DE69600615T2

DE69600615T2 - Fahrzeuggenerator

Info

Publication number: DE69600615T2
Application number: DE69600615T
Authority: DE
Inventors: Feng Canton Michigan 48187 Liang; Md Abul W. Bloomfield Michigan 48323 Masrur; Paul Theodore Carleton Michigan 48117 Momcilovich; Garold Paul Northville Michigan 48167 Myers; Daryl Steven Huntington Woods Michigan 48070 Sitar; Shahram Farmington Hills Michigan 48331 Zarei
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2016-08-10
Also published as: EP0762596A1; US5793167A; EP0762596B1; US5648705A; DE69600615D1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Generatoren und insbesondere verbesserte Generatoren und Verfahren, um solche Generatoren zu betreiben und die Stromabgabe des Generators insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern. Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein anwendbar ist, wird sie hierin unter Bezugnahme auf die Verwendung in Kraftfahrzeugen beschrieben.
Ein herkömmlicher Generator für Kraftfahrzeuge umfaßt eine Drehstromständerwicklung, wobei ein Läufer magnetisch mit dem Ständer gekoppelt ist und vom Verbrennungsmotor des Fahrzeuges angetrieben wird. Wenn der Läufer angetrieben wird, wird der an den Ausgabeanschlüssen der Ständerwicklung erzeugte Drehstrom von einer Drehstrom-Diodengleichrichterschaltung geglättet. Leider variieren die Stromabgabe und die Leistung - sowohl die mechanische als auch die elektrische - des Generators mit der Drehzahl des Motors, die entsprechend den mechanischen Anforderungen, die an das Fahrzeug gestellt werden, gesteuert wird. Bei niedrigen Drehzahlen könnte die Abgabe des Generators unzureichend sein, um den zum Betreiben der ganzen elektrischen Ausrüstung des Fahrzeuges benötigten Strom zu liefern, während bei hohen Drehzahlen die Stromerzeugung dazu ausreicht, diesen Bedarf weit zu übertreffen.
Die Betriebsdrehzahl eines im elektrischen System eines Fahrzeuges verwendeten Generators kann verändert werden, um die angeführten Mißklänge zwischen der Stromerzeugung und dem Strombedarf zu überwinden und vorteilhaft genügend Strom für das Fahrzeug zu erzeugen, wenn der Motor bei niedrigen Drehzahlen arbeitet. Beispielsweise ist eine Vielzahl von Generatoren mit zwei Geschwindigkeiten bekannt, die bei niedrigen Motordrehzahlen des entsprechenden Fahrzeugmotors mit einer höheren Drehzahl betrieben werden können.
Obwohl solche Anordnungen zur Steuerung von Generatoren für die Bereitstellung einer adäquaten Strommenge bei niedrigen Motordrehzahlen oder für den Schutz der Generatoren bei hohen Motordrehzahlen nützlich sind, beruhen sie auf mechanischen Vorrichtungen zur Drehzahländerung, die unzuverlässig sein können.
Eine weitere Anordnung zur Steuerung eines Generators ist von der Druckschrift EP-A-0665637 her bekannt, nach der der Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegt wurde, und worin der Generator an einem Ganzwellengleichrichter angeschlossen ist. Demzufolge besteht ein Bedarf an einem verbesserten Generator, der zuverlässig ist und nicht von mechanischen Vorrichtungen zur Drehzahländerung, um den Betrieb des Generator zu verbessern, und von Anordnungen abhängt, um der Betrieb eines solchen Generators beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zu steuern.
Dieser Bedarf wird durch die Erfindung der vorliegenden Patentschrift gedeckt, worin eine herkömmliche Ganzwellendiodenbrücke eines Generators von einer ganzwellengesteuerten Gleichrichterbrücke mit gesteuerten Schaltern an der Stelle der Dioden ersetzt wird. Die Phasensteuerung wird durch die Schalter der gesteuerten Gleichrichterbrücke bewerkstelligt, um die natürlichen Schaltvorgänge vorzuziehen und die Phase der Phasenspannungen des Generator bezüglich der Phasenströme zu verschieben. Die Steuerung des Phasenwinkels spaltet den normalen Betrieb des Generators mit dem Einheitsleistungsfaktor auf und bewirkt einen zusätzlichen reaktiven Stromfluß in einer Drehstromständerwicklung des Generators, um die gesteuerte Gleichrichterbrücke zu speisen. Das Ergebnis ist, daß für die gleichen Betriebsbedingungen die gesteuerten Schalter der gesteuerten Gleichrichterbrücke die Abgabe des Generators um 40% bis 60% verstärken.
Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird ein Generator beispielsweise von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges mechanisch angetrieben, um eine Gleichstromabgabe (dc) zu erzeugen und eine Batterie des Fahrzeuges aufzuladen und die elektrische Ausrüstung des Fahrzeuges zu betätigen. Der Generator umfaßt eine Drehstromständerwicklung mit drei Ausgabeanschlüssen. Ein Läufer ist magnetisch an die Ständerwicklung gekoppelt und wird mechanisch angetrieben, um eine elektromotorische Gegenkraft in der Ständerwicklung zu erzeugen und dadurch Drehstrom an den drei Ausgabeanschlüssen der Ständerwicklung zu erzeugen. Es wird ein Gerät verwendet, um die Stellung der elektromotorischen Gegenkraft in der Ständerwicklung zu bestimmen. Eine ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke ist zwischen den drei Ausgabeanschlüssen der Ständerwicklung und der Gleichstromabgabe angeschlossen. Ein Regler steuert die ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke als Antwort auf die elektromotorische Gegenkraft in der Ständerwicklung, um die Phasenverschiebung zwischen der elektromotorischen Gegenkraft in der Ständerwicklung und den Phasenspannungen an den drei Ausgabeanschlüssen der Ständerwicklung zu steuern.
Es ist also ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß ein Generator zur Erzeugung einer Gleichstromabgabe bereitgestellt wird, der eine verstärkte Stromabgabe des Generators liefert, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen; und gleichermaßen die Bereitstellung eines verbesserten Generators für ein Kraftfahrzeug, der eine verstärkte Stromabgabe des Generators insbesondere bei niedrigeren Motordrehzahlen liefert, indem eine ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke zur Steuerung der Phasenverschiebung zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Phasenspannung gesteuert wird, um den Abgabestrom vom. Generator zu verstärken.
Die Erfindung wird nun auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 ein schematisches Diagramm einer einzelnen Phase einer Synchronmaschine ist;
die Abb. 2-5 Zeigerdiagramme sind, die die verschiedenen elektrischen Parameter der synchronen Maschine von Abb. 1 zeigen;
Abb. 6 ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems eines Fahrzeuges ist, das einen im Einklang mit der vorliegenden Erfindung zu betätigenden Generator umfaßt;
Abb. 7 eine Tabelle ist, die sechs Schaltmodi, die für eine Steuerung in sechs Schritten entsprechender Anschlüsse einer ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke verwendet werden, sowie die Spannungsverhältnisse zwischen den Leitungen und bezüglich des Nulleiters für jeden Modus zeigt;
Abb. 8 eine Reihe von Graphen ist, die die Steuerung in sechs Schritten einer ganzwellengesteuerten Gleichrichterbrücke zeigen; und Abb. 9 eine graphische Darstellung der Verbesserung der Generatorleistung im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist.
Vor der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird man eine kurze Analyse der Synchronmaschinen durchführen, um das technische Hintergrundwissen für die Beschreibung des Verfahrens zur Generatorsteuerung und des Gerätes der vorliegenden Erfindung zu liefern. Abb. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Modells für eine einzelne Phase einer Synchronmaschine mit gleichmäßigem Luftspalt, worin: E die Spannung oder die elektromotorische Gegenkraft (EMF) ist, die in den Phasen der Ständerwicklung durch eine rotierende Flußwelle erzeugt wird, die durch einen angetriebenen Läufer erzeugt wird, der mit der Ständerwicklung magnetisch gekoppelt ist; I der Strom ist, der als Menge des Wechselstromes (ac) ausgedrückt wird, die durch die Belastung fließt, die für ein Kraftfahrzeug eine Batterie und selektiv betätigte Elektrogeräte des Fahrzeuges umfaßt; R der Widerstand der Phase der Ständerwicklung ist; Xs die synchrone Reaktanz der Phase der Ständerwicklung ist; und V die Belastungsspannung ist, als Wech~elstrommenge ausgedrückt.
Abb. 2 ist ein Zeigerdiagramm für das Modell der synchronen Maschine von Abb. 1, worin Φ der Winkel zwischen der EMF E und dem Strom 1, β der Winkel zwischen der EMF E und der Belastungsspannung V und α der Winkel zwischen der Belastungsspannung V und dem Strom I ist. Die vom Läufer zum Ständer übertragene Leistung, die Leistung im Luftspalt, wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:
