DE1811965A1 - Stromversorgungseinrichtung - Google Patents
StromversorgungseinrichtungInfo
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Description
R. 9323
25.11.1968 Rb/Sz
25.11.1968 Rb/Sz
Anlage zur
Patentanmeldung
Patentanmeldung
R OBERT B OSO H GMBH, Stuttgart V, Breitscheidstr.
Stromversorgungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit einem Mehrphasengenerator, der eine Webenschluß-Erregerwicklung
aufweist und mit einem Spannungsregler- zum Steuern des Stromes in dieser Erregerwicklung. Derartige Stromversorgungs
einrichtungen werden wegen ihres geringen Vartungsbedarfs und
ihrer hohen spezifischen Leistung bei Fahrzeugen verwendet, z. B. bei Eisenbahnwaggons.
Die meisten Fahrzeuge haben ein Niederspannungs-Bordnetz, gewöhnlich
mit einer Spannung von 12 oder 24 V. Für bestimmte Zwecke werden jedoch gelegentlich auch höhere Spannungen gewünscht,
z. B. in Schnellzugwaggons für den Betrieb von elektrischen Rasierapparaten oder bei Speisewagen für die Kücheneinr'Lchtung.
Solche Spannungen liegen meist zwischen 110 und 220 T/.
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Der Strom für die Erregerwicklung eines hierbei verwendeten Generators
wird meist dem Generator selbst entnommen und der Erregerwicklung über einen Spannungsregler zugeführt. Es hat sich
nun gezeigt, daß bei niedrigen Spannungen (z. B. 12 oder 24 V) die Regler sehr einfach und preiswert gebaut werden können,
nicht jedoch bei den angeführten höheren Spannungen, oder auch bei sehr niedrigen Spannungen. Insbesondere gilt dies für Halbleiter-Spannungsregler
mit Transistoren, denn die für höhere Spannungen erforderlichen spannungsfesten Transistoren verteuern
den Regler sehr stark. Außerdem würden derartige Regler Sonderanfertigungen
darstellen und deshalb wesentlich teurer sein.
Bei Stromversorgungsanlagen mit stark schwankender elektrischer
Belastung tritt ein weiteres Problem hinzu: Wird zur Spannungsregelung ein Regler für hohe Spannungen verwendet, so ist dieser
Regler bei schlagartigem Abschalten einer Last sehr stark gefährdet,
da hierbei die Ausgangsspannung des Mehrphasengenerators
bis auf das Sechsfache ihres normalen Werts ansteigen kann. Man muß dann alle elektrischen Bauelemente des Reglers und des
Generators für diese höhere Spannung bemessen, sofern man nicht eine Batterie zur Stabilisierung dieser höheren Spannung vorsieht,
was aber sehr erhebliche Kosten verursachen würde.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die angeführten Nachteile zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird dies bei einer
eingangs genannten Stromversorgungseinrichtung dadurch erreicht,
daß im Mehrphasengenerator zwei für verschiedene Ausgangsspannungen ausgelegte Ausgangswicklungen vorgesehen sind, von denen
die erste zur Stromversorgung des Spannungsreglers und der Erregerwicklung und die zweite zur Stromversorgung eines ent™,
sprechenden Verbrauchers vorgesehen ist» Man kann dann für den Verbraucher eine Ausgangswicklung mit entsprechend höherer oder
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niedrigerer Spannung verwenden, während man für den Spannungsregler
eine Spannung zur Verfügung hat, die diesem optimal angepaßt ist und die auch eine optimale Dimensionierung der Erregerwicklung
ermöglicht. Die Regelung der Ausgangsspannung der ersten Ausgangswicklung bewirkt gleichzeitig auch, daß die Ausgangsspannung
der zweiten Ausgangswicklung auf den erforderlichen, ungefähr konstanten Wert geregelt wird.
