ES2341402T3 - Procedimiento para la regulacion de un generador. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la regulación de un generador (10), especialmente de un generador de corriente trifásica que puede ser accionado por un motor de combustión interna, con una bobina de campo, a través de la cual fluye una corriente de campo (UF) regulable por medio de un regulador (15), para la generación del campo de excitación y con bobinas de estator, en las que se inducen a través de las modificaciones de flujo tensiones alternas, que generan corrientes, que son conducidas a través de rectificadores (11) hacia consumidores, de manera que el regulador (15) alimenta la corriente de campo (IF) al arrollamiento de campo del generador, en el que en un funcionamiento regulado, la corriente de campo (IF) es regulada a una tensión de salida constante del generador de manera independiente del número de revoluciones del generador, caracterizado porque la corriente de campo (IF) permanece no regulada en una zona inferior del número de revoluciones del generador, de manera que el generador trabaja entonces en funcionamiento libre y emite una tensión que depende del número de revoluciones, un convertidor de tensión (13), especialmente un convertidor elevador convierte la tensión libre suministrada entonces por el generador a un valor predeterminable, especialmente una tensión de la red de a bordo (Ub) y la zona del número de revoluciones del generador para el funcionamiento libre del generador es limitada por un número de revoluciones alto, que corresponde al número de revoluciones, en el que la tensión del generador corresponde a la tensión de la red de a bordo.
Description
Procedimiento para la regulación de un
generador.
La invención parte de un procedimiento para la
regulación de un generador, por ejemplo de un generador de
corriente continua que puede ser accionado por un motor de
combustión interna en un automóvil, del tipo de la reivindicación
principal.
Para la generación de la energía eléctrica
necesaria en el automóvil se emplean habitualmente generadores de
polos intercalados. Estos generadores de polos intercalados son
generadores de corriente trifásica, cuya forma de salida es
rectificada con la ayuda de un puente de diodos y es utilizada para
la alimentación de los consumidores eléctricos del vehículo así
como para la carga de la batería.
Un generador de corriente trifásica de este tipo
comprende una bobina de campo, que es atravesada por la corriente
de campo. La corriente de campo es regulada con la ayuda de un
regulador de tensión de tal manera que la tensión de partida del
generador es aproximadamente constante, independientemente del
número de revoluciones del generador. De manera conocida, en los
arrollamientos del estator del generador es inducida una tensión en
función del número de revoluciones, que impulsa una corriente a
través del puente rectificador. La corriente de salida del
generador da como resultado, junto con la tensión del generador, la
potencia suministrada por el generador. En la figura 1, la potencia
P[kW] de un generador de polos intercalados con UGN = 14 V se
representa sobre el número de revoluciones del generador
n[1/min] a diferentes tensiones de salida Ub. La potencia de
salida máxima en función del número de revoluciones del generador
se extiende a lo largo de la línea de tangente T. A lo largo de
esta línea, el aprovechamiento C=P/n del generador es máximo. La
potencia por número de revoluciones es, por lo tanto, máxima en la
línea de tangente.
Se conoce a partir de la publicación "Bosch;
Elektrische Motorausrüstung de G. Henneberger;
Vieweg-Verlag", página 55, que los generadores
proporcionan durante el funcionamiento con tensión libre
(funcionamiento libre del generador) unas prestaciones de salida
con una resistencia de cierre correspondiente más elevadas que en
el funcionamiento regulado sobre una tensión de salida constante de
14 V. Sin embargo, un funcionamiento libre del generador no es
posible sin más, puesto que en este caso podrían producirse
tensiones de salida del generador, que podrían perjudicar en una
medida considerable a los consumidores de la red de a bordo.
Se conoce a partir del documento EP 0 593
procedimientos para la regulación de un generador, en los que la
tensión de salida del generador es regulada con la ayuda de un
regulador de tensión convencional. El regulador de tensión influye
en este caso sobre la corriente de campo de manera habitual para la
consecución de una tensión de salida constante del generador. La
tensión de salida del generador es reducida adicionalmente con la
ayuda de un convertidor de tensión continua a valores que son
necesarios para la alimentación de los consumidores convencionales
de una red de a bordo de un vehículo. Los consumidores que necesitan
una tensión más elevada son alimentados directamente desde el
generador. Un funcionamiento no regulado del generador se realiza en
una zona superior del número de revoluciones con alto requerimiento
de potencia.
