ITMI982141A1 - Dispositivo e procedimento per regolare un generatore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

L'invenzione parte da un dispositivo e da un procedimento per regolare un generatore, ad esempio un generatore trifase, azionabile da un motore endotermico, in un autoveicolo del genere della rivendicazione principale.

Stato della tecnica

Per produrre l'energia elettrica necessaria nell'autoveicolo si impiegano oggi giorno usualmente generatori a poli dentati. Questi generatori a poli dentati sono generatori trifase la cui corrente di uscita viene raddrizzata con l'ausilio di un ponte di diodi. La corrente raddrizzata viene quindi impiegata per alimentare gli utilizzatori elettrici del veicolo nonché per caricare la batteria.

Un tale generatore di fase comprende una bobina di campo percorsa dalla corrente di campo. La corrente di campo viene regolata con l'ausilio di un regolatore di tensione, in modo che la tensione di uscita del generatore è circa costante indipendentemente dal numero di giri del generatore. L'ampiezza della tensione sulla quale viene effettuata la regolazione viene scelta usualmente in modo che essa è ottimalmente adatta per caricare la batteria. In dipendenza di diverse condizioni la tensione è compresa circa fra 12 e 14,5 V.

In reti di bordo con una pluralità di utilizzatori esiste il problema che una tensione da 12 V è sufficiente per l'alimentazione energetica. Specialmente per alimentare utilizzatori, che richiedono una tensione più alta di 12 V sono note soluzioni, alle quali il generatore almeno temporaneamente viene regolato su più ampie tensioni di uscita ad esempio di 40V. Questa tensione più alta quindi viene resa disponibile direttamente al rispettivo utilizzatore, e la più bassa tensione, necessaria per l'alimentazione della rete di bordo, rispettivamente per la carica della batteria, viene ricavata con l'ausilio di un trasformatore di tensione continua dalla tensione più alta. Poiché i convenzionali convertitori DC/DC oltre ai transistori di potenza, ai diodi e ai condensatori necessitano anche di componenti induttivi, essi sono relativamente costosi. Ciò vale per convertitori trasformatorici (privi di potenziale) con traslatore e bobina di livellamento e per convertitori collegati a potenziale con una bobina di immagazzinamento. Una tale regolazione di generatore con convertitore DC/DC è nota ad esempio dall' EP-B 0325 520 .

Vantaggi dell · invenzione

I dispositivi secondo l'invenzione e per i procedimenti secondo l'invenzione per regolare un generatore con le caratteristiche della rivendicazione 1 presentano il vantaggio consistente nel fatto che è possibile un impiego anche per un generatore convenzionale. In un tale generatore, specialmente un generatore a poli dentati, può aver luogo un adattamento della tensione ad una rete di bordo con un più alto piano di tensione, ad esempio 42V. Questo adattamento di tensione è possibile specialmente anche fintanto che la tensione di uscita del generatore nella vasta gamma del numero di giri con convenzionale regolazione della corrente di eccitazione è inferiore a 42V. In modo particolarmente vantaggioso a riguardo non sono necessari bobine supplementari, poiché le induttanze statoriche di per sé presenti vengono utilizzate come bobine di immagazzinamento. In tal modo vantaggiosamente è possibile ridurre costi di sistema e ridurre il volume costruttivo.

Questi vantaggi vengono ottenuti in quanto al ponte di raddrizzatori del generatore viene connessa una aggiuntiva disposizione circuitale, con la quale per breve tempo è possibile cortocircuitale il ponte di raddrizzatori. In tal modo il generatore viene sottoposto a boost. Fintanto che è interrotto il flusso di energia dal generatore alla batteria l'energia prodotta viene immagazzinata temporaneamente nelle induttanze statoriche del generatore. La cosiddetta tensione di fase viene in tal modo aumentata. Vantaggiosamente il cortocircuito e la reinterruzione del collegamento elettrico del ponte di raddrizzatori avvengono con l'ausilio di un transistore di potenza comandabile, cosicché la tensione di uscita del generatore, rilevabile sul ponte di raddrizzatori, aumenta a valori che sono di circa 42V.

