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Anordnung zur Drehzahlmessung von Generatoren, insbe-
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sondere von Ge neratoren für von Verbrennungskraftmaschinen angetriebene
Ersatzstromanlagen.
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BESCHREIBUNG Problemstellung und Stand der Technik Ersatzstrom- bzw.
Notstromanlagen, bei denen ein Generator von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben
wird, sollen bei Ausfall des Energieversorgungsnetzes die Energieversorgung der
Verbraucher (z. B. Krankenhäuser, Radaranlagen, Notbeleuchtung, Fabrikanlagen) übernehmen,
wobei die zeitliche Energielücke zwischen Netzausfall und vollständiger Ubernahme
der Energieversorgung durch die Ersatzstromanlage nur wenige Sekunden, in manchen
Fällen nur Bruchteile von Sekunden (z. B. bei Radaranlagen) betragen darf. Hierzu
wird üblicherweise die Verbrennungskraftmaschine von einem aus einer Batterie gespeisten
Anlasser über eine automatische, elektrische Einrichtung gestartet.
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Ein Problem bei diesem Startvorgang besteht in der Ermittlung der
Drehzahl, bei der die Verbrennungskraftmaschine sicher angesprungen ist und der
Anlasser abgeschaltete werden muß, um ihn vor Zerstörungen zu schützen. Diese Abschaltdrehzahl
für den Anlasser liegt erfahrungsgemäß bei Drehzahlen, die 10 bis 20 96 der Nenndrehzahl
der Verbrennungskraftmaschine beträgt.
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Zur Ermittlung dieser Drehzahl wird bei auf dem Markt erhältlichen
Ersatzstromanlagen ein zusätzlicher Tachogenerator, w. z. B. eine zusätzliche Lichmaschine,
ein optoelektronischer Abtaster oder sonstige bekannte Vorrichtungen zur Messung
von Drehzahlen rotierender Teile verwendet. Das von diesen Vorrichtungen erzeugte
Drehzahlsignal wird in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik zu einem Abschaltsignal
für den Anlasser aufbereitet.
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Derartige zusätzliche Vorrichtungen zur Ermittlung der Drehzahl bedeuten
einen nicht unbeachtlichen Kostenfaktor, verursachen einen zusätzlichen Wartungsaufwand
und stellen einen zusätzlichen Störfaktor dar, der die Betriebsicherheit der Esatzstromanlage
herabsetzt.
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Aufgabe Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt d e Aufgabe
zugrunde, eine Anordnung zur Drehzahlmessung von Generatoren und insbesondere von
Generatoren für von Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Ersatzstromanlagen anzugeben,
bei der der zusätzliche Aufwand gegenUber den bekannten Anlagen stark herabgesetzt
wird und gleichzeitig die Betriebssicherheit erhöht wird.
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Vorteile Mit der Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß
keine zusätzliche Vorrichtung zur Abtastung der Drehzahl des Generators bzw. der
Verbrennungskraftmaschine benötigt wird und trotzdem ein zuverlässiges Drehzahlsignal
auch bei verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen bezogen auf die Nenndrehzahl erhalten
wird. Wegen der sehr niedrigen Ausgangsspannung des
Generators bei
kleinen Drehzahlen wurde die Verwendung des Generators selbst zur Drehzahlmessung
von der Fachwelt bisher als unmöglich angesehen.
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Vateilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben. Mit der Ausgestaltung der Anordnung nach Anspruch 3 wird eine hochempfindliche
Auswerteschaltung angegeben, mit der das sehr kleine Spannungssignal des Generators
ausgewertet werden kann. Durch die in Anspruch 4 angegebene Ausgestaltung wird eine
galvanische Trennung zwischen Generator und der AuswerteschaLt ung erreicht. Hierdurch
wird auch der Einfluß von eventuellen Störspannungen klein gehalten.
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Darstellung der Erfindung Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es
zeigt: Fig. 1 den relativen Spannungsverlauf des Generators in Abhängigkeit von
der auf die Nennfrequenz bezogenen Frequenz der Generatorausgangsspannung; Fig.
2 ein Blockschaltbild eines Teiles der erfindungsgemäßen Anordnung; und Fig. 3 ein
Meßdiagramm der Generatorspannung während des Anlaßvorganges sowie der am Anlasser
der Verbrennungskraftmaschine anliegenden Spannung.
