专利名称：借助于线圈抽头和控制继电器调节发电机电压的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动的、根据负载电流调节发电机电压的装置。尤其涉及将这样一种装置用于调节由活塞式内燃发动机驱动的发电机的电压。
背景技术：
用于对发电机进行电压调节的装置是公知的。在具有用于激励感应线圈的电磁铁的发电机中，可以例如通过改变电磁铁的控制电流和由此改变流过感应线圈的磁通量，使发电机电压与不同的负载状态匹配。不过，这种简单的电压调节在永久激励的发电机中是不可能的。为了进行电压调节，在此需要技术上很费事的调节技术措施，例如可以按照沿主线圈的滑动触点形式来设置有效线圈绕组的数目。其缺点是滑动触点的高磨损性，其尤其通过磨损和击穿形成。此外，无法避免的绕组短路经常引起不能忽视的损耗功率。另外具有缺点的是，在开关过程中总会出现短时间的电流中断。
DE 2659600 A1描述了一种自动的、根据负载电流调节发电机电压的装置，其中，通过利用连接线圈抽头和星型点的三端双向可控硅开关(Triac)将一相的部分线圈短路来调节发电机输出电压。
US 2001/002802 A1描述一种电机，其转速/力矩特性通过转接定子相位线圈的线圈抽头上的供电电压而得到改变。
DE 10047287 A1描述了利用交流发电机产生不同输出电压的装置和方法，其中，为了产生不同的输出电压可以通过一个配置电路改变定子绕组接头的配置。
发明内容
与此相反，本发明要解决的技术问题是，避免用于使发电机电压与不同负载状态匹配的费事的调节技术措施。此外，在开关过程中应该不再出现电流中断。
上述技术问题按照本发明的一个建议是通过独立权利要求的特征解决的。本发明优选的结构通过从属权利要求的特征给出。
按照本发明，给出了一种用于自动的、根据负载电流调节发电机电压的装置，其中，设置了用于获取发电机绕组上的第一以及第二发电机电压的第一和第二接线对。该第一和第二接线对都可以与一个要通过其引导负载电流的发电机接线对连接。在第一接线对之间总是具有比在第二接线对之间更多的绕组匝数，使得在第一接线对上获取的电压总是大于在第二接线对上获取的电压。只要保证在第一接线对之间具有比在第二接线对之间更多的匝数，第一和第二接线对都可以粘接在发电机绕组的任意位置上。第一发电机电压优选地是发电机主电压，即，从发电机的整个绕组上获取的电压。第二发电机电压是始终小于发电机主电压的抽头电压。
此外，本发明的装置还具有第三接线对，通过该接线对可以为控制电路获取控制电压。优选地，该控制电压等于第一发电机电压和第二发电机电压之间的电压差。控制电路优选这样构成，使得该控制电路从特定的导通电压开始才导通电流。这点可以例如通过齐纳二极管实现，该二极管的击穿电压等于该控制电路的导通电压。
该控制电路拥有一个带开关的控制继电器，用于转换发电机接线对与粘贴在发电机绕组上的第一或者第二接线对的连接。如果在第三接线对上获取的控制电压取得一个大于或等于开关继电器的上限电压的值，则通过转接控制继电器的开关将通过该开关与第一接线对连接的发电机接线对与第二接线对连接。如果控制电路在一个导通电压之上才导通电流，则该上限电压由该控制电路的导通电压(例如位于该控制电路的齐纳二极管的击穿电压)和开关继电器的起动电压相加得出。反之，如果控制电压小于或等于开关继电器的下限电压，则通过转接该开关将经过该开关与第二接线对连接的发电机接线对与第一接线对连接。该下限电压由控制电路的导通电压(例如齐纳二极管的击穿电压)和开关继电器的释放电压相加得出。
开关继电器的释放电压总是小于开关继电器的起动电压，这造成开关继电器的开关转换滞后。开关转换滞后对于开关继电器的稳定开关是必需的，因为由相同的上限和下限电压(即，对于起动和释放相同的开关电压)会引起伴随有持续来回开关的不稳定的开关状态。
上限和下限电压之间的距离(即开关转换滞后的宽度)一般取决于开关继电器的参数设置。开关转换滞后的相对状态可以通过对设置在开关电路中的齐纳二极管进行参数设置来改变。在此，齐纳二极管较小的击穿电压导致开关转换滞后移动到较小的控制电压，反之亦然。此外，齐纳二极管起到了开关转换滞后的电位校准。
