DE4016574A1

DE4016574A1 - Einrichtung zur begrenzung der klemmenspannung bei einer drehstromlichtmaschine

Info

Publication number: DE4016574A1
Application number: DE19904016574
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Maass; Joachim Dipl Ing Bunke; Martin Dipl Ing Fritz
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1991-07-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Begrenzung der Klemmenspannung bei einer Drehstromlichtmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.

In Kraftfahrzeugen werden bekanntermaßen fast nur noch Drehstromlichtmaschinen mit integrierten Gleichrichtersät zen eingesetzt; vielfach sind auch elektronische Regler zur Beeinflussung des Erregungsstromes mitintegrierter Maschinenbestandteil.

Gemäß Fig. 1 wirkt ihre meist in Sternschaltung vor gesehene Ständerwicklung 1 auf den Minuspol B- der Fahr zeugbatterie (Fahrzeugmasse) über die erste Hälfte und auf den Pluspol B+ der Batterie über die zweite Hälfte einer 6-Ventil-Dreiphasengleichrichterbrücke 2. Es ist noch eine weitere Brückenhälfte 3 vorgesehen, über die die Ständer wicklung ebenfalls mit positiver Polung gegenüber der Fahrzeugmasse auf eine separate Nebenklemme D+ wirkt. Von dieser erhält ein Regler 4 seine Betriebsleistung. Nach Maßgabe der daran abgegebenen Spannung versorgt der Regler 4 die umlaufende Erregerwicklung 5 mit Strom.

Diese robuste Konfiguration bietet gegenüber Gleich stromlichtmaschinen bekanntermaßen eine Reihe von Vor teilen, nämlich geringe/s Baugröße und Gewicht, ins besondere bezogen auf die Leistungsabgabe, guten Lade stromertrag schon bei niedriger Drehzahl, leichte Funk- Entstörbarkeit, geringer Wartungsbedarf und hohe Stand zeit.

Ein inhärenter Nachteil solcher Lichtmaschinen besteht jedoch darin, daß bei plötzlichem Lastabwurf, etwa beim versehentlichen Lösen der Batterieklemme bei laufendem Motor oder bei Vorliegen eines Wackelkontakts im Haupt strompfad, für kurze Zeit eine hohe Spannung ins Bord netz abgegeben wird, welche damit beaufschlagte elektro nische Geräte oder elektronisch angesteuerte Verbraucher irreparabel zerstören kann (sog. Load-Dump-Situation).

Diese schadvolle Überspannung begrenzter Dauer kommt dadurch zustande, daß ein vom Regler 4 umfaßtes Stromsteuerelement 6 infolge eines zugleich an der Nebenklemme D+ durch eine Spannungserfassungsanordnung 7 sensierten Spannungsan stiegs dann zwar sperrt und somit - in an sich klemmens pannungs-vermindernder Weise - keinen Erregerstrom mehr in die Erregerwicklung 5 einspeist, der unmittelbar zuvor je doch durch die Erregerwicklung geflossene Erregungsstrom nicht sprungartig auf Null absinken kann, sondern über ein aus Isolationsschutzgründen erforderliches Freilaufventil 8 noch eine Zeitlang aufrechterhalten wird bzw. nur all mählich abklingt. Insoweit kommt es zu einer Verzögerung des Abbaues der magnetischen Erregung und dadurch zu einer unerwünschten Unterstützung und zeitlichen Streckung des Überspannungsimpulses, der somit z. B. 300 ms andauern und dabei bis zu 200 Volt aus einem Ersatzinnenwiderstand von nur 2 Ohm erreichen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Begrenzung der Klemmenspannung bei einer Drehstromlicht maschine zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln den Schutz angeschlossener Verbraucher vor lastabwurfbeding ten Überspannungsstößen gewährleistet. Dabei soll insbe sondere das mit einem lastabwurfbedingten Überspannungs zustand inhärent verknüpfte Kurzzeitenergieaufkommen, das Schäden in einem Fahrzeugbordnetz bewirken kann, reduziert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise wird dabei eine Beschleunigung des Abbaues des Erregungsstromes erreicht, sobald der Regler die Stromzufuhr in den Erregerstromkreis überspannungs bedingt unterbrochen hat. Dadurch wird im Lastabwurfs falle das Kurzzeitenergieaufkommen auf ein Maß reduziert, das noch verbleibende Überspannungen kürzerer Dauer mit kostengünstigen Mitteln in Bordnetzkomponenten (vor Ort) schadlos zu unterdrücken erlaubt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind nach Lehre der darauf rückbezogenen Ansprüche 2 bis 10 gegeben.

