DE69203325T2

DE69203325T2 - Zündungsgenerator mit einer hohen Energie, insbesondere für Gasturbinen.

Info

Publication number: DE69203325T2
Application number: DE69203325T
Authority: DE
Inventors: Patrick Balland
Original assignee: Eyquem
Current assignee: Meggitt France SAS
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: EP0540375A1; CA2079046C; FR2681907A1; DE69203325D1; FR2681907B1; EP0540375B1; US5352955A; CA2079046A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zündgenerator hoher Energie, insbesondere für eine Gasturbine.
Aus dem Stand der Technik ist bereits eine bestimmte Zahl von Zündgeneratoren eines Typs bekannt, der eine Energiequelle, die an eine Schaltung zum Aufladen eines Kondensators zur Speicherung von Energie angeschlossen ist, und Einrichtungen zum Anschließen des Kondensators an eine Schaltung zum Entladen aufweist, die in Reihe Induktanzeinrichtungen zur Gewinnung von Energie und eine Zündkerze besitzt und deren Anschlüsse an Einrichtungen angeschlossen sind, die eine Freilaufdiode bilden, so daß Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerze erzeugt werden, um den Kondensator in der Zündkerze über die Induktanzeinrichtungen zur Rückgewinnung von Energie und die Induktanzeinrichtungen in der Zündkerze über die die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen zu entladen.
Eine vollständigere Beschreibung der Funktion und Steuerung dieser Art von Zündgeneratoren kann der FR-A-2 636 678 entnommen werden, die im Namen der Patentinhaberin hinterlegt wurde.
Bei dieser Art von Zündgeneratoren werden die Anschlußeinrichtungen von einem klassischen Entlader oder gesteuerten Halbleiterschalteinrichtungen, beispielsweise Thyristoren wie in der vorstehend genannten Veröffentlichung, gebildet.
Im letztgenannten Fall wird jedoch die Gegenwart und Dimensionierung von Induktanzeinrichtungen in bezug auf diese Thyristoren kritisch.
Während der Schaltung derselben stellt eine Begrenzung des Stromanstiegs in den Thyristoren und von Schaltverlusten einen wichtigen Faktor in bezug auf die Zuverlässigkeit der Einheit dar.
Die Verwendung dieser Thyristoren war daher bis heute von einer Grenze der Maximalenergie des Zündfunkens zwischen den Elektroden der Zündkerze abhängig.
Die Auswahl von Induktanzeinrichtungen führte daher zu einem Kompromiß zwischen der Notwendigkeit, eine Induktanz mit hohem Wert zu erzielen, um eine ausreichende Begrenzung des Stromanstiegs zu erreichen, und der Notwendigkeit, eine Induktanz mit geringem Wert zu erhalten, um eine große Energie des Zündfunkens zu erreichen.
Hierdurch wird keine optimale Funktionsweise des Zündgenerators erreicht.
Ziel der Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen und einen Zündgenerator vorzuschlagen, der einfach und zuverlässig ist und eine optimale Energie des Zündfunkens ermöglicht.
Dieses Ziel wird durch einen Zündgenerator hoher Energie, insbesondere für eine Gasturbine, des vorstehend beschriebenen Typs erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Induktanzeinrichtungen mindestens zwei Induktanzen aufweisen und daß die die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen Verbindungseinrichtungen derselben mit mindestens zwei Induktanzen bilden, die während der Entladung des Kondensators mit diesem in Reihe und während ihrer Entladung mit den Anschlüssen der Zündkerze parallel geschaltet sind.
Vorteilhafterweise sind die beiden Induktanzen beiderseits der Zündkerze angeordnet und umfassen die Verbindungseinrichtungen zwei eine Freilaufdiode bildende Einrichtungen, die jeweils parallel zur Zündkerze und einer Induktanz geschaltet sind.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung, die lediglich beispielhafter Natur ist, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zündgenerators;
Figur 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zündgenerators; und
Figur 3 die an den Klemmen der Zündkerze mit Hilfe eines Zündgenerators des Standes der Technik und mit Hilfe eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zündgenerators erhaltene Energie in Abhängigkeit von der Zeit.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zündgenerators. Dieser besitzt eine herkömmlich ausgebildete Energieguelle 1, beispielsweise einen Transformator 2, dem eine Gleichrichterdiode 3 zugeordnet ist.
Die positive Klemme der Energiequelle ist an eine Klemme eines Kondensators 4 zum Speichern von Energie angeschlossen, dessen andere Klemme an die Kleirme einer ersten Induktanz 5 geführt ist.
Die andere Klemme dieser Induktanz 5 ist mit einer ersten Klemme einer Zündkerze 6 verbunden, deren zweite Klemme an die andere Klemme der Energiequelle, d.h. die negative Klemme derselben, angeschlossen ist.
Eine erste Freilaufdiode 7 ist parallel zur ersten Induktanz 5 und zur Zündkerze 6 geschaltet, um eine Aufladung des Kondensators 4 zu ermöglichen.
Mit 8 in der Figur bezeichnete Verbindungseinrichtungen sind ebenfalls vorgesehen. Ihre Funktionsweise wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Diese Verbindungseinrichtungen umfassen beispielsweise Thyristor-Bauteile.
Eine Klemme dieser Verbindungseinrichtungen ist an die positive Klemme der Energieguelle angeschlossen, während eine zweite Induktanz 9 zwischen die andere Klemme der Verbindungseinrichtungen 8 und die zweite Klemme der Zündkerze 6 geschaltet ist.
Eine weitere Freilaufdiode 10 ist parallel zu den Klemmen der Zündkerze und der zweiten Induktanz 9 geschaltet.
Eine dritte Freilaufdiode 11 ist parallel zu den Klemmen des Kondensators 4 und der ersten Induktanz 5 stromauf der Zündkerze geschaltet, um, wie nachfolgend im Detail beschrieben, die durch die parasitäre Induktanz dieses Kondensators gespeicherte Energie zu entfernen.
Der Kondensator 4 wird somit unter der Versorgungsspannung der Energiequelle 1 über die Freilaufdiode 7 aufgeladen.