如果在控制电路中设置其它元件，例如通过其可以优选地使用直流控制继电器的整流二极管，则必要时也要将这些元件的导通电压考虑为开关该控制继电器所需要的控制电压的大小。
此外，本发明的装置具有一个桥臂，用于将通过开关作用的第一接线对与发电机接线对进行桥接。该桥臂具有一个在此不是作为过电压保护因此是非典型应用的、依赖于电压的电阻(变阻器)，其导通电压大于第一和第二发电机电压的差值而低于在第一接线对上获取的第一发电机电压。如果控制继电器的开关将发电机接线对与第一或者第二接线对连接，则沿着第一接线对与发电机接线对的连接实际上没有电压降。由于缺少电位差和由此造成的电流不能通过变阻器，该桥臂起到了截止臂的作用。不过，如果控制继电器的开关在第一和第二接线对之间进行转接，则在开关过程中第一接线对的电位加在变阻器上，而桥臂起到导通臂的作用，其适合于引导负载电流通过由于断开开关而中断的第一接线对和发电机接线对之间的连接。为了避免短路，如果开关将第二接线对与发电机接线对连接，则必须这样选择变阻器的导通电压，使得其高于第一和第二发电机电压之间的差值。优选地，可以通过该桥臂避免在开关过程中的电流中断。
在本发明的一个优选的实施方式中，在±5％的误差范围内进行电压调整。这意味着，只要低于或者超过额定电压的5％，就将电压调高或者调低。同样优选的是，对于电阻性负载在额定负载电流的大约50％-80％附近进行电压调整。如果负载是电阻-电感的，则开关点按相应的方式向额定负载电流的相对更高部分移动。特别是，本发明的装置满足标准DIN 8528的实施级别G2，该实施级别根据公共电网中的容差规定了对发电机组的电压调节精度。
下面，结合对优选实施方式的描述进一步说明本发明，其中参考了附图。图中，图1表示用于对永久激励的同步发电机进行电压调节的按照本发明的装置的电路图，图2表示根据在电阻性负载(虚线)和电阻-电感性负载(实线)下的负载电流的一个三相电的相电压变化，以及借助于本发明的装置触发的开关过程。
具体实施例方式
图1示例性地表示用于对永久激励的同步发电机的一相进行电压调节的按照本发明装置的电路图。发电机中仅仅示出了发电机绕组1以及发电机接线对N，L1。在发电机绕组1上，第一接线对1U1，1U2和第二接线对1U1，2U2获取第一和第二发电机电压。第一接线对1U1，1U2涉及发电机绕组的全部匝数，而第二接线对1U1，2U2则涉及一个较小的匝数。因为所感应的电压与匝数成正比，所以第二发电机电压总是比第一发电机电压小。第一接线对和第二接线对都可以与发电机接线对L1，N连接。
具有开关9的开关继电器8用于将发电机接线对L1，N与第一或第二接线对连接。该开关继电器8位于控制电路2中，该控制电路与第一和第二接线对的端子2U2和1U2连接，并由此获取第一和第二发电机电压之间的差值电压。此外，在控制电路2中还设置了齐纳二极管6和整流二极管7。齐纳二极管6起到截止作用，使得在超过控制电路2的齐纳击穿电压时才可以导通电流。整流二极管7用来对交流电进行整流，由此可以按优选的方式使用直流开关继电器8。
一旦在端子1U1和2U2之间的感应电压超过由齐纳二极管6的击穿电压、整流二极管7的导通电压和控制继电器8的起动电压预先给定的上限电压，，就在控制电路2中流过电流，该电流使控制继电器8吸合开关9。由此，加在发电机接线对N，L1上的电压从较高的电压值1U2转换到较低的电压值2U2。然后，触发该开关过程的负载电流流过第二接线对的电路4。在控制电路的端子1U2，2U2之间的负载电流减小，使得在该端子上获取的控制电压进一步提高，这支持了转换过程。即，负载电流对该分支上电压的影响得到了维持。
如果负载电流再次升高，则获取的控制电压下降，只要控制电压到达下限电压，则这就造成开关继电器8的重新转换。该下限电压由齐纳二极管6的击穿电压、整流二极管7的导通电压和控制继电器8的释放电压预先给定。由于开关继电器的开关转换滞后，该下限电压总是低于上限电压。如果控制电压下降到低于齐纳二极管6的击穿电压，则在控制电路2中不再流动电流。随着从第二接线对向第一接线对转换，由负载电流引起的控制电路的端子1U2，2U2之间的内阻增加，导致控制电压进一步下降，这支持了转换过程。
