DE1273047B

DE1273047B - Voltage regulator for a three-phase generator that can be driven with rapidly changing speeds

Info

Publication number: DE1273047B
Application number: DEB68109A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Franz Dietl; Helmut Domann; Hermann Mittag
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1962-07-20
Filing date: 1962-07-20
Publication date: 1968-07-18
Also published as: GB1042470A; JPS426659Y1

Description

Spannungsregler für einen mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbaren Drehstromgenerator Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für einen mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbaren Drehstromgenerator, der drei über einen aus drei Gleichrichterpaaren bestehenden Gleichrichtersatz und zwei Laststromleitungen an eine Sammlerbatterie anschließbare Drehstromwicklungen und eine zur Selbsterregung dienende Nebenschlußfeldwicklung hat, welcher der Erregerstrom über mit den Drehstromwicklungen verbundene steuerbare Gleichrichter zugeführt wird, deren Steuerelektroden an einen Steuertransistor angeschlossen sind, dem seinerseits ein mit seiner Basis über eine Zenerdiode an die Generatorausgangsspannung angeschlossener Vortransistor vorgeschaltet ist.Voltage regulator for a drivable with strongly changing speeds Alternator The invention relates to a voltage regulator for a three-phase generator drivable with strongly changing speeds, the three over a rectifier set consisting of three pairs of rectifiers and two load current lines Three-phase windings that can be connected to a collector battery and one for self-excitation Serving shunt field winding has, which the excitation current over with the three-phase windings connected controllable rectifier is supplied, the control electrodes of which are connected to a Control transistor are connected, which in turn has a with its base via a Zener diode connected upstream of the generator output voltage is.

Aus der japanischen Patentschrift 37-2271 ist ein Drehstromgenerator dieser Art bekanntgeworden, bei welchem jede der in Sternschaltung verbundenen Drehstromwicklungen an die Kathode eines steuerbaren Gleichrichters angeschlossen ist und die steuerbaren Gleichrichter an ihren Anoden untereinander und mit einem Ende der Feldwicklung verbunden sind, die an den Sternpunkt der Drehstromwicklungen angeschlossen ist. Um diese Gleichrichter zur Erzielung des notwendigen Erregerstromes in den stromleitenden Zustand steuern zu können, ist ein Transistoroszillator und ein mit diesem in einer Schwingschaltung verbundener Transformator vorgesehen, der außer seiner im Kollektorkreis des Transistors liegenden Primärwicklung und seiner im Basiskreis des Transistors liegenden Sekundärwicklung noch eine dritte Wicklung hat, welche mit den Steuerelektroden der steuerbaren Gleichrichter über je einen Widerstand und eine mit diesem in Reihe liegende Diode verbunden ist. Der Transistoroszillator erzeugt während des Betriebes des Generators selbsterregte Schwingungen, welche die steuerbaren Gleichrichter stromleitend halten, solange die Generatorausgangsspannung unter ihrem Sollwert liegt. Sobald sie jedoch den Sollwert erreicht oder gar überschreitet, wird der Vortransistor durch die als Sollwertgeber dienende Zenerdiode stromleitend gemacht und sperrt den Transistoroszillator. Infolge der dann fehlenden Oszillatorschwingungen bleiben auch die steuerbaren Gleichrichter gesperrt, und die Generatorausgangsspannung sinkt dann so weit ab, daß der Vortransistor stromlos wird und daher der Transistoroszillator erneut schwingen und die Gleichrichter stromleitend machen kann.Japanese Patent 37-2271 discloses an alternator became known of this type, in which each of the star-connected three-phase windings is connected to the cathode of a controllable rectifier and the controllable Rectifiers on their anodes with each other and with one end of the field winding are connected, which is connected to the star point of the three-phase windings. To these rectifiers to achieve the necessary excitation current in the conductive Being able to control the state is a transistor oscillator and one with it in one Oscillating circuit connected transformer provided, except for its in the collector circuit of the transistor lying primary winding and its in the base circuit of the transistor lying secondary winding still has a third winding, which with the control electrodes the controllable rectifier has one resistor each and one in series with it lying diode is connected. The transistor oscillator generates during operation of the generator self-excited vibrations, which the controllable rectifier Keep energized as long as the generator output voltage is below its setpoint lies. However, as soon as it reaches or even exceeds the setpoint, the Pre-transistor made conductive by the Zener diode serving as a setpoint generator and locks the transistor oscillator. As a result of the missing oscillator oscillations the controllable rectifier and the generator output voltage also remain blocked then drops so far that the pre-transistor is de-energized and therefore the transistor oscillator can oscillate again and make the rectifier conductive.

