DE19932941A1 - Spannungsregler für einen Dauermagnet-Synchrongenerator - Google Patents

Abstract

Ein Spannungsregler (12) zum Steuern und Beschränken der Ausgangsspannung eines Synchrongenerators (10) enthält eine Steuerschaltung mit einem Vollwellengleichrichter (28), der einem ersten Schaltungszweig (34) entsprechend dem Ausgangssignal des Synchrongenerators (11) eine Reihe von Halbwellenimpulsen (32) aufprägt. Ein über ein Gatter gesteuerter Schalter (36) dient zum Durchleiten der Halbwellenimpulse (32) auf einen Ausgangskreis (24), wenn ein Gattersignal vorhanden ist. Ein Spannungsdetektor (44) überwacht die Ausgangsspannung und schaltet das Gattersignal gegen Masse kurz, wenn die Ausgangsspannung einen gegebenen oberen Wert erreicht, um den Kurzschluß aufzuheben, wenn die Ausgangsspannung einen gegebenen unteren Wert erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für einen Dauermagnet- Synchrongenerator, insbesondere einen Regler mit einem Rückkopp­ lungszweig zum Begrenzen der Ausgangsspannung.

Synchrongeneratoren zum Erzeugen elektrischer Leistung enthalten typischerweise einen Elektromagneten zum Erzeugen eines Induktions­ fluß-Feldes. Die Ausgangsspannung des Generators wird üblicherweise dadurch geregelt, daß man den Stromfluß durch diesen Elektromagneten variiert und damit das Kraftlinienfeld variiert.

Dauermagnet-Synchrongeneratoren hingegen besitzen ein durch Dauermagnete gebildetes relativ feststehendes Kraftlinienfeld. Ein Ver­ fahren zum Regeln der Ausgangsspannung zum Regeln des Synchronge­ nerators besteht dann, auf mechanischem Weg entweder die Dauer­ magnete oder irgendein anderes Teil zu bewegen, welches den Kraftfluß beeinflußt, auf den die sich bewegende Spule im Betrieb trifft. Eine solche Einrichtung ist in dem US-Patent 4 766 362 vom 23. August 1988 (Sadvary) offenbart. Dieser Dauermagnet-Synchrongenerator ver­ wendet eine den Induktionsfluß modulierende Hülse, die von dem Rotor getragen wird und sich mit ihm dreht. Die Baulage der Hülse bezüglich des Rotors ist während der Motordrehung derart änderbar, daß das Kraftlinienfeld variiert und bei Last- oder Rotordrehzahl-Schwankungen eine konstante Ausgangsspannung bereitgestellt wird.

Allerdings sprechen solche mechanischen Steuersysteme nicht in aus­ reichendem Maß auf Änderungen der Last- und Drehzahlbedingungen an, wie man sie in einigen Anwendungsfällen antrifft. Außerdem sind solche mechanischen Systeme relativ teuer in der Fertigung, sind anfällig für Verschleiß und Beschädigungen und erfordern beträchtlichen War­ tungsaufwand, um betriebsfähig zu bleiben.

Ein weiteres Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung des Syn­ chrongenerators besteht darin, eine separate Feldwicklung vorzusehen, auf die ein Strom einer Vorwärts-Polarität gegeben wird, um den Ein­ fluß des Kraftlinienfeldes der Permanentmagneten bei Drehung mit geringer Drehzahl des Generator-Rotors zu verstärken, hingegen einen Strom entgegengesetzter Polarität einzuspeisen, um den Einfluß des Kraftlinienfeldes bei Betrieb mit hoher Drehzahl zu schwächen. Ein solches Spannungsregelsystem ist in dem US-Patent 5 502 368 vom 26. März 1996 (Syverson et al.) offenbart. Ein weiteres Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung eines Dauermagnet-Synchrongenerators findet sich in dem US-Patent 4 659 978 vom 21. April 1987 (Dogadko). Der Regler nach dem '978-Patent verwendet ein Paar gesteuerter Silizi­ umgleichrichter (SCR), um den Ausgangsstrom eines Synchrongenerators gegen Erde kurzzuschließen, wenn die Ausgangsspannung einen Sollwert übersteigt. Dieses Verfahren erfordert eine etwas komplexere Schal­ tungsstruktur, die möglicherweise eine teuere Herstellung erfordert.