通过设置在桥臂5中的变阻器10防止了在开关期间中断电流。该变阻器在没有电压的状态下为高阻，因此不允许电流通过。反之，如果在变阻器端点上的电压增加，则电阻器在特定的导通电压时转换为低阻状态，并引导电流通过电路3。如果开关9将第一接线对与发电机接线对连接，则通过桥臂的端点实际上没有电压降，变阻器为高阻并起到截止臂的作用。在开关9从第一接线对转接到第二接线对的过程中，端子1U2的电位施加在变阻器上，由此使得变阻器变为低阻状态并导通负载电流。如果开关9建立了发电机接线对与第二接线对的连接，则电流流过电路4，因此变阻器再次变为高阻并截止了通过桥臂的电流。在开关9从端子2U2转接到端子1U2时对应地作用。变阻器的导通电压高于端子2U2和1U2上获取的电压之间的差值，这防止了在开关9将发电机接线对N，L1与第二接线对1U1，2U2连接时发生通过电路3的短路。为了使变阻器的内部损耗保持为尽可能小，开关9应该尽可能迅速地开关。
图2示出了在纯电阻性负载(虚线)和电阻-电感性负载(实线)情况下，按额定电压UstrN的百分比标出的通过发电机接线对L1，N所获取的相电压Ustr与按额定电流ILN的百分比标出的负载电流IL的依赖关系，其中，在纯电阻性负载的情况下电流和电压同相，即cos＝1(其中等于电流和电压之间的角度)，而在电阻-电感性负载的情况下cos＝0.8。
电压曲线2对应于由第一接线对1U1，1U2获取的第一发电机电压，而电压曲线1对应于由第二接线对1U1，2U2获取的较小的第二发电机电压。
开关过程是基于±7％的容差范围的。在空载(即IL＝0)时发电机端子电压大约为额定电压的107％，并等于1U1和2U2之间获取的电压。
考察电阻性负载(虚线)。如果发电机从零负载(虚线曲线1；IL＝0)出发电气加载并连续提高负载电流，则在额定电流的约77％时达到控制继电器的开关门限(上限电压)，而发电机端子L1将与第一接线对的端子1U2连接。这造成从相电压的大约94％到101％的电压跃变。在进一步提高负载电流时相电压按照虚线曲线2减小。
如果随后发电机负载减小，即负载电流连续减小，则在发电机端子上获取的电压按照虚线曲线2增加，直到其在额定负载电流的约55％时达到开关继电器的开关门限(下限电压)，而发电机端子L1将与第二接线对的端子2U2连接。这造成从相电压的大约105％到98％的电压跃变。在进一步降低负载电流时相电压按照虚线曲线1增加。在空载(IL＝0)时其最后达到额定相电压的107％。
在两个开关门限之间可以看出控制继电器的滞后。该滞后的顶点在额定电流的大约77％和大约55％处。由该滞后包围的面积取决于开关门限的相对距离以及相电压的斜率。
按照本发明的装置设置用来对多相电的每个相电压进行调节，即，在三相电的情况下共有三个。其特别优选地是在不平衡负载下起作用，因为在相电强烈加载时电压下降而在相电较轻加载时电压升高。
本发明的装置尤其可以按级联的形式依次排列，其中，在该级联内第一和第二发电机电压之间的距离总是较近，从而对电压调节精细分级。
本发明的装置的一种优选的应用是对由活塞式内燃发动机驱动的发电机的电压进行自动的、根据负载电流的调节。在此，尤其可以是由柴油电机驱动的同步发电机。按照本发明优选的是永久激励的发电机。
权利要求
1.一种用于自动的、根据负载电流调节发电机电压的装置，包括-第一接线对(1U1，1U2)，其可以与携带所述负载电流的发电机接线对(N，L1)连接，用于获取发电机绕组上的第一发电机电压，-第二接线对(1U1，2U2)，其可以与所述发电机接线对(N，L1)连接，用于获取比第一发电机电压小的、发电机绕组上的第二发电机电压，-第三接线对(1U2，2U2)，用于为控制电路(2)提供控制电压，-所述控制电路(2)具有一个带有开关(9)的控制继电器(8)，用于转换发电机接线对(N，L1)与第一或者第二接线对的连接，其中，如果所述控制电压大于