Demgemäß können u. a. alle wichtigen Funktionselemente als Bestandteile einer monolithischen integrierten Leistungs schaltung robust, platzsparend und kostengünstig herge stellt werden. In vorteilhafter Weise ist so eine einfache Unterbringung zusammen mit einer Reglerfunktion an einer Drehstromlichtmaschine möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und nachfolgend erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das bekannte Funktionsschaltbild einer her kömmlichen Drehstromlichtmaschine mit Gleich richter und Regler;

Fig. 2 das Funktionsschaltbild einer Drehstromlicht maschine mit der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die Erfindung wird aus Fig. 2 anhand Vergleich mit dem bekannten Gegenstand gemäß Fig. 1 ersichtlich.

Die Ständerwicklung 1, die Gleichrichterelemente 2 und 3, der Regler 4 mit einem den Erregungsstrom steuernden Bauteil 6, einer letzteres ansteuernden Spannungserfas sungsanordnung 7 und einem Freilaufventil 8 entsprechen insoweit solchen aus dem Stande der Technik. Erfindungs gemäß liegt die umlaufende Erregerwicklung 5 der Schalt strecke eines Freilaufventils 8 des Reglers 4 jedoch nicht unmittelbar parallel, sondern über die Schaltstrecke 13.1 eines steuerbaren Schaltbauelements 13. Der von der Klem me D+ über den Massestrompfad des Reglers 4 mit Strom versorgten Erregerwicklung 5 liegt hingegen wenigstens die Gegeneinanderschaltung einer Zenerdiode 14 und eines Durchflußschutzventils 15 unmittelbar parallel, wobei die Polung der Gegeneinanderschaltung und die Zenerspannung der Zenerdiode so gewählt sind, daß unter normalen Be triebsbedingungen besagte Gegeneinanderschaltung strom los, bei Vorliegen einer Load-Dump-Situation hingegen leitend ist.

Der Steuereingang des steuerbaren Schaltbauelements 13 ist über eine Verbindung 13.2 mit dem Ausgang eines zwischen die die Erregerwicklung 5 versorgende Klemme D+ und Masse GND geschalteten Spannungsdiskriminators 10 verbunden. Er gibt ein das Schaltbauelement 13 in öffnen dem Sinne aktivierendes Ausgangssignal ab, wenn die Span nung an der Klemme D+ ein das Vorliegen eines Load-Dump- Zustandes charakteristisches Maß übersteigt. Im einfach sten Fall kann es sich bei dem Spannungsdiskriminator 10 z. B. um eine Zenerdiode 10a mit masseseitigem Fußpunkt widerstand 12, ggfs. erweitert um einen Speisevorwider stand 11, handeln, wobei dann die das Schaltbauelement 13 ansteuernde Spannung am Fußpunktwiderstand 12 abge griffen wird. Der Spannungsdiskriminator 10 kann aber auch als komplexere integrierte Schaltung ausgebildet sein.

Die Einrichtung funktioniert wie folgt.

Solange die an Klemme D+ abgegebene Spannung unter der Ansprechspannung des Spannungsdiskriminators 10 liegt, hier also beispielsweise kleiner ist als die Zenerspan nung der Zenerdiode 10a, ist die Schaltstrecke 13.1 des steuerbaren Schaltbauelements 13 geschlossen, und das Freilaufventil 8 liegt insoweit der Erregerwicklung 5 parallel. Da die Schleusenspannung des Freilaufventils 8 kleiner ist als die Zenerspannung der Zenerdiode 14, ist die Gegeneinanderschaltung aus letzterer und besag tem Durchflußschutzventil 15 stromlos und insoweit ohne Wirkung. Dies bedeutet, daß die Erregerwicklung 5 auf grund des Freilaufventils 8 sowohl durch analoge als auch digitale, etwa pulsweitenmodulierte, Strombeaufschlagung vonseiten des steuernden Bauelements 6 annähernd konti nuierlich mit einem definierten Strom versorgbar ist.