Ein weiteres Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung eines Dauer­ magnet-Synchrongenerators besteht in dem Anlegen einer ausgewählten Last an den Ausgang, um dadurch zu bewirken, daß die Spannung sieh entsprechend der aufgebrachten Last ändert. Erreicht wird dies in eini­ gen Fällen durch einen schlichten festen Widerstand oder durch eine verfeinerte Schaltung, die das Ausmaß der Laständerung erfaßt, welches notwendig ist, um die gewünschte Änderung der Ausgangsspannung zu erreichen, um dann exakt diesen Lastbetrag aufzubringen. In jedem Fall bewirkt das Anlegen einer zusätzlichen Last an den Synchrongenerator eine beträchtliche Wärmeentwicklung, die es abzuführen gilt, außerdem wird eigentlich brauchbare Energie verschwendet.

Was benötigt wird, ist ein Spannungsregler für einen Dauermagnet-Syn­ chrongenerator, der während eines breiten Bereichs von Rotordrehzahlen und Lastschwankungen wirksam ist und nur wenig, möglichst überhaupt keine Wartungsarbeiten erfordert. Darüber hinaus sollte der Regler relativ einfach und billig in der Herstellung sein und praktisch keine unnötige zusätzliche Wärme oder Abfallenergie erzeugen.

Ein Spannungsregler dient zum Steuern und Begrenzen der Ausgangs­ spannung eines Synchrongenerators. Der Regler enthält eine Steuerschal­ tung mit einem Vollwellengleichrichter, der einem ersten Schaltkreis entsprechend dem Ausgangssignal des Synchrongenerators eine Folge von Halbwellenimpulsen aufprägt. Eine Transistoreinrichtung besitzt ein Gatter, eine mit dem ersten Schaltkreis verbundene Anode und eine mit dem zweiten Schaltkreis verbundene Kathode. Eine Gattersteuereinrich­ tung ist an den ersten Schaltkreis angeschlossen und so ausgebildet, daß sie dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Halbwellerimpulse eine ausreichend hohe Eingangsspannung an der Gattersteuereinrichtung erzeugen. Das Ausgangssignal wird einer Gatterschaltung aufgeprägt, die das Gatter (Gate) der Transistoranordnung angeschlossen ist, um die Transistoranordnung leitend zu machen. Eine Detektoreinrichtung ist an den zweiten Schaltkreis angeschlossen, um bei Nachweis eines spezifi­ schen Spannungspegels auf dem zweiten Schaltkreis einem dritten Schalt­ kreis ein Klemmsignal aufzuprägen. Eine Ableiteinrichtung ist an die Gatterschaltung und an den dritten Schaltkreis angeschlossen, um die Gatterschaltung nur dann mit Erde zu verbinden, wenn das Klemmsignal an dem dritten Schaltkreis ansteht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines Ener­ giesystems gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Spannungs­ reglers; und

Fig. 3 ein schematisches elektrisches Schaltungsdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Energiesystems.

Fig. 1 zeigt als Blockdiagramm einen Dauermagnet-Synchrongenerator 10, der an einen Spannungsregler 12, eine Überspannungs-Schutzschal­ tung 14, einen Generator-Tachometer 16 und eine Tachometer-Stromver­ sorgung 18 angeschlossen ist. Der ungeregelte Wechselstrom von dem Synchrongenerator wird auf den Eingangsschaltkreis 20 gegeben, und die gleichgerichtete und geregelte Leistung, angedeutet bei 22, wird dem Ausgangskreis 24 aufgeprägt. Der Regler 12 enthält gemäß Fig. 2 einen Vollwellengleichrichter 28, der eine Reihe von Vollwellenimpulsen 30 von dem Dauermagnet-Synchrongenerator 10 empfängt und eine ent­ sprechende Folge von Halbwellenimpulsen 32 in einem ersten Schalt­ kreis 34 erzeugt. Der erste Schaltkreis ist an eine Schalteinrichtung 36 angeschlossen, welche im leitenden Zustand den ersten Schaltkreis 34 mit einem zweiten Schaltkreis 38 verbindet und die geregelte Leistung 22 dem Ausgangsschaltkreis 24 zuleitet. Eine Gattersteuereinrichtung 40 ist an den ersten Schaltkreis 34 und an einen Gatterschaltkreis 42 der Schalteinrichtung 36 angeschlossen. Die Gattersteuereinrichtung 40 ist so ausgestaltet, daß sie ein Ausgangssignal auf dem Gatterschaltkreis 42 erzeugt, wenn die Halbwellenimpulse 32 eine ausreichend hohe Ein­ gangsspannung für die Schalteinrichtung erzeugen. Dieses Ausgangs­ signal veranlaßt, daß die Schalteinrichtung 36 leitend wird und damit den ersten und den zweiten Schaltkreis verbindet. Eine Detektoreinrich­ tung 44 ist an den zweiten Schaltkreis 38 angeschlossen, um einem drit­ ten Schaltkreis 46, der an eine Ableiteinrichtung 48 angeschlossen ist, ein Klemmsignal aufzuprägen. Die Ableiteinrichtung ist außerdem mit der Gatterschaltung 42 verbunden und derart ausgebildet, daß bei Anle­ gen des Klemmsignals an den dritten Schaltkreis die Gatterschaltung gegen Erde kurzgeschlossen wird, wodurch die Schalteinrichtung nicht­ leitend wird. Bei Fehlen des Klemmsignals bleibt die Schalteinrichtung leitend.

