DE3041201A1

DE3041201A1 - Verfahren und vorrichtung zur besseren ausnutzung der stromabgabe, insbesondere von drehstormgeneratoren bei kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3041201A1
Application number: DE19803041201
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Gretsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1982-06-09
Also published as: GB2086675A; GB2086675B; US4419618A

Description

Dipl. Ing. Peter Ott· ₇₀₃₃ „_{errenb (Kupplngen)}

Patentanwalt ^ _Eif.i,tr.0.₇

Telefon (070 32)319 99

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Firma ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Verfahren und Vorrichtung zur besseren Ausnutzung der Stromabgabe Insbesondere von Drehstromgeneratoren bei Kraftfahrzeugen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur besseren Ausnutzung der Stromabgabe von elektrischen Generatoren, insbesondere von Drehstromgeneratoren für die Bordnetzversorgung von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen u. dgl. nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, Stromgeneratoren, vorzugsweise Drehstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen o. dgl. trotz der an sie gestellten hohen Anforderungen durch Regelung des ihnen zugeführten Erregerstroms so zu beeinflussen, daß die Generatorausgangsspannung auf einem im wesentli-

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chen konstanten gewünschten Niveau gehalten wird. Dabei wird der Erregerstrom und damit das Erregerfeld im Läufer des Generators in Abhängigkeit von der im Generator erzeugten Spannung so gesteuert, daß trotz erheblich veränderlicher Drehzahl zwischen Leerlauf und Vollast und trotz erheblicher Belastungsschwankungen des Generators die Generatorkleinmenspannung bis zum Maximalstrom konstant bleibt. Als Regler sind bekannt die mechanischen Einkontakt- oder Mehrkontakt-Regler; üblicherweise werden nunmehr hauptsächlich elektronische Transistorregler eingesetzt, die durch periodisches Schwächen des Erregerstroms, üblicherweise periodisches Ein- und Ausschalten die Generatorspannung regeln, da die in diesem erzeugte Spannung dem Produkt aus Drehzahl und Erregerstrom im wesentlichen verhältnisgleich ist.

Probleme ergeben sich in diesem Zusammenhang etwa auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugelektrik im Winter oder im Stadtverkehr; beispielsweise nimmt bei Kälte der Innenwiderstand der Batterie erheblich zu, so daß deren Kaltstartleistung stark absinkt und Batterieladeprobleme resultieren, insbesondere bei niedertourigen Drehzahlen. Die bisher bekannten Maßnahmen stellen einen Kompromiß dar zwischen den Anforderungen an eine ausreichende Batterieladung einerseits und der Rücksichtnahme auf solche Verbraucher des Bordnetzes, die spannungsempfindlich sind und eine Erhöhung der Ladespannung zumindest nicht ohne weiteres zulassen.

Nachteilig ist bei den bekannten Drehstromgeneratoren die ungünstige Energiebilanz sowie deren knappe Leistungsreserve im Stadtverkehr, wobei aber von der Bauart einer

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gegebenen Drehstrom-Lichtmaschine durchaus eine höhere Energieausbeute möglich wäre.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Vorrichtungsanspruchs haben demgegenüber den Vorteil, daß eine Erhöhung der Ausnutzung von Drehstrom-Lichtmaschinen im unteren und oberen Drehzahlbereich, d.h. praktisch im gesamten ausnutzbaren Drehzahlbereich und insbesondere zur Verbesserung der Batterieladebilanz möglich ist. Die Erfindung sichert einen deutlichen Energiebilanzvorteil und erhöht drastisch die Leistungsreserve von Drehstromgeneratoren, was sich insbesondere im Stadtverkehr, aber auch bei höheren Drehzahlen und unter starker Belastung, etwa im Winter bei Einschaltung vieler Stromverbraucher günstig bemerkbar macht. Trotzdem ist es nicht erforderlich, zu Drehstromgeneratoren mit generell höherer Leistungsabgabe aufgrund ihrer Konstruktionsdaten selbst überzugehen, sondern der Erfindung gslingt die überraschende Erhöhung der Leistungsausbeute bei Generatoren mit vorgegebenen Daten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.Besonders vorteilhaft ist die Zuordnung von Spartransformatoren zu jeder Phase des Drehstromgenerators, die über mehrere Anzapfungen verfügen, die über drehzahlabhängig gesteuerte Schalter mit weiterführenden

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Leitungen verbunden sind. Durch das hierdurch erzielte variable übersetzungsverhältnis gelingt es, den der Generatorseite zugewandten virtuellen Lastwiderstand an die drehzahlabhängige Generator-Innenimpedanz anzupassen. Dabei kann die drehzahlabhängige Umschaltung zwischen den Transformatoranzapfungen auf der Transformator-Sekundärseite oder auf der Transformator-Primärseite erfolgen, wobei in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die selektiv angesteuerten Schalter gleichzeitig auch Bestandteile des Gleichrichtersystems sein können, welches vorgesehen ist, um den vom elektrischen Generator abgegebenen Wechselstrom oder Drehstrom auf das Gleichstrom-Bordnetz zu geben.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erste Ausführungsform vorliegender Erfindung, bei der die drei Phasen des Drehstromgenerators über steuerbare Wechselstromschalter primärseitig auf die Transformatormittel in Volloder Sparschaltung gegeben werden, Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes die für die selektive Ansteuerung der Schalter verantwortliche Steuerlogik und Fig. 3 in Form von drei Kurvenverläufen den von dem Drehstromgenerator abgegebenen Strom über der Drehzahl, wenn drehzahlabhängig zwischen den verschiedenen Transformatorstufen geschaltet wird, die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Blockschaltung zur zweistufigen Lastanpassung und die Fig. 5 zeigt den Kur-