Wenn diese Aufladung einmal durchgeführt worden und wie dies im Detail in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung beschrieben ist, werden die Verbindungseinrichtungen 8 angesteuert, um Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerze zu erzeugen, und zwar erstens durch ein Entladen des Kondensators 4 in der Zündkerze 6 über die Induktanzeinrichtungen 5, 9 zur Rückgewinnung von Energie und zweitens über eine Entladung der Induktanzeinrichtungen 5, 9 in der Zündkerze 6 über die entsprechenden Freilaufeinrichtungen 7 und 10. Diese Entladung resultiert aus der Anwendung des Gesetzes von LENZ in an sich bekannter Weise.
Während somit bei einem Zündgenerator des Standes der Technik eine einzige Induktanz verwendet wird, finden bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zündgenerator mindestens zwei Induktanzen Verwendung, und zwar eine stromauf und eine stromab der Zündkerze, und es sind Schaltungseinrichtungen für diese Induktanzen vorgesehen, und zwar erstens für eine serielle Schaltung mit dem Kondensator 4 während dessen Entladung in die Zündkerze infolge der Ansteuerung der Verbindungseinrichtungen und zweitens für eine Parallelschaltung mit den Klemmen der Zündkerze 6 während ihrer Entladung in die Zündkerze.
Infolge der seriellen Schaltung der beiden Induktanzen 5 und 9 mit dem Kondensator können die Zündkerze und die Verbindungseinrichtungen während der Entladung des Kondensators einen begrenzten Stromanstieg in der Schaltung, insbesondere in den Thyristor-Verbindungseinrichtungen, erhalten. Diese Thyristoren halten nur einen begrenzten Wert eines derartigen Stromanstiegs aus.
Während der vorstehend beschriebenen zweiten Phase sind die Induktanzen parallel zu den Klemmen der Zündkerze geschaltet. Infolge der die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen 7 und 10 steht an den Klemmen der Induktanzen infolge der Anwendung des Gesetzes von LENZ eine zu der während der ersten Phase angelegten Spannung inverse Spannung an, so daß eine in bezug auf Zündgeneratoren mit einer einzigen Induktanz nach dem Stand der Technik verbesserte Energie des Zündfunkens erreicht werden kann.
Wie durch Figur 3 bestätigt wird, erhält man bei Verwendung von zwei Induktanzen mit einem ungefähr dem mittleren Wert von einer Induktanz entsprechenden Einheitswert eine maximale Energie des Zündfunkens an den Klemmen der Zündkerze, die etwa dem doppelten Wert entspricht, der bei einem Zündgenerator mit einer einzigen Induktanz erhalten wird.
Wie man Figur 1 entnehmen kann, ist eine dritte Induktanz, die mit dem Bezugszeichen 12 in dieser Figur versehen ist und mindestens zum Teil durch die parasitäre Induktanz des Kondensators gebildet wird, in Reihe mit dem Kondensator geschaltet, wodurch die Funktionsweise des Zündgenerators weiter verbessert werden kann.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Zündgenerator kann somit eine maximale Energie des Zündfunkens zur Verfügung stellen, die größer ist als die von den Zündgeneratoren des Standes der Technik, insbesondere von denen, die Thyristoren als Verbindungseinrichtungen verwenden, erzeugte, wobei die gleiche dynamische Belastung Di/Dt der kritischen Bauteile, wie des Kondensators und der Thyristoren, aufrechterhalten wird.
In dem Fall, in dem die beiden verwendeten Induktanzen einen Wert besitzen, der der Hälfte des Wertes der Induktanz entspricht, die bei den Zündgeneratoren des Standes der Technik Verwendung findet, ist der in der Zündkerze erzeugte Spitzenstrom IC etwa zweimal so groß wie der von einem Zündgenerator des Standes der Technik zur Verfügung gestellte Spitzenstrom.
Die parasitären Induktanzen der Schaltungen haben ein inverses Wiederaufladen des Kondensators 4 zur Speicherung von Energie zur Folge.
Wenn man in den Verbindungseinrichtungen keine asymmetrischen Thyristoren verwendet, d.h. solche, die eine Inversdiode besitzen, kann diese inverse Ladung wieder in die Schaltungen zurückgeführt werden.
Die Freilaufdiode 11 ermöglicht eine Entfernung dieser Ladung und einen Schutz der Schaltungen.
Die unterschiedlichen Induktanzen können aufeinander oder auf den gleichen Trägern gewickelt sein, denn der Wert der gegenseitigen Induktion ist zur Zahl der Windungen und zum Innendurchmesser der Induktanzen im Quadrat proportional, so daß man generell weniger Windungen benötigt, um die gleiche Induktivität wie bei der Verwendung von getrennten Induktanzen zu erzielen.
Darüber hinaus wird hierdurch ein geringerer Raumbedarf und eine Reduzierung der Widerstandsverluste erreicht.
Bei der in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsform sind identische Bauteile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Diese Ausführungsform besitzt einen Schaltplan, der mit dem der ersten Ausführungsform identisch ist, mit der Ausnahme, daß bei der ersten Ausführungsform die negative Klemme der Stromversorgung an einen mittleren Punkt zwischen der zweiten Induktanz 9 und der Zündkerze 6 angeschlossen ist, während bei der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsform die negative Klemme der Stromersorgung an einen mittleren Punkt zwischen den Verbindungseinrichtungen 8, den die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen 10 und der zweiten Induktanz 9 stromab der Zündkerze angeschlossen ist.
Die erste Ausführungsform ermöglicht die Erzielung eines gemeinsamen Referenzpotentials für die Zündkerze.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit eine Verringerung der Beanspruchung der verwendeten unterschiedlichen Bauteile und eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch eine Verringerung der Joule'schen Verluste.
Durch die Modulation der entsprechenden Induktivitäten kann man einen guten Kompromiß zwischen der Maximalleistung und der Dauer des Zündfunkens finden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform können die Positionen des Kondensators 4 und des Thyristors 8 vertauscht werden. Hierdurch kann man eine Schaltung mit inverser Ausgangspolarität erhalten. In diesem Fall müssen die die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen invers sein.
Bei den beiden ersten beschriebenen Ausführungsformen wird die Aufladung des Kondensators über eine Freilaufdiode sichergestellt, während bei der letzten Ausführungsform der Kondensator direkt an die Energiequelle angeschlossen ist.