P = E 1 cos(Φ)
Bei E die elektromotorische Gegenkraft, die durch die Drehzahl, den Fluß und den Strom I begrenzt ist, der seinerseits durch die Kühlungsbedingungen der Maschine begrenzt ist, dann wird die maximale Leistung im Luftspalt erhalten, wenn die Phase des Stromes I gleich der Phase der elektromotorischen Gegenkraft E ist, was gewöhnlich als "nach dem Feld ausgerichtet" bezeichnet wird, und demzufolge wirkt die Maschine bei Maximalleistung. In dieser Betriebsart entwickelt die Maschinen die höchste Leistungsdichte. Leider kann ein solcher Betriebsmodus nicht in einem herkömmlichen Ladesystem für Fahrzeuge erreicht werden, weil in diesem Betriebsmodus die Spannung an den Anschlüssen gewöhnlich höher als die elektromotorische Gegenkraft ist, wie in Abb. 3 gezeigt ist, wohingegen in einem gewöhnlichen Ladesystem für Fahrzeuge die Klemmenspannung kleiner als die elektromotorische Gegenkraft ist.
In einem Ladesystem für Fahrzeuge sind die Einschränkungen die Klemmenspannung, die durch die Batteriespannung bestimmt wird, und die elektromotorische Gegenkraft. Nach der Theorie der synchronen Maschinen wird unter solchen Rahmenbedingungen die Leistung maximal sein, wenn die Phasenverschiebung zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Klemmenspannung 90 elektrische Grad für Maschinen mit gleichmäßigem Luftspalt beträgt, wie in Abb. 4 gezeigt ist. Leider kann eine synchrone Maschine, die an einem Diodengleichrichter angeschlossen ist, nicht die maximale Ausgangsleistung erzeugen, weil der Winkel β aufgrund der Tatsache, daß die Diode den Phasenstrom zur Phasengleichheit mit der Phasenspannung zwingt, kleiner als 90º ist, wie in Abb. 5 gezeigt ist.
Es ist ersichtlich, daß durch die Vergrößerung des Winkels zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Klemmenspannung die Abgabe einer synchronen Maschine verstärkt werden kann. Jedoch ist diese Zunahme der Gleichstromabgabe kleiner als die Zunahme des Phasenstromes, weil die Maschine einen niedrigeren Leistungsfaktor besitzt, wenn der Strom nicht die gleiche Phase wie die Phasenspannung besitzt. Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird eine ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke verwendet, um den Winkel β zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Belastungsspannung durch die Beeinflussung der Anschlüsse der Klemmenspannung der synchronen Maschine oder des Generators zu steuern. Diese Steuerung verstärkt die Abgabe des Generators insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, und sie kann auch zur Kontrolle der Überspannung, d. h. als Belastungsausgleich, und zur Spannungsregelung innerhalb des Ladesystems eines Kraftfahrzeuges, siehe Abb. 9, verwendet werden.
Da die Batterie eine Spannungsquelle ist, werden die an die Ausgabeanschlüsse der Statorwicklung des Generators angelegten Spannungen direkt durch die ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke gesteuert anstatt durch die Phasenströme der Maschine. Demzufolge besteht die Steuerung für die gesteuerte Gleichrichterbrücke in der Synthese von Wechselstromklemmenspannungen, so daß die synthetisierten Klemmenspannungen mit der elektromotorischen Gegenkraft unter Erzeugung des erforderten Stromflusses interagieren. Die Anforderungen an die synthetisierten Klemmenspannungen sind die folgenden: 1) Die Frequenz der synthetisierten Klemmenspannungen muß die gleiche sein wie die der elektromotorischen Gegenkraft, sonst wird die Maschine überhaupt keine mittlere Abgabeleistung besitzen; 2) die Größe der Klemmenspannung sollte den möglichen Maximalwert einnehmen, was durch die Batteriespannung begrenzt wird, damit die Maschine die höchstmögliche Abgabe mit einem bestimmten Feldstrom liefert; 3) der Winkel zwischen der Phasenspannung und der entsprechenden elektromotorischen Gegenkraft sollten so sein, daß die Maschine den angeforderten Strom liefert, was nicht unbedingt jederzeit die Maximalleistung sein muß.
