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Verfahren und Vorrichtung zur Speisung von an eine ge-
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meinsame Spannungsquelle angeschlossenen Verbrauchern Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Speisung von
an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossenen Verbrauchern nach der Gattung
des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs. Die Erfindung betrifft
allgemein ein System, welches es ermöglicht, beliebige gemeinsam galvanisch untereinander
verbundene und an eine gemeinsame Speisespannungsquelle angeschlossene Verbraucher,
Betriebsmittel od. dgl. mit jeweils ihren Gegebenheiten und Bedürfnissen unterschiedlichen
Strom-oder Spannungswerten zu versorgen. Da die Erfindung ein besonderesAnwendungsgebiet
im Bordnetzbereich von mobilen Einheiten,
insbesondere Kraftfahrzeugen
findet, wird im folgenden hierauf genauer eingegangen und die Erfindung wird auch
weiter unten bevorzugt für die Bordnetzgestaltung von Kraftfahrzeugen erläutert;
sie ist aber nicht auf dieses Anwendungsgebiet eingeschränkt.
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Bei Stromgeneratoren, vorzugsweise Drehstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen
od. dgl. ist es bekannt, diese trotz der an sie gestellten hohen Anforderungen durch
Regelung des ihnen zugeführten Erregerstroms so zu beeinflussen, daß die Generatorausgangsspannung
auf einem im wesentlichen konstanten gewünschten Niveau gehalten wird. Dabei wird
der Erregerstrom und damit das Erregerfeld im Läufer des Generators in Abhängigkeit
von der im Generator erzeugten Spannung so gesteuert, daß trotz erheblich veränderlicher
Drehzahl zwischen Leerlauf und Vollast und trotz erheblicher Belastungsschwankungen
des Generators die Generatorklemmenspannung bis zum Maximalstrom konstant bleibt.
Als Regler sind hierfür bekannt die mechanischen Einkontakt-'oder Mehrkontaktregler;
üblicherweise werden nunmehr hauptsächlich elektronische Transistorregler eingesetzt,
die durch periodisches Schwächen des Erregerstroms, üblicherweise periodisches Ein-
und Ausschalten, die Generatorspannung regeln, da die in diesem erzeugte Spannung
dem Produkt aus Drehzahl und Erregerstrom im wesentlichen verhältnisgleich ist.
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Probleme können sich in diesem Zusammenhang beispielsweise auf dem
Gebiet der Kraftfahrzeug-Elektrik im Winter oder im Stadtverkehr ergeben, denn bei
Kälte nimmt der Innenwiderstand der mit dem Bordnetz ebenfalls verbundenen
Batterie
erheblich zu, so daß deren Kaltstartleistung stark absinkt; außerdem ergibt sich
eine unausgeglichene Batterieladungs-Bilanz. Besondere Ladungsprobleme ergeben sich
auch bei niedertourigen Drehzahlen. Es ist zwar möglich, durch zumindest zeitweilig
erhöhte Ladespannung bei entsprechender Auslegung der Lichtmaschine und daher entsprechend
ausreichend vorhandener Lichtmaschinenleistung auch bei Kälte einen ausreichenden
Ladestrom zu erzwingen; die Bordnetzspannung muß aber auf spannungsempfindliche
Verbraucher Rücksicht nehmen, beispielsweise auf die verwendeten Glühlampen, und
kann daher nicht beliebig gesteigert werden. Die bisherigen Systeme stellen daher
einen Kompromiß etwa zwischen den Anforderungen der Batterie bezüglich einer ausreichenden
Ladung und beispielsweise den an das Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern dar.
