DE68909489T2

DE68909489T2 - Verfahren und Schaltung zur Spannungsregelung für Gleichspannungsquellen, die einen Generator mit Erregerwicklung beinhalten.

Info

Publication number: DE68909489T2
Application number: DE89304679T
Authority: DE
Inventors: Donal Eugene Baker; David Alan Fox; Roger Dean Thornton
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1988-05-12
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2009-05-10
Also published as: EP0341980A2; EP0341980A3; CN1038555A; JPH0213298A; CN1019069B; EP0341980B1; US4807106A; DE68909489D1; KR890017838A

Description

Die Erfindung betrifft die Regelung der Ausgangsspannung von elektrischen Stromquellen mit einem Generator, der eine Erregerfeldspule aufweist, wobei die Ausgangsleistung des Generators proportional zu dem Strom in der Erregerfeldspule ist.
Gleichstromgekoppelte elektrische Stromversorgungssysteme bieten bei Luftfahrt-Anwendungen einige Vorzüge gegenüber Wechselstrom-Systemen. Beispielsweise beseitigen Gleichstrom-Systenie Blindspannungs-Verluste in den Zuleitungen bei hohen Leistungspegeln und sind mit elektromechanischen Betätigungselementen kompatibel. Ferner kann Gleichstrom durch einen Generatar mit weitem Drehzahlbereich und einem einfachen Gleichrichter erzeugt werden, wodurch der Konstantdrehzahl-Antrieb oder Umrichter, die für Wechselstrom-Systeme konstanter Frequenz erforderlich sind, beseitigt werden. Ferner können unabhängige Leistungswandler-Bauteile und -Schaltungen direkt mit der relativ hohen Gleichspannung arbeiten und mit sehr hochfrequenten Wandlern 400 Hertz-Transformatoren und Gleichrichter ersetzen. Ein typisches 270 Volt Luftfahrzeu-Gleichstromerzeugungssystem enthält einen Generator mit weitem Drehzahlbereich, der einen mehrphasigen Wechselstromausgang hat, der durch einen Ganzwellen-Brückengleichrichter gleichgerichtet und durch einen Kondensator gefiltert wird, um den Ausgangs-Gleichstrom zu erzeugen. Ein Spannungsregler erfaßt die Ausgangs-Gleichspannung und steuert die Erregung des Generators, uni die Ausgangsspannung zu halten.
In solchen Systemen kann die Zeitkonstante von Ausgangs- Filterkondensator und Lastwiderstand um mehrere Größenordnungen schwanken, wenn die Last verändert wird. Im extremen Fall des Leerlaufs hat der Ausgangskondensator keinen Entladepfad. Ein plötzlicher Lastabfall in dem System verursacht natürlich ein Überschwingen der Ausgangsspannung. Die Überspannung wird von dem Filterkondensator aufgefangen, der den Ausgang für eine nur von Verlustströmen abhängige Zeit hochhält. Erfaßt der Regler die Ausgangsgleichspannung und der Brückengleichrichter leitet nicht, ist die Regelschleife unterbrochen. Unter diesen Bedingungen erfaßt der Spannungsregler die hohe Ausgangsspannung und reduziert die Generatorerregung auf Null, uni das Überschwingen zu reduzieren. Dadurch ist der Generator unerregt. Die Generator-Ausgangswechselspannung beginnt nicht zuzunehmen, bevor die Ausgangs-Gleichspannung unter den Regelpunkt sinkt. Gleichzeitig beginnt der Regler, die Erregung des Generators zu erhöhen. Ein Erregerstrom kann nur mit einer Rate zunehmen, die durch die treibende Spannung und die Induktivität der Erregerfeldwicklung begrenzt ist. Wenn der Generatorausgang steigt, überschwingt er wieder den Regelpunkt und ein Begrenzungszyklus kann daraus folgen.
Wird die Last Plötzlich wieder aufgeschaltet, während der Generator unerregt ist, ist die einzige Stromquelle der Ausgangs-Filterkondensator. Die Ausgangsspannung wird stark abgesenkt, bis der Generatorausgang steigt.
