DE4343012A1

DE4343012A1 - Schaltungsanordnung für einen Drehstromgenerator

Info

Publication number: DE4343012A1
Application number: DE19934343012
Authority: DE
Inventors: Istvan Dipl Ing Ragaly
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-06-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Drehstromgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Drehstromgeneratoren beispielsweise in Kraftfahrzeugen einzusetzen. Wegen der im Kraft fahrzeug erforderlichen Batterieladung muß der von dem Drehstromgenerator erzeugte dreiphasige Wech selstrom gleichgerichtet werden. Hierzu ist eine Drehstrom-Gleichrichterbrückenschaltung vorgesehen, bei der jeder Halbwelle jeder Phase des Gleich stromes eine Gleichrichterdiode zugeschaltet ist. Mit Hilfe dieser Drehstrom-Gleichrichterbrücken schaltung ist es möglich, aus dem Drehstrom einen resultierenden Gleichstrom zu erzeugen.

Um die 3. Oberwelle der Phasenspannung zu verringern, ist aus der JP-PS 44-44 51 bekannt, bei in sterngeschalte ten Wicklungssträngen des Drehstromgenerators zwi schen dem Sternpunkt und den Ausgangsanschlüssen des Generators Zusatzdioden zu schalten. Hierdurch erfolgt neben der Gleichrichtung des dreiphasigen Wechselstroms eine Gleichrichtung des Sternpunkt wechselstroms. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß die Zusatzdioden erst bei Generatordrehzahlen wirk sam werden, die über denen des Leerlaufs der An triebsmaschine des Drehstromgenerators liegen. In Kraftfahrzeugen dient als Antriebsmaschine in der Regel ein Verbrennungsmotor. Somit steht ein höhe rer Generatorstrom durch die bessere Gleichrichtung erst bei relativ hohen Generatordrehzahlen zur Ver fügung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß die Wirkung der Zusatzdioden bereits bei niedrigeren Generatordrehzahlen eintritt, so daß der Drehstromgenerator bereits im Leerlauf des Verbrennungsmotors einen höheren Generatorstrom liefern kann. Dadurch, daß zwischen dem Sternpunkt und den Zusatzdioden eine aus drei Wicklungs strängen bestehende Hilfswicklung geschaltet ist, wobei die Wicklungsstränge der Hilfswicklung je weils mit gleicher Polarität den Wicklungssträngen der Hauptwicklung zugeschaltet sind, wird erreicht, daß die in der Hauptwicklung und in der Hilfs wicklung des Drehstromgenerators induzierten drit ten Harmonischen (Oberwellen) gleichphasig sind. Hierdurch addieren sich die Amplituden der dritten Harmonischen der Hauptwicklung und der Hilfs wicklung. Damit kann der Anteil der dritten Har monischen erhöht werden. Hiermit gewinnt der über die Zusatzdioden eingebrachte Anteil an dem gleich gerichteten dreiphasigen Wechselstrom an Bedeutung. Der resultierende Gleichstrom ist somit höher als ein resultierender Gleichstrom ohne Zusatzdioden bzw. bei Zusatzdioden ohne Hilfswicklung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs beispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild eines Drehstromgenerators;

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm der Grundharmonischen der Phasenspannungen;

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm der dritten Harmonischen der Phasenspannungen;

Fig. 4 den Verlauf des Generatorgleichstroms in einem Diagramm;

Fig. 5 ein Wicklungsschema für eine Hauptwicklung;

