-
Anordnung zum Betreiben eines kondensatorerregten Asynchr ongenerators
mit konstanter Spannung, insbesondere Pahrzeuglichtmaschine für veränderliche Drehzahl
| Die Induktionmaschine mit i#urzschlußläufer stellt bekanntlich |
| die einfachste und betriebsicherste elektri.che I-ia;chine
dar, |
| die völlig kontaktlos arbeitet und die auch als kcnden:ato_,- |
| crreg-ter Asynchrongenerator auf manchen Gebieten angewendet |
| worden ist. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, sie als |
| üich@;ra@: @chine für tahrzeuge zu vervienden, wofür sie sich
wegcn |
| ihrer Kontaktlooigkeit besonders eignet. Doch bereitete es |
| bisher gro2e Schwierigkeiten, die Spannung bei jeder Drehzahl |
und Belastung konstant zu halten uzü sie den Ladezustand des von
ihr gespeisten Sammlers anzupassen. Man hat z.B. vorgeschLÄgen, die Parallelkondensatoren
mit Hilfe von Magnetverstärkern auf den jevieiligen BetriebszusIand abzustimmen,
doch sind solche Anordnungen viel zu aufwendig. Die vorliegende Erfindung zeigt
nun, wie es auf einfache Weise gelingt, die Wirkung des Konc:er:-sators allen Betriebszuständen
leicht anzugleichen, so daß der Generator alle an eine solche Maschine gestellten
Anforderungen erfüllen kann.
-
Der Kondensator wird dabei so Bernessen, daß er bei der kleinsten
vorkommenden Betriebsdrehzahl noch ausreicht, den Generator zu erregen. Mit zunehmender
Drehzahl würde aber der Generator immer höhcre Spannungen erreichen, weil sich die
Konsantorgerade mehr und .mehr neigt und die Generatorkennlinie sich dagegen auf-.
richtet, so daß sich beide bei immer höheren Drehzahlen uchneicIer. Dies wird nun
dadurch verhindert, daß der Kondensator mit elektronischen Mitteln von der Generatorwicklung
abgeschl" tet wird, iaenn die Spannung einen zulässigen Sollwert überschreitet und
wieder zugeschaltet wird, vienn sie diesen Viert unterschreitet. Die Unterbrechung
zwischen Kondensator und Wicklung tritt datei dann ein, wenn der Kondensator völlig
aufgeladen und sein Strcm daher Null ist, und der Stromkreis wird wieder geschlossen,
tacrn die abklingende Spannung der Generatorwicklung den kleinsten Unterschied gegenüber
der Spannung am Kondensator aufweist. Auf dieoe Weise wird vermieden, da ß Ausgleichvor-günge
auftreten, wie dies der fall ist, wenn der Stromkreis bei stark unterschiedlich--
Werten
von Generator- und Kondensatorspannunge geschlossen wird. Den Steuerbefehl für den
den Stromkreis schließenden Stromrichter (Stromtor) erhält man dadurch, daß man
dafür eine Spannung benutzt, die gegenüber der Spannung, mit der der Kondensator
gespeist wird, um 900 verschoben ist.@Die positive Halbwelle dieser Spannung
kann dann dazu verwendet werden, mit bekannten Steuermitteln (Transistoren) Zündimpulse
auf das Strcmtor zu geben und es dadurch jeweils zu den richtigen Zeitpunkten durchlässig
zu machen.
-
Erreichen Spannung und Strom am Generator bzw. an Sammler zu hohe
Vierte, dann wird die Steuerleitung zum Stromtor 2.B. durch einen sogenannten Knickregler
unterbrochen bis Spannung und Strom wieder kleinere Werte erreicht haben. Da das
Feld in der Maschine durch die ZC;iuferkurzschlußwicklung gehalten wird, wenn der
Ständerstrom im Erregerkreis---u Null werden will, bereitet ,lies gar keine Schwierigkeiten.
