DE2144974A1 - Elektrischer Gleich- und Wechselstromgenerator - Google Patents

Description

Patentanwälte

m«. π. rvr-τζββ«. 233-17.506Ρ 8. 9. 1971

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Dr.-ln;j. Ii. V- . I- , Z Jr.
8 München 22, Sieinedorfstr. 10

Ustav pro vyzkum motorovych vozidel PRAG 9 (Tschechoslowakei)

Elektrischer Gleich- und Wechselstromgenerator

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator für Wechsel- oder Gleichstrom, mit einer Halbleiter-, insbesondere Transistorregeleinrichtung der Spannung, des Stroms oder der Leistung.

In Stromversorgungsvorrichtungen, insbesondere .für Verkehrsmittel, bestehend aus Generatoren (Dynamos oder Wechselstromgeneratoren mit oder ohne Gleichrichter und aus Regeleinrichtungen für Spannung, Strom oder Leistung, verwendet man immer häufiger Halbleiterregeleinrichtungen, z.B. mit Transistoren oder Thyristoren bestückt, die früher verwendete Kontaktregeleinrichtungen ersetzen.

Bei derartigen Regeleinrichtungen wird das steuernde Halbleiterbauelement gewöhnlich durch einen Spannungsteiler gespeist. Das steuernde Halbleiterbauelement steuert ein Halblei ter-Leistungs-Endbauelement, das den Generator-Feldstrom

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HdMC)

steuert. Der Generator-Feldstrom ist meistens derart hoch, daß der Verstärkungsfaktor des Halbleiter-Endbauelementes nicht ausreicht und eine weitere, aus Widerständen und einem zweiten Halbleiterbauelement gebildete Verstärkerstufe verwendet werden muß. Aber auch dann fließt durch einen der erwähnten Widerstände ein im wesentlichen hoher Strom, der eine große Wärmemenge freisetzt, deren Abfuhr aus der Regeleinrichtung Schwierigkeiten verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten in elektrischen Generatoren mit Halbleiterregeleinrichtungen zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß seine Feldwicklung zwei oder mehr elektrisch getrennte Teile besitzt, von denen einer im Kreis eines Halbleiter-Endbauelementes der Regeleinrichtung und der zweite bzw. weitere Teile der Feldwicklung im Kreis von Vorverstärkerbauelementen der Regeleinrichtung liegen.

Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, daß die Regeleinrichtung zwei oder mehr Stufen besitzt, so daß die einzelnen Teile der Feldwicklung des Generators aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von der Generatorbelastung, d.h. von dessen Strom oder Leistung, einschaltbar sind.

Auf. diese einfache Weise wird auch der Teil der elektrischen Energie, der bisher ausschließlich in Wärme umgewandelt wurde, vorteilhaft dazu ausgenutzt, die notwendigen magnetomotorischen Kräfte hervorzurufen. Infolgedessen kann der Hauptteil der Feldwicklung wesentlich kleiner gestaltet und die Wärmeabfuhr aus der Regeleinrichtung sehr vereinfacht werden.

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Die Erfindung wird nun mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert werden, die einerseits den bekannten Stand der Technik auf dem Gebiet von Nebenschlußgeneratoren mit Transistorregeleinrichtungen und andererseits Ausführungsbeispiele von Schaltungen elektrischer Generatoren mit einer erfindungsgemäßen Transistorregeleinrichtung darstellt. Es zeigen:

Pig. I eine vereinfachte bekannte Schaltung eines Generators mit einer einfachen Transistorregeleinrichtung;

Fig. 2 eine ähnliche Schaltung mit einer Transistorregeleinrichtung einschließlich einer Vorverstärkerstufe;

Fig. 3 eine vereinfachte Generatorschaltung, mit einer Transistorregeleinrichtung mit einer Vorverstärkers tufe, wobei die Generator-Feldwicklung erfindungsgemäß ausgebildet ist, und

