(57)【要約】自動的かつ負荷電流に相関した電力源装置（“発電機”）の電圧制御装置は、負荷電流がかかる発電機クランプペアと接続可能であり、発電機巻線上で第１の発電機電圧をタッピングするための第１のクランプペアと、発電機クランプペアと接続可能であり、第１の発電機電圧と比べて小さい第２の発電機電圧を発電機巻線上でタッピングするための第２のクランプペアと、制御回路に制御電圧を供給するための第３のクランプペアと、前記制御回路は発電機クランプペアと第１または第２のクランプペアの間の接続を切換えるためのスイッチを有する制御リレー（９）を備え、ここで制御電圧がスイッチリレーの上方閾値電圧以上である場合にスイッチを介して第１のクランプペアに接続されている発電機クランプペアが第２のクランプペアに接続され、他方制御電圧がスイッチリレーの下方閾値電圧以下である場合にスイッチを介して第２のクランプペアに接続されている発電機クランプペアが第１のクランプペアに接続され、さらにスイッチによって形成された発電機クランプペアと第１のクランプペアとの間の接続をバイパスし、その導通電圧が第１および第２の発電機電圧の差より大きいとともに第１のクランプペア上でタッピングされた第１の発電機電圧より小さくなる電圧相関抵抗（“バリスタ”）を有するブリッジ要素を備える。
2005531272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷電流がかかる発電機クランプペア（Ｎ，Ｌ１）と接続可能であり、発電機巻線上で第１の発電機電圧をタッピングするための第１のクランプペア（１Ｕ１，１Ｕ２）と、
発電機クランプペア（Ｎ，Ｌ１）と接続可能であり、第１の発電機電圧と比べて小さい第２の発電機電圧を発電機巻線上でタッピングするための第２のクランプペア（１Ｕ１，２Ｕ２）と、
制御回路（２）に制御電圧を供給するための第３のクランプペア（１Ｕ２，２Ｕ２）と、
前記制御回路（２）は発電機クランプペア（Ｎ，Ｌ１）と第１または第２のクランプペアの間の接続を切換えるためのスイッチ（９）を有する制御リレー（８）を備え、ここで制御電圧がスイッチリレーの上方閾値電圧以上である場合にスイッチ（９）を介して第１のクランプペア（１Ｕ１，１Ｕ２）に接続されている発電機クランプペア（Ｎ，Ｌ１）が第２のクランプペア（１Ｕ１，２Ｕ２）に接続され、他方制御電圧がスイッチリレーの下方閾値電圧以下である場合にスイッチ（９）を介して第２のクランプペア（１Ｕ１，２Ｕ２）に接続されている発電機クランプペア（Ｎ，Ｌ１）が第１のクランプペア（１Ｕ１，１Ｕ２）に接続され、
スイッチ（９）によって形成された発電機クランプペア（Ｎ，Ｌ１）と第１のクランプペア（１Ｕ１，１Ｕ２）との間の接続をバイパスし、その導通電圧が第１および第２の発電機電圧の差より大きいとともに第１のクランプペア上でタッピングされた第１の発電機電圧より小さくなる電圧相関抵抗（“バリスタ”）（１０）を有するブリッジ要素（５）を備える、
自動的かつ負荷電流に相関した電力源装置（“発電機”）の電圧制御装置。
【請求項２】
制御回路の制御電圧は第１の発電機電圧と第２の発電機電圧との間の電圧差に相当することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
制御回路（２）は導通電圧に到達するとともに電流導通可能となることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
制御回路（２）はブレークスルー電圧が制御回路（２）の導通電圧に相当するツェナーダイオード（６）を備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
制御回路（２）は特に整流ダイオード（７）等の整流要素を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
第１のクランプペア（１Ｕ１，１Ｕ２）によってタッピングされた第１の発電機電圧が発電機主電圧に相当することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
電圧制御は±５％の許容誤差範囲内で実施されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