Denn der Strom erlischt beim -natürlichen Nulldurchgang und kann bei der nächsten
Halbwelle nicht mehr neu gezündet werden, weil das betreffende Stromtor schon vorher
in der stromlosen Phase rperrbefehl erhalten hat bzw. von selbst sperrt, wenn es
keinen neuen Zündbefehl erhält. :1n Hand einiger Beispiele soll der Erfindungsgedanke
ndhe_ erläutert werden. Ir. Fig. 1 bezeichnet 1 einen Asynchrongeneratcr mit Kurzschlußläufer,
der von einem Brennkraftmotor 2 angetrieben wird. Der Generator hat eine Arbeitswicklung
3, die über die Gleichrichterbrücke 4 den Sammler 5 speist. Um 90 o gegen
die
Wicklung 3 versetzt ist die Erregerriicklung 6 angeordnet, die
zusammen mit den gegenparallel geschalteten Stromrichtern 7 und 8 und dem Kondensator
9 den Erregerkreis bildet. Von den beiden Stromrichtern 7 und 8 ist 7 ein ungesteuerter
GleichrichUler, 8 dagegen ein Stromtor (Thyristor). Der-Steuerkreis weist noch einen
Begrenzungsviiderstand 10 auf und kann durch die beiden Regler 11 und 12 unterbrochen
werden, von denen 11 durch eine zu hohe Sammlerspannung VG und 12 durch einen zu
hohen Sammlerstrom IG geöffnet wird. Dem Steuerkreis werden über den Übertrager
13 Stromimpulse zugeführt, die in einen besonderen Impulskreis erzeugt vierden.
Dieser besteht z.B. aus den beiden Transistoren 14 und 15, dem Spannungübertrager
16, den beiden Widerständen 17 und 18 und dem Kondensator 19. Die Anordnung
wirkt folgendermaßen: Unter dem EinfluB des in jeder Maschine vorhandenen Restfeldes
erregt sich die Maschine auf den Kondensator 9, wobei das Strcmtor 8 aus dem Impulskreis
jeweils zu Beginn einer jeden positive:: Halbwelle der Spannung U3 Zündebefehl erhält
und öffnet. In rig. 2 ist dies dargestellt. Wenn die Steuerelektrode des Stromtores
8 jeweils zu den Zeitpunkten t1, t3 usw. die in der untersten Abszissenachse dargestellten
Impulse erhält, wird es leitend und der Erregerkreis verhält sich so, als wäre der
Kondensator 9 fest mit der Wicklung 6 verbunden. Demnach führen abwechselnd die
beiden Stromrichterzellen 7 und 8 die Stromralttvellen 1 7 und I8. Dadurch
wird ein Auferregungsvorgang eingeleitet, del die Generatorspannung U nach der in
Fig. 3 angedeuteten
Hüllkurve ae a ansteigen und immer grcßeren
Werten zustreben läßt. Zur Zeit tat wird nun durch einen der Regler 11 oder 12 der
Steuerkreis unterbrochen. Die Stromhalbvelle fließt zunächst weiter und wird von
der Stromhalbwelle 17 abgelöst. Inzwischen ist aber die Sperrung des Stromtores
3 wirksam geworden, so daß zur Zeit t5 die Stromhalbvvelle I8 nicht mehr entstehen
kann. Die Kondensator Spannung bleibt von da an auf ihrer erreichten Höhe als Gleichspannung
bestehen, während die Spannungen U6 und U3 weiter als efechselspannungen verlaufen,
weil das Feld von der Läuferkurzschlußvricklung gehalten wird. Wegen der Wicklun#prerluste
beginnen diese Spannungen im Betrag abzunehmen, vias ja auch der Zweck der Regelung
gewesen ist. D@@mit die Spannung nicht zu weit absinkt, wird zur Zeit te der Steuerkreis
durch den Regler 11 wieder geschlossen, so daß zur Zeit t. der Zündebefehl wieder
durchkommt. Die Stromhalbwelle J
i8 kann daher von neuere fließen. Der vor
dem Vdirksamwerden des I#'reigabebefehls vorhandene kleine Spannungsunterschied
U = Ug@UE verschwindet mit dem Zuschalten wieder und hat lediglich einen kleinen
Aüsgleichvorgang zur Folge, der aber unbedeutend ist, da es sich. ja nur um einen
kleinen Spannungsunterschied handelt. Es ist ein besonderer Vorteil dieser
Steuerung, daß schädliche Ausgleichsvorgänge vermieden werden, wodurch diese Steuerung
erst praktisch brauchbar wird.
