DE1538351C - Mit variabler Drehzahl antreib barer Drehstromgenerator - Google Patents

Description

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Strom, sondern die Batteriespannung verwendet wird. Hierdurch werden Überspannungen abgebaut, welche

Außerdem erlaubt diese Anordnung keine optimale beim Öffnen des Schaltschütz-Stromkreises auftreten

Ausnutzung der Stromversorgungsanlage, weil die können.

Überwachung der Batteriespannung kein Maßstab Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist

dafür ist, welche Leistung dem Generator im jeweili- 5 gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum kurz-

gen Betriebszustand entnommen werden kann. zeitigen Unterbrechen des Erregerstromes in der

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldwicklung des Generators im Augenblick des mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbaren Umschaltens von Stern- auf Dreieckschaltung, oder Drehstromgenerator, insbesondere für Fahrzeuge, zu umgekehrt. Dadurch geht der Umschaltvorgang schaffen, der — ohne Eingriffe in die schon be- ίο stromlos oder nahezu stromlos vor sich, und der stehende Anlage — mit einfachen Mitteln bei guter Umschalter kann kleiner bemessen werden. Das Ausnützung des aktiven Kupfers und Eisens bei nie- Steuergerät wird zweckmäßigerweise auf einen Stromdrigen Drehzahlen bereits einen ausreichenden Lade- wert eingestellt, der dem Schnittpunkt der Stromstrom für die nachschaltbare Batterie abgeben und kennlinien für Dreieck- und Sternbetrieb entspricht, gleichzeitig bei den normalen Betriebszahlen einen 15 An Hand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeigroßen Strom liefern kann. Diese Aufgabe erlangt spiel der Erfindung erläutert. Es zeigt
dann besondere Bedeutung, wenn bei einer vor- Fig. 1 die Schaltung eines Drehstromgenerators gegebenen Baugröße für den Generator die ent- mit einem Umschalter gemäß der Erfindung,
nehmbare Leistung erhöht werden soll. F i g. 2 und 3 Schaubilder zum Erläutern der Schal-

Die gestellte Aufgabe wird bei einem eingangs 20 tung nach Fig. 1.

erwähnten Drehstromgenerator erfindungsgemäß da- Tn F i g. 1 ist ein Drehstromgenerator 10 mit einer

durch gelöst, daß die andere Wicklungsschaltung eine aus drei Phasenwicklungen 11,12,13 bestehenden

Sternschaltung ist und daß der Umschalter von dem Ausgangswicklung und einer Feldwicklung 14 dar-

Steuergerät beim Überschreiten eines bestimmten gestellt. Die Anschlüsse der drei Phasenwicklungen

Laststroms betätigbar ist. 25 H₅12,13 sind in der üblichen Weise bezeichnet, und

Das die Umschaltung des Generators bewirkende zwar hat die Phasenwicklung 11 die Phasenanschlüsse Steuergerät wird so eingestellt, daß es in Ruhestel- U, X, die Phasenwicklung 12 die Phasenanschlüsse lung und bei niederen Drehzahlen die Ausgangs- V, Y und die Phasenwicklung 13 die Anschlüsse W, Z. wicklung im Stern schaltet, so daß diese bereits Die einzelnen Phasenwicklungen 11,12,13 sind einen ausreichenden Strom an die Batterie abgeben 30 über die Kontakte eines mit 15 bezeichneten Umkann. Nach dem Umschalten ist diese Wicklung schalters elektrisch miteinander verbunden. Dieser dagegen im Dreieck geschaltet und kann dann bei Umschalter hat einen Elektromagneten 16, der insden Betriebsdrehzahlen, für die der Generator aus- gesamt vier Umschaltkontakte 17,18,19, 20 betätigt, gelegt ist, einen etwa 75 °/o größeren Strom abgeben und zwar wird bei Betätigung des Elektromagneten als bei der Sternschaltung. Die Verwendung des Last- 35 16 zunächst der Umschaltkontakt 20 und erst dann stromes als Betriebsparameter zum Umschalten von die Umschaltkontakte 17 bis 19 in Bewegung gesetzt. Stern- auf Dreieckschaltung beim Überschreiten eines Der Phasenanschluß X ist mit dem Schaltarm des bestimmten Wertes desselben hat den Vorteil, daß Umschaltkontakts 19, der Phasenanschluß Y mit dem der Umschalter bei geringen Lastströmen, also im Schaltarm des Umschaltkontakts 18 und der Phasen-Leerlauf, überhaupt nicht betätigt wird und daher 40 anschluß Z mit dem Schaltarm des Umschaltkontakts einem geringen Verschleiß unterliegt. 17 fest verbunden. Diese Schaltarme sind in der