オーム負荷における電圧制御は公称負荷電流の約５０ないし８０％において実施されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
規格ＤＩＮ８５２８の実施クラスＧ２に準拠することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
電力源装置は永久励磁されるものである請求項１記載の装置。
【請求項１１】
三相のそれぞれについて請求項１ないし１０のいずれかに記載の装置を配置したことを特徴とする構成。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の装置をカスケード状に配置し、第１の発電機電圧と第２の発電機電圧との間の電圧差がカスケード内において漸減することを特徴とする構成。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の装置の特にディーゼルエンジン等のピストン内燃エンジンによって駆動される特に同期発電機等の電力源の自動的かつ負荷電流に対応した電圧制御への適用方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、電力源装置（“発電機”）の自動かつ負荷電流対応式の電圧制御に関する。特に、本発明はピストン内燃エンジンによって駆動された発電機の電圧制御への前記装置の適用に関する。
【０００２】
発電機の電圧制御を行う装置は既知である。誘導巻線を励磁するための電磁石を有する電力源装置において、多様な負荷状態に発電機電圧を適応させることは、例えば電磁石の制御電流の変更ならびにこれに追随する誘導巻線を貫通する磁束の変化によって実施される。この種の簡便な電圧制御は永久励磁された発電機においては不可能である。そのため電圧を制御するために技術的に煩雑な処置が必要となり、これは例えば能動的な巻線数を制御するための主巻線に沿った摺動接触子の形式で実施することができる。この際の問題点は摺動接触子の高い磨耗性であり、これは特に摩擦およびスパークによるものである。これによって、回避することができない巻線ショートに通じ、その結果無視することができない出力低下が生じる。さらに、スイッチング操作中に常に短い電流遮断を生じ得ることが問題である。
【０００３】
ドイツ国特許出願公開第２６５９６００Ａ１号公報には、巻線タッピングポイントおよび制御点に接続されたトライアックによってある位相で部分巻線を短絡させることによって発電機出力電圧を制御する、自動的かつ負荷に対応した電力源制御を行うための装置が示されている。
【０００４】
米国特許出願公開第２００１／００２８０２Ａ１号公報には、固定子巻線の巻線タッピングポイント上の供給電圧を切り換えることによって回転数／トルク特性が変更されるモータが記載されている。
【０００５】
ドイツ国特許出願公開第１００４７２８７Ａ１号公報には、多様な出力電圧を生成するために構成切換えによって固定子巻線の接続構成を変化させる、交流発電機によって多様な出力電圧を生成する装置ならびに方法が記載されている。
【０００６】
従って、本発明の目的は、多様な負荷状態に発電機電圧を適応させるための複雑な制御技術処置を回避することである。これによって、スイッチング操作中の電流遮断が生じなくなる。
【０００７】
前記の課題は、本発明の提案により独立請求項の特徴に従って解決される。従属請求項の特徴によって本発明の好適な追加構成が提供される。
【０００８】
本発明によれば、発電機巻線上で第１および第２の発電機電圧をタッピングするための第１および第２のクランプペアを設けてなる、自動的かつ負荷電流に対応した電力源の電圧制御を行うための装置が提案される。第１および第２のクランプペアのいずれもが発電機ペアと接続可能であり、これを介して負荷電流が誘導される。第１のクランプペアの間には常に第２のクランプペアの間に比べて多い巻線数が存在し、従って第１のクランプペア間においてタッピングされる電圧は常に第２のクランプペア間においてタッピングされる電圧よりも大きなものとなる。第１のクランプペアの間に常に第２のクランプペアの間に比べて多い巻線数が存在することが保持される限り、第１および第２のクランプペアのいずれもが発電機巻線の任意の位置に挟み付けることが可能である。第１の発電機電圧は発電機主電圧であるものとすることが好適であり、すなわち発電機の全巻線からタッピングされた電圧である。第２の発電機電圧は必ず発電機主電圧よりも小さなタッピング電圧である。
