DE69615256T2

DE69615256T2 - Energieerzeuger

Info

Publication number: DE69615256T2
Application number: DE69615256T
Authority: DE
Inventors: Shin Kusase; Hirohide Sato; Makoto Taniguchi; Atsushi Umeda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2016-04-17
Also published as: EP0740389A1; DE69615256D1; JPH08298730A; US5723973A; EP0740389B1; JP3412329B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromerzeugungsgerät für ein Fahrzeug.
Hinsichtlich Wechselstromerzeuger für Fahrzeuge besteht die Erfordernis, dass sie neuerlich kleiner, leichter und leistungsfähiger werden, um Installationsraum einzusparen.
Die EP-A-0 251 961 (Dokument D1) offenbart ein Stromerzeugungsgerät mit Mehrphasenwicklungen und einer Gleichrichtungseinheit. Die Gleichrichtungseinheit umfasst Dioden, die durch Schalter überbrückt werden. Somit kann durch eine derartige Steuerung der Schalter, dass sie gleichzeitig öffnen und schließen, die Größe der Ausgangsspannung gesteuert werden.
In einem bekanntem fahrzeugseitigen Dreiphasenwechselstromerzeuger eines Typs mit voreilendem Strom sind Phasenschieberkondensatoren zwischen Ausgangsanschlüssen zur Versorgung der jeweiligen Ankerwicklungen mit voreilendem Strom (Strom, der sich vor der Spannung ändert) zur Erhöhung der Ausgangsleistung angeschlossen.
Jedoch ist gemäß dem vorstehend angeführten Wechselstromerzeuger des Typs mit voreilendem Strom der voreilende Strom eine Funktion der Frequenz oder der Drehgeschwindigkeit und nimmt daher im niedrigen Drehgeschwindigkeitsbereich ab, in welchem ein Stromanstieg insbesondere bei einer fahrzeugseitigen Verwendung erforderlich ist. Darüber hinaus ist eine große Kapazität der Kondensatoren erforderlich, da die Induktivität des Wechselstromerzeugers groß ist, woraus eine große Größe der Kondensatoren resultiert.
Die Erfindung wurde angesichts des vorstehenden Problems ausgeführt und hat als Aufgabe die Bereitstellung eines kompakten und leichtgewichtigen Wechselstromerzeugers, der sowohl einen voreilenden Strom als auch einen nacheilenden Strom ohne Verwendung eines Kondensators bereitstellen kann. Das heißt, die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Wechselstromerzeugers, der einen erforderlichen voreilenden oder nacheilenden Strom unabhängig von der Drehgeschwindigkeit bereitstellt.
Die Aufgabe wird durch ein Stromerzeugungsgerät nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Abwandlungen sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Insbesondere wird ein Stromerzeugungsgerät bereitgestellt, das einen Wechselstromerzeuger mit Mehrphasenankerwicklungen und eine Wechselstrom- Gleichstrom-Wandlungseinheit beinhaltet. Das Stromerzeugungsgerät beinhaltet Halbleiterschaltelemente als eine Einrichtung zum Kurzschließen festgelegter Anschlüsse der Ankerwicklungen und beinhaltet ebenso eine Einrichtung zum Anschalten und Abschalten der Halbleiterschaltelemente, wodurch die Ausgangsleistung gesteuert wird.
Ein jedes der Halbleiterschaltelemente ist zwischen einem festgelegtem Paar aus Anschlüssen des Wechselstromerzeugers angeschlossen und wird mit einem festgelegten Zeitverlauf zur Zuführung eines Stroms (eines voreilenden Stroms oder eines nacheilenden Stroms) angeschaltet und abgeschaltet, welcher eine von der Phase der in den Ankerwicklungen erzeugten Spannung unterschiedliche Phase aufweist.
Die Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungseinrichtung kann eine aus Dioden zusammengesetzte Ganzwellengleichrichtungseinheit oder einen Zweiwege- Schaltstromkreis beinhalten.
Ferner kann das Stromerzeugungsgerät einen Dreiphasenwechselstromerzeuger und die aus dreiecksförmig verschalteten Halbleiterschaltelementen oder sternförmig verschalteten Elementen zusammengesetzte Phasenkurzschlusseinrichtung aufweisen.
Ein jedes der Halbleiterschaltelemente kann aus einem Paar parallel geschalteter Einweg- Halbleiterschaltelemente zusammengesetzt sein, so dass ein Element einen Stromfluss in einer zu dem anderen Element entgegengesetzten Richtung zulässt.
Die Steuereinrichtung schaltet eines der Halbleiterschaltelemente an einem festgelegten Zeitpunkt für eine festgelegte Leitungsperiode gemäß einem festgelegtem voreilenden Strom an. Die Steuereinrichtung schaltet die Halbleiterschaltelemente an, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einem Ausgangsanschluss der Ankerwicklungen und entweder einem Anschluss höherer Spannung einer Gleichstrom-Spannungsquelle oder einem Anschluss geringerer Spannung einer Gleichstrom- Spannungsquelle der Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlungseinrichtung geringer als ein absoluter Wert wird, und schaltet die Halbleiterschaltelemente mit einer festgelegten Kurzschlusszeit aus, nachdem eine Spannungsdifferenz zwischen einem Ausgangsanschluss der Ankerwicklungen und entweder einem Anschluss höherer Spannung einer Gleichstrom-Spannungsquelle oder einem Anschluss geringerer Spannung einer Gleichstrom- Spannungsquelle der Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlungseinrichtung geringer als ein absoluter Wert wird.
