ES2323026T3 - Dispositivo y procedimiento para la regulacion de un generador con convertidor de tension asociado. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la regulación de un generador (10) con convertidor de tensión (19) que trabaja como controlador elevador, en el que la regulación se realiza en al menos dos zonas parciales, que están definidas como zonas de números de revoluciones o como zonas de tensión, de diferente manera y están presentes al menos dos instalaciones de regulación (24, 25) diferentes, en el que la primera instalación de regulación (24) sirve para la regulación del convertidor de tensión (19) que trabaja como controlador elevador y la segunda instalación de regulación (25) sirve como regulador para la corriente de excitación que fluye a través del arrollamiento de excitación del generador, en el que ambas instalaciones de regulación están en conexión entre sí e intercambian informaciones, en el que se establece una tercera zona de regulación, en la que se realiza la regulación de diferente manera frente a las dos primeras zonas, en el que están presentes medios para la protección contra sobretensión, que actúan sobre el convertidor de tensión y en el caso de que se reconozca sobretensión, conmutan a la tercera variante de regulación de una manera independiente de otras condiciones.
Description
Dispositivo y procedimiento para la regulación
de un generador con convertidor de tensión asociado.
En automóviles se emplean para la alimentación
de consumidores eléctricos de la red de a bordo unos generadores de
corriente trifásica, que son accionados por el motor de combustión
interna. Estos generadores de corriente trifásica, por ejemplo
generadores de polos de garras, están conectados a través de un
puente rectificador de diodos con la red de a bordo de tensión
continua del vehículo. La altura de la tensión, a la que se regula
el generador, es actualmente de aproximadamente 14 voltios de una
forma habitual. La cesión de potencia de los generadores de
corriente trifásica es regulada a través de la magnitud de la
corriente de excitación, que fluye a través del arrollamiento de
excitación. Como variable de regulación se utiliza en este caso
habitualmente la tensión de la red de a bordo o bien la tensión de
salida del generador.
Puesto que la potencia del consumidor eléctrico
necesaria en la red de a bordo del vehículo es considerable y se
incrementa en el futuro todavía más, actualmente es ya habitual
construir una red de a bordeo del vehículo como red de a bordo de
tensión doble, siendo una tensión entonces aproximadamente 14
voltios y la otra aproximadamente 42 voltios. La preparación de la
tensión más elevada se realiza en este caso con la ayuda de un
convertidor de tensión continua adaptado al generador, que trabaja
como controlador elevador. La red de a bordo del vehículo con al
menos un generador y un convertidor de tensión continua siguiente se
conoce, por ejemplo, a partir del documento DE-OS
196 44. La regulación del generador así como la activación del
convertidor de tensión continua se realizan en esta red de a bordo
conocida con la ayuda de un aparato de control propio, que procesa
las informaciones alimentadas y emite los impulsos de activación
correspondientes.
Se conoce a partir del documento
DE-O 198 455 69 otra red de a bordeo del vehículo
con un generador con controlador elevador conectado a continuación.
En esta red de a bordo se emplea un generador de polos de garras,
que se emplea para la alimentación de la red de a bordo con 42
voltios. Los bornes del generador están conectados en este caso a
través de un rectificador de puente de corriente trifásica con un
circuito intermedio. A continuación de este circuito está conectado
un controlador elevador para el incremento de la potencia del
generador. La parte de potencia está constituida esencialmente por
el generador. El lado de salida del generador alimenta a través de
un rectificador de puente de corriente trifásica un circuito
intermedio, Este circuito intermedio está conectado con la red de a
bordo a través de un controlador elevador. El controlador elevador
no posee en este caso ninguna bobina de almacenamiento, sino que
utiliza como bobina la inductividad continua del generador. De esta
manera, este controlador elevador requiere un mínimo de componentes.
Partiendo de la configuración del generador descrita anteriormente
a través de una red de a bordo del vehículo, el cometido de la
invención consiste en realizar una regulación óptima del generador,
que posibilita, también con números de revoluciones reducidos, una
cesión de potencia lo más alta posible del generador.
Se conocen a partir de la publicación más
antigua WO 99/07056 generadores así como procedimientos de
regulación correspondientes, en los que el generador es accionado de
forma no regulada en una gama determinada de número de
revoluciones, mientras que en otra gama de números de revoluciones
se regula la tensión del generador a un valor predeterminado. En el
caso de funcionamiento no regulado, se convierte la tensión emitida
por el generador por medio de un convertidor de tensión continua en
un valor predeterminado.