Zur Überwachung des Laststromes hat es sich als Ruhelage des Drehstromgenerators 10, also im

vorteilhaft erwiesen, das Steuergerät an den Ausgang spannungslosen Zustand des Elektromagneten 16, mit

eines im Stromkreis einer Generatorphase liegenden jeweils einem Kontakt α verbunden; die Kontakte α

Stromwandlers anzuschließen. Eine ebenfalls sehr 45 aller drei Umschaltkontakte 17,18,19 stehen mecha-

zweckmäßige Anschlußmöglichkeit für das Steuer- nisch miteinander in Verbindung,

gerät, die — allerdings auf Kosten zusätzlicher Wird der Elektromagnet 16 unter Strom gesetzt,

Verluste — einen geringeren Aufwand erfordert, liegt so schalten die Schaltarme jeweils auf einen Kon-

darin, das Steuergerät an einen Widerstand anzu- taktb. Beim Umschaltkontakt 19 ist dieser Kontakte

schließen, der in einem über einen Gleichrichter an 50 mit dem Anschluß V, beim Umschaltkontakt 18 mit

den Generator angeschlossenen Gleichstromkreis dem Anschluß W und beim Umschaltkontakt 17 mit

liegt. dem Anschluß U verbunden. Man sieht also, daß die

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der drei Phasenwicklungen 11, 12, 13 im Ruhestand

Generator mit Vorteil so ausgebildet, daß das Steuer- (Elektromagnet 16 stromlos) in Y geschaltet sind und

gerät einen Halbleiterschalter, insbesondere einen 55 daß diese drei Phasenwicklungen beim Anziehen des

Schalttransistor und einen spannungsabhängigen Elektromagneten 16 in Dreieckschaltung geschaltet

Widerstand mit nichtlinearer Charakteristik, ins- werden.

besondere eine Zenerdiode, enthält. Ein solches An die Phasenanschlüsse U, V, W ist ein mit 23

Gerät arbeitet sicher und erfordert nur wenig Platz, bezeichneter Drehstrom-Brücken-Gleichrichter angeso daß es direkt im Generator eingebaut werden 60 schlossen, der ein Gleichstromnetz speist, dessen

kann. Als Halbleiterschalter kann z. B. auch ein Pulsleitung mit 24 und dessen an Masse angeschlos-

Thyristor verwendet werden. · sene Minusleitung mit 25 bezeichnet sind. Außerdem

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist an die Phasenanschlüsse U, V, W jeweils die liegt ferner darin, den Umschalter als Schaltschütz Anode eines von drei Gleichrichtern 26 angeschlosauszubilden, wobei der Halbleiterschalter den Strom 65 sen, deren Kathoden zusammengeschaltet sind und in der Schützspule steuert, und parallel zur Schütz- an denen ein Gleichstrom zur Speisung der Feldspule eine Gleichrichterdiode anzuordnen, die ent- wicklung 14 abgenommen wird. Dieser Gleichstrom gegengesetzt gepolt ist wie der Halbleiterschalter. wird durch einen mit 27 bezeichneten Spannungs-

regler bekannter Bauart geregelt, so daß die Spannung zwischen den Leitungen 24 und 25 etwa konstant bleibt. Dieser Spannungsregler ist mit seinem einen Anschluß an die Gleichrichter 26 und mit seinem anderen Anschluß an die Feldwicklung 14 angeschlossen, deren anderer Anschluß seinerseits mit dem Schaltarm des Umschaltkontakts 20 verbunden ist; die beiden anderen Kontakte dieses Umschaltkontakts sind an Masse angeschlossen.