La disposizione circuitale, con cui è possibile cortocircuitare il ponte di raddrizzatori, in tal caso vantaggiosamente oltre al transistore di potenza, ad esempio un MOSFET comprende anche un diodo ed un condensatore, che sono connessi in modo che il diodo impedisce che venga cortocircuitata dalla batteria rispettivamente alla rete di bordo. Il condensatore è inserito in parallelo alla batteria e vantaggiosamente livella la tensione di uscita prelevabile .

Ulteriori vantaggi dell'invenzione vengono ottenuti mediante le esecuzioni realizzate nelle sottorivendicazioni .

Con le esecuzioni indicate negli esempi di realizzazione secondo le figure 2 e 3 è possibile ottenere ulteriori vantaggi. Così ad esempio è possibile fare a meno del transistore boost, quando si realizza un ponte di raddrizzatori completamente comandato con interruttore di potenza comandati e quindi vantaggiosamente è possibile ottenere un più alto rendimento del sistema complessivo, poiché le perdite dirette in caso di adeguata scelta degli interruttori di potenza sono minor che nel caso di un ponte di raddrizzatori non comandato e formato mediante diodi. In modo particolarmente vantaggioso è possibile impiegare come interruttori di potenza comandati transistori ad effetto di campo mos.

Se al posto di un diodo non polarizzato si impiega aggiuntivamente un interruttore di potenza è possibile ottenere un ulteriore riduzione delle perdite dirette, e ciò vale specialmente nel caso in cui gli interruttore di potenza vengono formati mediante transistori ad effetto di campo MOS. E' particolarmente vantaggioso il fatto che rispetto a disposizioni convenzionali è possibile ottenere una riduzione dei componenti ed un aumento del rendimento della disposizione complessiva.

Disegno

Quattro esempi di realizzazione dell'invenzione sono rappresentati nelle figure e vengono illustrati più dettagliatamente nella seguente descrizione.

Descrizione

Nella figura 1 sono rappresentati i componenti, essenziali per comprendere l'invenzione, del generatore nonché della rete di bordo di un autoveicolo. Il generatore G, ad esempio un generatore a poli dentati, comprende le induttanze statoriche L1, L2, L3 nonché le resistenze R1, R2 e R3 rappresentanti le resistenze dell'avvolgimento. Il generatore produce le tensioni di fase US1, US2 e US3, che vengono formate dalle tensioni U1, U2, U3 della ruota polare e dalle tensioni sulle resistenze R1, R2 , R3 e dalle induttanze statoriche L1, L2, L3. Queste tensioni portano a correnti I1, 12 e 13 che vengono raddrizzate tramite il ponte di diodi DB e portano alla corrente di uscita IG del generatore e serventi ad alimentare gli utilizzatori della rete di bordo. La regolazione del generatore GB in maniera usuale con l'ausilio di un regolatore di tensione R regola anche la corrente di campo IF attraverso l'avvolgimento di campo F, in modo che si imposta una tensione preassegnabile. A regolatori di tensione R vengono addotti i segnali di entrata E ad esempio diverse tensioni e, oppure correnti e, oppure il numero di giri del generatore ecc. Esso è in grado di fornire segnali di uscita A, con l'ausilio dei quali è possibile azionare ad esempio interruttori o similari.

