DE2439459C3

DE2439459C3 - Stromversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE2439459C3
Application number: DE2439459A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Tokio Kimura; Kazufumi Machida Tokio Obara; Minoru Yokohama Kanagawa Tashiro
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1973-08-17
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1978-09-07
Also published as: CA1017405A; DE2439459B2; US4028611A; DE2439459A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit einem permanent erregten Wechselstrom-Generator zum Speisen der Verbraucher und gegebenenfalls einer Pufferbatterie über einen Halbweggleichrichter und mit einer Regeleinrichtung für konstante Spannung, die einen — im Vergleich zum Halbweggleichrichter entgegengesetzt gepolten — Thyristor aufweist, dessen Steuerelektrode über einen Hilfssteuergleichrichter und eine dazu in Reihe liegende Zenerdiode an den Generator-Ausgang angeschlossen ist, welche Zenerdiode durch eine Verzögerungseinrichtung überbrückt ist

Eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der US-PS 37 45 442 bekannt bei der jedoch keine Laständerung berücksichtigt wird. Infolgedessen läßt sich die Generatorspannung nicht auf einen stabilisierten Wert regeln.

Bei einer anderen bekannten Schaltung (Motorola Zenerdiode Handbook, Mai 1967, Seite 8-8) wird ein Thyristor durch die Ausgangsspannung eines Vollweggleichrichter gesteuert, ohne daß eine Stabilisierung der Ausgangsspannung möglich ist, solange eine zugeordnete Batterie nicht zugeschaltet ist Bei einer anderen bekannten Schaltung (GB-PS 11 88 293) wird zur Steuerung der Ladung einer Batterie die Ausgangsspannung eines Wechselstromgenerators stabilisiert, indem der Ladestrom auf einen bestimmten Wert begrenzt wird. Bei einer weiteren Schaltung (NTZ 1957, Seite 197) erfolgt die Stabilisierung einer Gleichspannung bei großen Lastschwankungen, wobei jedoch

Änderungen der Eingangsspannung nicht kompensiert werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung zu schaffen, die eine Stabilisierung der Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators unabhängig von Laständerungen sicherstellt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung liegt der Thyristor parallel zur Ankerwicklung des Wechselstrom-Generators, wodurch sich eine kontinuierliche Regelung auch der nicht direkt geregelten Halbwelle der Batteriespeisung erreichen läßt.

Somit wird diejenige Halbwelle überwacht, während deren Auftreten keine Batterieladung erfolgt. Die Spannungsstabilisierung wird durch eine Phasenregelung des Thyristors ausgeführt, so daß der Stromflußwinkel des Thyristors abhängig von der Ladegeschwindigkeit eines Kondensators geändert wird. Bei der Spannungsstabilisierung werden sowohl Änderungen der Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators infolge schwankender Drehzahl als auch Änderungen der Widerstände der Verbraucher berücksichtigt. Durch die Phasenregelung ist es weiterhin möglich, den Effektivwert der Spannung auf der Wechselspannungsseite zu regeln.

Bei der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung wird durch die Erfassung des Spannungsmittelwertes auch die nicht direkt geregelte, die Batterieladung bewirkende Halbwelle mitgeregelt so daß der Ladestrom größer wird, wenn die Batterie in starkem Maß entladen ist, während der Ladestrom reduziert wird, wenn die Batterie geladen oder nahezu geladen ist.

Darüber hinaus lassen sich auch Schwankungen der Ausgangsspannung vermeiden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

hs Fig. 1 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. I gezeigten Stromversor-

gungseinrichtung,

Fig.3 und 4 graphische Darstellungen der Spanni.ngskenn!inien für die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform,

F i g. 5 das Schaltbild einer abgewandelten Stromversorgungseinrichtung,

Fig.6 die Schaltung einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung und

F i g. 7 eine graphische Darstellung für die Spannungskennlinie der Ausführungsform nach F i g. 6.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Stromversorgungseinrichtung liegt der Anker Xa eines permanenterregten Wechselstrom-Generators in Serie mit einem Gleichrichter 2 und einer Batterie 3. Die Ankerwicklung Xa ist außerdem über einen Schalter 4 parallel zu Lastwiderständen 5 und 6 geschaltet. Die Lastwiderstände können Lampen oder dergleichen sein, die durch die Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators gespeist werden; dabei wird angenommen, daß der Lastwiderstand 5 einen großen Stromverbraucher darstellt, während der Lastwiderstand 6 ein kleiner Stromverbraucher ist.

