DE1538340C - Regeleinrichtung zum Regeln der Ausgangsspannung eines durch Permanentmagneten erregten Wechselstromgenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zum Regeln der Ausgangsspannung eines durch Permanentmagnete, vorzugsweise Bariumoxydmagnete, erregten, mit wechselnden Drehzahlen antreibbaren mehrphasigen Wechselsstrom-Generators, insbesondere einer permanentmagnetisch erregten Drehstromlichtmaschine für Fahrzeuge, mit wenigstens einem steuerbaren Halbleitergleichrichter je Phase zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Generators und zum Speisen eines Gleichstromnetzes und vorzugsweise einer Batterie, mit einem Oszillator, der in Abhängigkeit von der Spannung am Gleichstromnetz Steuerimpulse für den steuerbaren Halbleitergleichrichter erzeugt, und mit Schaltmitteln, die den Oszillator in Phasenrelation zum Periodenbeginn vor vom Generator erzeugten Wechselspannung ein- und ausschalten.

Derartige Generatoren haben eine mit der Drehzahl und der Belastung stark schwankende Ausgangsspannung, die z.B. zwischen 10 und 200V liegen kann. Deshalb benötigt man zu ihrer Verwendung in elektrischen Anlagen, z. B. zur Versorgung des Bordnetzes eines Fahrzeuges, eine Regeleinrichtung zum Konstanthalten der Ausgangsspannung. Als Stellglieder bei diesen Regeleinrichtungen werden meist steuerbare Gleichrichter oder Leistungstransistoren verwendet; auch Lösungen mit Magnetverstärkern sind bekannt.

Die französische Patentschrift 1 365 248 zeigt eine derartige Regeleinrichtung, in der als Stellglieder Leistungstransistoren verwendet sind. Diese Leistungstransistoren sind bekanntlich — im Gegensatz zu den als Thyristoren bekannten steuerbaren HaIbleitergleichrichtern — durch Steuerströme ein- und ausschaltbar. Zu ihrer Steuerung genügt deshalb ein einziger, für alle Leistungstransistoren gemeinsamer Sperrschwingtransistor. Es sind auch Schaltungen dieser Art bekanntgeworden, die statt Leistungstransistoren Thyristoren verwenden. Dabei hat sich jedoch in der Praxis ein Problem gezeigt, das mit diesen bekannten Schaltungen nicht beherrscht werden kann: Diese Thyristoren schalten nur ab, wenn der Strom durch sie wenigstens kurzzeitig, z. B.

während 20 usec, zu Null wird (sogenannte Freiwerdezeit). Bei bestimmten Generatorbauarten mit hoher Induktivität der Ausgangswicklungen ist bei hohen Drehzahlen, wie sie im Fahrzeugbetrieb vorkommen, diese Freiwerdezeit nicht mehr gegeben. Die Folge davon ist, daß ein einmal gezündeter Thyristor in diesem Betriebszustand bei den bekannten Schaltungen ständig leitend bleibt, auch wenn er kein Einschaltsignal mehr erhält. Dieser Effekt tritt weniger bei der Generatorbauart auf, die mit Alnico-Permanentmagneten aufgebaut ist, dagegen sehr stark bei der Bauart mit Oxydmagneten, da man bei diesen Flußlinienleitstücke im magnetischen Kreis verwenden muß und dadurch eine erhöhte Induktivität der Wicklungen erhält.

Falls ein Thyristor einmal in der beschriebenen Weise ständig leitend geworden ist, ist ersichtlich eine Spannungsregelung nicht mehr möglich. Die Spannung am Gleichstromnetz steigt also über den zulässigen Wert hinaus an. Falls eine Batterie vorhanden ist, wird diese überladen und gegebenenfalls zerstört. Spannungsempfindliche Verbraucher, z. B. Scheinwerfer, werden ebenfalls zerstört.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Regeleinrichtungen für die Spannungsregelung von permanentmagnetisch erregten Wechselstrom-Generatoren und insbesondere von Mehrphasen-Generatoren zu vermeiden. Ferner soll diese Regeleinrichtung billig und kompakt sein, damit

sie auch innerhalb des Generatorgehäuses untergebracht werden kann. Auch soll die Regeleinrichtung nach Möglichkeit für Betrieb des Generators in beiden Drehrichtungen geeignet sein, ohne daß hierfür Änderungen der Schaltungen oder der Anschlüsse vorgenommen werden müßten. Dies ist besonders bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen wichtig, da hierdurch die Lagerhaltung und der Service vereinfacht werden.