Es gibt verschiedene bekannte Verfahren, um die Klemmenspannungen zu synthetisieren, etwa Sinus-Dreieck-Pulsbreitenmodulierung, Spannungsraumvektor- Pulsbreitenmodulierung und Sechsschrittsteuerung. Die Sechsschrittsteuerung erzeugt die höchste Spannung der Grundschwingung, und sie ist auch leicht zu realisieren. Jedoch besitzt sie im Vergleich zu den anderen Steuerungsverfahren ausgeprägtere harmonische Komponenten niederer Ordnung. Da die Grundschwingung eines Generators eines Ladesystems für Kraftfahrzeuge ziemlich hoch ist, größer als 150 Hz, erzeugen die harmonischen Teilschwingungen der Spannung nicht genügend große Oberwellenströme, als daß diese ein Problem bei der Verwendung einer Sechsschrittsteuerung darstellen könnten. Demzufolge wird die Sechsschrittsteuerung für das System zur Generatorsteuerung der vorliegenden Patentschrift aufgrund seiner Einfachheit und höheren Grundspannung bevorzugt. Abb. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems 100 für ein Kraftfahrzeug, das eine Batterie 102, eine Belastung 104, die aus selektiv betätigten, elektrisch angetriebenen Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges besteht, und einen Generator 106 umfaßt, der im Einklang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Eine ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke 108 wird aufgebaut, indem sechs Schalter verwendet werden, die als sechs MOSFETs A&spplus;, A&supmin;, B&spplus;, B&supmin;, C&spplus;, C&supmin; gezeigt sind, aber natürlich kann eine Vielfalt von gesteuerten Schaltgeräten in der Erfindung verwendet werden, wie dem Fachmann augenscheinlich werden wird. Die sechs Schaltmodi, die für die Sechsschrittsteuerung der entsprechenden Anschlüsse und für die Spannungen zwischen den Leitungen und zwischen den Leitungen und dem Nulleiter eines jeden Modus verwendet werden, sind in Abb. 7 wiedergegeben. Wenn die sechs Schalter in diesen sechs Modi hintereinander geschlossen und geöffnet werden und jeder Modus während einem Sechstel des Basiszyklus des Generators 106 beibehalten wird, werden die Spannungen an den Ausgabeanschlüssen 110, 112, 114 der Drehstromständerwicklung 116 des Generators 106 die in Abb. 8 gezeigten Wellenformen besitzen.
Es ist bekannt, daß Drehstromwechselspannungen ausgehend von einer Gleichstromspannung synthetisiert werden können, wenn ein Wechsel zwischen den in Abb. 7 gezeigten sechs Schaltmodi 1 bis 6 nacheinander stattfinden kann. Gleichermaßen können die Batterie 102 und die Belastung 104 durch die sechs Schalter der Brücke 108 an den Drehstromwechselspannungen, die an den Ausgabeanschlüssen 110, 112, 114 der Drehstromständerwicklung 116 des Generators 106 erzeugt werden, angeschlossen werden, so daß ein Gleichstrom 118 vom Generator 106 zur Batterie 102 und zur Belastung 104 fließt, allerdings wiederum unter der Voraussetzung, daß die in Abb. 7 gezeigten Schaltmodi 1-6 hintereinander unter den sechs Schaltmodi verändert werden.
Die Synchronisation für den Wechsel der Schaltmodi oder -zustände wird so ausgewählt, daß die Brücke 108 synchron mit den Drehstromwechselspannungen ist, die an den Ausgabeanschlüssen 110, 112, 114 der Ständerwicklung 116 erzeugt werden. Die Synchronisation der Brücke 108 mit den Drehstromwechselspannungen kann mit einer minimalen Informationsmenge über die elektromotorische Gegenkraft durchgeführt werden, d. h. mit der synchronen Frequenz des Generators 106, wie im Hinblick auf eine Vielfalt von Steuerungsstrategien zum Umschalten der Zustände der Anschlüsse durch die Brücke 108 beschrieben werden wird.
Das Ziel all dieser Steuerungsstrategien besteht darin, eine gewünschte Phasenverschiebung zwischen der Phasenspannung des Wechselstromanschlusses an den Ausgabeanschlüssen 110, 112, 114 des Generators 106 und deren zugehörigen elektromotorischen Gegenkraft zu bestimmen und einzustellen. Das Aufrechterhalten einer Phasenverschiebung zwischen einem Phasenstrom und seiner zugehörigen Phasenspannung ist das Gleiche, wie offensichtlich sein sollte und es in zahlreichen der Strategien herausgestellt wird. Eine solche Steuerung erhöht die Ausgangsleistung des Generators 106 auf dramatische Weise, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, ohne den Platzbedarf oder das Gewicht des Generators zu erhöhen. Zusätzlich kann die Überspannung, beispielsweise wegen des Wegfalls der Belastung, gesteuert werden und die herkömmliche Spannungsregelungsfunktion kann durch die geeignete Steuerung der Brücke 108 durchgeführt werden.