In der Leitung vom Phasenanschluß W zu den Gleichrichtern 23 und 26 ist die Primärspule eines Stromwandlers 28 eingeschaltet, an dessen Sekundärspule ein Brücken-Gleichrichter 29 angeschlossen ist. Der negative Gleichstromausgang dieses Gleichrichters 29 ist mit der Minusleitung 25 sowie mit dem Emitter eines npn-Transistors 32 verbunden. Der positive Ausgang dieses Gleichrichters 29 ist über einen Verbindungspunkt A mit der einen Elektrode eines Kondensators 33 und dem einen Anschluß eines Potentiometers 34 verbunden; der andere Anschluß dieses Potentiometers sowie die andere Elektrode des Kondensators 33 sind mit der Minusleitung 25 verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 34 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 35 verbunden, die in der vorliegenden Schaltung als spannungsabhängiger Widerstand dient. Die Anode dieser Zenerdiode ist an die Basis des Transistors 32 angeschlossen, dessen Kollektor mit dem einen Anschluß des Elektromagneten 16 und der Anode einer Gleichrichterdiode 36 verbunden ist. Der andere Anschluß des Elektromagneten 16 sowie die Kathode der Gleichrichterdiode 36 sind an die Plusleitung 24 angeschlossen.

Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Im Ruhezustand des Drehstromgenerators 10 und bei niedrigen Drehzahlen ist der Elektromagnet 16 stromlos, und die Umschaltkontakte 17, 18, 19 befinden sich in der dargestellten Lage, so daß die drei Phasenwicklungen 11, 12, 13 in Y geschaltet sind. Wenn nun der durch die Primärwicklung des Stromwandlers 28 fließende Laststrom einen bestimmten, am Abgriff des Potentiometers 34 einstellbaren Wert überschreitet, wird die Spannung am Ausgang des Gleichrichters 29 so groß, daß die Zenerdiode 35, die bei niedrigen Spannungen gesperrt war, zu leiten beginnt und ein Basisstrom im Transistor 32 fließt. Dadurch wird dieser Transistor leitend, und es fließt ein Strom von der Plusleitung 24 über den Elektromagneten 16, den Kollektor und den Emitter des Transistors 32 zur Minusleitung 25. Der Elektromagnet 16 wird also erregt und schaltet um. Dabei wird zunächst der Umschaltkontakt 20 betätigt und in seine Mittelstellung gebracht, in der er die Verbindung von der Feldwicklung 14 nach Masse unterbricht, so daß der Drehstromgenerator 10 entregt wird und seine Spannung absinkt. Daraufhin werden dann die Umschaltkontakte 17 bis 19 aus ihrer Stellung α in die Stellung b gebracht, und gleichzeitig wird auch der Umschaltkontakt 20 in seine obere Stellung gebracht, so daß die Feldwicklung 14 wieder erregt werden kann. Die Phasenwicklungen 11 bis 13 sind jetzt im Dreieck geschaltet, d. h., ihre Ausgangsspannung ist zunächst kleiner, jedoch können sie einen höheren Phasenstrom liefern. Mit Hilfe des Spannungsreglers 27 wird nun der Strom durch die Feldwicklung 14 so lange erhöht, bis zwischen den Leitungen 24 und 25 wieder die gewünschte Spannung liegt.