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Es besteht insbesondere bei künftig noch steigenden Anforderungen
an die Qualität der Versorgungsspannung bei Bordnetzen ein erheblicher Bedarf nach
einem zentralen, leistungsstarken Regelsystem, welches in der Lage ist, einerseits
für eine ausreichende Batterieladungsbilanz zu sorgen und andererseits die angeschlossenen
Verbraucher nicht zu schädigen, etwa in ihrer Lebensdauer herabzusetzen.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des ersten Vorrichtungsanspruchs
haben den Vorteil,
daß bei Verwendung nur eines Reglers eine von der Bordnetzspannung unabhängig geregelte
Batteriespannung zur Verfügung gestellt werden kann, obwohl nur ein gemeinsames
Bordnetz vorhanden ist und sEmtliche-Verbraucher, darin eingeschlossen die Batterie,
die bei aktiver Lichtmaschine ebenfalls als Verbraucher angesehen werden kann, untereinander
galvanisch verbunden sind. Trotz dieser galvanischen Verbindung brauchen weder die
Forderungen nach konstanter Lampenspannung noch nach variabler Batterieladespannung
aufgegeben zu werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Systems möglich. Besonders
vorteilhaft ist die Einbeziehung des Drehstromgenerators in den Stellgliedbereich
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung dahingehend, daß einmal durch Steuerung des
Feldstroms der Spitzen- oder Mittelwert der Versorgungsspannung und getrennt hierzu
durch Steuerung der mittleren Einschalt- oder Anschaltdauer der Maschine an das
Bordnetz der Effektivwert eingestellt wird.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den Verlauf der gepulsten Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Systems,
die gleichzeitig die Bordnetz-Versorgungsspannung darstellt, Fig. 2 eine erste Ausführungsform
einer Regelvorrichtung
für Mittel- und Effektivregelung in Form
eines Blockschaltbildes, Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Regelvorrichtung
in Form eines Blockschaltbildes, bei der statt der Regelung des Mittelwertes der
Spitzenwert geregelt wird, die Figuren 4a und 4b eine schematische Bordnetznachbildung
sowie den Verlauf der Bordnetzspannung und den unabhängigen Verlauf des Mittelwerts
und-des Effektivwerts der Versorgungsspannung, die Figuren 5a und 5b in schematischer
Darstellung die Zuordnung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu einem von einem
Drehstromgenerator versorgten Bordnetz und die sich hierbei ergebende Zeitfunktion
der nach Mittel- und Effektivwert geregelten Bordnetzspannung, die Figuren 6a und
6b in schematisierter Darstellung die Zuordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu einem von einer separaten Spannungsquelle, beispielsweise Traktionsbatterie versorgten
Bordnetz und den Verlauf der Zeitfunktion der Bordnetzspannung, Fig. 7 in größerer
Detaildarstellung die Anschaltung des Drehstromgenerators über steuerbare Halbleiterschalter
an das Bordnetz und die Fig. 8 in Form eines Diagramms den Regelbereich des Systems
mit der Spitzenspannung und dem Tastverhältnis als Parameter.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, daß in den meisten Stromversorgungsanlagen Verbraucher mit unterschiedlichen
Bedürfnissen vorhanden sind, beispielsweise solche, die einen konstanten Effektivwert
U der Versorgungsspannung und solche, die einen bestimmten arithmetischen
Mittelwert
u der Versorgungsspannung verlangen. Angewendet etwa auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs
benötigen die meisten Verbraucher, beispielsweise Glühlampen einen konstanten Effektivwert
U der Versorgungsspannung, wohingegen die Batterie für optimale Ladung je nach Temperatur
einen unterschiedlichen arithmetischen Mittelwert u der Versorgungsspannung benötigt.
Induktive Verbraucher, beispielsweise Servomotoren u. dgl. sind ebenfalls vom Mittelwert
u der Versorgungsspannung abhängig, sie stellen aber nicht unbedingt besondere Ansprüche
an deren Konstanz. Hieraus entwickelt die Erfindung den Vorschlag, ein System zu
schaffen, welches es erlaubt, den Mittel- und Effektivwert einer beliebigen Versorgungsspannung
in gewissen Grenzen unabhängig voneinander einzustellen, so daß einerseits die galvanische
Verbindung sämtlicher an das Bordnetz angeschlossener Verbraucher untereinander
beibehalten werden kann, andererseits aber jeder der Verbraucher nach seinen spezifischen
Bedürfnissen mit Strom und Spannungswerten versorgt werden kann, beispielsweise
also bei einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eine konstante Lampenspannung gleichzeitig
mit einer variablen Batterieladespannung sichergestellt werden kann.