Eine erste Strategie verwendet eine Codiervorrichtung 120 für die Winkelstellung, die an einer Abtriebswelle 122 des Läufers angeschlossen ist, um die Stellung der Abtriebswelle 122 des Läufers und somit die elektromotorische Gegenkraft in der Drehstromständerwicklung 116 zu bestimmen. Die entstehende Information wird zusammen mit einer im Speicher eines Mikroprozessors 124 abgelegten Tabelle verwendet, um den Verzögerungswinkel für die Klemmenspannungen und somit die Schaltzeiten für die Schalter der Brücke 108 zu bestimmen und einzustellen. In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Schaltzeiten als Eingabe für einen Zähler 126 ausgelesen, der dann herunterzählt, um einen Schaltpuls für eine Zustandsmaschine 128 zu erzeugen, die als Antwort die Treiberschaltkreise 130 zur Steuerung des Leitzustandes der Schalter der Brücke 108 betätigt. Ein Sperrschaltkreis 132, der als an die Zustandsmaschine 128 gekoppelter Ausschlußzähler gezeigt ist, stellt sicher, daß niemals zwei Schalter im gleichen Zweig der Brücke 108, beispielsweise A&spplus;, A&supmin;, gleichzeitig eingeschaltet sind. In einer betriebsfähigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden als Mikroprozessor 124 ein 80C196-Mikroprozessor und eine Altera-EPLD- Zustandsmaschine als Zustandsmaschine 128 verwendet; jedoch kann eine große Vielfalt von Mikroprozessoren und Zustandsmaschinen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Eine zweite Strategie verwendet den Nullinienschnittdetektor 134 für einen Phasenstrom. Die resultierende Stellungserfassung wird vom Mikroprozessor 124 verwendet, um einen gewünschten Verzögerungswinkel zwischen der Erfassung des Nullinienschnittes des Phasenstromes und der Anwendung der Klemmenspannung einzuführen, d. h. zur Synchronisation der Zustandsübergänge der Schalter der Brücke 108. Wie vorstehend bemerkt wurde, ist die Steuerung dieses Winkels analog zur Steuerung des Winkels zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und den Klemmenspannungen.
Eine dritte Strategie, die gegenwärtig bevorzugt wird, besteht darin, die drei Phasenspannungen und den Nulleiter N von der Ständerwicklung 116 innerhalb eines Erfassungsschaltkreises 136 für die dritte Oberwelle zu vereinigen, um die dritte Oberwelle innerhalb der vom Generator 106 erzeugten Spannung zu bestimmen. Die resultierende dritte Oberwelle wird in eine Rechteckwelle umgewandelt und zu einem Zählerschaltkreis 138 weitergeleitet, der einen Ausgabepuls der Basisfrequenz für jeden der sechs Pulse der dritten Oberwelle erzeugt, der das Ausgabesignal von der Verschlüsselungsvorrichtung 120 für die Winkelstellung ersetzt. Bei dieser dritten Steuerungsstrategie mit der Oberwelle empfängt ein Start- und Synchronisationsschaltkreis 140 eine Phase, die willkürlich als Phase A bezeichnet ist, und das Signal der dritten Oberwelle vom Erfassungsschaltkreis 136 für die dritte Oberwelle, um ein Start- und Synchronisationssignal zu erzeugen, das dem Schnitt der Nullinie vom negativen zum positiven Bereich der Phase A, die der Zustandsmaschine 132 zugeführt wird, entspricht und ihn identifiziert.
Das Start- und Synchronisationssignal ermöglicht und stellt sicher, daß die Schalter A&spplus;, B&supmin; und C&spplus; zu dem vom Schaltpuls angezeigten geeigneten Zeitpunkt vom Zähler 126 für die Schnitte vom negativen in den positiven Bereich der Nullinie der Phase A eingeschaltet werden. Die Schaltmodi werden dann hintereinander vom Modus 1 zum Modus 6, wie in Abb. 7 gezeigt ist, während einem Sechstel des EMF-Zyklus geschaltet. Die synchrone Frequenz ändert sich, wenn sich die Drehzahl des Generators verändert, und es ist wichtig, die Schalter der Brücke 108 synchron zur Maschine zu halten. Dies wird bewerkstelligt, indem der Zyklus der elektromotorischen Gegenkraft aufgefrischt und die Zeitdauer eines jeden Schaltmodus gleich einem Sechstel des laufenden Zyklus der elektromotorischen Gegenkraft gehalten wird. Ein Phasenstromdetektor 142 könnte ebenso mit dem Detektor 136 für die dritte Oberwelle verwendet werden. Zusätzlich könnte ein Gleichstromverbindungsfühler 144 als Rückkopplung zum Mikroprozessor 124 verwendet werden, um eine geschlossene Regelschleife für die Leistungsoptimierung aus dem Generator 106 zu bilden.
