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Einrichtung zur Regelung der Spannung eines mit stark wechselnder
Drehzahl angetriebenen Wechselstromgenerators Es ist bekannt, die Ausgangsspannnung
von Generatoren durch Verändern des Erregerstromes der Maschine einzustellen. Die
Energie für das Maschinenfeld wird hierbei vom Generator selbst geliefert. Man kann
dabei die Feldwicklung über geeignete, z. B. nach dem Tirrillprinzip arbeitende
Regler an den Ausgang eines vom Generator gespeisten Gleichrichters anschließen.
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Eine solche, nach dem Tirrillprinzip arbeitende Schaltung zum Steuern
des Erregerstromes eines Generators ist in der USA: Patentschrift 3 009 091 beschrieben.
Bei dieser Schaltung wird die Spannung des am Ausgang der Ständerwicklung eines
Wechselstromgenerators liegenden Gleichrichters als Kriterium für das Durchsteuern
eines in Reihe mit der Erregerwicklung liegenden Thyristors benutzt. Sinkt die Gleichrichterspannung
unter einen bestimmten Wert, so wird der Thyristor durchlässig gesteuert, wodurch
ein Erregerstrom fließt und die Ausgangsspannung steigt. Der Thyristor bleibt jeweils
so lange leitend, bis die Spannung des Wechselstromgenerators durch Null geht. Er
wird während der nächsten Wechselspannungshalbwelle erneut gezündet, wenn die Ausgangsspannung
des Generators einen oberen Grenzwert noch nicht erreicht hat. Der Thyristor wird
erst dann nicht mehr gezündet, wenn der obere Grenzwert überschritten wird.
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Mit dieser Anordnung ist jedoch keine stetige Regelung der Ausgangsspannung
möglich. Will man eine stetige Regelung erzielen, dann sind zur Steuerung eines
Thyristors in einer derartigen Anordnung Zündimpulse erforderlich, deren Folgefrequenz
ein ganzes Vielfaches der Frequenz der Speisewechselspannung ist und deren Phasenlage,
bezogen auf die Speisewechselspannung, von der Größe einer Steuergleichspannung
abhängig ist.
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Diese Impulse werden meist von einem Steuersatz geliefert, der eine
periodische, vorzugsweise sägezahnförmige Vergleichsspannung mit der Frequenz n
- f liefert, wobei f die Frequenz der Speisewechselspannung ist. Diese Spannung
wird mit der Steuergleichspannung in der Weise verglichen, daß die Lage der Zündimpulse
durch den Schnittpunkt der periodischen Vergleichsspannung mit der Steuergleichspannung
gegeben ist. Diese Methode, die Zündzeitimpulse zu gewinnen, ist jedoch nicht mehr
anwendbar, wenn sich die Frequenz der Speisewechselspannung in weiten Grenzen, z.
B. im Verhältnis 1: 10, ändert, wie dies der Fall ist, wenn der Generator, z. B.
in Kraftfahrzeugen, mit stark wechselnder Drehzahl angetrieben wird. Viehmehr ist
dann eine Synchronisierung der Vergleichsspannung mit der Speisewechselspannung
erforderlich.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Spannung
eines mit stark wechselnder Drehzahl angetriebenen Wechselstromgenerators, dessen
Erregerwicklung über einen Thyristor an seine Klemmen angeschlossen ist, bei dem
die Lage der dem Thyristor periodisch zugeführten Zündimpulse durch Vergleich einer
periodischen Spannung mit einer Steuergleichspannung bestimmbar ist. .
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Der Zweck der Erfindung besteht darin, den durch die Steuergleichspannung
bestimmten Steuerwinkel der Zündimpulse für den Thyristor von der Drehzahl des Generators
unabhängig zu machen.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsspannung
eine vom gleichen Generator gelieferte Wechselspannung verwendet ist, die um 90°
e1. der die Erregerwicklung speisenden Spannung nacheilt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine gesonderte, mit
der Drehzahl des Generators zu synchronisierende Synchronisierspannungsquelle entfällt,
da die Synchronisierspannung aus der Generator-Spannung selbst abgeleitet wird.
