DE3227602C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Induktionswicklung, die in zwei Halbwicklungen unterteilt ist, deren Ausgangs-Anschlüsse jeweils mit Eingangs-Anschlüssen eines Vollweg-Gleichrichters verbunden sind, sowie mit mehreren zwischen den beiden Halbwicklungen liegenden Halbleiterschaltern, die zwischen zwei Schaltzuständen umsteuerbar und so angeordnet sind, daß sie die Halbwicklungen in einem ersten Schaltzustand zueinander in Reihe und einem zweiten Schaltzustand zueinander parallel schalten.

Wenn ein Wechselstromgenerator bei sehr hohen Drehzahlen einen großen Strom abgeben soll, darf seine Induktionswicklung nur wenige Windungen haben. Umgekehrt müssen Induktionswicklungen sehr viele Windungen haben, wenn auch bei niedrigen Drehzahlen ein großer Strom abgegeben werden soll.

Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge, die sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen große Ströme abgeben müssen, haben deshalb Induktionsspulen, die in zwei Halbwicklungen unterteilt sind, die bei niedrigen Drehzahlen in Reihe und bei hohen Drehzahlen parallel geschaltet sind.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Wechselstromgenerator dieser Art. Mit 1 und 2 sind zwei Halbwicklungen einer in Sternschaltung angeordneten dreiphasigen Induktionswicklung bezeichnet. Die Anschlüsse der Halbwicklung 1 sind mit den Eingängen einer ersten Doppelweggleichrichterschaltung 3 z. B. in Form einer Grätzbrücke verbunden. Analog sind die Anschlüsse der Halbwicklung 2 mit den Eingangsanschlüssen einer zweiten Gleichrichterschaltung 4 verbunden, die ebenfalls als Grätzbrücke ausgebildet ist. Zwei Dioden 5 und 6 sind mit den Gleichrichterschaltungen 3 bzw. 4 in Reihe geschaltet. Der die Gleichrichterschaltung 3 und die Diode 5 enthaltende Stromzweig ist mit dem die Diode 6 und die Gleichrichterschaltung 4 enthaltenden Stromkreis parallel geschaltet. Diese beiden Stromzweige liegen zwischen zwei Anschlußklemmen 7 und 8, an denen beim Betrieb die von dem Generator erzeugte und von den Gleichrichterschaltungen 3 und 4 gleichgerichtete Spannung als Ausgangsspannung verfügbar ist. Mit 9 ist ein Relais bezeichnet, das ein bewegliches Kontaktglied 10 und eine Erregerwicklung 11 besitzt. Letztere ist mit einem Steuerkreis 12 verbunden. Der Steuerkreis 12 umfaßt Sensoren zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit des Motors sowie Komparatoren, welche der Wicklung 11 einen Erregungsstrom liefern, wenn die Drehgeschwindigkeit des Motors unter einem vorbestimmten Wert liegt. In diesem Fall bewirkt die Erregung der Spule das Schließen des beweglichen Kontaktgliedes 10, was zur Folge hat, daß die Anode der Diode 5 mit Kathode der Diode 6 verbunden ist. In diesem Schaltzustand sind die Halbwicklungen 1 und 2 über den Kontakt 10 zueinander in Reihe geschaltet, und die Dioden 5 und 6 führen keinen Strom. Der Kontakt 10 wird von einem Strom durchflossen, der beträchtliche Werte annehmen kann.

Wenn die Drehzahl des Motors einen vorbestimmten Wert überschreitet, bewirkt der Steuerkreis 12 die Aberregung des Relais 9 und damit das Öffnen des Kontaktes 10. In diesem Schaltzustand sind die Halbwicklungen 1 und 2 zueinander parallel geschaltet.