El dispositivo de acuerdo con la invención y el
procedimiento de acuerdo con la invención para la regulación de un
generador con convertidor de tensión asociado tiene la ventaja de
que es posible una cesión de potencia del generador también con
números de revoluciones, en los que la tensión de salida del
generador no ha sido todavía suficiente para alimentar directamente
la red de a bordo. Además, es ventajoso que con números de
revoluciones, que provocan tensiones de salida más elevadas del
generador, se puede realizar una regulación, que posibilita que se
realice una cesión máxima de la potencia.
Estas ventajas se consiguen a través de un
procedimiento y un dispositivo para la regulación de un generador
con convertidor de tensión asociado con las características de las
reivindicaciones 1 y 5. De una manera más ventajosa se ajusta
libremente a través del convertidor de tensión, que trabaja como
controlador elevador, la tensión del generador entre cero y el
valor máximo deseado, por ejemplo, de 42 voltios, de acuerdo con el
valor requerido. A través de este ajuste de la tensión es posible
accionar el generador también en la gama inferior de números de
revoluciones en un punto de cesión de potencia máxima. Esta potencia
máxima, que se llama también potencia tangencial, es solamente una
función del número de revoluciones con un generador dado y una
excitación máxima. Con números de revoluciones elevados, el conector
alto no se puede utilizar ya más para el incremento de la potencia,
siendo regulado el generador entonces de una manera más ventajosa a
través de la corriente de excitación en su potencia de cesión. Por
lo tanto, con números de revoluciones elevados, se lleva a cabo de
una manera más ventajosa la estrategia de regulación para el
generador como es ya habitual en los generadores actuales.
Para la protección contra sobretensiones se
utiliza de una manera ventajosa el propio controlador elevador. A
través del cierre del conmutador o bien de los conmutadores del
controlador elevador en caso de sobretensiones, se puede
interrumpir de una manera más ventajosa la cesión de la potencia del
generador a la red. De este modo, se pueden reducir las
sobretensiones y especialmente la duración de las sobretensiones
después de una caída de la carga. Los diodos Zener habituales aquí
en el puente rectificador se pueden sustituir entonces por diodos
convencionales. Esto es especialmente ventajoso, puesto que a las
tensiones elevadas de hasta 42 voltios, para las que está diseñado
el generador, no están disponibles actualmente diodos Zener
adecuados.
Los ejemplos de realización de la invención se
representan en las 5 figuras del dibujo y se explican en detalle en
la descripción siguiente. En particular, la figura 1 muestra un
generador de polos de garras con controlador elevador.
La figura 2 muestra un diagrama equivalente y un
diagrama vectorial de la máquina simplificada (generador).
En la figura 3 se representa una imagen de la
estructura de todo el circuito de regulación, y
La figura 4 muestra un regulador para el
controlador elevador.
En la figura 5 se representa de forma
esquemática la protección contra sobretensión con la ayuda del
controlador elevador.
En la figura 1 se representa un generador de
polos de garras con controlador elevador, para el que se puede
emplear la regulación de acuerdo con la invención. En particular, 1l
número 10 designa el generador de polos de garras, con el
arrollamiento de excitación 11, a través del cual fluye la corriente
de excitación leer. Los arrollamientos de estator así como el
regulador de tensión que está en conexión con el generador no se
representan de forma explícita.
En el generador de polos de garras 10 se conecta
el puente rectificador 12, que comprende seis diodos 13 a 18. El
controlador elevador 19 comprende un conmutador 20, un diodo 21 y un
condensador 22. La red de a bordo se representa de forma
esquemática como carga 23. A partir del rectificador fluye corriente
l_{z} y dentro de la red de a bordo del vehículo fluye la
corriente l_{N}. La tensión preparada por la red se designa con
U_{N}.
Omitiendo la característica de un solo eje
magnético resulta, como se representa en las figuras 2aa y 2b, un
diagrama equivalente muy claro y un diagrama de vectorial sencillo.
Con respecto a una potencia de salida P de la máquina existen dos
puntos de funcionamiento posibles. En el diagrama vectorial de la
máquina se representan los dos puntos de funcionamiento posibles
que pertenecen a una potencia P determinada. El producto de la
corriente x la tensión es igual en ambos casos. Uno de los puntos de
funcionamiento P1 se caracteriza por una tensión grande y por una
corriente pequeña, el otro punto de funcionamiento P1*, en cambio,
se caracteriza por una tensión pequeña y una corriente grande.
Para el caso de cesión máxima de potencia de la
máquina, ambos puntos de funcionamiento coinciden en el llamado
punto tangencial. Para X_{1} >> R_{1} se aplica
100
La caída de la tensión en la inductividad
continua X_{1} = \omegaL_{1} es en este caso de la misma
magnitud que la tensión de los bornes U_{1}. Por lo tanto, la
corriente en el punto tangencial es 101 Esta
corriente es con UP 102 I_{eer} es igual a
103
A partir de ello se ve que la corriente para una
cesión máxima de potencia es independiente del número de
revoluciones. Solamente es una función de la corriente de
excitación. Por lo tanto, la corriente para la cesión máxima de
potencia se puede predeterminar como función de la corriente de
excitación, independientemente del número de revoluciones y es
adecuada para la regulación a la potencia tangencial.