Al generatore G si connette una disposizione circuitale SCH comprendente un transistore T, un diodo D ed un condensatore C. La disposizione circuitale SCH consente la regolazione del generatore secondo l'invenzione, in quanto il transistore T che ad esempio è un transistore ad effetto di campo MOS inserito in parallelo al ponte di diodi DB, cortocircuita temporaneamente il ponte di diodi DB. Il transistore T nell'esempio di realizzazione con l'ausilio di uno stadio di modulazione della durata degli impulsi PWM, che è integrato nel regolatore di tensione R viene reso conduttivo non conduttivo. La frequenza di ripetizione del transistore T si trova nella gamma delle frequenze medie e viene definita dallo stadio di misurazione della durata degli impulsi PWM. Questo stadio di modulazione della durata degli impulsi non dovrà essere integrato necessariamente nel regolatore di tensione R ma ad esempio può essere realizzato come stadio separato oppure può essere integrato nell'apparecchio di comando dell'autoveicolo. Sono pensabili anche altri comandi del transistore T.

Cortocircuitando brevemente il ponte di diodi DB con il transistore di potenza T si ottiene che viene interrotto il flusso di energia dal generatore G alla batteria B. In tal modo si rende possibile un Boost del generatore. In tal caso viene immagazzinata temporaneamente energia nelle induttanze statoriche L1, L2 e L3 del generatore. Il diodo D1 impedisce che rifluisca una corrente e che questa cortocircuiti e scarichi la successiva rete di bordo rispettivamente la batteria B. Se il transistore T blocca allora l'energia immagazzinata nelle induttanze statoriche viene liberata nella forma di tensione indotte e si sommano alle rispettive tensioni della ruota polare U1, U2 e U3. Da ciò segue una più alta tensione di uscita del generatore. Variando adeguatamente la durata di conduzione e di blocco è possibile effettuare la regolazione su una tensione di uscita di 42V, laddove 42 Volt di tensione di carica corrispondono a 36Volt di tensione nominale. Il condensatore C sull'uscita della disposizione circuitale SCH serve a livellare la corrente di uscita a impulsi. La disposizione circuitale SCH del resto può essere indicata come unità di impostazione in salita del generatore .

Se la regolazione del generatore con l'ausilio della disposizione circuitale SCH dovrà avvenire in modo che all'uscita della disposizione circuitale SCH si ha una tensione che sostanzialmente è aumentata rispetto alla convenzionale tensione del generatore ed è ad esempio di 42V, allora la convenzionale rete di bordo del veicolo dovrà essere alimentata con l'ausilio di un trasformatore di tensione continua DCW. Gli utilizzatori della rete di bordo, che dovranno essere alimentati con tensione più alta, ad esempio un sistema di riscaldamento R4 per vetri, possono essere connessi direttamente ai 42V con l'ausilio di un interruttore di S1. Utilizzatori R5 invece possono essere connessi a 12V tramite un interruttore S2 . Ogni piano di tensione possiede una propria batteria, indicato come B42 e B12 nella figura.

Per il dimensionamento del sistema complessivo è necessario che il ponte di diodi DB sia dimensionato in modo da risultare adatto per 42V . Anche il generatore va dimensionato in modo che si realizza senza problemi una tensione di uscita di 42V. Il regolatore di tensione rispettivamente lo stadio di modulazione della durata degli impulsi PWM vanno eseguiti in modo che è possibile produrre i necessari segnali di comando. In un sistema comandato da microprocessore i segnali di comando possono essere fom iti dal microprocessore e questo può essere anche l'apparecchio di comando del motore endotermico.

Nelle figure 2 e 3 sono rappresentati due ulteriori esempi di realizzazione dell'invenzione, laddove l'avvolgimento di campo nonché il regolatore di tensione e il secondo piano di tensione contenuti nella figura 1, in via di principio sono parimenti presenti e tuttavia non sono indicati in dettaglio. Il ponte di raddrizzatori DB in entrambi gli esempi di realizzazione è sostituito da un ponte a comando completo e consentono gli interruttori di potenza ad esempio transistori T1 fino a T6. Come diodo non polarizzato serve il diodo D1 da considerare come componente del ponte comandato completamente e che è collegato con il condensatore C. Nell'esempio di realizzazione secondo la figura 3 il diodo non polarizzato è sostituito da un ulteriore transistore T7 che parimenti fa parte del ponte interamente comandato.

