EP1051789A2 - Verfahren zur regelung eines generators - Google Patents

Verfahren zur regelung eines generators

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EP1051789A2
EP1051789A2 EP99955829A EP99955829A EP1051789A2 EP 1051789 A2 EP1051789 A2 EP 1051789A2 EP 99955829 A EP99955829 A EP 99955829A EP 99955829 A EP99955829 A EP 99955829A EP 1051789 A2 EP1051789 A2 EP 1051789A2
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EP
European Patent Office
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generator
current
controlling
switching elements
actual value
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99955829A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Henneberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1051789A2 publication Critical patent/EP1051789A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle

Definitions

  • the invention is based on a method for regulating a generator, in particular a claw-pole generator that can be driven by an internal combustion engine, according to the preamble of the main claim.
  • Claw pole generators used. Such three-phase generators are connected to the vehicle's DC voltage network via a diode rectifier bridge. The power output of a generator begins as soon as its induced voltage exceeds the mains voltage. The power output of the generator is regulated via the strength of the excitation current. The mains voltage or the output voltage of the generator is usually used as the control variable for this.
  • the idle speed of the engine is kept as low as possible in newer motor vehicles.
  • a low engine speed also affects the generator speed because the generator is driven by the engine. So that the generator even when the Motors can still supply sufficient electrical energy to the on-board electrical system and the battery can be recharged, the generator must make the request to deliver energy even at low generator speeds. Furthermore, the generator should deliver as much energy as possible at normal speeds.
  • Optimal generator control should therefore, on the one hand, enable a general increase in performance and, on the other hand, a decrease in the starting speed, that is to say a decrease in the speed from which the generator can deliver power.
  • a three-phase generator for a motor vehicle which delivers an improved output power compared to conventional generators, is known from EP 0 762 596 AI.
  • this three-phase generator has a full-wave controlled rectifier bridge which comprises six controlled switches.
  • a phase control can be carried out in which the switches of the bridge, which e.g. include switchable semiconductor elements, a phase control can be carried out in which the switches of the bridge, which e.g. include switchable semiconductor elements, a phase control can be carried out in which the
  • Phase voltages of the generator are shifted relative to the phase currents.
  • additional currents flow in the stator windings, which lead to an increase in the output power of the three-phase generator compared to a three-phase generator with a simple diode bridge.
  • Generator with the features of claim 1 has the advantage that the generator delivers a higher output and that it delivers a higher output especially at low speeds. It is particularly advantageous that the so-called starting speed of the generator, that is Speed, from which a power output is even possible, is reduced compared to conventional generators.
  • This method can be used because the generator is assigned a converter bridge with switching elements instead of conventional diodes. By properly controlling these switching elements, it is possible to connect the generator terminals to the positive or negative pole of the battery regardless of the natural ignition timing of a diode bridge. By suitably controlling the switching elements, additional currents can be impressed into the generator terminals and the output of the generator can be increased. These additional currents are initially from the battery or, if applicable, from one
  • FIG. 1 shows the components of a generator that are essential to the invention, for example a claw-pole generator 10 with a converter bridge 11 and the load 12.
  • the three stator windings 13, the excitation winding 14 and the excitation current Ierr are indicated symbolically by the claw-pole generator 10.
  • the converter bridge 11 comprises the switching elements 15 to 20, which are connected to the stator windings 13 of the claw-pole generator 10 in the usual manner as in the case of a diode bridge.
  • the switching elements 15 to 20 are connected to a capacitor 21, from which the mains voltage UNetz can be tapped, which can be supplied to the load 12.
  • a battery 21a e.g. the on-board electrical system battery can replace the capacitor. Only a variable resistor 22 and a switch 23 of the load 12 are shown symbolically.
  • the inventive method for controlling the generator can be carried out. Additional currents can be impressed into the generator terminals by suitable control of the switching elements 15 to 20.
  • the switching elements 15 to 20 act as flow valves and are also referred to below
  • Valves Valves.
  • an additional current pulse is impressed during an otherwise currentless period.
  • These current pulses lead to the generator inductance being charged with magnetic energy.
  • the generator is additionally supplied with inductive reactive power, which corresponds to an additional magnetizing current.
  • the power output of the generator can be increased compared to pure diode operation by the An additional magnetizing current is offered to stator windings.