Fig. 6 ein Wicklungsschema für eine Hilfswicklung in einer ersten Ausführung und

Fig. 7 ein Wicklungsschema für eine Hilfswicklung in einer zweiten Ausführung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt das elektrische Schaltbild eines Dreiphasen-Wechselstromgenerator (Drehstromgenera tor) 10. Der Drehstromgenerator 10 weist eine aus den Wicklungssträngen 12, 14 und 16 bestehende Hauptwicklung 18 auf. Die Hauptwicklung 18 ist dabei in Stern geschaltet, so daß die Anschlüsse x, y und z der Wicklungsstränge 12, 14 und 16 in einem Sternpunkt 20 zusammengeschaltet sind. Die An schlüsse u, v und w der Wicklungsstränge 12, 14 und 16 sind mit einer Drehstrom-Gleichrichterbrücke 22 verbunden. Jedem Wickelstrang ist dabei eine Minus diode 24 und eine Plusdiode 26 zugeordnet. Der Wicklungsstrang 12 ist mit einer Minusdiode 24a und einer Plusdiode 26a verbunden. Der Wickelstrang 14 ist mit einer Minusdiode 24b und einer Plusdiode 26b und der Wickelstrang 16 mit einer Minusdiode 24c und einer Plusdiode 26c verbunden. Die zusam mengeschalteten Anoden der Minusdioden 24 bilden eine erste Ausgangsklemme 28 und die zusammenge schalteten Katoden der Plusdioden 26 eine zweite Anschlußklemme 30 des Drehstromgenerators 10. Der Drehstromgenerator 10 besitzt weiterhin eine Er regerwicklung 32. Die Erregerwicklung 32 ist ei nerseits über eine Kontrollampe 24 und einen Zündschalter 36 mit der Anschlußklemme 30 und mit einem Spannungsregler 38 verbunden. Die Erreger wicklung 32 ist andererseits ebenfalls mit dem Spannungsregler 38 verbunden. Der Spannungsregler 38 ist mit der Anschlußklemme 28 verbunden. Zusätz lich sind Erregerdioden 40 vorgesehen, über die der Erregerstromkreis mit dem Generatorstromkreis ver bunden ist. Weiterhin ist eine aus drei Wicklungs strängen 42, 44 und 46 bestehende Hilfswicklung 48 vorgesehen. Die Hilfswicklung 48 ist dabei in einem offenen Dreieck geschaltet. Der Anschluß x′ des Wicklungsstranges 42 ist mit dem Sternpunkt 20 ver bunden. Der Anschluß u′ des Wicklungsstranges 42 ist mit dem Anschluß y′ des Wicklungsstranges 44, der Anschluß v′ des Wicklungsstranges 44 mit dem Anschluß z′ des Wicklungsstranges 46 und der An schluß w′ des Wicklungsstranges 46 mit einer Zusatzdiodenschaltung 50 verbunden. Die Zusatz diodenschaltung 50 weist eine Minusdiode 52 und eine Plusdiode 54 auf. Die Anode der Minusdiode 52 ist mit der Anschlußklemme 28 und die Katode der Plusdiode 54 mit der Anschlußklemme 30 verbunden. Der Anschluß w′ der Hilfswicklung 48 liegt an der Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Zusatz dioden 52, 54. Zwischen die Anschlußklemmen 28 und 30 ist eine Kraftfahrzeugbatterie 56 geschaltet.

Weiterhin ist über einen Schalter 58 mindestens ein elektrischer Verbraucher 60 zuschaltbar. Die Wicklungsstränge 42, 44 und 46 der Hilfswicklung 48 sind mit gleicher Polarität an den Sternpunkt 20 geschaltet wie die Wicklungsstränge 12, 14 und 16 der Hauptwicklung 18.

Während des Generatorbetriebes wird in jedem der Wicklungsstränge 12, 14 und 16 eine Wechselspannung induziert bzw. es fließt ein Wechselstrom. Dieser dreiphasige Wechselstrom wird in bekannter Weise über die Drehstrom-Gleichrichterbrücke 22 gleichge richtet. Damit jede Halbwelle jeder der drei Phasen für die Gleichrichtung ausgenutzt werden kann, (Vollweggleichrichtung) ist jeder Phase eine Minus diode 24 und eine Plusdiode 26 zugeordnet. An den Anschlußklemmen 28 und 30 liegt somit ein Gleich strom mit einer gewissen Welligkeit an. In den Wicklungssträngen 42, 44 und 46 der Hilfswicklung 48 wird in vollkommen analoger Weise ebenfalls eine Wechselspannung induziert bzw. es fließt ein Wech selstrom, der über die Zusatzdiodenanordnung 50 gleichgerichtet wird. Die Grundwelle der dort indu zierten Wechselspannung wird durch die Reihenschal tung der Wicklungsstränge zu Null und die Beträge der 3. Oberwelle addieren sich mit 3-facher Fre quenz der Phasenspannung. Der Gleichstrom der Dreh strom-Gleichrichterbrücke 22 und der Gleichstrom der Zusatzdiodenanordnung 50 überlagern sich, so daß an den Anschlußklemmen 28 und 30 sich ein resultierender Gleichstrom ergibt, dessen Grad der Welligkeit über die Zusatzdiodenanordnung 50 be einflußt werden kann.