Damit hängt der Ansteuerwinkel nicht von der Drehzahl des Generators, sondern nur
von der eingestellten Steuerspannung ab.
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Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung werden an Hand der
Figuren erläutert.
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F ig. 1 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung schematisch den
Aufbau einer Stromversorgungsanlage für Kraftfahrzeuge. Der Verbraucher ist mit
14 bezeichnet und über einen Gleichrichter 12, z. B. in Drehstrombrückenschaltung,
an die drei Klemmen RST eines Dreiphasen-Synchrongenerators 11 angeschlossen. Parallel
zum Verbraucher liegt eine Batterie 13.
Die Erregerwicklung des
Generators ist mit 17 bezeichnet und über einen Thyristor 16 an die Klemmen RS des
Generators angeschlossen. Parallel zur Erregerwicklung 17 liegt eine Nullanode 18.
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Die Größe der am Verbraucher 14 liegenden Gleichspannung ist bestimmt
durch die vom Generator 11 gelieferte Wechselspannung, und diese ist wiederum bei
einer bestimmten Drehzahl und Belastung von dem mittleren, die Wicklung 17 durchfließenden
Erregerstrom abhängig. Der mittlere Erregerstrom wird bestimmt durch die Phasenlage
der dem Thyristor 16 periodisch zugeführten Zündimpulse, bezogen auf die Phasenspannung
RS. Diese Zündimpulse werden geliefert von einem Steuersatz 15, dem einerseits die
am Verbraucher 14 liegende Gleichspannung und andererseits die vom Generator 11
gelieferte Wechselspannung zugeführt wird, von der eine periodische Vergleichsspannung
abgeleitet wird.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Steuersatzes 15 ist in F i g.
2 die den Erregerkreis speisende Wechselspannung URS und die von der Wechselspannung
des Generators 11 abgeleitete Vergleichsspannung UV abhängig von der Zeit t aufgetragen.
Die Vergleichsspannung UV eilt der Spannung URS um 90° nach (cos-Funktion). Diese
Vergleichsspannung UV wird mit einer beispielsweise von der Abweichung der am Verbraucher
14 liegenden Gleichspannung von einem Sollwert abhängigen Steuerspannung Ust verglichen
und die so gewonnene Differenzspannung in bekannter Weise einem Kippelement zugeführt,
das einen Zündimpuls liefert, sobald die Spannung UV größer als die Spannung Ust
wird. In F i g. 2 sind zwei Werte für die Spannung Ust nämlich Ustl und U$t, sowie
die zugehörigen Zündzeitpunkte t1, t2 und die sich ergebenden Spannungszeitflächen
(schraffiert) eingezeichnet.
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Die Vergleichsspannung UV läßt sich auf verschiedene Weise von den
Dreiphasenspannungen des Generators 11 ableiten. Geht man beispielsweise davon aus,
daß die Erregerwicklung, wie in F i g. 1 gezeichnet, an die Phasen R und S angeschlossen
ist, dann kann als Vergleichsspannung UV direkt die um 1809 phasengedrehte Spannung
zwischen der Phase T und dem Mittelpunkt Mp verwendet werden.
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Man kann die Spannung UV aber auch mit Hilfe des in F i g. 3 gezeigten
frequenzunabhängigen Phasenschiebers von den Spannungen UTR und TTs ableiten. Hierzu
sind zwei Transformatoren 31 und 32 erforderlich, deren Primärwicklungen an die
Klemmen T und R bzw. T und S des Generators angeschlossen sind
lind deren Sekundärwicklungen - in Reihe geschaltet - zwei ebenfalls in Serie liegende
Widerstände R1 und R2 speisen. Zwischen den Verbindungspunkten der Widerstände R1
und R2 (1) und der Sekundärwicklungen (2) ergibt sich dann eine Vergleichsspannung
UV, die der Phasenspannung UR um 60° vor und der Phasenspannung US um 60°, d. h.
also der Phasenspannung URS um 90° nacheilt, wenn die Widerstände gleich bemessen
sind.