  • the phase during which the switching elements 15 to 20 of the converter bridge 11 are conductive is then shifted overall. There is a phase shift between the generator voltage and the
  • the machine consumes reactive power. This means that as soon as the phase current in one of the stator windings has a zero crossing and commutation would take place during diode operation, the commutation is delayed by appropriate activation of the switching element or elements.
  • the closed switching element ensures a further connection to the battery.
  • the switch-on time and the longest switch-on time of a switching element or a switch is determined by logistics for the valve release. This time corresponds to the otherwise currentless time range of a string.
  • the regulation of the level of the output voltage of the generator takes place in the usual way by means of a voltage regulator which, for example, is part of the claw-pole generator designated by 10 in FIG. 1 and regulates the excitation current in such a way that a predeterminable voltage level results. 1. Control of the switch currents
  • FIG. 2 shows a control circuit for a switch or a switching element (valve) with which the
  • the currents through the switching elements are detected and used for the regulation.
  • the current I is detected by the switching element 15 with the aid of a suitable current detection 24 and as an actual current value
  • the control circuit according to FIG. 2 further comprises an AND gate 26 and a logistics for the valve release 27, the AND gate 26 linking the outputs of the comparator 25 and the logistics for the valve release 27 to one another.
  • the higher-level voltage control or power control of the generator is carried out with the control circuit shown in FIG. 2, a maximum value for the switch currents being released. If the actual current of the switch concerned exceeds this default value, the valve is switched off. The current commutates into the complementary diode of the bridge branch.
  • FIG. 4 shows a further control circuit for a switching element or valve, with which control of the direct current IG can be carried out.
  • the direct current that is to say the output current of the generator
  • the control circuit shown in FIG. 4 corresponds to the circuit according to FIG. 2, but it is not the valve current I but the direct current IG of the generator which is used as the basis for the control.
  • a combined regulation via the direct current and the switch currents can also be implemented.
  • the valve currents can also be derived from the measured direct current.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Regelung eines Generators, insbesondere eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Klauenpolgenerators beschrieben, dem eine Umrichterbrücke zugeordnet ist. Diese Umrichterbrücke umfasst steuerbare Schaltelemente, die von einer Ansteuerlogik angesteuert werden und den Generatorwicklungen zu vorgebbaren Zeiten Ströme einprägen, und dadurch die magnetische Induktion des Generators erhöhen. Die Ströme werden dabei von einem Ladungsspeicher geliefert, der dazu zu vorgebbaren Zeiten über die Schaltelemente mit den Generatorwicklungen verbunden wird.

Description

Verfahren zur Regelung eines Generators
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung eines Generators, insbesonders eines von einer Brennkraftmaschine antreibbaren Klauenpolgenerators , nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden zur Bereitstellung der elektrischen Energie für das Fahrzeugbordnetz
Klauenpolgeneratoren eingesezt. Solche Drehstromgeneratoren sind über eine Diodengleichrichterbrücke mit dem Gleichspannungsnetz des Fahrzeugs verbunden. Die Leistungsabgabe eines Generators beginnt, sobald seine induzierte Spannung die Netzspannung überschreitet. Die Leistungsabgabe des Generators wird über die Stärke des Erregerstromes geregelt. Als Regelgröße wird hierzu üblicherweise die Netzspannung bzw. die AusgangsSpannung des Generators herangezogen.
Um den Kraftstoffverbrauch zu senken wird bei neueren Kraftfahrzeugen die Leerlaufdrehzahl des Motors möglichst gering gehalten. Eine geringe Motordrehzahl wirkt sich auch auf die Generatordrehzahl aus, da der Generator vom Motor angetrieben wird. Damit der Generator auch bei Leerlauf des Motors an das Bordnetz noch genügend elektrische Energie abgeben kann und ein Nachladen der Batterie möglich ist, ist an den Generator die Forderung zu stellen, auch bei kleinen Generatordrehzahlen Energie zu liefern. Weiterhin soll der Generator bei üblichen Drehzahlen möglichst viel Energie abgeben. Eine optimale Generatorregelung soll daher zum einen eine generelle Leistungssteigerung und zum anderen eine Senkung der Angehdrehzahl, also eine Senkung der Drehzahl, ab der der Generator Leistung abgeben kann, ermöglichen.
