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Anordnung zur Konstanthaltung von Spannung und/oder Strom von elektrischen
Maschinen mit Nebenschlußverhalten Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Konstanthaltung
von Spannung und/oder Strom von elektrischen Maschinen mit Nebenschlußverhalten
bei Drehzahl- und Belastungsänderungen und unterscheidet sich von dem Bekannten
dadurch, daß die Erregung der elektrischen Maschinen von mindestens einem Fototransistor
gesteuert wird, dessen Steuerlichtquelle von Spannung, Strom und/oder Frequenz der
Maschine abhängig gemacht ist.
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Die Anordnung nach der Erfindung erlaubt mit einfachen und wartungsfreien
Mitteln eine Konstanthaltung der Ausgangsgrößen von elektrischen Maschinen sowohl
bei Änderung der Maschinendrehzahl in weiten Grenzen als auch bei Belastungsänderungen.
Insbesondere bei sogenannten Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge ist sie besonders
geeignet, da es durch sie gelingt, auf die bisher üblichen, mechanische Kontakte
aufweisenden Regler zu verzichten.
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Der Fototransistor und die Erregerwicklung der Maschine in Parallelschaltung
können dabei mit einem vorgeschalteten ohmschen festen oder veränderbaren Widerstand
zusammen einen Spannungsteiler bilden. Die den Fototransistor beeinflussende Steuerlichtquelle
ist in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße der Maschine gebracht und steuert den
Parallelpfad zur Erregerwicklung so aus, daß durch entsprechende Änderung der Durchflutung
der Erregerwicklung eine Konstanthaltung der Ausgangsgröße bei Änderung der Umdrehungszahl
und bei Belastungsschwankungen errreicht wird. Durch entsprechende Wahl der einzelnen
Schaltungselemente der Anordnung nach der Erfindung kann für die verschiedensten
Fälle von zu regelnden Maschinen in weiten Grenzen eine Konstanthaltung der Ausgangsgrößen
erreicht werden.
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An Stelle einer Spannungsteilerschaltung der vorgenannten Art kann
auch eine Erregung durch zwei einander entgegenwirkende Erregerwicklungen vorgenommen
werden, wobei die eine Erregerwicklung unmittelbar von der zu regelnden Größe gespeist
wird und die andere Erregerwicklung über einen Fototransistor an diese Größe angeschlossen
ist. Auf diese Weise stellt sich die gesamte wirksame Durchflutung so ein, daß die
Ausgangsspannung bei Änderung der Umdrehungszahl oder Belastungsänderungen in weiten
Grenzen konstant bleibt.
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Der verwendete Fototransistor kann dabei als ein Elelement mit einer
Spannungsquelle und einem von der Beleuchtungsstärke der Steuerlichtquelle abhängigen
inneren Widerstand aufgefaßt werden, wobei die Trägerpaare in Sperrschicht durch
unmittelbare Lichteinwirkung auf diese erzeugt werden können. Ein Fototransistor
hat im Prinzip eine gleiche Kollektorspannung-Kollektorstrom-Kennlinie wie ein normaler
Transistor, nur mit dem Unterschied, daß beim Fototransistor als Parameter die Beleuchtungsstärke
oder der Strom bzw. die Spannung bzw. die Leistung der Steuerlichtquelle in Erscheinung
tritt. Außerdem kann ein Fototransistor auch Wechselstrom steuern, wobei der Fotostrom
in beiden Polungsrichtungen nahezu gleich groß ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand einiger in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert.
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In den Fig. 1 bis 4 sind verschiedene Anordnungen für die Spannungskonstanthaltung
von Gleichstromgeneratoren gezeigt, die Fig. 5 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele
nach der Erfindung zur Konstanthaltung der Spannung von Wechselstromgeneratoren.