-
Während der ganzen Zeit zwischen t5 und t9 behält der Kondensator
seine Ladung bei, die er zur Zeit t5 erreicht hatte, da sie, wegen der Sperrwirkung
der Zelle 7 nicht abfließen kann.
Dies ist erst möglich, Crem die
Zelle 8 wieder leitend wird. Solange das Stromtor 8 sperrt ist die Spannung zwischen
der ','"'iclclung 6 und dem Kondensator 9 durch die schraffierte Fläche gegeben.
-
Die Wirkung des Regelvorganges ist nun aus Fig. 3 ersichtlich. Der
Auferregungsvorgang, der ohne Eingreifen des Reglers nach der Hüllkurve aea verlaufen
würde, wird zur Zeit ta@1 angehaltc-, die Spannung nimmt nun etwas ab und verläuft
nach der Hüllkurve b-;b, bis zur Zeit te der Regler wieder schließt und die Spannun`-#.on
neuem zunimmt, so daß sie auf diese Weise auf. einem nahezu konstanten Wert gehalten
werden kann.
-
Unter dem Einfluß der beiden Spannungs-und Stromregler 11 und 12 kann
man eine sogenannte geknickte Kennlinie, wie in Fig. 4 angedeutet, erreichen (Knickregelung).
Der Impulskreis arbeitet nun so, daß die Steuerelektrode nur zu Beginn einer jeden
positiven Halbwelle der Generatorspannung U3 einen kurzen Zündimpuls erhält. Dies
kommt auf folgende Weise zustande: Die Schaltung ist so getroffen, daß die durch
den Übertrager 1E in den Emitter-Basis-Ziveig des Transistors 14 übertragende negative
Spannung der Wicklung 3 diesen Kreis leitend macht. Infolgedessen wird auch der
Emitter-Kollektor-Zweig dieses Transistor leitend und der Widerstand 17 wird z.B.
während der Zeitspanne t2 T t3 (Fig. 2) mit dem Strom i1 gespeist. Zugleich kann
sich eine auf der: rechten Belag des Kondensators 19 befndliche
positive
Ladung, die noch von .dem vorausgegangenen Impuls herrührt, über den Widerstand
18 und den Emitter-Kollektor-Zweig des Transistors 14 ausgleichen, so daß dieser
Kondensator ohne Ladung ist. Zur Zeit t3 kehrt sich die Spannung im Übertrager 16
und damit auch im Emitter-Ba.sis-Zvieig.des Transistors 14 um. Der Transistor sperrt
und der Strom 11 wird plötzlich zu Null. Jetzt liegt aber der Kondensator
19 z;qischen den beiden Widerständen 17 und 18 an der Sammlerspannung, der
rechte Belag des Kondensators und damit auch die Basis den Transistors 15 vrerden
gegenüber c.em Pluspol negativ und der Transistor öffnet. Damit fließt einmal der
Ludestrom des Kondensators i2 auf den Weg: Pluspol, Emitte- Basis-Zweig von 15,
19, 17 zum Minuspol und gleichzeitig der Strom i3 auä dem Weg: Pluspol, Emitter-Kollektor-ZWeig
von 15, Erstwicklung von 13 zum Minuspol. Nachdem der Kondensator 19 geladen ist,
hat die Basis; von 15 Pluspotential und der Transistor sperrt w: -Leder. Der kurze
Strcm.-i.,lpuls i3 beaufschlagt über den Übertrager 13 auch die Steuerelektrode
des Stromtores 1:3 und macht dieses leitend.
-
Solange einer der beiden Regler 11 oder 12 den Steuerkreis geöffnet
hat, weiden :war vom Impulskreis die Impulse weiter gebildet, z.B.. zu den Zeiten
t5 und t7, sie kommen jedoch wegen des unterbrochenen Steuerkreises nicht zur Wirkung.