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Realisieren läßt sich dieser Grundgedanke dadurch, daß man die Versorgungsspannung
als gepulste Spannung, beispielsweise als Rechteckimpulsfolge bestimmt, wie sie
in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 1 zeigt den Verlauf der beliebigen, hier auf das
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bezogenen Versorgungsspannung u über der Zeit, wobei
die Amplitude der einzelnen Rechteckimpulse gleichzeitig den Scheitelwert û vorgibt.
Das relative Einschaltverhältnis a ergibt
sich zu te/T. Bei einem
solchen, in Fig. 1 dargestellten Spannungsverlauf ergeben sich die folgenden Bestimmungen
für den Mittel- und den Effektivwert der Versorgungsspannung: Mittelwert u = aû
(1) Effektivwert U = < û (2) Aus diesen Formeln erhält man bei vorgegebenen Werten
des Effektivwerts U und des Mittelwerts ú die notwendigen Stellgrößen wie folgt:
-2 a - u (3) 2 U und U2 û = U (4) u Die relative Einschaltdauer a wächst also mit
u; der Spitzenwert der Versorgungsspannung a wächst mit dem Effektivwert U. Hierauf
beruht die Funktion der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, wie sie in Fig. 2 genauer
dargestellt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Regelvorrichtung ist so ausgebildet,
daß sie zur Ermöglichung einer unterschiedlichen Einstellung des Effektivwertes
U und des arithmetischen Mittelwertes u der Versorgungsspannung u bei Sollvorgabe
von Effektivwert und Mittelwert die Impulshöhe, also den Scheitelwert Q und die
relative Einschaltdauer a einer Regelung unterwirft.
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Hierzu umfaßt die Regelgesamtvorrichtung einen Regelbereich 1, einen
Stellgliedbereich 2 und ein Meß- und Rückführglied 3 sowie getrennte Blöcke 4 und
5 jeweils für die Sollwerterstellung des Effektivwertes U (hier in Form von Us,
sowie des arithmetischen Mittelwerts u. Der Regelbereich 1 umfaßt einen ersten Teilregler
bzw.
Effektivwertregler 1a, der den Scheitelwert ü steuert, sowie einen zweiten Teilregler
bzw. Mittelwertregler 1b, der bestimmend für die relative Einschaltdauer a ist.
Beide Regler 1a und ib sind Proportional-Integralregler (PI-Regler); der Ausgang
des Effektivwertreglers 1a gelangt über ein Koppelglied 6 mit Kopplungsfaktor K1
auf eine Summationsschaltung 7 und von dieser auf einen Schalter 8, vorzugsweise
einen elektronischen Schalter, dessen Schaltfunktion über der Zeit (relative Einschaltdauer
a) von einem Zweipunktschalter 9 mit definiertem Schwellwert, beispielsweise einem
Schmitt-Trigger gesteuert ist. Der über den Schalter 8 auf diese Weise gepulste
Scheitelwert gelangt über einen Verstarker 10 als Versorgungsspannung u auf das
jeweilige Bordnetz.
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Der Ausgang des zweiten Teilreglers oder Mittelwertreglers 1b ist
über ein weiteres Koppelglied 11 mit dem Kopplungsfaktor K4 und einen weiteren Summationspunkt
8s mit dem Eingang des Schmitt-Triggers 9 bzw. mit einem diesem vorgeschalteten
Summationspunkt 12 verbunden. Frequenzbestimmend für die gepulste Versorgungsspannung
ist ein freilaufender Generator, beispielsweise ein Sägezahngenerator 13, dessen
Sägezahnspannung (ihr Verlauf ist im Schaltungsblock der Fig. 2 angedeutet) im Summationspunkt
12 mit dem Ausgang des Mittelwertreglers 1b verglicnen wird. Summationspunkt 12
und Schmitt-Trigger 9 können auch zu einem "Additions-Schmitt-Trigger" zusammengefaßt
sein.
