DE1926317A1

DE1926317A1 - Spannungsregler fuer einen Permanentmagnetgenerator

Info

Publication number: DE1926317A1
Application number: DE19691926317
Authority: DE
Inventors: Kuhn Dipl-Ing Edgar; Peter Pfeffer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1969-05-23
Filing date: 1969-05-23
Publication date: 1970-11-26
Also published as: SE367523B; GB1255122A; FR2031031A5; US3626273A; CH512843A; AT299388B

Description

R. 9463
13.5.1969

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart W, Breitscheidstr.

Spannungsregler für einen Permanentmagnetgenerator

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für einen Permanentmagnetgenerator, an den .über eine Gleichrichteranordnung ein Gleichstrom-Lastkreis anschließbar ist, mit einem Halbleiterschalter, der in einem parallel zu einer Ausgangswicklung des Permanentmagnetgenerators anschließbaren Stromkreis •liegt, und mit einem elektronischen Steuerglied zum Einschalten dieses Halbleiterschalters, wenn die Spannung am Gleichstrom-Jjastkreis einen gewünschten Wert überschreitet.

Es ist bekannt, bei einem Permanentmagnetgenerator einen
Spannungsregler vorzusehen, der beim Überschreiten der Sollspannung die Serienschaltung eines !Transistors, eines Widerstands und einer Diode parallel zu einer Ausgangswicklung des

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Permanentmagnetsenerators schaltot. Hierdurch wird im Betrieb von der an dieser Ausgangswicklung liegenden Wechselspannung nur die eine Halbwelle in der Spannung reduziert, nicht aber die andere Halbwolle, so daß im Betrieb am Gleichstromnetz hohe Spannungsspitzen auftreten können, wenn keine Batterie angeschlossen ist. Diese Spannungsspitzen können box einem Generator für 12 V Nennspannung bis über 200 V betragen und ■ sind daher sehr gefährlich, zumal an sich bei Niederspannungsanlagen niemand mit dem Auftreten solch hoher Spannungen rechnet.

Gerade auf dem Verwendungsgebiet solcher Permanentmagnetgneratoren, nämlich bei einfachen Geräten nach der Art von Baumaschinen, Motorräder, Schneescootern und dgl. hat es sich gezeigt, daß oft die Batterie eine Zeit lang weggenommen wird, z. B. um ein anderes Gerät zu starten. Hierbei kann es dann zu Unfällen kommen, wenn die Bedienungsperson nach Herausnehmen der Batterie die Batterie-Anschlußkabel berührt, da diese wie gesagt bei den bekannten Spannungsreglern in diesem Fall gefährlich hohe Spannungen annehmen können.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Spannungsregler dieser Art zu vermeiden und insbesondere einen solchen Spannungsregler zu schaffen, der bei geringem Aufwand die Aus gangs spannung am Gleichstromnetz auf den gewünschten Wert 'begrenzt, selbst wenn keine Batterie angeschlossen ist.

Nach der Erfindung wird dies bei einem eingangs genannten Spannungsregler dadurch erreicht, daß bei einem Permanentmagnetgenerator, welcher eine Mehrzahl von magnetisch gekoppelten Ausgangswicklungen aufweist, zu mindestens zweien dieser Wicklungen als Halbleiterschalter jeweils ein an das Steuerglied

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angeschlossener Thyristor· so parallclschaltbar ist, daß' diese Thyristoren im eingeschaltoten Zustand einen im wesentlichen zeitlich ununterbrochenen Kurzschluß für die magnetisch gekoppelten Ausgangswicklungen bilden. Der zeitlich ununterbrochene Kurzschluß kann in sehr einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß der eine Thyristor die positive und der andere Thyristor die negative Halbwolle kurzschließt, wobei der Kurzschluß an einer Wicklung über die magnetische Kopplung jeweils auch als Kurzschluß der übrigen Wicklungen wirkt. Damit wird die Spannung sicher auf einen ungefährlichen Wert begrenzt.

Eine besondere einfache Ausführung des Reglers ergibt sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch, daß das Steuerglied an seinem Ausgang einen Transistor aufweist, daß der Kollektorwiderstand dieses Transistors aus einem Netzwerk von Widerständen gebildet ist, und daß die Steuerelektroden mindestens eines Teils der Thyristoren an diese Widerstände angeschlossen sind. Durch diese Parallelschaltung wird erreicht, daß der von diesem Transistor zu den Steuerelektroden fließende Steuerstrom gleichmäßig auf diese Steuerelektroden aufgeteilt wird, d. h., daß die Thyristoren jeweils denselben Steuerstrom erhalten.