【０００９】
さらに、本発明に係る装置は第３のクランプペアを備え、これによって制御回路のための制御電圧をタッピングすることができる。制御電圧は第１の発電機電圧と第２の発電機電圧との間の電圧差に相当することが好適である。制御回路は、特定の導通電圧を超えるとはじめて電流が通流可能となるよう構成することが好適である。このことは例えばブレークスルー電圧が制御回路の導通電圧に相当するツェナーダイオードによって達成することができる。
【００１０】
この制御回路は、発電機クランプペアを発電機巻線上に挟み付けられた第１または第２のクランプペアと交互に接続するためのスイッチを有する制御リレーを備えている。第３のクランプペア上でタッピングされた制御電圧がスイッチリレーの上方閾値電圧以上の値となった場合、制御リレーのスイッチを切り換えることによってこのスイッチを介して第１のクランプペアと接続されている発電機クランプペアが第２のクランプペアと接続される。制御回路が一定の導通電圧を超えて初めて通流可能になる場合、上方の閾値電圧は制御回路の導通電圧の和から、例えばそこに設けられているツェナーダイオードのブレークスルー電圧およびスイッチリレーのプルイン電圧とから得られる。逆に、制御電圧がスイッチリレーの下方閾値電圧以下である場合、スイッチを介して第２のクランプペアと接続されている発電機クランプはスイッチの切換えによって第１のクランプペアと接続される。この下方閾値電圧は制御回路の導通電圧の和から得られ、例えばツェナーダイオードのブレークスルー電圧ならびにスイッチリレーの開放電圧から得られる。
【００１１】
スイッチリレーの開放電圧は常にスイッチリレーのプルイン電圧より小さくなり、ここでスイッチリレーのヒステリシスが重要である。このヒステリシスはスイッチリレーを安定的に切換えるために不可欠であり、これは等しい上方および下方閾値電圧から、すなわち同一のプルイン電圧および開放電圧からは、不安定なスイッチ状態が生じ、連続的に切換る可能性があるためである。
【００１２】
上方および下方の閾値電圧間の間隔すなわちヒステリシス幅は、一般的にスイッチリレーの寸法に相関する。ヒステリシスの相対的位置は回路内に設けられたツェナーダイオードの寸法によって変更することができる。ツェナーダイオードのブレークスルー電圧が低いとヒステリシスがより小さな制御電圧に移動し、またその逆も成立する。このツェナーダイオードはさらにヒステリシスの電位均等化の機能をもたらす。
【００１３】
制御回路内に例えば直流制御回路を有効に使用することを可能にする整流ダイオード等の他の要素が存在する場合、必要に応じてそれらの要素のブレークスルー電圧もスイッチリレーを切り換えるために必要な制御電圧の大きさに関して考慮される。
【００１４】
さらに、本発明に係る装置はスイッチによって達成される第１のクランプペアと発電機クランプペアとの間の接続をバイパスするためのブリッジ要素を備えている。このブリッジ要素は、ここでは過電圧保護としてではなくすなわち例外的に使用される、電圧相関抵抗（“バリスタ”）を備えており、第１と第２の発電機電圧の差より大きく第１のクランプペア上でタッピングされた第１の発電機電圧よりも小さいブレークスルー電圧を有する。制御リレーのスイッチが発電機クランプペアを第１または第２のクランプペアと接続すると、第１のクランプペアと発電機クランプペアとの間の接続部に沿っては実質的に電圧が降下しない。ブリッジ要素は、電位差が不在であることとこれによって生じるバリスタの電流通流性のために遮断要素として機能する。しかしながら、制御リレーのスイッチが第１および第２のクランプペアの間で切換えを行うと、切換え操作の間に第１のクランプペアの電位がバリスタ上に存在し、ブリッジ要素はスイッチの開放によって遮断された第１のクランプペアと発電機クランプペアとの間の接続をブリッジして負荷電流を誘導するために適した通流要素として機能する。スイッチによって第２のクランプペアが発電機クランプペアと接続される際に、短絡を防止するために、バリスタの導通電圧は第１および第２の発電機電圧の間の差よりも大きくなるよう選択する必要がある。切換え操作中の電流遮断をブリッジ要素によって有効に防止することができる。
【００１５】