In den Wicklungssträngen 12, 14 und 16 bzw. 42, 44 und 46 werden einerseits eine Grundharmonische der Phasenspannung und andererseits Harmonische n-ten Grades induziert. Die Harmonischen n-ten Grades un terscheiden sich in ihrer Frequenz und nehmen, je höhergradig sie sind, an Bedeutung für den Genera torstrom ab. In den Fig. 2 und 3 sind anhand der dort dargestellten Zeigerdiagramme die Spannungs verhältnisse verdeutlicht. Die hier dargestellten Spannungsverhältnisse gelten sowohl für die Wick lungsstränge der Hauptwicklung 18 als auch für die Wicklungsstränge der Hilfswicklung 48. Die Grund harmonischen der Phasenspannungen des Drehstrom generators sind, wie Fig. 2 verdeutlicht, um 120° zueinander versetzt. Es gelten also folgende Beziehungen für den Wicklungsstrang 12:

u(u-x)1 = U1_*cosωt.

Für die Phasenspannung des Wicklungsstranges 14 gilt entsprechend:

u(v-y)1 = U1_*cos(ωt-120°)

und für den Wicklungsstrang 16:

u(w-z)1 = U1_*cos (ω+120°).

Mit ω ist hier der Drehwinkel des Generatorfeldes und mit ωt die Änderung des Drehwinkels des Genera torfeldes über der Zeit bezeichnet. Bei einem symmetrischen System ergibt sich also, daß die Summe der drei Phasenspannungen der Wicklungs stränge 12, 14 und 16 gleich Null ist.

Für die dritten Harmonischen der Phasenspannungen der Wicklungsstränge gilt, wie in Fig. 3 verdeut licht, folgende Beziehung.

Für den Wicklungsstrang 12:

u(u-x)3 = U3_*cos 3 ωt,

für den Wicklungsstrang 14:

u(v-y)3 = U3_*cos 3(ωt-120°) = U3_*cos 3ωt.

Für den Wicklungsstrang 16 gilt:

u(w-z)3 = U3_*cos 3(ωt+120°) = U3_*cos3ωt.

Es wird deutlich, daß die dritten Harmonischen der Phasenspannungen bei Drehstrom in allen drei Phasen gleichphasig sind. Für die Summe der dritten Har monischen der Phasenspannungen gilt somit bei offener Dreieckschaltung, wie in Fig. 1 gezeigt, die Beziehung u= 3_*U3_*cos 3ωt.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Spannungs verhältnisse gelten sowohl für die Hauptwicklung 18 als auch für die Hilfswicklung 48. Die Addition der dritten Harmonischen der Phasenspannungen gilt je doch nur für die Hilfswicklung 48, da diese, wie bereits erwähnt, im offenen Dreieck geschaltet ist. Für die Sternschaltung der Hauptwicklung 18 gilt eine andere hier nicht weiter zu betrachtende Be ziehung. Da die Wicklungsstränge der Hauptwicklung 18 sowie die Wicklungsstränge der Hilfswicklung 48 mit gleicher Polarität durch den Anschluß x′ an den Sternpunkt 20 geschaltet sind und die induzierten dritten Harmonischen der Phasenspannungen gleich phasig sind, ergibt sich also, daß sich die Ampli tuden der dritten harmonischen Phasenspannungen addieren. Die Addition der dritten Harmonischen, die in den Wicklungssträngen der Hauptwicklung 18 und den Wicklungssträngen der Hilfswicklung 48 induziert werden, erhöhen den Einfluß der dritten Harmonischen auf den gleichgerichteten Drehstrom des Drehstromgenerators 10. Dadurch, daß die drit ten Harmonischen der Hauptwicklung 18 und der Hilfswicklung 48 gleichphasig an die Zusatzdioden anordnung 50 geschaltet sind, tritt die vorteil hafte Wirkung der Zusatzdiodenanordnung 50 bereits bei Drehzahlen des Drehstromgenerators 10 auf, die unterhalb der Leerlaufdrehzahl einer Antriebs maschine, insbesondere einer Verbrennungskraft maschine eines Kraftfahrzeugs, liegen. Somit lie fert der Drehstromgenerator 10 bereits vor Er reichen bzw. mit Erreichen der Leerlaufdrehzahl einen höheren gleichgerichteten Generatorstrom.