Somit kann der voreilende Strom ohne einem Phasenvoreilungskondensator bereitgestellt werden und kann ein einfaches, kompaktes, leichtgewichtiges Gerät mit erhöhter Ausgangsleistung bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann ein Stromerzeugungsgerät bereitgestellt werden, das einen voreilenden Sollstrom unabhängig von der Drehgeschwindigkeit zuführen kann. Ferner kann ein nacheilender Strom ebenso zugeführt werden, sodass die Ausgangsleistung mit einem konstanten Feldstrom reduziert werden kann. Ist der voreilende Strom nicht erforderlich, kann der voreilende Strom gestoppt werden, wodurch ein uneffektiver Strom verhindert wird. Selbst wenn die Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlungseinrichtung nicht ausschaltet, wird die Batterie vor einer völligen Endladung geschützt.
Ist der Kurzschlussschalter angeschaltet, kann der ansonsten nicht verfügbare Kurzschlussstrom der Batterie durch die Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungseinrichtung zugeführt werden, so dass ein dem sinusförmigen Verlauf nahekommender kontinuierlicher Ankerstrom zugeführt werden kann, woraus ein stabiles Magnetfeld zur Steigerung der Ausgangsleistung des Wechselstromerzeugers resultiert. Das heißt, ist der Generatorstrom notwendig, wird in der Null-Generatorstrom-Periode ein Strom zur Annäherung des sinusförmigen Verlaufs für eine vorbestimmte Periode zugeführt, sodass die Ausgangsleistung ohne einem übermäßigen voreilenden Strom ansteigt. Dabei kann eine Vibration oder ein Geräusch des Wechselstromerzeugers reduziert werden.
Weitere Ziele, Merkmale und Charakteristiken der Erfindung sowie die Funktionsweise der jeweiligen Teile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung, den angefügten Patentansprüche und der Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wechselstromerzeugers für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines MOSFET des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs einer Steuereinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Betriebs einer Steuereinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Betriebs einer Steuereinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 6 Zeitverläufe zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen Phasenspannungen von Ankerwicklungen, eines Stroms einer Ankerwicklung und einen Leitungszeitverlauf einer Kurzschlussschaltung,
Fig. 7 ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 8 ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 9 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 10 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels und
Fig. 11 ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines vierten Ausführungsbeispiels.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung beschrieben.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Ein erstes Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Ein Stromerzeugungsgerät für ein Fahrzeug ist aus einem Dreiphasensynchrongenerator oder einem Wechselstromerzeuger 1 mit Lundell-Typ-Feldpolen, einem Dreiphasenganzwellengleichrichter oder einer Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungseinrichtung bzw. AC-DC- Wandlungseinrichtung 3, einer Kurzschlussschaltung oder einer Kurzschlusseinrichtung 4, einer die Kurzschlussschaltung 4 steuernden Steuereinrichtung 7 und einer Regeleinrichtung 8 zur Steuerung des Feldstroms zusammengesetzt.
Der Wechselstromerzeuger 1 wird durch eine Kraftmaschine angetrieben und weist Dreiphasenankerwicklungen 11 bis 13 und eine um einen Rotorkern gewickelte Feldspule 2 auf. Dreiphasenwechselstromspannungen Va, Vb und Vc werden durch die Ankerwicklungen 11 bis 13 erzeugt, wenn ein Feldstrom durch die Regeleinrichtung 8 in bekannter Weise der Feldspule 2 zugeführt wird.
Die Steuereinrichtung 7 beinhaltet einen (nicht dargestellten) Mikrocomputer und steuert jeweilige Kurzschlussschalter 41 bis 43 der Kurzschlussschaltung 4 gemäß einer Batteriespannung VB und der Ausgangsspannung (Phasenspannung) Va, Vb und Vc der Ankerwicklungen 11 bis 13, damit den jeweiligen Ankerwicklungen 11 bis 13 ein festgelegter voreilender Strombetrag an einem festgelegtem Zeitverlauf zugeführt wird.
Die Regeleinrichtung 8 beinhaltet eine Leitungsverhältnis-Einstellschaltung 81, die die Batteriespannung VB mit einer Bezugsspannung vergleicht und stellt das Leitungsverhältnis eines den Feldstrom If der Feldspule 2 zuführenden Schalttransistors 82 ein.
Der Dreiphasenganzwellengleichrichter 3 entspricht einem üblichen Typ, der den einer Batterie 10 und einer elektrischen Last 7 zuzuführenden ausgegebenen Strom des Wechselstromerzeugers 1 gleichrichtet. Der Gleichrichter 3 weist eine Hochpegel-Gleichstromquellenleitung 10a und eine auf Masse gelegte Niedrigpegel- Gleichstromquellenleitung 10b auf. Die Kurzschlussschaltung 4 ist aus den Kurzschlussschaltern 41 bis 43 zusammengesetzt, die aus SiC hergestellte Leistungs-MOSFET darstellen und eine in Dreiecksform bzw. in Δ-Form verbundene Schaltung bilden. Eine jede Verbindung der in Δ-Form verbundenen Kurzschlussschalter ist mit einem entsprechenden Ausgangsanschluss der Ausgangsanschlüsse der Ankerwicklungen 11 bis 13 verbunden. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, beinhaltet das MOSFET einen Widerstand 120 mit hohem Widerstandswert, der parallel zu einer an dem Source-Anschluss S ausgebildeten parasitären Diode Ds geschaltet ist. Eine parasitäre Diode Dd ist an dem Drain-Anschluss D gemäß Fig. 2 ausgebildet. Der Widerstand 120 mit hohem Widerstandswert verhindert die Leitung der parasitären Dioden und steuert einen Kurzschlussstrom in beiden Richtungen.
Ein Beispiel des Betriebs des vorstehend angeführten Geräts wird nachstehend beschrieben.
