DE19935260A1 - Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines Generators - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines Generators

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Abstract

Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer an einer Batteriespannung (Ubatt) anliegenden Erregerwicklung eines Generators, mit einem mit der Erregerwicklung in Wirkverbindung stehenden, mittels einer Taktsteuerung getaktet steuerbaren Leistungsschalter zur Steuerung der Energiespeicherung bzw. des Energieabbaus der Erregerwicklung, wobei eine Zenerdiode zwischen der Erregerwicklung und einem Steuereingang eines Leistungsschalters zur Steuerung des Energieabbaus der Erregerwicklung, insbesondere des Leistungsschalters, angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines Generators nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Steuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Beim Betrieb von Kraftfahrzeug-Generatoren, beispielsweise Klauenpolgeneratoren, entstehen bei einem Lastabwurf plötzliche Überspannungen, da die magnetische Durchflutung bzw. die gespeicherte magnetische Energie der Erregerwicklung des Generators nur endlich schnell abbaubar ist. Die sich hieraus ergebende Spannungserhöhung der Bordnetzspannung kann herkömmlicherweise nur mit Hilfe zusätzlicher teurer Bauelemente, wie etwa Leistungszenerdioden, verhindert werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Schaltungen zur Löschung bzw. dem Abbau der gespeicherten magnetischen Energie einer Erregerwicklung bekannt.
Anhand der Fig. 3 wird zunächst eine erste bekannte Löschungsschaltung erläutert. Ein Generator G weist eine Erregerwicklung 10 auf, die durch ihre Induktivität L und ihren ohmschen Widerstand R charakterisiert ist. Die Energiespeicherung bzw. -löschung der Erregerwicklung 10 wird mittels eines Leistungstransistors T gesteuert, welcher im Normalbetrieb durch eine Taktsteuerung 20 getaktet betrieben wird. Die Erregerspule 10 und der Leistungstransistor T liegen in Reihe geschaltet an einer Batteriespannung Ubatt an.
Im Normalbetrieb wird, wie erwähnt, der Leistungstransistor T getaktet betrieben, beispielsweise nach dem Verfahren der Pulsbreitenmodulation. Während des leitenden Zustandes des Leistungstransistors T wird Energie in der Erregerspule 10 gespeichert. Eine Diode D bildet einen Freilaufkreis der Erregerspule 10. Während des nichtleitenden Zustandes des Leistungstransistors T, d. h. der Freilaufphase der Erregerspule 10, wird die in der Erregerspule gespeicherte magnetische Energie über den Freilaufkreis abgebaut. Die zum Energieabbau notwendige Gegenspannung entspricht der Durchlaßspannung der Diode D des Freilaufkreises, typischerweise etwa 0,7 V. Entsprechend dieser geringen Gegenspannung erfolgt der Energieabbau relativ langsam. Während dieses Verhalten im Normalbetrieb wünschenswert ist, erfolgt im Falle eines Lastabwurfs der Energieabbau in der Erregerspule trotz eines sofortigen Reglereingriffs zu langsam, da die geringe Gegenspannung einen schnellen Energieabbau nicht zuläßt. Dies führt zu Überspannungen im Bordnetz, die beispielsweise durch den Einsatz von teuren Leistungszenerdioden unterdrückt werden müssen.
In Fig. 4 ist die aus dem Stand der Technik bekannte, sogenannte H-Brückenschaltung zum Abbau der Energie einer Erregerspule dargestellt. Gleiche Bauteile sind hier mit der Fig. 3 entsprechenden Dezugszeichen versehen. Die Schaltung weist zwei Leistungsschalter S1, S2 auf, die beispielsweise als Transistoren ausgebildet sein können. Im Normalbetrieb werden zur Energiespeicherung in der Erregerwicklung 10 beide Leistungsschalter S1, S2 geschlossen. Hierbei fließt ein Strom über Leistungsschalter S1, Induktivität L, Widerstand R und Leistungsschalter S2. Während des Freilaufs ist einer der Leistungsschalter geschlossen, womit ein Abbau der magnetischen Energie der Erregerwicklung 10 entsprechend der oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Lösung realisiert ist.