In einer vierten Strategie können ein Phasenstromdetektor 142 und ein Phasenspannungsdetektor 146 verwendet werden, um die Stellung der elektromotorischen Gegenkraft aus dem bestimmten Phasenstrom und der Spannung abzuschätzen. Diese Schätzung ergibt einen vorhandenen Verzögerungswinkel zwischen dem Phasenstrom und der Spannung, der mit einem gewünschten Verzögerungswinkel verglichen wird, der aus einer empirisch bestimmten Tabelle ausgelesen wird. Der Verzögerungswinkel zwischen dem Phasenstrom und der Spannung wird dann solange nachgestellt, bis der geschätzte Verzögerungswinkel und der gewünschte Verzögerungswinkel übereinstimmen.
Wie oben angemerkt wurde, kann die Abgabe des Generators 106 durch die Steuerung des Winkels zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Klemmenspannung jeder Phase gesteuert werden. Glücklicherweise ist die Beziehung zwischen dem Winkel und dem Ausgabestrom einfach: Je größer der Winkel, der jedoch nicht größer als 90º sein darf, desto größer ist die Abgabe. Wenn es also notwendig ist, die Abgabe zu erhöhen, wird der Winkel vergrößert, und wenn es notwendig ist, die Abgabe zu verringern, wird der Winkel verkleinert. Diese Einstellungen könnten durchgeführt werden, indem Inkrementalwerte für die Verzögerung addiert oder subtrahiert werden, so daß man die gewünschte Abgabe über eine gewisse Anzahl von Zyklen der Abgabe des Generators erreicht. Nachdem der Ausgabestrom den angeforderten Wert erreicht hat, wird die Verzögerung solange beibehalten, bis eine weitere Änderung notwendig ist.
Es wird angemerkt, daß zur Verstärkung des Ausgabestromes der Wechsel des Schaltmodus eher verzögert als vorgezogen wird, wie durch die beschriebene Stromsteuerungsstrategie nahegelegt wird. Dies aufgrund der Tatsache, daß die direkt gesteuerten Variablen die Klemmenspannungen und nicht die Phasenströme sind, weil die Batterie eine Spannungsquelle ist. Um den Ausgabestrom zu vergrößern, sollten die Klemmenspannungen der Maschine so verzögert werden, daß der Winkel zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und den Spannungen vergrößert werden kann. Das Vorziehen des Wechsels des Schaltmodus geht in die entgegengesetzte Richtung.
Wie vorstehend angemerkt wurde, muß die Frequenz der Klemmenspannung, die von den Schaltern der Brücke 108 bestimmt wird, gleich wie die synchrone Frequenz des Generators 106 sein. Wenn die synchrone Frequenz bekannt ist, kann die Frequenz der Klemmenspannung sicher beim gleichen Wert der synchronen Frequenz gehalten werden, indem die Zeitdauer eines jeden Schaltmodus gleich einem Sechstel des synchronen Zyklus gehalten wird und der Schaltmodus nach der in Abb. 7 angezeigten Abfolge verändert wird. Um die synchrone Frequenz zu bestimmen, kann der Detektor 136 für die dritte Oberwelle verwendet werden, weil die Information über die synchrone Frequenz in der dritten harmonischen Spannung enthalten ist. So kann die synchrone Frequenz leicht bestimmt werden, indem der Schnitt der Nullinie der dritten harmonischen Spannung erfaßt wird, was leicht durch die Addition der drei Phasenspannungen bewerkstelligt werden kann. Wenn sich die Drehzahl des Generators verändert, ändert sich ebenso die Frequenz der dritten harmonischen Spannung, was seinerseits die Synchronisation des Schaltvorgangs des Modus der Anschlüsse der Brücke 108 verändert, so daß die Frequenz der Klemmenspannung der Frequenz der elektromotorischen Gegenkraft folgt.
Obwohl es möglich ist, einem optimalen Verzögerungswinkel für den Betrieb eines Generators im Einklang mit der vorliegenden Erfindung auszuwählen, zieht man es vor, um solche Probleme wie Veränderungen der Parameter der Maschine, Nachteile der einzelnen Modelle und Schwierigkeiten in der Vorhersage der Belastung zu vermeiden, keinen Versuch zu unternehmen, den Optimalwert des Winkels für die erforderliche Abgabe vorherzusagen und diesen Optimalwert zu erreichen. Stattdessen wird eine Rückkopplungssteuerung bevorzugt. Die Rückkopplungsvariable ist die Batteriespannung und die Steuerungsbeziehung einfach: Der Winkel wird vergrößert, wenn die Batteriespannung niedriger als die vorgesehene untere Grenze ist, und der Winkel wird verkleinert, wenn die Batteriespannung höher als die vorgesehene obere Grenze ist. Wie oben angemerkt wurde, kann die Winkelsteuerung durch die Steuerung der Zeitdauer eines jeden Schaltmodus bewerkstelligt werden.