In dieser bekannten Anordnung ist es für die Selbsterregung des Generators beim Anlauf aus dem Stillstand heraus erforderlich, daß diese selbsterregten Schwingungen auch dann erzeugt werden können, wenn die Generatorausgangsspannung sehr niedrig ist. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn der Generator zusammen mit einer als Puffer wirkenden Batterie betrieben wird.In this known arrangement it is for the self-excitation of the generator when starting from standstill it is necessary that these self-excited vibrations can also be generated when the generator output voltage is very low is. However, this is only possible if the generator is used together with an as Buffer-acting battery is operated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von steuerbaren, jeweils unmittelbar an eine der Drehstromwicklungen angeschlossenen Gleichrichtern eine Regelanordnung zu schaffen, welche auch bei fehlender Batterie eine Selbsterregung des Generators sicherstellt und eine galvanische Kopplung der Steuerelektroden der Gleichrichter mit dem Steuertransistor erlaubt, der beim Erreichen des Sollwertes der Ausgangsspannung des Generators die nach jeder Wechselspannungshalbwelle in ihrem Sperrzustand zurückkehrenden steuerbaren Gleichrichter gesperrt halten soll, jedoch unterhalb des Sollwertes die Gleichrichter mit impulsförmigen Steuerströmen stromleitend macht. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß die Kombination folgender für sich bekannter Merkmale vorgesehen: a) daß die Feldwicklung an eine der beiden Laststromleitungen angeschlossen ist, b) daß jede der Steuerelektroden der Gleichrichter über mindestens einen Widerstand mit dem Kollektor des Steuertransistors galvanisch verbunden ist, c) daß der Steuertransistor an seiner Basis über einen Widerstand mit der gleichen Laststromleitung wie die Feldwicklung verbunden und mit seinem Emitter an die andere der beiden Laststromleitungen angeschlossen ist, d) daß der Steuertransistor an seiner Basis mit dem Arbeitswiderstand und dem Kollektor des Vortransistors verbunden ist, dessen Basis über einen - vorzugsweise aus einem Widerstand und einem mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator bestehenden - Rückkopplungszweig an den Kollektor des Steuertransistors angeschlossen ist.The invention is based on the object, using controllable, rectifiers connected directly to one of the three-phase windings to create a control system which, even if the battery is missing, self-excitation of the generator and a galvanic coupling of the control electrodes of the Rectifier with the control transistor allowed when the setpoint is reached the output voltage of the generator which after each alternating voltage half-wave in to keep the controllable rectifier returning to its blocking state blocked, but below the setpoint the rectifier with pulsed control currents makes it conductive. According to the invention, the combination is to achieve this object the following known features provided: a) that the field winding to a of the two load current lines is connected, b) that each of the control electrodes the rectifier via at least one resistor to the collector of the control transistor is galvanically connected, c) that the control transistor at its base via a Resistor connected to the same load power line as the field winding and its emitter is connected to the other of the two load current lines, d) that the control transistor at its base with the load resistor and the collector of the pre-transistor is connected, the base of which has a - preferably from one Resistor and a capacitor connected in series with it - Feedback branch is connected to the collector of the control transistor.

