JP2002536946A - 電圧変換器を設けて発電機を調整する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、昇圧形調整器として動作する電圧変換器を設けて発電機を調整する装置および方法に関する。この場合、発電機の調整はその回転数に依存して、および／または回転数に応じて生じ得る発電機の出力電圧に依存して行われる。その際に３つの異なる領域が規定され、それらの領域においてそれぞれ異なる調整が実行される。回転数が低いときは最大許容励磁電流で電力調整が行われ、回転数が高いときは励磁電流の制御により電圧調整が行われる。回転数が高くかつ負荷が急激に低減されたときに過電圧が生じると第３の調整動作が実行され、これにより過電圧と励磁電流が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 従来の技術 自動車内には、電気的車載電源負荷を給電するため内燃機関によって駆動され
る３相交流発電機が使用されている。そのような３相交流発電機たとえばクロー
ポール形発電機は、ダイオード整流器ブリッジを介して車両の直流電圧車載電源
と接続されている。発電機の調整目標である電圧レベルは現在、一般に約１４Ｖ
である。３相交流発電機の電力送出は、励磁巻線を流れる励磁電流の大きさによ
って調整される。その際、調整量として通常、車載電源電圧または発電機の出力
電圧が利用される。

【０００２】 自動車用車載電源電圧において必要とされる負荷電力はかなりのものであり、
将来はさらにいっそう大きくなるので、自動車用車載電源を２電圧車載電源とし
て構成することが現在ではすでに一般的であり、この場合、一方の電圧は約１４
Ｖであり、他方の電圧は約４２Ｖである。その際、高い方の電圧の供給は、発電
機に後置接続された直流電圧変換器を用いて行われ、これは昇圧形調整器（Hoch
setzsteller）として動作する。少なくとも１つの発電機および後置接続された
直流電圧変換器を備えた自動車用車載電源は、たとえばドイツ連邦共和国特許出
願 DE 196 459 44 明細書から公知である。この公知の車載電源の場合、発電機
の調整ならびに直流電圧変換器の制御は固有の制御装置を用いて行われる。この
制御装置は供給された情報を処理し、それ相応の制御パルスを送出する。

【０００３】 昇圧形調整器を備えた発電機をもつ別の自動車用車載電源は、ドイツ連邦共和
国特許出願 DE 198 455 69 から公知である。この車載電源にはクローポール発
電機が使用され、これは車載電源に４２Ｖの電圧を給電するために使用される。
ここでは発電機端子は、３相交流ブリッジ整流器を介して中間回路と接続されて
いる。この中間回路には、発電機の電力を上昇させるための昇圧形調整器が後置
接続されている。出力部分は実質的に発電機によって構成されている。発電機の
出力側は、３相交流ブリッジ整流器を介して中間回路へ導かれる。この中間回路
は、昇圧形調整器を介して車載電源と接続されている。その際、昇圧形調整器は
固有の蓄積チョークをもっているのではなく、チョークとして発電機の相巻線イ
ンダクタンスが用いられる。したがってこの昇圧形調整器は、最低限の構成部品
で間に合う。

【０００４】 自動車用車載電源に関する上述の発電機構成を前提として本発明の課題は、回
転数が低いときでもできるかぎり高い発電機出力を可能にする発電機の最適な調
整を実行することにある。

【０００５】 発明の利点 電圧変換器を設けて発電機を調整するための本発明による装置および本発明に
よる方法のもつ利点とは、発電機の出力電圧が車載電源にじかに給電するにはま
だ不十分であるような回転数のときでも、発電機の電力送出が可能なことである
。さらに有利であるのは、比較的高い発電機出力電圧を生じさせる回転数のとき
に、最大電力送出を行わせることのできる調整の実行が可能なことである。

【０００６】 これらの利点は、請求項１の特徴部分に記載された電圧変換器を設けて発電機
を調整する装置および方法により達成される。有利には、昇圧形調整器として動
作する電圧変換器によって、発電機電圧が必要とされる値に応じて０からたとえ
ば４２Ｖのような所望の最大値との間で任意に調整される。このような電圧調整
によって、比較的低い回転数領域でも最大電力送出点で発電機を稼働させること
ができる。タンジェント電力ないしは接線電力とも呼ばれるこのような最大電力
は、所定の発電機において最大の励磁のときに単に回転数の関数である。比較的
高い回転数のときには昇圧形調整器をもはや電力上昇のために用いることはでき
ず、その場合には発電機は有利には励磁電流を介してその送出電力に関して調整
される。つまり回転数が比較的高いときには、現在の発電機においてすでに一般
的であるのと同じ調整動作が発電機に対して行われる。