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Nach Fig. 1 soll die Ausgangsspannung U des Generators G bei Änderung
der Belastung konstant gehalten werden. Hierzu ist die Erregerwicklung W an eine
Erregergleichspannungsquelle UE angeschlossen. Parallel zur Erregerwicklung E liegt
ein Fototransistor F, dem eine Steuerlichtquelle L zugeordnet ist, welche über einen
Vorwiderstand h von der Generatorspannung U gespeist wird. Die Bemessung des Widerstandes
W, der Erregerwicklung E und des Fototransistors F sowie der Beleuchtungsstärke
der Steuerlichtquelle List beispielsweise so getroffen, daß die Nennspannung bei
einer bestimmten Nenndrehzahl eingehalten wird. Steigt die Drehzahl des Antriebsmotors,
so steigt damit die Ausgangsspannung des Generators und damit der Lampenstrom. Der
Fototransistor wird stärker beleuchtet, der Innenwiderstand wird kleiner und damit
auch der Strom
in der Erregerwicklung. Sinkt infolge größerer Belastung
die Ausgangsspannung, so sinkt auch der Lampenstrom, der Innenwiderstand des Fototransistor
wird größer, der Strom in der Erregerwicklung steigt, bis die Ausgangsspannung ihren
Nennwert erreicht.
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Analog im entgegengesetzten Sinne ist der Vorgang heim Absinken der
Drehzahl und bei Spannungsanstieg infolge Entlastung des Generators.
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Eine der Anordnung nach Fig.1 entsprechende Anordnung für selbsterregte
Gleichstromgeneratoren ist in Fig. 2 gezeigt, bei der der Spannungsteiler, bestehend
aus dem Widerstand W, der Erregerwicklung E und dem Fototransistor F, nicht an eine
gesonderte Erregerspannung, sondern an die Generatorspannung angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist im Prinzip die gleiche wie in Fig. 1. Die Bemessung
und Abgleichung der Schaltungselemente ist hier vorteilhaft so zu treffen, daß trotz
der sich bei der Spannungsänderung mitverändernden Erregerspannung eine ausreichend
schnelle Einregelung auf den Nennwert erreicht wird. Das wird durch eine entsprechende
Dimensionierung des Spannungsteilers, die Wahl der Lampe und des Lampenwiderstandes
erreicht. Es können zu diesem Zweck auch zwei Fototransistoren F und F' parallel
zur Erregerwicklung geschaltet werden, die von einer gemeinsamen Lichtquelle gesteuert
werden, wie dies gestrichelt angedeutet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig.3 gezeigt; zur
Vergrößerung des Ausregelbereiches sind hierbei ebenfalls zwei zur Erregerwicklung
parallele Fototransistoren F1 und F2 vorgesehen. Dem Fototransistor F1 ist über
den Vorwiderstand h die Lichtquelle L1 zugeordnet, während dem Fototransistor F2
eine gesonderte Lichtquelle L2 zugeordzret ist, die vom Spannungsabfall eines im
Generatorstromkreis liegenden Widerstandes R gespeist wird. Es gelingt auf diese
Weise eine Regelung, in der auch eine Strombegrenzung erreicht wird, um den Generator
vor Überbelastung zu schützen.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist an Stelle eines Spannungsteilers
eine Anordnung mit zwei getrennten Erregerwicklungen El und E2 vorgesehen, deren
Durchflutungen einander entgegenwirken. Die eine Erregerwicklung El ist dabei unmittelbar
an die Klemme des Generators G angeschlossen, während der Erregerwicklung E2 der
Fototransistor F vorgeschaltet ist. Die Speisung der Steuerlichtquelle geschieht
wiederum wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen über einen Vorwiderstand
von der Spannung des Generators. Die genannte Schaltungsanordnung ist so ausgelegt,
daß bei Änderung der Spannung des Generators die Veränderung der Durchflutung der
einen Erregerwicklung durch eine Änderung der Durchflutung der anderen Erregerwicklung
so kompensiert wird, daß die Differenz der Durchflutungen leider Erregerwicklungen
in weiten Bereichen eine konstante Ausgangsspannung zur Folge hat.