Nach der Erfindung ergibt sich bei einer eingangs genannten Regeleinrichtung eine einfache Lösung dadurch, daß jedem steuerbaren Halbleitergleichrichter ein Oszillator mit einem Vergleicher zugeordnet ist und daß diesem Vergleicher einerseits jeweils eine Referenzspannung — Zenerdiode — und andererseits jeweils eine Summenspannung zugeführt wird, welch letztere aus einer von der positiven Abweichung der Spannung am Gleichstromnetz vom gewünschten Sollwert etwa proportionalen Spannung (u_R) und einer von der dem betreffenden Oszillator und dem von ihm gesteuerten Gleichrichter zugeordnete Phase abgeleiteten Spannung gebildet ist, so daß der Oszillator jeweils nur bei einer bestimmten Differenz zwischen dem Augenblickswert der Summenspannung und der Referenzspannung eingeschaltet ist. Bei hohen Frequenzen und ausreichender Spannung wird der Oszillator während jeder Periode nur noch ganz kurz oder gar nicht mehr eingeschaltet. Die Freiwerdezeit ist dadurch in jedem Fall gegeben. Bei einem Mehrphasen-Generator kann der Laststrom vom einen auf den nächsten steuerbaren Halbleitergleichrichter kommutieren. Eine Überlastung einer einzelnen Phase wird hierdurch sicher vermieden, so daß eine Überdimensionierung nicht mehr erforderlich ist.

Eine derartige Regeleinrichtung läßt sich mit sehr geringem Aufwand realisieren, wie auch das folgende Ausführungsbeispiel zeigt. Bei einer Regeleinrichtung für einen Mehrphasen-Generator können entsprechend der Phasenzahl mehrere Oszillatoren und Vergleicher vorgesehen werden. Die von der Ausgangs-Wechselspannung abgeleitete Spannung wird dabei mit Vorteil ausgebildet als eine im wesentlichen sägezahnförmige Spannung mit langsam ansteigender Vorderflanke und rasch abfallender Rückflanke, wobei die Vorderflanke zum Steuern des Vergleichers und damit des Oszillators dient. In besonders einfacher und vorteilhafter Weise erzeugt man diese mit der variablen Generatorfrequenz synchronisierte Sägezahnspannung mit Hilfe einer .RC-Schaltung, wobei man mit besonderem Vorteil so vorgeht, daß bei einem Mehrphasengenerator die i?C-Schaltung einerseits an die zugeordnete Phase, andererseits über zwei Gleichrichter, vorzugsweise die Gleichrichter eines Mehrphasen-Brückengleichrichters, dessen Bestandteil der steuerbare Halbleitergleichrichter ist, an den anderen Phasen des Generators anschließbar ist. Man erhält nämlich hierbei an der i?C-Schaltung eine Spannung, die einer Rechteckspannung wesentlich näher kommt als einer Sinusspannung. Dadurch erhält man auf sehr einfache Weise eine hier völlig ausreichende Sägezahnspannung.

Zum Vergleich darf darauf hingewiesen werden, daß bei zum Stand der Technik gehörenden Schaltungen zur Erzeugung von Sägezahnspannungen, z. B. der Schaltung nach AEG-Mitteilungen 54 (1964), S. 177, zur Erzeugung einer Sägezahnspannung mindestens ein, im genannten Fall sogar zwei Transistoren benutzt werden. Dieser Vergleich zeigt augenscheinlich die enorme Vereinfachung, die mit der Erfindung erreichbar ist.

Ladewiderstand und Kondensator werden dabei mit Vorteil so bemessen, daß ihre Ladezeitkonstante in der Größenordnung der Periodendauer der höchsten im Betrieb vorkommenden Generatorfrequenz liegt; z. B. soll bei einer höchsten Frequenz von 1000 Hz die Ladezeitkonstante in der Größenordnung von Millisekunden liegen. Die Entladezeitkonstante von Kondensator und Entladekreis bemißt man dann auf etwa 10 bis 50% der Ladezeitkonstante.

Um ein Arbeiten der Regeleinrichtung auch dann zu ermöglichen, wenn keine Batterie angeschlossen ist, wird sie in weiterer Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet, daß parallel zu mindestens einem steuerbaren Halbleitergleichrichter die Serienschaltung eines gleich wie dieser gepolten Gleichrichters und des Öffnerkontakts eines Relais liegen, welches an das Gleichstromnetz angeschlossen ist und welches oberhalb einer bestimmten Höhe der Spannung am Gleichstromnetz diesen Öffnerkontakt öffnet. Über diese Serienschaltung wird dann die Regeleinrichtung beim Anfahren so lange mit Strom versorgt, bis der steuerbare Gleichrichter eingeschaltet ist.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines permanentmagnetisch erregten Generators mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung,

F i g. 2 bis 4 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, Fig. 5 eine Darstellung der Regelkennlinie der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

F i g. 6 eine graphische Darstellung des Aufladevorgangs eines Kondensators bei niederen und bei hohen Frequenzen,

F i g. 7 eine Schaltungsvariante zu F i g. 1 und

F i g. 8 eine graphische Darstellung zum Erläutern der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 7.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Drehstromgenerator bezeichnet, der einen permanentmagnetischen Rotor 11 hat. Der Generator 10 hat drei in F-Schaltung geschaltete Ausgangswicklungen 12, 13, 14, deren nach außen geführte Anschlußpunkte mit X, Y, Z bezeichnet sind. Diese Ausgangspunkte sind mit einem aus sechs Gleichrichtern 15 bis 20 bestehenden Dreiphasen-Brückengleichrichter verbunden, und zwar jeweils mit den Kathoden von drei Dioden 15, 17, 16 sowie mit den Anoden von drei gesteuerten Gleichrichtern 18,20,19 mit thyratronartiger Charakteristik. Die Anoden der Dioden 15, 17, 16 sind miteinander und mit einer Minusleitung 23, die Kathoden der gesteuerten Gleichrichter 18, 20, 19 mit einer Plusleitung 24 verbunden. Minusleitung 23 und Plusleitung 24 bilden zusammen ein Gleichstromnetz, an das eine Pufferbatterie 25 über einen Schalter 26 angeschlossen werden kann und an das weitere, nicht dargestellte Verbraucher anschließbar sind, z. B. die Funkanlage in einem Taxi. An dieses Gleichstromnetz ist auch die Spule 27 eines mit einem Öffnerkontakt 28 versehenen Relais 29 angeschlossen, wobei