Zum schnellen Abbau bzw. zur Löschung der magnetischen Energie der Erregerwicklung 10 werden beide Leistungsschalter S1, S2 gleichzeitig geöffnet. Der Strom fließt nun über die Diode D2, die Induktivität I, den Widerstand R und die Diode D1. Die Dioden D1, D2 werden hierbei in Leitrichtung durchflossen. Der Strom fließt also gegen die Batteriespannung (beispielsweise 14V) und die Durchlaßspannungen der beiden Dioden D1, D2. Die hierzu notwendige Gegenspannung wird durch die Selbstinduktivität der Erregerspule 10 aufgebaut.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer preiswert realisierbaren Schaltungsanordnung, mit der ein rascher und zuverlässiger Abbau der in einer Erregerspule eines Generators gespeicherten magnetischen Energie, insbesondere zur Kompensation eines plötzlichen Lastabwurfs, gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Steuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Erfindungsgemäß ist nun ein im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich schnellerer Abbau der gespeicherten Energie bzw. der Induktivität einer Erregerwicklung eines Generators möglich. Dies ist insbesondere im Fall eines Lastabwurfs, d. h. dem Ausschalten oder dem plötzlichen Ausfall eines Verbrauchers, von Bedeutung. Die Dauer der an dem Generatorausgang entstehenden Überspannung wird erfindungsgemäß erheblich vermindert. Die von Schutzelementen, beispielsweise Leistungszenerdioden, zu absorbierende Löschenergie am Generatorausgang wird ebenfalls wesentlich geringer. Dies führt zu Kosteneinsparungen, da Schutzelemente mit geringerer Leistungsfähigkeit eingesetzt werden können. Es ergeben sich ferner Vorteile im Hinblick auf einen kleineren benötigten Bauraum und eine geringere abzuführende thermische Energie. Es sei angemerkt, daß der Leistungsschalter zur getakteten Steuerung der Erregerwicklung nicht notwendigerweise der gleiche Leistungsschalter ist, dessen Steuereingang über die Zenerdiode ansteuerbar ist. Es ist jedoch bevorzugt, lediglich einen Leistungsschalter zur Durchführung der genannten Funktionen vorzusehen.
Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen mit der Erregerwicklung in Wirkverbindung stehenden Freilaufkreis, der wenigstens eine Diode und wenigstens einen Leistungsschalter umfaßt, auf. Hierdurch ist im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung eine herkömmliche Diodenlöschung, wie sie beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig. 3 oben erläutert wurde, zur Verfügung gestellt. Der Normalbetrieb der Erregerstromregelung des Generators, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Generators, wird von der erfindungsgemäßen Löschung der Energie der Erregerwicklung mittels einer Zenerdiode nicht beeinflußt. Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Prinzip der Löschung über eine Zenerdiode auch während des Normalbetriebs als erweiterter Stelleingriff bei der Generatorregelung verwendet werden. Hierdurch ist eine Erhöhung der Regeldynamik erzielbar, da der erregerseitige Stelleingriff verbessert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zwischen der Erregerspule und der Zenerdiode eine Diode angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung handelt es sich bei dem Leistungsschalter zur Steuerung der Energiespeicherung bzw. des Energieabbaus der Erregerwicklung und/oder dem Leistungsschalter des Freilaufkreises um MOS-Feldeffekttransistoren. Derartige Transistoren sind zuverlässig und preiswert erhältlich. Es sind jedoch auch andere steuerbare Schalter verwendbar, beispielsweise ein bipolarer Transistor oder ein IGBT. Die Ansteuerung dieses Leistungsschalters kann über eine der bekannten High- Side-Ansteuerungen erfolgen, denkbar ist jedoch beispielsweise auch der Einsatz eines Smart-Power MOS- Feldeffekttransistors, in welchen die High-Side Ansteuerung integriert ist.