Con i due esempi di realizzazione indicati nelle figure 2 e 3 si indicano due varianti per l'adattamento della tensione, ad esempio per un generatore a poli dentati ad una più alta tensione della rete di bordo, che vanno intese come soluzione. Il funzionamento di questi circuiti può essere illustrato come segue.

mediante un comando contemporaneo dei sei interruttori di potenza rispettivamente della lista T1 fino a T6 del circuito a ponte interamente comandato si ottiene un Boost del generatore G. Come interruttore di potenza ad esempio si impiegano transistori ad effetto di campo MOS. Durante le fasi in cui sono conduttivi gli interruttori di potenza T1 fino a T6, nelle induttanze statoriche L1, L2 e L3 viene immagazzinata temporaneamente energia che viene liberata nella fase di blocco dei transistori e portano ad un aumento delle tensioni di fase US1, US2 e US3. In tal modo si ottiene che il generatore G, che viene azionato da un albero di motore endotermico, specialmente nella bassa gamma del numero di giri rende disponibile una tensione più alta per produrre un piano di tensione della rete di bordo di ad esempio 42V. Il diodo D1 dell'esempio di realizzazione secondo la figura 2 impedisce che la batteria B42 durante la fase conduttiva degli interruttori di potenza rispettivamente dei transistori T1 fino a T7 viene parimenti cortocircuitata scaricata.

Nell'esempio di realizzazione secondo la figura 3 al posto di un diodo si impiega un ulteriore interruttore di potenza, ad esempio un transistore ad effetto di campo MOS T7. Il comando di questi interruttori in particolare avviene in modo tale che durante la fase conduttiva dei transistori del circuito a ponte esso ha la sua fase di blocco mentre durante la loro fase di blocco esso ha la sua fase conduttiva. Questo procedimento corrisponde ad un raddrizzamento sincrono. Variando adeguatamente la durata di conduzione variando il rapporto impulso-pausa, ossia il rapporto fra fasi conduttive e fasi non conduttive, non è possibile effettuare la regolazione su una tensione di uscita di 42V. Eventualmente sono parimenti ottenibili altre tensioni diverse da 42V.

Il condensatore C all'uscita dell'organo di impostazione in salita integrato T1 fino a T6 e D1, T1 fino a T6 e T7 serve a livellare la tensione di uscita.

Il comando dei sei interruttori di potenza (transistori ad effetto di campo) avviene preferibilmente in modulazione della durata degli impulsi e tuttavia sono possibili anche altri procedimenti di comando. Come tali procedimenti di comando si prendono in considerazione il cosiddetto principio Dead-Beat oppure una modulazione della successione di impulsi. Come interruttori di potenza è possibile impiegare fondamentalmente i componenti attualmente noti come ad esempio transistori ad effetto di campo MOS, transistori bipolari Insulated Gate (IGBT) oppure transistori bipolari. Se nel circuito a ponte si impiegano i transistori di potenza è necessario provvedere affinché l'interruttore possieda un diodo non polarizzato inserito in antiparallelo. Poiché ciò avviene in dipendenza del processo nel caso di un transistore ad effetto di campo MOS, si impiega preferibilmente questo componente. Se come interruttore di potenza si impiega un componente che non possiede questo cosiddetto diodo Body è necessario impiegare un diodo non polarizzato con la componente discreta. In figura 4 è rappresentato un ulteriore esempio di realizzazione dell'invenzione, nel quale il raddrizzatore a ponte del generatore comprende tre diodi D2, D3, D4 nonché tre transistori T8, T9 e T10. Questa configurazione del ponte di raddrizzatori rende possibile, mediante appropriato comando dei transistori, sia un raddrizzamento sia un aumento della tensione. La disposizione di raddrizzatore rappresenta pertanto un raddrizzatore ed un organo di impostazione in salita. Con questo circuito si può realizzare un generatore a poli dentati con organo di impostazione in salita integrato.