In Fig. 2 ist der Verlauf des von einem Generator abgebbaren maximalen Stromes I als Funktion der Drehzahl n (Umdrehungen pro Zeiteinheit) wiedergegeben. Die Kurve A bezieht sich auf einen Wechselstromgenerator, dessen Induktionswicklung viele Windungen besitzt, während sich die Kurve B auf einen Wechselstromgenerator bezieht, dessen Induktionswicklung eine geringere Windungszahl besitzt. Für den in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Wechselstromgenerator wird die charakteristische Kurve (für Werte n, die kleiner sind als n₀) hingegen durch den ersten Abschnitt der Kurve A von Fig. 2 und (für Werte n, die größer sind als n₀) von dem zweiten Abschnitt der Kurve B repräsentiert. Der Wert n₀ stellt die Drehzahl dar, bei der das Relais 9 betätigt wird. Wenn das Relais 9 erregt ist und somit die Halbwicklungen 1 und 2 zueinander in Reihe geschaltet sind, entsprechen sie einer Wicklung mit vielen Windungen. Wenn das Relais 9 nicht erregt ist, so sind die Halbwicklungen zueinander parallel geschaltet und entsprechen einer einzigen Wicklung mit geringerer Windungszahl.

Der in Fig. 1 dargestellte herkömmliche Wechselstromgenerator besitzt einige Nachteile: Hierzu gehört vor allem die Tatsache, daß das Relais 9 in der Lage sein muß, einen vergleichsweise hohen Gleichstrom mechanisch zu unterbrechen. Daraus resultieren die bekannten Nachteile elektromechanischer Schalter, wie z. B. die Möglichkeit der Ausbildung von Lichtbogen, das Kleben der Kontakte, langsame Schaltgeschwindigkeit usw. Das Relais kann nicht ohne weiteres durch einen Halbleiterschalter, z. B. einen Thyristor, ersetzt werden, da es zur Unterbrechung von Gleichströmen und nicht von Wechselströmen bestimmt ist.

An zweiter Stelle ist zu erwähnen, daß die Dioden 5 und 6, die dann leitend sind, wenn die Halbwicklungen 1 und 2 zueinander parallel geschaltet sind, von Gleichströmen beträchtlicher Intensität durchflossen werden. Daraus ergibt sich der Nachteil hoher Verlustleistung und nicht unerheblicher Kosten.

Ein Wechselstromgenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist durch die DE 23 52 227 A1 bekannt. Auch bei diesem besteht jede Halbwicklung aus einer Dreiphasen-Sternschaltung mit drei äußeren Ausgängen, die an die Eingänge einer Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichterbrücke angeschlossen sind, und drei inneren Ausgängen, die miteinander verbunden sind, deren Verbindung jedoch auftrennbar sein muß. Zur Serien/Parallel- Umschaltung der Halbwicklungen benötigt man eine elektromechanische Schaltvorrichtung mit drei Umschaltern. Jeder dieser Umschalter verfügt über ein bewegliches Kontaktstück, das einen inneren Ausgang der ersten Halbwicklung selektiv entweder mit einem Leiterstück verbindet, das den Sternpunkt der ersten Halbwicklung darstellt, oder aber mit einem äußeren Ausgang der anderen Halbwicklung. Beim Übergang von der Parallelschaltung zur Serienschaltung muß der Sternpunkt einer der beiden Halbwicklungen also "aufgetrennt" werden. Deshalb benötigt diese bekannte Anordnung eine Umschaltvorrichtung mit drei "echten" Umschaltern nach Art von Multiplexern, die einen Eingang wahlweise mit einem von zwei Ausgängen verbinden können.

Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen sollten die Schaltmittel für die Serien/Parallel-Umschaltung der Induktionswicklung des Wechselstromgenerators als Halbleiterschalter (z. B. als Thyristoren oder als MOS-Transistoren) ausgebildet sein, da mechanische Kontakte bekanntlich wenig zuverlässig arbeiten, wenn sie den bei dem rauhen Betrieb in Kraftfahrzeugen auftretenden Vibrationen ausgesetzt sind. Nun läßt sich die obenerwähnte, aus drei Umschaltern bestehende Schaltvorrichtung zwar grundsätzlich mit Halbleiterschaltern realisieren. Da ein einzelner Halbleiterschalter jedoch nur eine Stromrichtung schalten, d. h., nicht als Multiplexer arbeiten kann, mit dem sich ein Schaltereingang wahlweise mit einem von zwei Schalterausgängen verbinden läßt, müßten bei einer Halbleiter-Realisierung für jeden Umschalter jeweils zwei Halbleiterschalter aufgewendet werden. Zudem würde eine solche Realisierung mit Halbleitern eine recht komplizierte und damit aufwendige Steuerschaltung zur Ansteuerung der Halbleiterschalter benötigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselstromgenerator gemäß der DE 23 52 227 A1 so auszubilden, daß der Aufwand an Schaltelementen zur Serien/Parallel-Umschaltung der Halbwicklungen möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Halbwicklungen gegenphasig zueinander angeordnet sind und daß die Halbleiterschalter jeweils einen Ausgangsanschluß einer Halbwicklung mit einem nichthomologen Ausgangsanschluß der anderen Halbwicklung verbinden, derart, daß die in den beiden Halbwicklungen erzeugten elektromotorischen Kräfte sich gleichphasig addieren, wenn die Halbleiterschalter sich in ihrem ersten Schaltzustand befinden.

Damit unterscheidet die erfindungsgemäße Anordnung sich grundsätzlich von der Anordnung gemäß DE 23 52 227 A1, bei der die einzelnen Schalter jeweils zwischen einem äußeren Ausgang einer Halbwicklung und einem inneren Ausgang der anderen Halbwicklung angeordnet sein müssen und in die innere Sternschaltung einer der beiden Halbwicklungen eingreifen, d. h., diese "auftrennen" müssen, wenn die Halbwicklungen in Reihe geschaltet werden. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein solcher Eingriff in eine der Sternschaltungen nicht erforderlich ist, sind die Umschalteinrichtung und ihre Steuerung wesentlich weniger aufwendig.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt - wie bereits erwähnt - einen Wechselstromgenerator bekannter Art;

Fig. 2 zeigt - wie bereits erwähnt - den Verlauf des von einem Wechselstromgenerator abgegebenen maximalen Stroms als Funktion der Drehzahl;

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema eines Wechselstromgenerators gemäß der Erfindung.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzen die beiden Hälften 1 und 2 der Induktionswicklung eines Wechselstromgenerators Anschlüsse A, B, C bzw. A′, B′, C′, die mit Eingangsanschlüssen eines ersten bzw. zweiten Grätzbrückengleichrichters 3 bzw. 4 verbunden sind, wobei letztere parallel zueinander zwischen zwei Ausgangsklemmen 7 und 8 angeordnet sind. Mit 14 sind drei Thyristoren bezeichnet, deren Anoden jeweils mit einem Anschluß der ersten Halbwicklung 1 und deren Kathoden jeweils mit einem Anschluß der anderen Halbwicklung 2 verbunden sind. Die Steuerelektroden der Thyristoren 14 sind mit einer Steuerschaltung 112 herkömmlicher Art verbunden, über die die Thyristoren 14 gezündet werden, wenn die Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors unter einem vorbestimmten Wert liegt.

Die Halbwicklungen 1 und 2 sind dreiphasig, insbesondere ist die Halbwicklung 2 zur Halbwicklung 1 "gegenphasig". Mit anderen Worten: Die Phasen der beiden Halbwicklungen haben entgegengesetzte Zyklusrichtungen.

Um die beiden Halbwicklungen 1 und 2 mit Hilfe der Thyristoren 14 miteinander verbinden zu können, muß vermieden werden, daß ungleichnamige Phasen miteinander verbunden werden (da anderenfalls der sie verbindende Thyristor niemals leitend werden könnte). Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist folgende Verbindung realisiert:

A, B, C → C′, A′, B′.

Eine andere mögliche Verbindungsart wäre z. B. folgende:

A, B, C → B′, C′, A′.

Folgende Verbindungsarten müssen hingegen vermieden werden:

A, B, C → A′, C′, B′,
A, B, C → B′, A′, C′ usw.