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Die Istwerte für den Effektivwert und den Mittelwert werden über eine
rückgeführte Verbindungsleitung 14
aus der Versorgungsspannung
u gewonnen und gelangen über einen ersten Tiefpaß 15 als Mittelwert ú zu einem Summationspunkt
16 vor dem Mittelwertregler 7b, an welchem die Mittelwertistspannung ú mit der vom
Schaltungsblock 5 stammenden Mittelwert-Sollspannung Us verglichen wird.
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Das Quadrat des Effektivwertes wird durch Zuführung der Versorgungsspannung
u zu einem Quadrierglied 17 gewonnen, dem ebenfalls ein Tiefpaß 18 nachgeschaltet
ist.
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Der Vergleich des quadratischen Effektiv-Istwertes U2 (dieser ist
elektronisch leichter als der Effektivwert U zu realisieren) erfolgt am Summationspunkt
19 mit dem quadratischen Effektiv-Sollwert U52, der vom Sollwertgeber 4 zugeführt
wird. Über Kopplungsglieder 20 und 21, die jeweils auf die nachgeschalteten Summationspunkte
7 und 8 vom Ausgang des jeweils anderen Reglers einwirken, können die Regelkreise
im Arbeitspunkt entkoppelt werden1 worauf weiter unten noch eingegangen wird. Zunächst
sei aber angenommen, daß die Koppelfaktoren K2 des Querkoppelgliedes 20 und K3 des
Querkoppelgliedes 21 jeweils Null sind.
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Es ergibt sich dann folgende Funktion. Der Effektivwertregler bewirkt
eine Pulshöhenregelung und erzeugt bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
auch selbst, sozusagen als eigenes Stellglied, den Scheitelwert ua der gepulsten
Ausgangsspannung u. Der Mittelwertregler vervollstandigt das Steuerungsprinzip durch
eine Puislängenregelung, die in Kombination mit der Pulshöhenregelung wirkt und
gibt die relative Einschaltdauer a vor.
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Da beide Regler 1a und 1b einen Integralteil besitzen,
werden
die Regelabweichungen 2 und bu stationär zu Null; mögliche Nichtlinearitäten in
den Gleichungen (1), (2), die über das multiplikativ wirkende Stellglied 2 verursacht
werden, werden also vollständig ausgeregelt. Der freilaufende Sägezahngenerator
13 wirkt frequenzbestimmend; je nach der Höhe des am Eingang des Additions-Schmitt-Triggers
9, 12 anliegenden analogen Ausgangssignals a' des Mittelwertreglers ib und dem zeitlich
sich wandernden Anstieg des Sägezahngeneratorsignals ergibt sich das Ein- und Ausschaltverhältnis
am Schmitt-Trigger 9 und damit eine Ausgangsrechteckspannung, deren relative Einschaltdauer
a die relative Einschaltdauer des elektronischen Schalters 8 bestimmt und damit
den Mittelwert der Versorgungsspannung u am Ausgang des Verstärkers 10. Der elektronische
Schalter 8 realisiert daher die Zeitfunktion, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist;
aus dieser Zeitfunktion u ermitteln die Meßglieder 15 sowie 17 und 18 im Rückführkreis
den Mittelwert u und den quadratischen Effektivwert U2 und stellen diese Werte an
den Reglereingängen zum Vergleich mit den Sollwerten bereit.