Bei der Anordnung nach der genannten japanischen Patentschrift ist der Transformator und demzufolge auch der Transistoroszillator deswegen vorgesehen, weil die Feldwicklung an den Sternpunkt der Drehstromwicklungen des Generators angeschlossen ist und daher eine galvanische Trennung zur potentialfreien Zuführung der Steuerspannungen für die steuerbaren Gleichrichter notwendig ist. Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung nach den Merkmalen a) bis c) ist eine solche Trennung nicht erforderlich. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, daß die Steuerelektrodenstrecken der Gleichrichter selbsttätig stromlos werden, sobald zwischen den Hauptelektroden der Leitungszustand einsetzt. Es ist deshalb möglich, bereits mit einem für nur kleine Leistungen bemessenen Steuertransistor auszukommen und diesen mit einem ebenfalls leistungsschwachen Vortransistor in der an sich bekannten Schmitt-Trigger-Anordnung gemäß Merkmal d) zu einem empfindlichen und sehr genau arbeitenden Spannungsfühler zu vereinigen.In the arrangement according to the aforementioned Japanese patent the transformer and therefore also the transistor oscillator are provided, because the field winding is connected to the neutral point of the alternator's three-phase windings and therefore a galvanic separation for the potential-free supply of the control voltages is necessary for the controllable rectifier. As a result of the arrangement according to the invention according to features a) to c), such a separation is not required. About that there is also the advantage that the control electrode sections of the rectifier automatically become de-energized as soon as the line state between the main electrodes begins. It is therefore possible to already use one sized for only small services Control transistor get along and this with a likewise low-performance pre-transistor in the known Schmitt trigger arrangement according to feature d) to a sensitive one and to combine very precisely working voltage sensors.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Drehstromlichtmaschine mit Regler und zugehöriger Pufferbatterie, F i g. 2 das elektrische Schaltbild dieser Anlage. Die Lichtmaschine ist zum Betrieb auf Eisenbahn-und Kraftfahrzeugen bestimmt und enthält in ihrem Lichtmaschinengehäuse 10 drei in Sternschaltung miteinander verbundene feststehende Drehstromwicklungen 11,12 und 13 und eine Feldwicklung 14, die auf dem nicht dargestellten, mit H1Ife einer Riemenscheibe 15 antreibbaren Anker sitzt und ein mit dem Anker umlaufendes Magnetfeld erzeugt. Das umlaufende Magnetfeld induziert in den feststehenden Drehstromwicklungen 11 bis 13 Wechselspannungen, die durch einen Gleichrichtersatz gleichgerichtet und einer Batterie 16 sowie nicht dargestellten an die Batterie anschließbaren Verbrauchern zugeführt werden. Der Gleichrichtersatz enthält drei Gleichrichterpaare, von denen jedes aus einem mit seiner Ableitungselektrode an die gemeinsame, zum Pluspol der Batterie 16 führende Plusleitung 17 angeschlossenen Gleichrichter 18 und einem mit seiner Zuleitung an die Minusleitung 20 angeschlossenen Gleichrichter 19 besteht. Jedes der drei Gleichrichterpaare ist an eine andere der drei Wechselstromwicklungen 11 bis 13 angeschlossen.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows F i g. 1 a three-phase alternator with regulator and associated buffer battery, FIG. 2 the electrical circuit diagram of this system. The alternator is intended for operation on railways and motor vehicles and contains in its alternator housing 10 three fixed three-phase windings 11, 12 and 13 connected to one another in star connection and a field winding 14 which sits on the armature (not shown) and can be driven with a pulley 15 generated with the armature rotating magnetic field. The rotating magnetic field induces alternating voltages in the stationary three-phase windings 11 to 13 , which are rectified by a set of rectifiers and fed to a battery 16 and to consumers (not shown) that can be connected to the battery. The rectifier set contains three rectifier pairs, each of which consists of a rectifier 18 connected with its discharge electrode to the common plus line 17 leading to the plus pole of the battery 16 and a rectifier 19 connected with its feed line to the minus line 20. Each of the three pairs of rectifiers is connected to a different one of the three AC windings 11 to 13.