Um die Spannungsstabilität zu verbessern, können Kompromisse im Systembetrieb gemacht werden. Zeitkonstanten im Regler können so gewählt werden, daß der Begrenzungszyklus beseitigt wird, jedoch nur um den Preis einer guten Antwort auf Lastsprünge. Auch ein sehr langsam antwortendes System hat noch das Problem eines unerregten Generators im Leerlauf. Ein Vorbelastungswiderstand kann über den Gleichspannungsausgang geschaltet werden, um die Ausgangsspannung schneller zu verringern, jedoch um den Preis des Wirkungsgrades. Der erforderliche Vorbelastungsstrom kann einige Prozent des Nennausgangsstromes betragen. Ein Vorbelastungsstrom von 2 % führt zu 2 % Verlust beim Wirkungsgrad, mehr als eine Verdoppelung des Verlustes im Gleichrichter.
Es ist daher wünschenswert, Gleichspannungssysteme in einer Art zu regeln, die Ausgangsspannungsschwankungen begrenzt, die durch die oben beschriebenen Betriebsbedingungen verursacht werden.
Die Erfindung stellt ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 bereit. In der bevorzugten Ausführungsform sind die verschiedenen Signale Spannungssignale
Die Erfindung unifaßt ferner eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die das oben genannte Verfahren zur Spannungsreglung durchführt. Durch die Bereitstellung redundanter Spannungsmeß- und -regelschleifen ermöglicht die Erfindung, einen auftretenden Überspannungszustand bei einem Ausfall der Gleichstrom-Meßleitungen auf tolerierbare Spannungen zu begrenzen.
Die Erfindung wird deutlicher aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die lediglich beispielsweise in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
Figur 1 - ein vereinfachter Schaltplan eines Gleichspannungs-Stromversorgungssystems ist, das einen Spannungsregler aufweist, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Figur 2 und 3 - Wellenformen zeigen, die den Betrieb von Spannungsreglern nach dem Stand der Technik zeigen, wie sie zuvor beschrieben wurden; und
Figur 4 und 5 - Wellenformen zeigen, die den Betrieb bei der vorliegenden Erfindung darstellen.
Figur 1 der Zeichnungen ist ein Schaltplan eines Gleichspannungs-Stromversorgungssystems mit einem Spannungsregler, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Ein Generator 10 ist ein Generator mit weitem Drehzahlbereich, wie er typischerweise in Luftfahrzeugen vorgefunden wird, und erzeugt eine dreiphasige Ausgangs- Wechselspannung auf den Leitungen 12, 14, 16. Diese Wechselspannung wird durch einen Vollwellen-Brückengleichrichter BR1 gleichgerichtet und durch den Kondensator C1 gefiltert, um eine Ausgangs-Gleichspannung für eine durch den Widerstand RL dargestellte Last zu liefern. Ein Stern-Stern geschalteter Meßtransformator T&sub1; unifaßt eine mehrphasige Primärwicklung 18, die mit dem dreiphasigen Ausgang des Generators verbunden ist, und eine Sekundärwicklung 20, die mit einem Ganzwellen-Brückengleichrichter BR2 verbunden ist, uni ein erstes, der Ausgangs-Wechselspannung des Generators proportionales Spannungssignal auf der Leitung 22 zu erzeugen. Wenn die Brücke BR1 leitet, ist das Spannungssignal auf Leitung 22 proportional zu der Ausgangs-Gleichspannung. Wenn die Brücke BR1 infolge eines Überschwingers der Ausgangsspannung nicht leitet, folgt das Spannungssignal auf Leitung 22 dem Generatorausgang. Die Stern-Stern-Wicklungskonf iguaration des Transformators T&sub1; stellt sicher, daß das erste Spannungssignal einem Gleichspannungsausgang bei jeder Wellenform oder Verzerrung im Ausgang des Generators nachsteuert. Mit anderen Worten: das erste Spannungssignal, das durch die Brücke BR2 geliefert wird, ist dem Ausgang der Brücke BR1 angepaßt, solange die Brücke BR1 leitet. Ein zweites oder Rückkopplungs-Spannungssignal proportional zu dem Erregerfeldstrom wird auf Leitung 24 durch einen Stromsensor 26 erzeugt. Eine Teilerschaltung 28 mit einem Kondensator C2 und den Widerständen R1 und R2 wird verwendet, um das erste und das zweite Spannungssignal auf den Leitungen 22 und 24 zu kombinieren, uni ein drittes Spannungssignal auf Leitung 30 zu erzeugen. Da sich in dem Ausgang der Brücke BR2 kein Filterkondensator befindet, folgt das erste Spannungssignal auf Leitung 22 immer der Generatorausgangsspannung. Die