Das gesamte in Fig. 1 dargestellte Leistungssystem ist in dem schemati­ schen Diagramm der Fig. 3 in größerer Einzelheit dargestellt. Während die vorliegende Erfindung auf die Spannungsreglerschaltung abzielt, die in den gestrichelten Linien mit dem Pfeil 12 in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Überspannungs-Schutzschaltung 14, der Generator-Tachometer 16 und die Tachometer-Stromversorgung 18 gleichermaßen wie der Regler durch Pfeile in ihrer typischen Betriebsumgebung dargestellt. Dennoch soll im folgenden lediglich der Spannungsregler 12 näher er­ läutert werden.

Der Spannungsregler 12 enthält, wie am besten in Fig. 3 erkennbar ist, einen Vollwellengleichrichter 28, bestehend aus vier in üblicher Weise verschalteten Dioden 60, um die Vollwellen-Wechselstromimpulse 30 von dem Synchrongenerator 10 zu empfangen und die Halbwellenim­ pulse 32 dem ersten Schaltkreis 34 aufzuprägen, der sowohl an die Schalteinrichtung 36 als auch an die Gattersteuereinrichtung 40 ange­ schlossen ist. Die Schalteinrichtung 36 enthält einen gesteuerten Silizi­ umgleichrichter (SCR) 62 mit empfindlichem Gate vom Type MCR8SN, der mit seiner Anode an den ersten Schaltkreis, mit seinem Gate an die Gatterschaltung 42 und mit seiner Kathode an die Anode einer Schutz­ diode 64 angeschlossen ist. Die Kathode der Schutzdiode 64 ist an den zweiten Schaltkreis 38 angeschlossen. Außerdem enthält die Schaltein­ richtung 36 einen Gate-Kathoden-Widerstand 66 von 4,7 KOhm und ein Paar gegensinnig geschaltete Dioden 68 und 70 vom Typ 1N5819 bzw. 1N4731, die zwischen dem Gate und der Kathode des SCR62 liegen, wie aus der Zeichnung hervorgeht.

Die Schutzdiode 64 verhindert einen Rückstrom, der möglicherweise den SCR 62 beschädigen könnte, während die einander entgegengesetzt geschalteten Dioden 68 und 70 verhindern, daß eine Rückspannung von mehr als etwa 5 Volt entsteht, die möglicherweise ebenfalls den SCR beschädigen würde. Man sieht, daß der SCR 62 mit empfindlichem Gate ersetzt werden kann durch andere geeignete Bauelemente, so zum Bei­ spiel durch einen passenden Thyristor oder Transistor, sofern die ent­ sprechenden Änderungen in der Schnittstellenschaltung vorgenommen werden.