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venverlauf des von dem Drehstromgenerator abgegebenen Stroms Über dem Drehzahlverhältnis bei der zweistufigen Lastanpassung nach Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht im wesentlichen darin, die Stromabgabe von elektrischen Generatoren, vorzugsweise von Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge bei gegebenen Grunddaten des Drehstromgenerators und ohne diesen selbst zu ändern,dadurch drastisch zu erhöhen, daß der Lastwiderstand, also das Bordnetz eingeschlossen die Batterie des Bordnetzes an die sich mit der Drehzahl ändernde Generator-Innenimpedanz angepaßt wird. Hierzu werden Transformatormittel eingesetzt, die über Schalter auf die mindestens eine, üblicherweise aber drei Phasen des Drehstromgenerators arbeiten, wobei die Schalter vorzugsweise ständig angeschaltet, in ihrer Schalterfunktion aber selektiv derart angesteuert werden, daß für bestimmte Anzapfungen der Transformatormittel stets die gleichen Schalter eine dann dauernd leitende Verbindung in Abhängigkeit zur Drehstromgeneratordrehzahl herstellen.

Grundsätzlich ist es möglich und liegt innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, die Transformatormittel als ein- oder mehrphasige Transformatoren in Voll- oder Sparschaltung in mehreren Anzapfungen auszubilden und die Schalter auf deren Primär- oder Sekundärseite anzuordnen, wobei im Falle der Anordnung auf der Sekundärseite die Schalter auch gleich als Gleichrichtmittel für das Gleich-

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strombordnetz eingesetzt werden können.

Werden die Schalter den Transformatormitteln primärseitig zugeordnet, dann sind sie vorzugsweise als Wechselstromschalter ausgebildet, leiten also in beiden Richtungen und können, wenn elektronische Halbleiterschalter eingesetzt werden, sogenannte Triacs sein. Sekundärseitig lassen sich als selektiv ansteuerbare, elektronische Schalter Thyristoren einsetzen, die in einer Stromrichtung jeweils sperren und dadurch gleichzeitig auch die Halbleiterschaltelemente für die Gleichrichtung des Generator-Drehstroms in den Gleichstrom des Bordnetzes darstellen. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf einen Drehstromgenerator für die Versorgung von Bordnetzen bei Kraftfahrzeugen, wobei als Schalter elektronische Halbleiterschalter in Form von Thyristoren oder Triacs eingesetzt werden. Es versteht sich aber, daß die Erfindung auch auf Generatoren sonstiger Art, Einphasengeneratoren o. dgl. anwendbar ist und für die Anschaltung der Transformatormittel auch andere Schalter eingesetzt werden können, vorausgesetzt, daß sie die im folgenden noch zu beschreibende Funktion ebenfalls erfüllen können.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der elektrische Generator ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge und mit dem Bezugszeichen 1 versehen; die drei Phasenwicklungen s, t und r sind in Sternschaltung angeordnet; die zugehörige Erregerwicklung ist mit 2 bezeichnet. Zur Regelung der Generatorspannung innerhalb jeder Schaltstufe kann ein üblicher Feldstromregler 3 Verwendung finden; auf eine bevorzugte Ausgestaltung eines

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solchen Feldstroinreglers wird weiter unten noch eingegangen. Das in Fig. 1 gezeigte Gleichrichtersystem 4 umfaßt in an sich bekannter Weise jeweils drei Plusdioden 4a und drei Minusdioden 4b sowie bei diesem Ausführungsbeispiel drei gesonderte Erregerdioden 5, die an der Drehstromgeneratorklemme D+ die dem Regler 3 zuzuführende Erregerspannung erzeugen. Zwischen den Klemmenanschluß D+ und der positiven Stromschiene B+ des Bordnetzes ist über den Zündschalter 6 die Ladekontrollleuchte 7 geschaltet. Die Batterie ist mit 8 bezeichnet.

Zwischen die Drehstromklemmen R, S und T des Drehstromgenerators und, im allgemeinsten Fall, den aus B+ und D- gebildeten Bordnetzanschlüssen sind Transformatormittel 9 geschaltet, denen selektiv ansteuerbare Schalter zugeordnet sind, die mit ihrer einen Seite jeweils an verschiedene Anzapfungen der Transformatormittel geschaltet sind. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Transformatormittel 9 und die Schalter 10 zwischen den Drehstromgeneratorausgangsklemmen R, S und T sowie den drei mit T¹, S¹ und R¹ bezeichneten Gleichrichterbrücken-Eingangsanschlüssen. Für jede Phase R, S und T ist - bei Anwendung der Erfindung auf einen 3-Phasendrehstromgenerator - eine gesonderte Transformatorwicklung 9a, 9b, 9c vorgesehen, so daß es sich bei den Transformatormitteln 9 um einen dreiphasigen Transformator handelt, der in Voll- oder Sparschaltung ausgebildet sein kann. Bei dem in Fig. 1 gezeigten 3-Phasentransformator ist die Sparschaltung gewählt; es ist daher für jede Phase lediglich immer eine Spule mit mehreren Anzapfungen vorgesehen. Die Sekundäranzapfungen sind jeweils mit 11a, 11b und 11c bezeichnet, während

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die bei diesem Ausführungsbeisptel vorgesehenen drei primären Anzapfungen für eine Umschaltung in drei Stufen jeweils die Bezeichnungen 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c und 14a, 14b, 14c tragen.