der Öffnerkontakt 28 in Serie bei einer Diode 30 parallel zum steuerbaren Halbleitergleichrichter 18 liegt. Die Diode 30 ist gleichgepolt wie der steuerbare Halbleitergleichrichter 18.

Weiterhin ist eine Zenerdiode 33 mit ihrer Kathode an die Plusleitung 24 angeschlossen, während ihre Anode über einen Knotenpunkt 34 und einen Widerstand 35 an die Minusleitung 23 angeschlossen ist. Die Zenerdiode 33 dient als Referenzspannungsquelle; an ihren einen mit dem Knotenpunkt 34 verbundenen Pol ist die Leitung 36 angeschlossen, deren Potential im Betrieb somit stets im die Zenerspannung der Zenerdiode 33 negativer ist als das Potential der Plusleitung 24.

Zum Steuern des steuerbaren Halbleitergleichrichters 18, 19, 20 sind drei Sperrschwingoszillatoren 40, 41, 42 vorgesehen, die jeweils gleich aufgebaut sind, weshalb nur der Sperrschwingoszillator 40 ausführlich beschrieben wird, während die Oszillatoren 41 und 42 Bezugszeichen erhalten, die jeweils um 100 bzw. 200 gegenüber den entsprechenden Bezugszeichen des Oszillators 40 erhöht sind. Jeder dieser Sperrschwingoszillatoren wird während einer Periode der Ausgangsspannung des Generators 10 einmal eingeschaltet, und zwar abhängig von der Spannung zwischen der Minusleitung 23 und der Plusleitung 24 früher oder später, bezogen auf den Beginn dieser Periode. Ist die Spannung zwischen der Minusleitung 23 und der Plusleitung 24 hoch, so wird erst spät nach dem Periodenbeginn oder auch gar nicht eingeschaltet, ist sie dagegen gering, so werden die Sperrschwingoszillatoren schon bei Beginn der Periode ihrer Phasenspannung eingeschaltet. Hierfür ist als Schaltmittel ein Gleichstromverstärker 43 mit einem pnp-Eingangstransistor 44 und einen pnp-Transistor 45 vorgesehen.

Der Sperrschwingoszillator 40 weist einen npn-Transistor 48 auf, der gleichzeitig als Vergleicher dient. Der Emitter dieses Transistors ist direkt mit der Leitung 36 verbunden; sein Kollektor steht über einen Kollektorwiderstand 49 und eine Wicklung 50 eines mit zwei weiteren Wicklungen 51, 52 versehenen Übertragers 53 mit der Plusleitung 24 in Verbindung. Seine Basis ist mit dem einen Anschluß der Wicklung 51 verbunden, deren anderer Anschluß mit einem Knotenpunkt 54 verbunden ist, der über einen Widerstand 55 mit der Plusleitung 24 und über einen Widerstand 56 mit der Leitung 36 verbunden ist. Der Widerstand 55 kann z. B. einen Wert von 3,3 kOhm, der Widerstand 56 einen Wert von 1 kOhm haben. Außerdem ist der Knotenpunkt 54 über einen Widerstand 57 von beispielsweise 150 Ohm mit der Anode einer Diode 58 verbunden, deren Kathode an den Kollektor des Transistors 45 angeschlossen ist.

Weiterhin führt vom Knotenpunkt 54 ein Widerstand 59 (1 kOhm) zur einen Elektrode eines mit seiner Elektrode mit der Leitung 36 verbundenen Kondensators 62, wobei diese eine Elektrode gleichzeitig auch noch über einen Widerstand 63 (15 kOhm) mit dem Anschluß X der Ausgangswicklung 12 verbunden ist. Entsprechend ist beim Sperrschwingoszillator 41 ein Kondensator 162 vorgesehen, der über einen Widerstand 163 mit dem Anschluß Z der Ausgangswicklung 14 verbunden ist, und ebenso ist beim Sperrschwingoszillator 42 ein Kondensator 262 über einen Widerstand 263 mit dem Anschluß Y der Ausgangswicklung 13 verbunden. Der Knotenpunkt 154 ist über einen Widerstand 157 und eine Diode 158 mit dem Kollektor des Transistors 45 verbunden, und entsprechend ist beim Oszillator 42 der Knotenpunkt 254 über einen Widerstand 257 und eine Diode 258 mit dem Kollektor des Transistors 45 verbunden.

