DE3116315C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für einen Drehstrom­ generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schutzvorrichtung ist bereits aus der DE-OS 23 43 912 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein Batterieladesystem be­ schrieben, das einen Wechselstromgenerator zum Laden einer Batterie aufweist, dessen Ausgangsspannung durch einen Spannungsregler, der den Stromfluß in der Feldwicklung beeinflußt, geregelt wird. Pa­ rallel zur Feldwicklung liegt ein erster Freilaufweg, der nach dem Abschalten der Stromzufuhr zur Feldwicklung den abklingenden Strom übernehmen soll. Weiterhin liegt noch ein zweiter Freilaufweg, der eine höhere Verlustrate aufweist, parallel zur Feldwicklung, wobei bei Überschreiten einer vorgebbaren Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators der erste Freilaufweg unterbrochen wird, so daß der Strom dann aus­ schließlich durch den zweiten Freilaufweg fließen muß und dort in­ folge der hohen Verlustrate unschädlich gemacht wird.

Weiterhin ist aus der DE-OS 21 32 719 ein Spannungsregler zur Rege­ lung der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators bekannt, bei dem der Erregerstrom in üblicher Weise ein- und ausgeschaltet wird. Die beim Unterbrechen des Erregerstroms wäh­ rend einer Abklingphase auftretende Überspannung wird durch einen der Erregerwicklung zugeordneten Endladekreis der eine Zenerdiode enthält, unschädlich gemacht.

Eine weitere Einrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage, bei­ spielsweise eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes ist aus der DE-OS 27 08 981 bekannt. Dabei werden die durch Schaltvorgänge ausgelösten Über­ spannungen mittels Zenerdioden unschädlich gemacht. Da beim Abschal­ ten der Verbraucher bei voll erregtem Generator Spannungsspitzen großer Energie auftreten können, müßten große Zenerdioden eingesetzt werden, die diese Energie unschädlich machen könnten. Es ist deshalb vorgesehen, zusätzlich eine Spannungschutzvorrichtung zu verwenden, die erst bei Spannungsspitzen mit größerem Energieinhalt anspricht, so daß Spannungsspitzen mit geringem Energieinhalt über Zenerdioden und Spannungsspitzen mit großem Energieinhalt über die Spannungs­ schutzvorrichtung abgeführt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Schutzvorrichtung für einen Drehstromgenerator so weiterzubilden, daß sie störunanfälliger wird und kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung liegen darin, daß die Stoßenergie, die die Übernahmevorrichtung zum Schutz des Hauptnetzes gegenüber Spannungen bei einem batterielosen Betrieb aufnehmen muß, drastisch gesenkt wird. Weiterhin ist vor­ teilhaft, daß einerseits serienmäßige Bauteile verwendet werden kön­ nen, andererseits sich dieses System weitgehend integrieren läßt. Schließlich ist von Vorteil, daß das erfindungsgemäße System nur we­ nig störanfällig ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsform näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die übliche Schaltung eines Generatorsystems mit einer Freilaufdiode und einem Überspannungsschutz.

Fig. 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Übernahmevorrichtung mit einer Freilaufdiode, einer Zenerdiode und einer Steuereinheit, in

Fig. 3 ist schließlich der vollständige Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels dargestellt.

In Fig. 1 enthält ein Generator 1 in bekannter Art eine Phasenwick­ lung und einen der Phasenwicklung nachgeschalteten Gleich­ richter sowie eine Erregerwicklung 2. An den Generator 1 ist in bekannter Weise ein Spannungsregler 3 angeschlossen, der eine Freilaufdiode 13 enthält. Die Freilaufdiode 13 ist eine Gleichrichterdiode, sie dient als Übernahmevorrichtung 4 zum Übernehmen des Stroms, der nach dem Ausschalten des Tran­ sistors 30 durch die Erregerwicklung 2 weiterfließt. Die Frei­ laufdiode 13 liegt elektrisch mit ihrer Kathode an Klemme 5 (D+) und mit ihrer Anode an Klemme 6 (DF). Das Ein- und Ausschal­ ten der Erregerwicklung 2 wird über den als Leistungsschal­ ter dienenden Transistor 30 bewirkt. An die positive Aus­ gangsklemme 7 (B+) und die negative Ausgangsklemme 8 (Masse) des Generators 1 ist eine Z-Diode 9 angeschlossen. Zwischen Klemme 8 und Z-Diode 9 kann ein niederohmiger Widerstand 52, Klemme 51, geschaltet sein, an dem ein Spannungsabfall ent­ steht, sobald durch die Z-Diode 9 ein Strom fließt. Diese Z-Diode 9 dient als Überspannungsschutz des Bordnetzes für den Fall, daß eine Last 11 beispielsweise mit einem Schal­ ter 10 abgeschaltet wird. Der Überspannungsschutz mit der Z-Diode 9 dient also als Aufnahmevorrichtung für die Stoß­ energie, die der Generator 1 bei plötzlicher Entlastung abgibt. Statt einer Z-Diode 9 kann der der Phasenwicklung nachgeschaltete Gleichrichter Gleichrichterdioden mit Ave­ lanche-Charakter enthalten. Auch kann die Kathode der Z- Diode 9 anstatt mit Klemme 7 (B+) mit Klemme 5 (D+) ver­ bunden sein.