Steigt die Spannung an Klemme D+ so weit an, daß der Spannungsdiskriminator 10 ein zur Unterbrechung der Schaltstrecke 13.1 des steuerbaren Schaltbauelements 13 geeignetes Potential abgibt, wird anstelle des Freilauf ventils 8 mit niedriger Schleusenspannung die Gegeneinan derschaltung aus Zenerdiode 14 und Durchflußschutzventil 15 mit einer wesentlich größeren "Schleusenspannung", wirksam, letztwelche sich dann aus der Zenerspannung der Zenerdiode 14 und der Schleusenspannung des Durchfluß schutzventils 15 zusammensetzt. Ein Stromfluß über be sagte Gegeneinanderschaltung tritt insoweit erst auf, wenn anläßlich eines Load-Dump-Zustandes die Spannung an der Klemme D+ einen bestimmten, jedenfalls noch ungefähr lichen Wert überschritten hat, und die von der Erreger wicklung 5 induzierte Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Da die an der Zenerdiode 14 dann umgesetzte Verlustlei stung sich aus dem Produkt aus Zenerstrom und Zenerspan nung ergibt und dieses wesentlich größer ausfällt als das entsprechende Produkt aus Flußspannung und Freilaufstrom am Freilaufventil 8, wird ab Erreichen der einen Zener stromfluß überhaupt ermöglichenden Grenzspannung an Klem me D+ (Ansprechspannung des Spannungsdiskriminators 10) pro Zeiteinheit an der Zenerdiode 14 eine erheblich größere elektrische Arbeit in Verlustwärme umgesetzt als dies am Freilaufventil 8 möglich wäre. Der somit schnel leren Umsetzung von elektrischer Energie in Verlustwärme entspricht nach dem Energiesatz ein um so schnellerer Ab bau des Magnetfeldes, welches die den Abklingstrom trei bende Spannung in der Erregerwicklung 5 induziert.

Dieses Ergebnis wird plausibel aus folgender Äquivalenz betrachtung:

Bei Annahme eines Abschaltzeitpunkts t = 0 bestimmt sich der Abklingstrom gemäß der Formel

I(t) = I_(t=0) _* e^-t/ ^τ (1).

Denkt man sich die Erregerwicklung 5 in einem hier nicht ausgeführten Ersatzschaltbild in eine Gesamtinduktivität L, einen seriellen Wicklungswiderstand R_s und einen parallel dazu wirksamen Verlustwiderstand R_p zerlegt, dann läßt sich die Zeitkonstante τ bestimmen zu

τ = L/(R_S + R_P) (2).

Die sich an der Gegeneinanderschaltung 14 und 15 einstel lende Spannung ist größer als die entsprechende am Frei laufventil 8, was gleichbedeutend ist mit einer Erhöhung des differentiellen Widerstandes R_p. Daraus resultiert jedoch gemäß (2) eine Verkleinerung der Zeitkonstanten τ, und insoweit außer der vorerwähnten Umsetzung von Magne tisierungsenergie in Wärmeenergie - mit der Wirkung einer Dämpfung der Stoßspannungsamplitude - auch eine zeitliche Verkürzung des Load-Dump-Zustandes an der Klemme D+, und in entsprechender Weise auch an der Klemme B+.

Unterschreitet der an der Klemme D+ abklingende Load- Dump-Spannungsimpuls die Ansprechschwelle des Spannungs diskriminators 10, wird die Schaltstrecke 13.1 des steuerbaren Bauelements 13 wieder geschlossen. Insoweit übernimmt nach Umsetzung des größeren Teils der magne tischen Energie im magnetischen Kreis der Erregerwick lung 5 in Wärme also das Freilaufventil 8 wieder den dann bei ungefährlicher Spannung an der Klemme D+ - mit ver ringerter Abfallsteilheit - vollends abklingenden Induk tionsstrom der Erregerwicklung so lange, bis der Regler 4 die Erregerwicklung erneut bestromt.

Durch die so insgesamt bewirkte Abflachung des Load-Dump- Überspannungsimpulses wird die ihm inhärent innewohnende Energie zur Zerstörung empfindlicher Bauelemente in elek tronischen Geräten am Bordnetz reduziert und die Voraus setzung geschaffen, daß diese jeweils für sich genommen mittels kostengünstiger Schutzbauelemente "Load-Dump fest" ausführbar sind. Durch die erreichte zeitliche Ver kürzung der Hochspannungsphase eines Load-Dump-Zustandes ist es möglich, einen beträchtlichen Teil der reduzierten Spannungsüberhöhung im Frequenzbereich mit einfachen Tiefpaßfiltermitteln weiter abzuflachen, etwa durch ein hochkapazitives LC-Element mit geringer Güte der Induk tivität.

Ersichtlichermaßen kann die erfindungsgemäße Einrichtung bei jeder üblichen Lichtmaschine vorgesehen werden. Es ist auch möglich, wenigstens einige der Funktionselemente 6, 8, 10 (oder 10a, 12), 13, 14 und 15 als Bestandteile einer monolithischen integrierten Leistungsschaltung robust, platzsparend und kostengünstig herzustellen; moderne Feldeffekttechnologien, die auch die Herstel lung von Freilaufventilen mit niedrigem Flußwiderstand auf ein und demselben Halbleitersubstrat erlauben, bieten sich hierfür an.