Zur Regelung der zwischen der Plusleitung 17 und der Minusleitung 20 auftretenden Generatorausgangsspannung ist ein Spannungsregler R vorgesehen, der zwei Steuertransistoren 21 und 22, ein Potentiometer 23 als Istwertgeber und eine Zenerdiode 24 als Sollwertgeber enthält. Im einzelnen ist der Spannungsregler folgendermaßen aufgebaut: Der Steuertransistor 21 ist mit seinem Emitter an die Plusleitung 17 und mit seinem- Kollektor über einen Widerstand 25 an die Minusleitung 20 angeschlossen. Von- der Basis des Transistors 21 führt ein Widerstand 26 zur Plusleitung 17 und die in Sperrichtung betriebene Zenerdiode 24 zum Abgriff 27 des Potentiometers 23, das zwischen der Plusleitung 17 und der Minusleitung 20 liegt.To regulate the generator output voltage occurring between the positive line 17 and the negative line 20, a voltage regulator R is provided which contains two control transistors 21 and 22, a potentiometer 23 as an actual value generator and a Zener diode 24 as a setpoint generator. In detail, the voltage regulator is constructed as follows: The emitter of the control transistor 21 is connected to the positive line 17 and its collector is connected to the negative line 20 via a resistor 25. A resistor 26 leads from the base of the transistor 21 to the positive line 17 and the Zener diode 24, operated in the reverse direction, leads to the tap 27 of the potentiometer 23, which is located between the positive line 17 and the negative line 20.

Auch der Steuertransistor 22 liegt mit seinem Emitter an der Plusleitung 17. Seine Basis ist mit dem Kollektor des Steuertransistors 21 verbunden. Vom Kollektor des Transistors 22 führt ein in Reihe mit einem Kondensator 28 geschalteter Widerstand 29 zur Basis des Transistors 21 und ein Widerstand 30 zum Verbindungspunkt dreier parallelliegender, einseitig untereinander verbundener Widerstände 31, 32 und 33. Jeder dieser drei Widerstände ist mit seiner anderen Zuleitung an die in das innere p-Leitungsgebiet hineinreichende Steuerelektrode je eines von drei Vierzonengleichrichtern 34, 35 und 36 vom pnpn-Typ angeschlossen.The emitter of the control transistor 22 is also connected to the positive line 17. Its base is connected to the collector of the control transistor 21. From the collector of the transistor 22 leads a resistor connected in series with a capacitor 28 29 to the base of the transistor 21 and a resistor 30 to the connection point of three parallel resistors 31, 32 and 33 connected to one another on one side. Each of these three resistors is connected to the inside with its other lead Control electrode reaching into the p-line area one of each of three four-zone rectifiers 34, 35 and 36 of the pnpn type connected.

Die steuerbaren Gleichrichter 34, 35 und 36 sind mit ihren p-leitenden Endzonen an die Wechselstromwicklungen 11,12 und 13 angeschlossen. Ihre den Steuerelektroden benachbarten n-leitenden Endzonen sind untereinander verbunden und stehen über die Feldwicklung 14 mit der Minusleitung 20 in Verbindung. Parallel zur Feldwicklung 14 ist eine Schutzdiode 37 vorgesehen.The controllable rectifiers 34, 35 and 36 are p-type End zones connected to the alternating current windings 11, 12 and 13. Your the control electrodes adjacent n-conductive end zones are connected to one another and are available via the Field winding 14 with the negative line 20 in connection. Parallel to the field winding 14 a protective diode 37 is provided.

Die Lichtanlage arbeitet in Verbindung mit dem Spannungsregler nach F i g. 2 folgendermaßen: Solange der Sollwert der Generatorausgangsspannung nicht erreicht wird, bleibt der Transistor 21 gesperrt und der Transistor 22 voll stromleitend. Der Kollektorstrom des Transistors 22 fließt über die Widerstände 30 und 31, 32, 33 zu den Steuerelektroden der Gleichrichter 34, 35 und 36 und von dort durch das pn-Übergangsgebiet über die Feldwicklung 14 zur Minusleitung 20. Durch diesen Steuerstrom wird die Zündspannung der Vierzonengleichrichter 34, 35 und 36 so weit erniedrigt, daß diese einen starken Erregerstrom durch die Feldwicklung 14 zu führen vermögen. Solange der Transistor 22 über die Steuerelektroden der Gleichrichter 34, 35, 36 Strom führt, werden diese Gleichrichter nacheinander bei jeder in den Wicklungen 11, 12, 13 induzierten, gegeneinander um 120° phasenverschobenen Wechselspannungshalbwellen stromleitend.The lighting system works in conjunction with the voltage regulator according to FIG. 2 as follows: As long as the nominal value of the generator output voltage is not reached, the transistor 21 remains blocked and the transistor 22 fully conductive. The collector current of the transistor 22 flows via the resistors 30 and 31, 32, 33 to the control electrodes of the rectifiers 34, 35 and 36 and from there through the pn junction area via the field winding 14 to the negative line 20 34, 35 and 36 lowered so far that they are able to lead a strong excitation current through the field winding 14. As long as the transistor 22 conducts current via the control electrodes of the rectifiers 34, 35, 36, these rectifiers are successively conductive for each alternating voltage half-wave induced in the windings 11, 12, 13 and phase-shifted by 120 °.