Zur Erhöhung der Sicherheit hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, den Spannungsregler so auszubilden, daß parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors am Ausgang des Steuerglieds ein Element mit Spannungsdurchbruchscharakteristik, vorzugsweise eine Zenerdiode, geschaltet ist, so daß im Betrieb bei einem Ansteigen der Ausgangsspannung über einen vorgegebenen Wert hinaus dieses Element leitend wird und über das als Kollektorwiderstand dienende Hetzwerk von Widerständen die an diese Widerstände angeschlossenen Thyristoren gezündet v/erden.

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Steigt die Ausganssspannung sehr schnell, ζ. B. weil die Batterie im Betrieb weggenommen wird, so werden über das Element mit Spannungsdurchbruchscharakteristik die Thyristoren fast augenblicklich eingeschaltet und begrenzen die Ausgangsspannung, bevor diese einen gefährlichen Wert erreichen kann. Dieses Merkmal hat sich in der Praxis sehr bewährt, da hierdurch die Spannung auf Werte begrenzt wird, die im Normalfall keine Gefährdung der Bedienungsperson bewirken.

Eine besonders einfache Schaltung ergibt sich nach einem weiteren bevorzugten flerkmal dadurch, daß bei einem einphasigen, zv/ei für Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung ausgebildeten Ausgangswicklungen aufweisenden Generator parallel zu jeder dieser Ausgangswicklungen ein Thyristor so schaltbar ist, daß beide Thyristoren mit einer gleichnamigen Elektrode an den die bei den Ausgangswicklungen verbindenden Mittelpunkt angeschlossen sind. Hierdurch ergibt sich ein sehr einfacher Anschluß der Steuerelektroden der Thyristoren an das Steuerglied, und man benötigt zu diesem Zweck keine besonderen Impulsübertrager.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die einzige Figur zeigt einen von einem symbolisch dargestellten Permanentmagneten 10 erregten einphasigen Permanentmagnetgenerator 11, der zwei über einen Mittelpunkt 13 in Reihe geschaltete, gleiche Ausgangswicklungen 14, 15 aufweist, deren freie Enden jeweils mit der Anode einer Diode 16 bzw. 17 verbunden sind. Die Kathoden der Dioden 16, 17 sind miteinander und mit einer zu einem Gleichstrom-Lastkreis gehörenden Plusleitung 18 verbunden. Der Mittelpunkt 13 ist mit einer eben-

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falls zum Gleichstrom-Lastkreis gehörenden Minusleitung 19 verbunden, die an Masse angeschlossen ist. Eine Batterie 22 von z. B. 12 V ist zwischen der Plusleitung 18 und Masse angeschlossen. Eine Last 23, z. B. Scheinwerfer, eine Zündanlage oder dgl. kann über einen Schalter 24 ebenfalls zwischen die Plusleitung 18 und Masse angeschlossen werden. - Wie ersichtlich, sind die beiden Ausgangswicklungen 14, 15, die über den magnetischen Kreis des Generators 11 magnetisch eng miteinander gekoppelt sind, zusammen mit den beiden Dioden 16, 17 in der sogenannten Einphasen-Mittelpunktschaltung geschaltet.

Zur Spannungsregelung ist ein mit 26 bezeichneter Spannungsregler vorgesehen, der als Steuerglied einen zwei Transistoren 27, 28 aufweisenden Verstärker 29 mit Schaltverhalten und als Stellglied zwei Thyristoren 32, 33 aufweist. Der Verstärker dient dazu, diese beiden Thyristoren voll einzuschalten, wenn' die Ausgangsspannung am Gleichstrom-Lastkreis 18, 19 zu hoch wird.