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Gekoppelt sind die beiden Regelkreise für Effektivwert und Mittelwert
über den Stellgliedbereich 2; ändert sich 2 beispielsweise der Sollwert des Effektivwerts
U Us2, so wird zunächst die Scheitelspannung ü verstellt; danach folgen dann über
die Rückführ-Meßglieder 15, 17, 18 verzögert u und U. Jetzt stellt auch der Mittelwertregler
ib eine Abweichung fest und ändert a, und zwar durch Änderung der analogen Ausgangsspannung
a'. Hierdurch wird dann wiederum der Soll-Istwertvergleich am Effektivwertregler
1a beeinflußt usw. Systembedingt ergibt sich
daher eine im Verhältnis
zur Meßglied-Eckfrequenz vergleichsweise längere Ausregelzeit.
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Wird die in Fig. 2 zunächst schematisch in Blockbildform dargestellte
Schaltung auf die Regelung der Bordspannung in einem Kraftfahrzeug o. dgl. angewendet,
dann können, wie im übrigen auch sonst, die von den Sollwertgebern 4 und 5 erzeugten
Sollwerte variabel sein, was insbesondere für den für die Batterieladung zuständigen
Solwert des Mittelwerts u5 eine Notwendigkeit ist. Der Mittelwert-Sollwert läßt
sich daher im Sollwertgeber 5 noch durch Zuführung der tatsächlichen Batteriespannung
UB, des Batterieladestroms 1B und der entsprechend beeinflussen. Auf den durch die
Erfindung realisierten Regelbereich bzw. auf den für ein Bordnetz notwendigen Regelbereich
wird weiter unten noch anhand der Darstellung der Fig. 8 eingegangen.
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Die beiden Regelkreise für Mittelwert und Effektivwert können im Falle
eines eingeschränkten Regelbereichs um den Arbeitspunkt, der etwa in Bereichsmitte
liegen soll, auch linearisiert werden. Bei geeigneter Wahl der Koppelfaktoren K1,
K2, K3 und K4 der Koppelglieder 6, 11, 20, 21 können damit die Regelkreise im Arbeitspunkt
entkoppelt werden. Aus den weiter vorn angegebenen Gleichungen (3) und (4) erkennt
man, daß U2 negativ auf a und ú negativ auf û wirkt; die Querkopplungen über die
Glieder 20 und 21 sind daher negativ, wie auch an den Summationspunkten 7 und 8
angegeben. Für Punkte außerhalb des in Fig. 8 dargestellten Regelbereichs führen
die negativen Kopplungen zu monotoner instabilität; für Punkte innerhalb des Bereichs
wird dagegen die Regeldynamik deutlich verbessert.
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In einer in Fig. 3 dargestellten Variante ist es auch möglich, statt
der Regelung von Mittel- und Effektivwert der Spannung eine Regelung von Spitzen-
und Effektivwert durchzuführen. Die entsprechende Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt;
dabei sind mit entsprechenden Schaltungsbexeichen in Fig. 2 gleich wirkende Schaltungsbereiche
mit einem Beistrich oben am Bezugszeichen versehen; identische Schaltungselemente
tragen das gleiche Bezugszeichen. Zur Erzeugung des Istwerts der Spitzen- oder Scheitelspannung
a ist eine diesen Spitzenwert erzeugende Schaltung vorgesehen, die bei dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 3 als "Sample and Hold"-Schaltung 22 ausgebildet ist. Diese "Sample and
Hold"-Schaltung 22 wird im Gleichtakt von dem die relative Einschaltdauer a erzeugenden
Schmitt-Trigger 9 parallel zum Schalter 8 angesteuert. Anstelle des Sollwertgebers
5 für den Mittelwert ist ein Spitzenwert-Sollwertgeber 23 vorgesehen. In diesem
Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Sollwertgeber im realen Aufbau Widerstandsteilerschaltungen
sein können; bei veränderlichem Sollwert können auch Funktionsgeneratoren, die für
sich gesehen bekannt sind, vorgesehen sein, die entsprechend sich ändernden Eingangsdaten
von UB, 1B undeinen sich ändernden Ausgangssollwert erzeugen. Die PI-Regler sind
für sich zusehen bekannt, desgleichen die Ausbildung von Tiefpässen; auch bei den
Koppelgliedern kann es sich um Widerstandsteilerschaltungen handeln, so daß ein
detaillierteres Eingehen auf die Blockschaltbilddarstellungen entbehrlich ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist noch zu erwähnen, daß nur
eine Änderung im Spitzenwert-Regelkreis 1a' die Effektivwertregelung beeinflußt,
nicht dagegen umgekehrt,
so daß bei dem Ausführungsbeispiel der
Fig. 3 auch nur ein Kopplungsglied 24, welches vom Ausgang des PI-Reglers la' für
den Spitzenwert mit dem Koppelfaktor K auf den Summationspunkt 25 einwirkt. Eine
Querkopplung ist nur vom Spitzen- zum Effektivwert-Regelkreis sinnvoll; alle übrigen
Elemente des Aufbaus sowie die Funktion sind so wie in Fig. 2 schon beschrieben.