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In den Fig. 5 bis 7 sind Schaltungsanordnungen zur Spannungskonstanthaltung
von Wechselstromgeneratoren gezeigt. Gleiche Teile wie in den vorher genannten Anordnungen
sind mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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Die Anordnungen nach den Fig.5 und 7 unterscheiden sich dabei von
den Anordnungen nach den Fig. 2 und 4 nur durch die Verwendung eines Gleichrichters
GL, an dessen Gleichstrompole die Spannungsteilerschaltung bzw. die Erregerwicklungen
angeschlossen sind. Die Steuerlampe wird von der Wechselspannung des Genrators,
die eine Funktion der Umdrehungszahl des Antriebsmotors ist, gespeist. Man kann
daher eine frequenzabhängige Beeinflussung der Steuerlampe erreichen, indem man
z. B. den Vorwiderstand der Lampe mit einem Kondensator überbrückt oder den V orwiderstand
in Reihe mit einem Kondensator schaltet. Dabei fließt mit steigender Drehzahl über
den Kondensator C zusätzlich ein größerer Steuerstrom durch die Lichtquelle L, die
wieder den Fototransistor F so beeinflußt, daß dessen Innenwiderstand noch mehr
verkleinert wird und somit das Erregerfeld zusätzlich geschwächt wird. Will man
den entgegengesetzten Effekt erzielen, setzt man an Stelle des Kondensators eine
Drossel.
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Durch eine Reihenparallelschaltung von Kondensatoren bzw. Drossel
zum Widerstand 1%' kann eine entsprechende Kombinationswicklung erreicht werden.
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In Fig.6 ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung
gezeigt, welches besonders einfache Einsteigmöglichkeiten ergibt und das ebenfalls
den obigen Vorteil einer frequenzabhängigen Beeinflussung der Steuerlichtquelle
hat. Hierbei speist der Wechselstromgenerator G die Primärwicklung 1 eines Transformators
Tr, an dessen Sekundärwicklung 2 die Ausgangsspannung U abgenommen werden kann.
Gleichzeitig speist die Sekundärwicklung 2 die Steuerlichtquelle L über einen Vorwiderstand
V, dem ein Kondensator C parallel geschaltet ist. Die Erregerwicklung E mit ihrem
parallel geschalteten Fototransistor F und dem Widerstand W ist am Gleichrichter
GL angeschlossen, der von einer zweiten Sekundärwicklung 3 des Transformators Tr
gespeist wird. Bei Ausbildung des Transformators als Stelltransformator läßt sich
eine besonders einfache Einstellung der Nennspannung und der den Spannungsteiler
speisenden Spannung vornehmen.
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Die Speisung der Steuerlichtquelle über Widerstands-Kondensatoranordnungen
kann auch von einer gesonderten Sekundärwicklung des Transformators Tr in Fig. 6
erfolgen.
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Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht nur auf die
angeführten Ausführungsbeispiele; man kann sie in mannigfacher Art und Weise abändern.
So ist es z. B. möglich, nicht nur die Spannung von Gleich- oder Wechselstromgeneratoren
konstant zu halten, sondern auch den Strom allein oder zusammen mit der Spannung
auf einen bestimmten Wert zu halten, indem die die Erregung beeinflussenden Mittel
samt ihren Steuerlichtquellen von den entsprechenden Größen abhängig gemacht werden.
Beispielsweise kann zur Stromregelung ein Shunt zur Speisung der Steuerlichtquelle
dienen und der Spannungsteiler mit der Erregerwicklung ebenfalls vom Strom abhängig
gemacht werden.
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Die Steuerlichtquellen und ihre Fototransistoren werden zweckmäßig
in einem gemeinsamen kleinen Gehäuse eingebaut, so daß die ganze Anordnung nach
der Erfindung raumsparend untergebracht und gegen Verschmutzung oder Beschädigung
bei geringstmöglichem Aufwand geschützt ist.