Dementsprechend sind für jede der Anzapfungen und für jede Phase des zu schaltenden Drehstroms separate und selektiv ansteuerbare Schalter vorgesehen, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bei primärseitiger Anschaltung als in beiden Richtungen leitend schaltbare Wechselstromschalter, nämlich Triacs ausgebildet sind. Die drei Triacs für die Verbindung der Drehstromgeneratorphase T mit den verschiedenen Anzapfungen 12a, 13a, 14a des für diese Phase zuständigen Teiltransformators 9a sind mit 15a, 15b, 15c bezeichnet; die anderen Triacs entsprechend mit 16a, 16b, 16c und 17a, 17b, 17c. Mit ihren einen Anschlußseiten sind die Triac-Gruppen 15, 16 und 17 jeweils zusammengeschaltet, da sie stets die gleiche Phase auf unterschiedliche Transformatoranzapfungen übertragen. Zur selektiven Ansteuerung des für die jeweilige Stufe durchzuschaltenden Wechselstromschalters werden die Steuergatter der Triacs über drei, jeweils dreipolige Schalter 18a, 18b, 18c mit der entsprechenden, für die Durchschaltung erforderlichen Spannung verbunden, hier mit der jeweiligen Phasenspannung T, S, R. über eine Steuerlogik 19 werden dabei die Schalter 18a, 18b, 18c im Gleichtakt angesteuert, so daß bei einer bestimmten vorgegebenen Betriebsstufe entsprechend einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine und des von dieser angetriebenen Drehstromgenerators etwa in allen drei Triacgruppen 15, 16, 17 jeweils immer der in der Zeichnung links außen dargestellte Triac 15a,

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16a, 17a mit der äußersten Primärwicklungsanzapfung 12a, 12b, 12c verbunden ist, die beiden anderen Triacs in jeder Gruppe aber sperren. Entsprechend erfolgt die Verbindung dann in den beiden anderen Stufen, so daß sich, vom Drehstromgenerator aus gesehen, jeweils unterschiedliche Lastwiderstände für diesen ergeben und so, wie die Darstellung der Fig. 3 zeigt, ausgehend von einem Normalbetriebszustand erhebliche zusätzliche Stromausbeuten erzielt werden können. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.

In der Darstellung der Fig. 1, die die Zusammenschaltung des erfindungsgemäßen, strichpunktiert umrandeten Systems 20 mit dem Drehstromgenerator zeigt, werden benötigt die drei Drehstromanschlüsse R, S und T, die Gleichstrom-Leistungsverbindungen B+ und D- sowie der Erregerstromanschluß D+. Sinnvollerweise ist über die Verbindungsleitung 21 die Steuerlogik 19 durch das Zündschloß 6 abschaltbar.

Aufgrund des durch die verschiedenen Transformatoranzapfungen sich ergebenden, variablen Übersetzungsverhältnisses ergibt sich auch ein variabler Lastwiderstand für den Drehstromgenerator, der daher so an die mit der Drehzahl sich ändernde Generator-Innenimpedanz angepaßt werden kann, daß in an sich beliebig feiner Abstufung,—bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in drei Stufen,—durch diese Anzapfung erhebliche Leistungsreserven der Drehstromlichtmaschine freigesetzt werden können.

In Fig. 2 ist in Form eines Blockschaltbildes eine bevorzugte Ausführungsform hauptsächlich der Steuerlogik-

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Es werden jeweils die drei zu einer gegebenen Anzapfung 12, 13 oder 14 der Transformatormittel 9 gehörenden Triacs jeder Triacgruppe gleichzeitig gezündet, daher ist die Frequenz der Zündimpulse bevorzugt ein (teilbares) Vielfaches der jeweiligen Frequenz der Generatorspannung, und die Zündimrulse sind mit dem Spannungsnulldurchgang einer Phase synchronisiert, so daß diese drei gezündeten Triacs dann eine dauernd leitende Verbindung darstellen.

Entsprechend Fig. 2 werden die Zündimpulse von der Phase R/S abgeleitet und gelangen zunächst auf einen Impulsformer 30, der in an sich bekannter Form ausgebildet sein kann und, nicht dargestellt, ein Glättungsglied, einen Spannungsbegrenzer und einen Trigger, etwa ein Monoflop umfassen kann. Die Impulsformerstufe 30 gewinnt daher ein zurFrequenz des Drehstromgenerators proportionales Rechtecksignal an ihrem Ausgang und leitet dieses einer Frequenzvervielfacherstufe 31 zu, die diese Frequenz f um einen gegebenen Faktor η und vorzugsweise phasenstarr heraufsetzt. Die Vervielfacherstufe kann daher in für sich gesehen bekannter Weise eine sogenannte PLL-Schaltung (phase locked loop-Schaltung) und einen Zähler umfassen.