Ist die elektrische Last 9 gering, wird die Batteriespannung VB lediglich durch die Regeleinrichtung 8 gesteuert. Da die Leistungssteuerung durch die Regeleinrichtung 8 des Feldstromsteuerungstyps und der Gleichrichtungsvorgang des Dreiphasenganzwellengleichrichters 3 wohl bekannt sind, wird auf deren Beschreibung verzichtet.
Steigt die elektrische Last 9 an und wird das Arbeitsverhältnis größer als ein festgelegter Wert, steuert die Steuereinrichtung 7 die Kurzschlussschaltung 4 zur Bereitstellung des voreilenden Stroms, was im weiteren beschrieben ist.
Der voreilende Strom wird unter Bezugnahme auf die in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Flussdiagramme beschrieben. Übrigens wird die Phasenspannung Va um einen Winkel von 120º vor der Phasenspannung Vb erzeugt und wird die Phasenspannung Vb um einen Winkel von 120º vor der Phasenspannung Vc erzeugt. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden die Spannungsabfälle der Dioden 31 bis 36 in der Vorwärtsrichtung hier vernachlässigt.
Zu Beginn wird die Batteriespannung VB in einem Schritt 100 gelesen und wird in einem Schritt 102 überprüft, ob die Batteriespannung VB geringer als ein festgelegter Wert VBref ist oder nicht. Ist er höher (NEIN), folgt ein Schritt 116 und ist er geringer (JA), wird in einem Schritt 104 überprüft, ob der Feldstrom If höher als ein festgelegter Wert Iref ist oder nicht. Ist er geringer (NEIN), folgt der Schritt 116 und ist er höher (JA), wird ein großer Lastzustand oder eine ungenügende Stromerzeugung angenommen und wird die Phasenspannung Va in einem Schritt 106 gelesen. Nachfolgend wird aus der Wellenform der Phasenspannung Va in Schritt 108 eine Zyklusdauer T festgelegt. Die Zyklusdauer kann aus einer Zeitdauer zwischen den benachbarten Spitzenwerten der Spannung Va oder aus dem doppelten einer Zeitdauer zwischen den benachbarten Nulldurchgangspunkten der Phasenspannung Va bestimmt sein. Eine maximale Kurzschlusszeit ΔTmax einer Zufuhrdauer eines voreilenden Stroms oder einer Kurzschlusszeit wird aus der Zyklusdauer T in einem Schritt 110 bestimmt. Die maximale Kurzschlusszeit ΔTmax wird durch Multiplikation der Zyklusdauer T mit einem festgelegtem Verhältnis k berechnet. Mit geringer werdender Zyklusdauer T des Wechselstromerzeugers für ein Fahrzeug (oder mit zunehmender Drehgeschwindigkeit) wird der Start (starting-up) der Wechselstromerzeugerausgangsspannung verbessert und wird die Zeit zur Zufuhr eines voreilenden Stroms, in dem die Zufuhr des voreilenden Stroms gewünscht ist, verkürzt, sodass das festgelegte Verhältnis k mit einer Reduzierung der Zyklusdauer verringert werden kann. Folglich wird ein festgelegter Wert α der Kurzschlusszeit oder der Verzögerungszeit ΔT, welche der Zeit zur Zufuhr des voreilenden Stroms entspricht, hinzuaddiert, um zu einem Schritt 114 zu gelangen. Im übrigen wird ein die Kurzschlusszeit ΔT speicherndes Register auf 0 zurückgesetzt, wenn die Routine in dem Schritt 112 gestartet wird.
In dem Schritt 114 wird ein im weiteren als Flag bezeichneter Zustandsmerker zur Ausführung einer Kurzschlusssubroutine bzw. einer Subroutine zur Zuführung eines voreilenden Stroms auf einen Wert 1 eingestellt, welche im weiteren beschrieben wird. Das Flag wird in einem Schritt 116 auf einen Wert 0 zurückgesetzt.
Die vorstehend angeführte Kurzschlusssubroutine bzw. die Subroutine zur Zufuhr eines voreilenden Stroms wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben. Die Subroutine entspricht einer Unterbrechungsroutine, die mit einem regelmäßigem Intervall mit Präferenz gegenüber weiteren Routinen ausgeführt wird, wobei der Ausführungszyklus beispielsweise 2% der in dem Schritt 108 bestimmten Zyklusperiode T entspricht.
Zu Beginn wird in Schritt 200 überprüft, ob das die Kurzschlusssteuerung anweisende Flag F den Wert 1 aufweist oder nicht. Weist es den Wert 0 (NEIN) auf, kehrt der Vorgang zu der in Fig. 3 gezeigten Hauptroutine zurück, wobei angenommen wird, dass kein Ausführungsbefehl für die Kurzschlusssteuerung ausgegeben ist. Weist es andererseits den Wert 1 (JA) auf, schreitet der Vorgang zu einem Schritt 201 voran, wobei angenommen wird, dass der Ausführungsbefehl für die Kurzschlusssteuerung vorliegt.
Die Phasenspannungen Va, Vb und Vc werden in dem Schritt 201 für eine dahingehende Überprüfung gelesen, ob die Phasenspannung Va geringer als die Batteriespannung VB ist oder nicht (202). Ist sie nicht geringer (NEIN), schreitet der Vorgang zu einem Schritt 203 voran. Ist sie geringer (JA), schreitet der Vorgang zu einem Schritt 212 voran. In dem Schritt 203 wird überprüft, ob die Phasenspannung Va höher als die Massespannung VE (= 0 V) ist oder nicht. Ist sie nicht höher, schreitet der Vorgang zu dem Schritt 204 voran. Ist sie höher (JA) schreitet der Vorgang zu dem Schritt 212 voran. In dem Schritt 212 wird ein Zeitgeber a zur Einstellung einer Leitungszeit des Kurzschlussschalters 41 gestartet, welcher unmittelbar in einem Schritt 214 angeschaltet wird, und folgt ein Schritt 300 (dargestellt in Fig. 5)
In dem Schritt 204 wird durch den Vorgang überprüft, ob die Phasenspannung Vb geringer als die Batteriespannung VB ist oder nicht, und schreitet zu einem Schritt 206 voran, falls sie nicht geringer ist (NEIN) oder schreitet zu einem Schritt 216 voran, falls sie geringer ist (JA). In dem Schritt 216 wird ein Zeitgeber b zur Einstellung der Leitungszeit des Kurzschlussschalters 42 gestartet, welcher unmittelbar in einem Schritt 218 angeschaltet wird, und schreitet der Vorgang zu einem Schritt 300 (dargestellt in Fig. 5) voran.