Die Gattersteuereinrichtung 40 enthält einen bilateralen Siliziumschalter 74 vom Typ MBS4991 mit zwei Leitungen, einen gegen Masse geschal­ teten Kondensator 76 von 0,01 µF und drei 62 KOhm-Widerstände 78, 80 und 82, die zu dem Kondensator in Reihe geschaltet sind. Eine der Leitungen des bilateralen Schalters 74 ist an den Gatterschaltkreis 42 angeschlossen, die andere Leitung ist mit dem Verbindungsknoten des Kondensators 76 und des Widerstands 82 verbunden. Das entgegenge­ setzte Ende des Widerstands 78 ist mit dem ersten Schaltkreis 34 verbunden. Die Detektoreinrichtung 44 enthält eine Zener-Diode 86 vom Typ 1N4705 und einen 62-Ohm-Widerstand 88. Die Zener-Diode ist mit ihrer Kathode an den zweiten Schaltkreis 38 und mit ihrer Anode an eine Leitung des Widerstands 88 angeschlossen, dessen andere Leitung auf Masse liegt. Der Verbindungsknoten zwischen der Zener-Diode 86 und dem Widerstand 88 ist mit dem dritten Schaltkreis 46 verbunden. Die Ableiteinrichtung 48 enthält einen Transistor 90 vom Typ MJE243 und einen 1 KOhm-Widerstand 92, dessen einer Anschluß mit der Basis des Transistors und dessen anderer Anschluß mit dem dritten Schaltkreis 46 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 90 ist mit dem Gatter­ schaltkreis 42 verbunden, der Emitter ist auf Masse gelegt, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Ein Energiespeicherbauelement in Form eines Paares von parallelgeschalteten Kondensatoren 94 und 96 mit 4700 µF liegt zwischen dem zweiten Schaltkreis 38 und Masse. Das Energiespeicher­ bauelement kann auch eine andere Form haben, kann zum Beispiel aus einem Einzelkondensator bestehen. Außerdem liegt zwischen dem zwei­ ten Schaltkreis 38 und Masse ein Nebenschluß-Kondensator 98, um relativ hochfrequente Transientenströme gegen Masse abzuleiten, die sich möglicherweise auf dem zweiten Schaltungszweig befinden.

Im Betrieb, der am besten in Verbindung mit Fig. 3 verstanden werden kann, werden die positiven Halbwellenimpulse 32 an den Widerstand 78 und den SCR 62 gelegt. Strom fließt durch die Widerstände 78, 80 und 82, um den Kondensator 76 zu laden. Wenn die Spannung an dem bila­ teralen Siliziumschalter 74 etwa 8 Volt übersteigt, beginnt dieser bilate­ rale Schalter zu leiten, so daß Strom von dem Kondensator 76 auf den Gatterschaltkreis 42 und zu dem Gatter des SCR 62 fließt, wodurch der SCR 62 beginnt, Strom von seiner Anode zu seiner Kathode zu leiten. Der Strom fließt durch die Diode 64 und lädt die zwei Parallel-Kon­ densatoren 94 und 96 auf. Der SCR 62 bleibt weiter für die gesamte Periode jedes angelegten Impulses 32 leitend. Wenn die angelegte Span­ nung jedes Impulses abnimmt, nimmt entsprechend der Stromfluß durch den SCR 62 ab. Wenn der Stromfluß durch den SCR 62 unter den Hal­ testrom fällt, kehrt der SCR 62 in einen nicht-leitenden Zustand zurück. Dieser Zyklus wiederholt sich solange, bis eine ausreichende Anzahl von positiven Halbwellenimpulsen auf die Kondensatoren 94 und 96 gelangt ist, um die an ihnen anstehende Spannung auf die gewünschte Ausgangs­ spannung des Reglers 12 zu bringen, die im vorliegenden Beispiel zwi­ schen 18 und 20 Volt liegt. Wenn die Ausgangsspannung des zweiten Schaltkreises 38 die Nenn-Durchbruchspannung der Zener-Diode 86 übersteigt, beginnt der Transistor 90 zu leiten. Dies leitet den Gatestrom von dem Gatterschaltkreis 42 fort in Richtung Masse, wodurch das Anlegen von Gatterimpulsen an den SCR 62 aufhört. Wenn dann keine Leistungsimpulse mehr an die beiden Kondensatoren 94 und 96 gelegt werden, beginnt die an ihnen anstehende Spannung mit einer Geschwin­ digkeit zu sinken, die durch die an den Ausgangskreis 24 angeschlossene Last bestimmt wird. Fällt die Spannung an den beiden Kondensatoren 94 und 96 unter die Durchbruchspannung der Zener-Diode 86 ab, ist der Transistor 90 nicht mehr leitend. Es werden erneut Gatterimpulse an den SCR 62 gelegt, der dann leitend wird, und die beiden Kondensatoren 94 und 96 werden erneut auf die gewünschte Ausgangsspannung aufge­ laden. Während dieses gesamten Betriebszyklus werden die Vollweg­ impulse in positive Halbwellenimpulse gleichgerichtet und mit einer geregelten Sollspannung auf den Ausgangskreis 24 gegeben.