Fig. 4 eine ähnliche Schaltung wie Fig. 3, wobei jedoch ein Teil der Feldwicklung erst bei höherer Stromverstärkung durch einen Thyristor angeschlossen wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält einen Wechselstromgenerator 7> dessen Feldwicklung 6 in Reihe mit dem Kollektor und Emitter eines Leistungs-Endtransistors 5 und mit einem Stabilisierungswiderstand 9 an die Netzklemmen (+, -) eines Gleichstromnetzes angeschlossen ist. Parallel zur Feldwicklung 6 ist eine Schutzdiode 10 angeschlossen. Parallel zur erwähnten Reihenschaltung mit der Feldwicklung '6 ist an die Netzklemmen ein Steuertransistor 1 in Reihe mit

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einem Begrenzungswiderstand 8 angeschlossen. Der Kollektor des Steuertransistors 1 ist an die Basis des Endtransistors 5 angeschlossen. Parallel zu den beiden erwähnten Reihenschaltungen ist schließlich ein aus zwei Widerständen 2 und j5 bestehender Spannungsteiler an die Netzklemmen angeschlossen. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers ist über eine Zenerdiode 4 an die Basis des Steuertransistors 1 angeschlossen.

Wie aus der Schaltung in Fig. 1 ersichtlich ist, wird der Steuertransistor 1 aus dem aus den Widerständen 2 und 3 zusammengesetzten Spannungsteiler über die Zenerdiode 4 gespeist. Der Transistor 1 steuert den Leistungs-Endtransistor 5, der den Strom der Feldwicklung 6 des Generators 7 steuert. Der Begrenzungswiderstand 8 wirkt begrenzend und läßt gleichzeitig an sich eine "Vorspannung abfallen. Der Stabilisierungswiderstand 9 wirkt ebenfalls begrenzend und stabilisiert den Arbeitspunkt des Endtransistors 5·

Falls die Netzspannung niedriger als der Sollwert ist, ist die Zenerdiode 4 gesperrt und auch der Steuertransistor 1 leitet nicht. Jedoch ist der Endtransistor 5 leitend und infolgedessen fließt durch die Feldwicklung 6 der volle Feldstrom, so daß am Generator 7 die volle Klemmenspannung anliegt. Sobald aber die Klemmenspannung über einen bestimmten ψ Grenzwert anwächst, wird die Zenerdiode 4 geöffnet, wodurch auch der.Steuertransistor 1 geöffnet wird. Dadurch werden die Spannungsverhältnisse an der Basis des Endtransistors 5 geändert, so daß dieser gesperrt wird und durch die Feldwicklung 6 der Strom zu fließen aufhört. Der Generator 7 wird entregt· und dessen Klemmenspannung vermindert. Falls diese Spannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt, wird die Zener-

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diode 4 wieder gesperrt, der Steuertransistor I wird ebenfalls gesperrt, und der Endtransistor 5 führt wieder Strom. Das verursacht den Durchfluß von Erregerstrom, wodurch die Klemmenspannung, wieder ansteigt. Dieser Vorgang wird ständig wiederholt.

Die beschriebene Regelung kann jedoch nur bei kleineren Leistungen angewendet werden. Bei größeren Leistungen ist der Verstärkerungsfaktor des Endtransistors 5 nicht mehr ausreichend, wie bereits erwähnt wurde, und es muß eine Vorverstärkerstufe verwendet werden. Ein Generator mit einer derartigen Vorverstärkerstufe ist in der Schaltung der Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltung gleicht der in Fig. 1 bis auf den Unterschied, daß an die Netzklemmen zwischen den Reihenschaltungen mit der Feldwicklung 6 und dem Steuertransistor 1 die Vorverstärkerstufe angeschlossen ist. Diese besteht aus einem zweiten, in Reihe mit Widerständen 12 und 13 geschal-· teten Transistor 11. An die Basis des zweiten Transistors 11 ist der Kollektor des Steuertransistors 1 angeschlossen, und die Basis des Endtransistors 5 ist mit dem Emitter des zweiten Transistors 11 verbunden.