Ist die Last 11 gerade so groß, daß sie die Nennleistung des Generators 1 aufnimmt, dann ist der Generator 1 bei geschlos­ senem Schalter 10 voll erregt. Wird jetzt der Schalter 10 ge­ öffnet, so muß der Erregerstrom in der Erregerwicklung 2 von seinem Maximalwert auf seinen Leerlaufwert gesteuert werden. Während dieser ganzen Übergangsphase gibt der Generator 1 eine höhere Leistung ab, als nötig ist. Die erhöhte Lei­ stungsabgabe bewirkt einen Energiestoß, der von der Auf­ nahmevorrichtung 9 aufgenommen werden muß. Der Energie­ stoß ist umso größer, je länger die Übergangsphase dauert bis der Erregerstrom auf den neuen kleineren Wert abge­ fallen ist. Besteht die Übernahmevorrichtung 4 nur aus einer Freilauf­ diode 13, so hat die Übergangsphase den längsten möglichen Wert.

Im Schema nach Fig. 2 enthält die Übernahmevorrichtung 4 außer der Freilaufdiode 13, eine Einrichtung 14 mit Durchbruchscharak­ teristik, wie etwa eine Z-Diode. Die Diode 13 und die Ein­ richtung 14 liegen mit einem Anschluß beispielsweise an der Klemme 6 (DF). Weiter enthält die Übernahmevorrichtung 4 eine Umschaltvorrichtung 12 mit einer Schaltbrücke 112. Ein Kon­ takt 16 der Umschaltvorrichtung 12 ist mit dem freien An­ schluß der Freilaufdiode 13, ein Kontakt 17 mit dem freien Anschluß der Einrichtung 14 verbunden. Die Schaltbrücke 112 liegt einseitig an der Klemme 5 (D+) und schaltet die Klemme 5 entweder auf den Kontakt 16 oder den Kontakt 17 durch. Ge­ steuert wird die Umschaltvorrichtung 12 durch eine Steuer­ einheit 15 mit zwei Eingangsklemmen 8, 50, von denen die Klemme 8 mit Masse und die Klemme 50 mit der Klemme 5 (D+) oder mit der Klemme 7 (D+) verbunden ist. Die Klemme 50 kann aber auch mit der Klemme 51 des Widerstands 52 in Reihe zur Aufnahemvorrichtung 9 verbunden sein.

Wie man sieht, ist im Schema nach Fig. 2 die Freilaufdiode 13 der Fig. 1 ersetzt die Gleichrichterdiode 13 und die Ein­ richtung 14. Im Normalbetrieb steht die Schaltbrücke 112 der Umschaltvorrichtung 12 auf dem Kontakt 16, also der Frei­ laufdiode 13. Die Freilaufdiode 13 klammert die Erregerwick­ lung 2 auf ihre Durchlaßspannung. Während der schon er­ wähnten Übergangszeit wird die Schaltbrücke 112 durch die Steuereinheit 15 auf den Kontakt 17 geschaltet, damit ist die Erregerwicklung 2 mit der Einrichtung 14 geklammert, deren Durchbruchspannung viel höher als die Durchlaßspannung der Diode 13 gewählt ist, beispielsweise zu 50 Volt. Nach dem In­ duktionsgesetz ist damit die Änderungsgeschwindigkeit des Er­ regerstroms durch die Erregerwicklung 2 ebenfalls sehr viel größer und damit die Zeit für den Abbau des Erregerstroms sehr viel kleiner. Dementsprechend wird auch die von der Auf­ nahmevorrichtung 9 aufnehmende Stoßenergie sehr viel kleiner.