Der in Fig. 3 dargestellte Wechselstromgenerator arbeitet in folgender Weise:

Wenn die Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors unter einem vorbestimmten Wert liegt, veranlaßt der Steuerkreis 112 das Zünden der Thyristoren 14. Hierdurch werden die Halbwicklungen 1 und 2 zueinander in Reihe geschaltet, derart, daß die in ihnen erzeugten elektromotorischen Kräfte sich summieren, wobei sie zueinander in Phase sind. Die zueinander in Reihe geschalteten Halbwicklungen 1 und 2 entsprechen einer einzigen Wicklung mit entsprechend hoher Windungszahl. Daher erfolgt die Stromabgabe des Wechselstromgenerators bei niedrigen Motordrehzahlen im wesentlichen entsprechend dem ersten Abschnitt der Kurve A in Fig. 2.

Wenn die Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors den vorbestimmten Wert übersteigt, bewirkt die Steuerschaltung 112 das Löschen der Thyristoren 14. Infolgedessen sind die Halbwicklungen 1 und 2 nunmehr zueinander parallel geschaltet und entsprechen einer einzigen Wicklung mit im Vergleich zu der vorangehend geschilderten Situation geringerer Windungszahl. Unter diesen Umständen erfolgt die Stromabgabe von Seiten des Wechselstromgenerators gemäß dem zweiten Abschnitt der charakteristischen Kurve B in Fig. 2.

Der Generator gemäß der Erfindung besitzt verschiedene Vorteile: Vor allem werden alle Nachteile vermieden, die den bisher bei herkömmlichen Wechselstromgeneratoren verwendeten elektromechanischen Schaltvorrichtungen anhaften. Ferner sind im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Lösung die Sperrdioden 5 und 6 eliminiert, welche - wie erwähnt - beträchtliche Verlust- und Wärmeprobleme verursachen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So können beispielsweise an Stelle der in Sternschaltung betriebenen dreiphasigen Halbwicklungen 1 und 2 dreiphasige Halbwicklungen verwendet werden, die in Dreieckschaltung betrieben sind.

Die Thyristoren können durch Leistungs-MOS-Schalter ersetzt sein.

Außerdem gelten die vorangehend für einen dreiphasigen Wechselstromgenerator gegebenen Erläuterungen mit den für den einschlägigen Fachmann offenkundigen Vereinfachungen auch für einphasige Wechselstromgeneratoren.

Claims (3)

1. Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
mit einer Induktionswicklung, die in zwei Halbwicklungen (1, 2) unterteilt ist, deren Ausgangsanschlüsse (A, B, C; A′, B′, C′) jeweils mit Eingangsanschlüssen eines Vollweg-Gleichrichters (3, 4) verbunden sind, sowie
mit mehreren zwischen den beiden Halbwicklungen (1, 2) liegenden Halbleiterschaltern (14), die zwischen zwei Schaltzuständen umsteuerbar und so angeordnet sind, daß sie die Halbwicklungen (1, 2) in einem ersten Schaltzustand zueinander in Reihe und einem zweiten Schaltzustand zueinander parallel schalten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbwicklungen (1, 2) gegenphasig zueinander angeordnet sind und
daß die Halbleiterschalter (14) jeweils einen Ausgangsanschluß (A, B, C) einer Halbwicklung (1) mit einem nichthomologen Ausgangsanschluß (C′, A′, B′) der anderen Halbwicklung (2) verbinden, derart, daß die in den beiden Halbwicklungen (1, 2) erzeugten elektromotorischen Kräfte sich gleichphasig addieren, wenn die Halbleiterschalter (14) sind in ihrem ersten Schaltzustand befinden.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter Thyristoren (14) umfassen, deren jeder mit seiner Anode mit einem Anschluß (A, B, C) einer Halbwicklung (1) und mit seiner Kathode mit einem nichtgleichnamigen Anschluß (C′, A′, B′) der anderen Halbwicklung (2) verbunden ist, und daß die Steuerelektroden der Thyristoren (14) mit einer Steuerschaltung (112) verbunden sind, über welche die Thyristoren (14) gezündet werden, wenn die Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.

3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter Leistungs- MOS-Schalter umfassen.