Beim Generator kann es sich um einen Synchrongenerator, beispielhaft um einen Klauenpolgenerator handeln. Ein derartiger Generator weist ein relativ geringes Gewicht auf und ist preiswert herstellbar. Durch die Kombination mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die wie bereits erwähnt wenig Bauraum benötigt, sind sehr kompakte Generatoreinheiten zur Verfügung gestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß beispielsweise im Falle eine plötzlich auftretenden Lastabwurfs von einer ersten Betriebsart, in der der die Erregerwicklung des Generators steuernde Leistungsschalter getaktet betrieben wird, auf einen zweiten Betriebszustand umgeschaltet wird, in welcher der Entladestrom der Erregerwicklung, der durch die an der Erregerwicklung anliegenden Spannung verursacht ist, zunächst nur über die (bezüglich dieser Spannung in Sperrichtung geschaltete) Zenerdiode fließen kann. Bei der in dieser Betriebsart an der Erregerwicklung anliegenden, bzw. der an der Zenerdiode abfallenden Spannung handelt es sich im wesentlichen um die Summe aus der Batteriespannung und der durch die Selbstinduktion der Erregerwicklung verursachten Spannung. Erst bei Überschreiten der Durchbruchspannung der Zenerdiode wird der Steuereingang des Leistungsschalters bzw. Transistors angesteuert, so daß dieser wenigstens teilweise durchgesteuert wird einen Entladestrom von der Erregerwicklung abführen kann.
Zweckmäßigerweise ist in dem zweiten Betriebszustand der Leistungsschalter des Freilaufkreises geöffnet. Hierdurch ist in einfacher Weise der Freilaufkreis von den während des zweiten Betriebszustandes auftretenden Strömen bzw. Spannungen entkoppelbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die an der Erregerwicklung anliegende Spannung über die Zenerdiode und eine weitere Diode auf den Steuereingang des Leistungsschalters gegeben.
Die Erfindung wird nun anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerspule eines Generators,
Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Erregerspulenstrom zur Veranschaulichung der Energieabbaugeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im Vergleich zu demjenigen gemäß einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik dargestellt ist,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Abbau magnetischer Energie gemäß dem Stand der Technik, und
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung zum Abbau magnetischer Energie gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerspule eines Generators.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist einen Generator G mit einer Erregerwicklung 1 auf, die durch ihre Induktivität L und ihren ohmschen Widerstand R charakterisiert ist. Die Energiespeicherung bzw. -löschung der Erregerwicklung 1 wird mittels eines Leistungstransistors T gesteuert, welcher im Normalbetrieb durch eine Taktsteuerung 2 getaktet betrieben wird. Zwischen der Taktsteuerung 2 und den Gate- bzw. Source-Anschlüssen des Transistors T sind Widerstände R1 bzw. R2 vorgesehen. Die Erregerspule 1 und der Leistungstransistor T liegen in Reihe geschaltet an einer Batteriespannung Ubatt an. Ein Leistungsschalter S und eine Diode D1 bilden einen Freilaufkreis der Erregerspule 1.
Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Diode D2 und eine Zenerdiode Dz auf, welche derart zwischen der Erregerwicklung I und dem Leistungstransistor T angeordnet sind, daß im Falle einer Öffnung des Leistungsschalters S ein Strom aus der Erregerwicklung 1 über Diode D2 und Zenerdiode Dz auf den Steueranschluß des Leistungstransistors T fließen kann.
Im Normalbetrieb bzw. einer ersten Betriebsart wird, entsprechend dem Stand der Technik, der Leistungstransistor T getaktet betrieben, beispielsweise nach dem Verfahren der Pulsbreitenmodulation. Während des leitenden Zustandes des Leistungstransistors T wird Energie in der Erregerspule 1 gespeichert. In diesem Betriebszustand ist der Leistungsschalter S geschlossen.