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In Fig. 4a ist nach Art einer Demonstrationsschaltung eine Bordnetznachbildung
mit Batterie 26, Lampen 27 und Servomotoren 28 dargestellt. Lampen 27 und Servomotoren
28 sind direkt an die die Versorgungsspannung u(t) führende, von der erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung 29 herrührende Leitung angeschlossen; über einen Schalter 30 und
eine bezüglich des Stromflusses von der Batterie zur Netzleitung in Sperrichtung
geschaltete Diode 31 ist die Batterie 26 an die Leitung angeschlossen; parallel
zur Sperrdiode 31 liegt noch ein steuerbarer Halbleiterschalter, vorzugsweise ein
Thyristor 32, mit Zündkreis aus Taste 33 und Vorwiderstand 34. Messungen an der
Schaltung der Fig. 4a haben ergeben, daß bei abgetrennter Batterie (Schalter 30
geöffnet) durch entsprechende Sollwertverstellung der Effektivwerte und der Mittelwerte
am Regler 29, wie weiter vorn schon besprochen, die Helligkeit der Lampen 27 und
die Drehzahl des Motors 28 nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Diese Regelfähigkeit bleibt auch bei angeschlossener Batterie in erheblichem Maße
erhalten, wobei die Diode 31 eine Batterieentladung während der Impulspausen verhindert
und es ermöglicht, daß unmittelbar an den Batterieklemmen der Mittelwert U der Batterie-B
spannung größer als der Effektivwert U an den Ausgangsklemmen
des
Reglers 29 ist, vgl. hierzu auch die Darstellung der Fig. 4b. In Fig. 4b ist in
dünner durchgezogener Linienführung die gepulste Rechteck-Versorgungsspannung u(t)
gezeigt; gestrichelt ist die sich zeitlich ändernde Batteriespannung UB(t) dargestellt;
strichpunktiert erkennt man die mittlere Batteriespannung UB. Ist die Leistung des
Reglers 29 unzureichend - wenn beispielsweise ein entsprechender Drehstromgenerator
bei stehendem Motor eines Kraftfahrzeugs nicht angetrieben ist -, dann erfolgt die
Versorgung aus der Batterie durch Drücken der Taste 33 und Zünden des Thyristors
32.
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Bei ausreichender Reglerleistung (û yuB)löscht der Thyristor selbsttätig.
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Bei einer praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung
für ein Bordnetz sind zwei Fälle zu unterscheiden, nämlich einmal die Speisung von
Batterie und Netz aus einer Drehstrom-Lichtmaschine, wie dies bei Kraftfahrzeugen
mit Verbrennungsmotor erfolgt und schematisch in Fig. 5a in entsprechender Anpassung
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung dargestellt ist, und andererseits die Speisung
von Batterie und Netz von einer größeren Spannungsquelle, etwa Gleichstromspannungsquelle
in Form einer Traktionsbatterie, etwa bei einem Kraftfahrzeug mit Antrieb durch
Elektromotor und Energiespeicherung über einen entsprechenden Batterieblock.