Dabei wird der Generator mit Vorteil so ausgebildet, daß der ™
Spannungsregler zusätzlich an eine Batterie anschließbar ist, deren Spannung im Betrieb etwa gleich hoch ist wie die Betriebsspannung
am Ausgang des Mehrphasen-Brückengleichrichters. Der Mehrphasengenerator liefert dann im normalen Betrieb praktisch
keinen Strom in diese Batterie, da ihre Spannung über den Regler auch auf die am Mehrphasengenerator eingeregelte Spannung
einwirkt. Wird aber eine von der zweiten Ausgangswicklung gespeiste Last abgeschaltet, wodurch an sich die Ausgangsspannung
des Mehrphasengenerators sehr stark ansteigen würde, so wird dieser Spannungsanstieg dadurch verhindert, daß der Strom zur
Batterie nun stark zunimmt, d. h. die im Mehrphasengenerator kurzzeitig freiwerdende elektrische Energie wird sofort von M
der Batterie aufgenommen. Dadurch erhöht sich die Spannung am Spannungsregler nur wenig, und auch die Spannung an der zweiten
Ausgangswicklung steigt - entsprechend dem Übersetzungsverhältnis
zwischen der ersten und der zweiten Ausgangswicklung, die miteinander durch das Eisen des Generators transformatorisch
gekoppelt sind - nur geringfügig an. Auch an der zweiten Ausgangswicklung kann al'5ο die Spannung keine unzulässig hohen
Werte annehmen.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Stromversorgungseinrichtung, und zwar einen Mehrphasengenerator 10 zusammen mit einem Halbleiter-Spannungsregler 11,
zwei Verbrauchern 12, 13 in Form von Boilern zur Herstellung von Heißwasser und einer Fahrzeugbatterie 14. Der Generator 10 ist
hier als Drehstromgenerator ausgebildet und weist eine erste im Stern (Y) geschaltete Ausgangswicklung 15 und eine zweite,
ebenfalls im Stern (Y) geschaltete Ausgangswicklung 16 auf,
tk ferner eine Erregerwicklung 17, die im Betrieb in bekannter
Weise relativ zu den Ausgangswicklungen 15, 16 gedreht wird
und dabei in diesen Wechselspannungen induziert.
Die erste Ausgangswicklung 15 ist an einen Dreiphasen-Brückengleichrichter
18 angeschlossen', dessen Ausgangs-Gleichspannung im Betrieb zur Stromversorgung des Reglers 11 und der Erregerwicklung
17 dient. Sein negativer Ausgang ist über eine Sicherung
19 (z. B. 10 A bei einer Leistung des Generators 10 von
4 kW) mit einer Minusleitung 22 des Reglers 11 verbunden, während sein positiver Ausgang mit einer Plusleitung 23 des Reglers
11 in Verbindung steht. Außerdem ist dieser positive Ausgang über die Serienschaltung zweier Dioden 24, 25 mit einem
W Punkt 26 des Reglers 11 und über diesen Punkt 26 mit dem Pluspol der Batterie 14 sowie - über einen Widerstand 27 - mit der
PlusMtung 23 verbunden; der Minuspol der Batterie 14 ist mit
der Minusleitung 22 verbunden. Wie ersichtlich kann über die Halbleiterdioden 24, 25 erst dann ein Strom vom Generator 10
zur Batterie 14 fließen, wenn die Ausgangsspannung am Gleichrichter
18 mindestens 1,5 V höher ist als die Spannung an der Batterie 14, d. h. wenn die Batterie 14 stark entladen ist.
Wenn die Batterie 14 sehr stark entladen ist** über die Dioden 24, 25 ein hoher Ladestrom fließen würde, der die erste
Ausgangswicklung 15 überlastet, schmilzt die Sicherung 19
durch und unterbricht eine weitere Ladung. Die Erregerwick- *■>
z. B. durch Ausfall des Generators 30, so daß "
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lung 17 erhält dann keinen ausreichenden Erregerstrom mehr und
die Spannung des Mehrphasengenerators 10 sinkt auf einen ungefährlichen Wert ab. Eine gewisse restliche Erregung ist dadurch
gegeben, daß in der Erregerwicklung 17 für die Anfahrerregung
ein Permanentmagnet vorgesehen ist.
Die Batterie 14 ist über zwei Leitungen 28, 29 an einen zweiten
Generator 30 angeschlossen, dessen Ausgangsspannung von einem
nur schematisch angedeuteten Transistor-Spannungsregler 31 auf a
einen bestimmten Wert geregelt wird, z. B. 27,5 Volt.
Die zweite Aüsgangswicklung 16 ist an einen zweiten Dreiphasen-Brückengleichrichter
32 angeschlossen, an dessen Ausgang der erste Boiler 12 über einen Thermostatschalter 33 und der zweite
Boiler 13 über einen Thermostatschalter 34 anschließbar sind.
Die Thermostatschalter öffnen in bekannter Weise, wenn das Wasser im zugeordneten Boiler eine vorbestimmte Temperatur
erreicht hat. Entsprechend der Betriebsspannung der Boiler liefert die Ausgangswicklung 16 im Betrieb eine Spannung von
ca. 110 V, die Ausgangswicklung 15 dagegen eine Spannung von
ca. 28 V. Die Batterie 14 hat eine Spannung von ca. 27,5 V".