Im einzelnen ist der Spannungsregler 26 wie folgt aufgebaut: Die Thyristoren 32 und 33 sind beide mit ihrer Kathode an Masse angeschlossen. Die Anode des Thyristors 32 ist mit der Anode der Diode 16 und damit dem freien Ende der Ausgangswicklung verbunden, während die Anode des Thyristors 33 mit der Anode der Diode 17 und damit dem freien Ende der Ausgangswicklung verbunden ist. Die Steuerelektroden der Thyristoren 32, 33 sind jeweils über einen Widerstand 34 bzw. 35 (z. B. je 1000 Ohm) mit Masse und über einen Widerstand 36 bzw. 37 (z. B. je 400 0hm) und einem Verbindungspunkt 38 mit dem Kollektor des pnp-Transistors 28 verbunden, dessen Emitter an die Plusleitung 18 angeschlossen ist und zu dessen Emitter-Kollektor-Strecke eine Zenerdiode 39 so parallelgeschaltet ist, daß ihre Anode am Verbindungspunkt 38 liegt.

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Die Basis des Transistors 23 ist über einen Widerstand 42 mit der Plusleitung 18 und über einen Widerstand 43 nit den Kollektor des npn-Transistors 27 verbunden, dessen Emitter direkt mit der Kathode einer Zenordiode 44 und über einen V/iderstand (z. B. 4 kOhm) mit der Plusleitung 18 verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode 44 liegt an Kasse, so daß der Emitter des Transistors 27 im Betrieb gegenüber Masse ein konstantes positives Potential von z. B. 8 7 aufweist. - Die Basis des Transistors ist mit der Kathode einer zur Temperaturkompensation vorgesehenen Diode 46 verbunden, deren Anode an den Verbindungspunkt zweier als Spannungsteiler zwischen der Plusleitung 18 und Masse geschalteten Widerstände 48 und 49 angeschlossen ist. Parallel zum Widerstand 49, d. h. zwischen dem Verbindungspunkt 47 und Hasse, liegt ein Kondensator 5?0 von z. B. 1,5 11F. Ferner ist ein Widerstand 53 von z. B. 270 kOhm zwischen die Verbindungspunkte 38 und 47 geschattet. Er dient dazu, dem Verstärker 29 ein Schaltverhalten zu geben, d. h. zu erreichen, daß der Transistor 28 entweder nur voll eingeschaltet oder nur voll ausgeschaltet ist, wie das im folgenden noch beschrieben wird.

Arbeitsweise;

Im Betrieb wird der Generator 11 von einer geeigneten Antriebsmaschine angetrieben, z. B. der Brennkraftmaschine eines Schneescooters, d. h. rn.it variabler Drehzahl. Auch die last ist variabel, z. B. je nach dem, ob die Batterie 22 geladen oder entladen ist und ob der Verbraucher 23 eingeschaltet ist oder nicht. - In den Ausgangswicklungen 14, I5 werden hierbei Spannungen induziert, über die Dioden 16, I7 gleichgerichtet und der Batterie 22 sowie ggf. dem Verbraucher 23 zugeführt. Dabei steigt die Spannung an der Batterie 22 und damit die Spannung zwischen den Leituv^en 18, 19 an.

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Kit diesen Ansteigen der Spannung steigt auch die Spannung zwischen dem Vorbindungspunkt 47 und Hasse an. Solange diese Spannung unter etv;a 9 V liegt, ist der Transistor 27 gesperrt und sperrt seinerseits den Basisstrom zum Transistor 28, so daß auch dieser gesperrt ist und die Steuerelektroden der Thyristoren J2 und 33 keinen Strom erhalten und diese Thyristoren ebenfalls gesperrt sind.

Steigt die Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 47 und Masse auf über 9 V", so fließt ein Basisstrom in den Transistor 27 und dieser beginnt leitend zu werden, so daß über ihn ein Basisstrom zum Transistor 23 fließen kann und dieser ebenfalls beginnt, leitend zu werden und das Potential an seinem Kollektor positiver wird. Über den Widerstand 53 wirkt diese Potentialänderung auch am Verbindungspunkt 47 und macht den Transistor ?7 voll leitend, so daß nun auch der Transistor 28 voll leitend wird. (Dieser Schaltvorgang spielt sich naturgemäß innerhalb einer sehr kurzen Zeit ab.) Wenn der Transistor 28 voll leitend ist, fließt über ihn ein Steuerstrom zu den Steuerelektroden der beiden Thyristoren 32 und 33, so daß derjenige der beiden Thyristoren leitend wird, an dessen Anode im betreffenden Augenblick eine gegenüber der Kathode positive Spannung liegt. (Durch die Aufteilung des Kollektorwiderstands des Transistors 28 in ein netzwerk in Form zweier parallelgeschalteter gleicher Widerstandszweige 34, 36 und 35? 37 erreicht man, daß die Steuerströme der beiden Thyristoren 52, 33 praktisch gleich' sind, z. B. jeweils oO mA.) Nimmt man an, daß zunächst am Thyristor 5-- eine positive Spannung liegt, so wird dieser leitend und schließt die Wicklung 14 direkt kurz. Durch die enge magnetische Kopplung der Wicklungen 14 und 15 wirkt dieser Kurzschlxiß zugleich wie ein Kurzschluß der Wicklung 15-