本発明の好適な実施形態において、電圧制御が±５％未満の許容誤差内で実施される。このことは、公称電圧が５％過小あるいは過大になると同時に電圧の上昇あるいは降下制御が行われることを意味する。公称負荷電流の約５０％ないし８０％近辺のオーム負荷において電圧制御を行えば同様に好適である。負荷がオーム誘導である場合、これに対応して切換え点が公称電流のより高い比率部分に移動する。特に、本発明に係る装置はドイツ工業規格ＤＩＮ８５２８のＧ２実施クラスに準拠しており、これは電流源装置の電圧制御精度を公共電力線網の許容誤差に対応して規格化するものである。
【００１６】
次に、本発明の実施例につき、添付図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００１７】
図１には、永久励磁された同期発電機の１つの相の電圧制御を行うための本発明に係る装置の例示的な回路図が示されている。発電装置からは発電機巻線１ならびに発電機クランプＮ，Ｌ１のみが示されている。発電機巻線１上には第１のクランプペア１Ｕ１および１Ｕ２と第２のクランプペア１Ｕ１および“Ｕ”が第１または第２の発電機電圧をタッピングしている。第１のクランプペア１Ｕ１，１Ｕ２は発電機巻線の全巻線数を挟んでおり、他方第２のクランプペア１Ｕ１，２Ｕ２はこれより少ない巻線数を挟んでいる。誘導される電圧は巻線数に比例するため、第２の発電機電圧は第１の発電機電圧より常に小さくなる。第１および第２のクランプペアのいずれもが発電機Ｌ１，Ｎと結合可能である。
【００１８】
発電機クランプＬ１，Ｎを第１または第２のクランプペアと接続するために、スイッチ９を有するスイッチリレー８が作用する。スイッチリレー８は第１および第２のクランプペアのクランプ２Ｕ２と１Ｕ２に接続された制御回路２内に設けられ、従って第１および第２の発電機電圧の間の差電圧をタッピングする。制御回路１内にはさらにツェナーダイオード６および整流ダイオード７が設けられている。ツェナーダイオード６は、ツェナーブレークスルー電圧を超えて初めて通流可能になるような遮断作用をもたらすものである。整流ダイオード７は交流電圧を整流するように作用し、これによって直流スイッチリレー８を有効に使用することが可能になる。
【００１９】
クランプ１Ｕ１と２Ｕ２との間に誘導された電圧がツェナーダイオード６のブレークスルー電圧と整流ダイオード７の導通電圧と制御リレー８のプルイン電圧とによって与えられる上方閾値を超過すると同時に、スイッチ９を点入するようにスイッチリレー８を付勢する電流が制御回路２内を流れる。これによって発電機クランプペアＮ，Ｌ１上に生じる電圧が高位の電圧値１Ｕ２から低位の電圧値２Ｕ２に切換えられる。この切換え操作を作動させる負荷電流は第２のクランプペアの回路４を介して誘導される。制御回路のクランプ１Ｕ２，２Ｕ２の間の負荷電流の低下によってそこでタッピングされる制御電圧がさらに上昇し、これが切換え操作を補助する。従って、この支流における電圧に対する負荷電流の作用は保持される。
【００２０】
負荷電流が再度上昇するとタッピングされる制御電圧が降下し、制御電圧が下方の閾値電圧に到達すると同時にスイッチリレー８の新規の切換えが達成される。下方の閾値電圧はツェナーダイオード６のブレークスルー電圧と整流ダイオード７の導通電圧とスイッチリレー８の開放電圧とによって与えられる。下方の閾値は、スイッチリレーのヒステリシスに従って、常に上方の閾値電圧よりも低くなる。制御電圧がツェナーダイオード６のブレークスルー電圧未満に低下すると、制御回路２内には全く電流が通流しない。負荷電流による第２のクランプペアから第１のクランプペアへの切換えによって生じる制御回路のクランプ１Ｕ２，２Ｕ２の間の上昇する内部抵抗によって、制御電圧のさらなる低下がもたらされ、これが切換え操作を補助する。
【００２１】
切換え中の電流遮断はブリッジ要素５内に設けられたバリスタ１０によって防止される。このバリスタは無電圧状態では高いオーム値を有し、従って全く電流を通流させない。これに対してその端子上の電圧が上昇すると、特定の導通電圧において低オーム値状態に転換し回路３を介して電流を導通させる。スイッチ９が第１のクランプペアを発電機クランプペアと接続すると、ブリッジ要素の端子上には電位降下は生じず、バリスタは高オーム値となり遮断要素として機能する。第１のクランプペアから第２のクランプペアへのスイッチ９の切換えの間クランプ１Ｕ２の電位がバリスタにかかり、これによって低オーム値状態に変更され制御電流を誘導する。スイッチ９が第２のクランプペアに対する発電機クランプペアの接続を形成すると、回路４を介しての電流誘導が実施され、これに従ってバリスタが再び高オーム値になりブリッジ要素を介しての電流通流を遮断する。クランプ２Ｕ２からクランプ１Ｕ２へのスイッチ９の切換えに際しても同様である。クランプ２Ｕ２と１Ｕ２との間においてタッピングされる電圧の差よりもバリスタの導通電圧の方が高いことによって、スイッチ９が発電機クランプペアＮ，Ｌ１を第２のクランプペア１Ｕ１，２Ｕ２と接続する際に回路３を介して短絡が生じることが防止される。バリスタの内部損失を可能な限り低減するために、スイッチ９は可能な限り高速に転換する必要がある。