或等于该开关继电器的上限电压，则将通过开关(9)与所述第一接线对(1U1，1U2)连接的发电机接线对(N，L1)与第二接线对(1U1，2U2)连接；而如果该控制电压小于或等于开关继电器的下限电压，则将通过开关(9)与所述第二接线对(1U1，2U2)连接的发电机接线对(N，L1)与第一接线对(1U1，1U2)连接，-桥臂(5)，其将通过所述开关(9)建立的发电机接线对(N，L1)与所述第一接线对(1U1，1U2)的连接桥接，所述桥臂具有一个依赖于电压的电阻(“变阻器”)(10)，该电阻的导通电压大于第一和第二发电机电压的差值而低于在所述第一接线对上获取的第一发电机电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路的控制电压等于第一发电机电压和第二发电机电压之间的电压差值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路(2)在到达导通电压时允许电流通过。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制电路(2)具有齐纳二极管(6)，该二极管的击穿电压等于该控制电路(2)的导通电压。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路(2)具有对电流进行整流的元件，尤其是整流二极管(7)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，利用所述第一接线对(1U1，1U2)获取的第一发电机电压等于发电机主电压。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在±5％的容差范围内进行所述电压调整。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于电阻性负载在额定负载电流的大约50％-80％时进行所述电压调整。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置满足标准DIN8528的实施级别G2。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述发电机是永久激励的。
11.一种设备，其特征在于具有按照上述权利要求中任一项所述的装置用于三相电的每一相。
12.一种设备，其特征在于级联设置按照上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一发电机电压和第二发电机电压之间的电压差值在该级联内连续下降。
13.一种将按照上述权利要求中任一项所述的装置用于自动的、根据负载电流调节由活塞式内燃发动机、尤其是柴油电机驱动的发电机的电压的应用，所述发电机尤其是同步电机。
全文摘要
本发明涉及一种用于自动的、根据负载电流调节发电机电压的装置，其包括可以与携带负载电流的发电机接线对连接的第一接线对，用于获取发电机绕组上的第一发电机电压；可以与发电机接线对连接的第二接线对，用于获取比第一发电机电压小的、发电机绕组上的第二发电机电压；第三接线对，用于为控制电路提供控制电压；控制电路拥有带开关的控制继电器，用于转换发电机接线对与第一或者第二接线对的连接，其中如果控制电压大于或等于开关继电器的上限电压，则将通过开关与第一接线对连接的发电机接线对与第二接线对连接，而如果控制电压小于或等于开关继电器的下限电压，则将通过开关与第二接线对连接的发电机接线对与第一接线对连接；将通过所述开关建立的发电机接线对与第一接线对的连接桥接的桥臂，具有一个依赖于电压的电阻，其导通电压大于第一和第二发电机电压的差值而低于在第一接线对上获取的第一发电机电压。
文档编号H02P9/00GK1663109SQ03814982
公开日2005年8月31日 申请日期2003年6月13日 优先权日2002年6月25日
发明者厄恩斯特·哈兹, 弗朗兹·莫泽 申请人:哈兹电机制造公司