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Wird nach einer halben Periode die Anode des Thyristors 32 negativ und diejenige des Thyristors 33 positiv, so kommutiert der Kurzschlußstrom auf den Thyristor 33₅ so daß dieser direkt die Wicklung 15 und - über die magnetische Kopplung - die Wicklung 14 kurzschließt. - Solange der Transistor 28 leitend ist, v/erden also die beiden Aus gangs wicklungen 14, 15 praktisch ohne zeitliche Unterbrechung ständig kurzgeschlossen, so daß an ihnen nur eine Spannung von etwa 1 Volt liegt und kein Strom mehr zum Gleichstrom-Lastkreis 18, 19 fließen kann. Durch die Diode 16, 17 wird gleichzeitig verhindert, daß die Batterie 22 über die Thyristoren 32, 33 kurzgeschlossen wird. Da die Batterie jetzt nicht mehr geladen wird, sinkt die Spannung an ihr, so daß nach einigen Perioden der Aus gangs spannung des Generators 11 der Basisstrom im Transistor 27 abnimmt, wodurch auch der Basisstrom des Transistors 28 reduziert wird und dessen Kollektorpotential negativ wird. Über den Widerstand 53 wird diese Potentialänderung auf den Verbindungspunkt 47 übertragen, so daß der Transistor 27 vollends sperrt und seinerseits den Transistor 28 sperrt, so daß kein Strom mehr zu den Steuerelektroden der Thyristoren 32, 33 fließt und diese ebenfalls sperren, sobald die Spannung am zuletzt leitenden Thyristor negativ geworden ist. Der Generator 11 liefert jetzt wieder über die Gleichrichter 16, 17 Strom in die Batterie 22, so daß die Spannung an dieser wieder ansteigt und sich das beschriebene Schaltspiel nach kurzer Zeit wiederholt. Im Betrieb kann dabei der Transistor 28 bis' zu einigen hundert Hai pro Sekunde aus- und eingeschaltet v/erden, abhängig von den Betriebsverhältnissen des Generators 11 (Drehzahl, Belastung).

Es hat sich gezeigt, daß gerade bei kleineren Geräten, also Baumaschinen, Schneeschlitten etc. die Batterie 22 relativ häufig im Betrieb herausgenommen wird, um ein anderes Gerät mit ihr zu starten. Beim Lösen der Anschlußklemmen der Bat-

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terie 22 kann - bei hohen Drehzahlen des Generators 11 - die Spannung ziiischen den Leitungen 18 und 19 ganz außerordentlich rasch ansteigen, und zwar bis auf Werte von Ca. 200 V; diese Spannungswerte sind ungünstig für den Regler 26, dessen Halbleiterelemente hierdurch gefährdet v/erden, und sie sind vor allem gefährlich für die Person, die die Batterie 22 im Betrieb herausnimmt und wieder einsetzt, denn diese Person rechnet nicht mit einer solch hohen Spannung. Der Regler 26 kann derartig rasche Spannungsänderungen nicht sofort ausregeln, da durch den Kondensator 50 eine gewisse Zeitverzögerung gegeben ist.

Durch die Zenerdiode 39 erreicht man jedoch auch in diesem Fall eine sichere Begrenzung der Spannung: Sobald die Spannung zwischen den Leitungen 18 und 19 beispielsweise einen V/ert von 25 V überschreitet, wird die Zenerdiode 39 leitend, so daß über sie ein Steuerstrom zu den Thyristoren 32 und 33 fließt und denjenigen der beiden Thyristoren leitend macht, dessen Anode im Augenblick positiv ist. Da dieser Thyristor mit einer nur sehr geringen Zeitverzögerung einschaltet, ist es möglich, die Spannung zwischen den Leitungen 18 und 19 sicher, auf Werte zu begrenzen, die im Normalfall für einen Menschen ungefährlich sind.