【００２２】
図２には、電流と電圧が同位相すなわちｃｏｓφ＝１（ここでφは電流と電圧の間の角度に相当）である純粋なオーム負荷（点線）の場合とｃｏｓφ＝０．８であるオーム誘導負荷の場合における、発電機クランプＬ１，Ｎによってタッピングされた線間電圧ＵＳｔｒ（相電圧）を公称電圧ＵＳｔｒＮに対する％で示したものの負荷電流ＩＬを公称負荷電流ＩＬＮに対する％で示したものへの相関性が示されている。
【００２３】
電圧曲線２は第１のクランプペア１Ｕ１，１Ｕ２によってタッピングされた第１の発電機電圧に相当し、他方電圧曲線１は第２のクランプペア１Ｕ１，２Ｕ２によってタッピングされた第２のより小さな発電機電圧に相当する。
【００２４】
切換え操作は±７％の許容誤差範囲に基づいている。無負荷状態（すなわちＩＬ＝０）において発電機クランプ電圧は公称電圧の約１０７％となり、１Ｕ１と２Ｕ２との間でタッピングされた電圧に相当する。
【００２５】
まずオーム負荷（点線）に注目する。最初発電機はゼロ負荷（点線の曲線１；ＩＬ＝０）が電気的にかけられ、負荷電流は連続的に増加し、公称負荷電流の約７７％に到達すると制御リレーの切換え閾値（上方閾値電圧）に到達し、発電機クランプＬ１が第１のクランプペアのクランプ１Ｕ２に接続される。これは線間電圧の約９４％から約１０１％への電圧変化をもたらす。点線２に示されるように、負荷電流をさらに上げた際に線間電圧が低下する。
【００２６】
その後発電機の負荷が解放されると、すなわち負荷電流が連続的に低下すると、発電機クランプ間でタッピングされる電圧が点線２に従って公称負荷電流の約５５％においてスイッチリレーの切換え閾値（下方閾値電圧）に達するまで上昇し、発電機クランプＬ１が第２のクランプペアのクランプ２Ｕ２に接続される。このことは、線間電圧の約１０５％から約９８％への電圧変化をもたらす。負荷電流をさらに低下させると点線１に示されるように線間電圧が上昇する。無負荷状態（ＩＬ＝０）において最終的に公称線間電圧の１０７％に到達する。
【００２７】
両方の切換え閾値の間に制御リレーのヒステリシスを見ることができる。ヒステリシスの極値は、公称負荷電流の約７７％と約５５％の間に存在している。ヒステリシスによって囲まれている面積は閾値間の相対距離ならびに線間電圧の傾きに依存する。
【００２８】
本発明に係る装置は、各渦電流相の相電圧を制御するためにそれぞれ設けられ、従って三相電流の場合計３個である。これは不平衡負荷において特に好適に作用し、これは重い負荷がかかる相において電圧が低下し負荷が軽い相においては電圧が上昇するためである。
【００２９】
特に、本発明に係る装置はカスケード式に相互に連結することができ、カスケード内における第１および第２の発電機電圧の間の距離は徐々に狭くなり、従って電圧制御がより繊細なものとなる。
【００３０】
本発明に係る装置の好適な適用形態は、ピストン内燃エンジンによって駆動される電源装置の自動的かつ負荷電流に対応した電圧制御に対するものである。これは特にディーゼルエンジンによって駆動される同期発電機に該当する。本発明は、永久励磁された発電機も好適に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】永久励磁された同期発電機の電圧制御装置を示す回路図である。
【図２】オーム負荷（点線）およびオーム誘導負荷（実線）、ならびに本発明に係る装置によって開放された切換え操作における負荷電流に対する渦電流の線間電圧の変化を示す説明図である。
【図１】
2005531272.tif 000003
【図２】
2005531272.tif 000004
【国際調査報告】
2005531272.tif 000005
2005531272.tif 000006
2005531272.tif 000007
2005531272.tif 000008