Grazie all'integrazione dell'organo di impostazione in salita, operante in qualità di convertitore di tensione continua, nel raddrizzatore a ponte, è possibile ottenere una riduzione del numero dei componenti nei confronti degli altri esempi di realizzazione. Non si ha la caduta di tensione sul diodo D1 dell'organo di impostazione in salita secondo figura 2, grazie alla qual cosa la potenza dissipata nell'esempio di realizzazione secondo figura 4 è minore che nell'esempio di realizzazione secondo figura 2 e quindi il rendimento risulta migliorato. Se in qualità di transistori T8, T9 e T10 vengono impiegati transistori ad effetto di campo, è possibile migliorare ulteriormente il rendimento, poiché i transistori ad effetto di campo presentano perdite di conduzione minori a confronto delle perdite dei diodi.

Il condensatore C livella, come nei rimanenti esempi di realizzazione, la tensione di uscita raddrizzata del generatore. Si può così prelevare la tensione di rete UN, che serve all'alimentazione del carico L , che viene dichiarato simbolicamente per l'utente della rete di bordo

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo e procedimento per regolare un generatore, specialmente un generatore trifase con tre induttanze statoriche e un ponte di raddrizzatori, tramite il quale viene raddrizzata la corrente prodotta nelle induttanze statoriche mediante le tensioni della ruota polare, caratterizzato dal fatto che il ponte di raddrizzatori mediante un elemento di commutazione, il cui ramo interruttore è inserito in parallelo al ponte di raddrizzatori eseguito come ponte di diodi (DB), è cortocircuitabile almeno per breve tempo, in quanto alla base del transistore viene addotto un corrispondente segnale di comando.
2. 2. Dispositivo e procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'elemento di commutazione e un transistore T, specialmente un transistore ad effetto di campo MOS oppure un transistore bipolare Insulated-Gate (IGBT) oppure un altro interruttore a semiconduttori .
3. 3 . Dispositivo e procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che al transistore (T) viene addotto un segnale modulabile, specialmente un segnale con modulazione della durata degli impulsi oppure un segnale con rapporto variabile della pausa fra gli impulsi, la cui frequenza è impostabile in modo che all'uscita del ponte di diodi (DB) si imposta una tensione sostanzialmente più alta della usuale tensione di uscita del generatore.
4. 4. Dispositivo e procedimento secondo le rivendicazioni 1, 2 oppure 3, caratterizzato dal fatto che il rapporto della pausa fra gli impulsi dei segnali di comando, che vengono addotti al transistore (T), viene stabilito in modo che si impostano tensioni di fasi (US1, US2, US3) del generatore (G), che portano alla desiderata più alta tensione all'uscita del ponte di diodi (DB).
5. 5. Dispositivo e procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che fra il ponte di diodi (DB) e la presa di tensione (AB) è inserito un diodo che consente una corrente soltanto dal generatore alla parete di tensione.
6. 6 . Dispositivo e procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è previsto un condensatore (C), che livella la tensione prelevabile sulle prese di tensioni.
7. 7. Dispositivo e procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il ponte di raddrizzatori è strutturato come ponte di transistori comandato (T1 fino a T6), un diodo non polarizzato (D1) oppure un ulteriore transistore (T7) e consente una funzione di impostazioni in salita.
8. 8. Dispositivo e procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il ponte di transistori (T1 fino a T6) ed il transistore (T7) vengono comandati in modo che si ottiene un raddrizzatore sincrono.
9. 9. Dispositivo e procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la funzione di impostazione in salita viene realizzata mediante altri selezionabili principi di commutazione e ad esempio si impiegano convertitori di risonanza.
10. 10. Dispositivo e procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che il ponte di raddrizzatori comprende tre diodi (D2), (D3), (D4) nonché tre transistori comandabili (T8), (T9) e (Tio) e dal fatto che i transistori (T8), (Τ9), (T10) sono comandati in modo tale che il ponte di raddrizzatori assume aggiuntivamente una funzione di organo di impostazione in salita.