Der Kondensator 33 ist mit Vorteil so groß bemessen (z. B. 200 μΡ), daß während der Unterbrechung des Erregerstroms und dem nachfolgenden Absinken des Phasenstroms die Spannung zwischen dem Punkt A und der Minusleitung 25 nur wenig abnimmt, so daß der Schaltzustand des Transistors 32 erhalten bleibt, bis der Phasenstrom im Stromwandler 28 wieder seinen alten Wert erreicht hat.

Auch ist es in vorteilhafter Weise möglich, in Serie mit dem Widerstand 34 zwischen diesem und dem

ίο Punkte einen weiteren Widerstand zu schalten, der bei niedrigen Drehzahlen eingeschaltet ist, beim Umschalten des Umschalters 15 dagegen kurzgeschlossen wird. Man bekommt so eine Schalthysterese für den Transistor 34, d. h., dieser schaltet erst bei einem relativ großen Phasenstrom auf Dreieckschaltung um und erst bei einem kleineren Phasenstrom wieder auf Y-Schaltung zurück. Ebenso kann auch an Stelle des Schalttransistors 34 und der Zenerdiode 35 ein Schmitt-Trigger verwendet werden, bei dem die Schalthysterese eingestellt werden kann.

Wenn beim Stillstand des Fahrzeuges die Drehzahl des Drehstromgenerators 10 unter einen gewissen Wert absinkt, sinkt der Laststrom durch die Primärentwicklung des Stromwandlers 28 so stark ab, daß die Spannung am Gleichrichter 29 nicht mehr ausreicht, um die Zenerdiode 35 leitend zu halten. Der Transistor 32 wird also wieder gesperrt und der Strom durch den Elektromagneten 16 wird unterbrochen. Hierbei entsteht eine induktive Gegenspannung am Elektromagneten 16, die einen Strom durch die Gleichrichterdiode 36 verursacht und dadurch eine Beschädigung des Transistors 32 verhindert. Wenn dann der Elektromagnet 16 stromlos wird, öffnet sich zunächst der Umschaltkontakt 20, so daß wiederum die Feldwicklung 14 stromloswird und die Generatorausgangsspannung stark absinkt; sodann werden die Umschaltkontakte 17 bis 19 von ihrer Schaltstellung b in ihre Schaltstellung α zurückgebracht, wobei gleichzeitig auch der Umschaltkontakt 20 in seine untere Schaltstellung zurückkehrt. Die Phasenwicklungen 11 bis 13 sind dann wieder in Y geschaltet und können auch bei niedrigen Drehzahlen noch einen Strom abgeben, der z. B. zum Laden einer an die Leitungen 24, 25 angeschlossenen, nicht dargestellten Batterie ausreicht.

Die Verwendung eines Stromwandlers 28 ist vor allem bei größeren Drehstromlichtmaschinen angebracht, da die Verluste an einem solchen Stromwandler sehr gering sind. Bei kleineren Drehstromlichtmaschinen genügt es, in der Minusleitung 25 einen Widerstand 37 anzuordnen, der vom Laststrom durchflossen wird, und den mit A bezeichneten Punkt an der Stelle A' der Minusleitung 25 am Ausgang des Gleichrichters 23 anzuschließen. Die Arbeitsweise der Schaltung ist dann dieselbe, jedoch können Stromwandler 28 und Gleichrichter 29 entfallen. Durch den Spannungsabfall am Widerstand 37 ergeben sich jedoch Verluste, die vielfach nicht erwünscht sind.

In Fig. 2 ist der Phasenstrom des Drehstromgenerators 10 für verschiedene Schaltungsarten dargestellt. Mit 40 ist die Kurve bezeichnet, die den Phasenstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl für Y-Schaltung angibt. Mit 41 ist die Kurve bezeichnet, die den Phasenstrom als Funktion der Drehzahl für Dreieckschaltung angibt. Wie ersichtlich, ist bei Y-Schaltung der Phasenstrom im normalen Drehzahlbereich wesentlich niedriger als bei Dreieck-

schaltung. Durch die Erfindung ergibt sich die dick ausgezogene Stromkurve, die die Vorteile beider Schaltungsarten vereinigt.