In der Fig. 4 sind in einem Zeigerdiagramm diese Zusammenhänge verdeutlicht. Hier ist der Kurven verlauf des Generatorgleichstroms I_G und des Sternpunktwechselstromes I_W über der Generatordreh zahl n dargestellt. Mit der durchgezogenen Linie ist der Stromverlauf für eine Schaltungsanordnung mit der Zusatzdiodenanordnung 50 allein und mit der Strichpunktlinie der Stromverlauf für eine Schal tungsanordnung mit der Zusatzdiodenanordnung 50 und der Hilfswicklung 48 gezeigt. Für den unten dargestellten Verlauf des Sternpunktwechselstromes wird deutlich, daß dieser mit den Hilfswicklungen 48 bereits bei einer wesentlich niedrigeren Dreh zahl des Drehstromgenerators 10 fließt. Der Stern punktwechselstrom I_W mit Anordnung der Hilfswick lung 48 fällt erst dann unter die Kurve für den Sternpunktwechselstrom ohne Hilfswicklung, wenn die Drehzahl des Drehstromgenerators 10 bereits eine hohe Drehzahl, die weit über der Leerlaufdrehzahl n_LL liegt, erreicht hat.

Die Kurve für den Generatorgleichstrom I_G mit der Hilfswicklung 48 hat im Bereich niedriger Dreh zahlen des Drehstromgenerators 10 einen steileren Anstieg, der dann mit steigender Drehzahl des Drehstromgenerators 10 auf einen Generatorgleich strom I_G zurückgeht, der dem einer Schaltungsanord nung ohne Hilfswicklung 48 entspricht. Insgesamt wird deutlich, daß gerade im Bereich niedriger Drehzahlen des Drehstromgenerators 10 ein höherer Generatorgleichstrom I_G zur Verfügung steht. Gerade bei Kraftfahrzeugen ist dies sehr vorteilhaft, wenn der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs gestar tet wird oder sich im Leerlauf befindet und bereits eine Reihe von Verbrauchern 60 angeschlossen sind. Damit wird die Batterie 56 des Kraftfahrzeugs entlastet.

Anhand der Fig. 5 bis 7 werden beispielhaft mög liche Wickeltechniken der Hauptwicklung 18 und der Hilfswicklung 48 gezeigt. Das eigentlich im Stator des Drehstromgenerators 10 ringförmig verlaufende Wicklungspaket ist hier aufgeschnitten und aufge rollt dargestellt.

In der Fig. 5 ist die Wicklungsanordnung der Hauptwicklung 18 gezeigt. Die Anschlüsse u, v, w bzw. x, y, z der Wicklungsstränge 12, 14 und 16 sind herausgezogen. Durch Verbinden der Anschlüsse x, y und z wird der gemeinsame Sternpunkt 20 gebildet, während die Anschlüsse u, v, w zu der Drehstrom-Gleichrichterbrücke 22 führen.

In der Fig. 6 ist eine erste Variante für eine Wickeltechnik der Hilfswicklung 48 gezeigt. Die Hilfswicklung 48 ist hier nach der gleichen Wickel technik (z. B. Wellenwicklung) wie die in Fig. 5 gezeigte Hauptwicklung 18 gewickelt. Der Unter schied besteht lediglich darin, daß die Hauptwick lung 18 mit höherer Windungszahl in Stern geschal tet ist und bei der Hilfswicklung 48 eine offene Dreieckschaltung vorliegt. Der Anschluß u′ ist mit dem Anschluß y′, der Anschluß v′ mit dem Anschluß z′ verbunden. Der Anschluß x′ ist zur Herstellung der Verbindung mit dem Sternpunkt 20 und der Anschluß w′ zur Herstellung der Verbindung mit der Zusatzdiodenanordnung 50 herausgeführt.