【０００７】 過電圧保護のために、有利には昇圧形調整器自体が用いられる。過電圧が生じ
たときに昇圧形調整器の１つまたは複数のスイッチを閉じることにより、電源へ
の発電機の電力送出を有利には中断させることができる。このようにして過電圧
を、殊に負荷制限後の過電圧の持続時間が低減されるようになる。この場合、整
流器ブリッジ内の今日一般的なツェナダイオードを、慣用のダイオードに置き換
えることができる。このことは、４２Ｖまでの比較的高い電圧（この電圧に合わ
せて発電機が設計されている）において現在のところ適切なツェナダイオードが
得られないことから、殊に有利である。

【０００８】 図面 次に、５つの図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。

【０００９】 図１には、昇圧形調整器を備えたクローポール発電機が示されており、図２に
は、簡略化された機器（発電機）の等価回路とベクトル図が示されており、図３
には調整回路全体の構造図が、図４には昇圧形調整器のための調整器が示されて
いる。さらに図５には、昇圧形調整器を用いて過電圧を保護する様子が示されて
いる。

【００１０】 実施例 図１には、昇圧形調整器（Hochsetzsteller）を備えたクローポール発電機が
描かれており、これに対して本発明による調整を適用することができる。詳細に
は、参照符号１０によってクローポール発電機が示されており、これには励磁巻
線１１が設けられていて、そこを励磁電流Ｉ_Err が流れる。２次巻線ならびに一
般に発電機と接続されている電圧調整器は、ここでは明示されていない。

【００１１】 クローポール発電機１０には整流器ブリッジ１２がつながっており、これは６
つのダイオード１３〜１８を有している。昇圧形調整器１９はスイッチ２０、ダ
イオード２１およびコンデンサ２２を有している。また、車載電源は負荷２３と
して略示されている。整流器からは電流Ｉ_Z が流れ出て、自動車用車載電源に電
流Ｉ_N が流れ込む。電源に供給される電圧は、Ｕ_N で表されている。

【００１２】 詳しい説明 １．発電機 磁気的な１軸性を無視すると、図２ａおよび図２ｂに示されているように、非
常に明快に表された等価回路図と簡単なベクトル図が得られる。発電機の送出電
力Ｐに対し２つの可能な動作点が存在する。発電機のベクトル図において、特定
の電力Ｐに属する２つの可能な動作点が表されている。電流×電圧の積は、両方
の事例とも等しい。一方の動作点Ｐ１において特徴的なのは大きい電圧と小さい
電流であり、これに対し他方の動作点Ｐ１* において特徴的なのは小さい電圧と
大きい電流である。

【００１３】 発電機の最大電力送出において、両方の動作点はいわゆるタンジェント点ない
しは正接点で一致する。ここでＸ₁ ＞＞Ｒ₁ のとき、Ｕ₁ ＝（１／√２）・U_P
が成り立つ。この場合、相巻線インダクタンスにおける電圧降下Ｘ₁ ＝ωＬ₁ は
、端子電圧Ｕ₁ と同じ大きさである。したがってタンジェント点における電流は
、Ｕ１＝（１／√２）・U_P ／ωＬ₁ となる。この電流は、UP＝（１／√２）・
ωＬ_l,f ・Ｉ_err でＩ₁ ＝（１／２）・Ｌ_lf／Ｌ₁ ・Ｉ_err と等しい。

【００１４】 このことから、最大電力送出のための電流は回転数には依存しないことがわか
る。この電流は、単に励磁電流の関数である。したがって最大電力送出のための
電流を、回転数とは無関係に励磁電流の関数としてまえもって与えることができ
、これはタンジェント電力に対する調整に適している。