In dem Schritt 208 wird durch den Vorgang überprüft, ob die Phasenspannung Vc geringer als die Batteriespannung VB ist oder nicht, und schreitet der Vorgang zu einem Schritt 210 voran, falls sie nicht geringer ist, oder schreitet er zu einem Schritt 220 voran, falls sie geringer ist (JA). In dem Schritt 210 wird durch den Vorgang überprüft, ob die Phasenspannung Vc höher als die auf Masse gelegte Spannung VE (= 0 V) ist oder nicht, und schreitet der Vorgang zu einem Schritt 300 (dargestellt in Fig. 5) voran, falls sie nicht höher ist, oder schreitet der Vorgang zu dem Schritt 220 voran, falls sie höher ist (JA).
In dem Schritt 220 wird ein Zeitgeber c zu Einstellung der Leitungszeit des Kurzschlussschalters 43 eingestellt, welcher unmittelbar in einem Schritt 222 angeschaltet wird. Danach folgt der in Fig. 5 gezeigte Schritt 300.
Der Schritt 300 folgt unmittelbar nach den Schritten 214, 222 oder 218, da die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Routine regelmäßig und häufig ausgeführt wird, und die Kurzschlussschalter 41 bis 43 werden während eines Routinenzyklus wegen ihrer Phasenunterschiede nicht gleichzeitig angeschaltet. Die Zeitgeber a, b und c werden so eingestellt, dass sie die Kurzschlusszeit ΔT aufweisen, die in dem Schritt 112 berechnet wird.
In dem Schritt 300 wird überprüft, ob der Zeitgeber a eine Zahl entsprechend der Kurzschlusszeit ΔT gezählt hat oder nicht. Der Vorgang schreitet zu Schritt 304 voran, falls er die Zahl nicht gezählt hat (NEIN), oder schaltet den Kurzschlussschalter 41 ab und setzt den Zeitgeber a zurück (302) und schreitet zu dem Schritt 304 voran, falls er die Zahl gezählt hat.
In dem Schritt 304 wird überprüft, ob der Zeitgeber b eine Zahl entsprechend der Kurzschlusszeit ΔT gezählt hat oder nicht. Der Vorgang schreitet zu einem Schritt 308 voran, falls er die Zahl nicht gezählt hat, oder schaltet den Kurzschlussschalter 42 ab und setzt den Zeitgeber b in Schritt 306 zurück und schreitet zu dem Schritt 308 voran, falls er die Zahl gezählt hat.
In dem Schritt 308 wird überprüft, ob der Zeitgeber c eine Zahl entsprechend der Kurzschlusszeit ΔT gezählt hat oder nicht. Der Vorgang kehrt zu der Hauptroutine gemäß Fig. 3 zurück, falls er die Zahl nicht gezählt hat oder schaltet den Kurzschlussschalter 43 ab und setzt den Zeitgeber c in einem Schritt 310 zurück und kehrt nachfolgend zu der Hauptroutine zurück, falls er die Zahl gezählt hat.
Im übrigen steigt die Kurzschlusszeit zu schnell an, falls die Routine mit übermäßig hoher Geschwindigkeit wiederholt wird. Daher wird die Kurzschlusszeit in dem Schritt 112 schrittweise mit einem geeignetem Intervall erhöht.
Somit werden die voreilenden Ströme (Kurzschlussströme) in die jeweiligen Ankerwicklung 11 bis 13 über die Kurzschlussschalter 41 bis 43 eingespeist, nachdem der Ausgangsstrom 0 wird, und fließen die voreilenden Ströme (Kurzschlussströme) aus den jeweiligen Ankerwicklungen 11 bis 13 über die Kurzschlussschalter 41 bis 43, nachdem der ausgehende Strom 0 wird, sodass der Stromverlauf der der Phase voreilendem sinusförmigen Kurve angenähert wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Folglich steigt die Ausgangsleistung an und werden Geräusche und Vibrationen verringert.
Gemäß Fig. 6 wird die Ankerspannung Va einer X-Phase geringer als die Batteriespannung VB zum Zeitpunkt t1. Schließt der Kurzschlussschalter 41 den X-Phasen- Anschluss und einen Y-Phasen-Anschluss zu dieser Zeit kurz, fließt ein Kurzschlussstrom von der Y-Phasen- Ankerwicklung 12 zu der X-Phasen-Ankerwicklung in Folge einer Spannungsdifferenz als ein voreilender Strom (leading current) Δi1. Da die Ankerspannung Va nach dem Zeitpunkt t2 geringer als 0V wird, fließt der Strom zu der Ankerwicklung 11, ohne dass der Kurzschlussschalter angeschaltet ist. Das heißt, die Zeitperiode zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 entspricht der maximalen Kurzschlusszeit bzw. Kurzschlussdauer ΔTmax. Obwohl die Stromrichtung entgegengesetzt ist, entspricht die Zeitperiode zwischen dem Zeitpunkt t3 und t4 ebenso der maximalen Kurzschlusszeit bzw. Kurzschlussdauer ΔTmax, in welcher der Kurzschlussschalter während der Zeitperiode ΔT angeschaltet ist, um dem voreilenden Strom Δi2 das Fließen von der Ankerwicklung 11 zu der Ankerwicklung 12 zu ermöglichen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Kurzschlussschalter angeschaltet, wenn der voreilende Strom zugeführt wird. Ist jedoch ein unterschiedlicher Schalter angeschaltet (ist beispielsweise der Kurzschlussschalter zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 angeschaltet) kann ein nacheilender Strom in einer unterschiedlichen Richtung zugeführt werden, sodass der ausgegebene Strom ohne Änderung des Feldstroms reduziert werden kann.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der voreilende Strom durch eine Änderung der Kurzschlusszeit ΔT gesteuert, jedoch kann der voreilende Strom auch durch eine Pulsweitenmodulationssteuerung bzw. PWM-Steuerung in den Perioden zwischen dem Zeitpunkt t1 und t2 sowie zwischen dem Zeitpunkt t3 und t4 gesteuert werden. Die PWM-Steuerung ist im weiteren nicht beschrieben, da sie wohl bekannt ist. Gemäß dem vorstehend angeführtem Ausführungsbeispiel werden die Kurzschlussschalter 11 bis 13 alle halben Zyklus angeschaltet. Sie können jedoch auch einmal in einer Anzahl von Zyklen angeschaltet werden. Da die Kurzschlussschalter 41 bis 43 geeignete Widerstandswerte aufweisen, wenn sie angeschaltet sind, wird ein übermäßiger Kurzschlussstrom durch die Widerstandswerte und die Induktivität der Ankerwicklungen 11 bis 13 verhindert.