Gemäß der Fig. 7 kann die Hilfswicklung 48 auch als eine mäanderförmige Spule in die unmittelbar benachbarten Nuten gewickelt sein. Hierdurch weist die Hilfswicklung 48 gegenüber der in Fig. 6 gezeigten Hilfswicklung 48 kürzere Wickelköpfe auf, so daß einerseits der Kupferaufwand sinkt und an dererseits sich damit auch der Widerstand der Hilfswicklung 48 verringert.

Die in Fig. 7 gezeigte Hilfswicklung 48 kann mit der in Fig. 5 gezeigten Hauptwicklung derart in die Nuten eines gemeinsamen Wicklungsträgers (Statorblechpaket) gewickelt werden, daß auf den Einsatz von Nutenverschlußkeilen, die die Wick lungen aufnehmenden Nuten verschließen, verzichtet werden kann. Bei einer mäanderförmigen Hilfswick lung 48 ist ein Anschluß, der hier mit A bezeichnet ist, an die Zusatzdiodenanordnung 50 angeschlossen und ein herausgezogener Anschluß, der hier mit B bezeichnet ist, an den Sternpunkt 20 angeschlossen. Die Anschlüsse sind so gewählt, daß in der mäander förmigen Hilfswicklung 48 die Anschlüsse A und B so gewählt sind, daß die erwähnte dritte Harmonische der Phasenspannungen gleichphasig in bezug auf die Stromrichtung in der Hilfswicklung 48 und der Hauptwicklung 48 ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Abhängigkeit der Generator drehzahl n, bei der die mit der Hilfswicklung 48 zusammengeschaltete Zusatzdiodenanordnung 50 wirkt, kann durch die Windungszahl der Hilfswicklung 48 beeinflußt werden. Je größer die Windungszahl ist, umso niedriger ist die Generatordrehzahl n, bei der die Zusatzdiodenanordnung 50 wirksam wird. Der Drahtdurchmesser der Hilfswicklung 48 kann in den meisten Fällen kleiner gewählt werden als der Drahtdurchmesser der Hauptwicklung 18.

Claims

1. Schaltungsanordnung für einen Drehstromgenerator mit einer aus drei in Stern geschalteten Wicklungs strängen bestehenden Hauptwicklung, einer Dreh strom-Gleichrichterbrücke zur Gleichrichtung des Generatorstroms und einer an einen Sternpunkt der Hauptwicklung geschalteten Zusatzdiodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sternpunkt (20) und der Zusatzdiodenanordnung (50) eine aus drei Wicklungssträngen (42, 44, 46) bestehende Hilfswicklung (48) geschaltet ist, wobei die Wick lungsstränge (42, 44, 46) jeweils mit gleicher Polarität den Wicklungssträngen (12, 14, 16) der Hauptwicklung (18) zugeordnet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wicklungsstränge (42, 44, 46) in einem an einer Seite offenen Dreieck geschaltet sind.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Anschluß (x′) der Dreieckschaltung an dem Sternpunkt (20) und ein zweiter Anschluß (w′) der Dreieckschaltung mit der Zusatzdiodenanordnung (50) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (48) als Wellenwicklung gewickelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hilfswicklung als Wellen wicklung in eine jeweils benachbarte Nut gewickelt ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs wicklung (48) in der gleichen Technik wie die Hauptwicklung (18) auf ein gemeinsames Ständer blechpaket des Drehstromgenerators (10) gewickelt ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (48) und die Hauptwicklung (18) auf einem gemeinsamen Wicklungsträger, insbesondere in gemeinsame Nuten des Statorblechpaketes gewickelt sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hilfswicklung (48) als Verschluß für die Nuten dient.