Se conoce a partir del documento
US-PS 4.604.528 una red de a bordo de doble tensión,
en la que un regulador de alta tensión regula la tensión de salida
de un generador. En este caso, la tensión de salida es regulada a
valores que son adecuados para la alimentación de cargas de alta
tensión. La alimentación de los consumidores convencionales de la
red de a bordo se realiza con la ayuda de un regulador de baja
tensión, que está en conexión con la salida del generador. Se
conocen a partir del documento DE 4141 837 y del documento
EP-A-0 462 503 sistemas de
generadores, en los que normalmente se realiza una regulación
clásica a tensión de salida constante, independientemente del
número de revoluciones del generador. Pero también se mencionan
instrucciones sobre un funcionamiento con tensión libre,
dependiente del número de revoluciones del generador, dado el caso
también elevada, de manera que este funcionamiento debe realizarse
solamente durante corto espacio de tiempo o debe asegurarse a
través de medios adecuados para la limitación de la corriente de
excitación.
El procedimiento de acuerdo con la invención
para la regulación de un generador con las características de la
reivindicación 1 tiene la ventaja de que se aprovecha mejor la zona
de potencia del generador.
Estas ventajas se consiguen porque la corriente
de excitación del generador no es regulada en una zona inferior del
número de revoluciones del generador, de manera que el generador
trabaja en funcionamiento libre. Por encima de un número de
revoluciones predeterminado se regula la corriente de campo, de
manera que no resultan tensiones inadmisiblemente altas del
generador.
Otras ventajas de la invención se consiguen a
través de las medidas indicadas en las reivindicaciones
dependientes. En este caso es especialmente ventajoso que el número
de revoluciones, a partir del cual se realiza la regulación de la
tensión de excitación, sea un número de revoluciones, en el que la
tensión del generador corresponde aproximadamente a la tensión de
la red de a bordo. De esta manera, se asegura que se inicie una
regulación de la corriente de campo antes de que sean posibles de
manera no permitida altas tensiones del generador. Puesto que en el
funcionamiento libre del generador, con números de revoluciones
pequeños, es posible un funcionamiento a lo largo de la línea de
tangente, se puede conseguir una tasa de elevación máxima de la
potencia en función del número de revoluciones disponible del
generador. A través del empleo de convertidores de tensión continua,
que convierten la tensión de salida del generador en tensión de la
red de a bordo, es posible una adaptación del generador a
condiciones predeterminables.
La invención se representa en el dibujo y se
explica en detalle en la descripción siguiente. En particular, la
figura 1 muestra, como ya se ha mencionado, la relación entre la
potencia efectiva P y el número de revoluciones del generador n
para diferentes tensiones de la red de a bordo Ub. La figura 2
muestra la relación entre la potencia del generador P y el número
de revoluciones del generador n en el funcionamiento no regulado
(por debajo de 4000 1/min) y en el funcionamiento regulado del
generador por encima de 4000 1/min. En la figura 3 se representa un
diagrama de bloques de un sistema generador de acuerdo con la
invención. La figura 5 muestra un ejemplo de otro sistema
generador. En las figuras 4, 6, 7, 8 y 9 se representan,
respectivamente, la potencia efectiva P sobre el número de
revoluciones de generador n para los diferentes tipos de
funcionamiento del generador.
En la figura 1 se representa la relación
conocida entre la potencia efectiva P del generador y el número de
revoluciones del generador n para diferentes tensiones de la red de
a bordo Ub para un generador de polos intercalados con la tensión
del generador UGN = 14 V. Además, se representa la línea de tangente
T, de manera que la línea de tangente es de forma ideal una recta
original lo más empinada posible, que contacta con la curva
característica del generador P(n) en el punto de tangente TP.
A lo largo de la línea de tangente, el aprovechamiento C=P/n del
generador es máximo.