Der Aufbau des Halbleiter-Spannungsreglers 11 ist an sich bekannt
und wird deshalb nur kurz beschrieben. Er enthält drei pnp-Transistoren, nämlich einen Eingangstransistor 35» einen
Leistungstransistor 36 und einen mit letzterem in Darlington-Schaltung
verbundenen Treibertransistor 37· Die Emitter der beiden Transistoren 35 und 36 sind jeweils mit der Plusleitung
23 verbunden. Der Kollektor des Transistors 36 ist mit dem einen Anschluß der mit ihrem anderen Anschluß an die Minusleitung
22 angeschlossenen Erregerwicklung 17 verbunden, zu der drei Dioden 38 in der Weise parallelgeschaltet sind,
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daß ihre Kathoden mit der Minusleitung 22 verbunden sind. Diese drei Dioden 38 dienen in bekannter Weise als sogenannte Leerlaufdioden
(freewheeling-diodes) für die Erregerwicklung 17·
Der Kollektor des Transistors 36 ist mit dem Kollektor des Transistors
37» seine Basis mit dem Emitter des Transistors 37 und
der Kaidiode einer-Diode 39 verbunden, deren Anode an die Basis _ des Transistors 371 die eine Elektrode eines Kondensators 42
™ und die Anode einer Diode 43 angeschlossen ist, deren Kathode
über die Serienschaltung von zwei weiteren, gleich gepolten Dioden 44, 45 mit dem'Kollektor des Transistors 55 undäer™
anderen Elektrode des Kondensators 42 verbunden ist. Der Kollektor
des Transistors 35 ist über einen Widerstand 46 mit der Minusleitung 22 verbunden, während seine Basis über die Serienschaltung
eines Kondensators 47 und eines Widerstands 48 mit den Kollektoren der Transistoren 36 und 37* über einen Widerstand
49 mit der Plusleitung 23 und direkt mit der Kathode einer Zenerdiode 52 verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode 52 ist
über einen Kondensator 53 mit der Plusleitung 23 sowie direkt
mit einem Abgriff 54 eines vier in Serie zwischen die Leitungen
22, 23 geschaltete Widerstände 55, 56, 57, 58 aufweisenden Spannungsteilers verbunden, zu dessen Widerstand 55 ein Thermistor
59 parallelgeschaltet ist.
Zwischen die Leitungen 22 und 23 ist ferner ein Kondensator zum Unterdrücken von Spannungsspitzen geschaltet.. Ferner liegt
ein Kondensator 63 zwischen der Minusleitung 22 und dem Punkt Parallel zum Widerstand 27 kann eine strichpunktiert angedeutete
Ladeanzeigelampe 64 geschaltet werden, die erlöscht, sobald der Generator 10 in der Lage ist, Leistung abzugeben.
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Der zweite Generator 30 ist als Drehstromgenerator ausgebildet
und weist ebenfalls eine im Stern (Y) geschaltete Ausgangswicklung
67 auf, an die ein Drehstrom-Brückengleichrichter 58 angeschlossen
ist, der über die Leitungen 28, 29 die Batterie 14 speist, ferner drei Dioden 69 zur Stromversorgung des Spannungsreglers
31 und der Erregerwicklung 70 des Generators 30. Der Spannungsregler 31 ist nur schematisch angedeutet; er kann
gleich aufgebaut sein wie der Spannungsregler 11 und enthält wie dieser einen pnp-Leistungstransistor 71» eine Freilaufdiode
72 sowie einen Eingangs-Spannungsteiler 73» der zwischen
den gemeinsamen Ausgang der drei Dioden 69 und die Leitung 28 geschaltet ist, ebenso wie die Serienschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 71 i& Serie mit der Parallelschaltung
von Erregerwicklung 70 und Freilaufdiode 72.
Der Mehrphasengenerator 10 und der zweite Generator 30 sind
am gleichen Fahrzeug angeordnet, z. B. an der vorderen und an der hinteren Achse eines Eisenbahnwaggons. Sie arbeiten also
synchron, d. h. beide Generatoren sind gleichzeitig in Ruhe bzw. arbeiten gleichzeitig.
Die beschriebene.Stromversorgungseinrichtung arbeitet wie folgt:
Beim Anfahren, also wenn sich das Fahrzeug in Bewegung setzt, erreicht zuerst der zweite Generator 30 seine Betriebsspannung,
so daß die Batterie 14 eine etwa konstante Spannung von ca.