Ein Drehstromgenerator für ein Kraftfahrzeug, der gegenüber herkömmlichen Generatoren eine verbesserte Ausgangsleistung abgibt, ist aus der EP 0 762 596 AI bekannt. Dieser Drehstromgenerator weist anstelle einer üblichen Gleichrichterbrücke eine vollwellengesteuerte Gleichrichterbrücke auf, die sechs gesteuerte Schalter umfaßt. Durch geeignete Ansteuerung der Schalter der Brücke, die z.B. schaltbare Halbleiterelemente umfassen, kann eine Phasenregelung durchgeführt werden, bei der die
Phasenspannungen des Generators relativ zu den Phasenströmen verschoben werden. Dies hat zur Folge, daß zusätzliche Ströme in den Statorwicklungen fließen, die zu einer Erhöhung der Ausgangsleistung des Drehstromgenerators gegenüber einem Drehstromgenerator mit einer einfachen Diodenbrücke führen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines
Generators mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß der Generator eine höhere Ausgangsleistung liefert und daß er insbesondere bei kleinen Drehzahlen eine höhere Ausgangsleistung liefert. Besonders vorteilhaft ist, daß die sogenannte Angehdrehzahl des Generators, also die Drehzahl, ab der eine Leistungsabgabe überhaupt möglich ist, gegenüber herkömmlichen Generatoren abgesenkt wird.
Erzielt werden diese Vorteile mit Hilfe des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens. Dieses Verfahren ist einsetzbar, da dem Generator eine Umrichterbrücke mit Schaltelementen anstelle von herkömmlichen Dioden zugeordnet wird. Durch die richtige Ansteuerung dieser Schaltelemente ist es möglich, die Generatorklemmen unabhängig von den natürlichen Zündzeitpunkten einer Diodenbrücke mit dem Pluspol oder dem Minuspol der Batterie zu verbinden. Durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente lassen sich Zusatzströme in die Generatorklemmen einprägen und die abgegebene Leistung des Generators kann gesteigert werden. Diese Zusatzströme werden zunächst aus der Batterie oder gegebenenfalls einem
Zwischenkreiskondensator bezogen und über die Schaltelemente dem Generator zugeführt. Die Zeitpunkte der Einspeisung in die Generatorstränge werden in vorteilhafter Weise so gewählt, daß sie in Abschnitten liegen, in denen der Strangstrom bei Diodenbetrieb gering ist bzw. verschwindet (lückt) . Die Leistungssteigerung des Generators durch die Gleichstrompulsung ist mit einer erhöhten Welligkeit des Abgabestromes verbunden. Diese Welligkeit setzt sich aus dem Generatorabgabestrom und der Entnahme der Strompulse zusammen. Mit Hilfe eines zusätzlichen Kondensators läßt sich jedoch in vorteilhafter Weise wiederum eine Glättung erzielen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 1 bis 4 dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Beschreibung
In Figur 1 sind die erfindungswesentlichen Bestandteile eines Generators, beispielsweise eines Klauenpolgenerators 10 mit einer Umrichterbrücke 11 sowie der Last 12 dargestellt. Vom Klauenpolgenerator 10 sind symbolisch die drei Statorwicklungen 13, die Erregerwicklung 14 sowie der Erregerstrom Ierr angegeben. Die Umrichterbrücke 11 umfaßt die Schaltelemente 15 bis 20, die mit den Statorwicklungen 13 des Klauenpolgenerators 10 in üblicher Weise wie bei einer Diodenbrücke in Verbindung stehen. Die Schaltelemente 15 bis 20 stehen mit einem Kondensator 21 in Verbindung, an dem die Netzspannung UNetz abgreifbar ist, die der Last 12 zuführbar ist. Eine Batterie 21a, z.B. die Bordnetzbatterie kann den Kondensator ersetzen. Von der Last 12 ist lediglich ein variabler Widerstand 22 sowie ein Schalter 23 symbolisch dargestellt .
Mit der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Generators durchführen. Durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente 15 bis 20 lassen sich Zusatzströme in die Generatorklemmen einprägen. Die Schaltelemente 15 bis 20 wirken als Stromventile und werden nachfolgend auch als
Ventile bezeichnet. Im Einzelnen wird während eines sonst stromlosen Zeitabschnittes ein zusätzlicher Stromimpuls eingeprägt. Diese Stromimpulse führen zu einer Aufladung der Generatorinduktivität mit magnetischer Energie. Durch die Einspeisung von Gleichstrompulsen wird dem Generator zusätzlich induktive Blindleistung zugeführt, dies entspricht einem zusätzlichen Magnetisierungsstrom.