Para que se pueda elevar la potencia efectiva
cedida por un generador de corriente alterna, por ejemplo un
generador de polos intercalados, se toman las medidas descritas a
continuación con la ayuda de las figuras 2 a 9. En particular, el
generador es accionado en la zona de arranque o bien en la zona
inferior del número de revoluciones en el funcionamiento
"libre" del generador. Después de alcanzar la tensión de la red
de a bordo Ub, por ejemplo de una tensión de la red de a bordo de
42 V, se lleva a cabo la transición al funcionamiento regulado. En
el funcionamiento regulado, la corriente de excitación del generador
es influenciada por la instalación de regulación, de manera que la
tensión de salida del generador es constante 42 V, de una manera
independiente del número de revoluciones del generador. En la zona
de funcionamiento "libre" del generador, es decir, en una
zona, en la que la tensión del generador, condicionada por el número
de revoluciones, es menor que la tensión de la red de a bordo o
bien la tensión de la batería, en los ejemplos según las figuras 3 y
5, un convertidor de tensión continua (convertidor DC/DC) alimenta
a la red de a bordo de 42 V. Tal convertidor de tensión se designa
también como convertidor elevador. En el funcionamiento regulado del
generador, el convertidor DC/DC no está en funcionamiento.
En la figura 3 se representa un diagrama de
bloques de una conversión de circuito para un primer tipo de
funcionamiento del generador incluyendo un acoplamiento de
convertidor DC/DC. El generador se designa en este caso con 10, en
el generador se conecta el puente rectificador 11, cuya salida se
puede conectar a través de un conmutador 12 con el convertidor
DC/DC. En la salida del convertidor DC/DC 13 aparece la tensión Ub.
Tiene por ejemplo 42 V. El convertidor DC/DC 13 se puede puentear a
través de un conmutador 14 así como a través de una línea
correspondiente. El conmutador 12 y el conmutador 14 son activados
por el regulador 15 de manera adecuada. El regulador 15 suministra
la corriente de campo IF del arrollamiento de campo no representado
del generador 10. Además, el regulador 15 suministra una tensión
UDC, que es alimentada al convertidor DC/DC 13. Como variables de
entrada se alimentan al regulador 15 el número de revoluciones del
generador nG, la corriente del generador IG, la tensión del
generador UG así como la tensión de la red de a bordo Ub. Con la
ayuda del regulador 15 se realiza el primer tipo de funcionamiento
del generador de acuerdo con la invención, que conduce a la relación
representada en la figura 2 entre la potencia del generador P y el
número de revoluciones del generador n. El regulador 15 suministra
a tal fin la corriente de campo IF al arrollamiento de campo del
generador y una tensión teórica UDC al convertidor DC/DC 13.
Con la disposición representada en la figura 3
se puede realizar un tipo de funcionamiento del generador, que
posibilita un aprovechamiento elevado de la zona de potencia de
generadores de polos intercalados en serie presentes o bien
ligeramente modificados (arrollamiento). De esta manera, se puede
cubrir la necesidad creciente de potencia de vehículos futuros y se
puede acondicionar la tensión elevada del generador, dado el caso
requerida, para redes de a bordo de energía de automóviles futuros.
Si se utiliza como convertidor DC/DC un convertidor elevador, se
puede extraer potencia también en la zona baja de número de
revoluciones del generador, que solamente sería posible con números
de revoluciones mucho más elevados del generador, en el caso de un
generador de 42 V regulado de forma constante. Como se deduce a
partir de la figura 1, en un generador de automóvil convencional
con Ub = 42 V por debajo de 2500 revoluciones por minuto no se puede
extraer prácticamente ninguna potencia. En cambio, si se eleva la
tensión de salida del generador UG con la ayuda de un convertidor
DC/DC, que trabaja como convertidor elevador, entonces ya con un
número de revoluciones del generador de 1000 revoluciones por
minuto se puede extraer una potencia del generador de casi 1 kW, a
2300 revoluciones por minuto se obtienen ya aproximadamente 2 kW
(ver la figura 2).