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Bei der in Fig. 5a dargestellten Speisung von Batterie 26' sowie der
Bordnetzplusleitung 35 über einen Drehstromgenerator 36 als Lichtmaschine erfolgt
die Anpassung und Zuordnung so, daß der Erregerstrom If der Feldwicklung
36'
des Drehstromgenerators gesteuert wird vom Spitzenwertregler 1a", der so die Höhe
der vom Drehstromgenerator abgegebenen Spannung bestimmt, während der Effitivsertregler
1b" die mittlere Einschaltdauer bzw. die mittlere Anschaltdauer des Drehstromgenerators
an die Netzleitung 35 bestimmt. Der Spitzenwertregler la" kann in diesem Fall auch
als Batterieregler bezeichnet werden, da er auf die Bedürfnisse der Batterie abstellt
und über mindestens eine weitere Verbindungsleitung 37 zur Batterie auch ein Batterie-Temperatursignal
g zugeführt erhält. Die Spitzenspannung û,die der Batterieregler 1a" zur Erzeugung
eines entsprechend proportionalen Erregerstroms der Erregerwicklung 36' zuführt,
ist daher auch eine Funktion der Batterietemperatur. Das Signal a der mittleren
Einschaltdauer gelangt vom Effektivwertregler 1b" auf einen elektronischen Schalter
38, vorzugsweise ein steuerbares elektronisches Halbleiterschaltelement und in der
praktischen Anwendung, wie in Fig. 7 dargestellt, bestehend aus jeweils drei Plus-Thyristoren
38a und drei Minus-Thyristoren 38b in der bekannten Gleichrichterdioden-Brückenschaltung
für Drehstromgeneratoren. Es stellt eine besondere Vereinfachung dar, daß in diesem
Fall der Zuordnung die in jedem Drehstromgenerator ohnehin vorhandenen Dioden durch
diese Thyristoren 38a, 38b lediglich zu ersetzen sind, wobei immer gleichzeitig
alle sechs Thyristoren 38a, 38b vom Mittelwertregler 1b" gezündet werden, und die
in Durchlaßrichtung beanspruchten dabei durchschalten. Die so erzeugten Impulspakete
haben dann jeder für sich noch eine gewisse Restwelligkeit, die von den sinusförmigen
Phasenspannungen in den Ständerwicklungen u, v, w des Drehstromgenerators herrühren.
Der Anschluß
der Batterie 26' beim Ausführungsbeispiel der Fig.
5a erfolgt dabei in etwa wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4a über einen
Thyristor 32' und eine hierzu antiparallel geschaltete Diode 31', wobei zur Vermeidung
hoher Ladestromspitzen der Stromweg über die Diode 31' auch durch eine Induktivität
39 noch verdrosselt sein kann. Die sonstigen Verbraucher sind durch den Widerstand
40 insgesamt repräsentiert. Zur Leistungssteigerung kann ergänzend noch einFreilaufkreis,
bestehend aus einer weiteren Induktivität 41 und einer Freilaufdiode 42 vorgesehen
sein, so daß auch während der Impulspausen ein bestimmter Stromfluß von der Induktivität
und über die Freilaufdiode 42 gegen Minus noch aufrecht erhalten wird.
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Wird der Grenzstrom der Erregung erreicht, so zündet der Effektivwertregler
1a" über die Verbindungsleitung 43 zusätzlich in den Impulspausen den Thyristor
32', so daß die Batterie 26' puffern kann. Der Verlauf einer solchen Versorgungsspannung
ist in Fig. 5b dargestellt.