Nach dem Abschalten des Kurzschlussschalters 41 zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 gemäß Fig. 6 verläuft der elektromagnetische Vorgang wie nachstehend beschrieben.
Wenn die Kurzschlusszeit (zum Zeitpunkt t1') endet und der Kurzschlussstrom nicht zugeführt wird, ist die Phasenspannung Va im Allgemeinen höher als die Spannung am Anschluss der geringeren Gleichstromspannung (0V) und fließt daher nach dem Zeitpunkt t1' der Phasenstrom Ix nicht von dem Anschluss der geringeren Gleichstromspannung in die Ankerwicklung 11.
Wird jedoch der Kurzschlussstrom der Ankerwicklung 11 bis zu dem Zeitpunkt t1' zugeführt, wird eine umgekehrte elektromotorische Kraft in einer Richtung zur Verringerung der Ausgangsanschlussspannung der Ankerwicklung 11 oder der Phasenspannung Va erzeugt, wenn der Kurzschlussschalter abgeschaltet ist. Folglich wird die Phasenspannung Va durch die der umgekehrten elektromotorischen Kraft entsprechenden Spannung verringert und wird geringer als die Spannung (0V) des Anschlusses der geringeren Gleichstromspannung, sodass der erzeugte Strom von dem Anschluss der geringeren Gleichstromspannung über die Diode 34 in die Ankerwicklung 11 fließt.
Somit führt der Kurzschlussstrom (der voreilende Strom) den Ankerwicklungen 11 bis 13 elektromagnetische Energie zu, welche nach dem Zeitpunkt t1' freigegeben wird. Der nach dem Zeitpunkt t1' erzeugte Strom wird von dem Anschluss der höheren Gleichspannung an die Batterie 10 gewonnen bzw. geführt.
Da der voreilende Strom durch die Kurzschlussschalter 41 bis 43 gemäß dem Ausführungsbeispiel zugeführt wird, wird die Batterie 10 nicht entladen, selbst wenn einer der Schalter nicht abschalten kann, woraus sich ein sicheres Gerät ergibt.
Die Ankerwicklungen 11 bis 13 können in der Δ-Schaltung anstelle der Sternschaltung verbunden werden und sie sind nicht auf drei Phasen beschränkt.
Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels sind in den Fig. 9 und 10 gezeigt. Diese Abwandlungen verwenden Hauptabschnitte des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1. Fig. 9 veranschaulicht eine Abwandlung, in der zweifach ausgeführt Phasenanschlüsse kurzgeschlossen werden. Fig. 10 veranschaulicht eine Abwandlung, in der nur einfach ausgeführt Phasenanschlüsse kurzgeschlossen werden. Diese Abwandlungen haben den gleichen Voreilungsstromeffekt mit einer einfachen Schaltungsstruktur.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
Das Ausführungsbeispiel weist eine Kurzschlussschaltung 4a auf, die aus in einer Sternschaltung verbundenen Kurzschlussschaltern 411 bis 413 zusammengesetzt ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Kurzschlussschalter 411 und 412 angeschaltet, wenn der Kurzschlussschalter 41 gemäß Fig. 1 angeschaltet wird, werden die Kurzschlussschalter 412 und 413 während der Zeit angeschaltet, wenn der Kurzschlussschalter 42 gemäß Fig. 1 angeschaltet ist, und werden die Kurzschlussschalter 411 und 413 während der Zeit angeschaltet, wenn der Kurzschlussschalter 43 gemäß Fig. 1 angeschaltet ist. Somit wird der gleiche Effekt wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sichergestellt.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Ein drittes Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden anstelle des Kurzschlussschalters 41 Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode beziehungsweise IGBT 421 und 431 verwendet, werden anstelle des Kurzschlussschalters 42 IGBT 422 und 432 verwendet und werden anstelle des Kurzschlussschalters 43 IGBT 423 und 433 verwendet, um eine Δ-Schaltungstyp-Kurzschlussschaltung 4b zusammenzustellen.
Die IGBT 421 und 431 sind parallel geschaltet, sodass ein IGBT einen Kurzschlussstromfluss in einer zu dem weiteren IGBT entgegengesetzten Richtung ermöglicht, die IGBT 422 und 432 sind parallel geschaltet, sodass ein IGBT einen Kurzschlussstromfluss in einer zu dem weiteren IGBT entgegengesetzten Richtung ermöglicht und die IGBT 423 und 433 sind parallel geschaltet, sodass ein IGBT einen Kurzschlussstromfluss in einer zu dem weiteren IGBT entgegengesetzten Richtung ermöglicht. Ein jeder der IGBT 421 bis 423 und 431 bis 433 wird in einer Halbwellenperiode angeschaltet, welche für ein Kurzschließen geeignet ist. Die Kurzschlusszeit bzw. die Kurzschlussdauer wird in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eingestellt.
Gemäß dem vorstehend angeführten Ausführungsbeispiel wird die zeitliche Kurzschlusssteuerung auf der Grundlage der Spannungsdifferenz über die entgegengesetzten Anschlüsse der Dioden 31 bis 36 eingestellt. Jedoch kann die zeitliche Steuerung auf der Grundlage der Spannungsdifferenz über Stromerfassungswiderstände eingestellt werden, die in Serie mit den Dioden 31 bis 36 verbunden sind.
Die zeitliche Kurzschlusssteuerung kann auf der Grundlage des absoluten Drehwinkels des Wechselstromerzeugerrotors eingestellt werden, welcher durch eine Drehkodiereinrichtung erfasst wird.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