Para que la potencia del generador P, indicada
como línea continua en la figura 2, se pueda obtener en función del
número de revoluciones del generador n para UB = 42 V, con números
de revoluciones del generador por debajo de 4000 revoluciones por
minuto, el conmutador 12 está cerrado y el conmutador 14 está
abierto. De esta manera, se pone en servicio el convertidor
elevador 13. Las activaciones para los conmutadores 12 y 14 son
emitidas por el regulador, tan pronto como éste reconoce que el
número de revoluciones del generador n está por debajo de 4000
revoluciones por minuto. Entonces se puede extraer una potencia del
generador, que solamente está por debajo de la potencia del
generador definida por la línea de tangente. La recta de tangente no
se alcanza porque el regulador elevador solamente tiene
aproximadamente un rendimiento de 85%, por ejemplo. Si el generador
alcanza el número de revoluciones de 4000 revoluciones por minuto,
el regulador 15 emite impulsos de activación, que abren el
conmutador 12 y cierran el conmutador 14, de manera que se puentea
el convertidor DC/DC 13. Entonces se lleva a cabo una transición al
funcionamiento regulador del generador, en el que la corriente de
campo del generador es regulada de la manera habitual. La potencia
del regulador se eleva en función del número de revoluciones.
En tal tipo de funcionamiento, en el que el
convertidor DC/DC solamente se pone en servicio de forma temporal,
por ejemplo en la marcha en ralentí, en la zona de arranque y en un
número reducido de revoluciones, se puede elevar el rendimiento del
sistema frente a una configuración del sistema con convertidor DC/DC
incorporado de forma permanente. A través de la zona limitada de la
potencia, que el convertidor DC/DC debe cubrir frente a sistemas
con convertidores DC/DC incorporados de forma permanente, se
obtienen costes más reducidos del sistema.
En la figura 4 se representa la potencia del
generador o bien el rendimiento P como función del número de
revoluciones con una tensión de la red de a bordo de 42 V y con el
empleo de un convertidor DC/DC especial en el funcionamiento libre
del generador. La figura 5 muestra el diagrama de bloques
correspondiente del tipo de funcionamiento del generador y del
acoplamiento del convertidor DC/DC. Las variables representadas en
la figura 5 corresponden a las variables ya explicadas con relación
a la figura 3. Los conmutadores 12 y 14 según la figura 3 no están
ya presentes. El regulador 15 alimenta la tensión UDC a la entrada
del convertidor DC/DC 12, al que se alimenta también la tensión de
salida variable del generador.
Para que se incremente la potencia de cesión del
generador de corriente alterna 10, que está configurado, por
ejemplo, como generador de polos intercalados, éste es accionado en
el funcionamiento libre del generador, es decir, no regulado. En
este funcionamiento no regulado, la potencia de salida del generador
se incrementa linealmente con el número de revoluciones del
generador n. En la figura 4 se representa la curva característica
de la potencia como línea característica continua para Ub = 42 V.
Para que con tal funcionamiento libre del generador, la tensión
puesta a la disposición de la red de a bordo presente valores
constantes de 42 V de una manera independiente de número de
revoluciones, el convertidor DC/DC debe estar conectado de tal forma
que pueda trabajar como convertidor elevador o convertidor
reductor. Este convertidor de la tensión convierte la tensión de
entrada variable alimentada a su entrada en la tensión constante de
la red de a bordo de 42 V. Si la tensión suministrada, puesta a
disposición en la entrada del convertidor DC/DC es menor que 42 V,
el convertidor de tensión debe trabajar como convertidor elevador.
Si la tensión es mayor que 42 V, el convertidor DC/DC debe trabajar
como convertidor reductor.
La potencia máxima del generador que es puesta a
disposición se determina a través de la recta designada como línea
de tangente T en la figura 1. Esta potencia cedida no se puede
alcanzar, en efecto, en la práctica, puesto que el convertidor
DC/DC presenta un rendimiento de convertidor de 85%, por ejemplo. De
esta manera, se obtiene la curva de la potencia representada como
línea continua que, con números de revoluciones por debajo de
aproximadamente 2800 revoluciones por minuto y por encima de
aproximadamente 5100 revoluciones por minuto, está por encima de la
curva característica de la potencia convencional para un generador
de automóvil con Ub = 42 V. También este tipo de funcionamiento del
generador se puede emplear en generadores de polos intercalados en
serie convencionales o bien ligeramente modificados. A través del
empleo de un convertidor DC/DC como convertidor elevador o bien
como convertidor reductor se puede extraer potencia a través de casi
toda a zona del número de revoluciones, lo que solamente sería
posible en el caso de un generador de 42 V regulado de forma
constante con números de revoluciones más elevados del generador.