Der Kollektor des Transistors 45 liegt über einen Kollektorwiderstand 65 an der Minusleitung 23; sein Emitter ist direkt mit der Leitung 36 verbunden, und seine Basis ist direkt mit dem Kollektor des Eingangstransistors 44 und über einen Widerstand 66 mit der Leitung 36 verbunden. Der Emitter des Eingangstransistors 44 liegt direkt an der Leitung 36; sein Kollektor ist mit dem einen Belag eines Kondensators 67 sowie über einen Kollektorwiderstand 68 mit der

ίο Minusleitung 23 verbunden. Der andere Belag des Kondensators 67 ist an die Basis des Eingangstransistors 44 angeschlossen, die außerdem über einen Widerstand 69 mit der Leitung 36 in Verbindung steht und auch an einen Abgriff 72 eines Potentiometers 73 angeschlossen ist, dessen einer Anschluß über einen Widerstand 74 in der Plusleitung 24 und dessen anderer Anschluß über einen Widerstand 75 an der Minusleitung 23 liegt.

Es sei angenommen, daß zwischen der Plusleitung

ao 24 und der Minusleitung 23 eine Spannung U von 12,6 V liege und daß die Zenerdiode 33 eine Zenerspannung von 8 V habe. Nimmt man das Potential der Leitung 36 als Bezugspotential Null an, so hat die Plusleitung 24 demgegenüber ein Potential von

s5 + 8 V und die Minusleitung 23 ein Potential von etwa —4 V. Der Abgriff 72 des Potentiometers 73 ist dann so eingestellt, daß er das gleiche Potential wie die Leitung 36 hat, wenn die Spannung U zwischen Plusleitung 24 und Minusleitung 23 ihren Sollwert hat. Ist diese Bedingung erfüllt, so ist der Eingangstransistor 44 noch gesperrt, da kein Basisstrcm in ihm fließt. Als Folge davon kann dann über den Widerstand 68 und durch die Basis des Transistors 45 ein starker Basisstrom fließen, so daß im Transistor 45 auch ein starker Kollektorstrom fließt. Der Kollektor des Transistors 45 hat in diesem Fall etwa das Potential der Leitung 36, d. h., die Spannung u_R zwischen der Leitung 36 und dem Kollektor des Transistors 45 ist in diesem Falle nahezu gleich Null. Der Transistor 45 dient also als Phasenumkehrstufe.

Steigt die Spannung U zwischen der Minusleitung 23 und der Plusleitung 24 über ihren gewünschten Sollwert an, so erhält der Abgriff 72 ein gegenüber dem Potential der Leitung 36 negatives Potential, so daß der Eingangstransistor 44 leitend wird und die Spannung zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor von beispielsweise vorher 0,6 V auf jetzt 0,2 V sinkt. Entsprechend steigt auch die Spannung zwischen Emitter und Basis des Transistors 45, d. h., dieser Transistor führt nunmehr einen kleineren Kollektorstrom, so daß die Spannung u_R zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor zunimmt, und zwar um so mehr, je mehr die Spannung U über ihren Sollwert hinaus ansteigt.

Sinkt dagegen die Spannung U unter ihren Sollwert, so erhält der Abgriff 72 ein im Verhältnis zur Leitung 36 positives Potential, so daß der Eingangstransistor 44 gesperrt bleibt, während der Transistor 45 voll leitet und die Spannung u% gleich Null ist.

Der Gleichstromverstärker 43 liefert also eine der Abweichung der Generator-Ausgangsspannung vom gewünschten Sollwert etwa proportionale Spannung u".

Oszillographiert man die zwischen der Phase X der Ausgangswicklung 12 und einer der mit einem Ausgang des Mehrphasen-Brückengleichrichters 15 bis 20 verbundenen Leitungen 23 oder 36 liegende

Spannung, so erhält man die in F i g. 2 mit X bezeichnete Spannungsform, die wesentlich mehr einer Rechteckspannung angenähert ist als z. B. eine Sinusspannung. Diese Spannung hat außerdem während eines Drittels der Periodendauer den Wert Null. An diese Spannung ist über den als Ladewiderstand dienenden Widerstand 63 der Kondensator 62 angeschlossen. Solange diese mit X bezeichnete Spannung positiv ist, lädt sich der Kondensator 62 über den Ladewiderstand 63 auf, wobei sich ein ungefähr linearer Anstieg der mit χ bezeichneten Spannung am Kondensator 62 ergibt, der so lange andauert, bis die Spannung am Kondensator 62 gleich dem Augenblickswert der Spannung X ist. Während des darauffolgenden Teils der in F i g. 2 mit T bezeichneten Periodendauer kann sich der Kondensator 62 über die Widerstände 59 und 56 wieder auf die Spannung Null entladen. Danach wiederholt sich dieser Vorgang.

Wie man in F i g. 2 sieht, hat die mit χ bezeichnete Spannung am Kondensator 62 einen etwa sägezahnförmigen Verlauf. Die Ladezeitkonstante von Ladewiderstand 63 und Kondensator 62 ist im vorliegenden Fall, bei dem im Betrieb eine höchste Generatorfrequenz von 1000 Hz entsprechend einer kürzesten Periodendauer T von 1 msec zu erwarten ist, mit 2 msec gewählt (Widerstand 163 gleich 15kOhm, Kondensator 162 gleich 0,15 μΈ); die Entladezeitkonstante ist zu 0,3 msec gewählt (Widerstände 156 und 159 je gleich 1 kOhm), also kleiner als die kürzeste Periodendauer.