Um dies anzudeuten, sind sie in fig. 2 nicht schraffiert. Zur Zeit te schließt nun
einer der Regler 11 oder 12 wieder, es k-nn aber zunächst kein Zündimpuls gegeben
werden, Weil beide Transistoren -14 und 15 noch gesperrt sind. Erst zur Zeit t9
komm-`; wieder ein Zündimpuls zustande zu einer Zeit also, wo
der
Spannungunterschied zwischen Kondensator 9 und Wicklung 6 den kleinstmöglichen Viert
erreicht hat und daher so gut wie kein Ausgleichvorgang; durch das Schließen des
Erregerstr cmkreises eniste.:zt, vrie dies bereits oben erwähnt ist. Dies ist ein
ganz wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß nicht zu einem ungeeigneten
Zeitpunkt zugeachaltet werden kann. VYenn nämlich der Kondensator vlie im Beispiel
der zig. 2 über zwei volle Perioden abgeschaltet bleibt, so ist der Spannungsunterschied
U zwischen der Kondensatorspannung Va und der Wicklungspanung U durch die bereits
erwähnte schraffierte 3 Fläche gegeben, und es würden störende Ausgleichvorgänge
aufi;reten, vaenn zu irgendeinem Zeitpunkt zugeschaltet werden könnte, vo dieser
Spannungunterschied recht beträchtlich ist.
-
Statt/der elektronochanischen Regler in Fig. 1 kann man natürlich
auch kontaktlose, elektronische Schalter (Transist-oren oder . Stromtore) vervrenden,
so daß die ganze Anordnung ohne offene Kontakte arbeitet. In Fig. 5 ist eine solche
Anordnung dargestellt. Außer dem Impulskreis ist noch ein kontaktloser Reglerkreis
vorhanden. Dieser besteht aus dem Transistor 20, dem Widerstand 21, dem Spannungteiler
22, der Zener-Diode 23, der Sperrzelle 24, dem Gleichrichter 25, dem Parallelwiderstand
26 und dem Stromwandler 27, der den Generatorstrom I den Verhältnissen im Regierkreis
anpaßt. Dieser Reglerkreis wirkt folge::dezma ßen:
Der elektronische
Regler müß ebenso viie der elektromechanische verhindern, daß die Impulse des Impilskreises
zum Stromtor 8 gelangen, wenn sie nicht benötigt werden. Dies wird hier dadurch
erreicht, daß, solange der Erregerkreis@unterbrochen sein soll, die Steuereliktrode
des Stromtores 8 stets negativ gegenüber der Kathode bleibt. Diese Wirkung kommt
zustande, wenn der Widerstand 10 im Erregerkreis für die Dauer d.er Sperre von einem
Strom 1 4 im angedeuteten Sinn durchflossen wird. Dieser Strom i4 wird durch
den Transistor 20 gesteuert. Der i'viderstand 10 liegt über den Kollektor-Emitter-Zvieig
des Transistors 20 an der Sammlerspannung, die bei geöffnetem Transistor den Strom
i4 im. angedeuteten Sinn hervorruft. -Die Basis dieses Transistors liegt einmal
über den Widerstand 21 am Minuspol des Sammlers, zum anderen über die Zener-Diode
23 und die Sperrzelle 24 am Spännungteiler 22. Solange die an diesem abgegriffene
Spannung kleiner ist als die Gegenspannung-der Zener-Diode, hat die Basis des Transistors
20 über den stromlosen Widerstand 21 das gleiche Minuspotential vrie der Emitter,
und der Transistor bleibt gesperrt. Sobald aber die Spannung am Spannungteiler den
durch die Zener-Diode gegebenen Sollviert überschreitet, wird diese durchlässig,
und der durch den Widerstand 21 fließende Strcm macht das Potential an der Basis
gegenüber der Emitter des Transistors 20 positiv. Damit wird der Transistor auch
für den Strom i4 durchlässig, und die Sperr4jirkung am Stromtor 8 setzt ein, solange
die Generatorspannung den Sollvrert überschreit et. Vlenn die Spannung unter ihren
Sollwert gesunken ist, erlischt der Strom durch den Widerstand 21, der Transistor
20 sperrt
ctieder und das Stromtor 8 wird frei. Das gleiche tritt
ein, vienn der Generatorstrom I zu hohe Werte erreicht. Dann speist der Stromwandler
27 über den Parallelvriders Land» 26 und den Gleichrichter 25 entgegen der Spannung
an der Zener-Diode den Basiswiderstand 21 und macht den Transistor leitend. Sperrzelle
24 und Gleichrichter 25 verhindern, daß sich Spannung und Strom gegenseitig stören.