Die dargestellte Schaltung ist ersichtlich sehr einfach aufgebaut, was u. a. dadurch erreicht wird, daß man für den Verstärker 29 zwei zueinander komplementäre Transistoren verwendet, ferner durch die Steuerung der beiden Thyristoren 32, 33 über den aufgeteilten Kollektorwiderstand des Transistors 28, und durch die geschickte Ausnutzung der engen magnetischen Kopplung zwischen den Ausgangswicklungen 14 und 15 des Generators 11. Auch der gemeinsame Anschluß der Kathoden beider

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Thyristoren 32 und 33 an Hasse führt zu einer sehr einfachen Schaltungsweise. - Durch das Schaltverhalten des als Steuerglied dienenden Verstärkers 29 erreicht man, daß die Thyristoren 32 und 33 stets entweder den vollen Steuerstrom oder überhaupt keinen Steuerstrom erhalten, d. h., daß diese Thyristoren unter optimalen Bedingungen arbeiten.

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Claims

- ii - Robert BoKcli GmbH E. 9465 Rb/Sz 3 tu tt'"art Annυruehe

1./Spannungsregler für einen Permanentmagnetgenerator, an den über c Lrie GIeiclirichteranordnung ein Gleiche-tr om-Lastkreis ancchlioßbar ist, mit einem Halbleiterschalter, der in einem parallel au einer Ausgangswicklung des Permanentmagnet generators anschl!eßbaren Stromkreis liegt, und mit einem elektronischen Steuerglied zum Einschalten dieses Halbleiterschalters, wenn die Spannung am Gleichstrom-Lastkreis einen gewünschten Wert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß bei einen Permanentmagnetgenerator (11), welcher eine Hehrzahl von magnetisch gekoppelten Ausgangswicklungen (14, 15) aufweist, zu mindestens zweien dieser Wicklungen (14, 15) als Halbleiterschalter jeweils ein an das Steuerglied (29) angeschlossener Thyristor (32, 33) so parallelschaltbar ist, daß diese Thyristoren im eingeschalteten Zustand einen im wesentlichen zeitlich ununterbrochenen Kurzschluß für die magnetisch gekoppelten Ausgangswicklungen (14, 15) bilden.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied einen mindestens zweistufigen Verstärker (29) aufweist, der im Betrieb abhängig von der seinem Eingang (47) zugeführten Abweichung der Spannung

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am Gleichstrom-Lastkreis (18, 19) von einem vorgegebenen Sollwert an seinem Ausgang (38) ein digitales Signal (AUSEIN) zur Steuerung der Thyristoren (32, 33) abgibt.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (29) an seinem Ausgang einen Transistor (28) aufweist, daß der Kollektorwiderstand dieses Transistors (28) aus einem Netzwerk von V/iderständen (34, 35j 36, 37) gebildet ist, und daß die Steuerelektroden mindestens eines Teils der Thyristoren (32, 33) an diese Widerstände angeschlossen sind.

4. Spannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors (28) am Ausgang des Steuerglieds (29) ein Element mit Spannungsdurchbruchscharakteristik, vorzugsweise eine Zenerdiode (39),' geschaltet ist, so daß im Betrieb bei einem Ansteigen der Aus gangs spannung über einen vorgegebenen Wert hinaus dieses Element (39) leitend wird und über das als Kollektorwiderstand dienende Netzwerk (34, 35> 36, 37) von Widerständen die an diese Widerstände angeschlossenen Thyristoren (32, 33) gezündet werden.

5. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (29) zwei komplementäre

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Transistoren (27, 28) aufweist, zwischen denen eine Mitkopplung, vorzugsweise in Form eines MitkopplungsWiderstands (53), vorgesehen ist, um ein Zweipunkt-Schaltverhalten des Steuerglieds (29) zu erreichen.

6. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einphasigen, zwei für Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung ausgebildete Ausgangswicklungen (14·, 15) aufweisenden Generator (11) parallel zu jeder dieser Ausgangswicklungen (14·, 15) ein Thyristor (32, 33) so schaltbar ist, daß beide Thyristoren mit einer gleich-

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namigen Elektrode an/die beiden Ausgangswicklungen verbindenden Mittelpunkt (13) angeschlossen sind.

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