Die Basis des Transistors 48( und entsprechend der Transistoren 148 und 248) liegt über die Wicklung 51 am Knotenpunkt 54, der durch den Spannungsteiler 55, 56 gegenüber der Leitung 36 ein positives Potential hat, wenn am Ausgang des Gleichstromverstärkers 43 und am Kondensator 62 keine Spannung liegt. In diesem Fall schwingt der Sperrschwingoszillator, d. h., zunächst steigt sein Kollektorstrom an, wobei durch diesen Anstieg in der Wicklung 51 eine Spannung erzeugt wird, die die Basis des Transistors 48 noch positiver macht. Hat der Transistor 48 dann seinen maximalen Kollektorstrom erreicht, so wird keine weitere Spannung in der Wicklung 51 mehr induziert, so daß die Basis wieder negativer wird und der Kollektorstrom abnimmt, was eine Spannung umgekehrter Polarität in der Wicklung 51 induziert; diese Spannung ist nunmehr bestrebt, den Transistor 48 zu sperren. Dieses Spiel wiederholt sich laufend, wobei in der Wicklung 52 ebenfalls eine Spannung induziert wird, die den steuerbaren Halbleitergleichrichter 18 leitend steuert, wenn eine gegenüber seiner Kathode positive Spannung an seiner Anode liegt.

Ist die Spannung U zwischen der Minusleitung 23 und der Plusleitung 24 größer als der gewünschte Sollwert, so hat die Spannung u_R, wie beschrieben, einen Wert, der größer als Null ist. Dies ist in F i g. 3 dargestellt, wo mit 36 das Potential der Leitung 36 bezeichnet ist. Mit x' ist das Potential des Knotenpunkts 54, mit z' das Potential des Knotenpunkts 154 und mit y' das Potential des Knotenpunkts 254 bezeichnet. Diese Potentiale ergeben sich jeweils aus der Addition der Spannung u_R und der von den Phasen X, Y, Z abgeleiteten Sägezahnspannungen x, y, z, die jeweils einen gleichen Verlauf haben, jedoch gegeneinander jeweils um 120° C phasenverschoben sind.

Die Spannung u_R wird über den als Addierwiderstand dienenden Widerstand 57 dem Knotenpunkt 54 zugeführt, während die am Kondensator 62 liegende Sägezahnspannung χ über den als Addierwiderstand dienenden Widerstand 59 dem Knotenpunkt 54 zugeführt wird. Am Widerstand 56, der als Summenspannungsgeber dient, liegt die Summe der Spannungen (wfl+x), die in Fig. 1 und 3 mit w_ss bezeichnet ist. Sie ist gleich dem Potentialunterschied zwischen dem

ίο Potential 36 der Leitung 36 und dem Potential x' des Knotenpunkts 54 (bzw. des Potentials z' des Knotenpunkts 154 bzw. des Potentials y' des Knotenpunkts 254).

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Zustand der Schaltung, bei dem die Spannung U den Sollwert überschritten hat, ist zum Zeitpunkt ti, an dem die Phasenspannung X (vgl. untere Reihe von F i g. 3) positiv zu werden beginnt, das Potential x' des Knotenpunkts 54 negativer als das Potential der Leitung 36, so daß die Basis des Transistors 48 negativer ist als der Emitter dieses npn-Transistors; er ist also zunächst gesperrt, und zwar bis zum Zeitpunkt 12, an dem das Potential x' des Knotenpunkts 54 positiver zu werden beginnt als das Potential der Leitung 36. In diesem Augenblick wird die Basis des Transistors 48 positiver als sein Emitter, und er beginnt zu leiten, so daß ein Kollektorstrom fließt, der über die Wicklungen 50, 52 einen Spannungsstoß an der Steuerelektrode des steuerbaren Halbleitergleichrichters 18 bewirkt und diesen leitend macht. Der steuerbare Halbleitergleichrichter 18 wird dadurch sofort voll leitend, wie das in der unteren Reihe von F i g. 3 dargestellt ist, und führt so lange Strom, bis seine Anode negativer geworden ist als seine Kathode.

Der Sperrschwingoszillator 40 schwingt nur bis zum Zeitpunkt 13, in dem das Potential x^r wieder negativer wird als das Potential der Leitung 36.

Der entsprechende Vorgang wiederholt sich beim Sperrschwingoszillator 42. sobald das Potential y' am Knotenpunkt 254 positiver wird als das Potential der Leitung 36, wodurch der Oszillator 42 eingeschaltet wird und seinerseits in dem in Fi g. 3 mit i4 bezeichneten Zeitpunkt den steuerbaren Halbleitergleichrichter 20 einschaltet. Der entsprechende Vorgang wiederholt sich dann beim steuerbaren Halbleitergleichrichter 19, der durch den Sperrschwingoszillator 41 eingeschaltet wird.