Die Erfindung wurde speziell in Verbindung mit einem Spannungsregler für einen einphasigen Dauermagnet-Synchrongenerator beschrieben. Der Fachmann erkennt aber, daß die Erfindung bei jedem Dauermagnet- Synchrongenerator anwendbar ist, auch einem solchen mit einer mehr­ phasigen Konfiguration.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist, daß die Ausgangsspannung eines Dauermagnet-Reglers wirksam über einen breiten Bereich von Rotor­ drehzahlen und Lastschwankungen geregelt wird. Der Spannungsregler gemäß der Erfindung ist relativ einfach und kann billig hergestellt werden. Er erzeugt praktisch keine zusätzliche unnötige Wärme oder Abfallenergie.

Claims (8)

1. Spannungsregler (12) zum Begrenzen der Ausgangsspannung eines Synchrongenerators (10), mit einer Steuerschaltung, welche auf­ weist:
einen Vollwellengleichrichter (28), der einem ersten Schaltkreis (34) entsprechend dem Ausgangssignal (30) des Synchrongenerators eine Reihe von Halbwellenimpulsen (32) aufprägt; eine Schalteinrichtung (36), die an den ersten Schaltkreis (34) angeschlossen und so ausge­ bildet ist, daß sie die Halbwellenimpulse einem zweiten Schaltkreis (38) nur bei Empfang eines Ausgangssignals von einer Steuerein­ richtung (40) zuleitet, wobei die Steuereinrichtung an den ersten Schaltkreis (34) angeschlossen und so ausgebildet ist, daß sie das Ausgangssignal erzeugt und an die Schalteinrichtung (36) anlegt, wenn die Halbwellenimpulse (32) eine ausreichend hohe Eingangs­ spannung für die Steuereinrichtung (40) erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoreinrichtung (44) vorge­ sehen ist, die bei Erfassen eines spezifischen Spannungspegels auf dem zweiten Schaltkreis (38) ein Klemmsignal erzeugt; und daß eine Ableiteinrichtung (48) vorgesehen ist, die das Anlegen des Ausgangssignals an die Schalteinrichtung (36) bei Erzeugung des Klemmsignals sperrt.

2. Spannungsregler (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (36) ein gesteuerter, eine Anode, eine Kathode und ein Gate aufweisender Siliziumgleichrichter (42) mit empfindlichem Gate ist.

3. Spannungsregler (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzdiode (64) zwischen der Kathode des Gleichrichters (62) und dem zweiten Schaltkreis (38) liegt.

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) das Ausgangssignal einem Gatterschaltkreis (42) aufprägt, der an das Gate des Gleich­ richters (62) angeschlossen ist, um diesen leitend zu machen.

5. Spannungsregler (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (36) einen zwischen dem ersten Schalt­ kreis (34) und dem Gatterschaltkreis (42) liegenden bilateralen Schalter (74) enthält, ferner einen Speicherkondensator (76), der zwischen Masse und dem Verbindungspunkt des bilateralen Schal­ ters (74) und des ersten Schaltkreises (34) liegt.

6. Spannungsregler (12) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ableiteinrichtung (48) ein Transistor (90) ist, dessen Kollektor an den Gatterschaltkreis (42), dessen Emitter an Masse und dessen Basis an den dritten Schaltkreis (46) angeschlos­ sen ist.

7. Spannungsregeler (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energiespeichereinrichtung (94, 96) zwischen dem zweiten Schaltkreis (38) und Masse liegt, um elektrische Energie nur dann zu speichern, während die Schaltein­ richtung (36) leitend ist.

8. Spannungsregler (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (44) eine Zener-Diode (86) und einen Widerstand (88) enthält, wobei die Kathode der Zener-Diode (86) an den zweiten Schaltkreis (38) und die Anode der Zener-Diode an den einen Anschluß des Widerstands (88) ange­ schlossen ist, dessen anderer Widerstand auf Masse liegt, wobei der Verbindungspunkt zwischen der Zener-Diode (86) und dem Wider­ stand (88) an die Ableiteinrichtung (48) angeschlossen ist.