El convertidor DC/DC que se encuentra siempre en servicio en este
tipo de funcionamiento en combinación con el generador no regulado
en toda la zona del número de revoluciones puede emitir potencias
muy altas del generador en la zona superior del número de
revoluciones, por ejemplo para sistemas, que necesitan potencias
grandes en la zona superior del número de revoluciones.
Otro tipo de funcionamiento del generador, con
el que se puede incrementar la potencia de cesión de un generador
de corriente alterna, por ejemplo de un generador de polos
intercalados, consiste en accionar el generador, en la zona de
arranque o bien en la zona inferior del número de revoluciones, en
el funcionamiento libre del generador. Un convertidor DC/DC
conectado a continuación, que trabaja como convertidor elevador
alimenta a la red de a bordo en esta zona de funcionamiento.
Después de alcanzar la tensión de la red de a bordeo de 42 V, se
lleva a cabo la transición al funcionamiento regulado del generador
con tensión de salida constante de 42 V. Este funcionamiento
regulado se extiende, como se puede deducir a partir de la figura 6,
entre aproximadamente 4000 y 75000 revoluciones por minuto. Si se
necesitan picos de potencia en la zona alta del número de
revoluciones, por ejemplo para el control de válvula eléctrica
(EVS), entonces se conmuta el generador de nuevo con la ayuda del
regulador de tensión 15 al funcionamiento libre del generador, de
manera que a través de la apertura o cierre adecuados de los
conmutadores 12, 14 de la disposición de conmutación según la figura
3 se puede llevar a cabo tal conmutación.
En otro ejemplo se representa un sistema, con el
que se puede incrementar igualmente la potencia de salida de un
generador de polos intercalados. En este caso, el generador de polos
intercalados es accionado en otro tipo arrollamiento. Una versión
42 V arrollada de esta manera de un generador de polos intercalados
es accionada en el funcionamiento libre del generador. Puesto que
la tensión de salida del generador es ya más elevada que 42 V en
las zonas habituales de números de revoluciones, el convertidor
DC/DC conectado a continuación está constituido como convertidor
reductor, que convierte la tensión de entrada variable alimentada al
mismo en la tensión constante de la red de a bordo de 42 V. En la
figura 7 se representa la potencia de un generador de polos
intercalados arrollado con UGN = 42 V (tensión del generador) sobre
el número de revoluciones del generador a diferentes tensiones de
salida. La potencia de cesión máxima en función del número de
revoluciones del generador se desarrolla, como en los generadores
convencionales, a lo largo de la línea de tangente T. A lo largo de
esta línea, el aprovechamiento del generador C=P/n es máximo. En el
funcionamiento libre del generador a lo largo de la línea de
tangente se modifica la tensión de salida de forma aproximadamente
proporcional al número de revoluciones. La corriente del generador
se mantiene casi constante. Para que se obtenga la potencia máxima
de cesión para la tensión de la red de a bordo de 42 V, se trabaja
por encima de aproximadamente 100 1/min con un convertidor
reductor. En la figura 8 se representa la potencia posible del
generador para Ub = 42 V como línea continua. La línea de tangente
T se encuentra solamente un poco por encima de la curva
característica de la potencia. La diferencia es provocada por el
rendimiento del convertidor de 85%, por ejemplo. Comparada con la
curva característica del generador representada con línea de trazos
para el funcionamiento regulado, se puede reconocer que por encima
de 2000 revoluciones por minuto está disponible una potencia
efectiva considerablemente mayor. La conversión del circuito
correspondiente corresponde al circuito de la figura 5.
En otro tipo de funcionamiento del generador,
con el que se puede incrementar la potencia de salida de un
generador de corriente alterna, por ejemplo de un generador de polos
intercalados, éste es accionado en una versión de 42 V arrollada.