Während des nichtleitenden Zustandes des Leistungstransistors T, d. h. der Freilaufphase der Erregerspule 1, wird die in dieser gespeicherte Energie über den Freilaufkreis abgebaut. Die zum Energieabbau notwendige Gegenspannung entspricht der Summe der Durchlaßspannungen der Diode D1 und des Leistungsschalters S, typischerweise etwa 1,5 V. Entsprechend dieser relativ geringen Gegenspannung erfolgt der Energieabbau nur langsam. Dieses Verhalten ist im Normalbetrieb zur Gewährleistung eines Erregerstroms geringer Welligkeit wünschenswert.
Im Falle eines Lastabwurfs im Bordnetz wird durch sofortigen Reglereingriff mittels eines (nicht dargestellten) Reglers der Leistungsschalter S geöffnet und der Leistungstransistor T gesperrt. In der Erregerspule 1 baut sich aufgrund der Selbstinduktion eine Spannung Ui auf, welche die gleiche Richtung aufweist wie die Batteriespannung Ubatt. Da der Leistungstransistor T gesperrt ist, kann der Entladestrom der Erregerspule 1 zunächst nur über Diode D2 und Zenerdiode Dz (in Sperrichtung) fließen. An der Zenerdiode fällt in Sperrichtung die Durchbruch- bzw. Zenerspannung Uz ab. Erst wenn die Summe der Spannungen Ubatt und Ui die Zenerspannung übersteigt, entsteht eine Steuerspannung am Gate- bzw.- Steueranschluß des Leistungstransistors, durch welche der Leistungstransistor aufgesteuert wird, so daß ein Entladestrom direkt von der Erregerspule 1 über den Leistungstransistor T fließen kann.
Fließt ein Entladestrom durch den Leistungstransistor T, sinkt die an der Zenerdiode Dz anliegende Spannung, so daß auch die Steuerspannung am Gate-Anschluß des Leistungstransistors abnimmt. Da hierdurch der Entladestrom durch den Leistungstransistor T wieder abnimmt und folglich die an der Zenerdiode Dz anliegende Spannung wieder zunimmt, ist ein Regelungskreislauf zum Abbau der Energie der Erregerspule 1 geschaffen, bei dem über den Leistungstransistor T eine geregelte Spannung abfällt.
Die für die Entladung notwendige Gegenspannung entspricht der Summe aus der Zenerspannung der Zenerdiode Dz, beispielsweise 70 V, und, im Falle eines MOS-Feldeffekttransistors als Leistungstransistor T, der Schwellenspannung des Leistungstransistors T. Durch entsprechende Wahl der Zenerspannung der Zenerdiode Dz kann die Höhe der Gegenspannung variiert und somit die Dauer des Entladevorgangs beeinflußt werden.
Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Vergleich des Energieabbaus bzw. der Energielöschung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung (Zener- Löschung) mit einem Energieabbau mittels der herkömmlichen Diodenlöschung. Hierbei ist jeweils der Erregerspulenstrom gegen die Zeit aufgetragen. Man erkennt, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein wesentlich schnellerer Energieabbau der in der Erregerwicklung gespeicherten Energie erzielbar ist. Für den beispielhaften Vergleich gemäß Fig. 4 wurden die folgenden Schaltungsparameter gewählt:
L = 220 mH
R = 2 Ω
Uz = 70 V
Ubatt = 14 V
Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung stellt eine Variante der in Fig. 1 vorgestellten Schaltung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines Generators mit Hilfe einer schnellen Zenerlöschung dar.