Mit X ist eine Einrichtung zur Spannungsstabilisierung bezeichnet, die einen Thyristor 7 aufweist, der parallel zur Ankerwicklung Xa liegt. Die Polung dieses Thyristors 7 ist derart gewählt, daß die Kathode über den Gleichrichter 2 mit der Batterie 3 verbunden ist

Eine Gleichrichter-Brückenschaltung 8 besteht beispielsweise aus vier Dioden, wobei der Eingang dieser Brückenschaltung mit der Ankerwicklung Xa verbunden ist. Diese Gleichrichter-Brückenschaltung bildet einen Vollweggleichrichter und bewirkt eine Vollweggleichrichtung der Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators 1. Zwischen den Ausgängen des Vollweggleichrichters 8 liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 9, einer Zenerdiode 10 und einem Widerstand 11. Parallel zum Widerstand 9 liegt ein Kondensator 12; eine Seite des Kondensators 12 (positive Seite) ist mit dem Emitter eines Schalttransistors 13 verbunden. Der Kollektor des Schalttransistors 13 liegt über eine Sperrdiode 14 an der Steuerelektrode des Thyristors 7 an. Mit der beschriebenen Schaltung wird die Ausgangsspannung des Vollweggleichrichters 8 mit einer Sollwertspannung verglichen, die von der Zenerdiode 10 erzeugt wird. Zur Phasensteuerung des Thyristors 7 wird über dessen Steuerelektrode und den Schalttransistor 13 ein Triggersignal entsprechend der Ladungsänderung des Kondensators 12 zugeführt, die aufgrund einer sich aus dem Vergleich ergebenden Überspannung erhalten wird.

Im Betrieb wird der Lastwiderstand 5 über den Schalter 4 zugeschaltet; wenn auch die Batterie 3 angeschlossen ist, gelangt die Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators 1 über den Schalter 4 ζ j dem Lastwiderstand 5 und lädt nach Gleichrichtung durch den Gleichrichter 2 die Batterie 3 auf. Die Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators 1 wird durch den Vollweggleichrichter 8 gleichgerichtet. Die am Vollweggleichrichter 8 liegende Spannung gelangt zur Zenerdiode 10 über die Widerstände 9 und 11 und wird mit der von der Zenerdiode 10 erzeugten Sollwertspannung verglichen. Übersteigt der Wert der auf diese Weise erzeugten Gleichspannung die Sollwertspannung der Zenerdiode 10, wird der Kondensator 12 mit einer Geschwindigkeit geladen, die dem Wert der Spannungsdifferenz entspricht, so daß der Schalttransistor 13 leitend wird und ein Trigger-Signal an die Steuerelektrode des Thyristors 7 angelegt wird, infolgedessen dieser Thyristor 7 leitend wird. F i g. 2 veranschaulicht den Signal verlauf in diesem Betriebszustand. Wenn sich die Polarität am Ausgang des Generators 1 umkehrt, nachdem der Thyristor 7 in den Leitzustand geschaltet wurde, wird zum Zeitpunkt b\ (Fig. 1) der Thyristor 7 gesperrt; gleichzeitig liegt an dem Lastwiderstand 5 und der Batterie 3 eine Spannung an.