Para poder tomar la potencia máxima de la
máquina con diferentes números de revoluciones, debe ajustarse la
tensión de los bornes. Sin embargo, esto depende de la tensión de la
rueda polar de la máquina, que depende de nuevo del número de
revoluciones y de la corriente de excitación. Por lo tanto, la
tensión de los bornes debe configurarse de forma variable. Esto se
realiza a través del controlador elevador. A través de la relación
de exploración V del controlador elevador se fija la relación de las
tensiones en la entrada del regulador U_{z} y en la salida del
regulador U_{Netz} (tensión de la red). La tensión del circuito
intermedio U_{z} es la tensión de salida del generador después de
la rectificación. En la salida del regulador se encuentra la
tensión de la red U_{Netz}, de la que depende el consumidor y,
dado el caso, una batería. En este caso, la tensión de salida de un
controlador elevador es siempre mayor o igual que la tensión de
entrada. En la salida del regulador debe existir una tensión
constante de 42 voltios, por lo tanto la tensión de entrada del
regulador, o bien la tensión del generador se puede ajustar a través
de la relación de exploración entre U_{z} = 0 y 42 voltios.
La máquina ofrece para la regulación dos
posibilidades de intervención. Por una parte, se puede modificar la
corriente de excitación de la máquina y, por lo tanto, la tensión de
la rueda polar y, por otra parte, se puede variar la tensión de los
bornes o bien la tensión del circuito intermedio a través del
controlador elevador. Se puede hacer uso de las dos posibilidades.
En la figura 3 se representa la imagen de la estructura de todo el
circuito de regulación, con el regulador en cascada para el
controlador elevador 24 y con el regulador para la excitación del
generador 25. El generador 10, el rectificador 12, el controlador
elevador 19 y la carga 23 intercambian entre sí las informaciones
registradas en la figura 3.
En la gama inferior de números de revoluciones,
la máquina está totalmente excitada, fluye la corriente de
excitación máxima admisible. La tensión del circuito intermedio es,
sin embargo, menor que la tensión de la red. A través del
controlador elevador se puede ajustar ahora la potencia de la
máquina al valor de salida deseado. La potencia de salida se regula
a través de la relación de exploración. En este caso, alcanza como
máximo la potencia tangencial.
En la gama superior de números de revolucione se
puede utilizar la posibilidad de que para cada potencia existen dos
tensiones posibles de los bornes. Si la máquina está excitada para
una potencia grande y tiene lugar un lanzamiento de carga, entonces
se eleva de forma repentina la tensión de los bornes. Esta subida
de la tensión de la red no puede ser interceptada a través de una
reducción rápida de la corriente de excitación, puesto que ésta se
reduce sólo lentamente debido a la inductividad de excitación.
No obstante, el controlador elevador puede
ajustar el valor de la tensión, que pertenece a la nueva potencia
más reducida. Esto significa que con el controlador elevador se
reduce la tensión de los bornes en el generador desde la tensión
natural de los bornes que existía anteriormente (U_{z} =
U_{Netz}). La tensión de los bornes alcanza el valor, en el que
con la corriente de excitación no modificada todavía, la cesión de
la potencia a la red alcanza el valor nuevo.
El regulador comprende tres posibilidades de
intervención. Por lo tanto, es conveniente dividir el regulador en
tres reguladores parciales:
- 1.
- U es < U_{soll} - \DeltaU_{min}: El controlador elevador trata de apoyar la tensión. Al mismo tiempo, se incrementa la corriente de excitación. Esta operación se continúa hasta que la tensión ha alcanzado su valor teórico o la corriente de excitación ha alcanzado su valor máximo admisible. Si no se puede incrementar ya la corriente de excitación, puesto que ha alcanzado su valor máximo admisible, se puede preparar la potencia requerida a través del controlador elevador.
- 2.
- U_{soll} - \DeltaU_{min} < U_{ist} + \DeltaU_{max}: El generador se encuentra en su zona normal de funcionamiento. Se regula (como se realiza también en los reguladores actuales) a través de la corriente de excitación en su tensión de salida o bien su potencia de salida.
- 3.
- U_{ist} > U_{soll} + \DeltaU_{max}: Sobre tensión, por ejemplo después de un lanzamiento de carga. Puesto que la corriente de excitación no se puede reducir con rapidez suficiente, debe "sincronizarse" la máquina a través del regulador. Al mismo tiempo se lleva a cabo una reducción de la corriente de excitación (protección Load-Dump).