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In Fig. 1 ist der Spannungsverlauf des Generators (in Prozenten bezogen
auf die der Frequenz (bezogen
auf die Nennfrequenz) in den Rurven
15 und 16 dargestellt, wo- 1 bei die Kurve 15 den Spannungsverlauf während des Hochfahrens
und die Kurve 16 den Spannungsverlauf währerddes Herunterfahrens des Generators
zeigen. Der Unterschied zwischen den Kurven 15 und 16 ergibt sich aus der Hysterese
des Eisens des Generators. Die Kurve 17 stellt eine Grenzkurve dar, der sich der
Spannungsverlauf des Generators im oberen Drehzahlbereich etwa zwischen 80 bis 100
% der Nenndrehzahl asymptotisch annähert.
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Es ist ersichtlich, daß in dem für den Anlaßvorgang interessierenden
Bereich der Frequenz bzw. Drehzahl des Generators von etwa 10 bis 20 % die Generatorspannung
derart klein ist, daß ihre Messung bzw. Auswertung bisher für unmöglich gehalten
wurde.
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Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild eines Teiles der erfindvmgsgemäßen
Anordnung zeigt eine Auswerteschaltung 1 sowie mit dieser Auswerteschaltung verbundene
weitere Teile bzw. Vorrichtungen. Die Auswerteschaltung 1 besteht aus einem Längswiderstand
2, dem zwei antfparUllel geschaltete Dloden3u4 nachgeschaltet sind. Parallel zu
diesen Dioden ist ein Schmitt-Trigger 5 geschaltet,.dessen Ausgang mit einem herkömmlichen
Frequenz-Spannungswandler 6 verbunden ist. Der Eingang der Auswerte schaltung 1
ist über einen Transformator 7 mit einem (nicht dargestellten) Generator verbunden,
der an die Anschlußklemmen 8 an der Primärseite des Transformators 7 angeschlossen
ist.
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Der Ausgang des Frequenz-Spannungswandlers 6 und damit der Auswerte
schaltung 1 ist mit einem Eingang 10 eines Komparators 9 verbunden. Ein zweiter
Eingang 11 des Komparators 9 ist mit einer Bezugsspannungsquelle 12 verbunden. Diese
Bezugsspannungs
quelle 12 besteht in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem verstellbaren Widerstand, der an eine Konstantspannungsquelle, die z.
B. aus der Starterbatterie der Ersatzstromanlage gespeist wird, angeschlossen ist.
Der Ausgang des Komparators 9 ist mit einer Vorrichtung zum Abschalten des Anlassers
der Verbrennungskraftmaschine verbunden; die in diesem Ausführungsbeispiel aus einem
Relais 13 mit dessen zugeordnetem Schaltkontakt 14 besteht.
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Im folgenden wir,d die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Anordnung
beschrieben. Die Generator-Ausgangsspannung liegt an den Klemmen 8 der Primärseite
des Transformators an und wird potentialfrei (galvanisch getrennt) der Auswerteschaltung
1 zugefürt. Durch den Längswiderstand 2 wird der durch die an die/parallel geschalteten
esltn r%%en 3und 4, die z.
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B. auch Zenerdioden sein können,/begrenzt. Die an den antiparallel
geschalteten Dioden 3 und 4 liegende Spannung ist bei normalen Dioden auf 0,7 Volt
und bei Zenerdioden auf deren Zenerspannung begrenzt. Sobald die an sich sinusförmige
Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators 7 die Spannung von 0,7 Volt
bzw. die gewählte Zenerspannung übersteigt, wird der diese Spannung übersteigende
Spannungsanteil der Transformatorspannung abgeschnitten. Die Diodenspannung der
Dioden 3 und 4 wird den Eingängen des Schmitt-Triggers 5 zugeführt. Die Schalthysterese
des Schmitt-Triggers 5 ist verhältnismäßig klein gewählt, damit der Schmitt-Trigger
5 auch bei niedrigen Spannungen noch einwandfrei umschaltet. Bei einem Ausführungsbeispiel
einer Diodenspannung von 0,7 Volt liegt diese Hysteresespannung ungefähr bei 2 x
0,1 bis 0,2 Volt.