Der Generator bzw. die Regeleinrichtung nach Fig. 2 arbeitet ähnlich, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Falls die Netzspannung unterhalb des bestimmten Grenzwerts liegt, ist der Steuertransistor 1 gesperrt, während die beiden weiteren Transistoren 5 und 11 leiten und durch die Feldwincklung 6 der Erregerstrom fließt. Dieser Strom wird wieder unterbrochen, sobald die Netzspannung über, den bestimmten Grenzwert ansteigt. In diesem Falle bestehen bereits auch bei großen Leistungen keine Schwierigkeiten mit dem Verstärkungsfaktor des Endtransistors 5* Schwierigkeiten verursacht jedoch der vorgeschaltete Wider-

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stand 13 des zweiten Transistors 11. Durch den Widerstand 13 fließt bei größeren Leistungen des Generators ein verhältnismäßig hoher, zur Steuerung des Endtransistors 5 not- ' wendiger Strom. Der Widerstand 13 ist groß, da er für eine hohe Leistung dimensioniert werden muß, und stellt damit eine Quelle einer großen Wärmemenge in der Regeleinrichtung dar, wobei die Abfuhr dieser Wärmemenge mit Rücksicht auf die Anordnung der Regeleinrichtung oft schwierig ist. Dieses Problem kann nicht dadurch wirklich gelöst werden, daß der Widerstand 13 außerhalb der Regeleinrichtung als selbständiger Montageteil angeordnet wird. Dies wäre nämlich mit Rücksicht auf ψ weitere notwendige Zuleitungen, Verbindungen und Befestigungsteile, eventuell auch wegen Anordnungsschwierigkeiten, nachteilig.

Die Schwierigkeit, die durch den vorgeschalteten Widerstand 13 des zweiten Transistors 11 hervorgerufen wird, wird erfindungsgemäß auf die durch die Schaltung der Fig. 3 angedeutete Weise gelöst. Diese Schaltung ähnelt der in Fig. 2 dargestellten bis auf den Unterschied, daß erfindungsgemäß die Feldwicklung des Generators 7 in zwei Teile aufgeteilt ist, nämlich in einen Hauptteil 6 mit einem kleineren Widerstandswert 'und in einen Nebenteil 14 mit einem höheren Widerstandswert. Mit beiden Teilen 6 und 14 der Feldwicklung sind Schutzdioden 10 und 15 verbunden. Dabei ist der Hauptteil 6 der Feldwicklung in Reihe mit dem Endtransistor 5 geschaltet und der Nebenteil 14 der Feldwicklung in Reihe mit dem zweiten Transistor 11 geschaltet. In diesem Fall steuert der Endtransistor 5 den Strom, der durch den Hauptteil 6 der Feldwicklung fließt, während durch den zweiten Teil der Feldwicklung, nämlich den Nebenteil 14, welcher den Vorschaltwider-' stand 13 in Fig. 2 ersetzt, der zur Steuerung des Endtransistors 5 notwendige Strom fließt. Um die auf diese Weise

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entstehende magnetomotorische Kraft zu reduzieren, kann der Hauptteil 6 der Feldwicklung kleiner dimensioniert werden.

Auf diese Weise entfallen die Sorge um die Anordnung eines großen Vorschaltwiderstandes I3 und dadurch auch die Notwendigkeit seiner Kühlung. Die Anordnung des Feldwicklungs-Nebenteils 14 erfordert .keinen weiteren Raum und die in ihm entwickelte Wärme wird in diesem Fall leicht durch die Ventilation des Generators abgeführt.