Im normalen Betrieb, wenn der Erregerstrom auf einen konstanten Wert geregelt wird, ist der Transistor T2, vorzugsweise ein MOSFET, dauernd leitend. Der Transistor T1 wird getaktet angesteuert mit Hilfe bekannter Verfahren, wie z. B. PWM (Pulsweitenmodulation)- oder Zwei-Punkt-Regelung. Leitet der Transistor T1 wird Energie aus der Quelle Ubatt in den Erregerkreis gespeist, der Erregerstrom fließt über den Transistor T1 ,die Erregerwicklung 1 (L, R) und den Transistor T2. Sperrt der Transistor T1, kann sich die im Erregerkreis gespeicherte Energie im Freilaufkreis L, R, T2 und DF abbauen. Die geringe Gegenspannung von ca. 1,5 V (Durchlaßspannung von DF und des leitenden Transistors T2) läßt nur einen langsamen Energieabbau zu, was in diesem Betriebszustand auch gewollt ist.
Im Falle eines Lastabwurfes (Load Dump) werden beide Transistoren T1 und T2 von der Ansteuerung gesperrt. Die im Erregerkreis gespeicherte Energie kann sich im ersten Moment nur über die Dioden D1 und Dz abbauen, was zur Folge hat, daß sich das Gate des Transistors T2 auflädt und der Transistor T2 in seinem aktiven Bereich betrieben wird. Dadurch erhöht sich die für den schnellen Energieabbau (schnelle Zenerlöschung) notwendige Gegenspannung auf den Wert der Durchbruchspannung, z. B. 70 V, der Diode Dz, die vorzugsweise eine Zenerdiode ist. Die im Erregerkreis gespeicherte Energie baut sich ebenfalls wie normalen Betrieb im Freilaufkreis über die Erregerwiclung 1 (L, R), die Diode DF und den Transistor T2 ab, jedoch wird der Transistor T2 wie bereits beschrieben, in seinem aktiven Bereich betrieben. Dadurch erfolgt der Energieabbau, wie schon im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, in relativ kurzer Zeit, so daß die Auswirkungen von Überspannungen im Falle eines Load Dump, also einer schnellen Lastreduzierung auf das Bordnetz verringert werden können.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer an einer Batteriespannung (Ubatt) anliegenden Erregerwicklung (1) eines Generators (G), mit einem mit der Erregerwicklung (1) in Wirkverbindung stehenden, mittels einer Taktsteuerung (2) getaktet steuerbaren Leistungsschalter (T) zur Steuerung der Energiespeicherung bzw. des Energieabbaus der Erregerwicklung (1), gekennzeichnet durch eine zwischen der Erregerwicklung (1) und einem Steuereingang eines Leistungsschalters zur Steuerung des Energieabbaus der Erregerwicklung (1), insbesondere des Leistungsschalters (T), angeordnete Zenerdiode (Dz)
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit der Erregerwicklung (1) in Wirkverbindung stehenden Freilaufkreis, der wenigstens eine Diode (D1) (DF) und wenigstens einen Leistungsschalter (S), (T2) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Erregerspule (1) und der Zenerdiode (Dz) eine Diode (D2) angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Leistungsschalter (T), (T2) um einen MOS- Feldeffekttransistor handelt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Generator (G) um einen Synchrongenerator, z. B. einen Klauenpolgenerator, handelt.
6. Verfahren zur Steuerung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einer ersten Betriebsart der Leistungsschalter (T) mittels einer Taktsteuerung (2) getaktet betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Betriebsart der getaktete Betrieb des Leistungsschalters (T) unterbrochen wird und eine an der Erregerwicklung (1) anliegende Spannung über die Zenerdiode (Dz), welche bezüglich dieser Spannung in Sperrichtung geschaltet ist, auf einen Steuereingang eines Leistungsschalters zur Steuerung des Abbaus der gespeicherten Energie der Erregerwicklung (I), insbesondere des Leistungsschalters (T), gegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Betriebszustand der Leistungsschalter (S) des Freilaufkreises geöffnet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Erregerwicklung (1) anliegende Spannung über die Zenerdiode (Dz) und die Diode (D2) auf den Steuereingang des Leistungsschalters (T) gegeben wird.
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