Regelschleife wird nicht unterbrochen, wenn die Brücke BR1 nicht mehr leitet. Sprungantworten der Wechselstrom-Regelschleife können optimiert werden, ohne Rücksicht auf die Entladezeitkonstante des Ausgangsfilters bei geringer Belastung. Da die Ausgangs-Gleichspannung über dem Kondensator C1 gefiltert und das erste Spannungssignal auf Leitung 22 nicht gef iltert ist, schwankt die Nachlaufsteuerung zwischen den beiden so, wie der Gleichstrom- Ausgang belastet ist. Bei sehr geringer Belastung z.B. läuft die Ausgangs-Gleichspannung bis zur Spitze der Generator-Ausgangswechselspannung hoch. Bei starker Belastung wird die Ausgangs-Gleichspannung etwa 5 % niedriger sein.
Um eine gute Gleichspannungsregelung zu erhalten, ist eine zweite Regelschleife hinzugefügt. Der Widerstand R3 ist geschaltet, uni die Ausgangs-Gleichspannung auf der Leitung 32 zu erfassen, um auf der Leitung 34 ein viertes Spannungsregelungssignal zu erzeugen, das proportional zu der Ausgangs- Gleichspannung der Stromquelle ist. Eine Komparatorschaltung 36 mit einem Operationsverstärker U1, einem Widerstand R4 und einem Kondensator C3 vergleicht das vierte Spannungssignal auf Leitung 34 mit einem ersten oder Gleichspannungs-Referenzsignal, mit dem der Anschluß 38 versorgt wird. Dies erzeugt ein Abstimmfehler-Spannungssignal auf Leitung 40. Das Abstimmfehlersignal ist proportional zu der Abweichung plus dem Integral des Fehlersignals, das verwendet wird, um ein zweites oder Wechselspannungs-Referenzsignal, mit dem der Anschluß 42 versorgt wird, abzustimmen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl das Gleichspannungs- als auch das Wechselspannungs-Referenzsignal tatsächlich Gleichspannungssignale, deren Größen proportional zu den jeweils gewünschten Pegeln der Gleich- und Wechselspannung sind. Diese Abstimmung wird erreicht durch Beauf schlagung der gegenüberliegenden Seiten eines Spannungsteilers 44 mit den Widerständen R5 und R6 mit dem Abstimmfehler-Spannungssignal und dem Wechselspannungs-Referenzsignal. Durch die Verwendung des Spannungsteilers 44 zum Kombinieren des Abstimmfehler-Spannungssignals und des Wechselspannungs-Referenzsignals wird ein fünftes Spannungssignal auf der Leitung 46 erzeugt.
Der Komparator U2 vergleicht das dritte Spannungssignal auf Leitung 30 mit dem fünften Spannungssignal auf Leitung 46, uni ein pulsbreitenmoduliertes sechstes Spannungssignal auf Leitung 48 zu erzeugen. Ein Leistungsverstärker 50 steuert den Strom in der Erregerfeldwicklung des Generators in Abhängigkeit von diesem sechsten Spannungssignal.
Die Schaltungsfunktionen, die durch die Bauelemente 26, 28, U2 und 50 ausgeführt werden, sind in dem US-Patent Nr. 4,446,417, erteilt am 1. Mai 1984 an Fox u.a., offenbart.
In der bevorzugten Ausführungsform beeinflußt das Abstimmfehlersignal das vierte Spannungsregelungssignal, um der Gleichspannungsreferenz exakt zu entsprechen, unabhängig von der Belastung des Systems. Dies ist die Folge der integrierenden Eigenschaften des Fehlerverstärkers und des Kondensators C3. Der Integrator liefert so eine unendliche Schleifenverstärkung für die Abstimmschleife, und die stationäre Endspannung auf Leitung 32 entspricht bei beliebigen Lasten der Gleichspannungsreferenz.
Der Bereich des Abstimmfehlerspannungssignals ist beschränkt, uni nur Last- und Temperatureffekte zu kompensieren. Dieser Bereich wird durch die Sättigung des Operationsverstärkers U1 und die Wahl der Werte für die Widerstände R5 und R6 begrenzt. Daher wird der Generatorausgang dicht an der korrekten Spannung gehalten, auch wenn ein Lastabfall eine Ausgangsüberspannung erzeugt hat. Wird der Abstimmbereich z.B. auf 10 % begrenzt, wird der Generatorausgang auf 90 % der korrekten Ausgangs spannung gehalten, bis sich der Kondensator C1 entlädt und die Brücke BR1 zu leiten beginnt. Lastauf schaltungen werden von dem Generator, der bei 90 % Spannung wartet, abgefangen. Dadurch wird das Problem des unerregten Generators wesentlich reduziert.