Da bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Multiplikationsfaktor η für die Frequenzvervielfachung η = 12 beträgt, steht am Ausgang einer der Vervielfacherstufe nachgeschalteten Impulsgeberstufe 32 alle 30°el. ein Impuls zur Verfügung. Gleichzeitig wird mit Hilfe eines für sich gesehen bekannten Digitalanalogwandlers die vervielfachte

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Frequenz n«f in eine analoge elektrische Spannung U^ umgewandelt. Mit der frequenzproportionalen Ausgangsspannung Uf des Digitalanalogwandlers 32 sind zwei nachgeschaltete Triggerschaltungen 34a, 34b mit unterschiedlichen Ansprechschwellen verbunden, so daß bei diesem Ausführungsbeispiel insgesamt drei diskrete Bereiche unterschieden werden können, die sich aus den unterschiedlichen Schaltschwellen der Triggerstufen 34a, 34b ergeben und die drei Drehzahlbereichen entsprechen. Es versteht sich im übrigen, daß dem Digitalanalogwandler nicht notwendigerweise die vervielfachte Frequenz zugeführt zu werden braucht. Die Diskriminierung der Drehzahl ist dann in der Weise wirksam, daß unterhalb einer gegebenen Drehzahlschwelle, etwa 3000 Umdrehungen, keine der beiden Triggerstufen anspricht, zwischen einer Drehzahl von 3000 und etwa 8000 (jeweils auf die Drehzahl des Drehstromgenerators, nicht der Brennkraftmaschine bezogen) spricht die obere Triggerstufe, und über einer Drehzahl von 8000 min" spricht dann di<
der Darstellung der Fig. 2 an.

von 8000 min" spricht dann die untere Triggerstufe 34b

Den Triggerstufen ist eine Verteilerlogikschaltung 35 zugeordnet, die auch die Ausgangsimpulse des Impulsge— bers 32 zugeführt erhält. Die Verteilerlogikschaltung 35 hat die Aufgabe, die alle 30°el. auftretenden Triggerimpulse auf drei separate Ausgangsleitungen 36a, 36b und 36c entsprechend Stufe 1, Stufe 2 und Stufe 3 drehzahlabhängig, d.h. in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch die Triggerschaltungen 34a, 34b, zu verteilen. D.h. beim jeweiligen Ausführungsbeispiel, daß bei Stufe 1 der Transformatoranzapfung nur über die Verbindungsleitung 36a Ansteuerimpulse auf die Schaltmittel gelangen, bei Stufe

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etwa über die Leitung 36b und bei Stufe 3 über die Leitung 36c. Aus dieser Funktion ergibt sich der Aufbau der Logikschaltung 35 zwangsläufig, aber in beliebiger Ausgestaltung, was nicht weiter erläutert ist. Beispielsweise kann die Logikschaltung 3 Gatterstufen, für jede Ausgangsleitung eine aufweisen, denen parallel die Triggerimpulse zugeführt sind und von denen immer jeweils zwei gesperrt sind. Im ersten Fall, nämlich bei Fehlen von Ausgangssignalen der Triggerstufen 34a, 34b ist dann eine der Gatterschaltungen ständig durchgeschaltet, so daß die Leitung 36a der ersten Stufe angesteuert ist; spricht etwa die Triggerstufe 34a an, dann führt diese dem ersten Gatter einen Sperrimpuls zu und öffnet gleichzeitig das ihr zugeordnete Gatter, während für die dritte Stufe beim Ansprechen der Triggerschaltung 34b diese dem ersten und zweiten Gatter Sperrimpulse zuführt und ihr eigenes Gatter öffnet. Die Zündimpulse gelangen so zeitgerecht und gleichzeitig auf jeweils die drei Triacs, die in den drei Phasen des Drehstromgenerators jeweils einer gegebenen Transformatorstufe zugeordnet sind. Vorzugsweise erfolgt die Kopplung optoelektronisch, was bedeutet, daß dem Steuergate jedes Triacs ein rückwirkungsfrei arbeitender Optokoppler, üblicherweise bestehend aus einem Fototransistor und einer zugeordneten Lumineszenzdiode, zugeordnet ist.

In dem Kopplerblock 38 1st ein Optokoppler 38a symbolisch und stellvertretend für alle neun vorgesehenen Optokoppler bei hier neun anzusteuernden Triacs dargestellt. Stellvertretend für alle Triacs ist in Fig. 2 auch ein Triac 39 mit Anode A, Kathode K und Steuergate G dargestellt; die Ansteuerung der jeweiligen Steuergate der

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Triacs erfolgt von den Optokopplern 38 über die jeweiligen Zündenergie erzeugendenVerstärkerschaltungen 40a, 40b, 40c. Die Zündeinrichtungen 40a, 40b, 40c verfügen über drei getrennte Stromversorgungen 41a, 41b, 41c, die im einfachsten Fall Stromversorgungs-Gleichrichterschaltungen darstellen und die benötigte Leistung direkt aus dem Drehstromsystem, nämlich der zugeordneten Phase entnehmen, die sie selbst schalten.