Die Leistungsabgabe des Generators kann gegenüber dem reinen Diodenbetrieb gesteigert werden, indem den Statorwicklungen ein zusätzlicher Magnetisierungsstrom angeboten wird. Die Phase, während der die Schaltelemente 15 bis 20 der Umrichterbrücke 11 leitend sind, ist dann insgesamt verschoben. Es kommt dabei zu einer Phasenverschiebung zwischen der Generatorspannung und dem
Generatorstrom. Die Maschine nimmt dabei Blindleistung auf. Das bedeutet, sobald der Phasenstrom in einer der Ständerwicklungen einen Nulldurchgang besitzt und bei Diodenbetrieb eine Kommutierung erfolgen würde, wird die Kommutierung durch entsprechende Ansteuerung des oder der Schaltelemente verzögert. Das dabei geschlossene Schaltelement sorgt für eine weitere Verbindung mit der Batterie. Der Einschaltzeitpunkt und die längste Einschaltdauer eines Schaltelementes bzw. eines Schalters wird durch eine Logistik für die Ventilfreigabe festgelegt. Diese Zeit entspricht dem sonst stromlosen Zeitbereich eines Stranges .
Für die Leistungsabgabe des Generators ist die Regelung des Ausschaltzeitpunktes, also des Kommutierungspunktes von
Bedeutung. Diese Verschiebung zwischen Strom und Spannung kann nach verschiedenen Verfahren geregelt werden. Einige dieser Verfahren, die besonders einfache Möglichkeiten für eine Regelung bieten, werden in den in den Figuren 2 bis 4 angegebenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Die im folgenden beschriebenen Regelung sind so ausgeführt, daß die Schaltelemente nur in den sogenannten Lückphasen des Stromes angesteuert werden und abschalten sobald der gemessene Strom einen zulässigen Wert übersteigt.
Die Regelung der Höhe der AusgangsSpannung des Generators erfolgt in üblicher Weise mittels eines Spannungsreglers, der z.B. Bestandteil des in Figur 1 mit 10 bezeichneten Klauenpolgenerators ist und den Erregerstrom so regelt, daß sich eine vorgebbare Spannungshöhe ergibt. 1. Regelung der Schalterströme
In Figur 2 ist eine Regelungsschaltung für einen Schalter bzw. ein Schaltelement (Ventil) dargestellt, mit der die
Regelung der Schalterströme erläutert werden kann. Zu dieser Regelung werden die Ströme durch die Schaltelemente erfaßt und für die Regelung verwendet. Beispielsweise wird der Strom I durch das Schaltelement 15 mit Hilfe einer geeigneten Stromerfassung 24 erfaßt und als Stromistwert
Iist einem Vergleicher 25 zugeführt. Diesem Vergleicher 25 wird zusätzlich ein Maximalwert für den Strom Imax zugeführt. Die Regelungsschaltung nach Figur 2 umfaßt weiter ein UND-Gatter 26 sowie eine Logistik für die Ventilfreigabe 27, wobei das UND-Gatter 26 die Ausgänge des Vergleichers 25 und der Logistik für die Ventilfreigabe 27 miteinander verknüpft. Eine Ansteuerung für die Ventile mit Verriegelung gegen Wiedereinschalten 28 steuert beispielsweise das Ventil 15 in Abhängigkeit vom Ausgang des UND-Gatters 26 an.
Mit der in Figur 2 dargestellten Regelungsschaltung wird die übergeordnete Spannungsregelung bzw. Leistungsregelung des Generators durchgeführt, wobei ein Maximalwert für die Schalterströme freigegeben wird. Überschreitet der Iststrom des betreffenden Schalters diesen Vorgabewert, wird das Ventil abgeschaltet. Der Strom kommutiert dabei in die komplementäre Diode des Brückenzweiges .