Man sieht es vor, den Winkel sanft zu verändern, und der in einem Schritt veränderte Wert wird für eine bestimmte Generatorserie empirisch bestimmt. Die Zeitspanne des Übergangs, während der die Zeitdauern der Schaltmodi nicht gleich einem Sechstel des Zyklus der elektromotorischen Gegenkraft sind, wird beendet, wenn die Batteriespannung zurück in den erlaubten Bereich gebracht wurde. Die Regelschleife wird den Winkel zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Phasenspannung auf den erforderlichen Wert für die Belastung zwingen, selbst wenn dieser unbekannt ist.
Die Maschine liefert die maximale Abgabeleistung, wenn der Winkel zwischen der elektromotorischen Gegenkraft und der Phasenspannung dem Optimalwert erreicht, und für eine Maschine mit gleichmäßigem Luftspalt liegt der Optimalwinkel bei 90º und für eine Maschine mit Polanker ist der optimale Winkel kleiner als 90º. Es ist notwendig zu erfassen, ob die Maschine ihren Betriebspunkt der maximalen Abgabe erreicht hat. Jedoch ist es schwierig, den Winkel ohne einen Stellungsfühler zu messen. Um den Betriebspunkt der maximalen Abgabe zu erfassen, wird ein Stromfühler zur Messung des Verbindungsgleichstromes verwendet. Wenn der gemessene Verbindungsgleichstrom bei zunehmenden Winkel ansteigt, hat der Winkel seinem Optimalwert nicht erreicht und die Abgabe der Maschine kann noch durch die Vergrößerung des Winkels erhöht werden. Wenn bei zunehmendem Winkel der gemessene Verbindungsgleichstrom abnimmt, hat der Winkel den Optimalwert überschritten und die Abgabe der Maschine wird bei einer weiteren Zunahme des Winkels abnehmen.
Da die gesteuerte Brücke den Strom des Generators 106 verstärkt, wird der Generator 106 höhere Verluste aufweisen. Wenn die Kühlungsbedingungen den Strom auf einen niedrigeren Wert als die maximale Ausgabestromstärke begrenzen, was elektromagnetisch möglich ist, wird der Verbindungsgleichstromfühler zum Erfassen des Betriebspunktes der maximalen Stromstärke verwendet. Der Winkel kann dann zum Schutz der Maschine bei einem kleineren Wert als der entsprechende Winkel gehalten werden, wenn der gemessene Strom die Schwelle für den Strom erreicht hat, die durch die Kühlungsbedingungen festgelegt wird.
Für ein System mit einer ganzwellengesteuerten Gleichrichterbrücke wie der Brücke 108 wird die Zunahme des Ausgabestromes mit einer Einbuße erreicht: Der Abgabeleistungsfaktor ist kleiner als die Einheit. Um den unnötigen Nachteil zu umgehen, wird die gesteuerte Brücke solange nicht aktiviert, bis der Feldstrom seinen Maximalwert erreicht hat. Bis zu diesem Zeitpunkt sind alle sechs Schalter der Brücke 108 abgeschaltet und die Körperdioden der sechs MOSFETs A&spplus;, A&supmin;, B&spplus;, B&supmin;, C&spplus;, C&supmin; wirken als herkömmliche Diodenbrücke für den Generator 106. Auch sollte der Winkel des Leistungsfaktors, wenn die Stromstärke verringert werden soll, zunächst verkleinert werden, um die Reaktivstromkomponente zu verringern. Der Feldstrom wird solange nicht verringert, bis der Leistungsfaktor die Einheit erreicht hat und die von der Brücke 108 durchgeführte gesteuerte Gleichrichtung beendet ist. Der Winkel des Leistungsfaktors kann über den Ausgabestrom geschätzt werden. Wenn der Ausgabestrom größer als der Ausgabestrom einer Diodenbrücke für eben die Drehzahl und den Feldstrom ist, ist der Winkel des Leistungsfaktors größer als null. Zusammenfassend ersetzt die vorliegende Erfindung eine herkömmliche ganzwellengesteuerte Diodenbrücke mit einer Ganzwellenbrücke mit gesteuerten Schaltern, die parallel zu Sperrdioden geschaltet sind, wie in Abb. 6 gezeigt ist. Die MOSFETs können als gesteuerte Schalter angesehen werden, die eine herkömmliche Diodenbrücke überlagern, wobei jedoch die Körperdioden der MOSFETs die herkömmliche Diodenbrücke bilden. Wenn die Phasensteuerung wie oben beschrieben eingeleitet wird, nehmen die gesteuerten Schalter den natürlichen Schaltvorgang der Dioden vorweg und verschieben die Phase der Phasenspannungen des Generators bezüglich der Phasenströme. Die Steuerung des Phasenwinkels spaltet den normalen Betrieb des Generators mit Einheitsleistungsfaktor auf und bewirkt einen zusätzlichen reaktiven Stromfluß in der Ständerwicklung 116, die von der Brücke 108 gespeist wird. Das Ergebnis ist, daß für die gleichen Betriebsbedingungen der gesteuerten Schalter der Brücke 108 die Abgabe aus dem Generator um 40% bis 60% verstärkt wird, wie in Abb. 9 gezeigt ist.