Ferner ist noch eine Stromversorgungs-Stabilisierungsschaltung 42 vorgesehen, die den anderen Stromverbrauchern die benötigte Energie zuführt und eingangsseitig mit dem Gleichstrombordnetz oder der Batterie verbunden ist. Die Stabilisierungsschaltung 42 versorgt die Stromverbraucher mit einer Spannung von 5 V stabilisiert, so daß die Schaltung auch bei extremen Batterie-Spannungslagen zu arbeiten imstande ist. Die optische übertragung der Zündimpulse auf die Steuergates der Triacs erfolgt auch deshalb, weil die jeweils angesteuerten Triacs sich auf jeweils drei verschiedenen Phasenpotentialen befinden.

Bei der praktischen Realisierung des den Figuren 1, 2 und 3 zugrunde liegenden Ausführungsbeispiels ergaben sich die folgenden Daten und Kurvenverläufe, die lediglich als beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend zu verstehen sind.

Es handelt sich um einen Drehstromgenerator mit den Daten 14 V bei 35 A. Die drehzahlabhängige Lastanpassung erfolgt dreistufig, wobei die Umschaltung drehstromseitig über Triacs vorgenommen wird. Die Abstufung des 3-Phasen-Transformators erfolgt im Verhältnis 1:2:4.

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Dabei ergaben sich die folgenden Stromdaten:

Strom	1 .	Stufe	2.	Stufe	3.	Stufe
dauernd	35	A	50	A	70	A
für 15 Min.	35	A	70	A	140	A

Aus dem Kurvenverlauf der Fig. 3 erkennt man, daß entsprechend der ersten Stufe, die im Grunde auch den Normalbetrieb des Drehstromgenerators angibt, die Kurve I bei Annäherung an die Nennstromabgabe von 35 A asymptotisch sich der Horizontalen annähert, unbeachtet der jeweiligen Drehzahl. Durch die Zuschaltung der zweiten Stufe ergibt sich praktisch eine Verdopplung des zur Verfügung stehenden Stroms, während die dritte Stufe nochmals eine beträchtliche Erhöhung der Stromabgabe, praktisch die Verdopplung der zweiten Stufe, zuläßt. Es versteht sich, daß die Schaltübergänge zwischen den einzelnen Stufen entsprechend Einstellung der Ansprechschwelle der Triggerschaltungen 34a, 34b günstig auszuwählen sind, wobei die Umschaltung zwischen den Transformatoranzapfungen jeweils bei der Drehzahl erfolgt, bei der an beiden Anzapfungen der gleiche maximale Strom der Transformatorsekundärseite entnehmbar ist.

Es ist weiter vorn schon darauf hingewiesen worden, daß die Zuordnung und die Hintereinanderschaltung der Transformatormittel sowie der Schalter und die Auswahl der zu verwendenden Stufen an sich beliebig ist; das zweite, anhand der Darstellung der Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich daher auch auf eine nur zweistufige Umschaltung, bei der die Schaltmittel sekundärseitig dem Transformator zugeordnet sind. Insofern lie-

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gen diese Schaltmittel parallel zu den ohnehin vorhandenen Gleichrichterdioden und können diese auch ersetzen, so daß sich eine Halbierung des Aufwandes und der Kosten bei nahezu gleichem Nutzen ergibt.

Anhand der Darstellung der Fig. 4 wird eine solche Ausführungsform genauer dargestellt, wobei auch auf den Aufbau des die Spannungsregelung jeweils innerhalb einer Stufe übernehmenden Feldstromreglers kurz eingegangen wird, der der Erregerwicklung T in Fig. 4 den erforderlichen Regelstrom zuführt. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 stellt eine Einrichtung zur Leistungserhöhung von Drehstromlichtmaschinen in vereinfachter Ausgestaltung dar, wobei die erste Stufe durch die bei einem Drehstromgenerator ohnehin vorhandenen Gleichrichterdioden gebildet ist.

In Fig. 4 ist lediglich eine der Phasen schematisch angedeutet; es versteht sich, daß die anderen beiden Phasen sinngemäß entsprechend der Darstellung der Fig. 4 angeschaltet und gesteuert sind.

Die Phasenausgänge R, S und T des Drehstromgenerators 1' sind mit dem jeweils zugeordneten einen primärseitigen Anschluß 45 der Phasenteilwicklung 46 des 3-Phasen-Transformators verbunden, wobei auch hier dieserTransformator wieder in Sparschaltung ausgebildet ist. Die Umschaltung erfolgt sekundärseitig, daher sind auf dieser Seite zwei Anzapfungen 46a, 46b vorhanden, die wahlweise und selektiv mit den nachgeschalteten Umschaltmitteln verbunden werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen diese Umschaltmittel, die hier zwei-