Bei hohen Drehzahlen kann es vorkommen, daß infolge der Induktivität der Ausgangswicklungen 12 bis 14 ein hoher Strom durch einen der steuerbaren Halbleitergleichrichter 18, 19, 20 dann noch nicht auf Null gesunken ist, wenn die Spannung an seiner Anode bereits negativ gegenüber der Spannung an der Kathode geworden ist. Dies ist in F i g. 3 in der unteren Reihe durch die mit 76 bezeichnete, gestrichelte Kurve dargestellt. Bei der vorliegenden Schaltung kann dieser Effekt nicht störend wirken, da spätestens in dem in Fig. 3 mit tS bezeichneten Zeitpunkt, in dem der steuerbare Halbleitergleichrichter 18 leitend gesteuert wird, dieser den Strom vom steuerbaren Halbleitergleichrichter 19 (gestrichelte Kurve 76) übernimmt, so daß der steuerbare Halbleitergleichrichter 19 löscht.

Wird die Ausgangsspannung größer, so wird auch der Phasenwinkel immer größer, bei dem gezündet wird, so daß zum Schluß durch alle drei steuerbaren Halbleitergleichrichter nur mehr ein sehr kleiner Strom fließt, der auch bei hohen Drehzahlen mit

Sicherheit abgeschaltet werden kann, selbst wenn der nachfolgende steuerbare Halbleitergleichrichter diesen Strom nicht übernimmt. Hierdurch wird auf einfache Weise vermieden, daß ein steuerbarer Halbleitergleichrichter durchzündet und daß die Batterie überladen oder sogar zerstört wird.

Unter b) ist in F i g. 4 der Zustand dargestellt, bei dem die Spannung U unter ihren Sollwert gesunken ist. In diesem Falle wird die Spannung u_R zu Null, und die steuerbaren Halbleitergleichrichter 18, 19, 20 werden voll leitend, da die drei Oszillatoren 40,41,42 dann dauernd schwingen.

Das Relais 29 dient dazu, beim Anfahren den steuerbaren Halbleitergleichrichter 18 durch die Diode 30 zu überbrücken, so daß zwischen Plusleitung 24 und Minusleitung 23 zunächst eine pulsierende Gleichspannung entsteht, die ein Schwingen der Oszillatoren 40 bis 42 und damit ein Einschalten der steuerbaren Halbleitergleichrichter 18 bis 20 ermöglicht.

Sobald zwischen Plusleitung 24 und Minusleitung 23 eine Spannung liegt, die z. B. etwa lO°/o niedriger als der gewünschte Sollwert U ist, öffnet die Relaiswicklung 27 den Kontakt 28, so daß die Verbindung über die Diode 30 unterbrochen wird.

Falls es erwünscht ist, ohne Batterie 25 zu fahren, muß an ihrer Stelle ein größerer Kondensator von beispielsweise 4000 μΡ vorgesehen werden, damit Effektivwert der Spannung und arithmetischer Mittelwert der Spannung ungefähr gleich sind.

F i g. 5 zeigt die mit einem erfindungsgemäßen Regler erreichten Meßergebnisse: Die dargestellte Kurve gilt für alle Drehzahlen; wie man sieht, sind die Abweichungen der Ausgangsspannung vom gewünschten Sollwert, im vorliegenden Falle 14 V, sehr klein und liegen bei etwa 0,2 V.

F i g. 6 zeigt am Beispiel der Phase Y die Abhängigkeit der Sägezahnspannung y von der Frequenz. Links ist eine niedere Frequenz dargestellt, rechts die doppelte Frequenz, die bei einem Permanentmagnetgenerator jedenfalls im Leerlauf auch der doppelten Ausgangsspannung entspricht. In beiden Fällen wird der Kondensator 262 auf etwa die gleiche höchste Spannung u_max aufgeladen, da bei der höheren Frequenz infolge der nur halb so langen Ladezeit etwa die gleiche Endspannung erreicht wird. Durch die Ausnutzung dieses Effekts wird es möglich, mit einer so einfachen Schaltung auch bei einem mit stark wechselnden Drehzahlen angetriebenen Generator, wie z.B. einer Drehstromlichtmaschine in einem Fahrzeug, eine Phasenanschnittsteuerung aufzubauen. Dabei spielt, wie ersichtlich, die Drehnchtung auch bei einem Mehrphasengenerator keine Rolle, da die Gleichrichtung durch den Drehstrom-Brückengleichrichter 15 bis 20 unabhängig von der Drehrichtung ist und auch die Kurvenformen der Sägezahnspannungen x, y, ζ von der Drehrichtung völlig unabhängig sind. Ein Generator nach der Erfindung kann also sowohl für Links- wie auch für Rechtslauf verwendet werden.

Das gleiche gilt, wenn in Fig. 1 statt der RC-

Schaltung 62, 63 die in F i g. 7 dargestellte Schaltungsanordnung verwendet wird. Hier ist eine Induktivität 78 an die Phase X angeschlossen und in Serie mit einem Widerstand 79 geschaltet, der an die Leitung 36 angeschlossen wird. Der Verbindungspunkt von Induktivität 78 und Widerstand 79 ist durch den Widerstand 59 mit dem Knotenpunkt 54 verbunden.

Bei den beiden anderen Phasen ist in gleicher Weise verfahren.