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Am Ausgang des Schmitt-Triggers 5 erhält man somit ein Rechtecksignal,
dessen Frequenz der Frequenz der Generatorspannung entspricht. Dieses Rechtecksignal
wird anschließend in dem
Frequenz-Spannungswandler 6 in eine dieser
Frequenz proportionale Spannung umgewandelt. Der Frequenz-Spannungswandler stellt
ein in der Elektrotechnik allgemein bekanntes Bauelement dar, so daß auf seine eingehende
Beschreibung verzichtet werden kann. Am Ausgang der Auswerteschaltung 1 erhält man
somit ein Spannungssignal, das der Frequenz und damit der Drehzahl des Generators
direkt proportional ist.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Dimensionierung des Längswiderstandes
2 und der Dioden 3 und 4 so gewählt ist, daß die Nennspannung des Generators und
der dabei fließende Strom die Dioden 3 und 4 und den Schmitt-Trigger 5 nicht zerstören
kann. Diese Dimensionierung wird auch von dem gewählten Übersetzungsverhältnis des
Transformators 7 abhängen. In einem realisierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist dieses Ubersetzungsverhältnis des Transformators 7 so gewählt, daß bei einer
Primärspannung von 220 V auf der Sekundärseite eine Spannung von 12 V erhalten wird.
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Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 1 wird in dem Komparator
9 mit einer Bezugsspannung verglichen. Diese Bezugsspannung ist so gewählt, daß
sie der Spannung bzw. Frequenz des Generators entspricht, bei der die Verbrennungskraftmaschine,
die den Generator treibt, sicher angesprungen ist.
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Dieser Wert liegt, wie eingangs erwähnt, bei etwa 10 bis 20 % der
Nennfrequenz bzw. Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Generators.
Übersteigt die Spannung am Eingang 10 des Komparators 9 die Bezugsspannung am Eingang
11, so gibt der Komparator 9 ein Ausgangssignal ab, welches anzeigt, daß die eingestellte
Bezugsspannung erreicht wurde und damit,daß die Verbrennungkraftmaschine angesprungen
ist.
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Damit wird also ein Signal erhalten, das den Anlasser der Verbrennungskraftmaschine
abschalten soll. Das Ausgangssignal des Komparators 9 steuert dann die Vorrichtung
zum Abschalten des
Anlassers der Verbrennungskraftmaschine, die
in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Relais 13 mit Schaltkontakten 14 besteht.
Selbstverständlich kann das Ausgangssignal des Komparators 9 auch einer sonstigen
(elektronischen) Treiberschaltung zugeführt werden, mit der der Anlasser abgeschaltet
werden kann.
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Die Bezugsspannungsquelle 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel als
Verstellwiderstand ausgeführt, mit dem der gewünschte Wert der Abschaltdrehzahl
eingestellt werden kann. Es sind natürlic auch alle sonstigen bekannten Vorrichtungen
zur Erzeugung eine Bezugsspannung verwendbar.
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Fig. 3 zeigt leßdiagramme der Generatorspannung Ug und der Anlasserspannung
Ua über der Zeit aufgetragen, wobei die Zeitachse hier von rechts nach links verläuft.
Zum Zeitpunkt t1 wird der Anlasser betätigt und dessen Versorgungsspannung einer
schaltet Die Generatorspannung Ug ist hierbei noch Null. Der anschließende Abfall
der Anlasserspannung Ua ist durch die hohe Stromentnahme des Anlassers zu erklären
und durch den Innenwiderstand der verwendeten Starterbatterie bedingt. Während des
Zeitintervalles von t1 nach t2 wird die Verbrennungskraftmaschine von dem Anlasser
angetrieben, wobei die vom Generator abgegebene Ausgangsspannung sehr klein ist.
Diese sehr kleine Spannung wird von der Auswerteschaltung bereits gemessen und ausgewertet.
Zum Zeitpunkt t2 wird von der Auswertesohaltung erkannt, daß die Verbrennungskraftmaschine
die vorbestimmte Drehzahl erreicht hat, bei der der die Maschine angesprungen ist.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Anlasser abgeschaltet, was aus dem Abfall der Spannung
Ua ersichtlich ist.
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In der darauffolgenden Phase wird die Verbrennungskraftmaschine auf
ihre Nenndrehzahl hochgefahren, worauf die Generatorspannung Ug ebenfalls auf ihre
Nennspannung (z. B. 220 V) hochgefahren
wird. (Vgl. hierzu auch
Fig. 1).
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Schließlich wird es empfehlenswert sein, während der Hochlaufphase
der Verbrennungskraftmaschine, also in dem Zeitintervall von t2 bis t3 den Generator
noch nicht zu belasten, sondern die elektrische Last erst zum Zeitpunkt t3 zuzuschalten.
Dies ist z. B. durch eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung möglich, bei der
der Bezugswert der Bezugsspannungsquelle 12 auf die Nenndrehzahl eingestellt ist
und bei der das Relais 13 mit seinem Schaltkontakt 14 so angeschlossen ist, daß
die elektrische Last mit dem Generator verbunden wird.
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1 Alle in der Zeichnung aargestellten und der Beschreibung erwähnten
technischer. Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.