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stufig selektiv angesteuert werden, einmal aus der ohnehin bei jedem Drehstromgenerator-Bordnetzsystem vorhandenen Gleichrichterbrücke mit jeweils drei Plus- und drei Minusdioden, von denen in Fig. 4 lediglich die Plus- und Minusdioden für eine der Phasen dargestellt und insgesamt mit 47 bezeichnet sind. Parallel zu dieser Diodenbrücke ist eine entsprechend geschaltete Brücke aus Thyristoren angeordnet, die über Steuergate verfügen und, da sie in Gegenrichtung stets sperren, gleichzeitig zur Gleichrichtung eingesetzt werden können. Die für eine Phase in Fig. 4 gezeigten beiden Plus- und Minusthyristoren sind mit 48 bezeichnet. Die Zuführung der Zündimpulse an die Thyristoren erfolgt über einen Zündübertrager 49; die Wirkungsweise ist dann so, daß bei Zuführung von Zündimpulsen zu den Thyristoren die an den Phasenteilwicklungen des 3-Phasen-Transformators anliegende Drehspannung an den oberen Anzapfungen gleichgerichtet wird, mit denen die Thyristoren verbunden sind, wobei die Dioden 47 in der gesamten Brücke stets sperren. Bleiben die Zündimpulse zu den Thyristoren aber aus, dann sperren die Thyristoren und die an den unteren Anzapfungen anliegende Drehspannung, mit denen die Dioden verbunden sind, wird gleichgerichtet. Je nach Wahl des Übersetzungsverhältnisses ü der Transformatormittel wird der Dreh-

2 stromgenerator dann mit der Last ü '«R- belastet und gibt bei dieser richtigen Anpassung eine entsprechend höhere Leistung ab.

Für die Erzeugung der Zündimpulse wird wiederum einder Frequenz proportionales Rechtecksignal gewonnen, und zwar mit Hilfe einer Impulsformerstufe 30*, die das drehzahlproportionale Signal auch aus einer einphasigen

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Zusatzwicklung auf den Drehstrom-Spartransformator erhalten kann, von dem in Fig. 4 lediglich eine Phasenteilwicklung 46 gezeigt ist. Die Impulsformerstufe besteht auch hier aus Glättungsglied, Spannungsbegrenzer und Triggerstufe. Nach Vervielfachung der Rechteck-Ausgangsfrequenz der Stufe 3O¹ in der Vervielfacherstufe 31' gelangen die vervielfachten Frequenzimpulse auf ein Tor 50. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vervielfacherstufe als PLL-Schaltung mit Zähler ausgebildet, die die Frequenzphasen starr um einen gegebenen Faktor n, vorzugsweise um den Faktor 12 heraufsetzt. In bekannter Weise umfaßt daher die PLL-Schaltung der Vervielfacherstufe auch einenFrequenzspannungswandler 31a¹. Die von dem Frequenzspannungswandler der Vervielfacherstufe 31 ' gelieferte frequenzproportionale Spannung wird gleichzeitig einer nachgeschalteten Triggerstufe 34' zugeführt, wobei es sich versteht, daß eine entsprechende Vereinfachung auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 eingeführt werden kann, bei dem der Digitalanalogwandler der Frequenzvervielfacherstufe 31 auch die Eingangssignale für die Triggerstufen liefern kann und auf den Digitalanalogwandler 33 verzichtet wird.

Die Triggerstufe 34· läßt über die Torschaltung 5 beispielsweise nur unterhalb einer bestimmten Drehzahl die vom Frequenzvervielfacher 31' alle 30 el. gelieferten Impulse über ein der Torschaltung 50 nachgeschaltetes Differenzierglied 51 und einen Verstärker 52 zum Zündübertrager 49 gelangen, so daß nur bis zu dieser Drehzahl die Thyristoren mit Zündimpulsen angesteuert sind.

Man erkennt, daß durch die hierdurch erzielte wesentlich

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verbesserte Anpassung entsprechend dem Kurvenverlauf der Fig. 5 ab der Grenz- oder UmschaltdrehzahL, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei etwa 2450 min*" liegen kann, die zweite Stufe einsetzt, bei welcher es einem 35 Α-Drehstromgenerator ermöglicht wird, im Endeffekt und bei zweistufiger Umschaltung einen Strom von etwa 55 A zu liefern.

Unter Einbeziehung von Schaltungsmitteln und Schaltsignalen kann dann der die Generatorspannung innerhalb jeder Stufe regelnde Feldstromregler in vorteilhafter Weise wie folgt ausgebildet sein. Die über einen Meßshunt 53 zur Batterie 8¹ geführte Generatorspannung \3 - bei dem Meßshunt kann es sich auch um ein Stück der Zuleitung zur Batterie handeln - gelangt auf einen Funktionsblock 54, desgleichen die Batteriespannung U_.. Der Funktionsblock 54 umfaßt mindestens einen Operationsverstärker, dessen Differenzeingängen die vom Meßshunt abgegriffene Spannung zugeführt wird, vorzugsweise über zwei geringfügig unterschiedlich eingestellte Spannungsteiler. Der Funktionsblock bildet eine um den Ladestromanteil korrigierte Istspannung U_G + ^Rinatt * ¹BL ^aus' wobei U-, die Generator spannung, ^R4_Rati. der Batterieinnenwiderstand und I_DT der Batterieladestrom ist. Diese korrigierte Istspannung und eine temperaturabhängige Batteriesollspannung, die von einem Kennliniengenerator 55 geliefert wird, werden an einem Summationspunkt 56 zusammengeführt und einem nachgeschalteten schwellwertempfindlichen Glied, beispielsweise einem Schmidt-Trigger 57 zugeführt. Der Vergleich kann auch unmittelbar am Schmidt-Trigger erfolgen.