Die Steuereinheit 15 erhält die Anweisung zum Schalten aus einer geeigneten Größe des Generatorsystems. Als geeignete Größe kann die Information gewählt werden "durch die Auf­ nahmevorrichtung 9 fließt Strom". Zum Steuern kann aber auch die Information herangezogen werden "die Spannung des Generators 1 an seinen Ausgangsklemmen 7 und 8 oder 5 und 8 ist größer als die vorgegebene maximale Betriebsspannung, jedoch noch kleiner als die kleinste mögliche Durchbruch­ spannung der Aufnahmevorrichtungen 9". Die Umschaltvorrich­ tung 12, die Freilaufdiode 13 und die Einrichtung 14 sind zweckmäßig durch Halbleiterschalter, beispielsweise durch Transistoren gebildet, die beide Schaltzustände erlauben. Die höhere Spannung kann aus einer niedrigeren Referenzspannung des Spannungsreglers 3 mittels einer Regelschleife in der Steuereinheit 15 verhältnismäßig exakt gewonnen werden. Dabei kann vorteilhafterweise der Übergang von der niedrigen (Spannung) der Freilaufdiode 13 zu der hohen (Spannung) der Z-Diode 14 so verzögert werden, daß der Leistungsschalter 30 des Spannungsreglers 3 nur auf seine Kollektor-Basis-Durchbruchspannung und nicht auf seine Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung be­ ansprucht wird.

Aus einer Vielzahl möglicher Schaltungen ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Neben den bereits ge­ schilderten Bauelementen ist ein Komparator 18 vorgesehen, dessen nicht invertierender Eingang 19 an einer Referenz­ spannung 35 liegt, und dessen invertierender Eingang 20 mit dem aus den Widerständen 21 und 22 bestehenden Schalt­ spannungsteiler verbunden ist. Das Teilverhältnis des Schaltspannungsteilers 21, 22 ist so gewählt, daß die Potentialdifferenz zwischen dem Eingang 20 und dem Masseanschluß 8 dann so groß wie die Referenzspannung 35 ist, wenn die Spannung des Generators 1 an den Aus­ gangsklemmen 7 und 8 - oder an den Klemmen 5 und 8 - etwa in der Mitte zwischen der vorgegebenen maximalen Nennspannung des Bordnetzes und der kleinsten möglichen Durchbruchspannung der Z-Diode in der Übernahmevor­ richtung 9 liegt. Bei der Nennspannung des Generators 1 von 14 Volt beispielsweise also etwa zwischen 16 und 20 Volt. Die Referenzspannung 35 wird im Spannungsregler 3 auf bekannte Weise erzeugt. Der Ausgang 23 des Komparators 18 ist einerseits über einen Widerstand 24 mit der Basis des Transistors 26, andererseits über den Konden­ sator 25 mit seiner Eingangsklemme 20 verbunden. Der Kollektor des Steuertransistors 26 liegt über einem Be­ grenzungswiderstand 32 an der Basis eines Halbleiter­ schalters 33, dessen Emitter mit der Klemme 6 des Ge­ nerators 1 und dessen Kollektor über eine Diode 34 mit der Klemme 5 (D+) oder 7 (B+) des Generators 1 verbunden ist; die Basis von 33 ist darüber hinaus in der ange­ gebenen Weise über eine Z-Diode 133 mit seinem Kollektor verbunden. Der Halbleiterschalter 33, die Diode 34 und die Z-Diode 133 bilden die Übernahmevorrichtung 4 zur Klammerung der Erregerwicklung 2 des Generators 1.

Im Normalbetrieb schaltet der als Leistungsschalter dienende Transistor 30 regelmäßig aus und ein, um den erforderlichen mittleren Strom durch die Erregerwicklung 2 zu bewirken. Ist der Transistor 30 eingeschaltet, so ist die Potential­ differenz zwischen den Klemmen 6 (DF) und 8 (Masse) gleich seiner Sättigungsspannung, also etwa 0,5 bis 1,5 Volt. Ist der Transistor 30 ausgeschaltet, so wird der induktions­ bedingte Strom durch die Erregerwicklung 2 zunächst in gleicher Höhe weiterfließen; hierzu ist es erforderlich, daß das Potential von 6 über das Potential der Klemme 5 bzw. der Klemme 7 hinaus ansteigt; wieweit es darüber hinaus ansteigt, hängt von der Übernahmevorrichtung 4 ab. Arbeitet der Generator 1 im normalen Betriebsspannungs­ bereich, so ist die an der Klemme 19 des Komparators 18 anstehende Referenzspannung 35, also das Potential zwischen Klemme 19 und Masse 8 größer als die zwischen der Eingangsklemme 20 und der Masse 8 anstehende Potentialdifferenz. Das Potential der Ausgangsklemme 23 des Komparators 18 liegt damit nur wenig unterhalb des Potentials der Klemme 5, bzw. 7; über den Widerstand 24 fließt der Basis des Transistors 26 Strom zu, der Transistor 26 ist leitend, der Transistor 33 erhält einen durch den Widerstand 32 vorgegebenen Basis­ strom und schaltet durch. Der Feldstrom fließt jetzt von der Klemme 6 durch den Transistor 33 und die Diode 34 zur Klemme 5; die Erregerwicklung 2 wird somit auf einem Spannungsniveau festgehalten, das durch die Sättigungsspannung des Schalttransistors 33 und die Durch­ laßspannung der Diode 34 gegeben ist, also auf einen Wert, der nur wenig größer ist als der einer normalen Freilauf­ diode 13. Wird nun der Lastwiderstand 11 mittels des Schalters 10 vom Generator 1 getrennt (siehe Fig. 1), so steigt seine Ausgangsspannung auf das Niveau der Durch­ bruchsspannung der Z-Diode 9 an. Jetzt ist das an der Ein­ gangsklemme 20 des Komparators 18 anstehende Potential höher als die an der Klemme 19 stehende Referenzspannung 35. Der Ausgang 23 des Komperators 18 liegt damit nahezu auf dem Massepotential 8; der Transistor 26 wird stromlos, und der Schalttransistor 33 zunächst ebenfalls. Damit steigt das Potential der Klemme 6 weiter an und zwar so­ weit, bis die Durchbruchsspannung der Z-Diode 133 er­ reicht ist; jetzt zieht der Schalttransistor 33 wieder Basis- und damit auch Kollektorstrom; die Erreger­ wicklung 2 wird jetzt näherungsweise auf einem Potential festgehalten, das dem der Durchbruchsspannung der Z-Diode 133 entspricht, also etwa 50 Volt. Um in diesem Betriebsfalle die Anstiegsgeschwindigkeit des Potentials der Klemme 6 zu reduzieren, ist die Ein­ gangsklemme 20 des Komparators 18 über den Konden­ sator 25 mit seiner Ausgangsklemme 23 verbunden.