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Bei dem Anwendungsbeispiel der Fig. 6a, nämlich Speisung von Batterie
und Netz über ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ladegerät aus einer Traktionsbatterie
44 ergeben sich für die Schaltungselemente in der Zeichenebene rechts von der strichpunktierten
Linie 45 gleicherAufbau und Funktion wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5a, so
daß hierauf nicht weiter eingegangen wird. Die Steuerung nach Spitzenwert und Effektivwert
erfolgt hier durch die Hintereinanderschaltung von zwei auf einen Hauptunterbrecherschalter
46 einwirkenden Schaltfunktionen, die zwei relative Einschaltdauern a und b bestimmen.
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So gibt der Spitzenwertregler la" ein relatives Einschaltverhältnis
b
vor, welches im Block 47 erzeugt wird und sich aus dem Verhältnis der Spitzenspannung
u zur Batteriespannung UB1 der Traktions- oder Hauptbatterie 44 bestimmt. Im zeitlichen
Verlauf der Netzspannung u1 (t) vor dem Freilaufkreis aus Induktivität 41 und Diode
42 bestimmt sich das vom Spitzenwertregler 1a" vorgegebene relative Einschaltverhältnis
b zu t2/T2. Die Frequenz der aus dem relativen Einschaltverhältnis b herrührenden
Schaltfunktion liegt bei mindestens ca.
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500 Hz bzw. läßt sich auf diesen Wert bestimmen. Die relative Einschaltdauer
b bestimmt so den arithmetischen Mittelwert u1(t), der der Regelspannung a entspricht.
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Durch eine vom EffekSowertgeber 1b" herrührende Pulspaketsteuerung
über den Schalterfunktionsblock 58, die bei etwa 50 Hz liegt, ergibt sich eine doppelte
Schaltermodulation, was im Endeffekt dazu führt, daß sich im Zeitfunktionsverlauf
der Fig. 6b hochfrequente Rechteckimpulse der Periodendauer T2 ergeben, die Pulspakete
bilden, die ihrerseits wieder die relative Einschaltdauer von a = t1/T1 besitzen.
Die Pulspaketformation mit der relativen Einschaltdauer a wird dabei vom Effektivwertregler
bestimmt. Hinter der Induktivität 41 erhält man dann die in Fig. 6b in durchgezogener
Form dargestellte Zeitfunktion der Bordnetzspannung u(t), wie sie den Verbrauchern
und der Batterie zugänglich gemacht ist und in ihrem Effektivwert sowie in ihrem
Spitzenwert getrennt voneinander entsprechend den Erfordernissen von Batterie und
sonstigen Verbrauchern geregelt ist.
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In dem Diagramm der Fig. 8 ist schließlich noch die mögliche Änderung
der Effektivwertspannung U über der arithmetischen Mittelwertspannung u innerhalb
des sinnvollen
Regelbereiches dargestellt, wobei als Parameter
das relative Einschaltverhältnis a und die Spitzenspannung ü angegeben ist. Es gelten
dabei generell die Einschränkungen OC a 41 (5) und 04 ú U (û (6) Die Spitzenspannung
wird, beispielsweise aus gerätetechnischen Gründen auf 35 V beschränkt. Man erkennt,
daß sich ein erheblicher Regelbereich innerhalb des durch den Kurvenverlauf von
a = 35 V und a = 1,0 gegebenen Bereiches erzielen läßt, wobei bei der weiter vorn
erwähnten Regelkreis-Entkopplung der beschränkte Regelbereich gilt, der durch das
rhombusartige Viereck mit angestrichelter Außenumrandung dargestellt ist. Innerhalb
dieses beschränkten Regelbereichs ist der für ein 14 V-Bordnetz notwendige Regelbereich
durch den schmalen horizontalen Balken angegeben. Innerhalb dieses nochmals beschränkten
Regelbereichs läßt sich regeltechnisch die getrennte Beeinflussung der Batterieladebilanz
einerseits und der sonstigen Bordnetzverbraucher andererseits sicher bewerkstelligen.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung
dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.