【００１５】 ２．昇圧形調整器 種々の回転数において発電機の最大電力を取り出すことができるようにするた
めには、端子電圧が調整可能でなければならない。しかしこのことは発電機の同
期内部電圧に依存し、さらにこの電圧は回転数と励磁電流に依存する。このため
、端子電圧を可変に調整する必要がある。これは昇圧形調整器によって行われる
。昇圧形調整器のオン／オフ比Ｖによって、調整器入力側における電圧Ｕ_Z と調
整器出力側における電圧Ｕ_Netz （電源電圧）の比が確定される。中間回路電圧
Ｕ_Z は、整流後の発電機の出力電圧である。調整器出力側には電源電圧Ｕ_Netz
が生じ、そこには負荷および場合によってはバッテリがつながっている。この場
合、昇圧形調整器の出力電圧は、必ず入力電圧よりも大きいかまたはそれと等し
い。調整器出力側で４２Ｖの一定の電圧を生じさせようとしているので、調整器
入力電圧つまり発電機の出力電圧を、オン／オフ比によりＵ_Z ＝０Ｖ〜４２Ｖの
間で調整することができる。

【００１６】 ３．調整 この発電機は、調整のために２つの補正制御の可能性をもっている。１つめと
して、発電機の励磁電流つまりは同期内部電圧を変えることができ、２つめとし
て、昇圧形調整器を介して端子電圧つまりは中間回路電圧を変えることができる
。これら２つのやり方を使用することにする。図３には調整回路全体の構造図が
描かれており、これには昇圧形調整器に対する下位の調整器２４と、発電機励磁
に対する下位の調整器２５も示されている。発電機１０、整流器１２、昇圧形調
整器１９ならびに負荷２３は、図３に書き込まれている情報を互いに交換する。

【００１７】 比較的低い回転数領域における電力調整： 低い方の回転数領域では発電機は完全に励磁され、最大許容励磁電流が流れる
。しかし、中間回路電圧は電源電圧よりも小さい。そこで昇圧形調整器により、
発電機の電力を望ましい出力値に合わせて調整することができる。送出電力はオ
ン／オフ比によって調整される。この場合、送出電力は最大でタンジェント電力
に到達する。

【００１８】 比較的高い回転数における電圧調整（Load-Dump 保護）： 高い方の回転数領域では、各電力ごとに２つの可能な端子電圧が存在するとい
うことを利用することができる。大きい出力のために発電機が励磁され、負荷の
制限ないしは遮断が生じると、端子電圧は跳躍的に上昇する。電源電圧のこのよ
うな上昇を励磁電流の急速な低減によってくい止めることはできない。なぜなら
ば、それは励磁インダクタンスゆえに緩慢にしか低減しないからである。しかし
昇圧形調整器は、新たな低い方の電力に属する電圧値を調整することができる。
つまり昇圧形調整器により、発電機における端子電圧がそのまえに存在している
本来の端子電圧（Ｕ_Z ＝U_Netz）によって低減される。端子電圧の値は、まだ変
えられていない励磁電流によって電源への電力送出がそのときに新たな値に到達
するような値となる。

【００１９】 調整コンセプト 調整器は３つの可能な補正制御領域を有している。このため、調整器を３つの
部分調整器に分けるのが有用である。

【００２０】 １．Ｕが＜Ｕ_Soll −ΔＵ_min：昇圧形調整器は電圧を保持しようとする。この
動作は、電圧がその目標値をとるまで、または励磁電流がその許容最大値に達す
るまで続けられる。励磁電流が最大許容値に到達したために、それがもはや上昇
できなくなったとき、要求された電力を昇圧形調整器によって供給することがで
きる。

【００２１】 ２．Ｕ_Soll −ΔＵ_min ＜ Ｕ_ist ＜Ｕ_soll ＋ΔＵ_max：発電機は、その通常動
作範囲にある。発電機は（現在の調整器においても実現されているように）、励
磁電流を介してその出力電圧または送出電力について調整される。

【００２２】 ３．Ｕ_ist ＞Ｕ_soll ＋ΔＵ_max ：たとえば負荷の制限または遮断後の過電圧
。励磁電流は十分迅速には低減できないので、調整器を介して発電機を「クロッ
ク制御」する必要がある。これと同時に、励磁電流の低減が行われる（Load - D
ump 保護）。