27,5 V aufweist. Diese Spannung wird vom Regler 31 geregelt.
Dabei fließt ein Strom von der Batterie 14 über den Widerstand 27 zu den Leitungen 22 und 23 und über den beim Anfahren
leitenden Transistor 36 zur Erregerwicklung 17, so daß in den
Ausgangswicklungen 15 und 16 ebenfalls Ausgangsspannungen induziert
werden und der Generator 10 ebenfalls seine Nennspannung erreicht. Im normalen Betrieb, d. h. bei normalem Arbeiten
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beider Generatoren 10 und 30, wird die Spannung zwischen den Leitungen 22 und 23 so eingeregelt, daß sie nur geringfügig
höher ist als die Spannung an der Batterie 14, z. B. um 0,5 V höher. Dies wird dadurch erreicht, daß man dem Regler 11 eine
nachgiebige Spannungskennlinie .gibt, so daß er im wesentlichen der Spannung der Batterie 14 folgt. Der Regler 11 arbeitet in
der Weise, daß beim Erreichen einer bestimmten Spannung zwischen den Leitungen 22 und 23 die Zenerdiode 52 und mit ihr
der Transistor 35 leitend werden, so daß der Kollektor dieses Transistors etwa das Potential der Plusleitung 23 erhält und
diebeiden Transistoren 37 und 36 (letzterer über-, die Diode 39)
ein gegenüber ihrem Emitter positives Basispotential erhalten, so daß sie sperren. Dadurch wird der Strom zur Erregerwicklung
17 unterbrochen und fließt nun, exponentiell abklingend, über die Dioden 38 weiter. Hierdurch nimmt die in den Wicklungen 15,
16 induzierte Ausgangsspannung wieder ab. Gleichzeitig erhält
durch das negativer gewordene Kollektorpotential der Transistoren 36, 37 die Basis des Transitors 35 über die R-C-Serienschaltung
43, 47 einen zusätzlichen Basisstromstoß, der die Sperrung der beiden Transistoren 36 und 37 beschleunigt, d. h.
der Regler 11 wirkt als sogenannter Kxppverstarker.
Ist die Spannung zwischen den Leitungen 22 und 23 wieder so
weit abgesunken, daß die Zenerdiode 52 nichtleitend wird, so
sperrt auch der Transistor 35 wieder und die Transistoren 36, 37 "werden'"wieder leitend, so daß die Spannung wieder ansteigen
kann. Dieser Vorgang des Ein- und Ausschaltens wiederholt.j5:Lc.h
ständig, z. B. 50 ... lOOmal in der Sekunde, wodurch die Spannung
zwischen den Leitungen 22 und 23 sehr genau auf einem vorgegebenen Wert, z. B. 28 V, gehalten wird.Hierdurch wird auch
gleichzeitig indirekt die Spannung an der Ausgangswicklung 16
konstantgehalten, da die Wicklungen 15 und 16 induktiv sehr eng miteinander gekoppelt sind.
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Wenn man nun annimmt, daß die beiden Boiler 12, 13 mit einer
Leistung von Jeweils 2 kW zunächst im Betrieb waren und nun
plötzlich gleichzeitig durch ihre Thermostatschalter geöffnet werden, so erkennt man, daß hierdurch an sich die Ausgangsspannung
sowohl der Wicklung 15 wie der Wicklung 16 sehr stark ansteigen würde, z. B. auf den sechsfachen Wert. Dies wird aber
dadurch verhindert, daß in diesem Fall über die vorher gesperrten Dioden 24, 25 ein Strom vom Generator 10 zur Batterie 14
fließt, so daß die Spannung an der ersten Ausgangswicklung nur geringfügig ansteigt. Da die zweite Ausgangswicklung 16 mit
der ersten Ausgangswicklung 15 eng transformatorisch gekoppelt ist, steigt auch die Spannung an der zweiten Ausgangswicklung
in diesem Pail nur geringfügig an. Der Gleichrichtersatz 32
braucht also nicht für die sechsfache Überspannung bemessen zu werden, sondern z. B. nur für das Doppelte der normalen Betriebsspannung.