Da der Strom durch die Induktivität 78 einen säge-

zahnartigen Verlauf hat, ist auch die Spannung u_R am Widerstand 79 sägezahnförmig und kann an Stelle der Spannung χ am Kondensator 62 verwendet werden.

Da die Sperrschwingoszillatoren 40,41,42 nur eine relativ geringe Leistung zu übertragen haben, genügen für die Übertrager 53,153, 253 sehr kleine Wicklungen, die ohne weiteres neben den elektronischen Bauelementen im Innern eines Generatorgehäuses Platz haben, auch wenn die Schaltungsanordnung nur in konventioneller Form mit gedruckten Schaltkreisen aufgebaut wird. Eine weitere Verkleinerung ergibt sich durch die Anwendung von integrierten Schaltungsanordnungen, wobei man gegebenenfalls an Stelle von Sperrschwingoszillatoren auch astabile Multivibratoren verwenden kann, die eine für die Zündung der steuerbaren Halbleitergleichrichter ausreichende Spannung liefern. Im letzteren Falle ergibt sich durch den Wegfall der Übertrager eine weitere Verkleinerung, da diese durch einen Kondensator ersetzt werden.

Die Dioden 58, 158 und 258 dienen dazu, die drei

Oszillatoren 40, 41, 42 gegeneinander zu entkoppeln, damit nicht irgendwelche Rückwirkungen von einem Oszillator auf den anderen erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, mit einem einzigen Gleichstromverstärker 43 auszukommen, während sonst für jeden der drei Oszillatoren ein eigener Gleichstromverstärker erforderlich wäre, was einen erhöhten Aufwand mit sich brächte.

Besonders wesentlich erscheint an der Erfindung, daß hier in sehr einfacher Weise das Problem gelöst ist, eine mit einfachen Mitteln arbeitende Phasenanschnittsteuerung für stark schwankende Frequenzen aufzubauen, die, wie die Ergebnisse zeigen, eine höchst befriedigende Regelung der Ausgangsspannung eines Permanentmagnetgenerators ermöglicht, und zwar auch eines Generators, dessen Ausgangswicklungen eine starke Induktivität aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (22)

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung zum Regeln der Ausgangsspannung eines durch Permanentmagnete, vorzugsweise Bariumoxydmagnete, erregten, mit wechselnden Drehzahlen antreibbaren mehrphasigen Wechselstrom-Generators, insbesondere einer permanentmagnetisch erregten Drehstromlichtmaschine für Fahrzeuge, mit wenigstens einem steuerbaren Halbleitergleichrichter je Phase zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Generators und zum Speisen eines Gleichstromnetzes und vorzugsweise einer Batterie, mit einem Oszillator, der in Abhängigkeit von der Spannung am Gleichstromnetz Steuerimpulse für den Steuerbaren Halbleitergleichrichter erzeugt, und mit Schaltmitteln, die den Oszillator in Phasenrelation zum Periodenbeginn der vom Generator erzeugten Wechselspannung ein- und ausschalten, dadurch gekennzeichnet, daß jedem steuerbaren Halbleitergleichrichter ein Oszillator (40, 41, 42) mit einem Vergleicher (48, 148, 248) zugeordnet ist und daß diesem Vergleicher einerseits jeweils eine Referenzspannung — Zenerdiode (33) — und andererseits jeweils eine Summenspannung (u_ss) zugeführt wird, welch letztere aus einer von der positiven Abweichung der Spannung ([/) am Gleichstromnetz (23, 24) vom gewünschten Sollwert etwa proportionalen Spannung (u_R) und einer von der dem betreffenden Oszillator (40, 41, 42) und dem von ihm gesteuerten Halbleitergleichrichter (18, 19, 20) zugeordneten Phase (X, Z, Y) abgeleiteten- Spannung (x, z, y) gebildet ist, so daß der Oszillator jeweils nur bei einer bestimmten Differenz zwischen dem Augenblickswert der Summenspannung (u_ss) und der Referenzspannung eingeschaltet ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Wechselspannung eine im wesentlichen sägezahnförmige Spannung (x, z, y) mit langsam ansteigender Vorderflanke und rasch abfallender Rückflanke abgeleitet ist, wobei die Vorderflanke zum Steuern des Vergleichers (48, 148, 248) und damit des Oszillators dient.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der sägezahnförmigen Spannung eine mit der Wechselspannung verbindbare ÄC-Schaltung (62, 63,162,163, 262, 263) vorgesehen ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ÄC-Schaltung einen Ladewiderstand (63, 163, 263) und einen ,mit einem Entladekreis (56, 59, 156, 159, 256, 259) versehenen Kondensator (62, 162, 262) aufweist.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die i?C-Schaltung einerseits an die zugeordnete Phase (X, Z, Y), andererseits über zwei Gleichrichter, vorzugsweise die Gleichrichter eines Mehrphasen-Brückengleichrichters (15 bis 20), dessen Bestandteil der steuerbare Halbleitergleichrichter (18 bis 20) ist, an den anderen Phasen des Generators (10) anschließbar ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der sägezahnförmigen Spannung eine mit der Wechselspannung verbindbare Serienschaltung einer Induktivität (78) und eines Widerstands (79) vorgesehen ist (Fig. 7).