In Fig. 3 sind die Wirkungsgradkurven42 (bei Y-Schaltung) und 43 (bei Dreieckschaltung) dargestellt. Wie man sieht, hat die Kurve 42 bei einer niederen Drehzahl n₂ ihr Maximum, während die

Kurve 43 bei einer höheren Drehzahl ihr Maximum hat, die etwa den Wertn₂ VS hat. Durch die Erfindung werden beide Wirkungsmaxima ausgenützt, was durch die dick ausgezogene Kurve dargestellt ist. Da also bei einer Einrichtung nach der Erfindung die Wärmeverluste wesentlich geringer sind, kann der Generator besser ausgenützt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 545/97

Claims (7)

1 2 schalters von einer Dreieckschaltung auf eine andere Patentansprüche: Wicklungsschaltung umschaltbar ist, der — vorzugsweise über einen Gleichrichter — ein Verbraucher,

1. Mit variabler Drehzahl antreibbarer Dreh- insbesondere eine Batterie, nachschaltbar ist.
stromgenerator, insbesondere Drehstromlicht- 5 Aus der französischen Patentschrift 1263 308 ist maschine für Fahrzeuge, mit einer dreiphasigen eine solche Lichtmaschine mit einer Vorrichtung Ausgangswicklung, die mit Hilfe eines von einem zur Spannungsregelung bekannt; bei der in die zu Steuergerät betätigbaren Umschalters von einer ladende Batterie eine Membran eingelassen ist. Beim Dreieckschaltung auf eine andere Wicklungs- Erreichen der Gasungsspannung drückt die Membran schaltung umschaltbar ist, der — vorzugsweise io gegen einen Schalter, der Schalter betätigt ein Relais, über einen Gleichrichter — ein Verbraucher, und das Relais schaltet die Ständerwicklung der insbesondere eine Batterie, nachschaltbar ist, Lichtmaschine aus der Dreieckschaltung in eine gekennzeichnet dadurch, daß die an- Einphasenschaltung um. Diese bekannte Vorrichtung dere Wicklungsschaltung eine Sternschaltung ist hat den Nachteil, daß sie nicht ohne eine Spezial- und daß der Umschalter (15) von dem Steuer- 15 batterie auskommt und daß die Umschaltvorrichtung gerät (32 bis 35) beim Überschreiten eines be- störanfällig ist.

stimmten Laststroms betätigbar ist. Bei der Konstruktion und Auslegung von Dreh-

2. Drehstromgenerator nach Anspruch 1, da-, .Stromlichtmaschinen für Fahrzeuge werden verschiedurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (32 dene Forderungen gestellt, die sich teilweise widerbis 35) an den Ausgang eines im Stromkreis 20 sprechen. Eine solche Lichtmaschine soll schon bei einer Generatorphase liegenden Stromwandlers niedrigen Drehzahlen (Stadtverkehr) einen Strom (28) angeschlossen ist. abgeben, der genügend groß ist, um eine Batterie zu

3. Drehstromgenerator nach Anspruch 1, da- laden. Diese Forderung erfüllt am besten eine durch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (32 Y-geschaltete Drehstromlichtmaschine. Eine solche bis 35) an einen Widerstand (37) angeschlossen 25 Lichtmaschine soll aber auch bei ihrer normalen ist, der in einem über einen Gleichrichter (23) Betriebsdrehzahl einen möglichst hohen Strom an den Generator (10) angeschlossenen Gleich- abgeben. Diese Forderung erfüllt am besten eine im Stromkreis (24, 25) liegt. Dreieck geschaltete Drehstromlichtmaschine. Weiter-