-
Man kann den Reglertransistor 20 auch so schalten, daß er den _. Übertrager
13 kurzschließt, solange das Stromtor 8 gesperrt sein soll. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Der Transistor 20 liegt hier parallel zur Erstwicklung des Übertragers 13 und schließt
sie kurz, wenn sein Kollektor-Emitter-Zweig leitend wird. Damit nicht die Gle-ichstromguelle
über die beiden geöffneten Transistoren 15 und 20 kurzgeschlossen ist, liegt zwischen
beiden de- Widerstand 34, der den Strom begrenzt. Die Taktfolge der Zündimpulse
bleibt hier unabhängig davon, ob der Regler eingreift oder nicht. 'renn er angesprochen
hat, verhindert jedoch der kurzgeschlossene Übertrager 13, daß die Zündimpulse zum
Stroritor 8 gelangen. Diese Lösung hat den besonderen Vorteil, daß der Gleichstromsteuerkreis
vom Potential des 'Weechselstromkreises völlig unabhängig ist, weil die beiden Übertrager
13 und 16 die Potentiale trennen. Im Gegensatz zu den Ano_7dnungen nach Fig. 1 uni
5 ist hier die Steuerspannung für den Tranoistor 14 nicht der Arbeitswicklung 3
entnommen; es wird dafür vielmehr der Strom eines kleinen Kondensators 33 verwendej,
der
parallel zur Erregervicklung 6 liegt und dessen Strom byw. eine diesem Strom verhältnisgleiche
Spannung der Erstwicklung des Übertragers 16 zugefifihrt wird. Auch ein Widerstand
könnte anstelle des Übertragers verblendet vierden. Wie man aus Pig. 2 erkennt,
ist nämlich die Spannung U3 in Phase bzi@;. in Gegenphase zum Strom (I7, 1e) des
Kondensators 9. Da dieser Kondensator zeitvieise abgeschaltet ist, ruß man -für
Steuerz<<iecke den dauernd eingeschalteten kleinen Kondensator 33 verwenden.
Ebenso märe auch eine kleine Paralleldrossel geeignet, Man istauf diese Weise für
die Steuerung von der Wicklung 3 unabhängig. Man muß dann den Strom dieses Kondensators
bzw.
-
der Drosselepule über einen Widerstand leiten undden Spannungeabfall
an diesen Widerstand dem Steuerkreis von 14 zuleiten. Müssen Erregerknndensa*Loren
in mehreren Phasen gesteuert werden, so scann man `jeder Phase eine Schaltung zuordnen,
die aus den Teilen 13 bis 20 und 34 besteht, während die Regelglieder 21 bis 27
gemeinsam sein können. Über diese -Regelglieder werccn die Basen der entsprechenden
Regeltransistoren gegenüber den Emittern im Potential angehoben, um die Transistoren
durchlässig 4u machen.
-
Außer diesen beschriebenen Steuerverfahren kann man auch die bereits
bekannten Stromtor-Steuerverfahren für den vorliegendcn_ Fall entsprechend anpassen
und verwenden.