Der Dreiphasenganzwellengleichrichter 3 des ersten Ausführungsbeispiels kann durch eine Dreiphasenwandlerschaltung 3b ersetzt werden, die aus Halbleiterschaltelementen 531 bis 536 gemäß Fig. 11 zusammengesetzt ist, welche beispielsweise aus MOSFET erlangt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel steuert die Steuereinrichtung 7 die MOSFET zum Anschalten oder Abschalten.
Folglich kann der voreilende Strom einer drehenden Maschine zugeführt werden, welche zwischen einem Motor und einem Generator von dem einen zu dem weiteren geschaltet wird, sodass die Erzeugungsleistung erhöht werden kann.
Gemäß der vorstehenden Erläuterung der Erfindung wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre speziellen Ausführungsbeispiele beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen hinsichtlich der speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung ohne einem Abweichen von dem breiteren Schutzbereich der Erfindung gemäß den angefügten Patentansprüchen möglich sind. Entsprechend ist die Beschreibung der Erfindung eher in einem illustrierendem als in einem restriktiven Sinn zu betrachten.
Ein voreilender Strom oder ein nacheilender Strom eines Wechselstromerzeugers (1) wird durch eine einfache Struktur mit Kurzschlussschaltelementen (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) zugeführt. Die Kurzschlussschaltelemente (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) sind über Ausgangsanschlüsse der Dreiphasenankerwicklungen (11, 12, 13) des Wechselstromerzeugers angeschlossen und werden an festgelegten Zeitpunkten angeschaltet und abgeschaltet, um einen passenden Betrag des voreilenden Stroms unabhängig von der Drehgeschwindigkeit den Ankerwicklungen (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) zuzuführen. Somit kann der voreilende Strom ohne Phasenvoreilungskondensatoren bzw. Phasenverschiebungskondensatoren zugeführt werden, sodass das Gerät kompakt, leichtgewichtig und leistungsvoll ausgeführt werden kann. Selbst wenn eine der Kurzschlussschaltelemente (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) nicht abgeschaltet werden kann, kann eine Batterieentlandung verhindert werden.