La potencia efectiva alcanzable sobre el número de revoluciones del
generador corresponde a la representada en la figura 9. En la zona
de arranque o bien en la zona inferior del número de revoluciones,
se trabaja en el funcionamiento regulador del generador y se genera
una potencia de la red de a bordo de 42 V. Si se necesitan picos de
potencia en la zona alta de números de revoluciones, por ejemplo en
el caso del control de válvula eléctrica EVS, se lleva a cabo una
conmutación activada por el regulador 15 al funcionamiento libre
del generador. En esta zona de trabajo, el convertidor DC/DC
conectado a continuación, que está conectado como convertidor
reductor, alimenta a la red de a bordo. El diagrama de bloques de la
conversión de circuito correspondiente corresponde al diagrama de
bloques de la figura 3.
La potencia de salida posible para este tipo de
funcionamiento del generador se representa en la figura 9. La línea
continua muestra de nuevo la potencia disponible del generador. En
el funcionamiento regulado hasta aproximadamente 3000 revoluciones
por minuto, se acondiciona una potencia, que corresponde a la
potencia representada en la figura 7 para el funcionamiento
regulado a Ub = 42 V. Por encima de 3000 revoluciones por minuto, se
incrementa rápidamente la potencia disponible, puesto que el
generador trabaja en el funcionamiento "libre". Se diferencia
de la potencia máxima representada en la línea de tangente por la
potencia que se pierde como consecuencia del rendimiento del
convertidor, por ejemplo 85%. El convertidor DC/DC solamente
funciona en este tipo de funcionamiento del generador de forma
temporal, a saber, para la obtención de los picos de potencia en la
zona alta de número de revoluciones. El rendimiento del sistema es
más elevado con respecto a configuraciones del sistema con
convertidores DC/DC incorporados de forma permanente.
Los ejemplos de realización de la invención se
describen deforma ejemplar para tensiones de la red de a bordo de
42 V. En principio, los tipos de funcionamiento descritos se pueden
realizar para tensiones discrecionales de la red de a bordo.
Claims (4)
1. Procedimiento para la regulación de un
generador (10), especialmente de un generador de corriente trifásica
que puede ser accionado por un motor de combustión interna, con una
bobina de campo, a través de la cual fluye una corriente de campo
(UF) regulable por medio de un regulador (15), para la generación
del campo de excitación y con bobinas de estator, en las que se
inducen a través de las modificaciones de flujo tensiones alternas,
que generan corrientes, que son conducidas a través de
rectificadores (11) hacia consumidores, de manera que el regulador
(15) alimenta la corriente de campo (IF) al arrollamiento de campo
del generador, en el que en un funcionamiento regulado, la
corriente de campo (IF) es regulada a una tensión de salida
constante del generador de manera independiente del número de
revoluciones del generador, caracterizado porque la corriente
de campo (IF) permanece no regulada en una zona inferior del número
de revoluciones del generador, de manera que el generador trabaja
entonces en funcionamiento libre y emite una tensión que depende del
número de revoluciones, un convertidor de tensión (13),
especialmente un convertidor elevador convierte la tensión libre
suministrada entonces por el generador a un valor predeterminable,
especialmente una tensión de la red de a bordo (Ub) y la zona del
número de revoluciones del generador para el funcionamiento libre
del generador es limitada por un número de revoluciones alto, que
corresponde al número de revoluciones, en el que la tensión del
generador corresponde a la tensión de la red de a bordo.
2. Procedimiento para la regulación de un
generador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado
porque la transición desde el funcionamiento libre del generador
con corriente de campo no regulada al funcionamiento regulado del
generador es provocada por el regulador, en el que se alimentan al
regulador los parámetros de funcionamiento necesarios para la
selección del tipo de funcionamiento y el regulador emite las
señales de activación necesarias.
3. Procedimiento para la regulación de un
generador de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la regulación es realizada de manera
optimizada en el rendimiento.
4. Procedimiento para la regulación de un
generador de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque durante el funcionamiento del generador
con corriente de campo regulada, el convertidor de tensión,
especialmente el convertidor elevador, está puenteado.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| EP (1) | EP0929927B1 (es) |
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