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Die Kennlinienschaltung 55 erzeugt die temperaturabhängige Batteriesollspannung mit Hilfe eines NTC-Widerstandes, der in körperlichem Kontakt mit der Batterie 8' steht. Der Schmidt-Trigger 57 gibt über eine Torschaltung 58 einen Einschaltbefehl zur Erzeugung des Erregerstroms an einen nachgeschalteten Verstärker 59, vorausgesetzt eine weitere Triggerstufe 60 stellt das Überschreiten einer vorgegebenen Mindestdrehzahl fest. Diese Triggerstufe 60, deren Ausgang mit der Torstufe 58 verbunden ist, erhält die drehzahlproportionale Spannung des Frequenzspannungsumsetzers 31a¹ der Vervielfacherstufe 31' zugeführt und gibt den Einschaltbefehl über das Tor 58 erst bei Überschreiten einer Mindustdrehzahl, die dicht unterhalb der Anlaßdrehzahl liegt. Sobald diese Drehzahl erreicht ist, wird bei eingeschalteter Zündung die Batteriespannung an die Feldwicklung des Generators durchgeschaltet. Hierzu ist der Ausgang des Schaltverstärkers 59 über eine Verbindungsleitung 59a mit der Erregerstromwicklung 2¹ des Drehstromgenerators 1' verbunden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine nicht ausreichende Generatorleistung mit Hilfe eines Komparators 61 festgestellt, der etwa einen negativen Batteriestrom am Meßshunt 53 erfaßt und über eine Diode 62 die übliche Ladekontrolleuchte 63 ansteuert, so daß diese aufleuchtet. Außerdem erfolgt eine Ansteuerung der Ladekontrollampe 63 noch über eine Zenerdiode 64, die über den Zündschalter 65 mit der Generatorspannung U verbunden ist und eine zu hohe Generatorspannung anzeigt, da in diesem Fall die Zenerdiode 64 durchbricht.

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Bestmögliche Ergebnisse der Generatorleistungssteigerung wurden anhand einer Stadtfahrlinie und des Europaabgas-Zyklus mit den Übersetzungen tL =0,7:1 und U₂ = 1,5:1 ermittelt. Wie schon erwähnt, ergibt sich der drehzahlabhängige Umschaltpunkt zwischen den Übersetzungen als Schnittpunkt der Lastkennlinien I der ersten Stufe, die hinter dem Schnittpunkt als durchgezogene Linie in den Kurvenverlauf I¹ ohne Lastanpassung übergeht und weitergeführt ist sowie des Kurvenverlaufs II in gestrichelter Ausführung der zweiten Stufe in Fig.

Es ist auch möglich, wenn auch mit höherem Aufwand verbunden, die BezugsZeitpunkte für die Zündung nicht nur von einer Phase, wie mit Bezug auf die Darstellung der Fig. 2 näher beschrieben, abzuleiten, sondern jeweils von der zugeordneten Phase. Während des Startens kann über einen gesonderten Schalter 66 auf die Feldwicklung des Generators noch ein Vorerregungsstrom gegeben werden. Zu diesem Zweck ist der Schalter 66 einerseits mit dem Zündschalter 65 und andererseits mit der Klemme DF über die Verbindungsleitung 67 verbunden.

Eine genauere Erläuterung des Feldstromreglers läßt sich im übrigen der zeitgleich eingereichten Anmeldung der gleichen Anmelderin mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zur Begrenzung der alters- und exemplarabhängigen Streuung des Gasungsstroms von Starterbatterien ..." (meine Akte 1528) entnehmen, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Dipl. Ing. Peter Ott· 7033 Herrenberg (Kuppingen)

Patentanwalt Elfelstraße 7

Telefon (0 70 32) 319 99

1529/ot/wi
2. Okt. 1980

Firma ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Patentansprüche

Verfahren zur besseren Ausnutzung der Stromabgabe von elektrischen Generatoren, insbesondere von Drehstromgeneratoren für die Versorgung von mit Batterien ausgestatteten Bordnetzen bei mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Bahnen u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß der Lastwiderstand des Bordnetzes durch Veränderung von zwischen Generator und Bordnetz angeordneten transformatorischen Mitteln an die sich mit der Drehzahl ändernde Generator-Innenimpedanz angepaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transformatorischen Mittel primärseitig durch selektives Verbinden von einander zugeordneten Anzapfungen mit den Generatorausgangsklemmen umgeschaltet werden, bei fester Verbindung der Sekundärseite mit einer Glexchrichterbrückenschaltung.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transformatorisehen Mittel sekundärseitig durch