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Die zuletzt genannte Lösung ist besonders vorteilhaft, wenn der gesamte
Steuerbereich von 180° ausgenutzt werden soll. In diesem Fall empfiehlt es sich,
einen der beiden, Widerstände der Anordnung nach F i g. 3 abhängig von der Steuergleichspannung
(z. B. abhängig von der Abweichung der gewünschten Gleichspannung von einem Sollwert)
zu verändern. Hierzu kann man z. B. an Stelle eines Widerstandes einen Transistor
verwenden, In diesem Fäll Wird dann die Phasendifferenz zwischen der Spannung
URS und der Vergleichsspannung UV abhängig von Größe und Voxzeichen der Steuerspannung
Ust größer oder kleiner als 90°.
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Der Aufbau eines besonders einfachen Steuersatzes 15 ist in 1~' i
g. 4 gezeigt, wobei in teilweiser Übereinstimmung mit F i g. 1 der Generator mit
11, der Gleichrichter mit 12; die Batterie mit 13, der Verbraucher mit 14, die Erregerwicklung
mit 17, der Thyristor mit 18 und die Nullanode mit 19 bezeichnet ist. Die Zündimpulse
für den Thyristor 18 werden von der Sekundärwicklung eines Transformators 41 geliefert,
dessen Primärwicklung über einen Widerstand 42 an den Ausgang des Gleichrichters
12 angeschlossen ist. Der Primärwicklung ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines
Transistors 43 parallel geschaltet, dessen Emitter-Basis-Strecke über einen Widerstand
44 der Elnltter-Kollektor-Strecke eines Transistors 45 parallel geschaltet ist.
Dieser Transistor 45 ist Teil einer bekannten, aus einem Wider= stand 461, einem
veränderbaren Widerstand 462 und einer Zenerdiode 463 bestehenden Schaltungsanordnung,
die mit der Ausgangsspannung des Gleichrichters 12 gespeist wird und die eine Spannung-
USj liefert, die von der Abweichung der vom Gleichrichter 12 gelieferten Spannung
von einer am Widerstand 462 einstellbaren Sollwertspannung abhängt.
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Außerdem ist die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 43 über den
Widerstand 47 an die Ausgangsklemmen 1 und 2 des vorstehend an Hand der F i g. 3
näher erläuterten Phasenschiebers 48 ungeschlossen.
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Der am Widerstand 462 abgegriffene Teil der Generator Istspannung
(Gleichspannung) wird mit der Zenerspannung der Zenerdiode 463 (Sollwert) verglichen,
Bei Abweichungen vom Sollwert wird der Transistor 45 ausgesteuert. An der Basis
des Transistors 43 werden die der Regelabweichung umgekehrt proportionale Gleichspannung
Ugt und die von der Anordnung 4$ gelieferte Vergleichsspannung UV im Sinne einer
Differenzbildung überlagert. Die Spannung UV ist hierbei von den Spannungen UTs
und UTR des Genteratoxs 11 abgeleitet. Wenn der Basisstrom des Transistors 43 Null
wird, liegt an der Primärwicklung des Transformators 41 zunächst die volle Gleichspannung,
An der Sekundärwicklung entsteht daher ein Spannungsimpuls, der zum Zünden des Thyristors
18 verwendet wird.
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Das beschriebene Verfahren ist auch bei anderen Schaltungen des Thyristors
anwendbar, Zur Erhöhung des - Gleichstrom-Mittelwertes, des Erregerstromes kann
man z. B. mehrphasige Schaltungen aufbauen oder den Thyristor zwischen einer Phase
und einem Pol des Haupt- oder eines Hilfsgleichrichters anschließen oder Kombinationen
dieser Schaltungen bilden.