Claims

1. Stromerzeugungsgerät mit einem Wechselstromerzeuger (1) mit Mehrphasenankerwicklungen (11, 12, 13) und einer Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlungseinheit (3, 3b), mit:

einer mit Ausgangsanschlüssen der Mehrphasenankerwicklungen verbundenen Einrichtung (4, 4a, 4b) zum Kurzschließen der Anschlüsse und

einer mit der Kurzschlusseinrichtung (4, 4a, 4b) verbundenen Einrichtung (7) zur Steuerung eines Einschalt-Ausschalt-Zeitverlaufs des Kurzschließens zur Steuerung einer Wechselstromerzeuger-Ausgangsleistung,

wobei die Kurzschlusseinrichtung (4, 4a, 4b) zumindest ein Halbleiter-Schaltelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) beinhaltet, das über die Ausgangsanschlüsse der Ankerwicklungen (11, 12, 13) verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung das Halbleiter-Schaltelement mit einem festgelegten Zeitverlauf anschaltet und abschaltet, um einen angenähert sinusförmigen Ankerstrom mit einer Phase bereitzustellen, die von einer Phase einer Spannung unterschiedlich ist, die in einer entsprechenden Ankerwicklung der Ankerwicklungen (11, 12, 13) induziert wird, wobei ein gewünschter voreilender oder nacheilender Strom der entsprechenden einen Ankerwicklung der Ankerwicklungen (11, 12, 13) unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Wechselstromerzeugers (1) zugeführt wird.

2. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungseinrichtung (3, 3b) eine aus einer Vielzahl von Dioden zusammengesetzte Ganzwellengleichrichtungseinheit beinhaltet.

3. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungseinrichtung (3b) einen Zweiwege-Schaltstromkreis beinhaltet, wobei der Zweiwege- Schaltstromkreis einen Hochpegelseitenschalter, der ein einen Ausgangsanschluss einer der Ankerwicklungen (11, 12, 13) mit einem Anschluss (10a) höherer Spannung einer elektrischen Gleichstromquelle (10) verbindendes Halbleiterschaltelement umfasst, und einen Niedrigpegelseitenschalter beinhaltet, der ein einen Ausgangsanschluss einer der Ankerwicklungen (11, 12, 13) mit einem Anschluss (10b) geringerer Spannung einer elektrischen Gleichstromquelle (10) verbindendes Halbleiterschaltelement umfasst.

4. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterschaltelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) zwischen einem Paar festgelegter Ausgangsanschlüsse der Ankerwicklungen (11, 12, 13) angeschlossen ist.

5. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 4, wobei der Wechselstromerzeuger (1) einen Dreiphasenwechselstromerzeuger und eine aus dem Halbleiterelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) zusammengesetzte in Dreiecksform verbundene Schaltung beinhaltet.

6. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das Halbleiterschaltelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) zwischen einem der Ausgangsanschlüsse der Ankerwicklungen und einer gemeinsamen Verbindung des Schaltelements angeschlossen ist, sodass die Phasenkurzschlusseinrichtung eine in Sternform verbundene Schaltung bildet.

7. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Halbleiterschaltelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) ein MOSFET beinhaltet.

8. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 7, wobei das MOSFET ein Hochwiderstandselement (120) zur Verhinderung einer Leitung einer parasitären Diode (Ds, Dd) beinhaltet.

9. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei das MOSFET aus SiC hergestellt wird.

10. Stromerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Halbleiterschaltelement (421 bis 423, 431 bis 433) ein Paar aus parallel geschalteten Einweg- Halbleiterschaltelementen beinhaltet, sodass ein Element einen Stromfluss in einer zu dem weiteren Element entgegengesetzten Richtung ermöglicht.

11. Stromerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlungseinrichtung (3, 3b) eine Batterie (10) mit elektrischem Strom versorgt.

12. Stromerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuereinrichtung (7) das Halbleiterschaltelement an einem festgelegtem Zeitpunkt für eine festgelegte Leitungsperiode entsprechend einem festgelegten voreilenden Strom anschaltet.

13. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 12, ferner mit einer Einrichtung zur Erfassung eines auf eine Drehgeschwindigkeit des Wechselstromerzeugers bezogenen physikalischen Werts, wobei die Steuereinrichtung die festgelegte Leitungsperiode innerhalb einer maximalen Leitungsperiode gemäß der Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage des physikalischen Werts einstellt.

14. Stromerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuereinrichtung (7) den Kurzschlussstrom durch Anschalten und Abschalten der Halbleiterschaltelemente (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) auf der Grundlage eines auf eine Drehgeschwindigkeit des Wechselstromerzeugers bezogenen physikalischen Werts steuert.

15. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 14, wobei die Steuereinrichtung (7) das Halbleiterschaltelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) anschaltet, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einem Ausgangsanschluss der Ankerwicklungen (11, 12, 13) und entweder einem Anschluss (10a) höherer Spannung einer Gleichstromspannungsquelle oder einem Anschluss (10b) geringerer Spannung einer Gleichstromspannungsquelle der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungseinrichtung geringer als ein Absolutwert wird.

16. Stromerzeugungsgerät nach Anspruch 14, wobei die Steuereinrichtung (7) das Halbleiterschaltelement (41 bis 43, 411 bis 413, 421 bis 423, 431 bis 433) mit einer festgelegten Verzögerungszeit abschaltet, nachdem eine Spannungsdifferenz zwischen einem Ausgangsanschluss der Ankerwicklungen und entweder einem Anschluss höherer Spannung einer Gleichstromspannungsquelle oder einem Anschluss geringerer Spannung einer Gleichstromspannungsquelle der Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlungseinrichtung geringer als ein Absolutwert wird.

17. Stromerzeugungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kurzschlussschalter geeignete Wiederstandswerte aufweisen, wenn sie angeschaltet sind, sodass ein übermäßiger Kurzschlussstrom verhindert wird.