Claims

1. Zündgenerator hoher Energie, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Energiequelle (1), die an eine Schaltung zum Aufladen eines Kondensators zur Speicherung von Energie (4) angeschlossen ist, und mit Einrichtungen (8) zum Anschließen des Kondensators an eine Schaltung zum Entladen, die in Reihe Induktanzeinrichtungen (5, 9) zur Rückgewinnung von Energie und eine Zündkerze (6) aufweist und deren Anschlüsse an Einrichtungen angeschlossen sind, die eine Freilaufdiode (7, 10) bilden, so daß Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerze erzeugt werden, um den Kondensator in der Zündkerze über die Induktanzeinrichtungen (5, 9) zur Rückgewinnung von Energie und die Induktanzeinrichtungen in der Zündkerze über die die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen zu entladen, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanzeinrichtungen mindestens zwei Induktanzen (5, 9) aufweisen und daß die die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen Verbindungseinrichtungen derselben (7, 10) mit mindestens zwei Induktanzen bilden, die während der Entladung des Kondensators (4) mit diesem in Reihe und während ihrer Entladung mit den Anschlüssen der Zündkerze (6) parallel geschaltet sind.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Induktanzen (5, 9) beiderseits der Zündkerze (6) angeordnet sind und daß die Verbindungseinrichtungen zwei eine Freilaufdiode bildende Einrichtungen (7, 10) umfassen, die jeweils parallel zur Zündkerze (6) und einer Induktanz geschaltet sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußeinrichtungen gesteuerte Halbleiter-Kommutationseinrichtungen (8) umfassen und daß die anderen Einrichtungen, die die Freilaufdiode (11) bilden, parallel zu den Anschlüssen des Kondensators (4) der Induktanz (5) geschaltet sind, die sich stromauf von der Zündkerze (6) befindet.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Halbleiter-Kommutationseinrichtungen mindestens einen Thyristor (8) umfassen.

5. Generator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Induktanz (12), die zumindest teilweise durch die parasitäre Induktanz des Kondensators (4) zur Speicherung von Energie gebildet wird, in Reihe mit diesem geschaltet ist.

6. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Freilaufdiode bildenden Einrichtungen jeweils mindestens eine Diode (7, 10, 11) umfassen.

7. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanzen auf den gleichen Träger gewickelt sind.