.An embodiment of the invention is shown in FIG. 2 shown. 1 with a three-phase alternating current generator is referred to, the output voltage of which is fed to the terminals P and N via a rectifier 3 in a bridge circuit. The excitation winding 6 is connected to these terminals via the emitter-collector path of a transistor 5 and the two-point controller 4 is connected via the emitter-collector path of a transistor 7. The output voltage of the regulator 4 is fed to the emitter-base path of the transistor 5. A tachometer machine 2 is mechanically coupled to the generator 1 , the terminals of which are connected to the emitter-base path of the transistor 7 via a Zener diode 8 .

Solange die von der Tachometermaschine 2 gelieferte Klemmenspannung kleiner als die Spannung der Zenerdiode 8 ist, bleibt der Transistor 7 und damit auch der Transistor 5 gesperrt. Der Regler 4 kann erst wirksam werden, wenn die Spannung der Tachometermaschine, d. h. die Drehzahl des Generators einen bestimmten Grenzwert überschritten hat. Man kann nun die Tachometermaschine und die Zenerdiode so dimensionieren, daß der Transistor 7 erst durchgesteuert und somit der Regler 4 erst dann wirksam werden kann, wenn die Drehzahl des Generators gleich oder größer als n. ist. Durch eine derartige Anordnung wird der Schalttransistor auch dann sicher vor Überlastung geschützt, wenn die Erregerwicklung sehr kalt ist. Dieser Fall ist in F i g. 1 durch die Kennlinie RI charakterisiert.As long as the terminal voltage supplied by the tachometer machine 2 is lower than the voltage of the Zener diode 8 , the transistor 7 and thus also the transistor 5 remain blocked. The controller 4 can only become effective when the voltage of the tachometer machine, ie the speed of the generator, has exceeded a certain limit value. The tachometer machine and the Zener diode can now be dimensioned in such a way that the transistor 7 is only turned on and thus the controller 4 can only become effective when the speed of the generator is equal to or greater than n. With such an arrangement, the switching transistor is reliably protected from overload even when the excitation winding is very cold. This case is shown in FIG. 1 characterized by the characteristic curve RI.

Sobald hier der Regler eingeschaltet ist, stellt er eine große Regelabweichung fest - die Klemmenspannung des Generators ist ja praktisch noch Null - und schaltet infolgedessen den Transistor 5 ein. Der Anstieg des Erregerstromes ist dann durch die Zeitkonstante des Erregerkreises bestimmt. Bei einem Erregerstrom der Größe 1E z erreicht die Generatorspannung - wie aus F i g. 1 ersichtlich - den Sollwert U"rr. Von da an beginnt der Regler zu tasten und verhindert so eine weitere Zunahme des Erregerstromes. Die Widerstandsgerade R1 in F i g. 1 wird dadurch scheinbar in die Richtung der Geraden R" gedreht.As soon as the controller is switched on, it sets a large control deviation fixed - the terminal voltage of the generator is still practically zero - and switches consequently the transistor 5 on. The increase in the excitation current is then through determines the time constant of the excitation circuit. With an excitation current of the size 1E z reaches the generator voltage - as shown in FIG. 1 can be seen - the setpoint U "rr. From then on the controller begins to feel and thus prevents a further increase of the excitation current. The resistance line R1 in FIG. 1 becomes apparent as a result rotated in the direction of the straight line R ".

Claims

Claims: 1. Arrangement for the speed-dependent limitation of the Excitation current of an electric generator, especially for vehicles, its Excitation winding via a switching transistor to its terminals or an auxiliary voltage source is connected and its terminal voltage is constant with the help of a two-position controller is held by giving the switching transistor a periodic control voltage supplies whose duty cycle is the deviation of the generator voltage from a target value is proportional, characterized in that to protect the with the excitation winding (6) series switching transistor (5) before overloading the controller (4) depending on the speed is switched on and off.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the supply voltage of the regulator (4) is switched.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the controller (4 ) is fed the supply voltage via the emitter-collector path of a switching transistor (7) which is controlled by a speed-dependent voltage.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the emitter-base path of the transistor (7) is connected via a Zener diode (8) to the terminals of a tachometer machine (2) which is mechanically coupled to the generator.

5. Arrangement according to claim 3, characterized in that the transistor (7) of the Remanent voltage of the generator is controlled.

6. Arrangement according to claim 3, characterized characterized in that the transistor depends on the frequency of the remanent voltage is controlled. In. Publications considered: German Auslegeschriften No. 1053 628, 1064 978; UNITED STATES. Patent No. 2,965,765.