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung aus Induktivität (78) und Widerstand (79) einerseits an die zugeordnete Phase (X) des Generators (10), andererseits über zwei Gleichrichter (16, 17), vorzugsweise Gleichrichter des Mehrphasen-Brückengleichrichters (15 bis 20), dessen Bestandteil die steuerbaren Halbleitergleichrichter (18 bis 20) sind, an die anderen Phasen (Z, Y) des Generators (10) anschließbar ist (F i g. 7).

8. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeitkonstante von Ladewiderstand (63) und Kondensator (62) bzw. von Induktivität (78) und Widerstand (79) in der Größenordnung der Periodendauer (T) der höchsten im Betrieb vorkommenden Generatorfrequenz liegt.

9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladezeitkonstante der RC-Schaltung (62, 56, 59) etwa 10 bis 50°/o der Ladezeitkonstanten beträgt.

10. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der von der positiven Abweichung (Überschreitung) der Spannung (U) am Gleichstromnetz (23, 24) vom Sollwert etwa proportionalen Spannung ein für alle Vergleicher (48, 148, 248) gemeinsamer Gleichstromverstärker (43) und ein diesem zugeordneter Referenzspannungsgeber (33) vorgesehen sind.

11. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Vergleicher (48, 148, 248) ein gemeinsamer Referenzspannungsgeber (33) vorgesehen ist.

12. Regeleinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den Gleichstromverstärker (43) und die Vergleicher (48, 148, 248) ein gemeinsamer Referenzspannungsgeber (33) vorgesehen ist.

13. Regeleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (36) mit einem ersten . Potential vorgesehen ist, das zwischen den Potentialen der beiden Pole (Minusleitung 23, Plusleitung 24) des Gleichstromnetzes liegt und sich von einem dieser beiden Potentiale um die konstante Spannung des Referenzspannungsgebers (33) unterscheidet, und daß die Vergleicher (48, 148, 248) zwischen dieser Leitung (36) mit dem ersten Potential und der diesem gegenüber eine konstante Spannungsdifferenz aufweisenden Plusleitung (24) des Gleichstromnetzes, der Gleichstromverstärker (43) dagegen zwischen dieser Leitung (36) und der Minusleitung (23) des Gleichstromnetzes angeschlossen ist.

14. Regeleinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicher (48, 148, 248) einerseits und der Gleichstromverstärker (43) andererseits zueinander komplementäre Transistoren aufweisen.

15. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren als Sperrschwingoszillatoren (40,

• 41, 42) ausgebildet sind, an deren Ausgängen die Steuerstrecken der ihnen zugeordneten steuerbaren Halbleitergleichrichter (18, 19, 20) angeschlossen sind.

16. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren als stabile Multivibratoren ausgebildet sind, an deren Ausgängen die Steuerstrecken der ihnen zugeordneten steuerbaren Halbleitergleichrichter (18, 19, 20) angeschlossen sind.

17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Vergleicher ein Transistor (48, 148, 248) ist, dessen eine Steuerelektrode mit dem einen Pol (Knotenpunkt 34) der Referenzspannungsquelle (33) verbunden ist und dessen andere Steuerelektrode mit einem Ausgang einer die Summenspannung (w_ss) abgebenden Quelle (56, 156, 256) verbunden ist, während der andere Ausgang dieser Quelle ebenfalls mit dem Knotenpunkt (34) verbunden ist.

18. Regeleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils als Vergleicher vorgesehene Transistor (48, 148, 248) gleichzeitig Bestandteil jeweils eines der zur

i) Steuerung eines der steuerbaren Halbleitergleichrichter (18, 19, 20) dienenden Oszillators ist.

19. Regeleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangstransistor (44) zum Erzeugen der von der positiven Abweichung (Überschreitung) der Spannung (£7) am Gleichstromnetz (23, 24) vom gewünschten Sollwert etwa proportionalen Spannung (α%) mit seiner einen Steuerelektrode ebenfalls an den Knotenpunkt (34) angeschlossen ist, während seine andere Steuerelektrode an ein der Ausgangsspannung (U) des Generators (10) proportionales Potential angeschlossen ist.

20. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige, zum .RC-Glied gehörige Kondensator (62, 162, 262) mit einem Anschluß ebenfalls mit dem Knotenpunkt (34) verbunden ist.

21. Regeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangstransistor (44) eine Phasenumkehrstufe — Tran-

^ sistor (45) — nachgeschaltet ist, an deren Ausgang die den einzelnen steuerbaren Halbleitergleichrichtern (18, 19, 20) zugeordneten Vergleicher (48, 148, 248), vorzugsweise über Gleichrichter (58, 158, 258), angeschlossen sind.

22. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens einem steuerbaren Halbleitergleichrichter (18) die Serienschaltung eines gleich wie dieser gepolten Gleichrichters (30) und des Öffnerkontaktes (28) eines Relais (29) liegt, welches an das Gleichstromnetz (23, 24) angeschlossen ist und welches oberhalb einer bestimmten Höhe der Spannung (£7) am Gleichstromnetz diesen Öffnerkontakt öffnet.