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Verbinden von unterschiedlichen, einander zugeordneten Anzapfungen mit steuerbaren Gleichrichtern umgeschaltet werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen den Anzapfungen bei der Drehzahl erfolgt, bei der an beiden Anzapfungen jeweils der gleiche maximale Strom der Transformator-Sekundärseite entnommen werden kann.
5. Vorrichtung zur besseren Ausnutzung der StromaLgabe von elektrischen Generatoren, insbesondere von Drehstromgeneratoren für die Versorgung von mit Batterien ausgestatteten Bordnetzen bei mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Bahnen u. dgl., zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Generator (1, 1") und Bordnetz (B+, D-) Transformatormittel (9; 46) geschaltet sind und daß von einer drehzahlempfindlichen Steuerschaltung (19 j 30, 31, 33, 32, 34a, 34b, 35) selektiv angesteuerte Schalter (15a, 15b, 15c; 16a, 16b, 16c; 17a, 17b, 17c; 48) vorgesehen sind, die jeweils eine zugeordnete Transformatoranzapfung (12a, 13a, 14a; 12b, 13b, 14b; 12c, 13c, 14c; 46a, 46b) mit einer weiterleitenden Leitung (R, S, T) verbinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatormittel (9) für jede Phase des Drehstromgenerators eine Phasenteilwicklung aufweisen.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatormittel ein dreiphasiger Transformator (9) in Sparschaltung sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorprimärseite mindestens zwei Anzapfungen (12a, 13a, 14a; 12b, 13b, 14b; 12c, 13c, 14c) aufweist und daß die selektiv angesteuerten Schalter Wechselstromschalter (Triacs 15a, 15b, 15c; 16a, 16b, 16c; 17a, 17b, 17c) sind, die die Phasenausgangsanschlüsse (R, S, T) des Drehstromgenerators (1) je nach der gewählten drehzahlabhängigen Schaltstufe mit einer gegebenen Anzapfung jeder Transformatorteilwicklung (9a, 9b, 9c) verbinden.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatormittel als dreiphasiger Transformator in Sparschaltung ausgebildet sind mit mindestens zwei Anzapfungen auf der Sekundärseite, denen lediglich in einer Richtunq leitende Schalter (Thyristoren 48) zugeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Zündimpulsfolge mit einem Vielfachen der jeweiligen Generator-Wechselstromfrequenz erzeugt und diese gleichsinnig und parallel jeweils einem der Wechselstromschalter (Triac) in jeder, je einer Phase (T, S, R) zugeordneten Wechselstromschalter-Gruppe zuführt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß zur drehzahlabhängigen Umschaltung der Transformatoranzapfungen mindestens eine drehzahlempfindliche Triggerschaltung (34a, 34b) vorgesehen ist, die bei überschreiten mindestens einer Grenzdrehzahl einernachgeschalteten Auswahllogikschaltung einen Umsteuerbefehl derart zuführt, daß diese die Zündimpulsfolge für die steuerbaren Halbleiterschalter (Triacs, Thyristoren) den jeweils für die neue Stufe zuständigen Halbleiterschaltern zuführt .
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Zündimpulse für die Ansteuerung der steuerbaren Halbleiterschalter (Wechselstromschalter - Triacs oder steuerbare Gleichrichter - Thyristoren) eine eine Phasenfrequenz des Drehstromgenerators vervielfachende Stufe (31) und dieser nachgeschaltet ein Impulsgeber (Differenzierer 32) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvervielfacherstufe so ausgebildet ist, daß sie die Generatorfequenz um einen gegebenen Faktor (n=*12) phasenstarr heraufsetzt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvervielfacherstufe eine PLL-Schaltung (phase locked loop) mit einem Frequenzspannungsumsetzer ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvervielfacher-

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stufe (31) ein Digitalanalogwandler und diesem mindestens zwei unterschiedliche Ansprechschwellen aufweisende Triggerstufen (34a, 34b) nachgeschaltet sind, deren Ausgänge zusammen mit dem Ausgang des Impulsgebers mit der Logikauswahlschaltung (35) verbunden sind, derart, daß jeweils einer der in der Anzahl den ümschaltstufen entsprechenden Ausgangsleitungen von der Logikauswahlschaltung in Abhängigkeit zur Drehzahl die Zündimpulse der Impulsgeberstufe (32) zugeführt sind.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündimpulse zu den auf drei verschiedenen Phasenpotentialen befindlichen jeweils angesteuerten Triacs optisch übertragen sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Steuergate jedes steuerbaren Halbleiterschalters ein Optokoppler (38a) zugeordnet ist, dessen Ausgang mit einem Zündverstärker (40a, 40b, 40c) für die Steuergateansteuerung verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit den sekundärseitigen Anzapfungen der jeweiligen Transformatorteilwicklungen (46) eine Diodenbrücke und mindestens eine weitere Brücke aus steuerbaren Halbleiterschaltern (Thyristorbrücke 58) zur gleichzeitigen Gleichrichtung verbunden sind bei gleichstromseitiger. Parallelschaltung der Brücken derart, daß bei Zünden

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jeweils aller Halbleiterschalter einer Brücke die Drehspannung an der betreffenden, mit dieser Brücke verbundenen Anzapfung gleichgerichtet und bei Ausbleiben der Zündimpulse für die mit steuerbaren Halbleitern versehenen Brücken die Diodenbrücke die Gleichrichtung übernimmt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der in jeder Schaltstufe wirksame Feldstromregler zur Erregung der Erregerwicklung (2¹) des Drehstromgenerators mindestens eine Torschaltung (58) aufweist, die den Erregerstrom zur Erregerwicklung dann unterbricht, wenn unterhalb einer Mindestdrehzahl der erregte Generator gerade den zu seiner Erregung notwendigen Strom abgibt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die den Erregerstrom unterbrechende Torschaltung (58) von einer drehzahlempfindlichen Triggerschaltung (60) angesteuert ist, deren Eingang mit der Frequenz-Spannungsumsetzerschaltung (31a¹) des Spannungsvervielfacher (31') verbunden ist.