【００２３】 昇圧形調整器の調整 この電圧調整の下位に、発電機の電流Ｉ_Z のための電流調整がおかれている。
同時にこれは、タンジェント点における電流値に制限される。最大値への発電機
電流の制限は、励磁電流の瞬時値に依存する。したがって、発電機電流に対する
限界値は励磁電流から導出される。このため、制限器に励磁電流の目下の実際値
を供給する必要がある。図４には、昇圧形調整のための調整器の実例が示されて
いる。

【００２４】 過電圧保護 過電圧保護については、できるかぎり迅速に介入処置を施して、過電圧ピーク
を抑圧できるようにしなければならない。出力電圧の上昇速度は、負荷減少また
は電流のレベルと出力容量のレベルによって決まる。このため過電圧に迅速に応
答できるようにする目的で、簡単なＰ調整器が設けられている。この調整器は、
電源電圧が所定の最大値を上回るとただちに応動する。この調整器が応動すると
、昇圧形調整器を介して電源電圧がその値に合わせて調整される。このようにし
て、電源への発電機の送出電力を低減することができる。図５には、過電圧保護
のための構成が示されている。

【００２５】 重要なポイント 最大電力送出（接線）のためには、発電機の送出電流に対して調整が行われる
。

【００２６】 他の電力については、所望の電力が生じるまでオン／オフ比が低減される。こ
の場合、励磁電流はその最大値に合わせて調整される。これにより発電機の固定
子電流はできるかぎり小さくなり、効率が最も好適な値になる。

【００２７】 電源において過電圧が生じた場合、発電機はスイッチを介して短絡され、発電
機の電力送出が中断される。これにより負荷遮断保護（Load-Dump 保護）が得ら
れる。この場合も、まえもって設定可能な発電機の電力送出に合わせて調整する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 昇圧形調整器を備えたクローポール発電機を示す図である。

【図２】 簡略化された発電機の等価回路とベクトル図を示す図である。

【図３】 調整回路全体の構造図である。

【図４】 昇圧形調整器のための調整器を示す図である。

【図５】 昇圧形調整器を用いて過電圧を保護する様子を示す図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 昇圧形調整器として動作する電圧変換器を設けて発電機を調
   整する装置および／または方法において、 回転数領域としてまたは電圧領域として規定された少なくとも２つの部分領域
   においてそれぞれ異なるやり方で調整が行われることを特徴とする、 電圧変換器を設けて発電機を調整する装置および／または方法。
2. 【請求項２】 第３の調整領域が定められ、前記の最初の２つの領域とは異
   なるやり方で調整が行われる、請求項１記載の電圧変換器を設けて発電機を調整
   する装置および／または方法。
3. 【請求項３】 少なくとも２つの異なる調整装置が設けられており、第１の
   調整装置は、昇圧形調整器として動作する電圧変換器の調整のために用いられ、
   第２の調整器は、発電機の励磁巻線を流れる励磁電流に対する調整器として用い
   られ、これら両方の調整装置は互いに接続されており情報を交換する、請求項１
   または２記載の電圧変換器を設けて発電機を調整する装置および／または方法。
4. 【請求項４】 励磁電流の調整により発電機の同期内部電圧が所定のように
   制御され、発電機の端子電圧が昇圧形調整器を介して所定のように変えられる、
   請求項３記載の電圧変換器を設けて発電機を調整する装置および／または方法。
5. 【請求項５】 過電圧保護手段が設けられており、該過電圧保護手段は電圧
   変換器に作用を及ぼし、過電圧が検出されると他の条件とは無関係に第３の調整
   に切り替えられる、請求項１から４のいずれか１項記載の電圧変換器を設けて発
   電機を調整する装置および／または方法。
6. 【請求項６】 発電機の回転数とは無関係に、発電機出力側における端子電
   圧が約１４Ｖになり、昇圧形調整器における出力電圧が約４２Ｖになるよう調整
   が行われる、請求項１から５のいずれか１項記載の電圧変換器を設けて発電機を
   調整する装置および／または方法。
7. 【請求項７】 端子電圧の調整は昇圧形調整器のオン／オフ比を介して行わ
   れ、該オン／オフ比により昇圧形調整器の入力側と出力側の電圧の比が確定され
   る、請求項１から６のいずれか１項記載の電圧変換器を設けて発電機を調整する
   装置および／または方法。