Wenn sich die Lastbedingung ändert, beispielsweise durch Umschalten auf den kleineren Lastwiderstand 6, erhöht sich die Ausgangsspannung des Generators, so daß sich zu der Sollwertspannung eine höhere Differenz ergibt Damit wird die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 12 erhöht, und das TriggersignEil am Thyristor 7 vergrößert den Stromflußwinkel φ, ά. h, der

Leitzustand beginnt am Punkt b\ (Fig.2). Über den Thyrislor 7 wird demzufolge eine Phasenregelung des Effektivwerts der Ausgangsspannung des Generators 1 ausgeführt. Der Zeitpunkt der Regelung wird durch die jeweilige Ladebedingung der Batterie 3 verschoben. Ist die Batterie 3 nicht angeschlossen und sind demnach die Lastkreise offen, dann entspricht die Ausgangsspannung des Generators 1 auf der positiven Seite ( + ) einer Sinuswelle, die in Fig.2 gestrichelt eingetragen ist. Da der Spannungsverlauf dieser Halbwelle mit dem Ausgangssignal des Vollweggleichrichters 8 auftritt, wird das Triggersignal derart zugeführt, daß die Ladung des Kondensators 12 eine Abweichung gegenüber dem Sollwert ist, die einem größeren Stromflußwinkel des Thyristors 7 entspricht. Es wird also ein größerer Teil der Spannung abgeschnitten, der in dem Halbwellen-Zyklus der nicht geregelten Seite auftritt, so daß die Last jeweils mit dem gewünschten Effektivwert gespeist wird.

Die Ankerwicklung Xa wird über den Thyristor 7 direkt kurzgeschlossen, wodurch die Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators gesteuert wird; infolgedessen ergibt sich unter dem Einfluß einer elektromotorischen Gegenkraft aufgrund des Kurzschlußstroms in der Ankerwicklung Xa eine kontinuierliehe Regelung auch beim Anstieg der anderen Halbwelle, die nicht direkt überwacht wird. Der Einfluß dieser kontinuierlichen Regelung ist um so größer, je größer der Stromflußwinkel φ am Thyristor 7 wird. Dies bedeutet, daß der Einfluß groß ist bei einer großen Differenz zwischen der Ausgangswechselspannung und der Sollwertspannung. Da auch die geregelte Variable groß wird, ergibt sich für die nicht direkt überwachte Halbwelle, während deren Phase die Batterie 3 geladen wird, eine entsprechende Regelung. Dieses Betriebsverhalten ist in Fig. 2dargestellt.

Es wird angenommen, daß der Schalter 4 geöffnet ist und durch die Lastwiderstände 5,6 kein Strom fließt. Bei einem niedrigen Spannungspegel (Spannung Vb) der Batterie 3 ergibt sich eine Wellenform, entsprechend den Punkten

O— a\ — ao— bo—c— eo—go— h.

Da der Stromflußwinkel φ₀ des Thyristors 7 klein ist, wird die Batterie 3 ohne Beeinflussung durch die kontinuierliche Regelung vollgeladen. Wenn der Spannungspegel der Batterie 3 größer ist (Vb), entspricht die Wellenform dem Kurvenverlauf

O ai-bi-bo-c-d_i-ei-e_o-f\-g\-go--k

μ und die kontinuierliche Regelung ist bemerkbar, da der Stromflußwinkel o?i am Thyristor 7 groß ist, d. h. dem Abstand b\ — c entspricht. Wird angenommen, daß die Ausgangsspannung des Generators 1 durch eine höhere

Drehzahl erhöht wird, wird der Stromflußwinkel (ψ2) größer und entspricht somit dem Abstand bi — c, wenn sich die Spannung von V, auf Vi ändert. Damit wird auch der Einfluß der kontinuierlichen Regelung groß, und gleichzeitig wird die Ladespannung der Batterie 3 indirekt geregelt.