4. Drehstromgenerator nach einem der An- hin soll eine solche Lichtmaschine möglichst klein spräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das 30 sein, damit sie leicht im Motorraum eines Kraftfahr-Steuergerät (32 bis 35) einen Halbleiterschalter, zeuges oder am Fahrgestell eines Eisenbahnwaggons insbesondere einen Schalttransistor (32), und untergebracht werden kann. Hierfür ist ein guter einen spannungsabhängigen Widerstand mit nicht- Wirkungsgrad bei möglichst allen im Betrieb vorlinearer Charakteristik, insbesondere eine Zener- kommenden Drehzahlen erforderlich, damit trotz der diode (35), enthält. 35 kleinen Baugröße die Temperatur nicht zu hoch

5. Drehstromgenerator nach Anspruch 4, da- ansteigt. Dieser Forderung widerspricht die Tatdurch gekennzeichnet, daß der Umschalter als sache, daß Y-geschultete Drehstromlichtmaschinen Schaltschütz (15) ausgebildet ist, wobei der Halb- das Maximum ihres Wirkungsgrades im unteren leiterschalter (32) den Strom in der Schützspule Drehzahlbereich, im Dreieck geschaltete dagegen im (16) steuert, und daß parallel zur Schützspule 40 oberen Drehzahlbereich haben.

eine Gleichrichterdiode (36) angeordnet ist, die Mit den bekannten Drehstromlichtmaschinen sind

entgegengesetzt gepolt ist wie der Halbleiter- also bei Konstruktion und Auslegung immer nur

schalter (32). Kompromisse möglich: Entweder man erhält bereits

6. Drehstromgenerator nach einem der An- bei-niedrigen Drehzahlen einen Strom, der groß Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 45 genug ist, um eine Batterie zu laden, hat aber dann das Steuergerät (32 bis 35) auf einen Stromwert bei den normalen Betriebsdrehzahlen nur einen vereingestellt ist, der dem Schnittpunkt der Strom- hältnismäßig niedrigen Strom zur Verfügung, oder kennlinie (40, 41) für Dreieck- und Sternbetrieb man verzichtet auf die Batterieladung bei niedrigen entspricht, und daß es so ausgebildet ist, daß der Drehzahlen und kann dann bei den höheren Betriebs-Umschalter (15) bei diesem Stromwert umge- 50 drehzahlen einen großen Strom entnehmen.

steuert wird. Bei einem in Stern geschalteten Drehstrom-

7. Drehstromgenerator nach einem der An- generator der obengenannten Art (deutsche Auslegesprüche 1 bis 6, mit einer Feldwicklung, der über schrift 1 128 006) ist es bekannt, die Ausgangseinen Spannungsregler ein Erregerstrom züge- . spannung sowohl in Abhängigkeit von der Höhe der führt wird, gekennzeichnet durch eine Einrich- 55 vom Generator gelieferten Spannung als auch in tung (20) zum kurzzeitigen Unterbrechen des Abhängigkeit vom Laststrom zu regeln. Die dort Erregerstroms im Augenblick des Umschaltens getroffenen Maßnahmen betreffen jedoch ausschließvon Stern- auf Dreieckschaltung, oder umgekehrt. Hch den Spannungsregler, während auf den Generator selbst kein Einfluß genommen wird.

60 Weiterhin ist es bekannt (britische Patentschrift

634 247), die beiden Wicklungshälften eines Wechselstromgenerators in Abhängigkeit von der Höhe der Batteriespannung in Serien- oder Parallelschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit variabler zu schalten, um einen höheren Ladestrom zu erzielen

Drehzahl antreibbaren Drehstromgenerator, insbe- 65 bzw. um den Ladestrom zu drosseln. Eine derartige

sondere eine Drehstromlichtmaschine für Fahrzeuge, Anordnung hat den Nachteil, daß der Generator

mit einer dreiphasigen Ausgangswicklung, die mit leicht überlastet oder gar zerstört werden kann, da

Hilfe eines von einem Steuergerät betätigbaren Um- als Regelgröße nicht der vom Generator gelieferte