Die Übernahmevorrichtung 4 läßt sich auch umschalten durch den Spannungsabfall, den der durch die Z-Diode 9 und den Widerstand 52 (siehe Fig. 1) fließende Strom erzeugt. In diesem Falle ist die Eingangsklemme 20 des Komparators 18 mit der Klemme 51 zu verbinden; die an der Eingangsklemme 19 des Komparators 18 an­ liegende Referenzspannung 35 ist dann zweckmäßig sehr klein zu wählen.

Einer oder mehrere der verwendeten bipolaren Transistoren kann auch durch MOS-Transistoren ersetzt sein. Auch kann die Anordnung hybrid- oder monolithisch integriert sein.

Claims (10)

1. Schutzvorrichtung für einen Drehstromgenerator mit einer Phasen­ wicklung, der Halbleitergleichrichter nachgeschaltet sind und einer Erregerwicklung, der ein eine Diode aufweisender Freilaufzweig pa­ rallel geschaltet ist und in der der Strom über einen Spannungsreg­ ler in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Drehstromgenerators geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Diode (34) des Freilaufzweiges ein Transistor (33) geschaltet ist, daß die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors (33) durch eine Zenerdio­ de (133) überbrückt ist, deren Durchbruchspannung niedriger ist als die Durchbruchspannung der Kollektor-Emitter-Strecke des Transi­ stors (33), daß die Basis des Transistors (33) mit dem Ausgang (23) eines Komparators (18) in Verbindung steht und der Emitter des Tran­ sistors (33) an Masse angeschlossen ist und daß einem Eingang des Komparators (18) eine Referenzspannung (35) und einem anderen Ein­ gang ein der Ausgangsspannung des Drehstromgenerators (1) entsprechen­ des Meßsigal zugeführt wird.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang (23) des Komparators (18) und die Basis des Transis­ tors (33) ein Steuertransistor (26) geschaltet ist, wobei die Basis des Steuertransistors (26) mit dem Ausgang (23) des Komparators (18) und der Kollektor des Steuertransistors (26) mit der Basis des Transis­ tors (33) in Verbindung steht, und die Rerenzspannung (35) dem nicht invertierenden Eingang (19) des Komparators (18) und das der Ausgangsspannung des Drehstromgenerators (1) entsprechende Meßsignal dem invertierenden Eingang (20) des Komparators (18) zugeführt wird.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (23) und dem invertierenden Eingang (20) des Komparators (18) ein Kondensator (25) angeordnet ist, so daß der Komparator (18) verzögert schaltet.

4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des Steuertransistors (26) und der Basis des Transistors (33) ein Begrenzungswiderstand (32) geschaltet ist.

5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (23) des Komparators (18) und der Basis des Steuertransistors (26) ein Widerstand (24) geschaltet ist.

6. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Referenzspannungsquelle (35) eine im Span­ nungsregler (3) vorhandene Quelle verwendet ist.

7. Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal über einen Spannungsteiler (21, 22) erzeugt wird.

8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Masse und Ausgang des Drehstromgenerators (1) eine Zenerdiode (9) als Überspannungsschutz geschaltet ist.

9. Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergleichrichter am Drehstromgenera­ torausgang Dioden mit Avalanche-Charakteristik sind.

10. Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie und der Spannungsregler (3) als eine einzige hybrid- oder monolithisch integrierte Schaltung ausgeführt ist.