F i g. 3 zeigt die Spannungskennlinie für die Lastspannung (VL) über der Drehzahl (R) für die Lastwiderstände 5 und 6 in F i g. 1, wobei die gepunktete Linie den Fall ohne Spannungsregelung verdeutlicht. Fig.4 zeigt die Ladekennlinie für die in F i g. 1 gezeigte Batterie 3. F i g. 4 gibt die Beziehung zwischen Drehzahl (R), Ladestrom (IB)und Ladespannung (VB)an, wobei durch die gepunkteten Linien der Fall ohne Spannungsregelung verdeutlicht ist. Aus beiden Kennliniendarstellungen läßt sich ersehen, daß die Spannungsregelung des Effektivwerts an den Wechselstromlasten präzis ausgeführt wird und daß außerdem eine Regelung des Ladestroms und der Spannung für die Batterie 3 auf der Gleichstrom-Ausgangsseite erfolgt.

In F i g. 1 ist der Fall gezeigt, daß die Batterie 3 auf der ( —)-Seite an Masse liegt. Die Batterie kann jedoch auch an der ( + )-Seite an Masse liegen. In diesem Fall liegt der Gleichrichter 2 auf der (— )-Seite der Batterie 3, wie Fig.5 zeigt. Der Emitter des Schalttransistors 13 kann auch über einen geeigneten Serienwiderstand an den Kondensator 12 angeschlossen sein. Die Betriebsweise ist ähnlich der beschriebenen Ausführungsform.

Bei der in F i g. 6 gezeigten Ausführungsform ist die Einheit zur Spannungsstabiiisierung mit ygekennzeichnet. Diese Einheit ist mit einer Schaltung verbunden, bei der ein Lastwiderstand 22 über einen Schalter 21 an einen Wechselstrom-Generator 20 mit Permanentmagnetfeld angeschlossen ist, der eine Ankerwicklung 20a aufweist. Die Schaltung enthält einen Thyristor 23, der parallel zur Ankerwicklung 20a liegt. Zur Umwandlung des durch den Generator 20 erzeugten Wechselstrom-Regelsignals in Gleichstrom ist ein Vollweggleichrichter

24 vorgesehen. Ein Detektor 25 erzeugt ein Spannungssignal, das der Differenz zwischen der gleichgerichteten Spannung und einer Sollwertspannung entspricht, wenn die Ausgangs-Wechselspannung beim Vergleich der gleichgerichteten Gleichspannung mit der Sollwertspannung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Zur Verstärkung des erzeugten Spannungssignals ist ein Schalttransistor 26 vorgesehen, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode des Thyristors 23 verbunden ist.

Auch bei dieser Ausführungsform besteht der Vollweggleichrichter 24 aus vier in Brückenschaltung liegenden Dioden. Eine Reihenschaltung, die den Detektor 25 für die Sollwert- oder Bezugsspannung sowie eine Sperr-Diode Di umfaßt, ist mit dem Ausgang des Vollweggleichrichters 24 verbunden. Der Detektor