Für die einwandfreie Funktion ist eine Verriegelung des abgeschalteten Ventils erforderlich, da unmittelbar nach dem Abschalten des Ventils der Ventilstrom zu Null wird, wird der reine Stromvergleich zu einem erneuten Durchschalten des Ventils führen. Diese Funktion wird durch die in Figur 2 dargestellte Logikschaltung realisiert. 2. Regelung der Phasenströme
Da der Maximalwert des Gleichstromes identisch mit dem Maximalwert der Phasenströme ist, besteht eine weitere Möglichkeit zur Regelung der Generatorleistung darin, die Schalter in Abhängigkeit der Phasenströme zu schalten. Hierzu werden statt der Schalterströme die Ströme durch die Phasenwicklungen U, V und W des Generators gemessen und der Regelung zugeführt. Ein Beispiel für eine solche Regelungsschaltung ist in Figur 3 dargestellt.
Da bei dieser Regelung immer die beiden Schalter, z.B. 15 und 18 eines Umrichterzweiges eine Phase regeln, ist auch deren Ansteuerung zweckmäßigerweise in einer Regelung zusammengefaßt. Die Ansteuerung der Ventile ist in Figur 3 mit 28a und 28b bezeichnet. Der AbsehaltZeitpunkt des durchgeschalteten Ventils ist erreicht, sobald der zugehörende Phasenstrom den vorgebbaren Maximalwert überschritten hat.
3. Regelung des Gleichstroms
In Figur 4 ist eine weitere Regelungsschaltung für ein Schaltelement bzw. Ventil dargestellt, mit der eine Regelung des Gleichstromes IG durchgeführt werden kann. Wird der Gleichstrom, d.h. der Abgabestrom des Generators zur Regelung herangezogen, ist lediglich die Messung eines Wertes notwendig, der dem Vergleicher zugeführt wird und mit einem Sollwert verglichen wird. Die in Figur 4 dargestellte Regelschaltung entspricht der Schaltung nach Figur 2, es wird jedoch nicht der Ventilstrom I, sondern der Gleichstrom IG des Generators für die Regelung zugrunde gelegt . Auch eine kombinierte Regelung über den Gleichstrom und die Schalterströme läßt sich realisieren. Zur Reduzierung der Anzahl der Strommessungen können die Ventilströme auch aus dem gemessenen Gleichstrom abgeleitet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Generators, insbesondere eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Klauenpolgenerators, dem eine Umrichterbrücke mit ansteuerbaren Schaltelementen zugeordnet ist, die von einer Regelungseinrichtung angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Schaltelemente so erfolgt, daß Zusatströme in die Generatorklemmen eingeprägt werden und zu einer Aufladung der Generatorinduktivität mit magnetischer Energie führen, wobei die Energie einem Kondensator oder einer Batterie entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der eingeprägte Strom aus einer Anzahl von Stromimpulsen zusammensetzt, wobei die Zeitpunkte der Stromeinspeisung in die Generatorwicklungen so gewählt werden, daß der betreffende Strangstrom eine vorgebbare minimale Größe aufweist.
3. Verfahren zur Regelung eines Generators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltzeitpunkt und die längste Einschaltdauer wenigstens eines Schaltelements der Umrichterbrücke mittels einer Logistik für die Ventilfreigabe festgelegt wird.
4. Verfahren zur Regelung eines Generators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Schaltelemente in Abhängigkeit von einem in einem Vergleicher ermittelten Vergleichsergebnis erfolgt, wobei der Vergleicher einen Istwert eines Stromes mit einem vorgebbaren Maximalwert vergleicht.
5. Verfahren zur Regelung eines Generators nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der mit Hilfe einer Meßeinrichtung 24 gemessene Strom durch ein Schaltelement ist .
6. Verfahren zur Regelung eines Generators nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der mit Hilfe einer Meßeinrichtung durch wenigstens eine Phasenwicklung U, V, W des Generators fließende Strom ist.
7. Verfahren zur Regelung eines Generators nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der mit Hilfe einer Meßeinrichtung gemessene Abgabestrom des Generators ist.
8. Verfahren zur Regelung eines Generators, dadurch gekennzeichnet, daß als Istwert eine Kombination aus vom
Generator abgegebenem Strom und Strom durch wenigstens einen Schalter verwendet ist.
9. Verfahren zur Regelung eines Generators, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom mittels eines
Spannungsreglers zusätzlich so geregelt wird, daß sich die Ausgangsspannung des Generators auf vorgebbare Werte einstellt .
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