-
Wie man ohne weiteres erkennt, ist der Aufwand an S trcmr ichte_n
im Hauptstromkreis nur gering. IM Arbeitskreis mit der Wicklung 3 :-rerden nur 4
ungesteuerte Gleichrichterzellen, im Erregerkreis
mit der Wicklung
6 eine urgesteuerte und eine gesteuerte Zelle benötigt. Den Erregerkreis kann man
dabei für eine viesentlich höhere Spannung bemessen als den Arbeit ,skreis, so daß
man sowohl für der. Kondensator 9 als auch für die beiden Zellen 7 und 8 wegen der
kleinen Ströme günstige Verhältnisse erhält. Für Generatoren kleiner Leistung, wie
sie für Fahrzeuge in Frage kommen, bietet die einphasige Ausführung wegen ihren
geringen Aufwandes Vorteile, wenn auch die ltusnutzung des Generatozs dabei etwas
zurückgeht. Pig. 7 zeigt eine Ausführung für Drehstrom. Den drei Ständerphasen 28,.29,
30 sind drei Kondensatoren 31, 32, 33 zugeordnet, die mit den zugehörigen Gegenparallelschaltungen
je einer urgesteuerten und einer gesteuerten Zelle zu den Maschinenklemmen parallelgesciialtet
werden können. Die gesteuerten Zellen müssen dabei vcn Spannungen gesteuert werden,
die um 90o gegen d,ie an den betreffenden Kondensatoren liegenden Spannungen phasenverschoben
sind, z.B. die zum Kondensator 31 gehörende gesteuerte Zelle von der Spannung an
cbr Phase 30 usw. Man kann natürlich auch wie oben den Strom je eines eigenen kleinen
und dauernd zu den Klemmen parallelgeschalteten Kondensators dafür benutzen.
-
Ulenn die Restspannung der Maschine nicht ausreicht, die Stromtore
im Erregerkreis für den Auferregungvorgang zu zünden, kann man sie auch auf andere
Weise leitend machen, indem man z.B. die Steuerelektroden an ein fremdes Potential
legt oder man kann die Stromtore kurzzeitig kurzschließen usw.
'Es.
ist auch möglich, die Asynchron generatoren ohne Gleichrichter und Sammler als reine
V'dechselstromgeneratoren auch für höhere Frequenzen, z.B. für 400 Hz, zu verwenden.
Mit Hilfe der elektronisch geschalteten Kondensatoren wird hierbei die Spannung
und durch Beeinflussen der Drehzahl die Frequenz konstant gehalten. Man kann ferner
die Arbeitswicklung mehrphasig ausführen, den einphasigen Erregerkreis aber beibehalten,
wodurch die Einfachheit der Erregerkreissteuerung bleibt, der Arbeitskreis aber
besser ausgenutzt werden kann. Nan kann zu diesem Zweck den Kondensator einphasig
an den Arbeitskreis anschließen.
-
Man kann auch mehrere Generatoren parallel betreiben, indem man jedem
Generator seinen Erregerkondensator zuordnet und die Stromtore dieser Kondensatoren
durch eine gemeinsame Steuereinrichturg betätigt. Ebenso könnte man auch gemeinsame
Kondensatoren ver-::enden. Die Wirkleistung der Generatoren und ihre gleichmäßige
Verteilung kann natürlich nur über die Leistung der Kraftmaschi;er beeinflußt -werden.
-
Der Flunsch nach kontaktlosen Lichtmaschinen auf Fahrzeugen hat in
den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen und hat zu zahlreichen Sonderentwicklungen
geführt, die meietens Klauer_-polmaschinen verwenden. Bekanntlich ist aber die Ausnutzung
dieser Bauart sehr schlecht. Die vorliegende Erfindung zeigt, wie man die
ganz normale, einfache, bete ebssichere, kontaktlose
und gut ausgenutzte
A synchronma scAine mit KurzschluA-läufer in Verbindung mit einem sehr einfachen
Erregerkreis, bestehend aus einem Kondensator, einer ungesteuerten und einer gesteuerten
Stromrichterzelle (Stromtor), für diesen Zweck verwenden und damit eine sehr wirtschaftliche
Lösung vexwirkliehen kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dall ds-Spannung
durch Eingriffe im Wechselstromkreis durch das Zu- und ..bschal ton von Kondensatoren
geregelt wird und daß man hierbei beim natürlichen Nulldurchgang des S tromes abschalten
und beim Höchstwert der Spannung wieder zuschalten kann, so daß störende Ausgleichvorgänge
vermieden sind. Es sind daher keine zusätzlichen Mittel erforderlich, un freiwerdende
Schaltleistungen zu beherrschen.