Die Antwort zeit der Gleichspannungs-Abstimnischleife ist so gewählt, daß sie sich nicht mit der Wechselspannungs-Schleife überlappt. Dies wird erreicht, indem ihre Antwort etwas langsamer ist als die der Wechse1spannungs-Schleife. Der Betrieb des neuen Systems und der damit verbundenen Vorteile können aus den Figuren 2 - 5 entnommen werden. Die Figuren 2 und 3 zeigen den Betrieb von Spannungsregelungen nach dem Stand der Technik, wobei die Regelung als Antwort auf die Ausgangs- Gleichspannung der Spannungsquelle erfolgt. Die Kurve 52 entspricht der Ausgangsgleichspannung des Systems und die Kurve 54 entspricht der Ausgangswechselspannung des Generators. In Figur 2 arbeitet das System unter stabilen Bedingungen bei der geregelten Ausgangsspannung Vreg, wenn zum Zeitpunkt T&sub1; die Last plötzlich abfällt und die Ausgangs spannung und die Generatorspannung die geregelten Werte zu übersteigen beginnen. Da die Regelschleife unterbrochen ist, erkennt der Regler die hohe Ausgangsspannung und reduziert die Generatorerregung auf Null, um den Überschuß zu reduzieren. Daher ist zwischen den Zeitpunkten T&sub2; und T&sub3; der Generator effektiv unerregt und sein Ausgang ist Null. Sobald die Ausgangs-Gleichspannung des Systems zum Zeitpunkt T&sub3; unter den Regelpunkt fällt, beginnt der Regler, die Generatorerregung zu erhöhen und die Generator-Ausgangsspannung steigt. Wenn die Generator-Ausgangsspannung steigt, übersteigt diese wieder den Regelpunkt und ein Begrenzungszyklus kann daraus folgen. Figur 3 zeigt den Betrieb der gleichen Spannungsregelungstechnik nach dem Stand der Technik, wenn die Last plötzlich wieder aufgeschaltet wird, während der Generator unerregt ist. Dies erfolgt zum Zeitpunkt T&sub4; und die einzige Ausgangsspannungsquelle ist der Ausgangs-Filterkondensator. Dies führt dazu, daß die Ausgangsspannung stark um einen Wert V&sub1; abgesenkt wird, während die Generator-Ausgangsspannung steigt.
Die Figuren 4 und 5 zeigen den Betrieb nach der vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren entspricht die Kurve 52' der Ausgangs-Gleichspannung und die Kurve 54' der Generator-Ausgangs-Wechselspannung. Figur 4 zeigt die Leistung des Systems, wenn die Last plötzlich zu einem Zeitpunkt T&sub1;, abfällt. Wieder erfolgt ein Überschwingen der Ausgangs-Gleichspannung und der Ausgangs-Wechselspannung. Dennoch schützt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Ausgangs-Wechselspannung des Generators vor einem Absinken unter etwa 90 % ihres normalen Wertes. Dadurch wird der Spannungssprung, der erzeugt wird, wenn der Generatorausgang wieder auf seinen normalen Wert steigt, wesentlich reduziert, wenn die Ausgangs-Gleichspannung zum Zeitpunkt T&sub3;, unter den Regelpunkt fällt. Figur 5 zeigt den Betrieb der Erfindung, wenn die Last plötzlich wieder zu einem Zeitpunkt T&sub4;, nach einem vorübergehenden Ausgangsspannung-Überschwingen aufgeschaltet wird. In diesem Fall ist der Spannungssprung V&sub1;' wesentlich geringer als der Spannungssprung V&sub1; in Figur 3.
Ein weiterer Vorzug der vorliegenden Erfindung resultiert aus der redundanten Messung. Einschleifige Regler zwingen den Generator zur Höchstspannung, wenn die Messung ausfällt. Bei Generatoren mit weitem Drehzahlbereich kann die Höchstspannung ein Mehrfaches der Nennspannung betragen. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt der Ausfall der Gleichspannungs-Messung, die bei typischen Anwendungen außerhalb liegen kann, zu einer nur 10 %igen Überspannungseinstellung.
Auch wenn die Erfindung mit den Begriffen dessen beschrieben ist, was zur Zeit für seine bevorzugte Ausführungsform gehalten wird, wird es einem Fachmann klar sein, daß verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche solche Veränderungen erfassen.

