DE19935260A1 - Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines Generators - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines GeneratorsInfo
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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
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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DE19935260A DE19935260A1 (de) | 1998-08-05 | 1999-07-27 | Schaltungsanordnung zum Abbau gespeicherter magnetischer Energie einer Erregerwicklung eines Generators |
Applications Claiming Priority (2)
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JP (1) | JP2000060191A (de) |
DE (1) | DE19935260A1 (de) |
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