Fig. 4 gibt eine Schaltung an, die eine Weiterbildung der Schaltung gemäß Fig. 3 ist. Außer dem Drehstromgenerator 7 ist hier ein Gleichrichter 16 mit sechs Dioden abgebildet, der das Netz eines Fahrzeuges speist. In eine Phase des Generators 7 ist die Primärwicklung eines Stromwandlers iß geschaltet, dessen Sekundärwicklung an einen Gleichrichter angeschlossen ist. Die Ausgänge des Gleichrichters 19 sind an einen Widerstand 20 angeschlossen, der in Reihe mit einer Zenerdiode 21 und mit deren Arbeitswiderstand 23 geschaltet ist. Parallel zur Reihenschaltung der Zenerdiode 21 und deren Arbeitswiderstands 23 ist ein Siebkondensator 22 geschaltet. Eine Klemme der Zenerdiode 21 ist an die Steuerelektrode eines Thyristors 17 angeschlossen, der in Reihe mit dem.Feldwicklungs-Haupt teil 6 und dem Endtransistor 5 liegt. Die übrigen Teile der Schaltung entsprechen gänzlich den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Bestandteilen der Schaltung gemäß Fig. 3-

Die Erregung des Generators 7 erfolgt in der Schaltung der Fig. 4 in zwei Stufen. Bei kleiner Belastung ist zuerst bloß der Feldwicklungs-Nebenteil 14 eingeschaltet; erst bei •größerer Belastung, die sich durch eine größere Strombelastung des Stromwandlers 18 äußert, wird nach Überschreitung

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der Sperrspannung der Zenerdiode 21 der Thyristor IJ leitend. Dann fließt der Erregerstrom auch durch den FeIdwicklungs-Hauptteil 6, und der Feldwiqklungs-Nebenteil 14 nicht in vollem Ausmaß als Vorschaltwiderstand, dessen Strom den Endtransistor 5 steuert, und der Generator bzw. die Regeleinrichtung arbeitet im wesentlichen so, wie bereits im Zusammenhang mit der Schaltung gemäß Fig. J5 beschrieben wurde. Bei Überschreitung des bestimmten Grenzwerts der Klemmenspannung wird der Erregerstrom unterbrochen und die Klemmenspannung wird verringert. Im Unterschied von der Schaltung gemäß Fig. J5 wird in der Schaltung gemäß Fig. 4 nach voller ™ Strombelastung, wo beide Teile 6 und 14 der Feldwicklung erregt sind, bei einer gewissen Verringerung der Strombelastung den Feldwicklungs-Hauptteil 6 abgeschaltet, so daß nur der Feldwicklungs-Nebenteil Ik wirksam bleibt. Die beschriebenen Wirkungen können auch in umgekehrter Reihenfolge eintreten und sich verschiedenartig Kombinieren. Dadurch wird gewährleistet, daß der erfindungsgemäß geschaltete Generator in seinem Netz die bestimmte Klemmenspannung bei den verschiedensten Drehzahlen und bei den allerverschiedensten entnommenen Leistur^n aufrecht erhält.

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Claims (2)

1. ~⁹~ 2UA974

   Patentansprüche

   (1,,^Elektrischer Generator für Wechsel- oder Gleichstrom, mit einer Halbleiter-, insbesondere Transistorregeleinrichtung der Spannung, des Stroms oder der Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß seine Feldwicklung zwei oder mehr elektrisch getrennte Teile (6, l4) besitzt, von denen einer (6) im Kreis eines Halb- , leiter-Endbauelementes (5) der Regeleinrichtung und der zweite (14) bzw. weitere Teile der Feldwicklung im Kreis von Vorverstarkerbauelementen (11) der Regeleinrichtung liegen (Fig. 3, 4).
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zwei oder mehr Stufen besitzt, so daß die einzelnen Teile (6, lA) der Feldwicklung des Generators (7) aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von der Generatorbelastung, d. h. von dessen Strom oder Leistung, einschaltbar sind (Fig. 4). ■ .

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