25 enthält einen Widerstand A₁, eine Zenerdiode ZD_x und einen veränderlichen Widerstand VR. Mit den beiden Enden des Widerstands R\ ist der Emitter-Basis-Kreis des Schalttransistors 26 verbunden. Ein Kondensator Ci dient zur Glättung der anliegenden Spannung. Der den Ausgang des verstärkenden Schalttransistors 26 bildende Kollektor ist mit der Steuerelektrode des Thyristors 23 unter Zwischenschaltung eines Widerstands /?2 und einer Diode L\ verbunden, die eine inverse Spannung von der Steuerelektrode sperrt. Die Verbindung zwischen der Diode L\ und der Steuerelektrode des Thyristors ist über einen Widerstand /?s an Masse gelegt. Als Schutz gegen zu hohe Umkehr- oder Sperrspannungen zwischen Emitter und Kollektor des Schalttransistors 26 kann eine zweite Zenerdiode ZDz oder ein anderes Element für eine konstante Spannung vorgesehen sein. Außerdem kann parallel zu dem Thyristor 23 ein Kondensator Ci geschaltet sein, der als Schutz gegen Stoßspannungen vom Generator 1 dient. Im folgenden ist die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Die durch den Generator 20 erzeugte Wechselspannung wird über den Vollweggleichrichter 24 in eine Gleichspannung gleichgerichtet. Diese Gleichspannung wird im Detektor 25 mit der Sollwertspannung verglichen; wenn die Sollwertspannung überschritten wird, gelangt das Differenzsignal nach Verstärkung durch den Schalttransistor 26 auf die Steuerelektrode des Thyristors 23. Es erfolgt also eine Phasenregelung zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung. Im Detektor 25 wird eine Gleichspannung erzeugt. Es wird die Spannungsdifferenz durch die Zenerdiode ZDi festgestellt, und der Schalttransistor liefert ein verstärktes Regelsignal. 1st die Ausgangsspannung des Generators 1 normal, so entspricht das Basispotential am Schalttransistor 26 im wesentlichen dem Emitterpotential, da die Gleichspannung kleiner als die Zenerspannung ist und der Steuerelektrode des Thyristors 23 kein Signal zugeführt wird. Erhöht sich die Drehzahl des Generators 20, dann steigt die Ausgangsspannung über einen vorgegebenen Spannungspegel Vs; damit erhöht sich auch die gleichgerichtete Spannung so weit, daß die Zenerdiode ZDi leitend wird. Damit liegt die Durchlaßspannung an den Klemmen des Widerstands R\ an, d. h. zwischen Emitter und Basis des Schalttransistors 26, der damit leitend wird. Der Steuerelektrode des Thyristors 23 wird ein Triggersignal zugeführt, und es erfolgt eine Spannungsregelung.

Bei der in F i g. 6 gezeigten Schaltung wird die von der Drehzahl R des Generators 20 abhängige effektive Lastspannung VL normalerweise unter einem vorgegebenen Spannungspegel Vs gehalten, was sich aus der graphischen Darstellung von F i g. 7 ersehen läßt, da die Kurven a bis d, die die effektive Lastspannung ir Abhängigkeit von verschiedenen Lasten zeigen, ar einem Punkt abgeschnitten werden, der auf einen bestimmten Spannungspegel Vs liegt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit einem permanent erregten Wechselstrom-Generator zum Speisen der Verbraucher und gegebenenfalls einer Pufferbatterie über einen Halbweggleichrichter und mit einer Regeleinrichtung für konstante Spannung, die einen — im Vergleich zum Halbweggleichrichter entgegengesetzt gepolten — Thyristor aufweist, dessen Steuerelektrode über einen Hilfssteuergleichrichter und eine dazu in Reihe liegende Zenerdiode an den Generator-Ausgang angeschlossen ist, welche Zenerdiode durch eine Verzögerungseinrichtung überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdiode (10; ZOi) so ausgelegt ist, daß sie als Sollwertgeber für die Generatorspannung dient daß zwischen der Zenerdiode (10; ZD\) und dem Thyristor (7; 23) ein Schalttransistor (13; 26) als Verstärker vorgesehen ist und daß der Steuergleichrichter ein Vollweggleichrichter ist.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zenerdiode (10; ZD) und dem einen Ausgang des Vollweggleichrichters (8; 24) ein Widerstand (11; VA; liegt.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollweggleichrichter (8; 24) ein Brücken-Gleichrichter ist.

4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit der Kathode der Zenerdiode (10; ZDi) verbundenen Basis und dem Emitter des Schalttransistors (13; 26) die Verzögerungsschaltung (9,12; Ru Ci) vorgesehen ist.

5. Stromversorgungseinrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des Schalttransistors (13; 26) und der Steuerelektrode des Thyristors (7; 23) eine einen Stromfluß von letzterem zum Kollektor des Schalttransistors verhindernde Diode (14; D₂) angeordnet ist.

6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zenerdiode (ZD\) und dem Vollweg-Gleichrichter (24) eine Serienschaltung aus einem variablen Widerstand (VR) und einer Diode (D\) liegt.

7. Stromversorgungseinrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor und Emitter des Schalttransistors (26) eine weitere Zenerdiode (ZD₂) vorgesehen ist.

8. Stromversorgungseinrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Thyristor (23) ein Kondensator (C₂) geschaltet ist.