Bei einer solchen monolithischen Ausbildung wesentlicher Teile der Einrichtung bietet sich dieselbe an zur beson ders vorteilhaften Integration zusammen mit einer Regler funktion für eine Drehstromlichtmaschine.

Erfindungsgemäß kann die Gegeneinanderschaltung aus Zenerdiode 14 und Durchflußschutzdiode 15 am/im festste henden Teil oder am/im die Erregerwicklung 5 tragenden Läufer der Lichtmaschine angeordnet werden. Vorzugsweise kann sie am/im feststehenden Teil an/in einem auch für ein oder mehrere Gleichrichterventil/e vorgesehenen Kühl element oder im Falle einer Unterbringung am/im Läufer im Bereich eines besonders forciert kühlluftbeströmten Bau teils, etwa in gutem thermischem Kontakt mit einem wär meleitenden Kühlrippenkranz o. ä., untergebracht werden.

Je nach Bauart der Lichtmaschine kann die Unterbringung im Läufer unter elektrischen (Vermeidung eines Streu magnetfeldes bei Load-Dump-Stromfluß), thermischen und Standzeitgesichtspunkten (optimaler mechanischer Schutz) Vorteile bieten.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Begrenzung der Klem menspannung bei einer Drehstromlichtmaschine verursacht wenig Aufwand und Kosten und ist in herkömmlichen Maschi nen leicht integrierbar. Da die gegenüber einer herkömm lichen Lichtmaschine zusätzlich benötigten Teile nur im Augenblick eines Load-Dump-Zustandes beansprucht werden und sonst nicht, ist die erfindungsgemäße Einrichtung sehr zuverlässig und bewirkt eine hohe Verfügbarkeit von damit ausgerüsteten Lichtmaschinen.

Claims

1. Einrichtung zur Begrenzung der Klemmenspannung bei einer Drehstromlichtmaschine mit einer feststehenden und auf Gleichrichter (2, 3) wirkenden Ständerwicklung (1) und mit einer mit dem Maschinenläufer umlaufenden Erregerwick lung (5), wobei letztere in Abhängigkeit von der Größe einer von der Lichtmaschine an einer bestimmten Klemme (D+) abgegebenen Spannung über einen Regler (4) mit Erregungs strom beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Erregerwicklung (5) über die Schaltstrecke (13.1) eines steuerbaren (13.2) Schaltbauelements (13) mit dem Ausgang des die Bestromung der Erregerwicklung (5) steuernden Reglerbauelements (6) verbunden ist und dieser Ausgang mit einem Freilaufventil (8) beschaltet ist;
- daß in Wirkverbindung mit der bestimmten Klemme (D+) ein Spannungsdiskriminator (10) vorgesehen ist, dessen Aus gang (13.2) mit dem Steuereingang des Schaltbauelements (13) wirkverbunden ist, und
- daß der Erregerwicklung (5) eine Gegeneinanderschal tung aus einer Zenerdiode (14) und einem Durchflußschutz ventil (15) unmittelbar parallelgeschaltet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß besagte Gegeneinanderschaltung im stehenden Teil der Lichtmaschine untergebracht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß wenigstens die Zenerdiode (14) der Gegeneinan derschaltung zusammen mit wenigstens einem von mehreren Gleichrichterventilen (2, 3) an/in einem gemeinsamen Kühl element untergebracht ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Gegeneinanderschaltung (14, 15) und das steuerbare Schaltbauelement (13) als im Regler (4) ein häusig mitenthaltene Bauelemente ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Gegeneinanderschaltung (14, 15) am/im die Erregerwicklung (5) tragenden Läufer der Lichtmaschine untergebracht ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Spannungsdiskriminator (10) wenigstens eine Zenerdiode (10a) und einen Widerstand (12) umfaßt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Spannungsdiskriminator (10) als monolithische integrierte Schaltung realisiert ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß wenigstens das die Bestromung der Erregerwicklung steuernde Reglerbauelement (6), das vom Regler (4) mitum faßte Freilaufventil (8) und das Schaltbauelement (13) als Bestandteile einer einstückigen monolithischen Schaltung realisiert sind.

9. Einrichtung nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß auch noch der Spannungsdiskriminator (10) als Bestandteil derselben monolithischen Schaltung einstückig mitintegriert ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß wenigstens das Schaltbauelement (13) als Lei stungs-Feldeffekttransistor, insbesondere als MOS-Feld effekttransistor, ausgeführt ist.