Claims

1. Spannungsreglerschaltung für eine elektrische Gleichspannungs-Stromquelle mit einem Generator (10), der eine Erregerfeldwicklung aufweist, und einem Gleichrichter (BR1) zum Gleichrichten einer Ausgangs-Wechselspannung des Generators zur Erzeugung einer Ausgangs-Gleichspannung, wobei die Schaltung eine erste Spanziungssensorschaltung (T1, BR2, R8) zur Erzeugung eines ersten, zu der Ausgangs- Wechselspannung des Generators Proportionalen Signals, einen Stromsensor (26) zur Erfassung des Stroms in der Erregerfeldwicklung des Generators und zur Erzeugung eines zweiten, zu dem Erregerfeldstrom proportionalen Signals und eine erste Kombiniererschaltung (C2, R1, R2) zur Kombination des ersten und des zweiten Signals zur Erzeugung eines dritten Signals umfaßt, gekennzeichnet durch eine zweite Spannungssensorschaltung (R3) zur Erzeugung eines vierten, zu der Ausgangs-Gleichspannung der Stromquelle Proportionalen Signals, einen ersten Komparator (36) zum Vergleich des vierten Signals mit einem Gleichspannungs- Referenzsignal zur Erzeugung eines Abstimmfehlersignals, eine zweite Kombiniererschaltung (R5, R6) zur Kombination des Abstimmfehlersignals mit einem Wechselspannungs-Referenzsignal zur Erzeugung eines fünften Signals, einen zweiten Komparator (U2) zum Vergleich des dritten Signals mit dem fünften Signal, um ein sechstes Signal zu erzeugen, und einen Verstärker (50) zur Steuerung des Stroms in der Erregerfeldwicklung in Abhängigkeit von dem sechsten Signal.

2. Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der erste Komparator einen Integrator (U1, C3, R4) mit einem ersten Eingang zum Empfang des vierten Signals und einem zweiten Eingang (38) zum Empfang des Gleichspannungs-=Referenzsignals umfaßt, wobei das Abstimmfehlersignal an einem Ausgang des Integrators erzeugt wird.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungssensorschaltung einen Dreiphasen-Sternschaltungsstransformator (T1), der eine mit einem Dreiphasen-Ausgang des Generators verbundene Primärwicklung (18) und eine Sekundärwicklung (20) aufweist, und eine Dreiphasen-Gleichrichter-Brückenschaltung (BR2) umfaßt, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist, um eine Ausgangs spannung der Sekundärwicklung gleizurichten und dadurch das erste Signal zu erzeugen.

4. Spannungsregler nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kombiniererschaltung zwei Widerstände (R5, R6) unif aßt, die elektrisch miteinander in Serie geschaltet sind, wobei einer der Widerstände zum Erhalt des Abstimmfehlersignals und der andere der Widerstände zum Erhalt des Wechselspannungs-Referenzsignals geschaltet ist, sodaß das fünfte Signal an einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen erzeugt wird.

5. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Gleichspannungs- Stromversorgung mit einem Generator, der eine Erregerfeldwicklung aufweist, und einer Einrichtung zur Gleichrichtung einer Ausgangs-Wechselspannung des Generators zur Erzeugung einer Ausgangs-Gleichspannung, wobei das Verfahren die Erzeugung eines ersten, zu der Ausgangs-Wechselspannung des Generators proportionalen Signals, das Erfassen des Stroms in der Erregerfeldwicklung des Generators und die Erzeugung eines zweiten, zu dem Erregerfeldstrom proportionalen Signals, sowie das Kombinieren des ersten und zweiten Signals zur Erzeugung eines dritten Signals unif aßt und gekennzeichnet ist durch die Erzeugung eines vierten, zu der Ausgangs-Gleichspannung der Stromquelle proportionalen Signals, das Vergleichen des vierten Signals mit einem Gleichspannungs-Referenzsignal zur Erzeugung eines Abstimmfehlersignals, das Kombinieren des Abstimmfehlersignals mit einem Wechselspannungs-Referenzsignal zur Erzeugung eines fünften Signals, das Vergleichen des dritten Signals mit dem fünften Signal, um ein sechstes Signal zu erzeugen, und Steuern des Stroms in der Erregerfeldwicklung in Abhängigkeit von dem sechsten Signal.