Claims

1. Ein Generator, der zur Erzeugung von Gleichstrom an einer Gleichstromabgabe mechanisch angetrieben wird und folgendes umfaßt:

Eine Drehstromständerwicklung (116) mit drei Ausgabeanschlüssen (110,112, 114); einen magnetisch an diese Ständerwicklung gekoppelten Läufer, der mechanisch angetrieben wird, um eine elektromotorische Gegenkraft in dieser Ständerwicklung zu erzeugen und dadurch Drehstrom an diesen drei Ausgabeanschlüssen dieser Ständerwicklung zu erzeugen; und

eine ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke (108), die zwischen diesen drei Ausgabeanschlüssen (110, 112, 114) dieser Ständerwicklung (116) und dieser Gleichstromabgabe (118) angeschlossen ist;

und dadurch gekennzeichnet, daß er ferner folgendes umfaßt:

Ein Gerät, um die Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung (116) zu bestimmen;

einen Regler (124, 128), der diese ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke als Antwort auf diese elektromotorische Gegenkraft in dieser Ständerwicklung steuert, um die Phasenverschiebung zwischen dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung (116) und den Phasenspannungen an diesen drei Ausgabeanschlüssen (110,112, 114) dieser Ständerwicklung (116) zu steuern.

2. Ein Generator nach Anspruch 1, worin diese Phasenverschiebung zwischen dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung und den Phasenspannungen an diesen drei Ausgabeanschlüssen dieser Ständerwicklung auf einem bevorzugten Wert gehalten wird, um die Stromabgabe des Generators zu erhöhen.

3. Ein Generator nach Anspruch 1 oder 2, worin diese Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung eine Codiervorrichtung (120) für die Winkelstellung umfaßt, die an diesem Läufer angeschlossen ist.

4. Ein Generator nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin diese Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung einen Nullinienschnittdetektor (134) für den Phasenstrom umfaßt, der an einer Phase dieser Drehstromständerwicklung angeschlossen ist.

5. Ein Generator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin diese Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung einen Detektor (136) für die dritte Oberschwingung umfasst.

6. Ein Generator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin diese Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung ferner einen Gleichstromfühler (144) umfaßt, um den von diesem Generator zu dieser Gleichstromabgabe fließenden Gleichstrom zu messen.

7. Ein Generator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin diese Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung ferner einen Spannungsfühler (146) umfaßt, um die Spannung von einer dieser drei Phasen zu messen.

8. Ein Generator nach Anspruch 1, worin diese Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung dieser elektromotorischen Gegenkraft in dieser Ständerwicklung einen ersten Fühler umfaßt, um den Strom in einer von diesen drei Phasen zu messen, sowie einen zweiten Fühler, um die Spannung in dieser einen Phase dieser drei Phasen zu messen.

9. Ein Generator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin diese ganzwellengesteuerte Gleichrichterbrücke aus MOSFET-Vorrichtungen gebaut ist.

10. Ein Generator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin dieser Generator von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mechanisch angetrieben wird, um eine Batterie dieses Kraftfahrzeuges aufzuladen und die Ausrüstung dieses Kraftfahrzeuges zu betreiben.