Sollte der zweite Generator 30 ausfallen, so sinkt die Spannung
der Batterie 14 durch Entladung auf z. B. 24 V ab. Der nunmehr von der ersten Ausgangswicklung 15 zur Batterie 14 fließende
starke Ladestrom bringt wie bereits beschrieben die Sicherung zum Durchschmelzen und schaltet dadurch auch den ersten Generator
10 ab, ohne daß dieser der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt wird. Nach der Reparatur des zweiten Generators 10 kann
diese Sicherung bequem wieder eingesetzt werden, so daß dann beide Generatoren 10 und 30 wieder normal arbeiten.
Die Erfindung ermöglicht es also, bei einem Fahrzeug unter Ausnutzung
der bereits vorhandenen Elemente, nämlich Batterie und zugeordnetem Ladegenerator, eine Stromversorgungseinrichtung
für höhere Spannungen zu schaffen, bei der auch die plötzliche
Abschaltung einer hohen Last nur geringe Spannungsspitzen be-
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wirkt und bei der konventionelle Regler vom Niederspannungstyp
verwendet werden können, die preiswert und in hoher Qualität zur Verfügung stehen. Gegenüber bekannten Stromversorgungseinrichtungen
ergibt sich auch dadurch eine wesentliche Ersparnis,
daß die Gleichrichtersätze 18, 32 und 68 in den Generatoren angeordnet
sind und durch deren Kühlluft mitgekühlt werden, so daß die Kühlkörper dieser Gleichrichter und die Gleichrichter selbst
relativ klein bemessen werden können. Die Stromversorgungsanlage nach der Erfindung hat deshalb im Vergleich zu bisher bekannten
Stromvers orgungs anlagen gleicher leistung einen wesentlich geringeren
Platzbedarf-* .«:....--
009 824/1059
Claims (1)
- Robert Bosch GmbH E. 9323 Rb/SzStuttgartAnsprüche1. Stromversorgungseinrichtung mit einem Mehrphasengenerator, der eine Nebenschluß-Erregerwicklung aufweist und mit einem Spannungsregler zum Steuern des Stromes in dieser Erregerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß im Mehrphasengenerator (10) zwei für verschiedene Ausgangsspannungen ausgelegte Ausgangswicklungen (15, "16) vorgesehen sind, von denen die erste (15) zur Stromversorgung des Spannungsreglers (11) und der Erregerwicklung (17) und die zweite (16) zur Stromversorgung eines entsprechenden Verbrauchers (12, 13) vorgesehen ist.2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste für die Stromversorgung des Spannungsreglers (11) und der Erregerwicklung (1?) vorgesehene Ausgangswicklung (15) im Betrieb eine niedrigere Ausgangsspannung aufweist als die zweite Ausgangswicklung (16).5- Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (11) als Halbleiter-Spannungsregler ausgebildet und über einen Mehrphasen-Brükkengleichrichter (18) an die erste Ausgangswicklung (15) anschließbar ist.- 12 009824/ 1059Robert Bosch GmbH R. 9325 Rb/SzStuttgart4·. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (11) zusätzlich an eine Batterie (14) anschließbar ist, deren Spannung im Betrieb etwa gleich hoch ist wie die Betriebsspannung am Ausgang des Mehrphasen-Brückengleichrichters (18).£ 5· Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß zum Speisen der Batterie (14) ein zweiter Generator (30) vorgesehen ist, der im Betrieb synchron mit dem Mehrphasengenerator (10) angetrieben wird.6. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Generator (30) so ausgebildet ist, daß er beim Anlauf vor dem Mehrphasengenerator (10) aeine Betriebsspannung erreicht.fe 7· Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (11) übereinen Widerstand (27) an die Batterie (14) anschließbar ist.8. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zum Widerstand (27) wenigstens eine Halbleiterdiode (24, 25) parallelgeschaltet ist, die für einen von der Batterie (14) zum Spannungsregler (11) fließenden Strom in Sperrichtung gepolt ist.- 13 009824/1Q59Robert Bosch GmbH R. 9323 Rb/SzStuttgart9. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (14) über eine Sicherung (19) mit dem Ausgang des Mehrphasen-Brückengleichrichters (18) verbindbar ist.10. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Widerstand (27) eine Ladeanzeigelampe (64) anschließbar ist.009824/1059Leerseite
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FR (1) | FR2024611A1 (de) |
GB (1) | GB1288587A (de) |
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---|---|---|---|---|
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EP0426345A2 (de) * | 1989-11-02 | 1991-05-08 | Hitachi, Ltd. | Generatorsystem |
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- 1968-11-30 DE DE19681811965 patent/DE1811965A1/de active Pending
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- 1969-11-28 GB GB1288587D patent/GB1288587A/en not_active Expired
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