Erreicht die Generatorausgangsspannung ihren Sollwert, so wird die Zenerdiode 24, deren Durchbruchsspannung entsprechend gewählt wurde, stromleitend. Dann kann über den Widerstand 26, die Zenerdiode 24 und das Potentiometer 23 ein Strom fließen, der das Basispotential des Transistors 21 so weit erniedrigt, daß dieser stromleitend wird. Hierdurch wird der Transistor 22 gesperrt und kann dann keinen Steuerstrom für die steuerbaren Gleichrichter 34, 35, 36 mehr liefern. Diese können dann während der Wechselspannungshalbwellen nicht stromleitend werden und unterbrechen daher den seither über die Feldwicklung 14 fließenden Erregerstrom. Die im Abschaltaugenblick an der Feldwicklung 14 entstehende induktive Spannungsspitze wird durch den Gleichrichter 37 abgeleitet. Infolge des fehlenden Erregerstromes sinkt die Ausgangsspannung der Lichtmaschine rasch unter ihren Sollwert ab. Dies hat zur Folge, daß der durch die Zenerdiode 24 fließende Strom nicht mehr aufrechterhalten werden kann und der Transistor 21 in seinen Sperrzustand zurückkehrt. Der Transistor 22 kann dann in seinen ursprünglichen leitenden Zustand zurückgelangen und die Gleichrichter 34, 35 und 36 so lange stromleitend halten, bis die Sollspannung wieder erreicht wird und das beschriebene Reglerspiel von neuem beginnt.When the generator output voltage reaches its target value, the Zener diode 24, the breakdown voltage of which has been selected accordingly, conductive. Then via the resistor 26, the Zener diode 24 and the potentiometer 23 a Current flow which lowers the base potential of transistor 21 so far that this becomes conductive. As a result, the transistor 22 is blocked and can then no longer supply any control current for the controllable rectifiers 34, 35, 36. These can then not become conductive during the alternating voltage half-waves and therefore interrupt the excitation current flowing through the field winding 14 since then. The inductive voltage peak that occurs at the field winding 14 at the moment of switch-off is derived by the rectifier 37. As a result of the lack of excitation current the output voltage of the alternator quickly drops below its setpoint. this has the consequence that the current flowing through the Zener diode 24 is no longer maintained can be and the transistor 21 returns to its blocking state. The transistor 22 can then return to its original conductive state and the rectifier 34, 35 and 36 conductive for so long hold until the target voltage is reached again and the described controller game begins again.

Claims

Claim: Voltage regulator for a three-phase generator that can be driven at rapidly changing speeds, which has three three-phase windings that can be connected to a collector battery via a rectifier set consisting of three pairs of rectifiers and two load current lines, and a shunt field winding that is used for self-excitation, to which the excitation current is fed via controllable rectifiers connected to the three-phase windings , the control electrodes of which are connected to a control transistor, which in turn is preceded by a pre-transistor connected with its base via a Zener diode to the generator output voltage, characterized by the combination of the following known features a) that the field winding (14) to one (20) of the two Load current lines (17, 20) is connected, b) that each of the control electrodes of the rectifiers (34, 35, 36) galvanically via at least one resistor (30, 31, 32, 33) to the collector of the control transistor (22) sch is connected, c) that the control transistor (22) is connected at its base via a resistor (25) to the same load current line (20) as the field winding (14) and is connected with its emitter to the other (17) of the two load current lines , d) that the control transistor (22) is connected at its base to the load resistor (25) and the collector of the pre-transistor (21), the base of which is connected to the collector of the control transistor (22) via a feedback branch (28, 29). Documents considered: German Auslegeschrift No. 1095 923; U.S. Patent Nos. 3,009,091, 3,032,701 ; Japanese Patent Publication No. 37-2271; Siemens magazine 1962, pp. 241, 242.