En cascada con la regulación de la tensión está
dispuesto un regulador de corriente para el generador de corriente
l_{z}. Al mismo tiempo, esta corriente está limitada al valor de
la corriente en el punto tangencial. La limitación de la corriente
del generador a un valor máximo depende del valor momentáneo de la
corriente de excitación. Por lo tanto, es necesario derivar el
valor límite para la corriente del generador a partir de la
corriente de excitación. En la figura 4 se indica un ejemplo de un
regulador para un controlador elevador.
La protección contra sobretensión debe
intervenir lo más rápidamente posible para suprimir los picos de
sobretensión. La velocidad de subida de la tensión de salida se
determina a través de la altura de la caída de la carga o bien de
la corriente, Para poder reaccionar rápidamente a sobretensión, está
previsto a tal fin un regulador-P sencillo. Este
regulador reacciona tan pronto como la tensión de la red excede un
valor máximo determinado. Si este regulador reacciona, entonces se
regula a través del controlador elevador la tensión de la red a
este valor. De esta manera, se puede reducir, la potencia de cesión
del generador a la red. Una configuración posible para la
protección contra sobretensión se indica en la figura 5.
Para una cesión máxima de potencia (línea
tangencial) se regula a la corriente de salida de la máquina.
Para otras potencias se reduce la relación de
exploración hasta que se ajusta la potencia deseada. La corriente
de excita se regula en este caso a su valor máximo. De esta manera,
la corriente del estator de la máquina es lo más reducida posible,
y el rendimiento alcanza su valor más favorable.
En el caso de sobretensiones en la red se
cortocircuita la máquina a través del conmutador y se interrumpe la
cesión de potencia del generador. De esta manera, resulta una
protección Load-Dump. También en este caso se puede
regular a una cesión de potencia predeterminada del generador.
Claims (5)
1. Procedimiento para la regulación de un
generador (10) con convertidor de tensión (19) que trabaja como
controlador elevador, en el que la regulación se realiza en al menos
dos zonas parciales, que están definidas como zonas de números de
revoluciones o como zonas de tensión, de diferente manera y están
presentes al menos dos instalaciones de regulación (24, 25)
diferentes, en el que la primera instalación de regulación (24)
sirve para la regulación del convertidor de tensión (19) que
trabaja como controlador elevador y la segunda instalación de
regulación (25) sirve como regulador para la corriente de excitación
que fluye a través del arrollamiento de excitación del generador,
en el que ambas instalaciones de regulación están en conexión entre
sí e intercambian informaciones, en el que se establece una tercera
zona de regulación, en la que se realiza la regulación de diferente
manera frente a las dos primeras zonas, en el que están presentes
medios para la protección contra sobretensión, que actúan sobre el
convertidor de tensión y en el caso de que se reconozca
sobretensión, conmutan a la tercera variante de regulación de una
manera independiente de otras condiciones.
2. Procedimiento para la regulación de un
generador (10) con convertidor de tensión (19) asociado de acuerdo
con la reivindicación 1, caracterizado porque a través de la
regulación de la corriente de excitación se influye sobre la
tensión de la rueda polar del generador de una manera predeterminada
y se varía la tensión de los bornes del generador a través del
controlador elevador de una manera predeterminada.
3. Procedimiento para la regulación de un
generador (10) con convertidor de tensión (19) asociado de acuerdo
con una de las reivindicaciones, caracterizado porque la
regulación se realiza de tal forma que de una manera independiente
del número de revoluciones del generador, la tensión de los bornes
en la salida del generador tiene aproximadamente 14 voltios y la
tensión de salida en el controlador elevador tiene aproximadamente
42 voltios.
4. Procedimiento para la regulación de un
generador (10) con convertidor de tensión (19) asociado de acuerdo
con una de las reivindicaciones, caracterizado porque el
ajuste de la tensión de los bornes se realiza a través de la
relación de exploración del controlador elevador, que establece la
relación de la tensión en la entrada y en la salida del controlador
elevador.
5. Dispositivo para la regulación de un
generador (10) con convertidor de tensión (19) asociado, que trabaja
como controlador elevador, en el que están presentes al menos dos
instalaciones de regulación (24, 25) diferentes, en el que la
primera instalación de regulación (24) sirve para la regulación del
convertidor de tensión (19) que trabaja como controlador elevador y
la segunda instalación de regulación (25) sirve como regulador pata
la corriente de excitación que fluye a través del arrollamiento de
excitación del generador (10), en el que trabaja de acuerdo con al
menos un procedimiento según las reivindicaciones 1 a 4.
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